強文江平面應變斷裂韌性KIC的測定

平面應變斷裂韌性KIC的測定班級：學號：

一、實驗目的加深了解平面應變斷裂韌度的應用及其前提條件，體驗試驗過程。測量40Cr的平面應變斷裂韌度。二、實驗原理斷裂是材料構(gòu)件受力作用下發(fā)生的最危險的變化形式，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為正應力，2a為試樣或者構(gòu)件中的裂紋長度。這樣的結(jié)果，應用于高強度金屬材料的脆性斷裂也與實際相符得非常好。根據(jù)線彈性斷裂力學，斷裂的判據(jù)是裂紋前沿應力強度因子K達到其臨界值——材料的平面應變斷裂韌度KIC，即：K=Yσa≥KIC式中Y是裂紋的形狀因子。平面應變斷裂韌度KIC是材料抵抗裂紋擴展能力的特征參量，它與裂紋的尺寸及承受的應力無關(guān)。平面應變斷裂韌性，可以用于評價材料是否適用，作為驗收和產(chǎn)品質(zhì)量控制的標準。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。應用平面應變斷裂韌度對構(gòu)件的斷裂安全性進行評價，需要對構(gòu)件的受力情況、工作環(huán)境、無損檢測裂紋方法的靈敏度、可靠性等方面進行分析。三、實驗儀器及材料實驗儀器：1.WDW-200D微機控制電子式萬能材料試驗機（試驗力準確度優(yōu)于示值的0.5%）2.游標卡尺（精度0.02mm）3.雙懸臂夾式引伸計（原長10.00mm）4.工具顯微鏡15JE（精度0.001mm）實驗材料：本試驗采用經(jīng)過860℃淬火、220℃回火處理的40Cr鋼，屈服強度σs=1400MPa實驗樣品：GB三點彎曲試樣：試樣中裂紋的制備要求測定裂紋失穩(wěn)擴展時的裂紋應力強度因子的臨界值，要求裂紋尖端具有足夠高的應力集中效應，否則，易于造成試驗因為應力——位移曲線不符合要求而得不到預定結(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，應垂直于試樣表面和預期的裂紋擴展方向，偏差在±2°以內(nèi)，其根部半徑應在0.08mm以下。在疲勞過程在前期預制裂紋尖端引發(fā)疲勞裂紋的過程中，可以采用先大后小的最大應力強度因子——首先采用不高于材料的斷裂韌度的0.8倍的應力來制備疲勞裂紋；而在后期，要求降低施加的應力水平，使裂紋尖端的應力強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)裂紋平面應與試樣的寬、厚兩個方向平行，裂紋不能分叉；(2)缺口加工裂紋的總長度為0.45W~0.55W之間；(3)試樣表面上的疲勞裂紋長度不得小于0.025W，或者1.3mm，并且取其中的較大值；(或者：疲勞裂紋的長度不能小于裂紋總長度的5％；)(4)裂紋在試樣兩個自由表面上的長度不應小于總裂紋長度的90％；四、實驗步驟(1)測定試樣的厚度B，要求沿著裂紋的預期擴展面在未斷開的區(qū)域測量厚度，精確要求未0.025mm或者0.1%B中的較大者。測量試樣的寬度W。(2)對試樣粘貼引伸計的卡裝刀口。將試樣安放于試驗機上，要求裂紋擴展面與加載壓頭盡量處于同一個平面上，避免二者錯位或者形成明顯不為0的夾角。(3)對試樣加載，測量載荷P－位移V(即裂紋嘴標距間距離的變化量)關(guān)系曲線，直到試樣被完全斷裂為止。加載速度控制標準為：應力強度因子的速率在0.55~2.75/smMPa范圍內(nèi)。(4)在裂紋擴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的位置上測量裂紋長度，記做a2、a3和a4；測量準確度要求為0.5%。同時，測量兩個自由表面上的裂紋長度，記做a1和a5。同時，測量各位置上的疲勞裂紋的長度。(5)根據(jù)測量得到的裂紋長度，判斷試驗的有效性。原則如下：1)a2、a3和a4中任意兩個測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，取a2、a3和a4的平均值作為裂紋長度a。(6)斷口形貌的觀察：注明每個試樣的斷口形貌特征。常見的斷口形貌類型如圖4所示。對部分斜斷斷口，應在裂紋頂端和試樣無缺口邊之間測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、實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理實驗數(shù)據(jù)：試驗機加載速率v=0.3mm/min，試驗溫度18℃，試驗濕度32%RH試樣基本尺寸：B=9.80mm，W=20mm，S=80mm裂紋長度：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，裂紋長度為a=10.316mm（2）Pmax及Pq由試驗測得的載荷－位移曲線，確定裂紋擴展的對應載荷Pq，取彈性變形階段載荷－位移關(guān)系的線性段的斜率的95％，對該曲線做割線，交曲線于一點P5，如圖所示?？芍赑5出現(xiàn)之前，載荷已經(jīng)達到了試驗全過程的最高值Pmax，此時將Pmax作為Pq，Pq=Pmax=6.136KN。3）Kq的計算對于標準三點彎曲試樣，根據(jù)下面公式計算出Kq值（平面應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結(jié)果符合各項有效性判據(jù)，此次實驗結(jié)果有效。40Cr鋼的平面應變斷裂韌度KIC=Kq=49.6六、結(jié)果及討論實驗斷口形貌平整，推斷為脆斷。實驗中測量的平均值只計算斷裂區(qū)中部的a2、a3、a4值，原因是中部的裂紋是在應變狀態(tài)下斷裂，而斷裂表面處的裂紋是處于應力斷裂，不在實驗討論的范圍內(nèi)。a1、a5的測量只是為了方便判斷裂紋長度有效性。在載荷—變形曲線中，可見應力到了最大值后便不斷下降，此時材料內(nèi)部由塑性變形階段變?yōu)榱鸭y在內(nèi)部擴展階段。這由于裂紋頂端處應力不可能無限地增長，當?shù)竭_材料屈服應力時，即在裂紋頂端附近形成一個微小的屈服區(qū)，所以無法直接用裂紋頂端處的應力大小來作裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展的判據(jù)。當構(gòu)件最大應力區(qū)中足夠大體積內(nèi)的應力都達到了材料特點的臨界值時，即發(fā)生脆性斷裂。參考文獻----------------------------------