断裂韧性实验指导书
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T k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A k。（A k除以试样缺口处截面积得冲击韧性值a k）。
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ETT n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FTT n 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A k-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A k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A k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（℃）。
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A k。
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。
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
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A k，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A k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A k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A k和冲击韧性a k的意义和区别。
图3 冲击试样断口纤维断面率示意图
系列冲击试验记录表
实验二 平面应变断裂韧度K 1C 的测定
一、 实验目的：
1. 学习了解金属平面应变断裂韧度K 1C 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K 1C 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：K 1≤K 1C ，式中K 1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。K 1C 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，K 1和外力P 、裂纹长度a 、试件尺寸有关；当P 和a 达到P c 和a c 时，裂纹开始失稳扩展。此时材料处于临界状态，即K 1=K 1C 。K 1C 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K 1的表达式 三点弯曲试件：
)/()/(2
31W a f BW PS K
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：
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K 1C 值。对试件厚度要求推荐为：
)/(5.21s C K B σ≥
弯曲试样的f(a/w)
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r y 不能无限地接近零。K 1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)/(5.250s C y K r a σ≈≥
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：
21)/(5.2)(s C K a W σ≥-
（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K 1C 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P Q 。
（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P Q 。
（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P Q 。
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，
对于这样的试件。只能采用一定的工程假设，从P-V 曲线上来确定所谓“条件值”。这和材料在拉伸试验中，用0.2%偏离初始切线的规定来定义屈服强度σ0.2是相似的。
确定载荷条件值的方法：
若三点弯曲试件的试验曲线属于第I 类曲线，则从坐标原点O 作割线OP 5，其斜率比曲线的初始切线OA 的斜率小5%，OP 5与该曲线的交点所对应的载荷P 5，如Pmax/P 5≤1.1时，则取P 5=P Q 。
为什么把斜率降低5%的割线与P-V 曲线的交点P 作为确定P Q 的依据呢？因裂纹刚开始扩展的位置不易确定，仿照用σ0.2来代替σs 的思路，规定裂纹相对扩展△a/a=2%时的K 1值称为K 1C 的条件值，用K Q 表示。由于实际测得的是P-V 曲线，而不是P-△a 曲线。如何确定△a/a 和△V/V 的相互关系？可以证明，在a/w=0.45-0.55的范围内，
%2=?a a ,就相当 %5=?V V ， V
P
V P V V P V V P 952.005.105.0==+=?+
图中
OC
AC
V P =
OP 5直线的斜率是OA 直线斜率的0.952（即少5%），这就是说，裂纹相对扩展2%的点，就是斜率比OA 小5%的OP ，直线和P —V 曲线的交点P 5，就是裂纹相对扩展2%的点。
如果曲线属于第Ⅱ和第Ⅲ类曲线，用同样的作图法也可得到载荷P 5，但P 5前，已有一个大于P 5的载荷，此时就要以该载荷作为P Q 。 （四）试验结果的有效性
确定了P Q 后，便可按载荷P Q 算出σc ，或算出相应的K 值，记为K Q ，称为“条件断裂韧度”。如果B 和a 均大于2.5（K Q /σs ）2，
并满足（P max /P 5）≤1.1条件，则K Q 就可认为是材料的平面应变断裂韧度K 1c 。否则，还需要按B 和a 均大于2.5（K Q /σs ）2的要求制成更厚的试件试验，直到上述条件得到满足。 三、实验步骤 （一）试样制备：
1.金属结构材料，无论是锻件、板材，还是管材或棒材，都在不同程度上具有各向异性。它反映在断裂韧度数值上更为突出，因此，断裂韧度和试样取向有关。裂纹面取向应严格按GB4161－84标准进行。在实际构件中取样时，试件的裂纹取向应与构件中最危险的裂纹方向一致。
2.试件厚度B 可根据材料的K1c 估计值与σs 的比值2)/(5.2s Q K B σ≥，或σs
对E 的比值来选择（见下表）。 推荐的最小厚度B
3.取同炉批料加工2-3件常规拉伸试件，供测σs为常规机械性能用，且必须
和K1c试件同炉热处理。
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.小试件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端裂纹，使得到的K1c数据可以对比和实际应用，试件必须用疲劳载荷预制裂纹。
疲劳裂纹长度应不小于 2.5%W，且不小于 1.5毫米，a/W在0.45-0.55范围内，可采用在试样表面观察裂纹痕迹的方法来确定所需的疲劳裂纹长度。
为了保证平直和足够的尖锐，至少在最后 2.5%的扩展阶段中，所用的K max/E应不大于0.01mm1/2（对铝合金不受此约束），或K max应不大于K1c 的70%（对铝合金应不大于80%）。
（三）测量条件
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。
在弯曲试验时必须采用专用的设备及附件，并注意下列事项：a) 在三点弯曲试验时必须采用专用的支撑辊，支撑辊要能自由滚动，以使试件和支承间的摩擦所引起的误差减到最小。b) 所加载荷的作用线要通过跨度（两个支撑辊中心的距离）的中心，偏差应不超过跨度的1%。c) 跨度误差应在名义程度的0.5%以内。d) 裂纹端点要放在两支撑辊间的中线上，偏差应不超过跨度的1%。e) 试件和支撑辊的轴线要成直角，偏差应在2o以内。
（四）试验程序
1)在试件上粘贴刀口以便能安装夹式引伸计。刀口外限间距不得超过22mm
（见下图）。安装夹式引伸计时要使刀口和引伸计的凹槽配合好。
粘贴刀口
2) 将试样按下图装置安放好。
三点弯曲试验装置示意图
3) 标定夹式引伸计.
4) 开动拉伸机，缓慢匀速加载，直至试样明显开裂，停机。曲线上记录下载荷和刀口张开位移之间的曲线。
5) 取下夹式引伸计，开动拉伸机，将试样压断。停机取下试样。
6) 记录试验温度和断口外貌。。
（五）K Q的计算
1. 从记录的P —V 曲线上按规定来确定P Q 值。
2. 裂纹长度一般用读数显微镜测出五个读数a 1、a 2、a 3、a 4和a 5，如下图，
取中间三个读数平均值)(3
1
432a a a a ++=
裂纹长度测量示意图
3. 根据测得的a 和W 值，计算a/W 值（精确到千分之一）， f （a/W ）数值查表或计算。
2
3
222
1)/1)(/21(2)]/7.2/93.315.2()/1)(/(99.1[)/(3)(W a W a W a W a W a W a W a w
a f -++-?--= 4. 将P Q 、B 、W 和f （a/W ）代入下式：
)/()2
3
/(W a f BW S P K q q =
即可算出q K 值，单位2
1MPam 。
相关换算公式：2
32
1-
=MNm
MPam ， 2-=MNm MPa ，N kgf 807.91=，
2
12
3310.01MPam kgfmm =-
。
六、 有效性校核
计算得到的K Q 是否为平面应变断裂韧度K1c ，需要进行校核。 1. 任一处的疲劳裂纹长度均不得小于2.5%W ，且不得小于1.5毫米。 2. a 2、a 3、a 4中最大裂纹长度与最小裂纹长度之差不得超过 2.5%W （≈5%a ）。
3. 表面处裂纹长度a 1、a 5 不得小于平均值a 的90%。
4. a 应在0.45W-0.55W 之间。
5. 裂纹平面应与试件高度W 和厚度B 的方向平行，允许偏差在±10o以内。
6.B 、a 和（W-a ）均应大于2.5（K Q /σs ）2。
7.P max /P Q ≤1.1
以上各条都得到满足，才能认为试验有效，即K Q =K 1c 。 七、试验报告
1.试样编号、原始状态和屈服极限；
2.试样厚度B 、高度W 和跨度S ；
3.试样取向；
4.预制疲劳裂纹条件，裂纹长度a 1、a 2、a 3、a 4、a 5值；
5.试验时的温度和断口外貌特征；
6.P-V 曲线，求出P Q ， 按)/()/(2
3W a f BW S P K q q =计算并校核； 7.注明K1c 有效的条件或K Q 不能作为K1c 有效的条件。
金属材料平面应变断裂韧度C K 1测定实验记录表
实验试样
实验三 电阻法研究镍基合金的时效转变
一．实验目的：
1．熟悉双电桥的结构原理并掌握电阻的精密测量方法。 2．了解被测电阻的微量变化与材料组织结构变化的关系。 二．实验原理：
电阻的测量方法很多，最简单的方法是根据公式I
V
R X =
由电压表和电流表的读数计算。应当指出这样测量到的结果其精确程度受仪表误差限制。倘若待测电阻R x 与电压表阻值相比不是小很多的话测量误差更大。
单电桥(惠斯登电桥)可以测量阻值大(1～106Ω)的电阻。一般来说，当待测电阻相当大时，导线电阻与接触电阻相对较小，可以忽略。如果待测电阻很小（<1Ω），则导线电阻与接触电阻的影响就不可忽略，这时必须使用双臂电桥(开尔文电桥)或电位差计来进行测量。
双臂电桥的线路如图3—l 所示，Rx 为待测电阻，R N 为与Rx 相应的标准电阻。R 1、R 3与R 2、R 4分别为电桥的两臂。当直流电源接通后，调节R 1、R 2、R 3、R 4的大小可使电桥达到平衡。考虑到连接导线电阻与接触电阻r 1、r 2、r 3、r 4，并把它们合并到R 1、R 2、R 3、R 4的之中则有：R 1′= R 1+ r 1，R 2′= R 2+ r 2，R 3′= R 3+ r 3，R 4′= R 4+ r 4，r 为待测电阻与标准电阻之间的导线电阻与接触电阻的总和。
根据克希霍夫定律解电路的联立方程可得：
???
? ??-++?+='4'3
'2'1'4'
3'
4'2'1R R R R r R R r R R R R R N X (3-1)
图3-1 双臂电桥原理图
为了减少连接导线和接触电阻的影响，对R 1、R 2、R 3、R 4均选择得比较大。此时可认为R 1′= R 1，R 2′= R 2 , R 3′= R 3 , R 4′= R 4，但是由于待测电阻Rx 与标准电阻R N 都很小，r 的阻值与Rx 和R N 比较起来总是不可忽略的。
???
? ??-++?+=
432143421R R R R r R R r R R R R R N X (3-2) 为了测量方便，希望
???
? ??-++?4321434R R R R r R R r R =0，在制造仪器时就已做到：使R 3 =R 1 构成测量臂，R 4 =R 2 构成比例臂，以维持两臂调节时
4
3
21R R R R =恒定不变。应当指出，为了保持所测电阻的准确性必须使r 的阻值尽可能地小，既在待测电阻和标准电阻间连接一条尽可能粗而短的导线并保持接触良好，这样所测电阻可用式1—3计算
N X R R
R R "'
= （3-3）
式中：Rx —待测电阻；'R —测量臂读数；"R —比例臂读数；R N —标准电阻值。为了消除热电势等其他因素的影响，在电流回路上设置倒向开关，反复测量电流正反向流过时的电阻值，取其平均值。
材料的电阻率与化学成分、组织状态及温度有关。不同的金属有不同的电阻率，加入合金元素电阻率就发生变化，如固溶体的电阻率就比纯金属高。材料的电阻率与组织状态有关，同一种钢淬火后较回火及退火后的电阻率为高。通常，经加工变形的材料的电阻率较加工前的高。材料在其成分组织状态都相同的情况下，温度愈高则电阻率愈高。这是结点热振动加剧造成点阵对理想周期排列的偏离。电阻率是组织敏感性的物理量。因此，测量电阻可以用来探测材料中与组织结构变化有关的一切过程。
本实验采用的合金是一种作为800～850℃下燃汽轮机工作叶片使用的镍基合金，其化学成分(％)主要为：Crl5-19，M 04～6，W2～3．5，Ti1.9～2.8，Al1.0—1.7, Nb0.5—1.0,余为Ni 。合金经不同热处理在基体上可以出现各种类型碳化物和Ni 3(Al,Ti)--γ′相。而相变的结果将引起材料导电性的变化。为了研究时效过程中的转变，把合金加热到1070℃，保温8h 空冷(淬火)使碳化物处于稳定状态，而γ′相完全溶解于基体。随后作不同温度时效。设ρo 为淬火态的电
阻率，ρ为各时效态的电阻率，则
Δρ=ρ-ρo
从Δρ随回火温度的变化可以反映出合金元素在固溶体中的偏聚、γ′相的析出、过时效和γ′相的重新溶解等过程。
图3-2 仪器接线图
三．实验设备
1.QJ36型单双臂两用直流电桥；
2.JWL-30型晶体管稳流器；
3.FY65型磁饱和稳压器；
4.AC11型检流计式光电放大器；
5.ACl5／2型直流复射式检流计；
6.电流换向开关；试样夹具；游标卡尺和螺旋测微器;标准电阻0.001Ω
四.实验内容与步骤：
1.试样制备(由实验室完成)合金经热处理(1070℃／5h空冷)后加工成试并分别进行500、600、700、800、900、1000℃各一小时回火(时效)处理。
2.测量并记录各试样直径D(测三点取平均值)，并计算截面积S。
3.按图1-2将仪器线路接通，并合上电源。
4.接通稳流电源并将工作电流调节到0.8A(工作电流的选择以使仪器具有足够的灵敏度和试棒不发热为限)。调节检流计的零位。
5.将比例臂(拨盘上的R1和R2都放在1000位置作为"R。为了估计待测电阻的数值，按公式(1-5)求出'R，然后将测量臂放在'R的计算值上，接通按钮“粗”，调节测量臂电阻使检流计指零。接通电流计按钮“细”使检流计再
次指零(如果检流计发生激烈的振荡时，可按下“短路”按钮)。记下测量臂的数值，松开电流计按钮以保护检流计。
6.扳动换向开关改变工作电流方向，重复上述步骤，使检流计指零，记下测量臂读数，取两次测量的平均值。
7.拉开电源，调换试样重复以上测试。最后用游标卡尺在夹具上量出试样电压线刀口中心距离L 。
注意事项：每次电桥平衡后应立即切断检流计与电桥的通路（同时松开电桥上的“粗”“细”按钮），防止检流计受电流冲击而损坏。 五．实验结果整理与讨论：
1．根据试棒截面积S 、测试长度L 和电阻Rx ，按下式计算不同工艺试棒的电阻率并列表：
???
? ???Ω=m mm R L S
X 2ρ 2．以1070℃空冷试样的ρ为基准，以不同温度时效试样电阻率的相对变化为纵轴，温度为横轴作图。
3．分析试验在时效过程中电阻率变化与组织、结构状态的关系。 4．估计测量误差，并分析造成误差的原因。
1．为什么选择R N 要接近Rx 值才可以明显的减小测量误差？ 2．实验温度改变会有什么影响？
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K IC 、临界裂纹扩展能量释放率G IC 、临界裂纹顶端 张开位移δ IC 、临界J积分J IC 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K IC 。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K I ，其值决定着各应力分量的大小，故称为应力强 度因子。K IC =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。K I 增大到临界值K IC ，K I ≥K IC 时，裂 纹失稳扩展，迅速脆断。 (2)临界裂纹扩展能量释放率G IC 。裂纹扩展能量释放率G I =-(aμ/aA)，式中 μ为弹性能，A为裂纹面积。平面应力条件下，G I=k I2/E;平面应变条件下， G I =(k I 2/E)(1-v2)，式中E为弹性模量，v为泊松比。G I 是裂纹扩展的动力，G IC 增 大到临界值G。即G I ≥G IC 时，裂纹将失稳扩展。 (3)临界裂纹顶端张开位移δ C 。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δ C ，裂纹开始扩展。 (4)临界J积分J IC 。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J I =-B-1(a μ/aA)，式中B为试样厚度，a为裂纹长度。J I增大到J IC临界值，m即当J I≥J IC 时，裂纹开始扩展。 断裂韧性参数还有动态断裂韧度K Id ，应力腐蚀临界强度因子K I scc 、疲劳裂 纹扩展速率da/dN(mm／周)等。各种参数中K Ic 应用最为普遍。 K Ic 的测定各国的测试标准基本上都参考美国ASTME399。中国是 GB4161—84。按GB7732—87金属板材表面裂纹断裂韧度K Ic 试验方法规定的标准试样是紧凑拉伸试样和弯曲试样的尺寸如图1所示。
断裂韧性实验报告
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
材料的韧性及断裂力学简介
第二节材料的韧性及断裂力学简介 一、低应力脆断及材料的韧性 人们在对船舶的脆断、无缝输气钢管的脆断裂缝、铁桥的脆断倒塌、飞机因脆断而失事、石油、电站设备因脆断而发生重大事故的分析中，发现了一些它们的共同特点： 1.通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的； 2.脆断事故通常发生在比较低的工作温度环境下； 3.脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等； 4.厚截面、高应变速率促进脆断。 由此，人们发现了传统设计思想和材料的性能指标在强度设计上的不足，试图提出新的性能指标和安全判据，找到防止脆断的新的设计方法。 传统的强度设计所依据的性能指标主要为弹性模量E、屈服极限σs、抗拉强度σb，而塑性指标延伸率δ和面收缩率φ在设计中只是参考数据，通常还会考虑应力集中现象，即使如此，设计的安全判据仍不足以防止脆断的发生，这说明材料的强度、塑性、弹性这些性能指标还不能完全反映材料抵抗脆断的发生。经过对众多脆断事故的分析和研究，人们提出了一个便于反映材料抗脆断能力的新的性能指标——韧性，从使脆性材料和韧性材料断裂所消耗的能量不同，归纳出韧性的定义为：所谓韧性是材料从变形到断裂过程中吸收能量的太小，它是材料强度和塑性的综合反映。 例如图l-2为球墨铸铁和低碳钢的拉伸曲线，可以用拉伸曲线下的面积来表示材料的韧性，即 图中可见，虽然球墨铸铁的抗拉强度σb比低碳钢高，但其断裂时的塑性应变εp确远较低碳钢小，综合起来看，低碳钢的韧性高。 图1-2 球铁和低碳钢拉伸曲线表示的韧性 材料的韧性可用实验的方法测试和判定。应用较早和较广泛的是缺口冲击试验，这种方法已经规范化。具体方法是将图1-3所示的缺口试样用专用冲击试验机施加冲击载荷，使试 样断裂，用冲击过程中吸收的功除以断口面积，所得即为材料的冲击韧性，以αk表示，单位为J/cm^2。目前国际上多用夏氏V型缺口试样，我国多用U型缺口试样。由于缺口冲击
断裂韧性KIC的测定
材料力学性能实验报告 姓名：刘玲班级：材料91 学号：09021004 成绩： 的测定 实验名称断裂韧性K IC 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 1.万能材料试验机一台（型号CSS-88100) 2.位移传感器及自动记录装置 3.游标卡尺一把 4.显微测试仪一台 5.三点弯曲试样四个 试样示意图
试样宏观断口示意图（韧断，脆断） 图1 20钢脆断 图2 40铬韧性断口
实验记录及Q P 的确定 表1 裂纹长度a 1a /mm 2a /mm 3a /mm 4a /mm 5a /mm a /mm 03 2.478 5.0085 5.5680 5.2430 3.1925 5.2432 09 2.757 3.9505 4.134 3.992 3.1790 4.0255 403 2.800 3.4065 3.7085 3.4915 2.9185 3.5355 407 1.986 2.6595 2.9970 2.5970 16810 2.7512 表2 试样各数据 试样编号 试样材料 屈服强度(MPa) 高度W(mm) 宽度B(mm) 03 40Cr800℃+ 100℃回火 1050 25.00 12.50 09 25.00 12.50 403 20#钢退火态 370 25.00 12.00 407 25.00 12.00 表3 各试样实验测得的Q P 值及max P 试样编号 Q P (N) max P (N) 03 13270.126 13270.126 09 26650.307 26650.307 403 407 14523.800 16479.500
几种土体断裂韧度的测试方法
几种土体断裂韧度的测试方法 摘要：断裂韧度的测试是断裂力学研究的重要部分，根据对裂缝加载方式不同，断裂韧度可分为Ⅰ型加载下的断裂韧度、Ⅱ型加载下的断裂韧度、Ⅲ型加载下的断裂韧度三种基本形式。目前对金属、岩体等材料的断裂韧度测试方法已有了大量的研究，形成了相应的测试规范。土体断裂破坏主要是Ⅰ型断裂破坏和Ⅱ型断裂，但土体由于其自身材料性质的特殊性，并不能完全采用其他材料的测试规范。结合土体材料的特性介绍了土体Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂的断裂韧度的几种常用测试方法，并对几种方法的优缺点和适用性进行了讨论。 关键词：土体，断裂力学，断裂韧度，试验方法 引言 断裂力学是用来研究含有宏观裂纹型缺陷的材料或构件, 在外力作用下裂纹扩展的规律。从狭义角度解释, 它可用来研究含有宏观裂纹型缺陷的材料或构件, 在外力作用下裂纹扩展的规律。当土体内存在宏观贯通裂纹时, 在外荷载作用下裂纹尖端前缘将产生应力集中。在应力集中区域内的应力值, 远比由外荷载所引起的平均应力值大。传统的材料力学设计方法不能用来判断裂纹是否失稳扩展, 而应根据以研究断裂韧性参数和能量释放率为基础的断裂力学方法来进行判断。 对于各种复杂的断裂形式，总可以分解成为三种基本断裂类型的组合。这三种基本断裂类型即为Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂、Ⅲ型断裂。Ⅰ型断裂属于张开型断裂，Ⅱ型断裂属于滑移型断裂，Ⅲ型断裂断裂属于撕裂型断裂[1]。 由于土的抗拉强度很低, 因此判别土体是否会出现张开型裂纹失稳扩展, 就成为工程技术人员首先关心的问题。目前国内外虽有一些研究人员开始从事岩石、混凝土等材料的断裂韧度研究, 但对于土体的断裂韧度研究至今较少进行。现将土体的断裂韧度测试方法综述如下。 1 土体应力强度因子及断裂韧度 当进行Ⅰ型加载，即发生Ⅰ型断裂时，其裂纹端部区域的应力分量可以应用弹性理论解得：
断裂韧性基础
第六章 断裂韧性基础 第一节Griffith 断裂理论 第二节裂纹扩展的能量判据 能量释放率G 裂纹扩展单位面积时，系统所提供的弹性能量 U A ??是裂纹扩展的动力，此力叫裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率。以1G 表示（1表示Ⅰ型裂纹扩展）。G 与外加应力，试样尺寸和裂纹有关，而裂纹扩展的阻力为 2()s p γγ+，随 1,a G σ↑→↑→增大到某一临界值时，1G 能克服裂纹失稳扩展阻力，则裂纹使失稳扩 展而断裂，这个1G 的临界值它为1c G ，称为断裂韧性。表示材料组织裂纹试稳扩展时单位面积所消耗的能量。 平面应力下： 2 211,C c C a a G G E E σπσπ= = 平面应变下： 2 22211(1)(1),C c C a v v a G G E E σπσπ--== G 的单位1 2 MPa m - ?。 第三节 裂纹顶端的应力场 可看成线弹性体12005001000s s MPa MPa σσ?? =??=-??? 玻璃，陶瓷高强钢 的横截面中强钢低温下的中低强度钢 6.3.1三种断裂类型 ?? ??? 张开型断裂滑开型断裂撕开型断裂 最危险Ⅰ型 6.3.2Ⅰ型裂纹顶端的应力场 无限大平板中心含有一个长为2a 的穿透裂纹，受力如图 欧文（G 。R 。Irwin ）等人对Ⅰ型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，提出应力应变场的
数字解析式，由此引出了应变场强度因子 1 K的概念。并建立了裂纹失稳扩展的K判据和断 裂韧性 1C K。 若用极坐标表达式表达，则有近似数字表达式： 当裂尖某点不确定，即,rθ一定后，应力大小均由1K决定———盈利强度因子1K 故 1 K大小反映了裂纹尖端应力场的强弱，取决于应力大小，裂纹尺寸。 6.3.3 应力场强度因子及判据 将上面应力场方程写成： () ij ij f σθ = 其中 1 K Y = Y：形状系数。对无限大板Y=1。 1 K： 1 2 MPa m- ? 1 1 1 , , a K K a a K σ σ σ ?↑→↑ ? ? ? ↑→↑ ?? 不变 是一个决定于和的复合物理量 不变 当此参量达到临界时，在裂纹尖端足够大的范围内，应力便会达到断裂强度，裂纹便沿着X 轴失稳扩展，从而使材料断裂。这个临界或失稳状态的 1 K值记为 1C K→断裂韧性。 1C K为平面应变的断裂韧性，表示在平面应变下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，显然 1C K Y = 可见，材料的 1C K越高，则裂纹体的断裂应力或临界断裂尺寸就越大，表明难以断裂。因此1C K是材料抵抗断裂的能力 11 1 S C s C K K K σ σσ σ → ? ? ↑→ ? ? ↑→ ? ?→ ? 和力学参量，且和载荷，试样尺寸有关，和材料无关 当临界时，材料屈服 当K临界时，材料断裂 和材料的力学性能指标，且和材料成分，组织结构有关而和载荷及试样尺寸无关 断裂判据： c a 或 1C Y K ≥
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)。测试各试样裂纹扩展量,计算相应得积分，对试验数据作回归处理得到曲线。阻力曲线得位置高低与斜率大小代表了材料对于启裂与亚临界扩展得抗力强弱。 阻力曲线法测试步骤一般包括： （1）试样准备 ①试样尺寸得选择原则： 1)平面应变条件：标准规定 (1-２）其中 2)积分有效性条件 一般，当不易估计时,可用求出得估计值 ②疲劳预制裂纹:
(完整版)断裂力学试题
2007断裂力学考试试题 B 卷答案 一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分） 1、（1）数学分析法:复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法. 2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力θσ为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值max ()θσ达到临界时,裂纹开始扩展. 3、应变能密度:r S W = ，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场密度切的强弱程度。 4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。 5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。 二、推导题（本大题10分） D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。 积分路径：塑性区边界。 AB 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ===212,,0 BD 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ-===212,,0 5分 δ σσσσΓ s D A s D B s B A s BD A B i i v v v v dx x u T dx x u T ds x u T Wdx J =+=+-=??-??-=??-=???)()(1 122112212 5分 三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分） 1、利用叠加原理:微段→集中力qdx →dK = Ⅰ ?0 a K =?Ⅰ 10分 A
令cos cos x a a θθ==,cos dx a d θθ= ?111sin () 10 cos 22(cos a a a a a K d a θθθ--==Ⅰ 当整个表面受均布载荷时,1a a →. ?12()a a K -==Ⅰ 10分 2、边界条件是周期的: a. ,y x z σσσ→∞==. b.在所有裂纹内部应力为零.0,,22y a x a a b x a b =-<<-±<<±在区间内 0,0y xy στ== c.所有裂纹前端y σσ> 单个裂纹时 Z = 又Z 应为2b 的周期函数 ?sin z Z πσ= 10分 采用新坐标:z a ξ=- ?sin ()a Z π σξ+= 当0ξ→时,sin ,cos 1222b b b π π π ξξξ== ?sin ()sin cos cos sin 22222a a a b b b b b π π π π π ξξξ+=+ cos sin 222a a b b b π π π ξ= + 222 2[sin ()]( )cos 2 cos sin (sin )2222222a a a a a b b b b b b b π π π π π π π ξξξ+=++
断裂韧性试验
断裂韧性试验 创建时间：2008-08-02 test for fracture toughness 在线弹性断裂力学及弹塑性断裂力学基础上发展起来的一种评定材料韧性的力学试验方法（见断裂力学）。 20世纪以来，曾发生过多起容器、桥梁、舰船、飞机等脆断事故；事故分析查明，断裂大多起源于小裂纹。为解决金属脆断问题，美国在1958年组成ASTM断裂试验专门委员会，目的是建立有关测定材料断裂特性的试验方法。于1967年首次制定了用带疲劳裂纹的三点弯曲试样（图1 [两种常用断裂韧性试 样]）测定高强度金属材料平面应变断裂韧性操作规程草案，并于1970年颁发了世界第一个断裂韧性试验标准ASTME399-70T。此后，断裂韧性试验受到世界各国的普遍重视并蓬勃发展。中国于1968年前后开始这方面的试验研究。 取样原则由于裂纹或类裂纹缺陷是导致工程结构断裂的主要原因，所以断裂韧性试验采用带尖锐裂纹的试样(图1[两种常用断
裂韧性试样]),用 直接观察或间接测量法连续监测裂纹的行为；如用夹式引伸计连续测量裂纹嘴张开位移随载荷的变化(图2[用夹式引伸计测裂纹嘴张开位移随载荷变化的曲线]随载荷变化的曲线" class=image>),以测定材料抗裂纹扩展的能力及裂纹在疲劳载荷或 应力腐蚀下的扩展速率;求得平面应变断裂韧度[ic]、动态断裂韧度[id]、裂纹临界张开位移，应力腐蚀临界强度因子[111-21] [kg2],疲劳裂纹扩展速率d/d（毫米/周）等断裂韧性参数。其中，角标Ⅰ代表张开型裂纹，或称Ⅰ型裂纹,角标c代表临界值。此外，尚有滑开型（Ⅱ型）裂纹，撕开型（Ⅲ型）裂纹（图3 [裂纹的扩展 类型示意图]）。Ⅰ型裂纹最易引起脆断，所以目前断裂韧性试验多限于Ⅰ型加载。
断裂力学习题
断裂力学习题 一、问答题 1、什么是裂纹？ 2、试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。 3、断裂力学的任务是什么？ 4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法： 5、试述I 型裂纹双向拉伸问题中的边界条件，如何根据该边界条件确定一复变函数，并由此构成应力函数，最后写出问题的解。 6、什么是应力场强度因子K1？什么是材料的断裂韧度K1C？对比单向拉伸条件下的应力及断裂强度极限b，，说明K1与K1C 的区别与联系？ 7、在什么条件下应力强度因子K 的计算可以用叠加原理 8、试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小？ 9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。 10、K 准则可以解决哪些问题？ 11、何谓应力强度因子断裂准则？线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同？ 12、确定K 的常用方法有哪些？ 13、什么叫裂纹扩展能量释放率？什么叫裂纹扩展阻力？ 14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么？ 15、什么是格里菲斯裂纹？试述格氏理论。 16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的？ 17、裂纹对材料强度有何影响？ 18、裂纹按其力学特征可分为哪几类？试分别述其受力特征 19、什么叫塑性功率？ 20什么是G 准则？ 21、线弹性断裂力学的适用范围。 22、“小范围屈服”指的是什么情况？线弹性断裂力学的理论公式能否应用？如何应用？ 23、什么是Airry 应力函数？什么是韦斯特加德( Westergaard)应力函数？写出
Westergaard应力函数的形式，并证明其满足双调和方程。
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)2 a≧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。 三、实验装置 制备好的试样，在MTS810材料力学试验机上进行断裂试验。对于三点弯曲试样，其试验装置如图5-2所示。可将采集的试验数据以文件形式（数据采集间隔0.1s）存储在计算机中，同时利用3086-11型X—Y系列实验记录仪绘制P—V曲线。本实验跨距S为80mm，弯曲压头速率0.01mm/s。用15J型工具显微镜测量试样的临界裂纹(半)长度a。
陶瓷材料断裂韧性的测定(优选材料)
实验陶瓷材料断裂韧性的测定 一、前言 脆性材料的破坏往往是破坏性的，即材料中裂纹一旦扩展到一定程度，就会立即达到失稳态，之后裂纹迅速扩展。材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力，亦即抵抗脆性破坏的能力。它是材料塑性优劣的一种体现，是材料的固有属性。裂纹扩展有三种形式：掰开型(I型)、错开型(II型)、撕开型(III型)，其中掰开型是最为苛刻的一种形式，所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性，此时的测量值称作K IC。在平面应变状态下材料K IC 值不受裂纹和几何形状的影响。因此，K IC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性，具有非常重要的意义。 目前，断裂韧性的测试方法多种多样，如：单边切口梁法(SENB)、双扭法（DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。其中，有些方法技术难度较高，不太容易实现大规模实用化；有些方法会出现较大测量误差，应用起来存在一定困难。相对而言，比较普遍采用的SENB法，该方法试样加工较简单，裂纹的引入也较容易。 本实验采用SENB法进行。但是，这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷；另外，它适用于粗晶陶瓷材料，对细晶陶瓷其所测的K IC值偏大。 二、仪器 测试断裂韧性所需仪器如下： 1.材料实验机 对测试材料施加载荷，应保证一定的位移加载速度，国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。 2.内圆切割机 用于试样预制裂纹，金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。 3.载荷输出记录仪 输出并记录材料破坏时的最大载荷，负荷示值相对误差不大于1。本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷，采用电子记录仪记录断裂载荷。 4.夹具 保证在规定的几何位置上对试样施加载荷，试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形，材料的弹性模量不低于200GPa。支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径，长度应大于试样的宽度，与试样接触部分的表面粗糙度R a（根据规定不大于1.6μm）。试样支座为两根二硅化钼发热体的小圆柱，置于底座两个凹槽上。压头固定在材料实验机的横梁上。 5.量具 测量试样的几何尺寸和预制裂纹深度，精度为0.0lmm，需使用游标卡尺和读数显微镜。 三、试样的要求 试样的形状是截面为矩形的长条，试样表面要经过磨平、抛光处理，对横截面垂直度有一定的要求，边棱应作倒角。在试样中部垂直引入裂纹，深度大约为试样高度的一半，宽度应小于0.2mm。试样尺寸比例为： c/W=0.4～0.6 L/W=4 B≈W/2 式中：c－裂纹深度；
(完整版)平面应变断裂韧度K1C的测定实验预案
平面应变断裂韧度K1C 的测定实验预案 姓名：江维学号：M050110110 指导老 师：钱士强学院：材料工程学院
、试样制备 1. 材料：先用40刚 2. (1) 厚度: 为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的0.2和K lC的估计值，根据 上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。K lC的 估计值可以借用相近材料的K IC值，也可根据材料的0.2/ E的值确定 试件的尺寸，如下表所示： 表
K C 2一一一 当确知2.5(-)比表中推荐尺寸小得多时，可米用较小试件. 在试验 0.2 K 测得有效K IC结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a、B 2.5( -)2 0.2 B > 2.5(K ic/ 动2>2.5(71.9/294)2=0.l496m 所以取B=0.15m. (2) 高度： a> 50r y~ 2.5(K ic/『① (W-a) > 2.5(K ic/ s)2C2) 由O+②得W 2*2.5(K ic/ s)2 ,所以取W=0.3m (3) 长度： 跨距：S=4W+0.2W=1.26m. 长度L>S,所以取L=1.4m。 为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的K1-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。 预制疲劳裂纹开始时，最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不超过K1C的80%, 疲劳载荷的最低值应使最低值与最小值之比在-1与0.1之间。在疲劳裂纹扩张的最后阶 段，至少在2.5%a的扩展中，应当减少最大载荷或位移，使疲劳应力强度因子的最低值 K fmax w 0.6K 1c, K fmax/E<0,0032m 1/2。同时调整最小载荷或位移，使载荷比乃在-1~0.1之间。
断裂力学和断裂韧性
断裂力学与断裂韧性 3.1 概述 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！ 按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ], 就被认为是安全的了。而[σ]，对塑性材料[σ]=σ s /n，对脆性材料[σ]=σ b /n， 其中n为安全系数。经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。 3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 3.2.1 理论断裂强度
金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方 为吸引力下方为斥力，当两原子间 距为a即点阵常数时，原子处于平 衡位置，原子间的作用力为零。如 金属受拉伸离开平衡位置，位移越 大需克服的引力越大，引力和位移 的关系如以正弦函数关系表示，当 位移达到X m 时吸力最大以σ c 表示， 拉力超过此值以后，引力逐渐减小， 在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏， 达到完全分离的程度。可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σ c 。该力和位移的关系为 图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。分离后形成两个新表面，表面能为。 可得出。 若以=，=代入，可算出。 3.2.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多，粗略言之，至少 低一个数量级，即 。 陶瓷、玻璃的实际断裂强度则更低。
金属材料 焊接接头准静态断裂韧度测定的试验方法(标准状态：现行)
I C S77.040.10 H22 中华人民共和国国家标准 G B/T28896 2012 金属材料焊接接头准静态断裂韧度 测定的试验方法 M e t a l l i cm a t e r i a l s M e t h o do f t e s t f o r t h e d e t e r m i n a t i o no f q u a s i s t a t i c f r a c t u r e t o u g h n e s s o fw e l d s (I S O15653:2010,MO D) 2012-11-05发布2013-05-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
G B/T28896 2012 目次 …………………………………………………………………………………………………………前言Ⅰ1范围1………………………………………………………………………………………………………2规范性引用文件1…………………………………………………………………………………………3术语和定义1………………………………………………………………………………………………4符号和说明3………………………………………………………………………………………………5原理3………………………………………………………………………………………………………6试样设计二方位和缺口位置选择5 …………………………………………………………………………7机加工前金相检查7………………………………………………………………………………………8机械加工8…………………………………………………………………………………………………9试样制备13…………………………………………………………………………………………………10试验装置二试验要求及步骤14 ……………………………………………………………………………11试验后金相检查14………………………………………………………………………………………12试验分析17………………………………………………………………………………………………13试验报告20………………………………………………………………………………………………附录A(资料性附录)试样缺口位置示例22 ………………………………………………………………附录B(资料性附录)试验前后金相检查示例25 ………………………………………………………… ……………………………………………附录C(规范性附录)消除残余应力和预制疲劳裂纹方法27附录D(规范性附录)p o p-i n效应评定29 …………………………………………………………………附录E(资料性附录)浅缺口试样试验35 ………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………参考文献38
平面应变断裂韧度KIC试验指导
平面应变断裂韧度K IC 试验指导 一、试验内容：试验测定40Cr 的平面应变断裂韧度。 二、试验目的：加深了解平面应变断裂韧度的应用及其前提条件，体验试验过程。 三、引言： 断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变化形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的断裂——脆性断裂。理论分析和大量实践结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是 =a σ材料常数 （1.1） 式中，σ为正应力，2a 为试样或者构件中的裂纹长度。 这样的结果，应用于高强度金属材料的脆性断裂也与实际相符得非常好。根据线弹性断裂力学，断裂的判据是裂纹前沿应力强度因子K 达到其临界值——材料的平面应变断裂韧度K IC ，即： IC Y K a K ≥=σ （1.2） 式中Y 是裂纹的形状因子。平面应变断裂韧度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。 平面应变断裂韧性，可以用于评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。材料的断裂韧度受到冶金因素(成分、热处理)的制造工艺(如焊接、成形)影响。应用平面应变断裂韧度对构件的断裂安全性进行评价，需要对构件的受力情况、工作环境、无损检测裂纹方法的灵敏度、可靠性等方面进行分析。 四、试样条件 4.1 试样的形状尺寸 平面应变断裂韧性的试验测量，对于达到或超过1.6mm 厚度的材料，使用具有疲劳裂纹的试样进行测定，根据外形可以分成三点弯曲SE(B)、紧凑拉伸C(T)、C 形拉伸A(T)和圆形紧凑拉伸DC(T)四种试样。图1中给出了不同的试样。本试验采用三点弯曲试样。 图1 四种平面应变断裂韧度试验样品 上图为三点弯曲试样SE(B)； 左图为紧凑拉伸试样C(T)； 左下图为圆形紧凑拉伸DC(T)； 右下图 为两种C 形拉伸A(T) 1
断裂韧性实验报告
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5~8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
断裂韧性实验指导书
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T k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A k。（A k除以试样缺口处截面积得冲击韧性值a k）。 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ETT n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FTT n 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A k-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A k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A k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（℃）。
(完整版)平面应变断裂韧度K1C的测定实验预案
平面应变断裂韧度K1C的测定实验预案 姓名：江维 学号：M050110110 指导老师：钱士强 学院：材料工程学院
一、试样制备 1.材料：先用40刚 表一 2.试样尺寸确定 图1 （1）厚度： σ和K IC的估计值，根据为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的 2.0 上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。K IC的 σ／E的值确定估计值可以借用相近材料的K IC值，也可根据材料的 2.0 试件的尺寸，如下表所示： 表二试样的推荐尺寸
当确知22 .0)( 5.2σC K I 比表中推荐尺寸小得多时，可采用较小试件．在试验 测得有效K IC 结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a 、22 .0)(5.2σC K B I ≥ B ≥2.5(K 1 C /σs )2 ≥2.5(71.9/294)2=0.1496m 所以取B=0.15m. （2）高度： a ≥50r y ≈2.5(K 1C /σs )2 ○1 (W-a)≥2.5(K 1C /σs )2 ○2 由○1+○2得W ≥2*2.5(K 1C /σs )2 ,所以取W=0.3m 。 （3）长度： 跨距：S=4W+0.2W=1.26m. 长度L>S,所以取L=1.4m 。 表三 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K 1C 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。 预制疲劳裂纹开始时，最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不超过K 1C 的80%，疲劳载荷的最低值应使最低值与最小值之比在-1与0.1之间。在疲劳裂纹扩张的最后阶段，至少在2.5%a 的扩展中，应当减少最大载荷或位移，使疲劳应力强度因子的最低值K fmax ≤0.6K 1C, K fmax /E<0,0032m 1/2 。同时调整最小载荷或位移，使载荷比乃在-1~0.1之间。 表四