材料力学性能测试总结

2013.5.16力学试验力学试验是公特定的加载条件下探讨材料的性态的，金属材料的力学试验大致分成两类：一类称作力学性质试验．专门测试材料的强度特性、变形特性和断裂特性，是力学试验的基础部分；一类称作工艺性质试验．诸如冷弯试验、深冲试验、可锻性试验、切削性试验等，用来检查材料对某种变形工艺的适应能力。虽然这些试验也反映金属在某个方面的件质，但试验结果多数不具行明确的内涵，具应用的针对性较强。（这是测试材料的加工工艺性能）（1）构件或零部件的试验，主要是考验它在类似服役条件下的行为，试验时的外载分布、温度变化、介质条件等都尽可能复现其实际使用的状态，以考核其结构强度、使用寿命、失效形式。一些大型构件不便于用实物直接试验时，也可以采用模型或模拟的试验方法。这些试验多半是在复杂的加载条件下进行的，不能以材料的基本力学性质试验来代替，甚至零部件的试验也不能代替整机的试验。（2）材料的力学试验则是在从金属材料中加工出的试样上进行的，是力学试验的基础工作，试验的目的有：①确定材料在各种受载条件下的行为，为工程设计提供依据。②材质的比较性检验。如具有持定用途的材料的筛选，企业中原材料、半成品或产品的质量控制等。③通过力学行为与金属内部状态研究的配合，掌握力学性质变化的基本原理，各种因素影响的本质，为高性能合金的研制提供指导。力学试验的对象，可以是构件、零部件或材料金属的力学性质既由材料内在状态所决定，亦随着试验的外界条件而变化。外界因素可以直接影响材料的性质，也可能通过改变其内部组织而影响它的力学行为，于是相互问构成了如图5—1所示的关系网。因此，在力学件质的研究中，仅仅依靠力学试验的结果是不够的。为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、点阵类型、缺陷分布等关系发掘出来，就必须配合进行各种组织检验、结构分析、断口研究、应力分析、物理性质测试等多种试验工作，这些试验与力学试验相配合，可以有效地揭示材料行为的内在本质，是力学冶金学科发展的实验基础。1.强度金属材料征外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。根据外力作用形式的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扔扭强度等。工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服点和抗拉强度。为确定金属材料的屈服点和抗拉强度可进行拉伸试验。图5—2(a)所示的标淮拉伸试样安装在拉伸试验机的两个夹头上，在试样两端缓慢施加拉力，试样在不断增加的拉力作用下逐渐发生变形，直到被拉断为止，如图5—2(c)所示。在拉伸试验过程中，试验机将自动记录每一瞬间试样所受拉和伸长量△L，绘出拉伸曲线。图5—3所示为低碳钢的拉伸曲线。当金属材料受外力作用时，其内部产生与外力相平衡的内力。材料单位界面上的内力称为应力。从图5—3中可以明显地看出金属材料的以下几个变形阶段：(1)弹性变形阶段。OE段为弹性变形阶段，其变形量与外力成正比，外力去除后．试样将恢复到原始状态。(2)屈服阶段。ES段为屈服阶段，这时试样除发生弹性变形外，还发生了部分塑性变形。在S点的曲线几乎呈水平线段或锯齿折线，说明外力不再增加但试样仍继续变形，这种现象称为“屈服”。它表明材料开始发生塑性变形。外力去除后，材料—部分变形恢复，还有一部分变形不能恢复．这部分不能恢复的变形即为塑性变形。材料产生屈服现象时的应力称为屈服点。(3)强化阶段。SB段为强化阶段，为使试样继续变形，外力增大到Fb，随着塑性变形增大，材料的变形抗力也逐渐增加。(4)缩颈和断裂阶段。BK段为缩颈和断裂阶段．当外力增加到最大值Fb时，试样的直径发午局部收缩现象(图5—2(b))，称为”缩颈”。由于截面减小，使试样继续变形所需的外力下降。当外力减至Fk时颈缩处断裂。试样在拉断，前所能承受的最大拉应力称为抗拉强度。有些金属材料(如铸铁等)在拉伸试验时没有明显的屈服现象。工程上规定用产生0.2％塑性变形时的应力值作为条件屈服强度，用σ0.2表示。σs、σ0.2和σb是一般机器零件和构件设计选材的主要依据。此外，工程上还希望金属材料具有适当的屈强比(σs／σb)。材料的屈强比越小，零件的可靠性越高，但材料强度的有效利用率越低。因此，一般希望屈强比高一些。2.塑性金属材料在外力作用下产生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率φ，它们也是通过拉伸试验测定的。伸长率的大小与试样尺寸有关。为了便于比较．必须采用标准试样尺寸。一般规定，试样的原始标距长度等于其直径的10倍时，测得的伸长率用δ10(通常简写成δ)表示；试样的原始标距长度等于其直径的5倍时，测得的伸长率用δ5表示。3.硬度硬度是指金属材料表面抵抗局部变形(特别是塑性变形）的能力或抵抗表面局部压痕或划痕的能力，其值通常在硬度计上测定。常用的硬度试验方法有布氏硬度试验和洛氏硬度试验等。1.布氏硬度图5—4为布氏硬度试验原理示意图。试验时采用直径为D的钢球或硬质合金球作压头，在相应的试验力F作用下压入试样表面(图5—4(a))，保持规定的时间后卸除试验力，测量压痕直径d(因5—4(L))，通过式(5—5)计算布氏硬度值。压头为钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料；压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。表示布氏硬度时．在符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按一定顺序用数值表示试验条件(球体直径、试验力大小和保持时间等)。当保持时间为10—15s时，不需标注。例如200HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球在1000kgf(9．81kN)试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为200。布氏硬度主要用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等。2.洛氏硬度图5—5所示为洛氏硬度试验原理。试验时采用顶角为120。的金刚石圆锥或直径为1．588mm的钢球做压头，在初始试验力Fo及总试验力F(韧始试验力Fo+主试验力F1)的先后作用下压入被测材料表面(图5—5(a)、[b))，保持规定的时间后卸除主试验力，在初始试验力下测量压痕深度残余增量e(图5—5(c))，计算硬度值。实际测量时，可通过洛氏硬度计上的刻度盘宜接读出洛氏硬度值。材料的硬度还可以服用维氏硬度试验办法和显微硬度试验方法测定。各种不同方法测定的硬度值之间没有直接的换算公式，需要时可以通过查表的方法进行换算。4.韧性许多机器零件，如锤杆、锻模、冲模、活塞销等，在工作过程中往往要受到冲击载荷的作用。材料抵抗冲击载荷作用，在断裂前吸收变形能量称为韧性。工程卜通常采用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧性．其指标冲击切度用符号aK表示。试验时把标准冲击试样(阁5—6)放在摆锤冲击试验机(图5—7)的支座上，然后拾起摆锤，让它从一定高度H1落,将试样打断。摆锤又升到H2的高度。冲击韧度通过式(5—6)计算Ak值越大(或好值越大)则材料的韧性越好。一般情况下，在冲击试样的中部开有缺口，缺口形式有v形和U形等。采用v形缺口试样时，冲击吸收劝和冲击韧度分别用Akv和akv表示。采用u形缺口试样时，相应用Aku和aku表示。由丁试样尺寸、缺口深浅及尖锐度、表面粗糙度等均影响试验结果，所以试样必须标准化，并严格按要求加工。对于脆性大的材料(如铸铁等)，由于冲击韧度低．试样一般不开缺口。可以在不问温度下进行冲击试验，获得ak与试验温度的关系曲线，以此作为评定材料冷脆性能的依据。5.疲劳强度许多零件(如铀、俭轮、连杆蝉簧等)在实际工作过程中各点的应力随时间作同期性变化，这种随时间作周期件变化的府力称为循环府力(也称交变应力)。金属材料在循环应力作用下，在—处或几处产生周部永久性累积损伤，经一定循环次数后发生裂纹或突然断裂的过程称为疲劳。材料产生疲劳的应力通常低下其屈服点，在断裂前材料不产生明显的塑性变形。金属材料在无数次循环应力作用下不致引起断裂的最大应力值称为疲劳强度。工程上测定疲劳强度的基方法是通过疲劳试验得到疲劳曲线(图5—8(a))，即材料承受的交变应力与材料断裂前承受交变应力的循环次数N之间关系的曲线。材料承受的交变应力越大，则断裂时的应力循环次数N越少。当应力低于—定值时，疲劳曲线成为水平线，表明该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，此应力值称为材料的疲劳强度。实际上，金属材料不可能做无限次交变载荷试验，一般需要规定各种金属材料的应力循环基数，如钢材以10-+7为基数，合色合届以10+8为基数。金届材料在指定循环基数下的疲劳强度称为疲劳极限。6.断裂韧性KIC是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，常用三点弯曲试样测试脆性材料的平面应变断裂韧性。将预先开有长度为c的裂纹的矩形截面试条作三点弯曲试验(如图所示)。随着压杆所加的负荷由零增大，预制裂纹的前端应力渐新增加，裂纹前端应力强度因子也相应增大。当压杆负荷大到断裂负荷P时，σ达到断裂应力σc，裂纹开始失稳扩展。此时的K1在数值上与材料常数KIC相等，因此可用此法计算KIC：