断裂韧性实验报告之欧阳家百创编

断裂韧性测试实验报告
欧阳家百（2021.03.07）
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
2）J 积分有效性条件
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
K时相似。

正式加载前，先
IC
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
P超过极限载荷L P，以免裂端形貌发生奇变.
m ax
f
（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、
J值计算及R J曲线的绘制和J积分特征值的确定等）。

R
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Rδ阻力曲线与
J阻力曲线方法类似。

所谓Rδ阻力曲线是指相应于某一
R
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
δ，而且能同时得到几个COD特征值，以满足不同条件的
i
需要。

δ曲线本身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力的变化规
R
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
δ曲线可以省去确定启裂点的步骤，这是Rδ曲线法优越
R
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：
12PS I K BW = (1-4)
则原裂纹尖端张开位移δ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 ∆），58个试样可描绘一条R
δa ∆曲线，此曲线即为R δ曲线。

δ曲线测试的一般步骤（与R J阻力曲线测试类似）为：
R
（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
δ特征值等）。

R
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：
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
-曲线）。

应该注意的有以下几点：
（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
Bmm s；
MN m范围内，相当于0.2/
/
（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0
10；（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:
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2.4P 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:
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 =。

直3点弯曲试样:00.45/0.55a 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。

3.2 试验设备
试验设备包括万能材料试验机及数据采集系统、夹式引伸计、游标卡尺等。

3.3 试验试样的制作
本次试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。

金属试样的外观大致如图所示：
图3.1试样示意图
3.4 试验过程
（1）试验前先清洗裂纹嘴两侧，用胶将刀口粘到试样上；（2）试验前用游标卡尺在裂纹前缘韧带部分测量试件厚度B三次，测量精度到0.1%B或0.025mm，取较大的两个计算平均值。

在切口附近测量试样宽度三次，测量精度精确到0.1%Ｗ或0.025mm，取较大的两个计算平均值；
（3）安装三点弯曲试验支座，使加载线通过跨距S的中点，偏差在1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2º以内；如图3.2
（4）将位移引伸计接入动态采集系统，在加载试样之前，对试验机及采集系统的X Y
-曲线调零；
（5）对试样缓慢而均匀地加载，一般试验机速度为
0.52mm/m，以使
K的增长速度不至太快；
I
（6）加载到压断试样，如图3.3。

取下F V
-曲线图进行分析处理。

图3.2 设备装置图
图3.3 试样压断图
3.5 原始数据
（1）试件厚度B和宽度W的测量
由游标卡尺量测并处理，得到试件的厚度14.97B mm =，宽度为30.00W mm =。

（4） 试验机数据采集系统得到的数据
图3.4 数据曲线
图3.5 处理后的数据曲线
由上图可得P V -曲线， 6 =l l mm l l l
εε∆==∴∆⨯ 图3.6 P-V 曲线
（3）试验加载完成后裂纹长度a 的测量，裂纹断口见图3.7,测量数据见表3.1。

图3.7裂纹断口图
表3.1裂纹长度测量表（单位：mm ）
3.6 数据分析处理
（1） 裂纹长度a
1）规范规定任意二点裂纹扩展量之间的差(不包括近试样表面的二点)不超过0. 05W 。

且全部9个测量点中最大和最小的裂纹扩展量之差不超过0.1W 。

2.780.32 2.460.05 1.5mm W mm -=≥=不符合要求
2）所有试样的原始裂纹长度a 。

必须在0.45W~0. 55W 范围内。

0/12.15/30.000.405a W ==不符合要求。

综上本次实验数据无效。

（2） pc P V c 和的确定
试验所得的P V -曲线如图3.6所示。

在试验过程中，可以看到试件在加载后期基本没有塑性阶段，在到达疲劳裂纹后迅速发生失稳破坏。

属于图2.4中a)脆性破坏情况。

对于得到的数据，初始阶段的数据忽略，因为这段时间属于利用液压消除自重的环节，所以得到的位移是负值而且来回震荡，且坐标轴的校零也有影响，没有实际参考价值。

为了获取弹性阶段的斜率，观察曲线，可以发现P 在0至16.00KN 之间时曲线趋于直线。

利用matlab 程序拟合得到下图3.8。

图3.8
得pc P =16.49KN V 7.5c m μ=
（3）c δ的计算
根据以上所得数据计算COD 。

（为了使计算能够进行，0/0.45a W =）。

根据0/0.45S=4W a W =且查规范表1得Y=9.14。

试件的厚度14.97B mm =，宽度为30.00W mm =
又0.3μ=；对一般钢材取52.0610E MPa =⨯；塑性转动因子0.44p r =；850s MPa σ=。

计算得2202I I P 00()(1-)0.8512()p s p r W a K K V mm E r W a a z
μδσ-=+=-++ 有前面可知该结果是无效的。

3.7实验总结
实验测得的COD 无效，其原因很多：
（1）金属试样疲劳裂纹的预制存在问题导致试样断裂后断口不典型。

（2）黏贴刀口存在人为误差。

（5） s σ只是理论上的数据，并没有做实验，所以s
σ的准确度有待考究；
（6） 其他因素例如冶金质量、各向异性、晶体结
构、回火温度、显微结构以及介质腐蚀等，对试验结果造成的影响较为复杂
（7） 试样的尺寸是有影响的，跨度和宽度之比为
4，宽度和厚度之比应为2，实际的数据来看是不满足要求
的，导致测出的值离散型较大，不符合要求；
（8）在材料制备的过程中，可能会掺杂其他合金元素，对材料造成的影响不一，即可能是正面的影响，也可能是负面的影响。

在断裂韧性COD测试试验中，我熟悉了ISTRON3367材料力学试验机，测试的整个过程也都了解了。

这锻炼了我在材料性能实验中的实际操作能力，在此同时也体会到了同组同学相互配合、团队意识的重要性。

在数据处理过程中，通过确定测定临界裂纹长度a、计算条件断裂韧性a及判断其有效性，我对Matlab 有了进一步的了解，并学会了如何利用数据及P~V曲线图来计算 。

通过这次实验，我进一步加深了断裂韧性的定义及其相关理论知识。