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1、模块一 金属材料力学性能检测技术,1.3 金属硬度试验,1.2 金属扭转及弯曲试验,1.1 拉伸试验,1.4 金属冲击韧性试验,概述,金属材料在外力作用下所表现出的诸如强度、塑性、弹性等等力学特性称为材料的力学性能，而衡量金属材料力学性能的指标统称为力学（机械）性能指标，这些指标是通过实验来确定的。本章就依据国家标准来讨论这些指标的意义及测定方法。,1.1 金属材料拉伸试验,拉伸实验室是测定材料力学性能的最常用的一种方法。,按国标GB639786金属材料试验试样规定，拉伸试样分为比例试样和定标距试样两种。,一、拉伸试样,其中 为试样标距，为试样横截面面积，比例系数，一般取5.65或11.3，前
2、者称短试样，后者称长试样。,1、比例计算,（1）比例计算的标距和横截面面积之间存在如下比例关系，即,1.1 金属材料拉伸试验,1.1 金属材料拉伸试验,（3）圆截面试样的形状如图所示，它分为三个部分。,工作部分长度，一般不小于。,（2）对于圆截面试样，短长比例试样的标距分别取 和。,1.1 金属材料拉伸试验,定标距试样的原始标距与横截面间无比例关系，一般 取，。,2、定标距试样,1.1 金属材料拉伸试验,通常从产品、压制坯或铸锭切取样坯经机加工制成试样。但具有恒定横截面的产品(型材、棒材、线材等)和铸造试样(铸铁和铸造非铁合金)可以不经机加工而进行试验。取样部位、取样方向和取样数量是对材料性能
3、试验结果影响较大的3个因素，被称为取样三要素。,3、取样与制样,1.1 金属材料拉伸试验,二、引伸计,引伸计是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器直接和被测构件接触。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来。,1.1 金属材料拉伸试验,图1 千分表原理图,图2 拉杆式引伸计,1.1 金属材料拉伸试验,图4 电容式引伸计,图6电阻式引伸计,1.1 金属材料拉伸试验,图5 电感式引伸计,1.1 金属材料拉伸试验,正应力：,切应力：
4、,应力=F/S 应变=L/L,=S/S,1.1 金属材料拉伸试验,由于 而A0 l 均为常量，故两图形形状相同。,二、拉伸图及应力应变图,下图为低碳钢的拉伸图和应力应变图。,1.1 金属材料拉伸试验,具有物理屈服现象的金属材料，其拉伸曲线的类型有如下一些情况：,1.1 金属材料拉伸试验,1.1 金属材料拉伸试验,3）屈服极限：,各项强度指标定义如下：,5）断裂强度：,2）弹性极限：,1）比例极限：,4）强度极限：,各应力指标的定义及测试方法：,图解法,的测试方法：,定义：应力与应变成直线关系的最大应力值。,1、比例极限,1.1 金属材料拉伸试验,1.1 金属材料拉伸试验,2、弹性极限,定义：材
5、料由弹性变形过渡到弹性-塑性变形的应力。,的测试方法：试样卸力后，残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。这种应力是在卸力后测定的。国家标准规定以残余伸长为0.01%的应力作为规定的弹性极限。,无特殊要求的情况下，一般只测量屈服点或下屈服点。,3）下屈服点：,2）上屈服点：,1）屈 服 点：,4.2 金属材料拉伸时的力学性能,3、屈服极限,1.1 金属材料拉伸试验,1.1 金属材料拉伸试验,3、屈服极限,对于没有屈服现象的材料，规定产生0.2%残余应变的应力作为屈服强度，以 表示测量方法与弹性极限相似。,1.1 金属材料拉伸试验,4、强度极限（抗拉强度）,定义：曲线上最大应力为强度极限。标志
6、：出现颈缩现象。,1.1 金属材料拉伸试验,5、断裂强度,定义：试样拉断时的真实应力，表征材料对断裂 的抗力。,式中：试样断后标距长度（mm）,材料的塑性指标及其测定,：试样原始标距长度。,1）定义：试样拉断后，其标距部分的伸长与原始标距的百分比。,1、断后伸长率,1.1 金属材料拉伸试验,2、移位法。,1、直测法。,2）的测定方法,1.1 金属材料拉伸试验,(1）直接法：,当试样拉断处到标距端点的距离均大于1/3L0时，直接测量标距两端点之间的距离Lk。,(2)移位法,如果试样拉断处到标距端点的距离小于1/3L0时，应按国家标准的规定采用断口移中的办法，计算Lk长度。试验前要在试件标距内等分
7、划十个格子。试验后，将试件对接在一起，从断口为起点O，在长段上取基本等于短段的格数得B点。计算Lk方法如下：,当断口非常靠近试件两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一般认为试验结果无效，需要重新试验。同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大。,3）试样尺寸对 的影响说明,对于塑性材料，断裂前变形集中在缩颈处，距离断口位置越远，变形越小。因此，断口在标距间的位置对延伸率 是有影响的。也就是说试样断裂后的塑性变形 可分为两部分：,1、颈缩出现前的均匀伸长。,2、颈缩出现后的局部伸长。,其中 与原始的标距长度 有关；与原始横截面面积 有关。,1
8、.1 金属材料拉试验,1)的定义：试样拉断后，颈缩处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比。,2、断后收缩率,2）的测定,为试样断裂后，颈缩处最细部分的横截面面积。,式中：为试样原始横截面面积；,1.1 金属材料拉伸试验,拉伸试验机,拉伸试验一般在液压式万能试验机或电子式万能试验机上进行。WE系列液压式万能材料试验机是一种适用性强、用途广的试验机，系列规格有l00KN、300KN、600KN、1000KN，当然也有特殊规格，目前为一般力学实验室普遍配套使用。,油压式拉伸试验机,传感器式拉伸试验机,高温拉伸试验机,1.1 金属材料拉伸试验,金属扭转试验的特点：,扭转试验是金属力学性能试验
9、中的一种重要试验方法。对于某些承受切应力或扭转应力的零件如传动主轴、弹簧、钻杆等，具有重要的实际意义。扭转试验主要用于评价材料的塑性，尤其是在拉伸试验时呈脆性的材料，扭转试验是评价其塑性的最佳方法。圆柱形试样扭转时，试样从开始变形直至破坏，其长度和截面尺寸几乎保持不变。试样沿标距长度的塑性变形始终是均匀发生的，没有缩颈现象出现，因此，对于那些塑性好的材料用扭转试验方法可以精确地测定其应力和应变的关系。,1.2 金属材料扭转时的力学性能,扭转试验可以明显的区别材料的断裂方式是正断还是切断。能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。因此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和各种表面
10、强化工艺的效果。缺点：截面上的应力分布不均匀，表面处最大，越往心部越小，心部材料的缺陷不能很好体现.,扭转试验的特点1、特点（1）能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能。（2）长度方向，宏观上的塑性变形始终是均匀的。（3）能敏感地反映材料表面的性能（4）断口的特征最明显（正断、切断、层状断口等）,1.2 金属材料扭转时的力学性能,2、应力状态 纵向 受力均匀；横向 表面最大，心部为0；最大正应力与最大切应力相等。,应力状态软性系数 在三向应力状态下，最大切应力与最大正应力的比值称为应力状态软性系数，用 表示。,越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。反之，越小，表示应
11、力状态越硬，材料越容易产生脆性断裂。,不同的加载方式下材料具有不同的应力状态软性系数（v=0.25）,1.2 金属材料扭转时的力学性能,试样主要采用圆形截面，推荐直径 为，标距分别为、，平行长度 相应为、，若为其他尺寸的直径则。,一、扭转试件,2、扭转计,1、扭转试验机,二、实验设备,1.2 金属材料扭转时的力学性能,1、定义：试样扭转时，其标距部分外表面上的非比例剪应变达到规定数值 时，按弹性扭转公式计算的剪应力即为规定非比例扭转应力。例如：一般用 分别作为“条件扭转比例极限”和“扭转屈服强度”。,（）逐级加载法,（）图解法,、测试方法：,三、扭转力学性能测试,（一）规定非比例扭转应力的测定
12、,1.2 金属材料扭转时的力学性能,（）屈服点：在扭转曲线上出现屈服平台时对应的应力扭矩，按弹性扭转应力公式计算的切应力。,（二）扭转屈服性能指标,、定义：,1.2 金属材料扭转时的力学性能,1.2 金属材料扭转时的力学性能,（2）上屈服点：扭转曲线上首次发生下降的最大扭矩，按弹性扭转应力公式计算剪应力。,（3）下屈服点：扭转曲线上的屈服阶段中最小扭矩，按弹性扭转应力公式计算的剪应力。,2、测试方法,（2）指针法,（1）图解法,1.2 金属材料扭转时的力学性能,（三）扭转强度的测定,2、测定方法（按定义做即可）,1、定义：试样扭断前承受的最大扭矩，按弹性扭转公式计算的试样表面最大切应力。,1.
13、2 金属材料扭转时的力学性能,（四）最大非比例剪应变,1、定义：试样扭断时，其外表面上的最大非比例剪应变，即为最大非比例剪应变以 表示。,1.2金属材料扭转时的力学性能,公式中：为试样直径。,为试样标距范围的最大扭转角。,为试样,按公式：,（1）图解法,2、测定方法,1.2 金属材料扭转时的力学性能,1、定义：扭转时，剪应力与剪应变成线性比例关系范围内，剪应力 与剪应变 之比称为剪切弹性模量，以 表示。,（五）剪切弹性模量的测定,1.2 金属材料扭转时的力学性能,其中：为抗扭惯性矩,为扭转计标距。,按公式,（1）作图法,2、测试方法,（2）逐级加载法。,1.2 金属材料扭转时的力学性能,（六）
14、扭转性能数据的修改,1.2 金属材料扭转时的力学性能,金属弯曲试验及其工程意义,金属弯曲试验是将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，将材料试样围绕具有一定直径的弯心弯曲至规定的角度或不带弯心弯到两面接触(即弯曲180，弯心直径d=0)后，卸除试验力，检查试样承受变形的能力。试验一般在室温下进行，所以也常称为冷弯试验。,1.3 金属弯曲试验,它的目的有二：一是用于检定金属材料弯曲成一定形状和尺寸后的变形能力，二是显示其缺陷。记录弯曲力p和试样挠度f之间的关系,1.3 金属弯曲试验,一、金属弯曲力学性能试验特点,应力状态与静拉伸时的应力状态基本相同。弯曲试验不受试样偏斜的影响。弯曲试验不能使塑性
15、很好的材料破坏，不能测定其断裂弯曲强度。试样上表面应力最大，可以较灵敏地反映材料表面缺陷情况。,1.3 金属弯曲试验,进行弯曲试验时，将圆形或矩形及方形试样放置在一定跨距L的支座上，进行三点弯曲或四点弯曲试验，对于圆形、矩形横截面试样，一般每个试验点需试验3个试样；对于薄板试样，每个试验点至少试验6个试样，试验时，拱面向上和向下各试验3个试样。,1.3 金属弯曲试验,(a)三点弯曲加载(b)四点弯曲加载,二、金属弯曲力学性能的确定,通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线称为弯曲图，,铸铁的弯曲力F挠度f曲线,1.3 金属弯曲试验,试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力：M最大弯矩。对三
16、点弯曲 M=PL/4；对四点弯曲M=PK/2。W抗弯截面系数。对于直径为d的圆形试 样，；对于宽度为b，高为h的矩形试样，W=bh2/6计算脆性材料的抗弯强度：（Mb为断裂时的弯矩,读出Pbb）,1.抗弯强度bb,弯曲试验主要测定脆件或低塑性材料的抗弯强度。试样弯曲至断裂前达到的、按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力就是材料的抗弯强度,用符号bb表示。,1.3 金属弯曲试验,bb是铸铁的重要力学性能指标。灰铸铁的抗弯性能优于抗拉性能，球铁和可锻铸铁的bb比灰铸铁的大得多，如珠光体球铁的bb 为7001200MPa,为抗拉强度的1.61.9倍。,1.3 金属弯曲试验,2.断裂挠度fbb的测定
17、,将试样对称地安放于弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，对试样连续施加弯曲力，直至试验断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度，此挠度即为断裂挠度fbb。,1.3 金属弯曲试验,二、试 样,1.形状和尺寸弯曲试验试样的横截面形状可以为圆形、方形、矩形和多边形，但应参照相关产品标准或技术协议的规定。试样横截面尺寸应根据材料种类、特性和试验机能力确定。例 P25,在这个图中,标有橙色的部位进行取样称侧弯，兰色部位取样为面弯，它的底部为背弯.。,2.加工方法,室温下可用锯、铣、刨等加工方法截取，试样受试部位不允许有任何压痕和伤痕，棱边必须锉圆，其半径不应大于试样厚度的1/10。试样的端部应打印或用其他方法标记试样的代号。,1.试验装置,弯曲试验通常在万能材料试验机或压力机上进行，常用的弯曲装置有支辊式、V型模具式、虎钳式、板式、等，,2.试验过程,试样在两个支点上按一定弯心直径弯曲至两臂平行时，可一次完成试验，也可先弯曲至90，然后放置在试验机平板之间继续施加压力，压至试样两臂平行。,3.试验结果评定,金属弯曲试验结果应按照相关产品标准或技术协议的要求进行评定。如产品标准或技术协议无具体规定，一般在试验后检查试样弯曲部分的外面、里面和侧面，若弯曲处无裂纹、起层或断裂现象，即可认为弯曲性能合格。,
