實(shí)驗(yàn) 平面應(yīng)變斷裂韌度K1c的測(cè)定

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)了解金屬平面應(yīng)變斷裂韌度K1C試樣制備，斷口測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的 關(guān)鍵要點(diǎn)。2、掌握金屬平面應(yīng)變斷裂韌度K1C的測(cè)定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4161-84規(guī)定進(jìn)行。斷裂韌度是材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的一種量度，在線彈性斷裂力學(xué)中，材料發(fā)生脆性斷裂的判據(jù)為：K1K1C，式中K1為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，它表征 裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，其大小決定于構(gòu)件的幾何條件、外加載荷的 大小、分布等。K1C是在平面應(yīng)變條件下，材料中I型裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的 應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，即材料平面應(yīng)變斷裂韌度。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)，K1 和外力P、裂紋長(zhǎng)度a、試件尺寸有關(guān)；當(dāng)P和a達(dá)到Pc和ac時(shí)，

2、裂紋開始 失穩(wěn)擴(kuò)展。此時(shí)材料處于臨界狀態(tài)，即K1=K1CO K1C與外力、試件類型及尺 寸無關(guān)(但與工作溫度和變形速率有關(guān))。應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1表達(dá)式三點(diǎn)彎曲試樣：K1=(PS/BW3/2)f(a/W)式中：S為試件跨度，B為試件厚度，W為試件高度，a為試件裂紋長(zhǎng)度。試件B、W和S的比例為：B： W： S=1： 2： 8，見圖2-1所示：粘貼刀口圖2-1三點(diǎn)彎曲試件圖修正系數(shù)f(a/W)為a/W的函數(shù)，可以查表2-1，a/W在0.45-0.55之間。試樣尺寸要求及試樣制備1、平面應(yīng)變條件對(duì)厚度的要求：當(dāng)試件的厚度足夠時(shí)，在厚度方向上的平面應(yīng)力層所占比重很小，裂紋 頂端的廣大區(qū)域處于平面應(yīng)變狀態(tài)

3、。這時(shí)整個(gè)試樣近似地均處在平面應(yīng)變條 件下，從而才能測(cè)得一穩(wěn)定的K1C值。對(duì)試件厚度要求推薦為：BN2.5(Kic/氣)a/wf(a/w)a/wf(a/w)0.4502.290.5052.700.4552.320.5102.750.4602.350.5152.790.4652.390.5202.840.4702.430.5252.890.4752.460.5302.940.4802.500.5352.990.4852.540.5403.040.4902.580.5453.090.4952.620.5503.140.5002.66表2-1彎曲試樣的f(a/w)2、小范圍屈服條件對(duì)裂紋長(zhǎng)度的要求：

4、對(duì)常用三點(diǎn)彎曲試樣，因裂紋頂端存在或大或小的塑形區(qū)，塑形區(qū)半徑 ry不能無限地接近零。K1近似可成立的r值是裂紋頂端塑形區(qū)與廣大彈性區(qū) 交界的界面處。對(duì)三點(diǎn)彎曲要求：aN50rye25(K1C/氣)23、韌帶尺寸的要求：韌帶尺寸也稱韌帶寬度(W-a)，對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子K的數(shù)值有很大影響， 如韌帶寬度過小，背表面對(duì)裂紋塑性變形將失去約束作用，在加載過程中試 樣整個(gè)韌帶屈服，裂紋試樣不再近似地認(rèn)為彈性體，這時(shí)線彈性理論的分析 方法也就不適用。因此，試件的韌帶尺寸必須滿足小范圍屈服條件，保證試 樣背面對(duì)裂紋頂端的塑性變形有足夠的約束作用，要求的韌帶寬度：(W-a)N2.5(K /鏟1C s臨界載荷的確

5、定1、P-V曲線的三種類型及其臨界載荷在通常的K1C測(cè)試中，所得到的載荷P對(duì)切口張開位移V的記錄曲線， 大致可分為三類。如圖2-2所示，臨界載荷要根據(jù)不同類的曲線按一定的條 件來確定，這樣所確定的叫做臨界載荷條件值PQ。(1)用厚度足夠大的試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，往往測(cè)得到的是第III類曲線。這 時(shí)除表面層極小部分外，均處于平面應(yīng)變狀態(tài)下。在加載過程中，裂紋前段 并無擴(kuò)展，當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試件發(fā)生驟然的脆性斷裂，斷口絕大部分是平斷口，這時(shí)最大載荷就可作為PQ。(2)當(dāng)用厚度稍小的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，則可得到第II類曲線，此類曲線 有一個(gè)明顯的“迸發(fā)”平臺(tái)。這是由于加載過程中試件中心層處于平面應(yīng)變 狀態(tài)

6、先行擴(kuò)展，而表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)尚不能擴(kuò)展，因而中心層的裂紋擴(kuò) 展很快地被表面層拖住的緣故。這種試件在試驗(yàn)過程中，在達(dá)到“迸發(fā)”載荷時(shí)，往往可以聽到清楚的“爆聲”。這時(shí)“迸發(fā)”載荷等于PQ。E FEEQFmaxF = Fmax qmaxF 5= F斜斷口I混合斷口5平斷口m圖2-2三種典型的P-V曲線 當(dāng)采用厚度為最小限度地試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，所得到的往往屬于第I類曲線。在這種情況下，不能按最大載荷來計(jì)算斷裂韌度。因?yàn)樵诘陀谧畲筝d荷時(shí)，試樣裂紋已經(jīng)在逐步擴(kuò)展，只是由于裂紋前緣處于平面應(yīng)變狀態(tài)的 部分相對(duì)稍少一些，所以裂紋最初的“迸發(fā)”性擴(kuò)展量很小，不易被察覺， 對(duì)于這樣的試件。只能采用一定的工程假

7、設(shè)，從P-V曲線上來確定所謂“條 件值”。這和材料在拉伸試驗(yàn)中，用0.2%偏離初始切線的規(guī)定來定義屈服強(qiáng) 度。02是相似的。（四）試驗(yàn)結(jié)果的有效性確定了 PQ后，便可按載荷PQ算出。c，或算出相應(yīng)的K值，記為Kq， 稱為“條件斷裂韌度”。如果B和a均大于2.5（KQ/O s）2,并滿足Pmax/P51.1 條件，則Kq就可認(rèn)為是材料的平面應(yīng)變斷裂韌度K1C。否則，還需要按B 和a均大于2.5（Kq/。s）2的要求制成更厚的試件試驗(yàn)，直到上述條件得到滿 足。三、實(shí)驗(yàn)步驟（一）試樣制備：1、金屬結(jié)構(gòu)材料，無論是鍛件、板材，還是管材或棒材，都在不同程度上 具有各向異性。它反映在斷裂韌度數(shù)值上更為突出

8、，因此，斷裂韌度和 試樣取向有關(guān)。裂紋面取向應(yīng)嚴(yán)格按GB4161-84標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在實(shí)際構(gòu)件 中取樣時(shí)，試件的裂紋取向應(yīng)與構(gòu)件中最危險(xiǎn)的裂紋方向一致。2、試件厚度B可根據(jù)材料的K1C估計(jì)值與。S的比值BN2.5（KQ/O s）2,或者 。S對(duì)E的比值來選擇。3、取同爐批料加工2-3件常規(guī)拉伸試件，供測(cè)。S為常規(guī)機(jī)械性能用，且必 須和K1C試件同爐熱處理。4、試件粗加工和熱處理后，再進(jìn)行精加工，其最后尺寸和表面光潔度嚴(yán)格 按 GB4161-84 規(guī)定。5、小試樣用線切割機(jī)制出切口，切口根部圓弧半徑小于0.08mm。（二）預(yù)制疲勞裂紋：為了模擬實(shí)際構(gòu)件中存在的尖銳裂紋，使得到的K1C數(shù)據(jù)可以對(duì)比和實(shí)

9、 際應(yīng)用，試件必須在疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋。其方法是：先用線切割機(jī) 在試樣上切割8mm長(zhǎng)的機(jī)械切口，然后在疲勞試驗(yàn)系上使試樣承受循環(huán)變 應(yīng)力，引發(fā)尖銳的疲勞裂紋，約為2mm。將試件打磨一遍，去掉表面油垢。在中心機(jī)械切口兩側(cè)各7.5mm處劃線，用以標(biāo)記放在疲勞試驗(yàn)機(jī)上；分別在兩側(cè)的機(jī)械切口前沿2mm處劃線，用 以觀察其后疲勞裂紋生長(zhǎng)到此線。將高頻疲勞機(jī)的靜載（平均應(yīng)力）設(shè)為 1.25T，動(dòng)載（應(yīng)力幅）設(shè)為0.75T，頻率為100Hz，平均振動(dòng)90多萬次后，觀 察裂紋是否長(zhǎng)到刻線處。預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，應(yīng)仔細(xì)監(jiān)測(cè)試樣兩側(cè)裂紋的萌生情況，避免兩側(cè)裂紋 不對(duì)稱發(fā)展。（三）測(cè)定條件1、試件厚度應(yīng)在疲勞裂紋

10、前緣韌帶部分測(cè)量三次，取其平均值作為B。測(cè) 量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中較大者記錄。2、試件高度應(yīng)在切口附近測(cè)量三次，取其平均值作為 W，測(cè)量精度要求 0.02mm或0.1%W，取其中較大者記錄。（四）試驗(yàn)程序1、在試件上粘貼刀口以便能安裝夾式引伸計(jì)，刀口外線間距不得超過22mm， 安裝夾式引伸計(jì)時(shí)要使刀口和引伸計(jì)的凹槽配合好；載荷傳感器試試樣2、將試樣按圖23裝置安放好F訊號(hào)放大動(dòng)態(tài)電阻4-函數(shù)應(yīng)變儀記錄儀V訊號(hào)放大圖2-3三點(diǎn)彎曲試樣試驗(yàn)裝置示意圖3、標(biāo)定夾式引伸計(jì)；4、開動(dòng)拉伸機(jī)，緩慢勻速加載，直至試樣明顯開裂，停機(jī)。曲線上記錄下載荷和刀口張開位移之間的曲線；5、取下夾式引

11、伸計(jì)，開動(dòng)引伸機(jī)，將試樣壓斷，停機(jī)取下試樣；6、記錄試驗(yàn)溫度和斷口外貌。（五）Kq的計(jì)算1、從記錄的P-V曲線上按規(guī)定來確定PQ值；2、裂紋長(zhǎng)度用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出五個(gè)讀數(shù)aa2、a3、aj5,如下圖，取中+a +a ）；3、根據(jù)測(cè)得到a和W值，計(jì)算a/W值(精確到千分之一)，f(a/W)數(shù)值查表 或計(jì)算。a/W)=3(a/W)i/21.99-(a/W)(1-a/W)x(2.15-3.93a/W+2.7a2/W2)/2(1+2a/W)(1-a/W)3/24、將PQ、B、W和啊)代入下式：%=(PQS/BW3/2)f(a/W)即可算出Kq值，單位MPamm。相關(guān)換算單位公式： MPam2=MNm-3

12、/2，MPa=MNm-2，1kgf=9.807N，1kgfmm-3/2=0.310MPam1/2。(六)有效性校核計(jì)算得到的Kq是否為平面應(yīng)變斷裂韌度K1C，需要進(jìn)行校核。滿足以 下校核條件時(shí)，才能認(rèn)為試驗(yàn)有效，即kq=k1C。1、任一處的疲勞裂紋長(zhǎng)度均不得小于2.5%W，且不得小于1.5毫米；2、a2、a3、a4中最大裂紋長(zhǎng)度與最小裂紋長(zhǎng)度之差不得超過2.5%W(5%a)；3、表面處裂紋長(zhǎng)度aa5不得小于平均值a的90%；4、a 應(yīng)在 0.45W-0.55W 之間；5、裂紋平面應(yīng)與試件高度W和厚度B的方向平行，允許偏差在10o以內(nèi);6、B、a 和(W-a)均應(yīng)大于 2.5(KQ/o S)2；

13、7、PmaxQb1。四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析1、試驗(yàn)參數(shù)條件：試樣名稱試樣狀態(tài)屈服極限試驗(yàn)溫度P-V曲線30CrMnSi880oC 油淬+220oC回火1460MPa12.50CP量程(N/mm)V量程(mm/mm)加載速率(次/秒)20000.021002、試樣測(cè)定參數(shù):高度W(mm)厚度B(mm)跨度S(mm)裂紋長(zhǎng)度(mm)a/WW1W2W3B1B2B3a1a2a3a4a520.6320.6620.6110.2310.1910.2110.1310.0310.1710.029.750.48920.6310.2180a=1/3(a2+a3+a4)10.073、計(jì)算結(jié)果:修正系數(shù)f(a/W)Pmax

14、(N)Pq(N)Pmax/PQ2.5(勺。J2kqMPam1/2K 1cMPam1/22.5812932.412222.61.068.15mm83.3883.384、數(shù)據(jù)測(cè)定：試驗(yàn)所得三點(diǎn)彎曲曲線圖(見附1),確定載荷條件值如下:由三點(diǎn)彎曲試件的試驗(yàn)曲線可以判定，曲線屬于第I類曲線，則從坐標(biāo) 原點(diǎn)O作割線OP5，其斜率比曲線的初始切線OA的斜率小5%, OP5與該 曲線的焦點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷P5，如Pmax/PQ1. 1時(shí)，則取P5=PQ。測(cè)定過程中取 P/V=AC/OC,且V/V=5%。由此可得 Pmax=12932.4N， P5=Pq=12222.6N。5、數(shù)據(jù)分析：將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性校核，

15、滿足如下校核條件：任一處的疲勞裂紋長(zhǎng)度均大于2.5%W=0.52mm，且大于1.5mm；a2、a3、a4中最大裂紋長(zhǎng)度為a3=10.17mm與最小裂紋長(zhǎng)度a4=9.75mm之 差等 于 0.42mm，小于 2.5%W=0.52mm；表面處裂紋長(zhǎng)度aa5分別為10.13mm、9.75mm都大于平均值a的 90%(=9.06mm)；a=10.07mm 在 0.45W-0.55W之間，即處于 9.28mm-11.34mm之間；裂紋平面與試件高度W和厚度B的方向平行，偏差在10o以內(nèi)；B=10.21mm、a=10.07mm 和(W-a)=10.56mm 均大于 2.5(Kq/ o s)2=8.15mm；Pmax/PQ=1.061.1。6、試驗(yàn)結(jié)論：斷口形貌：具有準(zhǔn)解理形貌，但同時(shí)也有少量微坑；試驗(yàn)試樣所得數(shù)據(jù)滿足以上校核條件都滿足，那么可以認(rèn)為本試驗(yàn)有 效，即可知：K1C= Kq= 83.38MPam/。五、試驗(yàn)心得通過此次試驗(yàn)，我已經(jīng)掌握如何運(yùn)用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置測(cè)量材料的斷 裂