平面应变断裂韧度KIC试验指导

1、平面应变断裂韧度K试验指导IC一、试验内容：试验测定40Cr的平面应变断裂韧度。二、试验目的：加深了解平面应变断裂韧度的应用及其前提条件，体验试验过程。三、引言：断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变化形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的断裂脆性断裂。理论分析和大量实践结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是Qa=材料常数(1.1)式中，Q为正应力，2a为试样或者构件中的裂纹长度。这样的结果，应用于高强度金属材料的脆性断裂也与实际相符得非常好。根据线弹性断裂力学，断裂的判据是裂纹前沿应力强度因子K达到其临界值一一材料的平面应变断裂韧度KIC，即：K=YoaK(1.2)

2、IC式中Y是裂纹的形状因子。平面应变断裂韧度KIC是材料抵抗裂纹扩展能力的特征参量，它与裂纹的尺寸及承受的应力无关。平面应变断裂韧性，可以用于评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。材料的断裂韧度受到冶金因素(成分、热处理)的制造工艺(如焊接、成形)影响。应用平面应变断裂韧度对构件的断裂安全性进行评价，需要对构件的受力情况、工作环境、无损检测裂纹方法的灵敏度、可靠性等方面进行分析。四、试样条件4.1试样的形状尺寸平面应变断裂韧性的试验测量，对于达到或超过1.6mm厚度的材料，使用具有疲劳裂纹的试样进行测定，根据外形可以分成三点弯曲SE(B)、紧凑拉伸C(T)、C形拉伸A(T)和圆形紧凑

3、拉伸DC(T)四种试样。图1中给出了不同的试样。本试验采用三点弯曲试样。I|J育一-/丄1图1四种平面应变断裂韧上图为三点弯曲试样SE(B)；左图为紧凑拉伸试样C(T)；左下图为圆形紧凑拉伸DC(T)；右下图为两种C形拉伸A(T)三点弯曲试验用的标准试样，宽度与厚度之比W/B的名义值2，而试验时两个支撑点之间的跨距的名义值S=4W。非标准试样中，W/B的名义值在1至4之间，S/W为3或5。对于具有塑性变形能力的金属材料，随着应力强度因子的提高，在裂纹扩展之前裂纹前沿出现塑性区。平面应变断裂韧度KIC要求在裂纹前沿处于平面应变条件下，而KIC判据的适用前提是该塑性区比起试样的弹性区要小得多。大量

4、试验总结表明：满足这两个方面的要求、从而使KIC有效，SE(B)试样的尺寸要求为：(K*B、a2.5ic(1.3)2丿s式中，B为样品厚度，a为裂纹的宽度；Q为屈服强度。s由于KIC为待测的性能，其未知性造成试样尺寸的不确定性。为此，推荐按照屈服强度Q与杨氏弹性模量E比值来确定试样的尺寸，国家标准(GB4161-84)中给出了试样的最小厚度或裂纹的长度与上述比值之间的关系(表1)。其中，Q/E为0.005、0.008、0.009时，试样厚度B的最小s值分别为75、20、12.5mm。4.2试样中裂纹的制备要求测定裂纹失稳扩展时的裂纹应力强度因子的临界值，要求裂纹尖端具有足够高的应力集中效应，否

5、则，易于造成试验因为应力位移曲线不符合要求而得不到预定结果。为此，试样中裂纹的制备由两道工序完成。首先要通过机加工或者线切割方法制备出裂纹的主体部分，随后还要通过疲劳过程在此切割裂纹基础上制备出尖端很尖锐的疲劳裂纹。试样的裂纹由这两部分构成。第一道加工的切割裂纹缺口，应垂直于试样表面和预期的裂纹扩展方向，偏差在2以内，其根部半径应在0.08mm以下。在疲劳过程在前期预制裂纹尖端引发疲劳裂纹的过程中，可以采用先大后小的最大应力强度因子首先采用不高于材料的断裂韧度的0.8倍的应力来制备疲劳裂纹；而在后期，要求降低施加的应力水平，使裂纹尖端的应力强度因子降低到断裂韧度的0.6倍以下。试样中的裂纹需要

6、满足如下条件方是有效的：裂纹平面应与试样的宽、厚两个方向平行，裂纹不能分叉；缺口加工裂纹的总长度为0.45W0.55W之间；试样表面上的疲劳裂纹长度不得小于0.025W，或者1.3mm,并且取其中的较大值；(或者：疲劳裂纹的长度不能小于裂纹总长度的5；)裂纹在试样两个自由表面上的长度不应小于总裂纹长度的90；五、试验设备平面应变断裂韧度试验，需要具有足够加载能力的试验机。试验过程中，能够自动记录载荷与相应的裂纹张开位移变化的引伸计。此外需要测量试样尺寸的量具，并且需要工具显微镜，对试验断裂后的试样测定不同部位的裂纹长度。试验加载过程中的试验装置如图2所示。其中，测量裂纹嘴标距间相对位移的引伸计

7、为双悬臂式，通过粘贴的卡口将其卡装在裂纹嘴标距之间，基本对称地处于裂纹的两侧。 六、试验程序测定试样的厚度B,要求沿着裂纹的预期扩展面在未断开的区域测量厚度，精确要求未0.025mm或者0.1%B中的较大者。测量试样的宽度W。对试样粘贴引伸计的卡装刀口。将试样安放于试验机上，要求裂纹扩展面与加载压头尽量处于同一个平面上，避免二者错位或者形成明显不为0的夹角。对试样加载，测量载荷P位移V(即裂纹嘴标距间距离的变化量)关系曲线，直到试样被完全断裂为止。加载速度控制标准为：应力强度因子的速率在0.552.75MPa-m/s范围内。在裂纹扩展断裂的试样断口上，如图3示意性给出的那样，借助于工具显微镜，

8、在试样厚度方向上1/4、1/2和3/4的位置上测量裂纹长度，记做a2、a3和a4；测量准确度要求为0.5%。同时，测量两个自由表面上的裂纹长度，记做竹和a5。同时，测量各位置上的疲劳裂纹的长度。根据测量得到的裂纹长度，判断试验的有效性。原则如下：a2、a3和a4中任意两个测量值之差不得大于平均值a的10%；aa5与a的差值不得大于15%，d和a5之差也不得大于a的10%；裂纹面与BW面平行，偏差在10以内。满足上述要求时，取a2、a3和a4的平均值作为裂纹长度a。断口形貌的观察：注明每个试样的断口形貌特征。常见的断口形貌类型如图4所示。对部分斜断断口，应在裂纹顶端和试样无缺口边之间测量中心平断

9、口部分的平均宽度f。记下单位厚度斜断口的比例(B-f)/B。全斜断口中该数值为0。*14断口形貌示七、试验数据处理：由试验测得的载荷一位移曲线，确定裂纹扩展的对应载荷P,其确定方法如图5所示。取弹性变形阶段载荷一位移关系的线性段的斜率的95%，对该曲线做割线，交曲线于一点P5。可以分为图5中所示的3种情况确定P。类型I中试验最大载荷P出现在P5之后，此时，将P5点的qmax55载荷作为P;类型II中P5点之前有更高的载荷值，但是P5之后还有更高的载荷P。此时，取P5之q55max5前的最高值作为P;类型III中，在P5出现之前，载荷已经达到了试验全过程的最高值P，此时q5max将P作为P。ma

10、xq对于标准三点弯曲试样，根据下面公式计算出K值(平面应变断裂韧度的估算值)：JaW丿、AH、井聃口Z图5载荷一位移oOP-SK=q-fqBW32曲线及特征载荷确定方法示意图O(2.1) 式中，裂纹形状因子的计算公式为：()(2.2)=3(aW)121.99CW)1aW)xG.153.93aW+2.7a2W2(1+2aW)(1-aW)32其中，常用的数值在表1中给出，以便于查阅。表1标准三点弯曲试样的形状因子a/wf(a/w)a/wf(a/w)a/wf(a/w)a/wf(a/w)0.4502.290.4752.460.5002.660.5252.890.4552.320.4802.500.50

11、52.700.5302.940.4602.350.4852.540.5102.750.5352.990.4652.390.4902.580.5152.790.5403.040.4702.430.4952.620.5202.840.5503.143.K作为平面应变断裂韧度的有效性判断：前面已经提到了有关预制裂纹的要求。在上述裂纹条件得到满足的情况下，还需要同时满足以下两个方面的条件，试验测定的K值才是有效的平面应变断裂韧度。载荷条件：qP/P2.5qs八、试验记录内容包括：试验机型号，加载速率，试验温度，(及相对湿度)材料，热处理工艺，屈服强度；试样类型，试样尺寸(W、B、S)；试验数据一一各裂纹长度；P、匕；(B-f)/BKIC；qmax处理数据K，P/P，2.5oqmaxqqs九、本试验之外的其它注意事项各种材料的断裂韧度，受到各种因素的影响，可能存在明显的各向异性。故此，测量时取样的方向性具有严格的规定，并且必须要按规定标记于试样上。有关内容请参阅国标正文内容。试样通过疲劳制造裂纹