材料的力學性能及試驗(一)

?作者:傘齒輪 ???|???? ?2020-02-13 21:25

  目? 錄

  材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能

  材料在其他靜載荷下的力學性能

  材料在沖擊載荷下的力學性能

  材料在變動載荷下的力學性能

  材料在環境條件下的力學性能

  材料在高溫條件下的力學性能

  材料的磨損性能(廣告過后更精彩)

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  01

  材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能

  1.1?拉伸試驗

  1.1.1?概述

  拉伸試驗是標準拉伸試樣在靜態軸向拉伸力不斷作用下以規定的拉伸速度拉至斷裂,并在拉伸過程中連續記錄力與伸長量,從而求出其強度判據和塑性判據的力學性能試驗。

  強度指標:彈性極限、屈服強度、抗拉強度;

  塑性指標:斷后伸長率、斷面收縮率。

  1.1.2?概念

  應力:應力是在它所作用面積上的力,用N/mm2表示,在米制單位中,用千帕(kPa)或兆帕(MPa)表示。? ??

  ? ? ? ? ? ? ? ? ??

  應變:是被測試材料尺寸的變化率,它是加載后應力引起的尺寸變化。由于應變是一個變化率,所以它沒有單位。

  原始標距():施力前的試樣標距。

  斷后標距():試樣斷裂后的標距。

  平行長度():試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長度。

  斷后伸長率():是斷后標距的殘余伸長()與原始標距()之比的百分率。

  斷面收縮率():斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量()與原始橫截面積(So)之比的百分率。

  最大力():試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力。

  屈服強度:當金屬材料呈現屈服現象時,在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點。

  上屈服強度:試樣發生屈服而力首次下降前的最高應力。

  下屈服強度:在屈服期間,不計初始瞬時效應時的最低應力。

  1.1.3?拉伸應力-應變曲線

  以低碳鋼的拉伸應力—應變曲線為例。

  OB—彈性階段,BC—屈服階段

  CD—強化階段,DE—頸縮階段

  試樣在各階段變化的示意圖

  彈性階段

  金屬材料在彈性變形階段,其應力和應變成正比例關系,符合胡克定律,即?=?ε,其比例系數E稱為彈性模量。

  彈性極限p與比例極限e非常接近,工程實際中近似地用比例極限代替彈性極限。

  屈服階段

  屈服強度:當金屬材料呈現屈服現象時,在試驗期間達到塑性變形發生而力不增加的應力點,應區分上屈服強度和下屈服強度。通常把下屈服點對應的應力值稱為屈服強度。

  強化階段

  經過屈服階段后,曲線從C點又開始逐漸上升,說明要使應變增加,必須增加應力,材料又恢復了抵抗變形的能力,這種現象稱作強化,CD段稱為強化階段(加工硬化)。

  曲線最高點所對應的應力值記作,稱為材料的抗拉強度(或強度極限),它是衡量材料強度的又一個重要指標。 強度極限是材料在整個拉伸過程中所能承受的最大拉力。

  頸縮階段

  曲線到達D點,在試件比較薄弱的某一局部(材質不均勻或有缺陷處),變形顯著增加,有效橫截面急劇減小,出現了縮頸現象。此后,試件的軸向變形主要集中在頸縮處,試件最后在頸縮處被拉斷。

  a是低碳鋼的應力-應變曲線,它有鋸齒狀的屈服階段,分上下屈服,均勻塑性變形后產生縮頸,然后試樣斷裂;

  b是中碳鋼的應力-應變曲線,它有屈服階段,但波動微小,幾乎成一條直線,均勻塑性變形后產生縮頸,然后試樣斷裂。

  c是淬火后低、中溫回火鋼的應力-應變曲線,它無可見的屈服階段,均勻塑性變形后產生縮頸,然后試樣斷裂;

  d是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的應力-應變曲線,它不僅無屈服階段,而且在產生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。

  1.1.4?拉伸試樣形狀及尺寸

  拉伸試樣的一般形狀

  需要加工制樣:壓制坯、鑄錠、無恒定截面的產品;

  不需加工制樣:有恒定橫截面的型材、棒材、線材、鑄造試樣;

  橫截面的形狀:圓形、矩形、多邊形、環形,其他形狀;

  試樣的原始標距:

  比例試樣?o=So1/2???(短比例試樣:=5.65;長比例試樣:=11.3)

  非比例試樣??o與So1/2?無關

  圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號

  比例試樣尺寸

  原始直徑d0:3、5、6、8、10、15、20、25,優先采用5、10、20mm

  原始標距L0≥15mm,短試樣(優先)?L0=5d0?,長試樣L0=10d0

  平行長度LC?≥ L0+d0/2?,仲裁試驗:?LC=Lo+2d0

  試樣總長度?Lt?取決于夾持方法,原則上LtLc+4d0

  過渡圓半徑r≥0.75d0

  矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號

  矩形截面非比例試樣

  原始厚度b03mm

  原始標距L0:短試樣(優先)?L0=5.65s01/2?,長試樣L0=11.3s01/2?;若L0

  平行長度LC≥Lo+ 1.5s01/2?,仲裁試驗:LC=Lo+2s01/2?

  過渡圓半徑r≥12mm.

  薄板非比例試樣

  原始寬度b0=12.5、20、25mm

  頭部寬度≥1.2b0

  過渡弧半徑r≥20mm

  b0=12.5mm,L0=50mm,帶頭LC=75mm,不帶頭LC=87.5mm

  b0=20.0mm,L0=80mm,帶頭LC=120mm,不帶頭LC=140mm

  b0=25.0mm,L0=50mm,帶頭LC=100mm,不帶頭LC=120mm

  經過機加工試樣

  不經機加工試樣

  1.1.5?拉伸試驗前的準備

 ?。?)取樣與制樣

  取樣部位、取樣方向、取樣數量是對材料性能試驗結果影響較大的3個因素,被稱為取樣三要素。

  樣坯的切取部位、方向和數量應按照相關產品標準GB/T2975-2018《鋼及鋼產品力學性能取樣位置及試樣制備》或協議的規定。

  取樣方法

  從原材料(型材、棒材、板材、管材、絲材、帶材等)上直接取樣試驗;

  從產品上的重要部位(最薄弱、最危險的部位)取樣試驗;

  以實物零件直接試驗,如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等;

  以澆注的鑄件試樣直接試驗或經加工成試樣進行試驗。

 ?。?)試樣加工

  防止冷變形或受熱而影響其力學性能。通常以切削加工為宜。

  平行段應光滑,無加工硬化,無缺口、刀痕、毛刺等缺陷;

  脆性材料夾持部分與平行段應有較大半徑的圓弧過渡;

  不經機加工鑄件試樣表面上的夾砂、夾渣、毛刺、飛邊等必須加以清除。

 ?。?)試樣檢查、標記

  試驗前應先檢查試樣外觀是否符合要求。

  試樣原始標距一般采用細劃線或墨線進行標定,所采用的方法不能影響試樣過早斷裂。

  對于特薄或脆性材料,可在試樣平行段內涂上快干著色涂料,再輕輕劃上標線。

 ?。?)尺寸測量(試樣的原始橫截面積)

  圓形截面試樣:圓形在標距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個方向測量直徑,以各處兩個方向測量的直徑的算術平均值計算橫截面積;取三處測得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。(0=1/42)

  矩形截面試樣:在標距兩端及中間三處橫截面上測量寬度和厚度,取三處測得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。(0=×0)

  1.1.6?拉伸試驗設備

  拉力試驗機又名萬能材料試驗機。

  萬能試驗機是用來針對各種材料進行儀器設備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等力學性能試驗用的機械加力的試驗機。萬能試驗機組成:加載機構、夾樣機構、記錄機構、測力機構。標準:《GB/T 16491-2008?電子萬能試驗機》

  夾持裝置用于對不同形狀、尺寸和材質的試樣能順利進行試驗。引伸計用于測定微小塑性變形的長度測量儀。

  試驗設備校驗:

  電子萬能試驗機:《GB/T 16825.1-2008?靜力單軸試驗機的檢驗?第1部分:拉力和壓力試驗機測力系統的檢驗與校準》、《GB/T 16825.2-2005靜力單軸試驗機的檢驗?第2部分:拉力蠕變試驗機?施加力的檢驗》

  引伸計:《GB/T 12160-2002?單軸試驗用引伸計的標定》

  電子萬能試驗機及其構造

  氣動夾具(左)、液壓夾具(右)

  CSS2210?電子萬能試驗機引伸計(左)、WDW-100?電子萬能試驗機引伸計(右)

  1.1.7?拉伸試驗步驟

  1.2?性能指標

  1.2.1?彈性

  彈性模量E(=/)表征材料抵抗正應變的能力。工程上彈性模量被稱為材料的剛度,表征金屬材料對彈性變形的抗力,其值越大,則在相同的應力狀態下產生的彈性變形量越小。

  比彈性模量為彈性模量與密度的比值。

  1.2.2?強度

  材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示。(單位:Pa、MPa、N/m2)

  抗拉強度(或強度極限)是指試件斷裂前所能承受的最大工程應力,用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。

  上屈服強度:eH=eH/0

  下屈服強度:eL=eL/0

  抗拉強度:m=m/0

  oa——總變形;ba—彈性變形99.8%;塑性變形0.2%

 ?。l件屈服強度:?0.2表示規定塑性延伸率為0.2%時對應的應力)

  硬鋼(高碳鋼)強度高,塑性差,拉伸過程無明顯屈服階段,無法直接測定屈服強度,用條件屈服強度來代替屈服強度。

  1.2.3?塑性

  金屬材料斷裂前所產生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形,頸縮后頸縮區的塑性變形是集中塑性變形。

  試件拉斷后,彈性變形消失,但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標。

  常用的塑性指標有兩個:斷后伸長率=[(u-0)/0]×100%,斷面收縮率Z=[(0-u)/0] ×100%。

  1.2.4?應變硬化

  在真應力-真應變曲線中,應力與應變之間符合Hollomon關系,即=n(為加工硬化指數或應變硬化指數)。

  應變硬化指數反映了材料開始屈服后,繼續變形時材料的應變硬化情況,它決定了材料開始發生緊縮時的最大應力b。形變硬化是提高材料強度的重要手段。

  工程應力-應變曲線與真應力應變曲線對比

  1.2.5?韌性

  韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。

  韌度是度量材料韌性的力學性能指標,分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。

  靜力韌度是指金屬材料在靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功,是強度和塑性的綜合指標。韌度為應力-應變曲線下的面積。

  1.3?相關標準

  02

  材料在其他靜載荷下的力學性能

  2.1?壓縮試驗

  2.1.1?概述

  壓縮試驗是測定材料在軸向靜壓力作用下的力學性能的試驗,是材料機械性能試驗的基本方法之一。主要用于測定金屬材料在室溫下單向壓縮的屈服點和脆性材料的抗壓強度。

  壓縮性能是指材料在壓應力作用下抗變形和抗破壞的能力。

  工程實際中有很多承受壓縮載荷的構件,如大型廠房的立柱、起重機的支架、軋鋼機的壓緊螺栓等。這就需要對其原材料進行壓縮試驗評定。

  2.1.2?概念

  壓縮屈服強度:當金屬材料呈現屈服現象時,試樣在試驗過程中達到力不在增加而繼續變形時所對應的壓縮應力。

  上壓縮屈服強度:試樣發生屈服而力首次下降前的最高壓縮應力。

  下壓縮屈服強度:屈服期間不計瞬時效應時的最低壓縮應力。

  抗拉強度:對于脆性材料,試樣壓至破壞過程中的最大壓縮應力。

  壓縮彈性模量:試驗過程中,軸向壓應力與軸向應變呈線性比例關系范圍內的軸向壓應力與軸向應變的比值。

  2.1.3?試驗設備儀器及試樣

  設備儀器:(1)材料萬能試驗機;(2)游標卡尺。

  壓縮試樣通常為柱狀,橫截面有圓形和方形兩種。

  試樣受壓時,兩端面與試驗機壓頭間的摩擦力會約束試樣的橫向變形,且試樣越短,影響越大;但試樣太長容易產生縱向彎曲而失穩。

  2.1.4?壓縮試驗的力學分析

  低碳鋼

  低碳鋼試樣裝在試驗機上,受到軸向壓力F作用,試樣產生變形量△兩者之間的關系如圖。

  低碳鋼壓縮時也有彈性階段、屈服階段和強化階段。低碳鋼壓縮變形,不會斷裂,由于受到上下兩端摩擦力影響,形成“鼓形”。

  試樣直徑相同時,低碳鋼壓縮曲線和拉伸曲線的彈性階段幾乎重合,屈服點也基本一致。

  低碳鋼是塑性材料,試樣屈服后,塑性變形迅速增長,其橫截面積也隨之增大,增加的面積又能承受更大的載荷,所以只能測得屈服極限,無法測得強度極限。

  鑄鐵

  鑄鐵試樣裝在試驗機上,受到軸向壓力F作用,試樣產生變形量△兩者之間的關系如圖。

  灰鑄鐵的抗壓強度是其抗拉強度的3-4倍。

  鑄鐵在較小變形下出現斷裂,略成“鼓形”,斷面的法線與軸線成45—55度;

  試樣直徑相同時,鑄鐵壓縮曲線和拉伸曲線差異較大,其抗壓強度遠大于抗拉強度。

  2.2??彎曲試驗

  2.2.1?概述

  彎曲性能指材料承受彎曲載荷時的力學性能。

  彎曲試驗檢驗材料在受彎曲載荷作用下的性能,許多機器零件(如脆性材料制作的刀具、橫梁、車軸等)是在彎曲載荷下工作的,主要用于測定脆性和低塑性材料(如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強度并能反映塑性指標的撓度;彎曲試驗還可用來檢查材料的表面質量。

  試驗一般在室溫下進行,所以也稱為冷彎試驗。

  2.2.2?概念

  撓度:彎曲變形時橫截面形心沿與軸線垂直方向的線位移;

  彎曲應力:彎曲時產生的應力;

  彎曲應變:試樣跨度中心外表面上單元長度的微量變化;

  彎曲彈性模量:彎曲應力與彎曲應變呈線性比例關系范圍內的彎曲應力與應變之比。

  彎曲強度:在達到規定撓度值時或之前,負荷達到最大值時的彎曲應力;

  2.2.3?彎曲試驗原理

  將一定形狀和尺寸的試樣放置于一定跨距的支座上,并施加一集中載荷,使試樣產生彎曲應力和變形。

  彎曲試驗分為三點彎曲和四點彎曲,三點彎曲是最常用的試驗方法。

  2.2.4?彎曲試樣及試驗裝置

  彎曲試驗試樣的橫截面形狀可以為圓形、方形、矩形和多邊形,但應參照相關產品標準或技術協議的規定;

  室溫下可用鋸、銑、刨等加工方法截取,試樣受試部位不允許有任何壓痕和傷痕,棱邊必須銼圓,其半徑不應大于試樣厚度的1/10;

  彎曲試驗通常在萬能材料試驗機或壓力機上進行;常用的彎曲裝置有支輥式、V型模具式、虎鉗式、板式等。

  2.2.5?彎曲試驗的力學分析

  彎曲曲線是通過彎曲試驗得到的彎曲載荷和試樣彎曲撓度的關系曲線。

  試樣彎曲時,受拉側表面的最大正應力:=M/W。(M—最大彎矩,三點彎曲:M=FLs/4;四點彎曲:M=Fa/2;W—抗彎截面系數,對于直徑為d的圓形試樣:W=πd3/32;對于寬帶為b,高為h的矩形試樣:W=bh2/6。

  2.2.6?性能指標

  抗彎強度——試樣彎曲至斷裂前達到的,按彈性彎曲應力公式計算得到的最大彎曲應力,用符號σbb表示:bb=b/W(Mb—斷裂時的彎矩)

  灰鑄鐵的抗彎性能優于抗拉性能。

  斷裂撓度bb——將試樣對稱地安放在彎曲試驗裝置上,撓度計裝在試樣中間的測量位置上,對試樣連續施加彎曲力,直至試樣斷裂,測量試樣斷裂瞬間跨距中點的撓度。

  2.3?剪切試驗

  2.3.1?概述

  剪切試驗用于測試材料的剪切強度,剪切試驗實際上就是測定試樣剪切破壞時的最大錯動力。

  受剪切力作用的工程結構件有螺栓、銷釘、鉚釘等。

  作用在試樣兩個側面的載荷,其合力為大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對力,如圖所示:

  2.3.2?剪切試驗分類

  一般分為單剪試驗、雙剪試驗、沖孔試驗、開縫剪切試驗和復合鋼板剪切試驗等。

  2.3.4?試樣及試驗裝置

  試樣

  剪切試樣根據剪切試驗方法和夾具確定。

  圓柱形試樣:試樣直徑和長度根據夾具確定,一般取直徑為5,10,15mm。沖孔板狀試樣:薄板不能做成圓柱形試樣時,可用沖孔剪切試樣,板狀試樣厚度一般小于5mm。實際零件剪切試樣:用實際零件如鉚釘、螺栓等。

  試驗裝置

  2.3.5?剪切性能的測定

  室溫剪切試驗應在10~35℃下進行;

  對不同的試樣,選擇合適的裝置,裝置安裝時,與試驗機的壓頭中心線一致,不???得偏心;

  剪切試驗速度≯15mm/min,高溫≯5mm/min;

  高溫剪切試驗:試驗升溫時間≯1h,保溫時間為15~30min。

  2.3.6?剪切試驗數據處理

  試樣剪斷后,記下剪切試驗過程的最大試驗力F。按以下公式計算抗剪強度τb,MPa。

  單剪抗剪強度:b=/0(0—試樣原始橫截面積,mm2)

  雙剪抗剪強度:b=/20=2/(π2)(0—試樣原始橫截面積,mm2)

  雙剪抗剪強度:b=/(π0)(0—沖孔直徑,mm2;——試樣厚度,mm)

  抗剪強度的計算精確到3位有效數。

  剪斷后發生彎曲、斷口出現鍥形、橢圓形等剪切截面,結果無效,應重做。

  2.4????扭轉試驗

  2.4.1?概述

  扭轉試驗是測定材料抵抗扭矩作用的一種試驗,是材料機械性能試驗的基本試驗方法之一。扭轉試驗是對試樣施加扭矩T,測量扭矩T及相應的扭角,繪制出扭轉曲線圖,一般扭至斷裂,以便測定金屬材料的各項扭轉力學性能指標。

  在機械、石油、冶金等工程中有許多機械零部件承受扭轉載荷作用的實例,如如軸、彈簧等需進行扭轉試驗。

  特點

  扭轉時應力狀態的柔度系數較大,因而可用于測定那些在拉伸時表現為脆性的材料。如:淬火低溫回火工具鋼的塑性。

  圓柱試件在扭轉試驗時,整個長度上的塑性變形始終是均勻的。試件截面及標距長度基本保持不變,不會出現靜拉伸時試件上發生的頸縮現象。

  扭轉試驗可以明確地區分材料的斷裂方式,正斷或切斷。對于塑性材料,斷口與試件的軸線垂直,斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡。

  扭轉試驗時,試件截面上的應力應變分布表明,該試驗對金屬表面缺陷顯示很大的敏感性。因此,可利用扭轉試驗研究或檢驗工件熱處理的表面質量和各種表面強化工藝的效果。

  扭轉試驗時,試件受到較大的切應力,因而還被廣泛地應用于研究有關初始塑性變形的非同時性的問題。如彈性后效、彈性滯后以及內耗等。

  2.4.2?扭轉試驗的應用

  扭轉試驗可用于測定塑性材料和脆性材料的剪切變形和斷裂的全部力學性能指標,并且還有著其他力學性能試驗方法所無法比擬的優點。

  扭轉斷口形態

 ?。╝—切斷斷口,b—正斷斷口,c—層狀斷口)

  塑性材料斷口與試件的軸線垂直,斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡(圖a),這是由切應力造成的切斷;

  脆性材料斷口約與試件軸線成45度成螺旋狀(圖b);如果材料的軸向切斷抗力比橫向的低,扭轉斷裂時可能出現層狀或木片狀斷口(圖c)。

  可以根據斷口特征,判斷產生斷裂的原因以及材料的抗扭強度和抗拉(壓)強度相對大小。

  2.4.3?扭轉試驗的原理

  在試驗過程中,隨著扭矩的增大,試件標距兩端截面不斷產生相對轉動,使扭轉角的增大,利用試驗機的繪圖裝置繪出曲線,即曲線(又稱扭轉圖)來描述。

  根據材料性能的不同,扭轉曲線可以分為兩種典型——低碳鋼和鑄鐵。

  扭轉圖與拉伸試驗測定的應力—應變曲線相似,這是因為在扭轉時試件的形狀不變,其變形始終是均勻的,即使進入塑性變形階段,扭矩仍隨變形的增大而增加,直至試件斷裂。

  低碳鋼的扭轉曲線彈性階段OA ?

  曲線到達D點,在試件比較薄弱的某一局部(材質不均勻或有缺陷處),變形顯著增加,有效橫截面急劇減小,出現了縮頸現象。此后,試件的軸向變形主要集中在頸縮處,試件最后在頸縮處被拉斷。

  外加扭矩不超過彈性范圍時,變形是彈性的,-?曲線是一條直線。當邊緣處的剪應力達到剪切屈服極限,此時對應的扭矩為。截面上的應力成線形分布,表面的剪應力最大。即=??/

  屈服階段AB??

  超過彈性范圍后試樣開始屈服。屈服過程是由表面至圓心逐漸進行的,這時曲線開始變彎,橫截面的塑性區逐漸向圓心擴展,截面上的應力不再是線形分布試樣整體屈服后,曲線上出現屈服平臺,此時主動指針指示的最小值屈服扭矩記作。

  外加扭矩不超過彈性范圍時,變形是彈性的,曲線是一條直線。當邊緣處的剪應力達到剪切屈服極限,此時對應的扭矩為。截面上的應力成線形分布,表面的剪應力最大。即

  屈服強度τs=(3/4)(s/n)

  ?強化階段BC??

  超過屈服階段后曲線又開始上升,表明材料又恢復了抵抗變形的能力,即材料要繼續變形扭矩就必須不斷增長。低碳鋼有很長的強化階段但沒有頸縮直至斷裂。

  抗扭強度極限τb=(3/4)(b/n)

  鑄鐵的扭轉曲線

  鑄鐵的曲線加載到一定程度就較明顯地偏離了直線直至斷裂。說明鑄鐵扭斷前的塑性變形較拉伸時明顯。鑄鐵斷裂時的最大剪應力定義為強度極限記作b。

  τb=(3/4)(b/n)

  2.4.4?扭轉試驗的試樣

  根據現行標準規定,分為圓柱形試樣和管形試樣兩類。

  圓柱形試樣推薦采用直徑為10mm,標距分別為50mm和10mm,平行長度分別為70mm和120mm的試樣。如采用其他直徑的試樣,其平行長度應為標距加上兩倍直徑。

  管形試樣的平行長度應為標距加上兩倍外直徑。

  2.3.5?扭轉試驗的儀器設備

  扭轉試驗機

  允許使用不同類型的機械式或電子式扭轉試驗機。試驗機扭矩示值相對誤差應不大于士1%,應由計量部門定期進行檢定;

  試驗時,試驗機兩夾頭中之一應能沿軸向自由移動,對試樣無附加軸向力,兩夾頭保持同軸;

  試驗機應能對試樣連續施加扭矩,無沖擊和震動,在30s內保持扭矩恒定。

  扭轉計

  允許使用不同類型的扭轉計測量扭角,如鏡式扭轉計、表式扭轉計、電子型扭轉計等,推薦使用電子型扭轉計。

  1—試樣;2—固定夾塊;3—緊定螺母;

  4—旋轉夾塊;5—標距標尺;6—數字百分表

  2.3.6?相關力學性能

  試驗條件:試驗應在室溫10~35℃下進行;扭轉速度:屈服前應在3°~30°/min范圍內,屈服后不大于720°/min。速度的改變應無沖擊。

 ?。?)剪切模量的測定

  圖解法

  用自動記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線的彈性直線段上讀出扭矩增量和扭角增量。

  扭矩—扭角曲線

  剪切模量:=(△Te)/(△p)

  e—扭轉計標距;p—極慣性矩

  逐級加載法

  在彈性直線段范圍內,用不少于5級等扭矩對試樣加載。記錄每級扭矩和相應的扭角,計算出平均每級扭角增量,按圖解法中公式計算剪切模量G。

 ?。?)規定非比例扭轉強度的測定

  用自動記錄方法記錄扭矩—扭角曲線。在曲線上延長彈性直線段交扭角軸于O點,截取OC段,過C點作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點,A點對應的扭矩為p。

  規定非比例扭轉強度:b=p/

 ?。?)上、下屈服強度的測定

  采用圖解法或指針法測定,試驗時用自動記錄方法記錄扭轉曲線,或直接觀測試驗機扭矩度盤指針的指示。

  首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩,屈服階段中不計初始瞬間效應的最小扭矩為下屈服扭矩。

  上屈服強度:eH=eH/

  下屈服強度:eL=eL/

 ?。?)扭轉強度的測定

  對試樣連續施加扭矩,直至扭斷。從記錄的扭轉曲線或試驗機扭矩度盤上讀出試樣扭斷前所承受的最大扭矩,用公式計算抗扭強度。

  抗扭強度:=m/

  (—抗扭強度;m—最大扭矩;W—截面系數)

  2.3.7?試樣斷口分析

  碳鋼破壞斷口形狀:平面斷口

  表明斷裂是由剪應力引起的。斷面上可看出回旋狀塑性變形的痕跡,是典型的韌狀斷口。斷裂時的剪應力定義為強度極限記作b?。

  鑄鐵破壞斷口形狀:45°螺旋斷口

  表明斷裂是由最大拉應力引起的。而最大拉應力先于最大剪應力達到強度極限后發生斷裂又說明了鑄鐵的抗拉能力弱于其抗剪能力。

  純扭轉時圓試樣的表面處于純剪應力狀態,與桿軸成±45o角的螺旋面上分別作用著兩個主應力:??1、3?并與最大剪應力τmax絕對值數值相等。因此試樣的斷口角度直接顯示材料是拉斷還是剪斷、材料自身抗拉、抗剪能力的強弱由此得到直接地比較。

  純扭轉時圓試樣的表面處于純剪應力狀態

  2.5?硬度試驗

  2.5.1?概述

  硬度表征的是固體材料抵抗局部變形,特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力,反映了材料的軟硬程度。

  硬度不是一個簡單的物理概念,而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標。如刻劃法型硬度試驗表征金屬抵抗破裂的能力,而壓入法型硬度試驗表征金屬抵抗變形的能力。

  硬度數據與其他力學性能存在一定關系,如抗拉強度。原因在于硬度和抗拉強度都與大塑性變形抗拉有關。

  2.5.2?硬度的測試方法及分類

  硬度試驗是應用最廣泛的力學性能試驗,根據受力方式,可分為壓人法和劃痕法。在壓入法中,按照加力速度不同又可分為靜態力試驗法和動態力試驗法。通常所采用的布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等均屬于靜態力試驗法,肖氏硬度、里氏硬度和錘擊布氏硬度等屬于動態力試驗法。

  硬度測試方法的分類

  硬度測量方法的使用范圍

  其中肖氏硬度也稱為回跳法,所以又可以分為:壓入法、彈性回跳法和劃痕法。

  同一類方式的硬度可以換算;不同類方式則只能采用同一種材料進行標定。

  硬度試驗特點

  實驗方法簡單,無須加工試樣;

  造成的表面損傷小,基本屬于“無損”或微損檢測范圍;

  與其他靜載荷下的力學性能指標之間存在一定關系,如可以由硬度大致推測強度值;

  測量范圍大可至多個晶粒,小可測單個晶粒,甚至幾個原子范圍(納米壓痕儀(NanoIndenter))。

  2.5.3?概念

  布氏硬度(HB):材料抵抗通過硬質合金球壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

  努氏硬度(HK):材料抵抗通過金剛石菱形錐體壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

  肖氏硬度(HS):應用彈性回跳法將撞銷(具有尖端的小錐,尖端上鑲有金剛鉆)從一定高度落到所測試材料的表面上而發生回跳,用測得的撞銷回調高度來表示的硬度。

  洛氏硬度(HR):材料抵抗通過硬質合金,或對應某一標尺的金剛石圓錐體壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

  維氏硬度(HV):材料抵抗通過金剛石正四棱錐體壓頭施加試驗力所產生永久壓痕變形的度量單位。

  里氏硬度(HL):將規定質量的沖擊體,在彈性力作用下以一定速度沖擊試樣表面,用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算的硬度值。

  標準塊:用于壓痕硬度計間接檢驗、帶有檢定合格的壓痕值得標準塊狀物質。

  硬度測試試驗

  2.5.4?硬度與材料抗拉強度的關系

  金屬的壓入硬度與抗拉強度成正比例關系:

  b=HB

  其中k為比例系數,不同金屬材料的k值不同,同一種類的金屬經過熱處理后,硬度和強度發生變化,但k值基本保持不變;

  經過冷變形后,金屬材料的k值不再是常數;

  鋼鐵材料的k大約是3.3;

  精確的強度數據要靠直接測量得到。

  2.5.5?布氏硬度

  原理:用一定直徑的壓頭(球體),以相應試驗力壓入待測表面,保持規定時間卸載后,測量材料表面壓痕直徑,以此計算出硬度值。

  壓頭:淬火鋼球或硬質合金鋼球。

  載荷、壓頭直徑、保持時間是布氏硬度試驗三要素。

  布氏硬度的表示方法

  布氏硬度值單位為公斤力/mm2(N/mm2);布氏硬度上限值為HB650,不能高于此值。

  優點:壓痕面積大,反映較大范圍內材料的硬度性能;試驗數據穩定,重復性好,應用廣泛;適用于晶粒粗大、相組成復雜、相尺寸較大的材料。

  缺點:屬于有損檢測,壓痕較大,不能在成品表面進行檢測;操作復雜,效率低,不能連續檢測。

  布氏硬度測試設備

  2.5.6??洛氏硬度

  原理:用金剛石圓錐或淬火鋼球壓頭,在試驗壓力F的作用下,將壓頭壓入材料表面,保持規定時間后,去除主試驗力,保持初始試驗力,用殘余壓痕深度增量計算硬度值,實際測量時,可通過試驗機的表盤直接讀出洛氏硬度的數值。

  洛氏硬度載荷較大,不宜用于測量極薄試樣和表面硬化層,采用表面洛氏硬度測量。

  優點:操作簡單迅速,效率高,可直接讀出硬度值;壓痕小,可測量成品或較薄工件;可測量軟硬不同的材料硬度。

  缺點:壓痕較小,代表性差;材料有偏析或組織不均勻時,數據重復性差;不同等級的洛氏硬度數據不具可比性。

  壓頭—頂角120°金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球

  1-1 —加上初載荷后壓頭的位置;

  2-2 —加上初載荷+主載荷后壓頭的位置;

  3-3 —卸去主載荷后壓頭的位置;

  he —卸去主載荷的彈性恢復;

  洛氏硬度標尺

  洛氏硬度的表示方法

  洛氏硬度試驗設備

  2.5.7??維氏硬度

  原理:在一定的靜檢測力作用將壓頭下壓入試樣的表面,保持規定時間后卸除檢測力,試樣表面留下四方錐形的壓痕。計算出壓痕凹印面積,維氏硬度是檢測力除以壓痕表面積所得的商。

  壓頭——金剛石材質,正四棱錐體,面角為136°

  維氏硬度檢測時對于硬度均勻的材料可以任意選擇檢測力,其硬度值不變,這是維氏硬度檢測法最大的優點。

  選擇面角為136°的角錐體,是為了使維氏硬度和布氏硬度有相近的示值以便進行比較。

  表示方法:HV前面的數值為硬度值,后面為試驗力值。標準的試驗保持時間為10 ~ 15s,超出范圍需要標注上保持時間。600HV30—表示采用30kgf的試驗力,保持10 ~ 15s得到的硬度值為600;600HV30/20—表示采用30kgf的試驗力,保持20s得到的硬度值為600。

  適用范圍:按試驗力的大小,分為維氏硬度、小負荷維氏硬度、顯微維氏硬度。維氏硬度檢測:除特別小和薄試樣層的樣品外,測量范圍可覆蓋所有金屬。小負荷維氏硬度檢測:特別適宜于測量鋼表面強化層及化學熱處理表面層以及各種滲層、渡層等的表面硬度。顯微維氏硬度檢測:除用于產品的硬度檢驗外,在金屬學、金相學研究方面也是最常用的試驗方法之一。

  優點:適用范圍廣,從極軟到極硬材料都可測量;測量精度高,可比性強;硬度值與試驗力大小無關。

  缺點:測量操作較麻煩,測量效率低;不適于大批生產和測量組織不均勻材料。

  維氏硬度試驗設備

  2.5.8?顯微硬度

  顯微硬度是指一般指加載小于0.2kgf的硬度試驗,分為顯微維氏硬度和顯微努氏硬度。

  顯微硬度測定極小范圍內的硬度,幾乎不損壞試樣,例如某個晶粒、組成相或夾雜物的硬度,顯微硬度可測陶瓷、玻璃、瑪瑙等脆性材料的硬度,且靈敏度高,適合評定細線材的加工硬化程度。

  維氏壓頭壓痕(左)、努氏壓頭壓痕(右)

  顯微硬度應用

 ?。?)金屬材料和金相的研究:廣泛用于測定金屬及合金中各組成相的硬度,剖析其對合金性能的供獻,為合金的正確設計提供依據。

 ?。?)金屬表面層性能的研究:擴散層性能的研究,例如滲碳層,氮化層,金屬擴散層等;(表面加工硬化層性能的研究。如金屬表層受機械加工,熱加工的影響。

 ?。?)晶粒內部不均勻性的研究;

 ?。?)極細薄金屬制成品硬度的測量。

  2.5.9?肖氏硬度

  原理:將規定形狀的金剛石沖頭從固定的高度h0落在試樣表面上,沖頭彈起一定高度h,用h與h0的比值計算肖氏硬度值(材料的硬度與回調高度成正比)。與前面三種靜態壓入法硬度不同,肖氏硬度是一種動態力試驗法。

  肖氏硬度計及結構圖

  試樣要求:試樣的質量應至少在0.1kg以上,厚度一般應在10mm以上;試樣的試驗面積應盡可能大;表面應無氧化皮及外來污物,不應帶有磁性。

  表示方法:HS前數字表示硬度數值,HS后表示硬度標尺類型。45HSC—表示C型硬度計測定的硬度值為45;45HSD—表示D型硬度計測定的硬度值為45。

  優點:操作簡單、效率高;試驗后幾乎不產生壓痕,可在成品件上試驗

  缺點:測量精度低、重復性差,適合精度要求高的測試。

  2.6?相關標準

  03

  ?材料在沖擊載荷下的力學性能

  3.1?概述

  沖擊試驗是利用能量守恒原理,將具有一定形狀和尺寸的帶有V型或U型缺口的試樣,在沖擊載荷作用下沖斷,以測定其吸收能量的一種試驗方法。沖擊試驗對材料的缺陷很敏感,能靈敏地反映出材料的宏觀缺陷、顯微組織的微小變化和材料質量。

  材料抵抗沖擊載荷的能力稱為材料的沖擊性能。沖擊載荷是指以較高的速度施加到零件上的載荷,當零件在承受沖擊載荷時,瞬間沖擊所引起的應力和變形比靜載荷時要大的多。

  沖擊載荷和靜載荷的區別在于加載速率不同。加載速率是指載荷施加于試樣或機件的速率,用單位時間內應力增加的數值表示。?用形變速率(又分為絕對形變速率和相對形變速率)間接反映加載速率的變化。

  工程中,還有許多機件是快速加載即沖擊載荷及低溫條件下工作的,如:汽車在凸凹不平的道路上行駛;飛機的起飛和降落;材料的壓力加工等;其性能將與常溫、靜載的不同。

  3.2?概念

  夏比沖擊試驗:用規定高度的擺錘對處于簡支梁狀態的缺口試樣進行一次性沖擊,并測量試樣折斷時的吸收能量的試驗。V形缺口由于應力集中較大,應力分布對缺口附近體積塑性變形的限制較大而使塑性變形更難進行。

  不穩定裂紋擴展起始力:力-位移曲線急劇下降開始時的力。

  不穩定裂紋擴展終止力:力-位移曲線繼續下降終止時的力。

  沖擊試樣斷口:沖擊試樣沖斷口的斷裂表面及臨近表面的區域。其宏觀外貌一般呈晶狀,纖維狀或混合狀。

  晶狀斷面:斷裂表面一般呈現金屬光澤的晶狀顆粒,無明顯塑性變形的齊平斷面。

  纖維狀斷面:斷口中纖維區的總面積與缺口下方原始截面面積的百分比。

  側膨脹值:斷裂試樣缺口側面每側寬度較大增加量之和。

  3.3?沖擊載荷下材料變形斷裂特點

  沖擊載荷下,機件、與機件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的時間,從而影響加速度和慣性力的大小。

  沖擊過程時間短,測量不準確,通常假定沖擊能全部轉化為機件內的彈性能,再按能量守恒法計算。

  金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進行。

  靜載荷作用時:塑性變形比較均勻的分布在各個晶粒中;

  沖擊載荷作用時:塑性變形則比較集中于某一局部區域,反映了塑性變形不均勻

  這種不均勻限制了塑性變形的發展,導致了屈服強度、抗拉強度的提高。

  純鐵的應力-應變曲線

  1—沖擊載荷;2—靜載荷

  塑性、韌性隨應變率的增加而變化的特征與斷裂方式有關:如果在一定加載條件及溫度下,材料產生正斷,則斷裂應力變化不大,塑性隨著應變率的增加而減??;

  如果材料產生切斷,則斷裂應力隨著應變率提高顯著增加,塑性的變化不一定,可能不變或提高。

  韌性材料沖擊試樣斷口示意圖

  同樣也為纖維區、放射區、剪切唇三個區;

  若試驗材料具有一定的韌性,可形成兩個纖維區即:?纖維區—放射區—纖維區—剪切唇;

  裂紋快速擴展形成結晶區,到了壓縮區后,應力狀態發生變化,裂紋擴展速度再次減小,形成纖維區。

  3.4?沖擊彎曲與沖擊韌性

 ?。?)沖擊韌性

  沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收(彈性變形功)塑性變形功和斷裂功的能力。常用標準試樣的沖擊吸收功AK來表示。

  作用:揭示冶金缺陷的影響;對σs大致相同的材料,評定缺口敏感性;評定低溫脆性傾向。

  試樣尺寸:10mm×10mm×55mm

  試樣分為缺口試樣和無缺口試樣。缺口試樣又分為夏比V型缺口沖擊試樣和夏比U型缺口沖擊試樣。無缺口試樣適用于脆性材料(球鐵、工具鋼、淬火鋼等)

  沖擊試樣開缺口的目的:使缺口附近造成應力集中,保證試樣一次就被沖斷且使斷裂發生在缺口處。缺口的深度和尖銳程度對沖擊吸收功影響顯著。缺口越深、越尖銳,Ak值越小,材料表現的脆性越大。所以,不同類型和尺寸的試樣的Ak值不能相互換算和直接比較。

 ?。?)沖擊彎曲

  試驗在擺錘式沖擊試驗機上進行。

  試驗過程:將樣品水平放在試驗機的支座上,缺口位于沖擊相背的方向。然后將具有一定質量m的擺錘舉至一定高度H1,使其獲得一定位能mgH1

  釋放擺錘沖斷試樣,擺錘的剩余能量為mgH2,則擺錘沖斷試樣失去的位能為mgH1-mgH2,這就是試樣變形和斷裂所消耗的功,稱為沖擊吸收功,以AK表示,單位為J。

  對采用U型缺口和V型缺口的試樣,其沖擊功分別用Aku?和Akv來表示。試驗前需對試驗機進行校核。

  在最新現行標準GB/T229-2007《金屬材料??夏比擺錘沖擊試驗方法》中規定:沖擊吸收能量k代替沖擊吸收功Ak。

  JB-S300數顯沖擊試驗機

  (擺錘預揚角:150°;擺軸中心至打擊中心的距離:750mm、800mm;沖擊速度:5.2m/s~5.4m/s;最大沖擊能量:300J/500J、500J/250J)

  JB-300/500W微機控制沖擊試驗機

  (沖擊能量:300J、150J/500J、250J;擺錘預揚角:150°;沖擊速度:5.2m/s~/5.4m/s;試樣支座跨距:40mm)

  3.5?沖擊試驗的應用

  沖擊試驗最大的優點就是測量迅速簡便。沖擊吸收能量K的大小對材料的組織十分敏感,能反映出材料品質、宏觀缺陷和顯微組織的微小變化。

  沖擊試驗主要應用在以下兩個方面:

 ?。?)控制材料的冶金質量和熱加工后的質量

  通過測量K值和對樣品進行斷口分析,可以:檢驗冶金缺陷——夾渣、氣泡、嚴重分層、偏析以及夾雜物超級等缺陷;檢驗熱加工后質量——鑄造、鍛造、焊接及熱處理后過熱、過燒、回火脆性、淬火和鍛造裂紋等缺陷;

 ?。?)評定材料的冷脆傾向

  根據系列沖擊試驗(低溫沖擊試驗)可得K與溫度的關系曲線,測定材料的韌脆轉變溫度,可以評定材料的低溫脆性傾向。

  三種不同冷脆傾向的材料

  3.6?低溫脆性現象

  體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金,特別是工程上常用的中、低強度結構鋼(鐵素體-珠光體鋼),在試驗溫度低于某一溫度tk時,會由韌性狀態變為脆性狀態,沖擊吸收功明顯下降,斷裂機理由微孔聚集型變為穿晶解理,斷口特征由纖維狀變為結晶狀,這就是低溫脆性,又稱為冷脆。這種轉變稱為韌脆轉變。轉變溫度稱為韌脆轉變溫度,又稱為冷脆轉變溫度。

  Titanic號鋼板(左圖)和近代船用鋼板(右圖)的沖擊試驗結果

  Titanic號采用了含硫高的鋼板,韌性很差,特別是在低溫呈脆性。所以,沖擊試樣是典型的脆性斷口。

  斷裂強度和屈服強度隨時間變化示意圖

  低溫脆性是材料屈服強度隨著溫度的降低急劇增加的結果;見右圖,屈服點隨著溫度的下降而升高,但材料的斷裂強度隨著溫度的變化很??;兩線交點對應的溫度就是tk。

  3.7?韌脆轉變溫度

  常用根據能量、塑性變形或斷口形貌隨溫度的變化來定義韌脆轉變溫度tk。

  低溫脆性金屬材料的系列沖擊結果

  沖擊功隨溫度的變化而變化,能量法有三種:(1)以低階能開始上升的溫度定義為tk,記為NDT(Nil Ductility Temperature)稱為無塑性或零塑性轉變溫度;(2)以高階能對應的溫度定義為tk,記為FTP(Fracture Transition Plastic),較為保守的方法;(3)以低階能和高階能平均值對應的溫度定義為tk,記為FTE(Fracture Transition Elastic)。

  試驗表明,在不同試驗溫度下,纖維區、放射區與剪切唇三者之間的相對面積(或線尺寸)是不同的。

  溫度下降,纖維區面積突然減少,結晶區面積突然增加,材料由韌變脆。

  通常取結晶區面積占整個斷口面積的50%時的溫度為tk,記為50%FATT或FATT50、t50。

  韌脆轉變溫度tk可用于抗脆斷設計、保證機件服役安全,但不能直接用來設計計算機件的承載能力或截面尺寸;機件的最低使用溫度必須高于tk,兩者相差越大越安全,所以選用的材料應該具有一定的韌性溫度儲備,也就是說具有一定的△值,△=t0-tk。

  3.8?落錘試驗

  50年代初,美國海軍研究所派林尼(W.S.Pellini)等人提出了落錘試驗方法,用于測定全厚鋼板的零塑性轉變溫度NDT,以作為評定材料的性能標準。

  落錘試驗示意圖

 ?。ㄖ劐N錘頭是一個半徑為25mm的鋼制圓柱,硬度不小于50HRC。重錘可升到不同高度,以獲得340-1650J的能量。)

  試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上,使有焊肉的軋制面向下處于受拉側,然后落下重錘進行打擊。隨著試樣溫度的下降,其力學行為發生如下變化:

  不裂→拉伸側表面形成裂紋,但未發展到邊緣→拉伸側表面裂紋發展到一側邊或兩側邊→斷裂。

  一般取拉伸側表面裂紋發展到一側邊或兩側邊的最高溫度為——NDT。

  低強度鋼結構的NDT設計標準

  NDT設計標準:保證承載時鋼的NDT<工作溫度,此時高應力區的小裂紋處不會造成脆性斷裂;

  NDT+33℃設計標準:對結構鋼而言,FTE≈NDT+33℃,適用于原子能反應堆壓力容器標準;

  NDT+67℃設計標準:適用于全塑性斷裂,在塑性超載條件下,仍能保證最大限度的抗斷能力,也適用于原子能反應堆壓力容器標準。

  TLC-300落錘沖擊試驗機

  3.9?斷裂分析圖

  斷裂分析圖通過落錘試驗所得NDT可以建立斷裂分析圖Fracture Analysis Diagram,,表示許用應力、缺陷(裂紋)和溫度之間的關系曲線。

  斷裂分析圖

  A’BC線,又稱為斷裂終止線(CAT),表示不同應力水平下脆性裂紋擴展的終止溫度。

  3.10?影響韌脆轉變溫度的因素

  材料的脆性傾向本質上是其塑性變形能力對低溫和高加載速率的適應性的反映。

  材料韌脆轉變溫度的影響因素主要有:化學成分、晶粒尺寸、顯微組織。

  合金元素對韌脆轉變溫度的影響

  間隙溶質元素含量增加,高階能下降,韌脆轉變溫度tk提高;置換原子只有Ni、Mn降低tk;S、P、As等偏聚與晶界,降低材料韌性。

  韌脆轉變溫度與鐵素體晶粒直徑的關系

 ?。毣Я?,材料的韌性增加,韌脆轉變溫度tk降低)

  分析:晶界是裂紋擴展的阻力;晶界前塞積的位錯數減少,有利于降低應力集中;晶界總面積增加,使晶界上雜質濃度減小,避免了產生沿晶脆性斷裂。

  顯微組織的韌脆轉變溫度k回火馬氏體。

  球化處理可改善鋼的韌性;在某些馬氏體鋼中存在奧氏體,可以抑制解理斷裂;鋼中夾雜物、碳化物等第二相質點對鋼的脆性有重要影響,無論第二相位于晶界還是獨立于基體中,當尺寸增大時材料韌性下降,k升高。

  3.11?相關標準

  04

  材料在變動載荷下的力學性能

  4.1?概述

  工程中很多機件和構件都是在變動載荷下工作,如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥子、葉片及橋梁等,其失效形式主要是疲勞斷裂。

  疲勞是指機件和構件在服役過程中,由于承受變動載荷而導致裂紋萌生和擴展以致斷裂失效的全過程。變動載荷是引起疲勞破壞的外力,是指載荷大小甚至方向均隨時間變化的載荷,其在單位面積上的平均值為變動應力。變動應力分為循環應力和無規則隨機變動應力。循環應力的波形有正弦波、矩形波和三角形波等。

  疲勞的特點:疲勞是具有壽命的斷裂,其斷裂應力水平往往低于材料抗拉強度,甚至低于屈服強度;疲勞是脆性斷裂(突發性);對缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感。

  在載荷下進行試驗以提供材料或零部件的某種疲勞數據的試驗稱為疲勞試驗。疲勞試驗按失效循環次數可分為高周疲勞試驗和低周疲勞試驗。高周疲勞試驗以應力為基本控制參數,低周疲勞試驗以應變為基本控制參數。疲勞試驗按載荷和環境可分為室溫疲勞試驗、高溫疲勞試驗、低溫疲勞試驗、熱疲勞試驗、腐蝕疲勞試驗、接觸疲勞試驗和沖擊疲勞試驗。

  4.2?疲勞斷口

  疲勞斷裂經歷了裂紋萌生和擴展過程。由于應力水平較低,因此具有較明顯的裂紋萌生和穩態擴展階段,疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區域組成,即疲勞裂紋產生區(裂紋源)、裂紋擴展區和最后斷裂區。

  疲勞裂紋擴展速率曲線

  I區:裂紋初始擴展階段,10-8~10-6mm/周次,快速提高,但△K變化范圍很小所以提高有限;

  II區:裂紋擴展主要階段,10-5~10-2mm/周次,a/N~△K呈冪函數關系,△K變化范圍很大,擴展壽命長。

 ?、髤^:裂紋擴展最后階段,a/N很大,并隨△K增加而很快地增大,只需擴展很少周次即會導致材料失穩斷裂。

  疲勞源

  該區最光亮(該斷面經多次摩擦擠壓);裂紋源位于裂紋擴展區的貝紋弧線凹向一側的焦點位置;可以有一個或者多個(與應力狀態有關);對于多個裂紋源,一般源區越亮、裂紋擴展區越大、貝紋線越密,則該裂紋源越早產生。

  疲勞區

  是裂紋亞穩擴展形成的區域;斷口比較光滑并分布有貝紋線(或海灘花樣),有時還有裂紋擴展臺階;貝紋線是載荷變動引起的,貝紋線是一簇以裂紋源為圓心的平行弧線,近源處則貝紋線距越密,遠離源處則貝紋線距越疏。

  瞬斷區

  是裂紋失穩擴展形成的區域;該斷口區比疲勞區粗糙,與靜載的斷口相似(脆性材料斷口呈結晶狀,韌性材料斷口在心部平面應變區呈放射狀或人字紋狀,邊緣平面應力區則有剪切唇區存在);位置一般處于裂紋源的對側;區域大小與材料承受名義應力及材料性質有關,高名義應力或低韌性材料,最后斷裂區大,反之,最后斷裂區小。

  4.3?疲勞曲線與疲勞極限

  疲勞曲線是疲勞應力與疲勞壽命的關系曲線,即S-N曲線,用于確定疲勞極限、建立疲勞應力判據的基礎。

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  典型的金屬材料疲勞曲線

  疲勞極限指材料抵抗無限次應力循環而不斷裂的強度指標。條件疲勞極限指材料抵抗有限次應力循環而不斷裂的強度指標。二者統稱為疲勞強度。

  對稱循環載荷是一種常規載荷,有對稱彎曲、對稱扭轉及對稱拉壓等。其對應的疲勞極限稱為-1、-1、-1p。其中-1是最常用的對稱循環疲勞極限。

  抗拉強度越大,疲勞極限越大。

  鋼的疲勞極限-1與抗拉強度b的關系

  4.4?疲勞試驗方法

  金屬材料疲勞極限試驗,是通過模擬結構或部件的實際工作情況,在試驗室內測定材料的疲勞曲線,用以估計結構或部件的疲勞特性。

  一般該類試驗周期較長,所需設備比較復雜,但是由于一般的力學試驗如靜力拉伸、硬度和沖擊試驗,都不能夠提供材料在反復交變載荷作用下的性能,因此對于重要的零構件進行疲勞試驗是必須的。

  常用試驗方法及其特點

  單點疲勞試驗法

  單點疲勞試驗法適用于金屬材料構件在室溫、高溫或腐蝕空氣中旋轉彎曲載荷條件下服役的情況。

  試驗設備:彎曲疲勞試驗機、抗壓試驗機。

  試樣要求:(1)試樣數量為8 ~ 10根;試樣尺寸要求最小截面直徑d一般取6,7.8,9mm,偏差小于0.005d。

  試樣形狀示意圖

  試驗步驟:(1)安裝試樣;(2施加載荷P(一般是根據材料的抗拉強計算出應該施加的載荷大小P),第1根試樣的最大應力約為σ1=(0.6 ~0.7)σb;(3)試樣斷裂后記下壽命N1,取下試樣描繪疲勞斷口的特征;(4)取另一試樣使其最大應力σ2=(0.40 ~0.45)σb?,重復步驟①到③測得疲勞壽命N2,若N2<107次,則應降低應力再重復步驟①到③,直至N2>?107次;(5)在σ1與σ2之間插入4個等差應力水平,分別為σ3,σ4,σ5,σ6,逐級遞減進行以上試驗,相應的壽命分別為N3,N4,N5,N6。

  數據處理:當N6<107次,疲勞極限在σ2與σ6之間,這時取σ7=1/2(σ2+σ6)再進行試驗;當N6>107次,取σ7=1/2(σ5+σ6)再進行試驗。

  升降法疲勞試驗

  升降法疲勞試驗主要用于測定中、長壽命區材料或結構疲勞強度的隨機特性。在常規疲勞試驗方法測定疲勞強度的基礎上或在指定壽命的材料或結構的疲勞強度無法通過試驗直接測定的情況下,一般采用升降法疲勞試驗間接測定疲勞強度。

  試驗設備:抗壓疲勞試驗機。

  試樣形狀示意圖

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  升降法示意圖

  試驗方法:(1)試驗從高于疲勞強度的應力水平開始,然后逐級降低(如疲勞強度未知,可選用材料的靜態拉伸屈服強度Rp0.2或ReL);(2)在應力水平下進行第一根試驗,如果在指定壽命N=107次之前發生破壞,則下一根試樣就要在低一級的應力水平下進行,反之,則要在高一級的應力水平下進行,直至完成全部試樣;(3)各級應力水平之差叫做“應力增量”,在整個試驗過程中,應力增量應保持不變。

  試樣步驟:(1)安裝試樣;(2)參數設置,在電腦界面設置試驗參數,如動載荷、頻率、循環次數、試樣工作部分的直徑和橫截面積等;(3)施加載荷,所施加的動載荷一般為對稱循環應力,波形為正弦波;(4)終止試驗,試樣在規定循環應力下,通常一直連續試驗至試樣失效或規定循環次數。

  數據處理:將出現第一對相反結果以前的數據舍棄;以Vi表示在第i級應以水平σi下進行的試驗次數,n表示有效試驗總次數,m表示升降應力水平的級數。

  高頻振動疲勞試驗法

  高頻振動試驗利用試驗器材產生含有循環載荷頻率為1000Hz左右特性的交變慣性力作用于疲勞試樣上,可以滿足在高頻、低幅、高循環環境條件下服役金屬材料的疲勞性能研究。高頻振動試驗主要用于軍民機械工程的需要。

  高頻振動試驗裝置示意圖

  試樣要求:試樣形狀同單點疲勞試樣相同;試樣材料一般選用高強度鋼。

  試驗步驟:(1)安裝試樣;(2)安裝控制與測量的加速度傳感器,并進行500~2000Hz的正弦掃頻試驗,根據掃頻結果選取試驗頻率;(3)以選取的試驗頻率、控制加速度進行正弦高頻振動環境疲勞試驗,調整試驗應力水平為σ=ma/S。(m為配重質量,a為配重的加速度,S為試樣橫截面積)

  數據處理:將獲得的試驗數據以試驗應力為縱坐標,以疲勞壽命的對數lgN為橫坐標,由如下公式按照最小二乘法擬合直線的原理,使各數據點到直線的水平距離的平方和為最?。簂gN=a+b(-0)。

  材料的力學性能及試驗(一)

  超聲波疲勞試驗

  超聲法疲勞試驗是一種加速共振式的疲勞試驗方法,其測試頻率(20kHz)遠遠超過常規疲勞測試頻率(小于200Hz)。超聲法疲勞試驗一般用于超高周疲勞試驗,主要針對109以上周次疲勞試驗。

  試驗裝置主要包括:(1)超聲頻率發生器(將超聲正弦波電信號由50Hz轉變為20kHz);(2)壓力陶瓷換能器(將電源提供的電信號轉化成機械振動信號);(3)位移放大器(放大位移振幅使試樣獲得所需的應變振幅)。試驗裝置原理:由壓電陶瓷換能器、位移放大器和試樣組成的超聲疲勞試驗機構成了一個力學振動系統,試樣的加載是由外加信號激勵試樣發生諧振,在試樣中產生諧振波來實現。

  超聲法疲勞試驗裝置示意圖

  試樣分為拉壓試樣和三點彎曲試樣。

  試樣示意圖

  試驗步驟:(1)對試樣進行測量校準;(2)安裝試樣,對稱拉壓試驗中,試樣的一端固定放大器末端,另一端自由,非對稱拉壓試驗中,試樣兩端分別固定在兩個放大器;(3)對所加載荷和試驗頻率進行參數設置;(4)開始試驗,并記錄數據。

  數據處理:試驗數據用Basquin方程描述:a=?(2N)b。其中a表示應力幅,表示應表示疲勞強度系數,N表示試驗所得疲勞壽命,以?N為橫坐標,以a為縱坐標繪制超聲疲勞S-N曲線。

  4.5?相關標準

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