金属材料力学性能测试

第四章金属材料力学性能测试§4.4金属材料扭转时的力学性能§4.3金属材料压缩时的力学性能§4.2金属材料拉伸时的力学性能§4.1概述§4.1概述金属材料在外力作用下所表现出的诸如强度、塑性、弹性等等力学特性称为材料的力学性能，而衡量金属材料力学性能的指标统称为力学（机械）性能指标，这些指标是通过实验来确定的。本章就依据国家标准来讨论这些指标的意义及测定方法。§4.2金属材料拉伸时的力学性能拉伸实验室是测定材料力学性能的最常用的一种方法。按国标GB6397—86《金属材料试验试样》规定，拉伸试样分为比例试样和定标距试样两种。一、拉伸试样00LKS其中为试样标距，为试样横截面面积，比例系数，一般取5.65或11.3，前者称短试样，后者称长试样。0L0SK1、比例计算（1）比例计算的标距和横截面面积之间存在如下比例关系，即§4.2金属材料拉伸时的力学性能（2）对于圆截面试样，短长比例试样的标距分别取和。05d010d工作部分长度，一般不小于。L0Ld（3）圆截面试样的形状如图所示，它分为三个部分。§4.2金属材料拉伸时的力学性能定标距试样的原始标距与横截面间无比例关系，一般取，。0L100mm200mm2、定标距试样§4.2金属材料拉伸时的力学性能由于而均为常量，故两图形形状相同。0P,lAl二、拉伸图及应力—应变图下图为低碳钢的拉伸图和应力—应变图。§4.2金属材料拉伸时的力学性能三、力学性能测试1、具有物理屈服现象的金属材料，其拉伸曲线的类型有如下一些情况：（一）物理屈服性能指标§4.2金属材料拉伸时的力学性能无特殊要求的情况下，一般只测量屈服点或下屈服点。0slslFSsl3）下屈服点：su0susuFS2）上屈服点：s0ssFS1）屈服点：2、各项物理屈服性能指标定义如下：§4.2金属材料拉伸时的力学性能（二）规定微量塑性伸长应力指标（2）逐级施力法（1）图解法p的两种测试方法：定义：试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始百分比时的应力，这种应力是在试样受力的条件下测定的，它反映材料在拉力作用下抵抗微量塑性变形的抗力。p1、规定非比例伸长应力§4.2金属材料拉伸时的力学性能r2、规定残余伸长应力r的测试方法定义：试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。这种应力是在卸力后测定的。§4.2金属材料拉伸时的力学性能3、关于和的几点说明pr1）一般可将（或）作为条件比例极限，将（或）作为屈服强度。0.01p0.01r0.2p0.2r§4.2金属材料拉伸时的力学性能2）对于同一试样而言，在规定伸长率相同的条件下，和一般并不相同。前者是在试验力作用下测定的，其非比例伸长包括滞弹性伸长和塑性伸长两部分，而后者是在卸力之后测定的，滞弹性伸长已随试验力卸除而消失，甚至随着时间的延长，其塑性伸长由于加力时的不均匀塑性变形所产生的残余应力的反作用，也消失一部分，在拉伸曲线上为卸力线不平行于加力线的线弹性段，而是朝向原点方向微弯。rp§4.2金属材料拉伸时的力学性能§4.2金属材料拉伸时的力学性能3）若材料的、差别不大，或对测试法无要求时，此时也就不必区分和而统一成。pr0.2p0.2r0.2t4、规定总伸长应力（2）引伸计法（1）图解法2）测试方法：1）定义：试样标距部分的总伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。规定总伸长与规定非比例伸长之间相差弹性比例伸长。§4.2金属材料拉伸时的力学性能（2）一般中、低强度钢可用等效。0.5t0.3p（1）规定总伸长与规定非比例伸长之间相差弹性比例伸长。3）关于的几点说明t§4.2金属材料拉伸时的力学性能00100%kLLL式中：：试样断后标距长度（mm）kL（三）材料的塑性指标及其测定0L：试样原始标距长度。1）定义：试样拉断后，其标距部分的伸长与原始标距的百分比。1、断后伸长率§4.2金属材料拉伸时的力学性能2、移位法。1、直测法。12LABBC11LABBCBC2）的测定方法§4.2金属材料拉伸时的力学性能3）试样尺寸对的影响说明对于塑性材料，断裂前变形集中在缩颈处，距离断口位置越远，变形越小。因此，断口在标距间的位置对延伸率是有影响的。也就是说试样断裂后的塑性变形可分为两部分：kl1、颈缩出现前的均匀伸长。l2、颈缩出现后的局部伸长。ll其中与原始的标距长度有关；与原始横截面面积有关。l0A0L§4.2金属材料拉伸时的力学性能00kllllA00000lAAll005.65lA矩形试样的短试样0011.3lA矩形试样的长试样005ld圆试样的短试样0010ld圆试样的长试样00A/l因此为了同材料得到相同的断后伸长率必须使常数，因此有有关系式：§4.2金属材料拉伸时的力学性能1)的定义：试样拉断后，颈缩处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比。010100%SSS2、断后收缩率2）的测定1S为试样断裂后，颈缩处最细部分的横截面面积。0S式中：为试样原始横截面面积；§4.2金属材料拉伸时的力学性能1）的定义：指材料拉伸时，应力应变在线形比例范围内，应力与应变之比。即EE2）的测定方法E（四）材料的弹性指标及其测定2、拟合法1、作图法E1、弹性模量（又称杨氏模量）§4.2金属材料拉伸时的力学性能2、弦线模量与切线模量对于拉伸过程中无明显线弹性变形阶段的材料，无法用弹性直线段的斜率来确定，这时一般可采用弦线模量或切线模量，即用材料弹性变形曲线的割线或切线的斜率来表达其弹性模量（参见GB8653—88）§4.2金属材料拉伸时的力学性能'||3、泊松比2、拟合法1、作图法2）的测定为轴向应变。'式中：为横向应变；1）定义：材料在轴向拉伸过程中，在线弹性变形范围内横向应变与轴向应变之比∶§4.2金属材料拉伸时的力学性能（五）拉伸时的断口分析低碳钢铸铁§4.2金属材料拉伸时的力学性能§4.3金属材料压缩时的力学性能材料压缩与拉伸的主要差别在于载荷—变形曲线，塑性及断裂形式等。图为金属材料的压缩曲线。一、压缩与拉伸的比较bc曲线1为脆性材料压缩曲线，断裂点的应力即为抗压强度极限。脆性材料压缩断裂形状如图。曲线2为塑性材料的压缩曲线，可见随着载荷的加大，压缩变形加大，但不断裂，因此得不到其抗压强度。压缩破坏形式为§4.3金属材料压缩时的力学性能二、压缩试样0(1~2)Ldbc用于测0(2.5~3.5)Ld,,,pctcscbc用于测0(5~8)Ld0.01,pccE用于测压缩试样常采用圆柱形或正方形，图为圆柱形试样。§4.3金属材料压缩时的力学性能0pcpcPS三、压缩力学性能测试１、定义：规定非比例压缩应力为压缩时，非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力：（一）规定非比例压缩应力§4.3金属材料压缩时的力学性能２）逐次逼近法：若力—变形曲线无明显的弹性直线段，则采用逐次逼近法。（参见国标ＧＢ７３１４—８７）１）作图法２、测定方法：§4.3金属材料压缩时的力学性能（二）规定总压缩应力的测定１、定义：试样压缩时，其标距的总压缩变形（弹性和塑性变形之和）达到规定的原始标距百分比时的应力，即为规定总压缩应力。tc§4.3金属材料压缩时的力学性能在绘制的力—变形图上，自原点起，在变形轴上取段，过点作与力轴平行的线交曲线于点，其对应的力即为所测定的规定总压缩应力。OD0()tcODlnDDMMtcP作图法２、测定方法:§4.3金属材料压缩时的力学性能0scscFSscF作图法：在力—变形图上判读，则２、测试方法sc１、定义：试样压缩时，当达到力不再增加而仍然继续变形所对应的应力即为压缩屈服点。（三）压缩屈服点的测定sc§4.3金属材料压缩时的力学性能将试样压至破坏，从力—变形图上确定最大实际压缩力，或从测力盘上读取最大值，按公式计算：bcFbcF0bcbcFSbc（四）抗压强度的测定bc２、的测定bc１、定义：试样压缩至破坏过程中的最大应力即抗压强度。§4.3金属材料压缩时的力学性能（五）压缩弹性模量的测定cEcE１、定义：压缩时，应力—应变呈线性挂稀释的应力与应变的比值即为。§4.3金属材料压缩时的力学性能（２）若无弹性直线段，在没有其他规定的条件下，采用逐级逼近法（参见国标GB7314—87）（１）作图法00()()KJcKJFFLELLL２、测定方法：在力—变形曲线图上，取弹性直线段上的两点；按公式计算：J,K§4.3金属材料压缩时的力学性能§4.4金属材料扭转时的力学性能试样主要采用圆形截面，推荐直径为，标距分别为、，平行长度相应为、，若为其他尺寸的直径则。d10mm50mm100mmcL70mm120mm002cLLd一、扭转试件3、试样外表面变形均匀且相等。2、塑性变形沿试样的径向由小至大连续分布；1、试样的长度和横截面直径保持不变；试样在开始变形直至破坏，有以下特点：二、试验过程分析§4.4金属材料扭转时的力学性能1、定义：试样扭转时，其标距部分外表面上的非比例剪应变达到规定数值时，按弹性扭转公式计算的剪应力即为规定非比例扭转应力。例如：一般用分别作为“条件扭转比例极限”和“扭转屈服强度”。pp0.015p（２）逐级加载法（１）图解法２、测试方法：三、扭转力学性能测试（一）规定非比例扭转应力的测定§4.4金属材料扭转时的力学性能（１）屈服点：在扭转曲线上出现屈服平台时对应的应力扭矩，按弹性扭转应力公式计算的切应力。sTc（二）扭转屈服性能指标１、定义：§4.4金属材料扭转时的力学性能§4.4金属材料扭转时的力学性能（2）上屈服点：扭转曲线上首次发生下降的最大扭矩，按弹性扭转应力公式计算剪应力。suTsuslTsl（3）下屈服点：扭转曲线上的屈服阶段中最小扭矩，按弹性扭转应力公式计算的剪应力。2、测试方法（2）指针法（1）图解法§4.4金属材料扭转时的力学性能bbTW（三）扭转强度的测定2、测定方法（按定义做即可）bTb1、定义：试样扭断前承受的最大扭矩，按弹性扭转公式计算的试样表面最大切应力。§4.4金属材料扭转时的力学性能max（四）最大非比例剪应变max1、定义：试样扭断时，其外表面上的最大非比例剪应变，即为最大非比例剪应变以表示。§4.4金属材料扭转时的力学性能公式中：为试样直径。d为试样标距范围的最大扭转角。max为试样eL按公式：maxmax()2edarctgL（1）图解法2、测定方法§4.4金属材料扭转时的力学性能1、定义：扭转时，剪应力与剪应变成线性比例关系范围内，剪应力与剪应变之比称为剪切弹性模量，以表示。GG（五）剪切弹性模量的测定§4.4金属材料扭转时的力学性能其中：为抗扭惯性矩pI为扭转计标距。eL按公式epTLGI（1）作图法2、测试方法（2）逐级加载法。§4.4金属材料扭转时的力学性能性能指标修改值Gpssuslbmax100MPa1MPa0.5%（六）扭转性能数据的修改§4.4金属材料扭转时的力学性能