材料测试基础知识

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1、页码，1/2cailiao shiyan材料试验materials testmaterials test对材料的质量及其在不同条件下的各种性能的检测和评定，有时仅指材料机械性能试验。材料试 验对工业生产和材料的基础研究具有十分重要的意义。材料试验的目的是： 测定材料的具体性能数据，作为设计、选材和制订有关标准或技术条件的参考。 校核材料是否符合规定的性能指标，供验收或评价之用。 考查材料或由其制造的半成品和成品的质量情况，按规定的标准或技术条件评定其合格与否； 了解材料有无缺陷及这些缺陷的性质、尺寸、存在部位和它们对使用的影响，以保证机器和零部件的工 作可靠性。 根据测得的材料质量和性能情况判

2、断各种加工工艺过程是否正确，并予以适当控制。 对使用一段时期后的机器和零部件进行检查,确定有否缺陷，或所用材料的性能是否发生了变 化。 对使用中失效的实物进行试验分析，寻找失效原因，以便提出防止和改进的措施。 为扩大现有材料的应用范围、发展新材料和新工艺提供性能数据资料。 进行有关材料科学的基础研究。 19世纪以来，随着现代物理、化学和无线电电子学等学科的迅速发展，材料试验专业也获得飞速发 展。进入20世纪以来尤为突出。例如材料化学分析中的仪器分析方法和大多数无损检测方法，都是在20 年代以后研究出来的。随着各种精密、高效的试验方法和仪器不断涌现，研究分析能力大大提高。例如 利用计算机进行信息

3、处理的光电直读光谱仪，可在12分钟内分析出一个试样内30余种元素的含量,并直 接用打字机打印出结果;又如场离子显微镜能分辨出针状固体试样表面上各个原子的具体位置等。不少试 验方法和仪器正向自动、快速和多功能方向发展。 试验种类 试验种类 材料试验的种类繁多，现代常用的有机械、物理、化学、腐蚀、磨损试验和无损检 测以及工艺性能试验等。 机械性能试验：测量材料在力或能的作用下所表现的特性，如强度、刚度、塑性、韧性、硬 度等。有时要求在某些特定环境，例如高温、低温、腐蚀等条件下进行试验。由于工程结构和机器零部 件绝大部分是在受力的情况下工作的，机械性能是它们的主要性能，因而这类试验应用最广。 物理试

4、验：利用材料的各种物理效应来检测材料的一系列特性，包括化学组成和价态、表面形 貌、晶体结构、显微组织等，或确定一些物理性能参数，如比热容、热导率、电导率、膨胀系数等。这 类试验中的很大一部分能揭示材料的微观特征，从而可与宏观性能联系起来，用于分析质量问题和失效 事故，以及进行材料科学中的基础性研究等（见材料物理试验）。 化学分析：定性或定量地测定材料的化学组分和结构。所用方法主要有两大类：一是以各种化 学反应作为基础的经典化学分析方法；另一是利用各种元素的不同物理或物理 -化学效应的仪器分析方 法。前者灵活性较大，为很多标准分析方法所采用。后者的特点是分析速度快、灵敏度高，但试验装置 通常较庞

5、大复杂，价格昂贵,适用于大批量和成分较复杂的试样分析工作(见材料化学分析)。 腐蚀试验：用化学、物理或机械方法测出材料在各种介质中因化学或电化学反应而引起表面 局部的或均匀的损耗腐蚀。这类试验对长期处于侵蚀性环境中的装置，如石油、化工、海洋钻探设 备等尤其重要。 磨损试验：测定固体在受另一相互接触的固体的摩擦，或受固态、液态或气态颗粒的碰撞时 所引起的表面损耗磨损。这类试验尚无公认的统一标准。由于很多因素如介质的腐蚀作用、零件的 振动、磨粒的形状和相对的运动速度等均会显著地影响磨损率，实验室的试验结果常与实际情况有较大 的出入，应用时须加注意。一般用台架试验和实物试验更具有实际意义。 无损检测

6、：在保持被检物完好的条件下利用各种物理效应查出被检物表面或内部的缺陷，或 测定其组织、性能和其他物理量。不损害被检物的使用性能是它有别于一般材料试验的特点。这类试验 是保证产品质量和安全使用的重要手段。 工艺性能试验：测定材料加工成半成品或成品所用的工艺过程（铸造、锻压、焊接、金属热 处理、切削加工等）的难易程度。这种试验对判定材料能否投入正常生产有很大意义，对于发展新材 料也很重要。 试验方式 试验方式 材料的试验方式有试验室试样试验、实验室台架试验、现场挂片试验和实物运转试 验。 试验室试样试验：分为不对实际工况条件作特殊模拟的常规试验；模拟实际工况中的主要条件 （如温度、介质、载荷谱等）

7、的模拟试验；强化某些工况条件的快速试验。 试验室台架试验：将材料制成实际零件或模型，在试验室内模拟一定的工况条件进行试验。 现场挂片试验:将材料制成一定规格的试样,直接放在现场上进行考验。这种方式在腐蚀试验中 应用较多。 页码，2/2 实物运转试验：将材料制成零部件，装在实际机器上进行实物运转。 严格说来，台架试验和 实物运转试验因包含了结构和环境等因素，已不属单纯的材料试验。但它们更能反映材料的使用效果， 因而日益受到重视。 试验程序 试验程序 试验程序随试验目的、试验种类和材料种类的不同而异。通常包括以下几个主要步 骤。 试验方式的确定：选择试验方式时应考虑各种方式的特点，尤其是准确度、精

8、确度、灵敏度和 测试速度等。 抽样：抽取试样时应注意待检物的均匀性、样品的代表性和适宜的数量等。 试样制备：须注意取样部位、取样方向、试样的尺寸和形状等，并避免制样时产生缺陷和污 染。 试验装置的校准：试验装置须定期校准，如误差超过一定范围，必须加以检修。 试验：通常按标准所规定的步骤进行。带有探索和研究性的试验应视具体情况进行。 试验结果的计算、分析和诠释：对试验结果进行适当的数学和图解等处理，最后进行分析和诠 释。 参考书目 日本鋼鉄協会:鉄鋼便覽4：鉄鋼材料試験分析第3版，丸善，東京，1981。 H.E.Davis and others, The Testing of Engineeri

9、ng Materials, 4th ed., McGraw-Hill,New Yerk,1982. K.W.Andrews, Physical Metallurgy, Techniques and Applications,Vol.12,John Wiley 0.3对应扭转屈服强度0.3(产生0.3残余切应变时的应力) ；b对应扭转强度极限b。扭转试样的断口形状能反映出材料性能和受力情况。如断口的断面与试样轴线垂直，材料呈塑性，是切应力作用的结果；如断口断面与试样轴线约成45角,材料呈脆性,是正应力作用 的结果。 戎忠良 页码，1/1wanqu shiyan弯曲试验bend testbend

10、test测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。弯曲试验主 要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具钢等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度。弯曲 试验还可用来检查材料的表面质量。弯曲试验在万能材料机上进行，有三点弯曲和四点弯曲两种加载荷 方式（见图）。试样的截面有圆形和矩形，试验时的跨距一般为直径的10倍。对于脆性材料弯曲试验一 般只产生少量的塑性变形即可破坏，而对于塑性材料则不能测出弯曲断裂强度，但可检验其延展性和均 匀性展性和均匀性。塑性材料的弯曲试验称为冷弯试验。试验时将试样加载，使其弯曲到一定程度，观 察试样表面有无裂缝。 参考书目 R.F.

11、Bunshan , Measurement of Mechanical Proporties，John Wiley 干涉仪法；X射线 法。材料热膨胀系数的测定除用于机械设计外，还可用于研究合金中的相变。 热导率 热导率 单位时间内垂直地流过材料单位截面积的热量与沿热流方向上温度梯度的负值之比。 热导率的测量，一般可按热流状态分为稳态法和非稳态法两类。热导率对于热机，例如锅炉、冷冻机等 用的材料是一个重要的参数。 比热容 比热容 使单位质量的材料温度升高 1时所需要的热量。比热容可分为定压比热容cp和定容比热容cV。对固体而言，cp和cV的差别很小。固体比热容的测量方法常用的有比较法、下落铜卡计

12、法和下落冰卡计法等。比热容可用于研究合金的相变和析出过程。 电阻率 电阻率 具有单位截面积的材料在单位长度上的电阻。它与电导率互为倒数，通常用单电桥或 双电桥测出电阻值来进行计算。电阻率除用于仪器、仪表、电炉设计等外，其分析方法还可用于研究合 金在时效初期的变化、固溶体的溶解度、相的析出和再结晶等问题。 弹性模量 弹性模量 又称杨氏模量，为材料在弹性变形范围内的正应力与相应的正应变之比（见拉伸试 验）。弹性模量的测量有静态法(拉伸或压缩)和动态法（振动）两种。它是机械零部件设计中的重要参 数之一。 参考书目 哈尔滨工业大学：金属物理性能分析，机械工业出版社，北京，1981。 奚同庚编著：无机材

13、料热物性学，上海科学技术出版社，上海，1981。任金城 页码，1/2guangxue jinxiang jianyan光学金相检验optical metallographic exa-minationoptical metallographic exa-mination用肉眼、放大镜或光学金相显微镜观察金属材料的组织(或缺陷)及其变化规律的一种材料物理试 验。通过光学金相检验可以控制加工工艺，保证产品质量；找出机器零部件的失效原因，以提高产品的 性能和寿命；研究材料的组织和成分与性能之间的关系，为发展新工艺、新材料、新设备提供依据。光 学金相检验一般都应参照相应的检验标准，如晶粒度标准、夹杂物

14、标准、宏观检验标准和马氏体级别标 准等来进行。光学金相检验包括宏观检验和显微组织检验两部分。 宏观检验 用肉眼或30倍以下的放大镜检测宏观组织和缺陷。这种检验所需设备简单，故应用 广泛。常用方法有侵蚀法、断口法和印痕法。 侵蚀法:包括热酸蚀、冷酸蚀、电解酸蚀等。应用化学药品进行侵蚀以显示金属铸锭、铸件或型 材等的宏观组织和缺陷，如偏析、疏松、夹杂、缩孔、气泡、裂缝、折叠、表面脱碳、发纹和粗晶等。 图1为 1Cr13不锈钢方锭用热酸蚀法显示的宏观组织照片。从图中可看出因激冷形成的表层细等轴晶区、 向着锭心成长的柱状晶区和内部粗等轴晶区，以及锭心处串联成海绵状的疏松缺陷。 断口法:将金属材料折断,

15、以观察断口的组织和缺陷。这种方法对显示晶粒粗细、渗层厚度、分 层、白点、裂缝等特别适用。图2为用断口法显示的钢中白点（发裂）缺陷。白点还可通过酸蚀法在横向 试片上显示，但不如在纵向断口上显示得清楚和直观。 印痕法：主要指钢铁检验中应用的硫印和磷印法。硫印法是将经25硫酸水溶液浸润过的相 纸覆于钢铁试片表面上，使试片中的硫化物与相纸上的溴化银作用而生成硫化银沉淀的斑点，从而显示 出硫的多少和分布状况。磷印的原理与硫印相似，但其图象所显示的是磷的分布情况。各种宏观检验方 法各有一定的适用范围须根据检验目的不同而进行选择。 显微组织检验 利用金相显微镜来观察、分析金属材料的显微组织和微观缺陷。检验内

16、容包括 测定各组成相和夹杂物的种类、分布和形态特征，有无孔隙、裂纹等存在并确定其数量和分布情况。检 验目的是通过这些观察和分析，进一步了解金属材料的各种显微组织和微观缺陷的形成规律以及它们与 各种性能之间的关系。金相显微镜的放大倍率一般不超过2000倍，其分辨极限约为0.2微米。在检验孔隙 和夹杂物时,通常先在材料或机件上具有代表性的部位取样，然后经磨平、抛光即可观察。如欲检验显微 组织，则还须将金相试样再用化学或其他物理方法进行组织显示，具体方法视检验目的而定。 钢铁中的常见显微组织 在工业用金属材料中以钢铁应用最广，它们在加热和冷却过程中 形成各种具有不同性能的显微组织。常见的钢铁显微组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、贝氏 体和马氏体。 铁素体：碳溶解在具有体心立方晶体结构的铁(-Fe或-Fe)中所形成的固溶体。铁素体一般 硬度较低，塑性较好。经硝酸溶液侵蚀后，铁素体晶粒在显微镜下呈均匀