金屬材料力學(xué)性能測試2彎曲.ppt

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模塊一金屬材料力學(xué)性能檢測技術(shù) 1 3金屬硬度試驗(yàn) 1 2金屬扭轉(zhuǎn)及彎曲試驗(yàn) 1 1拉伸試驗(yàn) 1 4金屬沖擊韌性試驗(yàn) 概述 金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出的諸如強(qiáng)度 塑性 彈性等等力學(xué)特性稱為材料的力學(xué)性能 而衡量金屬材料力學(xué)性能的指標(biāo)統(tǒng)稱為力學(xué) 機(jī)械 性能指標(biāo) 這些指標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)來確定的 本章就依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)來討論這些指標(biāo)的意義及測定方法 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 拉伸實(shí)驗(yàn)室是測定材料力學(xué)性能的最常用的一種方法 按國標(biāo)GB6397 86 金屬材料試驗(yàn)試樣 規(guī)定 拉伸試樣分為比例試樣和定標(biāo)距試樣兩種 一 拉伸試樣 其中為試樣標(biāo)距 為試樣橫截面面積 比例系數(shù) 一般取5 65或11 3 前者稱短試樣 后者稱長試樣 1 比例計(jì)算 1 比例計(jì)算的標(biāo)距和橫截面面積之間存在如下比例關(guān)系 即 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 3 圓截面試樣的形狀如圖所示 它分為三個部分 工作部分長度 一般不小于 2 對于圓截面試樣 短長比例試樣的標(biāo)距分別取和 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 定標(biāo)距試樣的原始標(biāo)距與橫截面間無比例關(guān)系 一般取 2 定標(biāo)距試樣 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 通常從產(chǎn)品 壓制坯或鑄錠切取樣坯經(jīng)機(jī)加工制成試樣 但具有恒定橫截面的產(chǎn)品 型材 棒材 線材等 和鑄造試樣 鑄鐵和鑄造非鐵合金 可以不經(jīng)機(jī)加工而進(jìn)行試驗(yàn) 取樣部位 取樣方向和取樣數(shù)量是對材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個因素 被稱為取樣三要素 3 取樣與制樣 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 二 引伸計(jì) 引伸計(jì)是測量構(gòu)件及其他物體兩點(diǎn)之間線變形的一種儀器 通常由傳感器 放大器和記錄器三部分組成 傳感器直接和被測構(gòu)件接觸 構(gòu)件變形 傳感器隨著變形 并把這種變形轉(zhuǎn)換為機(jī)械 光 電 聲等信息 放大器將傳感器輸出的微小信號放大 記錄器 或讀數(shù)器 將放大后的信號直接顯示或自動記錄下來 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 圖1千分表原理圖 圖2拉桿式引伸計(jì) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 圖4電容式引伸計(jì) 圖6電阻式引伸計(jì) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 圖5電感式引伸計(jì) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 正應(yīng)力 切應(yīng)力 應(yīng)力 F S應(yīng)變 L L S S 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 由于而A0l均為常量 故兩圖形形狀相同 二 拉伸圖及應(yīng)力 應(yīng)變圖 下圖為低碳鋼的拉伸圖和應(yīng)力 應(yīng)變圖 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 具有物理屈服現(xiàn)象的金屬材料 其拉伸曲線的類型有如下一些情況 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 3 屈服極限 各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)定義如下 5 斷裂強(qiáng)度 2 彈性極限 1 比例極限 4 強(qiáng)度極限 各應(yīng)力指標(biāo)的定義及測試方法 圖解法 的測試方法 定義 應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的最大應(yīng)力值 1 比例極限 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 2 彈性極限 定義 材料由彈性變形過渡到彈性 塑性變形的應(yīng)力 的測試方法 試樣卸力后 殘余伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力 這種應(yīng)力是在卸力后測定的 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以殘余伸長為0 01 的應(yīng)力作為規(guī)定的彈性極限 無特殊要求的情況下 一般只測量屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn) 3 下屈服點(diǎn) 2 上屈服點(diǎn) 1 屈服點(diǎn) 4 2金屬材料拉伸時的力學(xué)性能 3 屈服極限 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 3 屈服極限 對于沒有屈服現(xiàn)象的材料 規(guī)定產(chǎn)生0 2 殘余應(yīng)變的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度 以表示測量方法與彈性極限相似 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 4 強(qiáng)度極限 抗拉強(qiáng)度 定義 曲線上最大應(yīng)力為強(qiáng)度極限 標(biāo)志 出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 5 斷裂強(qiáng)度 定義 試樣拉斷時的真實(shí)應(yīng)力 表征材料對斷裂的抗力 式中 試樣斷后標(biāo)距長度 mm 材料的塑性指標(biāo)及其測定 試樣原始標(biāo)距長度 1 定義 試樣拉斷后 其標(biāo)距部分的伸長與原始標(biāo)距的百分比 1 斷后伸長率 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 2 移位法 1 直測法 2 的測定方法 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 1 直接法 當(dāng)試樣拉斷處到標(biāo)距端點(diǎn)的距離均大于1 3L0時 直接測量標(biāo)距兩端點(diǎn)之間的距離Lk 2 移位法 如果試樣拉斷處到標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于1 3L0時 應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用斷口移中的辦法 計(jì)算Lk長度 試驗(yàn)前要在試件標(biāo)距內(nèi)等分劃十個格子 試驗(yàn)后 將試件對接在一起 從斷口為起點(diǎn)O 在長段上取基本等于短段的格數(shù)得B點(diǎn) 計(jì)算Lk方法如下 當(dāng)斷口非?？拷嚰啥?而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時 一般認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無效 需要重新試驗(yàn) 同一材料的試樣長短不同 測得的斷后伸長率略有不同 比例試樣的尺寸越短 其斷后伸長率越大 3 試樣尺寸對的影響說明 對于塑性材料 斷裂前變形集中在縮頸處 距離斷口位置越遠(yuǎn) 變形越小 因此 斷口在標(biāo)距間的位置對延伸率是有影響的 也就是說試樣斷裂后的塑性變形可分為兩部分 1 頸縮出現(xiàn)前的均勻伸長 2 頸縮出現(xiàn)后的局部伸長 其中與原始的標(biāo)距長度有關(guān) 與原始橫截面面積有關(guān) 1 1金屬材料拉試驗(yàn) 1 的定義 試樣拉斷后 頸縮處橫截面面積的最大縮減量與原始橫截面面積的百分比 2 斷后收縮率 2 的測定 為試樣斷裂后 頸縮處最細(xì)部分的橫截面面積 式中 為試樣原始橫截面面積 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)機(jī) 拉伸試驗(yàn)一般在液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)或電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 WE系列液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)是一種適用性強(qiáng) 用途廣的試驗(yàn)機(jī) 系列規(guī)格有l(wèi)00KN 300KN 600KN 1000KN 當(dāng)然也有特殊規(guī)格 目前為一般力學(xué)實(shí)驗(yàn)室普遍配套使用 油壓式拉伸試驗(yàn)機(jī) 傳感器式拉伸試驗(yàn)機(jī) 高溫拉伸試驗(yàn)機(jī) 1 1金屬材料拉伸試驗(yàn) 金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn) 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是金屬力學(xué)性能試驗(yàn)中的一種重要試驗(yàn)方法 對于某些承受切應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的零件如傳動主軸 彈簧 鉆桿等 具有重要的實(shí)際意義 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要用于評價材料的塑性 尤其是在拉伸試驗(yàn)時呈脆性的材料 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是評價其塑性的最佳方法 圓柱形試樣扭轉(zhuǎn)時 試樣從開始變形直至破壞 其長度和截面尺寸幾乎保持不變 試樣沿標(biāo)距長度的塑性變形始終是均勻發(fā)生的 沒有縮頸現(xiàn)象出現(xiàn) 因此 對于那些塑性好的材料用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法可以精確地測定其應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以明顯的區(qū)別材料的斷裂方式是正斷還是切斷 能較敏感地反映出金屬表面缺陷及表面硬化層的性能 因此 可利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究或檢驗(yàn)工件熱處理的表面質(zhì)量和各種表面強(qiáng)化工藝的效果 缺點(diǎn) 截面上的應(yīng)力分布不均勻 表面處最大 越往心部越小 心部材料的缺陷不能很好體現(xiàn) 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的特點(diǎn)1 特點(diǎn) 1 能檢測在拉伸時呈脆性的材料的塑性性能 2 長度方向 宏觀上的塑性變形始終是均勻的 3 能敏感地反映材料表面的性能 4 斷口的特征最明顯 正斷 切斷 層狀斷口等 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 2 應(yīng)力狀態(tài)縱向受力均勻 橫向表面最大 心部為0 最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力相等 應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)在三向應(yīng)力狀態(tài)下 最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 用 表示 越大 最大切應(yīng)力分量越大 表示應(yīng)力狀態(tài)越軟 材料越易于產(chǎn)生塑性變形 反之 越小 表示應(yīng)力狀態(tài)越硬 材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂 不同的加載方式下材料具有不同的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) v 0 25 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 試樣主要采用圓形截面 推薦直徑為 標(biāo)距分別為 平行長度相應(yīng)為 若為其他尺寸的直徑則 一 扭轉(zhuǎn)試件 2 扭轉(zhuǎn)計(jì) 1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 二 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 1 定義 試樣扭轉(zhuǎn)時 其標(biāo)距部分外表面上的非比例剪應(yīng)變達(dá)到規(guī)定數(shù)值時 按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算的剪應(yīng)力即為規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 例如 一般用分別作為 條件扭轉(zhuǎn)比例極限 和 扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度 逐級加載法 圖解法 測試方法 三 扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能測試 一 規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測定 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 屈服點(diǎn) 在扭轉(zhuǎn)曲線上出現(xiàn)屈服平臺時對應(yīng)的應(yīng)力扭矩 按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計(jì)算的切應(yīng)力 二 扭轉(zhuǎn)屈服性能指標(biāo) 定義 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 2 上屈服點(diǎn) 扭轉(zhuǎn)曲線上首次發(fā)生下降的最大扭矩 按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計(jì)算剪應(yīng)力 3 下屈服點(diǎn) 扭轉(zhuǎn)曲線上的屈服階段中最小扭矩 按彈性扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式計(jì)算的剪應(yīng)力 2 測試方法 2 指針法 1 圖解法 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 三 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的測定 2 測定方法 按定義做即可 1 定義 試樣扭斷前承受的最大扭矩 按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算的試樣表面最大切應(yīng)力 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 四 最大非比例剪應(yīng)變 1 定義 試樣扭斷時 其外表面上的最大非比例剪應(yīng)變 即為最大非比例剪應(yīng)變以表示 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 公式中 為試樣直徑 為試樣標(biāo)距范圍的最大扭轉(zhuǎn)角 為試樣 按公式 1 圖解法 2 測定方法 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 1 定義 扭轉(zhuǎn)時 剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成線性比例關(guān)系范圍內(nèi) 剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比稱為剪切彈性模量 以表示 五 剪切彈性模量的測定 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 其中 為抗扭慣性矩 為扭轉(zhuǎn)計(jì)標(biāo)距 按公式 1 作圖法 2 測試方法 2 逐級加載法 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 六 扭轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)的修改 1 2金屬材料扭轉(zhuǎn)時的力學(xué)性能 金屬彎曲試驗(yàn)及其工程意義 金屬彎曲試驗(yàn)是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上 將材料試樣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(yàn)力 檢查試樣承受變形的能力 試驗(yàn)一般在室溫下進(jìn)行 所以也常稱為冷彎試驗(yàn) 1 3金屬彎曲試驗(yàn) 它的目的有二 一是用于檢定金屬材料彎曲成一定形狀和尺寸后的變形能力 二是顯示其缺陷 記錄彎曲力p和試樣撓度f之間的關(guān)系 1 3金屬彎曲試驗(yàn) 一 金屬彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)特點(diǎn) 應(yīng)力狀態(tài)與靜拉伸時的應(yīng)力狀態(tài)基本相同 彎曲試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響 彎曲試驗(yàn)不能使塑性很好的材料破壞 不能測定其斷裂彎曲強(qiáng)度 試樣上表面應(yīng)力最大 可以較靈敏地反映材料表面缺陷情況 1 3金屬彎曲試驗(yàn) 進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時 將圓形或矩形及方形試樣放置在一定跨距L的支座上 進(jìn)行三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn) 對于圓形 矩形橫截面試樣 一般每個試驗(yàn)點(diǎn)需試驗(yàn)3個試樣 對于薄板試樣 每個試驗(yàn)點(diǎn)至少試驗(yàn)6個試樣 試驗(yàn)時 拱面向上和向下各試驗(yàn)3個試樣 1 3金屬彎曲試驗(yàn) a 三點(diǎn)彎曲加載 b 四點(diǎn)彎曲加載 二 金屬彎曲力學(xué)性能的確定 通過彎曲試驗(yàn)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 鑄鐵的彎曲力F 撓度f曲線 1 3金屬彎曲試驗(yàn) 試樣彎曲時 受拉側(cè)表面的最大正應(yīng)力 M 最大彎矩 對三點(diǎn)彎曲M PL 4 對四點(diǎn)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(jì)算脆性材料的抗彎強(qiáng)度 Mb為斷裂時的彎矩 讀出Pbb 1 抗彎強(qiáng)度 bb 彎曲試驗(yàn)主要測定脆件或低塑性材料的抗彎強(qiáng)度 試樣彎曲至斷裂前達(dá)到的 按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算得到的最大彎曲應(yīng)力就是材料的抗彎強(qiáng)度 用符號 bb表示 1 3金屬彎曲試驗(yàn) bb是鑄鐵的重要力學(xué)性能指標(biāo) 灰鑄鐵的抗彎性能優(yōu)于抗拉性能 球鐵和可鍛鑄鐵的 bb比灰鑄鐵的大得多 如珠光體球鐵的 bb為700 1200MPa 為抗拉強(qiáng)度的1 6 1 9倍 1 3金屬彎曲試驗(yàn) 2 斷裂撓度fbb的測定 將試樣對稱地安放于彎曲試驗(yàn)裝置上 撓度計(jì)裝在試樣中間的測量位置上 對試樣連續(xù)施加彎曲力 直至試驗(yàn)斷裂 測量試樣斷裂瞬間跨距中點(diǎn)的撓度 此撓度即為斷裂撓度fbb 1 3金屬彎曲試驗(yàn) 二 試樣 1 形狀和尺寸彎曲試驗(yàn)試樣的橫截面形狀可以為圓形 方形 矩形和多邊形 但應(yīng)參照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的規(guī)定 試樣橫截面尺寸應(yīng)根據(jù)材料種類 特性和試驗(yàn)機(jī)能力確定 例P25 在這個圖中 標(biāo)有橙色的部位進(jìn)行取樣稱側(cè)彎 蘭色部位取樣為面彎 它的底部為背彎 2 加工方法 室溫下可用鋸 銑 刨等加工方法截取 試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕 棱邊必須銼圓 其半徑不應(yīng)大于試樣厚度的1 10 試樣的端部應(yīng)打印或用其他方法標(biāo)記試樣的代號 1 試驗(yàn)裝置 彎曲試驗(yàn)通常在萬能材料試驗(yàn)機(jī)或壓力機(jī)上進(jìn)行 常用的彎曲裝置有支輥式 V型模具式 虎鉗式 板式 等 2 試驗(yàn)過程 試樣在兩個支點(diǎn)上按一定彎心直徑彎曲至兩臂平行時 可一次完成試驗(yàn) 也可先彎曲至90 然后放置在試驗(yàn)機(jī)平板之間繼續(xù)施加壓力 壓至試樣兩臂平行 3 試驗(yàn)結(jié)果評定 金屬彎曲試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議的要求進(jìn)行評定 如產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議無具體規(guī)定 一般在試驗(yàn)后檢查試樣彎曲部分的外面 里面和側(cè)面 若彎曲處無裂紋 起層或斷裂現(xiàn)象 即可認(rèn)為彎曲性能合格