(完整版)平面应变断裂韧度K1C的测定实验预案

平面应变断裂韧度K1C的测定实验预案
姓名：江维
学号：M050110110
指导老师：钱士强
学院：材料工程学院
一、试样制备
1.材料：先用40刚
表一
2.试样尺寸确定
图1
（1）厚度：
σ和K IC的估计值，根据为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的
2.0
上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。

K IC的
σ／E的值确定估计值可以借用相近材料的K IC值，也可根据材料的
2.0
试件的尺寸，如下表所示：
表二试样的推荐尺寸
当确知22
.0)(
5.2σC
K I 比表中推荐尺寸小得多时，可采用较小试件．在试验
测得有效K IC 结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a 、22
.0)(5.2σC
K B I ≥
B ≥2.5(K 1
C /σs )2 ≥2.5(71.9/294)2=0.1496m
所以取B=0.15m. （2）高度：
a ≥50r y ≈2.5(K 1C /σs )2
○1 (W-a)≥2.5(K 1C /σs )2 ○2 由○1+○2得W ≥2*2.5(K 1C /σs )2 ,所以取W=0.3m 。

（3）长度：
跨距：S=4W+0.2W=1.26m. 长度L>S,所以取L=1.4m 。

表三
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K 1C 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。

预制疲劳裂纹开始时，最大疲劳载荷应使应力强度因子的最大值不超过K 1C 的80%，疲劳载荷的最低值应使最低值与最小值之比在-1与0.1之间。

在疲劳裂纹扩张的最后阶段，至少在2.5%a 的扩展中，应当减少最大载荷或位移，使疲劳应力强度因子的最低值K fmax ≤0.6K 1C, K fmax /E<0,0032m 1/2 。

同时调整最小载荷或位移，使载荷比乃在-1~0.1之间。

表四
其方法是：先用线切割机在试样上切割0.14m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0.01m。

，观察裂纹是否长到刻线处。

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
三、试样尺寸测量
1、试件厚度应在疲劳裂纹前缘韧带部分测量三次B1, B2, B3，取其平均值作为B=
(B1+B2+B3)/3。

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W1，W2,W3，取其平均值作为W=( W1+W2+W3)/3，
测量精度要求0.02mm或0.1%W，取其中较大者记录。

四、实验程序
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
应变仪记录仪
图2 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；
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。

图4试口示意图
五、 实验结果处理 （一）
（1）确定条件临界载荷Pq P-V 曲线如图3所示一般分为三种类型，即稳定扩展型Ⅰ，局部扩展型Ⅱ和失稳扩展型Ⅲ。

在P-V 曲线上要确定裂纹长度的表观扩展量为2％的载荷即Pq ，而
2％的裂纹扩展量对应的裂纹嘴张开位移的相对增量为5％。

确定Pq 的方法如下：过原点作直
线OA ，使OA 的斜率为P-V 曲线初始直线斜率的95％，直线与P-V 曲线的交点对应的载荷为P 5。

● 对于失稳扩展型，其Pq =Pmax ；样断
● 对于局部扩展型，若P 5点前有载荷峰值大于P 5，则这个峰值为P q ； ● 对于稳定扩展型Pq =P 5。

要求 Pmax ／Pq ≤ 1.1，否则试验无效。

（2）测量裂纹长度
裂纹长度a 用工具显微镜或其它精密测量仪器测量。

图4为试件断口示意图，考虑到裂纹前缘的不平直，规定在1/4B ；1/2B ；3/4B 位置上测量裂纹长度a 2，a 3，a 4取其平均值3/)(432a a a a ++=作为裂纹长度。

要求a 2，a 3，a 4任意两个测量值之差都不得大于a 的10％，而且a 1、、，a 5之差也不得大于a 的10％。

（3）计算条件断裂韧度Kq 及有效性检验
将条件临界载荷Pq 和裂纹长度a 代入K I 表达式计算条件断裂韧度Kq ，并对Kq 进行有效性检验。

有效性条件如下： （a ）2
2052)/K (.B .q σ≥
22052)/K (.a .q σ≥ 22052)/K (.a W .q σ≥-
图3 典型P-V 曲线
（b ） 1.1/max ≤q P P （c ）q K K f %60m ax ≤
（d ）a 2-a 3、a 3-a 4、a 4-a 2＜10％a ；a 1-a 5＜10％a 。

由各项均满足要求，则Kq ＝K IC ，否则试验结果无效。

（二）
1、 从记录的P-V 曲线上按规定来确定P Q 值；
1）求P －V 曲线直线段的斜率b ：
根据P －V 曲线图形找出直线段的P 、V 数据-→任选一空白单元格-→点击fx （插入函数）-→选统计函数SLOPE （确定）-→X 选直线段的V 数据区；Y 选直线段的P 数据区，（确定）-→单元格显示该斜率b 。

2）作直线，其斜率b 0.95＝P －V 曲线直线段斜率b 的95％：
选一空白单元列作为Y 0.95数据列-→计算直线各点的Y 坐标值即：Y 0.95＝各点V 值×b 0.95并填入Y 0.95数据列-→选中图表-→选原数据菜单-→添加新系列-→X 值仍选V 数据区；Y 选Y 0.95数据区（确定） 3）直线与P －V 曲线的交点即为P 5点。

4）Pq 值应当满足Pmax ／Pq ≤1.1，否者实验无效。

2、裂纹长度用读数显微镜测出五个读数a 1、a 2、a
3、a 4和a 5，如下图，取中间三个读数平均值a=1/3(a 2+a 3+a 4)；
图5
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。

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 1、将P Q、B、W和f(a/W)代入下式：
K Q=(P Q S/BW3/2)f(a/W)
即可算出K Q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。