壓縮彎曲及剪切試驗(yàn)(新)

1、壓縮、彎曲及剪切試驗(yàn)壓縮、彎曲及剪切試驗(yàn)一一. 壓縮試驗(yàn)壓縮試驗(yàn)1.試驗(yàn)原理 在材料試驗(yàn)中指的壓縮試驗(yàn)是指單向壓縮。試樣受軸向壓縮時，標(biāo)距內(nèi)應(yīng)力均勻分布，且在試驗(yàn)過程中不發(fā)生屈曲。與拉伸試驗(yàn)相比 壓縮試驗(yàn)有下述特點(diǎn)：n單向壓縮的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)=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(yàn)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。 n塑性較好的材料只能被壓扁，一般不會破壞。 n 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

2、壞。n 壓縮試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試樣高徑比越小，端面摩擦力對試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，為了減小其影響，可適當(dāng)提高高徑比 2. 試樣試樣n 壓縮試驗(yàn)用試樣有圓柱體、正方形柱體、壓縮試驗(yàn)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，其尺寸見圖束試樣，其尺寸見圖1。n試樣長度由試驗(yàn)?zāi)康拇_定：n L=（2.53.5）d0的試樣適用于測定規(guī)定非比例壓縮強(qiáng)度Rpc、規(guī)定總壓縮強(qiáng)度Rtc、壓縮上屈服強(qiáng)度

3、ReHc和下屈服強(qiáng)度ReLc及抗壓強(qiáng)度Rmc；L=（58）d0的試樣適用于測定規(guī)定非比例壓縮強(qiáng)度Rpc0.01、壓縮彈性模量Ec； L=（12）d0的試樣僅適用于測定抗壓強(qiáng)度Rmc。 n 試樣應(yīng)平直，棱邊應(yīng)無毛刺、無倒角，在切取樣坯和機(jī)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。 3. 試驗(yàn)設(shè)備 n（1）試驗(yàn)機(jī)：）試驗(yàn)機(jī)：n 壓縮試驗(yàn)可在萬能材料試驗(yàn)機(jī)或壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。a. 試驗(yàn)機(jī)臺板與壓頭壓試樣表面應(yīng)平行，平行度不低于10.0002。b. 試驗(yàn)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(yàn)后，

4、板面不應(yīng)有永久變形，墊板兩面的平行度不低于10.0002，表面粗糙度不高于Ra0.8。c. 試驗(yàn)機(jī)應(yīng)備有調(diào)速指示裝置。d. 試驗(yàn)機(jī)應(yīng)備有放大和記錄力及變形的裝置。試驗(yàn)機(jī)應(yīng)定期由計量部門進(jìn)行檢驗(yàn)。 n（2）引伸計：引伸計應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定）引伸計：引伸計應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定（GB/T12160-2002 單軸試驗(yàn)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(yàn)工作狀態(tài)相同，并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(qiáng)度Rpc、規(guī)定總壓縮強(qiáng)度Rtc、上屈服強(qiáng)度ReHc、下屈服強(qiáng)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

5、縮強(qiáng)度Rpc時，應(yīng)使用不劣于0. 5級準(zhǔn)確度的引伸計。n （3）進(jìn)行脆性材料的Rmc測定時應(yīng)有安全防護(hù)罩 4. 壓縮性能指標(biāo)的測定：壓縮性能指標(biāo)的測定： 壓縮試驗(yàn)時，在彈性范圍內(nèi)，試驗(yàn)速度采用控制應(yīng)力速率的方法，其速率應(yīng)在110MPas-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0.000050.0001s-1范圍內(nèi)。（1） 規(guī)定非比例壓縮強(qiáng)度的測定：規(guī)定非比例壓縮強(qiáng)度的測定：n 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(diǎn)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(diǎn)起，截

6、取一段相當(dāng)于規(guī)定非比例變形的距離OC（pcL0n），過C點(diǎn)作平行于彈性直線段的直線CA交曲線于A點(diǎn)，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： 0SFpcpc0SFRpcpcn2）逐次逼近法：n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(qiáng)度。首先在曲線上直觀估計一點(diǎn)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(diǎn)，其分別對應(yīng)的力0.1 FA0、0.5FA0，作直線G0Q0，按上述方法過C點(diǎn)作平行于G0Q0的直線CA1交曲線于A1點(diǎn)，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

7、步驟進(jìn)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(diǎn)G1、Q1，然后如前述過C作平行線來確定交點(diǎn)A2。重復(fù)相同步驟直至最后一次得到的交點(diǎn)與前一次的重合。0SFpcpcn規(guī)定總壓縮強(qiáng)度的測定：規(guī)定總壓縮強(qiáng)度的測定：n用作圖法測定規(guī)定總壓縮強(qiáng)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(diǎn)起在變形軸上取OD段（tcL0n），過D點(diǎn)作與力軸平行的DM直線交曲線于M點(diǎn)，其對應(yīng)的力Ftc為所測的總壓縮力，按下式計算：0SFRtctc（3）屈服強(qiáng)度測定：）屈服強(qiáng)度測定： 用力變形作圖法測定，力軸按上節(jié)規(guī)定

8、，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： 0SFReHceHc0SFReLceLc（4）抗壓強(qiáng)度的測定n 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： 0SFRmcmc（5）壓縮彈性模量的測定n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(diǎn)（圖4，點(diǎn)距應(yīng)盡可能長），讀出對應(yīng)的FJ、FK，變形LJ、LK。彈性模量按下式計算： 00SLLLFFEjkjkc5.性

9、能數(shù)據(jù)處理及修約n數(shù)字修約按下表進(jìn)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200 1 2001000 5 1000 10 二彎曲試驗(yàn)： n彎曲試驗(yàn)也是生產(chǎn)上常用的一種試驗(yàn)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(qiáng)度與塑性），彎曲試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)相比，能明顯地顯示脆性材料和低塑性材料的塑性。n1. 彎曲試驗(yàn)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。 n加載方法：n彎曲試驗(yàn)常用兩種加載方法：三點(diǎn)彎曲加載，見圖

10、6； 四點(diǎn)彎曲加載，見圖7。（3）彎曲試樣上的彎矩和剪力：見圖8。n三點(diǎn)彎曲： 彎矩n剪力 n四點(diǎn)彎曲：彎矩 n剪力 2FQ 4maxSFLM2maxFlM2FQ （3）彎曲正應(yīng)力與分布n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(diǎn)正應(yīng)力按下式計算： n式中：nM 彎矩，Nmm；ny 橫截面上任一點(diǎn)到中性軸的距離，mm；nI 試樣橫截面對中性軸的慣性矩， 對圓截面試樣； 對矩形截面： 644dI644dI123bhI 123bhI IMyn由上式可知，橫截面上的正應(yīng)力與彎矩、y成正比，與慣性矩I成反比；y為正值時受拉，y為負(fù)值時受

11、壓，試樣最外層的正應(yīng)力最大（見圖9），其計算式： n式中：W截面系數(shù)，mm3； n對于圓截面試樣:n對于矩形截面試樣： 62bhW 323dWWMIyMmaxmaxmaxmax彎曲試驗(yàn)通常只測定正應(yīng)力，為了減小切應(yīng)力對試驗(yàn)結(jié)果的影響，彎曲試驗(yàn)跨距Ls要取得足夠長，當(dāng)取Ls=16d（或16h）時，對三點(diǎn)彎曲，切應(yīng)力的影響小于5%。 （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(diǎn)彎曲的撓度計算公式，其最大撓度由下式計算： EIFLfS483max（5）彎曲曲線（M-f曲線或F-f曲線）：試驗(yàn)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(diǎn)最大撓度處），然后

12、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。 2. 試樣試樣n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(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備n（1）試驗(yàn)機(jī)： 1） 萬能試驗(yàn)機(jī)、壓力機(jī)（達(dá)到1級精度）； 2） 由國家計量部門定期進(jìn)行檢定； 3）應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)控制試驗(yàn)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。 （2）彎曲試驗(yàn)裝置：三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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。

13、撓度計應(yīng)定期參照GB/T12160-2002單軸試驗(yàn)用引伸計的標(biāo)定的規(guī)定進(jìn)行標(biāo)定。（4）安全防護(hù)裝置4. 彎曲力學(xué)性能的測定 （1）試驗(yàn)條件： 1） 試驗(yàn)應(yīng)在室溫1035下進(jìn)行； 2） 應(yīng)力速率應(yīng)控制在330MPas-1范圍內(nèi)；（2）規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力pb的測定規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力pb通常采用圖解法測定。 n三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)： n四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)： WLFYnLOCSPbPbPbS4122YnLOCpbS122YlLnOCpbS24)43 (22WlFpbpb2WlFYlLnOCPbPbPbS2244322（3）規(guī)定殘余彎曲應(yīng)力rb的測定 試驗(yàn)時，將試樣對稱地安放于彎曲試驗(yàn)裝置上，并對其施加相應(yīng)于預(yù)期r

14、b0.01的10%的預(yù)彎曲力F0，測量跨距中點(diǎn)的撓度，記取此時撓度計的讀數(shù)作為零點(diǎn)。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(dá)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。 1111nnnrbnnnrbffffFFFFn式中的殘余撓度frb按公式計算：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)： 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：n規(guī)定殘余彎曲應(yīng)力 按公式計算：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)： 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：YLfrbSrb122YLfrbSrb122WlLnfrbSrb244322WLFSrbrb4WlFrbrb2（4）抗彎強(qiáng)度bb的

15、測定將試樣對稱地安放于彎曲試驗(yàn)裝置上，對試樣連續(xù)施加彎曲力，直至試樣斷裂。從試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度bb：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)： WLFSbbbb4WlFbbbb2（5）斷裂撓度fbb的測定將試樣對稱地安放于彎曲試驗(yàn)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(yàn)斷裂，測量試樣斷裂瞬間跨距中點(diǎn)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(yàn)裝置上，對試樣施加相當(dāng)于pb0.01（或rb0.01）10%以下

16、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pb0.01（或rb0.01）的50%。記錄彎曲力增量F和相應(yīng)的撓度增量f。按公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量Eb： 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)：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pb0.01（或rb0.01）的50%的彎曲力范圍內(nèi)測定m（m5）對力和撓度的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)點(diǎn)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F/f，然后將此斜率代入公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量。 fFILESb483 fFIlLlESb48)43(22m

17、iiimimimimiiiiifmffFmfFfF1221111)()()()()(n2）圖解法：n將試樣對稱地安放于彎曲試驗(yàn)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pb0.01（或rb0.01）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F和相應(yīng)的撓度增量f，見圖12。按公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量。 5. 試驗(yàn)數(shù)值的修約 性 能 范 圍

18、 修 約 到 Eb 150000MPa 500MPa 150000MPa 1000MPa pb，bb 200MPa 1MPa 2001000MPa 5MPa 1000MPa 10MPa fbb 0.1mm 三. 剪切試驗(yàn) n1. 剪切試驗(yàn)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(jī)中的鉚釘，機(jī)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(qiáng)度剪切試驗(yàn)的特點(diǎn)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

19、，剪切試驗(yàn)實(shí)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，用表示，單位為N/mm2。 n剪切試驗(yàn)一般分為單剪試驗(yàn)、雙剪試驗(yàn)、沖孔試驗(yàn)、開縫剪切試驗(yàn)和復(fù)合鋼板剪切試驗(yàn)等 2. 試樣：剪切試樣根據(jù)剪切試驗(yàn)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(shí)際零件剪切試樣等。 3. 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)裝置（1）試驗(yàn)機(jī)：1）各種類型的拉力、壓力或萬能試驗(yàn)機(jī)并由國家計量部門定期進(jìn)行檢定。2）試驗(yàn)機(jī)應(yīng)能在規(guī)定速度范圍內(nèi)控制試驗(yàn)速度。n（2）剪切試