上海交通大学：《材料综合实验》课程教学课件（PPT讲稿）平面应变断裂韧度K1C的测定

金属力学性能实验 平面应变断裂韧度k1c的测定

金属力学性能实验 平面应变断裂韧度kⅠc的测定

一、实验目的 1.正确掌握平面应变断裂韧度k,c的测 试方法。 2.了解测定k1c所需的仪器设备装置

一 、实验目的 1．正确掌握平面应变断裂韧度kⅠc的测 试方法。 2．了解测定kⅠc所需的仪器设备装置

二、实验内容 1.测定被测材料的P-V的曲线，计算条件断 韧度K值。 2.验算实验所得K值，确定有效K,值

二、实验内容 1. 测定被测材料的P-V的曲线，计算条件断 韧度KQ值。 2．验算实验所得KQ值，确定有效KⅠC值

三、基本概念和测试原理 握餐弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳甘展而导致裂纹体脆断 KI=KIc 式中K,为I型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场 的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为： k=yo√a 式中：Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量， 也称几何因子。 0是外加应力。 a是裂纹体内的裂纹长度。 K,是一个复合力学参量，其值的大小仅决定于构件（包括裂纹）的几何 形状和尺寸；外加应万的大小，分布等。而K1是在平面应变条件下， 材料中I型（即张并型）裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因字的临界 值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的 种力学性能，是材料的常数。，由上式奇知，当外加应方增高时，裂纹 前端的应力强度因子K,也增大，，当K增大到等宇某一临界值，即材 料的平面应变断裂韧度Kc时，，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件， 就能导致裂纹体脆断，此时外加应力σ达到临界应力·。，若将 0=0c;则： yo a=k

三、基本概念和测试原理 • 根据线弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹体脆断的 判据是： KⅠ=KⅠc • 式中KⅠ为Ⅰ型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场 的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为 ： • 式中：Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量， 也称几何因子。 σ是外加应力。 α是裂纹体内的裂纹长度。 • KⅠ是一个复合力学参量，其值的大小仅决定于构件(包括裂纹)的几何 形状和尺寸；外加应力的大小，分布等。而KⅠC是在平面应变条件下， 材料中Ⅰ型(即张开型)裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的临界 值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一 种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时，裂纹 前端的应力强度因子KⅠ也增大，当 KⅠ增大到等于某一临界值，即材 料的平面应变断裂韧度KⅠC时，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件， 就能导致裂纹体脆断，此时外加应力σ达到临界应力σc，若将 σ=σc，；则： k  y a  C C y a k   

因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子KI的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹 前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷P℃，（或应力 σC),就可利用已知的KI表达式求出相应的临界值KI,即为试祥材料的平面应变断裂 韧度KIC。 PS 本实验采用标准三点弯曲试样，其KI表达式为： K= BW2 其中：式中：P一负荷；B一试样厚度：W一试样宽度：S—跨度：a—裂纹长度 3(2)i[1.99-a1-a)x(2.15-3938+2.7a 其中： f()= 21+20-) 通过实验可出被测材料的PV曲线（负荷一位移曲线），从PV曲线上确定的值（裂纹 失稳扩展的临界负荷)，计算出的K。值。 K。 PS BW P。的确定（斜率降低5%的割线法）

• 因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子KⅠ的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹 前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷Pc,(或应力 σc)，就可利用已知的KⅠ表达式求出相应的临界值KⅠ,即为试祥材料的平面应变断裂 韧度KⅠC。 • 本实验采用标准三点弯曲试样，其KⅠ表达式为： • 其中：式中：P——负荷 ；B—试样厚度 ；W——试样宽度 ； S——跨度 ； a——裂纹长度 •• 其中： • 通过实验可出被测材料的P-V曲线（负荷－位移曲线），从P-V曲线上确定的值（裂纹 失稳扩展的临界负荷），计算出的KQ值。 I 3 2 PS a K f( ) w BW  1 2 2 2 3 2 a a a a a 3( ) [(1.99 )(1 ) (2.15 3.93 2.7 )] a w w w w w f( ) w a a 2(1 2 )(1 ) w w         ( ) 2 3 w a f BW P S K Q Q  PQ的确定（斜率降低5%的割线法）

A max A Prnax A +P载艹何 Ps-Pa I 且 位将Y一 图4一5三种典型的P一V曲线.：

四、实验试样及其材料 材料：30 CrMnSi;870℃淬火+200℃回火；Rpo.2=1450Mpa 试样类型：三点弯曲试样、S=4W、W=2B、a=(0.450.55)W 裂纹长度a:机械裂纹a,+疲劳裂纹a 0 B 谷 2W 2W S=4W

四、实验试样及其材料 • 材料：30CrMnSi；870℃淬火+200℃回火；Rp0.2=1450Mpa • 试样类型：三点弯曲试样、S=4W、W=2B、a=（0.45～0.55）W 裂纹长度a：机械裂纹a0+疲劳裂纹af

五、实验仪器设备和装置 高频疲劳试验机、材料试验机、夹式引伸计 (COD规)、游标卡尺、读数显微镜等

五、实验仪器设备和装置 高频疲劳试验机、材料试验机、夹式引伸计 （COD规）、游标卡尺、读数显微镜等

2 1一夹式引伸计；2-试样；3一负荷传感器；4一应变仪；5一X-Y记录仅。 图4一7三点弯曲试验装置示意因

六、实验步骤 测量试样尺寸W,B 在缺口两边贴上两片刀 口片，如下图，用来固 定夹式引伸计 刀口安装部位示意图 引伸计示意图 1.将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在 两片刀口之中

六、实验步骤 • 测量试样尺寸W,B • 在缺口两边贴上两片刀 口片，如下图，用来固 定夹式引伸计 • 刀口安装部位示意图 • 引伸计示意图 1.将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在 两片刀口之中