材料失效分析实验指导书.doc

实验一 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

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。
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σmax或者应力振幅σa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
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：
强度极限：
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和拉断后颈缩处的最小直径。由以下两式算得其主要塑性指标：
延伸率： 截面收缩率：
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、应力幅同时确定。试验过程加载波形如图4所示。

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

材料
强 度 指 标
塑 性 指 标
屈服极限
（MPa）
强度极限
（MPa）
延伸率δ(%)
截面收缩率
(%)
45钢
375
478
14
58

2．疲劳实验
材 料
应力比r
应力幅σa
疲劳寿命Nf
S135
-1
8KN,7KN.m
8888
S135
-1
8KN,7KN.m
150267
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。

《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

材
料
强 度 指 标
塑 性 指 标
屈服极限
（MPa）
强度极限
（MPa）
延伸率δ(%)
截面收缩率
(%)

（2）疲劳实验
材料
应力比R
应力幅σa
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，对材料的断裂特征及其失效原因进行分析（对照各自的三要素进行分析并附断口形貌图）。
5.45钢拉伸断口微观形貌

45钢断裂韧性试验

S135拉扭疲劳断口

=560.5MP =713.4MPa
宏观断口

=560.5MP =713.4MPa
微观断口
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