材料的力学性能实验指导书.docx
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材料的力学性能实验指导书
材料的力学性能
学生实验指导书
试验一单向拉伸实验（2学时、必做）
拉伸实验是最重要的应用最广泛的材料力学性能实验方法，它可以测定材料的弹性、塑性、强度、应变硬化和韧性等重要的力学性能指标，这些指标是研究新材料、合理使用现有材料、结构设计、预测材料的其它力学性能和改善材料力学性能等的基础。
基本要求：
1）掌握金属拉伸性能指标的测定方法；
2）学会正确使用和操作拉伸实验设备和仪器。
实验内容：
1）观察拉伸实验过程中拉伸曲线与试样形状的变化及其对应关系；
2）用图解法测定金属材料强度指标和塑性指标；
3）用引伸计测定金属材料的弹性指标。
试验原理：
用拉伸力将试样拉伸，一般拉至断裂以便测定力学性能。
实验指导：
1、试验设备和条件
1）试验机
各种类型试验机均可使用，试验机误差应符合JJGl39—83《拉力、压力和万能材料试验机检定规程》或JJGl57—83《小负荷材料试验机检定规程》的1级试验机要求。
2）引伸计
引伸计（包括记录器或指示器）应进行标定，标定时引伸计的工作状态应尽可能与试验时的工作状态相同。
经过标定的引伸计，在日常试验前应注意检查，当引伸计经过检修或发现异常，应进行标定。
3）试验速度
应根据材料性质和试验目的确定。
除有关标准或协议另作规定外，拉伸速度一般应符合3～10MPa/s要求。
2、试样尺寸的测量：
1）试样原始横截面积的测定
圆形试样横截面直径应在标距的两端及中间处两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，选用三处删得横截面积中最小值。
矩形试样横截面尺寸（宽度和厚度）应在标距的两端及中间处测量，选用三处测得横截面积最小值。
2）试样原始标距的标记和测量
可以用两个或一系列等分小冲点或细划线标出原始标距，标记不应影响试样断裂，对于脆性试样和小尺寸试样，建议用快干墨水或带色涂料标出原始标距。
如平行长度比原始标距长许多（例如不经机加工试样），可以标出相互重叠的几组原始标距。
比例试样原始标距的计算值，对于短比例试样应修约到最接近5mm的倍数，对于长比例试样应修约到最接近10mm的倍数。
如为中间数值向较大一方修约。
原始标距应精确到标称标距的±0．5％。
3、性能测定
1）屈服点及规定0.2％非比例伸长应力s0.2的测定
有明显屈服现象的金属材料，应测定其屈服点，上屈服点或下屈服点，但有关标准或协议无规定时，一般只测定屈服点或下屈服点应力见图1。
（a）屈服点Fs（b）上下屈服点Fsu、屈服点FsL
图1屈服点，上屈服点或下屈服点的测定
（a）图解法（b）滞后环法
图2规定非比例伸长应力的测定
（n为位移放大倍数，ep为规定非比例伸长量，Le为引伸计标距）
无明显屈服现象的金属材料，应测定其规定非比例伸长应力s0.2。
图解法：
用自动记录方法绘制力—伸长曲线图时，力轴每毫米所代表的应力，一般应不大于10N／mm，曲线的高度应使Fp，处于力轴量程的二分之一以上。
伸长放大倍数的选择应使图2中的OC段的长度不小于5mm。
在曲线图上，自弹性直线段与伸长轴交点O起，截取一相应于规定非比例伸长的OC段（OC=0.2％nLe），过C点作弹性直线段的平行线CA交曲线于A点，A点对应的力Fp为所测规定非比例伸长力（见图1），规定非比例伸长应力为：
s0.2=Fp/S0。
滞后环法：
如曲线无明显弹性直线段，以致难于准确确定相应的规定非比例伸长力，可采用。
对试样连续施力至略大于预期规定非比例伸长应力相应的力后，将其卸至约为前所施加力的10％，接着再施力至少直至包络线范围。
正常情况将绘出一个滞后环。
通过滞后环两瑞点划一直线。
从曲线的真实原点O起截取OC段（OC=0.2％nLe），过C点作直线CA平行于上述所划直线。
CA线与曲线的交点A所对应的力Fp为所测规定非比例伸长力（见图2）。
一般应使CA线位于滞后环的右侧。
2）抗拉强度sb的测定
试样拉至断裂，从拉伸曲线图上确定试验过程中的最大力，或从测力度盘上读取最大力。
抗拉强度按公式计算：
sb＝Fb/S0。
3）断后伸长率d的测定
试样拉断后，将其断裂部分在断裂处紧密对接在一起，尽量使其轴线位于一直线上。
如拉断处形成缝隙，则此缝隙应计人该试样拉断后的标距内。
断后标距L1的直测法：
如拉断处到最邻近标距端点的距离大于1／3L0时，直接测量标距两端点间的距离。
图3断后标距L1的移位法测定
断后标距L1的移位法：
如拉断处到最邻近标距端点的距离小于或等于1／3L0时，则按下述方法测定。
在长段上从拉断处O取基本等于短段格数，得B点，接着取等于长段所余格数（偶数，图3（a））的一半，得C点，或者取所余格数（奇数，图3（b））分别减1与加1的一半，得C和C1点。
移位后的L1分别为：
AB+2BC和AB+BC+BC1。
断后伸长率按公式计算：
d=[（L1-L0）/L0]´100%
短、长比例试样的断后伸长率分别以符号d5，d10表示。
4）断面收缩率的测定
试样拉断后缩颈处最小横截面积S1的测定：
圆形试样在缩颈最小处两个相互垂直的方向上测量其直径（需要时，应将试样断裂部分在断裂处对接在一起），用两者的算术平均值计算。
矩形试样用缩颈处的最大宽度b1，乘以最小厚度a1求得（见图4）。
断面收缩率按公式（17）计算：
y=[（S0-S1）/S0]´100%
图4矩形试样缩颈处最小横截面积S1的测定
4、性能数值的修约
测得性能数值按表1规定进行修约，修约的方法按照GB1．1—81附录C“数字修约规则”执行。
测试项目
范围
修约到
0.2、b
200Mpa
200～1000Mpa
1000Mpa
1Mpa
5Mpa
10Mpa
10%
10%
0.5%
1%
25%
25%
0.5%
1%
实验报告一
1.试验名称：
2.测试材料及状态：
3.所用仪器设备名称：
4.试样形状及尺寸：
5.测试结果：
（原始数据表格或曲线、计算结果等）
6.分析讨论
a）所测材料是塑性材料还是脆性材料？
b）若所测的某种材料是非脆性材料，那么它是高塑性材料还是低塑性材料？
是连续形变强化型还是非连续形变强化型？
为什么。
c）画出所测材料的应力应变曲线图并同时作出真应力真应变曲线的示意图。
实验二合金的硬度试验（2学时、必做）
硬度实验是生产、材料和工艺研究中常用的产品质量和试样性能的检测方法。
硬度值的大小可以反映材料的成分和显微组织的状态及变化。
基本要求：
1）掌握金属布氏、洛氏、维氏和显微维氏硬度的试验原理和测试方法；
2）了解各种硬度试验的步骤、特点、应用范围及选用原则；
3）学会正确使用和操作各种硬度计。
实验内容：
1）了解各种硬度计及其使用方法；
2）按照各种硬度试验的选用原则，采用不同状态的金属，分别在布氏、洛氏、维氏和显微维氏硬度计上进行硬度测试；
3）观察压痕大小和形状，正确测定硬度值；
4）分析硬度值与金属成分和组织的关系。
实验原理：
用压入法测定的材料硬度，可认为是材料表面对外物压人时引起塑性变形的抗力。
实验指导：
1、布氏硬度测定的原理和方法
测定布氏硬度是用一定的压力将淬火钢球或硬质合金球压头压入试样表面，保持规定的时间后卸除压力。
于是，在试件表面留下压痕（见图），单位压痕表面积A上所承受的平均压力即定义为布氏硬度值。
已知施加的压力P，压头直径D，只要测出试件表面上的压痕深度h或直径d，即可按下式求出布氏硬度值，单位为kgf/mm2，但一般不标注单位。
（1）
由于材料的硬度不同，试件的厚度不同，所以在测定布氏硬度时往往要选用不同直径的压头和压力。
在这种情况下，要在同一材料上测得相同的布氏硬度，或在不同的材料上测得的硬度可以相互比较，则压痕的形状必须几何相似。
图1表示用两个直径不同的压头D1和D2，在不同的压力P1和P2的作用下，压入试件表面的情况。
要使两个压痕几何相似，则两个压痕的压入角应相等。
由图1可见，
，代入式
（1），得
（2）
图1压痕几何相似示意图
表1布氏硬度试验的P／D2值选择表
材料
布氏硬度HB
P/D2
钢和铸铁
<140
10
>140
30
铜和铜合金
<35
5
35-130
10
>135
30
轻金属及其合金
<35
1.25
2.5
35-80
5
10
15
>80
10
15
铅、锑等软金属
1
1.25
由式
（2）可见，要使布氏硬度的压痕几何相似，则比值P/D2应为常数。
所以，布氏硬度试验前，根据试件的厚度选定压头直径。
试件的厚度应大于压痕深度的10倍。
在试件厚度足够时，应尽可能选用10mm直径的压头。
然后再根据材料及其硬度范围，参照表1选择P/D2之值，从而算出试验需用压力P之值。
应当指出，压痕直径d应在0.25-0.60D范围内，所测硬度方为有效。
若d值超出上述范围，则应另选P/D2之值，重作试验。
布氏硬度的测定在布氏硬度试验机上进行：
1）测试时必须保持所加压力与试件表面垂直，施加压力应均匀平稳，不得有冲击和振动。
2）在压力作用下的保持时间也有规定，对于钢铁材料应为10秒，有色金属为30秒，而软金属材料（HB＜35＝的材料为60秒。
3）卸除载荷后，测定压痕直径，代入式
（1），即可求得HB之值。
4）为使用方便，已按式
（1）制出布氏硬度数值表。
测得压痕直径后，即可查表求得HB之值，并用下列符号表示：
当压头为淬火钢球时，用HBS表示；当压头为硬质合金球时，用HBW表示。
HBS或HBW之前的数字表示硬度值，其后的数字表示试验条件，依次为压头直径、压力和保持时间。
例如，200HBSl0／3000／30表示用10mm直径淬火钢球，加压3000kgf，保持30s，测得的布氏硬度值为200；又如，500HBW5／750，表示用硬质合金球，压头直轻5mm，加压750kgf，保持10-15秒（保持时间为10-15秒，不加标注），测得布氏硬度值为500。
当使用淬火钢球作压头时，只能用于测定HB＜450的材料的硬度；使用硬质合金球作压头时，测定的硬度可达650HB。
但当HB>450时，应测定材料的洛氏硬度为宜。
因为测定硬材料的布氏硬度时，所加单位压力大，可能会损坏压头。
2、洛氏硬度测定的原理和方法
洛氏硬度是直接测量压痕深度，并以压痕深浅表示材料的硬度。
常用的洛氏硬度的压头有两类：
即顶角为1200的金刚石圆锥体压头和直径为Φ1.588mm（1／16英寸）的钢球压头。
测洛氏硬度时先加10kgf（98.1MPa）的预压力，然后再加主压力，所加的总压力大小，视被测材料的软硬而定；采用不同压头并施加不同的压力，可以组成不同的洛氏硬度指标尺。
生产上常用的为A、B和C三种洛氏硬度指标，其中又以C指标应用最普遍。
用这三种洛氏硬度指标测得的硬度分别记为HRA、HRB和HRC。
洛氏硬度测试时，试件表面应为平面。
1）测定HRC时，采用金刚石压头，先加10kgf（98.1MPa）预载，压人材料表面的深度为h0，此时表盘上的指针指向零点。
2）然后再加上140kgf主载荷，压头压人表面的深度为h1，表盘上的指针逆时针方向转到相应的刻度。
在主载荷的作用下，压入金属表面的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。
3）卸除主载荷以后，表面变形中的弹性部分将回复，压头将回升一段距离，即（h1–e），表盘上的指针将相应地回转。
4）最后，在试件表面留下的残余压痕深度为e。
人为地规定：
当e＝0.2mm时，HRC＝0；当e＝0，HRC＝100；压痕深度每增0.002mm,HRC降低1个单位。
于是有
HRC＝（0.2–e）／0.002＝100–e／0.002（3）
这样的定义与人们的思维习惯相符合，即压痕的深度愈小，材料愈硬；反之，压痕深度大，则硬度低。
可以很方便地按公式（3）所表示的HRC-e之间的线性关系，制成洛氏硬度读数表，装在洛氏硬度试验机上。
在主载荷卸除后，即可由读数表直接读出HRC之值。
测定洛氏硬度HRA时，所用总载荷为60kgf，其定义与HRC的相同。
测定HRB时，采用Φ1.588的钢球作压头，总载荷为100kgf（980N），测定方法与测定HRC的相同。
但HRB的定义方法略有不同，如下式所示
HRB＝（0.26–e）／0.002＝130–e／0.002（4）
3、维氏硬度测定的原理和方法
维氏硬度测定的原理与方法基本上与布氏硬度的相同，也是根据单位压痕表面积上所承受的压力来定义硬度值。
但测定维氏硬度所用的压头为金刚石制成的四方角锥体，两相对面间的夹角为1360，所加的载荷较小。
测定维氏硬度时，也是以一定的压力将压头压入试件表面，保持一定的时间后卸除压力，于是在试件表面上留下压痕，如图2所示。
已知载荷P，测得压痕两对角线长度后取平均值d，代入下式求得维氏硬度，单位为kgf/mm2，但一般不标注单位。
（5）
图2维氏硬度测定原理的示意图
1）维氏硬度试验时，所加的载荷为5kgf（49.03N），10kgf（98.07N），20kgf（196.1N），30kgf（294.2N），50kgf（490.3N）和100kgf（980.7N）等6种。
维氏硬度特别适用于表面硬化层和薄片材料的硬度测定。
选择载荷时，应使硬化层或试件的厚度大1.5d。
当待测试件厚度较大，应尽要能选用较大的载荷，以减小对角线测量的相对误差和试件表面层的影响，提高维氏硬度测定的精度。
但对于HV＞500的材料，试验时不宜采用50kgf以上的载荷，以免损坏金刚石压头。
测很薄试件的维氏硬度，可选用更小的载荷。
2）当载荷一定时，即可根据d之值，算出维氏硬度表。
试验时，只要测量压痕两对角线长度的平均值，即可查表求得维氏硬度。
3）维氏硬度的表示方法与布氏硬度的相同，例如，640HV30/20，前面的数字为硬度值，后面的数字依次为所加载荷和保持时间。
4、显微维氏硬度测定的原理和方法
显微维氏硬度试验实质上就是更小载荷的维氏硬度试验，其测试原理和维氏硬度试验相同，故硬度值可用公式（5）计算，并仍用符号HV表示。
但由于测试载荷小，载荷与压痕之间的关系就不一定像维氏硬度试验那样符合几何相似原理，因此测试结果必须注明载荷大小，以便能进行有效地比较；如340HV0.1表示用0.1kgf（0.98N）的载荷测得的维氏显微硬度为340，而340HV0.05则是表示用0.05kgf（0.49N）的载荷测得的硬度为340。
实验报告二
1.试验名称：
2.测试材料及其状态：
3.所用仪器设备名称：
4.测试结果：
（原始数据表格或曲线、计算结果等）
5.测试结论：
6.分析讨论
a）布、洛、维硬度测试方法在原理和应用方面各有什么特点？
b）同一材料哪两种硬度的结果数值上接近？
为什么。
c）何谓压痕几何相似性原理？
实验三低温系列冲击试验（2学时、必做）
低温脆性主要发生在结构钢中。
评定材料低温脆性的方法采用的是切口冲击韧性测定
法。
冲击载荷不同于静载荷，它具有能量特性，与构件的断面积及其形状和体积有关。
基本要求：
（1）掌握金属材料常温和低温下冲击试验方法；
（2）学会用能量法或断口形貌法确定金属的冷脆转变温度V15TT、FTT、50％FATT
和FTP：
（3）了解冲击试验机的结构、工作原理及使用方法。
实验内容及步骤：
1）低温恒温箱中对冲击试样保温，试验温度选择为：
室温、00C、—200C、—400C、—600C、
—750C；
2）观察冲击试验在试验机上的试验步骤：
3）记录冲击吸收功；
4）观察断口形貌，测量断口上纤维区域或结晶状区断口的百分率。
韧-脆转化温度的确定
研究低温脆性的主要问题是确定韧-脆转化温度。
目前，结构钢的低温脆性及韧-脆转化温度仍沿用切口冲击韧性测定法进行评定，即能量法，它是一种简便、经济的试验方法。
关于低温冲击韧性的测定在国标GB4159-84中作了规定。
测定韧-脆转化温度，是将试件冷却到不同的温度测定冲击功AK、断口形貌特征与温度的关系曲线，如图1所示。
然后按一定的方法确定韧脆转化温度。
按能量法定义韧脆转化温度，用不同的方法定义的韧脆转化温度示意地表示于图1。
显然，在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧-脆转化温度。
韧性温度储备的大小取决于机件的重要程度。
具体方法有下列几种：
（1）以V型切口冲击试件测定的冲击功AK=15ft1bf（20.3NM）对应的温度作为韧脆转化温度，并记为V15TT。
这是根据实践经验总结而提出的方法。
（2）图1中的曲线有两个平台。
上平台所对应的能量称为高阶能，下平台所对应的能量称为低阶能。
将低阶能开始上升的温度定义为韧-脆转化温度，记为NDT（NilDuctilityTemperature）称为零塑性温度。
在NDT以下，试件的断口为100％的结晶状断。
（3）将高阶能开始降低的温度定义为韧-脆转化温度。
记为FTP（FractureTransitionPlastic）。
当温度高于FTP，试件的断口为100％的纤维状断口。
图1确定韧-脆转化温度的方法及所确定的韧脆转化温度
图2冲击试件的断口形貌示意图
（4）高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化温度，记为FTT（FractureTransitionTemperature）。
（5）另一种确定韧脆转化温度的方法是断口形貌。
冲击试件的断口形貌示意地表示于图2。
断口上有纤维区、放射区（结晶区）和剪切唇。
在不同的温度下，上述三个区的相对面积是不同的；结晶区的面积随温度的变化示于图1。
结晶区面积百分比的增大，表示材料变脆。
通常取结晶状断口面积占50％时的温度为韧脆转化温度，记为50％FATT（FractureAppearanceTransitionTemperature）。
实验报告三
1.试验名称：
2.测试材料及其状态：
3.所用仪器设备名称：
4.测试结果：
（原始数据表格或曲线、计算结果等）
5.测试结论：
6.分析讨论
a）为什么通常采用切口冲击韧性测定法评定结构钢的低温脆性？
其它还有什么方法？
b）为什么温度下降会导致金属产生脆性？
c）试样上开切口后，材料的塑性是否增加？
材料的脆性是否下降？
为什么？
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