测试钢的强度

《钢材质量检验》单元教学设计一、教案头

二、教学过程设计

三、教学内容（讲义）

1.金属的强度

金属的应力是指金属在外力的作用下，单位面积上所承受的力。即：σ= F/S

金属的强度是指金属在力的作用下达到极限时所能承受的最大应力，它反映材料在力的作用下不发生宏观变形或断裂的能力。金属的强度指标一般包括抗拉强度和屈服强度两项。抗拉强度是指金属在力的作用下发生断裂前，所能承受的最大应力。屈服强度是指金属在外力的作用下产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。

钢铁材料一般用作结构材料或工具材料，承力能力是其最基本的性能要求。因此，几乎所有的钢铁材料在出厂前或在加工过程中都要进行强度测验。有了强度指标作指导，在使用过程中，将外力限制在一定的范围内，钢材或其构件就不会产生宏观变形或断裂，这也是工程人员设计和选材的重要依据。对于冶金生产来说，钢的强度检验是指导冶金厂不断改进生产加工工艺、提高产品质量、生产符合标准的钢材产品，以及指导用户合理选材、正确进行冷热加工和热处理的重要依据。

钢的强度检验一般采用拉伸试验来完成。拉伸试验是力学性能试验中最基本也最重要的检测试验，钢材的拉伸试验方法依据GB/T228—2002《金属材料的拉伸试验方法》中的规定进行。

2.拉伸试验

拉伸试验是指，将标准试样夹持在拉伸试验机上，均匀施加轴向作用力，采用自动记录装置记下材料在拉伸过程中所受的拉伸力和变形量，得到如下图所示的拉伸曲线。

下面对拉伸曲线作简要分析。拉伸曲线是力-伸长曲线，横坐标表示试样在拉伸过程中的伸长量，纵坐标表示试样所受到的轴向拉伸力。观察拉伸曲线，可将其分为四个阶段。

Oa——弹性变形阶段。试样的变形完全是弹性的，力卸载后，伸长变形消失，试样可恢复到原来的尺寸。

ad——屈服阶段。在此阶段被拉试样开始出现连续均匀的微小塑性变形，其特征是外力卸除后试样不能恢复到原有长度，随着拉伸时间的延续，试样伸长急剧增加，但载荷却在小范围内波动，拉伸曲线上可见一水平线段de，该线段对应的外力即为屈服力（分为上、下屈服力，分别以 F eL和F eH表示）。

de——强化阶段。在屈服阶段以后，由于变形强化的作用，欲使试样继续伸长，必须不断加载。随着塑性变形的增加，试样的变形抗力也逐渐增加。F b为拉伸时的最大载荷。

ef——断裂阶段。当载荷达到最大值F b时，试样开始产生局部截面变小，及“缩颈”，由于缩颈后截面积急剧减小，试样不足以抵抗外力的作用，很快在缩颈处断裂。

工程上，通常关注塑性变形的起始位置对应的应力，及图上s点对应的应力σs，称为屈服强度，它反映了材料在外力的作用下不发生塑性变形所能承受的极限力。另外，在强化阶段f点对应的应力σb，称为抗拉强度，它反映了材料在外力的作用下不发生断裂或破坏所能承受的最大应力。

3.强度指标

强度的两项指标指屈服强度和抗拉强度。

（1）屈服强度：指金属在外力的作用下产生完全弹性变形时所能承受的最大应力，用符号σs 来表示。

表示式：σs = F s/S0

式中 F s——拉伸曲线上屈服点对应的力；

S0——拉伸试样的原始横截面积。

测试方法：在拉伸试验机上做拉伸试验，得到拉伸曲线。在拉伸曲线上做直线段对应的切线，找到弹性变形与塑性变形的分界点，称为屈服点，屈服点对应的力F s除以原始截面积S0即可算出屈服强度。

（2）抗拉强度：指拉伸试样在力的作用下发生断裂前，所能承受的最大应力，用符号σb来表示。

表示式：σb = F b/S0

式中 F b——拉伸曲线上的最大力；

S0——拉伸试样的原始横截面积。

测试方法：在拉伸试验机上做拉伸试验，得到拉伸曲线。在拉伸曲线上找到最大力F b，用最大力F b除以原始截面积S0即可算出抗拉强度。

4.强度的测试方法

（1）利用螺旋测微器测试拉伸试样的原始直径，计算其原始横截面积S0。

（2）将制备好的拉伸试样夹持在拉伸试验机的夹具上，启动拉伸试验机。

（3）试样受拉伸力的作用产生变形，直至断裂。

（4）试验机的自动检测装置记录试样在拉伸过程中的力和变形，自动绘制力-伸长曲线，即拉伸曲线。

（5）打印拉伸曲线，将拉伸曲线贴在任务训练书的指定位置，在图上分析找出屈服点和抗拉强度点，依次找到屈服点对应的力F s和最大力F b，除以原始截面积S0即可算出屈服强度和抗拉强度。

（6）将分析过程和计算结果记录在任务训练书的指定位置。

5.强度的应用

抗拉强度是试样在拉伸过程中最大力所对应的应力，也是表征材料在静力条件下的最大承载能力，它是工程设计和选材的主要依据，几乎所有的钢材产品都要测试这一指标。一般碳钢的强度较低，主要用作要求不高的建筑材料；而淬火、中温回火后的合金钢其强度远远高于普通钢，用于受力集中的螺母螺栓等紧固件。

四、训练任务

1.任务名称：拉伸试验测试钢的强度

2.任务要求：①小组长明确分工，组内协助完成任务。

②工作细致认真，能熟练操作拉伸试验机。

③数据结果分析要思路清晰，任务单填写要求工整整洁。

④小组展示语言要大方得体，小组评价时要客观公正。

3.实训用具：（Q235钢）拉伸试样每组3支、拉伸试验机、螺旋测微器。

4.操作步骤：

（1）利用螺旋测微器测试拉伸试样的原始直径，沿垂直方向各测一次，取平均值，计算其原始横截面积S0。

（2）将制备好的拉伸试样夹持在拉伸试验机的夹具上，启动拉伸试验机。注意上下两夹具的中心线在一条直线上，保证加载力沿轴线方向。

（3）试样受拉伸力的作用产生变形，直至断裂，取下拉断后的拉伸试样，做塑性分析的备用件。试验过程中注意防止试样断裂时伤人。

（4）试验机的自动检测装置记录试样在拉伸过程中的力和变形，自动绘制力-伸长曲线，即拉伸曲线。

（5）打印拉伸曲线，将拉伸曲线贴在任务训练书的指定位置，在图上分析找出屈服点和抗拉强度点，依次找到屈服点对应的力F s和最大力F b，除以原始截面积S0即可算出屈服强度和抗拉强度。