金属力学性能简介：综合性训练与实验目的

综合性训练与实验目的：

1）加深学生对金属在力作用下所显示性能的理解。

2）掌握金属力学性能的主要判据。

3）掌握布氏硬度、洛氏硬度的测试方法。

4）了解拉伸试验过程和冲击吸收能量的测试方法。

一、综合性训练提纲

1.金属静态力学性能及判据

（1）静态拉应力状态

1）金属在静态拉应力作用下表现出哪些性能？

2）物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后又恢复其原始形状和尺寸的性能称为弹性。金属的弹性对金属的成型加工有哪些影响？

3）刚度是指构件抵抗变形的能力。工件在加工中或零件在使用中都要求具有一定的刚度。加工系统的刚度对成型加工有哪些影响？

4）强度是金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。金属的强度对金属的加工和金属制品的使用有什么意义？

5）塑性是金属材料在断裂前发生的不可逆永久变形的能力。金属的塑性对金属的加工和金属制品的使用有什么意义？

6）屈服点与抗拉强度之比为屈强比。从使用可靠性考虑，屈强比小些好还是大些好？从强度利用率考虑，屈强比小些好还是大些好？

（2）静态压应力状态

1）金属在静态压应力作用下表现出哪些性能？

2）布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度都属于压痕硬度，三者在原理上有何区别？

3）在生产中为什么广泛采用硬度试验而不采用拉伸试验？

4）为什么说硬度既是一项使用性能指标，又是一项工艺性能指标？

5）耐磨性是机械零件工作表面抵抗磨损的能力。一般来说，耐磨性和硬度之间具有什么样的关系？

2.金属动态力学行为及其判据

（1）冲击力作用状态

1）机械零件受冲击力的破坏作用比静拉伸力大得多，金属在冲击力作用下表现出哪些性能？

2）金属在断裂前吸收变形能量的性能称为韧性。金属的韧性对金属的成型加工和金属制品的使用有哪些影响？

3）生产中常用一次冲断金属试样的冲击试验测定冲击吸收功来确定金属的韧性。为什么冲击吸收功一般不用于强度计算，而只作为设计构件的参考指标？

4）韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的重要指标。选择金属材料时应如何确定其韧脆转变温度？碳素结构钢在高寒地区冬季常发生脆断现象的根本原因是什么？

（2）交变应力作用状态

1）机械零件多数是因为受交变应力作用而失效。金属在交变应力作用下表现出哪些性能？

2）疲劳是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹，突然发生完全断裂的现象。金属的疲劳对金属的成型加工和金属制品的使用有哪些影响？

3）疲劳极限是衡量金属材料抗疲劳性能的重要指标。在交变应力作用下的零件选材时应如何确定其循环基数和中值疲劳强度？一般情况下，屈服点与疲劳极限哪个数值大？

二、小结

1）强度、塑性是通过拉伸试验确定的金属力学性能。强度、塑性指标是金属材料重要的工艺性能指标和使用性能指标。

2）硬度是通过压痕硬度试验确定的金属力学性能。硬度试验基本上是非破坏性试验，比拉伸试验更适合于生产。硬度指标也是金属材料重要的工艺性指标和使用性能指标。

3）冲击、抗疲劳性分别是通过冲击试验和疲劳试验确定的金属力学性能。冲击韧性和抗疲劳性在动态力作用下测试，更接近于机械零件的实际工作状态。但其影响因素复杂，测定值还不够稳定。冲击吸收功、韧脆转变温度、疲劳极限等也是金属材料重要的工艺性能指标和使用性能指标。

4）金属力学性能的主要判据是选材的主要依据。

三、金属力学性能试验

1.拉伸试验

拉伸试验是测定材料力学性能的最基本、最重要的试验之一。由本试验所测得的结果，可以说明材料在静拉伸下的一些性能，诸如材料对载荷的抵抗能力的变化规律及材料的弹性、塑性、强度等重要力学性能，这些性能是工程上合理地选用材料和进行强度计算的重要依据。

（1）试验目的要求

1）测定低碳钢的屈服点、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和铸铁的抗拉强度。

2）根据碳钢和铸铁在拉伸过程中表现的现象，绘出外力和变形间的关系曲线（F-ΔL曲线）。

3）比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口情况。

（2）试验设备和仪器

拉伸试验机、游标卡尺、两脚标规等。

（3）拉伸试样

金属材料拉伸试验常用的试样形状如图13-1所示。图中工作段长度Lo称为标距，试样的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定，两端较粗是为了便于装入试验机的夹头内。为了使试验测得的结果可以互相比较，必须按国家标准做成标准试样。

图13-1　拉伸试验试样

（4）试验方法与步骤

1）低碳钢的拉伸试验

①试样的准备。在试样中段取标准规定的标距，且在标距两端用脚标规打上冲眼作为标志，用游标卡尺在试样标距范围内测量中间和两端三处直径d（在每处的两个互相垂直的方向各测一次取其平均值），取最小值作为计算试样横截面面积用。

②试验机的准备。首先了解拉伸试验机的基本构造原理和操作方法，学习试验机的操作规程。根据低碳钢的抗拉强度Rm及试样的横截面积，初步估计拉伸试样所需最大载荷，选择合适的测力度盘，并配置相应的摆锤，开动机器，将测力指针调到“零点”，然后调整试验机下夹头位置，将试样夹装在夹头内。

③进行试验。试样夹紧后，给试样缓慢均匀加载，用试验机上自动绘图装置绘出外力F和变形ΔL的关系曲线（F-ΔL曲线），如图13-2所示。从图13-2中可以看出，当载荷增加到A点时，拉伸图上OA段是直线，表明此阶段内载荷与试样的变形成比例关系，即符合虎克定律的弹性变形范围。当载荷增加到B′点时，测力计指针停留不动或突然下降到B点，然后在小的范围内摆动，这时变形增加很快，载荷增加很慢，这说明材料产生了屈服现象，与B′点相应的应力叫上屈服强度，与B相应的应力叫下屈服强度，因下屈服强度比较稳定，所以材料的屈服强度一般规定按下屈服强度取值。以B点相对应的载荷值Fe除以试样的原始截面积So即得到低碳钢的屈服强度Re，即Re＝Fe／So。屈服阶段后，试样要承受更大的外力，才能继续发生变形，若要使塑性变形加大，必须增加载荷，C点至D点这一段为强化阶段。当载荷达到最大值（D点）时，试样的塑性变形集中在某一截面处的小段内，此段发生截面收缩，即出现“颈缩”现象。此时记下最大载荷值Fm，用Fm除以试样的原始截面积So，就得到低碳钢的抗拉强度Rm，即Rm＝Fm／So。在试样发生“颈缩”后，由于截面积的减小，载荷迅速下降，到E点试样断裂。

关闭机器，取下拉断的试样，将断裂的试样紧对到一起，用游标卡尺测量出断裂后试样标距间的长度Lu，按下式可计算出低碳钢的断后伸长率A，即

将断裂试样的断口紧对在一起，用游标卡尺量出断口（细颈）处的直径du，计算出面积Su。按下式可计算出低碳钢的断面收缩率Z，即

2）铸铁的拉伸试验

①试样的准备。用游标卡尺在试样标距范围内测量中间和两端三处直径d，取最小值计算试样截面面积，根据铸铁的抗拉强度Rm，估计拉伸试样的最大载荷。

②试验机的准备。与低碳钢拉伸试验相同。

③进行试验。开动机器，缓慢均匀加载直到断裂为止。记录最大载荷Fm，观察自动绘图装置上的曲线，如图13-3所示。将最大载荷值Fm除以试样的原始截面积So，就得到铸铁的抗拉强度Rm，即Rm＝Fm／So。因为铸铁为脆性材料，在变形很小的情况下就会断裂，所以铸铁的断后伸长率和断面收缩率很小，很难测出。

图13-2　低碳钢F-ΔL曲线

图13-3　铸铁F-ΔL曲线

（5）试验报告要求

1）试验目的。

2）简述低碳钢拉伸试验过程分几个阶段，各有什么特点。

3）根据F-ΔL曲线，测定低碳钢的屈服点、抗拉强度、断面收缩率和铸铁的抗拉强度。

2.布氏硬度试验

（1）布氏硬度试验的基本原理

布氏硬度测试法是用直径为D的硬质合金球，在规定试验力F的作用下压入被测试金属的表面（图13-4），停留一定时间后卸除载荷，然后测量被测金属表面上所形成的压痕平均直径d，由此计算压痕的表面积，进而求出压痕在单位面积上所承受的平均压力值，以此作为被测金属的布氏硬度值，并用符号HBW 表示。

图13-4　布氏硬度试验原理

由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如3000kgf）和压头直径（如10mm），则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个硬质合金球陷入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷P和压头直径D。为了得到统一的、可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系。

具体试验数据和适用范围可参考第一章中的表1-1、表1-2。

（2）试样选取

取正火钢20、45、T10及铸铁试样各一个，打出压痕，并从相互垂直的两个方向上测量压痕直径，取其平均值，查表求得HBW 值，将数据填入表13-1中。

表13-1　布氏硬度试验结果（正火态）

（3）布氏硬度试验机的结构

HB-3000型布氏硬度试验机的外形结构如图13-5所示。其主要部件及作用如下：

机体与工作台：硬度机有铸铁机体，在机体前台面上安装了丝杠座，其中装有丝杠，丝杠上装立柱和工作台，可上下移动。

杠杆机构：杠杆系统通过电动机可将载荷自动加在试样上。

压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。

减速器部分：带动曲柄及曲柄连杆，在电机转动及反转时，将载荷加到压轴上或从压轴上卸除。

换向开关系统：是控制电动机回转方向的装置，使加、卸载荷自动进行。

（4）试验过程

1）操作前的准备工作：

①根据表1-1和表1-2选择合适压头，将压头擦拭干净，并装入主轴衬套中。(www.xing528.com)

②根据表1-1和表1-2选定试验力，并加上相应的砝码。

③安装工作台。当试样高度＜120mm时，应将立柱安装在升降螺杆上，然后安装好工作台进行试验。

④根据表1-1确定持续时间T，然后将压紧螺钉拧松，把圆盘上的时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。

⑤接通电源，打开指示灯，证明通电正常。

图13-5　HB-3000型布氏硬度试验机外形结构

1—指示灯；2—压头；3—工作台；4—立柱；5—丝杠；6—手轮；7—载荷砝码；8—压紧螺钉；9—时间定位器；10—加载按钮

2）操作过程

①将试样放在工作台上，顺时针方向旋转手轮，工作台上升，使压头压向试样表面，直到手轮与下面螺母产生相对滑动为止。

②按动加载按钮，启动电动机，即开始加载荷。此时因压紧螺钉已拧松，故圆盘并不转动，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧压紧螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动自动停止。

③逆时针方向旋转手轮，使工作台降下。取下试样用读数显微镜测量压痕直径d值，并查表确定硬度HBW 数值。

（5）注意事项

1）安装砝码时，一定将吊杆的本身质量187.5kg加进去。

2）试样厚度应不小于压痕直径的10倍。试验后，试样背面及边缘呈显变形痕迹时，则试验无效。

3）压痕直径d应0.24D＜d＜0.6D，否则无效。

4）压痕中心至试样边缘应大于D，两压痕中心大于2D。

5）试样表面必须平整光洁无氧化皮，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径d。

6）用显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上读取，取其平均值。

图13-6　洛氏硬度试验原理图

3.洛氏硬度试验

（1）洛氏硬度试验的基本原理

洛氏硬度同布氏硬度一样也属于压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图13-6所示。

洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为120°的金刚石圆锥，另一种是直径为1／16″（1.588mm）的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是HRA、HRB和HRC。这三种洛氏硬度的压头、载荷及使用范围列于表13-2。

表13-2　常见洛氏硬度的试验规范及使用范围

洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（初始载荷及主载荷），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。

（2）试样选取

取淬火态20钢、45钢、T8试样各一个，用洛氏硬度计测量硬度值，将数据填入表13-3中。

表13-3　洛氏硬度试验结果（淬火态）

（3）洛氏硬度试验机的结构

H-100型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图13-7所示，其主要部分及作用如下：

机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。

加载机构：由加载杠杆（横杆）及挂重架（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷传至压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。

千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值，如图13-8所示。

图13-7　H-100型洛氏硬度试验机结构图

1—支点；2—指示器；3—压头；4—试样；5—试样台；6—螺杆；7—手轮；8—弹簧；9—按钮；10—杠杆；11—纵杆；12—重锤；13—齿轮；14—油压缓冲器；15—插销；16—转盘；17—小齿轮；18—扇齿轮

图13-8　洛氏硬度指示盘

（4）试验过程

1）根据试样预期硬度按表13-2确定压头和载荷，并装入试样机。

2）将试样置于工作台上，顺时针旋转手轮，使试样与压头缓慢接触，直到表盘小指针指在“3”或“小红点”处，此时即已预加载荷10kgf。然后将表盘大指针调整至零点（HRA、HRC零点为0，HRB零点为30），稍差一些可转动读数盘调整对准。

3）向前拉动右侧下方水平方向的手柄，以施加主载荷。

4）当指示器指针停稳后，将右后方弧形手柄向后推，卸除主载荷。

5）读数。采用金刚石压头（HRA、HRC）时读外圈黑字，采用钢球压头（HRB）时读内圈红字。

6）逆时针旋转手轮，使工作台下降，取下试样，测试完毕。

（5）注意事项

1）试样表面需平整光洁，不得带有油、氧化皮、裂缝、凹坑等。可用细砂轮或砂纸将工件表面磨平，磨制过程中工件表面温度不得超过150℃。

2）根据工件的大小与形状选择适当的工作台，以保证试件能平稳的安放在工作台上，并使被测表面与压头保持垂直。

3）根据被测金属材料的硬度高低，按表13-2选择压头、载荷。

4）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。两相邻压痕中心距离及压痕中心至试样边缘的距离不应小于3mm。

5）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。

（6）试验报告要求

（1）试验目的。

（2）简述布氏硬度和洛氏硬度试验原理。

（3）简述布氏、洛氏硬度试验机的结构、操作步骤及注意事项。

（4）将各试样的硬度测量结果填入表13-1和表13-3中。

4.夏比冲击试验

在实际工程机械中，有许多构件常受到冲击载荷的作用，机器设计中应力求避免冲击波负荷，但由于结构或运行的特点，冲击负荷难以完全避免，例如内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连杆，使活塞和连杆之间发生冲击，火车开车、停车时，车辆之间的挂钩也产生冲击，在一些工具机中，却利用冲击负荷实现静负荷难以达到的效果，例如锻锤、冲击、凿岩机等，为了了解材料在冲击载荷下的性能，必须做冲击试验。

（1）试验目的

1）了解冲击试验的意义，材料在冲击载荷作用下所表现的性能。

2）测定低碳钢和铸铁的冲击吸收能量K。

（2）试验设备和仪器

摆锤式冲击试验机和游标卡尺等。

（3）基本原理

1）冲击试验是研究材料对于动荷抗力的一种试验，和静载荷作用不同，由于加载速度快，使材料内的应力骤然提高，变形速度影响了材料的结构性质，所以材料对动载荷作用表现出另一种反应。往往在静荷下具有很好塑性性能的材料，在冲击载荷下会呈现出脆性的性质。

2）此外在金属材料的冲击试验中，还可以揭示了静载荷时，不易发现的某结构特点和工作条件对机械性能的影响（如应力集中，材料内部缺陷，化学成分和加荷时温度，受力状态以及热处理情况等），因此它在工艺分析比较和科学研究中都具有一定的意义。

（4）冲击试样

工程上常用金属材料的冲击试样一般为带缺口槽的矩形试件，做成制品的目的是便于揭露各因素对材料在高速变形时的冲击抗力的影响，并了解试件的破坏方式是塑性滑移还是脆性断裂。但缺口形状和试件尺寸对材料的冲击吸收能量K值的影响极大，要保证试验结果能进行比较，试样必须严格按照国家标准制作。故测定K值的冲击试验实质上是一种比较性试验，其冲击试样形状如图13-9所示。

图13-9　夏比冲击试样

（a）V形缺口；（b）U形缺口

图13-9中l、h、w和数字1～5的尺寸见表13-4。

表13-4　夏比冲击试样的尺寸与偏差

（5）试验方法与步骤

1）测量试样尺寸，要测量缺口处的试样尺寸。

2）首先了解摆锤冲击试验机的构造原理和操作方法，掌握冲击试验机的操作规程，一定要注意安全。

3）将冲击试验机指针调到“零点”，根据试样材料估计所需破坏能量，先空打一次，测定机件间的摩擦消耗能量。

4）将试样装在冲击试验机上，使没有缺口的面朝向摆锤冲击的一边，缺口的位置应在两支座中间，要使缺口和摆锤冲刃对准，如图13-10所示。将摆锤举起同空打时的位置，打开锁杆，使摆锤落下，冲断试样，然后制动，读出试样冲断时消耗的能量，即冲击吸收能量K。

（6）注意事项

在试验过程中要特别注意安全，绝对禁止把摆锤举高后安放试样，当摆锤举高后，人就离开摆锤摆动的范围，在放下摆锤之前，应先检查一下有没有人还未离开，以免发生危险。

（7）讨论题

1）低碳钢和铸铁在冲击作用下所呈现的性能是怎样的？

2）材料冲击试验在工程实际中的作用如何？

图13-10　试样的放置