材料平面应变断裂韧度测试的实验报告

1、飞行器设计实验材料平面应变断裂韧度测试实验报告姓名：学号：任课教师：分组：实验地点：实验时间：2014年 4 月 10 日1一.实验目的 :1理解断裂韧度的概念和作用。2掌握平面应变断裂韧度的测量原理和方法。3理解试验件设计和数据处理的关键要点。二.实验原理：本方法使用预制疲劳裂纹试样通过增加力来测定金属材料的断裂韧度（）。力与缺口张开位移可以自动记录，也可以将数据储存到计算机。 根据对试验记录的线性部分规定的偏离来确定2% 最大表观裂纹扩展量所对应的力。 如果认为试验确实可靠，值就可以根据这个力计算。而表征了在严格拉伸力约束下有尖裂纹存在时材料的断裂抗力。这时：a) 裂纹尖端附近的应力状态接

2、近于平面应变状态；b) 裂纹尖端塑性区的尺寸比裂纹尺才、试样厚度和裂纹前沿的韧带尺寸要足够小。如图 2.1 所示，断裂韧性随试件厚度的增加而减少，超过一定的厚度后，断裂韧性趋于一个下限值而保持不变。图 2.1 断裂韧性随试件厚度的变化曲线测量断裂韧性的方法一般有三点弯曲和紧凑拉伸两种实验方法，这里我们采用紧凑拉伸方法，其试验件形式如下图2.2 所示。2图 2.2 紧凑拉伸试样图按照 GB/T4161-2007，只有试样厚度（B）和裂纹长度（a）以及韧带尺寸（W-a）均满足公式 2-1、公式 2-2 和公式 2-3 时，试验结果才是有效的。由于不能提前保证满足这种要求， 因此，最初试验采用的试样

3、尺寸应该是保守的， 如果材料的形状不能同时满足公式 2-1、公式 2-2 和公式 2-3 的要求时，则不能按照本方法进行有效的测定。2平面应变 BK IC2.5S2小范围屈服 a2.5 K ICS2W a 2.5K ICS宽度 (W) 通常是厚度 (B)的两倍，即 W：B=2:1。裂纹长度在之间 ,，取裂纹长度 a=0.5W。而已知：2-12-22-30. 45W 0. 55WK IC40MPa mS =330MPa2-4则代入公式 2-1、公式 2-2 和公式 2-3，得：B 2.5 K Ic236.7mm,sa36.7mm,Wa36.7mm令B=40mm，则W=80mm，a=40mm3按照

4、 GB/T4161-2007，缺口宽度应该在0.1W 内，且应该大于 1.6mm，则取为 4mm。而对于直通形缺口试样，建议缺口根部半径最大为0.1mm，切口尖端角度最大为90。每个表面上的最大疲劳裂纹扩展量至少应为0.025W 或者1.3mm，取其较大者，则取其裂纹扩展量为2mm。实验中，通过测量试件裂纹两端施加的载荷P 和裂纹缺口出的应变V ，进而获得 P-V 图。具体的实验原理图如2.3 所示：图 2.3 紧凑拉伸实验原理图通过拉力传感器可以测得拉伸载荷P，通过动态应变仪可以测得缺口处应变，将数据采集进入试验软件系统便可得知实验中的P-V 关系。三.实验仪器本次实验的主要仪器是疲劳试验机

5、，如图3.1 所示。本实验采用的8801 伺服液压试验系统可满足各种静态及动态测试的严苛要求， 提供完整的先进材料与元件试验解决方案， 非常适用于高低周疲劳试验、 热机械疲劳试验及断裂力学试验。凭借高达 100 千牛的载荷容量、更大的工作空间、高刚度及精密对中度， 8801 系统可称为多样化的可靠测试系统。此外还需要的辅助性设备如引伸计和试验夹具如图3.2-3.3 所示：引伸计的4输出应显示缺口嘴两侧精确定位的相对位移。引伸计和刀口的设计应使引伸计与刀口之间的接触点可以自由转动。试验夹具的设计主要参考GB/T4161-2007。四. 实验步骤及内容：1、测量试样厚度和宽度：根据试验件设计尺寸加

6、工试验件，加工好的试验件（铝合金材质），如图 4.1所示。测量数据为：宽1.25W ： 99.97mm， 100.04mm,100.01,mm，平均值：1.25W=100.01mm，则 W=80.01 ；厚 B：40.03mm，39.98mm， 39.99mm。平均值： B=40.00mm。图 4.1 试验件实物图2、估算载荷最大值：按照 GB/T4161-2007，由紧凑拉伸试样的值按照下式计算，单位MPam1/2 ，KQ (FQ / BW1/2 )f a / W式中0.8664.64( a / W ) 13.32( a / W ) 2 14.72( a / W )35.6(a / W )

7、4f (a / W ) (2 a / W )(1a / W ) 2/3例如： a / W 0.5, f (a / W )9.66FQkN, Bcm,Wcm, acm.则取 a/W=0.5，由已经给出的 K IC40MPa ?m，估算得载荷最大值 Fmax ，即：FmaxK Ic / f (a / W ) ? BW 1/240106 / 9.66 40 10 380 10346.847 kN5故保险起见，可取预加载载荷最大值Fmax40kN ，但是在拉断实验中应当设置的载荷要大于46.874KN，可以选择为 55KN 。3、实验前检查工作环境是否安全，检查电路以及试验台安置是否符合安全要求。并且

8、启动液压系统，检查液压系统是否工作正常，检查完毕后进入实验。4、安装试验夹具和试样。预加载至 1/41/3 ，检查和调试各仪器参数设置是否正确；如图 4.2 所示的载荷 -位移图，结果表明一切良好。图 4.2 预加载力 -位移曲线图5、试样疲劳裂纹的预制：疲劳裂纹预制长度为2mm，根据 GB/T4161-2007 中附录 A ，疲劳裂纹预制时采用力控制，最小循环应力与最大循环应力之比（R）应该不超过 0.1。如果 K Q值和有效的 K Ic 结果相等的话，那么，预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子应不超过后面试验确定的K Q 值得 80%；对于疲劳裂纹的最后阶段（裂纹长度a 的2.5%），预制疲劳

9、裂纹时的最大应力强度因子应不超过后面试验确定的K Q 值得60%。故在此由于估算载荷最大值 Fmax 40kN ，取应力比为 R=0.1，则预制裂纹加载疲劳载荷时， 在 0-1mm 内，按照国标应加载 3.2kN32kN 的力，在 1-2mm 内，按照国标应加载2.4kN24kN 的力。（注：试验前一定要加上位移保护和载荷保6护）实际操作中疲劳载荷加载顺序如下：0-1mm：力的频率 5HZ，200 循环， 2.0kN20kN 力的频率 5HZ，200 循环， 3.2kN32kN 力的频率 8HZ，1000 循环， 3.2kN32kN1-2mm：力的频率 5HZ，600 循环， 2.4kN24k

10、N 力的频率 8HZ，1000 循环， 2.4kN24kN6、加载载荷直至试样破坏：根据GB/T4161-2007 ，试样加载速率应该使应力强度因子增加的速率在0.5 MPa ?m1/2 / s 3.0MPa ?m1/2 / s范围内，在此取加载速率为0.8 MPa ?m1/2 / s，直至试验件破坏（最大可加载到 55kN）。破坏前后的试验件示意图如图4.3 和图 4.4所示。图 4.3试验件即将完全拉断时的示意图图 4.4试验件断裂面示意图7、检查并保存数据：在实验前设置好的路径中寻找本次实验系统记录的数据，初步估计数据的合理性和可用性。并将数据进行复制、保存，以便进一步处理。五. 试验数

11、据处理及结果分析（一）数据处理：1. 测量裂纹长度 a试样断裂后，在 B/2、B/4 和 3B/4 的位置上测量裂纹长度（a），分别为 40.18mm、740.55mm 、 40.16mm ， 取3个 位 置 测 量 的 平 均 值 作 为 裂 纹 长 度 ， 得a （40.1840.5540.16）/ 340.30mm。 经判断， 3 个裂纹长度值得任意2 个的差值不超过平均值的10%，符合国标要求。2. 试验最大载荷 FQ 的确定：由试验机得出的数据，运用 Origin 软件得出载荷位移曲线，如图 5.1：图 5.1 载荷 P- 应变 V 曲线图由数据表查找可得，载荷最大值Pmax39.7

12、659kN 。对照图 5.2,图 5.2数据处理 - 典型曲线得：此试验件是典型的脆性状态，并且FQPP39.7659kN。Qmax3. 紧凑拉伸试样的 KQ 值：由 a / W 0.5037 可得：8f (a / W ) (2 0.5037)0.8664.64(0.5037)13.32(0.5037) 214.72(0.5037)35.6(0.5037) 4(10.5037)2/39.6265将实际测量的数据代入公式KQ (FQ / BW1/2 )f a / W，可得：KQ ( FQ / BW1/2 ) fa / W39.7659/ (4.0008.0011/2 )9.6265 33.833

13、5MPa m1/ 2显然载荷判据： Pmax / PQ 11.1，满足。22KQ2.533.833526.3mm ，几何判据： 2.53300.0263mSB 40mm 26.3mm; a40.30mm 26.3mm;Wa 39.71mm26.3mm满足。4. 该铝合金块的断裂韧度K ICKQ33.8MPa m1/2 （保留三位有效数字） 。（二） 结果分析：从实验和数据处理的结果来看， 本次实验可以说是一次成功的实验。 这得益于实验准备和操作的规范性， 从试件的尺寸计算到最大载荷的估算都是严格按照 GB/T4161-2007 执行的。在预加载时先是选用较小的载荷观察实验效果， 进一步加大载荷直到拉断， 期间载荷大小以及疲劳循环频率和加载速率也是严格按照国标规定执行。最终得到合理的 P-V 图，并且观察断裂面以及对比典型曲线可知试件的断裂为典型的脆性断裂， 断面符合平面应变状态， 测得试件材料的平面应变状态下的 K IC33.8 MPa m1/2 。六.个人小结本次实验