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

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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：

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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，σ-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（σp），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后，σ-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（σe），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（σs）。

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（σb），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σb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σb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

2

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τ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料之一。铸铁在拉伸时的力学性能明显不同于低碳钢，铸铁从开始受力直至断裂，变形始终很小，既不存在屈服阶段，也无颈缩现象。断口垂直于试样轴线，这说明引起试样破坏的原因是最大拉应力。 l＇f

l\f1gh断口移中图 i 图 3??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σb，所以在实验中是以变形来控制加载的。

低碳钢的压缩图（即σ-ε曲线），超过屈服之后，低碳钢试样由原来的圆

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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

弹性模量、比例极限和屈服极限与拉伸时基本相同。屈服阶段后，试样越压越扁，所以没有压缩，呈腰鼓形塑性变形，由此可见，韧性材料的抗剪切强度小于抗拉伸强度。

2.铸铁压缩实验

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灰铸铁试样的断裂有两特点：一是断口为斜断口，如图2—10所示。二是按Pb/A0求得的σb远比拉伸时为高，大致是拉伸的3—4倍。为什么象铸铁这种脆性材料的抗拉与抗压能力相差这么大呢？这主要与材料本身情况（内因）和受力状态（外因）有关。铸铁试件压缩时，在达到抗压负荷Fb前出现较明显的变形然后破裂，铸铁试件最后会略呈鼓形，断口的方位角约为55°~60°，断裂面与试件轴线大约呈45o。铸铁压缩后沿斜截面断裂，其主要原因是由剪应力引起的。假使测量铸铁受压试样斜断口倾角α，则可发现它略大于45o而不是最大剪应力所在截面，这是因为试样两端存在摩擦力造成的。

铸铁压缩曲线

铸铁压缩实验，应力和应变之间无明显的直线阶段和屈服阶段，但是有塑性变形，断口约为螺旋45度方向，抗压时的强度极限约为强度极限的4到5倍。弹性模量通常以某一应力的割线来度量。所以铸铁压缩时主要是剪切破坏，受到最大剪切力，由此可见脆性材料的抗剪切强度大于抗拉伸强度。 参考文献：

[1]刘鸿文 材料力学Ⅰ(第五版） 高等教育出版社 [2]汤安民，刘泽明 灰铸铁拉伸与扭转破坏试验的强度条件分析[A] 西安理工大学学报

[3]侯德门 材料力学实验 西安交通大学出版社

[4]曹睿 铸铁断裂机理原位拉伸研究 [A]甘肃工业大学学报

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