西安交通大学材料力学性能试验报告-断裂韧性

材料力学性能实验报告姓名：班级：学号：成绩：实验名称实验六断裂韧性的测定实验目的了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法。实验设备CSS-88100万能材料试验机；工具读数显微镜一台；位移测量器；千分尺一把；三点弯曲试样40Cr和20#钢试样各两个。试样示意图图1三点弯曲试样图2紧凑拉伸试样实验数据记录与处理实验原始数据记录试样编号试样材料屈服强度(MPa)宽度W(mm)厚度B(mm)120#钢退火态37025.1013.10225.0013.00340Cr800℃+100℃回火105025.0812.62425.0612.56表1三点弯曲试样的尺寸记录对强度高韧性低的材料，在加载过程中P―V曲线最初按直线关系上升，裂纹无明显扩展，当载荷达到临界值时试样突然断裂，计算时的就取。对强度较低塑性韧性较好的材料，达到一定载荷后，试样中间部分处于平面应变状态，发生突然开裂，此时载荷出现突然下降但立即又恢复上升。对于韧性更好的材料，在试样中心平面应变区尚未开裂前，裂纹尖端已有较大的塑性区，产生明显的钝化，从而在裂纹扩展之前，裂纹嘴就有一定的张开，所以P―V曲线一开始就较早地偏离直线。当试样中心平面应变区开始断裂时，载荷本应该下降，但表面有较厚的平面应力区，该区要消耗大量的变形功才能断裂，所以仍表现为载荷上升，实际上这是掩盖了试样中心平面应变区开始断裂引起的载荷下降。1）确定试样裂纹失稳扩展时的临界载荷沿试验曲线的线性部分做直线OA，再做一条比OA直线斜率小5％的直线交于P―V直线，交点为。如果在之前没有比更大的载荷，则就定为，（P―V曲线中的第一种情况）。如果在之前有一个最大的载荷超过，则取此载荷为。根据实验得到的数据载荷-变形数据，用matlab软件画出载荷-变形曲线，同时做出一条比线性部分斜率小5%的直线与原来曲线相交。如图3,4,5,6所示。计算得到的值列于下表：表2各试样实验测得的值试样编号试样材料(N)(N)0140Cr800℃淬火+100℃回火1.3058.74213058.7420217472.18317472.18341220#钢退火态12683.619868341511409.04483122）测量裂纹长度a试样断裂后，在B＝0、B/4、B/2、3B/4、B的位置上测量裂纹长度,精确到0.5％，取，其中最大裂纹长度与最小裂纹长度之差不超过2.5％W。任一处的疲劳裂纹长度不得小于1.5mm。表面裂纹长度不得小于a的90％，否则试验无效。表3预制疲劳裂纹结果测量记录表（单位：mm）试样编号0112.705012.903514.206014.256513.838012.876020.758020.159520.376013.95450213.311513.345513.006012.550512.066013.510016.572019.504518.140512.260541210.682011.434011.747011.554510.966010.886011.641512.324511.886011.137041511.858012.553512.830012.634011.867512.034012.749513.692512.909012.0115然后根据上表数据计算平均裂纹长度a。表4平均裂纹长度计算数据（单位：mm）试样编号010.17107.85455.95356.11950.11656.6425020.19853.22656.49855.59000.19455.10504120.20400.20750.57750.33150.17100.37224150.17600.19600.86250.27500.14400.44453）计算由公式：eq\o\ac(○,1)式中：载荷；S：跨距；B：试样厚度；W：试样宽度。当S/W=4时，eq\o\ac(○,2)根据表2和表4的数据，代入到公式eq\o\ac(○,1)和eq\o\ac(○,2)中编写matlab程序得到值如下表：表5各试样的值和其有效性的判定材料试样编号40Cr800℃淬火+100℃回火011.022845.01.0001.619020.9451050.31.0002.50220#钢退火态4120.350185.91.4610.6314150.381194.81.3730.693根据有效性的判据：（1）；（2）。在根据表5中得到的数据对的有效性进行判定，可以看到：40Cr的两个试样都满足以上两个判据，而20#钢试样都不满足以上判据。从而说明40Cr的两个试样的断裂韧性实验是有效的，而20#钢试样的断裂韧性试验是无效的，需要加厚试样尺寸再进行试验。实验总结与分析本次试验采用三点弯曲试样对20#钢退火态和40Cr800℃淬火+100℃回火试样进行断裂韧性试验。加深了对断裂力学理论知识的理解，对平面应变和平面应力状态有了更深层次的认识。通过实验，基本掌握了断裂韧性的原理和测量方法，并且通过软件的使用得到P-V曲线，降低了手工作图的误差，而且学会了使用判据验证所得结果的正确性，收获很多。本次试验的误差表现在以下几个方面：测量误差：试样尺寸测量的误差，测量裂纹长度时的误差等；仪器误差：仪器精度不够，或者在使用夹式引伸计时两弹簧片受力不均，载荷传感器精度不足等；作图误差。实验思考题1.说明本实验用设备及仪器的型号及特性，画出试样草图。答：本实验采用的是CSS-88100万能材料试验机，它的特性是：1）高性能的负荷机架。门式力系框架、重量轻、刚度高，高速大载荷下运行平稳。2）先进的机械传动机构。3）用途广泛，功能多。适用于金属、非金属、复合材料的拉伸、压缩、弯曲试验，如配相应的功能附具，还可做扭转、剪切、剥离、撕裂等试验。4）可对试验数据实时采集、运算处理、实时显示并打印结果报告。2.讨论试样尺寸选择是否合适。不合适的原因是什么？由此进一步理解什么是平面应力？什么是平面应变？为什么平面应变情况最容易脆断？答：通过以上分析，可知40Cr试样的尺寸满足要求，而20#钢试样需要加厚尺寸。原因是其厚度不足，导致裂纹扩展时不能满足小范围屈服和平面应变的力学状态。平面应力：两向应力，三向应变的力学状态。一般对于薄板材料，其垂直于板厚的方向可以自由形变，其方向的应力为零。平面应变：两向应变，三向应力的力学状态。一般对于较厚的板材，其垂直于板厚方向的形变受到约束，不能自由形变，故受到三向应力。由于三向应力的存在，使得裂纹扩展区域的位错运动困难，受到更大的摩擦力，从而塑性变差，更易发生脆断。附录一：断裂韧性试验中断口照片：(a)试样01的断口图(b)试样02的断口图(a)试样01的断口图(b)试样02的断口图图740Cr800℃淬火+100℃回火断口图(a)试样412的断口图(a)试样412的断口图(b)试样415的断口图图820#退火态试样的断口图附录二：%根据试验的数据画P-V曲线的matlab程序%在运行程序之前，需要将数据导入到matlab中：“File”|“ImportData”%仅以20#钢退火态415号试样为例，其他仅修改数据即可x=data(:,3);%x中为变形数据y=data(:,2);%y中为载荷数据plot(x,y)%画出载荷-变形曲线k=(6370.581-2972.194)/(0.082-0.035);%求线性部分的斜率kk1=k*0.95;%将斜率k降低5%holdonx1=x(1:2600,:);plot(x1,k1*x1);%画出斜率降低后的直线xlabel('变形/mm');ylabel('力/N');%x,y轴的标注附录三：%计算Kq以及验证其有效性的matlab程序%试样依次为40Cr800℃淬火+100℃回火试样01和02以及20#钢退火态试样412和415P_q=[13058.74217472;%根据P-V曲线得到的Pq值。P_max=[13058.74217472.18312683.61911409.044];%根据P-V曲线得到的Pmax值。a=[6.64255.10500.37220.4445];%平均裂纹长度a=(a2+a3+a4)/3;W=[25.0825.0625.1025.00];%各试样的宽度B=[12.6212.5613.0613.00];%各试样的厚度sigma_s=[10501050370370];%两种材料的屈服强度alpha=a./W;%令α=a/WS=4*W;%跨距Sfori=1:4;f(i)=(3*(alpha(i)^0.5)*(1.99-alpha(i)*(1-alpha(i))*(2.15-3.93*alpha(i)...+2.7*alpha(i)^2)))/(2*(1+2*alpha(i))*(1-alpha(i))^0.5);K_q(i)=(P_q(i)*S(i))/(B(i)*W(i)^1.5)*f(i);%f(a/W)和Kq的计算公式end;f,K_q%