材料力学性能综合试验

实验一：材料力学性能综合实验指导老师：韩靖 地点：热处理实验室 时间：2019.5.23一：实验目的（1）掌握金属材料拉伸力学性能的测试方法，研究变形速率对拉伸性能的影响规律。（2）掌握金属材料冲击试验及冲击吸收功的测试方法。（3）了解材料摩擦磨损试验方法。（4）掌握金属材料洛氏硬度和维氏硬度的测试方法。二：实验原理1.拉伸实验静载拉伸试验是最基本的、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标，可以作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义。另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。静载拉伸试验，通常是在室温和轴向加载条件下进行的，其特点是试验机加载轴线与试样轴线重合，载荷缓慢施加。在材料试验机上进行静拉伸试验，试样在负荷平稳增加下发生变形直至断裂，可得出一系列的强度指标（屈服强度s和抗拉强度b）和塑性指标（伸长率8和断面收缩率W）。通过试验机自动绘出试样在拉伸过程中的伸长和负荷之间的关系曲线，即P-Al曲线，习惯上称此曲线为试样的拉伸图。图1即为低碳钢的拉伸图。试样拉伸过程中，开始试样伸长随载荷成比例地增加，保持直线关系。当载荷增加到一定值时，拉伸图上出现平台或锯齿状。这种在载荷不增加或减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫屈服，屈服阶段的最小载荷是屈服点载荷Ps，Ps除以试样原始横截面面积Ao即得到屈服极限。：sI。=区3Ac试样屈服后，要使其继续发生变形，则要克服不断增长的抗力，这是由于金属材料在塑性变形过程中不断发生的强化。这种随着塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象叫做形变强化或加工硬化。由于形变强化的作用，这一阶段的变形主要是均匀塑性变形和弹性变形。当载荷达到最大值Pb后，试样的某一部位截面积开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，此后的变形主要集中在缩颈附近，直至达到Pb试样拉断。Pb除以试样原始横截面面积A0即得到强度极限（抗拉强度）与：拉伸试验还可得到塑性指标，即伸长率8和断面收缩率w伸长率8——拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即8=^£x100%I0式中l0一试件原始标距，为100m%I]—试件拉断后标距长度。断面收缩率V-为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值d1计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率：=%一.K100%4式中A0—试件原始横截面面积A1—试件拉断后断口处最小面积。试件开始受力时，由于头部在夹头内滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是是曲线。分析时应将直线段延长与横坐标相交于0点，作为坐标原点。OA段为弹性阶段载荷与变形成正比，B,C段为屈服阶段，CD段为强化阶段，DE段为颈缩阶段，至E点试件被拉断。铸铁的拉伸图如图2所示。铸铁试件在承受拉力变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂。它没有屈服和颈缩现象，故在拉伸时，一般只能测定其强度极限ob，试件沿横截面断裂。几种典型的应力一应变曲线由于材料具有不同的化学成分和微观组织，在相同的试验条件下，会显示出不同的应力一应变响应。一般，在金属、陶瓷和高聚物材料中，拉伸条件下的应力一应变曲线大致有五种类型（见图1-4）：（1）纯弹性型：见图1-4（a）。有这种◎-£曲线的材料主要是大多数玻璃、陶瓷、岩石、横向交联很好的聚合物以及一些低温下的金属。（2）弹性—均匀塑性型：见图1-4（b）。有这种o-s曲线的材料主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物。应该指出，把部分非晶态高聚物归入此类只是按应力一应变曲线的形式划分的。对于高聚物，尽管表观弹性变形和塑性变形与金属有相仿o-s曲线形式，但在变形本质上是有一定区别的。（3）弹性—不均匀塑性型：见图1-4（c）。有这种o-s曲线的材料主要是低温和高应变速率下的面心立方金属，其塑性变形常常不是通过滑移而是孪生。当孪生应变速率超过试验机夹头运动速度时，负荷会突然松弛而呈现记录到的锯齿形o-s曲线。某些含碳原子的体心立方铁合金以及铝合金低溶质固溶体也有类似的o-s曲线。（4）弹性—不均匀塑性—均匀塑性型：见图1-4（d）。有这种o-s曲线的材料主要是一些体心立方的铁基合金和若干有色合金。它与图1-2（b）的不同仅在于中间增加了一段不均匀塑性屈服区（应变值大致为1%〜3%）。（5）弹性一不均匀塑性—均匀塑性型：见图1-4（e）。有这种o-s曲线的材料主要是一些结晶态高聚物和未经拉伸的线形非晶态高聚物。受拉结晶高聚物出现这种情况是因为有两个因素相互制约的结果。开始变形时，结晶高聚物中原有的结晶结构被破坏，随之发生细颈屈服，从而载荷下降，继续增加应变可促使变形最剧烈的区域重新组合成新的、方向性好和强度高的结晶结构。随着这种新结构的增多，应力一应变曲线再次上升，直至断裂。线形非晶态高聚物受拉伸在形式上呈现与此十分相似的。-£曲线，但细颈的发生是由于线形大分子链段的取向而不是结晶结构的变化。注意：细颈与缩颈在形式上相似，但实质上不同。M 同图1-4五种类型的应力一应变曲线根据工程应力一应变曲线可以确定材料的拉伸性能，包括材料的强度、塑性和韧性及断裂指标。所谓强度是材料对塑性变形和断裂的抗力。塑性表示材料在断裂前发生的不可逆的变形量的多少。而韧性则表示断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能，即外力所作的功。.冲击实验(1)冲击实验是研究材料对于动荷抗力的一种实验，和静载荷作用不同，由于加载速度快，使材料内的应力骤然提高，变形速度影响了材料的力学性质，所以材料对动载荷作用表现出另一种反应。(2)此外在金属材料的冲击实集中验中，还可以揭示在静载荷时不易发现的某些结构特点和工作条件对机械性能的影响（如应力，材料内部缺陷，化学成分和加荷时温度，受力状态以及热处理情况等），因它在工艺分析比较和科学研究中都具有一定的意义，在工程上常采用“冲击韧性”来表示材料抵抗冲击的能力。把金属材料制成标准试件（金属夏比（V型缺口）试件）（图1.1），安置在冲击试验机的机座上（图1.2），使它受冲击而折断。记录试件折断所消耗的能量Ak，将Ak用缺口处的横截面面积A去除，所得的数值定义为材料的冲击韧性ak。8k= （J/CIT|2）ak对材料品质、内部缺陷和晶粒大小等比较敏感。再加上冲击试验简便易行，所以常用来检验材料质量、内部缺陷、脆性程度等。在试件上制作缺口是为了使试件由该处折断。分析表明，在缺口根部附近材料处于三向拉应力状态。某些金属在静力拉伸下表现出良好的塑性，但处于三向拉应力作用下却有增加其脆性的倾向。所以塑性材料的缺口试件在冲击作用下，一般都呈现脆性破坏方式（断裂）。试验表明，缺口的形状，试件的绝对尺寸及材料的性质等因素都会影响断口附近参与塑性变形的体积，因此，冲击试验必须在规定的标准下进行。同时，缺口的加工也十分重要，一般应当铳削或磨削，以保证尺寸准确。

图1.2图1.2图1.3冲击试验机的构造原理如图1.3所示。将摆锤向上摆起（如图所示的a角），于是摆锤便具有一定的位能。试验时，令摆锤突然下落，冲击安装在机座上的试件，将试件冲断。试件折断所消耗的能量等于摆锤原来的位能（在a角处）与其冲断试件后在扬起位置（P角处）时的位能之差。.金属硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。硬度试验方法很多，基本上可分为压入法和刻划法两类。在压入法中，根据加载速度不同又可分静载压入法和动载压入法（弹性回跳法）。在静载压入法中根据载荷、压头和表示方法不同，又分布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。这类试验方法的软性系数a>2o硬度值的物理意义随试验方法不同，其含义也不同。例如，压入法硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起塑性变形的能力；刻划法硬度值表示金属抵抗表面局部断裂的能力；而回跳法硬度值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度值不是一个单纯的物理量，它表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。要给'硬度”下一个确切的定义很困难。一般认为硬度是金属表面抗局部压入变形或刻划破坏的能力。生产上压入法应用最广，首先是因为应力状态很软（a>2）,能测量所有金属材料的硬度；同时这类试验方法简单，不损工件，适于成批检验。再者硬度值与0b等性能指标有一定联系，可由硬度值大致推测出其它强度值。主要有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。三：收获与体会材料的力学性能通常是指材料的强度、硬度、塑性和韧性。经过一些基础的试验，拉伸，疲劳，冲击，