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1、平面应变断裂韧度KIC的测定“工程力学”指出，材料对本身的裂纹或类裂纹缺陷的存在十分敏感，裂纹失稳扩展是脆 性断裂的主要原因。控制断裂的三个主要因素是裂纹的形状和尺寸、工作应力和材料抵抗裂 纹扩展的能力（材料的断裂韧度）。前二者是作用，为断裂的发生提供条件；在“线弹性断裂 力学”中，用裂纹尖端的应力强度因子K来描述，且K = f，） * 吭 a上式的适用条件为裂纹尺寸a 2.5 ICc ys 即在线弹性或小范围屈服条件下才成立。后者是抗力，阻止断裂的发生；在一定条件下（满足平面应变条件）是一材料常数，称为材 料的平面应变断裂韧度，记作c，可由实验测定。一、实验目的测定材料的平面应变断裂韧度KI
2、C1力传感器、双悬臂夹式引伸计。2三点弯曲试验装置。3材料试验机。4高频疲劳试验机。5精密量具（游标卡尺和读数显微镜等）三、实验含有I型（张开型）裂纹试样，其应力强度因子一般可表达为：K = f （a j w，）o兀 a（8 一 1）式中：f（a：w，）是试样的几何形状因子，在试样形状、尺寸和加载方式为一定的条件下是 一常数。随着外载荷F的增加，随之增加。然而$的增加不是无限的，这种增加受到材料性能 的限制，即当$增加到某一临界值时，裂纹就会失稳扩展引起材料脆断。这个临界值代表材 料抗脆断的能力，也就是材料的断裂韧度。所以在测试时，只要在试样的加载过程中，测出 裂纹失稳扩展时的临界载荷休和试样
3、裂纹尺寸a，就可以求出试样材料的临界应力强度因子 q气。如果试样尺寸满足平面应变和小范围屈服条件，则此时的临界应力强度因子即为该材料 的平面应变断裂韧度KIC。实验方法采用带穿透裂纹的试样测定金属材料平面应变断裂韧度是目前断裂力学测试技术中发 展较完善的一种方法。图8 1三点弯曲试样(TPB试样)1KI 标定公式对于三点弯曲试样，应力强度因子K?的表达式为：FSK =f (a / w)(8-2)I BW 3/2式中：S、B、W及a分别为试样的跨度、厚度、宽度，以及试样的裂纹尺寸；F为作用于试 样中点的集中力。f(a/w)为形状修正系数，对于三点弯曲试样,/2(a / w)/2 .99-(a/
4、w)G-a / w)C.15-3.93a / w + 2.7a2 / w22(1 + 2a / w)(1 - a / w一般，对于S=4W的三点弯曲试样，式(8-1)又可写成：8-3)FK =Y (a/w)I BW 1/2式中：Y(aw) = 4f(a/w)的特征值参见有关附表。试验时，在试验机上加载荷F使试样弯曲，随着载荷F增大，K也随之增大，一旦载荷F 达到临界值Fq时，裂纹即开始失稳扩展，与临界载荷Fq对应的应力强度因子Kq为：FSKq =q3/2 f a/w)(8-4)q BW3/ 2若Kq符合有效性检验，即为该材料的平面应变断裂韧度。可见KIC测试的主要任务是确定试样的临界载荷Fq。
5、2. 临界载荷巧的确定qFmaxF = FFmax Q5I平断口FQ混合断口IIF5Fmax斜断口iF =5试验的关键是如何确定裂纹 开始扩展的标志，以测出载荷的临 界值。裂纹的扩展较难于直接测 量，但裂纹嘴张开位移V与裂纹长 度之间有一定关系，故可通过测裂 纹嘴的张开位移V来间接测裂纹 的扩展，从而确定出临界载荷。图 8-2 三种典型的 F V 曲线同一材料，试样厚度不一样，I型一稳定扩展型II型一局部扩展型III型一失稳扩展型或材料具有不同韧性，测得的FV曲线的形状也不一样，但其基本类型有三种（见图8-2）。1）对厚度足够大试样，往往测得III型曲线。此时试样除表面层极小部分外，均处于平
6、面应变状态下，裂纹一开始扩展就失稳断裂，试样断口基本为平断口。此时试样承受的最大 载荷Fmax就是试样断裂的临界载荷F。maxq2）减少试样厚度则可得到II型曲线。此类曲线有一个明显的“迸发” （popin）平台， 这是在加载过程中试样中心层处于平面应变状态，先行扩展之故，而其后载荷的继续增加是 由于表面层处于平面应力状态，对裂纹扩展产生较大的抗力所致。试样断口为混合型断口。 这时“迸发”载荷F就可作为Fq。3）通常采用厚度为最小限度的试样进行试验，往往得到的是I型曲线。其特点是试样 断口为斜断口，曲线无明显的“迸发”平台，裂纹开始扩展后经过一个较短的稳定扩展阶段才 失稳断裂，由于精确地测定开
7、裂点是困难的，因此要采用规定的办法来确定F ,这与无明显 屈服的材料在拉伸时确定名义屈服极限b 方法相似。0.2通常规定，裂纹相对扩展量Aa / a = 2%时的牟值称为KIC的条件值，用Kq表示，称为“条 件断裂韧度”，对应的载荷就取为Fq。但实际上裂纹开始扩展的Aa是难以测量的，经研究发 现，裂纹扩展和裂纹的张开位移 AV存在一定的关系。可以证明，在 a/w = 50%时， Aa/a = 2%与张开位移相对变化量AV/V=5%相当。这样，就可以利用FV曲线确定AV/V =5%的位置，从而确定与Aa/a = 2%相应的条件临界载荷F。Q显然，具有失稳扩展型的FV曲线（III型），F =F ，
8、且F F5。裂纹稳定扩展时（Iq maxq 5型），Fq=F5。裂纹局部扩展时（II型），如F5前有更大的载荷，取大者为Fq。3. 裂纹长度a的测定与临界载荷Fq对应的裂纹长度aq,计算时可取初始裂纹长度a,直接从断后试样上量出。试样断裂后，可观察到裂纹长度沿厚度B方向呈弧状形，见图8-3。为了能利用前述应力强度因子公式（公式中的a是对应着平直前缘裂纹的长度）计算试样的KC，需要确定与试样的实际前缘裂纹相等效的平直前缘裂纹长度a。可取等效平直前缘 裂纹长度8-5)式中：a2、a3、a4分别为沿厚度方向B/4、B/2、3B/4处的裂纹长度。 a测定后可根据（a/w）查表或计算得至f （a/w）。
9、五、实验试样试样尺寸大量试验结果表明，一般情况下，材料的临界应力强度因子KIC与试样厚度B,裂纹长度 a和韧带宽度（w-a）均有关。只有当试样尺寸满足平面应变和小范围屈服的力学条件时，才能获得稳定的KIC值。为此要求K 2.5(ic )28-6)-、a2a3a4a5Jan1FV线切割切口裂纹前缘图 8 - 3 裂纹前缘ys(w - a)式中B是由平面应变条件对厚度的要求，a和（w-a）是小范围屈服条件对裂纹长度和韧带 宽度的要求。因为材料的屈服极砂s或名义屈服极限b 0.2是已知的，故只要估计一个耳值就可确定试样的厚度B。若KIC值难以估计，可按GB4161-84所推荐的数据，按b ys/ E
10、来选 择B。厚度B确定后，标准试样的高度W和跨度S的尺寸按 以下比例确定，即B ： W：S=1 ：2： 8试样总长L要稍大于S,可取L4.1W。 预制疲劳裂纹（1）为避免机械切口根部附近材料状态的变化对裂纹 尖端附近材料性质的影响，要求疲劳裂纹长度af0.05a 或 af 1.3mm（ 8-7） 选其中较大值。（2）裂纹长度（裂纹引发缺口长度an加疲劳裂纹长度af）应满足：0.45Wa0.55W（8-8）（3）由于疲劳裂纹前缘沿厚度呈弧状，预制裂纹时可在表面上作适当标记，使表面裂纹 的长度Q（或a5）=95% a时停机。同时，在疲劳加载期间，监视试样两个侧面裂纹长度的 变化，一旦发现长度明显不
11、同，就应停止加载，检查原因并进行调整。（4）疲劳裂纹与对称面的偏离角度0 2.5 qJ ys丿 对载荷比（试验的最大载荷F与条件临界载荷F之比）的要求maxqFmax / 啓I0（8-10）上述条件中有一项不满足，则试验无效，这时应取厚度为原试样厚度1.5倍的标准（或 比例)试样重做试验。当上述条件全部满足时，则Kq即为材料的平面应变断裂韧度牟 八试验报告试验报告应包括下述内容： (1)试验材料的冶金状态、规格、取样部位及试样取向，常规力学性能及相应于试验 温度下的被测材料的力学性能(如屈服强度)。(2) 试样类型。试样厚度B,宽度W,加载跨距S,原始韧带宽度(W-a )。Fi(3) 疲劳预制裂纹开始和终了时的F ，予叫,K (MPa m2)，循环次数，频率。fmax Ffmax(4) 试验温度和环境。(5) 加载速率(mm/min)与加载时间(min)。(6) 疲劳裂纹及相关规定执行情况。( 7)断口形貌。( 8)有效性检验。( 9 )分析讨论。
