力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件第一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日引言

對(duì)于材料工作者和工程技術(shù)人員，我們關(guān)心的是用金屬材料制作的機(jī)械零部件在其工作條件下變形和斷裂的抗力與服役條件的相互適應(yīng)及其關(guān)系。機(jī)械零部件在預(yù)定的效能下?lián)p壞稱之為“失效現(xiàn)象”。因此，金屬材料的力學(xué)性能在某種意上說(shuō)也是金屬材料的失效抗力。第二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日金屬材料的力學(xué)性能包括：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等性能。因?yàn)榻饘贆C(jī)件的承載條件一般用各種力學(xué)參量來(lái)表示，為此人們將表征金屬材料力學(xué)行為的力學(xué)參量的臨界值稱之為金屬力學(xué)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度指標(biāo)σ0.2、σb、σ-1,，塑性指標(biāo)δ、ψ,韌性指標(biāo)aK、KⅠc等。金屬材料力學(xué)性能的優(yōu)劣就是用這些指標(biāo)具體數(shù)值來(lái)衡量。第三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日金屬材料的力學(xué)性能取決于材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部缺陷等內(nèi)在因素，但外在因素如載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、環(huán)境介質(zhì)等對(duì)金屬的力學(xué)性能也有很大的影響。分析各種內(nèi)在與外在因素對(duì)金屬力學(xué)性能的影響，掌握金屬力學(xué)性能的變化規(guī)律，對(duì)于正確選擇材料，明確提高金屬力學(xué)性能的方向和途徑，都有著十分重要的意義。第四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

金屬力學(xué)性能的研究是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，并且金屬材料的各種性能指標(biāo)也需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。因此，在金屬力學(xué)性能研究中，必須重視金屬力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試技術(shù)。第五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日《材料力學(xué)性能》

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實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)一:靜拉伸實(shí)驗(yàn)Ⅰ(StaticTensileTestsⅠ)

測(cè)定比例極限p

（ProportionalLimit)

※對(duì)不允許發(fā)生彈性變形的材料第六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)靜拉伸實(shí)驗(yàn)，掌握測(cè)定金屬材料比例極限p的方法（引伸儀法及加荷法），加深對(duì)金屬拉伸性能指標(biāo)物理意義的理解。第七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2.實(shí)驗(yàn)原理及方法

比例極限p是應(yīng)力與應(yīng)變成正比線形關(guān)系的最大應(yīng)力。即在拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線上開始偏離直線時(shí)的應(yīng)力。

p=Pp/FO式中：Pp—比例極限的載荷

FO—試樣的原始截面面積第八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日低碳鋼拉伸曲線

第九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

在實(shí)際拉伸曲線上，不是測(cè)定開始偏離直線那一點(diǎn)的應(yīng)力，而是測(cè)定偏離直線一定值的應(yīng)力。一般規(guī)定拉伸曲線上某點(diǎn)切線和縱坐標(biāo)夾角的正切值tg'與tg

的比值1.5

時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定比例極限。第十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

規(guī)定比例極限：tg'/tg=1.5第十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

比例極限p可用圖解法或引伸儀法測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)用引伸儀測(cè)定p

。用引伸儀法測(cè)定p時(shí)，采用加荷法，分兩步，即初始段大載荷和末段小載荷方法測(cè)定材料的比例極限p

。第十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日3.實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

1)試驗(yàn)材料：退火GCr15鋼，8×80mm；

2)YJY-12變形傳感器一臺(tái)：標(biāo)距50mm。

3)CSS-44300電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)；

4)EDC測(cè)控系統(tǒng)一套；

5)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一套。第十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日4.實(shí)驗(yàn)步驟

1)確定試驗(yàn)材料的p估計(jì)值

(退火GCr15鋼的p約在3500N~4500N/mm2)p估≒4000N/mm2Fo=50mm2Pp估=20000N2)初載荷取15kN。

第十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

3)小等級(jí)部分1kN。

用Δ表示變形增量（線性變化）。每100N的平均伸長(zhǎng)Δ100Δ100=引伸儀變形100N/1500N當(dāng)平均伸長(zhǎng)Δ100達(dá)到或超過(guò)1.5Δ100倍時(shí)（非線性變化）即：Δ′=Δ×1.5停止加載，用內(nèi)插法計(jì)算Δ′對(duì)應(yīng)載荷PP及比例極限σP。第十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日4)將試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄并填入表格。載荷(kN)引伸儀變形(mm)變形增量Δ(mm)P0=000P1=150.0810.081Δ100=0.0054Δ′=0.0081

P2=160.0870.006P3=170.0950.007P4=180.1020.007P5=190.1090.007P6=200.1160.007P7=210.1250.009第十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日5.數(shù)據(jù)整理及分析

將試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)整理、做成圖表，用掌握的知識(shí)對(duì)其進(jìn)行分析。6.討論、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

經(jīng)理論分析和討論，對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及整理的圖表有正確的結(jié)論和認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日《材料力學(xué)性能》

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實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)二:靜拉伸實(shí)驗(yàn)Ⅱ

(StaticTensileTestsⅡ)

測(cè)定條件屈服強(qiáng)度0.2

（YieldStrength)第十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)靜拉伸實(shí)驗(yàn)，掌握測(cè)定金屬材料條件屈服強(qiáng)度0.2的方法（引伸儀法及卸荷法），加深對(duì)金屬拉伸性能指標(biāo)物理意義的理解。第十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2.實(shí)驗(yàn)原理及方法

對(duì)無(wú)明顯物理屈服現(xiàn)象的材料，則應(yīng)測(cè)定其屈服強(qiáng)度0.2。0.2是試樣在拉伸過(guò)程中標(biāo)距部分殘余伸長(zhǎng)達(dá)原標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)的應(yīng)力。

0.2=P0.2/FO式中：P0.2

—條件屈服強(qiáng)度的載荷

FO—試樣的原始截面面積第二十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

P0.2的確定第二十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

屈服強(qiáng)度0.2可用圖解法或引伸儀法測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)用引伸儀測(cè)定0.2

。用引伸儀法測(cè)定P0.2時(shí)，采用卸荷法測(cè)定；并計(jì)算其比例極限0.2。第二十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日3.實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

1)試驗(yàn)材料：退火GCr15鋼，8×80mm；

2)YJY-12變形傳感器一臺(tái)：標(biāo)距50mm。

3)CSS-44300電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)；

4)EDC測(cè)控系統(tǒng)一套；

5)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一套。第二十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日4.實(shí)驗(yàn)步驟1)計(jì)算殘余變形0.2%的引伸儀伸長(zhǎng)n引伸儀工作長(zhǎng)度50mm,n=0.2%×50mm=0.1mm2)用下面方法反復(fù)加荷、卸荷，將數(shù)據(jù)記入表格內(nèi)，直至n=0.1mm。①n'

=n+0.02式中0.02為估計(jì)彈性變形量②n"=n'+(n-M)式中M為殘余變形量③n"'=n"+(n-M')式中M'

為第二次殘余變形量…………以此類推第二十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日列表負(fù)荷kN引伸儀變形伸長(zhǎng)（mm）加荷時(shí)卸荷時(shí)(n-M)殘余伸長(zhǎng)MP0=0000P1=20.3010.120.0940.006P2=21.0340.2140.0140.086P3=22.1570.2280.0040.096P4=22.5010.23200.10第二十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日5.數(shù)據(jù)整理及分析

將試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)整理、做成圖表，用掌握的知識(shí)對(duì)其進(jìn)行分析。6.討論、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

經(jīng)理論分析和討論，對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及整理的圖表有正確的結(jié)論和認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第二十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日《材料力學(xué)性能》

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實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)三:布氏、洛氏硬度試驗(yàn)

(BrinellandRockwellHardnessTests)第二十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

硬度試驗(yàn)由于設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷，又能反映出材料的差異，因而廣泛的應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)和科研中。通過(guò)試驗(yàn)，了解和掌握布氏、洛氏硬度的測(cè)試方法及應(yīng)用范圍。第二十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2.實(shí)驗(yàn)原理及方法

硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能。其物理意義隨試驗(yàn)方法不同而不同。因此，“硬度”不是材料獨(dú)立的力學(xué)性能。

硬度試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)。其試驗(yàn)方法有很多種?；旧戏譃閴喝敕ê涂虅澐▋纱箢?。在壓入法中有分為靜載壓入法和動(dòng)載壓入法。布氏硬度、洛氏硬度屬于靜載試驗(yàn)法。第二十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日(1)布氏硬度(BrinellHardness)

布氏硬度是將淬火鋼球施加規(guī)定的負(fù)荷P，壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸載。以壓痕表面積F除負(fù)荷P之商值來(lái)表示布氏硬度值，用HB表示。布氏硬度廣泛應(yīng)用于各種退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金屬的試驗(yàn)；也用于經(jīng)調(diào)質(zhì)處理及硬度小于HB450的試樣和零件。第三十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

第三十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日

(2)洛氏硬度(RockwellHardness)洛氏硬度是在先后兩次加載（初載荷P0

和主載荷P）的條件下，將標(biāo)準(zhǔn)壓頭壓入試樣表面來(lái)進(jìn)行的試驗(yàn)。用實(shí)際壓入深度h值來(lái)衡量試驗(yàn)材料的軟硬程度，用HR表示。采用不同的壓頭和總載荷組合作試驗(yàn)，得到幾種不同的洛氏硬度標(biāo)度。其中最常用的是HRA、HRB、HRC三種。第三十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

第三十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日3.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及試塊布氏硬度計(jì)一臺(tái)洛氏硬度計(jì)一臺(tái)讀數(shù)放大鏡若干鋁合金試塊銅合金試塊淬火鋼試塊第三十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日4.實(shí)驗(yàn)步驟

1)熟悉各種硬度計(jì)及硬度試驗(yàn)的操作方法及注意事項(xiàng)；

2)布氏硬度的壓痕的測(cè)量及硬度值的查表及計(jì)算；

3)洛氏硬度中HRC及HRA、HRB的載荷更換；第三十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日5.數(shù)據(jù)整理及分析

對(duì)不同硬度試驗(yàn)測(cè)試的硬度值進(jìn)行對(duì)比，比較分析不同硬度試驗(yàn)的使用范圍。6.討論、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

經(jīng)理論分析、討論明確，在靜載荷條件下不同試驗(yàn)方法得出硬度值的物理意義，在此基礎(chǔ)上撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第三十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日《材料力學(xué)性能》

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實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)四:維氏(顯微）硬度試驗(yàn)

(VickersandMicro-HardnessTests)第三十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)試驗(yàn)，了解和掌握維氏及顯微硬度的測(cè)試方法，明確其試驗(yàn)原理；并對(duì)不同材料、不同組織及相不同相進(jìn)行維氏硬度及顯微硬度測(cè)試。第三十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2.實(shí)驗(yàn)原理及方法維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來(lái)計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭不是球體而是兩面相對(duì)夾角為136°的金剛石四棱錐體，用HV表示。HV=｛2Psin(136°/2)｝/d2=1.854P/d2

第三十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日維氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

第四十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日3.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及試塊維氏硬度計(jì)一臺(tái)顯微硬度計(jì)二臺(tái)合金試塊若干金相試樣若干第四十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日4.實(shí)驗(yàn)步驟

1）將拋光好的試樣放到硬度計(jì)的載物臺(tái)，調(diào)整載物臺(tái)使之在目鏡下聚焦。

2）選擇好位置，移動(dòng)載物臺(tái)到壓頭下，按規(guī)范加載、保持、卸荷。移回到物鏡下測(cè)量壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度。

3）按計(jì)算公式計(jì)算或查表得出維氏硬度HV值。第四十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日5.數(shù)據(jù)整理及分析

對(duì)不同合金材料進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)測(cè)試；對(duì)不同相結(jié)構(gòu)（鐵素體、珠光體等相）進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，比較分析。6.討論、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

經(jīng)理論分析、討論明確，在靜載荷條件下得出維氏及顯微硬度值的物理意義，在此基礎(chǔ)上撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第四十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日《材料力學(xué)性能》

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實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)五:系列沖擊試驗(yàn)

(SeriesImpactTests)第四十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)了解擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、操作方法及沖擊試樣的尺寸形狀；

2)通過(guò)試驗(yàn)，了解和掌握金屬材料的沖擊試驗(yàn)方法。在不同溫度下進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)以確定金屬材料的脆性轉(zhuǎn)化溫度。第四十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2.實(shí)驗(yàn)原理及方法

沖擊試驗(yàn)是一種動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)。由于加載速率大，塑性變形得不到充分的發(fā)展，因此能靈敏的反映材料的韌脆特性。將一定形狀及尺寸的試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的固定支架上，然后將具有一定位能的擺錘釋放，使試樣在沖擊負(fù)荷作用下裂斷。第四十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日把沖斷試樣所消耗的功Ak，除以試樣斷裂處的截面積FN所得的商稱之為沖擊韌性(或沖擊值)，用ak表示。ak=Ak/FN(J/cm2)

系列沖擊試驗(yàn)就是將所需試驗(yàn)的材料，加工成形狀、尺寸相同的沖擊試樣，進(jìn)行不同溫度下的沖擊試驗(yàn)并測(cè)出沖擊韌性ak隨試驗(yàn)溫度變化的曲線。第四十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1—擺錘2—試樣

沖擊試驗(yàn)原理圖

第四十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1—擺錘2—試樣3—機(jī)座

沖擊試樣安裝圖

第四十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日3.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及試塊

1)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)；

2)梅式?jīng)_擊試樣一組