北京科技大學(xué)金屬斷裂韌性試驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告

PAGEPAGE940Cr平面應(yīng)變斷裂韌性試驗(yàn)報(bào)告一、試驗(yàn)內(nèi)容、目的與要求1.用標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲方法測定40Cr在淬火+低溫回火后的平面應(yīng)變斷裂韌性2.加深理解平面應(yīng)變斷裂韌性的應(yīng)用及其前提條件。二、試驗(yàn)原理斷裂條件是：σ*a0.5=材料常數(shù)σ為正應(yīng)力，2a線彈性斷裂力學(xué)斷裂判據(jù)：K=Yσ*a0.5≥KICY是裂紋形狀因子。平面應(yīng)變斷裂韌性KIC是材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的特征參量，它與裂紋的尺寸及承受的應(yīng)力無關(guān)。它可以用于：(1)評價(jià)材料的適用性(2)作為材料的驗(yàn)收和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)(3)對構(gòu)件的斷裂安全性進(jìn)行評價(jià)三、試驗(yàn)材料與試樣試驗(yàn)材料：40Cr，880℃淬火，220℃回火試樣：按照國標(biāo)要求加工的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣SE(B)，其中名義跨度S=4W(W＝20mm)其標(biāo)準(zhǔn)比例和公差見圖1。圖1彎曲試樣SE(B)的標(biāo)準(zhǔn)比例和公差四、試驗(yàn)儀器與設(shè)備1.WDW-200D萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)；2.工具顯微鏡，最小分度為0.001mm；3.YYJ-4/10引伸計(jì)，能夠準(zhǔn)確指示裂紋嘴標(biāo)距間的相對位移，且能穩(wěn)妥地安在試樣上；4.游標(biāo)卡尺，精度為0.02mm。五、試驗(yàn)步驟1.試驗(yàn)之前按照國標(biāo)要求預(yù)先制備好疲勞裂紋；2.測量試樣厚度B：從疲勞裂紋頂端至試樣的無缺口邊，沿著預(yù)期的裂紋擴(kuò)展線，在三個(gè)等間隔位置上測量厚度B，準(zhǔn)確到0.025mm或0.1%B，取其中較大者，取三次測量的平均值作為B；3.測量試樣寬度W：在缺口附近至少三個(gè)位置上測量寬度W，準(zhǔn)確到0.0025mm或0.1%W，取較大者，計(jì)算平均值作為W；4.在試樣上粘貼引伸計(jì)卡裝刀口（本次試驗(yàn)中，使用上一組粘貼好的試樣，本組粘貼的試樣供下一組使用），具體步驟為：（1）用游標(biāo)卡尺量出5.30mm的距離，并保持這個(gè)距離；（2）移動(dòng)游標(biāo)卡尺，使裂紋居于5.30mm距離的中間；（3）在卡尺兩個(gè)測量腳處劃線標(biāo)記；（4）在標(biāo)記出粘貼刀口5.在試樣上裝載引伸計(jì)后，將試樣裝于試驗(yàn)機(jī)上，不斷調(diào)整試樣位置，使其處于載樣臺的正中，裂紋擴(kuò)展面與加載壓頭要處于一個(gè)平面上，避免二者錯(cuò)位或形成明顯不為0的夾角。然后設(shè)置加載速率為0.3mm/min進(jìn)行加載；6.試樣斷裂后，測量裂紋長度a：在B/4、B/2、3B/4的位置上測量裂紋長度a2、a3、a4，同時(shí)測量a1與a5。各測量值準(zhǔn)確到0.5%。取a=（a2+a3+a4）/3，用所得a值計(jì)算Kq.圖2裂紋長度的測量位置7.判斷裂紋有效性；8.判斷KIC有效性；9.斷口形貌觀察，注明試樣斷口形貌特征。六、試驗(yàn)數(shù)據(jù)1.試樣相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)見表1。表1試樣尺寸數(shù)據(jù)記錄表測量次數(shù)123平均值試樣厚度B/mm9.929.929.929.92試樣寬度W/mm20.0820.0820.0620.072.試樣裂紋長度數(shù)據(jù)見表2。表2試樣裂紋長度數(shù)據(jù)記錄表測量位置a1a2a3a4a5長度/mm9.0989.3019.0939.2729.112a/mm9.2223.載荷—變形曲線圖見圖3。金屬三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)部門（單位）：材料名稱：低碳鋼試驗(yàn)日期：2011-11-17:17-16試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T228-2002試樣形狀：矩形截面試樣批號：溫度：18序號試樣編號最大彎曲力--kN136.086圖3試驗(yàn)機(jī)得到的載荷-變形曲線4.試樣斷口形貌照片見圖4。圖4試樣斷口形貌照片七、數(shù)據(jù)處理與分析1.裂紋有效性判斷（1）因?yàn)閍/W=9.222/20.07=0.459，因此滿足裂紋長度在0.45~0.55W之間。（2）a2、a3、a4中，差值最大的為a2、a3，并且a2-a3=9.301-9.093=0.208mm＜10%所以滿足a2、a3、a4中任意兩個(gè)測量值之差不得大于a的10%的要求。（3）|a1–a|=|9.098-9.222|=0.124mm＜15%a；|a5–a|=|9.112-9.222|=0.11mm＜15%a；|a5–a1|=|9.112-9.098|=0.014mm＜10%a；所以滿足對于直通形缺口，a1、a5與a之差不得大于a的15%，且a1與a5之差也不得大于a的10%的要求。（4）因?yàn)樵嚇拥臋C(jī)加工裂紋長度s為7mm，故疲勞裂紋長度應(yīng)為裂紋總長度減去機(jī)加工裂紋長度：a–s=9.222–7=2.222mm＞1.3mm所以滿足對于直通形缺口試樣表面上的疲勞裂紋長度的要求。（5）經(jīng)觀察裂紋面與BW平面平行，偏差在±10°以內(nèi)。綜上所述，裂紋滿足有效性要求。2.確定Pq與Pmax在試驗(yàn)中得到載荷—變形曲線圖后，過記錄曲線的線性段作直線OA，O為直線與橫軸的交點(diǎn)，并通過O點(diǎn)畫割線OP5，使得割線斜率為直線OA斜率的95%，P5為割線與曲線的交點(diǎn)，如圖3。由圖可知，P5與Pmax重合，因此Pq=Pmax=6.086kN3.查f(a/W)由于a/W=0.459，因此在國標(biāo)中查表，得f(a/W)=2.3444.計(jì)算Kq將數(shù)據(jù)代入下列公式中：Kq=（PqS/BW1.5）*f(a/W)=(6086*0.08)/(0.00992*0.020071.5)*2.344=40.46MPa·m0.5得出Kq值。5.KIC有效性判斷（1）由于Pmax/Pq=1＜1.10，所以載荷比符合要求；（2）由于2.5*(Kq/Rp0.2)2=2.5*(40.46/1400)2=2.08mm而2.08mm＜a=9.222mm，2.08＜B=9.92mm所以2.5*(Kq/Rp0.2)2的值滿足小于或等于試樣厚度B和裂紋長度a得要求。綜上所述，試驗(yàn)結(jié)果有效，且KIC=Kq=40.46MPa·m0.56.裂紋前沿塑性區(qū)尺寸R0=1/(2*20.5*π)*(KIC/Rp0.2)2=1/(2*20.5*π)*(40.46/1400)2=0.094mm八、試驗(yàn)結(jié)論通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測定經(jīng)880℃淬火，220℃回火的40Cr鋼的平面應(yīng)變斷裂韌性KIC=40.46MPa其中KIC的有效性條件是Pmax/Pq=1，2.5*(Kq/Rp0.2)2=2.08mm九、結(jié)果討論1.關(guān)于裂紋長度a的確定在試驗(yàn)中確定裂紋長度a時(shí)采用的方法是取a2、a3、a4三者的平均值，沒有將a1、a5考慮進(jìn)去的原因是這二者為試樣表面的裂紋的長度，試樣表面裂紋不夠穩(wěn)定，故舍棄這二者。取a2、a3、a4三者的平均值可以減小試驗(yàn)誤差，使a值更準(zhǔn)確。2.關(guān)于裂紋有效性的判斷在裂紋有效性的判斷中，對a1、a2、a3、a4、a5、a六個(gè)數(shù)值的上下浮動(dòng)程度進(jìn)行了嚴(yán)格控制，這樣可以減小數(shù)據(jù)的方差，提高裂紋長度a值的可靠性。再深入一層考慮，如果直通形裂紋在理想的試驗(yàn)條件下進(jìn)行理想的全面穩(wěn)定均勻擴(kuò)展的話，裂紋前沿應(yīng)是一條與試樣厚度方向平行的直線，此時(shí)a1、a2、a3、a4、a5、a六個(gè)數(shù)值完全相等。但是由于試驗(yàn)條件不夠理想，例如所加載荷并非理想狀態(tài)下的三點(diǎn)彎曲載荷；同時(shí)由于材料自身的因素，例如組織不均勻、宏觀偏析等，使得裂紋向前擴(kuò)展時(shí)不同部位的裂紋前沿所受阻力不同，使得實(shí)際裂紋前沿成為一條曲線。為了使試驗(yàn)結(jié)果盡量接近理想狀態(tài)，故需要對a1、a2、a3、a4、a5、a六個(gè)數(shù)值的上下浮動(dòng)程度進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)裂紋是全面均勻穩(wěn)定的有效擴(kuò)展，而非局部擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展等無效擴(kuò)展。3.關(guān)于Pmax與P5Pmax是裂紋開始失穩(wěn)的臨界載荷；P5點(diǎn)是一個(gè)人為規(guī)定。規(guī)定裂紋相對擴(kuò)展Δa/a=2%時(shí)的KI值，作為平面應(yīng)變斷裂韌性的條件值。而當(dāng)a/W≈0.5時(shí)，無論三點(diǎn)彎曲試樣還是緊湊拉伸試樣，Δa/a=2%時(shí)大約相當(dāng)于ΔV/V=5%，即：(V+ΔV)/V=1.05所以P/(V+ΔV)=P/(1.05*V)即P/(V+ΔV)=0.95*P/V式中P/V是載荷-變形曲線上直線部分的斜率，P/(V+ΔV)是割線OP5的斜率。故可知割線OP5的斜率是載荷-變形曲線上直線部分斜率的95%。因此P5點(diǎn)就是裂紋相對擴(kuò)展2%時(shí)對應(yīng)的點(diǎn)。4.關(guān)于計(jì)算Kq時(shí)S值的選擇由測量得W=20.07mm，但是計(jì)算Kq時(shí)S值并不取為4*20.07mm=80.28mm，而是取S=80mm。這是因?yàn)樵嚇臃旁谠囼?yàn)機(jī)上經(jīng)調(diào)整后，實(shí)際進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的跨度是由試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)輥?zhàn)拥拈g距決定的，即為名義跨度S=80mm5.關(guān)于載荷比Pmax/Pq在KIC有效性判斷中，要求載荷比滿足Pmax/Pq≤1.10。此項(xiàng)規(guī)定的原因，可以從其相反面來考慮。當(dāng)載荷比不滿足要求時(shí)，即Pmax/Pq＞1.10時(shí)，聯(lián)系載荷-變形曲線分析，可知在載荷為Pq時(shí)裂紋開始擴(kuò)展，但當(dāng)載荷增加至超過1.1Pq時(shí)，才達(dá)到裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展載荷值Pmax。Pq值比Pmax值小的比較多，可以推斷裂紋開始擴(kuò)展時(shí)并非全面均勻擴(kuò)展，而是不均勻的局部擴(kuò)展，因此所需要的驅(qū)動(dòng)力較小，使得Pq值較小。而裂紋的不均勻局部擴(kuò)展是不希望看到的無效擴(kuò)展方式，因此不允許此種擴(kuò)展發(fā)生，即不允許Pmax/Pq＞1.10。故要求Pmax/Pq≤1.106.關(guān)