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1、材化 08平面应变断裂韧性KIC 的测定李文迪 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 K
2、IC ，即：K =Y a K IC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 o C 淬火、 220 o C 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
3、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,
4、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 试样测量次数W/mmB/mmS/mm40Cr180280裂纹长度 /mma1a2a3a4a5a 数据处理 一验证：（
5、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a5 之差在 10%a（）内。a1 与即 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Pmax1.1038
6、 1.1 故符合判据要求。Pq三Kq 的计算：P SaKqq gBW3/2 gf ()根据公式w ，af (aa0.01010m0.514 ，故 式中的f ( )w0.010338mw 查阅表格得w =。故ga7.5200.08K qPqS2.7958.317MPa g mBW3/2 gf ()0.01010 (0.02010)3/2w四KIC 的判据验证：Pmax（1）1.10381.1符合要求PqKq) 2.5(58.3174.34 103m B 0.101 102m 符合要求（2） 2.5(1400)sq 作为平面应变断裂韧度，即IC58.317 MPa g m因此可将 KK =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. 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 =58.317 MPa g m 。 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.
