材料力学性能试验指导书,金属材料力学性能试验

('金属力学性能实验指导书（上册）董立新戴光泽刘志农刘力菱编西南交通大学材料科学与工程学院二〇〇七年目录目录..........................................................................................................................................-1-实验一..........................................................................................................................................-2-系列缺口试样静拉伸实验及断口形貌观察..............................................................................-2-实验二..........................................................................................................................................-7-硬度测定实验....................................................................................................................-7-3.5肖氏硬度测试实验..............................................................................................................-11-4.实验方法及结果处理............................................................................................................-12-4.2洛氏硬度测试实验.............................................................................................................-14-4.2.1试验条件...........................................................................................................................-14-4.2.2试验方法及数据处理.......................................................................................................-14-4.3维氏硬度测试实验..............................................................................................................-15-4.3.1试验条件...........................................................................................................................-15-4.4.2试验方法及数据处理.......................................................................................................-15-5.实验内容及步骤....................................................................................................................-16-实验三........................................................................................................................................-22-弯曲冲击实验及韧脆转变温度测定........................................................................................-22-5．实验注意事项.....................................................................................................................-23-6.实验报告...............................................................................................................................-24-参考文献....................................................................................................................................-25-实验四........................................................................................................................................-26-断裂韧度KIC测定实验..............................................................................................................-26-3.1试样的尺寸确定：..............................................................................................................-27-3.2试样的制备..........................................................................................................................-28-实验思考题................................................................................................................................-34-1实验一系列缺口试样静拉伸实验及断口形貌观察1.实验目的1.1了解材料在硬性应力状态和应力集中情况下的脆性趋向。1.2了解试样缺口几何形状对拉伸应力应变曲线、材料强度、塑性以及断口形貌的影响。2.实验设备及试样2.1设备和仪器（1）材料拉伸试验机（2）测量显微镜（3）游标卡尺2.2试样试样材料为45钢，正火处理。试样采用比例长试样。按图1.1所示形状加工成具有不同缺口形状的缺口拉伸试样和光滑拉伸试样。3.实验步骤3.1了解拉伸试验机的结构和原理，掌握操作方法。3.2将各拉伸试样进行编号放置，以便后续实验测试数据对应。3.3用游标卡尺分别测定各试样测试部位内最小直径d0，并填入实验记录表（见附表）。3.4分别标定各试样标距l0=100mm。对缺口拉伸试样，缺口部位应包括在标距内。3.5分别安装试样在试验机上进行拉伸实验加载。在实验中，拉伸速度应为10-30n/mm2·s，加载必须平稳而无冲击。记录拉伸最大载荷pb值，同时由试验机自动绘出放大倍数n不低于50倍的拉力-伸长曲线p-△l。3.6屈服载荷ps的测定。在本实验中采用规定残余伸长应力的测定方法。在拉力-伸长曲线p-△l上，自弹性直线段与伸长坐标轴的交点起确定一等于0.2％·l0·n规定残余伸长的点，再从该点作弹性直线段的平行线与拉伸曲线交于另一点，对应于另一点的载荷即为屈服载荷ps。3.7拉伸断裂载荷pk的测定。根据拉力-伸长曲线p-△l上的断裂点所对应的载荷确定。3.8试样拉伸后标距lk的测定。将拉断后试样的两截紧密对接起来，尽量使轴线处于一条直线上，用游标卡尺测量拉伸后的标距长度值lk（沿圆周方向间隔90°的两个位置测量，取算术平均值）。若断口处有缝隙，则此缝隙也应计入拉断后的标距长度内。3.9试样断裂最小直径dk的测定。取断后的一截试样，再读数显微镜下测量最小直径dk之值（沿圆周方向间隔90°的两个位置测量，取算术平均值）。对光滑试样，可取断后带有剪切唇的一截试样，用游标卡尺测量颈缩后最小直径dk之值。23.10对比观察各种试样的端口，也可以在10倍放大下观察，鉴别断口区域。在读数显微镜下估测纤维区的面积。图1.1系列拉伸试样示意图34.实验报告4.1简述拉伸实验原理及应力集中的应力状态。原理：4.2按相同放大比例在同一坐标系中绘制出各试样的应力-应变σ-δ曲线。4.3计算各试样的强度指标：屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断裂真实应力Sk和塑性指标：伸长率δ、断面收缩率ψ以及各试样缺口敏感性指标NSR。填写入拉伸实验记录表（见附表-1）。4.4计算出纤维区所占断口总面积的百分数，并绘出宏观断口形貌示意图。5.分析思考5.1分析本实验中各试样缺口的敏感性变化。5.2分析缺口尖锐程度对应力-应变σ-δ曲线、强度、塑性及断口形貌的影响。参考资料1.GB228《金属拉伸试验方法》；2.束德林主编.工程材料力学性能.机械工业出版社.2006；3.《金属断口分析》，上海交通大学编，国防工业出版社。4实验数据记录附表-1系列缺口试样静拉伸实验数据记录表试样材料实验温度实验设备时间项目\\试样编号123456原始数据α(°)d0(mm)Ps(KN)Pb(KN)Pk(KN)dk(mm)lk(mm)计算数据σ0.2（MPa）σb(MPa)Sk(MPa)δ(﹪)Ψ(﹪)NSR宏观断口断口示意图纤维区面积的百分数实验二硬度测定实验1.实验目的1.1掌握布氏、洛氏、维氏、显微维氏和肖氏硬度的试验原理、测定方法及其应用。1.2了解布氏、洛氏、维氏、显微维氏和肖氏硬度计的构造及使用。1.3感性验证认识：微观硬度与宏观硬度的关系；硬度与抗拉强度的近似关系。2.实验设备、仪器及材料2.1设备仪器5（1）布、洛氏两用硬度计（见图2.1）（2）维氏硬度计（见图2.2）（3）显微维氏硬度计（见图2.3）（4）肖氏硬度计（见图2.4）（5）读数测量显微镜2.2材料（1）铸铁（2）45钢（退火）（3）45钢（淬火+回火）（4）高速钢刀具（5）20渗碳淬火钢零件（6）硬质合金刀片（7）黄铜（退火）（8）一截钢轨图2.1布、洛氏两用硬度计图2.2维氏硬度计图2.3显微维氏硬度计图2.4肖氏硬度计3.实验原理及适用范围3.1布氏硬度测试实验（BrinellHardness）3.1.1试验原理：用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F（N），将其压入试样表面（图2.5），经规定保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕。求得单位压痕球形表面积上的试验力就是布氏硬度值，用HB表示，其计算公式为：6其中A—压痕球形面积（mm2）;d—压痕平均直径（mm）;3.1.2适用范围：布氏硬度试验主要用于室温下黑色、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试。国家标准GB6270-86《金属布氏硬度试验法》，范围：<450HB(650HB)，HBS表示用淬火钢球，适用于硬度值在450以下的材料，HBW表示用钨合金钢球，适用于硬度值在450以上的材料。图2.5布氏硬度实验原理图3.2洛氏硬度测试实验（RockwellHardness）3.2.1洛氏硬度试验原理：在先后两次施加负荷（预负荷F0和主负荷F1）的作用下，将标准型的压头（金刚石圆锥压头或钢球压头）压入试样的表面，即在加完总负荷F（）保持一定的时间，并卸除主负荷，保留预负荷的情况下，用计量主负荷作用下所产生的残余压入深度e来表示金属材料抵抗塑性变形的能力，如图2.6所示。e值越大金属的硬度越低，反之则硬度越高。洛氏硬度值用HR表示，并在符号后面注以所常用标尺A、B、C等。洛氏硬度试验常用标尺所对应的压头、负荷硬度计算公式及应用见表2-1图2.6洛氏硬度实验原理图表2-1洛氏硬度常用标尺所对应的压头、负荷、计算及应用举例7标尺压头预负荷/N总负荷/N硬度值计算公式应用举例A金刚石圆锥角120°顶端球面半径0.2mm98588硬质合金、渗碳钢C1471淬火钢、调质钢、硬铸铁B直径1.588mm的钢球98980软钢，铝合金、铜合金、可锻铸铁备注：e的单位为μm。3.2.2适用范围：洛氏硬度试验主要用于室温下金属材料热处理后的产品硬度测试，测量范围为20～67HRC；60～85HRA；25～100HRB，测试标准为GB/T230-91《金属洛氏硬度试验方法》。3.3维氏硬度测试实验（Vicker’shardness）3.3.1试验原理：以一相对两面夹角为136°的金刚石正四棱锥形压头，在一定的负荷作用下，压入试样表面，经规定的保荷时间卸除负荷后，计量残留压痕两对角线长度（如图2.7）、并由此求出平均值。由实验负荷与残留压痕表面积之商计算出维氏硬度值。维氏硬度值用HV表示，其计算公式为：（N/mm2）图2.7维氏硬度实验原理示意图3.3.2适用范围：维氏硬度试验主要用于在室温下薄板材或金属表层的硬度测定以及较精确的硬度测定。适用测量范围为8～1000HV。测量标准有GB4340-84《金属维氏硬度试验方法》和GB5030-85《金属小负荷维氏硬度试验方法》（表面硬度）。3.4显微维氏硬度测试实验3.4.1试验原理：以一相对两面夹角为136°的金刚石正四棱锥形压头，在一定的微小负荷作用下，压入试样表面，经规定的保荷时间卸除负荷后，计量残留压痕两对角线长度（如图2.8）、并由此求出平均值。计算出单位残留压痕表面积上试验负荷值即为显微维氏硬度值。显微维氏硬度值用HV表示，其计算公式同维氏硬度的计算公式。3.4.2适用范围:显微维氏硬度试验主要用于在室温下测定金属材料的显微8组织组分或相组分的硬度。适用测量范围为8～2000HV，测量标准为GB/T4342-91《金属显微硬度试验方法》。3.5肖氏硬度测试实验3.5.1试验原理：以一个圆锥形金刚石（或钢球）标准冲头从一定高度自由下落到试样的表面，以冲头回弹的高度来计算即为肖氏硬度值。肖氏硬度值用HS表示，并在符号后注以C、D型号。其计算公式为：式中K——系数，C型硬度；D型硬度；h1——冲头自由下落的高度，mm；h2——冲头落于试样表面后的回弹高度，mm。C、D肖氏硬度的技术参数如表2-2所示：表2-2C、D型肖氏硬度技术参数项目C型D型冲头重量（N）0.02310.3550下落高度h1（mm）25419冲击速度（m/s）2.230.61回弹高度h2(mm)165.112.353.5.2适用范围：肖氏硬度试验主要用于在室温条件下测定精度要求不高的金属及合金大型工件的硬度测试。4.实验方法及结果处理4.1布氏硬度测试实验：4.1.1试验条件（1）试样表面应制成光滑的平面，表面粗糙度不大于0.8。实验面的制备方式应与材料和试验条件相适应。（2）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。如有关技术条件另有规定时，则其厚度可为不小于压痕深度的8倍。3）压头直径、负荷大小与保荷时间的确定应根据试样预期硬度和厚度按表2-3选择。表2-3压头直径、负荷大小与保荷时间的确定材料布氏硬度值试样厚负荷F与压压头直负荷F/N9范围（HB）度/mm头直径D的关系径/mm黑色金属140-6506-34-2<210.05.02.52942073551839<140>66-3<310.05.02.598072452613有色金属>1306-34-2<210.05.02.5294207355183936-1309-36-3<310.05.02.5980724526138-35>66-3<310.05.02.524526131534.1.2试验方法及数据处理（1）试验时，压痕中心距试样边缘的距离应大于或等于2.5d，试样两相邻压痕中心的距离应大于或等于4d。实验硬度小于350HB的金属时，上述距离应分别为3d和6d。（2）试验后压痕直径的大小应在下列范围内：0.2D＜d＜0.6D。如不符合上述条件时，试验结果无效，应选用相应的负荷重新试验。（3）用直径为10、5mm的钢球进行试验时，其压痕直径的计量应精确到0.02mm，如用直径2.5mm的钢球则为0.01mm。（4）压痕直径应从两相互垂直方向计量，并取其算术平均值。压痕两直径之差应不超过较小直径的2％。4.2洛氏硬度测试实验4.2.1试验条件（1）试样应制成光滑的表面，其表面粗糙度不大于0.8。（2）弯曲表面的试样，当实验面的曲率半径小于20mm时，硬度值必须给与修正。（3）试样应具有一定的厚度，必须使压痕不致在试样支承面上引起任何可见的变形。其最小厚度应大于卸除主负荷后压头压入深度的10倍。4.2.2试验方法及数据处理（1）施加预负荷，试样应向上移动至预负荷全部加上为止，如指示器超过硬度计说明书规定的标志时，则应卸除预负荷重新选点实验。（2）施加主负荷时，加荷压入时间为4～8s，总负荷保持时10间为2～25s；具体由加荷后随时间变形的程度而定。（3）主负荷应于2s内平稳卸除，并立即从刻度盘相应的标尺上读数，读数精度应为0.2HR。（4）试样上两相邻压痕中心及压痕中心至试样边缘的距离应不小于压痕直径的三倍。（5）每次更换压头、载样台或支座后的最初两次试验结果不予采用。4.3维氏硬度测试实验4.3.1试验条件（1）试样表面应为光滑平面，其表面粗糙度不大于0.40。（2）试样测试面应为平面，如果必须在曲面上进行硬度实验时，测得的硬度值必须给与修正。（3）试样或表面层的最小厚度应大于压痕对角线长度的1.5倍。试验后，试验背面不应有可见的变形痕迹。4.3.2试验方法及数据处理（1）负荷保持时间黑色金属为10～15s；有色金属为30±2s。（2）试样上两相邻压痕中心及压痕中心到试样边缘的距离不应小于压痕对角线的2.5倍。(3)压痕两对角线之差与其中较短的对角线之比应不大于2％。（4）在更换压头、载样台的最初两次试验结果不予采用。4.4显微维氏硬度测试实验4.4.1试验条件（1）试样的试验表面必须光滑，其表面粗糙度不大于0.2。一般将试样经抛光处理。（2）试样的最小厚度应大于压痕对角线长度的1.5倍；对于铜、铝等软金属应为3倍。4.4.2试验方法及数据处理（1）试样应平稳地安置在载样台上，试验时不得产生任何位移和振动。（2）加载时应平稳而缓慢，加载速度为50～60μm/s。对于在硬度试验时塑性行为与时间无关的式样（钢铁材料、强度较高的有色金属），保荷时间为10～15s；对于试验时塑性行为与时间有关的试样，保荷时间至少为30s。（3）两相邻压痕中心及压痕中心到试样边缘的距离不应小于压痕对角线的2倍。（4）压痕对角线长度计量精度的允许误差应不大于对角线长度的1％。4.5肖氏硬度测试实验4.5.1试验条件（1）试样表面应为平面，表面粗糙度不大于1.6。（2）试样的重量应大于0.1Kg，厚度不应小于2mm。（3）试样不得有磁性。4.5.2试验方法及数据处理11（1）试样应稳固地放置在载样台上，测试大工件时，应将硬度计垂直、稳固地放在工件上。（2）试验时两相邻压痕间距应大于0.5mm，压痕离试样边缘应大于6mm。（3）每一试样至少应进行五次测试（五次示值中最大最小值之差不超过5个单位），以其算术平均值作为试样的试验结果。5.实验内容及步骤5.1了解各种硬度计的构造、作用原理、使用方法、操作规程和安全注意事项。5.2对各种试样选择合适的实验方法和仪器，确定试验条件。根据试验和试样条件选择压头和载荷。5.3用标准硬度块校验硬度计。校验的硬度值不应超过标准硬度块硬度值的允许示值误差，见表2-4。5.4测定铸铁、45钢（退火）和黄铜（退火）试样的布氏硬度。在布洛两用硬度计上（用布氏硬度）确定测量压头、负荷、保荷时间等参数后，压出压痕，然后用读数显微镜测量压痕直径d，通过公式计算或查表得到HB值。每个试样至少测试三点，以各点测得结果的算术平均值作为该试样的布氏硬度值。在布洛两用硬度计上（用洛氏硬度）测量得HRC值。5.5测定45钢（淬火+回火）、高速钢刀具和20号渗碳淬火钢零件的洛氏硬度值。5.6测定硬质合金刀片和45钢（淬火+回火）的维氏硬度值。在维氏硬度计上确定测量负荷、保荷时间等参数后，先压出压痕，然后测量压痕对角线长度d，最后通过计算或查表得到HV值。5.7测定45钢（退火）中铁素体和珠光体组织的显微硬度值。在显微维氏硬度计上，确定相应负荷和保荷时间等参数后，分别在铁素体和珠光体组织上打上压痕，然后测量压痕对角线长度，再通过公式计算或查表得到显微维氏硬度值。5.8测定20钢板和45钢（淬火+回火）的肖氏硬度值。在肖氏硬度计上分别测试钢轨和45钢（淬火+回火）的C型肖氏硬度值。表2-4硬度值计的允许示值误差硬度种类示值范围允许示值误差布氏硬度当负荷≥1839N当负荷<1839N<±3%<±4%12洛氏硬度60-85HRA40-65HRC25-35HRC75-95HRB40-60HRB±1.0±1.0±1.2±1.2±1.5维氏硬度当负荷>98N当负荷≤98N≤±2.0%≤±3.0%显微维氏硬度当负荷为4.9N和9.8N时，700-800HV当负荷为1.96N时，700-800HV当负荷为0.98N时，400-500HV当负荷为0.49N时，200-300HV≤±3.0%≤±4.0%≤±4.0%≤±5.0%肖氏硬度HSD≤±2.5136.实验报告6.1简述各种硬度的试验原理、优缺点及应用。6.2将各试验数据填入实验记录表中。各种硬度实验记录表如下附表-2：7.分析思考7.1按混合律，用所测得的铁素体和珠光体组织的显微硬度值以及两组织所占比例估算45钢（退火）硬度，并与所测得该材料布氏硬度值对比。7.2根据‘参考文献3’由45钢、黄铜的HB值查表得到抗拉强度值，与其实际值对比。7.3根据不同硬度换算表对比不同组织与硬度的关系。7.4分析用布氏硬度试验方法能否直接测试成品或较薄的工件。参考文献1.金属硬度试验方法有关国家标准及有关计量检定规程；2.束德林主编.工程材料力学性能.机械工业出版社.2006；3.金属机械性能试验常用数据手册（第二版），姚启均编，机械工业出版社，1985，9。14实验数据记录附表-2表2-5布氏硬度实验记录试样压痕直径d（mm）/硬度值试样的硬度值材料状态1点2点3点45钢退火铸铁铸态黄铜退火表2-6洛氏硬度实验记录试样硬度值材料状态1点2点3点平均值45钢淬火+回火高速钢刀片淬火+回火20钢零件渗碳+淬火表2-7维氏和显微维氏硬度实验记录试样对角线长度（mm）/HV试样硬度值材料状态组织硬质合金刀片45钢淬火+回火45钢退火铁素体组织珠光体组织15表2-8肖氏硬度实验记录试样硬度值材料状态1点2点3点4点5点平均值20钢板冷轧45号钢淬火+回火16实验三弯曲冲击实验及韧脆转变温度测定1．实验目的1.1掌握低温下金属冲击韧性测定的操作方法。1.2了解温度对金属冲击韧性的影响及确定脆性转变温度Tk的方法。2．实验设备及试样2.1设备、仪器（1）摆锤式冲击试验机（2）冷却装置（广口保温瓶、冷却介质为酒精加干冰）2.2试样试样为GB/T229-1994规定10×10标准夏氏V型缺口试样，如图3.1所示。材料为45号钢。图3.110×10标准夏氏V型缺口试样3．实验原理将不同温度的试样水平放置在试验机支座上（缺口位于冲击相背方向），用有一定高度H1和一定质量m的摆锤（即其具有一定位能mgH1）在相对零位能处冲断试样，摆锤剩余能量为mgH2,则测得摆锤冲断各不同温度试样失去的位能，即为试样变形和断裂所消耗的冲击吸收功Akv，从而反映温度对金属材料的冲击韧性的影响。4.实验步骤4.1制备低温介质。其温度应比实验温度低3℃，以补偿试样从取出到冲断时温度的回升。实验温度遵照GB2106-80和GB4159-84技术标准规定，为室温到-75℃范围内的六种温度。4.2冷却试样。试样放入低温介质后，保温时间不应少于15分钟。4.3检查试验机，校正指针的零点位置。4.4安装低温试样。用特制夹子将试样自保温瓶取出放置到冲击试验机支17座上，要求动作迅速准确。（事先可以多次练习以达到要求）4.5进行冲击试验。4.6冲完后立即读取，记录冲击功Akv值，将指针拨回零位。4.7找回冲断试样，观察截面断口上各区，并估算各区的面积比。5．实验注意事项5.1谨防人身安全事故。参加实验人员一定要集中注意力，保持良好秩序。所有人员不得进入摆锤摆动平面内及规定的危险区域。低温试样冲断后不要立即用手拿，以免冻伤。5.2试样从取出到放置好的时间不得超过5s，若已超出，应放回保温重做。5.3试样放置需紧贴支座，缺口位于支座中心。6.实验报告6.1简述实验原理及实验操作。6.2记录实验数据，并填入如下实验数据记录表3-1。表3-1弯曲冲击实验记录表试样材料实验设备实验时间组别实验温度冲击功Akv/J123456平均值6.3作出Akv-T曲线。（根据实验数据在坐标纸上绘制）6.4由Akv-T曲线确定脆性转变温度TK（℃）值。（采用能量法准则，即求出Akv=20.3J对应的温度V15TT）187.分析思考7.1温度对金属材料的冲击韧性的影响趋势。7.2冲击韧性与断口形貌的关系。参考文献1.工程材料力学性能，束德林主编，机械工业出版社2.GB/T229-1994《金属夏比（缺口）冲击试验方法》3.GB/T12778-1991《金属夏比冲击断口测定方法》4.GB4159-84《金属低温夏比冲击试验方法》实验四断裂韧度KIC测定实验1.实验目的1.1了解金属材料平面应变断裂韧度KIC实验的基本原理以及对试样形状和尺寸的要求；1.2掌握采用三点弯曲试样测试KIC的方法及实验结果的处理方法。2.实验设备及试样2.1设备及仪器：（1）高频疲劳实验机（2）万能材料试验机（3）载荷传感器（4）夹式引伸计（5）动态应变仪（6）X-Y函数记录仪（7）读数显微镜（8）游标卡尺2.2试样：采用GB4161《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》规定的三点弯曲试样，试样尺寸如图4.1所示，材料为中、高碳钢。试样热处理工艺为淬火+低温回火，保证较高而KIC较低。图4.1三点弯曲试样3.实验原理断裂韧度KIC是金属材料在平面应变和小范围屈服条件下的裂纹失稳扩展时应力场强度因子KI的临界值，它表征金属材料抵抗断裂的能力，是度量材料韧性的一个定量指标。断裂韧度KIC的测试过程，就是把实验材料制成一定形状的试样，并预制出相当于缺陷的裂纹，然后把试样加载。在加载过程中，连续记录载荷F与相应的裂纹尖端张开位移V。裂纹尖端张开位移V的变化表示裂纹尚未起19裂、已经起裂、稳定扩展和失稳扩展的情况。当裂纹失稳扩展时，记录下的载荷FQ，再将试样压断，测得预制裂纹长度a，由裂纹尖端应力强度因子的表达式K得到临界值，记作KQ，然后按规定判断KQ是否为真正的KIC。K的表达式为：3.试样的制备3.1试样的尺寸确定：测得的KQ是否为真正的KIC，要看是否满足以下两个条件要求：（1）；（2）如果符合上述两个条件，KQ即为KIC；如果不符合，KQ不是KIC，须加大试样尺寸，重新试验。当KIC无法预估时，可以参考类似钢种的数据，按标准GB4161规定的尺寸选择办法确定B。B确定后，则依标准试样图确定试样其它尺寸和裂纹长度a及韧带尺寸W-a。3.2试样的制备试样可以从部件上切取，也可以从铸、锻件毛坯或原材料上切取。由于材料的断裂韧度与裂纹取向和裂纹扩展方向有关，所以切取试样时应予以注明。试样毛坯一般须经粗加工-热处理-磨削加工等工序，随后用线切割开缺口和预制疲劳裂纹。为了保证后面预制的裂纹平直，缺口应尽可能尖锐，一般要求尖端半径为0.08～0.1mm。开好缺口的试样在高频疲劳试验机上预制疲劳裂纹。试样表面上的裂纹长度要求应不小于0.25W或者1.3mm，取其中之较大值。a/W应控制在0.45～0.55范围内。预制疲劳裂纹时，先在试样的两个侧面上垂直于裂纹扩展方向用铅笔画两条标线AB、CD，如图4.2所示。预制疲劳裂纹开始时的载荷可以较大，但最大交变载荷也不应使预制疲劳裂纹时的最大应立场强度因子Kfmax超过材料的KIC估计值的80%。交变载荷的最小值应使最小载荷和最大载荷在裂纹扩展最后阶段（即在裂纹总长度最后的2.5%的距离内），应使Kfmax60%KIC，并且，同时调整最小载荷使载荷比在-1～0.1之间。预制疲劳裂纹过程中，要用读数显微镜仔细监视裂纹的发展，遇有试样两侧裂纹发展深度相差较大时，可将试样调转方向继续加载。20图4.2预制疲劳裂纹时两条标线的位置4.实验步骤与方法4.1测量试样尺寸。在缺口附近至少3个位置上测量试样的宽度W和试样的厚度B。准确到0.025mm（取其中较大者），各取其平均值。4.2试样上粘贴刀口。在试样缺口两侧对称地用502瞬时胶水贴上两片刀口。4.3安装弯曲试样支座，使加力线通过跨距S的中点，偏差小于1%S。4.4放置试样。应使裂纹顶端在位于跨距的中心，偏差也不得超过1%S，而且试样与支承辊的轴线应成直角，偏差在±2º以内。4.5安装引伸计。使刀口与引伸计两臂前端的凹槽配合良好。4.6将载荷传感器和夹式引伸计的接线分别按“金桥法”接入动态应变仪，并进行平衡调节。用动态输出档将载荷F及裂纹尖端开位移V的输出讯号分别接到函数记录仪的“Y”和“X”接线柱上。调整好函数记录仪的放大比例，使记录的曲线线性部分的斜率在0.7～1.5之间，最好在1左右；再调整动态应变仪和X-Y记录仪的放大倍数使画出的图形大小适中。三点弯曲试样的断裂韧度实验的示意图如图4.3所示。1-加载传感器2-试样3-夹式引伸计4-信号放大器5-函数记录仪图4.3三点弯曲试样断裂韧度实验4.7开动试验机，对试样缓慢而均匀地加载，加载速率的选择应使应力场强度因子的增加速度在17.4～87.0[N/(mm3/2.s)]范围内。在加载的同时记录F-V曲线，直到试样所能承受的最大力后停止。此外，在加载过程中，还应在F-V曲线上记录任一初始力和最大力的数值（由试验机表盘读取），以便对F-V曲线上的力值进行标定。4.8试验结束后，取下引伸计，压断试样。将压断后的试样在读数显微镜下测量裂纹长度a。由于裂纹前沿不平整，规定在B/4、B/2、3B/4的位21置上测量裂纹长度a2、a3及a4，见图4.4所示。各测量值准确到裂纹长度a的0.5%，取其平均值作为裂纹长度。要求a2、a3、a4中任意两个测量值之差以及a1与a5之差都不得大于a的10%，否则实验结果无效。图4.4裂纹长度的测量位置5.实验结果的分析及处理5.1确定裂纹失稳扩展时的条件临界力值FQ测定材料的F-V曲线有三种基本形式，如图4.5所示。对强度高、塑性低的材料，加载初始阶段，呈直线关系，当载荷达到一定程度，试样突然断裂，曲线突然下降，得到曲线I，这时曲线最大载荷就是计算KIC的FQ；对韧性较好的材料，曲线首先依直线关系上升到一定值后，突然下降，出现“突进”点，旋而上升，直到某一更大载荷，试样才完全断裂，如曲线II；对韧性更好的材料，得到F-V曲线III。对曲线II、III两种情况，在国标中规定从坐标原点作比实验曲线斜率小5％的斜线与实验曲线相交，得到一点F5，如果F5以左曲线上有载荷点高于F5的，即以F5以左得最高载荷为FQ；如果F5以左曲线上无载荷点高于F5的，即以F5为FQ，以计算KQ。图4.5F-V曲线的三种基本类型5.2计算条件断裂韧性KQ将得到的FQ和测量得到的预制裂纹长度a值代入应力强度因子KI表达式计算KQ。注意在测量预制裂纹长度a时，断口上的预制裂纹线并不是一平直的线，而是一弧线，按4.8规定方法测定。5.3判别KIC有效性测得的KIC是否有效，要看其是否满足以下两个条件：（1）（2）22如果符合上述两项条件，KQ即KIC；如不符合，则KQ不是KIC。6.实验报告6.1简述三点弯曲试样测试KIC的原理及实验过程。6.2画出试样断口形貌图。6.3将所测得试样的试验数据填入试验记录表4-1，并对试验数据进行分析计算。表4-1断裂韧度试验记录表试样材料热处理试样尺寸/mm缺口形状缺口宽度/mm缺口深度/mm断裂韧度/7.分析思考7.1根据试验测得的F-V曲线，分析材料的断裂韧度KIC与强度、塑性以及冲击韧性之间的关系。7.2三点弯曲试样是如何保证材料断裂韧度KIC的测定。7.3影响材料的断裂韧度KIC测定的因素。参考资料1.GB4161《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》2.褚武扬编著.断裂力学基础.北京科学出版社，19793.束德林主编.工程材料力学性能.机械工业出版社.20064.石德珂，金志浩.材料力学性能.西安交通大学出版社，199实验五疲劳曲线S-N测定1实验目的1.1了解金属材料疲劳强度测定方法，及疲劳实验中平均载荷计算方法。1.2了解轴向疲劳板状试样疲劳实验方法2实验设备及试样2.1本次实验设备采用10吨高频疲劳机2.2本次实验材料采用铝合金焊接板式试样如图2.223图2.23平均载荷及动载设定3.1根据材料强度及屈服强度，计算平均载荷3.2根据需求设定动载值，应力比R=σmin/σmas4测定试样尺寸4.1直径d，厚度a，宽度b4.2计算有效面积5疲劳S-N曲线测定5.1最同用的结果图形法是以失效的偱环次数作为横坐标，以应力幅值为从坐标绘图，穿越实验数据点近似中线绘图的平滑曲线称为S-N曲线，如图5.1。图5.16实验报告6.1通过实验数据画出S-N曲线6.2通过S-N曲线找出条件疲劳寿命Nf247分析思考7.1高频疲劳和低频疲劳区分。7.2条件疲劳强度σN与疲劳寿命Nf的区别。参考资料金属力学及工艺性能实验方法标准石德珂，金志浩.材料力学性能.西安交通大学出版社，199束德林主编.工程材料力学性能.机械工业出版社.200625实验思考题实验一：1.试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸-伸长曲线图上的区别？为什么？2.决定金属材料屈服强度的因素有哪些？3.拉伸断口的三要素是什么？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？4.试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？5.剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？6.在拉伸应力状态下缺口的敏感性是如何变化的？7.缺口试样拉伸时应力分布有什么特点？8.试综合比较光滑试样轴向拉伸、缺口试样轴向拉伸和偏斜拉伸实验的特点。实验二：1.试说明布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度的实验原理，并比较布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度实验方法的优缺点。2.如何确保各硬度实验计的测量准确性？3.准确测试各种硬度值应满足那些条件？4.金属材料的硬度值（压入法测定的）与其抗拉强度值有何关系？试定性地说明为什么存在这样的关系？5.硬度标准试样块的作用是什么？实验三：1.试说明冲击实验的能量转换。2.冲击载荷下金属材料的变形和断裂有什么特点？为什么会有这样的特点？3.用冲击吸收功和冲击韧性来表示材料的韧性存在哪些问题？4.试从微观上解释为什么有些材料有明显的韧性转变温度，而有些材料没有。5.断口分析图的意义是什么？如何应用？有什么局限性？6.影响金属材料的冲击韧性的因素有哪些？7.如何保证材料的冲击韧性的测定？8.试说明低温脆性的物理本质及其影响因素。9.简述根据韧脆性转变温度分析构件脆性断裂失效的优缺点。实验四：1.试述应力强度因子的意义及其典型裂纹KI的表达式。2.试述KIC的测量原理及其对试样尺寸的要求。3.试述K判据的意义及其用途。4.试述KIC与材料的强度、塑性之间的关系。5.试述裂纹尖端塑性区产生的原因及其影响因素实验五1疲劳断裂一般是高应力还是低应力2高频与低频一般区分是多少263试述S-N曲线意义及其用途。27',)