材料力學(xué)低碳鋼拉伸實驗指導(dǎo)書

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1、1低碳鋼拉伸實驗1低碳鋼拉伸實驗一、實驗?zāi)康?．了解材料拉伸時力與變形的關(guān)系，觀察試件破壞現(xiàn)象。2．測定強度數(shù)據(jù)，如屈服點，抗拉強度。3．測定塑性材料的塑性指標(biāo)：拉伸時的伸長率δ，截面收縮率ψ。二、實驗原理進(jìn)行拉伸實驗時，外力必須通過試樣軸線，以確保材料處于單向應(yīng)力狀態(tài)。實驗機具有自動繪圖裝置，用以記錄試樣的拉伸圖（即F-ΔL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(guān)系。但是F-ΔL曲線的定量關(guān)系不僅取決于材質(zhì)而且受試樣幾何尺寸的影響。因此，拉伸圖往往用名義應(yīng)力、應(yīng)變曲線（即σ-ε曲

2、線）來表示：——試樣的名義應(yīng)力——試樣的名義應(yīng)變A0和L0分別代表初始條件下的面積和標(biāo)距。σ-ε曲線與F-ΔL曲線相似，但消除了幾何尺寸的影響。因此，可以代表材料的屬性。單向拉伸條件下的一些材料的機械性能指標(biāo)就是在曲線上定義的。如果實驗?zāi)芴峁┮粭l精確的拉伸圖，那么單向拉伸條件下的主要力學(xué)性能指標(biāo)就可精確地測定。不同性質(zhì)的材料拉伸過程也不同，其曲線會存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是性質(zhì)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(rèn)識和選用材料

3、。低碳鋼具有良好的塑性，由曲線（圖1.1)可以看出，低碳鋼斷裂前明顯地分成四個階段：（1）彈性階段（OA）：試件的變形是彈性的。在這個范圍內(nèi)卸載，試樣仍恢復(fù)原來的尺寸，沒有任何殘余變形。習(xí)慣上認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從胡克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檎汝P(guān)系，即（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。（2）屈服（流動）階段（BC）：曲線上出現(xiàn)明顯的屈服點。這表明材料暫時喪失抵抗繼續(xù)變形的能力。這時，應(yīng)力基本上不變化，而應(yīng)變快速增長。通常把下屈服點（Bˊ）作為材料屈服極限。61低碳鋼拉伸實

4、驗是材料開始進(jìn)入塑性的標(biāo)志。結(jié)構(gòu)、零件的應(yīng)力一旦超過，材料就會屈服，零件就會因為過量變形而失效。因此強度設(shè)計時常以屈服極限作為確定許可應(yīng)力的基礎(chǔ)。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(zhì)含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移線。0△LFeLBˊDgFm0ε0εσpσeLBˊDgσbδFσσEC鑄鐵△LeL（a）（b）（c）圖1.1試件拉伸圖（3）強化階段（CD）：屈服階段結(jié)束后，σ-ε曲線又開始上升，材料恢復(fù)了對繼續(xù)變形的抵抗能力，載荷就必須不斷增長。如果在

5、這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠(yuǎn)保留下來。強化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(yīng)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(zhì)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σ-ε曲線的

6、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。對低碳鋼來說是材料均勻塑性變形的最大抗力，也是材料進(jìn)入頸縮階段的標(biāo)志。（4）頸縮階段（DE）：應(yīng)力達(dá)到強度極限后，塑性變形開始在局部進(jìn)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(biāo)用斷后伸長率δ和斷面收縮率ψ來表示。即（1-2）（1-3）61低碳鋼拉伸實驗式中：L，A分別代表試樣拉斷后的標(biāo)距和斷口的面

7、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(yīng)包含在L之內(nèi)。這就要求斷口位置應(yīng)在標(biāo)距的中央附近。若斷口落在標(biāo)距之外則實驗無效。當(dāng)斷口非?？拷嚰啥?，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般認(rèn)為實驗結(jié)果無效，需要重新實驗。工程上通常認(rèn)為，材料的斷后伸長率δ>5%屬于韌斷，δ<5%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

8、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(rèn)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(yīng)力引起，其強度指標(biāo)只有σb。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(yù)兆的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類材料若使用不當(dāng)，極易發(fā)生事故。鑄鐵斷口與正應(yīng)力方向垂直，斷面平齊，為閃光的結(jié)晶狀組織，是典型的脆狀斷口?！ぁぁぁぁぁぁぁぁ?070605040302010020151