测定低碳钢和铸铁的拉伸力学性能

19 测定低碳钢和铸铁的拉伸力学性能测定低碳钢和铸铁的拉伸力学性能 一 实验目的一 实验目的 本试验以低碳钢和铸铁为代表 了解塑性材料在简单拉伸时的机械性质 它是力学性 能试验中最基本最常用的一个 一般工厂及工程建设单位都广泛利用该实验结果来检验材 料的机械性能 试验提供的 E ReL Rm A 和 Z 等指标 是评定材质和进行强度 刚度计 算的重要依据 本试验具体要求为 1 了解材料拉伸时力与变形的关系 观察试件破坏现象 2 测定强度数据 如屈服点 ReL 抗拉强度 Rm 3 测定塑性材料的塑性指标 拉伸时的伸长率 A 截面收缩率 Z 4 比较塑性材料与脆性材料在拉伸时的机械性质 二 实验原理二 实验原理 进行拉伸试验时 外力必须通过试样轴线 以确保材料处于单向应力状态 一般试验 机都设有自动绘图装置 用以记录试样的拉伸图即 F L 曲线 形象地体现了材料变形特 点以及各阶段受力和变形的关系 但是 F L 曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样 几何尺寸的影响 因此 拉伸图往往用名义应力 应变曲线 即 R 曲线 来表示 试样的名义应力 0 F R S 试样的名义应变 0 L L S0和 L0分别代表初始条件下的面积和标距 R 曲线与 F L 曲线相似 但消除了 几何尺寸的影响 因此 能代表材料的属性 单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标 就是在 R 曲线上定义的 如果试验能提供一条精确的拉伸图 那么单向拉伸条件下的主 要力学性能指标就可精确地测定 不同性质的材料拉伸过程也不同 其 R 曲线会存在很大差异 低碳钢和铸铁是性 质截然不同的两种典型材料 它们的拉伸曲线在工程材料中十分典型 掌握它们的拉伸过 程和破坏特点有助于正确 合理地认识和选用材料 低碳钢具有良好的塑性 由 R 曲线 图 1 1 可以看出 低碳钢断裂前明显地分成 四个阶段 弹性阶段 OA 试件的变形是弹性的 在这个范围内卸载 试样仍恢复原来的尺寸 没有任何残余变形 习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律 其应力 应变为正比关 系 即 1 1 RE 比例系数 E 代表直线 OA 的斜率 称作材料的弹性模量 屈服 流动 阶段 BC R 曲线上出现明显的屈服点 这表明材料暂时丧失抵抗继 续变形的能力 这时 应力基本上不变化 而变形快速增长 通常把下屈服点 B 作为 材料屈服极限 ReL ReL是材料开始进入塑性的标志 结构 零件的应力一旦超过 ReL 材料 就会屈服 零件就会因为过量变形而失效 因此强度设计时常以屈服极限 ReL作为确定许 可应力的基础 从屈服阶段开始 材料的变形包含弹性和塑性两部分 如果试样表面光滑 材料杂质含量少 可以清楚地看到表面有 45 方向的滑移线 20 F R R B f E B f E C C 铸铁 LeL a b c 图 1 1 试件拉伸图 强化阶段 CD 屈服阶段结束后 R 曲线又开始上升 材料恢复了对继续变形的 抵抗能力 载荷就必须不断增长 如果在这一阶段卸载 弹性变形将随之消失 而塑性变 形将永远保留下来 强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行 卸载后若重新加载 加载线仍 与弹性阶段平行 但重新加载后 材料的弹性阶段加长 屈服强度明显提高 而塑性却相 应下降 这种现象称作为形变强化或冷作硬化 冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一 塑性变形和形变强化二者联合 是强化金属材料的重要手段 例如喷丸 挤压 冷拨等工 艺 就是利用材料的冷作硬化来提高材料强度的 强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布 的 随塑性变形的增长 试样表面的滑移线亦愈趋明显 D 点是 R 曲线的最高点 定义 为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度记作 Rm 对低碳钢来说 Rm是材料均匀塑性变形的 最大抗力 是材料进入颈缩阶段的标志 颈缩阶段 DE 应力达到强度极限后 塑性变形开始在局部进行 局部截面急剧收 缩 承载面积迅速减少 试样承受的载荷很快下降 直到断裂 断裂时 试样的弹性变形 消失 塑性变形则遗留在破断的试样上 材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量 单拉时的塑性指标用断后伸长率 A 和断面收缩率 Z 来表示 即 0 0 100 u LL A L 1 2 0 0 100 u SS Z S Lu Su分别代表试样拉断后的标距和断口的面积 低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重如图 1 2 所示 测试断后伸长率时 颈 缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在 Lu之内 这就要求断口位置应在标距的中央附近 若断口落在标距之外则试验无效 工程上通常认为 材料的断后伸长率 A 5 属于韧断 A 5 则属于脆断 韧断的特征 是断裂前有较大的宏观塑性变形 断口形貌是暗灰色纤维状组织 低碳钢断裂时有很大的 塑性变形 断口为杯状周边为 45 的剪切唇 断口组织为暗灰色纤维状 因此是一种典型 的韧状断口 铸铁是典型的脆性材料 其拉伸曲线如图 1 1 c 所示 其拉伸过程较低碳钢简单 可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂 其破坏断口沿横截面方向 说明铸铁的断裂是 由拉应力引起 其强度指标只有 Rm 由拉伸曲线可见 铸铁断后伸长率甚小 所以铸铁常 在没有任何预兆的情况下突然发生脆断 因此这类材料若使用不当 极易发生事故 铸铁 断口与正应力方向垂直 断面平齐为闪光的结晶状组织 是典型的脆状断口 0 L Fp p Fe L B D g Fm 0 0 Rp ReL B D g Rm A 21 多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间 常常只有两个或三个阶段如图 1 3 但强度 塑性指标的定义和测试方法基本相同 所以 通过拉伸破坏试验 分析比较低 碳钢和铸铁的拉伸过程 确定其机械性能 在机械性能试验研究中具有典型意义 三 实验设备三 实验设备 1 万能材料试验机 2 0 02mm 游标卡尺 四 试样的制备四 试样的制备 试样制备是试验的重要环节 国家标准 金属拉伸试验试样 GB6397 86 对此有详细 规定 通常拉伸试样有比例试件和定标准试件两种 一般拉伸试样由三部分组成 即工作部分 过渡部分和夹持部分 图 1 4 工作部分 必须保持光滑均匀以确保材料表面的单向应力状态 均匀部分的有效工作长度 L0称做标距 d0 S0分别代表工作部分的直径和面积 过渡部分必须有适当的台肩和圆角 以降低应力集 中 保持该处不会断裂 试样两端的夹持部分用以传递载荷 其形状尺寸应与试验机的钳 口相匹配 前已述及 颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后伸长率中占很大的比重 虽然 同 种材料的断后伸长率不仅取决于材质 而且还取决于试样的标距 试样愈短 局部变形所 占比例愈大 A 也就愈大 为了便于相互比较 试样的长度应当标准化 按照规定 测试 断后伸长率应当采用比例试样 比例试样的长度有两种规定 10 倍直径圆试样 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 15 10 5 0 伸长量 mm 延伸率 图 1 2 颈缩试样各分格的伸长 F 00 F a F F b 图 1 3 不同类型材料的拉伸图 d0 L0 L 0 8 R 图 1 4 圆形截面拉伸试件 22 0 00 0 10 11 3 L Ld S 即 5 倍直径圆试样 0 00 0 L 5 5 65 S Ld 即 按照上述比例 板试样也分长 短两种 长试样 00 11 3LS 短试样 00 5 65LS 用 10 倍直径试样测定的断后伸长率记做 Au0 用 5 倍直径试样测定的断后伸长率记做 A5 国家标准推荐使用短比例试样 五 实验结果的处理五 实验结果的处理 1 强度指标计算 屈服极限 0 eL eL F R S 强度极限 0 m m F R S 屈服载荷 FeL取屈服平台的下限值 Fm取 F L 曲线的最大载荷 铸铁不存在屈服阶段故 只记 Rm 2 塑性指标的计算 断后伸长率 0 0 100 u LL A L 断面收缩率 0 0 100 u SS Z S 将自动绘图器绘出的图形用光滑曲线联结 并延长直线部分使之交于坐标原点 修正后绘 在方格纸上 并注明比例尺 即方格上每一厘米代表若干载荷和伸长 绘出低碳钢和铸铁试件试验前后的形状图形 最后 根据试验结果 比较并说明两种材料机械性质的特点 3 断口移中法 从破坏后的低碳钢试件及图 1 2 上可以看到 各处的残余变形不是均匀分布的 愈近 断口 颈缩 处伸长愈多 因此测得 Lu 的数值与断口的部位有关 若试件断口不在标距 中间三分之一范围内 应按国家标准的规定采用断口移中的办法 计算 Lu长度 试验前要 在试件标距内等分划十个格子 试验后 将试件对接在一起 从断口为起点 O 在长段上 取基本等于短段的格数得 B 点 计算 Lu方法如下 1 当长段所余格数为偶数时 如图 1 5 a 所示 则量取长段所余格数之一半 得 c 点 将 BC 段长度称到试件左端 则移后的 Lu为 23 BCOBAOL2 1 2 当在长段上所余格为奇数时 如图 1 5 b 所示 则在长段上所余格数减 1 之半 得 C 点 再由 C 点向后移一格得 C1点 则移位后的标距 Lu为 1 1 BCBCOBAOL 当断口非常靠近试件两端 而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时 一般认为 试验结果无效 需要重新试验 附 附 试验数据试验数据 A 试样原始尺寸 试 验 前 试 验 后 直径 d0 mm 1 2 3 最 小 截 面 积 A0 mm2 标 距 Lu mm 颈缩处之 直径 du mm 颈缩处截 面积 Su mm2 材 料 名 称 标 距 L0 mm 平 均 平 均 平 均 B 试验记录数据 材 料