1、目錄摘要11引言12金屬材料的力學性能簡介22.1 強度22.2 塑性22.3 硬度22.4 沖擊韌性32.5 疲勞強度33金屬材料力學性能測試方法33.1拉伸試驗33.2壓縮試驗63.3扭轉試驗83.4硬度試驗113.5沖擊韌度試驗163.6疲勞試驗194常用的儀器設備簡介204.1萬能試驗機204.2扭轉試驗機234.3擺錘式沖擊試驗機285金屬材料力學性能測試方法的發展趨勢30參考文獻30金屬材料的力學性能及其測試方法摘要：金屬的力學性能反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力，它與材料的失效形式息息相關。本文主要解釋了金屬材料各項力學性能的概念，介紹了幾個常見的測試金

2、屬材料力學性能的試驗以及相關的儀器設備，最后闡述了金屬材料力學性能測試方法的發展趨勢。關鍵詞：金屬材料，力學性能，測試方法，儀器設備，發展趨勢Test Methods for The Mechanical Properties of Metal MaterialAbstract：The mechanical properties of metal material which reflect some abilities of deformation and fracture resistance under various external forces are closely linked

3、 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.

4、 Keywords：metal material，mechanical properties，test methods，apparatuses， development trend1引言材料作為有用的物質，就在于它本身所具有的某種性能，所有零部件在運行過程中以及產品在使用過程中，都在某種程度上承受著力或能量、溫度以及接觸介質等的作用，選用材料的主要依據是它的使用性能、工藝性能和經濟性，其中使用性能是首先需要滿足的，特別是針對性的材料力學性能往往是材料設計和使用所追求的主要目標。材料性能測試與組織表征的目的就是要了解和獲知材料的成分、組織結構、性能以及它們之間的關系。而人們要有效地使用材料，首先

5、必須要了解材料的力學性能以及影響材料力學性能的各種因素。因此，材料力學性能的測試是所有測試項目中最重要和最主要的內容之一。在人類發展的歷史長河過程中，人們已經建立了許多反映材料表面的和內在的各種關于力學、物理等相關材料性能的測試和分析技術，近現代科學的發展已使材料性能測試分析從經驗發展并建立在現代物理理論和試驗的基礎之上，并且隨著人們對材料的力學性能和使用性能的廣泛研究和深入理解，也顯著促進了材料力學性能測試技術、理論、方法和設備的迅速發展1。2金屬材料的力學性能簡介任何機械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用。如起重機上的鋼索，受到懸吊物拉力的作用；柴油機上的連桿，在傳遞動

6、力時，不僅受到拉力的作用，而且還受到沖擊力的作用；軸類零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機械荷而不超過許可變形或不破壞的能力。這種能力就是材料的力學性能2。金屬的力學性能是指金屬材料抵抗各種外加載荷的能力，其中包括：彈性和剛度、強度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度及疲勞強度等，它們是衡量材料性能極其重要的指標。2.1 強度強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強度指標一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符號為，單位為MPa。工程中常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是指金屬材料在外力作用下，產生屈服現象時的應力，或開始出現塑性變形時的最低應力

7、值，用s表示。抗拉強度是指金屬材料在拉力的作用下，被拉斷前所能承受的最大應力值，用b表示。對于大多數機械零件，工作時不允許產生塑性變形，所以屈服強度是零件強度設計的依據；對于因斷裂而失效的零件，而用抗拉強度作為其強度設計的依據。2.2 塑性塑性是指金屬材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力。工程中常用的塑性指標有伸長率和斷面收縮率。伸長率指試樣拉斷后的伸長量與原來長度之比的百分率，用符號表示。斷面收縮率指試樣拉斷后，斷面縮小的面積與原來截面積之比，用y表示。伸長率和斷面收縮率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金屬材料進行壓力加工的必要條件，也是保證機械零件工作安全，不發生突然脆

8、斷的必要條件。2.3 硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度是材料的重要力學性能指標。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。2.4 沖擊韌性金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性，用K表示，單位為J/cm2。沖擊韌性常用一次擺錘沖擊彎曲試驗測定，即把被測材料做成標準沖擊試樣，用擺錘一次沖斷，測出沖斷試樣所消耗的沖擊AK，然后用試樣缺口處單位截面積F上所消耗的沖擊功K表示沖擊韌性。K值越大，則材料的韌性就越好。K值低的材料叫做脆性材料，K值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時受到很大的沖擊載荷，因此要用K值高的材料制造。

9、鑄鐵的K值很低，灰口鑄鐵K值近于零，不能用來制造承受沖擊載荷的零件。2.5 疲勞強度工程上一些機件工作時受交變應力或循環應力作用，即使工作應力低于材料的ss ，但經過一定循環周次后仍會發生斷裂，這樣的斷裂現象稱之為疲勞。 當零件所受的應力低于某一值時，即使循環周次無窮多也不發生斷裂，稱此應力值為疲勞強度或疲勞極限。影響疲勞強度的因素:內部缺陷、表面劃痕、殘留應力等3。3金屬材料力學性能測試方法 人們要有效地使用材料，首先必須要了解材料的力學性能以及影響材料力學性能的各種因素。每種材料的失效形式均與其相關的力學性能有關，如圖3-1所示。結合材料的失效形式，人們可以通過設計實驗來了解材料各方面的力

10、學性能。以下主要介紹幾種常見的金屬材料力學性能試驗，包括拉伸試驗、壓縮試驗、扭轉試驗、硬度試驗、沖擊韌度試驗、疲勞試驗等。圖3-1 力學性能和失效形式的關系3.1拉伸試驗金屬力學性能試驗方法是檢測和評定冶金產品質量的重要手段之一，其中拉伸試驗則是應用最廣泛的力學性能試驗方法。拉伸性能指標是金屬材料的研制、生產和驗收最主要的測試項目之一，拉伸試驗過程中的各項強度和塑性性能指標是反映金屬材料力學性能的重要參數4。影響拉伸試驗結果準確度的因素很多，主要包括試樣、試驗設備和儀器、拉伸性能測試技術和試驗結果處理幾大類：為獲得準確可靠的，試驗室間可比較的試驗數據，必須將這些因素加以限定，使其影響減至最小。

11、3.1.1拉伸試樣為了便于比較實驗結果，按國家標準 GB22876中的有關規定,實驗材料要按上述標準做成比例試件,即圓形截面試件 l0 =10d0 (長試件) l0 =5 d0 (短試件)矩形截面試件 l0 =11.3 (長試件) l0 =5.65 (短試件) 式中: l0 -試件的初始計算長度(即試件的標距); A0 -試件的初始截面面積; d0 -試件在標距內的初始直徑。實驗室里使用的金屬拉伸試件通常制成標準圓形截面試件,如圖3-2所示圖3-2拉伸試件3.1.2拉伸試驗原理金屬拉伸實驗是測定金屬材料力學性能的一個最基本的實驗，是了解材料力學性能最全面，最方便的實驗。本試驗主要是測定低碳鋼在

12、軸向靜載拉伸過程中的力學性能。在試驗過程中，利用實驗機的自動繪圖裝置可繪出低碳鋼的拉伸圖（如圖3-3所示）。由于試件在開始受力時，其兩端的夾緊部分在試驗機的夾頭內有一定的滑動，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。圖3-3 試件拉伸圖對于低碳鋼，在確定屈服載荷PS時，必須注意觀察試件屈服時測力度盤上主動針的轉動情況，國際規定主動針停止轉動時的恒定載荷或第一次回轉的最小載荷值為屈服載荷PS，故材料的屈服極限為 試件拉伸達到最大載荷之前，在標距范圍內的變形是均勻的。從最大載荷開始，試件產生頸縮，截面迅速變細，載荷也隨之減小。因此，測測力度盤上主動針開始回轉，而從動針則停留在最大載荷的刻度上，給我們指示出最

13、大載荷Pb，則材料的強度極限為: 試件斷列后，將試件的斷口對齊，測量出斷裂后的標距l1和斷口處的直徑d1 ，則材料的延伸率和截面收縮率分別為: ×100% ×100%式中，l0 , A0分別為試驗前的標距和橫截面面積； l1 ,A1分別為試驗后的標距和斷口處的橫截面面積。如果斷口不在試件距中部的三分之一區段內，則應按國家標準規定采用斷口移中法來計算試件拉斷后的標距l1 。其具體方法是：試驗前先在試件的標距內，用刻線器刻劃等間距的標點或圓周11個，即將標距長度分為10等份。試驗后將拉斷的試件斷口對齊，如圖33所示，以斷口O為起點，在長段上取基本等于短段的格數得B點當長段所余格

14、數為偶數時，如圖-4（a）所示，則取所余格數的一半得C點，于是l1AB+2BC若長段所余格數為奇數時，如圖-4（b）所示，可在長段上取所余格數減之半得C點，再取所余格數加之半得C1點，于是l1ABBCBC1圖3-4 （a）;（b）當斷口非常接近試件兩端部，而與其端部的距離等于或小于直徑的兩倍時，需重作試驗。3.1.3拉伸試驗特點拉伸試驗操作簡單、方便，通過獲得的應力應變曲線包含了大量信息，很容易看出材料的各項力學性能，如比例極限、彈性模量、屈服極限、強度極限等等，因此拉伸試驗成為了應用最廣泛的力學性能試驗方法。拉伸實驗中材料在達到破壞前的變形是均勻的，能夠得到單向的應力應變關系，但其缺點是難以

15、獲得大的變形量，縮小了測試范圍。3.2壓縮試驗壓縮試驗主要用于測定材料的壓縮屈服極限以抗拉強度，并通過實驗觀察材料在壓縮過程中的各種現象（主要是變形和破壞形式），以此來比較各種材料的壓縮機械性能的特點。以下主要以低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）的壓縮試驗為例。3.2.1 壓縮試驗原理將試樣放在試驗機的兩壓板之間，開動試驗機緩慢進行加載，使試樣受到緩慢增加的壓力作用，示力指針緩慢勻速轉動，并利用試驗機的繪圖裝置自動繪出壓縮圖（見圖35）。由于試樣兩端不可能理想的平行，試驗時必須使用球形承墊（見圖36），并且試樣應置于球形承墊中心，藉以球形承墊的自動調節作用實現試樣的軸向受壓。圖3-5試驗機繪

16、出的壓縮圖 圖3-6 球形承墊3.2.2壓縮曲線的解析 1）低碳鋼的壓縮試樣開始變形時服從虎克定律，壓縮曲線呈直線（見圖35a）。在開始出現變形增長很快的非線性小段時，表示材料到達了屈服，但這時并不象拉伸那樣有明顯的屈服階段，只是示力指針暫停轉動或稍有返回，這暫停或返回的最小值即為壓縮屈服荷載PSC。此后，圖形呈曲線上升，材料產生顯著的殘余變形，試樣長度顯著縮短，而直徑增大。由于試驗機壓板與試樣兩端面之間的摩擦力，使試樣兩端的橫向變形受到阻礙，因而試樣被壓成鼓形。隨著荷載的逐漸增加，塑性變形迅速增長，試樣的橫截面面積也隨之增大，而增大的面積又能承受更大的荷載，因此試樣愈壓愈扁，甚至可以壓成薄餅

17、狀而不破裂，所以無法測出其最大荷載Pbc和抗壓強度bc6。根據測出的壓縮屈服荷載PSC，由公式SC=PSC/S0即可求出材料的壓縮屈服極限。2）鑄鐵的壓縮圖37 鑄鐵試樣壓縮下的破壞鑄鐵試樣在壓縮時與拉伸明顯不同，其壓縮曲線上雖然仍沒有明顯的直線階段和屈服階段，但曲線明顯變彎（見圖35b），表明試樣在達到最大荷載Pbc前就出現了明顯的塑性變形，而其最大荷載Pbc也要比拉伸時的Pb大很多倍。當荷載達到最大荷載Pbc后稍有下降，然后破裂，并能聽到沉悶的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，并在與軸線大約成450角的斜面上破裂（見圖37），此破壞主要是由剪應力引起的。由公式bc= Pbc/S0即可求出材料的

18、抗壓強度。3.2.3壓縮試驗的特點相比拉伸試驗，壓縮試驗可以很大的變形量，彌補了材料在拉伸力學性能測試中的不足。材料實驗表明，對于多數金屬材料，拉伸實驗在材料破壞前給出的應力應變關系與壓縮實驗相同，因此壓縮試驗在金屬成形的材料實驗中有著廣泛的用途。但是壓縮實驗因為材料端面的摩擦效應，一般難以獲得均勻變形，必須有良好的潤滑條件來消除摩擦或講摩擦效應降到極小，才能獲得較準確的材料性能7。3.3扭轉試驗扭轉試驗是觀察試樣在扭轉力偶作用下試樣受力和變形的行為。通過觀察材料的破壞方式來測定材料的剪切屈服極限及剪切強度極限。3.3.1扭轉試件采用圓形截面試件，如圖3-8所示，在試件表面畫上一條縱線，以便觀

19、察試件的扭轉變形。圖3-8 扭轉試樣3.3.2扭轉試驗機的工作原理扭轉試驗機如圖3-9。在機體上有一個基本固定的夾頭，用兩平面和夾緊螺栓固定扭轉試樣的一端。基座上有一個能水平移動的電動減速裝置，其左端是一個可旋轉的夾頭，以夾持試樣的另一端。當電動減速器轉動時，帶動活動夾頭轉動，而使試樣的一端相對于另一端發生了轉動，故試件受扭而產生變形。圖3-9 扭轉試驗機作用于試樣的扭轉力矩，通過與固定夾頭相連的稱重機構而平衡，同時又帶動荷載指針轉動而指示出所受扭轉力矩的大小。它還帶動繪圖儀的畫筆左右移動，這個移動的扭轉力矩坐標在記錄紙上與紙的長度方向相垂直。 活動夾頭的轉動量代表了試樣一端相對于另一端的轉動

20、，即扭轉角。扭轉角的大小由活動夾頭上的刻度線來指示。同時還通過轉動傳感器將轉角信號輸入到繪圖儀中，帶動繪圖儀紙筒轉動送出記錄紙，在記錄紙的長度方向構成轉角坐標。在實驗過程中，隨著試件扭轉變形的增加，試樣所受的扭轉力矩也隨之變化，繪圖儀就畫出扭轉力矩扭轉角的實驗曲線。在扭轉力矩示荷盤的右下方，有一個量程旋鈕用以改變扭轉力矩的測量量程。其測量范圍有100Nm、200 Nm、500 Nm、1 000 Nm。當把旋鈕轉動到指定的量程時，示荷盤上的刻度標示值隨之變化。以利于直接讀取。在示荷盤左邊的側面上有一個轉動輪，往上或往下轉動可調整示荷盤指針的零點（一般情況下不要去轉動它）。扭轉實驗時的變形速度，可

21、由改變電動機的轉速來決定。由于本機采用可控硅直流電機，調速可在一個很大的范圍內無級調整。調速由機器操縱面板的開關和旋鈕來控制。控制面板如圖3-10，面板各開關，旋鈕的功能如下所述。電源開關：按下“開”，接通整機電源；按“關”，斷開整機電源：活動夾頭轉動速度設置如下。快速設置：速度設置開關扳于0360°/min，表示活動夾頭轉動速度在0360°/min的范圍內變化，具體的速度由速度調節鈕的轉動來決定。慢速設置：速度設置開關搬于036°/min之間變化。具體的速度由速度調節鈕的轉動量來決定。電機開關按鈕：電機的轉動由三個按鈕決定，“正”為正轉，“反”為反轉，“停”為不

22、轉。改變電機轉向時，應先按“停”然后再換回。記錄儀開關：此開關用于開關記錄儀，當一切準備就緒后即可打開記錄儀。用完關閉，以免電機轉動空走紙。圖3-10 控制臺面板3.3.3扭轉實驗原理試件承受扭矩時，材料處于純剪切應力狀態，是拉伸以外的又一重要應力狀態，常用扭轉實驗來研究不同材料在純剪切應力狀態下的機械性質。低碳鋼試件在發生扭轉變形時，其T曲線如圖3-11所示，類似低碳鋼拉伸實驗，可分為四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和斷裂階段，相應地有三個強度特征值：剪切比例極限、剪切屈服極限和剪切強度極限。對應這三個強度特征值的扭矩依次為Tp、Ts、Tb。圖3-11 T曲線在比例極限內，T與成線性關

23、系，材料完全處于彈性狀態，試件橫截面上的剪應力沿半徑線性分布。如圖3-12(a)所示，隨著T的增大，開始進入屈服階段，橫截面邊緣處的剪應力首先到達剪切屈服極限，而且塑性區逐漸向圓心擴展，形成環塑性區，如圖3-12(b)所示，但中心部分仍然是彈性的，所以T仍可增加，T的關系成為曲線，直到整個截面幾乎都是塑性區5，如圖3-12(c)所示。 （a） （b） （c）圖3-12 試件橫截面剪切力分布在T出現屈服平臺，示力度盤的指針基本不動或有輕微回擺，由此可讀出屈服扭矩Ts，低碳鋼扭轉的剪切屈服極限值可由下式求出： 屈服階段過后，進入強化階段，材料的強化使扭矩又有緩慢的上升，但變形非常明顯，試件的縱向畫

24、線變成螺旋線，直至扭矩到達極限扭矩值Mb進入斷裂階段，試件被剪斷，由示力度盤的從動針可讀出，則低碳鋼扭轉的剪切強度極限 可同下式求出： 3.3.4試件的破壞現象分析：試件受扭，材料處于純剪切應力狀態，在試件的橫截面上作用有剪應力，同時在與軸線成±45°的斜截面上，會出現與剪應力等值的主拉應力和主壓應力6，如圖4-13所示。圖3-13 試樣受力分析 低碳鋼的抗剪能力比抗拉和抗壓能力差，試件將會從最外層開始，沿橫截面發生剪斷破壞，而鑄鐵的抗拉能力比抗剪和抗壓能力差，則試件將會在與桿軸成45°的螺旋面上發生拉斷破壞。3.4硬度試驗金屬硬度試驗按受力方式可分為壓入法 、刻

25、劃法兩種，一般來說普遍采用壓入法；按加力速度可分為靜力試驗法和動力試驗法兩種，其中靜力試驗法最為普遍，常用的布、洛、維氏硬度等均屬靜力壓入試驗法8。3.4.1布氏硬度試驗法3.4.1.1 布氏硬度試驗法法原理將一定直徑的硬質合金球施加試驗力壓入試樣表面經規定的保持時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕的直徑，見圖3-14。圖3-14 布氏硬度測量原理圖由壓頭球直徑D和測量所得的試樣壓痕直徑d可算出壓痕面積，即：: S = （2-1）于是布氏硬度值可由以下式算出： 布氏硬度=常數×試驗力/壓痕表面積，即： （2-2）上式中: ；D, d 單位為mm；F 單位為N。試驗時，根據被測的材料不

26、同，球直徑、試驗力及試驗力保持時間按表1選擇。表1 球直徑、試驗力和試驗力保持時間選擇表 3.4.1.2布氏硬度的特點布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性好，由于通常采用的是10mm球壓頭，3000kg試驗力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料。它的試驗數據穩定，重現性好，精度高于洛氏，低于維氏。此外布氏硬度值與抗拉強度值之間存在較好的對應關系。布氏硬度試驗的缺點是壓痕較大，成品檢驗有困難，試驗過程比洛氏硬度試驗復雜，要分別完成測量操作和壓痕測量，因此要求操作者具有一定的經驗

27、。3.4.1.3布氏硬度的應用布氏硬度計主要用于組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗有著較好的對應關系。布氏硬度試驗還可用于有色金屬、鋼材和經過調質熱處理的半成品工件，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。布氏硬度計多用于原材料和半成品的檢測，由于壓痕較大，一般不用于成品檢測。布氏硬度試驗法一般用于試驗各種硬度不高的鋼材、鑄鐵、有色金屬等，也用于試驗經淬火、回火但硬度不高的鋼件。由于布氏硬度試驗的壓痕較大，試驗結果能更好地代表試件的硬度9。3.4.2 洛氏硬度實驗3.4.2.1洛氏硬度試驗法原理采用頂角為 120°金剛石圓錐壓頭或者直徑為1.588m

28、m的淬火鋼球壓頭。測試時先加預載荷Fo，壓頭從起始位置0-0到1-1位置，壓入試件深度為h1，后加總載荷F（為主載荷加上預載荷），壓頭位置為2-2，壓入深度為h2，停留數秒后，將主載荷卸除，保留預載荷。由于被測試件彈性變形恢復，壓頭略為提高，位置為 3-3，實際壓入試件深度為h3，因此在主載荷作用下，壓頭壓入試件的深度h= h3一 h1 。如圖3-15所示圖3-15 洛氏硬度測定原理示意圖試驗時，根據被測的材料不同，壓頭的類型、試驗力及按表2選擇，對應的洛氏硬度標尺為HRA、HRB、HRC三種。表2 壓頭、試驗力選擇表3.4.2.2洛氏硬度的特點洛氏硬度的優點：操作較為簡便；壓痕小，對工件損傷

29、小，歸于無損檢測一類，可對成品直接進行測量；測量范圍廣，較為常用的就有A、B、C三種標尺，可以測量各種軟硬不同，厚薄不同的材料。洛氏硬度試驗的缺點為測量結果有局限性，對每一個工件測量點數一般不少于3個點10。3.4.2.3洛氏硬度的應用洛氏硬度測量范圍：可用于成品和薄件，但不宜測量組織粗大不均勻的材料3.4.3維氏硬度試驗3.4.3.1維氏硬度試驗法原理維氏硬度試驗是用一個相對面夾角為136°的正四棱錐體金鋼石以規定的試驗力F壓入試樣表面, 經保持規定時間后, 卸除試驗力, 測出壓痕表面積, 維氏硬度值是試驗力F與壓痕表面積S之比,即HV=F/ S, 其試驗原理如圖3-16所示。 圖

30、3-16 維氏硬度試驗原理示意圖 即HV = 常數×試驗力/壓痕表面積 0.1891 Fd2 式中：HV-維氏硬度符號； F-試驗力，N； d-壓痕兩對角線d1、d2的算術平均值，mm實用中是根據對角線長度d通過查表得到維氏硬度值。國家標準規定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為0.0201.400mm11。3.4.3.2維氏硬度的表示方法維氏硬度表示為HV，維氏硬度符號HV前面的數值為硬度值，后面為試驗力值。標準的試驗保持時間為1015S。如果選用的時間超出這一范圍，在力值后面還要注上保持時間。例如：600HV30表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間1015S時得到的硬度值為

31、600。600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的試驗力，保持時間20S時得到的硬度值為600。3.4.3.3維氏硬度試驗的分類和試驗力選擇維氏硬度試驗按試驗力大小的不同，細分為三種試驗，即：維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗。見表3試驗力范圍/N 硬度符號 試驗名稱 F49.03HV5維氏硬度試驗 1.961F<49.03HV0.2<HV5小負荷維氏硬度試驗 0.09807F<1.961HV0.01<HV0.2顯微維氏硬度試驗 表3維氏硬度試驗的三種方法維氏硬度試驗可選用的試驗力值很多，見表4。維氏硬度試驗 小負荷維氏試驗試驗 顯微維氏硬度

32、試驗 硬度符號 試驗力/N硬度符號 試驗力/N硬度符號 試驗力/NHV549.03HV0.21.961HV0.010.09807HV1098.07HV0.32.942HV0.0150.1471HV20196.1HV0.54.903HV0.020.1961HV30294.2HV19.807HV0.0250.2452HV50490.3HV219.61HV0.050.4903HV100980.7HV329.42HV0.10.9807注：1.維氏硬度試驗可使用大于980.7N的試驗力；2.顯微維氏試驗力為推薦值。 表4推薦的維氏硬度試驗力試驗力的選擇要根據試樣種類、試樣厚度和預期的硬度范圍而定。標準規

33、定，試樣或試驗層的厚度至少為壓痕對角線長度的1.5倍。試驗后試樣背面不應出現可見的變形痕跡。3.4.3.4維氏硬度的特點維氏硬度試驗的優點：1）維氏硬度試驗的壓痕是正方形，輕廓清晰，對角線測量準確，因此，維氏硬度試驗是常用硬度試驗方法中精度最高的，同時它的重復性也很好，這一點比布氏硬度計優越。2）維氏硬度試驗測量范圍寬廣，可以測量目前工業上所用到的幾乎全部金屬材料，從很軟的材料（幾個維氏硬度單位）到很硬的材料（3000個維氏硬度單位）都可測量。3）維氏硬度試驗最大的優點在于其硬度值與試驗力的大小無關，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗力，其硬度值不變。這就相當于在一個很寬廣的硬度范圍內具有

34、一個統一的標尺。這一點又比洛氏硬度試驗來得優越。4）在中、低硬度值范圍內，在同一均勻材料上，維氏硬度試驗和布氏硬度試驗結果會得到近似的硬度值。例如，當硬度值為400以下時，HVHB。5）維氏硬度試驗的試驗力可以小到10gF，壓痕非常小，特別適合測試薄小材料。維氏硬度試驗的缺點：維氏硬度試驗效率低，要求較高的試驗技術，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗室中使用。3.4.3.5維氏硬度的應用維氏硬度試驗主要用于材料研究和科學試驗方面小負荷維氏硬度試驗主要用于測試小型精密零件的硬度，表面硬化層硬度和有效硬化層深度，鍍層的表面硬度，薄片材料和細線材的硬度，

35、刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于試驗力很小，壓痕也很小，試樣外觀和使用性能都可以不受影響。顯微維氏硬氏試驗主要用于金屬學和金相學研究。用于測定金屬組織中各組成相的硬度，用于研究難熔化合物脆性等。顯微維氏硬度試驗還用于極小或極薄零件的測試，零件厚度可薄至3m11。3.5沖擊韌度試驗在實際工程機械中，有許多構件常受到沖擊載荷的作用,機器設計中應力求避免沖擊波負荷,但由于結構或運行的特點,沖擊負荷難以完全避免，為了了解材料在沖擊載荷下的性能，我們必須作沖擊實驗。沖擊實驗的意義在于測量材料在沖擊載荷作用下的沖擊吸收功以及測定材料的的沖擊韌度值K 。3.5.1沖擊試件工程上常用金屬材料的沖擊試件一

36、般在帶缺口槽的矩形試件，做成制品的目的是為了便于揭露各因素對材料在高速變形時的沖擊抗力的影響。缺口形狀和試件尺寸對材料的沖擊韌度值k的影響極大，要保證實驗結果能進行比較，試件必須嚴格按照冶金工業部的部頒布標準制作12。故測定K值的沖擊實驗實質上是一種比較性實驗，其沖擊試件形狀如圖3-17所示。圖3-17 沖擊試件3.5.2沖擊實驗原理 材料沖擊實驗是一種動態力學實驗，它是將具有一定形狀和尺寸的U 型或V型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下折斷，以測定其沖擊吸收功AK和沖擊韌性值K的一種實驗方法。 沖擊實驗通常在擺錘式沖擊試驗機上進行，其原理如圖 3-18所示。實驗時將試樣放在試驗機支座上，缺口位于沖

37、擊相背方向，并使缺口位于支座中間（圖3-18b）。然后將具有一定重量的擺錘舉至一定的高度H1，使其獲得一定位能mgH1。釋放擺錘沖斷試樣，擺錘的剩余能量為mgH2，則擺錘沖斷試樣失去的勢能為mgH1 mgH2。如忽略空氣阻力等各種能量損失，則沖斷試樣所消耗的能量（即試樣的沖擊吸收功）為： AK = mg(H1-H2)AK的具體數值可直接從沖擊試驗機的表盤上讀出，其單位力J 。將沖擊吸收功AK除以試樣缺口底部的橫截面積SN(cm2)，即可得到試樣的沖擊韌性值K：K= AK/SN對于Charpy U 型缺口和V型缺口試樣的沖擊吸收功分別用AKU和AKV表示，它們的沖擊韌性值分別用KU和KV表示。

38、K作為材料的沖擊抗力指標，不僅與材料的性質有關，試樣的形狀、尺寸、缺口形式等都會對K值產生很大的影響，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13。（a） 沖擊試驗機的結構圖（b） 沖擊試驗與支座的安放圖圖3-18 沖擊試驗的原理圖3.5.3試樣溫度及溫度測量 對于室溫沖擊試驗，試驗在室溫1035 下進行.如要求嚴格,在控制室溫20±2下進行(國際標準規定23±5) 對于高溫沖擊試驗，試樣加熱至規定的試驗溫度, 溫度偏差允許±2。由于試樣從高溫爐移出,在室溫環境和與支座接觸,溫度會降低,按本方法結合

39、打擊時間,需附加過熱度(也應考慮過熱對材料性能的影響) 對于低溫沖擊試驗，試樣冷卻至規定溫度,允許溫度偏±2。由于試樣從低溫移出至室溫環境和與支座接觸,溫度會升高, 按本方法結合打擊時間，需附加過冷度。 試樣加熱或冷卻所選用的熱源,冷源和介質應安全,無毒,不腐蝕試樣。3.5.4影響沖擊韌性或沖擊吸收功大小的因素長期生產實踐證明AK、K值對材料的組織缺陷十分敏感，能靈敏地反映材料品質、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化，因而沖擊試驗是生產上用來檢驗冶煉和熱加工質量的有效辦法之一。由于溫度對一些材料的韌脆程度影響較大，為了確定出材料由塑性狀態向脆性狀態轉化趨勢，可分別在一系列不同溫度下進行

40、沖擊試驗，測定出AK值隨試驗溫度的變化。實驗表明，AK隨溫度的降低而減小；在某一溫度范圍，材料的AK值急劇下降，表明材料由韌性狀態向脆性狀態轉變，此時的溫度稱為韌脆轉變溫度。根據不同的鋼材及使用條件，其韌脆轉變溫度的確定有沖擊吸收功、脆性斷面率、側膨脹值等不同的評定方法。3.5.5沖擊試驗斷口評定方法對于金屬夏比沖擊斷口形貌的測定,目前的國家標準GB/T12778-1991金屬夏比沖擊斷口測定方法規定了三種方法:(a)比較法,(b)直接測量法,(c)放大測量法。結合標準規定的方法, 通常采用的韌性斷面率(纖維斷面率)評定方法有4 種方法:1）比較法:采用將斷口與如國際標準或美國 ASTM E2

41、3 標準給定的標準實物斷口形貌圖比較確定.2）測量法:測量斷口晶狀斷裂部分面積的長度和寬度(作近似矩形面積)或上、下底高(作近似梯形面積),計算其面積。 3）放大測量法： A. 把試樣斷口拍片放大，利用求積儀測量。 B. 利用低倍顯微鏡等光學儀器（圖象分析技術）測量。 4）用帶標尺的方孔卡片法、網格卡片法。 夏比沖擊斷口形貌的評定,其準確度并不很高.按照英國標準BS131-5:1965結晶度的測定提示,前述的“比較法”法,對于有經驗的操作人員能達到約10%的準確度,而其他幾種方法準確性相對高些，但比較法簡單方便。圖3-19所示管線鋼L555MB的沖擊試樣在-20的條件下打斷的試樣斷口。圖3-1

42、9 沖擊試樣斷口在做沖擊試驗的過程中，試驗設備、試樣及試驗過程都會影響試樣數據的穩定性。每當我們做一組沖擊試驗的時候發現試驗數據分散比較嚴重，就應該考慮是哪些方面出現了問題影響了數據的穩定性。3.6疲勞試驗疲勞實驗的基本目的是確定材料的疲勞極限（或說持久極限），通常采用的是旋轉彎曲疲勞實驗。疲勞極限按其定義是材料在交變應力作用下，能經受無限次循環而不破壞的最大應力的極限值。實際上，實驗不可能使試件進行無限次循環，因此規定一個循環數作為“實驗基數”。對于黑色金屬 N=（510）×106，對于有色金屬N=（50100）×106，所以，實際的疲勞極限指的是能經受N次循環而不發生疲

43、勞破壞的最大應力值。疲勞失效與靜載荷下的失效不同，斷裂前沒有明顯的塑性變化，發生斷裂也較突然。這種斷裂具有很大的危險性，常常造成嚴重的事故。據統計，大部分機械零件的失效是由金屬疲勞造成的14。因此，工程上十分重視對疲勞規律的研究。無裂紋材料的疲勞性能判據主要是疲勞極限和疲勞缺口敏感度等。3.6.1實驗原理取一組同樣的試件（812根），如圖3-20所示。每根試件選擇不同的應力進行實驗。第一根試件的最大應力一般為0.60.7b（b為靜荷強度極限），記下試件發生破壞的循環數N，以后各根試件的應力依次減少2040N/mm2，直到最后一根試件在規定的循環次數尚不破壞時為止。最后的兩根試件（破壞的和未破壞

44、的）的應力差，應不大于10N/mm2。所得實驗結果可繪成以和N為坐標的疲勞曲線，該曲線漸近線縱坐標即定為材料的疲勞極限。r（這里r=-1）如圖3-21 所示。圖3-20 疲勞試件圖3-21 疲勞曲線3.6.2影響金屬材料疲勞強度大小的因素由于疲勞斷裂通常是從機件最薄弱的部位或外部缺陷所造成的應力集中處發生，因此疲勞斷裂對許多因素很敏感，例如，循環應力特性、環境介質、溫度、機件表面狀態、內部組織缺陷等，這些因素導致疲勞裂紋的產生或速裂紋擴展而降低疲勞壽命。 為了提高機件的疲勞抗力，防止疲勞斷裂事故的發生，在進行機械零件設計和加工時，應選擇合理的結構形狀，防止表面損傷，避免應力集中。由于金屬表面是

45、疲勞裂紋易于產生的地方，而實際零件大部分都承受交變彎曲或交變扭轉載荷，表面處應力最大。因此，表面強化處理就成為提高疲勞極限的有效途徑。由于工程實際的要求，對疲勞的研究工作已逐漸從正常條件下的疲勞問題擴展到特殊條件下的疲勞問題，如腐蝕疲勞、接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、微動磨損疲勞等。對這些疲勞及其測試技術還在廣泛進行研究，并已逐步標準化15。4常用的儀器設備簡介4.1萬能試驗機4.1.1萬能試驗機的工作原理萬能材料試驗是現代電子技術與機械傳動技術相結合的產物，是充分發揮了機電各自特長而構成的大型精密測試儀器，可對各種材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剝離、剪切等多項性能試驗，且有測量范圍寬、精度高、響應

46、快等特點。工作可靠，效率高，可對試驗數據進行實時顯示記錄、打印。如圖1所示。圖4-1 萬能試驗機萬能材料試驗機是由測量系統、驅動系統、控制系統及電腦（電腦系統型拉力試驗機）等結構組成。 1）萬能材料試驗機的測量系統a.力值的測量通過測力傳感器、放大器和數據處理系統來實現測量，最常用的測力傳感器是應變片式傳感器。所謂應變片式傳感器，就是由【應變片】、彈性元件和某些附件（補償元件、防護罩、接線插座、加載件組成），能將某種機械量變成電量輸出的器件。應變片式的拉、壓力傳感器國內外種類繁多，主要有筒狀力傳感器、輪輻式力傳感器、S雙連孔型傳感器、十字梁式傳感器等類型。從材料力學上得知，在小變形條件下，一個

47、彈性元件某一點的應變與彈性元件所受的力成正比，也與彈性的變形成正比。以S型傳感器為例，當傳感器受到拉力P的作用時，由于彈性元件表面粘貼有應變片，因為彈性元件的應變與外力P的大小成正比例，故此將應變片接入測量電路中，即可通過測出其輸出電壓，從而測出力的大小。對于傳感器，一般采用差動全橋測量，即將所粘貼的應變片組成橋路，R1、R2、R3、R4，實際為阻值相等的4片（或8片）應變片，即R1=R2=R3=R4，當傳感器受到外力（拉力或壓力）作用時，傳感器彈性元件產生應變而使各電阻值發生變化，其變化值分別為R1、R2、R3、R4，結果原來平衡的電橋，現在不平衡了，橋路就有電壓輸出，設E則E=R1R2/（

48、R1+R2）2R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4）U式中U為外電源供給橋路的電壓進一步簡化有E=R2/4R2（R1/R-R2/R+R3/R-R4/R）U將Ri/Ri=Ki代上上式則有 E=UK/4（1-2+3-4）簡單來說，外力P引起傳感器內應變片的變形，導致電橋的不平衡，從而引起傳感器輸出電壓的變化，我們通過測量輸出電壓的變化就可以知道力的大小了。一般來說，傳感器的輸出信號都是非常微弱的，通常只有幾個mV，如果我們直接對此信號進行測量，是非常困難的，并且不能滿足高精度測量要求。因此必須通過放大器將此微弱信號放大，放大后的信號電壓可達10V，此時的信號為模擬信號，這個模擬信號經過多

49、路開關和A/D轉換芯片轉變為數字信號，然后進行數據處理，至此，力的測量告一段落。b.形變的測量通過形變測量裝置來測量，它是用來測量試樣在試驗過程中產生的形變。該裝置上有兩個夾頭，經過一系列傳動機構與裝在測量裝置頂部的【光電編碼器】連在一起，當兩夾頭間的距離發生變化時，帶動光電編碼器的軸旋轉，光電編碼器就會有脈沖信號輸出。再由處理器對此信號進行處理，就可以得出試樣的變形量。c.橫梁位移的測量其原理同變形測量大致相同，都是通過測量光電編碼器的輸出脈沖數來獲得橫梁的位移量。2）.萬能材料試驗機的驅動系統主要是用于試驗機的橫梁移動，其工作原理是由伺服系統控制電機，電機經過減速箱等一系列傳動機構帶動絲桿

50、轉動，從而達到控制橫梁移動的目的。通過改變電機的轉速，可以改變橫梁的移動速度。3）.萬能材料試驗機的控制系統顧名思義，就是控制試驗機運作的系統，人們通過操作臺可以控制試驗機的運作，通過顯示屏可以獲知試驗機的狀態及各項試驗參數，若該機帶有電腦的話，也可以由電腦實現各項功能并進行數據處理分析、試驗結果打印。試驗機同電腦之間的通信一般都是使用RS232串行通信方式，它通過計算機背后的串口（COM口）進行通信，此技術比較成熟、可靠，使用方便。4）.電腦用來采集和處理分析數據。進入試驗界面后，電腦會不斷采集各樣試驗數據，實時畫出試驗曲線（常用力位移的曲線），自動求出各試驗參數及輸出報表。4.1.2電子萬

51、能試驗機與液壓萬能試驗機的區別電子萬能試驗機與液壓萬能試驗機均屬于材料力學檢測儀器，但在結構設計、使用性能、應用范圍等方面具有各自的特點，用戶可根據所在行業具體使用環境來決定選用電子萬能試驗機還是液壓萬能試驗機。電子萬能試驗機與液壓萬能試驗機的區別如下：1)在結構特點上電子萬能試驗機主要采用伺服電機作為動力源，絲杠、絲母作為執行部件，實現試驗機移動橫梁的速度控制。在傳動控制上，目前主要有兩種形式，同步帶和減速機；在測力上電子萬能試驗機均采用負荷傳感器。液壓萬能試驗機主要采用高壓液壓源為動力源，采用手動閥、伺服閥或比例閥作為控制元件進行控制。普通液壓萬能試驗機只能進行人工手動實現加載，屬于開環控

52、制系統，受價格因素的影響，測力傳感器一般采用液壓壓力傳感器。而電液伺服類萬能試驗機則是采用伺服閥或比例閥作為控制元件進行控制，國內有些廠家亦已經采用高精度負荷傳感器來進行測力。2）在使用性能上電子萬能試驗機，不用油源，所以更清潔，使用維護更方便；它的試驗速度范圍可進行調整，試驗速度可達0.001mm/min1000mm/min，速比可達100萬倍之多，試驗行程可按需要而定，更靈活；測力精度高，有些甚至能達到0.2%；體積小、重量輕、空間大、方便加配相應裝置來做各項材料力學試驗，真正做到了一機多用。目前國內的主流試驗機廠家生產的電子萬能試驗機，均可以做到載荷控制、應變控制、位移控制所謂的三閉環控

53、制。液壓萬能試驗機，受油源流量的限制，試驗速度較低。手動液壓萬能試驗機，操作較為簡易，價格便宜，但控制精度較低；電液伺服萬能試驗機，則性能與電子萬能試驗機相比，除速度低外，控制精度也不遜色；采用負荷傳感器的微機控制電液伺服萬能試驗機，力值精度也可以達到0.5%左右，且在做大噸位的材料力學試驗時，更更可靠、更穩定、性價比更高。3）在應用范圍上電子萬能試驗機，廣泛應用于各種金屬、非金屬及復合材料，如木材、塑料型材、電線電纜、紙張、薄膜、橡膠、醫藥、食品包裝材料、織物等進行拉伸性能指標的測試。同時可根據用戶提供的國內、國際標準定做各種試驗數據處理軟件和試驗輔具。數字顯示電子萬能試驗機適合于只求力值、

54、抗拉強度、抗壓強度等相關數據的用戶，如需求取較為復雜參數，微機控制電子萬能試驗機是更好的選擇。從性價比來說，30T以下的電子萬能試驗機更有優勢。液壓萬能試驗機主要用于金屬、非金屬材料和零件、部件、構件的拉伸、壓縮、彎曲等力學性能試驗。液壓萬能試驗機是工礦企業、建筑建材、質檢中心、水利水電、橋梁工程、科研院所、大專院校力學試驗室的理想的試驗設備。手動控制的液壓萬能試驗機，價格便宜，適合工礦企業的成品檢驗、單一材料指標測試；而電液伺服萬能試驗機，則適合要求較高的鋼鐵、建材檢測類的試驗室。30T以上電液伺服萬能試驗機與電子萬能試驗機相比，更有價格優勢。4.2扭轉試驗機扭轉試驗機主要用于測定各種材料及

55、零部件在扭轉力狀態下的性能及物理參數，是大專院校科研院所質檢部門及有關生產單位理想的試驗檢測設備。一般的扭轉試驗機具有結構緊湊，操作簡單，維護方便等特點，其控制系統以單片機為核心，自身帶有顯示和控制鍵盤，可獨立操作并顯示扭矩值轉角值和扭轉角速度。采用微機控制時，配置全中文用戶界面軟件，可自動進行數據的采集處理，可打印試驗報告和扭矩轉角曲線，在試驗運行過程中動態顯示扭矩值轉角值扭轉角速度和扭矩轉角曲線，可進行軟件標定，并具有超載保護功能。根據扭轉試驗機檢測的產品分類，扭轉試驗機分為彈簧扭轉試驗機、線材扭轉試驗機和材料扭轉試驗機。 4.2.1彈簧扭轉試驗機彈簧扭轉試驗機采用國外先進技術，全數字放大、采集、閉環控制，使顯示穩定、精度高、使用方便。高精密減速機、具有傳動平穩、噪音低、速度精度高、調速范圍寬、使用壽命長等特點。測量時，扭轉扭矩、角度為數字顯示，此外，機器具有峰值保持功能，過載保護功能，剛度計算功能，結果打印功能，數據查詢等功能，且手動加荷，左右旋隨意選擇、操作簡單，檢測速度快、裝夾方便。如圖4-2所示。圖4-2 彈簧扭轉試驗機彈簧扭轉試驗機可分為手動彈簧扭轉試驗機和自動彈簧扭轉試驗機兩種，其具體技術參數如下表4-1和表4-2所示。表4-1 手動彈簧扭轉試驗機技術參數表4-2 自動彈簧扭轉試驗機技術參數4.2.2線材扭轉試驗機金屬線材扭轉試驗機適用于