金屬平面應變斷裂韌度KIC測定

1、主講教師一、實驗目的一、實驗目的 1.了解金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試 驗的基本原理以及對試樣形狀和尺寸 的要求。 2.掌握采用三點彎曲試樣測試KIC的方法 及試驗結果的處理方法。二、實驗原理二、實驗原理 斷裂韌度KIC是金屬材料在平面應變和小范圍屈服條件下裂紋失穩(wěn)擴展時應力場強度因子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定量指標。斷裂韌度KIC的測試過程，就是把試驗材料制成一定形狀的試樣，并預制出相當于缺陷的裂紋，然后把試樣加載。加載過程中，連續(xù)記錄載荷P與相應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、已經起裂、穩(wěn)定擴展或失穩(wěn)擴展的情

2、況。 當裂紋起裂失穩(wěn)擴展時，記錄下載荷PQ，再將試樣壓斷，測得預制裂紋長度a，代入裂紋尖端應力強度因子K的表達式中得到臨界值，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。 國標金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法規(guī)定的主要使用試樣是三點彎曲和緊湊拉伸兩種，試樣尺寸如圖1和圖2所示，K的表達式為 ：2341/23/22/4.640.86613.32()14.72()5.6()(1/)IFSa WaaaaKBWa WWWWW當S4W時，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 標準規(guī)定，測得的KQ是否有效，要看是否滿足以下兩個條件： 如果符合上述兩項條件，KQ即KIC；如不符合，則KQ不是KIC，須加大試樣尺寸，重新實驗。 （1） 22.5()ICsKB（2） max/1.1QPP 2試樣制備 試樣可以從機件實物上切去，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展方向有關，所以在切取試樣時應予以注明。 試樣毛坯粗加工后，進行熱處理和磨削加工(不需熱處理的試樣粗加工后直接進行磨削加工)，隨后開缺口和預制疲勞裂紋。試樣上的缺口一般用線切割加工。為了后面預制的裂紋平直，缺口應盡可能

4、尖銳，一般要求尖端半徑為0.080.1mm。 開好缺口的試樣，在高頻疲勞試驗機上預制疲勞裂紋。試樣表面上的裂紋長度應不小于0.25w或1.3mm，取其中之較大值。a/w應控制在0.450.55范圍內。預制疲勞裂紋時，先在試樣的兩個側面上垂直于裂紋擴展方向用鉛筆或其他工具畫兩條標線(圖3)，其中標線AB與0.5w相對應，標線CD在靠近缺口一側，兩條標線間的距離應不小于缺口加疲勞裂紋總長度的2.5%，即0.0125w。 預制疲勞裂紋開始時的載荷可較大，但最大交變載荷也不應使Kfmax(預制疲勞裂紋時的最大應力場強度因子)超過材料KIC估計值的80%。交變載荷的最低值應使最小載荷與最大載荷在裂紋擴展

5、最后階段(即在裂紋總長度最后的2.5%的距離內)，應使Kfmax60%KIC，并且Kfmax/E0.01mm1/2，同時調整最小載荷使載荷比在-10.1之間。預制疲勞裂紋過程中，要用放大鏡或計數(shù)顯微鏡仔細監(jiān)視裂紋的發(fā)展，遇有試樣兩側裂紋發(fā)展深度相差較大時，可將試樣調轉方向繼續(xù)加載。 3斷裂實驗 將制備好的試樣用專門制作的夾持裝置在一般萬能材料試驗機或電子拉伸試驗機上進行實驗，圖4所示的是三點彎曲試樣斷裂韌度實驗的示意圖。試樣2放在支座上，機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3。加載過程中，載荷傳感器傳出載荷P的信號，夾式引伸計傳出裂紋尖端張開位移V的信號，將信號P、V通過

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)擴展臨界載荷PQ，依PQ和試樣壓斷后實測的裂紋長度a代入K式(式1）、 （式2)以求KQ。三、試驗設備及材料三、試驗設備及材料 1.萬能材料試驗機：最大試驗力100kN(或300kN)，在活動橫梁上應配備有專用的彎曲試樣支座一臺。 2.動態(tài)應變儀一臺；X-Y函數(shù)記錄儀一臺；壓力傳感器100kN一個；夾式引伸計一個；位移標定器一臺；工具顯微鏡一臺。 3.實驗用材料及試樣：本試驗采用圖1所示的標準三點彎曲試樣。對于強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變和小范圍屈服的條件。對強度低、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得有效的KIC值，試樣材料和熱處理工藝的選擇應保證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)。 每組學生領取同一種材料及熱處理工藝的試樣一個或3個。 此外，尚需準備游標卡尺一把及支持引伸計用的刀口6塊，“502”快干膠水一瓶。 四、試驗步驟和方法四、試驗步驟和方法 1. 測量試樣尺寸。在缺口附近至少3個位置上 測量試樣寬度W，準確到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、線通過跨距s的 中點，偏差在s的1%以內。放置試樣時應 使裂紋頂端在位于跨距的正中，偏差也不 得超過s的1%,而且試樣與支承輥的軸線應 成直角，偏差在2 以內。 3標定引伸計。 4試樣上粘貼刀口，安裝引伸計，使刀口與引申計兩臂前端的凹槽密切配合。5將壓力傳感器和夾式引伸計的接線分別按“全橋法”接入動態(tài)應變儀，并進行平衡調節(jié)。用動態(tài)輸出檔，將壓力F及裂紋尖端開位移V的輸出訊號分別接到函數(shù)記錄儀的“Y”和“X”接線柱上。調整好函數(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；在調整動態(tài)應變儀和X-Y記錄儀的放大倍數(shù)使畫出的圖形大小適中。 6開動試驗機，對試樣緩慢而

9、均勻地加力，加力速率的選擇應使應力場強度因子的增加速度在17.4-87.0N/mm3/2s-1范圍內。在加力的同時記錄F-V曲線，直至試樣所能承受的最大力后停止。此外，在加力過程中，還應在F-V曲線上記錄任一初始力和最大力的數(shù)值(由試驗機表盤讀出)，以便對F-V曲線上的力值進行標定。 7試驗結束后，取下引伸計，壓斷試樣。將壓斷后的試樣在工具顯微鏡或其他精密測量儀器下測量裂紋長度a。由于裂紋前沿不平直，規(guī)定在/4、/2、3/4的位置上測量裂紋長度a2、a3及a4(圖5)，各測量值準確到裂紋長度a的0.5%，取其平均長度a= (a2+a3+a4)/3作為裂紋長度。a2、a3、a4中任意兩個測量值之

10、差以及a1與a5之差都不得大于a的10%。五、試驗結果的分析及處理五、試驗結果的分析及處理 1確定裂紋失穩(wěn)擴展時的條件臨界力值FQ 測得的PV曲線有圖6所示三種形式，對強度高、塑性低的材料，加載初始階段，PV呈直線關系，當載荷達到一定程度，試樣突然斷裂，曲線突然下降，得到曲線I，這時曲線最大載荷就是計算KIC的PQ；對韌性較好的材料，曲線首先依直線關系上升到一定值后，突然下降，出現(xiàn)“突進”點，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II、III兩種曲線，標準規(guī)定從坐標原點做比試驗曲線斜率小5的斜線與試驗曲線相交，得一點P5，如P5以左曲線上

11、有載荷點高于P5的，即以P5以左得最高載荷為PQ；如P5以左無載荷點高于P5，即以P5為PQ，以計算KQ。 PQ確定后，將試樣壓斷，測量預制裂紋長度a，將PQ、a、B、W、S等代入應力強度因子表達式（式1）、（式2）以計算KQ。注意斷口上預測裂紋線并不是一平直的線，而是一弧形線，標準中規(guī)定了裂紋長度a值的辦法。 2計算條件斷裂韌性KQ 將FQ和a值代入KI表達式計算KQ。 3KIC有效性判別 標準規(guī)定，測得的KQ是否有效，要看是否 滿足以下兩個條件：（1） 22.5()ICsKB（2） max/1.1QPP 如果符合上述兩項條件，KQ即KIC；如不符合，則 KQ不是KIC。六、試驗報告要求六、試驗報告要求 1簡述用三點彎曲試樣測試KIC的原 理、試驗裝備及試驗過程。