碳钢在单向静拉伸条件下的力学性能的研究

工程材料单向静拉伸 力学性能研究研究课题论文院 系: 机电工程学院 专 业: 材料科学与工程 学 号: 12044111 学生姓名: 徐泽洋 指导教师: 宋玉强 碳钢在单向静拉伸条件下的力学性能的研究徐泽洋摘要：本文讨论了高中低碳钢在静拉伸条件下力学性能的特点，并从微观上解释了碳含量不同的钢的力学性能不同的原因。关键词：碳钢 拉伸 力学性能The mechanical properties of carbon steel under the condition of ChanXiangJing stretching researchXu Ze-YangAbstract: This article discusses the characteristics of the high medium and low carbon steel under the condition of the static tensile mechanical properties, and explains the carbon content of different steel from the microscopic mechanical properties of different reasons.Key Words: Low carbon; Tensile; Mechanical properties目录引言 .1一、碳含量不同的钢的拉伸过程现象及拉伸曲线 .1（一）拉伸试验的试验原理 .1（二）低碳钢 .2（三）中碳钢 .3（四）高碳钢 .4二、不同含碳量碳钢的力学性能对比 .5三、微观机理分析 .7（一）低碳钢 .7（二）中碳钢 .8（三）高碳钢 .9四、拉伸速率对碳钢力学性能的影响 .10（一）对屈服极限的影响 .10（二）对强度极限的影响 .10（三）对延伸率的影响 .11五、结论 .11参考文献 .111百手起驾 整理为您引言钢是现代工业中应用最广泛的金属材料之一，形成钢的主要元素是铁和碳，故又称铁碳合金。含碳量小于 211 而不含有特意加入合金元素的铁碳合金称为碳钢(非合金钢) 。碳钢由于具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运输及其他各个工业部门中得到广泛的应用。 16碳是影响碳钢性能的主要元素。随碳的质量分数增加，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。 17一、碳含量不同的钢的拉伸过程现象及拉伸曲线（一）拉伸试验的试验原理材料的拉伸试验是在专用的试验机上进行的。为了便于比较分析不同材料的试验结果，试验时按国家标准将材料加工成标准圆试件或标准板试件。按国家标准规定（GB228-76） ，对圆试件， / 10 或 5；对板试件， / =13.3 或00 0 05.65，其中 为板试件的初始横截面面积。试件两端夹持部分的形状和尺寸应根据试验机0的夹头要求确定。 1关于试样的平行长度 ，对圆形、管形截面试样应不小于 + ；对矩形截面试样， 00/2平行长度应不小于 +1.5 。仲裁试验时，应分别不小于 +2 ，和 +2 。试样又分0 0 0 0 0 0带头和不带头试样。前者用于仲裁试验，只者用于不宜或不经机加工而整拉的棒材。对经机加工带头圆形或矩形试样，平行部分至头部的过渡必须缓和，圆截面试样过渡圆弧半，矩形截面试样过度半径 。试样头部形状及尺寸应按试样大小、材料0.750 12特性、试验目的以及试验机夹具的结构进行设计(常用的有圆柱形、阶梯形和螺纹形等 )，但必须保证轴向受力。图-1 为夹板式夹头所用的带头圆截面试样。无论试样带头或不带头，头部夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的 34 。 2图-1 夹板式夹头所用带头圆截面试样Fig.1 Lead the circular cross section sample used plywood type clamp2百手起驾 整理为您将标准试件安装在试验机上开动机器缓慢加载，直至将试件拉断为止。一般试验机均可将试验过程中的轴力和对应的伸长量自动绘出曲线，称为“拉伸曲线” 。 1（二）低碳钢以 Q235 普通碳素结构钢为例将低碳钢标准试件夹装在拉力试验机上缓慢加载直至断裂，加载过程中自动记录杆件横截面上的应力 和杆件轴线方向的应变 ，并绘制 关系图（如图-2） 。 3 图-2 低碳钢拉伸时的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of low carbon steel when tensiling由低碳钢的 关系图，整个实验阶段可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强 化阶段和颈缩断裂阶段。后三个阶段统称为塑性阶段。下面分析材料在各区域的力学性能。（1 ）弹性阶段 OB在该阶段，当卸去载荷后变形可完全消失，这种变形称为弹性变形。这一阶段称为弹性阶段。在 OA 段， 与 为线性关系。超过比例极限后，从 A 点到 B 点， 与 之间的关系 不再是直线，但仍是弹性变形。材料出现弹性交形的最高点所对应的应力值(即 B 点所对应的应力) 称为弹性极限，以 表示。当应力大于弹性极限后，如若再卸去载荷，则试样变形的一部分随之消失（这部分变形为弹性变形） ，但还残留一部分变形不能消失，这种不能消失的变形称为塑性变形或残余变形。（2 ）屈服阶段 BD当应力越过 B 点增加到某一数值时，应变有非常明显的增加，而应力略有下降后作微幅上下波动，在 曲线上出现近于水平的小锯齿状线段。总体来说，该区间应力基本保 持个变，而应变有显著增加的现象，材料好像暂时失去了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服或流动，这一阶段称为屈服阶段。在屈服阶段内材料波动的最高和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限。上屈服极限的数值一般不稳定（与试样形状、加载速度等因素有关） ，而下屈服极限数值则较稳定，更能反映材料的性能。 4在此阶段内可以观察到的另一个现象是滑移线。如果试件具有平整的表面并打磨光滑，那么试件在拉伸并进入屈服阶3百手起驾 整理为您段时，其表面将会心出现与试件轴线呈 的纹路,这是由于材料内部晶格相对滑移所致。45这种纹路称为滑移线，如图-3。 4-5图-3 滑移线Fig.3 Slip line（3 ）强化阶段 DE过了屈服阶段后，材料又恢复了抵抗受形的能力，要使试件继续伸长生形必须继续增加拉力，这种现象称为材料的强化，这一阶段称为强化阶段。在强化阶段试杆的变形主要是塑性变形，可观察出试样横向尺寸明显缩小。（4 ）颈缩断裂阶段过了 E 点后，在其某一局部区段内横截而积突然急剧缩小，此即缩颈现象，如图-4(a)所示。由在缩颈部分横截面积迅速减小，使试样继续伸长所需拉力也相应减少(载荷读数反而降低) ，在应力- 应变图中，用横截面原始面积算出的应力随之下降，直降落到 F 点，试样随即位断，如图-4 (b)所示。 4图-4Fig.4由相关资料可知，Q235 钢的弹性极限 ，屈服极限 ，强度极200 235限 ，延伸率 ，断面收缩率 。 11在材料的整个变形过程390=25%30% =60%中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金后材料有一种阻止继续曲性变形的能力，即应变硬化性能。塑性应变是硬化的原因，而硬化则是塑性应受的结果。应变硬化是位错增殖、运动受阻所致。 6（三）中碳钢中碳钢的性能取决于含碳量和微观结构。 13现以 45 号钢为例，图 -5 是 45 号钢静态拉伸曲线。 74百手起驾 整理为您图-5 45 号钢静态拉伸曲线Fig.5 The static tensile curve of 45 steel就 45 号钢而言，其屈服极限 ，强度极限 ，延伸率355 600，断面收缩率 。 15同低碳钢一样，中碳钢在拉伸时也具有四个阶段， 16% 40%即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩断裂阶段。中碳钢热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为 HRC55(HB538)， b为 600 1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。高强度中碳调质钢，具有一定的塑性、韧性和强度，切削性良好，调质处理后有很好的综合力学性能，淬透性较差，容易产生裂纹，焊接性能不高，焊接之前需要很好预热，焊后需要热处理。中碳钢主要用于制造较高强度的运动零件，如空气压缩机、泵的活塞，蒸汽透平机的叶轮，重型机械的轴、蜗杆、齿轮等等，表面耐磨的零件，曲轴、机床主轴、滚筒、钳工工具等等。 8（四）高碳钢以 T12 钢为例，图-6 是 T12 钢的静态拉伸曲线。 95百手起驾 整理为您图-6 T12 钢的静态拉伸曲线Fig.6 The static tensile curve of T12 steel由拉伸曲线可知，高碳钢在拉伸时没有屈服、强化和颈缩阶段，其最大载荷即为断裂载荷。由此可知，高碳钢的冷塑性较差，不适宜冷锻加工。高碳钢在经适当热处理或冷拔硬化后，具有高的强度和硬度、高的弹性极限和疲劳极限(尤其是缺口疲劳极限)，切削性能尚可，但焊接性能和冷塑性变形能力差。由于含碳量高，水淬时容易产生裂纹，所以多采用双液淬火(水淬+油冷) ，小截面零件多采用油淬。这类钢一般在淬火后经中温回火或正火或在表面淬火状态下使用。主要用于制造弹簧和耐磨零件。 碳素工具钢是基本上不加入合金化元素的高碳钢，也是工具钢中成本较低、冷热加工性良好、使用范围较广的钢种。其碳含量在 0.65 一 1.35%，是专门用于制作工具的钢。高碳钢的硬度、强度主要取决于钢中固溶的碳量，并随固溶碳量的增加而提高。固溶碳量超过 0.6%时， 淬火后硬度不再增加，只是过剩的碳化物数量增多，钢的耐磨性略有增加，而塑性、韧性和弹性有所降低。为此，常根据使用条件和对钢的强度、韧性匹配来选用不同的钢号。例如，制造受力不大的弹簧或簧式零件，可选择较低碳量的 65 钢。一般高碳钢可用电炉、平炉、氧气转炉生产。要求质量较高或特殊质量时可采用电炉冶炼加真空自耗或电渣重熔。冶熔时，严格控制化学成分，特别是硫和磷的含量。为减少偏析，提高等向性能，钢锭可进行高温扩 散退火(对工具钢尤为重要) 。热加工时，过共析钢的停锻(轧)温度要求低 (约 800)，锻轧成材后应避免粗大网状碳化物的析出，在 700以下应注意缓冷，以防热应力造成裂纹。热处理或热加工过程中要防止表面脱碳(对弹簧钢尤为重要)。热加工时要有足够的压缩比，以保证钢的质量和使用性能。 14二、不同含碳量碳钢的力学性能对比由于上文所述的 Q235 钢属于普通碳素结构钢，45 号钢属于优质碳素结构钢，而 T12钢属于工具钢，严谨起见，在这里以优质碳素结构钢为例，给出含碳量不同的碳钢的力学性能指标。 18由此表可见，随着碳含量的增加，钢的屈服极限 和强度极限 越来越高，延伸率 和 断面收缩率 越来越低。故而我们可以认为，当随着碳含量的增加，钢的强度越来越高，而冷塑性越来越差。6百手起驾 整理为您推荐热处理.C 力学性能 bMPa sMPa 5%Aku2J钢材交货状态硬度HBSlO3000不大于序号 牌号试样毛坯尺寸mm正火 淬火 回火不小于 未热处理 钢 退火钢1 08 25 930 325 195 33 60 131 2 10 25 930 335 205 3l 60 137 3 15 25 920 375 225 27 55 143 4 20 25 910 410 245 25 55 156 5 25 25 900 870 600 450 275 23 50 71 170 6 30 25 880 860 600 490 295 21 50 63 179 7 35 25 870 850 600 530 315 20 45 55 197 8 40 25 860 840 600 570 335 19 45 47 217 1879 45 25 850 840 600 600 355 16 40 39 229 19710 50 25 830 830 600 630 375 14 40 31 241 20711 55 25 820 820 600 645 380 13 35 255 21712 60 25 810 675 400 12 35 255 22913 65 25 810 695 410 10 30 255 22914 70 25 790 715 420 9 30 269 22915 75 试样 820 480 1080 880 7 30 285 24116 80 试样 820 480 1080 930 6 30 285 24117 85 试样 820 480 1130 980 6 30 302 255注：1 对于直径或厚度小于 25 mm 的钢材，热处理是在与成品截面尺寸相同的试样毛坯上进行。 2 表中所列正火推荐保温时间不少于 30 min.空冷；淬火推荐保温时间不少于 30 min，75、80 和 85 钢油冷.其余钢水冷；回火推荐保温时间