断裂韧性实验报告
北京科技大学金属断裂韧性试验预习报告
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≥K ICY是裂纹形状因子。
平面应变断裂韧性K IC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5. 在试样上装载引伸计后，将试样装于试验机上，不断调整试样位置，使其处于载样台的正中，裂纹扩展面与加载压头要处于一个平面上，避免二者错位或形成明显不为0的夹角。
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。
实验 平面应变断裂韧度K1c的测定(实验报告)
4、试件粗加工和热处理后，再进行精加工，其最后尺寸和表面光洁度严格按GB4161-84规定。
5、小试样用线切割机制出切口，切口根部圆弧半径小于0.08mm。
(二)预制疲劳裂纹：
为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的K1C数据可以对比和实际应用，试件必须在疲劳试验机上预制疲劳裂纹。其方法是：先用线切割机在试样上切割8mm长的机械切口，然后在疲劳试验系上使试样承受循环变应力，引发尖锐的疲劳裂纹，约为2mm。
5、数据分析：
将所得数据进行有效性校核，满足如下校核条件：
1)任一处的疲劳裂纹长度均大于2.5%W=0.52mm，且大于1.5mm；
2)a2、a3、a4中最大裂纹长度为a3=10.17mm与最小裂纹长度a4=9.75mm之差等于0.42mm，小于2.5%W=0.52mm；
3)表面处裂纹长度a1、a5分别为10.13mm、9.75mm都大于平均值a的90%(=9.06mm)；
预制疲劳裂纹时，应仔细监测试样两侧裂纹的萌生情况，避免两侧裂纹不对称发展。
(三)测定条件
1、试件厚度应在疲劳裂纹前缘韧带部分测量三次，取其平均值作为B。测量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中较大者记录。
2、试件高度应在切口附近测量三次，取其平均值作为W，测量精度要求0.02mm或0.1%W，取其中较大者记录。
将试件打磨一遍，去掉表面油垢。在中心机械切口两侧各7.5mm处划线，用以标记放在疲劳试验机上；分别在两侧的机械切口前沿2mm处划线，用以观察其后疲劳裂纹生长到此线。将高频疲劳机的静载(平均应力)设为1.25T，动载(应力幅)设为0.75T，频率为100Hz，平均振动90多万次后，观察裂纹是否长到刻线处。
断裂韧性KIC测试试验
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。
断裂韧性实验报告
断裂韧性尝试真验报告之阳早格格创做随着断裂力教的死少，相继提出了资料的IC K 、()阻力曲线J J R 、)(阻力曲线CTOD R δ等一些新的力教本能指标，补充了惯例考查要领的缺累，为工程应用提供了稳当的断裂判据战安排依据.底下介绍下那几种要领的尝试本理及考查要领.1、三种断裂韧性参数的尝试要领简介1. 1 仄里应变断裂韧度IC K 的尝试对付于线弹性或者小范畴的I 型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态真足由应力强度果子I K 所决断.I K 是中载荷P ，裂纹少度a 及试样几许形状的函数.正在仄里应变状态下，当P 战a 的某一推拢使I K =IC K ，裂纹开初得稳扩展.I K 的临界值IC K 是一资料常数，称为仄里应变断裂韧度.尝试IC K 坚持裂纹少度a 为定值，而令载荷渐渐减少使裂纹达到临界状态，将此时的C P 、a 代进所用试样的I K 表白式即可供得IC K .IC K 的考查步调普遍包罗：（1） 试样的采用战准备（包罗试样典型采用、试样尺寸决定、试样圆背采用、试样加工及疲倦预制裂纹等）；（2） 断裂考查；（3） 考查截止的处理（包罗裂纹少度a 的丈量、条件临界荷载Q P 的决定、真验尝试值Q K 的预计及Q K 灵验性的推断）.1. 2 延性断裂韧度R J 的尝试J 积分延性断裂韧度是弹塑性裂纹试样受I 型载荷时，裂纹端面附近天区应力应变场强度力教参量J 积分的某些特性值.尝试J 积分的根据是J 积分与形变功之间的闭系： a B U J ∂∂-= （1-1）其中U 为中界对付试样所做形变功，包罗弹性功战塑性功二部分，a 为裂纹少度，B 为试样薄度.J 积分尝试有单试样法战多考查法之分，其中多试样法又分为柔度标定法战阻力直线法.但是无论是单试样法仍旧多试样柔度标定法，皆须先决定开裂面，而艰易正正在于此.果此，尔国GB2038-80尺度中确定采与画制R J 阻力直线去决定金属资料的延性断裂韧度.那是一种多试样法，其便宜是无须判决开裂面，且能达到较下的考查粗度.那种要领能共时得到几个J 积分值，谦脚工程本量的分歧需要.所谓R J 阻力直线，是指相映于某一裂纹真正在扩展量的J 积分值与该真正在裂纹扩展量的闭系直线.尺度确定测定一条R J 阻力直线起码需要5个灵验考查面，故普遍要58件试样.把按确定加工并预制裂纹的试样加载，记录∆-P 直线，并适合掌握停机面以使各试样爆收分歧的裂纹扩展量（但是最大扩展量不超出0.5mm ）.尝试各试样裂纹扩展量a ∆，预计相映的J 积分，对付考查数据做返回处理得到R J 直线.RJ阻力直线的位子下矮战斜率大小代表了资料对付于开裂战亚临界扩展的抗力强强.R J 阻力直线法尝试步调普遍包罗：（1） 试样准备①试样尺寸的采用准则：1）仄里应变条件：尺度确定)/(05.0s J B σα≥ （1-2）其中2）J 积分灵验性条件普遍05.0J J R ≥,当阻挡易预计a W -时，可用4.1)/(≥-a W B 供出 )(a W -的预计值②疲倦预制裂纹 ：为了包管得到尖端而笔直的裂纹，共时思量到J 积分考查对付象大多是中、矮强度资料，所使用的疲倦载荷不克不迭超出试样伸服载荷，免得爆收挠直塑性变形.（2） 断裂真验加载断裂考查可正在百般一般资料考查机上举止.试样的拆卡办法与三面蜿蜒试样蜿蜒试样尝试K时相似.正式加载前，先用矮于开裂IC载荷之值预加载二次，以使各拆卡位子交触良佳.而后按一定速度正式加载，共时记录∆-P直线.正在爆收预约裂纹扩展量a∆之后卸载停机，与下试样，用适合的要领，如氧化着色法，二次疲倦等使裂端扩展前缘留印后压断.注意二次疲倦时不得P超出极限载荷L P，免得裂端形maxf貌爆收偶变.（3）考查截止处理（包罗裂纹少度a的丈量、裂纹扩展量a∆的丈量、J值预计及R J直线的画制战J积分特性值的决定等）.R1.3． CTOD的尝试尔国国家尺度GB2358-94包罗单试样法战CTOD阻力直线法.单试样法是参照英国尺度教会DD-19所确定的要领去测定CTOD（简称δ），所测截止为开裂面的裂端弛开位移.而δ阻力直线与R J阻力直线要领类R似.所谓δ阻力直线是指相映于某一裂纹扩展量的δ值与裂纹扩展量a∆R的闭系直线，它不但能提供开裂抗力δ，而且能共时得到几个COD特i性值，以谦脚分歧条件的需要.δ直线自己也形貌了资料开裂后裂纹扩R展阻力的变更顺序，那正在评比资料战工艺品量及仄安分解圆里有着要害意思.共时，供做δ直线不妨省去决定开裂面的步调，那是Rδ直线R法劣良的圆里.通过考查直交准确天测得裂纹尖端弛开位移(CTOD)值非常艰易,且其定义还不统一.考查中,普遍采与三面蜿蜒试样的变形几许闭系,由裂纹嘴弛开位移去换算并供得CTOD 值δ.以三面蜿蜒为例,拜睹图1.1图1.1 COTD 考查本理图图中W 为三面蜿蜒试样的宽度,0a 为裂纹少度(包罗线切割的战预制疲倦裂纹少度),(W-0a )为韧戴宽度,刀心被用去拆置夹式电子引伸计,Z 为刀心薄度.p V 为裂纹嘴弛开位移塑性部分.本裂纹尖端处弛开位移的塑性部分记为p δ.假设正在塑性变形历程中,裂纹表面绕O 面做刚刚体转化.p r 称为转化果子,指正在试样塑性变形时转化核心到本裂纹尖端的距离与韧戴宽度((W-0a )的比值.假设三角形'OBB ∆与三角形'OFF ∆相似(塑性三角形假道),则：00P0()()p p p r W a a z V r W a δ-++=- (1-1) 即有：0P 00()()p p p r W a V r W a a z δ-=-++ (1-2)弹塑性情况下,δ可由弹性的e δ战塑性的p δ二部分组成,即:p e δδδ=+ (1-3)弹性部分e δ为对付应于载荷max P 的裂纹尖端弹性弛开位移,正在仄里应变情况下，对付三面蜿蜒试样,有：12PS I K BW = (1-4)则本裂纹尖端弛开位移δ为:2202I I P 00()(1-)2()p e p s p r W a K K V E r W a a zμδδδσ-=+=+-++ (1-5) 尝试COD 的尺度试样是三面蜿蜒试样，其形状共IC K 试样.多试样法所用试样个数共样为58个，考查历程中使各个试样加载到分歧裂纹扩展量a ∆后停机，测出停机时的荷载P 与位移P V ，代进公式（1-6）2202I I P 00()(1-)2()p s p r W a K K V E r W a a zμδσ-=+-++(1-6) 共样对付于三面蜿蜒试样,BS7448系列典型提议与p r =0.4,典型GB/T2358—1994提议与p r =0.44,典型JB/T4291—1999提议与介p r =0.45,而国家尺度迩去建正为p r =0.40共国际尺度及英国系列尺度一般.本报告按国家尺度GB2358-94确定p r 4.以上各式中:P 为载荷;S 为试样跨距;B 为试样薄度;S 为跨距;E 为资料的弹性模量;s σ为资料的伸服强度;μ为资料的泊紧比;p r 称为转化果子,p V 为裂纹嘴弛开位移塑性部分.由此，可得该试样停机时的δ，那个δ便是对付该当裂纹扩展量a ∆时的裂纹扩展阻力，记为R δ.对付每个试样不妨得到一对付（R δ，a ∆），58个试样可描画一条R δa ∆直线，此直线即为R δ直线. R δ直线尝试的普遍步调（与R J 阻力直线尝试类似）为：（1） 试样制备（包罗试样尺寸、疲倦预制裂纹）；（2） 断裂真验（记录P V 直线）；（3）考查截止处理（包罗数据处理战预计特性值等）.R2、仄里应变断裂韧度COD的尝试2.1 试样的采用与准备(1) 试样典型典型推荐采与三面蜿蜒试样睹图.试样典型的采用准则是根据资料根源、加工条件、考查设备以及考查手段的概括思量.图2.1 直3面蜿蜒(2) 试样尺寸尺度确定了三种尺度试样，并提议尽管采与薄度与本量构件相共的所谓齐薄试样，以使试样裂端与本量构件处于相共的拘束条件.那三种试样的主要尺寸闭系为：其中W为下度，B为薄度，a为裂纹少度，包罗机加工切心战疲倦裂纹少度之战，S为跨距.前二种试样用于工程结构仄安评比考查，第三种试样用于对付资料战工艺品量举止相对付评比考查.(3) 试样圆背采用金属资料普遍皆具备明隐的宏瞅各背同性，那是百般加工制制历程给资料里里化教身分、隐微构制的分集所戴去的目标性的截止.试样圆背采用应视考查手段战央供而定，比圆要评估本量工件的IC K ，便要模仿本量工件的加载及缝隙扩展目标.(4) 试样加工试样加工时，应特天注意使末尾磨削条痕目标笔直于裂纹扩展目标，起码不要使二者仄止.磨削之后便要开切心，暂时一致采与钼丝线切割.(5) 疲倦预制裂纹预制裂纹皆正在疲倦考查机上完毕.要预防裂纹尖端果荷载过下爆收较大的塑性区.对付于三面蜿蜒试样，应使裂纹总少度(0.450.55)a W ≈，其中疲倦裂纹的少度起码有1.5mm.疲倦激励裂纹时采与的最大疲倦载荷max P 应不大于f P .对付于三面直试样 200.5/f Y P Bb S σ=y σ—伸服应力(伸服面s σa,或者伸服强度0.2σ).MPa ；b σ—抗推强度，MPa;Y σ—灵验伸服强度，()/2Y y b σσσ=+,MPa ;2.2. 断裂考查步调考查普遍正在万能资料考查机上举止.以三面蜿蜒试样为例，试样拆置如图2所示.图 三面蜿蜒考查拆置示企图1—考查机上横梁；2—支座；3—试样；4—载荷传感器；5—夹式引伸计；6—动背应变仪；7—X—Y函数记录仪.图夹式引伸计构制及拆置1－试样 2－刀心 3－引伸计把测佳尺寸（B W和）的试样按确定小心拆夹坚韧.正在加载历程中，夹式引伸计战测力计得到的讯号通过搁大后输进X Y-记录仪，描画着力—弛开位移直线（P V-直线）.该当注意的有以下几面：（1）夹式引伸仪普遍皆该当根据尺度推荐要领自止制备；（2）夹式引伸仪战测力计应定期校核战标定，以包管考查截止的稳当性；（3）加载速度应包管应力强度果子的删少速率正在每分钟删少31至1553/2Bmm s；MN m范畴内，相称于0.2//（4）支座的轴辊要略能移动免得爆收过大的横背摩揩阻力做用考查截止；（5）央供断心与试样少度搁线基础笔直，偏偏好不克不迭大于010；（6）应瞅察战记录断心宏瞅形貌，剪切唇宽度与仄断心的百分比率.2.3 考查截止处理(1) 裂纹少度a的丈量按图所示沿着疲倦裂纹前缘战标记表记标帜出的裂纹稳态扩展区的前缘，正在其隔断的9面上丈量裂纹尺寸.(i=1,2,3,......9 )丈量仪器的粗度不矮于0.02 mm,按下式预计裂纹少度:图2.4 缝隙丈量示企图注：(0.01)/8N B B W =-(2)决定δ正在三面蜿蜒加载考查所得到的P —V 直线，大概有图中的几种情形图P V -直线正在图2.4(a)战(b)的情况下，与坚性得稳断裂面或者突进面所对付应的载荷c P 与位移pc V 预计c δ.如果做废爆收正在线性段附近，可按GB 4161丈量Ic K .正在图(e)的情况下，与最大载荷面或者最大载荷仄台开初面所对付应的载荷m P 与位移mp V 预计m δ.正在图2.4（c)战(d)的情况下，与坚性得稳断裂面或者突进面所对付应的载荷u P 与位移up V ，预计u δ，如果突进面是由于疲倦裂纹前缘的坚性得稳扩展受阻引起的，则应试虑被测资料的特性.考查后的断心考验，如最大突进裂纹扩展量已超出0. 040b ，可按下列步调估汁“小突进”旗号值.1）通过最大载荷面做BC 线仄止于OA 线.2）做BD 线仄止于载荷轴.3）位于0. 95BD 处做标记表记标帜E 4）做CEF 线5)相映于载荷位移的突进处做标记表记标帜G.6)当G 面位于角BCF 以中时，与载荷c P 或者u P 战位移c V 或者u V .预计c δ或者u δ，比圆图(a).7)当G 面位于角BC(b).图2.5 突进面示企图正在图2.4(a)(b)战(d)的情况下，不克不迭直交测定i δ值，若需要iδ值，可根据阻力直线去决定.R δ的预计要领—赢得需要的丈量数据后，采与下列公式预计本初裂纹尖端部位的弛开位移:式中:μ——对付普遍钢材与0. 3；E ——对付普遍钢材与52.0610MPa ⨯p r ——塑性转化果子，0.4(1)p r α=+.三面蜿蜒试样的0.1α=，即0.44p r =. 直3面蜿蜒试样:00.45/0.55a W ≤≤当S=4W时，直3面蜿蜒试样的Y值睹GB2358-94表1.3、三面蜿蜒考查测COD3.1 考查手段流利掌握测仄里应变断裂韧性的要领及步调.利用预制佳疲倦裂纹的试样测定金属资料的仄里应变断裂韧性. 3.2 考查设备考查设备包罗万能资料考查机及数据支集系统、夹式引伸计、游标卡尺等.3.3 考查试样的创制本次考查的试样为金属试样.金属试样由力教真验室提供，金属采与钼丝线切割预制疲倦缝隙.金属试样的中瞅大概如图所示：试样示企图3.4 考查历程（1）考查前先荡涤裂纹嘴二侧，用胶将刀心粘到试样上；（2）考查前用游标卡尺正在裂纹前缘韧戴部分丈量试件薄度B三次，丈量粗度到0.1%B或者0.025mm，与较大的二个预计仄衡值.正在切心附近丈量试样宽度三次，丈量粗度透彻到0.1%Ｗ或者0.025mm，与较大的二个预计仄衡值；（3）拆置三面蜿蜒考查支座，使加载线通过跨距S 的中面，偏偏好正在1%S ，而且试样与支启辊的轴线应成直角，偏偏好正在±2º以内； （4）将位移引伸计交进动背支集系统，正在加载试样之前，对付考查机及支集系统的X Y -直线调整；2mm/m ，以使I K 的删少速度不至太快；（6）加载到压断试样，如图3.3.与下F V -直线图举止分解处理. 图3.2 设备拆置图图3.3 试样压断图3.5 本初数据（1） 试件薄度B 战宽度W 的丈量由游标卡尺量测并处理，得到试件的薄度14.97B mm =，宽度为30.00W mm =.（4）考查机数据支集系统得到的数据图3.4 数据直线 图3.5 处理后的数据直线由上图可得P V -直线， 6 =ll mm l l lεε∆==∴∆⨯ 图3.6 P-V 直线（3）考查加载完毕后裂纹少度a 的丈量，裂纹断心睹图3.7.图3.7裂纹断心图 （单位：mm ）3.6 数据分解处理 （1） 裂纹少度a1）典型确定任性二面裂纹扩展量之间的好(不包罗近试样表面的二面)不超出0. 05W.且局部9个丈量面中最大战最小的裂纹扩展量之好不超出.2.780.32 2.460.05 1.5mm W mm -=≥=不切合央供2）所有试样的本初裂纹少~0. 55W 范畴内.0/12.15/30.000.405a W ==不切合央供.综上本次真验数据无效. （2） pc P V c 和的决定考查所得的P V -直线如图所示.正在考查历程中，不妨瞅到试件正在加载后期基础不塑性阶段，正在到达疲倦裂纹后赶快爆收得稳损害.属于图2.4中a)坚性损害情况.对付于得到的数据，初初阶段的数据忽略，果为那段时间属于利用液压与消自沉的关节，所以得到的位移是背值而且去回震荡，且坐标轴的校整也有做用，不本量参照价格.为了获与弹性阶段的斜率，瞅察直线，不妨收当前P 0至16.00KN 之间时直线趋于直线.利用matlab 步调拟合得到下图3.8.得pc P =16.49KN V 7.5c m μ= （3）c δ的预计根据以上所得数据预计COD.（为了使预计不妨举止，0/0.45a W =）.根据0/0.45S=4W a W =且查典型表1得Y=9.14.试件的薄度14.97B mm =，宽度为30.00W mm =又0.3μ=；对付普遍钢材与52.0610E MPa =⨯；塑性转化果子0.44p r =；850s MPa σ=.预计得2202I I P 00()(1-)0.8512()p s p r W a K K V mm E r W a a zμδσ-=+=-++有前里可知该截止是无效的. 3.7真验归纳真验测得的COD 无效，其本果很多：（1）金属试样疲倦裂纹的预制存留问题引导试样断裂后断心不典型.（2）黏揭刀心存留人为缺面.σ不过表里上的数据，并不干真验，所以sσ的准确度（5）s有待考究；（6）其余果素比圆冶金品量、各背同性、晶体结构、回火温度、隐微结构以及介量腐蚀等，对付考查截止制成的做用较为搀纯（7）试样的尺寸是有做用的，跨度战宽度之比为4，宽度战薄度之比应为2，本量的数据去瞅是不谦脚央供的，引导测出的值得集型较大，不切合央供；（8）正在资料制备的历程中，大概会掺纯其余合金元素，对付资料制成的做用纷歧，即大概是正里的做用，也大概是反里的做用.正在断裂韧性COD尝试考查中，尔认识了ISTRON3367资料力教考查机，尝试的所有历程也皆相识了.那锻炼了尔正在资料本能真验中的本量支配本领，正在此共时也体验到了共组共教相互协共、团队意识的要害性.正在数据处理历程中，通过决定测定临界裂纹少度a、预计条件断裂韧性a及推断其灵验性，尔对付Matlab有了进一步的相识，并教会了怎么样利用数据及P~V直线图去预计δ.通过那次真验，尔进一步加深了断裂韧性的定义及其相闭表里知识.。
西安交通大学材料力学性能试验报告——断裂韧性
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。
材料断裂韧性 的测定
1
式中 FQ —临界载荷 K —条件断裂韧性
Q
九、数据可靠性检验的判据
按上述方法得到的 K Q 是否就是K IC ，尚需经过验证。检验 的判据有两个： ①几何判据。 B≥2.5(KIC/σ S)²α ≥2.5(KIC/σ S)²；W-α ≥2.5(KIC/σ S)²； ②载荷比判据。 Fmax 1.1 Fq
与强韧性的关系。
二、实验原理
裂纹扩展的3种基本形式：张开型（Ⅰ）裂纹扩展、滑开型 （Ⅱ）裂纹扩展、撕开型（Ⅲ）裂纹扩展 1、性弹性体的裂纹尖端部位的应力、应变场强度可以用强 度因子 K I 来描述。当 K I 值达到某一临界值时，裂纹即向前扩 展。由此可见该临界值的大小反应了材料抵抗裂纹扩展的能 力，该临界值是裂纹的扩展阻力。 2、当裂纹尖端附近处于三向应变时，这个阻力达到一个下 限值，而该下限值就为材料的平面应变断裂韧性 K IC 。 3、构件不发生脆断的K准则： K I < K IC
三、试样的形状、尺寸及制备
• 四种试样：标准三点弯曲试样、紧凑拉伸试样、C形拉伸试样和圆形紧凑 拉伸试样。由于三点弯曲试样较为简单，故使用较多。
三、试样的形状、尺寸及制备
由于KIC是材料在平面应变和小范围屈服条件下的KI临界值， 因此，测定KIC时用的试样尺寸，必须保证裂纹尖端处于平面应 变和小范围屈服状态。因此为满足小范围屈服及平面应变条件， 须要求 • ①B≥2.5(KIC/σ S)²； B：试样厚度， • ②α≥2.5(KIC/σS)² ； W：试样宽度或高度， • ③W-α≥2.5(KIC/σS)² ； α：预制疲劳裂纹长度
材料断裂韧性 K IC 的测定
一、实验的目的
由于理想的均匀连续性材料在工程中是不存在的，实际构件 总是不可避免地带来有夹渣、裂纹和划痕等缺陷，这些缺陷 在使用的过程中将逐渐发展成为裂纹。因此本实验的目的在 于研究实际含裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力律及原因，了解该材料的断裂韧性
断裂韧性实验报告材料
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。
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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。
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R J 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R J 阻力曲线至少需要5个有效试验点，故一般要58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R J 曲线。
R J 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。
R J 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)/(05.0s J B σα≥ （1-2） 其中⎪⎩⎪⎨⎧铝合金钛合金钢 120 8050α 2）J 积分有效性条件)/(2s R J a W σα≥-一般05.0J J R ≥,当不易估计a W -时，可用4.1)/(≥-a W B 求出 )(a W -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IC K 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max f P 超过极限载荷L P ，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、R J 值计算及R J 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δ），所测结果为启裂点的裂端张开位移。
而R δ阻力曲线与R J 阻力曲线方法类似。
所谓R δ阻力曲线是指相应于某一裂纹扩展量的δ值与裂纹扩展量a ∆的关系曲线，它不但能提供启裂抗力i δ，而且能同时得到几个COD 特征值，以满足不同条件的需要。
R δ曲线本身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力的变化规律，这在评定材料和工艺质量及安全分析方面有着重要意义。
同时，求作R δ曲线可以省去确定启裂点的步骤，这是R δ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δ。
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。
p V 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 δ。
假设在塑性变形过程中,裂纹表面绕O 点作刚体转动。
p r 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()()p pp r W a a z V r W a δ-++=- (1-1) 即有： 0P00()()p p p r W a V r W a a z δ-=-++ (1-2) 弹塑性情况下, δ可由弹性的e δ和塑性的p δ两部分组成,即:p e δδδ=+ (1-3)弹性部分e δ为对应于载荷max P 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：12PS I K BW = (1-4)则原裂纹尖端张开位移 为:2202I I P 00()(1-)2()p e p s p r W a K K V E r W a a zμδδδσ-=+=+-++ (1-5) 测试COD 的标准试样是三点弯曲试样，其形状同IC K 试样。
多试样法所用试样个数同样为58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P V ，代入公式（1-6）2202I I P 00()(1-)2()p s p r W a K K V E r W a a zμδσ-=+-++ (1-6) 同样对于三点弯曲试样,BS7448系列规范建议取p r =0.4,规范GB/T2358—1994建议取p r =0.44,规范JB/T4291—1999建议取介p r =0.45,而国家标准最近修正为p r =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p r 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 σ为材料的屈服强度; μ为材料的泊松比; p r 称为转动因子, p V 为裂纹嘴张开位移塑性部分。
由此，可得该试样停机时的δ，这个δ就是对应该裂纹扩展量a ∆时的裂纹扩展阻力，记为R δ。
对每个试样可以得到一对（R δ，a ∆），58个试样可描绘一条R δa ∆曲线，此曲线即为R δ曲线。
R δ曲线测试的一般步骤（与R J 阻力曲线测试类似）为：（1） 试样制备（包括试样尺寸、疲劳预制裂纹）；（2） 断裂实验（记录P V 曲线）；（3） 试验结果处理（包括数据处理和计算R δ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：20.450.55420.250.3541.20.350.454W BW a W S W W BW a W S W W B W a W S W=≤≤==≤≤==≤≤= 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IC K ，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)a W ≈，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max P 应不大于f P 。
对于三点弯试样 200.5/f Y P Bb S σ=y σ—屈服应力(屈服点s σa,或屈服强度0.2σ).MPa ；b σ—抗拉强度，MPa;Y σ—有效屈服强度，()/2Y y b σσσ=+,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。
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（B W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-曲线）。
应该注得到的讯号经过放大后输入X Y-记录仪，描绘出力—张开位移曲线（P V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/MN m范围内，相当B Bmm s；于0.040.2/（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；（5）要求断口与试样长度放线基本垂直，偏差不能大于010；（6）应观察和记录断口宏观形貌，剪切唇宽度与平断口的百分比例。