Performance Testing of Materials 材料性能测试技术 Performance Testing of Materials 主讲教师： 李爱香

上次课的主要内容 第一章 材料的力学性能 1.2 材料单向静拉伸力学性能 1.2.3 聚合物拉伸时的力学性能 1.2.4 材料的断裂 1.3 材料压缩的力学性能

本次课的主要内容 第一章 材料的力学性能 1.4 材料弯曲的力学性能 1.5 材料扭转的力学性能 1.6 硬度

本次课的重点、难点 重点： 弯曲强度，扭转试验的特点，硬度的类型 难点： 弯曲弹性模量

1. 4 材料弯曲的力学性能 杭州湾大桥 　杭州湾跨海大桥是一座横跨中国杭州湾海域的跨海大桥，它北起浙江嘉兴海盐郑家埭，南至宁波慈溪水路湾，全长36公里，是世界上最长的跨海大桥。大桥按双向六车道高速公路设计，设计时速100公里／h，设计使用年限100年，总投资约140亿元。2003年11月14日开工，经过43个月的工程建设，2007年6月26日全桥贯通，计划于2007年11月30日前完成桥面铺装，大桥已于2008年5月1日晚11时58分正式通车。座大桥平面为S形曲线，总体上看线形优美、生动活泼。

1、弯曲试验的特点 弯曲试验常用于测定脆性材料的力学性能。 上表面为压应力，下表面为拉应力； 表面应力最大，中心为零； 力点处的作用力最大； 对试样的要求比拉伸时的宽松 铸铁、工具钢、表面渗碳钢常作弯曲试验

2、弯曲试验及性能指标 （1）弯曲试验 试样形状

弯曲试验一般采用三点加载简支梁，即试样放在两支点上，在两支点的试样上施加集中载荷，直至试样变形破坏。 抗弯试验示意图

（2）挠度 试样断裂之前被压下的最大距离。 通过记录弯曲力F和试样挠度f之间的关系，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。 韧性材料一般不作弯曲强度检测。

（3） 弯曲性能指标 弯曲强度 定义：弯曲试验中试样变形破坏时的强度 σf —弯曲强度（f=1.5h的弯曲应力），MPa P —破坏载荷（f=1.5h的最大载荷），N l、b、h —试样长度、宽度、厚度，cm

弯曲弹性模量 定义：在比例极限范围内应力和应变之比 Ef —弯曲弹性模量，MPa ΔP —载荷-挠度曲线上，初始直线段的载荷增量，N Δf —与载荷增量ΔP对应的跨距中点处的挠度增量，cm b、h —试样宽度、厚度，cm

1. 5 扭转 1、特点 能检测在拉伸时呈脆性的材料的塑性性能 长度方向宏观上的塑性变形始终是均匀的 能敏感地反映材料表面的性能 断口的特征最明显:正断、层状断口(正应力作用结果，断面和试样约成45°角，脆性材料）、切断（切应力作用结果，断面与试样轴线垂直，塑性材料）

脆性材料 塑性材料

2、应力状态 纵向：受力均匀； 横向：表面最大，中心部分为0； 最大正应力与最大切应力相等。 M M-φ

3、扭转试验 扭转实验机

性能指标 扭转强度极限：τb=Mb/W M—扭矩， M=PL W—截面系数，圆柱试样为πd03/16 切应变 φ—扭转角

低碳钢扭转实验 现象：低碳钢扭转时,破坏发生在横截面上。 原因分析：低碳钢为塑性材料，塑性材料抗剪能力差，圆轴扭转时，横截面上的切应力最大，因此, 沿横截面发生剪切破坏。

铸铁扭转实验 现象：铸铁圆柱试件扭转时,破坏发生在与轴线约成45°的螺旋面上。 原因分析：铸铁为脆性材料，脆性材料抗拉能力差，圆轴扭转时，在与轴线约成45°的螺旋面上拉应力最大，因此,铸铁圆柱试件产生破坏的原因为最大拉应力。

1.6 硬度（Rigidity） 1. 概述 硬度是表示材料抵抗其它较硬物体的压入性能，是材料软硬程度的定量反映 体现：磨耗、拉伸强度，固化程度

材 料 的 硬 度 布氏洛氏 维氏巴氏 邵氏 金属硬度 高分子及其复合材料

硬度的测量 球压痕直径 布氏洛氏 巴氏 邵氏 维氏 硬度 球压痕深度 压入深度 硬度 硬度 压痕对角线长度

2.布氏硬度HB HBS：压头为钢球时，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 HBW：压头为硬质合金球，适用于布氏硬度在650以下的材料。

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30 表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。 优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。

3.洛氏硬度 洛氏硬度用符号HR表示，HR=(k-h)/0.002 K为常数（压头） 金刚石：0.2 淬火钢球：0.26

根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。 符号HR前面的数字为硬度值，后面为标尺。 HRA：高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。 HRB：低硬度材料, 如有色金属和退火钢。 HRC：中等硬度材料，如调质钢、淬火钢。 优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。

4.维氏硬度 以单位压痕面积的力作为硬度值计量 试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体 d为d1、d2的平均值 F单位：N

符号：HV，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别为载荷值及载荷保持时间（10-15s不标出），640HV30/20。 根据载荷范围不同，有三种测定方法—维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点：可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，测得的数值较准确。 缺点：测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，不适合成批生产的常规检验。

5.巴氏硬度 压痕硬度 以特定的压头在标准载荷弹簧的压力下压入试件 压入的深浅表征试件的硬度（规定0.0076mm为1度，共100分度） 测量玻璃钢制品、增强或非增强硬塑料、铝及铝合金、黄铜、紫铜等较软金属硬度的专用检测工具

特点 体积小，重量轻：便于户外和较大工件的测量。 操作简便：无须专业知识，单手即可操作。 测量范围广 测量精度高：高硬度±1，低硬度±2.5。 示值换算方便：通过查表即可换算成其他的常用的硬度值。

热固性高分子固化度的测定 固化度↑，硬度↑ 作为评价树脂固化程度相对指标 不能用于定量表达固化度 由硬度趋于稳定值时的固化度作为控制玻璃钢制品固化度达到完善的最低指标 确定固化工艺条件 温度、时间

6. 邵氏硬度（Shore hardness ） 使用邵氏硬度计，在标准的弹簧压力下压入试样，把压针压入试样的深度换算为硬度来表示塑料的硬度值。 邵氏硬度，分为邵氏A和邵氏D。 邵氏A适用于软塑料 邵氏D适用于硬塑料（包括树脂基复合材料）

邵氏硬度计 邵氏A 邵氏D

本次课小结 第一章 材料的力学性能 1.4 材料弯曲的力学性能 1.5 材料扭转的力学性能 1.6 硬度

作业 1. 什么是弯曲强度? 2. 简述弯曲试验的特点。 3. 举例说明巴氏硬度的应用。

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