KIC断裂实验指导书(正式)

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1、平面应变断裂韧性K1C的测定一、实验目的：了解金属材料平面应变断裂韧度测试原理和测试方法。二、实验设备：RSA-250申克试验机；高频疲劳试验机；夹式引伸计；工具显微镜；游标卡尺。三、试样：材料：40Cr(低温回火处理)。名义尺寸：B=10mm；W=20mm；S＝80mm。四、实验概述1.实验原理：线弹性断裂力学中，带裂纹体裂纹尖端附近的弹性应力场的强度是用应力强度因子K来度量。线弹性断裂力学的分析证明：应力强度因子K可表征为：，其中：s——外加应力；a——裂纹深度；Y——形状因子（与裂纹及试样的几何参数有关）。I型(张开型)裂纹的

2、断裂准则为：当应力强度因子KI达到其临界值Kc时裂纹即失稳扩展而断裂。如果裂纹尖端附近的材料处于平面应变状态，则I型裂纹的断裂韧度值称为平面应变断裂韧性，记作KIC（）,它表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标，其中罗马数字Ⅰ是指Ⅰ型裂纹及裂纹顶端处于平面应变状态。图1测KIC的标准试样S测试KIC就是测试裂纹开始失稳扩展时的应力强度因子值。具体方法是：对含有裂纹的三点弯曲试件或紧凑拉伸试件施加适当的载荷，使裂纹尖端处于I型裂纹受载状态并引起裂纹扩展，记录载荷P及裂纹嘴的张开位移V，然后按规定在P—V曲线上确定

3、特征载荷Pq值，测量裂纹长度a，将Pq值和a带入相应试件的KI表达式，计算KIC的条件表达值Kq，在进行有效性判断后确定Kq是否是KIC。2.试样形式：测试KIC常用的试件(如图1所示)是三点弯曲和紧凑拉伸两种标准试件，其中W／B=2，a/W在0.45—0.55之间，a为裂纹长度。对于两种形式的试件，其应力强度因子KI分别按下面公式计算：对三点弯曲试样：--(1)式中P为载荷，B、W分别为试件的宽度和厚度，S为跨度，a为裂纹长度，f（a/W6）为试样几何形状因子，对于三点弯曲试件，f（a/W）用下式表示：---(2)如采用标准试件，

4、f（a/W）值可查阅附表1。对紧凑拉伸试件：----------(3)f（a/W）用下式表示：――――――（4）3．确定试样尺寸：测试用的试件尺寸必须保证裂纹尖端处于平面应变和小范围屈服状态，因此试件厚度W．裂纹长度a和韧带宽度(W-a)要满足以下要求：为确定试件尺寸，要根据试件各预先测定材料的和KIC的估计值，根据上式确定试件的最小厚度，在尺寸之间的关系确定试件的其它尺寸。KIC的估计值可以借用相近材料的KIC值，也可根据材料的／E的值确定试件的尺寸，如下表所示：表1试样的推荐尺寸σ0.2/EB、a(mm)σ0.2/EB、a(mm

5、)0.0050—0.0057750.0071—0.0075320.0057—0.0062630.0075—0.0080250.0062—0.0065500.0080—0.0085200.0065—0.0068440.0085—0.010012.50.0068—0.0071380.01006.5当确知比表中推荐尺寸小得多时，可采用较小试件．在试验测得有效KIC6结果后，可在随后试验中将尺寸减少到a、4．试件裂纹的制作a代表裂纹长度，包括机械切口和疲劳裂纹两部分．一般先用线切割机切割出机械切口，在此基础上用疲劳试验机引发疲劳裂纹。为保证

6、裂纹前缘足够尖锐，需对交变载荷加以限制．通常规定，交变载荷最大值Kfmax在裂纹尖端产生的应力强度因子Kfmax≤60％KIC，并且Kfmax/E<0.01mm．而交变载荷最小值Kfmin=0.1Kfmax。图2KIC实验装置简图为观察和检测裂纹的扩展情况，可事先在试件的两个侧面上垂直于裂纹扩展方向划两条直线，一条与0.5W相对应，一条靠近机械切口且与前一条线间距不小于0.0125W。在引发裂纹时，载荷可较大，但Kfmax0.8KIC，当达到第一条直线后，应减少载荷，使Kfmax0.6KIC以保证裂纹的尖锐程度．在预制裂纹时，可用放

7、大镜或读数显微镜监测裂纹的扩展，如发现两测裂纹扩展长度相差较大，应找出原因或将试件调转180°。5．试验装置三点弯曲试件的断裂试验是在电子万能试验机上完成的，试验装置如图2所示，两支座采用滚动支撑，以保证加载后支撑点可以自由地向水平方向移动，使裂纹的张开不受限制。载荷传感器测得的加载量和夹式引伸计测得的裂纹嘴的张开位移量分别由计算机的采集卡采入计算机。引伸计安装方法如下：首先选择两个厚度相同的刀口，对称平行地放在裂纹嘴两侧(间距19mm)，用502快干胶将刀口粘牢；将引伸计两臂卡在刀口上。6．数据处理（1）确定条件临界载荷Pq图3典

8、型P-V曲线P-V曲线如图3所示一般分为三种类型，即稳定扩展型Ⅰ，局部扩展型Ⅱ和失稳扩展型Ⅲ。在P-V曲线上要确定裂纹长度的表观扩展量为2％的载荷即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％。失稳扩展型局部扩展型稳定