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材料機械性能檢測,知多少?

  抗拉強度(tensile strength):試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。

  抗拉強度是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值,也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。對于塑性材料,它表征材料最大均勻塑性變形的抗力,拉伸試樣在承受最大拉應力之前,變形是均勻一致的,但超出之后,金屬開始出現縮頸現象,即產生集中變形;對于沒有(或很小)均勻塑性變形的脆性材料,它反映了材料的斷裂抗力。符號為RM,單位為MPA。

  試樣在拉伸過程中,材料經過屈服階段后進入強化階段后隨著橫向截面尺寸明顯縮小在拉斷時所承受的最大力(Fb),除以試樣原橫截面積(So)所得的應力(σ),稱為抗拉強度或者強度極限(σb),單位為N/mm2(MPa)。它表示金屬材料在拉力作用下抵抗破壞的最大能力。

  計算公式為:σ=Fb/So
  式中:Fb--試樣拉斷時所承受的最大力,N(牛頓);So--試樣原始橫截面積,mm2

  抗拉強度(Rm)指材料在拉斷前承受最大應力值。當鋼材屈服到一定程度后,由于內部晶粒重新排列,其抵抗變形能力又重新提高,此時變形雖然發展很快,但卻只能隨著應力的提高而提高,直至應力達最大值。此后,鋼材抵抗變形的能力明顯降低,并在最薄弱處發生較大的塑性變形,此處試件截面迅速縮小,出現頸縮現象,直至斷裂破壞。鋼材受拉斷裂前的最大應力值稱為強度極限或抗拉強度。

  單位:kg/mm2(單位面積承受的公斤力)
  抗拉強度:Tensile strength.
  抗拉強度=Eh,其中E為楊氏模量,h為材料厚度

  目前國內測量抗拉強度比較普遍的方法是采用萬能材料試驗機等來進行材料抗拉/壓強度的測定!

  屈服強度(yield strength)

  屈服強度:是金屬材料發生屈服現象時的屈服極限,亦即抵抗微量塑性變形的應力。對于無明顯屈服的金屬材料,規定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限,稱為條件屈服極限或屈服強度。大于此極限的外力作用,將會使零件永久失效,無法恢復。如低碳鋼的屈服極限為207MPa,當大于此極限的外力作用之下,零件將會產生永久變形,小于這個的,零件還會恢復原來的樣子。

  yield strength,又稱為屈服極限 ,常用符號δs,是材料屈服的臨界應力值。

  (1)對于屈服現象明顯的材料,屈服強度就是屈服點的應力(屈服值);

  (2)對于屈服現象不明顯的材料,與應力-應變的直線關系的極限偏差達到規定值(通常為0.2%的原始標距)時的應力。通常用作固體材料力學機械性質的評價指標,是材料的實際使用極限。因為在應力超過材料屈服極限后產生塑性變形,應變增大,使材料失效,不能正常使用。

  當應力超過彈性極限后,進入屈服階段后,變形增加較快,此時除了產生彈性變形外,還產生部分塑性變形。當應力達到B點后,塑性應變急劇增加,應力應變出現微小波動,這種現象稱為屈服。這一階段的最大、最小應力分別稱為下屈服點和上屈服點。由于下屈服點的數值較為穩定,因此以它作為材料抗力的指標,稱為屈服點或屈服強度(ReL或Rp0.2)。

  a.屈服點yield point(σs)
  試樣在試驗過程中力不增加(保持恒定)仍能繼續伸長(變形)時的應力。
  b.上屈服點upper yield point(σsu)
  試樣發生屈服而力首次下降前的最大應力。
  c.下屈服點lower yield point(σSL)

  當不計初始瞬時效應時屈服階段中的最小應力。

  有些鋼材(如高碳鋼)無明顯的屈服現象,通常以發生微量的塑性變形(0.2%)時的應力作為該鋼材的屈服強度,稱為條件屈服強度(yield strength)。 

  首先解釋一下材料受力變形。材料的變形分為彈性變形(外力撤銷后可以恢復原來形狀)和塑性變形(外力撤銷后不能恢復原來形狀,形狀發生變化,伸長或縮短)。

  所謂屈服,是指達到一定的變形應力之后,金屬開始從彈性狀態非均勻的向彈-塑性狀態過渡,它標志著宏觀塑性變形的開始。

  斷面收縮率(percentage reduction of area 、reduction of area)

  伸長率和斷面收縮率表示鋼材斷裂前經受塑性變形的能力。伸長率越大或斷面收縮率越高,說明鋼材塑性越大。鋼材塑性大,不僅便于進行各種加工,而且能保證鋼材在建筑上的安全使用。因為鋼材的塑性變形能調整局部高峰應力,使之趨于平緩,以免引起建筑結構的局部破壞及其所導致的整個結構破壞;鋼材在塑性破壞前,有很明顯的變形和較長的變形持續時間,便于人們發現和補救。

  硬度(Hardness)

  (1)洛氏硬度

  是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標。以0.002毫米作為一個硬度單位。當HB>450或者試樣過小時,不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球,在一定載荷下壓入被測材料表面,由壓痕的深度求出材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同,分三種不同的標度來表示:

  HRA:是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度,用于硬度極高的材料(如硬質合金等)。

  HRB:是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球,求得的硬度,用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。

  HRC:是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。

  (2)布氏硬度

  布氏硬度(HB)一般用于材料較軟的時候,如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度較高的材料,如熱處理后的硬度等等。 

  布氏硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷,將一定直徑的淬硬鋼球或硬質合金球壓入被測金屬表面,保持規定時間,然后卸荷,測量被測表面壓痕直徑。布氏硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為:以一定的載荷將一定大小的淬硬鋼球壓入材料表面,保持一段時間,去載后,負荷與其壓痕面積之比值,即為布氏硬度值(HB),單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。測試載荷與測試鋼球的直徑需根據材料的實際性能再確定。

  (3)維氏硬度

  維氏硬度試驗方法是英國史密斯(R.L.Smith)和塞德蘭德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英國的維克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司試制了第一臺以此方法進行試驗的硬度計。和布氏、洛氏硬度試驗相比,維氏硬度試驗測量范圍較寬,從較軟材料到超硬材料,幾乎涵蓋各種材料。

  維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同,也是根據壓痕單位面積上的載荷來計算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗的壓頭是金剛石的正四棱錐體。試驗時,在一定載荷的作用下,試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕,測量壓痕對角線長度,借以計算壓痕的表面積,載荷除以表面積的數值就是試樣的硬度值,用符號HV表示。

  (4)里氏硬度

  里氏硬度是以HL表示,里氏硬度測試技術是由瑞士狄爾馬,里伯博士發明的,它是用一定質量的裝有碳化鎢球頭的沖擊體,在一定力的作用下沖擊試件表面,然后反彈。由于材料硬度不同,撞擊后的反彈速度也不同。在沖擊裝置上安裝有永磁材料,當沖擊體上下運動時,其外圍線圈便感應出與速度成正比的電磁信號,再通過電子線路轉換成里氏硬度值。

  (5)肖氏硬度

  簡稱HS。表示材料硬度的一種標準。由英國人肖爾(Albert F.Shore)首先提出。

  應用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發生回跳。撞銷是一只具有尖端的小錐,尖端上常鑲有金剛鉆。測試數值為1000x撞銷返回速度/撞銷初始速度(即為碰撞前后的速度比乘以1000) 

  (6)巴氏硬度

  巴柯爾(Barcol)硬度(簡稱巴氏硬度), 最早由美國 Barber-Colman公司提出,是近代國際上廣泛采用的一種硬度門類, 一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗力作用下,壓入試樣表面,用壓針的壓入深度確定材料硬度,定義每壓入0.0076mm為一個巴氏硬度單位。巴氏硬度單位表示為HBa。

  (7)努氏硬度

  努氏硬度是作為絕對數值而測得的硬度,主要在加工方面使用該數值。一般來說,金剛石的努氏硬度為7000~8000千克/平方毫米  

  (8)韋氏硬度

  一定形狀的硬鋼壓針,在標準彈簧試驗力作用下壓入試樣表面,用壓針的壓入深度確定材料硬度,定義0.01mm的壓入深度為一個韋氏硬度單位。韋氏硬度單位表示為HW。
硬度檢測種類
  1. HRA:(洛氏A)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼及其它軟硬材質的硬度測試。
  2. HK:(Knoop 努氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
  3. HRC:(Rockwell C洛氏)用于量測熱處理鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。
  4. HRB:(Rockwell B洛氏)用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
  5. HR30T:(Rockwell 30T洛氏) 用于量測較軟材質的鋼及非鐵材料之硬度。
  6. HB5:(Brinell 布氏5)用于量測鋁、軟質鋁合金、鑄鐵、銅、黃銅等。
  7. HB30:(Brinell 布氏30)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。
  8. HV:(Vickers維氏)適用于量測各類材料。
  9. R:(Tensile module拉伸模數 N/mm2)用于熱處理鋼、退火深冷處理鋼材、沖拉材料鋼、深沖鋼帶料等。
  10. HR15N:(Rockwell 洛氏HR15N)用于量測熱處理硬質鋼材、氮化物、滲碳冶煉物、軸承鋼、工具鋼等。

  鹽霧測試(Salt spray test)

  腐蝕是材料或其性能在環境的作用下引起的破壞或變質。大多數的腐蝕發生在大氣環境中,大氣中含有氧氣、濕度、溫度變化和污染物等腐蝕成分和腐蝕因素。鹽霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。鹽霧對金屬材料表面的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護層與內部金屬發生電化學反應引起的。同時,氯離子含有一定的水合能,易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫排擠并取代氯化層中的氧,把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物,使鈍化態表面變成活潑表面。造成對產品極壞的不良反應。

  鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件來考核產品或金屬材料耐腐蝕性能的環境試驗。它分為二大類,一類為天然環境暴露試驗,另一類為人工加速模擬鹽霧環境試驗。人工模擬鹽霧環境試驗是利用一種具有一定容積空間的試驗設備——鹽霧試驗箱,在其容積空間內用人工的方法,造成鹽霧環境來對產品的耐鹽霧腐蝕性能質量進行考核。它與天然環境相比,其鹽霧環境的氯化物的鹽濃度,可以是一般天然環境鹽霧含量的幾倍或幾十倍,使腐蝕速度大大提高,對產品進行鹽霧試驗,得出結果的時間也大大縮短。如在天然暴露環境下對某產品樣品進行試驗,待其腐蝕可能要1年,而在人工模擬鹽霧環境條件下試驗,只要24小時,即可得到相似的結果。

  人工模擬鹽霧試驗又包括中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗、交變鹽霧試驗。

  (1) 中性鹽霧試驗(NSS試驗)

  是出現最早目前應用領域最廣的一種加速腐蝕試驗方法。一般情況下,它采用5%的氯化鈉鹽水溶液,溶液PH值調在中性范圍(6.5~7.2)作為噴霧用的溶液。試驗溫度均取35℃,要求鹽霧的沉降率在1~3ml/80cm2.h之間,沉降量一般都是1~2ml/80cm2.h之間。

  (2) 醋酸鹽霧試驗(ASS試驗)

  是在中性鹽霧試驗的基礎上發展起來的。它是在5%氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸,使溶液的PH值降為3左右,溶液變成酸性,最后形成的鹽霧也由中性鹽霧變成酸性。它的腐蝕速度要比NSS試驗快3倍左右。

  (3) 銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(CASS試驗)

  是國外新近發展起來的一種快速鹽霧腐蝕試驗,試驗溫度為50℃,鹽溶液中加入少量銅鹽—氯化銅,強烈誘發腐蝕。它的腐蝕速度大約是NSS試驗的8倍。

  (4) 交變鹽霧試驗

  是一種綜合鹽霧試驗,它實際上是中性鹽霧試驗加恒定濕熱試驗。它主要用于空腔型的整機產品,通過潮態環境的滲透,使鹽霧腐蝕不但在產品表面產生,也在產品內部產生。它是將產品在鹽霧和濕熱兩種環境條件下交替轉換,最后考核整機產品的電性能和機械性能有無變化。 



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