金属材料的力学性能测试.docx

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金属材料的力学性能测试

材料力学实验指导书

（第一部分）

材料的力学性能测试

浙江工业大学机电学院

2006年9月

第一部分材料的力学性能测试

任何一种材料受力后都有变形产生，变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力，即发生破坏，各种材料的受力——变形——破坏是有一定规律的。

材料的力学性能（也称机械性能），是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，如强度、塑性、弹性和韧性等。

为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作，必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能，并规定具体的力学性能指标，以便为构件的强度设计提供可靠的依据。

材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。

金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等，此外，测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。

材料的力学性能测试必修实验为5学时，包括：

轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量E的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量G的测定。

§1－1轴向拉伸实验

一、实验目的

1、测定低碳钢的屈服强度

（

）、抗拉强度

（

）、断后伸长率A11.3（

10）和断面收缩率Z（

）。

2、测定铸铁的抗拉强度

（

）。

3、比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）在拉伸时的力学性能和断口特征。

注：

括号内为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。

二、设备及试样

1、电液伺服万能试验机（自行改造）。

2、0.02mm游标卡尺。

3、低碳钢圆形横截面比例长试样一根。

把原始标距段L0十等分，并刻画出圆周等分线。

4、铸铁圆形横截面非比例试样一根。

注：

GB/T228-2002规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。

比例试样的原始标距

与原始横截面积

的关系满足

。

比例系数

取5.65时称为短比例试样，

取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数

取5.65。

非比例试样

与

无关。

三、实验原理及方法

低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。

这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。

低碳钢拉伸图（F—ΔL曲线）

以轴向力F为纵坐标，标距段伸长量ΔL为横坐标，所绘出的试验曲线图称为拉伸图，即F—ΔL曲线。

低碳钢的拉伸图如上图所示，FeL为下屈服强度对应的轴向力，FeH为上屈服强度对应的轴向力，Fm为最大轴向力。

F—ΔL曲线与试样的尺寸有关。

为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F除以试样横截面的原始面积S0就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示。

同样，试样在标距段的伸长ΔL除以试样的原始标距ＬO得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。

σ—ε曲线与F—ΔL曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。

低碳钢应力—应变图（σ—ε曲线）

典型低碳钢的拉伸σ—ε曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段：

（1）弹性阶段oa’：

在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。

习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即

式中比例系数E代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa。

它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。

E的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。

此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。

反映横向变形的横向应变ε＇与ε之比的绝对值μ称为材料的泊松比。

它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。

（2）屈服阶段ab：

在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。

这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。

从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。

如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有450方向的滑移线。

根据GB/T228－2002标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度，记为“ReH”；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“ReL”，若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。

通常把试验测定的下屈服强度ReL作为材料的屈服极限σS，σS是材料开始进入塑性的标志。

不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。

结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。

因此，强度设计中常以屈服极限σS作为确定许可应力的基础。

由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形（塑性变形），因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。

（3）强化阶段bc：

屈服阶段结束后，σ—ε曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。

如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。

强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。

卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。

这种现象称作应变强化或冷作硬化。

冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。

塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。

例如：

喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。

强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。

随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。

σ—ε曲线的应力峰值Rm为材料的强度极限σb。

对低碳钢来说σb是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志。

（4）颈缩阶段cd：

应力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。

断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。

塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。

低碳钢和铸铁是工程材料中最具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。

观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于正确、合理地认识和选用材料。

根据试验机绘制的拉伸F—ΔL曲线确定低碳钢的

、

和铸铁的

。

（1）原始横截面面积（S0）的测定：

圆形横截面试样，应分别在标距内两端及中部测

量直径。

测量某处的直径时，应在该处测量两个互垂方向的直径，取其算术平均值。

原始横截面面积S0取三处测得的最小直径计算，并至少保留4位有效数字。

（2）强度指标（

、

）的测定：

从低碳钢的F—ΔL曲线读取试样的FeL和Fm值，将其分别除以试样的原始横截面面积S0得低碳钢的屈服强度

和抗拉强度

；从铸铁的F—ΔL曲线读取试样的Fm值，将其除以试样的原始横截面面积S0得铸铁抗拉强度

；

根据拉断后低碳钢试样的断口直径及标距段长度确定A11.3和Z

（1）原始标距L0的标记：

低碳钢拉伸试样的标距段原始长度为100mm，分十等分，用划线机划细的圆周线作为标记。

（2）低碳钢断面收缩率Z的测定：

断裂后试样横截面的最大缩减量S0－Su与原始横截面面积S0之比的百分率为断面收缩率。

测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。

测量圆形横截面缩颈处的最小直径计算缩颈后的试样最小横截面面积Su。

（3）低碳钢断后伸长率A11.3的测定：

断后标距的残余伸长Lu－L0与原始标距L0之比的百分率为断后伸长率。

对于比例试样，若原始标距不为

，则符号A应附下标注明所使用的比例系数，例如A11.3表示原始标距L0为

的试样断后伸长率。

测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，应使试样二段的轴线处于同一直线上，并且断裂部分适当接触。

当断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一时，标距段长度Lu按要求配接后直接测量，否则应按下述移位方法测量Lu。

试验前将原始标距L0细分为N等分，把每一等分的细圆周线称为标距等分标记

试验后，以符号X表示断裂后试样短的一段距离试样夹持部最近的标距等分标记，以符号Y表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Y与断裂处的距离最接近X与断裂处的距离，X与Y之间的标距等分格数为n。

若N－n为偶数，以符号Z表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z与Y的标距等分格数为

。

分别测量X与Y之间的距离记为XY、Y与Z之间的距离记为YZ，则试样断后的标距段长度Lu＝XY＋2YZ，如下图（a）所示。

若N－n为奇数，以符号Z’和Z’’表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z’与Y的标距等分格数为

，Z’与Z’’的标距等分格数为1。

分别测量X与Y之间的距离记为XY、Y与Z’之间的距离记为YZ’、Z’与Z’’之间的距离记为Z’Z’’，则试样断后的标距段长度Lu＝XY＋2YZ’＋Z’Z’’，如下图（b）所示。

四、实验步骤

1、按要求测量试样的原始横截面面积S0。

低碳钢标距段原始长度不用测量，为100mm。

铸铁不定标距，不用测量。

2、按要求装夹试样（先选其中一根），并保持上下对中。

3、按指导老师要求选择“试验方案”→“新建实验”→“金属圆棒拉伸实验”进行试验，详细操作要求见电液伺服万能试验机使用说明。

4、试样拉断后拆下试样，重新调整试验机活动台的合理高度（一般为10mm），按要求装夹另一根试样，选择“继续实验”进行第二根试样的拉伸试验。

5、第二根试样拉断后拆下试样，根据电液伺服万能试验机使用说明把两根试样的F—ΔL曲线添加不同的颜色一起显示在微机显示屏上。

从低碳钢的F—ΔL曲线上读取FeL、Fm值，从铸铁的F—ΔL曲线上读取Fm值。

并比较两条曲线的特征。

6、测量低碳钢拉断后的断口最小横截面面积Su。

7、根据低碳钢断口的位置选择直接测量或移位方法测量标距段长度Lu。

8、比较低碳钢和铸铁的断口特征。

9、试验机复原。

五、实验数据及处理要求

1、试样直径的测量与测量工具的精度保持一致。

2、横截面面积的计算值取4位有效数字。

3、拉伸力学性能指标的数值确定应保留计算过程，最终结果值按下表要求修约。

性能名称

范围

修约间隔

屈服强度和抗拉强度

≤200MPa

1MPa

＞200～1000MPa

5MPa

＞1000MPa

10MPa

断后伸长率

0.5％

断面收缩率

0.5％

六、思考题

1、为什么在实验前需要测试件原始尺寸，包括哪些数据，如何测？

2、如果试件直径为10mm,按标准短比例试件要求，标距应定为多少？

3、哪种材料需要在试件拉断后测量试件尺寸？

4、铸铁拉伸变形为什么没有屈服、强化及缩颈等阶段？

5、测定材料屈服强度的意义？

哪些材料需要测定屈服强度？

6、应变强化是哪类材料的特点，发生在拉伸过程的哪个阶段，有何作用和意义？

§1－2轴向压缩实验

一、实验目的

1、测定低碳钢压缩时的屈服强度σs。

2、测定铸铁压缩时的抗压强度σby。

3、比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形规律和破坏现象，并进行比较。

二、设备及试样

1、电液伺服万能试验机（自行改造）。

2、游标卡尺。

3、低碳钢、铸铁圆形横截面短试样各一枚。

注：

材料压缩短试样试样标距段原始高度h0和标距段原始直径d0的比值通常规定为：

1≤h0/d0≤3。

而长试样通常用于拉伸试验。

三、实验原理及方法

当试样承受压缩时，其上下端面与试验机垫板之间产生很大的摩擦力，如下图，这些摩擦力阻碍试样上部和下部的横向变形，使其抗压能力有所提高，故试验时试样两端面应涂以润滑剂以减小摩擦力的影响。

另外，当h0/d0增大时，摩擦力的影响也会减少，因此试样的抗压能力将随比值h0/d0的增大而略有降低。

由此可见，只有在相同的试验条件下，才能对不同材料的压缩性能进行比较。

施加载荷时，要求其合力作用线与试样轴线一致，为此试样两端面必须平行且与轴线垂直；同时，在试验机下垫板底部有球形承垫，见上图。

当试样两端面稍有不平行时，会自动调整下垫板平面的方位，使接触面载荷均匀分布。

低碳钢压缩试验中，屈服现象不及拉伸时那样明显，从F—Δl曲线读下屈服载荷Fs，由此可求得屈服极限

。

此后由于材料良好的塑性，使其压成饼状而不致破坏，故低碳钢不存在压缩强度极限。

铸铁压缩试验则在出现较大（相对于拉伸而言）的塑性变形后发生破坏，其裂纹方向与

轴线约成450角，此时的载荷即为最大载荷Fby，由此可算得压缩强度极限

。

四、实验步骤

1、测量试样的原始尺寸。

2、安装试样并保持上下对中。

3、根据试样的负荷和变形水平，按试验机操作软件设定试验的详细步骤加载试验。

4、观察试样变形和破坏特征。

五、实验数据及处理要求（同轴向拉伸实验）

六、思考题

1、说明铸铁压缩破坏原因？

2、总结低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能。

§1－3低碳钢拉伸弹性模量E的测定

一、实验目的

1、测定低碳钢拉伸时的弹性模量E。

2、了解引伸仪的原理和球铰式引伸仪的使用。

二、设备及试样

1、小型测E台。

2、球铰式引伸仪。

3、φ8mm低碳钢拉伸比例长试样一根。

三、实验原理及方法

弹性模量E是材料在单向应力状态，应力低于比例极限时应力与应变的比值，即

。

试样轴向拉伸时，上式也可写成

（F为轴向载荷，A为横截面面积，ΔL为长L0的一段试样的总变形）。

所以在材料的比例极限内，对试样施加轴向拉伸载荷F，并测量长L0的一段试样的总变形ΔL，即可求得弹性模量E。

因为试样在比例极限内变形很小，测量需要高放大倍数的引伸仪。

为减少测量误差，试验采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级ΔF，逐级加载。

本实验设置一个较小的初载砝码，然后分四级等量加载。

测量长L0的一段试样在等量ΔF加载时的各级变形增加量（δΔL）i。

若各级（δΔL）i基本相等，就表明ΔL与F成线性关系，符合虎克定律。

实验完成一次加载过程，将得到Fi和ΔLi的一组数据。

用弹性模量平均法求得：

（i=1、2、3、4…）

四、实验注意事项

1、球铰引伸仪是精密仪器，使用时用上、下两对顶尖固定在试样上。

实验前，安装已由指导老师完成。

学生使用时，不允许自行拆装，以免造成引伸仪脱落而损坏。

2、由于一堂实验课每台装置需要重复使用二、三十次，所以学生实验时，不要自行转动千分表的刻度盘。

刻度盘指针不对零，并不影响测量结果，实验时不用调零。

3、使用前应检查球铰引伸仪的千分表小指针是否有大于2的初始值，否则联系指导老师作调整。

学生不要自行调整，以免损坏引伸仪。

4、砝码加、卸时应轻拿轻放，避免引起千分表指针的摆动，增大测量误差。

加载时砝码与砝码托盘、砝码与砝码之间应对齐并套合凹凸面，防止砝码脱落造成安全隐患。

5、因为千分表装在下标距叉一侧，试样伸长时，触头向下移动，千分表大指针会逆时针转动，所以千分表应记读“红字”刻度值，记读时估读一位小数。

6、完成一次四级等量加载并记录各级载荷相应的千分表读数后应及时卸下所有砝码，避免砝码碰落造成安全隐患。

五、实验步骤

1、查看引伸仪安装是否可靠，千分表是否有预压量（小指针是否有大于2的初始值）。

如不满足，告知指导老师，由指导老师进行调整。

2、加最小的初载砝码，记录千分表大指针读数，然后逐个加等量砝码，逐级记读，完成四级等量加载，并记录各级千分表读数后即刻卸下所有砝码。

3、计算千分表的各级读数增量。

当试样轴向拉伸，材料在比例极限内时，若增加的砝码重量相同，理论上其相应的位移增加量也应相同，如误差较大，应检查原因。

4、重复上述“2、”“3、”过程二到三次。

5、设备复原。

六、实验数据处理要求

用弹性模量平均法测定E，弹性模量取3位有效数字，横截面面积取4位有效数字。

七、思考题

1、试样的截面形状和尺寸对测量弹性模量有无影响。

2、测定E时为何要加初载？

采用分级加载的目的是什么？

§1－4扭转实验

一、实验目的

1、测定低碳钢的剪切屈服点τs，抗扭强度τb。

2、测定铸铁的抗扭强度τb。

3、比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏特征。

二、设备及试样

1、伺服电机控制扭转试验机（自行改造）。

2、0.02mm游标卡尺。

3、低碳钢φ10圆试件一根，画有两圈圆周线和一根轴向线。

4、铸铁φ10圆试件一根。

三、实验原理及方法

塑性材料试样安装在伺服电机驱动的扭转试验机上，以6-10º/min的主动夹头旋转速度对试样施加扭力矩，在计算机的显示屏上即可得到扭转曲线（扭矩-夹头转角图线），如下图为低碳钢的部分扭转曲线。

试样变形先是弹性性的，在弹性阶段，扭矩与扭转角成线性关系。

弹性变形到一定程度试样会出现屈服。

扭转曲线扭矩首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩Tsu；屈服段中最小扭矩为下屈服扭矩Tsl，通常把下屈服扭矩对应的应力值作为材料的屈服极限τs，即：

τs=τsl=Tsl/W。

当试样扭断时，得到最大扭矩Tb，则其抗扭强度为τb=Tb/W

式中W为抗扭截面模量，对实心圆截面有

W=πd03/16。

铸铁为脆性材料，无屈服现象，扭矩-夹头转角图线如左图，故当其扭转试样破断时，测得最大扭矩Tb，则其抗扭强度为：

τb=Tb/W

四、实验步骤

1、测量试样原始尺寸分别在标距两端及中部三个位置上测量的直径，用最小直径计算抗扭截面模量。

2、安装试样并保持试样轴线与扭转试验机转动中心一致。

3、低碳钢扭转破坏试验，观察线弹性阶段、屈服阶段的力学现象，记录上、下屈服点扭矩值，试样扭断后，记录最大扭矩值，观察断口特征。

4、铸铁扭转破坏试验，试样扭断后，记录最大扭矩值，观察断口特征。

五、实验数据处理

1、试样直径的测量与测量工具的精度一致。

2、抗扭截面模量取4位有效数字。

3、力学性能指标数值的修约要求同拉伸实验。

六、思考题

1、低碳钢扭转时圆周线和轴向线如何变化？

与扭转平面假设是否相符？

2、如用木材或竹材制成纤维平行于轴线的圆截面试样，受扭时它们将按怎样的方式破坏？

3、根据低碳钢和铸铁的破口特征，分析两种材料扭转破坏的原因？

4、比较低碳钢拉伸和扭转实验，从进入塑性变形阶段到破坏的全过程，两者变形有何明显的区别？

§1－5低碳钢剪切弹性模量G的测定

一、实验目的

1、测定低碳钢扭转时的剪切弹性模量G。

2、了解扭角仪的原理。

二、设备及试样

1、小型测G台。

2、扭角仪。

3、φ10mm低碳钢扭转试样一根。

三、实验原理及方法

剪切弹性模量G是材料在纯剪切应力状态，应力低于比例极限时切应力与切应变的比值，即τ＝G

（G＝

）。

试样扭转时，上式也可写成

（式中Me为扭力偶、Ip为圆形横截面对圆心的极惯性矩，对实心圆截面有Ip=πd04/32、Φ为试样距离为L0的两横截面的相对扭转角）。

所以在材料的比例极限内，对试样施加扭力偶Me，并测量距离为L0的两横截面的相对扭转角φ，即可求得弹性模量G。

为减少测量误差，试验采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级ΔMe，逐级加载。

本实验未设初始载荷，分四级等量加载。

测量距离为L0的两横截面A、B的相对扭转角在等量ΔMe加载时的各级扭转角增量（ΔΦ）i。

若各级（ΔΦ）i基本相等，就表明Φ与Me成线性关系，符合虎克定律。

实验完成一次加载过程，将得到（Me）i和Φi的一组数据。

用弹性模量平均法求得：

（i=1、2、3、4…）

四、实验注意事项

1、本实验时，扭角仪（包括百分表）已安装在低碳钢扭转试样上。

为避免扭角仪脱落造成损坏，同学操作时应尽量小心。

2、百分表也属精密仪表，为避免损坏，测量前不要转动刻度盘，此时若指针不对零，记录初始读数即可。

百分表读数时，应估读一位小数。

3、砝码加、卸时应轻拿轻放，避免引起百分表指针的摆动，增大测量误差。

4、完成一次四级等量加载并记录各级千分表读数后马上卸下所有砝码，避免砝码碰落造成安全隐患。

五、实验步骤

1、查看扭角仪安装是否可靠，百分表是否有预压量（小指针应在量程的1/4左右）。

如不满足，告知指导老师，由指导老师进行调整。

2、加载记读百分表读数，先记录百分表初始读数，然后逐个加载，逐级记读，完成四级等量加载，并记录各级百分表读数后即刻卸下所有砝码。

3、计算百分表的各级读数增量。

若增加的砝码重量相同，理论上其相应的扭转角增加量也应相同，如误差较大，应检查原因。

4、重复上述“2、”“3、”过程二到三次。

5、设备复原。

六、实验数据处理

用弹性模量平均法测定G，剪切弹性模量取3位有效数字，极惯性矩取4位有效数字。