1、材料力學性能測試,目錄,第一章 硬度 第二章 拉伸 第三章 沖擊性能 第四章 壓縮,第五章 剪切 第六章 扭轉(zhuǎn) 第七章 彎曲 第八章 疲勞,第一章 硬度,刻劃法,壓入法,硬度： 材料在一定條件下局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是比較各種材料軟硬的指標。,硬度試驗根據(jù)受力方式劃分,靜態(tài)法,動態(tài)法,硬度試驗根據(jù)加力速度劃分,第一節(jié) 布氏硬度 第二節(jié) 洛氏硬度 第三節(jié) 維氏硬度,第二章 拉伸,拉伸性能: 材料的彈性、強度、延性、應變硬化和韌度等重要的力學性能指標統(tǒng)稱拉伸性能，它是材料的基本力學性能。 在工程應用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強度設計的主要依據(jù)之一；提供預測材料的其它力學性能的參量，如疲勞、斷裂等

2、。,屈服強度 材料開始明顯塑性變形時的應力值,抗拉強度 拉斷過程中最大試驗力所對應的應力,一、常用術(shù)語,彈性極限e,屈服極限0.2,符合線性關(guān)系的最高應力,加載卸載后完全彈性恢復的最高應力,0.2殘留變形的應力,比例極限p,l1的測定,伸長率：設試樣的標距為l0，拉斷后若將兩段試樣緊密地對接在一起，量出拉斷后的標距長為l1 ，則 = (l1 l0)/ l0100,直測法: 如斷口到最近的標距的距離大于l0/3,則以直接測得的兩標距端點間的長度為l1,首先在試驗前用刻線機在試件表面上刻出將整個標距長度l0分成n等分的圓周線,位移法: 如斷口到最近的標距的距離大于l0/3,在長段上從拉斷處O取基本

3、等于短段格數(shù),得到B點,接著取長段所余格數(shù)(偶數(shù)a)之半得到C點,或者取長段所余格數(shù)(奇數(shù)b)減1與加1之半,分別得C和C1點,移動后的l1分別為 AO+OB+2BC 或 AO+OB+BC+BC1,二、試樣,夾持部分用來裝入試驗機夾具以便夾緊試樣，過渡部分用來保證標距部分能均勻受力。這兩部分的尺寸及要求決定于試樣的截面形狀和尺寸以及試驗機夾具類型。,試樣的尺寸和形狀對材料的塑料性質(zhì)影響很大，國家對試樣尺寸作了標準化規(guī)定,三、實驗步驟,（一）低碳鋼的試件 1.試件準備 用刻線機在標距l(xiāng)0范圍內(nèi)每隔5mm刻劃一根圓周線，將標距分成10格(對短試件)或20格(對長試件)。用游標卡尺測量標距兩端及中間

4、三個橫截面處的直徑,在每一橫截面內(nèi)沿相互垂直的兩個直徑方向各測量一次取其平均值,用所得的三個平均值中最小的值來計算試件的橫截面面積A0,2.試驗機準備 根據(jù)低碳鋼的強度極限b和試件的橫截面面積A0估算試件的最大載荷，根據(jù)最大載荷的大小，選擇合適的測力度盤。調(diào)整測力指針,對準零點,并使隨動針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。,3.安裝試件 先將試件安裝在試驗機的上夾頭內(nèi),再移動下夾頭使其達到適當位置，并把試件下端夾緊。,4.檢查及試車 完成以上步驟后,開動試驗機,預加少量載荷(其對應的應力不能超過材料的比例極限)后,卸載回零點,以檢查試驗機工作是否正常。,5.進行試驗 開動試驗機使之緩慢勻遞加載

5、。注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動、自動繪圖的情況和相應的試驗現(xiàn)象。當測力指針不動或倒退時,說明材料開始屈服,記錄屈服載荷Fs ，加載至試件斷裂后停機，由隨動指針讀出最大載荷Fb 。取下試件，將斷裂試件的兩段對齊并盡量靠緊，用游標卡尺測量斷裂后標距段的長度l1；測量斷口(頸縮)處的直徑d1 ，計算斷口處的橫截面面積A1 。,（二）灰鑄鐵試件 灰鑄鐵這類脆性材料拉沖時的載荷變形曲線如圖所示。它不象低碳鋼拉伸那樣明顯地可分為彈性、屈服、頸縮、斷裂等四個階段，而是一根非常接近直線的曲線，并且沒有下降段?；诣T鐵試樣是在非常微小的變形請況下突然斷裂的,斷裂后幾乎不留殘余變形。 注意到這些特點，可知灰鑄鐵不僅不具有

6、s ，而且測定它的和也沒有實際意義。因此，對灰鑄鐵只需測定它的強度極限b就可以了。 取制備好的試樣，測出其橫截面積A0 ,然后裝在試驗機上逐漸緩慢加載直到試樣斷裂，記下最大載荷Fb ，據(jù)此即可算得強度極限 b = Fb / A0,第三章 沖擊性能,材料在沖擊載荷（速度較高）作用下，其變形和破壞的過程: 彈性變形 塑性變形 斷裂破壞,彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的，因而彈性總跟得上外加載荷的變化，所以加載速度對材料的彈性行為及相應的機械性能沒有影響。,塑性變形的傳播則比較慢，若加載速度太快，塑性變形就來不及充分進行，在宏觀上表現(xiàn)為屈服強度與靜載時相比有較大的提高但塑性卻明顯下降，材料會產(chǎn)生明顯的

7、脆化傾向。,沖擊試驗： 沖斷具有缺口的試樣，測定其吸收的能量。,一、沖擊韌性 k （J / m2） k = Ak/F F為試樣缺口處的初始面積 k 作為材料的沖擊抗力指標，不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，試樣的形狀、尺寸、缺口形式等都會對k值產(chǎn)生很大的影響，因此k只是材料抗沖擊斷裂的一個參考性指標。只能在規(guī)定條件下進行相對比較，而不能代換到具體零件上進行定量計算。,沖擊韌性對于評定材料在沖擊載荷作用下的力學性能，鑒定原材料的冶金質(zhì)量及熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量、評定材料的脆化傾向以及測定鋼材的時效敏感性等方面有很重要的作用。,二、按照試樣受載荷方式劃分 1.沖擊拉伸 其試樣的形狀類似于靜拉伸試樣，通常試樣的兩端

8、做成螺紋，一端旋于沖擊錘上，另一端旋上一個螺母狀的檔鐵，當沖擊錘帶著試樣運動時，試樣另一端的檔鐵碰到試驗機上的阻擋支座，即形成沖擊。試樣的受載方式與衡速率拉伸相近。 2.沖擊扭轉(zhuǎn) 試樣為長方體試樣，通常一端固定在可夾緊的支座上，另一端固定一個與試樣長度方向垂直的扭轉(zhuǎn)力矩杠桿，當沖擊錘沖擊力矩杠桿時即形成扭轉(zhuǎn)沖擊。這種試驗方式容易顯示在常用的沖擊彎曲試驗下難以顯示的性能差異，常用作分辨和檢定材料硬度高而沖擊韌性值偏低的材料。如回火脆性等。,3.沖擊彎曲 沖擊試驗最常見的受載模式，一般簡稱為沖擊試驗，這種試驗分為兩種形式： （1）簡支梁試驗（charpy） 試樣兩端支撐，沖擊錘擊試樣中部，根據(jù)試樣

9、所吸收的沖擊功測定試樣的Ak值，沖擊錘的刃口以及支座圓角根據(jù)GB3808和ASMT E23標準有不同的尺寸要求。試樣的缺口有V形和U形兩種。 （2）懸臂梁試驗（lzod） 長矩形試樣一端夾持，錘擊另一端，這種試驗在國內(nèi)開展不廣泛，在歐美等國家常用此試驗方法，符合ISO/R84，GB 4158標準。 4.沖擊剝離 為了研究粘合劑與層壓材料之間的粘接強度，將試樣用粘合劑粘接，試驗時夾緊下試樣，使沖擊刀刃貼近粘接層沖擊上試塊，以測定粘接層的抗沖擊能力。,沖擊實驗的方法很多，但國際上常規(guī)沖擊實驗只有兩種： 簡支梁式?jīng)_擊彎曲實驗：實驗時試樣處于三點彎曲受力狀態(tài)。也稱“夏比”(Charpy)沖擊實驗 懸臂

10、式?jīng)_擊彎曲實驗： 實驗時試樣處于懸臂彎曲狀態(tài)，也稱“艾佐”(lzod)沖擊實驗 （如圖）,夏比沖擊實驗： 將具有規(guī)定形狀和尺寸的試樣，放在沖擊實驗機的試樣支座上，使之處于簡支梁狀態(tài)。然后使規(guī)定高度的擺錘下落，產(chǎn)生沖擊載荷將試樣折斷，如圖所示。 夏比沖擊實驗實質(zhì)上就是通過能量轉(zhuǎn)換過程測定試樣在這種沖擊載荷作用下折斷時所吸收的功。,設擺錘的重力為F（N），擺錘旋轉(zhuǎn)軸線到擺錘重心的 距離為L（m），若將其抬起的高度為H（m）、則此 時擺錘所具有的能量為： E1 = F H = FL（1 COS ）,若擺錘下落折斷試樣后擺錘的高度變?yōu)閔，則擺錘的 剩余能量為： E2 = F h = FL（1 COS

11、）,這兩部分能量之差，即為金屬試樣在沖擊載荷作用 下折斷時所吸收的功AK AK = F H F h = FL（COS COS ） AK 的單位是 Nm ，通常用 J 表示（1 J = 1 Nm）,一、試樣,夏比沖擊試樣根據(jù)其缺口形狀的不同要求可分為v型缺口試樣和u型缺口試樣兩種類型。,1. V型缺口試樣 標準試樣，標準試樣是尺寸為10mm10mm55mm 在長度中部開有2mm深v型缺口的試樣。圖(a) 輔助小尺寸試樣，當板材厚度在10mm以下無法切取標準試樣時，則根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定可以采用如圖（b）所示的兩種輔助小尺寸試樣，其寬度分別為7.5mm和5mm，試樣的其他尺寸及其偏差和缺口形狀與圖(a

12、)中的要求相同。,2.U型缺口試樣 標準試樣：標準試樣是尺寸10mm10mm55mm，在 長度中部開有2mm深u型缺口的試樣。其形狀、尺寸及 偏差見圖(c)。 深u型試樣，其形狀和尺寸如圖(d)所示。 輔助小尺寸試樣與v型缺口試樣一樣，也可采用 7.5mm10mm55mm和5mm10mm55mm的兩種輔助小 尺寸試樣，其缺口為2mm或5mm深U型。,試樣開切口的目的是為了使試樣在承受沖擊時在切口附近造成應力集中，使塑性交形局限在切口附近不大的體積范圍內(nèi)，并保證試樣一次就被沖斷且使斷裂就發(fā)生在切口處。. k值對切口的形狀和尺寸十分敏感，切口愈深，愈尖銳k值愈低，材料的脆化傾向愈嚴重。因此，同種材

13、料用不同切口試樣測定的k值不能相互換算和直接比較。,二、步驟,(1)用精度不低于0.02mm的量具測量試樣缺口底部處的橫截面尺寸，其橫截面尺寸應在規(guī)定偏差范圍內(nèi)。,(2)根據(jù)所測試材料的牌號和熱處理工藝，估計試樣沖擊吸收功的大小，選擇實驗機的打擊能量加上合適的擺錘，使試樣折斷的沖擊吸收功在所用擺錘最大能量的10-90范圍內(nèi)。,(3)進行空打?qū)嶒炂淠康氖菣z查實驗機是否處于正常工作狀態(tài)。方法是當擺錘自由下落時，使指針對準最大打擊能量處。然后揚起擺錘空打，檢查此時的指針是否指零。其偏離不應超過最小分度的1/4。,(4)正確放置試樣 試樣應緊貼支座安放，使缺口的背面朝向擺錘打擊方向；試樣缺口的擱置,應

14、使用專用的定位規(guī)對中，使之位于兩支座對稱面上，其偏差不應大于0.2mm。,(5)將擺錘接起，撥動指針指向最大打擊能量處，然后送開掛鉤使擺錘下落沖斷試樣,并任其向前繼續(xù)擺動,直到達到最高點后回擺時,使用制動閘將擺錘剎住,使其停止在垂直位置,記下指針在示值度盤上所指的數(shù)值,即為沖擊吸收功Ak,回收試樣,觀察斷口。,第四章 壓縮,壓縮性能： 材料在壓縮應力作用下，抗變形和破壞的能力。,對于一般材料而言，從拉伸實驗得到的力學性能指標即可滿足工程設計相應用的要求，但對于一些脆性和低塑性材料（如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼和鑄鋁合金等）,由于在拉伸時呈脆性斷裂，其塑性指標無法求得，但采用壓縮實驗卻可以測出它們在韌

15、性狀態(tài)下的力學性能。 實際上，許多結(jié)構(gòu)、零件是在壓縮載荷下工作的,所以研究材料在壓縮時的力學性能,具有一定的工程實際意義。,壓縮試驗時，材料的力學性能可以用壓力和變形的關(guān)系曲線表示，稱為壓縮圖。 圖a為低碳鋼的壓縮圖，由圖可見低碳鋼在壓縮時存在彈性極限、比例極限、屈服極限。試驗表明，低碳鋼壓縮時的屈服極限在數(shù)值上和拉伸時的相應數(shù)值差不多，只是屈服現(xiàn)象不如拉伸時那樣明顯。隨著壓力的增加，試樣由鼓形變成扁餅狀而且越壓越扁，不會發(fā)生壓縮破壞，故不能測得其抗壓強度極限。故一般均以屈服極限作為低碳綱的抗壓強度的特征數(shù)值。,圖b為灰鑄鐵壓縮曲線。一般其抗壓強度極限為抗拉強度極限的3至4倍。此外，還可測得灰

16、鑄鐵壓縮時的某些塑性指標，如相對壓縮率和截面擴展率等。灰鑄鐵壓縮破壞斷口為斜面,如圖。,低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試樣一股制成圓柱體，其高h0與直徑d0之比在1至3的范圍內(nèi)。 其理由是：目前常用的壓縮實驗方法是兩端平壓法，這種壓縮實驗方法，試樣的上、下兩端與實驗機承墊之間會產(chǎn)生根大的摩擦力,它們阻礙試樣上部及下部的橫向變形,導致測得的抗壓強度較實際偏高。當試樣的高度相對增加時，摩擦力對試樣中部的影響就可變小，因此抗壓強度與比值h0/d0有關(guān)。,為了保證試樣中心受壓，兩端面的平行度要好，且與試樣軸垂直。實驗時還必須加球形承墊,如圖所示.它可以位于試祥上端,也可以位于下端。球形承墊的作用是當試詳

17、兩端稍不平行，可起到自動調(diào)節(jié)對中加載的作用。,由此可見，壓縮實驗的結(jié)果是與實驗條件有關(guān)的。實驗表明，此值取在1h0d03的范圍內(nèi)為宜。若小于1，則摩擦力的影響太大,若大于3，雖然摩擦力的影響減少，但穩(wěn)定性的影響卻突出起來。為了減小試樣上、下端面與試驗機承墊之間的摩擦力的影響，除了在實驗之前，將試祥兩端面涂以潤滑劑外，同時還需保證試樣端面加工應有較高的光潔度，要求達到1.6至0.8 。,步驟 一.低碳鋼壓縮實驗 測定試樣的截面尺寸 用游標卡尺在試樣高度中央取一處予以測量，沿兩個互相垂直的方向各測一次,取其平均值作為d0來計算截面面積A0 ，用游標卡尺測量試樣的高度h0 。 調(diào)整實驗機 估算低碳鋼

18、試樣的屈服載荷的大小，選擇合適的量程按實驗機操作規(guī)程,調(diào)整因為指針使其對準廢盤的零點,并調(diào)整好自動繪圖裝置。,安裝試祥 將試祥兩端面涂上潤滑劑，并準確地安放在實驗機活動平臺承墊的中心位置上。,裝好防護罩。 檢查及試機 啟動實驗機，先提升活動平臺，當試樣的上端面靠近實驗機上承墊時，應大大減緩活動平臺上升的速度。注意：必須切實避免急劇加載。待試樣上端面與上承墊接觸受力后，用慢速預先加少量載荷。之后關(guān)閉送油閥，檢查實驗機各部分工作是否正常，自動繪圖裝置是否動作。 進行實驗 開啟送油閥，進行緩慢均勻地加載，并注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動情況，隨時調(diào)整送油閥的進油量大小、以控制加載速度，同時要注意觀察自動繪制

19、的壓縮曲線，以便及時而準確地判定其屈服載荷，并記錄之。屈服階段結(jié)束后繼續(xù)加載,并觀察試樣由原來的圓柱形逐漸變成鼓形，將試樣壓成餅狀后，關(guān)閉送油閥，停止加載。 實驗完畢,關(guān)掉實驗機電源,開啟回油閥，使活動平臺下降。卸載完畢，取下實驗后的試樣，觀察變形情況。,二、鑄鐵壓縮實驗 鑄鐵壓縮實驗方法和步驟與低碳鋼壓縮實驗的-相同。 進行實驗時，亦應緩慢開啟送油閥，均勻地加載，同時注意觀察測力指針的轉(zhuǎn)動情況和自動繪制的曲線。當發(fā)現(xiàn)其壓縮曲線開始明顯變彎曲，測力指針的轉(zhuǎn)動開始倒遲，這時試祥表面已產(chǎn)生微裂紋，且裂紋迅速擴展，這是試樣破壞的前奏，操作者特別注意。當聽到試樣斷裂的聲響，馬上停機，這時試樣巳完全破壞

20、。應關(guān)閉送油閥，開啟回油閥，使活動平臺下降，取下被壓裂的試樣，觀察變形及斷口形狀，記錄測力度盤上從動針所指示的力值，即Pb值。,第五章 剪切,實際工程中所使用的螺栓、銷釘、鉚釘和鍵等構(gòu)件，都是起連接作用的零件，主要承受剪切作用。,剪切試驗： 作用在試樣兩個側(cè)面的載荷，其合力為大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對力，并使試樣兩部分沿著與合力作用線平行的受剪面發(fā)生錯動。 剪切試驗實際上就是測定試樣剪切破壞時的最大錯動力，并根據(jù)公式計算出相應的應力，用表示，單位為N/mm2。,剪切試驗一般分為單剪試驗、雙剪試驗、沖孔試驗、開縫剪切試驗和復合鋼板剪切試驗等。,單剪試驗裝置,雙剪試驗裝置,沖孔剪切試

21、驗裝置,為了使計算簡便，工程上通常采用近似的但基本符合實際的實用計算方法。即假定剪應力在剪切面內(nèi)是均勻分布的。而且，在確定材料的極限應力的剪切實驗中，使試件的受力條件盡可能地模擬實際零件的受力情況。在測得試件的最大載荷Pb后，仍然按剪應力在剪切面上均布的同樣方法，算得該材料的剪切強度極限b 即 式中A為試件橫截面面積，Pb 為最大載荷。,低碳鋼剪切實驗步驟,(1)測量低碳鋼剪切試件的直徑d0 用游標卡尺在試件任一處沿互相垂直的兩方向各測量一次，取其平均值作為d0 (2)預估低碳鋼材料的剪切強度極限(其0約在500-600MPa之間)，根據(jù)試件直徑估算破壞時所需最大載荷Pb，選擇好實驗機的量程及

22、其相應的測力度盤。 (3)按要求將試件安裝到剪切器上并將剪切器置于萬能材料實驗機的承墊上。 (4)緩慢均勻加力直至試件被剪斷，試件剪斷后，應立即關(guān)機，并讀取試件被剪斷時的破壞載荷Pb，然后取出試件，觀察試件破壞后的形貌。 (5)整理工具和現(xiàn)場、關(guān)閉進油閥，打開回油閥，使實驗機的工作臺回復原位。,第六章 扭轉(zhuǎn),一、扭轉(zhuǎn)試驗特點,(1)扭轉(zhuǎn)的應力狀態(tài)軟性（柔度）系數(shù)a=0.8，因此可用它來測定那些在拉伸實驗時呈脆性正斷的材料(如調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼)的塑性變形的抗力指標。 (2)在用圓柱形試件進行扭轉(zhuǎn)試驗時，由于在整個試件長度內(nèi)的塑性變形始終是均勻的，不會出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。 而且試件的截面尺寸及標距長度

23、基本上保持不變。因此， 可用來精確評定拉伸時出現(xiàn)頸縮的塑性材料的變形能力和抗力指標。,(3)扭轉(zhuǎn)時試件橫截面上扭轉(zhuǎn)剪應力分布不均勻，表面最大，越往心部越小。因而它對表面缺陷以及表面硬化層的性能反映是很敏感的。工程上往往可以利用這一特性來檢查零件熱處理的表面質(zhì)量和相對各種表面強化工藝進行研究。,(4)由于扭轉(zhuǎn)時試件上任一點為純剪切應力狀態(tài)，故試件表面上存在的max和max在數(shù)值上大體相等，而工程上許多金屬材料的k真 k真 所以，扭轉(zhuǎn)試驗是測定這些材料切斷強度的可靠方法。此外，根據(jù)扭轉(zhuǎn)試件的斷口持征可明確地區(qū)分材料最終斷裂的方式是正斷還是切斷。一般，塑性材料的扭轉(zhuǎn)斷裂面垂直于試件的線，斷口平整且有

24、回旋狀的塑性變形痕跡(圖a)，這是由max造成的切斷.脆性材料的扭轉(zhuǎn)斷口呈螺旋狀曲面,與試件軸線約成45(圖b)，這是在max 作用下產(chǎn)生的正斷。在扭轉(zhuǎn)試驗中所出現(xiàn)的這兩種典型材料的不同斷裂方式為分析材料的破壞原因和抗斷能力提供了直接而有效的依據(jù),這一點是其他試驗方法所不具備的。,二、試樣 1.圓柱形試樣，直徑10mm，標距L0為50mm、100mm，平行長度Lc為70mm、120mm； 對于其他直徑，平行長度為標距加上兩倍直徑。,2.管形試樣，平行長度為標距加上兩倍外直徑。,三、扭轉(zhuǎn)圖,在試驗過程中，隨著扭矩M的增大，試件標距兩端截面不斷產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，使扭轉(zhuǎn)角的增大，繪出曲線稱為扭轉(zhuǎn)圖。 扭

25、轉(zhuǎn)圖與拉伸試驗測定的真應力-真應變曲線相似，這是因為在扭轉(zhuǎn)時試件的形狀不變，其變形始終是均勻的，即使進入塑性變形階段，扭矩仍隨變形的增大而增加，直至試件斷裂。,塑性材料斷口與試件的軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡（a）。這是由切應力造成的切斷； 脆性材料斷口約與試件軸線成45螺旋狀（b）；如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低，扭轉(zhuǎn)斷裂時可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口（c）?？梢愿鶕?jù)斷口特征，判斷產(chǎn)生斷裂的原因以及材料的抗扭強度和抗拉（壓）強度相對大小。,四、應用,五、步驟,1.尺寸測量 在標距兩端及中間處選三個截面,每個截面在相互垂直的方向各測一次直徑,取其算術(shù)平均值作為改截面的平均直徑,取三處

26、平均直徑的最小值計算試樣抗扭截面模量Wn,2.斷口分析,低碳鋼：平面斷口 斷裂由剪應力引起，斷面上可看出回旋狀塑性變形的痕跡，是典型的韌狀斷口。斷裂時的剪應力定義為強度極限。,鑄鐵：45螺旋斷口 斷裂由最大拉應力引起，而最大拉應力先于最大剪應力達到強度極限后發(fā)生斷裂又說明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。,通過圓柱形試件的扭轉(zhuǎn)實驗可以測出如下力學性能指標： 剪切彈性模量G,材料的扭轉(zhuǎn)過程可用其T-曲線(亦即扭轉(zhuǎn)圖）描述。T代表施加在試件上的扭矩，代表試件上相為l0的 兩截面的相對扭轉(zhuǎn)角。圖為兩種典型材料(低碳鋼和 鑄鐵)的T-曲線。 由低碳鋼的扭轉(zhuǎn)曲線可看出，在其直線部分oa段為彈 性階段，在該

27、階段內(nèi)試件橫截面上的扭轉(zhuǎn)剪應力和剪應變呈線性分布。,由材料力學中的彈性應力公式知，此時在試件表面上的最大扭轉(zhuǎn)剪應力為：,最大剪切力：,式中d0為試件的直徑；l0為試件的標距長；,為試件的扭轉(zhuǎn)截面模量,根據(jù)剪切虎克定律：,扭轉(zhuǎn)試驗時只需測出該階段內(nèi)的扭矩值T和其相應的扭轉(zhuǎn)角，則可由上式求出剪切彈性模量G,剪切比例極限p 在 T- 圖上求出對T軸的正切比其直線部分的正切值大 50的扭矩值 Tp，即可由下式：,得出這種規(guī)定條件的比例極限p,剪切屈服極限,當扭矩超過 Tp 后，橫截面上剪應力的分布不再呈線性，而剪應變?nèi)员３志€性分布，如圖（b）。隨著扭短的繼續(xù)增加，試件表面的剪應力將首先達到屈服極限 ，

28、但是由于試件內(nèi)部的剪應力尚小于 ，所以，在試件表面的剪應力暫時不再增加，而剪應變迅速增加的情況下，試件仍能繼續(xù)承裁，T-曲線稍微上升。隨著扭矩的不斷增加；橫裁面上剪應力達到 區(qū)域就會逐漸形成一個環(huán)狀塑性區(qū)，如圖(b)，并不斷地向圓心擴展直至橫截面的應力幾乎全部達到屈服極限，如圖(c)后，試件才接近于全面進入塑性，此時，扭轉(zhuǎn)機上的扭矩度盤上的指針出現(xiàn)了短暫的停留。,設此時的扭矩值為 ，由靜力學關(guān)系知若在截面上任取一切 向內(nèi)力元素 則該橫截面上所有切向內(nèi)力元素 對圓 心取矩之和即為該截面之扭矩，故有,式中為dA與圓心的距離。取離圓心為，寬度為d的環(huán)形微面 積為dA，如圖（c），則 dA = 2d，

29、將其代入上式得,故,由于上式是在橫截面上扭轉(zhuǎn)剪應力的分布情況如圖（c）所示，即 材料呈理想塑性狀態(tài)下推導得出的，因此上式稱為扭轉(zhuǎn)時剪切屈服 極限的彈塑性應力公式。,對于沒有明顯屈服表征的材料，可以將產(chǎn)生殘余剪應變?yōu)?.3時的相應應力值作為條件屈服極限，并用0.3 表示，即,T0.3為試件產(chǎn)生殘余剪應變?yōu)?.3時作用在試件上的扭矩，其值可用圖解法或卸力法測定。由廣義虎克定律和應變狀態(tài)理論可以證明，扭轉(zhuǎn)時規(guī)定殘余財應變?yōu)?.3，是與拉伸時規(guī)定的殘余應變值0.2相對應的。,剪切彈性極限 隨著對試件的繼續(xù)加載，T-曲線開始上升，材料將進一步強 化，此時，橫截面上扭轉(zhuǎn)剪應力的真實分布如圖(d)所示，設此

30、時 剪應力與剪應變的關(guān)系為 = f () 根據(jù)靜力學關(guān)系，此時截面上所受扭矩可寫為,由于離圓心為處的內(nèi)層剪應變,式中為單位長度扭轉(zhuǎn)角.聯(lián)立上式可得,式中 將上式兩邊對微分,則有,在試件表面處的 ,所以,故,上式即強化后的真實剪應力計算公式,若將 T-曲線的橫坐標變換成,則可用圖解法在 T-曲線 中很容易地求得max 當 T=Tb 時,試件被扭斷.設其時 ,則真實扭 轉(zhuǎn)強度為:,假設實驗測得的 T-曲線在最后部分與軸接近平行, 即 則上式便成為,上式即為剪切強度極限b的理論計算公式.而我國的國家標準 從指標的相互可比為出發(fā)點,規(guī)定扭轉(zhuǎn)時的剪切屈服極限可采用如 下公式 而強度極限則采用,鑄鐵試件的

31、T-曲線如圖所示。從開始受扭，直至破壞，為一微彎的曲線.雖然其塑性變形較拉伸時大但遠不如壓縮時明顯。故可近似為一直線，并按彈性應力公式來計算其剪切強度極限，即,試件受扭，材料處于純剪切應力狀態(tài)：在垂直于軸線與平行于軸線的截面上僅作用著剪應力而在與軸線成-45和45的截面上，則分別作用有1=,3= -的主應力,如圖所示。由于低碳鋼材料在純剪切應力狀態(tài)下,其抗正斷能力高于抗切斷能力，故低碳鋼試件將沿最大剪應力所在的橫截面剪斷斷口平齊，呈現(xiàn)了切斷斷口的特征。而鑄鐵材料在純剪切應力狀態(tài)下，其抗正斷能力低于抗切斷能力，所以鑄鐵試件將從其表面某一最弱處,沿與軸線成45方向的螺旋狀曲面被拉斷,呈現(xiàn)了正斷斷口

32、的特征如圖.,實驗方法與步驟,一、剪切彈性模量G的測定,用游標卡尺測量試件直徑d0 。在試件標距范圍內(nèi)的上、中、下部，取三個截面，每處沿正交方向測兩次，取平均值。 擬定加載方案。采用等級加載法進行實驗。其初扭矩T0和最大實驗扭矩Tn可按下式確定：,其中p可從有關(guān)手冊中查得或按p = 0.8來估計。將T0到Tn分成n級加載，每級的扭矩增量為T， 即 該增量應使扭角儀或鏡式引伸儀有明顯的讀數(shù)變化。,設與T相應的扭轉(zhuǎn)角增量為，則在增量形式下的剪切彈性模量可改寫為,3.安接扭角儀(或鏡式引伸儀)和試件。扭角儀的構(gòu)造和安裝示意圖如圖所示。將扭角儀的兩根臂桿AC和BCD分別裝在試件標距的兩端A、B處，并將

33、四周的定位螺釘擰緊，使螺釘?shù)尼敿馕挥趫A周刻線上。當試件受扭時，固夾在試件上的AC、BCD臂桿就會繞試件軸線而轉(zhuǎn)動，推桿BDE將使安裝在AC桿上的千分表指針走動。設指針走動的位移為，千分表頂桿與試件軸線的距離為b，則A，B兩截面間的相對扭轉(zhuǎn)角為,將已裝上扭角儀的試件一端先裝夾在扭轉(zhuǎn)實驗機的固定夾頭中然后，將另一端裝入主動夾頭，試仲安裝必須牢靠，以防實驗時打滑。 若使用鏡式引伸儀測定扭轉(zhuǎn)角，則應先將試件裝在扭轉(zhuǎn)機上，并對試件用慢速施加一初扭矩T0 ，然后再將鏡式引伸儀(其構(gòu)造和安裝示意圖如圖所示)中的反射小鏡裝夾在試件標距的兩端A、B處調(diào)節(jié)好鏡式引伸儀的望遠鏡和刻度尺，并記錄下兩反射小鏡在望遠鏡中

34、的初讀數(shù)A0和B0。當試件受扭后，裝夾在試件上的反射鏡就會隨試件一起產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，在望遠鏡中的讀數(shù)也將隨之發(fā)生改變， 設其分別為Ai和Bi，則A，B兩截面的相對扭轉(zhuǎn)角為,式中l(wèi)A、lB分別為兩反射鏡與刻度尺之間的距離。由于鏡式引伸 儀是用光杠桿來放大A、B兩截面轉(zhuǎn)動時的相應弧長，因面當lA、lB 較大時，測量精度較高。但是要注意的是，在整個測試過程中不準 碰動望遠鏡、刻度尺和反射鏡。,用扭轉(zhuǎn)試驗機上的手搖裝置慢速逐級加載，每加一級扭矩 增量，讀取相應的扭轉(zhuǎn)角增量的讀數(shù)，直至扭矩加到Tn ；為 止.如各級扭轉(zhuǎn)角增量i 基本相等，這就驗證了剪切虎克定律. 取各級扭轉(zhuǎn)角增量i 的平均值，并代入式 即

35、可求得 該次實驗所測得的剪切彈性度量G。,二、低碳鋼的剪切屈服極限s 和剪切強度極限b 測定G后，取下扭角儀（或鏡式引伸儀），安裝好繪圖紙， 調(diào)節(jié)好機器零點，即可加載測試。 為便于觀察和記錄數(shù)據(jù)，初始階段采用慢速或手搖加載。加 載必須均勻、緩慢，不得停頓。當測力指針前進速度漸漸減慢以至 停留不動時(注意：于此時指消止不動的時間較短，因此測量者必 須留心觀察），及時記下該時的扭矩值Ts,然后，可改換快速電動加載，直至試件斷裂。試件斷裂后應立即停 車井記下測力度盤上被動針所指示的最大扭矩Tb 。, 取下試件和繪圖紙，觀察和分析低碳鋼的T-曲線和原畫在試 件表面的縱向線的變形情況以及斷口特征，測量扭

36、斷后試件的直徑 及原畫在試件表面上的二圓周線的距離，并與實驗前的相應情況作 比較。, 將原先在標距內(nèi)上、中、下三處，沿正交方向所測得的試件 直徑的三個平均值，取其最小者作為d0來計算WT 。并根據(jù)國標 GBl012888的規(guī)定,將Ts ,Tb代入 和 從面求 出低碳鋼的s和b。,三、鑄鐵剪切強度極限b的測定 鑄鐵試件的實驗方法和步驟與低碳鋼基本相同同?？芍苯佑秒妱涌焖偌虞d，記下試件破壞時的最大扭矩Tb ， 并代入式 即可求很鑄鐵的剪切強度極限b 。 觀察和分析鑄鐵的T-曲線和斷口特征。,第七章 彎曲,彎曲試驗： 試樣上的外力垂直于試樣軸線，并作用在縱向?qū)ΨQ面（通過試樣的軸線和截面對稱的平面）內(nèi)

37、。,金屬彎曲試驗是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上，圍繞具有一定直徑的彎心，彎曲至規(guī)定的角度或不帶彎心，彎到兩面接觸（即彎曲180，彎心直徑d=0）后，卸除試驗力，檢查試樣承受變形的能力。試驗一般在室溫下進行，所以也常稱為冷彎試驗。,一、試驗特點,應力狀態(tài)與靜拉伸時的應力狀態(tài)基本相同； 彎曲試驗不受試樣偏斜的影響； 彎曲試驗不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強度； 試樣上表面應力最大，可以較靈敏地反映材料表面缺陷情況。,彎曲試驗常用兩種加載方法：,三點彎曲加載,四點彎曲加載,二、定義,1.彎曲強度P: 試樣在彎曲過程中承受的最大彎曲應力。（MPa） 2.撓度f： 在彎曲的過程式

38、中，試樣跨度中心的頂面或底面偏離原始位置的距離。（mm),3.通過彎曲試驗得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關(guān)系曲線稱為彎曲圖。,斷裂撓度fbb的測定：將試樣對稱地安放于彎曲試驗裝置上，撓度計裝在試樣中間的測量位置上，施加彎曲力直至試驗斷裂，測量試樣斷裂瞬間跨距中點的撓度。,4.試樣彎曲時，受拉側(cè)表面的最大正應力： M最大彎矩，對三點彎曲M=PL/4；對四點彎曲M=PK/2。 W抗彎截面系數(shù)，對于直徑為d的圓形試樣， ；對于寬度為b，高為h的矩形試樣， W=bh2/6 計算脆性材料的抗彎強度： （Mb為斷裂時的彎矩,讀出Pbb）,彎曲試驗主要測定脆件或低塑性材料的抗彎強度。試樣彎曲至斷裂前達到的、按彈性