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
??
???铝合金钛合金钢 120 80
50α
2）J 积分有效性条件
)/(2s R J a W σα
≥-
一般05.0J J R ≥,当不易估计a W -时，可用4.1)/(≥-a W B 求出 )(a W -的估计值 ②疲劳预制裂纹 ：
为了保证得到尖端而平直的裂纹，同时考虑到J 积分试验对象大多是中、低强度材料，所使用的疲劳载荷不能超过试样屈服载荷，以免发生挠曲塑性变形。
（2） 断裂实验
加载断裂试验可在各种普通材料试验机上进行。试样的装卡方式与三点弯曲试样弯曲试样测试IC K 时相似。正式加载前，先用低于启裂载荷之值预加载两次，以使各装卡位置接触良好。然后按一定速度正式加载，同时记录?-P 曲线。在产生预定裂纹扩展量a ?之后卸载停机，取下试样，用适当的方法，如氧化着色法，二次疲劳等使裂端扩展前缘留印后压断。注意二次疲劳时不得m ax f P 超过极限载荷L P ，以免裂端形貌发生奇变.
（3） 试验结果处理（包括裂纹长度a 的测量、裂纹扩展量a ?的测量、R J 值计算及R J 曲线的绘制和J 积分特征值的确定等）。
1.3． CTOD 的测试
我国国家标准GB2358-94包括单试样法和CTOD 阻力曲线法。单试样法是参照英国标准学会DD-19所规定的方法来测定CTOD （简称δ），所测结果为启裂点的裂端张开位移。而R δ阻力曲线与R J 阻力曲线方法类似。所谓R δ阻力曲线是指相应于某一裂纹扩展量的δ值与裂纹扩展量a ?的关系曲线，它不但能提供启裂抗力i δ，而且能同时得到几个COD 特征值，以满足不同条件的需要。R δ曲线本身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力的变化规律，这在评定材料
和工艺质量及安全分析方面有着重要意义。同时，求作
R
δ曲线可以省去确定启裂点的步骤，
这是
R
δ曲线法优越的方面。
通过试验直接准确地测得裂纹尖端张开位移(CTOD)值非常困难,且其定义还没有统一。试验中,一般采用三点弯曲试样的变形几何关系,由裂纹嘴张开位移去换算并求得CTOD值δ。以三点弯曲为例,参见图1.1
图1.1 COTD试验原理图
图中W为三点弯曲试样的宽度,0a为裂纹长度(包括线切割的和预制疲劳裂纹长度),(W-0a)为韧带宽度,刀口被用来安装夹式电子引伸计,Z为刀口厚度。p V为裂纹嘴张开位移塑性部分。原裂纹尖端处张开位移的塑性部分记为pδ。假设在塑性变形过程中,裂纹表面绕O点作刚体转动。p r称为转动因子,指在试样塑性变形时旋转中心到原裂纹尖端的距离与韧带宽度((W-0a)的比值。假设三角形'
OBB
?与三角形'
OFF
?相似(塑性三角形假说),则：
00
P
()
()
p
p p
r W a a z
V
r W a
δ
-++
=
-
(1-1)
即有：
P
00
()
()
p
p
p
r W a
V
r W a a z
δ
-
=
-++
(1-2)
弹塑性情况下, δ可由弹性的eδ和塑性的pδ两部分组成,即:
p e δδδ=+ (1-3)
弹性部分e δ为对应于载荷max P 的裂纹尖端弹性张开位移,在平面应变情况下，对三点弯曲试样,有：
12
PS I K BW = (1-4) 则原裂纹尖端张开位移δ为:
2202I I P 00()(1-)2()p e p s p r W a K K V E r W a a z
μδδδσ-=+=+-++ (1-5) 测试COD 的标准试样是三点弯曲试样，其形状同IC K 试样。多试样法所用试样个数同样为5~8个，试验过程中使各个试样加载到不同裂纹扩展量a ?后停机，测出停机时的荷载P 与位移P V ，代入公式（1-6）
2202I I P 00()(1-)2()p s p r W a K K V E r W a a z
μδσ-=+-++ (1-6) 同样对于三点弯曲试样,BS7448系列规范建议取p r =0.4,规范GB/T2358—1994建议取p r =0.44,规范JB/T4291—1999建议取介p r =0.45,而国家标准最近修正为p r =0.40同国际标准及英国系列标准一样。
本报告按国家标准GB2358-94规定p r 取0.44。
以上各式中:P 为载荷;S 为试样跨距;B 为试样厚度;S 为跨距;E 为材料的弹性模量; s σ为材料的屈服强度; μ为材料的泊松比; p r 称为转动因子, p V 为裂纹嘴张开位移塑性部分。
由此，可得该试样停机时的δ，这个δ就是对应该裂纹扩展量a ?时的裂纹扩展阻力，记为R δ。对每个试样可以得到一对（R δ，a ?），5~8个试样可描绘一条R δ~a ?曲线，此曲线即为R δ曲线。
R δ曲线测试的一般步骤（与R J 阻力曲线测试类似）为：
（1）试样制备（包括试样尺寸、疲劳预制裂纹）；
（2）断裂实验（记录P V曲线）；
（3）试验结果处理（包括数据处理和计算
R
δ特征值等）。
2、平面应变断裂韧度COD的测试
2.1 试样的选择与准备
(1) 试样类型
规范推荐采用三点弯曲试样见图。试样类型的选用原则是根据材料来源、加工条件、试验设备以及试验目的的综合考虑。
图2.1 直3点弯曲
(2) 试样尺寸
标准规定了三种标准试样，并建议尽量采用厚度与实际构件相同的所谓全厚试样，以使试样裂端与实际构件处于相同的约束条件。这三种试样的主要尺寸关系为：
20.450.554
20.250.354
1.20.350.454
W B W a W S W
W B W a W S W
W B W a W S W
=≤≤=
=≤≤=
=≤≤=
其中W为高度，B为厚度，a为裂纹长度，包括机加工切口和疲劳裂纹长度之和，S为跨距。前两种试样用于工程结构安全评定试验，第三种试样用于对材料和工艺质量进行相对评定试验。
(3) 试样方位选择
金属材料一般都具有明显的宏观各向异性，这是各种加工制造过程给材料内部化学成分、显微组织的分布所带来的方向性的结果。试样方位选择应视试验目的和要求而定，例如要评估实际工件的IC K ，就要模仿实际工件的加载及裂缝扩展方向。
(4) 试样加工
试样加工时，应特别注意使最后磨削条痕方向垂直于裂纹扩展方向，至少不要使两者平行。磨削之后就要开切口，目前普遍采用钼丝线切割。
(5) 疲劳预制裂纹
预制裂纹都在疲劳试验机上完成。要避免裂纹尖端因荷载过高产生较大的塑性区。对于三点弯曲试样，应使裂纹总长度(0.450.55)a W ≈，其中疲劳裂纹的长度至少有1.5mm 。
疲劳引发裂纹时采用的最大疲劳载荷max P 应不大于f P 。
对于三点弯试样 200.5/f Y P Bb S σ=
y σ—屈服应力(屈服点s σa,或屈服强度0.2σ).MPa ；
b σ—抗拉强度，MPa;
Y σ—有效屈服强度，()/2Y y b σσσ=+,MPa ;
2.2. 断裂试验步骤
试验一般在万能材料试验机上进行。以三点弯曲试样为例，试样装置如图2.2和图2.3所示。
图2.2 三点弯曲试验装置示意图
1—试验机上横梁；2—支座；3—试样；4—载荷传感器；
5—夹式引伸计；6—动态应变仪；7—X—Y函数记录仪。
图2.3 夹式引伸计构造及安装
1－试样2－刀口3－引伸计
和）的试样按规定仔细装夹牢固。在加载过程中，夹式引伸计和测力计把测好尺寸（B W
-曲线）。应该注得到的讯号经过放大后输入X Y
-记录仪，描绘出力—张开位移曲线（P V
意的有以下几点：
（1）夹式引伸仪一般都应该根据标准推荐方法自行制备；
（2）夹式引伸仪和测力计应定期校核和标定，以保证试验结果的可靠性；
（3）加载速度应保证应力强度因子的增长速率在每分钟增长31至1553/2
MN m范围内，相当
/
B Bmm s；
于0.040.2/
（4）支座的轴辊要略能移动以免产生过大的横向摩擦阻力影响试验结果；
（5）要求断口与试样长度放线基本垂直，偏差不能大于010；
（6）应观察和记录断口宏观形貌，剪切唇宽度与平断口的百分比例。
2.3 试验结果处理
(1) 裂纹长度a 的测量
按图2.4所示沿着疲劳裂纹前缘和标记出的裂纹稳态扩展区的前缘，在其间隔的9点上测量裂纹尺寸。(i=1,2,3,......9 )测量仪器的精度不低于0.02 mm,按下式计算裂纹长度:
080109028192
1()821()82i i i i a a a a a a a a ==+=++=+∑∑
图2.4 裂缝测量示意图
注：(0.01)/8N B B W =-
(2) 确定δ
在三点弯曲加载试验所得到的P —V 曲线，大体有图2.4中的几种情形
图2.4 P V -曲线
在图2.4(a)和(b)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷c P 与位移pc V 计算c δ。如果失效发生在线性段附近，可按GB 4161测量Ic K 。
在图2.4(e)的情况下，取最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的载荷m P 与位移mp V 计算m δ。
在图2.4（c)和(d)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷u P 与位移up V ，计算u δ，如果突进点是由于疲劳裂纹前缘的脆性失稳扩展受阻引起的，则应考虑被测材料的特征。
试验后的断口检验，如最大突进裂纹扩展量已超过0. 040b ，可按下列步骤估汁“小突进”信
号值。
1）通过最大载荷点作BC 线平行于OA 线。
2）作BD 线平行于载荷轴。
3）位于0. 95BD 处作标记E
4）作CEF 线
5)相应于载荷位移的突进处作标记G 。
6)当G 点位于角BCF 以外时，取载荷c P 或u P 和位移c V 或u V 。计算c δ或u δ，例如图2.5(a)。
7)当G 点位于角BCF 以内时.该突进点可以忽略.图2.5(b)。
图2.5 突进点示意图
在图2.4(a)(b)和(d)的情况下，不能直接测定i δ值，若需要i δ值，可根据阻力曲线来确定。 R δ的计算方法—获得必要的测量数据后，采用下列公式计算原始裂纹尖端部位的张开位移:
2202I I P 00()(1-)2()p s p r W a K K V E r W a a z
μδσ-=+-++ 式中: μ——对一般钢材取0. 3；
E ——对一般钢材取52.0610MPa ?
p r —— 塑性转动因子，0.4(1)p r α=+。
三点弯曲试样的0.1α=，即0.44p r =。
12PY
I K BW =
直3点弯曲试样: 00.45/0.55a W ≤≤
(){}1/22000003/2
006(/) 1.99/1/ 2.15 3.93/ 2.7(/)(12/)(1/)4a W a W a W a W a W S Y a W a W W ????---+????=??+-???
?
当S=4W 时，直3点弯曲试样的Y 值见GB2358-94表1。 3、三点弯曲试验测COD
3.1 试验目的
熟练掌握测平面应变断裂韧性的方法及步骤。
利用预制好疲劳裂纹的试样测定金属材料的平面应变断裂韧性。
3.2 试验设备
试验设备包括万能材料试验机及数据采集系统、夹式引伸计、游标卡尺等。
3.3 试验试样的制作
本次试验的试样为金属试样。金属试样由力学实验室提供，金属采用钼丝线切割预制疲劳裂缝。金属试样的外观大致如图所示：
图3.1试样示意图
3.4 试验过程
（1）试验前先清洗裂纹嘴两侧，用胶将刀口粘到试样上；
（2）试验前用游标卡尺在裂纹前缘韧带部分测量试件厚度B三次，测量精度到0.1%B或0.025mm，取较大的两个计算平均值。在切口附近测量试样宽度三次，测量精度精确到0.1%Ｗ或0.025mm，取较大的两个计算平均值；
（3）安装三点弯曲试验支座，使加载线通过跨距S的中点，偏差在1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2o以内；如图3.2
（4）将位移引伸计接入动态采集系统，在加载试样之前，对试验机及采集系统的X Y
-曲线调零；
K的增长速度不至太（5）对试样缓慢而均匀地加载，一般试验机速度为0.5~2mm/m，以使
I
快；
-曲线图进行分析处理。
（6）加载到压断试样，如图3.3。取下F V
图3.2 设备装置图
图3.3 试样压断图3.5 原始数据
（1）试件厚度B和宽度W的测量
由游标卡尺量测并处理，得到试件的厚度14.97B mm =，宽度为30.00W mm =。
（2） 试验机数据采集系统得到的数据
图3.4 数据曲线
图3.5 处理后的数据曲线
由上图可得P V -曲线， 6 =l l mm l l l
εε?==∴??
图3.6 P-V曲线
（3）试验加载完成后裂纹长度a的测量，裂纹断口见图3.7,测量数据见表3.1。
图3.7裂纹断口图
表3.1裂纹长度测量表（单位：mm ）
3.6 数据分析处理
（1） 裂纹长度a
080109028192
1()12.15821()13.4582i i i i a a a a mm a a a a mm ==+=+=+=+=∑∑ 1）规范规定任意二点裂纹扩展量之间的差(不包括近试样表面的二点)不超过0. 05W 。且全部9个测量点中最大和最小的裂纹扩展量之差不超过0.1W 。
2.780.32 2.460.05 1.5mm W mm -=≥=不符合要求
2）所有试样的原始裂纹长度a 。必须在0.45W~0. 55W 范围内。
0/12.15/30.000.405a W ==不符合要求。
综上本次实验数据无效。
（2） pc P V c 和的确定
试验所得的P V -曲线如图3.6所示。在试验过程中，可以看到试件在加载后期基本没有塑性阶段，在到达疲劳裂纹后迅速发生失稳破坏。属于图2.4中a)脆性破坏情况。对于得到的数据，初始阶段的数据忽略，因为这段时间属于利用液压消除自重的环节，所以得到的位移是负值而且来回震荡，且坐标轴的校零也有影响，没有实际参考价值。为了获取弹性阶段的斜率，
观察曲线，可以发现P 在0至16.00KN 之间时曲线趋于直线。利用matlab 程序拟合得到下图
3.8。
图3.8
得pc P =16.49KN V 7.5c m μ=
（3）c δ的计算
根据以上所得数据计算COD 。（为了使计算能够进行，0/0.45a W =）。根据
0/0.45S=4W a W =且 查规范表1得Y=9.14。
试件的厚度14.97B mm =，宽度为30.00W mm =
32
12PY 58.12I K MN m BW -==
又0.3μ=；对一般钢材取52.0610E MPa =?；塑性转动因子0.44p r =；850s MPa σ=。
计算得2202I I P 00()(1-)0.8512()p s p r W a K K V mm E r W a a z
μδσ-=+=-++ 有前面可知该结果是无效的。
3.7实验总结
实验测得的COD 无效，其原因很多：
（1）金属试样疲劳裂纹的预制存在问题导致试样断裂后断口不典型。
（2）黏贴刀口存在人为误差。
（3） s σ只是理论上的数据，并没有做实验，所以s σ的准确度有待考究；
（4） 其他因素例如冶金质量、各向异性、晶体结构、回火温度、显微结构以及介质腐蚀等，对试验结果造成的影响较为复杂
（5） 试样的尺寸是有影响的，跨度和宽度之比为4，宽度和厚度之比应为2，实际的数据来看是不满足要求的，导致测出的值离散型较大，不符合要求；
（6） 在材料制备的过程中，可能会掺杂其他合金元素，对材料造成的影响不一，即可能是正面的影响，也可能是负面的影响。
在断裂韧性COD 测试试验中，我熟悉了ISTRON3367材料力学试验机，测试的整个过程也都了解了。这锻炼了我在材料性能实验中的实际操作能力，在此同时也体会到了同组同学相互配合、团队意识的重要性。在数据处理过程中，通过确定测定临界裂纹长度a 、计算条件断裂韧性a 及判断其有效性，我对Matlab 有了进一步的了解，并学会了如何利用数据及P~V 曲线图来计算δ。通过这次实验，我进一步加深了断裂韧性的定义及其相关理论知识。
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
第二节材料的韧性及断裂力学简介 一、低应力脆断及材料的韧性 人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中，发现了一些它们的共同特点： 1.通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的； 2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下； 3.脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等； 4.厚截面、高应变速率促进脆断。 由此，人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足，试图提出新的性能指标和安全判据，找到防止脆断的新的设计方法。 传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量E、屈服极限σs、抗拉强度σb，而塑性指标延伸率δ和面收缩率φ在设计中只是参考数据，通常还会考虑应力集中现象，即使如此，设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生，这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能指标还不能完全反映材料抵抗脆断的发生。经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标——韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的太小，它是材料强度和塑性的综合反映。 例如图l-2为球墨铸铁和低碳钢的拉伸曲线，可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性，即 图中可见，虽然球墨铸铁的抗拉强度σb比低碳钢高，但其断裂时的塑性应变εp确远较低碳钢小，综合起来看，低碳钢的韧性高。 图1-2 球铁和低碳钢拉伸曲线表示的韧性 材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方法已经规范化。具体方法是将图1-3所示的缺口试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试 样断裂，用冲击过程中吸收的功除以断口面积，所得即为材料的冲击韧性，以αk表示，单位为J/cm^2。目前国际上多用夏氏V型缺口试样，我国多用U型缺口试样。由于缺口冲击
几种土体断裂韧度的测试方法 摘要：断裂韧度的测试是断裂力学研究的重要部分，根据对裂缝加载方式不同，断裂韧度可分为Ⅰ型加载下的断裂韧度、Ⅱ型加载下的断裂韧度、Ⅲ型加载下的断裂韧度三种基本形式。目前对金属、岩体等材料的断裂韧度测试方法已有了大量的研究，形成了相应的测试规范。土体断裂破坏主要是Ⅰ型断裂破坏和Ⅱ型断裂，但土体由于其自身材料性质的特殊性，并不能完全采用其他材料的测试规范。结合土体材料的特性介绍了土体Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂的断裂韧度的几种常用测试方法，并对几种方法的优缺点和适用性进行了讨论。 关键词：土体，断裂力学，断裂韧度，试验方法 引言 断裂力学是用来研究含有宏观裂纹型缺陷的材料或构件, 在外力作用下裂纹扩展的规律。从狭义角度解释, 它可用来研究含有宏观裂纹型缺陷的材料或构件, 在外力作用下裂纹扩展的规律。当土体内存在宏观贯通裂纹时, 在外荷载作用下裂纹尖端前缘将产生应力集中。在应力集中区域内的应力值, 远比由外荷载所引起的平均应力值大。传统的材料力学设计方法不能用来判断裂纹是否失稳扩展, 而应根据以研究断裂韧性参数和能量释放率为基础的断裂力学方法来进行判断。 对于各种复杂的断裂形式，总可以分解成为三种基本断裂类型的组合。这三种基本断裂类型即为Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂、Ⅲ型断裂。Ⅰ型断裂属于张开型断裂，Ⅱ型断裂属于滑移型断裂，Ⅲ型断裂断裂属于撕裂型断裂[1]。 由于土的抗拉强度很低, 因此判别土体是否会出现张开型裂纹失稳扩展, 就成为工程技术人员首先关心的问题。目前国内外虽有一些研究人员开始从事岩石、混凝土等材料的断裂韧度研究, 但对于土体的断裂韧度研究至今较少进行。现将土体的断裂韧度测试方法综述如下。 1 土体应力强度因子及断裂韧度 当进行Ⅰ型加载，即发生Ⅰ型断裂时，其裂纹端部区域的应力分量可以应用弹性理论解得：
断裂韧性测试实验报告 随着断裂力学得发展,相继提出了材料得、、等一些新得力学性能指标,弥补了常规试验方法得不足,为工程应用提供了可靠得断裂判据与设计依据。下面介绍下这几种方法得测试原理及试验方法。 1、三种断裂韧性参数得测试方法简介 1、１平面应变断裂韧度得测试 对于线弹性或小范围得型裂纹试样,裂纹尖端附近得应力应变状态完全由应力强度因子所决定。就是外载荷,裂纹长度及试样几何形状得函数。在平面应变状态下,当与得某一组合使=，裂纹开始失稳扩展。得临界值就是一材料常数,称为平面应变断裂韧度。测试保持裂纹长度a为定值,而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时得、代入所用试样得表达式即可求得。 得试验步骤一般包括： （1）试样得选择与准备(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）试验结果得处理(包括裂纹长度得测量、条件临界荷载得确定、实验测试值得计算及有效性得判断）。 1、２延性断裂韧度得测试 积分延性断裂韧度就是弹塑性裂纹试样受型载荷时,裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量积分得某些特征值。测试积分得根据就是积分与形变功之间得关系: (1－1） 其中为外界对试样所作形变功,包括弹性功与塑性功两部分,为裂纹长度,为试样厚度。
积分测试有单试样法与多试验法之分,其中多试样法又分为柔度标定法与阻力曲线法。但无论就是单试样法还就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阻力曲线来确定金属材料得延性断裂韧度。这就是一种多试样法,其优点就是无须判定启裂点，且能达到较高得试验精度。这种方法能同时得到几个积分值,满足工程实际得不同需要。 所谓阻力曲线，就是指相应于某一裂纹真实扩展量得积分值与该真实裂纹扩展量得关系曲线。标准规定测定一条阻力曲线至少需要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得试样加载，记录曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同得裂纹扩展量(但最大扩展量不超过0、５mｍ)。测试各试样裂纹扩展量,计算相应得积分，对试验数据作回归处理得到曲线。阻力曲线得位置高低与斜率大小代表了材料对于启裂与亚临界扩展得抗力强弱。 阻力曲线法测试步骤一般包括： （1）试样准备 ①试样尺寸得选择原则： 1)平面应变条件：标准规定 (1-２）其中 2)积分有效性条件 一般，当不易估计时,可用求出得估计值 ②疲劳预制裂纹:
2007断裂力学考试试题 B 卷答案 一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分） 1、（1）数学分析法:复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法. 2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力θσ为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值max ()θσ达到临界时,裂纹开始扩展. 3、应变能密度:r S W = ，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场密度切的强弱程度。 4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。 5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。 二、推导题（本大题10分） D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。 积分路径：塑性区边界。 AB 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ===212,,0 BD 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ-===212,,0 5分 δ σσσσΓ s D A s D B s B A s BD A B i i v v v v dx x u T dx x u T ds x u T Wdx J =+=+-=??-??-=??-=???)()(1 122112212 5分 三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分） 1、利用叠加原理:微段→集中力qdx →dK = Ⅰ ?0 a K =?Ⅰ 10分 A
令cos cos x a a θθ==,cos dx a d θθ= ?111sin () 10 cos 22(cos a a a a a K d a θθθ--==Ⅰ 当整个表面受均布载荷时,1a a →. ?12()a a K -==Ⅰ 10分 2、边界条件是周期的: a. ,y x z σσσ→∞==. b.在所有裂纹内部应力为零.0,,22y a x a a b x a b =-<<-±<<±在区间内 0,0y xy στ== c.所有裂纹前端y σσ> 单个裂纹时 Z = 又Z 应为2b 的周期函数 ?sin z Z πσ= 10分 采用新坐标:z a ξ=- ?sin ()a Z π σξ+= 当0ξ→时,sin ,cos 1222b b b π π π ξξξ== ?sin ()sin cos cos sin 22222a a a b b b b b π π π π π ξξξ+=+ cos sin 222a a b b b π π π ξ= + 222 2[sin ()]( )cos 2 cos sin (sin )2222222a a a a a b b b b b b b π π π π π π π ξξξ+=++
断裂韧性试验 创建时间：2008-08-02 test for fracture toughness 在线弹性断裂力学及弹塑性断裂力学基础上发展起来的一种评定材料韧性的力学试验方法（见断裂力学）。 20世纪以来，曾发生过多起容器、桥梁、舰船、飞机等脆断事故；事故分析查明，断裂大多起源于小裂纹。为解决金属脆断问题，美国在1958年组成ASTM断裂试验专门委员会，目的是建立有关测定材料断裂特性的试验方法。于1967年首次制定了用带疲劳裂纹的三点弯曲试样（图1 [两种常用断裂韧性试 样]）测定高强度金属材料平面应变断裂韧性操作规程草案，并于1970年颁发了世界第一个断裂韧性试验标准ASTME399-70T。此后，断裂韧性试验受到世界各国的普遍重视并蓬勃发展。中国于1968年前后开始这方面的试验研究。 取样原则由于裂纹或类裂纹缺陷是导致工程结构断裂的主要原因，所以断裂韧性试验采用带尖锐裂纹的试样(图1[两种常用断
裂韧性试样]),用 直接观察或间接测量法连续监测裂纹的行为；如用夹式引伸计连续测量裂纹嘴张开位移随载荷的变化(图2[用夹式引伸计测裂纹嘴张开位移随载荷变化的曲线]随载荷变化的曲线" class=image>),以测定材料抗裂纹扩展的能力及裂纹在疲劳载荷或 应力腐蚀下的扩展速率;求得平面应变断裂韧度[ic]、动态断裂韧度[id]、裂纹临界张开位移，应力腐蚀临界强度因子[111-21] [kg2],疲劳裂纹扩展速率d/d（毫米/周）等断裂韧性参数。其中，角标Ⅰ代表张开型裂纹，或称Ⅰ型裂纹,角标c代表临界值。此外，尚有滑开型（Ⅱ型）裂纹，撕开型（Ⅲ型）裂纹（图3 [裂纹的扩展 类型示意图]）。Ⅰ型裂纹最易引起脆断，所以目前断裂韧性试验多限于Ⅰ型加载。
断裂力学习题 一、问答题 1、什么是裂纹？ 2、试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。 3、断裂力学的任务是什么？ 4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法： 5、试述I 型裂纹双向拉伸问题中的边界条件，如何根据该边界条件确定一复变函数，并由此构成应力函数，最后写出问题的解。 6、什么是应力场强度因子K1？什么是材料的断裂韧度K1C？对比单向拉伸条件下的应力及断裂强度极限b，，说明K1与K1C 的区别与联系？ 7、在什么条件下应力强度因子K 的计算可以用叠加原理 8、试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小？ 9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。 10、K 准则可以解决哪些问题？ 11、何谓应力强度因子断裂准则？线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同？ 12、确定K 的常用方法有哪些？ 13、什么叫裂纹扩展能量释放率？什么叫裂纹扩展阻力？ 14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么？ 15、什么是格里菲斯裂纹？试述格氏理论。 16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的？ 17、裂纹对材料强度有何影响？ 18、裂纹按其力学特征可分为哪几类？试分别述其受力特征 19、什么叫塑性功率？ 20什么是G 准则？ 21、线弹性断裂力学的适用范围。 22、“小范围屈服”指的是什么情况？线弹性断裂力学的理论公式能否应用？如何应用？ 23、什么是Airry 应力函数？什么是韦斯特加德( Westergaard)应力函数？写出
Westergaard应力函数的形式，并证明其满足双调和方程。
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=σ0.2=1650MPa，σb=1850MPa，δ5=9%，ψ=34%，KⅠ C=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/ σ y)2 a≧ 2.5(KⅠC/ σ y)2 （W-a）≧ 2.5(KⅠC/ σ y)2 式中：σ y 0.2或 σ s 。 —屈服强度σ 因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KⅠC和σy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σy B 的大小，然后再确 /E 的值来确定 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。
平面应变断裂韧度K1C 的测定实验预案 姓名：江维学号：M050110110 指导老 师：钱士强学院：材料工程学院
、试样制备 1. 材料：先用40刚 2. (1) 厚度: 为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的0.2和K lC的估计值，根据 上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。K lC的 估计值可以借用相近材料的K IC值，也可根据材料的0.2/ E的值确定 试件的尺寸，如下表所示： 表
K C 2一一一 当确知2.5(-)比表中推荐尺寸小得多时，可米用较小试件. 在试验 0.2 K 测得有效K IC结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a、B 2.5( -)2 0.2 B > 2.5(K ic/ 动2>2.5(71.9/294)2=0.l496m 所以取B=0.15m. (2) 高度： a> 50r y~ 2.5(K ic/『① (W-a) > 2.5(K ic/ s)2C2) 由O+②得W 2*2.5(K ic/ s)2 ,所以取W=0.3m (3) 长度： 跨距：S=4W+0.2W=1.26m. 长度L>S,所以取L=1.4m。 为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的K1-数据可以对比和实际应用， 试件必须在疲劳试验机上预制疲劳裂纹。 预制疲劳裂纹开始时，最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不超过K1C的80%, 疲劳载荷的最低值应使最低值与最小值之比在-1与0.1之间。在疲劳裂纹扩张的最后阶 段，至少在2.5%a的扩展中，应当减少最大载荷或位移，使疲劳应力强度因子的最低值 K fmax w 0.6K 1c, K fmax/E<0,0032m 1/2。同时调整最小载荷或位移，使载荷比乃在-1~0.1之间。
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；
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 时吸力最大以σ c 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 c 。该力和位移的关系为 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 低一个数量级，即 。 陶瓷、玻璃的实际断裂强度则更低。
平面应变断裂韧度K IC 试验指导 一、试验内容：试验测定40Cr 的平面应变断裂韧度。 二、试验目的：加深了解平面应变断裂韧度的应用及其前提条件，体验试验过程。 三、引言： 断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变化形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的断裂——脆性断裂。理论分析和大量实践结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是 =a σ材料常数 （1.1） 式中，σ为正应力，2a 为试样或者构件中的裂纹长度。 这样的结果，应用于高强度金属材料的脆性断裂也与实际相符得非常好。根据线弹性断裂力学，断裂的判据是裂纹前沿应力强度因子K 达到其临界值——材料的平面应变断裂韧度K IC ，即： IC Y K a K ≥=σ （1.2） 式中Y 是裂纹的形状因子。平面应变断裂韧度K IC 是材料抵抗裂纹扩展能力的特征参量，它与裂纹的尺寸及承受的应力无关。 平面应变断裂韧性，可以用于评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。材料的断裂韧度受到冶金因素(成分、热处理)的制造工艺(如焊接、成形)影响。应用平面应变断裂韧度对构件的断裂安全性进行评价，需要对构件的受力情况、工作环境、无损检测裂纹方法的灵敏度、可靠性等方面进行分析。 四、试样条件 4.1 试样的形状尺寸 平面应变断裂韧性的试验测量，对于达到或超过1.6mm 厚度的材料，使用具有疲劳裂纹的试样进行测定，根据外形可以分成三点弯曲SE(B)、紧凑拉伸C(T)、C 形拉伸A(T)和圆形紧凑拉伸DC(T)四种试样。图1中给出了不同的试样。本试验采用三点弯曲试样。 图1 四种平面应变断裂韧度试验样品 上图为三点弯曲试样SE(B)； 左图为紧凑拉伸试样C(T)； 左下图为圆形紧凑拉伸DC(T)； 右下图 为两种C 形拉伸A(T) 1
平面应变断裂韧度K1C的测定实验预案 姓名：江维 学号：M050110110 指导老师：钱士强 学院：材料工程学院
一、试样制备 1.材料：先用40刚 表一 2.试样尺寸确定 图1 （1）厚度： σ和K IC的估计值，根据为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的 2.0 上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。K IC的 σ／E的值确定估计值可以借用相近材料的K IC值，也可根据材料的 2.0 试件的尺寸，如下表所示： 表二试样的推荐尺寸
当确知22 .0)( 5.2σC K I 比表中推荐尺寸小得多时，可采用较小试件．在试验 测得有效K IC 结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a 、22 .0)(5.2σC K B I ≥ B ≥2.5(K 1 C /σs )2 ≥2.5(71.9/294)2=0.1496m 所以取B=0.15m. （2）高度： a ≥50r y ≈2.5(K 1C /σs )2 ○1 (W-a)≥2.5(K 1C /σs )2 ○2 由○1+○2得W ≥2*2.5(K 1C /σs )2 ,所以取W=0.3m 。 （3）长度： 跨距：S=4W+0.2W=1.26m. 长度L>S,所以取L=1.4m 。 表三 二、预制疲劳裂纹 为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的K 1C 数据可以对比和实际应用，试件必须在疲劳试验机上预制疲劳裂纹。 预制疲劳裂纹开始时，最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不超过K 1C 的80%，疲劳载荷的最低值应使最低值与最小值之比在-1与0.1之间。在疲劳裂纹扩张的最后阶段，至少在2.5%a 的扩展中，应当减少最大载荷或位移，使疲劳应力强度因子的最低值K fmax ≤0.6K 1C, K fmax /E<0,0032m 1/2 。同时调整最小载荷或位移，使载荷比乃在-1~0.1之间。 表四
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
金属材料力学性能试验断裂韧度试验 6.2 断裂韧度试验 6.2.1 结构线Construction line 在J-Δa 和δ-Δa 试验记录上画一条线，代表表观裂纹扩展（即裂纹表面的位移量），包括裂纹端钝化 6.2.2 裂纹扩展阻力曲线Crack entension resistance curve R-曲线 δ 或J 与稳定裂纹扩展Δa 的变化 6.2.3 裂纹平面取向Crack plane orientation 按照裂纹平面的法向方向和试验中裂纹预期的扩展方向处理裂纹，对于锻造产品参考其特征晶粒流动方向 6.2.4 裂纹嘴张开位移Crack-mouth opening displacement (CMOD) V 在裂纹开始缺口附近，测量与原始裂纹平面垂直的裂纹平面的相对位移量 6.2.5 裂纹尖端张开位移Crack-tip opening displacement δ 在原始裂纹尖端（即疲劳预裂纹尖端）测量与原始裂纹平面垂直的裂纹平面的相对位移量 6.2.6 临界J Critical J 对应裂纹扩展开始时的J 值 6.2.7 临界δ Critical δ 对应裂纹扩展开始时的δ 值 6.2.8 断裂韧度fracture toughness 准静态单一加载条件下的裂纹扩展阻力的通用术语 6.2.9 J-积分J-integral 与积分路径无关的闭合回路或表面积分，用来表征裂纹前缘周围地区的局部应力-应变场，在塑性效应不可忽视的地方提供能量释放速率，用来表征对应表观裂纹扩展a 时的势能变化 J 与J 积分相当的加载参数，当测定力-加载线位移图时特指裂纹尖端塑性变形不可忽视条件下的断裂 6.2.10 J-R 曲线J-R curve J-Δa 图，在塑性效应不容忽视的地方，用于描述稳定裂纹扩展阻力 6.2.11 最大疲劳应力强度因子Maximum fatigue stress intensity factor Kf
实验一系列冲击实验 一、实验目的： 1.学习低温温度下金属冲击韧性测定的操作方法； 2.测定温度对金属材料冲击韧性的影响，掌握确定金属材料的脆性转化温 度T k的方法。 二、实验原理： 本实验按冲击试验的最新国家标准GB/T229-1994进行。 用规定高度的摆锤对处于简支粱状态的缺口试样进行一次性打击，可测量试样折断时的冲击吸收功A k。（A k除以试样缺口处截面积得冲击韧性值a k）。 为了表明材料低温脆性倾向大小，常用方法就是测定材料的“韧脆转化温度”。一般使用标准夏比Ｖ型缺口冲击试样测定。 根据不同温度下的冲击试验结果，以冲击吸收功或脆性断面率为纵坐标，以试验温度为横坐标绘制曲线见图1。韧脆转变温度确定方法： a. 冲击吸收功－温度曲线上平台与下平台区间规定百分数（n）所对应的温度，用ETT n表示。如冲击吸收功上平台与下平台区间50%所对应的温度记为ETT50（℃）。 b. 脆性断面率－温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度，用FTT n 表示。如脆性断面率为50%所对应的温度记为FTT50（℃）。 用不同方法测定的韧脆转变温度不能相互比较。 三、在不同温度下作冲击试验，可以得出典型的A k-T曲线和脆性断面率曲线（见图1）。冲击吸收功曲线可近似的分为三部分：（1）温度较低，冲击值变化不大，平行横坐标的低A k值部分，称下平台，对应断口为脆性的结晶状；（2）温度较高，高冲击值部分，称为上平台，对应断口为韧性的纤维状；（3）中间部分A k值在上下平台的范围内，变化较大，且分散，对应断口为混合状（结晶状+纤维状断口）。脆性断面率曲线与上述曲线相反，（1）温度较低，断面率高的部分，断口为脆性的结晶状；（2）温度较高，断面率低的部分，断口为韧性的纤维状；（3）中间部分在室温以下温度范围内，断口为混合状（结晶状+纤维状断口）。根据图1的两条曲线，可以定出冲击吸收功上平台与下平台区间50%的韧脆转变温度ETT50（℃）和脆性断面率为50%的韧脆转变温度FTT50（℃）。