平面应变断裂韧度KIC试验指导

平面应变断裂韧度K IC 试验指导

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

=a σ材料常数 （1.1）

式中，σ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——材料的平面应变断裂韧度K IC ，即：

IC Y K a K ≥=σ （1.2）

式中Y 是裂纹的形状因子。平面应变断裂韧度K IC 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。

图1 四种平面应变断裂韧度试验样品

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)

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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K IC 要求在裂纹前沿处于平面应变条件下，而K IC 判据的适用前提是该塑性区比起试样的弹性区要小得多。大量试验总结表明：满足这两个方面的要求、从而使K IC 有效，SE(B)试样的尺寸要求为：

2s IC 5.2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛≥σK a B 、 (1.3)

式中，B 为样品厚度，a 为裂纹的宽度；为屈服强度。 s σ 由于K IC 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，/E 为0.005、0.008、0.009时，试样厚度B 的最小值分别为75、20、12.5mm 。

s σs σ4.2 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。试样中的裂纹需要满足如下条件方是有效的：

(1) 裂纹平面应与试样的宽、厚两个方向平行，裂纹不能分叉；

(2) 缺口加工裂纹的总长度为0.45W ~0.55W 之间；

(3) 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％；)

(4) 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。

图2 试验装置示意图 图3 裂纹长度测量示意图

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六、试验程序

(1) 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 。

(2) 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。

(3) 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0.55~2.75/s m MPa ⋅范围内。

(4) 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，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a 2、a 3和a 4；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a 1和a 5。同时，测量各位置上的疲劳裂纹的长度。

(5) 根据测量得到的裂纹长度，判断试验的有效性。原则如下：

1) a 2、a 3和a 4中任意两个测量值之差不得大于平均值a 的10％；

2) a 1、a 5与a 的差值不得大于15％，a 1和a 5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a 2、a 3和a 4的平均值作为裂纹长度a 。

(6) 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。

图4 断口形貌示意图 图5 载荷－位移曲线及特征载荷确定方法示意图

七、试验数据处理：

1．由试验测得的载荷－位移曲线，确定裂纹扩展的对应载荷P q ，其确定方法如图5所示。取弹性变形阶段载荷－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P 5。可以分为图5中所示的3种情况确定P q 。类型I 中试验最大载荷P max 出现在P 5之后，此时，将P 5点的载荷作为P q ；类型II 中P 5点之前有更高的载荷值，但是P 5之后还有更高的载荷P max 。此时，取P 5之前的最高值作为P q ；类型III 中，在P 5出现之前，载荷已经达到了试验全过程的最高值P max ，此时将P max 作为P q 。

2．对于标准三点弯曲试样，根据下面公式计算出K q 值（平面应变断裂韧度的估算值）：

⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅⋅=W a f BW

S P K q q 23 (2.1) 式中，裂纹形状因子的计算公式为： ()()()()[]()()23222112127.293.315.2199.13W a W a W a W a W a W a W a W a f −++−×−−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛ (2.2) 其中，常用的数值在表1中给出，以便于查阅。

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