低碳钢和铸铁力学性能分析

题目：低碳钢和铸铁的力学性能分析

学院：机械工程学院

学号：xxxxxxxxxxx

姓名：xxx

专业班级：xxx

指导老师：xxx

日期：2016年4月

低碳钢和铸铁的力学性能分析

作者：xxx

作者单位：255000 山东理工大学

摘要：材料的力学性能是指在外力作用下所表现出的抵抗能力。由于载荷形式的不同，材料可表现出不同的力学性能，如强度、硬度、塑形、韧度、疲劳强度等。材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。本文主要讨论低碳钢和铸铁的力学性能在拉伸和压缩情况下的影响。

关键词：低碳钢、铸铁、拉伸、压缩

（一）材料微观组成分析

材料的微观结构几乎决定了外在性能，所以要了解研究材料的性能必须深入研究材料的组成成分。而研究材料的组成成分需要从下面这张铁碳合金相图说起。

这张图记录了奥氏体在在不同温度下的恒温转变时组成成份1和物质状态2的变化。低碳钢是指碳含量

低于0.3%的碳素钢;铸铁是指碳含量在

2.11%-6.69%的金属，其中用于拉伸和压缩试验

的铸铁为灰口铸铁，成分一般范围为

Wc=2.5%-4.0% Wsi=1.0%-2.2% Wmn=0.5%-1.3%

Ws≤0.15% Wp≤0.3%。低碳钢经过奥氏体转变的

基体是铁素体和珠光体，灰口铸铁的基体是珠光

体二次渗碳体和莱氏体。铁素体和工业纯铁相似，

塑形韧性较好，强度硬度较低。渗碳体是一种复杂的间隙化合物，硬度很高，但塑性和韧性几乎为零，是钢中的主要强化相。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，常见的形态是两者呈片层相间分布，片层越细强度越高。铸铁中的莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，其中渗碳体较多，脆性大，硬度高，塑形很差。

（二）拉伸试验

1A :奥氏体F:铁素体P:珠光体Fe3C:渗碳体Ld：莱氏体

2δ：固相区L:液相区

低碳钢碳含量较低，请强度硬度低，塑形较好，拉伸实验结果3

如图可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变

形阶段，对应应力大小分别为σe、σs、σp,材料的变形程度逐渐

变大。在弹性阶段符合胡克定律应力σ与应变ε成正比，即σ=Eε，

E为弹性模量，这种变形成为弹性变形。a点到b点，σ与ε之间的

关系不再是直线，但二者距离很近，不做区分，b点对应的应力σe 是材料只出现弹性变形极限值，称为弹性极限；在屈服阶段，当应力超过b点增加到某一值时，应变有明显的增大，而应力先是下降，然后作微小的波动，在图中接近水平线的小锯齿形折线，这种现象叫做屈服或流动。在屈服阶段内的最高应力和最低应力分别上屈服极限和下屈上屈服极限的值与试样形状、加载速度等因素有关，不稳定。下屈服极限则比较稳定，能反应材料的性能，称为屈服极限或屈服点，用σs表示。在拉伸时在与杆线成45°倾角的斜截面上切应力最大，结果就是在磨光的试样屈服时，表面将出现与轴线大致成45°倾角的条纹，可见屈服现象的出现与最大切应力有关，断口处出现明显的缩颈现象。材料屈服表现为显著的塑形变形，而某些构件的塑形变形将影响机器的正常工作，所以屈服极限σs是衡量强度的重要指标。度过屈服阶段后，进入强化阶段，在此阶段材料恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须加大拉力，这种现象叫做材料的强化。强化阶段最高点e对应应力σb是材料所能承受的最大拉力，称为强度极限或抗拉强度。它是衡量材料强度的又一重要指标。在此阶段，试样的横向尺寸有明显的缩小。接下来就是局部变形阶段，过了e点后，在试样的某一局部范围内，横向尺寸突然急剧缩小，出现颈缩现象。由于在颈缩部分横截面面积急剧缩小，使试样继续拉长所需要的应力也相应减小，在图中应力降落到f点，试样被拉断。

脆性材料的拉伸相对来说比较简单。如图一所示，应力-应变关系是一段微弯曲线，没有明显的直线

部分。在较小的拉应力下就会被拉断，没有屈服和颈缩现象，拉

断前的应变很小，伸长率也很小，断口的形状为平面。铸铁拉断

时的最大应力即为其强度极限，由于没有屈服现象σb是衡量强

度的唯一指标。铸铁等脆性材料的抗拉强度很低，所以不宜做抗

拉零部件的材料。铸铁经过球化处理后成为球墨铸铁，力学性能有显著变化，有较高的强度和较好的塑形。

×100%(L1:试塑形材料的变形程度通常可以用伸长率δ和断面收缩率ψ来衡量。对应公式为δ=L1−L

L

样断后长度 L:试样原始长度)低碳钢的伸长率平均值可以达到20%～30%，说明其塑形良好。在工程中按δ

的大小通常把δ>5%的材料称为塑形材料，如碳钢、黄铜、铝合金等；把δ<5%的材料称为脆性材料，如铸铁、陶瓷、玻璃等。对于没有明显屈服阶段的塑形材料，可经将产生0.2%塑形应变时的应力作为屈服指标，

×100%（A1:材料拉断后颈缩处最小横截成为名义屈服极限或条件屈服极限，用σ0.2来表示。ψ=A−A1

A

面面积 A:材料原始横截面面积）ψ也是衡量材料塑形的指标。

（三）压缩试验

低碳钢压缩时的E和σs都与拉伸大致相同，如图。进入屈服阶段后，试样越压越扁，横截面积不断增大，试样抗压能力继续增强，因而得不到压缩时的强度极限。由于可以从拉伸试验测定低碳钢压缩时的主要性能，所以实用上不一定要进行压缩试验。

铸铁进行压缩试验时，试样在较小的变形下突然破坏。破坏断面的法线与轴大致成45°～55°的倾角，因为在此方向上其所受的切应力最大，表明试样沿斜截面因相对错动而破坏。铸铁的抗压强度极限比它的抗拉强度极限高4～5倍。其它脆性材料，如混凝土、石料等，抗压强度极限也远高于抗拉强度极限。脆性材料抗拉强度低，塑形差，但抗压能力强，价格低廉，宜作为抗压构件的材料。铸铁坚硬耐磨，易于浇筑成形状复杂的零部件，广泛用于铸造机床床身、机座、缸体及轴承等受压零部件。因此其压缩试验比拉伸试验更为重要。

低碳钢压缩试验图铸铁压缩试验图

参考文献

【1】刘鸿文主编.材料力学Ⅰ第五版.北京：高等教育出版社，2011.1

【2】于文强陈宗民主编.金属材料及工艺.北京：北京大学出版社，2011.9