仪器压痕法断裂韧性检测方法
物理实验技术中的材料断裂性能测试方法与实验技巧

物理实验技术中的材料断裂性能测试方法与实验技巧材料断裂性能测试是物理实验技术中的一个重要方面。
通过测试材料的断裂性能,我们可以了解材料在不同力量作用下的强度和韧性,为材料的选用和设计提供科学依据。
本文将介绍材料断裂性能测试的方法与实验技巧。
首先,材料断裂性能测试中常用的方法之一是拉伸测试。
拉伸测试是通过施加一个拉力来测试材料的抗拉强度和断裂韧性。
在进行拉伸测试时,首先需要准备一种适合的试样。
常见的拉伸试样有标准圆柱形试样和标准矩形试样。
对于圆柱形试样,应该保证试样的两端平面垂直于试样的轴线,并且两端应该平行。
对于矩形试样,应该保证试样的两端平面垂直于试样的中轴线,并且两端应该平行。
在进行拉伸测试时,试样的两端应该夹持在拉伸机的夹具上,并且使试样处于一定的拉力状态。
在进行拉伸测试时,还需要注意测试的速度。
通常情况下,拉伸测试的速度应该控制在一定的范围内。
如果拉伸速度过快,会导致试样发生冲击断裂,无法得到准确的数据;如果拉伸速度过慢,会导致试样发生蠕变,同样无法得到准确的数据。
因此,在进行拉伸测试时,需要根据所需测试数据的精度,合理选择合适的测试速度。
除了拉伸测试外,材料断裂性能测试还包括冲击测试。
在冲击测试中,通常使用冲击试验机进行测试。
在进行冲击测试时,需要将试样固定在冲击试验机的夹具上,并调整冲击台向下运动的速度和冲击台运动的高度。
冲击测试的目的是测试材料在受到冲击力时的抗冲击能力和断裂性能。
在进行物理实验技术中的材料断裂性能测试时,还需要注意一些实验技巧。
首先,应该选择合适的试验仪器和试验条件。
不同的材料在不同的试验条件下可能得到不同的测试结果。
因此,在选择试验条件时,应该根据所需测试数据的精度和所需的试验效果,合理选择试验仪器和试验条件。
其次,应该进行充分的试验前准备工作。
在进行试验前,应该对试验仪器进行检查和测试,确保其正常运行。
同时,还应该对试验样品进行处理和处理,确保试验结果的准确性。
断裂韧性的测试流程

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压痕法测试金属材料力学性能理论

L h*
wf 0
dh Ac
(6) 确定断裂韧度 (KJC)
KJC
wf E
(1 2 )
37
韧性材料模型
38
临界条件
临界条件 临界应变,h*
n y
y
0.002
tensile n
从本构方程来看,屈服强度是通过 0.2%的条件屈服强度和方程式的常数A之 间的关系来确定的。极限抗拉强度通过代 表性的应变和基于张力不稳定性的相应的 加工硬化指数计算而来的。
断裂韧度
压痕法测试断裂韧性
断裂测试
以金属为例,
仪器压痕测试
压头
裂纹扩展直到断裂
max
(3) 绘制Pm-h 曲线
- 每一个卸载深度时的平均压力
pm
Lmax ac 2
Pm - h curve
1500
Pc m
1000
500
h*
(4) 确定 h*
- 通过Pm-h曲线在 Pmc 确定深度
0
0
20
40
60
80
Indentation depth (m)
(5)在深度h*来确定等效的断裂能量
K n
A E
这里K是常量,n为加工硬化指数。
结束
应力应变曲线的绘制
开始 载荷-深度曲线
接触深度 真实应力、真实应变
本构方程 应力-应变曲线
拉伸性能 结束
4、确定材料的拉伸性能
开始 载荷-深度曲线
接触深度 真实应力、真实应变
本构方程 应力-应变曲线
拉伸性能 结束
y,IT , u,IT , nIT
结束
在压痕试验过程中, 压头下的材料伴随着弹性 变形和塑性变形,在确定 压痕深度的过程中,必须 考虑挤出和凹陷现象。通 过接触力学的方法确定弹 性变形的深度hd:
物理实验技术中的材料断裂韧性测量与分析方法

物理实验技术中的材料断裂韧性测量与分析方法材料的断裂韧性是指材料在受到外力作用下,能够抵抗破坏的能力。
在工程领域,了解材料的断裂韧性对于设计和制造安全可靠的产品非常重要。
本文将介绍物理实验技术中常用的材料断裂韧性测量与分析方法。
1. 冲击试验法冲击试验法是测量材料在高速冲击载荷下的断裂韧性的一种方法。
常见的冲击试验方法有冲击试样弯曲法和平板撞击法。
冲击试样弯曲法是将试样夹在两个支承点之间,然后从一侧施加冲击载荷。
通过测量试样在冲击过程中的位移或挠度,可以得到材料的断裂韧性。
平板撞击法是将平板状试样固定在支撑装置上,然后用冲击装置撞击试样的一侧。
通过测量试样在冲击过程中的应力和应变,可以估计材料的断裂韧性。
2. 拉伸试验法拉伸试验是一种常用的测量材料断裂韧性的方法。
通常采用标准的拉伸试验机进行测试。
在拉伸试验中,试样被加载,逐渐拉伸直到断裂。
通过测量试样的拉伸力和伸长量,可以计算出材料的断裂韧性参数,如断裂应力和断裂伸长率。
3. 压缩试验法压缩试验也是一种测量材料断裂韧性的方法。
在压缩试验中,试样被加载并施加垂直于试样轴线的压缩力,直到试样发生压缩破坏。
通过测量试样在压缩过程中的应力和应变,可以推断材料的断裂韧性。
4. 断裂面形貌分析除了上述实验方法,断裂面形貌分析也是评估材料断裂韧性的重要手段之一。
断裂面形貌分析可以通过扫描电子显微镜(SEM)观察断裂表面的形貌特征。
不同的断裂机制会在断裂面上留下特定的痕迹,例如沟槽、毛刺等。
通过观察这些痕迹,可以对材料的断裂韧性和断裂机制进行分析。
此外,断裂面形貌分析还可以结合X射线衍射(XRD)和能谱仪等技术,对断裂表面的组成进行分析,从而深入了解材料断裂的原因和机制。
综上所述,物理实验技术中常用的材料断裂韧性测量与分析方法包括冲击试验法、拉伸试验法、压缩试验法和断裂面形貌分析。
这些方法可以不仅可以提供关于材料断裂韧性的定量数据,还能够揭示材料断裂的机制和性质,为工程设计和材料选择提供重要依据。
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。
材料力学中的断裂韧性研究

材料力学中的断裂韧性研究材料力学是研究材料在外部作用下的变形和破坏行为的学科。
在材料力学中,断裂韧性是一个非常重要的指标,它描述了材料在应力作用下逐渐破坏的能力。
断裂韧性是材料设计和制造的重要依据之一,因此研究断裂韧性具有重要的科学意义和应用价值。
一、断裂韧性的概念和测量方法断裂韧性是指材料在应力作用下逐渐破坏的能力。
通常情况下,材料受到外部应力作用时会发生塑性变形,逐渐形成裂纹,最终导致断裂。
断裂韧性与材料的断裂强度不同,它反映了材料的抗拉断性能,而断裂强度只是材料拉伸断裂时的强度极限。
断裂韧性的测量方法比较复杂,通常有以下几种常见方法:1. K_IC(裂纹扩展应力强度因子)法:是一种直接测量断裂韧性的方法,通过对裂纹扩展的速率和裂纹尖端周围应力场的分析,可以确定材料的断裂韧性。
2. TCT(脆性破坏温度)法:该方法可以得到材料在低温下的断裂韧性,通常用于评估金属材料或复合材料的热应力断裂韧性。
3. CTOD(裂纹口开度位移)法:CTOD法是一种非常有效的测量断裂韧性的方法,通过测量裂纹口的开度位移来确定材料的断裂韧性。
二、断裂韧性的影响因素材料的断裂韧性是由多种因素综合作用所决定的,包括材料本身的组织结构、晶粒度、温度、应力状态等。
其中,比较重要的因素有以下几个:1.材料微观结构:材料的微观结构决定了材料的强度和塑性性能,因此也会影响断裂韧性。
晶粒尺寸、晶格位错、晶界等因素都会对材料的断裂韧性产生影响。
2.温度:温度对材料的断裂韧性影响很大,一般来说低温下材料的断裂韧性更高。
这是因为低温下材料的塑性变形能力较差,裂纹扩展速率较慢,因此材料的断裂韧性更高。
3.应力状态:不同的应力状态对材料的断裂韧性也有影响。
在拉伸应力状态下,裂纹的扩展方向往往与应力作用方向垂直,这种情况下材料的断裂韧性最高。
三、断裂韧性的研究现状和发展趋势作为材料力学的一个重要分支,断裂力学已经成为一个非常成熟的学科。
对于断裂韧性的研究也已经进行了很多年。
陶瓷材料断裂韧性的Vickers压入测试方法综述

陶瓷材料断裂韧性的Vickers压入测试方法综述作者:王立志来源:《山东工业技术》2017年第21期摘要:陶瓷材料具有高硬度、耐磨性好等诸多优点,因此其被广泛应用于各个领域中。
但其本身有一个致命的缺点即脆性,其脆性影响机械加工效率与质量,同时还会制约工作时的可靠性。
断裂韧性可以表征陶瓷材料的脆性,因此国内外学者对陶瓷材料的断裂韧性压入测试方法进行了深入细致的研究。
关键词:陶瓷材料;断裂韧性;Vickers压头DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.21.0200 引言陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、摩擦系数低、热膨胀系数小等优点,其被广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业等领域,但其脆性影响陶瓷零件的机械加工效率与质量及工作可靠性,而断裂韧性可以表征陶瓷材料的脆性,因此国内外学者对陶瓷材料的断裂韧性进行了大量研究工作。
陶瓷材料的断裂韧性有许多测试方法,其中方法简便并且容易操作的测试方法是仪器化压入测试方法。
1 Vickers压入测试方法国外研究现状Lawn等[1]将陶瓷材料压痕下方存在的弹塑性应力场分为不可变形的残余应力场和可变形的弹性应力场,认为残余应力是导致裂纹开裂以及扩展的驱动力,于是将该驱动力进一步假设为点力模型,同时根据Hill的膨胀穴理论建立了著名的L-E-M数学计算模型。
Anstis等[2]通过对一系列陶瓷材料进行双悬臂梁法实验,通过将其断裂韧性测试结果带入L-E-M公式进行分析,最终得到了著名的Anstis公式。
Laugier[3]认为Hill膨胀穴理论中提到的(E/H)m指数应该为2/3,根据以上假设并利用Anstis等的压入试验数据,建立了断裂韧性计算公式。
Amador等[4]利用压痕法对陶瓷材料断裂韧性的三维有限元模型进行仿真计算,并采用叠加原理与量纲分析对仿真数据回归分析,建立了针对RC裂纹的断裂韧性计算公式,该方法只针对RC裂纹开裂的陶瓷材料断裂韧性,没有充分考虑到HPC裂纹以及过渡裂纹的断裂韧性。
新的断裂韧性强度测试方法—桥式压痕法研究

新的断裂韧性强度测试方法—桥式压痕法研究
王宗英;Hansen,T
【期刊名称】《沈阳建筑工程学院学报》
【年(卷),期】1991(007)004
【摘要】采用一种新的桥式压痕法对两种陶瓷材料的断裂韧性强度进行了测试,并予以评价,实验结果表明,桥式压痕法(日本式裂纹)不仅适用于硬金属材料的断裂韧性强度测量,同时也适用于氮化硅等脆性材料,与其它测量方法相比,桥式压痕法所测取的K_(10)值是可信的。
【总页数】5页(P332-336)
【作者】王宗英;Hansen,T
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.15
【相关文献】
1.传统压痕法识别陶瓷材料断裂韧性的有效性研究 [J], 王家梁;马德军;白盟亮;黄勇;孙亮
2.采用数值分析的压痕法识别陶瓷材料断裂韧性的精度问题研究 [J], 王家梁;马德军;孙亮;肖富君
3.现代陶瓷氮化硅断裂韧性强度测量计算—直接压痕法 [J], 王宗英;Ekbe.,IL
4.压痕法测量ZrO_2/Al_2O_3陶瓷断裂韧性的研究 [J], 毛亚男;韩亚苓;王辰;刘丽娟;陶睿;张志涛
5.用压痕法测定2Y-ZrO_2/SiCw复合材料断裂韧性的研究 [J], 王双喜;雷廷权;林广涌;周玉
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陶瓷材料断裂韧性的测定

实验陶瓷材料断裂韧性的测定一、前言脆性材料的破坏往往是破坏性的,即材料中裂纹一旦扩展到一定程度,就会立即达到失稳态,之后裂纹迅速扩展。
材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力,亦即抵抗脆性破坏的能力。
它是材料塑性优劣的一种体现,是材料的固有属性。
裂纹扩展有三种形式:掰开型 (I型)、错开型 (II型)、撕开型 (III型),其中掰开型是最为苛刻的一种形式,所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性,此时的测量值称作K IC。
在平面应变状态下材料K IC值不受裂纹和几何形状的影响。
因此,K IC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性,具有非常重要的意义。
目前,断裂韧性的测试方法多种多样,如:单边切口梁法 (SENB)、双扭法(DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。
其中,有些方法技术难度较高,不太容易实现大规模实用化;有些方法会出现较大测量误差,应用起来存在一定困难。
相对而言,比较普遍采用的SENB法,该方法试样加工较简单,裂纹的引入也较容易。
本实验采用SENB法进行。
但是,这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷;另外,它适用于粗晶陶瓷材料,对细晶陶瓷其所测的K IC值偏大。
二、仪器测试断裂韧性所需仪器如下:1.材料实验机对测试材料施加载荷,应保证一定的位移加载速度,国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。
2.内圆切割机用于试样预制裂纹,金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。
3.载荷输出记录仪输出并记录材料破坏时的最大载荷,负荷示值相对误差不大于1。
本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷,采用电子记录仪记录断裂载荷。
4.夹具保证在规定的几何位置上对试样施加载荷,试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形,材料的弹性模量不低于200GPa。
支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径,长度应大于试样的宽度,与试样接触部分的表面粗糙度R a(根据规定不大于1.6μm)。
如何测试材料断裂韧性

1、首先检查试验机安装是否水平,对 主机用框式水平尺在工作油缸(或立柱)外圈
相互垂
第13页,本讲稿共22页
直的两个方向找平。 2、对试验力传感器在摆杆正面调整试验
力传感器前后水平,将摆杆边缘与内侧刻线 对齐固定,用水平尺靠
第14页,本讲稿共22页
在摆杆侧面调整机体左右水平。 万能材料试验机夹具的选择
第19页,本讲稿共22页
荷测量的影响相对较小,但是对小负荷测量 的影响是很大的。如何解决万能材料试验机 测试结果误差呢?
误差分析:可能有两个
第20页,本讲稿共22页
方面的原因。一是主机部分,二是试验力传 感器部分。
主机部分造成的误差 在主机部分由于安装不水平时,将会使 工作
第21页,本讲稿共22页
4系统一般取300GPa。公式中载荷P单位为 kg, 裂纹长度C单位为mm, 显微硬度HV单位为 GPa。电子拉力试验机测试
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材料式样类型,目前国内常用的断裂韧性 试样有两种:1)三点弯曲试样SE(B)2)紧
凑拉伸试样C(T)电子拉力试验机测试材料
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方法比较:IM法比SENB法简便经济,但测得 的数据不如SENB法可靠; SENB法是普遍公
认的标准测试方法;为了实际方
第8页,本讲稿共22页
便,要对IM法测试公式修正,使结果更接 近SENB法。
第9页,本讲稿共22页
第10页,本讲稿共22页
第11页,本讲稿共22页
万能材料试验机试验力传感器介 绍
第12页,本讲稿共22页
zso123
活塞和工作油缸壁产生摩擦力,从而产生误 差。一般表现为正差,并且随着载荷的增加 ,产生的误差逐渐较小。万能材料试验机试 验力传
精细陶瓷 断裂阻力试验方法 压痕(IF)法-最新国标

精细陶瓷断裂阻力试验方法压痕(IF)法1范围本文件规定了压痕法测定块体陶瓷断裂阻力的试验方法。
该方法适用于宏观上均匀的块体陶瓷和晶须或颗粒增强的陶瓷材料,不适用于轴承球用块体氮化硅陶瓷和连续纤维增强的陶瓷基复合材料。
本文件可用于材料的开发、比对、质量评估、表征,并获得其可靠性数据。
本文件定义的压痕断裂阻力K I,IFR,不等同于其他试验方法测定的断裂韧性,如K ISC和K IPB。
注:K I,IFR是材料抵抗压痕裂纹扩展的阻力,和耐磨性、滚动接触疲劳及加工过程相关,因为这些性能受局部损伤区域抗裂纹扩展能力的控制[1-3]。
相比之下,断裂韧性K ISC和K IPB是材料的固有特性,与宏观和灾难性断裂并伴随产生的长裂纹相关,而与微观和连续损伤累积引起的短裂纹不相关。
2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T3505产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法术语、定义及表面结构参数(GB/T 3505—2009,ISO4287:1997,IDT)GB/T4340.2金属材料维氏硬度试验第2部分:硬度计的检验与校准(GB/T4340.2—2012,ISO 6507-2:2005,MOD)GB/T4340.3金属材料维氏硬度试验第3部分:标准硬度块的标定(GB/T4340.3—2012,ISO 6507-3:2005,MOD)GB/T16534精细陶瓷室温硬度试验方法(GB/T16534—22009,ISO14705:2008,MOD)JC/T2172精细陶瓷弹性模量、剪切模量和泊松比试验方法脉冲激励法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
3.1断裂阻力fracture resistance压痕裂纹扩展阻力程度的度量。
3.2断裂阻力值fracture resistance valueK I,IFR压痕法测得的裂纹扩展阻力值。
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2
Constraint effect
Plastic region constrained by elastic region
ahead of a crack tip
beneath an indenter
by K.E. Puttick (1977)
Criterion of equivalent fracture energy
The total pressure required for equivalent fracture energy,
c y pm pm pm
Step 1 Step 2
Criterion
Critical stress(pressure) at h*
L (kgf)
εrr
Critical indentation depth (h*)
hmax (m)
pm p
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c m
11
Formation of equivalent fracture energy
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8
Fracture Behavior
Brittle materials Ductile materials
Fracture surface
4
Indentation fracture toughness
Analogous situation
K JC
JC E (1 2 )
5
K JC ?
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Energy concept
K JC
Deformation Criterion Formation of fracture energy
Relatively little or no deformation Stress controlled critical fracture stress at the crack tip (sf) When stress reached critical fracture stress
1 0 0.0
2.1
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
3.2
V / Vmax crack tip Triaxiality of indentation
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Ductile Fracture Model
9
Brittle Fracture Model
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10
Criterion
Contents
Introduction
Basic concept of indentation fracture toughness
Indentation Fracture Toughness Models
- Brittle fracture model - Ductile fracture model
a
h*
c
Step 1
Yielding right outside the contact area → Formation of a plastic zone to the surface
Step 2
Expansion of the plastic zone → Formation of fully-developed plastic zone
Indentation mean pressure(kgf/m )
2
Pm - h curve
1500
L (kgf)
30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 hmax (m)
Pm
c
pm
Lmax ac 2
1000
500
h*
0 20 40 60 80
(4) Determining h*
c pm
y pm pi
c pm C f s ys
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16
Fracture toughness for brittle material
(1) Indentation testing
Indentation load-depth curve
JC E 2 (1 )
JC
= Required energy for crack propagation
Equivalent fracture energy in Indentation
Analysis of indentation process
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Stress outside the contact area (r ≥ a)
( 1 2 )a 2 s r s pm 2 2r
sz 0
When a radial stress at the edge of the contact area (r = a) satisfied yielding criterion
Large plastic deformation Strain controlled critical fracture strain at the crack tip (ef) When strain reached critical fracture strain
Brittle Fracture Model
Verification of the Models
- Comparison between fracture test results and IIT results - Applications at low temperature
Issue of indentation fracture toughness
c
c/a
h* h
a
h*
Formation of a fully-developed plastic zone (c/a is constant)
c
Assumption
Onset of formation of a fully-developed plastic zone = Maximum strain energy beneath the indenter ≈
6 5 --- y=3.01177[1-exp{-4.57486(x+0.31229)}] 4
6 5 4
3.0
--- y=3.29831[1-exp{-3.65099(x+0.27357)}]
tmax
tmax
3.2 3 2
3 2 1 0 0.0
2.3
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
3.0
Stress within plastic zone (a ≤ r ≤ c)
core
s s c 1 2 ln( ) sy sy r 3 sr c 2 2 ln( ) sy r 3 pi s r
pm pi
Change of the core pressure (r = a) until forming the fully-developed plastic zone
Similar constraint effect
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3
Constraint effect
SENB
loading R=250m Indenter
Indentation
[Material : API X70]
Evaluation of Fracture Toughness of Materials Using Instrumented Indentation Technique: Ductile/Brittle Fracture Models
2013. 08. 30.
Won Je Jo
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h*
0
L dh Ac
17
K JC
wf E (1 2 )
Fast & Precise Solutions for Quality & Reliability
0
Indentation depth (m)
- Inserting determined Pmc into Pm-h curve
(5) Equivalent fracture energy until h*
(6) Indentation fracture toughness (KJC)
wf
Assumption
Rate of expansion