92661-断裂韧度实验-金属材料断裂韧度测试实验

矢京航咳航夭大爭BE丨HANGUNIVERSITY综合实验课报告金属材料断裂韧度测试实验学院名称航空科学与工程学院专业名称强度设计学生姓名丁毅指导教师时新红2014年6月北京航空航天大学综合实验课报告目录TOC\o"1-5"\h\z引言1研究背景及意义1现有的研究方法2实验目的和内容31.3.1实验目的：31.3.2实验内容：3实验仪器和设备6实验仪器6实验材料和试件8试验件8尺寸测量方法：8实验结果分析9原始数据记录9实验数据处理10计算强度比11结论11有效性验证11实验总结、建议或感想11参考文献12"北京航空航天大学综合实验课报告1引言1.1研究背景及意义1829年，德国矿业工程师首先开展金属疲劳的最初研究。对铁制作的矿山升降机链条进行反复弯曲试验。随着金属构件在铁路桥梁中的使用，研究金属疲劳的兴趣开始提高。A.Wohler在1852-1869年期间，对疲劳破坏进行了系统的研究。发现强度远远低于他们的静载强度，提出了应力幅-寿命来描述疲劳行为，提出疲劳耐久极限的概念。20世纪初期，人们在使用各种材料尤其是金属材料的长期实践中，观察到大量的断裂现象。Griffith以材料内部存在缺陷的观点为基础，提出在一定条件下，微小缺陷或裂纹将失稳扩展，导致材料或结构的破坏。下面为一些疲劳破坏的例子：1.20世纪50年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸，材料为高强度合金，传统的强度和韧性指标全部合格。一一原因由宏观裂纹（0.1〜1mm）引起，裂纹源可能是焊裂、杂质、晶界开裂2.20世纪60年代，美国F-111飞机在执行飞行训练途中，做投弹恢复动作时，左翼脱落，导致飞机坠毁。当时的飞行速度、总重量及过载等指标远低于设计指标。——原因是机翼枢轴出现缺陷，漏检后经疲劳载荷作用，小裂纹继续扩展至断裂引起3.20世纪80年代，日本航空公司波音747SR在24000米高空垂尾断裂，坠毁在群马县。机上524人中，520人遇难，4人受伤。——原因飞机后部承压隔板铆钉上产生疲劳裂纹，之后导致了承压隔板的上半部腹板部分断裂，引起垂尾断裂4.2007年，美军F-15战斗机发生空中解体，飞行员因及时跳伞而幸免于难，但整架飞机摔成了废铁。——原因长期高强度作战和训练使得金属架构发生老化，表面产生疲劳裂纹，从而引起解体。5.2011年，美国西南航空公司的波音737-300飞行过程中机身顶部出现大洞，机舱失压紧急降落。——原因该客机过去15年间每天起落7次，起落总次数3.9万，以致金属蒙皮外表面出现细小裂纹。6.2013年3月31日下午，中国空军一架双座型苏-27在山东坠毁，两名飞行员当北京航空航天大学综合实验课报告第2页场牺牲。——中国自90年代引进苏-27系列以来，整整一代行员需要改装三代机，飞行教练工作十分紧张，区区40架苏-27UBK教练机被长期超负荷使用，经过十多年机体已严重老化。材料或结构的某一点或某些点，在承受波动的应力和应变情况下，发生渐进的、局部的、带永久性的变化过程，即为疲劳。在足够的次数波动后，材料和结构将产生裂纹或最终断裂。由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。因此，需要研究新的强度理论和材料性能评价指标，以解决低应力脆断问题。断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。1.2现有的研究方法为了测定匚:值，需要对带有裂纹的试件进行拉伸或弯曲试验，使裂纹产生I型扩展。采用合适的含裂纹试件，在试验机上加载，其应力强度因子匕可概括为如下形式在理想平面应变条件下，裂纹前缘处的材料处于三向拉伸应力状态，只要裂纹一开始扩展，就会导致失稳断裂，也就是说，开裂点即为失稳点，临界裂纹长度二等于初始的裂纹长度a。由于试件表面附近平面应力状态的影响，裂纹开始扩展后经过一个较短的稳定扩展阶段才失稳断裂，开裂点并非失稳点为消除侧表面附近平面应力状态所造成的塑性影响以测得作为材料常数的X--.，在甘•:试验方法中，对于明显地存在裂纹稳定扩展阶段的情况辽：取裂纹等效扩展2%所对应的点（条件开裂点）作为临界点来确定己:;.：近似地采用初始裂纹长度a,可从断开后的试件断口上量出北京航空航天大学综合实验课报告第3页P的确定：试验中自动记录载荷P随试件切口边缘（裂纹嘴）处两个裂纹表面的相对位移V的变化曲线，即P-V曲线，以对初始线性段斜率下降5%的割线与P-V曲线交点处对应的载荷P5作为取得Pc的依据。若：PVP5，则取巳=P5，临界载荷大致对应于裂纹产生2%的等效扩展max55若：P±P5，则取巳二P，接近于理想平面应变状态max5心max（1）应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。（2）能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判据。1.3实验目的和内容实验目的：了解疲劳裂纹扩展的基本原理掌握裂纹扩展规律与扩展特点掌握金属材料裂纹扩展试验测试方法掌握裂纹扩展数据处理技术实验内容：实验按照国家标准GB4161-1984规定进行（1）试样制备：准备工作包括：设备调试、试样编号、表面缺陷观测、尺寸测量以及设计记录表格金属结构材料，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。本实验式样采用T-L方向。试件厚度B可根据材料的K估计值与。的比值B±2.5（K/。）2,或者。对E的比ICSQSS值来选择。本实验选测B=25mm。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。由于加工条件有限，在试件加工出炉后再用不同型号的砂纸进行打磨至符合表面北京航空航天大学综合实验课报告第4页光洁度要求。小试样用线切割机制出切口，切口根部圆弧半径小于0.08mm。（2）预制疲劳裂纹：预制循环数在104-106之间。为了模拟实际构件中存在的尖锐裂纹，使得到的二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。先用线切割机在试样上切割22.5mm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3mm左右。将加工好的试件打磨至非常光滑以便在预置裂纹时能通过目测法清楚地观察到裂纹的走向并进行读数。预制开始时，最大疲劳载荷应使得应力强度因子的最大值不超过80%刁：，应力比R取-1-0.1之间。将疲劳机的静载（平均应力）设为8.48kN，动载（应力幅）设为7.52kN，应力比R=0.06，正弦波加载，频率为15Hz；初始载荷为16kN,当裂纹扩到标线位置时，降低最大载荷，使得应力强度因子K<60%Kq,同时K/E<fmaxfmax0.01mm:在加载的过程中要选择适当的裂纹长度进行降载，最大值分别降至14kN和12kN。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。在进行读数要逐渐降低加载频率至1Hz再进行读数。分别读取目测法和柔度法的示数做对比参考，以目测法的读数为准。（3）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。2、试件高度应在切口附近测量三次，取其平均值作为W,测量精度要求0.02mm或0.1%W，取其中较大者记录。（4）试验程序1、在试件上安装夹式引伸计时要使刀口和引伸计的凹槽配合好；调整观测仪器至销钉中心位置，并且在此位置将仪器读数清零以便记录所需裂纹长度读数。清零后再移动至裂纹口处，读取初始值并记录。北京航空航天大学综合实验课报告第5页2、设置好加载载荷与频率开始加载，加载至能观察到裂纹起裂，读数记录，并且立即翻面观察裂纹是否同时起裂，若未同时起裂则在此面进行加载至起裂。3、每间隔一段裂纹长度减频读数记录。裂纹扩展至1mm左右时再次翻面观察裂纹的扩展进度是否大概一直，为保证实验的有效性，根据国标要求，两个表面上裂纹长度的测量值与平均裂纹长度之差均不应大于15%，且这两个表面测量值之差不应超过平均裂纹长度的10%。对于山形缺口，疲劳裂纹应从试样两个表面的山形缺口产生，两个表面上裂纹长度的测量值与乎均裂纹长度之差不应超过平均裂纹长度的10%；同时在测量记录完后进行降载再继续实验。本实验为保证有效性共分两次降载，分别在-\-=1和—2左右降载。4、如上进行实验，并保证a.>1.3mm。在裂纹扩展至设计长度时停止加载并拉断试样。5、取拉断后的一块试样在细观仪上读取裂纹长度裂纹长度：=（：、•_一：、■：一：、_）I3一:广一:广一:=中的任意两个测量值之差不得大于的10%。与.；之差不得大于的15%。之差不得大于：的10%。裂纹面与BW面平行，偏差在±10°以内。6、结果计算分析2实验仪器和设备实验仪器试验设备：Instron8801电液伺服疲劳试验机（精度为1」：：）由机架、液压伺服系统和控制系统三大部分构成。试验机定期标定，其动载相对误差小于2%，静载相对误差小于1%

裂纹测量设备：JX13C万能工具显微镜其他设备：COD规(COD-value)、CCD传感器、显微镜、夹式引伸计、动态电阻应变仪、数据采集设备、计算机、读数显微镜、游标卡尺等。3实验材料和试件试验件eB登记025-0501.5'局部视圉cr比例eB登记025-0501.5'局部视圉cr比例5:1"吕_¥封5]-±k.ihiTIZE--為±nsc旳±0,阴尺寸测量方法：厚度：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，在三个等间隔位置处进行测量，取均值。B=(24.98+25.01+25.00)/3=25.00宽度：从缺口外边缘到相对的试件侧面，在缺口附近三个位置上进行测量，然后减去缺口边至加载孔中心线的距离，取均值。W=((62.70-12.50)+(62.78-12.50)+(62.73-12.50))/3=50.24"北京航空航天大学综合实验课报告"北京航空航天大学综合实验课报告第9页4实验结果分析4.1原始数据记录试件编号

环境日期2014年6月7日25二2oC，湿度60%宽度W

载荷及载荷比50.24正厚度B25.0016kN/0.0616kN/0.0616kN/0.0616kN/0.0616kN/0.0616kN/0.0614kN/0.0614kN/0.0614kN/0.0614kN/0.0614kN/0.0614kN/0.0612kN/0.0612kN/0.06备注循环数7888125602472839018循环数22.92023.09423.39423.40023.62423.88724.05024.23924.44324.53324.70224.95925.07425.24022.533022.663022.937523.413723.399123.752323.868224.004524.321324.754725.108625.388323.080切口初

始值124071538020491216642900233666433844744952006572446869623.29723.48423.53923.73924.04024.10224.26724.56324.80024.92725.20025.30025.52622.734823.009223.100323.579423.975123.925224.208424.346324.534124.801525.015125.429125.4237第10页4.2实验数据处理oooooooli—i—iiaazaawe位移”做出斜率，取斜率的95%做割线交于P-v曲线，即为匕二二H■汀•K=-P^f(—)=42.3MPam1/2QBJWW拉断后裂纹增加长度召厘拉断后裂纹增加长度召厘1232.1713.5173.82745均值3.6512.1503.665日=23+3.0632=26.66^(2+a/W)(0.886+4.64a/W—13.32^2/W2+14.72a3/W3-5.6少/W4)(1-a/W)3/2

计算：B第11页计算：B4.3计算强度比=1.574:-S，同时大于a和B,'ww二m,则该试验不是有4.3计算强度比=1.5745结论5.1有效性验证不满足2.5*3；：二-■不满足2.5*；.三「::三不满足Pmax/PQ<1.1满足两两之差最大值■<--:<10%.；满足•：-.<-:、-.；「：：・5二.：实验所得