KIC测试试验试验五断裂韧性一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σy 和 KⅠC 的参考值SE（B） ，材料为 40Cr，其热处理工艺如下：本试验采纳标准三点弯曲试样（代号①热处理工艺： 860℃保温 1h，油淬； 220℃回火，保温0.5~1h ；②缺口加疲惫裂纹总长： 9~11mm （疲惫裂纹③不导角，保留尖角；2~3.5mm）样品实测 HRC50，从机械手册中关于40Cr 的热处理试验数据曲线上查得：σy =σ 0.2 =1650MPa，σ b=1850MPa，δ 5=9%，ψ =34%， KⅠ C=42MN m -3/2；二、试样的外形及尺寸国家标准 GB/T 4161-1984《金属材料平面应变断裂韧度KⅠ C 试验方法》中规定了两种测SE（ B））和紧凑拉伸试样（代号C(T)）；试断裂韧性的标准试样：标准三点弯曲试样（代号SE（ B） ；试这两种试样的裂纹扩展方式都是Ⅰ型的；本试验采纳标准三点弯曲试样（代号样的外形及各尺寸之间的关系如下列图：B 必需满意下式：为了达到平面应变条件，试样厚度B≧ 2.5(KⅠ C/ σ y) a≧ 2.5(KⅠ C/ σ y)2（W-a）≧ 2.5(KⅠ C/ σ y)22式中：σ0.2 或σ s ；y—屈服强度σKⅠC 和σ y 值，再依据上式确定试样y/E 的值来确定 B 的大小，然后再确因此，在确定试样尺寸时，要预先估量所测材料的的最小厚度 B；如材料的KⅠC 值无法估量，就可依据σ定试样的其他尺寸；试样可从机件实物上切去，或锻、铸试样毛坯；在轧制钢材取样时，应注明裂纹面取向和裂纹扩展方向；试样毛坯粗加工后，进行热处理和磨削，随后开缺口和预制裂纹； 试样上的缺口一般在钼丝电切割机床上进行切割；为了使引发的裂纹平直，缺口应尽可能地尖锐；开好缺口的试样，在高频疲惫试验机上预制裂纹；疲惫裂纹长度应不小于 2.5%W，且不小于1.5mm ；a/W 值应掌握在0.45~0.55 范畴内；（代号 SE（B） ，其尺寸： 宽 W=19.92mm ，厚 B=10.20mm本试样采纳标准三点弯曲试样总长 100.03mm ；三、试验装置制备好的试样，在MTS810 材料力学试验机上进行断裂试验；对于三点弯曲试样，其试验装置如图 5-2 所示；可将采集的试验数据以文件形式（数据采集间隔0.1s）储备在运算机中，同时利用 3086-11 型 X— Y 系列试验记录仪绘制P— V 曲线；本试验跨距S 为 80mm ，弯曲压头速率 0.01mm/s ；用 15J 型工具显微镜测量试样的临界裂纹(半)长度 a；图 5-2 三点弯曲试验装置示意图1—试验机上横梁；2—支座； 3—试样； 4—载荷传感器；5—夹式引伸计；6—动态应变仪；7—X—Y 函数记录仪；如图 5-2 所示，在试验机的横梁1 上，换上专用支座2，用辊子支承试样3，两者保持滚动接触； 两支承辊的两端头用软弹簧或橡皮筋拉紧，使之紧靠在支座凹槽的边缘上，以保S；载荷传感器4 为一钢制圆筒弹性元件，壁上贴有电阻应变证两辊的距离等于试样的跨距P；夹式引伸计5 的构造及其在片，全桥连接；受载时，圆筒变形，由应变片输出载荷讯号试样上的安装方法见图 5-3；引伸计为两弹簧片悬臂梁，中间用垫块隔开，螺钉连紧；弹簧片上贴有电阻应变片（ T1、T2 及 C1、C2）；试验前先在试样上缺口两侧用“502”胶水对称12mm ），引12mm ，刀口初始间距应略大于贴上刀口（本试验引伸计两臂末端初始间距为伸计的两臂末端就卡在刀口上；试验过程中， 裂纹嘴受载荷张开，刀口距离增大， 弹簧片松V 变成电讯号传送出去；弛，由应变片将裂纹嘴两侧刀口张开量图 5-3 夹式引伸计构造及安装1－试样2－刀口3－引伸计载荷讯号 P 及裂纹嘴两侧刀口张开位移讯号V，均需输入试验机掌握器中，所采集的试3086-11 型0.1s）储备在运算机中，同时模拟信号传送到验数据以文件形式（数据采集间隔X—Y 系列试验记录仪7 中，可在坐标纸上实时自动绘出P— V 曲线；四、试验步骤1.2.参观试样切割缺口及预制疲惫裂纹的设备及过程；测量试样尺寸：在疲惫裂纹前缘韧带部分测量试样厚度B，在切口邻近测量试样宽度W，测量 3 次取平均值；测量精度要求0.02mm或 0.1%B（或 W）；S 的中点，偏差在3. 安装三点弯曲试验底座，使加载线通过跨距1%S以内；放置试样时应偏差也不得超过 1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直使缺口中心线正好落在跨距的中点，角，偏差在 2以内；4. 将载荷传感器和位移传感器的接线，分别按“全桥法”接入动态应变仪，并进行平稳调Y”和“ X”接线柱上；节；用动态输出档，将载荷和位移输出讯号分别接到函数记录仪的“0.7 ~ 1.5 之间，最好为1，并使画出调整好函数记录仪的放大比，使记录曲线的初始斜率在的图形大小适中；5. 开动试验机，对试样缓慢而匀称地加载（本试验弯曲压头速率0.01mm/s ），挑选加载速/ s 范畴内；当采纳 S/W=4 ，分钟 的横梁移动速度进行加0.55 ~ 2.75 MN m-3/2度应使应力场强度因子的增加速率在a/W=0.5 的三点弯曲试样时，对钢件也可按载；对于某些老式试验机系统，加载时必需在度盘读出）和断裂载荷的数值，以便于对统不需要进行此过程；0.04B ~ 0.2B mm /P— V 曲线上记录任一初载荷（由试验机测力P— V 曲线上的载荷进行标定，本试验所用测试系6.3086-11 型 X— Y 系列试验记录仪上取下记录的P— V 曲线；1 B 、1 B 和加载终止后，压断试样，从7.由于裂纹前沿不平直，取断裂后的试样在断面上划线，如下列图， 规定测量423 B 三处的裂纹长度4（半）长度 a；a2、a3、 a4 及 a1 和 a5，然后取其平均值 a =1/3(a2+a3+a4)得临界裂纹五、试验数据及处理（1）运算机数据1、确定条件裂纹失稳扩展载荷PQ图 1-1 P-V Linear Fit of Slopedata截取图 1-2P-VSlope=77.27653LinearFit曲线上截取直线段部分，用进行直线拟合，求出直线斜率图 1-2 P-V 曲线在图 1-2P-V 曲线上从原点O 作一相对于直线OA 部分斜率削减5%的割线来确定裂纹扩展 2%时相对应的载荷P5， P5 是割线与 P-V曲线的交点纵坐标值：即取 x=0.2mm ， y=0.2 77.27653 0.95=14.6825 KN,过（ 0， 0）和（ 0.2 ， 14.6825 ）做直线与 P-V 曲线相交， 用“屏幕上取点” 读出其纵坐标值 P5 为 6.09188 ，由于在 P5 以前没有比 P5 大的高峰载荷，就PQ=P5=6.09188KN；2、测定临界裂纹（半）长度a将压断的试样在 15J 型工具显微镜上或其它精密测量工具下测定临界裂纹（半）长度 a，1413B 、 B 和 B 三处的裂纹长度测量精度 0.01mm ；由于裂纹前沿不平直，规定测量a2、24a3、 a4，然后取其平均值a =1/3(a2+a3+a4)；由测量得： 11 号试样宽 W=19.92mm ，厚 B=10.02mm ，总长 100.03mm ，a1=9.21mm ，a2=9.48mm ， a3=9.37mm ， a4=9.37mm ，a5=9.02mm ；所以， a =1/3(a2+a3+a4)=1/3（ 9.48+9.37+9.37）=9.41mm ；a2， a3 和 a4 中的最大值与最小值之差 = a2-a3=9.48mm-9.37mm=0.11mm ，而 2.5%W=0.025 19.92=0.498mm,所以 a2，a3 和 a4 中的最大值与最小值之差不超过2.5%W且同时任一 a 值均大于 2.5%W，同时不小于1.5mm ；a1 和 a5 均大于 a 的 90%，即 8.469mm ，此外，表面临界裂纹（半）长度所以，试验有效；3、 运算条件断裂韧性KQ将 PQ 和a 值代入 KⅠ表达式运算KQ；对于标准三点弯曲试样按下式运算：PQ=6.09188KN， S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472aW由表 5-2 可以查得 YⅠ （） =2.4433PQ . S B .W 3 / 2a6.091881080103 / 2K. Y ( ) W2.44 41.466MN . mQ33 ) 3/ 210.0210(19.92104、 判定 KQ 的有效性① Pmax=9.326KN， PQ=6.09188KN， Pmax/PQ=9.326/6.09188=1.531>1.1② 2.5(KQ/ σ y)2=2.5 (41.466/1650) 2=1.579mm ，所以 B>2.5(KQ/ σ y)2KQ 不满意条件①，但满意条件②，所以KQ≠KⅠ c， KQ 无效；（2）坐标纸数据：由 3086— 11P-V 曲线，用取点法将坐标纸上的数据抄P~V 曲线；型系列试验记录仪上取下记录的录在 Origin 的数据表格上，然后乘以各自系数作出1、确定条件裂纹失稳扩展载荷PQ图 1-3P-V Linear Fit of Slopedata截取 P-V 曲线上截取直线段部分Slope=85.34483OA，用LinearFit进行直线拟合，求出直线斜率图 1— 4 P-V 曲线O 作一相对于直线在图 1-4 P-V 曲线上从原点OA 部分斜率削减5%的割线来确定裂纹扩展 2%时相对应的载荷P5， P5 是割线与 P-V曲线的交点纵坐标值：即取 x=0.1mm ， y=0.185.34483 0.95=8.1078KN，所以在坐标纸上取点为（0.1，8.1078），过（ 0， 0）和（ 0.1 ， 8.1078 ）做割线与 P-V 曲线相交，读出其纵坐标值4.5 ，由于在 P5 以前没有比 P5 大的高峰载荷，就2、测定临界裂纹（半）长度PQ=P5=4.5KN；aa =1/3(a2+a3+a4)=1/3（9.48+9.37+9.37）=9.41mm ，且在运算机数据处理过程中已经得到试验有效；3、 运算条件断裂韧性KQ将 PQ 和a 值代入 KⅠ表达式运算KQ；对于标准三点弯曲试样按下式运算：PQ=4.5KN， S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472aW由《材料性能》书中表 5-2可以查得 YⅠ （） =2.4433PQ . Sa4.510。