強(qiáng)文江平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定

1、 平面應(yīng)變斷裂韌性K IC的測(cè)定班級(jí):XXXXXXXXXX學(xué)號(hào):200933281112一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由盍私馄矫鎽?yīng)變斷裂韌度的應(yīng)用及其前提條件,體驗(yàn)試驗(yàn)過(guò)程。測(cè)量40Cr的平面應(yīng)變斷裂韌度。二、實(shí)驗(yàn)原理斷裂是材料構(gòu)件受力作用下發(fā)生的最危險(xiǎn)的變化形式,尤其是沒(méi)有發(fā)生明顯的宏觀塑性變形的情況下就發(fā)生的斷裂脆性斷裂。理論分析和大量實(shí)踐結(jié)果表明:在陶瓷、玻璃等脆性材料中,斷裂條件是:a=材料常數(shù)式中,為正應(yīng)力,2a為試樣或者構(gòu)件中的裂紋長(zhǎng)度。這樣的結(jié)果,應(yīng)用于高強(qiáng)度金屬材料的脆性斷裂也與實(shí)際相符得非常好。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué),斷裂的判據(jù)是裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到其臨界值材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC,即

2、:K=YaK IC式中Y是裂紋的形狀因子。平面應(yīng)變斷裂韌度K IC是材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的特征參量,它與裂紋的尺寸及承受的應(yīng)力無(wú)關(guān)。平面應(yīng)變斷裂韌性,可以用于評(píng)價(jià)材料是否適用,作為驗(yàn)收和產(chǎn)品質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)。材料的斷裂韌度受到冶金因素(成分、熱處理的制造工藝(如焊接、成形影響。應(yīng)用平面應(yīng)變斷裂韌度對(duì)構(gòu)件的斷裂安全性進(jìn)行評(píng)價(jià),需要對(duì)構(gòu)件的受力情況、工作環(huán)境、無(wú)損檢測(cè)裂紋方法的靈敏度、可靠性等方面進(jìn)行分析。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料實(shí)驗(yàn)儀器:1.WDW-200D微機(jī)控制電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(試驗(yàn)力準(zhǔn)確度優(yōu)于示值的0.5%實(shí)驗(yàn)材料:本試驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)860淬火、220回火處理的40Cr鋼,屈服強(qiáng)度s=1400MP

3、a 實(shí)驗(yàn)樣品:GB三點(diǎn)彎曲試樣:試樣中裂紋的制備要求測(cè)定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值,要求裂紋尖端具有足夠高的應(yīng)力集中效應(yīng),否則,易于造成試驗(yàn)因?yàn)閼?yīng)力位移曲線不符合要求而得不到預(yù)定結(jié)果。為此,試樣中裂紋的制備由兩道工序完成。首先要通過(guò)機(jī)加工或者線切割方法制備出裂紋的主體部分,隨后還要通過(guò)疲勞過(guò)程在此切割裂紋基礎(chǔ)上制備出尖端很尖銳的疲勞裂紋。試樣的裂紋由這兩部分構(gòu)成。第一道加工的切割裂紋缺口,應(yīng)垂直于試樣表面和預(yù)期的裂紋擴(kuò)展方向,偏差在±2°以內(nèi),其根部半徑應(yīng)在0.08mm以下。在疲勞過(guò)程在前期預(yù)制裂紋尖端引發(fā)疲勞裂紋的過(guò)程中,可以采用先大后小的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子首

4、先采用不高于材料的斷裂韌度的0.8倍的應(yīng)力來(lái)制備疲勞裂紋;而在后期,要求降低施加的應(yīng)力水平,使裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子降低到斷裂韌度的0.6倍以下。試樣中的裂紋需要滿足如下條件方是有效的:(1 裂紋平面應(yīng)與試樣的寬、厚兩個(gè)方向平行,裂紋不能分叉;(2 缺口加工裂紋的總長(zhǎng)度為0.45W0.55W之間;(3 試樣表面上的疲勞裂紋長(zhǎng)度不得小于0.025W,或者1.3mm,并且取其中的較大值;(或者:疲勞裂紋的長(zhǎng)度不能小于裂紋總長(zhǎng)度的5%;(4 裂紋在試樣兩個(gè)自由表面上的長(zhǎng)度不應(yīng)小于總裂紋長(zhǎng)度的90%;四、實(shí)驗(yàn)步驟(1 測(cè)定試樣的厚度B,要求沿著裂紋的預(yù)期擴(kuò)展面在未斷開(kāi)的區(qū)域測(cè)量厚度,精確要求未0.02

5、5mm或者0.1%B中的較大者。測(cè)量試樣的寬度W。(2 對(duì)試樣粘貼引伸計(jì)的卡裝刀口。將試樣安放于試驗(yàn)機(jī)上,要求裂紋擴(kuò)展面與加載壓頭盡量處于同一個(gè)平面上,避免二者錯(cuò)位或者形成明顯不為0的夾角。(3 對(duì)試樣加載,測(cè)量載荷P-位移V(即裂紋嘴標(biāo)距間距離的變化量關(guān)系曲線,直到試樣被完全斷裂為止。加載速度控制標(biāo)準(zhǔn)為:應(yīng)力強(qiáng)度因子的速率在0.552.75/smMPa范圍內(nèi)。(4 在裂紋擴(kuò)展斷裂的試樣斷口上,如圖示意性給出的那樣,借助于工具顯微鏡,在試樣厚度方向上1/4、1/2和3/4的位置上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度,記做a2、a3和a4;測(cè)量準(zhǔn)確度要求為0.5%。同時(shí),測(cè)量?jī)蓚€(gè)自由表面上的裂紋長(zhǎng)度,記做a1和a5。同

6、時(shí), 測(cè)量各位置上的疲勞裂紋的長(zhǎng)度。(5 根據(jù)測(cè)量得到的裂紋長(zhǎng)度,判斷試驗(yàn)的有效性。原則如下:1 a2、a3和a4中任意兩個(gè)測(cè)量值之差不得大于平均值a的10%;2 a1、a5與a的差值不得大于15%,a1和a5之差也不得大于a的10%;3 裂紋面與BW面平行,偏差在±10°以內(nèi)。滿足上述要求時(shí),取a2、a3和a4的平均值作為裂紋長(zhǎng)度a。(6 斷口形貌的觀察:注明每個(gè)試樣的斷口形貌特征。常見(jiàn)的斷口形貌類(lèi)型如圖4所示。對(duì)部分斜斷斷口,應(yīng)在裂紋頂端和試樣無(wú)缺口邊之間測(cè)量中心平斷口部分的平均寬度f(wàn)。記下單位厚度斜斷口的比例(B-f/B。全斜斷口中該數(shù)值f為0。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

7、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):試驗(yàn)機(jī)加載速率v=0.3mm/min,試驗(yàn)溫度18,試驗(yàn)濕度32%RH試樣基本尺寸:B=9.80mm,W=20mm,S=80mm數(shù)據(jù)處理:(1裂紋長(zhǎng)度aa2、a3、a4中任意兩者最大差值為a2-a3=0.266<1.0316,符合要求|a1-a|=|10.130-10.316|=0.186<1.5474,符合要求|a5-a|=|10.031-10.316|=0.285<1.5474,符合要求a1-a5=10.130-10.031=0.099<1.0316,符合要求裂紋面與BW面平行,偏差在±10°以內(nèi)(2P max及P q由試驗(yàn)測(cè)得的載荷-

8、位移曲線,確定裂紋擴(kuò)展的對(duì)應(yīng)載荷Pq,取彈性變形階段載荷-位移關(guān)系的線性段的斜率的95%,對(duì)該曲線做割線,交曲線于一點(diǎn)P5,如圖所示。可知在P5出現(xiàn)之前,載荷已經(jīng)達(dá)到了試驗(yàn)全過(guò)程的最高值P max,此時(shí)將P max作為Pq, Pq=P max=6.136KN。 3K q的計(jì)算對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣,根據(jù)下面公式計(jì)算出Kq值(平面應(yīng)變斷裂韌度的估算值: (4K IC的判據(jù)驗(yàn)證P max/Pq=1<1.1,符合要求2.5*(K q/s2=2.5*(49.6/14002=3.138*10-3m=3.138mm< B(9.80mm,a(10.316mm,符合要求六、結(jié)果及討論實(shí)驗(yàn)斷口形貌平整,推斷為脆斷。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的平均值只計(jì)算斷裂區(qū)中部的a2、a3、a4值,原因是中部的裂紋是在應(yīng)變狀態(tài)下斷裂,而斷裂表面處的裂紋是處于應(yīng)力斷裂,不在實(shí)驗(yàn)討論的范圍內(nèi)。a1、a5的測(cè)量只是為了方便判斷裂紋長(zhǎng)度有效性。在載荷變形曲線中,可見(jiàn)應(yīng)力到了最大值后便不斷下降,此時(shí)材料內(nèi)部由塑性變形階段變?yōu)榱鸭y在內(nèi)部擴(kuò)展階段。這由于裂紋頂端處應(yīng)力不可能無(wú)限地增長(zhǎng),當(dāng)?shù)竭_(dá)材料屈服應(yīng)力時(shí),即在裂紋頂端附近形成一個(gè)微小的屈服區(qū),所以無(wú)法直接用裂紋頂端