材料失效分析实验指导书

1 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 2 PLD 50KN 250NM 拉扭疲劳试验机一台 3 JB 30B 冲击试验机一台 4 SM1 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 10 0 0 d l 0 A lo 2 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 AKaK 按 GB229 94 将试验材料加工尺寸为 10mm 10mm 55mm 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 3 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 0 A ps s 强度极限 0 A pb b 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l1和拉断后颈缩处的最小直径1 d 由以下两式算得其主 要塑性指标 延伸率 截面收缩率 100 0 0 l ll 100 0 0 A AA 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 max min 4 幅同时确定 试验过程加载波形如图 4 所示 a 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 强 度 指 标塑 性 指 标 材料 屈服极限 s MPa 强度极限 b MPa 延伸率 截面收缩率 45 钢3754781458 5 2 疲劳实验 材 料应力比r应力幅 a疲劳寿命Nf S135 18KN 7KN m8888 S135 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 6 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 强 度 指 标塑 性 指 标 材 料 屈服极限 s MPa 强度极限 b 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Nf 4 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