实验 平面应变断裂韧度K1c的测定

1、一、实验目的：1、学习了解金属平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的 关键要点。2、掌握金属平面应变断裂韧度K1C的测定方法。二、实验原理本实验按照国家标准GB4161-84规定进行。断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展能力的一种量度，在线弹性断裂力学中，材料发生脆性断裂的判据为：K1K1C，式中K1为应力场强度因子，它表征 裂纹尖端附近的应力场的强度，其大小决定于构件的几何条件、外加载荷的 大小、分布等。K1C是在平面应变条件下，材料中I型裂纹产生失稳扩展的 应力强度因子的临界值，即材料平面应变断裂韧度。裂纹稳定扩展时，K1 和外力P、裂纹长度a、试件尺寸有关；当P和a达到Pc和ac时，

2、裂纹开始 失稳扩展。此时材料处于临界状态，即K1=K1CO K1C与外力、试件类型及尺 寸无关(但与工作温度和变形速率有关)。应力场强度因子K1表达式三点弯曲试样：K1=(PS/BW3/2)f(a/W)式中：S为试件跨度，B为试件厚度，W为试件高度，a为试件裂纹长度。试件B、W和S的比例为：B： W： S=1： 2： 8，见图2-1所示：粘贴刀口图2-1三点弯曲试件图修正系数f(a/W)为a/W的函数，可以查表2-1，a/W在0.45-0.55之间。试样尺寸要求及试样制备1、平面应变条件对厚度的要求：当试件的厚度足够时，在厚度方向上的平面应力层所占比重很小，裂纹 顶端的广大区域处于平面应变状态

3、。这时整个试样近似地均处在平面应变条 件下，从而才能测得一稳定的K1C值。对试件厚度要求推荐为：BN2.5(Kic/气)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弯曲试样的f(a/w)2、小范围屈服条件对裂纹长度的要求：

4、对常用三点弯曲试样，因裂纹顶端存在或大或小的塑形区，塑形区半径 ry不能无限地接近零。K1近似可成立的r值是裂纹顶端塑形区与广大弹性区 交界的界面处。对三点弯曲要求：aN50rye25(K1C/气)23、韧带尺寸的要求：韧带尺寸也称韧带宽度(W-a)，对应力强度因子K的数值有很大影响， 如韧带宽度过小，背表面对裂纹塑性变形将失去约束作用，在加载过程中试 样整个韧带屈服，裂纹试样不再近似地认为弹性体，这时线弹性理论的分析 方法也就不适用。因此，试件的韧带尺寸必须满足小范围屈服条件，保证试 样背面对裂纹顶端的塑性变形有足够的约束作用，要求的韧带宽度：(W-a)N2.5(K /铲1C s临界载荷的确

5、定1、P-V曲线的三种类型及其临界载荷在通常的K1C测试中，所得到的载荷P对切口张开位移V的记录曲线， 大致可分为三类。如图2-2所示，临界载荷要根据不同类的曲线按一定的条 件来确定，这样所确定的叫做临界载荷条件值PQ。(1)用厚度足够大的试件进行试验时，往往测得到的是第III类曲线。这 时除表面层极小部分外，均处于平面应变状态下。在加载过程中，裂纹前段 并无扩展，当载荷达到最大值时，试件发生骤然的脆性断裂，断口绝大部分是平断口，这时最大载荷就可作为PQ。(2)当用厚度稍小的试件进行实验时，则可得到第II类曲线，此类曲线 有一个明显的“迸发”平台。这是由于加载过程中试件中心层处于平面应变 状态

6、先行扩展，而表面处于平面应力状态尚不能扩展，因而中心层的裂纹扩 展很快地被表面层拖住的缘故。这种试件在试验过程中，在达到“迸发”载荷时，往往可以听到清楚的“爆声”。这时“迸发”载荷等于PQ。E FEEQFmaxF = Fmax qmaxF 5= F斜断口I混合断口5平断口m图2-2三种典型的P-V曲线 当采用厚度为最小限度地试样进行试验时，所得到的往往属于第I类曲线。在这种情况下，不能按最大载荷来计算断裂韧度。因为在低于最大载荷时，试样裂纹已经在逐步扩展，只是由于裂纹前缘处于平面应变状态的 部分相对稍少一些，所以裂纹最初的“迸发”性扩展量很小，不易被察觉， 对于这样的试件。只能采用一定的工程假

7、设，从P-V曲线上来确定所谓“条 件值”。这和材料在拉伸试验中，用0.2%偏离初始切线的规定来定义屈服强 度。02是相似的。（四）试验结果的有效性确定了 PQ后，便可按载荷PQ算出。c，或算出相应的K值，记为Kq， 称为“条件断裂韧度”。如果B和a均大于2.5（KQ/O s）2,并满足Pmax/P51.1 条件，则Kq就可认为是材料的平面应变断裂韧度K1C。否则，还需要按B 和a均大于2.5（Kq/。s）2的要求制成更厚的试件试验，直到上述条件得到满 足。三、实验步骤（一）试样制备：1、金属结构材料，无论是锻件、板材，还是管材或棒材，都在不同程度上 具有各向异性。它反映在断裂韧度数值上更为突出

8、，因此，断裂韧度和 试样取向有关。裂纹面取向应严格按GB4161-84标准进行。在实际构件 中取样时，试件的裂纹取向应与构件中最危险的裂纹方向一致。2、试件厚度B可根据材料的K1C估计值与。S的比值BN2.5（KQ/O s）2,或者 。S对E的比值来选择。3、取同炉批料加工2-3件常规拉伸试件，供测。S为常规机械性能用，且必 须和K1C试件同炉热处理。4、试件粗加工和热处理后，再进行精加工，其最后尺寸和表面光洁度严格 按 GB4161-84 规定。5、小试样用线切割机制出切口，切口根部圆弧半径小于0.08mm。（二）预制疲劳裂纹：为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的K1C数据可以对比和实

9、 际应用，试件必须在疲劳试验机上预制疲劳裂纹。其方法是：先用线切割机 在试样上切割8mm长的机械切口，然后在疲劳试验系上使试样承受循环变 应力，引发尖锐的疲劳裂纹，约为2mm。将试件打磨一遍，去掉表面油垢。在中心机械切口两侧各7.5mm处划线，用以标记放在疲劳试验机上；分别在两侧的机械切口前沿2mm处划线，用 以观察其后疲劳裂纹生长到此线。将高频疲劳机的静载（平均应力）设为 1.25T，动载（应力幅）设为0.75T，频率为100Hz，平均振动90多万次后，观 察裂纹是否长到刻线处。预制疲劳裂纹时，应仔细监测试样两侧裂纹的萌生情况，避免两侧裂纹 不对称发展。（三）测定条件1、试件厚度应在疲劳裂纹

10、前缘韧带部分测量三次，取其平均值作为B。测 量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中较大者记录。2、试件高度应在切口附近测量三次，取其平均值作为 W，测量精度要求 0.02mm或0.1%W，取其中较大者记录。（四）试验程序1、在试件上粘贴刀口以便能安装夹式引伸计，刀口外线间距不得超过22mm， 安装夹式引伸计时要使刀口和引伸计的凹槽配合好；载荷传感器试试样2、将试样按图23装置安放好F讯号放大动态电阻4-函数应变仪记录仪V讯号放大图2-3三点弯曲试样试验装置示意图3、标定夹式引伸计；4、开动拉伸机，缓慢匀速加载，直至试样明显开裂，停机。曲线上记录下载荷和刀口张开位移之间的曲线；5、取下夹式引

11、伸计，开动引伸机，将试样压断，停机取下试样；6、记录试验温度和断口外貌。（五）Kq的计算1、从记录的P-V曲线上按规定来确定PQ值；2、裂纹长度用读数显微镜测出五个读数aa2、a3、aj5,如下图，取中+a +a ）；3、根据测得到a和W值，计算a/W值(精确到千分之一)，f(a/W)数值查表 或计算。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、将PQ、B、W和啊)代入下式：%=(PQS/BW3/2)f(a/W)即可算出Kq值，单位MPamm。相关换算单位公式： MPam2=MNm-3

12、/2，MPa=MNm-2，1kgf=9.807N，1kgfmm-3/2=0.310MPam1/2。(六)有效性校核计算得到的Kq是否为平面应变断裂韧度K1C，需要进行校核。满足以 下校核条件时，才能认为试验有效，即kq=k1C。1、任一处的疲劳裂纹长度均不得小于2.5%W，且不得小于1.5毫米；2、a2、a3、a4中最大裂纹长度与最小裂纹长度之差不得超过2.5%W(5%a)；3、表面处裂纹长度aa5不得小于平均值a的90%；4、a 应在 0.45W-0.55W 之间；5、裂纹平面应与试件高度W和厚度B的方向平行，允许偏差在10o以内;6、B、a 和(W-a)均应大于 2.5(KQ/o S)2；

13、7、PmaxQb1。四、试验数据与分析1、试验参数条件：试样名称试样状态屈服极限试验温度P-V曲线30CrMnSi880oC 油淬+220oC回火1460MPa12.50CP量程(N/mm)V量程(mm/mm)加载速率(次/秒)20000.021002、试样测定参数:高度W(mm)厚度B(mm)跨度S(mm)裂纹长度(mm)a/WW1W2W3B1B2B3a1a2a3a4a520.6320.6620.6110.2310.1910.2110.1310.0310.1710.029.750.48920.6310.2180a=1/3(a2+a3+a4)10.073、计算结果:修正系数f(a/W)Pmax

14、(N)Pq(N)Pmax/PQ2.5(勺。J2kqMPam1/2K 1cMPam1/22.5812932.412222.61.068.15mm83.3883.384、数据测定：试验所得三点弯曲曲线图(见附1),确定载荷条件值如下:由三点弯曲试件的试验曲线可以判定，曲线属于第I类曲线，则从坐标 原点O作割线OP5，其斜率比曲线的初始切线OA的斜率小5%, OP5与该 曲线的焦点所对应的载荷P5，如Pmax/PQ1. 1时，则取P5=PQ。测定过程中取 P/V=AC/OC,且V/V=5%。由此可得 Pmax=12932.4N， P5=Pq=12222.6N。5、数据分析：将所得数据进行有效性校核，

15、满足如下校核条件：任一处的疲劳裂纹长度均大于2.5%W=0.52mm，且大于1.5mm；a2、a3、a4中最大裂纹长度为a3=10.17mm与最小裂纹长度a4=9.75mm之 差等 于 0.42mm，小于 2.5%W=0.52mm；表面处裂纹长度aa5分别为10.13mm、9.75mm都大于平均值a的 90%(=9.06mm)；a=10.07mm 在 0.45W-0.55W之间，即处于 9.28mm-11.34mm之间；裂纹平面与试件高度W和厚度B的方向平行，偏差在10o以内；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、试验结论：断口形貌：具有准解理形貌，但同时也有少量微坑；试验试样所得数据满足以上校核条件都满足，那么可以认为本试验有 效，即可知：K1C= Kq= 83.38MPam/。五、试验心得通过此次试验，我已经掌握如何运用三点弯曲试验装置测量材料的断 裂