材料的力学性能测试

材料的力学性能测试

任何一种材料受力后都有变形产生，变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力，即发生破坏，各种材料的受力——变形——破坏是有一定规律的。材料的力学性能（也称机械性能），是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，如强度、塑性、弹性和韧性等。为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作，必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能，并规定具体的力学性能指标，以便为构件的强度设计提供可靠的依据。材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等，此外，测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。

材料的力学性能测试必修实验为5学时，包括：轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量E的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量G的测定。

§1－1  轴向拉伸实验

一、实验目的

1、 测定低碳钢的屈服强度（）、抗拉强度（）、断后伸长率A11.3（10）和断面收缩率Z（）。

2、 测定铸铁的抗拉强度（）。

3、 比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）在拉伸时的力学性能和断口特征。

注：括号内为GB/T228-2002《金属材料  室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。

二、设备及试样

1、 电液伺服万能试验机（自行改造）。

2、 0.02mm游标卡尺。

3、 低碳钢圆形横截面比例长试样一根。把原始标距段L0十等分，并刻画出圆周等分线。

4、 铸铁圆形横截面非比例试样一根。

注：GB/T228-2002规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距与原始横截面积的关系满足。比例系数取5.65时称为短比例试样，取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数取5.65。非比例试样与无关。

三、实验原理及方法

低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也*为典型。

低碳钢拉伸图（F—ΔL曲线）

以轴向力F为纵坐标，标距段伸长量ΔL为横坐标，所绘出的试验曲线图称为拉伸图，即F—ΔL曲线。低碳钢的拉伸图如上图所示，FeL为下屈服强度对应的轴向力，FeH为上屈服强度对应的轴向力，Fm为*大轴向力。

F—ΔL曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F除以试样横截面的原始面积S0就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示。同样，试样在标距段的伸长ΔL除以试样的原始标距ＬO得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。σ—ε曲线与F—ΔL曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。

典型低碳钢的拉伸σ—ε曲线，如���图所示，可明显分为四个阶段：

（1）弹性阶段oa’：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即

式中比例系数E代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa。它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。E的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。反映横向变形的横向应变ε＇与ε之比的**值μ称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。

（2）屈服阶段ab：在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有450方向的滑移线。

根据GB/T228－2002标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的*大应力称为上屈服强度，记为“ReH”；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的*低应力称为下屈服强度，记为“ReL”，若试样发生屈服而力首次下降的*小应力是屈服期间的*小应力时，该*小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。

通常把试验测定的下屈服强度ReL作为材料的屈服极限σS，σS是材料开始进入塑性的标志。不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此，强度设计中常以屈服极限σS作为确定许可应力的基础。由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形（塑性变形），因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。

    （3）强化阶段bc：屈服阶段结束后，σ—ε曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。σ—ε曲线的应力峰值Rm为材料的强度极限σb。对低碳钢来说σb是材料均匀塑性变形的*大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志。

（4）颈缩阶段cd：应力到达强度极限后，开始在试样*薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。

塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。低碳钢和铸铁是工程材料中*具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于正确、合理地认识和选用材料。

根据试验机绘制的拉伸F—ΔL曲线确定低碳钢的、和铸铁的。

（1）原始横截面面积（S0）的测定：圆形横截面试样，应分别在标距内两端及中部测

量直径。测量某处的直径时，应在该处测量两个互垂方向的直径，取其算术平均值。原始横截面面积S0取三处测得的*小直径计算，并至少保留4位有效数字。

（2）强度指标（、）的测定：从低碳钢的F—ΔL曲线读取试样的FeL和Fm值，将其分别除以试样的原始横截面面积S0得低碳钢的屈服强度和抗拉强度；从铸铁的F—ΔL曲线读取试样的Fm值，将其除以试样的原始横截面面积S0得铸铁抗拉强度；

根据拉断后低碳钢试样的断口直径及标距段长度确定A11.3 和Z

（1）原始标距L0的标记：低碳钢拉伸试样的标距段原始长度为100mm，分十等分，用划线机划细的圆周线作为标记。

（2）低碳钢断面收缩率Z的测定：断裂后试样横截面的*大缩减量S0－Su与原始横截面面积S0之比的百分率为断面收缩率。

测量时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。测量圆形横截面缩颈处的*小直径计算缩颈后的试样*小横截面面积Su。

（3）低碳钢断后伸长率A11.3的测定：断后标距的残余伸长Lu－L0与原始标距L0之比的百分率为断后伸长率。对于比例试样，若原始标距不为，则符号A应附下标注明所使用的比例系数，例如A11.3表示原始标距L0为的试样断后伸长率。

测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，应使试样二段的轴线处于同一直线上，并且断裂部分适当接触。当断裂处与*接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一时，标距段长度Lu按要求配接后直接测量，否则应按下述移位方法测量Lu。

试验前将原始标距L0细分为N等分，把每一等分的细圆周线称为标距等分标记

试验后，以符号X表示断裂后试样短的一段距离试样夹持部*近的标距等分标记，以符号Y表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Y与断裂处的距离*接近X与断裂处的距离，X与Y之间的标距等分格数为n。

若N－n为偶数，以符号Z表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z与Y的标距等分格数为。分别测量X与Y之间的距离记为XY、Y与Z之间的距离记为YZ，则试样断后的标距段长度Lu＝XY＋2YZ，如下图（a）所示。

若N－n为奇数，以符号Z’ 和Z’’表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z’与Y的标距等分格数为，Z’与Z’’的标距等分格数为1。分别测量X与Y之间的距离记为XY、Y与Z’之间的距离记为Y Z’、Z’与Z’’之间的距离记为Z’ Z’’，则试样断后的标距段长度Lu＝XY＋2Y Z’ ＋Z’ Z’’，如下图（b）所示。

中四、实验步骤

1、测量试样原始尺寸  分别在标距两端及中部三个位置上测量的直径，用*小直径计算抗扭截面模量。

2、安装试样并保持试样轴线与扭转试验机转动ZX一致。

3、低碳钢扭转破坏试验，观察线弹性阶段、屈服阶段的力学现象，记录上、下屈服点扭矩值，试样扭断后，记录*大扭矩值，观察断口特征。

4、铸铁扭转破坏试验，试样扭断后，记录*���扭矩值，观察断口特征。

五、实验数据处理

1、试样直径的测量与测量工具的精度一致。

2、抗扭截面模量取4位有效数字。

3、力学性能指标数值的修约要求同拉伸实验