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1、材料力学性能 The Mechanical Property of Materials 实验教学课程 哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院,引 言,对于材料工作者和工程技术人员，我们关心的是用金属材料制作的机械零部件在其工作条件下变形和断裂的抗力与服役条件的相互适应及其关系。 机械零部件在预定的效能下损坏称之为“失效现象”。因此，金属材料的力学性能在某种意上说也是金属材料的失效抗力。,金属材料的力学性能包括：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等性能。因为金属机件的承载条件一般用各种力学参量来表示，为此人们将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值称之为金属力学性能指标，如强度指标0.2、b
2、、-1,，塑性指标、, 韧性指标aK、Kc等。金属材料力学性能的优劣就是用这些指标具体数值来衡量。,金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺陷等内在因素，但外在因素如载荷性质、应力状态、温度、环境介质等对金属的力学性能也有很大的影响。分析各种内在与外在因素对金属力学性能的影响，掌握金属力学性能的变化规律，对于正确选择材料，明确提高金属力学性能的方向和途径，都有着十分重要的意义。,金属力学性能的研究是建立在实验基础上的，并且金属材料的各种性能指标也需通过实验来测定。因此，在金属力学性能研究中，必须重视金属力学性能指标的测试技术。,材料力学性能 The M
3、echanical Property of Materials 实验教学课程,实验一:静拉伸实验 ( Static Tensile Tests ) 测定比例极限p （Proportional Limit) 对不允许发生弹性变形的材料,1.实验目的 通过静拉伸实验，掌握测定金属材料比例极限p的方法（引伸仪法及加荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义的理解。,2.实验原理及方法 比例极限p是应力与应变成正比线形关系的最大应力。即在拉伸应力应变曲线上开始偏离直线时的应力。 p=Pp / FO 式中：Pp 比例极限的载荷 FO 试样的原始截面面积,低碳钢拉伸曲线,在实际拉伸曲线上，不是测定开始偏离直线
4、那一点的应力，而是测定偏离直线一定值的应力。一般规定拉伸曲线上某点切线和纵坐标夹角的正切值tg 与tg 的比值1.5 时对应的应力为规定比例极限。,规定比例极限：tg/tg =1.5,比例极限p可用图解法或引伸仪法测定，本实验用引伸仪测定p 。 用引伸仪法测定p时，采用加荷法，分两步，即初始段大载荷和末段小载荷方法测定材料的比例极限p 。,3.实验材料及仪器设备 1)试验材料： 退火GCr15钢，880mm； 2)YJY-12变形传感器一台： 标距50mm。 3)CSS-44300电子万能试验机一台； 4)EDC测控系统一套； 5)计算机控制系统一套。,4.实验步骤 1)确定试验材料的p估计值
5、 (退火GCr15钢的p约在3500N4500N/mm2) p估4000N/mm2 Fo=50mm2 Pp估=20000N 2)初载荷取15kN。,3)小等级部分1kN。 用表示变形增量（线性变化）。 每100N的平均伸长100 100=引伸仪变形100N/1500N 当平均伸长100达到或超过1.5100倍时（非线性变化）即： = 1.5 停止加载，用内插法计算对应载荷PP及比例极限P。,4)将试验测试数据记录并填入表格。,5.数据整理及分析 将试验测试的数据整理、做成图表，用掌握的知识对其进行分析。 6.讨论、撰写实验报告 经理论分析和讨论，对所做实验的数据及整理的图表有正确的结论和认识。
6、在此基础上撰写实验报告。,材料力学性能 The Mechanical Property of Materials 实验教学课程,实验二:静拉伸实验 ( Static Tensile Tests ) 测定条件屈服强度0.2 （Yield Strength),1.实验目的 通过静拉伸实验，掌握测定金属材料条件屈服强度0.2的方法（引伸仪法及卸荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义的理解。,2.实验原理及方法 对无明显物理屈服现象的材料，则应测定其屈服强度0.2。0.2是试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的0.2%时的应力。 0.2=P0.2 / FO 式中：P0.2 条件屈服强度的载荷
7、FO 试样的原始截面面积,P 0.2的确定,屈服强度0.2可用图解法或引伸仪法测定，本实验用引伸仪测定0.2 。 用引伸仪法测定P0.2时，采用卸荷法测定；并计算其比例极限0.2。,3.实验材料及仪器设备 1)试验材料： 退火GCr15钢，880mm； 2)YJY-12变形传感器一台： 标距50mm。 3)CSS-44300电子万能试验机一台； 4)EDC测控系统一套； 5)计算机控制系统一套。,4.实验步骤 1)计算残余变形0.2%的引伸仪伸长n 引伸仪工作长度50mm, n = 0.2%50mm =0.1mm 2)用下面方法反复加荷、卸荷，将数据 记入表格内，直至n=0.1mm。 n =
8、n+0.02 式中0.02为估计弹性变形量 n“ = n +(n-M) 式中M为残余变形量 n“ =n“+(n-M ) 式中M 为第二次残余变形量 以此类推,列表,5.数据整理及分析 将试验测试的数据整理、做成图表，用掌握的知识对其进行分析。 6.讨论、撰写实验报告 经理论分析和讨论，对所做实验的数据及整理的图表有正确的结论和认识。在此基础上撰写实验报告。,材料力学性能 The Mechanical Property of Materials 实验教学课程,实验三: 布氏、洛氏硬度试验 (Brinell and Rockwell Hardness Tests ),1.实验目的 硬度试验由于设备
9、简单、操作便捷，又能反映出材料的差异，因而广泛的应用在实际生产和科研中。 通过试验，了解和掌握布氏、洛氏硬度的测试方法及应用范围。,2.实验原理及方法 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能。其物理意义随试验方法不同而不同。因此，“硬度”不是材料独立的力学性能。 硬度试验是应用最广泛的力学性能试验。其试验方法有很多种。基本上分为压入法和刻划法两大类。在压入法中有分为静载压入法和动载压入法。 布氏硬度、洛氏硬度属于静载试验法。,(1)布氏硬度(Brinell Hardness) 布氏硬度是将淬火钢球施加规定的负荷 P ，压入试样表面，保持一定时间后卸载。以压痕表面积 F 除负荷 P 之商值来表示布氏硬
10、度值，用HB表示。 布氏硬度广泛应用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属的试验；也用于经调质处理及硬度小于HB450的试样和零件。,布氏硬度试验原理示意图,(2)洛氏硬度(Rockwell Hardness) 洛氏硬度是在先后两次加载（初载荷P0 和主载荷 P）的条件下，将标准压头压入试样表面来进行的试验。用实际压入深度 h 值来衡量试验材料的软硬程度，用HR表示。 采用不同的压头和总载荷组合作试验，得到几种不同的洛氏硬度标度。其中最常用的是HRA、HRB、HRC三种。,洛氏硬度试验原理示意图,3.实验仪器设备及试块 布氏硬度计一台 洛氏硬度计一台 读数放大镜若干 铝合金试块 铜合金试块 淬
11、火钢试块,4.实验步骤 1)熟悉各种硬度计及硬度试验的操作方法及注意事项； 2)布氏硬度的压痕的测量及硬度值的查表及计算； 3)洛氏硬度中HRC 及HRA、HRB的载荷更换；,5.数据整理及分析 对不同硬度试验测试的硬度值进行对比，比较分析不同硬度试验的使用范围。 6.讨论、撰写实验报告 经理论分析、讨论明确，在静载荷条件下不同试验方法得出硬度值的物理意义，在此基础上撰写实验报告。,材料力学性能 The Mechanical Property of Materials 实验教学课程,实验四:维氏(显微）硬度试验 (Vickers and Micro-Hardness Tests ),1.实验目
12、的 通过试验，了解和掌握维氏及显微硬度的测试方法，明确其试验原理；并对不同材料、不同组织及相不同相进行维氏硬度及显微硬度测试。,2.实验原理及方法 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体而是两面相对夹角为136的金刚石四棱锥体，用HV表示。 HV =2Psin(136/ 2)/ d2= 1.854P/d2,维氏硬度试验原理示意图,3.实验仪器设备及试块 维氏硬度计一台 显微硬度计二台 合金试块若干 金相试样若干,4.实验步骤 1）将抛光好的试样放到硬度计的载物台，调整载物台使之在目镜下聚焦。 2）选择好位置，移动载物
13、台到压头下，按规范加载、保持、卸荷。移回到物镜下测量压痕的对角线长度。 3）按计算公式计算或查表得出维氏硬度HV值。,5.数据整理及分析 对不同合金材料进行维氏硬度试验测试；对不同相结构（铁素体、珠光体等相）进行显微硬度测试，比较分析。 6.讨论、撰写实验报告 经理论分析、讨论明确，在静载荷条件下得出维氏及显微硬度值的物理意义，在此基础上撰写实验报告。,材料力学性能 The Mechanical Property of Materials 实验教学课程,实验五: 系列冲击试验 ( Series Impact Tests ),1.实验目的 1)了解摆锤式冲击试验机的结构原理、操作方法及冲击试样的
14、尺寸形状； 2)通过试验，了解和掌握金属材料的冲击试验方法。在不同温度下进行系列冲击试验以确定金属材料的脆性转化温度。,2.实验原理及方法 冲击试验是一种动态力学试验。由于加载速率大，塑性变形得不到充分的发展，因此能灵敏的反映材料的韧脆特性。 将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机的固定支架上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击负荷作用下裂断。,把冲断试样所消耗的功Ak，除以试样断裂处的截面积FN所得的商称之为冲击韧性(或冲击值)，用ak表示。 ak = Ak / FN (J/cm2) 系列冲击试验就是将所需试验的材料，加工成形状、尺寸相同的冲击试样，进行不同温度下的冲击试验并测出冲击
15、韧性ak随试验温度变化的曲线。,1摆锤 2试样,冲击试验原理图,1摆锤 2试样 3机座 冲击试样安装图,3.实验仪器设备及试块 1)摆锤式冲击试验机一台； 2)梅式冲击试样一组； 3)制冷冰箱一台； 4)加热炉三台。,4.实验步骤 1)熟悉摆锤式冲击试验机的操作方法及注意事项； 2)将系列冲击试样分组编号； 3)按不同温度加热或冷却各组试样； 4)对不同温度下的试样进行冲击试验并测试记录试验数值。,列表,温度() 温度与冲击韧性的关系曲线,5.数据整理及分析 对不同温度下试样的冲击功进行整理并计算冲击值。取一组试样的平均值为试验数据作出温度与冲击韧性的关系曲线。 6.讨论、撰写实验报告 经理论分析和讨论，说明温度与冲击韧性的关系曲线，在此基础上撰写实验报告。,谢谢！,Thank You!,