平面应变断裂韧度KⅠC的测定

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1 实验目的
利用预制好疲劳裂纹的试样测定金属材料的平面应变断裂韧度KIC
2 实验设备
1、万能材料试验机；
2、动态电阻应变仪、X-Y函数记录仪、载荷传感器及夹式引伸计；
3、游标卡尺。
3 实验原理及装置  
对于三点弯曲试样，应力强度因子KI 的表达式为：
                  
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(如图8－3所示)；F为作用于试样中点的集中力； 为形状修正系数，其值可查表得到(表8－1)。
   随着外载荷F的增加，KI 随之增加。然而KI的增加不是无限的，这种增加受到材料性能的限制，即当KI增加到某一临界值时，裂纹就会失稳扩展引起材料脆断。这个临界值代表金属材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，也就是材料的断裂韧度KIC。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FQ和试样裂纹尺寸a，就可以求出试样材料的临界应力强度因子KQ。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。
   具体的做法是：对预制有疲劳裂纹的试样加载，在加载过程中用仪器记录下载荷增加和裂纹扩展情况的F－V曲线（V－裂纹嘴张开位移）；根据曲线上裂纹失稳扩展时（临界状态）的载荷FQ及试样断裂后测出的预制裂纹长度a,代入应力强度因子KI 的表达式，可得

然后再根据规定的判据判断KQ是不是平面应变状态下的KIC，如果不符合判据的要求，则需加大试样尺寸重做实验。
   实验装置如图8－1所示：

                 图8－1 实验装置（三点弯曲试样）
4 实验步骤
1、实验前先清洗裂纹嘴两侧，用胶将刀口粘到试样上；
2、试验前用卡尺在裂纹前缘韧带部分测量试件厚度B三次，测量精度精确到0.1%B 或0.025mm，取其较大者，计算平均值。在切口附近测量试样宽度三次，测量精度精确到0.1%W或0.025mm，取其较大者，计算平均值；
3、安装三点弯曲试验支座，使加载线通过跨距S的中点，偏差在1％S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2º以内；
4、将载荷传感器和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。用动态输出档将载荷及位移输出讯号分别接到函数记录仪的“Y”和“X”的接线柱上，调整好函数记录仪的放大比，使记录曲线的初始斜率在0.7~1.5之间，并使画出的曲线大小适中；
5、对试样缓慢而均匀地加载，一般试验机速度为0.5～2mm／分，以使KI的增长速率不至太快。加载时必须在F－V曲线上记录下某一载荷的数值和断裂载荷的数值，用来对F－V曲线图上的载荷进行标定；
6、加载到压断试样，取下F－V曲线图进行分析处理。
5 实验结果的分析及处理
1．裂纹失稳扩展时的临界载荷FQ
   由于试样厚度与材料韧性不同，从函数记录仪中所得F－V曲线主要有三种类型，它们分别对应于三种断口外貌（如图8－2所示）。
             图8－2  三种典型的F－V曲线
Ⅰ型—稳定扩展型 Ⅱ型—局部扩展型 Ⅲ型—失稳扩展型
   从F－V曲线图上确定FQ的方法是：先从原点O作一相对直线OE部分斜率减少5％的直线来确定裂纹失稳扩展载荷FQ，直线与F－V曲线的交点为F5，如果在F5之前没有比F5大的高峰载荷，则FQ＝F5（图8－2曲线Ⅰ）；如果在F5之前有一个高峰载荷，则取这个高峰载荷为FQ（图8－2曲线Ⅱ和曲线Ⅲ）。
2．测定裂纹长度a
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KIC，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
   
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。

图8－3 裂纹前缘  

3．计算条件断裂韧性KQ
   按a与W的值查表得出 的值，根据 与FQ的值可算出KQ。
4．判断KQ的有效性
（1）对试件厚度、裂纹长度和韧带尺寸的要求
≥
（2）对载荷比（试验的最大载荷Fmax 与条件临界载荷Fq之比）的要求
        Fmax / Fq≤1.10                          
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KIC。
6 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）；
（3）疲劳预制裂纹开始和终了时的 ，循环次数，频率；（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；
（9）分析讨论。









表8－1   数值表
a/W         
a/W         

0.450        2.29        0.505        2.70
0.455        2.32        0.510        2.75
0.460        2.35        0.515        2.79
0.465        2.39        0.520        2.84
0.470        2.43        0.525        2.89
0.475        2.46        0.530        2.94
0.480        2.50        0.535        2.99
0.485        2.54        0.540        3.04
0.490        2.58        0.545        3.09
0.495        2.62        0.550        3.14
0.500        2.66