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工程材料单向静拉伸 力学性能研究

研究课题论文

院 系: 机电工程学院
专 业: 材料科学与工程
学 号: 12044111
学生姓名: 徐泽洋
指导教师: 宋玉强

碳钢在单向静拉伸条件下的力学性能的研究
徐泽洋
摘要: 本文讨论了高中低碳钢在静拉伸条件下力学性能的特点, 并从微观上解释了碳含量不同的钢的力学性能不同的原因。
关键词: 碳钢 拉伸 力学性能
The mechanical properties of carbon steel under the condition of ChanXiangJing stretching research
Xu Ze-Yang
Abstract: This article discusses the characteristics of the high medium and low carbon steel under the condition of the static tensile mechanical properties, and explains the carbon content of different steel from the microscopic mechanical properties of different reasons.
Key Words: Low carbon; Tensile; Mechanical properties

目录
引言 1
一、碳含量不同的钢的拉伸过程现象及拉伸曲线 1
（一）拉伸试验的试验原理 1
（二）低碳钢 2
（三）中碳钢 3
（四）高碳钢 4
二、不同含碳量碳钢的力学性能对比 5
三、微观机理分析 7
（一）低碳钢 7
（二）中碳钢 8
（三）高碳钢 9
四、拉伸速率对碳钢力学性能的影响 10
（一）对屈服极限的影响 10
（二）对强度极限的影响 10
（三）对延伸率的影响 11
五、结论 11
参考文献 11

引言
钢是现代工业中应用最广泛的金属材料之一, 形成钢的主要元素是铁和碳, 故又称铁碳合金。含碳量小于2．11％而不含有特意加入合金元素的铁碳合金称为碳钢(非合金钢)。碳钢由于具有良好的力学性能和工艺性能, 且冶炼方便, 价格便宜, 故在机械制造、 建筑、 交通运输及其它各个工业部门中得到广泛的应用。[16]碳是影响碳钢性能的主要元素。随碳的质量分数增加, 钢的强度、 硬度增加, 塑性、 韧性降低。[17]
一、 碳含量不同的钢的拉伸过程现象及拉伸曲线
( 一) 拉伸试验的试验原理
材料的拉伸试验是在专用的试验机上进行的。为了便于比较分析不同材料的试验结果, 试验时按国家标准将材料加工成标准圆试件或标准板试件。
按国家标准规定( GB228-76) , 对圆试件, /＝10或5; 对板试件, /=13.3或5.65, 其中为板试件的初始横截面面积。试件两端夹持部分的形状和尺寸应根据试验机的夹头要求确定。[1]
关于试样的平行长度, 对圆形、 管形截面试样应不小于+; 对矩形截面试样, 平行长度应不小于+1.5。仲裁试验时, 应分别不小于+2, 和+2。试样又分带头和不带头试样。前者用于仲裁试验, 只者用于不宜或不经机加工而整拉的棒材。对经机加工带头圆形或矩形试样, 平行部分至头部的过渡必须缓和, 圆截面试样过渡圆弧半, 矩形截面试样过度半径。试样头部形状及尺寸应按试样大小、 材料特性、 试验目的以及试验机夹具的结构进行设计(常见的有圆柱形、 阶梯形和螺纹形等), 但必须保证轴向受力。图-1为夹板式夹头所用的带头圆截面试样。无论试样带头或不带头, 头部夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的3／4。[2]

图-1夹板式夹头所用带头圆截面试样
Fig.1 Lead the circular cross section sample used plywood type clamp

将标准试件安装在试验机上．开动机器缓慢加载, 直至将试件拉断为止。一般试验机均可将试验过程中的轴力和对应的伸长量自动绘出曲线, 称为”拉伸曲线”。[1]
( 二) 低碳钢
以Q235普通碳素结构钢为例
将低碳钢标准试件夹装在拉力试验机上缓慢加载直至断裂, 加载过程中自动记录杆件横
截面上的应力和杆件轴线方向的应变, 并绘制—关系图( 如图-2) 。[3]

图-2 低碳钢拉伸时的应力-应变曲线
Fig.2 Stress-strain curve of low carbon steel when tensiling

由低碳钢的—关系图, 整个实验阶段可分为四个阶段, 即弹性阶段、 屈服阶段、 强化阶段和颈缩断裂阶段。后三个阶段统称为塑性阶段。下面分析材料在各区域的力学性能。
( 1) 弹性阶段 OB
在该阶段, 当卸去载荷后变形可完全消失, 这种变形称为弹性变形。这一阶段称为弹性阶段。在OA段, 与为线性关系。超过比例极限后, 从A点到B点, 与之间的关系不再是直线, 但仍是弹性变形。材料出现弹性交形的最高点所对应的应力值(即B点所对应的应力)称为弹性极限, 以表示。当应力大于弹性极限后, 如若再卸去载荷, 则试样变形的一部分随之消失( 这部分变形为弹性变形) , 但还残留一部分变形不能消失, 这种不能消失的变形称为塑性变形或残余变形。
( 2) 屈服阶段 BD
当应力越过B点增加到某一数值时, 应变有非常明显的增加, 而应力略有下降后作微幅上下波动, 在—曲线上出现近于水平的小锯齿状线段。总体来说, 该区间应力基本保持个变, 而应变有显著增加的现象, 材料仿佛暂时失去了抵抗变形的能力, 这种现象称为屈服或流动, 这一阶段称为屈服阶段。在屈服阶段内材料波动的最高和最低应力分别称为上屈服极限和下屈服极限。上屈服极限的数值一般不稳定( 与试样形状、 加载速度等因素有关) , 而下屈服极限数值则较稳定, 更能反映材料的性能。[4]在此阶段内能够观察到的另一个现象是滑移线。如果试件具有平整的表面并打磨光滑, 那么试件在拉伸并进入屈服阶段时, 其表面将会心出现与试件轴线呈的纹路,这是由于材料内部晶格相对滑移所致。这种纹路称为滑移线, 如图-3。[4]-[5]

图-3 滑移线
Fig.3 Slip line
( 3) 强化阶段 DE
过了屈服阶段后, 材料又恢复了抵抗受形的能力, 要使试件继续伸长生形必须继续增加拉力, 这种现象称为材料的强化, 这一阶段称为强化阶段。在强化阶段试杆的变形主要是塑性变形, 可观察出试样横向尺寸明显缩小。
( 4) 颈缩断裂阶段
过了E点后, 在其某一局部区段内横截而积突然急剧缩小, 此即缩颈现象, 如图-4(a)所示。由在缩颈部分横截面积迅速减小, 使试样继续伸长所需拉力也相应减少(载荷读数反而降低), 在应力-应变图中, 用横截面原始面积算出的应力随之下降, —直降落到F点, 试样随即位断, 如图-4 (b)所示。[4]

图-4
Fig.4

由相关资料可知, Q235钢的弹性极限, 屈服极限, 强度极限, 延伸率, 断面收缩率。[11]在材料的整个变形过程中, 当外力超过屈服强度之后, 塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去, 而需要不断增加外力才能继续进行。这表明金后材料有一种阻止继续曲性变形的能力, 即应变硬化性能。塑性应变是硬化的原因, 而硬化则是塑性应受的结果。应变硬化是位错增殖、 运动受阻所致。[6]
( 三) 中碳钢
中碳钢的性能取决于含碳量和微观结构。[13]现以45号钢为例, 图-5是45号钢静态拉伸曲线。[7]

图-5 45号钢静态拉伸曲线
Fig.5 The static tensile curve of 45 steel

就45号钢而言, 其屈服极限, 强度极限, 延伸率, 断面收缩率。[15]同低碳钢一样, 中碳钢在拉伸时也具有四个阶段, 即弹性阶段、 屈服阶段、 强化阶段和颈缩断裂阶段。
中碳钢热加工及切削性能良好, 焊接性能较差。强度、 硬度比低碳钢高, 而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理, 直接使用热轧材、 冷拉材, 亦可经热处理后使用。淬火、 回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为HRC55(HB538), σb为600～1100MPa。因此在中等强度水平的各种用途中, 中碳钢得到最广泛的应用, 除作为建筑材料外, 还大量用于制造各种机械零件。高强度中碳调质钢, 具有一定的塑性、 韧性和强度, 切削性良好, 调质处理后有很好的综合力学性能, 淬透性较差, 容易产生裂纹, 焊接性能不高, 焊接之前需要很好预热, 焊后需要热处理。中碳钢主要用于制造较高强度的运动零件, 如空气压缩机、 泵的活塞, 蒸汽透平机的叶轮, 重型机械的轴、 蜗杆、 齿轮等等, 表面耐磨的零件, 曲轴、 机床主轴、 滚筒、 钳工工具等等。[8]
( 四) 高碳钢
以T12钢为例, 图-6是T12钢的静态拉伸曲线。[9]

图-6 T12钢的静态拉伸曲线
Fig.6 The static tensile curve of T12 steel

由拉伸曲线可知, 高碳钢在拉伸时没有屈服、 强化和颈缩阶段, 其最大载荷即为断裂载荷。由此可知, 高碳钢的冷塑性较差, 不适宜冷锻加工。
高碳钢在经适当热处理或冷拔硬化后, 具有高的强度和硬度、 高的弹性极限和疲劳极限(特别是缺口疲劳极限), 切削性能尚可, 但焊接性能和冷塑性变形能力差。由于含碳量高, 水淬时容易产生裂纹, 因此多采用双液淬火(水淬+油冷), 小截面零件多采用油淬。这类钢一般在淬火后经中温回火或正火或在表面淬火状态下使用。主要用于制造弹簧和耐磨零件。 碳素工具钢是基本上不加入合金化元素的高碳钢, 也是工具钢中成本较低、 冷热加工性良好、 使用范围较广的钢种。其碳含量在0.65一1.35%, 是专门用于制作工具的钢。
高碳钢的硬度、 强度主要取决于钢中固溶的碳量, 并随固溶碳量的增加而提高。固溶碳量超过0.6%时, 淬火后硬度不再增加, 只是过剩的碳化物数量增多, 钢的耐磨性略有增加, 而塑性、 韧性和弹性有所降低。为此, 常根据使用条件和对钢的强度、 韧性匹配来选用不同的钢号。例如, 制造受力不大的弹簧或簧式零件, 可选择较低碳量的65钢。一般高碳钢可用电炉、 平炉、 氧气转炉生产。要求质量较高或特殊质量时可采用电炉冶炼加真空自耗或电渣重熔。冶熔时, 严格控制化学成分, 特别是硫和磷的含量。为减少偏析, 提高等向性能, 钢锭可进行高温扩 散退火(对工具钢尤为重要)。热加工时, 过共析钢的停锻(轧)温度要求低(约800℃), 锻轧成材后应避免粗大网状碳化物的析出, 在700℃以下应注意缓冷, 以防热应力造成裂纹。热处理或热加工过程中要防止表面脱碳(对弹簧钢尤为重要)。热加工时要有足够的压缩比, 以保证钢的质量和使用性能。[14]
二、 不同含碳量碳钢的力学性能对比
由于上文所述的Q235钢属于普通碳素结构钢, 45号钢属于优质碳素结构钢, 而T12钢属于工具钢, 严谨起见, 在这里以优质碳素结构钢为例, 给出含碳量不同的碳钢的力学性能指标。[18]
由此表可见, 随着碳含量的增加, 钢的屈服极限和强度极限越来越高, 延伸率和断面收缩率越来越低。故而我们能够认为, 当随着碳含量的增加, 钢的强度越来越高, 而冷塑性越来越差。

序号
牌号
试样毛坯尺寸
mm
推荐热处理.C
力学性能
钢材交货状态硬度
HBSlO／3000
不大于
正火
淬火
回火
σb
MPa
σs
MPa
δ5
%
ψ
%
Aku2
J
不小于
未热处理钢
退火钢
1
08
25
930

325
195
33
60

131

2
10
25
930

335
205
3l
60

137

3
15
25
920

375
225
27
55

143

4
20
25
910

410
245
25
55

156

5
25
25
900
870
600
450
275
23
50
71
170

6
30
25
880
860
600
490
295
21
50
63
179

7
35
25
870
850
600
530
315
20
45
55
197

8
40
25
860
840
600
570
335
19
45
47
217
187
9
45
25
850
840
600
600
355
16
40
39
229
197
10
50
25
830
830
600
630
375
14
40
31
241
207
11
55
25
820
820
600
645
380
13
35

255
217
12
60
25
810

675
400
12
35

255
229
13
65
25
810

695
410
10
30

255
229
14
70
25
790

715
420
9
30

269
229
15
75
试样

820
480
1080
880
7
30

285
241
16
80
试样

820
480
1080
930
6
30

285
241
17
85
试样

820
480
1130
980
6
30

302
255
注:
1对于直径或厚度小于25 mm的钢材, 热处理是在与成品截面尺寸相同的试样毛坯上进行。   
2表中所列正火推荐保温时间不少于30 min.空冷; 淬火推荐保温时间不少于30 min, 75、 80和85钢油冷.其余钢水冷; 回火推荐保温时间不少于1 h。

三、 微观机理分析
应力会导致材料的微观结构的变化。[12]当材料的化学成分一定时, 其性能便由组织决定。退火后, 低、 中、 高碳钢的显微组织分别为较多的铁素体+层片状珠光体、 铁素体+层片状珠光体、 少量渗碳体+层片状珠光体。退火钢中的铁素体是体心立方结构, 属软而韧的相; 渗碳体是复杂结构, 属硬而脆的相。
( 一) 低碳钢
对低碳钢逐渐加载后可观察到低碳钢中裂纹的萌生、 扩展和断裂的过程。( 图-7)

图-7 逐渐加载后低碳钢中裂纹的萌生、 扩展和断裂
Fig.7 The initiation and propagation of the crack and the fracture behavior in low carbon steel under the test loading

图-8为对低碳钢逐渐加载后的高倍跟踪观察的二次电子像。由图可见, 加载后,铁素体中首先产生滑移; 随着载荷的增加, 铁素体中发生交滑移; 当载荷达到足够大时, 铁素体中开始出现裂纹; 随后, 裂纹在铁素体中扩展, 最后断裂。

图-8 逐渐加载后低碳钢中裂纹萌生、 扩展的高倍像
Fig.8 The high magnifying images of the initiation and propagation of the crack
in the low carbon steel under the test loading

低碳钢试样加载后,, 在外力的作用下, 体心立方结构的铁素体中的位错源开动并开始滑移, 接着产生交滑移; 随着外力不断增加, 位错在不同的滑移面上运动堆积, 铁素体中因几个滑移面上的位错运动形成微孔; 在更大的外力作用下, 其它滑移面上的位错朝微孔运动并使其长大; 微孔长大的同时, 几个相邻微孔之间的铁素体的横截面积不断缩小, 以塑性变形方式产生缩颈进而断开, 这样微孔连接形成裂纹。当载荷达到一定程度时, 铁素体中裂纹尖端应力增加, 裂纹向前扩展, 直至断裂。因此, 在低碳钢中, 材料的力学性能主要取决于铁素体的晶粒大小, 珠光体团的大小和分布对材料的力学性能也有一定的影响。铁素体的晶粒越小, 珠光体团越小, 分布越弥散, 钢的强度、 塑性越好。
( 二) 中碳钢
图-9为中碳钢逐渐加载后的高倍跟踪观察二次电子像。由图可见,试样加载后裂纹首先在试样的边缘半圆弧处萌生,随着载荷的增加,铁素体中产生滑移,然后裂纹在铁素体中扩展至珠光体团后,沿珠光体团界逐渐扩展,直至断裂。

图-9 逐渐加载后2 号试样中裂纹的萌生、 扩展的高倍像
Fig.9 The high magnifying images of the initiation
and the propagation of the crack of the medium carbon steel
under the test loading

中碳钢在载荷作用下, 首先在较软的铁素体中发生位错的滑移, 滑移的位错在铁素体与珠光体团的相界受阻, 当这些受阻塞积在相界的位错足够多时同样会使裂纹在相界产生; 增加载荷, 裂纹沿相界扩展; 扩展至铁素体中时, 较软的铁素体会使应力松弛, 需要进一步加载, 裂纹才能继续扩展直至断裂。因此, 中碳钢的强度、 硬度主要取决于珠光体团的直径, 而铁素体的大小、 分布对材料的力学性能亦有一定的影响。较小又弥散分布的珠光体、 铁素体同样会使铁素体中的位错不易滑移, 同时, 铁素体越小, 在珠光体团前塞积的位错越少, 铁素体与珠光体相界的正应力越小, 裂纹越不容易产生, 必须提高外加作用力才能使更多的位错滑移, 使更多的位错塞积在珠光体团前, 造成足够的正应力才能使裂纹产生。
( 三) 高碳钢
对高碳钢逐渐加载后观察到其中裂纹的萌生、 扩展和断裂的过程(见图-10)。由图-10可见, 试样加载后裂纹首先在试样的边缘半圆弧处萌生, 随着载荷的增加, 裂纹逐渐扩展直至断裂。图-11为对高碳钢逐渐加载后的高倍二次电子像。由图-11可见,加载后珠光体中的部分渗碳体先被拉断,随着载荷的增加,很多渗碳体断裂并连接在一起形成裂纹,随着载荷的继续增加, 裂纹扩展直至断裂。

图-10 逐渐加载后高碳钢中裂纹的萌生、 扩展的高倍像
Fig.10 The high magnifying images of the initiation and propagation of the crack
in the high carbon steel under the test loading

图-11 加载后高碳钢的高倍像
Fig.11 The high magnifying images of the high carbon steel under the test loading

在高碳钢的显微组织中, 片状珠光体由铁素体和渗碳体组成。试样加载后, 在外力的作用下, 位于铁素体中的位错源开动; 外力增加, 位错发生滑移, 由于受到渗碳体的阻碍, 滑移的位错在渗碳体片前塞积; 很多塞积的位错在渗碳体片中造成正应力, 使渗碳体断裂。当每一片渗碳体都发生断裂并连接在一起, 这时便体现为宏观的整体断裂。珠光体片层间距减小, 铁素体和渗碳体变薄, 相界面增多, 铁素体中的位错不易滑移, 同时, 片层越薄, 在渗碳体前塞积的位错越少, 渗碳体中的正应力越小, 渗碳体越不容易断裂, 必须提高外加作用力才能使更多的位错滑移, 使更多的位错塞积在渗碳体前, 造成足够的正应力才能使渗碳体断裂。因此, 高碳钢的强度和硬度主要取决于珠光体的片间距以及渗碳体的大小和分布。[10]
四、 拉伸速率对碳钢力学性能的影响
有文献表明[19], 拉伸速率对碳钢的力学性能是有影响的。( 以A3钢为例)
( 一) 对屈服极限的影响
如图-12所示, 加载速度对低碳钢拉伸试件的屈服极限结果有影响, 加载速度由2mm/min到8mm/min逐渐增大时, 低碳钢拉伸试件的屈服极限也明显增大, 加载速度由8mm/min到10mm/min逐渐增大时, 低碳钢拉伸试件的屈服极限相同300Mpa, 低碳钢拉伸试件的屈服极限较稳定。

图-12 加载速率对屈服极限的影响
Fig.12 The influence of loading rate on yield limit
( 二) 对强度极限的影响
如图-13所示, 加载速度的变化对低碳钢拉伸试件强度极限的结果影响显著, 加载速度从2mm/min到4mm/min试件强度极限增大, 加载速度从4mm/min到6mm/min试件强度极限相同, 表明此阶段试件的强度极限较稳定, 加载速度从6mm/min到8mm/min时试件强度极限减小, 不稳定。加载速度从8mm/min到10mm/min时试件强度极限大致相同, 稳定。

图-13 加载速率对强度极限的影响
Fig.13 The influence of loading rate on ultimate strength
( 三) 对延伸率的影响
从图-14中能够看出, 低碳钢试件延伸率不稳定, 加载速度由2mm/min到4mm/min时低碳钢试件延伸率增加, 加载速度由4mm/min到8mm/min时低碳钢试件延伸率减小, 加载速度由8mm/min到10mm/min时低碳钢试件延伸率增大, 变化显著。

图-14 加载速率对延伸率的影响
Fig.14 The influence of loading rate on the elongation
五、 结论
随着钢中碳含量的增加, 材料的冷塑性降低, 强度增加。
低碳钢具有良好的冷塑性。在低碳钢中, 材料的力学性能主要取决于铁素体的晶粒大小, 珠光体团的大小和分布对材料的力学性能亦有一定的影响。铁素体的晶粒越小, 珠光体团越小、 分布越弥散, 钢的强度和塑性越好。
中碳钢的冷塑性低于低碳钢, 但硬度要比低碳钢高。中碳钢的强度和硬度主要取决于珠光体团的直径和铁素体的大小及分布。较小又弥散分布的珠光体和铁素体会使中碳钢的强度和硬度提高。
高碳钢的硬度高, 冷塑性差。高碳钢的强度和硬度主要取决于珠光体的片间距以及渗碳体的大小和分布,珠光体片层间距减小,铁素体和渗碳体变薄,相界面增多,高碳钢的强度和硬度提高。
拉伸速率是影响碳钢力学性能的重要因素, 在不同的拉伸速率下, 碳钢表现出的力学性能不尽相同。

参考文献
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