斷裂力學中確定材料和結構斷裂特性的試驗。斷裂特性是指材料或結構中與裂紋起裂、擴展、止裂和失穩有關的特性，如脆性轉變溫度（包括無延性轉變溫度、脆性斷裂起始轉變溫度等）、裂紋擴展速度和斷裂韌性等。常用的表征斷裂特性的參量有：臨界應力強度因子K（見線彈性斷裂力學）、臨界裂紋張開位移（見COD法）和J積分的斷裂臨界值J等。斷裂力學在工程中的套用已相當普遍，為了對工程結構作斷裂分析，必須先通過試驗，獲得材料或結構的斷裂特性數據。斷裂試驗涉及的範圍很廣，按試驗的規模斷裂試驗可分為小型的試驗室試驗、大型的試驗室試驗和實際的結構試驗；按載入速度可分為靜態試驗和動態試驗；按試驗環境可分為高溫、低溫和包含腐蝕介質的試驗；按載入方法可分為拉伸和彎曲試驗等
基本介紹
- 中文名：斷裂試驗
- 外文名：Fracturetest
- 定義：確定材料和結構斷裂特性的試驗
斷裂試驗,
斷裂試驗
斷裂力學中確定材料和結構斷裂特性的試驗。斷裂特性是指材料或結構中與裂紋起裂、擴展、止裂和失穩有關的特性，如脆性轉變溫度（包括無延性轉變溫度、脆性斷裂起始轉變溫度等）、裂紋擴展速度和斷裂韌性等。常用的表征斷裂特性的參量有：臨界應力強度因子KIC(見線彈性斷裂力學)、臨界裂紋張開位移（見COD法）和J積分的斷裂臨界值JIC等。斷裂力學在工程中的套用已相當普遍，為了對工程結構作斷裂分析，必須先通過試驗，獲得材料或結構的斷裂特性數據。斷裂試驗涉及的範圍很廣，按試驗的規模斷裂試驗可分為小型的試驗室試驗、大型的試驗室試驗和實際的結構試驗；按載入速度可分為靜態試驗和動態試驗；按試驗環境可分為高溫、低溫和包含腐蝕介質的試驗；按載入方法可分為拉伸和彎曲試驗等。常用的試驗有下列四種：
① 三點彎曲試驗
圖1 三點彎曲試驗示意圖這是斷裂韌性測試中套用最廣的一種。因試驗中對試樣進行三點彎曲載入而得名。三點彎曲試驗如圖1所示,它用於測定應力強度因子KI、裂紋張開位移δ和J積分等參量。試驗中通過測得的載荷-位移（裂紋嘴張開位移或施力點位移）曲線，可計算出與臨界條件相應的參量值。三點彎曲試驗中斷裂力學參量的表達式如下：
式中P為試驗載荷；W和B分別為試樣的高和寬；a為試樣中的裂紋長度；y1為三點彎曲試樣的幾何形狀因子，它是a/W的函式（査表）；v為泊松比；
為材料的屈服應力E為彈性模量（見材料的力學性能）；z為與位移測最位置有關的常數；Vp為裂紋嘴張開位移的塑性部分；Up為試樣應變能的塑性部分；rp為試樣塑性變形階段的轉動因子，常取0.40或0.45。將斷裂時的各測量值代入上述公式，就得到K1、
和J的臨界值。
② 緊湊拉伸試驗
圖2 緊湊拉伸試驗示意圖和其他具有同等測試能力的試驗相比，這種試驗的體積最小(尺寸緊湊)，因而得名。緊湊拉伸試驗已在斷裂韌性和裂紋擴展速度測試中得到廣泛套用，特別是被用於核壓力容器材料的評價和研究中。緊湊拉伸試驗如圖2所示。試驗時通過載入孔對試樣施加拉伸載荷。緊湊拉伸試驗中斷裂力學參量的表達式為：
式中y2為緊湊拉伸試樣的幾何形狀因子;t為試樣厚度。
③落錘試驗
圖3 落锺試驗示意圖落錘試驗屬於動態斷裂試驗，它是一種特製的簡支梁式的試驗。圖3為落錘試驗示意圖。試樣的受拉伸表面上，堆焊一條縱向的脆性焊道，在焊道上鋸一個橫向切口。試驗時，將試樣冷卻到一定的溫度，讓錘頭自由落下，對試樣作一衝擊，並測出使試樣脆性焊道上的切口開裂到邊緣的最高溫度。這溫度稱為材料的無延性轉變溫度,簡稱NDT。它在設計中作為材料的最低使用溫度。
④寬板試驗
圖4 帶切口的焊接寬板試樣圖4 帶切口的焊接寬板試樣
寬板試驗是一種大型的試驗室試驗。在很多情況下，它可以模擬實際焊接結構的斷裂。最常用的帶切口的焊接寬板試樣如圖4所示。試樣縱向焊縫兩側預先製成的切口用於模擬裂縫。試驗時，在所要求的溫度下對試板施加拉伸載荷，並測量切口達到開裂時的載荷和應變。低於某一溫度時，試板在低應力下就開裂；而在該溫度以上，斷裂前試板發生屈服，並產生大的應變，這個溫度就是脆性斷裂起始溫度。這種試驗往往要求試驗機具有數千噸的載入能力。斷裂試驗是隨工程斷裂問題的研究和斷裂力學的發展而發展起來的。到目前止，用三點彎曲試驗、緊湊拉伸試驗測試臨界的KI、δ和J積分的試驗方法以及落錘試驗的試驗方法等已經標準化，但尚需進一步完善。而另一些與環境因素有關的試驗、結構模擬試驗等則仍在發展之中，有待標準化。另外，各種斷裂試驗之間的相互關係，試驗室試驗與結構運行性能之間的關係等，都有待進一步積累數據和研究。
