低碳钢及拉力试验.docx
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低碳钢及拉力试验
1．低碳钢
低碳钢为塑性材料.开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。
相反地，图形逐渐向上弯曲。
这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。
从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。
因此，其强度极限一般是不能确定的。
我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。
2．铸铁：
铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限。
σbc＝Fbc/S
铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。
当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成45°的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征。
从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。
抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。
试验一金属材料的拉伸与压缩试验
1.1概述
拉伸实验是材料力学实验中最重要的实验之一。
任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏。
材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学机械性能。
通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能。
例如：
弹性模量E、比例极限Rp、上和下屈服强度ReH和ReL、强度极限Rm、延伸率A、收缩率Z。
除此而外，通过拉伸实验的结果，往往还可以大致判定某种其它机械性能，如硬度等。
我们以两种材料——低碳钢，铸铁做拉伸试验，以便对于塑性材料和脆性材料的力学机械性能进行比较。
这个实验是研究材料在静载和常温条件下的拉断过程。
利用电子万能材料试验机自动绘出的载荷——变形图，及试验前后试件的尺寸来确定其机械性能。
试件的形式和尺寸对实验的结果有很大影响，就是同一材料由于试件的计算长度不同，其延伸率变动的范围就很大。
例如：
对45#钢：
当L0＝10d0时（L0为试件计算长度，d0为直径），延伸率A10＝24~29%，当L0＝5d0时，A5＝23~25%。
为了能够准确的比较材料的性质，对拉伸试件的尺寸有一定的标准规定。
按国标GB/T228-2002、GB/P7314-1987的要求，拉伸试件一般采用下面两种形式：
图1.1
1.10倍试件；
圆形截面时，L0＝10d0矩形截面时，L0＝11.3
2.5倍试件
圆形截面时，L0＝5d矩形截面时,L0＝5.65
=
d0——试验前试件计算部分的直径；
S0——试验前试件计算部分断面面积。
此外，试件的表面要求一定的光洁度。
光洁度对屈服点有影响。
因此，试件表面不应有刻痕、切口、翘曲及淬火裂纹痕迹等。
1.2拉伸实验
一、实验目的：
1．研究低碳钢、铸铁的应力——应变曲线拉伸图。
2．确定低碳钢在拉伸时的机械性能（比例极限Rp、下屈服强度ReL、强度极限Rm、延伸率A、断面收缩率Z等等）。
3.确定铸铁在拉伸时的力学机械性能。
二、实验原理：
拉伸实验是测定材料力学性能最基本的实验之一。
在单向拉伸时F—ΔL（力——变形）曲线的形式代表了不同材料的力学性能，利用：
可得到σ—ε曲线关系。
三、实验所用的设备、仪器和工具
1、Zwick电子万能材料试验机一台
2、游标卡尺一支
3、记号笔一支
4、低碳钢、铸铁试件各一个
四、实验步骤：
1．量度试件尺寸：
1）量度直径d0。
对于圆试件，在计算长度的两端及中部三处用卡尺测量，每一处都要在两个互相垂直的方向上量出直径，取其直径最小值，测量精度到±0.1mm。
2）确定计算长度L0。
在试件中间等粗的细长部分内，量取计算长度L0（按10倍或5倍试件确定）。
然后用刻线机（记号笔等）把计算长度L0分成若干等分（通常是以5mm或10mm为一等分）。
以便当试件断裂不在中间时进行换算，从而求得比较正确的延伸率。
但刻线时，应尽量轻微。
建议使用下列表格表1.3。
表1.3拉伸试件原始尺寸数据记录
材料
标距L0
（mm）
直径d0（mm）
横截面
面积S0（mm）
截面I
截面II
截面III
1
2
平均
1
2
平均
1
2
平均
低碳钢
铸铁
以拉伸试验为例，电子万能试验机的主要操作步骤如下：
1）打开主机电源
2）静候数秒，以待机器系统检测
3）打开TestXpert测试软件，选取相应测试程序（或直接在电脑桌面上双击程序图标）
4）按主机“ON”按钮，以使主机与程序相连
5）顺利后，点击“LE”图标以使夹具恢复到设定值
6）用游标卡尺测量试样尺寸，并输入
7）摆放试样于试样台，用夹具夹持试样一端
8）点击“清零”图标，使力值清零
9）用夹具夹持试样另一端
10）点击“Start”图标，开始测试
11）弹出试样尺寸确认框，输入试样尺寸，点击“OK”
12）测试终止后，取出试样
13）按“LE”按钮，使横梁自动恢复到初始位置，程序自动计算测试结果并作出图表
14）将断裂后试样尺寸输入
15）点击“PrintProtocol”图标，打印测试报告
16）保存测试结果文件，另存为*.zse格式的文件
17）退出程序
18）关闭主机电源，清理工作台
4．试验注意事项：
随时注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和应力——应变曲线的变化情况。
1）当试件拉伸过程中，当应力——应变曲线出现平台时载荷即到达屈服阶段，在试件表面可能出现契尔诺夫滑移线。
2）过了屈服阶段后，观察冷作硬化现象。
3）当载荷到达最大值（Fm）时，曲线开始回落下降，密切注意试件形状的变化，此时可看到颈缩现象。
4）试件拉断后，立即停机存盘。
打印出所得的拉伸图，取下试件并量度此时的断后标距长度Lu（如果试件是断在计算长度之外的作废）和颈缩处的最小直径du。
量度时将试件的两半接在一起，使其尽量紧贴。
5．试验结果整理和计算：
1）对拉伸曲线的修正。
拉伸曲线得到后，往往在开始处形成如图3.3中所示的不规则的曲线。
这是由于试验开始时，握紧器、夹具和试件之间尚未紧密相接。
并非完全由于试件变形所致。
因此对此曲线要进行修正，即将拉伸图直线部分往下延长，它与横座标相交，交点即为原点
2）根据拉伸图的比例，找出相应的ReL，Rm。
并求出：
下屈服点ReL＝
强度极限Rm＝
3）计算延伸率：
A＝
100%
试件拉断后的残余变形在整个长度的分布是非均匀的。
在颈缩部分大，而非颈缩部分残余变形小一些（见图3.4）。
由此看出，断在中间时，试件残余变形最大，延伸率也最大。
为了对同一种材料只得出一个相对稳定的值，不因断裂的位置而异，可以将试验所得到的残余变形换算成相当于试件在中间断裂时的“标准数值”此方法叫“断处移中法”（见图3.5）。
例如在图3.5中，其延伸率应换算为
A＝
100%
其中：
m及n的小格数目依具体情况而选定。
4）断面收缩率：
Z＝
100%
Su——颈缩处的最小面积。
5）拉断时颈缩处的实际应力：
R
m＝
1.3压缩试验
一、试验目的
研究和比较塑性材料与脆性材料在室温下单向压缩时的力学性能。
二、压缩试件与试验所用机器、仪器和工具：
1、压缩试件
取两种不同材料的试件——低碳钢和铸铁。
金属试件一般采用圆柱形，其高与直径之比应为l＜L0/d0＜2。
其它材料的试件一般都采用立方体。
2、试验所用机器、仪器和工具：
与拉伸试验相同，采用压缩夹具。
三、试件步骤：
1、量试件尺寸（长、宽、高、直径）。
2、把试件放在试验机上。
3、开机动器，进行试验，一直到试件破坏。
4、卸去载荷，取出破坏的试件。
5、打印出实验报告。
四、实验注意事项：
1、低碳钢不能压到破坏，压到45kN时即停止试验。
2、为了能很好地观察铸铁的破坏裂纹，在试验中，一但发现载荷值上升缓慢时，需及时停止加载。
五、试验结果的整理和计算
1．低碳钢：
低碳钢为塑性材料，其压缩图见图3.9，开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。
相反地，图形逐渐向上弯曲。
这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。
从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。
因此，其强度极限一般是不能确定的。
我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。
σsc＝
图3.9低碳钢压缩图3.10铸铁压缩
2．铸铁：
铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限（见图3.11）。
σbc＝
铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。
当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成45°的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征。
从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。
抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。
1.4电子万能材料试验机简介
电子万能材料试验机简称电子万能试验机，是材料力学性能测试的专用设备，主要用于材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能试验。
电子万能试验机是机械技术、传感器技术、电子（计算机）测量、控制及数据处理技术结合的新型试验机。
与以往的机械式和液压式试验机相比，近年来生产的电子万能试验机最突出的特点是利用计算机控制试验过程，并完成测量数据的自动采集和处理。
不同厂家生产的电子万能试验机虽然在结构形式、操作界面、使用功能及技术性能上存在差异，但基本结构和工作原理是类似的，一般都包括机械加载架、试样夹持装置、测量系统、动力系统、传动系统、控制系统、计算机系统等基本工作单元。
常见电子万能试验机按照最大载荷划分为10kN、20kN、50kN、100kN、200kN、250kN等不同的规格，下面以国产CMT5105型100kN电子万能试验机为例做一简要介绍。
图3.13电子万能材料试验机
一、电子万能材料试验机的结构与工作原理
图3.13是Zwick电子万能试验机的照片，图3.14是电子万能试验机的结构及工作原理示意图。
电子万能试验机的机械加载架一般为“门式”结构，有单空间和双空间两种形式，由立柱、滚珠丝杠、上横梁、下横梁、移动横梁构成。
单空间是指试验机的拉伸和压缩共用同一个加载空间，而双空间是指试验机设有拉伸和压缩两个加载空间。
单空间试验机在拉伸试验转换为压缩试验或由压缩试验转换为拉伸试验时，需要更换夹具，而双空间试验机不存在这个问题，因此使用比较方便。
Zwick型试验机是单空间式的。
在拉伸时安装有拉伸夹具，在压缩时安装有压缩夹具和弯曲夹具。
测力传感器、引伸计、光电编码器、数据采集电路（与控制系统集成在一起）组成测量系统，测力传感器用于测量试验载荷，引伸计用于测量试样的变形，光电编码器用于测量横梁移动的位移。
各个测量信号均经过数据采集电路送入计算机储存、处理和显示。
伺服电机的输出功率经减速器、同步齿形带传递给滚珠丝杠，然后滚珠丝杠带动移动横梁升降将试验载荷施加到试样上。
伺服控制器与伺服电机和光电编码器组成闭环控制系统，控制移动横梁的运动。
伺服控制器向上经过控制电路与计算机联系，最终由计算机实现对可移动横梁的运动进行控制，包括位置、速度等。
由于电子万能试验机采用了闭环控制，加载过程和数据采集都是在计算机的控制下完成的，因此可以选择不同的参数控制方式进行试验。
参数控制方式是指以应力（或载荷）、位移、应变等诸试验参数中的某一个作为加载控制因素。
例如，“位移控制”就是设定横梁的运动速度（通常是恒定速率），让试验机按照设定的横梁速度和方向对试样进行加载。
三、电子万能试验机的使用注意事项：
1、由于电气参数初始化的原因，开机、关机时要注意顺序，开机顺序为主机－计算机－打印机，关机顺序为试验机－打印机－计算机。
2、安装试样前要注意将横梁限位调整好，以防止损坏机器。
1.5思考题：
1、试述低碳钢拉伸过程的四个阶段的力学特性。
2、名义应力——应变曲线的定义是什么？
如何得到真实的应力——应变曲线？
3、当有契尔诺夫滑移线出现时，利用力学概念解释此现象。
4、比较低碳钢与铸铁拉伸破坏时的端口形状有什么不同，为什么？
5、讨论环境条件（温度、加载速率、受力状态）对屈服强度有何影响？
6、低碳钢为什么得不到抗压极限强度？
7、对铸铁受压破坏的端口进行力学受力分析。
第四章轴向拉伸与压缩
4．4材料拉伸和压缩时的力学性能
材料的力学性能MaterialProperties——材料在外力作用下，其强度和变形方面所表现出来的性能（也称机械性能）。
通过试验揭示材料在受力过程中所表现出的与试件几何尺寸无关的材料本身特性。
如变形特性，破坏特性等。
研究材料的力学性能的目的是确定在变形和破坏情况下的一些重要性能指标，以作为选用材料，计算构件强度、刚度的依据。
塑性材料DuctileMaterials:
低碳钢等
脆性材料BrittleMaterials:
铸铁等
本节主要介绍低碳钢和铸铁在常温（指室温）、静载（指加载速度缓慢平稳）下的力学性能。
4．4．1低碳钢拉伸时的力学性能
1.试件和设备
标准试件:
圆截面试件，标距L与直径d的比例分为，L=10d，L=5d；
试验设备:
拉力机简图实验
2.低碳钢拉伸时的力学性能
低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，如A3钢、16Mn钢。
拉伸试验（TheTensileTest）：
绘出 F-△L曲线（载荷——变形）
由于F-△L曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，常采用应力应变曲线，即σ-ε曲线来代替F-△L曲线。
σ-ε曲线（Stress-StrainDiagram）：
低碳钢试件拉伸时的σ-ε曲线
1．弹性阶段比例极限σp
Elasticdeformation
oa段：
在拉伸的初始阶段应力σ与应变ε为直线关系直至a点，
此时a点所对应的应力值称为比例极限，用σp表示。
虎克定律Hooke’sLaw:
当σ<σp，有
它表示应力与应变成正比，即有
E为弹性模量ModulusofElasticity
aa′段，已不再是直线，说明材料已不符合虎克定律。
但在aa′段内卸载，变形也随之消失，说明aa′段也发生弹性变形，
oa′段称为弹性阶段。
a′点所对应的应力值记作σe——弹性极限elasticlimit
弹性极限与比例极限非常接近，近似地用比例极限代替弹性极限。
2．屈服yield阶段屈服点σs（屈服极限）
bc段：
屈服——应力超过弹性极限后继续加载，会出现一种现象，即应力增加很少或不增加，应变会很快增加，这种现象称之。
屈服极限——开始发生屈服的点所对应的应力，又称屈服强度yieldstress。
在屈服阶段应力不变而应变不断增加，材料似乎失去了抵抗变形的能力，因此产生了显著的塑性变形。
——此时若卸载，应变不会完全消失，而存在残余变形，也称塑性变形。
所以σs是衡量材料强度的重要指标。
3．强化strainhardening阶段抗拉强度σb
cd段：
越过屈服阶段后，如要让试件继续变形，必须继续加载，材料似乎强化了，cd段即强化阶段。
强度极限——应变强化阶段的最高点（d点）所对应的应力。
它表示材料所能承受的最大应力。
过d点后，即应力达到强度极限后，试件局部发生剧烈收缩的现象，称为颈缩necking，进而试件内部出现裂纹，名义应力下跌，至e点试件断裂rupture。
变形过程：
弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段
重要指标：
比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限
5．塑性指标
试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。
工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。
（1）伸长率
（2）断面收缩率
式中，L1为试件拉断后的标距，L是原标距；A1为试件断口处的最小横截面面积，A为原横截面面积。
显然δ、ψ值越大，其塑性越好。
δ≥5％的材料称为塑性材料，如钢材、铜、铝等；
δ<5％的材料称为脆性材料，如铸铁、混凝土、石料等。
4．4．2低碳钢压缩时的力学性能
认为低碳钢的抗拉性能与抗压性能是相同的。
屈服阶段以后，试件会越压越扁，先是压成鼓形，最后变成饼状，故得不到压缩时的抗压强度。
4．4．3其他塑性材料拉伸时的力学性能
对于没有明显屈服阶段的塑性材料，常用其产生0.2%塑性应变所对应的应力值作为名义屈服点，称为屈服强度，用σ0.2表示。
4．4．4铸铁拉（压）时的力学性能
铸铁拉伸
1．抗拉强度σb
实验演示
曲线没有明显的直线部分和屈服阶段，无缩颈现象而发生断裂破坏，塑性变形很小。
把断裂时曲线最高点所对应的应力值记作σb，称为抗拉强度。
铸铁的抗拉强度较低。
由于铸铁总是在较小的应力下工作，且变形很小，故可近似地认为符合虎克定律。
通常在σ-ε曲线上用割线oa近似地代替曲线oa，并以割线oa的斜率作为弹性模量E。
2．抗压强度σby
实验演示
曲线没有明显的直线部分，在应力较小时，可以近似地认为符合虎克定律。
曲线没有屈服阶段，变形很小时沿与轴线大约成45°的斜截面发生破裂破坏。
把曲线最高点的应力值称为抗压强度，用σby表示。
与拉伸时的曲线（虚线）比较可见，铸铁材料的抗压强度约是抗拉强度的4～5倍。
其抗压性能远好于抗拉性能，反映了脆性材料共有的属性。
因此，工程中铸铁等脆性材料常用作受压构件，而不用作受拉构件。
常用工程材料的力学性能见表。
4．5拉（压）杆的强度计算
4．5．1许用应力和安全系数
任何工程材料能承受的应力都是有限度的。
极限应力——材料丧失正常工作能力时的应力。
塑性材料：
当应力达到屈服点后，将发生明显的塑性变形，从而影响构件安全正常地工作，所以塑性变形是塑性材料破坏的标志。
极限应力:
屈服强度σs（或屈服强度σ0.2）
脆性材料:
没有明显的塑性变形，断裂是脆性材料破坏的标志。
极限应力:
抗拉强度σb和抗压强度σby
构件的工作应力必须小于材料的极限应力。
许用应力[σ]——构件安全工作时，材料允许承受的最大应力。
许用应力等于极限应力除以大于l的系数n
塑性材料的安全系数取1.2～2.5，脆性材料的安全系数取2.0～3.5。
4．5．2强度计算
强度条件——最大工作应力不超过材料的许用应力。
强度计算——应用强度条件式计算
（1）校核强度
已知外力F、横截面积A和许用应力[σ]，计算出最大工作应力，检验是否满足强度条件，从而判断构件是否能够安全可靠地工作。
（2）设计截面
已知外力F、许用应力[σ]，由A≥FN／[σ]计算出截面面积A，然后根据工程要求的截面形状，设计出构件的截面尺寸。
（3）确定许可载荷
已知构件的截面面积A、许用应力[σ]，由FNmax≤A[σ]计算出构件所能承受的最大内力FNmax，再根据内力与外力的关系，确定出构件允许的许可载荷值[F]。
工程实际中，进行构件的强度计算时，根据有关设计规范，最大工作应力若大于许用应力，但只要不超过许用应力的5%也是允许的。
例4-2某铣床工作台进给油缸如图所示，缸内工作油压p＝2MPa，油缸内径D＝75mm，活塞杆直径d＝18mm，已知活塞杆材料的许用应力[σ]＝50MPa，试校核活塞杆的强度。
解
（1）求活塞杆的轴力
（2）按强度条件校核
σ<[σ]
活塞杆的强度足够
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