金屬平面應(yīng)變斷裂韌度KIC測(cè)定

1、主講教師一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊弧?shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試 驗(yàn)的基本原理以及對(duì)試樣形狀和尺寸 的要求。 2.掌握采用三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)試KIC的方法 及試驗(yàn)結(jié)果的處理方法。二、實(shí)驗(yàn)原理二、實(shí)驗(yàn)原理 斷裂韌度KIC是金屬材料在平面應(yīng)變和小范圍屈服條件下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI的臨界值，它表征金屬材料抵抗斷裂的能力，是度量材料韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。斷裂韌度KIC的測(cè)試過(guò)程，就是把試驗(yàn)材料制成一定形狀的試樣，并預(yù)制出相當(dāng)于缺陷的裂紋，然后把試樣加載。加載過(guò)程中，連續(xù)記錄載荷P與相應(yīng)的裂紋尖端張開位移V。裂紋尖端張開位移V的變化表示了裂紋尚未起裂、已經(jīng)起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展或失穩(wěn)擴(kuò)展的情

2、況。 當(dāng)裂紋起裂失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，記錄下載荷PQ，再將試樣壓斷，測(cè)得預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a，代入裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K的表達(dá)式中得到臨界值，記做KQ，然后按一些規(guī)定判斷KQ是不是真正的KIC；如果不符合判別要求，則KQ仍不是KIC，需要重做。 國(guó)標(biāo)金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法規(guī)定的主要使用試樣是三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸兩種，試樣尺寸如圖1和圖2所示，K的表達(dá)式為 ：2341/23/22/4.640.86613.32()14.72()5.6()(1/)IFSa WaaaaKBWa WWWWW當(dāng)S4W時(shí)，式（1）又可表示為2341/23/22/4.640.86613.32()14.72()5.6()(1/)

3、IFSa WaaaaKBWa WWWWW12 1試樣尺寸的確定 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)得的KQ是否有效，要看是否滿足以下兩個(gè)條件： 如果符合上述兩項(xiàng)條件，KQ即KIC；如不符合，則KQ不是KIC，須加大試樣尺寸，重新實(shí)驗(yàn)。 （1） 22.5()ICsKB（2） max/1.1QPP 2試樣制備 試樣可以從機(jī)件實(shí)物上切去，也可以從鑄、鍛件毛坯或軋材上切取。由于材料的斷裂韌度與裂紋取向和裂紋擴(kuò)展方向有關(guān)，所以在切取試樣時(shí)應(yīng)予以注明。 試樣毛坯粗加工后，進(jìn)行熱處理和磨削加工(不需熱處理的試樣粗加工后直接進(jìn)行磨削加工)，隨后開缺口和預(yù)制疲勞裂紋。試樣上的缺口一般用線切割加工。為了后面預(yù)制的裂紋平直，缺口應(yīng)盡可能

4、尖銳，一般要求尖端半徑為0.080.1mm。 開好缺口的試樣，在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋。試樣表面上的裂紋長(zhǎng)度應(yīng)不小于0.25w或1.3mm，取其中之較大值。a/w應(yīng)控制在0.450.55范圍內(nèi)。預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，先在試樣的兩個(gè)側(cè)面上垂直于裂紋擴(kuò)展方向用鉛筆或其他工具畫兩條標(biāo)線(圖3)，其中標(biāo)線AB與0.5w相對(duì)應(yīng)，標(biāo)線CD在靠近缺口一側(cè)，兩條標(biāo)線間的距離應(yīng)不小于缺口加疲勞裂紋總長(zhǎng)度的2.5%，即0.0125w。 預(yù)制疲勞裂紋開始時(shí)的載荷可較大，但最大交變載荷也不應(yīng)使Kfmax(預(yù)制疲勞裂紋時(shí)的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子)超過(guò)材料KIC估計(jì)值的80%。交變載荷的最低值應(yīng)使最小載荷與最大載荷在裂紋擴(kuò)展

5、最后階段(即在裂紋總長(zhǎng)度最后的2.5%的距離內(nèi))，應(yīng)使Kfmax60%KIC，并且Kfmax/E0.01mm1/2，同時(shí)調(diào)整最小載荷使載荷比在-10.1之間。預(yù)制疲勞裂紋過(guò)程中，要用放大鏡或計(jì)數(shù)顯微鏡仔細(xì)監(jiān)視裂紋的發(fā)展，遇有試樣兩側(cè)裂紋發(fā)展深度相差較大時(shí)，可將試樣調(diào)轉(zhuǎn)方向繼續(xù)加載。 3斷裂實(shí)驗(yàn) 將制備好的試樣用專門制作的夾持裝置在一般萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)或電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖4所示的是三點(diǎn)彎曲試樣斷裂韌度實(shí)驗(yàn)的示意圖。試樣2放在支座上，機(jī)器油缸下裝載荷傳感器1，下連壓頭，試樣2下邊裝夾式引伸計(jì)3。加載過(guò)程中，載荷傳感器傳出載荷P的信號(hào)，夾式引伸計(jì)傳出裂紋尖端張開位移V的信號(hào)，將信號(hào)P、V通過(guò)

6、放大器4輸入XY函數(shù)記錄儀5，記錄下PV曲線，然后依PV曲線確定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展臨界載荷PQ，依PQ和試樣壓斷后實(shí)測(cè)的裂紋長(zhǎng)度a代入K式(式1）、 （式2)以求KQ。三、試驗(yàn)設(shè)備及材料三、試驗(yàn)設(shè)備及材料 1.萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：最大試驗(yàn)力100kN(或300kN)，在活動(dòng)橫梁上應(yīng)配備有專用的彎曲試樣支座一臺(tái)。 2.動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀一臺(tái)；X-Y函數(shù)記錄儀一臺(tái)；壓力傳感器100kN一個(gè)；夾式引伸計(jì)一個(gè)；位移標(biāo)定器一臺(tái)；工具顯微鏡一臺(tái)。 3.實(shí)驗(yàn)用材料及試樣：本試驗(yàn)采用圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣。對(duì)于強(qiáng)度較高而韌性較差的材料，即使試樣尺寸較小也能滿足平面應(yīng)變和小范圍屈服的條件。對(duì)強(qiáng)度低、韌性好的材料，則要很大尺寸

7、的試樣才能滿足上述條件。為了保證用較小尺寸的試樣測(cè)得有效的KIC值，試樣材料和熱處理工藝的選擇應(yīng)保證0.2較高而KIC較低。試樣材料及其熱處理工藝可在推薦如下兩種中任選一種，也可根據(jù)上述原則另外選取。 (1) 40Cr鋼，淬火+200回火。 (2) 2024鋁合金，T6態(tài)。 每組學(xué)生領(lǐng)取同一種材料及熱處理工藝的試樣一個(gè)或3個(gè)。 此外，尚需準(zhǔn)備游標(biāo)卡尺一把及支持引伸計(jì)用的刀口6塊，“502”快干膠水一瓶。 四、試驗(yàn)步驟和方法四、試驗(yàn)步驟和方法 1. 測(cè)量試樣尺寸。在缺口附近至少3個(gè)位置上 測(cè)量試樣寬度W，準(zhǔn)確到0.025mm或 0.1%(取其中之較大者)，取其平均值。 2安裝彎曲試樣支座，使加力

8、線通過(guò)跨距s的 中點(diǎn)，偏差在s的1%以內(nèi)。放置試樣時(shí)應(yīng) 使裂紋頂端在位于跨距的正中，偏差也不 得超過(guò)s的1%,而且試樣與支承輥的軸線應(yīng) 成直角，偏差在2 以內(nèi)。 3標(biāo)定引伸計(jì)。 4試樣上粘貼刀口，安裝引伸計(jì)，使刀口與引申計(jì)兩臂前端的凹槽密切配合。5將壓力傳感器和夾式引伸計(jì)的接線分別按“全橋法”接入動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，并進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。用動(dòng)態(tài)輸出檔，將壓力F及裂紋尖端開位移V的輸出訊號(hào)分別接到函數(shù)記錄儀的“Y”和“X”接線柱上。調(diào)整好函數(shù)記錄儀的放大比例，使記錄的曲線線性部分的斜率在0.7-1.5之間，最好在1左右；在調(diào)整動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和X-Y記錄儀的放大倍數(shù)使畫出的圖形大小適中。 6開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣緩慢而

9、均勻地加力，加力速率的選擇應(yīng)使應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的增加速度在17.4-87.0N/mm3/2s-1范圍內(nèi)。在加力的同時(shí)記錄F-V曲線，直至試樣所能承受的最大力后停止。此外，在加力過(guò)程中，還應(yīng)在F-V曲線上記錄任一初始力和最大力的數(shù)值(由試驗(yàn)機(jī)表盤讀出)，以便對(duì)F-V曲線上的力值進(jìn)行標(biāo)定。 7試驗(yàn)結(jié)束后，取下引伸計(jì)，壓斷試樣。將壓斷后的試樣在工具顯微鏡或其他精密測(cè)量?jī)x器下測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a。由于裂紋前沿不平直，規(guī)定在/4、/2、3/4的位置上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a2、a3及a4(圖5)，各測(cè)量值準(zhǔn)確到裂紋長(zhǎng)度a的0.5%，取其平均長(zhǎng)度a= (a2+a3+a4)/3作為裂紋長(zhǎng)度。a2、a3、a4中任意兩個(gè)測(cè)量值之

10、差以及a1與a5之差都不得大于a的10%。五、試驗(yàn)結(jié)果的分析及處理五、試驗(yàn)結(jié)果的分析及處理 1確定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的條件臨界力值FQ 測(cè)得的PV曲線有圖6所示三種形式，對(duì)強(qiáng)度高、塑性低的材料，加載初始階段，PV呈直線關(guān)系，當(dāng)載荷達(dá)到一定程度，試樣突然斷裂，曲線突然下降，得到曲線I，這時(shí)曲線最大載荷就是計(jì)算KIC的PQ；對(duì)韌性較好的材料，曲線首先依直線關(guān)系上升到一定值后，突然下降，出現(xiàn)“突進(jìn)”點(diǎn)，旋又上升，直到某一更大載荷，試樣才完全斷裂，如曲線II；韌性更好的材料，得到PV曲線III。對(duì)II、III兩種曲線，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從坐標(biāo)原點(diǎn)做比試驗(yàn)曲線斜率小5的斜線與試驗(yàn)曲線相交，得一點(diǎn)P5，如P5以左曲線上

11、有載荷點(diǎn)高于P5的，即以P5以左得最高載荷為PQ；如P5以左無(wú)載荷點(diǎn)高于P5，即以P5為PQ，以計(jì)算KQ。 PQ確定后，將試樣壓斷，測(cè)量預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a，將PQ、a、B、W、S等代入應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式（式1）、（式2）以計(jì)算KQ。注意斷口上預(yù)測(cè)裂紋線并不是一平直的線，而是一弧形線，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了裂紋長(zhǎng)度a值的辦法。 2計(jì)算條件斷裂韌性KQ 將FQ和a值代入KI表達(dá)式計(jì)算KQ。 3KIC有效性判別 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)得的KQ是否有效，要看是否 滿足以下兩個(gè)條件：（1） 22.5()ICsKB（2） max/1.1QPP 如果符合上述兩項(xiàng)條件，KQ即KIC；如不符合，則 KQ不是KIC。六、試驗(yàn)報(bào)告要求六、試驗(yàn)報(bào)告要求 1簡(jiǎn)述用三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)試KIC的原 理、試驗(yàn)裝備及試驗(yàn)過(guò)程。