材料力学性能实验 材料学院 赵其章.

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1 材料力学性能实验 材料学院 赵其章

2 实验内容 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 实验二、系列冲击试验

3 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 1．上屈服点ReH、下屈服点ReL 一、实验目的
掌握金属拉伸性能指标（特别是Rp0.2）的测定方法，加深对拉伸性能指标物理意义的理解。 二、实验原理 本试验主要测定金属材料的ReH或ReL、Rp0.2、Rm、A和Z等性能指标。根据国家标准GB 《金属材料室温拉伸试验方法》，上述性能指标的测定方法如下： 1．上屈服点ReH、下屈服点ReL 具有物理屈服现象的金属材料，其拉伸曲线的类型如图1-1所示。

4 a)具有屈服平台的曲线 b)、c)、d)具有上下屈服点的曲线
实验一、金属光滑试样静拉伸试验 图1-1 具有物理屈服现象金属材料的拉伸曲线 a)具有屈服平台的曲线 b)、c)、d)具有上下屈服点的曲线

5 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 上屈服点ReH是试样发生屈服而试验力首次下降前的最大应力。 ReH=FeH/S0 (N/mm2)
下屈服点ReL是当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力。 ReL=FeL /S0 (N/mm2) FeH和FeL等试验力值可用两种方法来测定。 （1）图解法 试验时用自动记录装置绘制力-伸长曲线图（见图1-1）或力-夹头位移曲线图。然后从曲线上确定相应的试验力值。 （2）指针法(液压万能试验机) 试验时观察拉伸试验机测力度盘的指针，当指针停止转动时的恒力或指针首次回转前的最大试验力，或不计初始瞬时效应的最小试验力，即分别为Fsu和FsL。

6 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 2．规定非比例伸长率为0.2%时的强度Rp0.2
Rp0.2=Fp0.2/S0 (N/mm2) 式中，F p0.2为规定非比例伸长率为0.2%时规定非比例伸长力。 F p0.2可用图解法、卸力法和电子万能试验机自动测定。 图解法：在拉伸过程中绘制具有足够大倍数的力-伸长曲线（见图1-2）。曲线高度应使规定非比例伸长的力值Fp0.2处于力轴的1/2以上。伸长放大倍数n的选择应使图中OD段长度不小于5mm。自弹性直线段与横座标轴的交点O起，截取一段相应于规定非比例伸长的OD（OD=0.2%Len,Le为引伸计计算距）。

7 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 过D作弹性直线段的平行线DB,交曲线于B点，B点所对应的力值即Fp0.2。 图1-2 Fp0.2的确定

8 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 3．抗拉强度Rm
将试样加载至断裂，由测力度盘或拉伸曲线上读出试样拉断前的最大载荷Fm，Fm所对应的应力即为抗拉强度Rm。 Rm=Fm/S0 (N/mm2) 4．断后伸长率A 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比，即 A=(Lu-L0)/L0 *100% 式中，L0为试样原始标距，Lu为试样拉断后的标距。 由于试样断裂位置对A有影响，其中以断在正中的试样伸长率最大。因此，测量断后标距部分长度Lu时，规定以断在正中试样的L1为标准，若不是断在正中者，则应换算到相当于在正中的Lu。 为此，试样在拉伸前应将标距部分划为10等分，划上标记。测量Lu时分为两种情况：

9 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 （1）如果拉断处到邻近标距端点的距离大于1/3L0，可直接测量断后两端点的距离Lu；
①如N-n为奇数(图1-3-a), Lu =XY+YZ’+YZ” ②如N-n为偶数(图1-3-b), Lu =XY+2YZ

10 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 5．断面收缩率Z 断面收缩率Z为试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比，即
Z=(S0-Su)/S0 *100% 式中，S0和Su分别为试样原始横截面积和拉断后缩颈处的最小　横截面积（mm2）。测定Su的方法对于圆柱试样在缩颈最小处两个互相垂直方向上测其直径，然后取其算术平均值。 三、实验步骤 1．试样的准备 （1）将领取的试样打上印记，并将材料，热处理状态填入附表内。 （2）测量试样尺寸，用精度为0.02mm的游标卡尺测量试样直径（同一截面相互垂直的两个方向各量一次，至少测量3个截面），计算平均直径并以最小平均直径计算横截面积，填入附表

11 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 （3）在试样标距上打冲眼，并用划针或划线机画线，将标距范围内的试样分成10等分，轻轻打上标点。测量标距距离，记入附表内。 2．试验设备的准备 （1）了解所用设备的基本原理，认识所用设备的性能、用途特点。 （2）学习设备操作规程、安全事项和操作方法、熟悉CMT5205电子万能试验机软件界面。 （3）调整好所用设备。

12 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 3．进行试验
安装45钢调质试样，力值调零，安装电子引伸计，设置拉伸速度（屈服前应力增加速度应控制在每秒10N/mm2,屈服后，试验机活动夹头在载荷作用下的移动速度不大于0.5Lc/min）进行拉伸试验。在拉伸过程注意观察F-ΔL、R-ε、F-t曲线，分析其形状及形成机理。当Rp0.2或Fp0.2测出后，卸下位移传感器，再将试样拉断。 4．处理数据 测量拉断试样的Lu及Su，打印、处理拉伸曲线，分别求出Fp0.2、Fm值，填入附表中 5．计算试验结果。

13 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 四、实验条件 （1）CMT5205电子万能试验机。 （2）画线机、游标卡尺、手锤、冲头等。

14 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 画线机实物图

15 实验一、金属光滑试样静拉伸试验 五、注意事项
学生应严格遵守实验室管理的相关规定及安全事项等内容。在进入实验室前应对相关的条款进行学习，对于动用的设备和仪器应在使用前对设备和仪器的操作程序和安全须知进行全面的了解，并且在教师的指导下进行大型仪器和设备的操作。 六、思考题 1．对于同一试样，在规定伸长率相同的条件下，为何规定非 比例伸长应力σp和规定残余伸长应力σr常常不一致？ 2．为什么要采用规定微量塑性伸长应力指标？ 七、实验报告 实验报告簿应事先准备好(校园内有售)，要求思考题也在实验报告中完成。

16 aku=A ku/FN(J/cm2) akv=A kv/FN(J/cm2)
实验二、系列冲击试验 一、实验目的 1.了解摆锤式冲击试给机的构造原理，操作方法及冲击试样的 形状和尺寸； 2.掌握金属材料的冲击试验方法，以及在不同温度下进行系列冲击试验以确定金属材料冷脆转化温度的方法。 二、实验原理 冲击试验是一种动态力学实验，它是将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机固定支座上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击弯曲负荷作用下断裂。把冲断试样所消耗的功Aku（或Akv）除以缺口底部处横截面面积FN所得的商为冲击韧性（或冲击值），以aku(或akv)表示。 aku=A ku/FN(J/cm2) akv=A kv/FN(J/cm2) 金属在常温下的试验较为简单易行，其冲击韧性对材料的冶金质量、宏观缺陷，显微组织等十分敏感，因此生产上广泛采用实验

17 实验二、系列冲击试验 方法检验材料的质量、如晶粒粗细，回火脆性，过热、过烧内部裂纹、白点、夹杂、纤维组织的各项导性等并常用这种方法确定低碳钢材的应变时效敏感性。 具有体心立方式密排六方的金属及其含金，特别是工业上常用的结构钢，均会产生冷脆断裂现象，即当试验温度低于某一温度下时，材料将转变为脆性状态，其冲击值明显降低，这种现象称为冷脆转变现象，TK称为冷脆转变温度，这是衡量材料冷脆倾向的性能指标。 系列冲击试验就是将所需试验的材料，加工成一批形状和尺寸相同的冲击试样。分别在一系列不同温度下进行冲击试验，以确定材料冷脆转化温度的方法。 常用的冷脆转变温度表示方法有两种：一种是用U形缺口的梅氏冲击试样在规定的摆锤刀口尺寸及支座尺寸的冲击试验机上，进行不同温度下的冲击试验测出冲击韧性aKu随试验温度变

18 实验二、系列冲击试验 在曲线 上与0.4akmax相应的温度，定为冷脆转变温度TK℃，另一
种方法是用V形缺口的夏氏冲击试样，在另一种规定的刀口尺寸 及支座尺寸的冲击试验机上进行不同温度下的冲击试验，然后测 量试样断口上纤维状韧性断口面积的比例，通常取这种断口面积 比为50%时的相应温度定为冷脆转变温度，用符号50%FATT表 示 。我国和苏联以前多用前一种表示方法，英、美等西方国家 多用后一种表示方法，两种表示方法都是在规定试验条件下得到 的结果，相互没有换算关系。本次实验用后一种方法，即用V形 缺口的夏氏冲击试样。 梅氏及夏氏试样形状尺寸图（图2-2）。

19 实验二、系列冲击试验

20 实验二、系列冲击试验 三、实验条件 JBD-30夏氏冲击试验机 常用的摆锤式冲击试验机的构造如图2-1所示。用梅氏试样做
冷脆转变温度和用夏氏试样做FATT实验所用的冲击试验机，其刀 口和支座的形状及尺寸如图2-2所示。如果用梅氏冲击试验机冲 击夏氏试样，以测定FATT值，其结果与严格按照规范做出来的值 往往是不一致的。

21 实验二、系列冲击试验

22 实验二、系列冲击试验 JBD-30夏氏冲击试验机实物图

23 实验二、系列冲击试验 JBD-30夏氏冲击试验机的使用方法如下： 实验前对试验机进行检查并进行空击试验，较正指针零点。
安放试样时采用专用样规，以保证试样缺口与支座跨距中心相重 合。 试验时，首先将摆锤用支撑铁支托，使其偏离中心位置，在 支座上放好试样。然后按取摆按钮将摆锤举起。然后，按冲击按 钮，使摆锤落下冲断试样。当摆锤冲断试样后运动到最高点并向 回摆动时，按刹车按钮，使摆锤停止摆动。记录试验机指针在表 盘上所指的数值，即为冲断试样所消耗的冲击功Aku（或Akv）以 此计计算试样的冲击韧性aku(或akv)。整个操作过程都应特别注意 安全，防止摆锤和击断的试样飞出伤人。 加热及冷却介质与装置 （1）介质：室温～90℃用水浴。80℃～200℃可用油浴，室温 以下用干冰或液氮和低凝固点液体的混合物作为冷却剂。本实验

24 实验二、系列冲击试验 采用酒精加液态氮调和，最低温度可达-100℃。若用纯液态氮则为-196℃ 使用注意：
①严禁使用液态氧含氧量大于10%的液态氮或液态空气作冷却 介质 ②防止人体局部冻伤。 （2）冷却装置：干冰和液氮在用量不多的情况下，可装于广口保温瓶中，但保存时间较短。试样的冷却装置应具有隔热层，其容量应有足够的大小，当同时冷却的试样不多于10个时，可用广口保温瓶或专用的容积不小于1立升的恒温箱。测量高于-80℃的低温时，采用低温酒精温度计；测量低于-80℃低温时可用镍鉻康铜热电偶配以事用内插法改换刻度的XCZ-11 型毫伏计。 3. 试样制备

25 实验二、系列冲击试验 本实验采用试样材料15#、20#或16Mn。 制样过程：
加工缺口：对于硬度较低的材料可用洗拉钻等方法加工；对于硬度较高的材料，则需用砂轮磨削或用电火加工缺口加工后最后在其根部加少许金刚沙，用一根直径适当的细铁丝进行研磨，以除去刀痕，缺口的几何形状及尺寸的偏差，会使试验结果误差较大，甚至无效。对缺口检查要严格细致，用工具显微镜100%检查。 四、实验步骤 本实验测定20号钢或16Mn的冷脆转化温度，试验温度为室 温、0℃、-20℃、-40℃ 、-60℃、-75℃每一种温度下的冲击试 验不少于三个试样。 实验进行的步骤： 1．检查试验机，校正指针的零点位置；

26 实验二、系列冲击试验 2．制备低温介质，其温度要比规定温度低3～5℃以试样从取出 到冲断时温度回升；
3. 将试样编号（铅印或电刻），测量试样尺寸（精确0.01mm）记录在附表中。 4. 在低温冲击的试样，经酒精清洗后用两三层脱脂棉包好后，再用特制的ф2不锈钢丝夹子从缺口一侧夹持住，一起放入冷却装置中冷却，保温时间不应少于15分钟。 5. 冲击试验。低温冲击试样从冷却装置中取出后应迅速放在试验机支座上进行试验。为保证操作迅速，可在支座上安装简易的试样定位装置，以减少使用样规定位的时间。这项操作既要迅速又要沉着，切实防止忙乱中造成事故。 6. 记录冲击功，观察断口，测量断口纤维区比例。

27 实验二、系列冲击试验 五、注意事项 学生应严格遵守实验室管理的相关规定及安全事项等内容。
在进入实验室前应对相关的条款进行学习，对于动用的设备和仪 器应在使用前对设备和仪器的操作程序和安全须知进行全面的了 解，并且在教师的指导下进行大型仪器和设备的操作。 六、思考题 1．为什么冲击吸收功AK的大小并不能真正反映材料的韧脆程 度？ 2．冲击试验有哪些应用应用？ 七、实验报告 实验报告簿应事先准备好(校园内有售)，要求思考题也在实 验报告中完成。

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