材料物理性能实验报告

实验一 材料的拉伸试验 1.实验名称及类别 材料的拉伸试验；验证性。 2.实验内容及目的 （1）测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服强度 、抗拉强度 、伸长率 和断面收缩率 。 （2）测定铸铁在常温、静载条件下的抗拉强度 。 （3）掌握万能材料试验机的工作原理和使用方法。 3.实验材料及设备 低碳钢、铸铁、游标卡尺、万能试验机。 4.试样的制备 按照国家GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。 如图1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成。平行部分的试验段长度 称为试样的标距，按试样的标距 与横截面面积 之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取 或 ，矩形截面比例试样通常取 或 ，其中，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的 与 之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。 对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。 （a） （b） 图1  拉伸试样 （a）圆形截面试样；（b）矩形截面试样 5.实验原理 低碳钢进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线，以确保材料处于单向应力状态。低碳钢具有良好的塑性，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段： 弹性阶段：试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。 屈服（流动)阶段：应力应变曲线上出现明显的屈服点。这明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点作为材料屈服极限（又称屈服强度），即 ，是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过屈服极限，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限作为确定许可应力的基础。 强化阶段：屈服阶段结束后，应力应变曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷就必须不断增长。D点是应力应变曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度，即 。对低碳钢来说抗拉强度是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。 颈缩阶段：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。 材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉时的塑性指标用断后伸长率 和断面收缩率 来表示。即 其中  ——试样的原始标距； ——将拉断的试样对接起来后两标点之间的距离。 ——试样的原始横截面面积； ——拉断后的试样在断口处的最小横截面面积。 低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在标距l之内，这就要求断口位置应在标距的中央附近，若断口落在标距之外则试验无效。 工程上通常认为，材料的断后伸长率 > 5%属于韧断， < 5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状断口。 6.实验过程 （1）将试样打上标距点，并刻画上间隔为 或 的分格线。 （2）在试样标距范围内的中间以及两标距点的内侧附近，分别用游标卡尺在相互垂直方向上测取试样直径的平均值为试样在该处的直径，取三者中的最小值作为计算直径。 （3）把试样安装在万能试验机的上、下夹头之间，估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤，调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢。 （4）开动万能试验机，匀速缓慢加载，观察试样的屈服现象和颈缩现象，直至试样被拉断为止，并分别记录下主动指针回转时的最小载荷 和从动指针所停留位置的最大载荷 。 （5）取下拉断后的试样，将断口吻合压紧，用游标卡尺量取断口处的最小直径和两标点之间的距离。 7.注意事项 （1）实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后，操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。 （2）加载时速度要均匀缓慢，防止冲击。 8.实验数据的记录与计算 （1）试样原始尺寸 表1低碳钢试验前试样原始数据 测量次数 1   2   3 直径d(mm) 9.90 10.00 10.00   9.90 9.94 9.98   10.00 10.00 10.00 平均 9.97   9.94   10.00 标距L(cm) 12 最小截面积（mm2） 77.60                         （2）试验后试样尺寸 表2 低碳钢拉断试样尺寸 材料名称 颈缩处直径d(mm) 平均 标距（cm） 颈缩处截面积 低碳钢 5.90 5.96 5.90 5.92 15.1 27.53               表3 万能试验机上数据 材料名称 屈服载荷（kN） 最大载荷（kN） 低碳钢 30.4 38.6       （3）计算结果 MPa MPa 表4 低碳钢拉伸测试计算结果 强度指标（MPa）   塑性指标（%） 屈服强度 抗拉强度   伸长率 断面收缩率 391752.58 497422.68   25.83 65.23           9.思考 （1）低碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?它们的力学性能有何不同?(比较强度和塑性) 答：试件在拉伸时铸铁延伸率小表现为脆性,低碳钢延伸率大表现为塑性;低碳钢具有屈服现象,铸铁无.低碳钢断口为直径缩小的杯锥状,且有450的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状组织。铸铁断口为横断面，为闪光的结晶状组织。原因是因为前者是塑性材料后者是脆性材料咯，塑性材料受拉要经过弹性阶段，屈服阶段，以及强化和颈缩阶段，就是破坏前形状变化比较明显；而脆性材料受拉时则没有上述过程，破坏前没有明显的塑性变形，突然断裂。 （2）测定材料的力学性能有何实用价值？ 答：在实际使用的过程中对于材料的力学负荷不能超过其本身的力学性能，否则会出现材料失效 比如断裂等事故情况。因此测定材料的力学性能能够帮助人们在实际使用材料的过程中，针对可能出现的力学负荷选择合适的材料。 （3）拉伸试验为什么要采用标准试件? 答：拉伸实验中延伸率的大小与材料有关,同时与试件的标距长度有关.试件局部变形较大的断口部分,在不同长度的标距中所占比例也不同.因此拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件,这样其有关性质才具可比性.。材料相同而长短不同的试件通常情况下延伸率是不同的。 实验二 材料的冲击试验 1.实验项目 材料的冲击试验，验证性。 2.实验内容及目的 （1）测定低碳钢的冲击性能指标：冲击韧度 。 （2）测定灰铸铁的冲击性能指标：冲击韧度 。 （3）比较低碳钢与铸铁的冲击性能指标和破坏情况。 （4）掌握冲击实验方法及冲击实验机的使用。 3.实验材料和设备 低碳钢、铸铁、冲击试验机、游标卡尺。 4.试样的制备 按照国家标准GB/T229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，金属冲击试验所采用的标准冲击试样为 并开有 或 深的 形缺口的冲击试样（图1-8）以及 张角 深的 形缺口冲击试样（图1-9）。如不能制成标准试样，则可采用宽度为 或 等小尺寸试样，其它尺寸与相应缺口的标准试样相同，缺口应开在试样的窄面上。冲击试样的底部应光滑，试样的公差、表面粗糙度等加工技术要求参见国家标准GB/T229—1994。 （a）                                    （b） 图1  夏比 形冲击试样 （a）深度为 ；（b）深度为 图2 夏比 形冲击试样 5 实验原理 实验时将试样放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向，并使缺口位于支座中间（图3所示）。然后将具有一定重量的摆锤举至一定的高度H1，使其获得一定位能mgH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为mgH2，则摆锤冲断试样失去的势能为mgH1-mgH2。如忽略空气阻力等各种能量损失，则冲断试样所消耗的能量（即试样的冲击吸收功）为： AK=mg（H1- H2）    （公式1-1） AK的具体数值可直接从冲击试验机的表盘上读出，其单位力J。将冲击吸收功AK除以试样缺口底部的横截面积SN(cm2)，即可得到试样的冲击韧性值αKαK = AK / S    （公式1-2） （a）                                  (b) 图3 冲击实验的原理图 （a）冲击试验机的结构图 （b）冲击试样与支座的安放图 6 实验过程 （1）了解冲击试验机的操作规程和注意事项。 （2）测量试样的尺寸。 （3）按“取摆”按钮，摆锤抬起到最高处，并销住摆锤。同时将试样安装好 （4）按“退销”按钮，安全销撤掉。 （5）按“冲击”按钮，摆锤下降冲击试样。 （7）记录冲断试样所需要的能量，取出被冲断的试样。 7 实验数据的记录与计算 表1 数据记录与计算 材 料 试样缺口处的横截面面积/mm2 / 试样所吸收的能量 / 冲击韧度 / 45号钢 57.6 34.2 593750         8 思考题 （1）为什么冲击试样要有切槽？ 答：试样表面开一缺口,受摆锤冲击后,试样将从缺口处断裂.韧性好的材料,摆锤过试样后摆动的高度低,能量被断裂的试样吸收得多.在测量实际中证明,这种试验方法的重现性非常好,因此缺口冲击试验已经形成标准。 实验三  白度、光泽度、透光度的测定 一、实验目的 1．了解白度、光泽度、透光度的概念 2．了解造成白度、光泽度、透光度测量误差的原因 3．了解影响白度、光泽度、透光度的因素 4．掌握白度、光泽度、透光度的测定原理及测定方法 二、实验原理 各种物体对于投射在它上面的光，进行选择性反射和选择性吸收。不同的物体对各种不同波长的光的反射、吸收及透过的程度不同，反射方向也不同，就产生了各种物体不同的颜色（不同的白度）、不同的光泽度及不同的透光度。 三、仪器设备 1．ADCI-60-W型全自动白度仪（成套） 2．JKGZ型光泽度仪（成套） 3．77C-l型透光度仪（成套） 四、实验步骤 1．白度测定 （1）使用连接：将电源线与测试探头线按要求分别连接到主机的后面板上，接通电源。此时按下主机后方的电源开关键，液晶显示测量主界面，探头灯点亮，表明仪器电源接通。 （2）预热：仪器开机后最好预热30分钟，可使测试探头的光源相对稳定