(完整版)断裂韧性KIC测试试验.docx

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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:σy=σ0.2=1650MPa,σb=1850MPa,δ5=9%,ψ=34%,KⅠC=42MN·m-3/2。

二、试样的形状及尺寸

国家标准GB/T4161-1984《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)2

a≧2.5(KⅠC/σy)2

(W-a)≧2.5(KⅠC/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 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σy/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

参观试样切割缺口及预制疲劳裂纹的设备及过程。

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,偏差在±2°以内。

将载荷传感器和位移传感器的接线,分别按“全桥法”

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