力学性能实验教学课件

1、力学性能实验教学材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials实验教学课程实验教学课程力学性能实验教学引引 言言 对于材料工作者和工程技术人员，对于材料工作者和工程技术人员，我们关心的是用金属材料制作的机械零我们关心的是用金属材料制作的机械零部件在其工作条件下变形和断裂的抗力部件在其工作条件下变形和断裂的抗力与服役条件的相互适应及其关系。与服役条件的相互适应及其关系。 机械零部件在预定的效能下损坏称机械零部件在预定的效能下损坏称之为之为“失效现象失效现象”。因此，金属材料的。因此，金属材料的力学性能在某种意上说也是金属材料的力学性能在某种意上说

2、也是金属材料的失效抗力。失效抗力。 力学性能实验教学 金属材料的力学性能包括：金属材料的力学性能包括：强度、强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等性等性能。因为金属机件的承载条件一性能。因为金属机件的承载条件一般用各种力学参量来表示，为此人们将般用各种力学参量来表示，为此人们将表征金属材料力学行为的力学参量的临表征金属材料力学行为的力学参量的临界值称之为金属力学性能指标，如界值称之为金属力学性能指标，如强度强度指标指标0.2、b、-1,，塑性指标塑性指标、, 韧性韧性指标指标aK、Kc等。金属材料力学性能的优等。金属材料力学性能的优劣就是用这些指标具体数

3、值来衡量。劣就是用这些指标具体数值来衡量。 力学性能实验教学 金属材料的力学性能取决于材料的金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷等内在因素，但应力、表面和内部缺陷等内在因素，但外在因素如载荷性质、应力状态、温度、外在因素如载荷性质、应力状态、温度、环境介质等对金属的力学性能也有很大环境介质等对金属的力学性能也有很大的影响。分析各种内在与外在因素对金的影响。分析各种内在与外在因素对金属力学性能的影响，掌握金属力学性能属力学性能的影响，掌握金属力学性能的变化规律，对于正确选择材料，明确的变化规律，对于正确选择材料，明

4、确提高金属力学性能的方向和途径，都有提高金属力学性能的方向和途径，都有着十分重要的意义。着十分重要的意义。 力学性能实验教学 金属力学性能的研究是金属力学性能的研究是建立在实验建立在实验基础上基础上的，并且金属材料的各种性能指的，并且金属材料的各种性能指标也需通过实验来测定。因此，在金属标也需通过实验来测定。因此，在金属力学性能研究中，必须重视金属力学性力学性能研究中，必须重视金属力学性能指标的测试技术。能指标的测试技术。 力学性能实验教学材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials实验教学课程实验教学课程实验一实验一:静拉伸实验静拉伸实验

5、( Static Tensile Tests ) 测定测定比例极限比例极限p （Proportional Limit) 对不允许发生弹性变形的材料对不允许发生弹性变形的材料力学性能实验教学1.1.实验目的实验目的 通过静拉伸实验，掌握测定金属材通过静拉伸实验，掌握测定金属材料比例极限料比例极限p的方法（引伸仪法及加的方法（引伸仪法及加荷法），加深对金属拉伸性能指标物理荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义的理解。意义的理解。力学性能实验教学2.2.实验原理及方法实验原理及方法 比例极限比例极限p是应力与应变成正比是应力与应变成正比线形关系的最大应力。即在拉伸应力线形关系的最大应力。即在拉伸应力

6、应变曲线上开始偏离直线时的应力。应变曲线上开始偏离直线时的应力。 p=Pp / FO式中：式中：Pp 比例极限的载荷比例极限的载荷 FO 试样的原始截面面积试样的原始截面面积力学性能实验教学低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线 力学性能实验教学 在实际拉伸曲线上，不是测定开在实际拉伸曲线上，不是测定开始偏离直线那一点的应力，而是测定始偏离直线那一点的应力，而是测定偏离直线一定值的应力。一般规定拉偏离直线一定值的应力。一般规定拉伸曲线上某点切线和纵坐标夹角的正伸曲线上某点切线和纵坐标夹角的正切值切值tg 与与tg 的比值的比值1.5 时对应时对应的应力为规定比例极限。的应力为规定比例极限。力学性能实验教

7、学 规定比例极限：规定比例极限：tg/tg =1.5力学性能实验教学 比例极限比例极限p可用可用图解法图解法或或引伸仪引伸仪法法测定，本实验用引伸仪测定测定，本实验用引伸仪测定p 。 用引伸仪法测定用引伸仪法测定p时，采用时，采用加荷加荷法法，分两步，即初始段大载荷和末段小，分两步，即初始段大载荷和末段小载荷方法测定材料的比例极限载荷方法测定材料的比例极限p 。力学性能实验教学3.3.实验材料及仪器设备实验材料及仪器设备 1)1)试验材料：试验材料： 退火退火GCr15钢，钢， 880mm； 2)YJY-12变形传感器一台：变形传感器一台： 标距标距50mm。 3)CSS-44300电子万能试

8、验机一台；电子万能试验机一台； 4)EDC测控系统一套；测控系统一套； 5)计算机控制系统一套。计算机控制系统一套。力学性能实验教学4.4.实验步骤实验步骤 1)1)确定试验材料的确定试验材料的p估计值估计值 (退火退火GCr15钢的钢的p约在约在3500N4500N/mm2)p估估4000N/mm2Fo=50mm2Pp估估=20000N 2)初载荷初载荷取取15kN。 力学性能实验教学 3)小等级部分小等级部分1kN。 用用表示变形增量（线性变化）。表示变形增量（线性变化）。 每每100N100N的平均伸长的平均伸长100100 100100= =引伸仪变形引伸仪变形100N/1500N10

9、0N/1500N当平均伸长当平均伸长100100达到或超过达到或超过1.51.5100100倍时倍时（非线性变化）即：（非线性变化）即：= = 1.51.5停止加载，用内插法计算停止加载，用内插法计算对应载荷对应载荷P PP P及比例极限及比例极限P P。力学性能实验教学4)将试验测试数据记录并填入表格。将试验测试数据记录并填入表格。载载 荷荷(kN)引伸仪变形引伸仪变形(mm)变形增量变形增量(mm)P0 = 000P1 =150.0810.081100= 0.0054 = 0.0081 P2 =160.0870.006P3 =170.0950.007P4 =180.1020.007P5 =

10、190.1090.007P6 =200.1160.007P7 =210.1250.009力学性能实验教学5.5.数据整理及分析数据整理及分析 将试验测试的数据整理、做成图将试验测试的数据整理、做成图表，用掌握的知识对其进行分析。表，用掌握的知识对其进行分析。6.6.讨论、撰写实验报告讨论、撰写实验报告 经理论分析和讨论，对所做实验经理论分析和讨论，对所做实验的数据及整理的图表有正确的结论和的数据及整理的图表有正确的结论和认识。在此基础上撰写实验报告。认识。在此基础上撰写实验报告。力学性能实验教学材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials实验

11、教学课程实验教学课程实验二实验二:静拉伸实验静拉伸实验 ( Static Tensile Tests ) 测定测定条件屈服强度条件屈服强度0.2 （Yield Strength)力学性能实验教学1.1.实验目的实验目的 通过静拉伸实验，掌握测定金属材通过静拉伸实验，掌握测定金属材料条件屈服强度料条件屈服强度0.2的方法（引伸仪法的方法（引伸仪法及卸荷法），加深对金属拉伸性能指标及卸荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义的理解。物理意义的理解。力学性能实验教学2.2.实验原理及方法实验原理及方法 对无明显物理屈服现象的材料，则对无明显物理屈服现象的材料，则应测定其屈服强度应测定其屈服强度0.2。

12、0.2是试样在是试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的长度的0.2%时的应力。时的应力。 0.2=P0.2 / FO式中：式中：P0.2 条件屈服强度的载荷条件屈服强度的载荷 FO 试样的原始截面面积试样的原始截面面积力学性能实验教学 P 0.2的确定的确定力学性能实验教学 屈服强度屈服强度0.2可用图解法或引伸仪可用图解法或引伸仪法测定，本实验用引伸仪测定法测定，本实验用引伸仪测定0.2 。 用引伸仪法测定用引伸仪法测定P0.2时，采用时，采用卸荷法卸荷法测定；并计算其比例极限测定；并计算其比例极限0.2。力学性能实验教学3.3.实验材料及仪器设备实

13、验材料及仪器设备 1)1)试验材料：试验材料： 退火退火GCr15钢，钢， 880mm； 2)YJY-12变形传感器一台：变形传感器一台： 标距标距50mm。 3)CSS-44300电子万能试验机一台；电子万能试验机一台； 4)EDC测控系统一套；测控系统一套； 5)计算机控制系统一套。计算机控制系统一套。力学性能实验教学4.4.实验步骤实验步骤1)1)计算残余变形计算残余变形0.2%的引伸仪伸长的引伸仪伸长n引伸仪工作长度引伸仪工作长度50mm,n = 0.2%50mm =0.1mm2)用下面方法反复加荷、卸荷，将数据用下面方法反复加荷、卸荷，将数据 记入表格内，直至记入表格内，直至n=0.

14、1mm。n = n+0.02 式中式中0.020.02为估计弹性变形量为估计弹性变形量n = n +(n-M) 式中式中M为残余变形量为残余变形量n =n+(n-M ) 式中式中M 为第二次为第二次残余变形量残余变形量以此类推以此类推力学性能实验教学列表列表负负 荷荷kN引伸仪变形伸长（引伸仪变形伸长（mm）加荷时加荷时卸荷时卸荷时( (n-M) )残余伸长残余伸长MP0 =0000P1 =20.3010.120.0940.006P2 =21.0340.2140.0140.086P3 =22.1570.2280.0040.096P4 =22.5010.23200.10力学性能实验教学5.5.数

15、据整理及分析数据整理及分析 将试验测试的数据整理、做成图将试验测试的数据整理、做成图表，用掌握的知识对其进行分析。表，用掌握的知识对其进行分析。6.6.讨论、撰写实验报告讨论、撰写实验报告 经理论分析和讨论，对所做实验经理论分析和讨论，对所做实验的数据及整理的图表有正确的结论和的数据及整理的图表有正确的结论和认识。在此基础上撰写实验报告。认识。在此基础上撰写实验报告。力学性能实验教学材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials实验教学课程实验教学课程实验三实验三: 布氏、洛氏硬度试验布氏、洛氏硬度试验 (Brinell and Rockwel

16、l Hardness Tests )力学性能实验教学1.1.实验目的实验目的 硬度试验由于设备简单、操作便捷，硬度试验由于设备简单、操作便捷，又能反映出材料的差异，因而广泛的应又能反映出材料的差异，因而广泛的应用在实际生产和科研中。用在实际生产和科研中。 通过试验，了解和掌握布氏、洛氏通过试验，了解和掌握布氏、洛氏硬度的测试方法及应用范围。硬度的测试方法及应用范围。力学性能实验教学2.2.实验原理及方法实验原理及方法 硬度是衡量材料软硬程度的一种性硬度是衡量材料软硬程度的一种性能。其物理意义随试验方法不同而不同。能。其物理意义随试验方法不同而不同。因此，因此，“硬度硬度”不是材料独立的力学性不

17、是材料独立的力学性能能。 硬度试验是应用最广泛的力学性能硬度试验是应用最广泛的力学性能试验。其试验方法有很多种。基本上分试验。其试验方法有很多种。基本上分为压入法和刻划法两大类。在压入法中为压入法和刻划法两大类。在压入法中有分为静载压入法和动载压入法。有分为静载压入法和动载压入法。 布氏硬度、洛氏硬度属于布氏硬度、洛氏硬度属于静载试验静载试验法法。力学性能实验教学(1)(1)布氏硬度布氏硬度(Brinell Hardness) 布氏硬度是将淬火钢球施加规定的布氏硬度是将淬火钢球施加规定的负荷负荷 P ，压入试样表面，保持一定时间，压入试样表面，保持一定时间后卸载。以压痕表面积后卸载。以压痕表面

18、积 F 除负荷除负荷 P 之商之商值来表示布氏硬度值，用值来表示布氏硬度值，用HB表示。表示。 布氏硬度广泛应用于各种退火状态布氏硬度广泛应用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属的试验；也下的钢材、铸铁、有色金属的试验；也用于经调质处理及硬度小于用于经调质处理及硬度小于HB450的试的试样和零件。样和零件。力学性能实验教学布氏硬度试验原理示意图布氏硬度试验原理示意图 力学性能实验教学 (2)(2)洛氏硬度洛氏硬度(Rockwell Hardness) 洛氏硬度是在先后两次加载（初载洛氏硬度是在先后两次加载（初载荷荷P0 和主载荷和主载荷 P）的条件下，将标准压）的条件下，将标准压头压入试样表

19、面来进行的试验。用实际头压入试样表面来进行的试验。用实际压入深度压入深度 h 值来衡量试验材料的软硬程值来衡量试验材料的软硬程度，用度，用HR表示。表示。 采用不同的压头和总载荷组合作试采用不同的压头和总载荷组合作试验，得到几种不同的洛氏硬度标度。其验，得到几种不同的洛氏硬度标度。其中最常用的是中最常用的是HRA、HRB、HRC三种。三种。力学性能实验教学洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度试验原理示意图 力学性能实验教学3.3.实验仪器设备及试块实验仪器设备及试块布氏硬度计一台布氏硬度计一台洛氏硬度计一台洛氏硬度计一台读数放大镜若干读数放大镜若干铝合金试块铝合金试块铜合金试块铜合金试块淬火钢试块淬

20、火钢试块力学性能实验教学4.4.实验步骤实验步骤 1)1)熟悉各种硬度计及硬度试验的操熟悉各种硬度计及硬度试验的操作方法及注意事项；作方法及注意事项； 2)布氏硬度的压痕的测量及硬度值布氏硬度的压痕的测量及硬度值的查表及计算；的查表及计算； 3)洛氏硬度中洛氏硬度中HRC 及及HRA、HRB的载荷更换；的载荷更换；力学性能实验教学5.5.数据整理及分析数据整理及分析 对不同硬度试验测试的硬度值进对不同硬度试验测试的硬度值进行对比，比较分析不同硬度试验的使行对比，比较分析不同硬度试验的使用范围。用范围。6.6.讨论、撰写实验报告讨论、撰写实验报告 经理论分析、讨论明确，在静载经理论分析、讨论明确

21、，在静载荷条件下不同试验方法得出硬度值的荷条件下不同试验方法得出硬度值的物理意义，在此基础上撰写实验报告。物理意义，在此基础上撰写实验报告。力学性能实验教学材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials实验教学课程实验教学课程实验四实验四:维氏维氏( (显微）硬度试验显微）硬度试验 (Vickers and Micro-Hardness Tests )力学性能实验教学1.1.实验目的实验目的 通过试验，了解和掌握维氏及显微硬通过试验，了解和掌握维氏及显微硬度的测试方法，明确其试验原理；并对度的测试方法，明确其试验原理；并对不同材料、不同组织及相

22、不同相进行维不同材料、不同组织及相不同相进行维氏硬度及显微硬度测试。氏硬度及显微硬度测试。力学性能实验教学2.2.实验原理及方法实验原理及方法 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的载同，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体而是两面相对夹角试验的压头不是球体而是两面相对夹角为为136的金刚石四棱锥体，用的金刚石四棱锥体，用HV表示。表示。HV =2Psin(136/ 2)/ d2= 1.854P/d2 力学性能实验教学维氏硬度试验原理示意图维氏硬度试验原理示意图

23、 力学性能实验教学3.3.实验仪器设备及试块实验仪器设备及试块维氏硬度计一台维氏硬度计一台显微硬度计二台显微硬度计二台合金试块若干合金试块若干金相试样若干金相试样若干力学性能实验教学4.4.实验步骤实验步骤 1 1）将抛光好的试样放到硬度计的）将抛光好的试样放到硬度计的载物台，调整载物台使之在目镜下聚焦。载物台，调整载物台使之在目镜下聚焦。 2 2）选择好位置，移动载物台到压头）选择好位置，移动载物台到压头下，按规范加载、保持、卸荷。移回到下，按规范加载、保持、卸荷。移回到物镜下测量压痕的对角线长度。物镜下测量压痕的对角线长度。 3 3）按计算公式计算或查表得出维氏按计算公式计算或查表得出维氏

24、硬度硬度HV值。值。力学性能实验教学5.5.数据整理及分析数据整理及分析 对不同合金材料进行维氏硬度试验对不同合金材料进行维氏硬度试验测试；对不同相结构（铁素体、珠光体测试；对不同相结构（铁素体、珠光体等相）进行显微硬度测试，比较分析。等相）进行显微硬度测试，比较分析。6.6.讨论、撰写实验报告讨论、撰写实验报告 经理论分析、讨论明确，在静载荷经理论分析、讨论明确，在静载荷条件下得出维氏及显微硬度值的物理意条件下得出维氏及显微硬度值的物理意义，在此基础上撰写实验报告。义，在此基础上撰写实验报告。力学性能实验教学材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Mat

25、erials实验教学课程实验教学课程实验五实验五: 系列冲击试验系列冲击试验 ( Series Impact Tests )力学性能实验教学1.1.实验目的实验目的 1)1)了解摆锤式冲击试验机的结构原了解摆锤式冲击试验机的结构原理、操作方法及冲击试样的尺寸形状；理、操作方法及冲击试样的尺寸形状； 2)2)通过试验，了解和掌握金属材料通过试验，了解和掌握金属材料的冲击试验方法。在不同温度下进行系的冲击试验方法。在不同温度下进行系列冲击试验以确定金属材料的脆性转化列冲击试验以确定金属材料的脆性转化温度。温度。力学性能实验教学2.2.实验原理及方法实验原理及方法 冲击试验是一种动态力学试验。由冲击

26、试验是一种动态力学试验。由于加载速率大，塑性变形得不到充分的于加载速率大，塑性变形得不到充分的发展，因此能灵敏的反映材料的发展，因此能灵敏的反映材料的韧脆特韧脆特性性。 将一定形状及尺寸的试样放置在冲将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机的固定支架上，然后将具有一击试验机的固定支架上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击负荷定位能的摆锤释放，使试样在冲击负荷作用下裂断。作用下裂断。力学性能实验教学 把冲断试样所消耗的功把冲断试样所消耗的功Ak，除以试，除以试样断裂处的截面积样断裂处的截面积FN所得的商称之为冲所得的商称之为冲击韧性击韧性(或冲击值或冲击值)，用，用ak表示。表示。ak = Ak / FN (J/cm2) 系列冲击试验就是将所需试验的材系列冲击试验就是将所需试验的材料，加工成形状、尺寸相同的冲击试样，料，加工成形状、尺寸相同的冲击试样，进行不同温度下的冲击试验并测出冲击进行不同温度下的冲击试验并测出冲击韧性韧性ak随试验温度变化的曲线。随试验温度变化的曲线。力学性能实验教学1摆锤摆锤 2试样试样 冲击试验原理图冲击试验原理图 力学性能实验教学1摆锤摆锤 2试样试样 3机座机座 冲击试样安装图冲击试样安装图 力学性能实验教学3.3.实验仪器设备及试块实验仪器设备及试块 1)摆锤式冲击试验机一台；摆锤式冲击试验机一台； 2)梅式冲击试样一组；