SEM在材料力學拉伸實驗教學中的應用

耿紅霞， 李航飛， 蔣小林

(清華大學 航天航空學院， 北京 100084)

SEM在材料力學拉伸實驗教學中的應用

耿紅霞， 李航飛， 蔣小林

(清華大學 航天航空學院， 北京 100084)

在傳統的低碳鋼和鑄鐵拉伸實驗的基礎上進行改進，在完成拉伸試驗之后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口形貌進行微觀對比，觀察韌性斷裂的韌窩形貌以及脆性斷裂的微觀形貌。加深學生對兩種典型材料斷裂的微觀機理的理解，拓寬學生的視野，培養學生的創新能力。

拉伸實驗； 微觀形貌； SEM； 創新能力

低碳鋼與鑄鐵的拉伸斷裂實驗是力學專業本科生的第一個力學實驗,也是研究材料力學性能最基本的試驗方法,其試驗方法簡單、數據可靠。拉伸試驗不同材料力學性質不同,其在拉伸時表現出的現象也不同。低碳鋼和鑄鐵分別是典型的塑性材料和脆性材料。低碳鋼在拉伸過程中表現出良好的塑性和延展性,而鑄鐵則表現出明顯的脆性。對于絕大多數金屬材料其斷裂均屬于韌性斷裂,在材料拉伸斷裂之前會出現頸縮,產生較大的塑性變形,斷裂時形成杯錐狀斷口,典型的斷口形貌為韌窩[1]。對于鑄鐵,在拉伸時不存在屈服和頸縮的過程,斷口比較平整[2]。

在一般的力學實驗教學過程中,僅針對這兩種材料進行拉伸斷裂試驗,觀察宏觀斷口表面形貌,但并未就這兩種宏觀斷口形貌進行深入的探究。本文在拉伸試驗后對這兩種斷口進行微觀形貌觀測,讓學生對典型的韌性斷裂和脆性斷裂有一個更形象的感知和深層次的本質理解,從而在微觀層次認知形成兩種不同斷口形貌的原因,以及斷口形貌與微觀金相結構的關系。在傳統的拉伸試驗基礎上增加SEM的觀察試驗,可以豐富該實驗教學內容,充分利用實驗室現有儀器設備,加深對材料性能和微觀結構關系的理解,也大大激發了學生的科研熱情[3-4]。

1 實驗教學方案設計原則

(1) 拓寬學生的知識面,在已有的實驗教學基礎上,發揮學生的主觀能動性。

(2) 通過查閱資料,讓學生學習、了解掃描電子顯微鏡基本原理,認識和操作掃描電子顯微鏡,提高學生動手能力。

(3) 通過觀察低碳鋼和鑄鐵拉伸斷裂的微觀形貌,加深學生對兩種典型材料的斷裂機制的理解。

2 實驗的具體內容和流程

實驗所用的材料為低碳鋼與鑄鐵。將試件按照國家標準GB/T 6397—1986《金屬拉伸試驗試樣》中的規定[5]加工成標準試件,在電子萬能試驗機上進行拉伸試驗,測定拉伸過程中的名義應力-應變曲線,在試件拉斷后對斷口形貌進行宏觀觀察,然后置于掃描電子顯微鏡下觀察,觀察宏觀斷口形貌與微觀斷口形貌之間的差別。

讓學生在已有的低碳鋼和鑄鐵拉伸實驗的基礎上,對拉斷后的試樣進行斷口形貌觀察,發揮學生的創新性,提高學生動手能力[6-8]。

2.1 實驗材料和方法

實驗過程中所用到的儀器有電子萬能試驗機和QUANTA FEG 450型掃描電子顯微鏡。其中電子萬能試驗機用來進行低碳鋼與鑄鐵的拉伸試驗,在試件斷裂后采用掃描電鏡對斷口進行微觀形貌觀察。

2.2 實驗結果與討論

在整個實驗完成后,得到低碳鋼和鑄鐵的名義應力-應變曲線[9](見圖1),讓學生注明曲線上每一特征點的含義。對于低碳鋼,首先進行彈性變形,伸長量隨拉力呈線性增加,然后進入非線性段,但卸載后材料的變形仍會完全消失；接著進入塑性段,直至硬化；當應力達到最大值后試件發生頸縮,直至斷裂[10]。對于鑄鐵材料,在拉伸過程中沒有明顯的變形,直至斷裂,斷口較為平整。

圖1 低碳鋼與鑄鐵的拉伸曲線

在整個拉伸試驗完成后,對試樣斷口用酒精進行清洗。將清洗后的試件放在掃描電鏡下觀察,可以觀察到如圖2所示的結果。

圖1中低碳鋼拉伸曲線中的O—a段為彈性階段,該段為一條直線,該階段滿足胡克定律,a點對應的應力為σp,表示比例極限；b點對應的應力是低碳鋼只產生彈性變形的最大應力σe,稱為彈性極限；b—d段表示低碳鋼的屈服階段,其中c點表示低碳鋼在拉伸過程中的屈服點,對應的應力σs表示屈服極限；d—e段表示強化階段,e點對應的是強化階段低碳鋼所能承受的最大應力σb,也是低碳鋼所能承受的最大應力,稱為強度極限；e點以后,低碳鋼進入局部變形階段,發生頸縮現象,直到f點,低碳鋼發生韌性斷裂；圖中d—d′和f—f′表示低碳鋼卸載過程,其斜率與彈性階段的斜率相等,即為低碳鋼的彈性模量。

鑄鐵的拉伸曲線,隨著拉應力的增加沒有屈服階段,鑄鐵直接發生脆性斷裂,此時對應的應力σb即為強度極限。

一般認為,當光滑的低碳鋼圓柱試樣受拉伸載荷作用時,當載荷達到最大值,試樣發生頸縮。在頸縮區形成三向應力狀態,且試樣在心部軸向應力最大。在三向應力狀態下,試樣心部的夾雜物或第二相質點破裂,或者夾雜物或第二相質點與基體界面脫離結合而形成微孔。開始形成的微孔形狀接近圓球形,隨著應變量的增加,微孔洞被拉長,形狀接近橢球形[11]。增大外力,微孔不斷進行擴張并發生連接聚合,形成更大的中心空腹,最后形成宏觀的杯口狀斷裂形貌。

從掃描電鏡的觀察結果來看,低碳鋼的斷口存在著明顯的韌窩,且正是因為這些微小韌窩的存在,以及韌窩的不斷擴展,最終形成了低碳鋼的杯狀斷口。從表征的結果看出:鑄鐵在斷裂的過程中,基本上沒有韌窩的產生,且斷口形貌較為平整,這也是為什么鑄鐵在拉斷后,斷口形貌比較平整的原因。

整個過程讓學生以若干人為一組,在教師的協助下操作掃描電鏡,不僅可以讓學生在短時間內掌握掃描電鏡的基本操作方法,而且還可以讓學生對低碳鋼和鑄鐵的斷裂有更深一步的認識,觀察韌窩的微觀結構以及脆性斷裂的微觀形貌。特別是對于韌性斷裂,可以很形象地讓學生理解整個斷裂的過程。

整個實驗是在低碳鋼和鑄鐵拉伸試驗的基礎上進行的,可以使學生更深刻的認知斷裂的本質機理。在整個實驗過程中,教師應積極協助學生解決實驗中遇到的問題,從而提高學生的成就感,提高學生的積極性。

2.3 實驗報告的撰寫及成績考核

實驗報告是實驗中非常重要的一個環節,撰寫實驗報告,不僅有助于學生理清整個實驗的思路,還有助于查找實驗中存在的不足,以便后期的實驗改進。實驗成績的考核根據學生的實驗預習、出勤情況、實驗報告等給出綜合評定成績。

3 結論

本實驗在已有的低碳鋼和鑄鐵的拉伸試驗的基礎上進行拓寬,旨在增加學生對這兩種典型材料斷裂的微觀機制的理解,拓寬學生視野。該實驗教學項目不僅豐富了實驗教學內容,還培養和提高了學生的創新實踐能力和科學意識,增強了學生用科學的方法分析問題和解決問題的能力[12]。

)

[1] 茍文選.材料力學(II)：高等院校教材[M].北京:科學出版社,2005.

[2] 曹睿, 任學沖, 陳劍虹, 等. 鑄鐵斷裂機理原位拉伸研究[J]. 甘肅工業大學學報, 2003, 29(2): 8-13.

[3] 陳紅兵,鄭應彬,羅書強.材料力學實驗教學改革探討[J].實驗科學與技術,2014,12(6):77-80.

[4] 李建華, 喬箭, 陳亮亮. 材料力學實驗 “互動式” 教學模式探索[J]. 實驗技術與管理, 2013, 30(12): 181-183.

[5] 李維鉞.金屬材料力學(含工藝)性能試驗方法標準目錄(二)[J].理化檢驗:物理分冊,1998(7)：35-36.

[6] 范欽珊, 任文敏, 陳艷秋,等. 材料力學：高等院校力學系列教材[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004.

[7] 孫盾,姚纓英.開設自主實驗的實踐與思考[J].實驗技術與管理,2009,26(5):21-23.

[8] 曹小華,柳閩生,詹壽發,等.利用實驗“故障”培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索,2004,23(8):67-69.

[9] 侯志杰,原志明,萬小良,等.鋼鐵材料拉伸實驗[J].河南化工,2011,28(8):22-25.

[10] 胥明, 黃躍平, 韓曉林. 金屬材料拉伸實驗的標準化問題[J]. 實驗技術與管理, 2007, 24(10): 237-239.

[11] 張以增.低碳鋼中微空洞的形核與長大的觀測[J].金屬學報,1983,19(1):70-75.

[12] 鄭家茂.構建“做學研”相結合的創新實踐平臺,促進學生“做中學,學中研,研中創”[J].實驗技術與管理,2010,27(1):1-4.

Application of SEM to tensile experimental teaching in Material Mechanics

Geng Hongxia, Li Hangfei，Jiang Xiaolin

(School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Based on the tensile experiment of low-carbon steel and cast iron, the improvement is carried out. After the completion of the tensile experiment, and by using SEM (scanning electron microscope), the micro-contrast is conducted on the fracture morphology to observe the tough-nest morphology of ductile fracture and micro-morphology of brittle fracture, which can help the students to obtain the good understanding of the micro-mechanism of the fracture on the two typical materials, broaden their horizon, and cultivate their innovative ability.

tensile experiment; micro-morphology; SEM； innovative ability

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.013

2016-08-13 修改日期：2016-11-25

耿紅霞(1977—)，女，博士，工程師，主要從事材料科學、實驗力學研究與教學.

E-mail：ghxia@tsinghua.edu.cn

TB302.3；G642.423

B

1002-4956(2017)2-0047-03