2023年断裂韧性实验报告.doc

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、、等一些新的力学性能指标，填补了常规实验方法的局限性，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实验方法1、 三种断裂韧性参数的测试方法简介 1. 1 平面应变断裂韧度的测试 对于线弹性或小范围的型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态完全由应力强度因子所决定是外载荷，裂纹长度及试样几何形状的函数在平面应变状态下，当和的某一组合使=，裂纹开始失稳扩展的临界值是一材料常数，称为平面应变断裂韧度测试保持裂纹长度a为定值，而令载荷逐渐增长使裂纹达成临界状态，将此时的、代入所用试样的表达式即可求得的实验环节一般涉及：（1） 试样的选择和准备（涉及试样类型选择、试样尺寸拟定、试样方位选择、试样加工及疲劳预制裂纹等）；（2） 断裂实验；（3） 实验结果的解决（涉及裂纹长度的测量、条件临界荷载的拟定、实验测试值的计算及有效性的判断）1. 2 延性断裂韧度的测试积分延性断裂韧度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的某些特性值。

测试积分的根据是积分与形变功之间的关系： 　　　　　　　　　　　　　（1-1）其中为外界对试样所作形变功，涉及弹性功和塑性功两部分，为裂纹长度，为试样厚度积分测试有单试样法和多实验法之分，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，都须先拟定启裂点，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拟定金属材料的延性断裂韧度这是一种多试样法，其优点是无须鉴定启裂点，且能达成较高的实验精度这种方法能同时得到几个积分值，满足工程实际的不同需要所谓阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的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阻力曲线至少需要5个有效实验点，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，计算相应的积分，对实验数据作回归解决得到曲线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阻力曲线法测试环节一般涉及：（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 （1-2） 其中 2）积分有效性条件 一般,当不易估计时，可用求出 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 积分实验对象大多是中、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 加载断裂实验可在各种普通材料实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，同时记录曲线在产生预定裂纹扩展量之后卸载停机，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超过极限载荷，以免裂端形貌发生奇变.（3） 实验结果解决（涉及裂纹长度的测量、裂纹扩展量的测量、值计算及 曲线的绘制和积分特性值的拟定等）1.3． CTOD的测试我国国家标准GB2358-94涉及单试样法和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（简称），所测结果为启裂点的裂端张开位移而阻力曲线与阻力曲线方法类似所谓阻力曲线是指相应于某一裂纹扩展量的值与裂纹扩展量的关系曲线，它不仅能提供启裂抗力，并且能同时得到几个特性值，以满足不同条件的需要曲线自身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力的变化规律，这在评估材料和工艺质量及安全分析方面有着重要意义同时，求作曲线可以省去拟定启裂点的环节，这是曲线法优越的方面通过实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。

实验中,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值以三点弯曲为例,参见图1.1图1.1 COTD实验原理图图中W为三点弯曲试样的宽度,为裂纹长度(涉及线切割的和预制疲劳裂纹长度),(W-)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假设在塑性变形过程中,裂纹表面绕O点作刚体转动称为转动因子,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-)的比值假设三角形与三角形相似(塑性三角形假说),则： (1-1)即有： (1-2)弹塑性情况下, 可由弹性的和塑性的两部分组成,即: (1-3)弹性部分为相应于载荷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： (1-4)则原裂纹尖端张开位移为: (1-5)测试的标准试样是三点弯曲试样，其形状同试样多试样法所用试样个数同样为5~8个，实验过程中使各个试样加载到不同裂纹扩展量后停机，测出停机时的荷载与位移，代入公式（1-6）　　　　　　　　　　　(1-6)　　　　　　同样对于三点弯曲试样,BS7448系列规范建议取=0.4,规范GB/T2358—1994建议取=0.44,规范JB/T4291—1999建议取介=0.45,而国家标准最近修正为=0.40同国际标准及英国系列标准同样。

本报告按国家标准GB2358-94规定取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; 为材料的屈服强度; 为材料的泊松比; 称为转动因子, 为裂纹嘴张开位移塑性部分由此，可得该试样停机时的，这个就是相应当裂纹扩展量时的裂纹扩展阻力，记为对每个试样可以得到一对（，），5~8个试样可描绘一条~曲线，此曲线即为曲线曲线测试的一般环节（与阻力曲线测试类似）为：（1） 试样制备（涉及试样尺寸、疲劳预制裂纹）；（2） 断裂实验（记录曲线）；（3） 实验结果解决（涉及数据解决和计算特性值等）2、平面应变断裂韧度的测试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、实验设备以及实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在相同的约束条件这三种试样的重要尺寸关系为：其中为高度，为厚度，为裂纹长度，涉及机加工切口和疲劳裂纹长度之和，为跨距前两种试样用于工程结构安全评估实验，第三种试样用于对材料和工艺质量进行相对评估实验。

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实验目的和规定而定，例如要评估实际工件的，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实验机上完毕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，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应不大于对于三点弯试样 —屈服应力(屈服点a,或屈服强度).MPa；—抗拉强度，MPa;—有效屈服强度，,MPa ;2.2. 断裂实验环节实验一般在万能材料实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 三点弯曲实验装置示意图1—实验机上横梁；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（）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得到的讯号通过放大后输入记录仪，描绘出力—张开位移曲线（曲线）应当注意的有以下几点：（1）夹式引伸仪一般都应当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，以保证实验结果的可靠性；（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155范围内，相称于；（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实验结果；（5）规定断口与试样长度放线基本垂直，偏差不能大于；（6）应观测和记录断口宏观形貌，剪切唇宽度与平断口的比例例2.3 实验结果解决(1) 裂纹长度的测量按图2.4所示沿着疲劳裂纹前缘和标记出的裂纹稳态扩展区的前缘，在其间隔的9点上测量裂纹尺寸i=1,2,3,......9 )测量仪器的精度不低于0.02 mm,按下式计算裂纹长度:图2.4 裂缝测量示意图注：(2) 拟定在三点弯曲加载实验所得到的P—V曲线，大体有图2.4中的几种情形图2.4 曲线在图2.4(a)和(b)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所相应的载荷与位移计算假如失效发生性段附近，可按GB 4161测量在图2.4(e)的情况下，取最大载荷点或最大载荷平台开始点所相应的载荷与位移计算。

在图2.4（c)和(d)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所相应的载荷与位移，计算，假如突进点是由于疲劳裂纹前缘的脆性失稳扩展受阻引起的，则应考虑被测材料的特性实验后的断口检查，如最大突进裂纹扩展量已超过0. 04，可按下列环节估汁“小突进”信号值1）通过最大载荷点作BC线平行于OA线2）作BD线平行于载荷轴3）位于0. 95BD处作标记E4）作CEF线5)相应于载荷位移的突进处作标记G6)当G点位于角BCF以外时，取载荷或和位移或计算或，例如图2.5(a)7)当G点位于角BCF以内时.该突进点可以忽略.图2.5(b)图2.5 突进点示意图在图2.4(a)(b)和(d)的情况下，不能直接测定值，若需要值，可根据阻力曲线来拟定的计算方法—获得必要的测量数据后，采用下列公式计算原始裂纹尖端部位的张开位移:式中: ——对一般钢材取0. 3；——对一般钢材取—— 塑性转动因子，三点弯曲试样的，即直3点弯曲试样: 当S=4W时，直3点弯曲试样的Y值见GB2358-94表13、三点弯曲实验测3.1 实验目的纯熟掌握测平面应变断裂韧性的方法及环节运用预制好疲劳裂纹的试样测定金属材料的平面应变断裂韧性。

3.2 实验设备实验设备涉及万能材料实验机及数据采集系统、夹式引伸计、游标卡尺等3.3 实验试样的制作本次实验的试样为金属试样金属试样由力学实验室提供，金属采用钼丝线切割预制疲劳裂缝金属试样的外观大体如图所示： 图3.1试样示意图。