材料失效分析實驗指導(dǎo)書

1、實驗一 常見材料失效形式與分析一、實驗?zāi)康挠^察常用材料在不同加載形式下的破壞現(xiàn)象，測定其主要的力學(xué)性能指標(biāo)，并對其斷口進行宏觀和微觀分析，從而確定材料在不同加載形式下的失效形式，以培養(yǎng)學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)材料斷裂失效分析的綜合能力。二、實驗內(nèi)容工程結(jié)構(gòu)材料的失效形式通常為斷裂、腐蝕、磨損，其中斷裂是常見的失效形式之一。材料的斷裂按照斷裂路徑可劃分為正斷和韌斷。正斷是在正應(yīng)力作用下材料原子面間的結(jié)合力被破壞，斷裂無明顯的宏觀變形，微觀斷口具有結(jié)晶學(xué)特征；韌斷是在切應(yīng)力作用下材料內(nèi)位錯的滑移導(dǎo)致滑移面分離而斷裂，斷裂具有明顯的宏觀變形，斷裂特征為滑移蛇形花樣，工程結(jié)構(gòu)材料的實際斷裂往往是二者的結(jié)合。本實

2、驗的內(nèi)容：1常用材料在拉伸、沖擊和疲勞實驗中斷裂性能指標(biāo)測試與分析2幾種斷口的宏觀與微觀分析三、實驗材料與設(shè)備1試驗材料為45鋼2PLD-50KN-250NM拉扭疲勞試驗機一臺3JB-30B沖擊試驗機一臺4SM1體視顯微鏡一臺5數(shù)碼照相機6游標(biāo)卡尺四、試驗原理與試樣制備1.拉伸試驗：對一定形狀的試樣施加軸向拉力F至試樣斷裂，便可測出表征金屬材料的屈服性能指標(biāo)、強度性能指標(biāo)及塑性性能指標(biāo)。按GB228-87將試驗材料加工為如圖1所示的圓形拉伸試樣。圖1 圓形拉伸試樣試驗方法中規(guī)定金屬拉伸試件通常采用圓形和板狀兩種試樣，如圖1所示的圓形試樣對于比例試件，對圓截面試件規(guī)定10或5對板狀試件，規(guī)定 =

3、11.3或5.65式中l(wèi)0 試件的標(biāo)距d0試件直徑（取標(biāo)距內(nèi)三處最小的一處平均值）A0板試件橫截面積本實驗采用圓截面比例試樣。2沖擊試驗：該實驗是一種動態(tài)力學(xué)試驗。它是將一定形狀尺寸的帶U型或V型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下折斷，以測定其沖擊功和沖擊韌性的一種試驗方法。按GB229-94將試驗材料加工尺寸為10mm´10mm´55mm的V形缺口試樣，如圖2所示。圖2 沖擊試樣尺寸3疲勞試驗：金屬材料在交變應(yīng)力長期作用下發(fā)生局部累計損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱做疲勞破壞。疲勞試驗是通過實驗測定材料S-N曲線（疲勞曲線），從而建立最大應(yīng)力max或者應(yīng)力振幅a與其相

4、應(yīng)斷裂循環(huán)周次N之間的關(guān)系曲線。本試驗采用光滑圓柱疲勞試樣，如圖3所示。圖3 光滑圓柱疲勞試樣五、實驗步驟1.拉伸實驗將試樣安裝在試驗機的上下夾頭中，加載后，觀察試樣的受力、變形直至破壞的全過程。試驗機的自動繪圖裝置畫出試樣的拉伸圖，實驗中可直接從測力度盤讀下屈服載荷Ps和破壞前試樣所能承受的最大載荷Pb，由以下兩式算得兩個主要強度指標(biāo)為：屈服極限：強度極限：其中：A0為試樣原始橫截面面積。試件拉斷后，測量拉斷后的標(biāo)距部分長度和拉斷后頸縮處的最小直徑。由以下兩式算得其主要塑性指標(biāo)：延伸率： 截面收縮率： 式中：A1為試樣拉斷后，頸縮處之最小截面積l0為試樣之原始標(biāo)距長度l1為試樣拉斷后標(biāo)距長度

5、使用數(shù)碼相機拍攝斷口宏觀形貌，利用體式顯微鏡觀察其斷口特征，分析其斷裂形式。2沖擊實驗（1）測量試件缺口處尺寸，測三次，取平均值，計算出橫截面面積。（2）檢查回零誤差和能量損失：正式試驗前在支座上不放試件的情況下“空打”；a取擺：按“取擺”鍵，擺錘逆時針轉(zhuǎn)動揚至最高位置，掛擺；b沖擊：按“沖擊”鍵，掛/脫擺機構(gòu)動作，擺錘靠自重繞軸開始進行沖擊；c放擺：按住“放擺”鍵直至擺錘轉(zhuǎn)至垂直位置時松開，擺錘便自動停擺；（3）正式試驗：按“取擺”鍵，擺錘逆時針轉(zhuǎn)動上揚，觸動限位開關(guān)后由掛擺機構(gòu)掛?。粚⒈肀P指針撥到讀盤下刻線右端，此時可在支座上放置試件（注意試件缺口對中并位于受拉邊）；然后順序執(zhí)行 “沖擊”

6、、“放擺”動作；在表盤上直接讀該試件的沖擊吸收功和相應(yīng)的沖擊韌度值。（4）擺錘抬起后，嚴(yán)禁在擺錘擺動范圍內(nèi)站立、行走和放置障礙物。使用數(shù)碼相機拍攝斷口宏觀形貌，利用體式顯微鏡觀察其斷口特征，分析其斷裂形式。3疲勞實驗（1）打開控制器、計算機，運行測試軟件。（2）夾持試樣。當(dāng)油壓為3-5MPa時，調(diào)整橫梁位置；在位移控制方式下，裝夾試樣。（3）試驗：a參數(shù)設(shè)置：包括試樣類型，試驗頻率，加載應(yīng)力x和等；相應(yīng)的應(yīng)力比r、應(yīng)力幅同時確定。試驗過程加載波形如圖4所示。圖4 疲勞實驗加載波形b調(diào)節(jié)油壓到10MPa，開始試驗，直至試樣斷裂。c計算機自動記錄實驗數(shù)據(jù)。（4）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)計算機紀(jì)錄數(shù)據(jù)作S-N

7、曲線，如圖5所示。圖5 S-N曲線使用數(shù)碼相機拍攝斷口宏觀形貌，利用體式顯微鏡觀察其斷口特征，分析其斷裂形式。六、實驗數(shù)據(jù)記錄1拉伸實驗材料強 度 指 標(biāo)塑 性 指 標(biāo)屈服極限（MPa）強度極限（MPa）延伸率(%)截面收縮率(%)45鋼37547814582疲勞實驗材 料應(yīng)力比r應(yīng)力幅a疲勞壽命NfS135-18KN,7KN.m8888S135-18KN,7KN.m150267七、實驗研討1.不同加載形式下常見材料性能的測試方法。2.根據(jù)試樣斷口的宏觀和微觀特征簡要分析其失效形式及原因。材料失效分析實驗報告班級： 姓名： 學(xué)號： 實驗日期： 教師評定：實驗一：常見材料失效形式與分析1實驗?zāi)康?實驗設(shè)備3實驗數(shù)據(jù)記錄（1）拉伸實驗材料強 度 指 標(biāo)塑 性 指 標(biāo)屈服極限（MPa）強度極限（MPa）延伸率(%)截面收縮率(%)（2）疲勞實驗材料應(yīng)力比R應(yīng)力幅a疲勞壽命Nf4.根據(jù)失效分析的基本理論，結(jié)合斷口的宏觀和微觀形貌照片，對材