平面应变断裂韧性KIC的测定

[试验目的]

1. 了解平面应变断裂韧度KIC测试的基本方法，操作顺序及技术要求，体验试验过程。 2.测量40Cr的平面应变断裂韧度。

[试验原理]

断裂是材料构件受力作用下发生的最危险的变化形式，尤其是没有发生明显的宏观塑性变形的情况下就发生的断裂-脆性断裂。理论分析和大量时间结果表明：在陶瓷、玻璃等脆性材料中，断裂条件是

a材料常数

式中，为正应力，2a为试样或者构建中的裂纹长度。

这样的结果，应用于高强度引述材料的脆性断裂也与实际相符合的很好。根据线弹性断裂力学，断裂的盘踞是断裂前沿应力强度因子K达到其临界值-材料的平面应变断裂韧度KIC，即：

K=YaKIC

式中Y是断裂的形状因子，平面应变断裂韧度KIC是材料抵裂纹拓展能力的特征参量，它与裂纹的尺寸及承受的应力无关。

平面应变断裂韧性，可以用于评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。材料的断裂韧度收到冶金因素的制造工艺影响。应用平面应变断裂韧度对构建的断裂安全性进行评价，需要对构件的受力情况、工作环境、无损检测裂纹方法的灵敏度、可靠性等方面进行分析。

[试验式样与样品]

本试验采用经过860 oC淬火、220 oC回火处理的40Cr钢，屈服强度

s=1400MPa，材料形状尺寸如图一所示：

试验工具：

微机控制电子式万能材料试验机（试验力准确度优于示值的%） 2.游标卡尺（精度）

3.双悬臂夹式引伸计（原长） 4.工具显微镜15JE（精度）

[试验步骤]

（1）测定试样的厚度B，要求沿着裂纹的语气拓展面在未断开的区域测量厚度，精度要求到或者%B中的较大者。测量试样的宽度W。

（2）对试样粘贴引伸计的卡装刀口。将试样安放于试验机上，要求 裂纹扩展面与加载压头处于同一个平面上，避免二者错位或者形成明显不足为0的夹角。

（3）对试样加载，测量载荷P-位移V关系曲线，知道试样被完全断裂为止。加载速度控制标准为：应力强度因子的速率在~·m/s范围内。

（4）在裂纹拓展断裂的试样断口上，借助于测量工具显微镜，在试样厚度方向上1/4,1/2,3/4位置上测量裂纹长度，记作a1和a5,。同时测量各为止上的疲劳裂纹长度。 （5）根据测量得到的裂纹长度，判断试验的有效性。原则如下： 1）a2，a3和a4中任意两个测量值之差不得大于平均值a的10%。

2）a1、a5与a的值差不得大于15%，a1和a5之差也不得大于a的10%。 3）裂纹面与BW面平行，偏差在±10o 以内。

满足上述要求时，取a2，a3和a4的平均值作裂纹长度a。 （6）断口形貌观察：注明每个试样的断口形貌特征。 测量示意图如下手绘：

[试验结果]

试样 40Cr 测量次数 1 2 W/mm B/mm S/mm 80 80

裂纹长度/mm a1 a2 a3 a4 a5 a [数据处理]

一． 验证：

（1） a2，a3和a4中任意两个测量值之差最大值为a4与a2之差，差值为在10%a

（）范围内。

即a2，a3和a4中任意两个测量值之差不大于平均值a的10%。

（2） a1、a5与a的差值最大者为a1与a之差，差值为在15%a（）内，且a1与

a5之差在10%a（）内。

即a1、a5与a的差值不大于15%，a1和a5之差也不大于a的10%。 （3） 裂纹面与BW平行，偏差在10oC之内。 所以试验有效，可取a=。 二． Pmax及Pq的验证：

如图所示，Pmax=，通过作其曲线直线区的95%斜率割线可确定Pq=，得到

Pmax1.10381.1 故符合判据要求。 Pq三． Kq的计算：

Kq根据公式

PqSBW3/2af()w，

a0.01010m0.514，故式中的w0.010338m故

aaf()f()w查阅表格得w=。

KqPqSBW3/2a7.5200.08f()2.7958.317MPa3/2w0.01010(0.02010)m

四． KIC的判据验证：

Pmax1.10381.1 符合要求 （1） Pq（2） 2.5(Kqs)2.5(58.317)4.34103mB0.101102m符合要求 1400因此可将Kq作为平面应变断裂韧度，即KIC=58.317MPa注：

1. 为方便计算，上述计算中长度单位均转化为m。 曲线加载速率为min.

m [结果分析]

试验结果符合各项有效性判据，银次实验结果有效。40Cr钢的平面应变断裂韧度 KIC=58.317MPam。

[参考文献]

1. 材料力学行为，杨王玥，强文江等编，化学工业出版社。

2. 中华人民共和国国家标准，关于金属力学性能测试方法的标准。GB4161-84.