测定低碳钢和铸铁的拉伸力学性能行业资料金属学与金属工艺_行业资料-金属学与金属工艺.pdf

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1、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、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，%，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 FL,抗拉强度 Rn o 3.测定塑性材料的塑性指标：拉伸时的伸长率 A,截面收缩率乙 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 进行拉伸试验时

2、，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：R=E 试样的名义应力 M3，严一一试样的名义应变 L0 So和 Lo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-e 曲 线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸 图，

3、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-e 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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变

4、往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲型，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-e 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和等指标是评

5、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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲何残余变形。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 R=Ez（1-1）比例系数 E代表直线 0A的斜率，称作材料的

6、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 RL。RL是材料开始进入塑性的标志。结构、零件 的应力一旦超过RL，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RL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。LeL R 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

7、验结果来检验材料的机械性能试验提供的和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲(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

8、，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

9、为材料 的强度极限又称作材料的抗拉强度记作凡。对低 碳钢来说 Fm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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即

10、曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲开始在局部进行。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 A 丄 士 100%Lo 宁 100%（1-2）L u，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

11、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和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了的伸长率截面收缩率乙比较塑性

12、材料与脆性材料在拉伸时的机械性质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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲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。

13、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 图 1-2 颈缩试样各分格的伸长 多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和 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和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了的伸长率截面收缩率乙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

14、般试验机都设有自动绘图装置用以记录试样的拉伸图即曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲铸铁之间，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 图 1-3 不同类型材料的拉伸图 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 试样制备是试验的重

15、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。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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件

16、下的面积和标距曲线与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曲，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 畀表面的单向应力状态。分别 L 代表工作部分的直彳 部分必须有适 图 1-4 圆形截面拉伸试件 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

17、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。持光滑均匀以确保材料厂 _|匀部分的有效工作长度_，L0称做标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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名

18、义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲比例试样的长度有两种规定：10倍直径圆试样：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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现

19、了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲L0=10d0,即 11.3,So 5 倍直径圆试样:按照上述比例，板试样也分长、短两种：长试样：Lo=113$短试样：Lo=5.65 S0 用 10倍直径试样测定的断后伸长率记做 Ao,用 5倍直径试样测定的断后伸长率记做 A国家 标准推荐使用短比例试样。五、实验结果的处理 1.强度指标计算 屈服极限 ReH 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

20、在屈服阶段故只记 Rn 2.塑性指标的计算 L I A u 0 100%Lo 强度极限 Fm S0 断后伸长率 断面收缩率 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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分

21、别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲Z=S 一 ：100%S0 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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样

22、的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲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

23、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 L,=A0+0B+2BC 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和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了的伸长率截面收缩率乙比较塑性材

24、料与脆性材料在拉伸时的机械性质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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲 (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 C点。则移位后 的标距Lu为：图 1-5 拉伸试件断口移中 当断口非常靠近试件两端，而与其头部之 L

25、i=AO OB BC BC i(b)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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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

26、拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在曲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)试验数据 A.试样原始尺寸 材 料 名 称 试 验、八 刖 试 验 后 J 标 距 L:0 m m 直 径 do(mm)最 小 截面 积 Ao(m m)标 距 Lu(mm)颈缩 处之 直径 du(m m)颈缩 处截 面积 Su(m 2 m)1 2 3 均/n A B.试验记录数据 材 屈服载 最大载 料 荷 FeL(N)荷 Fn(N)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和等指标是评定

27、材质和进行强度刚度计算的重要依据本试验具体要求为了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲C.计算结果 材 料 强度指标 塑性指标 屈服极 限 RL(MPa 强度极限 Rm(MPa 断后伸长 率 A 断面收 缩率 Z 根据试验结果绘制拉

28、伸图(R-)曲线及 试样断口草图。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和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了的伸长率截面收缩率乙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曲线形象地体现了材料变往往用名义应力应变曲线即曲线来表示试样的名义应力严一一试样的名义应变和分别代表初始条件下的面积和标距曲线与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曲