KIC断裂实验指导书(正式).doc

平面应变断裂韧性K1C的测定一、实验目的：了解金属材料平面应变断裂韧度测试原理和测试方法。二、实验设备：RSA-250申克试验机；高频疲劳试验机；夹式引伸计；工具显微镜；游标卡尺。 三、试样：材料：40Cr(低温回火处理)。名义尺寸：B=10mm；W=20mm；S80mm。四、实验概述1. 实验原理：线弹性断裂力学中，带裂纹体裂纹尖端附近的弹性应力场的强度是用应力强度因子K来度量。线弹性断裂力学的分析证明：应力强度因子K可表征为：，其中：s外加应力；a裂纹深度；Y形状因子（与裂纹及试样的几何参数有关）。I型(张开型)裂纹的断裂准则为：当应力强度因子KI达到其临界值Kc时裂纹即失稳扩展而断裂。如果裂纹尖端附近的材料处于平面应变状态，则I型裂纹的断裂韧度值称为平面应变断裂韧性，记作KIC（）,它表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标，其中罗马数字是指型裂纹及裂纹顶端处于平面应变状态。图1测KIC的标准试样S测试KIC就是测试裂纹开始失稳扩展时的应力强度因子值。具体方法是：对含有裂纹的三点弯曲试件或紧凑拉伸试件施加适当的载荷，使裂纹尖端处于I型裂纹受载状态并引起裂纹扩展，记录载荷P及裂纹嘴的张开位移V，然后按规定在PV曲线上确定特征载荷Pq值，测量裂纹长度a，将Pq值和a带入相应试件的KI表达式，计算KIC的条件表达值Kq，在进行有效性判断后确定Kq是否是KIC。2. 试样形式：测试KIC常用的试件(如图1所示)是三点弯曲和紧凑拉伸两种标准试件，其中WB=2，a/W在0.450.55之间，a为裂纹长度。对于两种形式的试件，其应力强度因子KI分别按下面公式计算：对三点弯曲试样： -(1)式中P为载荷，B、W分别为试件的宽度和厚度，S为跨度，a为裂纹长度， f（a/W）为试样几何形状因子，对于三点弯曲试件，f（a/W）用下式表示：- -(2)如采用标准试件，f（a/W）值可查阅附表1。对紧凑拉伸试件： - -(3)f（a/W）用下式表示： （4）3确定试样尺寸：测试用的试件尺寸必须保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态，因此试件厚度W裂纹长度a和韧带宽度(W-a)要满足以下要求：为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的和KIC的估计值，根据上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。KIC的估计值可以借用相近材料的KIC值，也可根据材料的E的值确定试件的尺寸，如下表所示：表1 试样的推荐尺寸0.2/EB、a (mm)0.2/EB、a (mm)0.00500.0057750.00710.0075320.00570.0062630.00750.0080250.00620.0065500.00800.0085200.00650.0068440.00850.010012.50.00680.007138 0.01006.5当确知比表中推荐尺寸小得多时，可采用较小试件在试验测得有效KIC结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a、4试件裂纹的制作a代表裂纹长度，包括机械切口和疲劳裂纹两部分一般先用线切割机切割出机械切口，在此基础上用疲劳试验机引发疲劳裂纹。为保证裂纹前缘足够尖锐，需对交变载荷加以限制通常规定，交变载荷最大值Kfmax在裂纹尖端产生的应力强度因子Kfmax60KIC，并且Kfmax/E0.01mm而交变载荷最小值Kfmin=0.1Kfmax。图2 KIC实验装置简图为观察和检测裂纹的扩展情况，可事先在试件的两个侧面上垂直于裂纹扩展方向划两条直线，一条与0.5W相对应，一条靠近机械切口且与前一条线间距不小于0.0125W。在引发裂纹时，载荷可较大，但Kfmax0.8KIC，当达到第一条直线后，应减少载荷，使Kfmax0.6KIC以保证裂纹的尖锐程度在预制裂纹时，可用放大镜或读数显微镜监测裂纹的扩展，如发现两测裂纹扩展长度相差较大，应找出原因或将试件调转180。5试验装置三点弯曲试件的断裂试验是在电子万能试验机上完成的，试验装置如图2所示，两支座采用滚动支撑，以保证加载后支撑点可以自由地向水平方向移动，使裂纹的张开不受限制。载荷传感器测得的加载量和夹式引伸计测得的裂纹嘴的张开位移量分别由计算机的采集卡采入计算机。引伸计安装方法如下：首先选择两个厚度相同的刀口，对称平行地放在裂纹嘴两侧(间距19mm)，用502快干胶将刀口粘牢；将引伸计两臂卡在刀口上。6数据处理（1）确定条件临界载荷Pq图3 典型P-V曲线P-V曲线如图3所示一般分为三 种类型，即稳定扩展型，局部扩展型和失稳扩展型。在P-V曲线上要确定裂纹长度的表观扩展量为2的载荷即Pq，而 2的裂纹扩展量对应的裂纹嘴张开位移的相对增量为5。失稳扩展型局部扩展型稳定扩展型确定Pq的方法如下：过原点作直线OA，使OA的斜率为P-V曲线初始直线斜率的95，直线与P-V曲线的交点对应的载荷为P5。l 对于失稳扩展型，其Pq=Pmax；l 对于局部扩展型，若P5点前有载荷峰值大于P5，则这个峰值为Pq；l 对于稳定扩展型Pq=P5。要求 PmaxPq 1.1，否则试验无效。图4试样断口示意图（2）测量裂纹长度裂纹长度a用工具显微镜或其它精密测量仪器测量。图4为试件断口示意图，考虑到裂纹前缘的不平直，规定在1/4B；1/2B；3/4B位置上测量裂纹长度a2，a3，a4取其平均值作为裂纹长度。要求a2，a3，a4任意两个测量值之差都不得大于a的10，而且a1、，a5之差也不得大于a的10。（3）计算条件断裂韧度Kq及有效性检验将条件临界载荷Pq和裂纹长度a代入KI表达式计算条件断裂韧度Kq，并对Kq进行有效性检验。有效性条件如下：（a）（b） （c）（d）a2-a3、a3-a4、a4-a210a；a1-a510a。由各项均满足要求，则KqKIC，否则试验结果无效。五、实验操作步骤1预制疲劳裂纹用高频疲劳试验机为三点弯曲标准试样预制疲劳裂纹，设定预制裂纹时循环载荷的上下极限，在老师的指导下开机疲劳，并观察裂纹扩展情况。2.测量原始数据测量已预制疲劳裂纹的三点弯曲标准试件的尺寸a、B、W。3粘接刀口将刀口对称平行地用502胶粘在试样裂纹嘴两侧，刀口间距约19mm（根据引伸计的型号而定）。4.安装试样按图2所示，将引伸计卡在试样刀口上并试样装在试验机的试验装置上，调整三点弯曲支座跨距，保证S=4W，并使弯曲压头置于跨距中心。5加载1）启动试验机2）打开计算机操作软件3）下降压头至试样1mm停止。3）界面图形设为P-V曲线。4）加载速率设为0.2mm/min。5）加载，观察图形及负荷显示框，一旦发生失稳扩展（载荷突然下降），立即停机。6）保存数据，卸载。7）将试样取下，在电炉上进行氧化发蓝。对试样进行翻动，以保证加热均匀，待试样表 面颜色发生变化（发黄并开始发蓝时），及时将试样取下。8）待试样自然冷却后，将试样压断，以观察断口形貌。 6测量断口裂纹长度a1）观察断口形貌；2）在工具显微镜下测断口裂纹长度，按实验概述6.(2）中方法测量计算a值。7处理P-V曲线，确定Pq值按照实验概述6.(1)的原理1）打开计算机实验记录文档，复制出P、V实验数据。2）在Excel文件作PV曲线图：打开Excel文件-在Excel表格中将P、V实验数据分为P、V两列粘贴-打开图表向导-选 XY散点图（点击下一步）-数据区选（列）； X值选V列的数据；Y值选P列的数据（点击下一步）-图表标题填P-V曲线；X轴填V（mm）；Y轴填P（kN）(完成)3）求PV曲线直线段的斜率b：根据PV曲线图形找出直线段的P、V数据-任选一空白单元格-点击fx（插入函数）-选统计函数SLOPE（确定）-X选直线段的V数据区；Y选直线段的P数据区，（确定）-单元格显示该斜率b。4）作直线，其斜率b0.95PV曲线直线段斜率b的95：选一空白单元列作为Y0.95数据列-计算直线各点的Y坐标值即：Y0.95各点V值b0.95并填入Y0.95数据列-选中图表-选原数据菜单-添加新系列-X值仍选V数据区；Y选Y0.95数据区（确定）5）直线与PV曲线的交点即为P5点。6）按照实验概述6.(1)中的方法确定Pq点，找出Pq值。7）Pq值应当满足PmaxPq1.1