45材料力学性能测试

材料力学性能测试分析测试中心金属材料的性能金属的性能主要包括：物理性能、化学性能、工艺性能和机械性能等。金属的物理性能概念：金属的物理性能是指物理领域方面的性能，它包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等。1、密度—指金属单位体积的质量，用符号ρ表示。ρ＝m/Vm：金属的质量（kg）；V：金属的体积(m³)机械制造业中，一般将密度小于5.0×10³kg/m³的金属称为轻金属；密度大于5.0×10³kg/m³的金属称为重金属。高速运动的机件采用密度小的金属。（如发动机活塞采用铝合金）2、熔点—金属由固态向液态转变时的温度。易熔金属：熔点低（锡、铅等）如保险丝材料；难熔金属：熔点高（钨、铬等）如白炽灯的灯丝材料。3、热膨胀性—金属受热体积增大，冷却时则收缩的能力，用线膨胀系数表示。金属材料的性能4、导热性—金属在加热或冷却时能够传导热能。应用举例：汽车发动机散热器采用热导率较高的材料（铜等）的性能，用热导率表示。5、导电性—金属传导电流的能力。用电阻率来衡量金属的导电性能应用举例：电缆（导线）多采用铜、铝；电阻元件多采用合金。6、磁性—金属所具有的导磁能力应用举例：汽车用发电机、电动机等常用金属的物理性能金属名称符号密度熔点热导率线膨胀系数电阻率铝铜铁锡钨AlCuFeSnWu2.69848.967.877.29819.3660.110831538231.913380221.9393.575.462.8166.223.81711.762.34.62.6551.679.711.55.1金属材料的性能金属的化学性能概念：金属的化学性能是指金属在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。1、耐腐蚀性—金属抵抗氧、水蒸气、酸、碱等介质侵蚀的能力。提高能力的方法：改变金属材料成分、涂防腐材料等。2、热稳定性—金属在高温下对氧化的抵抗能力。根据不同的工况选用不同的材料。金属材料的机械性能金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。金属材料的性能1、弹性：弹性是指金属材料在外力作用下将产生变形，当外力消失后具有恢复原来形状的性能。该参数主要用弹性模量（E）来表示。E的数值越大，金属可承受的外力也较大，且不会产生永久性变形。如汽车发动机气门弹簧、离合器弹簧等。2、强度：强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标。3、塑性：塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。用延伸率和断面收缩率来衡量。4、硬度：硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。金属材料的性能5、疲劳强度：金属材料在长期重复交变载荷作用下，而不致断裂的最大应力前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指标。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。通常用疲劳强度来表示。金属材料的疲劳断裂往往是突然发生的，具有很大的危险性。6、冲击韧性：以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。应用举例：发动机活塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大的冲击载荷；汽车起步、换档、制动时钢板弹簧、齿轮、传动轴、半轴等零件会受到很大的冲击载荷。金属材料的工艺性能1、铸造性（可铸性）；2、可锻性；3、焊接性（可焊性）；4、切削加工性（可切削性，机械加工性）；5、热处理工艺性能：衡量金属材料热处理工艺性能指标包括导热系数、淬硬性、淬透性、淬火变形、开裂趋势、表面氧化及脱碳趋势、过热及过烧的敏感趋势、晶粒长大趋势、回火特性等。力学性能测试取样1、机加工试样：从产品、压制坯或铸件切取坯机加工制成试样。2、恒定横截面积的产品（型材、棒材、线材）和铸造试样可不经机加工。横截面积形状：圆形、方形、环形、矩形。试样的制备注意：避免由于机加工使试样表面产生硬化及过热而改变力学性能。力学性能试验-拉伸试验试样种类1)棒材试样2)板材试样l0=10d0l0=5d0l0tb003.11Al0065.5Al3)管材试样优先采用全截面管段试样，制作塞头或夹持部分压扁。4)铸件试样5)锻件试样6)带（丝）材试样力学性能试验-拉伸试验拉伸试验的本质是对试样施加轴向拉力，测量试样在变形过程中直至断裂的各项力学性能。试验材料的全面性能反映在拉伸曲线上。主要的性能参数有：弹性模量；屈服强度；抗拉强度；断后伸长率：断面收缩率；按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材料在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形；塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。力学性能试验-拉伸试验弹性模量的计算方法：1、使用机械引伸计（或光学引伸计）在拉伸或压缩过程中测量应变；2、做应力-应变图；3、拟合线性部分；4、所得斜率即为弹性模量。-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400100200300400500600(MPa)0.00040.00060.00080.00100.00120.00140.0016100150200250300350(MPa)testedfitted力学性能试验-拉伸试验按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材料在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形；塑性材料在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。0ssAF塑性应变硬化阶段弹性变形阶段缩颈变形阶段微塑性变形阶段屈服阶段滞弹性阶段0bbAF0ssAF%100001lll%100010AAA典型拉伸曲线力学性能试验-拉伸试验其它典型的拉伸曲线力学性能试验-压缩试验试样试样的形状及尺寸应保证：1、在试验过程中标距内为均匀单向压缩；2、引伸计所测变形应与试样轴线上标距段的变形相等；3、端部不应在实验结束之前损坏。金属材料在室温下单轴压缩的规定非比例压缩应力、规定总压缩应力、屈服点、弹性模量及脆性材料的抗压强度。力学性能试验-弯曲试验原理：采用三点弯曲或四点弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力，一般直至断裂，测定其弯曲力学性能。试样的形状和尺寸：圆形截面和矩形截面。1、铸造试样机加工其表面粗糙度Ra值应不大于３.2um；2、硬金属试样四个相邻侧面的表面粗糙度值应不大于0.4um，四条长棱应进行45度倒角；倒棱宽度不应超过0.5mm；3、薄板试样宽面保留原表面，窄面表面粗糙度Ra值应不大于6.3um。应去除棱边的毛刺。4、其他类型试样在其长度范围内，其表面粗糙度Ra值应不大于0.8um。5、试样数量：薄板：6（正反）；圆形截面和矩形截面试样：每个实验点3个试样。万能材料试验机引伸计（2种）：1、光学引伸计2、机械加持引伸计（标距25mm；50mm）加载速率控制：1、位移控制（试验机夹头分离速率）；2、应变控制；3、应力（载荷）控制。实验夹具实验室认可的检测能力范围序号产品/产品类别项目/参数领域代码检测标准（方法）名称及编号（含年号）限制范围序号名称1金属和金属制品1拉伸试验0301GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法只做≤50kN2金属和金属制品1拉伸试验0301GB/T8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定只做≤50kN3金属和金属制品1三点弯曲试验0301YB/T5349-2006金属弯曲力学性能实验方法只做三点弯曲抗弯强度硬度试验一、硬度的概念及分类1、概念：硬度是指材料对另一较硬物体压入表面的抗力，是重要的机械性能之一。它是给出金属材料软硬程度的数量概念，硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。2、特点：硬度实验方法简单，操作方便，出结果快，又无损于零件，因此被广泛应用。测定金属硬度的方法很多，有布氏硬度、洛氏硬度、肖式硬度和维氏硬度等。二、硬度测试的原理最常使用的硬度测试方法是压入法,即把一个很硬的压头以一定的试验力压入金属试件的表面并产生压痕,根据压痕的大小来确定硬度值.压痕大,则材料较软,硬度值较低;压痕小,则材料较硬,硬度值较高.硬度值并不是表征材料的物理常数,它不仅与材料有关,而且还与测试条件,如试验力的大小，压头的类型等有关.因此,用不同方法在不同条件下测出的硬度值之间,即使是同一材料,也只存在经验换算。布、洛、维硬度计的选用１．维氏硬度计宽的测试范围（几个HV－3000HV以上）。可以涵盖几乎全部的金属材料，从很软的金属到很硬的淬火钢、硬质合金，以及玻璃、矿石、陶瓷、人造金刚石等。2．布氏硬度计有色金属和大部分钢铁材料。3．洛氏硬度计HRA标尺：测试钢铁材料和硬质合金。其测试范围约为20~88HRA;HRC标尺：调质钢、淬火钢、回火钢、硬铸铁、珠光体可锻铸铁和钛合金等，硬度值范围在20～70HRC。表面洛氏HR15N、HR30N、HR45N标尺:其硬度测试范围与HRC相当，都是从较硬的软钢到高硬度的淬火钢。对HRC标尺的补充，当试样硬度符合HRC的测试范围，只是厚度不足时，就可改用表面洛氏硬度N标尺。国家标准规定，对于采用金刚石压头的洛氏硬度标尺，试样厚度应大于压痕深度的10倍.HRB标尺:测试较硬的有色金属和软钢，测试范围20～100HRB。表面洛氏HR15T、HR30T、HR45T标尺：试样厚度不满足HRB。洛氏硬度测试示意图Depth-MinorLoadDistancemeasured(Depth)Depth-MajorLoadSurfaceofSampleRockwellDepthofPenetration原理：将压头（金刚石圆锥、硬质合金球）按图分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的残余压痕深度hIndenteroftester洛氏硬度标尺洛氏硬度（HR）洛氏硬度试验常用的压头有两种：一种是顶角为120的金刚石圆锥，另一种是直径为（1.5875mm）的淬火钢球。据金属材料软硬程度不同，可选用不同的压头和负荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。符号压头负荷（kgf）硬度值有效范围使用范围HRA金刚石圆锥6020~88使用测量硬质合金、表面淬火层、渗碳层HRB1.5875mm钢球10020~100使用测量有色金属、退火及正火钢HRC金刚石圆锥15020~70使用测量调质钢、淬火钢洛氏硬度的试验程序１、试样要求：厚度：金刚石圆锥压头：大于10倍的残余压痕深度；球压头：大于15倍的残余压痕深度。表面粗糙度建议不大于１.６um。2、试验一般在10-35℃室温下进行；3、试样应平稳的放在刚性支撑物上；4、使压头与试样表面接触无冲击无振动的施加初始试验力；5、无冲击无振动的从初始试验力加至总试验力，时间不小于1s且不大于8s。6、总试验力保持时间为4±2s。7、实验过程中，硬度计硬避免受到冲击或振动。8、两相邻压痕中心之间的距离应至少为压痕直的4倍，并且不应小于2mm；任一压痕中心距试样边缘的距离应至少为压痕直径的2.5倍，并且不应小于1mm。维氏硬度测试Vickers压头的几何形状硬度压痕测量示意图D1D2维氏硬度试验维氏硬度试验力范围：1、F≥49.03N（5kg）：维氏硬度试验2、49.03N（5kg）＞F≥1.961N（200g）：小负荷