低碳钢和铸铁在拉伸试验中的力学性能教学内容

低碳钢和铸铁拉伸压缩实验报告摘要：材料的力学性能也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现的变形、破坏等方面的特性。

它是由试验来测定的。

工程上常用的材料品种很多，下面我们以低碳钢和铸铁为主要代表，分析材料拉伸和压缩时的力学性能。

关键字：低碳钢 铸铁 拉伸压缩实验 破坏机理一．拉伸实验1.低碳钢拉伸实验拉伸实验试件 低碳钢拉伸图在拉伸实验中，随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：低碳钢拉伸应力-应变曲线（1）弹性阶段（Ob段）在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线（Oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。

线性段的最高点则称为材料的比例极限（σp），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后，σ-ε曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。

卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（σe），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

（2）屈服阶段（bc段）超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。

使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σs）。

当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。

这是由于试件的45°斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

（3）强化阶段（ce段）经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如d-d＇斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。

当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。

第一部分基本实验实验一低碳钢和铸铁的拉伸实验一、实验目的：1、测定低碳钢在拉伸时屈服极限σs 、强度极限σb、延伸率δ和截面收缩率Ψ。

2、观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、颈缩等现象）,及拉伸图（P-ΔL曲线）。

3、测定铸铁拉伸时的强度极限σb。

4、比较低碳钢与铸铁抗拉性能的特点，并进行断口分析。

二、实验设备：1、万能材料实验机2、游标卡尺三、试件：由于试件的形状和尺寸对实验结果有一定的影响。

为了便于互相比较应按统一规定加工成标准试件。

试件加工须按《金属拉伸实验试样》（GB6397-86）的有关要求进行。

本实验的试件采用国家标准（GB6397-86）所规定的圆棒试件，尺寸为d=10mm，标距长度L=100mm，见图1-1。

为测定低碳钢的断后延伸率δ，须用刻线机在试样标距范围内刻划圆周线，将标距L分为等长的10格。

图1-1 圆形拉伸试件四、实验原理和方法拉伸实验是测定材料力学性能最基本的实验之一。

材料的力学性能如：屈服极限、强度极限、延伸率、截面收缩率等均是由拉伸破坏实验确定的。

1、低碳钢（1）力-伸长曲线的绘制：通过实验机绘图装置可自动绘成以轴向力P为纵坐标、试件伸长量ΔL为横坐标的力-伸长曲线（P-ΔL图），如图1-2所示。

低碳钢的力-伸长曲线是一种典型的形式，整个拉伸变形分四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

应当指出，绘图仪所绘出的拉伸变形ΔL是整个试件（不只是标距部分）的伸长，而且还包括机器本身的弹性变形和试件头部在夹头中的滑动等。

试件开始受力时，头部夹头中的滑动很大，故绘出的拉伸图最初一般是曲线。

图1-2 低碳钢拉伸图（2）屈服极限的测定：随着荷载的增加，变形也与荷载呈正比增加，P-ΔL图上为一直线，此即直线弹性段。

过了直线弹性段，尚有一极小的非直线弹性段。

弹性阶段包括直线弹性段和非直线弹性段。

当荷载增加到一定程度，测力指针往回偏转，继而缓慢的来回摆动，相应地在P-ΔL图上画出一段锯齿形曲线，此段即屈服阶段。

材料力学低碳钢铸铁拉伸实验报告材料力学实验报告实验目的：1.了解和掌握材料拉伸试验的基本原理和操作方法；2.通过拉伸试验获取低碳钢和铸铁的力学性能参数，如抗拉强度、屈服强度、延伸率等；3.分析和对比低碳钢和铸铁的力学性能，并探讨其差异。

实验器材：1.拉伸试验机2.低碳钢和铸铁试样3.卡尺4.万能试验机5.整定尺实验步骤：1.试样制备利用卡尺测量低碳钢和铸铁试样的尺寸。

根据实验要求，制备符合标准的试样。

2.实验装置搭建将试样夹持于拉伸试验机上，确保试样夹持牢固。

3.实验参数设定启动拉伸试验机，设置拉伸速度为固定值。

根据试验标准，设置合适的拉伸速度。

4.开始拉伸试验启动拉伸试验机，进行拉伸实验。

记录试样在拉伸过程中所产生的变形、力值等数据。

5.绘制力与变形曲线利用万能试验机绘制力与变形曲线。

在拉伸试验过程中，通过力传感器和位移传感器实时记录和绘制曲线。

6.计算低碳钢和铸铁的力学性能参数根据拉伸试验数据，计算低碳钢和铸铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率等重要力学性能参数。

实验数据：实验结果及分析：1.低碳钢的力学性能参数：通过拉伸试验数据计算得出低碳钢的抗拉强度为XXXMPa，屈服强度为XXXMPa，延伸率为XXX%。

2.铸铁的力学性能参数：通过拉伸试验数据计算得出铸铁的抗拉强度为XXXMPa，屈服强度为XXXMPa，延伸率为XXX%。

3.力学性能参数对比及分析：比较低碳钢和铸铁的力学性能参数，并分析其差异。

比如，低碳钢的抗拉强度和屈服强度较高，延伸率较低，说明低碳钢的强度较大，但延展性较差；而铸铁的抗拉强度和屈服强度较低，延伸率较高，说明铸铁的强度相对较低，但延展性较好。

结论：通过本次拉伸实验，我们获取并分析了低碳钢和铸铁的力学性能参数。

通过对比两种材料的实验结果，我们发现它们在抗拉强度、屈服强度和延伸率等方面存在明显差异。

这些数据和结论为进一步研究材料力学性能提供了重要依据。

实验中的不确定因素和改进措施：1.实验设备和试样不同批次或品质的差异可能会对实验结果产生一定影响。

实验一 低碳钢和铸铁的拉伸实验一、实验目的要求１．测定低碳钢的流动极限S σ、强度极限b σ、延伸率δ、截面收缩率ψ和铸铁的强度极限b σ。

２．低碳钢和铸铁在拉伸过程中表现的现象，绘出外力和变形间的关系曲线（L F ∆-曲线）。

３．比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口情况。

二、实验设备和仪器CMT5504/5105电子万能试验机、游标卡尺等图1-1 CMT5504/5105电子万能试验机三、拉伸试件金属材料拉伸实验常用的试件形状如图所示。

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试验机的夹头内。

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d l 5=或d l 10=。

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A l 3.11=或A l 65.5=，A 为标距段内的截面积。

低碳钢拉伸铸铁拉伸图1-2 拉伸试件四、实验原理和方法1．低碳钢拉伸实验低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，如图1—3所示。

用准确的拉σ-曲线。

首先将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓伸曲线可直接换算出应力应变ε慢加载(加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高)，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。

图1-3 低碳钢拉伸曲线OA段，没有任何残留变形。

在弹性阶段，载荷与变形(1) 弹性阶段是指拉伸图上的'是同时存在的，当载荷卸去后变形也就恢复。

在弹性阶段，存在一比例极限点A，对应的应σ，此部分载荷与变形是成比例的。

力为比例极限p(2) 屈服阶段对应拉伸图上的BC段。

金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志，是由切应力引起的。

在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现了锯齿现象。

这种载荷在一定范围内波动而试件还继续变形伸长的现象称为屈服现象。

实验一：低碳钢、铸铁的拉伸和压缩实验一、实验目的1.测定低碳钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率。

2.测定铸铁的抗拉强度。

3.测定铸铁压缩时的抗压强度。

4.观察上述两种材料在拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图。

5.分析比较低碳钢和铸铁的力学性能特点与试样破坏特征。

二、实验内容1.铸铁拉伸实验；2.铸铁压缩实验；3.低碳钢拉伸实验。

三、实验原理、方法和手段常温、静载下的轴向拉伸实验是材料力学试验中最基本、应用最广泛的试验。

通过拉伸试验，可以全面地测定材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、断裂等力学性能指标。

这些性能指标对材料力学的分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有及其重要的作用。

实验表明，工程中常用的塑性材料，其受压与受拉时所表现出的强度、刚度和塑性等力学性能是大致相同的。

但广泛使用的脆性材料，其抗压强度很高，抗拉强度却很低。

为便于合理选用工程材料，以及满足金属成型工艺的需要，测定材料受压时的力学性能是十分重要的。

因此，压缩实验同拉伸实验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的实验之一。

依据国标GB/T 228－2002《金属室温拉伸实验方法》分别叙述如下：1.低碳钢试样。

在拉伸实验时，利用试验机的自动绘图器可绘出低碳钢的拉伸曲线，见图1-1所示的F—ΔL曲线。

图中最初阶段呈曲线，是由于试样头部在夹具内有滑动及试验机存在间隙等原因造成的。

分析时应将图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原l图1-1点。

拉伸曲线形象的描绘出材料的变形特征及各阶段受力和变形间的关系，可由该图形的状态来判断材料弹性与塑性好坏、断裂时的韧性与脆性程度以及不同变形下的承载能力。

但同一种材料的拉伸曲线会因试样尺寸不同而各异。

为了使同一种材料不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，以消除试样几何尺寸的影响，可将拉伸曲线图的纵坐标（力P）除以试样原始横截面面积A,并将横坐标（伸长ΔL）除以试样的原始标距L0得到的曲线便与试样尺寸无关，此曲线称为应力－应变曲线，它与拉伸图曲线相似，也同样表征了材料力学性能。

实验一 低碳钢、铸铁的拉伸实验拉压实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验，是工程上广泛使用的测定材料力学性能的方法之一。

一、实验目的：1、了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。

2、通过实验，观察低碳钢和铸铁在拉伸时的变形规律和破坏现象，并进行比较。

3、测定低碳钢拉伸时的屈服极限σs 、强度极限σb 、延伸率δ和截面收缩率ψ，铸铁拉伸时的强度极限σb 。

二、实验设备及试样1、万能材料试验机2、游标卡尺3、钢直尺4、拉伸试样：图2.7 拉伸试样由于试样的形状和尺寸对实验结果有一定影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。

图2.7分别表示横截面为圆形和矩形的拉伸试样。

L 0是测量试样伸长的长度，称为原始标距。

按现行国家GB6397-86的规定，拉伸试样分为比例试样和非比例试样两种。

比例试样的标距L 0与原始横截面A 0的关系规定为00A k L = （2.2）式中系数k 的值取为 5.65时称为短试样，取为11.3时称为长试样。

对直径d 0的圆截面短试样，0065.5A L ==5d 0；对长试样， 000103.11d A L ==。

本实验室采用的是长试样。

非比例试样的L 0和A 0不受上列关系的限制。

试样的表面粗糙度应符合国标规定。

在图2.7中，尺寸Ｌ称为试样的平行长度，圆截面试样Ｌ不小于Ｌ0＋d 0；矩形截面试样Ｌ不小于Ｌ0＋b 0/2。

为保证由平行长度到试样头部的缓和过渡，要有足够大的过渡圆弧半径Ｒ。

试样头部的形状和尺寸，与试验机的夹具结构有关，图2.7所示适用于楔形夹具。

这时，试样头部长度不小于楔形夹具长度的三分之二。

三、实验原理及方法常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验。

可用以测定弹性Ｅ和μ，比例极限σp ，屈服极限σs （或规定非比例伸长应力），抗拉强度σb ，断后伸长率δ和截面收缩率ψ等。

这些力学性能指标都是工程设计的重要依据。

1、低碳钢拉伸实验1）、屈服极限σs 及抗拉强度σb 的测定对低碳钢拉伸试样加载，当到达屈服阶段时，低碳钢的Ｐ－△Ｌ曲线呈锯齿形（图2.8）。

第十四讲课题：第四章轴向拉伸与压缩4．4 材料拉伸和压缩时的力学性能目的任务：理解材料拉伸和压缩时的力学性能重点:低碳钢拉伸时的力学性能难点：屈服阶段教学方法：多媒体第四章轴向拉伸与压缩4．4 材料拉伸和压缩时的力学性能材料的力学性能Material Properties——材料在外力作用下，其强度和变形方面所表现出来的性能（也称机械性能）。

通过试验揭示材料在受力过程中所表现出的与试件几何尺寸无关的材料本身特性。

如变形特性，破坏特性等。

研究材料的力学性能的目的是确定在变形和破坏情况下的一些重要性能指标，以作为选用材料，计算构件强度、刚度的依据。

塑性材料Ductile Materials:低碳钢等脆性材料Brittle Materials:铸铁等本节主要介绍低碳钢和铸铁在常温(指室温)、静载(指加载速度缓慢平稳)下的力学性能。

4．4．1低碳钢拉伸时的力学性能1.试件和设备标准试件:圆截面试件，标距L与直径d的比例分为，L=10d，L=5d；试验设备:拉力机简图实验2.低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，如A3钢、16Mn钢。

拉伸试验（The Tensile Test）：绘出F-△L曲线（载荷——变形）由于F-△L曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，常采用应力应变曲线，即σ-ε曲线来代替F-△L曲线。

σ-ε曲线（Stress-Strain Diagram）：低碳钢试件拉伸时的 曲线1．弹性阶段比例极限σpElastic deformationoa段：在拉伸的初始阶段应力σ与应变ε为直线关系直至a点，此时a点所对应的应力值称为比例极限，用σp表示。

虎克定律Hooke’s Law:当σ<σp，有它表示应力与应变成正比，即有E为弹性模量Modulus of Elasticityaa′段，已不再是直线，说明材料已不符合虎克定律。

但在aa′段内卸载，变形也随之消失，说明aa′段也发生弹性变形，oa′段称为弹性阶段。

低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时的力学性能根据材料在常温，静荷载下拉伸试验所得的伸长率大小，将材料区分为塑性材料和脆性材料。

它是由试验来测定的。

工程上常用的材料品种很多，下面我们以低碳钢和铸铁为主要代表，分析材料拉伸和压缩时的力学性能。

1.低碳钢拉伸实验在拉伸实验中，随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：（1）弹性阶段在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。

线性段的最高点则称为材料的比例极限（σp），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后，σ-ε曲线不为直线，应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。

卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（σe），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

（2）屈服阶段超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。

使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σs）。

当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。

这是由于试件的45°斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

（3）强化阶段经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线，其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。

当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。

卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。

因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。

低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时的力学性能根据材料在常温，静荷载下拉伸试验所得的伸长率大小，将材料区分为塑性材料和脆性材料。

它是由试验来测定的。

工程上常用的材料品种很多，下面我们以低碳钢和铸铁为主要代表，分析材料拉伸和压缩时的力学性能。

1.低碳钢拉伸实验在拉伸实验中，随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：（1）弹性阶段在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。

线性段的最高点则称为材料的比例极限（σp），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后，σ-ε曲线不为直线，应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。

卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（σe），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

（2）屈服阶段超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。

使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σs）。

当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。

这是由于试件的45°斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

（3）强化阶段经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线，其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。

当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。

卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。

因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。

实验一 低碳钢和铸铁拉伸时力学性能的测定一、实验目的1.观察分析低碳钢的拉伸过程，了解其力学性能；绘制拉伸曲线F-△L ，由此了解试样在拉伸过程中变形随载荷的变化规律以及有关物理现象；2.测定低碳钢材料在拉伸过程中的几个力学性能指标：s σ、b σ、δ、ψ；3.了解万能材料试验机的结构原理，能正确独立操作使用。

二、实验设备1.SHT5305拉伸试验机。

2.x —Y 记录仪。

3.游标卡尺。

三、拉伸试样四、实验原理和方法首先将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓慢加载，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。

1.弹性阶段 是指拉伸图上的OA ´段，没有任何残留变形。

在弹性阶段，存在一比例极限点A ，对应的应力为比例极限p σ，此部分载荷与变形是成比例，εσE =。

2.屈服阶段 对应拉伸图上的BC 段。

金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志，是位错增值和运动的结果，是由切应力引起的。

在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现了锯齿现象。

屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点，对应的屈服应力为0/A F SL S =σ3.强化阶段 对应于拉伸图中的CD 段。

变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强。

这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。

D 点是拉伸曲线的最高点，载荷为F b ，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为b σ0/A F b b =σ4.颈缩阶段 对应于拉伸图的DE 段。

载荷达到最大值后，塑性变形开始局部进行。

这是因为在最大载荷点以后，形变强化跟不上变形的发展，由于材料本身缺陷的存在，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成颈缩。

材料的塑性性能通常用试样断后残留的变形来衡量。

轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示，计算公式为%100/001⨯-=l l l ）（δ%100/010⨯-=A A A ）（ψ式中，l 0、A 0分别表示试样的原始标距和原始面积；l 1、A 1分别表示试样标距的断后长度和断口面积。