断裂韧性KIC测试试验
平面应变断裂韧性KIC试验结果解析
平面应变断裂韧性K IC试验结果解析◎张立文一、断裂韧性工程设计中使用屈服强度σ0.2确定构件的许用应力[σ]，在许用应力以下构件就不会发生塑性变形，更不会发生断裂。
然而事实并非如此，高强度材料的构件有时会在应力远远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂；中低强度材料的重型构件及大型结构件也有类似的断裂。
屈服强度仅能保证构件不发生塑性变形及随后的韧性断裂，却不能防止脆性，延伸率、断面收缩率、冲击韧性、缺口敏感性等指标也是基于无裂纹理想的试样测得，加之具体工作条件不同，也很难确定这些性能指标。
1.断裂韧性含义。
无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段，大量事例和实验分析说明，低应力脆性断裂总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的，断裂力学就是以构件中存在宏观缺陷为讨论问题的出发点，运用连续介质力学的弹性理论，考虑材料的不连续型，研究材料裂纹扩展的规律，确定能反映材料抗裂纹性能的指标及其测试方法以控制和预防构件的断裂。
断裂韧性就是断裂力学用于表征反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。
. 2.K IC的意义。
根据缺口效应，应用弹性力学理论，研究含有裂纹材料的应力应变状态和裂纹扩展规律的线弹性断裂力学，在特定条件下，通过计算定义了表示裂纹前端应力场强弱的因子，简称应力场强度因子KⅠ，KⅠ是一个能量指标。
裂纹扩展有三种形式，张开性、滑开型和撕开型，其相应的应力场强度因子也不同，分别以KΙ、KⅡ、KⅢ表示，KΙ是正应力作用下，裂纹在张开性扩展时的应力场强度因子。
张开性扩展是最危险的，容易引起低应力脆断，材料对这种裂纹扩展的抗力最低。
因此，即使是其它形式的裂纹扩展，也常按Ι型处理。
研究计算表明，材料在平面应变状态下，裂纹前端处于三向拉应力状态，这时材料塑性变形比较困难，裂纹容易扩展，显得特别脆，是一种危险的应力状态。
如果裂纹尖端处于平面应变状态，则断裂韧性的数值最低，称之为平面应变断裂韧性，用K IC表示。
断裂韧性KIC测试试验
实验五断裂韧性K测试试验IC一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σ和K的参考值CyⅠ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：-3/2。
m ψ=34%，K=42MN·，σ=σ=1650MPa，σ=1850MPaδ=9%，CyⅠ0.2b5二、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K试验方法》中规定了两种测CⅠ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：2 y)/σB≧2.5(K CⅠ2 σy)≧a2.5(K/CⅠ2 σy)W-a）≧2.5(K/（CⅠ式中：σ—屈服强度σ或σ。
y0.2s因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的K和σ值，再根据上式确定试样yCⅠ的最小厚度B。
若材料的K值无法估计，则可根据σ/E的值来确定B的大小，然后再确yCⅠ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。
平面应变断裂韧性KIC的测定
平面应变断裂韧性的测定陈国滔材科095 40930366一、实验目的1.理解平面应变断裂韧性的应用及限制条件；测试的基本方法，基本操作及操作要点；2.了解平面应变断裂韧度KIC3.通过三点弯曲试验测量40Cr的平面应变断裂韧度。
二、试验原理1.材料断裂原理含有缺陷的构件可能在远低于材料屈服强度的工作应力下断裂, 只要这些缺陷达到某种临界尺寸。
即使有些构件, 起初的缺陷尺寸没有达到某种临界尺寸, 但由于工作于某种疲劳载荷下, 或某种腐蚀介质里, 或某种限度的低温状态下, 起初的缺陷尺寸将会增大,即裂纹发生亚临界的稳定扩展, 直至达到某种临界尺寸而突然发生不稳定的脆断。
断裂条件是：式中， 为正应力，2a为试样或者构建中的裂纹长度。
2.材料的平面应变断裂韧性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，即：K=Y≥是材料抵抗裂纹扩展能力的式中Y是裂纹的形状因子。
平面应变断裂韧度KIC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：①评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。
②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。
可对构件的断裂安全性进行评价。
三、实验仪器及材料1.实验仪器①WDW-200D微机控制电子式万能材料试验机（拉伸力准确度优于示值的0.5%）②游标卡尺（精度0.02mm）③双悬臂夹式引伸计（原长10.00mm）④工具显微镜15JE（精度0.001mm）2.实验材料本试验采用经过860℃淬火、220℃回火处理的40Cr钢，屈服强度σs=1400MPa。
3.实验试样SE(B)三点弯曲试样：4. 试样中裂纹的制备要求测定裂纹失稳扩展时的裂纹应力强度因子的临界值，要求裂纹尖端具有足够高的应力集中效应，否则，易于造成试验因为应力——位移曲线不符合要求而得不到预定结果。
为此，试样中裂纹的制备由两道工序完成。
(完整版)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)2a≧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。
KIC断裂实验指导书(正式)
图1测K IC 的标准试平面应变断裂韧性K 1C 的测定一、实验目的：了解金属材料平面应变断裂韧度测试原理和测试方法。
二、实验设备：RSA-250申克试验机；高频疲劳试验机；夹式引伸计；工具显微镜；游标卡尺。
三、试样：材料：40Cr(低温回火处理)。
名义尺寸：B=10mm ；W=20mm ；S ＝80mm 。
四、实验概述1. 实验原理：线弹性断裂力学中，带裂纹体裂纹尖端附近的弹性应力场的强度是用应力强度因子K 来度量。
线弹性断裂力学的分析证明：应力强度因子K 可表征为：a Y K σ=，其中：σ——外加应力；a ——裂纹深度；Y ——形状因子（与裂纹及试样的几何参数有关）。
I 型(张开型)裂纹的断裂准则为：当应力强度因子K I 达到其临界值Kc 时裂纹即失稳扩展而断裂。
如果裂纹尖端附近的材料处于平面应变状态，则I 型裂纹的断裂韧度值称为平面应变断裂韧性，记作K IC （ m MPa ）,它表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标，其中罗马数字Ⅰ是指Ⅰ型裂纹及裂纹顶端处于平面应变状态。
测试K IC 就是测试裂纹开始失稳扩展时的应力强度因子值。
具体方法是：对含有裂纹的三点弯曲试件或紧凑拉伸试件施加适当的载荷，使裂纹尖端处于I 型裂纹受载状态并引起裂纹扩展，记录载荷P 及裂纹嘴的张开位移V ，然后按规定在P —V 曲线上确定特征载荷P q 值，测量裂纹长度a ，将P q 值和a 带入相应试件的K I 表达式，计算K IC 的条件表达值Kq ，在进行有效性判断后确定Kq 是否是K IC 。
2. 试样形式： 测试K IC 常用的试件(如图1所示)是三点弯曲和紧凑拉伸两种标准试件，其中W ／B=2，a/W 在0.45—0.55之间，a 为裂纹长度。
对于两种形式的试件，其应力强度因子K I 分别按下面公式计算：对三点弯曲试样：⎪⎭⎫⎝⎛=W a f BWPS K I 23 --(1) 式中P 为载荷，B 、W 分别为试件的宽度和厚度，S 为跨度，a 为裂纹长度， f （a/W ）为试样几何形状因子，对于三点弯曲试件，f （a/W ）用下式表示：()()()()[]()()2322113W /a 2a/W 12W /2.7a 3.93a/W -2.15a/W -1a/W -1.99a/W W a f 2-++=⎪⎭⎫ ⎝⎛-- -(2)如采用标准试件，f （a/W ）值可查阅附表1。
平面应变断裂韧度KⅠC的测定
平面应变断裂韧度KⅠC的测定1 实验目的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度K IC2 实验设备1、万能材料试验机；2、动态电阻应变仪、X-Y函数记录仪、载荷传感器及夹式引伸计；3、游标卡尺。
3 实验原理及装置对于三点弯曲试样，应力强度因子K I 的表达式为：I13/2(/)FSK Y a WBW式中：S、B、W及a分别为试样的跨度、厚度、宽度，以及试样的裂纹尺寸(如图8－3所示)；F为作用于试样中点的集中力；1(/)Y a W为形状修正系数，其值可查表得到(表8－1)。
随着外载荷F的增加，K I 随之增加。
然而K I的增加不是无限的，这种增加受到材料性能的限制，即当K I增加到某一临界值时，裂纹就会失稳扩展引起材料脆断。
这个临界值代表金属材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，也就是材料的断裂韧度K IC。
所以在测试时，只要在试样的加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷F Q和试样裂纹尺寸a，就可以求出试样材料的临界应力强度因子K Q。
如果试样尺寸满足平面应变和小范围屈服条件，则此时的临界应力强度因子即为该材料的平面应变断裂韧度K IC 。
具体的做法是：对预制有疲劳裂纹的试样加载，在加载过程中用仪器记录下载荷增加和裂纹扩展情况的F －V 曲线（V －裂纹嘴张开位移）；根据曲线上裂纹失稳扩展时（临界状态）的载荷F Q 及试样断裂后测出的预制裂纹长度a ,代入应力强度因子K I 的表达式，可得13/2(/)Q Q F S K Y a W BW然后再根据规定的判据判断K Q 是不是平面应变状态下的K IC ，如果不符合判据的要求，则需加大试样尺寸重做实验。
实验装置如图8－1所示：应变仪记录仪图8－1 实验装置（三点弯曲试样） 4 实验步骤1、实验前先清洗裂纹嘴两侧，用胶将刀口粘到试样上；2、试验前用卡尺在裂纹前缘韧带部分测量试件厚度B 三次，测量精度精确到0.1%B 或0.025mm ，取其较大者，计算平均值。
平面应变断裂韧度KIC的测定
平面应变断裂韧度K IC 的测定“工程力学”指出，材料对本身的裂纹或类裂纹缺陷的存在十分敏感，裂纹失稳扩展是脆性断裂的主要原因。
控制断裂的三个主要因素是裂纹的形状和尺寸、工作应力和材料抵抗裂纹扩展的能力（材料的断裂韧度）。
前二者是作用，为断裂的发生提供条件；在“线弹性断裂力学”中，用裂纹尖端的应力强度因子K 来描述，且()a w a f K πσ ,=上式的适用条件为裂纹尺寸a ≥2.52⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ys IC K σ，即在线弹性或小范围屈服条件下才成立。
后者是抗力，阻止断裂的发生；在一定条件下（满足平面应变条件）是一材料常数，称为材料的平面应变断裂韧度，记作K IC ，可由实验测定。
一、实验目的测定材料的平面应变断裂韧度K IC二、实验设备和仪器1．力传感器、双悬臂夹式引伸计。
2．三点弯曲试验装置。
3．材料试验机。
4．高频疲劳试验机。
5．精密量具（游标卡尺和读数显微镜等）。
三、实验原理含有I 型(张开型)裂纹试样，其应力强度因子一般可表达为：式中：() ,w a f 是试样的几何形状因子，在试样形状、尺寸和加载方式为一定的条件下是一常数。
随着外载荷F 的增加，K I 随之增加。
然而K I 的增加不是无限的，这种增加受到材料性能的限制，即当K I 增加到某一临界值时，裂纹就会失稳扩展引起材料脆断。
这个临界值代表材料抗脆断的能力，也就是材料的断裂韧度。
所以在测试时，只要在试样的加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷F q 和试样裂纹尺寸a ，就可以求出试样材料的临界应力强度因子K q 。
如果试样尺寸满足平面应变和小范围屈服条件，则此时的临界应力强度因子即为该材料(),(81)I K f a w =-的平面应变断裂韧度K IC 。
四、实验方法采用带穿透裂纹的试样测定金属材料平面应变断裂韧度是目前断裂力学测试技术中发展较完善的一种方法。
1．K I 标定公式对于三点弯曲试样，应力强度因子K I 的表达式为： I 3/2(/)FS K f a w BW = （8-2） 式中：S 、B 、W 及a 分别为试样的跨度、厚度、宽度，以及试样的裂纹尺寸；F 为作用于试样中点的集中力。
钢轨平面应变断裂韧性 KIC试验方法
附录E（规范性附录）钢轨平面应变断裂韧性K IC试验方法E.1试验方法除本标准中的规定外，该项试验的其余内容均应按GB/T 4161执行。
E.2试样E.2.1试样取自钢轨横断面，其位置见图E.1。
E.2.2试样的厚度B=2 5mm，宽度W=40 mm。
单位为毫米试样所有其他尺寸见GB/T 4161－2007。
图E.1 断裂韧性试样的取样部位E.3试验数量对每个样轨至少取5个试样进行试验。
E.4试验条件E.4.1在温度为15 ℃～25 ℃，应力比大于0，小于＋0.1,载荷频率范围为15 Hz～120 Hz的条件下预制疲劳裂纹。
预制裂纹最终长度与试样宽度比为0.45～0.55，裂纹在扩展到最终1.25 mm时的最大应力强度因子（K max）应在18 MPa·m1/2～22 MPa·m1/2范围内。
E.4.2用控制位移方式对单边缺口三点弯曲试样加载，三点弯曲试样的加载跨距（S）为试样宽度（W）的4倍。
E.4.3试验温度为-20 ℃±2 ℃,可用点焊到试样上的非珠形热电偶测量试样温度，位置见图E.2。
为避免裂纹前部弯曲，建议采用GB/T 4161中规定的人字缺口。
单位为毫米图E.2 热电偶在断裂韧性样上的放置位置E.5试验数据分析E.5.1 K Q值按GB/T 4161中的规定进行计算。
除D.5.2～D.5.6的要求外，应按GB/T 4161确定K IC 是否有效。
E.5.2 在与95％的割线相交以前未发生pop-in时，P MAX/P Q应小于1.10。
对其他类型的曲线不规定P MAX/P Q的标准。
E.5.3 载荷—裂纹张开曲线Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅲ型（见图E.3）的线性度按下述方法检验：在恒定载荷0.8 P Q作用下测切线OA与载荷—裂纹张开曲线之间的距离（V1），在恒定载荷P Q 作用下，测切线OA与载荷—裂纹张开曲线之间的距离V，当V1≤0.25V时试验结果有效。
E.5.4 载荷—裂纹张开曲线Ⅱb、Ⅱc(见图E.3)的线性度按下述方法检验：a)在恒定载荷0.8 P Q和P Q的作用下，分别测切线OA与荷载—裂纹张开曲线之间的距离，并V和V*。
(完整版)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=σ 0.2=1650MPa，σb=1850MPa，δ 5=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）2a≧2.5（KⅠC/ σy）2（W-a）≧ 2.5（KⅠC/σ y）2式中：σ y—屈服强度σ 0.2 或σ s 。
因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KⅠC 和σ y 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σ y/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 。
疲劳与断裂力学-断裂韧性测试技术参考资料
平面应力状态。
如果试样足够厚（厚度 B 相对于K主导区很大），在 厚度方向上平力区所占比例很小，裂纹前缘较大地区处于 平面应变状态，这时可近似认为试样处在平面应变条件下， 才可能测出稳定的KIc值。
如果试样很薄，表面的平面应 力层占了主导地位，试样就处于平 面应力条件下了。这时测不出稳定 正确的KIc值。
将此曲线外推到 Da =0 处，得到的是否就是启裂时的J
值呢？不是。因为在裂纹真正开始扩展之前，还有一个裂 尖钝化（塑性变形）过程。所以从 O 点开始有一条钝化直
线，其方程为 J ( S b )Da ，钝化线和 J 阻力曲线的交 点才是 J i 。
当实验得到的 J i
值满足J控制条件时
1974年 Landes 和 Beglay 提出用小试样（比常规断裂力
学试样小一个数量级）测定材料KIc的想法。这个创造性的 设 想 使 J 积 分 理 论 具 有 了 实 际 的 意 义 ， 并 使 低 强 高 韧 钢 KIc 试样小型化有了可能。
为什么可以从J的测试而得到K呢？Landes-Beglay 的观点是：
裂纹长度a的表达式为
a
1 3
( a2
a3
a4 )
国标对a1、a2、a3、a4、a5 的 测量均匀度还有一些规定。
3、Kq的有效性检验 Pq称为条件临界荷载，因为这个值不一定有用，即它
代入K因子表达式求出的Kq不一定是材料的有效值。要使Kq 就是KIc，必须满足2个条件。
（1）
Pmax 1.1 Pq
个数量级，才能保证裂尖前缘有90%处于平面应变状态。
由
B 2.5( K I )2
S
和
（完整版）断裂韧性KIC测试试验
（完整版）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)2a≧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。
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KIC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a1a /mm 2a /mm 3a /mm 4a /mm 5a /mma /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 4071.9862.65952.99702.5970168102.7512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 25.0012.50 403 20#钢退火态370 25.00 12.00 40725.0012.00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 26650.30726650.307403 40714523.80016479.500试验结果及有效性判定1.对于40Cr800℃+100℃回火 03试样1）厚度B=12.50mm; 宽度W=25.00mm; 跨距S=100.00mm a =5.2432mm ；QP =28329.852N当S/W ＝4时，= 1.907则=1619.592）KQ 的有效性判定 （1）max P /QP =1.000（2）2Y)(5.2δQK = 5.948对于09试样= 1.052则=1794.312）KQ 的有效性判定 （1）max P /QP =1.000（2）2Y)(5.2δQK = 7.302.20#钢退火态试样 对于403试样 当S/W ＝4时，= 0.8494则=692.452）KQ 的有效性判定 （1）max P /QP =1.269（2）2Y)(5.2δQK = 12.50对于407试样当S/W ＝4时，= 0.8814则=853.422）KQ 的有效性判定 （1）max P /QP =1.13（2）2Y)(5.2δQK = 13.30根据QK 有效性的判据：（1）max / 1.10Q P P ≤；（2）22.5(K /)Q S B σ≥。
实验疲劳实验
N
1 (3392 5382 4372 1362) 13
380
MPa
金属的断裂韧度
金属的断裂韧度
一.线弹性条件下的金属断裂韧度
1.裂纹扩展的基本形式：
张开型（I型） 滑开型（II型） 撕开型（III型）
2.弹性应力场方程的推导
1 v
E 2r
KI
cos
2
1 2v sin
2
2
sin
3
2
y
1 v
E 2r
KI
cos 1 2v sin
2
2
2
sin 3
2
xy
2(1 v)K I
E 2r
sin
2
cos cos 3
22
v 式中: ——泊松比 E ——拉伸杨氏模量
θ= 0 则：
x y
KI 2r
xy 0
式中 KI 值的大小直接影响应力场的大小，KI 可以表示应力场的强弱程度故称为应 力场强度因子
1.疲劳S-N曲线
测定S－N曲线（即应力水平－循环次数N曲线）采用成组法。至少取五级应
力水平，各级取一组试件，其数量分配，因随应力水平降低而数据离散增大，故 要随应力水平降低而增多，通常每组5根。升降法求得的，作为S－N曲线最低应 力水平点。然后，以最大应力为纵坐标，以循环数N或N的对数为横坐标，用最佳 拟合法绘制成S－N曲线
裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据：
KI KIC (KC )
Y a KIC (KC )
裂纹体受力时，只有满足上述条件就会发生脆性断裂。反之， 即使存在裂纹，也不会断裂。此称为破损安全。
混凝土断裂韧性测试方法
混凝土断裂韧性测试方法混凝土是一种广泛应用于建筑、桥梁等工程结构中的重要材料，其性能的稳定性与可靠性对结构的安全性和使用寿命有着重要的影响。
而混凝土的断裂韧性是评估其在受力过程中的抗裂性能的重要参数之一。
本文将介绍混凝土断裂韧性测试方法，包括试验原理、试验方法、试验步骤、数据处理等方面。
一、试验原理混凝土的断裂韧性是指在受力过程中，混凝土试件发生微裂纹后，其能够继续承受载荷并发生一定程度的塑性变形的能力。
断裂韧性试验是通过施加单向拉伸载荷，使混凝土试件发生裂纹，并测量裂纹扩展过程中的载荷和位移等参数，计算出混凝土的断裂韧性指标，来评估混凝土的抗裂性能。
二、试验方法本文介绍的混凝土断裂韧性试验方法为三点弯曲试验法。
具体试验过程如下：1.试件制备试件采用标准圆柱形混凝土试件，直径为100mm，高度为200mm。
试件应在混凝土浇筑后28天后进行试验，保证混凝土的强度稳定。
试件表面应平整光滑，无明显缺陷。
2.试验设备试验设备主要包括试验机和压力传感器。
试验机应具备单向拉伸能力，并能够测量试件的载荷和位移。
压力传感器应能够测量试件中心处的载荷。
3.试验步骤（1）试件安装将试件放置于试验机上，并用夹具夹住试件的两端，使其与试验机平行，并保证试件中心线与试验机的轴线重合。
（2）载荷施加在试件中心处施加一个垂直于试件轴线的单向拉伸载荷，使试件发生裂纹。
载荷的施加速度应在试件强度的10%～20%之间。
当试件载荷达到峰值时，停止施加载荷。
（3）位移测量在试件载荷峰值时，记录试件中心处的位移，作为试件的最大位移。
（4）载荷卸载在试件载荷峰值时，以同样的速度进行载荷卸载，直至试件断裂。
（5）位移测量在试件断裂时，记录试件中心处的位移，作为试件的位移能力。
4.数据处理根据试验结果，计算出试件的断裂载荷Pf、最大位移Dmax、位移能力U和断裂韧性参数KIC。
其中，断裂韧性参数KIC的计算公式为：KIC=Pf/（2B√a）其中，B为试件的宽度，a为试件的裂纹长度。
金属平面应变断裂韧度KIC测定
K I B W F S 1 /2 ( 1 2 a a / W / W ) 3 /2 0 . 8 6 6 4 . W 6 4 a 1 3 . 3 2 ( W a ) 2 1 4 . 7 2 ( W a ) 3 5 . 6 ( W a ) 4 2
5
1．试样尺寸的确定
• 标准规定，测得的KQ是否有效，要看是否满 足以下两个条件：
表1 断裂韧度试验记录表
试样材料 热处理 试样尺寸/mm 缺口形状 缺口宽度/mm 缺口深度/mm 断裂韧度
18
19
图1 三点弯曲试样
图2 紧凑拉伸试样
20
W W
W
图3 预制疲劳裂纹时两条标线的位置
图4 三点弯曲试样断裂韧度试验
21
a1
a2
a3
a4
W a5
图5 裂纹长度的测量位置 图6 F-V曲线的三种基本形式
（1） （2）
B 2.5( KIC )2
s
Pmax /PQ 1.1
Hale Waihona Puke • 如果符合上述两项条件，KQ即KIC；如不符合， 则KQ不是KIC，须加大试样尺寸，重新实验。
6
2．试样制备
• 试样可以从机件实物上切去，也可以从铸、锻 件毛坯或轧材上切取。由于材料的断裂韧度与 裂纹取向和裂纹扩展方向有关，所以在切取试 样时应予以注明。
实验三 平面应变断裂韧性KIC的测定
八 .参考文献
【1】杨王玥，强文江.材料力学行为[M].北京：化学工业出版社，2009. 【2】GB4161-84 金属材料平面应变断裂韧性 K IC 实验方法.
三 .实验材料与试样
本实验采用经过 860℃淬火， 220℃低温回火处理的 40Ｃｒ钢， 其屈服强度σ s ＝１４００Mpa. 试样为 GB4161-84 规定的标准三点弯曲试样，名义尺寸：宽度 W=20mm，厚度 B=10mm，跨 距 S=80mm。 试样需要预先制备出尖端很尖锐的裂纹，为此，经过热处理后的试样首先完成外形尺寸的精 加工然后采用线切割制备出第一条裂纹。由于线切割的钼丝直径一般在 0.2mm 左右，裂纹的 尖端不够尖锐，应力集中效果不够好，故此还要施加循环应力作用，在一段裂纹的前端在制 备出非常尖锐的疲劳裂纹。国标中对于疲劳裂纹的制备条件及形状尺寸规定了严格的要求。
4）计算 Ro
1 KI 1 54.3Mpa m Ro= = 1.69*10-4 m=0.169mm = 2 2 π s 2 2 π 1400MPa
2
2
5)验证小塑性区条件
54.3Mpa m K 3 2.5 I = 2.5 m= 3.76 mm ，小于 B 和 a 1400Mpa =3.76*10 s
四 .实验设备和仪器
1.WDW-200D 微机控制电子式万能材料试验机：试验力准确度优于示值的 0.5% 2.双悬臂夹式引伸计 3.工具显微镜：精度 0.001mm 4.游标卡尺：精度 0.02mm
五 .实验步骤
1.测量试样尺寸。从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，在三个等间 隔的位置上测量厚度 B，准确到 0.025mm 或 0.1%B，取较大者，取三次平均值；在缺口附近 三个位置测量宽度 W，准确到 0.0025mm 或 0.1%W，取较大者，计算平均值； 2.装卡引伸计。在试样裂纹两侧用 502 胶对称的粘贴一对卡口片来装卡固定引伸计，引伸计 的标距为大约 5mm 3.加载测试。将试样安装于试验机上并调整其位置，尽量使裂纹扩张面与加载压头处于同一 个平面上。在计算机的界面上设置加载速度 0.3mm/min，然后对试样加载，计算机屏幕显示 载荷 P—裂纹嘴张开位移 V 关系曲线。最后可以看见随着裂纹的扩展，试样被压断成两截， 测试结束。 4.观察断口形貌。从试验机上取下试样，观察断口，可以看到黑色的线切割裂纹区，深灰色 的疲劳裂纹扩展区和浅灰色的瞬间断裂区。 5.测量裂纹长度。使用工具显微镜在试样断口的厚度方向 1/4,1/2 和 3/4 的位置上测量裂纹长 度，记做 a2， a3， a4 取它们的平均值为裂纹长度 a。同时，测量两个自由表面上的裂纹长 度，记做 a 1 和 a5。各测量准确到 0.5%。 6.确定条件载荷 Pq。在记录的 P-V 曲线上要确定裂纹长度的表观扩展量为 2% 时的载荷 Pq，而 2%的裂纹扩展量对应的裂纹嘴张开位移的相对增量为 5%，所以确定 Pq 的方法为：沿着 P-V 曲线的线性段作过原点的直线 OA，并通过 O 点画割线 OP5 使割线斜率为 OA 斜率的 0.95 倍。 若在 P5 点之前，每一点的载荷都低于 P5，则取 Pq=P5；如果在 P5 之前还有一个超过 P5 的最大 载荷，则取此最大载荷为 Pq。 7.计算条件值 Kq 以及裂纹前沿塑性区尺寸 Ro。
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断裂韧性K IC 测试试验
一、实验目的
1. 了解金属材料平面应变断裂韧性K IC 测试的基本原理、实验装置及试样的形状和尺寸。
2. 掌握K IC 的测试过程及试验结果的处理方法。
二、实验内容
本试验采用标准三点弯曲试样。
以40Cr 或40CrNiMoA 为材料的坯料，经淬火及200℃回火处理，进行K IC 参数测试。
对同一种热处理状态的材料，至少做3个试样。
三、实验原理
平面应变断裂韧性K IC 是应力场强度因子K I 的临界值，它表征金属材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
因而测试K IC 的基本原理，就是把待试验的材料制成一定形状和尺寸的试样，并在试样上预制出相当于缺陷的裂纹，然后对试样加载。
由于试样及其裂纹的形状、尺寸和加载方式以及断裂部位都是预先确定的，所以其应力场强度因子K I 的表达式也是确定的。
在加载过程中，用测试仪器连续记录载荷增加与裂纹扩展情况的P —V 曲线（P —载荷，V —裂纹嘴两侧刀口张开位移）。
根据曲线上表明裂纹失稳扩展临界状态的载荷P Q 及试样断裂后测出的与P Q 相对应的预制裂纹(半)长度a ，代入应力场强度因子K I 表达式，求出裂纹失稳扩展的临界K I 值，记为K Q ，然后再依据一些规定判断K Q 是不是平面应变状态下的K IC 。
如果K Q 不符合判别的要求，则仍不是K IC ，需增大试样尺寸重做试验。
我国已于1984年颁布国家标准GB/T 4161—1984 《金属材料平面应变断裂韧度K IC 试验方法》，本实验将以此标准为依据。
四、试样形状、尺寸及制备
国家标准GB/T 4161—1984 《金属材料平面应变断裂韧度K IC 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。
试样的形状及各尺寸之间的关系，如图5-1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（K I
C / 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K IC 和σy 值，再根据上式确定试样的最小厚度B 。
若材料的K IC 值无法估计，则可根据σy / E 的值来确定B 的大小（见表5-1），然后再确定试样的其它尺寸。
试样可从机件实物上切取，或锻、铸试样毛坯。
在轧制钢
五、实验步骤
1. 参观试样切割缺口及预制疲劳裂纹的设备及过程。
2. 测量试样尺寸：在疲劳裂纹前缘韧带部分测量试样厚
度B ，在切口附近测量试样宽度W ，测量3次取平均值。
测量精度要求0.02mm 或0.1%B （或W ）。
3. 安装三点弯曲试验底座，使加载线通过跨距S 的中点，偏差在1%S 以内。
放置试样时应使缺口中心线正好落在跨距的中点，偏差也不得超过1%S ，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2°以内。
4. 将载荷传感器和位移传感器的接线，分别按“全桥法”接入动态应变仪，并进行平衡调节。
用动态输出档，将载荷和位移输出讯号分别接到函数记录仪的“Y ”和“X ”接线柱上。
调整好函数记录仪的放大比，使记录曲线的初始斜率在0.7 ~ 1.5之间，最好为1，并使画出的图形大小适中。
5. 开动试验机，对试样缓慢而均匀地加载（本实验弯曲压头速率0.01mm/s ），选择加载速度应使应力场强度因子的增加速率在 0.55 ~ 2.75 MN·m
-3/2
/ s 范围
内。
当采用S/W=4，a/W=0.5的三点弯曲试样时，对钢件也可按0.04B ~ 0.2B mm / 分钟 的横梁移动速度进行加载。
对于某些老式试验机系统，加载时必须在P —V 曲线上记录任一初载荷（由试验机测力度盘读出）和断裂载荷的数值，以便于对P —V 曲线上的载荷进行标定，本实验所用测试系统不需要进行此过程。
6. 加载结束后，压断试样，从3086-11型X —Y 系列实验记录仪上取下记录的P —V 曲线。
六、实验数据及处理 P —V 曲线：
0.00
0.050.100.150.200.250.30
02
4
6
8
P q =P 5=6.477kN
P (K N )
V(mm)
P-V 0.95
1.确定条件裂纹失稳扩展载荷P Q
由于在P 5之前没有别的高峰载荷，所以：P Q = P 5 = 6.477 kN
2. 测定临界裂纹（半）长度a
试样尺寸： a 1=9.36mm a 2=9.73mm a 3=10.08mm a 4=9.73mm a 5=9.69mm
宽：W=19.89mm 厚：B=10.02mm
a =1
3(a 2+a 3+a 4)= 1
3(9.73+10.08+9.73)=9.85
a 2、 a 3、 a 4中最大值与最小值之差为：a 3- a 2=0.35
2.5%W=2.5%×19.89=0.49725 因为：a 3−a 4<2.5%W 所以，本次试验无效
3.计算条件断裂韧性K Q 已知：S =80mm
将P Q 和a 的值代入K I 的表达式计算K Q 。
对于三点弯曲试样，
)(
2
/3W
a Y W B S P K Q Q I •••=
W a = 19.899.85=0.4952 查表得⎪⎭
⎫
⎝⎛W
a Y 1 =2.28
)(2
/3W a Y W B S P K Q Q I •••=
=()
28.21019.891010.021********.6233333⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯---m
m m N ≈42.03MN 2
3
-
•m
4.判定K Q 的有效性
由P —V 曲线可读出，P max = 6.5631 kN ，所以
Q
P P max = 3764.66.5631
≈ 1.03
因为σy =σb =1850MPa
所以2.5(K Q σy ⁄)2
=1.29m 310-⨯＞B ，所以，本次试验无效
七、思考题
1、本试验的重点是什么？
答：绘图时，要注意笔应在图纸的原点上。
测量试样尺寸时，要注意试样截面的裂纹。
2、为什么载荷传感器和应变引伸需要经常校验？
答：为了保证画图的准确，同时也确保可以清晰地画在图上。
3、为何所测定的被称为裂纹“半”长度？
答：裂纹长度a约为试样宽W的一半，故称为裂纹“半”长度。