断裂韧性KIC测试试验
断裂韧性KIC测试试验
一、实验目的
1. 了解金属材料平面应变断裂韧性KIC测试的基本原理、实验装置及试样的形状和尺寸。
2. 掌握KIC的测试过程及试验结果的处理方法。
二、实验内容
本试验采用标准三点弯曲试样。以40Cr或40CrNiMoA为材料的坯料，经淬火及200℃回火处理，进行KIC参数测试。对同一种热处理状态的材料，至少做3个试样。
三、实验原理
平面应变断裂韧性KIC是应力场强度因子KI的临界值，它表征金属材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。因而测试KIC的基本原理，就是把待试验的材料制成一定形状和尺寸的试样，并在试样上预制出相当于缺陷的裂纹，然后对试样加载。由于试样及其裂纹的形状、尺寸和加载方式以及断裂部位都是预先确定的，所以其应力场强度因子KI的表达式也是确定的。在加载过程中，用
测试仪器连续记录载荷增加与裂纹扩展情况的P—V曲线（P—载荷，V—裂纹嘴两侧刀口张开位移）。根据曲线上表明裂纹失稳扩展临界状态的载荷PQ及试样断裂后测出的与PQ相对应的预制裂纹(半)长度a，代入应力场强度因子KI表达式，求出裂纹失稳扩展的临界KI值，记为KQ，然后再依据一些规定判断KQ是不是平面应变状态下的韧性断裂KIC。如果KQ不符合判别的要求，则仍不是KIC，需增大试样尺寸重做试验。
我国已于1984年颁布国家标准GB/T 4161—1984 《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》，本实验将以此标准为依据。
四、试样形状、尺寸及制备
国家标准GB/T 4161—1984 《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》中规定了两种测试断裂韧性的标准试样：标准三点弯曲试样（代号SE(B)）和紧凑拉伸试样（代号C(T)）。这两种试样的裂纹扩展方式都是Ⅰ型的。试样的形状及各尺寸之间的关系，如图5-1所示。
为了达到平面应变条件，试样厚度B必须满足下式：
B≥2.5（KIC / σy）2
式中：σy—屈服强度σ0.2或σs。
因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KIC和σy值，再根据上式确定试样的最小厚度B。若材料的KIC值无法估计，则可根据σy / E的值来确定B的大小（见表5-1），然后再确定试样的其它尺寸。试样可从机件实物上切取，或锻、铸试样毛坯。在轧制钢材上取样时，应注明裂纹面取向和裂纹扩展方向。
表5-1 根据σy / E的值推荐的试样最小厚度B σy / E
试样最小厚度B（mm）
σy / E
试样最小厚度B（mm）
0.0050 ~ 0.0057
75
0.0071 ~ 0.0075
32
0.0057 ~ 0.0062
63
0.0075 ~ 0.0080
25
0.0062 ~ 0.0065
50
0.0080 ~ 0.0085
20
0.0065 ~ 0.0068
44
0.0085 ~ 0.0100
12.5
0.0068 ~ 0.0071
38
≥0.0100
6.5

五、实验步骤
1. 参观试样切割缺口及预制疲劳裂纹的设备及过程。
2. 测量试样尺寸：在疲劳裂纹前缘韧带部分测量试样厚
度B，在切口附近测量试样宽度W，测量3次取平均值。测量精度要求0.02mm或0.1%B（或W）。
3. 安装三点弯曲试验底座，使加载线通过跨距S的中点，偏差在1%S以内。放置试样时应使缺口中心线正好落在跨距的中点，偏差也不得超过1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2°以内。
4. 将载荷传感器和位移传感器的接线，分别按“全桥法”接入动态应变仪，并进行平衡调节。用动态输出档，将载荷和位移输出讯号分别接到函数记录仪的“Y”和“X”接线柱上。调整好函数记录仪的放大比，使记录曲线的初始斜率在0.7 ~ 1.5之间，最好为1，并使画出的图形大小适中。
5. 开动试验机，对试样缓慢而均匀地加载（本实验弯曲压头速率0.01mm/s），选择加载速度应使应力场强度因子的增加速率在 0.55 ~ 2.75 MN·m-3/2 / s 范围内。当采用S/W=4，a/W=0.5的三点弯曲试样时，对钢件也可按0.04B ~ 0.2B mm / 分钟 的横梁移动速度进行加载。对于某些老式试验机系统，加载时必须在P—V曲线上记录任一初载荷（由试验机测力度盘读出）和断裂载荷的数值，以便于对P—V曲线上的载荷进行标定，本实验所用测试系统不需要进行此过程。
6. 加载结束后，压断试样，从3086-11型X—Y系列实验记录仪上取下记录的P—V曲线。
六、实验数据及处理
P—V曲线：
1.确定条件裂纹失稳扩展载荷PQ
由于在P5之前没有别的高峰载荷，所以：PQ = P5 = 6.477 kN
2. 测定临界裂纹（半）长度a
试样尺寸：
a1=9.36mm
a2=9.73mm
a3=10.08mm
a4=9.73mm
a5=9.69mm
宽：W=19.89mm
厚：B=10.02mm
9.85
a2、 a3、 a4中最大值与最小值之差为：a3- a2=0.35
2.5%W=2.5%×19.89=0.49725
因为：
所以，本次试验无效
3.计算条件断裂韧性KQ
已知：
将PQ和a的值代入KI的表达式计算KQ。对于三点弯曲试样，
= =0.4952
查表得 =2.28
=
≈42.03MN
4.判定KQ的有效性
由P—V曲线可读出，Pmax = 6.5631 kN，所以
= ≈ 1.03
因为==1850MPa
所以2.5=1.29＞B，所以，本次试验无效
七、思考题
1、本试验的重点是什么？
答：绘图时，要注意笔应在图纸的原点上。
    测量试样尺寸时，要注意试样截面的裂纹。
2、为什么载荷传感器和应变引伸需要经常校验？
答：为了保证画图的准确，同时也确保可以清晰地画在图上。
3、为何所测定的被称为裂纹“半”长度？
答：裂纹长度a约为试样宽W的一半，故称为裂纹“半”长度。

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