材料宏微观力学拉伸试验、纳米压痕实验报告

材料力学拉伸-蠕变效应及纳米压痕实验总结报告,学院：材料科学与工程学院班级：2012级材料物理班老师：黄勇力,此处添加单位名称,第2/31页,此处添加单名称,第3/31页,拉伸-蠕变实验,拉伸-蠕变实验,拉伸-蠕变实验,实验目的,1.测定低碳钢的弹性极限、屈服极限、强度极限、延伸率和截面收缩率。,2.观察拉伸过程中的现象，并绘制其应力-应变曲线。,3.比较两种材料拉伸时的力学性能。,实验原理,拉伸-蠕变实验,延伸率断面收缩率,断裂后的标距断口处的最小截面积,或,6,拉伸-蠕变实验,拉伸试验机：,试样参数,长度:10cm标距:6cm宽度:2cm厚度:0.2mm,拉伸-蠕变试验拉力-位移曲线,拉伸-蠕变实验,实验数据分析,从图中可以看出：随着拉力的增大，位移不断增大，初始阶段拉力增加速度很快，而位移增加较慢，拉力趋于稳定时，位移继续增大，最终在A点时发生了断裂。,A,A,低碳钢拉伸试验（无保载）,低碳钢拉伸试验（有保载）,拉伸-蠕变实验,拉伸-蠕变试验的应力-应变曲线,弹性极限,比例极限,屈服强度,强度极限,从图中可以看出：对于拉伸试验的应力-应变曲线，初始阶段应力-应变成线弹性变化；超过比例极限在屈服之前，试件发生了非线性弹性变化；达到弹性极限之后材料开始发生屈服；之后随着应力的增大，材料最终达到强度极限，应力趋于稳定，应变不断增大,在A点时，试件发生断裂。,A,实验问题：从图中可以看出，其应力应变曲线没有屈服阶段。,低碳钢拉伸试验（无保载）,低碳钢拉伸试验（有保载）,低碳钢拉伸试验（无保载）,低碳钢拉伸试验（有保载）,低碳钢拉伸试验（无保载）,低碳钢拉伸试验（有保载）,拉伸-蠕变实验,结果分析,材料的内部形成了裂纹，使材料的完整性遭到了破坏，因此没有明显的屈服现象发生。,实验小结,拉伸-蠕变实验,通过实验我们可以看出在拉伸试验的过程中，最后应力趋于稳定时，应变随着时间的变化不断增加，直至最终的断裂。在应力-应变曲线中没有出现明显的屈服阶段，可能是材料内产生了缺陷。通过本次试验让我们对于所学知识在实验中有了一个直观的感受，加深了对于蠕变现象的理解，并且了解了拉伸试验过程中应该注意试件的选择等注意事项。,纳米压痕实验,纳米压痕实验,实验目的,1.了解材料微纳米力学测试系统的构造、工作原理。,3.掌握载荷-位移曲线的分析手段。,4.用纳米压痕方法测定低碳钢的杨氏模量与硬度。,。,2.了解纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理。,打开玻璃小窗，搁置样品,纳米压痕仪的操作说明,样品台,注意：样品前低后高、左低右高样品间隔大于传感器尺寸,传感器,纳米压痕仪的操作说明,(2)开启电脑，打开仪器。,光学显微镜视场,力-时间曲线,H-Pattern,Mark,(3)打开软件，进行H-Pattern和AirIndent校准。,纳米压痕仪的操作说明,(4)选择位置，设定载荷、时间参数，进行压痕实验。,(5)实验完毕，拷贝数据，关闭仪器，最后关闭电脑。,纳米压痕仪的操作说明,压痕示意图,通常情况下，压痕过程包括两个步骤，即所谓的加载过程与卸载过程。,实验原理,纳米压痕实验,实验数据分析,纳米压痕实验,纳米压痕载荷-位移的变化曲线,随着实验载荷的不断增大，位移不断增加，当载荷达到最大值时，位移亦达到最大值即最大压痕深度；随后卸载，得到残留压痕深度。,，,纳米压痕实验数据,纳米压痕实验,实验数据分析,随着压痕深度的不断增加，材料的硬度和弹性模量呈递减趋势。表现为材料内部的力学性能是不均一的，越靠近材料表面，硬化现象越明显。,硬度H和弹性模量与压痕深度的关系,尺度效应,应变梯度理论,BOLS理论,纳米压痕实验,实验数据分析,在施加保载和不施加保载前后，材料的弹性模量出现阶跃，表现为相同保载和卸载时间里，没有施加保载的情况下，材料的弹性模量升高。在保载段，弹性模量的变化率较大，在非保载阶段，弹性模量的变化率较小。,在充分保载的情况下，使材料发生明显的塑性变形，空穴、位错和层错等缺陷的能量得到释放，对材料的强化效果降低，产生了应力松弛，从而使弹性模量降低的现象。,纳米压痕实验,实验数据分析,在保载情况下，由实验现象可以看出一定的规律：随着保载时间的增加，材料的硬度和弹性模量也逐渐变大。这是因为在长时间的保载下，产生了时效现象，即塑性变形使材料内自由颗粒的自由体积减小导致晶粒间的摩擦力增加，从而使材料出现硬化。,硬度和弹性模量与保载时间的关系,纳米压痕实验,实验数据分析,2-2s下的载荷-位移曲线,2-20s下的载荷-位移曲线,在快速卸载时，材料内的应力，硬度，弹性模量等并没有发生明显的改变，但是在快速卸载时，曲线尖端出现了“鼻子”，这是因为在快速卸载的情况下，材料内部的应力来不及得到充分释放，导致在载荷减小的初始阶段，尽管载荷减小了，但是变形还在继续增加，出现了“鼻子”。,纳米压痕实验,实验数据分析,2-20s下的载荷-位移曲线,20-2s下的载荷-位移曲线,由实验图像可以看出，缓慢加载的情况下，压痕深度较大，约为前者的两倍，并且较快的卸载速度下，材料的弹性模量增大，表现为材料的硬化。这是什么原因呢？,纳米压痕实验,纳米压痕实验,实验小结,材料的宏观力学性能，如硬度、弹性模量等在微观下并不是定值，而是与材料的尺寸存在着很大的联系。材料的尺寸越小，则其硬度和弹性模量越大。随着保载时间的增加，材料的硬度和弹性模量也会出现逐渐变大的现象。相同的保载和卸载时间里，没有施加保载的情况下，材料的弹性模量升高。在保载段，弹性模量的变化率较大，在非保载阶段，弹性模量的变化率较小。由于是在微观尺度下的测量，实验对杂波的影响很大，因此实验时要做好防震工作。,第二组实验报告成员分工,