材料力學(xué)性能試驗指導(dǎo)書_圖文

1、金屬力學(xué)性能實驗指導(dǎo)書（上冊）董立新 戴光澤 劉志農(nóng) 劉力菱編西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院二七年目 錄目 錄 - 1 -實驗一 - 2 -系列缺口試樣靜拉伸實驗及斷口形貌觀察 - 2 -實驗二 - 7 -硬 度 測 定 實 驗 - 7 -3.5肖氏硬度測試實驗 - 11 -4. 實驗方法及結(jié)果處理 - 12 -4.2洛氏硬度測試實驗 - 14 - 試驗條件 - 14 - 試驗方法及數(shù)據(jù)處理 - 14 -4.3維氏硬度測試實驗 - 15 - 試驗條件 - 15 - 試驗方法及數(shù)據(jù)處理 - 15 -5. 實驗內(nèi)容及步驟 - 16 -實驗三 - 22 -彎曲沖擊實驗及韌脆轉(zhuǎn)變溫度測定 - 22

2、-5 實驗注意事項 - 23 -6. 實驗報告 - 24 -參考文獻 - 25 -實驗四 - 26 -斷裂韌度KIC測定實驗 - 26 -3.1 試樣的尺寸確定： - 27 -3.2 試樣的制備 - 28 -實驗思考題 - 34 -實驗一系列缺口試樣靜拉伸實驗及斷口形貌觀察1. 實驗?zāi)康?.1了解材料在硬性應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中情況下的脆性趨向。1.2了解試樣缺口幾何形狀對拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線、材料強度、塑性以及斷口形貌的影響。2. 實驗設(shè)備及試樣2.1設(shè)備和儀器（1） 材料拉伸試驗機（2） 測量顯微鏡（3） 游標卡尺2.2試樣試樣材料為45鋼，正火處理。試樣采用比例長試樣。按圖1.1所示形狀加工成具

3、有不同缺口形狀的缺口拉伸試樣和光滑拉伸試樣。3. 實驗步驟3.1了解拉伸試驗機的結(jié)構(gòu)和原理，掌握操作方法。3.2將各拉伸試樣進行編號放置，以便后續(xù)實驗測試數(shù)據(jù)對應(yīng)。3.3用游標卡尺分別測定各試樣測試部位內(nèi)最小直徑d0，并填入實驗記錄表（見附表）。3.4分別標定各試樣標距l(xiāng)0=100mm。對缺口拉伸試樣，缺口部位應(yīng)包括在標距內(nèi)。3.5分別安裝試樣在試驗機上進行拉伸實驗加載。在實驗中，拉伸速度應(yīng)為10-30n/mm2s，加載必須平穩(wěn)而無沖擊。記錄拉伸最大載荷pb值，同時由試驗機自動繪出放大倍數(shù)n不低于50倍的拉力-伸長曲線p-l。3.6屈服載荷ps的測定。在本實驗中采用規(guī)定殘余伸長應(yīng)力的測定方法。

4、在拉力-伸長曲線p-l上，自彈性直線段與伸長坐標軸的交點起確定一等于0.2·l0·n規(guī)定殘余伸長的點，再從該點作彈性直線段的平行線與拉伸曲線交于另一點，對應(yīng)于另一點的載荷即為屈服載荷ps。3.7拉伸斷裂載荷pk的測定。根據(jù)拉力-伸長曲線p-l上的斷裂點所對應(yīng)的載荷確定。3.8試樣拉伸后標距l(xiāng)k的測定。將拉斷后試樣的兩截緊密對接起來，盡量使軸線處于一條直線上，用游標卡尺測量拉伸后的標距長度值lk（沿圓周方向間隔90°的兩個位置測量，取算術(shù)平均值）。若斷口處有縫隙，則此縫隙也應(yīng)計入拉斷后的標距長度內(nèi)。3.9試樣斷裂最小直徑dk的測定。取斷后的一截試樣，再讀數(shù)顯微鏡下測

5、量最小直徑dk之值（沿圓周方向間隔90°的兩個位置測量，取算術(shù)平均值）。對光滑試樣，可取斷后帶有剪切唇的一截試樣，用游標卡尺測量頸縮后最小直徑dk之值。3.10對比觀察各種試樣的端口，也可以在10倍放大下觀察，鑒別斷口區(qū)域。在讀數(shù)顯微鏡下估測纖維區(qū)的面積。圖1.1 系列拉伸試樣示意圖4. 實驗報告4.1 簡述拉伸實驗原理及應(yīng)力集中的應(yīng)力狀態(tài)。原理：4.2按相同放大比例在同一坐標系中繪制出各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變-曲線。4.3計算各試樣的強度指標：屈服強度0.2、抗拉強度b、斷裂真實應(yīng)力Sk和塑性指標：伸長率、斷面收縮率以及各試樣缺口敏感性指標NSR。填寫入拉伸實驗記錄表（見附表-1）。4.

6、4計算出纖維區(qū)所占斷口總面積的百分數(shù)，并繪出宏觀斷口形貌示意圖。5. 分析思考5.1分析本實驗中各試樣缺口的敏感性變化。5.2分析缺口尖銳程度對應(yīng)力-應(yīng)變-曲線、強度、塑性及斷口形貌的影響。參考資料1. GB228 金屬拉伸試驗方法；2. 束德林主編. 工程材料力學(xué)性能. 機械工業(yè)出版社. 2006；3. 金屬斷口分析，上海交通大學(xué)編，國防工業(yè)出版社。實驗數(shù)據(jù)記錄附表-1系列缺口試樣靜拉伸實驗數(shù)據(jù)記錄表試樣材料實驗溫度實驗設(shè)備時 間項目試樣編號123456原始數(shù)據(jù)(°d0(mmPs(KNPb(KNPk(KNdk(mmlk(mm計算數(shù)據(jù)0.2（MPa）b(MPaSk(MPa(NSR宏觀

7、斷口斷口示意圖纖維區(qū)面積的百分數(shù)實驗二硬 度 測 定 實 驗1. 實驗?zāi)康?.1 掌握布氏、洛氏、維氏、顯微維氏和肖氏硬度的試驗原理、測定方法及其應(yīng)用。1.2 了解布氏、洛氏、維氏、顯微維氏和肖氏硬度計的構(gòu)造及使用。1.3 感性驗證認識：微觀硬度與宏觀硬度的關(guān)系；硬度與抗拉強度的近似關(guān)系。2. 實驗設(shè)備、儀器及材料2.1 設(shè)備儀器（1）布、洛氏兩用硬度計（見圖2.1）（2）維氏硬度計（見圖2.2）（3）顯微維氏硬度計（見圖2.3）（4）肖氏硬度計（見圖2.4）（5）讀數(shù)測量顯微鏡2.2 材料（1）鑄鐵 （2）45鋼（退火）（3）45鋼（淬火+回火） （4）高速鋼刀具（5）20滲碳淬火鋼零件 （

8、6）硬質(zhì)合金刀片（7）黃銅（退火） （8）一截鋼軌 圖2.1布、洛氏兩用硬度計 圖2.2 維氏硬度計 圖2.3 顯微維氏硬度計 圖2.4 肖氏硬度計 3. 實驗原理及適用范圍3.1 布氏硬度測試實驗（Brinell Hardness）試驗原理：用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以一定的試驗力F（N），將其壓入試樣表面（圖2.5），經(jīng)規(guī)定保持時間t（s）后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。求得單位壓痕球形表面積上的試驗力就是布氏硬度值，用HB表示，其計算公式為：其中A壓痕球形面積（mm2）;d壓痕平均直徑（mm）;適用范圍：布氏硬度試驗主要用于室溫下黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于

9、退火、正火鋼鐵零件的硬度測試。國家標準GB6270-86金屬布氏硬度試驗法，范圍：<450HB (650HB，HBS表示用淬火鋼球，適用于硬度值在450以下的材料，HBW表示用鎢合金鋼球，適用于硬度值在450以上的材料。圖2.5 布氏硬度實驗原理圖3.2洛氏硬度測試實驗（Rockwell Hardness）：在先后兩次施加負荷（預(yù)負荷F0和主負荷F1）的作用下，將標準型的壓頭（金剛石圓錐壓頭或鋼球壓頭）壓入試樣的表面，即在加完總負荷F（）保持一定的時間，并卸除主負荷，保留預(yù)負荷的情況下，用計量主負荷作用下所產(chǎn)生的殘余壓入深度e來表示金屬材料抵抗塑性變形的能力，如圖2.6所示。e值越大金屬

10、的硬度越低，反之則硬度越高。洛氏硬度值用HR表示，并在符號后面注以所常用標尺A、B、C等。洛氏硬度試驗常用標尺所對應(yīng)的壓頭、負荷硬度計算公式及應(yīng)用見表2-1圖2.6 洛氏硬度實驗原理圖表2-1 洛氏硬度常用標尺所對應(yīng)的壓頭、負荷、計算及應(yīng)用舉例標尺壓頭預(yù)負荷/N總負荷/N硬度值計算公式應(yīng)用舉例A金剛石圓錐角120°頂端球面半徑0.2mm98588硬質(zhì)合金、滲碳鋼C1471淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、硬鑄鐵B直徑1.588mm的鋼球98980軟鋼，鋁合金 、銅合金、可鍛鑄鐵備注：e的單位為m。：洛氏硬度試驗主要用于室溫下金屬材料熱處理后的產(chǎn)品硬度測試，測量范圍為2067HRC；6085HRA；25

11、100HRB，測試標準為GB/T230-91金屬洛氏硬度試驗方法。3.3 維氏硬度測試實驗（Vickers hardness）試驗原理：以一相對兩面夾角為136°的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定的負荷作用下，壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保荷時間卸除負荷后，計量殘留壓痕兩對角線長度（如圖2.7）、并由此求出平均值。由實驗負荷與殘留壓痕表面積之商計算出維氏硬度值。維氏硬度值用HV表示，其計算公式為：（N/mm2）圖2.7 維氏硬度實驗原理示意圖：維氏硬度試驗主要用于在室溫下薄板材或金屬表層的硬度測定以及較精確的硬度測定。適用測量范圍為81000HV。測量標準有GB4340-84金屬維氏硬度試驗方

12、法和GB5030-85金屬小負荷維氏硬度試驗方法（表面硬度）。3.4 顯微維氏硬度測試實驗136°的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定的微小負荷作用下，壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保荷時間卸除負荷后，計量殘留壓痕兩對角線長度（如圖2.8）、并由此求出平均值。計算出單位殘留壓痕表面積上試驗負荷值即為顯微維氏硬度值。顯微維氏硬度值用HV表示，其計算公式同維氏硬度的計算公式。適用范圍:顯微維氏硬度試驗主要用于在室溫下測定金屬材料的顯微組織組分或相組分的硬度。適用測量范圍為82000HV，測量標準為GB/T4342-91金屬顯微硬度試驗方法。3.5肖氏硬度測試實驗HS表示，并在符號后注以C、D型號。其計

13、算公式為：式中K系數(shù)，C型硬度；D型硬度；h1沖頭自由下落的高度，mm；h2沖頭落于試樣表面后的回彈高度，mm。C、D肖氏硬度的技術(shù)參數(shù)如表2-2所示：表2-2 C、D型肖氏硬度技術(shù)參數(shù)項目C型D型沖頭重量（N）0.02310.3550下落高度h1（mm）25419沖擊速度（m/s）2.230.61回彈高度h2(mm165.112.35適用范圍：肖氏硬度試驗主要用于在室溫條件下測定精度要求不高的金屬及合金大型工件的硬度測試。4. 實驗方法及結(jié)果處理4.1 布氏硬度測試實驗： 試驗條件（1）試樣表面應(yīng)制成光滑的平面，表面粗糙度不大于0.8。實驗面的制備方式應(yīng)與材料和試驗條件相適應(yīng)。（2）試樣厚度

14、應(yīng)不小于壓痕深度的10倍。如有關(guān)技術(shù)條件另有規(guī)定時，則其厚度可為不小于壓痕深度的8倍。3）壓頭直徑、負荷大小與保荷時間的確定應(yīng)根據(jù)試樣預(yù)期硬度和厚度按表2-3選擇。 表2-3 壓頭直徑、負荷大小與保荷時間的確定材 料布氏硬度值范圍（HB）試樣厚度/mm負荷F與壓頭直徑D的關(guān)系壓頭直徑/mm負荷F/N黑色金屬140-6506-34-2<210.05.02.52942073551839<140>66-3<310.05.02.598072452613有色金屬>1306-34-2<210.05.02.5294207355183936-1309-36-3<310

15、.05.02.5980724526138-35>66-3<310.05.02.52452613153（1）試驗時，壓痕中心距試樣邊緣的距離應(yīng)大于或等于2.5d，試樣兩相鄰壓痕中心的距離應(yīng)大于或等于4d。實驗硬度小于350HB的金屬時，上述距離應(yīng)分別為3d和6d。（2）試驗后壓痕直徑的大小應(yīng)在下列范圍內(nèi)：0.2Dd0.6D 。如不符合上述條件時，試驗結(jié)果無效，應(yīng)選用相應(yīng)的負荷重新試驗。（3）用直徑為10、5mm的鋼球進行試驗時，其壓痕直徑的計量應(yīng)精確到0.02mm，如用直徑2.5mm的鋼球則為0.01mm。（4）壓痕直徑應(yīng)從兩相互垂直方向計量，并取其算術(shù)平均值。壓痕兩直徑之差應(yīng)不超過

16、較小直徑的2。4.2洛氏硬度測試實驗 試驗條件（1）試樣應(yīng)制成光滑的表面，其表面粗糙度不大于0.8。（2）彎曲表面的試樣，當實驗面的曲率半徑小于20mm時，硬度值必須給與修正。（3）試樣應(yīng)具有一定的厚度，必須使壓痕不致在試樣支承面上引起任何可見的變形。其最小厚度應(yīng)大于卸除主負荷后壓頭壓入深度的10倍。 試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）施加預(yù)負荷，試樣應(yīng)向上移動至預(yù)負荷全部加上為止，如指示器超過硬度計說明書規(guī)定的標志時，則應(yīng)卸除預(yù)負荷重新選點實驗。（2）施加主負荷時，加荷壓入時間為48s，總負荷保持時間為225s；具體由加荷后隨時間變形的程度而定。（3）主負荷應(yīng)于2s內(nèi)平穩(wěn)卸除，并立即從刻度盤相應(yīng)的標尺

17、上讀數(shù)，讀數(shù)精度應(yīng)為0.2HR。（4）試樣上兩相鄰壓痕中心及壓痕中心至試樣邊緣的距離應(yīng)不小于壓痕直徑的三倍。（5）每次更換壓頭、載樣臺或支座后的最初兩次試驗結(jié)果不予采用。4.3維氏硬度測試實驗 試驗條件（1）試樣表面應(yīng)為光滑平面，其表面粗糙度不大于0.40。（2）試樣測試面應(yīng)為平面，如果必須在曲面上進行硬度實驗時，測得的硬度值必須給與修正。（3）試樣或表面層的最小厚度應(yīng)大于壓痕對角線長度的1.5倍。試驗后，試驗背面不應(yīng)有可見的變形痕跡。試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）負荷保持時間黑色金屬為1015s；有色金屬為30±2s。（2）試樣上兩相鄰壓痕中心及壓痕中心到試樣邊緣的距離不應(yīng)小于壓痕對角線

18、的2.5倍。(3壓痕兩對角線之差與其中較短的對角線之比應(yīng)不大于2。（4）在更換壓頭、載樣臺的最初兩次試驗結(jié)果不予采用。4.4 顯微維氏硬度測試實驗試驗條件（1）試樣的試驗表面必須光滑，其表面粗糙度不大于0.2。一般將試樣經(jīng)拋光處理。（2）試樣的最小厚度應(yīng)大于壓痕對角線長度的1.5倍；對于銅、鋁等軟金屬應(yīng)為3倍。 試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）試樣應(yīng)平穩(wěn)地安置在載樣臺上，試驗時不得產(chǎn)生任何位移和振動。（2）加載時應(yīng)平穩(wěn)而緩慢，加載速度為5060m/s。對于在硬度試驗時塑性行為與時間無關(guān)的式樣（鋼鐵材料、強度較高的有色金屬），保荷時間為1015s；對于試驗時塑性行為與時間有關(guān)的試樣，保荷時間至少為30s

19、。（3）兩相鄰壓痕中心及壓痕中心到試樣邊緣的距離不應(yīng)小于壓痕對角線的2倍。（4）壓痕對角線長度計量精度的允許誤差應(yīng)不大于對角線長度的1。4.5肖氏硬度測試實驗試驗條件（1）試樣表面應(yīng)為平面，表面粗糙度不大于1.6。（2）試樣的重量應(yīng)大于0.1Kg，厚度不應(yīng)小于2mm。（3）試樣不得有磁性。試驗方法及數(shù)據(jù)處理（1）試樣應(yīng)穩(wěn)固地放置在載樣臺上，測試大工件時，應(yīng)將硬度計垂直、穩(wěn)固地放在工件上。（2）試驗時兩相鄰壓痕間距應(yīng)大于0.5mm，壓痕離試樣邊緣應(yīng)大于6mm。（3）每一試樣至少應(yīng)進行五次測試（五次示值中最大最小值之差不超過5個單位），以其算術(shù)平均值作為試樣的試驗結(jié)果。5. 實驗內(nèi)容及步驟5.1了

20、解各種硬度計的構(gòu)造、作用原理、使用方法、操作規(guī)程和安全注意事項。5.2 對各種試樣選擇合適的實驗方法和儀器，確定試驗條件。根據(jù)試驗和試樣條件選擇壓頭和載荷。5.3 用標準硬度塊校驗硬度計。校驗的硬度值不應(yīng)超過標準硬度塊硬度值的允許示值誤差，見表2-4。5.4 測定鑄鐵、45鋼（退火）和黃銅（退火）試樣的布氏硬度。在布洛兩用硬度計上（用布氏硬度）確定測量壓頭、負荷、保荷時間等參數(shù)后，壓出壓痕，然后用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑d，通過公式計算或查表得到HB值。每個試樣至少測試三點，以各點測得結(jié)果的算術(shù)平均值作為該試樣的布氏硬度值。在布洛兩用硬度計上（用洛氏硬度）測量得HRC值。5.5 測定45鋼（淬火

21、+回火）、高速鋼刀具和20號滲碳淬火鋼零件的洛氏硬度值。5.6 測定硬質(zhì)合金刀片和45鋼（淬火+回火）的維氏硬度值。在維氏硬度計上確定測量負荷、保荷時間等參數(shù)后，先壓出壓痕，然后測量壓痕對角線長度d，最后通過計算或查表得到HV值。5.7 測定45鋼（退火）中鐵素體和珠光體組織的顯微硬度值。在顯微維氏硬度計上，確定相應(yīng)負荷和保荷時間等參數(shù)后，分別在鐵素體和珠光體組織上打上壓痕，然后測量壓痕對角線長度，再通過公式計算或查表得到顯微維氏硬度值。5.8 測定20鋼板和45鋼（淬火+回火）的肖氏硬度值。在肖氏硬度計上分別測試鋼軌和45鋼（淬火+回火）的C型肖氏硬度值。表2-4 硬度值計的允許示值誤差硬度

22、種類示值范圍允許示值誤差布氏硬度當負荷1839N當負荷<1839N<±3%<±4%洛氏硬度60-85HRA40-65HRC25-35HRC75-95HRB40-60HRB±1.0±1.0±1.2±1.2±1.5維氏硬度當負荷>98N當負荷98N±2.0%±3.0%顯微維氏硬度當負荷為4.9N和9.8N時，700-800HV當負荷為1.96N時，700-800HV當負荷為0.98N時，400-500HV當負荷為0.49N時，200-300HV±3.0%±4.0%&

23、#177;4.0%±5.0%肖氏硬度HSD±2.56. 實驗報告6.1 簡述各種硬度的試驗原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用。6.2 將各試驗數(shù)據(jù)填入實驗記錄表中。各種硬度實驗記錄表如下附表-2：7. 分析思考7.1 按混合律，用所測得的鐵素體和珠光體組織的顯微硬度值以及兩組織所占比例估算45鋼（退火）硬度，并與所測得該材料布氏硬度值對比。7.2 根據(jù)參考文獻3由45鋼、黃銅的HB值查表得到抗拉強度值，與其實際值對比。7.3 根據(jù)不同硬度換算表對比不同組織與硬度的關(guān)系。7.4 分析用布氏硬度試驗方法能否直接測試成品或較薄的工件。參考文獻1. 金屬硬度試驗方法有關(guān)國家標準及有關(guān)計量檢定規(guī)程；

24、2. 束德林主編. 工程材料力學(xué)性能. 機械工業(yè)出版社. 2006；3. 金屬機械性能試驗常用數(shù)據(jù)手冊（第二版），姚啟均編，機械工業(yè)出版社，1985，9。實驗數(shù)據(jù)記錄附表-2表2-5 布氏硬度實驗記錄試 樣壓痕直徑d（mm）/ 硬度值試樣的硬度值材 料狀 態(tài)1點2點3點45鋼退火鑄鐵鑄態(tài)黃銅退火表2-6 洛氏硬度實驗記錄試 樣硬 度 值材 料狀 態(tài)1點2點3點平均值45鋼淬火+回火高速鋼刀片淬火+回火20鋼零件滲碳+淬火表2-7 維氏和顯微維氏硬度實驗記錄試 樣對角線長度（mm）/HV試樣硬度值材 料狀 態(tài)組 織硬質(zhì)合金刀片45鋼淬火+回火45鋼退火鐵素體組織珠光體組織表2-8 肖氏硬度實驗記

25、錄試 樣硬 度 值材 料狀 態(tài)1點2點3點4點5點平 均 值20鋼板冷軋45號鋼淬火+回火實驗三 彎曲沖擊實驗及韌脆轉(zhuǎn)變溫度測定1 實驗?zāi)康?.1 掌握低溫下金屬沖擊韌性測定的操作方法。1.2了解溫度對金屬沖擊韌性的影響及確定脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk的方法。2 實驗設(shè)備及試樣2.1設(shè)備、儀器（1）擺錘式?jīng)_擊試驗機（2）冷卻裝置（廣口保溫瓶、冷卻介質(zhì)為酒精加干冰）2.2 試樣試樣為GB/T229-1994規(guī)定10×10標準夏氏V型缺口試樣，如圖3.1所示。材料為45號鋼。圖3.1 10×10標準夏氏V型缺口試樣3 實驗原理將不同溫度的試樣水平放置在試驗機支座上（缺口位于沖擊相背方向）

26、，用有一定高度H1和一定質(zhì)量m的擺錘（即其具有一定位能mgH1）在相對零位能處沖斷試樣，擺錘剩余能量為mgH2,則測得擺錘沖斷各不同溫度試樣失去的位能，即為試樣變形和斷裂所消耗的沖擊吸收功Akv，從而反映溫度對金屬材料的沖擊韌性的影響。4. 實驗步驟4.1 制備低溫介質(zhì)。其溫度應(yīng)比實驗溫度低3，以補償試樣從取出到?jīng)_斷時溫度的回升。實驗溫度遵照GB2106-80和GB4159-84技術(shù)標準規(guī)定，為室溫到-75范圍內(nèi)的六種溫度。4.2冷卻試樣。試樣放入低溫介質(zhì)后，保溫時間不應(yīng)少于15分鐘。4.3檢查試驗機，校正指針的零點位置。4.4安裝低溫試樣。用特制夾子將試樣自保溫瓶取出放置到?jīng)_擊試驗機支座上，

27、要求動作迅速準確。（事先可以多次練習(xí)以達到要求）4.5進行沖擊試驗。4.6沖完后立即讀取，記錄沖擊功Akv值，將指針撥回零位。4.7找回沖斷試樣，觀察截面斷口上各區(qū)，并估算各區(qū)的面積比。5 實驗注意事項5.1 謹防人身安全事故。參加實驗人員一定要集中注意力，保持良好秩序。所有人員不得進入擺錘擺動平面內(nèi)及規(guī)定的危險區(qū)域。低溫試樣沖斷后不要立即用手拿，以免凍傷。5.2試樣從取出到放置好的時間不得超過5s，若已超出，應(yīng)放回保溫重做。5.3試樣放置需緊貼支座，缺口位于支座中心。6. 實驗報告6.1 簡述實驗原理及實驗操作。6.2記錄實驗數(shù)據(jù)，并填入如下實驗數(shù)據(jù)記錄表3-1。表3-1 彎曲沖擊實驗記錄表

28、試樣材料實驗設(shè)備實驗時間組 別實驗溫度沖擊功Akv/J123456平均值6.3作出Akv-T曲線。（根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制）6.4由Akv-T曲線確定脆性轉(zhuǎn)變溫度TK（）值。（采用能量法準則，即求出Akv=20.3J對應(yīng)的溫度V15TT）7. 分析思考7.1 溫度對金屬材料的沖擊韌性的影響趨勢。7.2 沖擊韌性與斷口形貌的關(guān)系。參考文獻1. 工程材料力學(xué)性能，束德林主編，機械工業(yè)出版社2. GB/T229-1994 金屬夏比（缺口）沖擊試驗方法3. GB/T12778-1991金屬夏比沖擊斷口測定方法4. GB4159-84 金屬低溫夏比沖擊試驗方法實驗四斷裂韌度KIC測定實驗1. 實驗?zāi)?/p>

29、的1.1了解金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC實驗的基本原理以及對試樣形狀和尺寸的要求；1.2掌握采用三點彎曲試樣測試KIC的方法及實驗結(jié)果的處理方法。2. 實驗設(shè)備及試樣2.1 設(shè)備及儀器：（1）高頻疲勞實驗機 （2）萬能材料試驗機（3）載荷傳感器 （4）夾式引伸計（5）動態(tài)應(yīng)變儀 （6）X-Y函數(shù)記錄儀（7）讀數(shù)顯微鏡 （8）游標卡尺2.2 試樣：采用GB4161金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法規(guī)定的三點彎曲試樣，試樣尺寸如圖4.1所示，材料為中、高碳鋼。試樣熱處理工藝為淬火+低溫回火，保證較高而KIC較低。圖4.1 三點彎曲試樣3. 實驗原理斷裂韌度KIC是金屬材料在平面應(yīng)變和小范圍屈

30、服條件下的裂紋失穩(wěn)擴展時應(yīng)力場強度因子KI的臨界值，它表征金屬材料抵抗斷裂的能力，是度量材料韌性的一個定量指標。斷裂韌度KIC的測試過程，就是把實驗材料制成一定形狀的試樣，并預(yù)制出相當于缺陷的裂紋，然后把試樣加載。在加載過程中，連續(xù)記錄載荷F與相應(yīng)的裂紋尖端張開位移V。裂紋尖端張開位移V的變化表示裂紋尚未起裂、已經(jīng)起裂、穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展的情況。當裂紋失穩(wěn)擴展時，記錄下的載荷FQ，再將試樣壓斷，測得預(yù)制裂紋長度a，由裂紋尖端應(yīng)力強度因子的表達式K得到臨界值，記作KQ，然后按規(guī)定判斷KQ是否為真正的KIC。K的表達式為：3. 試樣的制備3.1 試樣的尺寸確定：測得的KQ是否為真正的KIC，要看是

31、否滿足以下兩個條件要求：（1）；（2）如果符合上述兩個條件，KQ即為KIC；如果不符合，KQ不是KIC，須加大試樣尺寸，重新試驗。當KIC無法預(yù)估時，可以參考類似鋼種的數(shù)據(jù)，按標準GB4161規(guī)定的尺寸選擇辦法確定B。B確定后，則依標準試樣圖確定試樣其它尺寸和裂紋長度a及韌帶尺寸W-a。3.2 試樣的制備試樣可以從部件上切取，也可以從鑄、鍛件毛坯或原材料上切取。由于材料的斷裂韌度與裂紋取向和裂紋擴展方向有關(guān)，所以切取試樣時應(yīng)予以注明。試樣毛坯一般須經(jīng)粗加工-熱處理-磨削加工等工序，隨后用線切割開缺口和預(yù)制疲勞裂紋。為了保證后面預(yù)制的裂紋平直，缺口應(yīng)盡可能尖銳，一般要求尖端半徑為0.080.1m

32、m。a/W應(yīng)控制在0.450.55范圍內(nèi)。預(yù)制疲勞裂紋時，先在試樣的兩個側(cè)面上垂直于裂紋擴展方向用鉛筆畫兩條標線AB、CD，如圖4.2所示。預(yù)制疲勞裂紋開始時的載荷可以較大，但最大交變載荷也不應(yīng)使預(yù)制疲勞裂紋時的最大應(yīng)立場強度因子Kfmax超過材料的KIC估計值的80%。交變載荷的最小值應(yīng)使最小載荷和最大載荷在裂紋擴展最后階段（即在裂紋總長度最后的2.5%的距離內(nèi)），應(yīng)使Kfmax60%KIC，并且，同時調(diào)整最小載荷使載荷比在-10.1之間。預(yù)制疲勞裂紋過程中，要用讀數(shù)顯微鏡仔細監(jiān)視裂紋的發(fā)展，遇有試樣兩側(cè)裂紋發(fā)展深度相差較大時，可將試樣調(diào)轉(zhuǎn)方向繼續(xù)加載。圖4.2 預(yù)制疲勞裂紋時兩條標線的位置

33、4. 實驗步驟與方法4.1 測量試樣尺寸。在缺口附近至少3個位置上測量試樣的寬度W和試樣的厚度B。準確到0.025mm（取其中較大者），各取其平均值。4.2 試樣上粘貼刀口。在試樣缺口兩側(cè)對稱地用502瞬時膠水貼上兩片刀口。4.3 安裝彎曲試樣支座，使加力線通過跨距S的中點，偏差小于1%S。4.4放置試樣。應(yīng)使裂紋頂端在位于跨距的中心，偏差也不得超過1%S，而且試樣與支承輥的軸線應(yīng)成直角，偏差在±2º以內(nèi)。4.5 安裝引伸計。使刀口與引伸計兩臂前端的凹槽配合良好。4.6 將載荷傳感器和夾式引伸計的接線分別按“金橋法”接入動態(tài)應(yīng)變儀，并進行平衡調(diào)節(jié)。用動態(tài)輸出檔將載荷F及裂紋

34、尖端開位移V的輸出訊號分別接到函數(shù)記錄儀的“Y”和“X”接線柱上。調(diào)整好函數(shù)記錄儀的放大比例，使記錄的曲線線性部分的斜率在0.71.5之間，最好在1左右；再調(diào)整動態(tài)應(yīng)變儀和X-Y記錄儀的放大倍數(shù)使畫出的圖形大小適中。三點彎曲試樣的斷裂韌度實驗的示意圖如圖4.3所示。1-加載傳感器 2-試樣 3-夾式引伸計 4-信號放大器 5-函數(shù)記錄儀圖4.3 三點彎曲試樣斷裂韌度實驗4.7 開動試驗機，對試樣緩慢而均勻地加載，加載速率的選擇應(yīng)使應(yīng)力場強度因子的增加速度在17.487.0N/(mm3/2.s范圍內(nèi)。在加載的同時記錄F-V曲線，直到試樣所能承受的最大力后停止。此外，在加載過程中，還應(yīng)在F-V曲線

35、上記錄任一初始力和最大力的數(shù)值（由試驗機表盤讀取），以便對F-V曲線上的力值進行標定。4.8 試驗結(jié)束后，取下引伸計，壓斷試樣。將壓斷后的試樣在讀數(shù)顯微鏡下測量裂紋長度a。由于裂紋前沿不平整，規(guī)定在B/4、B/2、3B/4的位置上測量裂紋長度a2、a3及a4，見圖4.4所示。各測量值準確到裂紋長度a的0.5%，取其平均值作為裂紋長度。要求a2、a3、a4中任意兩個測量值之差以及a1與a5之差都不得大于a的10%，否則實驗結(jié)果無效。圖4.4 裂紋長度的測量位置5. 實驗結(jié)果的分析及處理5.1 確定裂紋失穩(wěn)擴展時的條件臨界力值FQ測定材料的F-V曲線有三種基本形式，如圖4.5所示。對強度高、塑性低

36、的材料，加載初始階段，呈直線關(guān)系，當載荷達到一定程度，試樣突然斷裂，曲線突然下降，得到曲線I，這時曲線最大載荷就是計算KIC的FQ；對韌性較好的材料，曲線首先依直線關(guān)系上升到一定值后，突然下降，出現(xiàn)“突進”點，旋而上升，直到某一更大載荷，試樣才完全斷裂，如曲線II；對韌性更好的材料，得到F-V曲線III。對曲線II、III兩種情況，在國標中規(guī)定從坐標原點作比實驗曲線斜率小5的斜線與實驗曲線相交，得到一點F5，如果F5以左曲線上有載荷點高于F5的，即以F5以左得最高載荷為FQ；如果F5以左曲線上無載荷點高于F5的，即以F5為FQ，以計算KQ。圖4.5 F-V曲線的三種基本類型5.2 計算條件斷裂

37、韌性KQ將得到的FQ和測量得到的預(yù)制裂紋長度a值代入應(yīng)力強度因子KI表達式計算KQ。注意在測量預(yù)制裂紋長度a時，斷口上的預(yù)制裂紋線并不是一平直的線，而是一弧線，按4.8規(guī)定方法測定。5.3 判別KIC有效性測得的KIC是否有效，要看其是否滿足以下兩個條件：（1）（2）如果符合上述兩項條件，KQ即KIC；如不符合，則KQ不是KIC。6. 實驗報告6.1 簡述三點彎曲試樣測試KIC的原理及實驗過程。6.2 畫出試樣斷口形貌圖。6.3 將所測得試樣的試驗數(shù)據(jù)填入試驗記錄表4-1，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析計算。表4-1 斷裂韌度試驗記錄表試樣材料熱處理試樣尺寸/mm缺口形狀缺口寬度/mm缺口深度/mm斷裂韌度/7. 分析思考7.1 根據(jù)試驗測得的F-V曲線，分析材料的斷裂韌度KIC與強度、塑性以及沖擊韌性之間的關(guān)系。7.2 三點彎曲試樣是如何保證材料斷裂韌度KIC的測定。7.3 影響材料的斷裂韌度KIC測定的因素。參考資料1. GB4161金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法2. 褚武揚編著. 斷裂力學(xué)基礎(chǔ). 北京科學(xué)出版社，19793. 束德林主編. 工程材料力學(xué)性能. 機械工業(yè)出版社. 20064. 石德珂，金志浩. 材料力學(xué)性能. 西安