力学性能实验教学

力学性能实验教学第1页/共55页

金属材料的力学性能包括：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等性能。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，如强度指标σ0.2、σb、σ-1,，塑性指标δ、ψ,韧性指标aK、KⅠc等。金属材料力学性能的优劣就是用这些指标具体数值来衡量。第2页/共55页

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、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，明确提高金属力学性能的方向和途径，都有着十分重要的意义。第3页/共55页

金属力学性能的研究是建立在实验基础上的，并且金属材料的各种性能指标也需通过实验来测定。因此，在金属力学性能研究中，必须重视金属力学性能指标的测试技术。第4页/共55页《材料力学性能》

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实验教学课程实验一:静拉伸实验Ⅰ(StaticTensileTestsⅠ)

测定比例极限p

（ProportionalLimit)

※对不允许发生弹性变形的材料第5页/共55页1.实验目的

通过静拉伸实验，掌握测定金属材料比例极限p的方法（引伸仪法及加荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义的理解。第6页/共55页2.实验原理及方法

比例极限p是应力与应变成正比线形关系的最大应力。即在拉伸应力—应变曲线上开始偏离直线时的应力。

p=Pp/FO式中：Pp—比例极限的载荷

FO—试样的原始截面面积第7页/共55页低碳钢拉伸曲线

第8页/共55页

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切值tg'与tg

的比值1.5

时对应的应力为规定比例极限。第9页/共55页

规定比例极限：tg'/tg=1.5第10页/共55页

比例极限p可用图解法或引伸仪法测定，本实验用引伸仪测定p

。用引伸仪法测定p时，采用加荷法，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p

。第11页/共55页3.实验材料及仪器设备

1)试验材料：退火GCr15钢，8×80mm；

2)YJY-12变形传感器一台：标距50mm。

3)CSS-44300电子万能试验机一台；

4)EDC测控系统一套；

5)计算机控制系统一套。第12页/共55页4.实验步骤

1)确定试验材料的p估计值

(退火GCr15钢的p约在3500N~4500N/mm2)p估≒4000N/mm2Fo=50mm2Pp估=20000N2)初载荷取15kN。

第13页/共55页

3)小等级部分1kN。

用Δ表示变形增量（线性变化）。每100N的平均伸长Δ100Δ100=引伸仪变形100N/1500N当平均伸长Δ100达到或超过1.5Δ100倍时（非线性变化）即：Δ′=Δ×1.5停止加载，用内插法计算Δ′对应载荷PP及比例极限σP。第14页/共55页4)将试验测试数据记录并填入表格。载荷(kN)引伸仪变形(mm)变形增量Δ(mm)P0=000P1=150.0810.081Δ100=0.0054Δ′=0.0081

P2=160.0870.006P3=170.0950.007P4=180.1020.007P5=190.1090.007P6=200.1160.007P7=210.1250.009第15页/共55页5.数据整理及分析

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。6.讨论、撰写实验报告

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认识。在此基础上撰写实验报告。第16页/共55页《材料力学性能》

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实验教学课程实验二:静拉伸实验Ⅱ

(StaticTensileTestsⅡ)

测定条件屈服强度0.2

（YieldStrength)第17页/共55页1.实验目的

通过静拉伸实验，掌握测定金属材料条件屈服强度0.2的方法（引伸仪法及卸荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义的理解。第18页/共55页2.实验原理及方法

对无明显物理屈服现象的材料，则应测定其屈服强度0.2。0.2是试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的0.2%时的应力。

0.2=P0.2/FO式中：P0.2

—条件屈服强度的载荷

FO—试样的原始截面面积第19页/共55页

P0.2的确定第20页/共55页

屈服强度0.2可用图解法或引伸仪法测定，本实验用引伸仪测定0.2

。用引伸仪法测定P0.2时，采用卸荷法测定；并计算其比例极限0.2。第21页/共55页3.实验材料及仪器设备

1)试验材料：退火GCr15钢，8×80mm；

2)YJY-12变形传感器一台：标距50mm。

3)CSS-44300电子万能试验机一台；

4)EDC测控系统一套；

5)计算机控制系统一套。第22页/共55页4.实验步骤1)计算残余变形0.2%的引伸仪伸长n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，将数据记入表格内，直至n=0.1mm。①n'

=n+0.02式中0.02为估计弹性变形量②n"=n'+(n-M)式中M为残余变形量③n"'=n"+(n-M')式中M'

为第二次残余变形量…………以此类推第23页/共55页列表负荷kN引伸仪变形伸长（mm）加荷时卸荷时(n-M)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第24页/共55页5.数据整理及分析

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。6.讨论、撰写实验报告

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认识。在此基础上撰写实验报告。第25页/共55页《材料力学性能》

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实验教学课程实验三:布氏、洛氏硬度试验

(BrinellandRockwellHardnessTests)第26页/共55页1.实验目的

硬度试验由于设备简单、操作便捷，又能反映出材料的差异，因而广泛的应用在实际生产和科研中。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。第27页/共55页2.实验原理及方法

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。因此，“硬度”不是材料独立的力学性能。

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。布氏硬度、洛氏硬度属于静载试验法。第28页/共55页(1)布氏硬度(BrinellHardness)

布氏硬度是将淬火钢球施加规定的负荷P，压入试样表面，保持一定时间后卸载。以压痕表面积F除负荷P之商值来表示布氏硬度值，用HB表示。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；也用于经调质处理及硬度小于HB450的试样和零件。第29页/共55页布氏硬度试验原理示意图

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(2)洛氏硬度(RockwellHardness)

洛氏硬度是在先后两次加载（初载荷P0

和主载荷P）的条件下，将标准压头压入试样表面来进行的试验。用实际压入深度h值来衡量试验材料的软硬程度，用HR表示。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。其中最常用的是HRA、HRB、HRC三种。第31页/共55页洛氏硬度试验原理示意图

第32页/共55页3.实验仪器设备及试块布氏硬度计一台洛氏硬度计一台读数放大镜若干铝合金试块铜合金试块淬火钢试块第33页/共55页4.实验步骤

1)熟悉各种硬度计及硬度试验的操作方法及注意事项；

2)布氏硬度的压痕的测量及硬度值的查表及计算；

3)洛氏硬度中HRC及HRA、HRB的载荷更换；第34页/共55页5.数据整理及分析

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用范围。6.讨论、撰写实验报告

经理论分析、讨论明确，在静载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。第35页/共55页《材料力学性能》

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实验教学课程实验四:维氏(显微）硬度试验

(VickersandMicro-HardnessTests)第36页/共55页1.实验目的

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。第37页/共55页2.实验原理及方法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为136°的金刚石四棱锥体，用HV表示。HV=｛2Psin(136°/2)｝/d2=1.854P/d2

第38页/共55页维氏硬度试验原理示意图

第39页/共55页3.实验仪器设备及试块维氏硬度计一台显微硬度计二台合金试块若干金相试样若干第40页/共55页4.实验步骤

1）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。

2）选择好位置，移动载物台到压头下，按规范加载、保持、卸荷。移回到物镜下测量压痕的对角线长度。

3）按计算公式计算或查表得出维氏硬度HV值。第41页/共55页5.数据整理及分析

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、珠光体等相）进行显微硬度测试，比较分析。6.讨论、撰写实验报告

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义，在此基础上撰写实验报告。第42页/共55页《材料力学性能》

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实验教学课程实验五:系列冲击试验

(SeriesImpactTests)第43页/共55页1.实验目的

1)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；

2)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列冲击试验以确定金属材料的脆性转化温度。第44页/共55页2.实验原理及方法

冲击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发展，因此能灵敏的反映材料的韧脆特性。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，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击负荷作用下裂断。第45页/共55页

把冲断试样所消耗的功Ak，除以试样断裂处的截面积FN所得的商称之为冲击韧性(或冲击值)，用ak表示。ak=Ak/FN(J/cm2)

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，进行不同温度下的冲击试验并测出冲击韧性ak随试验温度变化的曲线。第46页/共55页1—摆锤2—试样

冲击试验原理图

第47页/共55页1—摆锤2—试样3—机座

冲击试样安装图

第48页/共55页3.实验仪器设备及试块

1)摆锤式冲击试验机一台；

2)梅式冲击试样一组；

3)制冷冰箱一台；