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模塊一金屬材料力學性能檢測技術 1 3金屬硬度試驗 1 2金屬扭轉及彎曲試驗 1 1拉伸試驗 1 4金屬沖擊韌性試驗 概述 金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出的諸如強度 塑性 彈性等等力學特性稱為材料的力學性能 而衡量金屬材料力學性能的指標統(tǒng)稱為力學 機械 性能指標 這些指標是通過實驗來確定的 本章就依據(jù)國家標準來討論這些指標的意義及測定方法 1 1金屬材料拉伸試驗 拉伸實驗室是測定材料力學性能的最常用的一種方法 按國標GB6397 86 金屬材料試驗試樣 規(guī)定 拉伸試樣分為比例試樣和定標距試樣兩種 一 拉伸試樣 其中為試樣標距 為試樣橫截面面積 比例系數(shù) 一般取5 65或11 3 前者稱短試樣 后者稱長試樣 1 比例計算 1 比例計算的標距和橫截面面積之間存在如下比例關系 即 1 1金屬材料拉伸試驗 1 1金屬材料拉伸試驗 3 圓截面試樣的形狀如圖所示 它分為三個部分 工作部分長度 一般不小于 2 對于圓截面試樣 短長比例試樣的標距分別取和 1 1金屬材料拉伸試驗 定標距試樣的原始標距與橫截面間無比例關系 一般取 2 定標距試樣 1 1金屬材料拉伸試驗 通常從產品 壓制坯或鑄錠切取樣坯經(jīng)機加工制成試樣 但具有恒定橫截面的產品 型材 棒材 線材等 和鑄造試樣 鑄鐵和鑄造非鐵合金 可以不經(jīng)機加工而進行試驗 取樣部位 取樣方向和取樣數(shù)量是對材料性能試驗結果影響較大的3個因素 被稱為取樣三要素 3 取樣與制樣 1 1金屬材料拉伸試驗 二 引伸計 引伸計是測量構件及其他物體兩點之間線變形的一種儀器 通常由傳感器 放大器和記錄器三部分組成 傳感器直接和被測構件接觸 構件變形 傳感器隨著變形 并把這種變形轉換為機械 光 電 聲等信息 放大器將傳感器輸出的微小信號放大 記錄器 或讀數(shù)器 將放大后的信號直接顯示或自動記錄下來 1 1金屬材料拉伸試驗 圖1千分表原理圖 圖2拉桿式引伸計 1 1金屬材料拉伸試驗 圖4電容式引伸計 圖6電阻式引伸計 1 1金屬材料拉伸試驗 圖5電感式引伸計 1 1金屬材料拉伸試驗 正應力 切應力 應力 F S應變 L L S S 1 1金屬材料拉伸試驗 由于而A0l均為常量 故兩圖形形狀相同 二 拉伸圖及應力 應變圖 下圖為低碳鋼的拉伸圖和應力 應變圖 1 1金屬材料拉伸試驗 具有物理屈服現(xiàn)象的金屬材料 其拉伸曲線的類型有如下一些情況 1 1金屬材料拉伸試驗 1 1金屬材料拉伸試驗 3 屈服極限 各項強度指標定義如下 5 斷裂強度 2 彈性極限 1 比例極限 4 強度極限 各應力指標的定義及測試方法 圖解法 的測試方法 定義 應力與應變成直線關系的最大應力值 1 比例極限 1 1金屬材料拉伸試驗 1 1金屬材料拉伸試驗 2 彈性極限 定義 材料由彈性變形過渡到彈性 塑性變形的應力 的測試方法 試樣卸力后 殘余伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力 這種應力是在卸力后測定的 國家標準規(guī)定以殘余伸長為0 01 的應力作為規(guī)定的彈性極限 無特殊要求的情況下 一般只測量屈服點或下屈服點 3 下屈服點 2 上屈服點 1 屈服點 4 2金屬材料拉伸時的力學性能 3 屈服極限 1 1金屬材料拉伸試驗 1 1金屬材料拉伸試驗 3 屈服極限 對于沒有屈服現(xiàn)象的材料 規(guī)定產生0 2 殘余應變的應力作為屈服強度 以表示測量方法與彈性極限相似 1 1金屬材料拉伸試驗 4 強度極限 抗拉強度 定義 曲線上最大應力為強度極限 標志 出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象 1 1金屬材料拉伸試驗 5 斷裂強度 定義 試樣拉斷時的真實應力 表征材料對斷裂的抗力 式中 試樣斷后標距長度 mm 材料的塑性指標及其測定 試樣原始標距長度 1 定義 試樣拉斷后 其標距部分的伸長與原始標距的百分比 1 斷后伸長率 1 1金屬材料拉伸試驗 2 移位法 1 直測法 2 的測定方法 1 1金屬材料拉伸試驗 1 直接法 當試樣拉斷處到標距端點的距離均大于1 3L0時 直接測量標距兩端點之間的距離Lk 2 移位法 如果試樣拉斷處到標距端點的距離小于1 3L0時 應按國家標準的規(guī)定采用斷口移中的辦法 計算Lk長度 試驗前要在試件標距內等分劃十個格子 試驗后 將試件對接在一起 從斷口為起點O 在長段上取基本等于短段的格數(shù)得B點 計算Lk方法如下 當斷口非?？拷嚰啥?而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時 一般認為試驗結果無效 需要重新試驗 同一材料的試樣長短不同 測得的斷后伸長率略有不同 比例試樣的尺寸越短 其斷后伸長率越大 3 試樣尺寸對的影響說明 對于塑性材料 斷裂前變形集中在縮頸處 距離斷口位置越遠 變形越小 因此 斷口在標距間的位置對延伸率是有影響的 也就是說試樣斷裂后的塑性變形可分為兩部分 1 頸縮出現(xiàn)前的均勻伸長 2 頸縮出現(xiàn)后的局部伸長 其中與原始的標距長度有關 與原始橫截面面積有關 1 1金屬材料拉試驗 1 的定義 試樣拉斷后 頸縮處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比 2 斷后收縮率 2 的測定 為試樣斷裂后 頸縮處最細部分的橫截面面積 式中 為試樣原始橫截面面積 1 1金屬材料拉伸試驗 拉伸試驗機 拉伸試驗一般在液壓式萬能試驗機或電子式萬能試驗機上進行 WE系列液壓式萬能材料試驗機是一種適用性強 用途廣的試驗機 系列規(guī)格有l(wèi)00KN 300KN 600KN 1000KN 當然也有特殊規(guī)格 目前為一般力學實驗室普遍配套使用 油壓式拉伸試驗機 傳感器式拉伸試驗機 高溫拉伸試驗機 1 1金屬材料拉伸試驗 金屬扭轉試驗的特點 扭轉試驗是金屬力學性能試驗中的一種重要試驗方法 對于某些承受切應力或扭轉應力的零件如傳動主軸 彈簧 鉆桿等 具有重要的實際意義 扭轉試驗主要用于評價材料的塑性 尤其是在拉伸試驗時呈脆性的材料 扭轉試驗是評價其塑性的最佳方法 圓柱形試樣扭轉時 試樣從開始變形直至破壞 其長度和截面尺寸幾乎保持不變 試樣沿標距長度的塑性變形始終是均勻發(fā)生的 沒有縮頸現(xiàn)象出現(xiàn) 因此 對于那些塑性好的材料用扭轉試驗方法可以精確地測定其應力和應變的關系 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 扭轉試驗可以明顯的區(qū)別材料的斷裂方式是正斷還是切斷 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能 因此 可利用扭轉試驗研究或檢驗工件熱處理的表面質量和各種表面強化工藝的效果 缺點 截面上的應力分布不均勻 表面處最大 越往心部越小 心部材料的缺陷不能很好體現(xiàn) 扭轉試驗的特點1 特點 1 能檢測在拉伸時呈脆性的材料的塑性性能 2 長度方向 宏觀上的塑性變形始終是均勻的 3 能敏感地反映材料表面的性能 4 斷口的特征最明顯 正斷 切斷 層狀斷口等 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 2 應力狀態(tài)縱向受力均勻 橫向表面最大 心部為0 最大正應力與最大切應力相等 應力狀態(tài)軟性系數(shù)在三向應力狀態(tài)下 最大切應力與最大正應力的比值稱為應力狀態(tài)軟性系數(shù) 用 表示 越大 最大切應力分量越大 表示應力狀態(tài)越軟 材料越易于產生塑性變形 反之 越小 表示應力狀態(tài)越硬 材料越容易產生脆性斷裂 不同的加載方式下材料具有不同的應力狀態(tài)軟性系數(shù) v 0 25 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 試樣主要采用圓形截面 推薦直徑為 標距分別為 平行長度相應為 若為其他尺寸的直徑則 一 扭轉試件 2 扭轉計 1 扭轉試驗機 二 實驗設備 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 1 定義 試樣扭轉時 其標距部分外表面上的非比例剪應變達到規(guī)定數(shù)值時 按彈性扭轉公式計算的剪應力即為規(guī)定非比例扭轉應力 例如 一般用分別作為 條件扭轉比例極限 和 扭轉屈服強度 逐級加載法 圖解法 測試方法 三 扭轉力學性能測試 一 規(guī)定非比例扭轉應力的測定 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 屈服點 在扭轉曲線上出現(xiàn)屈服平臺時對應的應力扭矩 按彈性扭轉應力公式計算的切應力 二 扭轉屈服性能指標 定義 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 2 上屈服點 扭轉曲線上首次發(fā)生下降的最大扭矩 按彈性扭轉應力公式計算剪應力 3 下屈服點 扭轉曲線上的屈服階段中最小扭矩 按彈性扭轉應力公式計算的剪應力 2 測試方法 2 指針法 1 圖解法 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 三 扭轉強度的測定 2 測定方法 按定義做即可 1 定義 試樣扭斷前承受的最大扭矩 按彈性扭轉公式計算的試樣表面最大切應力 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 四 最大非比例剪應變 1 定義 試樣扭斷時 其外表面上的最大非比例剪應變 即為最大非比例剪應變以表示 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 公式中 為試樣直徑 為試樣標距范圍的最大扭轉角 為試樣 按公式 1 圖解法 2 測定方法 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 1 定義 扭轉時 剪應力與剪應變成線性比例關系范圍內 剪應力與剪應變之比稱為剪切彈性模量 以表示 五 剪切彈性模量的測定 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 其中 為抗扭慣性矩 為扭轉計標距 按公式 1 作圖法 2 測試方法 2 逐級加載法 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 六 扭轉性能數(shù)據(jù)的修改 1 2金屬材料扭轉時的力學性能 金屬彎曲試驗及其工程意義 金屬彎曲試驗是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上 將材料試樣圍繞具有一定直徑的彎心彎曲至規(guī)定的角度或不帶彎心彎到兩面接觸 即彎曲180 彎心直徑d 0 后 卸除試驗力 檢查試樣承受變形的能力 試驗一般在室溫下進行 所以也常稱為冷彎試驗 1 3金屬彎曲試驗 它的目的有二 一是用于檢定金屬材料彎曲成一定形狀和尺寸后的變形能力 二是顯示其缺陷 記錄彎曲力p和試樣撓度f之間的關系 1 3金屬彎曲試驗 一 金屬彎曲力學性能試驗特點 應力狀態(tài)與靜拉伸時的應力狀態(tài)基本相同 彎曲試驗不受試樣偏斜的影響 彎曲試驗不能使塑性很好的材料破壞 不能測定其斷裂彎曲強度 試樣上表面應力最大 可以較靈敏地反映材料表面缺陷情況 1 3金屬彎曲試驗 進行彎曲試驗時 將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上 進行三點彎曲或四點彎曲試驗 對于圓形 矩形橫截面試樣 一般每個試驗點需試驗3個試樣 對于薄板試樣 每個試驗點至少試驗6個試樣 試驗時 拱面向上和向下各試驗3個試樣 1 3金屬彎曲試驗 a 三點彎曲加載 b 四點彎曲加載 二 金屬彎曲力學性能的確定 通過彎曲試驗得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關系曲線稱為彎曲圖 鑄鐵的彎曲力F 撓度f曲線 1 3金屬彎曲試驗 試樣彎曲時 受拉側表面的最大正應力 M 最大彎矩 對三點彎曲M PL 4 對四點彎曲M PK 2 W 抗彎截面系數(shù) 對于直徑為d的圓形試樣 對于寬度為b 高為h的矩形試樣 W bh2 6計算脆性材料的抗彎強度 Mb為斷裂時的彎矩 讀出Pbb 1 抗彎強度 bb 彎曲試驗主要測定脆件或低塑性材料的抗彎強度 試樣彎曲至斷裂前達到的 按彈性彎曲應力公式計算得到的最大彎曲應力就是材料的抗彎強度 用符號 bb表示 1 3金屬彎曲試驗 bb是鑄鐵的重要力學性能指標 灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能 球鐵和可鍛鑄鐵的 bb比灰鑄鐵的大得多 如珠光體球鐵的 bb為700 1200MPa 為抗拉強度的1 6 1 9倍 1 3金屬彎曲試驗 2 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 1 3金屬彎曲試驗 二 試樣 1 形狀和尺寸彎曲試驗試樣的橫截面形狀可以為圓形 方形 矩形和多邊形 但應參照相關產品標準或技術協(xié)議的規(guī)定 試樣橫截面尺寸應根據(jù)材料種類 特性和試驗機能力確定 例P25 在這個圖中 標有橙色的部位進行取樣稱側彎 蘭色部位取樣為面彎 它的底部為背彎 2 加工方法 室溫下可用鋸 銑 刨等加工方法截取 試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕 棱邊必須銼圓 其半徑不應大于試樣厚度的1 10 試樣的端部應打印或用其他方法標記試樣的代號 1 試驗裝置 彎曲試驗通常在萬能材料試驗機或壓力機上進行 常用的彎曲裝置有支輥式 V型模具式 虎鉗式 板式 等 2 試驗過程 試樣在兩個支點上按一定彎心直徑彎曲至兩臂平行時 可一次完成試驗 也可先彎曲至90 然后放置在試驗機平板之間繼續(xù)施加壓力 壓至試樣兩臂平行 3 試驗結果評定 金屬彎曲試驗結果應按照相關產品標準或技術協(xié)議的要求進行評定 如產品標準或技術協(xié)議無具體規(guī)定 一般在試驗后檢查試樣彎曲部分的外面 里面和側面 若彎曲處無裂紋 起層或斷裂現(xiàn)象 即可認為彎曲性能合格