有机玻璃断裂韧性测量实验.doc

实验报告1、 实验名称： 有机玻璃SENB断裂韧性测量实验2、 实验目的1. 学习了解有机玻璃平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的关键要点。2. 掌握有机玻璃平面应变断裂韧度K1C的测定方法。3、 实验器材： 岛津万能实验机、三点弯曲试件、游标卡尺4、 实验原理：本实验按照国家标准GB4161-2007规定进行。1. 材料断裂韧性的定义：在线弹性断裂力学中，材料发生断裂脆断的一个重要准则是式中，为应力强度因子，它是反映裂纹尖端附近应力场强弱的参量，其值决定与构件的几何形状、裂纹尺寸和外加载荷的大小；而是材料在平面应变状态和小范围屈服条件下，I型裂纹发生失稳扩展时的临界应力强度因子，也称为材料的平面应变断裂韧度。表征材料在线弹性范围内有裂纹是抵抗断裂的能力，是材料固有的一种力学性质。因此，在一定条件下，它与加载方式、试样类型和尺寸无关，可以通过实验测定。在测试时，试样的表达式已知，。式中，、是试样的形状因子，在试样形状和尺寸一定时是常数；P是加在试样上的外载荷；a是裂纹的长度。所以，在测试时，只要在试样加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷（或临界应力）和试样的裂纹尺寸a，就可以求出试样材料的临界应力强度因子。由于要求试样在平面应变和小范围屈服条件下失稳扩展，裂纹失稳扩展前原长仍为a，所以平面应变断裂韧度的测定，实际上只是临界载荷的测定。2. 应力场强度因子K1表达式对于三点弯曲试样，应力强度因子的表达式为：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，如图1所示。图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1，a/W在0.4-0.5之间。表 1 三点弯曲单边切口梁的f(a/W)值a/Wf(a/W)a/Wf(a/W)a/Wf(a/W)0.41.9810.4352.1860.472.4260.4052.0090.442.2180.4752.4630.412.0370.4452.2310.482.5620.4152.0650.452.2840.4852.5710.422.0950.4552.3180.492.5810.4252.1240.462.3530.4952.6230.432.1550.4652.3890.52.6653. 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：B2.5(K1C/s)5、 实验步骤：1. 准备试样：本实验中采用有机玻璃作为试样材料，并预置有裂纹；2. 测量试件与裂纹的相关尺寸；将试样装置到试验机上；3. 开动拉伸机，缓慢匀速加载，直至试样明显开裂，停机。曲线上记录下载荷位移曲线；4. 待试样压断后，实验停止，停机取下试样；观察断口外貌。6、 实验过程及数据处理：1用游标卡尺测定时间的几何尺寸：图1 三点弯曲试件如图1所示，测得材料的具体几何尺寸为：跨度S厚度B高度y长度L裂纹长度a30mm4.40mm9.67mm46.14mm4.20mm2将试件放在万能实验机上，加载并记录数据。得到载荷-位移曲线如图2所示：图2 载荷-位移曲线由上图可得，临界载荷。2. 计算材料的断裂韧度。标准三点弯曲试样的应力强度因子的表达式为其中，。所以，由上述所测得结果，可以求出有机玻璃的断裂韧度为。七结果分析：1. 试件的断裂韧性与温度和加载速率有关。本实验是在常温下做的，加载情况为准静态环境。2. 求出的有机玻璃的断裂韧度为实验测定材料的断裂韧性较低，比钢材的断裂韧性低很多。3. 观察实验后试件的裂纹面，可以清楚地看到，在最开始起裂处，裂纹面十分光滑，之后逐渐粗糙，在裂纹扩展的最后部分，可以观察到裂纹面上出现了细小的条纹。4. 实验误差可能存在