金属材料的力学性能测试

材料力学实验指导书

（第一部分）

材料的力学性能测试

浙江工业大学机电学院

2006年9月

第一部分 材料的力学性能测试

任何一种材料受力后都有变形产生，变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力，即发生破坏，各种材料的受力——变形——破坏是有一定规律的。材料的力学性能（也称机械性能），是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，如强度、塑性、弹性和韧性等。为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作，必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能，并规定具体的力学性能指标，以便为构件的强度设计提供可靠的依据。材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等，此外，测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。

材料的力学性能测试必修实验为5学时，包括：轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量E 的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量G 的测定。

§1－1 轴向拉伸实验

一、实验目的

1、 测定低碳钢的屈服强度eL R （s σ）、抗拉强度m R （b σ）、断后伸长率A 11.3（δ10）和断

面收缩率Z （ψ）。

2、 测定铸铁的抗拉强度m R （b σ）。

3、 比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）在拉伸时的力学性能和断口特征。

注：括号内为GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。

二、设备及试样

1、 电液伺服万能试验机（自行改造）。

2、 0.02mm 游标卡尺。

3、 低碳钢圆形横截面比例长试样一根。把原始标距段L 0十等分，并刻画出圆周等分线。

4、 铸铁圆形横截面非比例试样一根。

注：GB/T228-2002规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距0L 与原始横截面积0S 的关系满足00S k L =。比例系数k 取5.65时称为短比例试样，k 取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数k 取5.65。非比例试样0L 与0S 无关。

三、实验原理及方法

低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。

ΔL （标距段伸长量）

低碳钢拉伸图（F —ΔL 曲线）

以轴向力F 为纵坐标，标距段伸长量ΔL 为横坐标，所绘出的试验曲线图称为拉伸图，即F —ΔL 曲线。低碳钢的拉伸图如上图所示，F eL 为下屈服强度对应的轴向力，F eH 为上屈服强度对应的轴向力，F m 为最大轴向力。

F —ΔL 曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F 除以试样横截面的原始面积S 0就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示。同样，试样在标距段的伸长ΔL 除以试样的原始标距ＬO 得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。

低碳钢应力—应变图（σ—ε曲线）

典型低碳钢的拉伸σ—ε曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段：

（1）弹性阶段oa ’：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即E σε= 式中比例系数E 代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa 。它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。E 的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。反映横向变形的横向应变ε＇与ε之比的绝对值μ称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。

（2）屈服阶段ab ：在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有450方向的滑移线。

根据GB/T228－2002标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度，记为“R eH ”；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“R eL ”，若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。

通常把试验测定的下屈服强度R eL 作为材料的屈服极限σS ，σS 是材料开始进入塑性的标志。不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此，强度设计中常以屈服极限σS 作为确定许可应力的基础。由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形（塑性变形），因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。

（3）强化阶段bc ：屈服阶段结束后，σ—ε曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面

(工程应变)