弯曲及剪切试验一压缩试验

压缩、弯曲及剪切试验一.压缩试验1.试验原理在材料试验中指的压缩试验是指单向压缩。试样受轴向压缩时，标距内应力均匀分布，且在试验过程中不发生屈曲。与拉伸试验相比压缩试验有下述特点：单向压缩的应力状态软性系数α=2。因此，通常适用于脆性材料和低塑性材料，以显示其在拉伸、扭转和弯曲试验时所不能反映的材料在韧性状态下的力学行为。特别是拉伸时呈脆性的材料，是比较其塑性的较好方法。塑性较好的材料只能被压扁，一般不会破坏。脆性材料压缩破坏的形式有剪坏和拉坏两种。剪坏的断裂面与底面约呈45°角；拉坏是由于试样的纤维组织与压应力方向一致，横向纤维伸长超过一定限度而破坏。压缩试验时，试样端面存在很大的摩擦力，这将阻碍试样端面的横向变形，影响试验结果的准确性。试样高径比越小，端面摩擦力对试验结果的影响越大，为了减小其影响，可适当提高高径比2.试样压缩试验用试样有圆柱体、正方形柱体、矩形板和带凸耳状试样四种形式，其中圆柱体试样、正方形柱体试样是两种常用的侧向无约束试样，其尺寸见图1。试样长度由试验目的确定：L=（2.5~3.5）d0的试样适用于测定规定非比例压缩应力σpc、规定总压缩应力σtc、压缩屈服点σsc及抗压强度σbc；L=（5~8）d0的试样适用于测定规定非比例压缩应力σpc0.01、压缩弹性模量Ec；L=（1~2）d0的试样仅适用于测定抗压强度σbc。试样应平直，棱边应无毛刺、无倒角，在切取样坯和机加工试样时，应防止因冷加工或热影响而改变材料的性能。3.试验设备（1）试验机：压缩试验可在万能材料试验机或压力试验机上进行。a.试验机台板与压头压试样表面应平行，平行度不低于1∶0.0002。b.试验过程中，压头与台板间不应有侧向相对位移和振动，如不满足上述要求，应加配力导向装置，硬度较高的试样两端应垫以合适的硬质材料做成的垫板，试验后，板面不应有永久变形，垫板两面的平行度不低于1∶0.0002，表面粗糙度不高于Ra0.8。c.试验机应备有调速指示装置。d.试验机应备有放大和记录力及变形的装置。试验机应定期由计量部门进行检验。（2）引伸计：引伸计应进行标定（GB/T12160-2002单轴试验用引伸计的标定），标定时的工作状态应尽可能与试验工作状态相同，并按有关标准进行分级。根据测试目的选用相应级别的引伸计：①测定规定非比例压缩应力σpc：当应变小于0.05%时选B级；应变在0.05%~0.2%时用C级；应变不小于0.2%用D级；②测定压缩弹性模量Ec用B级；③测定规定总压缩应力σtc、屈服点σsc用D级。（3）进行脆性材料的σbc测定时应有安全防护罩4.压缩性能指标的测定：压缩试验时，在弹性范围内，试验速度采用控制应力速率的方法，其速率应在1~10MPa·s-1范围内，在明显塑性变形范围，采用控制应变速率方法，其速率应在0.0005~0.0001s-1范围内。（1）规定非比例压缩应力的测定：1）作图法：用自动记录方法绘制力—变形曲线，力轴每毫米所代表的力应使所求的Fpc点处于力轴的二分之一以上，变形放大倍数的选择应保证图2的OC段长度不小于5mm。在力—变形曲线上（见图2）,自O点起，截取一段相当于规定非比例变形的距离OC（εpc·L0·n），过C点作平行于弹性直线段的直线CA交曲线于A点，其对应的力Fpc即为所求的规定非比例压缩力，按公式（1）计算：2）逐次逼近法：如果力—变形曲线无明显弹性直线段，采用逐次逼近法测规定非比例压缩应力。首先在曲线上直观估计一点A0（见图3），约为规定非比例压缩应变0.2%的力FA0，而后在微弯曲线上取G0、Q0两点，其分别对应的力0.1FA0、0.5FA0，作直线G0Q0，按上述方法过C点作平行于G0Q0的直线CA1交曲线于A1点，如A1与A0重合，则FA0即为Fpc0.2；如A1未与A0重合，则需采取与上述相同步骤进行第二次逼近，此时取A1对应的FA1来分别确定0.1FA1、0.5FA1对应的点G1、Q1，然后如前述过C作平行线来确定交点A2。重复相同步骤直至最后一次得到的交点与前一次的重合。0SFpcpc规定总压缩应力的测定：用作图法测定规定总压缩应力时，力轴按上节规定，变形放大倍数的选择一般应使总压缩变形超过变形轴的二分之一以上。在力—变形曲线上（见图4），自O点起在变形轴上取OD段（εtc·L0·n），过D点作与力轴平行的DM直线交曲线于M点，其对应的力Ftc为所测的总压缩力，按下式计算：（3）屈服点测定：用力—变形作图法测定，力轴按上节规定，变形放大倍数应根据屈服阶段的变形量来确定。在力—变形曲线图上，见图5。判读屈服平台的恒定力或屈服阶段的最小力，或不计初始瞬时效应的最小力Fsc，按下式计算：（4）抗压强度的测定试样压至破坏，从力—变形曲线上确定最大压缩力或从测力度盘上读取最大力Fbc，按下式计算：（5）压缩弹性模量的测定用力—变形作图法测定，力轴按上节规定，变形放大倍数应大于500倍。在力—变形曲线上取弹性直线段上J、K两点（图4，点距应尽可能长），读出对应的FJ、FK，变形ΔLJ、ΔLK。弹性模量按下式计算：5.性能数据处理及修约数字修约按下表进行，弹性模量值修约后至少保留两位有效数字，应力值按下表修约：表1N/mm2范围修约到＜5001500~10005＞100010二．弯曲试验：弯曲试验也是生产上常用的一种试验方法，主要用来测定脆性材料和低塑性材料在受弯曲载荷作用下的性能（强度与塑性），弯曲试验与拉伸试验相比，能明显地显示脆性材料和低塑性材料的塑性。1.弯曲试验原理：试样上的外力垂直于试样轴线，并作用在纵向对称面（通过试样的轴线和截面对称的平面）内，试样的轴线在纵向对称面内弯曲成一条平面曲线的弯曲变形，也称平面弯曲。加载方法：弯曲试验常用两种加载方法：三点弯曲加载，见图6；四点弯曲加载，见图7。（3）弯曲试样上的弯矩和剪力：见图8。三点弯曲：弯矩剪力四点弯曲：弯矩剪力4maxSFLM（3）弯曲正应力与分布根据材料力学的变形假设，变形前后试样的各横截面都是平面，且与试样轴线垂直。由此可推导出弯曲试样横截面上任一点正应力按下式计算：式中：M——弯矩，N·mm；y——横截面上任一点到中性轴的距离，mm；I——试样横截面对中性轴的惯性矩，对圆截面试样；对矩形截面：由上式可知，横截面上的正应力σ与弯矩、y成正比，与惯性矩I成反比；y为正值时受拉，y为负值时受压，试样最外层的正应力最大（见图9），其计算式：式中：W——截面系数，mm3；对于圆截面试样:对于矩形截面试样：弯曲试验通常只测定正应力，为了减小切应力对试验结果的影响，弯曲试验跨距Ls要取得足够长，当取Ls=16d（或16h）时，对三点弯曲，切应力的影响小于5%。（4）挠度：试样的弯曲在弹性范围内，忽略剪力的影响时，由材料力学可推导出三点弯曲的挠度计算公式，其最大挠度由下式计算：（5）弯曲曲线（M-f曲线或F-f曲线）：试验时，测定施加在试样上的弯矩M（或F）及对应的挠度f（试样中点最大挠度处），然后将弯矩M（或F）与挠度f在直角坐标系上用曲线表示出来，即为弯曲曲线，或自动记录F-f曲线。见图10。2.试样弯曲试样采用圆形截面试样和矩形截面试样两类，试样形状、尺寸可根据材料及产品尺寸参照GB/T14452-1993中表2确定。3.试验设备（1）试验机：1）万能试验机、压力机（达到1级精度）；2）由国家计量部门定期进行检定；3）应能在规定的速度范围内控制试验速度，加卸力应平稳，无振动，无冲击；4)配备F-f曲线记录装置。（2）弯曲试验装置：三点弯曲和四点弯曲试验装置，见图6、图7。（3）挠度计：应根据所测的力学性能按有关标准规定选用相应精度的挠度计。挠度计应定期参照GB/T12160-2002《单轴试验用引伸计的标定》的规定进行标定。（4）安全防护装置4.弯曲力学性能的测定（1）试验条件：1）试验应在室温10~35℃下进行；2）应力速率应控制在3~30MPa·s-1范围内；（2）规定非比例弯曲应力σpb的测定规定非比例弯曲应力σpb通常采用图解法测定。三点弯曲试验：四点弯曲试验：（3）规定残余弯曲应力σrb的测定试验时，将试样对称地安放于弯曲试验装置上，并对其施加相应于预期σrb0.01的10%的预弯曲力F0，测量跨距中点的挠度，记取此时挠度计的读数作为零点。对试样连续或分级施加弯曲力，并将其卸除至预弯曲力F0，测量残余挠度。反复递增施力和卸力，直至测量的残余挠度达到或稍超过规定残余弯曲形变相应的挠度。用线性内插法按公式（17）求出相应于规定残余弯曲形变的弯曲力Frb。式中的残余挠度frb按公式计算：三点弯曲试验：四点弯曲试验：规定残余弯曲应力按公式计算：三点弯曲试验：四点弯曲试验：（4）抗弯强度σbb的测定将试样对称地安放于弯曲试验装置上，对试样连续施加弯曲力，直至试样断裂。从试验机测力度盘上或从记录的弯曲力—挠度曲线上读取最大弯曲力Fbb，按公式（22）或（23）计算抗弯强度σbb：三点弯曲试验：四点弯曲试验：（5）断裂挠度fbb的测定将试样对称地安放于弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，对试样连续施加弯曲力，直至试验断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度，此挠度即为断裂挠度fbb。（6）弯曲弹性模量Eb的测定1）人工记录法：将挠度计装在试样中间的测量位置上，试样对称地安放于弯曲试验装置上，对试样施加相当于σpb0.01（或σrb0.01）10%以下的预弯曲力F0，并记录此力和跨距中间的挠度，然后连续施加弯曲力，直至相应于σpb0.01（或σrb0.01）的50%。记录弯曲力增量ΔF和相应的挠度增量Δf。按公式（24）或（25）计算弯曲弹性模量Eb：三点弯曲试验：四点弯曲试验：当采用分级施加弯曲力时，按上述方法施加预弯曲力F0，从F0至相应于σpb0.01（或σrb0.01）的50%的弯曲力范围内测定m（m≥5）对力和挠度的数据，且数据点应尽量均匀分布。用最小二乘法将弯曲力和相应的挠度数据拟合直线。按公式（26）计算该直线的斜率ΔF/Δf，然后将此斜率代入公式（24）或（25）计算弯曲弹性模量。2）图解法：将试样对称地安放于弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，对试样连续施加弯曲力，同时采用自动方法连续记录弯曲力—挠度曲线，直至超过相应于σpb0.01（或σrb0.01）的弯曲力。记录时，建议力轴比例和挠度轴放大倍数的选择，宜使曲线弹性直线段与力轴的夹角不小于40度，弹性直线段的高度应超过力轴量程的3/5。在记录的曲线图上，借助于直尺的直边确定最佳弹性直线段。读取该直线段的弯曲力增量ΔF和相应的挠度增量Δf，见图12。按公式（24）或（25）计算弯曲弹性模量。5.试验数值的修约性能范围修约到Eb≤150000MPa500MPa＞150000MPa1000MPaσpb，σbb≤200MPa1MPa＞200~1000MPa5MPa＞1000MPa10MPafbb0.1mm三.剪切试验1.剪切试验原理：工程结构件除承受拉力和压力外，大多还承受剪切力的作用，有些情况剪切力还起着主要的作用。如蒸汽锅炉、桥梁及飞机中的铆钉，机件上的销子等都是受剪切力的作用。因此在构件的设计和制造时都必须考虑材料的剪切强度剪切试验的特点是：作用在试样两个侧面的载荷，其合力为大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对力，见图13，并使试样两部分沿着与合力作用线平行的受剪面发生错动，剪切试验实际上就是测定试样剪切破坏时的最大错动力，并根据公式计算出相应的应力，用τ表示，单位为N/mm2。剪切试验一般分为单剪试验、双剪试验、冲孔试验、开缝剪切试验和复合钢板剪切试验等2.试样：剪切试样根据剪切试验方法和夹具确定，常见的形式有：（1）圆柱形试样：试样直径和长度根据夹具确定，一般取直径为5，10，15mm。（2）冲孔板状试样：薄板不能做成圆柱形试样时，可用冲孔剪切试样，板状试样厚度一般小于5mm。其他还有开缝式剪切试样、复合钢板剪切试