(1)-《材料性能學(xué)》仿真實驗指導(dǎo)書

PAGEPAGE1材料性能學(xué)虛擬仿真實驗指導(dǎo)書試驗一材料在單向靜拉伸下的力學(xué)性能拉伸實驗是最重要的應(yīng)用最廣泛的材料力學(xué)性能實驗方法，它可以測定材料的彈性、塑性、強度、應(yīng)變硬化和韌性等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，這些指標(biāo)是研究新材料、合理使用現(xiàn)有材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、預(yù)測材料的其它力學(xué)性能和改善材料力學(xué)性能等的基礎(chǔ)。一、基本要求：1）掌握金屬拉伸性能指標(biāo)的測定方法；2）學(xué)會正確使用和操作拉伸實驗設(shè)備和儀器。二、實驗內(nèi)容：1）觀察拉伸實驗過程中拉伸曲線與試樣形狀的變化及其對應(yīng)關(guān)系；2）用圖解法測定金屬材料強度指標(biāo)和塑性指標(biāo)；3）用引伸計測定金屬材料的彈性指標(biāo)。三、試驗原理：用拉伸力將試樣拉伸，一般拉至斷裂以便測定力學(xué)性能。四、實驗指導(dǎo)：1、試驗設(shè)備和條件1）試驗機各種類型試驗機均可使用，試驗機誤差應(yīng)符合JJGl39—83《拉力、壓力和萬能材料試驗機檢定規(guī)程》或JJGl57—83《小負荷材料試驗機檢定規(guī)程》的1級試驗機要求。2）引伸計引伸計(包括記錄器或指示器)應(yīng)進行標(biāo)定，標(biāo)定時引伸計的工作狀態(tài)應(yīng)盡可能與試驗時的工作狀態(tài)相同。經(jīng)過標(biāo)定的引伸計，在日常試驗前應(yīng)注意檢查，當(dāng)引伸計經(jīng)過檢修或發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)進行標(biāo)定。試驗速度應(yīng)根據(jù)材料性質(zhì)和試驗?zāi)康拇_定。除有關(guān)標(biāo)準或協(xié)議另作規(guī)定外，拉伸速度一般應(yīng)符合3～10MPa/s要求。2、試樣尺寸的測量：1）試樣原始橫截面積的測定圓形試樣橫截面直徑應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處兩個相互垂直的方向上各測一次，取其算術(shù)平均值，選用三處刪得橫截面積中最小值。矩形試樣橫截面尺寸(寬度和厚度)應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處測量，選用三處測得橫截面積最小值。2）試樣原始標(biāo)距的標(biāo)記和測量可以用兩個或一系列等分小沖點或細劃線標(biāo)出原始標(biāo)距，標(biāo)記不應(yīng)影響試樣斷裂，對于脆性試樣和小尺寸試樣，建議用快干墨水或帶色涂料標(biāo)出原始標(biāo)距。如平行長度比原始標(biāo)距長許多(例如不經(jīng)機加工試樣)，可以標(biāo)出相互重疊的幾組原始標(biāo)距。比例試樣原始標(biāo)距的計算值，對于短比例試樣應(yīng)修約到最接近5mm的倍數(shù)，對于長比例試樣應(yīng)修約到最接近10mm的倍數(shù)。如為中間數(shù)值向較大一方修約。原始標(biāo)距應(yīng)精確到標(biāo)稱標(biāo)距的±0．5％。3、性能測定1）屈服點及規(guī)定0.2％非比例伸長應(yīng)力0.2的測定有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，應(yīng)測定其屈服點，上屈服點或下屈服點，但有關(guān)標(biāo)準或協(xié)議無規(guī)定時，一般只測定屈服點或下屈服點應(yīng)力見圖1。(a)屈服點Fs(b)上下屈服點Fsu、屈服點FsL圖1屈服點，上屈服點或下屈服點的測定無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，應(yīng)測定其規(guī)定非比例伸長應(yīng)力0.2。圖解法：用自動記錄方法繪制力—伸長曲線圖時，力軸每毫米所代表的應(yīng)力，一般應(yīng)不大于10N／mm，曲線的高度應(yīng)使Fp，處于力軸量程的二分之一以上。伸長放大倍數(shù)的選擇應(yīng)使圖2中的OC段的長度不小于5mm。在曲線圖上，自彈性直線段與伸長軸交點O起，截取一相應(yīng)于規(guī)定非比例伸長的OC段(OC=0.2％nLe)，過C點作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點，A點對應(yīng)的力Fp為所測規(guī)定非比例伸長力(見圖1)，規(guī)定非比例伸長應(yīng)力為：0.2=Fp/S0。(a)圖解法(b)滯后環(huán)法圖2規(guī)定非比例伸長應(yīng)力的測定（n為位移放大倍數(shù)，p為規(guī)定非比例伸長量，Le為引伸計標(biāo)距）滯后環(huán)法：如曲線無明顯彈性直線段，以致難于準確確定相應(yīng)的規(guī)定非比例伸長力，可采用。對試樣連續(xù)施力至略大于預(yù)期規(guī)定非比例伸長應(yīng)力相應(yīng)的力后，將其卸至約為前所施加力的10％，接著再施力至少直至包絡(luò)線范圍。正常情況將繪出一個滯后環(huán)。通過滯后環(huán)兩瑞點劃一直線。從曲線的真實原點O起截取OC段(OC=0.2％nLe)，過C點作直線CA平行于上述所劃直線。CA線與曲線的交點A所對應(yīng)的力Fp為所測規(guī)定非比例伸長力(見圖2)。一般應(yīng)使CA線位于滯后環(huán)的右側(cè)。2）抗拉強度b的測定試樣拉至斷裂，從拉伸曲線圖上確定試驗過程中的最大力，或從測力度盤上讀取最大力?？估瓘姸劝垂接嬎悖篵＝Fb/S0。3）斷后伸長率的測定試樣拉斷后，將其斷裂部分在斷裂處緊密對接在一起，盡量使其軸線位于一直線上。如拉斷處形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計人該試樣拉斷后的標(biāo)距內(nèi)。斷后標(biāo)距L1的直測法：如拉斷處到最鄰近標(biāo)距端點的距離大于1／3L0時，直接測量標(biāo)距兩端點間的距離。斷后標(biāo)距L1的移位法：如拉斷處到最鄰近標(biāo)距端點的距離小于或等于1／3L0時，則按下述方法測定。在長段上從拉斷處O取基本等于短段格數(shù)，得B點，接著取等于長段所余格數(shù)(偶數(shù)，圖3(a))的一半，得C點，或者取所余格數(shù)(奇數(shù)，圖3(b))分別減1與加1的一半，得C和C1點。移位后的L1分別為：AB+2BC和AB+BC+BC1。斷后伸長率按公式計算：=[(L1-L0)/L0]100%短、長比例試樣的斷后伸長率分別以符號5，10表示。圖3斷后標(biāo)距L1的移位法測定 4）斷面收縮率的測定試樣拉斷后縮頸處最小橫截面積S1的測定：圓形試樣在縮頸最小處兩個相互垂直的方向上測量其直徑(需要時，應(yīng)將試樣斷裂部分在斷裂處對接在一起)，用兩者的算術(shù)平均值計算。矩形試樣用縮頸處的最大寬度b1，乘以最小厚度a1求得(見圖4)。斷面收縮率按公式(17)計算：=[(S0-S1)/S0]100%圖4矩形試樣縮頸處最小橫截面積S1的測定4、性能數(shù)值的修約測得性能數(shù)值按表1規(guī)定進行修約，修約的方法按照GB1．1—81附錄C“數(shù)字修約規(guī)則”執(zhí)行。測試項目范圍修約到0.2、b200Mpa200～1000Mpa1000Mpa1Mpa5Mpa10Mpa10%10%0.5%1%25%25%0.5%1%五、實驗報告要求試驗名稱：測試材料及狀態(tài)：所用儀器設(shè)備名稱：試樣形狀及尺寸：測試結(jié)果：（原始數(shù)據(jù)表格或曲線、計算結(jié)果等）分析討論a）所測材料是塑性材料還是脆性材料？b）若所測的某種材料是非脆性材料，那么它是高塑性材料還是低塑性材料？是連續(xù)形變強化型還是非連續(xù)形變強化型？為什么？c）畫出所測材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖并同時作出真應(yīng)力真應(yīng)變曲線的示意圖。實驗二合金的硬度試驗硬度實驗是生產(chǎn)、材料和工藝研究中常用的產(chǎn)品質(zhì)量和試樣性能的檢測方法。硬度值的大小可以反映材料的成分和顯微組織的狀態(tài)及變化。一、基本要求：1）掌握金屬布氏、洛氏、維氏和顯微維氏硬度的試驗原理和測試方法；2）了解各種硬度試驗的步驟、特點、應(yīng)用范圍及選用原則；3）學(xué)會正確使用和操作各種硬度計。二、實驗內(nèi)容：1）了解各種硬度計及其使用方法；2）按照各種硬度試驗的選用原則，采用不同狀態(tài)的金屬，分別在布氏、洛氏、維氏和顯微維氏硬度計上進行硬度測試；3）觀察壓痕大小和形狀，正確測定硬度值；4）分析硬度值與金屬成分和組織的關(guān)系。三、實驗原理：用壓入法測定的材料硬度，可認為是材料表面對外物壓人時引起塑性變形的抗力。四、實驗指導(dǎo)：1、布氏硬度測定的原理和方法測定布氏硬度是用一定的壓力將淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除壓力。于是，在試件表面留下壓痕（見圖），單位壓痕表面積A上所承受的平均壓力即定義為布氏硬度值。已知施加的壓力P，壓頭直徑D，只要測出試件表面上的壓痕深度h或直徑d，即可按下式求出布氏硬度值，單位為kgf/mm2，但一般不標(biāo)注單位。(1)由于材料的硬度不同，試件的厚度不同，所以在測定布氏硬度時往往要選用不同直徑的壓頭和壓力。在這種情況下，要在同一材料上測得相同的布氏硬度，或在不同的材料上測得的硬度可以相互比較，則壓痕的形狀必須幾何相似。圖1表示用兩個直徑不同的壓頭D1和D2，在不同的壓力P1和P2的作用下，壓入試件表面的情況。要使兩個壓痕幾何相似，則兩個壓痕的壓入角應(yīng)相等。由圖1可見，，代入式（1），得(2)圖1壓痕幾何相似示意圖表1布氏硬度試驗的P／D2值選擇表材料布氏硬度HBP/D2鋼和鑄鐵<14010>14030銅和銅合金<35535-13010>13530輕金屬及其合金<351.252.535-8051015>801015鉛、銻等軟金屬11.25由式（2）可見，要使布氏硬度的壓痕幾何相似，則比值P/D2應(yīng)為常數(shù)。所以，布氏硬度試驗前，根據(jù)試件的厚度選定壓頭直徑。試件的厚度應(yīng)大于壓痕深度的10倍。在試件厚度足夠時，應(yīng)盡可能選用10mm直徑的壓頭。然后再根據(jù)材料及其硬度范圍，參照表1選擇P/D2之值，從而算出試驗需用壓力P之值。應(yīng)當(dāng)指出，壓痕直徑d應(yīng)在0.25-0.60D范圍內(nèi)，所測硬度方為有效。若d值超出上述范圍，則應(yīng)另選P/D2之值，重作試驗。布氏硬度的測定在布氏硬度試驗機上進行：測試時必須保持所加壓力與試件表面垂直，施加壓力應(yīng)均勻平穩(wěn)，不得有沖擊和振動。在壓力作用下的保持時間也有規(guī)定，對于鋼鐵材料應(yīng)為10秒，有色金屬為30秒，而軟金屬材料（HB＜35＝的材料為60秒。卸除載荷后，測定壓痕直徑，代入式（1），即可求得HB之值。為使用方便，已按式（1）制出布氏硬度數(shù)值表。測得壓痕直徑后，即可查表求得HB之值，并用下列符號表示：當(dāng)壓頭為淬火鋼球時，用HBS表示；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金球時，用HBW表示。HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，其后的數(shù)字表示試驗條件，依次為壓頭直徑、壓力和保持時間。例如，200HBSl0／3000／30表示用10mm直徑淬火鋼球，加壓3000kgf，保持30s，測得的布氏硬度值為200；又如，500HBW5／750，表示用硬質(zhì)合金球，壓頭直輕5mm，加壓750kgf，保持10-15秒(保持時間為10-15秒，不加標(biāo)注)，測得布氏硬度值為500。當(dāng)使用淬火鋼球作壓頭時，只能用于測定HB＜450的材料的硬度；使用硬質(zhì)合金球作壓頭時，測定的硬度可達650HB。但當(dāng)HB>450時，應(yīng)測定材料的洛氏硬度為宜。因為測定硬材料的布氏硬度時，所加單位壓力大，可能會損壞壓頭。2、洛氏硬度測定的原理和方法洛氏硬度是直接測量壓痕深度，并以壓痕深淺表示材料的硬度。常用的洛氏硬度的壓頭有兩類：即頂角為1200的金剛石圓錐體壓頭和直徑為Φ1.588mm（1／16英寸）的鋼球壓頭。測洛氏硬度時先加10kgf（98.1MPa）的預(yù)壓力，然后再加主壓力，所加的總壓力大小，視被測材料的軟硬而定；采用不同壓頭并施加不同的壓力，可以組成不同的洛氏硬度指標(biāo)尺。生產(chǎn)上常用的為A、B和C三種洛氏硬度指標(biāo)，其中又以C指標(biāo)應(yīng)用最普遍。用這三種洛氏硬度指標(biāo)測得的硬度分別記為HRA、HRB和HRC。洛氏硬度測試時，試件表面應(yīng)為平面。測定HRC時，采用金剛石壓頭，先加10kgf（98.1MPa）預(yù)載，壓人材料表面的深度為h0，此時表盤上的指針指向零點。然后再加上140kgf主載荷，壓頭壓人表面的深度為h1，表盤上的指針逆時針方向轉(zhuǎn)到相應(yīng)的刻度。在主載荷的作用下，壓入金屬表面的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。卸除主載荷以后，表面變形中的彈性部分將回復(fù)，壓頭將回升一段距離，即(h1–e)，表盤上的指針將相應(yīng)地回轉(zhuǎn)。最后，在試件表面留下的殘余壓痕深度為e。人為地規(guī)定：當(dāng)e＝0.2mm時，HRC＝0；當(dāng)e＝0，HRC＝100；壓痕深度每增0.002mm,HRC降低1個單位。于是有HRC＝(0.2–e)／0.002＝100–e／0.002（3）這樣的定義與人們的思維習(xí)慣相符合，即壓痕的深度愈小，材料愈硬；反之，壓痕深度大，則硬度低。可以很方便地按公式（3）所表示的HRC-e之間的線性關(guān)系，制成洛氏硬度讀數(shù)表，裝在洛氏硬度試驗機上。在主載荷卸除后，即可由讀數(shù)表直接讀出HRC之值。測定洛氏硬度HRA時，所用總載荷為60kgf，其定義與HRC的相同。 測定HRB時，采用Φ1.588的鋼球作壓頭，總載荷為100kgf(980N)，測定方法與測定HRC的相同。但HRB的定義方法略有不同，如下式所示HRB＝(0.26–e)／0.002＝130–e／0.002(4)3、維氏硬度測定的原理和方法維氏硬度測定的原理與方法基本上與布氏硬度的相同，也是根據(jù)單位壓痕表面積上所承受的壓力來定義硬度值。但測定維氏硬度所用的壓頭為金剛石制成的四方角錐體，兩相對面間的夾角為1360，所加的載荷較小。測定維氏硬度時，也是以一定的壓力將壓頭壓入試件表面，保持一定的時間后卸除壓力，于是在試件表面上留下壓痕，如圖2所示。已知載荷P，測得壓痕兩對角線長度后取平均值d，代入下式求得維氏硬度，單位為kgf/mm2，但一般不標(biāo)注單位。（5）圖2維氏硬度測定原理的示意圖維氏硬度試驗時，所加的載荷為5kgf（49.03N），10kgf（98.07N），20kgf（196.1N），30kgf（294.2N），50kgf（490.3N）和100kgf（980.7N）等6種。維氏硬度特別適用于表面硬化層和薄片材料的硬度測定。選擇載荷時，應(yīng)使硬化層或試件的厚度大1.5d。當(dāng)待測試件厚度較大，應(yīng)盡要能選用較大的載荷，以減小對角線測量的相對誤差和試件表面層的影響，提高維氏硬度測定的精度。但對于HV＞500的材料，試驗時不宜采用50kgf以上的載荷，以免損壞金剛石壓頭。測很薄試件的維氏硬度，可選用更小的載荷。當(dāng)載荷一定時，即可根據(jù)d之值，算出維氏硬度表。試驗時，只要測量壓痕兩對角線長度的平均值，即可查表求得維氏硬度。維氏硬度的表示方法與布氏硬度的相同，例如，640HV30/20，前面的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字依次為所加載荷和保持時間。4、顯微維氏硬度 顯微維氏硬度試驗實質(zhì)上就是更小載荷的維氏硬度試驗，其測試原理和維氏硬度試驗相同，故硬度值可用公式（5）計算，并仍用符號HV表示。但由于測試載荷小，載荷與壓痕之間的關(guān)系就不一定像維氏硬度試驗?zāi)菢臃蠋缀蜗嗨圃?，因此測試結(jié)果必須注明載荷大小，以便能進行有效地比較；如340HV0.1表示用0.1kgf（0.98N）的載荷測得的維氏顯微硬度為340，而340HV0.05則是表示用0.05kgf（0.49N）的載荷測得的硬度為340。五、實驗報告1.試驗名稱：2.測試材料及其狀態(tài)：3.所用儀器設(shè)備名稱：4.測試結(jié)果：（原始數(shù)據(jù)表格或曲線、計算結(jié)果等）5.測試結(jié)論：6.分析討論a）布、洛、維硬度測試方法在原理和應(yīng)用方面各有什么特點？b）同一材料哪兩種硬度的結(jié)果數(shù)值上接近？為什么。c）何謂壓痕幾何相似性原理？實驗三低溫系列沖擊試驗低溫脆性主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)鋼中。評定材料低溫脆性的方法采用的是切口沖擊韌性測定法。沖擊載荷不同于靜載荷，它具有能量特性，與構(gòu)件的斷面積及其形狀和體積有關(guān)。一、基本要求：(1)掌握金屬材料常溫和低溫下沖擊試驗方法；(2)學(xué)會用能量法或斷口形貌法確定金屬的冷脆轉(zhuǎn)變溫度V15TT、FTT、50％FATT和FTP：(3)了解沖擊試驗機的結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法。二、實驗內(nèi)容及步驟：低溫恒溫箱中對沖擊試樣保溫，試驗溫度選擇為：室溫、00C、—200C、—400C、—600C、—750C；觀察沖擊試驗在試驗機上的試驗步驟：記錄沖擊吸收功；觀察斷口形貌，測量斷口上纖維區(qū)域或結(jié)晶狀區(qū)斷口的百分率。三、韌-脆轉(zhuǎn)化溫度的確定研究低溫脆性的主要問題是確定韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。目前，結(jié)構(gòu)鋼的低溫脆性及韌-脆轉(zhuǎn)化溫度仍沿用切口沖擊韌性測定法進行評定，即能量法，它是一種簡便、經(jīng)濟的試驗方法。關(guān)于低溫沖擊韌性的測定在國標(biāo)GB4159-84中作了規(guī)定。測定韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，是將試件冷卻到不同的溫度測定沖擊功AK、斷口形貌特征與溫度的關(guān)系曲線，如圖1所示。然后按一定的方法確定韌脆轉(zhuǎn)化溫度。按能量法定義韌脆轉(zhuǎn)化溫度，用不同的方法定義的韌脆轉(zhuǎn)化溫度示意地表示于圖1。顯然，在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應(yīng)高于韌-脆轉(zhuǎn)化溫度。韌性溫度儲備的大小取決于機件的重要程度。具體方法有下列幾種：（1）以V型切口沖擊試件測定的沖擊功AK=15ft1bf(20.3NM)對應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)化溫度，并記為V15TT。這是根據(jù)實踐經(jīng)驗總結(jié)而提出的方法。（2）圖1中的曲線有兩個平臺。上平臺所對應(yīng)的能量稱為高階能，下平臺所對應(yīng)的能量稱為低階能。將低階能開始上升的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為NDT(NilDuctilityTemperature)稱為零塑性溫度。在NDT以下，試件的斷口為100％的結(jié)晶狀斷。圖1各種確定韌-脆轉(zhuǎn)化溫度的方法