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1、平面应变断裂韧度Kic试验指导一、试验内容：试验测定40Cr的平面应变断裂韧度。二、试验目的：加深了解平面应变断裂韧度的应用及其前提条件，体验试验过程。三、引言： 断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变化形式，尤其是没有发生明显的宏观 塑性变形的情况下就发生的断裂一一脆性断裂。理论分析和大量实践结果表明：在陶瓷、玻璃等 脆性材料中，断裂条件是cva=材料常数(i.i)式中，c为正应力，2a为试样或者构件中的裂纹长度。这样的结果，应用于高强度金属材料的脆性断裂也与实际相符得非常好。根据线弹性断裂力学，断裂的判据是裂纹前沿应力强度因子K达到其临界值一一材料的平面应变断裂韧度Kic ,即:K =
2、Y c a Kic(1.2)式中Y是裂纹的形状因子。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。平面应变断裂韧性，可以用于评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。材料的 断裂韧度受到冶金因素(成分、热处理)的制造工艺(如焊接、成形)影响。应用平面应变断裂韧度对 构件的断裂安全性进行评价，需要对构件的受力情况、工作环境、无损检测裂纹方法的灵敏度、 可靠性等方面进行分析。四、试样条件4.1试样的形状尺寸平面应变断裂韧性的试验测量，对于达到或超过1.6mm厚度的材料，使用具有疲劳裂纹的试 样进行测定，根据外形可以分成三点弯曲 SE(B)、紧凑拉伸C
3、(T)、C形拉伸A(T)和圆形紧凑拉伸 DC(T)四种试样。图1中给出了不同的试样。本试验采用三点弯曲试样。图1四种平面应变断裂韧度试验样品 上图为三点弯曲试样 SE(B); 左图为紧凑拉伸试样 C(T);左下图为圆形紧凑拉伸DC(T);右下图为两种C形拉伸A(T)U4.三点弯曲试验用的标准试样，宽度与厚度之比W/B的名义值2，而试验时两个支撑点之间的跨距的名义值 S= 4W。非标准试样中，W/B的名义值在1至4之间，S/W为3或5。对于具有塑性变形能力的金属材料，随着应力强度因子的提高，在裂纹扩展之前裂纹前沿出 现塑性区。平面应变断裂韧度Kic要求在裂纹前沿处于平面应变条件下，而Kic判据的
4、适用前提是该塑性区比起试样的弹性区要小得多。大量试验总结表明：满足这两个方面的要求、从而使Ke有效，SE(B)试样的尺寸要求为：2? k ?B、a 2.5?-C?(1.3)? s ?式中，B为样品厚度，a为裂纹的宽度； 为屈服强度。由于Kic为待测的性能，其未知性造成试样尺寸的不确定性。为此，推荐按照屈服强度厲与杨氏弹性模量E比值来确定试样的尺寸，国家标准(GB4161 84)中给出了试样的最小厚度或裂纹的长度与上述比值之间的关系 (表1)。其中，(Ts/E为0.005、0.008、0.009时，试样厚度B的最小 值分别为 75、20、12.5mm。4.2试样中裂纹的制备要求测定裂纹失稳扩展时
5、的裂纹应力强度因子的临界值，要求裂纹尖端具有足够高的应力集中效应，否则，易于造成试验因为应力一一位移曲线不符合要求而得不到预定结果。为此，试样中裂 纹的制备由两道工序完成。首先要通过机加工或者线切割方法制备出裂纹的主体部分，随后还要 通过疲劳过程在此切割裂纹基础上制备出尖端很尖锐的疲劳裂纹。试样的裂纹由这两部分构成。 第一道加工的切割裂纹缺口，应垂直于试样表面和预期的裂纹扩展方向，偏差在土 2以内，其根部半径应在0.08mm以下。在疲劳过程在前期预制裂纹尖端引发疲劳裂纹的过程中，可以采用先 大后小的最大应力强度因子首先采用不高于材料的断裂韧度的0.8倍的应力来制备疲劳裂纹；而在后期，要求降低施
6、加的应力水平，使裂纹尖端的应力强度因子降低到断裂韧度的0.6倍以下。试样中的裂纹需要满足如下条件方是有效的：(1) 裂纹平面应与试样的宽、厚两个方向平行，裂纹不能分叉；(2) 缺口加工裂纹的总长度为0.45W0.55W之间；(3) 试样表面上的疲劳裂纹长度不得小于0.025W，或者1.3mm，并且取其中的较大值；(或者：疲劳裂纹的长度不能小于裂纹总长度的5%;)(4) 裂纹在试样两个自由表面上的长度不应小于总裂纹长度的90%；五、试验设备平面应变断裂韧度试验，需要具有足够加载能力的试验机。试验过程中，能够自动记录载荷 与相应的裂纹张开位移变化的引伸计。此外需要测量试样尺寸的量具，并且需要工具显
7、微镜，对 试验断裂后的试样测定不同部位的裂纹长度。试验加载过程中的试验装置如图2所示。其中，测量裂纹嘴标距间相对位移的引伸计为双悬臂式，通过粘贴的卡口将其卡装在裂纹嘴标距之间，基本对称地处于裂纹的两侧。图2试验装置示意图WTH1IX 一 一 f裂纹长度测量示意图六、试验程序(1) 测定试样的厚度 B，要求沿着裂纹的预期扩展面在未断开的区域测量厚度，精确要求未0.025mm或者0.1%B中的较大者。测量试样的宽度W。(2) 对试样粘贴引伸计的卡装刀口。将试样安放于试验机上，要求裂纹扩展面与加载压头尽量处于同一个平面上，避免二者错位或者形成明显不为0的夹角。(3) 对试样加载，测量载荷 P-位移V
8、(即裂纹嘴标距间距离的变化量)关系曲线，直到试样被完全断裂为止。加载速度控制标准为：应力强度因子的速率在0.552.75MPa? m/s范围内。(4) 在裂纹扩展断裂的试样断口上，如图3示意性给出的那样，借助于工具显微镜，在试样厚度方向上1/4、1/2和3/4的位置上测量裂纹长度，记做a2、a3和a4；测量准确度要求为0.5%。同时，测量两个自由表面上的裂纹长度，记做ai和a5。同时，测量各位置上的疲劳裂纹的长度。(5) 根据测量得到的裂纹长度，判断试验的有效性。原则如下：1) a2、a3和a4中任意两个测量值之差不得大于平均值a的10%;2) a1、a5与a的差值不得大于15%, aj和之差
9、也不得大于a的10%;3) 裂纹面与BW面平行，偏差在 土 10以内。满足上述要求时，取a2、a3和a4的平均值作为裂纹长度 a。(6) 断口形貌的观察：注明每个试样的断口形貌特征。常见的断口形貌类型如图4所示。对部分斜断断口，应在裂纹顶端和试样无缺口边之间测量中心平断口部分的平均宽度f。记下单位厚度斜断口的比例(B-f)/B。全斜断口中该数值为 0。1 1V-F *L -r(町图5载荷-位移曲线及特征载荷确定方法示意图图4断口形貌示意图34七、试验数据处理1 由试验测得的载荷一位移曲线，确定裂纹扩展的对应载荷Pq,其确定方法如图5所示。取弹性变形阶段载荷一位移关系的线性段的斜率的95%，对该
10、曲线做割线，交曲线于一点P5。可以分为图5中所示的3种情况确定Pq。类型I中试验最大载荷Pmax出现在P5之后，此时，将卩5点的 载荷作为Pq；类型II中P5点之前有更高的载荷值，但是P5之后还有更高的载荷Pmax。此时，取卩5之前的最高值作为Pq；类型III中，在P5出现之前，载荷已经达到了试验全过程的最高值Pmax，此时将Pmax作为Pq。2. 对于标准三点弯曲试样，根据下面公式计算出Kq值(平面应变断裂韧度的估算值)：Pq ?S? a ?Kq = q 3 ?f?(2.1)BW 2?W?式中，裂纹形状因子的计算公式为：(2.2)f? a ?= 3(a W)12|1.99- (a W)(-
11、a W)x(2.15- 3.93a W + 2.7a2 W2) ?W?2(1+ 2a W)(- a w)2其中，常用的数值在表1中给出，以便于查阅。表1标准三点弯曲试样的形状因子a/w f(a/w)a/wf (a/w)a/wf (a/w)a/wf (a/w)0.4502.290.4752.460.5002.660.5252.890.4552.320.4802.500.5052.700.5302.940.4602.350.4852.540.5102.750.5352.990.4652.390.4902.580.5152.790.5403.040.4702.430.4952.620.5202.84
12、0.5503.143. Kq作为平面应变断裂韧度的有效性判断：前面已经提到了有关预制裂纹的要求。在上述裂纹条件得到满足的情况下，还需要同时满足 以下两个方面的条件，试验测定的Kq值才是有效的平面应变断裂韧度。1) 载荷条件：Pmax/Pq W.1(3.1)2) 裂纹前沿的塑性屈服区尺寸条件：2?Kq ?B,a 2.5?(3.2)? (Ts ?八、试验记录内容包括：(1) 试验机型号，加载速率，试验温度，(及相对湿度)(2) 材料，热处理工艺，屈服强度；(3) 试样类型，试样尺寸(W、B、S);(4) 试验数据各裂纹长度；Pq、P max ；(5) 处理数据一一Kq,Pmax/Pq,2.5(q.
13、Ts),(B -f )/B ,KlC；九、本试验之外的其它注意事项(1) 各种材料的断裂韧度，受到各种因素的影响，可能存在明显的各向异性。故此，测量时取样 的方向性具有严格的规定，并且必须要按规定标记于试样上。有关内容请参阅国标正文内容。(2) 试样通过疲劳制造裂纹的过程中存在许多详细规定，请查阅国标的附录B。(3) 按照国标规定，测量平面应变断裂韧性，需要对相同的材料至少测量3次。(4) 注意本文中给出的裂纹形状因子Y= f(aW)适用范围是标准三点弯曲试样，S/W=4。对于非标准的三点弯曲试样，跨距与宽度比S/W改变了，该形状因子相应地发生改变。详细情况请查阅国标附录C。参考文献:GB4161 84金属材料平面应变断裂韧性Kic试验方法5
平面应变断裂韧度KIC试验指导
