平面应变断裂韧度k1c的测定(实验报告)

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1、一、实验目的：1、学习了解金属平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的关键要点。2、掌握金属平面应变断裂韧度K1C的测定方法。二、实验原理本实验按照国家标准GB4161-84规定进行。断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展能力的一种量度，在线弹性断裂力学中，材料发生脆性断裂的判据为：K1≤K1C，式中K1为应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近的应力场的强度，其大小决定于构件的几何条件、外加载荷的大小、分布等。K1C是在平面应变条件下，材料中Ⅰ型裂纹产生失稳扩展的应力强度因子的临界值，即材料平面应变断裂韧度。裂纹稳定扩展时，K1和外力P、裂纹长度a、试件尺寸有关；当P和a达到Pc和ac时，裂纹开始

2、失稳扩展。此时材料处于临界状态，即K1=K1C。K1C与外力、试件类型及尺寸无关（但与工作温度和变形速率有关）。(一)应力场强度因子K1表达式三点弯曲试样：K1=(PS/BW3/2)f(a/W)式中：S为试件跨度，B为试件厚度，W为试件高度，a为试件裂纹长度。试件B、W和S的比例为：B：W：S=1：2：8，见图2-1所示：图2-1三点弯曲试件图修正系数f(a/W)为a/W的函数，可以查表2-1，a/W在0.45-0.55之间。(二)试样尺寸要求及试样制备91、平面应变条件对厚度的要求：当试件的厚度足够时，在厚度方向上的平面应力层所占比重很小，裂纹顶端的广大区域处于平面应变状态。这时整个试样近似

3、地均处在平面应变条件下，从而才能测得一稳定的K1C值。对试件厚度要求推荐为：B≥2.5(K1C/σs)a/wf(a/w)a/wf(a/w)0.4502.290.5052.700.4552.320.5102.750.4602.350.5152.790.4652.390.5202.840.4702.430.5252.890.4752.460.5302.940.4802.500.5352.990.4852.540.5403.040.4902.580.5453.090.4952.620.5503.140.5002.66表2-1弯曲试样的f(a/w)2、小范围屈服条件对裂纹长度的要求：对常用三点弯曲试样

4、，因裂纹顶端存在或大或小的塑形区，塑形区半径ry不能无限地接近零。K1近似可成立的r值是裂纹顶端塑形区与广大弹性区交界的界面处。对三点弯曲要求：a≥50ry≈2.5(K1C/σs)23、韧带尺寸的要求：韧带尺寸也称韧带宽度(W-a)，对应力强度因子K的数值有很大影响，如韧带宽度过小，背表面对裂纹塑性变形将失去约束作用，在加载过程中试样整个韧带屈服，裂纹试样不再近似地认为弹性体，这时线弹性理论的分析方法也就不适用。因此，试件的韧带尺寸必须满足小范围屈服条件，保证试样背面对裂纹顶端的塑性变形有足够的约束作用，要求的韧带宽度：9(W-a)≥2.5(K1C/σs)2(三)临界载荷的确定1、P-V曲线的

5、三种类型及其临界载荷在通常的K1C测试中，所得到的载荷P对切口张开位移V的记录曲线，大致可分为三类。如图2-2所示，临界载荷要根据不同类的曲线按一定的条件来确定，这样所确定的叫做临界载荷条件值PQ。(1)用厚度足够大的试件进行试验时，往往测得到的是第Ⅲ类曲线。这时除表面层极小部分外，均处于平面应变状态下。在加载过程中，裂纹前段并无扩展，当载荷达到最大值时，试件发生骤然的脆性断裂，断口绝大部分是平断口，这时最大载荷就可作为PQ。(2)当用厚度稍小的试件进行实验时，则可得到第Ⅱ类曲线，此类曲线有一个明显的“迸发”平台。这是由于加载过程中试件中心层处于平面应变状态先行扩展，而表面处于平面应力状态尚不

6、能扩展，因而中心层的裂纹扩展很快地被表面层拖住的缘故。这种试件在试验过程中，在达到“迸发”载荷时，往往可以听到清楚的“爆声”。这时“迸发”载荷等于PQ。图2-2三种典型的P-V曲线(3)当采用厚度为最小限度地试样进行试验时，所得到的往往属于第Ⅰ9类曲线。在这种情况下，不能按最大载荷来计算断裂韧度。因为在低于最大载荷时，试样裂纹已经在逐步扩展，只是由于裂纹前缘处于平面应变状态的部分相对稍少一些，所以裂纹最初的“迸发”性扩展量很小，不易被察觉，对于这样的试件。只能采用一定的工程假设，从P-V曲线上来确定所谓“条件值”。这和材料在拉伸试验中，用0.2%偏离初始切线的规定来定义屈服强度σ0.2是相似的

7、。(四)试验结果的有效性确定了PQ后，便可按载荷PQ算出σc，或算出相应的K值，记为KQ，称为“条件断裂韧度”。如果B和a均大于2.5(KQ/σS)2，并满足Pmax/P5≤1.1条件，则KQ就可认为是材料的平面应变断裂韧度K1C。否则，还需要按B和a均大于2.5(KQ/σS)2的要求制成更厚的试件试验，直到上述条件得到满足。一、实验步骤(一)试样制备：1、金属结构材料，无论是锻件、板材，还是管材