材料力学测试原理及实验

材料力学测试原理及实验 南京航空航天大学力学中心二○○四年七月

第四章金属材料力学性能测试 • § 4.1 概述 • § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 • § 4.3 金属材料压缩时的力学性能 • § 4.4 金属材料扭转时的力学性能

§ 4.1 概述 金属材料在外力作用下所表现出的诸如强度、塑性、弹性等等力学特性称为材料的力学性能，而衡量金属材料力学性能的指标统称为力学（机械）性能指标，这些指标是通过实验来确定的。本章就依据国家标准来讨论这些指标的意义及测定方法。

§ 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 拉伸实验室是测定材料力学性能的最常用的一种方法。一、拉伸试样按国标GB6397—86《金属材料试验试样》规定，拉伸试样分为比例试样和定标距试样两种。

其中为试样标距， 为试样横截面面积，比例系数，一般取5.65或11.3，前者称短试样，后者称长试样。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 1、比例计算（1）比例计算的标距和横截面面积之间存在如下比例关系，即

（2）对于圆截面试样，短长比例试样的标距分别取 和。工作部分长度，一般不小于。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能（3）圆截面试样的形状如图所示，它分为三个部分。

定标距试样的原始标距与横截面间无比例关系，一般 取，。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 2、定标距试样

由于而均为常量，故两图 形形状相同。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能二、拉伸图及应力—应变图下图为低碳钢的拉伸图和应力—应变图。

§ 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 三、力学性能测试（一）物理屈服性能指标 1、具有物理屈服现象的金属材料，其拉伸曲线的类型有如下一些情况：

1）屈服点： 2）上屈服点： 3）下屈服点： § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 2、各项物理屈服性能指标定义如下：无特殊要求的情况下，一般只测量屈服点或下屈服点。

1、规定非比例伸长应力 的两种测试方法： § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能（二）规定微量塑性伸长应力指标定义：试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始百分比时的应力，这种应力是在试样受力的条件下测定的，它反映材料在拉力作用下抵抗微量塑性变形的抗力。（1）图解法（2）逐级施力法

2、规定残余伸长应力 的测试方法 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能定义：试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。这种应力是在卸力后测定的。

3、关于和的几点说明 1）一般可将（或）作为条件比例极限，将（或）作为屈服强度。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能

2）对于同一试样而言，在规定伸长率相同的条件下， 和一般并不相同。前者是在试验力作用下测定的，其非比例伸长包括滞弹性伸长和塑性伸长两部分，而后者是在卸力之后测定的，滞弹性伸长已随试验力卸除而消失，甚至随着时间的延长，其塑性伸长由于加力时的不均匀塑性变形所产生的残余应力的反作用，也消失一部分，在拉伸曲线上为卸力线不平行于加力线的线弹性段，而是朝向原点方向微弯。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能

3）若材料的、 差别不大，或对测试法无要求时，此时也就不必区分和而统一成。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能

4、规定总伸长应力 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 1）定义：试样标距部分的总伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。规定总伸长与规定非比例伸长之间相差弹性比例伸长。 2）测试方法：（1）图解法（2）引伸计法

3）关于的几点说明 （2）一般中、低强度钢可用等效。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能（1）规定总伸长与规定非比例伸长之间相差弹性比例伸长。

1、断后伸长率 式中：：试样断后标距长度（mm）：试样原始标距长度。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能（三）材料的塑性指标及其测定 1）定义：试样拉断后，其标距部分的伸长与原始标距的百分比。

2）的测定方法 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 1、直测法。 2、移位法。

3）试样尺寸对的影响说明 对于塑性材料，断裂前变形集中在缩颈处，距离断口位置越远，变形越小。因此，断口在标距间的位置对延伸率是有影响的。也就是说试样断裂后的塑性变形可分为两部分： 1、颈缩出现前的均匀伸长。其中与原始的标距长度有关；与原始横截面面积有关。 2、颈缩出现后的局部伸长。 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能

因此为了同材料得到相同的断后伸长率必须使 常数，因此有圆试样的长试样圆试样的短试样矩形试样的长试样矩形试样的短试样 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能有关系式：

2、断后收缩率 1) 的定义：试样拉断后，颈缩处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比。式中：为试样原始横截面面积；为试样断裂后，颈缩处最细部分的横截面面积。 2）的测定 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能

1、弹性模量（又称杨氏模量） 1）的定义：指材料拉伸时，应力应变在线形比例范围内，应力与应变之比。即 2）的测定方法 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能（四）材料的弹性指标及其测定 1、作图法 2、拟合法

§ 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 2、弦线模量与切线模量对于拉伸过程中无明显线弹性变形阶段的材料，无法用弹性直线段的斜率来确定，这时一般可采用弦线模量或切线模量，即用材料弹性变形曲线的割线或切线的斜率来表达其弹性模量（参见GB8653—88）

3、泊松比 式中：为横向应变；为轴向应变。 2）的测定 § 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 1）定义：材料在轴向拉伸过程中，在线弹性变形范围内横向应变与轴向应变之比∶ 1、作图法 2、拟合法

§ 4.2 金属材料拉伸时的力学性能 （五）拉伸时的断口分析低碳钢铸铁

§ 4.3 金属材料压缩时的力学性能 一、压缩与拉伸的比较材料压缩与拉伸的主要差别在于载荷—变形曲线，塑性及断裂形式等。图为金属材料的压缩曲线。

曲线1为脆性材料压缩曲线，断裂点的应力即为抗压强度极限 。脆性材料压缩断裂形状如图。 § 4.3 金属材料压缩时的力学性能曲线2为塑性材料的压缩曲线，可见随着载荷的加大，压缩变形加大，但不断裂，因此得不到其抗压强度。压缩破坏形式为

用于测 用于测用于测 § 4.3 金属材料压缩时的力学性能二、压缩试样压缩试样常采用圆柱形或正方形，图为圆柱形试样。

§ 4.3 金属材料压缩时的力学性能 三、压缩力学性能测试（一）规定非比例压缩应力１、定义：规定非比例压缩应力为压缩时，非比例压缩变形达到规定的原始标距百分比时的应力：

§ 4.3 金属材料压缩时的力学性能 ２、测定方法：１）作图法２）逐次逼近法：若力—变形曲线无明显的弹性直线段，则采用逐次逼近法。（参见国标ＧＢ７３１４—８７）

１、定义：试样压缩时，其标距的总压缩变形（弹性和塑性变形之和）达到规定的原始标距百分比时的应力，即为规定总压缩应力 。 § 4.3 金属材料压缩时的力学性能（二）规定总压缩应力的测定

在绘制的力—变形图上，自原点起，在变形轴上取 段，过点作与力轴平行的线交曲线于点，其对应的力即为所测定的规定总压缩应力。 § 4.3 金属材料压缩时的力学性能２、测定方法: 作图法

（三）压缩屈服点的测定 １、定义：试样压缩时，当达到力不再增加而仍然继续变形所对应的应力即为压缩屈服点。作图法：在力—变形图上判读，则 § 4.3 金属材料压缩时的力学性能２、测试方法

（四）抗压强度的测定 １、定义：试样压缩至破坏过程中的最大应力即抗压强度。２、的测定将试样压至破坏，从力—变形图上确定最大实际压缩力，或从测力盘上读取最大值，按公式计算： § 4.3 金属材料压缩时的力学性能

（五）压缩弹性模量的测定 １、定义：压缩时，应力—应变呈线性挂稀释的应力与应变的比值即为。 § 4.3 金属材料压缩时的力学性能

在力—变形曲线图上，取弹性直线段上的两点 ；按公式计算： § 4.3 金属材料压缩时的力学性能２、测定方法：（１）作图法（２）若无弹性直线段，在没有其他规定的条件下，采用逐级逼近法（参见国标GB7314—87）

试样主要采用圆形截面，推荐直径为 ，标距分别为、，平行长度相应为、，若为其他尺寸的直径则。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能一、扭转试件

§ 4.4 金属材料扭转时的力学性能 二、试验过程分析试样在开始变形直至破坏，有以下特点： 1、试样的长度和横截面直径保持不变； 2、塑性变形沿试样的径向由小至大连续分布； 3、试样外表面变形均匀且相等。

1、定义：试样扭转时，其标距部分外表面上的非比例剪应变达到规定数值 时，按弹性扭转公式计算的剪应力即为规定非比例扭转应力。例如：一般用分别作为“条件扭转比例极限”和“扭转屈服强度”。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能三、扭转力学性能测试（一）规定非比例扭转应力的测定２、测试方法：（１）图解法（２）逐级加载法

（１）屈服点：在扭转曲线上出现屈服平台时对应的应力扭矩 ，按弹性扭转应力公式计算的切应力。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能（二）扭转屈服性能指标１、定义：

（2）上屈服点：扭转曲线上首次发生下降的最大扭矩 ，按弹性扭转应力公式计算剪应力。（3）下屈服点：扭转曲线上的屈服阶段中最小扭矩，按弹性扭转应力公式计算的剪应力。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能

§ 4.4 金属材料扭转时的力学性能 2、测试方法（1）图解法（2）指针法

1、定义：试样扭断前承受的最大扭矩 ，按弹性扭转公式计算的试样表面最大切应力。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能（三）扭转强度的测定 2、测定方法（按定义做即可）

（四）最大非比例剪应变 1、定义：试样扭断时，其外表面上的最大非比例剪应变，即为最大非比例剪应变以表示。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能

公式中：为试样直径。 为试样标距范围的最大扭转角。为试样 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能 2、测定方法（1）图解法按公式：

1、定义：扭转时，剪应力与剪应变成线性比例关系范围内，剪应力 与剪应变之比称为剪切弹性模量，以表示。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能（五）剪切弹性模量的测定

其中：为抗扭惯性矩 为扭转计标距。 § 4.4 金属材料扭转时的力学性能 2、测试方法（1）作图法按公式（2）逐级加载法。

§ 4.4 金属材料扭转时的力学性能 （六）扭转性能数据的修改

材料力学 测试原理及实验