一、 实验目的：
1、 学习了解金属平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的关键要点。 2、 掌握金属平面应变断裂韧度K1C的测定方法。
二、 实验原理
本实验按照国家标准GB4161-84规定进行。
断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展能力的一种量度，在线弹性断裂力学中，材料发生脆性断裂的判据为：K1≤K1C，式中K1为应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近的应力场的强度，其大小决定于构件的几何条件、外加载荷的大小、分布等。K1C是在平面应变条件下，材料中Ⅰ型裂纹产生失稳扩展的应力强度因子的临界值，即材料平面应变断裂韧度。裂纹稳定扩展时，K1和外力P、裂纹长度a、试件尺寸有关；当P和a达到Pc和ac时，裂纹开始失稳扩展。此时材料处于临界状态，即K1=K1C。K1C与外力、试件类型及尺寸无关（但与工作温度和变形速率有关）。 (一) 应力场强度因子K1表达式
三点弯曲试样：
K1=(PS/BW3/2)f(a/W)
式中：S为试件跨度，B为试件厚度，W为试件高度，a为试件裂纹长度。试件B、W和S的比例为：B：W：S=1：2：8，见图2-1所示：
图2-1三点弯曲试件图
修正系数f(a/W)为a/W的函数，可以查表2-1，a/W在0.45-0.55之间。
(二) 试样尺寸要求及试样制备
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯1、 平面应变条件对厚度的要求：
当试件的厚度足够时，在厚度方向上的平面应力层所占比重很小，裂纹顶端的广大区域处于平面应变状态。这时整个试样近似地均处在平面应变条件下，从而才能测得一稳定的K1C值。对试件厚度要求推荐为：
B≥2.5(K1C/σs)
a/w | f(a/w) | a/w | f(a/w) |
0.450 | 2.29 | 0.505 | 2.70 |
0.455 | 2.32 | 0.510 | 2.75 |
崇文门新世界店庆0.460 | 2.35 | 0.515 | 2.79大唐三藏取经诗话 |
0.465 | 2.39 | 0.520 | 2.84 |
0.470 | 2.43 | 0.525 | 2.89 |
0.475 | 2.46 | 0.530 | 2.94 |
0.480 | 2.50 | 0.535 | 2.99 |
0.485 | 2.54 | 0.540 | 3.04 |
0.490 | 2.58 | 0.545 | 3.09 |
0.495 | 2.62 | 0.550 | 3.14 |
0.500 | 2.66 | | |
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表2-1弯曲试样的f(a/w)
2、 小范围屈服条件对裂纹长度的要求：
对常用三点弯曲试样，因裂纹顶端存在或大或小的塑形区，塑形区半径ry不能无限地接近零。K1近似可成立的r值是裂纹顶端塑形区与广大弹性区交界的界面处。对三点弯曲要求：
a≥50ry≈2.5(K1C/σs)2
3、 韧带尺寸的要求：
韧带尺寸也称韧带宽度(W-a)，对应力强度因子K的数值有很大影响，如韧带宽度过小，背表面对裂纹塑性变形将失去约束作用，在加载过程中试样整个韧带屈服，裂纹试样不再近似地认为弹性体，这时线弹性理论的分析方法也就不适用。因此，试件的韧带尺寸必须满足小范围屈服条件，保证试样背面对裂纹顶端的塑性变形有足够的约束作用，要求的韧带宽度：
(W-a)≥2.5(K1C/σs)2
(三) 临界载荷的确定
1、rgltP-V曲线的三种类型及其临界载荷
在通常的K1C测试中，所得到的载荷P对切口张开位移V的记录曲线，大致可分为三类。如图2-2所示，临界载荷要根据不同类的曲线按一定的条件来确定，这样所确定的叫做临界载荷条件值PQ。
(1) 用厚度足够大的试件进行试验时，往往测得到的是第Ⅲ类曲线。这时除表面层极小部分外，均处于平面应变状态下。在加载过程中，裂纹前段并无扩展，当载荷达到最大值时，试件发生骤然的脆性断裂，断口绝大部分是平断口，这时最大载荷就可作为PQ。
(2) 当用厚度稍小的试件进行实验时，则可得到第Ⅱ类曲线，此类曲线有一个明显的“迸发”平台。这是由于加载过程中试件中心层处于平面应变状态先行扩展，而表面处于平面应力状态尚不能扩展，因而中心层的裂纹扩展很快地被表面层拖住的缘故。这种试件在试验过程中，在达到“迸发”载荷时，往往可以听到清楚的“爆声”。这时“迸发”载荷等于PQ。
图2-2 三种典型的P-V曲线
(3) 当采用厚度为最小限度地试样进行试验时，所得到的往往属于第Ⅰ类曲线。在这种情况下，不能按最大载荷来计算断裂韧度。因为在低于最大载荷时，试样裂纹已经在逐步扩展，只是由于裂纹前缘处于平面应变状态的部分相对稍少一些，所以裂纹最初的“迸发”性扩展量很小，不易被察觉，对于这样的试件。只能采用一定的工程假设，从P-V曲线上来确定所谓“条件值”。这和材料在拉伸试验中，用0.2%偏离初始切线的规定来定义屈服强度σ
0.2是相似的。
(四) 试验结果的有效性
确定了PQ后，便可按载荷PQ算出σc，或算出相应的K值，记为KQ，称为“条件断裂韧度”。如果B和a均大于2.5(KQ/σS)2，并满足Pmax/P5≤1.1条件，则KQ就可认为是材料的平面应变断裂韧度K1C。否则，还需要按B和axiazhai均大于2.5(KQ/σS)2的要求制成更厚的试件试验，直到上述条件得到满足。
三、 实验步骤
(一) 试样制备：
1、 金属结构材料，无论是锻件、板材，还是管材或棒材，都在不同程度上具有各向异性。它反映在断裂韧度数值上更为突出，因此，断裂韧度和试样取向有关。裂纹面取向应严格按GB4161-84标准进行。在实际构件中取样时，试件的裂纹取向应与构件中最危险的裂纹方向一致。
2、 试件厚度B可根据材料的K1C估计值与σS的比值B≥2.5(KQ/σS)2，或者σS对E的比值来选择。
3、 取同炉批料加工2-3件常规拉伸试件，供测σS为常规机械性能用，且必须和K1C试件同炉热处理。
4、 试件粗加工和热处理后，再进行精加工，其最后尺寸和表面光洁度严格按GB4161-84规定。
5、 小试样用线切割机制出切口，切口根部圆弧半径小于0.08mm。
(二) 预制疲劳裂纹：
为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的K1C 数据可以对比和实际应用，试件必须在疲劳试验机上预制疲劳裂纹。其方法是：先用线切割机在试样上切割8mm长的机械切口，然后在疲劳试验系上使试样承受循环变应力，引发尖锐的疲劳裂纹，约为2mm。
将试件打磨一遍，去掉表面油垢。在中心机械切口两侧各7.5mm处划线，用以标记放在疲
劳试验机上；分别在两侧的机械切口前沿2mm处划线，用以观察其后疲劳裂纹生长到此线。将高频疲劳机的静载(平均应力)设为1.25T，动载(应力幅)设为0.75T，频率为100Hz，平均振动90多万次后，观察裂纹是否长到刻线处。
预制疲劳裂纹时，应仔细监测试样两侧裂纹的萌生情况，避免两侧裂纹不对称发展。
(三) 测定条件
1、试件厚度应在疲劳裂纹前缘韧带部分测量三次，取其平均值作为B。测量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中较大者记录。
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