北科大-平面断裂韧度测试实验

图 2 弯曲试验试样 本次实验选择试样 1<W/B< 4，试样的跨距 S 等于 4W，裂纹长度在 0.45W-0.55W 之 间。此次试验采用经过 860℃淬火，220℃低温回火处理的 40Cr 钢，其屈服强度大小为 1400MPa，试样为 GB/T 4161-2007 规定的标准三点弯曲试样，名义尺寸：宽度 W=20mm， 跨距 S=80mm，厚度 B=10mm（W/B=2） 。
曲试样的宽度或紧凑拉伸试样的有效宽度。 ������������������������������������ 表征了在严格拉伸力约束下有尖裂纹存在时材料的断裂抗力，这时： 1) 裂纹尖端附近的应力状态接近于平面应变状态； 2) 裂纹尖端塑性区的尺寸比裂纹尺寸、试样厚度和裂纹前沿的韧带尺寸要足够小； 材料在真实的使用过程中，������������������������ 值小于������������������������������������ 值时，循环力或持久力可引起裂纹扩展。在循 环力或持久力下，裂纹扩展将由于腐蚀介质的存在而加快，因此，应用������������������������������������ 于服役部件设计 时，应当考虑实验室试验条件和现场条件之间可能存在的差异。
裂纹尖端附近的弹性应力场可以用应力强度������������进行描述，������������因子的大小取决于含裂纹体 本身及裂纹的几何形状、大小及位置，并取决于应力的大小与分布情况。随裂纹长度、外 加名义应力及其他因素的改变，应力强度因子������������就会发生变化。例如，对于一定长度的张 开型裂纹，随着应力的提高，应力强度因子������������������������ 增大，当������������������������ 增加到一定数值时，裂纹扩展。 也就是说，裂纹是否会失稳与������������值的大小相关，因此，可以用������������因子的临界值������������������������ 确定脆断 条件。 ������������判据（应力强度因子断裂判据）的定义如下： 含裂纹的弹性体在外力作用下，裂纹尖端实际的������������因子达到该材料发生失稳扩展的临 界值������������������������ 时，裂纹就会发生失稳扩展而导致裂纹体的断裂。 平面应变脆性断裂判据: ������������������������ = ������������������������������������ 对于特定的材料，������������������������������������ 是一定的，是材料常数，可以通过实验测定。本实验使用预制疲 劳裂纹试样,通过增加力来测定金属材料的断裂韧度������������������������������������ ，力与缺口张开位移数据储存到计 算机。根据对试验记录的线性部分规定的偏离来确定 2%最大表观裂纹扩展量所对应的 力。如果认为试验确实可靠，������������������������������������ 值就可以根据这个力计算。 用带有疲劳预裂纹的缺口试样，在三点弯曲下自动加载自动记录载荷F及裂纹张开位移 V，在记录的F − V上求出裂纹长度的表观扩展量为 2%时的载荷，将此载荷代入相应试样的 ������������������������ 表达式，计算������������������������������������ 的条件值������������������������ ，弯曲试样的������������������������ 值按下式计算： 式中,裂纹形状因子的计算公式为： ������������ 0.5 ������������ ������������ 3.93������������ 2.7������������2 3 � � [1.99 − � � � 1 − � × � 2.15 − + �] ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ 2 ������������ � � = 2������������ ������������ ������������ 2(1 + )(1 − )1.5 ������������ ������������ 式中，������������������������ 为特定的力值，a 为裂纹长度，B 为试样厚度，S 为弯曲试样跨距，W 为弯 ������������������������ ∙ ������������ ������������ K ������������ = � 3 � ∙ ������������ ������������� � ������������������������ 2
图 5 载荷－位移曲线及特征载荷确定方法示意图 2.计算条件值������������������������ （平面应变断裂韧度的估算值） 式中,裂纹形状因子的计算公式为： ������������ 0.5 ������������ ������������ 3.93������������ 2.7������������2 3 � � [1.99 − � � � 1 − � × � 2.15 − + �] ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ 2 ������������ � � = 2������������ ������������ ������������ 2(1 + )(1 − )1.5 ������������ ������������ 平面应变断裂韧度试验结果应保留三位有效数字。 3. ������������������������ 有效性判断 ������������������������ ∙ ������������ ������������ K ������������ = � 3 � ∙ ������������ ������������� � ������������������������ 2
三、试验材料及试样
本次实验所选材料为 40Cr，试样在 860℃油淬，在 220℃回火，其组织为回火马氏 体，σs =1400MPa。 根据 GB/T 4161-2007 要求，对裂纹起始缺口与最大允许缺口有如图 1 所示：
图 1 裂纹起始缺口与最大允许缺口/裂纹包迹 标准弯曲试样是三点弯曲加力条件下具有单边缺口和疲劳裂纹的梁。跨距（S）通常 等于宽度（W）的 4 倍，这种试样形状的常用比例尺寸如图 2 所示。
并通过原点 O（零载荷点）画割线 OF5，其斜率为线性段的 0.95 倍，之后确定 FQ,若在 FQ 在 F5 点之前，则记录曲线上每一点载荷都低于 F5（I 型） ，取������������������������ = F5；若存在超过 F5 的载 荷（II 型或 III 型） ，则取这个载荷为������������������������ 。
四、试验设备和仪器
1.WDW-200D 型微机控制电子式万能材料试验机（试验力准确度优于示值的 0.5%）
2.双悬臂夹式引伸计（在 100%FS 内，精度优于 1%） 3.工具显微镜（精度 0.001mm） 4.游标卡尺(精度 0.02mm)
五、试验步骤
1.首先测量试样尺寸是否符合标准，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，在三个等间隔的位置上测量厚度 B，准确到 0.025mm 或 0.1%，以较大者为 准，取三次平均值；在缺口附近三个位置测量宽度 W，准确到 0.025mm 或 0.1%，以较大 者为准，取三次平均值; 2.随后在试样上装卡引伸计，在试样裂纹两侧用胶对称的粘贴一对卡扣片来装卡引伸 计，两片刀口的距离 10.3mm，然后将引伸计标距装卡在刀口上； 3.将试样放在试样机上，如图 3 所示以使加载线通过两个支撑轨中心距的中点，偏差 在两个支撑轨中心距离（S）的 1%以内，同时，试样应与支撑轨垂直，偏差在±2°以内， 将试样安装于试验机支座上并调整其位置，跨距 S 已经实现确定为 80mm，准确到公称长
度的±0.5%。尽量使裂纹扩张面与加载压头处于同一平面，在计算机界面上设置加载速度 0.2mm/min，然后对试样加载，屏幕显示载荷 F-位移 V 关系曲线，试样裂纹沿缺口逐渐扩 ，然后将试样用钳子掰断。 张，直到出现最大载荷为止；标记和记录下最大力（Fmax） 4. 断口形貌的观察：从试验机上取下试样，观察断口形貌，着重观察黑色线切割裂纹 区，深灰色疲劳裂纹扩展区和深灰色的瞬间断裂区；常见的断口形貌类型如图 6 所示。对 部分斜断断口(a)或(b)，应在裂纹顶端和试样无缺口边之间测量中心平断口部分的平均宽度 F。记下单位厚度斜断口的比例(B-F)/B。全斜断口(c)中该数值为 0。 5.在裂纹扩展断裂的试样断口上，如图 4 示意性给出的那样，借助于工具显微镜，在 试样厚度 B 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 a1 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： 1) a2、a3 和 a4 中任意两个测量值之差不得大于平均值 a 的 10％； 2) a1、a5 与 a 的差值不得大于 15％，a1 和 a5 之差也不得大于 a 的 10％； 3)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。
������������������������
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图 6 典型断口形貌
八、数据记录与处理
1.用游标卡尺测量得出试样的厚度和宽度数据见表格 1 表格 1 试样尺寸 测量位置 宽度 W/mm 厚度 B/mm 试样宽度 W W= 试样厚度 B B=
在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 Kq 值才是有效的平面应变断裂韧度������������������������������������ 。 1）载荷有效性: