材料力學性能試驗郭紅臣2010.3.291第一章鋼材力學性能試驗取樣基本知識2力學性能試驗是對材料的各種力學性能指標進行測定的一門實驗學科,其測定的對象被稱為試樣。所謂試樣,就是經機加工或未經機加工后具有合格尺寸且滿足試驗要求狀態的樣坯。由于很多力學性能試驗都帶有破壞性,不可能將一批材料都作為試樣進行試驗來評價該材料的質量,而只能抽取一批材料中的一部分進行試驗,根據試驗的結果對這批材料的質量做出某種判別,因此,試樣的真正意義在于它能代表所在的一批材料,這樣,正確取樣就成了準確評定材料性能的重要環節。

3第一節試樣類型及取樣原則一、力學性能試驗的試樣類型力學性能試驗的試樣可分為3種類型(一)從原材料上直接取樣從原材料上直接切取樣坯,然后加工成標準規定的試樣,如型材、棒材、板材等（目前我們廠只有板材）。(二)從產品(結構或零部件)的一定部位上取樣一般是最薄弱、最危險的部位上切取樣坯,加工成一定尺寸的試樣。4(三)把實物作為樣品即把結構或零部件作為樣品,直接進行力學性能試驗,如彈簧、螺栓、齒輪、軸承等。5二、取樣的原則

(一)取樣對力學性能試驗結果的影響

取樣部位、取樣方向和取樣數量是對材料性能試驗結果影響較大的3個因素,被稱為取樣三要素。61.取樣部位

由于金屬材料在冷熱變形加工過程中,變形量不會處處均勻,材料內部的各種缺陷分布和金屬組織也不均勻,因此,在產品的不同部位取樣時,力學性能試驗結果必然不同。如大直徑圓鋼的中心部位的抗拉強度就低于其他部位的抗拉強度。72.取樣方向

鋼材軋制或鍛造時,金屬沿主加工變形方向流動,晶粒被拉長并排成行,且夾雜也沿主加工變形方向排列,由此造成材料性能的各向異性。縱向試樣(試樣縱向軸線與主加工方向平行)和橫向試樣(試樣縱向軸向與主加工方向垂直)有較大的差異,如薄板材縱向試樣的抗拉強度,下屈服強度都高于橫向試樣,斷面收縮率更是遠遠大于橫向試樣。

83.取樣數量某些力學性能指標對試驗條件和材料本身的特性十分敏感,因此,一個試樣的試驗結果的可信度太低,但取樣數量太多,則造成人力、材料和時間的浪費,為了確定最小取樣數量,應根據試驗類型、產品和材料性能的用途、試驗結果的分散性以及經濟因素對具體問題進行具體分析。如沖擊性能試驗結果往往就比較分散,一般每次取3個試樣進行試驗。9(二)樣品的代表性由于取樣部位、方向對試驗結果有影響,因此必須對取樣的部位和方向做統一的規定,這樣不同的人或不同的試驗室對同一產品所做的力學性能試驗結果才可以相互比較。國家標準GB/T2975-1998《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》對鋼和鋼產品力學性能試驗的取樣位置包括取樣方向做了一般性的規定。當在實際零部件上取樣時,一般取其最危險、最薄弱的部位,因為最薄弱、最危險處的力學性能決定了產品的性能。此外,還應考慮試樣的受力狀態與零部件的受力狀態相一致,否則試驗就失去了意義。

10三、切取樣坯的方法

常用的樣坯切取方法有冷剪法、火焰切割法、砂輪片切割法、鋸切法等,無論采取哪種方法,都應遵循以下原則:（1）樣坯都應在外觀及尺寸合格的鋼材上切取;（2）切取樣坯時,應防止因過熱、加工硬化而影響其力學及工藝性能;（3）取樣時,應對樣坯和試樣做出不影響其性能的標記,以保證試樣始終能識別取樣的位置和方向。1112第二節鋼材的取樣位置GB/T2975-1998對型鋼、條鋼、鋼板和鋼管的拉伸、沖擊和彎曲試驗的取樣位置做了一般性規定。其中當在鋼材表面切取彎曲試樣時,如機加工和試驗機能力允許,應制備成全截面或全厚度的彎曲試樣;如機加工和試驗機能力有限,則彎曲試樣也應至少保留一個原表面。13圖1－10在鋼板上切取拉伸樣坯的位置一、鋼板鋼板應在寬度的1/4處切取拉伸、沖擊和彎曲樣坯。14二、樣坯的切取

(一)切取方法

從焊接試板上切取樣坯時,盡量采用機械切削的方法,應考慮其加工余量,在任何情況下都必須保證受試部分的金屬不在切割影響區內。

15(二)切取方位1.對于多層焊縫的樣坯如無特殊規定時,應盡量靠近焊縫后一側的表層切取,但封底焊除外。2.拉伸樣坯焊接接頭拉伸樣坯原則上取試板全厚度。3.彎曲樣坯焊接接頭橫彎樣坯原則上取試板的全厚度。側彎曲樣坯的寬度應為試板的厚度。4.焊接接頭及堆焊金屬硬度樣坯分別垂直于焊縫軸線和沿堆焊長度方向的相應區段切取。16(三)切取數量如相關標準或產品制造規范無另外注明時,各種試驗方法的樣坯數量如下:接頭拉伸不少于1個;整管接頭拉伸1個;管接頭剖條拉伸不少于2個;正彎、背彎、側彎各不少于1個;縱彎不少于2個;接頭沖擊不少于3個;管接頭壓扁不少于1個;接頭及堆焊硬度不少于l個。17第二章金屬材料的拉伸試驗18

拉伸試驗是材料力學性能測試中最常見的試驗方法之一。試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實地反映了材料抵抗外力作用的全過程。拉伸試驗是在應力狀態為單向、溫度恒定、以及應變速率為0.0001一0.01m/s的條件下進行的。

操作簡單，便于試樣加工。19

通過拉伸試驗可以得到材料的基本力學性能指標,如彈性模量、泊松比、屈服強度、規定非比例延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率、應變硬化指數和塑性應變比等。

拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數據,對于設計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產品的質量控制、設備的安全和評估,都有很重要的應用價值和參考價值,有些則直接以拉伸試驗的結杲為依據。

20一、拉伸時的物理現象

等截面桿件試樣在拉伸試驗時,宏觀上可以看到試樣被逐漸均勻拉長,然后在某一等截面處變細,直到在該處斷裂(圖2-2)。上述過程一般可分為彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形、局部塑性變形4個階段。材料試驗機上的自動記錄裝置可以以力為縱坐標,變形為橫坐標,記錄力—變形曲線,即拉伸圖(圖2-3)。下面以45號鋼為例來說明。21

試樣伸長產生縮頸斷裂圖2－345#鋼拉伸時力－伸長曲線圖2-2試樣在拉伸時的伸長和斷裂過程22(一)彈性變形階段Oa段，試樣的伸長與外力成正比例直線關系服從虎克定律。ab段為彈性變形中的非線性階段。(二)屈服階段水平線段cd,該線段對應的外力即為屈服力(分為上、下屈服力,分別以FeH和FeL表示。(三)均勻塑性變形階段隨著變形量的增加金屬不斷被強化，de段的不斷上升。(四)局部塑性變形階段截面不斷縮小,并且載荷下降,產生了縮頸現象。局部塑性變形的e所對應的力Fm為最大外力。23圖2-5不同材料拉伸的應力～應變曲線（a）是低碳鋼的σ－ε曲線。它有鋸齒狀的屈服階段,分上、下屈服,均勻塑性變形后產生縮頸,然后試樣斷裂。（b）是中碳鋼的σ－ε曲線。它有屈服階段,但波動微小,幾乎成一直線,均勻塑性變形后產生縮頸,然后試樣斷裂。（c）是淬火后低、中溫回火鋼的σ－ε曲線。它無可見的屈服階段,試樣產生均勻塑性變形并縮頸后斷裂。（d）是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的σ－ε曲線。它不僅無屈服階段,而且在產生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。24二、術語(一)基本術語1.平行長度Lc：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間的平行長度。

2.試樣標距（1）原始標距L0:試驗前,測量試樣伸長所標記的標距長度。（2）斷后標距Lu：:試樣拉斷后,將斷口對接在一起時試樣的標距長度。25(二)與應力有關的術語

l.屈服強度

(I)上屈服強度ReH：試樣發生屈服,并且外力首次下降前的最大應力。

(2)下屈服強度ReL:不記初始瞬時效應時,屈服階段中的最小應力。

2.抗拉強度Rm:

試樣受外力(屈服階段之前不計)拉斷過程中所承受的最大名義應力。26

(三)與伸長有關的術語

1.伸長率

(1)斷后伸長率A:試樣拉斷后,原始標距部分的伸長與原始標距的百分比。

(2))斷裂總伸長率At:試樣在斷裂時刻,原始標距的總伸長(彈性伸長加塑性伸長)與原始標距的百分比。

(3)最大力下的非比例伸長率Ag:試樣拉至最大力下時,原始標距的非比例伸長與原始標距的百分比。

(4)最大力下的總伸長率Agt:試樣拉至最大力下時,原始標距的伸長(彈性伸長加塑性伸長)與原始標距的百分比。27第二節金屬拉伸試樣一、拉伸試樣的分類(一)按產品形狀分類拉伸試樣按金屬產品形狀的不同可以分為板材(薄帶)試樣、棒材試樣、管材試樣、線材試樣、型材試樣及鑄件試樣等種類。根據其形狀及試驗目的的不同,試樣可以進行機加工,也可以采用不經加工的原始截面試樣。標準中規定的試樣主要類型見表2-1。2829(二)按L0與S0的關系分類由于同一種材料測定的斷后伸長率A值與它的比值有關,因此,K值相同的試樣稱為比例試樣。通常把K=5.65稱為短比例試樣,記為A;K=11.3稱為長比例試樣A11.3,圓截面長（短）標距為10d（5d）；矩形截面比例試樣的標距為

和,試驗時,一般優先選用短比例試樣,但要保證原始標距不小15mm,否則,建議采用長比例試樣或其他類型試樣。對于截面較小的薄帶試樣

30以及某些異型截面試樣,由于其標距短或截面不用測量(例如:只測定延伸率)可以采用L0為50mm、100mm、200mm的定標距試樣。它的標距與試樣截面不存在比例關系。二、試樣的形狀及尺寸(矩形試樣)

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厚度大于0.1mm的板(帶)材料一般采用矩形截面試樣，應優先選用K＝5.65的短比例試樣,原板材可通過機加工減薄,其寬厚比不大于8:1。若短比例試樣的L0小于15mm,則應選用K＝11.3的長比例試樣。薄帶試樣還可采用標距為50mm或80mm的定標距試樣。32三、機加工要求

1.試樣在機加工過程中要防止冷變形或受熱而影響其力學性能,通常以切削加工為宜,進刀深度要適當,并充分冷卻;特別是最后一道切削或磨削的深度不宜過大,以免影響性能。

2.對于矩形試樣,一般要保留原表面層并防止損傷。試樣上的毛刺要清除,尖銳棱邊應倒圓,但半徑不宜過大。試樣允許矯直,但應防止矯正力對力學性能產生顯著影響。對于不測定斷后伸長率的試樣可不經矯正直接進行試驗。

3.不經機加工鑄件試樣表面上的夾砂、夾渣、毛刺、飛邊等必須加以清除。

334.加工后,試樣的尺寸和表面粗糙度應符合規定的要求,表面不應有顯著的橫向刀痕、磨痕或機械損傷、明顯的淬火變形或裂紋以及其他可見的冶金缺陷。34第三節試驗設備

拉力試驗機拉力試驗機是拉伸試驗的主要設備。它主要有加載機構、夾樣機構、記錄機構和測力機構4部分組成。目前主要分為機械式、液壓式、電子萬能以及電液式幾類。無論試驗機是哪一種類型,拉伸試驗所用的機器應滿足以下要求:①達到試驗機檢定的1級精度;②有加載調速裝置;③有數據記錄或顯示裝置;④由計量部門定期進行檢定。35第四節強度指標和塑性指標的測定

一、準備工作

(一)測量原始截面積測量試樣原始截面尺寸時,應按下表，根據所測得的試樣尺寸,計算橫截面積S0并至少保留4位有效數字。36試驗橫截面尺寸分辨力不大于0.1~0.5＞0.5～2.0＞2.0～10.0＞10.00.0010.0050.010.051.量具或測量裝置的分辯力

372.原始橫截面積（S0）的測定(1)原始橫截面積（So）的測定結果，至少要保留4位有效數字;(2)對于厚度＜3mm的薄板，（So）的測定應準確到±2%；(3)其它試樣類型的原始橫截面積（So

）的測定應準確到±1%；(4)圓形試樣相應的原始平均直徑的測定應準確到：±0.5%；(5)斷后最小橫截面積（Su）應準確到：±2%，相應的斷后最小橫截面平均直徑應準確到：±1%。38矩形和弧形橫截面試樣寬度和厚度測量部位和方向393.原始橫截面積的計算①矩形樣原始橫截面積的計算公式：So=ab②圓形試樣原始橫截面積的計算公式：So=1/4πd2③管段試樣原始全截面面積的計算公式：So=πa(D－a)④圓管縱向弧形試樣原始橫截面積的計算公式：

當b/D＜0.25時，

So=ab

當b/D＜0.17時，So=ab

404.原始標距（Lo）的標記對于比例試樣，應將原始標距的計算值修約至5mm的倍數，中間數值應向較大一方修約。原始標距的標記應準確到±1%。41二、強度指標測定

(一)上、下屈服強度的測定GB/T228-2002標準中規定了最常用的測定方法是圖解法和指針法。對有明顯屈服規象的材料,應測定其上、下屈服強度;無明顯屈服現象的材料,按要求(一般為0.2%）測定規定非比例延伸強度或規定殘余延伸強度。42（1）圖解法（包括自動測定方法）

測定上、下屈服強度從力—延伸或力—位移曲線圖上讀取首次下降前的最大力和不計初始瞬時效應時屈服階段中的最小力或屈服平臺的恒定力。將其分別除以試樣橫截面積S0得到上屈服強度和下屈服強度。43判定上屈服強度和下屈服強度位置的基本原則

a)屈服前的第一個峰值應力判為上屈服強度，不管其后的峰值應力比它大或比它小。b)屈服階段中如呈現兩個或兩個以上的谷值應力，舍去第一個谷值應力不計，取其余谷值應力之中最小者判為下屈服強度。c)屈服階段中呈現屈服平臺，平臺應力判為下屈服強度；如呈現多個而且后者高于前者的屈服平臺，判第一個平臺應力為下屈服強度。d)正確的判定結果應是下屈服強度一定低于上屈服強度。

4445（2）指針法測定上、下屈服強度讀取表盤指針首次回轉前指示的最大力判為上屈服力FeH；指針只有一次回轉，取回轉的最小力判為下屈服力FeL；指針多次回轉，則不記第一次回轉，取其余回轉指示的最低力判為下屈服力FeL。46（五）抗拉強度（Rm）的測定（1）圖解法（包括自動測定方法）試驗時，對試樣連續加力記錄力—延伸或力—位移曲線，直至超過抗拉強度相應的最大力，以此力除以試樣原始橫截面積（So）即可得到抗拉強度（Rm）Rm=Fm/So47圖2-17最大力位置的判定482）指針方法指針方法是通過人工讀取測力表盤中屈服階段之后的最大力值，然后通過計算得到抗拉強度。無明顯屈服現象的金屬材料，則讀取試驗過程中的最大力。

49(二)斷后伸長率1、直測發：如拉斷處到最鄰近標距端點的距離大于1/3L0時，直接測量標距兩端點間的距離。2、移位法：如拉斷處到最鄰近標距端點的距離小于或等于1/3L0時，按移位法測定斷后標距。50移位法:如果試樣拉斷處到標距端點的距離小于1/3L。時，則根據原始標距內的小標點數值,以試樣拉斷處為中心,向兩側數小標點數,直到其數值達到原始標距內的小標點數,斷樣較短的一段小標點數不足的部分由較長一段上的與拉斷處對稱位