低碳鋼和鑄鐵力學(xué)性能分析

1、題目：低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能分析學(xué)院：機械工程學(xué)院學(xué)號：xxxxxxxxxxx姓名：xxx專業(yè)班級：xxx指導(dǎo)老師：xxx 日期：2016年4月低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能分析作者：xxx作者單位： 山東理工大學(xué) 摘要：材料的力學(xué)性能是指在外力作用下所表現(xiàn)出的抵抗能力。由于載荷形式的不同，材料可表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，如強度、硬度、塑形、韌度、疲勞強度等。材料的力學(xué)性能是零件設(shè)計、材料選擇及工藝評定的主要依據(jù)。本文主要討論低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能在拉伸和壓縮情況下的影響。關(guān)鍵詞：低碳鋼、鑄鐵、拉伸、壓縮（一）材料微觀組成分析材料的微觀結(jié)構(gòu)幾乎決定了外在性能，所以要了解研究材料的性能必須深入研究材料的組成

2、成分。而研究材料的組成成分需要從下面這張鐵碳合金相圖說起。這張圖記錄了奧氏體在在不同溫度下的恒溫轉(zhuǎn)變時組成成份 A :奧氏體 F:鐵素體 P:珠光體 Fe3C:滲碳體 Ld：萊氏體和物質(zhì)狀態(tài) ：固相區(qū) L:液相區(qū) 的變化。低碳鋼是指碳含量低于0.3%的碳素鋼;鑄鐵是指碳含量在2.11%-6.69%的金屬，其中用于拉伸和壓縮試驗的鑄鐵為灰口鑄鐵，成分一般范圍為Wc=2.5%-4.0% Wsi=1.0%-2.2% Wmn=0.5%-1.3% Ws0.15% Wp0.3%。低碳鋼經(jīng)過奧氏體轉(zhuǎn)變的基體是鐵素體和珠光體，灰口鑄鐵的基體是珠光體二次滲碳體和萊氏體。鐵素體和工業(yè)純鐵相似，塑形韌性較好，強度硬

3、度較低。滲碳體是一種復(fù)雜的間隙化合物，硬度很高，但塑性和韌性幾乎為零，是鋼中的主要強化相。珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，常見的形態(tài)是兩者呈片層相間分布，片層越細(xì)強度越高。鑄鐵中的萊氏體是由珠光體和滲碳體組成的機械混合物，其中滲碳體較多，脆性大，硬度高，塑形很差。（二）拉伸試驗低碳鋼碳含量較低，請強度硬度低，塑形較好，拉伸實驗結(jié)果如圖可分為四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段和局部變形階段，對應(yīng)應(yīng)力大小分別為e、s、p,材料的變形程度逐漸變大。在彈性階段符合胡克定律應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即=E，E為彈性模量，這種變形成為彈性變形。a點到b點，與之間的關(guān)系不再是直線，但二者距離很近，不做區(qū)分

4、，b點對應(yīng)的應(yīng)力e是材料只出現(xiàn)彈性變形極限值，稱為彈性極限；在屈服階段，當(dāng)應(yīng)力超過b點增加到某一值時，應(yīng)變有明顯的增大，而應(yīng)力先是下降，然后作微小的波動，在圖中接近水平線的小鋸齒形折線，這種現(xiàn)象叫做屈服或流動。在屈服階段內(nèi)的最高應(yīng)力和最低應(yīng)力分別上屈服極限和下屈上屈服極限的值與試樣形狀、加載速度等因素有關(guān)，不穩(wěn)定。下屈服極限則比較穩(wěn)定，能反應(yīng)材料的性能，稱為屈服極限或屈服點，用s表示。在拉伸時在與桿線成45傾角的斜截面上切應(yīng)力最大，結(jié)果就是在磨光的試樣屈服時，表面將出現(xiàn)與軸線大致成45傾角的條紋，可見屈服現(xiàn)象的出現(xiàn)與最大切應(yīng)力有關(guān)，斷口處出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象。材料屈服表現(xiàn)為顯著的塑形變形，而某些

5、構(gòu)件的塑形變形將影響機器的正常工作，所以屈服極限s是衡量強度的重要指標(biāo)。度過屈服階段后，進(jìn)入強化階段，在此階段材料恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須加大拉力，這種現(xiàn)象叫做材料的強化。強化階段最高點e對應(yīng)應(yīng)力b是材料所能承受的最大拉力，稱為強度極限或抗拉強度。它是衡量材料強度的又一重要指標(biāo)。在此階段，試樣的橫向尺寸有明顯的縮小。接下來就是局部變形階段，過了e點后，在試樣的某一局部范圍內(nèi)，橫向尺寸突然急劇縮小，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。由于在頸縮部分橫截面面積急劇縮小，使試樣繼續(xù)拉長所需要的應(yīng)力也相應(yīng)減小，在圖中應(yīng)力降落到f點，試樣被拉斷。脆性材料的拉伸相對來說比較簡單。如圖一所示，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是一段

6、微彎曲線，沒有明顯的直線部分。在較小的拉應(yīng)力下就會被拉斷，沒有屈服和頸縮現(xiàn)象，拉斷前的應(yīng)變很小，伸長率也很小，斷口的形狀為平面。鑄鐵拉斷時的最大應(yīng)力即為其強度極限，由于沒有屈服現(xiàn)象b是衡量強度的唯一指標(biāo)。鑄鐵等脆性材料的抗拉強度很低，所以不宜做抗拉零部件的材料。鑄鐵經(jīng)過球化處理后成為球墨鑄鐵，力學(xué)性能有顯著變化，有較高的強度和較好的塑形。塑形材料的變形程度通?？梢杂蒙扉L率和斷面收縮率來衡量。對應(yīng)公式為=L1-LL100%(L1:試樣斷后長度 L:試樣原始長度)低碳鋼的伸長率平均值可以達(dá)到20%30%，說明其塑形良好。在工程中按的大小通常把5%的材料稱為塑形材料，如碳鋼、黃銅、鋁合金等；把5%的

7、材料稱為脆性材料，如鑄鐵、陶瓷、玻璃等。對于沒有明顯屈服階段的塑形材料，可經(jīng)將產(chǎn)生0.2%塑形應(yīng)變時的應(yīng)力作為屈服指標(biāo)，成為名義屈服極限或條件屈服極限，用0.2來表示。=A-A1A100%（A1:材料拉斷后頸縮處最小橫截面面積 A:材料原始橫截面面積）也是衡量材料塑形的指標(biāo)。（三）壓縮試驗低碳鋼壓縮時的E和s都與拉伸大致相同，如圖。進(jìn)入屈服階段后，試樣越壓越扁，橫截面積不斷增大，試樣抗壓能力繼續(xù)增強，因而得不到壓縮時的強度極限。由于可以從拉伸試驗測定低碳鋼壓縮時的主要性能，所以實用上不一定要進(jìn)行壓縮試驗。鑄鐵進(jìn)行壓縮試驗時，試樣在較小的變形下突然破壞。破壞斷面的法線與軸大致成4555的傾角，因為在此方向上其所受的切應(yīng)力最大，表明試樣沿斜截面因相對錯動而破壞。鑄鐵的抗壓強度極限比它的抗拉強度極限高45倍。其它脆性材料，如混凝土、石料等，抗壓強度極限也遠(yuǎn)高于抗拉強度極限。脆性材料抗拉強度低，塑形差，但抗壓能力強，價格低廉，宜作為抗壓構(gòu)件的材料。鑄鐵堅硬耐磨，易于澆筑成形狀復(fù)雜的零部件，廣泛用于鑄造機床床身、機座、缸體及軸承