钢轨断裂韧性KIc的研究
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。
低温下铁路钢轨钢材的断口与弹塑性断裂韧性分析
平均值 : 6 7 8 9 10 平均值 : 11 13 14 15 平均值 : 16 18 19 20 平均值 : 22 23 24 25 平均值 :
3
分析与讨论 根据对 试验数 据的 计算 结果 , 绘 制 了这 两 种钢 轨钢 材
工作重要性也随之凸现。通过对青藏铁路常用的两种钢轨钢材类型 U71Mn 和 U75V 制作三点弯曲试样在 20 、 0、 20 、 - 40 ! 以及 - 60 ! 情况下进行试验 , 并利用断裂力学理论 , 计算得到了这两种钢轨钢材在 不同温度 下的裂纹张 开位 移 CTOD 与 J 积分值 , 并对这两种钢轨钢材在低温下的断裂性能进行了系 统总结和分 析。对低温 条件下钢轨 的相关设计人员提供了一定的借鉴作用。 关键词 钢轨钢材 ; 低温 ; CTOD; J 积分 U213 4 文献标识码 A 文章编号 1001- 6864( 2007) 03- 0029- 03 中图分类号
C
( 1- v ) + K Ic 2 E
2
J IC =
( 1 - v2 ) + K IC 2 E
2 试 验与计算数据整理 通过对 U71Mn 和 U75V 钢 轨钢 材试 件在 20、 0、 - 20、 40、 - 60 ! 的 温 度 情 况 下 进 行 平 面 应 变 断 裂 韧 度 K IC 试 验 , 经 过计算 得到 了 各种 温度 情 况下 的 所示。
C [ 5]
裂纹发生脆 性断裂 , 由于篇幅 所限 , 本文仅列出 20、 - 20、 40 ! 时的断口情形 , 如图 3、 图 4 所示。 由于钢轨的裂 纹在 各 个温 度点 下 均发 生脆 性 断裂 , 因 此 , 无法采用 试验 的方 法直 接测 得钢 轨弹 塑性 断 裂指 标的
断裂韧性KIC的测定
实验报告六千分尺一把；试样示意图：图一：弯曲和紧凑拉伸试样04 28329.852 28329.852数据处理及有效性判定： 一、 20#钢退火态 1：402号试样厚度B （mm ）=12.00mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm ；a=2.751mm ；P Q =14500 N 当S/W ＝4时，=0.866计算K Q=837.13根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1.346>1.10；（2）2.5 (KQ σy)^2=12.80>12.00402号试样的断裂韧性实验是无效的，需加厚试样尺寸再进行实验。
2：404号试样厚度B （mm ）=12.00mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm a=3.536mm ；P Q =10500N 当S/W ＝4时，=0.988计算K Q=691.6根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1.3000>1.100（2）2.5 (K Q σy)^2=8.73<12.00404样的断裂韧性实验是无效的，需加厚试样尺寸再进行实验。
二、40Cr800℃+100℃回火试样 1：01号试样厚度B （mm ）=12.50mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm a=4.026mm ；P Q =21678.081 当S/W ＝4时，=1.052计算K Q=1459.51根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1.000<1.110（2）2.5 (K Q σy)^2=3.476<12.5001号试样断裂韧性实验有效。
2：04号试样厚度B （mm ）=12.50mm ；宽度W （mm ）=25.00mm ；跨距S=100.00mm a=5.243mm ；P Q 28329.852N 。
当S/W ＝4时，=1.907计算K Q=3571.83根据Q K 有效性的判据：（1）P max P Q=1<1.10（2）2.5 (KQ σy)^2=8.504<12.50 04试样断裂韧性实验有效。
北科大平面应变断裂韧性KIC的测定
平面应变断裂韧性K IC 的测定一、实验目的1、学习金属平面应变断裂韧度的试样制备，断口测量和数据处理。
2、掌握金属平面应变断裂韧度K 1C 的测定方法。
二、实验原理本实验按照国家标准GB 4161-84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）。
（一）、应力强度因子K q 的表达式对三点弯曲试件来说式中：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 间比为B ：W ：S=1 : 2: 8,见图示 ：修正系数f/（a/w ）为a/w 的函数，可查表，a/w 在0.45-0.55之间。
（二）、试样尺寸要求及试样准备a 、平面应变条件对厚度的要求当试件的厚度足够时，在厚度方向上的平面应力层所占比重很小，裂纹顶端的广大区域处于平面应变状态。
这时整个试样近似地均处在平面应变条件下，从而才能测得一稳定的K1C 值。
对试件厚度要求推荐为：)/(5.21s C K B σ≥弯曲试样的f(a/w)b 、小范围屈服条件对裂纹长度的要求对常用三点弯曲试样，因裂纹顶端存在或大或小的塑性区，塑性区半径ry 不能无限地接近零。
K1近似可成立的r 值是裂纹顶端塑性区与广大弹性区交界的界面处。
对三点弯曲要求：21)/(5.250s C y K r a σ≈≥c 、韧带尺寸要求韧带尺寸也称韧带宽度（W-a ），对应力强度因子K 数值有大影响，如韧带宽度过小，背表面对裂纹塑性变形将失去约束作用，在加载过程中试样整个韧带屈服，裂纹试样不再近似地认为弹性体，这时线弹性理论的分析方法也就不适用。
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=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。
低温下铁路钢轨钢材断裂韧度KIC的试验研究
低温下铁路钢轨钢材断裂韧度KIC的试验研究
低温下铁路钢轨钢材断裂韧度KIC的试验研究
冯宝锐;王元清;石永久
【摘要】青藏铁路因常常经历-40 ℃以下的低温气候,对于钢轨钢材低温韧性的要求更为严格,因此低温下钢轨钢材安全性能的研究尤为重要.作者对青藏铁路常用的2种钢轨钢材U71Mn和U75V制作的标准三点弯曲试样进行一系列试验研究,对其在20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃以及-60 ℃环境温度下的断裂韧度KIC进行量测和计算,得到2种钢材断裂韧度随温度变化的基本规律.并结合试验分析结果,对这2种钢轨钢材断裂韧度KIC受温度以及化学成分的影响进行系统分析和讨论.研究结果可供相关专业设计人员参考.
【期刊名称】《铁道学报》
【年(卷),期】2008(030)002
【总页数】5页(P83-87)
【关键词】钢轨钢材;低温;断裂韧度;U71Mn;U75V
【作者】冯宝锐;王元清;石永久
【作者单位】清华大学,土木工程系,北京,100084;清华大学,土木工程系,北
京,100084;清华大学,土木工程系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术
第 30 卷第 2 期 2 0 0 8 年 4 月铁道学报Vol.30 No.2 April 2008 JOURNAL OF THE CHINARAILWAY SOCIETY 文章编号：1001 8360(2008)02-0083-05 低温。
金属平面应变断裂韧度KIC测定
一、实验目的
• 1.了解金属材料平面应变断裂韧度KIC试 验的基本原理以及对试样形状和尺寸 的要求。
• 2.掌握采用三点弯曲试样测试KIC的方法 及试验结果的处理方法。
二、实验原理
• 断裂韧度KIC是金属材料在平面应变和小范围 屈服条件下裂纹失稳扩展时应力场强度因子KI 的临界值，它表征金属材料抵抗断裂的能力， 是度量材料韧性好坏的一个定量指标。断裂韧 度KIC的测试过程，就是把试验材料制成一定 形状的试样，并预制出相当于缺陷的裂纹，然 后把试样加载。加载过程中，连续记录载荷P 与相应的裂纹尖端张开位移V。裂纹尖端张开 位移V的变化表示了裂纹尚未起裂、已经起裂、 稳定扩展或失稳扩展的情况。
• 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。
2 a /W (1 a /W )3/2
0.866
4.64a W
13.32( a W
)2
14.72( a W
)3
5.6( a W
)4
2
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：
（1） （2）
B 2.5( KIC )2
s
放大镜或计数显微镜仔细监视裂纹的发展，遇
有试样两侧裂纹发展深度相差较大时，可将试 样调转方向继续加载。
3．断裂实验
• 将制备好的试样用专门制作的夹持装置在一般 万能材料试验机或电子拉伸试验机上进行实验， 图4所示的是三点弯曲试样断裂韧度实验的示 意图。试样2放在支座上，机器油缸下装载荷 传感器1，下连压头，试样2下边装夹式引伸计 3。加载过程中，载荷传感器传出载荷P的信号， 夹式引伸计传出裂纹尖端张开位移V的信号， 将信号P、V通过放大器4输入X－Y函数记录 仪5，记录下P－V曲线，然后依P－V曲线确定 裂实纹 测失 的稳 裂扩 纹展 长临度a界代载入荷KP式Q，(式依1）PQ、和试样压断后
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物质的性质和力学行为的学科，而断裂韧性则是材料在断裂过程中所能吸收的能量的度量。
在材料科学和工程中，断裂韧性是一个关键的性能指标，它对于材料的使用和应用具有重要的意义。
本文将探讨材料力学中的断裂韧性研究，并介绍一些相关的实验方法和应用。
断裂是材料在受力作用下发生破坏的过程。
在工程领域中，材料的断裂可能引发严重的事故和损失。
因此，研究材料的断裂行为以及评估其断裂韧性具有重要的工程背景和应用价值。
断裂韧性常常通过断裂韧度（fracture toughness）来度量。
断裂韧度可以由KIC、GIC等参数来表示。
KIC是指应力强度因子，即在压裂或屈服前，材料的最大应力因子。
而GIC是指断裂能量耗散率，即材料在单位面积上承受的能量消耗。
在断裂韧性研究中，有很多实验方法可以用来评估材料的断裂性能。
其中最常见的是张开模型实验（Opening Mode Experiment）。
这种实验方法通过施加张开力来产生断裂，在此过程中测量断裂前后的延伸长度，并计算断裂韧度。
另外，还有剪切模型实验（Shear Mode Experiment）、剥离模型实验（Peel Mode Experiment）等多种实验方法可用于研究材料的断裂性能。
这些不同的实验方法可以使研究者更全面地了解材料在不同载荷情况下的断裂行为和韧性。
断裂韧性的研究不仅适用于金属材料，也适用于陶瓷、复合材料等其他类型的材料。
例如，陶瓷材料在高温高应力下容易发生断裂。
因此，研究陶瓷材料的断裂行为和韧性对于提高其使用性能和安全性至关重要。
除了实验方法外，数值模拟方法也被广泛应用于断裂韧性研究。
通过建立合适的断裂力学模型和材料参数，可以在计算机上模拟材料断裂过程，并计算其断裂韧度。
这种数值模拟方法具有成本低、效率高和可重复性好等优点，为断裂韧性的研究提供了一种有效的手段。
断裂韧性的研究对于材料工程和结构设计具有重要的指导意义。
(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 。
低温下铁道钢轨钢材冲击韧性与断裂韧性的关系分析
低温下铁道钢轨钢材冲击韧性与断裂韧性的关系分析
王元清;奚望;石永久
【期刊名称】《铁道科学与工程学报》
【年(卷),期】2009(006)002
【摘要】依据钢轨钢材系列低温冲击试验和断裂韧性试验的结果,参照目前已有的钢材冲击韧性与断裂韧性之间的关系,对钢轨钢材冲击功AK与其断裂韧度KIC之间的关系进行回归分析,得到了AK与KIC之间的关系式.根据弹塑性断裂力学理论,推导出了钢轨钢材冲击功AK与裂纹尖端张开位移CTOD临界值δC和J积分临界值JIC之间的关系式,为通过简单经济的冲击试验来预测钢轨钢材的断裂韧性提供了一种方法.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】王元清;奚望;石永久
【作者单位】清华大学,结构和振动教育部重点实验室,清华大学,土木工程系,北京,100084;清华大学,结构和振动教育部重点实验室,清华大学,土木工程系,北
京,100084;清华大学,结构和振动教育部重点实验室,清华大学,土木工程系,北
京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】U213.4
【相关文献】
1.低温下铁路钢轨钢材的断口与弹塑性断裂韧性分析 [J], 冯宝锐;王元清;石永久
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3.低温下铁路钢轨断裂韧性分析 [J], 王元清;冯宝锐;石永久
4.低温下铁路钢轨铝热焊缝接头冲击韧性试验与断口分析 [J], 王元清;胡宗文;石永久;奚望
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（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。
不同强度等级珠光体钢轨韧性指标对比分析
不同强度等级珠光体钢轨韧性指标对比分析姚冬【摘要】对珠光体钢轨的强度和韧性指标进行了统计分析,并对其韧性指标的影响因素进行了讨论.结果表明:随着钢轨含碳量和合金元素加入量的增加,钢轨的强度逐渐提高,韧性指标逐渐降低;钢轨的冲击韧性主要由其原奥氏体晶粒尺寸决定,细化晶粒可以改善韧性,夹杂物、成分偏析和缩松等缺陷会使钢轨的冲击韧性显著降低;断裂韧性指标与钢轨的化学成分和组织结构密切相关,强度等级1080 MPa级及以上的U78CrV热轧钢轨的断裂韧性较低,建议热处理后使用;细化奥氏体晶粒及减少珠光体钢轨的夹杂物、成分偏析和缩松可提高钢轨的韧性.建议加快强度韧性配合优良的贝氏体钢轨的开发及应用.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2018(058)007【总页数】4页(P1-4)【关键词】工程材料;钢轨韧性;统计分析;珠光体钢轨;强韧性配合【作者】姚冬【作者单位】中国铁路总公司工电部,北京 100844【正文语种】中文【中图分类】U213.4+1钢轨是轨道交通中轨道结构的重要组成部分。
随着我国高速铁路、重载铁路的快速发展，钢轨材质发生了很大变化，性能指标逐步优化。
我国早期使用的钢轨为碳素钢轨，含C量在0.60%～0.70%，20世纪80年代使用平均含C量0.74%的碳素钢轨，强度等级为780 MPa级，在既有线上使用其强度明显不足，伤损严重，使用寿命短。
随着列车速度和轴重的增加，不适应性更显突出。
之后相继研发了强度880 MPa 级的U71Mn/U71MnG钢轨和强度980 MPa级的U75V/U75VG钢轨，在高速和普速铁路使用。
2005年后为了满足重载铁路的发展需要，逐渐开发了强度980 MPa级及以上的U77MnCr,U78CrV，过共析钢等高强钢轨，在重载线路上使用。
珠光体热轧钢轨的强度和韧性取决于C含量、合金元素含量及组织结构。
随着C含量逐渐提高和合金元素的加入，钢轨的强度不断提高，韧性指标逐渐下降。
高钢级管线钢断裂韧性确定方法研究_骆建武
线钢的断裂韧性估算 ,其偏差较大 ,尤其是对于高 强度高韧性的管线钢 ,这个偏差会显著影响断裂 韧性评估结果的可靠性 。因此 ,有必要研究建立 适用于 X80 级管线钢的断裂韧性和夏比冲击功 的经验关系式 。
1 研究现状
1. 1 CTOD 法估算 X80级管线钢管断裂韧性 裂纹尖端张开位移 (CTOD )法是测试金属材
3 基金项目 :中国石油天然气集团公司 2007年应用基础研究计划项目 (07A40401) © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
δ0. 2 / mm 0. 406 0. 196 0. 385 0. 189 0. 524 0. 228 0. 497 0. 191 0. 469 0. 202 0. 524 0. 209 0. 198 0. 225 0. 255 0. 210 0. 255 0. 203 0. 369 0. 213 0. 416 0. 202 0. 382 0. 183
分别对表 2中的夏比冲击功和断裂韧性值取 对数 ,并将其结果绘制成图 ,如图 3所示 。
图 3 冲击功与断裂韧性对数关系图
从图 3中可以看出 ,当夏比冲击功的对数值
增加时 ,断裂韧性的对数值也随之增加 ,其值大致
分布在某一直线附近 ,但又不完全在同一条直线
上 。由此说明 ,断裂韧性的对数值与夏比冲击功
算的 X80级管线钢管的断裂韧性值绘制成图 ,如
图 2所示 。
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材料力学中的断裂韧性评估方法研究
材料力学中的断裂韧性评估方法研究一、绪论断裂韧性评估是材料力学中的重要研究课题。
断裂是指材料在受到应力作用时发生的破裂，而韧性是指材料在受到一定程度的破坏后仍能够承受应力的能力。
断裂韧性评估方法的研究有助于对材料的性能和寿命进行准确的评估，为在工程实践中选择材料和设计结构提供依据。
二、断裂韧性概念断裂韧性是指材料在断裂时的抗裂能力。
通常用断裂韧性指标KIC来衡量。
KIC是断裂模式中关键的参数，它表示在给定的应力状态下材料能够承受的最大裂纹长度。
在实际工程中，KIC值可以通过弯曲试验、压缩试验、剪切试验以及拉伸试验来得到。
三、断裂韧性评估方法断裂韧性评估方法可以分为基于线弹性断裂力学的方法和基于网状裂纹理论的方法。
1. 基于线弹性断裂力学的方法基于线弹性断裂力学的方法主要包括J积分法、能量耗散法、等效跨距法、最小二乘法和正交多项式拟合法等。
J积分法是一种基于线弹性断裂力学的分析方法，在工程实践中应用广泛。
它所基于的原理是，在裂纹扩展过程中，裂纹端点处会存在一个弹性能储备区域和一个弹性能消耗区域。
通过计算这两个区域的能量差，可以得到J积分值，从而得到KIC值。
能量耗散法是另一种基于线弹性断裂力学的方法，它主要是通过计算贯穿整个材料系统所消耗的总能量来推算出KIC值。
等效跨距法是一种基于远场弹性应力分布的断裂韧性评估方法。
它的核心思想是将存在于系统中的裂纹抽象成一对”虚裂纹“。
通过逆向推算这两个虚裂纹的位置，可以得到KIC值。
最小二乘法和正交多项式拟合法都是基于实验数据进行拟合的方法，它们可以得到KIC值的近似解。
2. 基于网状裂纹理论的方法基于网状裂纹理论的方法是通过建立网状裂纹的三维有限元模型，对传统线弹性断裂力学方法的改进。
这种方法相对于线弹性断裂力学方法来说，更为准确，适用范围更广。
它可以将裂纹的形状和分布的细节都考虑进去，优化了线性断裂力学方法中对裂纹形状的理想化假设。
四、总结断裂韧性评估方法的研究是材料力学中的一个重要方向。
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。
材料断裂韧性相关性质研究
材料断裂韧性相关性质研究材料断裂韧性是材料工程中重要的性质之一，它描述了材料在受到外力作用下发生断裂时所能吸收的能量。
这一性质的研究对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
在本文中，我们将探讨材料断裂韧性的相关性质研究。
首先，我们来分析材料断裂韧性的定义及其重要性。
材料断裂韧性通常用断裂韧性指数来描述，常见的有KIC、JIC和CTOD等。
这些指标是通过对材料进行试验测定得到的。
材料断裂韧性的高低直接影响着材料的使用寿命和安全性能。
高韧性材料能够承受较大的外力作用而不发生断裂，具有较长的使用寿命；而低韧性材料容易发生断裂，使用寿命较短。
因此，研究材料断裂韧性的相关性质可以为材料的设计与选择提供重要的参考依据。
其次，我们来探讨材料断裂韧性的影响因素。
材料断裂韧性受到多种因素的影响，其中最重要的因素之一是材料本身的性质。
例如，晶体结构的稳定性、晶格缺陷和晶体结构缺陷等都会影响材料的断裂韧性。
此外，材料的晶界、孪晶、位错和织构等缺陷也会对断裂韧性产生明显的影响。
另外，材料的化学成分和相态结构也是影响韧性的重要因素。
材料中的硬质相、塑性相和化学性质的均匀性都会对断裂韧性产生直接影响。
另一个影响材料断裂韧性的因素是材料的微观结构。
材料的晶粒尺寸和晶粒形状对韧性起着重要作用。
晶粒尺寸越小，晶粒边界越多，韧性越高。
此外，材料的纤维形态结构也会对韧性产生重要影响。
例如，纤维材料中的纤维取向、纤维密度和纤维间的相互作用都会影响断裂韧性。
此外，外部加载条件也是影响材料断裂韧性的重要因素。
材料在不同温度、湿度和应变速率下的断裂韧性都会有所不同。
温度的变化会导致材料的断裂韧性发生显著的变化。
考虑到材料在实际应用中可能会受到不同温度和湿度的环境影响，研究材料断裂韧性在不同载荷条件下的变化规律，对于预测材料在实际条件下的断裂行为具有重要意义。
最后，我们来总结一下对材料断裂韧性相关性质研究的重要性。
通过研究材料断裂韧性的相关性质，可以深入了解材料的断裂机制，为材料的设计和应用提供科学依据。