金屬常規(guī)力學指標測試

1、實驗一金屬常規(guī)力學指標測定一、實驗?zāi)康?、掌握金屬材料常規(guī)力學指標的測試方法。2、掌握各個常規(guī)力學指標的作用及意義。3、了解各個指標的相互關(guān)系。4、熟悉所用測試儀器及設(shè)備的原理和操作使用。二、實驗方法及采用標準1、金屬拉伸試驗標準 GB/T 228.1-20102、金屬沖擊試驗標準 GB/T 229-20073、金屬扭轉(zhuǎn)試驗標準 GB/T 10128-2007三、實驗數(shù)據(jù)處理1、依據(jù)國家標準，分別計算各個力學參數(shù)指標。(一)金屬拉伸實驗標準 GB/T 228.1-2010材料的彈性、強度、塑形、應(yīng)變硬化和韌性等許多重要的力學性 能指標統(tǒng)稱為拉伸性能，它是材料的基本力學性能。拉伸實驗是標準 拉伸

2、試樣在靜態(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，從而求出其強度判據(jù)和塑性判 據(jù)的力學性能試驗。(1)試驗要求1)原始標距的標記對于比例試樣，應(yīng)將原始標距的計算值修約至最接近5mm的倍數(shù)，中間數(shù)值向較大一方修約。標距的標記應(yīng)精確到取值數(shù)值的±1%。2)原始橫截面積的測定圓形截面試樣應(yīng)在試樣工作段的兩斷及中間處兩個相互垂直的 方向上各測一次直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處測得橫截面積中的 最小值。表1拉伸實驗基本數(shù)據(jù)直徑測量值直徑平均值標距標距修約橫截面積9.90mm9.97mm49.83mm50mm 278.07mm10.00mm10.00mm

3、(2)拉伸性能的測定利用試驗機的繪圖裝置得到力-位移關(guān)系曲線，如下:圖1拉伸試驗力-位移曲線1）斷后伸長率測定為了測定斷后伸長率，應(yīng)將試樣斷裂的部分仔細地對接在一起使 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接觸 后測量試樣斷后標距。按下式計算斷后伸長率 A :式中：L。一原始標距；Lu一斷后標距。應(yīng)使用分辨力足夠的量具或測量裝置測定斷后伸長量Lu-L。，并精確至U ± 0.25mm。2）斷面收縮率的測定將試樣斷裂部分仔細地配接在一起，使其軸線處于同一直線上。斷裂后最小橫截面積的測定應(yīng)準確到 ±2%。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

4、率得到斷面收縮率，按下式計算：式中：S。一平行長度部分的原始橫截面積；Su 一斷后最小橫截面積3）抗拉強度的測定對于呈現(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度。4）屈服強度的測定對有明顯屈服現(xiàn)象的材料，應(yīng)測定其上、下屈服強度。上、下屈 服強度的判定采用以下基本原則：i .屈服前的第一個峰值應(yīng)力為上屈服強度， 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)兩個或兩個以上的谷值應(yīng)力，舍去第一個 谷值應(yīng)力不計，取谷值應(yīng)力中最小者判為下屈服強度。iii .屈服階段中呈現(xiàn)屈服平臺，平臺應(yīng)力判為下屈服強度；如呈現(xiàn) 多個

5、而且后者高于前者的屈服平臺，判第一個平臺應(yīng)力為下屈 服強度。iv .正確的判定結(jié)果應(yīng)該是下屈服強度低于上屈服強度。試驗時記錄力-位移曲線，從曲線圖讀取力首次下降前的最大力 和不計初始瞬時效應(yīng)時屈服階段中的最小力或屈服平臺的恒定力，將它們分別除以試樣原始橫截面積得到上屈服強度和下屈服強度。上屈服強度：下屈服強度：（3）試驗結(jié)果數(shù)值的修約1）強度性能值修約至1MPa。2）屈服點延伸率修約至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機兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘

6、一次打擊試樣，測定試樣的吸收能量。（ 2）一般要求標準尺寸沖擊試樣長度為 55mm,橫截面為10mmX10mm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）沖擊性能的測定1）沖擊性能舊標準中經(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力一次作用下折斷 時所吸收的功，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新標準中用吸收能量K 來表示沖擊性能

7、，指在沖擊試驗中，由指針指示出的能量值。KU=41.0JKV=28.5J2） 剪切斷面率夏比沖擊試樣的斷口表面常用剪切斷面率評定。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定剪切斷面率：測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）實驗結(jié)果修約讀取每個試

8、樣的沖擊吸收能量，應(yīng)至少估讀到0.5J或0.5個標度單位(取兩者之間較小值)。試驗結(jié)果至少應(yīng)保留兩位有效數(shù)字。(三)金屬材料扭轉(zhuǎn)試驗方法 GB/T 10128-2007(1)原理對試樣施加扭矩，測量扭矩及其相應(yīng)的扭角，一般扭至斷裂，以 便測定本標準定義的一項或幾項扭轉(zhuǎn)力學性能。(2)試樣尺寸測量圓柱形試樣應(yīng)在標距兩端及中間處兩個相互垂直的方向上各測 一次直徑，并取其算術(shù)平均值，取用3處測得直徑的算術(shù)平均值計算 試樣的極慣性矩；取用3處測得直徑的算術(shù)平均值中的最小值計算試 樣的截面系數(shù)。表2拉伸實驗基本數(shù)據(jù)直徑測量值直徑平均值標距修約橫截面積10.00mm10.00mm10.00mm10.00m

9、m50mm 278.54mm(3)扭轉(zhuǎn)性能測定1)利用試驗機的繪圖裝置得到 M-中關(guān)系曲線，即扭轉(zhuǎn)圖，如下 圖3扭轉(zhuǎn)試驗扭矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系圖2)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)的扭角中3)上屈服強度和下屈服強度的測定在M-中曲線中，首次下降的最大扭矩為上屈服扭矩，屈服階段 中不計初始瞬時效應(yīng)的最小扭矩為下屈服扭矩。i .上屈服強度ii .下屈服強度4)抗扭強度的測定(4)測得性能數(shù)字的求約扭轉(zhuǎn)性能范圍修約到G/ (N/mm2)100%、H、”_、4(N/mm2)<2001> 200-10005>1000102、斷口形貌圖圖 4 Q235 拉伸破壞

10、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,通過塑性變形來松弛降低能量。當金屬不能繼續(xù)塑性變形時,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

11、,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)三個區(qū)域：纖維區(qū)，放射區(qū)及剪切唇。裂紋起源于纖維區(qū)， 經(jīng)過快速擴展形成放射區(qū)，當裂紋擴展到表面時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)是裂紋緩慢擴展的標志，放射區(qū)是裂紋快速擴展的表征，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展方向一致。剪切唇與放射區(qū)相毗鄰，表

12、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。這三個區(qū)所占整個斷面的比例，隨著加載速度，溫度及構(gòu)件的尺寸而變化。當加載速度降低，溫度升高，構(gòu)件尺寸變小時，都會使纖維區(qū)和剪切唇區(qū)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，由于結(jié)構(gòu)上的缺陷幾率增多，使得強度降低，塑性指標也降低。4、按照材料標準，對所測結(jié)果進行判定。四、思考題1、金屬拉伸性能指標在工程中如何應(yīng)用？答案：拉伸性能指標包括：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、上屈服強度、下屈服強度、規(guī)定非比例延伸強度、規(guī)定總延伸強度、抗拉強度、斷面收縮率、拉伸楊氏模量、弦線模量、切線模量

13、、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， 安全儲備越大。屈服強度 不僅具有直接使用的意義，在工程上，也是材料的某些力學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；材料屈服強度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等?？估瓘姸戎覆牧显诶瓟嗲俺惺茏畲髴?yīng)力值。當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

14、，直至斷裂破壞。鋼材受拉斷裂前的最大應(yīng)力值稱為強度極限或抗拉強度。拉伸楊氏模量的大小標志著材料的剛性，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，可以通過拉伸實驗來確定的。它與彈性模量的比值稱為塑形系數(shù)，在各種結(jié)構(gòu)

15、計算比如局部穩(wěn)定計算中會用到。研究材料在給定條件下的力學性能及變化規(guī)律，可用于設(shè)計、選材及研究工作中，為結(jié)構(gòu)件和零部件的設(shè)計提供材料的力學性能數(shù)據(jù)， ；同時，也為材料的成分選擇和熱處理工藝的指定提供依據(jù)，以便得到強度、塑性和韌性相配合的綜合性能最佳的材料。2、金屬沖擊指標在工程中如何應(yīng)用？答案：材料抵抗沖擊載荷的能力叫做沖擊性能。標準中，金屬沖擊指標有沖擊吸收功（舊標準）、沖擊韌性（舊標準） 、吸收能量（新標準），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、裂紋擴展能量、不穩(wěn)定裂紋擴展起始能量、不穩(wěn)定裂紋擴展終止能量、最大力、屈服力等指標來表征沖擊斷裂過程

16、。沖擊吸收功是指規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗力一次作用下折斷時所吸收的功。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，其實際意義在于揭示材料的變脆傾向，是反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力。沖擊韌性值取決于材料及其狀態(tài)，同時與試樣的形狀、尺寸有很大關(guān)系。其值對材料的內(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。沖擊功對于檢查金屬

17、材料在不同溫度下的脆性轉(zhuǎn)化最為敏感，而實際服役條件下的災(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)標準中常常規(guī)定某一溫度時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。所謂 FATT,即一組在不同溫 度下的沖擊試樣沖斷后，對沖擊斷口進行評定，當脆性斷裂占總面積的 50%時所對應(yīng)的溫度。3、針對同一金屬，各個常規(guī)力學指標有何相互聯(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使金屬材料因塑性變形而強化，從而提高材料的強度，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，選擇金屬材料作機械