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1、材料力学性能实验报告姓名:班级:学号:成绩:实验名称实验目的实验设备实验六断裂韧性Ki。的测定了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法。1. CSS-88100万能材料试验机；2. 工具读数显微镜一台；3. 位移测量器；4. 千分尺一把；5. 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0.08BJ0.04A0.04B/0.0AJ0.0021VA0.8 /O.OQ2W Cun.W0.005W0.002W A0.002W A1.25WO.O1W图2紧凑拉伸试样(2.4 /0.002W A实验数据记录与处理实验原始数据记录表1三点弯曲试样的尺寸记录试样编号试样材料屈
2、服强度（MPa）宽度W(mm)厚度B(mm)120#钢退火态25.1013.10370225.0013.00340Cr800C+100C回火105025.0812.62425.0612.56对强度高韧性低的材料，在加载过程中PV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K时的P就取P 。1CQmax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
3、开，所以 PV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PQ沿试验曲线的线性部分做直线0A，再做一条比OA直线斜率小5 %的直线交于PV直线，交点为P。如果在P之前没有比P更大的载荷，则P就定为P，55555（PV曲线中的第一种情况）。如果在P之前有一个最大的载荷超过P，则取此55载荷为P。5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
4、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P的值列于下表：5表2各试样实验测得的P5值试样编号试样材料P (N)maxPq(N)0140Cr800C 淬火1.3058.74213058.74202+100C回火17472.18317472.18341220#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a = (a + a + a )/3，其中最大裂纹长度与最小裂纹长度之差不超过2.5%W。任234一处的疲劳裂纹长度不得小于1.5m
5、m。表面裂纹长度不得小于a的90%，否则试 验无效。试样编号a =0Ba =B/4a =B/2a =3B/4a =Ba=(a +a +a )/35010.17107.85455.95356.11950.11656.6425020.19853.22656.49855.59000.19455.10504120.20400.20750.57750.33150.17100.37224150.17600.19600.86250.27500.14400.4445表4平均裂纹长度计算数据(单位：mm)Q3)计算K由公式：K = (PS / BW 3/2) f (a / W)Q式中P :载荷；S：跨距；B：试
6、样厚度；W：试样宽度。t Q ,当S/W=4时，表3预制疲劳裂纹结果测量记录表(单位：mm)试样编号a =0B1a =B/42a =B/23a =3B/44a =B512.705012.903514.206014.256513.83800112.876020.758020.159520.376013.954513.311513.345513.006012.550512.06600213.510016.572019.504518.140512.260510.682011.434011.747011.554510.966041210.886011.641512.324511.886011.1370
7、11.858012.553512.830012.634011.867541512.034012.749513.692512.909012.0115然后根据上表数据计算平均裂纹长度a。丄厂3(a/ W)2 1.99-(a/ W)(1-a/W)x (2.15-3.93 a/ W + 2.7a2 /W2)12(1+ 2a / W )(1-a / W)2根据表2和表4的数据，代入到公式Q和Q中编写matlab程序得到值%如下表:表5各试样的Kq值和其有效性的判定材料试样编号f (a/W)KQP/Pmax Q2.5(K /b )2Q S40Cr800C 淬火011.022845.01.0001.619+
8、100C回火020.9451050.31.0002.50220#钢退火态4120.350185.91.4610.6314150.381194.81.3730.693根据K有效性的判据：（I） P IP 2.5（K /b ）2。在根据表 Qmax QQ S5中得到的数据对K的有效性进行判定，可以看到：Q40Cr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40Cr800C淬火+100C回火试样 进行断裂韧性
9、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：1）测量误差：试样尺寸测量的误差，测量裂纹长度时的误差等；2）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；3）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
10、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
11、，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的断口图图7 40Cr800C淬火+100 C回火断口图附录二：%根据试验的数据画P-V曲线的matlab程序%在运行程序之试样4需要将断口据导入到matlab中：“File”丨“110试样的5的断口图 %仅以20#钢退火态415号试样为例，其#退火修改
12、数据的断口图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 k k1=k*0.95;%将斜率k降低5%hold onxl=x(l:2600,:);plot(xl,kl*xl); %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40Cr800C淬火+100C回火试样01和02以及20#钢退火态试样412和415 P_q
13、=13058.742 17472.18386838312;% 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=6.64255.1050 0.3722 0.4445; % 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=10501050370 370; % 两种材料的屈服强度alpha=a./W; % 令 a =a/WS=4*W; % 跨距Sfor i=1:4; f(i)=(3*(alpha(i)A0.5)*(1.99-alpha(i)*(1-alpha(i)*(2.15-3.93*alpha(i).+2.7*alpha(i)人2)/(2*(1+2*alpha(i)*(1-alpha (i) )A0.5);K_q(i)=(P_q(i)*S(i)/(B(i)*W(i)T.5)*f(i);% f(a/W)和Kq的计算公式end;f,K_q% Kq的有效性判定judg1=P_max./P_q% 判据 1： Pmax/PqW1.10judg2=2.5*(K_q./sigma
