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=σ0.2=1650MPa，σb=1850MPa，δ5=9%，ψ=34%，KⅠ C=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/ σ y)2a≧ 2.5(KⅠC/ σ y)2（W-a）≧ 2.5(KⅠC/ σ y)2式中：σ y0.2或σs 。

—屈服强度σ因此，在确定试样尺寸时，要预先估计所测材料的KⅠC和σy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σyB 的大小，然后再确/E 的值来确定定试样的其他尺寸。

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。

7. 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1B 、1B 和 3B 三处的裂纹长度 a2、a3、 a4 及 a14 2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P 为 6.09188，由于在 P 以前没有55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，测量精度0.01mm 。

由于裂纹前沿不平直，规定测量1B、1B和 3 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 。

此外，表面临界裂纹（半）长度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 KⅠ表达式计算 K Q。

对于标准三点弯曲试样按下式计算：P =6.09188KN， S=80mm,B=10.02mm,W=19.92mm,a/W=9.41/19.92=0.472Q由表 5-2可以查得 YⅠ（a） =2.44WP Q ?S a 6.0918810 38010 3 3 / 2K Q B?W3/2 ?Y (W)10.02 10 3(19.9210 3)3/22.4441.466MN ? m4、判定 K Q的有效性①Pmax=9.326KN， PQ=6.09188KN， Pmax/PQ=9.326/6.09188=1.531>1.1② 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 不满足条件①，但满足条件②，所以K ≠K，K 无效。

Q QⅠ c Q（2）坐标纸数据：由 3086— 11 型系列实验记录仪上取下记录的P-V 曲线，用取点法将坐标纸上的数据抄录在 Origin 的数据表格上，然后乘以各自系数作出P~V 曲线。

1、确定条件裂纹失稳扩展载荷P Q图 1-3 P-V Linear Fit of Slopedata截取P-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Slope=85.34483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 P5， P5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 P5以前没有比 P5 大的高峰载荷，则P Q=P5=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 Y （a） =2.44ⅠWK Q P Q ?S?Y (a 4.5 103 80 1032.44 31.18MN ? m 3 / 2B ?W 3 / 2)10.02 10 3(19.92 10 3)3/ 2 W4、判定 K Q的有效性①Pmax=9.3359KN， P Q=4.5KN， Pmax/PQ=9.3359/4.5=2.07>1.1②Q22Q22.5(K / σ y) =2.5× (29.80/1650) =0.8154mm ，所以 B>2.5(K / σy)K 不满足条件①，但满足条件②，所以K ≠K，K 无效。