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1、低碳鋼、鑄鐵拉伸試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋驹囼?yàn)以低碳鋼和鑄鐵為代表,了解塑性材料在簡(jiǎn)單拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)。它是力學(xué)性能試驗(yàn)中最基本最常用的一個(gè)。一般工廠及工程建設(shè)單位都廣泛利用該實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)材料的機(jī)械性能。試驗(yàn)提供的 E,ReRm,A 和 Z 等指標(biāo),是評(píng)定材質(zhì)和進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算的重要依據(jù)。本試驗(yàn)具體要求為:1 .了解材料拉伸時(shí)力與變形的關(guān)系,觀察試件破壞現(xiàn)象。2 .測(cè)定強(qiáng)度數(shù)據(jù),如屈服點(diǎn) ReL,抗拉強(qiáng)度 Rm。3 .測(cè)定塑性材料的塑性指標(biāo):拉伸時(shí)的伸長(zhǎng)率 A,截面收縮率 Z。4 .比較塑性材料與脆性材料在拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)。二、實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),外力必須通過(guò)試樣軸線,以確保材料處于單向應(yīng)力狀態(tài)

2、。一般試驗(yàn)機(jī)都設(shè)有自動(dòng)繪圖裝置,用以記錄試樣的拉伸圖即 F-AL 曲線,形象地體現(xiàn)了材料變形特點(diǎn)以及各階段受力和變形的關(guān)系。但是 F-AL 曲線的定量關(guān)系不僅取決于材質(zhì)而且受試樣幾何尺寸的影響。因此,拉伸圖往往用名義應(yīng)力、應(yīng)變曲線(即 R-e 曲線)來(lái)表示:FR=試樣的名義應(yīng)力SoL,名=試樣的名義應(yīng)變L0So 和 Lo 分別代表初始條件下的面積和標(biāo)距。R-曲線與 F-AL 曲線相似,但消除了幾何尺寸的影響。因此,能代表材料的屬性。單向拉伸條件下的一些材料的機(jī)械性能指標(biāo)就是在 R-e 曲線上定義的。 如果試驗(yàn)?zāi)芴峁┮粭l精確的拉伸圖, 那么單向拉伸條件下的主要力學(xué)性能指標(biāo)就可精確地測(cè)定。不同性質(zhì)

3、的材料拉伸過(guò)程也不同,其 R-e 曲線會(huì)存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是性質(zhì)截然不同的兩種典型材料,它們的拉伸曲線在工程材料中十分典型,掌握它們的拉伸過(guò)程和破壞特點(diǎn)有助于正確、合理地認(rèn)識(shí)和選用材料。低碳鋼具有良好的塑性,由 R-e 曲線(圖 1-1)可以看出,低碳鋼斷裂前明顯地分成四個(gè)階段:彈性階段(OA):試件的變形是彈性的。在這個(gè)范圍內(nèi)卸載,試樣仍恢復(fù)原來(lái)的尺寸,沒有任何殘余變形。習(xí)慣上認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律,其應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檎汝P(guān)系,即R=EW(1-1)比例系數(shù) E 代表直線 OA 的斜率,稱作材料的彈性模量。屈服(流動(dòng))階段(BC):R-e 曲線上出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)。這表明材料暫時(shí)喪

4、失抵抗繼續(xù)變形的能力。這時(shí),應(yīng)力基本上不變化,而變形快速增長(zhǎng)。通常把下屈服點(diǎn)(B)作為材料屈服極限 ReL。ReL是材料開始進(jìn)入塑性的標(biāo)志。結(jié)構(gòu)、零件的應(yīng)力一旦超過(guò) ReL,材料就會(huì)屈服,零件就會(huì)因?yàn)檫^(guò)量變形而失效。因此強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)常以屈服極限 ReL作為確定許可應(yīng)力的基礎(chǔ)。從屈服階段開始,材料的變形包含彈性和塑性兩部分。如果試樣表面光滑,材料雜質(zhì)含量少,可以清楚地看到表面有 45。方向的滑移線。圖 1-1 試件拉伸圖強(qiáng)化階段(CD):屈服階段結(jié)束后,R-e 曲線又開始上升,材料恢復(fù)了對(duì)繼續(xù)變形的抵抗能力,載荷就必須不斷增長(zhǎng)。如果在這一階段卸載,彈性變形將隨之消失,而塑性變形將永遠(yuǎn)保留下來(lái)。強(qiáng)化

5、階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載,加載線仍與彈性階段平行,但重新加載后,材料的彈性階段加長(zhǎng)、屈服強(qiáng)度明顯提高,而塑性卻相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象稱作為形變強(qiáng)化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質(zhì)之一。塑性變形和形變強(qiáng)化二者聯(lián)合,是強(qiáng)化金屬材料的重要手段。例如噴丸,擠壓,冷撥等工藝,就是利用材料的冷作硬化來(lái)提高材料強(qiáng)度的。強(qiáng)化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形的增長(zhǎng),試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。D 點(diǎn)是 R-曲線的最高點(diǎn),定義為材料的強(qiáng)度極限又稱作材料的抗拉強(qiáng)度記作 Rm。對(duì)低碳鋼來(lái)說(shuō) Rm是材料均勻塑性變形的最大抗力,是材料進(jìn)入頸縮階段的標(biāo)志。頸縮階段(DE):應(yīng)力達(dá)到

6、強(qiáng)度極限后,塑性變形開始在局部進(jìn)行。局部截面急劇收縮,承載面積迅速減少,試樣承受的載荷很快下降,直到斷裂。斷裂時(shí),試樣的彈性變形消失,塑性變形則遺留在破斷的試樣上。材料的塑性通常用試樣斷裂后的殘余變形來(lái)衡量,單拉時(shí)的塑性指標(biāo)用斷后伸長(zhǎng)率 A 和斷面收縮率 Z 來(lái)表示。即A=Lu-Lo100%LoSo-SuZ=M100%(1-2)SoLu,Su分別代表試樣拉斷后的標(biāo)距和斷口的面積。低碳鋼頸縮部分的變形在總變形中占很大比重如圖 1-2 所示。測(cè)試斷后伸長(zhǎng)率時(shí),頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都應(yīng)包含在 Lu之內(nèi)。這就要求斷口位置應(yīng)在標(biāo)距的中央附近。若斷口落在標(biāo)距之外則試驗(yàn)無(wú)效。工程上通常認(rèn)為,材料的斷

7、后伸長(zhǎng)率 A5%屬于韌斷,A5%則屬于脆斷。韌斷的特征是斷裂前有較大的宏觀塑性變形,斷口形貌是暗灰色纖維狀組織。低碳鋼斷裂時(shí)有很大的塑性變形,斷口為杯狀周邊為 45。的剪切唇,斷口組織為暗灰色纖維狀,因此是一種典型的韌狀斷口。鑄鐵是典型的脆性材料,其拉伸曲線如圖 1-1(c)所示。其拉伸過(guò)程較低碳鋼簡(jiǎn)單,可近似認(rèn)為是經(jīng)彈性階段直接過(guò)渡到斷裂。其破壞斷口沿橫截面方向,說(shuō)明鑄鐵的斷裂是由拉應(yīng)力引起,其強(qiáng)度指標(biāo)只有 Rm。由拉伸曲線可見,鑄鐵斷后伸長(zhǎng)率甚小,所以鑄鐵常在沒有任何預(yù)兆的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類材料若使用不當(dāng),極易發(fā)生事故。鑄鐵斷口與正應(yīng)力方向垂直,斷面平齊為閃光的結(jié)晶狀組織,是典型

8、的脆狀斷口。多數(shù)工程材料的拉伸曲線介于低碳鋼和鑄鐵之間,常常只有兩個(gè)或三個(gè)階段如圖 1-3。但強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的定義和測(cè)試方法基本相同。所以,通過(guò)拉伸破壞試驗(yàn),分析比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸過(guò)程,確定其機(jī)械性能,在機(jī)械性能試驗(yàn)研究中具有典型意義。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 .萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。2 .0.02mm 游標(biāo)卡尺。四、試樣的制備試樣制備是試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。定。通常拉伸試樣有比例試件和定標(biāo)準(zhǔn)試件兩種。一般拉伸試樣由三部分組成,即工作部分,過(guò)渡部分和夾持部分(圖 1-4)。工作部分必須保持光滑均勻以確保材料表面的單向應(yīng)力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長(zhǎng)度 Lo稱做標(biāo)距。do、So分別代表工作部分的直徑和面積。過(guò)渡部分

9、必須有適當(dāng)?shù)呐_(tái)肩和圓角,以降低應(yīng)力集中,保持該處不會(huì)斷裂。試樣兩端的夾持部分用以傳遞載荷,其形狀尺寸應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)的鉗口LoL圖 1-4 圓形截面拉伸試件前已述及,頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形在斷后伸長(zhǎng)率中占很大的比重。雖然,同種材料的斷后伸長(zhǎng)率不僅取決于材質(zhì),而且還取決于試樣的標(biāo)距。試樣愈短、局部變形所占比例愈大,A 也就愈大。為了便于相互比較,試樣的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化。按照規(guī)定,測(cè)試斷后伸長(zhǎng)率應(yīng)當(dāng)采用比例試樣。比例試樣的長(zhǎng)度有兩種規(guī)定:10 倍直徑圓試樣:國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試驗(yàn)試樣GB6397-86 對(duì)此有詳細(xì)規(guī)相匹配。R0.8do圖 1-2 頸縮試樣各分格的伸長(zhǎng)沙率伸延m下量長(zhǎng)伸OOOOOOOOO

10、OOOOOOO8765432187654321不同類型材料的拉伸圖(b)5 倍直徑圓試樣:按照上述比例,板試樣也分長(zhǎng)、短兩種:強(qiáng)度極限So屈服載荷 FeL取屈服平臺(tái)的下限值。Fm取 F-AL 曲線的最大載荷。鑄鐵不存在屈服階段故只記 Rm。2 .塑性指標(biāo)的計(jì)算斷后伸長(zhǎng)率A=LuT。100%Lo斷面收縮率Z=So-Su1oo%So將自動(dòng)繪圖器繪出的圖形用光滑曲線聯(lián)結(jié),并延長(zhǎng)直線部分使之交于坐標(biāo)原點(diǎn)。修正后繪在方格紙上,并注明比例尺,即方格上每一厘米代表若干載荷和伸長(zhǎng)。繪出低碳鋼和鑄鐵試件試驗(yàn)前后的形狀圖形。最后,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,比較并說(shuō)明兩種材料機(jī)械性質(zhì)的特點(diǎn)。3 .斷口移中法從破壞后的低碳鋼試件

11、及圖 1-2 上可以看到,各處的殘余變形不是均勻分布的,愈近斷口(頸縮)處伸長(zhǎng)愈多。因此測(cè)得 Lu的數(shù)值與斷口的部位有關(guān)。若試件斷口不在標(biāo)距中間三分之一范圍內(nèi),應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用斷口移中的辦法,計(jì)算 Lu長(zhǎng)度。試驗(yàn)前要在試件標(biāo)距內(nèi)等分劃十個(gè)格子。試驗(yàn)后,將試件對(duì)接在一起,從斷口為起點(diǎn) O,在長(zhǎng)段上取基本等于短段的格數(shù)得 B 點(diǎn)。計(jì)算 Lu方法如下:(1)當(dāng)長(zhǎng)段所余格數(shù)為偶數(shù)時(shí),如圖 1-5(a)所示,則量取長(zhǎng)段所余格數(shù)之一半,得 c 點(diǎn),將 BC段長(zhǎng)度稱到試件左端,則移后的 Lu為長(zhǎng)試樣:L。=11.3,So短試樣:Lo=5.65,So用 10 倍直徑試樣測(cè)定的斷后伸長(zhǎng)率記做A5國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦使用短比例試樣。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理1.強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算AM用 5 倍直徑試樣測(cè)定的斷后伸長(zhǎng)率記做屈服極限eLeLSoFmLuAOOB2BC圖 1-5(a)拉伸試件斷口移中(2)當(dāng)在長(zhǎng)段上所余格為奇數(shù)時(shí),如圖 1-5(b)所示,則在長(zhǎng)段上所余格數(shù)減半,得 C 點(diǎn),再由 C點(diǎn)向后移一格得 C1點(diǎn)。則移位后的標(biāo)距Lu為:L1=AOOBBCBCi圖 1-5(b)拉伸試件斷口移中當(dāng)斷口非常靠近試件兩端,而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時(shí),一般認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效,需要重新試驗(yàn)。(附)試驗(yàn)數(shù)據(jù)A.試樣原始尺寸

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