材料力学性能测试

材料力学性能测试目录第一章硬度第二章拉伸第三章冲击性能第四章压缩第五章剪切第六章扭转第七章弯曲第八章疲劳第一章硬度刻划法压入法硬度：材料在一定条件下局部抵抗硬物压入其表面的能力，是比较各种材料软硬的指标。硬度试验根据受力方式划分静态法动态法硬度试验根据加力速度划分•第一节布氏硬度•第二节洛氏硬度•第三节维氏硬度第二章拉伸拉伸性能:材料的弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标统称拉伸性能，它是材料的基本力学性能。在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一；提供预测材料的其它力学性能的参量，如疲劳、断裂等。屈服强度材料开始明显塑性变形时的应力值抗拉强度拉断过程中最大试验力所对应的应力一、常用术语弹性极限σe屈服极限σ0.2符合线性关系的最高应力加载卸载后完全弹性恢复的最高应力0.2％残留变形的应力比例极限σpL1的测定伸长率：设试样的标距为l0，拉断后若将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为l1，则δ=(l1－l0)/l0×100％直测法:如断口到最近的标距的距离大于l0/3,则以直接测得的两标距端点间的长度为l1首先在试验前用刻线机在试件表面上刻出将整个标距长度l0分成n等分的圆周线位移法:如断口到最近的标距的距离大于l0/3,在长段上从拉断处O取基本等于短段格数,得到B点,接着取长段所余格数(偶数a)之半得到C点,或者取长段所余格数(奇数b)减1与加1之半,分别得C和C1点,移动后的l1分别为AO+OB+2BC或AO+OB+BC+BC1二、试样夹持部分用来装入试验机夹具以便夹紧试样，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力。这两部分的尺寸及要求决定于试样的截面形状和尺寸以及试验机夹具类型。试样的尺寸和形状对材料的塑料性质影响很大，国家对试样尺寸作了标准化规定三、实验步骤（一）低碳钢的试件1.试件准备用刻线机在标距l0范围内每隔5mm刻划一根圆周线，将标距分成10格(对短试件)或20格(对长试件)。用游标卡尺测量标距两端及中间三个横截面处的直径,在每一横截面内沿相互垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值,用所得的三个平均值中最小的值来计算试件的横截面面积A02.试验机准备根据低碳钢的强度极限σb和试件的横截面面积A0估算试件的最大载荷，根据最大载荷的大小，选择合适的测力度盘。调整测力指针,对准零点,并使随动针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。3.安装试件先将试件安装在试验机的上夹头内,再移动下夹头使其达到适当位置，并把试件下端夹紧。4.检查及试车完成以上步骤后,开动试验机,预加少量载荷(其对应的应力不能超过材料的比例极限)后,卸载回零点,以检查试验机工作是否正常。5.进行试验开动试验机使之缓慢匀递加载。注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。当测力指针不动或倒退时,说明材料开始屈服,记录屈服载荷Fs，加载至试件断裂后停机，由随动指针读出最大载荷Fb。取下试件，将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1；测量断口(颈缩)处的直径d1，计算断口处的横截面面积A1。（二）灰铸铁试件灰铸铁这类脆性材料拉冲时的载荷—变形曲线如图所示。它不象低碳钢拉伸那样明显地可分为弹性、屈服、颈缩、断裂等四个阶段，而是一根非常接近直线的曲线，并且没有下降段。灰铸铁试样是在非常微小的变形请况下突然断裂的,断裂后几乎不留残余变形。注意到这些特点，可知灰铸铁不仅不具有σs，而且测定它的δ和ψ也没有实际意义。因此，对灰铸铁只需测定它的强度极限σb就可以了。取制备好的试样，测出其横截面积A0,然后装在试验机上逐渐缓慢加载．直到试样断裂，记下最大载荷Fb，据此即可算得强度极限σb=Fb/A0第三章冲击性能材料在冲击载荷（速度较高）作用下，其变形和破坏的过程:弹性变形→塑性变形→断裂破坏弹性变形是以声速在介质中传播的，因而弹性总跟得上外加载荷的变化，所以加载速度对材料的弹性行为及相应的机械性能没有影响。塑性变形的传播则比较慢，若加载速度太快，塑性变形就来不及充分进行，在宏观上表现为屈服强度与静载时相比有较大的提高但塑性却明显下降，材料会产生明显的脆化倾向。冲击试验：冲断具有缺口的试样，测定其吸收的能量。一、冲击韧性σk（J/m2）σk=Ak/FF为试样缺口处的初始面积σk作为材料的冲击抗力指标，不仅与材料的性质有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对σk值产生很大的影响，因此σk只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标。只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算。冲击韧性对于评定材料在冲击载荷作用下的力学性能，鉴定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量、评定材料的脆化倾向以及测定钢材的时效敏感性等方面有很重要的作用。二、按照试样受载荷方式划分1.冲击拉伸其试样的形状类似于静拉伸试样，通常试样的两端做成螺纹，一端旋于冲击锤上，另一端旋上一个螺母状的档铁，当冲击锤带着试样运动时，试样另一端的档铁碰到试验机上的阻挡支座，即形成冲击。试样的受载方式与衡速率拉伸相近。2.冲击扭转试样为长方体试样，通常一端固定在可夹紧的支座上，另一端固定一个与试样长度方向垂直的扭转力矩杠杆，当冲击锤冲击力矩杠杆时即形成扭转冲击。这种试验方式容易显示在常用的冲击弯曲试验下难以显示的性能差异，常用作分辨和检定材料硬度高而冲击韧性值偏低的材料。如回火脆性等。3.冲击弯曲冲击试验最常见的受载模式，一般简称为冲击试验，这种试验分为两种形式：（1）简支梁试验（charpy）试样两端支撑，冲击锤击试样中部，根据试样所吸收的冲击功测定试样的Ak值，冲击锤的刃口以及支座圆角根据GB3808和ASMTE23标准有不同的尺寸要求。试样的缺口有V形和U形两种。（2）悬臂梁试验（lzod）长矩形试样一端夹持，锤击另一端，这种试验在国内开展不广泛，在欧美等国家常用此试验方法，符合ISO/R84，GB4158标准。4.冲击剥离为了研究粘合剂与层压材料之间的粘接强度，将试样用粘合剂粘接，试验时夹紧下试样，使冲击刀刃贴近粘接层冲击上试块，以测定粘接层的抗冲击能力。冲击实验的方法很多，但国际上常规冲击实验只有两种：简支梁式冲击弯曲实验：实验时试样处于三点弯曲受力状态。也称“夏比”(Charpy)冲击实验悬臂式冲击弯曲实验：实验时试样处于悬臂弯曲状态，也称“艾佐”(lzod)冲击实验（如图）夏比冲击实验：将具有规定形状和尺寸的试样，放在冲击实验机的试样支座上，使之处于简支梁状态。然后使规定高度的摆锤下落，产生冲击载荷将试样折断，如图所示。夏比冲击实验实质上就是通过能量转换过程测定试样在这种冲击载荷作用下折断时所吸收的功。设摆锤的重力为F（N），摆锤旋转轴线到摆锤重心的距离为L（m），若将其抬起的高度为H（m）、则此时摆锤所具有的能量为：E1=F٠H=FL（1–COSα）若摆锤下落折断试样后摆锤的高度变为h，则摆锤的剩余能量为：E2=F٠h=FL（1–COSβ）这两部分能量之差，即为金属试样在冲击载荷作用下折断时所吸收的功AKAK=F٠H–F٠h=FL（COSβ–COSα）AK的单位是N٠m，通常用J表示（1J=1N٠m）一、试样夏比冲击试样根据其缺口形状的不同要求可分为v型缺口试样和u型缺口试样两种类型。1.V型缺口试样①标准试样，标准试样是尺寸为10mm×10mm×55mm．在长度中部开有2mm深v型缺口的试样。图(a)②辅助小尺寸试样，当板材厚度在10mm以下无法切取标准试样时，则根据技术条件规定可以采用如图（b）所示的两种辅助小尺寸试样，其宽度分别为7.5mm和5mm，试样的其他尺寸及其偏差和缺口形状与图(a)中的要求相同。2.U型缺口试样①标准试样：标准试样是尺寸10mm×10mm×55mm，在长度中部开有2mm深u型缺口的试样。其形状、尺寸及偏差见图(c)。②深u型试样，其形状和尺寸如图(d)所示。③辅助小尺寸试样与v型缺口试样一样，也可采用7.5mm×10mm×55mm和5mm×10mm×55mm的两种辅助小尺寸试样，其缺口为2mm或5mm深U型。试样开切口的目的是为了使试样在承受冲击时在切口附近造成应力集中，使塑性交形局限在切口附近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在切口处。.σk值对切口的形状和尺寸十分敏感，切口愈深，愈尖锐σk值愈低，材料的脆化倾向愈严重。因此，同种材料用不同切口试样测定的σk值不能相互换算和直接比较。二、步骤(1)用精度不低于0.02mm的量具测量试样缺口底部处的横截面尺寸，其横截面尺寸应在规定偏差范围内。(2)根据所测试材料的牌号和热处理工艺，估计试样冲击吸收功的大小，选择实验机的打击能量．加上合适的摆锤，使试样折断的冲击吸收功在所用摆锤最大能量的10％-90％范围内。(3)进行空打实验其目的是检查实验机是否处于正常工作状态。方法是当摆锤自由下落时，使指针对准最大打击能量处。然后扬起摆锤空打，检查此时的指针是否指零。其偏离不应超过最小分度的1/4。(4)正确放置试样试样应紧贴支座安放，使缺口的背面朝向摆锤打击方向；试样缺口的搁置,应使用专用的定位规对中，使之位于两支座对称面上，其偏差不应大于±0.2mm。(5)将摆锤接起，拨动指针指向最大打击能量处，然后送开挂钩使摆锤下落冲断试样,并任其向前继续摆动,直到达到最高点后回摆时,使用制动闸将摆锤刹住,使其停止在垂直位置,记下指针在示值度盘上所指的数值,即为冲击吸收功Ak⑹回收试样,观察断口。第四章压缩压缩性能：材料在压缩应力作用下，抗变形和破坏的能力。对于一般材料而言，从拉伸实验得到的力学性能指标即可满足工程设计相应用的要求，但对于一些脆性和低塑性材料（如铸铁、高碳钢、工具钢和铸铝合金等）,由于在拉伸时呈脆性断裂，其塑性指标无法求得，但采用压缩实验却可以测出它们在韧性状态下的力学性能。实际上，许多结构、零件是在压缩载荷下工作的,所以研究材料在压缩时的力学性能,具有一定的工程实际意义。压缩试验时，材料的力学性能可以用压力和变形的关系曲线表示，称为压缩图。图a为低碳钢的压缩图，由图可见低碳钢在压缩时存在弹性极限、比例极限、屈服极限。试验表明，低碳钢压缩时的屈服极限在数值上和拉伸时的相应数值差不多，只是屈服现象不如拉伸时那样明显。随着压力的增加，试样由鼓形变成扁饼状．而且越压越扁，不会发生压缩破坏，故不能测得其抗压强度极限。故一般均以屈服极限作为低碳纲的抗压强度的特征数值。图b为灰铸铁压缩曲线。一般其抗压强度极限为抗拉强度极限的3至4倍。此外，还可测得灰铸铁压缩时的某些塑性指标，如相对压缩率和截面扩展率等。灰铸铁压缩破坏断口为斜面,如图。低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一股制成圆柱体，其高h0与直径d0之比在1至3的范围内。其理由是：目前常用的压缩实验方法是两端平压法，这种压缩实验方法，试样的上、下两端与实验机承垫之间会产生根大的摩擦力,它们阻碍试样上部及下部的横向变形,导致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就可变小，因此抗压强度与比值h0/d0有关。为了保证试样中心受压，两端面的平行度要好，且与试样轴垂直。实验时还必须加球形承垫,如图所示.它可以位于试祥上端,也可以位于下端。球形承垫的作用是当试详两端稍不平行，可起到自动调节对中加载的作用。由此可见，压缩实验的结果是与实验条件有关的。实验表明，此值取在1≦h0／d0≦3的范围内为宜。若小于1，则摩擦力的影响太大,若大于3，虽然摩擦力的影响减少，但稳定性的影响却突出起来。为了减小试样上、下端面与试验机承垫之间的摩擦力的影响，除了在实验之前，将试祥两端面涂以润滑剂外，同时还需保证试样端面加工应有较高的光洁度，要求达到1.6至0.8。步骤一.低碳钢压缩实验①测定试样的截面尺寸用游标卡尺在试样高度中央取一处予以测量，沿两个互相垂直的方向各测一次,取其平均值作为d0来计算截面面积A0，用游标卡尺测量试样的高度h0。②调整实验机估算低碳钢试样的屈服载荷的大小，选择合适的量程．按实验机操作规程,调整因为指针使其对准废盘的零点,并调整好自动绘图装置。③安装试祥将试