低碳钢的拉伸与铸铁的压缩特性分析

【实验目的】

（1）测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ、截面收缩率ψ和铸铁压缩时的强度性能指标——强度极限，并观察它的破坏现象；

（2）根据低碳钢拉伸和铸铁压缩过程中出现的现象，绘出外力和变形间的关系曲线（F-ΔL曲线）；

（3）比较低碳钢和铸铁的拉伸性能和断口情况。

【实验仪器设备和工具】

（1）计算机控制万能实验机；

（2）游标卡尺、划线器等。

1.拉伸试件

金属材料拉伸实验常用的试件形状如图1.8.1所示，图中工作段长度l称为标距，试件的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定，两端较粗部分是为了便于装入实验机的夹头内而设计的。

图1.8.1　金属材料拉伸实验常用的试件形状

为了使实验测得的结果可以互相比较，试件必须按国家标准做成标准试件，即l=5d或l=10d。

对于一般板的材料拉伸实验，也应按国家标准做成矩形截面试件，其截面面积和试件标距关系为，其中A为标距段内的截面积。

2.压缩试件

按照国家标准GB/T 7314—2017《金属　压缩实验方法》，金属压缩试件的形状随着产品的品种、规格以及实验目的的不同而分为圆柱体试件、正方形柱体试件和板状试件3种。其中，最常用的是圆柱体试件和正方形柱体试件，如图1.8.2所示。根据实验的目的，对试件的标距l作如下规定：

l=（1～2）d的试件仅适用于测定σbc；

l=（2.5～3.5）d（或b）的试件适用于测定σpc、σsc和σbc；

l=（5～8）d（或b）的试件适用于测定σpc0.01和Ec。

其中，d（或b）=10～20mm。

图1.8.2　压缩试件

（a）圆柱体试件；（b）正方形柱体试件

对试件的形状、尺寸和加工技术的要求参见GB/T 7314—2017。

【实验原理和方法】

1.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标

实验时，先把试件安装在万能实验机上，将测力指针调零，并调整好实验机的自动绘图装置，缓慢加载直至试件拉断，以测出低碳钢在拉伸时的力学性能。

1）强度性能指标

屈服极限σs：试件在拉伸过程中不增加而试件仍能继续产生变形时的载荷（即屈服载荷）Fs除以原始横截面面积A所得的应力值，即

强度极限σb：试件在拉断前所承受的最大载荷Fb除以原始横截面面积A所得的应力值，即

低碳钢是具有明显屈服现象的塑性材料，在均匀缓慢的加载过程中，万能实验机测力盘上的主动指针发生回转时所指示的最小载荷（下屈服载荷）即为屈服载荷。

超过屈服载荷后，再继续缓慢加载直至试件被拉断，万能实验机的从动指针所指示的最大载荷即为极限载荷。

达到最大载荷后，主动指针将缓慢退回，此时可以看到，在试件的某一部位局部变形加快，出现颈缩现象，随后试件很快被拉断。

2）塑性性能指标

延伸率δ为拉断后的试件标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即

式中：l——试件的原始标距；(www.xing528.com)

　　　l1——将拉断的试件对接起来后两标点之间的距离。

由于试件的塑性变形集中产生在颈缩处，并向两边逐渐减小，因此断口的位置不同，标距l部分的塑性伸长也不同。若断口在试件的中部，发生严重塑性变形的颈缩段全部在标距长度内，那么在这种情况下，标距长度就有较大的塑性伸长量；若断口距标距端很近，则发生严重塑性变形的颈缩段只有一部分在标距长度内，另一部分在标距长度外，标距长度的塑性伸长量就小。因此，断口的位置对所测得的伸长率有影响。为了避免这种影响，国家标准GB/T 228.1—2010对l1的测定作了如下规定。

实验前，将试件的标距分成十等份。若断口到邻近标距端的距离大于l/3，则可直接取标距两端点之间的距离作为l1。若断口到邻近标距端的距离小于或等于l/3，则应采用移位法（亦称为补偿法或断口移中法）测定：在长段上从断口O点起，取长度基本上等于短段格数的一段，得到B点，再由B点起，取等于长段剩余格数（偶数）的一半得到C点，如图1.8.3（a）所示；或取剩余格数（奇数）减1与加1的一半分别得到C点与C1点，如图1.8.3（b）所示。移位后的l1分别为：

测量时，两段在断口处应紧密对接，尽量使两段的轴线在同一直线上。若在断口处形成缝隙，则此缝隙应计入l1内。

如果断口在标距以外，或者虽在标距之内，但距标距端点的距离小于2d，则实验无效。

图1.8.3　测l1的移位法

截面收缩率ψ为拉断后的试件在断裂处的最小横截面面积的缩减量与原始横截面面积的百分比，即

式中：A——试件的原始横截面面积；

　　　A1——拉断后的试件在断口处的最小横截面面积。

2.测定铸铁压缩时的强度性能指标

由于铸铁在压缩过程中，当试件的变形很小时即发生破坏，故只能测其破坏时的最大载荷Fbc，抗压强度为

【实验步骤】

1.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标

（1）在试件的标距长度内（L0=100 mm）用划线器每隔10 mm刻划一圆周线，将标距等分为10格。

（2）在试件标距两端和中间部位，分别用游标卡尺在相互垂直方向上测取试件直径的平均值为试件在该处的直径，取三者中的最小值作为计算直径。

（3）把试件安装在万能实验机的上、下夹头之间，估算试件的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤，调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。

（4）起动万能实验机，匀速缓慢加载，观察试件的屈服现象和颈缩现象，直至试件被拉断为止，分别记录下主动指针回转时的最小载荷Fs和从动指针所停留位置的最大载荷Fb。

（5）取下拉断后的试件，将断口吻合压紧，用游标卡尺量取断口处的最小直径和两标点之间的距离。

2.测定铸铁压缩时的强度性能指标

（1）检查试件两端面的光洁度和平行度，并涂上润滑油。用游标卡尺在试件的两端及中间等3处截面相互垂直的方向上测取试件直径的平均值，取其平均值中的最小者作为计算直径。

（2）估算试件的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤。调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。

（3）检查承垫是否符合要求。

（4）将试件放进万能实验机的上、下承垫之间，并检查对中情况。

（5）起动万能实验机，均匀缓慢加载，注意读取低碳钢的屈服载荷Fs和铸铁的最大载荷Fb，并注意观察试件的变形现象。

【实验结果处理】

（1）绘制拉伸曲线（F-l曲线）。

（2）整理表如表1.8.1～表1.8.4所示。

表1.8.1　低碳钢试件的直径测量数据记录

表1.8.2　测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标实验的数据记录与计算

表1.8.3　铸铁试件的直径测量数据记录

表1.8.4　测定铸铁压缩时的强度性能指标实验的数据记录与计算