材料性能学实验.docx

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材料性能学实验

实验拉伸实验

（5学时）

一、实验目的：

1、掌握材料拉伸性能指标（σs,σb,σp，σe，ψ,δ）的测定方法。

2、学会正确使用金属拉伸实验设备和仪器。

二、实验原理与测量方法

单向静拉伸实验是工业上应用最广泛的材料力学性能实验之一，该实验是温度、应力状态和加载速度是确定的，并且用标准的光滑圆柱试样进行实验。

通过拉伸实验，可以揭示材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形、塑性变形和断裂。

还可以确定出材料的最基本力学性能指标，如屈服强度σs、抗拉强度σb、断后伸长率δ和断面收缩率ψ等。

拉伸曲线（力—伸长关系曲线）是拉伸实验获得的第一手资料。

典型的拉伸曲线包括四个变形过程即弹性变形、屈服、均匀塑性变形和不均匀塑性变形等。

1、物理屈服性能指标

（1）屈服现象

在有些金属材料的拉伸曲线上，弹性变形向塑性变形的过渡阶段有一个平台或锯齿。

在外力不增加或上下波动的情况下试样可继续伸长，这种现象称为材料在拉伸实验时的屈服现象。

许多铁基合金、有色金属和高分子材料中会出现屈服现象。

（2）屈服强度：

材料开始塑性变形的应力σs。

σs=Fs/A0，A0为试样原始横截面积，Fs为屈服时的实验力。

2、抗拉强度σb

定义：

拉伸曲线上应力的最大值。

表征最大均匀塑性变形抗力指标。

是静拉伸实验中最容易测定，重现性好的指标。

在工程中应用最广泛。

在拉伸曲线上，抗拉强度为试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。

从拉伸曲线图上的最高点可确定实验过程中的最大力Fb。

σb=Fb/A0。

3、塑性性能指标

（1）断后伸长率δ：

也称延伸率是指光滑圆柱试样实验断裂后，标距范围内的伸长量占标距长度的百分比。

当标距长度是标距部分直径的5倍时表示为δ5，当标距长度是标距部分直径的10倍时表示为δ10。

延伸率主要反映材料产生塑性变形的能力。

L1为试样断裂后标距间的长度，L0试样断裂前标距间的长度。

（2）断面收缩率ψ

断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大收缩量与原始横截面积的百分比。

主要反映材料局部变形的能力。

S1试样断裂后颈缩处最小横截面积，S0试样断裂前的横截面积。

为了准确测定上述各项性能指标，对于实验速率和实验温度须作如下规定：

1、实验速率：

应变速率增大，金属的强度增加。

特别是出服点和规定微量塑性伸长应力对应变速率的变化更为敏感。

所以，对拉伸实验速度应注意控制。

（1）测定屈服前或弹性变形阶段的拉伸速度常以应力速率

（单位为N/（mm2·s-1））来表示。

对于弹性模量小于150000N/mm2的金属材料，

=1~10N/（mm2·s-1）；如果弹性模量大于等于150000N/mm2，则

=3~30N/（mm2·s-1）。

（2）在屈服过程中，由于应力近似于恒定甚至下降，故无法再用

来控制拉伸速度。

此时，可采试样平行长度内的应变速率

（单位为1/s）来控制。

它大体上相当于实验机夹头移动速度。

在测定下屈服点时，一般规定应变速率应控制在0.00025~0.0025/s范围内。

如果不能直接控制应变速率，也可采用调节屈服前的应力速率的方法，使之不超过上述规定值，将其固定，直至屈服阶段结束。

（3）屈服过后或只需测定抗拉强度时，由于实验速度的影响较小，所以可加快实验速度。

此时一般采用控制实验机夹头的移动速率的方法，使用权之不超过0.5L0/min。

2、实验温度，一般应在10~35℃的温度下进行。

三、拉伸实验的试样

根据材料的种类、规格及实验目的的不同，可将材料加工成横截面为圆形、矩形或异形拉伸试样，以及不经过加工的全截面形状的试样。

其中以圆形及矩形截面试样最常用，如图1-1所示。

Lc为平行部分长度。

图1-1拉伸试样的形状及对表面粗糙度的要求

a）圆形试样b）矩形试样

表1-1圆形试样的主要尺寸及允许偏差（单位mm）

试样直径d0

标距部分内d0的允许偏差

标距部分内最大与最小直径的允许差值

标距长度L0

平行部分长度Lc

圆弧半径r

短试样

长试样

单，双肩

螺纹

3

±0.05

0.01

5d0

10d0

≥L0+d0

2

2

5

6

8

±0.1

0.02

3

3

3

3.5

3.5

4

10

15

20

25

±0.2

0.05

4

4

5

5

5

7.5

10

12.5

四、实验设备和仪器

本实验使用长春试验机研究所生产的电子万能试验机，该机可用于金属材料和塑料、混凝土、水泥、橡胶等材料的拉伸、压缩和弯曲实验。

　　　表1-2距形试样的主要尺寸及允许偏差（单位mm）

试样厚度a0

试样宽度b0

标距部分内b0的允许偏差

标距部分内最大与最小直径的允许差值

标距长度L0

平行部分长度Lc

圆弧半径r

短试样

长试样

1.1~1.0

1.1~6.0

1.0~4.0

10

12.5

1.5

±0.2

0.1

5.65

取最接近5的整倍数

11.3

取最接近10的整倍数

≥L0+b0/2

25~40

0.5~12

20

±0.5

0.2

4.5~25

25

30

五、实验步骤

1、试样的准备：

了解试样的材料与热处理状态。

2、打开EDC系统，移动主菜单进入到PC——CONTROL状态。

3、打开计算机电源，双击桌面上的CTE3.0图标启动试验程序，或从WINDOWS菜单中点击“开始”—“程序”—“CSS44000”。

接着显示程序启动画面，点击该画面或等待数秒钟可直接进入程序主界面。

4、在试验条件菜单里选择本次试验所用的试验条件（所有试验条件以.con作为扩展名），可以直接使用默认的试验条件，也可以按照试验要求修改试验条件。

5、选择合适的负荷传感器连接到横梁。

6、将合适的夹具安装到横梁上。

7、将其他的必要设备连接到主机上，如引伸计等。

8、使用手动盒或CTE3.0的升降按钮移动横梁到合适位置，以方便夹持试样。

9、装夹试样。

10、确保已设置好试验条件，试样已夹好。

11、各通道清零。

（在各通道的显示表头上击鼠标右键，出一个快捷菜单，点清零即可）

12、点击开始实验按钮，该按钮位于主界面左侧，也可以点击工具条上的开始试验按钮。

注意：

若无意中启动了一个没夹试样的试验，或试验过程中出现其他错误，请按结束试验按钮或CTRL-E组合键。

试验结束后主界面上显示出试验结果及重绘后的曲线。

13、如果继续做其它试样的试验，请返回步骤8。

14、据以上步骤完成所给试样的一组试验后，可以进入曲线操作界面查看所给试样的σs,σb,σp，σe，ψ,δ原始数据、试验结果和统计值，还可以根据原始数据进行适当修改试验结果。

六、讨论：

1.讨论缺口对金属材料拉伸性能的影响及影响材料缺口敏感度的因素。

　答：

（1）缺口对金属材料拉伸性能的影响：

①缺口产生应力集中；②引起三向应力状态，使材料脆化；③由应力集中产生应变集中；④使缺口附近的应变速率增高。

（2）材料缺口敏感性除与材料本身性能、压力状态（加载方式）有关外，还与缺口形状、尺寸、实验温度有关。

2.讨论各种材料的拉伸断口的宏观形貌特征与性能的关系。

实验结晶高分子材料DSC热分析实验

（5学时）

一、实验目的

1、了解DSC热分析仪的结构。

2、理解示差扫描量热法的原理。

3、学会用示差扫描量热法对结晶高分子材料熔融和结晶过程的分析。

二、实验原理

热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。

热分析技术的基础是当物质的物理状态和化学状态发生变化时（如升华、氧化、聚合、固化、硫化、脱水、熔融、结晶改变或发生化学反应时），往往伴随着热力学性质（如热焓、比热容、导热系数等）的变化，因此可通过测定其热力学性能的变化，来了解物质物理或化学变化过程。

目前热分析已经发展成为系统性的分析方法，它对于材料的研究是一种极为有用的工具，特别在高聚物的分析测定方面应用更为广泛，因为它不仅能获得结构方面的信息，而且还能测定性能。

目前示差扫描量热法（differentialscanningcalorimetry,简称DSC）有两种方法，即功率补偿式示差扫描量热法和热流式示差扫描量热法，本仪器是采用功率补偿式示差扫描量热法。

是在程序温度控制下用差动方法测量加热或冷却过程中，在试样和标样的温度差保持为零时，所要补充的热量与温度和时间的关系的分析技术。

也就是如果试样吸热，补偿器便供热给试样，使试样与标样的温度相等，△T=0；如果试样放热，补偿器便供给标样，使试样与标样温度相等，△T=0。

这样，补偿的能量就是样品吸收或放出的能量。

示差扫描量热仪的核心部位是测量池，其结构如图1所示。

本实验通过DSC热分析，得到结晶高分子材料的熔融和结晶过程吸热和放热与温度和时间的关系曲线,如图2和图3。

并由此作出熔融峰温度Tm和结晶峰温度TP，还可进一步获得相对结晶度Xt与时间和温度的关系，如图4和图5所示。

从而了解结

晶高分子材料的熔融和结晶过程。

图1DSC200PC测量池示意图

图2结晶高分子的熔融曲线图3结晶高分子的结晶曲线

三、实验操作

1、试样的制备：

用小刀把高分子材料切成细小的碎片，然后装入铝制小坩埚，装样量在0.5~10mg，最后用密封器压制密封。

2、仪器的开启：

打开示差扫描量热仪电源开关，开计算机控制系统。

预热10分钟。

图4相对结晶度XC与时间t的关系图5相对结晶度XC与温度T的关系

3、将试样和标样称重，本试验标样用空的铝坩埚，分别在其上方刺一小孔，防加热时产生的气体使坩埚爆裂。

然后按图1，标样放在左边，试样放在右边，盖好测量池的盖子。

打开氮气阀。

4、软件操作：

对准桌面上的NETZSCH-TA4图标，用鼠标双击，进入仪器程序控制系统，文件→新建→输入各种参数→编辑→进入设定→选择温度校正文件→灵敏度校正文件→确定初始温度→填入终止温度和加热速率→恒温（以消除热历史）→动态，确定终止温度和降温速率→结束，输入紧急复位温度→结束等待→确定→测量→开始测量→调节氮气流量。

5、数据处理，得出Tm和TP等。

四、思考题：

　　1.为什么铝坩埚盖上要刺一小孔？

　　使坩埚内外保持压力平衡，以防测试过程中因气体受热膨胀而爆炸。

　　2为什么升温到终止温度时，要恒温？

整个过程为什么要用氮气保护？

　　主要是为了消除热历史．整个过程用氮气保护目的是保护样品不被氧化。

实验铁电体的电滞回线测量实验

（5学时）

一、实验目的

1、了解铁电分析仪的基本结构。

2、理解电滞回线的测量原理。

3、掌握电滞回线测量的操作方法。

二、实验原理

　　铁电材料因具有电滞回线、结构相变温度（居里点）和临界特性（在相变时，介电性质、弹性、压电性、光学性质、热学性质等大都出现明显改变），所以广泛应用于激光技术、计算机技术、全息存贮与显示、光电子学等新学科领域。

电滞回线是铁电材料的一个重要特征。

铁电体的典型P~E电滞回线如图1所示,它表明，铁电体的极化强度P与外加电场E之间呈非线性关系，且极化强度随外电场反向而反向。

极化强度的反向源于铁电体内部存在的电畴反转。

对于单晶，当外电场为零时，晶体中相邻电畴的极化方向相反，晶体的总电矩为零。

当施加逐渐增加的外电场时，自发极化方向与电场方向相反的那些电畴体积将由于电畴的反转而逐渐减小，与电场

图1铁电晶体的电滞回线

方向相同的那些电畴则逐渐扩大，于是，铁电晶体在外场方向的极化强度随电场增加而增加，如上图OA段曲线所示。

当电场增大到足够使晶体中所有反向电畴均反转到外场方向时，晶体变成单畴体，晶体的极化达到饱和，如图中C附近部分。

此后电场再增加，与一般电介质的极化相同，极化强度将随电场线性增加，并达到最大值Pmax，Pmax是最高极化电场的函数，将线性部分外推到电场为零时，在纵轴上的截距Ps称为饱和极化强度，实际上它就是每个电畴原来所具有的自发极化强度。

当电场从图中C处开始减小时，极化强度将沿C-B曲线逐渐下降。

电场减至零时，极化强度下降到某一数值Pr，称为铁电体的剩余极化强度，改变电场方向，并沿负方向增加到Ec时，极化强度下降至零，反向电场再继续增加，极化强度反向，Ec就称为铁电体的矫顽场强。

随着反向电场的继续增加，极化强度沿负方向继续增加，并达到负方向的饱和值（-Ps），整个晶体变为具有负向极化的单畴晶体。

当电场由高的负值连续变化到高的正值时，正方向电畴又开始形成并生长，直至整个晶体再一次变成具有正向极化的单畴晶体，极化强度沿回线的FGH回到C点。

这样，在大的交变电场作用下，电场变化一周，上述过程就重复一次，显示图1所示的电滞回线。

回线包围的面积就是极化强度反转两次所需的能量。

描述电滞回线最重要的参数是电场等于零时的自发极化强度Ps和使极化反转的矫顽电场强度Ec。

图2准静态电滞回线测量线路原理图

HV—超低频高压源F—函数记录仪A—运算放大器K1—高压开关K2—普通低压开关Cx—试样C0—标准电容器R1、R2—分压电阻Rs可调补偿电阻

铁电材料电滞回线的测量方法通常有两种：

（1）冲击检流计描点法；

（2）Sawyer-Tower电路法。

图2是第二种方法的测量原理图，试样采用全电极、半极化试样，推荐试样尺寸为直径d不大于20mm，厚度t不大于1mm，试样应保持清洁、干燥。

图2为标准电容器的容量C0远大于试样的电容量Cx，所以高压源输出电压几乎全部加在样品上，因此，x轴上的电压正比于试样两端的电压，而C0上的电压（即y轴电压）正比于Cx的电荷Q，记录仪上测得的曲线就是试样的极化强度P和电场强度E的关系曲线，即电滞回线，如图1。

测出样品的电滞回线之后，即可计算该材料的剩余极化强度Pr和矫频场强Ec，计算公式如下：

式中：

Q为电压为零时之总电荷，C；C0为标准电容器的电容量，F；Vy为从原点至E=0处之y轴电压，V；Sy为函数记录仪的y轴灵敏度，V/m；ry为从原点到E=0处之y轴读数，m；A为试样面积，m2；Vx为样

图3TFANALYZER2000FE-Module的基本结构图

品两端电压，V；Sx为函数记录仪的x轴灵敏度，V/m；rx为从原点到P=0处的x轴读数，m；d为高压源的输出分压比；t为试样厚度，m。

若要测量某铁电材料的自发极化强度Ps，可将测得的电滞回线的线性部分外推（或做切线）与y轴（极化强度P轴）交于Ps点，此点的读数便是自发极化强度。

三、操作步骤

3、打开电源，先开显示器，再开主机。

如图3主机前面，红线是信号输出线，对应下电极；黑线是信号输入线，对应上电极；白线是控制输入输出；灰线是Fe内的电源线。

正常时FE灯亮着。

FE的侧面是对应下电极，正面对应上电极。

4、用鼠标左键双击TFANALYZER2000软件图标，打开仪器操作软件。

5、在工具栏上单击Option，再单击sampledata,填入样品名称、厚度、

6、面积等参数。

7、在测试前通常要先进行波形设置，在工具栏中Edit→Waveforme,有三角形和正弦可选。

8、在工具栏Option上单击Measure（测试），打开测试对话框。

选择StaticHysteresisMeasurement（静态电滞回线），填入Frequency（频率），范围在1HZ~2kHZ，常为100；Amplitude（振幅），范围是±0.1V~±25V;No.ofPoints（数据点数目），10~1000,常为40；Relaxationtime（驰豫时间），0.1s~1s；Integrationtime（积分时间），0ms~1ms，常为1ms；CurrentRange；通常按AutoRange键自动产生。

9、在AppendtoStatic-HysteresisFile[ifactive]前选上。

再按Start键就可开始测定。

最后获得铁电材料的静态电滞回线，其他动态电滞回线（Hyteresis）、疲劳曲线（Fatigue）、漏电曲线（Leakage）、印迹曲线（Imprint）、保持曲线（Retention）、脉冲曲线（Pund）等也是类似地进行设置和测定。

　10、进行数据处理打印。

四、思考题：

　铁电材料的电滞回线和磁性材料的磁滞回线有什么相似点和不同点？

答：

相似点：

电滞回线与磁滞回线图形相似； 　不同点：

铁电材料的电滞回线是极化强度随外电场的变化的滞后现象的表现；磁性材料的磁滞回线是磁化强度与磁场的变化的滞后现象的表现。

实验　塑料冲击强度实验

一、实验目的

1、加深对冲击强度概念的理解，

2、学会简支梁冲击实验机的使用及冲击强度的测量方法。

二、实验原理

冲击试验是用来量度材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的。

对研究塑料在经受冲击载荷时的力学行为有一定的实际意义。

简支梁冲击实验工作原理示意图

实验设备为简支梁冲击实验机（如原理图），本试验机的基本构造由机身、试样支座、冲击摆、测量装置及操纵机构五部分组成。

其基本原理是把摆锤抬高置挂于机架的扬臂上以后，此时扬角为α，如图所示，它便获得了一定的位能。

当摆锤自由落下，则位能转化为动能将试样冲断。

冲断试样后，摆锤仍以剩余能量升到其一高度，升角为β，在整个冲击试验过程中，按照能量守恒定律，试样所消耗冲击能量按下式计算：

E=Pd（cosβ-cosα）

式中：

Pd—冲击摆摆力矩（常数）

α—冲击摆摆锤扬角

β—冲击实验后摆锤升起的角度

本实验机中由于摆的冲击常数Pd、冲击前摆锤扬角均为常数，因此只要测出冲断试样后的摆锤升角，即可根据上述公式计算出试样冲断时所消耗的能量来。

这种冲击试验方法仪器简单，操作方便，在生产和科研部门广泛采用。

有缺口实验冲击强度

Ak=Ek×1000/（b×dk）（千焦/平方米）

式中：

Ek：

试样吸收的冲击能量

b：

试样宽度mm

dk：

缺口试样缺口处剩余厚度mm

三、实验设备、用具及试样

1、简支梁冲击实验机

2、标准试样2条，规格：

80×10×4mm

四、实验步骤

（一）、试样设备及处理

1、按标准要求制备冲击试样。

2、测量试样中间部位的宽和厚，准确至0.05毫米，缺口试样测量缺口的剩余厚度。

3、每组试样不少于2个。

（二）、测试

1、按标堆方法规定调节好跨度，放好试样，试样宽面紧贴在支座上。

2、一切准备好之后，进行冲击。

由仪表盘读取冲断试样所消耗的功。

凡试样未被冲断或未断在三等分中间部分或缺口处，该试样作废，另补试样试验。

五、实验注意事项

1、当摆动轴承定期未清洗摆动不灵活时，造成能量损失超差，是用前应清洗并加油。

2、当冲击试样定期磨损引起刀刃钳口变形时，应更换其磨损件。

3、在实验中经常出现打死现象，摆杆容易出现弯曲变形，影响测试精度，故对测定材料能量的大小选用相应能量等级的冲击摆尽量避免打死现象。

六、实验报告要求

1、简述实验原理。

2、明确操作步骤和注意事项。

3、观察实验现象,记录实验结果。

七、思考题：

试样消耗的冲击能量时还应考虑哪几个方面的影响？