将准备好的低碳钢试样装到试验机上,开动试验机使试样两端受轴向拉力F的作用。当力F由0逐渐增加时,试样逐渐伸长,用仪器测量标距l的伸长量Δl,将各F值与相应的Δl值记录下来,直到试样被拉断时为止。然后,以Δl为横坐标,力F为纵坐标,作F-Δl曲线,如图6-17所示。这条曲线称为低碳钢的拉伸曲线或拉伸图。一般试验机可以自动绘出拉伸曲线。

低碳钢试样的拉伸曲线只能代表试样的力学性能,因为该图的横坐标和纵坐标均与试样的几何尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响,将拉伸曲线中的F值除以试样横截面的原面积,即用应力来表示:σ=;将Δl除以试样工作段的原长l,即用应变来表示:ε=。这样,所得曲线即与试样的尺寸无关,可以代表材料的力学性质,称为应力-应变曲线或σ-ε曲线,如图6-18所示。

低碳钢是工程中使用最广泛的材料之一,同时,低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的变形与抗力之间的关系也比较典型。由σ-ε曲线可见,低碳钢在整个拉伸试验过程中大致可分为4个阶段。

图6-17

图6-18

1)弹性阶段

在弹性阶段(图6-18中的Oa′段)试样的变形完全是弹性的,即卸除全部载荷后,试样将恢复其原长。这一阶段的曲线有两个特点:

(1)Oa段是一条直线,它表明在这段范围内,应力与应变成正比,即

σ=Eε

比例系数E即为弹性模量,在图6-18中E=tanα。此式所表明的关系即胡克定律。成正比关系的最高点a所对应的应力值σp称为比例极限,Oa段称为线性弹性区。低碳钢的σp=200MPa。

(2)aa′段为非直线段,它表明应力与应变成非线性关系。试验表明,只要应力不超过点a′所对应的应力σe,　其变形完全是弹性的,称σe为弹性极限,其值与σp接近,所以在应用上,对比例极限和弹性极限不作严格区别。

2)屈服阶段

在应力超过弹性极限后,试样的伸长量急剧地增加,而试验机的载荷读数却在很小的范围内波动,即试样所受的载荷基本不变而试样却不断伸长,好像材料暂时失去了抵抗变形的能力,这种现象称为屈服,这一阶段则称为屈服阶段。屈服阶段出现的变形,是不可恢复的塑性变形。若试样经过抛光,则在试样表面可以看到一些与试样轴线成45°的条纹,如图6-19所示,这是由材料沿试样的最大切应力面发生滑移而出现的现象,称为滑移线。

在屈服阶段内,应力σ有幅度不大的波动,称最高点c为上屈服点,称最低点d为下屈服点。试验表明,加载速度等很多因素对上屈服值的影响较大,对下屈服值的影响较小。因此,将下屈服点所对应的应力σs,称为屈服强度或屈服极限。低碳钢的σs≈240MPa。(www.daowen.com)

3)强化阶段

试样经过屈服阶段后,材料的内部结构得到了重新调整。在此过程中试样中的抗力不断增强,材料抵抗变形的能力有所提高,表现为变形曲线自点c开始又继续上升,直到最高点d为止,这一现象称为强化,这一阶段称为强化阶段。最高点d所对应的应力σb,称为强度极限。低碳钢的σb≈400MPa。

对于低碳钢来讲,屈服极限σs和强度极限σb是衡量材料强度的两个重要指标。若在强化阶段某点m停止加载,并逐渐卸除载荷,如图6-20所示,变形将退到点n。如果立即重新加载,变形将重新沿直线nm到达点m,然后大致沿着曲线mde继续增加,直到拉断。材料经过这样处理后,其比例极限和屈服极限将得到提高,而拉断时的塑性变形减少,即塑性降低了。这种通过卸载的方式而使材料的性质获得改变的做法称为冷作硬化。在工程中常利用冷作硬化来提高钢筋和钢缆绳等构件在弹性阶段内所能承受的最大载荷。值得注意的是,若试样拉伸至强化阶段后卸载,经过一段时间后再受拉,则其弹性阶段的最大载荷还有所提高,如图6-20中nfgh所示,这种现象称为冷作时效。

钢筋冷拉后,其抗压的强度指标并不提高,所以在钢筋混凝土中,受压钢筋不用冷拉。

图6-19

图6-20

4)局部变形阶段

试样从开始变形到σ-ε曲线的最高点d,在工作长度l范围内沿轴、径向的变形是均匀的。但自点d开始,到e点断裂时为止,变形将集中在试样的某一较薄弱的区域内,该处的横截面面积显著地收缩,出现“缩颈”现象。在试样继续变形的过程中,由于“缩颈” 部分的横截面面积急剧缩小,因此,载荷读数(即试样的抗力)反而降低,如图6-17中的DE段。在图6-18中,实线de段对应的应力是以变形前的横截面面积除拉力F后得到的,所以其形状与图6-17中的DE段相似,也是下降。但实际缩颈处的应力仍是增长的,如图6-18中虚线de′所示。

为了衡量材料的塑性性能,通常以试样拉断后的标距长度l1与其原长l之差除以l的比值(表示成百分数)来表示,即

δ称为延伸率,低碳钢的δ=20%～30%。此值的大小表示材料在拉断前能发生的最大塑性变形程度,是衡量材料塑性的一个重要指标。工程上一般认为δ≥5%的材料为塑性材料,δ＜5%的材料为脆性材料。

衡量材料塑性的另一个指标为截面收缩率,用ψ表示,其定义为

式中,A1为试样拉断后断口处的最小横截面面积。低碳钢的ψ一般在60%左右。