断裂韧性K IC 测试试验
一、实验目的
1. 了解金属材料平面应变断裂韧性K IC 测试的基本原理、实验装置及试样的形状和尺寸。
2. 掌握K IC 的测试过程及试验结果的处理方法。
二、实验内容
本试验采用标准三点弯曲试样。
以40Cr 或40CrNiMoA 为材料的坯料，经淬火及200℃回火处理，进行K IC 参数测试。
对同一种热处理状态的材料，至少做3个试样。
三、实验原理
平面应变断裂韧性K IC 是应力场强度因子K I 的临界值，它表征金属材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
因而测试K IC 的基本原理，就是把待试验的材料制成一定形状和尺寸的试样，并在试样上预制出相当于缺陷的裂纹，然后对试样加载。
由于试样及其裂纹的形状、尺寸和加载方式以及断裂部位都是预先确定的，所以其应力场强度因子K I 的表达式也是确定的。
在加载过程中，用测试仪器连续记录载荷增加与裂纹扩展情况的P —V 曲线（P —载荷，V —裂纹嘴两侧刀口张开位移）。
根据曲线上表明裂纹失稳扩展临界状态的载荷P Q 及试样断裂后测出的与P Q 相对应的预制裂纹(半)长度a ，代入应力场强度因子K I 表达式，求出裂纹失稳扩展的临界K I 值，记为K Q ，然后再依据一些规定判断K Q 是不是平面应变状态下的K IC 。
如果K Q 不符合判别的要求，则仍不是K IC ，需增大试样尺寸重做试验。
我国已于1984年颁布国家标准GB/T 4161—1984 《金属材料平面应变断裂韧度K IC 试验方法》，本实验将以此标准为依据。
四、试样形状、尺寸及制备
国家标准GB/T 4161—1984 《金属材料平面应变断裂韧度K IC 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。
试样的形状及各尺寸之间的关系，如图5-1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（K I
C / σy ）2
式中：σy —屈服强度σ0.2或σs 。
因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的K IC 和σy 值，再根据上式确定试样的最小厚度B 。
若材料的K IC 值无法估计，则可根据σy / E 的值来确定B 的大小（见表5-1），然后再确定试样的其它尺寸。
试样可从机件实物上切取，或锻、铸试样毛坯。
在轧制钢
五、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。
六、实验数据及处理 P —V 曲线：
0.00
0.050.100.150.200.250.30
02
4
6
8
P q =P 5=6.477kN
P (K N )
V(mm)
P-V 0.95
1.确定条件裂纹失稳扩展载荷P Q
由于在P 5之前没有别的高峰载荷，所以：P Q = P 5 = 6.477 kN
2. 测定临界裂纹（半）长度a
试样尺寸： a 1=9.36mm a 2=9.73mm a 3=10.08mm a 4=9.73mm a 5=9.69mm
宽：W=19.89mm 厚：B=10.02mm
a =1
3(a 2+a 3+a 4)= 1
3(9.73+10.08+9.73)=9.85
a 2、 a 3、 a 4中最大值与最小值之差为：a 3- a 2=0.35
2.5%W=2.5%×19.89=0.49725 因为：a 3−a 4<2.5%W 所以，本次试验无效
3.计算条件断裂韧性K Q 已知：S =80mm
将P Q 和a 的值代入K I 的表达式计算K Q 。
对于三点弯曲试样，
)(
2
/3W
a Y W B S P K Q Q I •••=
W a = 19.899.85=0.4952 查表得⎪⎭
⎫
⎝⎛W
a Y 1 =2.28
)(2
/3W a Y W B S P K Q Q I •••=
=()
28.21019.891010.021********.6233333⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯---m
m m N ≈42.03MN 2
3
-
•m
4.判定K Q 的有效性
由P —V 曲线可读出，P max = 6.5631 kN ，所以
Q
P P max = 3764.66.5631
≈ 1.03
因为σy =σb =1850MPa
所以2.5(K Q σy ⁄)2
=1.29m 310-⨯＞B ，所以，本次试验无效
七、思考题
1、本试验的重点是什么？
答：绘图时，要注意笔应在图纸的原点上。
测量试样尺寸时，要注意试样截面的裂纹。
2、为什么载荷传感器和应变引伸需要经常校验？
答：为了保证画图的准确，同时也确保可以清晰地画在图上。
3、为何所测定的被称为裂纹“半”长度？
答：裂纹长度a约为试样宽W的一半，故称为裂纹“半”长度。