材料力学性能测试课件

1、材料力学性能测试,材料力学性能测试,1,材料力学性能测试,目录,第一章 硬度 第二章 拉伸 第三章 冲击性能 第四章 压缩,第五章 剪切 第六章 扭转 第七章 弯曲 第八章 疲劳,2,材料力学性能测试,第一章 硬度,刻划法,压入法,硬度： 材料在一定条件下局部抵抗硬物压入其表面的能力，是比较各种材料软硬的指标。,硬度试验根据受力方式划分,静态法,动态法,硬度试验根据加力速度划分,3,材料力学性能测试,第一节 布氏硬度 第二节 洛氏硬度 第三节 维氏硬度,4,材料力学性能测试,第二章 拉伸,拉伸性能: 材料的弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标统称拉伸性能，它是材料的基本力学性能

2、。 在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一；提供预测材料的其它力学性能的参量，如疲劳、断裂等。,5,材料力学性能测试,屈服强度 材料开始明显塑性变形时的应力值,抗拉强度 拉断过程中最大试验力所对应的应力,一、常用术语,弹性极限e,屈服极限0.2,符合线性关系的最高应力,加载卸载后完全弹性恢复的最高应力,0.2残留变形的应力,比例极限p,6,材料力学性能测试,l1的测定,伸长率：设试样的标距为l0，拉断后若将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为l1 ，则 = (l1 l0)/ l0100,直测法: 如断口到最近的标距的距离大于l0/3,则以直接测得的两标距端点间的长度为l

3、1,首先在试验前用刻线机在试件表面上刻出将整个标距长度l0分成n等分的圆周线,位移法: 如断口到最近的标距的距离大于l0/3,在长段上从拉断处O取基本等于短段格数,得到B点,7,材料力学性能测试,接着取长段所余格数(偶数a)之半得到C点,或者取长段所余格数(奇数b)减1与加1之半,分别得C和C1点,移动后的l1分别为 AO+OB+2BC 或 AO+OB+BC+BC1,8,材料力学性能测试,9,材料力学性能测试,二、试样,夹持部分用来装入试验机夹具以便夹紧试样，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力。这两部分的尺寸及要求决定于试样的截面形状和尺寸以及试验机夹具类型。,10,材料力学性能测试,试样的尺

4、寸和形状对材料的塑料性质影响很大，国家对试样尺寸作了标准化规定,11,材料力学性能测试,三、实验步骤,（一）低碳钢的试件 1.试件准备 用刻线机在标距l0范围内每隔5mm刻划一根圆周线，将标距分成10格(对短试件)或20格(对长试件)。用游标卡尺测量标距两端及中间三个横截面处的直径,在每一横截面内沿相互垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值,用所得的三个平均值中最小的值来计算试件的横截面面积A0,2.试验机准备 根据低碳钢的强度极限b和试件的横截面面积A0估算试件的最大载荷，根据最大载荷的大小，选择合适的测力度盘。调整测力指针,对准零点,并使随动针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。,12,材料

5、力学性能测试,3.安装试件 先将试件安装在试验机的上夹头内,再移动下夹头使其达到适当位置，并把试件下端夹紧。,4.检查及试车 完成以上步骤后,开动试验机,预加少量载荷(其对应的应力不能超过材料的比例极限)后,卸载回零点,以检查试验机工作是否正常。,5.进行试验 开动试验机使之缓慢匀递加载。注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。当测力指针不动或倒退时,说明材料开始屈服,记录屈服载荷Fs ，加载至试件断裂后停机，由随动指针读出最大载荷Fb 。取下试件，将断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1；测量断口(颈缩)处的直径d1 ，计算断口处的横截面面积A1

6、。,13,材料力学性能测试,（二）灰铸铁试件 灰铸铁这类脆性材料拉冲时的载荷变形曲线如图所示。它不象低碳钢拉伸那样明显地可分为弹性、屈服、颈缩、断裂等四个阶段，而是一根非常接近直线的曲线，并且没有下降段。灰铸铁试样是在非常微小的变形请况下突然断裂的,断裂后几乎不留残余变形。 注意到这些特点，可知灰铸铁不仅不具有s ，而且测定它的和也没有实际意义。因此，对灰铸铁只需测定它的强度极限b就可以了。 取制备好的试样，测出其横截面积A0 ,然后装在试验机上逐渐缓慢加载直到试样断裂，记下最大载荷Fb ，据此即可算得强度极限 b = Fb / A0,14,材料力学性能测试,第三章 冲击性能,材料在冲击载荷（

7、速度较高）作用下，其变形和破坏的过程: 弹性变形 塑性变形 断裂破坏,弹性变形是以声速在介质中传播的，因而弹性总跟得上外加载荷的变化，所以加载速度对材料的弹性行为及相应的机械性能没有影响。,塑性变形的传播则比较慢，若加载速度太快，塑性变形就来不及充分进行，在宏观上表现为屈服强度与静载时相比有较大的提高但塑性却明显下降，材料会产生明显的脆化倾向。,冲击试验： 冲断具有缺口的试样，测定其吸收的能量。,15,材料力学性能测试,一、冲击韧性 k （J / m2） k = Ak/F F为试样缺口处的初始面积 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

8、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。,冲击韧性对于评定材料在冲击载荷作用下的力学性能，鉴定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量、评定材料的脆化倾向以及测定钢材的时效敏感性等方面有很重要的作用。,16,材料力学性能测试,二、按照试样受载荷方式划分 1.冲击拉伸 其试样的形状类似于静拉伸试样，通常试样的两端做成螺纹，一端旋于冲击锤上，另一端旋上一个螺母状的档铁，当冲击锤带着试样运动时，试样另一端的档铁碰到试验机上的阻挡支座，即形成冲击。试样的受载方式与衡速率拉伸相近。 2.冲击扭转 试样为长方体试样，通常一端固定在可夹

9、紧的支座上，另一端固定一个与试样长度方向垂直的扭转力矩杠杆，当冲击锤冲击力矩杠杆时即形成扭转冲击。这种试验方式容易显示在常用的冲击弯曲试验下难以显示的性能差异，常用作分辨和检定材料硬度高而冲击韧性值偏低的材料。如回火脆性等。,17,材料力学性能测试,3.冲击弯曲 冲击试验最常见的受载模式，一般简称为冲击试验，这种试验分为两种形式： （1）简支梁试验（charpy） 试样两端支撑，冲击锤击试样中部，根据试样所吸收的冲击功测定试样的Ak值，冲击锤的刃口以及支座圆角根据GB3808和ASMT E23标准有不同的尺寸要求。试样的缺口有V形和U形两种。 （2）悬臂梁试验（lzod） 长矩形试样一端夹持，

10、锤击另一端，这种试验在国内开展不广泛，在欧美等国家常用此试验方法，符合ISO/R84，GB 4158标准。 4.冲击剥离 为了研究粘合剂与层压材料之间的粘接强度，将试样用粘合剂粘接，试验时夹紧下试样，使冲击刀刃贴近粘接层冲击上试块，以测定粘接层的抗冲击能力。,18,材料力学性能测试,冲击实验的方法很多，但国际上常规冲击实验只有两种： 简支梁式冲击弯曲实验：实验时试样处于三点弯曲受力状态。也称“夏比”(Charpy)冲击实验 悬臂式冲击弯曲实验： 实验时试样处于悬臂弯曲状态，也称“艾佐”(lzod)冲击实验 （如图）,夏比冲击实验： 将具有规定形状和尺寸的试样，放在冲击实验机的试样支座上，使之处

11、于简支梁状态。然后使规定高度的摆锤下落，产生冲击载荷将试样折断，如图所示。 夏比冲击实验实质上就是通过能量转换过程测定试样在这种冲击载荷作用下折断时所吸收的功。,19,材料力学性能测试,设摆锤的重力为F（N），摆锤旋转轴线到摆锤重心的 距离为L（m），若将其抬起的高度为H（m）、则此 时摆锤所具有的能量为： E1 = F H = FL（1 COS ）,若摆锤下落折断试样后摆锤的高度变为h，则摆锤的 剩余能量为： E2 = F h = FL（1 COS ）,这两部分能量之差，即为金属试样在冲击载荷作用 下折断时所吸收的功AK AK = F H F h = FL（COS COS ） AK 的单位是

12、 Nm ，通常用 J 表示（1 J = 1 Nm）,20,材料力学性能测试,一、试样,夏比冲击试样根据其缺口形状的不同要求可分为v型缺口试样和u型缺口试样两种类型。,1. V型缺口试样 标准试样，标准试样是尺寸为10mm10mm55mm 在长度中部开有2mm深v型缺口的试样。图(a) 辅助小尺寸试样，当板材厚度在10mm以下无法切取标准试样时，则根据技术条件规定可以采用如图（b）所示的两种辅助小尺寸试样，其宽度分别为7.5mm和5mm，试样的其他尺寸及其偏差和缺口形状与图(a)中的要求相同。,21,材料力学性能测试,2.U型缺口试样 标准试样：标准试样是尺寸10mm10mm55mm，在 长度中

13、部开有2mm深u型缺口的试样。其形状、尺寸及 偏差见图(c)。 深u型试样，其形状和尺寸如图(d)所示。 辅助小尺寸试样与v型缺口试样一样，也可采用 7.5mm10mm55mm和5mm10mm55mm的两种辅助小 尺寸试样，其缺口为2mm或5mm深U型。,22,材料力学性能测试,试样开切口的目的是为了使试样在承受冲击时在切口附近造成应力集中，使塑性交形局限在切口附近不大的体积范围内，并保证试样一次就被冲断且使断裂就发生在切口处。. k值对切口的形状和尺寸十分敏感，切口愈深，愈尖锐k值愈低，材料的脆化倾向愈严重。因此，同种材料用不同切口试样测定的k值不能相互换算和直接比较。,23,材料力学性能测

14、试,二、步骤,(1)用精度不低于0.02mm的量具测量试样缺口底部处的横截面尺寸，其横截面尺寸应在规定偏差范围内。,(2)根据所测试材料的牌号和热处理工艺，估计试样冲击吸收功的大小，选择实验机的打击能量加上合适的摆锤，使试样折断的冲击吸收功在所用摆锤最大能量的10-90范围内。,(3)进行空打实验其目的是检查实验机是否处于正常工作状态。方法是当摆锤自由下落时，使指针对准最大打击能量处。然后扬起摆锤空打，检查此时的指针是否指零。其偏离不应超过最小分度的1/4。,24,材料力学性能测试,(4)正确放置试样 试样应紧贴支座安放，使缺口的背面朝向摆锤打击方向；试样缺口的搁置,应使用专用的定位规对中，使

15、之位于两支座对称面上，其偏差不应大于0.2mm。,(5)将摆锤接起，拨动指针指向最大打击能量处，然后送开挂钩使摆锤下落冲断试样,并任其向前继续摆动,直到达到最高点后回摆时,使用制动闸将摆锤刹住,使其停止在垂直位置,记下指针在示值度盘上所指的数值,即为冲击吸收功Ak,回收试样,观察断口。,25,材料力学性能测试,第四章 压缩,压缩性能： 材料在压缩应力作用下，抗变形和破坏的能力。,对于一般材料而言，从拉伸实验得到的力学性能指标即可满足工程设计相应用的要求，但对于一些脆性和低塑性材料（如铸铁、高碳钢、工具钢和铸铝合金等）,由于在拉伸时呈脆性断裂，其塑性指标无法求得，但采用压缩实验却可以测出它们在韧

16、性状态下的力学性能。 实际上，许多结构、零件是在压缩载荷下工作的,所以研究材料在压缩时的力学性能,具有一定的工程实际意义。,26,材料力学性能测试,压缩试验时，材料的力学性能可以用压力和变形的关系曲线表示，称为压缩图。 图a为低碳钢的压缩图，由图可见低碳钢在压缩时存在弹性极限、比例极限、屈服极限。试验表明，低碳钢压缩时的屈服极限在数值上和拉伸时的相应数值差不多，只是屈服现象不如拉伸时那样明显。随着压力的增加，试样由鼓形变成扁饼状而且越压越扁，不会发生压缩破坏，故不能测得其抗压强度极限。故一般均以屈服极限作为低碳纲的抗压强度的特征数值。,图b为灰铸铁压缩曲线。一般其抗压强度极限为抗拉强度极限的3

17、至4倍。此外，还可测得灰铸铁压缩时的某些塑性指标，如相对压缩率和截面扩展率等。灰铸铁压缩破坏断口为斜面,如图。,27,材料力学性能测试,低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一股制成圆柱体，其高h0与直径d0之比在1至3的范围内。 其理由是：目前常用的压缩实验方法是两端平压法，这种压缩实验方法，试样的上、下两端与实验机承垫之间会产生根大的摩擦力,它们阻碍试样上部及下部的横向变形,导致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就可变小，因此抗压强度与比值h0/d0有关。,28,材料力学性能测试,为了保证试样中心受压，两端面的平行度要好，且与试样轴垂直。实验时还必须加球形承

18、垫,如图所示.它可以位于试祥上端,也可以位于下端。球形承垫的作用是当试详两端稍不平行，可起到自动调节对中加载的作用。,由此可见，压缩实验的结果是与实验条件有关的。实验表明，此值取在1h0d03的范围内为宜。若小于1，则摩擦力的影响太大,若大于3，虽然摩擦力的影响减少，但稳定性的影响却突出起来。为了减小试样上、下端面与试验机承垫之间的摩擦力的影响，除了在实验之前，将试祥两端面涂以润滑剂外，同时还需保证试样端面加工应有较高的光洁度，要求达到1.6至0.8 。,29,材料力学性能测试,步骤 一.低碳钢压缩实验 测定试样的截面尺寸 用游标卡尺在试样高度中央取一处予以测量，沿两个互相垂直的方向各测一次,

19、取其平均值作为d0来计算截面面积A0 ，用游标卡尺测量试样的高度h0 。 调整实验机 估算低碳钢试样的屈服载荷的大小，选择合适的量程按实验机操作规程,调整因为指针使其对准废盘的零点,并调整好自动绘图装置。,安装试祥 将试祥两端面涂上润滑剂，并准确地安放在实验机活动平台承垫的中心位置上。,30,材料力学性能测试,装好防护罩。 检查及试机 启动实验机，先提升活动平台，当试样的上端面靠近实验机上承垫时，应大大减缓活动平台上升的速度。注意：必须切实避免急剧加载。待试样上端面与上承垫接触受力后，用慢速预先加少量载荷。之后关闭送油阀，检查实验机各部分工作是否正常，自动绘图装置是否动作。 进行实验 开启送油

20、阀，进行缓慢均匀地加载，并注意观察测力指针的转动情况，随时调整送油阀的进油量大小、以控制加载速度，同时要注意观察自动绘制的压缩曲线，以便及时而准确地判定其屈服载荷，并记录之。屈服阶段结束后继续加载,并观察试样由原来的圆柱形逐渐变成鼓形，将试样压成饼状后，关闭送油阀，停止加载。 实验完毕,关掉实验机电源,开启回油阀，使活动平台下降。卸载完毕，取下实验后的试样，观察变形情况。,31,材料力学性能测试,二、铸铁压缩实验 铸铁压缩实验方法和步骤与低碳钢压缩实验的-相同。 进行实验时，亦应缓慢开启送油阀，均匀地加载，同时注意观察测力指针的转动情况和自动绘制的曲线。当发现其压缩曲线开始明显变弯曲，测力指针

21、的转动开始倒迟，这时试祥表面已产生微裂纹，且裂纹迅速扩展，这是试样破坏的前奏，操作者特别注意。当听到试样断裂的声响，马上停机，这时试样巳完全破坏。应关闭送油阀，开启回油阀，使活动平台下降，取下被压裂的试样，观察变形及断口形状，记录测力度盘上从动针所指示的力值，即Pb值。,32,材料力学性能测试,第五章 剪切,实际工程中所使用的螺栓、销钉、铆钉和键等构件，都是起连接作用的零件，主要承受剪切作用。,剪切试验： 作用在试样两个侧面的载荷，其合力为大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对力，并使试样两部分沿着与合力作用线平行的受剪面发生错动。 剪切试验实际上就是测定试样剪切破坏时的最大错动力，并根据公

22、式计算出相应的应力，用表示，单位为N/mm2。,剪切试验一般分为单剪试验、双剪试验、冲孔试验、开缝剪切试验和复合钢板剪切试验等。,33,材料力学性能测试,单剪试验装置,双剪试验装置,冲孔剪切试验装置,34,材料力学性能测试,为了使计算简便，工程上通常采用近似的但基本符合实际的实用计算方法。即假定剪应力在剪切面内是均匀分布的。而且，在确定材料的极限应力的剪切实验中，使试件的受力条件尽可能地模拟实际零件的受力情况。在测得试件的最大载荷Pb后，仍然按剪应力在剪切面上均布的同样方法，算得该材料的剪切强度极限b 即 式中A为试件横截面面积，Pb 为最大载荷。,35,材料力学性能测试,低碳钢剪切实验步骤,

23、(1)测量低碳钢剪切试件的直径d0 用游标卡尺在试件任一处沿互相垂直的两方向各测量一次，取其平均值作为d0 (2)预估低碳钢材料的剪切强度极限(其0约在500-600MPa之间)，根据试件直径估算破坏时所需最大载荷Pb，选择好实验机的量程及其相应的测力度盘。 (3)按要求将试件安装到剪切器上并将剪切器置于万能材料实验机的承垫上。 (4)缓慢均匀加力直至试件被剪断，试件剪断后，应立即关机，并读取试件被剪断时的破坏载荷Pb，然后取出试件，观察试件破坏后的形貌。 (5)整理工具和现场、关闭进油阀，打开回油阀，使实验机的工作台回复原位。,36,材料力学性能测试,第六章 扭转,一、扭转试验特点,(1)扭

24、转的应力状态软性（柔度）系数a=0.8，因此可用它来测定那些在拉伸实验时呈脆性正断的材料(如调质结构钢和工具钢)的塑性变形的抗力指标。 (2)在用圆柱形试件进行扭转试验时，由于在整个试件长度内的塑性变形始终是均匀的，不会出现颈缩现象。 而且试件的截面尺寸及标距长度基本上保持不变。因此， 可用来精确评定拉伸时出现颈缩的塑性材料的变形能力和抗力指标。,37,材料力学性能测试,(3)扭转时试件横截面上扭转剪应力分布不均匀，表面最大，越往心部越小。因而它对表面缺陷以及表面硬化层的性能反映是很敏感的。工程上往往可以利用这一特性来检查零件热处理的表面质量和相对各种表面强化工艺进行研究。,(4)由于扭转时试

25、件上任一点为纯剪切应力状态，故试件表面上存在的max和max在数值上大体相等，而工程上许多金属材料的k真 k真 所以，扭转试验是测定这些材料切断强度的可靠方法。此外，根据扭转试件的断口持征可明确地区分材料最终断裂的方式是正断还是切断。一般，塑性材料的扭转断裂面垂直于试件的线，断口平整且有回旋状的塑性变形痕迹(图a)，这是由max造成的切断.脆性材料的扭转断口呈螺旋状曲面,与试件轴线约成45(图b)，这是在max 作用下产生的正断。在扭转试验中所出现的这两种典型材料的不同断裂方式为分析材料的破坏原因和抗断能力提供了直接而有效的依据,这一点是其他试验方法所不具备的。,38,材料力学性能测试,二、试

26、样 1.圆柱形试样，直径10mm，标距L0为50mm、100mm，平行长度Lc为70mm、120mm； 对于其他直径，平行长度为标距加上两倍直径。,2.管形试样，平行长度为标距加上两倍外直径。,39,材料力学性能测试,三、扭转图,在试验过程中，随着扭矩M的增大，试件标距两端截面不断产生相对转动，使扭转角的增大，绘出曲线称为扭转图。 扭转图与拉伸试验测定的真应力-真应变曲线相似，这是因为在扭转时试件的形状不变，其变形始终是均匀的，即使进入塑性变形阶段，扭矩仍随变形的增大而增加，直至试件断裂。,40,材料力学性能测试,塑性材料断口与试件的轴线垂直，断口平整并有回旋状塑性变形痕迹（a）。这是由切应力

27、造成的切断； 脆性材料断口约与试件轴线成45螺旋状（b）；如果材料的轴向切断抗力比横向的低，扭转断裂时可能出现层状或木片状断口（c）。可以根据断口特征，判断产生断裂的原因以及材料的抗扭强度和抗拉（压）强度相对大小。,四、应用,41,材料力学性能测试,五、步骤,1.尺寸测量 在标距两端及中间处选三个截面,每个截面在相互垂直的方向各测一次直径,取其算术平均值作为改截面的平均直径,取三处平均直径的最小值计算试样抗扭截面模量Wn,42,材料力学性能测试,2.断口分析,低碳钢：平面断口 断裂由剪应力引起，断面上可看出回旋状塑性变形的痕迹，是典型的韧状断口。断裂时的剪应力定义为强度极限。,铸铁：45螺旋断

28、口 断裂由最大拉应力引起，而最大拉应力先于最大剪应力达到强度极限后发生断裂又说明了铸铁的抗拉能力弱于其抗剪能力。,43,材料力学性能测试,通过圆柱形试件的扭转实验可以测出如下力学性能指标： 剪切弹性模量G,材料的扭转过程可用其T-曲线(亦即扭转图）描述。T代表施加在试件上的扭矩，代表试件上相为l0的 两截面的相对扭转角。图为两种典型材料(低碳钢和 铸铁)的T-曲线。 由低碳钢的扭转曲线可看出，在其直线部分oa段为弹 性阶段，在该阶段内试件横截面上的扭转剪应力和剪应变呈线性分布。,44,材料力学性能测试,由材料力学中的弹性应力公式知，此时在试件表面上的最大扭转剪应力为：,最大剪切力：,式中d0为

29、试件的直径；l0为试件的标距长；,为试件的扭转截面模量,根据剪切虎克定律：,扭转试验时只需测出该阶段内的扭矩值T和其相应的扭转角，则可由上式求出剪切弹性模量G,45,材料力学性能测试,剪切比例极限p 在 T- 图上求出对T轴的正切比其直线部分的正切值大 50的扭矩值 Tp，即可由下式：,得出这种规定条件的比例极限p,剪切屈服极限,当扭矩超过 Tp 后，横截面上剪应力的分布不再呈线性，而剪应变仍保持线性分布，如图（b）。随着扭短的继续增加，试件表面的剪应力将首先达到屈服极限 ，但是由于试件内部的剪应力尚小于 ，所以，在试件表面的剪应力暂时不再增加，而剪应变迅速增加的情况下，试件仍能继续承裁，T-

30、曲线稍微上升。随着扭矩的不断增加；横裁面上剪应力达到 区域就会逐渐形成一个环状塑性区，如图(b)，并不断地向圆心扩展直至横截面的应力几乎全部达到屈服极限，如图(c)后，试件才接近于全面进入塑性，此时，扭转机上的扭矩度盘上的指针出现了短暂的停留。,46,材料力学性能测试,设此时的扭矩值为 ，由静力学关系知若在截面上任取一切 向内力元素 则该横截面上所有切向内力元素 对圆 心取矩之和即为该截面之扭矩，故有,式中为dA与圆心的距离。取离圆心为，宽度为d的环形微面 积为dA，如图（c），则 dA = 2d，将其代入上式得,故,由于上式是在横截面上扭转剪应力的分布情况如图（c）所示，即 材料呈理想塑性状

31、态下推导得出的，因此上式称为扭转时剪切屈服 极限的弹塑性应力公式。,47,材料力学性能测试,对于没有明显屈服表征的材料，可以将产生残余剪应变为0.3时的相应应力值作为条件屈服极限，并用0.3 表示，即,T0.3为试件产生残余剪应变为0.3时作用在试件上的扭矩，其值可用图解法或卸力法测定。由广义虎克定律和应变状态理论可以证明，扭转时规定残余财应变为0.3，是与拉伸时规定的残余应变值0.2相对应的。,48,材料力学性能测试,剪切弹性极限 随着对试件的继续加载，T-曲线开始上升，材料将进一步强 化，此时，横截面上扭转剪应力的真实分布如图(d)所示，设此时 剪应力与剪应变的关系为 = f () 根据静

32、力学关系，此时截面上所受扭矩可写为,由于离圆心为处的内层剪应变,式中为单位长度扭转角.联立上式可得,49,材料力学性能测试,式中 将上式两边对微分,则有,在试件表面处的 ,所以,故,上式即强化后的真实剪应力计算公式,50,材料力学性能测试,若将 T-曲线的横坐标变换成,则可用图解法在 T-曲线 中很容易地求得max 当 T=Tb 时,试件被扭断.设其时 ,则真实扭 转强度为:,假设实验测得的 T-曲线在最后部分与轴接近平行, 即 则上式便成为,上式即为剪切强度极限b的理论计算公式.而我国的国家标准 从指标的相互可比为出发点,规定扭转时的剪切屈服极限可采用如 下公式 而强度极限则采用,51,材料

33、力学性能测试,铸铁试件的T-曲线如图所示。从开始受扭，直至破坏，为一微弯的曲线.虽然其塑性变形较拉伸时大但远不如压缩时明显。故可近似为一直线，并按弹性应力公式来计算其剪切强度极限，即,试件受扭，材料处于纯剪切应力状态：在垂直于轴线与平行于轴线的截面上仅作用着剪应力而在与轴线成-45和45的截面上，则分别作用有1=,3= -的主应力,如图所示。由于低碳钢材料在纯剪切应力状态下,其抗正断能力高于抗切断能力，故低碳钢试件将沿最大剪应力所在的横截面剪断断口平齐，呈现了切断断口的特征。而铸铁材料在纯剪切应力状态下，其抗正断能力低于抗切断能力，所以铸铁试件将从其表面某一最弱处,沿与轴线成45方向的螺旋状曲

34、面被拉断,呈现了正断断口的特征如图.,52,材料力学性能测试,实验方法与步骤,一、剪切弹性模量G的测定,用游标卡尺测量试件直径d0 。在试件标距范围内的上、中、下部，取三个截面，每处沿正交方向测两次，取平均值。 拟定加载方案。采用等级加载法进行实验。其初扭矩T0和最大实验扭矩Tn可按下式确定：,其中p可从有关手册中查得或按p = 0.8来估计。将T0到Tn分成n级加载，每级的扭矩增量为T， 即 该增量应使扭角仪或镜式引伸仪有明显的读数变化。,53,材料力学性能测试,设与T相应的扭转角增量为，则在增量形式下的剪切弹性模量可改写为,3.安接扭角仪(或镜式引伸仪)和试件。扭角仪的构造和安装示意图如图

35、所示。将扭角仪的两根臂杆AC和BCD分别装在试件标距的两端A、B处，并将四周的定位螺钉拧紧，使螺钉的钉尖位于圆周刻线上。当试件受扭时，固夹在试件上的AC、BCD臂杆就会绕试件轴线而转动，推杆BDE将使安装在AC杆上的千分表指针走动。设指针走动的位移为，千分表顶杆与试件轴线的距离为b，则A，B两截面间的相对扭转角为,54,材料力学性能测试,将已装上扭角仪的试件一端先装夹在扭转实验机的固定夹头中然后，将另一端装入主动夹头，试仲安装必须牢靠，以防实验时打滑。 若使用镜式引伸仪测定扭转角，则应先将试件装在扭转机上，并对试件用慢速施加一初扭矩T0 ，然后再将镜式引伸仪(其构造和安装示意图如图所示)中的反

36、射小镜装夹在试件标距的两端A、B处调节好镜式引伸仪的望远镜和刻度尺，并记录下两反射小镜在望远镜中的初读数A0和B0。当试件受扭后，装夹在试件上的反射镜就会随试件一起产生相对转动，在望远镜中的读数也将随之发生改变， 设其分别为Ai和Bi，则A，B两截面的相对扭转角为,55,材料力学性能测试,式中lA、lB分别为两反射镜与刻度尺之间的距离。由于镜式引伸 仪是用光杠杆来放大A、B两截面转动时的相应弧长，因面当lA、lB 较大时，测量精度较高。但是要注意的是，在整个测试过程中不准 碰动望远镜、刻度尺和反射镜。,用扭转试验机上的手摇装置慢速逐级加载，每加一级扭矩 增量，读取相应的扭转角增量的读数，直至扭

37、矩加到Tn ；为 止.如各级扭转角增量i 基本相等，这就验证了剪切虎克定律. 取各级扭转角增量i 的平均值，并代入式 即可求得 该次实验所测得的剪切弹性度量G。,二、低碳钢的剪切屈服极限s 和剪切强度极限b 测定G后，取下扭角仪（或镜式引伸仪），安装好绘图纸， 调节好机器零点，即可加载测试。 为便于观察和记录数据，初始阶段采用慢速或手摇加载。加 载必须均匀、缓慢，不得停顿。当测力指针前进速度渐渐减慢以至 停留不动时(注意：于此时指消止不动的时间较短，因此测量者必 须留心观察），及时记下该时的扭矩值Ts,56,材料力学性能测试,然后，可改换快速电动加载，直至试件断裂。试件断裂后应立即停 车井记下

38、测力度盘上被动针所指示的最大扭矩Tb 。, 取下试件和绘图纸，观察和分析低碳钢的T-曲线和原画在试 件表面的纵向线的变形情况以及断口特征，测量扭断后试件的直径 及原画在试件表面上的二圆周线的距离，并与实验前的相应情况作 比较。, 将原先在标距内上、中、下三处，沿正交方向所测得的试件 直径的三个平均值，取其最小者作为d0来计算WT 。并根据国标 GBl012888的规定,将Ts ,Tb代入 和 从面求 出低碳钢的s和b。,57,材料力学性能测试,三、铸铁剪切强度极限b的测定 铸铁试件的实验方法和步骤与低碳钢基本相同同。可直接用电动快速加载，记下试件破坏时的最大扭矩Tb ， 并代入式 即可求很铸铁

39、的剪切强度极限b 。 观察和分析铸铁的T-曲线和断口特征。,58,材料力学性能测试,第七章 弯曲,弯曲试验： 试样上的外力垂直于试样轴线，并作用在纵向对称面（通过试样的轴线和截面对称的平面）内。,金属弯曲试验是将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，围绕具有一定直径的弯心，弯曲至规定的角度或不带弯心，弯到两面接触（即弯曲180，弯心直径d=0）后，卸除试验力，检查试样承受变形的能力。试验一般在室温下进行，所以也常称为冷弯试验。,59,材料力学性能测试,一、试验特点,应力状态与静拉伸时的应力状态基本相同； 弯曲试验不受试样偏斜的影响； 弯曲试验不能使塑性很好的材料破坏，不能测定其断裂弯曲强度；

40、试样上表面应力最大，可以较灵敏地反映材料表面缺陷情况。,60,材料力学性能测试,弯曲试验常用两种加载方法：,三点弯曲加载,四点弯曲加载,61,材料力学性能测试,二、定义,1.弯曲强度P: 试样在弯曲过程中承受的最大弯曲应力。（MPa） 2.挠度f： 在弯曲的过程式中，试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离。（mm),3.通过弯曲试验得到的弯曲载荷和试样弯曲挠度的关系曲线称为弯曲图。,断裂挠度fbb的测定：将试样对称地安放于弯曲试验装置上，挠度计装在试样中间的测量位置上，施加弯曲力直至试验断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点的挠度。,62,材料力学性能测试,4.试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力：

41、 M最大弯矩，对三点弯曲M=PL/4；对四点弯曲M=PK/2。 W抗弯截面系数，对于直径为d的圆形试样， ；对于宽度为b，高为h的矩形试样， W=bh2/6 计算脆性材料的抗弯强度： （Mb为断裂时的弯矩,读出Pbb）,63,材料力学性能测试,弯曲试验主要测定脆件或低塑性材料的抗弯强度。试样弯曲至断裂前达到的、按弹性弯曲应力公式计算得到的最大弯曲应力就是材料的抗弯强度,用符号bb表示。,bb是铸铁的重要力学性能指标。灰铸铁的抗弯性能优于抗拉性能，球铁和可锻铸铁的bb比灰铸铁的大得多，如珠光体球铁的bb 为7001200MPa,为抗拉强度的1.61.9倍。,64,材料力学性能测试,第八章 疲劳,一、疲劳 材料在交变应力作用下，在应力远远低于材料的屈服强度s的若干个循环下发展的突然断裂现象。,1.低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂 2.疲劳是脆性断裂 3.疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感 4.疲劳断口