實驗一材料力學(xué)性能綜合實驗第一部份材料力學(xué)性能及測試原理材料的利用性能包括物理、化學(xué)、力學(xué)等性能。關(guān)于用于工程中作為構(gòu)件和零件的結(jié)構(gòu)材料，人們最關(guān)切的是它的力學(xué)性能。力學(xué)性能也稱為機械性能。任何材料受力后都要產(chǎn)生變形，變形到必然程度即發(fā)生斷裂。這種在外載作用下材料所表現(xiàn)的變形與斷裂的行為叫力學(xué)行為，它是由材料內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定的，是材料固有的屬性。同時，環(huán)境如溫度、介質(zhì)和加載速度關(guān)于材料的力學(xué)行為有專門大的阻礙。因此材料的力學(xué)行為是外加載荷與環(huán)境因素一起作用的結(jié)果。材料力學(xué)性能是材料抗擊外加載荷引發(fā)的變形和斷裂的能力。材料的力學(xué)性能通過材料的強度、剛度、硬度、塑性、韌性等方面來反映。定量描述這些性能的是力學(xué)性能指標(biāo)。力學(xué)性能指標(biāo)包括屈服強度、抗拉強度、延伸率、截面收縮率、沖擊韌性、疲勞極限、斷裂韌性等。這些力學(xué)性能指標(biāo)是通過一系列實驗測定的。實驗包括靜載荷實驗、循環(huán)載荷實驗、沖擊載荷實驗和裂紋擴展實驗。其中靜載荷拉伸實驗是測定大部份材料常使勁學(xué)性能指標(biāo)的通用方法。力學(xué)指標(biāo)的測定要依據(jù)統(tǒng)一的規(guī)定和方式進行，這確實是國家標(biāo)準(zhǔn)。比如國家標(biāo)準(zhǔn)GB228-87是金屬材料拉伸實驗標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)那個標(biāo)準(zhǔn)，能夠測定金屬的屈服強度、抗拉強度、延伸率、截面收縮率等力學(xué)性能指標(biāo)。其它材料如高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料力學(xué)性能也應(yīng)采納各自的國家標(biāo)準(zhǔn)進行測定。拉伸實驗的條件是常溫、靜荷、軸向加載，即拉伸實驗是在室溫下以均勻緩慢的速度對被測試樣施加軸向載荷的實驗。實驗一樣在材料實驗機上進行。拉伸試樣應(yīng)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)制作。進行單拉實驗時，外力必需通過試樣軸線以確保材料處于單向拉應(yīng)力狀態(tài)。實驗機的夾具、萬向聯(lián)軸節(jié)和按標(biāo)準(zhǔn)加工的試樣和準(zhǔn)確地對試樣的夾持保證了試樣測量部份各點受力相等且為單向受拉狀態(tài)。試樣所受到的載荷通過載荷傳感器檢測出來，試樣由于受外力作用產(chǎn)生的變形能夠借助橫梁位移反映出來，也能夠通過在試樣上安裝引伸計準(zhǔn)確的檢測出來。若是沒有更多的測試要求，一樣實驗均利用橫梁位移代表試樣的伸長，在實驗進程中自動記錄被測試件的拉伸曲線。拉伸曲線即P-AL曲線是觀看材料的拉伸進程、描述材料的力學(xué)性能最好的方法。曲線的縱坐標(biāo)為載荷P，單位是N或KN，橫坐標(biāo)為試樣伸長AL，單位是mm。P-AL曲線形象地表現(xiàn)了材料變形進程和各時期受力和變形的關(guān)系，可是P-AL曲線的定量關(guān)系不僅取決于材質(zhì)而且受試樣幾何尺寸的阻礙。因此，P-AL曲線常常轉(zhuǎn)化為名義應(yīng)力、名義應(yīng)變曲線即。一8曲線（如圖1所示），即Pb=一A0AL&=-L0式中A。和L。別離代表試樣初始條件下的面積和標(biāo)距。試樣受到的載荷除以試樣原始面積就取得了名義應(yīng)力，也叫工程應(yīng)力，用。表示，單位為Mpa。一樣，試樣在標(biāo)距之間的伸長除以試樣的原始標(biāo)距取得名義應(yīng)變用8表示，也叫工程應(yīng)變。。一8曲線與P-AL曲線形狀相似，但排除幾何尺寸的阻礙，因此代表了材料屬性。一. 金屬材料的大體力學(xué)性能及測定方式1.應(yīng)力-應(yīng)變曲線金屬是要緊的結(jié)構(gòu)材料，在工程實際中應(yīng)用極為普遍。作為結(jié)構(gòu)用的金屬材料要緊包括碳鋼、合金鋼、鑄鐵和有色金屬合金。依照材料變形特點，能夠?qū)⒔饘俜譃樗苄圆牧虾痛嘈圆牧蟽深?。圖1的兩個曲線別離為低碳鋼和鑄鐵的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。能夠看出，兩種材料的拉伸進程不同專門大。它們別離是塑性材料和脆性材料的典型代表。從圖1（a）所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠看出，低碳鋼的拉伸進程明顯分為四個時期：彈性時期（OA）：試樣的變形是彈性的。在那個范圍內(nèi)卸載，試樣仍恢恢復(fù)先的尺寸，沒有任何殘余變形，其應(yīng)力與應(yīng)變成直線比例關(guān)系。屈服時期（AB）：在試樣繼續(xù)變形的情形下，載荷卻再也不增加，或呈下降，乃至反復(fù)多次下降，使曲線變成鋸齒狀。這種現(xiàn)象稱為屈服。從A點開始，力與變形再也不知足線性關(guān)系，材料的變形包括彈性和塑性兩部份。若是試樣表面滑膩、材料雜質(zhì)含量少，能夠看到表面有45。方向的滑移線。B0D卸載線B0D卸載線(a)((a)圖1兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線強化時期（BC）:過了屈服時期B點，力又開始增加，曲線又開始上升，說明材料要繼續(xù)變形，載荷就必需要不斷增加。這說明金屬有一種阻止塑性變形的抗力，這種抗力被稱為形變強化。若是在那個時期卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永久保留下來，其卸載途徑與彈性時期平行。卸載后假設(shè)從頭加載，加載線仍與彈性時期平行，而且從頭加載后再也不顯現(xiàn)屈服現(xiàn)象，而材料的彈性時期加長、屈服應(yīng)力明顯提高，這種現(xiàn)象稱作應(yīng)變硬化或加工硬化。隨著載荷的繼續(xù)加大，拉伸曲線的上升將漸趨平緩，C點是曲線的最高點。在現(xiàn)在期試樣變形是整個工作長度內(nèi)的均勻變形，即在試樣遍地截面均勻縮小。圖2金屬典型材料拉伸破壞斷口圖2金屬典型材料拉伸破壞斷口頸縮時期（CD）:從C點開始，試樣的變形集中于某局部截面，即塑性變形開始在局部進行，顯現(xiàn)所謂的“頸縮”現(xiàn)象，試樣的承載能力迅速下降。最后在D點斷裂，形成杯狀斷口（圖2-bcdef）。斷口的周邊為45。剪切唇，斷口組織為暗灰色纖維狀，是典型的韌狀斷口。鑄鐵是典型的脆性材料，如圖1（b）所示，鑄鐵的拉伸進程比較簡單，可近似以為是經(jīng)彈性時期直接過渡到斷裂。其破壞斷口（圖2-a）沿橫截面方向，與加載方向垂直。斷面平齊為閃光的結(jié)晶狀組織，是一種典型的脆狀斷口。大部份金屬是塑性材料，在外力作用下都經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個進程。多數(shù)材料在彈性時期以后沒有明顯的物理屈服現(xiàn)象，從彈性變形到彈塑性變形是慢慢轉(zhuǎn)變的進程。其拉伸曲線的形狀（如圖3所示）介于低碳鋼和鑄鐵之間，常常只有兩個或三個時期。圖3幾種金屬材料的拉伸曲線2.力學(xué)性能指標(biāo)通過拉伸實驗?zāi)軌虼_信的金屬力學(xué)性能指標(biāo)有剛度指標(biāo)、強度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。剛度即代表材料對彈性變形的抗力，一樣用彈性模量來表示。強度指標(biāo)是反映材料抗擊塑性變形和斷裂的抗力，別離用屈服強度和抗拉強度表示。塑性指標(biāo)是反映材料塑性變形的能力，用截面收縮率和斷后伸長率表示。1）剛度指標(biāo)-彈性模量單向拉伸時大多數(shù)材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律，應(yīng)力和應(yīng)變成正比關(guān)系，即o=Ee比例系數(shù)E稱作彈性模量，其經(jīng)常使用單位為Gpa或MPa。在。-8曲線上，E是彈性時期直線的斜率，代表材料抗擊彈性變形的能力。E越大，產(chǎn)生必然彈性變形所需的應(yīng)力越大，彈性變形越困難。當(dāng)機件形狀與尺寸一按時，它們的剛度即決定于材料的彈性模量。彈性模量是氣宇材料剛度的系數(shù)，能夠表征材料抗擊彈性變形的能力，是反映材料剛度的一個性能指標(biāo)。材料的彈性模量E是彈性元件選材的重要依據(jù)，是力學(xué)計算的一個重要參量。通過拉伸實驗測定材料的彈性模量E確實是測定線彈性時期應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。由于在彈性時期試樣的變形超級小，需采納精度較高的方式測定。經(jīng)常使用的方式是在試樣上粘貼電阻應(yīng)變片或在標(biāo)距范圍內(nèi)按裝引伸計測量試樣的軸向應(yīng)變。彈性模量是材料的一個彈性常數(shù)。在拉伸實驗時還能夠測定另一個彈性常數(shù)泊松比。在受到軸向載荷作歷時，試樣在產(chǎn)生軸向伸長的同時，必然引發(fā)橫向收縮。橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比即為泊松比，用R表示日=+8軸式中8橫為橫向應(yīng)變，8軸為軸向應(yīng)變。2）屈服強度屈服現(xiàn)象是金屬材料開始塑性變形的標(biāo)志，而各類機件在服役進程中都是處在彈性變形狀態(tài)，不許諾產(chǎn)生微量塑性變形。因此顯現(xiàn)屈服現(xiàn)象標(biāo)志著產(chǎn)生過量塑性變形失效。屈服強度也叫屈服極限，代表塑性材料抗擊微量塑性變形的抗力，是衡量材料屈服失效的力學(xué)性能指標(biāo)，是金屬塑性材料最重要的強度指標(biāo)。其測定方式分為兩種情形。一種是有明顯物理屈服現(xiàn)象的材料如退火低碳鋼，是以屈服平臺的下屈服點作為材料的屈服強度，用。s表示。這種測定屈服強度的方式比較簡單，測量手腕要求不高。若是實驗用的材料實驗性能夠記錄載荷和活動橫梁移動位移的關(guān)系曲線，那么直接在曲線圖上確信屈服強度（如圖1（a）所示）。若是不具有記錄曲線的條件，那么在加載進程中顯現(xiàn)屈服現(xiàn)象時讀測力盤上指針顯示的載荷讀數(shù)。另一種是沒有屈服平臺的材料如黃銅和鋁合金，由于沒有明顯的屈服時期，這種材料的屈服強度只能用規(guī)定塑性變形量的方式來測定。工程設(shè)計中常以產(chǎn)生％塑性應(yīng)變時的應(yīng)力概念為材料的屈服強度，一樣稱作條件屈服強度，用。來表示。。通經(jīng)常使用圖解法測定，具體方式如圖4所示，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的圖紙上過X軸即應(yīng)變軸的％的位置作彈性時期直線的平行線，平行線與曲線的交點即為。?！? III <% % %圖4。的測定方式3） 抗拉強度拉伸曲線的最高點代表材料的最大承載能力被稱為材料的抗拉強度，也叫強度極限，用。b表示。關(guān)于形成頸縮的塑性材料，抗拉強度代表產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力，關(guān)于脆性材料和不形成頸縮的塑性材料，其抗拉強度代表斷裂的抗力?？估瓘姸群苋菀诇y定,而且重現(xiàn)性好，是作為評定材質(zhì)和評判產(chǎn)品質(zhì)量的常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)之一。4） 塑性指標(biāo)材料發(fā)生塑性變形的能力叫塑性。塑性的大小用塑性指標(biāo)表示，它包括斷后伸長率和斷面收縮率。這兩個塑性指標(biāo)別離從兩個側(cè)面即從試件長度的轉(zhuǎn)變和從試樣截面的轉(zhuǎn)變反映材料的塑性變形程度。斷后伸長率用6表示，斷面收縮率用W表示，概念別離用以下公式表示8=L"Lo100%L0w=A)—1100%A0式中L、A別離代表試樣的原始標(biāo)距長度和原始橫截面積，L、A為試樣拉斷后0 0 1 1的標(biāo)距長度和斷口面積。若是斷口位置在標(biāo)距線之外，那么實驗無效。如斷口在標(biāo)距內(nèi)，但靠近標(biāo)距線那么需用斷口補償法計算斷后伸長率（方式略）。關(guān)于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種比例試樣，斷后伸長率采納不同的下標(biāo)表示。短試樣用6表示，5長試樣用610表示。工程上通常以為，材料的斷后伸長率6>5%屬于韌斷，而6<5%屬于脆斷。3.拉伸試樣要求金屬材料的拉伸試樣應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86的規(guī)定制備。通常試樣有圓截面和矩形截面兩種。圖5為圓截面試樣的示用意。一樣的拉伸試樣由三部份組成，即工作部份、過渡部份和夾持部份。工作部份必需維持滑膩均勻以確保單向L=5.65、A應(yīng)力狀態(tài)。匕稱為試樣的平行長度，L。稱作試樣的原始標(biāo)距。圓試樣的Lc應(yīng)不小于L+d；板試樣的L不小于L+b/2。拉伸試樣分為比例試樣和定標(biāo)距試樣。0 0 C 0 0比例試樣的標(biāo)距與試樣原始截面積的關(guān)系規(guī)定為或式中系數(shù)取為時稱為短試樣，取為時稱為長試樣。若是是圓試樣，那么當(dāng)試樣標(biāo)L=11.3"-距與試樣直徑的比為5,即L。=5d。時稱為短試樣，L0=10d。時稱為長試樣。國家標(biāo)準(zhǔn)推薦利用短比例試樣。試樣的過渡部份必需有適當(dāng)?shù)奶Ъ绾蛨A角，以降低應(yīng)力集中，保證該處可不能斷裂。試樣兩頭的夾持部份用以傳遞載荷，其形狀和尺寸與所用實驗機的夾具結(jié)構(gòu)有關(guān)，如試樣采納圖4的形式，那么試樣夾持部份的長度不該小于夾具長度的三分之二。圖5 金屬拉伸試樣示用意二.非金屬材料的力學(xué)性能及測定方式除金屬材料之外，各類非金屬材料比如高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料大量用于工程實際中。每種材料都有特出的性能，在力學(xué)性能和測試方式上與金屬材料存在專門大不同。1.高分子材料高分子材料也稱為聚合物，其絕緣性好、耐磨、耐侵蝕，易于加工成型。在力學(xué)性能方面，它的高彈性、粘彈性和其力學(xué)性能對時刻與溫度強烈的依托關(guān)系，是這種材料與金屬材料顯著的不同。高分子材料能夠分為工程塑料、橡膠和合成纖維三大類，其中工程塑料可作為工程結(jié)構(gòu)材料利用。工程塑料是熱塑性材料和熱固性材料總稱。按力學(xué)性能可分為兩類，一類是塑性專門好，延伸率可達幾十?幾百%，一部份熱塑性材料屬于這種情形；一類是比較脆，其拉伸進程簡單，拉伸曲線與鑄鐵類似，熱固性材料都屬于這種情形。第一類材料如圖6所示，其拉伸曲線可分為幾個時期。拉伸的最初時期力與變形知足線性關(guān)系，然后進入強迫高彈變形時期直到A點。從A點開始在試樣的某一個截面發(fā)生屈服，截面迅速變小產(chǎn)生頸縮，承載能力下降。達到B點時，此截面的分子鏈沿受力方向被拉伸并定向散布，使頸縮區(qū)強度、剛度增加。爾后應(yīng)力維持一個恒定值，頸縮向兩邊進展，一直到整個試樣長度，在拉伸曲線上形成水平線直到C點。試樣均勻部份全數(shù)頸縮后，整體強度、剛度提高，繼續(xù)變形只有增加外力，形成上升的曲線，直到D點斷裂。A點概念為高分子材料的屈服強度。廣。點概念為材料的抗拉強度。。若是試樣提早斷裂，即由于試樣的內(nèi)部缺點在B點和C點之中斷裂，那么斷裂點應(yīng)力值為斷裂強度。K。因為這種材料在斷裂后斷口無法對攏，無法準(zhǔn)確測量材料的斷后伸長率，因此在關(guān)于高分子材料的拉伸力學(xué)性能測試的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB1040-92)中要求：在加載進程中，跟蹤測量試樣上的標(biāo)距長度，直到試樣斷裂。用試樣斷裂時測量到的標(biāo)距長度?,代入求6的公式，取得材料的斷裂伸長率，記為6k。高分子材料拉伸試件一樣為矩形截面的板狀試件。試件形狀和尺寸的設(shè)計可參考金屬材料。拉伸實驗的加載速度一樣為105mm/min。2.復(fù)合材料隨著科學(xué)技術(shù)的進展，專門是航空航天工業(yè)的進展，對材料提出了更高的要求。單一的材料，比如金屬和高分子材料已不能知足要求。復(fù)合材料是用兩種或兩種以上不同性質(zhì)、不同形態(tài)的材料通過復(fù)合工藝而形成的多相材料。復(fù)合材料不僅能維持原組分材料的部份特點，而且具有原組分材料所不具有的性質(zhì)。比如，玻璃纖維增強復(fù)合材料將玻璃纖維的高強度、高剛度性能與高分子材料的重量輕、絕緣、抗侵蝕、易加工等性能結(jié)合起來，在航空航天、電力設(shè)施等方面發(fā)揮了特有的作用。復(fù)合材料至少包括兩相，其中一相是持續(xù)的比如環(huán)氧樹脂，稱為基體，另一相較如玻璃纖維、碳纖維起增強作用，被基體包容，稱為增強相。復(fù)合材料有很多種，內(nèi)部結(jié)構(gòu)超級復(fù)雜。在教學(xué)實驗中咱們重點研究單層持續(xù)纖

維增強復(fù)合材料。具體材料是玻璃纖維增強單層復(fù)合材料板，基體材料為環(huán)氧樹脂。圖7是單層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示用意。纖維縱向為1方向，面內(nèi)垂直于纖維方向為2方向，3為法線方向。圖8為坐標(biāo)概念說明。X代表加載方向，Y代表垂直于加載方向，。為纖維排列方向（1方向）與加載方向（X）的夾角。平行于纖維方向加載，。=0°;垂直于纖維方向加載，。=90。。很明顯，這是典型的各向異性材料。1）力學(xué)性能及測定方式玻璃纖維增強復(fù)合材料是在工程上大量利用的一種復(fù)合材料，俗稱“玻璃鋼”。由于玻璃鋼屬于脆性材料，因此它的拉伸曲線比較比較簡單。拉伸實驗測定的力學(xué)性能要緊有抗拉強度，最大載荷伸長率或破壞伸長率和彈性模量。抗拉強度與其它材料的概念相同。最大載荷伸長率或破壞伸長率是在拉伸應(yīng)力作用下試樣在最大載荷下或破壞時標(biāo)距長度內(nèi)所產(chǎn)生的伸長，用標(biāo)距的百分比表示。3232?/ 1圖7單層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示用意 圖8坐標(biāo)概念與一樣材料不