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断裂韧性实验报告

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东南大学力学实验报告

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ICK、阻力曲线JJR、)(阻力曲线CTODR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ICK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IK所决定。IK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IK=ICK，裂纹开始失稳扩展。IK的临界值ICK是一材料常数，称为平面应变断裂韧度。测试ICK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CP、a代入所用试样的IK表达式即可求得ICK。

ICK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QP的确定、实验测试值QK的计算及QK有效性的判断）。

1. 2 延性断裂韧度RJ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： 东南大学力学实验报告

aBUJ （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RJ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RJ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RJ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RJ曲线。RJ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。

RJ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

)/(05.0sJB （1-2）

其中

铝合金钛合金钢 120 80 50 东南大学力学实验报告

2）J积分有效性条件

)/(2sRJaW

一般05.0JJR,当不易估计aW时，可用4.1)/(aWB求出 )(aW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ICK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maxfP超过极限载荷LP，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、RJ值计算及RJ 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），所测结果为启裂点的裂端张开位移。而R阻力曲线与RJ阻力曲线方法类似。所谓R阻力曲线是指相应于某一裂纹扩展量的值与裂纹扩展量a的关系曲线，它不但能提供启裂抗力i，而且能同时得到几个COD特征值，以满足不同条件的需要。R曲线本身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力的变化规律，这在评定材料和东南大学力学实验报告

工艺质量及安全分析方面有着重要意义。同时，求作R曲线可以省去确定启裂点的步骤，这是R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。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。pV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p。假设在塑性变形过程中,裂纹表面绕O点作刚体转动。pr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：

00P0()()ppprWaazVrWa (1-1)

即有：

0P00()()ppprWaVrWaaz (1-2)

弹塑性情况下, 可由弹性的e和塑性的p两部分组成,即: 东南大学力学实验报告

pe (1-3)

弹性部分e为对应于载荷maxP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：

12PSIKBW (1-4)

则原裂纹尖端张开位移为:

2202IIP00()(1-)2()pepsprWaKKVErWaaz (1-5)

测试COD的标准试样是三点弯曲试样，其形状同ICK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PV，代入公式（1-6）

2202IIP00()(1-)2()psprWaKKVErWaaz (1-6)

同样对于三点弯曲试样,BS7448系列规范建议取pr=0.4,规范GB/T2358—1994建议取pr=0.44,规范JB/T4291—1999建议取介pr=0.45,而国家标准最近修正为pr=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pr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为材料的屈服强度; 为材料的泊松比; pr称为转动因子, pV为裂纹嘴张开位移塑性部分。

由此，可得该试样停机时的，这个就是对应该裂纹扩展量a时的裂纹扩展阻力，记为R。对每个试样可以得到一对（R，a），58个试样可描绘一条Ra曲线，此曲线即为R曲线。

R曲线测试的一般步骤（与RJ阻力曲线测试类似）为： 东南大学力学实验报告

（1） 试样制备（包括试样尺寸、疲劳预制裂纹）；

（2） 断裂实验（记录PV曲线）；

（3） 试验结果处理（包括数据处理和计算R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：

20.450.55420.250.3541.20.350.454WBWaWSWWBWaWSWWBWaWSW

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 东南大学力学实验报告

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ICK，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)aW，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maxP应不大于fP。

对于三点弯试样 200.5/fYPBbS

y—屈服应力(屈服点sa,或屈服强度0.2).MPa；

b—抗拉强度，MPa;

Y—有效屈服强度，()/2Yyb,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。 东南大学力学实验报告

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

把测好尺寸（BW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得到的讯号经过放大后输入XY记录仪，描绘出力—张开位移曲线（PV曲线）。应该注意的有以下几点：

（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/MNm范围内，相当于0.040.2/BBmms；

（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；

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北京科技大学金属断裂韧性试验预习报告

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1 40Cr平面应变断裂韧性试验报告

一、试验内容、目的与要求

1.用标准三点弯曲方法测定40Cr在淬火+低温回火后的平面应变断裂韧性

2.加深理解平面应变断裂韧性的应用及其前提条件。

二、试验原理

断裂条件是： σ*a0.5=材料常数

σ为正应力，2a为试样或者构件中的裂纹长度。

线弹性断裂力学断裂判据： K=Yσ* a0.5≥KIC

Y是裂纹形状因子。

平面应变断裂韧性KIC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。它可以用于：

 (1)评价材料的适用性

 (2)作为材料的验收和质量控制标准

 (3)对构件的断裂安全性进行评价

三、试验材料与试样

试验材料：40Cr， 880℃淬火，220℃回火；屈服强度Rp0.2 =1400MPa

试样：按照国标要求加工的标准三点弯曲试样SE(B)，其中名义跨度S=4W (W＝20mm)

其标准比例和公差见图1。

图 1 弯曲试样SE(B)的标准比例和公差

四、试验仪器与设备

1. WDW-200D万能拉伸试验机；

2. 工具显微镜，最小分度为0.001 mm；

3. YYJ-4/10引伸计，能够准确指示裂纹嘴标距间的相对位移，且能稳妥地安在试样 2 上；

4. 游标卡尺，精度为0.02 mm。

五、试验步骤

1. 试验之前按照国标要求预先制备好疲劳裂纹；

2. 测量试样厚度B：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，在三个等间隔位置上测量厚度B，准确到0.025 mm或0.1%B，取其中较大者，取三次测量的平均值作为B；

3. 测量试样宽度W：在缺口附近至少三个位置上测量宽度W，准确到0.0025mm或0.1%

W，取较大者，计算平均值作为W；

4. 在试样上粘贴引伸计卡装刀口（本次试验中，使用上一组粘贴好的试样，本组粘贴的试样供下一组使用），具体步骤为：（1）用游标卡尺量出5.30mm的距离，并保持这个距离；（2）移动游标卡尺，使裂纹居于5.30mm距离的中间；（3）在卡尺两个测量脚处划线标记；（4）在标记出粘贴刀口

平面应变断裂韧性KIC试验结果解析

平面应变断裂韧性KIC试验结果解析

技术协作信息技术探讨与推广平面应变断裂韧性KIC试验结果解析◎张立文一、断裂韧性工程设计中使用屈服强度σ0.2确定构件的许用应力[σ]，在许用应力以下构件就不会发生塑性变形，更不会发生断裂。然而事实并非如此，高强度材料的构件有时会在应力远远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂；中低强度材料的重型构件及大型结构件也有类似的断裂。屈服强度仅能保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，却不能防止脆性，延伸率、断面收缩率、冲击韧性、缺口敏感性等指标也是基于无裂纹理想的试样测得，加之具体工作条件不同，也很难确定这些性能指标。1.断裂韧性含义。无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段，大量事例和实验分析说明，低应力脆性断裂总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的，断裂力学就是以构件中存在宏观缺陷为讨论问题的出发点，运用连续介质力学的弹性理论，考虑材料的不连续型，研究材料裂纹扩展的规律，确定能反映材料抗裂纹性能的指标及其测试方法以控制和预防构件的断裂。断裂韧性就是断裂力学用于表征反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。.2.KIC的意义。根据缺口效应，应用弹性力学理论，研究含有裂纹材料的应力应变状态和裂纹扩展规律的线弹性断裂力学，在特定条件下，通过计算定义了表示裂纹前端应力场强弱的因子，简称应力场强度因子KⅠ，KⅠ是一个能量指标。裂纹扩展有三种形式，张开性、滑开型和撕开型，其相应的应力场强度因子也不同，分别以KΙ、KⅡ、KⅢ表示，KΙ是正应力作用下，裂纹在张开性扩展时的应力场强度因子。张开性扩展是最危险的，容易引起低应力脆断，材料对这种裂纹扩展的抗力最低。因此，即使是其它形式的裂纹扩展，也常按Ι型处理。研究计算表明，材料在平面应变状态下，裂纹前端处于三向拉应力状态，这时材料塑性变形比较困难，裂纹容易扩展，显得特别脆，是一种危险的应力状态。如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的数值最低，称之为平面应变断裂韧性，用KIC表示。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆性断裂的能力，是衡量材料韧度好坏的一个机械性能指标。二、平面应变断裂韧性应用及脆断判据一个有裂纹的构件上的拉应力逐渐加大，或者裂纹逐渐扩展时，裂纹尖端的应力场强度因子KⅠ也随之逐渐增大，当KⅠ到达临界值时，构件的裂纹将产生突然的失稳扩展。这个应力场强度因子KⅠ称作临界应力场强度因子，它就是材料的断裂韧性KⅠC。断裂韧性KⅠC是应力场强度因子KⅠ的临界值，它们的物理意义完全不同，KⅠ是描述裂纹前端应力场强弱的力学参量，它与裂纹及物体的大小、形状、外加应力等参数有关。而材料本身的KIC并不随应力的大小变化，只和材料的成分、热处理及加工工艺有关。因此，KIC是评定材料力学性能的指标。对于带裂纹的构件，其裂纹前端的应力场强弱可以用KⅠ来定量描述，比较其与KIC的相对大小来判断构件是否可能发生失稳脆性断裂。若KⅠ≥KIC则构件将发生失稳脆断。断裂韧性试验就是设定某些条件，测定裂纹前段应力场强度，比较其与给定断裂韧性的数值的大小，判定材料的断裂韧性是否合格。三、平面应变断裂韧性试验1.试验原理：本方法使用预制疲劳裂纹试样通过缓慢增加裂纹位移力来测定金属材料的平面应变断裂韧性（KIC）。2.试验机及力值测量：疲劳试验机软件中自带力与缺口张开位移自动记录装置及程序，并能对其进行存储，根据对试验记录的线性部分规定的偏离来确定2%最大表观裂纹扩展量所对应的力。如果认为试验确实可靠，KIC值就可以根据这个力计算。3.试样及疲劳裂纹预制。试样应具有足够的厚度，以保证裂纹尖端附近处于平面应应变状态，试样厚度B满足以下条件：B≥2.5此外，为保证裂纹尖端塑性区远远小于韧带宽度（W-a）和裂纹长度a。还要满足以下条件：a≥2.5W-a≥其中KⅠc———是试验材料的断裂韧性Rp02———是试验材料的屈服强度4.试验步骤。测试时，把带有预制疲劳裂纹的试样，用专门制作的U型勾上，通过销轴夹持装置在试验机上进行断裂试验。传感器，引伸计分别记录施加载荷和裂纹张口位移，通过放大器接到X-Y记录仪，连续记录载荷和位移，形成载荷P和位移V曲线。5.试验结果的计算与解释。在试验记录上，通过原点画一条斜率为（P/V）5=0.95（P/V）0的割线OP5，其中（P/V）0是记录线性部分切线OA的斜率，然后按下面方法确定PQ，如果在P5之前，记录曲线上每个点的力均低于P5（Ⅰ型），窑窑技术协作信息技术探讨与推广

焊接接头的断裂韧性试验与分析

焊接接头的断裂韧性试验与分析

焊接接头的断裂韧性试验与分析

引言：

焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于工业领域。而焊接接头的质量直接影响着结构的可靠性和安全性。在工程实践中，焊接接头的断裂韧性是评估其性能的重要指标之一。本文将探讨焊接接头的断裂韧性试验与分析方法，旨在提供一种对焊接接头进行质量评估和性能优化的方法。

一、断裂韧性的定义和意义

断裂韧性是指材料在受到外力作用下，在断裂前能吸收的能量。对于焊接接头来说，断裂韧性的好坏直接影响着其在工作条件下的可靠性和安全性。优秀的焊接接头应具备较高的断裂韧性，能够在受到冲击或振动等外力时，承受更大的能量而不发生断裂。

二、断裂韧性试验方法

1. 冲击试验法

冲击试验是常用的断裂韧性试验方法之一。常用的冲击试验设备包括冲击试验机和冲击试样。试验过程中，将冲击试样放置在冲击试验机上，然后施加冲击力，记录试样断裂前的能量吸收情况。通过冲击试验可以评估焊接接头的断裂韧性。

2. 断裂延伸试验法

断裂延伸试验是另一种常用的断裂韧性试验方法。试验过程中，将试样加工成带有切口的形状，然后施加拉伸力，记录试样断裂前的延伸长度。通过断裂延伸试验可以评估焊接接头的延伸能力和断裂韧性。

三、断裂韧性试验结果分析 通过进行断裂韧性试验，可以获得试验结果数据。针对这些数据，可以进行以下分析：

1. 断口形貌分析

通过对焊接接头断口形貌的观察和分析，可以了解断裂的方式和原因。常见的断口形貌包括韧突断口、脆突断口和混合断口等。通过分析断口形貌，可以判断焊接接头的断裂机制，进而优化焊接工艺和材料选择。

2. 断裂韧性参数计算

通过试验数据，可以计算出一些断裂韧性参数，如断裂韧性指数KIC和断裂韧性强度K1C等。这些参数可以用于评估焊接接头的断裂韧性水平，并与标准进行比较，以判断焊接接头的质量是否合格。

四、断裂韧性分析的意义和应用

焊接接头的断裂韧性分析对于评估焊接接头的质量和性能具有重要意义。合格的焊接接头应具备较高的断裂韧性，能够在工作条件下承受较大的外力而不发生断裂。通过断裂韧性分析，可以发现焊接接头的缺陷和问题，并采取相应的措施进行改进和优化。同时，断裂韧性分析结果还可以为焊接接头的设计和材料选择提供参考依据。

混凝土断裂韧性测试及分析

混凝土断裂韧性测试及分析

混凝土断裂韧性测试及分析

一、研究背景

混凝土是一种广泛应用的建筑材料，其力学性能对建筑的结构稳定性和安全性具有重要影响。混凝土断裂韧性是评价混凝土抗裂性能的重要指标，其高低直接影响混凝土的耐久性和使用寿命。因此，对混凝土断裂韧性进行测试和分析具有重要的理论和实际意义。

二、测试方法

混凝土断裂韧性的测试方法有很多种，其中最常用的是三点弯曲试验和压缩试验。下面将分别介绍这两种测试方法。

1.三点弯曲试验

三点弯曲试验是一种常用的混凝土断裂韧性测试方法。其测试原理是在混凝土试件上施加一定的力，使其在中央发生弯曲，从而使试件中心出现裂缝。通过测量试件的载荷-位移曲线和计算试件的断裂韧性指标，来评价混凝土的断裂韧性。

三点弯曲试验的具体操作流程如下：

（1）根据试验需要制备混凝土试件，试件的尺寸和形状应符合相关标准和要求。

（2）将试件放在试验机上，调整试验机的位置和负荷点的位置，使负荷点位于试件上方的中心处。

（3）开始加载试件，记录载荷和试件的位移值。当试件出现裂缝时，停止加载试件，记录试件的最大载荷值和裂缝宽度。

（4）根据试件的载荷-位移曲线和试件的几何参数，计算试件的断裂韧性指标。

2.压缩试验

压缩试验是另一种常用的混凝土断裂韧性测试方法。其测试原理是在混凝土试件上施加一定的压力，使其发生压缩破坏，并通过计算试件的断裂韧性指标，来评价混凝土的断裂韧性。

压缩试验的具体操作流程如下：

（1）根据试验需要制备混凝土试件，试件的尺寸和形状应符合相关标准和要求。

（2）将试件放在试验机上，调整试验机的位置和压力点的位置，使压力点位于试件上方的中心处。

（3）开始加载试件，记录载荷和试件的位移值。当试件出现裂裂时，停止加载试件，记录试件的最大载荷值和裂缝宽度。

（4）根据试件的载荷-位移曲线和试件的几何参数，计算试件的断裂韧性指标。

三、分析方法

混凝土断裂韧性的分析方法主要包括载荷-位移曲线分析、断裂韧性指标计算和断面应力分析三个方面。