材料力学性能.docx

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材料力学性能

实验四Vicker显微硬度的测定

一、实验目的

在Vicker硬度试验机上，在适当荷载下，用Vicker压头，在抛光的陶瓷或金属材料试样表面上压出压痕。

根据不同荷载下，压痕长度对角线的关系，套用材料的Vicker显微硬度计算公式计算出材料的Vicker显微硬度值（HV）。

二、实验原理

用Vicker压头在抛光的材料试样表面上压出压痕，利用显微硬度计对压痕光学放大，测定出在一定实验力下的金钢石角锥体压头压入被测物后所残留的压痕的对角线长度来求出被测物的硬度。

硬度值计算公式如下：

式中HV---Vicker硬度；

P---为实验力，N；

d--为压痕对角线长度；

三、仪器设备

Vicker显微硬度计；抛光机；切片机。

四、试样制备

选择相同工艺条件的构件，利用切割机制得标准试样φ2.5cm，厚约1cm的圆片5-10个，利用抛光机将圆片磨成光滑平面待测。

五、实验步骤

（1） 在同一试样中在25gf（0.2425N）、50gf（0.4903N）、100gf（0.9807N）、200gf（1.961N）、300gf（2.942N）、500gf（4.903N）不等的荷载下，选择中等的荷载100gf（0.9807N）或200gf（1.961N）。

（2）放置试样，对显维硬度计调焦，使视域清晰。

（3）选定视域中的试样测试部位，将试样推至金刚石压头的下面（注意移动时要平稳）。

（4）加荷：

选定保荷时间（15或30秒），启动电动机按键（S）加荷。

绿灯亮，说明加荷开始；绿灯灭，红灯亮，进入保荷阶段；绿灯重亮，加荷结束；直至绿灯灭全过程结束。

（5）硬度测量：

将试样推至显微镜下，找到压痕（菱形突起），测量压痕对角线长度。

（6）实际压痕长度的为测量长度的1/40，计算实际压痕对角线长度。

六、结果计算

代入公式，求出试样的HV值。

七、结果记录

表4-1实验结果

试验次数

测量压痕对角线长度d/mm

实际压痕对角线长度d/mm

实验力F/N

保压时间/S

维氏硬度（HV）

布氏硬度试验

布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面后保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压的压痕直径查表即可得硬度值。

用钢球压头所测出的硬度值用HBS表示；用硬质合金压头所测出的硬度值用HBW表示。

布氏硬度的优点是测定结果较准确，缺点是压痕大。

目前布氏硬度计一般以钢球为压头，主要用于测定较软的金属材料的硬度。

布氏硬度值的计算式如下：

HBS（HBW）=

式中：

F?

?

试验力（N）；

D?

?

压头球体直径（mm）；

d?

?

相互垂直方向测得的压痕直径d1、d2的平均值（mm）。

布氏硬度试验机的外形结构如图3所示，其基本操作和程序是：

（1）将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对运动（打滑）为止。

此时试样以承受98.07N初载荷。

（2）按动加载按钮，开始加主载荷，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘转动。

达到所要求的持续时间后，转动即自行停止。

（3）逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d，如图4所示，以此查附表1即得HBS值。

试验注意事项：

（1）试样的测试面应是光滑的平面，不应有氧化皮及污物；

（2）试样的支撑面及试台表面、压头表面应清洁。

试样应稳固地安放在试台上，在测试过程中不能产生位移或挠曲；

（3）压痕中心至试样边缘的距离不应小于压痕平均直径的2.5倍；两相邻压痕的中心距离不应小于压痕平均直径的4倍。

（4）测试的压痕直径应在0.24~0.6D之间，否则应重新选择F/D2、F、D，重新测试。

实验八材料冲击性能测定

一、实验目的

（1）测定低碳钢的冲击性能指标：

冲击韧度。

（2）测定灰铸铁的冲击性能指标：

冲击韧度。

（3）比较低碳钢与灰铸铁的冲击性能指标和破坏情况。

二、实验设备和仪器

（1）冲击试验机。

（2）游标卡尺。

三、实验概述

（1）金属材料在动载荷作用下与静荷作用下所表现的性能是不同的。

在静荷下表现良好塑性的材料，在动荷下可以呈现出脆性。

因此，承受动荷作用的材料需进行冲击实验，以测定其动荷力学性能。

工程上常用冲击弯曲实验来检查产品质量，揭露在静荷实验时不能揭露的内部缺陷对力学性能的影响，以及用来揭示材料在某些条件下（如低温等）具有脆性倾向的可能性。

（2）试件抵抗冲击破坏的能力通常以冲击韧度αK表示：

式中，E—冲断标准试件所消耗的能量。

A—试件切槽削弱处之最小横截面积。

冲击韧度αK是反映材料抵抗冲击载荷的综合性能指标，它随着试件的绝对尺寸、缺口形状，实验温度等条件的变化而不同。

为了保证实验结果能进行比较，试件的形状，尺寸及试验条件等在有关的实验标准中均有所规定。

（3）冲击试件：

本实验采用的是我国通用的标准试件如图8-1所示。

实验时试件放置情况如图8-2所示。

（4）冲击试验机。

其原理如图8-3所示。

绕水平轴转动的摆杆下部装有摆锤，摆锤中央凹口中装有冲击刀刃。

冲击前，装好试件，将摆锤按规定抬起一角度α1，当摆锤自由下落时，将试件冲断，由于冲断试件消耗了一部分能量，因此摆锤能继续向左运动摆起一个角度α2。

所以冲断试件的能量为：

此能量E可直接在机器的度盘上读出。

四．实验步骤

（1）记录室温。

（2）测量试件尺寸。

（3）检查机器，校正零点。

检查机器运动部分和钳口座等的固结情况。

校零点用空摆实验进行。

（4）安装试件。

将摆锤拉起一角度，然后将试件放入钳口座，并用样板校正位置以对准刀刃。

（5）将度盘上指示副针拨至度盘左端，准备实验。

（6）冲击实验。

将电器控制盒拿在手中，操作者与观察者均远离试验机一米以上。

打开控制盒上开关，并按下“摆臂下降”按钮，试验机上的升摆装置便自动下降并挂住摆杆后自动回升到某一角度。

之后，再检查一下有无障碍物及其它不安全因素，一切妥善后，按动“冲击”按钮，便自动脱钩，摆锤自由下落，冲击试件，并向另一边摆至α2角度，当其再度回落后，便可按下“摆臂夹紧”按扭，使摆锤较快停止摆动。

（7）记下E值，观察破坏断面，绘下草图。

然后，整理机器，结束实验。

五、注意事项

（1）本实验要特别注意安全。

先安试件，后再升起摆锤，严禁先升摆锤，后安试件。

因为这样很危险。

（2）冲击时，同学们一律不得站在面对摆锤运动的方向上，以免试件飞出伤人。

六、预习要求

（1）预习本讲义及教科书上有关内容。

（2）明确实验目的，准备好表格，参考格式如下。

七、报告要求

包括测定结果，断口图，并比较低碳钢与铸铁受冲击时，其性能有何不同。

七、思考题

（1）为什么冲击试样要有切槽？

（2）比较低碳钢与灰铸铁的冲击破坏特点。

实验十材料的摩擦磨损性能测定

一、实验目的

利用材料耐磨仪，测定织物的耐磨性能。

掌握耐磨仪的基本结构及使用方法。

二、试验仪器和试样fp1201.htm

试验仪器为YG401C织物耐磨仪，试样为不同品种的织物几种。

三、基本知识

织物的磨损是造成织物损坏的重要原因，它对评定织物的服用牢度有很重要的意义。

装在磨头上的试样在规定的压力下与磨台上的标准磨擦织物（磨料）相互磨擦一定次数，试样与磨料相对运动轨迹李如沙（Lissa-jous）图形。

在规定的光照条件下，将磨过的试样对比标准样照，评定等级。

四、材料及试样准备

在机织物样品上随机取样，但不得在样品上距布边10cm内随机取样，试样上不得有影响结果的疵点。

如为花色织物，试样应包括布面呈现的所有不同的组织和色泽。

如果四块试样不够取全所有不同的组织和色泽，应增加试样块数。

试样

在同一块样品上剪取：

一组为四块尺寸为φ=40mm的园形试样；另一组为四块140mm直径的磨料，如果四块试样不够取全所有不同的组织和色泽，应增加试样块数。

五、操作方法

（1）仪器的调整

将仪器放在水平坚固的工作台上，在仪器四周只可调脚下与工作台之间必须垫上一块中硬橡胶块参考尺寸（8～15）X16X60mm以减少振动和噪声。

仪器四周环境应保持清洁且放置在试验室标准大气压中。

如有必要用软布沾上航空汽油清洗上板、磨台、磨头、钢球、平台、轴栓、销轴、砝码、压重锤等零件上的油污及脏物。

仪器装有水平泡能调整仪器水平（出厂时都已调整好）调至水泡在中心就好。

在仪器前面两只平台内放一只20mm的钢球，在后平台内放两只20mm的钢球，这些钢球支撑着上板运动。

给三只平台及偏心盘上的轴栓中各涂、滴入少量稀润滑油（建议牌号HY-8），一般2~3滴即可。

将上板的工作面向下，轻轻地放在三个平台内的四只钢球上，此时上板上三个长槽工作孔应毫无困难地与三个轴栓正确插入，配合灵活（注意：

安装时上板需拿正、轻放，不得与三个轴栓别劲或与四只钢球发生冲击、碰撞，保证落到位，注意上板长槽孔有方向性）。

（2）试验步骤

打开电源开关，接通电源，开关上指示灯亮。

设置好需要试验的摩擦次数。

按标准要求装夹好试样和磨料。

试样装在仪器夹头上，式样测试面朝外。

各只试样夹上的试样应受到同样的张力。

试样夹持器质量200g，根据织物的不同试验方法中分别配395g砝码或594g砝码，既可满足不同的实验要求（衣料平磨试样595g；家具装饰布平磨试样794g）。

按下工作按键，仪器开始工作，这时计数器开始计数，当试验次数到达计数器上的预置数时仪器自动停止；若需要中途停机，则可按下工作键，仪器立即停止工作。

再按工作键，仪器恢复工作，计数器继续计数直至自停。

试验结束取下试样，在评级箱内评定试验结果。

试验工作完毕后，关闭电源开关。

六、试样结果

以四块试样的平均值（级）表示试样的起球等级。

计算平均值，修正到小数点后二位。

如小于等于0.25，则向下一级靠，如大于或等于0.75则向上一级靠，如大于0.25且小于0.75则取0.5。

附录A液压式万能试验机

液压式万能试验机广泛应用于材料试验中，其结构原理可分为四大部分。

液压万能试验机的外形如图A－1，结构原理如图A－2所示。

一、加力部分

在液压万能试验机的机座上装有两根固定立柱，主要由这两根立柱支承大横梁、小横梁、大活塞和工作台。

当开动电动机时，传动皮带就带动油泵工作，高压油液经油管进油阀输送到工作油缸，推动大活塞往上运动。

小横梁固定在大活塞顶上，活塞上升时，通过两根活动立柱带动工作台往上运行。

做拉伸实验时，将拉伸试件的两端夹于上拉伸夹头和下拉伸夹头（固定不动）之间，当工作台上升时，使试件发生拉伸变形；做压缩实验时，把压缩试件放在下压头中心位置处，当工作台上升时使上压头接触试件后，产生压缩变形；做弯曲实验时，把弯曲试件放在两支座上，当工作台上升时使上压头接触试件后，产生弯曲变形。

进油阀用来控制输入工作油缸中的油量，以控制试件的变形速度。

实验完毕，关闭进油阀，打开回油阀，把工作油缸里的油液泄回油箱，使工作台回到原始位置。

由于试件长度不相同，装卡拉伸试件时，可开动机座旁的电动机，使下拉伸夹头很快地上升或下降，以便装卡拉伸试件。

当试件夹紧后，就不能用该电动机加载，否则会烧毁电动机，或发生其他事故：

。

二、测力部分

实验时，试件受力的大小可在测力盘上直接读出指示值。

试件受力后，工作油缸的油具有一定的压力，压力的大小与试件受力的大小是成比例的。

由于工作油缸和测力油缸是联通的，故工作油缸和测力油缸所受的油压是相等的。

此油压推动测力活塞和测力拉杆，使推杆和摆锤绕支点转动，推杆推动螺杆运动，使齿轮和测力指针旋转，测力盘所读得的数值即表示试件受力的大小。

随着科学技术的发展，近来液压万能试验机上已设置了荷载显示电压表。

油压万能试验机的荷载范围可由摆锤的重量来确定。

一般试验机都备有三种砣重作为选择荷载范围用，测力盘上相应有三种荷载刻度。

如300kN万能试验机，有60kN、150kN、300kN三种测量范围。

三、绘图部分

液压试验机绘图装置有两种方式，第一种是通过固定在万能试验机上夹头上的拉绳带动绘图滚筒转动，滚筒转动方向为变形坐标，螺杆运动方向为力坐标。

第二种方式采用电子自动绘图仪绘图。

四、操作部分

该部分主要由进油阀、回油阀和电器开关等组成。

进油阀的作用是将油箱里的油送至工作油缸。

进油阀的阀门开得大，表示油送到工作油缸的速度快，也就说明试件受力大，变形快。

实验时要严格控制进油阀门的大小，保证荷载盘指针均匀地转动。

回油阀的作用可使试件卸载，实验做完后，须打开回油阀门，使工作油缸的油流回油箱。

万能试验机的具体操作方法如下：

（1）选择荷载范围

实验前，首先根据试件材料能承受的最大荷载，选择相应的砣重，确定荷载的范围（如300kN万能试验机分为：

0～60kN，0～150kN，0～300kN）。

若在万能试验机上挂上A砣，表示0～60kN范围，挂上A、B砣表示0～150kN范围，挂上A、B、C砣表示0～300kN范围。

如直径为10mm的低碳钢拉伸试件，估计其最大承载力为40kN左右，选用0～60kN范围即可，其目的是提高荷载测试精度。

（2）荷载调零

开动油泵电机，关闭回油阀，再打开进油阀，向工作油缸送油，使工作平台略上升5～10mm后（消除工作平台的自重）转动螺杆使指针对准测力盘上的零点。

（3）拨回被动指针。

加载时，主动指针带动被动指针转动，试件破坏后，主动指针返回零位，被动指针停留在原位，所指示值就是试件的最大荷载值。

（4）安装调整绘图仪的纸和笔。

加载时能自动绘制试件受力与变形的曲线图。

（5）安装试件。

装卡拉伸试件时，先调整上夹头位置，使拉伸区空间与试件长度相适应。

调整上夹头位置时，可开动电动机使上夹头上升或下降。

当试件夹紧后，就不允许再用电动机使上夹头上升或下降，以免电动机超负荷而烧毁。

（6）加载与卸载。

试件安装完毕，即可开启进油阀，逐渐对试件进行加载，加载时要求测力指针匀速平稳地转动。

切忌猛开进油阀导致加载速度失控，损坏测力机构。

实验完毕，关闭电源开关和进油阀，打开回油阀，使工作油缸的油流回邮箱，工作平台下降到初始位置。

附录B球铰式引伸仪

材料力学实验中，除测定试件或构件的承重能力之外，往往还要测定它们的变形（如测定材料的弹性模量时）。

变形一般很小，要用高精度、高放大倍数的仪器才能测出，这类仪器即为变形仪。

变形仪的种类很多，球铰式引伸仪是机械式引伸仪的一种。

安装于试件上的引伸仪，只能感受试件上长为

的一段的变形。

称为标距，引伸仪测出的是

的长度变化即总变形

，由此算出的应变

，其实是

范围内的平均应变。

由于引伸仪上的读数

是经放大系统放大后的数值，应除以引伸仪的放大系数k才是实际的变形

，即

。

仪器能测量的最大范围称为量程。

量程、标距和放大倍数是引伸仪的主要参数。

一、百分表和千分表

百分表和千分表是广泛用来测量小变形的机械式仪表，如图B-1所示。

工作时将细轴的触头紧靠在被测量的物体上，物体的变形将引起触头的上下移动，细轴上的平齿便推动小齿轮以及它同轴的大齿轮转动，大齿轮带动指针齿轮，于是大指针相随转动。

如大指针在刻度盘上每转动一格，表示触头的位移为1/1000㎜，则放大倍数为1000，称为千分表。

如大指针在刻度盘上每转动一格，表示触头的位移为1/100㎜，则称为百分表。

大指针转动的圈数可由量程指针予以记忆。

百分表的量程一般为5～10㎜，千分表的量程则为3㎜。

二、球铰式引伸仪

图B－2为球铰式引伸仪的结构和安装示意图。

上、下标距叉由球铰杆和表座板（也是标距板）连接起来，并用弹簧拉紧，组成变形传递架。

装于表座板上的百分表的触头与下标距叉接触。

旋紧固定顶尖和活动顶尖便可把引伸仪安装于试件上。

试件变形时，上标距叉基本不动，下标距叉则因活动顶尖位移，绕球铰中心轻微转动。

这样，下标距叉形成一个以球铰为支点的杠杆。

按照图B-2（a）所表示的几何尺寸，百分表触头的位移是活动顶尖位移（即试件变形）的两倍。

即百分表指针每转动一格，表示触头的位移是1/100㎜，而试件的变形为1/200㎜。

三、安装球铰式引伸仪的注意事项

（1）根据试件的尺寸调整定位块和顶尖。

使小轴的尾部向上，限制上、下标距叉相对错动。

把引伸仪套在试件上，使定位块与试件紧靠，旋紧活动顶尖，使顶尖嵌入试件约为0.05～0.1㎜。

（2）调整接触螺钉，使百分表的量程指针指在量程的一半左右。

用锁紧螺母锁紧接触螺钉。

把百分表大指针调整到零位。

把小轴尾部旋转向下，即可开始试验。