平面应变断裂韧性的测定
陈国滔材科095 40930366
一、实验目的
1.理解平面应变断裂韧性的应用及限制条件；
测试的基本方法，基本操作及操作要点；
2.了解平面应变断裂韧度K
IC
3.通过三点弯曲试验测量40Cr的平面应变断裂韧度。

二、试验原理
1.材料断裂原理
含有缺陷的构件可能在远低于材料屈服强度的工作应力下断裂, 只要这些缺陷达到某种临界尺寸。

即使有些构件, 起初的缺陷尺寸没有达到某种临界尺寸, 但由于工作于某种疲劳载荷下, 或某种腐蚀介质里, 或某种限度的低温状态下, 起初的缺陷尺寸将会增大,即裂纹发生亚临界的稳定扩展, 直至达到某种临界尺寸而突然发生不稳定的脆断。

断裂条件是：
式中， 为正应力，2a为试样或者构建中的裂纹长度。

2.材料的平面应变断裂韧性
根据线弹性断裂力学，断裂的判据是裂纹前沿应力强度因子K达到其临界值——材料的平面应变断裂韧度，即：
K=Y≥
是材料抵抗裂纹扩展能力的式中Y是裂纹的形状因子。

平面应变断裂韧度K
IC
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：
①评价材料是否适用，作为验收和产品质量控制的标准。

②材料的断裂韧度受到冶金因素(成分、热处理)的制造工艺(如焊接、成形)
影响。

可对构件的断裂安全性进行评价。

三、实验仪器及材料
1.实验仪器
①WDW-200D微机控制电子式万能材料试验机（拉伸力准确度优于示值的
0.5%）
②游标卡尺（精度0.02mm）
③双悬臂夹式引伸计（原长10.00mm）
④工具显微镜15JE（精度0.001mm）
2.实验材料
本试验采用经过860℃淬火、220℃回火处理的40Cr钢，屈服强度σ
s=1400MPa。

3.实验试样
SE(B)三点弯曲试样：
4. 试样中裂纹的制备要求
测定裂纹失稳扩展时的裂纹应力强度因子的临界值，要求裂纹尖端具有足够高的应力集中效应，否则，易于造成试验因为应力——位移曲线不符合要求而得不到预定结果。

为此，试样中裂纹的制备由两道工序完成。

首先要通过机加工或者线切割方法制备出裂纹的主体部分，随后还要通过疲劳过程在此切割裂纹基础上制备出尖端很尖锐的疲劳裂纹。

试样的裂纹由这两部分构成。

第一道加工的切割裂纹缺口，应垂直于试样表面和预期的裂纹扩展方向，偏差在
±2°以内，其根部半径应在0.08mm以下。

在疲劳过程在前期预制裂纹尖端引发疲劳裂纹的过程中，可以采用先大后小的最大应力强度因子——首先采用不高于材料的断裂韧度的0.8倍的应力来制备疲劳裂纹；而在后期，要求降低施加的应力水平，使裂纹尖端的应力强度因子降低到断裂韧度的0.6倍以下。

试样中的裂纹需要满足如下条件方是有效的：
(1)裂纹平面应与试样的宽、厚两个方向平行，裂纹不能分叉；
(2)缺口加工裂纹的总长度为0.45W~0.55W之间；
(3)试样表面上的疲劳裂纹长度不得小于0.025W，或者1.3mm，并且取其中
的较大值； (或者：疲劳裂纹的长度不能小于裂纹总长度的5％；)
(4)裂纹在试样两个自由表面上的长度不应小于总裂纹长度的90％；
四、实验步骤
①测定试样的厚度B，要求沿着裂纹的预期扩展面在未断开的区域测量厚度，
精确要求未0.025mm或者0.1%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
加载压头尽量处于同一个平面上，避免二者错位或者形成明显不为0的夹角。

③对试样加载，测量载荷P－位移V(即裂纹嘴标距间距离的变化量)关系曲线，
直到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
0.55~2.75/smMPa范围内。

④在裂纹扩展断裂的试样断口上，如图示意性给出的那样，借助于工具显微镜，
在试样厚度方向上1/4、1/2和3/4的位置上测量裂纹长度，记做a
2、a
3
和
a
4
；测量准确度要求为0.5%。

同时，测量两个自由表面上的裂纹长度，记做
a 1和a
5。

同时，测量各位置上的疲劳裂纹的长度。

⑤根据测量得到的裂纹长度，判断试验的有效性。

原则如下：
a)a2、a3和a4中任意两个测量值之差不得大于平均值
a的10％；
b)a1、a5与a的差值不得大于15％，a1和a5之差也不
得大于a的10％；
c)裂纹面与BW面平行，偏差在±10°以内。

满足上述要求时，取a2、a3和a4的平均值作为裂纹长度a。

⑥断口形貌的观察：注明每个试样的断口形貌特征。

常见的断口形貌类型如图
4所示。

对部分斜断断口，应在裂纹顶端和试样无缺口边之间测量中心平断口部分的平均宽度f。

记下单位厚度斜断口的比例(B-f)/B。

全斜断口中该数值f为0。

五、实验数据及数据处理
1.试样形状尺寸及裂纹长度原始数据
表1 试样形状尺寸记录表
测量值平均值
W/mm 20.04 20.04 20.02 20.03
B/mm 10.02 10.04 10.00 10.02
S/mm 80 80
表2 裂纹长度记录表
裂纹强a1 a2 a3 a4 a5 a
度/mm 10.133 10.102 9.34 9.725 9.275 9.722
2.实验数据处理
(1)裂纹长度a的有效性判断
①
以上各项均小于10%，符合要求。

②
以上各项均符合要求。

③裂纹面与BW面平行，偏差在±10°以内，
所以是可用的。

(2)
如附录2所示,在载荷—位移曲线上确定裂纹扩展的对应载荷，取弹性变形阶段载荷－位移关系的线性段的斜率的95％，对该曲线做割线，交曲线于一点，如附录2中图所示。

可知在出现之前，载荷已经达到了试验全过程的最高值，此时将作为，。

(3)
,通过查询附录1可知，
(4)
(5)的有效性判断
①载荷条件：，符合要求。

②平面应变及塑性屈服尺寸条件：
；
；
所以均符合要求。

③综上可知试验结果符合各项有效性判据，此次实验结果有效。

40Cr钢的平面应变断裂韧度
六、实验总结
1.实验断口形貌平整，推断为脆断。

2.在载荷—变形曲线中，可见应力到了最大值后便不断下降，此时材料内
部由塑性变形阶段变为裂纹在内部扩展阶段。

这由于裂纹顶端处应力不可能无限地增长，当到达材料屈服应力时，即在裂纹顶端附近形成一个微小的屈服区，所以无法直接用裂纹顶端处的应力大小来作裂纹发生失稳扩展的判据。

当构件最大应力区中足够大体积内的应力都达到了材料特点的临界值时，即发生脆性断裂。

3.实验中测量的平均值只计算断裂区中部的a
2、a
3
、a
4
值，原因是中部的裂
纹是在应变状态下断裂，而断裂表面处的裂纹是处于应力断裂，不在实
验讨论的范围内。

a
1、a
5
的测量只是为了方便判断裂纹长度有效性。

4.40Cr钢的平面应变断裂韧度。

参考文献
①杨王玥，强文江.《材料力学行为》.北京：科学出版社.2009
②余永宁.《材料科学基础》.北京.高等教育出版社.2006
③中华人民共和国国家标准，金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法GB 4161-1984附录1
形状因子的确定
表3 弯曲试样的
0.45 2.29 0.455 2.32 0.46 2.35 0.465 2.39 0.47 2.43 0.475 2.46 0.48 2.5 0.485 2.54 0.49 2.58 0.495 2.62 0.5 2.66 0.505 2.7 0.51 2.75 0.515 2.79 0.52 2.84 0.525 2.89 0.53 2.94 0.535 2.99 0.54 3.04 0.545 3.09。