《材料力學(xué)性能》實驗指導(dǎo)書2011講解

實驗一材料的靜拉伸實驗一、實驗?zāi)康?1) 學(xué)習(xí)使用萬能試驗機(jī)，掌握其操作規(guī)程;(2) 測試材料的靜拉伸力學(xué)性能指標(biāo)，并對材料的變形特點進(jìn)行分析;二、基本原理將試樣(標(biāo)準(zhǔn)的光滑圓柱試樣)裝在拉伸試驗機(jī)上，緩慢軸向加載， 使試 樣伸長，直至被拉斷(條件：溫度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速率是確定的) 。由試驗 機(jī)自動記錄施加于試樣的外力與伸長變形量之間的關(guān)系曲線。圖1常用拉伸試樣圖2低碳鋼的力一伸長曲線通過拉伸試驗可以揭示材料在靜載荷作用下常見的三種失效形式：過量彈性變形、塑性變形、斷裂拉伸曲線說明了當(dāng)載荷由零逐漸增加時，材料變形的過程和規(guī)律：(a) OP線彈性變形(b) Pe非線彈性變形(c) eA 彈性+塑性變形(d) AC 屈服(e) CB 均勻塑性變形(f) B 縮頸點(g) Bk 不均勻集中塑性變形用靜拉伸實驗得到的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，可以求出許多重要的性能指標(biāo)：(1) E主要用于剛度設(shè)計；(2) 二s、二b主要用于零件的強度設(shè)計；(3) 一一為材料載冷熱變形時的工藝性能作參考；三、實驗儀器及材料萬能試驗機(jī)1臺實驗用材料：低碳鋼、鑄鐵四、實驗內(nèi)容與步驟(1) 熟悉萬能試驗機(jī)的構(gòu)造，并按其要求裝夾試樣。(2) 給試樣施加軸向靜載荷直至拉斷，觀察試樣的變形過程及變形規(guī)律，并記 錄力一伸長曲線或應(yīng)力一應(yīng)變曲線。(3) 取下試樣，觀察試樣斷口的宏觀形貌特征。五、實驗報告(1) 簡述萬能試驗機(jī)的構(gòu)造及測量原理； 畫出試樣的力-伸長曲線或應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲得剛度、強度、塑性指標(biāo);(3) 畫圖示意并說明試樣斷口的宏觀形貌特征。(4) 分析影響拉伸試驗結(jié)果的主要因素。實驗二金屬硬度的測試一、實驗?zāi)康?1) 掌握金屬布氏、洛氏、維氏硬度的試驗原理和測定方法;了解各種硬度試驗方法的特點、應(yīng)用范圍及選用原則；(3)學(xué)會正確使用各種硬度計。金屬硬度試驗方法金屬的硬度可以認(rèn)為是金屬材料表面在接觸壓應(yīng)力作用下抵抗塑性變形 的一種能力。由于金屬表面以下不同深處材料所承受的應(yīng)力和所發(fā)生的變形程 度不同，因而硬度值可以綜合反映壓痕附近局部體積內(nèi)金屬的彈性、微量塑性變形抗力、塑性變形強化能力以及大量形變抗力。 硬度值越高，表明金屬抵抗 塑性變形能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形越困難。另外，硬度與其他力學(xué)性能(抗 拉強度、塑性指標(biāo))之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，所以從某種意義上說硬度的大 小對于材料的使用壽命具有決定性意義。常用的硬度試驗方法有：布氏硬度試驗-主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于退火、正 火鋼鐵零件的硬度測定。洛氏硬度-主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品硬度檢驗。維氏硬度-主要用于薄板材或金屬表層的硬度測定以及較精確的硬度測 定，特別是金屬材料的顯微組織組分或相組分的硬度。1. 布氏硬度HB(1) 原理：用負(fù)載F,將直徑為D的硬質(zhì)合金球壓入試樣表面，并保持 一定時間，而后去除載荷，計算壓痕面積 A。HB0.204FD(D D2 -d2)N / mm2D 10，5，2.5, 1F/D2 30，15，10，5，2.5，1根據(jù)材料的種類和硬度范圍按規(guī)定來選擇。布氏硬度值的表示方法為：硬度值+硬度符號+球體直徑/+載荷/+載荷保持時間(1015秒不標(biāo)注)。例如，180HBW10/1000/30,表示直徑10mm的鋼球在1000kgf作用下，保持30秒測得的布氏硬度值為180圖1布氏硬度測試原理圖(2) 特點a. 測量時壓坑較大，誤差小，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好。能準(zhǔn)確地反映試樣 的真實硬度。b. HB與匚b有一定的關(guān)系。c. 布氏硬度不適宜成品零件或薄件硬度測量，通常用作毛坯和原材料檢驗。 布氏硬度適用于退火、正火狀態(tài)的鋼鐵件，鑄鐵、有色金屬及其合金，特別對 較軟的金屬，如鋁、錫等更為適宜。d. 操作麻煩。2. 洛氏硬度HR(1) 原理：采用金剛石120°圓錐體或直徑D=1.588mm的淬火鋼球、硬質(zhì)合金球壓入金屬表面，在規(guī)定的載荷下根據(jù)壓入深度來度量材料硬度HRk - h0.002實際測定洛氏硬度時，由于在硬度計的壓頭上方裝有百分表， 可直接測出壓痕深度并換算出相應(yīng)的硬度值。因此，在試驗過程中金屬的洛氏硬度值可直接讀出* 千140 kgR kg圖2洛氏硬度測試原理圖為了測定軟硬不同的金屬材料的硬度，在洛氏硬度計上可選配不同的壓頭 和試驗力，組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個字母在 HR后注 明。我國最常用的標(biāo)尺有 A,B,C三種，其硬度的符號分別用 HRA,HRB,HRC 表示。（2）特點a. 洛氏硬度應(yīng)用最廣泛，可測各種金屬材料成品件或較薄工件的硬度。b. 測量范圍大，從很軟的有色金屬到極硬的硬質(zhì)合金。c. 操作迅速，簡便。可直接讀出硬度值，不損傷工件表面。d. 測量誤差大，需在不同部位測數(shù)次，然后求平均值。標(biāo)注：60HRC3. 維氏硬度HV（1）原理：維氏硬度的試驗原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面 積所承受的試驗力來計算硬度值，所不同的是維氏硬度試驗的壓頭采用錐面夾 角為136°的金剛石四方角錐體。圖3維氏硬度測試原理圖2 2HV =1.8544F/d kgf/mm(2) 特點a. 適用范圍寬。有色金屬，黑色金屬，表面淬火層，滲層，鍍層。b. 維氏硬度有一個連續(xù)一致的標(biāo)度。試驗時負(fù)載可任意選擇，所得硬度 值相同。c. 精確可靠，但操作麻煩，效率低。在生產(chǎn)上很少直接使用，適于實驗 室或科研。標(biāo)注：550HVo.i三、實驗儀器布氏洛氏維氏硬度計讀數(shù)放大鏡：最小分度值為0.01mm標(biāo)準(zhǔn)硬度塊四、實驗內(nèi)容與步驟(1) 了解各種硬度計的構(gòu)造原理，學(xué)習(xí)操作規(guī)程及安全事項，掌握操作方法；(2) 對各種試樣選擇合適的硬度試驗方法，確定試驗條件；并根據(jù)試驗條 件更換壓頭及砝碼，根據(jù)試樣形狀更換工作臺。(3) 用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊校驗硬度計。(4) 測定各種試樣的硬度，記錄試驗結(jié)果。實驗注意事項：(1) 試樣坯料可采用各種冷熱加工方法從原材料或機(jī)件上截取，試樣的試 驗面和支撐面可采用不同的機(jī)械方法加工，兩平面應(yīng)保證平行。試樣 在制備過程中，應(yīng)盡量避免由于受熱及冷加工等對試樣表面硬度的影 響；(2) 圓柱形試樣應(yīng)放在帶有“ V”型槽的工作臺操作，以防試樣滾動。(3) 加載時應(yīng)細(xì)心操作，以免損壞壓頭。(4) 測完硬度值，卸掉載荷后，必須使壓頭完全離開試樣后再取下試樣。(5) 金剛石壓頭系貴重物件，質(zhì)硬而脆，使用時要小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)禁與試樣 或其他物件碰撞。(6) 應(yīng)根據(jù)硬度計的使用范圍，按規(guī)定合理選用不同的載荷和壓頭，超過 使用范圍，將不能獲得準(zhǔn)確的硬度值。(7) 在洛氏硬度試驗中，應(yīng)按規(guī)定要求適當(dāng)保持壓痕之間的距離，兩壓痕中心間距離至少應(yīng)為壓痕直徑的 4倍，但不得小于2mm；任一壓痕中 心距試樣邊緣距離至少應(yīng)為壓痕直徑的 2.5 倍，但不得小于 1mm。五、實驗報告(1) 說明本實驗使用的各種硬度計的型號及操作程序；(2) 分析各種試樣的硬度試驗方法與試驗條件的選擇原則，并附硬度試驗 結(jié)果；(3) 說明各種硬度值表示方法的意義。實驗三材料沖擊性能測定一、實驗?zāi)康?1) 了解沖擊韌性的含義；測定鋼材的沖擊韌性；二、實驗原理概述材料在沖擊載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，稱為材料的沖擊韌性。用實驗方法測定材料的沖擊韌性時，是把材料制成標(biāo)準(zhǔn)試 樣，置于能實施打擊能量的沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行的，并用折斷試樣的沖擊吸收功 來衡量。沖擊試驗機(jī)由擺錘、機(jī)身、支座、度盤、指針等幾部分組成。實驗時，將 帶有缺口的受彎試樣安放于試驗機(jī)的支座上， 舉起擺錘使它自由下落將試樣沖 斷。若擺錘質(zhì)量為 G，沖擊中擺錘的質(zhì)心高度由 Hi變?yōu)镠2，勢能的變化為 G(HH2)，它等于沖斷試樣所消耗的功，即沖擊中試樣所吸收的功為圖1沖擊韌性試驗原理圖Ak可由指針指示的位置從度盤上讀出。 Ak值越大，表明材料的抗沖擊性能越好。Ak值是一個綜合性的參數(shù)，不能直接用于設(shè)計，但可作為抗沖擊構(gòu) 件選擇材料的重要指標(biāo)。沖擊試驗的主要用途：(1) 評價材料對大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感性； 檢查和控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量；材料的內(nèi)部缺陷和晶粒大 小對Ak值有明顯影響，因此可用沖擊實驗來檢驗材料質(zhì)量， 判定熱加 工和熱處理工藝質(zhì)量。(3) 評定材料在高、低溫條件下的韌脆轉(zhuǎn)變特性。沖擊過程所消耗的能量，除大部分為試樣斷裂所吸收外，還有一小部分消 耗于機(jī)座振動等方面，只因這部分能量相對較小，一般可以忽略。但它卻隨著 實驗初始能量的增大而加大，故對 Ak值原本就較小的脆性材料，宜選用沖擊 能量較小的試驗機(jī)。三、實驗儀器及材料沖擊實驗機(jī)實驗用材料：45鋼淬火、45鋼正火沖擊試樣要求：丄(1.1A涉知 1 'J. C7*/丄1 0.3B圖2 U型缺口試樣沖擊韌性Ak的數(shù)值與試樣的尺寸、缺口形狀和支承方式有關(guān)。為便于比較，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩種形式的試樣：U型缺口試樣；V型缺口試樣圖3 V型缺口試樣沖擊時，由于試樣缺口根部形成高度應(yīng)力集中， 形成較多的能量，缺口的 深度、曲率半徑及角度的大小都對試樣的沖擊吸收功有影響。為保證尺寸準(zhǔn)確， 缺口應(yīng)采用銑削、磨削加工，要求缺口底部光滑，無平行于缺口軸線的刻痕。 試樣的制備亦應(yīng)避免由于加工硬化或過熱而影響其沖擊性能。四、實驗內(nèi)容與步驟(1) 檢查試樣的形狀、尺寸及缺口質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求；(2) 空打試驗：舉起擺錘，試驗機(jī)上不放置試樣，然后釋放擺錘空打，調(diào) 整指針回零；(3) 用專用對中塊，使試樣貼緊支座安放，缺口處于受拉面，并使缺口對 稱面位于兩支座對稱面上；(4) 將擺錘舉高掛穩(wěn)后，擺錘下落沖斷試樣。待擺錘回落至最低位置時，進(jìn)行制動，記錄度盤的指示值。實驗注意事項：(1) 在擺錘擺動范圍內(nèi)， 不得有任何人員活動或放置障礙物， 以確保安全(2) 不帶保險銷的機(jī)動沖擊試驗機(jī)或手動沖擊試驗機(jī)，在安裝試樣前，最 好先把擺錘用木塊擱置在支座上，試樣安裝完畢再舉擺。(3) 手動沖擊試驗機(jī)當(dāng)擺錘舉到需要高度時，可聽到銷釘鎖住的聲音，為 避免沖斷銷釘應(yīng)輕輕放擺， 在銷釘未鎖住前切勿放手。 擺錘下落尚未沖斷試樣 前，不應(yīng)將控制桿推向制動位置。五、實驗報告(1) 沖擊試樣材料種類、試樣尺寸及類型、試驗機(jī)型號及打擊能量；(2) 標(biāo)注每次試驗的沖擊吸收功，畫圖示意沖斷試樣的斷口宏觀形貌。(3) 分析影響沖擊性能測定的主要因素。實驗四斷口分析一、實驗?zāi)康?1) 了解韌性斷裂和脆性斷裂斷口的宏觀特征及微觀特征；(2) 學(xué)習(xí)使用掃描電鏡觀察斷口微觀形貌并分析材料的斷裂特點；二、基本原理1. 宏觀韌性斷裂(塑斷、延性斷裂)：斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形， 這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，是由于裂紋的緩慢擴(kuò)展而造成的。斷裂時的 應(yīng)力高于材料的屈服強度。在工程結(jié)構(gòu)材料中韌性斷裂反映為過載斷裂。由于塑斷前產(chǎn)生顯著的塑性變形，有明顯的失效預(yù)兆，及時采取措施可以防止斷裂 的發(fā)生，即使短時突然過載，一般也只造成宏觀塑性變形或局部開裂， 不會造 成整體斷裂或飛出碎片。宏觀斷口特征三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇；斷口呈纖維狀，灰暗，無光澤。圖1杯椎狀斷口韌性斷裂多數(shù)是微孔聚集型斷裂。韌窩是微孔聚集型斷裂的基本特征。韌窩的形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)或應(yīng)力與斷口的相對取向：（1）正應(yīng)力 W孔的表面等軸狀韌窩（2）切應(yīng)力作用，在剪切唇部分拉長的拋物線韌窩（上下表面拉長韌窩指向相反）（3）應(yīng)力狀態(tài)為拉、彎聯(lián)合作用撕裂韌窩（兩個相配斷口上的方向相同）韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)，而韌窩的大小、深淺和數(shù)量取決于第二相的 大小、數(shù)量、分布及基體的塑性變形能力（特別是形變強化能力）、外界因素（應(yīng)力大小、狀態(tài)、溫度、形變速度）韌窩小而淺夾雜物或第二相粒子多，材料的塑性較差，溫度低，應(yīng)變速率大注意：在斷口分析中，不能在微觀上看到韌窩就斷定為韌性斷裂， 因為實際零 件受力狀態(tài)復(fù)雜，宏觀上是脆性斷裂的斷口，局部區(qū)域也可能有塑性變形，顯 示出韌窩形態(tài)，在具體分析時要把宏觀與微觀結(jié)合，再下結(jié)論。2. 宏觀脆性斷裂（低應(yīng)力斷裂）：從宏觀看斷裂前不產(chǎn)生塑性變形，但在 局部區(qū)域仍存在一定的塑性變形，斷裂前材料承受的工作應(yīng)力通常不超過屈服 極限，甚至低于按常規(guī)設(shè)計程序確定的許用應(yīng)力。 脆性斷裂的斷裂面一般與正 應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀、人字花樣。dt蜒為正衽曲進(jìn)中的圖2脆性斷口宏觀特征解理斷裂是典型的脆性斷裂。 解理斷裂是在拉伸應(yīng)力作用下引起的一種脆 性穿晶斷裂。通?？偸茄刂欢ǖ慕Y(jié)晶面分離， 這種晶面稱為解理面 (低指數(shù) 面，表面能低，理論斷裂強度低) 。多晶體由于內(nèi)部晶粒多，而各晶粒取向不 同，所以多晶體的解理斷口是由許多取向略有差別的光滑小平面組成， 每個小 平面代表一個晶粒(解理刻面) 。在解理刻面內(nèi)部只從一個解理面發(fā)生解理破 壞實際上是很少的， 多數(shù)情況下， 裂紋要跨越若干相互平行的且位于不同高度 的解理面， 從而在同一刻面內(nèi)部出現(xiàn)了解理臺階和河流花樣。 解理臺階是沿兩 個高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時形成的。解理斷裂的另一微觀特征是存在舌狀花樣， 它是由于解理裂紋沿孿晶界擴(kuò) 展留下的舌頭狀凹坑或凸臺。三、實驗儀器及材料掃描電鏡 KYKY-2800B實驗用材料：退火態(tài)低碳鋼 、45鋼(淬火處理)、45 鋼(正火狀態(tài))四、實驗內(nèi)容與步驟(1) 將低碳鋼進(jìn)行靜拉伸實驗，斷裂后截取其斷口，清潔處理后待用；將 經(jīng)淬火處理的 45鋼及正火態(tài) 45 鋼進(jìn)行常溫沖擊實驗，沖斷后截取斷口部分， 清潔處理后待用；(2) 了解掃描電鏡的構(gòu)造原理，學(xué)習(xí)操作規(guī)程及安全事項；(3) 利用掃描電鏡觀察兩種材料斷口試樣的微觀形貌。五、實驗報告(1) 說明本實驗使用的掃描電鏡的型號及操作程序；(2) 觀察并記錄試樣斷口的微觀形貌；(3) 結(jié)合試樣斷口的宏觀特征和微觀特征，分析試驗材料的綜合性能。實驗五 金屬的磨粒磨損一、實驗?zāi)康?1) 了解材料磨損試驗方法；(2) 探討材料的磨粒磨損機(jī)理；二、磨損原理任何一部機(jī)器在運轉(zhuǎn)時， 各機(jī)件之間總要發(fā)生相對運動。 當(dāng)兩個相互接觸 的機(jī)件表面作相對運動時就產(chǎn)生摩擦， 有摩擦就必然有磨損， 這是必然的結(jié)果。磨粒磨損是當(dāng)摩擦副一方表面存在堅硬的細(xì)微凸起， 或者在接觸面之間存 在著硬質(zhì)粒子時所產(chǎn)生的一種磨損。 前者可稱為兩體磨粒磨損， 后者稱為三體 磨粒磨損。磨粒磨損的主要特征是摩擦面上有明顯犁皺形成的溝槽。在磨粒磨損時， 磨粒與摩擦表面之間的相互作用， 與機(jī)械加工中切削刀具與工件的相互作用類 似。對于韌性金屬材料， 每一磨粒從表面上切下的時一個連續(xù)屑； 而對于脆性 金屬材料， 一個磨粒切下的是許多斷屑。 由于磨粒磨損產(chǎn)生的條件不同， 它不 是簡單的切削過程。 當(dāng)磨粒受切向力作用而沿著摩擦表面產(chǎn)生相對運動時， 摩 擦表面將受到剪切、 犁皺或切削。 對于韌性金屬材料和有銳刃的硬粒子， 表面 材料是被剪切下來的， 且呈連續(xù)屑形式。 而對于有光滑刃或圓刃的硬粒子， 韌 性金屬材料只被犁皺。 犁皺時，表面材料沿硬粒子運動方向被橫推而形成溝槽。 大部分塑性變形的材料沿溝槽兩側(cè)推積起來， 而不是從表面上切削下來。 對于 脆性材料， 溝槽是由裂紋擴(kuò)展和隨后的表面材料成碎片脫落而形成的。 在碾碎 性磨粒磨損時， 磨粒被壓碎前幾乎沒有滾動和切削的機(jī)會， 因此，磨粒對摩擦 表面的作用是由于磨粒接觸點處的集中壓應(yīng)力所造成的。 這種集中壓應(yīng)力可使 韌性材料表面產(chǎn)生塑性變形。 由于磨粒大量而密集地反復(fù)壓入摩擦表面， 使經(jīng) 受塑性變形的材料前后流動， 最后由于疲勞而破壞。 對于脆性材料， 由于摩擦 表面幾乎不產(chǎn)生塑性變形， 故磨損是由于表面材料脆性斷裂的結(jié)果， 但也可以 是反復(fù)應(yīng)力作用而產(chǎn)生疲勞破壞所致。 所以磨粒磨損過程可能是磨粒對摩擦表 面產(chǎn)生的切削作用、 塑性變形和疲勞破壞作用或脆性斷裂的結(jié)果， 還可能是它 們綜合作用的反映，而以某一損害作用為主。三、實驗儀器及材料MLS-225 濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機(jī) 1 臺電子天平實驗用材料：低碳鋼四、實驗內(nèi)容與步驟(1)樣安裝后，將1000g的水和1500g的石英砂倒入試驗箱中； 在70N載荷、100rpm轉(zhuǎn)速條件下，進(jìn)行1000r的跑合，經(jīng)丙酮清洗 晾干后，用電子天平稱重， 作為被測試樣的原始重量， 隨即開始正式磨損試驗；(3) 在一定載荷、一定轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行一段時間的磨損，磨損完畢，磨損 試樣用丙酮清洗，晾干后稱取重量，并計算磨損失重及磨損速率；(4) 觀察磨損表面宏觀形貌。五、實驗報告(1) 簡述磨損實驗方法；(2) 計算磨損失重及磨損速率，并結(jié)合磨損表面的形貌觀察分析材料的磨 損機(jī)理。