材料力學(xué)性能指導(dǎo)書(金屬材料工程)

1、材料力學(xué)性能實驗指導(dǎo)書（金屬材料工程專業(yè)）張學(xué)萍 劉志遠(yuǎn)沈 陽 理 工 大 學(xué)二 零 一 二 年 三 月目 錄實驗一 硬度實驗. 3實驗二 材料力學(xué)性能綜合實驗 17 前 言材料力學(xué)性能這門課的實驗是該課的重要組成部分，是該理論課的基礎(chǔ)，正確地掌握實驗的理論和方法，對提高學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力有重要意義。編寫本實驗指導(dǎo)書，是根據(jù)材料力學(xué)性能教學(xué)大綱及教材的有關(guān)內(nèi)容、又根據(jù)我院設(shè)備、儀器實際情況編寫的，這樣，與教材的內(nèi)容相一致，便于安排實驗教學(xué)。本實驗指導(dǎo)書將部分單項實驗改為綜合實驗，材料力學(xué)性能綜合實驗不僅使學(xué)生建立完整的知識體系，還能有效地提高學(xué)生的整體思維能力和總結(jié)概括能

2、力。本實驗指導(dǎo)書適用于：材料成型及控制工程專業(yè) 編者 2012年3月實驗一 硬度實驗一. 實驗?zāi)康?. 掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及測試方法。2. 根據(jù)材料的性質(zhì)正確選擇硬度計類型及壓入條件。3. 熟悉各種硬度值之間的換算。二、實驗內(nèi)容用洛氏硬度計測定試樣熱處理前后的硬度；用布氏硬度計測定45剛退火后的硬度；觀察維氏硬度計的操作方法（選做）。三、概述硬度試驗操作簡便，對工件損傷小，可在零件上直接測試，故在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用很普遍。硬度所表征的不是一個確定的物理量，它是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度值的意義隨試驗方法而不同。硬度試驗基本上可分為壓入法和刻劃法。對于以壓入法進(jìn)行的硬度試驗，其硬

3、度值是表示材料抵抗另一物體壓入其表面的能力，洛氏、布氏和維氏硬度都屬于壓入法硬度試驗。（一） 洛氏硬度試驗法。1.洛氏硬度是以壓痕的深度來表示材料的硬度值。圖1-1為洛氏硬度試驗原理圖。測試洛氏硬度時，用規(guī)定的壓頭，先后施加兩個負(fù)荷：預(yù)負(fù)荷F0和主負(fù)荷F1?？傌?fù)荷F= F0+F1。圖1-1中，0-0位置為未加負(fù)荷時的壓頭位置；l-l位置為施加10kg預(yù)負(fù)荷后的位置，壓入深度為h1；2-2位置為加上主負(fù)荷后 的位置，此時壓入深度為h2；3-3位置 圖 1-1 洛氏硬度試驗原理為卸除主負(fù)荷后由于彈性變形的恢復(fù)而使壓頭略微提高的位置，此時壓頭的實際壓入深度為h3。由主負(fù)荷引起的殘余壓入深度h=h3-

4、h1，用此來衡量金屬硬度值的大小。若直接用h來表示硬度，則會出現(xiàn)硬的金屬硬度值小，而軟的金屬硬度值反而大的現(xiàn)象。不符常規(guī)。為了適宜人們認(rèn)為數(shù)值愈大硬度值愈高的習(xí)慣概念，人為規(guī)定，用一常數(shù)K減去h來表示硬度的太小，并規(guī)定每0.002mm為一個洛氏硬度單位。因此，洛氏硬度值的計算公式可寫成： 式中：h1預(yù)加負(fù)荷壓入試樣的深度(mm)； h3卸除主負(fù)荷后壓人試樣的深度(mm)； K一常數(shù)。A和C標(biāo)尺K=0.2mm，B標(biāo)尺K=0.26mm。因此，洛氏硬度值的計算公式還可以寫成：試驗時，可選用不同的壓頭和不同的主負(fù)荷，洛氏硬度標(biāo)尺也隨之變化。表1-1為各種洛氏標(biāo)尺及試驗條件。 表 1-1 各種洛氏標(biāo)尺及

5、實驗條件壓頭標(biāo)尺符號總負(fù)荷（公斤力）金剛石120°圓錐鋼球1/16鋼球1/8鋼球1/4鋼球1/2160AFHLR100DBEMS150CGKPV表1-1 中最常用的是HRA 、HRB、HRC等三種。表1-2為這三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件和應(yīng)用。表 1-2 三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗條件和應(yīng)用洛氏硬度值測量范圍HR標(biāo)尺壓頭形狀預(yù)負(fù)荷（公斤力）主負(fù)荷（公斤力）總負(fù)荷（公斤力）符號大致相當(dāng)?shù)木S氏硬度值表盤上刻度的顏色應(yīng)用20-67C金剛石120°圓錐10140150HRC240-900黑碳鋼、工具鋼及合金鋼等淬火和回火后的硬度25-100B1/16鋼球1090100HRB60-240

6、紅有色金屬及合金退火鍋等低硬度零件的硬度70-85A金剛石120°圓錐105060HRA390-900黑碳化物、硬質(zhì)合金及表面硬化零件等2. 洛氏硬度計的操作規(guī)程 洛氏硬度計由機體、加荷機構(gòu)、測深機構(gòu)和壓頭等組成。 1）根據(jù)試樣的材質(zhì)、形狀和尺寸選擇壓頭、負(fù)荷，并安裝到位； 2）試樣平放在載物臺上，將壓頭對準(zhǔn)試樣表面待測部位； 3）順時針轉(zhuǎn)動載物臺升降手柄使試樣接觸壓頭，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄使百分表的小指針指向紅點，這表明預(yù)負(fù)荷已加完，此時要求大指針不偏離刻度盤零點±5個刻度； 4）轉(zhuǎn)動刻度盤使其零點對準(zhǔn)大指針； 5）扳動加荷手柄施加主負(fù)荷，施荷時聞46秒，然后平穩(wěn)地把手柄扳回到卸

7、荷位置； 6）從刻度盤的相應(yīng)標(biāo)尺讀出指針?biāo)傅挠捕戎担?7）逆時針旋轉(zhuǎn)手輪，取出試樣，測試完畢。 測試洛氏硬度時應(yīng)注意： 為保證試驗結(jié)果的精度，試樣表面應(yīng)平整、無油污、無氧化皮及凹坑等；試樣的厚度不應(yīng)小于壓痕深度的l0倍。 兩相鄰壓痕中心距離及壓痕中心至試樣邊緣距離均不得小于3mm。 洛氏硬度試驗如在圓柱或球形表面進(jìn)行時，應(yīng)對試驗結(jié)果加以校正。校正值可通過下列計算公式求得：對圓柱面： 對球面： 式中：HRC應(yīng)加上的校正值； HRC球面或圓柱面的硬度； D球或圓柱的直徑。 試樣的安裝必須保證壓頭所施加的作用力垂直于待測面，對于彎曲及其他不規(guī)則形狀的試樣，必須采用相應(yīng)的專用工作臺。如對圓柱式樣須用

8、V形工作臺； 每個試樣的試驗次數(shù)不應(yīng)少于兩次，取其平均值。 (二)布氏硬度試驗法布氏硬度與材料其他的機械性能關(guān)系密切，尤其是與抗拉強度極限存在近似的換算關(guān)系：b=K·HB（其中K為常數(shù)，不同的材料有不同的K值），這在生產(chǎn)中有很重要的意義。 布氏硬度的測試原理圖12為布氏硬度測試原理圖。用一定大小的負(fù)荷P(公斤力)，把直徑力D（mm）的淬火鋼球壓人被測試樣的表面，保持一定時間后卸除負(fù)荷。測量試樣表面壓痕的直徑d，計算出布氏硬度值，用符號HB表示。該值的大小就是試樣表面壓痕單位面積上所承受的壓力。 即： 式中：D鋼球直徑(mm)； P試驗負(fù)荷(有3000；1000；750；250等)；

9、d壓痕直徑(mm)。 圖1-2 布氏硬度測試原理圖 圖1-3壓痕相似原理由于金屬材料軟硬不一，薄厚不同，若只采用一種標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷P和鋼球直徑D，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象：若對硬的材料合適，對軟的材料就可能使鋼球陷入材料內(nèi)；若對厚的材料適用，對薄的材料就可能壓透。因此，實際進(jìn)行布氏硬度試驗時，要求選用不同的負(fù)荷P 和鋼球直徑D。但對于同一種材料采用不同的P和D 進(jìn)行試驗，能否得到相同的布氏硬度值，關(guān)鍵在于壓痕的幾何形狀是否相似。圖13表示兩個不同直徑的壓頭D1和D 2在不同載荷P1和P2作用下，壓入金屬表面的情況。有圖可得出： d=Dsin 即：由上式可看出，假若壓入角不變時,為使同一材料的HB值相同，還應(yīng)

10、保持P /D2也為常數(shù)。國標(biāo)GB23163中規(guī)定布氏硬度試驗時P/D2的比值為30、10、2.5三種。根據(jù)金屬材料種類，試樣硬度范圍和厚度的不同按表13選擇P、D及加荷時間。 表 1-3 布氏硬度試驗的規(guī)范金屬類型布氏硬度值（HB）試樣厚度（）負(fù)荷P與鋼球直徑D的關(guān)系鋼球直徑（）負(fù)荷P（）負(fù)荷保持時間（s）黑色金屬140-4506-34-22P=30D21052.53000750187.51014066-33P=10D21052.5100025062.510有色金屬金剛石120°圓錐1306-34-22P=30D21052.53000750187.53036-1309-36-33P=

11、10D21052.5100025062.5308-3566-33P=2.5D21052.525062.515.6302.布氏硬度的表示方法：例如用D=10mm，P=3000kg，負(fù)荷保持時間為10秒時所測得的硬度值為280，則表示為HB280。在其它條件下測得的HB值應(yīng)注以相應(yīng)的試驗條件，例如HB5/250/30100，表示D=5mm，P=250kg，負(fù)荷保持時間為30秒的條件下測得的HB值為100。 3.布氏硬度計的操作規(guī)程(以HB3000B型為例) 布氏硬度計由機體、工作臺、加荷機構(gòu)、換向開關(guān)系統(tǒng)（電子控制系統(tǒng)）和壓入頭等部分組成。 1)根據(jù)材料選擇負(fù)荷、壓入頭及施荷時間；2)把載物臺、負(fù)

12、荷、壓入頭裝好；3）首先打開開關(guān)，接通電源，此時電源指示燈亮。實驗力選擇好后，按動實驗力保持時間按鈕（12秒、30秒或60秒） 4)將試樣放到載物臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪使載物臺緩緩上升，試樣與壓頭接觸直至手輪與螺母產(chǎn)生相對滑動，按動啟動按鈕，硬度計即可自動完成一個工作循環(huán)。；5)試驗結(jié)束后，轉(zhuǎn)動手輪，取下試樣，用讀數(shù)顯微鏡測量試樣表面的壓痕直徑。 6)根據(jù)壓痕直徑、負(fù)荷大小、鋼球直徑查硬度換算表或用公式計算均可得出布氏硬度值。附表15列出布氏硬度試驗中壓痕直徑與硬度值之間的關(guān)系。4.布氏硬度試驗中的注意事項 1)試樣表面應(yīng)光滑、無氧化皮和污物； 2)試樣的厚度應(yīng)不小于壓痕深度的l0倍； 3)相鄰

13、壓痕中心距離不小于壓痕直徑的四倍，壓痕中心距試樣邊緣的距離應(yīng)不小于壓痕直徑的2.5倍； 4)壓痕直徑應(yīng)在0.25D<d<0.6D范圍內(nèi)，否則試驗結(jié)果無效；5)只可用來測定硬度小于HB450的金屬材料。 (四)各種硬度間的換算附表1-7中列出布氏、洛氏和維氏硬度間的換算。洛氏硬度和布氏硬度之間有一定的換算關(guān)系。對鋼鐵材料而言，HB»2HRB HB»10HRC（只當(dāng)HRC=4060范圍）四、實驗儀器、設(shè)備及材料HRS-150型洛氏硬度計； HR-150A型洛氏硬度計； HB-3000B型布氏硬度計 讀數(shù)顯微鏡。45鋼退火件；45鋼或T10鋼淬火件；紗布等。五、實驗步

14、驟1.分組熟悉各種硬度計的構(gòu)造及操作方法。2.用砂紙打磨試樣的表面3.進(jìn)行硬度測定，洛氏硬度（HRB、HRC）每個試樣測三點，取平均值并記錄在下表中；，布氏硬度（HB）每個試樣測兩點，然后用讀數(shù)顯微鏡測試樣表面的壓痕直徑，測得結(jié)果查表1-5確定試樣的硬度值，取兩點的平均值并記錄在下表中。洛氏硬度項目試樣實驗規(guī)范實驗結(jié)果換算成布氏硬度HB壓頭主載荷kg硬度 標(biāo)尺第一次第二次第三次平均值45鋼 淬火45鋼 退火布氏硬度項目試樣實驗規(guī)范實驗結(jié)果換算洛氏值鋼球直徑D(mm)主載荷(kg)P/D2施荷停留時間（S）第一次第二次平均值HBHRCHRB壓痕直徑 d(mm)HB壓痕直徑 d(mm)HB45鋼退

15、火六、實驗報告要求1.認(rèn)真填寫實驗內(nèi)容、實驗?zāi)康?、實驗儀器、設(shè)備及材料、布氏、洛氏硬度計的測定原理、實驗步驟；2.填好上述二表；3.選擇下列三種材料所用的硬度計類型（要全面）及壓入條件：（1）60鋼淬火件；（2）20鋼淬火后高溫回火（調(diào)質(zhì)處理）；（3）20鋼退火件；（4）鋁合金； 4.認(rèn)真回答思考題。七、實驗成績評定按照實驗指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個學(xué)生實驗前的預(yù)習(xí)情況、實驗過程中操作情況及實驗報告的質(zhì)量，綜合給出實驗成績。附表 1-5 壓痕直徑與布氏硬度對照表注：1.本表摘自國家標(biāo)準(zhǔn)金屬布氏硬度試驗法（GB231-63）中規(guī)定的數(shù)據(jù)。2.表中壓痕直徑D=10mm鋼球的試驗數(shù)據(jù)，如用D=5mm

16、或D=2.5mm鋼球試驗時，則所得壓痕直徑應(yīng)分別增加到2倍或4倍。例如用D=5mm鋼球在750kgf載荷下所得的壓痕直徑為1.65mm，則在查表時采用1.65×2=3.30mm，而其相應(yīng)硬度值為341。附表 1-6 壓痕對角線長度與維氏硬度對照表附表 1-7 各種硬度（布氏、洛氏、維氏）換算表注：1.本表摘自國家標(biāo)準(zhǔn)GB1172-74中所列的數(shù)據(jù)；2.表中帶有括號“（）”的硬度值僅供參考。實驗二 材料力學(xué)性能綜合實驗一、實驗?zāi)康?測定鑄鐵的抗彎強度b；測定鑄鐵彎曲時的最大撓度并與理論值比較，驗證求桁梁撓度的理論公式； 繪制鑄鐵彎曲時的Pf曲線；2. 了解沖擊試驗機的使用方法；測定低碳

17、鋼和鑄鐵的沖擊韌性值；觀察斷口的破壞形式，進(jìn)行對比；3. 了解 12型純彎曲疲勞試驗機操作方法；觀察疲勞試驗過程；4. 掌握宏觀斷口的分析方法，認(rèn)識脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂的宏觀斷口特征； 初步認(rèn)識比較典型的微觀斷口的特征。二、實驗內(nèi)容本綜合實驗內(nèi)容較多，共分四大部分，1.彎曲試驗；2.沖擊韌性試驗；3.疲勞演示試驗；4.斷口形貌觀察分析 （對彎曲、沖擊及疲勞試驗后的試件斷口進(jìn)行分析）。首先對材料進(jìn)行力學(xué)性能測試（包括彎曲、沖擊及疲勞等性能測試），然后對各種試驗后的斷口形貌進(jìn)行觀察分析，這樣有助于學(xué)生建立完整的知識體系和總結(jié)概括能力。三、實驗原理彎曲試驗簡支梁中點受一集中力P，如圖（21）

18、，其中l(wèi)l/2PAB圖21 簡支梁受力圖點撓度為f=Pt3/48EJ抗彎強度b=Mb/W式中：Mb彎曲時的最大彎矩W抗彎截面模量J截面對中性軸的軸慣性矩E彈性模量沖擊韌性試驗在沖擊載荷作用下，由于加載速度不同，材料的機械性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。如塑性材料在快速沖擊載荷作用下就會出現(xiàn)脆性斷裂。沖擊試驗就是檢驗材料抵抗沖擊的能力和對缺口的敏感性。沖擊試驗是一項對比試驗，必須在國家規(guī)定的條件下進(jìn)行。本試驗參照國際GB22984“金屬夏比（U型缺口）沖擊試驗方法”執(zhí)行。試件的規(guī)格尺寸技術(shù)要求見圖（22）。 試件方置在沖擊試驗機的機座上，擺錘下落其受沖擊而折斷。擺錘沖擊試件前后具有不同的高度H和h，見圖（2

19、3），其勢能之差即為沖斷試件所消耗的功W（J）。 W=Gl(coscos)試件擺錘機座JIZUO軸 O 10±0.1r1±0.15527.58±0.110±0.1沖力30 o 擺錘上的刀刃圖22沖擊試件尺寸圖 圖23沖擊試驗原理圖式中G為擺錘的重力（N）；l為擺長（mm）;未沖斷試件前擺錘的揚角;為沖斷試件前后擺錘的最大擺角。將沖擊功W除以試件斷口處的截面積A所得數(shù)值定義為材料的沖擊韌度（k）。kWA（Jcm2）式中W的值在實驗機標(biāo)度盤上直接讀出。試件中間的可刻槽處有應(yīng)力集中，并處于不利的三向拉應(yīng)力狀態(tài)，呈脆性斷裂破壞。目的是模擬工程中實際構(gòu)件有截面變化

20、、溝槽、螺紋、螺孔等承受沖擊的不利情況。純彎曲疲勞演示試驗本機有試樣夾持機構(gòu)、加荷裝置、計數(shù)器計及機臺等組成。 機身固定在機臺上，電動機裝于機身右側(cè)，與減速器及計數(shù)器相連。當(dāng)啟動按鈕開關(guān)時，電動機旋轉(zhuǎn)，減速器通過連接軸帶動主軸內(nèi)的試樣旋轉(zhuǎn)。 左、右鼓輪組成了主軸系統(tǒng)，是儀器的主要部分。左、右鼓輪的組成是相同的，只是右鼓輪是主動輪，左鼓輪是從動輪。它主要由彈性夾頭、空心主軸、主軸兩邊一邊一個雙列向心球軸承、鼓體以及鼓架等零件組成。兩個鼓架分別通過螺釘相對稱地固裝在鼓輪的兩側(cè)；鼓架的一端短軸支撐在機身的凸臺上，作為力的支點，另一端的短軸與長箍組成活動連接，作為力的支點。試樣用彈性夾頭夾持，夾持的同

21、時又與主軸固成一體 ，固主軸在軸承的支撐下將帶動試樣一起轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動空心軸一端的大螺釘便可使空心軸推進(jìn)或拉出，從而使試樣夾緊或放松。試樣上的負(fù)荷是直接用加砝碼的形式，砝碼掛在穿過空心螺釘?shù)睦瓧U上，拉桿與連接板之間用彈簧連接，保證加卸負(fù)荷的平穩(wěn)性。加卸負(fù)荷采用搖動手輪即可使空心螺桿上升或下降，當(dāng)螺桿上升托住拉桿的肩部時，全部負(fù)荷由空心桿來承受，當(dāng)螺桿下降而脫開拉桿的肩部時，全部荷重則作用在試樣的兩端。減速箱是由一對渦輪副所組成，將電動機的轉(zhuǎn)速減低100倍而傳給機械計數(shù)器的連接軸使試樣旋轉(zhuǎn)。電子計數(shù)器則直接顯示轉(zhuǎn)速和累積循環(huán)次數(shù)，并可設(shè)定停止試驗的循環(huán)次數(shù)。實驗時，試樣被夾緊，電動機通過連軸帶、減速

22、箱、連接軸、右主軸、試樣隨左主軸一起旋轉(zhuǎn)。負(fù)荷則通過拉桿卡箍等作用在左右主軸上（即試樣的兩端）。在試樣的實驗部分全長受到一均勻分布的純彎曲力矩的作用，負(fù)荷方向雖不變，但試樣在旋轉(zhuǎn)，所以試樣上每一點的應(yīng)力是隨試樣的旋轉(zhuǎn)而作用相同速度的反復(fù)變化。試樣經(jīng)過多次反復(fù)循環(huán)后，因疲勞而破斷，右鼓輪壓在停車按鈕上，使電動機立即停止轉(zhuǎn)動。疲勞試驗均采用小型試件，其尺寸和形式目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)試驗機的具體構(gòu)造而定。斷口形貌觀察分析材料進(jìn)行彎曲、沖擊及疲勞試驗后，對試件的彎曲、沖擊斷口及疲勞斷口進(jìn)行形貌觀察分析。材料的斷裂表面稱為斷口。用肉眼或放大鏡對材料斷口進(jìn)行宏觀分析，用電子顯微鏡對斷口進(jìn)行微觀分析，

23、以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機理以及斷裂有關(guān)的各種信息的方法，稱為斷口分析法。1金屬斷裂的宏觀分析1）韌性斷裂時的外形和特征韌性斷裂就其外形而言，可分為斜斷口平斷口兩種。平斷口是材料在三向拉應(yīng)力的條件下造成的斷裂，其斷裂面與主應(yīng)力方向垂直；而斜斷口是金屬材料在二向應(yīng)力的條件下，有切應(yīng)力分量的作用所造成的剪切斷裂，斷裂面與主應(yīng)力成45。夾角。在韌性斷裂中，往往是平斷口和斜斷口同時存在于一個斷口當(dāng)中一般認(rèn)為首先產(chǎn)生平斷口，最后形成斜斷口。韌性斷裂斷口的宏觀形貌斷口三要素鋼材光滑試棒拉伸的斷口，宏觀形貌可分為三個特征區(qū)：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇區(qū)，見圖（26），通稱為斷口的三要素。纖維區(qū)是裂紋

24、的發(fā)源地，在三向應(yīng)力的作用下，在材料的某些缺陷處（如夾雜、疏松等）首先形成顯微孔洞，進(jìn)而聚合產(chǎn)生微裂紋，緩慢地擴展長大。該區(qū)的斷口呈現(xiàn)粗糙的纖維狀，顏色較為灰暗，放射區(qū)與纖維區(qū)互相毗連，裂紋進(jìn)入放射區(qū)，標(biāo)志裂紋已經(jīng)開始快速失穩(wěn)擴展。其斷口特征為放射棱線，放射方向就是裂紋擴展方向。當(dāng)應(yīng)力轉(zhuǎn)向二向應(yīng)力狀態(tài)時，就出現(xiàn)第三個區(qū)“剪切唇”，這就是最終的快速斷裂區(qū)。2）脆性斷裂斷口的外形和特征脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂直，斷口的纖維區(qū)很小，剪切唇區(qū)幾乎沒有，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。3）疲勞斷裂斷口的外形和特征工程材料（特別是航空材料）的機械斷裂事故80以上是由于金屬疲勞破壞所引起的。因

25、此，疲勞斷口的宏觀分析是斷口宏觀分析的最主要的內(nèi)容之一。疲勞斷口保留的整個斷裂過程的所有痕跡，具有明顯的形貌特征。典型的疲勞斷口具有三個特征區(qū)疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)，見圖（27）。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋萌生的策源地，常和缺陷有關(guān)。疲勞源區(qū)裂紋表面反復(fù)受擠壓，摩擦次數(shù)多，疲勞源區(qū)比較光亮。若端口同時存在幾個疲勞源，可根據(jù)每個疲勞區(qū)大小、源區(qū)的光亮程度確定各疲勞源產(chǎn)生的先后，源區(qū)越光亮，相連的疲勞區(qū)越大，就越先產(chǎn)生；反之，產(chǎn)生的就晚。疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞臨界擴展形成的臺階，其宏觀特征時斷口較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣），有時還有裂紋擴展臺階。斷口光滑是疲勞源區(qū)的延續(xù)。其程度隨裂紋向前擴展逐漸

26、減弱，反映裂紋擴展快慢、擠壓摩擦程度上的差異。貝紋線是疲勞區(qū)最典型特征，疲勞區(qū)的每組貝紋線好象一簇以疲勞源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向疲勞源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向。近疲勞區(qū)貝紋線較細(xì)密，表現(xiàn)裂紋擴展較慢；遠(yuǎn)離疲勞區(qū)貝紋線較稀疏、粗糙，表明此段裂紋擴展較快。疲勞區(qū)的另一個特征是疲勞臺階，在多疲勞源的斷裂件的斷口上，往往看到起伏比較明顯的臺階，由于存在多疲勞源，裂紋先是在各自有利的平面上擴展，當(dāng)兩個不同平面上擴展的疲勞裂紋相遇連接時，通過切變撕裂等方式形成疲勞臺階并逐漸趨向在同一平面上擴展。所以疲勞臺階一般由粗到細(xì)，呈尖三角形，與疲勞弧線近似正交。尖角所指方向基本上是裂紋擴展方向。有時斷口上并無明顯

27、的疲勞弧線（如薄板件），卻有明顯的疲勞臺階，同樣為疲勞斷口提供了重要依據(jù)。瞬斷區(qū)時裂紋失穩(wěn)擴展形成的區(qū)域，該區(qū)的斷口比疲勞區(qū)粗糙。脆性材料斷口呈結(jié)晶狀；韌性材料斷口，在心部平面應(yīng)變區(qū)呈放射狀或人字狀，邊緣平面應(yīng)力區(qū)則有剪切唇存在。2金屬斷裂斷口的微觀分析材料的斷裂按照微觀斷裂機理，分為解理斷裂和剪切斷裂。1）剪切斷裂剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。剪切斷裂有兩種形式：滑斷或純剪斷；微孔聚集型斷裂。前一種斷裂也可稱之為滑移面分離。對多晶體金屬材料而言，由于許多相互交叉的滑移面的滑移，斷口的特征呈現(xiàn)出“蛇形滑動”花樣，如果變形程度加劇，則“蛇形滑動”花樣因變形而平滑化，形

28、成“漣波”花樣。如果繼續(xù)變形，漣波花樣進(jìn)一步平坦化，稱為“延伸區(qū)”或“平直區(qū)”。微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普遍形式。微孔也稱微坑、孔坑、韌窩等。微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”，把不同應(yīng)力狀態(tài)下形成的微坑分為三類，（1）等軸形微坑；（2）剪切長形微坑；（3）撕裂長形微坑。韌窩的形貌如圖（28）（29）（210）2）解理斷裂在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵迅速破壞而沿解理面穿晶斷裂時稱為解理斷裂。解理斷裂一般是脆性的。解理斷口的主要形貌有河流花樣、解理臺階、蛇形花樣等。見圖（211）（212）(2-13)。此外，疲勞條紋的特征見圖（214）(2-15)。四、實驗設(shè)備及材料1液壓式萬

29、能材料試驗機；沖擊試驗機；12型純彎曲疲勞試驗機；掃描電鏡；體式顯微鏡。2撓度計、游標(biāo)卡尺、放大鏡及有關(guān)斷口掛圖。3試件材料：灰口鑄鐵，尺寸如圖（24），用于彎曲試驗；45號鋼試件用于純彎曲疲勞試驗；低碳鋼、鑄鐵、不銹鋼、鈦合金等斷口試件用于斷口形貌觀察分析。；34030±1圖24 彎曲試件尺寸圖542×45 O五、實驗步驟首先對材料進(jìn)行彎曲試驗；其次在進(jìn)行沖擊韌性試驗；然后再進(jìn)行疲勞演示試驗；最后對這些試驗后的試件斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析、比較（以下是每項實驗詳細(xì)步驟）。材料彎曲1測量試件尺寸做好記錄，將其平穩(wěn)的放于試驗機活動的支座上。2了解撓度計構(gòu)造原理及使用方法，

30、將其安裝到試件指定位置。3開機試驗，調(diào)整試驗機和撓度計指針在零點位置。4緩慢加載（實驗速度0.1mm/秒）至斷裂。注意事項實驗時試件斷裂前應(yīng)先取下?lián)隙扔?。材料沖擊1用游標(biāo)卡尺測量試件尺寸，做好記錄。2按實驗機操作步驟將擺錘揚起，撥針，然后放擺空打，記錄阻力所耗能量，并校準(zhǔn)指針零點。熟悉試驗機的操作。3在揚擺，撥針的操作后安裝試件，使其刻槽背向擺錘，并用量測樣板把試樣的刻槽對中。4按操作步驟放擺沖擊，精確讀出度盤指針?biāo)镜腤值，做好記錄。5按動“放擺”按紐，將擺錘放回至鉛垂位置。關(guān)閉開關(guān)，切斷電源。6觀察試件斷口，進(jìn)行分析。脆性材料斷口呈結(jié)晶狀，塑性材料斷口呈纖維狀。如圖（25）注意事項(1)必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。(2)實驗過程中要特別注意，放擺沖擊前，身體不許進(jìn)入打擊圈，以免沖擊傷人。 晶粒狀脆性斷口纖維狀塑性斷口(3)擺錘揚起后，要確認(rèn)與掛鉤卡牢。保險銷伸出后再安裝試件。此過程中任何人不許動放擺裝置，防止出現(xiàn)事故。圖2-5沖擊斷口示意圖疲勞演示1準(zhǔn)備（1）試樣檢查：試樣表面不可有裂紋、擦傷、銹蝕等缺陷，過渡圓弧應(yīng)圓滑，實驗部分直徑對夾持部分的直徑徑向跳動量不大于0.01。（2）試樣測量：試樣實際最小直徑的測量精度用不低于0.01。測量試樣時，切忌損傷試樣表面。2操作方法（1）試樣裝夾：用墊塊墊起兩端鼓輪，用專用扳