材料性能实验指导书-新

《材料性能实验》

指导书

主编郑兴华王晨

福州大学材料科学与工程学院

二0一六年三月

前言

《材料性能实验》是材料科学与工程学科四年制本科生必修（其他专业可选修）课程，是一门重要的专业基础实验课程，其内容涉及到材料各种力学、物理性能的测试原理、性能指标、测试方法及其相关标准；有关性能测试设备的基本原理和使用方法。

本课程从材料一级学科的实验教学出发，不侧重某种具体的材料如金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料的性能评价，而是从材料在不同服役条件或不同外界条件作用下的反应和表现的角度来评价材料性能，如力学性能是指材料在各种外加应力的作用下的表现行为及其评价指标，电学性能是指材料在各种不同电场的作用下的表现行为及其评价指标。在实验教学安排排上，要求各实验项目进度与相应理论课程的教学相一致，按模块化组织。

本课程要求学生了解材料在各种外界条件作用下的表现行为特点，材料各种性能的评价指标。掌握材料各种性能的检测方法及其相关标准，掌握各种性能测试对样品选取和制备的步骤、方法。使学生具备独立进行材料各种性能测试的实验设计、实验操作、观察、实验结果分析、并进行实验误差分析、数据处理的能力，巩固和强化理论知识，能够适应工业实践中对材料和器件的性能评价、质量检测等工作的需要。使学生进一步巩固材料力学性能、物理性能》基本理论知识的同时，培养和提高学生的自学、动手、创新能力，课程使学生具备分析和解决实际生产中基本问题的能力，提高学生的综合素质，为正确设计材料、生产材料和合理应用材料奠定良好的基础。

基于以上目的以及目前相关材料性能学实验方面的教材往往偏重于金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料中某类材料的性能评价，因此，本课程组在参阅了大量相关资料的情况下，组织编写了本实验指导书。限于编者的水平和时间的匆忙，必定存在一些纰漏之处，将在后续的教学的过程中进一步修改和完善。

参加本书编写的有郑兴华、王晨、黄向东、黄晓巍、王欣、卢洪、郑振环、林鹏。

目录

实验1、材料的静拉伸实验 (4)

实验2、材料的弯曲实验 (9)

实验3、材料的硬度实验 (13)

实验4、材料的冲击实验 (18)

实验5、材料的摩擦磨损实验 (22)

实验6、软磁材料磁化曲线的测定 (25)

实验7、材料的电阻率测定 (30)

实验8、材料介电性能的测量 (40)

实验9、材料透光性的测定 (45)

实验10、永磁材料磁滞回线的测定 (51)

实验11、材料的热分析实验 (56)

实验1、材料的静拉伸实验

一、实验目的

1. 了解WDW-300D万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用时的注意事项。

2. 了解典型材料的拉伸曲线和应力应变曲线。

3. 了解通过应力应变曲线来定义各种性能指标及其意义。

4. 掌握材料拉伸性能的测试标准和测试方法。

5. 分析材料成分及处理工艺对材料拉伸性能的影响。

二、实验原理

拉伸试验是将试样安装在万能材料试验机上进行的。用夹头将试样夹紧，并通过它对试样加载。利用试验机的自动绘图装置绘制出材料的力-伸长曲线。拉伸曲线图形象地描绘出钢材的受力变形特征以及各阶段受力与变形之间的关系，但同一种钢材的拉伸曲线会因试样尺寸不同而异。为了使同一种钢材不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，以消除试样几何尺寸的影响，可将拉伸曲线图的纵坐标（拉力F）除以试样的原始横截面面积A0，并将横坐标（伸长ΔL）除以试样的原始标距L0，这样得到的曲线便与试样尺寸无关，此曲线称为应力—应变曲线如图1-1所示。有时由于试样头部在试验机夹具内有轻微滑动及试验机各部分存在间隙等原因，造成图中起始阶段呈不规则曲线，分析时可将其忽略，直接把图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。

从图1-1曲线上可以看出，拉伸实验过程分为四个阶段。

（1）弹性阶段OE：在此阶段中的OP段，其应力σ和应变ε成正比关系，完全遵循虎克定律，则OP段称为线弹性阶段。故点P对应的应力称为材料的比例极限σp。在此弹性阶段内可以测定材料的弹性模量E，它是材料的弹性性质优劣的重要特征之一。实验时如果当应力继续增加达到E点所对应的应力σe时，则应力与应变之间的关系不再是线性关系，但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形完全消失，这呈现出非线性弹性性质。故E点对应的应力σe称为材料的弹性极限，把PE段称为非线性弹性阶段。

弹性变形塑性变形断裂

OE：弹性段

E点：弹性极限σe

过E：塑性变形

A点：上屈服点

C点：下屈服点

CD：屈服。屈服强度σs

DB：形变强化

B点：抗拉强度σb

K点：断裂。

无屈服平台时，取0.2%变形量时的应力为屈服强度

图1-1试样应力-应变曲线

（2）屈服阶段ED：当应力超过弹性极限继续增加达到锯齿状曲线时，表征试样在承受的拉力不继续增加或稍微减小的情况下却继续伸长达到塑性变形发生，这种现象称为试样材料的屈服，其相对应的应力称为屈服应力（或屈服强度）σs。由于上屈服强度受试验速率、试样变形速率和试样形式等因素的影响不够稳定，而下屈服强度则比较稳定，故工程中一般要求准确测定下屈服强度作为材料的屈服极限σs。其计算公式为：

σs（屈服强度）= F s（载荷）/A0（试样原始截面积）（1-1）如果材料没有明显的屈服现象时，工程上常用产生规定残余延伸率为0.2%时的应力作为规定残余延伸强度，又称条件屈服极限σr0.2。屈服强度（或屈服极限）是衡量材料强度性能优劣的一个重要指标。

（3）强化阶段DB：当过了屈服阶段后，随着拉力的增加，试样伸长变形也随之增加，故拉伸曲线继续上凸升高形成DB曲线段，称为试样材料的强化阶段。当拉力增加达到拉伸曲线顶点B时，依它求得材料抗拉强度σb，它也是衡量材料强度性能优劣的又一重要指标。

σb（抗拉强度）= F b（载荷）/A0（试样原始截面积）（1-2）（4）颈缩和断裂阶段BK：对于低碳钢类塑性材料来说，在承受拉力达F b 以前，试样发生的变形在各处基本上是均匀的。但在达到F b以后，则变形主要集中于试样的某一局部区域，在该区域处横截面面积急剧缩小，这种特征就是所