金屬材料力學(xué)性能實驗報告摘要本實驗以低碳鋼（Q235）和灰鑄鐵（HT200）為研究對象，通過拉伸試驗、布氏硬度試驗和夏比擺錘沖擊試驗，系統(tǒng)測定了兩種材料的關(guān)鍵力學(xué)性能指標（屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、布氏硬度、沖擊吸收功），并結(jié)合材料組織分析了性能差異的本質(zhì)原因。實驗結(jié)果表明：低碳鋼具有良好的塑性與韌性，適用于承受塑性變形及沖擊載荷的工程場景；灰鑄鐵硬度高但塑性、韌性差，宜用于耐磨及靜載荷工況。本報告可為金屬材料的工程選材提供數(shù)據(jù)支撐。引言1.1實驗背景金屬材料的力學(xué)性能是其抵抗外載荷作用的能力，直接決定了材料的工程應(yīng)用范圍。例如，拉伸性能（屈服強度、抗拉強度、塑性）反映材料在靜拉伸載荷下的變形與斷裂特性；硬度反映材料抵抗局部壓入變形的能力；沖擊韌性反映材料抵抗沖擊載荷的能力。低碳鋼（塑性材料）與灰鑄鐵（脆性材料）是工程中常用的兩類金屬材料，其力學(xué)性能差異顯著，通過實驗對比可深入理解材料性能與組織的關(guān)系。1.2實驗?zāi)康?.掌握金屬材料拉伸、硬度、沖擊試驗的標準方法（GB/T228.____、GB/T231.____、GB/T____）；2.測定低碳鋼（Q235）與灰鑄鐵（HT200）的屈服強度（$R_eL$）、抗拉強度（$R_m$）、斷后伸長率（$A$）、斷面收縮率（$Z$）、布氏硬度（HBW）、沖擊吸收功（$A_k$）；3.分析兩種材料力學(xué)性能差異的組織原因，理解塑性材料與脆性材料的性能特點；4.培養(yǎng)實驗數(shù)據(jù)處理、曲線繪制及結(jié)果分析的能力。實驗材料與方法2.1實驗材料選取工程中常用的兩種金屬材料：低碳鋼：Q235，熱軋態(tài)，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）：C≤0.22%，Si≤0.35%，Mn≤1.4%，P≤0.045%，S≤0.045%；灰鑄鐵：HT200，鑄態(tài)，化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）：C=2.9%~3.2%，Si=1.4%~1.8%，Mn=0.5%~0.8%，P≤0.15%，S≤0.12%。2.2試樣制備1.拉伸試樣：按GB/T228.____制備圓形截面標準試樣，原始標距$L_0=5d_0$（$d_0$為試樣原始直徑，取10mm），過渡圓弧半徑$r≥15mm$；2.硬度試樣：將材料加工成10mm×10mm×20mm的塊狀試樣，表面打磨至Ra≤1.6μm（無氧化皮、劃痕）；3.沖擊試樣：按GB/T____制備U型缺口試樣（缺口深度2mm，缺口底部半徑1mm），試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口位于試樣中心。2.3實驗設(shè)備1.萬能材料試驗機（型號：WDW-100）：用于拉伸試驗，量程0~100kN，精度1級；2.布氏硬度計（型號：HB-3000）：用于硬度試驗，載荷3000kgf（29.42kN），鋼球直徑10mm；3.夏比擺錘沖擊試驗機（型號：JB-300B）：用于沖擊試驗，擺錘能量300J，精度±1%；4.輔助設(shè)備：游標卡尺（精度0.02mm）、千分尺（精度0.01mm）、試樣打磨機。2.4實驗步驟2.4.1拉伸試驗1.試樣測量：用千分尺測量試樣原始直徑$d_0$（取3處平均值），用游標卡尺測量原始標距$L_0$；2.裝夾試樣：將試樣兩端裝入試驗機夾頭，調(diào)整夾頭間距，確保試樣軸線與試驗機加載軸線重合；3.加載試驗：采用位移控制模式，加載速度為2mm/min，直至試樣斷裂；4.數(shù)據(jù)記錄：實時記錄載荷-位移曲線，斷裂后測量斷后標距$L_u$（用斷口對齊法）和斷后最小直徑$d_u$。2.4.2布氏硬度試驗1.試樣預(yù)處理：將試樣表面打磨平整，去除氧化皮；2.加載試驗：將試樣置于硬度計工作臺上，對準壓頭，施加3000kgf載荷，保持15s；3.壓痕測量：卸載后，用硬度計自帶的顯微鏡測量壓痕直徑$d$（取垂直方向兩次測量平均值）；4.結(jié)果計算：按公式$HBW=\frac{2F}{\piD(D-\sqrt{D^2-d^2})}$計算硬度值（$F$為載荷，$D$為鋼球直徑）。2.4.3沖擊試驗1.試樣檢查：確認缺口尺寸符合標準（缺口深度2mm，底部半徑1mm），表面無裂紋；2.裝夾試樣：將試樣置于沖擊試驗機支座上，缺口朝向擺錘沖擊方向；3.沖擊試驗：釋放擺錘，沖擊試樣，記錄沖擊吸收功$A_k$；4.斷口分析：觀察斷口形貌（塑性斷口為纖維狀，脆性斷口為結(jié)晶狀）。實驗結(jié)果與分析3.1拉伸試驗結(jié)果與分析3.1.1實驗數(shù)據(jù)表1拉伸試驗結(jié)果材料原始直徑$d_0$（mm）原始標距$L_0$（mm）屈服載荷$F_e$（kN）最大載荷$F_m$（kN）斷后標距$L_u$（mm）斷后最小直徑$d_u$（mm）Q2359.985024.535.263.86.25HT20010.0250—18.651.29.803.1.2性能指標計算1.屈服強度（$R_eL$）：對于有明顯屈服階段的Q235，取屈服平臺的最小應(yīng)力，公式為$R_eL=\frac{F_e}{S_0}$（$S_0$為原始截面積，$S_0=\frac{\pid_0^2}{4}$）；2.抗拉強度（$R_m$）：取載荷-位移曲線的峰值應(yīng)力，公式為$R_m=\frac{F_m}{S_0}$；3.斷后伸長率（$A$）：公式為$A=\frac{L_u-L_0}{L_0}\times100\%$；4.斷面收縮率（$Z$）：公式為$Z=\frac{S_0-S_u}{S_0}\times100\%$（$S_u$為斷后最小截面積，$S_u=\frac{\pid_u^2}{4}$）。計算結(jié)果：Q235：$R_eL=310$MPa，$R_m=445$MPa，$A=27.6\%$，$Z=59.7\%$；HT200：無明顯屈服階段，$R_m=234$MPa，$A=2.4\%$，$Z=3.9\%$。3.1.3結(jié)果分析1.應(yīng)力-應(yīng)變曲線：Q235的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段（圖1），屈服階段有明顯的屈服平臺，說明材料發(fā)生塑性變形；HT200的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎沒有屈服階段和頸縮階段，直接進入斷裂階段（圖2），說明材料塑性極差。2.塑性分析：Q235的$A$（27.6%）和$Z$（59.7%）遠大于HT200（$A=2.4\%$，$Z=3.9\%$），原因是Q235的組織為鐵素體（塑性相）+珠光體（強化相），鐵素體具有良好的塑性；而HT200的組織為石墨（脆性相）+珠光體，石墨呈片狀分布，割裂基體，導(dǎo)致塑性差。3.2布氏硬度試驗結(jié)果與分析表2布氏硬度試驗結(jié)果材料壓痕直徑$d$（mm）布氏硬度HBWQ2354.25132HT2003.152153.2.1結(jié)果分析1.硬度差異：HT200的HBW（215）高于Q235（132），原因是HT200的含碳量（2.9%~3.2%）高于Q235（≤0.22%），組織中珠光體含量高（珠光體硬度高于鐵素體），且石墨的存在使基體產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，提高了硬度。2.硬度意義：布氏硬度反映材料抵抗局部壓入變形的能力，HT200的高硬度使其適用于制造耐磨零件（如機床床身、齒輪），而Q235的低硬度使其易于加工（如沖壓、焊接）。3.3沖擊韌性實驗結(jié)果與分析表3沖擊試驗結(jié)果材料沖擊吸收功$A_k$（J）斷口形貌Q235125纖維狀（塑性）HT20018結(jié)晶狀（脆性）3.3.1結(jié)果分析1.沖擊韌性差異：Q235的$A_k$（125J）遠大于HT200（18J），原因是Q235的塑性好，能吸收更多的沖擊能量；而HT200的石墨片狀組織導(dǎo)致應(yīng)力集中，易發(fā)生脆性斷裂，沖擊韌性低。2.斷口形貌：Q235的斷口為纖維狀（塑性斷口），說明斷裂前發(fā)生了大量塑性變形；HT200的斷口為結(jié)晶狀（脆性斷口），說明斷裂前幾乎沒有塑性變形。3.4綜合性能對比表4兩種材料力學(xué)性能綜合對比性能指標Q235（低碳鋼）HT200（灰鑄鐵）性能特點屈服強度$R_eL$（MPa）310—有明顯屈服，塑性變形開始抗拉強度$R_m$（MPa）445234Q235的強度高于HT200斷后伸長率$A$（%）27.62.4Q235塑性好，HT200塑性差布氏硬度HBW132215HT200硬度高，耐磨沖擊吸收功$A_k$（J）12518Q235韌性好，抗沖擊3.5誤差分析1.試樣制備誤差：試樣表面粗糙度、標距測量誤差（如$d_0$的測量）會影響拉伸性能計算；2.設(shè)備誤差：試驗機的載荷傳感器精度、硬度計的壓痕測量精度會影響結(jié)果準確性；3.操作誤差：拉伸試驗中加載速度的控制、沖擊試驗中試樣裝夾的對齊度會影響試驗結(jié)果。結(jié)論1.低碳鋼（Q235）具有良好的塑性（$A=27.6\%$，$Z=59.7\%$）和韌性（$A_k=125J$），適用于制造需要承受塑性變形及沖擊載荷的零件（如橋梁、壓力容器、汽車車架）；2.灰鑄鐵（HT200）具有高硬度（HBW=215）但塑性（$A=2.4\%$）、韌性（$A_k=18J$）差，適用于制造耐磨及靜載荷零件（如機床床身、齒輪箱）；3.材料的力學(xué)性能由其組織決定：Q235的鐵素體+珠光體組織賦予其良好的塑性與韌性；HT200的片狀石墨+珠光體組織導(dǎo)致其塑性與韌性差，但硬度高。參考文獻[1]GB/T228.____，金屬材料拉伸試驗