实验三 平面应变断裂韧性KIC的测定

实验三平面应变断裂韧性KIC的测定一.实验目的1.通过三点弯曲实验测定40Cr的平面应变断裂韧性2.加深理解平面应变断裂韧度的应用以及前提条件二.实验原理1）断裂判据是裂纹前沿应力强度因子K达到临界值——材料平面应变断裂韧度KＩＣ，即：Ｋ＝ＹσaKＩＣ式中Ｙ是裂纹的形状因子2）本方法用带有疲劳预裂纹的缺口试样，在三点弯曲下自动加载自动记录载荷P及裂纹嘴的张开位移V。然后，按照本标准规定的方法，在记录的P-V曲线上求出裂纹长度的表观扩展量为2%时的载荷，将此载荷代入相应试样的KI表达式，计算KIC的条件值Kq，如果实验结果满足本方法规定的有效性判据，Kq=KIC。平面应变断裂韧度KＩＣ是材料抵抗裂纹扩展能力的特征参量，它与裂纹的尺寸及承受的应力无关，可以用于：第一：研究冶金因素（成分，热处理）或制造工艺（焊接，成型）对材料断裂韧度的影响第二：评价材料是否适用第三：作为验收和产品质量控制标准三.实验材料与试样本实验采用经过860℃淬火，220℃低温回火处理的40Ｃｒ钢，其屈服强度σs＝１４００Mpa.试样为GB4161-84规定的标准三点弯曲试样，名义尺寸：宽度W=20mm，厚度B=10mm，跨距S=80mm。试样需要预先制备出尖端很尖锐的裂纹，为此，经过热处理后的试样首先完成外形尺寸的精加工然后采用线切割制备出第一条裂纹。由于线切割的钼丝直径一般在0.2mm左右，裂纹的尖端不够尖锐，应力集中效果不够好，故此还要施加循环应力作用，在一段裂纹的前端在制备出非常尖锐的疲劳裂纹。国标中对于疲劳裂纹的制备条件及形状尺寸规定了严格的要求。四.实验设备和仪器1.WDW-200D微机控制电子式万能材料试验机：试验力准确度优于示值的0.5%2.双悬臂夹式引伸计3.工具显微镜：精度0.001mm4.游标卡尺：精度0.02mm五.实验步骤1.测量试样尺寸。从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，在三个等间隔的位置上测量厚度B，准确到0.025mm或0.1%B，取较大者，取三次平均值；在缺口附近三个位置测量宽度W，准确到0.0025mm或0.1%W，取较大者，计算平均值；2.装卡引伸计。在试样裂纹两侧用502胶对称的粘贴一对卡口片来装卡固定引伸计，引伸计的标距为大约5mm3.加载测试。将试样安装于试验机上并调整其位置，尽量使裂纹扩张面与加载压头处于同一个平面上。在计算机的界面上设置加载速度0.3mm/min，然后对试样加载，计算机屏幕显示载荷P—裂纹嘴张开位移V关系曲线。最后可以看见随着裂纹的扩展，试样被压断成两截，测试结束。4.观察断口形貌。从试验机上取下试样，观察断口，可以看到黑色的线切割裂纹区，深灰色的疲劳裂纹扩展区和浅灰色的瞬间断裂区。5.测量裂纹长度。使用工具显微镜在试样断口的厚度方向1/4,1/2和3/4的位置上测量裂纹长度，记做a2，a3，a4取它们的平均值为裂纹长度a。同时，测量两个自由表面上的裂纹长度，记做a1和a5。各测量准确到0.5%。6.确定条件载荷Pq。在记录的P-V曲线上要确定裂纹长度的表观扩展量为2%时的载荷Pq，而2%的裂纹扩展量对应的裂纹嘴张开位移的相对增量为5%，所以确定Pq的方法为：沿着P-V曲线的线性段作过原点的直线OA，并通过O点画割线OP5使割线斜率为OA斜率的0.95倍。若在P5点之前，每一点的载荷都低于P5，则取Pq=P5；如果在P5之前还有一个超过P5的最大载荷，则取此最大载荷为Pq。7.计算条件值Kq以及裂纹前沿塑性区尺寸Ro。1）32PqSaKq=fWBW，式中afW为试样几何形状因子，查国标可得。2）2IsK1Ro=22π8.有效性判断。1）裂纹长度有效性：第一，a2，a3，a4中任两个测量值之差不得大于平均值的10%；第二，a1，a5与a的差值不得大于15%，a1和a5之差也不得大于a的10%；第三，裂纹面与BW面平行偏差在±10°以内。2）载荷有效性：Pmax1.10Pq3）小塑性区条件：2IsK2.5Ba，满足以上所有判据时，ICqK=K；否则试验结果无效六.试验数据处理1.原始数据表一试样原始数据表测量位置123平均值试样厚度B/mm9.969.969.989.97试样宽度W/mm19.8419.8419.8419.84表二试样裂纹长度数据表12345aaaaa测量位置1a2a3a4a5aa裂纹长度/mm9.9029.3538.9888.9329.1369.0912.数据处理表三数据处理汇总表加载速率mm/minW/mmB/mmS/mma/mmaWPmax/KNPq/KNPmaxPqKq/MPam2IyK2.5/mmRo/mm0.319.849.97809.9010.4997.3537.1641.02654.33.760.1691)验证裂纹长度有效性以为a2a3a4所以a2-a3,a3-a4a2-a4=9.353-8.932=0.421mm0.9091mm故裂纹长度结果有效2）验证载荷有效性根据记录的P-V曲线（见附录）得：Pmax=7.353KN，Pq=7.164KNPmaxPq=7.3537.164=1.0261.10故载荷结果有效3）计算Kq查表并运用线性插入法的aW=9.90119.84=0.499时，afW=2.65则32PqSaKq=fWBW=27164*802.6510.00*3（0.01984）=5.43*10^7Pam54.3Mpam4）计算Ro2IsK1Ro=22π=2154.3Mpam=1400MPa22π-41.69*10m=0.169mm5)验证小塑性区条件2IsK2.5=2354.3Mpam2.5=3.76*101400Mpam=3.76mm，小于B和a故Kq=54.3MpaICKm七.分析与讨论裂纹形貌：观察断口可以看到黑色的线切割裂纹区，深灰色的疲劳裂纹扩展区和浅灰色的瞬间断裂区，没有边缘剪切唇区，断口为正断，所以属于脆性断裂。同时可以看到裂纹前沿向扩展的反方向弯曲，原因是试样中心与表面的应力状态不一样。表面为平面应力状态，塑性区较大，塑性变形消耗能量，裂纹扩展受阻，裂纹长度较短；中心为平面应变状态，塑性区较小，裂纹可以扩展到较长的长度。八.参考文献【1】杨王玥，强文江.材料力学行为[M].北京：化学工业出版社，2009.【2】GB4161-84金属材料平面应变断裂韧性ICK实验方法.