低碳鋼和鑄鐵在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能

1、低碳鋼和鑄鐵在拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能根據(jù)材料在常溫，靜荷載下拉伸試驗(yàn)所得的伸長(zhǎng)率大小，將材料區(qū)分為 塑性材料和脆性材料。它是由試驗(yàn)來(lái)測(cè)定的。工程上常用的材料品種很多， 下面我們以低碳鋼和鑄鐵為主要代表，分析材料拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能。1. 低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)在拉伸實(shí)驗(yàn)中，隨著載荷的逐漸增大，材料呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能：（1）彈性階段在拉伸的初始階段，0 - £曲線為一直線，說(shuō)明應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即滿足 胡克定理，此階段稱(chēng)為線形階段。線性段的最高點(diǎn)則稱(chēng)為材料的比例極限 p）,線性段的直線斜率即為材料的彈性摸量 E。線性階段后，0 - £曲線不為 直線，應(yīng)力應(yīng)變不再成正比，但若在整個(gè)

2、彈性階段卸載，應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)沿 原曲線返回，載荷卸到零時(shí)，變形也完全消失。卸載后變形能完全消失的應(yīng) 力最大點(diǎn)稱(chēng)為材料的彈性極限（0 e）, 一般對(duì)于鋼等許多材料，其彈性極限 與比例極限非常接近。（ 2）屈服階段超過(guò)彈性階段后，應(yīng)力幾乎不變，只是在某一微小范圍內(nèi)上下波動(dòng)，而應(yīng)變 卻急劇增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象成為屈服。使材料發(fā)生屈服的應(yīng)力稱(chēng)為屈服應(yīng)力或屈 服極限（0 s ） 。當(dāng)材料屈服時(shí)，如果用砂紙將試件表面打磨，會(huì)發(fā)現(xiàn)試件表 面呈現(xiàn)出與軸線成 45°斜紋。這是由于試件的 45°斜截面上作用有最大切應(yīng)力，這些斜紋是由于材料沿最大切應(yīng)力作用面產(chǎn)生滑移所造成的，故稱(chēng)為 滑移線。（3）強(qiáng)化

3、階段經(jīng)過(guò)屈服階段后，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)曲線上升趨勢(shì)，這說(shuō)明材料的抗變形能 力又增強(qiáng)了，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變硬化。若在此階段卸載，則卸載過(guò)程的應(yīng)力 應(yīng)變曲線為一條斜線，其斜率與比例階段的直線段斜率大致相等。當(dāng)載荷卸 載到零時(shí)，變形并未完全消失，應(yīng)力減小至零時(shí)殘留的應(yīng)變稱(chēng)為塑性應(yīng)變或 殘余應(yīng)變，相應(yīng)地應(yīng)力減小至零時(shí)消失的應(yīng)變稱(chēng)為彈性應(yīng)變。卸載完之后， 立即再加載，則加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本上沿卸載時(shí)的直線變化。因此， 如果將卸載后已有塑性變形的試樣重新進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)， 其比例極限或彈性極 限將得到提高，這一現(xiàn)象稱(chēng)為冷作硬化。在硬化階段應(yīng)力應(yīng)變曲線存在一個(gè)最高點(diǎn)， 該最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為材料的 強(qiáng)度極限（c

4、 b）,強(qiáng)度極限所對(duì)應(yīng)的載荷為試件所能承受的最大載荷Fb。（ 4 ）局部變形階段試樣拉伸達(dá)到強(qiáng)度極限。b之前，在標(biāo)距范圍內(nèi)的變形是均勻的。當(dāng)應(yīng)力增 大至強(qiáng)度極限c b之后，試樣出現(xiàn)局部顯著收縮，這一現(xiàn)象稱(chēng)為頸縮。頸縮 出現(xiàn)后,使試件繼續(xù)變形所需載荷減小,故應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì),直 至最后在 f 點(diǎn)斷裂。試樣的斷裂位置處于頸縮處,斷口形狀呈杯狀,這說(shuō)明 引起試樣破壞的原因不僅有拉應(yīng)力還有切應(yīng)力。（ 5）伸長(zhǎng)率和斷面收縮率試樣拉斷后，由于保留了塑性變形，標(biāo)距由原來(lái)的L變?yōu)長(zhǎng)1。用百分比表示的比值5 = ( L1-L) /L*100%稱(chēng)為伸長(zhǎng)率。試樣的塑性變形越大，3也越大。因此，伸長(zhǎng)率是衡量材

5、料塑 性的指標(biāo)。原始橫截面面積為A的試樣，拉斷后縮頸處的最小橫截面面積變?yōu)?A1,用百 分比表示的 比值=(A-A1) /A*100%稱(chēng)為斷面收縮率。也是衡量材料塑性的指標(biāo)。所以，低碳鋼拉伸破壞變形很大，斷口縮頸后，端口有 45度茬口，由于該方向上存在最大剪應(yīng)力T造成的，屬于剪切破壞力。2. 鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn)鑄鐵是含碳量大于 %并含有較多硅 ,錳, 硫,磷等元素的多元鐵基合金。 鑄鐵具 有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用最廣泛的材料 之一。鑄鐵在拉伸時(shí)的力學(xué)性能明顯不同于低碳鋼，鑄鐵從開(kāi)始受力直至斷 裂，變形始終很小，既不存在屈服階段，也無(wú)頸縮現(xiàn)象。斷口垂直于試樣軸 線，這說(shuō)明引起試樣破壞的原因。鑄鐵拉伸破壞斷口與正應(yīng)力方向垂直說(shuō)明由拉應(yīng)力拉斷的，屬于拉伸破壞，正應(yīng)力大于了許用值。三、低碳鋼和鑄鐵在拉伸和壓縮時(shí)力學(xué)性質(zhì)的異同點(diǎn)綜述在工程建設(shè)中，低碳鋼是典型的塑性材料，鑄鐵是典型的脆性材料。塑性材料和脆性材料在力學(xué)性能上的主要特征是：塑性材料在斷裂前的變形較大，塑性指標(biāo)（斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率）較高，抗拉能力較好，其常用 的強(qiáng)度指標(biāo)是屈服強(qiáng)度，一般地說(shuō)，在拉伸和壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度相同：脆性 材料在