测定螺栓强度和塑性特性的方法探究

【情境导入】

如图2-7所示，在螺栓连接中拧紧螺母时，螺栓受到拉伸，当外力超过其本身抗力时，导致螺栓发生变形，甚至断裂。螺栓在使用过程中会发生损坏，不但严重影响生产，而且严重时会造成人员安全事故。为此，要求螺栓必须具有足够的强度和塑性。螺栓强度与塑性评价指标有哪些?它们分别用什么符号表示呢?应如何测定?

图2-7　螺栓的变形与断裂

【讲一讲】

一、螺栓常见的损坏形式

螺栓在使用中常见的损坏形式有变形、断裂、磨损等，见表2-1。为避免螺栓在使用过程中出现变形或者断裂的现象，在使用前首先要确定螺栓的强度和塑性是否能够满足使用要求。

表2-1　机械零件常见的损坏形式

续表

二、螺栓强度和塑性的测定

1.强度

材料在外力作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，其大小通常用应力来表示。根据载荷作用方式不同，可将强度分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗扭强度等。一般情况下，多以屈服强度和抗拉强度作为判别强度高低的重要依据。

抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。拉伸试验方法是将被测金属试样装夹在拉伸试验机上，在试样两端缓慢施加轴向拉伸载荷，观察试样的变形情况，同时连续测量外力和相应的伸长量，直至试样断裂，根据测得的数据即可计算出有关的力学性能。

(1)拉伸试样(https://www.xing528.com)

选取制造螺栓的材料按照国家标准《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)对试样的形状、尺寸及加工要求制成标准试样。图2-8所示为拉伸试验机；图2-9所示为圆形拉伸试样。其中，d0为标准试样的原始直径，L0为标准试样的原始标距长度。拉伸试样可分为长试样(L0=10d0)和短试样(L0=5d0)两种。

图2-8　拉伸试验机

图2-9　圆形拉伸试样

(a)拉伸前；(b)拉断后

(2)拉伸曲线

做拉伸试验时，通过拉伸试验机将载荷和试样伸长量的变化自动记录下来，并绘制成曲线。所绘制的曲线是以载荷为纵坐标，以试样的伸长量为横坐标，能够反应拉伸载荷F与伸长量ΔL 之间的关系曲线，称为拉伸曲线，也称为力-伸长曲线。图2-10所示为低碳钢(含碳量＜0.25%)试样的力，伸长曲线，图中纵坐标表示力F(N)，横坐标表示试样伸长量ΔL。

图2-10　低碳铜试样的力-伸长曲线

·Oe弹性变形阶段：在此阶段，试样变形完全是弹性的，试样的伸长量与拉伸力成正比，此时如果卸除载荷，试样即恢复原状。Fe为试样弹性变形时的最大载荷。

·ss′屈服阶段：当应力超过弹性极限继续增加达到s点载荷时，在试样表面上可看到表征金属晶体滑移的迹象。此时，在外力不增加或略有减小的情况下，试样变形继续进行，该现象称为屈服现象，拉伸力Fs称为屈服载荷。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。

·s′b强化阶段：当拉伸力超过屈服载荷F后，试样材料因发生明显塑性变形，其内部晶体组织结构重新得到了排列调整，抵抗变形的能力有所增加，伸长变形也随之增加，拉伸曲线形成s′b曲线段，称为试样材料的强化阶段。在此阶段随着变形程度的增加，试样变形抗力也随之增加，这种现象称为形变强化(或加工硬化)，Fm为拉伸试样承受的最大载荷。

·bz缩颈阶段：当拉伸力达到Fm以后，变形主要集中于试样的某一局部区域，在该区域试样的横截面积急剧缩小，这种特征称为缩颈现象。由于缩颈使试样局部截面积减小，导致试验力随之降低，直至试样在缩颈处断裂。z点为断点。图2-11所示为拉伸试样的缩颈现象。

工业上所使用的金属材料在进行拉伸试验时，其载荷与变形量之间的关系并非都与