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。
断裂韧性对取向敏感。通常以两个字母表示试样取向，如TL，CL试样，第一个字母代表裂纹面的法线方向，第二个字母表示预期的裂纹扩展方向。L 表示坯料的长度或主变形方向，T和S分别表示矩形断面板材的宽度方向和第三正交方向。R和C则分别表示棒材或饼材的径向和切向。当从实物上取样时，应首先对构件进行应力分析，然后在最危险的裂纹位置和取向上取样。
试验选择除材料本身和试样取向外，试样尺寸、应力状态、加载方式、加载速率、试验温度和试验环境等外界因素均会影响材料的断裂韧性。通常，平面应变状态、快速加载、低温会降低材料断裂韧性，增加脆断倾向。同时,在一次加载下不扩展的裂纹，在疲劳载荷及应力腐蚀作用下会产生缓慢的亚临界扩展，
当达到临界尺寸后，试件断裂。在选择断裂韧性试验条件，或选用断裂韧性数据时，必须尽可能接近实际工作条件和环境。
断裂韧性参数的最大特点是，这些表征材料韧性高低的参数与外加载荷、试样尺寸及缺陷尺寸间有定量关系。知道任何两个参数，即能预计第三者。从而可对安全分析、事故分析、寿命估算、缺陷评定标准等进行定量计算，并可用于安全设计、材料选择、材料和工艺研究等各方面。几种常用的断裂韧性试验如下：
①平面应变断裂韧度[ic]试验[ic]是材料常数,单位为[kg2]kgf/mm(或MN/m)。
[ic][kg2]越高，材料的韧性越好。＞[ic]时，裂纹扩展；反之,裂纹不扩展。[ic]试验适用于高强度脆性材料。
②应力腐蚀临界强度因子[111-21]试验在腐蚀介质中,如裂纹顶端的应力强度因子
[111-22]＜[111-21],裂纹不扩展。单位同[ic][kg2]1975年美国海军研究试验室制定了“金属材料平面应力腐蚀开裂抗力标准试验法”AD-A008，119。
③裂纹顶端临界张开位移试验裂纹顶端张开位移（图4 [裂纹顶端张开位移示
意]）是裂纹顶端塑性应变程度的度
量，当达临界值时，裂纹扩展而导致试样断裂。越高，材料的断裂韧性越好，单位为mm。此方法适用于
中强度高韧性材料。
断裂韧性(fracture toughness) 带裂纹的金属材料及其构件抵抗裂纹开裂和扩展的能力。从20世纪50年代开始在欧文(G．R．Irwin)等的努力下，形成了线弹性断裂力学，随后又发展成弹塑性断裂力学。在用它们对断裂过程进行分析和不断完善实验技术的基础上， 逐步形成了平面应变断裂韧性K IC 、临界裂纹扩展能量释放率G IC 、临界裂纹顶端 张开位移δ IC 、临界J积分J IC 等断裂韧性参数。其中下标I表示I型即张开型裂 纹，下标c表示临界值。这些参数可通过实验测定，其值越高，材料的断裂韧性越好，裂纹越不易扩展。 断裂韧性参数 (1)平面应变断裂韧性K IC 。欧文分析平面问题的I型裂纹尖端区域的各个应 力分量中都有一个共同的因子K I ，其值决定着各应力分量的大小，故称为应力强 度因子。K IC =yσ(πa)1/2，式中σ为外加拉应力；a为裂纹长度，y为与裂纹形状、 加载方式和试件几何因素有关的无量纲系数。K I 增大到临界值K IC ，K I ≥K IC 时，裂 纹失稳扩展，迅速脆断。 (2)临界裂纹扩展能量释放率G IC 。裂纹扩展能量释放率G I =-(aμ/aA)，式中 μ为弹性能，A为裂纹面积。平面应力条件下，G I=k I2/E;平面应变条件下， G I =(k I 2/E)(1-v2)，式中E为弹性模量，v为泊松比。G I 是裂纹扩展的动力，G IC 增 大到临界值G。即G I ≥G IC 时，裂纹将失稳扩展。 (3)临界裂纹顶端张开位移δ C 。裂纹上、下表面在拉应力作用下，裂纹顶端 出现张开型的相对位移叫裂纹顶端张开位移δ，δ增大到临界值δ C ，裂纹开始扩展。 (4)临界J积分J IC 。弹塑性断裂力学中，一个与路径无关的能量线积分 叫做J积分。式中r为积分回路，由裂纹下边缘到上边缘，以逆时针方向为正，ds为弧元，ω为单位体积应变能，u为位移矢量，T是边界 条件决定的应力矢量。线弹性和弹塑性小应变条件下，I型裂纹的J积分J I =-B-1(a μ/aA)，式中B为试样厚度，a为裂纹长度。J I增大到J IC临界值，m即当J I≥J IC 时，裂纹开始扩展。 断裂韧性参数还有动态断裂韧度K Id ，应力腐蚀临界强度因子K I scc 、疲劳裂 纹扩展速率da/dN(mm／周)等。各种参数中K Ic 应用最为普遍。 K Ic 的测定各国的测试标准基本上都参考美国ASTME399。中国是 GB4161—84。按GB7732—87金属板材表面裂纹断裂韧度K Ic 试验方法规定的标准试样是紧凑拉伸试样和弯曲试样的尺寸如图1所示。
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
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
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：
第六章 断裂韧性基础 第一节Griffith 断裂理论 第二节裂纹扩展的能量判据 能量释放率G 裂纹扩展单位面积时，系统所提供的弹性能量 U A ??是裂纹扩展的动力，此力叫裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率。以1G 表示（1表示Ⅰ型裂纹扩展）。G 与外加应力，试样尺寸和裂纹有关，而裂纹扩展的阻力为 2()s p γγ+，随 1,a G σ↑→↑→增大到某一临界值时，1G 能克服裂纹失稳扩展阻力，则裂纹使失稳扩 展而断裂，这个1G 的临界值它为1c G ，称为断裂韧性。表示材料组织裂纹试稳扩展时单位面积所消耗的能量。 平面应力下： 2 211,C c C a a G G E E σπσπ= = 平面应变下： 2 22211(1)(1),C c C a v v a G G E E σπσπ--== G 的单位1 2 MPa m - ?。 第三节 裂纹顶端的应力场 可看成线弹性体12005001000s s MPa MPa σσ?? =??=-??? 玻璃，陶瓷高强钢 的横截面中强钢低温下的中低强度钢 6.3.1三种断裂类型 ?? ??? 张开型断裂滑开型断裂撕开型断裂 最危险Ⅰ型 6.3.2Ⅰ型裂纹顶端的应力场 无限大平板中心含有一个长为2a 的穿透裂纹，受力如图 欧文（G 。R 。Irwin ）等人对Ⅰ型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，提出应力应变场的
数字解析式，由此引出了应变场强度因子 1 K的概念。并建立了裂纹失稳扩展的K判据和断 裂韧性 1C K。 若用极坐标表达式表达，则有近似数字表达式： 当裂尖某点不确定，即,rθ一定后，应力大小均由1K决定———盈利强度因子1K 故 1 K大小反映了裂纹尖端应力场的强弱，取决于应力大小，裂纹尺寸。 6.3.3 应力场强度因子及判据 将上面应力场方程写成： () ij ij f σθ = 其中 1 K Y = Y：形状系数。对无限大板Y=1。 1 K： 1 2 MPa m- ? 1 1 1 , , a K K a a K σ σ σ ?↑→↑ ? ? ? ↑→↑ ?? 不变 是一个决定于和的复合物理量 不变 当此参量达到临界时，在裂纹尖端足够大的范围内，应力便会达到断裂强度，裂纹便沿着X 轴失稳扩展，从而使材料断裂。这个临界或失稳状态的 1 K值记为 1C K→断裂韧性。 1C K为平面应变的断裂韧性，表示在平面应变下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，显然 1C K Y = 可见，材料的 1C K越高，则裂纹体的断裂应力或临界断裂尺寸就越大，表明难以断裂。因此1C K是材料抵抗断裂的能力 11 1 S C s C K K K σ σσ σ → ? ? ↑→ ? ? ↑→ ? ?→ ? 和力学参量，且和载荷，试样尺寸有关，和材料无关 当临界时，材料屈服 当K临界时，材料断裂 和材料的力学性能指标，且和材料成分，组织结构有关而和载荷及试样尺寸无关 断裂判据： c a 或 1C Y K ≥
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:
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。
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%，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/σy)2 式中：σy—屈服强度σ0.2或σs。 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/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。
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；
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。
I C S77.040.10 H22 中华人民共和国国家标准 G B/T28896 2012 金属材料焊接接头准静态断裂韧度 测定的试验方法 M e t a l l i cm a t e r i a l s M e t h o do f t e s t f o r t h e d e t e r m i n a t i o no f q u a s i s t a t i c f r a c t u r e t o u g h n e s s o fw e l d s (I S O15653:2010,MO D) 2012-11-05发布2013-05-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
G B/T28896 2012 目次 …………………………………………………………………………………………………………前言Ⅰ1范围1………………………………………………………………………………………………………2规范性引用文件1…………………………………………………………………………………………3术语和定义1………………………………………………………………………………………………4符号和说明3………………………………………………………………………………………………5原理3………………………………………………………………………………………………………6试样设计二方位和缺口位置选择5 …………………………………………………………………………7机加工前金相检查7………………………………………………………………………………………8机械加工8…………………………………………………………………………………………………9试样制备13…………………………………………………………………………………………………10试验装置二试验要求及步骤14 ……………………………………………………………………………11试验后金相检查14………………………………………………………………………………………12试验分析17………………………………………………………………………………………………13试验报告20………………………………………………………………………………………………附录A(资料性附录)试样缺口位置示例22 ………………………………………………………………附录B(资料性附录)试验前后金相检查示例25 ………………………………………………………… ……………………………………………附录C(规范性附录)消除残余应力和预制疲劳裂纹方法27附录D(规范性附录)p o p-i n效应评定29 …………………………………………………………………附录E(资料性附录)浅缺口试样试验35 ………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………参考文献38
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
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
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（℃）。
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、实验设备： 1.冲击试验机。本次实验用J B-30型冲击试验机进行。 2.试样 标准夏比冲击试样有Ｖ型缺口和U 型缺口两种，U 型 缺口深度亦有2mm和5mm 两种。 三、实验原理： 本实验按冲击试验的最新国家标准G B/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F TT50（℃）。 用不同方法测定的韧脆转变温度不能相互比较。 五、试验过程： 1.加热或冷却装置：室温到90℃可用水浴，80℃—200℃可以用油浴，室温以下用干冰（CO2）和低熔点液体混合物作为制冷剂。低熔点液体可以是煤油、酒精或其它无毒性挥发物的有机液体，进行适当配合而得到所要求的温度。例如：采用酒精加干冰调和可达到-70℃～0℃间不同温度。室温以上调节的温度要比规定的温度高3-5℃，以补偿从试样取出到冲断时温度的变化。 2.检查试验机：指针、螺帽是否过紧过松。将摆锤抬起，空冲 3.准备试样：将领到的试样擦干净，打上钢印（编号）， 测量试样尺寸（精确到0.1mm），并记录。完成后将试
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