【知识目标】

1.观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的几何变形,验证拉伸变形平面假设条件和圣维南原理的几何基础。

2.获得低碳钢和铸铁在准静态变形速率下的拉伸载荷-变形曲线。

3.确定低碳钢的屈服强度σs、抗拉强度σb、伸长率δ 及断面收缩率ψ。

4.确定铸铁的抗拉强度σb。

【技能目标】

1.能根据试样断口形貌结合理论知识,分析低碳钢和铸铁试样断裂的原因。

2.能根据断口分析结果和载荷-变形曲线,比较低碳钢与铸铁的力学性能。

3.能根据低碳钢和铸铁的力学性能,分析其适用工况,并能推而广之,总结出常见钢材的适用工况。

4.了解电子万能试验机的结构、工作原理和操作方法。

3.1.1　实验设备

①RGM-4300 微机控制电子万能试验机。

②游标卡尺。

③试样分划器。

3.1.2　实验内容

①对低碳钢和铸铁试样进行拉伸破坏试验,观察实验现象,获取载荷-变形曲线。

②计算低碳钢和铸铁的拉伸强度指标和韧性指标。

③分析断裂的原因,比较低碳钢与铸铁的力学性能。

3.1.3　实验原理

(1)试样

由于试样的形状及尺寸对试验的结果会有影响,为了避免这种影响,使各种材料的力学性能数据能相互比较,国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)对试样的尺寸和形状作了明确的规定。因此,必须按照此标准加工标准试样或比例试样。

试样常用圆形或矩形截面。圆形截面试样的形状如图3.1 所示。试样中部长度l0 称为标距,用于测量拉伸变形。试样标距部分尺寸的允许偏差和表面光洁度,国家标准都有规定。试样分为标准试祥和比例试样两种。两种都有长、短两类。对圆形截面试样,长试样l0=10d0,常称十倍试样;短试样l0=5d0,常称五倍试样。

实验中所用低碳钢试样为直径d0=10 mm 的十倍试样。

图3.1　低碳钢拉伸试样

(2)过程分析

①RGM-4300 微机控制电子万能试验机由力传感器和驱动伺服电机主轴编码器测量试样拉伸过程中的载荷与变形信息,可绘出低碳钢的拉伸图如图3.2(a)所示。由低碳钢的拉伸图可看出有下列特点:

a.拉伸的初步阶段,变形随拉力成正比例增加。

b.当拉力超过Pp,即应力超过比例极限σp 及弹性极限σt 以后,拉伸曲线渐趋平缓,即变形比拉力增加得快,直到曲线上的b 点,此后拉力在小范围内波动,不再增加,而变形继续增加,这种现象称为屈服。分析软件可自动标出下屈服极限对应的屈服载荷Ps,由Ps 可得试样屈服强度为

式中　A0——试样拉伸前横截面积。

图3.2　低碳钢、铸铁的拉伸载荷-变形曲线

c.屈服以后,试样恢复抵抗变形能力,拉力上升,其变形逐渐增加,进入强化阶段,到d 点拉力达到最大值Pb,随后发生颈缩现象,拉力自动减小,变形继续增加,最后试样在缩颈处断裂,如图3.2(a)所示。由此可得试样的抗拉强度为

d.由断裂后试样缩颈处的直径d1 及标距长度l1,可得试样的断面收缩率ψ 和伸长率δ 为

e.试样断裂后标距l1 的测定方法是:将断裂试样的断口紧密对接在一起,并使两段的轴心线在一条直线上,然后测量标距长度。由于断口附近的塑性变形最大,离开断口越远,则塑性变形越小。因此,同一种材料的试样,断口在标距内的位置不同,其标距长度l1 也就不同。(www.daowen.com)

f.低碳钢试样断裂时有很大塑性变形,断口为杯状,周围为45°的剪切唇,断口组织为灰色纤维状,如图3.3(a)所示,此种断口称为韧状断口。杯状断口形成原因为:拉伸试样颈缩部位芯部处于三向受拉状态,断裂破坏原因一定是拉应力。由材料力学知识可知,轴类零件单向受拉条件下,横截面上出现最大的正应力σ0,因而断面为横截面,形成杯底;试样颈缩部位表面处于单向受拉状态,由材料力学知识可知,轴类零件单向受拉条件下45°斜面上出现最大的切应力,大小为σ0/2,可见试样断口处45°剪切唇构成的杯壁形成原因是切应力,拉伸断口剪切唇的形成表明低碳钢的抗拉能力优于抗剪切能力。

图3.3　试样断口形状

②由铸铁的拉伸曲线如图3.2(b)所示,可看出有下列特点:

a.在拉伸直至断裂过程中拉力一直增加,无屈服现象。当拉力达到最大值Pb 时,断裂突然发生,且无颈缩现象。

b.拉伸曲线的最初阶段弹性变形不随拉力成正比例增长。

c.铸铁试样拉断后,其伸长率很小。

由上述特点可知,铸铁拉伸实验时,一般只测出最大拉力Pb,可得试样的抗拉强度σb 为

d.铸铁试样断裂时几乎没有塑性变形,断口与轴线方向垂直,断口平齐,为闪光的结晶组织,此种断口称为脆状断口,如图3.3(b)所示。由材料力学知识可知,该断面形成原因为拉应力。因轴类零件单向受拉条件下45°斜面上出现的最大切应力大小为出现在横截面上的最大拉应力的1/2,故并不能据此断面判定铸铁的抗剪切能力优于其抗拉能力。

3.1.4　实验步骤

(1)试样准备

在试样两端,根据标距长度l 的要求,用试样分划器刻出不深的两道标距线,再用游标卡尺在试样标距范围内测量两端及中间3 处截面的直径,要求测量精度至少达到0.02 mm,在每一处截面的两个相互垂直方向各测量一次,取其平均值,并取3 处截面中最小的平均直径来计算截面的面积A0。

(2)试验机准备

熟悉试验机的操作规程;打开试验机电源;打开操控软件选择“拉伸试验”,注意将力、变形和小变形数据清零。

(3)装夹试样

打开液压夹头液压站电源;先将试样安装在试验机的上夹头内,按上夹头夹紧开关夹紧试样上端;用遥控器将下夹头移至合适位置按下夹头夹紧开关夹紧试样下端。

(4)进行实验

设置合适的控制方案,并根据方案设置合适的拉伸速率和逻辑条件。实验过程中,认真观察试样发生的变形现象和载荷-变形曲线的变化。

(5)结束实验

用遥控器将下夹头下移到合适位置,并通过上下夹头的松开开关取下试样,将断裂试样两段的断口紧密拼接在一起,用游标卡尺直接测量长度l1,并测量颈缩处断口(最小截面)的直径d1,应在断口两个互相垂直的方向各测量一次,取其平均值。

3.1.5　注意事项

①实验前,务必明确实验目的与实验内容。熟悉操作步骤及有关的注意事项,如有不清楚的地方,要进行分析、讨论或询问老师。

②实验时,必须严格遵守所使用仪器设备的操作规程。

③试样安装要正确,防止偏斜或夹入部分过短。

④试样装夹好之前,要将计算机控制界面载荷、变形和小变形数据清零。

⑤实验中,如听到试验机有异声或发生故障,应立即停机(即关断电源),待排除故障后,再进行实验。

⑥试样加载需缓慢均匀,拉伸过程中速度变化不能过大。

⑦实验结束后,应清理实验设备,整理好所用的仪器及工具。

3.1.6　思考题

①根据拉伸实验所见到的现象,说明低碳钢的力学性能。

②根据断口形貌,分析断口形成原因。

③说明由拉伸实验所确定的材料力学性能数值的实用价值。