完整版断裂韧性KIC测试试验.docx

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完整版断裂韧性KIC测试试验

实验五断裂韧性KIC测试试验

一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σy和KⅠC的参考值

本实验采用标准三点弯曲试样（代号SE（B）），材料为40Cr，其热处理工艺如下：

①热处理工艺：

860℃保温1h，油淬；220℃回火，保温0.5~1h；

②缺口加疲劳裂纹总长：

9~11mm（疲劳裂纹2~3.5mm）

③不导角，保留尖角。

样品实测HRC50，从机械手册中关于40Cr的热处理实验数据曲线上查得：

σy=σ0.2=1650MPa，σb=1850MPa，δ5=9%，ψ=34%，KⅠC=42MN·m-3/2。

二、试样的形状及尺寸

国家标准GB/T4161-1984《金属材料平面应变断裂韧度KⅠC试验方法》中规定了两种测试断裂韧性的标准试样：

标准三点弯曲试样（代号SE（B））和紧凑拉伸试样（代号C（T））。

这两种试样的裂纹扩展方式都是Ⅰ型的。

本实验采用标准三点弯曲试样（代号SE（B））。

试样的形状及各尺寸之间的关系如图所示：

为了达到平面应变条件，试样厚度B必须满足下式：

B≧2.5（KⅠC/σy）2

a≧2.5（KⅠC/σy）2

（W-a）≧2.5（KⅠC/σy）2

式中：

σy—屈服强度σ0.2或σs。

因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KⅠC和σy值，再根据上式确定试样的最小厚度B。

若材料的KⅠC值无法估计，则可根据σy/E的值来确定B的大小，然后再确定试样的其他尺寸。

试样可从机件实物上切去，或锻、铸试样毛坯。

在轧制钢材取样时，应注明裂纹面取向和裂纹扩展方向。

试样毛坯粗加工后，进行热处理和磨削，随后开缺口和预制裂纹。

试样上的缺口一般在钼丝电切割机床上进行切割。

为了使引发的裂纹平直，缺口应尽可能地尖锐。

开好缺口的试样，在高频疲劳试验机上预制裂纹。

疲劳裂纹长度应不小于2.5%W，且不小于1.5mm。

a/W值应控制在0.45~0.55范围内。

本试样采用标准三点弯曲试样（代号SE（B）），其尺寸：

宽W=19.92mm，厚B=10.20mm总长100.03mm。

三、实验装置

制备好的试样，在MTS810材料力学试验机上进行断裂试验。

对于三点弯曲试样，其试验装置如图5-2所示。

可将采集的试验数据以文件形式（数据采集间隔0.1s）存储在计算机中，同时利用3086-11型X—Y系列实验记录仪绘制P—V曲线。

本实验跨距S为80mm，弯曲压头速率0.01mm/s。

用15J型工具显微镜测量试样的临界裂纹（半）长度a。

图5-2三点弯曲试验装置示意图

1—试验机上横梁；2—支座；3—试样；4—载荷传感器；5—夹式引伸计；6—动态应变仪；7—X—Y函数记录仪。

如图5-2所示，在试验机的横梁1上，换上专用支座2，用辊子支承试样3，两者保持滚动接触。

两支承辊的两端头用软弹簧或橡皮筋拉紧，使之紧靠在支座凹槽的边缘上，以保证两辊的距离等于试样的跨距S。

载荷传感器4为一钢制圆筒弹性元件，壁上贴有电阻应变片，全桥连接。

受载时，圆筒变形，由应变片输出载荷讯号P。

夹式引伸计5的构造及其在试样上的安装方法见图5-3。

引伸计为两弹簧片悬臂梁，中间用垫块隔开，螺钉连紧。

弹簧片上贴有电阻应变片（T1、T2及C1、C2）。

试验前先在试样上缺口两侧用“502”胶水对称贴上刀口（本实验引伸计两臂末端初始间距为12mm，刀口初始间距应略大于12mm），引伸计的两臂末端就卡在刀口上。

试验过程中，裂纹嘴受载荷张开，刀口距离增大，弹簧片松弛，由应变片将裂纹嘴两侧刀口张开量V变成电讯号传送出去。

图5-3夹式引伸计构造及安装

1－试样2－刀口3－引伸计

载荷讯号P及裂纹嘴两侧刀口张开位移讯号V，均需输入试验机控制器中，所采集的试验数据以文件形式（数据采集间隔0.1s）存储在计算机中，同时模拟信号传送到3086-11型X—Y系列实验记录仪7中，可在坐标纸上实时自动绘出P—V曲线。

四、实验步骤

1.参观试样切割缺口及预制疲劳裂纹的设备及过程。

2.测量试样尺寸：

在疲劳裂纹前缘韧带部分测量试样厚度B，在切口附近测量试样宽度W，测量3次取平均值。

测量精度要求0.02mm或0.1%B（或W）。

3.安装三点弯曲试验底座，使加载线通过跨距S的中点，偏差在1%S以内。

放置试样时应使缺口中心线正好落在跨距的中点，偏差也不得超过1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2°以内。

4.将载荷传感器和位移传感器的接线，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，将载荷和位移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，使记录曲线的初始斜率在0.7~1.5之间，最好为1，并使画出的图形大小适中。

5.开动试验机，对试样缓慢而均匀地加载（本实验弯曲压头速率0.01mm/s），选择加载速度应使应力场强度因子的增加速率在0.55~2.75MN·m-3/2/s范围内。

当采用S/W=4，a/W=0.5的三点弯曲试样时，对钢件也可按0.04B~0.2Bmm/分钟的横梁移动速度进行加载。

对于某些老式试验机系统，加载时必须在P—V曲线上记录任一初载荷（由试验机测力度盘读出）和断裂载荷的数值，以便于对P—V曲线上的载荷进行标定，本实验所用测试系统不需要进行此过程。

6.加载结束后，压断试样，从3086-11型X—Y系列实验记录仪上取下记录的P—V曲线。

7.由于裂纹前沿不平直，取断裂后的试样在断面上划线，如图所示，规定测量

、

和

三处的裂纹长度a2、a3、a4及a1和a5，然后取其平均值

=1/3（a2+a3+a4）得临界裂纹（半）长度a。

五、实验数据及处理

（1）计算机数据

1、确定条件裂纹失稳扩展载荷PQ

图1-1P-VLinearFitofSlopedata

截取图1-2P-V曲线上截取直线段部分，用LinearFit进行直线拟合，求出直线斜率Slope=77.27653

图1-2P-V曲线

在图1-2P-V曲线上从原点O作一相对于直线OA部分斜率减少5%的割线来确定裂纹扩展2%时相对应的载荷P5，P5是割线与P-V曲线的交点纵坐标值：

即取x=0.2mm，y=0.2×77.27653×0.95=14.6825KN,过（0，0）和（0.2，14.6825）做直线与P-V曲线相交，用“屏幕上取点”读出其纵坐标值P5为6.09188，由于在P5以前没有比P5大的高峰载荷，则PQ=P5=6.09188KN。

2、测定临界裂纹（半）长度a

将压断的试样在15J型工具显微镜上或其它精密测量工具下测定临界裂纹（半）长度a，测量精度0.01mm。

由于裂纹前沿不平直，规定测量

、

和

三处的裂纹长度a2、a3、a4，然后取其平均值

=1/3（a2+a3+a4）。

由测量得：

11号试样宽W=19.92mm，厚B=10.02mm，总长100.03mm，

a1=9.21mm，a2=9.48mm，a3=9.37mm，a4=9.37mm，a5=9.02mm。

所以，

=1/3（a2+a3+a4）=1/3（9.48+9.37+9.37）=9.41mm。

a2，a3和a4中的最大值与最小值之差=a2-a3=9.48mm-9.37mm=0.11mm，

而2.5%W=0.025×19.92=0.498mm,

所以a2，a3和a4中的最大值与最小值之差不超过2.5%W

且同时任一a值均大于2.5%W，同时不小于1.5mm。

此外，表面临界裂纹（半）长度a1和a5均大于

的90%，即8.469mm，

所以，试验有效。

3、计算条件断裂韧性KQ

将PQ和a值代入KⅠ表达式计算KQ。

对于标准三点弯曲试样按下式计算：

PQ=6.09188KN，S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472

由表5-2可以查得YⅠ（

）=2.44

4、判定KQ的有效性

1Pmax=9.326KN，PQ=6.09188KN，Pmax/PQ=9.326/6.09188=1.531>1.1

22.5（KQ/σy）2=2.5×（41.466/1650）2=1.579mm，所以B>2.5（KQ/σy）2

KQ不满足条件①，但满足条件②，所以KQ≠KⅠc，KQ无效。

（2）坐标纸数据：

由3086—11型系列实验记录仪上取下记录的P-V曲线，用取点法将坐标纸上的数据抄录在Origin的数据表格上，然后乘以各自系数作出P~V曲线。

1、确定条件裂纹失稳扩展载荷PQ

图1-3P-VLinearFitofSlopedata

截取P-V曲线上截取直线段部分OA，用LinearFit进行直线拟合，求出直线斜率Slope=85.34483

图1—4P-V曲线

在图1-4P-V曲线上从原点O作一相对于直线OA部分斜率减少5%的割线来确定裂纹扩展2%时相对应的载荷P5，P5是割线与P-V曲线的交点纵坐标值：

即取x=0.1mm，y=0.1×85.34483×0.95=8.1078KN，所以在坐标纸上取点为（0.1，8.1078），过（0，0）和（0.1，8.1078）做割线与P-V曲线相交，读出其纵坐标值4.5，由于在P5以前没有比P5大的高峰载荷，则PQ=P5=4.5KN。

2、测定临界裂纹（半）长度a

在计算机数据处理过程中已经得到

=1/3（a2+a3+a4）=1/3（9.48+9.37+9.37）=9.41mm，且试验有效。

5、计算条件断裂韧性KQ

将PQ和a值代入KⅠ表达式计算KQ。

对于标准三点弯曲试样按下式计算：

PQ=4.5KN，S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472

由《材料性能》书中表5-2可以查得YⅠ（

）=2.44

6、判定KQ的有效性

3Pmax=9.3359KN，PQ=4.5KN，Pmax/PQ=9.3359/4.5=2.07>1.1

42.5（KQ/σy）2=2.5×（29.80/1650）2=0.8154mm，所以B>2.5（KQ/σy）2

KQ不满足条件①，但满足条件②，所以KQ≠KⅠc，KQ无效。

图1-5P~V曲线图

六、思考题

1、本实验的重点是什么？

答：

本实验的重点是了解金属材料平面应变断裂韧性KⅠc测试的基本原理、实验装置及试样的形状和尺寸，着重掌握KⅠc的测试过程，根据绘出的P-V曲线确定裂纹失稳扩展载荷PQ；测定临界裂纹（半）长度a；计算条件断裂韧性KQ并判断KQ的有效性。

2、为什么载荷传感器和应变引伸计需要经常校验？

答：

因为载荷传感器为一钢制圆筒弹性元件，壁上贴有电阻应变片，全桥连接。

受载时，圆筒变形，由应变片输出载荷讯号P。

夹式引伸计为两弹簧片悬臂梁，中间用垫块隔开，螺钉连紧。

弹簧片上贴有电阻应变片（T1、T2及C1、C2）。

引伸计的两臂末端就卡在刀口上。

试验过程中，裂纹嘴受载荷张开，刀口距离增大，弹簧片松弛，由应变片将裂纹嘴两侧刀口张开量V变成电讯号传送出去，载荷讯号P及裂纹嘴两侧刀口张开位移讯号V，均需输入试验机控制器中，因此载荷传感器和应变引伸计所测得信号的准确性直接影响到试验的数据处理、测量结果和试验结论，并且应变片在使用一段时间时会产生微量变形而影响试验结果；载荷传感器和应变引伸计属于较高精度的仪器，灵敏度较高，对湿度、温度、压力等外界环境比较敏感；另外，传感器有重复性、滞后性和蠕变等特点，所以需要经常校验。

3、为何所测定的裂纹长度a被称为裂纹“半”长度？

答：

试验中所测定的裂纹半长度a为原始线切割长度+疲劳裂纹长度。

材料中最危险的缺陷，其作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。

对于理论强度，其微裂纹半长度可以理解为是原子间距。

在实验中所测得的裂