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低碳钢室温拉伸实验是金属拉伸的典型实验,也是各个高校《工程力学》当中的基础实验。
影响低碳钢室温拉伸试验结果准确度的因素很多,为限制这些因素的影响,使测量结果具有可比性,首先要使拉伸试验方法标准化。我国现行国家标准GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》。准确地测定材料的各项性能。通过低碳钢的典型拉伸曲线图(见图1)来浅析低碳钢试样在拉伸力作用下的变形及:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段其对应的特征值。
图1 拉伸曲线示意图
一、弹性变形阶段
受力物体去除载荷后,其变形速度以声速恢复原状态的现象称为弹性。这种去除载荷后,可立即恢复原状的变形,即为弹性变形。此阶段可分为两小段:
(1) 线弹性变形段
在这个阶段内,试样的伸长与外力成正比例直线关系称之为线性关系,即伸长与载荷之间严格遵循虎克定律:F=K€%=L(或€%l=E€%^)。
(2) 滞弹性变形段
当外力超过P点,正比例关系就消失了,P A为滞弹性变形段,此段极短,不容易观察到。
可见,P点是线性弹性变形(即比例直线段)的终点,A点是弹性变形的终点,所以把P点与A点对应的特征应力,分别称为比例极限与弹性极限。当然,要准确测定它们是较困难的。
二、屈服阶段
这阶段就开始产生微塑性变形, Z点与B点对应的特征应力分别为上、下屈服强度 ReH与 ReL。如材料无明显屈服现象时的规定非比例延伸强度RP 和规定残余延伸强度Rr 等,都是微塑性变形量对应的各种强度指标。这些都是拉伸试验应测定的重要指标.
三、强化阶段
这一阶段的特点是,拉伸试样截面在不均匀断缩小,但载荷却继续上升,其原因是形变强化(或称加工硬化)在起作用。所谓加工硬化就是随着塑性变形的增大,低碳钢材料不断被强化,其强度和硬度提高,而塑性变性的现象。在此阶段中,当试样的某一部分产生塑性变形,虽然这一部分截面减小,使此处承受负荷的能力下降,但由于变形强化的作用而阻止了塑性变形在此处继续发展,使变形被迫移到试样的其他部位。变形和强化交替进行,哪里有变形哪里就有强化。就使试样各部位产生了宏观上表现为均匀的塑性变形。这一阶段遵循体积不变原理,即L0S0=L1S1=常数。
四、颈缩阶段
强化变形阶段直至C点(对应抗拉强度Rm)达到拐点,即形变强化与截面减小的作用刚好抵消。过了这一点,力开始下降,这是由于形变强化能力跟不上试样截面积减小的作用而导致力下降。此时,试样在某处开始局部集中变形出现颈缩现象。由于塑性变形分为均匀与局部变形两部分,所以断后伸长率A一般(低碳钢是典型的有缩颈的塑性材料)也由两部分组成,即:
A=A1+A2=€%=L1/L0+€%=L2/L0
式中 €%=L1为均匀伸长, €%=L2为局部伸长, L0为原标距长。
对于同一材料而言,均匀伸长率A1=€%=L1/L0为常数,且局部绝对伸长€%=L2 值相等。但由于长比例试样的L0为短比例试样的两倍, 所以由长比例试样测得的A2小于短比例试样测得的A2。这是同一材料长比例试样的A11.5小于短比例试样A的原因, 这也是做拉伸试验时,要按规定标距原始L0的原因,否则其结果无可比性。钢的伸长率换算可见GB/T17600-1998《钢的伸长率换算》 。
低碳钢拉伸试验过程的终点是断裂。低碳鋼(圆头长试样)拉伸试验后拉断口一般由纤维区、放射区和剪切唇区三个区域组成。中央纤维区呈粗糙的圆形花样;裂纹生成后缓慢扩展进入放射区,这一区有沿半径方向(与裂纹扩展方向平行)的放射线;断裂的最后阶段形成与拉应力方向几乎成45€敖堑睦撸幢砻嫫交募羟写角3莆?碗口状"断口。
通过低碳钢拉伸实验,可以让学生全面的观看到塑性金属材料拉伸曲线图完整的四个阶段,将抽象的知识,转换成直观的图形。更有利于学生的学习和发展。
参考资料:
[1] GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》
[2] GB/T17600-1998《钢的伸长率换算》
影响低碳钢室温拉伸试验结果准确度的因素很多,为限制这些因素的影响,使测量结果具有可比性,首先要使拉伸试验方法标准化。我国现行国家标准GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》。准确地测定材料的各项性能。通过低碳钢的典型拉伸曲线图(见图1)来浅析低碳钢试样在拉伸力作用下的变形及:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段其对应的特征值。
图1 拉伸曲线示意图
一、弹性变形阶段
受力物体去除载荷后,其变形速度以声速恢复原状态的现象称为弹性。这种去除载荷后,可立即恢复原状的变形,即为弹性变形。此阶段可分为两小段:
(1) 线弹性变形段
在这个阶段内,试样的伸长与外力成正比例直线关系称之为线性关系,即伸长与载荷之间严格遵循虎克定律:F=K€%=L(或€%l=E€%^)。
(2) 滞弹性变形段
当外力超过P点,正比例关系就消失了,P A为滞弹性变形段,此段极短,不容易观察到。
可见,P点是线性弹性变形(即比例直线段)的终点,A点是弹性变形的终点,所以把P点与A点对应的特征应力,分别称为比例极限与弹性极限。当然,要准确测定它们是较困难的。
二、屈服阶段
这阶段就开始产生微塑性变形, Z点与B点对应的特征应力分别为上、下屈服强度 ReH与 ReL。如材料无明显屈服现象时的规定非比例延伸强度RP 和规定残余延伸强度Rr 等,都是微塑性变形量对应的各种强度指标。这些都是拉伸试验应测定的重要指标.
三、强化阶段
这一阶段的特点是,拉伸试样截面在不均匀断缩小,但载荷却继续上升,其原因是形变强化(或称加工硬化)在起作用。所谓加工硬化就是随着塑性变形的增大,低碳钢材料不断被强化,其强度和硬度提高,而塑性变性的现象。在此阶段中,当试样的某一部分产生塑性变形,虽然这一部分截面减小,使此处承受负荷的能力下降,但由于变形强化的作用而阻止了塑性变形在此处继续发展,使变形被迫移到试样的其他部位。变形和强化交替进行,哪里有变形哪里就有强化。就使试样各部位产生了宏观上表现为均匀的塑性变形。这一阶段遵循体积不变原理,即L0S0=L1S1=常数。
四、颈缩阶段
强化变形阶段直至C点(对应抗拉强度Rm)达到拐点,即形变强化与截面减小的作用刚好抵消。过了这一点,力开始下降,这是由于形变强化能力跟不上试样截面积减小的作用而导致力下降。此时,试样在某处开始局部集中变形出现颈缩现象。由于塑性变形分为均匀与局部变形两部分,所以断后伸长率A一般(低碳钢是典型的有缩颈的塑性材料)也由两部分组成,即:
A=A1+A2=€%=L1/L0+€%=L2/L0
式中 €%=L1为均匀伸长, €%=L2为局部伸长, L0为原标距长。
对于同一材料而言,均匀伸长率A1=€%=L1/L0为常数,且局部绝对伸长€%=L2 值相等。但由于长比例试样的L0为短比例试样的两倍, 所以由长比例试样测得的A2小于短比例试样测得的A2。这是同一材料长比例试样的A11.5小于短比例试样A的原因, 这也是做拉伸试验时,要按规定标距原始L0的原因,否则其结果无可比性。钢的伸长率换算可见GB/T17600-1998《钢的伸长率换算》 。
低碳钢拉伸试验过程的终点是断裂。低碳鋼(圆头长试样)拉伸试验后拉断口一般由纤维区、放射区和剪切唇区三个区域组成。中央纤维区呈粗糙的圆形花样;裂纹生成后缓慢扩展进入放射区,这一区有沿半径方向(与裂纹扩展方向平行)的放射线;断裂的最后阶段形成与拉应力方向几乎成45€敖堑睦撸幢砻嫫交募羟写角3莆?碗口状"断口。
通过低碳钢拉伸实验,可以让学生全面的观看到塑性金属材料拉伸曲线图完整的四个阶段,将抽象的知识,转换成直观的图形。更有利于学生的学习和发展。
参考资料:
[1] GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》
[2] GB/T17600-1998《钢的伸长率换算》