断裂韧性实验报告

随着断裂力学的发展，相继提出了材料的、、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  平面应变断裂韧度的测试

    对于线弹性或小范围的型裂纹试样，裂纹尖端附近的应力应变状态完全由应力强度因子所决定。是外载荷，裂纹长度及试样几何形状的函数。在平面应变状态下，当和的某一组合使=，裂纹开始失稳扩展。的临界值是一材料常数，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，将此时的、代入所用试样的表达式即可求得。

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（包括裂纹长度的测量、条件临界荷载的确定、实验测试值的计算及有效性的判断）。

1. 2  延性断裂韧度的测试

积分延性断裂韧度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的某些特征值。测试积分的根据是积分与形变功之间的关系：

                             　　　　　　　　　　　　　（1-1）

其中为外界对试样所作形变功，包括弹性功和塑性功两部分，为裂纹长度，为试样厚度。

积分测试有单试样法和多试验法之分，其中多试样法又分为柔度标定法和阻力曲线法。但无论是单试样法还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的延性断裂韧度。这是一种多试样法，其优点是无须判定启裂点，且能达到较高的试验精度。这种方法能同时得到几个积分值，满足工程实际的不同需要。

所谓阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的积分值与该真实裂纹扩展量的关系曲线。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的试样加载，记录曲线，并适当掌握停机点以使各试样产生不同的裂纹扩展量（但最大扩展量不超过0.5mm）。测试各试样裂纹扩展量，计算相应的积分，对试验数据作回归处理得到曲线。阻力曲线的位置高低和斜率大小代表了材料对于启裂和亚临界扩展的抗力强弱。

阻力曲线法测试步骤一般包括：

（1） 试样准备

     ①试样尺寸的选择原则：

        1）平面应变条件：标准规定

                                                       （1-2）

     其中

       2）积分有效性条件

          一般,当不易估计时，可用求出 的估计值 

    ②疲劳预制裂纹 ：

          为了保证得到尖端而平直的裂纹，同时考虑到 积分试验对象大多是中、低强度材料，所使用的疲劳载荷不能超过试样屈服载荷，以免发生挠曲塑性变形。         

（2） 断裂实验

      加载断裂试验可在各种普通材料试验机上进行。试样的装卡方式与三点弯曲试样弯曲试样测试时相似。正式加载前，先用低于启裂载荷之值预加载两次，以使各装卡位置接触良好。然后按一定速度正式加载，同时记录曲线。在产生预定裂纹扩展量之后卸载停机，取下试样，用适当的方法，如氧化着色法，二次疲劳等使裂端扩展前缘留印后压断。注意二次疲劳时不得超过极限载荷，以免裂端形貌发生奇变.

（3） 试验结果处理（包括裂纹长度的测量、裂纹扩展量的测量、值计算及 曲线的绘制和积分特征值的确定等）。

1.3． CTOD的测试

我国国家标准GB2358-94包括单试样法和阻力曲线法。单试样法是参照英国标准学会DD-19所规定的方法来测定（简称），所测结果为启裂点的裂端张开位移。而阻力曲线与阻力曲线方法类似。所谓阻力曲线是指相应于某一裂纹扩展量的值与裂纹扩展量的关系曲线，它不但能提供启裂抗力，而且能同时得到几个特征值，以满足不同条件的需要。曲线本身也描述了材料启裂后裂纹扩展阻力的变化规律，这在评定材料和工艺质量及安全分析方面有着重要意义。同时，求作曲线可以省去确定启裂点的步骤，这是曲线法优越的方面。

通过试验直接准确地测得裂纹尖端张开位移(CTOD)值非常困难,且其定义还没有统一。试验中,一般采用三点弯曲试样的变形几何关系,由裂纹嘴张开位移去换算并求得CTOD值。以三点弯曲为例,参见图1.1

图1.1 COTD试验原理图

图中W为三点弯曲试样的宽度,为裂纹长度(包括线切割的和预制疲劳裂纹长度),(W-)为韧带宽度,刀口被用来安装夹式电子引伸计,Z为刀口厚度。为裂纹嘴张开位移塑性部分。原裂纹尖端处张开位移的塑性部分记为。假设在塑性变形过程中,裂纹表面绕O点作刚体转动。称为转动因子,指在试样塑性变形时旋转中心到原裂纹尖端的距离与韧带宽度((W-)的比值。假设三角形与三角形相似(塑性三角形假说),则：

              (1-1)

即有：

           (1-2)

弹塑性情况下, 可由弹性的和塑性的两部分组成,即:

                  (1-3)

弹性部分为对应于载荷的裂纹尖端弹性张开位移,在平面应变情况下，对三点弯曲试样,有：

              (1-4)

则原裂纹尖端张开位移为:

        (1-5)

测试的标准试样是三点弯曲试样，其形状同试样。多试样法所用试样个数同样为5 8个，试验过程中使各个试样加载到不同裂纹扩展量后停机，测出停机时的荷载与位移，代入公式（1-6）

　　　　　　　　　　　(1-6)　　　　　　

同样对于三点弯曲试样,BS7448系列规范建议取=0.4,规范GB/T2358—1994建议取=0.44,规范JB/T4291—1999建议取介=0.45,而国家标准最近修正为=0.40同国际标准及英国系列标准一样。

本报告按国家标准GB2358-94规定取0.44。

以上各式中:P为载荷;S为试样跨距;B为试样厚度;S为跨距;E为材料的弹性模量; 为材料的屈服强度; 为材料的泊松比; 称为转动因子, 为裂纹嘴张开位移塑性部分。

由此，可得该试样停机时的，这个就是对应该裂纹扩展量时的裂纹扩展阻力，记为。对每个试样可以得到一对（，），5 8个试样可描绘一条 曲线，此曲线即为曲线。

曲线测试的一般步骤（与阻力曲线测试类似）为：

（1） 试样制备（包括试样尺寸、疲劳预制裂纹）；

（2） 断裂实验（记录曲线）；

（3） 试验结果处理（包括数据处理和计算特征值等）。

2、平面应变断裂韧度的测试

2.1  试样的选择与准备

   (1) 试样类型 

规范推荐采用三点弯曲试样见图。试样类型的选用原则是根据材料来源、加工条件、试验设备以及试验目的的综合考虑。

图2.1 直3点弯曲

(2)  试样尺寸

   标准规定了三种标准试样，并建议尽量采用厚度与实际构件相同的所谓全厚试样，以使试样裂端与实际构件处于相同的约束条件。这三种试样的主要尺寸关系为：

其中为高度，为厚度，为裂纹长度，包括机加工切口和疲劳裂纹长度之和，为跨距。前两种试样用于工程结构安全评定试验，第三种试样用于对材料和工艺质量进行相对评定试验。

(3) 试样方位选择

金属材料一般都具有明显的宏观各向异性，这是各种加工制造过程给材料内部化学成分、显微组织的分布所带来的方向性的结果。试样方位选择应视试验目的和要求而定，例如要评估实际工件的，就要模仿实际工件的加载及裂缝扩展方向。

(4) 试样加工

试样加工时，应特别注意使最后磨削条痕方向垂直于裂纹扩展方向，至少不要使两者平行。磨削之后就要开切口，目前普遍采用钼丝线切割。

(5) 疲劳预制裂纹

预制裂纹都在疲劳试验机上完成。要避免裂纹尖端因荷载过高产生较大的塑性区。对于三点弯曲试样，应使裂纹总长度，其中疲劳裂纹的长度至少有1.5mm。

疲劳引发裂纹时采用的最大疲劳载荷应不大于。

对于三点弯试样   

—屈服应力(屈服点a,或屈服强度).MPa；

—抗拉强度，MPa;

—有效屈服强度，,MPa ;

2.2. 断裂试验步骤

试验一般在万能材料试验机上进行。以三点弯曲试样为例，试样装置如图2.2和图2.3所示。

图2.2 三点弯曲试验装置示意图

1—试验机上横梁；2—支座；3—试样；4—载荷传感器；

5—夹式引伸计；6—动态应变仪；7—X—Y函数记录仪。

图2.3 夹式引伸计构造及安装

1－试样 2－刀口 3－引伸计

把测好尺寸（）的试样按规定仔细装夹牢固。在加载过程中，夹式引伸计和测力计得到的讯号经过放大后输入记录仪，描绘出力—张开位移曲线（曲线）。应该注意的有以下几点：

（1）夹式引伸仪一般都应该根据标准推荐方法自行制备；

（2）夹式引伸仪和测力计应定期校核和标定，以保证试验结果的可靠性；

（3）加载速度应保证应力强度因子的增长速率在每分钟增长31至155范围内，相当于；

（4）支座的轴辊要略能移动以免产生过大的横向摩擦阻力影响试验结果；

（5）要求断口与试样长度放线基本垂直，偏差不能大于；

（6）应观察和记录断口宏观形貌，剪切唇宽度与平断口的百分比例。

2.3 试验结果处理

(1) 裂纹长度的测量

按图2.4所示沿着疲劳裂纹前缘和标记出的裂纹稳态扩展区的前缘，在其间隔的9点上测量裂纹尺寸。(i=1,2,3,......9 )测量仪器的精度不低于0.02 mm,按下式计算裂纹长度:

图2.4  裂缝测量示意图

注：

(2) 确定

在三点弯曲加载试验所得到的P—V曲线，大体有图2.4中的几种情形

图2.4  曲线

在图2.4(a)和(b)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷与位移计算。如果失效发生在线性段附近，可按GB 4161测量。

在图2.4(e)的情况下，取最大载荷点或最大载荷平台开始点所对应的载荷与位移计算。

在图2.4（c)和(d)的情况下，取脆性失稳断裂点或突进点所对应的载荷与位移，计算，如果突进点是由于疲劳裂纹前缘的脆性失稳扩展受阻引起的，则应考虑被测材料的特征。试验后的断口检验，如最大突进裂纹扩展量已超过0. 04，可按下列步骤估汁“小突进”信号值。

1）通过最大载荷点作BC线平行于OA线。

2）作BD线平行于载荷轴。

3）位于0. 95BD处作标记E

4）作CEF线

5)相应于载荷位移的突进处作标记G。

6)当G点位于角BCF以外时，取载荷或和位移或。计算或，例如图2.5(a)。

7)当G点位于角BCF以内时.该突进点可以忽略.图2.5(b)。

图2.5 突进点示意图

在图2.4(a)(b)和(d)的情况下，不能直接测定值，若需要值，可根据阻力曲线来确定。

的计算方法—获得必要的测量数据后，采用下列公式计算原始裂纹尖端部位的张开位移:

式中: ——对一般钢材取0. 3；

——对一般钢材取

—— 塑性转动因子，。

三点弯曲试样的，即。

直3点弯曲试样: 

当S=4W时，直3点弯曲试样的Y值见GB2358-94表1。

3、三点弯曲试验测

3.1  试验目的

熟练掌握测平面应变断裂韧性的方法及步骤。

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性。

3.2  试验设备

试验设备包括万能材料试验机及数据采集系统、夹式引伸计、游标卡尺等。

3.3  试验试样的制作

本次试验的试样为金属试样。金属试样由力学实验室提供，金属采用钼丝线切割预制疲劳裂缝。金属试样的外观大致如图所示：

  图3.1试样示意图

3.4  试验过程

（1）试验前先清洗裂纹嘴两侧，用胶将刀口粘到试样上；

（2）试验前用游标卡尺在裂纹前缘韧带部分测量试件厚度三次，测量精度到0.1%B 或0.025mm，取较大的两个计算平均值。在切口附近测量试样宽度三次，测量精度精确到0.1%Ｗ或0.025mm，取较大的两个计算平均值；

（3）安装三点弯曲试验支座，使加载线通过跨距的中点，偏差在1%，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2º以内；如图3.2

（4）将位移引伸计接入动态采集系统，在加载试样之前，对试验机及采集系统的曲线调零；

（5）对试样缓慢而均匀地加载，一般试验机速度为0.5 2mm/m，以使的增长速度不至太快；

（6）加载到压断试样，如图3.3。取下曲线图进行分析处理。

                               图3.2 设备装置图

图3.3 试样压断图

3.5  原始数据

（1） 试件厚度和宽度的测量

由游标卡尺量测并处理，得到试件的厚度，宽度为。

（2） 试验机数据采集系统得到的数据

图3.4   数据曲线

图3.5 处理后的数据曲线

由上图可得曲线，  

图3.6    P-V曲线

（3）试验加载完成后裂纹长度的测量，裂纹断口见图3.7,测量数据见表3.1。

图3.7裂纹断口图

表3.1裂纹长度测量表（单位：mm）

（1） 裂纹长度

1）规范规定任意二点裂纹扩展量之间的差(不包括近试样表面的二点)不超过0. 05W。且全部9个测量点中最大和最小的裂纹扩展量之差不超过0.1W。

不符合要求

2）所有试样的原始裂纹长度a。必须在0.45W~0. 55W范围内。

不符合要求。

综上本次实验数据无效。

（2） 的确定

试验所得的曲线如图3.6所示。在试验过程中，可以看到试件在加载后期基本没有塑性阶段，在到达疲劳裂纹后迅速发生失稳破坏。属于图2.4中a)脆性破坏情况。对于得到的数据，初始阶段的数据忽略，因为这段时间属于利用液压消除自重的环节，所以得到的位移是负值而且来回震荡，且坐标轴的校零也有影响，没有实际参考价值。为了获取弹性阶段的斜率，观察曲线，可以发现在0至16.00KN之间时曲线趋于直线。利用matlab程序拟合得到下图3.8。

图3.8

得

（3）的计算

根据以上所得数据计算COD。（为了使计算能够进行，）。根据 查规范表1得Y=9.14。

试件的厚度，宽度为

又；对一般钢材取；塑性转动因子；。

计算得

有前面可知该结果是无效的。

3.7实验总结

实验测得的无效，其原因很多：

（1）金属试样疲劳裂纹的预制存在问题导致试样断裂后断口不典型。

（2）黏贴刀口存在人为误差。

（3） 只是理论上的数据，并没有做实验，所以的准确度有待考究；

（4） 其他因素例如冶金质量、各向异性、晶体结构、回火温度、显微结构以及介质腐蚀等，对试验结果造成的影响较为复杂

（5） 试样的尺寸是有影响的，跨度和宽度之比为4，宽度和厚度之比应为2，实际的数据来看是不满足要求的，导致测出的值离散型较大，不符合要求；

（6） 在材料制备的过程中，可能会掺杂其他合金元素，对材料造成的影响不一，即可能是正面的影响，也可能是负面的影响。

在断裂韧性测试试验中，我熟悉了ISTRON3367材料力学试验机，测试的整个过程也都了解了。这锻炼了我在材料性能实验中的实际操作能力，在此同时也体会到了同组同学相互配合、团队意识的重要性。在数据处理过程中，通过确定测定临界裂纹长度a、计算条件断裂韧性及判断其有效性，我对Matlab有了进一步的了解，并学会了如何利用数据及P~V曲线图来计算。通过这次实验，我进一步加深了断裂韧性的定义及其相关理论知识。