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金属力学性能实验 第一页，共十四页，2022年，8月28日 一、实验目的 1．正确掌握平面应变断裂韧度kⅠc的测 试方法。 2．了解测定kⅠc所需的仪器设备装置。 第二页，共十四页，2022年，8月28日 二、实验内容 1. 测定被测材料的P-V的曲线，计算条件断韧度KQ值。 2．验算实验所得KQ值，确定有效KⅠC值。 第三页，共十四页，2022年，8月28日 三、基本概念和测试原理 根据线弹性断裂力学的分析，裂纹发生失稳扩展而导致裂纹体脆断的判据是： KⅠ=KⅠc 式中KⅠ为Ⅰ型裂纹应力场强度因子，它表征裂纹尖端附近应力场的强度，在线弹性条件下，其一般表达式为 ： 式中：Y是和裂纹形状因子，是与试样类型和加负荷方式等有关的量，也称几何因子。 σ是外加应力。 α是裂纹体内的裂纹长度。 KⅠ是一个复合力学参量，其值的大小仅决定于构件(包括裂纹)的几何形状和尺寸；外加应力的大小，分布等。而KⅠC是在平面应变条件下，材料中Ⅰ型(即张开型)裂纹发生失稳扩展时的应力场强度因子的临界值，即材料的平面应变断裂韧度，它是材料固有的抵抗脆性断裂的一种力学性能，是材料的常数。由上式可知，当外加应力增高时，裂纹前端的应力强度因子KⅠ也增大，当 KⅠ增大到等于某一临界值，即材料的平面应变断裂韧度KⅠC时，也即达到裂纹失稳扩展的临界条件，就能导致裂纹体脆断，此时外加应力σ达到临界应力σc，若将σ=σc，；则： 第四页，共十四页，2022年，8月28日 因此，只要知道带裂纹试样的应力场强度因子KⅠ的表达式，试样的尺寸又能保证裂纹前端处于平面应变状态下，则只需测得带裂纹试样发生失稳断裂时的负荷Pc,(或应力 σc)，就可利用已知的KⅠ表达式求出相应的临界值KⅠ,即为试祥材料的平面应变断裂韧度KⅠC。 本实验采用标准三点弯曲试样，其KⅠ表达式为： 其中：式中：P——负荷 ；B—试样厚度 ；W——试样宽度 ； S——跨度 ； a——裂纹长度 其中： 通过实验可出被测材料的P-V曲线（负荷－位移曲线），从P-V曲线上确定的值（裂纹失稳扩展的临界负荷），计算出的KQ值。 PQ的确定（斜率降低5%的割线法） 第五页，共十四页，2022年，8月28日 第六页，共十四页，2022年，8月28日 四、实验试样及其材料 材料：30CrMnSi；870℃淬火+200℃回火；Rp0.2=1450Mpa 试样类型：三点弯曲试样、S=4W、W=2B、a=（0.45～0.55）W 裂纹长度a：机械裂纹a0+疲劳裂纹af 第七页，共十四页，2022年，8月28日 五、实验仪器设备和装置 高频疲劳试验机、材料试验机、夹式引伸计（COD规）、游标卡尺、读数显微镜等。 第八页，共十四页，2022年，8月28日 第九页，共十四页，2022年，8月28日 六、实验步骤 测量试样尺寸W,B 在缺口两边贴上两片刀口片，如下图，用来固定夹式引伸计 刀口安装部位示意图 引伸计示意图 将试样放于试验机的支承座上，把引伸计装在两片刀口之中。 第十页，共十四页，2022年，8月28日