钢的断裂韧性试验研究

921A 钢的延性断裂韧性测试研究周启雄;范俊明;程红渝;董承武【摘要】以 GB ／T 21143的柔度法及美国标准 ASTME1820－11推荐规则化数据还原技术为基准，对921A 钢试样进行预制疲劳裂纹、收集试验数据、试验数据后处理、有效性评估等几个方面的试验研究。

研究结果表明：通过采用规则化数据还原技术以及柔度法对所有试样进行数据处理，两种数据处理方法得到的 J—Δa 曲线以及启裂韧度 JQ均较为接近，且试验预测的最终裂纹长度与光学显微镜实测裂纹长度吻合。

说明了采用 GB ／T 21143可以有效测定高强度塑性材料的延性断裂韧性。

%Based on unloading compliance method by GB /T 21143 and rules for normalized data reduction technique recommended by American standard ASTME1820 -11.Several experimental studies were con-ducted,such as prefabricating fatigue pre-crack of 921A steel specimens,collecting and processing test data,and evaluating validity of experiments.The results of this research show that J—Δa curve and crack initiation toughness JQ acquired by the normalized data reduction technology and unloading compliance method are relatively consistent,and there is an approximate consistency between the final crack length of prediction and actual crack length observed by optical microscope.It can be concluded that the use of GB /T 21143 can be effectively measured ductile fracture toughness of high-strength plastic material.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2016(033)006【总页数】7页(P1-7)【关键词】921A钢;延性断裂韧度;规则化数据还原技术;柔度法【作者】周启雄;范俊明;程红渝;董承武【作者单位】成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都 610400;成都格瑞特高压容器有限责任公司，四川成都 610400;成都市特种设备检验院，四川成都610041;成都市特种设备检验院，四川成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TH142;TG142.1;TG111.91根据构件的服役条件，在对构件进行安全评定时，材料的延性断裂韧度是重要的性能指标。

低合金钢热轧薄宽钢带的断裂韧性行为研究摘要：</br>低合金钢热轧薄宽钢带在工业生产中具有广泛应用，然而，在一些特殊工况下，低合金钢热轧薄宽钢带往往会遭受冲击或拉伸等外力的作用，引发断裂现象。

因此，研究低合金钢热轧薄宽钢带的断裂韧性行为具有重要意义，本文通过实验测试及数值模拟的方法，对其断裂机理和韧性行为进行了深入研究，旨在提高低合金钢热轧薄宽钢带产品的质量和安全性。

关键词：低合金钢热轧薄宽钢带，断裂韧性，断裂机理1. 引言低合金钢热轧薄宽钢带是一种常见的工业材料，具有优异的力学性能和加工性能，广泛用于汽车制造、建筑结构、船舶制造等方面。

然而，在一些特殊环境下，低合金钢热轧薄宽钢带可能会遭受外力作用，导致断裂。

为了提高产品的质量和安全性，研究低合金钢热轧薄宽钢带的断裂韧性行为十分必要。

2. 实验方法本研究采用了以下实验方法来研究低合金钢热轧薄宽钢带的断裂韧性行为：2.1 断裂韧性评价实验通过钢带压扁实验、冲击实验和拉伸实验来评估低合金钢热轧薄宽钢带的断裂韧性。

在钢带压扁实验中，通过观察钢带的压扁程度和形态来评价其韧性。

冲击实验中，使用冲击试验机通过测量冲击负荷和断裂能量来评估钢带的断裂韧性。

拉伸实验中，通过测量拉伸过程中应变-应力曲线和断裂形态来评估钢带的韧性。

2.2 断裂韧性数值模拟采用有限元分析方法对低合金钢热轧薄宽钢带的断裂韧性进行数值模拟。

首先，建立钢带的有限元模型，并根据实验数据确定材料的本构关系。

然后，通过施加不同的加载情况，模拟钢带在不同应变率下的断裂行为，并分析断裂机理。

3. 结果与讨论3.1 断裂韧性评价实验结果钢带压扁实验结果显示，低合金钢热轧薄宽钢带表现出较高的韧性，能够承受一定程度的压扁变形。

冲击实验结果显示，钢带具有较高的抗冲击能力和断裂能量，表明其在受到冲击载荷时能够有效吸收能量。

拉伸实验结果显示，钢带具有良好的拉伸延性和抗拉强度，其断裂形态呈现出典型的韧性断裂特征。

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。

685均质钢静动态断裂韧性实验研究
随着工业的发展，钢材成为工程建设和运营中不可或缺的重要材料。

在实际工程中，研究钢材的断裂韧性，能够有效地降低安全系数，并且可以提高产品的质量。

有针对性的研究和研究，对钢材的加工质量和性能方面都有非常重要的作用。

本课题是以685均质钢为例，通过实验测量其静态和动态断裂韧性的研究。

685均质钢是一种高强度、高弹性的合金钢，具有优良的抗腐蚀性能，常用于各种机械结构件、汽车零部件等。

首先，我们介绍了685均质钢及其特点。

685均质钢主要由铁、碳、硅、锰、铬、钼、钨等元素组成，是一种高耐热合金钢，碳含量约为0.14%-0.20%，可以在478℃以上高温下具有良好的力学性能，能有效地抵御强酸强碱腐蚀。

其次，我们介绍了685均质钢静态和动态断裂韧性测试方法，要求表面光滑，无缺陷，厚度精确，使用恒载荷试验机力学性能测试，记录试样强度、断裂延伸率及断裂韧性等参数，采用循环载荷实验机测试试样的动态断裂韧性，研究并量化其断裂性能及变形特性。

然后，我们介绍了结果分析。

实验表明，685均质钢的断裂强度范围为304-380MPa，断裂延伸率为18-22%，动态断裂韧性
R=39.4MPam1/2-50.9MPam1/2。

在载荷循环中，试样的断裂呈现渐进型，耐量性能良好，可以满足相应的应用要求。

总之，本实验研究了685均质钢的静态和动态断裂韧性，得出了有关的结论。

今后针对不同的应用场合，仍需进一步研究685均质钢
的加工工艺及其力学性能，以深入了解及充分利用其特有的优良性能。

材料力学性能实验报告姓名: 班级: 学号: 成绩:
K的测定
实验名称实验六断裂韧性
1C
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.CSS-88100万能材料试验机；
2.工具读数显微镜一台；
3.位移测量器；
4.千分尺一把；
5.三点弯曲试样40Cr和20#钢试样各两个。

试样示意图
图1 三点弯曲试样
由于三向应力的存在，使得裂纹扩展区域的位错运动困难，受到更大的摩擦力，从而塑性变差，更易发生脆断。

附录一:
断裂韧性试验中断口照片:
附录二:
%根据试验的数据画P-V 曲线的matlab 程序
%在运行程序之前, 需要将数据导入到matlab 中: “File ”|“Import Data ” (a)试样01的断口图 (b)试样02的断口图
图7 40Cr800℃淬火+100℃回火断口图
(a)试样412的断口图 (b)试样415的断口图
图8 20#退火态试样的断口图
图3 40Cr800℃+100℃回火试样01的P-V 曲线
0.5
1.5
2.5
4
变形/mm
力/N
图4 40Cr800℃+100℃回火试样02的P-V 曲线
4
变形/mm
力/N
变形/mm
力/N
图5 20#钢退火态试样412的P-V 曲线
变形/mm 力/N
图6 20#钢退火态试样415的P-V 曲线。

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。

粉末冶金工具钢的断裂韧性研究摘要：粉末冶金工具钢作为一种重要的材料，在工具制造和机械零部件领域具有广泛应用。

然而，粉末冶金工具钢的断裂韧性一直是制约其应用领域拓展的一个关键因素。

本文对粉末冶金工具钢的断裂韧性进行了系统研究，并提出了一些提高其韧性的方法和建议。

引言：工具钢是一类特殊材料，广泛应用于切削工具、模具和机械零部件等领域。

粉末冶金工具钢由于具有高硬度、良好的耐磨性和尺寸精度等优点，成为工具制造领域的重要材料之一。

然而，粉末冶金工具钢在一些受冲击负荷的条件下容易发生断裂，其断裂韧性有待提高。

一、粉末冶金工具钢的断裂韧性测试方法断裂韧性是衡量材料在断裂过程中抵抗裂纹扩展的能力，常用的测试方法有冲击试验、拉伸试验、缺口冲击试验等。

冲击试验是一种快速评估材料断裂韧性的试验方法，常用的设备有冲击试验机。

通过测量材料在受冲击载荷作用下的断裂能量吸收来评估其断裂韧性。

拉伸试验是一种常用的材料力学性能测试方法，可以通过测量材料的拉伸强度、屈服强度和断裂伸长率等指标来评估其断裂韧性。

缺口冲击试验是将材料制备成缺口试样进行冲击试验，通过测量试样的断裂能量吸收来评估其断裂韧性。

这种方法比普通冲击试验更接近实际工况，更能反映材料在受缺口影响下的断裂行为。

二、影响粉末冶金工具钢断裂韧性的因素1. 材料成分材料成分是影响粉末冶金工具钢断裂韧性的重要因素之一。

合理的成分设计可以调节材料的组织结构和相互作用，影响材料的韧性。

例如，适量的合金元素添加和控制碳含量可以提高材料的强度和塑性，从而提高其断裂韧性。

2. 粉末冶金工艺粉末冶金工艺是影响粉末冶金工具钢断裂韧性的关键因素之一。

合理的工艺参数可以控制材料的致密度、残余气孔率和晶粒尺寸等，从而影响材料的韧性。

例如，适当的烧结温度和保温时间可以提高材料的致密度和晶粒长大，改善其韧性。

3. 热处理工艺热处理工艺是通过改变材料的组织结构和力学性能来影响其断裂韧性的重要手段。

合理的热处理工艺可以改善材料的强度和塑性，并调节材料的残余应力分布，从而提高其断裂韧性。

685均质钢静动态断裂韧性实验研究685质钢可以作为一种重要的结构材料，在航空航天，舰船，石油化工，核能等领域有着广泛的应用。

此外，由于它的良好力学性能，均质钢还被广泛用于军事装备，生产中的各种机械设备等领域。

由于均质钢具有优越的力学性能，因此研究它的断裂韧性特性是非常重要的。

钢材的断裂韧性是指材料在断裂过程中具有的抗压能力。

这是一个负责破坏的过程，如果材料本身无法抗压，断裂就会发生。

因此，为了推动结构材料的开发改进，研究断裂韧性是非常重要的。

本文将介绍685均质钢静动态断裂韧性实验研究。

实验分析了该材料在宏观和微观结构下的断裂韧性，并对实验数据进行了详细的分析。

首先，根据实验结果和探讨，在宏观结构下，685均质钢的断裂韧性以及断裂韧性随温度的变化的规律。

在微观级别，685均质钢的断裂韧性主要与材料的组织结构有关，以及断裂韧性随温度变化的规律。

其次，从宏观结构方面研究了685均质钢的断裂韧性，采用了立方体拉伸试验，研究了材料断裂韧性随温度变化的规律。

根据实验结果，在温度较低时，材料断裂韧性较大，而在温度较高时，断裂韧性就会降低。

之后，在微观结构方面对685均质钢的断裂韧性进行了研究，以及断裂韧性随温度变化的规律。

在此，我们采用了显微镜扫描，原子力显微镜和X射线衍射实验，以获得详细材料组织结构。

根据实验结果，我们发现随着温度的升高，材料的断裂韧性会随之降低。

最后，我们对实验数据进行了详细分析，得出了685均质钢断裂韧性和温度变化规律的结论，证实了该材料在复杂应力状态下拥有优越的韧性。

综上所述，本文介绍了685均质钢静动态断裂韧性实验研究。

实验分析了该材料在宏观和微观结构下的断裂韧性，以及断裂韧性随温度变化的规律，并对实验数据进行了详细分析，形成了关于685均质钢断裂韧性的定点模型，为改善该材料的断裂韧性提供了科学的依据，同时也为进一步研究685均质钢的断裂韧性提供了参考。

Q345BH 型钢动态断裂韧性研究摘要：本研究旨在探讨Q345BH 型钢在不同温度下的动态断裂韧性特性，采用单缺口准实物试验和数值模拟相结合的方法，研究了Q345BH 型钢在-40℃、-20℃、0℃和20℃四种温度下的动态断裂韧性。

结果表明，Q345BH 型钢的断裂韧性随着温度的升高而下降，在-40℃和-20℃时，Q345BH 型钢的动态断裂韧性“ⅠⅠⅠ区”面积较大，在0℃和20℃时，韧性“ⅠⅡ区”面积随着温度的升高而显著减小。

数值模拟结果与实验结果吻合良好，证实了本研究的可行性。

关键词：Q345BH 型钢；动态断裂韧性；温度；单缺口准实物试验；数值模拟1.引言Q345BH 型钢作为重载结构材料，在航空、船舶、桥梁、建筑等领域得到了广泛应用，其力学性能对结构的安全可靠性起着决定性作用。

近年来，随着结构工程领域的迅速发展，人们对材料的断裂韧性要求越来越高。

因此，对于Q345BH 型钢的动态断裂韧性研究具有重要意义。

本文采用单缺口准实物试验和数值模拟相结合的方法，研究了Q345BH 型钢在不同温度下的断裂韧性特性，为其应用提供了一定的参考。

2.实验与数值模拟2.1单缺口准实物试验使用单缺口准实物试验研究Q345BH 型钢在不同温度下的动态断裂韧性。

样品沿着纵向剖面切割，缺口开口宽度为2mm，长度为30mm，缺口深度为0.2mm。

采用冲击试验机，加载方式为悬臂梁，加载速度为0.5m/s，获得曲线载荷-扩展位移曲线。

绘制载荷-位移曲线和裂纹扩展距离-载荷曲线。

通过计算裂纹扩展函数J-R 曲线，得出断口能量。

实验数据如表1 所示。

表1 单缺口准实物试验数据温度(℃) 断口能量(J/m^2) 断口延展率(%) 断口形貌-40 197 67 % ⅠⅠⅠ区面积占比最大-20 146 59 % ⅠⅠⅠ区面积占比最大0 112 47 % ⅠⅡ区面积占比最大20 98 41 % ⅠⅡ区面积占比最大2.2数值模拟采用LS-DYNA 有限元软件模拟不同温度下Q345BH 型钢的动态断裂韧性，建立了三维模型和网格模型，计算其受载过程中的应力、应变、变形等参数。

685均质钢静动态断裂韧性实验研究近年来，随着钢铁工业的发展，合金钢及其材料的性能要求也日益提高。

以优异的力学性能一直备受关注。

其中，表面性能，如断裂韧性，是钢铁材料的一个重要参数。

因此，如何使钢铁材料具有优异的断裂韧性，探究钢铁材料的断裂韧性机理，对于钢铁材料的开发有重要的意义。

本文旨在研究685均质钢在静态和动态条件下的断裂韧性。

首先，研究组使用685均质钢进行力学性能测试，检测其断裂韧性，并采用扫描电镜和硬度测量，了解其组织结构和组织变化。

其次，研究组采用低速和高速试验机，分别测试其断裂韧性，对比其静态和动态断裂韧性。

最终，研究组结合公差和断裂韧性理论，梳理685均质钢静动态断裂韧性机理。

实验室把685均质钢拉伸到，测定其断裂韧性指标。

结果表明，当以25MPa/s的速率加载时，686均质钢的断裂韧性指标约为52MPa；当以120MPa/s的速率加载时，断裂韧性指标约为44MPa，说明动态加载时685均质钢的断裂韧性比静态加载要低8MPa。

684均质钢断裂韧性的变化受温度、速率、混合效应等多种因素影响。

实验组在低速和高速试验机上，采用不同的温度和速率，重复测试断裂韧性，发现温度对断裂韧性的影响较小，速率对断裂韧性的影响较大。

研究组把低速试验机断裂韧性测试实验结果与高速试验机测试实验结果相比较，发现随着加载速率的增加，断裂韧性减少，最终修正断裂韧性受剪切应力，温度和加载速率三个参数的混合效应模型。

接下来，研究组对685均质钢的微观结构进行了观察，采用扫描电镜和硬度测量，结果表明：添加废汽油和焦炭可以增强均质钢的断裂韧性；速率的上升使均质钢的细小结构改变，从而导致断裂韧性降低。

综上所述，研究组基于686均质钢的断裂韧性静动态实验结果，梳理出686均质钢静动态断裂韧性机理，其中废汽油和焦炭添加可以提高断裂韧性，速率的增加可以降低断裂韧性，断裂韧性受剪切应力、温度、加载速率三个参数的混合效应影响。

这些结果可为其他类型材料的断裂韧性研究提供参考，为未来钢铁材料的开发提供依据。