实验 平面应变断裂韧度K1c的测定(实验报告)

a≥50ry≈2.5(K1C/σs)2
3、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：
4)a=10.07mm在0.45W-0.55W之间，即处于9.28mm-11.34mm之间；
5)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；
6)B=10.21mm、a=10.07mm和(W-a)=10.56mm均大于2.5(KQ/σs)2=8.15mm；
7)Pmax/PQ=1.06≤1.1。
f(a/W)={3(a/W)1/2[1.99-(a/W)(1-a/W)×(2.15-3.93a/W+2.7a2/W2)]}/2(1+2a/W)(1-a/W)3/2
4、将PQ、B、W和f(a/W)代入下式：
KQ=(PQS/BW3/2)f(a/W)
即可算出KQ值，单位MPam1/2。
相关换算单位公式：MPam1/2=MNm-3/2，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a1、a5不得小于平均值a的90%；
10.03
10.17
10.02
9.75
0.489
20.63
10.21
80
a=1/3(a2+a3+a4)
10.07
3、计算结果：
修正系数f(a/W)
Pmax(N)
PQ(N)
Pmax/PQ
2.5(KQ/σs)2
KQMPam1/2
K1c
MPam1/2
2.58
12932.4
12222.6
1.06
8.15mm
5、数据分析：
将所得数据进行有效性校核，满足如下校核条件：
1)任一处的疲劳裂纹长度均大于2.5%W=0.52mm，且大于1.5mm；
2)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；
3)表面处裂纹长度a1、a5分别为10.13mm、9.75mm都大于平均值a的90%(=9.06mm)；
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：K1≤K1C，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，裂纹开始失稳扩展。此时材料处于临界状态，即K1=K1C。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）。
(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。
1460MPa
12.50℃
P量程(N/mm)
V量程(mm/mm)
加载速率(次/秒)
2000
0.02
100
2、试样测定参数：
高度W(mm)
厚度B(mm)
跨度S(mm)
裂纹长度(mm)
a/W
W1
W2
W3
B1
B2
B3
a1
a2
a3
a4
a5
20.63
20.66
20.61
10.23
10.19
10.21
10.13
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/σS)2；
7、Pmax/PQ≤1.1。
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
30CrMnSi
880oC油淬+220oC回火
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，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σS的比值B≥2.5(KQ/σS)2，或者σS对E的比值来选择。
0.545
3.09
0.495
2.62
0.550
3.14
0.500
2.66
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：
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：
(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；
2、将试样按图2—3装置安放好
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；
0.450
2.29
0.505
2.70
0.455
2.32
0.510
2.75
0.460
2.35
0.515
2.79
0.465
2.39
0.520
2.84
0.470
2.43
0.525
2.89
0.475
2.46
0.530
2.94
0.480
2.50
0.535
2.wenku.baidu.com9
0.485
2.54
0.540
3.04
0.490
2.58
3、取同炉批料加工2-3件常规拉伸试件，供测σS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。
对于理工类专业知识的学习，实验是必不可少的环节，以后在加强理论知识学习的同时更要多动手实验，在实验中发现问题，解决问题。多和同学交流，多向老师请教，提高实验技能。
(W-a)≥2.5(K1C/σs)2
(三)临界载荷的确定
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。
(二)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。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：
B≥2.5(K1C/σs)
a/w
f(a/w)
a/w
f(a/w)
6、试验结论：
1)断口形貌：具有准解理形貌，但同时也有少量微坑；
2)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=83.38MPam1/2。
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韧度，验证了所学知识---裂纹扩展的机理，加深了理解。由于第一次做这样的实验，之前很多地方不懂或者掌握的不太清楚。在实验过程中深刻体会到钱老师讲解的理论知识的重要性，同时也从实验指导老师冷老师那里学习了很多实验操作知识，收获巨大。此外，和同学共同学习、探讨、解决实验过程中出现的问题，也让我明白科研时团队合作的重要性。
83.38
83.38
4、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/PQ≤1.1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。
图2-2三种典型的P-V曲线
(3)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σ0.2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σc，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/σS)2，并满足Pmax/P5≤1.1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/σS)2的要求制成更厚的试件试验，直到上述条件得到满足。
5、取下夹式引伸计，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a1、a2、a3、a4和a5，如下图，取中间三个读数平均值a=1/3(a2+a3+a4)；
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。
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。
(一)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：
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。
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。