金屬常規(guī)力學(xué)指標(biāo)測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)一 金屬常規(guī)力學(xué)指標(biāo)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握金屬材料常規(guī)力學(xué)指標(biāo)的測(cè)試方法。2、掌握各個(gè)常規(guī)力學(xué)指標(biāo)的作用及意義。3、了解各個(gè)指標(biāo)的相互關(guān)系。4、熟悉所用測(cè)試儀器及設(shè)備的原理和操作使用。二、實(shí)驗(yàn)方法及采用標(biāo)準(zhǔn)1、金屬拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-20102、金屬?zèng)_擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-20073、金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10128-2007三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算各個(gè)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。（一）金屬拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010 材料的彈性、強(qiáng)度、塑形、應(yīng)變硬化和韌性等許多重要的力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)稱為拉伸性能，它是材料的基本力學(xué)性能。拉伸實(shí)驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在靜

2、態(tài)軸向拉伸力不斷作用下以規(guī)定的拉伸速度拉至斷裂，并在拉伸過程中連接記錄力與伸長量，從而求出其強(qiáng)度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗(yàn)。（1）試驗(yàn)要求1) 原始標(biāo)距的標(biāo)記對(duì)于比例試樣，應(yīng)將原始標(biāo)距的計(jì)算值修約至最接近5mm的倍數(shù)，中間數(shù)值向較大一方修約。標(biāo)距的標(biāo)記應(yīng)精確到取值數(shù)值的1%。2) 原始橫截面積的測(cè)定圓形截面試樣應(yīng)在試樣工作段的兩斷及中間處兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處測(cè)得橫截面積中的最小值。表1 拉伸實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)直徑測(cè)量值直徑平均值標(biāo)距標(biāo)距修約橫截面積9.90mm9.97mm49.83mm50mm78.07mm210.00mm10.00mm（2） 拉伸性能的測(cè)定利

3、用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置得到力-位移關(guān)系曲線，如下：圖1 拉伸試驗(yàn)力-位移曲線1) 斷后伸長率測(cè)定為了測(cè)定斷后伸長率，應(yīng)將試樣斷裂的部分仔細(xì)地對(duì)接在一起使其軸線處于同一直線上，并采取特別措施確保試樣斷裂部分適當(dāng)接觸后測(cè)量試樣斷后標(biāo)距。按下式計(jì)算斷后伸長率A：式中：Lo原始標(biāo)距；Lu斷后標(biāo)距。應(yīng)使用分辨力足夠的量具或測(cè)量裝置測(cè)定斷后伸長量Lu- Lo，并精確到。2) 斷面收縮率的測(cè)定將試樣斷裂部分仔細(xì)地配接在一起，使其軸線處于同一直線上。斷裂后最小橫截面積的測(cè)定應(yīng)準(zhǔn)確到。原始橫截面積與斷后最小橫截面積之差除以原始橫截面積的百分率得到斷面收縮率，按下式計(jì)算：式中：So平行長度部分的原始橫截面積；Su斷后

4、最小橫截面積3) 抗拉強(qiáng)度的測(cè)定對(duì)于呈現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，從記錄的力-位移圖，讀取屈服階段之后的最大力。最大力除以原始橫截面積得到抗拉強(qiáng)度。4) 屈服強(qiáng)度的測(cè)定對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的材料，應(yīng)測(cè)定其上、下屈服強(qiáng)度。上、下屈服強(qiáng)度的判定采用以下基本原則：i. 屈服前的第一個(gè)峰值應(yīng)力為上屈服強(qiáng)度，不管其后的峰值應(yīng)力比它大或者比它小。ii. 屈服階段中如果呈現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的谷值應(yīng)力，舍去第一個(gè)谷值應(yīng)力不計(jì)，取谷值應(yīng)力中最小者判為下屈服強(qiáng)度。iii. 屈服階段中呈現(xiàn)屈服平臺(tái)，平臺(tái)應(yīng)力判為下屈服強(qiáng)度；如呈現(xiàn)多個(gè)而且后者高于前者的屈服平臺(tái)，判第一個(gè)平臺(tái)應(yīng)力為下屈服強(qiáng)度。iv. 正確的判定結(jié)果應(yīng)該是下屈服

5、強(qiáng)度低于上屈服強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)記錄力-位移曲線，從曲線圖讀取力首次下降前的最大力和不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)屈服階段中的最小力或屈服平臺(tái)的恒定力，將它們分別除以試樣原始橫截面積得到上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度：下屈服強(qiáng)度：（3）試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值的修約1) 強(qiáng)度性能值修約至1MPa。2) 屈服點(diǎn)延伸率修約至0.1%，其他延伸率和斷后伸長率修約至0.5%。3) 斷面收縮率修約至1%。（二）金屬材料沖擊試驗(yàn)方法 GB/T 229-2007（1）原理將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打擊試樣，測(cè)定試樣的吸收能量。（2）一般要求標(biāo)準(zhǔn)尺寸沖擊試樣長度為55mm，橫截面為10

6、mm×10mm方形截面。在試樣長度中間有V型或U型缺口，V型缺口應(yīng)有45°夾角，其深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm。U型缺口深度應(yīng)為2mm或5mm（除非另有規(guī)定），底部曲率半徑為1mm。（3）沖擊性能的測(cè)定1) 沖擊性能舊標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)常用沖擊吸收功和沖擊韌度來表示材料沖擊性能。沖擊吸收功Ak：規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功，單位為J。沖擊韌度k：沖擊試樣缺口底部單位橫截面積上的沖擊吸收功，單位J/cm2新標(biāo)準(zhǔn)中用吸收能量K來表示沖擊性能，指在沖擊試驗(yàn)中，由指針指示出的能量值。KU=41.0J KV=28.5J2) 剪切斷面率夏比沖擊試樣的斷口

7、表面常用剪切斷面率評(píng)定。剪切斷面率越高，材料韌性越好。大多數(shù)夏比沖擊試樣的斷口形貌為剪切和解理斷裂的混合狀態(tài)。通常使用以下方法測(cè)定剪切斷面率：測(cè)量斷口解理斷裂部分（即“閃亮”部分）的長度和寬度，查剪切斷面率百分比表確定剪切斷面率。圖2 沖擊試樣剪切斷面示意圖圖中：1剪切面積；2缺口；3解理面積注：測(cè)量A和B的平均尺寸應(yīng)精確至0.5mmU型：A=8.0mm B=6.0mm 剪切斷面率40%V型：A=8.5mm B=6.0mm 剪切斷面率36%（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果修約讀取每個(gè)試樣的沖擊吸收能量，應(yīng)至少估讀到0.5J或0.5個(gè)標(biāo)度單位（取兩者之間較小值）。試驗(yàn)結(jié)果至少應(yīng)保留兩位有效數(shù)字。（三）金屬材料扭轉(zhuǎn)

8、試驗(yàn)方法 GB/T 10128-2007（1）原理對(duì)試樣施加扭矩，測(cè)量扭矩及其相應(yīng)的扭角，一般扭至斷裂，以便測(cè)定本標(biāo)準(zhǔn)定義的一項(xiàng)或幾項(xiàng)扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能。（2）試樣尺寸測(cè)量圓柱形試樣應(yīng)在標(biāo)距兩端及中間處兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次直徑，并取其算術(shù)平均值，取用3處測(cè)得直徑的算術(shù)平均值計(jì)算試樣的極慣性矩；取用3處測(cè)得直徑的算術(shù)平均值中的最小值計(jì)算試樣的截面系數(shù)。表2 拉伸實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)直徑測(cè)量值直徑平均值標(biāo)距修約橫截面積10.00mm10.00mm50mm78.54mm210.00mm10.00mm（3）扭轉(zhuǎn)性能測(cè)定1) 利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置得到M-關(guān)系曲線，即扭轉(zhuǎn)圖，如下圖3 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)扭矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系圖2

9、) 確定材料的剪切模量G在所記錄曲線的彈性直線段上，讀取扭矩M和相應(yīng)的扭角3) 上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度的測(cè)定在M-曲線中，首次下降的最大扭矩為上屈服扭矩，屈服階段中不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩。i. 上屈服強(qiáng)度 ii. 下屈服強(qiáng)度 4) 抗扭強(qiáng)度的測(cè)定 （4）測(cè)得性能數(shù)字的求約扭轉(zhuǎn)性能范圍修約到G/（N/mm2）100（N/mm2）2001200-100051000102、斷口形貌圖 圖4 Q235拉伸破壞斷口形貌圖 圖5 Q235扭轉(zhuǎn)破壞斷口形貌圖 圖6 V型與U型沖擊破壞斷口形貌圖（左V右U）3、斷口形貌分析 金屬材料受到外力作用后,其內(nèi)部受脅能量升高,此時(shí),通過塑性變形來松弛降

10、低能量。當(dāng)金屬不能繼續(xù)塑性變形時(shí),若再增加應(yīng)力,它便以斷裂的形式徹底松弛。 零件斷裂后的自然表面稱為斷口,其結(jié)構(gòu)與外貌記錄了斷裂前裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和斷裂瞬間的信息。按斷口的形狀分為杯錐狀斷口和剪切滑移型斷口兩種。拉伸韌性斷裂的過程有:微孔形核、長大和聚合三個(gè)階段。光滑試樣在拉應(yīng)力作用下,局部出現(xiàn)“頸縮在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)且心部軸向應(yīng)力最大，致使試樣心部的夾雜物或第二相粒子破裂,形成微孔;隨著應(yīng)力的增大,微孔在縱向與橫向不斷增加和長大,聚合成微裂紋,方向垂直于拉應(yīng)力方向，最后，裂紋沿剪切面擴(kuò)展到試件表面，剪切面方向與拉伸軸線近似成45度。 斷口上呈現(xiàn)三個(gè)區(qū)域：纖維區(qū)，放射區(qū)及剪切唇。 裂紋

11、起源于纖維區(qū)，經(jīng)過快速擴(kuò)展形成放射區(qū)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到表面時(shí)形成了屬于韌性斷裂的剪切唇，最后形成杯錐狀端口。 纖維區(qū)位于斷裂的起始處，在斷口中央，與主應(yīng)力垂直，斷口上有顯微孔洞形成的鋸齒狀形貌。其底部的晶粒像纖維一樣被拉長。纖維區(qū)是裂紋緩慢擴(kuò)展的標(biāo)志，放射區(qū)是裂紋快速擴(kuò)展的表征，放射區(qū)有放射花樣，按其形貌可分為放射纖維和放射剪切兩種，每根放射花樣即為放射元，其放射方向與裂紋擴(kuò)展方向一致。剪切唇與放射區(qū)相毗鄰，表面光滑，與拉應(yīng)力方向成45度角，形狀如杯，是典型的剪切斷裂。這三個(gè)區(qū)所占整個(gè)斷面的比例，隨著加載速度，溫度及構(gòu)件的尺寸而變化。當(dāng)加載速度降低，溫度升高，構(gòu)件尺寸變小時(shí)，都會(huì)使纖維區(qū)和剪切唇區(qū)

12、增大。加載速度增大，放射區(qū)增大，塑性變形程度減小。構(gòu)件截面增大時(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的缺陷幾率增多，使得強(qiáng)度降低，塑性指標(biāo)也降低。4、按照材料標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行判定。四、思考題1、金屬拉伸性能指標(biāo)在工程中如何應(yīng)用？答案：拉伸性能指標(biāo)包括：斷后伸長率、斷裂總伸長率、最大力總伸長率、最大力非比例伸長率、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、拉伸楊氏模量、弦線模量、切線模量、泊松比。其中，斷后延伸率和斷面收縮率表征材料的延性，伸長率和收縮率越大，表示材料的延性越好。一般來說，延性越好的材料越有利于受力，安全儲(chǔ)備越大。屈服強(qiáng)度不僅具有直接使用的意義，在工程上，也是

13、材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量。例如，應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服強(qiáng)度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等?？估瓘?qiáng)度指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。當(dāng)鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶粒重新排列，其抵抗變形能力又重新提高，此時(shí)變形雖然發(fā)展很快，但卻只能隨著應(yīng)力的提高而提高，直至應(yīng)力達(dá)最大值。此后，鋼材抵抗變形的能力明顯降低，并在最薄弱處發(fā)生較大的塑性變形，此處試件截面迅速縮小，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直至斷裂破壞。鋼材受拉斷裂前的最大應(yīng)力值稱為強(qiáng)度極限或抗拉強(qiáng)度。拉伸楊氏模量的大小標(biāo)志著材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發(fā)生變形。弦線模量運(yùn)用于位移變形曲線中線曲線部分，弦線模量就是與位移變形曲線較

14、貼近的折線的斜率，是分段位移變形與分段拉力的比值，用折線代替曲線，可將變形模量的使用范圍延伸到極限載荷。切線模量就是屈服極限和強(qiáng)度極限之間的斜率，用于雙線性彈塑性模型來考慮材料的性能。工程上希望知道其相關(guān)模量，從而提出切線模量，是材料非彈性極限范圍內(nèi)的宏觀的模量的一種表述。根據(jù)定義可知，該模量為材料發(fā)生屈服以后的硬化模量，可以通過拉伸實(shí)驗(yàn)來確定的。它與彈性模量的比值稱為塑形系數(shù)，在各種結(jié)構(gòu)計(jì)算比如局部穩(wěn)定計(jì)算中會(huì)用到。研究材料在給定條件下的力學(xué)性能及變化規(guī)律，可用于設(shè)計(jì)、選材及研究工作中，為結(jié)構(gòu)件和零部件的設(shè)計(jì)提供材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，；同時(shí)，也為材料的成分選擇和熱處理工藝的指定提供依據(jù)，以便得

15、到強(qiáng)度、塑性和韌性相配合的綜合性能最佳的材料。2、金屬?zèng)_擊指標(biāo)在工程中如何應(yīng)用？答案：材料抵抗沖擊載荷的能力叫做沖擊性能。標(biāo)準(zhǔn)中，金屬?zèng)_擊指標(biāo)有沖擊吸收功（舊標(biāo)準(zhǔn)）、沖擊韌性（舊標(biāo)準(zhǔn)）、吸收能量（新標(biāo)準(zhǔn)），另外還有沖擊試樣端口、纖維斷面率、側(cè)膨脹值、晶狀斷面率、總沖擊能量、裂紋形成能量、裂紋擴(kuò)展能量、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展起始能量、不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展終止能量、最大力、屈服力等指標(biāo)來表征沖擊斷裂過程。沖擊吸收功是指規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗(yàn)力一次作用下折斷時(shí)所吸收的功。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，其實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向，是反映金屬材料對(duì)外來沖擊負(fù)荷的抵抗能力。

16、沖擊韌性值取決于材料及其狀態(tài)，同時(shí)與試樣的形狀、尺寸有很大關(guān)系。其值對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會(huì)使沖擊韌性值明顯降低；同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現(xiàn)出來的脆性越高。因此不同類型和尺寸的試樣，其沖擊韌性或沖擊功值不能直接比較。沖擊功對(duì)于檢查金屬材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化最為敏感，而實(shí)際服役條件下的災(zāi)難性破斷事故，往往與材料的沖擊功及服役溫 度有關(guān)。 因此在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中常常規(guī)定某一溫度時(shí)的沖擊功值為多少還規(guī)定FATT（斷口面積轉(zhuǎn)化溫度）要低于某一溫度的技術(shù)條件

17、。所謂FATT，即一組在不同溫度下的沖擊試樣沖斷后，對(duì)沖擊斷口進(jìn)行評(píng)定，當(dāng)脆性斷裂占總面積的50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。3、針對(duì)同一金屬，各個(gè)常規(guī)力學(xué)指標(biāo)有何相互聯(lián)系？答案：剪切模量、彈性模量、泊松比之間的關(guān)系：G=E/2(1+v)。斷面收縮率和延伸率的關(guān)系：金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大于百分之五的金屬材料稱為塑性材料（如低碳鋼等），而把延伸率小于百分之五的金屬材料稱為脆性材料（如灰口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑性變形的同時(shí)使金屬材料因塑性變形而強(qiáng)化，從而提高材料的強(qiáng)度，保證了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機(jī)械零件時(shí)，必須