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1、性能培训课件,目录,1、金属材料基础知识2、力学性能介绍3、性能检测的取样原则4、常规的性能试验5、力学性能试验的种类6、力学性能试验结果的测量不确定度评定,金属材料基础知识,1.1金属介绍 自然的金属有很多种如：铁、铜、铝、镁、钛、等我们主要说铁：一般状态成固态，在1538会融化成液态。自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体和非晶体两类。一般的固态金属都是晶体。金属有三种典型的晶格有三种：体心立方、面心立方、密排六方晶格。,金属的热处理,1.2金属的热处理 金属的热处理是将金属放在一定的介质中，以预定的速度加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工
2、工艺。通过热处理可以改变钢铁、铝、铜、镁、钛等金属的力学、物理和化学性能。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程。这些过程相互衔接，不可间断。,力学性能介绍,2.1力学性能在理化检测中的位置 力学性能试验是对材料的各种力学性能指标进行测定及试验研究的一门实验科学，其进行测定和试验研究的对象称为试样。力学性能是产品的内部检测的一项重要方面，它是材料抵抗外力能力大小的反映，表现的是产品微观组织在宏观的受力情况。它与金相、材料分析化学是孑然不同的检测方法，三者也是相辅相成的关系。,性能检测的取样原则,3.1力学性能的试样 试样是经机械加工或未经机械加工后具有合格尺寸且满足试验要求状态的样柸。根据
3、试验的不同试样的形状也不同，即便是同一种试验，试样的形式也是多种多样的。所以试验的试样需要根据具体的试验对象来确定。虽然力学性能试验的试样繁多但，常规的试验有通用的试样形式。,3.2力学性能试验的试样形式 力学性能试验的试样形式可分为三种类型3.2.1从原材料上直接取样 即从原材料上直接截取所需的样柸，然后机加工成标准规定的试样，如型材、板材、棒材、管材、线材等就是根据有关标准，在一定的部位截取一定尺寸的样柸，加工成所需的拉伸、弯曲、冲击、试样。,3.2.2从产品（结构或零部件）的一定部位上取样 即从产品（结构或零部件）的一定部位（一般为最薄、最危险的部位）上切取样柸，加工成一定尺寸的试样。通
4、过对这种试样进行试验，并与实验应力分析相配合，可进一步校正设计的计算正确性，同时在失效分析和安全评估中有重要的作用。,3.2.3把实物作为样品 即把结构或零部件作为样品，直接进行力学性能试验。用实物做试验对象，是一种模拟试验，结构或零部件的实际的工作状态与试验时的安装状态基本相同或相近似。如弹簧、螺栓、齿轮、轴承等。,3.3取样原则3.3.1取样的部位 由于金属材料的冷热变形加工过程中，变形量是不均匀的，材料内部的各种缺陷分布和金属的组织也不均匀。因此，在产品的不同部位取样。其试验结果也是不一样的。,3.3.2取样方向 钢板扎制或锻造时，金属沿主加工变形方向流动，晶粒被拉长并排成行，且夹杂物也
5、沿主加工变形方向排列，由此造成材料性能的各向异性。所以很多材料在取样时有，纵向或横向的要求。因此取样的具体方法应根据，3.3.3取样的数量 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，因此，一个试样的结果不足以可信，但试样的数量较多，会造成人力、材料和时间的浪费。取样的最小数量须根据试验的类型，产品和材料性能的用途，试验结果的分散性以及经济因素对具体的问题进行具体分析。通常，常规的取样数量为13个。,3.4.1取样的常规原则 国家标准GB/29571998钢及钢产品力学性能试验位置及试样制备给出了型钢、条钢、钢板和钢管的拉伸、冲击、和弯曲试验的取样位置，如果试样不只一个，可在规定位置的
6、相邻处取样。例如：钢板应在宽度的1/4处切取样坯。如试验机能力允许时，应尽可能取全厚度做拉伸试验。,拉伸、冲击、弯曲试样在厚度方向的取样规定：a.全厚度试样；b.t30mm，到30mm；c.25mm50mm，1/4t。,3.4.2焊缝的取样方法 焊缝取样时，应确定试验的类型，然后根据试验的具体目的进行取样。例如：拉伸时，在试验机能力允许的情况下，取全厚度，否则将全厚度试样分层截取进行试验，应去掉焊缝余高（也称焊高）。冲击试样时，多层焊缝的冲击试样如无特殊规定时，应尽量靠近焊缝的后焊一侧的表层切取，但封底焊除外。S、C、H为试样厚度，t16 40mm，C=1 3（压力焊、电弧焊、电渣焊）；t40
7、 60mm，C=1 3（电弧焊）、C6（电渣焊）；t60 100mm，C=1 3（电弧焊）、C6（电渣焊）；以上C为焊材表面至试样表面的距离 H=18 40、H40 60，C=1 3（电渣焊）C为焊缝表面至试样表面的距离,3.4.3螺栓的取样原则 螺栓取样时，在螺栓的头部截取冲击试样，在螺纹不截取金相、硬度、化学。拉伸试样可在螺栓的杆部做整根拉伸或截取10的试样。,螺栓取样图,4、常规的性能试验,4.1拉伸试验4.1.1拉伸试验的设备 拉伸试验用拉伸试验机完成。拉伸试验机从动力源分为两类：液压式（电液伺服万能试验机）和机械式（电子万能试验机）4.1.1.1电液伺服万能试验机 电液伺服万能试验机
8、主要是以油泵作为动力源，通过油泵的工作带动机油的流动推动油缸的运动，完成试验机的运行。主要的吨位有:30吨、60吨、100吨、200吨等。液压类万能试验机优点是机构简单、加载力量大，平稳、可靠性高、不易损坏、维修简单。缺点是大吨位的试验机比较笨重不易搬运,电液伺服万能试验机,4.1.1.2电子万能试验机 电子类万能试验机主要是通过电机将动力传动到丝杠，使丝杠旋转完成试验机的运行。电子试验机的优点是体积小，精度高，自动化程度较高。缺点是：传动的精度主要靠丝杠来保证，所以稳定性没有液压式的好，电子元器件易于损坏，维修成本高。电子试验机主要为中、小吨位，较大吨位的试验机还无法突破很多技术问题。,电子
9、万能试验机,4.1.2试验的试样4.1.2.1圆截面试样 圆截面试样的形状尺寸及试样编号见下表,4.1.2.2矩形横截面试样 厚度大于0.1的板带材料一般采用矩形截面试样,4.1.2.3非比例试样 非比例试样的原始标距L0与原始横截面积S0无固定关系，试样尺寸见下表B3。如试验的相关标准没有明确的规定，试验机能力不足时，经协商可以将厚度大于25mm的产品加工成圆形截面试样或剪薄成矩形比例试样。,4.1.3.1拉伸试验的操作步骤如下1、收到试样后，观察试样宏观上有没有较大的缺陷，并做好缺陷记录。2、将制备好的试样进行测量。试样测量时应注意：拉伸试样应测量试样的最小尺寸即最小横截面积。3、打开试验
10、机，调好夹头油压，先进行试验机空运行。4、装夹试样时，试样的纵向中心线与试验机钳口的中心线重合，先夹紧上钳口，试验机力值清零，再夹紧下钳口。运行试验，试验机速度一般设定为2 10mmmin（根据不同的材料选取不同的速度）。计算方法见表4,5、试验机运行结束后，取下试样，记录试验的原始 数据。,冲击试验,4.2冲击试验4.2.1 冲击试验的原理 夏比摆锤冲击试验是将规定几何形状的的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打断试样，测定试样的吸收能量。实质上是通过能量的装换过程，测量试样在这种打击下折断时所吸收的能量。我们的试验即采用的,4.2.2 冲击试验机 冲击试验机按其服
11、役工况分两种简支梁下的冲击弯曲试验、悬臂梁下的冲击弯曲试验和冲击拉伸试验等。国内主要为简支梁冲击试验，冲击试验机的主要用途：1、评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性；2、检查和控制材料的冶金质量和热加工质量；3、评价材料在高低温条件下的韧脆转变特性；4、评估构件的寿命和可靠性。在进行试验前，根据试验的材料牌号和热处理工艺，估计试样吸收能力的大小，选择合适的冲击试验机能力范围，使试样吸收的能量K不超过实际初始势能的80%，试样吸收能量K的下限建议不低于试验机最小分辨率的25倍。新的夏比摆锤试验方法规定了，两种摆锤的刀刃的直径2mm和8mm，根据相关的产品标准的规定选择摆锤刀刃半径。试验
12、前应检查并保证支座的跨距为400.2mm,4.2.3 冲击试验 冲击试验主要包括低温、室温和高温三种。4.2.3.1室温冲击试验 室温冲击试验是将试样在室温（235）状态下直接进行试验而获得的结果，试验温度要求不严格的时候，可以在10 32 进行。（试验结果没有太大的区别）,4.2.3.2低温冲击试验 低温冲击试验是将试样放置于冷却介质中保温一定的时间，并进行冲击试验。冷却介质有气体冷却和液体冷却。气体为空气冷却。液体冷却有酒精加干冰、酒精加液氮、超低温则用液氮。气体冷却的设备为低温冰箱。液体冷却的设备为低温箱。在进行低温试验时，应进行试验温度的补偿，来补尝试样从低温装置到打断的温度损失。温度
13、补偿见表A1同时，试样拿出低温装置应在3 5S打断，否则将试样放回到冷却介质中保温。,4.2.3.3高温冲击试验 高温冲击试验与低温冲击试验刚好相反，同样也有温度补偿，见表A2.高温冲击试验时不应将试样在升温时就放入加热装置中，而应等温度升至接近设定的温度时放入试样。其主要是为了防止试样氧化，特别是缺口根部，试样的放置时间也不易过长。,韧脆转变温度,弯曲试验,4.3弯曲试验4.3.1弯曲试验的原理。弯曲试验的原理：按照规定的弯心尺寸，将试样弯到一定的角度后卸力，观察受拉侧是否有裂纹存在，考察的是材料承受变形的能力。4.3.2弯曲的分类弯曲试验通常在万能试验机、压力机、或自动弯曲试验机上进行，弯
14、曲装置可以配备以下几种：,4.3.2.1支辊式弯曲装置 支辊式弯曲装置是实验室普遍使用的一种弯曲装置，其弯心位于两支辊的中心，弯心中心线垂直于两支辊轴线所在的平面，弯心和支辊的长度应大于试样宽度或直径，弯曲的压头和支辊应有足够的硬度。两支辊间的距离按照下面的公式确定并在试验期间保持不变。L=（d+3a）0.5a L：两支辊的间距；d：压头直径；a：试样的厚度；,4.3.2.2其他的弯曲试验装置 V型模具式弯曲装置:V型槽角度应为180-（为弯曲角）弯曲压头顶部圆角半径为规定弯心直径的一半。模具的支撑棱边应倒圆，倒圆半径为试样厚度的1-10倍，模具和弯曲压头的宽度应大于试样的宽度或直径，弯曲压头
15、应有足够的硬度。在使用V型模具式弯曲装置进行试验时，容易对试样外侧造成擦伤，导致影响试验结果的评定，因此国内很少采用。虎钳式弯曲装置、翻板式弯曲装置在这里就不做详细的介绍。,4.4紧固件的力学性能试验4.4.1紧固件的简介 紧固件不仅在工程中应用比较广泛，同时在日常生活中不可缺少的必需品。如：钟表、眼睛使用的微型螺栓，空调和洗衣机等家电的小型螺栓，高层建筑和大桥、电厂使用的大型螺栓、螺母，汽车上使用的异型紧固件。由于螺纹有加工简单、结构紧凑、装拆方便、连接可靠等优点，成为应用最广泛的连接方式。,4.4.2紧固件的楔负载试验 螺栓实物的楔负载试验是头杆结合强度和拉伸强度综合试验项目。楔负载试验不
16、试用于沉头螺栓。试验见下图,试验时螺栓螺纹的有效旋合部分应为其直径的1.5倍，当拉力达到规定的最小拉力载荷时，螺栓不得断裂。当拉力大于最小拉力载荷直至断裂，断裂应发生在杆部或为旋合的螺纹长度内，而不应发生在头部和杆部的连接处。全螺纹的螺栓，如断裂在未旋合的部分开始，即使在拉断前以延伸或扩张到头下的圆角或头部，仍视为符合要求。,4.4.3螺母的保载试验螺母的保载如图所示,螺母的保载试验是将螺母装在如图所示的淬硬螺纹芯棒上，仲裁时以拉伸试验为准。沿螺母轴线施加保证载荷，并保持15S。螺母应能承受规定的载荷而不得脱扣或断裂。卸载后应你用手将螺母旋出，或借助扳手松开螺母，但不得超过半扣，在试验中螺纹芯
17、棒损坏，则试验作废。本试验室采用压缩方法，因为材料的压缩强度是拉伸的3倍，这样利于工装的使用寿命。,金属的硬度试验,4.5金属的硬度试验4.5.1金属的硬度试验 金属的硬度是金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形，压痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种指标。由于硬度能灵敏的反应金属材料在化学成分、金相组织、热处理工艺及冷加工变形等方面的差异，因此在硬度试验在生产、科研及工程上都得到广泛的应用。硬度值实际是一个物理量，而不是材料的弹性、塑性、韧性等的 一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。“硬度”不是金属材料独立的力学性能，其硬度值不是一个单纯的物理量，是人为规定的在某一特定条件下的一种
18、性能指标。硬度的检测方法有很多，这些方法在原理上有区别，而且同一种方法也存在着试验力、压头和标尺的不同。因此在检测时应选择合适的硬度试验方法。,4.5.2布氏硬度试验 布氏硬度试验是用一定直径的硬质合金钢球施加规定的试验力，经保持一定的时间，测量压痕的面积。用HBW表示。从施加力到加力完成应在2 8S之间，保载时间为1015s。试验力的选择应保证压痕直径在0.24D0.6D之间，两压痕间距为2D。布氏硬度试验主要是针对较软的材料，如退火、或正火状态的钢铁件、铸件、有色金属及合金，对铝、铅、锡、更为适宜。它反映的是金属在较大范围内的平均性能。由于压痕较大，所测数据稳定，重复性强。,4.5.3洛氏
19、硬度试验 洛氏硬度试验方法是测量压痕深度的方法来表示材料硬度。洛氏硬度试验压头采用120度的金刚石圆锥或一定直径的（钢球或硬质合金）压头。一般的洛氏硬度机有三个标尺，三种表示分别：HRA、HRB、HRC。适用范围为2088HRA（测定硬质材料的洛氏硬度）；20100HRB（测定低合金钢、软合金、铜合金、铝合金及可锻铸铁等中、低硬质材料）；2070HRC（测定一般的钢材，硬度较高的铸件、珠光体可锻铸铁及淬火加回火的合金钢等硬度）。两压痕中心间距至少为压痕直径的4倍，但不得小于2mm。任一压痕中心距试样边缘至少为2.5D。可以看出洛氏硬度试验方法主要测量的是较硬的材料（和布氏硬度试验相比）。,4.
20、5.3维氏硬度试验 维氏硬度试验原理与布什硬度相同。维氏硬度试验采用的压头是两相对面夹角为136度的金刚石正四棱锥体。试验时试验力将压头压入试样并保持1015S,测量压痕两对角线的长度。维氏硬度和布氏硬度在450HB以下时，HV与HB基本相同。优点是：它可以测量从低到高的硬度值，试验力较小时对工件表面的损伤用肉眼几乎无法看见。它兼顾了布什和洛氏硬度的优点也继承了两者的缺点，硬度测量较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高，不宜用于成批生产的常规检验。,力学性能试验的种类,5.1力学性能试验的种类 金属的常规试验有：金属的拉伸试验、金属的冲击试验、金属的弯曲、金属硬度试验、等，这些试验已在上一章介绍，不再
21、做详细的说明。除常规的试验外，还有其他静载下的金属力学性能试验、金属的工艺性能试验、金属的疲劳试验、金属的断裂韧度试验、金属的高温力学性能试验、紧固件力学性能试验这些试验很少做或者各厂根据自己的产品而进行这些试验。,5.2金属的疲劳试验 金属的疲劳是工件或试样在交变载荷的作用下，造成断裂的萌生、扩张最后断裂的过程。金属疲劳试验对机械零部件具有重要的意义。疲劳断裂是机械零部件失效的主要形式，各种机械失效中50%90%是由疲劳引起的。疲劳试验根据试验应力的大小，破坏时应力的循环周次的高低，可分为高周疲劳试验和低周疲劳试验。一般来说，失效循环次数大于5104的称为高周疲劳试验，失效循环次数小于510
22、4的称为低周疲劳试验，也称为疲劳试验。,5.2.1高周疲劳试验 在循环载荷作用下，金属承受的的循环应力和断裂循环周次之间的关系，通过疲劳曲线来描述。如图：,多年来的人们通过对疲劳试验的研究发现，金属承受的最大循环应力愈大，则断裂时应力循环周次愈少；反之Max愈小，则愈大。当应力低于一定规定值时，试样可以经受无限次循环而不破坏，此应力值为材料的疲劳极限，用R表示。R为应力循环对称系数。对于对称循环，R=-1，故疲劳极限用-1表示。,5.2.2低周疲劳试验金属在循环应力作用下，由于塑性应变的循环作用所因起的疲劳失效称为低周疲劳。在低周疲劳中，材料承受的循环应力接近甚至超过其屈服强度。低周疲劳是研究
23、零部件在循环载荷作用下，其关键部位的如拐角、孔边、沟槽、过渡截面等应力或应变集中区域材料的循环应力-应变行为。从而定量的描述试样或零部件疲劳寿命的一种方法。,5.3金属的工艺性能试验 金属的工艺性能试验的种类很多，主要有以下几种:弯曲试验、杯突试验、金属线材的扭转试验、金属的顶锻试验、金属的反复弯曲试验、金属的线材缠绕试验、金属管材工艺性能试验,5.4他静载下的金属力学性能试验 他静载下的金属力学性能试验有：金属的压缩试验、金属的弯曲试验、金属的扭转试验、金属的剪切试验。5.4.1金属的压缩试验 金属的压缩试验与金属的拉伸试验受力正好相反，压缩应力也是，载荷除以试样的原始横截面。金属的压缩强度
24、为拉伸强度的2-5倍。,5.4.2金属的剪切试验 金属的剪切试验是一种模拟试验。试验结果尽可能的接近实际的工况，剪切试验常用各种剪切装置和相应的试验方法来模拟实际的工件的工况条件，对试样施加剪力直至断裂，以测定其抗剪切强度。常见的剪切方法有单剪试验、双剪试验、冲孔剪切试验等。,力学性能试验结果的测量不确定度评定,6.1力学性能试验结果的测量不确定度评定 我们在进行拉伸、弯曲、冲击等试验时都会得出结果，可这个结果由于人员、方法、环境、仪器等条件结果始终存在着不确定性，并长期用误差来描述，它被定义为测量值与被测量的真值之差。不确定度表示的是偏离真值的大小。测量不确定度分为：标准不确定度、A类标准不确定度和B类标准不确定度。其中A类标准不确定度.,
