金属材料拉伸试样的断裂行为研究

金属材料拉伸试样的断裂行为研究摘要：本文对铸铁和不同热处理的20#钢光滑拉伸试样和缺口拉伸试样进行了硬度测量和拉伸断裂试验，通过宏观力学性能参数的测定，材料金相显微组织的观察，对铸铁和20#钢拉伸时的宏观力学性能进行研究。采用电镜扫描，研究缺口对铸铁和不同热处理工艺的20#钢拉伸性能的影响。结果表明：正火、淬火工艺，会使20#钢的拉伸性能的到较大提升，其中，水淬后的20#钢硬度明显提高；缺口拉伸试样的塑性变形主要集中在缺口附近局部区域；从20#钢的断口微观形貌，可以看到较多大小、形状、深浅不同的韧窝；从铸铁的断口微观形貌可以清晰地观察到铸铁的“河流”花样微观形貌。关键词：20#钢，铸铁，拉伸断裂行为，扫描电镜IMetalmaterialtensilefracturebehaviorofstudyAbstract:Inthispaper,themeasurementofthehardnessandtensilefracturetesthavebeendoneonthecastiron,heattreatmentof20#steelsmoothtensilesamplesandthenotchtensilesamples.ThroughthedeterminationofmacromechanicalperformanceparametersandtheobservationofMaterialmetallographicmicrostructure,themacromechanicalpropertywhencastironand20#steelaretensilearestudied.Scanningelectronmicroscopy,influenceofgaptotensileperformanceofcastironand20#steelindifferentheattreatmentprocessisalsoconsidered.Inconclusion,theprocessofnormalizingandquenchingcanmakethetensilepropertyof20#steellarger.Especially,thehardnessof20#steelafterwaterquenchingincreasessignificantly.Moreover,plasticdeformationofnotchtensilesamplesmainlyconcentratesinthelocalareanearthegap.Besides,therearemoretougheningnestsindifferentsizes、shapesanddepthesinfractureof20#steel,whilefromthefractureofcastironwecanseetheMicrostructureofriverpattern.Keywords:20#steel，castiron，Tensilebreakingbehavior，ScanningelectronmicroscopeII目录1绪论.11.1研究的目的及意义.11.2国内外研究现状.21.2.1国内研究现状.21.2.2国外研究现状.31.3研究内容和采用的研究手段.41.3.1研究内容.41.3.2研究手段.42实验.62.120#钢的热处理.62.1.1正火.62.1.2淬火.72.2制取金相试样.72.3力学性能测定.92.3.1拉伸试样的硬度测量.92.3.2铸铁的冲击试验.102.3.3拉伸试验.112.4电镜扫描试验.133结果与分析.153.120#钢的显微组织观察结果与分析.153.2力学性能的检测结果与分析.163.2.120#钢硬度的测量结果与分析.163.2.2铸铁冲击试验的结果与分析.183.2.3拉伸试验的结果与分析.183.3断口观察的结果与分析.263.3.1铸铁试样的断口观察.273.3.220#钢试样的断口观察.294结论.34参考文献.35致谢.3711绪论1.1研究的目的及意义金属拉伸试验是测定金属材料力学性能的一个最基础的试验，是了解材料力学性能最全面，最方便的试验。通过测定20#钢和铸铁在轴向静载荷拉伸过程中的力学性能，对20#钢和铸铁有进一步的了解。在试样过程中，利用试验机的自动绘图装置绘出20#钢的拉伸曲线和铸铁的拉伸曲线，能更好的了解20#钢和铸铁的拉伸性能的变化过程。借助此次断口形貌的观察分析，进一步地掌握巩固脆性断裂和韧性断裂的断裂机制及其断口形貌，脆性材料断裂类型通常有沿晶断裂、脆性穿晶断裂、解理断裂和准解理断裂，微观形貌上，通常会观察到“河流”花样或“舌状”花样等微观特征；韧性材料断裂类型通常有纯剪切断裂、韧窝断裂和蠕变断裂，微观形貌上，通常会体现为韧窝的存在。另外，需要我在实验的过程中，将所学过的材料力学、材料力学性能等专业知识不断地加以应用，熟悉金属的热处理工艺，了解金属材料在单向拉伸及其它载荷下的力学性能，熟悉金属材料的断裂类型及断裂机制，学会分析金属材料的断裂过程，从中找出材料断裂失效的原因，从而判断出事故责任、改进构建设计和制造工艺；通过实验，进一步了解更多的缺口效应，如应力集中、缺口强化、缺口改变应力状态等；对金属材料的断裂类型、方式、路径、原因和机理等有更多的了解。社会的不断发展使得金属材料有了更加广泛的应用。金属材料有着其他材料无法比拟的优点，同时自身也存在着某些缺陷，金属断裂就是常见的一种形式。磨损、腐蚀和断裂是机械构件破坏的主要三种形式，其中断裂行为是危害最大的。上个世纪五十年代以来，尤其是在二战之后，世界得到了和平发展，人们生活水平日益提高，对金属材料的使用量不断的增加，使用范围也是愈加的广范，进而伴随着金属材料意外断裂事故的频频发生，给国家和社会带来了巨大的损失。借助对金属拉伸试样的断裂行为的研究，进一步了解金属材料在拉伸静载荷下的力学性能及其金属材料在受静拉伸载荷时的断裂过程，并通过观察金属断口形貌，对金属断裂机理和机制进行进一步的了解，得出在不同的热处理工艺下的金属不同的拉伸性能，分析金属失效的原因，从而进行事故责任的判断，和设计制造工艺的改进构建，并能够进一步防止发生事故。同时，通过毕业设计掌握不同金属的热处理工艺，掌握常规力学2性能测试方法，加强对力学性能指标意义的理解，为今后材料设计和选择打下良好基础。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状一种性能好的金属，往往具有较长的适用寿命、较为普遍的适用范围。金属材料是工业中应用最广泛的材料，在不同的环境条件下具有各不相同的优异性能。随着金属材料的广泛利用，金属的断裂行为研究逐渐进入人们的研究主题，金属材料拉伸试样的断裂行为的力学性能研究的方法也逐步建立和日益完善起来。因为金属失效的主要形式之一就是金属的断裂，所以进行金属断裂行为的研究对更加安全使用金属具有非常重要的意义。Charpy.V冲击韧性1是一种方法，主要是用于对材料冶金质量的评价。而随着一系列事故的发生，如油船的脆断事故，使得人们开始重视金属的断裂研究，并随之进行了许多的研究，最后发现了通过转变温度可以改变缺口的冲击韧性。但转变温度的方法没有明确的物理意义，存在着巨大的缺陷，并且对构件中已经存在的缺口尺寸和脆断的应力关系并不能进行关联。我们都知道，所谓的缺口效应，就是指金属的弹性变形、塑性变形和断裂进程等都会受到缺口的影响。它可以表示出以下三种现象：第一，缺口会使得应变力集中；第二，缺口试样或机件中所受的应力状态可以发生改变，只要改变缺口前方的应力状态，其就会由单向变为两向或者三向；第三，“缺口强化”现象，即为缺口提高塑性材料的强度，但因缺口约束材料塑性变形，使材料塑性降低，因此缺口使塑性材料得到强化2。陈孝程3通过实验取证比较金属测试前后的横截面面积，记录试验力在横截面积的持续时间，以及测试转换的速度设置，提出了各种金属的拉伸性能的试验有两种方法，即图解法和人工法。但因它们适应性能力的不同，所以要依据样品的特点和测试的要求进行方法的选择。胡逾4进行了金属材料缺口的断裂行为研究，并有了一系列发现，如圆柱裂纹圆柱试样的脆性系数，裂纹扩大力和极限强度破坏力的干系曲线，并在以后对金属材料的研究中，应用了脆性系数理论。同时，他得出，满足低应力脆断的条件，脆性系数阐发是非常适合阐发铸镁合金和中、高强钢的断裂实验。蔡増坤、王海勇、王从贤等人5，在金属拉伸实验方法的关键及其对策一文中3说出实验时操控应力速度及应变速度是金属拉伸实验方式的关键，他们利用传感器技术和计算机技术在液压机式全能材料实验机上进行了应力速度和应变速度的实验，并获得了杰出的成果，这一实验成果奠定了我国液压式材料实验机功效扩大和开辟新一代机型的根本。张文泉、王俊英、张学昆等人6，通过金属材料的拉伸实验研究了塑性金属材料试样的各个截面处在缺口效应的影响下的变型定律，还有其一般力学性能指标。最后得出，缺口四周的小部分区域是塑性变形集中的地区，并进一步分析了是否有必要增加缺口塑性这一新的性能指标和确定相干试样尺寸及精度等标准。随着科技的不断发展，在后来的研究试验中，人们借助于各种新型工具，能更加清晰的分析金属断口形貌，使金属拉伸试验得到进一步的发展。缪建红和丁锦坤7相互配合，通过观察断口形貌，研究了影响断口相貌的因素，并对拉伸断裂的断口形貌和冲击断裂的断口形貌进行进一步对比，提出了金属拉伸试样断口的分析方法。在拉伸试验有了良好发展以及断口分析取得了较大进步的情况下，我国学者又在该领域进行了更深入的研究，并在该领域取得巨大的突破。李红英8通过金属拉伸实验提出金属拉伸试样断口的分析方式，讨论了应力在拉伸试样的分布情况、断裂过程，以及影响断口性矛盾额原因、断裂过程的因素，这一讨论为断裂形态的分类和金属试样断裂原因的分析提供了重要依据。1.2.2国外研究现状AlbertoCarpinteri9借助调集质料的断裂实验缺口敏感性的钻研，按照类似定理，肯定了节制缺口敏感性的特征的无量纲参数，即为脆性系数。对光滑和缺口时效硬化铝合金AA7075试样进行研究的是EssamEI-Magd和MichaelBrodmann，他们进行了动态和静态的拉伸实验，研究了不同热处理状态下的断裂应变的影响因素，包括颗粒尺寸、体积分数和分布，最后发现，在动载荷下，延性的增加是由于材料增大的应变率敏感度造成的10。WeiZhou和K.G.Chew11通过标准Charpy.V型缺口试样评估了室温条件下钨极气体保护焊接Ti-6A1-4V合金对接接头的冲击韧性，发现焊缝金属中初生晶粒的减少可以有效改善Charpy的冲击韧性。同时，我们可以发现，初生晶界是微裂纹形核的优先位置，这对断裂扩展行为的研究提供了相对容易的途径。Zhen和S.B.Kang12研究不同时效条件下的两个A1-MG-Si合金的变形和断裂行为，主要是采用拉伸实验的方法，并利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察实验结果。4经由实验结果可以发现，晶界位置上高的局部应力不断积累而达到一定的值，同时，颗粒与沉积区界面的应力在晶界沉积物上促使了孔洞形核，沉积区的这些孔洞聚合，进而导致了合金的断裂。J.H.Chen和G.Z.Wang1314对合金钢缺口试样增韧进行了研究实验，发现增韧的起因有三点，缺口钝化、残余压应力、潜在起裂源的减少。对于潜在起裂源减少这方面的研究，他们发现其实质是微孔洞在第二相上的形核，即损伤的结果；同时，他们目前表示也尚未弄清损伤对缺口韧性的影响和机理，因为尚未对其与另两个因素进行分离实验。M.Bourgeois和X.Feaugas的研究主要是检验了Rice和Tracey孔洞生长模型上，他们发现了/钛铝材料中孔洞形核发生在夹杂物或它们附近，并利用缺口试样实验和有限元方法进行了检验15。从上世纪至今，材料拉伸试验这个领域，在经过国内外众多学者的深入研究，已经取得到了较大的发展，凭借着前人不断积累的宝贵经验，以及后人不断创新的精神，无数后人还将继续更加深入的研究，取得更大的成就。1.3研究内容和采用的研究手段1.3.1研究内容根据国标GB/T228-2002金属室温拉伸实验方法的试样尺寸规定，选取20#钢和铸铁光滑拉伸试样和缺口拉伸试样，在万能材料试验机上进行拉伸试验，试验时给试样施加缓慢的静载荷，试样被拉断后立即停机，实验过程中要记录试验力，绘出材料的载荷-位移曲线，并对金属拉伸试样的断裂过程加以分析。在试样拉断后，结合记录的数据，运用材料力学性能、材料科学基础等知识，通过相关计算分析，测量材料的屈服应力、抗拉强度、延伸率等性能参数，了解金属材料的单向拉伸及其他载荷下的力学性能，熟悉材料的断裂类型及其断裂机制。同时，通过对材料断口形貌的观察，分析材料断裂方式，了解断裂类型和断口的形貌类型，在运用材料科学基础和材料力学性能等专业知识对其进行分析后，进一步分析缺口效应，即缺口强化、应力集中和改变应力状态。1.3.2研究手段5通过对铸铁和20#钢缺口试样和光滑试样进行拉伸，观察到铸铁和20#钢的断裂过程，并分析铸铁和20#钢的应力应变过程。借助于万能拉伸试验机的自动记录功能，记录铸铁和20#钢的拉伸曲线，利用现有知识手段，查阅相关文献，合理地分析铸铁和20#钢的断裂过程，绘制铸铁和20#钢的应力-应变曲线，分析缺口效应。最后再通过对铸铁和20#钢断口的观察分析，借助于电镜扫描断口，查阅韧性材料与脆性材料的相关参数，借助于相关的计算机辅助软件，完成对试验结果的分析，对铸铁和20#钢的微观组织进行合理的分析。为了探讨金属材料拉伸试样的断裂行为，本课题采用20号钢为韧性材料，铸铁为脆性材料，分别对光滑试样和缺口试样进行拉伸试验，并对20号钢进行不同的热处理工艺。通过对铸铁和不同热处理工艺的20号钢进行拉伸试验，研究其光滑试样及缺口试样的断口形貌。本文主要分为四章：第一章以金属材料的拉伸试验为主线，简述了本课题的目的和意义，概述了关于金属拉伸试验的国内外进展，并简要介绍了本课题的主要工作。第二章是试验部分，主要介绍本次课题进行的试验，介绍其试验原理及试验设备等。第三章是对实验结果的分析，分析铸铁和20#钢的微观组织；分析铸铁和20#钢的拉伸性能以及断裂过程；通过宏观观察和微观观察下不同的断口形貌，总结材料的断裂类型，分析断口微观形貌，总结材料的断裂机制等。第四章是结论部分，主要是对一系列实验进行进一步的分析，对结论进行总结。62实验2.120#钢的热处理本次热处理试验，将在箱式电阻炉上完成，选用型号DK-5-12B电控箱，电压AC220V，额定功率为5KW，最高加热温度为1200，电阻炉型号为SX-5-12B，炉膛尺寸为300*200*120，实物见图2.1。图2.1箱式电阻炉为了记录对20#钢在不同热处理工艺下的拉伸性能的测定，以及不同的热处理工艺对拉伸断口形貌的影响，本次试验将对20#钢拉伸试样采用不同的热处理工艺进行热处理，然后再进行拉伸试验。本次试验，留下一组拉伸试样，不做任何热处理，作为参照组。选一组拉伸试样，做正火处理，一组试样做油淬+回火热处理，一组试样做水淬+回火热处理。2.1.1正火正火，也叫常化，是一种热处理工艺。具体就是指将工件加热到Ac3或Acm以上3050，然后温一定时间之后，在空气中冷却的过程。其中，Ac3是7指在加热过程中，自由铁元素全部转变为奥氏体的最终温度；Acm是指在实际加热过程中，过共析钢完全奥氏体化时的临界温度。20号钢的各个变温度（近似值）Ac1=730，Ac3=850，Ar3=850，Ac1=685。由正火的定义，将试样进行加热，温度达到890时进行保温，然后查阅相关的资料，计算得出箱式电炉保温的时间：碳钢：t=1/mm+(1030）合金钢：t=1.2/mm+(3060）本试样为20#碳钢，则加热时间为：t=k*D+(1030)k为1/mmD为工件有效厚度（单位/mm)故保温时间为20分钟，之后出炉进行空冷。2.1.2淬火淬火，也是一种热处理工艺，它指将工件加热到Acm或Ac3以上3050，然后温一定时间后，再在水中或油中冷却的过程。水淬热处理的加热方案如下：首先进行加热，将试样放入箱式电阻炉中，接通电炉，并将温度设定为890，然后进行保温，20分钟之后取出试样放入水中冷却，在这个过程中需要不断地搅动水，直到试样完全冷却之后，最后再进行180的回火工艺。油淬热处理的加热方案如下：做这项热处理工艺时，选用油作为冷却介质。加热方案如下：首先将试样放入箱式电阻炉中加热，温度设定为890，然后进行20分钟的保温，之后取出试样放入油中进行冷却，在这个过程中也需要不停地搅动油，最后直至试样冷却至室温后，再进行180回火工艺。2.2制取金相试样圆柱试样是本次金相观察所采用的试样。将试样先用粗细不同的砂纸研磨，再用P-2金相抛光机进行抛光（实物见图2.2）然后对试样表面进行腐蚀，腐蚀的时候采用4%的硝酸酒精溶液16，最后使用RHJ-DMM-200D金相显微镜（实物见图2.3）对金属腐蚀面进行金属相图观察。制备金相试样流程见图2.4。8图2.2P-2金相抛光机图2.3RHJ-DMM-200D金相显微镜图2.4制备金相试样流程图92.3力学性能测定2.3.1拉伸试样的硬度测量采用HBS-3000布氏硬度计对未经过热处理和正火处理的20号钢的伸试样进行硬度测量，试验设备见图2.2。该试验的原理是用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，施加一定的试验力F（N）。将其压入试样表面，经规定保持时间t（s）后卸载试验力，试样表面将残留压痕。测量平均压痕直径d（mm），求得压痕球形面积A（mm2）。布氏硬度值就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商。图2.2HBS-3000布氏硬度计采用TSK-150D电动表面洛氏硬度计对经过水淬和油淬热处理的20号钢的拉伸试样进行硬度测量，试验设备见图2.3。洛氏硬度以一定形状的压头压入金属表面，测量压痕深度，以无量纲的深度表示材料的硬度值。本次试验测量的硬度值，将在硬度计上直接读出。图2.3TSK-150D电动表面洛氏硬度计102.3.2铸铁的冲击试验（1）冲击试样本次冲击试验，选用铸铁为冲击材料。缺口试样为“U”型缺口标准试样。按照国家标注规定，选取冲击试样的尺寸为10*10*55（高度*宽度*长度）。“U”型缺口宽3mm，深2mm。本次冲击试样选用三个，实物见图2.4。图2.4铸铁冲击试样（2）冲击试验本次试验，为测定铸铁的冲击韧性，试验在夏比摆锤冲击试验机上进行（试验设备见图2.5），其试验原理见图2.6，有一个能够围绕固定轴旋转的摆锤，摆锤从H1的高度释放控制，靠重力围绕固定轴旋转打断试样并摆动到H2高度，摆锤冲断试样前后的势能差就是试样吸收的冲击功AK2。冲击试样的试样摆放方式，见图2.7。图2.5冲击试验机11图2.6冲击试验原理图2.7冲击试样放置图冲击试验过程中试样的缺口位于冲击面的背侧。摆锤抬起至H1的高度释放控制，靠重力围绕固定轴旋转打断试样并摆动到H2高度，记录下此次试验冲击吸收功。2.3.3拉伸试验（1）拉伸试样拉伸实验主要是采用矩形截面拉伸试样和圆棒拉伸试样两种试样。其中，对缺口拉伸实验采用矩形截面拉伸试样，用于验证缺口效应和观察断口形貌；光滑拉伸实验采用圆棒拉伸试样，用于对材料拉伸性能和力学性能的测量，以及对断口形貌的观察。缺口试样的各种尺寸参数见图2.8，单位为mm。铸铁试样选用三个，实物见图2.9；20#钢试样选用四个，实物见图2.10。12图2.8缺口试样尺寸参数图2.9铸铁缺口拉伸试样图2.1020#钢缺口拉伸试样本次拉伸试验选取圆柱试样为光滑试样，铸铁光滑试样实物见图2.11，20#钢光滑拉伸试样实物见图2.12。在国家标准室温拉伸试验方法（GB228-2002）中，对拉伸试样的尺寸作出了明确的规定。光滑试样有工作部分程度L0（也称为标距长度）、工作部分直径D0、过渡部分圆角半径r三部分组成。本次试验选用的光滑试样，尺寸规格均相同，工作部分直径D0=5mm,工作部分长度L0=5*D0=50mm，夹持部分为40mm。图2.11铸铁光滑拉伸试样13图2.1220#钢光滑拉伸试样（2）光滑拉伸试样和缺口拉伸试样的拉伸试验本次拉伸试验主要有光滑试样拉伸试验和缺口试样拉伸试验。拉伸试验在微机控制电子式万能试验机上进行，试验机型号为DNS200，最大负荷为200KN，试验设备见图2.13。为了能更好的分析材料的断裂过程，为了更好地观察研究材料的断口形貌，本次试验进行光滑试样的拉伸试验。在室温条件下，在万能试验机上进行拉伸试验。为了便于测量材料的断面收缩率、延伸率、抗拉强度和屈服应力等宏观拉伸参数，试验时拉伸试验机将加载时的载荷-位移曲线自动记录下来，以备试验观察研究。图2.13电子式万能试验机2.4电镜扫描试验为了进一步的了解材料断口形貌，更好地分析材料的断裂机制，将对材料断口进行微观观察。本次试验采用电镜对断口进行扫描，通过观察、分析不同倍率下的断口形貌，了解材料的断裂机制。电镜观察常用的微观观察手段，扫14描电镜型号为KYKY-EM3800，实物见图3.1。采用微观观察的方法，特指用电镜，就可以联系断裂机理进行观察，这样可以得到更加客观的结果，以及精度更高的分析。在电镜扫描前，将拉伸断口钱2-3mm的部分切下，并用酒精和超声波震荡进行断口的清洗。将清洗好的断口放入电镜内进行扫描，观察断口不同位置、不同倍率下的微观形貌。图3.1KYKY-EM3800扫描电镜153结果与分析3.120#钢的显微组织观察结果与分析在金相显微镜上观察金相，得出未经过热处理工艺试样的金相见图3.1；经过正火热处理工艺试样的金相见下图3.2；经过水淬热处理工艺试样的金相见图3.3；经过油淬热处理工艺试样的金相见下图3.4。图3.1未经热处理的20#钢的显微组织图3.2正火处理的20#钢的显微组织图3.3水淬处理的20#钢的显微组织16图3.4油淬处理的20#钢的显微组织从所得图3.2上可以看出，正火后的20#钢，组织在整体上是细小均匀的，在铁素体基体上有非常多的细小的片状珠光体分布着，但同时也可以看到分布着部分粗大的组织，这部分可能是由于过高的正火温度，过长的保温时间和过慢的冷却速度等原因造成的。此外，组织中先共析铁素体比较少，珠光体的数量较多，且珠光体的片间距较小。从图3.3和图3.4可以清晰地观察到，经过淬火的热处理之后的20#钢，得到了细小的马氏体组织。热处理工艺对20#钢的淬火硬度有显著的影响，由金属相图可以很清晰的看出。由于20#钢铁素体本身就具有低的强度和硬度，高的塑性和韧性的特点，所以不能得出因马氏体基体上分布的铁素体而导致材料机械性能削弱的结论；相反，要想提高钢铁材料的综合机械性能，只要合理分布铁素体的大小、形态和数量即可。3.2力学性能的检测结果与分析力学性能检测的结果与分析分为三个部分：20#钢硬度的测量结果与分析；铸铁冲击试样的测量结果与分析；拉伸试验的结果与分析。3.2.120#钢硬度的测量结果与分析在布氏硬度计上测量出的数据，见下表3.1和表3.2。17表3.1未经过热处理的20号钢的硬度测量测量的次数/n123平均值压痕的直径d/mm4.574.614.594.59硬度/HB173168171171表3.2正火处理的20号钢的硬度测量测量的次数/n123平均值压痕的直径d/mm4.294.224.274.26硬度/HB198204199200将前后的数据进行对比之后可以发现，20#钢在经过了正火的热处理之后，硬度提高了17.2%。分析原因，可以发现是由以下几点造成的：第一，因为采用了较高的加热温度使得奥氏体的稳定性得到了极大地增强，且置于静止的空气中进行冷却增大了冷却速度，使得组织上出现了较细的片状珠光体和分散度较高的铁素体。第二，碳化物的力学硬度上原本就比基体要高得多，而片状珠光体的片间距又比较小，表面能较大，故而对基体的切割作用就得到了增强。这些因素结合在一起，就提高了试样的表面硬度。在洛氏硬度计上测量的数据，见下表3.3和表3.4.表3.3水淬热处理的20号钢的硬度测量测试次数/n123平均值硬度/HRC38.43.8838.938.7表3.4油淬热处理的20号钢的硬度测量测试次数/n123平均值硬度/HRC22.221.722.122经过对比可以发现，热处理方式不一样对20#钢组织的影响是很明显的。一方面，在相同的状态下，钢的含碳量与硬度成正比，钢的硬度会随着含碳量的提高而提高；另一方面，金属材料中的含金量和热处理硬度紧密关联，经过热处理后的钢，若含金量不同，即使含碳量相同，硬度也会有所差异。183.2.2铸铁冲击试验的结果与分析对于U形缺口试样，将冲击吸收功AKU除以缺口的净断面积AN，即得冲击韧度aKU=AKU/AN17。试验数据见表3.5。表3.5铸铁冲击试验数据试验次数/n123冲击吸收功/J3.22.92.9截面积/m20.000080.000080.00008冲击韧度（J/m2）400003625036250平均值（J/m2）36250分析上表数据，可以看出铸铁断口处基本上没有发生塑性变形，断裂前后截面积变化很小。铸铁在较小的冲击力的时候，就会发生断裂。铸铁是不适合做承受冲击力的机件的。3.2.3拉伸试验的结果与分析本次的拉伸试验的结果分析由两部分组成，一是光滑试样的拉伸试验结果分析，一是缺口拉伸试样的拉伸试验结果分析。（1）光滑拉伸试验的结果分析经过拉伸试验，得出铸铁光滑拉伸试样的力学参数见表3.6，力学性能检测结果见表3.7。表3.6铸铁拉伸试验参数组号123平均值伸长量L/mm1111拉断前的试样直径D0/mm10101010拉断后的试样直径D/mm9.929.939.949.93断裂载荷/N1078010290117601094319表3.7铸铁力学性能检测结果组号123平均值伸长率（）1.4491.4491.4491.449断面收缩率（）1.59361.59341.59351.5935抗拉强度b（MPa）431.2411.6470.4437.7根据上表所示平均值数据，所绘制的铸铁拉伸曲线和应力应变曲线分别见图3.5、3.6。图3.5铸铁光滑试样的拉伸曲线图3.6铸铁光滑试样应力应变曲线对未经过热处理的20#钢圆柱试样，正火热处理的20#钢圆柱试样，水淬和20油淬的20#钢圆柱试样进行拉伸试验，得到拉伸试验力学参数见表3.8。表3.820#钢拉伸试验数据对照组正火组水淬组油淬组拉伸前长度L0/mm70707070伸长量L/mm1713520拉断前的试样直径D0/mm10101010拉断后的试样直径D/mm55.874屈服载荷/N28420362607546033320强度极限载荷/N36260382208330050960断裂载荷/N35000377008100049980伸长率（）24.2918.577.1428.57断面收缩率（）7567.525184抗拉强度b（MPa）1450152933322038根据上表的数据，绘制不同热处理工艺的20#钢拉伸曲线分别见图3.7、图3.8和图3.9。21图3.7未经过热处理的20#钢拉伸曲线图3.8经过正火处理的20#钢拉伸曲线图3.9经过水淬处理的20#钢拉伸曲线22根据表中数据，绘制不同热处理工艺的20#钢应力-应变曲线分别见图3.10、图3.11、图3.12。图3.10未经过热处理的20#钢应力-应变曲线图3.11经过正火热处理的20#钢应力-应变曲线图3.10经过水淬热处理的20#钢应力-应变曲线综合铸铁光滑试样的拉伸试验的数据、力学性能检测结果和铸铁光滑试样的拉伸曲线、应力-应变曲线，我们可以看出，铸铁的拉伸性能较差，在受单向静拉伸应力的时候，是很容易发生断裂。铸铁试样从开始受力到断裂，变形始23终很小，即不存在屈服阶段，也无缩颈现象。具体解释就是，铸铁在受到拉应力的情况下，是非常容易发生脆性断裂的，但断裂前没有明显的裂纹产生，且在断裂时也不会发生明显的塑性变形，所以，脆性断裂的发生经常会导致灾难性的事故。20#钢拉伸试样的拉伸达到最大载荷之前，在标距范围内的变形是均匀的。从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。因此，测力盘上主动针开始回转，而从动指针则停留在最大载荷刻度上，指示最大载荷。通过20#钢拉伸曲线和应力应变曲线图，结合表3.8所列数据，可以看出，20#钢经过正火或淬火热处理后，拉伸性能得到较好的改善，其中，经过890淬火水冷后，再180回火工艺的20#钢，拉伸性能最好，在轴向静载荷拉伸时，。与其他热处理工艺相比，水淬后的20#钢的伸长率和断口收缩率比较小，但极限载荷和抗拉强度等力学性能指标有了明显的提高。（2）缺口拉伸试验的结果分析铸铁缺口试样的拉伸试验所得数据见表3.9。表3.9铸铁缺口试样的拉伸试验参数组号123平均值拉伸前试样长度h/mm88888888伸长量h/mm1111拉断前的试样缺口截面积/mm233333333拉断后的试样缺口截面积/mm23231.832.232断裂载荷/KN3.45323.45333.45303.4532长率（）1.361.361.361.36断面收缩率（）3.033.033.033.03所得拉伸曲线和应力-应变曲线分别见图3.11、3.12。24图3.11铸铁缺口试样拉伸曲线图3.12铸铁缺口试样应力-应变曲线20#钢缺口试样的拉伸试验所得数据见表3.10。表3.1020#钢缺口试样的拉伸试验参数组号对照组正火组水淬组油淬组拉伸前试样长度h/mm88888888伸长量h/mm3333拉断前的试样缺口截面积/mm233333333拉断后的试样缺口截面积/mm212121212长率（）2.82.92.952.88断面收缩率（）63.663.663.663.6所得拉伸曲线和应力-应变曲线分别见图3.13、图3.14、图3.15、图3.16。25图3.13对照组20#钢缺口试样拉伸曲线图3.14对照组20#钢缺口试样应力-应变曲线图3.15经过水淬热处理的20#钢缺口试样拉伸曲线26图3.16经过水淬热处理的20#钢缺口试样应力-应变曲线从微观到宏观，影响材料断裂的因素很多，有材料的性质、制造工艺、使用环境等，还涉及到材料的机加工缺陷、应力集中和应力幅等。其中，应力集中对材料断裂起着至关重要的作用。20#钢和铸铁缺口拉伸试样，由于缺口的存在，使它截面发生突变，形成应力介差，加上缺口根部圆角较小，在缺口根部就会造成应力集中现象。大量的缺口拉伸试验与事故都表明，断裂大都是源于应力集中处。应力集中使应力传递不均匀，局部出现高峰应力，此处材料能够承受反复载荷的次数少，最先出现裂纹。裂纹使一部分材料失去承载能力，使剩下材料中平均应力提高。但裂纹尖端形成了尖锐缺口，成为新的应力集中区，是裂纹继续展开，继而裂纹扩展，试样能传力的材料越来越少，直至剩下的材料不足以传递静载荷时，试样就会瞬间断裂。缺口拉伸试样光滑截面上的轴向应力处处相等，无应力集中，整个横截面上均有萌生裂纹的几率。但自由表面上的晶粒更容易发生塑性变形。微裂纹的萌生和扩展是由于循环塑性应变引起的，而塑性变形的大小取决于最大剪应力分量，故而缺口试样裂纹总是在缺口处产生。当外加应力高于材料强度载荷极限时，只要材料表面上某一点开裂，则裂纹就会持续扩展，直至材料断裂，而其他低应力区域不再出现开裂。观察上述铸铁和20#钢缺口试样的拉伸曲线和应力应变曲线，结合表中数据，可以发现，缺口拉伸试样不同截面处的塑性变形量是不均匀的，缺口截面处于缺口约束塑性变形，特别是缺口强化现象在一定程度上减弱了类似光滑拉伸试验中的缩颈现象。由于缺口造成应力应变集中，因而塑性变形主要集中于缺口区域。由于缺口试样均匀光滑平行部分较缺口处截面粗，且没有应力集27中，在拉伸试验中其应力值相对较小。当缺口处发生断裂时，其最大应力远低于其光滑处强度，此时，试样的无缺口部分正处在均匀塑性变形的开始阶段。同时，其伸长率和断面收缩率远低于缺口附近的值。由于缺口强化效应，缺口段和（平均）总得应力-应变曲线上本身无明显屈服阶段，只是由于拉伸时试样光滑平行段发生屈服，其上、下屈服强度和屈服终止强度对应的载荷分别在缺口段和（平均）总的应力-应变曲线上也出现了相对应的上、下屈服强度和屈服终止强度。从拉伸曲线可以看出，应力在达到材料的屈服强度时，缺口附近部分区域塑性变形较为明显，这就是缺口造成的应力集中。同时，缺口的出现，使缺口附近区域应力状态发生了改变，即为试样所受的应力由最初的单向拉伸变为两向或多向拉伸。通过对比试验数据可以发现，缺口试样的屈服应力比单向拉伸时的要高，这是因为缺口的存在，使材料得到了“强化”。3.3断口观察的结果与分析断口的观察主要是对断口形貌进行观察。断口形貌记录着试件断裂的整个过程。对试件采用不同的材料，性质不同就会得到不同的断口形貌。对断口形貌进行分析，可以有效地找出断裂原因。由以上得出，试件受轴向拉伸力作用时，断裂可以分为韧性断裂和脆性断裂两类。本次课题研究采用宏观法和微观法进行断口的观察。肉眼观察或者放大镜观察是宏观法常用的观察手段，而电镜观察则为常用的微观观察手段。采用宏观的方法就非常便于对断口整体进行判断，但是缺点就是所得结果非常有限；采用微观的方法，特指用电镜，就可以联系断裂机理进行观察，这样可以得到更加客观的结果，以及精度更高的分析。3.3.1铸铁试样的断口观察铸铁的试样共有三组，本次断口观察选缺口拉伸试样、光滑拉伸试样中，各选一组较为清晰的作为研究分析对象。（1）宏观观察经过肉眼观察，可以看到拉伸试样的断面呈暗灰色，且带有少量的白色两点。断面与所受应力（冲击力、拉应力）垂直，断口较为平整，呈放射状或结晶状，边缘稍有起伏，看不到纤维区和剪切唇，只看到放射区，放射线源于断28裂源。铸铁的冲击试样并没有出现纤维区，因为在冲击试验过程中，铸铁韧性低，在受到冲击力的时候，裂纹形成并迅速扩展，所以并没有形成纤维区。材料断裂前，基本上没有看到明显的塑形变性，而且铸铁拉伸试样的断面收缩率小于3%，原来的晶粒未被歪曲，其大小形状保持原状。可以看出，铸铁的断裂属于典型的脆性断裂。脆性断裂前无明显预兆，裂纹扩展速度很快，接近音速。断裂突然发生且有碎片，危害社会很大，会引起严重的后果。(2)微观观察经过电镜扫描，得到铸铁光滑拉伸试样的断口微观形貌见图3.17和图3.18。图3.17铸铁光滑拉伸试样断口形貌（1000）29图3.18铸铁光滑拉伸试样断口形貌（500）从图3.2铸铁光滑拉伸试样断口形貌图可以看出，铸铁光滑拉伸试样的断裂属于解理断裂，断口上形成解理台阶，断裂的裂纹像河流一样聚集扩大，故而形成许多类似河流形状的团，称为河流花样。断裂的主要特征是：裂纹一旦形成便快速扩展，穿过晶粒内部，引起突然断裂，脆性断裂往往造成灾难性事故。铸铁缺口拉伸试样的断口形貌见图3.19和图3.20。30图3.19铸铁缺口拉伸试样断口形貌（1000）图3.20铸铁缺口拉伸试样断口形貌（500）金属材料多为晶体，而且存在各种缺陷、第二相和杂质，所以解理断裂一般不是沿单一的晶面断裂，而是沿着一组相互平行的晶面发生解理，出现解理台阶、河流花样与舌状花样一起被成为解理断裂的三个微观特征。解理断裂是沿特定晶界（原子面）发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是极平坦的晶面。但是，实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成。这中大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。后者实际上是解理台阶的一种标志。从铸铁缺口拉伸试样微观断口形貌图可以看出，断口的微观形貌为“河流状”花样和“舌状”花样。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致，“河流”的反向指向断裂源（为了表面能的降低）。故而，断裂事故责任和裂纹源可以由此判断出。舌状花样是解理断裂沿孪晶界扩展而留下的凹坑和凸台。3.3.220#钢试样的断口观察20#钢的拉伸试样，有光滑拉伸试样和缺口试样，分别进行了不同的热处理31工艺。（1）宏观观察拉伸试样在受拉应力作用下，产生颈缩，在颈缩区产生三向应力状态，但芯部轴向拉力最大。在轴向力的作用下使试件芯部产生裂纹，裂纹随着力的不断增大而扩展，最后，裂纹沿着剪切面扩展到试件表面。在20#钢光滑圆柱试样断口上可以看到有纤维区、剪切唇和放射区三个部分，示意图见图3.21。图中断面的剪切唇使得断口呈现出韧性断裂的明显特征杯状断口。剪切面与轴向应力大约成45，出经过水淬热处理的试样，其余试样的断口纤维区表面颜色比较暗淡，没有金属光泽。图3.21光滑试样断口形貌示意图在20#钢缺口拉伸试样断口上，同样可以清晰地看到与光滑圆柱试样相同的三个区域。由于几何形状的改变，裂纹主要沿着宽度方向扩展，纤维区呈椭圆状，放射区为“人字纹”花纹，人字纹的尖顶指向纤维区，靠近表面的区域即为剪切唇，示意图见图3.22。图3.22缺口拉伸试断口形貌示意图（1）微观观察经过电镜扫描，得到20#钢光滑拉伸试样的断口微观形貌分别见图3.23和32图3.24。图3.2320#钢缺口拉伸试样断口微观形貌（1000）图3.2420#钢缺口拉伸试样断口微观形貌（500）经过电镜扫描，得到20#钢光滑拉伸试样的断口微观形貌分别见图3.25和图3.26。33图3.2520#钢光滑拉伸试样断口微观形貌（1000）图3.2620#钢光滑拉伸试样断口微观形貌（500）从图可以看出，20#钢拉伸试样的断口上分布着许多形状、大小和深浅不同的韧窝。韧窝中有第二相粒子。34多晶体金属材料断裂时，根据裂纹扩展途径分为穿晶断裂和晶间断裂两大类。穿晶断裂的特点时裂纹穿过晶粒内部发生断裂。这是由于材料本身强度不高，或在结晶过程中沿晶粒内某些晶面加入了杂质导致的。穿晶断裂有韧性断裂，也有脆性断裂，依其微观断裂方式分为剪切断裂和解理断裂。穿晶断裂时裂纹沿着晶界扩展，多数为脆性断裂。剪切断裂有两类，一类为纯剪切断裂，另一类为微孔聚合型剪切断裂。脆性断裂机制主要是解理和准解理，在断口上其微观特征主要表现为河流花样；而韧性断裂的断裂机制只要是微孔聚合型剪切，在断口上其微观特征的主要表现为韧窝。20#钢拉伸发生颈缩后，由于三向应力的产生，在试样中心首先产生许多显微空洞。这些空洞长大后，相互连接而形成可见的裂纹。裂纹一经形成，由于裂纹尖端的应力集中，使塑性变形集中在裂纹尖端的滑移带上，滑移带和拉伸轴成3040。20#钢拉伸试样缩颈中心的断裂属于微孔聚集型断裂。显微观察断口上分布着许多不同形状、大小和深浅的微坑称为韧窝，见图3.8。微坑中有第二相粒子。韧窝的大小和深浅与材料断裂时空隙核心的数量及塑性有关。若韧窝的形核位置很多或材料塑性较差，则断裂时形成的韧窝尺寸较小、较浅；反之，韧窝形核位置较少，如在大晶粒单相合金或纯金属中，则形成较大、较深的韧窝。韧窝的形状因应力状态而异。拉伸试样杯锥状断口的纤维区部分，在拉应力的作用下呈等轴韧窝；剪切唇部分，在切应力作用下呈剪切韧窝；若是在撕裂应力作用下，则呈撕裂韧窝。在判断材料是韧性断裂还是脆性断裂，宏观断口形状的观察很重要，当宏观断口特征不明显时，而微观形貌上又有大量韧窝，韧窝花样才能作为韧性断裂的判断依据。354结论（1）热处理工艺会影响20#钢的力学性能，而不同的工艺，则影响的不同。其中正火和油淬热处理对20#钢的拉伸性能和微观组织影响都不大，热处理前后，拉伸性能没有较大的差异。而经过水淬热处理的20#钢，