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
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 80
50α 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：
00P
0()()
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：
12
PS 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 z
μδδδσ-=+=+-++ (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 z
μδσ-=+-++ (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 ?），5
8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 B
W a W S W W B
W 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。
2.3 试验结果处理
(1) 裂纹长度a 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:
08010902
8192
1()821()82i i i i a a a a a a a a ==+=++=+∑∑
图2.4 裂缝测量示意图
注：(0.01)/8N B B W =-
(2) 确定δ
在三点弯曲加载试验所得到的P —V 曲线，大体有图2.4中的几种情形
图2.4 P V -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对应的载荷c P 与位移pc V 计算c δ。如果失效发生在线性段附近，可按GB 4161测量Ic K 。
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对应的载荷m P 与位移mp V 计算m δ。
在图2.4（c)和(d)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷u P 与位移up V ，计算u δ，如果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征。试验后的断口检验，如最大突进裂纹扩展量已超过0. 040b ，可按下列步骤估汁“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E
4）作CEF 线
5)相应于载荷位移的突进处作标记G 。
6)当G 点位于角BCF 以外时，取载荷c P 或u P 和位移c V 或u V 。计算c δ或u δ，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i δ值，若需要i δ值，可根据阻力曲线来确定。
R δ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:
2202I I P 00()(1-)2()p s p r W a K K V E r W a a z
μδσ-=+-++ 式中: μ——对一般钢材取0. 3；
E ——对一般钢材取52.0610MPa ?
p r —— 塑性转动因子，0.4(1)p r α=+。
三点弯曲试样的0.1α=，即0.44p r =。
12PY
I K BW =
直3点弯曲试样: 00.45/0.55a W ≤≤
(){}1/22000003/2
006(/) 1.99/1/ 2.15 3.93/ 2.7(/)(12/)(1/)4a W a W a W a W a W S Y a W a W W ????---+????=??+-???
?
当S=4W 时，直3点弯曲试样的Y 值见GB2358-94表1。 3、三点弯曲试验测COD
3.1 试验目的
熟练掌握测平面应变断裂韧性的方法及步骤。
利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。