断裂韧性实验指导书

1 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Tk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Ak。（Ak除以试样缺口处截面积得冲击韧性值ak）。

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ETTn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FTTn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Ak-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Ak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Ak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（℃）。 2

图1 韧脆转变温度曲线示意图

四、 实验设备及试样：

1. 冲击试验机

本次实验用JB-30型冲击试验机进行。

试验前，必须对试验机进行空击试验，校正指针零点。

安放试样的支座必须事先根据所用试样缺口类型进行选择安装。安放试样时采用专门样规，以保证试样缺口与支座跨距中心重合。应符合GB/T229和GB/T3808规定。

试验时，首先将自动扬摆的冲击试验机接通电源，操纵“扬摆”按钮将摆锤举起直至最高位置，然后按下“冲击”按钮，使摆锤落下冲断试样。当摆锤出击试样后回摆运动时可按“刹车”按钮，摆锤立即制动。记下试验机指针在表盘上所指的数值，即为冲断试样所消耗的冲击功Ak。

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。尺寸详见国家标准GB/T229-1994。标准夏比Ｖ型缺口冲击试样尺寸见图2。 3 试样坯料经热处理后，在平面磨床上磨光再开缺口。对硬度较低材料，可用铣、钻等方法加工，对硬度较高材料，则需用砂轮磨削或电火花钼丝切割，对缺口应严格检查。

图2 标准夏比V型缺口冲击试样

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1-2次，看指针是否指到零，是否打滑，调节指针松紧螺钉，检查刹车机构是否好用。

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。完成后将试样用夹子放入加热器或冷却装置中均 4 温，保温时间不少于20分钟。

4. 冲击试验，低温冲击试验从冷却装置中取出后应迅速放在试验机支座上进行试验。为保证操作迅速，在支座上安装简易的试样定位装置，以减少使用样规定位时间。若试样取出到放好已超过5秒，则不能继续冲击，必须将试样放回加热器或保温瓶中重新保温。

注意：安放试样和释放摆锤均由同一人完成，严禁两人合作。所有参加试验的人都不允许在摆锤摆动平面内站立、走动。参加本实验，一定要集中注意力，保持良好秩序。

5. 冲击完后立即刹车，刹车要轻操作，不要用力太大。

6. 记录冲击功Ak，将指针拨回，整理数据。参照图3观察冲断试样断口上的韧性断口与脆性断口面积之比，求出脆性断面率。

六、实验结果分析

1. 每一种实验温度下所得的几个试样的Ak值，分别记录，不要取平均值。未冲断的试样，记录其并注明“未冲断”。

2. 根据试验数据在坐标纸上绘制冲击吸收功－温度曲线；每一温度下试验的几个Ak值要在图上分别定点，然后根据这些试验点的变化趋势描绘出一条曲线，确定韧脆转变温度ETT50（℃）。

3. 根据试验数据在坐标纸上绘制脆性断面率－温度曲线；每一温度下试验的几个值要在图上分别定点，然后根据这些试验点的变化趋势描绘出一条曲线，确定韧脆转变温度FTT50（℃）。

七、试验报告：

1. 实验目的：

2. 实验用设备、冷却介质、试样的材料和热处理状态；

3. 整理试验结果、试件断口特性讨论；

4. 试验数据、冲击功—温度曲线及所确定的ETT50（℃）。脆性断面率－温度曲线及所确定的FTT50（℃）。

5. 说明冲击吸收功Ak和冲击韧性ak的意义和区别。

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图3 冲击试样断口纤维断面率示意图

6 系列冲击试验记录表

试样编号 试样温度（℃） 试样尺寸

冲击功Ak（J） 冲击韧性ak

（J/ cm2） 备注 宽度b

(cm) 缺口截面厚度a

(cm) 缺口截面积F

(cm2)

7 实验二 平面应变断裂韧度K1C的测定

一、 实验目的：

1. 学习了解金属平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的关键要点。

2. 掌握金属平面应变断裂韧度K1C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K1的表达式

三点弯曲试件：

)/()/(231WafBWPSK

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 ：

三点弯曲试件图

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

1. 平面应变条件对厚度的要求： 8 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：

)/(5.21sCKB

弯曲试样的f(a/w)

a/w f (a/w) a/w f(a/w)

0.450 2.29 0.505 2.70

0.455 2.32 0.510 2.75

0.460 2.35 0.515 2.79

0.465 2.39 0.520 2.84

0.470 2.43 0.525 2.89

0.475 2.46 0.530 2.94

0.480 2.50 0.535 2.99

0.485 2.54 0.540 3.04

0.490 2.58 0.545 3.09

0.495 2.62 0.550 3.14

0.500 2.66

2. 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)/(5.250sCyKra

3. 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。因此，试件的韧带尺寸必须满足小范围屈服条件，保证试样背面对裂纹顶端的塑性变形有足够的约束作用。要求的韧带宽度： 9 21)/(5.2)(sCKaW

（三）临界载荷的确定

1. P-V曲线的三种类型及其临界载荷

在通常的K1C测试中，所得到的载荷P对切口张开位移V的记录曲线，大致可分为三类。如下图所如，临界载荷要根据不同类的曲线按一定的条件来确定，这样所确定的叫做临界载荷条件值PQ。

（1） 用厚度足够大的试件进行试验时，往往测得到的是第Ⅲ类曲线。这时除表面层极小部分外，均处于平面应变状态下。在加载过程中，裂纹前端并无扩展，当载荷达到最大值时，试件发生骤然的脆性断裂，断口绝大部分是平断口，这时最大载荷就可作为PQ。

（2） 当用厚度稍小的试件进行试验时，则可得到第Ⅱ类曲线，此类曲线有一个明显的“迸发”平台。这是由于加载过程中试件中心层处于平面应变状态先行扩展，而表面层处于平面应力状态尚不能扩展，因而中心层的裂纹扩展很快地被表面层拖住的缘故。这种试件在试验过程中，在达到“迸发”载荷时，往往可以听到清楚的“爆声”。这时“迸发”载荷等于PQ 。

三种典型的P-V曲线

（3） 当采用厚度为最小限度的试样进行试验时，所得到的往往属于第Ⅰ类曲线。在这种情况下，不能按最大载荷来计算断裂韧度。因为在低于最大载荷时，试样裂纹已经在逐步扩展，只是由于裂纹前缘处于平面应变状态的部分相对地稍少一些，所以裂纹最初的“迸发”性扩展量很小，不易被察觉，