金属材料力学性能检测

3.刚度
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
在弹性阶段： F l
所以：
比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形 的抗力，代表材料的“刚度” 。
E
E
E
— 材料抵抗弹性变形的能力越大。
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而 逐渐降低。
2. 塑性
拉伸试验
F
d0
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
1.拉伸实验常用术语
应力与应变
F F
F’
F
F = F’
F' F S S
（MPa）
σ= F’ /S
应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。
F
d0
F 应变：物体形状尺寸所发
拉伸实验设备－万能实验机
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
拉伸试样制备
金属拉伸试样总体可分为比例试样和定标距试样
比例试样：按下式计算而得的试样原始标距长度的试样
L0 k S0
L0——标距长度 S0——试样原始截面积
K为常数，通常取5.65或11.3，k=5.65时也称为短试样，此时的原始标 距应不少于15mm；k=11.3试样称为长试样 对于圆形试样，标距长度为工作直径d的5倍时为短试样，为10倍时为长 试样。但在特殊情况有关标准有规定时，也用4d或8d的试样
金属材料力学性能检测
材料的性能 使用性能—材料在使用过程中所表现的性能 力学性能 物理性能 化学性能
工艺性能—在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、 热加工和热处理的性能。 铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、 切削加工性能、热处理工艺性能 材料的力学性能
定义 :
金属材料的力学性能是指金属材料在 不同环境（温度、介质）下，承受各种外加 载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交 变应力等）时所表现出的力学特征。 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲 击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。 、断裂 韧度和疲劳强度等。
l0
拉伸前
生的相对改变。
物体内部某处的线段在变 形后长度的改变值同线段 原长之比值称为“线应变”
dk
lk
拉伸后
l
l0

2.拉伸实验两种基本变形
（1）弹性变形： 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。
F F F
（2）塑性变形:
材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称 为塑性变形。
2 拉伸试样分类 对于金属棒材，一般采用圆形截面的试样。其直径一般为3-25mm。 试样又分带夹头和不带夹头两种。
圆形截面
带夹头圆形式样图
单肩试样
双肩试样
圆形试样比例尺寸表
若相关产品标准无具体规定、优先采用R2、R4或R7试样尺寸 试样总长度取决于夹持方式，原则上L> Lc+4d
（2）矩形试样 对厚、薄板材，一般采用矩形试样（通常为0.10~25mm） 根据厚度，采用宽度为 10mm 、 12.5mm 、 15mm 、 20mm 、 25mm 、 30mm 的六种试样，比例试样尽可能采用 L0=5.65S01/2 的短比例 试样。 矩形试样也可分为带夹头和不带夹头的比例或定标距的两种
2) 洛氏硬度

淬火钢球时C=100，金钢石时C＝130
洛氏硬度用符号HR表示，HR=C-h/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为 A、 B 、 C。
顶角 120° 金钢石 圆锥 或直径 1.588 mm的 淬火钢 球
压 头
洛 氏 硬 度 计
h1-h0

符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。
抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。 σb =Fb/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。 物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。 屈服强度与抗拉强度的比值σS / σb称为屈强比。 屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些 意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过 小，则材料强度的有效利用率太低。
指标 :
几个常见概念的定义
强度：指金属在静载荷下抵抗变形
和断裂的能力。是一般零件设计、 选材时的重要依据 。 硬度：它是衡量材料软硬的一个指 标，是 金属表面抵抗塑性变形和 破坏的能力。检查和控制金属零件 的热处理质量 塑性：指金属发生塑性变形而不被 破坏的能力。
载荷
作用在机件上的外力——载荷 静载荷 动载荷
≤0.025 ≤0.025 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.035 ≤0.030 ≤0.015 ≤0.030
≥0.015 ≥0.015 ≥0.015 ≥0.015 ≥0.015 ≥0.015 ≥0.015 ≥0.015 ≥0.020 ≥0.010 ≥0.015
用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布 氏硬度在650以下的材料。
表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t

120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf 载荷作用下保持 30s测得的布氏硬度 值为120。
布 氏 硬 度 压 痕
2.0～﹤2.5 29
2.5～﹤3.2 29
2.0～﹤2.5 2.5～﹤3.15 30 32
定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的
硬度
能力。（利用压入法测量）

1)布氏硬度HB
HB F / S 0.102
2F
D( D D 2 d 2 )
布 氏 硬 度 计
压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适
全截面管段拉伸式样图
管材尺寸表（mm）
管材纵向弧形比例试样及定标距试样图
管材纵向弧形试样尺寸表（mm）
材料的拉伸曲线Βιβλιοθήκη Baidu
1、oe段：直线、弹性变形
F σ
Fb
b
2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形
3、s s’段：水平线（略有波动） 明显的塑性变形屈服现象，作用 的力基本不变，试样连续伸长。
Fe
Fs
s s’ e
拉 伸 剪 切 载 荷 标 准
化学成分
机械性能 断后伸长率 % 不小于
产品名称
牌号
用途 C Mn P S Alt
屈服强度 Mpa
抗拉强度 Mpa 不小于 0.7～﹤1.0
公称厚度 mm 1.0～﹤1.6 32 35 39 40 38 34 32 28 28 14 22 ≥1.6 34 36 40 41 40 36 34 30 30 14 22
HC500/780DP 加强件、防撞件 B340LA 结构件
低合金高强度冷连轧钢板及 钢带
1.6～﹤2.0 冷成型用热连轧钢板及钢带 SPHC 一般用 ≤0.15 ≤0.60 ≤0.035 ≤0.035 ≥0.010 ﹣ 270 29 汽车结构用热连轧钢板及钢 带 1.6～﹤2.0 SAPH440 结构件 ≤0.21 ≤1.50 ≤0.030 ≤0.025 ≥0.015 ≥305(＜6.0mm) 440 29
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 弹性极限（σe）
指金属材料能保持弹性变形的最大应力。
σe =Fe/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗弹性变形的能力。 （2） 屈服强度（σS）
指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。
σS =Fs/S0 （MPa） 它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。
k
4、s’b曲线：均匀塑性变形，出现加工 硬化。 5、b点出现缩颈现象，即试样局部 截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，而后降低，但 变形量增大，K点时试样发生断裂。
o
力－伸长曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点 K — 断裂点
l
ε
F
S0

l
l0

表征材料强度的三个主要指标
DC01 DC03 冷连轧低碳钢板及钢带 DC04 DC05 B170P1 加磷高强度冷连轧钢板及钢 带 B210P1 B250P1 冷连轧碳素结构钢板及钢带 双相高强度冷连轧钢板及钢 带 B280VK B280/440DP
一般用 冲压用 深冲用 特深冲用 冲压用 一般用 一般用 结构件 结构件、加强件
静载荷：逐渐而缓慢地作用在工作上的力
如机床床身的压力、钢索的拉力 动载荷：包括冲击及交变载荷 如空气锤杆所受的冲击力、齿轮、弹簧
静拉伸试验（所加载荷为静载荷）
是一种较简单的力学性能试验，能够清楚地反映出材料受力 后所发生的弹性、弹塑性与断裂三个变形阶段的基本特性。 经拉伸试验对所测试的力学性能指标的测量稳定可靠，而且 理论计算方便，因此各国及国际组织都制定了完善的拉伸试 验方法标准，将拉伸试验方法列为力学性能试验中最基本、 最重要的试验项目。 强度指标：弹性极限σe、屈服强度σs 、抗拉强度σb 塑性指标：断后伸长率δ、断面收缩率ψ等
三层板焊接？
三层板公称 厚度？
1.三层以上焊接，板厚或材质不同时，试片尺寸，计算不同相 关部件材质的抗拉强度与板厚的积，取较小值的板材的板厚为 公称板厚。 2.板厚>3mm，或者两块以上的板厚比>1.4时，如图所示添加结 合板的试片。结合板是与试验材同样的板厚，重新以点焊等固 定在试片上。试验在室温时迚行。
当材料单位面积上所受的 应力 σe<σ<σs 时，只产生 微量的塑性变形。当σ>σs 时，材料将产生明显的塑 性变形。
F
F0.2

s0.2
s e
b
k
对于低塑性材料或脆性材料：
l
条件屈服强度: σ0.2=F
0.2/S0
0.2%l0 （MPa）

屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
（3）抗拉强度（σb ）
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及
比压头还硬的材料。 应用：适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁 及有色金属的硬度。 材料的b与HB乊间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
F
F
拉伸试验的工程意义
工程材料受力后都会发生变形，包括：弹性变形、塑性变形、 断裂三个基本阶段
弹性：固体材料在外力作用下改变其形状和大小，但当力撤 去后即恢复到原来状态的性质 塑性：固体材料受到超过一定特定值的外力作用时，其形状 与大小会发生永久性变化的特性 断裂：固体材料受外力作用变形的最终结果，也就是固体材 料受力变形产生裂纹和裂纹扩展到一定的临界值后即产生断 裂
≤0.10 ≤0.08 ≤0.08 ≤0.008 ≤0.006 ≤0.008 ≤0.008 ≤0.15 ≤0.15 ≤0.18 ≤0.12
≤0.50 ≤0.45 ≤0.40 ≤0.30 ≤1.00 ≤1.20 ≤1.20 ≤0.15 ≤1.80 ≤2.5 ≤1.0
≤0.035 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.020 ≤0.08 ≤0.10 ≤0.12 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.040 ≤0.030
140～280 140～240 130～210 120～180 170～260 210～310 250～360 280～420 280～420 500～650 340～460
270 270 270 270 340 390 440 440 440 780 440
30 34 38 40 36 32 30 27 26 14 22
矩形带夹头拉伸试样尺寸（mm）
矩形带夹头拉伸试样图
若相关产品标准无具体规定，优先采用短试样式（比例系数k=5.65）的比例试样。若比例 标距小于15mm，建议采用非比例试样
矩形非比例试样尺寸（mm）
（3）管材试样 管材试样一般为自管材切取的全截面管段或从管材切取的全 壁厚纵向条状试样。 对于d小于等于50mm的无缝管及焊管，可切取全截面管段进行 试验。对于d大于等于50mm的管可切取纵向弧形试样，对于管 材壁厚大于等于8mm的，可制成纵向圆形试样。
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。
lk l0 100% l0 s0 sk 断面收缩率: 100% s0
伸长率：
F
d0
F
l0
L
dk
良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。
lk
点焊强度如何 验证？
点焊 试验片 标准尺寸