金属材料的力学性能及其测试方法

目录 摘要 1 1 引言 1 2 金属材料的力学性能简介 2 2 1 强度 2 2 2 塑性 2 2 3 硬度 2 2 4 冲击韧性 3 2 5 疲劳强度 3 3 金属材料力学性能测试方法 3 3 1 拉伸试验 3 3 2 压缩试验 6 3 3 扭转试验 8 3 4 硬度试验 11 3 5 冲击韧度试验 16 3 6 疲劳试验 19 4 常用的仪器设备简介 20 4 1 万能试验机 20 4 2 扭转试验机 23 4 3 摆锤式冲击试验机 28 5 金属材料力学性能测试方法的发展趋势 30 参考文献 30 1 金属材料的力学性能及其测试方法金属材料的力学性能及其测试方法 摘要摘要 金属的力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏 的某些能力 它与材料的失效形式息息相关 本文主要解释了金属材料各项力 学性能的概念 介绍了几个常见的测试金属材料力学性能的试验以及相关的仪 器设备 最后阐述了金属材料力学性能测试方法的发展趋势 关键词 关键词 金属材料 力学性能 测试方法 仪器设备 发展趋势 Test Methods for The Mechanical Properties of Metal Material Abstract The mechanical properties of metal material which reflect some abilities of deformation and fracture resistance under various external forces are closely linked with failure forms This paper mainly introduces some concepts of mechanical properties of metal material common experiments testing mechanical properties of metal material and apparatuses used The trend of development of test methods for mechanical properties of metal material is also discussed Keywords metal material mechanical properties test methods apparatuses development trend 1 引言引言 材料作为有用的物质 就在于它本身所具有的某种性能 所有零部件在运 行过程中以及产品在使用过程中 都在某种程度上承受着力或能量 温度以及 接触介质等的作用 选用材料的主要依据是它的使用性能 工艺性能和经济性 其中使用性能是首先需要满足的 特别是针对性的材料力学性能往往是材料设 计和使用所追求的主要目标 材料性能测试与组织表征的目的就是要了解和获 知材料的成分 组织结构 性能以及它们之间的关系 而人们要有效地使用材 料 首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素 因此 材料力学性能的测试是所有测试项目中最重要和最主要的内容之一 在人类发展的历史长河过程中 人们已经建立了许多反映材料表面的和内 在的各种关于力学 物理等相关材料性能的测试和分析技术 近现代科学的发 展已使材料性能测试分析从经验发展并建立在现代物理理论和试验的基础之上 2 并且随着人们对材料的力学性能和使用性能的广泛研究和深入理解 也显著促 进了材料力学性能测试技术 理论 方法和设备的迅速发展 1 2 金属材料的力学性能简介金属材料的力学性能简介 任何机械零件或工具 在使用过程中 往往要受到各种形式外力的作用 如起重机上的钢索 受到悬吊物拉力的作用 柴油机上的连杆 在传递动力时 不仅受到拉力的作用 而且还受到冲击力的作用 轴类零件要受到弯矩 扭力 的作用等等 这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或 不破坏的能力 这种能力就是材料的力学性能 2 金属的力学性能是指金属材 料抵抗各种外加载荷的能力 其中包括 弹性和刚度 强度 塑性 硬度 冲 击韧度 断裂韧度及疲劳强度等 它们是衡量材料性能极其重要的指标 2 1 强度强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力 强度指标一般 用单位面积所承受的载荷即力表示 符号为 单位为 MPa 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度 屈服强度是指金属材料在 外力作用下 产生屈服现象时的应力 或开始出现塑性变形时的最低应力值 用 s 表示 抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下 被拉断前所能承受的最大 应力值 用 b表示 对于大多数机械零件 工作时不允许产生塑性变形 所以屈服强度是零件 强度设计的依据 对于因断裂而失效的零件 而用抗拉强度作为其强度设计的 依据 2 2 塑性塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力 工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率 伸长率指试样拉断后的伸 长量与原来长度之比的百分率 用符号 表示 断面收缩率指试样拉断后 断 面缩小的面积与原来截面积之比 用 y 表示 伸长率和断面收缩率越大 其塑性越好 反之 塑性越差 良好的塑性是 金属材料进行压力加工的必要条件 也是保证机械零件工作安全 不发生突然 脆断的必要条件 2 3 硬度硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力 硬度是材料的重要力学性能指标 一般材料的硬度越高 其耐磨性越好 材料的强度越高 塑性变形抗力越大 硬度值也越高 3 2 4 冲击韧性冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性 用 K表示 单位为 J cm2 冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定 即把被测材料做成标准冲击试 样 用摆锤一次冲断 测出冲断试样所消耗的冲击 AK 然后用试样缺口处单 位截面积 F 上所消耗的冲击功 K表示冲击韧性 K值越大 则材料的韧性就越好 K值低的材料叫做脆性材料 K值高的 材料叫韧性材料 很多零件 如齿轮 连杆等 工作时受到很大的冲击载荷 因此要用 K值高的材料制造 铸铁的 K值很低 灰口铸铁 K值近于零 不能 用来制造承受冲击载荷的零件 2 5 疲劳强度疲劳强度 工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用 即使工作应力低于材 料的 s 但经过一定循环周次后仍会发生断裂 这样的断裂现象称之为疲劳 当零件所受的应力低于某一值时 即使循环周次无穷多也不发生断裂 称 此应力值为疲劳强度或疲劳极限 影响疲劳强度的因素 内部缺陷 表面划痕 残留应力等 3 3 金属材料力学性能测试方法金属材料力学性能测试方法 人们要有效地使用材料 首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力 学性能的各种因素 每种材料的失效形式均与其相关的力学性能有关 如图 3 1 所示 结合材料的失效形式 人们可以通过设计实验来了解材料各方面的力学 性能 以下主要介绍几种常见的金属材料力学性能试验 包括拉伸试验 压缩 试验 扭转试验 硬度试验 冲击韧度试验 疲劳试验等 图 3 1 力学性能和失效形式的关系 4 3 1 拉伸试验拉伸试验 金属力学性能试验方法是检测和评定冶金产品质量的重要手段之一 其中 拉伸试验则是应用最广泛的力学性能试验方法 拉伸性能指标是金属材料的研 制 生产和验收最主要的测试项目之一 拉伸试验过程中的各项强度和塑性性 能指标是反映金属材料力学性能的重要参数 4 影响拉伸试验结果准确度的因 素很多 主要包括试样 试验设备和仪器 拉伸性能测试技术和试验结果处理 几大类 为获得准确可靠的 试验室间可比较的试验数据 必须将这些因素加 以限定 使其影响减至最小 3 1 1 拉伸试样拉伸试样 为了便于比较实验结果 按国家标准 GB228 76 中的有关规定 实验材料 要按上述标准做成比例试件 即 圆形截面试件 l0 10d0 长试件 l0 5 d0 短试件 矩形截面试件 l0 11 3 长试件 O A l0 5 65 短试件 O A 式中 l0 试件的初始计算长度 即试件的标距 A0 试件的初始截面面积 d0 试件在标距内的初始直径 实验室里使用的金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件 如图 3 2 所示 图 3 2 拉伸试件 3 1 2 拉伸试验原理拉伸试验原理 金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验 是了解材料 力学性能最全面 最方便的实验 本试验主要是测定低碳钢在轴向静载拉伸过 程中的力学性能 在试验过程中 利用实验机的自动绘图装置可绘出低碳钢的 拉伸图 如图 3 3 所示 由于试件在开始受力时 其两端的夹紧部分在试验机 的夹头内有一定的滑动 故绘出的拉伸图最初一段是曲线 5 图 3 3 试件拉伸图 对于低碳钢 在确定屈服载荷 PS时 必须注意观察试件屈服时测力度盘上 主动针的转动情况 国际规定主动针停止转动时的恒定载荷或第一次回转的最 小载荷值为屈服载荷 PS 故材料的屈服极限为 0 s s A P 试件拉伸达到最大载荷之前 在标距范围内的变形是均匀的 从最大载荷 开始 试件产生颈缩 截面迅速变细 载荷也随之减小 因此 测测力度盘上 主动针开始回转 而从动针则停留在最大载荷的刻度上 给我们指示出最大载 荷 Pb 则材料的强度极限为 0 A Pb b 试件断列后 将试件的断口对齐 测量出断裂后的标距 l1和断口处的直径 d1 则材料的延伸率 和截面收缩率 分别为 100 100 0 01 l ll 0 10 A AA 式中 l0 A0分别为试验前的标距和横截面面积 l1 A1分别为试验后的标 距和断口处的横截面面积 如果断口不在试件距中部的三分之一区段内 则应按国家标准规定采用断 口移中法来计算试件拉断后的标距 l1 其具体方法是 试验前先在试件的标距 内 用刻线器刻划等间距的标点或圆周 11 个 即将标距长度分为 10 等份 试 验后将拉断的试件断口对齐 如图 3 3 所示 以断口 O 为起点 在长段上取 基本等于短段的格数得 B 点 当长段所余格数为偶数时 如图 4 a 所示 则取所余格数的一半得 C 点 于是 l1 AB 2BC 若长段所余格数为奇数时 如图 4 b 所示 可在长段上取所余格数减 之半得 C 点 再取所余格数加 之半得 C1点 于是 l1 AB BC BC1 6 图 3 4 a b 当断口非常接近试件两端部 而与其端部的距离等于或小于直径的两倍时 需重作试验 3 1 3 拉伸试验特点拉伸试验特点 拉伸试验操作简单 方便 通过获得的应力应变曲线包含了大量信息 很 容易看出材料的各项力学性能 如比例极限 弹性模量 屈服极限 强度极限 等等 因此拉伸试验成为了应用最广泛的力学性能试验方法 拉伸实验中材料在达到破坏前的变形是均匀的 能够得到单向的应力应变 关系 但其缺点是难以获得大的变形量 缩小了测试范围 3 2 压缩试验压缩试验 压缩试验主要用于测定材料的压缩屈服极限以抗拉强度 并通过实验观察 材料在压缩过程中的各种现象 主要是变形和破坏形式 以此来比较各种材料 的压缩机械性能的特点 以下主要以低碳钢 塑性材料 与铸铁 脆性材料 的压缩试验为例 3 2 1 压缩试验原理压缩试验原理 将试样放在试验机的两压板之间 开动试验机缓慢进行加载 使试样受到 缓慢增加的压力作用 示力指针缓慢匀速转动 并利用试验机的绘图装置自动 绘出压缩图 见图 3 5 由于试样两端不可能理想的平行 试验时必须使用球形承垫 见图 3 6 并且试样应置于球形承垫中心 藉以球形承垫的自动调节作用实现试样的轴向 受压 7 图 3 5 试验机绘出的压缩图 图 3 6 球形承垫 3 2 2 压缩曲线的解析压缩曲线的解析 1 低碳钢的压缩 低碳钢的压缩 试样开始变形时服从虎克定律 压缩曲线呈直线 见图 3 5a 在开始出 现变形增长很快的非线性小段时 表示材料到达了屈服 但这时并不象拉伸那 样有明显的屈服阶段 只是示力指针暂停转动或稍有返回 这暂停或返回的最 小值即为压缩屈服荷载 PSC 此后 图形呈曲线上升 材料产生显著的残余变 形 试样长度显著缩短 而直径增大 由于试验机压板与试样两端面之间的摩 擦力 使试样两端的横向变形受到阻碍 因而试样被压成鼓形 随着荷载的逐 渐增加 塑性变形迅速增长 试样的横截面面积也随之增大 而增大的面积又 能承受更大的荷载 因此试样愈压愈扁 甚至可以压成薄饼状而不破裂 所以 无法测出其最大荷载 Pbc和抗压强度 bc 6 根据测出的压缩屈服荷载PSC 由公式 SC PSC S0即可求出材料的压缩屈 服极限 2 铸铁的压缩 铸铁的压缩 铸铁试样在压缩时与拉伸明显不同 其压缩曲线上虽 然仍没有明显的直线阶段和屈服阶段 但曲线明显变弯 见图 3 5b 表明试样在达到最大荷载 Pbc前就出现了 明显的塑性变形 而其最大荷载 Pbc也要比拉伸时的 Pb大 很多倍 当荷载达到最大荷载 Pbc后稍有下降 然后破裂 并能听到沉闷的破裂声 铸铁试样破裂后呈鼓形 并在与轴线大约成 450角的 斜面上破裂 见图 3 7 此破坏主要是由剪应力引起的 由公式 bc Pbc S0即可求出材料的抗压强度 3 2 3 压缩试验的特点压缩试验的特点 相比拉伸试验 压缩试验可以很大的变形量 弥补了材料在拉伸力学性能 图 3 7 铸铁试样 压缩下的破坏 8 测试中的不足 材料实验表明 对于多数金属材料 拉伸实验在材料破坏前给 出的应力应变关系与压缩实验相同 因此压缩试验在金属成形的材料实验中有 着广泛的用途 但是压缩实验因为材料端面的摩擦效应 一般难以获得均匀变形 必须有 良好的润滑条件来消除摩擦或讲摩擦效应降到极小 才能获得较准确的材料性 能 7 3 3 扭转试验扭转试验 扭转试验是观察试样在扭转力偶作用下试样受力和变形的行为 通过观察 材料的破坏方式来测定材料的剪切屈服极限及剪切强度极限 3 3 1 扭转试件扭转试件 采用圆形截面试件 如图 3 8 所示 在试件表面画上一条纵线 以便观察 试件的扭转变形 图 3 8 扭转试样 3 3 2 扭转试验机的工作原理扭转试验机的工作原理 扭转试验机如图 3 9 在机体上有一个基本固定的夹头 用两平面和夹紧螺 栓固定扭转试样的一端 基座上有一个能水平移动的电动减速装置 其左端是 一个可旋转的夹头 以夹持试样的另一端 当电动减速器转动时 带动活动夹 头转动 而使试样的一端相对于另一端发生了转动 故试件受扭而产生变形 图 3 9 扭转试验机 作用于试样的扭转力矩 通过与固定夹头相连的称重机构而平衡 同时又 带动荷载指针转动而指示出所受扭转力矩的大小 它还带动绘图仪的画笔左右 移动 这个移动的扭转力矩坐标在记录纸上与纸的长度方向相垂直 活动夹头的转动量代表了试样一端相对于另一端的转动 即扭转角 扭转 角的大小由活动夹头上的刻度线来指示 同时还通过转动传感器将转角信号输 9 入到绘图仪中 带动绘图仪纸筒转动送出记录纸 在记录纸的长度方向构成转 角坐标 在实验过程中 随着试件扭转变形的增加 试样所受的扭转力矩也随之变 化 绘图仪就画出扭转力矩 扭转角的实验曲线 在扭转力矩示荷盘的右下方 有一个量程旋钮用以改变扭转力矩的测量量 程 其测量范围有 100N m 200 N m 500 N m 1 000 N m 当把旋钮转动到 指定的量程时 示荷盘上的刻度标示值随之变化 以利于直接读取 在示荷盘 左边的侧面上有一个转动轮 往上或往下转动可调整示荷盘指针的零点 一般 情况下不要去转动它 扭转实验时的变形速度 可由改变电动机的转速来决定 由于本机采用可 控硅直流电机 调速可在一个很大的范围内无级调整 调速由机器操纵面板的 开关和旋钮来控制 控制面板如图 3 10 面板各开关 旋钮的功能如下所述 电源开关 按下 开 接通整机电源 按 关 断开整机电源 活动夹头转动速度设置如下 快速设置 速度设置开关扳于 0 360 min 表示活动夹头转动速度在 0 360 min 的范围内变化 具体的速度由速度调节钮的转动来决定 慢速设置 速度设置开关搬于 0 36 min 之间变化 具体的速度由速度调 节钮的转动量来决定 电机开关按钮 电机的转动由三个按钮决定 正 为正转 反 为反转 停 为不转 改变电机转向时 应先按 停 然后再换回 记录仪开关 此开关用于开关记录仪 当一切准备就绪后即可打开记录仪 用完关闭 以免电机转动空走纸 图 3 10 控制台面板 3 3 3 扭转实验原理扭转实验原理 试件承受扭矩时 材料处于纯剪切应力状态 是拉伸以外的又一重要应力 状态 常用扭转实验来研究不同材料在纯剪切应力状态下的机械性质 低碳钢试件在发生扭转变形时 其 T 曲线如图 3 11 所示 类似低碳钢 拉伸实验 可分为四个阶段 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段和断裂阶段 相 应地有三个强度特征值 剪切比例极限 剪切屈服极限和剪切强度极限 对应 这三个强度特征值的扭矩依次为 Tp Ts Tb 10 图 3 11 T 曲线 在比例极限内 T 与 成线性关系 材料完全处于弹性状态 试件横截面 上的剪应力沿半径线性分布 如图 3 12 a 所示 随着 T 的增大 开始进入屈服 阶段 横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限 而且塑性区逐渐向圆心 扩展 形成环塑性区 如图 3 12 b 所示 但中心部分仍然是弹性的 所以 T 仍 可增加 T 的关系成为曲线 直到整个截面几乎都是塑性区 5 如图 3 12 c 所示 a b c 图 3 12 试件横截面剪切力分布 在 T 出现屈服平台 示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆 由此可 读出屈服扭矩 Ts 低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出 P Tb Tb W M 4 3 屈服阶段过后 进入强化阶段 材料的强化使扭矩又有缓慢的上升 但变 形非常明显 试件的纵向画线变成螺旋线 直至扭矩到达极限扭矩值 Mb进入 断裂阶段 试件被剪断 由示力度盘的从动针可读出 则低碳钢扭转的剪切强 度极限 可同下式求出 P TS TS W M 4 3 3 3 4 试件的破坏现象分析 试件的破坏现象分析 11 试件受扭 材料处于纯剪切应力状态 在试件的横截面上作用有剪应力 同时在与轴线成 45 的斜截面上 会出现与剪应力等值的主拉应力和主压应力 6 如图 4 13 所示 图 3 13 试样受力分析 低碳钢的抗剪能力比抗拉和抗压能力差 试件将会从最外层开始 沿横截 面发生剪断破坏 而铸铁的抗拉能力比抗剪和抗压能力差 则试件将会在与杆 轴成 45 的螺旋面上发生拉断破坏 3 4 硬度试验硬度试验 金属硬度试验按受力方式可分为压入法 刻划法两种 一般来说普遍采用 压入法 按加力速度可分为静力试验法和动力试验法两种 其中静力试验法最 为普遍 常用的布 洛 维氏硬度等均属静力压入试验法 8 3 4 1 布氏硬度试验法布氏硬度试验法 3 4 1 1 布氏硬度试验法法原理布氏硬度试验法法原理 将一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面经规定的保持时间后 卸除试验力 测量试样表面压痕的直径 见图3 14 图 3 14 布氏硬度测量原理图 12 由压头球直径 D 和测量所得的试样压痕直径 d 可算出压痕面积 即 S 2 1 22 1 2 D DDd 于是布氏硬度值可由以下式算出 布氏硬度 常数 试验力 压痕表面积 即 2 2 22 2 0 102 F HBW D DDd 上式中 D d 单位为 mm F 单位为 N 12 2ddd 试验时 根据被测的材料不同 球直径 试验力及试验力保持时间按表 1 选择 表 1 球直径 试验力和试验力保持时间选择表 3 4 1 2 布氏硬度的特点布氏硬度的特点 布氏硬度试验的优点是其硬度代表性好 由于通常采用的是 10mm 球压头 3000kg 试验力 其压痕面积较大 能反映较大范围内金属各组成相综合影响的 平均值 而不受个别组成相及微小不均匀度的影响 因此特别适用于测定灰铸 铁 轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料 它的试验数据稳定 重现性好 精 度高于洛氏 低于维氏 此外布氏硬度值与抗拉强度值之间存在较好的对应关 系 布氏硬度试验的缺点是压痕较大 成品检验有困难 试验过程比洛氏硬度 试验复杂 要分别完成测量操作和压痕测量 因此要求操作者具有一定的经验 3 4 1 3 布氏硬度的应用布氏硬度的应用 13 布氏硬度计主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度测试 锻钢和灰铸铁 的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对应关系 布氏硬度试验还可用于有色金属 钢材和经过调质热处理的半成品工件 采用小直径球压头可以测量小尺寸和较 薄材料 布氏硬度计多用于原材料和半成品的检测 由于压痕较大 一般不用 于成品检测 布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材 铸铁 有色金属等 也用于试验经淬火 回火但硬度不高的钢件 由于布氏硬度试验的压痕较大 试验结果能更好地代表试件的硬度 9 3 4 2 洛氏硬度实验洛氏硬度实验 3 4 2 1 洛氏硬度试验法原理洛氏硬度试验法原理 采用顶角为 120 金刚石圆锥压头或者直径为 1 588mm 的淬火钢球压头 测试时先加预载荷 Fo 压头从起始位置 0 0 到 1 1 位置 压入试件深度为 h1 后加总载荷 F 为主载荷加上预载荷 压头位置为 2 2 压入深度为 h2 停留 数秒后 将主载荷卸除 保留预载荷 由于被测试件弹性变形恢复 压头略为 提高 位置为 3 3 实际压入试件深度为 h3 因此在主载荷作用下 压头压入 试件的深度 h h3一 h1 如图 3 15 所示 图 3 15 洛氏硬度测定原理示意图 试验时 根据被测的材料不同 压头的类型 试验力及按表 2 选择 对应 的洛氏硬度标尺为 HRA HRB HRC 三种 14 表 2 压头 试验力选择表 3 4 2 2 洛氏硬度的特点洛氏硬度的特点 洛氏硬度的优点 操作较为简便 压痕小 对工件损伤小 归于无损检测 一类 可对成品直接进行测量 测量范围广 较为常用的就有 A B C 三种标 尺 可以测量各种软硬不同 厚薄不同的材料 洛氏硬度试验的缺点为测量结果有局限性 对每一个工件测量点数一般不 少于 3 个点 10 3 4 2 3 洛氏硬度的应用洛氏硬度的应用 洛氏硬度测量范围 可用于成品和薄件 但不宜测量组织粗大不均匀的材 料 3 4 3 维氏硬度试验维氏硬度试验 3 4 3 1维氏硬度试验法原理维氏硬度试验法原理 维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136 的正四棱锥体金钢石以规定的试 验力F压入试样表面 经保持规定时间后 卸除试验力 测出压痕表面积 维氏硬 度值是试验力F与压痕表面积S之比 即HV F S 其试验原理如图3 16所示 图 3 16 维氏硬度试验原理示意图 即 HV 常数 试验力 压痕表面积 0 1891 F d2 式中 HV 维氏硬度符号 F 试验力 N d 压痕两对角线 d1 d2 的算术平均值 mm 实用中是根据对角线长度 d 通过查表得到维氏硬度值 国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为 0 020 1 400mm 11 15 3 4 3 2 维氏硬度的表示方法维氏硬度的表示方法 维氏硬度表示为 HV 维氏硬度符号 HV 前面的数值为硬度值 后面为试验 力值 标准的试验保持时间为 10 15S 如果选用的时间超出这一范围 在力 值后面还要注上保持时间 例如 600HV30 表示采用 294 2N 30kg 的试验力 保持时间 10 15S 时得到 的硬度值为 600 600HV30 20 表示采用 294 2N 30kg 的试验力 保持时间 20S 时得到的 硬度值为 600 3 4 3 3 维氏硬度试验的分类和试验力选择维氏硬度试验的分类和试验力选择 维氏硬度试验按试验力大小的不同 细分为三种试验 即 维氏硬度试验 小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验 见表 3 试验力范围 N 硬度符号 试验名称 F 49 03 HV5维氏硬度试验 1 961 F 49 03HV0 2 HV5小负荷维氏硬度试验 0 09807 F 1 961HV0 01 HV0 2显微维氏硬度试验 表 3 维氏硬度试验的三种方法 维氏硬度试验可选用的试验力值很多 见表 4 维氏硬度试验 小负荷维氏试验试验 显微维氏硬度试验 硬度符号 试验力 N 硬度符号 试验力 N硬度符号 试验力 N HV549 03HV0 21 961HV0 010 09807 HV1098 07HV0 32 942HV0 0150 1471 HV20196 1HV0 54 903HV0 020 1961 HV30294 2HV19 807HV0 0250 2452 HV50490 3HV219 61HV0 050 4903 HV100980 7HV329 42HV0 10 9807 注 1 维氏硬度试验可使用大于 980 7N 的试验力 2 显微维氏试验力为推荐值 表 4 推荐的维氏硬度试验力 试验力的选择要根据试样种类 试样厚度和预期的硬度范围而定 标准规 定 试样或试验层的厚度至少为压痕对角线长度的 1 5 倍 试验后试样背面不 应出现可见的变形痕迹 3 4 3 4 维氏硬度的特点维氏硬度的特点 维氏硬度试验的优点 1 维氏硬度试验的压痕是正方形 轻廓清晰 对角线测量准确 因此 维 氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的 同时它的重复性也很好 这一 点比布氏硬度计优越 16 2 维氏硬度试验测量范围宽广 可以测量目前工业上所用到的几乎全部金 属材料 从很软的材料 几个维氏硬度单位 到很硬的材料 3000 个维氏硬度 单位 都可测量 3 维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关 只要是硬 度均匀的材料 可以任意选择试验力 其硬度值不变 这就相当于在一个很宽 广的硬度范围内具有一个统一的标尺 这一点又比洛氏硬度试验来得优越 4 在中 低硬度值范围内 在同一均匀材料上 维氏硬度试验和布氏硬度 试验结果会得到近似的硬度值 例如 当硬度值为 400 以下时 HV HB 5 维氏硬度试验的试验力可以小到 10gF 压痕非常小 特别适合测试薄 小材料 维氏硬度试验的缺点 维氏硬度试验效率低 要求较高的试验技术 对于试样表面的光洁度要求 较高 通常需要制作专门的试样 操作麻烦费时 通常只在实验室中使用 3 4 3 5 维氏硬度的应用维氏硬度的应用 维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面小负荷维氏硬度试验主要 用于测试小型精密零件的硬度 表面硬化层硬度和有效硬化层深度 镀层的表 面硬度 薄片材料和细线材的硬度 刀刃附近的硬度 牙科材料的硬度等 由 于试验力很小 压痕也很小 试样外观和使用性能都可以不受影响 显微维氏 硬氏试验主要用于金属学和金相学研究 用于测定金属组织中各组成相的硬度 用于研究难熔化合物脆性等 显微维氏硬度试验还用于极小或极薄零件的测试 零件厚度可薄至 3 m 11 3 5 冲击韧度试验冲击韧度试验 在实际工程机械中 有许多构件常受到冲击载荷的作用 机器设计中应力求 避免冲击波负荷 但由于结构或运行的特点 冲击负荷难以完全避免 为了了解材 料在冲击载荷下的性能 我们必须作冲击实验 冲击实验的意义在于测量材料在冲击载荷作用下的冲击吸收功以及测定材 料的的冲击韧度值 K 3 5 1 冲击试件冲击试件 工程上常用金属材料的冲击试件一般在带缺口槽的矩形试件 做成制品的 目的是为了便于揭露各因素对材料在高速变形时的冲击抗力的影响 缺口形状 和试件尺寸对材料的冲击韧度值 k 的影响极大 要保证实验结果能进行比较 试件必须严格按照冶金工业部的部颁布标准制作 12 故测定 K值的冲击实验实 质上是一种比较性实验 其冲击试件形状如图 3 17 所示 17 图 3 17 冲击试件 3 5 2 冲击实验原理冲击实验原理 材料冲击实验是一种动态力学实验 它是将具有一定形状和尺寸的 U 型或 V 型缺口的试样 在冲击载荷作用下折断 以测定其冲击吸收功 AK 和冲击 韧性值 K的一种实验方法 冲击实验通常在摆锤式冲击试验机上进行 其原理如图 3 18 所示 实验时 将试样放在试验机支座上 缺口位于冲击相背方向 并使缺口位于支座中间 图 3 18b 然后将具有一定重量的摆锤举至一定的高度 H1 使其获得一定位 能 mgH1 释放摆锤冲断试样 摆锤的剩余能量为 mgH2 则摆锤冲断试样失去 的势能为 mgH1 mgH2 如忽略空气阻力等各种能量损失 则冲断试样所消耗 的能量 即试样的冲击吸收功 为 AK mg H1 H2 AK的具体数值可直接从冲击试验机的表盘上读出 其单位力 J 将冲击吸 收功 AK除以试样缺口底部的横截面积 SN cm2 即可得到试样的冲击韧性值 K K AK SN 对于 Charpy U 型缺口和 V 型缺口试样的冲击吸收功分别用 AKU和 AKV表 示 它们的冲击韧性值分别用 KU和 KV表示 K作为材料的冲击抗力指标 不仅与材料的性质有关 试样的形状 尺寸 缺口形式等都会对 K值产生很大的影响 因此 K只是材料抗冲击断裂的 一个参考性指标 只能在规定条件下进行相对比较 而不能代换到具体零件上 进行定量计算 13 18 a 冲击试验机的结构图 b 冲击试验与支座的安放图 图 3 18 冲击试验的原理图 3 5 3 试样温度及温度测量试样温度及温度测量 对于室温冲击试验 试验在室温 10 35 下进行 如要求严格 在控制室 温 20 2 下进行 国际标准规定 23 5 对于高温冲击试验 试样加热至规定的试验温度 温度偏差允许 2 由 于试样从高温炉移出 在室温环境和与支座接触 温度会降低 按本方法结合打击 时间 需附加过热度 也应考虑过热对材料性能的影响 对于低温冲击试验 试样冷却至规定温度 允许温度偏 2 由于试样从低 温移出至室温环境和与支座接触 温度会升高 按本方法结合打击时间 需附加 过冷度 试样加热或冷却所选用的热源 冷源和介质应安全 无毒 不腐蚀试样 3 5 4 影响冲击韧性或冲击吸收功大小的因素影响冲击韧性或冲击吸收功大小的因素 19 长期生产实践证明 AK K值对材料的组织缺陷十分敏感 能灵敏地反映 材料品质 宏观缺陷和显微组织方面的微小变化 因而冲击试验是生产上用来 检验冶炼和热加工质量的有效办法之一 由于温度对一些材料的韧脆程度影响 较大 为了确定出材料由塑性状态向脆性状态转化趋势 可分别在一系列不同 温度下进行冲击试验 测定出 AK值随试验温度的变化 实验表明 AK随温度 的降低而减小 在某一温度范围 材料的 AK值急剧下降 表明材料由韧性状 态向脆性状态转变 此时的温度称为韧脆转变温度 根据不同的钢材及使用条 件 其韧脆转变温度的确定有冲击吸收功 脆性断面率 侧膨胀值等不同的评 定方法 3 5 5 冲击试验断口评定方法冲击试验断口评定方法 对于金属夏比冲击断口形貌的测定 目前的国家标准 GB T12778 1991 金 属夏比冲击断口测定方法 规定了三种方法 a 比较法 b 直接测量法 c 放大测 量法 结合标准规定的方法 通常采用的韧性断面率 纤维断面率 评定方法有 4 种方法 1 比较法 采用将断口与如国际标准或美国 ASTM E23 标准给定的标准实 物断口形貌图比较确定 2 测量法 测量断口晶状断裂部分面积的长度和宽度 作近似矩形面积 或上 下底高 作近似梯形面积 计算其面积 3 放大测量法 A 把试样断口拍片放大 利用求积仪测量 B 利用低倍显微镜等光学仪器 图象分析技术 测量 4 用带标尺的方孔卡片法 网格卡片法 夏比冲击断口形貌的评定 其准确度并不很高 按照英国标准 BS131 5 1965 结晶度的测定 提示 前述的 比较法 法 对于有经验的操作人员能达到 约 10 的准确度 而其他几种方法准确性相对高些 但比较法简单方便 图 3 19 所示管线钢 L555MB 的冲击试样在 20 的条件下打断的试样断口 图 3 19 冲击试样断口 在做冲击试验的过程中 试验设备 试样及试验过程都会影响试样数据的 稳定性 每当我们做一组冲击试验的时候发现试验数据分散比较严重 就应该 考虑是哪些方面出现了问题影响了数据的稳定性 20 3 6 疲劳试验疲劳试验 疲劳实验的基本目的是确定材料的疲劳极限 或说持久极限 通常采用的 是旋转弯曲疲劳实验 疲劳极限按其定义是材料在交变应力作用下 能经受无 限次循环而不破坏的最大应力的极限值 实际上 实验不可能使试件进行无限 次循环 因此规定一个循环数作为 实验基数 对于黑色金属 N 5 10 106 对于有色金属 N 50 100 106 所以 实际的疲劳极限指的是能经受 N 次循环而不发生疲劳破坏的最大应力值 疲劳失效与静载荷下的失效不同 断裂前没有明显的塑性变化 发生断裂 也较突然 这种断裂具有很大的危险性 常常造成严重的事故 据统计 大部 分机械零件的失效是由金属疲劳造成的 14 因此 工程上十分重视对疲劳规律 的研究 无裂纹材料的疲劳性能判据主要是疲劳极限和疲劳缺口敏感度等 3 6 1 实验原理实验原理 取一组同样的试件 8 12 根 如图 3 20 所示 每根试件选择不同的应力 进行实验 第一根试件的最大应力一般为 0 6 0 7 b b为静荷强度极限 记 下试件发生破坏的循环数 N 以后各根试件的应力依次减少 20 40N mm2 直到最后一根试件在规定的循环次数尚不破坏时为止 最后的两根试件 破 坏的和未破坏的 的应力差 应不大于 10N mm2 所得实验结果可绘成以 和 N 为坐标的疲劳曲线 该曲线渐近线纵坐标即定为材料的疲劳极限 r 这里 r 1 如图 3 21 所示 图 3 20 疲劳试件 21 图 3 21 疲劳曲线 3 6 2 影响金属材料疲劳强度大小的因素影响金属材料疲劳强度大小的因素 由于疲劳断裂通常是从机件最薄弱的部位或外部缺陷所造成的应力集中处 发生 因此疲劳断裂对许多因素很敏感 例如 循环应力特性 环境介质 温 度 机件表面状态 内部组织缺陷等 这些因素导致疲劳裂纹的产生或速裂纹 扩展而降低疲劳寿命 为了提高机件的疲劳抗力 防止疲劳断裂事故的发生 在进行机械零件设 计和加工时 应选择合理的结构形状 防止表面损伤 避免应力集中 由于金 属表面是疲劳裂纹易于产生的地方 而实际零件大部分都承受交变弯曲或交变 扭转载荷 表面处应力最大 因此 表面强化处理就成为提高疲劳极限的有效 途径 由于工程实际的要求 对疲劳的研究工作已逐渐从正常条件下的疲劳问题扩展 到特殊条件下的疲劳问题 如腐蚀疲劳 接触疲劳 高温疲劳 热疲劳 微动 磨损疲劳等 对这些疲劳及其测试技术还在广泛进行研究 并已逐步标准化 15 4 常用的仪器设备简介常用的仪器设备简介 4 1 万能试验机万能试验机 4 1 1 万能试验机的工作原理万能试验机的工作原理 万能材料试验是现代电子技术与机械传动技术相结合的产物 是充分发挥 了机电各自特长而构成的大型精密测试仪器 可对各种材料进行拉伸 压缩 弯曲 剥离 剪切等多项性能试验 且有测量范围宽 精度高 响应快等特点 工作可靠 效率高 可对试验数据进行实时显示记录 打印 如图 1 所示 图 4 1 万能试验机 22 万能材料试验机是由测量系统 驱动系统 控制系统及电脑 电脑系统型 拉力试验机 等结构组成 1 万能材料试验机的测量系统 a 力值的测量 通过测力传感器 放大器和数据处理系统来实现测量 最常用的测力传感 器是应变片式传感器 所谓应变片式传感器 就是由 应变片 弹性元件和某些附件 补偿元件 防护罩 接线插座 加载件组成 能将某种机械量变成电量输出的器件 应变 片式的拉 压力传感器国内外种类繁多 主要有筒状力传感器 轮辐式力传感 器 S 双连孔型传感器 十字梁式传感器等类型 从材料力学上得知 在小变形条件下 一个弹性元件某一点的应变 与弹 性元件所受的力成正比 也与弹性的变形成正比 以 S 型传感器为例 当传感 器受到拉力 P 的作用时 由于弹性元件表面粘贴有应变片 因为弹性元件的应 变与外力 P 的大小成正比例 故此将应变片接入测量电路中 即可通过测出其 输出电压 从而测出力的大小 对于传感器 一般采用差动全桥测量 即将所粘贴的应变片组成桥路 R1 R2 R3 R4 实际为阻值相等的 4 片 或 8 片 应变片 即 R1 R2 R3 R4 当传感器受到外力 拉力或压力 作用时 传感器弹性元件产 生应变而使各电阻值发生变化 其变化值分别为 R1 R2 R3 R4 结果 原来平衡的电桥 现在不平衡了 桥路就有电压输出 设 E 则 E R1R2 R1 R2 2 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4 U 式中 U 为外电源供给桥路的电压 进一步简化有 E R2 4R2 R1 R R2 R R3 R R4 R U 将 Ri Ri K i 代上上式 则有 E UK 4 1 2 3 4 简单来说 外力 P 引起传感器内应变片的变形 导致电桥的不平衡 从而 引起传感器输出电压的变化 我们通过测量输出电压的变化就可以知道力的大 小了 一般来说 传感器的输出信号都是非常微弱的 通常只有几个 mV 如果 我们直接对此信号进行测量 是非常困难的 并且不能满足高精度测量要求 因此必须通过放大器将此微弱信号放大 放大后的信号电压可达 10V 此时的 信号为模拟信号 这个模拟信号经过多路开关和 A D 转换芯片转变为数字信号 然后进行数据处理 至此 力的测量告一段落 b 形变的测量 通过形变测量装置来测量 它是用来测量试样在试验过程中产生的形变 该装置上有两个夹头 经过一系列传动机构与装在测量装置顶部的 光电 编码器 连在一起 当两夹头间的距离发生变化时 带动光电编码器的轴旋转 光电编码器就会有脉冲信号输出 再由处理器对此信号进行处理 就可以得出 试样的变形量 c 横梁位移的测量 其原理同变形测量大致相同 都是通过测量光电编码器的输出脉冲数来获 得横梁的位移量 2 万能材料试验机的驱动系统 23 主要是用于试验机的横梁移动 其工作原理是由伺服系统控制电机 电机 经过减速箱等一系列传动机构带动丝杆转动 从而达到控制横梁移动的目的 通过改变电机的转速 可以改变横梁的移动速度 3 万能材料试验机的控制系统 顾名思义 就是控制试验机运作的系统 人们通过操作台可以控制试验机 的运作 通过显示屏可以获知试验机的状态及各项试验参数 若该机带有电脑 的话 也可以由电脑实现各项功能并进行数据处理分析 试验结果打印 试验 机同电脑之间的通信一般都是使用 RS232 串行通信方式 它通过计算机背后的 串口 COM 口 进行通信 此技术比较成熟 可靠 使用方便 4 电脑 用来采集和处理分析数据 进入试验界面后 电脑会不断采集各样试验数 据 实时画出试验曲线 常用力 位移的曲线 自动求出各试验参数及输出 报表 4 1 2 电子万能试验机与液压万能试验机的区别电子万能试验机与液压万能试验机的区别 电子万能试验机与液压万能试验机均属于材料力学检测仪器 但在结构设 计 使用性能 应用范围等方面具有各自的特点 用户可根据所在行业具体使 用环境来决定选用电子万能试验机还是液压万能试验机 电子万能试验机与液 压万能试验机的区别如下 1 在结构特点上 电子万能试验机主要采用伺服电机作为动力源 丝杠 丝母作为执行部件 实现试验机移动横梁的速度控制 在传动控制上 目前主要有两种形式 同步 带和减速机 在测力上电子万能试验机均采用负荷传感器 液压万能试验机主要采用高压液压源为动力源 采用手动阀 伺服阀或比例阀 作为控制元件进行控制 普通液压万能试验机只能进行人工手动实现加载 属 于开环控制系统 受价格因素的影响 测力传感器一般采用液压压力传感器 而电液伺服类万能试验机则是采用伺服阀或比例阀作为控制元件进行控制 国 内有些厂家亦已经采用高精度负荷传感器来进行测力 2 在使用性能上 电子万能试验机 不用油源 所以更清洁 使用维护更方便 它的试验速 度范围可进行调整 试验速度可达 0 001mm min 1000mm min 速比可达 100 万倍之多 试验行程可按需要而定 更灵活 测力精度高 有些甚至能达到 0 2 体积小 重量轻 空间大 方便加配相应装置来做各项材料力学试验 真正做 到了一机多用 目前国内的主流试验机厂家生产的电子万能试验机 均可以做 到载荷控制 应变控制 位移控制所谓的三闭环控制 液压万能试验机 受油源流量的限制 试验速度较低 手动液压万能试验 机 操作较为简易 价格便宜 但控制精度较低 电液伺服万能试验机 则性 能与电子万能试验机相比 除速度低外 控制精度也不逊色 采用负荷传感器 的微机控制电液伺服万能试验机 力值精度也可以达到 0 5 左右 且在做大吨 位的材料力学试验时 更更可靠 更稳定 性价比更高 3 在应用范围上 电子万能试验机 广泛应用于各种金属 非金属及复合材料 如木材 塑 料型材 电线电缆 纸张 薄膜 橡胶 医药 食品包装材料 织物等进行拉 伸性能指标的测试 同时可根据用户提供的国内 国际标准定做各种试验数据 24 处理软件和试验辅具 数字显示电子万能试验机适合于只求力值 抗拉强度 抗压强度等相关数据的用户 如需求取较为复杂参数 微机控制电子万能试验 机是更好的选择 从性价比来说 30T 以下的电子万能试验机更有优势 液压万能试验机主 要用于金属 非金属材料和零件 部件 构件的拉伸 压缩 弯曲等力学性能 试验 液压万能试验机是工矿企业 建筑建材 质检中心 水利水电 桥梁工 程 科研院所 大专院校力学试验室的理想的试验设备 手动控制的液压万能 试验机 价格便宜 适合工矿企业的成品检验 单一材料指标测试 而电液伺 服万能试验机 则适合要求较高的钢铁 建材检测类的试验室 30T 以上电液 伺服万能试验机与电子万能试验机相比 更有价格优势 4 2 扭转试验机扭转试验机 扭转试验机主要用于测定各种材料及零部件在扭转力状态下的性能及物理 参数 是大专院校 科研院所 质检部门及有关生产单位理想的试验检测设备 一 般的扭转试验机具有结构紧凑 操作简单 维护方便等特点 其控制系统以单 片机为核心 自身带有显示和控制键盘 可独立操作并显示扭矩值 转角值和扭 转角速度 采用微机控制时 配置全中文用户界面软件 可自动进行数据的采 集处理 可打印试验报告和扭矩 转角曲线 在试验运行过程中动态显示扭矩 值 转角值 扭转角速度和扭矩 转角曲线 可进行软件标定 并具有超载保护功 能 根据扭转试验机检测的产品分类 扭转试验机分为弹簧扭转试验机 线材 扭转试验机和材料扭转试验机 4 2 1 弹簧扭转试验机弹簧扭转试验机 弹簧扭转试验机采用国外先进技术 全数字放大 采集 闭环控制 使显 示稳定 精度高 使用方便 高精密减速机 具有传动平稳 噪音低 速度精 度高 调速范围宽 使用寿命长等特点 测量时 扭转扭矩 角度为数字显示 此外 机器具有峰值保持功能 过载保护功能 刚度计算功能 结果打印功能 数据查询等功能 且手动加荷 左右旋随意选择 操作简单 检测速度快 装 夹方便 如图 4 2 所示 25 图 4 2 弹簧扭转试验机 弹簧扭转试验机可分为手动弹簧扭转试验机和自动弹簧扭转试验机两种 其具体技术参数如下表 4 1 和表 4 2 所示 表 4 1 手动弹簧扭转试验机技术参数 26 表 4 2 自动弹簧扭转试验机技术参数 4 2 2 线材扭转试验机线材扭转试验机 金属线材扭转试验机适用于测定直径 或特征尺寸 为 0