平面应变断裂韧度K1c的测定(实验报告)
{6E534AE4-D579-4A66-B94D-576697729359}.实验四 平面应变断裂韧性K1c的测定
实验四 平面应变断裂韧性K 1c 的测定一、实验目的1、正确掌握平面应变断裂韧性K 1c 的测试方法。
2、了解测定K 1c 的设备，仪器装置及其使用。
二、实验内容1、测定被试材料的p-v 的曲线，计算条件断韧性KQ 值。
2、验算实验所得KQ 值，确定有效K 1c 值。
三、基本概念和测试原理根据线弹性断力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹体脆断的判据是cK K 11= (4-1)式中K 1为应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场的强度，在线弹性条件下，可以证明K l 的一般表达式为aY K σ=1 (4-2)其中，Y 是与裂纹形状、试样类型和加负荷方式等有关的量，也称几何因子。
σ是外加应力。
a 是裂纹体内的裂纹长度，故K l 的大小仅决定于构件(包括裂纹)的几何形状和尺寸，外加应力的大小、分布等。
式(4-1)右边的K 1c 就是在平面应变条件下，I 型(即张开型)裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的临界值，即材料的平面应变断裂韧性，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一种力学性能指标，是材料的常数。
由(4-1)式可知，当外加应力增高时，裂纹前端的应力场强度因子K l 也增大，当K l 增大到等于某一临界值，即材料的平面应变断裂韧性K 1c 时，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件，就能导致裂纹体脆断，此时外加应力σ达到临界应力σc ，若将σ=σc 和式(4-2)代入式(4-1)可得：c c K a Y 1=σ (4-3)因此，只要知道带裂纹试样的应力强度因子K 1的表达式，即已知Y ，试样的尺寸又能保证裂纹前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷P c ,(或应力 σc )，就可利用已知的K 1表达式求出相应的临界K 1值,即为试祥材料的平面应变断裂韧性K 1c 。
根据GB 4161-84标准(详见附件)，测定K 1c 的标准试样有四种，试样的几何形状和尺寸及K 1表达式如下：(1)三点弯曲试样(图4-1)：S/W =4，W/B=2图4-1三点弯曲试样其K1表达式为：⎪⎭⎫⎝⎛=w a f BWPS K 2/11 (4-4) 式中：2/1222/112127.293.315.2199.13⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛w a w a w a w a w a w a w a w a fP ——负荷 B ——试样厚度 W ——试样宽度 S ——跨距 a ——裂纹长度(2)紧凑拉伸试样（图4-2）：W/B=2 K 1表达式为：⎪⎭⎫ ⎝⎛=w a f BWP K 12/11 (4-5)式中：2/144332216.572.1432.1364.4886.02⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫⎝⎛w a w a w a w a w a w a w a fW图4-2 紧凑拉伸试样(3)C 形拉伸试样（图4-3）：W/B=2，对r 1/r 2未加限制C 形拉伸式试样只适用于空心圆柱体。
平面应变断裂韧度kⅠc的测定
•
KⅠ=KⅠc
•
式中KⅠ为Ⅰ型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力
场的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为 ：
k y a
• 式中：Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量， 也称几何因子。
•
σ是外加应力。
•
α是裂纹体内的裂纹长度。
• KⅠ是一个复合力学参量，其值的大小仅决定于构件(包括裂纹)的几 何形状和尺寸；外加应力的大小，分布等。而KⅠC是在平面应变条件 下，材料中Ⅰ型(即张开型)裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的 临界值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂 的一种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时， 裂纹前端的应力强度因子KⅠ也增大，当 KⅠ增大到等于某一临界值， 即材料的平面应变断裂韧度KⅠC时，也即到达裂纹失稳扩展的临界条 件，就能导致裂纹体脆断，此时外加应力σ到达临界应力σc，假设 将σ=σc，；那么：
KI
PS
3
BW 2
f(a ) w
• 其中：式中：P——负荷 ；B—试样厚度 ；W——试样宽度 ； S——跨度 ； a——
• •
裂纹长度
f(
其中：
a w
)
3(
a w
1
) 2 [(1.99
a )(1 w
2(1
a ) (2.15 3.93 w2ຫໍສະໝຸດ a)(1 a
3
)2
ww
a w
2.7
a2 w2
)]
• 通过实验可出被测材料的P-V曲线〔负荷－位移曲线〕，从P-V曲线上确定的值〔裂纹 失稳扩展的临界负荷〕，计算出的KQ值。
KQ
PQ S
3
测定40Cr钢的平面应变断裂韧度KIC
测定40Cr 钢的平面应变断裂韧度K IC一、试验目的：加深了解平面应变断裂韧度的应用及其前提条件，体验试验过程。
二、 试验原理:断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变形形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的脆性断裂。
理论分析和大量实践结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是σ=材料常数 （1）式中，σ为正应力，2a 为试样或者构件中的裂纹长度。
这样的结果，对于高强度的金属材料的脆性断裂也于实际符合得很好。
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IC K ,IC K Y K σ=≥ （2） 式中Y 是裂纹的形状因子。
平面应变断裂韧度IC K 是材料抵抗裂纹扩展能力的特征参量，他与裂纹的尺寸及承受的应力无关。
三、 试样准备：本试验采用三点弯曲标准试样，宽度与厚度之比W/B 的名义值是2，试样时两个支撑点之间的夸距的名义值S=4W 。
四、试样设备：足够加载能力的试验机，引伸计，工具显微镜 五、 试验过程：1、 测定试样的厚度B=10.10mm ，宽度W=20.10mm2、 对试样粘贴引伸计的卡装刀口。
将试样安放在试验机上，要求裂纹扩展面与加载压头尽量处于同一个平面上，避免二者。
3、 对试样加载，测量载荷P-位移V 关系曲线，直到试样被完全断裂为止4、 在裂纹扩张断裂的试样断口上，如图3示意性给出的那样，借助工具显微镜，在试样的 2.5，5.0，7.5mm 的位置上测量裂纹长度，记做a2,a3,a4; a2=10.178mm, a3=10.184mm,a4=10.186mm (显然a2,a3,a4满足测量准确度0.5%的要求) 同时两个自由表面上的裂纹长度a1=10.130mm, a5=10,223mm 。
试验有效性的判断：裂纹长度a=(a2+a3+a4)/3=10.183mm 。
（说明：a1与a5处于自由表面，不是平面应变状态，a 要求是处于平面应变状态下的裂纹，a2,a3,a4是平面应变状态下的裂纹）a2,a3,a4中任意两个测量值之差最大为a4-a2=0.008mm ＜a*10%=1.0183mm ；a1,a5,a 中任意两个值之差最大为a5-a1=0.093＜a*10%=1.0183mm ； 观察裂纹面与BW 面基本平行，偏差在±10°以内。
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K1c的测定(实验报告)
1、实验目的:2、学习了解金属平面应变断裂韧度K1C试样制备, 断口测量及数据处理的关键要点。
3、掌握金属平面应变断裂韧度K1C的测定方法。
一、实验原理本实验按照国家标准GB4161-84规定进行。
(一)断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展能力的一种量度, 在线弹性断裂力学中,材料发生脆性断裂的判据为: K1≤K1C, 式中K1为应力场强度因子, 它表征裂纹尖端附近的应力场的强度, 其大小决定于构件的几何条件、外加载荷的大小、分布等。
K1C是在平面应变条件下, 材料中Ⅰ型裂纹产生失稳扩展的应力强度因子的临界值, 即材料平面应变断裂韧度。
裂纹稳定扩展时, K1和外力P、裂纹长度a、试件尺寸有关；当P和a达到Pc和ac时, 裂纹开始失稳扩展。
此时材料处于临界状态, 即K1=K1C。
K1C与外力、试件类型及尺寸无关（但与工作温度和变形速率有关）。
(二)应力场强度因子K1表达式三点弯曲试样:K1=(PS/BW3/2)f(a/W)式中: S为试件跨度, B为试件厚度, W为试件高度, a为试件裂纹长度。
试件B.W和S的比例为: B: W: S=1: 2: 8, 见图2-1所示:图2-1三点弯曲试件图(三)修正系数f(a/W)为a/W的函数, 可以查表2-1, a/W在0.45-0.55之间。
(四)试样尺寸要求及试样制备平面应变条件对厚度的要求:中间三个读数平均值a=1/3(a2+a3+a4)；3.根据测得到a和W值, 计算a/W值(精确到千分之一), f(a/W)数值查表或计算。
f(a/W)={3(a/W)1/2[1.99-(a/W)(1-a/W)×(2.15-3.93a/W+2.7a2/W2)]}/2(1+2a/W)(1-a/W)3/2将PQ、B.W和f(a/W)代入下式:K Q=(P Q S/BW3/2)f(a/W)即可算出KQ值, 单位MPam1/2。
相关换算单位公式：MPam1/2=MNm-3/2, MPa=MNm-2, 1kgf=9.807N, 1kgfmm-3/2=0.310MPam1/2。
西安交通大学材料力学性能试验报告——断裂韧性
材料力学性能实验报告姓名: 班级: 学号: 成绩:
K的测定
实验名称实验六断裂韧性
1C
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.CSS-88100万能材料试验机；
2.工具读数显微镜一台；
3.位移测量器；
4.千分尺一把；
5.三点弯曲试样40Cr和20#钢试样各两个。
试样示意图
图1 三点弯曲试样
由于三向应力的存在，使得裂纹扩展区域的位错运动困难，受到更大的摩擦力，从而塑性变差，更易发生脆断。
附录一:
断裂韧性试验中断口照片:
附录二:
%根据试验的数据画P-V 曲线的matlab 程序
%在运行程序之前, 需要将数据导入到matlab 中: “File ”|“Import Data ” (a)试样01的断口图 (b)试样02的断口图
图7 40Cr800℃淬火+100℃回火断口图
(a)试样412的断口图 (b)试样415的断口图
图8 20#退火态试样的断口图
图3 40Cr800℃+100℃回火试样01的P-V 曲线
0.5
1.5
2.5
4
变形/mm
力/N
图4 40Cr800℃+100℃回火试样02的P-V 曲线
4
变形/mm
力/N
变形/mm
力/N
图5 20#钢退火态试样412的P-V 曲线
变形/mm 力/N
图6 20#钢退火态试样415的P-V 曲线。
断裂韧性学生报告
断裂韧性K IC 的测定一、 试样尺寸与制备参照《金属材料平面应变断裂韧度试验方法》GB4164-84，试验采用标准三点弯曲试件，如图一所示。
图一L ─ 试件长度 W ─ 试件高度 S ─ 试件跨度 B ─ 试件厚度 a ─ 裂纹长度（机切裂纹、疲劳裂纹）预制裂纹先用线切割加工宽度小于0.13mm 的切口，然后用高频疲劳试验机预制长度大于1.3mm 的疲劳裂纹，使裂纹有足够的尖锐度。
裂纹总长a 在 (0.45～0.55)W 之间 。
二 、测试方法1．仪器设备a.力传感器 ；b.夹式引伸仪 ；c.动态应变仪 ；d.万能材料试验机 ；e. 标准刀口；图二图二2．测试方法测试装置如图二所示。
安装好三点弯曲试件，在试样的裂纹两侧安装上夹式引伸仪，以测量裂纹嘴张开位移V ；有载荷传感器测量载荷P Q 。
载荷信号及裂纹嘴张开位移信号经数据采集系统输入计算机。
在加载过程中，可连续记录 P-V 曲线。
由P-V 曲线便可定出临界载荷P Q 。
试件压断后测定试件断口的裂纹长度a ，就可求得材料的断裂韧性K IC 值.B(1)(2) 三、 实验结果的处理由于材料性能及试样尺寸不同,实测工程材料的P-V 曲线有三种基本类型，如图三所示。
Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型图三1、临界载荷P Q 的确定a.Ⅰ型P-V 曲线： P Q = Pmaxb.Ⅱ型P-V 曲线： P Q =P 5之前的最大载荷c. Ⅲ型P-V 曲线： P Q =P 5采用割线偏解法从P-V 曲线确定P Q 。
先从原点O 作相切于初始直线段OA ，过点再作等于OA 斜率95%的割线OB ，割线OB 与P-V 曲线交点的纵坐标值则为临界载荷P Q 。
2、测定试件断口的裂纹长度a试样压断后，测量试样断口的裂纹长度a 。
由于裂纹前沿程弧型，规定测1/4B 、1/2及3/4B 三处的裂纹长度a 2 、a 3、 a 4，取平均值作为裂纹长度a 。
3、计算断裂韧性K IC 值：下表给出了由（2）式建立的 a/w —f (a/w)对应值，可直接查表得f (a/w) ABPmaxPma xPmax =⎪⎭⎫ ⎝⎛=W af BW SP K Q I 23322221)1)(21(2)]17.293.315.2)(1)((99.1[)(3Wa W a W a W a W a W a Wa W a f -++---=⎪⎭⎫ ⎝⎛把相应得试件尺寸、P Q 及f (a/w)代入裂纹尖端应力强度因子的表达（1） 既可求得K IC 值。
测定40Cr钢的平面应变断裂韧度KIC
测定40Cr 钢的平面应变断裂韧度K IC一、试验目的：加深了解平面应变断裂韧度的应用及其前提条件，体验试验过程。
二、 试验原理:断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变形形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的脆性断裂。
理论分析和大量实践结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是σ=材料常数 （1）式中，σ为正应力，2a 为试样或者构件中的裂纹长度。
这样的结果，对于高强度的金属材料的脆性断裂也于实际符合得很好。
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IC K ,IC K Y K σ=≥ （2） 式中Y 是裂纹的形状因子。
平面应变断裂韧度IC K 是材料抵抗裂纹扩展能力的特征参量，他与裂纹的尺寸及承受的应力无关。
三、 试样准备：本试验采用三点弯曲标准试样，宽度与厚度之比W/B 的名义值是2，试样时两个支撑点之间的夸距的名义值S=4W 。
四、试样设备：足够加载能力的试验机，引伸计，工具显微镜 五、 试验过程：1、 测定试样的厚度B=10.10mm ，宽度W=20.10mm2、 对试样粘贴引伸计的卡装刀口。
将试样安放在试验机上，要求裂纹扩展面与加载压头尽量处于同一个平面上，避免二者。
3、 对试样加载，测量载荷P-位移V 关系曲线，直到试样被完全断裂为止4、 在裂纹扩张断裂的试样断口上，如图3示意性给出的那样，借助工具显微镜，在试样的 2.5，5.0，7.5mm 的位置上测量裂纹长度，记做a2,a3,a4; a2=10.178mm, a3=10.184mm,a4=10.186mm (显然a2,a3,a4满足测量准确度0.5%的要求) 同时两个自由表面上的裂纹长度a1=10.130mm, a5=10,223mm 。
试验有效性的判断：裂纹长度a=(a2+a3+a4)/3=10.183mm 。
（说明：a1与a5处于自由表面，不是平面应变状态，a 要求是处于平面应变状态下的裂纹，a2,a3,a4是平面应变状态下的裂纹）a2,a3,a4中任意两个测量值之差最大为a4-a2=0.008mm ＜a*10%=1.0183mm ；a1,a5,a 中任意两个值之差最大为a5-a1=0.093＜a*10%=1.0183mm ； 观察裂纹面与BW 面基本平行，偏差在±10°以内。
（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≥。
金属平面应变断裂韧度KIC测定
10
三、试验设备及材料
• 1.万能材料试验机：最大试验力100kN(或 300kN)，在活动横梁上应配备有专用的弯曲试 样支座一台。
• 2.动态应变仪一台；X-Y函数记录仪一台；压 力传感器100kN一个；夹式引伸计一个；位移 标定器一台；工具显微镜一台。
11
• 3.实验用材料及试样：本试验采用图1所示的标准三点 弯曲试样。对于强度较高而韧性较差的材料，即使试 样尺寸较小也能满足平面应变和小范围屈服的条件。 对强度低、韧性好的材料，则要很大尺寸的试样才能 满足上述条件。为了保证用较小尺寸的试样测得有效 的高两K而种ICK中值IC任，较选试低一样。种材 试，料样也和材可热料根处及据理其上工热述艺处原的理则选工另择艺外应可选保在取证推。荐σ0.如2较下 (1) 40Cr钢，淬火+200℃回火。 (2) 2024铝合金，T6态。 每组学生领取同一种材料及热处理工艺的试样一个或 3个。 此外，尚需准备游标卡尺一把及支持引伸计用的刀口 6块，“502”快干胶水一瓶。
确定裂纹失稳扩展时的条件临界力值f测得的pv曲线有图6所示三种形式对强度高塑性低的材料加载初始阶段pv呈直线关系当载荷达到一定程度试样突然断裂曲线突然下降得到曲线i这时曲线最大载荷就是计算kic性较好的材料曲线首先依直线关系上升到一定值后突然下降出现突进点旋又上升直到某一更大载荷试样才完全断裂如曲线ii
22
祝各位身体健康、工作顺利、家 庭幸福。
23
14
• 6．开动试验机，对试样缓慢而均匀地加力， 加力速率的选择应使应力场强度因子的增加速 度在17.4-87.0N/mm3/2•s-1范围内。在加力的同 时记录F-V曲线，直至试样所能承受的最大力 后停止。此外，在加力过程中，还应在F-V曲 线上记录任一初始力和最大力的数值(由试验 机表盘读出)，以便对F-V曲线上的力值进行标 定。
平面应变断裂韧度kⅠc的测定
C
C
• 因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子KⅠ的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹
前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷Pc,(或应力
σc)，就可利用已知的KⅠ表达式求出相应的临界值KⅠ,即为试祥材料的平面应变断裂
•
韧度KⅠC。
本实验采用标准三点弯曲试样，其KⅠ表达式为： KI
• 通过实验可出被测材料的P-V曲线（负荷－位移曲线），从P-V曲线上确定的值（裂纹
失稳扩展的临界负荷），计算出的KQ值。
KQ
PQ S
3
BW 2
f (a) w
PQ的确定（斜率降低5%的割线法）
四、实验试样及其材料
• 材料：30CrMnSi；870℃淬火+200℃回火；Rp0.2=1450Mpa • 试样类型：三点弯曲试样、S=4W、W=2B、a=（0.45～0.55）W
PS a
3
f
(
) w
BW 2
• 其中：式中：P——负荷 ；B—试样厚度 ；W——试样宽度 ； S——跨度 ； a——裂纹长度
•
•
其中：
f(
a w
)
3(
a w
1
) 2 [(1.99
a )(1 w
2(1
a w
2
) (2.15 3.93
a
)(1
a
3
)2
a w
2.7
a2 w2
)]
ww
值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一
种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时，裂纹
前 料 就 σ的能=端σ平导的c，面致应；应裂力则强变纹：断体度裂脆因子韧断度 ，KⅠ此K也yⅠ时C增时外大，加，a也应当即力kK达σⅠ到增达裂大到纹到临失等界稳于应扩某力展一σ的临c，临界若界值将条，件即，材
西安交通大学材料力学性能实验报告—断裂韧性
实验报告六
三点弯曲试样示意图
实验结果及有效性判定
实验原始记录
表一三点弯曲试样尺寸记录
试样编号屈服强度/MPa 宽度/mm 厚度/mm
06 1050 25.14 12.56
08 1050 25.00 12.16
405 370 25.00 13.00
406 370 25.00 13.00
表二裂纹长度测量原始数据
试样编号0 B/4 B/2 3B/4 B
06号试样宏观断口示意图（脆性）08号试样宏观断口示意图（脆性）
405号试样宏观断口示意图（韧性）406号试样宏观断口示意图（韧性）
讨论试样尺寸选择是否合适，不合适的原因是什么？什么是平面应力？什么是平面应变？为什么平面应变情况最容易脆断？
答：405、406试样的尺寸选择并不是合适，还应增加厚度来达到合适的尺寸标准。
平面应力是由于板材较薄，在厚度方向可以自由变形，即在厚度方向收缩不受限制，因此厚度方向的应力为零，为三向应变状态；平面应。
平面应变断裂韧度kⅠc的测定知识讲解
二、实验内容
1. 测定被测材料的P-V的曲线，计算条件断 韧度KQ值。 2．验算实验所得KQ值，确定有效KⅠC值。
三、基本概念和测试原理
• 根据线弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹体脆断的 判据是：
KⅠ=KⅠc
• 场的强式度中，KⅠ在为线Ⅰ弹型性裂条纹件应下力，场其强一度般因表子达，式它为表征：裂纹尖端附近应力
k y a
• 式中：Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量， 也称几何因子。
σ是外加应力。
α是裂纹体内的裂纹长度。
• K何 下Ⅰ形 ，是状 材一和料个尺中复Ⅰ寸合型；力(外学即加参张应量开力，型的其)大裂值小纹的，发大分生小布失仅等稳决。扩定而展于K时构Ⅰ的件C是应(在包力平括场面裂强应纹度变)因的条子几件的
KI
PS
3
BW 2
f
(
a w
)
• 其中：式中：P——负荷 ；B—试样厚度 ；W——试样宽度 ； S——跨度 ； a——裂纹长度
•
•
其中：
f(w a)3(w a)1 2[(1.99w a2 )((1 1 w 2 a)a)((1 2 .15a )3 3 2.93w a2.7w a22)]
ww
• 通过实验可出被测材料的P-V曲线（负荷－位移曲线），从P-V曲线上确定的值（裂纹
C
C
• 因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子KⅠ的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹
前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷Pc,(或应力
σc)，就可利用已知的KⅠ表达式求出相应的临界值KⅠ,即为试祥材料的平面应变断裂
•
韧度KⅠC。 本实验采用标准三点弯曲试样，其KⅠ表达式为：
断裂韧性实验报告
KIC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PQ的确定、实验测试值KQ的
计算及KQ有效性的判断）。
1. 2 延性断裂韧度JR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：
东南大学力学实验报告
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KIC、JR?J阻力曲线?、?R(CTOD阻力曲线)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KIC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KI所决定。KI是外载荷P，裂纹长度和a的某一组合使KI=KIC，裂纹开始失稳扩展。KI的临界值KIC是一材料常数，称为平面应变断
裂韧度。测试KIC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
平面应变断裂韧性KIC的测定
平面应变断裂韧性K IC的测定材化08李文迪[试验目的]测试的基本方法，操作顺序及技术要求，体验试验过程。
1. 了解平面应变断裂韧度KIC2.测量40Cr的平面应变断裂韧度。
[试验原理]断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变化形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的断裂-脆性断裂。
理论分析和大量时间结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是=材料常数式中，σ为正应力，2a为试样或者构建中的裂纹长度。
这样的结果，应用于高强度引述材料的脆性断裂也与实际相符合的很好。
根据线弹性断裂力学，断裂的盘踞是断裂前沿应力强度因子K达到其临界值-材料的平面应变，即：断裂韧度KICK Y K=IC是材料抵裂纹拓展能力的特征参式中Y是断裂的形状因子，平面应变断裂韧度KIC量，它与裂纹的尺寸及承受的应力无关。
平面应变断裂韧性，可以用于评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。
材料的断裂韧度收到冶金因素的制造工艺影响。
应用平面应变断裂韧度对构建的断裂安全性进行评价，需要对构件的受力情况、工作环境、无损检测裂纹方法的灵敏度、可靠性等方面进行分析。
[试验式样与样品]本试验采用经过860 o C淬火、220 o C回火处理的40Cr钢，屈服强度s=1400MPa，材料形状尺寸如图一所示：试验工具：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%）2.游标卡尺（精度）3.双悬臂夹式引伸计（原长）4.工具显微镜15JE（精度）[试验步骤]（1）测定试样的厚度B，要求沿着裂纹的语气拓展面在未断开的区域测量厚度，精度要求到或者%B中的较大者。
测量试样的宽度W。
（2）对试样粘贴引伸计的卡装刀口。
将试样安放于试验机上，要求裂纹扩展面与加载压头处于同一个平面上，避免二者错位或者形成明显不足为0的夹角。
（3）对试样加载，测量载荷P-位移V关系曲线，知道试样被完全断裂为止。
加载速度控制标准为：应力强度因子的速率在~（4）在裂纹拓展断裂的试样断口上，借助于测量工具显微镜，在试样厚度方向上1/4,1/2,3/4位置上测量裂纹长度，记作a1和a5,。
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。
有机玻璃断裂韧性测量实验
一、 实验名称：有机玻璃SENB 断裂韧性测量实验 二、 实验目的1. 学习了解有机玻璃平面应变断裂韧度K 1C 试样制备，断口测量及数据处理的关键要点。
2. 掌握有机玻璃平面应变断裂韧度K 1C 的测定方法。
三、 实验器材：岛津万能实验机、三点弯曲试件、游标卡尺 四、 实验原理：本实验按照国家标准GB4161-2007规定进行。
1. 材料断裂韧性的定义：在线弹性断裂力学中，材料发生断裂脆断的一个重要准则是IC I K K =式中，I K 为应力强度因子，它是反映裂纹尖端附近应力场强弱的参量，其值决定与构件的几何形状、裂纹尺寸和外加载荷的大小；而IC K 是材料在平面应变状态和小范围屈服条件下，I 型裂纹发生失稳扩展时的临界应力强度因子，也称为材料的平面应变断裂韧度。
IC K 表征材料在线弹性范围内有裂纹是抵抗断裂的能力，是材料固有的一种力学性质。
因此，在一定条件下，它与加载方式、试样类型和尺寸无关，可以通过实验测定。
在测试IC K 时，试样的I K 表达式已知，a P Y a Y K I ππσ'==。
式中，Y 、Y '是试样的形状因子，在试样形状和尺寸一定时是常数；P 是加在试样上的外载荷；a 是裂纹的长度。
所以，在测试时，只要在试样加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷C P （或临界应力C σ）和试样的裂纹尺寸a ，就可以求出试样材料的临界应力强度因子。
由于要求试样在平面应变和小范围屈服条件下失稳扩展，裂纹失稳扩展前原长仍为a ，所以平面应变断裂韧度IC K 的测定，实际上只是临界载荷C P 的测定。
2. 应力场强度因子K 1表达式对于三点弯曲试样，应力强度因子的表达式为：-------------------------------------------------------------------------------------------------------13/2PS a K f BW W ⎛⎫=⎪⎝⎭式中，S 为试件跨度，B 为试件厚度，W 为试件高度，a 为试件裂纹长度，如图1所示。
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《晶体缺陷与强度理论》实验报告平面应变断裂韧度K1C的测定
姓名：**
学号：M*********
指导老师：***
学院：材料工程学院
完成时间：2010年12月15日
一、实验目的：
1、学习了解金属平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的
关键要点。
2、掌握金属平面应变断裂韧度K1C的测定方法。
二、实验原理
本实验按照国家标准GB4161-84规定进行。
断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展能力的一种量度，在线弹性断裂力学中，材料发生脆性断裂的判据为：K1≤K1C，式中K1为应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近的应力场的强度，其大小决定于构件的几何条件、外加载荷的大小、分布等。
K1C是在平面应变条件下，材料中Ⅰ型裂纹产生失稳扩展的应力强度因子的临界值，即材料平面应变断裂韧度。
裂纹稳定扩展时，K1和外力P、裂纹长度a、试件尺寸有关；当P和a达到P c和a c时，裂纹开始失稳扩展。
此时材料处于临界状态，即K1=K1C。
K1C与外力、试件类型及尺寸无关（但与工作温度和变形速率有关）。
(一)应力场强度因子K1表达式
三点弯曲试样：
K1=(PS/BW3/2)f(a/W)
式中：S为试件跨度，B为试件厚度，W为试件高度，a为试件裂纹长度。
试件B、W和S的比例为：B：W：S=1：2：8，见图2-1所示：
图2-1三点弯曲试件图
修正系数f(a/W)为a/W的函数，可以查表2-1，a/W在0.45-0.55之间。
(二)试样尺寸要求及试样制备
1、从记录的P-V曲线上按规定来确定P Q值；
2、裂纹长度用读数显微镜测出五个读数a1、a2、a
3、a4和a5，如下图，取中间三个读数平均值a=1/3(a2+a3+a4)；
3、根据测得到a和W值，计算a/W值(精确到千分之一)，f(a/W)数值查表或计算。
f(a/W)={3(a/W)1/2[1.99-(a/W)(1-a/W)×(2.15-3.93a/W+2.7a2/W2)]}/2(
1+2a/W)(1-a/W)3/2
4、将P Q、B、W和f(a/W)代入下式：
K Q=(P Q S/BW3/2)f(a/W)
即可算出K Q值，单位MPam1/2。
相关换算单位公式：MPam1/2=MNm-3/2，MPa=MNm-2，1kgf=9.807N，1kgfmm-3/2=0.310MPam1/2。
(六) 有效性校核
计算得到的K Q是否为平面应变断裂韧度K1C，需要进行校核。
满足以下校核条件时，才能认为试验有效，即K Q=K1C。
1、任一处的疲劳裂纹长度均不得小于2.5%W，且不得小于1.5毫米；
2、a2、a
3、a4中最大裂纹长度与最小裂纹长度之差不得超过2.5%W(≈5%a)；
3、表面处裂纹长度a1、a5不得小于平均值a的90%；。