平面應(yīng)變斷裂韌度K1c的測定(實驗報告)

1、晶體缺陷與強度理論實驗報告平面應(yīng)變斷裂韌度Kic的測定姓名：江強學(xué)號：M050110116指導(dǎo)老師：錢士強學(xué)院：材料工程學(xué)院完成時間：2010年12月15日實驗?zāi)康模?、學(xué)習(xí)了解金屬平面應(yīng)變斷裂韌度 Kic試樣制備，斷口測量及數(shù)據(jù)處理的 關(guān)鍵要點。2、掌握金屬平面應(yīng)變斷裂韌度Kic的測定方法。實驗原理本實驗按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB4161-84規(guī)定進行。斷裂韌度是材料抵抗裂紋擴展能力的一種量度，在線彈性斷裂力學(xué)中， 材料發(fā)生脆性斷裂的判據(jù)為：Ki< Kic,式中Ki為應(yīng)力場強度因子，它表征 裂紋尖端附近的應(yīng)力場的強度，其大小決定于構(gòu)件的幾何條件、外加載荷的 大小、分布等。Kic是在平面應(yīng)變條件

2、下，材料中I型裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴展的 應(yīng)力強度因子的臨界值，即材料平面應(yīng)變斷裂韌度。裂紋穩(wěn)定擴展時，Ki和外力P、裂紋長度a試件尺寸有關(guān)；當(dāng)P和a達(dá)到Pc和ac時，裂紋開始 失穩(wěn)擴展。此時材料處于臨界狀態(tài)，即 Ki=Kic。Kic與外力、試件類型及尺 寸無關(guān)(但與工作溫度和變形速率有關(guān))。(一) 應(yīng)力場強度因子Ki表達(dá)式 三點彎曲試樣：Ki=(PS/BW 3/2)f(a/W)式中：S為試件跨度，B為試件厚度，W為試件高度，a為試件裂紋長度。 試件B、W和S的比例為：B： W: S=i： 2： 8,見圖2-i所示：圖2-i三點彎曲試件圖修正系數(shù)f(a/W)為a/W的函數(shù)，可以查表2-i，a/W在0.

3、45-0.55之間(二) 試樣尺寸要求及試樣制備1平面應(yīng)變條件對厚度的要求:當(dāng)試件的厚度足夠時，在厚度方向上的平面應(yīng)力層所占比重很小，裂紋 頂端的廣大區(qū)域處于平面應(yīng)變狀態(tài)。這時整個試樣近似地均處在平面應(yīng)變條 件下，從而才能測得一穩(wěn)定的 Kic值。對試件厚度要求推薦為：B > 2.5(Kic/ s)a/wf(a/w)a/wf(a/w)0.4502.290.5052.700.4552.320.5102.750.4602.350.5152.790.4652.390.5202.840.4702.430.5252.890.4752.460.5302.940.4802.500.5352.990.48

4、52.540.5403.040.4902.580.5453.090.4952.620.5503.140.5002.66表2-1彎曲試樣的f(a/w)2、小范圍屈服條件對裂紋長度的要求：對常用三點彎曲試樣，因裂紋頂端存在或大或小的塑形區(qū)，塑形區(qū)半徑 ry不能無限地接近零。Ki近似可成立的r值是裂紋頂端塑形區(qū)與廣大彈性區(qū) 交界的界面處。對三點彎曲要求：2a> 50r y2.5(Kic/ s)3、韌帶尺寸的要求：韌帶尺寸也稱韌帶寬度(W-a)，對應(yīng)力強度因子K的數(shù)值有很大影響, 如韌帶寬度過小，背表面對裂紋塑性變形將失去約束作用，在加載過程中試 樣整個韌帶屈服，裂紋試樣不再近似地認(rèn)為彈性體，這

5、時線彈性理論的分析 方法也就不適用。因此，試件的韌帶尺寸必須滿足小范圍屈服條件，保證試 樣背面對裂紋頂端的塑性變形有足夠的約束作用，要求的韌帶寬度：2(W-a) > 2.5(K ic/ s)2(三) 臨界載荷的確定1、p-v曲線的三種類型及其臨界載荷在通常的Kic測試中，所得到的載荷P對切口張開位移V的記錄曲線, 大致可分為三類。如圖2-2所示，臨界載荷要根據(jù)不同類的曲線按一定的條 件來確定，這樣所確定的叫做臨界載荷條件值Pq。(1) 用厚度足夠大的試件進行試驗時，往往測得到的是第川類曲線。這 時除表面層極小部分外，均處于平面應(yīng)變狀態(tài)下。在加載過程中，裂紋前段 并無擴展，當(dāng)載荷達(dá)到最大值

6、時，試件發(fā)生驟然的脆性斷裂，斷口絕大部分 是平斷口，這時最大載荷就可作為 Pq。(2) 當(dāng)用厚度稍小的試件進行實驗時，則可得到第U類曲線，此類曲線 有一個明顯的“迸發(fā)”平臺。這是由于加載過程中試件中心層處于平面應(yīng)變 狀態(tài)先行擴展，而表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)尚不能擴展，因而中心層的裂紋擴 展很快地被表面層拖住的緣故。這種試件在試驗過程中，在達(dá)到“迸發(fā)”載 荷時，往往可以聽到清楚的“爆聲”。這時“迸發(fā)”載荷等于Pq。E斜斷口EEax平斷口IIIIF5=FqF5混合斷口Fmax = FqF5圖2-2三種典型的P-V曲線(3) 當(dāng)采用厚度為最小限度地試樣進行試驗時，所得到的往往屬于第I 類曲線。在這種情況

7、下，不能按最大載荷來計算斷裂韌度。因為在低于最大 載荷時，試樣裂紋已經(jīng)在逐步擴展，只是由于裂紋前緣處于平面應(yīng)變狀態(tài)的部分相對稍少一些，所以裂紋最初的“迸發(fā)”性擴展量很小，不易被察覺，對于這樣的試件。只能采用一定的工程假設(shè)，從P-V曲線上來確定所謂“條件值”。這和材料在拉伸試驗中，用 0.2%偏離初始切線的規(guī)定來定義屈服強 度（T 0.2是相似的。（四）試驗結(jié)果的有效性確定了 Pq后，便可按載荷Pq算出Cc，或算出相應(yīng)的K值，記為Kq, 稱為“條件斷裂韌度”。如果B和a均大于2.5（Kq/ c s）2，并滿足Pmax/P5 < 1.1 條件，則Kq就可認(rèn)為是材料的平面應(yīng)變斷裂韌度K1C。否

8、則，還需要按B和a均大于2.5（Kq/ c s）2的要求制成更厚的試件試驗，直到上述條件得到滿 足。三、實驗步驟（一）試樣制備：1、金屬結(jié)構(gòu)材料，無論是鍛件、板材，還是管材或棒材，都在不同程度上 具有各向異性。它反映在斷裂韌度數(shù)值上更為突出，因此，斷裂韌度和 試樣取向有關(guān)。裂紋面取向應(yīng)嚴(yán)格按 GB4161-84標(biāo)準(zhǔn)進行。在實際構(gòu)件 中取樣時，試件的裂紋取向應(yīng)與構(gòu)件中最危險的裂紋方向一致。2、試件厚度B可根據(jù)材料的K1C估計值與c s的比值B> 2.5（Kq/c s）2,或者c s對E的比值來選擇。3、取同爐批料加工2-3件常規(guī)拉伸試件，供測c s為常規(guī)機械性能用，且必 須和K1C試件同爐

9、熱處理。4、試件粗加工和熱處理后，再進行精加工，其最后尺寸和表面光潔度嚴(yán)格按 GB4161-84 規(guī)定。5、 小試樣用線切割機制出切口，切口根部圓弧半徑小于0.08mm。（二）預(yù)制疲勞裂紋：為了模擬實際構(gòu)件中存在的尖銳裂紋， 使得到的K1C數(shù)據(jù)可以對比和實 際應(yīng)用，試件必須在疲勞試驗機上預(yù)制疲勞裂紋。其方法是：先用線切割機 在試樣上切割8mm長的機械切口，然后在疲勞試驗系上使試樣承受循環(huán)變 應(yīng)力，引發(fā)尖銳的疲勞裂紋，約為 2mm。將試件打磨一遍，去掉表面油垢。在中心機械切口兩側(cè)各7.5mm處劃線， 用以標(biāo)記放在疲勞試驗機上；分別在兩側(cè)的機械切口前沿 2mm處劃線，用 以觀察其后疲勞裂紋生 長到

10、此線。將高 頻疲勞機的靜載（平均應(yīng)力）設(shè)為 1.25T，動載（應(yīng)力幅）設(shè)為0.75T，頻率為100Hz，平均振動90多萬次后，觀 察裂紋是否長到刻線處。預(yù)制疲勞裂紋時，應(yīng)仔細(xì)監(jiān)測試樣兩側(cè)裂紋的萌生情況，避免兩側(cè)裂紋 不對稱發(fā)展。（三）測定條件1、 試件厚度應(yīng)在疲勞裂紋前緣韌帶部分測量三次，取其平均值作為B。測 量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中較大者記錄。2、 試件高度應(yīng)在切口附近測量三次，取其平均值作為W，測量精度要求 0.02mm或0.1%W，取其中較大者記錄。（四）試驗程序1、在試件上粘貼刀口以便能安裝夾式引伸計，刀口外線間距不得超過22mm， 安裝夾式引伸計時要使刀口和引伸計的

11、凹槽配合好；2、將試樣按圖23裝置安放好圖2-3三點彎曲試樣試驗裝置示意圖3、標(biāo)定夾式引伸計；4、開動拉伸機，緩慢勻速加載，直至試樣明顯開裂，停機。曲線上記錄下 載荷和刀口張開位移之間的曲線；5、取下夾式引伸計，開動引伸機，將試樣壓斷，停機取下試樣；6、記錄試驗溫度和斷口外貌。（五）Kq的計算1從記錄的P-V曲線上按規(guī)定來確定Pq值；2、裂紋長度用讀數(shù)顯微鏡測出五個讀數(shù) ai、寵、a3、a4和氏，如下圖，取中間三個讀數(shù)平均值a=1/3(a>+a3+a4)；A裂紋前緣線切割切口(13、根據(jù)測得到a和W值，計算a/W值(精確到千分之一)，f(a/W)數(shù)值查表 或計算。f(a/W)=3(a/W

12、) 1/21.99-(a/W)(1-a/W) (2.13-3.93a/W+2.7s2/W2)/2( 1+2a/W)(1-a/W)3/24、將Pq、B、W和f(a/W)代入下式：Kq = (PQS/BW3/2)f(a/W)即可算出Kq值，單位MPam1/2。相關(guān)換算單位公式：MPam1/2=MNm-3/2，MPa=MNm-2，1kgf=9.807N，1kgfmm-3/2=0.310MPam1/2。(六) 有效性校核計算得到的Kq是否為平面應(yīng)變斷裂韌度 K1C，需要進行校核。滿足以 下校核條件時，才能認(rèn)為試驗有效，即Kq=K1c。1、任一處的疲勞裂紋長度均不得小于 2.5%W，且不得小于1.5毫米

13、；2、 az、a3、su中最大裂紋長度與最小裂紋長度之差不得超過2.5%W( - 5%a);3、表面處裂紋長度a1、a5不得小于平均值a的90%；4、a 應(yīng)在 0.45W-0.55W之間；5、 裂紋平面應(yīng)與試件高度 W和厚度B的方向平行，允許偏差在土 10°以內(nèi);6、B、a 和(W-a)均應(yīng)大于 2.5(Kq/c s)2；7、Pmax/PQ W 1.1。四、試驗數(shù)據(jù)與分析1、試驗參數(shù)條件：試樣名稱試樣狀態(tài)屈服極限試驗溫度P-V曲線30CrM nSi880oC 油 淬 +220°C回火1460MPa12.50CP量程(N/mm)V量程(mm/mm)加載速率(次/秒)20000

14、.021002、試樣測定參數(shù):高度W(mm)厚度B(mm)跨度S(mm)裂紋長度(mm)a/WW1W2W3B1B2B3a1a2a3a4a520.6320.6620.6110.2310.1910.2110.1310.0310.1710.029.7520.6310.2180a=1/3(a2+a3+a4)0.48910.073、計算結(jié)果:修正系數(shù)f(a/W)Pmax(N)Pq(N)Pmax/PQ2.5(Kq/ c s)2KqMPam1/2K1cMPam1/22.5812932.412222.61.068.15mm83.3883.384、數(shù)據(jù)測定：試驗所得三點彎曲曲線圖(見附1),確定載荷條件值如下:

15、由三點彎曲試件的試驗曲線可以判定，曲線屬于第I類曲線，則從坐標(biāo) 原點O作割線OP5,其斜率比曲線的初始切線 OA的斜率小5%, OP5與該 曲線的焦點所對應(yīng)的載荷 P5,如Pmax/PQ< 1.1時，則取P5=Pq。測定過程中取 P/V=AC/OC,且V/V=5%。由此可得 Pmax=12932.4N, P5=Pq=12222.6N。5、數(shù)據(jù)分析：將所得數(shù)據(jù)進行有效性校核，滿足如下校核條件：1) 任一處的疲勞裂紋長度均大于 2.5%W=0.52m m,且大于1.5mm；2) a2、a3、a4中最大裂紋長度為as=10.17mm與最小裂紋長度 a4=9.75mm之 差等于 0.42mm,小

16、于 2.5%W=0.52mm；3) 表面處裂紋長度 ai、as分別為10.13mm、9.75mm都大于平均值 a的 90%(=9.06mm);4) a=10.07mm在 0.45W-0.55W之間，即處于 9.28mm-11.34mm之間；5) 裂紋平面與試件高度 W和厚度B的方向平行，偏差在土 10°以內(nèi)；6) B=10.21mm、a=10.07mm和(W-a)=10.56mm 均大于 2.5(Kq/ c s)2=8.15mm；7) Pmax/PQ = 1.06 < 1.1。&試驗結(jié)論：1) 斷口形貌：具有準(zhǔn)解理形貌，但同時也有少量微坑；2) 試驗試樣所得數(shù)據(jù)滿足以上校核條件都滿足，那么可以認(rèn)為本試驗有效，即可知：K1c=Kq=83.38MPam1/2。五、試驗心得通過此次試驗，我已經(jīng)掌握如何運用三點彎曲試驗裝