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材料科学
题目

有一标准低碳钢拉伸试样,直径为10(mm),标距长度为100(mm),在载荷为21000(N)时屈服,拉断试样前的最大载荷为30000(N),拉断后的标距长度为133(mm),断裂处最小直径为6(mm),试计算其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。

有一标准低碳钢拉伸试样,直径为$10\text{mm}$,标距长度为$100\text{mm}$,在载荷为$21000\text{N}$时屈服,拉断试样前的最大载荷为$30000\text{N}$,拉断后的标距长度为$133\text{mm}$,断裂处最小直径为$6\text{mm}$,试计算其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。

题目解答

答案

  1. 原始横截面积:
    $ A_0 = \pi r^2 = \pi \times (5\,\text{mm})^2 = 25\pi \approx 78.54\,\text{mm}^2 $。

  2. 屈服强度:
    $ \sigma_s = \frac{F_s}{A_0} = \frac{21000\,\text{N}}{78.54\,\text{mm}^2} \approx 267.3\,\text{MPa} $。

  3. 抗拉强度:
    $ \sigma_b = \frac{F_b}{A_0} = \frac{30000\,\text{N}}{78.54\,\text{mm}^2} \approx 381.97\,\text{MPa} $。

  4. 断后伸长率:
    $ \delta = \frac{L_u - L_0}{L_0} \times 100\% = \frac{133\,\text{mm} - 100\,\text{mm}}{100\,\text{mm}} \times 100\% = 33\% $。

  5. 断面收缩率:
    $ A_u = \pi r_u^2 = \pi \times (3\,\text{mm})^2 = 9\pi \approx 28.27\,\text{mm}^2 $,
    $ \psi = \frac{A_0 - A_u}{A_0} \times 100\% = \frac{78.54 - 28.27}{78.54} \times 100\% \approx 64\% $。

结论:

  • 屈服强度 $ \sigma_s \approx 267\,\text{MPa} $;
  • 抗拉强度 $ \sigma_b \approx 382\,\text{MPa} $;
  • 断后伸长率 $ \delta = 33\% $;
  • 断面收缩率 $ \psi \approx 64\% $。

解析

本题主要考察材料力学中低碳钢拉伸试验相关性能指标的计算,包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。解题思路是根据各性能指标的定义公式,结合题目所给的试样原始尺寸、屈服载荷、最大载荷、拉断后标距长度和断裂处最小直径等数据进行计算。

  1. 计算原始横截面积 $A_0$:
    已知试样直径 $d_0 = 10\text{mm}$,半径 $r_0=\frac{d_0}{2}=5\text{mm}$。
    根据圆的面积公式 $A = \pi r^2$,可得原始横截面积 $A_0 = \pi r_0^2=\pi\times(5\text{mm})^2 = 25\pi\approx 78.54\text{mm}^2$。
  2. 计算屈服强度 $\sigma_s$:
    屈服强度的计算公式为 $\sigma_s=\frac{F_s}{A_0}$,其中 $F_s$ 为屈服载荷,题目中 $F_s = 21000\text{N}$,$A_0\approx 78.54\text{mm}^2$。
    则 $\sigma_s=\frac{21000\text{N}}{78.54\text{mm}^2}\approx 267.3\text{MPa}$。
  3. 计算抗拉强度 $\sigma_b$:
    抗拉强度的计算公式为 $\sigma_b=\frac{F_b}{A_0}$,其中 $F_b$ 为拉断试样前的最大载荷,题目中 $F_b = 30000\text{N}$,$A_0\approx 78.54\text{mm}^2$。
    则 $\sigma_b=\frac{30000\text{N}}{78.54\text{mm}^2}\approx 381.97\text{MPa}$。
  4. 计算断后伸长率 $\delta$:
    断后伸长率的计算公式为 $\delta=\frac{L_u - L_0}{L_0}\times 100\%$,其中 $L_0$ 为原始标距长度,$L_u$ 为拉断后的标距长度。
    题目中 $L_0 = 100\text{mm}$,$L_u = 133\text{mm}$。
    则 $\delta=\frac{133\text{mm}-100\text{mm}}{100\text{mm}}\times 100\% = 33\%$。
  5. 计算断面收缩率 $\psi$:
    首先计算拉断后断裂处的横截面积 $A_u$,已知断裂处最小直径 $d_u = 6\text{mm}$,半径 $r_u=\frac{d_u}{2}=3\text{mm}$。
    根据圆的面积公式 $A = \pi r^2$,可得 $A_u=\pi r_u^2=\pi\times(3\text{mm})^2 = 9\pi\approx 28.27\text{mm}^2$。
    断面收缩率的计算公式为 $\psi=\frac{A_0 - A_u}{A_0}\times 100\%$,将 $A_0\approx 78.54\text{mm}^2$,$A_u\approx 28.27\text{mm}^2$ 代入可得:
    $\psi=\frac{78.54 - 28.27}{78.54}\times 100\%\approx 64\%$。

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