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低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时的力学性能

根据材料在常温，静荷载下拉伸试验所得的伸长率大小，将材料

区分为塑性材料和脆性材料。它是由试验来测定的。工程上常用的材

料品种很多，下面我们以低碳钢和铸铁为主要代表，分析材料拉伸和

压缩时的力学性能。

1.低碳钢拉伸实验

在拉伸实验中，随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：

（1）弹性阶段

在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线为一直线，说明应力与应变成正比，

即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。线性段的最高点则称为材料

的比例极限（σp），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。线性

阶段后，σ-ε曲线不为直线，应力应变不再成正比，但若在整个弹

性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也

完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限

（σe），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

（2）屈服阶段

超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，

而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为

屈服应力或屈服极限（σs）。当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面

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打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。这是由于试件的

45°斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力

作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

（3）强化阶段

经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗

变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。若在此阶段卸载，则卸

载过程的应力应变曲线为一条斜线，其斜率与比例阶段的直线段斜率

大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时

残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的

应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变

关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形

的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一

现象称为冷作硬化。

在硬化阶段应力应变曲线存在一个最高点，该最高点对应的应力称为

材料的强度极限（σb），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最

大载荷Fb。

（4）局部变形阶段

试样拉伸达到强度极限σb之前，在标距范围内的变形是均匀的。当

应力增大至强度极限σb之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称

为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲

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线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，

断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应

力。

（5）伸长率和断面收缩率

试样拉断后，由于保留了塑性变形，标距由原来的L变为L1。用百

分比表示的比值

δ=（L1-L）/L*100%

称为伸长率。试样的塑性变形越大，δ也越大。因此，伸长率是衡量

材料塑性的指标。

原始横截面面积为A的试样，拉断后缩颈处的最小横截面面积变为

A1，用百分比表示的比值

Ψ=（A-A1）/A*100%

称为断面收缩率。Ψ也是衡量材料塑性的指标。

所以，低碳钢拉伸破坏变形很大，断口缩颈后，端口有45度茬口，

由于该方向上存在最大剪应力τ造成的，属于剪切破坏力。

2.铸铁拉伸实验

铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅,锰,硫,磷等元素的多元铁基

合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便，成本低廉等优点，因而

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是应用最广泛的材料之一。铸铁在拉伸时的力学性能明显不同于低碳

钢，铸铁从开始受力直至断裂，变形始终很小，既不存在屈服阶段，

也无颈缩现象。断口垂直于试样轴线，这说明引起试样破坏的原因。

铸铁拉伸破坏断口与正应力方向垂直说明由拉应力拉断的，属于

拉伸破坏，正应力大于了许用值。

三、低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时力学性质的异同点综述

在工程建设中，低碳钢是典型的塑性材料，铸铁是典型的脆性

材料。塑性材料和脆性材料在力学性能上的主要特征是：塑性材料在

断裂前的变形较大，塑性指标（断后伸长率和断面收缩率）较高，抗

拉能力较好，其常用的强度指标是屈服强度，一般地说，在拉伸和压

缩时的屈服强度相同：脆性材料在断裂前的保存较小