三种材料力学性能的异同
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摘要: 通过静态拉伸实验测定三种金属和合金材料的力学性能，对实验数据进行分析计算，并对比三种材料力学性能的异同。
关键词:低碳钢、铝合金、铸铁、 力学性能，引伸计
引言：力学实验是材料、机械、力学相关课程的重要部分，无论是理论的产生、公式的验证、材料性能的测定等，都离不开实验。通过实验，不仅巩固了理论知识，还可以熟悉和训练实验技能，培养严肃认真的精神和良好的科学习惯。因此力学实验是材料、力学、机械类课程实践教学的重要环节。此次便是通过实验，分析、总结，归纳实验数据和结果，更深入了解和认识低碳钢、铝合金、铸铁的力学性能；为深入专业课程学习奠定基础；同时初步掌握力、变形测试技术及数据处理能力、培养解决实际问题的科研动手能力。
一、实验目的和内容
1、熟悉实验设备（试验机和引伸计等）测定金属材料的拉伸时力学性能参数，如测定低碳钢的屈服极限，强度极限，延伸率和截面收缩率等指标； 2、观察实验中现象（如断口和颈缩现象），并比较金属材料在拉伸时的变形及破坏形式。
3、比较不同金属材料在拉伸时的力学性能特点。
二、实验名称
拉伸试验
三、实验设备
1. WDW－3050电子万能试验机（50mm引伸计）
试验机可由自身的工作台进行控制，也可连接计算机，由计算机程序进行控制。本实验测量的数据即来自计算机程序获得的试验机传感器测量值。
2. 50分度游标卡尺
l0 四、试件 d0
1、拉伸试验所采用的试件
试件采用三种材料：低碳钢、和铸铁。低碳钢 和铝合金属于塑性材料；铸铁属于脆性材料。试件 的外形如图所示。
拉伸试件
五、实验原理
1．测定屈服极限σs、强度极限σb
可根据相应的载荷除以横截面原始面积而得到，即：
?s?PsP?b?bA0， A0
2．测定断后伸长率δ和断面收缩率ψ
断后伸长率和断面收缩率分别用下式进行计算：
??L1_L0A_A?100%??01?10%0L0A0，
其中：
L0—试件标距原长。
L1—试件拉断后的标距长度，可将拉断后的试件对紧，然后测量。 A0—试件横截面的原始面积。
A1—试件拉断后颈缩处的最小横截面面积。
注：本实验的辅助器械是50mm引伸计，用以测量应变。在铝合金及低碳钢的实验中采用了这种引伸计，而在铸铁的实验中，出于对引伸计的保护，并未加挂引伸计。
六、实验方法及步骤
1、 先用游标卡尺测量试件中间等直杆两端及中间这三个横截面处的直径：在每一横截面内沿互相垂直方向各测量一次并取平均值。用所测得的三个平均值中最小的值作为试件的初始直径d0，并按d0计算试件的初始横截面面积A0。 再根据试件的初始直径d0 计算试件的标距l0，并用游标卡尺在试件中部等直杆段内量取试件标距l0 。
2、先将试件悬空安装在试验机的下夹头内，再利用工作台移动上夹头到适当位置，然后用夹头将试件上下端夹紧。
3、调整好相机（DH相机）位置和焦距。
4、打开实验软件，先点联机按钮，然后设置参数。点击试样录入按钮,输入试验编号及试样参数等。点击参数设置按钮，输入试验开始点、横梁速度及方向等。
5、选择试验编号和实验曲线，将负荷与位移清零。
6、点击“试验开始”按钮，开始式样，同时仔细观察试样在试验过程中的各种现象。
7、试件被拉断后取下试件，量取拉断后的标距和颈缩处的直径。 8、查看并保存数据。
9、实验结束后，点击“脱机”按钮，关闭实验软件。然后关闭试验机及计算机。
七、实验数据
试验数据记录
表1 试件尺寸原始数据（单位：mm） 试样 铝合金 低碳钢 铸铁 初始直径（mm） 10.00 10.00 10.00 原始标距（mm） 50.00 100.00 90.70 初始拉力（N） 100 200 100 拉伸速度断后直径（mm/min） （mm） 2 3 0.5 9.10 6.18 10.00 断后标距（mm） 60.00 130.96 90.90 表2 测试数据 材料 屈服载荷Ps（N） 最大载荷P b（N）杨氏模量E(Gpa) 铝合金 低碳钢 5450 12603.75 大于45KN 33699.16 26165.42 60.53 200.53 8.86 铸铁 1708.33
表3 实验结果 材料 屈服极限?s（MPa） 强度极限?b（MPa） 大于572.9 429.07 333.12 延伸率?（%） 20.00 30.96 断面收缩率?（%） 17.19 61.80 铝合金 69.40 低碳钢 160.48 铸铁 21.75 基本为0 基本为0
八、实验综合分析
一、铝合金
（1）铝合金的力学参数
经过作图我们可以得到铝合金的负荷位移和应力应变曲线。从中我们能够获得：
负荷-位移曲线X轴: 1.255 mm Y轴: 41.16 MPa 应力-变形曲线4442403836343230286,0005,5005,0004,5004,0003,500 MPa 242220181614121086420 N 263,0002,5002,0001,5001,000500000.20.40.60.811.21.41.61.8 mm 22.22.42.62.833.23.405101520 mm 25303540
图1 铝合金拉伸负荷位移曲线 图2 铝合金拉伸应力应变曲线
铝合金的弹性模量： EAL=60.53GPa 屈服极限： σSAL=69.40MPa 强度极限： σBAL=572.90MPa
从图中我们可以看到，在加载的前半段，曲线近似呈线性，这一段是铝合金的线弹性区。在载荷达到350Mpa，曲线开始逐渐平缓，材料开始出现屈服。直至应力达到将近600Mpa材料被拉断。 （2）铝合金实验结果分析
实验过程中，在最大负荷值为45kN的条件下，试样并未被拉断，故无法根据断面进行受力和结构分析，但与此同时正体现了其强度高，塑性好的特点，因而在工程上有广泛应用，如在航空、航天、汽车机械制造、船舶及化学工业中已有大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
二、低碳钢
( 1) 低碳钢的力学参数
低碳钢是工程上最广泛使用的材料，同时，低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的变形与抗力间的关系也比较典型，故本次试验进行重点分析。做实验时，可利用试验机的自动绘图装置绘出低碳钢试样的拉伸图。大致可分为四个阶段：（1）弹性阶段：这一阶段试样的变形完全是弹性的，全部写出荷载后，试样将恢复其原长。此阶段内可以测定材料的弹性模量E。（2）屈服阶段：试样的伸长量急剧地增加，而万能试验机上的荷载读数却在很小范围内波动。如果略去这种荷载读数的微小波动不计，这一阶段在拉伸图上可用水平线段来表示。若试样经过抛光，则在试样表面将看到大约与轴线成45°方向的条纹，称为滑移线。（3）强化阶段试样经过屈服阶段后，若要使其继续伸长，由于材料在塑性变形过程中不断强化，故试样中抗力不断增长。（4）颈缩阶段和断裂 试样伸长到一定程度后，荷载读数反而逐渐降低。此时可以看到试样某一段内横截面面积显著地收缩，出现“颈缩”的现象，一直到试样被拉断 低碳钢的负荷位移和应力应变曲线如下：
负荷-位移曲线
图3 低碳钢拉伸负荷位移曲线
36,00034,00032,00030,00028,00026,00024,00022,00020,00018,00016,00014,00012,00010,000 N 8,0006,0004,0002,000005101520 mm 25303540X轴: 313.99 S Y轴: 423.41 MPa 应力-应变曲线340320300280260240220200 MPa 180160140120100806040200012345 % 678910
图4 低碳钢拉伸应力应变曲线
经计算得到，低碳钢的弹性模量： ES=200.53GPa
屈服极限： σSS=160.48MPa 强度极限： σBS=429.07MPa
（2）低碳钢实验结果分析
低碳钢拉伸断裂后，截面呈杯状，断口处有45度剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此，是一种典型的韧状断口。其断裂机制也可以用滑移断裂解释。
图5 低碳钢颈缩现象 图6 低碳钢拉伸断裂截面
颈缩现象分析：材料进行拉伸时，应力达到抗拉强度后，试件的某一局部开始变细，就出现了缩颈现象。缩颈现象产生后，试样的横截面急剧减小，同时试样所需的载荷也减小了。
冷作硬化分析：在进行低碳钢的拉伸实验时，同时在试样上进行了冷作硬化实验。实验方法如下：先将低碳钢拉伸至强化阶段，开始释放载荷，至12kN左右，然后恢复载荷，继续拉伸实验。（如图3所示）从图中可知，重新加载后应力应变重新按正比关系增加，即重新加载曲线为原卸载曲线，且过原卸载点后仍按原曲线变化至最高点后下降最被拉断。此时比例极限会比原来的值大，而拉断时的总残余应变也减小。所以工程上常用此来提高构件的比例极限，使材料具有更好的机械性能。
三、 铸铁
(1) 铸铁的力学参数
铸铁是一种典型的脆性材料，拉伸过程中无明显屈服阶段出现。应力应变曲线较
为光滑，同也没有一段可视为线性增长。
X轴: 0.89 mm Y轴: 26027.34 N 负荷-位移曲线28,00027,00026,00025,00024,00023,00022,00021,00020,00019,00018,00017,00016,00015,00014,00013,00012,00011,00010,0009,0008,0007,0006,0005,0004,0003,0002,0001,000000.511.522.5 mm 33.544.555.5
图7 铸铁拉伸载荷位移曲线
同时由于铸铁在实验中截面收缩和延伸情况均不明显，故未计算出具体的延伸率和截面收缩率。
经计算得到，低碳钢的弹性模量： E=8.86GPa
屈服极限： σS=21.75MPa 强度极限： σb=333.12MPa
（2）铸铁实验结果分析
铸铁是典型的脆性材料，它的破坏断口沿横截面方向， 说明铸铁的断裂是由拉应力引起。断面平齐为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。
图8铸铁断裂图 图9铸铁断面
参考文献：
1. 韩斌、刘海燕、水小平 《材料力学》 ，兵器工业出版社 ，2009 2. 百度百科：冷作硬化现象，颈缩现象
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