平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測定

平面應(yīng)變斷裂韌性瓦的測定陳國滔材科09540930366一、 實驗?zāi)康睦斫馄矫鎽?yīng)變斷裂韌性的應(yīng)用及限制條件；了解平面應(yīng)變斷裂韌度K測試的基本方法，基本操作及操作要點；IC通過三點彎曲試驗測量40Cr的平面應(yīng)變斷裂韌度。二、 試驗原理材料斷裂原理含有缺陷的構(gòu)件可能在遠(yuǎn)低于材料屈服強度的工作應(yīng)力下斷裂，只要這些缺陷達(dá)到某種臨界尺寸。即使有些構(gòu)件，起初的缺陷尺寸沒有達(dá)到某種臨界尺寸，但由于工作于某種疲勞載荷下，或某種腐蝕介質(zhì)里，或某種限度的低溫狀態(tài)下，起初的缺陷尺寸將會增大，即裂紋發(fā)生亞臨界的穩(wěn)定擴(kuò)展，直至達(dá)到某種臨界尺寸而突然發(fā)生不穩(wěn)定的脆斷。斷裂條件是：。五=材料常數(shù)式中， 為正應(yīng)力，2a為試樣或者構(gòu)建中的裂紋長度。材料的平面應(yīng)變斷裂韌性根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)，斷裂的判據(jù)是裂紋前沿應(yīng)力強度因子K達(dá)到其臨界值一一材料的平面應(yīng)變斷裂韌度^..，即：K二式中Y是裂紋的形狀因子。平面應(yīng)變斷裂韌度K是材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的IC特征參量，它與裂紋的尺寸及承受的應(yīng)力無關(guān)。平面應(yīng)變斷裂韌性，可以用于：評價材料是否適用，作為驗收和產(chǎn)品質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)。材料的斷裂韌度受到冶金因素（成分、熱處理）的制造工藝（如焊接、成形）影響?？蓪?gòu)件的斷裂安全性進(jìn)行評價。三、 實驗儀器及材料1.實驗儀器WDW-200D微機控制電子式萬能材料試驗機（拉伸力準(zhǔn)確度優(yōu)于示值的0.5%）游標(biāo)卡尺（精度0.02mm）雙懸臂夾式引伸計（原長10.00mm）工具顯微鏡15JE（精度0.001mm）2.實驗材料本試驗采用經(jīng)過860°C淬火、220°C回火處理的40Cr鋼，屈服強度。s=1400MPa。實驗試樣測定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時的裂紋應(yīng)力強度因子的臨界值，要求裂紋尖端具有足夠高的應(yīng)力集中效應(yīng)，否則，易于造成試驗因為應(yīng)力——位移曲線不符合要求而得不到預(yù)定結(jié)果。為此，試樣中裂紋的制備由兩道工序完成。首先要通過機加工或者線切割方法制備出裂紋的主體部分，隨后還要通過疲勞過程在此切割裂紋基礎(chǔ)上制備出尖端很尖銳的疲勞裂紋。試樣的裂紋由這兩部分構(gòu)成。第一道加工的切割裂紋缺口，應(yīng)垂直于試樣表面和預(yù)期的裂紋擴(kuò)展方向，偏差在±2°以內(nèi)，其根部半徑應(yīng)在0.08mm以下。在疲勞過程在前期預(yù)制裂紋尖端引發(fā)疲勞裂紋的過程中，可以采用先大后小的最大應(yīng)力強度因子一一首先采用不高于材料的斷裂韌度的0.8倍的應(yīng)力來制備疲勞裂紋；而在后期，要求降低施加的應(yīng)力水平，使裂紋尖端的應(yīng)力強度因子降低到斷裂韌度的0.6倍以下。試樣中的裂紋需要滿足如下條件方是有效的：裂紋平面應(yīng)與試樣的寬、厚兩個方向平行，裂紋不能分叉；缺口加工裂紋的總長度為0.45W~0.55W之間；試樣表面上的疲勞裂紋長度不得小于0.025W,或者1.3mm，并且取其中的較大值；(或者：疲勞裂紋的長度不能小于裂紋總長度的5%；)裂紋在試樣兩個自由表面上的長度不應(yīng)小于總裂紋長度的90%；四、 實驗步驟測定試樣的厚度B,要求沿著裂紋的預(yù)期擴(kuò)展面在未斷開的區(qū)域測量厚度，精確要求未0.025mm或者0.1%B中的較大者。測量試樣的寬度W。對試樣粘貼引伸計的卡裝刀口。將試樣安放于試驗機上，要求裂紋擴(kuò)展面與加載壓頭盡量處于同一個平面上，避免二者錯位或者形成明顯不為0的夾角。對試樣加載，測量載荷P—位移V(即裂紋嘴標(biāo)距間距離的變化量)關(guān)系曲線，直到試樣被完全斷裂為止。加載速度控制標(biāo)準(zhǔn)為：應(yīng)力強度因子的速率在0.55~2.75/smMPa范圍內(nèi)。在裂紋擴(kuò)展斷裂的試樣斷口上，如圖示意性給出的那樣，借助于工具顯微鏡,在試樣厚度方向上1/4.1/2和3/4的位置上測量裂紋長度，記做a、a和2 3a；測量準(zhǔn)確度要求為0.5%。同時，測量兩個自由表面上的裂紋長度，記做4a和a。同時，測量各位置上的疲勞裂紋的長度。 |>-亠1 5根據(jù)測量得到的裂紋長度，判斷試驗的有效性。原則如下：a2、a3和a4中任意兩個測量值之差不得大于平均值a的10%；al、a5與a的差值不得大于15%,al和a5之差也不得大于a的10%；裂紋面與BW面平行，偏差在±10。以內(nèi)。滿足上述要求時，取a2、a3和a4的平均值作為裂紋長度a。

斷口形貌的觀察：注明每個試樣的斷口形貌特征。常見的斷口形貌類型如圖4所示。對部分斜斷斷口，應(yīng)在裂紋頂端和試樣無缺口邊之間測量中心平斷口部分的平均寬度f。記下單位厚度斜斷口的比例(B-f)/B。全斜斷口中該數(shù)值f為0。五、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理1.試樣形狀尺寸及裂紋長度原始數(shù)據(jù)表1試樣形狀尺寸記錄表測量值平均值W/mm20.0420.0420.0220.03B/mm10.0210.0410.0010.02S/mm8080表2裂紋長度記錄表裂紋強a1a2a3a4a5a度/mm10.13310.1029.349.7259.2759.7222.實驗數(shù)據(jù)處理(1)裂紋長度a的有效性判斷①a10.102-9.3409.722壯a10.102-9.3409.722壯0.0784<10%|旳%|10.102-9.725= 丸0.0388<a9.722l?3一a+|a9.725-9.340以上各項均小于10%，符合要求。②l?i一皿—a10.113-9.722：52 "M423<m土=5…禰"詠葉啊0.9.722aI10.133-9.275-= 忌0.0SS3<10^9.722以上各項均符合要求。③裂紋面與BW面平行，偏差在±10。以內(nèi),所以a=歸十％+J=9.722?7i7n是可用的。3⑵匕與玖住的確定如附錄2所示，在載荷一位移曲線上確定裂紋擴(kuò)展的對應(yīng)載荷與，取彈性變形階段載荷一位移關(guān)系的線性段的斜率的95%，對該曲線做割線，交曲線于一點己，如附錄2中圖所示?？芍诩撼霈F(xiàn)之前，載荷已經(jīng)達(dá)到了試驗全過程的最高值耳工..，此時將三工.作為匕，匕=二&匸工「二=三廿..=5.7mm。⑶的確定,通過查詢附錄1可知，「二；=2.5^wsoa?起 \vr/⑷心的計算

5.694X103X80X1O~5.694X103X80X1O~310.02X10JX(20.03X10-君弘X2.54Pa=4Q.7MPa的有效性判斷載荷條件：已;：豈二Ed加汩7二:亍匚幕，符合要求。平面應(yīng)變及塑性屈服尺寸條件：=2-5X?2m=000211m=2.11mm;B=10.02nnna>2.11mm；a=9.722mm.>2.11mm.；W—a=20.03nnm—9.722mm=10.31mm.>2.11mm所以均符合要求。綜上可知試驗結(jié)果符合各項有效性判據(jù)，此次實驗結(jié)果有效。40Cr鋼的平面應(yīng)變斷裂韌度匚?二.=JOK.三六、實驗總結(jié)實驗斷口形貌平整，推斷為脆斷。在載荷一變形曲線中，可見應(yīng)力到了最大值后便不斷下降，此時材料內(nèi)部由塑性變形階段變?yōu)榱鸭y在內(nèi)部擴(kuò)展階段。這由于裂紋頂端處應(yīng)力不可能無限地增長，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料屈服應(yīng)力時，即在裂紋頂端附近形成一個微小的屈服區(qū)，所以無法直接用裂紋頂端處的應(yīng)力大小來作裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)。當(dāng)構(gòu)件最大應(yīng)力區(qū)中足夠大體積內(nèi)的應(yīng)力都達(dá)到了材料特點的臨界值時，即發(fā)生脆性斷裂。實驗中測量的平均值只計算斷裂區(qū)中部的a、a、a值，原因是中部的裂2 3 4紋是在應(yīng)變狀態(tài)下斷裂，而斷裂表面處的裂紋是處于應(yīng)力斷裂，不在實驗討論的范圍內(nèi)。aa的測量只是為了方便判斷裂紋長度有效性。1、 540Cr鋼的平面應(yīng)變斷裂韌度匚二■二= 了.。參考文獻(xiàn)楊王玥，強文江.《材料力學(xué)行為》?北京：科學(xué)出版社.2009余永寧.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》?北京?高等教育出版社.2006中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法GB4161-1984附錄1形狀因子「右的確定表3彎曲試樣的f［三］

a總）Cl吃）Cl吃