材料平面应变断裂韧度测试的实验报告()

飞行器设计实验Ⅱ

材料平面应变断裂韧度测试

实验报告

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任课教师：

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实验地点：

实验时间：2014年 4 月10 日

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。

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。

平面应变2IC S 2.5K B σ⎛⎫≥ ⎪⎝⎭

2-1 小范围屈服2

IC S 2.5K a σ⎛⎫≥ ⎪⎝⎭

2-2 ()2IC S 2.5K W a σ⎛⎫-≥ ⎪⎝⎭ 2-3 宽度(W) 通常是厚度(B)的两倍，即W ：B=2:1。裂纹长度在0. 45W ~0. 55W 之间,，取裂纹长度a=0.5W 。而已知：

IC S 40MPa m =330MPa K σ≈ 2-4 则代入公式2-1、公式2-2和公式2-3，得： 2B 2.536.7,36.7,36.7mm

B=40mm W=80mm a=40mm Ic s K mm a mm W a σ⎛⎫≥≈ ⎪⎝⎭

≥-≥令，则，

按照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，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

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1/2·m MPa ，

()1/2(/)/Q Q K F BW f a W =⨯ 式中

234

2/3

0.866 4.64(/)13.32(/)14.72(/) 5.6(/)(/)(2/)(1/)a W a W a W a W f a W a W a W +-+-=+⨯-例如：/0.5,(/)9.66a W f a W ==

,,,.Q F kN B cm W cm a cm ----

则取a/W=0.5，由已经给出的IC 40MPa m

K ≈，估算得载荷最大值max F ，即：

1/2max 633F /(/)4010/9.664010801046.847Ic K f a W BW kN

--≈•=⨯⨯⨯⨯=

故保险起见，可取预加载载荷最大值max F 40kN =，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1/4~1/3 ，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Q K 值和有效的Ic K 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Q K 值得80%；对于疲劳裂纹的最后阶段（裂纹长度a 的

2.5%），预制疲劳裂纹时的最大应力强度因子应不超过后面试验确定的Q K 值得60%。

故在此由于估算载荷最大值max F 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3.2kN~32kN 的力，在1-2mm 内，按照国标应加载2.4kN~24kN 的力。（注：试验前一定要加上位移保护和载荷保