金属常规力学指标测试

实验一金属常规力学指标测定

一、实验目的

1、掌握金属材料常规力学指标的测试方法。

2、掌握各个常规力学指标的作用及意义。

3、了解各个指标的相互关系。

4、熟悉所用测试仪器及设备的原理和操作使用。

二、实验方法及采用标准

1、金属拉伸试验标准GB/T 228.1-2010

2、金属冲击试验标准GB/T 229-2007

3、金属扭转试验标准GB/T 10128-2007

三、实验数据处理

1、依据国家标准，分别计算各个力学参数指标。

（一）金属拉伸实验标准GB/T 228.1-2010

材料的弹性、强度、塑形、应变硬化和韧性等许多重要的力学性能指标统称为拉伸性能，它是材料的基本力学性能。拉伸实验是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸速度拉至断裂，并在拉伸过程中连接记录力与伸长量，从而求出其强度判据和塑性判据的力学性能试验。

（1）试验要求

1)原始标距的标记

对于比例试样，应将原始标距的计算值修约至最接近5mm的倍数，中间数值向较大一方修约。标距的标记应精确到取值数值的 1%。

2)原始横截面积的测定

圆形截面试样应在试样工作段的两断及中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，取其算术平均值，选用三处测得横截面积中的最小值。

（2）拉伸性能的测定

利用试验机的绘图装置得到力-位移关系曲线，如下：

图1 拉伸试验力-位移曲线

1) 断后伸长率测定

为了测定断后伸长率，应将试样断裂的部分仔细地对接在一起使其轴线处于同一直线上，并采取特别措施确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距。按下式计算断后伸长率A ：

u o o L L 62.6450A 100%=100%25.28%25.5%L 50--=??=≈

式中：L o —原始标距；L u —断后标距。

应使用分辨力足够的量具或测量装置测定断后伸长量L u - L o ，并精确到0.25mm ±。

2) 断面收缩率的测定

将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。断裂后最小横截面积的测定应准确到2%±。原始横截面积与断后最小横截面积之差除以原始横截面积的百分率得到断面收缩率，按下式计算：

o u o S S 78.0734.21Z 100%=100%56.18%56%S 78.07--=??=≈

式中：S o —平行长度部分的原始横截面积；S u —断后最小横截面积

3) 抗拉强度的测定

对于呈现明显屈服现象的金属材料，从记录的力-位移图，读取屈服阶段之后的最大力。最大力除以原始横截面积得到抗拉强度。

523045.472 5.821069.97102MAX F Pa Pa S σπ-===?≈???? ???

4) 屈服强度的测定

对有明显屈服现象的材料，应测定其上、下屈服强度。上、下屈服强度的判定采用以下基本原则：

i. 屈服前的第一个峰值应力为上屈服强度，不管其后的峰值应力比它大或者比它小。

ii. 屈服阶段中如果呈现两个或两个以上的谷值应力，舍去第一个谷值应力不计，取谷值应力中最小者判为下屈服强度。

iii. 屈服阶段中呈现屈服平台，平台应力判为下屈服强度；如呈现多个而且后者高于前者的屈服平台，判第一个平台应力为下屈服强度。

iv. 正确的判定结果应该是下屈服强度低于上屈服强度。

试验时记录力-位移曲线，从曲线图读取力首次下降前的最大力和不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小力或屈服平台的恒定力，将它们分别除以试样原始横截面积得到上屈服强度和下屈服强度。 上屈服强度：

523045.472 5.821069.97102MAX F Pa Pa S σπ-===?≈???? ???

下屈服强度：

230112.669 1.4429.97102p

F MPa MPa S σπ-===≈???? ???

（3）试验结果数值的修约

1) 强度性能值修约至1MPa 。

2) 屈服点延伸率修约至0.1%，其他延伸率和断后伸长率修约至0.5%。

3) 断面收缩率修约至1%。

（二）金属材料冲击试验方法 GB/T 229-2007

（1）原理

将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量。

（2）一般要求

标准尺寸冲击试样长度为55mm，横截面为10mm×10mm方形截面。在试样长度中间有V型或U型缺口，V型缺口应有45°夹角，其深度为2mm，底部曲率半径为0.25mm。U型缺口深度应为2mm 或5mm（除非另有规定），底部曲率半径为1mm。

（3）冲击性能的测定

1)冲击性能

旧标准中经常用冲击吸收功和冲击韧度来表示材料冲击性能。冲击吸收功A k：规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功，单位为J。冲击韧度αk：冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，单位J/cm2

新标准中用吸收能量K来表示冲击性能，指在冲击试验中，由指针指示出的能量值。

KU=41.0J KV=28.5J

2)剪切断面率

夏比冲击试样的断口表面常用剪切断面率评定。剪切断面率越高，材料韧性越好。大多数夏比冲击试样的断口形貌为剪切和解理断裂的混合状态。通常使用以下方法测定剪切断面率：测量断口解理断裂部分（即“闪亮”部分）的长度和宽度，查剪切断面率百分比表确定

剪切断面率。

图2 冲击试样剪切断面示意图

图中：1—剪切面积；2—缺口；3—解理面积

注：测量A和B的平均尺寸应精确至0.5mm

U型：A=8.0mm B=6.0mm 剪切断面率40%

V型：A=8.5mm B=6.0mm 剪切断面率36%

（4）实验结果修约

读取每个试样的冲击吸收能量，应至少估读到0.5J或0.5个标度单位（取两者之间较小值）。试验结果至少应保留两位有效数字。

（三）金属材料扭转试验方法GB/T 10128-2007

（1）原理

对试样施加扭矩，测量扭矩及其相应的扭角，一般扭至断裂，以便测定本标准定义的一项或几项扭转力学性能。

（2）试样尺寸测量

圆柱形试样应在标距两端及中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，并取其算术平均值，取用3处测得直径的算术平均值计算试样的极惯性矩；取用3处测得直径的算术平均值中的最小值计算试样的截面系数。

表2 拉伸实验基本数据

（3）扭转性能测定

1) 利用试验机的绘图装置得到M-?关系曲线，即扭转图，如下

图3 扭转试验扭矩-转角关系图 2) 确定材料的剪切模量G

在所记录曲线的弹性直线段上，读取扭矩M 和相应的扭角?

()6044303232112.080750G 3.3010880.28921010360Ml d τγπ?ππ-??====??

????? ???

3) 上屈服强度和下屈服强度的测定

在M-?曲线中，首次下降的最大扭矩为上屈服扭矩，屈服阶段中不计初始瞬时效应的最小扭矩为下屈服扭矩。

i. 上屈服强度

230112.0807142.7114310102MAX T MPa Pa S σπ-===≈???? ???

ii. 下屈服强度

23049.077462.496310102MAX T MPa Pa S σπ-===≈???? ???

4) 抗扭强度的测定

8b 333112.0807 5.711016(1010)16b b M M MPa W d τππ-====???

2、断口形貌图

图4 Q235拉伸破坏断口形貌图 图5 Q235扭转破坏断口形貌图

图6 V型与U型冲击破坏断口形貌图（左V右U）

3、断口形貌分析

金属材料受到外力作用后,其内部受胁能量升高,此时,通过塑性变形来松弛降低能量。当金属不能继续塑性变形时,若再增加应力,它便以断裂的形式彻底松弛。

零件断裂后的自然表面称为断口,其结构与外貌记录了断裂前裂纹的发生、扩展和断裂瞬间的信息。按断口的形状分为杯锥状断口和剪切滑移型断口两种。拉伸韧性断裂的过程有:微孔形核、长大和聚合三个阶段。光滑试样在拉应力作用下,局部出现“颈缩在颈缩区形成三向拉应力状态且心部轴向应力最大，致使试样心部的夹杂物或第二相粒子破裂,形成微孔;随着应力的增大,微孔在纵向与横向不断增加和长大,聚合成微裂纹,方向垂直于拉应力方向，最后，裂纹沿剪切面扩展到试件表面，剪切面方向与拉伸轴线近似成45度。

断口上呈现三个区域：纤维区，放射区及剪切唇。裂纹起源于纤维区，经过快速扩展形成放射区，当裂纹扩展到表面时形成了属于韧性断裂的剪切唇，最后形成杯锥状端口。

纤维区位于断裂的起始处，在断口中央，与主应力垂直，断口上有显微孔洞形成的锯齿状形貌。其底部的晶粒像纤维一样被拉长。纤维区是裂纹缓慢扩展的标志，放射区是裂纹快速扩展的表征，放射区有放射花样，按其形貌可分为放射纤维和放射剪切两种，每根放射花样即为放射元，其放射方向与裂纹扩展方向一致。剪切唇与放射区相毗邻，表面光滑，与拉应力方向成45度角，形状如杯，是典型的剪切断裂。这三个区所占整个断面的比例，随着加载速度，温度及构件的尺寸而变化。当加载速度降低，温度升高，构件尺寸变小时，都会使纤维区和剪切唇区增大。加载速度增大，放射区增大，塑性变形程度减小。构件截面增大时，由于结构上的缺陷几率增多，使得强度降低，塑性指标也降低。

4、按照材料标准，对所测结果进行判定。

四、思考题

1、金属拉伸性能指标在工程中如何应用？

答案：拉伸性能指标包括：断后伸长率、断裂总伸长率、最大力总伸长率、最大力非比例伸长率、上屈服强度、下屈服强度、规定非比例延伸强度、规定总延伸强度、抗拉强度、断面收缩率、拉伸杨氏模量、弦线模量、切线模量、泊松比。

其中，断后延伸率和断面收缩率表征材料的延性，伸长率和收缩率越大，表示材料的延性越好。一般来说，延性越好的材料越有利于受力，安全储备越大。屈服强度不仅具有直接使用的意义，在工程上，也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如，应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。抗拉强度指材料在拉断前承受最大应力值。当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。拉伸杨氏模量的大小标志着材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生变形。弦线模量运用于位移变形曲线中线曲线部分，弦线模量就是与位移变形曲线较贴近的折线的斜率，是分段位移变形与分段拉力的比值，用折线代替曲线，可将变形模量的使用范围延伸到极限载荷。切线模量就是屈服极限和强度极限之间的斜率，用于双线性弹塑性模型来考虑材料的性能。工程上希望知道其相关模量，从而提出切线模量，是材料非弹性极限范围内的宏观的模量的一种表述。根据定义可知，该模量为材料发生屈服以后的硬化模量，可以通过拉伸实验来确定的。它与弹性模量的比值称为塑形系数，在各种结构计算比如局部稳定计算中会用到。

研究材料在给定条件下的力学性能及变化规律，可用于设计、选材及研究工作中，为结构件和零部件的设计提供材料的力学性能数据，；同时，也为材料的成分选择和热处理工艺的指定提供依据，以便得到强度、塑性和韧性相配合的综合性能最佳的材料。

2、金属冲击指标在工程中如何应用？

答案：材料抵抗冲击载荷的能力叫做冲击性能。

标准中，金属冲击指标有冲击吸收功（旧标准）、冲击韧性（旧标准）、吸收能量（新标准），另外还有冲击试样端口、纤维断面率、侧膨胀值、晶状断面率、总冲击能量、裂纹形成能量、裂纹扩展能量、不稳定裂纹扩展起始能量、不稳定裂纹扩展终止能量、最大力、屈服力等指标来表征冲击断裂过程。

冲击吸收功是指规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，其实际意义在于揭示材料的变脆倾向，是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力。冲击韧性值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。其值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使冲击韧性值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸的试样，其冲击韧性或冲击功值不能直接比较。冲击功对于检查金属材料在不同温度下的脆性转化最为敏感，而实际服役条件下的灾难性破断事故，往往与材料的冲击功及服役温度有关。因此在有关标准中常常规定某一温度时的冲击功值为多少还规定FATT（断口面积转化温度）要低于某一温度的技术条件。所谓FATT，即一组在不同温度下的冲击试样冲断后，对冲击断口进行评定，当脆性断裂占总面积的50%时所对应的温度。

3、针对同一金属，各个常规力学指标有何相互联系？

答案：剪切模量、弹性模量、泊松比之间的关系：G=E/2(1+v)。

断面收缩率和延伸率的关系：金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工

艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。不过，在两个指标中，延伸率广泛被作为衡量金属材料机械性能的一个重要指标。据此推测：伸长率更能真实地反映金属的塑性，应该说热处理工艺后，使金属的塑性变差了，但关系不大，还是在塑性材料范围之中。

屈服强度和抗拉强度之间的关系：屈服有很多种，材料在各种应力状态下都可能屈服，比如剪切、压缩、拉伸、三向应力状态。材料屈服后由弹性状态进入塑性状态，出现较大变形。但是材料还没有完全破坏，工程设计中一般以屈服强度作为设计标准。但如果超过抗拉强度，材料就完全破坏了。大多材料的各种强度具有相关性，一般情况下，屈服强度越高，抗拉强度也越高。