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力学性能试验

力学性能试验朱永惺南京汽轮电机厂

第二章力学性能试验取样基本知识（P18）

第一节试样类型及取样原则（P18）

一、取样依据：

GB/T2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试验制备》

二、取样原则：

1、取样对力学性能试验结果的影响；

三要素：

取样部位：

1）加工过程中变形量各处不均匀

2）材料内部各种缺陷分布和金属组织不均匀

取样方向：

材料在加工过程中金属是沿晶粒主加工变形方向流动，晶粒被拉长并排成行，夹杂也沿主加工变形方向排列，因此材料性能各向异性。

例如：

纵向试样（试样纵向轴线与主加工方向平行）和横向试样（试样纵向轴线与主加工方向垂直）有较大差异：

薄板材纵向试样抗拉强度，下屈服强度都高于横向试样，断面收缩率更是远远大于横向试样。

取样数量：

1）某些力学性能指标对试验条件和材料本身的特性十分敏感，单个试样结果不足以为信，应采用最小的取样数量；

2）试验结果的分散性及经济因素

2、样品的代表性；

一般性规定：

GB/T2975-1998

专门的规定：

产品材料标准和协议：

材料的平均性能；

取样方向；

一般取其最危险、最薄弱的部位，因为最薄弱、最危险处的力学性能决定了产品的性能；此外受力状态与零部件的受力状态相一致；

三、力学性能试验的试样取样类型：

1、从原材料上直接取样：

2、从产品（结构或零部件）的一定部位上取样；

3、把实物作为样品。

四、样坯切取方法：

无论用什麽方法都应遵循以下原则：

（1）应在外观及尺寸合格的材料上取样，试料应有足够的尺寸，以保证机加工出足够的试样进行规定的试验及复验；

（2）取样时，应对样坯和试样做出不影响其性能的标记，以保证始终能识别取样的位置和方向；

（3）取样的方向应按材料标准规定或双方协议执行；

（4）切取样坯时，应防止因过热、过冷、加工硬化而影响其力学性能及工艺性能。

如果过热了怎么办？

比如，采用火焰切割法取样时，由于材料是在火焰喷嘴下熔化而使样坯从整体上分离出来，在熔化区域附近，材料承受了一个从熔化到相变点（723℃）以下温度变化区域，这一局部的高温将会引起材料性能的很大变化，所以切割样坯（样坯切割线至试样边缘）必须留有足够的切割余量。

这一余量的规定为：

一般应不小于钢材的厚度或直径，但最小不得少于20mm，对厚度或直径大于60mm的钢材，切割余量可根据供需双方协议适当减少。

如果过冷了怎么办？

比如，采用冷剪法切取样坯时，冷剪边缘会产生塑性变形，厚度或直径越大，塑性变形的范围也越大，所以切割样坯也应留有足够的剪割余量：

表2-1冷剪样坯所留加工余量

厚度或直径/mm

加工余量/mm

≤4

4

＞4~10

厚度或直径

＞10~20

10

＞20~35

15

＞35

20

五、试料状态，按材料标准规定，取样分为：

1、交货状态取样：

从产品成型和热处理完成之后取样，但虽然在热处理之前取样，但试料应在与交货产品相同的条件下进行热处理。

此时如需要矫直试料，应在冷状态下进行。

2、标准状态取样：

按产品标准或订货单规定的生产阶段取样。

如必须对试料矫直，可在热处理之前进行热加工或冷加工，热加工的温度应低于最终热处理温度。

第二节金属材料试样轴线

一、问题的提起：

1、各向异性

2、材料的在加工过程中的晶粒流向

3、标准GB/T20832-2007《金属材料试样轴线相对于产品结构的标识》

X——主要变形方向；

Y——最小变形方向；

Z——为X—Y平面的垂直方向。

二、无缺口试样的标识

三、缺口（或预裂纹）试样的标识

注意：

铸件没有晶粒流动方向，应在零件图上明确标出试样的位置和取向，在试验结果中不做试样的取向标识。

第三节钢材的取样位置

要求：

1、所取试样不止一个或复验时，可在规定位置相邻处取样；

2、如机加工和试验机能力允许，应制备全截面或全厚度试样；

3、如机加工和试验机能力有限，应至少保留一个原始表面。

一、型钢（见NB199）

二、条钢

三、钢板

四、钢管

第四节焊接接头的取样

力学性能用试样样坯一般都是从专门焊接的试板或管接头中切取，也可从结构件上切取。

一般有三种形式的取样：

对冲击试样：

1、缺口在焊缝的中心线上；

2、缺口在熔合线上；

3、缺口在开在热影响区

第三章金属材料的拉伸试验

一、概述：

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。

1、拉伸试验的三个基本变形阶段：

弹性变形、塑性变形和断裂。

2、拉伸试验的条件：

单轴（应力状态恒定）、温度恒定、静载（应变速率在0.0001~0.01S

）

3、拉伸试验还和其他力学性能指标有关：

4、拉伸试验的依据：

GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》

5、试验温度：

在室温10℃—35℃范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。

第一节拉伸过程中的物理现象及有关术语

一、物理意义：

1、弹性变形阶段：

1）弹性变形（oa）；

特点：

伸长与载荷的变化遵从虎克定律，正比例线性关系。

2）滞弹性变形（ab）；

特点：

正比例关系已破坏，是非线性阶段，即滞弹性变形，此时试样的变形仍然是弹性。

2、塑性变形阶段：

1）屈服前微塑性变形（bc）；

特点：

试样开始出现连续均与的微小塑性变形，卸除力后，试样变形不完全消失，不容易与滞弹性变形区分。

2）屈服阶段（cde）；

特点：

试样在受拉伸外力的作用产生了较大的塑性变形。

cd急剧下降,de载荷在微小范围内波动

c点是上屈服，FeH，

e点是下屈服，FeL，

这就是金属材料从弹性变形过度到塑性变形的一个明显标志。

3）均匀塑性变形阶段（ef）；

特点：

随着变形量的增加材料不断被强化，这种现象称为应变硬化。

ef不断上升。

4）局部塑性变形阶段（fg）；

特点：

某个截面上产生了局部塑性变形，截面积快速减小，产生缩颈；

3、断裂阶段：

1）断裂；

特点：

外力继续增加就断裂；f点就是局部缩颈开始点，其所对应的力Fm为试样在拉伸过程中所能承受的最大外力。

二、术语：

（一）与标距有关的术语：

1、平行长度：

2、试样标距：

（二）与应力有关的术语

1、屈服强度；本标准不采用，用上、下屈服强度

上屈服强度R

=

N/mm

（MPa）

下屈服强度R

=

N/mm

（MPa）

2、规定延伸强度：

1）规定非比例延伸强度Rp：

Rp0.2=

N/mm

（MPa）

2）规定总延伸强度Rt；

3）规定残余延伸强度Rr

3、抗拉强度Rm；Rm=

N/mm

（MPa）；

（三）与伸长或延伸有关的术语：

1、伸长率：

（只与试样原始标距L0有关）

1）断后伸长率A：

A=

×100%;%

2）断裂总伸长率At：

3）最大力的下非比例伸长率Ag；

4）最大力下的总伸长率Agt；

2、延伸率：

（与引伸计标距Le有关）

1）非比例延伸率；

2）残余延伸率；

3）总延伸率；

4）屈服点延伸率Ae；

（四）其他术语;

1、断面收缩率ZZ=

×100%;%，

2、弹性模量E

3、泊松比u

4、应变硬化指数n

5、塑性应变比r

第二节金属拉伸试样

一、拉伸试样分类：

（一）按产品形状分类

产品类型

试样类型

薄板—板材

线材—棒材—型材

0.1mm≤厚度＜3mm

薄板（带）试样

厚度≥3mm

直径或边长≥4mm

板材、棒材及型材试样

直径或边长＜4mm

小直径线材、棒材及型材试样

管材

管材试样

（二）按Lo与So的关系分类：

1、k=

2、短比例试样k=5.65；A但要保证原始标距不小于15mm，否则用长比例试样

3、长比例试样k=11.3A

4、定标距试样：

截面较小的薄带试样及异性截面试样，非比例试样，L

无可比性，要可比按GB/T17600.1-1998《钢的伸长率换算第1部分：

碳素钢和低合金钢》和GB/T17600.2-1998《钢的伸长率换算第2部分：

奥氏体钢》换算

二、试样形状和尺寸

（一）圆截面试样：

在Lo大于15mm的前提下，优先采用Lo=5d的短比例试样；

（二）矩形横截面试样：

1、优先采用短比例试样，

2、厚板材可通过机加工减薄，其宽厚比b/a不大于8：

1

3、厚度≥25mm，加工成圆形试样

4、工程上对于厚板材料b/a一般取1~4较为合适

5、若短比例试样Lo＜15mm，则用k=11.3长比例试样

6、薄带试样可采用标距为50mm或80mm的定标距试样（非比例试样）

（三）其他类型试样

1、管材采用纵向弧形试样或

带塞头的全截面试样

塞头顶到标距的距离要大于D/4，塞头要加工成子弹头形状或塞头两端的直径相差1mm的形状

不配塞头时，可将两端夹持部分压扁进行试验；

2、优先采用短比例试样

3、铸件一般采用圆形截面试样，线材采用标距为100mm或200mm的定标距试样（非比例试样）。

4、对于定标距试样的标距在材料标准上有规定时应采用材料标准的规定。

（四）加工要求

条件：

试样的夹持部分形状应按照试验机夹持装置的要求加工，主要是防止试样夹持打滑。

1、加工过程中冷变形或受热影响性能，进刀深度适当，要充分

冷却，最后一道切削或磨削的深度不宜过大，以免影响性能。

2、对于矩形横截面试样，一般要保留原表面层，并防止损伤。

试样上的毛刺要清除，尖锐掕边应倒圆，但半径不宜过大。

3、试样允许矫直，但防止矫正力对力学性能产生显著影响，不测断后伸长率的试样，可不矫正直接试验。

3、不经机加工的铸件试样表面上的夹砂、夹渣、毛刺、飞边等缺陷必须加以清除。

4、加工后，试样尺寸和表面粗糙度应符合图纸要求，不得有横向刀痕、磨痕或机械损伤、明显的热处理裂纹或其他可见的冶金缺陷。

5、严重的冶金缺陷不得试验。

第三节试验设备

一、拉力试验机结构：

加载机构

夹样机构

记录或输出机构

测力机构

精度等级：

1级（±1%）；最好0.5级（±0.5%）

二、引伸计

三、高低温试验辅助装置

注意点：

1、均匀温度区

2、均匀温度区内沿试样标距应有温度梯度

3、温度测量装置要定期检定计量

第四节强度和塑形指标的测定

一、准备工作

（一）横截面面积测量

量具精度应不大于0.05，计算横截面积So要至少保留4位有效数字。

1、圆形试样，两端和中间测量，取其平均值；

公式：

So=3.1415d

/4

2、矩形试样，两端和中间测量，取其最小值；

公式：

So=ab

3、圆管纵向弧形试样，两端和中间测量，取其最小值；

公式：

So=ab[1+b

/6D（D－2a）]b/D＜0.25

So=abb/D＜0.17

D——取标称值

4、圆管试样，管一端两个相互垂直的方向各测一次外径，取平均值，在同一管端圆周上相互垂直的方向测量四处管壁厚度，取其平均值，按公式计算：

So=3.1415（D－a）

5、未经加工的等截面试样，其横截面积可根据试样长度、质量和材料密度计算，公式：

So=m/pLt

长度Lt、质量m的测量精度应达到±0.5%，密度P至少取3位有效数字。

（二）标记原始标距Lo：

比列试样的原始标距值，应取计算结果最接近5mm的倍数，中间值向大的一方取值，标距长度应精确到取值数值的±1%。

（三）选取试验机和引伸计

1、选取合适的夹持装置以及试验机合适量程。

试验机应为1级或优于1级的精度

2、引伸计的选用，测屈服应不低于1级，引伸计标距的长度一般不小于试样工作段的1/2。

（四）确定试验速率

1、在弹性范围直至上屈服强度，试验机夹头的分离速度应尽可能保持恒定如下表：

试验规定的应力速率

材料弹性模量

E/GPa

应力速率/MPa*S

最小

最大

＜150

2

20

≥150

6

60

1GPa=1000MPa，1MPa=1N/mm

二、强度指标测定：

无明显屈服现象的材料，按要求要测定规定非比例延伸强度，一般为0.2%，即Rp0.2

（一）上、下屈服强度

1、图示法

2、指针法

（二）规定非比例延伸强度

1、图解法

2、滞后环法

3、逐步逼近法

（三）抗拉强度

三、塑性指标的测定

1、断面收缩率Z精确到±1%

圆形试样在缩颈处相互垂直的方向测量，算其算术平均值

矩形横截面试样，测量缩颈处最大宽度bu和最小厚度Au，两者的乘积就是Su

2、断后伸长率A量具精度优于0.1mm

（1）直接法：

试样拉断处到标距端点的距离大于Lo/3时；

（2）移位法：

如果试样拉断处到标距端点的距离小于Lo/3时：

偶数法；②奇数法

（3）断后伸长率＜5%时，用交叉法测量

第五节弹性模量及泊松比的测定

依据：

GB/T8653-1988

泊松比=（轴向变形）/（横向变形）

第六节应变硬化指数和塑形应变比的测定

依据：

GB/T5028-1999

第七节高、低温拉伸试验

一、高温拉伸试验的依据：

GB/T4338-2006

二、低温拉伸试验的依据：

GB/T13239-2006

第八节试验结果的处理及数值修约

一、依据：

GB/T8170-2008

二、试验结果的处理：

三、数值修约

（一）数值进舍规则

四舍六入五单双，五后非零应进一，五后皆零视奇偶，五前为偶应舍去，五前为奇则进一。

（二）修约间隔是非10

单位的修约

四、拉伸试验的力学性能指标修约

性能结果数值的修约间隔

性能

范围

修约间隔

R

，R

，Rp，Rr，Rt，Rm

≤200MPa

1MPa

＞200~1000MPa

5MPa

＞1000MPa

10MPa

Ae

0.05%

A，At，Agt，Ag

0.5%

Z

0.5%

第九节影响拉伸试验结果的主要因素

拉伸试验结果的影响因素主要分为两类：

第一类为试验机、引伸计、测量器具的精度以及数值修约等，在满足试验标准方法的要求下，这些影响因素所造成的误差积累可以用测量不确定度定量表示。

第二类为试样形状、尺寸、表面粗糙度、试样夹持、试验速度等，这些影响因素无法定量表示，只能靠满足测试标准要求将其限制在一定的范围内。

一、试样形状、尺寸及表面粗糙度的影响；

二、试样装夹的影响

三、试验速度的影响

第六章金属冲击试验

一、概述：

1、韧性的定义：

所谓韧性，就是材料在弹性变形、塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

2、韧性可分为静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。

冲击韧性就是在冲击载荷下，材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

3、按其服役工况分类有：

简支梁下的冲击弯曲试验（夏比冲击试验）、悬臂梁下的冲击弯曲试验（艾氏冲击试验）及冲击拉伸试验。

4、冲击测定的吸收能量K值缺乏明确的物理意义，但是冲击吸收能量是对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验，也是评价金属材料在冲击载荷下韧性的重要手段之一。

二、夏比冲击试验的主要用途：

（1）评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。

（2）检查和控制材料的冶金质量和热加工质量。

（3）评定材料在高、低温条件下的脆性转变特性。

（4）评估构件的寿命和可靠性。

第一节夏比摆锤冲击试验原理

一、原理：

夏比摆锤冲击试验是将规定几何形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击试验机的试样支座上，试样缺口背向摆锤刀刃放置，使之处于简支梁状态。

然后用规定高度的摆锤对试样进行一次性打击，实质上就是通过能量转换过程，测量试样在这种冲击下折断时所吸收的能量。

冲击试验是一种单摆运动，其单摆运动吸收功可通过中学物理计算。

二、夏比冲击试验依据：

GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法；

第二节夏比冲击试样与试验设备

一、冲击试样类型与尺寸：

1、冲击试样分类：

标准夏比V型缺口冲击试样，尺寸为10×10×55mm；其缺口深度为2mm，缺口底部曲率半径为0.25mm，V型缺口夹角为45°；

标准夏比U型缺口冲击试样，尺寸为10×10×55mm；其缺口深度为2mm或5mm，缺口底部曲率半径为1mm。

2、冲击试样尺寸：

3、选择试样类型原则：

应根据试验材料的产品技术条件、材料的服役工况和力学特性，一般情况下，尖锐缺口和深缺口试样适用于韧性较好的材料。

4、当试验材料的厚度无法制备标准试样时，可采用宽度7.5mm、5mm或2.5mm的小尺寸试样；

二、试样制备

三、冲击试验机

1、冲击试验机机构组成：

2、摆锤分类：

3、安装

四、温度控制系统

五、温度测量系统

第三节常温冲击试验

一、准备工作

1、试验环境温度

2、试样尺寸检查

3、选择冲击试验机

4、进行空打回零试验

二、试验操作要点

1、试样定位

2、操作过程

3、试样数量

三、试验结果处理和试验报告

1、吸收能量的有效位数：

应至少保留两位有效数字（至少估读到0.5J），即吸收能量在100J及以上时，应是三位数字。

2、吸收能量的表示方法：

KV

、KV

、KU

、KU

3、几种情况的处理

如试样吸收能量超过试验机能力的80%，在试验报告中，应报告为近似值并注明超过试验机能力的80%。

对于试样试验后没有完全断裂，可以报出冲击吸收能量，或与完全断裂试样结果平均后报出。

对于试验机打击能量不足使试样未完全断开，吸收能量不能确定，试验报告应注明用×J的试验机试验，试样未断开。

如果试样卡在试验机上，则试验结果无效，应重新补做试验。

如断裂后检查显示出试样标记是在明显的变形部位，试验结果可能不代表材料的性能，应在试验报告中注明。

试验后试样断口有肉眼可见裂纹或冶金缺陷时，应在试验报告中注明。

4、试验报告：

试验方法标准号、试样相关资料、缺口类型、试样尺寸、试验温度、吸收能量、试验日期，有时还要增加一些资料。

第四节高、低温冲击试验

一、低温冲击试验

1、试样保温时间

2、温度补偿，过冷法

二、高温冲击试验

1、试样定位

2、试样保温时间

3、温度补偿，过热法

第五节金属韧脆转变温度及低温系列冲击

一、金属的冷脆现象及脆性转变温度

二、转变温度测量方法

1、冲击吸收能量达到某一特定值时，例如KV8=27J

2、冲击吸收能量达到上平台某一百分数，例如50%

3、剪切断面率达到某一百分数，例如50%

4、侧膨胀值达到某一量，例如0.9mm

三、剪切断面率的测定

四、侧膨胀值的测定

第六节影响冲击性能测定的主要因素

一、与材料有关的因素

二、与样品取样和制备有关的因素

（1）样品的取样方向

（2）缺口的加工质量

（3）试样的尺寸

三、与试验机有关的因素

（1）试验机的精度

（2）摆锤与机架的配合

四、与试验过程有关的因素

（1）试验温度

（2）冲击试样的定位

第七节应变时效敏感性试验

1.定义：

钢铁材料，尤其是低碳钢板经过冷加工变形后，长期处于高温或较高温度下工作，其塑性和韧性会明显下降，这种现象被称为应变时效。

2.原理：

钢经应变时效后，韧性下降的程度用应变时效敏感性系数C表示，通过测定钢经受规定应变并人工时效后的吸收能量，将经受与未经受规定应变并人工时效的吸收能量进行比较，就可得出钢的应变时效敏感性系数。

第八节落锤试验

1.依据：

GB/T6803-1986

第十章金属高温力学性能试验

第一节意义与用途

1.高温下金属材料的力学行为

2.高温强度试验的重要性

3.高温下金属材料的力学性能

第二节高温蠕变试验

1.蠕变的定义：

金属在高温长时应力作用下，即使所加应力小于该

温度的弹性极限，也会缓慢地产生显著的塑性变形现象。

2.依据：

GB/T2039-1997

3.蠕变极限定义：

在规定温度下，使试样在规定时间内产生的蠕变伸长率（总伸长率或塑性伸长率）或稳态蠕变速率不超过规定值的最大应力。

通常称为蠕变强度或条件蠕变极限。

第三节高温持久强度试验

1.定义：

金属材料在一定温度和应力的长期作用下，抵抗断裂的能力称为持久强度。

2.依据：

GB/T2039-1997

第四节高温应力松弛试验

1.定义：

在规定温度及初始变形或位移恒定条件下，金属材料的应力随时间而减少的现象称为应力松弛。

2.依据：

GB/T10120-1996