實(shí)驗(yàn)一：材料力學(xué)性能綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：韓靖 地點(diǎn)：熱處理實(shí)驗(yàn)室 時(shí)間：2019.5.23一：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握金屬材料拉伸力學(xué)性能的測試方法，研究變形速率對拉伸性能的影響規(guī)律。（2）掌握金屬材料沖擊試驗(yàn)及沖擊吸收功的測試方法。（3）了解材料摩擦磨損試驗(yàn)方法。（4）掌握金屬材料洛氏硬度和維氏硬度的測試方法。二：實(shí)驗(yàn)原理1.拉伸實(shí)驗(yàn)靜載拉伸試驗(yàn)是最基本的、應(yīng)用最廣的材料力學(xué)性能試驗(yàn)。一方面，由靜載拉伸試驗(yàn)測定的力學(xué)性能指標(biāo)，可以作為工程設(shè)計(jì)、評定材料和優(yōu)選工藝的依據(jù)，具有重要的工程實(shí)際意義。另一方面，靜載拉伸試驗(yàn)可以揭示材料的基本力學(xué)行為規(guī)律，也是研究材料力學(xué)性能的基本試驗(yàn)方法。靜載拉伸試驗(yàn)，通常是在室溫和軸向加載條件下進(jìn)行的，其特點(diǎn)是試驗(yàn)機(jī)加載軸線與試樣軸線重合，載荷緩慢施加。在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，試樣在負(fù)荷平穩(wěn)增加下發(fā)生變形直至斷裂，可得出一系列的強(qiáng)度指標(biāo)（屈服強(qiáng)度s和抗拉強(qiáng)度b）和塑性指標(biāo)（伸長率8和斷面收縮率W）。通過試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪出試樣在拉伸過程中的伸長和負(fù)荷之間的關(guān)系曲線，即P-Al曲線，習(xí)慣上稱此曲線為試樣的拉伸圖。圖1即為低碳鋼的拉伸圖。試樣拉伸過程中，開始試樣伸長隨載荷成比例地增加，保持直線關(guān)系。當(dāng)載荷增加到一定值時(shí)，拉伸圖上出現(xiàn)平臺(tái)或鋸齒狀。這種在載荷不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象叫屈服，屈服階段的最小載荷是屈服點(diǎn)載荷Ps，Ps除以試樣原始橫截面面積Ao即得到屈服極限。：sI。=區(qū)3Ac試樣屈服后，要使其繼續(xù)發(fā)生變形，則要克服不斷增長的抗力，這是由于金屬材料在塑性變形過程中不斷發(fā)生的強(qiáng)化。這種隨著塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象叫做形變強(qiáng)化或加工硬化。由于形變強(qiáng)化的作用，這一階段的變形主要是均勻塑性變形和彈性變形。當(dāng)載荷達(dá)到最大值Pb后，試樣的某一部位截面積開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，此后的變形主要集中在縮頸附近，直至達(dá)到Pb試樣拉斷。Pb除以試樣原始橫截面面積A0即得到強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）與：拉伸試驗(yàn)還可得到塑性指標(biāo)，即伸長率8和斷面收縮率w伸長率8——拉斷后的試樣標(biāo)距部分所增加的長度與原始標(biāo)距長度的百分比，即8=^￡x100%I0式中l(wèi)0一試件原始標(biāo)距，為100m%I]—試件拉斷后標(biāo)距長度。斷面收縮率V-為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷后，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測一次直徑，取平均值d1計(jì)算斷口處橫截面面積，再按下式計(jì)算面積收縮率：=%一.K100%4式中A0—試件原始橫截面面積A1—試件拉斷后斷口處最小面積。試件開始受力時(shí)，由于頭部在夾頭內(nèi)滑動(dòng)較大，故繪出的拉伸圖最初一段是是曲線。分析時(shí)應(yīng)將直線段延長與橫坐標(biāo)相交于0點(diǎn)，作為坐標(biāo)原點(diǎn)。OA段為彈性階段載荷與變形成正比，B,C段為屈服階段，CD段為強(qiáng)化階段，DE段為頸縮階段，至E點(diǎn)試件被拉斷。鑄鐵的拉伸圖如圖2所示。鑄鐵試件在承受拉力變形極小時(shí)，就達(dá)到最大載荷而突然發(fā)生斷裂。它沒有屈服和頸縮現(xiàn)象，故在拉伸時(shí)，一般只能測定其強(qiáng)度極限ob，試件沿橫截面斷裂。幾種典型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線由于材料具有不同的化學(xué)成分和微觀組織，在相同的試驗(yàn)條件下，會(huì)顯示出不同的應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)。一般，在金屬、陶瓷和高聚物材料中，拉伸條件下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線大致有五種類型（見圖1-4）：（1）純彈性型：見圖1-4（a）。有這種◎-￡曲線的材料主要是大多數(shù)玻璃、陶瓷、巖石、橫向交聯(lián)很好的聚合物以及一些低溫下的金屬。（2）彈性—均勻塑性型：見圖1-4（b）。有這種o-s曲線的材料主要是許多金屬及合金、部分陶瓷和非晶態(tài)高聚物。應(yīng)該指出，把部分非晶態(tài)高聚物歸入此類只是按應(yīng)力一應(yīng)變曲線的形式劃分的。對于高聚物，盡管表觀彈性變形和塑性變形與金屬有相仿o-s曲線形式，但在變形本質(zhì)上是有一定區(qū)別的。（3）彈性—不均勻塑性型：見圖1-4（c）。有這種o-s曲線的材料主要是低溫和高應(yīng)變速率下的面心立方金屬，其塑性變形常常不是通過滑移而是孿生。當(dāng)孿生應(yīng)變速率超過試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，負(fù)荷會(huì)突然松弛而呈現(xiàn)記錄到的鋸齒形o-s曲線。某些含碳原子的體心立方鐵合金以及鋁合金低溶質(zhì)固溶體也有類似的o-s曲線。（4）彈性—不均勻塑性—均勻塑性型：見圖1-4（d）。有這種o-s曲線的材料主要是一些體心立方的鐵基合金和若干有色合金。它與圖1-2（b）的不同僅在于中間增加了一段不均勻塑性屈服區(qū)（應(yīng)變值大致為1%?3%）。（5）彈性一不均勻塑性—均勻塑性型：見圖1-4（e）。有這種o-s曲線的材料主要是一些結(jié)晶態(tài)高聚物和未經(jīng)拉伸的線形非晶態(tài)高聚物。受拉結(jié)晶高聚物出現(xiàn)這種情況是因?yàn)橛袃蓚€(gè)因素相互制約的結(jié)果。開始變形時(shí)，結(jié)晶高聚物中原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，隨之發(fā)生細(xì)頸屈服，從而載荷下降，繼續(xù)增加應(yīng)變可促使變形最劇烈的區(qū)域重新組合成新的、方向性好和強(qiáng)度高的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。隨著這種新結(jié)構(gòu)的增多，應(yīng)力一應(yīng)變曲線再次上升，直至斷裂。線形非晶態(tài)高聚物受拉伸在形式上呈現(xiàn)與此十分相似的。-￡曲線，但細(xì)頸的發(fā)生是由于線形大分子鏈段的取向而不是結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。注意：細(xì)頸與縮頸在形式上相似，但實(shí)質(zhì)上不同。M 同圖1-4五種類型的應(yīng)力一應(yīng)變曲線根據(jù)工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線可以確定材料的拉伸性能，包括材料的強(qiáng)度、塑性和韌性及斷裂指標(biāo)。所謂強(qiáng)度是材料對塑性變形和斷裂的抗力。塑性表示材料在斷裂前發(fā)生的不可逆的變形量的多少。而韌性則表示斷裂前單位體積材料所吸收的變形和斷裂能，即外力所作的功。.沖擊實(shí)驗(yàn)(1)沖擊實(shí)驗(yàn)是研究材料對于動(dòng)荷抗力的一種實(shí)驗(yàn)，和靜載荷作用不同，由于加載速度快，使材料內(nèi)的應(yīng)力驟然提高，變形速度影響了材料的力學(xué)性質(zhì)，所以材料對動(dòng)載荷作用表現(xiàn)出另一種反應(yīng)。(2)此外在金屬材料的沖擊實(shí)集中驗(yàn)中，還可以揭示在靜載荷時(shí)不易發(fā)現(xiàn)的某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件對機(jī)械性能的影響（如應(yīng)力，材料內(nèi)部缺陷，化學(xué)成分和加荷時(shí)溫度，受力狀態(tài)以及熱處理情況等），因它在工藝分析比較和科學(xué)研究中都具有一定的意義，在工程上常采用“沖擊韌性”來表示材料抵抗沖擊的能力。把金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)試件（金屬夏比（V型缺口）試件）（圖1.1），安置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的機(jī)座上（圖1.2），使它受沖擊而折斷。記錄試件折斷所消耗的能量Ak，將Ak用缺口處的橫截面面積A去除，所得的數(shù)值定義為材料的沖擊韌性ak。8k= （J/CIT|2）ak對材料品質(zhì)、內(nèi)部缺陷和晶粒大小等比較敏感。再加上沖擊試驗(yàn)簡便易行，所以常用來檢驗(yàn)材料質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、脆性程度等。在試件上制作缺口是為了使試件由該處折斷。分析表明，在缺口根部附近材料處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)。某些金屬在靜力拉伸下表現(xiàn)出良好的塑性，但處于三向拉應(yīng)力作用下卻有增加其脆性的傾向。所以塑性材料的缺口試件在沖擊作用下，一般都呈現(xiàn)脆性破壞方式（斷裂）。試驗(yàn)表明，缺口的形狀，試件的絕對尺寸及材料的性質(zhì)等因素都會(huì)影響斷口附近參與塑性變形的體積，因此，沖擊試驗(yàn)必須在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行。同時(shí)，缺口的加工也十分重要，一般應(yīng)當(dāng)銃削或磨削，以保證尺寸準(zhǔn)確。

圖1.2圖1.2圖1.3沖擊試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理如圖1.3所示。將擺錘向上擺起（如圖所示的a角），于是擺錘便具有一定的位能。試驗(yàn)時(shí)，令擺錘突然下落，沖擊安裝在機(jī)座上的試件，將試件沖斷。試件折斷所消耗的能量等于擺錘原來的位能（在a角處）與其沖斷試件后在揚(yáng)起位置（P角處）時(shí)的位能之差。.金屬硬度硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。硬度試驗(yàn)方法很多，基本上可分為壓入法和刻劃法兩類。在壓入法中，根據(jù)加載速度不同又可分靜載壓入法和動(dòng)載壓入法（彈性回跳法）。在靜載壓入法中根據(jù)載荷、壓頭和表示方法不同，又分布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等多種。這類試驗(yàn)方法的軟性系數(shù)a>2o硬度值的物理意義隨試驗(yàn)方法不同，其含義也不同。例如，壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體壓入時(shí)所引起塑性變形的能力；刻劃法硬度值表示金屬抵抗表面局部斷裂的能力；而回跳法硬度值代表金屬彈性變形功的大小。因此，硬度值不是一個(gè)單純的物理量，它表征著材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)。要給'硬度”下一個(gè)確切的定義很困難。一般認(rèn)為硬度是金屬表面抗局部壓入變形或刻劃破壞的能力。生產(chǎn)上壓入法應(yīng)用最廣，首先是因?yàn)閼?yīng)力狀態(tài)很軟（a>2）,能測量所有金屬材料的硬度；同時(shí)這類試驗(yàn)方法簡單，不損工件，適于成批檢驗(yàn)。再者硬度值與0b等性能指標(biāo)有一定聯(lián)系，可由硬度值大致推測出其它強(qiáng)度值。主要有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。三：收獲與體會(huì)材料的力學(xué)性能通常是指材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。經(jīng)過一些基礎(chǔ)的試驗(yàn)，拉伸，疲勞，沖擊，