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東南大學力學實驗報告 斷裂韌性測試實驗報告 隨著斷裂力學的發(fā)展，相繼提出了材料的、、等一些新的力學性能指標，彌補了常規(guī)試驗方法的不足，為工程應用提供了可靠的斷裂判據(jù)和設(shè)計依據(jù)。下面介紹下這幾種方法的測試原理及試驗方法。 1、 三種斷裂韌性參數(shù)的測試方法簡介 1. 1 平面應變斷裂韌度的測試 對于線彈性或小范圍的型裂紋試樣，裂紋尖端附近的應力應變狀態(tài)完全由應力強度因子所決定。是外載荷，裂紋長度及試樣幾何形狀的函數(shù)。在平面應變狀態(tài)下，當和的某一組合使=，裂紋開始失穩(wěn)擴展。的臨界值是一材料常數(shù)，稱為平面應變斷裂韌度。測試保持裂紋長度a為定值，而令載荷逐漸增加使裂紋達到臨界狀態(tài)，將此時的、代入所用試樣的表達式即可求得。 的試驗步驟一般包括： （1） 試樣的選擇和準備（包括試樣類型選擇、試樣尺寸確定、試樣方位選擇、試樣加工及疲勞預制裂紋等）； （2） 斷裂試驗； （3） 試驗結(jié)果的處理（包括裂紋長度的測量、條件臨界荷載的確定、實驗測試值的計算及有效性的判斷）。 1. 2 延性斷裂韌度的測試 積分延性斷裂韌度是彈塑性裂紋試樣受型載荷時，裂紋端點附近區(qū)域應力應變場強度力學參量積分的某些特征值。測試積分的根據(jù)是積分與形變功之間的關(guān)系： 　　　　　　　　　　　　?。?-1） 其中為外界對試樣所作形變功，包括彈性功和塑性功兩部分，為裂紋長度，為試樣厚度。 積分測試有單試樣法和多試驗法之分，其中多試樣法又分為柔度標定法和阻力曲線法。但無論是單試樣法還是多試樣柔度標定法，都須先確定啟裂點，而困難正在于此。因此，我國GB2038-80標準中規(guī)定采用繪制阻力曲線來確定金屬材料的延性斷裂韌度。這是一種多試樣法，其優(yōu)點是無須判定啟裂點，且能達到較高的試驗精度。這種方法能同時得到幾個積分值，滿足工程實際的不同需要。 所謂阻力曲線，是指相應于某一裂紋真實擴展量的積分值與該真實裂紋擴展量的關(guān)系曲線。標準規(guī)定測定一條阻力曲線至少需要5個有效試驗點，故一般要5~8件試樣。把按規(guī)定加工并預制裂紋的試樣加載，記錄曲線，并適當掌握停機點以使各試樣產(chǎn)生不同的裂紋擴展量（但最大擴展量不超過0.5mm）。測試各試樣裂紋擴展量，計算相應的積分，對試驗數(shù)據(jù)作回歸處理得到曲線。阻力曲線的位置高低和斜率大小代表了材料對于啟裂和亞臨界擴展的抗力強弱。 阻力曲線法測試步驟一般包括： （1） 試樣準備 ①試樣尺寸的選擇原則： 1）平面應變條件：標準規(guī)定 （1-2） 其中 2）積分有效性條件 一般,當不易估計時，可用求出 的估計值 ②疲勞預制裂紋 ： 為了保證得到尖端而平直的裂紋，同時考慮到 積分試驗對象大多是中、低強度材料，所使用的疲勞載荷不能超過試樣屈服載荷，以免發(fā)生撓曲塑性變形。 （2） 斷裂實驗 加載斷裂試驗可在各種普通材料試驗機上進行。試樣的裝卡方式與三點彎曲試樣彎曲試樣測試時相似。正式加載前，先用低于啟裂載荷之值預加載兩次，以使各裝卡位置接觸良好。然后按一定速度正式加載，同時記錄曲線。在產(chǎn)生預定裂紋擴展量之后卸載停機，取下試樣，用適當?shù)姆椒?，如氧化著色法，二次疲勞等使裂端擴展前緣留印后壓斷。注意二次疲勞時不得超過極限載荷，以免裂端形貌發(fā)生奇變. （3） 試驗結(jié)果處理（包括裂紋長度的測量、裂紋擴展量的測量、值計算及 曲線的繪制和積分特征值的確定等）。 1.3． CTOD的測試 我國國家標準GB2358-94包括單試樣法和阻力曲線法。單試樣法是參照英國標準學會DD-19所規(guī)定的方法來測定（簡稱），所測結(jié)果為啟裂點的裂端張開位移。而阻力曲線與阻力曲線方法類似。所謂阻力曲線是指相應于某一裂紋擴展量的值與裂紋擴展量的關(guān)系曲線，它不但能提供啟裂抗力，而且能同時得到幾個特征值，以滿足不同條件的需要。曲線本身也描述了材料啟裂后裂紋擴展阻力的變化規(guī)律，這在評定材料和工藝質(zhì)量及安全分析方面有著重要意義。同時，求作曲線可以省去確定啟裂點的步驟，這是曲線法優(yōu)越的方面。 通過試驗直接準確地測得裂紋尖端張開位移(CTOD)值非常困難,且其定義還沒有統(tǒng)一。試驗中,一般采用三點彎曲試樣的變形幾何關(guān)系,由裂紋嘴張開位移去換算并求得CTOD值。以三點彎曲為例,參見圖1.1 圖1.1 COTD試驗原理圖 圖中W為三點彎曲試樣的寬度,為裂紋長度(包括線切割的和預制疲勞裂紋長度),(W-)為韌帶寬度,刀口被用來安裝夾式電子引伸計,Z為刀口厚度。為裂紋嘴張開位移塑性部分。原裂紋尖端處張開位移的塑性部分記為。假設(shè)在塑性變形過程中,裂紋表面繞O點作剛體轉(zhuǎn)動。稱為轉(zhuǎn)動因子,指在試樣塑性變形時旋轉(zhuǎn)中心到原裂紋尖端的距離與韌帶寬度((W-)的比值。假設(shè)三角形與三角形相似(塑性三角形假說),則： (1-1) 即有： (1-2) 彈塑性情況下, 可由彈性的和塑性的兩部分組成,即: (1-3) 彈性部分為對應于載荷的裂紋尖端彈性張開位移,在平面應變情況下，對三點彎曲試樣,有： (1-4) 則原裂紋尖端張開位移為: (1-5) 測試的標準試樣是三點彎曲試樣，其形狀同試樣。多試樣法所用試樣個數(shù)同樣為5~8個，試驗過程中使各個試樣加載到不同裂紋擴展量后停機，測出停機時的荷載與位移，代入公式（1-6） 　　　　　　　　　　　(1-6)　　　　　　 同樣對于三點彎曲試樣,BS7448系列規(guī)范建議取=0.4,規(guī)范GB/T2358—1994建議取=0.44,規(guī)范JB/T4291—1999建議取介=0.45,而國家標準最近修正為=0.40同國際標準及英國系列標準一樣。 本報告按國家標準GB2358-94規(guī)定取0.44。 以上各式中:P為載荷;S為試樣跨距;B為試樣厚度;S為跨距;E為材料的彈性模量; 為材料的屈服強度; 為材料的泊松比; 稱為轉(zhuǎn)動因子, 為裂紋嘴張開位移塑性部分。 由此，可得該試樣停機時的，這個就是對應該裂紋擴展量時的裂紋擴展阻力，記為。對每個試樣可以得到一對（，），5~8個試樣可描繪一條~曲線，此曲線即為曲線。 曲線測試的一般步驟（與阻力曲線測試類似）為： （1） 試樣制備（包括試樣尺寸、疲勞預制裂紋）； （2） 斷裂實驗（記錄曲線）； （3） 試驗結(jié)果處理（包括數(shù)據(jù)處理和計算特征值等）。 2、平面應變斷裂韌度的測試 2.1 試樣的選擇與準備 (1) 試樣類型 規(guī)范推薦采用三點彎曲試樣見圖。試樣類型的選用原則是根據(jù)材料來源、加工條件、試驗設(shè)備以及試驗目的的綜合考慮。 圖2.1 直3點彎曲 (2) 試樣尺寸 標準規(guī)定了三種標準試樣，并建議盡量采用厚度與實際構(gòu)件相同的所謂全厚試樣，以使試樣裂端與實際構(gòu)件處于相同的約束條件。這三種試樣的主要尺寸關(guān)系為： 其中為高度，為厚度，為裂紋長度，包括機加工切口和疲勞裂紋長度之和，為跨距。前兩種試樣用于工程結(jié)構(gòu)安全評定試驗，第三種試樣用于對材料和工藝質(zhì)量進行相對評定試驗。 (3) 試樣方位選擇 金屬材料一般都具有明顯的宏觀各向異性，這是各種加工制造過程給材料內(nèi)部化學成分、顯微組織的分布所帶來的方向性的結(jié)果。試樣方位選擇應視試驗目的和要求而定，例如要評估實際工件的，就要模仿實際工件的加載及裂縫擴展方向。 (4) 試樣加工 試樣加工時，應特別注意使最后磨削條痕方向垂直于裂紋擴展方向，至少不要使兩者平行。磨削之后就要開切口，目前普遍采用鉬絲線切割。 (5) 疲勞預制裂紋 預制裂紋都在疲勞試驗機上完成。要避免裂紋尖端因荷載過高產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。對于三點彎曲試樣，應使裂紋總長度，其中疲勞裂紋的長度至少有1.5mm。 疲勞引發(fā)裂紋時采用的最大疲勞載荷應不大于。 對于三點彎試樣 —屈服應力(屈服點a,或屈服強度).MPa； —抗拉強度，MPa; —有效屈服強度，,MPa ; 2.2. 斷裂試驗步驟 試驗一般在萬能材料試驗機上進行。以三點彎曲試樣為例，試樣裝置如圖2.2和圖2.3所示。 圖2.2 三點彎曲試驗裝置示意圖 1—試驗機上橫梁；2—支座；3—試樣；4—載荷傳感器； 5—夾式引伸計；6—動態(tài)應變儀；7—X—Y函數(shù)記錄儀。 圖2.3 夾式引伸計構(gòu)造及安裝 1－試樣 2－刀口 3－引伸計 把測好尺寸（）的試樣按規(guī)定仔細裝夾牢固。在加載過程中，夾式引伸計和測力計得到的訊號經(jīng)過放大后輸入記錄儀，描繪出力—張開位移曲線（曲線）。應該注意的有以下幾點： （1）夾式引伸儀一般都應該根據(jù)標準推薦方法自行制備； （2）夾式引伸儀和測力計應定期校核和標定，以保證試驗結(jié)果的可靠性； （3）加載速度應保證應力強度因子的增長速率在每分鐘增長31至155范圍內(nèi)，相當于； （4）支座的軸輥要略能移動以免產(chǎn)生過大的橫向摩擦阻力影響試驗結(jié)果； （5）要求斷口與試樣長度放線基本垂直，偏差不能大于； （6）應觀察和記錄斷口宏觀形貌，剪切唇寬度與平斷口的百分比例。 2.3 試驗結(jié)果處理 (1) 裂紋長度的測量 按圖2.4所示沿著疲勞裂紋前緣和標記出的裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)的前緣，在其間隔的9點上測量裂紋尺寸。(i=1,2,3,......9 )測量儀器的精度不低于0.02 mm,按下式計算裂紋長度: 圖2.4 裂縫測量示意圖 注： (2) 確定 在三點彎曲加載試驗所得到的P—V曲線，大體有圖2.4中的幾種情形 圖2.4 曲線 在圖2.4(a)和(b)的情況下，取脆性失穩(wěn)斷裂點或突進點所對應的載荷與位移計算。如果失效發(fā)生在線性段附近，可按GB 4161測量。 在圖2.4(e)的情況下，取最大載荷點或最大載荷平臺開始點所對應的載荷與位移計算。 在圖2.4（c)和(d)的情況下，取脆性失穩(wěn)斷裂點或突進點所對應的載荷與位移，計算，如果突進點是由于疲勞裂紋前緣的脆性失穩(wěn)擴展受阻引起的，則應考慮被測材料的特征。試驗后的斷口檢驗，如最大突進裂紋擴展量已超過0. 04，可按下列步驟估汁“小突進”信號值。 1）通過最大載荷點作BC線平行于OA線。 2）作BD線平行于載荷軸。 3）位于0. 95BD處作標記E 4）作CEF線 5)相應于載荷位移的突進處作標記G。 6)當G點位于角BCF以外時，取載荷或和位移或。計算或，例如圖2.5(a)。 7)當G點位于角BCF以內(nèi)時.該突進點可以忽略.圖2.5(b)。 圖2.5 突進點示意圖 在圖2.4(a)(b)和(d)的情況下，不能直接測定值，若需要值，可根據(jù)阻力曲線來確定。 的計算方法—獲得必要的測量數(shù)據(jù)后，采用下列公式計算原始裂紋尖端部位的張開位移: 式中: ——對一般鋼材取0. 3； ——對一般鋼材取 —— 塑性轉(zhuǎn)動因子，。 三點彎曲試樣的，即。 直3點彎曲試樣: 當S=4W時，直3點彎曲試樣的Y值見GB2358-94表1。 3、三點彎曲試驗測 3.1 試驗目的 熟練掌握測平面應變斷裂韌性的方法及步驟。 利用預制好疲勞裂紋的試樣測定金屬材料的平面應變斷裂韌性。 3.2 試驗設(shè)備 試驗設(shè)備包括萬能材料試驗機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、夾式引伸計、游標卡尺等。 3.3 試驗試樣的制作 本次試驗的試樣為金屬試樣。金屬試樣由力學實驗室提供，金屬采用鉬絲線切割預制疲勞裂縫。金屬試樣的外觀大致如圖所示： 圖3.1試樣示意圖 3.4 試驗過程 （1）試驗前先清洗裂紋嘴兩側(cè)，用膠將刀口粘到試樣上； （2）試驗前用游標卡尺在裂紋前緣韌帶部分測量試件厚度三次，測量精度到0.1%B 或0.025mm，取較大的兩個計算平均值。在切口附近測量試樣寬度三次，測量精度精確到0.1%Ｗ或0.025mm，取較大的兩個計算平均值； （3）安裝三點彎曲試驗支座，使加載線通過跨距的中點，偏差在1%，而且試樣與支承輥的軸線應成直角，偏差在2以內(nèi)；如圖3.2 （4）將位移引伸計接入動態(tài)采集系統(tǒng)，在加載試樣之前，對試驗機及采集系統(tǒng)的曲線調(diào)零； （5）對試樣緩慢而均勻地加載，一般試驗機速度為0.5~2mm/m，以使的增長速度不至太快； （6）加載到壓斷試樣，如圖3.3。取下曲線圖進行分析處理。 圖3.2 設(shè)備裝置圖 圖3.3 試樣壓斷圖 3.5 原始數(shù)據(jù) （1） 試件厚度和寬度的測量 由游標卡尺量測并處理，得到試件的厚度，寬度為。 （2） 試驗機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù) 圖3.4 數(shù)據(jù)曲線 圖3.5 處理后的數(shù)據(jù)曲線 由上圖可得曲線， 圖3.6 P-V曲線 （3）試驗加載完成后裂紋長度的測量，裂紋斷口見圖3.7,測量數(shù)據(jù)見表3.1。 圖3.7裂紋斷口圖 表3.1裂紋長度測量表（單位：mm） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 13.66 13.72 13.68 13.46 11.00 11.00 11.00 11.00 11.00 13.98 14.16 14.18 13.92 13.78 13.38 12.84 12.38 11.60 0.32 0.44 0.50 0.46 2.78 2.38 1.84 1.38 1.60 3.6 數(shù)據(jù)分析處理 （1） 裂紋長度 1）規(guī)范規(guī)定任意二點裂紋擴展量之間的差(不包括近試樣表面的二點)不超過0. 05W。且全部9個測量點中最大和最小的裂紋擴展量之差不超過0.1W。 不符合要求 2）所有試樣的原始裂紋長度a。必須在0.45W~0. 55W范圍內(nèi)。 不符合要求。 綜上本次實驗數(shù)據(jù)無效。 （2） 的確定 試驗所得的曲線如圖3.6所示。在試驗過程中，可以看到試件在加載后期基本沒有塑性階段，在到達疲勞裂紋后迅速發(fā)生失穩(wěn)破壞。屬于圖2.4中a)脆性破壞情況。對于得到的數(shù)據(jù)，初始階段的數(shù)據(jù)忽略，因為這段時間屬于利用液壓消除自重的環(huán)節(jié)，所以得到的位移是負值而且來回震蕩，且坐標軸的校零也有影響，沒有實際參考價值。為了獲取彈性階段的斜率，觀察曲線，可以發(fā)現(xiàn)在0至16.00KN之間時曲線趨于直線。利用matlab程序擬合得到下圖3.8。 圖3.8 得 （3）的計算 根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)計算COD。（為了使計算能夠進行，）。根據(jù) 查規(guī)范表1得Y=9.14。 試件的厚度，寬度為 又；對一般鋼材取；塑性轉(zhuǎn)動因子；。 計算得 有前面可知該結(jié)果是無效的。 3.7實驗總結(jié) 實驗測得的無效，其原因很多： （1）金屬試樣疲勞裂紋的預制存在問題導致試樣斷裂后斷口不典型。 （2）黏貼刀口存在人為誤差。 （3） 只是理論上的數(shù)據(jù)，并沒有做實驗，所以的準確度有待考究； （4） 其他因素例如冶金質(zhì)量、各向異性、晶體結(jié)構(gòu)、回火溫度、顯微結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)腐蝕等，對試驗結(jié)果造成的影響較為復雜 （5） 試樣的尺寸是有影響的，跨度和寬度之比為4，寬度和厚度之比應為2，實際的數(shù)據(jù)來看是不滿足要求的，導致測出的值離散型較大，不符合要求； （6） 在材料制備的過程中，可能會摻雜其他合金元素，對材料造成的影響不一，即可能是正面的影響，也可能是負面的影響。 在斷裂韌性測試試驗中，我熟悉了ISTRON3367材料力學試驗機，測試的整個過程也都了解了。這鍛煉了我在材料性能實驗中的實際操作能力，在此同時也體會到了同組同學相互配合、團隊意識的重要性。在數(shù)據(jù)處理過程中，通過確定測定臨界裂紋長度a、計算條件斷裂韌性及判斷其有效性，我對Matlab有了進一步的了解，并學會了如何利用數(shù)據(jù)及P~V曲線圖來計算。通過這次實驗，我進一步加深了斷裂韌性的定義及其相關(guān)理論知識。