材料机械性能试验和试验机

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第254页（3348字）

1．材料的主要机械性能及其试验

当施加外力或发生变形时，材料与其弹性行为或非弹性行为相关的性能，即材料抵抗外力与变形所呈现的性能，称为材料机械性能或力学性能。例如，材料的强度、弹性、塑性、韧性、蠕变、疲劳、硬度等，它们是机械设计的主要依据。为确定这些性能指标而进行的试验，称为材料机械性能试验或力学性能试验。主要有拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转、断裂韧性、蠕变、松弛、持久强度、冲击及疲劳试验等。这些力学性能试验的数据是否准确可靠，依赖于以力值为主要特征的材料试验机及应力、应变测量仪是否准确一致。

拉伸强度是静载荷作用下，试样拉断前承受的最大拉应力；屈服强度是试样产生明显塑性变形并达到规定值的应力；比例极限是试样的应力与应变成比例关系或服从胡克定律的最大应力；弹性极限是试样不产生塑性变形的最大应力。压缩强度是试样压缩破坏前承受的最大压应力。弯曲强度是试样弯曲破坏前承受的最大正应力。扭转强度和剪切强度分别是试样扭断前和剪断前承受的最大剪切应力。蠕变强度是恒定温度和恒定载荷作用下，使试样的蠕变速度(即蠕变的变形速度)为零的最大应力。持久强度是一定温度(特别是在高温)和一定应力的长时作用下，试样抵抗断裂的能力。疲劳极限是承受无限多次循环应力作用，而仍不发生疲劳断裂的最大应力。冲击韧性是冲击载荷作用下，试样一次冲断时单位截面积上所消耗的冲击功。

材料适应于制造或加工的性能，称为工艺性能。例如耐反复弯曲的弯折性能、金属板材的冷冲压变形、线材耐扭转性能等。为确定材料是否适用于某种制造或加工工艺而进行的试验，称为工艺性能试验，主要有棒材的冷热顶锻试验，型材的展平弯曲、反复弯曲试验，板材的弯折、锻平、杯突试验，管材的扩口、压扁、缩口试验，线材的反复弯曲、扭转试验等。

2．试验机及其计量性能

对材料、零件及其构件进行机械性能试验(含工艺性能试验)的一种工作计量仪器和设备，称为材料试验机，简称试验机。在机械性能试验方面，按被试的材料或对象，可分为金属和非金属试验机；按试验温度，可分为常温、高温和低温试验机；按加载速度和方式，可分为静载荷和动载荷试验机；按结构原理，可分为机械式、液压式和电子式试验机；按外形特征，可分为立式和卧式试验机；按试验时间间隔，可分为短时和长时试验机；按测力方法，可分为杠杆测力、摆锤测力、弹簧测力、压力表测力、扭棒测力及传感器测力的试验机；按被测的机械性能和受力状态，可分为拉力、压力、扭转、弯曲、万能、蠕变、松弛、持久、疲劳、冲击、磨损试验机及硬度计等。在工艺性能试验方面，则有杯突、弹簧、弯折、线材扭转等试验机。试验机对合理利用材料、保证产品或工程质量，以延长寿命和确保安全等起到重要作用，因而在工矿企业得到普遍应用。

拉力试验机的力值准确度通常分为0．5、1、2三档，其示值相对误差(δ)为±0．5%、±1．0%、±2．0%，示值相对变动度(R)为0．5%、1．0%、2．0%，示值相对进回程差(h)为0．75%、1．5%、3．0%，用拉力试验机可以测量材料的弹性模量、比例极限、弹性极限、屈服强度、拉伸强度等。

压力试验机的力值准确度通常分为1、2、3三档，其δ为±1．0%、±2．0%、±3．0%，而R=｜δ｜，h=1．5R。万能试验机用于拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验，力值准确度分为0．5、1、2、3四档，其δ、R、h指标与上述类同。扭转、蠕变、持久强度等试验机的载荷示值相对误差均不超过±1．0%，示值相对变动度不超过1．0%。

3．动载荷试验机

动态力也称动载荷或能量载荷，它是一个运动物体作用在阻碍其运动的另一个物体或构件上的力。实际上，它可以用所传递的能量，或在构件上产生同样应力效果的等价的静载荷来表征。例如常见的冲击力，仅在短促的时间间隔内作用，但大到足以使构件有明显的动量变化；此时，力随时间变化的具体细节并不重要，因为只有冲量才决定动量的变化。

摆锤式冲击试验机利用摆锤扬起所产生的位能，冲断试样以测定冲击韧性a_k：

a_k=A_k／F (5．3－12)

式中 A_k——冲断试样所消耗的功或断裂前所吸收的能量；

F——试样缺口处的最小截面积。将试样开不同形式的缺口，是为了检查材料的脆性转化趋势和应力集中情况。按试样的受力状态来分，有弯曲、拉伸、扭转三种冲击试验。弯曲冲击又有简支梁式和悬臂梁式两种，前者把试样水平地放在两端支承的支座上，冲击力作用于试样中部，又称夏氏(Charpy)冲击试验；后者夹紧试样一端而冲击其另一端，又称阿氏(Izod)冲击试验。目前我国常用的是夏氏冲击试验。

疲劳是指材料在重复或交变载荷作用下，所受应力远小于其拉伸强度甚至小于其弹性极限时，经多次循环后，在无显着外观变形情况下而发生的断裂现象。为了便于测量疲劳极限σ_r，循环应力的次数实际上是有限的：对黑色金属一般规定10⁷次；对有色金属一般规定10⁸次。在规定次数的循环应力作用下而不断裂的最大应力，即为条件疲劳极限。对于旋转弯曲疲劳、拉压疲劳、双向弯曲疲劳等产生的对称循环应力而言，应力比或循环对称系数r=－1，此时疲劳极限用σ_－1表示。实验证明，非对称循环应力比之于对称循环应力，对金属材料造成的损伤要小些，故疲劳极限要大些。

疲劳试验机是对试样或者零件、部件、构件施加周期性或随机性的应力或应变，用以测量σ_r或疲劳寿命的动载荷试验机。根据试样承受的载荷类型或应力状态，可分为旋转弯曲(纯弯曲和悬臂弯曲)、拉压、扭转及复合应力等疲劳试验机。根据动载荷的激励原理，可分为：借助曲柄偏心机构激振，利用恒定载荷(离心或杠杆砝码)加力机构激振，利用压缩空气激振，利用电磁、电动和磁致伸缩激振，以及利用电(气)液(压)激振等原理的疲劳试验机。

循环应力或载荷的频率不低于100Hz的，常称为高频疲劳试验机；当载荷能力较大时可采用电液式激振，较小时可采用电磁激励共振原理。循环应力频率不高于10Hz的，常称为低频疲劳试验机；当载荷能力较大时可采用电液式或恒定载荷式激振，中等时可采用曲柄偏心式激振，而较小时则可采用压缩空气式激振。

【参考文献】：

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