材料平面应变断裂韧度测试的实验报告.docx
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材料平面应变断裂韧度测试的实验报告
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飞行器设计实验H
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
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。
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，/一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。
2
Kic
平面应变B2.5£2-1
S
2
小范围屈服a2.5心2-2
S
2
Kic
Wa2.52-3
S
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：
Kic40MPa]^/ms=330MPa2-4
则代入公式2-1、公式2-2和公式2-3,得：
2
K
B2.5©36.7mm
s
a36.7mm,Wa36.7mm
令B=40mm，贝UW=80mm，a=40mm
按照GB/T4161-2007,缺口宽度应该在0.1W内，且应该大于1.6mm,贝U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。
3.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。
4.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，贝UW=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，
1/2
Kq（Fq/BW）fa/W
式中
例如：
a/W0.5,f（a/W）9.66
则取a/W=0.5,由已经给出的KIC40MPa?
、m，估算得载荷最大值Fmax，即:
1/2
FmaxKic/f（a/W）?
BW
40106/9.6640103‘8010
46.847kN
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Kq值和有效的Kic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Kq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Kq值得
60%。
故在此由于估算载荷最大值Fmax40kN，取应力比为R=0.1，贝U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
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，2.0kN~20kN
力的频率5HZ，200循环，3.2kN~32kN
力的频率8HZ，1000循环，3.2kN~32kN
1-2mm：
力的频率5HZ，600循环，2.4kN~24kN
力的频率8HZ，1000循环，2.4kN~24kN
6、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
0.5MPa?
m1/2/s~3.0MPa?
m1/2/s范围内，在此取加载速率为0.8MPa?
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。
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。
5.试验数据处理及结果分析
（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、
40.55mm、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Pmax39.7659kN
对照图5.2,
00
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FqFQPmax39.7659kN
3.紧凑拉伸试样的Kq值:
由a/W0.5037可得：
f（a/W）（20.5037）
（10.5037）2/3
9.6265
满足。
（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Kic33.8MPam1/2
。
6.个人小结
本次实验是一次小组实验，由于组内人数较多，所以没法实现每个人都能实际操作，但总体来讲，大家都很积极地参与到实验中，在实验过程中大家分工合作，最终圆满完成实验任务。
通过本次实验，我掌握了平面断裂韧度测量的实验原理以及试验件设计方法，并且通过亲手操作8801伺服液压试验软件系统，了解了该实验系统的实验程序以及一些安全实验的理念。
总之，本次实验让我受益匪浅，在此感谢老师实验前后的悉心指导，以及一些安全方面的提醒等。
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