實(shí)驗(yàn)平面應(yīng)變斷裂韌度K1c的測定(實(shí)驗(yàn)報(bào)告)

1、一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 學(xué)習(xí)了解金屬平面應(yīng)變斷裂韌度k1c試樣制備，斷口測量及數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵要點(diǎn)。2、 掌握金屬平面應(yīng)變斷裂韌度k1c的測定方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)gb4161-84 規(guī)定進(jìn)行。斷裂韌度是材料抵抗裂紋擴(kuò)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：k1k1c，式中 k1為應(yīng)力場強(qiáng)度因子，它表征裂紋尖端附近的應(yīng)力場的強(qiáng)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。 k1c是在平面應(yīng)變條件下，材料中型裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展時(shí)，k1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

2、和 ac時(shí)，裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展。此時(shí)材料處于臨界狀態(tài)，即k1=k1c。k1c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(qiáng)度因子 k1表達(dá)式三點(diǎn)彎曲試樣：k1=(ps/bw3/2)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=1：2：8，見圖 2-1 所示：圖 2-1 三點(diǎn)彎曲試件圖修正系數(shù) f(a/w)為 a/w 的函數(shù)，可以查表2-1，a/w 在 0.45-0.55之間。(二) 試樣尺寸要求及試樣制備2 1、平面應(yīng)變條件對厚度的要求：當(dāng)試件的厚度足夠時(shí)，在厚度方向上的平

3、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(shí)整個(gè)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k1c值。對試件厚度要求推薦為：b2.5(k1c/ s) a/wf(a/w) a/w f(a/w) 0.450 2.29 0.505 2.70 0.455 2.32 0.510 2.75 0.460 2.35 0.515 2.79 0.465 2.39 0.520 2.84 0.470 2.43 0.525 2.89 0.475 2.46 0.530 2.94 0.480 2.50 0.535 2.99 0.485 2.54 0.540 3.04 0.490 2.58 0.54

4、5 3.09 0.495 2.62 0.550 3.14 0.500 2.66 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(diǎn)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。 k1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(diǎn)彎曲要求：a50ry2.5(k1c/ s)23、韌帶尺寸的要求：韌帶尺寸也稱韌帶寬度 (w-a)，對應(yīng)力強(qiáng)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(gè)韌帶屈服，裂紋試樣不再近似地認(rèn)為彈性體，這時(shí)線彈性理論的分析方法也就不適用。因此，

5、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：3 (w-a) 2.5(k1c/ 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 k1c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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，往往測得到的是第類曲線。這時(shí)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(kuò)展，當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試件發(fā)生驟然的脆性斷裂，斷口絕大部分是平斷口，

6、這時(shí)最大載荷就可作為pq。(2) 當(dāng)用厚度稍小的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，則可得到第類曲線，此類曲線有一個(gè)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(kuò)展，而表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)尚不能擴(kuò)展，因而中心層的裂紋擴(kuò)展很快地被表面層拖住的緣故。這種試件在試驗(yàn)過程中，在達(dá)到“迸發(fā)”載荷時(shí)，往往可以聽到清楚的“爆聲” 。這時(shí)“迸發(fā)”載荷等于pq。foveeefmaxfmaxfmaxf5f5= fq= fqf5平斷口混合斷口斜斷口圖 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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，所得到的往往屬于第類曲線。在這種情況下，不能按最大載荷來計(jì)算斷裂韌度。因?yàn)樵诘陀谧畲筝d

7、荷時(shí)，試樣裂紋已經(jīng)在逐步擴(kuò)展，只是由于裂紋前緣處于平面應(yīng)變狀態(tài)的4 部分相對稍少一些，所以裂紋最初的“迸發(fā)”性擴(kuò)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(yàn)中，用0.2%偏離初始切線的規(guī)定來定義屈服強(qiáng)度0.2是相似的。(四) 試驗(yàn)結(jié)果的有效性確定了 pq后，便可按載荷pq算出c，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/s)2， 并滿足 pmax/p51.1條件，則 kq就可認(rèn)為是材料的平面應(yīng)變斷裂韌度k1c。否則，還需要按b和 a 均大于 2.5(kq/s)2

8、的要求制成更厚的試件試驗(yàn)，直到上述條件得到滿足。三、 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行。在實(shí)際構(gòu)件中取樣時(shí)，試件的裂紋取向應(yīng)與構(gòu)件中最危險(xiǎn)的裂紋方向一致。2、試件厚度 b 可根據(jù)材料的 k1c估計(jì)值與 s的比值 b2.5(kq/s)2， 或者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 s為常規(guī)機(jī)械性能用，且必須和 k1c試件同爐熱處理。4、試件粗加工和熱處理后，再進(jìn)行精加工，其最后尺寸和

9、表面光潔度嚴(yán)格按 gb4161-84 規(guī)定。5、小試樣用線切割機(jī)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(shí)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(shí)際應(yīng)用，試件必須在疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制疲勞裂紋。其方法是：先用線切割機(jī)在試樣上切割8mm 長的機(jī)械切口，然后在疲勞試驗(yàn)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(jī)械切口兩側(cè)各7.5mm 處劃線，5 用以標(biāo)記放在疲勞試驗(yàn)機(jī)上；分別在兩側(cè)的機(jī)械切口前沿2mm 處劃線，用以觀察其后疲勞裂紋生長到此線。將高頻疲勞機(jī)的靜載(平均應(yīng)力 )設(shè)為1.25t，動(dòng)載(應(yīng)力

10、幅 )設(shè)為 0.75t，頻率為 100hz，平均振動(dòng) 90 多萬次后，觀察裂紋是否長到刻線處。預(yù)制疲勞裂紋時(shí)，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(yàn)程序1、 在試件上粘貼刀口以便能安裝夾式引伸計(jì)，刀口外線間距不得超過22mm，安裝夾式引伸計(jì)時(shí)要使刀口和引伸計(jì)的凹槽配合好；2、將試樣按圖 23 裝置安放好ff 訊號放大

11、v 訊號放大動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀x-y函數(shù)記錄儀fv引伸計(jì)底座試樣載荷傳感器刀口支承輥試樣圖 2-3 三點(diǎn)彎曲試樣試驗(yàn)裝置示意圖3、標(biāo)定夾式引伸計(jì)；4、開動(dòng)拉伸機(jī)，緩慢勻速加載，直至試樣明顯開裂，停機(jī)。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(jì)，開動(dòng)引伸機(jī)，將試樣壓斷，停機(jī)取下試樣；6、記錄試驗(yàn)溫度和斷口外貌。(五) kq的計(jì)算6 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(gè)讀數(shù)a1、a2、a3、a4和 a5，如下圖，取中間三個(gè)讀數(shù)平均值a=1/3(a2+a3+a4)；3、根據(jù)測得到a 和 w 值，計(jì)算 a/w 值(精確到千分之一 )，f(a/w

12、)數(shù)值查表或計(jì)算。f(a/w)=3(a/w)1/21.99-(a/w)(1-a/w)(2.15-3.93a/w+2.7a2/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(jì)算得到的kq是否為平面應(yīng)變斷裂韌度k1c，需要進(jìn)行校核。滿足以下校核條件時(shí)，才能認(rèn)為試驗(yàn)有效，即kq=k1c。1、任一處的疲勞裂紋長度均不得

13、小于2.5%w，且不得小于 1.5 毫米；2、a2、a3、a4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%；7 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10o以內(nèi)；6、b、a和(w-a)均應(yīng)大于 2.5(kq/s)2；7、pmax/pq1.1 。四、 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析1、試驗(yàn)參數(shù)條件：試樣名稱試樣狀態(tài)屈服極限試驗(yàn)溫度p-v 曲線30crmnsi 880oc 油淬+220oc回火1460mpa 12.50p量程(n/mm) v 量程(mm/mm) 加載速率(次

14、/秒)2000 0.02 100 2、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/w w1 w2 w3 b1 b2 b3 a1a2a3a4a520.63 20.66 20.61 10.23 10.19 10.21 10.13 10.03 10.17 10.02 9.75 0.489 20.63 10.21 80 a=1/3(a2+a3+a4) 10.07 3、 計(jì)算結(jié)果：修正系數(shù)f(a/w) pmax(n) pq(n) pmax/pq2.5(kq/s)2kqmpam1/2k1cmpam1/22.58 12932.4 12222.6 1.06 8.1

15、5mm 83.38 83.38 4、數(shù)據(jù)測定：試驗(yàn)所得三點(diǎn)彎曲曲線圖 (見附 1)，確定載荷條件值如下：由三點(diǎn)彎曲試件的試驗(yàn)曲線可以判定，曲線屬于第 i 類曲線，則從坐標(biāo)原點(diǎn) 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(diǎn)所對應(yīng)的載荷p5，如 pmax/pq1.1 時(shí)，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(jìn)行有效性校核，滿足如下校核條件：8 1)任一處的疲勞裂紋長度均大于2.5%w=0.52mm，且大于 1.5mm；2)a2、a3、a

16、4中最大裂紋長度為 a3=10.17mm與最小裂紋長度a4=9.75mm之差等于 0.42mm，小于 2.5%w=0.52mm；3)表面處裂紋長度a1、a5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 10o以內(nèi)；6)b=10.21mm、 a=10.07mm和(w-a)=10.56mm均大于 2.5(kq/s)2=8.15mm；7)pmax/pq=1.061.1 。6、試驗(yàn)結(jié)論：1)斷口形貌：具有準(zhǔn)解理形貌，但同時(shí)也有少量微坑；2)試驗(yàn)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(yàn)有效，即可知： k1c=kq=83.38mpam1/2。五、 試驗(yàn)心得通過此次試驗(yàn)，我已經(jīng)掌握如何運(yùn)用三點(diǎn)彎曲