1、材料力學性能The Mechanical Property of Materials實驗教學課程哈爾濱理工大學材料科學與工程學院,引 言,對于材料工作者和工程技術(shù)人員，我們關(guān)心的是用金屬材料制作的機械零部件在其工作條件下變形和斷裂的抗力與服役條件的相互適應(yīng)及其關(guān)系。 機械零部件在預(yù)定的效能下?lián)p壞稱之為“失效現(xiàn)象”。因此，金屬材料的力學性能在某種意上說也是金屬材料的失效抗力。,金屬材料的力學性能包括：強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等性能。因為金屬機件的承載條件一般用各種力學參量來表示，為此人們將表征金屬材料力學行為的力學參量的臨界值稱之為金屬力學性能指標，如強度指標0.2、b、-1,

2、，塑性指標、, 韌性指標aK、Kc等。金屬材料力學性能的優(yōu)劣就是用這些指標具體數(shù)值來衡量。,金屬材料的力學性能取決于材料的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部缺陷等內(nèi)在因素，但外在因素如載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對金屬的力學性能也有很大的影響。分析各種內(nèi)在與外在因素對金屬力學性能的影響，掌握金屬力學性能的變化規(guī)律，對于正確選擇材料，明確提高金屬力學性能的方向和途徑，都有著十分重要的意義。,金屬力學性能的研究是建立在實驗基礎(chǔ)上的，并且金屬材料的各種性能指標也需通過實驗來測定。因此，在金屬力學性能研究中，必須重視金屬力學性能指標的測試技術(shù)。,材料力學性能The Mechan

3、ical Property of Materials實驗教學課程,實驗一:靜拉伸實驗 ( Static Tensile Tests ) 測定比例極限p （Proportional Limit) 對不允許發(fā)生彈性變形的材料,1.實驗?zāi)康?通過靜拉伸實驗，掌握測定金屬材料比例極限p的方法（引伸儀法及加荷法），加深對金屬拉伸性能指標物理意義的理解。,2.實驗原理及方法 比例極限p是應(yīng)力與應(yīng)變成正比線形關(guān)系的最大應(yīng)力。即在拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上開始偏離直線時的應(yīng)力。 p=Pp / FO 式中：Pp 比例極限的載荷 FO 試樣的原始截面面積,低碳鋼拉伸曲線,在實際拉伸曲線上，不是測定開始偏離直線那一點的應(yīng)力

4、，而是測定偏離直線一定值的應(yīng)力。一般規(guī)定拉伸曲線上某點切線和縱坐標夾角的正切值tg 與tg 的比值1.5 時對應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定比例極限。,規(guī)定比例極限：tg/tg =1.5,比例極限p可用圖解法或引伸儀法測定，本實驗用引伸儀測定p 。 用引伸儀法測定p時，采用加荷法，分兩步，即初始段大載荷和末段小載荷方法測定材料的比例極限p 。,3.實驗材料及儀器設(shè)備 1)試驗材料： 退火GCr15鋼，880mm； 2)YJY-12變形傳感器一臺： 標距50mm。 3)CSS-44300電子萬能試驗機一臺； 4)EDC測控系統(tǒng)一套； 5)計算機控制系統(tǒng)一套。,4.實驗步驟 1)確定試驗材料的p估計值 (退火GC

5、r15鋼的p約在3500N4500N/mm2) p估4000N/mm2 Fo=50mm2 Pp估=20000N 2)初載荷取15kN。,3)小等級部分1kN。 用表示變形增量（線性變化）。 每100N的平均伸長100 100=引伸儀變形100N/1500N 當平均伸長100達到或超過1.5100倍時（非線性變化）即： = 1.5 停止加載，用內(nèi)插法計算對應(yīng)載荷PP及比例極限P。,4)將試驗測試數(shù)據(jù)記錄并填入表格。,5.數(shù)據(jù)整理及分析 將試驗測試的數(shù)據(jù)整理、做成圖表，用掌握的知識對其進行分析。 6.討論、撰寫實驗報告 經(jīng)理論分析和討論，對所做實驗的數(shù)據(jù)及整理的圖表有正確的結(jié)論和認識。在此基礎(chǔ)上撰

6、寫實驗報告。,材料力學性能The Mechanical Property of Materials實驗教學課程,實驗二:靜拉伸實驗 ( Static Tensile Tests ) 測定條件屈服強度0.2 （Yield Strength),1.實驗?zāi)康?通過靜拉伸實驗，掌握測定金屬材料條件屈服強度0.2的方法（引伸儀法及卸荷法），加深對金屬拉伸性能指標物理意義的理解。,2.實驗原理及方法 對無明顯物理屈服現(xiàn)象的材料，則應(yīng)測定其屈服強度0.2。0.2是試樣在拉伸過程中標距部分殘余伸長達原標距長度的0.2%時的應(yīng)力。 0.2=P0.2 / FO 式中：P0.2 條件屈服強度的載荷 FO 試樣的原始

7、截面面積,P 0.2的確定,屈服強度0.2可用圖解法或引伸儀法測定，本實驗用引伸儀測定0.2 。 用引伸儀法測定P0.2時，采用卸荷法測定；并計算其比例極限0.2。,3.實驗材料及儀器設(shè)備 1)試驗材料： 退火GCr15鋼，880mm； 2)YJY-12變形傳感器一臺： 標距50mm。 3)CSS-44300電子萬能試驗機一臺； 4)EDC測控系統(tǒng)一套； 5)計算機控制系統(tǒng)一套。,4.實驗步驟 1)計算殘余變形0.2%的引伸儀伸長n 引伸儀工作長度50mm, n = 0.2%50mm =0.1mm 2)用下面方法反復(fù)加荷、卸荷，將數(shù)據(jù) 記入表格內(nèi)，直至n=0.1mm。 n = n+0.02 式

8、中0.02為估計彈性變形量 n = n +(n-M) 式中M為殘余變形量 n =n+(n-M ) 式中M 為第二次殘余變形量 以此類推,列表,5.數(shù)據(jù)整理及分析 將試驗測試的數(shù)據(jù)整理、做成圖表，用掌握的知識對其進行分析。 6.討論、撰寫實驗報告 經(jīng)理論分析和討論，對所做實驗的數(shù)據(jù)及整理的圖表有正確的結(jié)論和認識。在此基礎(chǔ)上撰寫實驗報告。,材料力學性能The Mechanical Property of Materials實驗教學課程,實驗三: 布氏、洛氏硬度試驗 (Brinell and Rockwell Hardness Tests ),1.實驗?zāi)康?硬度試驗由于設(shè)備簡單、操作便捷，又能反映出

9、材料的差異，因而廣泛的應(yīng)用在實際生產(chǎn)和科研中。 通過試驗，了解和掌握布氏、洛氏硬度的測試方法及應(yīng)用范圍。,2.實驗原理及方法 硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能。其物理意義隨試驗方法不同而不同。因此，“硬度”不是材料獨立的力學性能。 硬度試驗是應(yīng)用最廣泛的力學性能試驗。其試驗方法有很多種?；旧戏譃閴喝敕ê涂虅澐▋纱箢悺Ｔ趬喝敕ㄖ杏蟹譃殪o載壓入法和動載壓入法。 布氏硬度、洛氏硬度屬于靜載試驗法。,(1)布氏硬度(Brinell Hardness) 布氏硬度是將淬火鋼球施加規(guī)定的負荷 P ，壓入試樣表面，保持一定時間后卸載。以壓痕表面積 F 除負荷 P 之商值來表示布氏硬度值，用HB表示。 布氏硬

10、度廣泛應(yīng)用于各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金屬的試驗；也用于經(jīng)調(diào)質(zhì)處理及硬度小于HB450的試樣和零件。,布氏硬度試驗原理示意圖,(2)洛氏硬度(Rockwell Hardness) 洛氏硬度是在先后兩次加載（初載荷P0 和主載荷 P）的條件下，將標準壓頭壓入試樣表面來進行的試驗。用實際壓入深度 h 值來衡量試驗材料的軟硬程度，用HR表示。 采用不同的壓頭和總載荷組合作試驗，得到幾種不同的洛氏硬度標度。其中最常用的是HRA、HRB、HRC三種。,洛氏硬度試驗原理示意圖,3.實驗儀器設(shè)備及試塊 布氏硬度計一臺 洛氏硬度計一臺 讀數(shù)放大鏡若干 鋁合金試塊 銅合金試塊 淬火鋼試塊,4.實驗步驟 1

11、)熟悉各種硬度計及硬度試驗的操作方法及注意事項； 2)布氏硬度的壓痕的測量及硬度值的查表及計算； 3)洛氏硬度中HRC 及HRA、HRB的載荷更換；,5.數(shù)據(jù)整理及分析 對不同硬度試驗測試的硬度值進行對比，比較分析不同硬度試驗的使用范圍。 6.討論、撰寫實驗報告 經(jīng)理論分析、討論明確，在靜載荷條件下不同試驗方法得出硬度值的物理意義，在此基礎(chǔ)上撰寫實驗報告。,材料力學性能The Mechanical Property of Materials實驗教學課程,實驗四:維氏(顯微）硬度試驗 (Vickers and Micro-Hardness Tests ),1.實驗?zāi)康?通過試驗，了解和掌握維氏及

12、顯微硬度的測試方法，明確其試驗原理；并對不同材料、不同組織及相不同相進行維氏硬度及顯微硬度測試。,2.實驗原理及方法 維氏硬度的試驗原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭不是球體而是兩面相對夾角為136的金剛石四棱錐體，用HV表示。 HV =2Psin(136/ 2)/ d2= 1.854P/d2,維氏硬度試驗原理示意圖,3.實驗儀器設(shè)備及試塊 維氏硬度計一臺 顯微硬度計二臺 合金試塊若干 金相試樣若干,4.實驗步驟 1）將拋光好的試樣放到硬度計的載物臺，調(diào)整載物臺使之在目鏡下聚焦。 2）選擇好位置，移動載物臺到壓頭下，按規(guī)范加載、保持、

13、卸荷。移回到物鏡下測量壓痕的對角線長度。 3）按計算公式計算或查表得出維氏硬度HV值。,5.數(shù)據(jù)整理及分析 對不同合金材料進行維氏硬度試驗測試；對不同相結(jié)構(gòu)（鐵素體、珠光體等相）進行顯微硬度測試，比較分析。 6.討論、撰寫實驗報告 經(jīng)理論分析、討論明確，在靜載荷條件下得出維氏及顯微硬度值的物理意義，在此基礎(chǔ)上撰寫實驗報告。,材料力學性能The Mechanical Property of Materials實驗教學課程,實驗五: 系列沖擊試驗 ( Series Impact Tests ),1.實驗?zāi)康?1)了解擺錘式?jīng)_擊試驗機的結(jié)構(gòu)原理、操作方法及沖擊試樣的尺寸形狀； 2)通過試驗，了解和掌

14、握金屬材料的沖擊試驗方法。在不同溫度下進行系列沖擊試驗以確定金屬材料的脆性轉(zhuǎn)化溫度。,2.實驗原理及方法 沖擊試驗是一種動態(tài)力學試驗。由于加載速率大，塑性變形得不到充分的發(fā)展，因此能靈敏的反映材料的韌脆特性。 將一定形狀及尺寸的試樣放置在沖擊試驗機的固定支架上，然后將具有一定位能的擺錘釋放，使試樣在沖擊負荷作用下裂斷。,把沖斷試樣所消耗的功Ak，除以試樣斷裂處的截面積FN所得的商稱之為沖擊韌性(或沖擊值)，用ak表示。 ak = Ak / FN (J/cm2) 系列沖擊試驗就是將所需試驗的材料，加工成形狀、尺寸相同的沖擊試樣，進行不同溫度下的沖擊試驗并測出沖擊韌性ak隨試驗溫度變化的曲線。,1擺錘 2試樣,沖擊試驗原理圖,1擺錘 2試樣 3機座 沖擊試樣安裝圖,3.實驗儀器設(shè)備及試塊 1)擺錘式?jīng)_擊試驗機一臺； 2)梅式?jīng)_擊試樣一組； 3)制冷冰箱一臺； 4)加熱爐三臺。,4.實驗步驟 1)熟悉擺錘式