最新06断裂韧性的测试原理详解
材料力学性能-4-断裂韧性
4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程，方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状，其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述，对裂尖应力场，当 r→0 时， σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料，当应力超过材料的屈服 极限时，将屈服而发生塑性变形，塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛， 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在，其内应力－应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小，经适当修正后，线弹性力 学的分析仍然有效。否则，结果将失真！ ※首先应确定塑性区的范围，然后提出相应 的修正办法。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件（温度、加载速度）下，各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的，与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时，裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏，而不是一定要失稳断裂。因 为，KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件，而非充分条件。
不断增多的脆性断裂事故，使人们逐渐有新认识：
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提，运用连续介质力学的弹塑性理论，考虑材料的 不连续性，研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题， 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。
断裂韧性实验报告
断裂韧性测试实验报告随着断裂力学得发展,相继提出了材料得、、等一些新得力学性能指标,弥补了常规试验方法得不足,为工程应用提供了可靠得断裂判据与设计依据。
下面介绍下这几种方法得测试原理及试验方法。
1、三种断裂韧性参数得测试方法简介1、１平面应变断裂韧度得测试对于线弹性或小范围得型裂纹试样,裂纹尖端附近得应力应变状态完全由应力强度因子所决定。
就是外载荷,裂纹长度及试样几何形状得函数。
在平面应变状态下,当与得某一组合使=，裂纹开始失稳扩展。
得临界值就是一材料常数,称为平面应变断裂韧度。
测试保持裂纹长度a为定值,而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时得、代入所用试样得表达式即可求得。
得试验步骤一般包括：（1）试样得选择与准备(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）试验结果得处理(包括裂纹长度得测量、条件临界荷载得确定、实验测试值得计算及有效性得判断）。
1、２延性断裂韧度得测试积分延性断裂韧度就是弹塑性裂纹试样受型载荷时,裂纹端点附近区域应力应变场强度力学参量积分得某些特征值。
测试积分得根据就是积分与形变功之间得关系:(1－1）其中为外界对试样所作形变功,包括弹性功与塑性功两部分,为裂纹长度,为试样厚度。
积分测试有单试样法与多试验法之分,其中多试样法又分为柔度标定法与阻力曲线法。
但无论就是单试样法还就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阻力曲线来确定金属材料得延性断裂韧度。
这就是一种多试样法,其优点就是无须判定启裂点，且能达到较高得试验精度。
这种方法能同时得到几个积分值,满足工程实际得不同需要。
所谓阻力曲线，就是指相应于某一裂纹真实扩展量得积分值与该真实裂纹扩展量得关系曲线。
标准规定测定一条阻力曲线至少需要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得试样加载，记录曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同得裂纹扩展量(但最大扩展量不超过0、５mｍ)。
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。
06断裂韧性的测试原理
06断裂韧性的测试原理断裂韧性是物质在受到外力作用下能吸收和抵抗断裂的能力。
通常情况下，材料的韧性越高，表示其在外力作用下发生断裂的能力越强。
断裂韧性的测试旨在评估材料的强度和耐用性，并确定其在不同应力条件下的破裂行为。
断裂韧性的测试通常包括以下几个方面的原理：1.断裂机理：断裂韧性的测试原理涉及材料的断裂机制。
根据材料的类型和应力条件，材料的断裂机制可以是塑性断裂、脆性断裂或者中间形态的韧性断裂。
通过仔细观察材料在断裂前后的形态和结构变化，可以揭示出材料的断裂机理。
2. 断裂试样：在进行断裂韧性测试时，需要选择适当的试样。
不同的材料和应用领域有不同的标准试样，如带缺口的Charpy试样、K1c样条试样等。
选择合适的试样可以使测试结果更准确和可靠。
3.断裂韧性参数：断裂韧性测试通常评估材料在应力条件下的破裂延伸。
常见的韧性参数包括断裂韧性KIC（平面应力条件下的断裂韧性）、K1c（线性弹性断裂韧性）、JIC（平面应力条件下的断裂韧性指标）等。
这些参数可以通过测量材料的裂纹扩展行为来获得。
4.断裂试验方法：常用的断裂韧性试验方法包括冲击试验、拉伸试验、剪切试验等。
这些试验方法的原理不同，但在测试过程中都会施加一定的外力以模拟材料在实际应力条件下的断裂行为。
5.数据分析：进行断裂韧性测试后，需要对测试结果进行分析和解释。
通过分析断裂试验中产生的数据，比如裂纹的扩展速率、载荷-位移曲线等，可以获得材料的断裂韧性特性。
断裂韧性测试的目的是评估材料在应力条件下的断裂行为，并确定材料的可靠性和耐用性。
这些测试可以为工程师和设计师提供重要的材料性能参数，以支持材料的选择和应用。
同时，断裂韧性测试也可以为材料制造和加工过程提供指导，以提高制品的质量和性能。
综上所述，断裂韧性测试是一项重要的材料测试方法，通过评估材料在应力条件下的破裂延伸和断裂性能，为材料的选择和应用提供了科学依据。
这些测试的原理和方法可以根据不同的材料和应用领域进行调整和优化，以获得准确和可靠的测试结果。
06断裂韧性的测试原理
06断裂韧性的测试原理断裂韧性是材料在受到外部加载时能够抵抗断裂的能力，是材料力学性能中的一个重要指标。
断裂韧性的测试对于材料的性能评价、设计和选材具有重要意义。
本文将介绍断裂韧性的测试原理，主要包括断裂韧性的概念、测试方法和影响因素等内容。
一、断裂韧性的概念断裂韧性是材料在受到外部加载时能够在不断扩展断裂过程中吸收能量的能力。
断裂韧性通常用断裂能量或断裂韧性指标来衡量，是材料在工程应用中承受冲击或振动载荷时的重要性能指标之一、高断裂韧性的材料具有较好的抗震、抗冲击性能，更有利于延长材料的使用寿命。
二、断裂韧性的测试方法目前常用的测试方法主要包括冲击试验法、拉伸试验法、多普勒声发射法、断口显微镜观察法等。
1.冲击试验法：冲击试验是一种常用的测试方法，通常采用冲击试验机进行测试。
在冲击试验过程中，通过施加冲击载荷，在不同温度和速度条件下测试材料的韧性性能。
冲击试验的结果通常用击穿能量或击穿强度来表示材料的抗冲击性能。
2.拉伸试验法：拉伸试验是另一种常用的测试方法，通常采用万能材料试验机进行测试。
拉伸试验通过施加拉伸载荷，测试材料在拉伸过程中的断裂性能，通常用断裂伸长率、断口形貌等指标来评价材料的韧性性能。
3.多普勒声发射法：多普勒声发射法是一种非破坏性测试方法，通过检测材料在断裂过程中产生的声波信号，分析材料的损伤状态和裂纹扩展情况，可用于评估材料的断裂韧性性能。
4.断口显微镜观察法：断口显微镜观察法是一种常用的显微观察方法，通过对材料的断口形貌进行显微观察，可以分析材料断裂的机制和性能。
不同的材料在断口上表现出不同的形态，如韧性断裂呈现韧窝、韧条、颗粒溅射等形貌。
三、断裂韧性的影响因素1.材料本身的性能：材料的化学成分、组织结构、晶粒大小、晶界强度等因素都会影响材料的断裂韧性。
一般来说，高强度、高硬度和细晶粒的材料往往具有较好的韧性性能。
2.温度和速度：温度和加载速度是影响材料断裂韧性的重要因素。
材料断裂韧性 的测定
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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。
如何测试材料断裂韧性
的临界应力就愈大；当给定外力时，若 材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失 稳扩展时的临界尺寸就愈大。预先在电 子拉力试验机测试试
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样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上， 以10Kg负载在抛光表面用硬度计的锥形 金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的 四个顶点就产
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生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂 纹扩展长度C计算出断裂韧性数值 （KIC）。计算公式为：E为扬氏模量， 例如对于Si3N
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荷测量的影响相对较小，但是对小负荷 测量的影响是很大的。如何解决万能材 料试验机测试结果误差呢？
误差分析：可能有两个
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方面的原因。一是主机部分，二是试验 力传感器部分。
主机部分造成的误差 在主机部分由于安装不水平时，将 会使工作
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活塞和工作油缸壁产生摩擦力，从而产 生误差。一般表现为正差，并且随着载 荷的增加，产生的误差逐渐较小。万能 材料试验机试验力传
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在摆杆侧面调整机体左右水平。 万能材料试验机夹具的选择 1、根据主机最大试验力选择主要夹
具。万能材料试验机夹
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具所能承受的最大力必须大于等于主机 的最大试验力。
2、根据非标配置、或扩展配置选一 些次要夹具。(例如：扩展配置传感
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器为10kN,所选次要夹具所能承受的最大 试验力也要为10kN。
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4系统一般取300GPa。公式中载荷P单位 为kg, 裂纹长度C单位为mm, 显微硬度HV 单位为GPa。电子拉力试验机测试
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材料式样类型，目前国内常用的断裂韧 性试样有两种：1）三点弯曲试样SE（B） 2）紧凑拉伸试样C（T）电子拉力试验机 测试材料
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方法比较：IM法比SENB法简便经济，但 测得的数据不如SENB法可靠； SENB法 是普遍公认的标准测试方法；为了实际 方
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试样尺寸
• 尺寸相对于试验材料的性能应满足一定的限制条件，使试样满足平面应 变及小范围屈服的力学条件时，才能获得该材料的稳定的KIC值。
• 试样厚度B的要求是满足平面应变的条件之一。 • 裂纹长度a要求是保证线性弹性断裂力学所要求的小范围屈服所必须的。 • 韧带宽度(w-a)的大小，既能影响小范围屈服，又能影响包围塑性区的广
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分别以柔度与裂纹长度 为坐标轴作出柔度-裂 纹长度的关系曲线。
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在图解法中常将柔度表 达式改写成无量纲形式 Nhomakorabea P BW
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二 平面应变断裂韧性KIc的测试原理
1 试验原理
• 用试验的材料制成一定形状和尺寸的试样，在试样上制备 出相当于缺陷的裂纹，然后对试样进行加载。由于试样及 其裂纹的形状、尺寸和加载方式以及断裂部位都是预先确 定的，所以其应力场强度因子KI的表达式也是确定的。
3. 理论探索和验证性实验。例如，压力容器与管 道的全尺寸爆破试验、大型焊接结构接头的断 裂实验等。
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Related specifications
BS 7448 Parts 1-4 Fracture Mechanics Toughness Tests BS 6729 Determination of the Dynamic Fracture Toughness of Metallic Materials BS 7910 Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures
ASTM E1820-09 Standard Test Method for Measurement for Fracture Toughness
ASTM E1823-09 Technology Relating to Fatigue and Fracture Testing
ASTM E1921-09
大弹性范围的大小。
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裂纹制备
• 引发裂纹的切口一般采用线切割加工， 其宽度一般为0.12mm，切口顶端的尖裂 纹可在高频拉伸疲劳试验机上预制。
• 控制好疲劳载荷，裂纹长度a应在0.45～ 0.55W之间。
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3 试验方法
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紧凑拉伸试验
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确定临界载荷Pq
• 过原点o作一割线，该割线的斜率比P-V曲线中直线部分的斜率低 5有 图 上 曲％1的还线2，I点有-，3该(的大cI割)I中载于就线曲属P荷与5的线于均P载Ⅲ这低-V荷中种于曲，即情P线5，则为形的则取这。交取其种点裂中情为纹最形P5失高；，稳的如若扩载果在展荷在交的为交点条P点P55，件以P5如以载前图前荷P-V在P(aq曲=)P、P-线V5(，曲b上)如中线所
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2 试件
• 三点弯曲试样SENB（Single edged notched bend specimen） • 紧凑拉伸试样CT（Compact tension specimen） • C形拉伸试样 • 圆形紧凑拉伸试样 • 单边缺口拉伸试样（Single edged notched tension specimen） • 宽板试样（curved wide plate testing）
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三点弯曲试样SENB
• 三点弯曲试样具有易于加工和便于加载的优点
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紧凑拉伸试样CT
• 紧凑拉伸试样则有节省材料的好处
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C形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样
• C型拉伸试样和圆型紧凑拉伸试样分别适用于 管材和棒材的试验
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取样和标记
• 第一个字母表示裂纹 面的法线方向
• 在加载过程中，用测试仪器连续地记录载荷增加及裂纹扩 展情况的P-V曲线(V为裂纹嘴张开位移)。将曲线上表明裂纹 失稳扩展的临界状态的载荷Pq及试样断裂后测出的预制的 裂纹深度a，代入应力场强度因子的表达式求出裂纹失稳扩 展的临界KI值并记为Kq。
• 然后再依据一些规定判断Kq是不是平面应变状态下的KIC， 如果Kq不符合判别的要求，则仍不是KIC，需要增大试样尺 寸重新试验，直到测出材料的KIC值。
•GB 2038-1991 金属材料延性断裂韧度 JIc试验方法 •GB/T 21143-2007 金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法
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一 G的力学标定
多试件法
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制备一组试样使其具有 相同的外形尺寸，但其 中的裂纹长度各不相同 。在弹性范围内作出每 个试样的载荷-位移(曲 线。
Standard Test Method for Determination of Reference
Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition
Range
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Related specifications
•GB 4161-1984 金属材料平面应变断裂韧度KIc试验方法 •GB 2358-1980 裂纹张开位移(COD)试验方法
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ASTM E399-09 Standard Test Method for Plane Strain Fracture Toughness of Metallic Materials
ASTM E1290-09 Standard Test Method for Crack-Tip Opening Displacement (CTOD) Fracture Toughness Measurement
06断裂韧性的测试原理详解
第六章 断裂韧性的测试原理
齐俊林
断裂力学实验内容
1. 材料性能的测试，即材料破坏与裂纹扩展的内 在条件。例如，平面应变断裂韧度、临界张开 位移、临界J积分、疲劳裂纹扩展速率、蠕变 裂纹扩展速率、动态断裂韧度以及应力腐蚀临 界应力强度因子等。
2. 裂纹尖端能量场和应力应变场参数的实验标定 。例如，应力强度因子的实验标定、J积分的 实验标定等。