断裂试验

断裂力学中确定材料和结构断裂特性的试验。断裂特性是指材料或结构中与裂纹起裂、扩展、止裂和失稳有关的特性，如脆性转变温度(包括无延性转变温度、脆性断裂起始转变温度等)、裂纹扩展速度和断裂韧性等。常用的表征断裂特性的参量有：临界应力强度因子K(见线弹性断裂力学)、临界裂纹张开位移(见COD法)和J积分的断裂临界值J等。断裂力学在工程中的应用已相当普遍，为了对工程结构作断裂分析，必须先通过试验，获得材料或结构的断裂特性数据。断裂试验涉及的范围很广，按试验的规模断裂试验可分为小型的试验室试验、大型的试验室试验和实际的结构试验；按加载速度可分为静态试验和动态试验；按试验环境可分为高温、低温和包含腐蚀介质的试验；按加载方法可分为拉伸和弯曲试验等。常用的试验有下列四种：

①三点弯曲试验 这是断裂韧性测试中应用最广的一种。因试验中对试样进行三点弯曲加载而得名。三点弯曲试验如图1所示，它用于测定应力强度因子K、裂纹张开位移δ和J积分等参量。试验中通过测得的载荷- 位移(裂纹嘴张开位移或施力点位移)曲线，可计算出与临界条件相应的参量值。三点弯曲试验中断裂力学参量的表达式如下：

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式中P为试验载荷；W和B分别为试样的高和宽；a为试样中的裂纹长度；y为三点弯曲试样的几何形状因子，它是a/W的函数(查表);ν为泊松比；σ为材料的屈服应力；E为弹性模量(见材料的力学性能)；z为与位移测量位置有关的常数;V为裂纹嘴张开位移的塑性部分;U为试样应变能的塑性部分；r为试样塑性变形阶段的转动因子，常取0.40或0.45。将断裂时的各测量值代入上述公式，就得到K、δ和J的临界值。

②紧凑拉伸试验 和其他具有同等测试能力的试验相比，这种试验的体积最小(尺寸紧凑)，因而得名。紧凑拉伸试验已在断裂韧性和裂纹扩展速度测试中得到广泛应用，特别是被用于核压力容器材料的评价和研究中。紧凑拉伸试验如图 2所示。试验时通过加载孔对试样施加拉伸载荷。紧凑拉伸试验中断裂力学参量的表达式为：

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式中y为紧凑拉伸试样的几何形状因子;t为试样厚度。

③落锤试验 落锤试验属于动态断裂试验，它是一种特制的简支梁式的试验。图3为落锤试验示意图。试样的受拉伸表面上，堆焊一条纵向的脆性焊道，在焊道上锯一个横向切口。试验时，将试样冷却到一定的温度，让锤头自由落下，对试样作一冲击，并测出使试样脆性焊道上的切口开裂到边缘的最高温度。这温度称为材料的无延性转变温度，简称NDT。它在设计中作为材料的最低使用温度。

④宽板试验 宽板试验是一种大型的试验室试验。在很多情况下，它可以模拟实际焊接结构的断裂。最常用的带切口的焊接宽板试样如图4所示。试样纵向焊缝两侧预先制成的切口用于模拟裂缝。试验时，在所要求的温度下对试板施加拉伸载荷，并测量切口达到开裂时的载荷和应变。低于某一温度时，试板在低应力下就开裂；而在该温度以上，断裂前试板发生屈服，并产生大的应变，这个温度就是脆性断裂起始温度。这种试验往往要求试验机具有数千吨的加载能力。

断裂试验是随工程断裂问题的研究和断裂力学的发展而发展起来的。到目前止，用三点弯曲试验、紧凑拉伸试验测试临界的 K、δ和J积分的试验方法以及落锤试验的试验方法等已经标准化，但尚需进一步完善。而另一些与环境因素有关的试验、结构模拟试验等则仍在发展之中，有待标准化。另外，各种断裂试验之间的相互关系，试验室试验与结构运行性能之间的关系等，都有待进一步积累数据和研究。