材料力学性能检测方法.ppt

2010年年10月月金金属属材材料料力力学学性性能能检检测测工艺性能工艺性能在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、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。热加工和热处理的性能。使用性能使用性能材料在使用过程中所表现的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、铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能、热处理工艺性能切削加工性能、热处理工艺性能材材 料料 的的 力力 学学 性性 能能 指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强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。度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。材料的性能材料的性能强度：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。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 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（所加载荷为静载荷静载荷）是一种较简单的力学性能试验，能够清楚地反映出材料受力后所发生的弹性、弹塑性与断裂三个变形阶段的基本特性。经拉伸试验对所测试的力学性能指标的测量稳定可靠，而且理论计算方便，因此各国及国际组织都制定了完善的拉伸试验方法标准，将拉伸试验方法列为力学性能试验中最基本、最重要的试验项目。强度指标：弹性极限强度指标：弹性极限e、屈服强度、屈服强度s、抗拉强度、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应力与应变应力与应变应力：应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为同截面垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”，同，同截面相切的称为截面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”。1.拉 伸 实 验 常 用 术 语FF拉伸拉伸前前拉伸拉伸后后应变：应变：物体形状尺寸所发生物体形状尺寸所发生的相对改变。的相对改变。物体内部某处的线段在变形物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长后长度的改变值同线段原长之比值称为之比值称为“线应变线应变”（1 1）弹性变形：）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，这种形状，这种随外力消失而消失的变形随外力消失而消失的变形，称为，称为弹性变形弹性变形。2.拉伸实验两种基本变形FFF （2 2）塑性变形）塑性变形:材料在外力作用下材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形产生永久的不可恢复的变形，称，称为为塑性变形塑性变形。FF工程材料受力后都会发生变形，包括：弹性变形弹性变形、塑性变形塑性变形、断裂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拉伸试验的工程意义拉伸试验的工程意义拉伸拉伸试试验验FFL拉伸拉伸前前拉伸拉伸后后拉伸拉伸实验设备万能万能实验机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比例试样和定标距试样定标距试样比例试样比例试样：按下式计算而得的试样原始标距长度的试样L0标距长度 S0试样原始截面积K K为常数，通常取为常数，通常取5.655.65或或11.311.3，k=5.65k=5.65时也称为短试样，此时的原始标距时也称为短试样，此时的原始标距应不少于应不少于15mm15mm；k=11.3k=11.3试样称为长试样试样称为长试样对于圆形试样，标距长度为工作直径对于圆形试样，标距长度为工作直径d d的的5 5倍时为短试样，为倍时为短试样，为1010倍时为长倍时为长试样。但在特殊情况有关标准有规定时，也用试样。但在特殊情况有关标准有规定时，也用4d4d或或8d8d的试样的试样2 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。试样又分带夹头和不带夹头两种。试样又分带夹头和不带夹头两种。圆形截面圆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0.1025mm）根据厚度，采用宽度为10mm、12.5mm、15mm、20mm、25mm、30mm的六种试样，比例试样尽可能采用L0=5.65S01/2的短比例试样。矩形试样也可分为带夹头带夹头和不带夹头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（mm）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（mm）（3 3）管材试样）管材试样管材试样一般为自管材切取的全截面管段或从管材切取的全壁厚纵向条状试样。对于d小于等于50mm的无缝管及焊管，可切取全截面管段进行试验。对于d大于等于50mm的管可切取纵向弧形试样，对于管材壁厚大于等于8mm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材料的拉伸曲线1 1、oeoe段段：直线、弹性变形：直线、弹性变形2 2、eses段段：曲线、弹性变形：曲线、弹性变形+塑性变形塑性变形5 5、b b点点出现缩颈现象，即试样局部出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，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，但拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，变形量增大，K K点时试样发生断裂。点时试样发生断裂。3 3、s ss s段段：水平线（略有波动）：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用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。的力基本不变，试样连续伸长。4 4、sbsb曲线曲线：均匀塑性变形，出现加：均匀塑性变形，出现加工硬化。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。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（1 1）弹性极限弹性极限（e e）指指金属金属材料材料能保持弹性变形的最大应力。能保持弹性变形的最大应力。e e=F=Fe e/S/S0 0 （MPaMPa）它表征了材料抵抗弹性变形的能力。（2 2）屈服强度屈服强度（S）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的指材料在外力作用下，产生屈服现象时的最小最小应力。应力。S S=Fs/S=Fs/S0 0 （MPaMPa）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 e e s s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）屈服强度屈服强度 是塑性材料选材和评定的依据。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：对于低塑性材料或脆性材料：b=Fb/S0 （MPa）（3 3）抗拉强度）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。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。抗拉强度抗拉强度 是脆性材料选材的依据。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 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。材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。比例系数比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形称为弹性模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的的抗力，代表材料的“刚度刚度”。所以：E 材料抵抗弹性变形的能力越大。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。逐渐降低。3.刚度刚度2.2.塑性塑性常用常用 和和 作为衡量塑性的指标。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。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。硬度定义：材料抵抗表面局部弹塑性变形的能力。1)布氏硬度HB布布氏氏硬硬度度计计（利用压入法测量）（利用压入法测量）压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。l120HBS10/1000/30 表表示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf载载荷荷作作用用下下保保持持30s测测得得的的布布氏氏硬硬度度值为值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕表示方法：表示方法：硬度值+HBS(HBW)+D+F+t布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。应用：适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的 b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：b(MPa)1HB或 b(MPa)0.6(HB-40)2)洛氏硬度h1-h0洛洛氏氏硬硬度度计计洛氏硬度用符号HR表示，HR=C-h/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。顶角顶角120金金钢石圆钢石圆锥或锥或直径直径1.588mm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=100，金钢石时，金钢石时C130符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA金钢石圆锥金钢石圆锥压头压头：用于测量高硬用于测量高硬度材料度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。如硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB淬火钢球压头：淬火钢球压头：用于测量低硬度用于测量低硬度材料材料,如有色金属和退火、正火钢等。如有色金属和退火、正火钢等。lHRC金钢石圆锥压头：金钢石圆锥压头：用于测量中等硬用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。度材料，如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，操作简便，压痕小，适用范围广。适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕3)维氏硬度维氏硬度维氏硬度计计维氏硬度试验原维氏硬度试验原理理维氏硬度压维氏硬度压痕痕HV0.1891*F/d2维氏硬度用符号HV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。640HV300/20维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计1 1冲击韧冲击韧度（冲击韧度（冲击韧性）性）A AK KU U=mgmg（H H1 1 H H2 2）（）（J J）冲击功）冲击功 a K K=A AK KU U/S /S （J/cmJ/cm2 2）冲击韧度值）冲击韧度值 材料抵抗冲击载荷材料抵抗冲击载荷而不破坏而不破坏的能力。的能力。动态时材料的力学性能动态时材料的力学性能材料的a a K K值愈大，韧性就愈好；材料的a a K K值愈小，材料的脆性愈大，但塑性好的材料a a K K值不一定大。通常把a a K K值小的材料称为脆性材料研究表明，材料的a a K K值随试验温度的降低而降低加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，a a K K在值越低。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 KUKU和和和和a KVKV。建造中的建造中的Titanic 号号TITANICTitanic近代船用钢板近代船用钢板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。发生破坏，这种破坏现象通常称为金属的疲劳。n据统计，约据统计，约80%80%的机件失效为疲劳破坏。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，称此应力值为生断裂，称此应力值为疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限疲劳极限N0N钢：N010-7有色金属：N010-8N0 循环基数影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素:内部缺陷、表面划痕、残留应力等内部缺陷、表面划痕、残留应力等-1疲劳强度疲劳强度疲劳曲线疲劳曲线