浙江大学材料科学基础实验力学实验报告.docx
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浙江大学材料科学基础实验力学实验报告
专业：
材料科学与工程
姓名:
学号：
日期:
地点：
曹楼
实验报告
课程名称:
材料科学基础实验指导老师:
成绩：
__________________
实验名称：
光学性能实验类型：
________________同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
材料的力学性能
实验145钢（淬火、低温回火态）的静拉伸试验
一、实验目的
（1）掌握金属拉伸性能指标的测定方法，加深对拉伸性能指标物理意义的理解。
（2）了解组织形态对力学性能特点的影响。
二、实验原理
（1）屈服强度σS
淬火低温回火的45钢没有明显物理屈服现象,应测量其屈服强度σ0。
2，即为试验在拉伸过程中标距部分残余伸长达原长度0。
2%的应力。
（2）抗拉强度σb
将试样加载至断裂，由断裂前的最大载荷所对应的应力即为抗拉强度。
（3）延伸率δ
延伸率为试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比即：
δ=［（LK—L0）/L0]×100%L0与LK分别为试样原标距长度和拉断后标距间的长度。
根据测定延伸率的需要，在试样上先刻出标距，并分为10分格。
由于断裂位置对δ有影响，其中以断在正中的试样伸长率为最大。
因此测量断后标距部分长度LK时分为两种情况:
Ⅰ.如果拉断处到邻近标距端点的距离大于1/3L0，可直接测量断后两端点的距离LK.
Ⅱ.如果拉断处到邻近标距端点的距离小于或等于1/3L0则要用移位法换算LK,如图所示：
先在长段上从断口处O截取一段OC，其长度等于1/2或稍大于1/2标距的总格数；再由C向断口方向截取一段CB，令CB的格数等于C到邻近标距端点D的格数CD；则AC+CB便是断后长度。
这样处理就相当于把CB移到试样的另一端,接到A处，变为断口在正中。
（4）断面收缩率ψ
断面收缩率为试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比即：
ψ=［（F0-FK）/F0]×100%其中F0与FK分别为试样原始横截面积和拉断后缩颈处的最小横截面积。
三、实验设备
本实验采用微机控制电拉伸试验机，其最大载荷为200kN,配备有引伸计、负荷、位移、形变等传感器,曲线与数据均能自动绘制、记录、显示、计算和保存。
四、实验步骤
1）试样的准备
测量试样尺寸，用进度为0.02mm的游标卡尺测量直径（同一截面相互垂直的两个方向各量一次，至少测量三个截面），计算平均直径并以最小平均直径计算横截面积填入表内。
测量标距填入表内。
拉伸实验记录表
实验材料
45钢
热处理状态
淬火、低温回火
拉伸前数据
标距L0（mm）
直径d0（mm）
截面面积F0（mm2）
100.0
10。
00
78。
54
拉伸过程中数据
屈服载荷ps（kN）
32.02
最大载荷pb（kN）
51.31
拉断试样后数据
标距LK的测定
断裂处直径d0（mm）
断裂处截面面积
FK（mm2）
断裂位置
测量方法
LK（mm）
1
2
平均
情况Ⅱ
移位法
122。
82
7.06
7.08
7.07
39.26
2）试验设备的准备
（1）了解所用设备的基本原理,认识所用设备的性能、用途及特点。
（2）学习设备操作规程、安全事项和操作方法。
（3）调整并设置好所用设备及参数。
3）试验
设置“试验参数”：
试验方案名：
金属拉伸引伸计
运行方向：
拉向变形传感器：
引伸计引伸计切换点：
2
入口负荷：
2
速度：
5起始判断点数:
50结束后除去点数：
1定负荷衰减率:
80
返车位置：
0返车速度：
0
同步曲线：
位移--负荷
详细参数向导的设计：
试验方案名：
金属拉伸引伸计试验处理方法：
GB2282002（金属拉伸）
试样形状：
棒材
定显结果项:
拉伸强度、断后伸长率、最大力等。
设置“用户参数”：
试样材料、试样直径、试样长度等。
点击“试验”，显示试验结果，测量拉断试样的LK及FK，计算各个试验结果。
五、数据处理
试验结果显示：
试验结果计算：
屈服强度σs=32.02kN÷78。
54mm2=407.7MPa
抗拉强度σb=51.31kN÷78.54mm2=653.3MPa
断后伸长率δ=[（122。
82－100。
00）÷100。
00]×100%=22。
82%
断面收缩率ψ=［（78。
54－39.26）÷78.54］×100％=50.01%
六、思考题
（1）为什么塑性变形小的材料或在屈服点前拉伸的运行速度应设置较慢；试样在拉伸过程中为什么随着塑性变形增加强度增大.
答：
①拉伸速度会对材料的屈服强度、抗拉强度等数据的测量造成影响。
在低的拉伸速度下,有充足的时间利于缺陷的发展，从而强度值较小，而较大的拉伸速度下，材料的断裂主要是其化学键的破坏引起，测得的强度值较大,但不符合实际情况。
②形变导致位错密度增加，然后位错线交织在一起，限制其进一步运动，导致形变难以继续进行，宏观表现为金属的强化。
（2）试样拉断后如果断口在根部附近为什么要用移位法来测量伸长率。
答：
低碳钢拉断时实际上并不是均匀伸长的,越靠近端部伸长得越少，如果断在标距点附近，直接测量的伸长量可能会偏小，所以采取位移法。
位移法实际在做的事情是所谓的“断口移中”,右边多量一次移到左边去,这样量出来的比直接测量地大一些，也接近断在中间情况下的数值。
实验2改性陶瓷的弯曲实验
一、实验目的
（1）掌握陶瓷材料性能指标的测定方法，加深对压缩、弯曲性能指标物理意义的理解.
（2）了解组织形态和成分对力学性能特点的影响。
二、实验原理
弯曲强度：
将试样在弯曲装置上经受弯曲塑性变形,不改变加力方向，直到达到规定的弯曲角度α或断裂前的最大载荷Fbf所对应的应力即为弯曲强度σbf。
Σbf=Fbf×Ls/4×W
其中Ls为跨距,对于矩形试样截面系数W=bh2/6。
三、实验设备
设备同实验1。
试样采用10×10×50的改性陶瓷。
四、实验步骤
1）试验设备的准备
（1）了解所用设备的基本原理，认识所用设备的性能、用途及特点。
（2）学习设备操作规程、安全事项和操作方法.
（3）调整并设置好所用设备及参数。
2）设置“试验参数”：
试验方案名：
金属弯曲
运行方向:
压向变形传感器:
位移
入口负荷：
2
速度:
0.3起始判断点数：
50结束后除去点数：
1定负荷衰减率：
80
返车位置：
0返车速度：
0
同步曲线：
位移—-负荷
详细参数向导的设计：
试验方案名：
金属弯曲试验处理方法:
GB1445293（金属弯曲）
试样形状：
板材
定显结果项:
弯曲强度、弯曲模量、最大弯曲力、断裂挠度等。
设置“用户参数”：
试样材料、试样长度等.
点击“试验”，显示试验结果。
五、实验结果
弯曲强度：
231。
8MPa弯曲模量：
7624。
5MPa最大弯曲力：
3。
86kN断裂挠度：
0。
213mm
六、思考题
（1）陶瓷材料的抗压性与抗弯性有什么区别和联系。
答:
抗压性指的是材料对抗直线压缩的能力大小，抗弯性则指材料对抗弯曲塑性变形的能力大小。
抗压性与抗弯性没有直接的联系，但都是衡量材料性能的重要指标。
实验3材料的硬度实验
一、实验目的
1.了解硬度测定的基本原理及应用范围。
2.了解布氏、洛氏、维氏硬度试验机的主要结构、基本原理。
3.掌握布氏、洛氏、维氏硬度试验机的正确使用和操作方法。
二、实验原理与操作
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，是表示金属抵抗最大塑性变形的能力。
因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映了材料的弹性、塑性、韧性、强度等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，所以硬度所表示的量不仅取决于材料本身,而且还取决于试验方法和试验条件.
布氏硬度（HB）
原理：
布氏硬度试验是材料在金属表面施加一定大小的载荷p,将直径为D的淬硬钢球压入被测材料表面，保持一段时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面所压出的凹痕面积F，除载荷所得的商即为布氏硬度。
其符号用HB表示：
HB=p/F（kg/mm2）
布氏硬度值的大小，就是压痕单位面积上所承受的压力，所以布氏硬度是有量纲的。
技术要求:
（1）试样表面必须平整光洁，以使压痕边缘清晰.
（2）试验时必须保证所施作用力与试样或试件的试验平面垂直.试验过程中加荷应平稳均匀，不得受到冲击和震动。
（3）硬度试验计的示值允许误差为±3%。
（4）压痕中心到试样边缘的距离应不小于压痕直径的2.5倍，而其相邻压痕中心的距离应不小于压痕直径的4倍。
试验硬度小于HB35的金刚石，上述距离应分别为3倍和6倍。
（5）根据不同的金属及硬度的大小、试样的厚度确定p与D的关系。
金属类型
布氏硬度（HB）
试样厚度（mm）
p与D的关系
D（mm）
p（kg）
载荷保持时间（s）
黑色金属
140~450
6~3
4～2
＜2
P=30D2
10
5
2.5
3000
750
187。
5
10
＜140
＞6
6～3
＜3
P=10D2
10
5
2。
5
1000
250
62。
5
10
有色金属
＞130
6～3
4～2
＜2
P=30D2
10
5
2。
5
3000
750
187。
5
30
36~130
9～6
6～3
＜3
P=10D2
10
5
2.5
1000
250
62。
5
30
8～35
＞6
6~3
＜3
P=2.5D2
10
5
2.5
250
62.5
15。
6
60
（6）试验后压痕直径的大小应在0。
25D＜d＜0。
6D范围内,否则试验无效,应选择相应的负荷或压头重新试验。
（7）试样厚度不应小于压痕深度的10倍,测试后,试样背面不得有肉眼可见的变形痕迹。
当试样厚度足够时应尽可能选择10mm直径的钢球。
（8）用读数显微镜测量压痕直径时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其算术平均值。
（9）试样制备时,注意不使试样过热和产生加工硬化现象。
（10）为了表明试验条件,可在HB值后标注D/P/T.
洛氏硬度（HR）
原理：
洛氏硬度与布氏硬度一样也属于压入法，但它不是测量压痕的面积,而是根据压痕的深度来确定硬度值指标（无量纲）。
洛氏硬度的压头采用锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球。
负载先后两次施加，先加初载荷p1（10kg），后加主载荷p2，总载荷为p=p1+p2。
h为压头压入的实际深度即最大的塑性变形，此值就表示金属材料的硬度值.
在相同的载荷下，金属越硬，压痕深度h越小;反之压痕深度越大。
但人们习惯上，金属越硬，数值越大。
所以规定用一常数K减去h值作为洛氏硬度值的指标,并规定0.002mm为一个洛氏硬度单位，在硬度机上表示为每小格为0.002mm,即平常所说的一度。
HR=（K－h）/0.002
使用金刚石压头,K=0。
2mm（HRC）,使用钢球压头,K=0.26mm（HRB）
洛氏硬度试验规范表
标度
压头
总负荷
硬度值有效范围
使用范围
表盘刻度
HRA
120°金刚石圆锥
60
70~85
测量硬质合金、表面淬火层、渗碳层
黑色
HRB
1。
588mm钢球
100
25～100
（HB60~230）
测量有色金属、退火及正火钢
红色
HRC
同HRA
150
20~67
（HB230～700）
测量调质钢、淬火钢等
黑色
技术要求：
（1）根据被测金属材料的硬度高低，按上表选定压头和载荷.
（2）试样试验面和支撑面、压头表面以及载样台面应清洁而无外来污物油腻附着。
（3）试样厚度应不小于压入深度的8倍。
（4）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。
（5）两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离应不小于3mm。
（6）加载必须平稳持续无冲击,不应有附加振动，加荷时间一般为4~8秒，对软金属应采用较长保荷时间10~30秒或更长,卸载时应平稳缓慢.
（7）每次试验次数不少于三次，并分别记录，取其算术平均值作为该试样的硬度值。
（8）在每次试验时，第一次试验结果无效。
操作：
（1）根据试样预期硬度确定压头和载荷，并调整之。
（2）将符合要求的试样放置在试样台上,顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢平稳接触,直至表盘小指针由黑点指到红点.大指针垂直向上，此时即已预加载荷10kg.然后将表盘大指针调整到零点。
（3）缓慢地向后转动手柄到底，平稳地加主载荷。
当表盘中大指针向逆时针旋转若干格并停止时，持续几秒钟,再平稳地向前扳回手柄到底，即卸除主载荷。
此处大指针返回若干格，这说明弹性变形得到恢复，指针所指位置反映了压痕的塑性变形,即实际深度。
由表盘上可以直接读出洛氏硬度值。
（4）逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕.
维氏硬度（HV）
原理：
维氏硬度试验法是静载压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法不同,它是以相对两棱角为136°的金刚石正四棱锥体为压头,在一定负荷作用下，压入被测表面，保持规定时间后卸荷,测量所得压痕的两对角线,取其平均值，然后查表或代入公式计算求得硬度值。
维氏硬度是用压痕表面积上所承受的平均压力来表示：
HV=p/F.
技术要求:
（1）试样表面必须精心制备，上下两面应平行，被测试面的光洁度应不低于▽9。
（2）试样的厚度不应小于其压痕对角线的1。
5倍，试样背面不应呈现变形痕迹。
试验时压痕中心到试样边缘的距离及两压痕中心的距离对黑色金属应大于压痕对角线平均值的2。
5倍，对有色金属大于压痕对角线平均值的5倍。
（3）试验时应尽可能选用大负荷，HV应附以相应的下标，注明试验载荷值。
操作：
（1）将试样放置于试台上,并应保证试面与主轴轴线垂直，将10倍物镜转至正前方然后转动试台升降手轮，使试面离物镜下端8毫米，再慢慢转动升降手轮,并在目镜中观察,直至看清试样表面的加工痕迹。
如果从目镜中观察分划板上的字和线不清晰,可转动目镜,使之清晰为止。
（2）将转动头的主轴转至正前方，按下“启动”按钮,硬度计即自动完成“加荷-—保持——卸荷”的试验过程，卸除试验力后，压头会自动升至初始位置。
（3）使转动头旋转90度，根据压痕的大小，用10倍或40倍的物镜测量压痕两对角线的长度，，取其平均值，然后用表查出硬度值。
三种硬度试验机的特点：
共同缺点：
只能测试小件试样
共同优点：
精确度较高
布氏硬度试验机：
缺点：
只能压软的东西
优点：
压痕大，宏观性好，能够综合反映材料整体硬度
洛氏硬度试验机：
优点：
硬度适应范围大,操作简便,读数客观
维氏硬度试验机：
优点：
可以测试比较精细的样品,压痕极小。
可以用来测量材料的表面硬度，测量的硬度范围更广，测量进度高。
三、思考题
1.洛氏硬度试验时为什么先要加初载荷p1；为什么主载荷去掉后才能读硬度值.
答：
①预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好,以保证测量结果准确。
②去掉主载荷是为了消除弹性形变的影响。
2.硬度值的大小与材料的弹性、塑性、韧性、强度等有什么内在联系.
答:
强度是指材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力。
硬度是衡量材料软硬的指标，表示金属在不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。
所以材料的硬度和强度之间有一定的关系，根据硬度的大小可以大致估计材料的强度。
一般硬度大强度就高。
塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力。
韧性是金属材料在冲击载荷的作用下抵抗破坏的能力。
所以塑性好韧性就好.但是材料的硬度越大就越脆,相应的塑性和韧性就差些。
所以一般选材料要考虑材料的综合性能。
弹性是指材料在撤销载荷后恢复变形的能力。
材料产生完全变形时所承受的力越大弹性越好。
实验420Cr钢（淬火、低温回火态）的冲击实验
一、实验目的
学习金属材料在不同热处理状态下对冲击性能的影响。
了解试样断口与热处理状态的关系、韧性断口与脆性断口的区别。
冲击韧性、脆性断面率及冷脆转变温度的测定。
二、实验原理
冷脆转变温度：
用V型缺口的夏比冲击试样在规定的刀口尺寸及支座尺寸的冲击试验机上进行不同温度的冲击试验,然后测量试样断口，当其纤维状断口与结晶状断口的面积比（脆性断面率）各为50%时的相应温度即为冷脆转变温度.或当冲击功AK（J）达到AKMAW值（AKMAW值为室温下全部为纤维状断口的AK计算）的40%～50%时的温度为冷脆转变温度。
冲击韧性：
冲击韧性是表征金属韧度和塑性的一种综合性能，它表示在冲击载荷下,对零件需要作多少功才能破坏,冲击韧性的高低表示金属在突加载荷下脆性破坏倾向的大小.
三、实验设备与试样
试样：
20Cr钢试样经热处理后在磨床上磨光再开夏比V型缺口的标准试样。
冲击样坯的切取应按产品标准或GB2975的规定执行。
试样的制备应避免由于加工硬化或加热而影响金属的冲击性能。
设备：
JB—30型摆锤式冲击试验机
四、实验步骤
先将试样安放在支座上，缺口背面朝向摆锤，须保证试样缺口与支座跨距中心相重合，然后将摆锤抬起至冲击位置，将冲击手柄拉向冲击位置，当摆锤冲击试样后回摆时再将手柄拉向“制动”位置,摆锤立即制动。
记下试验机指针在表盘上的数值,即为冲断试样所消耗的冲击功AK。
安放试样和释放摆锤均一人操作，严禁两人合作。
所有参加试验的人都不许在摆锤的平面内站立、走动，参加本试验一定要集中注意力，保持良好秩序。
五、思考题
（1）为什么随着温度的降低脆性增大；如何根据试样断口的形貌特征来判断材料的脆性大小。
答：
①随着温度的降低，试样分子的热运动逐渐减弱，分子间的相互作用力（共价键、离子键、金属键、分子键等）逐渐减弱，导致其硬度增加，韧性减小，即脆性增大。
②脆性材料的断口表面平齐,无剪切唇口，断口组织呈颗粒状形态；而韧性材料的断口组织呈纤维状。
由此可以判断，材料的断口组织中，颗粒状的组织越多，颗粒越大材料的脆性越大。
（2）相同的温度下冲击值的大小与材料的哪些状态有关。
答：
材料的硬度、韧度、厚度等。
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