材料力学性能测试总结
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当金属材料受外力作用时,其内部产生与外力相平衡的内力。
材料单位界面上的内力称为应力。 从图5—3中可以明显地看出金属材料的以下几个变形阶段: (1)弹性变形阶段。OE段为弹性变形阶段,其变形量与外力成正 比,外力去除后.试样将恢复到原始状态。 (2)屈服阶段。ES段为屈服阶段,这时试样除发生弹性变形外, 还发生了部分塑性变形。在S点的曲线几乎呈水平线段或锯齿 折线,说明外力不再增加但试样仍继续变形,这种现象称为 “屈服”。它表明材料开始发生塑性变形。外力去除后,材 料—部分变形恢复,还有一部分变形不能恢复.这部分不能 恢复的变形即为塑性变形。材料产生屈服现象时的应力称为 屈服点。 (3)强化阶段。SB段为强化阶段,为使试样继续变形,外力增大 到Fb,随着塑性变形增大,材料的变形抗力也逐渐增加。
材料的硬度还可以服用维氏硬度试验办法和显微硬度试 验方法测定。各种不同方法测定的硬度值之间没有直接的 换算公式,需要时可以通过查表的方法进行换算。
4.韧性
许多机器零件,如锤杆、锻模、冲模、活塞销等,在工作过程中往往要
受到冲击载荷的作用。材料抵抗冲击载荷作用,在断裂前吸收变形能量 称为韧性。工程卜通常采用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料的韧 性.其指标冲击切度用符号aK表示。试验时把标准冲击试样(阁5—6)放 在摆锤冲击试验机(图5—7)的支座上,然后拾起摆锤,让它从一定高度 H1落,将试样打断。摆锤又升到H2的高度。冲击韧度通过式(5—6)计算
2.塑性
金属材料在外力作用下产生不可逆永久变形的能力称为
塑性。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率φ,它们 也是通过拉伸试验测定的。
伸长率的大小与试样尺寸有关。为了便于比较.必须采用标准试样尺寸。一般规定, 试样的原始标距长度等于其直径的10倍时,测得的伸长率用δ 10(通常简写成δ)表示; 试样的原始标距长度等于其直径的5倍时,测得的伸长率用δ 5表示。
(4)缩颈和断裂阶段。BK段为缩颈和断裂阶段.当外力增加
到最大值Fb时,试样的直径发午局部收缩现象(图5—2(b)), 称为”缩颈”。由于截面减小,使试样继续变形所需的外 力下降。当外力减至Fk时颈缩处断裂。试样在拉断,前所 能承受的最大拉应力称为抗拉强度。 有些金属材料(如铸铁等)在拉伸试验时没有明显的屈服现 象。工程上规定用产生0.2%塑性变形时的应力值作为条件 屈服强度,用σ0.2表示。 σ s、 σ0.2和σb是一般机器零件和构件设计选材的主要依据。 此外,工程上还希望金属材料具有适当的屈强比(σ s / σb)。材料的屈强比越小,零件的可靠性越高,但材料强度 的有效利用率越低。因此,一般希望屈强比高一些。
2013.5.16
力学试验Байду номын сангаас
力学试验是公特定的加载条件下探讨材料的性态的,金属
材料的力学试验大致分成两类:
一类称作力学性质试验.专门测试材料的强度特性、变形
特性和断裂特性,是力学试验的基础部分;
一类称作工艺性质试验.诸如冷弯试验、深冲试验、可锻
性试验、切削性试验等,用来检查材料对某种变形工艺的 适应能力。虽然这些试验也反映金属在某个方面的件质, 但试验结果多数不具行明确的内涵,具应用的针对性较强。 (这是测试材料的加工工艺性能)
金属的力学性质既由材
料内在状态所决定,亦 随着试验的外界条件而 变化。外界因素可以直 接影响材料的性质,也 可能通过改变其内部组 织而影响它的力学行为, 于是相互问构成了如图 5—1所示的关系网。
因此,在力学件质的研究中,仅仅依靠力学试验的结果是不够的。 为了把金属的性质与它的冶金质量、组织状态、点 阵类型、缺陷 分布等关系发掘出来,就必须配合进行各种组织检验、结构分析、 断口研究、应力分析、物理性质测试等多种试验工作,这些试验 与力学试验相配合,可以有效地揭示材料行为的内在本质,是力 学冶金学科发展的实验基础。
2.洛氏硬度 图5—5所示为洛氏硬度试验原理。试验时采用顶角为120。的金
刚石圆锥或直径为1.588mm的钢球做压头,在初始试验力Fo及 总试验力F(韧始试验力Fo+主试验力F1)的先后作用下压入被测材 料表面(图5—5(a)、[b)),保持规定的时间后卸除主试验力,在 初始试验力下测量压痕深度残余增量e(图5—5(c)),计算硬度值。 实际测量时,可通过洛氏硬度计上的刻度盘宜接读出洛氏硬度 值。
6.断裂韧性
KIC是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量,常用三点弯
曲试样测试脆性材料的平面应变断裂韧性。 将预先开有长度为c的裂纹的矩形截面试条作三点弯曲试验 (如图所示)。随着压杆所加的负荷由零增大,预制裂纹的前 端应力渐新增加,裂纹前端应力强度因子 也相应增大。当压杆负荷大到断裂负荷P时, σ达到断裂应 力σ c,裂纹开始失稳扩展。此时的K1在数值上与材料常数 KIC相等,因此可用此法计算KIC:
1.强度
金属材料征外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。根据外力作用形式的不同,强度可 分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扔扭强度等。工程上常用来表示金属材料强 度的指标有屈服点和抗拉强度。 为确定金属材料的屈服点和抗拉强度可进行拉伸试验。图5—2(a)所示的标淮拉伸试样安装在拉伸 试验机的两个夹头上,在试样两端缓慢施加拉力,试样在不断增加的拉力作用下逐渐发生变形, 直到被拉断为止,如图5—2(c)所示。在拉伸试验过程中,试验机将自动记录每一瞬间试样所受拉 和伸长量△L,绘出拉伸曲线。图5—3所示为低碳钢的拉伸曲线。
Ak值越大(或好值越大)则材料的韧性越好。一般情况下,在冲击试样的中部开有缺口,缺 口形式有v形和U形等。采用v形缺口试样时,冲击吸收劝和冲击韧度分别用Akv和akv表示。 采用u形缺口试样时,相应用Aku和aku表示。由丁试样尺寸、缺口深浅及尖锐度、表面粗 糙度等 均影响试验结果,所以试样必须标准化,并严格按要求加工。 对于脆性大的材料(如铸铁等),由于冲击韧度低.试样一般不开缺口。 可以在不问温 度下进行冲击试验,获得ak与试验温度的关系曲线,以此作为评定材料冷脆性能的依据。
压头为钢球时用HBS,适用于布氏硬度值在450以下的
材料;压头为硬质合金球时用HBW,适用于布氏硬度 值在650以下的材料。表示布氏硬度时.在符号HBS或 HBW之前为硬度值,符 号后面按一定顺序用数值表示试验条件(球体直径、试 验力大小和保持时间等)。当保持时间为10—15s时,不 需标注。例如200HBS10/1000/30表示用直径10mm的 钢球在1000kgf(9.81kN) 试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为200。 布氏硬度主要用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有 色金属等。
3.硬度
硬度是指金属材料表面抵抗局部变形(特别是塑性变形)
的能力或抵抗表面局部压痕或划痕的能力,其值通常 在硬度计上测定。常用的硬度试验方法有布氏硬度试 验和洛氏硬度试验等。
1.布氏硬度 图5—4为布氏硬度试验原理示意图。 试验时采用直径为D的钢球或硬质 合金球作压头,在相应的试验力F 作用下压入试样表面(图5—4(a)), 保持规定的时间后卸除试验力, 测量压痕直径d(因5—4(L)),通过 式(5—5)计算布氏硬度值。
力学试验的对象,可以是构件、 零部件或材料
(1)构件或零部件的试验,主要是考验它在类似服役条件下的行为, 试验时的外载分布、温度变化、介质条件等都尽可能复现其实际使 用的状态,以考核其结构强度、使用寿命、失效形式。一些大型构 件不便于用实物直接试验时,也可以采用模型或模拟的试验方法。 这些试验多半是在复杂的加载条件下进行的,不能以材料的基本力 学性质试验来代替,甚至零部件的试验也不能代替整机的试验。 (2)材料的力学试验则是在从金属材料中加工出的试样上进行的, 是力学试验的基础工作,试验的目的有: ①确定材料在各种受载条件下的行为,为工程设计提供依据。 ②材质的比较性检验。如具有持定用途的材料的筛选,企业中原材 料、半成品或产品的质量控制等。 ③通过力学行为与金属内部状态研究的配合,掌握力学性质变化的 基本原理,各种因素影响的本质,为高性能合金的研制提供指导。
5.疲劳强度
许多零件(如铀、俭轮、连杆蝉簧等)在实际工作过程中各点的应
力随时间作同期性变化,这种随时间作周期件变化的府力称为循 环府力(也称交变应力)。金属材料在循环应力作用下,在—处或 几处产生周部永久性累积损伤,经一定循环次数后发生裂纹或突 然断裂的过程称为疲劳。材料产生疲劳的应力通常低下其屈服点, 在断裂前材料不产生明显的塑性变形。金属材料在无数次循环应 力作用下不致引起断裂的最大应力值称为疲劳强度。 工程上测定疲劳强度的基方法是通过疲劳试验得到疲劳曲线(图 5—8(a)),即材料承受的交变应力与材料断裂前承受交变应力的 循环次数N之间关系的曲线。材料承受的交变应力越大,则断裂 时的应力循环次数N越少。当应力低于—定值时,疲劳曲线成为 水平线,表明该材料可能经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断 裂,此应力值称为材料的疲劳强度。实际上,金属材料不可能做 无限次交变载荷试验,一般需要规定各种金属材料的应力循环基 数,如钢材以10-+7为基数,合色合届以10+8为基数。金届材料在 指定循环基数下的疲劳强度称为疲劳极限。