材料力学性能综合实验-测试原理

实验一 材料力学性能综合实验第一部分 材料力学性能及测试原理材料的使用性能包括物理、化学、力学等性能。对于用于工程中作为构件和零件的结构材料，人们最关心的是它的力学性能。力学性能也称为机械性能。任何材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂。这种在外载作用下材料所表现的变形与断裂的行为叫力学行为，它是由材料内部的物质结构决定的，是材料固有的属性。同时, 环境如温度、介质和加载速率对于材料的力学行为有很大的影响。因此材料的力学行为是外加载荷与环境因素共同作用的结果。材料力学性能是材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。材料的力学性能通过材料的强度、刚度、硬度、塑性、韧性等方面来反映。定量描述这些性能的是力学性能指标。力学性能指标包括屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性等。这些力学性能指标是通过一系列试验测定的。实验包括静载荷试验、循环载荷试验、冲击载荷试验以及裂纹扩展试验。其中静载荷拉伸试验是测定大部分材料常用力学性能指标的通用办法。力学指标的测定要依据统一的规定和方法进行，这就是国家标准。比如国家标准GB22887是金属材料拉伸试验标准。依据这个标准，可以测定金属的屈服强度、抗拉强度、延伸率、截面收缩率等力学性能指标。其它材料如高分子材料、陶瓷材料及复合材料力学性能也应采用各自的国家标准进行测定。拉伸试验的条件是常温、静荷、轴向加载，即拉伸实验是在室温下以均匀缓慢的速度对被测试样施加轴向载荷的试验。试验一般在材料试验机上进行。拉伸试样应依据国家标准制作。进行单拉试验时，外力必须通过试样轴线以确保材料处于单向拉应力状态。试验机的夹具、万向联轴节和按标准加工的试样以及准确地对试样的夹持保证了试样测量部分各点受力相等且为单向受拉状态。试样所受到的载荷通过载荷传感器检测出来，试样由于受外力作用产生的变形可以借助横梁位移反映出来，也可以通过在试样上安装引伸计准确的检测出来。如果没有更多的测试要求，一般试验均利用横梁位移代表试样的伸长，在试验过程中自动记录被测试件的拉伸曲线。拉伸曲线即PL曲线是观察材料的拉伸过程、描述材料的力学性能最好的办法。曲线的纵坐标为载荷P，单位是N或KN，横坐标为试样伸长L，单位是mm。PL曲线形象地体现了材料变形过程以及各阶段受力和变形的关系, 但是PL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影响。因此，PL曲线常常转化为名义应力、名义应变曲线即曲线（如图1所示），即式中A0和L0分别代表试样初始条件下的面积和标距。试样受到的载荷除以试样原始面积就得到了名义应力，也叫工程应力，用表示，单位为Mpa。同样，试样在标距之间的伸长除以试样的原始标距得到名义应变用表示，也叫工程应变。曲线与PL曲线形状相似，但消除了几何尺寸的影响，因此代表了材料属性。一 金属材料的基本力学性能及测定方法1 应力-应变曲线金属是主要的结构材料，在工程实际中应用极为广泛。作为结构用的金属材料主要包括碳钢、合金钢、铸铁和有色金属合金。根据材料变形特点，可以将金属分为塑性材料和脆性材料两类。图1的两个曲线分别为低碳钢和铸铁的应力应变曲线。可以看出，两种材料的拉伸过程差别很大。它们分别是塑性材料和脆性材料的典型代表。从图1（a）所示的应力-应变曲线可以看出，低碳钢的拉伸过程明显分为四个阶段：弹性阶段（OA）：试样的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形，其应力与应变成直线比例关系。屈服阶段（AB）：在试样继续变形的情况下，载荷却不再增加，或呈下降，甚至反复多次下降，使曲线变成锯齿状。这种现象称为屈服。从A点开始，力与变形不再满足线性关系，材料的变形包含弹性和塑性两部分。如果试样表面光滑、材料杂质含量少，可以看到表面有45方向的滑移线。be卸载线SBACDbO（b）（a） 图1 两种材料的应力-应变曲线 强化阶段（BC）：过了屈服阶段B点，力又开始增加，曲线又开始上升，表明材料要继续变形，载荷就必须要不断增加。这说明金属有一种阻止塑性变形的抗力，这种抗力被称为形变强化。如果在这个阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留下来，其卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，加载线仍与弹性阶段平行，并且重新加载后不再出现屈服现象，而材料的弹性阶段加长、屈服应力明显提高，这种现象称作应变硬化或加工硬化。随着载荷的继续加大，拉伸曲线的上升将渐趋平缓，C点是曲线的最高点。在此阶段试样变形是整个工作长度内的均匀变形，即在试样各处截面均匀缩小。 图2 金属典型材料拉伸破坏断口颈缩阶段（CD）：从C点开始，试样的变形集中于某局部截面，即塑性变形开始在局部进行，出现所谓的“颈缩”现象，试样的承载能力迅速下降。最后在D点断裂，形成杯状断口（图2bcdef）。断口的周边为45剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，是典型的韧状断口。铸铁是典型的脆性材料，如图1（b）所示，铸铁的拉伸过程比较简单，可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口(图2-a)沿横截面方向，与加载方向垂直。断面平齐为闪光的结晶状组织，是一种典型的脆状断口。大部分金属是塑性材料，在外力作用下都经历弹性变形、弹塑性变形和断裂三个过程。多数材料在弹性阶段以后没有明显的物理屈服现象，从弹性变形到弹塑性变形是逐渐变化的过程。其拉伸曲线的形状(如图3所示)介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段。 图3 几种金属材料的拉伸曲线2力学性能指标通过拉伸试验可以确定的金属力学性能指标有刚度指标、强度指标和塑性指标。刚度即代表材料对弹性变形的抗力，一般用弹性模量来表示。强度指标是反映材料抵抗塑性变形和断裂的抗力，分别用屈服强度和抗拉强度表示。塑性指标是反映材料塑性变形的能力，用截面收缩率和断后伸长率表示。1）刚度指标-弹性模量单向拉伸时大多数材料在弹性范围内服从虎克定律，应力和应变成正比关系，即E比例系数E称作弹性模量，其常用单位为Gpa或MPa。在-曲线上，E是弹性阶段直线的斜率，代表材料抵抗弹性变形的能力。E越大，产生一定弹性变形所需的应力越大，弹性变形越困难。当机件形状与尺寸一定时，它们的刚度即决定于材料的弹性模量。弹性模量是度量材料刚度的系数，可以表征材料抵抗弹性变形的能力，是反映材料刚度的一个性能指标。材料的弹性模量E是弹性元件选材的重要依据，是力学计算的一个重要参量。通过拉伸试验测定材料的弹性模量E就是测定线弹性阶段应力-应变曲线的斜率。由于在弹性阶段试样的变形非常小，需采用精度较高的方法测定。常用的方法是在试样上粘贴电阻应变片或在标距范围内按装引伸计测量试样的轴向应变。弹性模量是材料的一个弹性常数。在拉伸试验时还可以测定另一个弹性常数泊松比。在受到轴向载荷作用时，试样在产生轴向伸长的同时，必然引起横向收缩。横向应变与轴向应变之比即为泊松比，用m表示式中e横为横向应变， e轴为轴向应变。2）屈服强度屈服现象是金属材料开始塑性变形的标志，而各种机件在服役过程中都是处在弹性变形状态，不允许产生微量塑性变形。因此出现屈服现象标志着产生过量塑性变形失效。屈服强度也叫屈服极限，代表塑性材料抵抗微量塑性变形的抗力，是衡量材料屈服失效的力学性能指标，是金属塑性材料最重要的强度指标。其测定方法分为两种情况。一种是有明显物理屈服现象的材料如退火低碳钢，是以屈服平台的下屈服点作为材料的屈服强度，用S表示。这种测定屈服强度的方法比较简单，测量手段要求不高。如果试验用的材料试验机可以记录载荷和活动横梁移动位移的关系曲线，那么直接在曲线图上确定屈服强度（如图1（a）所示）。如果不具备记录曲线的条件，则在加载过程中出现屈服现象时读测力盘上指针显示的载荷读数。另一种是没有屈服平台的材料如黄铜和铝合金，由于没有明显的屈服阶段，这类材料的屈服强度只能用规定塑性变形量的方法来测定。工程设计中常以产生0.2% 塑性应变时的应力定义为材料的屈服强度，一般称作条件屈服强度，用0.2来表示。0.2通常用图解法测定，具体方法如图4所示，在应力-应变曲线的图纸上过X轴即应变轴的0.2%的位置作弹性阶段直线的平行线，平行线与曲线的交点即为0.2。0.2Eo0.6%0.4%0.2% 图4 0.2的测定方法3）抗拉强度拉伸曲线的最高点代表材料的最大承载能力被称为材料的抗拉强度，也叫强度极限，用b表示。对于形成颈缩的塑性材料, 抗拉强度代表产生最大均匀塑性变形的抗力，对于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料,其抗拉强度代表断裂的抗力。抗拉强度很容易测定,并且重现性好,是作为评定材质和评价产品质量的常规力学性能指标之一。4）塑性指标材料发生塑性变形的能力叫塑性。塑性的大小用塑性指标表示，它包括断后伸长率和断面收缩率。这两个塑性指标分别从两个侧面即从试件长度的变化和从试样截面的变化反映材料的塑性变形程度。断后伸长率用表示，断面收缩率用表示，定义分别用下列公式表示式中L0、A0分别代表试样的原始标距长度和原始横截面积，L1、A1为试样拉断后的标距长度和断口面积。如果断口位置在标距线之外，则试验无效。如断口在标距内，但靠近标距线则需用断口补偿法计算断后伸长率(方法略)。对于国家标准规定的两种比例试样，断后伸长率采用不同的下标表示。短试样用5表示，长试样用10表示。工程上通常认为，材料的断后伸长率5% 属于韧断，而5% 属于脆断。3.拉伸试样要求金属材料的拉伸试样应按国家标准GB639786的规定制备。通常试样有圆截面和矩形截面两种。图5为圆截面试样的示意图。一般的拉伸试样由三部分组成，即工作部分、过渡部分和夹持部分。工作部分必须保持光滑均匀以确保单向应力状态。LC称为试样的平行长度，L0称作试样的原始标距。圆试样的LC应不小于L0d0；板试样的LC不小于L0+b0/2。拉伸试样分为比例试样和定标距试样。比例试样的标距与试样原始截面积的关系规定为 或式中系数取为5.65时称为短试样,取为11.3时称为长试样。如果是圆试样，那么当试样标距与试样直径的比为5，即L0 5d0时称为短试样，L0 10d0时称为长试样。国家标准推荐使用短比例试样。试样的过渡部分必须有适当的抬肩和圆角，以降低应力集中，保证该处不会断裂。试样两端的夹持部分用以传递载荷，其形状和尺寸与所用试验机的夹具结构有关，如试样采用图4的形式，则试样夹持部分的长度不应小于夹具长度的三分之二。RLCL0d0 图 5 金属拉伸试样示意图 二非金属材料的力学性能及测定方法 除了金属材料以外，各种非金属材料比如高分子材料、陶瓷材料和复合材料大量用于工程实际中。每种材料都有特出的性能，在力学性能以及测试方法上与金属材料存在很大差别。1 高分子材料 高分子材料也称为聚合物，其绝缘性好、耐磨、耐腐蚀，易于加工成型。在力学性能方面，它的高弹性、粘弹性和其力学性能对时间与温度强烈的依赖关系，是这类材料与金属材料显著的差别。高分子材料可以分为工程塑料、橡胶和合成纤维三大类，其中工程塑料可作为工程结构材料使用。工程塑料是热塑性材料和热固性材料总称。按力学性能可分为两类，一类是塑性很好，延伸率可达几十几百，一部分热塑性材料属于这种情况；一类是比较脆，其拉伸过程简单，拉伸曲线与铸铁类似，热固性材料都属于这种情况。第一类材料如图6所示，其拉伸曲线可分为几个阶段。拉伸的最初阶段力与变形满足线性关系，然后进入强迫高弹变形阶段直到A点。从A点开始在试样的某一个截面发生屈服，截面迅速变小产生颈缩，承载能力下降。达到B点时，此截面的分子链沿受力方向被拉伸并定向分布，使颈缩区强度、刚度增加。此后应力保持一个恒定值，颈缩向两边发展，一直到整个试样长度，在拉伸曲线上形成水平线直到C点。试样均匀部分全部颈缩后，整体强度、刚度提高，继续变形只有增加外力，形成上升的曲线，直到D点断裂。A点定义为高分子材料的屈服强度Y。D点定义为材料的抗拉强度b。如果试样提前断裂，即由于试样的内部缺陷在B点和C点之间断裂，则断裂点应力值为断裂强度K。 DACBbY O 图6 高分子材料拉伸曲线 因为这种材料在断裂后断口无法对拢，无法准确测量材料的断后伸长率，所以在关于高分子材料的拉伸力学性能测试的国家标准（GB104092）中要求：在加载过程中，跟踪测量试样上的标距长度，直到试样断裂。用试样断裂时测量到的标距长度LK,代入求的公式，得到材料的断裂伸长率，记为K。高分子材料拉伸试件一般为矩形截面的板状试件。试件形状和尺寸的设计可参考金属材料。拉伸实验的加载速度一般为105mm/min。 2复合材料 随着科学技术的发展，特别是航空航天工业的发展，对材料提出了更高的要求。单一的材料，比如金属和高分子材料已不能满足要求。复合材料是用两种或两种以上不同性质、不同形态的材料通过复合工艺而形成的多相材料。复合材料不仅能保持原组分材料的部分特点，而且具有原组分材料所不具备的性质。比如，玻璃纤维增强复合材料将玻璃纤维的高强度、高刚度性能与高分子材料的重量轻、绝缘、抗腐蚀、易加工等性能结合起来，在航空航天、电力设施等方面发挥了独有的作用。复合材料至少包含两相，其中一相是连续的比如环氧树脂，称为基体，另一相比如玻璃纤维、碳纤维起增强作用，被基体包容，称为增强相。复合材料有很多种，内部结构非常复杂。在教学实验中我们重点研究单层连续纤维增强复合材料。具体材料是玻璃纤维增强单层复合材料板，基体材料为环氧树脂。图7是单层复合材料结构示意图。纤维纵向为1方向，面内垂直于纤维方向为2方向，3为法线方向。图8为坐标定义说明。X代表加载方向，Y代表垂直于加载方向，为纤维排列方向（1方向）与加载方向（X）的夹角。平行于纤维方向加载，0；垂直于纤维方向加载，90。很明显，这是典型的各向异性材料。1）力学性能及测定方法 玻璃纤维增强复合材料是在工程上大量使用的一种复合材料，俗称“玻璃钢”。由于玻璃钢属于脆性材料，所以它的拉伸曲线比较比较简单。拉伸试验测定的力学性能主要有抗拉强度，最大载荷伸长率或破坏伸长率以及弹性模量。抗拉强度与其它材料的定义相同。最大载荷伸长率或破坏伸长率是在拉伸应力作用下试样在最大载荷下或破坏时标距长度内所产生的伸长，用标距的百分比表示。31X2XYXX2X1 图7 单层复合材料结构示意图 图8 坐标定义与一般材料不同，复合材料的力学性能与玻璃纤维在材料中的体积比有关，并且由于是各向异性材料，各个方向的性能差异很大。当测定一个方向的弹性模量和泊松比时，测试方法同一般材料。仅用一个方向的E和不能反映这种材料的弹性特性。对于单层复合材料这类的正交各向异性材料需要至少四个弹性常数即E1、E2、21和12。测试它们需要加工 0方向和90方向两种试样分别进行拉伸实验测定其E和。弹性常数的定义如下0试件：（0） 90试件：（90） 2）试样要求复合材料的试样设计要考虑材料本身的特点，并且还要根据试验测试的要求设定试件长度方向与纤维方向的角度。试样的基本形式如图9所示加强片bt 图9 复合材料试样形式试件一般加工成长条板式试样。试件的两端用金属铝片或玻璃钢片作加强片，采用粘结剂粘结，要求试验过程中加强片不脱落。有关试样的具体尺寸要求和对复合材料力学性能试验的具体规定，请参考国家标准GB144783“玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法”。研究材料在常温静加载下的力学性能时，除采用单向静拉伸试验方法外，有时还采用压缩、弯曲和扭转等试验方法。改变加载方式即改变应力状态。在不同应力状态下材料会表现出力学性能的差别。此外，很多机件在实际服役中常承受轴向压力、弯矩或扭矩的作用，有必要测定制造这类机件的材料在这几种载荷作用下的力学性能指标，用作设计和选材的依据。此外，加载环境的改变，比如温度的变化，加载速度的变化，材料的力学行为都会有相当大的改变。有关以上方面的内容请参考相关资料。