材料力学性能综合实验测试原理.docx
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材料力学性能综合实验测试原理
实验一材料力学性能综合实验
第一部份材料力学性能及测试原理
材料的利用性能包括物理、化学、力学等性能。
关于用于工程中作为构件和零件的结构材料,人们最关切的是它的力学性能。
力学性能也称为机械性能。
任何材料受力后都要产生变形,变形到必然程度即发生断裂。
这种在外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为,它是由材料内部的物质结构决定的,是材料固有的属性。
同时,环境如温度、介质和加载速度关于材料的力学行为有专门大的阻碍。
因此材料的力学行为是外加载荷与环境因素一起作用的结果。
材料力学性能是材料抗击外加载荷引发的变形和断裂的能力。
材料的力学性能通过材料的强度、刚度、硬度、塑性、韧性等方面来反映。
定量描述这些性能的是力学性能指标。
力学性能指标包括屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性等。
这些力学性能指标是通过一系列实验测定的。
实验包括静载荷实验、循环载荷实验、冲击载荷实验和裂纹扩展实验。
其中静载荷拉伸实验是测定大部份材料常使劲学性能指标的通用方法。
力学指标的测定要依据统一的规定和方式进行,这确实是国家标准。
比如国家标准GB228-87是金属材料拉伸实验标准。
依据那个标准,能够测定金属的屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率等力学性能指标。
其它材料如高分子材料、陶瓷材料及复合材料力学性能也应采纳各自的国家标准进行测定。
拉伸实验的条件是常温、静荷、轴向加载,即拉伸实验是在室温下以均匀缓慢的速度对被测试样施加轴向载荷的实验。
实验一样在材料实验机上进行。
拉伸试样应依据国家标准制作。
进行单拉实验时,外力必需通过试样轴线以确保材料处于单向拉应力状态。
实验机的夹具、万向联轴节和按标准加工的试样和准确地对试样的夹持保证了试样测量部份各点受力相等且为单向受拉状态。
试样所受到的载荷通过载荷传感器检测出来,试样由于受外力作用产生的变形能够借助横梁位移反映出来,也能够通过在试样上安装引伸计准确的检测出来。
若是没有更多的测试要求,一样实验均利用横梁位移代表试样的伸长,在实验进程中自动记录被测试件的拉伸曲线。
拉伸曲线即P-ΔL曲线是观看材料的拉伸进程、描述材料的力学性能最好的方法。
曲线的纵坐标为载荷P,单位是N或KN,横坐标为试样伸长ΔL,单位是mm。
P-ΔL曲线形象地表现了材料变形进程和各时期受力和变形的关系,可是P-ΔL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的阻碍。
因此,P-ΔL曲线常常转化为名义应力、名义应变曲线即σ-ε曲线(如图1所示),即
式中A0和L0别离代表试样初始条件下的面积和标距。
试样受到的载荷除以试样原始面积就取得了名义应力,也叫工程应力,用σ表示,单位为Mpa。
一样,试样在标距之间的伸长除以试样的原始标距取得名义应变用ε表示,也叫工程应变。
σ-ε曲线与P-ΔL曲线形状相似,但排除几何尺寸的阻碍,因此代表了材料属性。
一.金属材料的大体力学性能及测定方式
1.应力-应变曲线
金属是要紧的结构材料,在工程实际中应用极为普遍。
作为结构用的金属材料要紧包括碳钢、合金钢、铸铁和有色金属合金。
依照材料变形特点,能够将金属分为塑性材料和脆性材料两类。
图1的两个曲线别离为低碳钢和铸铁的应力-应变曲线。
能够看出,两种材料的拉伸进程不同专门大。
它们别离是塑性材料和脆性材料的典型代表。
从图1(a)所示的应力-应变曲线能够看出,低碳钢的拉伸进程明显分为四个时期:
弹性时期(OA):
试样的变形是弹性的。
在那个范围内卸载,试样仍恢恢复先的尺寸,没有任何残余变形,其应力与应变成直线比例关系。
屈服时期(AB):
在试样继续变形的情形下,载荷却再也不增加,或呈下降,乃至反复多次下降,使曲线变成锯齿状。
这种现象称为屈服。
从A点开始,力与变形再也不知足线性关系,材料的变形包括弹性和塑性两部份。
若是试样表面滑腻、材料杂质含量少,能够看到表面有45°方向的滑移线。
σ
σb
O
图1两种材料的应力-应变曲线
强化时期(BC):
过了屈服时期B点,力又开始增加,曲线又开始上升,说明材料要继续变形,载荷就必需要不断增加。
这说明金属有一种阻止塑性变形的抗力,这种抗力被称为形变强化。
若是在那个时期卸载,弹性变形将随之消失,而塑性变形将永久保留下来,其卸载途径与弹性时期平行。
卸载后假设从头加载,加载线仍与弹性时期平行,而且从头加载后再也不显现屈服现象,而材料的弹性时期加长、屈服应力明显提高,这种现象称作应变硬化或加工硬化。
随着载荷的继续加大,拉伸曲线的上升将渐趋平缓,C点是曲线的最高点。
在现在期试样变形是整个工作长度内的均匀变形,即在试样遍地截面均匀缩小。
图2金属典型材料拉伸破坏断口
颈缩时期(CD):
从C点开始,试样的变形集中于某局部截面,即塑性变形开始在局部进行,显现所谓的“颈缩”现象,试样的承载能力迅速下降。
最后在D点断裂,形成杯状断口(图2-bcdef)。
断口的周边为45°剪切唇,断口组织为暗灰色纤维状,是典型的韧状断口。
铸铁是典型的脆性材料,如图1(b)所示,铸铁的拉伸进程比较简单,可近似以为是经弹性时期直接过渡到断裂。
其破坏断口(图2-a)沿横截面方向,与加载方向垂直。
断面平齐为闪光的结晶状组织,是一种典型的脆状断口。
大部份金属是塑性材料,在外力作用下都经历弹性变形、弹塑性变形和断裂三个进程。
多数材料在弹性时期以后没有明显的物理屈服现象,从弹性变形到弹塑性变形是慢慢转变的进程。
其拉伸曲线的形状(如图3所示)介于低碳钢和铸铁之间,常常只有两个或三个时期。
图3几种金属材料的拉伸曲线
2.力学性能指标
通过拉伸实验能够确信的金属力学性能指标有刚度指标、强度指标和塑性指标。
刚度即代表材料对弹性变形的抗力,一样用弹性模量来表示。
强度指标是反映材料抗击塑性变形和断裂的抗力,别离用屈服强度和抗拉强度表示。
塑性指标是反映材料塑性变形的能力,用截面收缩率和断后伸长率表示。
1)刚度指标-弹性模量
单向拉伸时大多数材料在弹性范围内服从虎克定律,应力和应变成正比关系,即
σ=Eε
比例系数E称作弹性模量,其经常使用单位为Gpa或MPa。
在σ-ε曲线上,E是弹性时期直线的斜率,代表材料抗击弹性变形的能力。
E越大,产生必然弹性变形所需的应力越大,弹性变形越困难。
当机件形状与尺寸一按时,它们的刚度即决定于材料的弹性模量。
弹性模量是气宇材料刚度的系数,能够表征材料抗击弹性变形的能力,是反映材料刚度的一个性能指标。
材料的弹性模量E是弹性元件选材的重要依据,是力学计算的一个重要参量。
通过拉伸实验测定材料的弹性模量E确实是测定线弹性时期应力-应变曲线的斜率。
由于在弹性时期试样的变形超级小,需采纳精度较高的方式测定。
经常使用的方式是在试样上粘贴电阻应变片或在标距范围内按装引伸计测量试样的轴向应变。
弹性模量是材料的一个弹性常数。
在拉伸实验时还能够测定另一个弹性常数泊松比。
在受到轴向载荷作历时,试样在产生轴向伸长的同时,必然引发横向收缩。
横向应变与轴向应变之比即为泊松比,用μ表示
式中ε横为横向应变,ε轴为轴向应变。
2)屈服强度
屈服现象是金属材料开始塑性变形的标志,而各类机件在服役进程中都是处在弹性变形状态,不许诺产生微量塑性变形。
因此显现屈服现象标志着产生过量塑性变形失效。
屈服强度也叫屈服极限,代表塑性材料抗击微量塑性变形的抗力,是衡量材料屈服失效的力学性能指标,是金属塑性材料最重要的强度指标。
其测定方式分为两种情形。
一种是有明显物理屈服现象的材料如退火低碳钢,是以屈服平台的下屈服点作为材料的屈服强度,用σS表示。
这种测定屈服强度的方式比较简单,测量手腕要求不高。
若是实验用的材料实验性能够记录载荷和活动横梁移动位移的关系曲线,那么直接在曲线图上确信屈服强度(如图1(a)所示)。
若是不具有记录曲线的条件,那么在加载进程中显现屈服现象时读测力盘上指针显示的载荷读数。
另一种是没有屈服平台的材料如黄铜和铝合金,由于没有明显的屈服时期,这种材料的屈服强度只能用规定塑性变形量的方式来测定。
工程设计中常以产生%塑性应变时的应力概念为材料的屈服强度,一样称作条件屈服强度,用σ来表示。
σ通经常使用图解法测定,具体方式如图4所示,在应力-应变曲线的图纸上过X轴即应变轴的%的位置作弹性时期直线的平行线,平行线与曲线的交点即为σ。
图4σ的测定方式
3)抗拉强度
拉伸曲线的最高点代表材料的最大承载能力被称为材料的抗拉强度,也叫强度极限,用σb表示。
关于形成颈缩的塑性材料,抗拉强度代表产生最大均匀塑性变形的抗力,关于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料,其抗拉强度代表断裂的抗力。
抗拉强度很容易测定,而且重现性好,是作为评定材质和评判产品质量的常规力学性能指标之一。
4)塑性指标
材料发生塑性变形的能力叫塑性。
塑性的大小用塑性指标表示,它包括断后伸长率和断面收缩率。
这两个塑性指标别离从两个侧面即从试件长度的转变和从试样截面的转变反映材料的塑性变形程度。
断后伸长率用δ表示,断面收缩率用ψ表示,概念别离用以下公式表示
式中L0、A0别离代表试样的原始标距长度和原始横截面积,L1、A1为试样拉断后的标距长度和断口面积。
若是断口位置在标距线之外,那么实验无效。
如断口在标距内,但靠近标距线那么需用断口补偿法计算断后伸长率(方式略)。
关于国家标准规定的两种比例试样,断后伸长率采纳不同的下标表示。
短试样用δ5表示,长试样用δ10表示。
工程上通常以为,材料的断后伸长率δ>5%属于韧断,而δ<5%属于脆断。
3.拉伸试样要求
金属材料的拉伸试样应按国家标准GB6397-86的规定制备。
通常试样有圆截面和矩形截面两种。
图5为圆截面试样的示用意。
一样的拉伸试样由三部份组成,即工作部份、过渡部份和夹持部份。
工作部份必需维持滑腻均匀以确保单向应力状态。
LC称为试样的平行长度,L0称作试样的原始标距。
圆试样的LC应不小于L0+d0;板试样的LC不小于L0+b0/2。
拉伸试样分为比例试样和定标距试样。
比例试样的标距与试样原始截面积的关系规定为
或
式中系数取为时称为短试样,取为时称为长试样。
若是是圆试样,那么当试样标距与试样直径的比为5,即L0=5d0时称为短试样,L0=10d0时称为长试样。
国家标准推荐利用短比例试样。
试样的过渡部份必需有适当的抬肩和圆角,以降低应力集中,保证该处可不能断裂。
试样两头的夹持部份用以传递载荷,其形状和尺寸与所用实验机的夹具结构有关,如试样采纳图4的形式,那么试样夹持部份的长度不该小于夹具长度的三分之二。
图5金属拉伸试样示用意
二.非金属材料的力学性能及测定方式
除金属材料之外,各类非金属材料比如高分子材料、陶瓷材料和复合材料大量用于工程实际中。
每种材料都有特出的性能,在力学性能和测试方式上与金属材料存在专门大不同。
1.高分子材料
高分子材料也称为聚合物,其绝缘性好、耐磨、耐侵蚀,易于加工成型。
在力学性能方面,它的高弹性、粘弹性和其力学性能对时刻与温度强烈的依托关系,是这种材料与金属材料显著的不同。
高分子材料能够分为工程塑料、橡胶和合成纤维三大类,其中工程塑料可作为工程结构材料利用。
工程塑料是热塑性材料和热固性材料总称。
按力学性能可分为两类,一类是塑性专门好,延伸率可达几十~几百%,一部份热塑性材料属于这种情形;一类是比较脆,其拉伸进程简单,拉伸曲线与铸铁类似,热固性材料都属于这种情形。
第一类材料如图6所示,其拉伸曲线可分为几个时期。
拉伸的最初时期力与变形知足线性关系,然后进入强迫高弹变形时期直到A点。
从A点开始在试样的某一个截面发生屈服,截面迅速变小产生颈缩,承载能力下降。
达到B点时,此截面的分子链沿受力方向被拉伸并定向散布,使颈缩区强度、刚度增加。
尔后应力维持一个恒定值,颈缩向两边进展,一直到整个试样长度,在拉伸曲线上形成水平线直到C点。
试样均匀部份全数颈缩后,整体强度、刚度提高,继续变形只有增加外力,形成上升的曲线,直到D点断裂。
A点概念为高分子材料的屈服强度σY。
D点概念为材料的抗拉强度σb。
若是试样提早断裂,即由于试样的内部缺点在B点和C点之中断裂,那么断裂点应力值为断裂强度σK。
图6高分子材料拉伸曲线
因为这种材料在断裂后断口无法对拢,无法准确测量材料的断后伸长率,因此在关于高分子材料的拉伸力学性能测试的国家标准(GB1040-92)中要求:
在加载进程中,跟踪测量试样上的标距长度,直到试样断裂。
用试样断裂时测量到的标距长度LK,代入求δ的公式,取得材料的断裂伸长率,记为δK。
高分子材料拉伸试件一样为矩形截面的板状试件。
试件形状和尺寸的设计可参考金属材料。
拉伸实验的加载速度一样为10±5mm/min。
2.复合材料
随着科学技术的进展,专门是航空航天工业的进展,对材料提出了更高的要求。
单一的材料,比如金属和高分子材料已不能知足要求。
复合材料是用两种或两种以上不同性质、不同形态的材料通过复合工艺而形成的多相材料。
复合材料不仅能维持原组分材料的部份特点,而且具有原组分材料所不具有的性质。
比如,玻璃纤维增强复合材料将玻璃纤维的高强度、高刚度性能与高分子材料的重量轻、绝缘、抗侵蚀、易加工等性能结合起来,在航空航天、电力设施等方面发挥了特有的作用。
复合材料至少包括两相,其中一相是持续的比如环氧树脂,称为基体,另一相较如玻璃纤维、碳纤维起增强作用,被基体包容,称为增强相。
复合材料有很多种,内部结构超级复杂。
在教学实验中咱们重点研究单层持续纤维增强复合材料。
具体材料是玻璃纤维增强单层复合材料板,基体材料为环氧树脂。
图7是单层复合材料结构示用意。
纤维纵向为1方向,面内垂直于纤维方向为2方向,3为法线方向。
图8为坐标概念说明。
X代表加载方向,Y代表垂直于加载方向,θ为纤维排列方向(1方向)与加载方向(X)的夹角。
平行于纤维方向加载,θ=0°;垂直于纤维方向加载,θ=90°。
很明显,这是典型的各向异性材料。
1)力学性能及测定方式
玻璃纤维增强复合材料是在工程上大量利用的一种复合材料,俗称“玻璃钢”。
由于玻璃钢属于脆性材料,因此它的拉伸曲线比较比较简单。
拉伸实验测定的力学性能要紧有抗拉强度,最大载荷伸长率或破坏伸长率和弹性模量。
抗拉强度与其它材料的概念相同。
最大载荷伸长率或破坏伸长率是在拉伸应力作用下试样在最大载荷下或破坏时标距长度内所产生的伸长,用标距的百分比表示。
图7单层复合材料结构示用意图8坐标概念
与一样材料不同,复合材料的力学性能与玻璃纤维在材料中的体积比有关,而且由于是各向异性材料,各个方向的性能不同专门大。
当测定一个方向的弹性模量和泊松比时,测试方式同一样材料。
仅用一个方向的E和μ不能反映这种材料的弹性特性。
关于单层复合材料这种的正交各向异性材料需要至少四个弹性常数即E一、E二、μ21和μ12。
测试它们需要加工0°方向和90°方向两种试样别离进行拉伸实验测定其E和μ。
弹性常数的概念如下
0°试件:
(θ=0°)
90°试件:
(θ=90°)
2)试样要求
复合材料的试样设计要考虑材料本身的特点,而且还要依如实验测试的要求设定试件长度方向与纤维方向的角度。
试样的大体形式如图9所示
图9复合材料试样形式
试件一样加工成长条板式试样。
试件的两头用金属铝片或玻璃钢片作增强片,采纳粘结剂粘结,要求实验进程中增强片不脱落。
有关试样的具体尺寸要求和对复合材料力学性能实验的具体规定,请参考国家标准GB1447-83“玻璃纤维增强塑料拉伸性能实验方式”。
研究材料在常温静加载下的力学性能时,除采纳单向静拉伸实验方式外,有时还采纳紧缩、弯曲和扭转等实验方式。
改变加载方式即改变应力状态。
在不同应力状态下材料会表现出力学性能的不同。
另外,很多机件在实际服役中常经受轴向压力、弯矩或扭矩的作用,有必要测定制造这种机件的材料在这几种载荷作用下的力学性能指标,用作设计和选材的依据。
另外,加载环境的改变,比如温度的转变,加载速度的转变,材料的力学行为都会有相当大的改变。
有关以上方面的内容请参考相关资料。
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