金属材料的力学性能及其测试方法Word文档下载推荐.doc
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1引言
材料作为有用的物质，就在于它本身所具有的某种性能，所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着力或能量、温度以及接触介质等的作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。
材料性能测试与组织表征的目的就是要了解和获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系。
而人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。
因此，材料力学性能的测试是所有测试项目中最重要和最主要的内容之一。
在人类发展的历史长河过程中，人们已经建立了许多反映材料外表的和内在的各种关于力学、物理等相关材料性能的测试和分析技术，近现代科学的发展已使材料性能测试分析从经验发展并建立在现代物理理论和试验的基础之上，并且随着人们对材料的力学性能和使用性能的广泛研究和深入理解，也显著促进了材料力学性能测试技术、理论、方法和设备的迅速发展[1]。
2金属材料的力学性能简介
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。
如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；
柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；
轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。
这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。
这种能力就是材料的力学性能[2]。
金属的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括：
弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等，它们是衡量材料性能极其重要的指标。
2.1强度
强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。
抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。
对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；
对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
2.2塑性
塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。
断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；
反之，塑性越差。
良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
2.3硬度
硬度是指材料外表抵抗比它更硬的物体压入的能力。
硬度是材料的重要力学性能指标。
一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。
材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。
2.4冲击韧性
金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用αK表示，单位为J/cm2。
冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功αK表示冲击韧性。
αK值越大，则材料的韧性就越好。
αK值低的材料叫做脆性材料，αK值高的材料叫韧性材料。
很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用αK值高的材料制造。
铸铁的αK值很低，灰口铸铁αK值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。
疲劳强度
工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的ss，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。
当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限。
影响疲劳强度的因素:
内部缺陷、外表划痕、残留应力等[3]。
3金属材料力学性能测试方法
人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。
每种材料的失效形式均与其相关的力学性能有关，如图3-1所示。
结合材料的失效形式，人们可以通过设计实验来了解材料各方面的力学性能。
以下主要介绍几种常见的金属材料力学性能试验，包括拉伸试验、压缩试验、扭转试验、硬度试验、冲击韧度试验、疲劳试验等。
图3-1力学性能和失效形式的关系
拉伸试验
金属力学性能试验方法是检测和评定冶金产品质量的重要手段之一，其中拉伸试验则是应用最广泛的力学性能试验方法。
拉伸性能指标是金属材料的研制、生产和验收最主要的测试项目之一，拉伸试验过程中的各项强度和塑性性能指标是反映金属材料力学性能的重要参数[4]。
影响拉伸试验结果准确度的因素很多，主要包括试样、试验设备和仪器、拉伸性能测试技术和试验结果处理几大类：
为获得准确可靠的，试验室间可比较的试验数据，必须将这些因素加以限定，使其影响减至最小。
拉伸试样
为了便于比较实验结果，按国家标准GB228—76中的有关规定,实验材料要按上述标准做成比例试件,即
圆形截面试件l0=10d0（长试件）
l0=5d0（短试件）
矩形截面试件l0（长试件）
l0（短试件）
式中:
l0--试件的初始计算长度（即试件的标距）;
A0--试件的初始截面面积;
d0--试件在标距内的初始直径。
实验室里使用的金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件,如图3-2所示
图3-2拉伸试件
拉伸试验原理
金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面，最方便的实验。
本试验主要是测定低碳钢在轴向静载拉伸过程中的力学性能。
在试验过程中，利用实验机的自动绘图装置可绘出低碳钢的拉伸图〔如图3-3所示〕。
由于试件在开始受力时，其两端的夹紧部分在试验机的夹头内有一定的滑动，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。
图3-3试件拉伸图
对于低碳钢，在确定屈服载荷PS时，必须注意观察试件屈服时测力度盘上主动针的转动情况，国际规定主动针停止转动时的恒定载荷或第一次回转的最小载荷值为屈服载荷PS，故材料的屈服极限为
试件拉伸到达最大载荷之前，在标距范围内的变形是均匀的。
从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。
因此，测测力度盘上主动针开始回转，而从动针则停留在最大载荷的刻度上，给我们指示出最大载荷Pb，则材料的强度极限为:
试件断列后，将试件的断口对齐，测量出断裂后的标距l1和断口处的直径d1，则材料的延伸率δ和截面收缩率Ψ分别为:
×
100%×
100%
式中，l0,A0分别为试验前的标距和横截面面积；
l1,A1分别为试验后的标距和断口处的横截面面积。
如果断口不在试件距中部的三分之一区段内，则应按国家标准规定采用断口移中法来计算试件拉断后的标距l1。
其具体方法是：
试验前先在试件的标距内，用刻线器刻划等间距的标点或圆周11个，即将标距长度分为10等份。
试验后将拉断的试件断口对齐，如图3—3所示，以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点．当长段所余格数为偶数时，如图３-4〔a〕所示，则取所余格数的一半得C点，于是l1＝AB+2BC
假设长段所余格数为奇数时，如图３-4〔b〕所示，可在长段上取所余格数减１之半得C点，再取所余格数加１之半得C1点，于是l1＝AB＋BC＋BC1
图3-4〔a〕;
〔b〕
当断口非常接近试件两端部，而与其端部的距离等于或小于直径的两倍时，需重作试验。
拉伸试验操作简单、方便，通过获得的应力应变曲线包含了大量信息，很容易看出材料的各项力学性能，如比例极限、弹性模量、屈服极限、强度极限等等，因此拉伸试验成为了应用最广泛的力学性能试验方法。
拉伸实验中材料在到达破坏前的变形是均匀的，能够得到单向的应力应变关系，但其缺点是难以获得大的变形量，缩小了测试范围。
压缩试验主要用于测定材料的压缩屈服极限以抗拉强度，并通过实验观察材料在压缩过程中的各种现象〔主要是变形和破坏形式〕，以此来比较各种材料的压缩机械性能的特点。
以下主要以低碳钢〔塑性材料〕与铸铁〔脆性材料〕的压缩试验为例。
压缩试验原理
将试样放在试验机的两压板之间，开动试验机缓慢进行加载，使试样受到缓慢增加的压力作用，示力指针缓慢匀速转动，并利用试验机的绘图装置自动绘出压缩图〔见图3－5〕。
由于试样两端不可能理想的平行，试验时必须使用球形承垫〔见图3－6〕，并且试样应置于球形承垫中心，藉以球形承垫的自动调节作用实现试样的轴向受压。
图3-5试验机绘出的压缩图图3-6球形承垫
压缩曲线的解析
1〕低碳钢的压缩
试样开始变形时服从虎克定律，压缩曲线呈直线〔见图3－5a〕。
在开始出现变形增长很快的非线性小段时，表示材料到达了屈服，但这时并不象拉伸那样有明显的屈服阶段，只是示力指针暂停转动或稍有返回，这暂停或返回的最小值即为压缩屈服荷载PSC。
此后，图形呈曲线上升，材料产生显著的残余变形，试样长度显著缩短，而直径增大。
由于试验机压板与试样两端面之间的摩擦力，使试样两端的横向变形受到阻碍，因而试样被压成鼓形。
随着荷载的逐渐增加，塑性变形迅速增长，试样的横截面面积也随之增大，而增大的面积又能承受更大的荷载，因此试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼状而不破裂，所以无法测出其最大荷载Pbc和抗压强度σbc[6]。
根据测出的压缩屈服荷载PSC，由公式σSC=PSC/S0即可求出材料的压缩屈服极限。
2〕铸铁的压缩
图3－7铸铁试样压缩下的破坏
铸铁试样在压缩时与拉伸明显不同，其压缩曲线上虽然仍没有明显的直线阶段和屈服阶段，但曲线明显变弯〔见图3－5b〕，说明试样在到达最大荷载Pbc前就出现了明显的塑性变形，而其最大荷载Pbc也要比拉伸时的Pb大很多倍。
当荷载到达最大荷载Pbc后稍有下降，然后破裂，并能听到沉闷的破裂声。
铸铁试样破裂后呈鼓形，并在与轴线大约成450角的斜面上破裂〔见图3－7〕，此破坏主要是由剪应力引起的。
由公式σbc=Pbc/S0即可求出材料的抗压强度。
相比拉伸试验，压缩试验可以很大的变形量，弥补了材料在拉伸力学性能测试中的不足。
材料实验说明，对于多数金属材料，拉伸实验在材料破坏前给出的应力应变关系与压缩实验相同，因此压缩试验在金属成形的材料实验中有着广泛的用途。
但是压缩实验因为材料端面的摩擦效应，一般难以获得均匀变形，必须有良好的润滑条件来消除摩擦或讲摩擦效应降到极小，才能获得较准确的材料性能[7]。
扭转试验是观察试样在扭转力偶作用下试样受力和变形的行为。
通过观察材料的破坏方式来测定材料的剪切屈服极限及剪切强度极限。
试件
采用圆形截面试件，如图3-8所示，在试件外表画上一条纵线，以便观察试件的扭转变形。
图3-8扭转试样
扭转试验机的工作原理
扭转试验机如图3-9。
在机体上有一个基本固定的夹头，用两平面和夹紧螺栓固定扭转试样的一端。
基座上有一个能水平移动的电动减速装置，其左端是一个可旋转的夹头，以夹持试样的另一端。
当电动减速器转动时，带动活动夹头转动，而使试样的一端相对于另一端发生了转动，故试件受扭而产生变形。
图3-9扭转试验机
作用于试样的扭转力矩，通过与固定夹头相连的称重机构而平衡，同时又带动荷载指针转动而指示出所受扭转力矩的大小。
它还带动绘图仪的画笔左右移动，这个移动的扭转力矩坐标在记录纸上与纸的长度方向相垂直。
活动夹头的转动量代表了试样一端相对于另一端的转动，即扭转角。
扭转角的大小由活动夹头上的刻度线来指示。
同时还通过转动传感器将转角信号输入到绘图仪中，带动绘图仪纸筒转动送出记录纸，在记录纸的长度方向构成转角坐标。
在实验过程中，随着试件扭转变形的增加，试样所受的扭转力矩也随之变化，绘图仪就画出扭转力矩—扭转角的实验曲线。
在扭转力矩示荷盘的右下方，有一个量程旋钮用以改变扭转力矩的测量量程。
其测量范围有100N•m、200N•m、500N•m、1000N•m。
当把旋钮转动到指定的量程时，示荷盘上的刻度标示值随之变化。
以利于直接读取。
在示荷盘左边的侧面上有一个转动轮，往上或往下转动可调整示荷盘指针的零点〔一般情况下不要去转动它〕。
扭转实验时的变形速度，可由改变电动机的转速来决定。
由于本机采用可控硅直流电机，调速可在一个很大的范围内无级调整。
调速由机器操纵面板的开关和旋钮来控制。
控制面板如图3-10，面板各开关，旋钮的功能如下所述。
电源开关：
按下“开”，接通整机电源；
按“关”，断开整机电源：
活动夹头转动速度设置如下。
快速设置：
速度设置开关扳于0～360°
/min，表示活动夹头转动速度在0～360°
/min的范围内变化，具体的速度由速度调节钮的转动来决定。
慢速设置：
速度设置开关搬于0～36°
/min之间变化。
具体的速度由速度调节钮的转动量来决定。
电机开关按钮：
电机的转动由三个按钮决定，“正”为正转，“反”为反转，“停”为不转。
改变电机转向时，应先按“停”然后再换回。
记录仪开关：
此开关用于开关记录仪，当一切准备就绪后即可打开记录仪。
用完关闭，以免电机转动空走纸。
图3-10控制台面板
扭转实验原理
试件承受扭矩时，材料处于纯剪切应力状态，是拉伸以外的又一重要应力状态，常用扭转实验来研究不同材料在纯剪切应力状态下的机械性质。
低碳钢试件在发生扭转变形时，其T－φ曲线如图3-11所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：
弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：
剪切比例极限、剪切屈服极限和剪切强度极限。
对应这三个强度特征值的扭矩依次为Tp、Ts、Tb。
图3-11T－φ曲线
在比例极限内，T与φ成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。
如图3-12（a）所示，随着T的增大，开始进入屈服阶段，横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环塑性区，如图3-12（b）所示，但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增加，T－φ的关系成为曲线，直到整个截面几乎都是塑性区[5]，如图3-12（c）所示。
〔a〕〔b〕〔c〕
图3-12试件横截面剪切力分布
在T－φ出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆，由此可读出屈服扭矩Ts，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出：
屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Mb进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度极限可同下式求出：
试件的破坏现象分析：
试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在试件的横截面上作用有剪应力，同时在与轴线成±
45°
的斜截面上，会出现与剪应力等值的主拉应力和主压应力[6]，如图4-13所示。
图3-13试样受力分析
低碳钢的抗剪能力比抗拉和抗压能力差，试件将会从最外层开始，沿横截面发生剪断破坏，而铸铁的抗拉能力比抗剪和抗压能力差，则试件将会在与杆轴成45°
的螺旋面上发生拉断破坏。
3.4硬度试验
金属硬度试验按受力方式可分为压入法、刻划法两种，一般来说普遍采用压入法；
按加力速度可分为静力试验法和动力试验法两种，其中静力试验法最为普遍，常用的布、洛、维氏硬度等均属静力压入试验法[8]。
3.4.1布氏硬度试验法
3.4.1.1布氏硬度试验法法原理
将一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样外表经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样外表压痕的直径，见图3-14。
图3-14布氏硬度测量原理图
由压头球直径D和测量所得的试样压痕直径d可算出压痕面积，即：
:
S=〔2-1〕
于是布氏硬度值可由以下式算出：
布氏硬度=常数×
试验力/压痕外表积，即：
〔2-2〕
上式中:
；
D,d单位为mm；
F单位为N。
试验时，根据被测的材料不同，球直径、试验力及试验力保持时间按表1选择。
表1球直径、试验力和试验力保持时间选择表
布氏硬度的特点
布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm球压头，3000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，而不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。
它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。
此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关系。
布氏硬度试验的缺点是压痕较大，成品检验有困难，试验过程比洛氏硬度试验复杂，要分别完成测量操作和压痕测量，因此要求操作者具有一定的经验。
布氏硬度的应用
布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系。
布氏硬度试验还可用于有色金属、钢材和经过调质热处理的半成品工件，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。
布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成品检测。
布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。
由于布氏硬度试验的压痕较大，试验结果能更好地代表试件的硬度[9]。
3.4.2洛氏硬度实验
采用顶角为120°
金刚石圆锥压头或者直径为1.588mm的淬火钢球压头。
测试时先加预载荷Fo，压头从起始位置0-0到1-1位置，压入试件深度为h1，后加总载荷F〔为主载荷加上预载荷〕，压头位置为2-2，压入深度为h2，停留数秒后，将主载荷卸除，保留预载荷。
由于被测试件弹性变形恢复，压头略为提高，位置为3-3，实际压入试件深度为h3，因此在主载荷作用下，压头压入试件的深度h=h3一h1。
如图3-15所示
图3-15洛氏硬度测定原理示意图
试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种。
表2压头、试验力选择表
洛氏硬度的优点：
操作较为简便；
压痕小，对工件损伤小，归于无损检测一类，可对成品直接进行测量；
测量范围广，较为常用的就有A、B、C三种标尺，可以测量各种软硬不同，厚薄不同的材料。
洛氏硬度试验的缺点为测量结果有局限性，对每一个工件测量点数一般不少于3个点[10]。
洛氏硬度测量范围：
可用于成品和薄件，但不宜测量组织粗大不均匀的材料
维氏硬度试验
维氏硬度试验法原理
维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136°
的正四棱锥体金钢石以规定的试验力F压入试样外表,经保持规定时间后,卸除试验力,测出压痕外表积,维氏硬度值是试验力F与压痕外表积S之比,即HV=F/S,其试验原理如图3-16所示。
图3-16维氏硬度试验原理示意图
即HV=常数×
试验力/压痕外表积≈0.1891F／d2
式中：
HV----维氏硬度符号；
F----试验力，N；
d----压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm
实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。
[11]。
维氏硬度的表示方法
维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验力值。
标准的试验保持时间为10～15S。
如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上保持时间。
例如：
600HV30—表示采用294.2N〔30kg〕的试验力，保持时间10～15S时得到的硬度值为600。
600HV30/20—表示采用294.2N〔30kg〕的试验力，保持时间20S时得到的硬度值为600。
维氏硬度试验的分类和试验力选择
维氏硬度试验按试验力大小的不同，细分为三种试验，即：
维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。
见表3
试验力范围/N
硬度符号
试验名称
≥HV5
维氏硬度试验
HV0.2～<
HV5
小负荷维氏硬度试验
显微维氏硬度试验
表3维氏硬度试验的三种方法
维氏硬度试验可选用的试验力值很多，见表4。
小负荷维氏试验试验
试验力/N
HV10
HV20
HV30
HV1
HV50
HV2
HV100
HV3
升级会员 