金属力学性能实验

金属力学性能实验第1页，共14页，2023年，2月20日，星期四一、实验目的1．正确掌握平面应变断裂韧度kⅠc的测试方法。2．了解测定kⅠc所需的仪器设备装置。第2页，共14页，2023年，2月20日，星期四二、实验内容

1.

测定被测材料的P-V的曲线，计算条件断韧度KQ值。

2．验算实验所得KQ值，确定有效KⅠC值。第3页，共14页，2023年，2月20日，星期四三、基本概念和测试原理根据线弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹体脆断的判据是：

KⅠ=KⅠc

式中KⅠ为Ⅰ型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为：式中：Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量，也称几何因子。

σ是外加应力。

α是裂纹体内的裂纹长度。KⅠ是一个复合力学参量，其值的大小仅决定于构件(包括裂纹)的几何形状和尺寸；外加应力的大小，分布等。而KⅠC是在平面应变条件下，材料中Ⅰ型(即张开型)裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的临界值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时，裂纹前端的应力强度因子KⅠ也增大，当KⅠ增大到等于某一临界值，即材料的平面应变断裂韧度KⅠC时，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件，就能导致裂纹体脆断，此时外加应力σ达到临界应力σc，若将σ=σc，；则：第4页，共14页，2023年，2月20日，星期四因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子KⅠ的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷Pc,(或应力σc)，就可利用已知的KⅠ表达式求出相应的临界值KⅠ,即为试祥材料的平面应变断裂韧度KⅠC。本实验采用标准三点弯曲试样，其KⅠ表达式为：其中：式中：P——负荷；B—试样厚度；W——试样宽度；S——跨度；a——裂纹长度

其中：通过实验可出被测材料的P-V曲线（负荷－位移曲线），从P-V曲线上确定的值（裂纹失稳扩展的临界负荷），计算出的KQ值。PQ的确定（斜率降低5%的割线法）

第5页，共14页，2023年，2月20日，星期四第6页，共14页，2023年，2月20日，星期四四、实验试样及其材料材料：30CrMnSi；870℃淬火+200℃回火；Rp0.2=1450Mpa试样类型：三点弯曲试样、S=4W、W=2B、a=（0.45～0.55）W

裂纹长度a：机械裂纹a0+疲劳裂纹af第7页，共14页，2023年，2月20日，星期四五、实验仪器设备和装置高频疲劳试验机、材料试验机、夹式引伸计（COD规）、游标卡尺、读数显微镜等。第8页，共14页，2023年，2月20日，星期四第9页，共14页，2023年，2月20日，星期四六、实验步骤测量试样尺寸W,B在缺口两边贴上两片刀口片，如下图，用来固定夹式引伸计刀口安装部位示意图

引伸计示意图将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在两片刀口之中。第10页，共14页，2023年，2月20日，星期四将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在两片刀口之中。第11页，共14页，2023年，2月20日，星期四调整试样放置的位置，使得试验机的上压头中心正好在试样的裂纹延长线上……。打开测试软件及试验机开始实验，对试样施加弯曲载荷直到试样断裂。取下试样和引伸计。用读数显微测量试样断口处的平均裂纹长度a，a=（a2+a3+a4）/3第12页，共14页，2023年，2月20日，星期四用95%斜率割线法，求PQ

。计算KQ：验算：

（1）

（2）

如满足以上二个判据，KQ才算有效；则KQ=KⅠC，否则KQ≠KⅠC。

第13页，共14页，2023年，2月20日，星期四七、实验报告1．试验目的和内容。2．筒述测试原理。3．试验材料