中科大材料性能测试课件第2章 力学性能测试

第二章力学性能及测试方法一、力学性能的含义：材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。主要包括：强度、塑性、硬度等。（1）强度：材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb（2）塑性：材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率

，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量第一节力学性能简介（3）硬度：衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。二、力学性能的常规测试手段（1）单向静拉伸实验（3）扭转实验（2）压缩实验（4）弯曲实验（5）冲击韧性实验（6）断裂韧性实验（7）疲劳性实验（8）磨损性实验第二节常温单向拉伸性能及测试方法一、力–伸长曲线图2.1低碳钢的力—伸长曲线F为拉力,

L为绝对伸长P点以下为直线A点以下为弹性变形AC为屈服阶段CB为均匀塑性变形Bk为非均匀塑性变形1—淬火后的高碳钢弹性、少量塑性变形2—低合金钢，类似于低碳钢3—黄铜无明显屈服阶段4—陶瓷、玻璃只有弹性变形5—橡胶弹性变形可达1000%6—工程塑料工程应变工程应力(Mpa)b图2.1低碳钢的应力应变曲线acdek真应变真应力二、应力—应变曲线弹性变形阶段基本吻合塑性变形阶段差异明显工程设计和材料选用时多用工程应力和工程应变材料科学研究中真应力和真应变具有重要意义四个阶段1）弹性变形阶段：ob段，比例极限、弹性极限4）局部塑性变形阶段，ef段2）屈服阶段：cd段，屈服强度3）均匀塑性变形阶段：de段，抗拉强度七种类型1)弹性模量(Gpa)三、重要拉伸性能指标影响因素：1、键合方式及原子结构共价、离子及金属键弹性模量较大2、晶体结构非晶态材料的弹性模量呈各向同性多晶态材料为各向同性单晶材料为各项异性3、化学成分5)抗拉强度2)

比例极限

p0.01、弹性极限

p0.05和屈服强度

0.023)断后伸长率4)

断面收缩率1)试样制备四、测试方法a)

从棒材、管材、板材等成品上合理切取材料，加工成标准尺寸试样。图2.2棒材、板材试样示意图L0=10d或5dL0=10b或5bb)

粉、粒状原材料经模塑成形为标准尺寸试样，材料性能受成型条件（成型方法、成型温度和压力、冷却速度、后处理条件）影响。图2.3聚碳酸酯热处理时间对性能的影响2)实验仪器拉力试验机：加载和测力引伸计：测量变形高低温辅助装置图2.3

DL-1000B型拉力试验机3)实验步骤a)测量原始截面积S0和标记初始标距L0圆形截面试样矩形截面试样圆管截面试样未加工的等截面试样b)

选择合适的夹具和拉伸速率c)

数据处理屈服强度

0.2弹性模量屈服强度

su、sl断面收缩率一、压缩试验的应力-应变曲线及特点图2.4铸铁压缩应力-应变曲线图2.5低碳钢压缩应力-应变曲线第三节常温压缩性能及测试方法压缩屈服强度压缩弹性模量相对压缩率相对断面扩展率抗压强度二、压缩性能参量三、测试方法1)试验试样的试样适用于测量

pc、

sc、

bc的试样适用于测量

0.01c、Ec的试样仅适用于测量

bc、2)试验装置试验机、引伸计约束装置图2.6约束装置示意图3)实验步骤a)

选择合适的压缩速率b)

板状试样夹紧力的选择c)

数据处理Ec、

pc、sc、

bc第四节常温扭转性能及测试方法一、扭转试验的基本概念在圆柱形试样两端施加大小相等、方向相反、作用面垂直于试样轴线的力偶，测量试样的扭矩M和转角

图2.6扭转时的切应力与切应变扭矩定义为极惯性距为截面系数W，则有,图2.8扭转试验计算示意图切变模量抗扭强度二、扭转性能参量三、测试方法1)试验试样一般选用d=10mm，L0=50或100mm，Lc=70或120mm满足Lc=L0+2d2)试验装置:扭转试验机和扭转计3)数据处理非比例扭转应力抗扭强度最大切应变第五节常温弯曲性能及测试方法一、弯曲试验力学分析及基本概念三点弯曲示意图四点弯曲示意图挠度(f)：横截面形心在垂直于轴线方向上的位移弯矩剪力1)规定非比例弯曲应力其中W为抗弯截面系数2)弯曲弹性模量二、弯曲性能参量其中I为轴惯性矩3)抗弯强度三、测试方法1)试验试样为克服弯曲时切应力的影响，应选择的试样2)试验装置试验机、弯曲夹具和挠度计三点弯曲时最大正应力与最大切应力的关系（圆形截面试样）（矩形截面试样）或非比例弯曲应力弯曲弹性模量取得出代入将3)数据处理第六节硬度性能及测试方法一、硬度性能基本概念硬度反映材料抵抗局部变形特别是塑性变形和破裂的能力硬度并非材料独立的力学性能，而是人为规定的在某一特定试验条件下的一个综合性能指标。二、布氏硬度(HB)1)试验原理将代入得将代入HB的计算式可得根据大量试验结果有2)试验设备布氏硬度计：加力部分、钢球和压痕测量装置3)测试方法

压头选择：压头种类及直径试验力选择：根据试样硬度确定4)优缺点优