低碳钢拉伸力学性能优化研究

为了便于比较不同材料的试验结果，拉伸试样必须按国家标准《金属拉伸试验试样》（GB/T 6397—1986）制作成标准试样。在试样上取长为l的一段（图3.12）作为试验段，试验段的长度l称为标距。对圆截面试样，标距l与直径d有两种比例，即l＝5d和l＝10d；对于矩形截面试样，标距l与横截面面积A符合规定：和。

图3.12

低碳钢是工程上使用最广泛的材料，同时，低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的力学性能也最为典型。

试验时，将试件两端安装在万能试验机的上、下夹头中，然后开动试验机缓慢加载，使它产生伸长变形，直至最后拉断。拉力F的大小可从试验机的示力盘上读出，标距l的伸长Δl可由变形仪表量测出来。F与Δl有一一对应关系。以Δl为横坐标，F为纵坐标，可画出F－Δl曲线，此曲线通常称为试件的拉伸图，如图3.13所示。

图3.13

图3.14

拉伸图中F与Δl的对应关系与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，拉力F除以试件横截面原始面积A，得出正应力 ；同时把伸长量Δl除以标距的原始长度l，得到应变 。以σ为纵坐标，ε为横坐标，绘出σ与ε的关系曲线，称为材料的应力－应变图，或σ—ε曲线，如图3.14所示。σ—ε曲线已与试件尺寸无关，而只反映材料本身的力学性质，便于不同材料的力学性质比较。

根据材料的σ—ε曲线不同阶段的变形特征，将整个拉伸过程依次分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段，先分别说明如下。

1.弹性阶段

在拉伸初始阶段，σ与ε的关系为直线段Oa，它表明应力与应变成正比，即

这就是拉伸或压缩的胡克定律。式中E为与材料有关的比例常数，称为弹性模量。式（3.12）表明E＝tanα，是直线Oa的斜率。直线部分最高点a所对应的应力值σP，称为比例极限。显然，只有应力低于比例极限时，应力才与应变成正比，材料才服从胡克定律。这时，称材料是线弹性的。

超过比例极限后，从a点到b点，σ与ε之间的关系不再是直线，是一段很短的微弯曲线，它表明应力与应变间呈非线性关系。但解除拉力后变形仍可完全消失，这种变形称为弹性变形。b点所对应的应力σe是材料只出现弹性变形的极限值，称为弹性极限。在σ—ε曲线上，a、b两点非常接近，所以工程上对弹性极限和比例极限并不严格比分。

在应力大于弹性极限后，变形将进入弹塑性阶段。如再解除拉力，试样变形的一部分随之消失，就是上面提到的弹性变形。但还遗留下一部分不能消失的变形，这种变形称为塑性变形或残余变形。

图3.15

2.屈服阶段(www.xing528.com)

当应力超过b点，增加到某数值时，应变有非常明显的增加，而应力先是下降，然后做微小的波动，在σ—ε曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段。这种应力基本保持不变，而应变显著增加的现象，称为屈服或流动。这一阶段称为屈服阶段或流动阶段。在屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限。上屈服极限的数值与试样形状、加载速度等因素有关，一般是不稳定的。下屈服极限则有比较稳定的数值，能够反应材料的性能。通常就把下屈服极限称为屈服极限或流动极限，以σs表示。

当材料进入屈服阶段时，若试件表面经过抛光，则可观察到一些与试件轴线约成45°倾角的条纹，如图3.15所示。这是由于材料内部晶格之间发生相对滑移而形成的，称为滑移线。因为拉伸时在与轴线成45°斜截面，切应力为最大值。可见屈服现象的出现与最大切应力有关。

材料屈服时将出现显著的塑性变形，对工程构件，一般说来这是不允许的。所以σs是衡量材料强度的重要指标。

3.强化阶段

试样经过屈服阶段后，材料抵抗变形的能力有所恢复，要使它继续变形须增加拉力。表现为曲线自c点开始又继续上升，直到最高点e为止，这一现象称为强化，这一阶段称为强化阶段。e点所对应的应力值σb，是材料所能承受的最大应力，称为强度极限。它是衡量材料强度的另一重要指标。

图3.16

4.局部变形阶段

当应力到达最大值σb后，σ—ε曲线开始下降，图中ef段。此时试件在工作段某一局部范围内开始显著变细，出现所谓“颈缩”现象，如图3.16所示。这一阶段称为局部变形阶段或颈缩阶段。由于颈缩部位截面面积的急剧减小，以致使试件继续变形的拉力F反而下降，直到试件被拉断。

试件拉断后，其变形中的弹性变形消失，仅留下塑性变形，标距的长度由原来的l变为l1，用百分比表示的比值

称为延伸率。从式（3.13）看出，塑性变形（l1－l）越大，则延伸率δ也就越大。故延伸率是衡量材料塑性的指标。低碳钢延伸率可高达20%～30%，所以是塑性很好的材料。

工程上通常按延伸率的大小把材料分成两大类：δ≥5%的材料为塑性材料，如碳钢、黄铜、铝合金等；而将δ＜5%的材料称为脆性材料，如铸铁、玻璃、陶瓷、石料等。

以A1表示试件拉断后断口的横截面面积，A为试件原始横截面面积，用百分比表示的比值ψ称为截面收缩率，即

ψ也是衡量材料塑性的指标。低碳钢的ψ为60%～70%。

在试验过程中，如把试样拉到超过屈服极限的d点（图3.14），然后逐渐卸除拉力，应力和应变关系将沿着斜直线而回到d＇点，斜直线d d＇近似地平行于Oa。这说明，在卸载过程中应力和应变按直线规律变化，这就是卸载定律。拉力完全卸除后，应力—应变图中，d＇g表示消失了的弹性变形，而Od＇表示不再消失的塑性变形。

卸载后，如在短期内再次加载则应力和应变大致上沿卸载时的斜直线d d＇变化。直到d点后又沿曲线def变化。可见在再次加载时，直到d点以前材料的变形是弹性的，过d点后才开始出现塑性变形。比较图3.14中的Oabcdef和d＇def两条曲线，可见在第二次加载时，其比例极限（亦即弹性阶段）得到了提高，但塑性变形和伸长率却有所降低。这种现象称为冷作硬化。冷作硬化现象经退火后又可消除。

工程上经常利用冷作硬化来提高材料的弹性阶段。如起重用的钢索和建筑用的钢筋常用冷拔工艺以提高强度。