低碳钢和铸铁的拉伸压缩试验

低碳钢与铸铁的拉伸、压缩试验对比分析低碳钢（典型塑性材料）与铸铁（典型脆性材料）的拉伸、压缩试验是材料力学中探究材料力学性能的核心实验。通过对比二者在受力过程中的应力 - 应变曲线、破坏形式及关键力学指标，可清晰区分塑性材料与脆性材料的本质差异，为工程设计中材料的选型提供关键依据。一、试验核心目的获取材料关键力学性能指标：如弹性模量（E）、屈服强度（σₛ，仅塑性材料）、抗拉强度（σᵦ）、抗压强度（σ_c）等，这些指标是结构强度计算的基础。观察材料受力行为：分析材料在弹性阶段、塑性阶段（仅塑性材料）的变形规律，以及最终破坏形式，判断材料是 “塑性屈服” 还是 “脆性断裂”。建立应力 - 应变关系：通过试验绘制应力 - 应变曲线，直观反映材料在不同受力阶段的力学响应，是材料力学理论（如胡克定律）的实验验证依据。二、试验设备与试样1. 核心设备万能材料试验机：可施加轴向拉力或压力，同时记录载荷（F）与试样变形量（ΔL），自动计算应力（σ=F/A，A 为试样原始横截面积）和应变（ε=ΔL/L，L 为试样原始标距），并绘制 σ-ε 曲线。引伸计：高精度测量试样在弹性阶段的微小变形，确保弹性模量（E=σ/ε）计算的准确性。卡尺 / 千分尺：测量试样原始标距长度（L₀）、直径（d₀），用于计算原始横截面积（A₀=πd₀²/4）。2. 标准试样要求拉伸试样：采用 “哑铃型”（GB/T 228.1-2021），中间为等截面 “标距段”（用于测量变形），两端为夹持段（防止夹持处破坏）；低碳钢与铸铁试样尺寸一致（如标距 L₀=50mm，直径 d₀=10mm），确保对比公平性。压缩试样：采用 “短圆柱型”（GB/T 7314-2021），高度 H 与直径 d 的比例控制在 1.5~3（通常取 H=20mm，d=10mm），避免试样因 “失稳”（弯曲）而非压缩破坏，尤其对脆性材料（铸铁）需严格控制尺寸。三、低碳钢的拉伸与压缩试验低碳钢（如 Q235 钢）是典型的塑性材料，其拉伸和压缩过程存在明显的 “弹性 - 屈服 - 强化 - 颈缩” 阶段（拉伸），压缩时无明显颈缩，仅发生塑性变形。1. 低碳钢拉伸试验：四阶段特征与破坏形式（1）应力 - 应变（σ-ε）曲线与关键阶段低碳钢拉伸 σ-ε 曲线分为四个阶段，各阶段特征及力学指标如下表：阶段名称 应力 - 应变关系 核心特征 关键指标弹性阶段 线性关系（σ=Eε，胡克定律） 变形可逆，卸载后试样恢复原状；应力最大点为 “比例极限”（σₚ），接近弹性极限（σₑ）。 弹性模量 E（斜率）、比例极限 σₚ屈服阶段 应力基本不变，应变显著增加 材料出现 “塑性流动”，应力首次下降前的最大值为 “上屈服点”，稳定值为 “下屈服点”（工程中取 σₛ）。 屈服强度 σₛ（如 Q235 钢 σₛ≈235MPa）强化阶段 应力随应变增加而上升 材料因 “加工硬化”（晶体滑移受阻）重新获得承载能力，变形仍为塑性。 抗拉强度 σᵦ（最大应力点，≈370MPa）颈缩阶段 应力随应变增加而下降 试样标距段局部急剧变细（“颈缩”），承载面积减小，最终断裂。 -（2）破坏形式断裂前发生显著塑性变形（颈缩区直径大幅减小，标距段伸长率 δ≈20%~30%）；断口呈 “杯锥形”：外层为剪切面（与轴线成 45°，因剪切应力最大），中心为拉断平面，属于 “塑性断裂”。2. 低碳钢压缩试验：无颈缩，仅塑性变形（1）应力 - 应变曲线特征弹性阶段：与拉伸完全重合（E 相同，因弹性变形无方向性）；屈服阶段：屈服强度与拉伸屈服强度 σₛ基本相等（塑性材料拉压屈服强度接近）；屈服后阶段：应力持续上升，无颈缩现象（圆柱试样被 “压扁”，横截面积增大，承载能力增强），通常不测试 “抗压强度”（因无法明确断裂点，仅需屈服强度）。（2）破坏形式无脆性断裂，仅发生显著塑性变形（试样高度减小、直径增大，最终呈 “鼓形” 或 “饼形”），属于 “塑性屈服破坏”。四、铸铁的拉伸与压缩试验铸铁（如灰口铸铁 HT200）是典型的脆性材料，其拉伸和压缩过程无明显屈服阶段，弹性阶段后直接断裂，且拉压强度差异极大（抗压强度远高于抗拉强度）。1. 铸铁拉伸试验：无屈服，直接脆性断裂（1）应力 - 应变曲线特征弹性阶段：近似线性（但偏离胡克定律的比例极限较低），无明显屈服阶段；断裂阶段：应力达到最大值后立即断裂，无强化和颈缩，变形极小（伸长率 δ<1%）。（2）关键指标与破坏形式关键指标：抗拉强度 σᵦ（仅为抗压强度的 1/5~1/10，如 HT200 铸铁 σᵦ≈150MPa）；破坏形式：脆性断裂，断裂前无塑性变形；断口平整，与拉力方向垂直（因拉应力直接导致晶体分离），断口呈 “结晶状”（无颈缩）。2. 铸铁压缩试验：脆性断裂，强度远高于拉伸（1）应力 - 应变曲线特征弹性阶段：与拉伸弹性阶段斜率相近（E 略高于拉伸，因压缩时内部缺陷不易扩展）；断裂阶段：无屈服，应力达到 “抗压强度”（σ_c）后突然断裂，变形量仍较小（远小于低碳钢压缩变形）。（2）关键指标与破坏形式关键指标：抗压强度 σ_c（HT200 铸铁 σ_c≈800MPa，是抗拉强度的 5 倍以上）；破坏形式：脆性断裂，断口与压力方向成 45°~55°（因材料抗剪强度远低于抗压强度，剪切应力达到极限时断裂），断口粗糙，无塑性变形。五、核心差异对比总结通过拉伸、压缩试验，低碳钢与铸铁的力学性能、受力行为及破坏形式差异显著，具体对比如下表：对比维度 低碳钢（塑性材料） 铸铁（脆性材料）拉伸 σ-ε 曲线 四阶段（弹性 - 屈服 - 强化 - 颈缩） 两阶段（弹性 - 断裂），无屈服、颈缩拉伸破坏形式 杯锥形塑性断裂，颈缩显著 垂直于拉力的脆性断裂，无颈缩拉伸关键指标 E、σₛ、σᵦ（需测屈服强度） E、σᵦ（无屈服强度，仅测抗拉强度）压缩 σ-ε 曲线 弹性与拉伸重合，屈服后无颈缩，应力上升 弹性阶段近似线性，无屈服，达 σ_c 后断裂压缩破坏形式 鼓形塑性变形，无断裂 45° 剪切脆性断裂，无塑性变形拉压强度关系 抗拉强度 σᵦ > 屈服强度 σₛ，拉压屈服强度接近 抗压强度 σ_c ≈ 5~10σᵦ（抗压远强于抗拉）塑性指标（伸长率 δ） δ≈20%~30%（高塑性） δ<1%（低塑性，脆性）六、工程意义材料选型依据：低碳钢：适用于承受拉伸、弯曲且需塑性变形的构件（如钢结构梁、螺栓、传动轴），因其塑性好、能通过变形吸收能量，避免突然断裂。铸铁：适用于承受压力的构件（如机床床身、管道支架、桥墩基础），因其抗压强度高、成本低，且无需塑性变形；严禁用于受拉或受弯构件（易脆性断裂）。强度计算原则：塑性材料（低碳钢）：以屈服强度 σₛ 为设计依据（防止构件发生塑性变形失效）；脆性材料（铸铁）：以抗拉 / 抗压强度 σᵦ/σ_c 为设计依据（防止构件脆性断裂失效），且需单独考虑拉压差异。通过该试验，可直观理解 “塑性材料怕拉不怕压（实际拉压屈服接近，怕断裂前变形过大），脆性材料怕拉不怕压” 的工程结论，为结构安全设计提供核心支撑。