断裂韧性的测试方法
断裂韧性
断裂韧性(fracture toughness)带裂纹的金属材料及其构件抵抗裂纹开裂和扩展的能力。
从20世纪50年代开始在欧文(G．R．Irwin)等的努力下，形成了线弹性断裂力学，随后又发展成弹塑性断裂力学。
在用它们对断裂过程进行分析和不断完善实验技术的基础上，逐步形成了平面应变断裂韧性KIC 、临界裂纹扩展能量释放率GIC、临界裂纹顶端张开位移δIC 、临界J积分JIC等断裂韧性参数。
其中下标I表示I型即张开型裂纹，下标c表示临界值。
这些参数可通过实验测定，其值越高，材料的断裂韧性越好，裂纹越不易扩展。
断裂韧性参数(1)平面应变断裂韧性KIC。
欧文分析平面问题的I型裂纹尖端区域的各个应力分量中都有一个共同的因子KI，其值决定着各应力分量的大小，故称为应力强度因子。
KIC=yσ(πa)1/2，式中σ为外加拉应力；a为裂纹长度，y为与裂纹形状、加载方式和试件几何因素有关的无量纲系数。
KI 增大到临界值KIC，KI≥KIC时，裂纹失稳扩展，迅速脆断。
(2)临界裂纹扩展能量释放率GIC 。
裂纹扩展能量释放率GI=-(aμ/aA)，式中μ为弹性能，A为裂纹面积。
平面应力条件下，GI =kI2/E;平面应变条件下，G I =(kI2/E)(1-v2)，式中E为弹性模量，v为泊松比。
GI是裂纹扩展的动力，GIC增大到临界值G。
即GI ≥GIC时，裂纹将失稳扩展。
(3)临界裂纹顶端张开位移δC。
裂纹上、下表面在拉应力作用下，裂纹顶端出现张开型的相对位移叫裂纹顶端张开位移δ，δ增大到临界值δC，裂纹开始扩展。
(4)临界J积分JIC。
弹塑性断裂力学中，一个与路径无关的能量线积分叫做J积分。
式中r为积分回路，由裂纹下边缘到上边缘，以逆时针方向为正，ds为弧元，ω为单位体积应变能，u为位移矢量，T是边界条件决定的应力矢量。
线弹性和弹塑性小应变条件下，I型裂纹的J积分JI=-B-1(aμ/aA)，式中B为试样厚度，a为裂纹长度。
断裂韧性
强度和韧性
复习题
• 什么叫材料的断裂韧性？通常用什么符号表示， • 断裂韧性通常采用什么方法测试？ • 材料的断裂韧性越大说明材料塑性越好，对不对？为 什么？
常用材料的KIc
KIc
断裂韧性的测试
试件： （1）三点弯曲； （2）(a/W) I F---载荷； L---名义跨距 f(a/W)=3(a/W)1/2[(1.99-a/W)(1-a/W)(2.153.9a/W+2.7a2/w2)]/[2(1+2a/W)(1-a/W)3/2]
K 公式
（2）紧凑拉伸
KI=F/(BW1/2)f(a/W) f(a/W)=(2+a/W)[0.886-4.64a/W-13.32(a/W)2+14.72(a/W)35.6(a/W)4]/(1-a/W)3/2]
测量系统：
影响断裂韧性的因素
（1）晶粒尺寸
晶粒尺寸 （2）夹杂 强度和韧性
夹杂
（3）组织结构 （4）温度和加载速度
5.1 线弹性条件下的断裂韧性
三种主要断裂 形式：
I 型最为常见， 这里重点研 究I型
应力强度因子
定义应力强度因子： KI = s(pa)1/2
临界强度因子
当材料的应力强度因子KI达到某一临界值KIc 时，裂纹体发生失稳扩展。安全判据： KI <=KIc
KIc是表征材料抗断裂性能的一个材料常数， 通常叫断裂韧性。
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。
单边切口梁法测量建筑陶瓷砖的断裂韧性
有助于评估材料服役性能及可靠性能。对于结构陶瓷
面、台面、柜 面 等
。 陶 瓷 岩 板 作 为 一 种 板 材,在 实
[
2~3]
际应用中往往需要 经 过 切 割、钻 孔、倒 角、开 槽 等 后 续
机械加工
。只有具有较高韧性的陶瓷岩板才能满足
[
4]
这些后加工的要求,而 目 前 缺 少 对 陶 瓷 岩 板 的 断 裂 韧
增大。这种情况在前人对精细陶瓷的研究报道中屡见
不鲜 [13~15]。SENB 法用直通切口 模 拟 自 然 裂 纹,根 据
断 裂 力 学 理 论 ,裂 纹 越 尖 锐 ,所 测 得 的 KIC就 越 接 近
表 2 1# 样品不同方式加工的切口和断裂韧性比较
切口加工方式
直通口宽度(mm)
直通口底部
等效圆半径(mm)
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近几年建筑陶瓷 砖 中 出 现 了 新 品 类—陶 瓷 岩 板,由 于
材料强度和断裂特性测试方法概述
材料强度和断裂特性测试方法概述材料强度和断裂特性是评估材料性能和可靠性的重要指标。
在工程领域中，如果材料无法经受住所需的力量或无法在适当的载荷条件下延展，可能导致结构和功能的失败。
因此，了解材料的强度和断裂特性对于设计和制造过程至关重要。
本文将概述几种常见的材料强度和断裂特性测试方法。
一、材料强度测试方法1. 拉伸测试：拉伸测试是最常见和基础的材料强度测试方法之一。
这种测试方法通过将材料置于拉伸设备中，施加一个持续增加的拉伸载荷，直到材料发生断裂。
拉伸测试可以确定材料的拉伸强度、屈服强度、断裂强度等力学性能。
2. 压缩测试：压缩测试是另一种常见的材料强度测试方法，它与拉伸测试相反。
在压缩测试中，材料被放置在压缩设备中，施加一个持续增加的压缩载荷，直到材料发生压缩变形或破坏。
压缩测试可以评估材料的压缩强度、屈服强度以及抗压性能。
3. 弯曲测试：弯曲测试常用于评估材料在受弯曲载荷下的性能。
在弯曲测试中，材料被放置在一个弯曲设备中，施加一个持续增加的弯曲载荷，直到材料产生弯曲或破坏。
弯曲测试可以测量材料的弯曲强度、弯曲刚度以及抗弯刚性。
二、材料断裂特性测试方法1. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。
常用的冲击试验方法有冲击强度试验和冲击韧性试验。
这些试验可以评估材料在受到冲击载荷时的断裂特性。
- 拉伸试验：拉伸试验用于评估材料在肯尼迪构面的韧性。
这种试验方法会施加一个快速增加的拉伸载荷，以模拟材料在快速载荷下的响应。
拉伸试验可以通过测量材料断口面积的增加和断口延伸来评估材料的断裂韧性。
2. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。
薄膜断裂韧性测量方法
[1] J Musil,F Kunc,H Zeman,H Poláková. Relationships between hardness, Young's modulus and elastic recovery in hard nanocomposite coatings[J]. Surface & Coatings Technology,2002,154(2).目前硬质材料的表征指标是硬度H、有效杨氏模量E*=E/(1-v2)和弹性回复率W e，其中E和v分别是杨氏模量和泊松比。
对于硬涂层，这些量可以通过纳米压痕或仪表式显微硬度测试测量的加载-卸载曲线轻松确定。
然而，最近的实验表明，相同硬度的硬质纳米复合涂层，根据它们的化学成分，可以表现出不同的有效杨氏模量值。
这意味着有可能为特定的应用定制材料的机械性能，但表征这种机械行为的所有三个量H、E*和W e之间没有简单的关系。
因此，有必要找出H、E*和W e之间的一般关系。
这项任务是这篇文章的主要主题。
由仪表式显微硬度计测得的加载-卸载曲线的显微硬度、有效杨氏模量和弹性回复率是表征涂层材料的标准方法。
一条典型的加卸载曲线如图1所示，加卸载曲线之间的面积表示涂层由于塑性变形而耗散的能量，卸载曲线下的面积表示变形的弹性能。
根据H 和E的实测值，很容易计算出H3/ E*2，塑性变形抗力越高，H3/ E*2就越高。
从上式可知当杨氏模量E越高，抗塑性变形能力越弱。
这与传统的线弹性断裂力学理论认为“坚韧”材料具有较高的杨氏模量(以防止裂纹扩展)相矛盾。
根据测量的“径向裂纹”长度与外加金刚石压头载荷L的关系，可以确定薄膜的断裂韧性。
然而通过实验可以看出，膜中裂纹的产生不足以评价膜的韧性。
因为裂纹的形成不仅取决于金刚石压头载荷L，还取决于(i)薄膜的机械性能(HU，E*，H3/ E*2)，(ii)涂层基材界面的应力和粘附状态(即薄膜分层的倾向)，(iii)基底的机械性能。
混凝土断裂韧性测试标准
混凝土断裂韧性测试标准一、引言混凝土作为一种广泛使用的建筑材料，其性能在工程中具有重要的作用。
其中，混凝土的断裂韧性是评估其抗震性能的关键参数之一。
因此，建立一套完整的混凝土断裂韧性测试标准对于保障工程质量和安全具有重要的意义。
二、测试目的混凝土断裂韧性测试旨在确定混凝土在受力过程中的能量吸收能力和变形能力，以评估其在受到外力冲击时的抗震性能。
该测试方法可以用于评估混凝土的强度和韧性，为混凝土结构的设计和施工提供参考依据。
三、测试样品测试样品应选择符合标准规定的正常强度混凝土试块或混凝土构件。
试块的尺寸应符合相关标准要求，通常为150mm×150mm×150mm 或100mm×100mm×100mm。
如果测试混凝土构件，则应根据实际需要选择合适的尺寸。
四、测试设备1.试验机：用于加载试样，通常采用万能试验机或冲击试验机。
2.夹具：提供试样的夹紧和支撑，应能够保证试样无侧向位移。
3.测量设备：用于测量试样的位移、载荷和应变等参数。
例如位移计、力传感器和应变计等。
五、测试方法1.试样制备：将混凝土试样制成符合标准规定尺寸的立方体，表面应平整、光滑、无明显裂缝或缺陷。
2.试样夹紧：将试样放入夹具中，保证试样的上下表面平行，并在上下两端加入夹持装置，确保试样在加载过程中无侧向位移。
3.加载方式：采用三点弯曲或四点弯曲加载方式，将试样在试验机上加载，直到试样发生裂缝或破坏。
4.测试参数：测试过程中应测量试样的载荷、位移和应变等参数，并记录下来。
5.数据处理：根据测试得到的数据，计算出混凝土试样的断裂韧性指标，例如断裂韧性指数、断裂能量和断裂面积等。
六、测试结果的评估1.断裂韧性指数：根据测试结果计算出断裂韧性指数，当其值大于一定的标准值时，认为混凝土具有良好的抗震性能。
2.断裂能量：反映试样在断裂前所吸收的能量，其值越大表示混凝土的韧性越好。
3.断裂面积：反映试样断裂的面积，其值越大表示混凝土的韧性越好。
材料的断裂韧性
天津理工大学材料学院
❖ KIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应 变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
❖ KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材 料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
❖ 但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使 裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于 一个稳定的最低值，就是KIC，与试样厚度无 关。
一位英国工程师，因 其在金属的应力与断 裂方面的贡献，以及 率先奠定了喷气发动 机的理论基础而名垂 史册。
Griffith更为著名的是关于金属中应 力与失效性质的理论研究。在那个 年代，一般认为材料的强度大约是 其杨氏模量（E）的十分之一，即 E/10。然而，实际的情况却是，许 多材料通常在比它预计的强度值低 4个数量级时便会发生失效。 Griffith发现，所有的材料都存在有 许多微观裂纹，他进一步假设正是 由于这些裂纹降低了材料的整体强 度。这是因为固体中的空洞会产生 应力集中，这一事实已经被当时的 力学家们所认知。这种应力集中的 结果导致在整个材料承受的应力远 未达到E/10之前，裂纹尖端的应力 已经达到了E/10。
天津理工大学材料学院
（一）裂纹尖端应力场
❖ 由于裂纹扩展是从尖端开始进 行的，所以应该分析裂纹尖端 的应力、应变状态，建立裂纹 扩展的力学条件。
❖ 欧文（G. R. Irwin）等人对I 型（张开型）裂纹尖端附近的 应力应变进行了分析，建立了 应力场、位移场的数学解析式。
裂纹顶端附近的应力场
天津理工大学
天津理工大学材料学院
分析裂纹体断裂问题有两种方法
❖(1) 应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应 力场强度，得到相应的断裂K判据。
❖(2) 能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的 变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂 G判据。
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断裂韧性的测试方法
断裂韧性是材料在受载过程中发生断裂前能吸收的能量的量度。
常用的测试方法有以下几种：
1. 缺口冲击试验（Charpy或Izod试验）：在标准试样上制作一V形缺口，然后从一定高度自由落锤击向试样的缺口处。
根据试样断裂前后的能量差来评估材料的断裂韧性。
2. 压缩试验：将试样置于压力机中，在加载过程中逐渐增加加载力直至试样发生断裂。
通过测量试样的变形、压缩应力和压缩应变来评估材料的断裂韧性。
3. 拉伸试验：将试样置于拉伸机中，在逐渐增加拉伸力的作用下，测量试样的变形、拉伸应力和拉伸应变。
根据拉伸断裂前后的应变能量差来评估材料的断裂韧性。
4. 复合材料层间剪切试验：对于复合材料，通常采用复合材料层间剪切试验来评估其断裂韧性。
该试验使用双剪样品，通过施加剪切荷载来产生剪切应力，测量剪切变形和剪切应力，以评估复合材料的断裂韧性。
需要注意的是，不同材料的断裂韧性测试方法有所差异，根据具体的材料类型和需求选择合适的测试方法进行断裂韧性评估。