材料力學性能檢測

1、2015年年8月月 金屬材料力金屬材料力 學性能檢測學性能檢測 工藝性能工藝性能在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、 熱加工和熱處理的性能。熱加工和熱處理的性能。 使用性能使用性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能 力學性能物理性能化學性能 鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、 切削加工性能、熱處理工藝性能切削加工性能、熱處理工藝性能 材 料 的 力 學 性 能材 料 的 力 學 性 能 指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強 度、塑性、硬

2、度、沖擊韌度和疲勞強度等。度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。 材料的性能材料的性能 強度：指金屬在靜載荷下抵抗變形和斷裂 的能力。是一般零件設計、選材時的重要 依據(jù) 。 硬度：它是衡量材料軟硬的一個指標，是 金屬表面抵抗塑性變形和破壞的能力。檢 查和控制金屬零件的熱處理質(zhì)量 塑性：指金屬發(fā)生塑性變形而不被破壞的 能力。 幾個常見概念的義幾個常見概念的義 作用在機件上的外力載荷 靜載荷 動載荷 靜載荷：逐漸而緩慢地作用在工作上的力 如機床床身的壓力、鋼索的拉力 動載荷：包括沖擊及交變載荷 如空氣錘桿所受的沖擊力、齒輪、彈簧 靜拉伸試驗（所加載荷為靜載荷靜載荷） 是一種較簡單的力學性能試驗，能

3、夠清楚地反映出材料受力 后所發(fā)生的彈性、彈塑性與斷裂三個變形階段的基本特性。 經(jīng)拉伸試驗對所測試的力學性能指標的測量穩(wěn)定可靠，而且 理論計算方便，因此各國及國際組織都制定了完善的拉伸試 驗方法標準，將拉伸試驗方法列為力學性能試驗中最基本、 最重要的試驗項目。 強度指標：彈性極限強度指標：彈性極限e、屈服強度、屈服強度s 、抗拉強度、抗拉強度b 塑性指標：斷后伸長率、斷面收縮率等 F F F = F （MPa） FF = F /S S F S F 應力與應變應力與應變 應力：應力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。 同截面垂直的稱為同截面垂直的稱為“

4、正應力正應力”或或“法向應力法向應力”，同，同 截面相切的稱為截面相切的稱為“剪應力剪應力”或或“切應力切應力”。 1 . 拉 伸 實 驗 常 用 術(shù) 語 0 l k l 0 d F F k d 拉伸拉伸前前 拉伸拉伸后后 應變：應變：物體形狀尺寸所發(fā)物體形狀尺寸所發(fā) 生的相對改變。生的相對改變。 物體內(nèi)部某處的線段在變物體內(nèi)部某處的線段在變 形后長度的改變值同線段形后長度的改變值同線段 原長之比值稱為原長之比值稱為“線應變線應變” 0 l l （1 1）彈性變形：）彈性變形： 材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去除后恢復其原來材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當外力去除后恢復其原來 形狀，這種形狀，這

5、種隨外力消失而消失的變形隨外力消失而消失的變形，稱為，稱為彈性變形彈性變形。 2.拉伸實驗兩種基本變形 F F F （2 2）塑性變形）塑性變形: : 材料在外力作用下材料在外力作用下產(chǎn)生永久的不可恢復的變形產(chǎn)生永久的不可恢復的變形， 稱為稱為塑性變形塑性變形。 F F 工程材料受力后都會發(fā)生變形，包括：彈性變形彈性變形、塑性變形塑性變形、 斷裂斷裂三個基本階段 彈性彈性：固體材料在外力作用下改變其形狀和大小，但當力撤 去后即恢復到原來狀態(tài)的性質(zhì) 塑性塑性：固體材料受到超過一定特定值的外力作用時，其形狀 與大小會發(fā)生永久性變化的特性 斷裂斷裂：固體材料受外力作用變形的最終結(jié)果，也就是固體材 料

6、受力變形產(chǎn)生裂紋和裂紋擴展到一定的臨界值后即產(chǎn)生斷 裂 拉伸試驗的工程意義拉伸試驗的工程意義 拉伸拉伸試試驗驗 0 l k l 0 d F F L k d 拉伸拉伸前前 拉伸拉伸后后 拉伸試樣制備拉伸試樣制備 金屬拉伸試樣總體可分為比例試樣比例試樣和定標距試樣定標距試樣 比例試樣比例試樣：按下式計算而得的試樣原始標距長度的試樣 00 SkL L0標距長度 S0試樣原始截面積 K K為常數(shù)，通常取為常數(shù)，通常取5.655.65或或11.311.3，k=5.65k=5.65時也稱為短試樣，此時的原始標時也稱為短試樣，此時的原始標 距應不少于距應不少于15mm15mm；k=11.3k=11.3試樣稱

7、為長試樣試樣稱為長試樣 對于圓形試樣，標距長度為工作直徑對于圓形試樣，標距長度為工作直徑d d的的5 5倍時為短試樣，為倍時為短試樣，為1010倍時為長倍時為長 試樣。但在特殊情況有關(guān)標準有規(guī)定時，也用試樣。但在特殊情況有關(guān)標準有規(guī)定時，也用4d4d或或8d8d的試樣的試樣 2 拉伸試樣分類 對于金屬棒材，一般采用圓形截面的試樣。其直徑一般為對于金屬棒材，一般采用圓形截面的試樣。其直徑一般為3-25mm3-25mm。 試樣又分帶夾頭和不帶夾頭兩種。試樣又分帶夾頭和不帶夾頭兩種。 圓形截面圓形截面 單肩試樣單肩試樣雙肩試樣雙肩試樣 帶夾頭圓形式樣圖帶夾頭圓形式樣圖 圓形試樣比例尺寸表 若相關(guān)產(chǎn)品

8、標準無具體規(guī)定、優(yōu)先采用若相關(guān)產(chǎn)品標準無具體規(guī)定、優(yōu)先采用R2R2、R4R4或或R7R7試樣尺寸試樣尺寸 試樣總長度取決于夾持方式，原則上試樣總長度取決于夾持方式，原則上L LL Lc c+4d+4d （2 2）矩形試樣）矩形試樣 對厚、薄板材，一般采用矩形試樣（通常為0.1025mm） 根據(jù)厚度，采用寬度為10mm、12.5mm、15mm、20mm、25mm、 30mm的六種試樣，比例試樣盡可能采用L0=5.65S01/2的短比例 試樣。 矩形試樣也可分為帶夾頭帶夾頭和不帶夾頭不帶夾頭的比例或定標距的兩種 矩形帶夾頭拉伸試樣圖矩形帶夾頭拉伸試樣圖 矩形帶夾頭拉伸試樣尺寸（矩形帶夾頭拉伸試樣尺

9、寸（mm） 若相關(guān)產(chǎn)品標準無具體規(guī)定，優(yōu)先采用短試樣式（比例系數(shù)若相關(guān)產(chǎn)品標準無具體規(guī)定，優(yōu)先采用短試樣式（比例系數(shù)k=5.65k=5.65）的比例試樣。若比例標）的比例試樣。若比例標 距小于距小于15mm15mm，建議采用非比例試樣，建議采用非比例試樣 矩形非比例試樣尺寸（矩形非比例試樣尺寸（mm） （3 3）管材試樣）管材試樣 管材試樣一般為自管材切取的全截面管段或從管材切取的全 壁厚縱向條狀試樣。 對于d小于等于50mm的無縫管及焊管，可切取全截面管段進行 試驗。對于d大于等于50mm的管可切取縱向弧形試樣，對于管 材壁厚大于等于8mm的，可制成縱向圓形試樣。 全截面管段拉伸式樣圖全截面

10、管段拉伸式樣圖 管材尺寸表（管材尺寸表（mmmm） 管材縱向弧形比例試樣及定標距試樣圖管材縱向弧形比例試樣及定標距試樣圖 管材縱向弧形試樣尺寸表（管材縱向弧形試樣尺寸表（mmmm） （4 4）直徑或厚度小于）直徑或厚度小于4mm4mm的線材、棒材和型材試樣的線材、棒材和型材試樣 b 極限載荷點 e 彈性極限點 S 屈服點 K 斷裂點 力伸長曲線 0 S F 0 l l 材料的拉伸曲線材料的拉伸曲線 1 1、oeoe段段：直線、彈性變形：直線、彈性變形 2 2、eses段段：曲線、彈性變形：曲線、彈性變形+ +塑性變形塑性變形 5 5、b b點點出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即試樣局部

11、截面明顯縮小試樣承載能力降低，截面明顯縮小試樣承載能力降低， 拉伸力達到最大值，而后降低，但拉伸力達到最大值，而后降低，但 變形量增大，變形量增大，K K點時試樣發(fā)生斷裂。點時試樣發(fā)生斷裂。 3 3、s ss s段段：水平線（略有波動）：水平線（略有波動） 明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用明顯的塑性變形屈服現(xiàn)象，作用 的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。的力基本不變，試樣連續(xù)伸長。 4 4、sbsb曲線曲線：均勻塑性變形，出現(xiàn)加：均勻塑性變形，出現(xiàn)加 工硬化。工硬化。 o k b F e s l s F e F b F s 表征材料強度的三個主要指標 材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。材料在外力

12、作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。 （1 1） 彈性極限彈性極限（ e e） 指指金屬金屬材料材料能保持彈性變形的最大應力。能保持彈性變形的最大應力。 e e =F =Fe e/S/S0 0 （MPaMPa） 它表征了材料抵抗彈性變形的能力。 （2 2） 屈服強度屈服強度（S） 指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的指材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的最小最小應力。應力。 S S =Fs/S =Fs/S0 0 （MPaMPa） 它表征了材料抵抗微量塑性變形的能力。 當材料單位面積上所受的 應力 e es s 時，材料將產(chǎn)生明顯的塑 性變形。 條件屈服強度: 0.2=F 0.2/S0 （MPa）

13、屈服強度屈服強度 是塑性材料選材和評定的依據(jù)。是塑性材料選材和評定的依據(jù)。 2 . 0 s 0.2%l0 2 . 0 F b k F e s l 對于低塑性材料或脆性材料：對于低塑性材料或脆性材料： b =Fb/S0 （MPa） （3 3）抗拉強度）抗拉強度（b ） 抗拉強度是材料在拉斷前承受最大載荷時的應力?？估瓘姸仁遣牧显诶瓟嗲俺惺茏畲筝d荷時的應力。 它表征了材料在拉伸條件下所能承受的最大應力。 抗拉強度抗拉強度 是脆性材料選材的依據(jù)。是脆性材料選材的依據(jù)。 物理意義是在于它反映了最大均勻變形的抗力 屈服強度與抗拉強度的比值 S S / b稱為屈強比。 屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即

14、使外載荷或某些 意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但若屈強比過 小，則材料強度的有效利用率太低。 在彈性階段： 材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力稱為剛度。 比例系數(shù)比例系數(shù)E 稱為彈性模量，它反映材料對彈性變形稱為彈性模量，它反映材料對彈性變形 的抗力，代表材料的的抗力，代表材料的“剛度剛度” 。 lF E E所以： E 材料抵抗彈性變形的能力越大。材料抵抗彈性變形的能力越大。 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而彈性模量的大小主要取決于材料的本性，隨溫度升高而 逐漸降低。逐漸降低。 3.剛度剛度 2. 2. 塑性塑性 常用常用 和

15、和 作為衡量塑性的指標。作為衡量塑性的指標。 伸長率： 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不引起破壞的能力。 斷面收縮率: %100 0 0 l llk %100 0 0 s ss k F 0 d 0 l k l F L k d 良好的塑性是金屬材料進行 塑性加工的必要條件。 硬度 定義：材料抵抗表面局部彈塑性變形的 能力。 1)布氏硬度HB )( 2 102. 0/ 22 dDDD F SFHB 布氏硬度計布氏硬度計 （利用壓入法測量）（利用壓入法測量） 壓頭為淬火鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適 用于布氏硬度值在450以下的材料。 壓頭為

16、硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布 氏硬度在650以下的材料。 l120HBS10/1000/30 表表示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf 載荷作用下保持載荷作用下保持30s測得的布氏硬度測得的布氏硬度 值為值為120。 布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕 表示方法：表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t 布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及 比壓頭還硬的材料。 應用：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵 及有色金屬的硬度。 材料的 b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系： 對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼： b(MPa)3.4H

17、B 對于鑄鐵： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40) 2) 洛氏硬度 h1-h0 洛氏硬度計洛氏硬度計 洛氏硬度用符號HR表示，HR=C-h/0.002 根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺 為A、B、C。 頂角頂角 120 金鋼石金鋼石 圓錐圓錐 或直徑或直徑 1.588 mm的的 淬火鋼淬火鋼 球球 壓壓 頭頭 淬火鋼球時淬火鋼球時C=100，金鋼石時，金鋼石時C130 符號HR前面的數(shù)字為硬度值， 后面為使用的標尺。 lHRA金鋼石圓錐金鋼石圓錐壓頭壓頭：用于測量高硬用于測量高硬 度材料度材料, 如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。

18、lHRB淬火鋼球壓頭：淬火鋼球壓頭：用于測量低硬度用于測量低硬度 材料材料, 如有色金屬和退火、正火鋼等。如有色金屬和退火、正火鋼等。 lHRC金鋼石圓錐壓頭：金鋼石圓錐壓頭：用于測量中等硬用于測量中等硬 度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。 l洛氏硬度的優(yōu)點：洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，操作簡便，壓痕小， 適用范圍廣。適用范圍廣。 l缺點：缺點：測量結(jié)果分散度大。測量結(jié)果分散度大。 鋼球壓頭與鋼球壓頭與 金剛石壓頭金剛石壓頭 洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕 3) 維氏硬度 維氏硬度維氏硬度 計計 維氏硬度試驗原維氏硬度試驗原 理理 維氏硬度壓維氏硬度壓 痕痕 HV0.1891*F/d2 維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的 數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。 640HV300/20 維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度計小負荷維氏硬度計 顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計 1 1沖擊韌沖擊韌度（沖擊韌度（沖擊韌 性）性） A AK KU U = =mgmg（H H1 1 H H2 2）（）（J J）沖擊功）沖擊功 = = A AK KU U/S /S （J/cmJ/cm2 2）沖擊韌度值）沖擊韌度值 材