壓縮彎曲及剪切試驗新

壓縮彎曲及剪切試驗新第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二與拉伸試驗相比

壓縮試驗有下述特點：單向壓縮的應力狀態(tài)軟性系數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、扭轉和彎曲試驗時所不能反映的材料在韌性狀態(tài)下的力學行為。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。

第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

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，影響試驗結果的準確性。試樣高徑比越小，端面摩擦力對試驗結果的影響越大，為了減小其影響，可適當提高高徑比第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2.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向無約束試樣，其尺寸見圖1。第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二試樣長度由試驗目的確定：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。

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

第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3.試驗設備

（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，壓頭與臺板間不應有側向相對位移和振動，如不滿足上述要求，應加配力導向裝置，硬度較高的試樣兩端應墊以合適的硬質材料做成的墊板，試驗后，板面不應有永久變形，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.試驗機應備有調速指示裝置。d.試驗機應備有放大和記錄力及變形的裝置。試驗機應定期由計量部門進行檢驗。

第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（2）引伸計：引伸計應進行標定（GB/T12160-2002單軸試驗用引伸計的標定），標定時的工作狀態(tài)應盡可能與試驗工作狀態(tài)相同，并按有關標準進行分級。根據測試目的選用相應級別的引伸計：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應使用不劣于1級準確度的引伸計；測定壓縮彈性模量Ec和規(guī)定非比例壓縮應變小于0.05％的規(guī)定非比例壓縮強度Rpc時，應使用不劣于0.5級準確度的引伸計。

（3）進行脆性材料的Rmc測定時應有安全防護罩

第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二4.壓縮性能指標的測定：

壓縮試驗時，在彈性范圍內，試驗速度采用控制應力速率的方法，其速率應在1~10MPa·s-1范圍內，在明顯塑性變形范圍，采用控制應變速率方法，其速率應在0.00005~0.0001s-1范圍內。第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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使所求的Fpc點處于力軸的二分之一以上，變形放大倍數的選擇應保證圖2的OC段長度不小于5mm。在力—變形曲線上（見圖2）,自O點起，截取一段相當于規(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，其對應的力Fpc即為所求的規(guī)定非比例壓縮力，按公式（1）計算：

第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2）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)定非比例壓縮應變0.2%的力FA0，而后在微彎曲線上取G0、Q0兩點，其分別對應的力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對應的FA1來分別確定0.1FA1、0.5FA1對應的點G1、Q1，然后如前述過C作平行線來確定交點A2。重復相同步驟直至最后一次得到的交點與前一次的重合。第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二規(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，變形放大倍數的選擇一般應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，其對應的力Ftc為所測的總壓縮力，按下式計算：第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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，變形放大倍數應根據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的最小力FeLc，按下式計算：

第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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：

第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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，變形放大倍數應大于500倍。在力—變形曲線上取彈性直線段上J、K兩點（圖4，點距應盡可能長），讀出對應的FJ、FK，變形ΔLJ、ΔLK。彈性模量按下式計算：

第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二5.性能數據處理及修約數字修約按下表進行，彈性模量值修約后至少保留兩位有效數字，應力值按下表修約：

表1

N/mm2

范圍修約到≤2001＞200~10005＞100010第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二二．彎曲試驗：

彎曲試驗也是生產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，并作用在縱向對稱面（通過試樣的軸線和截面對稱的平面）內，試樣的軸線在縱向對稱面內彎曲成一條平面曲線的彎曲變形，也稱平面彎曲。第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

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。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（3）彎曲試樣上的彎矩和剪力：見圖8。第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二三點彎曲：彎矩剪力四點彎曲：彎矩剪力第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（3）彎曲正應力與分布根據材料力學的變形假設，變形前后試樣的各橫截面都是平面，且與試樣軸線垂直。由此可推導出彎曲試樣橫截面上任一點正應力按下式計算：

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：

第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二由上式可知，橫截面上的正應力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，試樣最外層的正應力最大（見圖9），其計算式：

式中：W——截面系數，mm3； 對于圓截面試樣:對于矩形截面試樣：第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

彎曲試驗通常只測定正應力，為了減小切應力對試驗結果的影響，彎曲試驗跨距Ls要取得足夠長，當取Ls=16d（或16h）時，對三點彎曲，切應力的影響小于5%。第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

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

第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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。

第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2.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、尺寸可根據材料及產品尺寸參照GB/T14452-1993中表2確定。

3.試驗設備（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）應能在規(guī)定的速度范圍內控制試驗速度，加卸力應平穩(wěn)，無振動，無沖擊； 4)配備F-f曲線記錄裝置。第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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：應根據所測的力學性能按有關標準規(guī)定選用相應精度的撓度計。撓度計應定期參照GB/T12160-2002《單軸試驗用引伸計的標定》的規(guī)定進行標定。（4）安全防護裝置第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二4.彎曲力學性能的測定（1）試驗條件：1）

試驗應在室溫10~35℃下進行；2）

應力速率應控制在3~30MPa·s-1范圍內；（2）規(guī)定非比例彎曲應力σpb的測定 規(guī)定非比例彎曲應力σpb通常采用圖 解法測定。第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二三點彎曲試驗：

四點彎曲試驗：第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（3）規(guī)定殘余彎曲應力σrb的測定試驗時，將試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，并對其施加相應于預期σrb0.01的10%的預彎曲力F0，測量跨距中點的撓度，記取此時撓度計的讀數作為零點。對試樣連續(xù)或分級施加彎曲力，并將其卸除至預彎曲力F0，測量殘余撓度。反復遞增施力和卸力，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的撓度。用線性內插法按公式（17）求出相應于規(guī)定殘余彎曲形變的彎曲力Frb。第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二式中的殘余撓度frb按公式計算： 三點彎曲試驗： 四點彎曲試驗：規(guī)定殘余彎曲應力按公式計算： 三點彎曲試驗：

四點彎曲試驗：第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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：

第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（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，對試樣施加相當于σpb0.01（或σrb0.01）10%以下的預彎曲力F0，并記錄此力和跨距中間的撓度，然后連續(xù)施加彎曲力，直至相應于σpb0.01（或σrb0.01）的50%。記錄彎曲力增量ΔF和相應的撓度增量Δf。按公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量Eb：

第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二三點彎曲試驗：四點彎曲試驗：當采用分級施加彎曲力時，按上述方法施加預彎曲力F0，從F0至相應于σpb0.01（或σrb0.01）的50%的彎曲力范圍內測定m（m≥5）對力和撓度的數據，且數據點應盡量均勻分布。用最小二乘法將彎曲力和相應的撓度數據擬合直線。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。

第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2）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和相應的撓度增量Δf，見圖12。按公式（24）或（25）計算彎曲彈性模量。

第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二5.試驗數值的修約性能范圍修約到Eb

≤150000MPa500MPa＞150000MPa1000MPaσpb，σbb

≤200MPa1MPa＞200~1000MPa5MPa＞1000MPa10MPafbb

0.1mm第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二三.剪切試驗1.剪切試驗原理：

工程結構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。因此在構件的設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，并根據公式計算出相應的應力，用τ表示，單位為N/mm2。

第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二剪切試驗一般分為單剪試驗、雙剪試驗、沖孔試驗、開縫剪切試驗和復合鋼板剪切試驗等

第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2.試樣：

剪切試樣根據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、復合鋼板剪切試樣以及實際零件剪切試樣等。

第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3.試驗設備及試驗裝置

（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）試驗機應能在規(guī)定速度范圍內控制試驗速度。（2）剪切試驗裝置單剪試驗裝置

第四十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二雙剪試驗裝置，

第五十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二沖孔剪切試驗裝置

第五十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二4.剪切性能測定（1）試驗條件：1）室溫剪切試驗應在10~35℃下進行。2）根據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15m