力学性能试验

力学性能试验 朱永惺 南京汽轮电机厂

第二章 力学性能试验取样基本知识（P18）

第一节 试样类型及取样原则（P18）

一、取样依据：GB/T 2975-1998《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试验制备》

二、取样原则：

1、取样对力学性能试验结果的影响；

三要素：

取样部位：

1）加工过程中变形量各处不均匀

2）材料内部各种缺陷分布和金属组织不均匀 取样方向：

材料在加工过程中金属是沿晶粒主加工变形方向流动，晶粒被拉长并排成行，夹杂也沿主加工变形方向排列，因此材料性能各向异性。

例如：纵向试样（试样纵向轴线与主加工方向平行）和横向试样（试样纵向轴线与主加工方向垂直）有较大差异：薄板材纵向试样抗拉强度，下屈服强度都高于横向试样，断面收缩率更是远远大于横向试样。

取样数量：

1）某些力学性能指标对试验条件和材料本身的特性十分敏感，单个试样结果不足以为信，应采用最小的取样数量；

2）试验结果的分散性及经济因素

2、样品的代表性；

一般性规定：GB/T 2975-1998

专门的规定：

产品材料标准和协议：①材料的平均性能；②取样方向；

一般取其最危险、最薄弱的部位，因为最薄弱、最危险处的力学性能决定了产品的性能；此外受力状态与零部件的受力状态相一致；

三、力学性能试验的试样取样类型：

1、从原材料上直接取样：

2、从产品（结构或零部件）的一定部位上取样；

3、把实物作为样品。

四、样坯切取方法：无论用什麽方法都应遵循以下原则：

（1）应在外观及尺寸合格的材料上取样，试料应有足够的尺寸，以保证机加工出足够的试样进行规定的试验及复验；

（2）取样时，应对样坯和试样做出不影响其性能的标记，以保证

始终能识别取样的位置和方向；

（3）取样的方向应按材料标准规定或双方协议执行；

（4）切取样坯时，应防止因过热、过冷、加工硬化而影响其力学性能及工艺性能。

如果过热了怎么办？比如，采用火焰切割法取样时，由于材料是在火焰喷嘴下熔化而使样坯从整体上分离出来，在熔化区域附近，材料承受了一个从熔化到相变点（723℃）以下温度变化区域，这一局部的高温将会引起材料性能的很大变化，所以切割样坯（样坯切割线至试样边缘）必须留有足够的切割余量。这一余量的规定为：一般应不小于钢材的厚度或直径，但最小不得少于20mm，对厚度或直径大于60mm的钢材，切割余量可根据供需双方协议适当减少。

如果过冷了怎么办？比如，采用冷剪法切取样坯时，冷剪边缘会产生塑性变形，厚度或直径越大，塑性变形的范围也越大，所以切割样坯也应留有足够的剪割余量：

表2-1 冷剪样坯所留加工余量

厚度或直径/mm 加工余量/mm

≤4 4

＞4~10 厚度或直径

＞10~20 10

＞20~35 15

＞35 20

五、试料状态，按材料标准规定，取样分为： 1、交货状态取样：从产品成型和热处理完成之后取样，但虽然在热处理之前取样，但试料应在与交货产品相同的条件下进行热处理。此时如需要矫直试料，应在冷状态下进行。

2、标准状态取样：按产品标准或订货单规定的生产阶段取样。如必须对试料矫直，可在热处理之前进行热加工或冷加工，热加工的温度应低于最终热处理温度。

第二节 金属材料试样轴线

一、问题的提起：

1、各向异性

2、材料的在加工过程中的晶粒流向

3、标准 GB/T20832-2007《金属材料 试样轴线相对于产品结构的标识》 X——主要变形方向；

Y——最小变形方向；

Z——为X—Y平面的垂直方向。

二、无缺口试样的标识

三、缺口（或预裂纹）试样的标识

注意：铸件没有晶粒流动方向，应在零件图上明确标出试样的位置和取向，在试验结果中不做试样的取向标识。

第三节 钢材的取样位置

要求：

1、所取试样不止一个或复验时，可在规定位置相邻处取样；

2、如机加工和试验机能力允许，应制备全截面或全厚度试样；

3、如机加工和试验机能力有限，应至少保留一个原始表面。 一、型钢（见NB199）

二、条钢

三、钢板

四、钢管

第四节 焊接接头的取样

力学性能用试样样坯一般都是从专门焊接的试板或管接头中切取，也可从结构件上切取。一般有三种形式的取样：

对冲击试样：

1、缺口在焊缝的中心线上；

2、缺口在熔合线上；

3、缺口在开在热影响区

第三章 金属材料的拉伸试验

一、概述：金属力学性能试验方法是检测和评定冶金产品质量的重要手段。

1、拉伸试验的三个基本变形阶段：弹性变形、塑性变形和断裂。

2、拉伸试验的条件：单轴（应力状态恒定）、温度恒定、静载（应变速率在0.0001~0.01 S1）

3、拉伸试验还和其他力学性能指标有关：

4、拉伸试验的依据：GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》

5、试验温度：在室温10℃— 35℃范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃±5℃。

第一节 拉伸过程中的物理现象及有关术语

一、物理意义： 1、弹性变形阶段：

1）弹性变形（oa）；

特点：伸长与载荷的变化遵从虎克定律，正比例线性关系。

2）滞弹性变形（ab）；

特点：正比例关系已破坏，是非线性阶段，即滞弹性变形，此时试样的变形仍然是弹性。

2、塑性变形阶段：

1）屈服前微塑性变形（bc）；

特点：试样开始出现连续均与的微小塑性变形，卸除力后，试样变形不完全消失，不容易与滞弹性变形区分。

2）屈服阶段（cde）；

特点：试样在受拉伸外力的作用产生了较大的塑性变形。cd急剧下降, de载荷在微小范围内波动 c点是上屈服，FeH，

e点是下屈服，FeL，

这就是金属材料从弹性变形过度到塑性变形的一个明显标志。

3）均匀塑性变形阶段（ef）；

特点：随着变形量的增加材料不断被强化，这种现象称为应变硬化。ef不断上升。

4）局部塑性变形阶段(fg)；

特点：某个截面上产生了局部塑性变形，截面积快速减小，产生缩颈；

3、断裂阶段：

1）断裂；

特点：外力继续增加就断裂；f点就是局部缩颈开始点，其所对应的力Fm为试样在拉伸过程中所能承受的最大外力。 二、术语：

（一）与标距有关的术语：

1、平行长度：

2、试样标距：

（二）与应力有关的术语

1、屈服强度；本标准不采用，用上、下屈服强度

①上屈服强度ReH=SoeHF, N/mm2（MPa）

②下屈服强度ReL=SoeLF, N/mm2（MPa）

2、规定延伸强度：

1）规定非比例延伸强度Rp：Rp0.2=SoF0.2p N/mm2（MPa）

2）规定总延伸强度Rt； 3）规定残余延伸强度Rr

3、抗拉强度Rm；Rm=S0Fm N/mm2（MPa）；

（三）与伸长或延伸有关的术语：

1、伸长率：（只与试样原始标距L0有关）

1）断后伸长率A：A=LoLoLu×100%; %

2）断裂总伸长率At：

3）最大力的下非比例伸长率Ag；

4）最大力下的总伸长率Agt；

2、延伸率：（与引伸计标距Le有关）

1）非比例延伸率；

2）残余延伸率； 3）总延伸率；

4）屈服点延伸率Ae；

（四）其他术语;

1、断面收缩率Z Z=SoSuSo×100%; %，

2、弹性模量E

3、泊松比u

4、应变硬化指数n

5、塑性应变比r

第二节 金属拉伸试样

一、拉伸试样分类：

（一）按产品形状分类 产品类型 试样类型 薄板—板材 线材—棒材—型材

0.1mm≤厚度＜3mm 薄板（带）试样

厚度≥3mm 直径或边长≥4mm 板材、棒材及型材试样

直径或边长＜4mm 小直径线材、棒材及型材试样

管 材 管材试样

（二）按Lo与So的关系分类：

1、k=SoLo

2、短比例试样 k=5.65； A 但要保证原始标距不小于15mm，否则用长比例试样

3、长比例试样 k=11.3 A311、 4、定标距试样：截面较小的薄带试样及异性截面试样，非比例试样，L50

无可比性，要可比按GB/T17600.1-1998《钢的伸长率换算 第1部分：碳素钢和低合金钢》和GB/T17600.2-1998《钢的伸长率换算

第2部分：奥氏体钢》换算

二、试样形状和尺寸

（一）圆截面试样：在Lo大于15mm的前提下，优先采用Lo=5d的短比例试样；

（二）矩形横截面试样：

1、优先采用短比例试样，

2、厚板材可通过机加工减薄，其宽厚比b/a不大于8：1

3、厚度≥25mm，加工成圆形试样

4、工程上对于厚板材料b/a一般取1~4较为合适 5、若短比例试样Lo＜15mm，则用k=11.3长比例试样

6、薄带试样可采用标距为50mm或80mm的定标距试样（非比例试样）

（三）其他类型试样

1、管材采用纵向弧形试样或

带塞头的全截面试样

①塞头顶到标距的距离要大于D/4，塞头要加工成子弹头形状或塞头两端的直径相差1mm的形状

②不配塞头时，可将两端夹持部分压扁进行试验；

2、优先采用短比例试样

3、铸件一般采用圆形截面试样，线材采用标距为100mm或200mm的定标距试样（非比例试样）。

4、对于定标距试样的标距在材料标准上有规定时应采用材料标