壓縮彎曲及剪切試驗新

壓縮彎曲及剪切試驗新第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月與拉伸試驗相比

壓縮試驗有下述特點：單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)α=2。因此，通常適用于脆性材料和低塑性材料，以顯示其在拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲試驗時所不能反映的材料在韌性狀態(tài)下的力學(xué)行為。特別是拉伸時呈脆性的材料，是比較其塑性的較好方法。

塑性較好的材料只能被壓扁，一般不會破壞。

第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

脆性材料壓縮破壞的形式有剪壞和拉壞兩種。剪壞的斷裂面與底面約呈45°角；拉壞是由于試樣的纖維組織與壓應(yīng)力方向一致，橫向纖維伸長超過一定限度而破壞。壓縮試驗時，試樣端面存在很大的摩擦力，這將阻礙試樣端面的橫向變形，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。試樣高徑比越小，端面摩擦力對試驗結(jié)果的影響越大，為了減小其影響，可適當(dāng)提高高徑比第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.試樣壓縮試驗用試樣有圓柱體、正方形柱體、矩形板和帶凸耳狀試樣四種形式，其中圓柱體試樣、正方形柱體試樣是兩種常用的側(cè)向無約束試樣，其尺寸見圖1。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月試樣長度由試驗?zāi)康拇_定：L=（2.5~3.5）d0的試樣適用于測定規(guī)定非比例壓縮強度Rpc、規(guī)定總壓縮強度Rtc、壓縮上屈服強度ReHc和下屈服強度ReLc及抗壓強度Rmc；L=（5~8）d0的試樣適用于測定規(guī)定非比例壓縮強度Rpc0.01、壓縮彈性模量Ec；L=（1~2）d0的試樣僅適用于測定抗壓強度Rmc。

試樣應(yīng)平直，棱邊應(yīng)無毛刺、無倒角，在切取樣坯和機加工試樣時，應(yīng)防止因冷加工或熱影響而改變材料的性能。

第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3.試驗設(shè)備

（1）試驗機：壓縮試驗可在萬能材料試驗機或壓力試驗機上進行。a.試驗機臺板與壓頭壓試樣表面應(yīng)平行，平行度不低于1∶0.0002。b.試驗過程中，壓頭與臺板間不應(yīng)有側(cè)向相對位移和振動，如不滿足上述要求，應(yīng)加配力導(dǎo)向裝置，硬度較高的試樣兩端應(yīng)墊以合適的硬質(zhì)材料做成的墊板，試驗后，板面不應(yīng)有永久變形，墊板兩面的平行度不低于1∶0.0002，表面粗糙度不高于Ra0.8。c.試驗機應(yīng)備有調(diào)速指示裝置。d.試驗機應(yīng)備有放大和記錄力及變形的裝置。試驗機應(yīng)定期由計量部門進行檢驗。

第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）引伸計：引伸計應(yīng)進行標(biāo)定（GB/T12160-2002單軸試驗用引伸計的標(biāo)定），標(biāo)定時的工作狀態(tài)應(yīng)盡可能與試驗工作狀態(tài)相同，并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行分級。根據(jù)測試目的選用相應(yīng)級別的引伸計：測定規(guī)定非比例壓縮強度Rpc、規(guī)定總壓縮強度Rtc、上屈服強度ReHc、下屈服強度ReLc應(yīng)使用不劣于1級準(zhǔn)確度的引伸計；測定壓縮彈性模量Ec和規(guī)定非比例壓縮應(yīng)變小于0.05％的規(guī)定非比例壓縮強度Rpc時，應(yīng)使用不劣于0.5級準(zhǔn)確度的引伸計。

（3）進行脆性材料的Rmc測定時應(yīng)有安全防護罩

第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月4.壓縮性能指標(biāo)的測定：

壓縮試驗時，在彈性范圍內(nèi)，試驗速度采用控制應(yīng)力速率的方法，其速率應(yīng)在1~10MPa·s-1范圍內(nèi)，在明顯塑性變形范圍，采用控制應(yīng)變速率方法，其速率應(yīng)在0.00005~0.0001s-1范圍內(nèi)。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）

規(guī)定非比例壓縮強度的測定：1）作圖法：用自動記錄方法繪制力—變形曲線，力軸每毫米所代表的力應(yīng)使所求的Fpc點處于力軸的二分之一以上，變形放大倍數(shù)的選擇應(yīng)保證圖2的OC段長度不小于5mm。在力—變形曲線上（見圖2）,自O(shè)點起，截取一段相當(dāng)于規(guī)定非比例變形的距離OC（εpc·L0·n），過C點作平行于彈性直線段的直線CA交曲線于A點，其對應(yīng)的力Fpc即為所求的規(guī)定非比例壓縮力，按公式（1）計算：

第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2）逐次逼近法：如果力—變形曲線無明顯彈性直線段，采用逐次逼近法測規(guī)定非比例壓縮強度。首先在曲線上直觀估計一點A0（見圖3），約為規(guī)定非比例壓縮應(yīng)變0.2%的力FA0，而后在微彎曲線上取G0、Q0兩點，其分別對應(yīng)的力0.1FA0、0.5FA0，作直線G0Q0，按上述方法過C點作平行于G0Q0的直線CA1交曲線于A1點，如A1與A0重合，則FA0即為Fpc0.2；如A1未與A0重合，則需采取與上述相同步驟進行第二次逼近，此時取A1對應(yīng)的FA1來分別確定0.1FA1、0.5FA1對應(yīng)的點G1、Q1，然后如前述過C作平行線來確定交點A2。重復(fù)相同步驟直至最后一次得到的交點與前一次的重合。第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)定總壓縮強度的測定：用作圖法測定規(guī)定總壓縮強度時，力軸按上節(jié)規(guī)定，變形放大倍數(shù)的選擇一般應(yīng)使總壓縮變形超過變形軸的二分之一以上。在力—變形曲線上（見圖4），自O(shè)點起在變形軸上取OD段（εtc·L0·n），過D點作與力軸平行的DM直線交曲線于M點，其對應(yīng)的力Ftc為所測的總壓縮力，按下式計算：第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）屈服強度測定：用力—變形作圖法測定，力軸按上節(jié)規(guī)定，變形放大倍數(shù)應(yīng)根據(jù)屈服階段的變形量來確定。在力—變形曲線圖上，見圖5。

判讀屈服階段力首次下降前的最大力FeHc、屈服平臺的恒定力最或不計初始瞬時效應(yīng)的最小力FeLc，按下式計算：

第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）抗壓強度的測定試樣壓至破壞，從力—變形曲線上確定最大壓縮力或從測力度盤上讀取最大力Fmc，按下式計算：

第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）壓縮彈性模量的測定用力—變形作圖法測定，力軸按上節(jié)規(guī)定，變形放大倍數(shù)應(yīng)大于500倍。在力—變形曲線上取彈性直線段上J、K兩點（圖4，點距應(yīng)盡可能長），讀出對應(yīng)的FJ、FK，變形ΔLJ、ΔLK。彈性模量按下式計算：

第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.性能數(shù)據(jù)處理及修約數(shù)字修約按下表進行，彈性模量值修約后至少保留兩位有效數(shù)字，應(yīng)力值按下表修約：

表1

N/mm2

范圍修約到≤2001＞200~10005＞100010第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二．彎曲試驗：

彎曲試驗也是生產(chǎn)上常用的一種試驗方法，主要用來測定脆性材料和低塑性材料在受彎曲載荷作用下的性能（強度與塑性），彎曲試驗與拉伸試驗相比，能明顯地顯示脆性材料和低塑性材料的塑性。1.彎曲試驗原理：試樣上的外力垂直于試樣軸線，并作用在縱向?qū)ΨQ面（通過試樣的軸線和截面對稱的平面）內(nèi)，試樣的軸線在縱向?qū)ΨQ面內(nèi)彎曲成一條平面曲線的彎曲變形，也稱平面彎曲。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

加載方法：彎曲試驗常用兩種加載方法：三點彎曲加載，見圖6；四點彎曲加載，見圖7。第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）彎曲試樣上的彎矩和剪力：見圖8。第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三點彎曲：彎矩剪力四點彎曲：彎矩剪力第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）彎曲正應(yīng)力與分布根據(jù)材料力學(xué)的變形假設(shè)，變形前后試樣的各橫截面都是平面，且與試樣軸線垂直。由此可推導(dǎo)出彎曲試樣橫截面上任一點正應(yīng)力按下式計算：

式中：M——彎矩，N·mm；y——橫截面上任一點到中性軸的距離，mm；I——

試樣橫截面對中性軸的慣性矩， 對圓截面試樣；

對矩形截面：

第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式可知，橫截面上的正應(yīng)力σ與彎矩、y成正比，與慣性矩I成反比；y為正值時受拉，y為負值時受壓，試樣最外層的正應(yīng)力最大（見圖9），其計算式：

式中：W——截面系數(shù)，mm3； 對于圓截面試樣:對于矩形截面試樣：第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

彎曲試驗通常只測定正應(yīng)力，為了減小切應(yīng)力對試驗結(jié)果的影響，彎曲試驗跨距Ls要取得足夠長，當(dāng)取Ls=16d（或16h）時，對三點彎曲，切應(yīng)力的影響小于5%。第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）撓度：試樣的彎曲在彈性范圍內(nèi)，忽略剪力的影響時，由材料力學(xué)可推導(dǎo)出三點彎曲的撓度計算公式，其最大撓度由下式計算：

第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）彎曲曲線（M-f曲線或F-f曲線）：試驗時，測定施加在試樣上的彎矩M（或F）及對應(yīng)的撓度f（試樣中點最大撓度處），然后將彎矩M（或F）與撓度f在直角坐標(biāo)系上用曲線表示出來，即為彎曲曲線，或自動記錄F-f曲線。見圖10。

第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.試樣彎曲試樣采用圓形截面試樣和矩形截面試樣兩類，試樣形狀、尺寸可根據(jù)材料及產(chǎn)品尺寸參照GB/T14452-1993中表2確定。

3.試驗設(shè)備（1）試驗機：1）

萬能試驗機、壓力機（達到1級精度）；2）

由國家計量部門定期進行檢定；3）應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)控制試驗速度，加卸力應(yīng)平穩(wěn)，無振動，無沖擊； 4)配備F-f曲線記錄裝置。第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）彎曲試驗裝置：三點彎曲和四點彎曲試驗裝置，見圖6、圖7。

（3）撓度計：應(yīng)根據(jù)所測的力學(xué)性能按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用相應(yīng)精度的撓度計。撓度計應(yīng)定期參照GB/T12160-2002《單軸試驗用引伸計的標(biāo)定》的規(guī)定進行標(biāo)定。（4）安全防護裝置第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月4.彎曲力學(xué)性能的測定（1）試驗條件：1）

試驗應(yīng)在室溫10~35℃下進行；2）

應(yīng)力速率應(yīng)控制在3~30MPa·s-1范圍內(nèi)；（2）規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力σpb的測定 規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力σpb通常采用圖 解法測定。第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三點彎曲試驗：

四點彎曲試驗：第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）規(guī)定殘余彎曲應(yīng)力σrb的測定試驗時，將試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，并對其施加相應(yīng)于預(yù)期σrb0.01的10%的預(yù)彎曲力F0，測量跨距中點的撓度，記取此時撓度計的讀數(shù)作為零點。對試樣連續(xù)或分級施加彎曲力，并將其卸除至預(yù)彎曲力F0，測量殘余撓度。反復(fù)遞增施力和卸力，直至測量的殘余撓度達到或稍超過規(guī)定殘余彎曲形變相應(yīng)的撓度。用線性內(nèi)插法按公式（17）求出相應(yīng)于規(guī)定殘余彎曲形變的彎曲力Frb。第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月式中的殘余撓度frb按公式計算： 三點彎曲試驗： 四點彎曲試驗：規(guī)定殘余彎曲應(yīng)力按公式計算： 三點彎曲試驗：

四點彎曲試驗：第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）抗彎強度σbb的測定

將試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，對試樣連續(xù)施加彎曲力，直至試樣斷裂。從試驗機測力度盤上或從記錄的彎曲力—撓度曲線上讀取最大彎曲力Fbb，按公式（22）或（23）計算抗彎強度σbb： 三點彎曲試驗： 四點彎曲試驗：

第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）斷裂撓度fbb的測定

將試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，撓度計裝在試樣中間的測量位置上，對試樣連續(xù)施加彎曲力，直至試驗斷裂，測量試樣斷裂瞬間跨距中點的撓度，此撓度即為斷裂撓度fbb。

（6）彎曲彈性模量Eb的測定

1）人工記錄法：將撓度計裝在試樣中間的測量位置上，試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，對試樣施加相當(dāng)于σpb0.01（或σrb0.01）10%以下的預(yù)彎曲力F0，并記錄此力和跨距中間的撓度，然后連續(xù)施加彎曲力，直至相應(yīng)于σpb0.01（或σrb0.01）的50%。記錄彎曲力增量ΔF和相應(yīng)的撓度增量Δf。按公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量Eb：

第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三點彎曲試驗：四點彎曲試驗：當(dāng)采用分級施加彎曲力時，按上述方法施加預(yù)彎曲力F0，從F0至相應(yīng)于σpb0.01（或σrb0.01）的50%的彎曲力范圍內(nèi)測定m（m≥5）對力和撓度的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)點應(yīng)盡量均勻分布。用最小二乘法將彎曲力和相應(yīng)的撓度數(shù)據(jù)擬合直線。按公式（26）計算該直線的斜率ΔF/Δf，然后將此斜率代入公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量。

第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2）圖解法：將試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，撓度計裝在試樣中間的測量位置上，對試樣連續(xù)施加彎曲力，同時采用自動方法連續(xù)記錄彎曲力—撓度曲線，直至超過相應(yīng)于σpb0.01（或σrb0.01）的彎曲力。記錄時，建議力軸比例和撓度軸放大倍數(shù)的選擇，宜使曲線彈性直線段與力軸的夾角不小于40度，彈性直線段的高度應(yīng)超過力軸量程的3/5。在記錄的曲線圖上，借助于直尺的直邊確定最佳彈性直線段。讀取該直線段的彎曲力增量ΔF和相應(yīng)的撓度增量Δf，見圖12。按公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量。

第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.試驗數(shù)值的修約性能范圍修約到Eb

≤150000MPa500MPa＞150000MPa1000MPaσpb，σbb

≤200MPa1MPa＞200~1000MPa5MPa＞1000MPa10MPafbb

0.1mm第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三.剪切試驗1.剪切試驗原理：

工程結(jié)構(gòu)件除承受拉力和壓力外，大多還承受剪切力的作用，有些情況剪切力還起著主要的作用。如蒸汽鍋爐、橋梁及飛機中的鉚釘，機件上的銷子等都是受剪切力的作用。因此在構(gòu)件的設(shè)計和制造時都必須考慮材料的剪切強度剪切試驗的特點是： 作用在試樣兩個側(cè)面的載荷，其合力為大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對力，見圖13，并使試樣兩部分沿著與合力作用線平行的受剪面發(fā)生錯動，剪切試驗實際上就是測定試樣剪切破壞時的最大錯動力，并根據(jù)公式計算出相應(yīng)的應(yīng)力，用τ表示，單位為N/mm2。

第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月剪切試驗一般分為單剪試驗、雙剪試驗、沖孔試驗、開縫剪切試驗和復(fù)合鋼板剪切試驗等

第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.試樣：

剪切試樣根據(jù)剪切試驗方法和夾具確定，常見的形式有：（1）圓柱形試樣：

試樣直徑和長度根據(jù)夾具確定，一般取直徑為5，10，15mm。（2）沖孔板狀試樣： 薄板不能做成圓柱形試樣時，可用沖孔剪切試樣，板狀試樣厚度一般小于5mm。 其他還有開縫式剪切試樣、復(fù)合鋼板剪切試樣以及實際零件剪切試樣等。

第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3.試驗設(shè)備及試驗裝置

（1）試驗機：1）各種類型的拉力、壓力或萬能試驗機并由國家計量部門定期進行檢定。2）試驗機應(yīng)能在規(guī)定速度范圍內(nèi)控制試驗速度。（2）剪切試驗裝置單剪試驗裝置

第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月雙剪試驗裝置，

第50頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月沖孔剪切試驗裝置

第51頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月4.剪切性能測定（1）試驗條件：1）室溫剪切試驗應(yīng)在10~35℃下進行。2）根據(jù)試樣的尺寸選擇適宜孔徑的試驗裝置。將試驗裝置安裝在試驗機上應(yīng)保證裝置的上下夾頭（或壓頭）中心線一致，不得偏心。3）室溫剪切試驗速度通常不大于15mm