強(qiáng)文江平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定

平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的測(cè)定班級(jí)：學(xué)號(hào)：

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由盍私馄矫鎽?yīng)變斷裂韌度的應(yīng)用及其前提條件，體驗(yàn)試驗(yàn)過程。測(cè)量40Cr的平面應(yīng)變斷裂韌度。二、實(shí)驗(yàn)原理斷裂是材料構(gòu)件受力作用下發(fā)生的最危險(xiǎn)的變化形式，尤其是沒有發(fā)生明顯的宏觀塑性變形的情況下就發(fā)生的斷裂——脆性斷裂。理論分析和大量實(shí)踐結(jié)果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，斷裂條件是：σa=材料常數(shù)式中，σ為正應(yīng)力，2a為試樣或者構(gòu)件中的裂紋長(zhǎng)度。這樣的結(jié)果，應(yīng)用于高強(qiáng)度金屬材料的脆性斷裂也與實(shí)際相符得非常好。根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)，斷裂的判據(jù)是裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到其臨界值——材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，即：K=Yσa≥KIC式中Y是裂紋的形狀因子。平面應(yīng)變斷裂韌度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)。平面應(yīng)變斷裂韌性，可以用于評(píng)價(jià)材料是否適用，作為驗(yàn)收和產(chǎn)品質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)。材料的斷裂韌度受到冶金因素(成分、熱處理)的制造工藝(如焊接、成形)影響。應(yīng)用平面應(yīng)變斷裂韌度對(duì)構(gòu)件的斷裂安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要對(duì)構(gòu)件的受力情況、工作環(huán)境、無損檢測(cè)裂紋方法的靈敏度、可靠性等方面進(jìn)行分析。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料實(shí)驗(yàn)儀器：1.WDW-200D微機(jī)控制電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)（試驗(yàn)力準(zhǔn)確度優(yōu)于示值的0.5%）2.游標(biāo)卡尺（精度0.02mm）3.雙懸臂夾式引伸計(jì)（原長(zhǎng)10.00mm）4.工具顯微鏡15JE（精度0.001mm）實(shí)驗(yàn)材料：本試驗(yàn)采用經(jīng)過860℃淬火、220℃回火處理的40Cr鋼，屈服強(qiáng)度σs=1400MPa實(shí)驗(yàn)樣品：GB三點(diǎn)彎曲試樣：試樣中裂紋的制備要求測(cè)定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，要求裂紋尖端具有足夠高的應(yīng)力集中效應(yīng)，否則，易于造成試驗(yàn)因?yàn)閼?yīng)力——位移曲線不符合要求而得不到預(yù)定結(jié)果。為此，試樣中裂紋的制備由兩道工序完成。首先要通過機(jī)加工或者線切割方法制備出裂紋的主體部分，隨后還要通過疲勞過程在此切割裂紋基礎(chǔ)上制備出尖端很尖銳的疲勞裂紋。試樣的裂紋由這兩部分構(gòu)成。第一道加工的切割裂紋缺口，應(yīng)垂直于試樣表面和預(yù)期的裂紋擴(kuò)展方向，偏差在±2°以內(nèi)，其根部半徑應(yīng)在0.08mm以下。在疲勞過程在前期預(yù)制裂紋尖端引發(fā)疲勞裂紋的過程中，可以采用先大后小的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子——首先采用不高于材料的斷裂韌度的0.8倍的應(yīng)力來制備疲勞裂紋；而在后期，要求降低施加的應(yīng)力水平，使裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子降低到斷裂韌度的0.6倍以下。試樣中的裂紋需要滿足如下條件方是有效的：(1)裂紋平面應(yīng)與試樣的寬、厚兩個(gè)方向平行，裂紋不能分叉；(2)缺口加工裂紋的總長(zhǎng)度為0.45W~0.55W之間；(3)試樣表面上的疲勞裂紋長(zhǎng)度不得小于0.025W，或者1.3mm，并且取其中的較大值；(或者：疲勞裂紋的長(zhǎng)度不能小于裂紋總長(zhǎng)度的5％；)(4)裂紋在試樣兩個(gè)自由表面上的長(zhǎng)度不應(yīng)小于總裂紋長(zhǎng)度的90％；四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)測(cè)定試樣的厚度B，要求沿著裂紋的預(yù)期擴(kuò)展面在未斷開的區(qū)域測(cè)量厚度，精確要求未0.025mm或者0.1%B中的較大者。測(cè)量試樣的寬度W。(2)對(duì)試樣粘貼引伸計(jì)的卡裝刀口。將試樣安放于試驗(yàn)機(jī)上，要求裂紋擴(kuò)展面與加載壓頭盡量處于同一個(gè)平面上，避免二者錯(cuò)位或者形成明顯不為0的夾角。(3)對(duì)試樣加載，測(cè)量載荷P－位移V(即裂紋嘴標(biāo)距間距離的變化量)關(guān)系曲線，直到試樣被完全斷裂為止。加載速度控制標(biāo)準(zhǔn)為：應(yīng)力強(qiáng)度因子的速率在0.55~2.75/smMPa范圍內(nèi)。(4)在裂紋擴(kuò)展斷裂的試樣斷口上，如圖示意性給出的那樣，借助于工具顯微鏡，在試樣厚度方向上1/4、1/2和3/4的位置上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，記做a2、a3和a4；測(cè)量準(zhǔn)確度要求為0.5%。同時(shí)，測(cè)量?jī)蓚€(gè)自由表面上的裂紋長(zhǎng)度，記做a1和a5。同時(shí)，測(cè)量各位置上的疲勞裂紋的長(zhǎng)度。(5)根據(jù)測(cè)量得到的裂紋長(zhǎng)度，判斷試驗(yàn)的有效性。原則如下：1)a2、a3和a4中任意兩個(gè)測(cè)量值之差不得大于平均值a的10％；2)a1、a5與a的差值不得大于15％，a1和a5之差也不得大于a的10％；3)裂紋面與BW面平行，偏差在±10°以內(nèi)。滿足上述要求時(shí)，取a2、a3和a4的平均值作為裂紋長(zhǎng)度a。(6)斷口形貌的觀察：注明每個(gè)試樣的斷口形貌特征。常見的斷口形貌類型如圖4所示。對(duì)部分斜斷斷口，應(yīng)在裂紋頂端和試樣無缺口邊之間測(cè)量中心平斷口部分的平均寬度f。記下單位厚度斜斷口的比例(B-f)/B。全斜斷口中該數(shù)值f為0。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：試驗(yàn)機(jī)加載速率v=0.3mm/min，試驗(yàn)溫度18℃，試驗(yàn)濕度32%RH試樣基本尺寸：B=9.80mm，W=20mm，S=80mm裂紋長(zhǎng)度：a1=10.130mm，a2=10.432mm，a3=10.166mma4=10.351mm，a5=10.031mm數(shù)據(jù)處理：（1）裂紋長(zhǎng)度a裂紋平均值a=（a2+a3+a4）/3=(10.432+10.166+10.351)/3=10.316mm則：平均值的10%為10%*a=1.0316mm，15%為15%*a=1.5474mma2、a3、a4中任意兩者最大差值為a2-a3=0.266<1.0316，符合要求|a1-a|=|10.130-10.316|=0.186<1.5474，符合要求|a5-a|=|10.031-10.316|=0.285<1.5474，符合要求a1-a5=10.130-10.031=0.099<1.0316，符合要求裂紋面與BW面平行，偏差在±10°以內(nèi)因此可以知數(shù)據(jù)符合要求，裂紋長(zhǎng)度為a=10.316mm（2）Pmax及Pq由試驗(yàn)測(cè)得的載荷－位移曲線，確定裂紋擴(kuò)展的對(duì)應(yīng)載荷Pq，取彈性變形階段載荷－位移關(guān)系的線性段的斜率的95％，對(duì)該曲線做割線，交曲線于一點(diǎn)P5，如圖所示?？芍赑5出現(xiàn)之前，載荷已經(jīng)達(dá)到了試驗(yàn)全過程的最高值Pmax，此時(shí)將Pmax作為Pq，Pq=Pmax=6.136KN。3）Kq的計(jì)算對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，根據(jù)下面公式計(jì)算出Kq值（平面應(yīng)變斷裂韌度的估算值）：其中a/w=10.316/20=0.5158≈0.516查表可得此時(shí)f（0.516）=2.80代入各數(shù)值，算得Kq=6136*80*10-3*2.80/(9.80*10-3*(20*10-3)3/2)=49.6（4）KIC的判據(jù)驗(yàn)證①Pmax/Pq=1<1.1，符合要求②2.5*（Kq/σs）2=2.5*（49.6/1400）2=3.138*10-3m=3.138mm<B（9.80mm），a（10.316mm），符合要求綜上可知試驗(yàn)結(jié)果符合各項(xiàng)有效性判據(jù)，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效。40Cr鋼的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC=Kq=49.6六、結(jié)果及討論實(shí)驗(yàn)斷口形貌平整，推斷為脆斷。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的平均值只計(jì)算斷裂區(qū)中部的a2、a3、a4值，原因是中部的裂紋是在應(yīng)變狀態(tài)下斷裂，而斷裂表面處的裂紋是處于應(yīng)力斷裂，不在實(shí)驗(yàn)討論的范圍內(nèi)。a1、a5的測(cè)量只是為了方便判斷裂紋長(zhǎng)度有效性。在載荷—變形曲線中，可見應(yīng)力到了最大值后便不斷下降，此時(shí)材料內(nèi)部由塑性變形階段變?yōu)榱鸭y在內(nèi)部擴(kuò)展階段。這由于裂紋頂端處應(yīng)力不可能無限地增長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)材料屈服應(yīng)力時(shí)，即在裂紋頂端附近形成一個(gè)微小的屈服區(qū)，所以無法直接用裂紋頂端處的應(yīng)力大小來作裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)。當(dāng)構(gòu)件最大應(yīng)力區(qū)中足夠大體積內(nèi)的應(yīng)力都達(dá)到了材料特點(diǎn)的臨界值時(shí)，即發(fā)生脆性斷裂。參考文獻(xiàn)----------------------------------