《材料力学性能》实验指导书讲解.docx

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《材料力学性能》实验指导书讲解

实验一材料的静拉伸实验

一、实验目的

（1）学习使用万能试验机，掌握其操作规程；

（2）测试材料的静拉伸力学性能指标，并对材料的变形特点进行分析；

二、基本原理

将试样（标准的光滑圆柱试样）装在拉伸试验机上，缓慢轴向加载，使试样伸长，直至被拉断（条件：

温度、应力状态、加载速率是确定的）。

由试验机自动记录施加于试样的外力与伸长变形量之间的关系曲线。

图1常用拉伸试样

图2低碳钢的力－伸长曲线

通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下常见的三种失效形式：

过量弹性变形、塑性变形、断裂。

拉伸曲线说明了当载荷由零逐渐增加时，材料变形的过程和规律：

（a）OP－线弹性变形

（b）Pe－非线弹性变形

（c）eA－弹性＋塑性变形

（d）AC－屈服

（e）CB－均匀塑性变形

（f）B－缩颈点

（g）Bk－不均匀集中塑性变形

用静拉伸实验得到的应力－应变曲线，可以求出许多重要的性能指标：

（1）E――主要用于刚度设计；

（2）s、b――主要用于零件的强度设计；

（3）、――为材料载冷热变形时的工艺性能作参考；

三、实验仪器及材料

万能试验机1台

实验用材料：

低碳钢、铸铁

四、实验内容与步骤

（1）熟悉万能试验机的构造，并按其要求装夹试样。

（2）给试样施加轴向静载荷直至拉断，观察试样的变形过程及变形规律，并记录力－伸长曲线或应力－应变曲线。

（3）取下试样，观察试样断口的宏观形貌特征。

五、实验报告

（1）简述万能试验机的构造及测量原理；

（2）画出试样的力-伸长曲线或应力-应变曲线，获得刚度、强度、塑性指标；

（3）画图示意并说明试样断口的宏观形貌特征。

（4）分析影响拉伸试验结果的主要因素。

实验二金属硬度的测试

一、实验目的

（1）掌握金属布氏、洛氏、维氏硬度的试验原理和测定方法；

（2）了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则；

（3）学会正确使用各种硬度计。

二、金属硬度试验方法

金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触压应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。

由于金属表面以下不同深处材料所承受的应力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合反映压痕附近局部体积内金属的弹性、微量塑性变形抗力、塑性变形强化能力以及大量形变抗力。

硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形越困难。

另外，硬度与其他力学性能（抗拉强度、塑性指标）之间有着一定的内在联系，所以从某种意义上说硬度的大小对于材料的使用寿命具有决定性意义。

常用的硬度试验方法有：

布氏硬度试验-主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。

洛氏硬度-主要用于金属材料热处理后的产品硬度检验。

维氏硬度-主要用于薄板材或金属表层的硬度测定以及较精确的硬度测定，特别是金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。

1.布氏硬度HB

（1）原理：

用负载F，将直径为D的硬质合金球压入试样表面，并保持一定时间，而后去除载荷，计算压痕面积A。

D――10，5，2.5，1

――30，15，10，5，2.5，1

根据材料的种类和硬度范围按规定来选择。

布氏硬度值的表示方法为：

硬度值+硬度符号+球体直径/+载荷/+载荷保持时间（10～15秒不标注）。

例如，180HBW10/1000/30，

表示直径10mm的钢球在1000kgf作用下，保持30秒测得的布氏硬度值为180。

图1布氏硬度测试原理图

（2）特点

a.测量时压坑较大，误差小，试验数据稳定，重现性好。

能准确地反映试样的真实硬度。

b.HB与

有一定的关系。

c.布氏硬度不适宜成品零件或薄件硬度测量，通常用作毛坯和原材料检验。

布氏硬度适用于退火、正火状态的钢铁件，铸铁、有色金属及其合金，特别对较软的金属，如铝、锡等更为适宜。

d.操作麻烦。

2.洛氏硬度HR

（1）原理：

采用金刚石120°圆锥体或直径D=1.588mm的淬火钢球、硬质合金球压入金属表面，在规定的载荷下根据压入深度来度量材料硬度。

实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度并换算出相应的硬度值。

因此，在试验过程中金属的洛氏硬度值可直接读出。

图2洛氏硬度测试原理图

为了测定软硬不同的金属材料的硬度，在洛氏硬度计上可选配不同的压头和试验力，组成几种不同的洛氏硬度标尺，每一种标尺用一个字母在HR后注明。

我国最常用的标尺有A,B,C三种，其硬度的符号分别用HRA,HRB,HRC表示。

（2）特点

a.洛氏硬度应用最广泛，可测各种金属材料成品件或较薄工件的硬度。

b.测量范围大，从很软的有色金属到极硬的硬质合金。

c.操作迅速，简便。

可直接读出硬度值，不损伤工件表面。

d.测量误差大，需在不同部位测数次，然后求平均值。

标注：

60HRC

3.维氏硬度HV

（1）原理：

维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值，所不同的是维氏硬度试验的压头采用锥面夹角为136°的金刚石四方角锥体。

图3维氏硬度测试原理图

（2）特点

a.适用范围宽。

有色金属，黑色金属，表面淬火层，渗层，镀层。

b.维氏硬度有一个连续一致的标度。

试验时负载可任意选择，所得硬度值相同。

c.精确可靠，但操作麻烦，效率低。

在生产上很少直接使用，适于实验室或科研。

标注：

550HV0.1

三、实验仪器

布氏洛氏维氏硬度计

读数放大镜：

最小分度值为0.01mm

标准硬度块

四、实验内容与步骤

（1）了解各种硬度计的构造原理，学习操作规程及安全事项，掌握操作方法；

（2）对各种试样选择合适的硬度试验方法，确定试验条件；并根据试验条件更换压头及砝码，根据试样形状更换工作台。

（3）用标准硬度块校验硬度计。

（4）测定各种试样的硬度，记录试验结果。

实验注意事项：

（1）试样坯料可采用各种冷热加工方法从原材料或机件上截取，试样的试验面和支撑面可采用不同的机械方法加工，两平面应保证平行。

试样在制备过程中，应尽量避免由于受热及冷加工等对试样表面硬度的影响；

（2）圆柱形试样应放在带有“V”型槽的工作台操作，以防试样滚动。

（3）加载时应细心操作，以免损坏压头。

（4）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。

（5）金刚石压头系贵重物件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。

（6）应根据硬度计的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。

（7）在洛氏硬度试验中，应按规定要求适当保持压痕之间的距离，两压痕中心间距离至少应为压痕直径的4倍，但不得小于2mm；任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的2.5倍，但不得小于1mm。

五、实验报告

（1）说明本实验使用的各种硬度计的型号及操作程序；

（2）分析各种试样的硬度试验方法与试验条件的选择原则，并附硬度试验结果；

（3）说明各种硬度值表示方法的意义。

实验三材料冲击性能测定

一、实验目的

（1）了解冲击韧性的含义；

（2）测定钢材的冲击韧性；

二、实验原理概述

材料在冲击载荷作用下，产生塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，称为材料的冲击韧性。

用实验方法测定材料的冲击韧性时，是把材料制成标准试样，置于能实施打击能量的冲击试验机上进行的，并用折断试样的冲击吸收功来衡量。

冲击试验机由摆锤、机身、支座、度盘、指针等几部分组成。

实验时，将带有缺口的受弯试样安放于试验机的支座上，举起摆锤使它自由下落将试样冲断。

若摆锤质量为G，冲击中摆锤的质心高度由H1变为H2，势能的变化为

，它等于冲断试样所消耗的功，即冲击中试样所吸收的功为

图1冲击韧性试验原理图

可由指针指示的位置从度盘上读出。

值越大，表明材料的抗冲击性能越好。

值是一个综合性的参数，不能直接用于设计，但可作为抗冲击构件选择材料的重要指标。

冲击试验的主要用途：

（1）评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性；

（2）检查和控制材料的冶金质量和热加工质量；材料的内部缺陷和晶粒大小对

值有明显影响，因此可用冲击实验来检验材料质量，判定热加工和热处理工艺质量。

（3）评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。

冲击过程所消耗的能量，除大部分为试样断裂所吸收外，还有一小部分消耗于机座振动等方面，只因这部分能量相对较小，一般可以忽略。

但它却随着实验初始能量的增大而加大，故对

值原本就较小的脆性材料，宜选用冲击能量较小的试验机。

三、实验仪器及材料

冲击实验机

图2U型缺口试样

实验用材料：

45钢淬火、45钢正火

冲击试样要求：

冲击韧性

的数值与试样的尺寸、缺口形状和支承方式有关。

为便于比较，国家标准规定两种形式的试样：

①U型缺口试样；②V型缺口试样。

图3V型缺口试样

冲击时，由于试样缺口根部形成高度应力集中，形成较多的能量，缺口的深度、曲率半径及角度的大小都对试样的冲击吸收功有影响。

为保证尺寸准确，缺口应采用铣削、磨削加工，要求缺口底部光滑，无平行于缺口轴线的刻痕。

试样的制备亦应避免由于加工硬化或过热而影响其冲击性能。

四、实验内容与步骤

（1）检查试样的形状、尺寸及缺口质量是否符合标准的要求；

（2）空打试验：

举起摆锤，试验机上不放置试样，然后释放摆锤空打，调整指针回零；

（3）用专用对中块，使试样贴紧支座安放，缺口处于受拉面，并使缺口对称面位于两支座对称面上；

（4）将摆锤举高挂稳后，摆锤下落冲断试样。

待摆锤回落至最低位置时，进行制动，记录度盘的指示值。

实验注意事项：

（1）在摆锤摆动范围内，不得有任何人员活动或放置障碍物，以确保安全。

（2）不带保险销的机动冲击试验机或手动冲击试验机，在安装试样前，最好先把摆锤用木块搁置在支座上，试样安装完毕再举摆。

（3）手动冲击试验机当摆锤举到需要高度时，可听到销钉锁住的声音，为避免冲断销钉应轻轻放摆，在销钉未锁住前切勿放手。

摆锤下落尚未冲断试样前，不应将控制杆推向制动位置。

五、实验报告

（1）冲击试样材料种类、试样尺寸及类型、试验机型号及打击能量；

（2）标注每次试验的冲击吸收功，画图示意冲断试样的断口宏观形貌。

（3）分析影响冲击性能测定的主要因素。

实验四断口分析

一、实验目的

（1）了解韧性断裂和脆性断裂断口的宏观特征及微观特征；

（2）学习使用扫描电镜观察断口微观形貌并分析材料的断裂特点；

二、基本原理

1.宏观韧性断裂（塑断、延性断裂）：

断裂前产生明显的宏观塑性变形，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，是由于裂纹的缓慢扩展而造成的。

断裂时的应力高于材料的屈服强度。

在工程结构材料中韧性断裂反映为过载断裂。

由于塑断前产生显著的塑性变形，有明显的失效预兆，及时采取措施可以防止断裂的发生，即使短时突然过载，一般也只造成宏观塑性变形或局部开裂，不会造成整体断裂或飞出碎片。

宏观断口特征三要素：

纤维区、放射区、剪切唇；断口呈纤维状，灰暗，无光泽。

图1杯椎状断口

韧性断裂多数是微孔聚集型断裂。

韧窝是微孔聚集型断裂的基本特征。

韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断口的相对取向：

（1）正应力┴微孔的表面――――等轴状韧窝

（2）切应力作用，在剪切唇部分――――拉长的抛物线韧窝（上下表面拉长韧窝指向相反）

（3）应力状态为拉、弯联合作用――――撕裂韧窝（两个相配断口上的方向相同）

韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小、深浅和数量取决于第二相的大小、数量、分布及基体的塑性变形能力（特别是形变强化能力）、外界因素（应力大小、状态、温度、形变速度）韧窝小而浅―――夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差，温度低，应变速率大

注意：

在断口分析中，不能在微观上看到韧窝就断定为韧性断裂，因为实际零件受力状态复杂，宏观上是脆性断裂的断口，局部区域也可能有塑性变形，显示出韧窝形态，在具体分析时要把宏观与微观结合，再下结论。

2.宏观脆性断裂（低应力断裂）：

从宏观看断裂前不产生塑性变形，但在局部区域仍存在一定的塑性变形，断裂前材料承受的工作应力通常不超过屈服极限，甚至低于按常规设计程序确定的许用应力。

脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状、人字花样。

图2脆性断口宏观特征

解理断裂是典型的脆性断裂。

解理断裂是在拉伸应力作用下引起的一种脆性穿晶断裂。

通常总是沿着一定的结晶面分离，这种晶面称为解理面（低指数面，表面能低，理论断裂强度低）。

多晶体由于内部晶粒多，而各晶粒取向不同，所以多晶体的解理断口是由许多取向略有差别的光滑小平面组成，每个小平面代表一个晶粒（解理刻面）。

在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的，多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样。

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。

解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样，它是由于解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。

三、实验仪器及材料

扫描电镜KYKY-2800B

实验用材料：

退火态低碳钢、45钢（淬火处理）、45钢（正火状态）

四、实验内容与步骤

（1）将低碳钢进行静拉伸实验，断裂后截取其断口，清洁处理后待用；将经淬火处理的45钢及正火态45钢进行常温冲击实验，冲断后截取断口部分，清洁处理后待用；

（2）了解扫描电镜的构造原理，学习操作规程及安全事项；

（3）利用扫描电镜观察两种材料断口试样的微观形貌。

五、实验报告

（1）说明本实验使用的扫描电镜的型号及操作程序；

（2）观察并记录试样断口的微观形貌；

（3）结合试样断口的宏观特征和微观特征，分析试验材料的综合性能。

实验五金属的磨粒磨损

一、实验目的

（1）了解材料磨损试验方法；

（2）探讨材料的磨粒磨损机理；

二、磨损原理

任何一部机器在运转时，各机件之间总要发生相对运动。

当两个相互接触的机件表面作相对运动时就产生摩擦，有摩擦就必然有磨损，这是必然的结果。

磨粒磨损是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。

前者可称为两体磨粒磨损，后者称为三体磨粒磨损。

磨粒磨损的主要特征是摩擦面上有明显犁皱形成的沟槽。

在磨粒磨损时，磨粒与摩擦表面之间的相互作用，与机械加工中切削刀具与工件的相互作用类似。

对于韧性金属材料，每一磨粒从表面上切下的时一个连续屑；而对于脆性金属材料，一个磨粒切下的是许多断屑。

由于磨粒磨损产生的条件不同，它不是简单的切削过程。

当磨粒受切向力作用而沿着摩擦表面产生相对运动时，摩擦表面将受到剪切、犁皱或切削。

对于韧性金属材料和有锐刃的硬粒子，表面材料是被剪切下来的，且呈连续屑形式。

而对于有光滑刃或圆刃的硬粒子，韧性金属材料只被犁皱。

犁皱时，表面材料沿硬粒子运动方向被横推而形成沟槽。

大部分塑性变形的材料沿沟槽两侧推积起来，而不是从表面上切削下来。

对于脆性材料，沟槽是由裂纹扩展和随后的表面材料成碎片脱落而形成的。

在碾碎性磨粒磨损时，磨粒被压碎前几乎没有滚动和切削的机会，因此，磨粒对摩擦表面的作用是由于磨粒接触点处的集中压应力所造成的。

这种集中压应力可使韧性材料表面产生塑性变形。

由于磨粒大量而密集地反复压入摩擦表面，使经受塑性变形的材料前后流动，最后由于疲劳而破坏。

对于脆性材料，由于摩擦表面几乎不产生塑性变形，故磨损是由于表面材料脆性断裂的结果，但也可以是反复应力作用而产生疲劳破坏所致。

所以磨粒磨损过程可能是磨粒对摩擦表面产生的切削作用、塑性变形和疲劳破坏作用或脆性断裂的结果，还可能是它们综合作用的反映，而以某一损害作用为主。

三、实验仪器及材料

MLS-225湿式橡胶轮磨粒磨损试验机1台

电子天平

实验用材料：

低碳钢

四、实验内容与步骤

（1）样安装后，将1000g的水和1500g的石英砂倒入试验箱中；

（2）在70N载荷、100rpm转速条件下，进行1000r的跑合，经丙酮清洗晾干后，用电子天平称重，作为被测试样的原始重量，随即开始正式磨损试验；

（3）在一定载荷、一定转速条件下进行一段时间的磨损，磨损完毕，磨损试样用丙酮清洗，晾干后称取重量，并计算磨损失重及磨损速率；

（4）观察磨损表面宏观形貌。

五、实验报告

（1）简述磨损实验方法；

（2）计算磨损失重及磨损速率，并结合磨损表面的形貌观察分析材料的磨损机理。