斷裂韌性實驗指導書

1、實驗一 系列沖擊實驗一、 實驗目的：1. 學習低溫溫度下金屬沖擊韌性測定的操作方法；2. 測定溫度對金屬材料沖擊韌性的影響，掌握確定金屬材料的脆性轉(zhuǎn)化溫度Tk的方法。二、 實驗原理：本實驗按沖擊試驗的最新國家標準GB/T229-1994進行。用規(guī)定高度的擺錘對處于簡支粱狀態(tài)的缺口試樣進行一次性打擊，可測量試樣折斷時的沖擊吸收功Ak。（Ak除以試樣缺口處截面積得沖擊韌性值ak）。為了表明材料低溫脆性傾向大小，常用方法就是測定材料的“韌脆轉(zhuǎn)化溫度”。一般使用標準夏比型缺口沖擊試樣測定。根據(jù)不同溫度下的沖擊試驗結(jié)果，以沖擊吸收功或脆性斷面率為縱坐標，以試驗溫度為橫坐標繪制曲線見圖1。韌脆轉(zhuǎn)變溫度確定

2、方法：a. 沖擊吸收功溫度曲線上平臺與下平臺區(qū)間規(guī)定百分數(shù)（n）所對應的溫度，用ETTn表示。如沖擊吸收功上平臺與下平臺區(qū)間50%所對應的溫度記為ETT50（）。b. 脆性斷面率溫度曲線中規(guī)定脆性斷面率（n）所對應的溫度，用FTTn表示。如脆性斷面率為50%所對應的溫度記為FTT50（）。用不同方法測定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度不能相互比較。三、 在不同溫度下作沖擊試驗，可以得出典型的Ak-T曲線和脆性斷面率曲線（見圖1）。沖擊吸收功曲線可近似的分為三部分：（1）溫度較低，沖擊值變化不大，平行橫坐標的低Ak值部分，稱下平臺，對應斷口為脆性的結(jié)晶狀；（2）溫度較高，高沖擊值部分，稱為上平臺，對應斷口為韌性的

3、纖維狀；（3）中間部分Ak值在上下平臺的范圍內(nèi)，變化較大，且分散，對應斷口為混合狀（結(jié)晶狀+纖維狀斷口）。脆性斷面率曲線與上述曲線相反，（1）溫度較低，斷面率高的部分，斷口為脆性的結(jié)晶狀；（2）溫度較高，斷面率低的部分，斷口為韌性的纖維狀；（3）中間部分在室溫以下溫度范圍內(nèi)，斷口為混合狀（結(jié)晶狀+纖維狀斷口）。根據(jù)圖1的兩條曲線，可以定出沖擊吸收功上平臺與下平臺區(qū)間50%的韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50（）和脆性斷面率為50%的韌脆轉(zhuǎn)變溫度FTT50（）。圖1 韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線示意圖四、 實驗設備及試樣：1. 沖擊試驗機本次實驗用JB-30型沖擊試驗機進行。試驗前，必須對試驗機進行空擊試驗，校正指針零

4、點。安放試樣的支座必須事先根據(jù)所用試樣缺口類型進行選擇安裝。安放試樣時采用專門樣規(guī)，以保證試樣缺口與支座跨距中心重合。應符合GB/T229和GB/T3808規(guī)定。試驗時，首先將自動揚擺的沖擊試驗機接通電源，操縱“揚擺”按鈕將擺錘舉起直至最高位置，然后按下“沖擊”按鈕，使擺錘落下沖斷試樣。當擺錘出擊試樣后回擺運動時可按“剎車”按鈕，擺錘立即制動。記下試驗機指針在表盤上所指的數(shù)值，即為沖斷試樣所消耗的沖擊功Ak。2. 試樣標準夏比沖擊試樣有型缺口和U型缺口兩種，U型缺口深度亦有2mm和5mm兩種。尺寸詳見國家標準GB/T229-1994。標準夏比型缺口沖擊試樣尺寸見圖2。試樣坯料經(jīng)熱處理后，在平面

5、磨床上磨光再開缺口。對硬度較低材料，可用銑、鉆等方法加工，對硬度較高材料，則需用砂輪磨削或電火花鉬絲切割，對缺口應嚴格檢查。圖2 標準夏比V型缺口沖擊試樣五、 試驗過程：1. 加熱或冷卻裝置：室溫到90可用水浴，80200可以用油浴，室溫以下用干冰（CO2）和低熔點液體混合物作為制冷劑。低熔點液體可以是煤油、酒精或其它無毒性揮發(fā)物的有機液體，進行適當配合而得到所要求的溫度。例如：采用酒精加干冰調(diào)和可達到 -700間不同溫度。室溫以上調(diào)節(jié)的溫度要比規(guī)定的溫度高3-5，以補償從試樣取出到?jīng)_斷時溫度的變化。2. 檢查試驗機：指針、螺帽是否過緊過松。將擺錘抬起，空沖1-2次，看指針是否指到零，是否打滑

6、，調(diào)節(jié)指針松緊螺釘，檢查剎車機構(gòu)是否好用。3. 準備試樣：將領到的試樣擦干凈，打上鋼印（編號），測量試樣尺寸（精確到0.1mm），并記錄。完成后將試樣用夾子放入加熱器或冷卻裝置中均溫，保溫時間不少于20分鐘。4. 沖擊試驗，低溫沖擊試驗從冷卻裝置中取出后應迅速放在試驗機支座上進行試驗。為保證操作迅速，在支座上安裝簡易的試樣定位裝置，以減少使用樣規(guī)定位時間。若試樣取出到放好已超過5秒，則不能繼續(xù)沖擊，必須將試樣放回加熱器或保溫瓶中重新保溫。注意：安放試樣和釋放擺錘均由同一人完成，嚴禁兩人合作。所有參加試驗的人都不允許在擺錘擺動平面內(nèi)站立、走動。參加本實驗，一定要集中注意力，保持良好秩序。5. 沖

7、擊完后立即剎車，剎車要輕操作，不要用力太大。6. 記錄沖擊功Ak，將指針撥回，整理數(shù)據(jù)。參照圖3觀察沖斷試樣斷口上的韌性斷口與脆性斷口面積之比，求出脆性斷面率。六、 實驗結(jié)果分析1. 每一種實驗溫度下所得的幾個試樣的Ak值，分別記錄，不要取平均值。未沖斷的試樣，記錄其并注明“未沖斷”。2. 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制沖擊吸收功溫度曲線；每一溫度下試驗的幾個Ak值要在圖上分別定點，然后根據(jù)這些試驗點的變化趨勢描繪出一條曲線，確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度ETT50（）。3. 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制脆性斷面率溫度曲線；每一溫度下試驗的幾個值要在圖上分別定點，然后根據(jù)這些試驗點的變化趨勢描繪出一條曲線，確定韌

8、脆轉(zhuǎn)變溫度FTT50（）。七、 試驗報告：1. 實驗目的：2. 實驗用設備、冷卻介質(zhì)、試樣的材料和熱處理狀態(tài)；3. 整理試驗結(jié)果、試件斷口特性討論；4. 試驗數(shù)據(jù)、沖擊功溫度曲線及所確定的ETT50（）。脆性斷面率溫度曲線及所確定的FTT50（）。5. 說明沖擊吸收功Ak和沖擊韌性ak的意義和區(qū)別。圖3 沖擊試樣斷口纖維斷面率示意圖系列沖擊試驗記錄表試樣編號試樣溫度（）試樣尺寸沖擊功Ak（J）沖擊韌性ak（J/ cm2）備注寬度b(cm)缺口截面厚度a(cm)缺口截面積F(cm2)實驗二 平面應變斷裂韌度K1C的測定一、 實驗目的：1. 學習了解金屬平面應變斷裂韌度K1C試樣制備，斷口測量及數(shù)

9、據(jù)處理的關鍵要點。2. 掌握金屬平面應變斷裂韌度K1C的測定方法。二、 實驗原理本實驗按照國家標準GB 4161-84規(guī)定進行。斷裂韌度是材料抵抗裂紋擴展能力的一種量度，在線彈性斷裂力學中，材料發(fā)生脆性斷裂的判據(jù)為：K1K1C，式中K1為應力場強度因子，它表征裂紋尖端附近的應力場的強度，其大小決定于構(gòu)件的幾何條件、外加載荷的大小、分布等。K1C是在平面應變條件下，材料中I型裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴展的應力強度因子的臨界值，即材料平面應變斷裂韌度。裂紋穩(wěn)定擴展時，K1和外力P、裂紋長度a、試件尺寸有關；當P和a達到Pc和ac時，裂紋開始失穩(wěn)擴展。此時材料處于臨界狀態(tài)，即K1=K1C。K1C與外力、試件類型

10、及尺寸無關（但與工作溫度和變形速率有關）。（一） 應力強度因子K1的表達式三點彎曲試件：式中：S為試件跨度，B為試件厚度，W為試件高度，a為試件裂紋長度。試件B、W和S間比為B：W：S=1 : 2: 8,見圖示 ： 三點彎曲試件圖修正系數(shù)f/（a/w）為a/w的函數(shù)，可查表，a/w在0.45-0.55之間。（二） 試樣尺寸要求及試樣準備1. 平面應變條件對厚度的要求：當試件的厚度足夠時，在厚度方向上的平面應力層所占比重很小，裂紋頂端的廣大區(qū)域處于平面應變狀態(tài)。這時整個試樣近似地均處在平面應變條件下，從而才能測得一穩(wěn)定的K1C值。對試件厚度要求推薦為：彎曲試樣的f(a/w)a/wf (a/w)a

11、/wf(a/w)0.4502.290.5052.700.4552.320.5102.750.4602.350.5152.790.4652.390.5202.840.4702.430.5252.890.4752.460.5302.940.4802.500.5352.990.4852.540.5403.040.4902.580.5453.090.4952.620.5503.140.5002.662. 小范圍屈服條件對裂紋長度的要求：對常用三點彎曲試樣，因裂紋頂端存在或大或小的塑性區(qū)，塑性區(qū)半徑ry不能無限地接近零。K1近似可成立的r值是裂紋頂端塑性區(qū)與廣大彈性區(qū)交界的界面處。對三點彎曲要求： 3.

12、 韌帶尺寸要求：韌帶尺寸也稱韌帶寬度（W-a），對應力強度因子K數(shù)值有大影響，如韌帶寬度過小，背表面對裂紋塑性變形將失去約束作用，在加載過程中試樣整個韌帶屈服，裂紋試樣不再近似地認為彈性體，這時線彈性理論的分析方法也就不適用。因此，試件的韌帶尺寸必須滿足小范圍屈服條件，保證試樣背面對裂紋頂端的塑性變形有足夠的約束作用。要求的韌帶寬度：（三）臨界載荷的確定1. P-V曲線的三種類型及其臨界載荷 在通常的K1C測試中，所得到的載荷P對切口張開位移V的記錄曲線，大致可分為三類。如下圖所如，臨界載荷要根據(jù)不同類的曲線按一定的條件來確定，這樣所確定的叫做臨界載荷條件值PQ。（1） 用厚度足夠大的試件進行

13、試驗時，往往測得到的是第類曲線。這時除表面層極小部分外，均處于平面應變狀態(tài)下。在加載過程中，裂紋前端并無擴展，當載荷達到最大值時，試件發(fā)生驟然的脆性斷裂，斷口絕大部分是平斷口，這時最大載荷就可作為PQ。（2） 當用厚度稍小的試件進行試驗時，則可得到第類曲線，此類曲線有一個明顯的“迸發(fā)”平臺。這是由于加載過程中試件中心層處于平面應變狀態(tài)先行擴展，而表面層處于平面應力狀態(tài)尚不能擴展，因而中心層的裂紋擴展很快地被表面層拖住的緣故。這種試件在試驗過程中，在達到“迸發(fā)”載荷時，往往可以聽到清楚的“爆聲”。這時“迸發(fā)”載荷等于PQ 。三種典型的P-V曲線（3） 當采用厚度為最小限度的試樣進行試驗時，所得到

14、的往往屬于第類曲線。在這種情況下，不能按最大載荷來計算斷裂韌度。因為在低于最大載荷時，試樣裂紋已經(jīng)在逐步擴展，只是由于裂紋前緣處于平面應變狀態(tài)的部分相對地稍少一些，所以裂紋最初的“迸發(fā)”性擴展量很小，不易被察覺，對于這樣的試件。只能采用一定的工程假設，從P-V曲線上來確定所謂“條件值”。這和材料在拉伸試驗中，用0.2%偏離初始切線的規(guī)定來定義屈服強度0.2是相似的。 確定載荷條件值的方法：若三點彎曲試件的試驗曲線屬于第I類曲線，則從坐標原點O作割線OP5，其斜率比曲線的初始切線OA的斜率小5%，OP5與該曲線的交點所對應的載荷P5，如Pmax/P51.1時，則取P5=PQ。為什么把斜率降低5%

15、的割線與P-V曲線的交點P作為確定PQ的依據(jù)呢？因裂紋剛開始擴展的位置不易確定，仿照用0.2來代替s的思路，規(guī)定裂紋相對擴展a/a=2%時的K1值稱為K1C的條件值，用KQ表示。由于實際測得的是P-V曲線，而不是P-a曲線。如何確定a/a和V/V的相互關系？可以證明，在a/w=0.45-0.55的范圍內(nèi)，,就相當 ，圖中OP5直線的斜率是OA直線斜率的0.952（即少5%），這就是說，裂紋相對擴展2%的點，就是斜率比OA小5%的OP，直線和PV曲線的交點P5，就是裂紋相對擴展2%的點。如果曲線屬于第和第類曲線，用同樣的作圖法也可得到載荷P5，但P5前，已有一個大于P5的載荷，此時就要以該載荷作

16、為PQ。（四）試驗結(jié)果的有效性確定了PQ后，便可按載荷PQ算出c，或算出相應的K值，記為KQ，稱為“條件斷裂韌度”。如果B和a均大于2.5（KQ/s）2，并滿足（Pmax/P5）1.1條件，則KQ就可認為是材料的平面應變斷裂韌度K1c。否則，還需要按B和a均大于2.5（KQ/s）2的要求制成更厚的試件試驗，直到上述條件得到滿足。三、實驗步驟（一）試樣制備：1.金屬結(jié)構(gòu)材料，無論是鍛件、板材，還是管材或棒材，都在不同程度上具有各向異性。它反映在斷裂韌度數(shù)值上更為突出，因此，斷裂韌度和試樣取向有關。裂紋面取向應嚴格按GB416184標準進行。在實際構(gòu)件中取樣時，試件的裂紋取向應與構(gòu)件中最危險的裂紋

17、方向一致。2.試件厚度B可根據(jù)材料的K1c估計值與s的比值，或s對E的比值來選擇（見下表）。推薦的最小厚度Bs /E試樣最小厚度和裂紋長度的推薦值（mm）0.00500.0057750.00570.0062630.00620.0065500.00650.0068440.00680.0071380.00710.0075320.00750.0080250.00800.0085200.00850.010012.50.01006.53.取同爐批料加工2-3件常規(guī)拉伸試件，供測s為常規(guī)機械性能用，且必須和K1c試件同爐熱處理。4.試件粗加工和熱處理后，再進行精加工，其最后尺寸和表面光潔度嚴格按GB416

18、184規(guī)定。5.小試件用線切割機制出切口，切口根部圓弧半徑小于0.08mm。（二）預制疲勞裂紋為了模擬實際構(gòu)件中存在的尖端裂紋，使得到的K1c數(shù)據(jù)可以對比和實際應用，試件必須用疲勞載荷預制裂紋。疲勞裂紋長度應不小于2.5%W，且不小于1.5毫米，a/W在0.45-0.55范圍內(nèi)，可采用在試樣表面觀察裂紋痕跡的方法來確定所需的疲勞裂紋長度。為了保證平直和足夠的尖銳，至少在最后2.5%的擴展階段中，所用的Kmax/E應不大于0.01mm1/2（對鋁合金不受此約束），或Kmax應不大于K1c的70%（對鋁合金應不大于80%）。（三）測量條件1.試件厚度應在疲勞裂紋前緣韌帶部分測量三次，取其平均值作為

19、B。測量精度要求0.02mm或0.1%B，取其中較大者記錄。2.試件高度應在切口附近測量三次，取其平均值作為W，測量精度要求0.02mm或0.1%W，取其中較大者記錄。在彎曲試驗時必須采用專用的設備及附件，并注意下列事項：a) 在三點彎曲試驗時必須采用專用的支撐輥，支撐輥要能自由滾動，以使試件和支承間的摩擦所引起的誤差減到最小。b) 所加載荷的作用線要通過跨度（兩個支撐輥中心的距離）的中心，偏差應不超過跨度的1%。c) 跨度誤差應在名義程度的0.5%以內(nèi)。d) 裂紋端點要放在兩支撐輥間的中線上，偏差應不超過跨度的1%。e) 試件和支撐輥的軸線要成直角，偏差應在2º以內(nèi)。（四）試驗程序

20、1)在試件上粘貼刀口以便能安裝夾式引伸計。刀口外限間距不得超過22mm（見下圖）。安裝夾式引伸計時要使刀口和引伸計的凹槽配合好。 粘貼刀口2) 將試樣按下圖裝置安放好。三點彎曲試驗裝置示意圖3) 標定夾式引伸計.4) 開動拉伸機，緩慢勻速加載，直至試樣明顯開裂，停機。曲線上記錄下載荷和刀口張開位移之間的曲線。5) 取下夾式引伸計，開動拉伸機，將試樣壓斷。停機取下試樣。6) 記錄試驗溫度和斷口外貌。（五）KQ的計算1. 從記錄的PV曲線上按規(guī)定來確定PQ值。2. 裂紋長度一般用讀數(shù)顯微鏡測出五個讀數(shù)a1、a2、a3、a4和a5，如下圖，取中間三個讀數(shù)平均值裂紋長度測量示意圖3. 根據(jù)測得的a和W

21、值，計算a/W值（精確到千分之一），f（a/W）數(shù)值查表或計算。4. 將PQ、B、W和f（a/W）代入下式：即可算出值，單位。相關換算公式：， ， 。六、 有效性校核計算得到的KQ是否為平面應變斷裂韌度K1c，需要進行校核。1. 任一處的疲勞裂紋長度均不得小于2.5%W，且不得小于1.5毫米。2. a2、a3、a4中最大裂紋長度與最小裂紋長度之差不得超過2.5%W（5%a）。3. 表面處裂紋長度a1、a5 不得小于平均值a的90%。4. a應在0.45W-0.55W之間。5. 裂紋平面應與試件高度W和厚度B的方向平行，允許偏差在±10º以內(nèi)。6.B、a和（W-a）均應大于2

22、.5（KQ/s）2。7.Pmax/PQ1.1以上各條都得到滿足，才能認為試驗有效，即KQ=K1c。七、試驗報告1.試樣編號、原始狀態(tài)和屈服極限；2.試樣厚度B、高度W和跨度S；3.試樣取向；4.預制疲勞裂紋條件，裂紋長度a1、a2、a3、a4、a5值；5.試驗時的溫度和斷口外貌特征；6.P-V 曲線，求出PQ， 按計算并校核；7.注明K1c有效的條件或KQ不能作為K1c有效的條件。金屬材料平面應變斷裂韌度測定實驗記錄表試樣名稱試樣狀態(tài)屈服極限(MPa)試驗溫度P-V曲線P量程（N/mm）V量程（mm/mm）加載速率（mm/S）實驗試樣高度W（mm）厚度B（mm）跨度S（mm）裂紋長度（mm）修

23、正系數(shù)f（a/W）W1W2W3B1B2B3a1a2a3a4a5Pmax（N）PQ（N）Pmax/ PQ2.5（KQ/s）2（mm）KQK1c實驗三 電阻法研究鎳基合金的時效轉(zhuǎn)變一實驗目的： 1熟悉雙電橋的結(jié)構(gòu)原理并掌握電阻的精密測量方法。 2了解被測電阻的微量變化與材料組織結(jié)構(gòu)變化的關系。二實驗原理：電阻的測量方法很多，最簡單的方法是根據(jù)公式由電壓表和電流表的讀數(shù)計算。應當指出這樣測量到的結(jié)果其精確程度受儀表誤差限制。倘若待測電阻Rx與電壓表阻值相比不是小很多的話測量誤差更大。 單電橋(惠斯登電橋)可以測量阻值大(1106)的電阻。一般來說，當待測電阻相當大時，導線電阻與接觸電阻相對較小，可以

24、忽略。如果待測電阻很小（<1），則導線電阻與接觸電阻的影響就不可忽略，這時必須使用雙臂電橋(開爾文電橋)或電位差計來進行測量。 雙臂電橋的線路如圖3l所示，Rx為待測電阻，RN為與Rx相應的標準電阻。R1、R3與R2、R4分別為電橋的兩臂。當直流電源接通后，調(diào)節(jié)R1、R2、R3、R4的大小可使電橋達到平衡。考慮到連接導線電阻與接觸電阻r1、r2、r3、r4，并把它們合并到R1、R2、R3、R4的之中則有：R1´= R1+ r1，R2´= R2+ r2，R3´= R3+ r3，R4´= R4+ r4，r為待測電阻與標準電阻之間的導線電阻與接觸電阻的總

25、和。 根據(jù)克?；舴蚨山怆娐返穆?lián)立方程可得： (3-1)圖3-1 雙臂電橋原理圖 為了減少連接導線和接觸電阻的影響，對R1、R2、R3、R4均選擇得比較大。此時可認為R1´= R1，R2´= R2 , R3´= R3 , R4´= R4，但是由于待測電阻Rx與標準電阻RN都很小，r的阻值與Rx和RN比較起來總是不可忽略的。 (3-2)為了測量方便，希望=0，在制造儀器時就已做到：使R3 =R1 構(gòu)成測量臂，R4 =R2 構(gòu)成比例臂，以維持兩臂調(diào)節(jié)時恒定不變。應當指出，為了保持所測電阻的準確性必須使r的阻值盡可能地小，既在待測電阻和標準電阻間連接一條盡可能

26、粗而短的導線并保持接觸良好，這樣所測電阻可用式13計算 （3-3） 式中：Rx待測電阻；測量臂讀數(shù)；比例臂讀數(shù)；RN標準電阻值。為了消除熱電勢等其他因素的影響，在電流回路上設置倒向開關，反復測量電流正反向流過時的電阻值，取其平均值。 材料的電阻率與化學成分、組織狀態(tài)及溫度有關。不同的金屬有不同的電阻率，加入合金元素電阻率就發(fā)生變化，如固溶體的電阻率就比純金屬高。材料的電阻率與組織狀態(tài)有關，同一種鋼淬火后較回火及退火后的電阻率為高。通常，經(jīng)加工變形的材料的電阻率較加工前的高。材料在其成分組織狀態(tài)都相同的情況下，溫度愈高則電阻率愈高。這是結(jié)點熱振動加劇造成點陣對理想周期排列的偏離。電阻率是組織敏感

27、性的物理量。因此，測量電阻可以用來探測材料中與組織結(jié)構(gòu)變化有關的一切過程。 本實驗采用的合金是一種作為800850下燃汽輪機工作葉片使用的鎳基合金，其化學成分()主要為：Crl5-19，M046，W235，Ti1.92.8，Al1.01.7, Nb0.51.0,余為Ni。合金經(jīng)不同熱處理在基體上可以出現(xiàn)各種類型碳化物和Ni3(Al,Ti)-´相。而相變的結(jié)果將引起材料導電性的變化。為了研究時效過程中的轉(zhuǎn)變，把合金加熱到1070，保溫8h空冷(淬火)使碳化物處于穩(wěn)定狀態(tài)，而´相完全溶解于基體。隨后作不同溫度時效。設o為淬火態(tài)的電阻率，為各時效態(tài)的電阻率，則 =-o從隨回火溫度的變化可以反映出合金元素在固溶體中的偏聚、´相的析出、過時效和&