材料力学性能检测方法.ppt

20102010年年1010月月金属材料力金属材料力工艺性能在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。使用性能材料在使用过程中所表现的性能力学性能物理性能化学性能铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能材 料 的 力 学 性 能 指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。材料的性能n n强度：强度：指金属在静载荷下抵抗变形和断裂的能力。是一般零件设计、选材时的重要依据。n n硬度：硬度：它是衡量材料软硬的一个指标，是金属表面抵抗塑性变形和破坏的能力。检查和控制金属零件的热处理质量 n n塑性：塑性：指金属发生塑性变形而不被破坏的能力。几个常见概念的义几个常见概念的义 作用在机件上的外力载荷静载荷动载荷n n静载荷静载荷：逐渐而缓慢地作用在工作上的力如机床床身的压力、钢索的拉力n n动载荷：动载荷：包括冲击及交变载荷如空气锤杆所受的冲击力、齿轮、弹簧静拉伸试验（所加载荷为静拉伸试验（所加载荷为静载荷静载荷）是是一一种种较较简简单单的的力力学学性性能能试试验验，能能够够清清楚楚地地反反映映出出材材料料受受力力后后所所发发生生的的弹弹性性、弹弹塑塑性性与与断断裂裂三三个个变变形形阶阶段段的的基基本本特特性性。经经拉拉伸伸试试验验对对所所测测试试的的力力学学性性能能指指标标的的测测量量稳稳定定可可靠靠，而而且且理理论论计计算算方方便便，因因此此各各国国及及国国际际组组织织都都制制定定了了完完善善的的拉拉伸伸试试验验方方法法标标准准，将将拉拉伸伸试试验验方方法法列列为为力力学学性性能能试试验验中中最最基基本本、最重要的试验项目。最重要的试验项目。强度指标：弹性极限e、屈服强度s、抗拉强度b塑性指标：断后伸长率、断面收缩率等FFF=F （MPa）FF=F/S应力与应变应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。1.拉 伸实 验常 用术 语FF拉伸前拉伸后应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。2.拉伸实验两种基本变形FFF（2）塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FF工程材料受力后都会发生变形，包括：弹性变形、塑性变形、断裂三个基本阶段弹性弹性：固体材料在外力作用下改变其形状和大小，但当力撤：固体材料在外力作用下改变其形状和大小，但当力撤去后即恢复到原来状态的性质去后即恢复到原来状态的性质塑性塑性：固体材料受到超过一定特定值的外力作用时，其形状：固体材料受到超过一定特定值的外力作用时，其形状与大小会发生永久性变化的特性与大小会发生永久性变化的特性断裂断裂：固体材料受外力作用变形的最终结果，也就是固体材：固体材料受外力作用变形的最终结果，也就是固体材料受力变形产生裂纹和裂纹扩展到一定的临界值后即产生断料受力变形产生裂纹和裂纹扩展到一定的临界值后即产生断裂裂拉伸拉伸试验试验的工程意的工程意义义拉伸试验FFL拉伸前拉伸后拉伸实验设备万能实验机拉伸试样制备拉伸试样制备金属拉伸试样总体可分为比例试样和定标距试样金属拉伸试样总体可分为比例试样和定标距试样比例试样：按下式计算而得的试样原始标距长度的试样比例试样：按下式计算而得的试样原始标距长度的试样L L0 0标距长度标距长度 S S0 0试样原始截面积试样原始截面积K K为为常数，通常取常数，通常取5.655.65或或11.311.3，k=5.65k=5.65时时也称也称为为短短试样试样，此，此时时的原始的原始标标距距应应不少于不少于15mm15mm；k=11.3k=11.3试样试样称称为长试样为长试样对对于于圆圆形形试样试样，标标距距长长度度为为工作直径工作直径d d的的5 5倍倍时为时为短短试样试样，为为1010倍倍时为长时为长试样试样。但在特殊情况有关。但在特殊情况有关标标准有准有规规定定时时，也用，也用4d4d或或8d8d的的试样试样2 2 拉伸试样分类拉伸试样分类对对于于金金属属棒棒材材，一一般般采采用用圆圆形形截截面面的的试试样样。其其直直径径一一般般为为3-25mm3-25mm。试样试样又分又分带夹头带夹头和不和不带夹头带夹头两种。两种。圆圆形截面形截面单肩试样单肩试样双肩试样双肩试样带夹头圆形式样图带夹头圆形式样图圆形试样比例尺寸表圆形试样比例尺寸表若相关产品标准无具体规定、优先采用若相关产品标准无具体规定、优先采用R2R2、R4R4或或R7R7试样尺寸试样尺寸试样总长度取决于夹持方式，原则上试样总长度取决于夹持方式，原则上L LL Lc c+4d+4d（2 2）矩形试样）矩形试样对厚、薄板材，一般采用矩形试样（通常为对厚、薄板材，一般采用矩形试样（通常为0.1025mm0.1025mm）根根据据厚厚度度，采采用用宽宽度度为为10mm10mm、12.5mm12.5mm、15mm15mm、20mm20mm、25mm25mm、30mm30mm的的六六种种试试样样，比比例例试试样样尽尽可可能能采采用用L L0 0=5.65S=5.65S0 01/21/2的的短短比比例例试样。试样。矩形试样也可分为带夹头和不带夹头的比例或定标距的两种矩形试样也可分为带夹头和不带夹头的比例或定标距的两种矩形带夹头拉伸试样图矩形带夹头拉伸试样图矩形带夹头拉伸试样尺寸（矩形带夹头拉伸试样尺寸（mmmm）若相关产品标准无具体规定，优先采用短试样式（比例系数若相关产品标准无具体规定，优先采用短试样式（比例系数k=5.65k=5.65）的比例试样。若比例标）的比例试样。若比例标距小于距小于15mm15mm，建议采用非比例试样，建议采用非比例试样矩形非比例试样尺寸（矩形非比例试样尺寸（mmmm）（3 3）管材试样）管材试样管管材材试试样样一一般般为为自自管管材材切切取取的的全全截截面面管管段段或或从从管管材材切切取取的的全全壁厚纵向条状试样。壁厚纵向条状试样。对对于于d d小小于于等等于于50mm50mm的的无无缝缝管管及及焊焊管管，可可切切取取全全截截面面管管段段进进行行试试验验。对对于于d d大大于于等等于于50mm50mm的的管管可可切切取取纵纵向向弧弧形形试试样样，对对于于管管材壁厚大于等于材壁厚大于等于8mm8mm的，可制成纵向圆形试样。的，可制成纵向圆形试样。全截面管段拉伸式样图全截面管段拉伸式样图管材尺寸表（管材尺寸表（mmmm）管材纵向弧形比例试样及定标距试样图管材纵向弧形比例试样及定标距试样图管材纵向弧形试样尺寸表（管材纵向弧形试样尺寸表（mmmm）（4 4）直径或厚度小于）直径或厚度小于4mm4mm的线材、棒材和型材试样的线材、棒材和型材试样b 极限载荷点e 弹性极限点S 屈服点K 断裂点力伸长曲线材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变形2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形5、b点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，K点时试样发生断裂。3、s s段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、sb曲线：均匀塑性变形，出现加工硬化。okbFess 表征材料强度的三个主要指标材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）弹性极限（e）指金属材料能保持弹性变形的最大应力。e=Fe/S0 （MPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。（2）屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小应力。S=Fs/S0 （MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。条件屈服强度:0.2=F 0.2/S0 （MPa）屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。0.2%l0 bkFes对于低塑性材料或脆性材料：b=Fb/S0 （MPa）（3）抗拉强度（b）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度 是脆性材料选材的依据。物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力屈服强度与抗拉强度的比值S/b称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。在弹性阶段：材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。所以：E 材料抵抗弹性变形的能力越大。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而逐渐降低。3.3.刚度刚度2.塑性常用 和 作为衡量塑性的指标。伸长率：材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。断面收缩率:FFL良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。硬度n n定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。能力。n n 1)布氏硬度布氏硬度HB布氏硬度计（利用压入法测量）n n压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBSHBS表示，适表示，适表示，适表示，适用于布氏硬度值在用于布氏硬度值在用于布氏硬度值在用于布氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。以下的材料。以下的材料。n n压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBWHBW表示，适用于布表示，适用于布表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在氏硬度在氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。以下的材料。以下的材料。l120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+tn n布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。n n缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。比压头还硬的材料。n n应用：适于测量退火、正火、调质钢应用：适于测量退火、正火、调质钢,铸铁铸铁及有色金属的硬度。及有色金属的硬度。n n材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：n n 对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HBn n 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HBn n 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)2)洛氏硬度h1-h0洛氏硬度计n n洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HRHR表示，表示，表示，表示，HR=HR=C C-h/0.002-h/0.002n n根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为为为为A A、B B、C C。顶角顶角120120金金钢石圆钢石圆锥或锥或直径直径1.5881.588mmmm的的淬火钢淬火钢球球压压头头淬火钢球时淬火钢球时C=100C=100，金钢石时，金钢石时C C130130n n符号符号符号符号HRHR前面的数字为硬度值，前面的数字为硬度值，前面的数字为硬度值，前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺后面为使用的标尺后面为使用的标尺后面为使用的标尺。lHRA金钢石圆锥压头：用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB淬火钢球压头：用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。lHRC金钢石圆锥压头：用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕3)维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕HVHV0.1891*F/d0.1891*F/d2 2n n维氏硬度用符号维氏硬度用符号维氏硬度用符号维氏硬度用符号HVHV表示，符号前的数字为硬度值，后面的表示，符号前的数字为硬度值，后面的表示，符号前的数字为硬度值，后面的表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。640HV300/20640HV300/20n n维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计1冲击韧度（冲击韧性）AKU=mg（H1 H2）（J）冲击功 a K=AKU/S （J/cm2）冲击韧度值 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。动态时材料的力学性能n n材料的材料的材料的材料的a a K K值愈大，韧性就愈好；材料的值愈大，韧性就愈好；材料的值愈大，韧性就愈好；材料的值愈大，韧性就愈好；材料的a a K K值愈值愈值愈值愈小，材料的脆性愈大，小，材料的脆性愈大，小，材料的脆性愈大，小，材料的脆性愈大，但塑性好的材料但塑性好的材料但塑性好的材料但塑性好的材料a a K K值不值不值不值不一定大。一定大。一定大。一定大。n n通常把通常把通常把通常把a a K K值小的材料称为脆性材料值小的材料称为脆性材料值小的材料称为脆性材料值小的材料称为脆性材料n n研究表明，材料的研究表明，材料的研究表明，材料的研究表明，材料的a a K K值随试验温度的降低而降值随试验温度的降低而降值随试验温度的降低而降值随试验温度的降低而降低低低低n n加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，a a K K在值越低。在值越低。在值越低。在值越低。n n标准冲击试样有两种，一种是形缺口试样，另一种是标准冲击试样有两种，一种是形缺口试样，另一种是形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和和a KV。建造中的Titanic 号TITANICTitanic近代船用钢板Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果2疲劳强度n实际生产中，有许多机械零件是在大小和方向随时间发生周期性变化的交变应力下工作，零件工作时承受的应力通常都低于屈服强度。机件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，这种破坏现象通常称为金属的疲劳。n据统计，约80%的机件失效为疲劳破坏。n当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为疲劳强度或疲劳极限N0N钢：N010-7有色金属：N010-8N0 循环基数影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等-1-1疲劳强度疲劳强度疲劳曲线疲劳曲线