金屬力學效能實驗指導書
（上冊）
董立新戴光澤劉志農劉力菱編
西南交通大學材料科學與工程學院
二〇〇七年
目錄目錄 - 1 -
實驗一 - 2 -
系列缺口試樣靜拉伸實驗及斷口形貌觀察 - 2 -
實驗二 - 7 -
硬度測定實驗 - 7 -
3.5肖氏硬度測試實驗 - 11 -
4. 實驗方法及結果處理 - 12 -
4.2洛氏硬度測試實驗 - 14 -
4.2.1 試驗條件 - 14 -
4.2.2 試驗方法及資料處理 - 14 -
4.3維氏硬度測試實驗 - 15 -
4.3.1 試驗條件 - 15 -
4.4.2 試驗方法及資料處理 - 15 -
5. 實驗內容及步驟 - 16 -
實驗三 - 22 -
彎曲衝擊實驗及韌脆轉變溫度測定 - 22 -
5． 實驗注意事項 - 23 -
6. 實驗報告 - 24 -
參考文獻 - 25 -
實驗四 - 26 -
斷裂韌度kic測定實驗 - 26 -
3.1 試樣的尺寸確定： - 27 -
3.2 試樣的製備 - 28 -
實驗思考題 - 34 -
實驗一系列缺口試樣靜拉伸實驗及斷口形貌觀察
1. 實驗目的
1.1了解材料在硬性應力狀態和應力集中情況下的脆性趨向。
1.2了解試樣缺口幾何形狀對拉伸應力應變曲線、材料強度、塑性以及斷口形貌的影響。
2. 實驗裝置及試樣
2.1裝置和儀器
（1） 材料拉伸試驗機
（2） 測量顯微鏡
（3） 游標卡尺
2.2試樣
試樣材料為45鋼，正火處理。試樣採用比例長試樣。按圖1.1所示形狀加工成具有不同缺口形狀的缺口拉伸試樣和光滑拉伸試樣。
3. 實驗步驟
3.1了解拉伸試驗機的結構和原理，掌握操作方法。
3.2將各拉伸試樣進行編號放置，以便後續實驗測試資料對應。
3.3用游標卡尺分別測定各試樣測試部位內最小直徑d0，並填入實驗記錄表（見附表）。
3.4分別標定各試樣標距l0=100mm。對缺口拉伸試樣，缺口部位應包括在標距內。
3.5分別安裝試樣在試驗機上進行拉伸實驗載入。在實驗中，拉伸速度應為10-30n/mm2s，載入必須平穩而無衝擊。
記錄拉伸最大載荷pb值，同時由試驗機自動繪出放大倍數n不低於50倍的拉力-伸長曲線p-△l。
3.6屈服載荷ps的測定。在本實驗中採用規定殘餘伸長應力的測定方法。
在拉力-伸長曲線p-△l上，自彈性直線段與伸長座標軸的交點起確定一等於0.2％·l0·n規定殘餘伸長的點，再從該點作彈性直線段的平行線與拉伸曲線交於另一點，對應於另一點的載荷即為屈服載荷ps。
3.7拉伸斷裂載荷pk的測定。根據拉力-伸長曲線p-△l上的斷裂點所對應的載荷確定。
3.8試樣拉伸後標距lk的測定。將拉斷後試樣的兩截緊密對接起來，盡量使軸線處於一條直線上，用游標卡尺測量拉伸後的標距長度值lk（沿圓周方向間隔90°的兩個位置測量，取算術平均值）。
若斷口處有縫隙，則此縫隙也應計入拉斷後的標距長度內。
3.9試樣斷裂最小直徑dk的測定。取斷後的一截試樣，再讀數顯微鏡下測量最小直徑dk之值（沿圓周方向間隔90°的兩個位置測量，取算術平均值）。
對光滑試樣，可取斷後帶有剪下唇的一截試樣，用游標卡尺測量頸縮後最小直徑dk之值。
3.10對比觀察各種試樣的埠，也可以在10倍放大下觀察，鑑別斷口區域。在讀數顯微鏡下估測纖維區的面積。
圖1.1 系列拉伸試樣示意圖
4.實驗報告
4.1 簡述拉伸實驗原理及應力集中的應力狀態。
原理： 4.2按相同放大比例在同一座標系中繪製出各試樣的應力-應變σ-δ曲線。
4.3計算各試樣的強度指標：屈服強度σ0.
2、抗拉強度σb、斷裂真實應力sk和塑性指標：伸長率δ、斷面收縮率ψ以及各試樣缺口敏感性指標nsr。填寫入拉伸實驗記錄表（見附表-1）。
4.4計算出纖維區所佔斷口總面積的百分數，並繪出巨集觀斷口形貌示意圖。
5. 分析思考
5.1分析本實驗中各試樣缺口的敏感性變化。
5.2分析缺口尖銳程度對應力-應變σ-δ曲線、強度、塑性及斷口形貌的影響。
參考資料
1. gb228 《金屬拉伸試驗方法》；
2. 束德林主編. 工程材料力學效能. 機械工業出版社. 2006；
3. 《金屬斷口分析》，上海交通大學編，國防工業出版社。
實驗資料記錄附表-1
系列缺口試樣靜拉伸實驗資料記錄表
實驗二硬度測定實驗
1. 實驗目的
1.1 掌握布氏、洛氏、維氏、顯微維氏和肖氏硬度的試驗原理、測定方法及其應用。
1.2 了解布氏、洛氏、維氏、顯微維氏和肖氏硬度計的構造及使用。
1.3 感性驗證認識：微觀硬度與巨集觀硬度的關係；硬度與抗拉強度的近似關係。
2. 實驗裝置、儀器及材料
2.1 裝置儀器
（1）布、洛氏兩用硬度計（見圖2.1）
（2）維氏硬度計（見圖2.2）
（3）顯微維氏硬度計（見圖2.3）
（4）肖氏硬度計（見圖2.4）
（5）讀數測量顯微鏡
2.2 材料
（1）鑄鐵2）45鋼（退火）
（3）45鋼（淬火+回火） （4）高速鋼刀具
（5）20滲碳淬火鋼零件6）硬質合金刀片
（7）黃銅（退火8）一截鋼軌
圖2.1布、洛氏兩用硬度計圖2.2 維氏硬度計
圖2.3 顯微維氏硬度計圖2.4 肖氏硬度計
3. 實驗原理及適用範圍
3.1 布氏硬度測試實驗（brinell hardness）
3.1.1試驗原理：
用一定直徑d（mm）的鋼球或硬質合金球為壓頭，施以一定的試驗力f（n），將其壓入試樣表面（圖2.5），經規定保持時間t（s）後卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。求得單位壓痕球形表面積上的試驗力就是布氏硬度值，用hb表示，其計算公式為：
其中a—壓痕球形面積（mm2）;d—壓痕平均直徑（mm）;
3.1.2適用範圍：
布氏硬度試驗主要用於室溫下黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用於退火、正火鋼鐵零件的硬度測試。國家標準gb6270-86《金屬布氏硬度試驗法》，範圍：<450hb (650hb)，hbs表示用淬火鋼球，適用於硬度值在450以下的材料，hbw表示用鎢合金鋼球，適用於硬度值在450以上的材料。
圖2.5 布氏硬度實驗原理圖
3.2洛氏硬度測試實驗（rockwell hardness）
3.2.1洛氏硬度試驗原理：
在先後兩次施加負荷（預負荷f0和主負荷f1）的作用下，將標準型的壓頭（金剛石圓錐壓頭或鋼球壓頭）壓入試樣的表面，即在加完總負荷f（）保持一定的時間，並卸除主負荷，保留預負荷的情況下，用計量主負荷作用下所產生的殘餘壓入深度e來表示金屬材料抵抗塑性變形的能力，如圖2.6所示。e值越大金屬的硬度越低，反之則硬度越高。
洛氏硬度值用hr表示，並在符號後面注以所常用標尺a、b、c等。洛氏硬度試驗常用標尺所對應的壓頭、負荷硬度計算公式及應用見表2-1
圖2.6 洛氏硬度實驗原理圖
表2-1 洛氏硬度常用標尺所對應的壓頭、負荷、計算及應用舉例
備註：e的單位為μm。
3.2.2適用範圍：
洛氏硬度試驗主要用於室溫下金屬材料熱處理後的產品硬度測試，測量範圍為20～67hrc；60～85hra；25～100hrb，測試標準為gb/t230-91《金屬洛氏硬度試驗方法》。
3.3 維氏硬度測試實驗（vicker』s hardness）
3.3.1試驗原理：
以一相對兩面夾角為136°的金剛石正四稜錐形壓頭，在一定的負荷作用下，壓入試樣表面，經規定的保荷時間卸除負荷後，計量殘留壓痕兩對角線長度（如圖2.7）、並由此求出平均值。由實驗負荷與殘留壓痕表面積之商計算出維氏硬度值。
維氏硬度值用hv表示，其計算公式為：
（n/mm2）
圖2.7 維氏硬度實驗原理示意圖
3.3.2適用範圍：
維氏硬度試驗主要用於在室溫下薄板材或金屬表層的硬度測定以及較精確的硬度測定。適用測量範圍為8～1000hv。測量標準有gb4340-84《金屬維氏硬度試驗方法》和gb5030-85《金屬小負荷維氏硬度試驗方法》（表面硬度）。
材料力學效能
蠕變 金屬在長時間的恆溫 恆載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現象。蠕變極限 在高溫長時間載荷作用下不致產生過量塑性變形的抗力指標。該指標與常溫下的屈服強度相似。應力腐蝕 金屬在拉應力和特定的化學介質共同作用下，經過一段時間後所產生的低應力脆性斷裂叫應力腐蝕。靜力韌度 材料在靜拉伸時單位體積材料從變形到...
材料力學效能
斷裂是機械和工程構件失效的主要形式之一，它比其它失效形式，如失穩 磨損 腐蝕等，更具有危險性。斷裂是材料的一種十分複雜的行為，在不同的力學 物理和化學環境下，會有不同的斷裂形式。例如，在迴圈應力作用下材料會發生疲勞斷裂，在高溫持久應力作用下會發生蠕變斷裂，在腐蝕環境下會發生應力腐蝕或腐蝕疲勞斷裂等等...
材料力學效能
試說明高溫下金屬蠕變變形的機理與常溫下金屬塑性變形的機理有何不同？答 常溫下金屬塑性變形主要是通過位錯滑移和孿晶進行的，以位錯滑移為主要機制。當滑移面上的位錯運動受阻產生塞積時，必須在更大的切應力作用下才能使位錯重新運動和增值，巨集觀變現為加工硬化現象，或對於螺型位錯，採用交滑移改變滑移面來實現位錯...