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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划脆性材料断裂实验用的仪器材料力学性能实验教学指导书实验项目：1.实验总学时：4准静态拉伸2.不同材料的冲击韧性材料科学与工程学院实验中心工程材料及机制基础实验室实验一准静态拉伸一、实验目的1观察低碳钢与铸铁在准静态拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图。2测定低碳钢的屈服极限s，强度极限b，断后延伸率和断面收缩率。3测定铸铁的强度极限b。4比较低碳钢和铸铁的力学性能的特点及断口形貌。二、概述静载拉伸试验是最基本的、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标，可以
2、作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义。另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。静载拉伸试验，通常是在室温和轴向加载条件下进行的，其特点是试验机加载轴线与试样轴线重合，载荷缓慢施加。在材料试验机上进行静拉伸试验，试样在负荷平稳增加下发生变形直至断裂，可得出一系列的强度指标和塑性指标。通过试验机自动绘出试样在拉伸过程中的伸长和负荷之间的关系曲线，即Pl曲线，习惯上称此曲线为试样的拉伸图。图1即为低碳钢的拉伸图。试样拉伸过程中，开始试样伸长随载荷成比例地增加，保持直线关系。当载荷增加到一定值时，拉伸图上出现平台或锯齿状。这种
3、在载荷不增加或减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫屈服，屈服阶段的最小载荷是屈服点载荷Ps，Ps除以试样原始横截面面积Ao即得到屈服极限?s：?s?PsA0试样屈服后，要使其继续发生变形，则要克服不断增长的抗力，这是由于金属材料在塑性变形过程中不断发生的强化。这种随着塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象叫做形变强化或加工硬化。由于形变强化的作用，这一阶段的变形主要是均匀塑性变形和弹性变形。当载荷达到最大值Pb后，试样的某一部位截面积开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，此后的变形主要集中在缩颈附近，直至达到Pb试样拉断。Pb除以试样原始横截面面积A0即得到强度极限?b：?b?PbA0拉伸试验还可得到
4、塑性指标，即伸长率和断面收缩率伸长率?拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即?l1?l0?100%l0式中l0试件原始标距，为100，l1试件拉断后标距长度。断面收缩率为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值d1计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率：?A0?A1?100%A0式中A0试件原始横截面面积A1试件拉断后断口处最小面积。试件开始受力时，由于头部在夹头内滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。分析时应将直线段延长与横坐标相交于0点，作为坐标原点。OA段为弹性阶段载荷与变形成正比，BC段为屈服阶段，CD段为强化
5、阶段，DE段为颈缩阶段，至E点试件被拉断。铸铁的拉伸图如图2所示。铸铁试件在承受拉力变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂。它没有屈服和颈缩现象，故在拉伸时，一般只能测定其强度极限?b，试件沿横截面断裂。?b?FbA0图1图2三、实验设备与材料1.实验设备：SHT4605型微机控制万能材料试验机。游标卡尺。2.实验材料：直径为d的圆截面试件，短试件和长试件的标距l0分别为5d和10d。本实验采用圆截面的长试件。四、实验内容与方法1.实验内容:(1)了解材料试验机的构造、原理及操作;(2)列表记录低碳钢、铸铁的原始尺寸及实验后尺寸，计算出、；(3)画出PL曲线，并计算出低碳钢试样的s、b及铸铁
6、试样的b；(4)比较两种材料的力学性能的特点、断口形貌及断裂方式。2.实验方法及步骤：(1)试件准备用游标卡尺测量标距两端及中间这三个横截面处的直径，在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值计算试件的横截面面积A0。将测量的试件横截面处的直径及计算出的横截面面积A0填入表中。试验机准备打开计算机,进入试验机控制系统主界面,在用户参数输入区内输入试验参数，如试样标距、试样直径、试样种类等。然后点击【试验】按钮进入试验。安装试件调整下横梁使上下夹头的距离小于试件的长度。先将试件安装在试验机的上夹头内，再调整下横梁使其达到适当位置，把力值清零，然后把
7、试件下端夹紧，位移值清零。进行试验点击屏幕右边的【运行】按钮加载。注意观察测力窗口、位移窗口的情况和相应的试验现象。若出现力和位移值为负值或其它异常情况，请立即按下右边立柱旁的“急停”按钮，或【速度栏】内的停止按钮。试验结束后取下试件。将低碳钢试件的屈服载荷Ps和最大载荷Pb记入表中。然后将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1；测量两段断口处的直径d1，应在每一断口处沿两个互相垂直方向各测量一次，计算其平均值，取其中最小值计算断口处最小横截面面积A1。把测量值和计算值填入表中。将铸铁试件的最大载荷Pb记入表中。五、试验结果的处理1根据屈服载荷Ps及最大载荷Pb计算
8、低碳钢试件的屈服极限s及低碳钢试件和铸铁试件的强度极限b。PsP?b?bA0A02根据试件前、后的标距段长度及横截面面积计算低碳钢试件的延伸率及断面收缩?s?率?六、实验要求：l1?l0?100%l0A0?A1?100%A01学生进入实验室前必须做好实验预习，认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务、有关原理、操作的主要步骤、注意事项。2实验过程中必须严格遵守操作规程及注意事项，自觉遵守实验室的各项规章制度。3独立完成实验。4认真观察和分析实验现象，做好实验数据记录。5按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。七、注意事项1未经指导教师同意不得开动机器。2操作者不得擅自离开操纵台。3试件安装必须正
9、确、防止偏斜和夹入部分过短的现象。4试验时听见异常声音或发生任何故障，按下急停按钮立即停车。断裂韧性试验创建时间：XX-08-02testforfracturetoughness在线弹性断裂力学及弹塑性断裂力学基础上发展起来的一种评定材料韧性的力学试验方法。20世纪以来，曾发生过多起容器、桥梁、舰船、飞机等脆断事故；事故分析查明，断裂大多起源于小裂纹。为解决金属脆断问题，美国在1958年组成ASTM断裂试验专门委员会，目的是建立有关测定材料断裂特性的试验方法。于1967年首次制定了用带疲劳裂纹的三点弯曲试样测定高强度金属材料平面应变断裂韧性操作规程草案，并于1970年颁发了世界第一个断裂韧性试
10、验标准ASTME399-70T。此后，断裂韧性试验受到世界各国的普遍重视并蓬勃发展。中国于1968年前后开始这方面的试验研究。取样原则由于裂纹或类裂纹缺陷是导致工程结构断裂的主要原因，所以断裂韧性试验采用带尖锐裂纹的试样(图1两种常用断裂韧性试样),用直接观察或间接测量法连续监测裂纹的行为；如用夹式引伸计连续测量裂纹嘴张开位移随载荷的变化(图2用夹式引伸计测裂纹嘴张开位移随载荷变化的曲线随载荷变化的曲线class=image),以测定材料抗裂纹扩展的能力及裂纹在疲劳载荷或应力腐蚀下的扩展速率;求得平面应变断裂韧度ic、动态断裂韧度id、裂纹临界张开位移，应力腐蚀临界强度因子111-21kg2,
11、疲劳裂纹扩展速率d/d等断裂韧性参数。其中，角标代表张开型裂纹，或称型裂纹,角标c代表临界值。此外，尚有滑开型裂纹，撕开型裂纹。型裂纹最易引起脆断，所以目前断裂韧性试验多限于型加载。断裂韧性对取向敏感。通常以两个字母表示试样取向，如TL，CL试样，第一个字母代表裂纹面的法线方向，第二个字母表示预期的裂纹扩展方向。L表示坯料的长度或主变形方向，T和S分别表示矩形断面板材的宽度方向和第三正交方向。R和C则分别表示棒材或饼材的径向和切向。当从实物上取样时，应首先对构件进行应力分析，然后在最危险的裂纹位置和取向上取样。试验选择除材料本身和试样取向外，试样尺寸、应力状态、加载方式、加载速率、试验温度和试
12、验环境等外界因素均会影响材料的断裂韧性。通常，平面应变状态、快速加载、低温会降低材料断裂韧性，增加脆断倾向。同时,在一次加载下不扩展的裂纹，在疲劳载荷及应力腐蚀作用下会产生缓慢的亚临界扩展，当达到临界尺寸后，试件断裂。在选择断裂韧性试验条件，或选用断裂韧性数据时，必须尽可能接近实际工作条件和环境。断裂韧性参数的最大特点是，这些表征材料韧性高低的参数与外加载荷、试样尺寸及缺陷尺寸间有定量关系。知道任何两个参数，即能预计第三者。从而可对安全分析、事故分析、寿命估算、缺陷评定标准等进行定量计算，并可用于安全设计、材料选择、材料和工艺研究等各方面。几种常用的断裂韧性试验如下：平面应变断裂韧度ic试验i
13、c是材料常数,单位为kg2kgf/mm(或MN/m)。ickg2越高，材料的韧性越好。ic时，裂纹扩展；反之,裂纹不扩展。ic试验适用于高强度脆性材料。应力腐蚀临界强度因子111-21质中,如裂纹顶端的应力强度因子111-22试验在腐蚀介111-21,裂纹不扩展。单位同ickg21975年美国海军研究试验室制定了“金属材料平面应力腐蚀开裂抗力标准试验法”AD-A008，119。裂纹顶端临界张开位移试验裂纹顶端张开位移是裂纹顶端塑性应变程度的度量，当达临界值时，裂纹扩展而导致试样断裂。越高，材料的断裂韧性越好，单位为mm。此方法适用于中强度高韧性材料。工程材料力学性能课后答案机械工业出版社XX第
14、2版第一章单向静拉伸力学性能1、试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？2、决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。外在因素：温度、应变速率和应力状态。3、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。4、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？【P23】答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。5、何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。6、论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。【
