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平面应变断裂韧度KⅠC的测定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K IC2 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K I 的表达式为：I13/2(/)FSK Y a WBW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；1(/)Y a W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，K I 随之增加。
然而K I的增加不是无限的，这种增加受到材料性能的限制，即当K I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K IC。
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F Q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K Q。
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K IC 。
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F Q 及试样断裂后测出的预制裂纹长度a ,代入应力强度因子K I 的表达式，可得13/2(/)Q Q F S K Y a W BW然后再根据规定的判据判断K Q 是不是平面应变状态下的K IC ，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：应变仪记录仪图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。
实验一系列冲击实验一、实验目的：1.学习低温温度下金属冲击韧性测定的操作方法；2.测定温度对金属材料冲击韧性的影响，掌握确定金属材料的脆性转化温度T k的方法。
二、实验原理：本实验按冲击试验的最新国家标准GB/T229-1994进行。
用规定高度的摆锤对处于简支粱状态的缺口试样进行一次性打击，可测量试样折断时的冲击吸收功A k。
（A k除以试样缺口处截面积得冲击韧性值a k）。
为了表明材料低温脆性倾向大小，常用方法就是测定材料的“韧脆转化温度”。
一般使用标准夏比Ｖ型缺口冲击试样测定。
根据不同温度下的冲击试验结果，以冲击吸收功或脆性断面率为纵坐标，以试验温度为横坐标绘制曲线见图1。
韧脆转变温度确定方法：a. 冲击吸收功－温度曲线上平台与下平台区间规定百分数（n）所对应的温度，用ETT n表示。
如冲击吸收功上平台与下平台区间50%所对应的温度记为ETT50（℃）。
b. 脆性断面率－温度曲线中规定脆性断面率（n）所对应的温度，用FTT n 表示。
如脆性断面率为50%所对应的温度记为FTT50（℃）。
用不同方法测定的韧脆转变温度不能相互比较。
三、在不同温度下作冲击试验，可以得出典型的A k-T曲线和脆性断面率曲线（见图1）。
冲击吸收功曲线可近似的分为三部分：（1）温度较低，冲击值变化不大，平行横坐标的低A k值部分，称下平台，对应断口为脆性的结晶状；（2）温度较高，高冲击值部分，称为上平台，对应断口为韧性的纤维状；（3）中间部分A k值在上下平台的范围内，变化较大，且分散，对应断口为混合状（结晶状+纤维状断口）。
脆性断面率曲线与上述曲线相反，（1）温度较低，断面率高的部分，断口为脆性的结晶状；（2）温度较高，断面率低的部分，断口为韧性的纤维状；（3）中间部分在室温以下温度范围内，断口为混合状（结晶状+纤维状断口）。
根据图1的两条曲线，可以定出冲击吸收功上平台与下平台区间50%的韧脆转变温度ETT50（℃）和脆性断面率为50%的韧脆转变温度FTT50（℃）。
实验五断裂韧性K IC测试试验一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σy 和KⅠC的参考值本实验采用标准三点弯曲试样（代号SE（B）），材料为40Cr，其热处理工艺如下：①热处理工艺：860℃保温1h，油淬；220℃回火，保温0.5~1h ；②缺口加疲劳裂纹总长：9~11mm （疲劳裂纹2~3.5mm）③不导角，保留尖角。
样品实测HRC50，从机械手册中关于40Cr 的热处理实验数据曲线上查得：σy=σ 0.2=1650MPa，σb=1850MPa，δ 5=9%，ψ =34%，KⅠC=42MN · m -3/2。
二、试样的形状及尺寸国家标准GB/T 4161-1984《金属材料平面应变断裂韧度KⅠC 试验方法》中规定了两种测试断裂韧性的标准试样：标准三点弯曲试样（代号SE（B））和紧凑拉伸试样（代号C（T））。
这两种试样的裂纹扩展方式都是Ⅰ型的。
本实验采用标准三点弯曲试样（代号SE（B））。
试样的形状及各尺寸之间的关系如图所示：为了达到平面应变条件，试样厚度 B 必须满足下式：B≧2.5（KⅠC/ σy）2a≧2.5（KⅠC/ σy）2（W-a）≧ 2.5（KⅠC/σ y）2式中：σ y—屈服强度σ 0.2 或σ s 。
因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KⅠC 和σ y 值，再根据上式确定试样的最小厚度B。
若材料的KⅠC 值无法估计，则可根据σ y/E 的值来确定B 的大小，然后再确定试样的其他尺寸。
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，在高频疲劳试验机上预制裂纹。
疲劳裂纹长度应不小于2.5%W，且不小于1.5mm 。
a/W 值应控制在0.45~0.55 范围内。
本试样采用标准三点弯曲试样（代号SE（B）），其尺寸：宽W=19.92mm ，厚B=10.20mm 总长100.03mm 。
三、实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）存储在计算机中，同时利用3086-11 型X—Y 系列实验记录仪绘制P—V曲线。
本实验跨距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，以保证两辊的距离等于试样的跨距S。
载荷传感器4 为一钢制圆筒弹性元件，壁上贴有电阻应变片，全桥连接。
受载时，圆筒变形，由应变片输出载荷讯号P。
夹式引伸计5 的构造及其在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”胶水对称贴上刀口（本实验引伸计两臂末端初始间距为12mm ，刀口初始间距应略大于12mm），引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，弹簧片松弛，由应变片将裂纹嘴两侧刀口张开量V 变成电讯号传送出去。
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，均需输入试验机控制器中，所采集的试验数据以文件形式（数据采集间隔0.1s）存储在计算机中，同时模拟信号传送到3086-11 型X—Y系列实验记录仪7 中，可在坐标纸上实时自动绘出P—V曲线。
四、实验步骤1. 参观试样切割缺口及预制疲劳裂纹的设备及过程。
2. 测量试样尺寸：在疲劳裂纹前缘韧带部分测量试样厚度B，在切口附近测量试样宽度W，测量3 次取平均值。
测量精度要求0.02mm 或0.1%B（或W）。
3. 安装三点弯曲试验底座，使加载线通过跨距S 的中点，偏差在1%S以内。
放置试样时应使缺口中心线正好落在跨距的中点，偏差也不得超过1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，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，并进行平衡调节。
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“Y”和“ X”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，最好为1，并使画出的图形大小适中。
5. 开动试验机，对试样缓慢而均匀地加载（本实验弯曲压头速率0.01mm/s ），选择加载速度应使应力场强度因子的增加速率在0.55 ~ 2.75 MN ·m-3/2 / s 范围内。
当采用S/W=4，a/W=0.5 的三点弯曲试样时，对钢件也可按0.04B ~ 0.2B mm / 分钟的横梁移动速度进行加载。
对于某些老式试验机系统，加载时必须在P—V 曲线上记录任一初载荷（由试验机测力度盘读出）和断裂载荷的数值，以便于对P—V 曲线上的载荷进行标定，本实验所用测试系统不需要进行此过程。
6. 加载结束后，压断试样，从3086-11 型X—Y系列实验记录仪上取下记录的P—V 曲线。
117. 由于裂纹前沿不平直，取断裂后的试样在断面上划线，如图所示，规定测量B、B 和423B三处的裂纹长度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4（半）长度a。
五、实验数据及处理（1）计算机数据1、确定条件裂纹失稳扩展载荷P Q图1-1 P-V Linear Fit of Slopedata截取图1-2P-V 曲线上截取直线段部分，用Linear Fit 进行直线拟合，求出直线斜率Slope=77.27653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 部分斜率减少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=14.6825KN,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，则P Q=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，113测量精度 0.01mm 。
由于裂纹前沿不平直，规定测量B 、 B 和 B 三处的裂纹长度 a2、424a3、 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 ， 所以，试验有效。
3、计算条件断裂韧性 K Q将 P Q 和 a 值代入 K Ⅰ表达式计算 K Q 。
对于标准三点弯曲试样按下式计算：P Q =6.09188KN ，S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472 a由表 5-2 可以查得 Y Ⅰ（ ）=2.44W4、判定 K Q 的有效性① Pmax=9.326KN ，PQ=6.09188KN ，Pmax/PQ=9.326/6.09188=1.531>1.1 ② 2.5(K Q / σ y)2=2.5× (41.466/1650) 2=1.579mm ，所以 B>2.5(K Q / σ y)2K Q 不满足条件①，但满足条件②，所以K Q ≠K Ⅰc ，K Q 无效。
（2）坐标纸数据：由 3086— 11 型系列实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 P Q此外，表面临界裂纹（半）长度6.09188 10 3 80 10 310.02 103 (19.92 103)3/2 2.44 41.466MN ?mP-V 曲线，用取点法将坐标纸上的数据抄P~V 曲线。
K QP Q ?3S /2?YQB?W3/ 2图1-3 P-V Linear Fit of SlopedataP-V 曲线上截取直线段部分 OA ，用 Linear Fit 进行直线拟合，求出直线斜率图 1— 4 P-V 曲线在图 1-4 P-V 曲线上从原点 O 作一相对于直线 OA 部分斜率减少 5%的割线来确定裂纹扩 展 2%时相对应的载荷 P 5， P 5 是割线与 P-V 曲线的交点纵坐标值：即取 x=0.1mm ，y=0.1×85.34483× 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 P 5以 前没有比 P5 大的高峰载荷，则 P Q =P 5=4.5KN 。
2、测定临界裂纹（半）长度 a在计算机数据处理过程中已经得到 a =1/3（a2+a3+a4）=1/3（9.48+9.37+9.37）=9.41mm ，且试验有效。
3、 计算条件断裂韧性 K Q截取Slope=85.34483将P Q 和a值代入KⅠ表达式计算K Q。
对于标准三点弯曲试样按下式计算：P Q=4.5KN，S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472 由《材料性能》书中表5-2 可以查得YⅠ（a）=2.44WP Q ?S a 4.5 10 380 10 33/2K Q B P?Q W?3S/2 ?Y (W a) 10.024.510130(198.90211003)3/2 2.44 31.18MN ?m 3/24、判定K Q 的有效性① Pmax=9.3359KN，P Q=4.5KN，Pmax/PQ=9.3359/4.5=2.07>1.1② 2.5(K Q/ σ y)2=2.5× (29.80/1650) 2=0.8154mm ，所以B>2.5(K Q/ σy)2 K Q 不满足条件①，但满足条件②，所以K Q≠KⅠc，K Q无效。
