金属平面应变断裂韧度KIC测定.ppt

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1、金属平面应变断裂韧度KIC测定主讲教师：一、实验目的1.了解金属材料平面应变断裂韧度KIC试验的基本原理以及对试样形状和尺寸的要求。2.掌握采用三点弯曲试样测试KIC的方法及试验结果的处理方法。二、实验原理断裂韧度KIC是金属材料在平面应变和小范围屈服条件下裂纹失稳扩展时应力场强度因子KI的临界值，它表征金属材料抵抗断裂的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标。断裂韧度KIC的测试过程，就是把试验材料制成一定形状的试样，并预制出相当于缺陷的裂纹，然后把试样加载。加载过程中，连续记录载荷P与相应的裂纹尖端张开位移V。

2、裂纹尖端张开位移V的变化表示了裂纹尚未起裂、已经起裂、稳定扩展或失稳扩展的情况。当裂纹起裂失稳扩展时，记录下载荷PQ，再将试样压断，测得预制裂纹长度a，代入裂纹尖端应力强度因子K的表达式中得到临界值，记做KQ，然后按一些规定判断KQ是不是真正的KIC；如果不符合判别要求，则KQ仍不是KIC，需要重做。国标《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》规定的主要使用试样是三点弯曲和紧凑拉伸两种，试样尺寸如图1和图2所示，K的表达式为：当S＝4W时，式（1）又可表示为121．试样尺寸的确定标准规定，测得的KQ是否有效，要看

3、是否满足以下两个条件：如果符合上述两项条件，KQ即KIC；如不符合，则KQ不是KIC，须加大试样尺寸，重新实验。（1）（2）2．试样制备试样可以从机件实物上切去，也可以从铸、锻件毛坯或轧材上切取。由于材料的断裂韧度与裂纹取向和裂纹扩展方向有关，所以在切取试样时应予以注明。试样毛坯粗加工后，进行热处理和磨削加工(不需热处理的试样粗加工后直接进行磨削加工)，随后开缺口和预制疲劳裂纹。试样上的缺口一般用线切割加工。为了后面预制的裂纹平直，缺口应尽可能尖锐，一般要求尖端半径为0.08~0.1mm。开好缺口的试样，在高频疲劳

4、试验机上预制疲劳裂纹。试样表面上的裂纹长度应不小于0.25w或1.3mm，取其中之较大值。a/w应控制在0.45~0.55范围内。预制疲劳裂纹时，先在试样的两个侧面上垂直于裂纹扩展方向用铅笔或其他工具画两条标线(图3)，其中标线AB与0.5w相对应，标线CD在靠近缺口一侧，两条标线间的距离应不小于缺口加疲劳裂纹总长度的2.5%，即0.0125w。预制疲劳裂纹开始时的载荷可较大，但最大交变载荷也不应使Kfmax(预制疲劳裂纹时的最大应力场强度因子)超过材料KIC估计值的80%。交变载荷的最低值应使最小载荷与最大载荷在

5、裂纹扩展最后阶段(即在裂纹总长度最后的2.5%的距离内)，应使Kfmax≤60%KIC，并且Kfmax/E<0.01mm1/2，同时调整最小载荷使载荷比在-1~0.1之间。预制疲劳裂纹过程中，要用放大镜或计数显微镜仔细监视裂纹的发展，遇有试样两侧裂纹发展深度相差较大时，可将试样调转方向继续加载。3．断裂实验将制备好的试样用专门制作的夹持装置在一般万能材料试验机或电子拉伸试验机上进行实验，图4所示的是三点弯曲试样断裂韧度实验的示意图。试样2放在支座上，机器油缸下装载荷传感器1，下连压头，试样2下边装夹式引伸计3。加载

6、过程中，载荷传感器传出载荷P的信号，夹式引伸计传出裂纹尖端张开位移V的信号，将信号P、V通过放大器4输入X－Y函数记录仪5，记录下P－V曲线，然后依P－V曲线确定裂纹失稳扩展临界载荷PQ，依PQ和试样压断后实测的裂纹长度a代入K式(式1）、（式2)以求KQ。三、试验设备及材料1.万能材料试验机：最大试验力100kN(或300kN)，在活动横梁上应配备有专用的弯曲试样支座一台。2.动态应变仪一台；X-Y函数记录仪一台；压力传感器100kN一个；夹式引伸计一个；位移标定器一台；工具显微镜一台。3.实验用材料及试样：本试

7、验采用图1所示的标准三点弯曲试样。对于强度较高而韧性较差的材料，即使试样尺寸较小也能满足平面应变和小范围屈服的条件。对强度低、韧性好的材料，则要很大尺寸的试样才能满足上述条件。为了保证用较小尺寸的试样测得有效的KIC值，试样材料和热处理工艺的选择应保证σ0.2较高而KIC较低。试样材料及其热处理工艺可在推荐如下两种中任选一种，也可根据上述原则另外选取。(1)40Cr钢，淬火+200℃回火。(2)2024铝合金，T6态。每组学生领取同一种材料及热处理工艺的试样一个或3个。此外，尚需准备游标卡尺一把及支持引伸计用的刀口

8、6块，“502”快干胶水一瓶。四、试验步骤和方法1.测量试样尺寸。在缺口附近至少3个位置上测量试样宽度W，准确到0.025mm或0.1%δ(取其中之较大者)，取其平均值。2．安装弯曲试样支座，使加力线通过跨距s的中点，偏差在s的1%以内。放置试样时应使裂纹顶端在位于跨距的正中，偏差也不得超过s的1%,而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2º以内。3．标定