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实验五 断裂韧性 KIC测试试验 一、试样的材料、热处理工艺及该种钢材的σ y 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： y=σ 0.2 =1650MPa，σ b=1850MPa，δ 5=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 KⅠ C 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(KⅠ C/ σ y)2 a≧ 2.5(KⅠ C/ σ y)2 （W-a）≧ 2.5(KⅠ C/ σ y)2 式中：σ y 0.2 或σ s 。 —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 B 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 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）。 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