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)