低碳钢和铸铁拉伸和压缩试验

时间:2025-04-27

低碳钢和铸铁拉伸压缩实验报告

摘要:材料的力学性能也称为机械性质,是指材料在外力作用下表现的变形、破坏等方面的特性。它是由试验来测定的。工程上常用的材料品种很多,下面我们以低碳钢和铸铁为主要代表,分析材料拉伸和压缩时的力学性能。

关键字:低碳钢 铸铁 拉伸压缩实验 破坏机理

一.拉伸实验

1.

低碳钢拉伸实验

拉伸实验试件 低碳钢拉伸图

在拉伸实验中,随着载荷的逐渐增大,材料呈现出不同的力学性能:

低碳钢拉伸应力-应变曲线

(1)弹性阶段(Ob段)

在拉伸的初始阶段,ζ-ε曲线(Oa段)为一直线,说明应力与应变成正比,即满足胡克定理,此阶段称为线形阶段。线性段的最高点则称为材料的比例极限(ζp),线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后,ζ-ε曲线不为直线(ab段),应力应变不再成正比,但若在整个弹性阶段卸载,应力应变曲线会沿原曲线返回,载荷卸到零时,变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限(ζe),一般

对于钢等许多材料,其弹性极限与比例极限非常接近。

(2)屈服阶段(bc段)

超过弹性阶段后,应力几乎不变,只是在某一微小范围内上下波动,而应变却急剧增长,这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限(ζs)。

当材料屈服时,如果用砂纸将试件表面打磨,会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。这是由于试件的45°斜截面上作用有最大切应力,这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的,故称为滑移线。

(3)强化阶段(ce段)

经过屈服阶段后,应力应变曲线呈现曲线上升趋势,这说明材料的抗变形能力又增强了,这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载,则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线(如d-d'斜线),其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时,变形并未完全消失,应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变,相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后,立即再加载,则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此,如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验,其比例极限或弹性极限将得到提高,这一现象称为冷作硬化。

在硬化阶段应力应变曲线存在一个最高点,该最高点对应的应力称为材料的强度极限(ζb),强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最大载荷Fb。

(4)局部变形阶段(ef段)

试样拉伸达到强度极限ζb之前,在标距范围内的变形是均匀的。当应力增

大至强度极限ζb之后,试样出现局部显著收缩,这一现象称为颈缩。颈缩出现

后,使试件继续变形所需载荷减小,故应力应变曲线呈现下降趋势,直至最后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处,断口形状呈杯状,这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。

(5)伸长率和断面收缩率

试样拉断后,由于保留了塑性变形,标距由原来的L变为L1。用百分比表示的比值

δ=(L1-L)/L*100%

称为伸长率。试样的塑性变形越大,δ也越大。因此,伸长率是衡量材料塑性的指标。

原始横截面面积为A的试样,拉断后缩颈处的最小横截面面积变为A1,用百分比表示的 比值

Ψ=(A-A1)/A*100%

称为断面收缩率。Ψ也是衡量材料塑性的指标。

所以,低碳钢拉伸破坏变形很大,断口缩颈后,端口有45度茬口,由于该方向上存在最大剪应力η造成的,属于剪切破坏力。

2.铸铁拉伸实验

铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅,锰,硫,磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便,成本低廉等优点,因而是应用最广泛的材

铸铁拉伸应力-应变曲线

铸铁拉伸破坏断口与正应力方向垂直说明由拉应力拉断的,属于拉伸破坏,正应力大于了许用值。

铸铁拉伸

二.压缩实验

1低碳钢压缩实验

低碳钢试样压缩时同样存在弹性极限、比例极限、屈服极限而且数值和拉伸所得的相应数值差不多,但是在屈服时却不象拉伸那样明显,需细心观察,材料在发生屈服时对应的载荷为屈服负荷FS。随着缓慢均匀加载,低碳钢受压变形增

大而不破裂,愈压愈扁。横截面增大时,其实际应力不随外载荷增加而增加,故不可能得到抗压负荷Fb,因此也得不到强度极限ζb,所以在实验中是以变形来

控制加载的。

低碳钢的压缩图(即ζ-ε曲线),超过屈服之后,低碳钢试样由原来的圆

柱形逐渐被压成鼓形。继续不断加压,试样将愈压愈扁,横截面面积不断增大,试样抗压能力也不断增大,故总不被破坏。所以,低碳钢不具有抗压强度极限(也可将它的抗压强度极限理解为无限大),低碳钢的压缩曲线也可证实这一点。灰铸铁在拉伸时是属于塑性很差的一种脆性材料,但在受压时,试件在达到最大载荷Pb前将会产生较大的塑性变形,最后被压成鼓形而断裂。

低碳钢压缩曲线

图2-9低碳钢压缩破坏图 图2-10铸铁压缩破坏图

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