第二单元 金属在其他静载荷下的力学性能 本单元导读 很多零构件实际服役时常承受弯矩、扭矩或轴向压力的作 用，或其上有螺纹、孔洞、台阶等引起应力集中的部位， 有必要测定制造这类机件或工具的材料在相应承载条件下 的力学性能指标，作为设汁和选材的依据。所以，研究金 属材料在常温静载荷下的力学性能时，除采用单向静拉仲 试验方法外，有时还选用压缩、弯曲、扭转等试验方法。 金属硬度试验方法在工业生产及科研中的应用极为广泛。 常用的布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等试验方法属于静 载压入试验。 通过本单元的学习，掌握硬度试验、压缩试验、弯曲试验 、缺口静载荷试验的特点及应用，重点掌握各种试验方法 所能测定的力学性能指标以用应用范围。 研究内容 研究金属材料在常温静载下力学性能。 压缩、弯曲、扭转、缺口拉伸、硬度试验 。 不同加载方式在试样中产生的应力状态不 同，材料所表现出的力学行为不完全相同 。 模块一 压缩试验 能力知识点1 压缩试验的特点 很多零件或构件是在压缩载荷下工作的，例如大型厂 房的立柱、起重机的支架、轧钢机的压紧螺栓、机器 的机座等。这就需要对它们的材料进行抗压性能试验 评定。 压缩试验同拉伸试验一样，也是测定材料在常温、静 载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的试验 之一。 实践表明，工程中常用的塑性材料，其受压与 受拉时所表现出的强度、韧性和塑性等力学性 能是大致相同的。但广泛使用的脆性材料，其 抗压强度很高，抗拉强度却很低。所以，压缩 试验大多用来测定脆性材料的抗压强度和塑性 。对塑性材料只是测定弹性模量、比例极限和 弹性极限等指标。 金属材料室温压缩试验按照国家标准GB/T 7314 2005进行。 低碳钢和灰铸铁的单向压缩曲线 a)低碳钢 b)铸铁 压缩试验可在万能材料试验机或专用压力机上进 行。试验时材料抵抗外力变形和破坏的情况也可 用力-变形曲线或应力-应变曲线来表示，并以此 确定材料的主要压缩性能指标。 拉伸时塑性很好的材料在压缩时只发生压缩变形而 不会断裂，脆性金属材料在拉伸时产生来自于载荷 轴线的正断，塑性变形量几乎为零，而在压缩时除 能产生一定的塑性变形外，常沿与轴线成45方向产 生断裂，具有切断特征。 由于塑性材料在进行单向压缩试验时只能压扁但 不能压破，不能测得压缩强度极限，所以单向压 缩试验适合于脆性和低塑性材料的力学性能试验 ，如铸铁、铸铝合金、轴承合金等，以显示在静 拉伸、弯曲、扭转试验中不能显示的材料韧性状 态的工作行为。 能力知识点2 金属室温单向压缩试验主要力学性能指标 通过压缩试验主要测定脆性材料的抗压强 度mc ；如果在试验时金属材料产生明显 屈服现象，还可测定上、下压缩屈服强度 ReHc和ReLc。 单向压缩可以看作是反向拉伸，因此拉伸 试验时所决定的力学性能其定义和公式在 此都还适用。 能力知识点3 金属室温单向压缩试验 一、试样 金属压缩试样形状与尺寸的设计应保证在 试验过程中标距内为均匀单向压缩，引伸 计所测变形应与试样轴线上标距段的变形 相等，端部不应在试验结束之前损坏。 金属室温压缩试验常用的试样截面为圆形 或正方形，高度为直径或边长的2.53.5 倍。 二、试验步骤 试验应在室温1035下进行。 用游标卡尺测量试样直径或边长，方法是在试样原始标距 中点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其算术平均值 。 根据低碳钢屈服载荷和铸铁抗压强度的估计值，选择试验 机的示力盘，调整其指针对零。 调整好自动绘图仪。 准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。 调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，开始缓慢 、均匀加载。对于低碳钢试样，将试样压成鼓形即可停止 试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时(主指针回摆15 左右)立即停止试验，以免试样进一步被压碎。 记录下有关试验参数和所测性能结果，写出试验报告。 三、试验结果处理 出现下列情况之一时，试验结果无效，应重做同样 数量试样的试验： 试样未达到试验目的时，发生弯曲。 试样未达到试验目的时，端部就局部压坏以及试 样在凸耳部分或标距外断裂。 试验过程中操作不当。 试验过程中试验仪器设备发生故障，影响了试验 结果。 试验后，试样上出现冶金缺陷(如分层、气泡、夹 渣、缩孔等)，应在试验记录及报告中注明。 模块二 金属弯曲力学性能试验 能力知识点1 金属弯曲力学性能试验的特点 在工程和建筑上，很多构件和零部件是在弯曲载荷 作用下工作的，如桥式起重机横梁、火车的轮轴、 电缆桥架等，需要对这些零构件的材料进行弯曲性 能评定，因此弯曲力学性能试验也是生产中常用的 一种金属性能试验方法。 金属弯曲力学性能试验是指采用三点弯曲或四点 弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲力， 一般直至断裂，测定其弯曲力学性能。 试验按YB/T54392006金属弯曲力学性能试 验方法进行，相对于拉伸试验要方便得多，而 且很适用于低塑性材料弯曲载荷条件下的力学性 能测试，如铸铁、硬质合金陶瓷和高分子材料。 弯曲试验的特点及应用 弯曲试验的特点及应用 试样形状简单、操作方便。同时弯曲试验不存在 拉伸试验时的试样偏斜对试验结果影响问题，并 可用挠度显示材料的塑性。常用于测定铸铁、铸 造合金、工具钢及硬质合金等脆性和低塑性材料 的断裂强度。 试验时，试样截面上的应力分布不均匀，表面应 力最大，可灵敏的反映材料表面缺陷。常用来比 较和鉴定渗碳层和表面淬火层等机件的质量与性 能。 试验时不能使塑性较好的材料断裂，故其Ffmax 曲线的最后部分可任意延长。 能力知识点2 金属弯曲力学性能试验 一、金属弯曲力学性能试验原理 YB/T54392006金属弯曲力学性能试验方法 中规定，弯曲力学性能试验是采用三点弯曲或 四点弯曲方式对圆形或矩形横截面试样施加弯曲 力，一般直至断裂，测定其弯曲力学性能指标。 弯曲力学性能试验所用圆形截面试样的直径5 45mm，矩形截面试样的hb为5mm75mm(或 5mm5mm)至30mmm40mm(或30mm30mm) 。 进行弯曲试验时，将圆形或矩形及方形试样放置 在一定跨距L的支座上，进行三点弯曲或四点弯 曲试验，通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关 系，通常求出断裂时的抗弯强度和最大挠度，以 表示材料的强度和塑性。 对于圆形、矩形横截面试样，一般每个试验点需 试验3个试样；对于薄板试样，每个试验点至少 试验6个试样，试验时，拱面向上和向下各试验3 个试样。 图2-7 金属弯曲试验加载方式示意图 (a)三点弯曲加载 (b)四点弯曲加载 二、金属弯曲力学性能的确定 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，并可根据 弯矩M值，应用 材料力学公式求 出弯曲强度和挠 度。 铸铁的弯曲力F挠度f曲线 试样弯曲时，受拉侧表面的最大正应力： 式中M最大弯矩。对三点弯曲 M=FLs/4；对 四点弯曲M=FL/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Fbb） 1.抗弯强度bb 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。 2.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，对试样连续施加弯曲 力，直至试验断裂，测量试样断裂瞬间跨距中点 的挠度，此挠度即为断裂挠度fbb。此方法用于仲 裁试验。 测定断裂挠度一般可与测定抗弯强度在同一试验 中进行。可以利用试验机横梁位移来测定断裂挠 度，但应对试验机柔度等因素的影响加以修正。 模块三 金属扭转试验 金属扭转试验的特点 扭转试验是金属力学性能试验中的一种重 要试验方法。对于某些承受切应力或扭转 应力的零件如传动主轴、弹簧、钻杆等， 具有重要的实际意义。 扭转试验主要用于评价材料的塑性，尤其 是在拉伸试验时呈脆性的材料，扭转试验 是评价其塑性的最佳方法。 金属扭转试验具有如下特点： 圆柱形试样扭转时，试样从开始变形直至破坏，其长度和 截面尺寸几乎保持不变。试样沿标距长度的塑性变形始终 是均匀发生的，没有缩颈现象出现，能实现大塑性变形量 条件下的试验，因此，对于那些塑性好的材料用扭转试验 方法可以精确地测定其应力和应变的关系。 高温扭转试验(热扭转试验)可以用来研究金属在热加工条 件下的流变性能与断裂性能、评定材料的热压力加工性， 并为确定生产条件下的热压力加工工艺(如轧制、锻造、 挤压)参数提供依据。 能较敏感地反映出金属表面缺陷及表面硬化层的性能。因 此，可利用扭转试验研究或检验工件热处理的表面质量和 各种表面强化工艺的效果。 扭转时试样中的正应力与切应力在数值上大体相 等。 当扭转沿着横截面断裂时为切断，而由最大正应 力引起断裂时，断口呈螺旋状与纵轴成45。 能力知识点2 金属扭转试验 对圆形试样施加扭矩T，测量扭矩及其相应 的扭角，一般扭至断裂，便可测出金属材 料的各项扭转性能指标，如金属的切变模 量G、上屈服强度、下屈服强度、规定非 比例扭转强度、抗扭强度及最大非比例切 应变等。 试验按国家标准GB/T101282007金属 室温扭转试验方法进行。 一、试样 扭转试验主要采用直径d0=10mm、标距长 度L0分别为50cmm或100mm，平行长度分 别为70mm和120mm的圆柱形试样。 采用其他直径的试样，平行长度为标距加 上两倍直径。 由于扭转试验时试样外表面切应力最大， 对于试样表面的细微缺陷较为敏感。因此 ，对试样的表面粗够度要求较拉伸试样为 高，规定为Ra0.4m。 圆柱形扭转试样 二、力学性能指标 扭矩扭角（T-）曲线 试样在弹性范围内表面的切应力和切应变 为： W为试样抗扭截面系数，圆柱试样为： 扭矩扭角曲线 扭转力学性能指标 切变模量G（在弹性 范围内，切应力与切 应变之比）： 扭转屈服点 抗扭强度 （Tm为扭断前承受的最大扭矩） 三、试验步骤 用游标卡尺测量试样直径，对于圆形试样应据标距两端及中间处两个 相互垂直的方向上各测量一次直径。取用三处测得的直径的算术平均 值的最小值计算试样的抗扭截面系数W。 扭转试验一般在室温1035范围内进行。将试样装入试验机，用 粉笔沿试样轴线画一条直线，以便观察试样受扭时的变形。试验时试 验机两夹头中之一应能沿轴向自由移动，对试样无附加轴向力，两夹 头保持同轴。 根据材料性质估算扭转试验所需最大扭矩，选好试验机的扭矩度盘， 使最大扭矩指示值在度盘的后半圈内。启动试验机上的电机，对试样 进行扭转试验，在试验中，应注意选择扭转速度。低碳钢试样在屈服 前，扭转速度在（630）/min范围内，屈服后的扭转速度不大于 720/min,且速度的改变应无冲击产生。 试样扭断后，立即关机，取下试样，试验结束。 记下试验中试样屈服时的扭矩TeH或 TeL和破坏时的最大扭矩Tm，写 出试验报告