材料失效分析实验指导书

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

100

d l

对板状试件，规定

=11.3或5.65

式中l 0 ———试件的标距

d 0———试件直径（取标距内三处最小的一处平均值） A 0———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

A

K

和冲击韧性

a

K

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

A l o

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P s 和破坏前试样所能承受的最大载荷P b ，由以下两式算得两个主要强度指标为：

屈服极限：0A p s

s =

σ 强度极限：0

A p b

b =

σ 其中：A 0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l 1和拉断后颈缩处的最小直径1d 。由以下两式算得其主要塑性指标：

延伸率：%10000⨯-=

l l l δ 截面收缩率：%1000

0⨯-=A A

A ϕ 式中：A 1为试样拉断后，颈缩处之最小截面积

l 0为试样之原始标距长度 l 1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max σx 和min σ等；相应的应力比r 、应力幅

a

σ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

s

σ

（MPa）

强度极限

b

σ

（MPa）

延伸率δ(%)

截面收缩率

ψ(%)

45钢375 478 14 58