断裂韧性参量
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。
材料力学性能-4-断裂韧性
4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程，方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状，其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述，对裂尖应力场，当 r→0 时， σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料，当应力超过材料的屈服 极限时，将屈服而发生塑性变形，塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛， 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在，其内应力－应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小，经适当修正后，线弹性力 学的分析仍然有效。否则，结果将失真！ ※首先应确定塑性区的范围，然后提出相应 的修正办法。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件（温度、加载速度）下，各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的，与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时，裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏，而不是一定要失稳断裂。因 为，KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件，而非充分条件。
不断增多的脆性断裂事故，使人们逐渐有新认识：
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提，运用连续介质力学的弹塑性理论，考虑材料的 不连续性，研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题， 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。
最新05 材料的断裂韧性
设钢材的几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸 C=2mm，问：选择哪种材料较合适？
思考题：
5.3 裂纹尖端塑性区的大小及修正
➢ 由弹性应力场公式：
y
KI 2 r
➢ r 0时，σy ∞，但对韧性材料，当σ>σs时，发生塑性变 形，其结果是材料在裂纹扩展前，其尖端附近出现塑性变形 区 适，用塑。性区内应力应变关系不是线性关系，上述KI判据不再
Ⅰ型中心贯穿裂纹
KI Y
a (KI量纲：MPa·m1/2
或 MN·m-3/2 )
➢ a—裂纹半长；σ－外应力； ➢ Y－形状系数，与裂纹形状、试样尺寸和加载方式有关，
为无量纲量，一般Y=1~2
➢KⅠ综合反映了试样尺寸、外加应力和裂纹长度对裂纹尖 端应力场强度的影响，可以看作是推动裂纹扩展的动力。
y
(
x
2
y
)2
2 xy
2
x
2
y
(
x
2
y
)2
2 xy
3 0(平 面 应 力 ）
3 ( 1 2（) 平 面 应 变 ）
x
y
xy
K I co s (1 sin sin 3 )
2 r 2
2
2
K I co s (1 sin sin 3 )
2 r 2
22
K I sin co s co s 3
➢形状系数 Y的计算很复杂，实际应用中，可根据裂纹形 状、试样尺寸和加载方式查手册。
中心穿透I 型裂纹
应力强度因子KI和断裂韧性
➢KI是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量；
➢ 当σ和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力 分量等随之增大；
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。
第四章 材料的断裂韧性
• 在平面应变条件下
• 对于Ⅰ型穿透裂纹，
• 对于一定材料和厚度的板材，不论其 裂纹尺寸如何，当裂纹张开位移达到 同一临界值δC时，裂纹就开始扩展。
• 临界值δC也称为材料的断裂韧度，表 示材料阻止裂纹开始扩展的能力。
• 平面应变状态应变分量为
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• 平面应变状态x、y轴方向的位移 分量为
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• 可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、 应变和位移分量取决于该点的坐标(r， θ)、材料的弹性模数以及参量KI。
• 对于如图所示的平面应力情况，KI可用 下式表示。
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• 若裂纹体的材料一定，裂纹尖端附近某一点的 位置(r，θ)给定，则该点的各应力、应变和 位移分量唯一决定于KI值，KI值愈大，则该点 各 反映应了力裂、纹应尖变端和区位域移应分力量场之的值强愈度高，，故因称此之，为KI 应力场强度因子，它综合反映了外加应力、裂 纹形状、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影 响，其一般表达式为
• 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson 证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹 的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑 性断裂力学。
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• 断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变 和应变能的分布情况，建立了描述裂 纹扩展的新的力学参量、断裂判据和 对应的材料力学性能指标—断裂韧度 ，以此对机件进行设计和校核。
• 式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的形状 。
• K型I的和脚Ⅲ标型表裂示纹I的型应裂力纹场，强同度理因，子KⅡ。、KⅢ表示Ⅱ • 对2021于/7/14 不同形状的I型裂纹裂纹，KI和Y的表达式
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断裂韧性基础
第六章 断裂韧性基础第一节Griffith 断裂理论第二节裂纹扩展的能量判据能量释放率G 裂纹扩展单位面积时，系统所提供的弹性能量U A∂∂是裂纹扩展的动力，此力叫裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率。
以1G 表示（1表示Ⅰ型裂纹扩展）。
G 与外加应力，试样尺寸和裂纹有关，而裂纹扩展的阻力为2()s p γγ+，随1,a G σ↑→↑→增大到某一临界值时，1G 能克服裂纹失稳扩展阻力，则裂纹使失稳扩展而断裂，这个1G 的临界值它为1c G ，称为断裂韧性。
表示材料组织裂纹试稳扩展时单位面积所消耗的能量。
平面应力下： 2211,C cC a aG G E E σπσπ==平面应变下： 222211(1)(1),C c C a v v a G G E Eσπσπ--== G 的单位12MPa m -⋅。
第三节 裂纹顶端的应力场可看成线弹性体12005001000s s MPa MPa σσ⎧⎪=⎪⎨=-⎪⎪⎩玻璃，陶瓷高强钢的横截面中强钢低温下的中低强度钢6.3.1三种断裂类型⎧⎪⎨⎪⎩张开型断裂滑开型断裂撕开型断裂最危险Ⅰ型6.3.2Ⅰ型裂纹顶端的应力场无限大平板中心含有一个长为2a 的穿透裂纹，受力如图欧文（G 。
R 。
Irwin ）等人对Ⅰ型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，提出应力应变场的数字解析式，由此引出了应变场强度因子1K的概念。
并建立了裂纹失稳扩展的K判据和断裂韧性1CK。
若用极坐标表达式表达，则有近似数字表达式：当裂尖某点不确定，即,rθ一定后，应力大小均由1K决定———盈利强度因子1K故1K大小反映了裂纹尖端应力场的强弱，取决于应力大小，裂纹尺寸。
6.3.3 应力场强度因子及判据将上面应力场方程写成：()ij ijfσθ=其中1K Y=Y：形状系数。
对无限大板Y=1。
1K：12MPa m-⋅111,,a KK aa Kσσσ⎧↑→↑⎪⇒⎨↑→↑⎪⎩不变是一个决定于和的复合物理量不变当此参量达到临界时，在裂纹尖端足够大的范围内，应力便会达到断裂强度，裂纹便沿着X轴失稳扩展，从而使材料断裂。
材料的断裂韧性
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❖ KIC：平面应变下的断裂韧度，表示在平面应 变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
❖ KC：平面应力断裂韧度，表示平面应力条件材 料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
❖ 但KC值与试样厚度有关，当试样厚度增加，使 裂纹尖端达到平面应变状态时，断裂韧度趋于 一个稳定的最低值，就是KIC，与试样厚度无 关。
一位英国工程师，因 其在金属的应力与断 裂方面的贡献，以及 率先奠定了喷气发动 机的理论基础而名垂 史册。
Griffith更为著名的是关于金属中应 力与失效性质的理论研究。在那个 年代，一般认为材料的强度大约是 其杨氏模量（E）的十分之一，即 E/10。然而，实际的情况却是，许 多材料通常在比它预计的强度值低 4个数量级时便会发生失效。 Griffith发现，所有的材料都存在有 许多微观裂纹，他进一步假设正是 由于这些裂纹降低了材料的整体强 度。这是因为固体中的空洞会产生 应力集中，这一事实已经被当时的 力学家们所认知。这种应力集中的 结果导致在整个材料承受的应力远 未达到E/10之前，裂纹尖端的应力 已经达到了E/10。
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（一）裂纹尖端应力场
❖ 由于裂纹扩展是从尖端开始进 行的，所以应该分析裂纹尖端 的应力、应变状态，建立裂纹 扩展的力学条件。
❖ 欧文（G. R. Irwin）等人对I 型（张开型）裂纹尖端附近的 应力应变进行了分析，建立了 应力场、位移场的数学解析式。
裂纹顶端附近的应力场
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分析裂纹体断裂问题有两种方法
❖(1) 应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应 力场强度，得到相应的断裂K判据。
❖(2) 能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的 变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂 G判据。
北京科技大学材料力学性能平面应变断裂韧性试验报告材科09级
北京科技⼤学材料⼒学性能平⾯应变断裂韧性试验报告材科09级平⾯应变断裂韧性试验报告⼀、试验⽬的、任务与要求1.通过三点弯曲试验测定40Cr的平⾯应变断裂韧度；2.加深理解平⾯应变断裂韧度的应⽤及其前提条件。
⼆、试验原理断裂条件是：σ√aa=材料常数σ为正应⼒，2aa为试样或者构件中的裂纹长度。
线弹性断裂⼒学断裂判据：KK=YYYY√aa≥KK II IIY是裂纹形状因⼦。
平⾯应变断裂韧度KK II II是材料抵抗裂纹扩展能⼒的特征参量，它与裂纹的尺⼨及承受的应⼒⽆关。
它可以⽤于：●评价材料的适⽤性●作为材料的验收和质量控制标准●对构件的断裂安全性进⾏评价三、试验材料与试样本试验所⽤材料为40Cr钢，热处理⼯艺为：860℃淬⽕，220℃回⽕，屈服强度RR pp0.2= 1400MMMMaa1。
试样为三点弯曲试样SE(B)，名义跨距S=4W。
其标准⽐例和公差见图1：图1 弯曲试样SE(B)的标准⽐例和公差1屈服强度由单向拉伸试验得出，并⾮本试验所得。
四、试验仪器与设备1.WDW-200D万能拉伸试验机；2.⼯具显微镜，最⼩分度为0.001 mm；3.YYJ-4/10引伸计，能够准确指⽰裂纹嘴标距间的相对位移，且能稳妥地安在试样上；4.游标卡尺，精度为0.02 mm。
五、试验步骤1.试验之前按照国标要求预先制备好疲劳裂纹；2.测量试样厚度B：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，在三个等间隔位置上测量厚度B，准确到0.025 mm或0.1%B，取较⼤者，取三次测量平均值；3.测量试样宽度W：在缺⼝附近⾄少三个位置上测量宽度W，准确到0.0025 mm或0.1%W，取较⼤者，计算平均值；4.在试样上粘贴引伸计卡装⼑⼝2；5.在试样上装载引伸计后，将试样装于试验机上，不断调整试样位置，使其处于载样台的正中，裂纹扩展⾯与加载压头要处于⼀个平⾯上，避免⼆者错位或形成明显不为0的夹⾓。
然后设置加载速率为0.3mm/min进⾏加载；6.试样断裂后，测量裂纹长度aa：在B/4、B/2、3B/4的位置上测量裂纹长度aa2、aa3、aa4，同时测量aa1与aa5。
断裂力学和断裂韧性
断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。
自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。
例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。
而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。
经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。
原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。
人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。
因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。
可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。
3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。
图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。
如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。
可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。
该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。
材料的断裂韧性
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前言
研究表明，很多脆断事故与构件中存在裂纹或缺 陷有关，而且断裂应力低于屈服强度，即低应力 脆断
解决裂纹体的低应力脆断，形成了断裂力学这样 一个新学科。
断裂力学的研究内容包括 裂纹尖端的应力和应变 分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算 与实验测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途 径等。
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二、裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI
设有一承受均匀拉应力的无限大板，含有长为2a的I型穿 透裂纹，其尖端附近(r，θ)处应力、应变和位移分量可以 近似地表达如下：
应力分量为:
x ＝ K 2 Irc o 2 （ 1 s si 2 n si3 2 n )
y ＝ K 2 Irco 2 （ 1 ssi2 n si3 2 n ） x＝ y K 2 Irsi2n co 2cso 3 2 s
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裂纹尖端塑性区的形状
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平面应力状态下应力松弛后塑性 区尺寸为：
R0
1(KI
S
)2
可见：考虑应力松弛后，塑 性区的尺寸扩大了1倍。
平面应变塑性区宽度为：
R0
2
1 (KI
2 S
)2
塑性区的宽度也扩大了1倍。
应力松驰后的塑性区
应力松弛的影响下,平面应变塑性区宽度R0也是原r0的两倍。
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六、断裂韧度GIC和断裂G判据
根据GI和GIC的相对大小，也可建立裂纹失稳扩展的力 学条件，即断裂G判据：GI≥GIC
尽管GI和KI的表达式不同，但它们都是应力和裂纹尺
寸的复合力学参量，都决定于应力和裂纹尺寸，其间
必有相互联系．如对于具有穿透裂纹的无限大板： GI和KI的联系：G I ＝ 1 E 2 K I 2 G I C = 1 E 2 K I 2 C
断裂韧性
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结果
在断裂韧性的测定中，有三个阶段，在第一阶段里，FPZ逐渐形成，应力强度因子KI值将会单调增加；在第 二阶段里，裂纹发生稳定扩展；然后在第三阶段，出现了KI值的突然减少到KIC值。对于这种现象的一种可能解 释是数值方法的固有假定所至。在有限元标定中假定了理想的线弹性系统，但随着实验的进行，此假定却进一步 失去正确性。因为有限裂纹长度增加，可以观察到大的残余CMOD。这个影响，在实验开始时可以忽略，但到实验 的后期此影响是相当大的。
外部因素 外部因素包括板材或构件截面的尺寸、服役条件下的温度和应变速率等。 材料的断裂韧性随着板材或构件截面尺寸的增加而逐渐减小，最后趋于一稳定的最低值，即平面应变断裂韧 性KIC。这是一个从平面应力状态向平面应变状态的转化过程。 断裂韧性随温度的变化关系和冲击韧性的变化相类似。随着温度的降低，断裂韧性可以有一急剧降低的温度 范围，低于此温度范围，断裂韧性趋于一数值很低的下平台，温度再降低也不大改变了。 关于材料在高温下的断裂韧性，Hahn和Rosenfied提出了以下经验公式： 式中： n——高温下材料的应变硬化指数；E——高温下材料的弹性模量，MPa； σs——高温下材料的屈服应力，MPa； εf——高温下单向拉伸时的断裂真应变， ；
定义
断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的 条件下，对某种材料而言它是一个常数，它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性， 只与材料本身、热处理及加工工艺有关。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临 界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。它是应力 强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。例如应力-应变曲线下的面积。韧性 材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
国产结构用铝合金断裂韧性参数校准
国产结构用铝合金断裂韧性参数校准为了准确评估国产结构用铝合金的力学性能，必须进行断裂韧性参数校准。
本文将介绍关于该过程的方法和技巧。
一、断裂韧性参数断裂韧性参数是描述材料在断裂前所能吸收的能量的材料物理参数。
目前已经开展相当多的有关断裂韧性参数的研究，主要涉及到塑性成形、断裂韧性求解以及断裂韧性预测等方面。
通常，断裂韧性参数可以通过二次加权聚合方法（WEAK）和断裂面积法（FAD）进行评估。
WEAK方法重点关注贯穿于试件中的韧性缺口，在材料断裂时所能吸收的极限能量。
FAD方法则侧重于断裂面积对材料能量吸收的贡献。
在实际研究中，由于不同的材料及不同的断裂测试方法，周围环境的不同等原因导致不同参数之间的联系并不十分清晰。
为了更准确地计算断裂韧性参数，有必要使用自我想定材料的实验结果进行校准。
以下是校准的一般方法：1.材料样品设计和预测首先，需要通过计算和模拟来确定样品的几何形状，并预测其断裂韧性参数。
这一步骤可以使用CAD软件和有限元分析来完成。
2.试件制备接下来，需要使用材料样品将试件制备出来，通常使用加工机床进行制造。
不同的试件要使用不同的材料样品，以便对材料的不同特性进行评估。
3.试验测量在试件制备完成后，将试件放置于测试设备中，进行断裂韧性的测量。
通常采用三点弯曲测试法，来进行测量。
这一步骤应该进行多次以确定样品在不同环境条件下的参数。
4.数据处理和校准通过将实验结果与计算结果进行比较，以确定可能存在的误差。
然后，将实验数据与计算数据进行比对，以获得更准确的断裂韧性参数。
三、结论基于上述研究，我们可以得出结论。
国产结构用铝合金的断裂韧性参数需要进行校准，通常采用试件设计、试件制备、试验测量、数据处理和校准等步骤。
这些方法可以被用来实现更准确地对国产结构用铝合金材料的测试。
我们希望该方法可以被用来推进国产结构用铝合金在相关领域的研究和应用。
断裂韧性实验报告
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)。
金属材料的断裂和断裂韧性
4.1 脆性断裂
➢ 断裂前无明显塑变，吸收能量少，裂纹扩展速度快，几近
音速，后果严重。
➢ 断裂面与正应力垂直，断口平齐光亮，呈放射状或结
➢ρ=8a0/π，为Griffith公式。
➢ρ＜8a0/π，用Griffith公式。
线弹性条件下的断裂韧性
►研究带有裂纹的线弹性体，假定裂纹尖端应
力仍服从虎克定律。
►玻璃和陶瓷：理想的弹性体 ►金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度
。
►Griffith—Orowan：能量理论 ►Irwin：应力场强度因子理论
走向 沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展
断裂 机理
解理断裂 无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
微孔聚集 沿晶界微孔聚合，沿晶断裂 型断裂 在晶内微孔聚合，穿晶断裂
解理型断口
微孔聚合型断口
沿晶断裂
穿晶断裂
a沿晶脆断 b 穿晶/解理 断裂 c 准解理断 d 微孔聚集
4.4 断裂力学与断裂韧度
断裂-低于许用应力
韧窝形状取决于应力状态；
临界或失稳状态时，KI记作KIC或KC。
介于解理断裂和韧窝断裂之间一种过渡断裂形式。
金属、高分子：塑性变形功 p ，Orowan修正公式：
沿大间距密排结晶面发生解理破坏，断口光滑，无特征判定裂纹源。 KC KIC 的区别
弹性应变能
微孔成核源：第二相粒子。
陶瓷：几乎或完全不能发生滑移，无塑性。
和高温的复合作用在晶界造成损伤。 例：钢的高温回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏
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。
断裂韧性参量
r 0
平面应变断裂韧性KIC的测定
因此，应力强度因子可以用来作为构件脆性断裂的判据，即，
K I K IC
式中，KIC是对应于构件在静载荷作用下裂纹开始失稳扩展时的KI值，即KI的临 界值，它是材料在三向拉伸状态下的裂纹扩展力，称为材料的平面应变断 裂韧性。 但二者的物理意义不同
复合材料性能测试
SLB
复合材料性能测试
界面单元
复合材料性能测试
裂纹尖端应力－应变关系
复合材料性能测试
界面单元应力－应变关系
复合材料性能测试
裂纹稳态扩展
复合材料性能测试
裂纹稳态扩展
断裂力学的应用
断裂力学被普遍认为是表征宏观均质和各向同性材料（如金属 和合金）韧性的一个非常有用的理论。然而由于纤维增强复合 材料的内在结构的特殊性（非均质、各向异性等），使得早期 研究者认为断裂力学应用具有局限性，主要表现在： 1、使用相同的试验方法（如临界应力强度和柔度测量）表征复 合材料韧性是否可行； 2、断裂力学的基本方程能否修改使其使用于非均质和各向异性 体系； 3、初始裂纹的几何形状、载荷和材料方向在多大程度上控制裂 纹扩展（当它以适当方式发生时）
以上过程从纤维/基体/复合材料的应力应变曲线中也可看出
σ σ σ σ σ ε ε
ms—基体屈服应力；
*—基体中应变量为ε fu时的应力； * *—基体应变量ε Lu时的应力；
Lu—复合材料纵向抗拉强度； fs—纤维屈服应力； fu—纤维断裂应变； fu—复合材料断裂应变
可以看出，
•复合材料的应力－应变曲线处于纤维和基体的应力－应变曲 线之间。 • 复合材料应力－应变曲线的位置取决于纤维的体积分 数。 • 如果纤维的体积分数越高，复合材料应力－应变曲线越接 近纤维的应力－应变曲线； • 反之，当基体体积分数高时，复合材料应力-应变曲线则接 近基体的应力－应变曲线。
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2、其次，纤维强度高，不会被集中在基体裂纹尖端的应力所拉断，因此纤维可 有效 地阻止裂纹扩展（如2）
3、若作用在纤维/基体界面的局部剪应，随后基体相对于纤维发生滑移的过程中裂纹进一步 张开（如3），所有这些过程都需要能量；裂纹可能绕过大量纤维而不使纤维断 裂，对于给定的纤维/基体/界面体系可以达到一种平衡状态，其中稳定数量的桥 联纤维继续承受部分载荷，这种桥联是一种更进步的增韧机制；
若裂纹尺寸一定时，可知，K值越大，裂纹扩展的临界应力 0 就越高。
因此，常数K表示了材料阻止裂纹扩展的能力，可以看成是材料抵抗材料 脆性破坏能力的一个断裂韧性参量。
2、复合材料失效的结构因素
•复合材料的多相结构性质决定其具有良好的断裂韧性；
－材料变形时，一定程度上的损伤并不会削弱其承载能力，只 有损伤超过临界水平后，裂纹的扩展才将导致破坏的发生。材 料变形时，微观及宏观层上弱界面的存在会抑制裂纹的增长。
控制裂纹扩展的因素很多，不仅取决于各组元的特性，还取决 于其相互作用的方式（如：铺层方式、贫富脂区、缺陷几何尺 寸等），其中主要是纤维与基体界面的不连续性。
断裂力学的研究方法
1920年，基于应力的应力强度因子K和相应的基于能 量的应变能释放率G，Griffith建立了含裂纹固体断裂 Griffith模型；从而为现代断裂力学在复合材料中的应 用打下基础。在此基础上，后人研究发现，断裂能或 断裂功功与断裂过程具有明确的关系，由它可以不同 材料的性能，而且有助于推断材料/工艺参数对特定复 合材料的行为可能产生的影响；断裂能的思想又导致 了裂纹阻力曲线（R曲线）概念的发展。
平面应变断裂韧性KIC的测定
y
y
p
o
p
I型（张开型）
x
p y
z
p
o
Griffith的三种破坏模型
p
x
p
o
z
II型裂纹（滑开型）
x
III型裂纹（撕开型）
z
复合材料的断裂过程
考虑简单的Griffith平面裂纹模型，认为裂纹扩展不可逆。
裂纹增长导致整个系统（试验机＋试样）弹性能的净变化用于
提供产生新表面的能量
( F )c ( F )m (1 Vf ) ( F ) f Vf
该式假定刚性更强的纤维使基体塑性变形的范围局限在 裂纹附近。
复合效应对韧性的影响
对于简单情况，估算基体合纤维的变形所需的相应能量就可以 为宏观韧性提供合理的模型（如混合律模型），然而在实际的 纤维增强复合材料中，微观结构的不均匀性合各向异性使断裂 过程非常复杂，微观断裂会最终导致破坏，但微观断裂结合在 一起却能使断裂能提高。与金属不同，大部分高性能复合材料 不存在加工硬化问题，即使是破坏过程是渐进的，达到峰值载 荷后某一组元的承载能力也会非常迅速下降，但破坏过程仍能 吸收很多能量，所以此类复合材料适合于吸收能量比承载能力 更重要的场合。
3. 低韧性基体中加入纤维或粒子后由于在添加物附近裂纹增长 缓慢，基体的有效韧性提高。（如脆性塑料依赖于裂纹的开 裂速度、并于裂纹表面粗糙度有关）
纤维效应： 玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等具有较高破坏强度和断裂应变， 这些纤维的本征断裂能很低，其破坏形式主要由缺陷分布的统 计性质决定。 纤维/基体的简单加合效应： 对金属增强的金属基复合材料的研究表明；复合材料的比断裂 能可通过混合律对各组元断裂能求和：
5、裂纹扩展时对裂纹抵抗能力增长的程度通常成为“R曲线行为”，它受限还 是扩展取决于材料。处于桥联中的纤维上的载荷会不断增加而将纤维拉断（如5）
线性（非韧）
非线性（较韧）
后断裂（整体）
不同脆性/韧性行为的应力应变曲线
单向复合材料中的累积损伤和失效
复合材料应力轴
纤维拉伸应力
未断裂纤维
断裂纤维
剪切应力
断裂纤维周围应力扰动
当某一给定纤维上弱点处的局 部应力水平达到其失效应力时， 纤维将发生断裂，所承受的载 荷将会转移到相邻的集体中。 但在远离纤维断点处纤维仍将 承担分配的全部载荷。
在临近断点的纤维上应力将发 生扰动，但不会引起邻近纤维 到断裂程度。
随着载荷的继续增加，其它纤 维将陆续发生断裂。
单丝的破坏不会严重影响整个 复合材料的承载能力。
研究导致复合材料失效的纤维随机断裂的模型复合材料
1
2
3
4
5
纤维复合材料中裂纹增长阶段
为便于研究各种微观增韧机制，可考虑一个集体中正在接近一单根纤维模型。
或破s 坏机制的能量
和激发促使裂纹增长的其他变形
F
基体效应：
1. 金属或热塑性材料等非脆性基体中加入高体积份数的刚性、 脆性纤维时，由于塑性约束而导致基体中产生三轴向拉应力 分量，使基体有效韧性降低（如水泥、金属陶瓷等）
2. 软质基体中加入低体积分数的刚性粒子或纤维后由于基体刚 性提高，基体产生临界初始裂纹所需的应力提高，因此基体 有效韧性增加
1、断裂力学
脆断的发生破坏的机理： 往往由构件的内部缺陷导致（典型如裂纹的存在）。因在实际的
构件中，理想的均匀连续材料是不存在的，都或多或少地存在不同类 型的缺陷，构件在使用过程中，这些缺陷将逐步发展成微裂纹，在外 载荷的作用下，微裂纹的扩展、融合最终导致了构件的断裂。
传统强度理论把材料组织的不均匀性和实验测得的应力不准确性， 都包含在安全系数中，因此，导致安全系数的选择或大或小。 因此，为了研究裂纹扩展的规律，防止低应力脆断的发生，形成了一 门崭新的学科－断裂力学。
断裂力学的概念： －它是以构件内存在缺陷为前提，建立符合客观情况的理论和试验方法。 它的任务不仅研究裂纹扩展的规律性，还通过分析裂纹周围的应力和 应变以及测试带有裂纹的试件的力学性质，建立了断裂的判据。
断裂力学的形成
断裂力学的可以解决的问题：
• 可以解决构件的选材，确定构件的 允许最大初始裂纹尺寸；
• 估计构件的疲劳寿命； • 估计构件的剩余强度和检修周期等，
从而保证构件的安全使用。
0
断裂韧性的解释：
0 临界应力（试件拉断时的名义应
力）
构件断裂时的临界应力 0 与裂纹深
度（或长度）a的平方根的乘机为 一常数K。
玻璃上的表面裂纹
0 a K
a
断裂韧性
K是对同一材料是一常数，它表示材料本身所固有的物理性质。