1、本科毕业论文（20 届）金属材料拉伸试样的断裂行为研究所在学院专业班级 材料成型及控制工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 金属材料拉伸试样的断裂行为研究 1课题意义及目标 学生运用所学过的材料力学、材料力学性能等专业知识，了解金属材料在单向拉伸及其它载荷下的力学性能；熟悉金属材料的断裂类型及断裂机制；理解缺口效应。通过毕业设计使学生掌握常规力学性能测试方法，加强学生对力学性能指标意义的理解，为今后材料设计和选择打下良好基础。2主要
2、任务（1）进行韧性及脆性材料光滑试样的拉伸试验。（2）进行韧性及脆性材料缺口试样的拉伸试验。（3）分析金属拉伸试样断裂过程。（4）观察断口形貌特征，并分析缺口效应。（5）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1 李红英. 金属拉伸试样的断口分析J. 山西大同大学学报，2011：（1）:76-79.2 缪建红，丁锦坤. 金属拉伸试样断口分析方法J. 物理测试，2000，（03）：35-41.3 张文泉，王俊英，张学昆. 属材料拉伸试验的缺口效应J. 理化检验-物理分册，2008，44（10）:533-535
3、.4 束德林.工程材料力学性能M. 北京，机械工业出版社，2007：1-934进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，了解研究目的意义，制定实验方案3 月 3 日3 月 23 日2 完成热处理实验及组织性能分析 3 月 24 日4 月 13 日3 完成拉伸试验及断裂过程分析 4 月 14 日5 月 4 日4 完成拉伸断口观察及实验结果分析 5 月 5 日6 月 1 日5 完成撰写及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 2014 年 12 月 15 日I金属材料拉伸试样的断裂行为研究摘 要：本文对铸铁和不同热处理的 20#钢光滑拉伸试样和缺口拉伸试样进行了硬度测量和拉伸断
4、裂试验，通过宏观力学性能参数的测定，材料金相显微组织的观察，对铸铁和 20#钢拉伸时的宏观力学性能进行研究。采用电镜扫描，研究缺口对铸铁和不同热处理工艺的 20#钢拉伸性能的影响。结果表明：正火、淬火工艺，会使 20#钢的拉伸性能的到较大提升，其中，水淬后的 20#钢硬度明显提高；缺口拉伸试样的塑性变形主要集中在缺口附近局部区域；从 20#钢的断口微观形貌，可以看到较多大小、形状、深浅不同的韧窝；从铸铁的断口微观形貌可以清晰地观察到铸铁的“河流”花样微观形貌。关键词：20#钢，铸铁，拉伸断裂行为，扫描电镜Metal material tensile fracture behavior of s
5、tudyAbstract:In this paper, the measurement of the hardness and tensile fracture test have been done on the cast iron,heat treatment of 20# steel smooth tensile samples and the notch tensile samples.Through the determination of macro mechanical performance parameters and the observation of Material
6、metallographic microstructure, the macro mechanical property when cast iron and 20 # steel are tensile are studied. Scanning electron microscopy, influence of gap to tensile performance of cast iron and 20 # steel in different heat treatment process is also considered.In conclusion, the process of n
7、ormalizing and quenching can make the tensile property of 20 # steel larger. Especially, the hardness of 20 # steel after water quenching increases significantly. Moreover, plastic deformation of notch tensile samples mainly concentrates in the local area near the gap. Besides, there are more toughe
8、ning nests in different sizes、 shapes and depthes in fracture of 20 # steel, while from the fracture of cast iron we can see the Microstructure of river pattern.Keywords:20 # steel，cast iron，Tensile breaking behavior，Scanning electron microscopeII目录1 绪论 .11.1 研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 国内研究现状 .2
9、1.2.2 国外研究现状 .31.3 研究内容和采用的研究手段 .41.3.1 研究内容 .41.3.2 研究手段 .42 实验 .62.1 20#钢的热处理 .62.1.1 正火 .62.1.2 淬火 .72.2 制取金相试样 .72.3 力学性能测定 .92.3.1 拉伸试样的硬度测量 .92.3.2 铸铁的冲击试验 .102.3.3 拉伸试验 .112.4 电镜扫描试验 .133 结果与分析 .153.1 20#钢的显微组织观察结果与分析 .153.2 力学性能的检测结果与分析 .163.2.1 20#钢硬度的测量结果与分析 .163.2.2 铸铁冲击试验的结果与分析 .183.2.3
10、拉伸试验的结果与分析 .183.3 断口观察的结果与分析 .263.3.1 铸铁试样的断口观察 .273.3.2 20#钢试样的断口观察 .294 结论 .34参考文献 .35致 谢 .3711 绪论1.1 研究的目的及意义金属拉伸试验是测定金属材料力学性能的一个最基础的试验，是了解材料力学性能最全面，最方便的试验。通过测定 20#钢和铸铁在轴向静载荷拉伸过程中的力学性能，对20#钢和铸铁有进一步的了解。在试样过程中，利用试验机的自动绘图装置绘出 20#钢的拉伸曲线和铸铁的拉伸曲线，能更好的了解 20#钢和铸铁的拉伸性能的变化过程。借助此次断口形貌的观察分析，进一步地掌握巩固脆性断裂和韧性断裂
11、的断裂机制及其断口形貌，脆性材料断裂类型通常有沿晶断裂、脆性穿晶断裂、解理断裂和准解理断裂，微观形貌上，通常会观察到“河流”花样或“舌状”花样等微观特征；韧性材料断裂类型通常有纯剪切断裂、韧窝断裂和蠕变断裂，微观形貌上，通常会体现为韧窝的存在。另外，需要我在实验的过程中，将所学过的材料力学、材料力学性能等专业知识不断地加以应用，熟悉金属的热处理工艺，了解金属材料在单向拉伸及其它载荷下的力学性能，熟悉金属材料的断裂类型及断裂机制，学会分析金属材料的断裂过程，从中找出材料断裂失效的原因，从而判断出事故责任、改进构建设计和制造工艺；通过实验，进一步了解更多的缺口效应，如应力集中、缺口强化、缺口改变应
12、力状态等；对金属材料的断裂类型、方式、路径、原因和机理等有更多的了解。社会的不断发展使得金属材料有了更加广泛的应用。金属材料有着其他材料无法比拟的优点，同时自身也存在着某些缺陷，金属断裂就是常见的一种形式。磨损、腐蚀和断裂是机械构件破坏的主要三种形式，其中断裂行为是危害最大的。上个世纪五十年代以来，尤其是在二战之后，世界得到了和平发展，人们生活水平日益提高，对金属材料的使用量不断的增加，使用范围也是愈加的广范，进而伴随着金属材料意外断裂事故的频频发生，给国家和社会带来了巨大的损失。借助对金属拉伸试样的断裂行为的研究，进一步了解金属材料在拉伸静载荷下的力学性能及其金属材料在受静拉伸载荷时的断裂过
13、程，并通过观察金属断口形貌，对金属断裂机理和机制进行进一步的了解，得出在不同的热处理工艺下的金属不同的拉伸性能，分析金属失效的原因，从而进行事故责任的判断，和设计制造工艺的改进构建，并能够进一步防止发生事故。同时，通过毕业设计掌握不同金属的热处理工艺，掌握常规力学2性能测试方法，加强对力学性能指标意义的理解，为今后材料设计和选择打下良好基础。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状一种性能好的金属，往往具有较长的适用寿命、较为普遍的适用范围。金属材料是工业中应用最广泛的材料，在不同的环境条件下具有各不相同的优异性能。随着金属材料的广泛利用，金属的断裂行为研究逐渐进入人们的研究主题，金属材
14、料拉伸试样的断裂行为的力学性能研究的方法也逐步建立和日益完善起来。因为金属失效的主要形式之一就是金属的断裂，所以进行金属断裂行为的研究对更加安全使用金属具有非常重要的意义。 Charpy.V 冲击韧性 1是一种方法，主要是用于对材料冶金质量的评价。而随着一系列事故的发生，如油船的脆断事故，使得人们开始重视金属的断裂研究，并随之进行了许多的研究，最后发现了通过转变温度可以改变缺口的冲击韧性。但转变温度的方法没有明确的物理意义，存在着巨大的缺陷，并且对构件中已经存在的缺口尺寸和脆断的应力关系并不能进行关联。我们都知道，所谓的缺口效应，就是指金属的弹性变形、塑性变形和断裂进程等都会受到缺口的影响。它
15、可以表示出以下三种现象：第一，缺口会使得应变力集中；第二，缺口试样或机件中所受的应力状态可以发生改变，只要改变缺口前方的应力状态，其就会由单向变为两向或者三向；第三，“缺口强化”现象，即为缺口提高塑性材料的强度，但因缺口约束材料塑性变形，使材料塑性降低，因此缺口使塑性材料得到强化 2。陈孝程 3通过实验取证比较金属测试前后的横截面面积，记录试验力在横截面积的持续时间，以及测试转换的速度设置，提出了各种金属的拉伸性能的试验有两种方法，即图解法和人工法。但因它们适应性能力的不同，所以要依据样品的特点和测试的要求进行方法的选择。胡逾 4进行了金属材料缺口的断裂行为研究，并有了一系列发现，如圆柱裂纹圆
16、柱试样的脆性系数，裂纹扩大力和极限强度破坏力的干系曲线，并在以后对金属材料的研究中，应用了脆性系数理论。同时，他得出，满足低应力脆断的条件，脆性系数阐发是非常适合阐发铸镁合金和中、高强钢的断裂实验。蔡増坤、王海勇、王从贤等人 5，在金属拉伸实验方法的关键及其对策一文中3说出实验时操控应力速度及应变速度是金属拉伸实验方式的关键，他们利用传感器技术和计算机技术在液压机式全能材料实验机上进行了应力速度和应变速度的实验，并获得了杰出的成果，这一实验成果奠定了我国液压式材料实验机功效扩大和开辟新一代机型的根本。 张文泉、王俊英、张学昆等人 6，通过金属材料的拉伸实验研究了塑性金属材料试样的各个截面处在缺
17、口效应的影响下的变型定律，还有其一般力学性能指标。最后得出，缺口四周的小部分区域是塑性变形集中的地区，并进一步分析了是否有必要增加缺口塑性这一新的性能指标和确定相干试样尺寸及精度等标准。随着科技的不断发展，在后来的研究试验中，人们借助于各种新型工具，能更加清晰的分析金属断口形貌，使金属拉伸试验得到进一步的发展。缪建红和丁锦坤 7相互配合，通过观察断口形貌，研究了影响断口相貌的因素，并对拉伸断裂的断口形貌和冲击断裂的断口形貌进行进一步对比，提出了金属拉伸试样断口的分析方法。在拉伸试验有了良好发展以及断口分析取得了较大进步的情况下，我国学者又在该领域进行了更深入的研究，并在该领域取得巨大的突破。李
18、红英 8通过金属拉伸实验提出金属拉伸试样断口的分析方式，讨论了应力在拉伸试样的分布情况、断裂过程，以及影响断口性矛盾额原因、断裂过程的因素，这一讨论为断裂形态的分类和金属试样断裂原因的分析提供了重要依据。1.2.2 国外研究现状Alberto Carpinteri 9借助调集质料的断裂实验缺口敏感性的钻研，按照类似定理，肯定了节制缺口敏感性的特征的无量纲参数，即为脆性系数。对光滑和缺口时效硬化铝合金 AA7075 试样进行研究的是 Essam EI-Magd 和 Michael Brodmann，他们进行了动态和静态的拉伸实验，研究了不同热处理状态下的断裂应变的影响因素，包括颗粒尺寸、体积分数
19、和分布，最后发现，在动载荷下，延性的增加是由于材料增大的应变率敏感度造成的 10。Wei Zhou 和 K.G.Chew11通过标准 Charpy.V 型缺口试样评估了室温条件下钨极气体保护焊接 Ti-6A1-4V 合金对接接头的冲击韧性，发现焊缝金属中初生 晶粒的减少可以有效改善 Charpy 的冲击韧性。同时，我们可以发现，初生 晶界是微裂纹形核的优先位置，这对断裂扩展行为的研究提供了相对容易的途径。Zhen 和 S.B.Kang12研究不同时效条件下的两个 A1-MG-Si 合金的变形和断裂行为，主要是采用拉伸实验的方法，并利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察实验结果。4经由实验结果可
20、以发现，晶界位置上高的局部应力不断积累而达到一定的值，同时，颗粒与沉积区界面的应力在晶界沉积物上促使了孔洞形核，沉积区的这些孔洞聚合，进而导致了合金的断裂。J.H.Chen 和 G.Z.Wang1314对合金钢缺口试样增韧进行了研究实验，发现增韧的起因有三点，缺口钝化、残余压应力、潜在起裂源的减少。对于潜在起裂源减少这方面的研究，他们发现其实质是微孔洞在第二相上的形核，即损伤的结果；同时，他们目前表示也尚未弄清损伤对缺口韧性的影响和机理，因为尚未对其与另两个因素进行分离实验。M.Bourgeois 和 X.Feaugas 的研究主要是检验了 Rice 和 Tracey 孔洞生长模型上，他们发现
21、了 / 钛铝材料中孔洞形核发生在夹杂物或它们附近，并利用缺口试样实验和有限元方法进行了检验 15。从上世纪至今，材料拉伸试验这个领域，在经过国内外众多学者的深入研究，已经取得到了较大的发展，凭借着前人不断积累的宝贵经验，以及后人不断创新的精神，无数后人还将继续更加深入的研究，取得更大的成就。1.3 研究内容和采用的研究手段1.3.1 研究内容根据国标 GB/T228-2002金属室温拉伸实验方法的试样尺寸规定，选取 20#钢和铸铁光滑拉伸试样和缺口拉伸试样，在万能材料试验机上进行拉伸试验，试验时给试样施加缓慢的静载荷，试样被拉断后立即停机，实验过程中要记录试验力，绘出材料的载荷-位移曲线，并对金属拉伸试样的断裂过程加以分析。在试样拉断后，结合记录的数据，运用材料力学性能、材料科学基础等知识，通过相关计算分析，测量材料的屈服应力、抗拉强度、延伸率等性能参数，了解金属材料的单向拉伸及其他载荷下的力学性能，熟悉材料的断裂类型及其断裂机制。同时，通过对材料断口形貌的观察，分析材料断裂方式，了解断裂类型和断口的形貌类型，在运用材料科学基础和材料力学性能等专业知识对其进行分析后，进一步分析缺口效应，即缺口强化、应力集中和改变应力状态。1.3.2 研究手段
