平面应变断裂韧度kⅠc的测定

1、金属力学性能实验金属力学性能实验 平面应变断裂韧度平面应变断裂韧度k c的测定 的测定 一、实验目的一、实验目的 1正确掌握平面应变断裂韧度正确掌握平面应变断裂韧度k c的测 的测 试方法。试方法。 2了解测定了解测定k c所需的仪器设备装置。 所需的仪器设备装置。 二、实验内容二、实验内容 1.1. 测定被测材料的测定被测材料的P-VP-V的曲线，计算条件断的曲线，计算条件断 韧度韧度K KQ Q值。值。 2 2验算实验所得验算实验所得K KQ Q值，确定有效值，确定有效K KC C值。 值。 三、基本概念和测试原理三、基本概念和测试原理 根据线弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹

2、体脆断的根据线弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹体脆断的 判据是：判据是： K K =K =Kc c 式中式中K K 为 为型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场 的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为 ： 式中：式中：Y Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量，是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量， 也称几何因子。也称几何因子。 是外加应力。是外加应力。 是裂纹体内的裂纹长度。是裂纹体内的裂纹长度。 K K 是一个复合力学参量，其值的大小仅决定于构件 是一个

3、复合力学参量，其值的大小仅决定于构件( (包括裂纹包括裂纹) )的几何的几何 形状和尺寸；外加应力的大小，分布等。而形状和尺寸；外加应力的大小，分布等。而K KC C是在平面应变条件下， 是在平面应变条件下， 材料中材料中型型( (即张开型即张开型) )裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的临界裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的临界 值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一 种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时，裂纹种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时，裂纹 前端的应力强度因子前

4、端的应力强度因子K K 也增大，当 也增大，当 K K 增大到等于某一临界值，即材 增大到等于某一临界值，即材 料的平面应变断裂韧度料的平面应变断裂韧度K KC C时，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件， 时，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件， 就能导致裂纹体脆断，此时外加应力就能导致裂纹体脆断，此时外加应力达到临界应力达到临界应力c c，若将，若将 =c c，；则：，；则： ayk CC kay 因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子K的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹 前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷Pc,(或应力 c)，就可利用已知的K表达式求出相应的临界值K,

5、即为试祥材料的平面应变断裂 韧度KC。 本实验采用标准三点弯曲试样，其K表达式为： 其中：式中：P负荷 ；B试样厚度 ；W试样宽度 ； S跨度 ； a裂纹长度 其中： 通过实验可出被测材料的P-V曲线（负荷位移曲线），从P-V曲线上确定的值（裂纹 失稳扩展的临界负荷），计算出的KQ值。 I3 2 PSa Kf() w BW 12 2 2 3 2 aaaaa 3() (1.99)(1) (2.153.932.7) a wwwww f() waa 2(12)(1) ww )( 2 3 w a f BW SP K Q Q PQ的确定（斜率降低5%的割线法） 四、实验试样及其材料四、实验试样及其材料

6、材料：材料：30CrMnSi；870淬火淬火+200回火；回火；Rp0.2=1450Mpa 试样类型：三点弯曲试样、试样类型：三点弯曲试样、S=4W、W=2B、a=（0.450.55）W 裂纹长度裂纹长度a：机械裂纹：机械裂纹a0+疲劳裂纹疲劳裂纹af 五、实验仪器设备和装置五、实验仪器设备和装置 高频疲劳试验机、材料试验机、夹式引伸计高频疲劳试验机、材料试验机、夹式引伸计 （COD规）、游标卡尺、读数显微镜等。规）、游标卡尺、读数显微镜等。 六、实验步骤六、实验步骤 测量试样尺寸测量试样尺寸W,B 在缺口两边贴上两片刀在缺口两边贴上两片刀 口片，如下图，用来固口片，如下图，用来固 定夹式引伸

7、计定夹式引伸计 刀口安装部位示意图刀口安装部位示意图 引伸计示意图引伸计示意图 将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在 两片刀口之中。两片刀口之中。 将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在两片刀口之中。 调整试样放置的位置，使得试验机的上压头中心正好在试样的裂调整试样放置的位置，使得试验机的上压头中心正好在试样的裂 纹延长线上纹延长线上。 打开测试软件及试验机开始实验，对试样施加弯曲载荷直到试样打开测试软件及试验机开始实验，对试样施加弯曲载荷直到试样 断裂。断裂。 取下试样和引伸计。取下试样和引伸计。 用读数显微测量试样断口处的平均裂纹长度用读数显微测量试样断口处的平均裂纹长度a， a=（a2+a3+a4）/3 用用95%斜率割线法，求斜率割线法，求PQ 。 计算计算KQ： )( 2 3 w a f BW SP K Q Q 验算：验算： （1） 2 2.0 )(5.2 P Q R k B （2） 1.1 max Q P P 如满足以上二个判据，如满足以上二个判据，K KQ Q才算有效；则才算有效；则K KQ Q=K=KC C，否则，否则K KQ QKKCC。 七、实验报告七、实验报告 1试验目的和内容。试验目的和内容。 2筒述测试原理。筒述测试原理。 3试验材料及试样