材料的力學(xué)性能測試

任何一種材料受力后都有變形產(chǎn)生，變形到一定程度材料就會降低或失去承載能力，即發(fā)生破壞，各種材料的受力——變形——破壞是有一定規(guī)律的。材料的力學(xué)性能（也稱機械性能），是指材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形和破壞等方面的性能，如強度、塑性、彈性和韌性等。為保證工程構(gòu)件在各種負(fù)荷條件下正常工作，必須通過試驗測定材料在不同負(fù)荷下的力學(xué)性能，并規(guī)定具體的力學(xué)性能指標(biāo)，以便為構(gòu)件的強度設(shè)計提供可靠的依據(jù)。材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)有屈服強度、抗拉強度、材料剛度、延伸率、截面收縮率、沖擊韌性、疲勞極限、斷裂韌性和裂紋擴展特性等。金屬材料的力學(xué)性能取決于材料的化學(xué)成分、金相結(jié)構(gòu)、表面和內(nèi)部缺陷等，此外，測試的方法、環(huán)境溫度、周圍介質(zhì)及試樣形狀、尺寸、加工精度等因素對測試結(jié)果也有一定的影響。

材料的力學(xué)性能測試必修實驗為5學(xué)時，包括：軸向拉伸實驗、軸向壓縮實驗、低碳鋼拉伸彈性模量E的測定、扭轉(zhuǎn)實驗、低碳鋼剪切彈性模量G的測定。

§1－1  軸向拉伸實驗

一、實驗?zāi)康?/span>

1、 測定低碳鋼的屈服強度（）、抗拉強度（）、斷后伸長率A11.3（10）和斷面收縮率Z（）。

2、 測定鑄鐵的抗拉強度（）。

3、 比較低碳鋼（塑性材料）和鑄鐵（脆性材料）在拉伸時的力學(xué)性能和斷口特征。

注：括號內(nèi)為GB/T228-2002《金屬材料  室溫拉伸試驗方法》發(fā)布前的舊標(biāo)準(zhǔn)引用符號。

二、設(shè)備及試樣

1、 電液伺服萬能試驗機（自行改造）。

2、 0.02mm游標(biāo)卡尺。

3、 低碳鋼圓形橫截面比例長試樣一根。把原始標(biāo)距段L0十等分，并刻畫出圓周等分線。

4、 鑄鐵圓形橫截面非比例試樣一根。

注：GB/T228-2002規(guī)定，拉伸試樣分比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣的原始標(biāo)距與原始橫截面積的關(guān)系滿足。比例系數(shù)取5.65時稱為短比例試樣，取11.3時稱為長比例試樣，國際上使用的比例系數(shù)取5.65。非比例試樣與無關(guān)。

三、實驗原理及方法

低碳鋼是指含碳量在0.3％以下的碳素鋼。這類鋼材在工程中使用較廣，在拉伸時表現(xiàn)出的力學(xué)性能也*為典型。

低碳鋼拉伸圖（F—ΔL曲線）

以軸向力F為縱坐標(biāo)，標(biāo)距段伸長量ΔL為橫坐標(biāo)，所繪出的試驗曲線圖稱為拉伸圖，即F—ΔL曲線。低碳鋼的拉伸圖如上圖所示，FeL為下屈服強度對應(yīng)的軸向力，FeH為上屈服強度對應(yīng)的軸向力，Fm為*大軸向力。

F—ΔL曲線與試樣的尺寸有關(guān)。為了消除試樣尺寸的影響，把軸向力F除以試樣橫截面的原始面積S0就得到了名義應(yīng)力，也叫工程應(yīng)力，用σ表示。同樣，試樣在標(biāo)距段的伸長ΔL除以試樣的原始標(biāo)距ＬO得到名義應(yīng)變，也叫工程應(yīng)變，用ε表示。σ—ε曲線與F—ΔL曲線形狀相似，但消除了兒何尺寸的影響，因此代表了材料本質(zhì)屬性，即材料的本構(gòu)關(guān)系。

典型低碳鋼的拉伸σ—ε曲線，如上圖所示，可明顯分為四個階段：

（1）彈性階段oa’：在此階段試樣的變形是彈性的，如果在這一階段終止拉伸并卸載，試樣仍恢復(fù)到原先的尺寸，試驗曲線將沿著拉伸曲線回到初始點，表明試樣沒有任何殘余變形。習(xí)慣上認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檎汝P(guān)系，即

式中比例系數(shù)E代表直線的斜率，稱為材料的彈性模量，其常用單位為GPa。它是代表材料發(fā)生彈性變形的主要性能參數(shù)。E的大小反映材料抵抗彈性變形的一種能力，代表了材料的剛度。此外，材料在發(fā)生桿的軸向伸長的同時還發(fā)生橫向收縮。反映橫向變形的橫向應(yīng)變ε＇與ε之比的**值μ稱為材料的泊松比。它是代表材料彈性變形的另一個性能參數(shù)。

（2）屈服階段ab：在超過彈性階段后出現(xiàn)明顯的屈服過程，即曲線沿一水平段上下波動，即應(yīng)力增加很少，變形快速增加。這表明材料在此載荷作用下，宏觀上表現(xiàn)為暫時喪失抵抗繼續(xù)變形的能力，微觀上表現(xiàn)為材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化。從微觀結(jié)構(gòu)解釋這一現(xiàn)象，是由于構(gòu)成金屬晶體材料結(jié)構(gòu)晶格間的位錯，在外力作用下發(fā)生有規(guī)律的移動造成的。如果試樣表面足夠光滑、材料雜質(zhì)含量少，可以清楚地看出試樣表面有450方向的滑移線。

根據(jù)GB/T228－2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣發(fā)生屈服而力**下降前的*大應(yīng)力稱為上屈服強度，記為“ReH”；在屈服期間，不計初始瞬時效應(yīng)時的*低應(yīng)力稱為下屈服強度，記為“ReL”，若試樣發(fā)生屈服而力**下降的*小應(yīng)力是屈服期間的*小應(yīng)力時，該*小應(yīng)力稱為初始瞬時效應(yīng)，不作為下屈服強度。

通常把試驗測定的下屈服強度ReL作為材料的屈服極限σS，σS是材料開始進入塑性的標(biāo)志。不同的塑性材料其屈服階段的曲線類型有所不同，其屈服強度按GB/T228-2002規(guī)定確定。結(jié)構(gòu)、零件的外加載荷一旦超過這個應(yīng)力，就可以認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)或零件會因為過量變形而失效。因此，強度設(shè)計中常以屈服極限σS作為確定許可應(yīng)力的基礎(chǔ)。由于材料在這一階段已經(jīng)發(fā)生過量變形，必然殘留不可恢復(fù)的變形（塑性變形），因此，從屈服階段開始，材料的變形就包含彈性和塑性兩部分。

    （3）強化階段bc：屈服階段結(jié)束后，σ—ε曲線又出現(xiàn)上升現(xiàn)象，說明材料恢復(fù)了對繼續(xù)變形的抵抗能力，材料若要繼續(xù)變形必須施加足夠的載荷。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠(yuǎn)保留。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，材料的彈性階段線將加長、屈服強度明顯提高，塑性將降低。這種現(xiàn)象稱作應(yīng)變強化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質(zhì)之一。塑性變形與應(yīng)變強化二者結(jié)合，是工廠強化金屬的重要手段。例如：噴丸、擠壓，冷拔等工藝，就是利用材料的冷作硬化來提高材料的強度。強化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形的增長，試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。σ—ε曲線的應(yīng)力峰值Rm為材料的強度極限σb。對低碳鋼來說σb是材料均勻塑性變形的*大抵抗能力，也是材料進入頸縮階段的標(biāo)志。

（4）頸縮階段cd：應(yīng)力到達(dá)強度極限后，開始在試樣*薄弱處出現(xiàn)局部變形，從而導(dǎo)致試樣局部截面急劇頸縮，承載面積迅速減少，試樣承受的載荷很快下降，直至斷裂。斷裂時，試樣的彈性變形消失，塑性變形則**在斷裂的試樣上。

塑性材料和脆性材料的拉伸曲線存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是工程材料中*具典型意義的兩種材料，前者為塑性材料，后者為脆性材料。觀察它們在拉伸過程中的變形和破壞特征有助于正確、合理地認(rèn)識和選用材料。

根據(jù)試驗機繪制的拉伸F—ΔL曲線確定低碳鋼的、和鑄鐵的。

（1）原始橫截面面積（S0）的測定：圓形橫截面試樣，應(yīng)分別在標(biāo)距內(nèi)兩端及中部測

量直徑。測量某處的直徑時，應(yīng)在該處測量兩個互垂方向的直徑，取其算術(shù)平均值。原始橫截面面積S0取三處測得的*小直徑計算，并至少保留4位有效數(shù)字。

（2）強度指標(biāo)（、）的測定：從低碳鋼的F—ΔL曲線讀取試樣的FeL和Fm值，將其分別除以試樣的原始橫截面面積S0得低碳鋼的屈服強度和抗拉強度；從鑄鐵的F—ΔL曲線讀取試樣的Fm值，將其除以試樣的原始橫截面面積S0得鑄鐵抗拉強度；

根據(jù)拉斷后低碳鋼試樣的斷口直徑及標(biāo)距段長度確定A11.3 和Z

（1）原始標(biāo)距L0的標(biāo)記：低碳鋼拉伸試樣的標(biāo)距段原始長度為100mm，分十等分，用劃線機劃細(xì)的圓周線作為標(biāo)記。

（2）低碳鋼斷面收縮率Z的測定：斷裂后試樣橫截面的*大縮減量S0－Su與原始橫截面面積S0之比的百分率為斷面收縮率。

測量時將試樣斷裂部分仔細(xì)地配接在一起，使其軸線處于同一直線上。測量圓形橫截面縮頸處的*小直徑計算縮頸后的試樣*小橫截面面積Su。

（3）低碳鋼斷后伸長率A11.3的測定：斷后標(biāo)距的殘余伸長Lu－L0與原始標(biāo)距L0之比的百分率為斷后伸長率。對于比例試樣，若原始標(biāo)距不為，則符號A應(yīng)附下標(biāo)注明所使用的比例系數(shù)，例如A11.3表示原始標(biāo)距L0為的試樣斷后伸長率。

測量時將試樣斷裂部分仔細(xì)地配接在一起，應(yīng)使試樣二段的軸線處于同一直線上，并且斷裂部分適當(dāng)接觸。當(dāng)斷裂處與*接近的標(biāo)距標(biāo)記的距離不小于原始標(biāo)距的三分之一時，標(biāo)距段長度Lu按要求配接后直接測量，否則應(yīng)按下述移位方法測量Lu。

試驗前將原始標(biāo)距L0細(xì)分為N等分，把每一等分的細(xì)圓周線稱為標(biāo)距等分標(biāo)記

試驗后，以符號X表示斷裂后試樣短的一段距離試樣夾持部*近的標(biāo)距等分標(biāo)記，以符號Y表示斷裂試樣長的一段的標(biāo)距等分標(biāo)記，要求Y與斷裂處的距離*接近X與斷裂處的距離，X與Y之間的標(biāo)距等分格數(shù)為n。

若N－n為偶數(shù)，以符號Z表示斷裂試樣長的一段的標(biāo)距等分標(biāo)記，要求Z與Y的標(biāo)距等分格數(shù)為。分別測量X與Y之間的距離記為XY、Y與Z之間的距離記為YZ，則試樣斷后的標(biāo)距段長度Lu＝XY＋2YZ，如下圖（a）所示。

若N－n為奇數(shù)，以符號Z’ 和Z’’表示斷裂試樣長的一段的標(biāo)距等分標(biāo)記，要求Z’與Y的標(biāo)距等分格數(shù)為，Z’與Z’’的標(biāo)距等分格數(shù)為1。分別測量X與Y之間的距離記為XY、Y與Z’之間的距離記為Y Z’、Z’與Z’’之間的距離記為Z’ Z’’，則試樣斷后的標(biāo)距段長度Lu＝XY＋2Y Z’ ＋Z’ Z’’，如下圖（b）所示。

中四、實驗步驟

1、測量試樣原始尺寸  分別在標(biāo)距兩端及中部三個位置上測量的直徑，用*小直徑計算抗扭截面模量。

2、安裝試樣并保持試樣軸線與扭轉(zhuǎn)試驗機轉(zhuǎn)動中心一致。

3、低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞試驗，觀察線彈性階段、屈服階段的力學(xué)現(xiàn)象，記錄上、下屈服點扭矩值，試樣扭斷后，記錄*大扭矩值，觀察斷口特征。

4、鑄鐵扭轉(zhuǎn)破壞試驗，試樣扭斷后，記錄*大扭矩值，觀察斷口特征。

五、實驗數(shù)據(jù)處理

1、試樣直徑的測量與測量工具的精度一致。

2、抗扭截面模量取4位有效數(shù)字。

3、力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)值的修約要求同拉伸實驗