材料性能試驗

1、材料力學性能實驗指導教師：高振山指導教師：高振山 2008-12實驗一實驗一 金屬硬度實驗金屬硬度實驗 1. 了解布氏，洛氏和維氏硬度計的構造原理；2. 掌握布氏，洛氏和維氏硬度的實驗原理，測定 方法及應用范圍；3. 熟悉顯微硬度的測定方法。一、實驗目的一、實驗目的二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法1. 布氏硬度試驗圖圖1 1 布氏硬度實驗原理圖布氏硬度實驗原理圖在直徑為 D（mm）的淬火鋼球上施加規(guī)定的載荷 P（公斤力），壓入試樣表面如圖1，保持一定時間后，卸除載荷。用壓痕表面積 F 除所承受的平均壓力 P，所得之商（公斤/毫米2）表示布氏硬度值，符號為HB, 計算公式是： 222PPPH

2、BFDhDDDd（）布氏硬度廣泛用于各種退火狀態(tài)下的鋼材，鑄鐵，有色金屬的試驗布氏硬度廣泛用于各種退火狀態(tài)下的鋼材，鑄鐵，有色金屬的試驗，也用于調質處理及硬度小于，也用于調質處理及硬度小于HB450的機器零件的硬度試驗。的機器零件的硬度試驗。布氏硬度試驗時注意事項試驗時應根據(jù)材料的預期硬度值，并考慮試樣的厚度，按國家標準GB231-63中的試驗規(guī)范（見表1）來選擇鋼球直徑D,載荷P和加載時t,測得壓痕直徑d后按上式計算或查表。壓痕直徑d必須在0.25D0.6D范圍內，否則試驗無效，應另選規(guī)范再行試驗。試驗時為防止壓痕周圍因塑性變形產(chǎn)生形變硬化而影響實驗結果，一般規(guī)定壓痕中心距試樣邊緣距離應不小

3、于壓痕直徑的2.5倍，相鄰兩壓痕中心的距離應不小于壓痕直徑的4倍。對硬度低的材料此距離還應增大。為使壓痕清晰以保證測量精確，試樣表面應盡可能光潔。試樣表面的壓痕直徑用讀數(shù)顯微鏡測量，應從相互垂直的方向各測一次，取其算數(shù)平均值。其測量精確度：當用直徑為10毫米或5毫米的鋼球試驗時為0.02毫米，當用直徑為2.5毫米鋼球時應達到0.01毫米。二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法2. 洛氏硬度試驗圖圖2 2 洛氏硬度實驗原理圖洛氏硬度實驗原理圖洛氏硬度是在先后兩次施加載荷（初載荷P0及主載荷P1）的條件下，將標準壓頭（金剛石圓錐體或小鋼球）壓入試樣表面來進行采用不同的壓頭和總載荷組合作試驗時，得到幾

4、種不同的洛氏硬度標度。其中最常用的是HRAHRB和HRC三種 二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法為保證試驗精度，試樣的試驗面和支承面必須平整，潔凈，沒有油脂，氧化皮，裂紋，凹坑，明顯的加工痕跡及其它污物。試樣表面加工時應避免受熱軟化或變形硬化。試樣應能穩(wěn)定的放在工作臺上，在試驗中不應有滑動和變形，并保證所有的載荷與試驗面垂直。壓痕中心距試樣邊緣的距離及相鄰壓痕中心距離不應小于3毫米。測定每一試樣的硬度一般不少于三點，取其平均值。在圓柱形或球形表面進行洛氏硬度試驗時硬度值偏低，須按有關曲線校正。洛氏硬度試驗時注意事項二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法圖圖3 3 維氏硬度實驗原理圖維氏硬度實驗

5、原理圖維氏硬度試驗是用一個相對面夾角為136的金剛石正四棱錐體壓頭，在一定載荷P（公斤力）作用下壓入試樣表面如圖3。 3. 維氏硬度試驗在一般情況下，建議選用30公斤力的載荷。載荷保持時間對黑色金屬為1015秒，對有色金屬為302秒。 維氏硬度廣泛用來測定金屬薄鍍層或化學熱處理后表面層維氏硬度廣泛用來測定金屬薄鍍層或化學熱處理后表面層的硬度，以及較小工件的硬度試驗。的硬度，以及較小工件的硬度試驗。二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法測定維氏硬度的試樣其表面應精心制備，光潔度不低于9。在制備過程中應防止因過熱或加工硬化而改變金屬的硬度值。試驗時，壓痕中心與試樣邊緣的距離或兩壓痕中心的距離，對黑色

6、金屬應不小于壓痕平均對角線的2.5倍，對有色金屬應不小于5倍。試驗時每個試樣至少測定三點硬度取其算術平均值。壓痕的對角線長度以兩對角線長度的平均值計算。其測量精度為：當壓痕對角線長0.2毫米時，允許測量誤差為0.001毫米，當壓痕對角線長0.2毫米時，允許測量誤差為0.5。如果壓痕形狀不規(guī)則，必須重作試驗。測出壓痕平均對角線長度后，將其代入公式或查表求出HV值。HV值應附以相應的下標，注明試驗載荷值維氏硬度試驗時注意事項二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法2. 顯微硬度試驗顯微硬度試驗原理與維氏硬度完全相同，不過所加載荷更低一些，一般小于200克力。所得壓痕對角線長度也只有幾微米至幾十微米。

7、顯微硬度試驗可用于：（1）測定表面光潔度9以上的細小或片狀零件的硬度， 零件表面薄層硬度及脆性材料硬度；（2）測定金相組織中某個相或組織硬度。 三、實驗儀器及材料三、實驗儀器及材料1. 實驗設備HVS-1000顯微硬度計、HV-5小負荷維氏硬度計及HR-150A洛氏硬度計、讀數(shù)顯微鏡各種標準硬度塊。2. 試驗材料不同成分及熱處理條件下的碳鋼（45#、T8、T12等）。四、實驗步驟四、實驗步驟1.熟悉各種硬度計的構造原理，操作方法及注意事項2.測定硬度前用標準硬度塊校驗硬度計的示值誤差五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告1.明確實驗目的2.測試各種試樣的布氏洛氏及顯微

8、硬度值3.按要求寫出實驗報告實驗二實驗二 金屬沖擊實驗金屬沖擊實驗一、實驗目的一、實驗目的 了解擺錘式?jīng)_擊試驗機的構造原理，操作方法 及沖擊試樣的形狀和尺寸2. 掌握金屬材料的沖擊試驗方法二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法沖擊試驗是一種動態(tài)力學試驗，它是將一定形狀及尺寸的試樣放置在沖擊試驗機的固定支座上，然后將具有一定位能的擺錘釋放，使試樣在沖擊彎曲負荷作用下斷裂。用梅氏試樣試驗時，把沖斷試樣所消耗的功Ak，除以試樣缺口處的橫截面積FN所得的商稱為沖擊韌性（或沖擊值），以ak表示。ak=（Ak/FN）kgfm/cm2金屬在常溫下的沖擊試驗較為簡便易行，其沖擊韌性對材料的冶金質量宏觀缺陷顯微組

9、織等十分敏感。因此，生產(chǎn)上廣泛采用這種試驗方法來檢驗材料的質量，如晶粒粗細回火脆性過熱過燒內部裂紋白點夾雜纖維組織的各向異性等，并常用這種方法確定低碳鋼材的應變時效敏感性。圖圖2 2 沖擊試樣及沖擊實驗機刀口、支座沖擊試樣及沖擊實驗機刀口、支座的形狀及尺寸的形狀及尺寸（a）梅氏試樣 （b）夏氏試樣三、實驗儀器及材料三、實驗儀器及材料 沖擊試驗機 （圖1） 試樣 （圖2）圖1 擺錘式?jīng)_擊實驗機（b）將加工好的試樣放在試驗機的支座上，再將具有一定重量 G 的擺錘舉至一定的高度 H1，使其獲得一定的位能（GH1），再將其釋放，沖斷試樣。擺錘的剩余能量為 GH2。擺錘沖斷試樣所失去的能量（位能），即沖

10、擊負荷使試樣破斷所作的功，稱沖擊功，單位為公斤力米, 以 Ak表示。則有 Ak=GH1-GH2=G(H1-H2)公斤力米。 四、實驗步驟四、實驗步驟五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告整理數(shù)據(jù)，填寫實驗報告。思考題思考題1.沖擊實驗應用范圍如何？2.試說明冷脆的物理本質及影響冷脆的因素。3.分析由于試樣的材料，試樣形狀和尺的變化對ak值 大小產(chǎn)生的影響。實驗三實驗三 金屬拉伸實驗金屬拉伸實驗 一、實驗目的一、實驗目的金屬拉伸性能指標b、0.2、及測定方法，加深對拉伸性能指標物理意義的理解。二、實驗原理及方法二、實驗原理及方法本實驗主要測定本實驗主要測定b、0.2、及

11、及1.屈服點s試樣在拉伸過程中，載荷不增加或首次下降而仍繼續(xù)伸長時的最小應力稱為屈服點s 。 2.屈服強度0.2 對于無明顯物理屈服現(xiàn)象的材料，應測定其屈服強度0.2，0.2為試樣在拉伸過程中標距部分殘余伸長達原標距長度的0.2時的應力。3.抗拉強度b將試樣加載至斷裂，由測力度盤或拉伸線上讀出試樣拉斷前的最大載荷Pb，Pb所對應之應力即為抗拉強度b。 4.伸長率伸長率為試樣拉斷后標距長度的增量與原標距長度的百分比5.斷面收縮率斷面收縮率為試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原橫截面積的百分比三、實驗儀器及材料：設備和儀器三、實驗儀器及材料：設備和儀器 PLS-200型電液伺服動靜試驗機； 液

12、壓式萬能材料試驗機； 用x-y函數(shù)記錄儀繪制拉伸曲線的儀器； 用引伸計法繪制拉伸曲線的儀器：引伸計。 游標卡尺、手錘、沖頭等。三、實驗儀器及材料：試樣三、實驗儀器及材料：試樣試樣尺寸及加工精度在GB228-76中有具體規(guī)定，但試樣頭部形狀及尺寸可視實驗卡頭要求而定。一般長30-40mm，圖中標明為最短長度。本實驗采用圓柱試樣，如圖所示。試樣的材料及熱處理處理狀態(tài)為：20鋼退火狀態(tài)(試樣1根)及45鋼調質狀態(tài)試樣2根。四、實驗步驟：試樣的準備四、實驗步驟：試樣的準備 （1）將領取的試樣打上印記，并將材料，熱處理狀態(tài)填入附表內（2）量試樣尺寸，用精度為0.02mm的游標卡尺測量試樣直徑(用同 一截

13、面相互垂直的兩個方向各量一次，至少測量三個截面),計算平均直徑并以最小平均直徑計算橫截面積，填入附表內（3）在試樣標距上打上沖眼，并用劃針或刻線機畫線，將標距范圍內的試樣分成10等分，輕輕打上標點。測量標距距離，記入附表（4）實驗設備的準備a)了解所用設備的基本原理，認識所用設備的性能、用途及特點b)學習設備操作規(guī)程、安全事項和操作方法c)調整好所用設備d)安裝繪制拉伸圖的儀器，并對傳感器進行標定四、實驗步驟：拉伸實驗四、實驗步驟：拉伸實驗 用20鋼退火試樣進行拉伸試驗。一方面用針指法讀出Ps，另一方面用X-Y函數(shù)記錄儀繪制拉伸曲線，從拉伸曲線上求出Ps2. 用45鋼調質試樣進行拉伸試驗。其中

14、一根在拉伸過程中用X-Y函數(shù)記錄繪制拉伸曲線，用以求出P0.2;另一根用拉伸計法下測P0.2（測出P0.2后立即從試樣取下引深計），所有試樣都拉伸至斷裂為止。試驗時應注意掌握加載速度。屈服前，應力增加速度應控制在每秒1kgf/mm2，屈服后，試驗機活動夾頭在載荷作用下的移動速度不大于0.5l/分3. 測量拉斷試樣的lk及Fk；處理拉伸曲線，分別求出Ps、P0.2及 Pb值4. 計算試驗結果五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告整理數(shù)據(jù)，填寫實驗報告（應附拉伸曲線和數(shù)據(jù)記錄表）思考題思考題1.何謂真應力、真應變與工程應力、工程應變有何不同？2.同一種材料用五倍試樣和十倍

15、試樣進行拉伸，測得5與10其值相等嗎？請說明理由。 實驗四實驗四 典型斷口的形貌觀察與分析典型斷口的形貌觀察與分析 一、實驗目的一、實驗目的1.識別材料脆性斷口和韌性斷口的幾種典型表面形貌特征2.深入分析與理解幾種典型斷口的斷裂機理二、實驗設備二、實驗設備KYKY 2800型掃描電子顯微鏡 三、實驗原理及方法三、實驗原理及方法 利用二次電子信號二次電子信號觀察斷口形貌。掃描電子顯微鏡是利用細聚焦高能電子束在樣品上逐點掃描而激發(fā)出各種物理信息，通過對這些信息的接收、放大和顯示成像，以便對試樣微區(qū)進行分析。掃描電鏡觀察樣品特點景深大、分辨本領比較高，是進行樣品表面分析研究的有效工具，尤其適合比較粗

16、造試樣表面，如金屬斷口和顯微組織三維的形貌觀察。 掃描電子顯微鏡結構四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 1. 沿晶斷裂與穿晶斷裂斷口沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展；穿晶斷裂的特點是裂紋穿過晶粒內。沿晶斷口一般是脆性斷口，宏觀上看樣品表面一般平而光亮，如圖所示，冰糖沿晶斷口。 四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 2.解理斷口 這是一種在正應力作用下所產(chǎn)生的穿晶斷裂。通常斷裂面是嚴格沿一定的晶面如圖所示（即解理面）而分離，其表面為解理平臺、河流花樣。體心立方金屬、密排六方金屬與合金，在低溫沖擊載荷作用下能促進解理斷裂發(fā)生。通常解理斷裂總是脆性斷裂。 四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 3.準解理斷

17、口 在某些脆性斷口上可以看到解理斷裂的特征形貌，同時又伴有一定塑性變形痕跡，稱為準解理斷口。其特征是解理平面上有許多撕裂棱，它是有許多單獨形成的裂紋相互連接由于撕裂而形成的，如圖 所示。 四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 4.韌窩斷口 這是一種微孔聚集型斷裂。其特征是可見大量微孔坑覆蓋斷面，這些微坑稱為韌窩。如圖所示。韌窩有拋物形的剪切韌窩、撕裂韌窩與等軸韌窩之分，都屬于韌性斷裂的主要微觀形貌。四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 5.疲勞斷口 金屬構件在變動載荷長期作用下，由于累計損傷而引起無征兆的低應力脆斷叫疲勞斷裂。典型的疲勞斷口形貌可分為三區(qū)：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)。其斷口形貌如圖

18、所示。6. 疲勞斷口分析步驟在試樣邊緣如缺口、螺紋、刀痕處形成疲勞裂紋源圖（1），因為這里存在應力集中會引發(fā)疲勞裂紋形成。疲勞裂紋源的光亮度最大，因為形成裂紋源時擴展速度最低，循環(huán)次數(shù)最多，端面不斷摩擦擠壓，故顯得光亮平滑。疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展區(qū)，如圖（2）斷口比較光滑并分布有貝紋線，有時還有裂紋擴展臺階。每應力循環(huán)下，緩慢地擴展，當達到一定尺寸后，裂紋開始快速擴展。瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)擴展所形成的斷口區(qū)如圖（3）。脆性材料為結晶狀斷口，韌性材料中間平面應變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，邊緣平面應力區(qū)為剪切唇。四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告五、分析整理實驗

19、數(shù)據(jù)寫出實驗報告1.畫出二種典型斷口形貌特征示意圖；2.簡述、分析以上二種斷口的斷裂機理。思考題思考題1.疲勞裂紋擴展分幾階段？試述各階段擴展機制機理。 2.高周疲勞與低周疲勞有何異同？實驗五實驗五 示差熱分析法測定鋼的臨界點示差熱分析法測定鋼的臨界點 一、實驗目的一、實驗目的1. 學習用示差熱電偶測量共析鋼相變臨界溫度Ac1和Ar1。2. 了解熱分析裝置的結構和原理。 二、實驗原理二、實驗原理熱分析是利用熱效應分析金屬及合金組織、狀態(tài)轉變的一種方法。金屬及合金的轉變如：熔化、凝固和固態(tài)轉變常產(chǎn)生明顯的吸熱或放熱反應，這就是進行熱分析的基礎。在研究金屬及合金的固態(tài)相變時，利用此熱量的變化，使示

20、差熱電偶的熱電勢發(fā)生變化，從而確定金屬或合金的相變溫度Ac1和Ar1。 測定金屬及合金的臨界溫度，常用加熱及冷卻曲線進行研究分析。所測定的加熱溫度和加熱時間或冷卻溫度和冷卻時間的關系曲線，稱為簡單熱分析曲線。利用在相同條件下加熱或冷卻時，試樣和標準試樣的溫度差與溫度和時間的關系，對組織結構進行分析的一種技術，稱為示差熱分析法。本實驗采用示差熱分析法。 示差熱電偶由兩支同型號熱電偶反向串聯(lián)構成，它的熱電勢應為兩個熱電偶電勢之差，把t1插入標準試樣中，t1插入被測試樣中;示差熱電偶接入靈敏檢流計，則示差熱電勢測量： E=E(t1,0)-E(t1,0) 而被測試樣溫度測量,為方便我們再用一對同型號電

21、偶，接入UJ-37電位差計中，則被測試樣溫度測量：E(t1,0)。當勻速升溫時，由于標準試樣溫度（t1）均勻上升，而被測試樣溫度(t1)升至時Ac1時，發(fā)生P-A轉變，有吸熱反應，t1溫度停止上升，由于，t1t1則E0。勻速冷卻時，當t1溫度降至Ar1時，發(fā)生A-P轉變，有放熱反應，使t1溫度停止下降，由于t1t1則E0。用檢流計指示的E及UJ-37的讀數(shù)和時間制圖，即可求出被測試樣相變臨界溫度Ac1和Ar1。 二、實驗原理二、實驗原理三、實驗儀器三、實驗儀器1.標準試樣：無相變金屬（鎳鉻合金）制成的半圓柱體。2.試樣：被測鋼種制成的與標樣尺寸相同的半圓柱體。3.三支熱電偶，其中二支接成示差熱

22、電偶，另一支插入試樣中。4.檢流計一臺。5.UJ-37電位差計一臺。6.加熱爐一臺。7.銅導線若干。四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 1.把試樣與標準試樣裝配好，接好連線放入爐中，升溫，并記錄溫度、溫差隨時間變化的數(shù)據(jù)。2.加熱完畢后（估計已超過臨界點）停電，緩冷記錄冷卻過程中的誤溫差、溫度與時間變化的數(shù)據(jù)。3.作出加熱及冷卻過程中溫差、溫度隨時間變化的曲線。五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告思考題思考題1. 在實驗過程中，當試樣無組織轉變時，標樣與試樣的溫差是否等于0？為什么？2. 推斷亞共析鋼的實驗曲線。 實驗六實驗六用電阻法研究淬火鋼的回火對鋼的用電阻法

23、研究淬火鋼的回火對鋼的電阻系數(shù)的影響電阻系數(shù)的影響 一、實驗目的一、實驗目的1. 利用雙臂電橋測定淬火鋼在不同溫度回火過程中電阻系數(shù)的變化情況，了解馬氏體及奧氏體的分解過程2. 通過實驗掌握雙臂電橋的構造、原理、使用方法二、實驗原理二、實驗原理金屬具有良好的導電性，但電子在金屬中運動時要不斷地與點陣結點發(fā)生碰撞，因而金屬有具有電阻，電阻是一個與其幾何形狀有關的物理量，即電阻與金屬的長度成正比，與其截面積成反比，通常衡量金屬導電性的不是用 R，而是用其電阻系數(shù) ，它表示具有單位長度（米，厘米）和單位截面積（毫米2）某種金屬的電阻。 金屬的電阻系數(shù)與金屬的成分，組織，內應力及所處的溫度有關，凡是能

24、阻礙自由電子移動的因素均使金屬的電阻系數(shù)增加，反之，則可使電阻系數(shù)降低。淬火通常可使點粗系數(shù)增加，因為淬火后常獲得過飽和的不平衡組織，淬火則常使值下降。在鐵中加入碳，將使鐵的電阻系數(shù)顯著提高，而增高多少也取決于碳的存在方式，因而對于一定成分的碳鋼而言，可以通過熱處理改變其電阻系數(shù)。 二、實驗原理二、實驗原理淬火鋼在回火時馬氏體和奧氏體分解為多相混合組織，電阻系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律能反應出鋼中馬氏體和奧氏體分解開始及終了時間。例如，含碳為1.57%的鋼在回火過程中-C曲線如圖。在110oC，230oC及300oC出現(xiàn)轉折。回火溫度在110oC時，電阻開始急劇下降，其原因是產(chǎn)生了馬氏體分解，約在23

25、0oC時電阻又發(fā)生了更為急劇的下降，這表明鋼中奧氏體開始分解，高于300oC說明固熔體分解已基本結束，電阻已很少變化。折點110oC，230oC，300oC各代表著回火的不同階段。 三、實驗儀器三、實驗儀器1.QJ36型單雙臂兩用電橋一臺。2.AC 型檢流計一臺。3.與試樣阻值相近的BZ3型標準電阻一個。4.直流電流表一個。5.滑線電阻器一個。6.JW-2D直流穩(wěn)壓電源一臺。7.聯(lián)接導線若干。8.直徑為1mm，長為1.0m的70#鋼絲，預先卷成直徑為20mm的螺線型管狀，共8個試樣，分別經(jīng)50oC、100oC、150oC、200oC、230oC、250oC、300oC、400oC回火1小時。1.根據(jù)Rx估算值選取RN，使RN接近Rx阻值2.按圖2-3將Rx、RN、E、A、RL及檢流計G聯(lián)成測量線路3.根據(jù)測量范圍選好電阻R1、R24.將工作電流調整到50mA5.打開檢流計開關，待光點穩(wěn)定后，按下電橋左下腳的粗、細調旋鈕，調整電橋上六個旋鈕使檢流計指零，將旋鈕指示讀數(shù)記錄下來6.將電橋左下腳的粗細調旋鈕放開，更換試樣，重新按以上步驟進行操作，并進行測量7.測量完畢，將結果交指導老師檢查，整理儀器四、實驗內容及步驟四、實驗內容及步驟 五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告五、分析整理實驗數(shù)據(jù)寫出實驗報告思考題思考題1