力学试验理论和方法培训教案

1、力学性能试验理论和操作方法培训讲义培训目的： 通过培训使被培训人员具备从事拉力试验工作的基础理论知识同时掌握拉力试验的基本操作方法。培训提纲：1、了解与金属相关的基本概念，原理；2、 掌握力学性能试验仪器的使用方法和试验所依据的国家标准内容；3、掌握常规品种无缝钢管的力学性能指标和试验结果的判定培训内容：第一部分基础理论部分讲述金属，合金和钢等基本名词的概念和金属的结合方式金属是存在于自然界中的化学元素，在目前发现的107种元素中，金属有83种，那么什么是金属呢？金属是指具有正的电阻温度系数的物质；合金是指由一种金属元素跟其他金属或非金属元素熔合而成的具有金属特性的物质；钢是以铁为主要元素，含

2、碳量在2%（质量分数）以下并含有其他元素的铁碳合金，为了保证钢具有一定的塑性和韧性，一般的含碳量不超过17%。金属是由原子组成的，金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去，当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子核成为自由电子，为整个金属所共有，这种由金属正离子和自由电子之间相互作用而构成的键合方式称为金属键。在固态金属中原子依靠金属键结合在一起。晶体是指原子在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质，包括空间点阵，晶格，晶胞，其中最典型最常见的金属晶体结构有三种类型，体心立方结构（铁素体），面心立方结构（奥氏体）和密排六方结构，前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。因此影响金属材料性能的

3、内在基本因素包括化学成分、原子集合体的结构、内部组织，例如铁碳合金中铁素体的硬度和强度不高，但具有良好的塑性和韧性是柔韧相，渗碳体硬度很高而塑性和韧性几乎为零，脆性大。第二部分 实际操作和相关标准一、讲解游标卡尺和千分尺的使用方法试样的几何尺寸测量是力学试验过程中极其重要的一环，测量的精准，关系到其后各项力学性能指标的准确，因此必须保证测量环节精确。1、游标卡尺的使用方法：游标卡尺也叫卡尺是用来测量钢管的外径，其测量的精度为0.1mm，它是由一个主刻度尺和一个游动刻度卡尺组成，由一个固定在主尺上的固定卡足和另一个游动卡足组成测量端。我们使用的游标卡尺的刻度是30个刻度即30mm，在游标尺上分成

4、10个部分，游标尺的每一个刻度为0.1mm，当我们用卡尺的两个卡足将钢管夹紧时，假如游标尺的零度在主尺的12与13之间，那么我们测量的钢管外径为12mm多一些，再看游标尺的哪一个刻度同主尺上的刻度相重合，若主尺的第一个刻度与游标尺第5个刻度相重合，那么毫米后的小数为0.5mm，所以所测钢管的外径为12+0.5等于12.5毫米。2、千分尺的使用方法千分尺主要测量钢管的壁厚，千分尺的构造是钢弓架上有套筒，套筒上刻有测微螺纹，芯杆可在其中旋转，芯杆上也有测微螺纹，芯杆尾部装有带滚花的拧头，拧头用来使螺纹芯杆在套筒内移动，芯杆表面刻度为每个0.5mm，在套筒的斜棱上有50个等距离的刻度，每一个刻度代表

5、0.01mm。测量时先将试样放在顶头与芯杆之间，然后用套筒粗柠芯杆，再用滚花拧头拧紧芯杆，此后先从芯杆上读出刻度整数，再从套筒斜棱上读出小于0.5mm的数值。例如测量壁厚是先从芯杆上读出15.5mm,且套筒斜棱上第28个刻度与芯杆上的横线重合故试样的壁厚为15.5+0.28=15.78mm。二、介绍引伸计的工作原理和操作方法引伸计是感受试件变形的传感器。引伸计由于原理简单、安装方便，目前是广泛使用的一种类型。引伸计按测量对象，可分为轴向引伸计、横向引伸计、夹式引伸计。夹式引伸计用于检测裂纹张开位移。夹式引伸计是断裂力学实验中最常用的仪器之一，它较多用在测定材料断裂韧性实验中。精度高，安装方便、

6、操作简单。1、引伸计结构及工作原理 应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等。测量变形时, 将引伸计装卡于试件上, 刀刃与试件接触而感受两刀刃间距内的伸长,通过变形杆使弹性元件产生应变, 应变片将其转换为电阻变化量, 再用适当的测量放大电路转换为电压信号. 2、引伸计使用方法（1）、首先将定位销插入定位孔内； （2）、用两个手指夹住引伸计上下端部，将上下刀口中点接触试件（试件测量部位），用弹簧卡或皮筋分别将引伸计的上下刀口固定在试件上； （3）、取下定位销，切记：实验前必须检查，以免造成引伸计损坏） （4）、在试验机控制软件实验条件选择界面，选择曲线跟踪方式是载荷变形曲线；

7、（5）、引伸计信号显示调零。三、液压式万能材料试验机操作方法我们通常所见的试验机实际应叫做材料试验机，它是一种用来验测各种材料式部件的机械物理性能的仪器. 材料试验机的分类方法很多，常见的有： a)按照出力源的类型分主要有电机、液压、气动、电磁等几种；b)按测量结束的指示类型分主要有数显、指针； 我们现在使用的拉力机就是液压和指针类型的材料试验机，其使用方法为：1、根据估计试验所达到的最大载荷选择合适的读盘；2、悬挂摆砣时根据读盘上的量程范围从小到大依次按照A、A+B、A+B+C悬挂摆砣；3、按照要求夹装好试样（下端先不夹注，开动油泵，转动丝杆调整度盘指针零位）；4、夹装试样时，上下对正，夹满

8、钳口，加载时，不应突然生的过快，使试样受到冲击力，也不要突然无故关闭，使试样所受载荷突然下降而影响试验数据的准确性，当试样断裂后，将送油阀关闭（右边），再缓慢打开回游阀（左边），使指针回零。5、送油阀不要拧的过紧，以免损坏油针，回油阀要拧紧6、试验结束后，应先关送油阀，再打开回油阀，待指针回零后关闭电源。四、金属材料室温拉伸试验方法GB/T228-2002标准主要内容金属的一项重要特性是具有塑性，利用塑性可以对金属材料进行压力加工。金属在外力作用下，首先发生弹性变形，外力增加到一定值时除发生弹性变形外还发生塑性变形，继续加大载荷，塑性变形量逐渐增大，直至发生断裂。由此可见金属在外力作用下的变形

9、分为弹性变形和塑性变形两个阶段，在弹性变形阶段外力去除，变形消失，试样恢复原来形状；而在塑性变形阶段外力卸除变形只能部分恢复，而保留一部分塑性变形。为了合理使用钢材制品并评定它的质量，各种技术标准中都有对钢材制品进行力学性能检验的规定。力学性能是指试样受外力作用时反映出来的各种指标包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率和冲击韧性等。这些指标分为强度指标和塑性指标。金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度，屈服强度和抗拉强度就是强度指标；金属材料在受力破坏前可以经受永久变形的能力叫塑性，塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示，伸长率和断面收缩率百分数越大，则塑性愈好，反之，塑性越差。拉力

10、试验包括机械性能和工艺性能试验，本标准使用于金属材料室温拉伸性能的测定。标准规定了如何进行金属材料拉伸试验方法的原理，定义，符号和说明，试样及其尺寸测量，试验设备，试验要求，性能测定，测定结果数值修约和试验报告，试验是在235下用拉力机拉伸试样，一般拉至断裂以测定所需的性能数值。1、在日常工作中常用的力学名词定义包括原始标距、断后标距、应力、断后伸长率、断面收缩率、最大力、抗拉强度、屈服强度、规定总延伸强度，规定非比例延伸强度。原始标距是指施力前的试样上的标距（L0）断后标距是指试样断裂后的标距（LU）断后伸长率是指断后标距的残余伸长（LU-L0）与原始标距之比的百分率。断面收缩率是指断裂后横

11、截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率最大力是指试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力应力是指试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积（S0）的商抗拉强度（Rm）也叫强度极限是指相应最大力的应力也就是试样在拉断前能承受的最大载荷除以原横截面积所得到的应力，它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。屈服强度是指当金属材料出现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形而力不增加的应力点，分为上屈服强度和下屈服强度，上屈服强度是试样发生屈服而力首次下降前的最大力；下屈服强度是在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。规定总延伸强度（R t）：总延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，使用的符号应附以

12、下脚注说明所规定的百分率，例如Rt0.5表示规定总延伸率为0.5%时的应力。规定非比例延伸强度（RP）：非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，使用的符号应附以下脚标注说明所规定的百分率，例如Rp0.2表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力2、对试样的形状和尺寸和原始标距的测定要求试样的形状与尺寸取决于被试验的金属产品的形状和尺寸，试样横截面可以是圆形，矩形，多边形，通常试样进行机加工，平行长度和夹持头部之间应以过渡弧连接，试验头部形状应当符合试验机夹头的夹持，试样轴线应与力的作用线重合，开始试验时首先用卡尺和千分尺对试样的外径和壁厚进行精准测量，据此计算出试样的横截面积。试样标距分为

13、比例标距和非比例标距两种，凡试样标距与试样的原始横截面积有以下关系的L0=K称为比例标距；非比例标距（定标距）与试样的原始横截面积不存在上述比例关系，如果采用比利试样，应采用比例系数K=5.65此值是国际通用，除非采用此比例系数时不能满足最小标距15mm的要求时，在采用其他比例系数是K=11.3优先采用。对于无明显屈服的非比例试样的横截面积试样宽度*壁厚，原始标距为50.8；对于比例试样横截面积外径-壁厚*壁厚*3.14；原始标距=比例系数*，应将原始标距的计算值修约至最接近5的倍数，也就是说个位和小数点第一位的数字按照02.5取0；2.57.5取5；7.5以上向前进位个位数为零的方法确定比例

14、试样的标距，也就是说标距的个位只能是5或0，原始标距应用细化线标记清晰，如果试样的平行长度比原始标距长很多，可以标记一些套叠的原始标距（如热轧试样）。3、各项机械性能的测定和计算方法屈服强度的测定：对于呈现明显屈服现象的金属材料，屈服强度可以通过图解法，指针法和自动测试系统测定，图解法是试验时通过记录力延伸曲线，从曲线图读取力首次下降前的最大力和不计初始瞬时效应时屈服阶段的最小力和恒定力，将其分别除以试样原始横截面积得到上屈服强度和下屈服强度。仲裁方法采用图解法。指针法是读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力和不计初始瞬时效应时屈服阶段中指示的最小力或首次停止转动指示的恒定力，将其分别除以试样

15、原始横截面积得到上屈服强度和下屈服强度。规定总延伸强度的测定：含碳量较高，合金含量较多和淬火回火钢的屈服现象不明显，其屈服载荷难以在试验机上读出，这时就把引起试样标距部分发生一定残余伸长量的载荷，规定为试样的屈服载荷，例如Rt0.5，在力延伸曲线图上，纵轴代表力，横轴代表延伸，在横轴划一条平行于力轴纵轴并于横轴上的距离等效于规定总延伸率的平行线，此平行线与曲线的交叉点给出相应于规定总延伸强度的力，用此力除以试样的横截面积得到规定总延伸强度。我们现在使用百分表测量规定总延伸强度Rt0.5，是当百分表指针旋转一周时读取试验机刻度盘对应的力用此力除以试样原始横截面积得到规定总延伸强度。抗拉强度的测定

16、；采用指针法和图解法测定抗拉强度，对于呈现明显屈服现象的金属材料，从记录力延伸曲线图，或从测力度盘读取过了屈服阶段之后的最大力；对于呈现无明显屈服现象的金属材料从记录力延伸曲线图，或从测力度盘读取试验过程中的最大力，此力除以试样的原始横截面积得到抗拉强度。屈服强度和抗拉强度的最终数值也应修约至最接近5的数值（同上原始标距）。断后伸长率的测定：为了测定断后伸长率，应将试样断裂的部分仔细地配接在一起使其处于同一条直线上，测量与断裂处两端最临近的标记长度用其减去原始标距的数值除以原始标距得到断后伸长率。断后伸长率越高说明试样的韧性越好。断后伸长率100%断面收缩率的测定测量时将试样断裂部分配接在一起

17、使其处于同一条直线上，对于圆形横截面积在缩颈最小处测量直径，计算最小横截面积，对与矩形试样测量缩颈处宽度和壁厚，两者之乘积为断后最小横截面积，用原始横截面积减去断后横截面积之差除以原始横街面积的百分率得到断后收缩率。断后收缩率100%试验结果的处理试验后试样出现两个或两个以上的缩颈以及显示出肉眼可见的冶金缺陷例如分层，气泡，夹渣缩孔等应在试验记录或报告中注明、试验报告应当包括本国家标准编号，试样标示，材料名称牌号，试样类型，试样的取样方向和位置，所侧性能结果、结果的判定。五、金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T229-2007基本内容：承受冲击的钢管，由于冲击力的作用可能发生突然的脆性破坏，所

18、以必须检查钢材承受冲击的能力-冲击功。此标准规定了金属材料在夏比冲击试验中吸收能量的方法(V型和U型试验)，通过将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样所消耗的总功，此功称为冲击功，做冲击功的标准试样为101055mm。1、介绍基本概念：实际初始势能是指对试验机直接检验测定的值吸收能量：由指针或其他指示装置指示出的量值2、试样的要求和试验程序标准尺寸冲击试样长度为55，横截面为10*10方形截面，在试样长度中间有V型或U型缺口，如果钢管壁厚不具备制备标准尺寸试样，可使用宽度7.5、5、2.5小尺寸试样，缺口几何形状要求应有45夹角，深度为2

19、，U型缺口深度为2或5，冲击试验机的摆锤刀刃有2mm和8mm（KV2,KV8）两种。试验前应检查摆锤空打时的回零差或空载能耗，用夹钳夹取试样（当试验不在室温下进行时，试样从低温容器中移出至打断的时间应在5秒以内），试样应紧贴试验机砧座放置，锤刃沿缺口对称面打击试样缺口的背面。每三个试样为一组，数值取三个数的平均值如果采用小尺寸试样时应用全尺寸试样的合格冲击数值分别乘以0.8、0.55、0.25的得数与实际试验数值比对判定是否合格。试验报告应包括本国家标准编号，试样的相关资料（如钢种、钢号等）、缺口类型、试样尺寸、吸收能量、试验温度，试样的取向，试验结果判定等3、试样温度的要求对于试验温度没有规

20、定的，室温冲击应在235范围内进行，当用液体介质冷却试样时试样应放置在容器中的网栅上，网栅至少高于容器底部25mm，液体浸过试样的高度应为25mm,试样距离容器侧壁至少10mm，应连续均匀搅拌介质以使温度均匀，试样在介质中应保持5分钟以上。金属工艺性能试验的目的是检验金属材料具有的再加工性能，常用的工艺性能试验有钢管扩口试验和钢管压扁试验等。六、金属管压扁试验方法GB/T246-2007基本内容压扁试验属于工艺性能试验，本标准规定了金属圆形横截面塑性变形能力的压扁试验方法，本标准适用与外径不大于600mm壁厚不超过外径15%的金属管。试样要求和试验程序试样的长度应不小于10mm，但不超过100

21、mm。，试验应在235范围内进行，将试样置于压板之间均匀移动压板进行压扁试验，压扁平板之间的间距H=，平板间距应当依据相关产品的标准判定，此间距要在载荷下测量，如无肉眼可见裂纹应判定合格。七、金属扩口试验方法GB/T242-2007基本内容此标准规定了圆形横截面金属管塑性变形能力的扩口试验方法，外径不超过150mm,壁厚不超过10mm的金属管，试验用圆锥型顶芯扩大管段试样的一端，直至扩大端的最大外径达到相关产品的标准值。试验设备、试样制备和试验程序试验用圆锥形顶芯应具有相关产品标准所规定的角度，推荐使用的顶芯角度为30、45、60，试样的长度取决于顶芯的角度，当顶芯角度小于等于30时，试样长度

22、（L）应近似为2D（外经）；当顶芯的角度大于30时，试样长度应近似与1.5D，试验端的棱面允许用锉将其倒角或倒圆，试验应在235范围内进行，试验时平稳的圆锥顶芯施加力使其压入试样端部进行扩口，直至达到所要求的外径，扩口率在相关产品中规定，试验结果的评定应依据相关产品的标准要求，如无可见裂纹应判定为合格。第三部分常规无缝钢管性能介绍一、讲述我厂主要生产的冷拔钢管的拉力试验要求1、低中压锅炉用无缝钢管GB3087-2008锅炉用无缝钢管简称锅炉管，根据锅炉的分类，锅炉管分为低中压锅炉用无缝钢管和高压锅炉用无缝钢管，锅炉属于压力容器，是属于必须确保安全的设备，所以锅炉用无缝钢管要严格按照国家强制性专

23、用管标准要求，全面确保产品质量。低中压锅炉管需要检测的力学内容包括：屈服强度、抗拉强度、伸长率，工艺性能包括压扁和扩口试验，我厂生产的低中压锅炉管主要是牌号为10号和20号的钢制造，试验时首先测量试样的外径和壁厚，检查试样尺寸是否符合允许偏差，同时根据外形尺寸计算出横截面积和原始标距，对其力学性能要求见表-1。表-1低中压锅炉管力学性能牌号壁厚Mm抗拉强度MPa屈服强度MPa伸长率%10全部335-475195242015410-5502452015225压扁试验：外径大于22mm至400mm，并且壁厚不大于10mm钢管应进行压扁试验，钢管压扁后平板间距按以下方式计算：H=H:平板间距离 mm

24、S:钢管的公称壁厚 mmD：钢管的公称外径 mma：单位长度变形系数为0.08，当S/D时为0.07扩口试验：对于壁厚不大于8mm的钢管可进行扩口试验，扩口后试样上不得出现裂缝或裂口。扩口率见表-2。表-2钢管外径扩口率牌号钢管外径扩口率，%内径/外径0.60.6-0.80.810121519201012172、高压锅炉用无缝钢管GB5310-2008高压锅炉管工作条件十分恶劣，要在高温高压下使用很长时间，因此对高压锅炉管的性能，质量除有一般要求下还有一些特殊的严格要求。因此它的力学性能比低中压钢管高，试验前同样要先测量试样的外径和壁厚，据此计算钢管的原始面积和原始标距，其力学性能指标见表-3

25、。 表3高压锅炉管力学新能钢类牌号纵向力学性能抗拉强度MPa屈服强度MPa伸长率%冲击功J不 小 于优质碳素钢20G410-5502452435合金结构钢12Cr1MoVG470-6402552135压扁试验：外径大于22mm至400mm，并且壁厚不大于40mm钢管应进行压扁试验，钢管压扁后平板间距按以下方式计算：H=H:平板间距离 mmS:钢管的公称壁厚 mmD：钢管的公称外径 mma：单位长度变形系数为0.08，当S/D时为0.07扩口试验：对于壁厚不大于8mm的钢管可进行扩口试验，扩口后试样上不得出现裂缝或裂口。扩口率见表-4表-4钢管外径扩口率钢管钢管外径扩口率，%内径/外径0.60.

26、6-0.80.8优质碳素结构钢101217合金结构钢81015二、讲述石油套管和油管用无缝钢管的标准内容Q/12YB3132-2006钻探石油、天然气所用的钢管叫石油钻采钢管，它包括钻具用杆、套管和油管。套管是支撑油、气井井壁的钢管，为了缩短套管的下井时间，套管都采用螺纹连接。钻一口井，按其不同的钻井深度和地质情况，一般要用好几层套管，所以套管的消耗量占全部井管的70%，套管用作钻井的井壁，外面要承受地压和地下水的压力，里面要承受泥浆的内压。因此套管既要有耐压坏强度有要求有耐内压屈服强度。油管是油气井打好固井之后，在油层套管中设置油管，油气从此涌出地面，由于深井、超深井和海洋井的大量开发以及在寒冷地区和腐蚀环境下使用，现在各钢管厂都在努力开发具有特殊性能的石油管，（耐挤压强度大、高强度套管油管）等。我厂的套管、油管执行标准，修改采用API Spec 5CT第8版，API是美国石油协会的英文缩写，始建于1919年，是美国第一家国家级的商业协会。API的一项重要任务，就是负责石油和天然气工业用设备的标准化工作，以确保该工业界所用设备的