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1、模塊一 金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù), 1.3 金屬硬度試驗(yàn), 1.2 金屬扭轉(zhuǎn)及彎曲試驗(yàn), 1.1 拉伸試驗(yàn), 1.4 金屬沖擊韌性試驗(yàn), 概述,金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出的諸如強(qiáng)度、塑性、彈性等等力學(xué)特性稱為材料的力學(xué)性能，而衡量金屬材料力學(xué)性能的指標(biāo)統(tǒng)稱為力學(xué)（機(jī)械）性能指標(biāo)，這些指標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)來確定的。本章就依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)來討論這些指標(biāo)的意義及測定方法。, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),拉伸實(shí)驗(yàn)室是測定材料力學(xué)性能的最常用的一種方法。,按國標(biāo)GB639786金屬材料試驗(yàn)試樣規(guī)定，拉伸試樣分為比例試樣和定標(biāo)距試樣兩種。,一、拉伸試樣,其中 為試樣標(biāo)距， 為試樣橫截面面積，比例系數(shù) ，一般取5.6
2、5或11.3，前者稱短試樣，后者稱長試樣。,1、比例計算,（1）比例計算的標(biāo)距和橫截面面積之間存在如下比例關(guān)系，即, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn), 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),（3）圓截面試樣的形狀如圖所示，它分為三個部分。,工作部分長度 ，一般不小于 。,（2）對于圓截面試樣，短長比例試樣的標(biāo)距分別取 和 。, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),定標(biāo)距試樣的原始標(biāo)距與橫截面間無比例關(guān)系，一般 取 ， 。,2、定標(biāo)距試樣, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),通常從產(chǎn)品、壓制坯或鑄錠切取樣坯經(jīng)機(jī)加工制成試樣。但具有恒定橫截面的產(chǎn)品(型材、棒材、線材等)和鑄造試樣(鑄鐵和鑄造非鐵合金)可以不經(jīng)機(jī)加
3、工而進(jìn)行試驗(yàn)。 取樣部位、取樣方向和取樣數(shù)量是對材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個因素，被稱為取樣三要素。,3、取樣與制樣, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),二、引伸計,引伸計是測量構(gòu)件及其他物體兩點(diǎn)之間線變形的一種儀器，通常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。 傳感器直接和被測構(gòu)件接觸。構(gòu)件變形，傳感器隨著變形，并把這種變形轉(zhuǎn)換為機(jī)械、光、電、聲等信息，放大器將傳感器輸出的微小信號放大。記錄器（或讀數(shù)器）將放大后的信號直接顯示或自動記錄下來。, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),圖1 千分表原理圖,圖2 拉桿式引伸計, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),圖4 電容式引伸計,圖6電阻式引伸計, 1.1 金屬材料拉伸試
4、驗(yàn),圖5 電感式引伸計, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),正應(yīng)力：,切應(yīng)力：,應(yīng)力 =F/S 應(yīng)變 =L/L , =S/S, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),由于 而A0 l 均為常量，故兩圖形形狀相同。,二、拉伸圖及應(yīng)力應(yīng)變圖,下圖為低碳鋼的拉伸圖和應(yīng)力應(yīng)變圖。, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),具有物理屈服現(xiàn)象的金屬材料，其拉伸曲線的類型有如下一些情況：, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn), 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),3）屈服極限：,各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)定義如下：,5）斷裂強(qiáng)度：,2）彈性極限：,1）比例極限：,4）強(qiáng)度極限：,各應(yīng)力指標(biāo)的定義及測試方法：,圖解法,的測試方法：,定義：應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的最大
5、應(yīng)力值。,1、 比例極限, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn), 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),2、彈性極限,定義：材料由彈性變形過渡到彈性-塑性變形的應(yīng)力。,的測試方法：試樣卸力后，殘余伸長達(dá)到規(guī)定 的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力。這種應(yīng)力是在卸 力后測定的。 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余伸長為0.01%的應(yīng)力作為 規(guī)定的彈性極限。,無特殊要求的情況下，一般只測量屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn)。,3）下屈服點(diǎn)：,2）上屈服點(diǎn)：,1）屈 服 點(diǎn)：, 4.2 金屬材料拉伸時的力學(xué)性能,3、屈服極限, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn), 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),3、屈服極限,對于沒有屈服現(xiàn)象的材料，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，以
6、 表示 測量方法與彈性極限相似。, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),4、強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）,定義：曲線上最大應(yīng)力為強(qiáng)度極限。 標(biāo)志：出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),5、斷裂強(qiáng)度,定義：試樣拉斷時的真實(shí)應(yīng)力，表征材料對斷裂 的抗力。,式中： ：試樣斷后標(biāo)距長度（mm）,材料的塑性指標(biāo)及其測定,：試樣原始標(biāo)距長度。,1）定義：試樣拉斷后，其標(biāo)距部分的伸長與原始標(biāo)距的百分比。,1、斷后伸長率, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),2、移位法。,1、直測法。,2） 的測定方法, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),( 1 ）直接法：,當(dāng)試樣拉斷處到標(biāo)距端點(diǎn)的距離均大于1/3L0時，直接測量標(biāo)距兩端點(diǎn)之間的距離
7、Lk。,( 2 )移位法,如果試樣拉斷處到標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于1/3L0時，應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用斷口移中的辦法，計算Lk長度。 試驗(yàn)前要在試件標(biāo)距內(nèi)等分劃十個格子。試驗(yàn)后，將試件對接在一起，從斷口為起點(diǎn)O，在長段上取基本等于短段的格數(shù)得B點(diǎn)。計算Lk方法如下：,當(dāng)斷口非?？拷嚰啥?，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無效，需要重新試驗(yàn)。 同一材料的試樣長短不同，測得的斷后伸長率略有不同。比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大。,3）試樣尺寸對 的影響說明,對于塑性材料，斷裂前變形集中在縮頸處，距離斷口位置越遠(yuǎn)，變形越小。因此，斷口在標(biāo)距間的位置對延伸率 是有影響的。也就是
8、說試樣斷裂后的塑性變形 可分為兩部分：,1、頸縮出現(xiàn)前的均勻伸長 。,2、頸縮出現(xiàn)后的局部伸長 。,其中 與原始的標(biāo)距長度 有關(guān)； 與原始橫截面面積 有關(guān)。, 1.1 金屬材料拉試驗(yàn),1) 的定義：試樣拉斷后，頸縮處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比。,2、斷后收縮率,2） 的測定,為試樣斷裂后，頸縮處最細(xì)部分的橫截面面積。,式中： 為試樣原始橫截面面積；, 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),拉伸試驗(yàn)機(jī),拉伸試驗(yàn)一般在液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)或電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 WE系列液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)是一種適用性強(qiáng)、用途廣的試驗(yàn)機(jī)，系列規(guī)格有l(wèi)00KN、300KN 、600KN、1000KN
9、，當(dāng)然也有特殊規(guī)格，目前為一般力學(xué)實(shí)驗(yàn)室普遍配套使用。,油壓式拉伸試驗(yàn)機(jī),傳感器式拉伸試驗(yàn)機(jī),高溫拉伸試驗(yàn)機(jī), 1.1 金屬材料拉伸試驗(yàn),,金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)：,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是金屬力學(xué)性能試驗(yàn)中的一種重要試驗(yàn)方法。對于某些承受切應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的零件如傳動主軸、彈簧、鉆桿等，具有重要的實(shí)際意義。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要用于評價材料的塑性，尤其是在拉伸試驗(yàn)時呈脆性的材料，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是評價其塑性的最佳方法。 圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時，試樣從開始變形直至破壞，其長度和截面尺寸幾乎保持不變。試樣沿標(biāo)距長度的塑性變形始終是均勻發(fā)生的，沒有縮頸現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，對于那些塑性好的材料用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法可以精確地測定其應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系。,
10、1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明顯的區(qū)別材料的斷裂方式是正斷還是切斷。 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能。因此，可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果。 缺點(diǎn)：截面上的應(yīng)力分布不均勻，表面處最大，越往心部越小，心部材料的缺陷不能很好體現(xiàn).,扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn) 1、特點(diǎn)（1）能檢測在拉伸時呈脆性的材料的塑性性能。（2）長度方向，宏觀上的塑 性變形始終是均勻的。 （3）能敏感地反映材料 表面的性能（4）斷口的特征最明顯（正斷、切斷、層狀斷口等）, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,,2、應(yīng)力狀態(tài) 縱向 受力均勻； 橫向 表面最大，心部為0；
11、 最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力相等。,應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 在三向應(yīng)力狀態(tài)下，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，用 表示。,越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形。反之， 越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬 ，材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂。,,不同的加載方式下材料具有不同的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)（v=0.25）, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,試樣主要采用圓形截面，推薦直徑 為 ，標(biāo)距分別為 、 ，平行長度 相應(yīng)為 、 ，若為其他尺寸的直徑則 。,一、扭轉(zhuǎn)試件,2、扭轉(zhuǎn)計,1、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī),二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,1、定義：試樣
12、扭轉(zhuǎn)時，其標(biāo)距部分外表面上的非比例剪應(yīng)變達(dá)到規(guī)定數(shù)值 時，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計算的剪應(yīng)力即為規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 。例如：一般用 分別作為“條件扭轉(zhuǎn)比例極限”和“扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度”。,（）逐級加載法,（）圖解法,、測試方法：,三、扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能測試,（一）規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測定, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,（）屈服點(diǎn)：在扭轉(zhuǎn)曲線上出現(xiàn)屈服平臺時對應(yīng)的應(yīng)力扭矩 ，按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計算的切應(yīng)力 。,（二）扭轉(zhuǎn)屈服性能指標(biāo),、定義：, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,（2）上屈服點(diǎn)：扭轉(zhuǎn)曲線上首次發(fā)生下降的最大扭矩 ，按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計算剪應(yīng)力 。,（3）
13、下屈服點(diǎn)：扭轉(zhuǎn)曲線上的屈服階段中最小扭矩 ，按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計算的剪應(yīng)力 。,2、測試方法,（2）指針法,（1）圖解法, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,（三）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測定,2、測定方法（按定義做即可）,1、定義：試樣扭斷前承受的最大扭矩 ，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計算的試樣表面最大切應(yīng)力 。, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,（四）最大非比例剪應(yīng)變,1、定義：試樣扭斷時，其外表面上的最大非比例剪應(yīng)變，即為最大非比例剪應(yīng)變以 表示。, 1.2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,公式中： 為試樣直徑。,為試樣標(biāo)距范圍的最大扭轉(zhuǎn)角。,為試樣,按公式：,（1）圖解法,2、測定方法, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時
14、的力學(xué)性能,1、定義：扭轉(zhuǎn)時，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成線性比例關(guān)系范圍內(nèi)，剪應(yīng)力 與剪應(yīng)變 之比稱為剪切彈性模量，以 表示。,（五）剪切彈性模量的測定, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,其中： 為抗扭慣性矩,為扭轉(zhuǎn)計標(biāo)距。,按公式,（1）作圖法,2、測試方法,（2）逐級加載法。, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,（六）扭轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)的修改, 1.2 金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能,金屬彎曲試驗(yàn)及其工程意義,金屬彎曲試驗(yàn)是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上，將材料試樣圍繞具有一定直徑的彎心彎曲至規(guī)定的角度或不帶彎心彎到兩面接觸(即彎曲180，彎心直徑d=0)后，卸除試驗(yàn)力，檢查試樣承受變形的能力。試
15、驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行，所以也常稱為冷彎試驗(yàn)。, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),它的目的有二：一是用于檢定金屬材料彎曲成一定形狀和尺寸后的變形能力，二是顯示其缺陷。 記錄彎曲力p和試樣撓度f之間的關(guān)系, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),一、金屬彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)特點(diǎn),應(yīng)力狀態(tài)與靜拉伸時的應(yīng)力狀態(tài)基本相同。 彎曲試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響。 彎曲試驗(yàn)不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強(qiáng)度。 試樣上表面應(yīng)力最大，可以較靈敏地反映材料表面缺陷情況。, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時，將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)， 對于圓形、矩形橫截面試樣，一般每個試驗(yàn)點(diǎn)需試驗(yàn)3個試
16、樣；對于薄板試樣，每個試驗(yàn)點(diǎn)至少試驗(yàn)6個試樣，試驗(yàn)時，拱面向上和向下各試驗(yàn)3個試樣。, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),(a)三點(diǎn)彎曲加載 (b)四點(diǎn)彎曲加載,二、金屬彎曲力學(xué)性能的確定,通過彎曲試驗(yàn)得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關(guān)系曲線稱為彎曲圖，,鑄鐵的彎曲力F撓度f曲線, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),試樣彎曲時，受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力： M最大彎矩。 對三點(diǎn)彎曲 M=PL/4；對四點(diǎn)彎曲M=PK/2。 W抗彎截面系數(shù)。對于直徑為d的圓形試 樣， ； 對于寬度為b，高為h的矩形試樣，W=bh2/6 計算脆性材料的抗彎強(qiáng)度： （Mb為斷裂時的彎矩,讀出Pbb）,,,
17、1.抗彎強(qiáng)度bb,彎曲試驗(yàn)主要測定脆件或低塑性材料的抗彎強(qiáng)度。試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的、按彈性彎曲應(yīng)力公式計算得到的最大彎曲應(yīng)力就是材料的抗彎強(qiáng)度,用符號bb表示。,,, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),bb是鑄鐵的重要力學(xué)性能指標(biāo)。 灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能，球鐵和可鍛鑄鐵的bb比灰鑄鐵的大得多，如珠光體球鐵的bb 為7001200MPa,為抗拉強(qiáng)度的1.61.9倍。, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn),2.斷裂撓度fbb的測定,將試樣對稱地安放于彎曲試驗(yàn)裝置上，撓度計裝在試樣中間的測量位置上，對試樣連續(xù)施加彎曲力，直至試驗(yàn)斷裂，測量試樣斷裂瞬間跨距中點(diǎn)的撓度，此撓度即為斷裂撓度fbb。, 1.3 金屬彎曲試驗(yàn)
18、,二、試 樣,1.形狀和尺寸 彎曲試驗(yàn)試樣的橫截面形狀可以為圓形、方形、矩形和多邊形，但應(yīng)參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的規(guī)定。 試樣橫截面尺寸應(yīng)根據(jù)材料種類、特性和試驗(yàn)機(jī)能力確定。例 P25,在這個圖中,標(biāo)有橙色的部位進(jìn)行取樣稱側(cè)彎，蘭色部位取樣為面彎，它的底部為背彎.。,2.加工方法,室溫下可用鋸、銑、刨等加工方法截取，試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕，棱邊必須銼圓，其半徑不應(yīng)大于試樣厚度的1/10。 試樣的端部應(yīng)打印或用其他方法標(biāo)記試樣的代號。,1.試驗(yàn)裝置,彎曲試驗(yàn)通常在萬能材料試驗(yàn)機(jī)或壓力機(jī)上進(jìn)行，常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式、板式、等，,2.試驗(yàn)過程,試樣在兩個支點(diǎn)上按一定彎心直徑彎曲至兩臂平行時，可一次完成試驗(yàn)，也可先彎曲至90，然后放置在試驗(yàn)機(jī)平板之間繼續(xù)施加壓力，壓至試樣兩臂平行。,3.試驗(yàn)結(jié)果評定,金屬彎曲試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的要求進(jìn)行評定。如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議無具體規(guī)定，一般在試驗(yàn)后檢查試樣彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，若彎曲處無裂紋、起層或斷裂現(xiàn)象，即可認(rèn)為彎曲性能合格。,
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