低碳鋼、鑄鐵拉伸試驗

1、低碳鋼、鑄鐵拉伸試驗、實驗目的本試驗以低碳鋼和鑄鐵為代表，了解塑性材料在簡單拉伸時的機械性質。它是力學性能試驗中最基本最常用的一個。一般工廠及工程建設單位都廣泛利用該實驗結果來檢驗材料的機械性能。試驗提供的 E,ReRm,A 和 Z 等指標，是評定材質和進行強度、剛度計算的重要依據(jù)。本試驗具體要求為：1 .了解材料拉伸時力與變形的關系，觀察試件破壞現(xiàn)象。2 .測定強度數(shù)據(jù)，如屈服點 ReL,抗拉強度 Rm。3 .測定塑性材料的塑性指標：拉伸時的伸長率 A,截面收縮率 Z。4 .比較塑性材料與脆性材料在拉伸時的機械性質。二、實驗原理進行拉伸試驗時，外力必須通過試樣軸線，以確保材料處于單向應力狀態(tài)

2、。一般試驗機都設有自動繪圖裝置，用以記錄試樣的拉伸圖即 F-AL 曲線，形象地體現(xiàn)了材料變形特點以及各階段受力和變形的關系。但是 F-AL 曲線的定量關系不僅取決于材質而且受試樣幾何尺寸的影響。因此，拉伸圖往往用名義應力、應變曲線（即 R-e 曲線）來表示：FR=試樣的名義應力SoL，名=試樣的名義應變L0So 和 Lo 分別代表初始條件下的面積和標距。R-曲線與 F-AL 曲線相似，但消除了幾何尺寸的影響。因此，能代表材料的屬性。單向拉伸條件下的一些材料的機械性能指標就是在 R-e 曲線上定義的。 如果試驗能提供一條精確的拉伸圖， 那么單向拉伸條件下的主要力學性能指標就可精確地測定。不同性質

3、的材料拉伸過程也不同，其 R-e 曲線會存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是性質截然不同的兩種典型材料，它們的拉伸曲線在工程材料中十分典型，掌握它們的拉伸過程和破壞特點有助于正確、合理地認識和選用材料。低碳鋼具有良好的塑性，由 R-e 曲線（圖 1-1）可以看出，低碳鋼斷裂前明顯地分成四個階段：彈性階段（OA）:試件的變形是彈性的。在這個范圍內卸載，試樣仍恢復原來的尺寸，沒有任何殘余變形。習慣上認為材料在彈性范圍內服從虎克定律，其應力、應變?yōu)檎汝P系，即R=EW（1-1）比例系數(shù) E 代表直線 OA 的斜率，稱作材料的彈性模量。屈服（流動）階段（BC）:R-e 曲線上出現(xiàn)明顯的屈服點。這表明材料暫時喪

4、失抵抗繼續(xù)變形的能力。這時，應力基本上不變化，而變形快速增長。通常把下屈服點（B）作為材料屈服極限 ReL。ReL是材料開始進入塑性的標志。結構、零件的應力一旦超過 ReL,材料就會屈服，零件就會因為過量變形而失效。因此強度設計時常以屈服極限 ReL作為確定許可應力的基礎。從屈服階段開始，材料的變形包含彈性和塑性兩部分。如果試樣表面光滑，材料雜質含量少，可以清楚地看到表面有 45。方向的滑移線。圖 1-1 試件拉伸圖強化階段(CD):屈服階段結束后，R-e 曲線又開始上升，材料恢復了對繼續(xù)變形的抵抗能力，載荷就必須不斷增長。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠保留下來。強化

5、階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，加載線仍與彈性階段平行，但重新加載后，材料的彈性階段加長、屈服強度明顯提高，而塑性卻相應下降。這種現(xiàn)象稱作為形變強化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質之一。塑性變形和形變強化二者聯(lián)合，是強化金屬材料的重要手段。例如噴丸，擠壓，冷撥等工藝，就是利用材料的冷作硬化來提高材料強度的。強化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形的增長，試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。D 點是 R-曲線的最高點，定義為材料的強度極限又稱作材料的抗拉強度記作 Rm。對低碳鋼來說 Rm是材料均勻塑性變形的最大抗力，是材料進入頸縮階段的標志。頸縮階段(DE):應力達到

6、強度極限后，塑性變形開始在局部進行。局部截面急劇收縮，承載面積迅速減少，試樣承受的載荷很快下降，直到斷裂。斷裂時，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在破斷的試樣上。材料的塑性通常用試樣斷裂后的殘余變形來衡量，單拉時的塑性指標用斷后伸長率 A 和斷面收縮率 Z 來表示。即A=Lu-Lo100%LoSo-SuZ=M100%(1-2)SoLu,Su分別代表試樣拉斷后的標距和斷口的面積。低碳鋼頸縮部分的變形在總變形中占很大比重如圖 1-2 所示。測試斷后伸長率時，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都應包含在 Lu之內。這就要求斷口位置應在標距的中央附近。若斷口落在標距之外則試驗無效。工程上通常認為，材料的斷

7、后伸長率 A5%屬于韌斷，A5%則屬于脆斷。韌斷的特征是斷裂前有較大的宏觀塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀組織。低碳鋼斷裂時有很大的塑性變形，斷口為杯狀周邊為 45。的剪切唇，斷口組織為暗灰色纖維狀，因此是一種典型的韌狀斷口。鑄鐵是典型的脆性材料，其拉伸曲線如圖 1-1(c)所示。其拉伸過程較低碳鋼簡單，可近似認為是經(jīng)彈性階段直接過渡到斷裂。其破壞斷口沿橫截面方向，說明鑄鐵的斷裂是由拉應力引起，其強度指標只有 Rm。由拉伸曲線可見，鑄鐵斷后伸長率甚小，所以鑄鐵常在沒有任何預兆的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類材料若使用不當，極易發(fā)生事故。鑄鐵斷口與正應力方向垂直，斷面平齊為閃光的結晶狀組織，是典型

8、的脆狀斷口。多數(shù)工程材料的拉伸曲線介于低碳鋼和鑄鐵之間，常常只有兩個或三個階段如圖 1-3。但強度、塑性指標的定義和測試方法基本相同。所以，通過拉伸破壞試驗，分析比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸過程，確定其機械性能，在機械性能試驗研究中具有典型意義。三、實驗設備1 .萬能材料試驗機。2 .0.02mm 游標卡尺。四、試樣的制備試樣制備是試驗的重要環(huán)節(jié)。定。通常拉伸試樣有比例試件和定標準試件兩種。一般拉伸試樣由三部分組成，即工作部分，過渡部分和夾持部分（圖 1-4）。工作部分必須保持光滑均勻以確保材料表面的單向應力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長度 Lo稱做標距。do、So分別代表工作部分的直徑和面積。過渡部分

9、必須有適當?shù)呐_肩和圓角，以降低應力集中，保持該處不會斷裂。試樣兩端的夾持部分用以傳遞載荷，其形狀尺寸應與試驗機的鉗口LoL圖 1-4 圓形截面拉伸試件前已述及，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形在斷后伸長率中占很大的比重。雖然，同種材料的斷后伸長率不僅取決于材質，而且還取決于試樣的標距。試樣愈短、局部變形所占比例愈大，A 也就愈大。為了便于相互比較，試樣的長度應當標準化。按照規(guī)定，測試斷后伸長率應當采用比例試樣。比例試樣的長度有兩種規(guī)定：10 倍直徑圓試樣：國家標準金屬拉伸試驗試樣GB6397-86 對此有詳細規(guī)相匹配。R0.8do圖 1-2 頸縮試樣各分格的伸長沙率伸延m下量長伸OOOOOOOOO

10、OOOOOOO8765432187654321不同類型材料的拉伸圖(b)5 倍直徑圓試樣:按照上述比例，板試樣也分長、短兩種:強度極限So屈服載荷 FeL取屈服平臺的下限值。Fm取 F-AL 曲線的最大載荷。鑄鐵不存在屈服階段故只記 Rm。2 .塑性指標的計算斷后伸長率A=LuT。100%Lo斷面收縮率Z=So-Su1oo%So將自動繪圖器繪出的圖形用光滑曲線聯(lián)結，并延長直線部分使之交于坐標原點。修正后繪在方格紙上，并注明比例尺，即方格上每一厘米代表若干載荷和伸長。繪出低碳鋼和鑄鐵試件試驗前后的形狀圖形。最后，根據(jù)試驗結果，比較并說明兩種材料機械性質的特點。3 .斷口移中法從破壞后的低碳鋼試件

11、及圖 1-2 上可以看到，各處的殘余變形不是均勻分布的，愈近斷口(頸縮)處伸長愈多。因此測得 Lu的數(shù)值與斷口的部位有關。若試件斷口不在標距中間三分之一范圍內，應按國家標準的規(guī)定采用斷口移中的辦法，計算 Lu長度。試驗前要在試件標距內等分劃十個格子。試驗后，將試件對接在一起，從斷口為起點 O,在長段上取基本等于短段的格數(shù)得 B 點。計算 Lu方法如下：(1)當長段所余格數(shù)為偶數(shù)時，如圖 1-5(a)所示，則量取長段所余格數(shù)之一半，得 c 點，將 BC段長度稱到試件左端，則移后的 Lu為長試樣:L。=11.3,So短試樣:Lo=5.65,So用 10 倍直徑試樣測定的斷后伸長率記做A5國家標準推薦使用短比例試樣。五、實驗結果的處理1.強度指標計算AM用 5 倍直徑試樣測定的斷后伸長率記做屈服極限eLeLSoFmLuAOOB2BC圖 1-5(a)拉伸試件斷口移中(2)當在長段上所余格為奇數(shù)時，如圖 1-5(b)所示，則在長段上所余格數(shù)減半，得 C 點，再由 C點向后移一格得 C1點。則移位后的標距Lu為:L1=AOOBBCBCi圖 1-5(b)拉伸試件斷口移中當斷口非?？拷嚰啥耍c其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般認為試驗結果無效，需要重新試驗。（附）試驗數(shù)據(jù)A.試樣原始尺寸