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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K的测定
1C
了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法。
实验目的
-88100万能材料试验机;
实验设备
;
;
;
#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
表1三点弯曲试样的尺寸记录
试样编号试样材料屈服强度(MPa)宽度W(mm)厚度B(mm)
20#钢退火态370
340Cr800℃+
1050
4100℃
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P
Q
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P。如果在P之前没有比P更大的载荷,则P就定为P,
55555
(P―V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P值
5
试样编号试样材料P(N)P(N)
maxQ
0140Cr800℃
02+100℃
20#钢退火态
:.
2)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,%,
取a(aaa)/3,%W。任
234
。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a=0Ba=B/4a=B/2a=3B/4a=B
12345
01
02
412
415
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a=0Ba=B/4a=B/2a=3B/4a=Ba=(a+a+a)/3
12345234
3)计算K
Q
由公式:
K(PS/BW3/2)f(a/W)○
1
QQ
式中P:载荷;S:跨距;B:试样厚度;W:试样宽度。
Q
当S/W=4时,
1
a3(a/W)2-(a/W)(1-a/W)(-)
f()○2
W1
2(12a/W)(1-a/W)2
根据表2和表4的数据,代入到公式○1和○2中编写matlab程序得到值K如下表:
Q
表5各试样的K值和其有效性的判定
Q
材料试样编号f(a/W)KP/(K/)2
QmaxQQS
40Cr800℃
+100℃
20#钢退火态
:.
根据K有效性的判据:(1)P/P;(2)B(K/)2。在根据表
QmaxQQS
5中得到的数据对K的有效性进行判定,可以看到:
Q
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:
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
,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。
。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
图740Cr800℃淬火+100℃回火断口图
附录二:
%根据试验的数据画P-V曲线的matlab程序
(a)试样412的断口图(b)试样415的断口图
%在运行程序之前,需要将数据导入到matlab中:“File”|“ImportData”
图820#退火态试样的断口图
%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=(-)/(-);%求线性部分的斜率k
k1=k*;%将斜率k降低5%
holdon:.
x1=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415
P_q=[.**********];%根据P-V曲线得到的Pq值。
P_max=[];
%根据P-V曲线得到的Pmax值。
a=[];%平均裂纹长度a=(a2+a3+a4)/3;
W=[];%各试样的宽度
B=[];%各试样的厚度
sigma_s=[10501050370370];%两种材料的屈服强度
alpha=a./W;%令α=a/W
S=4*W;%跨距S
fori=1:4;
f(i)=(3*(alpha(i)^)*(-alpha(i)*(1-alpha(i))*(-*alpha(i)...
+*alpha(i)^2)))/(2*(1+2*alpha(i))*(1-alpha(i))^);
K_q(i)=(P_q(i)*S(i))/(B(i)*W(i)^)*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/Pq≤
judg2=*(K_q./sigma_s).^2%判据2:B≥(Kq/σs)^2
:.
:.
x104
2
X:
Y:+004P=P
maxQX:
NY:+004
/力/力X:*
Y:+004
P
5
1
X:
Y:6268
:
Y:3558
0
变形/mm
图340Cr800℃+100℃回火试样01的P-V曲线:.
x104
2
X:
Y:+004P=P
maxQX:
Y:+004
X:
Y:+004P
N
/力/力X:
Y:+004
1X:
Y:8527
0
变形/mm
图440Cr800℃+100℃回火试样02的P-V曲线:.
14000
X:
12000Y:+004
10000X:
PY:9211
X:
Y:8683
P=P
5Q
8000
NX:
/力/力Y:7652
6000
4000
X:
Y:3372
2000
0
变形/mm
图520#钢退火态试样412的P-V曲线
:.
12000
X:
Y:+004
X:
Y:9902
10000
X:
Y:8312
8000
X:
Y:6367
N6000
/力/力
4000
X:
Y:3006
2000
0
变形/mm
图620#钢退火态试样415的P-V曲线