北科大-平面断裂韧度测试实验
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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。
一、试验目的
40Cr 平面应变断裂韧度������������������������������������ 的测定
二、试验原理
1.学习 GB/T 4161,掌握平面应变断裂韧度的测定方法 2.采用标准三点弯曲试样测定 40Cr 钢平面应变断裂韧度������������������������������������
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:
������������������������������������������������ ������������������������
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。
������������������������
���Байду номын сангаас��������
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=
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) 。
2)裂纹前沿的塑性屈服区尺寸条件:
≤1.10
4.计算裂纹前沿塑性区尺寸������������0
(W-a),B,a≥ 2.5( ������������ )2
������������������������
������������
������������0 =
2√2������������
1
( ������������ )2
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������������������������ 。
图 3 试验装置示意图
图 4 裂纹长度测量示意图
六、数据记录内容
试验机型号,加载速率,试验温度
七、试验数据预处理
材料,热处理工艺,屈服强度; 试样类型,试样尺寸(W、B、S); 实验数据:各裂纹长度 a;������������������������ ,������������������������������������������������ 1.确定条件载荷������������������������ ,其确定方法如图 5 所示,沿着 F-V 曲线的线性段作过原点的直线,
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
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。
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
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