材料失效分析实验指导书.doc

实验一 常见材料失效形式与分析一、实验目的观察常用材料在不同加载形式下的破坏现象，测定其主要的力学性能指标，并对其断口进行宏观和微观分析，从而确定材料在不同加载形式下的失效形式，以培养学生对工程结构材料断裂失效分析的综合能力。二、实验内容工程结构材料的失效形式通常为断裂、腐蚀、磨损，其中断裂是常见的失效形式之一。材料的断裂按照断裂路径可划分为正断和韧断。正断是在正应力作用下材料原子面间的结合力被破坏，断裂无明显的宏观变形，微观断口具有结晶学特征；韧断是在切应力作用下材料内位错的滑移导致滑移面分离而断裂，断裂具有明显的宏观变形，断裂特征为滑移蛇形花样，工程结构材料的实际断裂往往是二者的结合。本实验的内容：1常用材料在拉伸、冲击和疲劳实验中断裂性能指标测试与分析2几种断口的宏观与微观分析三、实验材料与设备1试验材料为45钢2PLD-50KN-250NM拉扭疲劳试验机一台3JB-30B冲击试验机一台4SM1体视显微镜一台5数码照相机6游标卡尺四、试验原理与试样制备1.拉伸试验：对一定形状的试样施加轴向拉力F至试样断裂，便可测出表征金属材料的屈服性能指标、强度性能指标及塑性性能指标。按GB228-87将试验材料加工为如图1所示的圆形拉伸试样。图1 圆形拉伸试样试验方法中规定金属拉伸试件通常采用圆形和板状两种试样，如图1所示的圆形试样对于比例试件，对圆截面试件规定10或5对板状试件，规定 =11.3或5.65式中l0 试件的标距d0试件直径（取标距内三处最小的一处平均值）A0板试件横截面积本实验采用圆截面比例试样。2冲击试验：该实验是一种动态力学试验。它是将一定形状尺寸的带U型或V型缺口的试样，在冲击载荷作用下折断，以测定其冲击功和冲击韧性的一种试验方法。按GB229-94将试验材料加工尺寸为10mm10mm55mm的V形缺口试样，如图2所示。图2 冲击试样尺寸3疲劳试验：金属材料在交变应力长期作用下发生局部累计损伤，经一定循环次数后突然发生断裂的现象称做疲劳破坏。疲劳试验是通过实验测定材料S-N曲线（疲劳曲线），从而建立最大应力max或者应力振幅a与其相应断裂循环周次N之间的关系曲线。本试验采用光滑圆柱疲劳试样，如图3所示。图3 光滑圆柱疲劳试样五、实验步骤1.拉伸实验将试样安装在试验机的上下夹头中，加载后，观察试样的受力、变形直至破坏的全过程。试验机的自动绘图装置画出试样的拉伸图，实验中可直接从测力度盘读下屈服载荷Ps和破坏前试样所能承受的最大载荷Pb，由以下两式算得两个主要强度指标为：屈服极限：强度极限：其中：A0为试样原始横截面面积。试件拉断后，测量拉断后的标距部分长度和拉断后颈缩处的最小直径。由以下两式算得其主要塑性指标：延伸率： 截面收缩率： 式中：A1为试样拉断后，颈缩处之最小截面积l0为试样之原始标距长度l1为试样拉断后标距长度使用数码相机拍摄断口宏观形貌，利用体式显微镜观察其断口特征，分析其断裂形式。2冲击实验（1）测量试件缺口处尺寸，测三次，取平均值，计算出横截面面积。（2）检查回零误差和能量损失：正式试验前在支座上不放试件的情况下“空打”；a取摆：按“取摆”键，摆锤逆时针转动扬至最高位置，挂摆；b冲击：按“冲击”键，挂/脱摆机构动作，摆锤靠自重绕轴开始进行冲击；c放摆：按住“放摆”键直至摆锤转至垂直位置时松开，摆锤便自动停摆；（3）正式试验：按“取摆”键，摆锤逆时针转动上扬，触动限位开关后由挂摆机构挂住；将表盘指针拨到读盘下刻线右端，此时可在支座上放置试件（注意试件缺口对中并位于受拉边）；然后顺序执行 “冲击”、“放摆”动作；在表盘上直接读该试件的冲击吸收功和相应的冲击韧度值。（4）摆锤抬起后，严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。使用数码相机拍摄断口宏观形貌，利用体式显微镜观察其断口特征，分析其断裂形式。3疲劳实验（1）打开控制器、计算机，运行测试软件。（2）夹持试样。当油压为3-5MPa时，调整横梁位置；在位移控制方式下，装夹试样。（3）试验：a参数设置：包括试样类型，试验频率，加载应力x和等；相应的应力比r、应力幅同时确定。试验过程加载波形如图4所示。图4 疲劳实验加载波形b调节油压到10MPa，开始试验，直至试样断裂。c计算机自动记录实验数据。（4）数据处理。根据计算机纪录数据作S-N曲线，如图5所示。图5 S-N曲线使用数码相机拍摄断口宏观形貌，利用体式显微镜观察其断口特征，分析其断裂形式。六、实验数据记录1拉伸实验材料强 度 指 标塑 性 指 标屈服极限（MPa）强度极限（MPa）延伸率(%)截面收缩率(%)45钢37547814582疲劳实验材 料应力比r应力幅a疲劳寿命NfS135-18KN,7KN.m8888S135-18KN,7KN.m150267七、实验研讨1.不同加载形式下常见材料性能的测试方法。2.根据试样断口的宏观和微观特征简要分析其失效形式及原因。材料失效分析实验报告班级： 姓名： 学号： 实验日期： 教师评定：实验一：常见材料失效形式与分析1实验目的2实验设备3实验数据记录（1）拉伸实验材料强 度 指 标塑 性 指 标屈服极限（MPa）强度极限（MPa）延伸率(%)截面收缩率(%)（2）疲劳实验材料应力比R应力幅a疲劳寿命Nf4.根据失效分析的基本理论，结合断口的宏观和微观形貌照片，对材料的断裂特征及其失效原因进行分析（对照各自的三要素进行分析并附断口形貌图）。5.45钢拉伸断口微观形貌 45钢断裂韧性试验 S135拉扭疲劳断口=560.5MP =713.4MPa 宏观断口 =560.5MP =713.4MPa 微观断口7