断裂韧性实验报告

断裂韧性测试实验报告

随着断裂力学得发展,相继提出了材料得、、等一些新得力学性能指标,弥补了常规试验方法得不足,为工程应用提供了可靠得断裂判据与设计依据。下面介绍下这几种方法得测试原理及试验方法。

1、三种断裂韧性参数得测试方法简介

1、１平面应变断裂韧度得测试

对于线弹性或小范围得型裂纹试样,裂纹尖端附近得应力应变状态完全由应力强度因子所决定。就是外载荷,裂纹长度及试样几何形状得函数。在平面应变状态下,当与得某一组合使=，裂纹开始失稳扩展。得临界值就是一材料常数,称为平面应变断裂韧度。测试保持裂纹长度a为定值,而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时得、代入所用试样得表达式即可求得。

得试验步骤一般包括：

（1）试样得选择与准备(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）试验结果得处理(包括裂纹长度得测量、条件临界荷载得确定、实验测试值得计算及有效性得判断）。

1、２延性断裂韧度得测试

积分延性断裂韧度就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得某些特征值。测试积分得根据就是积分与形变功之间得关系:

(1－1）

其中为外界对试样所作形变功,包括弹性功与塑性功两部分,为裂纹长度,为试样厚度。

积分测试有单试样法与多试验法之分,其中多试样法又分为柔度标定法与阻力曲线法。但无论就是单试样法还就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阻力曲线来确定金属材料得延性断裂韧度。这就是一种多试样法,其优点就是无须判定启裂点，且能达到较高得试验精度。这种方法能同时得到几个积分值,满足工程实际得不同需要。

所谓阻力曲线，就是指相应于某一裂纹真实扩展量得积分值与该真实裂纹扩展量得关系曲线。标准规定测定一条阻力曲线至少需要5个有效试验点,故一般要5 8件试样。把按规定加工并预制裂纹得试样加载，记录曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同得裂纹扩展量(但最大扩展量不超过0、５mｍ)。测试各试样裂纹扩展量,计算相应得积分，对试验数据作回归处理得到曲线。阻力曲线得位置高低与斜率大小代表了材料对于启裂与亚临界扩展得抗力强弱。

阻力曲线法测试步骤一般包括：

（1）试样准备

①试样尺寸得选择原则：

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,可用求出得估计值

②疲劳预制裂纹:

为了保证得到尖端而平直得裂纹,同时考虑到积分试验对象大多就是中、低强度材料,所使用得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。试样得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,用适当得方法,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) 试验结果处理(包括裂纹长度得测量、裂纹扩展量得测量、值计算及曲线得绘制与积分特征值得确定等)。

１、3. ＣTOD得测试

我国国家标准GB２358－94包括单试样法与阻力曲线法。单试样法就是参照英国标准学会ＤD-１9所规定得方法来测定(简称）,所测结果为启裂点得裂端张开位移。而阻力曲线与阻力曲线方法类似。所谓阻力曲线就是指相应于某一裂纹扩展量得值与裂纹扩展量得关系曲线,它不但能提供启裂抗力,而且能同时得到几个特征值,以满足不同条件得需要。曲线本身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力得变化规律，这在评定材料与工艺质量及安全分析方面有着重要意义。同时,求作曲线可以省去确定启裂点得步骤,这就是曲线法优越得方面。

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得变形几何关系,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试验原理图

图中W为三点弯曲试样得宽度，为裂纹长度(包括线切割得与预制疲劳裂纹长度），(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得塑性部分记为。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得距离与韧带宽度((W-)得比值。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, 可由弹性得与塑性得两部分组成,即:

(１－3）

弹性部分为对应于载荷得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)

测试得标准试样就是三点弯曲试样,其形状同试样。多试样法所用试样个数同样为5 8个，试验过程中使各个试样加载到不同裂纹扩展量后停机，测出停机时得荷载与位移,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

及英国系列标准一样。

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为材料得弹性模量; 为材料得屈服强度；为材料得泊松比; 称为转动因子，为裂纹嘴张开位移塑性部分。

由此,可得该试样停机时得,这个就就是对应该裂纹扩展量时得裂纹扩展阻力，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。

曲线测试得一般步骤(与阻力曲线测试类似)为:

(1) 试样制备(包括试样尺寸、疲劳预制裂纹);

（2) 断裂实验(记录曲线);

(3) 试验结果处理(包括数据处理与计算特征值等)。

2、平面应变断裂韧度得测试

2、1 试样得选择与准备

(1）试样类型

规范推荐采用三点弯曲试样见图。试样类型得选用原则就是根据材料来源、加工条件、试验设备以及试验目得得综合考虑。

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得所谓全厚试样,以使试样裂端与实际构件处于相同得约束条件。这三种试样得主要尺寸关系为：