平面應(yīng)變斷裂韌度KⅠC的測定

平面應(yīng)變斷裂韌度Kic的測定1實驗?zāi)康睦妙A(yù)制好疲勞裂紋的試樣測定金屬材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC2實驗設(shè)備1、萬能材料試驗機;2、動態(tài)電阻應(yīng)變儀、X-Y函數(shù)記錄儀、載荷傳感器及夾式引伸計;3、游標卡尺。3實驗原理及裝置對于三點彎曲試樣，應(yīng)力強度因子匕的表達式為:對于三點彎曲試樣，應(yīng)力強度因子匕的表達式為:凌，Y1(a/W)式中：S、B、W及a分別為試樣的跨度、厚度、寬度，以及試樣的裂紋尺寸（如圖8-3所示）；F為作用于試樣中點的集中力；叩a/W）為形狀修正系數(shù)，其值可查表得到（表8-1）。隨著外載荷F的增加，Ki隨之增加。然而§的增加不是無限的，這種增加受到材料性能的限制，即當§增加到某一臨界值時，裂紋就會失穩(wěn)擴展引起材料脆斷。這個臨界值代表金屬材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力，也就是材料的斷裂韌度、。所以在測試時，只要在試樣的加載過程中，測出裂紋失穩(wěn)擴展時的臨界載荷Fq和試樣裂紋尺寸a，就可以求出試樣材料的臨界應(yīng)力強度因子Kq。如果試樣尺寸滿足平面應(yīng)變和小范圍屈服條件，則此時的臨界應(yīng)力強度因子即為該材料的平面應(yīng)變斷裂韌度孔。具體的做法是：對預(yù)制有疲勞裂紋的試樣加載，在加載過程中用儀器記錄下載荷增加和裂紋擴展情況的F-V曲線（V一裂紋嘴張開位移）；根據(jù)曲線上裂紋失穩(wěn)擴展時（臨界狀態(tài)）的載荷fq及試樣斷裂后測出的預(yù)制裂紋長度a,代入應(yīng)力強度因子％的表達式，可得K FqSY（a/W）QBW3/2 1然后再根據(jù)規(guī)定的判據(jù)判斷Kq是不是平面應(yīng)變狀態(tài)下的KIC，如果不符合判據(jù)的要求，則需加大試樣尺寸重做實驗。實驗裝置如圖8-1所示：圖8-1實驗裝置（三點彎曲試樣）4實驗步驟1、 實驗前先清洗裂紋嘴兩側(cè)，用膠將刀口粘到試樣上；2、 試驗前用卡尺在裂紋前緣韌帶部分測量試件厚度8三次，測量精度精確到0.1%B或0.025mm，取其較大者，計算平均值。在切口附近測量試樣寬度三次，測量精度精確到0.1%W或0.025mm，取其較大者，計算平均值；3、 安裝三點彎曲試驗支座，使加載線通過跨距S的中點，偏差在1%S，而且試樣與支承輥的軸線應(yīng)成百角，偏差在±2°以內(nèi)；4、 將載荷傳感器和引伸計的接線分別按“全橋法”接入動態(tài)應(yīng)變儀，并進行平衡調(diào)節(jié)。用動態(tài)輸出檔將載荷及位移輸出訊號分別接到函數(shù)記錄儀的“Y”和“X”的接線柱上，調(diào)整好函數(shù)記錄儀的放大比，使記錄曲線的初始斜率在0.7~1.5之間，并使畫出的曲線大小適中；5、 對試樣緩慢而均勻地加載，一般試驗機速度為0.5?2mm/分，以使％的增長速率不至太快。加載時必須在F—V曲線上記錄下某一載荷的數(shù)值和斷裂載荷的數(shù)值，用來對F—V曲線圖上的載荷進行標定；6、 加載到壓斷試樣，取下F—V曲線圖進行分析處理。5實驗結(jié)果的分析及處理.裂紋失穩(wěn)擴展時的臨界載荷F。Q由于試樣厚度與材料韌性不同，從函數(shù)記錄儀中所得F—V曲線主要有三種類型，它們分別對應(yīng)于三種斷口外貌（如圖8—2所示）。O平斷口mVO平斷口mV圖8-2三種典型的F-V曲線I型一穩(wěn)定擴展型II型一局部擴展型III型一失穩(wěn)擴展型從F-V曲線圖上確定F的方法是：先從原點O作一相對直線0￡部分Q斜率減少5%的直線來確定裂紋失穩(wěn)擴展載荷Fq，直線與F-V曲線的交點為F,如果在F之前沒有比F大的高峰載荷，則F=F（圖8-2曲5 5 5 Q5線I）；如果在F5之前有一個高峰載荷，則取這個高峰載荷為FQ（圖8-2曲線I和曲線III）。.測定裂紋長度a與臨界載荷Fq對應(yīng)的裂紋長度氣，計算時可取初始裂紋長度a,百接從斷后試樣上量出。試樣斷裂后，可觀察到裂紋長度沿厚度B方向呈弧狀形，見圖8-3。為了能利用前述應(yīng)力強度因子公式（公式中的a是對應(yīng)著平直前緣裂紋的長度）計算試樣的Kic，］ 需要確定與試羊的實際前緣裂紋相等效的平直前緣a=3區(qū)+a3+a4裂紋長度a?？扇〉刃街鼻熬壛鸭y長度式中：氣、當、a4分別為沿厚度方向B/4、B/2、3B/4處的裂紋長度。.計算條件斷裂韌性KQ按a與W的值查表得出y(a/W)的值，根據(jù)y(a/W)與F的值可算出K。1 1 Q Q判斷Kq的有效性對試件厚度、裂紋長度和韌帶尺寸的要求B,a,(w-a)A2.5―^—cVy對載荷比(試驗的最大載荷Fmax與條件臨界載荷Fq之比)的要求Fmax/FqW1.10上述條件中有一項不滿足，則試驗無效，這時應(yīng)取厚度為原試樣厚度1.5倍的標準(或比例)試樣重做試驗。當上述條件全部滿足時，則Kq即為材料的平面應(yīng)變斷裂韌度、。6試驗報告試驗報告應(yīng)包括下述內(nèi)容：（1） 試驗材料的冶金狀態(tài)、規(guī)格、取樣部位及試樣取向，常規(guī)力學(xué)性能及相應(yīng)于試驗溫度下的被測材料的力學(xué)性能（如屈服強度）；（2） 試樣類型。試樣厚度B，寬度W，加載跨距S，原始韌帶寬度（W-a）；（3）疲勞預(yù)制裂紋開始和終了時的F 「』min,K（MPam2）fmaxF ，循環(huán)次數(shù)，頻率；（4）試驗fmax溫度和環(huán)境；（5） 加載速率（mm/min）與加載時間（min）；（6） 疲勞裂紋及相關(guān)規(guī)定執(zhí)行情況；（7） 斷口形貌；（8） 有效性檢；（9） 分析討論。

表8—1 Y(a/W)數(shù)值表1a/WY(a/W)ia/WY(a/W)i0.4502.290.5052.700.4552.320.5102.750.4602.350.5152.790.4652.390.5202