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1、材料力学性能测试,目录,第一章 硬度 第二章 强度和延伸率 第三章 冲击韧性 第四章 压缩、剪切、扭转实验 第五章 超声波检测,第一章 硬度,第一节 布氏硬度 第二节 洛氏硬度 第三节 维氏硬度 第四节 显微硬度,刻划法型 硬度试验,金属在表面的不大体积内抵抗变形 或者破裂的能力,表征金属材料软硬 程度的一种性能,压入法型 硬度试验,硬度:,第二章 强度、延伸率和冲击韧性,屈服强度: 材料开始塑性变形的,拉伸试验时试样拉断过程中 最大试验力所对应的应力,抗拉强度:,强 度,比例极限P,弹性极限e,屈服极限0.2,工程常用的屈服极限,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、2残留变形的应力,拉伸试验,实验试样,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干试样的截面形 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,强度指标,试验时利用试验机的自动绘图装置可绘出 低碳钢的拉伸图,延伸率,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 则其延伸率为: = (l1 l0)/ l0100,l1的测定,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
3、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,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
4、来计算试件的横截面面积A0,2.试验机准备 根据低碳钢的强度极限b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
5、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s ，而且测定它的和 也没有实际意义。因此，对灰铸铁只需测定它的强度极限b就
6、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 b = Fb / A0,第三章 冲击韧性,材料在冲击载荷作用下,其变形和破坏过程: 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,所以加载速度对金属材料的 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.,冲击韧性 : 构件受冲击载荷作用而破坏所 消耗的能量除以面
7、积.,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。,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”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”冲击实验 （如图）,夏比冲击实验是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
8、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 = F H = FL（1 COS ）,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 = F h = FL（1 COS ）,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AK AK = F H F h = FL（COS COS ） AK 的单位是 Nm ，通常用 J 表示（1 J = 1Nm）,冲击韧性 k （ J / m2 ）为 ： k = Ak/A0 A0 ：试样缺口处的初始面积 k 作为材料
9、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k值产生很 大的影响，因此k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。,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 标准试样，标准试样是尺寸为10mm10mm55mm 在长度中部开有2mm深v型缺口的试样。图(a) 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
10、差和缺口形状与图(a)中的要求相同.,2. U型缺口试样 标准试样：标准试样是尺寸10mm10mm55mm，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)。 深u型试样，其形状和尺寸如图(d)所示。 辅助小尺寸试样与v型缺口试样一样，也可采用 75mm10mm55mm和5mm10mm55mm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.k值对切口的形状和尺寸十分敏感，切口愈深,愈 尖锐k值愈低，材料的脆化
11、倾向愈严重.因此，同种材 料用不同切口试样测定的k值不能相互换算和直接比较,实验步骤,(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h,(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10一90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。其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14。,(4)正确放置试样：试样应紧贴支座安放，使缺口的 背面朝
12、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 不应大于土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Ak,回收试样,观察断口.,第四章 压缩、剪切、扭转实验,第一节 压缩实验 第二节 剪切实验 第三节 扭转实验,第一节 压缩实验,对于一般金属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，但对于一些低塑性材料，如铸铁、高 碳钢、工具钢和铸铝合金等
13、,由于这些材料在拉伸时呈脆性断裂.故 其塑性指标无法求得.但假若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. 压缩实验时,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 拉伸时那样朗显。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
14、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感擦力,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。由 此可见，压缩实验的结果是与实验条
15、件有关的。实验表明此值取 在1h0d03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 。,为了保证试样中心受压，两端面的平行度要好，且与试样轴线垂 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，它可 起到自动调节对中加载的作用。,实验方法和步骤 一.低碳钢压缩实验 测定试样的截面尺寸 用游标卡尺在试样高度中央
16、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 . 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。,安装试祥 将试祥两端面涂上润滑剂，并准确地安放在实验 机活动平台承垫的中心位置上。 装好防护罩。 检查及试机 启动实验机，先提升活动平台，当试样的上端 面靠近实验机上承垫时，应大大减缓活动平台上升的速度. 注意：必须切实避免急剧加载。待试样上端面与上承垫接触受力 后，用慢速预先加少量载荷。之后，关闭送油阀，检查实验机各 部分工作是否正常自动绘图装置是否动作。 进行实验 开启送油阀，进行缓慢均匀地加载，并注意观察 测力指针的转动情况，随时调整送油阀的进油量大小、以控制加 载速度，同时要注意观察自动绘制
