SEM在材料力学拉伸实验教学中的应用

耿红霞， 李航飞， 蒋小林

(清华大学 航天航空学院， 北京 100084)

SEM在材料力学拉伸实验教学中的应用

耿红霞， 李航飞， 蒋小林

(清华大学 航天航空学院， 北京 100084)

在传统的低碳钢和铸铁拉伸实验的基础上进行改进，在完成拉伸试验之后，利用扫描电子显微镜(SEM)对断口形貌进行微观对比，观察韧性断裂的韧窝形貌以及脆性断裂的微观形貌。加深学生对两种典型材料断裂的微观机理的理解，拓宽学生的视野，培养学生的创新能力。

拉伸实验； 微观形貌； SEM； 创新能力

低碳钢与铸铁的拉伸断裂实验是力学专业本科生的第一个力学实验,也是研究材料力学性能最基本的试验方法,其试验方法简单、数据可靠。拉伸试验不同材料力学性质不同,其在拉伸时表现出的现象也不同。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢在拉伸过程中表现出良好的塑性和延展性,而铸铁则表现出明显的脆性。对于绝大多数金属材料其断裂均属于韧性断裂,在材料拉伸断裂之前会出现颈缩,产生较大的塑性变形,断裂时形成杯锥状断口,典型的断口形貌为韧窝[1]。对于铸铁,在拉伸时不存在屈服和颈缩的过程,断口比较平整[2]。

在一般的力学实验教学过程中,仅针对这两种材料进行拉伸断裂试验,观察宏观断口表面形貌,但并未就这两种宏观断口形貌进行深入的探究。本文在拉伸试验后对这两种断口进行微观形貌观测,让学生对典型的韧性断裂和脆性断裂有一个更形象的感知和深层次的本质理解,从而在微观层次认知形成两种不同断口形貌的原因,以及断口形貌与微观金相结构的关系。在传统的拉伸试验基础上增加SEM的观察试验,可以丰富该实验教学内容,充分利用实验室现有仪器设备,加深对材料性能和微观结构关系的理解,也大大激发了学生的科研热情[3-4]。

1 实验教学方案设计原则

(1) 拓宽学生的知识面,在已有的实验教学基础上,发挥学生的主观能动性。

(2) 通过查阅资料,让学生学习、了解扫描电子显微镜基本原理,认识和操作扫描电子显微镜,提高学生动手能力。

(3) 通过观察低碳钢和铸铁拉伸断裂的微观形貌,加深学生对两种典型材料的断裂机制的理解。

2 实验的具体内容和流程

实验所用的材料为低碳钢与铸铁。将试件按照国家标准GB/T 6397—1986《金属拉伸试验试样》中的规定[5]加工成标准试件,在电子万能试验机上进行拉伸试验,测定拉伸过程中的名义应力-应变曲线,在试件拉断后对断口形貌进行宏观观察,然后置于扫描电子显微镜下观察,观察宏观断口形貌与微观断口形貌之间的差别。

让学生在已有的低碳钢和铸铁拉伸实验的基础上,对拉断后的试样进行断口形貌观察,发挥学生的创新性,提高学生动手能力[6-8]。

2.1 实验材料和方法

实验过程中所用到的仪器有电子万能试验机和QUANTA FEG 450型扫描电子显微镜。其中电子万能试验机用来进行低碳钢与铸铁的拉伸试验,在试件断裂后采用扫描电镜对断口进行微观形貌观察。

2.2 实验结果与讨论

在整个实验完成后,得到低碳钢和铸铁的名义应力-应变曲线[9](见图1),让学生注明曲线上每一特征点的含义。对于低碳钢,首先进行弹性变形,伸长量随拉力呈线性增加,然后进入非线性段,但卸载后材料的变形仍会完全消失；接着进入塑性段,直至硬化；当应力达到最大值后试件发生颈缩,直至断裂[10]。对于铸铁材料,在拉伸过程中没有明显的变形,直至断裂,断口较为平整。

图1 低碳钢与铸铁的拉伸曲线

在整个拉伸试验完成后,对试样断口用酒精进行清洗。将清洗后的试件放在扫描电镜下观察,可以观察到如图2所示的结果。

图1中低碳钢拉伸曲线中的O—a段为弹性阶段,该段为一条直线,该阶段满足胡克定律,a点对应的应力为σp,表示比例极限；b点对应的应力是低碳钢只产生弹性变形的最大应力σe,称为弹性极限；b—d段表示低碳钢的屈服阶段,其中c点表示低碳钢在拉伸过程中的屈服点,对应的应力σs表示屈服极限；d—e段表示强化阶段,e点对应的是强化阶段低碳钢所能承受的最大应力σb,也是低碳钢所能承受的最大应力,称为强度极限；e点以后,低碳钢进入局部变形阶段,发生颈缩现象,直到f点,低碳钢发生韧性断裂；图中d—d′和f—f′表示低碳钢卸载过程,其斜率与弹性阶段的斜率相等,即为低碳钢的弹性模量。

铸铁的拉伸曲线,随着拉应力的增加没有屈服阶段,铸铁直接发生脆性断裂,此时对应的应力σb即为强度极限。

一般认为,当光滑的低碳钢圆柱试样受拉伸载荷作用时,当载荷达到最大值,试样发生颈缩。在颈缩区形成三向应力状态,且试样在心部轴向应力最大。在三向应力状态下,试样心部的夹杂物或第二相质点破裂,或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。开始形成的微孔形状接近圆球形,随着应变量的增加,微孔洞被拉长,形状接近椭球形[11]。增大外力,微孔不断进行扩张并发生连接聚合,形成更大的中心空腹,最后形成宏观的杯口状断裂形貌。

从扫描电镜的观察结果来看,低碳钢的断口存在着明显的韧窝,且正是因为这些微小韧窝的存在,以及韧窝的不断扩展,最终形成了低碳钢的杯状断口。从表征的结果看出:铸铁在断裂的过程中,基本上没有韧窝的产生,且断口形貌较为平整,这也是为什么铸铁在拉断后,断口形貌比较平整的原因。

整个过程让学生以若干人为一组,在教师的协助下操作扫描电镜,不仅可以让学生在短时间内掌握扫描电镜的基本操作方法,而且还可以让学生对低碳钢和铸铁的断裂有更深一步的认识,观察韧窝的微观结构以及脆性断裂的微观形貌。特别是对于韧性断裂,可以很形象地让学生理解整个断裂的过程。

整个实验是在低碳钢和铸铁拉伸试验的基础上进行的,可以使学生更深刻的认知断裂的本质机理。在整个实验过程中,教师应积极协助学生解决实验中遇到的问题,从而提高学生的成就感,提高学生的积极性。

2.3 实验报告的撰写及成绩考核

实验报告是实验中非常重要的一个环节,撰写实验报告,不仅有助于学生理清整个实验的思路,还有助于查找实验中存在的不足,以便后期的实验改进。实验成绩的考核根据学生的实验预习、出勤情况、实验报告等给出综合评定成绩。

3 结论

本实验在已有的低碳钢和铸铁的拉伸试验的基础上进行拓宽,旨在增加学生对这两种典型材料断裂的微观机制的理解,拓宽学生视野。该实验教学项目不仅丰富了实验教学内容,还培养和提高了学生的创新实践能力和科学意识,增强了学生用科学的方法分析问题和解决问题的能力[12]。

)

[1] 苟文选.材料力学(II)：高等院校教材[M].北京:科学出版社,2005.

[2] 曹睿, 任学冲, 陈剑虹, 等. 铸铁断裂机理原位拉伸研究[J]. 甘肃工业大学学报, 2003, 29(2): 8-13.

[3] 陈红兵,郑应彬,罗书强.材料力学实验教学改革探讨[J].实验科学与技术,2014,12(6):77-80.

[4] 李建华, 乔箭, 陈亮亮. 材料力学实验 “互动式” 教学模式探索[J]. 实验技术与管理, 2013, 30(12): 181-183.

[5] 李维钺.金属材料力学(含工艺)性能试验方法标准目录(二)[J].理化检验:物理分册,1998(7)：35-36.

[6] 范钦珊, 任文敏, 陈艳秋,等. 材料力学：高等院校力学系列教材[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[7] 孙盾,姚缨英.开设自主实验的实践与思考[J].实验技术与管理,2009,26(5):21-23.

[8] 曹小华,柳闽生,詹寿发,等.利用实验“故障”培养学生创新能力[J].实验室研究与探索,2004,23(8):67-69.

[9] 侯志杰,原志明,万小良,等.钢铁材料拉伸实验[J].河南化工,2011,28(8):22-25.

[10] 胥明, 黄跃平, 韩晓林. 金属材料拉伸实验的标准化问题[J]. 实验技术与管理, 2007, 24(10): 237-239.

[11] 张以增.低碳钢中微空洞的形核与长大的观测[J].金属学报,1983,19(1):70-75.

[12] 郑家茂.构建“做学研”相结合的创新实践平台,促进学生“做中学,学中研,研中创”[J].实验技术与管理,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

耿红霞(1977—)，女，博士，工程师，主要从事材料科学、实验力学研究与教学.

E-mail：ghxia@tsinghua.edu.cn

TB302.3；G642.423

B

1002-4956(2017)2-0047-03