北京科技大学金属断裂韧性试验预习报告

PAGEPAGE940Cr平面应变断裂韧性试验报告一、试验内容、目的与要求1.用标准三点弯曲方法测定40Cr在淬火+低温回火后的平面应变断裂韧性2.加深理解平面应变断裂韧性的应用及其前提条件。二、试验原理断裂条件是：σ*a0.5=材料常数σ为正应力，2a线弹性断裂力学断裂判据：K=Yσ*a0.5≥KICY是裂纹形状因子。平面应变断裂韧性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。它可以用于：(1)评价材料的适用性(2)作为材料的验收和质量控制标准(3)对构件的断裂安全性进行评价三、试验材料与试样试验材料：40Cr，880℃淬火，220℃回火试样：按照国标要求加工的标准三点弯曲试样SE(B)，其中名义跨度S=4W(W＝20mm)其标准比例和公差见图1。图1弯曲试样SE(B)的标准比例和公差四、试验仪器与设备1.WDW-200D万能拉伸试验机；2.工具显微镜，最小分度为0.001mm；3.YYJ-4/10引伸计，能够准确指示裂纹嘴标距间的相对位移，且能稳妥地安在试样上；4.游标卡尺，精度为0.02mm。五、试验步骤1.试验之前按照国标要求预先制备好疲劳裂纹；2.测量试样厚度B：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，在三个等间隔位置上测量厚度B，准确到0.025mm或0.1%B，取其中较大者，取三次测量的平均值作为B；3.测量试样宽度W：在缺口附近至少三个位置上测量宽度W，准确到0.0025mm或0.1%W，取较大者，计算平均值作为W；4.在试样上粘贴引伸计卡装刀口（本次试验中，使用上一组粘贴好的试样，本组粘贴的试样供下一组使用），具体步骤为：（1）用游标卡尺量出5.30mm的距离，并保持这个距离；（2）移动游标卡尺，使裂纹居于5.30mm距离的中间；（3）在卡尺两个测量脚处划线标记；（4）在标记出粘贴刀口5.在试样上装载引伸计后，将试样装于试验机上，不断调整试样位置，使其处于载样台的正中，裂纹扩展面与加载压头要处于一个平面上，避免二者错位或形成明显不为0的夹角。然后设置加载速率为0.3mm/min进行加载；6.试样断裂后，测量裂纹长度a：在B/4、B/2、3B/4的位置上测量裂纹长度a2、a3、a4，同时测量a1与a5。各测量值准确到0.5%。取a=（a2+a3+a4）/3，用所得a值计算Kq.图2裂纹长度的测量位置7.判断裂纹有效性；8.判断KIC有效性；9.断口形貌观察，注明试样断口形貌特征。六、试验数据1.试样相关尺寸数据见表1。表1试样尺寸数据记录表测量次数123平均值试样厚度B/mm9.929.929.929.92试样宽度W/mm20.0820.0820.0620.072.试样裂纹长度数据见表2。表2试样裂纹长度数据记录表测量位置a1a2a3a4a5长度/mm9.0989.3019.0939.2729.112a/mm9.2223.载荷—变形曲线图见图3。金属三点弯曲试验报告试验部门（单位）：材料名称：低碳钢试验日期：2011-11-17:17-16试验标准：GB/T228-2002试样形状：矩形截面试样批号：温度：18序号试样编号最大弯曲力--kN136.086图3试验机得到的载荷-变形曲线4.试样断口形貌照片见图4。图4试样断口形貌照片七、数据处理与分析1.裂纹有效性判断（1）因为a/W=9.222/20.07=0.459，因此满足裂纹长度在0.45~0.55W之间。（2）a2、a3、a4中，差值最大的为a2、a3，并且a2-a3=9.301-9.093=0.208mm＜10%所以满足a2、a3、a4中任意两个测量值之差不得大于a的10%的要求。（3）|a1–a|=|9.098-9.222|=0.124mm＜15%a；|a5–a|=|9.112-9.222|=0.11mm＜15%a；|a5–a1|=|9.112-9.098|=0.014mm＜10%a；所以满足对于直通形缺口，a1、a5与a之差不得大于a的15%，且a1与a5之差也不得大于a的10%的要求。（4）因为试样的机加工裂纹长度s为7mm，故疲劳裂纹长度应为裂纹总长度减去机加工裂纹长度：a–s=9.222–7=2.222mm＞1.3mm所以满足对于直通形缺口试样表面上的疲劳裂纹长度的要求。（5）经观察裂纹面与BW平面平行，偏差在±10°以内。综上所述，裂纹满足有效性要求。2.确定Pq与Pmax在试验中得到载荷—变形曲线图后，过记录曲线的线性段作直线OA，O为直线与横轴的交点，并通过O点画割线OP5，使得割线斜率为直线OA斜率的95%，P5为割线与曲线的交点，如图3。由图可知，P5与Pmax重合，因此Pq=Pmax=6.086kN3.查f(a/W)由于a/W=0.459，因此在国标中查表，得f(a/W)=2.3444.计算Kq将数据代入下列公式中：Kq=（PqS/BW1.5）*f(a/W)=(6086*0.08)/(0.00992*0.020071.5)*2.344=40.46MPa·m0.5得出Kq值。5.KIC有效性判断（1）由于Pmax/Pq=1＜1.10，所以载荷比符合要求；（2）由于2.5*(Kq/Rp0.2)2=2.5*(40.46/1400)2=2.08mm而2.08mm＜a=9.222mm，2.08＜B=9.92mm所以2.5*(Kq/Rp0.2)2的值满足小于或等于试样厚度B和裂纹长度a得要求。综上所述，试验结果有效，且KIC=Kq=40.46MPa·m0.56.裂纹前沿塑性区尺寸R0=1/(2*20.5*π)*(KIC/Rp0.2)2=1/(2*20.5*π)*(40.46/1400)2=0.094mm八、试验结论通过三点弯曲试验测定经880℃淬火，220℃回火的40Cr钢的平面应变断裂韧性KIC=40.46MPa其中KIC的有效性条件是Pmax/Pq=1，2.5*(Kq/Rp0.2)2=2.08mm九、结果讨论1.关于裂纹长度a的确定在试验中确定裂纹长度a时采用的方法是取a2、a3、a4三者的平均值，没有将a1、a5考虑进去的原因是这二者为试样表面的裂纹的长度，试样表面裂纹不够稳定，故舍弃这二者。取a2、a3、a4三者的平均值可以减小试验误差，使a值更准确。2.关于裂纹有效性的判断在裂纹有效性的判断中，对a1、a2、a3、a4、a5、a六个数值的上下浮动程度进行了严格控制，这样可以减小数据的方差，提高裂纹长度a值的可靠性。再深入一层考虑，如果直通形裂纹在理想的试验条件下进行理想的全面稳定均匀扩展的话，裂纹前沿应是一条与试样厚度方向平行的直线，此时a1、a2、a3、a4、a5、a六个数值完全相等。但是由于试验条件不够理想，例如所加载荷并非理想状态下的三点弯曲载荷；同时由于材料自身的因素，例如组织不均匀、宏观偏析等，使得裂纹向前扩展时不同部位的裂纹前沿所受阻力不同，使得实际裂纹前沿成为一条曲线。为了使试验结果尽量接近理想状态，故需要对a1、a2、a3、a4、a5、a六个数值的上下浮动程度进行严格控制，以确保在试验允许的范围内裂纹是全面均匀稳定的有效扩展，而非局部扩展、失稳扩展等无效扩展。3.关于Pmax与P5Pmax是裂纹开始失稳的临界载荷；P5点是一个人为规定。规定裂纹相对扩展Δa/a=2%时的KI值，作为平面应变断裂韧性的条件值。而当a/W≈0.5时，无论三点弯曲试样还是紧凑拉伸试样，Δa/a=2%时大约相当于ΔV/V=5%，即：(V+ΔV)/V=1.05所以P/(V+ΔV)=P/(1.05*V)即P/(V+ΔV)=0.95*P/V式中P/V是载荷-变形曲线上直线部分的斜率，P/(V+ΔV)是割线OP5的斜率。故可知割线OP5的斜率是载荷-变形曲线上直线部分斜率的95%。因此P5点就是裂纹相对扩展2%时对应的点。4.关于计算Kq时S值的选择由测量得W=20.07mm，但是计算Kq时S值并不取为4*20.07mm=80.28mm，而是取S=80mm。这是因为试样放在试验机上经调整后，实际进行三点弯曲试验的跨度是由试验机的两个辊子的间距决定的，即为名义跨度S=80mm5.关于载荷比Pmax/Pq在KIC有效性判断中，要求载荷比满足Pmax/Pq≤1.10。此项规定的原因，可以从其相反面来考虑。当载荷比不满足要求时，即Pmax/Pq＞1.10时，联系载荷-变形曲线分析，可知在载荷为Pq时裂纹开始扩展，但当载荷增加至超过1.1Pq时，才达到裂纹失稳扩展载荷值Pmax。Pq值比Pmax值小的比较多，可以推断裂纹开始扩展时并非全面均匀扩展，而是不均匀的局部扩展，因此所需要的驱动力较小，使得Pq值较小。而裂纹的不均匀局部扩展是不希望看到的无效扩展方式，因此不允许此种扩展发生，即不允许Pmax/Pq＞1.10。故要求Pmax/Pq≤1.106.关