低碳钢强度及应变硬化指数的测定

低碳钢强度及应变硬化指数的测定
前言：本实验是测试拉伸试验中的各种强度指标及塑性指标，并利用拉伸曲线测定经不同热处理工艺处理（退火、正火和淬火）的低碳钢屈服极限及应变硬化指数。

关键词：强度指标，塑性指标，屈服极限，应变硬化指数
一、不同热处理工艺处理的实验低碳钢样品概述
1、实验试样的处理工艺
本次试验的三个试样分别为经过退火、正火和淬火三种不同热处理的低碳钢试样。

退火是指将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

其组织晶粒细小均匀，碳化物呈颗粒状，分布均匀。

正火是指将钢件加热到上临界点(A
C3或A
cm
)以上30—50℃或更高的温度，
保温达到完全奥氏体化后，在空气中冷却的热处理工艺。

其组织可能是珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织，它的晶粒和碳化物细小（比退火的晶粒更细小），分布均匀。

退火可消除过共析钢的网状二次碳化物。

淬火是指将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得非扩散型转变组织，如马氏体、下贝氏体的热处理工艺。

其组织可能为片状马氏体、板状马氏体、片状下贝氏体或它们的混合组织。

其组织是细小的马氏体及少量残余奥氏体，不存在先共析铁素体。

2、试样的基本参数
试样要进行机加工。

平行长度和夹持头部之间应以过渡弧连接，试样头部形状应适合于试验机夹头的夹持。

夹持端和平行长度之间的过渡弧的半径应为：≥0.75d即7.5mm。

本次试样直径是10 mm，原始标距为50mm，平行长度L
e
≥55mm。

试样的精度要求包括：直径的尺寸公差为±0.07mm，形状公差即沿试样的平行长度的最大直径与最小直径之差不应超过0.04mm。

二、实验仪器及其参数概述
1、实验量工具、仪器与设备有：
五十分度游标卡尺(0.02mm,20cm)、电子万能试验机、引伸计。

2、本次试验的直接测量量有：
游标卡尺用来刻划原始标距，量原始试样截面直径、后颈缩最小处截面的直径和试样断后标距。

电子万能试验机的载荷传感器用来测量拉伸过程试样所受到的轴向载荷。

引伸计用来测量试样在拉伸过程中的微小伸长量。

电子万能试验机的参数如下所示：
最大试验力：200KN（大于47.1 KN）
试验力准确度：优于示值的0.5%
力值测量范围：最大试验力的0.4%-100%
变形测量准确度：在引伸计满量程的2%-100%范围内优于示值的1%
横梁位移测量：分辨率的0.001mm
衡量速度范围：0.005mm/min-500mm/min
三、实验过程
1、给三个试样编号，在每个试样原始标距范围内分别测量试样的两端及中央三个截面的直径，且在每一截面取互相垂直的两个方向各测量一次，得到数据后看数据是否符合公差要求，若符合则计算各截面的平均值，取其中最小者作为
计算直径d
0，再算出试样的初始横截面面积S
2、沿每个试样平行长度范围内的两端涂色，用划线机刻划原始标距L
=50mm
的两条标记线，在一个试样两端上做三个这样的标距，每个间隔10mm。

3、安装试件及引伸计
4、测试
①开动试验机。

开始时缓慢加载，注意加载的载荷变化和自动绘图的情况。

②加载过程中，从绘图中观察屈服时的载荷。

当载荷出现下降或曲线发生弯折时，说明材料发生屈服。

③屈服阶段后，注意观察曲线，当载荷随试样伸长达到最大出现下降时，取下引伸计。

继续加载，注意观察试样变化，特别是颈缩现象。

加载至试样被拉断时，停下试验机，卸下试样。

5、按2—4步骤测试其他试样
6、将试样断裂的部分仔细配接在一起使其轴线处于同一直线上，之后测
量。

①试样断后标距L
u
②在颈缩最小处相互垂直方向测量直径，取其算术平均
值计算最小横截面面积S
u
，得到数据后看数据是否符合公差要求
7、实验数据及处理
四、实验数据及处理
1、实验断前与断后原始数据的记录
表1，表2，表3分别是实验的直接测量量原始数据，如下所示：
表1 原始直径
编号测量值（mm）平均值(mm)
1 10.20 10.24 10.20 10.2
2 10.22 10.20 10.21
2 10.00 10.20 10.20 10.10 10.20 10.20 10.15
3 10.12 10.1
4 10.18 10.14 10.16 10.12 10.14
表2 断后直径
编号测量值（mm）平均值
1 6.04 6.24 6.04 6.06 6.04 6.08
2 5.72 6.00 6.00 5.92 5.80 5.89
3 5.8
4 5.82 6.00 5.90 5.90 5.89
表3 断后标距Lu
编号测试值(mm) 平均值标准差
1 69.44 69.6
2 69.06 69.10 69.08 69.26 0.2550
2 68.74 68.90 68.66 68.64 69.00 68.79 0.1566
3 60.50 60.60 60.56 60.30 60.58 60.51 0.1221
2、实验数据处理
①原始横截面积
由表1原始数据可以算出：
②断后最小横截面积
由表2原始数据可以看出：
③断面收缩率Z
00100%U
S S Z S -=
⨯
所以由①和②可得：
根据修约标准则修约后得
④断后伸长率A
0100%U L L A L -=
⨯
所以由表3可得：
根据修约标准则修约后得
3、屈服强度和抗拉强度 强度计算公式为：
而由实验数据表中可各个试样的屈服强度为：
则由此可各个试样的抗拉强度强度为：
则修约后的屈服强度和抗拉强度以及原始数据表示在下表上：
表4 屈服强度和抗拉强度
试样编号规格
最大力非
比例伸长
率
最大试
验力
抗拉强度
修约后
的抗拉
强度
下屈服强
度
修约后
的屈服
强度
单位mm % kN MPa MPa MPa MPa 1 ф10.2 21.35406 35.824 438.4124 440 278.218 280
2
ф
10.01
21.22546 32.061 407.3972 410 243.9097 245
3
ф
10.13
9.372772 43.346 537.8229 540 251.695 250
4、应变硬化指数和系数的计算
其中计算公式为：
工程应变：
工程应力：
真应变：
真应力：
对ln(e)--ln(S)图斜率则为应变硬化曲线指数n，应变硬化系数K=exp（截距）通过实验可知，各个试样的拉伸曲线为：
试样1：
数据点S/MPa e/%
1 2.8
2 337.25 346.77 2.78 -3.58 5.85
2 3.76 368.77 382.65 3.70 -3.30 5.95
3 5.25 403.4
4 424.64 5.12 -2.97 6.05
4 6.7
5 428.65 457.57 6.53 -2.73 6.13
5 8.71 449.14 488.24 8.35 -2.48 6.19
6 10.6
7 461.75 511.00 10.14 -2.29 6.24
7 13.41 472.78 536.19 12.59 -2.07 6.28
8 15.84 479.08 554.98 14.71 -1.92 6.32
9 18.04 480.66 567.37 16.58 -1.80 6.34
所以947.5 试样2：
数据点S/MPa e/%
1 2.77 280.80 288.58 2.73 -3.60 5.66
2 3.14 290.8
3 299.98 3.10 -3.48 5.70
3 4.19 316.62 329.89 4.11 -3.19 5.80
4 4.87 329.51 345.5
5 4.75 -3.05 5.85
5 6.29 352.44 374.60 6.10 -2.80 5.93
6 7.49 365.33 392.68 7.22 -2.63 5.97
7 9.06 378.22 412.49 8.67 -2.45 6.02
8 11.23 389.69 433.45 10.64 -2.24 6.07
9 12.88 396.85 447.95 12.11 -2.11 6.10
所以850.5
试样3：
数据点S/MPa e/%
1 1.2
2 388.54 393.26 1.21 -4.42 5.97
2 1.5
3 405.73 411.9
4 1.52 -4.19 6.02
3 2.0
4 429.80 438.56 2.02 -3.90 6.08
4 2.63 452.1
5 464.03 2.59 -3.65 6.14
5 3.10 467.62 482.11 3.05 -3.49 6.18
6 4.04 489.9
7 509.76 3.96 -3.23 6.23
7 5.10 508.88 534.83 4.97 -3.00 6.28
8 6.16 520.92 552.99 5.97 -2.82 6.32
9 7.06 529.51 566.89 6.82 -2.69 6.34
所以1013.7
五、实验结论
1、由上述对数据的处理分析可以得出：
，，
而从上述数据可以看出，
试样1 为正火工艺处理得低碳钢试样，正火工艺是在室温下进行冷却，冷却速度大于淬火速度，小于退火冷却速度，而3号试样的抗拉强度很显然大于1号试样，而2号试样也是最低的，而1号试样和3号试样的屈服强度也相接近，在误差允许范围内，可以认为试样1的强度、硬度和塑性都介于淬火与退火之间。

其试样的强度、硬度和塑性都介于淬火和退火之间。

试样2为退火工艺处理的低碳钢试样，由于退火工艺是在炉中冷却，冷却速度在三者中最慢，其试样硬度、强度最低，塑性最好。

试样3为淬火工艺处理的低碳钢试样，淬火工艺通过水冷或油冷，冷却速度在三者之中最大，而在误差允许范围内，可认为其在三者之中的硬度、强度最高，塑性最差。

六、误差分析
1、电子万能试验机中的误差
2、实验中数据的偏差
①断后直径的误差
其相对误差为
②断面收缩率的误差
断面收缩率的误差计算公式为：
而即为游标卡尺的最小精度范围，即则可知误差分别为：
③断后延伸率的误差
断后延伸率误差的计算公式为
则可以得如下各组数据的误差为：
④强度的误差
强度误差公式为：
所以得各个试样的强度误差：
参考文献：
①杨王玥，强文江.《材料力学行为》.北京：科学出版社.2009
②余永宁.《材料科学基础》.北京.高等教育出版社.2006
③金属材料室温拉伸试验方法，2002。