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材料力学性能实验指导书

材料力学性能实验指导书

张学萍刘志远

沈阳理工大学

二零零九年三月

实验一硬度实验……………………………………………………………….……3

实验二材料力学性能综合实验………………………………………………………17

前言

《材料力学性能》这门课的实验是该课的重要组成部分，是该理论课的基础，正确地掌握实验的理论和方法，对提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力有重要意义。

编写本实验指导书，是根据《材料力学性能》教学大纲及教材的有关内容、又根据我院设备、仪器实际情况编写的，这样，与教材的内容相一致，便于安排实验教学。

本实验指导书将部分单项实验改为综合实验，材料力学性能综合实验不仅使学生建立完整的知识体系，还能有效地提高学生的整体思维能力和总结概括能力。

本实验指导书适用于：

材料成型及控制工程专业

编者

2009年3月

实验一硬度实验

一.实验目的

1.掌握洛氏、布氏和维氏硬度的基本原理及测试方法。

2.根据材料的性质正确选择硬度计类型及压入条件。

3.熟悉各种硬度值之间的换算。

二、实验内容

用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度；用布氏硬度计测定45刚退火后的硬度；观察维氏硬度计的操作方法。

三、概述

硬度试验操作简便，对工件损伤小，可在零件上直接测试，故在生产实践中应用很普遍。

硬度所表征的不是一个确定的物理量，它是衡量材料软硬程度的一种性能指标。

硬度值的意义随试验方法而不同。

硬度试验基本上可分为压入法和刻划法。

对于以压入法进行的硬度试验，其硬度值是表示材料抵抗另一物体压入其表面的能力，洛氏、布氏和维氏硬度都属于压入法硬度试验。

（一）

洛氏硬度试验法。

1.洛氏硬度是以压痕的深度来表示

材料的硬度值。

图1-1为洛氏硬度试验

原理图。

测试洛氏硬度时，用规定的压头，

先后施加两个负荷：

预负荷F0和主负

荷F1。

总负荷F=F0+F1。

图1-1中，

0-0位置为未加负荷时的压头位置；l-l

位置为施加10kg预负荷后的位置，压

入深度为h1；2-2位置为加上主负荷后

的位置，此时压入深度为h2；3-3位置图1-1洛氏硬度试验原理

为卸除主负荷后由于弹性变形的恢复而

使压头略微提高的位置，此时压头的实际压入深度为h3。

由主负荷引起的残余压入深度h=h3-h1，用此来衡量金属硬度值的大小。

若直接用h来表示硬度，则会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值反而大的现象。

不符常规。

为了适宜人们认为数值愈大硬度值愈高的习惯概念，人为规定，用一常数K减去h来表示硬度的太小，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位。

因此，洛氏硬度值的计算公式可写成：

式中：

h1—预加负荷压入试样的深度（mm）；

h3—卸除主负荷后压人试样的深度（mm）；

K一常数。

A和C标尺K=0.2mm，B标尺K=0.26mm。

因此，洛氏硬度值的计算公式还可以写成：

试验时，可选用不同的压头和不同的主负荷，洛氏硬度标尺也随之变化。

表1-1为各种洛氏标尺及试验条件。

表1-1各种洛氏标尺及实验条件

金刚石

120°圆锥

钢球1/16″

钢球1/8″

钢球1/4″

钢球1/2″

160

A

F

H

L

R

100

D

B

E

M

S

150

C

G

K

P

V

表1-1中最常用的是HRA、HRB、HRC等三种。

表1-2为这三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用。

表1-2三种洛氏硬度标尺的试验条件和应用

洛氏硬度值测量范围HR

标尺

压头形状

预负荷（公斤力）

主负荷（公斤力）

总负荷（公斤力）

符号

大致相当的维氏硬度值

表盘上刻度的颜色

应用

20-67

C

金刚石120°圆锥

10

140

150

HRC

240-900

黑

碳钢、工具钢及合金钢等淬火和回火后的硬度

25-100

B

1/16″钢球

10

90

100

HRB

60-240

红

有色金属及合金退火锅等低硬度零件的硬度

70-85

A

金刚石120°圆锥

10

50

60

HRA

390-900

黑

碳化物、硬质合金及表面硬化零件等

2.洛氏硬度计的操作规程

洛氏硬度计由机体、加荷机构、测深机构和压头等组成。

1）根据试样的材质、形状和尺寸选择压头、负荷，并安装到位；

2）试样平放在载物台上，将压头对准试样表面待测部位；

3）顺时针转动载物台升降手柄使试样接触压头，继续转动手柄使百分表的小指针指向红点，这表明预负荷已加完，此时要求大指针不偏离刻度盘零点±5个刻度；

4）转动刻度盘使其零点对准大指针；

5）扳动加荷手柄施加主负荷，施荷时闻4～6秒，然后平稳地把手柄扳回到卸荷位置；

6）从刻度盘的相应标尺读出指针所指的硬度值；

7）逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。

测试洛氏硬度时应注意：

①为保证试验结果的精度，试样表面应平整、无油污、无氧化皮及凹坑等；试样的厚度不应小于压痕深度的l0倍。

②两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘距离均不得小于3mm。

③洛氏硬度试验如在圆柱或球形表面进行时，应对试验结果加以校正。

校正值可通过下列计算公式求得：

对圆柱面：

对球面：

式中：

△HRC——应加上的校正值；

HRC——球面或圆柱面的硬度；

D——球或圆柱的直径。

④试样的安装必须保证压头所施加的作用力垂直于待测面，对于弯曲及其他不规则形状的试样，必须采用相应的专用工作台。

如对圆柱式样须用V形工作台；

⑤每个试样的试验次数不应少于两次，取其平均值。

（二）布氏硬度试验法

布氏硬度与材料其他的机械性能关系密切，尤其是与抗拉强度极限存在近似的换算关系：

σb=K·HB（其中K为常数，不同的材料有不同的K值），这在生产中有很重要的意义。

１．布氏硬度的测试原理

图1—2为布氏硬度测试原理图。

用一定大小的负荷P（公斤力），把直径力D（mm）的淬火钢球压人被测试样的表面，保持一定时间后卸除负荷。

测量试样表面压痕的直径d，计算出布氏硬度值，用符号HB表示。

该值的大小就是试样表面压痕单位面积上所承受的压力。

即：

式中：

D——钢球直径（mm）；

P——试验负荷（有3000；1000；750；250等）；

d——压痕直径（mm）。

图1-2布氏硬度测试原理图图1-3压痕相似原理

由于金属材料软硬不一，薄厚不同，若只采用一种标准负荷P和钢球直径D，就会出现这种现象：

若对硬的材料合适，对软的材料就可能使钢球陷入材料内；若对厚的材料适用，对薄的材料就可能压透。

因此，实际进行布氏硬度试验时，要求选用不同的负荷P和钢球直径D。

但对于同一种材料采用不同的P和D进行试验，能否得到相同的布氏硬度值，关键在于压痕的几何形状是否相似。

图1－3表示两个不同直径的压头D1和D2在不同载荷P1和P2作用下，压入金属表面的情况。

有图可得出：

d=Dsin

即：

由上式可看出，假若压入角

不变时,为使同一材料的HB值相同，还应保持P/D2也为常数。

国标GB231—63中规定布氏硬度试验时P/D2的比值为30、10、2.5三种。

根据金

属材料种类，试样硬度范围和厚度的不同按表1—3选择P、D及加荷时间。

表1-3布氏硬度试验的规范

金属类型

布氏硬度值（HB）

试样厚度（㎜）

负荷P与钢球直径D的关系

钢球直径（㎜）

负荷P（㎏）

负荷保持时间（s）

黑色金属

140-450

6-3

4-2

＜2

P=30D2

10

5

2.5

3000

750

187.5

10

＜140

＞6

6-3

＜3

P=10D2

10

5

2.5

1000

250

62.5

10

有色金属

金刚石120°圆锥130

6-3

4-2

＜2

P=30D2

10

5

2.5

3000

750

187.5

30

36-130

9-3

6-3

＜3

P=10D2

10

5

2.5

1000

250

62.5

30

8-35

＞6

6-3

＜3

P=2.5D2

10

5

2.5

250

62.5

15.6

30

2.布氏硬度的表示方法：

例如用D=10mm，P=3000kg，负荷保持时间为10秒时所测得的硬度值为280，则表示为HB280。

在其它条件下测得的HB值应注以相应的试验条件，例如HB5/250/30100，表示D=5mm，P=250kg，负荷保持时间为30秒的条件下测得的HB值为100。

3.布氏硬度计的操作规程（以HB——3000B型为例）

布氏硬度计由机体、工作台、加荷机构、换向开关系统（电子控制系统）和压入头等部分组成。

1）根据材料选择负荷、压入头及施荷时间；

2）把载物台、负荷、压入头装好；

3）首先打开开关，接通电源，此时电源指示灯亮。

实验力选择好后，按动实验力保持时间按钮（12秒、30秒或60秒）

4）将试样放到载物台上，顺时针转动手轮使载物台缓缓上升，试样与压头接触直至手轮与螺母产生相对滑动，按动启动按钮，硬度计即可自动完成一个工作循环。

；

5）试验结束后，转动手轮，取下试样，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。

6）根据压痕直径、负荷大小、钢球直径查硬度换算表或用公式计算均可得出布氏硬度值。

附表1－5列出布氏硬度试验中压痕直径与硬度值之间的关系。

4.布氏硬度试验中的注意事项

1）试样表面应光滑、无氧化皮和污物；

2）试样的厚度应不小于压痕深度的l0倍；

3）相邻压痕中心距离不小于压痕直径的四倍，压痕中心距试样边缘的距离应不小于压痕直径的2.5倍；

4）压痕直径应在0.25D

5）只可用来测定硬度小于HB450的金属材料。

（三）维氏硬度试验法

维氏硬度试验是静载压入法中较精确的一种，它能测定各种金属材料的硬度。

1.测试原理

维氏硬度的测试原理基本与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的负荷来计算硬度值。

用符号HV表示。

试验时，用一个相对两面夹角为136度的金刚石棱锥压头，在一定负荷作用下压人被测试样表面，保持一定时间后卸除负荷，试样表面压出一个四方锥形的压痕，测量压痕的对角线长度（mm），并计算HV值：

（kg/mm2）

式中：

P——负荷（常用的负荷为5、10、20、30、50、100kg）。

d——压痕对角线长度（mm）。

负荷P的选择应根据试样的厚度和硬度范围面定。

见表1-4。

表1-4试验负荷P选择参照表

HV25-50

HV50-100

HV100-300

HV300-900

0.3-0.5

－

－

－

5-10

0.5-1.0

－

－

5-10

10-20

1.0-2.0

5-10

5-10

10-20

20或大于20

2.0-4.0

10-20

20-30

20-50

50或100

＞4.0

20或大于20

30或大于30

50或100

50或100

测出压痕对角线长度d后，还可通过查表得出HV值。

见附表1-6。

2.维氏硬度计的操作

维氏硬度计操作步骤与布氏硬度计相似。

所不同的是在读数显微镜下测量其压痕对角线的长度。

1）将手柄推至试验力卸除位置，使硬度计处于预工作状态。

2）转动砝码变换手柄使其对准已选好的试验力值。

3）向左转动转动头座使压头转到试台中心位置。

4）将试件放在已选好的试台上，旋转手轮升起试台，至试件与保护套接触为止（轻力转不动手轮为止）。

5）向前拉动手柄，使试验力作用到试件上，此时指示灯燃亮。

试验力保试一段时问后，卸除试验力。

6）指示灯熄灭后（指示灯的燃亮时间即为试验力保持时间）转动手轮，使试件脱离金刚石压头（约7毫米）。

7）向右转动转动头座，使物镜对正压痕并转动手轮使试面（压痕）处于物镜焦面（用眼在目镜内能看见清晰的压痕为止）。

8）测量压痕：

首先移开测微计的两刻线，使其间距大于压痕的对角线，然后，移动左刻线接触压痕的一角，再移动右刻线使之由外向里接触压痕的另一角。

压痕大小的读数：

首先读出分划板上被压痕盖住的完整格数，再读出螺旋百分筒上的格数，二者相加即为压痕对角线的长度。

例：

（见图1）在图l中，被压痕盖住的刻线格为4格，而在螺旋百分筒上的格数为43，则0.4+0.043=0.443毫米，即为压痕的长度。

测量一对角线长度后，将测微目镜转90°角再测量另一对角线长度。

两次测量的算术平均值，即为此压痕对角线长度。

根据已得出的压痕对角线的长度和所用的试验力，在维氏硬度值换算表中查出硬度值，取下试件，即完成一次试验。

（四）各种硬度间的换算

附表1-7中列出布氏、洛氏和维氏硬度间的换算。

洛氏硬度和布氏硬度之间有一定的换算关系。

对钢铁材料而言，HB2HRBHB10HRC（只当HRC=4060范围）

四、实验仪器、设备及材料

HRS-150型洛氏硬度计；HR-150A型洛氏硬度计；HB-3000B型布氏硬度计HV-50型维氏硬度计；读数显微镜。

45钢退火件；45钢或T10钢淬火件；纱布等。

五、实验步骤

1.分组熟悉各种硬度计的构造及操作方法。

2.用砂纸打磨试样的表面

3.进行硬度测定，洛氏硬度（HRB、HRC）每个试样测三点，取平均值并记录在下表中；，布氏硬度（HB）每个试样测两点，然后用读数显微镜测试样表面的压痕直径，测得结果查表1-5确定试样的硬度值，取两点的平均值并记录在下表中。

。

洛氏硬度

项目

试样

实验规范

实验结果

换算成布氏硬度HB

压头

主载荷kg

硬度标尺

第一次

第二次

第三次

平均值

45钢淬火

45钢退火

布氏硬度

项

目

试

样

实验规范

实验结果

换算洛氏值

钢球直径

D

（mm）

主载荷

（kg）

P/D2

施荷停留时间

（S）

第一次

第二次

平均值

HB

HRC

HRB

压痕直径d

（mm）

HB

压痕直径d

（mm）

HB

45钢退火

六、实验报告要求

1.认真填写实验内容、实验目的、实验仪器、设备及材料、布氏、洛氏硬度计的测定原理、实验步骤；

2.填好上述二表；

3.选择下列三种材料所用的硬度计类型（要全面）及压入条件：

（1）60钢淬火件；

（2）20钢淬火后高温回火（调质处理）；（3）20钢退火件；（4）铝合金；

4.认真回答思考题。

七、实验成绩评定

按照实验指导书的具体要求，根据每个学生实验前的预习情况、实验过程中操作情况及实验报告的质量，综合给出实验成绩。

附表1-5压痕直径与布氏硬度对照表

注：

1.本表摘自国家标准金属布氏硬度试验法（GB231-63）中规定的数据。

2.表中压痕直径D=10mm钢球的试验数据，如用D=5mm或D=2.5mm钢球试验时，则所得压痕直径应分别增加到2倍或4倍。

例如用D=5mm钢球在750kgf载荷下所得的压痕直径为1.65mm，则在查表时采用1.65×2=3.30mm，而其相应硬度值为341。

附表1-6压痕对角线长度与维氏硬度对照表

附表1-7各种硬度（布氏、洛氏、维氏）换算表

注：

1.本表摘自国家标准GB1172-74中所列的数据；

2.表中带有括号“（）”的硬度值仅供参考。

实验二材料力学性能综合实验

一、实验目的

1．测定铸铁的抗弯强度σb；测定铸铁弯曲时的最大挠度并与理论值比较，验证求桁梁挠度的理论公式；绘制铸铁弯曲时的P－f曲线；

2.了解冲击试验机的使用方法；测定低碳钢和铸铁的冲击韧性值；观察断口的破坏形式，进行对比；

3.了解12型纯弯曲疲劳试验机操作方法；观察疲劳试验过程；

4.掌握宏观断口的分析方法，认识脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂的宏观断口特征；初步认识比较典型的微观断口的特征。

二、实验内容

本综合实验内容较多，共分四大部分，1.弯曲试验；2.冲击韧性试验；3.疲劳演示试验；4.断口形貌观察分析（对弯曲、冲击及疲劳试验后的试件断口进行分析）。

首先对材料进行力学性能测试（包括弯曲、冲击及疲劳等性能测试），然后对各种试验后的断口形貌进行观察分析，这样有助于学生建立完整的知识体系和总结概括能力。

三、实验原理

弯曲试验

简支梁中点受一集中力P，如图（2－1），其中

点挠度为f=Pt3/48EJ

抗弯强度σb=Mb/W

式中：

Mb—弯曲时的最大弯矩

W—抗弯截面模量

J—截面对中性轴的轴惯性矩

E—弹性模量

冲击韧性试验

在冲击载荷作用下，由于加载速度不同，材料的机械性质也随之发生变化。

如塑性材料在快速冲击载荷作用下就会出现脆性断裂。

冲击试验就是检验材料抵抗冲击的能力和对缺口的敏感性。

冲击试验是一项对比试验，必须在国家规定的条件下进行。

本试验参照国际GB229－84“金属夏比（U型缺口）冲击试验方法”执行。

试件的规格尺寸技术要求见图（2－2）。

试件方置在冲击试验机的机座上，摆锤下落其受冲击而折断。

摆锤冲击试件前后具有不同的高度H和h，见图（2－3），其势能之差即为冲断试件所消耗的功W（J）。

W=Gl（cosβ－cosα）

试件

摆锤

机座JIZUO

轴O

α

β

图2－2冲击试件尺寸图图2－3冲击试验原理图

式中G为摆锤的重力（N）；l为摆长（mm）;α未冲断试件前摆锤的扬角;β为冲断试件前后摆锤的最大摆角。

将冲击功W除以试件断口处的截面积A所得数值定义为材料的冲击韧度（αk）。

αk＝W／A（J／cm2）

式中W的值在实验机标度盘上直接读出。

试件中间的可刻槽处有应力集中，并处于不利的三向拉应力状态，呈脆性断裂破坏。

目的是模拟工程中实际构件有截面变化、沟槽、螺纹、螺孔等承受冲击的不利情况。

纯弯曲疲劳演示试验

本机有试样夹持机构、加荷装置、计数器计及机台等组成。

机身固定在机台上，电动机装于机身右侧，与减速器及计数器相连。

当启动按钮开关时，电动机旋转，减速器通过连接轴带动主轴内的试样旋转。

左、右鼓轮组成了主轴系统，是仪器的主要部分。

左、右鼓轮的组成是相同的，只是右鼓轮是主动轮，左鼓轮是从动轮。

它主要由弹性夹头、空心主轴、主轴两边一边一个双列向心球轴承、鼓体以及鼓架等零件组成。

两个鼓架分别通过螺钉相对称地固装在鼓轮的两侧；鼓架的一端短轴支撑在机身的凸台上，作为力的支点，另一端的短轴与长箍组成活动连接，作为力的支点。

试样用弹性夹头夹持，夹持的同时又与主轴固成一体，固主轴在轴承的支撑下将带动试样一起转动。

转动空心轴一端的大螺钉便可使空心轴推进或拉出，从而使试样夹紧或放松。

试样上的负荷是直接用加砝码的形式，砝码挂在穿过空心螺钉的拉杆上，拉杆与连接板之间用弹簧连接，保证加卸负荷的平稳性。

加卸负荷采用摇动手轮即可使空心螺杆上升或下降，当螺杆上升托住拉杆的肩部时，全部负荷由空心杆来承受，当螺杆下降而脱开拉杆的肩部时，全部荷重则作用在试样的两端。

减速箱是由一对涡轮副所组成，将电动机的转速减低100倍而传给机械计数器的连接轴使试样旋转。

电子计数器则直接显示转速和累积循环次数，并可设定停止试验的循环次数。

实验时，试样被夹紧，电动机通过连轴带、减速箱、连接轴、右主轴、试样随左主轴一起旋转。

负荷则通过拉杆卡箍等作用在左右主轴上（即试样的两端）。

在试样的实验部分全长受到一均匀分布的纯弯曲力矩的作用，负荷方向虽不变，但试样在旋转，所以试样上每一点的应力是随试样的旋转而作用相同速度的反复变化。

试样经过多次反复循环后，因疲劳而破断，右鼓轮压在停车按钮上，使电动机立即停止转动。

疲劳试验均采用小型试件，其尺寸和形式目前尚无统一标准，一般根据试验机的具体构造而定。

断口形貌观察分析

材料进行弯曲、冲击及疲劳试验后，对试件的弯曲、冲击断口及疲劳断口进行形貌观察分析。

材料的断裂表面称为断口。

用肉眼或放大镜对材料断口进行宏观分析，用电子显微镜对断口进行微观分析，以了解材料发生断裂的原因、条件、断裂机理以及断裂有关的各种信息的方法，称为断口分析法。

1．金属断裂的宏观分析

1）韧性断裂时的外形和特征

韧性断裂就其外形而言，可分为斜断口平断口两种。

平断口是材料在三向拉应力的条件下造成的断裂，其断裂面与主应力方向垂直；而斜断口是金属材料在二向应力的条件下，有切应力分量的作用所造成的剪切断裂，断裂面与主应力成45。

夹角。

在韧性断裂中，往往是平断口和斜断口同时存在于一个断口当中一般认为首先产生平断口，最后形成斜断口。

韧性断裂断口的宏观形貌――断口三要素

钢材光滑试棒拉伸的断口，宏观形貌可分为三个特征区：

纤维区、放射区、剪切唇区，见图（2－6），通称为断口的三要素。

纤维区是裂纹的发源地，在三向应力的作用下，在材料的某些缺陷处（如夹杂、疏松等）首先形成显微孔洞，进而聚合产生微裂纹，缓慢地扩展长大。

该区的断口呈现粗糙的纤维状，颜色较为灰暗，放射区与纤维区互相毗连，裂纹进入放射区，标志裂纹已经开始快速失稳扩展。

其断口特征为放射棱线，放射方向就是裂纹扩展方向。

当应力转向二向应力状态时，就出现第三个区――“剪切唇”，这就是最终的快速断裂区。

2）脆性断裂断口的外形和特征

脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，断口的纤维区很小，剪切唇区几乎没有，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。

3）疲劳断裂断口的外形和特征

工程材料（特别是航空材料）的机械断裂事故80％以上是由于金属疲劳破坏所引起的。

因此，疲劳断口的宏观分析是断口宏观分析的最主要的内容之一。

疲劳断口保留的整个断裂过程的所有痕迹，具有明显的形貌特征。

典型的疲劳断口具有三个特征区——疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区，见图（2－7）。

疲劳源区是疲劳裂纹萌生的策源地，常和缺陷有关。

疲劳源区裂纹表面反复受挤压，摩擦次数多，疲劳源区比较光亮。

若端口同时存在几个疲劳源，可根据每个疲劳区大小、源区的光亮程度确定各疲劳源产生的先后，源区越光亮，相连的疲劳区越大，就越先产生；反之，产生的就晚。

疲劳区是疲劳裂纹亚临界扩展形成的台阶，其宏观特征时断口较光滑并分布有贝纹线（或海滩花样），有时还有裂纹扩展台阶。

断口光滑是疲劳源区的延续。

其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱，反映裂纹扩展快慢、挤压摩擦程度上的差异。

贝纹线是疲劳区最典型特征，疲劳区的每组贝纹线好象一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向。

近疲劳区贝纹线较细密，表现裂纹扩展较慢；远离疲劳区贝纹线较稀疏、粗糙，表明此段裂纹扩展较快。

疲劳区的另一个特征是疲劳台阶，在多疲劳源的断裂件的断口上，往往看到起伏比较明显的台阶，由于存在多疲劳源，裂纹先是在各自有利的平面上扩展，当两个不同平面上扩展的疲劳裂纹相遇连接时，通过切变撕裂等方式形成疲劳台阶并逐渐趋向在同一平面上扩展。

所以疲劳台阶一般由粗到细，呈尖三角形，与疲劳弧线近似正交。

尖角所指方向基本上是裂纹扩展方向。

有时断口上并无明显的疲劳弧线（如薄板件），却有明显的疲劳台阶，同样为疲劳断口提供了重要依据。

瞬断区时裂纹失稳扩