力學(xué)性能講義

1、專業(yè)實驗（ 1）八：金屬材料拉伸實驗講義一、金屬拉伸實驗?zāi)康慕饘倭W(xué)性能是承受外載荷而不發(fā)生失效的能力，力學(xué)性能的判據(jù)是表征和判定金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)，而其高低表征材料抵抗外力作用的能力水平，是評定金屬測量質(zhì)量的重要依據(jù)。金屬拉伸實驗是金屬材料力學(xué)性能測試中最重要的方法之一。通過拉伸實驗，可以測定材料的強(qiáng)度和彈性、塑性參數(shù)，為材料評價和選材提供了依據(jù)。同時熟練掌握電子萬能材料實驗機(jī)的使用和操作，幫助進(jìn)一步理解金屬材料的強(qiáng)度及彈性塑性性能參數(shù)的含義及測試方法。二、預(yù)習(xí)要求要求學(xué)生實驗前，認(rèn)真閱讀實驗講義以及相關(guān)參考資料，認(rèn)真撰寫預(yù)習(xí)報告。預(yù)習(xí)報告不合格的學(xué)生不允許參與實驗。三、實驗所需儀

2、器設(shè)備萬能材料試驗機(jī)四、金屬拉伸試驗原理單向拉伸試驗是研究材料機(jī)械性能最基本、應(yīng)用最廣泛的試驗。由于試驗方法簡單且易于得到較可靠的試驗數(shù)據(jù)，一般工廠中都廣泛利用其試驗結(jié)果來檢驗材料的機(jī)械性能。試驗提供的彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、斷裂總伸長率和斷面收縮率等指標(biāo)是評定材質(zhì)和進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計算的重要依據(jù)。金屬材料出廠時一般都要提供上述指標(biāo)以供使用和參考。進(jìn)行單向拉伸試驗時，外力必須通過試樣軸線以確保材料處于單向應(yīng)力狀態(tài)。一般試驗機(jī)都能自動繪制 F L 曲線。 F L 形象地體現(xiàn)了材料的變形特點以及各階段受力和變形的關(guān)系。但是 F L 曲線的定量關(guān)系不僅取決于材質(zhì)而且受試樣幾何尺寸的影響。因此，拉

3、伸圖往往用名義應(yīng)力應(yīng)變曲線即 曲線來表示：F試樣的名義應(yīng)力S0L試樣的名義應(yīng)變S 和 LL0L 曲線相似，分別代表試樣初始條件下的面積和標(biāo)距。 曲線與 F00但消除了幾何尺寸的影響，因此能代表材料的屬性。單向拉伸條件下的一些機(jī)械性能指標(biāo)就是在 曲線上定義的。如果試驗?zāi)芴峁┮粭l精確的拉伸圖，那么單向拉伸條件下的主要力性指標(biāo)就可精確地測定。圖 1 ：兩種典型材料的 曲線（左邊是低碳鋼，右邊是鑄鐵）55不同性質(zhì)的材料拉伸過程不同，其 曲線也存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是性質(zhì)截然不同的兩種典型材料，它們的拉伸曲線在工程材料中具有典型意義，掌握它們的拉伸過程和破壞特點有助于正確合理地認(rèn)識和選用材料。低碳鋼

4、具有良好的塑性，由其 曲線（圖 1）可以看出，低碳鋼斷裂前明顯分為四個階段：彈性階段（ OA）：試驗的變形是彈性的。在這個范圍內(nèi)卸載，試驗仍恢復(fù)原來的尺寸，沒有任何殘余變形。習(xí)慣上認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檎汝P(guān)系，即：E（ 1）比例系數(shù) E 代表直線 OA的斜率，稱作材料的彈性模量。屈服（流動）階段（ AB）： 曲線上出現(xiàn)明顯的屈服點。這表明材料暫時喪失抵抗繼續(xù)變形的能力。這時，應(yīng)力基本上不變化，而變形迅速增長。從屈服階段開始，材料的變形包括彈性和塑性兩部分。在這個范圍內(nèi)卸載，試驗的彈性變形部分可以恢復(fù)，但塑性形變卻已永久發(fā)生，無法恢復(fù)。強(qiáng)化階段（ BC）：屈服階段結(jié)束

5、后， 曲線又開始上升，材料恢復(fù)了對繼續(xù)變形的抵抗能力，這表明材料要繼續(xù)變形，載荷就必須不斷增長。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永久保留下來，強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行。但重新加載后，材料的彈性階段加長、屈服強(qiáng)度明顯提高，而塑性卻相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象叫做形變強(qiáng)化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質(zhì)之一。塑性變形和形變強(qiáng)化二者聯(lián)合，是強(qiáng)化金屬的重要手段。強(qiáng)化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形的增長，試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。C 點是 曲線的最高點，定義為材料的強(qiáng)度極限，又稱作抗拉強(qiáng)度（Rm），是材料均勻塑性變形的最大抗力，是材料進(jìn)入頸縮階段的標(biāo)志。頸縮

6、階段（ CD）：應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后，塑性變形開始在局部進(jìn)行。局部截面急劇收縮，承載面積急劇減少，試樣承受的載荷很快下降，直至斷裂。斷裂時，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在破斷的試樣上。材料的塑性通常用試樣斷裂后的殘余變形來衡量。單拉時的塑性指標(biāo)用斷后伸長率A和斷面收縮率Z 來表示。工程上通常認(rèn)為，材料的斷后伸長率A>5% 時屬于韌斷，而A<5% 則屬于脆斷。韌斷的特征是斷裂前有較大的宏觀塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀組織。低碳鋼斷裂時有很大的塑性變形，斷口為杯狀，周邊為45 度的剪切唇，斷口組織為暗灰色纖維狀，因此是一種典型的韌性斷口。如圖2（ b）、（ c）、（ f ）所示

7、。圖 2 ：典型材料的拉伸破壞斷口（ a）平面結(jié)晶狀斷口；（ b）（ c）杯狀斷口；（ d）“星”狀斷口；（ e）不規(guī)則韌狀斷口；（ f ）板試樣杯狀斷口鑄鐵是典型的脆性材料， 曲線如圖 1 所示。其拉伸過程較低碳鋼簡單，可近似認(rèn)為是經(jīng)彈性階段直接過渡到斷裂。其破壞斷口沿橫截面方向，說明鑄鐵的斷裂是由拉應(yīng)力引起的，其強(qiáng)度指標(biāo)只有抗拉強(qiáng)度（對有些沒有屈服段的材料，也可由規(guī)定非比例伸長應(yīng)力作為強(qiáng)度指標(biāo)，如以0.2 的塑性變形Rp0.2 來代表屈服強(qiáng)度）。由 曲線可見，56鑄鐵的斷后伸長率很小，所以鑄鐵常在沒有任何預(yù)兆的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類材料若使用不當(dāng)，極易發(fā)生事故。鑄鐵斷口與正應(yīng)力方向垂

8、直，斷口平齊為閃光的結(jié)晶狀組織（圖 2a），是一種典型的脆性斷口。多數(shù)工程材料的拉伸曲線介于低碳鋼和鑄鐵之間，常常只有兩個或三個階段（圖 3）。但強(qiáng)度、彈性塑性指標(biāo)的定義和測量方法基本相同。所以，通過拉伸破壞試驗，分析比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸過程、確定其機(jī)械性能，在機(jī)械性能試驗研究中具有典型意義。圖 3 ：不同類型材料的拉伸圖根據(jù)GB/T 228 2002 金屬材料室溫拉伸試驗方法的規(guī)定，對一定形狀的試樣施加軸向力F 拉至斷裂，便可測出表征金屬材料的彈性模量（E）、物理屈服性能指標(biāo)（上屈服點ReH、下屈服點ReL）、規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力指標(biāo)（規(guī)定非比例伸長應(yīng)力RP、規(guī)定總伸長應(yīng)力Rt 、規(guī)定殘余

9、伸長應(yīng)力Rr ）、強(qiáng)度性能指標(biāo)（抗拉強(qiáng)度Rm）及塑性性能指標(biāo)（斷后伸長率A、屈服點伸長率Ae、最大力下的總伸長率Agt 、最大力下的非比例伸長率Ag 和斷面收縮率 Z）。這些性能指標(biāo)的工程定義及測試方法如下。（一）彈性模量材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律，彈性模量就是材料在比例極限內(nèi)（彈性范圍內(nèi)）應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率。表達(dá)式如下：EFL 0（2）S L計算機(jī)能自動算出樣品的彈性模量。同時，我們也可以根據(jù)拉伸圖或應(yīng)力應(yīng)變曲線計算。方法是：將曲線彈性段在屈服載荷 10 80%之間的部分平分為 n 段（ n 5），在相鄰兩點之間用（式 3）計算 Ei 。E i(P ) i l 0（ i

10、=1 n-1 ） （ 3）S 0 ( l ) i最后n1E ii1E in1（ 4）（二） 物理屈服性能指標(biāo)具有物理屈服性能的金屬材料，其拉伸曲線的類型如圖4 所示。據(jù)此，可對各項物理屈服性能指標(biāo)作如下定義：上（下）屈服強(qiáng)度：試樣在拉伸過程中，伸長顯著，而實驗力基本不變。此時，樣品進(jìn)入屈服階段。其拉伸曲線如圖4-d所示。大部分情況下，在屈服過程中實驗力發(fā)生下降（圖 1a、 b、 c），分別用上、下屈服點來區(qū)分。圖4 是不同類型屈服曲線的上、下屈服強(qiáng)度的定義。（三） 規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力指標(biāo)57按照測試方法的不同，規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力可分為“規(guī)定非比例伸長應(yīng)力”、“規(guī)定殘余伸長應(yīng)力”和“規(guī)定總伸

11、長應(yīng)力”。圖 5 表示了樣品在最大力以及斷裂時的各項伸長的定義。圖 4 ：不同類型曲線的上、下屈服強(qiáng)度的定義圖 5 ：試樣伸長的定義規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP：試樣標(biāo)距部分的非比例伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力。所謂非比例伸長是指超出實驗力與伸長成正比范圍以外的伸長，其定義如圖6 所示。如RP0.2 表示規(guī)定非比例伸長率為0.2%時的應(yīng)力，對于沒有屈服點的材料，可以用RP0.2來表示屈服應(yīng)力，稱為名義屈服應(yīng)力。規(guī)定殘余強(qiáng)度Rr ：試樣卸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力，其定義如圖7 所示。與上述相同，Rr 0.2 表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應(yīng)力。58規(guī)定總延伸

12、強(qiáng)度R ：試樣標(biāo)距部分的總伸長（包括比例伸長和非比例伸長）達(dá)到規(guī)定t的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力，其定義如圖8 所示。下面只簡述規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度RP 的測定。在拉伸過程中自動記錄繪制具有足夠放大倍數(shù)的力伸長曲線圖（見圖9）。曲線高度應(yīng)使規(guī)定非比例伸長的力值F 處于力軸量程P的 1/2 以上。放大倍數(shù)n 的選擇應(yīng)使圖中OC段長度不小于 5mm。在曲線圖上，自原點O 起在伸長軸上截取一相應(yīng)于規(guī)定非比例伸長的OC段。過 C 點做彈性直線段的平行線CA，交曲線于 A 點， A 點所對應(yīng)的力值FP即所測定的非比例伸長力值。按（式5）計算出 RP：R PF P（ 5）S 0圖 6 ：規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（Rp

13、 ）圖 7：規(guī)定殘余強(qiáng)度（Rr ）圖 8 ：規(guī)定總伸長強(qiáng)度（ Rt ）圖 9 ：測定 Rp 的方法a)力伸長曲線b)力夾頭位移曲線在生產(chǎn)檢驗中允許繪制力夾頭位移曲線圖（見圖9b）測定非比例延伸超過0.2%的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度。位移放大倍數(shù)的選擇應(yīng)使圖中OC段的長度不小于 5mm。（四） 抗拉強(qiáng)度 Rm抗拉強(qiáng)度為試樣拉段過程中最大實驗力所對應(yīng)的應(yīng)力。從拉伸曲線上的最高點可確定實驗過程中的最大力 F （見圖 10）。抗拉強(qiáng)度R 按（式 6）計算：mmR mF m（ 6）S 059圖 10 ：測定 Rm的圖解法（五）塑性性能指標(biāo)塑性性能指標(biāo)主要是“斷后延伸率A”和“斷后收縮率Z”。對某些金屬材料（如

14、沖壓用鋼板），往往還需要測定“屈服點伸長率Ae”、“最大試驗力下的總伸長率Agt ”及“最大試驗力下的非比例伸長率Ag”。這些指標(biāo)的定義如下：斷后伸長率A試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。圖 11 ：伸長率的定義及圖解測量法a) 屈服點伸長率b)最大試驗力下的總伸長率和非比例伸長率屈服點伸長率 Ae試樣從開始屈服至屈服階段結(jié)束（加工硬化開始）之間標(biāo)距的伸長 OF（見圖 11 a）與原始標(biāo)距的百分比。最大試驗力下的非比例伸長率Ag試樣拉到最大力時，標(biāo)距的非比例伸長OJ（見圖11-b ）與原始標(biāo)距的百分比。最大試驗力下的總伸長率Agt試樣拉至最大試驗力時，標(biāo)距的總伸長OI（見圖 11-b）

15、與原始標(biāo)距的百分比。斷面收縮率 Z試樣拉斷后，頸縮處橫截面積的最大減縮量與原始橫截面積的百分比。下面簡要介紹斷后伸長率A 和斷面收縮率 Z 的測定方法：（ 1）斷后伸長率A 的測定A是在試樣拉斷后測定的。將試樣斷裂部分在斷裂出緊密對接起來，盡量使其軸線位于一直線上，測出試樣斷裂后標(biāo)距間的長度Lu，則斷后伸長率的計算式為：AL uL 0100 %（ 10）L 0由于試樣斷裂位置對A 的大小有影響，其中以斷在正中的試樣伸長率最大。因此，斷后標(biāo)距 L1 的測量方法根據(jù)斷裂位置不同而異，有如下兩種：L /31) 直測法。如斷裂處到最鄰近標(biāo)距端點的距離大于時，可直接測量標(biāo)距兩端0點間的距離。2) 移位法

16、。如斷裂處到最鄰近標(biāo)距端點的距離小于或等于L /3 時，則用移位法將0斷裂處移至試樣中部來測量。其方法如圖12 所示。60在斷裂試樣的長度上從斷裂處O取基本等于短段格數(shù)，得B 點（ OB近似等于OA）。接著取等于長度所余格數(shù)（偶數(shù)，圖12 a）的一半得C 點，或取所余格數(shù)（基數(shù)，圖12-b）分別減1 與加 1 的一半得C 和 C1 點。位移后的L1 分別為 2AO+OB+2BC和 AO+OB+BC+BC1。圖 12 ：用位移法測量Lua)余格為偶數(shù)b)余格為基數(shù)圖 13 ：矩形試樣Su 的測量方法（ 2）斷面收縮率Z的測定 Z也是在試樣斷裂后測定的。只要測出頸縮處最小截面積 Su，則可按式（

17、7）算出 Z 值：ZS 0S u100 %（ 7）S 0S 的確定方法，對于圓形試樣，在頸縮最小處兩個相互垂直的方向上測量其直徑，用u兩者的算數(shù)平均值計算出Su；對于矩形試樣，則用頸縮處的最大寬度b1 乘以最小厚度a1 求得，見圖 13。五、 實驗樣品1)試樣材料低碳鋼、鑄鐵、鋁合金等。2)試樣形狀和尺寸根據(jù)金屬制品的品種、規(guī)格及試驗?zāi)康牡牟煌?，可將材料加工成橫截面為圓形、矩形或異形拉伸試樣，以及不經(jīng)過加工的全截面形狀的試樣。其中以圓形及矩形試樣最常用。這兩種試樣的形狀及表面粗糙度如圖 11 a 及 11b 所示，圖中 Lc 為平行部分長度。根據(jù)拉伸試樣標(biāo)距長度L0 與橫截面積0 之間關(guān)系，可

18、分為比例標(biāo)距試樣和定標(biāo)距試樣S兩種。比例標(biāo)距試樣的標(biāo)距是按公式L0kS0 計算而得，系數(shù)k 通常取 5.65或 11.3（優(yōu)先取5.65 ）。前者稱為短試樣，后者稱為長試樣。短、長比例標(biāo)距試樣的標(biāo)距長度L0分別等于5d0 或 5.65 S 及 10d0或 11.3S 。定標(biāo)距試樣的原始標(biāo)距L0 與原始橫截面積000 或直徑 d0 之間不存在上述比例關(guān)系。SA 和 A 表示。定標(biāo)距試樣的斷后伸長短、長比例標(biāo)距試樣的斷后伸長率分別以符號11.3率應(yīng)附以該標(biāo)距數(shù)值的角注。例如L0 50mm或 100mm，則分別以符號A50mm或 A100mm表示。3)試樣加工的要求切取試樣毛坯和加工時，應(yīng)嚴(yán)防冷、熱

19、加工對金屬力學(xué)性能的影響。表面有顯著橫向刀痕或磨損、機(jī)械損傷、有明顯淬火變形或裂紋以及肉眼可見的冶金缺陷的試樣，均不允許用于試驗。61圖 6 ：拉伸試樣的形狀及對表面粗糙度的要求a)圓形試樣b)矩形試樣4)試樣尺寸的測量圓形試樣橫界面的直徑及矩形試樣橫界面的厚度及寬度應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處進(jìn)行測量。選用三處測得的最小值計算拉伸性能指標(biāo)（但在計算彈性模量時，應(yīng)采用平均截面積）。測量試樣尺寸的量具，當(dāng)橫界面尺寸大于210mm時，其最小刻度值應(yīng)為 0.01mm；當(dāng)橫界面尺寸大于 10mm時，其最小刻度值可為 0.05mm。原始橫截面積的計算值應(yīng)修約到三位有效數(shù)字。試樣的原始標(biāo)距可用兩個或一系列等分的

20、小沖點或細(xì)劃線標(biāo)出，應(yīng)精確到標(biāo)稱標(biāo)距的0.5 。六、實驗方法和步驟（ 1） 試樣的準(zhǔn)備1) 了解試樣的材料與熱處理狀態(tài)，并在試樣兩頭端部打上標(biāo)號。2) 用游標(biāo)卡尺或千分尺測量試樣橫界面尺寸。3) 在試樣上標(biāo)出原始標(biāo)距，并將試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的部分均分為10 等分，輕輕打上標(biāo)點。（ 2） 試驗設(shè)備和儀器的準(zhǔn)備1) 了解電子萬能材料試驗機(jī)的構(gòu)造原理、特性和基本參數(shù)。學(xué)習(xí)操作過程和安全事項，掌握操作方法。2) 學(xué)習(xí)電腦控制系統(tǒng)的操作步驟、參數(shù)選擇、圖形處理及打印等。（ 3） 試驗步驟1) 選擇夾頭，將試樣夾持在上下夾頭之間，并使之保持豎直。2) 裝上引伸計。注意引伸計應(yīng)夾在有效的標(biāo)距范圍之內(nèi)。3) 調(diào)整電腦控制系統(tǒng)中各參數(shù)。4) 開啟試驗機(jī)，電腦自動繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線，并計算所需參數(shù)。5) 根據(jù)電腦繪制的曲線圖，手工