金属材料的力学性能及其测试方法.doc

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目录

摘要 1

1引言 1

2金属材料的力学性能简介 2

2.1强度 2

2.2塑性 2

2.3硬度 2

2.4冲击韧性 3

2.5疲劳强度 3

3金属材料力学性能测试方法 3

拉伸试验 3

压缩试验 6

扭转试验 8

硬度试验 11

冲击韧度试验 16

疲劳试验 19

4常用的仪器设备简介 20

万能试验机 20

扭转试验机 23

摆锤式冲击试验机 28

5金属材料力学性能测试方法的发展趋势 30

参考文献 30

金属材料的力学性能及其测试方法

摘要：

金属的力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它与材料的失效形式息息相关。

本文主要解释了金属材料各项力学性能的概念，介绍了几个常见的测试金属材料力学性能的试验以及相关的仪器设备，最后阐述了金属材料力学性能测试方法的发展趋势。

关键词：

金属材料，力学性能，测试方法，仪器设备，发展趋势

TestMethodsforTheMechanicalPropertiesofMetalMaterial

Abstract：

Themechanicalpropertiesofmetalmaterialwhichreflectsomeabilitiesofdeformationandfractureresistanceundervariousexternalforcesarecloselylinkedwithfailureforms.Thispapermainlyintroducessomeconceptsofmechanicalpropertiesofmetalmaterial,commonexperimentstestingmechanicalpropertiesofmetalmaterialandapparatusesused.Thetrendofdevelopmentoftestmethodsformechanicalpropertiesofmetalmaterialisalsodiscussed.

Keywords：

metalmaterial，mechanicalproperties，testmethods，apparatuses，

developmenttrend

1引言

材料作为有用的物质，就在于它本身所具有的某种性能，所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着力或能量、温度以及接触介质等的作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。

材料性能测试与组织表征的目的就是要了解和获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系。

而人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。

因此，材料力学性能的测试是所有测试项目中最重要和最主要的内容之一。

在人类发展的历史长河过程中，人们已经建立了许多反映材料外表的和内在的各种关于力学、物理等相关材料性能的测试和分析技术，近现代科学的发展已使材料性能测试分析从经验发展并建立在现代物理理论和试验的基础之上，并且随着人们对材料的力学性能和使用性能的广泛研究和深入理解，也显著促进了材料力学性能测试技术、理论、方法和设备的迅速发展[1]。

2金属材料的力学性能简介

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。

如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。

这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。

这种能力就是材料的力学性能[2]。

金属的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括：

弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等，它们是衡量材料性能极其重要的指标。

2.1强度

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。

抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

2.2塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。

伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。

断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。

伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。

良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。

2.3硬度

硬度是指材料外表抵抗比它更硬的物体压入的能力。

硬度是材料的重要力学性能指标。

一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。

材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。

2.4冲击韧性

金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用αK表示，单位为J/cm2。

冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功αK表示冲击韧性。

αK值越大，则材料的韧性就越好。

αK值低的材料叫做脆性材料，αK值高的材料叫韧性材料。

很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用αK值高的材料制造。

铸铁的αK值很低，灰口铸铁αK值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。

疲劳强度

工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的ss，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。

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。

影响疲劳强度的因素:

内部缺陷、外表划痕、残留应力等[3]。

3金属材料力学性能测试方法

人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。

每种材料的失效形式均与其相关的力学性能有关，如图3-1所示。

结合材料的失效形式，人们可以通过设计实验来了解材料各方面的力学性能。

以下主要介绍几种常见的金属材料力学性能试验，包括拉伸试验、压缩试验、扭转试验、硬度试验、冲击韧度试验、疲劳试验等。

图3-1力学性能和失效形式的关系

拉伸试验

金属力学性能试验方法是检测和评定冶金产品质量的重要手段之一，其中拉伸试验则是应用最广泛的力学性能试验方法。

拉伸性能指标是金属材料的研制、生产和验收最主要的测试项目之一，拉伸试验过程中的各项强度和塑性性能指标是反映金属材料力学性能的重要参数[4]。

影响拉伸试验结果准确度的因素很多，主要包括试样、试验设备和仪器、拉伸性能测试技术和试验结果处理几大类：

为获得准确可靠的，试验室间可比较的试验数据，必须将这些因素加以限定，使其影响减至最小。

拉伸试样

为了便于比较实验结果，按国家标准GB228—76中的有关规定,实验材料要按上述标准做成比例试件,即

圆形截面试件l0=10d0（长试件）

l0=5d0（短试件）

矩形截面试件l0（长试件）

l0（短试件）

式中:

l0--试件的初始计算长度（即试件的标距）;

A0--试件的初始截面面积;

d0--试件在标距内的初始直径。

实验室里使用的金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件,如图3-2所示

图3-2拉伸试件

拉伸试验原理

金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面，最方便的实验。

本试验主要是测定低碳钢在轴向静载拉伸过程中的力学性能。

在试验过程中，利用实验机的自动绘图装置可绘出低碳钢的拉伸图〔如图3-3所示〕。

由于试件在开始受力时，其两端的夹紧部分在试验机的夹头内有一定的滑动，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。

图3-3试件拉伸图

对于低碳钢，在确定屈服载荷PS时，必须注意观察试件屈服时测力度盘上主动针的转动情况，国际规定主动针停止转动时的恒定载荷或第一次回转的最小载荷值为屈服载荷PS，故材料的屈服极限为

试件拉伸到达最大载荷之前，在标距范围内的变形是均匀的。

从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。

因此，测测力度盘上主动针开始回转，而从动针则停留在最大载荷的刻度上，给我们指示出最大载荷Pb，则材料的强度极限为:

试件断列后，将试件的断口对齐，测量出断裂后的标距l1和断口处的直径d1，则材料的延伸率δ和截面收缩率Ψ分别为:

×100%×100%

式中，l0,A0分别为试验前的标距和横截面面积；l1,A1分别为试验后的标距和断口处的横截面面积。

如果断口不在试件距中部的三分之一区段内，则应按国家标准规定采用断口移中法来计算试件拉断后的标距l1。

其具体方法是：

试验前先在试件的标距内，用刻线器刻划等间距的标点或圆周11个，即将标距长度分为10等份。

试验后将拉断的试件断口对齐，如图3—3所示，以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点．当长段所余格数为偶数时，如图３-4〔a〕所示，则取所余格数的一半得C点，于是l1＝AB+2BC

假设长段所余格数为奇数时，如图３-4〔b〕所示，可在长段上取所余格数减１之半得C点，再取所余格数加１之半得C1点，于是l1＝AB＋BC＋BC1

图3-4〔a〕;〔b〕

当断口非常接近试件两端部，而与其端部的距离等于或小于直径的两倍时，需重作试验。

拉伸试验操作简单、方便，通过获得的应力应变曲线包含了大量信息，很容易看出材料的各项力学性能，如比例极限、弹性模量、屈服极限、强度极限等等，因此拉伸试验成为了应用最广泛的力学性能试验方法。

拉伸实验中材料在到达破坏前的变形是均匀的，能够得到单向的应力应变关系，但其缺点是难以获得大的变形量，缩小了测试范围。

压缩试验主要用于测定材料的压缩屈服极限以抗拉强度，并通过实验观察材料在压缩过程中的各种现象〔主要是变形和破坏形式〕，以此来比较各种材料的压缩机械性能的特点。

以下主要以低碳钢〔塑性材料〕与铸铁〔脆性材料〕的压缩试验为例。

压缩试验原理

将试样放在试验机的两压板之间，开动试验机缓慢进行加载，使试样受到缓慢增加的压力作用，示力指针缓慢匀速转动，并利用试验机的绘图装置自动绘出压缩图〔见图3－5〕。

由于试样两端不可能理想的平行，试验时必须使用球形承垫〔见图3－6〕，并且试样应置于球形承垫中心，藉以球形承垫的自动调节作用实现试样的轴向受压。

图3-5试验机绘出的压缩图图3-6球形承垫

压缩曲线的解析

1〕低碳钢的压缩

试样开始变形时服从虎克定律，压缩曲线呈直线〔见图3－5a〕。

在开始出现变形增长很快的非线性小段时，表示材料到达了屈服，但这时并不象拉伸那样有明显的屈服阶段，只是示力指针暂停转动或稍有返回，这暂停或返回的最小值即为压缩屈服荷载PSC。

此后，图形呈曲线上升，材料产生显著的残余变形，试样长度显著缩短，而直径增大。

由于试验机压板与试样两