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金属断裂韧度测试引言：金属断裂韧度测试是一种用来评估金属材料抵抗断裂的能力的方法。
金属的断裂韧度是指在金属受到外力作用下，在断裂前能够吸收的能量大小。
了解金属的断裂韧度对于工程设计和材料选择具有重要意义。
本文将介绍金属断裂韧度测试的原理、常用的测试方法以及测试结果的分析和应用。
一、原理金属断裂韧度是指金属材料在断裂前能够吸收的能量大小。
金属的断裂韧度与材料的力学性能密切相关，可以通过材料的拉伸试验来评估。
拉伸试验是一种常见的金属力学性能测试方法，通过对试样施加拉力，观察试样在外力作用下的变形和断裂行为，从而得到材料的拉伸性能参数。
拉伸试验的结果可以用来计算金属的断裂韧度。
二、测试方法1. 常规拉伸试验常规拉伸试验是最常用的金属断裂韧度测试方法之一。
该方法需要制备符合标准要求的试样，在拉伸试验机上施加均匀的拉力，观察试样的断裂行为。
通过测量试样的断裂前后长度变化和应力-应变曲线，可以计算出金属的断裂韧度。
2. 冲击试验冲击试验也是一种常用的金属断裂韧度测试方法。
该方法利用冲击试验机对试样施加冲击载荷，观察试样在冲击载荷下的断裂行为。
冲击试验的结果可以通过试样的冲击功吸收能力来评估金属的断裂韧度。
3. 复合试验复合试验是一种结合多种测试方法的金属断裂韧度测试方法。
通过对试样进行拉伸、冲击等多种试验，综合评估金属的断裂韧度。
这种方法可以更全面地了解金属材料的断裂行为，提供更准确的韧度评估。
三、测试结果分析和应用根据金属断裂韧度测试的结果，可以评估金属材料的断裂性能，并为工程设计和材料选择提供依据。
1. 工程设计金属的断裂韧度是衡量金属材料抵抗断裂的能力的重要指标。
对于需要承受大量外力的工程结构，如桥梁、飞机等，需要选择具有较高断裂韧度的金属材料，以确保结构的安全可靠性。
2. 材料选择不同金属材料的断裂韧度不同，根据具体应用需求选择合适的金属材料非常重要。
通过金属断裂韧度测试，可以评估不同材料的断裂韧度，并选择适合的材料。
第四章金属的断裂韧度断裂是工程上最危险的换效形式。
特点：（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂扩展引起。
•••工程上，常采用加大安全系数；浪费材料。
但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。
•••发展出断裂力学断裂力学的研究范畴：把材料看成是裂纹体，利用弹塑性理论，研究裂纹尖端的应力、应变，以及应变能力分布；确定裂纹的扩展规律；建立裂纹扩展的新的力学参数（断裂韧度）。
主要内容：含裂纹体的断裂判据。
固有性能的指标一断裂韧性：用来比较材料拉断能力，K C ,G IC , J IC, S C。
用于设计中：K IC 已知，b,求a maxK IC已知,a c已知，求b构件承受最大承载能力。
K IC已知，a已知，求b。
讨论：K C的意义，测试原理，影响因素及应用。
§ 4-1线弹性条件下的断裂韧度一、裂纹扩展的基本形式1、张开型（I型）2、滑开型（II型）3）撕开型（III型）裂纹的扩展常常是组合型，I型的危险性最大二、应力场强度因子KI和断裂韧度K C。
1、裂纹尖端应力场，应力分析耳=---------- cos —耳（加严2旺=---------- COS —. e e邸—⑵^严2 2（应力分量，极座标）1 -sin —sin —2 21+ sin—sm 一2 2鼻輩用*11三弹母案0 U①应力场离裂纹尖端为（尸,占）的一点的应力:平面应力（T x=0平面应变T x=U（T x+ T y）对于某点的位移则有平面应力情况下'''-' '1平面应变情况时址■了-斗创上式为平面应变状态，位移分量。
越接近裂纹尖端（即r越小）精度越高；最适合于②应力分析在裂纹延长线上，（即v的方向）B =0r<<a情况。
xyki.2 r拉应力分量最大；切应力分量为0;•••裂纹最易沿X轴方向扩展。
2、应力场强度因子KK, .2 rK可以反映应力场的强弱。
•••称之为应力强度因子。
通式：K] Y a a —裂纹长度/2 ；Y—裂纹形状系数宽板中心贯穿裂纹长板中心穿透裂纹般Y=1~21（敎訝Y是无量纲的量而K有量纲MPa • m/2或MN・m3K II Y .. aKm3、断裂韧度i -------Y ■■- aK C和断裂判据①断裂韧度当应力达到断裂强度，裂纹失稳，并开始扩展。
临界或失稳状态的记作：K c或K C,称为断裂韧度。
K—平面应力断裂韧度；K c —平面应变，I类裂纹K I值（见表4-1 , P84-85）②断裂判据K I <K IC 有裂纹，但不会扩展 K=K c 临界状态K>K c 发生裂纹扩展，直至断裂 4、K 的塑性修正裂纹扩展前，在尖端附近，材料总要先出现一个或大或小 的塑性变形区。
•••单纯的线弹性理论必须进行修正。
① 塑性区的形状和尺寸应用材料力学中学过的知识， 结合前述的弹性力场表达式 得到： （式 4-8 ）（式 4-9 ）由Von Mises 屈服准则，材料在三向应力状态下的屈服条 件为：（巧—s 『+（ f —的『4（巧—巧『=上打将主应力公式代入Von Mises 屈服准则中，便可得到裂纹尖端塑性区的边界方程，即2；丿整理合并得到（式 4-10 ） r= （平面应力）r=（平面应变）形状：r=f （ 0 ） 尺寸：当B =0 r0=f （0）（裂纹扩展方向）r 。
V —般为0.3•••平面应变的应力场比平面应力的硬。
<「0区载的材料产生屈服。
② 应力松驰的塑性区材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给 力生高，又导致这些地方发生屈服。
d ys —屈服应力 不考虑加工硬化（T ys （ R-r 0 ） 积分应力( Iys)drK i12 r积分后可知£ (1-2D )2 + 35111平面应力平面应变r 。
(1 2)2(K ])22 (s )r>r 0的区域）使r 0前方局部地区的应 ys(R r °)堕r 应力松豹弟的璽杵tx将b ys Tb s r o (前式)代入R o -(K ±)2 2r o(平面应力)/• Ro=2ro裂纹尖端区塑性区的宽度计算公式，见表 4-2③有效裂纹及K 的修正 有效裂纹长度a+r y 根据计算r y =( 1/2)Rory平面应变K i 丫 a r y不同的试样形状、和裂纹纹形式， K I 不同。
需要修正的条件：b / b s > 0.6~0.7时，K就需要修正。
三、裂纹扩展能量释放率G 及断裂韧度G c从能量转换关系，研究裂纹扩展力学条件及断裂韧度。
1、裂扩展时能量转换关系 w= U+( Y p +2 Y s )AW —外力做功U e —弹性应变能的变化 A —裂纹扩展面积Y p A —消耗的塑性功2 Y s A —形成裂纹后的表面能 -( U s - w ) =( Y p +2 Y s ) A (4-24) 2、裂纹扩展能量释放率 GU=U-w 系统能量式4-24负号表示系统能量下降A量纲为能量的量纲 MJ ・m 2 当裂纹长度为a ,裂纹体的厚度为 B 时令 B=1 G Ia物理意义：G 为裂纹扩展单位长度时系势能的变化率。
恒位移与恒载荷恒位移——应力变化，位移速度不变; 恒载荷——应力不变，位移速度变化。
格雷菲斯公式，是在恒位移条件下导出。
2K j r 。
平面应力ryGi1_U B a. ■ 1又称，G 为裂纹扩展力。
MN ・m 。
c a c2a c cE K i 2c E (1 2)K I [E5)裂纹扩展阻力曲线裂纹扩展分为亚稳扩展和失稳扩展。
韧性材料的亚稳扩展阶段较长 令：R=(Y p+2 Y s)为裂纹扩展拉力R- a 裂纹扩展阻力曲线(图 4-7, P93) 脆性材料丫 p ~ 0 , R ~ 2 Y s••• R 曲线几乎与a 平行韧性材料，则不然。
2aG IY 裂纹扩展能量释放率E2 2aG IE(亦称为裂纹扩展的动力)GI — a 曲线 (动力曲线)将两条曲线重合(a) c<c 0 阻力》动力 (b)c 0< c<c c 亚稳扩展 cWc c 失效扩展裂纹失稳扩展条件得知：①平面应力②平面应变U e2a 2U e (1)( Ea 2)GiU e 2a(1 2)EG 也是应力c 和裂纹尺寸的复合参量，仅表示方式不同。
3、断裂韧度GIC 和断裂GI 判据当即将失效扩展，而断裂所对应的平均应力cc；对应的裂纹尺寸 a c ［临界值］(1 2) a c c 2 (2a)2aGicEG > G C 裂纹失稳扩展条件 4、G C 与K c 的关系K icGi c Gi c Gi cG I Ra a••• GI/ a= R/ a的交点，就是裂纹扩展的临界点。
它所对应的裂纹长度ac （临界长度），d c （临界应力）。
一般情况下，平面应变临界点与裂纹相对扩展量为2%的点相对应。
R-a曲线的应力：描述构件的断裂行为和估算承载能力。
§ 4-2弹塑性条件下的金属断裂韧性裂纹尖端塑性区尺寸R o 1(K L)22r o(4-13)线弹性理论，只适用于小范围屈服;在测试材料的KIC，为保证平面应变和小范围屈服，要求试样厚度试样太大，浪费材料，一般试验机也做不好。
•••发展了弹塑性断裂力学原则：①将线弹性理论延伸；②在试验基础上提出新的断裂韧度和断裂判据；③常用的J积分法，COD法。
一、J积分原理及断裂韧度JIC。
1、J积分的概念G|①来源由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。
②推导过程a）有一单位厚度（B=1 ）的I型裂纹体。
b）逆时针取一回路r,r上任一点的作用力为TC ）包围体积内的应变能密度为3d）弹性状态下，r所包围体积的系统势能，U=Ue-wG I——（U e W）e）裂纹尖端的af ）『回路内的总应变能为：dV=BdA=dxdy dU= 3 dxdyU e dU e wdxdyg）r回路外面对里面部分在任一点的作用应力为T。
•外侧面积上作用力为P=TdS （S为周界弧长）设边界r上各点的位移为u•••外力在该点上所做的功dw=u.TdS•••外围边界上外力作功为W dw uTdsh）合并U e W wdxdy uTdsi ）定义（J • R赖斯）J （wdy -」Tds）x③“ J”积分的特性B> 2.5 (KIC/ d s) 2弹性应变能Ue和外力功W之差。
a ） 守恒性 能量线积分，与路径无关b ） 通用性和奇异性积分路线可以在整个地在裂纹附近的弹性区域内，也可以在接近裂纹的顶端附近。
c ） J 积分值反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变的集中程度。
2、J 积分的能量率表达式与几何意义 ①能量率表达式 1 UJi G] -（—）B a 这是测定JI 的理论基础②几何意义 设有两个外形尺寸相同，但裂纹长度不同, 生相同的位移3。
将两条P —3曲线重在一个图上 U1=0AC U2=0BC 两者之差厶U= U1- U2=0ABJi 则 Lima 0 物理意义为：J 积分的形变功差率 ③注意事项： •• •塑性变形是不逆的。
•••测JI 时，只能单调加载 a ,J 积分应理解为裂纹相差单位长度的两个试样加载达到相同位移时的形变功差率。
•其临界值对应点只是开裂点，而不一定是最后失稳断裂点。
3、断裂韧度JIC 及断裂J 判据 JIC 的单位与GIC 的单位相同，MPa.m JI > JIC 裂纹会开裂。
实际生产中很少用 J 积分来计算裂纹体的承载能力。
一般是用小试样测 决实际断裂问题。
4、JIC 和KIC 、GIC 的关系 JIC ，再用KIC 去解. G （1__ K 2 J IC G IC K IC E（平面应变）上述关系式，在弹塑性条件下，还不能用理论证明它的成立，但在一定条件下，大致可延伸 到弹塑性范围。
二、裂纹尖端张开位移（COD 及断裂韧度3 c 裂纹尖端附近应力集中，必定产生应变材料发生断裂，即 应变量大到一定程度，但，这些 应变量很难测量。
•••有人提出用裂纹向前扩展时， 同时向垂直方向的位移 小；用临界张开位移来表示材料的断裂韧度。
1） COD 既念 在平均应力6作用下，裂纹尖端发生塑性变形，出现 塑性区P 。
在不增加裂纹长度（ 2a ）的情况下，裂纹 将沿6方向产生张开位移3,称为 COD 2） 断裂韧度3 c 及断裂3判据 3>3 c 3 c 越大，说明裂纹尖端区域的塑性储备越大。
3、 3 c 是长度 量纲为mm 可用精密仪器测量。
一般钢 （张开位移）来间接表示应变量的大 H 4-13 stiff (eft材的3 c 大约为0.几到几mm 是裂纹开始扩展的判据。
