《材料性能學(xué)實驗》教案

《材料性能學(xué)實驗》教案實驗拉伸實驗（5學(xué)時）一、實驗?zāi)康模赫莆詹牧侠煨阅苤笜?biāo)（σs,σb,σp，σe，ψ,δ）的測定方法。學(xué)會正確使用金屬拉伸實驗設(shè)備和儀器。二、實驗原理與測量方法單向靜拉伸實驗是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的材料力學(xué)性能實驗之一，該實驗是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度是確定的，并且用標(biāo)準(zhǔn)的光滑圓柱試樣進(jìn)行實驗。通過拉伸實驗，可以揭示材料在靜載荷作用下常見的三種失效形式，即過量彈性變形、塑性變形和斷裂。還可以確定出材料的最基本力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ等。拉伸曲線（力—伸長關(guān)系曲線）是拉伸實驗獲得的第一手資料。典型的拉伸曲線包括四個變形過程即彈性變形、屈服、均勻塑性變形和不均勻塑性變形等。1、物理屈服性能指標(biāo)（1）屈服現(xiàn)象在有些金屬材料的拉伸曲線上，彈性變形向塑性變形的過渡階段有一個平臺或鋸齒。在外力不增加或上下波動的情況下試樣可繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象稱為材料在拉伸實驗時的屈服現(xiàn)象。許多鐵基合金、有色金屬和高分子材料中會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。（2）屈服強(qiáng)度：材料開始塑性變形的應(yīng)力σs。σs=Fs/A0，A0為試樣原始橫截面積，F(xiàn)s為屈服時的實驗力。2、抗拉強(qiáng)度σb定義：拉伸曲線上應(yīng)力的最大值。表征最大均勻塑性變形抗力指標(biāo)。是靜拉伸實驗中最容易測定，重現(xiàn)性好的指標(biāo)。在工程中應(yīng)用最廣泛。在拉伸曲線上，抗拉強(qiáng)度為試樣拉斷過程中最大實驗力所對應(yīng)的應(yīng)力。從拉伸曲線圖上的最高點可確定實驗過程中的最大力Fb。σb=Fb/A0。3、塑性性能指標(biāo)（1）斷后伸長率δ：也稱延伸率是指光滑圓柱試樣實驗斷裂后，標(biāo)距范圍內(nèi)的伸長量占標(biāo)距長度的百分比。當(dāng)標(biāo)距長度是標(biāo)距部分直徑的5倍時表示為δ5，當(dāng)標(biāo)距長度是標(biāo)距部分直徑的10倍時表示為δ10。延伸率主要反映材料產(chǎn)生塑性變形的能力。L1為試樣斷裂后標(biāo)距間的長度，L0試樣斷裂前標(biāo)距間的長度。（2）斷面收縮率ψ斷面收縮率是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大收縮量與原始橫截面積的百分比。主要反映材料局部變形的能力。S1試樣斷裂后頸縮處最小橫截面積，S0試樣斷裂前的橫截面積。為了準(zhǔn)確測定上述各項性能指標(biāo)，對于實驗速率和實驗溫度須作如下規(guī)定：1、實驗速率：應(yīng)變速率增大，金屬的強(qiáng)度增加。特別是出服點和規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力對應(yīng)變速率的變化更為敏感。所以，對拉伸實驗速度應(yīng)注意控制。（1）測定屈服前或彈性變形階段的拉伸速度常以應(yīng)力速率（單位為N/(mm2·s-1)）來表示。對于彈性模量小于150000N/mm2的金屬材料，=1~10N/(mm2·s-1)；如果彈性模量大于等于150000N/mm2，則=3~30N/(mm2·s-1)。（2）在屈服過程中，由于應(yīng)力近似于恒定甚至下降，故無法再用來控制拉伸速度。此時，可采試樣平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率（單位為1/s）來控制。它大體上相當(dāng)于實驗機(jī)夾頭移動速度。在測定下屈服點時，一般規(guī)定應(yīng)變速率應(yīng)控制在0.00025~0.0025/s范圍內(nèi)。如果不能直接控制應(yīng)變速率，也可采用調(diào)節(jié)屈服前的應(yīng)力速率的方法，使之不超過上述規(guī)定值，將其固定，直至屈服階段結(jié)束。（3）屈服過后或只需測定抗拉強(qiáng)度時，由于實驗速度的影響較小，所以可加快實驗速度。此時一般采用控制實驗機(jī)夾頭的移動速率的方法，使用權(quán)之不超過0.5L0/min。2、實驗溫度，一般應(yīng)在10~35℃的溫度下進(jìn)行。三、拉伸實驗的試樣rd0Lrd0L0Lcrara0L0Lcrbb0圖1-1拉伸試樣的形狀及對表面粗糙度的要求a）圓形試樣b）矩形試樣表1-1圓形試樣的主要尺寸及允許偏差（單位mm）試樣直徑d0標(biāo)距部分內(nèi)d0的允許偏差標(biāo)距部分內(nèi)最大與最小直徑的允許差值標(biāo)距長度L0平行部分長度Lc圓弧半徑r短試樣長試樣單，雙肩螺紋3±0.050.015d010d0≥L0+d022568±0.10.023333.53.5410152025±0.20.05445557.51012.5四、實驗設(shè)備和儀器本實驗使用長春試驗機(jī)研究所生產(chǎn)的電子萬能試驗機(jī)，該機(jī)可用于金屬材料和塑料、混凝土、水泥、橡膠等材料的拉伸、壓縮和彎曲實驗。表1-2距形試樣的主要尺寸及允許偏差（單位mm）試樣厚度a0試樣寬度b0標(biāo)距部分內(nèi)b0的允許偏差標(biāo)距部分內(nèi)最大與最小直徑的允許差值標(biāo)距長度L0平行部分長度Lc圓弧半徑r短試樣長試樣1~1.01~6.01.0~4.01012.51.5±0.20.15.65取最接近5的整倍數(shù)11.3取最接近10的整倍數(shù)≥L0+b0/225~400.5~1220±0.50.24.5~252530五、實驗步驟1、試樣的準(zhǔn)備：了解試樣的材料與熱處理狀態(tài)。2、打開EDC系統(tǒng)，移動主菜單進(jìn)入到PC——CONTROL狀態(tài)。3、打開計算機(jī)電源，雙擊桌面上的CTE3.0圖標(biāo)啟動試驗程序，或從WINDOWS菜單中點擊“開始”—“程序”—“CSS44000”。接著顯示程序啟動畫面，點擊該畫面或等待數(shù)秒鐘可直接進(jìn)入程序主界面。4、在試驗條件菜單里選擇本次試驗所用的試驗條件（所有試驗條件以.con作為擴(kuò)展名），可以直接使用默認(rèn)的試驗條件，也可以按照試驗要求修改試驗條件。5、選擇合適的負(fù)荷傳感器連接到橫梁。6、將合適的夾具安裝到橫梁上。7、將其他的必要設(shè)備連接到主機(jī)上，如引伸計等。8、使用手動盒或CTE3.0的升降按鈕移動橫梁到合適位置，以方便夾持試樣。9、裝夾試樣。10、確保已設(shè)置好試驗條件，試樣已夾好。11、各通道清零。（在各通道的顯示表頭上擊鼠標(biāo)右鍵，出一個快捷菜單，點清零即可）12、點擊開始實驗按鈕，該按鈕位于主界面左側(cè)，也可以點擊工具條上的開始試驗按鈕。注意：若無意中啟動了一個沒夾試樣的試驗，或試驗過程中出現(xiàn)其他錯誤，請按結(jié)束試驗按鈕或CTRL-E組合鍵。試驗結(jié)束后主界面上顯示出試驗結(jié)果及重繪后的曲線。13、如果繼續(xù)做其它試樣的試驗，請返回步驟8。14、據(jù)以上步驟完成所給試樣的一組試驗后，可以進(jìn)入曲線操作界面查看所給試樣的σs,σb,σp，σe，ψ,δ原始數(shù)據(jù)、試驗結(jié)果和統(tǒng)計值，還可以根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修改試驗結(jié)果。六、討論：1.討論缺口對金屬材料拉伸性能的影響及影響材料缺口敏感度的因素。答：（1）缺口對金屬材料拉伸性能的影響：①缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中；②引起三向應(yīng)力狀態(tài)，使材料脆化；③由應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變集中；④使缺口附近的應(yīng)變速率增高。（2）材料缺口敏感性除與材料本身性能、壓力狀態(tài)（加載方式）有關(guān)外，還與缺口形狀、尺寸、實驗溫度有關(guān)。2.討論各種材料的拉伸斷口的宏觀形貌特征與性能的關(guān)系。實驗結(jié)晶高分子材料DSC熱分析實驗（5學(xué)時）一、實驗?zāi)康牧私釪SC熱分析儀的結(jié)構(gòu)。理解示差掃描量熱法的原理。學(xué)會用示差掃描量熱法對結(jié)晶高分子材料熔融和結(jié)晶過程的分析。二、實驗原理熱分析是測量在受控程序溫度條件下，物質(zhì)的物理性質(zhì)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系的技術(shù)。熱分析技術(shù)的基礎(chǔ)是當(dāng)物質(zhì)的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化時（如升華、氧化、聚合、固化、硫化、脫水、熔融、結(jié)晶改變或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時），往往伴隨著熱力學(xué)性質(zhì)（如熱焓、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等）的變化，因此可通過測定其熱力學(xué)性能的變化，來了解物質(zhì)物理或化學(xué)變化過程。目前熱分析已經(jīng)發(fā)展成為系統(tǒng)性的分析方法，它對于材料的研究是一種極為有用的工具，特別在高聚物的分析測定方面應(yīng)用更為廣泛，因為它不僅能獲得結(jié)構(gòu)方面的信息，而且還能測定性能。目前示差掃描量熱法(differentialscanningcalorimetry,簡稱DSC)有兩種方法，即功率補(bǔ)償式示差掃描量熱法和熱流式示差掃描量熱法，本儀器是采用功率補(bǔ)償式示差掃描量熱法。是在程序溫度控制下用差動方法測量加熱或冷卻過程中，在試樣和標(biāo)樣的溫度差保持為零時，所要補(bǔ)充的熱量與溫度和時間的關(guān)系的分析技術(shù)。也就是如果試樣吸熱，補(bǔ)償器便供熱給試樣，使試樣與標(biāo)樣的溫度相等，△T=0；如果試樣放熱，補(bǔ)償器便供給標(biāo)樣，使試樣與標(biāo)樣溫度相等，△T=0。這樣，補(bǔ)償?shù)哪芰烤褪菢悠肺栈蚍懦龅哪芰?。示差掃描量熱儀的核心部位是測量池，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本實驗通過DSC熱分析，得到結(jié)晶高分子材料的熔融和結(jié)晶過程吸熱和放熱與溫度和時間的關(guān)系曲線,如圖2和圖3。并由此作出熔融峰溫度Tm和結(jié)晶峰溫度TP，還可進(jìn)一步獲得相對結(jié)晶度Xt與時間和溫度的關(guān)系，如圖4和圖5所示。從而了解結(jié)晶高分子材料的熔融和結(jié)晶過程。圖1DSC200PC測量池示意圖圖2結(jié)晶高分子的熔融曲線圖3結(jié)晶高分子的結(jié)晶曲線三、實驗操作1、試樣的制備：用小刀把高分子材料切成細(xì)小的碎片，然后裝入鋁制小坩堝，裝樣量在0.5~10mg，最后用密封器壓制密封。2、儀器的開啟：打開示差掃描量熱儀電源開關(guān)，開計算機(jī)控制系統(tǒng)。預(yù)熱10分鐘。圖4相對結(jié)晶度XC與時間t的關(guān)系圖5相對結(jié)晶度XC與溫度T的關(guān)系3、將試樣和標(biāo)樣稱重，本試驗標(biāo)樣用空的鋁坩堝，分別在其上方刺一小孔，防加熱時產(chǎn)生的氣體使坩堝爆裂。然后按圖1，標(biāo)樣放在左邊，試樣放在右邊，蓋好測量池的蓋子。打開氮氣閥。4、軟件操作：對準(zhǔn)桌面上的NETZSCH-TA4圖標(biāo)，用鼠標(biāo)雙擊，進(jìn)入儀器程序控制系統(tǒng)，文件→新建→輸入各種參數(shù)→編輯→進(jìn)入設(shè)定→選擇溫度校正文件→靈敏度校正文件→確定初始溫度→填入終止溫度和加熱速率→恒溫（以消除熱歷史）→動態(tài)，確定終止溫度和降溫速率→結(jié)束，輸入緊急復(fù)位溫度→結(jié)束等待→確定→測量→開始測量→調(diào)節(jié)氮氣流量。5、數(shù)據(jù)處理，得出Tm和TP等。四、思考題：1.為什么鋁坩堝蓋上要刺一小孔？使坩堝內(nèi)外保持壓力平衡，以防測試過程中因氣體受熱膨脹而爆炸。2為什么升溫到終止溫度時，要恒溫？整個過程為什么要用氮氣保護(hù)？主要是為了消除熱歷史．整個過程用氮氣保護(hù)目的是保護(hù)樣品不被氧化。實驗鐵電體的電滯回線測量實驗（5學(xué)時）一、實驗?zāi)康?、了解鐵電分析儀的基本結(jié)構(gòu)。2、理解電滯回線的測量原理。3、掌握電滯回線測量的操作方法。二、實驗原理鐵電材料因具有電滯回線、結(jié)構(gòu)相變溫度（居里點）和臨界特性（在相變時，介電性質(zhì)、彈性、壓電性、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)等大都出現(xiàn)明顯改變），所以廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、全息存貯與顯示、光電子學(xué)等新學(xué)科領(lǐng)域。PmaxPmaxPsPr-Ps-EcEcOABCFGHEP圖1鐵電晶體的電滯回線方向相同的那些電疇則逐漸擴(kuò)大，于是，鐵電晶體在外場方向的極化強(qiáng)度隨電場增加而增加，如上圖OA段曲線所示。當(dāng)電場增大到足夠使晶體中所有反向電疇均反轉(zhuǎn)到外場方向時，晶體變成單疇體，晶體的極化達(dá)到飽和，如圖中C附近部分。此后電場再增加，與一般電介質(zhì)的極化相同，極化強(qiáng)度將隨電場線性增加，并達(dá)到最大值Pmax，Pmax是最高極化電場的函數(shù)，將線性部分外推到電場為零時，在縱軸上的截距Ps稱為飽和極化強(qiáng)度，實際上它就是每個電疇原來所具有的自發(fā)極化強(qiáng)度。當(dāng)電場從圖中C處開始減小時，極化強(qiáng)度將沿C-B曲線逐漸下降。電場減至零時，極化強(qiáng)度下降到某一數(shù)值Pr，稱為鐵電體的剩余極化強(qiáng)度，改變電場方向，并沿負(fù)方向增加到Ec時，極化強(qiáng)度下降至零，反向電場再繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度反向，Ec就稱為鐵電體的矯頑場強(qiáng)。隨著反向電場的繼續(xù)增加，極化強(qiáng)度沿負(fù)方向繼續(xù)增加，并達(dá)到負(fù)方向的飽和值（-Ps），整個晶體變?yōu)榫哂胸?fù)向極化的單疇晶體。當(dāng)電場由高的負(fù)值連續(xù)變化到高的正值時，正方向電疇又開始形成并生長，直至整個晶體再一次變成具有正向極化的單疇晶體，極化強(qiáng)度沿回線的FGH回到C點。這樣，在大的交變電場作用下，電場變化一周，上述過程就重復(fù)一次，顯示圖1所示的電滯回線?；鼐€包圍的面積就-ZAFYXHV-ZAFYXHVR1R2RsK1KCxC0圖2準(zhǔn)靜態(tài)電滯回線測量線路原理圖HV—超低頻高壓源F—函數(shù)記錄儀A—運算放大器K1—高壓開關(guān)K2—普通低壓開關(guān)Cx—試樣C0—標(biāo)準(zhǔn)電容器R1、R2—分壓電阻Rs可調(diào)補(bǔ)償電阻鐵電材料電滯回線的測量方法通常有兩種：（1）沖擊檢流計描點法；（2）Sawyer-Tower電路法。圖2是第二種方法的測量原理圖，試樣采用全電極、半極化試樣，推薦試樣尺寸為直徑d不大于20mm，厚度t不大于1mm，試樣應(yīng)保持清潔、干燥。圖2為標(biāo)準(zhǔn)電容器的容量C0遠(yuǎn)大于試樣的電容量Cx，所以高壓源輸出電壓幾乎全部加在樣品上，因此，x軸上的電壓正比于試樣兩端的電壓，而C0上的電壓（即y軸電壓）正比于Cx的電荷Q，記錄儀上測得的曲線就是試樣的極化強(qiáng)度P和電場強(qiáng)度E的關(guān)系曲線，即電滯回線，如圖1。測出樣品的電滯回線之后，即可計算該材料的剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頻場強(qiáng)Ec，計算公式如下：aiXACTPowerI/OInOutTFANALYZER2000FERedmarkedBNCcableSignaloutputAmplifierinputBNCcable,shieldgroundeeTopelectrodeBottomelectrodeConnectchuckaiXACTPowerI/OInOutTFANALYZER2000FERedmarkedBNCcableSignaloutputAmplifierinputBNCcable,shieldgroundeeTopelectrodeBottomelectrodeConnectchuckGroundtoFE-modulegroundforbestresultsProbestation圖3TFANALYZER2000FE-Module的基本結(jié)構(gòu)圖品兩端電壓，V；Sx為函數(shù)記錄儀的x軸靈敏度，V/m；rx為從原點到P=0處的x軸讀數(shù)，m；d為高壓源的輸出分壓比；t為試樣厚度，m。若要測量某鐵電材料的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps，可將測得的電滯回線的線性部分外推（或做切線）與y軸（極化強(qiáng)度P軸）交于Ps點，此點的讀數(shù)便是自發(fā)極化強(qiáng)度。三、操作步驟打開電源，先開顯示器，再開主機(jī)。如圖3主機(jī)前面，紅線是信號輸出線，對應(yīng)下電極；黑線是信號輸入線，對應(yīng)上電極；白線是控制輸入輸出；灰線是Fe內(nèi)的電源線。正常時FE燈亮著。FE的側(cè)面是對應(yīng)下電極，正面對應(yīng)上電極。用鼠標(biāo)左鍵雙擊TFANALYZER2000軟件圖標(biāo)，打開儀器操作軟件。在工具欄上單擊Option，再單擊sampledata,填入樣品名稱、厚度、面積等參數(shù)。在測試前通常要先進(jìn)行波形設(shè)置，在工具欄中Edit→Waveforme,有三角形和正弦可選。在工具欄Option上單擊Measure(測試)，打開測試對話框。選擇StaticHysteresisMeasurement(靜態(tài)電滯回線)，填入Frequency(頻率)，范圍在1HZ~2kHZ，常為100；Amplitude（振幅），范圍是±0.1V~±25V;No.ofPoints(數(shù)據(jù)點數(shù)目)，10~1000,常為40；Relaxationtime（馳豫時間），0.1s~1s；Integrationtime（積分時間），0ms~1ms，常為1ms；CurrentRange；通常按AutoRange鍵自動產(chǎn)生。在AppendtoStatic-HysteresisFile[ifactive]前選上。再按Start鍵就可開始測定。最后獲得鐵電材料的靜態(tài)電滯回線，其他動態(tài)電滯回線（Hyteresis）、疲勞曲線(Fatigue)、漏電曲線(Leakage)、印跡曲線(Imprint)、保持曲線(Retention)、脈沖曲線(Pund)等也是類似地進(jìn)行設(shè)置和測定。10、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理打印。四、思考題：鐵電材料的電滯回線和磁性材料的磁滯回線有什么相似點和不同點？答：相似點：電滯回線與磁滯回線圖形相似；

不同點：鐵電材料的電滯回線是極化強(qiáng)度隨外電場的變化的滯后現(xiàn)象的表現(xiàn)；磁性材料的磁滯回線是磁化強(qiáng)度與磁場的變化的滯后現(xiàn)象的表現(xiàn)。實驗塑料沖擊強(qiáng)度實驗一、實驗?zāi)康?、加深對沖擊強(qiáng)度概念的理解，2、學(xué)會簡支梁沖擊實驗機(jī)的使用及沖擊強(qiáng)度的測量方法。二、實驗原理沖擊試驗是用來量度材料在高速沖擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰Φ?。對研究塑料在?jīng)受沖擊載荷時的力學(xué)行為有一定的實際意義。簡支梁沖擊實驗工作原理示意圖實驗設(shè)備為簡支梁沖擊實驗機(jī)（如原理圖），本試驗機(jī)的基本構(gòu)造由機(jī)身、試樣支座、沖擊擺、測量裝置及操縱機(jī)構(gòu)五部分組成。其基本原理是把擺錘抬高置掛于機(jī)架的揚臂上以后，此時揚角為α，如圖所示，它便獲得了一定的位能。當(dāng)擺錘自由落下，則位能轉(zhuǎn)化為動能將試樣沖斷。沖斷試樣后，擺錘仍以剩余能量升到其一高度，升角為β，在整個沖擊試驗過程中，按照能量守恒定律，試樣所消耗沖擊能量按下式計算：E=Pd(cosβ-cosα)式中：Pd—沖擊擺擺力矩（常數(shù)）α—沖擊擺擺錘揚角β—沖擊實驗后擺錘升起的角度本實驗機(jī)中由于擺的沖擊常數(shù)Pd、沖擊前擺錘揚角均為常數(shù)，因此只要測出沖斷試樣后的擺錘升角，即可根據(jù)上述公式計算出試樣沖斷時所消耗的能量來。這種沖擊試驗方法儀器簡單，操作方便，在生產(chǎn)和科研部門廣泛采用。有缺口實驗沖擊強(qiáng)度Ak=Ek×1000/（b×dk）（千焦/平方米）式中：Ek：試樣吸收的沖擊能量b：試樣寬度m