断裂韧性试验报告

1、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阻力曲线卜6r(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a及试样几何形状的函数。在平面应变状态下，当P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

2、值，而令载荷逐渐增加使裂纹达到临界状态，将此时的昆、a代入所用试样的Ki表达式即可求得Kic。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：(1-1)J=Bfa其中U为外界对试样所作形变功，包括弹性功和塑性功两部分，a

3、为裂纹长度，B为试样厚度。J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Jr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J积分值,满足工程实际的不同需要。所谓Jr阻力曲线，是指相应于某一裂纹真实扩展量的J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Jr阻力曲线至少需要5个有效试验点，故一般要58件试样。把按规定加工并预制裂纹的试样加载，记录P-曲线，并适当掌

4、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0.5mn）。测试各试样裂纹扩展量Aa,计算相应的J积分，对试验数据作回归处理得到Jr曲线。Jr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。JR阻力曲线法测试步骤一般包括:（1）试样准备试样尺寸的选择原则:1 ）平面应变条件：标准规定(1-2)B-=(J0.05/-S)其中50钢a880钛合金120铝合金2 )J积分有效性条件W-a-'(JR/cs)2一般Jr2Jo.05,当不易估计W-a时，可用B/(W-a)之1.4求出(Wa)的估计值疲劳预制裂纹：为了保证得到尖端而平直的裂纹，同时考虑到J积分试验对

5、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Kic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P-曲线。在产生预定裂纹扩展量Aa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Pfmax超过极限载荷Pl,以免裂端形貌发生奇变.(3)试验结果处理(包括裂纹长度a的测量、裂纹扩展量Aa的测量、Jr值计算及Jr曲线的绘制和J积分特征值的确定等)。

6、1.3.CTOD的测试我国国家标准GB2358-94包括单试样法和CTOD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CTOD(简称6),所测结果为启裂点的裂端张开位移。而口阻力曲线与Jr阻力曲线方法类似。所谓为阻力曲线是指相应于某一裂纹扩展量的a值与裂纹扩展量Aa的关系曲线，它不但能提供启裂抗力自，而且能同时得到几个COD特征值，以满足不同条件的需要。阳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，求作为曲线可以省去确定启裂点的步骤，这是金曲线法优越的方面。通过试验直接准确地测得裂纹尖端张开位移（CTOD）fi

7、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CTOD16o以三点弯曲为例，参见图1.1图1.1COTD试验原理图图中W为三点弯曲11tt羊的宽度，】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。Vp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3。假设在塑性变形过程中，裂纹表面绕O点作刚体转动。与称为转动因子，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-ao）的比值。假设三角形(1-1)OBB'与三角形AOFF相似（塑性三角形假说）,

8、则:Vp_rp(W-ao)aoz、prp(W-ao)即有:-rvp(1-2)弹塑性情况下，6可由弹性的露和塑性的6P两部分组成，即:,='p'e(1-3)弹性部分露为对应于载荷Pmax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：KiPSTV7BW(1-4)则原裂纹尖端张开位移6为:'=e.。”K：科一%)%(W-a0)a0zVp(1-5)测试COD的标准试样是三点弯曲试样，其形状同Kic试样。多试样法所用试样个数同样为54个，试验过程中使各个试样加载到不同裂纹扩展量Aa后停机，测出停机时的荷载P与位移Vp,代入公式（1-6）Ki2。，2)2sEKi2科

9、-8)V、Vprp(W-a。)a。z(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rp=0.44,规范JB/T42911999建议取介rp=0.45,而国家标准最近修正为与=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rp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；色为材料的屈服强度；口为材料的泊松比；rp称为转动因子，V为裂纹嘴张开位移塑性部分。pp由此，可得该试样停机时的6,这个6就是对应该裂纹扩展量Aa时的裂纹扩展阻力，记为ar。对每个试样可以得到一对

10、（6r,Aa）,5、8个试样可描绘一条&RAa曲线，此曲线即为生曲线。6r曲线测试的一般步骤（与Jr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P:V曲线)；(3)试验结果处理(包括数据处理和计算品特征值等)。2、平面应变断裂韧度COD的测试2.1 试样的选择与准备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。B=W/2±0.010W图2.1直3点弯曲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

11、条件。这三种试样的主要尺寸关系为：W=2B0.45W<a<0.55WS=4WW=2B0.25W<a<0.35WS=4WW=1.2B0.35W<a<0.45WS=4W其中W为高度，B为厚度，a为裂纹长度，包括机加工切口和疲劳裂纹长度之和，S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Ke,就要模仿实际工件的加载及裂缝扩展方向。(

12、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，目前普遍采用铝丝线切割。(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a：(0.45：0.55)W,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P应不大于Pf。对于三点弯试样Pf=0.Bb2cYS%一屈服应力(屈服点qa,或屈服强度Q0.2).MPa；0b抗拉强度，MPa;。丫一有效屈服强度，仃丫=(*+%)/2,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

13、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1一试验机上横梁；2一支座；3试样；4载荷传感器;5夹式引伸计；6动态应变仪；7XY函数记录仪。图2.3夹式引伸计构造及安装1一试样2刀口3引伸计把测好尺寸(B和W)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X-Y记录仪，描绘出力一张开位移曲线(P-V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155MN/m3/2范围内，

14、相当于0.04诟：0.2VBmm/s；(4)支座的轴辗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10°(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a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0.02mm,按下式计算裂纹长度：a°1za°ia°9二8("8''a°i)iz28、ai)i=2标遢的鑫坡犷，区倩嶂声及俄

15、葡餐受gwrL?图2.4裂缝测量示意图注：BN=(B-0.01W)/8确定6在三点弯曲加载试验所得到的PV曲线，大体有图2.4中的几种情形图2.4P-V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Pc与位移V”计算4。如果失效发生在线性段附近，可按GB4161测量Kg。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Pm与位移Vmp计算为。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Pu与位移丫回，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

16、已超过0.04b。，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E4）作CEF线5）相应于载荷位移的突进处作标记Go6）当G点位于角BCF以外时，取载荷用或R和位移乂或Vu。计算6c或为，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，不能直接测定印值，若需要加值，可根据阻力曲线来确定。移:源的计算方法一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.k2(12)/rp(W-a0)、KI2，Erp(W

17、-a。)a。z式中：对一月钢材取0.3;E对一月钢材取2.06105MParp塑性转动因子，rp=0.4(1+a)。三点弯曲试样的口=0.1,即rp0.44。K.PYIBW12直3点弯曲试样：0.45Ea0/WE0.556(a0/W)1/21.99a0/W(1-a0/W-2.15-3.93a0/W+2.7(a0/W(12a0/W)(1-a0/W)3/24W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COD3.1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。试验设备试验设备包括万能材料试验机及数据采集系统

18、、夹式引伸计、游标卡尺等。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，金属采用铝丝线切割预制疲劳裂缝。金属试样的外观大致如图所示：B=W/2±0.010W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B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S的中点，偏差在1%S,而且试样与支承辗的轴线应成直角，偏差在±

19、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X-Y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KI的增长速度不至太快；(6)加载到压断试样，如图3.3。取下F-V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B和宽度W的测量由游标卡尺量测并处理，得到试件的厚度B=14.97mm,宽度为W=30.00mm。(2)试验机数据采集系统得到的数据Graph11r"""X法筌应变1(%)图3.4数据曲线图3.5处理后的数据曲线l由上图可得P-V曲线，l=6m

20、m一丁,二l父性图3.6P-V曲线(3)试验加载完成后裂纹长度a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：mmi123456789a0i13.6613.7213.6813.4611.0011.0011.0011.0011.00ai13.9814.1614.1813.9213.7813.3812.8412.3811.603=a-a0i0.320.440.500.462.782.381.841.381.603.6数据分析处理8八a0i)=12.15mmiz28（1）裂纹长度a_1/%1a09a=-(082",.Lai)=13.45mmi

21、=21月a9a=-(821）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。2.78-0.32=2.46mm之0.05W=1.5mm不符合要求2）所有试样的原始裂纹长度a。必须在0.45W0.55W范围内。%/W=12.15/30.00=0.405不符合要求。综上本次实验数据无效。（2）R和V”的确定试验所得的P-V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P在0至16.00KN之间时曲线趋于宜线。利用matlab程序拟合得到下图3.8。18001600*a.200F1ri1II1/：li1i一-一1iir*"一;n,11-11L11iP-V曲线140012001000SOO6004001002003004005005叩7008009001000IWO1200130014001500160017001800V(pm)图3.8得PC=16.