力学性能实验教学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials试验教学课程试验教学课程哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院第1页引引 言言 对于材料工作者和工程技术人员，对于材料工作者和工程技术人员，我们关心是用金属材料制作机械零部件我们关心是用金属材料制作机械零部件在其工作条件下变形和断裂抗力与服役在其工作条件下变形和断裂抗力与服役条件相互适应及其关系。条件相互适应及其关系。机械零部件在预定效能下损坏称之机械零部件在预定效能下损坏称之为为“失效现象失效现象”。所以，金属材料力学。所以，金属材料力学性能在某种意上说也是金属材料失效抗性能在某种意上说也是金属材料失效抗力。力。第2页 金属材料力学性能包含：金属材料力学性能包含：强度、硬强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等等性能。因为金属机件承载条件普通用性能。因为金属机件承载条件普通用各种力学参量来表示，为此人们将表征各种力学参量来表示，为此人们将表征金属材料力学行为力学参量临界值称之金属材料力学行为力学参量临界值称之为金属力学性能指标，如为金属力学性能指标，如强度指标强度指标0.2、b、-1,，塑性指标塑性指标、,韧性指标韧性指标aK、Kc等。金属材料力学性能优劣就是用这等。金属材料力学性能优劣就是用这些指标详细数值来衡量。些指标详细数值来衡量。第3页 金属材料力学性能取决于材料化学金属材料力学性能取决于材料化学成份、组织结构、冶金质量、残余应力、成份、组织结构、冶金质量、残余应力、表面和内部缺点等内在原因，但外在原表面和内部缺点等内在原因，但外在原因如载荷性质、应力状态、温度、环境因如载荷性质、应力状态、温度、环境介质等对金属力学性能也有很大影响。介质等对金属力学性能也有很大影响。分析各种内在与外在原因对金属力学性分析各种内在与外在原因对金属力学性能影响，掌握金属力学性能改变规律，能影响，掌握金属力学性能改变规律，对于正确选择材料，明确提升金属力学对于正确选择材料，明确提升金属力学性能方向和路径，都有着十分主要意义。性能方向和路径，都有着十分主要意义。第4页 金属力学性能研究是金属力学性能研究是建立在试验基建立在试验基础上础上，而且金属材料各种性能指标也需，而且金属材料各种性能指标也需经过试验来测定。所以，在金属力学性经过试验来测定。所以，在金属力学性能研究中，必须重视金属力学性能指标能研究中，必须重视金属力学性能指标测试技术。测试技术。第5页材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials试验教学课程试验教学课程试验一试验一:静拉伸试验静拉伸试验 (Static Tensile Tests)测定测定百分比极限百分比极限 p （Proportional Limit)对不允许发生弹性变形材料对不允许发生弹性变形材料第6页1.1.试验目标试验目标 经过静拉伸试验，掌握测定金属材经过静拉伸试验，掌握测定金属材料百分比极限料百分比极限 p方法（引伸仪法及加荷方法（引伸仪法及加荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意法），加深对金属拉伸性能指标物理意义了解。义了解。第7页2.2.试验原理及方法试验原理及方法 百分比极限百分比极限 p是应力与应变成正比是应力与应变成正比线形关系最大应力。即在拉伸应力线形关系最大应力。即在拉伸应力应应变曲线上开始偏离直线时应力。变曲线上开始偏离直线时应力。p=Pp/FO式中：式中：Pp 百分比极限载荷百分比极限载荷 FO 试样原始截面面积试样原始截面面积第8页低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线 第9页 在实际拉伸曲线上，不是测定开在实际拉伸曲线上，不是测定开始偏离直线那一点应力，而是测定偏始偏离直线那一点应力，而是测定偏离直线一定值应力。普通要求拉伸曲离直线一定值应力。普通要求拉伸曲线上某点切线和纵坐标夹角正切值线上某点切线和纵坐标夹角正切值tg 与与tg 比值比值1.5 时对应应力为要求时对应应力为要求百分比极限。百分比极限。第10页 要求百分比极限：要求百分比极限：tg/tg =1.5第11页 百分比极限百分比极限 p可用可用图解法图解法或或引伸仪引伸仪法法测定，本试验用引伸仪测定测定，本试验用引伸仪测定 p。用引伸仪法测定用引伸仪法测定 p时，采取时，采取加荷法加荷法，分两步，即初始段大载荷和末段小载荷分两步，即初始段大载荷和末段小载荷方法测定材料百分比极限方法测定材料百分比极限 p。第12页3.3.试验材料及仪器设备试验材料及仪器设备 1)1)试验材料：试验材料：退火退火GCr15钢，钢，880mm；2)YJY-12变形传感器一台：变形传感器一台：标距标距50mm。3)CSS-44300电子万能试验机一台；电子万能试验机一台；4)EDC测控系统一套；测控系统一套；5)计算机控制系统一套。计算机控制系统一套。第13页4.4.试验步骤试验步骤 1)1)确定试验材料确定试验材料 p预计值预计值 (退火退火GCr15钢钢 p约在约在3500N4500N/mm2)p估估4000N/mm2Fo=50mm2Pp估估=0N 2)初载荷初载荷取取15kN。第14页 3)小等级部分小等级部分1kN。用用表示变形增量（线性改变）。表示变形增量（线性改变）。每每100N100N平均伸长平均伸长100100 100100=引伸仪变形引伸仪变形100N/1500N100N/1500N当当平平均均伸伸长长100100到到达达或或超超出出1.51.5100100倍倍时时（非线性改变）即：（非线性改变）即：=1.5=1.5停停顿顿加加载载，用用内内插插法法计计算算对对应应载载荷荷P PP P及百分比极限及百分比极限P P。第15页4)将试验测试数据统计并填入表格。将试验测试数据统计并填入表格。载载 荷荷(kN)引伸仪变形引伸仪变形(mm)变形增量变形增量(mm)P0=000P1=150.0810.081100=0.0054 =0.0081 P2=160.0870.006P3=170.0950.007P4=180.1020.007P5=190.1090.007P6=200.1160.007P7=210.1250.009第16页5.5.数据整理及分析数据整理及分析 将试验测试数据整理、做成图表，将试验测试数据整理、做成图表，用掌握知识对其进行分析。用掌握知识对其进行分析。6.6.讨论、撰写试验汇报讨论、撰写试验汇报 经理论分析和讨论，对所做试验经理论分析和讨论，对所做试验数据及整理图表有正确结论和认识。数据及整理图表有正确结论和认识。在此基础上撰写试验汇报。在此基础上撰写试验汇报。第17页材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials试验教学课程试验教学课程试验二试验二:静拉伸试验静拉伸试验 (Static Tensile Tests)测定测定条件屈服强度条件屈服强度 0.2 （Yield Strength)第18页1.1.试验目标试验目标 经过静拉伸试验，掌握测定金属材经过静拉伸试验，掌握测定金属材料条件屈服强度料条件屈服强度 0.2方法（引伸仪法及卸方法（引伸仪法及卸荷法），加深对金属拉伸性能指标物理荷法），加深对金属拉伸性能指标物理意义了解。意义了解。第19页2.2.试验原理及方法试验原理及方法 对无显著物理屈服现象材料，则应对无显著物理屈服现象材料，则应测定其屈服强度测定其屈服强度 0.2。0.2是试样在拉伸是试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度过程中标距部分残余伸长达原标距长度0.2%时应力。时应力。0.2=P0.2/FO式中：式中：P0.2 条件屈服强度载荷条件屈服强度载荷 FO 试样原始截面面积试样原始截面面积第20页 P 0.2确定第21页 屈服强度屈服强度 0.2可用图解法或引伸仪法可用图解法或引伸仪法测定，本试验用引伸仪测定测定，本试验用引伸仪测定 0.2。用引伸仪法测定用引伸仪法测定P0.2时，采取时，采取卸荷法卸荷法测定；并计算其百分比极限测定；并计算其百分比极限 0.2。第22页3.3.试验材料及仪器设备试验材料及仪器设备 1)1)试验材料：试验材料：退火退火GCr15钢，钢，880mm；2)YJY-12变形传感器一台：变形传感器一台：标距标距50mm。3)CSS-44300电子万能试验机一台；电子万能试验机一台；4)EDC测控系统一套；测控系统一套；5)计算机控制系统一套。计算机控制系统一套。第23页4.4.试验步骤试验步骤1)1)计算残余变形计算残余变形0.2%引伸仪伸长引伸仪伸长n引伸仪工作长度引伸仪工作长度50mm,n=0.2%50mm=0.1mm2)用下面方法重复加荷、卸荷，将数据用下面方法重复加荷、卸荷，将数据 记入表格内，直至记入表格内，直至n=0.1mm。n =n+0.02 式中式中0.020.02为预计弹性变形量为预计弹性变形量n=n +(n-M)式中式中M为残余变形量为残余变形量n=n+(n-M)式中式中M 为第二次为第二次残余变形量残余变形量以这类推以这类推第24页列表列表负负 荷荷kN引伸仪变形伸长（引伸仪变形伸长（mm）加荷时加荷时卸荷时卸荷时(n-M)残余伸长残余伸长MP0=0000P1=20.3010.120.0940.006P2=21.0340.2140.0140.086P3=22.1570.2280.0040.096P4=22.5010.23200.10第25页5.5.数据整理及分析数据整理及分析 将试验测试数据整理、做成图表，将试验测试数据整理、做成图表，用掌握知识对其进行分析。用掌握知识对其进行分析。6.6.讨论、撰写试验汇报讨论、撰写试验汇报 经理论分析和讨论，对所做试验经理论分析和讨论，对所做试验数据及整理图表有正确结论和认识。数据及整理图表有正确结论和认识。在此基础上撰写试验汇报。在此基础上撰写试验汇报。第26页材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials试验教学课程试验教学课程试验三试验三:布氏、洛氏硬度试验布氏、洛氏硬度试验 (Brinell and Rockwell Hardness Tests)第27页1.1.试验目标试验目标 硬度试验因为设备简单、操作便捷，硬度试验因为设备简单、操作便捷，又能反应出材料差异，因而广泛应用在又能反应出材料差异，因而广泛应用在实际生产和科研中。实际生产和科研中。经过试验，了解和掌握布氏、洛氏经过试验，了解和掌握布氏、洛氏硬度测试方法及应用范围。硬度测试方法及应用范围。第28页2.2.试验原理及方法试验原理及方法 硬度是衡量材料软硬程度一个性能。硬度是衡量材料软硬程度一个性能。其物理意义随试验方法不一样而不一样。其物理意义随试验方法不一样而不一样。所以，所以，“硬度硬度”不是材料独立力学性能不是材料独立力学性能。硬度试验是应用最广泛力学性能试硬度试验是应用最广泛力学性能试验。其试验方法有很各种。基本上分为验。其试验方法有很各种。基本上分为压入法和刻划法两大类。在压入法中有压入法和刻划法两大类。在压入法中有分为静载压入法和动载压入法。分为静载压入法和动载压入法。布氏硬度、洛氏硬度属于布氏硬度、洛氏硬度属于静载试验静载试验法法。第29页(1)(1)布氏硬度布氏硬度(Brinell Hardness)布氏硬度是将淬火钢球施加要求负布氏硬度是将淬火钢球施加要求负荷荷 P，压入试样表面，保持一定时间后，压入试样表面，保持一定时间后卸载。以压痕表面积卸载。以压痕表面积 F 除负荷除负荷 P 之商值之商值来表示布氏硬度值，用来表示布氏硬度值，用HB表示。表示。布氏硬度广泛应用于各种退火状态布氏硬度广泛应用于各种退火状态下钢材、铸铁、有色金属试验；也用于下钢材、铸铁、有色金属试验；也用于经调质处理及硬度小于经调质处理及硬度小于HB450试样和零试样和零件。件。第30页布氏硬度试验原理示意图布氏硬度试验原理示意图 第31页 (2)(2)洛氏硬度洛氏硬度(Rockwell Hardness)洛氏硬度是在先后两次加载（初载洛氏硬度是在先后两次加载（初载荷荷P0 和主载荷和主载荷 P）条件下，将标准压头）条件下，将标准压头压入试样表面来进行试验。用实际压入压入试样表面来进行试验。用实际压入深度深度 h 值来衡量试验材料软硬程度，用值来衡量试验材料软硬程度，用HR表示。表示。采取不一样压头和总载荷组合作试采取不一样压头和总载荷组合作试验，得到几个不一样洛氏硬度标度。其验，得到几个不一样洛氏硬度标度。其中最惯用是中最惯用是HRA、HRB、HRC三种。三种。第32页洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度试验原理示意图 第33页3.3.试验仪器设备及试块试验仪器设备及试块布氏硬度计一台布氏硬度计一台洛氏硬度计一台洛氏硬度计一台读数放大镜若干读数放大镜若干铝合金试块铝合金试块铜合金试块铜合金试块淬火钢试块淬火钢试块第34页4.4.试验步骤试验步骤 1)1)熟悉各种硬度计及硬度试验操作熟悉各种硬度计及硬度试验操作方法及注意事项；方法及注意事项；2)布氏硬度压痕测量及硬度值查表布氏硬度压痕测量及硬度值查表及计算；及计算；3)洛氏硬度中洛氏硬度中HRC 及及HRA、HRB载荷更换；载荷更换；第35页5.5.数据整理及分析数据整理及分析 对不一样硬度试验测试硬度值进对不一样硬度试验测试硬度值进行对比，比较分析不一样硬度试验使行对比，比较分析不一样硬度试验使用范围。用范围。6.6.讨论、撰写试验汇报讨论、撰写试验汇报 经理论分析、讨论明确，在静载经理论分析、讨论明确，在静载荷条件下不一样试验方法得出硬度值荷条件下不一样试验方法得出硬度值物理意义，在此基础上撰写试验汇报。物理意义，在此基础上撰写试验汇报。第36页材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials试验教学课程试验教学课程试验四试验四:维氏维氏(显微）硬度试验显微）硬度试验 (Vickers and Micro-Hardness Tests)第37页1.1.试验目标试验目标 经经过过试试验验，了了解解和和掌掌握握维维氏氏及及显显微微硬硬度度测测试试方方法法，明明确确其其试试验验原原理理；并并对对不不一一样样材材料料、不不一一样样组组织织及及相相不不一一样样相相进进行维氏硬度及显微硬度测试。行维氏硬度及显微硬度测试。第38页2.2.试验原理及方法试验原理及方法 维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，也是依据压痕单位面积所承受载荷来计也是依据压痕单位面积所承受载荷来计算硬度值。所不一样是维氏硬度试验压算硬度值。所不一样是维氏硬度试验压头不是球体而是两面相对夹角为头不是球体而是两面相对夹角为136金刚金刚石四棱锥体，用石四棱锥体，用HV表示。表示。HV=2Psin(136/2)/d2=1.854P/d2 第39页维氏硬度试验原理示意图维氏硬度试验原理示意图 第40页3.3.试验仪器设备及试块试验仪器设备及试块维氏硬度计一台维氏硬度计一台显微硬度计二台显微硬度计二台合金试块若干合金试块若干金相试样若干金相试样若干第41页4.4.试验步骤试验步骤 1 1）将抛光好试样放到硬度计载物台，）将抛光好试样放到硬度计载物台，调整载物台使之在目镜下聚焦。调整载物台使之在目镜下聚焦。2 2）选择好位置，移动载物台到压头）选择好位置，移动载物台到压头下，按规范加载、保持、卸荷。移回到下，按规范加载、保持、卸荷。移回到物镜下测量压痕对角线长度。物镜下测量压痕对角线长度。3 3）按计算公式计算或查表得出维氏按计算公式计算或查表得出维氏硬度硬度HV值。值。第42页5.5.数据整理及分析数据整理及分析 对不一样合金材料进行维氏硬度试对不一样合金材料进行维氏硬度试验测试；对不一样相结构（铁素体、珠验测试；对不一样相结构（铁素体、珠光体等相）进行显微硬度测试，比较分光体等相）进行显微硬度测试，比较分析。析。6.6.讨论、撰写试验汇报讨论、撰写试验汇报 经理论分析、讨论明确，在静载荷经理论分析、讨论明确，在静载荷条件下得出维氏及显微硬度值物理意义，条件下得出维氏及显微硬度值物理意义，在此基础上撰写试验汇报。在此基础上撰写试验汇报。第43页材料力学性能材料力学性能The Mechanical Property of Materials试验教学课程试验教学课程试验五试验五:系列冲击试验系列冲击试验 (Series Impact Tests)第44页1.1.试验目标试验目标 1)1)了解摆锤式冲击试验机结构原理、了解摆锤式冲击试验机结构原理、操作方法及冲击试样尺寸形状；操作方法及冲击试样尺寸形状；2)2)经过试验，了解和掌握金属材料经过试验，了解和掌握金属材料冲击试验方法。在不一样温度下进行系冲击试验方法。在不一样温度下进行系列冲击试验以确定金属材料脆性转化温列冲击试验以确定金属材料脆性转化温度。度。第45页2.2.试验原理及方法试验原理及方法 冲击试验是一个动态力学试验。因冲击试验是一个动态力学试验。因为加载速率大，塑性变形得不到充分发为加载速率大，塑性变形得不到充分发展，所以能灵敏反应材料展，所以能灵敏反应材料韧脆特征韧脆特征。将一定形状及尺寸试样放置在冲击将一定形状及尺寸试样放置在冲击试验机固定支架上，然后将含有一定位试验机固定支架上，然后将含有一定位能摆锤释放，使试样在冲击负荷作用下能摆锤释放，使试样在冲击负荷作用下裂断。裂断。第46页 把冲断试样所消耗功把冲断试样所消耗功Ak，除以试样，除以试样断裂处截面积断裂处截面积FN所得商称之为冲击韧性所得商称之为冲击韧性(或冲击值或冲击值)，用，用ak表示。表示。ak=Ak/FN (J/cm2)系列冲击试验就是将所需试验材料，系列冲击试验就是将所需试验材料，加工成形状、尺寸相同冲击试样，进行加工成形状、尺寸相同冲击试样，进行不一样温度下冲击试验并测出冲击韧性不一样温度下冲击试验并测出冲击韧性ak随试验温度改变曲线。随试验温度改变曲线。第47页1摆锤摆锤 2试样试样 冲击试验原理图冲击试验原理图 第48页1摆锤摆锤 2试样试样 3机座机座 冲击试样安装图冲击试样安装图 第49页3.3.试验仪器设备及试块试验仪器设备及试块 1)摆锤式冲击试验机一台；摆锤式冲击试验机一台；2)梅式冲击试样一组；梅式冲击试样一组；3)制冷冰箱一台；制冷冰箱一台；4)加热炉三台。加热炉三台。第50页4.4.试验步骤试验步骤 1)1)熟悉摆锤式冲击试验机操作方法熟悉摆锤式冲击试验机操作方法及注意事项；及注意事项；2)将系列冲击试样分组编号；将系列冲击试样分组编号；3)按不一样温度加热或冷却各组试按不一样温度加热或冷却各组试样；样；4)对不一样温度下试样进行冲击试对不一样温度下试样进行冲击试验并测试统计试验数值。验并测试统计试验数值。第51页列表列表试样试样编号编号试验试验温度温度()试样尺寸试样尺寸冲击功冲击功Ak(J)冲击韧性冲击韧性ak(J/cm2)备注备注宽度宽度(cm)缺口厚缺口厚度度(cm)缺口处截缺口处截面积面积(cm2)1-2010.80.88102010.80.816203室温室温10.80.83037.5410010.80.87087.5520010.80.898122.5640010.80.8115143.5750010.80.8107133.5855010.80.87897.5965010.80.8130162.5第52页温度温度()温度与冲击韧性关系曲线温度与冲击韧性关系曲线第53页5.5.数据整理及分析数据整理及分析 对不一样温度下试样冲击功进行对不一样温度下试样冲击功进行整理并计算冲击值。取一组试样平均整理并计算冲击值。取一组试样平均值为试验数据作出温度与冲击韧性关值为试验数据作出温度与冲击韧性关系曲线。系曲线。6.6.讨论、撰写试验汇报讨论、撰写试验汇报 经理论分析和讨论，说明温度与经理论分析和讨论，说明温度与冲击韧性关系曲线，在此基础上撰写冲击韧性关系曲线，在此基础上撰写试验汇报。试验汇报。第54页 谢谢！Thank You!第55页