毕业设计（论文）-典型金属材料的微观力学性能测试与分析.doc

摘 要 本科生毕业论文（设计）全套图纸加扣 3012250582 中文题目 典型金属材料的微观力学性能测试与分析 英文题目 Typical metallic materials microscopic Mechanical properties testing and analysis 学生姓名 班级学号 学 院 机械科学与工程学院 专 业 机械工程及自动化 指导教师 职称 教授 摘 要随着国家科学技术的发展，我们对各种材料的探索需求也随之日益增加。硬岩掘进机（TBM）作为新世纪最为好用的掘进机器，它的刀具材料质量直接决定了它的威力。伴随着发展，我们对它的刀具材料也有 可更先进一步的要求。而测试材料力学性能的仪器也在随着时代发展，最为显著的跨越就是从非原位测试到原位测试。本文对硬岩掘进机的历史来源、国内外发展现状进行了介绍，并对国内与国外上的技术差距进行了分析。同时本文还对材料力学性能测试的方法进行了介绍，包括拉伸压缩法、弯曲法、扭转法、纳米压痕法等。并从国内外两个方面对相关的不同测试设备进行了介绍，并比较了国内外测试装置的相同点与差异。本文以对1号、2号两种硬岩掘进机刀具硬质合金材料为主进行了原位弯曲测试获得了该材料的力学性能参数。同时也对在工业上广泛使用的Q235低碳钢进行了原位拉伸测试，并通过金相腐蚀观察了在拉伸变形中材料晶格的变化。得到了大量金相腐蚀下原位拉伸的图片，对材料进行了变形过程中的原位观察与记录，这对材料的研究具有十分重要的意义。也对6061铝合金进行了原位剪切测试。经过对试件的一系列试验，达到了对一些典型金属的测试与分析。并且由此我们可以推断出硬质合金硬度高、耐磨、强度、耐弯度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，十分适合作为硬岩掘进机的刀具进行使用。关键词： 硬岩掘进机 硬质合金钢 典型金属 原位观测 微观力学行为 第1章 绪 论AbstractAlong with the development of national science and technology, our exploration to the various materials also increases with the increasing demand. Hard rock boring machine (TBM) as the new century, the most good boring machine, its tool material quality directly determines its power. With the development, we have more advanced requirements for the tool material. And the mechanical properties of the instrument is also developed with the times, the most remarkable leap is from the non in situ testing to in-situ testing.In this paper, the history of hard rock boring machine, the status quo of domestic and foreign development is introduced, and domestic and foreign technical gaps were analyzed. At the same time, the method of mechanical properties of materials is introduced, including tensile compression method, bending method, torsion method, nano indentation method, etc. And from home and abroad for two aspects of the relevant different testing equipment were introduced, and compared the same points and differences between domestic and foreign test device.In this paper, the mechanical parameters of the material were obtained by using in situ bending test for the hard alloy material of two hard rock boring machine tools, No.1 and No.2. In the same time, in situ tensile testing of Q235 low carbon steel was carried out in the industry, and the change of the material lattice in tensile deformation was observed by metallographic corrosion. In this study, a lot of images of in-situ tension were obtained, and the in-situ observation and record of the materials were observed and recorded, which was very important for the study of materials. An in-situ shear test of 6061 Al alloy was carried out. After a series of experiments, the test and analysis of some typical metals are achieved. And thus, we can infer the hard alloy with high hardness, wear resistance, strength, resistance to bend and toughness, good heat resistance, corrosion resistance etc. a series of excellent properties, especially its high hardness and wear resistance, very suitable as a hard rock tunnel boring machine tool use.Keywords: TBM Hard alloy steel Typical metal In-situ observation correction Micromechanics behavior目 录第1章 绪 论11.1研究目的11.2国内外研究现状分析11.2.1硬岩掘进设备与工具的国内外发展现状11.2.2材料力学性能测试的国内外发展现状21.2.3技术对比51.3金相学的发展51.3.1金相试验的发展51.3.2观测设备61.4本文主要研究内容7第2章 试验内容和样品准备92.1金相组织的形式92.2金相显微试件制备92.2.1打磨抛光92.2.2配腐蚀液102.2.3腐蚀观察112.3金相组织的试验分析112.3.1试验依据112.3.2试验结果与分析112.3本章小节12第3章 碳素结构钢微观力学性能测试分析133.1拉伸试验仪器133.2拉伸试验方案设计143.3试验结果与分析143.4本章小节23第4章 6061铝合金的微观力学性能测试分析254.1剪切试验仪器254.2剪切试验方案设计254.3试验结果与分析264.4本章小节27第5章 硬质合金钢微观力学性能测试分析295.1试验仪器295.1.1试验原材料295.1.2试验仪器与设备295.2试验方案设计305.2.1三点弯曲试验305.2.2四点弯曲试验325.3试验结果与分析325.3.1三点弯曲试验结果与分析325.3.2四点弯曲试验结果与分析355.4本章小节35第6章 结论与展望376.1结论376.2展望37致 谢39参考文献41附 录45附录1：6061铝合金原位剪切试验数据（部分）45附录2：1号硬质合金钢材料原位三点弯曲试验数据（部分）47附录3：2号硬质合金钢材料原位三点弯曲试验数据（部分）491第1章 绪 论1.1研究目的随着国家工业的发展需求，煤矿井下煤、岩巷道等的挖掘日益变为寻常，在挖掘过程中经常会遇到硬度较大的岩石阻碍，为了省去炸药炸开岩石的麻烦步骤，硬岩掘进机的发明有效的解决了这类问题，很好的提高了硬岩掘进的效率。作为目前世界上最先进的岩巷掘进设备1，硬岩掘进机不仅可以很好的在煤岩硬度高的煤矿层工作，也可以出色的在复杂的岩石层完成任务。硬岩掘进机有着截割效率高、可截割的岩层硬度范围广等特点，受到广大施工者的喜爱。而硬岩掘进机的掘进效率，在很大程度上是取决于其刀具材料的力学性能的。在刀具的生产，刀具材料的选择，刀具材料的微观力学性能测试与分析方面还有待完善。材料的使用发展是人类文明进步的标志，在人类发展的历史长河当中，应用的材料从最早的石器升级为青铜器、铁器，到各种合金钢、玻璃材料、硅材料、甚至于纳米材料，每一种新材料的问世都是人类进步中不可磨灭的一笔。当今，材料是世界新技术革命的三大支柱之一，是二十一世纪是最有发展潜力的领域之一。对于材料的研究是当今科学发展中势不可少的一环。本文将从对硬岩掘进机刀具材料的微观力学性能测试出发，同时将硬岩掘进机刀具材料、Q235材料、铝材切割、抛光、金相腐蚀处理后制成试件，用拉伸载荷原位力学测试装置、拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置、弯曲载荷原位力学测试装置对试件进行试验，进而得到载荷-位移曲线，通过载荷-位移曲线可以得到试件材料的一些微观力学性能，再结合试验过程中的原位观察，可以对材料的力学性能和损伤机理进行进一步的研究分析。1.2国内外研究现状分析1.2.1硬岩掘进设备与工具的国内外发展现状硬岩掘进设备的发展，当下在国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等为数不多的几个国家具有商业化生产能力，并且造价不菲。目前国内对于硬岩掘进设备的使用，大部分还是要依赖与外国企业，其中德国和日本企业在中国的硬岩掘进设备市场中占有95%以上的席位。如果我国不尽早将市场占有额抢占回来，在未来的发展中就要收到外企在价格与技术上的双重制约。我国对于硬岩掘进机的研究始于20世纪50年代，并在80年代引进了硬岩掘进机应用于水工隧道工程施工2，在1997年西安-安康铁路18.4km长的秦岭铁路隧道引进了两台直径为8.8m的开敞式硬岩掘进机，由国内施工企业操作使用，并成功建成了隧道3。随着科技的发展，硬岩掘进机在铁路、水利、水电、交通领域等不断得以推广，在硬岩掘进机的设计、制造、施工应用过程中不断得以完善与创新。纵观我国硬岩掘进机施工项目4，5，总体上存在以下特点:1、施工长度大，隧道施工长度基本都超过10km；2、大部分施工项目为必须采用TBM法才可施工；3、在施工的隧道项目中，百分之60以上为水工隧洞6。硬岩掘进机的工作条件恶劣，刀具又是其在工作中最容易受到磨损消耗甚至破坏的关键部位，所以刀具材料的力学性能尤为重要。1.2.2材料力学性能测试的国内外发展现状以往将材料力学行为的描述建立于宏观力学的框架之上，虽然强度和韧性等力学性能的指标可以定量化，但却无法表述出他们的科学依据及微结构的关系7。固体细观力学是随着复合材料、各种低维材料、生物材料、智能材料、高速计算机技术、高精度测量技术的发展和广泛应运而形成的。力学与材料科学的交融与结合，推动固体力学研究从宏观尺度由细观尺度逐步深入到微观尺度。使得材料的细观结构设计逐步由定性走向半定量和定量阶段。近些年来发展起来的原位力学测试技术受到了越来越多的关注。在进行力学测试的过程中，将目标试样的待测点通过相应的显微成像组件进行放大，实时动态的将材料结构的微观组织形貌表征出来，同时结合宏观的力学行为参数，为材料的宏微观力学性能表征技术带来极大的方便。在各种力学性能参数测试试验中，弹性模量、强度极限、屈服极限、切变模量和伸长率等参数通常是主要的测试对象8-10。这些测试对象的测试方法主要包括拉伸压缩法11、弯曲法12、扭转法13，14、纳米压痕法15，16等，其中最直接有效的得到材料应力应变关系的方法就是单轴拉伸压缩法，测得的材料弹性模量、屈服极限和断裂强度17等力学参数也尤为准确，测试时试样所受到的应力均匀，得出的测试结论合理可靠，试验数据在一定程度上也具有通用性18。随着新材料、新工艺的出现，对其进行力学性能的测试与研究已经渐渐成为近年来原位纳米力学测试19的焦点。美国、日本、英国、瑞士、澳大利亚等国家在微尺度材料原位力学性能测试的领域有着先行一步的优势。美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）对纳米线和纳米管等极微小器件进行了原位力学性能测试领域的研究20。美国的MTI Instruments研制了使用液压缸作为驱动源的原位测试装置，如图 1.1 所示，测试装置包含加热系统和冷却系统，因此可以对试件进行高温和低温下的测试。测试过程中的两个夹具夹持试样沿相反的方向运动，可以充分保证试样的中间部分保持静止不变，试样的观测点会一直在视野范围之内。日本神户大学（Kobe）T.Nishino21研制了基于原子力显微镜（AFM）的原位拉伸测试装置。该装置采用了手动调节机构，能够与拉伸过程进行有机的组合，利用该装置对聚酯（PET）薄膜应变和泊松比随载荷作用的变化规律进行了深入的研究。图1.1 MTI Instruments 研制的原位测试装置DURINT计划资助了E.Bamberg等研制了一种通过步进电机带动滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动进行加载的原位拉伸测试装置，如图1.2所示。该测试装置的最大加载力可达到25N，位移分辨率为5m，载荷分辨率为125mN。图1.2 E.Bamberg设计的原位测试装置哥伦比亚大学的 Kalin I.Drag nevski22,23设计了采用了滚筒结构的装置进行拉伸试验，如图1.3所示，在夹具与夹具之间增加了冷却模块以保证在拉伸过程中试样保持相对恒定的温度。在进行拉伸测试时滚筒转动转化为直线运动，从而实现了对薄膜材料在电子扫描显微镜（SEM）下进行原位力学性能测试。这种装置虽然具有结构紧凑、可以在测试过程中实现较大行程的拉伸，但是它能达到的测试精度却低，所进行测试的试样类型会因滚筒的旋转运动受到限制。图1.3 Kalin I.Dragnevski设计的滚筒拉伸装置David T. Read24设计了采用力传感器与拉伸载荷方向垂直的弹性梁的装置，对弹性梁进行了初始的标定。当弹性梁上有载荷作用时，弹性梁会产生变形。使用电涡流位移传感器对弹性梁的变形量进行测量，通过转换可以得出作用在弹性梁上的载荷，与作用在试样上的载荷大小相等。此装置的结构较为复杂，同时测得的载荷数据经过多次的转换，误差也会比较大。Saif25设计了一种原位测试装置，如图1.4所示，将测试试样、力传感器、位移传感器、致动器、校准棒等利用微加工技术集成在一起，很好的解决了传统拉伸方法中的装置对试样进行测试时的夹持、对中等问题。但是这种装置设计难度很高，加工的精度要求较高，梳齿驱动形式不能提供足够大的载荷，测试中对试样加载的载荷的检测较为困难。图1.4 Saif设计的原位测试装置我国在原位测试领域的研究发展还处于初级发展阶段，清华大学的温诗铸26构建了在测试平台上配置电荷耦合（CCD）成像组件监测拉伸过程的装置，使用载流线圈来驱动磁铁运动的驱动方式，但是由于是基于简单的单轴拉伸试验，同时受放大倍率的制约，难以观测载荷作用下试件的微观变形损伤。大连理工大学的褚金奎研制了一种片外驱动微拉伸测试装置27，采用压电陶瓷进行驱动，利用 CCD 显微观测装置观测微构件拉伸变形、初始裂纹与断裂过程，用该装置对单晶硅梁在110 晶向上的弹性模量进行了测量。吉林大学的黄虎设计了一种原位纳米压痕测试装置28，将压电陶瓷与柔性铰链配合作为动力源，载荷分辨率为 0.1mN,位移分辨率可达到 10nm。1.2.3技术对比硬岩掘进设备的发展，国外的企业在商业化上技术比较成熟，已经经过了时间与实际的摸索，已经将这项技术成熟的运用在了商品化阶段。反观国内，在这项技术上还处于发展阶段，尚有许多不足有待我们去解决。过去对于材料力学性能的测定，可以通过拉伸压缩、弯曲和扭转等最基本最简单的实验方法获得。例如工业上应运最广泛的单向静拉伸实验，是在温度、应力状态和加载速率确定的情况下，采用标准的圆柱形试样进行拉伸实验，揭示金属材料的基本力学参数，如屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等。而对于剪切力学性能测试装置的研究与设计，材料承受纯剪切载荷的研究很少。而剪切破坏又是现代工业中较为常见的破坏类型。在拉伸、弯曲、扭转等变形中均有剪切力的存在，所以对与纯剪切载荷的研究已经刻不容缓。国内外对材料力学性能原位测试的研究还处于开发探索阶段，但是由于发达国家的起步较早，研究相对比较深入，领先于国内该领域的研究。1.3金相学的发展1.3.1金相试验的发展 在19世纪初期，Aloysvon Widmanstabtten将刻铁陨石切片后，使用硝酸水溶液进行腐蚀时，观察到了片状物质的有规则分布现象，此次实验象征了金相学的诞生。1863 年，H.C.Sorby使用反射式显微镜观察被抛光腐蚀后的钢铁试样，观察到了渗碳体和铁素体的片状组织，并由此对钢铁生产工艺进行了探讨，此举标志了金相学的基本形成。随后RobertsAusten(奥氏)初步绘制出铁碳平衡图，为金相学打下了理论上的基础。经过后人两个世纪的努力，金相学已成为一门成熟的学科。随着时代的脚步，科技的发展，金相学也在不断进步和扩大自己的研究领域29。首先，观察仪器的提升改进使金相学产生明显的不同。最早金相学所使用的是光学显微镜，它虽然有着使用简单方便的优点，但是它的分辨率并没有很高，只是可以观察到金相组织中几十微米尺度的图像。而目前观察设备的主要发展趋势是把光学显微镜连接至电子计算机，这样可以对显微组织的一些特征进行定量的分析。在二十世纪三十年代初，透射式电子显微镜被研发出来，这种新一代电子显微镜可以获得更高的分辨率并且可以观察到更加细微的内部结构，它的分辨率可以达到单个原子的水平。随后，扫描电子显微镜的诞生，代表着观测技术已经可以对表面不规则试样大块试件进行观察，它不仅拥有了极高的分辨率，还能够进行微区电子衍射分析，提供相关的晶体结构数据。扫描电子显微镜具有非常好的功能扩展性，例如若配上 X 射线谱仪与电子能量谱仪后，就可以对纳米级的化学成分进行分析。金相学的研究领域正在随着层出不穷的新材料诞生而逐步扩大，并渗透到了许多其它领域。就像在对合金材料进行微观力学性能分析时，通过金相学，可以从更加细致、更加精准的角度对材料的变形过程展开研究。 金相图谱是金相分析进行对照的重要工具，其发展历程主要经历了三个阶段：第一阶段称为黑白图谱阶段。黑白图谱是不同测试技术所拍得的各类金相组织黑白照片。图谱包括的东西有：材料称号、处理方法、样本制取、所用腐蚀剂和金相组织简介等。 第二阶段称为彩色图谱阶段。光学金相为组织显示技术的发展提供了基础，使用物理或化学的方法，将一层干涉膜贴在试样表面，利用薄膜对光的干涉效应，那么金属及合金的显微组织就会形成鲜明的彩色衬度。该方法极大地提高了光学金相的分析能力，它比较真实的显示组织的微观细节，通过调整颜色对比度，使金相组织获得更多丰富准确的信息，如：类别、外形、大小及分布，为定量的分析金属及合金成分、组织与性能之间的关系提供更多的条件。第三阶段称为电子金相图谱阶段。利用图像采集系统，将金相图像信息从金相试样中采集出来，将其输入到计算机中，建立金相图谱电子文档，为金相的定量分析和组织的识别提供更多更准确的信息。以前，金相图像分析和识别是在显微镜下观察，凭借观察者的经验进行判断以获得金属或合金的组织形态及性能，这种方法受人为主观因素的影响很大，不仅观察速度慢，如果视觉产生误差甚至会产生错误的结果。1970 年在日本、美国等国家率先研发了用计算机对金相图像进行分析和识别的系统，该方法能快速、准确的分析和识别铸件质量。随着计算机的不断发展和计算机图像处理技术的出现，为金相分析和识别技术的应用提供了新的研究方向，为金相分析及识别技术另辟蹊径，与此同时金相图像分析和系统识别的能力也有了大幅度的提升。本文采用了能为金相的定量分析和组织的识别提供更多更准确的信息的电子金相图谱分析办法。1.3.2观测设备在当今材料力学性能测试发展中，被分为非原位测试和原位测试30,31二种测试类别。非原位测试32-35是指在对试验试件前放在显微成像设备观测并记录图像数据，然后对试件加载载荷进行试验，再试验结束后再次通过显微成像设备进行观测与记录图像数据；而原位测试是指可以在对试件加载载荷试验的过程中一直持续通过显微成像设备观察并记录图像数据的测试。时下，国内外的大多数力学性能测试装置都还停留在非原位测试的层面，不能在试验过程中观察材料的变形损伤机理，记录不了材料形变过程中本质的改变，对试验人员进行材料的力学性能分析提供不了更为全面的资料，影响到了研究人员的试验分析。不同的是，原位测试很好的解决了这一问题。原位测试36-38又分为原位试验与原位测试，原位试验是指在工程现场，在对被测材料无任何破、无任何坏扰动变量的情况下，通过实验手段测量出所需物理量，进而对被测材料进行分析与评价。而有关材料的力学性能的原位测试，可以使用包括扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM等显微成像设备对被测材料在载荷加载情况下的实时变化进行监测与记录，这无疑使得研究人员观察到的变形现象更加直观和有效，对材料的力学性能分析更加有说服力。原位测试技术，可以更好的揭露出材料本身的性能，受到了广大研究人员的认可与好评。在上个世纪60年代扫描电子显微镜39面世，因为其具有图像分辨率高、可调节放大倍数、调节范围广、景深大等特点广受研究人员喜爱，从而发展迅速并被应用于各种领域。而扫描电子显微镜又可以进行原位观测，在试验过程中随着观测对象的形态变化，它都可以顺利进行图像接收，可以做到实时的动态监测，为材料的观察分析提供了可靠依据。透射电子显微镜40分辨率为0.1-0.2nm、放大倍数几万到几十万倍，所以可以进行被测材料的内部组织观以及对被测材料的电子衍射分析，用TEM进行试件的表面形貌分析十分方便。扫描探针显微镜41是通过探针在材料表面上进行机械式的扫描，探针的精度体现出其影像的分辨率，可以获得无限趋近进真实的高分辨率图像。因为原位测试装置的先进性还未达到普及使用的原位，在国内外普遍研究材料的力学性能测试装置中还未更新，还有很多研究人员使用的是非原位观测仪器，虽然也可以得到材料的力学性能数据，但却观察不到材料在载荷加载状态下的实时变化。若使用原位观测设备，则可以更好的对材料的力学性能有一个跳跃性的了解。1.4本文主要研究内容毕业论文内容为硬岩掘进刀具材料的微观力学性能测试与分析。首先，进行总体方案设计和参数明确，在此基础上对试验所用仪器进行研究选择，选定仪器后对所测刀具材料试验样品进行试制加工，并作研抛和金相腐蚀制备试验样品；在此基础上，利用原位拉伸测试仪、原位弯曲测试仪等仪器结合金相显微镜，针对不同刀具材料进行拉伸，剪切，弯曲等不同载荷下的原位力学性能测试试验，取得实验数据，结合金相学分析与刀具材料实际工作中的失效模式，对其变形损伤机制进行分析研究。有关工作主要涉及材料力学、有限元方法、金属材料及其热处理工程材料等有关理论，所要借助的仪器设备有拉伸、拉剪、弯曲等复合载荷原位力学性能测试装置。7 第2章 试验内容和样品制备第2章 试验内容和样品准备2.1金相组织的形式试验材料中的金相组织普通包括金属组织以及非金属杂质。金属组织主要以晶粒的形式表现出来，晶粒的大小对金属的物理性能、机械性能以及化学性能等都有着显著的影响。非金属杂质是钢材在冶炼和凝固过程中夹在在材料中的杂志，它的存在大大的增加了钢材的不均匀性，破坏了原本金属组织的连续性，影响了刚才的疲劳性能、力学性能等特性。金相组织的形态包括：铁素体、马氏体、奥氏体、渗碳体、珠光体、贝氏体、莱氏体、索氏体和屈氏体。碳钢一般在室温下存在两个基本相，即铁素体和渗碳体。合金元素可溶解于这两相中而形成合金铁素体和合金渗碳体。非碳化物形成元素，由于不能形成碳化物，几乎都溶解在铁素体中行程合金铁素体。当合金元素溶于铁素体时会引起晶格畸变，有固溶强化的作用。合金元素含量越多。铁素体晶格畸变越严重。其硬度、强度就越高。而碳化物形成元素溶入渗碳体中取代部分铁元素形成合金渗碳体，其硬度会有明显增加。所以能够提高材料的耐磨性。2.2金相显微试件制备2.2.1打磨抛光将试件清洗干净后擦干，使用加热台（图2.1）通过石蜡将试件粘在打磨块上。在操作过程中，要注意：1、石蜡适量；2、要将试件排气压实，保证粘的平稳。然后使用500、800、1000、1500、2000、3000、5000目砂纸对试件进行打磨。具体操作为将砂纸放在例如玻璃的光洁平整底板上，在砂纸上加适量水以避免打磨时试件升温融化石蜡，顺着一个方向手持打磨块进行打磨，每目砂纸横纵方向各打磨2次，每次打磨后保证试件上划痕方向一致即可。再用5000目砂纸打磨至划痕方向一致后使用金相抛光机（图2.2）进行抛光。在抛光过程中要适量添加抛光液，抛光15分钟左右即可。抛光完成后立即用大量清水冲洗试件，之后用无水乙醇进行冲洗，使用电吹风将试件吹干，放到显微镜下观察，无明显划痕即可。 图2.1 加热台 图2.2 金相抛光机图2.3，图2.4为打磨后在高景深显微镜下观察到的试件表面画面，打到这样即合格。 图2.3 打磨后试件表面2D图像 图2.4 打磨后试件表面3D图像图2.5为，图2.6，图2.7为抛光后在高景深显微镜下观察的画面。通过图2.5和图2.6可以看到试件表面在抛光后基本观察不到明显的划痕，通过图2.7可以看到试件在抛光后也处于一个非常平整的状态，如此处理试件非常标准。图2.5 抛光后试件表面2D图像 图2.6 抛光后试件表面2D图像图2.7 抛光后试件表面3D图像2.2.2配腐蚀液本试验配置的腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。首先用量筒量取200mL无水乙醇，倒入250mL容量瓶，再用移液管量取10mL硝酸注入容量瓶，轻轻摇晃容量瓶使得硝酸与无水乙醇混合均匀后再用无水乙醇定容至250mL即可配置出250mL的4%硝酸酒精溶液。在配置过程中，需要佩戴胶皮手套保证安全。2.2.3腐蚀观察将腐蚀液倒入培养皿中，倒入量保证可沫过试验所用试件即可。将抛光处理后的试件浸入腐蚀液中，腐蚀20秒左右拿出，立即用大量清水对试件进行冲洗，然后用无水乙醇对试件进行冲洗，吹干。2.3金相组织的试验分析2.3.1试验依据金相分析是研究金属材料性能的重要方法，采用定量金相学原理，测量和计算薄膜的金相显微组织和二维金相试样磨面来对合金组织的三维空间形貌进行测算，定量分析合金组织、成分和性能。金相技术广泛应用于钢铁的检验和研究，金相检验是钢铁检验标准中的一个重要的检验项目。金相检验的目的一方面是对各种缺陷的性质和分布状况进行观察鉴定，一方面是依据有关标准对成品钢材的质量是否符合要求进行判定，分析研究缺陷的产生原因和工艺因素对钢材质量的影响，为各种试验研究和改进工艺质量提供依据，它成为保证产品质量不可或缺的手段。2.3.2试验结果与分析用事先制好的抛光后q235试件与4%硝酸酒精腐蚀液进行试验。金相腐蚀后放到显微镜下观测，可以清楚的看到晶粒。钢中夹杂物的按形状的不同可分为几何和不规则形态。几何形态的有呈球形的SiO2，呈方形的TiN等。不规则形态的有呈脆性破碎粒状的多角形铝硅酸盐玻璃，呈卵状的FeO。呈孤粒状分布的硅酸盐，聚集成群呈串状分布的FeSMnO、FeS和Al2O3等氧化物。图2.8腐蚀后低倍显微镜下观测结果图2.9 腐蚀后中倍显微镜下观测结果图2.10 腐蚀后高倍显微镜下观测结果将试件进行金相腐蚀后，放置在电子扫描显微镜下观察。我们可以十分清楚的观察到材料的金相组织，晶格十分清晰。2.3本章小节本章主要介绍了金相组织的存在形式以及金相组织中非金属杂质组成。同时详细介绍了金相试验的过程包括金相试件的制备以及腐蚀液的配取和试验步骤，并对试件进行了金相腐蚀试验与分析，得到了Q235材料的金相腐蚀图，并且对金相腐蚀图片进行了分析。51 第3章 碳素结构钢微观力学性能测试分析第3章 碳素结构钢微观力学性能测试分析3.1拉伸试验仪器 选择了拉伸载荷原位力学测试装置如图3.1所示。拉伸载荷所用试件如图3.2所示。厚度为1mm。图3.1 拉伸载荷原位力学测试装置图图3.2 拉伸载荷标准试件试验仪器最大载荷为1000N,位移分辨率为0.1mm。3.2拉伸试验方案设计在工程实际中，受到拉伸力的杆件十分常见，例如起重机钢索在起吊重物时，就会受到拉伸的力量。所以，了解材料的拉伸变化是非常必要的。低碳钢是平时在工程实际中被广泛使用的材料，本章将对Q235结构钢进行原位拉伸试验与分析。低碳钢通常指的是碳含量低于百分之零点三的碳素钢，用相关试验机对试件进行拉力的缓慢加载，得到每一个拉力值所示试件产生的位移。在试验时，使试件受轴向拉伸，通过肉眼以及显微镜观察试件从静止到被拉断整个过程中发生的各种变化，得到试件受到载荷与位移的曲线，用以测定材料的各项力学性能指标。3.3试验结果与分析图3.3为拉伸试验的载荷-位移曲线。试验试件的部分数据见表3-1。图3.3 拉伸试验的载荷-位移曲线表3-1 数据位移（mm）拉力（N）0.089181.6560.212200.3070.955250.191.521262.5161.987267.9572.504270.8893.022270.9893.509269.143.67250.317我们可以看到在1到180N期间，试件处于弹性阶段，这是试件拉伸的初始阶段，应力与应变的关系为线性关系，这就说了在这一阶段内应力与应变成正比，即 这就是拉伸时候的胡克定律。 式中，E为弹性模量，表示了材料的弹性性质，即在弹性阶段发生变形过程中，材料本身抵抗这种变形的能力。这条直线的最高点所对应的应力被成为比例极限。通过观察，可以得出结论，在应力不超过比例极限时，应力与应变的关系为线性关系，服从胡克定律。在弹性阶段后，试件到达短暂的屈服阶段。由于试验试件进行了打磨抛光金相腐蚀处理，我们在下面的金相图里会清楚的在表面上看到与轴线大致成45度角的条纹，也可以看到材料内部晶格之间的相对滑移，这些条纹被称为滑移线。在屈服阶段，材料试件出现了明显的塑性变形。经过屈服阶段后，试件材料进入了强化阶段。强化阶段的试件再一次重新获得了抵御发生变形的能力，所以此阶段要继续加大载荷才能使材料再次发生形变。这一过程阶段就是材料的强化阶段。在强化阶段中，会有一载荷最大点，这点的意义在于材料所承受的应力到达了一个极限值，这个应力为成为材料的强度极限。材料到达强度极限后，继续施加载荷，材料会出现一个颈缩现象，颈缩现象直观的表现就是拉伸试件的横截面将缩小，试件开始明显延轴线方向被拉长。因为试件的横截面积变小，这导致了试件继续拉伸所需的拉力将变小。随后不久，试件将被拉断。在本原位拉伸试验中，提前将试件进行了金相腐蚀处理。并且在拉伸试验过程中，观察到了金相图片的随着载荷变化的变化。图3.4 载荷170N时采集的金相组织照片 此时可以观察到晶格之中所形成的间隙固溶体，即为铁素体和奥氏体，奥氏体已经均匀化。但是晶格还没有明显现象。这是因为试件还处于弹性阶段，自身正在抵抗变形。图3.5 载荷200N时采集的金相组织照片 这时可以观察到试件已经开始被拉长。此时的试件已经经过了弹性阶段，正在屈服阶段，通关观察可以发现有些晶格已经被拉长变形。图3.6 载荷225N时采集的金相组织照片 此时拉长现象已经较为明显。已经有很多组织发生了变形。图3.7 载荷240N时采集的金相组织照片图3.8 载荷250N时采集的金相组织照片 此时仔细在照片上观察已经可以观察到一些由于拉伸拉型产生的斜状条纹。这种条纹被称为滑移线，滑移线的出现代表着此时材料正在屈服。图3.9 载荷260N时采集的金相组织照片在这组照片上，左边低倍下就可以较为明显的观察到条纹。右边高倍下可以更为清楚的观察到滑移现象，滑移线已经开始成区域出现。图3.10 载荷268N时采集的金相组织照片 在这组照片上，大部分区域里均发生了破坏，晶格变形，产生了大量条纹。此时已经出现了大量滑移带。图3.11 载荷270N时采集的金相组织照片 在这组照片上可以看到晶格被破坏的已经比较严重。图3.12 载荷270N时采集的金相组织照片 在这组照片上可以观察到，试件材料已经被破坏，濒临破碎。图3.13 载荷267N时采集的金相组织照片 在这组照片上，材料已经处于较大的载荷上一段时间，金相组织，珠光体、马氏体等都已变形。滑移带也已经因积累而形成了滑移台阶。图3.14 试件拉断后采集的金相组织照片 在这组照片上，可以看到拉伸试验拉断后，晶格的破碎变形。在将试件拉断后，把试件放在高景深显微镜下观看端口时图像，得到如下图所示图片。图3.15 试件断口处图像图3.16 试件断口处3D图像图3.17 试件断口处中倍显微镜下图像图3.18 试件断口处中倍显微镜下3D图像图3.19 试件断口处高倍显微镜图像图3.20 试件断口处高倍显微镜下3D图像在高景深显微镜下观察试件断口处图像，可以看到断口处材料组织均被破坏，且被破坏的形式较为统一，断口处试件横截面积因发生了颈缩现象而变小。在原位测试整个观察试件的拉伸过程中，我们发现，试件的变形呈现出屈服之后再次弹性，最终产生滑移线、滑移台阶后拉断。通过对以上试验得到的照片进行比较与分析，我们可以发现块状物质为铁素体，黑色小块为珠光体，黑色细条状为晶界限。铁素体和珠光体均匀混合分布在金相组织中，珠光体所占比例大致在35%左右，颗粒十分粗大，铁素体晶粒度应为45级，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性，而珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间, 强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好。因此在一定范围内，铁素体越多，那么钢材的塑性和韧性越好，而强度、硬度就较差。而如果珠光体多的话，那么钢材的强度和硬度就会越好，但是塑性和韧性就会降低。通过试验过程中的比对，我们发现铁素体与珠光体的比例随着试件屈服强度的增加而增加。从试验中还可以看出，Q235试件晶粒大小较不均匀，有的很大，有的很小，且珠光体和铁素体较大。从理论上来说，晶粒大小不一的话，钢材容易出现脆性断裂引发事故；晶粒越细小的钢材，组织越均匀，晶界越多，晶界的表面积就大，晶粒与晶粒之间咬合的机会就越多，所以强度、硬度比较高，而在塑性变形时，由于组织比较均匀，不易在局部产生过量的破坏，表现出较好的塑性和韧性；粗晶粒的优点是：导磁率大，而且为避免高温蠕变和高温氧化，一般也选用粗晶粒钢。通过Q235试件的断口处图片可以看出珠光体和铁素体沿加工方向呈带状分布，这样会使力学性能具有方向性，沿带状纵向抗拉强度高，韧性好，横向力学性能较差，强度低，韧性差。带状组织的形成是因为钢中存在磷的偏析，当钢慢慢冷却时，首先形成铁素体，碳被浓缩到低磷区，在随后的冷却中发生共析转变为珠光体形成分层组织。带状组织属于不正常组织，可用高温正火的方法消除或改善。3.4本章小节本章对拉伸的原理进行了简单的分析，介绍了原位拉伸测试仪的组成。对Q235低碳钢进行了原位拉伸试验，并对其进行了原位金相观察。对试验结果进行了分析。 第4章 6061铝合金的微观力学性能测试分析第4章 6061铝合金的微观力学性能测试分析4.1剪切试验仪器试验所采用的拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置由拉伸-剪切复合载荷测试装置机械结构、电控箱部分、采集卡部分、软件程序部分和观察显微镜五部分，拉剪测试装置机械结构作为四路信号采集及执行机构，测试装置控制软件作为信号显示、数据处理及电机控制的平台，而电控箱和PCI8602 采集卡是前两者之间信号和数据传递的桥梁。此套仪器最大拉伸力为1000N。载荷分辨率为0.01N，位移分辨率为0.1m。 图4.1 拉伸-剪切复合载荷原位力学测试装置图测试所选用的是卡槽型夹具，试件放在夹具里，装置缓慢运动，进而将试件卡死，受到的力为零后开始剪切。测试中剪切的试件，结构较为简单，厚度为1mm，宽度为2.5mm，长度为25 mm，截面面积： A=ab=2.51mm2=2.5 mm24.2剪切试验方案设计在日常生活与工程应用中，机械或者构件的之间通常用螺栓、键、销钉、铆钉等联接键来联接。这一类联接件材料受剪切力下的切应力受力的共同点是：在构件两侧面上作用的外力的合力方向相反、大小相等而且作用线距离很近。变形特点是：位于两合力之间得截面即剪切面，发生了相对错动，这种变形形式就称为剪切变形。在已有的力学性能测试装置中，对材料承受剪切力的测试，可以得到哪些力学性能参数的研究去很少。本研究对剪切测试的理论和试验进行研究。利用测试装置对宽度为 2.5 mm，剪切力受力面积为 2.5 mm2铝材进行剪切力学性能的测试，通过检测到的载荷和位移数据，可以得到载荷-位移曲线，由载荷-位移曲线可以得到材料的一些力学性能参数。4.3试验结果与分析对宽度为 2.5 mm，剪切力受力面积为 2.5 mm2试件进行剪切时，得到的载荷-位移图像如下，部分的试验数据见表4-1，全部采集数据参见附录1。图4.2 剪切载荷-位移曲线表4-1 数据剪位移剪力剪应变剪应力0.00220.0200.025-0.2541-3.32-0.25-1-0.5009-122.26-0.4924-58.55-0.7531-286.03-0.7438-139.985-1.0002-450.82-0.9919-223.195-1.2036-525.39-1.1875-261.045-1.4052-596.97-1.4102-296.96-1.5052-631.2-1.4979-313.96-1.6002-655.33-1.5903-326.46-1.6708-668.73-1.6527-333.695-1.7085-670.4-1.6909-335.16-1.7515-666.82-1.7418-334.2-1.8427-650.52-1.8274-326.3上图 4.2 所示，是尺寸为厚度为1mm，宽度为2.5mm，长度为25 mm的6061铝合金试件的位移载荷曲线。图像右侧为起点，对试验数据进行分析，剪切过程中，在力达到655N时，测试曲线的斜率减小，与剪切变形中材料的屈服变形有关，在达到最高点，即在670N左右的时候，试件被剪断，随后力值迅速归零，在剪断瞬间