有机玻璃断裂韧性测量实验.doc

实验报告

一、 实验名称：
有机玻璃SENB断裂韧性测量实验
二、 实验目的
1. 学习了解有机玻璃平面应变断裂韧度K1C试样制备，断口测量及数据处理的关键要点。
2. 掌握有机玻璃平面应变断裂韧度K1C的测定方法。
三、 实验器材：
岛津万能实验机、三点弯曲试件、游标卡尺
四、 实验原理：
本实验按照国家标准GB4161-2007规定进行。
1. 材料断裂韧性的定义：
在线弹性断裂力学中，材料发生断裂脆断的一个重要准则是

式中，为应力强度因子，它是反映裂纹尖端附近应力场强弱的参量，其值决定与构件的几何形状、裂纹尺寸和外加载荷的大小；而是材料在平面应变状态和小范围屈服条件下，I型裂纹发生失稳扩展时的临界应力强度因子，也称为材料的平面应变断裂韧度。表征材料在线弹性范围内有裂纹是抵抗断裂的能力，是材料固有的一种力学性质。因此，在一定条件下，它与加载方式、试样类型和尺寸无关，可以通过实验测定。
在测试时，试样的表达式已知，。式中，、是试样的形状因子，在试样形状和尺寸一定时是常数；P是加在试样上的外载荷；a是裂纹的长度。所以，在测试时，只要在试样加载过程中，测出裂纹失稳扩展时的临界载荷（或临界应力）和试样的裂纹尺寸a，就可以求出试样材料的临界应力强度因子。由于要求试样在平面应变和小范围屈服条件下失稳扩展，裂纹失稳扩展前原长仍为a，所以平面应变断裂韧度的测定，实际上只是临界载荷的测定。
2. 应力场强度因子K1表达式
对于三点弯曲试样，应力强度因子的表达式为：

式中，S为试件跨度，B为试件厚度，W为试件高度，a为试件裂纹长度，如图1所示。

图1 三点弯曲试件图

修正系数f(a/W)为a/W的函数

可以查表1，a/W在0.4-0.5之间。

表 1 三点弯曲单边切口梁的f(a/W)值
a/W
f(a/W)
a/W
f(a/W)
a/W
f(a/W)
0.4
1.981
0.435
2.186
0.47
2.426
0.405
2.009
0.44
2.218
0475
2.463
0.41
2.037
0.445
2.231
0.48
2.562
0.415
2.065
0.45
2.284
0.485
2.571
0.42
2.095
0.455
2.318
0.49
2.581
0.425
2.124
0.46
2.353
0.495
2.623
0.43
2.155
0.465
2.389
0.5
2.665

3. 平面应变条件对厚度的要求：
当试件的厚度足够时，在厚度方向上的平面应力层所占比重很小，裂纹顶端的广大区域处于平面应变状态。这时整个试样近似地均处在平面应变条件下从而才能测得一稳定的K1C值。对试件厚度要求推荐为：
B≥2.5(K1C/σs)
五、 实验步骤：
1. 准备试样：本实验中采用有机玻璃作为试样材料，并预置有裂纹；
2. 测量试件与裂纹的相关尺寸；将试样装置到试验机上；
3. 开动拉伸机，缓慢匀速加载，直至试样明显开裂，停机。曲线上记录下载荷位移曲线；
4. 待试样压断后，实验停止，停机取下试样；观察断口外貌。
六、 实验过程及数据处理：
1．用游标卡尺测定时间的几何尺寸：

图1 三点弯曲试件
如图1所示，测得材料的具体几何尺寸为：
跨度S
厚度B
高度y
长度L
裂纹长度a
30mm
4.40mm
9.67mm
46.14mm
4.20mm

2．将试件放在万能实验机上，加载并记录数据。得到载荷--位移曲线如图2所示：

图2 载荷--位移曲线
由上图可得，临界载荷。
2. 计算材料的断裂韧度。
标准三点弯曲试样的应力强度因子的表达式为

其中，。
所以，由上述所测得结果，可以求出有机玻璃的断裂韧度为。
七．结果分析：
1. 试件的断裂韧性与温度和加载速率有关。本实验是在常温下做的，加载情况为准静态环境。
2. 求出的有机玻璃的断裂韧度为实验测定材料的断裂韧性较低，比
钢材的断裂韧性低很多。
3. 观察实验后试件的裂纹面，可以清楚地看到，在最开始起裂处，裂纹面十分光滑，之后逐渐粗糙，在裂纹扩展的最后部分，可以观察到裂纹面上出现了细小的条纹。
4. 实验误差可能存在于几个方面：用游标卡尺测试件尺寸时会有误差；加载时需对准试件中心裂纹正上方处，操作上可能存在一定误差，但从试件断裂后的形貌看，裂纹为直线型，可推断该误差不大。
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