断裂韧性KIC的测定

平面应变断裂韧度K IC 的测定“工程力学”指出，材料对本身的裂纹或类裂纹缺陷的存在十分敏感，裂纹失稳扩展是脆性断裂的主要原因。

控制断裂的三个主要因素是裂纹的形状和尺寸、工作应力和材料抵抗裂纹扩展的能力（材料的断裂韧度）。

前二者是作用，为断裂的发生提供条件；在“线弹性断裂力学”中，用裂纹尖端的应力强度因子K 来描述，且()a w a f K πσ ,=上式的适用条件为裂纹尺寸a ≥2.52⎪⎪⎭⎫⎝⎛ys IC K σ，即在线弹性或小范围屈服条件下才成立。

后者是抗力，阻止断裂的发生；在一定条件下（满足平面应变条件）是一材料常数，称为材料的平面应变断裂韧度，记作K IC ，可由实验测定。

一、实验目的测定材料的平面应变断裂韧度K IC二、实验设备和仪器1．力传感器、双悬臂夹式引伸计。

2．三点弯曲试验装置。

3．材料试验机。

4．高频疲劳试验机。

5．精密量具（游标卡尺和读数显微镜等）。

三、实验原理含有I 型(张开型)裂纹试样，其应力强度因子一般可表达为：式中：() ,w a f 是试样的几何形状因子，在试样形状、尺寸和加载方式为一定的条件下是一常数。

随着外载荷F 的增加，K I 随之增加。

然而K I 的增加不是无限的，这种增加受到材料性能的限制，即当K I 增加到某一临界值时，裂纹就会失稳扩展引起材料脆断。

这个临界值代表材料抗脆断的能力，也就是材料的断裂韧度。

所以在测试时，只要在试样的加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷F q 和试样裂纹尺寸a ，就可以求出试样材料的临界应力强度因子(),(81)I K f a w aσπ=-K q 。

如果试样尺寸满足平面应变和小范围屈服条件，则此时的临界应力强度因子即为该材料的平面应变断裂韧度K IC 。

四、实验方法采用带穿透裂纹的试样测定金属材料平面应变断裂韧度是目前断裂力学测试技术中发展较完善的一种方法。

1．K I 标定公式对于三点弯曲试样，应力强度因子K I 的表达式为：I 3/2(/)FSK f a w BW=（8-2） 式中：S 、B 、W 及a 分别为试样的跨度、厚度、宽度，以及试样的裂纹尺寸；F 为作用于试样中点的集中力。

实验五断裂韧性K测试试验IC一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σ和K的参考值CyⅠ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：-3/2。

m ψ=34%，K=42MN·，σ=σ=1650MPa，σ=1850MPaδ=9%，CyⅠ0.2b5二、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K试验方法》中规定了两种测CⅠ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：2 y)/σB≧2.5(K CⅠ2 σy)≧a2.5(K/CⅠ2 σy)W-a）≧2.5(K/（CⅠ式中：σ—屈服强度σ或σ。

y0.2s因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的K和σ值，再根据上式确定试样yCⅠ的最小厚度B。

若材料的K值无法估计，则可根据σ/E的值来确定B的大小，然后再确yCⅠ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。

平面应变断裂韧性的测定陈国滔材科095 40930366一、实验目的1.理解平面应变断裂韧性的应用及限制条件；测试的基本方法，基本操作及操作要点；2.了解平面应变断裂韧度KIC3.通过三点弯曲试验测量40Cr的平面应变断裂韧度。

二、试验原理1.材料断裂原理含有缺陷的构件可能在远低于材料屈服强度的工作应力下断裂, 只要这些缺陷达到某种临界尺寸。

即使有些构件, 起初的缺陷尺寸没有达到某种临界尺寸, 但由于工作于某种疲劳载荷下, 或某种腐蚀介质里, 或某种限度的低温状态下, 起初的缺陷尺寸将会增大,即裂纹发生亚临界的稳定扩展, 直至达到某种临界尺寸而突然发生不稳定的脆断。

断裂条件是：式中， 为正应力，2a为试样或者构建中的裂纹长度。

2.材料的平面应变断裂韧性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，即：K=Y≥是材料抵抗裂纹扩展能力的式中Y是裂纹的形状因子。

平面应变断裂韧度KIC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：①评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。

②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。

可对构件的断裂安全性进行评价。

三、实验仪器及材料1.实验仪器①WDW-200D微机控制电子式万能材料试验机（拉伸力准确度优于示值的0.5%）②游标卡尺（精度0.02mm）③双悬臂夹式引伸计（原长10.00mm）④工具显微镜15JE（精度0.001mm）2.实验材料本试验采用经过860℃淬火、220℃回火处理的40Cr钢，屈服强度σs=1400MPa。

3.实验试样SE(B)三点弯曲试样：4. 试样中裂纹的制备要求测定裂纹失稳扩展时的裂纹应力强度因子的临界值，要求裂纹尖端具有足够高的应力集中效应，否则，易于造成试验因为应力——位移曲线不符合要求而得不到预定结果。

为此，试样中裂纹的制备由两道工序完成。

实验报告六千分尺一把；试样示意图：图一：弯曲和紧凑拉伸试样04 28329.852 28329.852数据处理及有效性判定： 一、 20#钢退火态 1：402号试样厚度B （mm ）=12.00mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm ；a=2.751mm ；P Q =14500 N 当S/W ＝4时，=0.866计算K Q=837.13根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1.346>1.10；（2）2.5 (KQ σy)^2=12.80>12.00402号试样的断裂韧性实验是无效的，需加厚试样尺寸再进行实验。

2：404号试样厚度B （mm ）=12.00mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm a=3.536mm ；P Q =10500N 当S/W ＝4时，=0.988计算K Q=691.6根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1.3000>1.100（2）2.5 (K Q σy)^2=8.73<12.00404样的断裂韧性实验是无效的，需加厚试样尺寸再进行实验。

二、40Cr800℃+100℃回火试样 1：01号试样厚度B （mm ）=12.50mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm a=4.026mm ；P Q =21678.081 当S/W ＝4时，=1.052计算K Q=1459.51根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1.000<1.110（2）2.5 (K Q σy)^2=3.476<12.5001号试样断裂韧性实验有效。

2：04号试样厚度B （mm ）=12.50mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm a=5.243mm ；P Q 28329.852N 。

当S/W ＝4时，=1.907计算K Q=3571.83根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1<1.10（2）2.5 (KQ σy)^2=8.504<12.50 04试样断裂韧性实验有效。

平面应变断裂韧性K IC 的测定一、实验目的1、学习金属平面应变断裂韧度的试样制备，断口测量和数据处理。

2、掌握金属平面应变断裂韧度K 1C 的测定方法。

二、实验原理本实验按照国家标准GB 4161-84规定进行。

断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展能力的一种量度，在线弹性断裂力学中，材料发生脆性断裂的判据为：K1≤K1C ，式中K1为应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近的应力场的强度，其大小决定于构件的几何条件、外加载荷的大小、分布等。

K1C 是在平面应变条件下，材料中I 型裂纹产生失稳扩展的应力强度因子的临界值，即材料平面应变断裂韧度。

裂纹稳定扩展时，K1和外力P 、裂纹长度a 、试件尺寸有关；当P 和a 达到Pc 和ac 时，裂纹开始失稳扩展。

此时材料处于临界状态，即K1=K1C 。

K1C 与外力、试件类型及尺寸无关（但与工作温度和变形速率有关）。

（一）、应力强度因子K q 的表达式对三点弯曲试件来说式中：S 为试件跨度，B 为试件厚度，W 为试件高度，a 为试件裂纹长度。

试件B 、W 和S 间比为B ：W ：S=1 : 2: 8,见图示 ：修正系数f/（a/w ）为a/w 的函数，可查表，a/w 在0.45-0.55之间。

（二）、试样尺寸要求及试样准备a 、平面应变条件对厚度的要求当试件的厚度足够时，在厚度方向上的平面应力层所占比重很小，裂纹顶端的广大区域处于平面应变状态。

这时整个试样近似地均处在平面应变条件下，从而才能测得一稳定的K1C 值。

对试件厚度要求推荐为：)/(5.21s C K B σ≥弯曲试样的f(a/w)b 、小范围屈服条件对裂纹长度的要求对常用三点弯曲试样，因裂纹顶端存在或大或小的塑性区，塑性区半径ry 不能无限地接近零。

K1近似可成立的r 值是裂纹顶端塑性区与广大弹性区交界的界面处。

对三点弯曲要求：21)/(5.250s C y K r a σ≈≥c 、韧带尺寸要求韧带尺寸也称韧带宽度（W-a ），对应力强度因子K 数值有大影响，如韧带宽度过小，背表面对裂纹塑性变形将失去约束作用，在加载过程中试样整个韧带屈服，裂纹试样不再近似地认为弹性体，这时线弹性理论的分析方法也就不适用。

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)2a≧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。

图1测K IC 的标准试平面应变断裂韧性K 1C 的测定一、实验目的：了解金属材料平面应变断裂韧度测试原理和测试方法。

二、实验设备：RSA-250申克试验机；高频疲劳试验机；夹式引伸计；工具显微镜；游标卡尺。

三、试样：材料：40Cr(低温回火处理)。

名义尺寸：B=10mm ；W=20mm ；S ＝80mm 。

四、实验概述1. 实验原理：线弹性断裂力学中，带裂纹体裂纹尖端附近的弹性应力场的强度是用应力强度因子K 来度量。

线弹性断裂力学的分析证明：应力强度因子K 可表征为：a Y K σ=，其中：σ——外加应力；a ——裂纹深度；Y ——形状因子（与裂纹及试样的几何参数有关）。

I 型(张开型)裂纹的断裂准则为：当应力强度因子K I 达到其临界值Kc 时裂纹即失稳扩展而断裂。

如果裂纹尖端附近的材料处于平面应变状态，则I 型裂纹的断裂韧度值称为平面应变断裂韧性，记作K IC （ m MPa ）,它表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标，其中罗马数字Ⅰ是指Ⅰ型裂纹及裂纹顶端处于平面应变状态。

测试K IC 就是测试裂纹开始失稳扩展时的应力强度因子值。

具体方法是：对含有裂纹的三点弯曲试件或紧凑拉伸试件施加适当的载荷，使裂纹尖端处于I 型裂纹受载状态并引起裂纹扩展，记录载荷P 及裂纹嘴的张开位移V ，然后按规定在P —V 曲线上确定特征载荷P q 值，测量裂纹长度a ，将P q 值和a 带入相应试件的K I 表达式，计算K IC 的条件表达值Kq ，在进行有效性判断后确定Kq 是否是K IC 。

2. 试样形式： 测试K IC 常用的试件(如图1所示)是三点弯曲和紧凑拉伸两种标准试件，其中W ／B=2，a/W 在0.45—0.55之间，a 为裂纹长度。

对于两种形式的试件，其应力强度因子K I 分别按下面公式计算：对三点弯曲试样：⎪⎭⎫⎝⎛=W a f BWPS K I 23 --(1) 式中P 为载荷，B 、W 分别为试件的宽度和厚度，S 为跨度，a 为裂纹长度， f （a/W ）为试样几何形状因子，对于三点弯曲试件，f （a/W ）用下式表示：()()()()[]()()2322113W /a 2a/W 12W /2.7a 3.93a/W -2.15a/W -1a/W -1.99a/W W a f 2-++=⎪⎭⎫ ⎝⎛-- -(2)如采用标准试件，f （a/W ）值可查阅附表1。

平面应变断裂韧度K IC 的测定“工程力学”指出，材料对本身的裂纹或类裂纹缺陷的存在十分敏感，裂纹失稳扩展是脆性断裂的主要原因。

控制断裂的三个主要因素是裂纹的形状和尺寸、工作应力和材料抵抗裂纹扩展的能力（材料的断裂韧度）。

前二者是作用，为断裂的发生提供条件；在“线弹性断裂力学”中，用裂纹尖端的应力强度因子K 来描述，且()a w a f K πσ ,=上式的适用条件为裂纹尺寸a ≥2.52⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ys IC K σ，即在线弹性或小范围屈服条件下才成立。

后者是抗力，阻止断裂的发生；在一定条件下（满足平面应变条件）是一材料常数，称为材料的平面应变断裂韧度，记作K IC ，可由实验测定。

一、实验目的测定材料的平面应变断裂韧度K IC二、实验设备和仪器1．力传感器、双悬臂夹式引伸计。

2．三点弯曲试验装置。

3．材料试验机。

4．高频疲劳试验机。

5．精密量具（游标卡尺和读数显微镜等）。

三、实验原理含有I 型(张开型)裂纹试样，其应力强度因子一般可表达为：式中：() ,w a f 是试样的几何形状因子，在试样形状、尺寸和加载方式为一定的条件下是一常数。

随着外载荷F 的增加，K I 随之增加。

然而K I 的增加不是无限的，这种增加受到材料性能的限制，即当K I 增加到某一临界值时，裂纹就会失稳扩展引起材料脆断。

这个临界值代表材料抗脆断的能力，也就是材料的断裂韧度。

所以在测试时，只要在试样的加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷F q 和试样裂纹尺寸a ，就可以求出试样材料的临界应力强度因子K q 。

如果试样尺寸满足平面应变和小范围屈服条件，则此时的临界应力强度因子即为该材料(),(81)I K f a w =-的平面应变断裂韧度K IC 。

四、实验方法采用带穿透裂纹的试样测定金属材料平面应变断裂韧度是目前断裂力学测试技术中发展较完善的一种方法。

1．K I 标定公式对于三点弯曲试样，应力强度因子K I 的表达式为： I 3/2(/)FS K f a w BW = （8-2） 式中：S 、B 、W 及a 分别为试样的跨度、厚度、宽度，以及试样的裂纹尺寸；F 为作用于试样中点的集中力。

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，σb=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）2a≧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 。

（完整版）断裂韧性KIC测试试验实验五断裂韧性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)2a≧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。