碳钢在单向静拉伸条件下的力学性能的研究样本

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：徐泽洋指引教师：宋玉强碳钢在单向静拉伸条件下力学性能研究徐泽洋摘要：本文讨论了高中低碳钢在静拉伸条件下力学性能特点，并从微观上解释了碳含量不同钢力学性能不同因素。核心词：碳钢拉伸力学性能ThemechanicalpropertiesofcarbonsteelundertheconditionofChanXiangJingstretchingresearchXuZe-YangAbstract：Thisarticlediscussesthecharacteristicsofthehighmediumandlowcarbonsteelundertheconditionofthestatictensilemechanicalproperties，andexplainsthecarboncontentofdifferentsteelfromthemicroscopicmechanicalpropertiesofdifferentreasons.KeyWords：Lowcarbon；Tensile；Mechanicalproperties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

引言钢是当代工业中应用最广泛金属材料之一，形成钢重要元素是铁和碳，故又称铁碳合金。含碳量不大于2．11％而不具有特意加入合金元素铁碳合金称为碳钢(非合金钢)。碳钢由于具备良好力学性能和工艺性能，且冶炼以便，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运送及其她各个工业部门中得到广泛应用。[16]碳是影响碳钢性能重要元素。随碳质量分数增长，钢强度、硬度增长，塑性、韧性减少。[17]一、碳含量不同钢拉伸过程现象及拉伸曲线（一）拉伸实验实验原理材料拉伸实验是在专用实验机上进行。为了便于比较分析不同材料实验成果，实验时按国标将材料加工成原则圆试件或原则板试件。按国标规定（GB228-76），对圆试件，L0/d0＝10或5；对板试件，L0/S0关于试样平行长度Lc，对圆形、管形截面试样应不不大于L0+d0/2；对矩形截面试样，平行长度应不不大于L0+1.5S0。仲裁实验时，应分别不不大于L0+2d0，和L0+2S0。试样又分带头和不带头试样。前者用于仲裁实验，只者用于不适当或不经机加工而整拉棒材。对经机加工带头圆形或矩形试样，平行某些至头部过渡必要缓和，圆截面试样过渡圆弧半r≤0.75d0，矩形截面试样过度半径r≤12mm。试样头部形状及尺寸应按试样大小、材料特性、实验目以及实验机夹具构造进行设计(惯用有圆柱形、阶梯形和螺纹形等)，但必要保证轴向受力。图-图-1夹板式夹头所用带头圆截面试样Fig.1Leadthecircularcrosssectionsampleusedplywoodtypeclamp将原则试件安装在实验机上．开动机器缓慢加载，直至将试件拉断为止。普通实验机均可将实验过程中轴力和相应伸长量自动绘出曲线，称为“拉伸曲线”。[1]（二）低碳钢以Q235普通碳素构造钢为例将低碳钢原则试件夹装在拉力实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应力σ和杆件轴线方向应变ε，并绘制σ—ε关系图（如图-2）。[3]图-2低碳钢拉伸时应力-应变曲线Fig.2Stress-straincurveoflowcarbonsteelwhentensiling由低碳钢σ—ε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，σ与ε为线性关系。超过比例极限后，从A点到B点，σ与ε之间关系不再是直线，但仍是弹性变形。材料浮现弹性交形最高点所相应应力值(即B点所相应应力)称为弹性极限，以εe表达。当应力不不大于弹性极限后，如若再卸去载荷，则试样变形一某些随之消失（这某些变形为弹性变形），但还残留一某些变形不能消失，这种不能消失变形称为塑性变形（2）屈服阶段BD当应力越过B点增长到某一数值时，应变有非常明显增长，而应力略有下降后作微幅上下波动，在σ—ε曲线上浮现近于水平小锯齿状线段。总体来说，该区间应力基本保持个变，而应变有明显增长现象，材料好像暂时失去了抵抗变形能力，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。上屈服极限数值普通不稳定（与试样形状、加载速度等因素关于），而下屈服极限数值则较稳定，更能反映材料性能。[4]在此阶段内可以观测到另一种现象是滑移线。如果试件具备平整表面并打磨光滑，那么试件在拉伸并进入屈服阶段时，其表面将会心浮现与试件轴线呈45°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.3Slipline（3）强化阶段DE过了屈服阶段后，材料又恢复了抵抗受形能力，要使试件继续伸长生形必要继续增长拉力，这种现象称为材料强化，这一阶段称为强化阶段。在强化阶段试杆变形重要是塑性变形，可观测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。由在缩颈某些横截面积迅速减小，使试样继续伸长所需拉力也相应减少(载荷读数反而减少)，在应力-应变图中，用横截面原始面积算出应力随之下降，—直降落到F点，试样随后位断，如图-4(b)所示。[4]图-4Fig.4由有关资料可知，Q235钢弹性极限σe≈200MPa，屈服极限σs≈235MPa，强度极限σb≈390MPa，延伸率δ=25%~30%（三）中碳钢中碳钢性能取决于含碳量和微观构造。[13]现以45号钢为例，图-5是45号钢静态拉伸曲线。[7]图-545号钢静态拉伸曲线Fig.5Thestatictensilecurveof45steel就45号钢而言，其屈服极限σs≈355MPa，强度极限σb≥600MPa，延伸率δ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。可不经热解决，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热解决后使用。淬火、回火后中碳钢具备良好综合力学性能。可以达到最高硬度约为HRC55(HB538)，σb为600～1100MPa。因此在中档强度水平各种用途中，中碳钢得到最广泛应用，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，具备一定塑性、韧性和强度，切削性良好，调质解决后有较好综合力学性能，淬透性较差，容易产生裂纹，焊接性能不高，焊接之前需要较好预热，焊后需要热解决。中碳钢重要用于制造较高强度运动零件，如空气压缩机、泵活塞，蒸汽透平机叶轮，重型机械轴、蜗杆、齿轮等等，表面耐磨零件，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钢静态拉伸曲线。[9]图-6T12钢静态拉伸曲线Fig.6ThestatictensilecurveofT12steel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，高碳钢冷塑性较差，不适当冷锻加工。高碳钢在经恰当热解决或冷拔硬化后，具备高强度和硬度、高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。此类钢普通在淬火后经中温回火或正火或在表面淬火状态下使用。重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高碳钢，也是工具钢中成本较低、冷热加工性良好、使用范畴较广钢种。其碳含量在0.65一1.35%，是专门用于制作工具钢。高碳钢硬度、强度重要取决于钢中固溶碳量，并随固溶碳量增长而提高。固溶碳量超过0.6%时，淬火后硬度不再增长，只是过剩碳化物数量增多，钢耐磨性略有增长，而塑性、韧性和弹性有所减少。为此，常依照使用条件和对钢强度、韧性匹配来选用不同钢号。例如，制造受力不大弹簧或簧式零件，可选取较低碳量65钢。普通高碳钢可用电炉、平炉、氧气转炉生产。规定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，过共析钢停锻(轧)温度规定低(约800℃)，锻轧成材后应避免粗大网状碳化物析出，在700℃如下应注意缓冷，以防热应力导致裂纹。热解决或热加工过程中要防止表面脱碳(对弹簧钢尤为重要)。热加工时要有足够压缩比，以保证钢质量和使用性能。[14]二、不同含碳量碳钢力学性能对比由于上文所述Q235钢属于普通碳素构造钢，45号钢属于优质碳素构造钢，而T12钢属于工具钢，严谨起见，在这里以优质碳素构造钢为例，给出含碳量不同碳钢力学性能指标。[18]由此表可见，随着碳含量增长，钢屈服极限σs和强度极限σb越来越高，延伸率δ和断面收缩率ψ序号牌号试样毛坯尺寸mm推荐热解决.C力学性能钢材交货状态硬度HBSlO／3000不不不大于正火淬火回火σbMPaσsMPaδ5%ψ%Aku2J不不大于未热解决钢退火钢10825930

3251953360

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63025880860600490295215063179

73525870850600530315204555197

84025860840600570335194547217187945258508406006003551640392291971050258308306006303751440312412071155258208206006453801335

255217126025810

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255229136525810

6954101030

255229147025790

715420930

2692291575试样

8204801080880730

2852411680试样

8204801080930630

2852411785试样

8204801130980630

302255注：1对于直径或厚度不大于25mm钢材，热解决是在与成品截面尺寸相似试样毛坯上进行。

2表中所列正火推荐保温时间不少于30min.空冷；淬火推荐保温时间不少于30min，75、80和85钢油冷.别的钢水冷；回火推荐保温时间不少于1h。三、微观机理分析应力会导致材料微观构造变化。[12]当材料化学成分一定期，其性能便由组织决定。退火后，低、中、高碳钢显微组织分别为较多铁素体+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。退火钢中铁素体是体心立方构造，属软而韧相；渗碳体是复杂构造，属硬而脆相。（一）低碳钢对低碳钢逐渐加载后可观测到低碳钢中裂纹萌生、扩展和断裂过程。（图-7）图-7逐渐加载后低碳钢中裂纹萌生、扩展和断裂Fig.7Theinitiationandpropagationofthecrackandthefracturebehaviorinlowcarbonsteelunderthetestloading图-8为对低碳钢逐渐加载后高倍跟踪观测二次电子像。由图可见，加载后,铁素体中一方面产生滑移；随着载荷增长，铁素体中发生交滑移；当载荷达到足够大时，铁素体中开始浮现裂纹；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、扩展高倍像Fig.8Thehighmagnifyingimagesoftheinitiationandpropagationofthecrackinthelowcarbonsteelunderthetestloading低碳钢试样加载后,，在外力作用下，体心立方构造铁素体中位错源开动并开始滑移，接着产生交滑移；随着外力不断增长，位错在不同滑移面上运动堆积，铁素体中因几种滑移面上位错运动形成微孔；在更大外力作用下，其他滑移面上位错朝微孔运动并使其长大；微孔长大同步，几种相邻微孔之间铁素体横截面积不断缩小，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。当载荷达到一定限度时，铁素体中裂纹尖端应力增长，裂纹向前扩展，直至断裂。因而，在低碳钢中，材料力学性能重要取决于铁素体晶粒大小，珠光体团大小和分布对材料力学性能也有一定影响。铁素体晶粒越小，珠光体团越小，分布越弥散，钢强度、塑性越好。（二）中碳钢图-9为中碳钢逐渐加载后高倍跟踪观测二次电子像。由图可见,试样加载后裂纹一方面在试样边沿半圆弧处萌生,随着载荷增长,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号试样中裂纹萌生、扩展高倍像Fig.9Thehighmagnifyingimagesoftheinitiationandthepropagationofthecrackofthemediumcarbonsteelunderthetestloading中碳钢在载荷作用下，一方面在较软铁素体中发生位错滑移，滑移位错在铁素体与珠光体团相界受阻，当这些受阻塞积在相界位错足够多时同样会使裂纹在相界产生；增长载荷，裂纹沿相界扩展；扩展至铁素体中时，较软铁素体会使应力松弛，需要进一步加载，裂纹才干继续扩展直至断裂。因而，中碳钢强度、硬度重要取决于珠光体团直径，而铁素体大小、分布对材料力学性能亦有一定影响。较小又弥散分布珠光体、铁素体同样会使铁素体中位错不易滑移，同步，铁素体越小，在珠光体团前塞积位错越少，铁素体与珠光体相界正应力越小，裂纹越不容易产生，必要提高外加作用力才干使更多位错滑移，使更多位错塞积在珠光体团前，导致足够正应力才干使裂纹产生。（三）高碳钢对高碳钢逐渐加载后观测到其中裂纹萌生、扩展和断裂过程(见图-10)。由图-10可见，试样加载后裂纹一方面在试样边沿半圆弧处萌生，随着载荷增长，裂纹逐渐扩展直至断裂。图-11为对高碳钢逐渐加载后高倍二次电子像。由图-11可见,加载后珠光体中某些渗碳体先被拉断,随着载荷增长,诸多渗碳体断裂并连接在一起形成裂纹,随着载荷继续增长，裂纹扩展直至断裂。图-10逐渐加载后高碳钢中裂纹萌生、扩展高倍像Fig.10Thehighmagnifyingimagesoftheinitiationandpropagationofthecrackinthehighcarbonsteelunderthetestloading图-11加载后高碳钢高倍像Fig.11Thehighmagnifyingimagesofthehighcarbonsteelunderthetestloading在高碳钢显微组织中，片状珠光体由铁素体和渗碳体构成。试样加载后，在外力作用下，位于铁素体中位错源开动；外力增长，位错发生滑移，由于受到渗碳体阻碍，滑移位错在渗碳体片前塞积；诸多塞积位错在渗碳体片中导致正应力，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，铁素体中位错不易滑移，同步，片层越薄，在渗碳体前塞积位错越少，渗碳体中正应力越小，渗碳体越不容易断裂，必要提高外加作用力才干使更多位错滑移，使更多位错塞积在渗碳体前，导致足够正应力才干使渗碳体断裂。因而，高碳钢强度和硬度重要取决于珠光体片间距以及渗碳体大小和分布。[10]四、拉伸速率对碳钢力学性能影响有文献表白[19]，拉伸速率对碳钢力学性能是有影响。（以A3钢为例）（一）对屈服极限影响如图-12所示，加载速度对低碳钢拉伸试件屈服极限成果有影响，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，低碳钢拉伸试件屈服极限相似300Mpa，低碳钢拉伸试件屈服极限较稳定。图-12加载速率对屈服极限影响Fig.12Theinfluenceofloadingrateonyieldlimit（二）对强度极限影响如图-13所示，加载速度变化对低碳钢拉伸试件强度极限成果影响明显，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试件强度极限相似，表白此阶段试件强度极限较稳定，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时试件强度极限大体相似，稳定。图-13加载速率对强度极限影响Fig.13Theinfluenceofloadingrateonultimatestrength（三）对延伸率影响从图-14中可以看出，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长，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，变化明显。图-14加载速率对延伸率影响Fig.14Theinfluenceofloadingrateontheelongation五、结论随着钢中碳含量增长，材料冷塑性减少，强度增长。低碳钢具备良好冷塑性。在低碳钢中，材料力学性能重要取决于铁素体晶粒大小，珠光体团大小和分布对材料力学性能亦有一定影响。铁素体晶粒越小，珠光体团越小、分布越弥散，钢强度和塑性越好。中碳钢冷塑性低于低碳钢，但硬度要比低碳钢高。中碳钢强度和硬度重要取决于珠光体团直径和铁素体大小及分布。较小又弥散分布珠光体和铁素体会使中碳钢强度和硬度提高。高碳钢硬度高，冷塑性差。高碳钢强度和硬度重要取决于珠光体片间距以及渗碳体大小和分布,珠光体片层间距减小,铁素体和渗碳体变薄,相界面增多,高碳钢强度和硬度提高。拉伸速率是影响碳钢力学性能重要因素，在不同拉伸速率下，碳钢体现出力学性能不尽相似。参照文献[1]侯密山，胡玉林.工程力学（Ⅱ）材料力学[M].东营：中华人民共和国石油大学出版社，.[2]杜云海.材料力学实验[M].郑州：郑州大学出版社，.[3]胡益平.材料力学[M].武汉：武汉大学出版社，.[4]原方.材料力学[M].北京：机械工业出版社，.[5]秦世伦.材料力学[M].成都：四川大学出版社，.[6]束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社，[7]俞新宇.中碳钢接触形式对微动疲劳影响研究[D].浙江工业大学,.[8]中华人民共和国机械工程学会，李春胜，黄德斌.金属材料手册[M].北京：化学工业出版社，.[9]四川五局《金属材料机械性能实验》编写组.金属材料机械性能实验[M].北京：国防工业出版社，1983.[10]黄海波，李凡.高中低碳钢力学性能微观揭示[J].理化检查(物理分册),,01:15-18.HuangHaibo,LiFan.HighMediumandLowCarbonSteelMechanicalPropertiesofMicroRevealed[J].PhysicalandChemicalInspection(PhysicalVolume)，,01:15-18.[11]许本安，李秀治.材料力学[M].上海：上海交通大学出版社，1988.[12]Investigationinto