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金属平面应变断裂韧度 K IC 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 K IC 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 K IC 的方法 及试验结果的处理方法。. 二、实验原理.
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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。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。
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 ： 1 当S＝4W时，式（1）又可表示为 2
1．试样尺寸的确定 • 标准规定，测得的KQ是否有效，要看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。开好缺口的试样，在高频疲劳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。
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。3.实验用材料及试样：本试验采用图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±2 º以内。 • 3．标定引伸计。
4．试样上粘贴刀口，安装引伸计，使刀口与引申计两臂前端的凹槽密切配合。4．试样上粘贴刀口，安装引伸计，使刀口与引申计两臂前端的凹槽密切配合。 5．将压力传感器和夹式引伸计的接线分别按“全桥法”接入动态应变仪，并进行平衡调节。用动态输出档，将压力F及裂纹尖端开位移V的输出讯号分别接到函数记录仪的“Y”和“X”接线柱上。调整好函数记录仪的放大比例，使记录的曲线线性部分的斜率在0.7-1.5之间，最好在1左右；在调整动态应变仪和X-Y记录仪的放大倍数使画出的图形大小适中。
6．开动试验机，对试样缓慢而均匀地加力，加力速率的选择应使应力场强度因子的增加速度在17.4-87.0N/mm3/2•s-1范围内。在加力的同时记录F-V曲线，直至试样所能承受的最大力后停止。此外，在加力过程中，还应在F-V曲线上记录任一初始力和最大力的数值(由试验机表盘读出)，以便对F-V曲线上的力值进行标定。6．开动试验机，对试样缓慢而均匀地加力，加力速率的选择应使应力场强度因子的增加速度在17.4-87.0N/mm3/2•s-1范围内。在加力的同时记录F-V曲线，直至试样所能承受的最大力后停止。此外，在加力过程中，还应在F-V曲线上记录任一初始力和最大力的数值(由试验机表盘读出)，以便对F-V曲线上的力值进行标定。 • 7．试验结束后，取下引伸计，压断试样。将压断后的试样在工具显微镜或其他精密测量仪器下测量裂纹长度a。由于裂纹前沿不平直，规定在δ/4、δ/2、3δ/4的位置上测量裂纹长度a2、a3及a4(图5)，各测量值准确到裂纹长度a的0.5%，取其平均长度a= (a2+a3+a4)/3作为裂纹长度。a2、a3、a4中任意两个测量值之差以及a1与a5之差都不得大于a的10%。
五、试验结果的分析及处理 • 1．确定裂纹失稳扩展时的条件临界力值FQ 测得的P－V曲线有图6所示三种形式，对强度高、塑性低的材料，加载初始阶段，P－V呈直线关系，当载荷达到一定程度，试样突然断裂，曲线突然下降，得到曲线I，这时曲线最大载荷就是计算KIC的PQ；对韧性较好的材料，曲线首先依直线关系上升到一定值后，突然下降，出现“突进”点，旋又上升，直到某一更大载荷，试样才完全断裂，如曲线II；韧性更好的材料，得到P－V曲线III。对II、III两种曲线，标准规定从坐标原点做比试验曲线斜率小5％的斜线与试验曲线相交，得一点P5，如P5以左曲线上有载荷点高于P5的，即以P5以左得最高载荷为PQ；如P5以左无载荷点高于P5，即以P5为PQ，以计算KQ。
PQ确定后，将试样压断，测量预制裂纹长度a，将PQ、a、B、W、S等代入应力强度因子表达式（式1）、（式2）以计算KQ。注意断口上预测裂纹线并不是一平直的线，而是一弧形线，标准中规定了裂纹长度a值的办法。PQ确定后，将试样压断，测量预制裂纹长度a，将PQ、a、B、W、S等代入应力强度因子表达式（式1）、（式2）以计算KQ。注意断口上预测裂纹线并不是一平直的线，而是一弧形线，标准中规定了裂纹长度a值的办法。 • 2．计算条件断裂韧性KQ 将FQ和a值代入KI表达式计算KQ。 • 3．KIC有效性判别 标准规定，测得的KQ是否有效，要看是否 满足以下两个条件： （1） （2） 如果符合上述两项条件，KQ即KIC；如不符合，则 KQ不是KIC。
六、试验报告要求 • 1．简述用三点弯曲试样测试KIC的原 理、试验装备及试验过程。 • 2．将所测试样的试验数据填入表1， 并对试验数据进行分析计算。 表1 断裂韧度试验记录表
图2 紧凑拉伸试样 图1 三点弯曲试样
W W W 图3 预制疲劳裂纹时两条标线的位置 图4 三点弯曲试样断裂韧度试验
W a1 a2 a3 a4 a5 图5 裂纹长度的测量位置 图6 F-V曲线的三种基本形式
