其它静载下的力学性能试验

对于金属材料，特别是钢铁材料，结构钢常 温下的力学性能由拉伸试验评定；结构材料的 热变形性能由扭转试验评定；而工具钢常温下 的力学性能由弯曲试验评定。
脆性材料——弯曲试验测弯曲断裂强度；
塑性材料——检验其延展性和均匀性展性 和均匀性——冷弯试验。试验时将试样加 载，使其弯曲到一定程度，观察试样表面 有无裂缝。
• 弯曲试验特点1：弯曲加载时受拉一侧的应力状
态基本与静拉伸相同，但不存在所谓的试样偏斜影 响．故常用于测定因太硬而难于加工成拉伸试样的 脆性材料的断裂强度，并能显示它们的塑性差别． • 弯曲试验特点2：弯曲试验时截面上的应力分布 也是表面上应力最大，故可灵敏反映材料的表面缺 陷．故常用来比较和评定材料表面处理层的质量． • 弯曲试验特点3：塑性材料F-fmax曲线的最后部 分可任意延长[图2-6(a)]，表明弯曲试验不能使这 些材料断裂．此时虽可测定规定非比例和弯曲应力， 但实际上很少应用，应采用拉伸试验．
1．轮廓算术平均偏差Ra 在取样长度内，沿测量方向(Y方向）的轮廓线上 的点与基准线之间距离绝对值的算术平均值。 2．微观不平度十点高度Rz 指在取样长度内5个最大轮廓峰高的平均值和5个 最大轮廓谷深的平均值之和。
3．轮廓最大高度Ry 在取样长度内，轮廓最高峰顶线和最低谷底线之 间的距离。
目前，一般机械制造工业中主要选用Ra
•
3源自文库 试验设备
压缩试验可在万能材料试验机或压力试验机 上进行。a. 试验机台板与压头压试样表面应平 行，平行度不低于1∶0.0002。b. 试验过程中， 压头与台板间不应有侧向相对位移和振动，如 不满足上述要求，应加配力导向装置，硬度较 高的试样两端应垫以合适的硬质材料做成的垫 板，试验后，板面不应有永久变形，垫板两面 的平行度不低于1∶0.0002，表面粗糙度不高于 Ra0.8。c. 试验机应备有调速指示装置。d. 试验 机应备有放大和记录力及变形的装置。试验机 应定期由计量部门进行检验。
第三章 其他静载下的力学性能试验
静力拉伸是最常用的力学性能试验方法，它可
以测定金属材料的强度和塑性等性能指标。但
是对于脆性材料来说，由于其应力状态较硬，
不能测定这类材料处于韧性状态下的力学性能，
需要选用应力状态较软的试验方法，而静载下 的压缩、扭转和弯曲试验的应力状态较软，可 以满足这类材料的试验要求。
致相等，所以扭转试验是测定这些材料的切断强 度的最可靠方法。根据试样的断口特征还可区分 材料最终的断裂方式是正断还是切断。
• 扭转试验特点4：切断断口、断面和试样轴线垂
垂直，有回旋状塑性变形痕迹，这是切应力作用 的结果。塑性材料常为 这种断口，如图2-4(a) 所示。正断断口，断面 和试样轴线约成45°角， 呈螺旋状或斜劈状，这 是正应力作用的结果， 脆性材料常为这种断口， 如图2-4(b)所示．
应用： 多数情况下是研究塑性材料在大应变范围时的力 学行为，它能更真实地反映材料的塑性和形变抗 力。扭转试验的实际应用主要表现在： (1)用热扭转试验确定材料在热加工(轧制、锻造、 挤压)时的最佳温度； (2)对单相合金，用热扭转试验确定材料在高温 时发生的动态回复和动态再结晶过程； (3)对多相合金，用热扭转研究不稳定组织的转 变，或者模拟某种热加工成形方式研究其组织特 点。
1、切应变 P74 γ=φd0/2l0×100％
φ为扭转角;l0为试样标距长度mm; d0试样初始直径。
2、切应力
max
Tr I
P

T Wp
式中：WP——仅与横截面的形状和尺寸有关，称为 扭转试样截面系数，mm3。 对于直径为d的实心圆形试样： W p＝
d
16
3
三、扭转力学性能指标及其测定
• 压缩曲线: 压缩试验时，
材料抵抗外力变形和断 裂情况也可用压力和变 形的关系曲线来表示 （图2-7）。 • 1为脆性材料的压缩曲线， ° 断裂点f的应力即为抗压 强度σbc； • 2为塑性材料的压缩曲线， 其上部虚线表示材料被 压扁但并不断裂。
4. 压缩性能指标的测定：
压缩试验时，在弹性范围内，试验速度采用 控制应力速率的方法，其速率应在 1~10MPa· s-1范围内，在明显塑性变形范围， 采用控制应变速率方法，其速率应在 0.0005~0.0001s-1范围内。
• 弯曲试验用圆柱试样或方形试样在万能试验机上进 行．加载方式一般有两种： • 三点弯曲加载：最大弯矩Mmax＝FL/4（图2-5(a)） • 四点弯曲加载：最大弯矩Mmax＝FK/2 （图25(b)），L段为等弯矩。
°
挠度: 弯曲变形时横截面形心沿与轴线垂直方 向的线位移称为挠度，用y表示。简言之 就是指梁、桁架等受弯构件在荷载作用 下的最大变形，通常指竖向方向y轴的, 就是构件的竖向变形。
• 脆性材料压缩破坏的形式有剪坏和拉 坏两种。剪坏的断裂面与底面约呈45° 角；拉坏是由于试样的纤维组织与压应 力方向一致，横向纤维伸长超过一定限 度而破坏。
• 压缩试验时，试样端面存在很大的摩 擦力，这将阻碍试样端面的横向变形， 影响试验结果的准确性。试样高径比越 小，端面摩擦力对试验结果的影响越大， 为了减小其影响，可适当提高高径比
• 在弹性变形阶段，试祥模截面上的切应力和切应 变沿半径方向呈线性分布[图4—l(b)]． • 当表层产生塑性变形后，切应变的分布仍保持线 性关系，切应力则因塑性变形而呈非线性变化[图 4—l(c)]．各点的切应变仍与该点距中心的距离成正比，但切应
力则因塑性变形而降低，在圆杆表面上，在切线和平行于轴线的方向 上切应力最大，在与轴线成45o的方向上正应力最大，正应力等于切应 力。
（三）扭转屈服强度:
•
P76 P77
• （四）抗扭强度:表示为 ° τb
W • 式中，Mb为试样断裂前的最大扭矩(N· mm)。
b
M
b
• 条件强度极限：用上述弹性公式计算的 τb值与真实情况不符，故称τb为条件强度
极限。
• 除了极脆材料外，τb不能代表真实扭转强 度极限，只能用作标准试样条件下的相对 比较。为了求得真实扭转强度极限，应运 用塑性力学理论，按圆柱形试样产生大量 塑性变形条件下的扭转真应力来计算。
二、扭转试验
一、 扭转试样： 圆柱形扭转试样
扭转设备： 扭转试验机
二、试验条件 P74
扭转计
粗糙度:
零件表面经过加工后，看起来很光滑，经放大观 察却凹凸不平。 表面粗糙度，是指加工后的零件表面上具有的较 小间距和微小峰谷所组成的微观几何形状特征， 一般是由所采取的加工方法和(或）其他因素形成 的。零件表面的功用不同，所需的表面粗糙度参 数值也不一样。零件图上要标注表面粗糙度代(符） 号，用以说明该表面完工后须达到的表面特性。 表面粗糙度高度参数有3种：
第一节
扭转试验
机械和工程结构的很多零件是在扭矩、弯矩 或轴向压力作用下服役的。需要测定材料在扭 转、弯曲和轴向压缩加载下的力学性能，作为 零件设计，材料选用和制订热处理工艺的依据。 否则很有可能造成材料选用不合理，热处理工 艺不当，以至零件的早期失效。
扭转试验是对圆柱形试样施加扭矩T（使试样两端承受 大小相等、作用相反、作用面垂直于试样轴线的力偶）， 测量扭矩T及相应的扭角φ，绘制T-φ的扭转曲线图，一 般扭至断裂，以测定金属材料的扭转力学性能。 • 扭转试验一般采用圆柱形试样在扭转试验机上进 行．扭转时试样表面的应力状态如图4—1(a)所示， 在与试样轴线呈45°方向上承受最大正应力，与试 祥轴线平行或垂直方向上承受最大切应力
• 弯曲图:指记录
载荷F(或弯矩M) 与试样最大挠度 fmax之间的关系 曲线（图2-6）， 可籍此来确定材 料在弯曲载荷下 的力学性能．
°
• 试样弯曲时，受拉一侧表面的最大正应力:

max

M
max
W
3 • 式中，W为试样抗弯截面系数。 d ° W (m ) • 对于直径为do的圆柱试样
0 3
32
• 对于宽度为b，高度为h 的矩形试样
W
bh 6
3
• 脆性材料可根据弯曲图[2-6(c)]计算抗弯强度:

bb

M W
b
• 式中，Mb为试样断裂时的弯矩（N· m）。 ° • 材料的塑性可用最大弯曲挠度fmax表示． fmax值可 由百分表或挠度计直接读出．此外，从弯曲一挠度 曲线上还可测算弯曲弹性模数Eb．规定非比例弯曲 应力σpb、断裂挠度fb、断裂能量μ等性能指标。
• 真实扭转强度极限tf:
tf 4
d 0
3
[3 M
f
f(
dM d
)f]

f

d dl 0
( rad / mm )
• 式中，Mf为试样断裂时的最大扭矩(N· m)；φf为试 样断裂时单位长度上的相对扭转角。
(dM/dφ)f为M-φ扭转曲线上f点处 的切线相对于φ轴的夹角的正切值 (N· m/rad)，可用图解微分法求出， 即根据计算出的各φ及对应的各M 值，画出临近断裂部分的M-φ曲线， 曲线上Mf处的斜率tanα即为 (dM/dφ)f ，如图2-3所示
(b)扭转弹性变形横截面切应力 和切应变分布
(c)扭转塑性变形横截面切应力 和切应变分布
• 扭转图:在扭转试验过程中，根据每一时刻加于试
样上的扭矩M和扭转角φ(在试样标距l0上的两个截 面问的相对扭转角)绘制成M-φ曲线(图2-2)．
°
根据扭转图和有关 的材料力学公式便 可计算出材料的扭 转强度、剪切弹性 模量和剪切应变等 扭转力学性能指标
• 扭转试验特点2：扭转试验时试样截面的应
• 扭转试验特点3：圆柱形试样在扭转试验时，整
个试样长度上始终不产生缩颈现象，塑性变形始 终是均匀的，其截面及标距长度也基本上保持原 尺寸不变，故可用来精确评定那些拉伸时出现缩 颈的高塑性材料的形变能力和形变抗力．
• 扭转试验特点4：扭转试验时正应力与切应力大
• （一）切变模量 G P75 • （二）规定非比例扭转强度: 指当试件标距部分表 面非比例切应变γp达到规定值时，按弹性扭转公 式算出的应力，表示为τ p，即材料对扭转配件变 ° 形的抗力． Tp p W • 式中，W为试样截面系数，圆柱试样为πd03/16； Mp为扭转曲线上与非比例切应变对应的扭矩 (N· m)． • 测定方法： P75

°
• 当(dM/dφ)f =0:
tf
12 M
f 3
d 0
• 这是在完全理想塑性条件下的表达式。前式中的第 二项则代表存在弹性变形和形变强化时应有的校正。
°
• （五）最大非比例切应变: 表示为γf
P78

f

f d0
2 l0
100 %
第二节
弯曲试验
弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验 方法之间，常用于测定脆性和低塑性材料的抗 弯强度并能反映塑性指标的挠度。 测定 (如铸铁、高碳钢、工具钢等)

一、扭转试验的特点及应用
扭转试验特点1：扭转的应力状态软性系数
(α=0.8)较拉伸的应力状态软性系数(α=0.5)高， 故可用来测定那些在拉伸时呈现脆性的材料 的强度和塑性。 力分布为表面最大，愈往心部愈小，对材料 表面硬化及表面缺陷的反映十分敏感．利用 这一特性，可对各种表面强化工艺进行研究 和对机件的热处理表面质量进行检验．
2. 试样
• 压缩试验用试样有圆柱体、正方形柱体、 矩形板和带凸耳状试样四种形式，其中圆柱体 试样、正方形柱体试样是两种常用的侧向无约 束试样，其尺寸见图1。
• 试样长度由试验目的确定：
• L=（2.5~3.5）d0的试样适用于测定规定非 比例压缩应力σ pc、规定总压缩应力σ tc、压缩 屈服点σ sc及抗压强度σ bc；L=（5~8）d0的试 样适用于测定规定非比例压缩应力σ pc0.01、压 缩弹性模量Ec；L=（1~2）d0的试样仅适用于 测定抗压强度σ bc。 试样应平直，棱边应无毛刺、无倒角，在 切取样坯和机加工试样时，应防止因冷加工或 热影响而改变材料的性能。
第三节
1.试验原理
压缩试验
在材料试验中指的压缩试验是指单向 压缩。试样受轴向压缩时，标距内应力 均匀分布，且在试验过程中不发生屈曲。
与拉伸试验相比 压缩试验有下述特点：
• 单向压缩的应力状态软性系数α =2。因 此，通常适用于脆性材料和低塑性材料， 以显示其在拉伸、扭转和弯曲试验时所 不能反映的材料在韧性状态下的力学行 为。特别是拉伸时呈脆性的材料，是比 较其塑性的较好方法。 • 塑性较好的材料只能被压扁，一般不会 破坏。