材料力學性能測試總結(jié)

1、2013.5.16力學試驗力學試驗是公特定的加載條件下探討材料的性態(tài)的，金屬材料的力學試驗大致分成兩類：一類稱作力學性質(zhì)試驗專門測試材料的強度特性、變形特性和斷裂特性，是力學試驗的基礎部分；一類稱作工藝性質(zhì)試驗諸如冷彎試驗、深沖試驗、可鍛性試驗、切削性試驗等，用來檢查材料對某種變形工藝的適應能力。雖然這些試驗也反映金屬在某個方面的件質(zhì)，但試驗結(jié)果多數(shù)不具行明確的內(nèi)涵，具應用的針對性較強。（這是測試材料的加工工藝性能）（1）構件或零部件的試驗構件或零部件的試驗，主要是考驗它在類似服役條件下的行為，試驗時的外載分布、溫度變化、介質(zhì)條件等都盡可能復現(xiàn)其實際使用的狀態(tài)，以考核其結(jié)構強度、使用壽命、失效

2、形式。一些大型構件不便于用實物直接試驗時，也可以采用模型或模擬的試驗方法。這些試驗多半是在復雜的加載條件下進行的，不能以材料的基本力學性質(zhì)試驗來代替，甚至零部件的試驗也不能代替整機的試驗。（2）材料的力學試驗則是在從金屬材料中加工出的試樣上進行的，是力學試驗的基礎工作，試驗的目的有：確定材料在各種受載條件下的行為，為工程設計提供依據(jù)。材質(zhì)的比較性檢驗。如具有持定用途的材料的篩選，企業(yè)中原材料、半成品或產(chǎn)品的質(zhì)量控制等。通過力學行為與金屬內(nèi)部狀態(tài)研究的配合，掌握力學性質(zhì)變化的基本原理，各種因素影響的本質(zhì)，為高性能合金的研制提供指導。力學試驗的對象，可以是構件、力學試驗的對象，可以是構件、零部件或

3、材料零部件或材料金屬的力學性質(zhì)既由材料內(nèi)在狀態(tài)所決定，亦隨著試驗的外界條件而變化。外界因素可以直接影響材料的性質(zhì)，也可能通過改變其內(nèi)部組織而影響它的力學行為，于是相互問構成了如圖51所示的關系網(wǎng)。 因此，在力學件質(zhì)的研究中，僅僅依靠力學試驗的結(jié)果是不夠的。為了把金屬的性質(zhì)與它的冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、點 陣類型、缺陷分布等關系發(fā)掘出來，就必須配合進行各種組織檢驗、結(jié)構分析、斷口研究、應力分析、物理性質(zhì)測試等多種試驗工作，這些試驗與力學試驗相配合，可以有效地揭示材料行為的內(nèi)在本質(zhì)，是力學冶金學科發(fā)展的實驗基礎。1.強度 金屬材料征外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。金屬材料征外力作用下抵抗永

4、久變形和斷裂的能力稱為強度。根據(jù)外力作用形式的不同，強度可分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扔扭強度等。工程上常用來表示金屬材料強度的指標有屈服點和抗拉強度。 為確定金屬材料的屈服點和抗拉強度可進行拉伸試驗。圖52(a)所示的標淮拉伸試樣安裝在拉伸試驗機的兩個夾頭上，在試樣兩端緩慢施加拉力，試樣在不斷增加的拉力作用下逐漸發(fā)生變形，直到被拉斷為止，如圖52(c)所示。在拉伸試驗過程中，試驗機將自動記錄每一瞬間試樣所受拉和伸長量L，繪出拉伸曲線。圖53所示為低碳鋼的拉伸曲線。當金屬材料受外力作用時，其內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的內(nèi)力。材料單位界面上的內(nèi)力稱為應力。從圖53中可以明顯地看出金屬

5、材料的以下幾個變形階段：(1)彈性變形階段。OE段為彈性變形階段，其變形量與外力成正比，外力去除后試樣將恢復到原始狀態(tài)。 (2)屈服階段。ES段為屈服階段，這時試樣除發(fā)生彈性變形外，還發(fā)生了部分塑性變形。在S點的曲線幾乎呈水平線段或鋸齒折線，說明外力不再增加但試樣仍繼續(xù)變形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。它表明材料開始發(fā)生塑性變形。外力去除后，材料部分變形恢復，還有一部分變形不能恢復這部分不能恢復的變形即為塑性變形。材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力稱為屈服點。 (3)強化階段。SB段為強化階段，為使試樣繼續(xù)變形，外力增大到Fb，隨著塑性變形增大，材料的變形抗力也逐漸增加。 (4)縮頸和斷裂階段。BK段為縮頸和

6、斷裂階段當外力增加到最大值Fb時，試樣的直徑發(fā)午局部收縮現(xiàn)象(圖52(b)，稱為”縮頸”。由于截面減小，使試樣繼續(xù)變形所需的外力下降。當外力減至Fk時頸縮處斷裂。試樣在拉斷，前所能承受的最大拉應力稱為抗拉強度。 有些金屬材料(如鑄鐵等)在拉伸試驗時沒有明顯的屈服現(xiàn)象。工程上規(guī)定用產(chǎn)生0.2塑性變形時的應力值作為條件屈服強度，用0.2表示。 s、 0.2和b是一般機器零件和構件設計選材的主要依據(jù)。 此外，工程上還希望金屬材料具有適當?shù)那鼜姳? s b)。材料的屈強比越小，零件的可靠性越高，但材料強度的有效利用率越低。因此，一般希望屈強比高一些。2.塑性金屬材料在外力作用下產(chǎn)生不可逆永久變形的能力

7、稱為塑性。常用的塑性指標有伸長率和斷面收縮率，它們也是通過拉伸試驗測定的。 伸長率的大小與試樣尺寸有關。為了便于比較必須采用標準試樣尺寸。一般規(guī)定，試樣的原始標距長度等于其直徑的10倍時，測得的伸長率用 10(通常簡寫成)表示；試樣的原始標距長度等于其直徑的5倍時，測得的伸長率用 5表示。3.硬度硬度是指金屬材料表面抵抗局部變形(特別是塑性變形）的能力或抵抗表面局部壓痕或劃痕的能力，其值通常在硬度計上測定。常用的硬度試驗方法有布氏硬度試驗和洛氏硬度試驗等。 1.布氏硬度圖54為布氏硬度試驗原理示意圖。試驗時采用直徑為D的鋼球或硬質(zhì)合金球作壓頭，在相應的試驗力F作用下壓入試樣表面(圖54(a)，

8、保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，測量壓痕直徑d(因54(L)，通過式(55)計算布氏硬度值。壓頭為鋼球時用HBS，適用于布氏硬度值在450以下的材料；壓頭為硬質(zhì)合金球時用HBW，適用于布氏硬度值在650以下的材料。表示布氏硬度時在符號HBS或HBW之前為硬度值，符號后面按一定順序用數(shù)值表示試驗條件(球體直徑、試驗力大小和保持時間等)。當保持時間為1015s時，不需標注。例如200HBS10/1000/30表示用直徑10mm的鋼球在1000kgf(981kN)試驗力作用下保持30s測得的布氏硬度值為200。布氏硬度主要用于各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金屬等。2.洛氏硬度 圖55所示為洛氏硬度試驗

9、原理。試驗時采用頂角為120。的金剛石圓錐或直徑為1588mm的鋼球做壓頭，在初始試驗力Fo及總試驗力F(韌始試驗力Fo+主試驗力F1)的先后作用下壓入被測材料表面(圖55(a)、b)，保持規(guī)定的時間后卸除主試驗力，在初始試驗力下測量壓痕深度殘余增量e(圖55(c)，計算硬度值。實際測量時，可通過洛氏硬度計上的刻度盤宜接讀出洛氏硬度值。 材料的硬度還可以服用維氏硬度試驗辦法和顯微硬度試驗方法測定。各種不同方法測定的硬度值之間沒有直接的換算公式，需要時可以通過查表的方法進行換算。4.韌性許多機器零件，如錘桿、鍛模、沖模、活塞銷等，在工作過程中往往要受到?jīng)_擊載荷的作用。材料抵抗沖擊載荷作用，在斷裂

10、前吸收變形能量稱為韌性。工程卜通常采用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定材料的韌性其指標沖擊切度用符號aK表示。試驗時把標準沖擊試樣(閣56)放在擺錘沖擊試驗機(圖57)的支座上，然后拾起擺錘，讓它從一定高度H1落,將試樣打斷。擺錘又升到H2的高度。沖擊韌度通過式(56)計算 Ak值越大(或好值越大)則材料的韌性越好。一般情況下，在沖擊試樣的中部開有缺口，缺口形式有v形和U形等。采用v形缺口試樣時，沖擊吸收勸和沖擊韌度分別用Akv和akv表示。采用u形缺口試樣時，相應用Aku和aku表示。由丁試樣尺寸、缺口深淺及尖銳度、表面粗糙度等均影響試驗結(jié)果，所以試樣必須標準化，并嚴格按要求加工。 對于脆性大的材

11、料(如鑄鐵等)，由于沖擊韌度低試樣一般不開缺口。 可以在不問溫度下進行沖擊試驗，獲得ak與試驗溫度的關系曲線，以此作為評定材料冷脆性能的依據(jù)。5.疲勞強度許多零件(如鈾、儉輪、連桿蟬簧等)在實際工作過程中各點的應力隨時間作同期性變化，這種隨時間作周期件變化的府力稱為循環(huán)府力(也稱交變應力)。金屬材料在循環(huán)應力作用下，在處或幾處產(chǎn)生周部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后發(fā)生裂紋或突然斷裂的過程稱為疲勞。材料產(chǎn)生疲勞的應力通常低下其屈服點，在斷裂前材料不產(chǎn)生明顯的塑性變形。金屬材料在無數(shù)次循環(huán)應力作用下不致引起斷裂的最大應力值稱為疲勞強度。工程上測定疲勞強度的基方法是通過疲勞試驗得到疲勞曲線(圖58(a)，即材料承受的交變應力與材料斷裂前承受交變應力的循環(huán)次數(shù)N之間關系的曲線。材料承受的交變應力越大，則斷裂時的應力循環(huán)次數(shù)N越少。當應力低于定值時，疲勞曲線成為水平線，表明該材料可能經(jīng)受無數(shù)次應力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞斷裂，此應力值稱為材料的疲勞強度。實際上，金屬材料不可能做無限次交變載荷試驗，一般需要規(guī)定各種金屬材料的應力循環(huán)基數(shù)，如鋼材以10-+7為基數(shù)，合色合屆以10+8為基數(shù)。金屆材料在指定循環(huán)基數(shù)下的疲勞強度稱為疲勞極限。6.斷裂韌性KIC是衡