材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)—拉伸和彎曲

1、材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)一拉伸和彎曲一、實(shí)驗(yàn)原理 拉伸實(shí)驗(yàn)原理拉伸試驗(yàn)是夾持均勻橫截面樣品兩端，用拉伸力將試樣沿軸向拉伸，一般拉至斷裂為止，通過記錄的力一一位移曲線測定材料的基本拉伸力學(xué)性 能。對于均勻橫截面樣品的拉伸過程，如圖 1所示，圖1金屬試樣拉伸示意圖則樣品中的應(yīng)力為F(7 =一A其中A為樣品橫截面的面積。應(yīng)變定義為£ L其中41是試樣拉伸變形的長度典型的金屬拉伸實(shí)驗(yàn)曲線見圖2所示o彈性階段(OAB段)比例極m彈性極I泣* 楊民模量E變形均為伴桂麥形,旦滿足Hook、Law .業(yè)=屈服階段d, ° 屈限極限J7r.<7f = 25 MPa|=7Ie ”材料使時(shí)失去

2、抵抗變f形的能力.o<3)屈服階段SB屈服階段圖3金屬拉伸的四個(gè)階段典型的金屬拉伸曲線分為四個(gè)階段，分別如圖3(a)-(d)所示直線部分的斜率E就是楊氏模量、os點(diǎn)是屈服點(diǎn)。金屬拉伸達(dá)到屈服點(diǎn)后，開始出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，接著產(chǎn)生強(qiáng)化后最終斷裂 彎曲實(shí)驗(yàn)原理可采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲方式對試樣施加彎曲力，一般直至斷裂，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果測定材料彎曲力學(xué)性能。為方便分析，樣品的橫截面一般為圓 形或矩形。三點(diǎn)彎曲的示意圖如圖4所示。圖4三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖據(jù)材料力學(xué)，彈性范圍內(nèi)三點(diǎn)彎曲情況下C點(diǎn)的總撓度和力F之 間的關(guān)系是其中I為試樣截面的慣性矩，E為楊氏模量。彎曲彈性模量的測定將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎

3、曲裝置上， 施加橫向力對樣品進(jìn)行彎曲, 對于矩形截面的試樣，具體符號及彎曲示意如圖 5所示。索1一符號名 稱單位符號名移串位&一貳林厚度或直徑nimL +甯心直和mmb髭樣寬度rum彎曲用度度L試樣任度一 皿r 誠唆力Ni支輒間噩商11T5矩形或F成樣的三點(diǎn)號僧員臉對試樣施加相當(dāng)于（Tpb0.01。（或（rrbO.01）的10%以下的預(yù)彎 應(yīng)力F。并記錄此力和跨中點(diǎn)處的撓度，然后對試樣連續(xù)施加彎曲力， 直至相應(yīng)于（rpb0.01（或（rrbO.01）的50%。記錄彎曲力的增量DF和 相應(yīng)撓度的增量Df ,則彎曲彈性模量為(1)對于矩形橫截面試樣，橫截面的慣性矩I為1=跳3（5）其中b、

4、h分別是試樣橫截面的寬度和高度。也可用自動方法連續(xù)記錄彎曲力一一撓度曲線至超過相應(yīng)的（7pb0.01（或（rrbO.01）的彎曲力。宜使曲線彈性直線段與力軸的夾角不小于40o,彈性直線段的高度應(yīng)超過力軸量程的3/5。在曲線圖上確定 最佳彈性直線段，讀取該直線段的彎曲力增量和相應(yīng)的撓度增量，見圖6所示。然后利用式（4）計(jì)算彎曲彈性模量。圖6圖解法測定吸曲彈性模量二、試樣要求1 .拉伸實(shí)驗(yàn)對厚、薄板材，一般采用矩形試樣，其寬度根據(jù)產(chǎn)品厚度（通常為0.10-25mm）,采用10,12.5,15,20,25 和30mmk種比例試樣，盡可能 采用l o=5.65 （E） °5的短比例試樣。試樣

5、厚度一般應(yīng)為原軋制厚度， 但在特殊情況下也允許采用四面機(jī)加工的試樣。通常試樣寬度與厚度之比不大于4:1或8:1 ,對鋁鎂材則一般可采用較小寬度。 對厚度小于 0.5mm勺薄板（帶），亦可采用定標(biāo)距試樣。試樣各部分允許機(jī)加工偏差及側(cè)邊加工粗糙度應(yīng)符合圖10和表1的規(guī)定圖10金屬拉伸標(biāo)準(zhǔn)板材試樣表1金屬拉伸標(biāo)準(zhǔn)板材試樣尺寸要求能用試樣團(tuán)樣七死部分內(nèi) 定度垢的丸目餐近金樣國，臣不中 內(nèi)房火與最小寬 度瓦的北注色低1寬度的出打標(biāo)距并分內(nèi) 寬片前門住偏累區(qū)樣標(biāo)距部分內(nèi) 段大6最小究 凌風(fēng)的允評是值2013.5±20. 125±1).50 215M |2)實(shí)驗(yàn)樣品評定(1)出現(xiàn)下列情況

6、之一者，試驗(yàn)結(jié)果無效。a.試樣斷在機(jī)械刻劃的標(biāo)記上或標(biāo)距外，造成性能不合格。b.操作不當(dāng)。c.試驗(yàn)記錄有誤或設(shè)備發(fā)生故障影響試驗(yàn)結(jié)果。(2)實(shí)驗(yàn)后試樣出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的縮頸以及顯示出肉眼可見的冶金缺陷（例 如分層、氣泡、夾渣、縮孔等），應(yīng)在試驗(yàn)記錄和報(bào)告中注明2 .彎曲實(shí)驗(yàn)1）試樣尺寸要求表2薄板武樣尺寸要求薄版試樣橫霞甌尺寸1LR1 .一 .產(chǎn)品寬需<19>iy6又的10XA 0.第屯5>0x5 1.51室仇片聃臺助如何ZSQ*160*-CIQ15Kg I加 )2 52）試樣制備和尺寸測量矩形橫截面試樣應(yīng)在跨距的兩端和中間處分別測量其高度和寬度。計(jì)算彎曲彈性模量時(shí)，取用三

7、處高度測量值的算術(shù)平均值和三處寬度測量值的算術(shù)平均值。計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)，取用中間處測量的高度和寬度。對于薄板試樣, 高度測量值超過其平均值2%勺試樣不應(yīng)用于試驗(yàn)。3）實(shí)驗(yàn)樣品評定（1）彎曲實(shí)驗(yàn)后，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢查試樣彎曲外表面，進(jìn)行結(jié)果評定。(2)檢查試樣彎曲外表面，測試規(guī)范進(jìn)行評定，若無裂紋、裂縫或裂斷，則評 定試樣合格，測試有效。三.結(jié)果與分析1 .拉伸試驗(yàn)鋼板尺寸：寬度b=31.26mm厚度h=1.16mm標(biāo)距L=260mm拉力機(jī)記錄的是不同載荷F下的形變 L的大小，根據(jù)公式計(jì)算出每一時(shí)刻的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，作圖如下:圖1是一定負(fù)荷范圍內(nèi)不銹鋼板的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)變化趨勢，將曲線分

8、為三個(gè)階段：0股，位移在增大，而負(fù)荷幾乎等于0,是試樣由松弛而夾緊的階段，真正的拉伸形變過程自A電開始。AB段，隨著拉應(yīng)力的增加，形變也逐漸增大，形變與外力大小呈正比，符合Hook!律，試樣處于彈性變形階段。BCt繼續(xù)施加較小的外力就可以產(chǎn)生較大的形變，此時(shí)，鋼材除彈性變形外，還發(fā)生了塑性形變，其中塑性變形在卸載后不再恢復(fù)，試樣處于彈塑性階段。試想如果繼續(xù)增加負(fù)荷，鋼材將發(fā)生屈服及至應(yīng)變強(qiáng)化(圖中未體現(xiàn))。楊氏模量的計(jì)算：根據(jù)彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系(t=E-e 知，直線段的斜率即為鋼材的彈性模量，在A暇直線上取兩點(diǎn)，見圖中所標(biāo)，則E= (136.7846-52.3784 ) / (1.0

9、118-0.6326 ) X 100 = 22259MPa = 22.26GPa2 . 彎曲試驗(yàn)鋼板尺寸：寬度b=26.63mm 厚度h=1.03mm 跨距L=240mm 無卸載試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)記錄的荷載-位移數(shù)值，作彎曲力-撓度曲線圖如下：彎曲模量的計(jì)算:根據(jù)公式(1)以及 I=1/12bh 3,求得 Eb=1079GPa其中， F/ f= 斜率(31.1535-12.1779)/(3.3717-1.2828)*1000=9084Nm(2)有卸載的情況同一鋼板在加載又卸載的過程中，彎曲力-撓度曲線變化見圖3。圖3說明，隨著加載負(fù)荷的增大，鋼板彎曲變形程度也逐漸增大, 在外加負(fù)荷增大到50N左右

10、時(shí)，停止加力，并逐漸卸載，所得曲線與 原曲線并不重合，表現(xiàn)出一定的滯回特性，說明所施加的最大應(yīng)力已 經(jīng)大于鋼材的彈性極限，鋼材的變形包括彈性和塑性兩部分， 其中的塑性變形在卸載后不再恢復(fù)（從圖上看是1.46mm殘余形變）。滯回曲 線所包含的面積反映了鋼板吸收耗散能量的大小。四.誤差分析本實(shí)驗(yàn)可能存在的誤差有：1 .夾持試樣時(shí)，由于目測不可能使試樣正好處于與夾具垂直的方向， 拉應(yīng)力方向與試樣中軸線方向偏離。2 .彎曲試驗(yàn)中，應(yīng)把試樣放在支座上，使兩端露出部分的長度相等。3 .試樣尺寸人為測量過程可能引入的讀數(shù)誤差，即試樣測量尺寸與實(shí) 際尺寸的差別，導(dǎo)致理論結(jié)果計(jì)算的誤差。4 .試樣本身是否具有代

11、表性，有無缺陷，試樣的形狀，拉伸速率，以 及試驗(yàn)溫度等。5 .所使用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的量程。若試樣拉斷時(shí)只需要很小的力，而拉力機(jī)的最大入口力卻很大，測量的精確性將大大下降。兩者需匹配。五思考題三點(diǎn)彎曲與四點(diǎn)彎曲的區(qū)別？三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度: 將試樣放在一定距離的兩支座上，在兩支座中心點(diǎn)上加試驗(yàn)力，直至折斷時(shí)的最大彎曲應(yīng)力。3 FL(T b3二2 bh 2四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度: 將試樣放在一定距離的兩支座上，往兩支座中心左右等距離的兩點(diǎn)上加試驗(yàn)力，直到折斷時(shí)的最大彎曲應(yīng)力。3 F(L-l)(T b4二一2 bh 2式中：(rb3三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，MPa (rb4四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，MPaF試樣斷裂時(shí)白最大試驗(yàn)力，N; L試樣支座間的距離， mm；l 壓頭間的距離，mm；由公式可以看出，三點(diǎn)彎曲實(shí)際上是四點(diǎn)彎曲的一個(gè)特例，當(dāng)壓頭間距1=0時(shí)，ab4=a b3,四點(diǎn)變?yōu)槿c(diǎn)。對于同一試樣，四