金属平面应变断裂韧度KIC测定

试样材料 热处理 试样尺寸/mm 缺口形状 缺口宽度/mm 缺口深度/mm 断裂韧度
图1 三点弯曲试样
图2 紧凑拉伸试样
W
W
W
图3 预制疲劳裂纹时两条标线的位置
图4 三点弯曲试样断裂韧度试验
W
a1
a2
a3
a4来自百度文库
a5
图5 裂纹长度的测量位置
图6 F-V曲线的三种基本形式
预制疲劳裂纹开始时的载荷可较大，但最大交 变载荷也不应使Kfmax(预制疲劳裂纹时的最大 应力场强度因子)超过材料KIC估计值的80%。 交变载荷的最低值应使最小载荷与最大载荷在 裂纹扩展最后阶段(即在裂纹总长度最后的 2.5%的距离内)，应使Kfmax≤60%KIC，并且 Kfmax/E<0.01mm1/2，同时调整最小载荷使载荷 比在-1~0.1之间。预制疲劳裂纹过程中，要用 放大镜或计数显微镜仔细监视裂纹的发展，遇 有试样两侧裂纹发展深度相差较大时，可将试 样调转方向继续加载。
五、试验结果的分析及处理
• 1．确定裂纹失稳扩展时的条件临界力值FQ 测得的P－V曲线有图6所示三种形式，对强度高、塑 性低的材料，加载初始阶段，P－V呈直线关系，当载 荷达到一定程度，试样突然断裂，曲线突然下降，得 到曲线I，这时曲线最大载荷就是计算KIC的PQ；对韧 性较好的材料，曲线首先依直线关系上升到一定值后， 突然下降，出现“突进”点，旋又上升，直到某一更 大载荷，试样才完全断裂，如曲线II；韧性更好的材 料，得到P－V曲线III。对II、III两种曲线，标准规定 从坐标原点做比试验曲线斜率小5％的斜线与试验曲线 相交，得一点P5，如P5以左曲线上有载荷点高于P5的， 即以P5以左得最高载荷为PQ；如P5以左无载荷点高于 P5，即以P5为PQ，以计算KQ。
• 6．开动试验机，对试样缓慢而均匀地加力， 加力速率的选择应使应力场强度因子的增加速 度在17.4-87.0N/mm3/2•s-1范围内。在加力的同 时记录F-V曲线，直至试样所能承受的最大力 后停止。此外，在加力过程中，还应在F-V曲 线上记录任一初始力和最大力的数值(由试验 机表盘读出)，以便对F-V曲线上的力值进行标 定。 • 7．试验结束后，取下引伸计，压断试样。将 压断后的试样在工具显微镜或其他精密测量仪 器下测量裂纹长度a。由于裂纹前沿不平直， 规定在δ/4、δ/2、3δ/4的位置上测量裂纹长度a2、 a3及a4(图5)，各测量值准确到裂纹长度a的 0.5%，取其平均长度a= (a2+a3+a4)/3作为裂纹 长度。a2、a3、a4中任意两个测量值之差以及a1 与a5之差都不得大于a的10%。
4．试样上粘贴刀口，安装引伸计，使刀 口与引申计两臂前端的凹槽密切配合。 5．将压力传感器和夹式引伸计的接线分 别按“全桥法”接入动态应变仪，并进 行平衡调节。用动态输出档，将压力F及 裂纹尖端开位移V的输出讯号分别接到 函数记录仪的“Y”和“X”接线柱上。调 整好函数记录仪的放大比例，使记录的 曲线线性部分的斜率在0.7-1.5之间，最 好在1左右；在调整动态应变仪和X-Y记 录仪的放大倍数使画出的图形大小适中。
• PQ确定后，将试样压断，测量预制裂纹长度a，将PQ、 a、B、W、S等代入应力强度因子表达式（式1）、 （式2）以计算KQ。注意断口上预测裂纹线并不是一 平直的线，而是一弧形线，标准中规定了裂纹长度a值 的办法。 • 2．计算条件断裂韧性KQ 将FQ和a值代入KI表达式计算KQ。 • 3．KIC有效性判别 标准规定，测得的KQ是否有效，要看是否 满足以下两个条件：
三、试验设备及材料
• 1.万能材料试验机：最大试验力100kN(或 300kN)，在活动横梁上应配备有专用的弯曲试 样支座一台。 • 2.动态应变仪一台；X-Y函数记录仪一台；压 力传感器100kN一个；夹式引伸计一个；位移 标定器一台；工具显微镜一台。
• 3.实验用材料及试样：本试验采用图1所示的标准三点 弯曲试样。对于强度较高而韧性较差的材料，即使试 样尺寸较小也能满足平面应变和小范围屈服的条件。 对强度低、韧性好的材料，则要很大尺寸的试样才能 满足上述条件。为了保证用较小尺寸的试样测得有效 的KIC值，试样材料和热处理工艺的选择应保证σ0.2较 高而KIC较低。试样材料及其热处理工艺可在推荐如下 两种中任选一种，也可根据上述原则另外选取。 (1) 40Cr钢，淬火+200℃回火。 (2) 2024铝合金，T6态。 每组学生领取同一种材料及热处理工艺的试样一个或 3个。 此外，尚需准备游标卡尺一把及支持引伸计用的刀口 6块，“502”快干胶水一瓶。
KI FS 2 a /W 4.64a a a a 0.866 13.32( ) 2 14.72( )3 5.6( ) 4 BW 1/ 2 (1 a / W )3/ 2 W W W W
1
当S＝4W时，式（1）又可表示为
FS 2 a /W 4.64a a 2 a 3 a 4 KI 0.866 13.32( ) 14.72( ) 5.6( ) 1/ 2 3/ 2 BW (1 a / W ) W W W W
3．断裂实验
• 将制备好的试样用专门制作的夹持装置在一般 万能材料试验机或电子拉伸试验机上进行实验， 图4所示的是三点弯曲试样断裂韧度实验的示 意图。试样2放在支座上，机器油缸下装载荷 传感器1，下连压头，试样2下边装夹式引伸计 3。加载过程中，载荷传感器传出载荷P的信号， 夹式引伸计传出裂纹尖端张开位移V的信号， 将信号P、V通过放大器4输入X－Y函数记录 仪5，记录下P－V曲线，然后依P－V曲线确定 裂纹失稳扩展临界载荷PQ，依PQ和试样压断后 实测的裂纹长度a代入K式(式1）、 （式2)以求KQ。
金属平面应变断裂韧度 KIC测定
主讲教师：
一、实验目的
• 1.了解金属材料平面应变断裂韧度KIC试 验的基本原理以及对试样形状和尺寸 的要求。 • 2.掌握采用三点弯曲试样测试KIC的方法 及试验结果的处理方法。
二、实验原理
• 断裂韧度KIC是金属材料在平面应变和小范围 屈服条件下裂纹失稳扩展时应力场强度因子KI 的临界值，它表征金属材料抵抗断裂的能力， 是度量材料韧性好坏的一个定量指标。断裂韧 度KIC的测试过程，就是把试验材料制成一定 形状的试样，并预制出相当于缺陷的裂纹，然 后把试样加载。加载过程中，连续记录载荷P 与相应的裂纹尖端张开位移V。裂纹尖端张开 位移V的变化表示了裂纹尚未起裂、已经起裂、 稳定扩展或失稳扩展的情况。
（1） （2）
B 2.5(
K IC
Pmax / PQ 1.1
s
)2
如果符合上述两项条件，KQ即KIC；如不符合，则 KQ不是KIC。
六、试验报告要求
• 1．简述用三点弯曲试样测试KIC的原 理、试验装备及试验过程。 • 2．将所测试样的试验数据填入表1， 并对试验数据进行分析计算。
表1 断裂韧度试验记录表
• 开好缺口的试样，在高频疲劳试验机上预制疲 劳裂纹。试样表面上的裂纹长度应不小于 0.25w或1.3mm，取其中之较大值。a/w应控制 在0.45~0.55范围内。预制疲劳裂纹时，先在试 样的两个侧面上垂直于裂纹扩展方向用铅笔或 其他工具画两条标线(图3)，其中标线AB与 0.5w相对应，标线CD在靠近缺口一侧，两条 标线间的距离应不小于缺口加疲劳裂纹总长度 的2.5%，即0.0125w。
2
1．试样尺寸的确定
• 标准规定，测得的KQ是否有效，要看是否满 足以下两个条件：
（1） （2）
B 2.5(
K IC
Pmax / PQ 1.1
s
)2
• 如果符合上述两项条件，KQ即KIC；如不符合， 则KQ不是KIC，须加大试样尺寸，重新实验。
2．试样制备
• 试样可以从机件实物上切去，也可以从铸、锻 件毛坯或轧材上切取。由于材料的断裂韧度与 裂纹取向和裂纹扩展方向有关，所以在切取试 样时应予以注明。 • 试样毛坯粗加工后，进行热处理和磨削加工 (不需热处理的试样粗加工后直接进行磨削加 工)，随后开缺口和预制疲劳裂纹。试样上的 缺口一般用线切割加工。为了后面预制的裂纹 平直，缺口应尽可能尖锐，一般要求尖端半径 为0.08~0.1mm。
当裂纹起裂失稳扩展时，记录下载荷PQ，再将 试样压断，测得预制裂纹长度a，代入裂纹尖 端应力强度因子K的表达式中得到临界值，记 做KQ，然后按一些规定判断KQ是不是真正的 KIC；如果不符合判别要求，则KQ仍不是KIC， 需要重做。
• 国标《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方 法》规定的主要使用试样是三点弯曲和紧凑拉 伸两种，试样尺寸如图1和图2所示，K的表达 式为 ：
四、试验步骤和方法
• 1. 测量试样尺寸。在缺口附近至少3个位置上 测量试样宽度W，准确到0.025mm或 0.1%δ(取其中之较大者)，取其平均值。 • 2．安装弯曲试样支座，使加力线通过跨距s的 中点，偏差在s的1%以内。放置试样时应 使裂纹顶端在位于跨距的正中，偏差也不 得超过s的1%,而且试样与支承辊的轴线应 成直角，偏差在±2 º 以内。 • 3．标定引伸计。