金屬材料力學性能測試實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康模ㄒ唬┲R目標1.理解金屬材料力學性能的核心指標（抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率、硬度）的物理意義及工程應(yīng)用價值。2.掌握拉伸試驗與硬度試驗的基本原理及標準試驗方法（符合GB/T228.____、GB/T231.____、GB/T230.____、GB/T4340.____等國家標準）。3.熟悉不同金屬材料（低碳鋼、鑄鐵、鋁合金）的力學性能特點及差異。（二）技能目標1.掌握萬能材料試驗機、布氏/洛氏/維氏硬度計的操作方法及注意事項。2.學會金屬材料拉伸試樣與硬度試樣的制備（切割、打磨、拋光）及標距標記方法。3.能獨立完成實驗數(shù)據(jù)的記錄、處理及結(jié)果分析，撰寫規(guī)范的實驗報告。二、實驗原理（一）拉伸性能測試原理拉伸試驗是通過對標準試樣施加軸向拉伸載荷，記錄載荷-位移（或載荷-應(yīng)變）曲線，從而測定金屬材料的強度（抗拉強度、屈服強度）與塑性（伸長率、斷面收縮率）指標。1.抗拉強度（σ?）：試樣斷裂前承受的最大拉伸載荷（P?）與原始截面積（A?）的比值，反映材料抵抗斷裂的能力。\[\sigma_b=\frac{P_b}{A_0}\]其中，\(A_0=\frac{\pid_0^2}{4}\)（\(d_0\)為圓形試樣原始直徑）。2.屈服強度（σ?/σ?.?）：對于有明顯屈服階段的材料（如低碳鋼），屈服強度為屈服平臺對應(yīng)的載荷（P?）與原始截面積的比值（σ?=P?/A?）。對于無明顯屈服階段的材料（如鋁合金），采用條件屈服強度（σ?.?），即試樣產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時的應(yīng)力（需通過載荷-應(yīng)變曲線外推計算）。3.伸長率（δ）：試樣斷后標距（L?）與原始標距（L?）的差值占原始標距的百分比，反映材料的塑性變形能力。\[\delta=\frac{L_1-L_0}{L_0}\times100\%\]注：標準原始標距取\(L_0=5d_0\)（短標距）或\(L_0=10d_0\)（長標距），實驗中通常采用短標距。4.斷面收縮率（ψ）：試樣斷后截面積（A?）與原始截面積（A?）的差值占原始截面積的百分比，更敏感地反映材料的塑性。\[\psi=\frac{A_0-A_1}{A_0}\times100\%\]（二）硬度測試原理硬度是金屬材料抵抗局部變形（壓痕或劃痕）的能力，常用測試方法包括布氏、洛氏、維氏硬度，其原理均為通過壓頭施加載荷形成壓痕，根據(jù)壓痕尺寸計算硬度值。1.布氏硬度（HBW/HBS）：采用硬質(zhì)合金球（HBW）或鋼球（HBS）壓頭，施加固定載荷（P），保持一定時間后，測量壓痕直徑（d），計算壓痕面積上的平均壓力。\[HBW=\frac{2P}{\piD(D-\sqrt{D^2-d^2})}\]其中，\(D\)為壓頭直徑（常用10mm），\(P\)為載荷（根據(jù)材料硬度選取，如低碳鋼用3000kgf）。2.洛氏硬度（HR）：采用金剛石圓錐（HRC、HRA）或鋼球（HRB）壓頭，先施加預(yù)載荷（10kgf），再施加主載荷（如HRC為140kgf），測量壓痕深度變化（Δh），通過公式計算硬度值。HRC（常用標尺，適用于硬鋼）：\(HRC=100-\frac{\Deltah}{0.002}\)（Δh單位為mm）。HRB（適用于軟鋼、鋁合金）：\(HRB=130-\frac{\Deltah}{0.002}\)。3.維氏硬度（HV）：采用金剛石正四棱錐（頂角136°）壓頭，施加載荷（P），測量壓痕對角線平均長度（d），計算硬度值。\[HV=0.1891\times\frac{P}{d^2}\]其中，\(P\)為載荷（N），\(d\)為壓痕對角線平均長度（mm）。三、實驗設(shè)備與材料（一）主要設(shè)備1.萬能材料試驗機：最大載荷≥100kN，具備載荷-位移曲線記錄功能（如電子萬能試驗機或液壓萬能試驗機）。2.硬度計：布氏硬度計（HB-3000）、洛氏硬度計（HR-150A）、維氏硬度計（HV-1000）。3.試樣制備設(shè)備：切割機（砂輪切割機或線切割機）、磨床（平面磨床）、拋光機（金相拋光機）、游標卡尺（精度0.02mm）、千分尺（精度0.01mm）。（二）實驗材料選取3種典型金屬材料，每種材料制備3個平行試樣：1.低碳鋼（Q235）：圓形拉伸試樣（\(d_0=10mm\)，\(L_0=50mm\)）、硬度試樣（10mm×10mm×20mm，表面拋光）。2.灰鑄鐵（HT200）：圓形拉伸試樣（\(d_0=10mm\)，\(L_0=50mm\)）、硬度試樣（同上）。3.鋁合金（6061-T6）：圓形拉伸試樣（\(d_0=10mm\)，\(L_0=50mm\)）、硬度試樣（同上）。四、實驗步驟（一）拉伸性能測試步驟1.試樣制備與檢查：用切割機將材料切割成Φ10mm×120mm的棒料，通過磨床將兩端打磨平整（與軸線垂直）。用千分尺測量試樣原始直徑（\(d_0\)），取圓周方向3個點的平均值（精確至0.01mm）。用游標卡尺在試樣中部標記原始標距（\(L_0=50mm\)），標記線應(yīng)細而清晰（避免應(yīng)力集中）。2.設(shè)備調(diào)試：開啟萬能試驗機電源，預(yù)熱10分鐘，檢查液壓系統(tǒng)（或電子系統(tǒng)）是否正常。選擇合適的夾具（圓形試樣用V型夾具），調(diào)整上下夾具間距，確保試樣軸線與加載軸線重合。設(shè)置加載速度（根據(jù)GB/T228.____，低碳鋼拉伸速度取2-5mm/min）。3.試樣安裝與加載：將試樣夾入上下夾具，調(diào)整夾具位置，使試樣處于自由狀態(tài)（無預(yù)緊力）。啟動試驗機，緩慢施加載荷，實時記錄載荷-位移曲線（注意觀察屈服階段的載荷變化）。當試樣斷裂時，試驗機自動停止加載，保存曲線數(shù)據(jù)。4.斷裂后處理：取下斷裂試樣，用游標卡尺測量斷后標距（\(L_1\)）：將斷裂試樣對接，測量兩標記線之間的距離（精確至0.1mm）。用千分尺測量斷后最小直徑（\(d_1\)）：在斷口附近取3個點的平均值（精確至0.01mm）。（二）硬度測試步驟1.試樣制備：將硬度試樣用磨床打磨至表面平整（粗糙度Ra≤0.8μm），再用拋光機拋光（去除表面劃痕）。試樣厚度應(yīng)滿足標準要求（如布氏硬度測試時，厚度≥10倍壓痕深度）。2.設(shè)備調(diào)整：根據(jù)材料硬度選擇壓頭與載荷：低碳鋼：布氏硬度計（10mm鋼球，3000kgf）、洛氏硬度計（HRB標尺，1.588mm鋼球，100kgf）。灰鑄鐵：布氏硬度計（10mm硬質(zhì)合金球，3000kgf）、洛氏硬度計（HRC標尺，金剛石圓錐，150kgf）。鋁合金：維氏硬度計（136°金剛石錐，100g-500g載荷）、洛氏硬度計（HRB標尺）。調(diào)整硬度計工作臺高度，使壓頭與試樣表面接觸（預(yù)載荷狀態(tài)）。3.加載與測量：施加主載荷，保持規(guī)定時間（布氏10-15秒，洛氏2-3秒，維氏10-15秒）。卸載后，用硬度計自帶的測量裝置（或顯微鏡）測量壓痕尺寸：布氏：測量壓痕直徑（d），取垂直方向2次測量的平均值（精確至0.01mm）。洛氏：直接讀取硬度計表盤或顯示屏上的HR值。維氏：測量壓痕對角線長度（d?、d?），取平均值（精確至0.001mm）。4.重復(fù)測試：同一試樣上的硬度測試點不少于3個，點間距≥3倍壓痕直徑（避免相互影響），取平均值作為該試樣的硬度值。五、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析（一）拉伸性能數(shù)據(jù)處理1.計算原始截面積（\(A_0\)）與斷后截面積（\(A_1\)）：\[A_0=\frac{\pid_0^2}{4},\quadA_1=\frac{\pid_1^2}{4}\]2.從載荷-位移曲線中提取最大載荷（\(P_b\)）與屈服載荷（\(P_s\)）：低碳鋼：屈服平臺對應(yīng)的載荷即為\(P_s\)。鋁合金：通過0.2%應(yīng)變外推法計算\(P_0.2\)（\(\sigma_0.2=P_0.2/A_0\)）。3.計算抗拉強度（\(\sigma_b\)）、屈服強度（\(\sigma_s/\sigma_0.2\)）、伸長率（\(\delta\)）、斷面收縮率（\(\psi\)）：以低碳鋼試樣為例（\(d_0=10.00mm\)，\(L_0=50mm\)，\(P_b=45kN\)，\(P_s=30kN\)，\(L_1=65mm\)，\(d_1=8.00mm\)）：\[A_0=\frac{\pi\times10^2}{4}=78.54mm^2,\quad\sigma_b=\frac{____}{78.54}\approx573MPa\]\[\sigma_s=\frac{____}{78.54}\approx382MPa,\quad\delta=\frac{65-50}{50}\times100\%=30\%\]\[A_1=\frac{\pi\times8^2}{4}=50.27mm^2,\quad\psi=\frac{78.54-50.27}{78.54}\times100\%\approx36\%\]（二）硬度數(shù)據(jù)處理1.布氏硬度（HBW）計算：以灰鑄鐵試樣為例（\(D=10mm\)，\(P=3000kgf\)，\(d=4.50mm\)）：\[HBW=\frac{2\times3000}{\pi\times10\times(10-\sqrt{10^2-4.5^2})}\approx\frac{6000}{\pi\times10\times1.07}\approx178\]2.洛氏硬度（HRB）計算：以鋁合金試樣為例（Δh=0.04mm）：\[HRB=130-\frac{0.04}{0.002}=130-20=110\]3.維氏硬度（HV）計算：以鋁合金試樣為例（\(P=100N\)，\(d=0.200mm\)）：\[HV=0.1891\times\frac{100}{0.200^2}=0.1891\times2500=473\]（三）結(jié)果分析1.對比3種材料的拉伸性能：低碳鋼塑性好（δ、ψ大），鑄鐵脆性大（幾乎無塑性變形），鋁合金強度與塑性介于兩者之間。2.對比3種材料的硬度：鑄鐵硬度最高（HBW≈180），低碳鋼次之（HBW≈150），鋁合金最低（HV≈470？不，鋁合金硬度應(yīng)更低，如6061-T6的HV約為____，此處需修正數(shù)據(jù)）。3.分析誤差來源：標距測量誤差、載荷測量誤差、試樣偏心加載、硬度試樣表面粗糙度等。六、注意事項（一）安全操作1.拉伸試驗時，試樣斷裂可能飛出，嚴禁站在試樣前方或側(cè)面（應(yīng)站在試驗機側(cè)面1米外）。2.硬度計加載時，嚴禁觸碰壓頭或試樣（防止壓傷手指）。3.設(shè)備操作前需檢查電源、液壓系統(tǒng)是否正常，避免誤操作。（二）試樣制備1.拉伸試樣的標距標記應(yīng)采用細鉛筆或劃線機（避免用尖銳工具刻痕，防止應(yīng)力集中）。2.硬度試樣的表面應(yīng)平整、無氧化皮、無劃痕（粗糙度Ra≤0.8μm），否則會影響壓痕測量精度。（三）設(shè)備操作1.萬能試驗機的加載速度應(yīng)符合標準要求（如拉伸速度2-5mm/min），避免速度過快導(dǎo)致結(jié)果偏差。2.硬度計的壓頭應(yīng)定期校準（每3個月一次），確保壓痕尺寸準確。3.同一試樣的硬度測試點應(yīng)分布均勻，避免在試樣邊緣或缺陷處測試。（四）數(shù)據(jù)記錄1.實驗數(shù)據(jù)應(yīng)及時記錄（包括試樣編號、材料名稱、原始尺寸、載荷值、壓痕尺寸等），避免遺漏。2.數(shù)據(jù)處理時應(yīng)保留有效數(shù)字（如拉伸強度保留至整數(shù)，硬度保留至整數(shù)或一位小數(shù)）。七、預(yù)習要求1.復(fù)習《金屬材料及熱處理》課程中關(guān)于拉伸性能、硬度的章節(jié)，明確各指標的定義及物理意義。2.查閱GB/T228.____、GB/T231.____等國家標準，了解實驗方法的規(guī)范性要求。3.預(yù)習萬能材料試驗機、硬度計的操作說明書，熟悉設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與操作流程。八、思考題1.為什么低碳鋼有明顯的屈服階段，而鑄鐵沒有？屈服階段的物理本質(zhì)是什么？2.布氏、洛氏、維氏硬度的適用范圍有何不同？請舉例說明（如低碳鋼、鑄鐵、鋁合金分別適合哪種硬度測試）。3.拉伸試樣的原始標距為什么要規(guī)定為\(L_0=5d_0\)或\(L_0=10d_0\)？標距過長或過短會對伸長率測量產(chǎn)生什么影響？4.硬度測試時，壓痕