断裂韧性实验指导书

一、实验目的：

1.学习低温温度下金属冲击韧性测定的操作方法；

2.测定温度对金属材料冲击韧性的影响，掌握确定金属材料的脆性转化温度Tk的方法。

二、实验原理：

本实验按冲击试验的最新国家标准GB/T229-1994进行。

用规定高度的摆锤对处于简支粱状态的缺口试样进行一次性打击，可测量试样折断时的冲击吸收功Ak。（Ak除以试样缺口处截面积得冲击韧性值ak）。

为了表明材料低温脆性倾向大小，常用方法就是测定材料的“韧脆转化温度”。一般使用标准夏比Ｖ型缺口冲击试样测定。

根据不同温度下的冲击试验结果，以冲击吸收功或脆性断面率为纵坐标，以试验温度为横坐标绘制曲线见图1。韧脆转变温度确定方法：

a. 冲击吸收功－温度曲线上平台与下平台区间规定百分数（n）所对应的温度，用ETTn表示。如冲击吸收功上平台与下平台区间50%所对应的温度记为ETT50（℃）。

b. 脆性断面率－温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度，用FTTn表示。如脆性断面率为50%所对应的温度记为FTT50（℃）。

用不同方法测定的韧脆转变温度不能相互比较。

三、在不同温度下作冲击试验，可以得出典型的Ak-T曲线和脆性断面率曲线（见图1）。冲击吸收功曲线可近似的分为三部分：（1）温度较低，冲击值变化不大，平行横坐标的低Ak值部分，称下平台，对应断口为脆性的结晶状；（2）温度较高，高冲击值部分，称为上平台，对应断口为韧性的纤维状；（3）中间部分Ak值在上下平台的范围内，变化较大，且分散，对应断口为混合状（结晶状+纤维状断口）。脆性断面率曲线与上述曲线相反，（1）温度较低，断面率高的部分，断口为脆性的结晶状；（2）温度较高，断面率低的部分，断口为韧性的纤维状；（3）中间部分在室温以下温度范围内，断口为混合状（结晶状+纤维状断口）。根据图1的两条曲线，可以定出冲击吸收功上平台与下平台区间50%的韧脆转变温度ETT50（℃）和脆性断面率为50%的韧脆转变温度FTT50（℃）。

图1    韧脆转变温度曲线示意图

四、实验设备及试样：

1.冲击试验机

本次实验用JB-30型冲击试验机进行。

试验前，必须对试验机进行空击试验，校正指针零点。

安放试样的支座必须事先根据所用试样缺口类型进行选择安装。安放试样时采用专门样规，以保证试样缺口与支座跨距中心重合。应符合GB/T229和GB/T3808规定。

试验时，首先将自动扬摆的冲击试验机接通电源，操纵“扬摆”按钮将摆锤举起直至最高位置，然后按下“冲击”按钮，使摆锤落下冲断试样。当摆锤出击试样后回摆运动时可按“刹车”按钮，摆锤立即制动。记下试验机指针在表盘上所指的数值，即为冲断试样所消耗的冲击功Ak。

2.试样

标准夏比冲击试样有Ｖ型缺口和U型缺口两种，U型缺口深度亦有2mm和5mm两种。尺寸详见国家标准GB/T229-1994。标准夏比Ｖ型缺口冲击试样尺寸见图2。

试样坯料经热处理后，在平面磨床上磨光再开缺口。对硬度较低材料，可用铣、钻等方法加工，对硬度较高材料，则需用砂轮磨削或电火花钼丝切割，对缺口应严格检查。

图2  标准夏比V型缺口冲击试样

五、试验过程：

1.加热或冷却装置：室温到90℃可用水浴，80℃—200℃可以用油浴，室温以下用干冰（CO2）和低熔点液体混合物作为制冷剂。低熔点液体可以是煤油、酒精或其它无毒性挥发物的有机液体，进行适当配合而得到所要求的温度。例如：采用酒精加干冰调和可达到  -70℃～0℃间不同温度。室温以上调节的温度要比规定的温度高3-5℃，以补偿从试样取出到冲断时温度的变化。

2.检查试验机：指针、螺帽是否过紧过松。将摆锤抬起，空冲1-2次，看指针是否指到零，是否打滑，调节指针松紧螺钉，检查刹车机构是否好用。

3.准备试样：将领到的试样擦干净，打上钢印（编号），测量试样尺寸（精确到0.1mm），并记录。完成后将试样用夹子放入加热器或冷却装置中均

温，保温时间不少于20分钟。

4.冲击试验，低温冲击试验从冷却装置中取出后应迅速放在试验机支座上进行试验。为保证操作迅速，在支座上安装简易的试样定位装置，以减少使用样规定位时间。若试样取出到放好已超过5秒，则不能继续冲击，必须将试样放回加热器或保温瓶中重新保温。

注意：安放试样和释放摆锤均由同一人完成，严禁两人合作。所有参加试验的人都不允许在摆锤摆动平面内站立、走动。参加本实验，一定要集中注意力，保持良好秩序。

5.冲击完后立即刹车，刹车要轻操作，不要用力太大。

6.记录冲击功Ak，将指针拨回，整理数据。参照图3观察冲断试样断口上的韧性断口与脆性断口面积之比，求出脆性断面率。

六、实验结果分析

1.每一种实验温度下所得的几个试样的Ak值，分别记录，不要取平均值。未冲断的试样，记录其并注明“未冲断”。

2.根据试验数据在坐标纸上绘制冲击吸收功－温度曲线；每一温度下试验的几个Ak值要在图上分别定点，然后根据这些试验点的变化趋势描绘出一条曲线，确定韧脆转变温度ETT50（℃）。

3.根据试验数据在坐标纸上绘制脆性断面率－温度曲线；每一温度下试验的几个值要在图上分别定点，然后根据这些试验点的变化趋势描绘出一条曲线，确定韧脆转变温度FTT50（℃）。

七、试验报告：

1.实验目的：

2.实验用设备、冷却介质、试样的材料和热处理状态；

3.整理试验结果、试件断口特性讨论；

4.试验数据、冲击功—温度曲线及所确定的ETT50（℃）。脆性断面率－温度曲线及所确定的FTT50（℃）。

5.说明冲击吸收功Ak和冲击韧性ak的意义和区别。

图3   冲击试样断口纤维断面率示意图

系列冲击试验记录表

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K1的表达式

三点弯曲试件：

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 ：         

三点弯曲试件图

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

1.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：

弯曲试样的f(a/w)

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：   

3.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。因此，试件的韧带尺寸必须满足小范围屈服条件，保证试样背面对裂纹顶端的塑性变形有足够的约束作用。要求的韧带宽度：

（三）临界载荷的确定

1. P-V曲线的三种类型及其临界载荷

  在通常的K1C测试中，所得到的载荷P对切口张开位移V的记录曲线，大致可分为三类。如下图所如，临界载荷要根据不同类的曲线按一定的条件来确定，这样所确定的叫做临界载荷条件值PQ。

（1）用厚度足够大的试件进行试验时，往往测得到的是第Ⅲ类曲线。这时除表面层极小部分外，均处于平面应变状态下。在加载过程中，裂纹前端并无扩展，当载荷达到最大值时，试件发生骤然的脆性断裂，断口绝大部分是平断口，这时最大载荷就可作为PQ。

（2）当用厚度稍小的试件进行试验时，则可得到第Ⅱ类曲线，此类曲线有一个明显的“迸发”平台。这是由于加载过程中试件中心层处于平面应变状态先行扩展，而表面层处于平面应力状态尚不能扩展，因而中心层的裂纹扩展很快地被表面层拖住的缘故。这种试件在试验过程中，在达到“迸发”载荷时，往往可以听到清楚的“爆声”。这时“迸发”载荷等于PQ  。

三种典型的P-V曲线

（3）当采用厚度为最小限度的试样进行试验时，所得到的往往属于第Ⅰ类曲线。在这种情况下，不能按最大载荷来计算断裂韧度。因为在低于最大载荷时，试样裂纹已经在逐步扩展，只是由于裂纹前缘处于平面应变状态的部分相对地稍少一些，所以裂纹最初的“迸发”性扩展量很小，不易被察觉，对于这样的试件。只能采用一定的工程假设，从P-V曲线上来确定所谓“条件值”。这和材料在拉伸试验中，用0.2%偏离初始切线的规定来定义屈服强度σ0.2是相似的。

  确定载荷条件值的方法：

若三点弯曲试件的试验曲线属于第I类曲线，则从坐标原点O作割线OP5，其斜率比曲线的初始切线OA的斜率小5%，OP5与该曲线的交点所对应的载荷P5，如Pmax/P5≤1.1时，则取P5=PQ。

为什么把斜率降低5%的割线与P-V曲线的交点P作为确定PQ的依据呢？因裂纹刚开始扩展的位置不易确定，仿照用σ0.2来代替σs的思路，规定裂纹相对扩展△a/a=2%时的K1值称为K1C的条件值，用KQ表示。由于实际测得的是P-V曲线，而不是P-△a曲线。如何确定△a/a和△V/V的相互关系？可以证明，在a/w=0.45-0.55的范围内，

,就相当，

图中

OP5直线的斜率是OA直线斜率的0.952（即少5%），这就是说，裂纹相对扩展2%的点，就是斜率比OA小5%的OP，直线和P—V曲线的交点P5，就是裂纹相对扩展2%的点。

如果曲线属于第Ⅱ和第Ⅲ类曲线，用同样的作图法也可得到载荷P5，但P5前，已有一个大于P5的载荷，此时就要以该载荷作为PQ。

（四）试验结果的有效性

确定了PQ后，便可按载荷PQ算出σc，或算出相应的K值，记为KQ，称为“条件断裂韧度”。如果B和a均大于2.5（KQ/σs）2，

并满足（Pmax/P5）≤1.1条件，则KQ就可认为是材料的平面应变断裂韧度K1c。否则，还需要按B和a均大于2.5（KQ/σs）2的要求制成更厚的试件试验，直到上述条件得到满足。

三、实验步骤

（一）试样制备：

1.金属结构材料，无论是锻件、板材，还是管材或棒材，都在不同程度上具有各向异性。它反映在断裂韧度数值上更为突出，因此，断裂韧度和试样取向有关。裂纹面取向应严格按GB4161－84标准进行。在实际构件中取样时，试件的裂纹取向应与构件中最危险的裂纹方向一致。

2.试件厚度B可根据材料的K1c估计值与σs的比值，或σs对E的比值来选择（见下表）。

推荐的最小厚度B

4.试件粗加工和热处理后，再进行精加工，其最后尺寸和表面光洁度严格按GB4161－84规定。

5.小试件用线切割机制出切口，切口根部圆弧半径小于0.08mm。

（二）预制疲劳裂纹

为了模拟实际构件中存在的尖端裂纹，使得到的K1c数据可以对比和实际应用，试件必须用疲劳载荷预制裂纹。

疲劳裂纹长度应不小于2.5%W，且不小于1.5毫米，a/W在0.45-0.55范围内，可采用在试样表面观察裂纹痕迹的方法来确定所需的疲劳裂纹长度。

为了保证平直和足够的尖锐，至少在最后2.5%的扩展阶段中，所用的Kmax/E应不大于0.01mm1/2（对铝合金不受此约束），或Kmax应不大于K1c的70%（对铝合金应不大于80%）。

（三）测量条件

1.试件厚度应在疲劳裂纹前缘韧带部分测量三次，取其平均值作为B。测量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中较大者记录。

2.试件高度应在切口附近测量三次，取其平均值作为W，测量精度要求0.02mm或0.1%W，取其中较大者记录。

在弯曲试验时必须采用专用的设备及附件，并注意下列事项：a) 在三点弯曲试验时必须采用专用的支撑辊，支撑辊要能自由滚动，以使试件和支承间的摩擦所引起的误差减到最小。b) 所加载荷的作用线要通过跨度（两个支撑辊中心的距离）的中心，偏差应不超过跨度的1%。c) 跨度误差应在名义程度的0.5%以内。d) 裂纹端点要放在两支撑辊间的中线上，偏差应不超过跨度的1%。e) 试件和支撑辊的轴线要成直角，偏差应在2º以内。

（四）试验程序

1)在试件上粘贴刀口以便能安装夹式引伸计。刀口外限间距不得超过22mm（见下图）。安装夹式引伸计时要使刀口和引伸计的凹槽配合好。    

粘贴刀口

2) 将试样按下图装置安放好。

三点弯曲试验装置示意图

3) 标定夹式引伸计.

4) 开动拉伸机，缓慢匀速加载，直至试样明显开裂，停机。曲线上记录下载荷和刀口张开位移之间的曲线。

5) 取下夹式引伸计，开动拉伸机，将试样压断。停机取下试样。

6) 记录试验温度和断口外貌。

（五）KQ的计算

1.  从记录的P—V曲线上按规定来确定PQ值。

2.  裂纹长度一般用读数显微镜测出五个读数a1、a2、a3、a4和a5，如下图，取中间三个读数平均值

裂纹长度测量示意图

3. 根据测得的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。

4.  将PQ、B、W和f（a/W）代入下式：

即可算出值，单位。

相关换算公式：，，。

六、有效性校核

计算得到的KQ是否为平面应变断裂韧度K1c，需要进行校核。

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、a3、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%。

4.a应在0.45W-0.55W之间。

5.裂纹平面应与试件高度W和厚度B的方向平行，允许偏差在±10º以内。

6.B、a和（W-a）均应大于2.5（KQ/σs）2。

7.Pmax/PQ≤1.1

以上各条都得到满足，才能认为试验有效，即KQ=K1c。

七、试验报告

1.试样编号、原始状态和屈服极限；

2.试样厚度B、高度W和跨度S；

3.试样取向；

4.预制疲劳裂纹条件，裂纹长度a1、a2、a3、a4、a5值；

5.试验时的温度和断口外貌特征；

6.P-V 曲线，求出PQ， 按计算并校核；

7.注明K1c有效的条件或KQ不能作为K1c有效的条件。

金属材料平面应变断裂韧度测定实验记录表

一．实验目的：    

 1．熟悉双电桥的结构原理并掌握电阻的精密测量方法。

 2．了解被测电阻的微量变化与材料组织结构变化的关系。

二．实验原理：

电阻的测量方法很多，最简单的方法是根据公式由电压表和电流表的读数计算。应当指出这样测量到的结果其精确程度受仪表误差。倘若待测电阻Rx与电压表阻值相比不是小很多的话测量误差更大。

        单电桥(惠斯登电桥)可以测量阻值大(1～106Ω)的电阻。一般来说，当待测电阻相当大时，导线电阻与接触电阻相对较小，可以忽略。如果待测电阻很小（<1Ω），则导线电阻与接触电阻的影响就不可忽略，这时必须使用双臂电桥(开尔文电桥)或电位差计来进行测量。

        双臂电桥的线路如图3—l所示，Rx为待测电阻，RN为与Rx相应的标准电阻。R1、R3与R2、R4分别为电桥的两臂。当直流电源接通后，调节R1、R2、R3、R4的大小可使电桥达到平衡。考虑到连接导线电阻与接触电阻r1、r2、r3、r4，并把它们合并到R1、R2、R3、R4的之中则有：R1´= R1+ r1，R2´= R2+ r2，R3´= R3+ r3，R4´= R4+ r4，r为待测电阻与标准电阻之间的导线电阻与接触电阻的总和。  

        根据克希霍夫定律解电路的联立方程可得：

                  (3-1)

图3-1  双臂电桥原理图

 为了减少连接导线和接触电阻的影响，对R1、R2、R3、R4均选择得比较大。此时可认为R1´= R1，R2´= R2 , R3´= R3 , R4´= R4，但是由于待测电阻Rx与标准电阻RN都很小，r的阻值与Rx和RN比较起来总是不可忽略的。

                  (3-2)

为了测量方便，希望=0，在制造仪器时就已做到：使R3 =R1 构成测量臂，R4 =R2 构成比例臂，以维持两臂调节时恒定不变。应当指出，为了保持所测电阻的准确性必须使r的阻值尽可能地小，既在待测电阻和标准电阻间连接一条尽可能粗而短的导线并保持接触良好，这样所测电阻可用式1—3计算

                                                                               （3-3）

         式中：Rx—待测电阻；—测量臂读数；—比例臂读数；RN—标准电阻值。为了消除热电势等其他因素的影响，在电流回路上设置倒向开关，反复测量电流正反向流过时的电阻值，取其平均值。

        材料的电阻率与化学成分、组织状态及温度有关。不同的金属有不同的电阻率，加入合金元素电阻率就发生变化，如固溶体的电阻率就比纯金属高。材料的电阻率与组织状态有关，同一种钢淬火后较回火及退火后的电阻率为高。通常，经加工变形的材料的电阻率较加工前的高。材料在其成分组织状态都相同的情况下，温度愈高则电阻率愈高。这是结点热振动加剧造成点阵对理想周期排列的偏离。电阻率是组织敏感性的物理量。因此，测量电阻可以用来探测材料中与组织结构变化有关的一切过程。

        本实验采用的合金是一种作为800～850℃下燃汽轮机工作叶片使用的镍基合金，其化学成分(％)主要为：Crl5-19，M04～6，W2～3．5，Ti1.9～2.8，Al1.0—1.7, Nb0.5—1.0,余为Ni。合金经不同热处理在基体上可以出现各种类型碳化物和Ni3(Al,Ti)--γ´相。而相变的结果将引起材料导电性的变化。为了研究时效过程中的转变，把合金加热到1070℃，保温8h空冷(淬火)使碳化物处于稳定状态，而γ´相完全溶解于基体。随后作不同温度时效。设ρo为淬火态的电

阻率，ρ为各时效态的电阻率，则

       Δρ=ρ-ρo

从Δρ随回火温度的变化可以反映出合金元素在固溶体中的偏聚、γ´相的析出、过时效和γ´相的重新溶解等过程。

 图3-2  仪器接线图

三．实验设备

1.QJ36型单双臂两用直流电桥；

2.JWL-30型晶体管稳流器；

3.FY65型磁饱和稳压器；    

4.AC11型检流计式光电放大器；

5.ACl5／2型直流复射式检流计；

6.电流换向开关；试样夹具；游标卡尺和螺旋测微器;标准电阻0.001Ω

四.实验内容与步骤：

1.试样制备(由实验室完成)合金经热处理(1070℃／5h空冷)后加工成试并分别进行500、600、700、800、900、1000℃各一小时回火(时效)处理。

2.测量并记录各试样直径D(测三点取平均值)，并计算截面积S。

3.按图1-2将仪器线路接通，并合上电源。

4.接通稳流电源并将工作电流调节到0.8A(工作电流的选择以使仪器具有足够的

灵敏度和试棒不发热为限)。调节检流计的零位。

5.将比例臂(拨盘上的R1和R2都放在1000位置作为。为了估计待测电阻的数值，按公式 (1-5)求出，然后将测量臂放在的计算值上，接通按钮“粗”，调节测量臂电阻使检流计指零。接通电流计按钮“细”使检流计再次指零(如果检流计发生激烈的振荡时，可按下“短路”按钮)。记下测量臂的数值，松开电流计按钮以保护检流计。

6.扳动换向开关改变工作电流方向，重复上述步骤，使检流计指零，记下测量臂读数，取两次测量的平均值。    

7.拉开电源，调换试样重复以上测试。最后用游标卡尺在夹具上量出试样电压线刀口中心距离L。

  注意事项：每次电桥平衡后应立即切断检流计与电桥的通路（同时松开电桥上的“粗”“细”按钮），防止检流计受电流冲击而损坏。

五．实验结果整理与讨论：

1．根据试棒截面积S、测试长度L和电阻Rx，按下式计算不同工艺试棒的电阻率并列表：

2．以1070℃空冷试样的ρ为基准，以不同温度时效试样电阻率的相对变化为纵轴，温度为横轴作图。

3．分析试验在时效过程中电阻率变化与组织、结构状态的关系。

4．估计测量误差，并分析造成误差的原因。

1．为什么选择RN 要接近Rx 值才可以明显的减小测量误差？

2．实验温度改变会有什么影响？