航空材料事业部
线弹（塑）性条件下的断裂韧性影响铝合金断裂韧度的因素断裂韧度的检测方法断裂韧度实例分析
线弹性断裂力学认为：在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变
处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。
处理问题有两种方法：
●一种是应力应变分析方法，研究裂纹尖端附近的应力应变场，提出应力
场强度因子及对应的断裂韧度和K 判据；
●另一种是能量分析方法，研究裂纹扩展时系统能量的变化，提出能量释
放率及对应的断裂韧度和G 判据。
线弹（塑）性条件下的断裂韧性影响铝合金断裂韧度的因素
断裂韧度的检测方法断裂韧度实例分析
根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有3种：裂纹扩展的基存方式
线弹（塑）性条件下的断裂韧性影响铝合金断裂韧度的因素断裂韧度的检测方法断裂韧度实例分析
裂纹扩展的基存方式
ICS 77.040.10 Ref. No. ISO 12135:2002/Cor.1:2008(E) ? ISO 2008 – All rights reserved Published in Switzerland INTERNATIONAL STANDARD ISO 12135:2002 TECHNICAL CORRIGENDUM 1 Published 2008-06-01 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION ? МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ ? ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION Metallic materials — Unified method of test for the determination of quasistatic fracture toughness TECHNICAL CORRIGENDUM 1 Matériaux métalliques — Méthode unifiée d'essai pour la détermination de la ténacité quasi statique RECTIFICATIF TECHNIQUE 1 Technical Corrigendum 1 to ISO 12135:2002 was prepared by Technical Committee ISO/TC 164, Mechanical testing of metals , Subcommittee SC 4, Toughness testing — Fracture (F), Pendulum (P), Tear (T). Page 1, Clause 2 Replace the reference to ISO 7500-1:— with the following: ISO 7500-1, Metallic materials — Verification of static uniaxial testing machines — Part 1: Tension/compression testing machines — Verification and calibration of the force-measuring system Delete the reference to Footnote 1) and the footnote “To be published. (Revision of ISO 7500-1:1999)”. Page 13, Figure 6 Add “(not to scale)”. Move the note from under the title of Figure 6 to above the title. Page 16, Figure 9, Footnote d) Replace “on” with “or” to give d Edge of bend or straight compact specimen.
《材料力学性能》论文 题目 院（系） 专业 学生姓名 学号 字数 完成日期: 年月日
目录 1摘要 (2) 2关键词 (2) 3引言 (3) 4研究方法 (4) 5试验方法 (4) 6研究结论 (5) 7目前存在的问题 (5) 8结束语 (5) 9参考文献 (5)
铝合金低温断裂韧性研究现状 Low temperature fracture toughness aluminum alloy research 摘要：随着航空航天技术的发展，机械性能的结构材料在低温的研究也越来越多。人们更加注重断裂韧性的铝合金的低温。本文介绍了常用的测量断裂韧性的方法及判据，分析了国内外评定铝合金及其接头的断裂性能现状，并提出测试2219铝合金的断裂韧性评定方案。最后指出了我国在评定低温断裂性能方面的不足以及需要改进的方面断裂力学判据随着近年来断裂力学的进展，在评价结构使用性能时，最适当的量度已变为断裂韧性。在断裂力学上把材料抵抗裂纹扩展的能力称为断裂韧性。在实际工程应用中我们采用那个断裂力学破坏判据？如何应用断裂力学指导选材与测定断裂韧性？这些是必须要首先解决的问题。目前断裂力学断裂判据较多，其特点、出发点各有不同。如线弹性断裂力学(KIC)可以认为是应力判据，裂纹张开位移(COD)可认为是位移判据，J积分可认为是能量判据，塑性区的尺寸ρ可认为是应变判据等。这些判据在评定结构件有那些问题？采用哪个比较适宜？为此必须了解这些判据的特点、约束条件、优点及不利的地方。线弹性断裂力学适用于平面应变或小范围屈服条件下；对于大范围屈服采用，，判据，对于全面屈服状态下的不再成立，只有用和；但是理论尚不够完善，J积分方法是弹塑性断裂力学中很有前途的方法。 关键词：铝合金低温断裂韧性2219铝合金
理论上是2.7，要看成型方法i: 压铸的2.6-2.63 左右，挤压的2.68-2.7，锻造的2.69-2.72 铝合金的典型机械性能(Typical Mechanical Properties) 铝合金牌号及状态拉伸强度(25°C MPa) 屈服强度(25°C MPa) 硬度500kg 力10mm球 延伸率1.6mm(1/16in)厚 度 5052-H1121751956012 5083-H1121802116514 6061-T6513102769512 7050-T745151045513510 7075-T65157250315011 2024-T35147032512020 铝合金的典型物理性能(Typical Physical Properties) 铝合金牌号及状态热膨胀系数 (20-100℃) μm/m·k 熔点范围 (℃) 电导率 20℃(68℉) (%IACS) 电阻率 20℃(68℉) Ωmm2/m 密度 (20℃)(g/cm3) 2024-T35123.2500-635300.058 2.82 5052-H11223.8607-650350.050 2.72 5083-H11223.4570-640290.059 2.72 6061-T65123.6580-650430.040 2.73 7050-T745123.5490-630410.0415 2.82 7075-T65123.6475-635330.0515 2.82 铝合金的化学成份(Chemical Composition Limit Of Aluminum ) 合 金牌号硅 Si 铁 Fe 铜Cu锰Mn镁Mg铬Cr锌Zn 钛 Ti 其它铝 每 个 合 计 最小 值 202 423. 2 0.5 3.8- 4. 9 0.3-0 .9 1.2-1 .8 0.10.25 0.1 5 0.0 5 0.1 5 余量 505 2250.40.10.1 2.2-2 .8 0.15-0. 35 0.1-- 0.0 5 0.1 5 余量 508 323. 8 0.40.1 0.3-1 .0 4.0-4 .9 0.05-0. 25 0.25 0.1 5 0.0 5 0.1 5 余量
断裂韧性测试实验报告 随着断裂力学的发展，相继提出了材料的IC K 、()阻力曲线J J R 、)(阻力曲线CTOD R δ等一些新的力学性能指标，弥补了常规试验方法的不足，为工程应用提供了可靠的断裂判据和设计依据。下面介绍下这几种方法的测试原理及试验方法。 1、三种断裂韧性参数的测试方法简介 1. 1 平面应变断裂韧度IC K 的测试 对于线弹性或小范围的I 型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态完全由应力强度因子I K 所决定。I K 是外载荷P ，裂纹长度a 及试样几何形状的函数。在平面应变状态下，当P 和a 的某一组合使I K =IC K ，裂纹开始失稳扩展。I K 的临界值IC K 是一材料常数，称为平面应变断裂韧度。测试IC K 保持裂纹长度a 为定值，而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时的C P 、a 代入所用试样的I K 表达式即可求得IC K 。 IC K 的试验步骤一般包括： （1） 试样的选择和准备（包括试样类型选择、试样尺寸确定、试样方位选择、试样加工及疲 劳预制裂纹等）； （2） 断裂试验； （3） 试验结果的处理（包括裂纹长度a 的测量、条件临界荷载Q P 的确定、实验测试值Q K 的 计算及Q K 有效性的判断）。
1. 2 延性断裂韧度R J 的测试 J 积分延性断裂韧度是弹塑性裂纹试样受I 型载荷时，裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量J 积分的某些特征值。测试J 积分的根据是J 积分与形变功之间的关系： a B U J ??-= （1-1） 其中U 为外界对试样所作形变功，包括弹性功和塑性功两部分，a 为裂纹长度，B 为试样厚度。 J 积分测试有单试样法和多试验法之分，其中多试样法又分为柔度标定法和阻力曲线法。但无论是单试样法还是多试样柔度标定法，都须先确定启裂点，而困难正在于此。因此，我国GB2038-80标准中规定采用绘制R J 阻力曲线来确定金属材料的延性断裂韧度。这是一种多试样法，其优点是无须判定启裂点，且能达到较高的试验精度。这种方法能同时得到几个J 积分值，满足工程实际的不同需要。 所谓R J 阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的J 积分值与该真实裂纹扩展量的关系曲线。标准规定测定一条R J 阻力曲线至少需要5个有效试验点，故一般要58件试样。把按规定加工并预制裂纹的试样加载，记录?-P 曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同的裂纹扩展量（但最大扩展量不超过0.5mm ）。测试各试样裂纹扩展量a ?，计算相应的J 积分，对试验数据作回归处理得到R J 曲线。R J 阻力曲线的位置高低和斜率大小代表了材料对于启裂和亚临界扩展的抗力强弱。 R J 阻力曲线法测试步骤一般包括： （1） 试样准备
一,AA 7055铝合金材料性能摘要 7055铝合金是目前最先进的商用高强高韧铝合金，具备极高的强度、较好的韧性以及良好的抗应力腐蚀性，具有广泛的应用前景。材料在复杂的服役环境中可能受到各种不同载荷的作用，对材料在不同加载条件下力学行为的研究是完善材料开发、应用以及进行新材料及结构设计的基础。目前，国内对7055铝合金的研究尚处于起步阶段，对于这类新型高性能铝合金在不同加载条件下的力学行为研究仍然十分匮乏，同时，目前也没有一个被广泛接受的本构模型能对该类材料在大的温度和应变率范围内力学行为进行准确描述。另外，作为目前研究材料动态力学行为最为常用的实验设备——分离式霍普金森压杆（SHPB）和分离式霍普金森拉杆（SHTB），在实验方法和实验技术上尚未形成完善、统一的标准，有待进一步的研究和发展，譬如SHPB实验中实现预定应变率的实验参数选取问题，以及SHTB实验中的试样连接方式等。 基于以上背景，本文首先针对SHPB和SHTB实验方法开展了研究和改进工作；然后，较为系统地研究了美国铝业公司生产的AA 7055-T77铝合金在不同温度和应变率下的力学性能及行为，结合微观组织分析对其部分机理进行了初步研究，根据实验结果对Johnson-Cook本构模型进行了修正，并对本构模型的适用性进行了检验和讨论；最后，为评估AA 7055铝合金的高速撞击特性，对AA 7055铝合金和参考材料在高速撞击下的厚板成坑行为进行了研究和对比分析。本文主要的研究内容如下： 第一，基于一维应力波理论推导出一个应变率预估公式，以预估公式为核心，提出了一种可方便实现预定应变率的SHPB实验方案设计方法，并通过数值仿真与实验对该方法进行了演示和验证。 第二，设计了一种用于SHTB装置的楔形卡口式试样连接方式，并通过数值仿真及实验测试证明了这种卡口式连接方式是有效可行的。 第三，利用Gleeble热模拟试验机对AA 7055铝合金在不同温度下的低应变率单轴压缩性能进行了测试，温度范围为300~750K，加载应变率分别为0.0005s-1、0.01s-1和1s-1；利用SHPB 及改进试样连接方式的SHTB装置对其在常温下的动态压缩性能和动态拉伸性能进行了研究，应变率测试范围为：动态压缩时900~5000s-1，动态拉伸时500~1600s-1；获得了AA 7055铝合金在以上加载条件下的应力应变关系和力学行为。 第四，基于AA 7055铝合金的实验结果，提出了一个包含临界转变温度 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 的温度效应附加函数、一个耦合温度的应变率效应函数和一个包含有效应变的分段应变硬化函数，综合以上结果，提出了一个具有上述特征的修正Johnson-Cook模型。利用该修正模型对7050-T7451铝合金在较大的温度和应变率范围内的流动应力进行了预测，得到的结果与实验结果符合的较好；同时，该修正模型高温下简化形式对AA 7055铝合金在本文研究范围内的流动应力预测结果与实验结果符合得较好，得到的结果均优于Johnson-Cook模型。说明本文提出的修正Johnson-Cook模型对于铝合金材料具有较好的适用性。 第五，对45%体积分数SiCp/2024Al复合材料、2024铝合金及2A12铝合金也进行了部分测试，获得了这3种参考材料的部分力学性能和材料参数。参考材料的实验结果以及文献中的实验数据表明，本文提出的温度效应附加函数同样适用于参考材料以及部分其它材料。 第六，在单次动态压缩的基础上，利用SHPB对AA 7055铝合金和2024铝合金进行不同次数的循环动态压缩测试，通过对宏观应力应变关系和微观组织变化综合分析，研究了AA 7055铝合金动态压缩时剪切局部化的发展过程。发现了铝合金动态压缩时试样内部剪切局部化的形成机理和发展规律。 最后，利用二级轻气炮系统研究了AA 7055铝合金、45%体积分数SiCp/2024Al复合材料和
金属材料的断裂韧性 摘要不同的金属材料的断裂韧性是不一样的，对不同金属材料的断裂韧性进行研究并找出影响的因素对提高金属材料断裂韧性具有非常重要的意义。根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。 关键词金属材料；失效；断裂韧性；影响因素 0引言 随着现代社会经济的不断发展，对金属材料的使用也大大的增加，在工程构件设计和使用的过程中，最为严重的就是金属材料的断裂，金属材料一旦发生断裂就会发生生产安全事故，同时也会造成一定的经济损失。通过对以往发生的大量的金属材料的断裂事件的分析，得出构件的低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的，其中最为主要的是金属材料的断裂纹，裂纹一般是在金属加工和生产的过程中引起的[1]。 根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。 1影响金属材料断裂韧性的外部因素 1.1几何因素的影响 几何因素是影响金属材料断裂韧性的一个最为重要的外部因素。几何因素主要包括两个方面的内容，分别是试样厚度和试样取向等因素，下面对这两个因素进行分析： 1）试样厚度 目前在对金属材料的断裂韧性进行研究的过程中发现，不同厚度的金属材料会对会对裂纹前端的应力约束产生较大的影响，同样也会对金属材料的断裂韧性有一定的影响，所以我们分别用不同厚度的同一个金属材料进行断裂韧性的实验，在实验的过程中发现厚试样的断裂韧性值明显的比薄试样的断裂韧性值要低，换而言之，不同厚度的金属材料，其自身的断裂韧性也不同，厚度也是影响金属材料断裂韧性的一个重要的因素[2]。 2）试样的取向 在对金属材料进行取样测试的时候，试样的去向业余金属材料的断裂韧性之
材料力学性能实验报告 姓名：刘玲班级：材料91 学号：09021004 成绩： 的测定 实验名称断裂韧性K IC 实验目的了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法 实验设备 1.万能材料试验机一台（型号CSS-88100) 2.位移传感器及自动记录装置 3.游标卡尺一把 4.显微测试仪一台 5.三点弯曲试样四个 试样示意图
试样宏观断口示意图（韧断，脆断） 图1 20钢脆断 图2 40铬韧性断口
实验记录及Q P 的确定 表1 裂纹长度a 1a /mm 2a /mm 3a /mm 4a /mm 5a /mm a /mm 03 2.478 5.0085 5.5680 5.2430 3.1925 5.2432 09 2.757 3.9505 4.134 3.992 3.1790 4.0255 403 2.800 3.4065 3.7085 3.4915 2.9185 3.5355 407 1.986 2.6595 2.9970 2.5970 16810 2.7512 表2 试样各数据 试样编号 试样材料 屈服强度(MPa) 高度W(mm) 宽度B(mm) 03 40Cr800℃+ 100℃回火 1050 25.00 12.50 09 25.00 12.50 403 20#钢退火态 370 25.00 12.00 407 25.00 12.00 表3 各试样实验测得的Q P 值及max P 试样编号 Q P (N) max P (N) 03 13270.126 13270.126 09 26650.307 26650.307 403 407 14523.800 16479.500
(1)铝硅系合金，也叫“硅铝明”或“矽铝明”。有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，含硅量在10％～25％。有时添加0.2％～0.6％镁的硅铝合金，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。有时添加适量的铜和镁，能提高合金的力学性能和耐热性。此类合金广泛用于制造活塞等部件。 (2)铝铜合金，含铜4.5％～5.3％合金强化效果最佳，适当加入锰和钛能显著提高室温、高温强度和铸造性能。主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件。 (3)铝镁合金，密度最小 (2.55g/cm3)，强度最高(355MPa左右)的铸造铝合金，含镁12％，强化效果最佳。合金在大气和海水中的抗腐蚀性能好，室温下有良好的综合力学性能和可切削性，可用于作雷达底座、飞机的发动机机匣、螺旋桨、起落架等零件，也可作装饰材料。 (4)铝锌系合金，为改善性能常加入硅、镁元素，常称为“锌硅铝明”。在铸造条件下，该合金有淬火作用，即“自行淬火”。不经热处理就可使用，以变质热处理后，铸件有较高的强度。经稳定化处理后，尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。 以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。 铝合金密度低，但比强度高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。 铝合金分两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工，力学性能高于铸态。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。
铝合金按加工方法可以分为变形铝合金 和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝 合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处 理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。 铝合金可以采用热处理获得良好的机械 性能，物理性能和抗腐蚀性能。 铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金和铝锌合金。 纯铝产品】 [编辑本段] 纯铝分冶炼品和压力加工品两类，前者以化学成份Al表示，后者用汉语拼音LG （铝、工业用的）表示。 【压力加工铝合金】 [编辑本段] 铝合金压力加工产品分为防锈（LF）、硬质（LY）、锻造（LD）、超硬（LC）、包覆（LB）、特殊（LT）及钎焊（LQ）等七类。常用铝合金材料的状态为退火（M 焖火）、硬化（Y）、热轧（R）等三种。 【铝材】 [编辑本段] 铝和铝合金经加工成一定形状的材料统 称铝材，包括板材、带材、箔材、管材、棒材、线材、型材等。 【铸造铝合金】 [编辑本段] 铸造铝合金（ZL）按成分中铝以外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四类，代号编码分别为100、200、300、400。
第四章金属的断裂韧性 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。 1．强度储备法，许用应力，强度储备系数（安全系数） 按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。而[σ]，对塑性材料[σ]=σs/n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。 2．低应力脆性断裂（低应力脆断）：高强度机件及中低强度大型件。 3．裂纹体：传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 4．人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。断裂力学，建立了材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。 5．断裂韧性，断裂韧度 §4.1 线弹性条件下的断裂韧性 断口分析表明，金属机件的低应力脆断断口没有宏观塑性变形痕迹，可以应用线弹性断裂力学。两种分析方法：（1）应力场强度分析方法；（2）能量分析方法。 一、裂纹扩展的基本形式 根据外加应力与裂纹扩展面间的取向关系，裂纹主要有三种基本形式： 张开型（I型），滑开型（II型）、撕开型（III型）。 二、应力场强度因子K I及断裂韧性K IC
实验陶瓷材料断裂韧性的测定 一、前言 脆性材料的破坏往往是破坏性的，即材料中裂纹一旦扩展到一定程度，就会立即达到失稳态，之后裂纹迅速扩展。材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力，亦即抵抗脆性破坏的能力。它是材料塑性优劣的一种体现，是材料的固有属性。裂纹扩展有三种形式：掰开型(I型)、错开型(II型)、撕开型(III型)，其中掰开型是最为苛刻的一种形式，所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性，此时的测量值称作K IC。在平面应变状态下材料K IC 值不受裂纹和几何形状的影响。因此，K IC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性，具有非常重要的意义。 目前，断裂韧性的测试方法多种多样，如：单边切口梁法(SENB)、双扭法（DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。其中，有些方法技术难度较高，不太容易实现大规模实用化；有些方法会出现较大测量误差，应用起来存在一定困难。相对而言，比较普遍采用的SENB法，该方法试样加工较简单，裂纹的引入也较容易。 本实验采用SENB法进行。但是，这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷；另外，它适用于粗晶陶瓷材料，对细晶陶瓷其所测的K IC值偏大。 二、仪器 测试断裂韧性所需仪器如下： 1.材料实验机 对测试材料施加载荷，应保证一定的位移加载速度，国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。 2.内圆切割机 用于试样预制裂纹，金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。 3.载荷输出记录仪 输出并记录材料破坏时的最大载荷，负荷示值相对误差不大于1。本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷，采用电子记录仪记录断裂载荷。 4.夹具 保证在规定的几何位置上对试样施加载荷，试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形，材料的弹性模量不低于200GPa。支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径，长度应大于试样的宽度，与试样接触部分的表面粗糙度R a（根据规定不大于1.6μm）。试样支座为两根二硅化钼发热体的小圆柱，置于底座两个凹槽上。压头固定在材料实验机的横梁上。 5.量具 测量试样的几何尺寸和预制裂纹深度，精度为0.0lmm，需使用游标卡尺和读数显微镜。 三、试样的要求 试样的形状是截面为矩形的长条，试样表面要经过磨平、抛光处理，对横截面垂直度有一定的要求，边棱应作倒角。在试样中部垂直引入裂纹，深度大约为试样高度的一半，宽度应小于0.2mm。试样尺寸比例为： c/W=0.4～0.6 L/W=4 B≈W/2 式中：c－裂纹深度； W－试样高度；
断裂力学与断裂韧性 3.1 概述 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！ 按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就 被认为是安全的了。而[σ]，对塑性材料[σ]=σ s /n，对脆性材料[σ]=σ b /n， 其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。 3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 3.2.1 理论断裂强度 金属的理论断裂强度可由原子 间结合力的图形算出，如图3-1。 图中纵坐标表示原子间结合力，纵
轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力 时吸力最大以越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到X m σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σ 。该力和位移的关系为 c 图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。分离后形成两个新表面，表面能为。 可得出。 若以=，=代入，可算出。 3.2.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多，粗略言之，至少低一 陶瓷、玻璃的实际断裂强度则更低。 个数量级，即 。 实际断裂强度低的原因是因为材料内部存在有裂纹。玻璃结晶后，由于热应力产生固有的裂纹；陶瓷粉末在压制烧结时也不可避免地残存裂纹。金属结晶是紧密的，并不是先天性地就含有裂纹。金属中含有裂纹来自两方面：一是在制造工艺过程中产生，如锻压和焊接等；一是在受力时由于塑性变形不均匀，当变形受到阻碍(如晶界、第二相等)产生了很大的应力集中，当应力集中达到理论断裂强度，而材料又不能通过塑性变形使应力松弛，这样便开始萌生裂纹。
断裂韧性测试实验报告 随着断裂力学的发展，相继提出了材料的IC K 、()阻力曲线J J R 、)(阻力曲线CTOD R δ等一些新的力学性能指标，弥补了常规试验方法的不足，为工程应用提供了可靠的断裂判据和设计依据。下面介绍下这几种方法的测试原理及试验方法。 1、三种断裂韧性参数的测试方法简介 1. 1 平面应变断裂韧度IC K 的测试 对于线弹性或小围的I 型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态完全由应力强度因子I K 所决定。I K 是外载荷P ，裂纹长度a 及试样几何形状的函数。在平面应变状态下，当P 和a 的某一组合使I K =IC K ，裂纹开始失稳扩展。I K 的临界值IC K 是一材料常数，称为平面应变断裂韧度。测试IC K 保持裂纹长度a 为定值，而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时的C P 、a 代入所用试样的I K 表达式即可求得IC K 。 IC K 的试验步骤一般包括： （1） 试样的选择和准备（包括试样类型选择、试样尺寸确定、试样方位选择、试样加工及疲 劳预制裂纹等）； （2） 断裂试验； （3） 试验结果的处理（包括裂纹长度a 的测量、条件临界荷载Q P 的确定、实验测试值Q K 的 计算及Q K 有效性的判断）。 1. 2 延性断裂韧度R J 的测试
J 积分延性断裂韧度是弹塑性裂纹试样受I 型载荷时，裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量J 积分的某些特征值。测试J 积分的根据是J 积分与形变功之间的关系： a B U J ??-= （1-1） 其中U 为外界对试样所作形变功，包括弹性功和塑性功两部分，a 为裂纹长度，B 为试样厚度。 J 积分测试有单试样法和多试验法之分，其中多试样法又分为柔度标定法和阻力曲线法。但无论是单试样法还是多试样柔度标定法，都须先确定启裂点，而困难正在于此。因此，我国GB2038-80标准中规定采用绘制R J 阻力曲线来确定金属材料的延性断裂韧度。这是一种多试样法，其优点是无须判定启裂点，且能达到较高的试验精度。这种方法能同时得到几个J 积分值，满足工程实际的不同需要。 所谓R J 阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的J 积分值与该真实裂纹扩展量的关系曲线。标准规定测定一条R J 阻力曲线至少需要5个有效试验点，故一般要5~8件试样。把按规定加工并预制裂纹的试样加载，记录?-P 曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同的裂纹扩展量（但最大扩展量不超过0.5mm ）。测试各试样裂纹扩展量a ?，计算相应的J 积分，对试验数据作回归处理得到R J 曲线。R J 阻力曲线的位置高低和斜率大小代表了材料对于启裂和亚临界扩展的抗力强弱。 R J 阻力曲线法测试步骤一般包括： （1） 试样准备 ①试样尺寸的选择原则： 1）平面应变条件：标准规定 )/(05.0s J B σα≥ （1-2） 其中
实验五断裂韧性K IC测试试验 一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σy 和KⅠC的参考值 本实验采用标准三点弯曲试样（代号SE（B）），材料为40Cr，其热处理工艺如下： ①热处理工艺：860℃保温1h，油淬；220℃回火，保温0.5~1h ；②缺口加疲劳裂纹总长：9~11mm （疲劳裂纹2~3.5mm）③不导角，保留尖角。 样品实测HRC50，从机械手册中关于40Cr 的热处理实验数据曲线上查得：σy=σ 0.2=1650MPa，σ b=1850MPa，δ 5=9%，ψ =34%，KⅠC=42MN · m -3/2。 二、试样的形状及尺寸 国家标准GB/T 4161-1984《金属材料平面应变断裂韧度KⅠC 试验方法》中规定了两种测试断裂韧性的标准试样：标准三点弯曲试样（代号SE（B））和紧凑拉伸试样（代号C（T））。 这两种试样的裂纹扩展方式都是Ⅰ型的。本实验采用标准三点弯曲试样（代号SE（B））。试样的形状及各尺寸之间的关系如图所示： 为了达到平面应变条件，试样厚度 B 必须满足下式： B≧2.5（KⅠC/ σy）2 a≧2.5（KⅠC/ σy）2 （W-a）≧ 2.5（KⅠC/σ y）2 式中：σ y—屈服强度σ 0.2 或σ s 。 因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KⅠC 和σ y 值，再根据上式确定试样 的最小厚度B。若材料的KⅠC 值无法估计，则可根据σ y/E 的值来确定B 的大小，然后再确定试样的其他尺寸。试样可从机件实物上切去，或锻、铸试样毛坯。在轧制钢材取样时，应注明裂纹面取向和裂纹扩展方向。 试样毛坯粗加工后，进行热处理和磨削，随后开缺口和预制裂纹。试样上的缺口一般在钼丝电切割机床上进行切割。为了使引发的裂纹平直，缺口应尽可能地尖锐。 开好缺口的试样，在高频疲劳试验机上预制裂纹。 疲劳裂纹长度应不小于2.5%W，且不小于1.5mm 。a/W 值应控制在0.45~0.55 范围内。本试样采用标准三点弯曲试样（代号SE（B）），其尺寸：宽W=19.92mm ，厚B=10.20mm 总长100.03mm 。 三、实验装置 制备好的试样，在MTS810 材料力学试验机上进行断裂试验。对于三点弯曲试样，其试验装置如图5-2 所示。可将采集的试验数据以文件形式（数据采集间隔0.1s）存储在计算机 中，同时利用3086-11 型X—Y 系列实验记录仪绘制P—V曲线。本实验跨距S为80mm ，弯曲压头速率0.01mm/s 。用15J型工具显微镜测量试样的临界裂纹（半）长度a。
第四章 金属的断裂韧性 1. 名词解释： ⑴ 低应力脆断；⑵ 张开型（Ⅰ型）裂纹；⑶ 应力场强度因子 （4）裂纹扩展K 判据；（5） 裂纹扩展能量释放率；（6） 裂纹扩展G 判据 （7）小范围屈服；（8） 塑性区；（9） 有效屈服应力；（10）等效裂纹； 2. 传统强度设计与线弹性断裂力学性能设计的基本思路有何差异？它们在实 零件设计中的应用各有何局限性？ 3. 何谓“低应力脆断”？为什么会产生低应力脆断？ 4. 何谓“应力场强度因子”？ “断裂韧性”？它们的物理意义是什么？量纲 是什么？ 5. 什么是平面应力状态？什么是平面应变应力状态？实际构件承载时哪些可 以看成是平面应变应力状态？ 6. 说明IC I K a Y K ≥?=σ，式中各符号所代表的物理意义？这一不等式可以解 决哪些问题？ 7. 设有两条Ι型裂纹，其中一条长为4a ，另一条长为a ，若前者加载至σ，后 者加载至2σ,试问它们裂纹顶端附近的应力场是否相同，应力场强度因子是否相同？ 8. 改善材料断裂韧性的途径？ 9. 对实际金属材料而言，裂纹顶端形成塑性区是不可避免的，由此对线性弹性断裂力学分析带来哪些影响。反映在 试验测定上有何具体要求。 10. 有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa ，K IC =115 MPa·m 1/2，探伤发现有20mm 长的横向穿透裂纹，若在平均轴向应力900MPa 下工作，试计算K I 和塑性区宽度并判断该件是否安全。 11. 有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm,a/c=0.3，在1000MPa 的 应力下工作，对下列材料应选哪一种？
σ0.2/ MPa 1100 1200 1300 1400 1500 KIC/ MPa·m 1/2110 95 75 60 55 12. 已知裂纹长2a=8mm ，σ=400MPa ，若取Y 为0.8636，求K 1？ 13. 某高压气瓶壁厚18mm ，内径380mm ，经探伤发现沿气瓶体轴向有一表面深 裂纹，长 3.8mm ，气瓶材料在-40℃时的抗拉强度为86 Kgf/mm 2，K IC = 166Kgf/mm 23，试计算在-40℃时临界压力是多少？（提示：可把表面深裂纹看作穿透裂纹）