脆性材料紧凑拉伸实验

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1、脆性材料紧凑拉伸实验热解碳复合材料疲劳裂纹扩展和断裂（紧凑拉伸实验）一、实验目的:利丿IJ紧凑拉伸实验方法测量热解碳，石墨以及热解碳包覆石墨复合材料的平而应变断裂韧性K1C、疲劳扩展门槛值Kth以及疲劳裂纹扩展速率da/dNo二、实验步骤：遵循ASTM（美国材料试验协会）标准的E399（金属材料平面应变断裂韧性KIC试验方法）与E647（金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法）来进行的。三、实验仪器：MTS疲劳试验机（沈阳材料国家联合实验室），样品装夹采用特殊的U型夹固定在仪器上。（U型夹具的设计）四、实验样品：（以下两种选择）1）实验样品为标准的紧凑拉伸C（T）

2、样品，具体的样品规格与详细尺寸见图1：2-0.25W+0.05图1：紧凑拉伸C(T)样品2)实验样品是ASTM标准E399的圆盘紧凑拉伸样品DC(T),其公称直径为25.4mm,并且带着一个机械加工出來的4.8mm的裂纹，这个机械裂纹宽度为0.2mm,M尖端圆角半径为0.lmmo具体尺寸如图2;图2：圆形紧凑拉伸DC（T）样品注释：疲劳裂纹引发缺口为钳丝切割缺口，缺口宽度为0.2mm,根部半径为0.lmni实验的样品分为3组：（1）样品名材料片度（mm）数量热解碳0.693石墨AXF-5Q10W2—5热解碳包覆石墨（0.5）*L54热解碳包覆石墨（2.2）*

3、0874热解碳包覆石墨（3.9）*1.735*此处为热解碳涂层总厚度与石墨基底厚度Z比，如下图厚度比Klrl=^¥-rH!3上陀童图3：热解碳包覆石墨复合材料及热解碳总厚度与石墨厚度比示意图五、实验过程一)断裂韧性实验1•测量试样的尺寸厚度B的测量(E399.6.2.1):从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿着预期的裂纹扩展线，至少在三个等间隔位置上测量厚度B,准确到0.1%B或0.025mm,取具较人考，计算平均值。宽度W和机械加工裂纹长度a0的测量(E399.1).4.1)：两者的测量要从加载孔中心线量起，可以先从试样缺口边测量，然后减去缺口边值加载孔中心

4、线的距离。在缺口边附近至少三个位置上测量W,准确到0.1%W或0.025mm,取其较人者，计算平均值。2.预制裂纹(此处选择的样品为厚度1.5mm,厚度比为0.5的复合样品)首先在平台上，用高度尺对试样划三条水平平行线，第一根以a0的端点为切线，然后每隔1mm划一根线；再隔0.5mm再画一根线；(E399.B.2.4)如图4：图4：预制裂纹所画三条直线示意图然后装夹好试样，调整引伸计COD以及观察裂纹长度所使用的便携式显微镜的位置，为防止试样脆断，再加循环载荷Z前，先加一定的静载荷，载荷人小为23N(O.oPmax)；随后启动载荷，选好共振频率，载荷频率设定

5、为50IIZ；为了减少预制裂纹时间，初始时所加载荷町以稍微偏大一些，是应力强度因了接近材料断裂韧性K1C的70%，所对应最大动载荷为46N,为使疲劳载荷的载荷比在-1到0.1之间，最小动载荷取0；(载荷大小均假设K1C二1.6m,裂纹长度a二4.8mm,根据Kq计算公式反推得到)当疲劳裂纹长人到距初始裂纹端点1伽的直线时，将载荷降低到39.5N,并仔细观察裂纹长度与生长情况，当疲劳裂纹扩展到1.5mm处时，立即关闭振(3)动开关、动载开关，然后卸抻静载荷，此时预制裂纹长度大约为2mmo预制疲劳裂纹的总循环周次在104到106之间(E399.B.3.3),所用

6、时间大约为(4)20~30分钟。2.测量断裂韧性(5)安装试样和引伸计，并连线和调整仪器。根据预期的实验时的最大载荷(65.8N)和裂纹的张开位移量(张开位移量与裂纹反度之间如何换算),选择仪器的量程，使X-Y函数记录仪记录的曲线有足够的幅值，以保证测量精度。一般來说，记录器的放大比应使记录曲线线性部分的斜率为0.7〜1.50在电子万能试验机上，也可由数据采集系统得到载荷位移曲线。对试样进行缓慢的加载，加载速率为0.7N/S左右，保持加载速率，直到试样断裂为止。3.断口形貌观察(5)在断裂的试样断口上，用放大倍数为30~50的测量显微镜或工具显微镜测量裂纹的

7、长度。因为一般的疲劳预制裂纹的前-缘呈弧形，故实际裂纹尺寸应由打开试件断口后的测量值确定。将断面沿厚度分为四等分，分别测量五处的裂纹长度，如图4：图4裂纹尺寸确左1取其平均值a(ala2a3)作为冇效裂纹氏度。3断裂韧性实验结果及处理1)确定临界载荷Pq值(5)由于试样尺寸条件满足的程度不一样，测试时获得的载荷一位移曲线的形式也不一样。典型的载荷一位移曲线如图所示。断裂韧性实验表明，只有当试样很人，平而应变条件足够充分(B»(KIC/S)2)时，才有明显的整体平而应变失稳扩展，如图中曲线III。在裂纹的快速扩展前没有明显的亚临界裂纹扩展，临界断裂载荷可取Pm

8、axo但通常受试验机吨位以及材料和加工所限，试样尺寸