材料力學性能綜合試驗

實驗一：材料力學性能綜合實驗指導老師：韓靖 地點：熱處理實驗室 時間：2019.5.23一：實驗目的（1）掌握金屬材料拉伸力學性能的測試方法，研究變形速率對拉伸性能的影響規(guī)律。（2）掌握金屬材料沖擊試驗及沖擊吸收功的測試方法。（3）了解材料摩擦磨損試驗方法。（4）掌握金屬材料洛氏硬度和維氏硬度的測試方法。二：實驗原理1.拉伸實驗靜載拉伸試驗是最基本的、應用最廣的材料力學性能試驗。一方面，由靜載拉伸試驗測定的力學性能指標，可以作為工程設計、評定材料和優(yōu)選工藝的依據(jù)，具有重要的工程實際意義。另一方面，靜載拉伸試驗可以揭示材料的基本力學行為規(guī)律，也是研究材料力學性能的基本試驗方法。靜載拉伸試驗，通常是在室溫和軸向加載條件下進行的，其特點是試驗機加載軸線與試樣軸線重合，載荷緩慢施加。在材料試驗機上進行靜拉伸試驗，試樣在負荷平穩(wěn)增加下發(fā)生變形直至斷裂，可得出一系列的強度指標（屈服強度s和抗拉強度b）和塑性指標（伸長率8和斷面收縮率W）。通過試驗機自動繪出試樣在拉伸過程中的伸長和負荷之間的關(guān)系曲線，即P-Al曲線，習慣上稱此曲線為試樣的拉伸圖。圖1即為低碳鋼的拉伸圖。試樣拉伸過程中，開始試樣伸長隨載荷成比例地增加，保持直線關(guān)系。當載荷增加到一定值時，拉伸圖上出現(xiàn)平臺或鋸齒狀。這種在載荷不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象叫屈服，屈服階段的最小載荷是屈服點載荷Ps，Ps除以試樣原始橫截面面積Ao即得到屈服極限。：sI。=區(qū)3Ac試樣屈服后，要使其繼續(xù)發(fā)生變形，則要克服不斷增長的抗力，這是由于金屬材料在塑性變形過程中不斷發(fā)生的強化。這種隨著塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象叫做形變強化或加工硬化。由于形變強化的作用，這一階段的變形主要是均勻塑性變形和彈性變形。當載荷達到最大值Pb后，試樣的某一部位截面積開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，此后的變形主要集中在縮頸附近，直至達到Pb試樣拉斷。Pb除以試樣原始橫截面面積A0即得到強度極限（抗拉強度）與：拉伸試驗還可得到塑性指標，即伸長率8和斷面收縮率w伸長率8——拉斷后的試樣標距部分所增加的長度與原始標距長度的百分比，即8=^￡x100%I0式中l(wèi)0一試件原始標距，為100m%I]—試件拉斷后標距長度。斷面收縮率V-為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷后，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測一次直徑，取平均值d1計算斷口處橫截面面積，再按下式計算面積收縮率：=%一.K100%4式中A0—試件原始橫截面面積A1—試件拉斷后斷口處最小面積。試件開始受力時，由于頭部在夾頭內(nèi)滑動較大，故繪出的拉伸圖最初一段是是曲線。分析時應將直線段延長與橫坐標相交于0點，作為坐標原點。OA段為彈性階段載荷與變形成正比，B,C段為屈服階段，CD段為強化階段，DE段為頸縮階段，至E點試件被拉斷。鑄鐵的拉伸圖如圖2所示。鑄鐵試件在承受拉力變形極小時，就達到最大載荷而突然發(fā)生斷裂。它沒有屈服和頸縮現(xiàn)象，故在拉伸時，一般只能測定其強度極限ob，試件沿橫截面斷裂。幾種典型的應力一應變曲線由于材料具有不同的化學成分和微觀組織，在相同的試驗條件下，會顯示出不同的應力一應變響應。一般，在金屬、陶瓷和高聚物材料中，拉伸條件下的應力一應變曲線大致有五種類型（見圖1-4）：（1）純彈性型：見圖1-4（a）。有這種◎-￡曲線的材料主要是大多數(shù)玻璃、陶瓷、巖石、橫向交聯(lián)很好的聚合物以及一些低溫下的金屬。（2）彈性—均勻塑性型：見圖1-4（b）。有這種o-s曲線的材料主要是許多金屬及合金、部分陶瓷和非晶態(tài)高聚物。應該指出，把部分非晶態(tài)高聚物歸入此類只是按應力一應變曲線的形式劃分的。對于高聚物，盡管表觀彈性變形和塑性變形與金屬有相仿o-s曲線形式，但在變形本質(zhì)上是有一定區(qū)別的。（3）彈性—不均勻塑性型：見圖1-4（c）。有這種o-s曲線的材料主要是低溫和高應變速率下的面心立方金屬，其塑性變形常常不是通過滑移而是孿生。當孿生應變速率超過試驗機夾頭運動速度時，負荷會突然松弛而呈現(xiàn)記錄到的鋸齒形o-s曲線。某些含碳原子的體心立方鐵合金以及鋁合金低溶質(zhì)固溶體也有類似的o-s曲線。（4）彈性—不均勻塑性—均勻塑性型：見圖1-4（d）。有這種o-s曲線的材料主要是一些體心立方的鐵基合金和若干有色合金。它與圖1-2（b）的不同僅在于中間增加了一段不均勻塑性屈服區(qū)（應變值大致為1%?3%）。（5）彈性一不均勻塑性—均勻塑性型：見圖1-4（e）。有這種o-s曲線的材料主要是一些結(jié)晶態(tài)高聚物和未經(jīng)拉伸的線形非晶態(tài)高聚物。受拉結(jié)晶高聚物出現(xiàn)這種情況是因為有兩個因素相互制約的結(jié)果。開始變形時，結(jié)晶高聚物中原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，隨之發(fā)生細頸屈服，從而載荷下降，繼續(xù)增加應變可促使變形最劇烈的區(qū)域重新組合成新的、方向性好和強度高的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。隨著這種新結(jié)構(gòu)的增多，應力一應變曲線再次上升，直至斷裂。線形非晶態(tài)高聚物受拉伸在形式上呈現(xiàn)與此十分相似的。-￡曲線，但細頸的發(fā)生是由于線形大分子鏈段的取向而不是結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。注意：細頸與縮頸在形式上相似，但實質(zhì)上不同。M 同圖1-4五種類型的應力一應變曲線根據(jù)工程應力一應變曲線可以確定材料的拉伸性能，包括材料的強度、塑性和韌性及斷裂指標。所謂強度是材料對塑性變形和斷裂的抗力。塑性表示材料在斷裂前發(fā)生的不可逆的變形量的多少。而韌性則表示斷裂前單位體積材料所吸收的變形和斷裂能，即外力所作的功。.沖擊實驗(1)沖擊實驗是研究材料對于動荷抗力的一種實驗，和靜載荷作用不同，由于加載速度快，使材料內(nèi)的應力驟然提高，變形速度影響了材料的力學性質(zhì)，所以材料對動載荷作用表現(xiàn)出另一種反應。(2)此外在金屬材料的沖擊實集中驗中，還可以揭示在靜載荷時不易發(fā)現(xiàn)的某些結(jié)構(gòu)特點和工作條件對機械性能的影響（如應力，材料內(nèi)部缺陷，化學成分和加荷時溫度，受力狀態(tài)以及熱處理情況等），因它在工藝分析比較和科學研究中都具有一定的意義，在工程上常采用“沖擊韌性”來表示材料抵抗沖擊的能力。把金屬材料制成標準試件（金屬夏比（V型缺口）試件）（圖1.1），安置在沖擊試驗機的機座上（圖1.2），使它受沖擊而折斷。記錄試件折斷所消耗的能量Ak，將Ak用缺口處的橫截面面積A去除，所得的數(shù)值定義為材料的沖擊韌性ak。8k= （J/CIT|2）ak對材料品質(zhì)、內(nèi)部缺陷和晶粒大小等比較敏感。再加上沖擊試驗簡便易行，所以常用來檢驗材料質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、脆性程度等。在試件上制作缺口是為了使試件由該處折斷。分析表明，在缺口根部附近材料處于三向拉應力狀態(tài)。某些金屬在靜力拉伸下表現(xiàn)出良好的塑性，但處于三向拉應力作用下卻有增加其脆性的傾向。所以塑性材料的缺口試件在沖擊作用下，一般都呈現(xiàn)脆性破壞方式（斷裂）。試驗表明，缺口的形狀，試件的絕對尺寸及材料的性質(zhì)等因素都會影響斷口附近參與塑性變形的體積，因此，沖擊試驗必須在規(guī)定的標準下進行。同時，缺口的加工也十分重要，一般應當銃削或磨削，以保證尺寸準確。

圖1.2圖1.2圖1.3沖擊試驗機的構(gòu)造原理如圖1.3所示。將擺錘向上擺起（如圖所示的a角），于是擺錘便具有一定的位能。試驗時，令擺錘突然下落，沖擊安裝在機座上的試件，將試件沖斷。試件折斷所消耗的能量等于擺錘原來的位能（在a角處）與其沖斷試件后在揚起位置（P角處）時的位能之差。.金屬硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標。硬度試驗方法很多，基本上可分為壓入法和刻劃法兩類。在壓入法中，根據(jù)加載速度不同又可分靜載壓入法和動載壓入法（彈性回跳法）。在靜載壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方法不同，又分布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。這類試驗方法的軟性系數(shù)a>2o硬度值的物理意義隨試驗方法不同，其含義也不同。例如，壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體壓入時所引起塑性變形的能力；刻劃法硬度值表示金屬抵抗表面局部斷裂的能力；而回跳法硬度值代表金屬彈性變形功的大小。因此，硬度值不是一個單純的物理量，它表征著材料的彈性、塑性、形變強化、強度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標。要給'硬度”下一個確切的定義很困難。一般認為硬度是金屬表面抗局部壓入變形或刻劃破壞的能力。生產(chǎn)上壓入法應用最廣，首先是因為應力狀態(tài)很軟（a>2）,能測量所有金屬材料的硬度；同時這類試驗方法簡單，不損工件，適于成批檢驗。再者硬度值與0b等性能指標有一定聯(lián)系，可由硬度值大致推測出其它強度值。主要有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。三：收獲與體會材料的力學性能通常是指材料的強度、硬度、塑性和韌性。經(jīng)過一些基礎的試驗，拉伸，疲勞，沖擊，