Name: steel strength from mild to cold rolled
Uploaded: 2023-04-30T06:56:14.000Z
Duration: 13 min 26 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Texas Essential Knowledge and Skills

High School

Physics

PHYS.2

PHYS.2.D

Stress-Strain Characteristics of Steels

Spannung von Stahl Proben Testen
Der Zweck dieses Experiments ist:
<ul><li class="jove_content">Studenten mit der standard-Labor-Test zur Bestimmung der Zugeigenschaften metallischer Werkstoffe in irgendeiner Form (ASTM E8), vertraut zu machen</li>
	<li class="jove_content">Vergleichen Sie die Eigenschaften des allgemein verwendet metallischen Werkstoffen (Stahl und Aluminium), und</li>
	<li class="jove_content">Um die getesteten Eigenschaften von Metallen zu vergleichen veröffentlichten Werte.</li>
</ul>Es ist anzunehmen, dass eine Universalprüfmaschine (UTM) mit Verformung Kontrolle und damit verbundenen Tests und Daten Akquisition Fähigkeiten zur Verfügung steht. Verfahren Sie empfohlene Schritt für Schritt um Zugprüfung von UTM, wobei besonderes Augenmerk auf die Sicherheitshinweise des Herstellers durchzuführen. Nicht fortfahren Sie, wenn Sie über jeden Schritt unsicher sind, und klären Sie Zweifel mit Ihrem Labor-Lehrer zu, wie Sie ernsthaft verletzen können Sie selbst oder Menschen in Ihrer Umgebung, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht befolgt werden. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie wissen, alle Not-Halt-Verfahren und, dass Sie mit der Software der Maschine vertraut sind.
Das folgende Verfahren ist generisch und wichtigsten Schritte abdecken soll; Möglicherweise gibt es erhebliche Abweichungen je nach den verfügbaren Geräten.
1. Proben vorbereiten:
<ol><li>Zylindrische Probekörper für zwei Stähle erhalten, eine mild und heiß gerollt (z. B. A36) und einer harten und kalten gerollt (z. B. eine C1018).</li>
	<li>Messen Sie den Durchmesser des Prüflings, die nächste 0,002 Zoll an mehreren Standorten in der Nähe der Mitte mit einem Bremssattel.</li>
	<li>Festhalten Sie die Probe und markieren Sie, mit einer Datei, eine ungefähre 2 Zoll Gage Länge. Hinweis: Markieren Sie die Gage Länge sorgfältig so dass es klar geätzt, aber nicht so tief wie eine Spannungskonzentration geworden, die zum Bruch führen können.</li>
	<li>Messen der tatsächlichen Gage Länge zu den nächstgelegenen 0,002 Zoll mit einem Bremssattel gekennzeichnet.</li>
	<li>Installieren Sie wenn möglich DMS JoVE video auf "Material Constants" beschrieben.</li>
	<li>Sammeln Sie alle verfügbaren Informationen über die Kalibrierdaten und Auflösung aller Instrumente, die verwendet wird, um experimentelle Fehlermöglichkeiten und Vertrauensgrenzen zu beurteilen. Diese beiden Fragen sind Schlüssel zu aussagekräftigen Ergebnissen aber würde den Rahmen sprengen, was hier diskutiert wird.</li>
</ol>2. Prüfung der Proben:
<ol><li>Schalten Sie die Prüfmaschine und Initialisieren der Software. Stellen Sie sicher, dass Sie keine entsprechende grafische Darstellung und Daten Akquisition-Funktionen innerhalb der Software eingerichtet haben. Auf ein Minimum der Spannungs-Dehnungs-Kurve anzeigen und Displays für die Last und Belastung haben.</li>
	<li>Wählen Sie eine geeignete Prüfverfahren innerhalb der Software, die mit der ASTM E8 Testprotokoll kompatibel ist. Beachten Sie die Umformgeschwindigkeit verwendet wird und ob zwei Preise für die elastischen und unelastischen Bereich verwendet werden. Auch setzen Sie geeigneten Maßnahmen in der Software (z. B. für die Maschine zu stoppen bei 15 % Dehnung, um sicher die Extensometer entfernen und den maximale Wert der Belastung zu erfassen, die erreicht wird.).</li>
	<li>Erhöhen Sie die Traverse manuell so, dass die volle Länge der Probe zwischen den Griffen passt. Legen Sie die Probe in die oberen Griffe auf ca. 80 % der Tiefe Griff; richten Sie die Probe in die Griffe und ziehen Sie an, um die Probe zu verhindern. Hinweis: Ziehen Sie den Griff, um seinen vollen Druck nicht zu diesem Zeitpunkt.</li>
	<li>Senken Sie langsam die obere Traverse. Sobald die Probe innerhalb von etwa 80 % der unteren Griff Tiefe ist, sicherzustellen, dass die Probe erscheint in der unteren Griffe ausgerichtet (d.h. mit den unteren griffen in die vollständig geöffnete Position die Probe sollte "schweben" in der Mitte der unteren Öffnung der Zinken). Probe Fehlstellungen, die Biege- und Torsionssteifigkeit zusatzspannungen während des Tests führen wird, ist eines der häufigsten Fehler beim Spannung Tests durch. Wenn die Ausrichtung schlecht, ist Arbeit mit einem Techniker, die Griffe richtig auszurichten.</li>
	<li>Wenden Sie entsprechenden seitlichen Druck auf die Probe durch die Griffe um sicherzustellen, dass kein Verrutschen während des Tests auftritt an Beachten Sie, dass an dieser Stelle eine kleine Axiale Last werden, wie festziehen eine Vorspannung in der Probe führt; die Prüfmaschinen möglicherweise Software-Anpassungen, diese Vorspannung zu minimieren. Notieren Sie sich die Vorspannung Wert.</li>
	<li>Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe nach Angaben des Herstellers. Hinweis: Die Extensometer klingen müssen nicht genau auf die Gage Markierungen auf dem Probestück positioniert werden, aber sollte ungefähr zentriert werden, auf die Probe.</li>
	<li>Vergewissern Sie sich, dass Sie alle Verfahren bis zu diesem Zeitpunkt korrekt ausgeführt haben; Wenn möglich, haben Sie einen Vorgesetzten überprüfen, ob die Probe zum Testen bereit.</li>
	<li>Starten Sie der Laden zunächst Anwendung der Zugbelastung auf die Probe und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu. Hinweis: Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angenäht werden. Wenn dies auftritt, beenden Sie den Test und starten Sie erneut ab Schritt 2.3.</li>
	<li>Irgendwann vor der Probe scheitern wird der Test automatisch angehalten ohne Entladen der Probekörpers. An dieser Stelle entfernen Sie die Extensometer. Bricht die Probe mit der Extensometer vorhanden, werden Sie die Extensometer, ein sehr teures Gerät zerstören.</li>
	<li>Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Bei Erreichen der maximalen Last, beginnt die gemessenen Belastungen zu verringern. An dieser Stelle die Probe beginnt Einschnürung und endgültigen Bruch sollte innerhalb dieser necked Region durch duktile reißen kommen.</li>
	<li>Nach Abschluss des Tests erhöhen Sie die Kreuzkopf, lösen Sie die obere Griffe und das gebrochene Stück der Probe aus dem oberen Griff herausziehen. Sobald die obere Hälfte der Probe entfernt ist, lösen Sie den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe.</li>
	<li>Nehmen Sie den Wert auf die maximale Zugbelastung und ein gedrucktes Exemplar der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Sichern Sie die Daten digital erfasst.</li>
	<li>Sorgfältig zusammenpassen Sie die Enden des gebrochenen Probe und Messen Sie den Abstand zwischen den Gage-Markierungen an den nächstgelegenen 0,002 In. Die endgültige Gage Länge aufzeichnen.</li>
	<li>Messen Sie den Durchmesser der Probe bei der kleinsten Querschnitt an den nächstgelegenen 0,002 In.</li>
	<li>Die gebrochene Exemplar mit Bildern und Diagrammen zu dokumentieren.</li>
</ol>(3) Datenanalyse
<ol><li>Berechnen Sie die % Dehnung und Einschränkung des Bereichs für jede Art von metallischen Werkstoff. Dehnung =<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10361/10361eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> Einschränkung des Bereichs =<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/10361/10361eq3v2.jpg" style="font-size: 14px;">
</li>
	<li>Beschreiben, kategorisieren und Aufzeichnen des vorherrschende Fraktur-Modus für jede Probe.</li>
	<li>Bestimmen Sie die Materialeigenschaften, wie in Abb. 2 und 3 beschrieben. Die Daten in eine Tabellenkalkulation zu organisieren, so dass die Belastung bis 0,004 von DMS und 0,004 bis 0,15 durch die Extensometer gegeben ist (die Obergrenze für die Extensometer ist der Wert der Belastung an, es wurde entfernt aus dem Test; dieser Wert ändert sich je nach die Verformung Kapazität der Probe).</li>
	<li>Verwenden Sie Kreuzkopf Verschiebung und % Dehnung, um ultimative Dehnung zu schätzen. Wenn ein DMS nicht verwendet wird, achten Sie darauf, für jede erste Schlupf der Extensometer korrigieren. Plätze in der Grafik, die Zähigkeit (Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve) zu erhalten kann man rechnen.</li>
	<li>Mit einem Lehrbuch oder andere geeignete Referenz, bestimmen der Elastizitätsmodul, Ertrag, Stärke und Bruchfestigkeit der verwendeten Materialien. Vergleichen Sie die veröffentlichten Werte auf die Testergebnisse.</li>
</ol>

Dieses Experiment beschrieben, wie man eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für typische Stahl zu erhalten. Unterschiede in den Spannungs-Dehnungs-Kurven können entweder Unterschied in der Verarbeitung (z. B. Kaltverformung vs. Warmwalzen) und chemische Zusammensetzung (z. B. Prozent aus Kohlenstoff und andere Legierungen) zugeordnet werden. Die Tests zeigten, dass Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eine sehr duktiles Material wenn in einachsigen Spannung geladen ist.
Es ist immer relevant, Versuchsergebnisse veröffentlichten Werten zu vergleichen. Letztere repräsentieren in der Regel einen Mindestwert von der Spezifikation basierend auf 95 % Vertrauensgrenze, sodass es wahrscheinlich ist, dass jede Stärkewert tabellarisch im Test in der Regel durch eine Marge von 5 % - 15 % überschritten wird. Jedoch sind viel höhere Werte möglich, da Materialien sind in der Regel nach unten eingestuft werden, wenn sie einige Spezifikation Anforderung nicht entsprechen. Die Dehnungswerte werden in der Regel in der Nähe von jenen veröffentlicht werden. Der Elastizitätsmodul, sollten nicht auf der anderen Seite deutlich variieren. Wenn der Wert von E nicht nah an dem veröffentlicht ist, sollte eine durch Überprüfung der Fehlerquellen durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Fehler Rutschfestigkeit der Extensometer, unsachgemäße Kalibrierung der Wägezelle oder Extensometer, falsche Eingangsspannungen in Sensoren, falsche Parameter werden in die Software eingeben, um nur einige zu nennen fällig.
Stahl ist ein allgemein verwendetes Material in der Bauwirtschaft. Die Anwendungen umfassen:
<ul><li class="jove_content">Gerollt-förmigen strukturelle Stahlprofile häufig in konventionellen mehrstöckigen Gebäuden verwendet, weil es einfach zu Anarbeiten und verbinden die Komponenten, die Zeitersparnis im Bauprozess.</li>
	<li class="jove_content">Teller tief ich-Träger verwendet in Brücken, wo die Abschnitte sind durch Schweißen, Tiefe, dünne versteifte Stege und dicken Flanschen bebauten verschweißt. Dadurch wird ein Großteil des Materials in seiner nützlichsten Position (Flansche), das Design für die Festigkeit und Steifigkeit zu optimieren und reduzieren die Gesamtkosten des Projekts.</li>
	<li class="jove_content">Schrauben und Verbindungselemente verwendet in Verbindungen, wo in der Regel hohe Festigkeit und moderate Duktilität erforderlich sind. Diese Verbindungselemente werden in Myriaden von Autos bis hin zu Haushaltsgeräten eingesetzt.</li>
</ul>Die wichtigste Anwendung der hier beschriebenen Zugversuch ist im Prozess Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Stahl, Aluminium und ähnlichen Metallen in der Bauindustrie verwendet. ASTM-Standards verlangen, dass dieser Test auf repräsentative Proben von jedem Wärme aus Stahl ausgeführt werden müssen, und solche Ergebnisse rückführbar auf etablierten Benchmarks. Die öffentliche Sicherheit ist eng verbunden, um sicherzustellen, dass diese Art der Qualitätskontrollverfahren standardisiert und gefolgt ist. Schlechter Qualität in Baumaterialien und Mangel an Duktilität auf Material und strukturellen Ebene sind die häufigste Ursache von zusammenbricht während und nach dem Erdbeben und ähnliche Naturkatastrophen. Kraftlosigkeit in kritischen Komponenten führte zum Scheitern der I-35W Brücke in Minneapolis im Jahr 2007 und die Verwendung von minderwertigen Materialien sind die Ursache vieler zusammenbricht, die in den Entwicklungsländern, so das man auftreten, die tausend Leben in 2013, wenn übernahm die S Avar Gebäude eingestürzt in Dhaka (Bangladesch).
Auf einer täglichen Basis kann man am Beispiel der Automobilindustrie, erwähnen, die stark profitiert von Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Stahl und anderen Materialien zu wissen, beim Entwerfen von Autos, sicher und effektiv in einer crashsituation durchzuführen. Durch die Gestaltung von Autos, die Stärke in bestimmten Teilen, wobei für Belastung und Duktilität in anderen Teilen, können Hersteller erstellen besseres crashmanagement, aber nur, wenn sie genau die Spannungs-Dehnungs-Merkmale der einzelnen Teile vermuten können.

Eisen Sie der Begriff Stahl häufig verwendet, um ein Material zu kennzeichnen, die hauptsächlich ist (Fe), oft im Bereich von 95 bis 98 %. Reines Eisen ist allotropen, mit einer Körper-zentrierten kubischen (BCC) Struktur bei Raumtemperatur, die ändert sich in ein flächenzentrierter kubische (FCC) Struktur über 912 ° C. Die leeren Räume in der FCC-Struktur und Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur können für andere Atome, wie Kohlenstoffatome (C), hinzugefügt oder durch Diffusion aus der interstitiellen (oder leeren) Leerzeichen entfernt werden. Diese Ergänzungen und die anschließende Entwicklung von verschiedenen Kristallstrukturen sind das Ergebnis von Heizung und Kühlung zu unterschiedlichen Preisen und Temperaturbereiche, ein Prozeß bekannt als Wärmebehandlung. Diese Technologie hat seit über 2000 Jahren bekannt, aber geheim gehalten, seit vielen Jahren in Anwendungen wie Damaskus Stahl, Wootz Stahl aus Indien (≈300AD) eingesetzt.
Wenn wir offenen Kreise in der FCC-Struktur zu erweitern, bis die Kugeln zu berühren, und dann schneiden Sie einen grundlegende Cube für diese atomare Struktur beginnen, ist das Ergebnis der Elementarzelle. Kugeln mit 41,4 % der Eisen-Atom-Durchmesser können hinzugefügt werden, bevor diese neuen Sphären beginnen, um das Eisen zu berühren. Kohlenstoffatome sind 56 % des Durchmessers des Eisens sind, so dass die neue Struktur verzerrt, wie Kohlenstoffatome eingeführt werden. Die Eigenschaften des Stahls können durch Ändern der Größe, Häufigkeit und Verteilung dieser Verzerrungen manipuliert werden.
Schmiedeeisen, einer der nützlichsten Vorgänger aus Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Es stellt sich heraus, dass der optimale Kohlenstoffgehalt für Stähle aus zivile Anwendungen der Bereich von 0,2 bis 0,5 %. Viele der frühen metallurgischen Behandlungsprozess zielten auf Kohlenstoffgehalte bringen diese Ebenen in Mengen, die wirtschaftlich zu produzieren waren. Bessemer-Verfahren in den USA und der Siemens-Prozess im Vereinigten Königreich sind zwei der erfolgreicher Beispiele der frühen Techniken. Heute am häufigsten eingesetzten Verfahren sind der Elektrolichtbogenofen und den grundlegenden Sauerstoff-Ofen. Neben Kohlenstoff enthalten die meisten modernen Stählen Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Nickel (Ni) und andere Metalle in geringen Mengen, Festigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit zu verbessern. Ein einfaches Beispiel für die Auswirkung dieser Legierungen auf technischen Eigenschaften ist der so genannte Carbon-Äquivalent (CE):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10361/10361eq1v2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">
Die CE ist ein brauchbarer Index bei der Bestimmung der Schweißbarkeit aus einem speziellen Stahl; in der Regel ist eine CE &lt; 0,4 % Vertreter des Stahls, die schweißbar ist. Wie viele Verbindungen im Stahl-und Metallbau durch Schweißen hergestellt werden, ist dies ein brauchbarer Index zu erinnern, wenn Sie Materialien für den Bau angeben.
Wie in der Jupiter-Video über "Material Constants" erwähnt, müssen wir für die Modellierung, eine Beziehung zwischen Stress und Belastungen zu etablieren. Die beste einfache Beschreibung des Verhaltens vieler Materialien ist durch eine Stressstrain Kurve (Abb. 1) gegeben. Aufgrund der Schwierigkeiten mit Knicken beim Laden in der Kompression und Schwierigkeiten beim Laden eines Materials einheitlich in mehrere Richtungen läuft ein einachsiger Zugversuch in der Regel um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu bestimmen. Dieser Test enthält grundlegende Informationen über die Technische Hauptmerkmale in erster Linie der homogenen metallischer Werkstoffe.
Die typische Zugversuch wird durch ASTM E8 beschrieben. ASTM E8 definiert Art und Größe des Prüflings zu verwendenden, typische Ausrüstung verwendet werden, und Daten für ein Metall Zugversuch gemeldet werden.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig1v3.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;"> Abbildung 1: Spannungs-Dehnungs-Kurve für Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Da wir durch sehr große plastische Dehnungen messen müssen, die Dehnungsmessung nicht immer erfolgen mit Dehnungsmessstreifen über die gesamte Verformung reichen (bis zu 40 %); der Kleber fast immer vor der Probe Frakturen fehl. Ein Extensometer, besteht aus einem kleinen C-Rahmen mit auskragenden Armen instrumentiert mit Dehnungsmessstreifen und entsprechend kalibriert und dient in der Regel bis zu etwa 20 %. Da die Extensometer teure und empfindliche Instrument ist, muss es vor der Probe Frakturen entfernt werden; der Test wird gestoppt, und die Extensometer entfernt, kurz nachdem die Probe seine maximale Spannung und die maximale Verformung erreicht geschätzt Markierungen auf die Probe.
Die wichtigsten Eigenschaften von Interesse sind (Abb. 2):
Proportional Grenze: Die proportionale beträgt die maximale Spannung, die für die Belastung linear proportional zur Belastung bleibt, d. h. für die Hookes Gesetz streng geltenden () video - JoVE ist "Material Constants"). Dieser Wert ist in der Regel durch Stress Veränderungen zu betrachten, wenn der Testlauf unter Konstanten Kreuzkopf Geschwindigkeit Bedingungen bestimmt. Im linear elastischen Bereich die Stress-Rate ist proportional zur Belastung und ist im Idealfall konstant. Als das Material beginnt zu Plastifizieren, wie durch eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit belegt, beginnt die Stress-Rate zu sinken. Die proportionale Grenze wird als Stress bei die Vorspannung Rate beginnt zu sinken, getragen.
Punkt Ausbeute: Viele Metalle weisen eine scharfe Streckgrenze oder Stress, an dem die Stämme weiterhin rapide ohne Stress zu erhöhen. Dies wird belegt durch eine horizontale Linie oder Ausbeute Plateau, die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Streckgrenze entspricht in etwa der Belastung bei der Schlupf beginnt in den atomaren Gittern auftreten. Dieser Slip ist ausgelöst durch einige kritische Schubkraft zu erreichen und ist viel niedriger, als wegen der zahlreichen Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur von ersten Grundsätzen berechnet werden kann. Einige Materialien, wie der Baustahl getestet in diesem Experiment gibt es ein kleinen aber spürbarer Rückgang der Stress, bevor das Material Ausbeute Plateau zu oberen und niedrigeren Renditen Punkteerreicht. Für Materialien, die keine klare Streckgrenze aufweisen, wird eine entsprechende Streckgrenze verwendet. Wir sehen diese Definition im Detail in der Jupiter-Video über "Stress-Stamm Eigenschaften von Aluminium", die sich mit diesen Eigenschaften in Aluminium beschäftigt.
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig2v2.jpg"> Abbildung 2: Definitionen von Variablen bei geringen Belastungen.
E-Modul: Elastizitätsmoduls eines Materials wird definiert als die Steigung des linearen Teils der Spannungs-Dehnungs-Diagramm wie in Abb. 2 dargestellt. Diese Eigenschaft wurde in dem Jupiter Video zu "Material Constants"diskutiert. E ist eine relativ große Anzahl: 30 x 106 Psi (210Gpa) für Stahl; 10 x 106  Psi (70 GPa) für Aluminium; 1,5 x 106 Psi (10,5 GPa) für Eiche; und 0,5 x 106  Psi (3.5 GPa) für Plexiglas.
Modul von Resilienz: Der Modul von Resilienz ist der Bereich unter den elastischen Teil der Spannungs-Dehnungs-Diagramm und hat Maßeinheiten von Energie pro Volumeneinheit. Der Modul von Resilienz misst die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, ohne bleibende Verformungen.
Belastung Härten Modul: Wenn der Schlupf oder Luxation Bewegungen, die das Ertrag Plateau ausgelöst beginnen, erreichen die Korngrenzen (oder Bereiche wo die Gitter in verschiedenen Winkeln ausgerichtet sind), die Versetzungen beginnen, "anhäufen", und zusätzlicher Energie ist erforderlich, um zu verbreiten ihre Bewegung in anderen Getreidearten. Dies führt zu eine Versteifung im Spannungs-Dehnungs-Verhalten, obwohl die Belastung Modulus Härten in der Regel mindestens eine Größenordnung unterhalb des Elastizitätsmoduls.
Endfestigkeit: Dies ist der Maximalwert der engineering Stress während der Prüfung erreicht und tritt kurz vor die Probe zum Hals beginnt (oder Bereich ändern) deutlich (Abb. 3).
Max. Belastung: Dieser Wert wird als Stamm Wert genommen, wenn die Probe zerbricht. Da die Extensometer in der Regel durch die Zeit entfernt wurde bekommen wir zu diesem Punkt im Test und die Verformung (Einschnürung) in einer sehr kurzen Entfernung entlang der Länge des Prüfkörpers lokalisiert hat, dieser Wert ist sehr schwierig, experimentell zu messen. Aus diesem Grund werden eine gleichmäßige Dehnung und eine prozentuale Dehnung häufig verwendet, wenn Sie Materialien anstelle eine maximale Dehnung Wert angeben.
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig3v2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;"> Abbildung 3: Definitionen zu großen Belastungen.
Gleichmäßige Dehnung: Die prozentuale Dehnung ist definiert als die prozentuale Dehnung (Länge/Original Längenänderung) der Probe kurz bevor Einschnürung erfolgt.
Prozent Dehnung: In der Regel zwei Markierungen, nominell 2 Zoll auseinander, die Probe vor der Prüfung erfolgen. Nach dem Test die zwei Stücke des gebrochenen Exemplars sind so gut wie möglich zusammengestellt, und die endgültige Verformung zwischen den Marken nachgemessen. Dies ist eine grobe, aber nützliche Möglichkeit Minimale Dehnung für Materialien in einem technischen Umfeld zu spezifizieren.
Prozent-Bereich: Ähnlich ist es, prozentuale Dehnung, kann man versuchen, ein Maß für das letzte Gebiet der gebrochenen Probe machen. Durch die Aufteilung der Kraft kurz vor Bruch von diesem Bereich, ist es möglich, einen Überblick über die wahre Stärke des Materials zu erhalten.
Härte: Zähigkeit wird definiert, um die gesamte Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden. Es ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, große, dauerhafte Verformungen vor dem Bruch zu unterziehen. Ihre Einheiten sind identisch mit denen für das Modul von Resilienz.
Die oben beschriebenen Eigenschaften können verwendet werden, zu beurteilen, wie gut ein bestimmtes Material diskutierten in dem Jupiter Video zu "Material Constants"Performance-Kriterien entspricht. Soweit die Sicherheit betrifft, sind die Festigkeit und Verformung Kapazität Merkmale Schlüssel; Diese Eigenschaften werden in der Regel unter dem Begriff gruppiert duktiles Verhalten. Duktiles Verhalten impliziert, dass ein Material wird nachgeben und in der Lage, seine Stärke über eine große plastische Verformung Regime aufrecht zu erhalten. Eine große Zähigkeit ist wünschenswert, die in der Praxis bedeutet, dass eine Struktur zu Anzeichen einer drohenden Ausfall, z.B. sehr große sichtbare Verformung, bevor es ein katastrophaler Zusammenbruch kommt, so dass seine Insassen Zeit, um die Struktur zu evakuieren, geben wird.
Im Gegensatz dazu wird Materialien, die spröde Verhalten im Allgemeinen in einer plötzlichen, katastrophalen Weise Versagen. Dies ist der Fall von cementatious und keramische Materialien, die Arme dehnbare Kapazität aufweisen. Ein Betonbalken wird auf diese Weise fehl, da es sehr schwach in Spannung ist. Um diese Falle zu beseitigen, setzt man verstärkt Stabstahl Betonbalken, wandeln sie in Stahlbetonbalken Zug-und Umgebung.
Es ist wichtig zu erkennen, dass spröde und duktiles Verhalten keine inhärente Materialverhalten. Wie wir, in dem Jupiter-Video über "Rockwell-Härte-Test" sehen werden, ein Kohlenstoffstahl, der duktilen bei Raumtemperatur und unter eine geringe Belastung Rate Belastungsbedingungen sehr schnell laden Zustand (Impact) Belastung bei niedrigen Temperaturen ist zu unterwerfen können zu führen. spröde Verhalten. Darüber hinaus ist es wichtig zu erkennen, dass einige Materialien, z. B. Gusseisen sehr spröde Spannung sein können, duktilen in Kompression.
Zwei andere wichtige materielle charakteristisch, die an dieser Stelle definiert werden müssen, wie sie Einfluss auf unsere Auswahl an Material, Modellierung, sind Isotropie und Homogenität. Ein Material wird gesagt, isotrope wenn seine elastischen Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind. Die meisten Werkstoffe bestehen aus Kristallen, die klein im Vergleich zu den Dimensionen des gesamten Körpers sind. Diese Kristalle zufällig ausgerichtet sind, kann also statistisch das Verhalten des Materials isotrop gelten. Andere Materialien, wie Holz und andere faserigen Materialien können in beiden Richtungen nur ähnliche elastische Eigenschaften haben (orthotropen) oder in allen drei Raumrichtungen (anisotrop).
Auf der anderen Seite soll ein Material homogen sein, wenn seine elastischen Eigenschaften im ganzen Körper identisch sind. Für gestalterische Zwecke werden die meisten Baumaterialien möglichst homogen angenommen. Dies gilt auch für Materialien wie Beton, die verschiedene Phasen (Mörtel und Steinen), wo wir sind in der Regel über Charakterisierung viel größere Volumina, die statistisch homogen betrachtet werden können.

spannungs-dehnungs-eigenschaften von stahl

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Die Bedeutung der Materialien für die menschliche Entwicklung ist eindeutig durch die frühe Klassifikationen der Weltgeschichte in Perioden wie die Steinzeit, Eisenzeit und Bronzezeit erfasst. Die Einführung der Siemens und Bessemer Prozesse produzieren Stähle in der Mitte der 1800er ist wohl die bedeutendste Entwicklung bei der Einführung der industriellen Revolution, die viel von Europa und den USA in der zweiten Hälfte des 19th verwandelt Jahrhundert von Agrargesellschaften in die Stadt- und mechanisierten Gesellschaft von heute. Stahl in fast unendlichen Variationen, ist alles um uns herum, von unsere Küchengeräte, Autos, Lebensadern wie elektrischen Übertragungsnetzen und Wasserverteilungssystemen. In diesem Experiment, das wir betrachten das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von zwei Arten von Stahl, die den Bereich in der Regel in hoch-und Tiefbau-Anwendungen - gebunden rollte eine sehr milde, warme Walzstahl zu einem harten, kalten ein.

Aus den Messungen (Abb. 5 und Tabelle 1) möglicherweise ein Baustahl Dehnungen im Bereich von 25-40 %, während die härtere Stahl die Hälfte davon sein kann. Es ist wichtig zu beachten, dass fast alle die Verformung in einem kleinen Volumen lokalisiert ist und damit die % Dehnung nur durchschnittlich; vor Ort konnte die Belastung wesentlich höher sein. Beachten Sie auch, dass die % Verringerung der Bereich auch eine sehr schwierige Messung ist zu machen, wie unebenen Untergründen; somit reicht dieser Wert erheblich.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Probe</td>
			<td>A36</td>
			<td>C1018</td>
			<td>in.</td>
		</tr>
<tr>
<td>% Dehnung</td>
			<td>33.3</td>
			<td>17.3</td>
			<td>%</td>
		</tr>
<tr>
<td>% Bereich Reduzierung</td>
			<td>54,3</td>
			<td>50.1</td>
			<td>%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Zugfestigkeit Streckgrenze</td>
			<td>58,6</td>
			<td>73,0</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
<tr>
<td>Zugfestigkeit</td>
			<td>86,6</td>
			<td>99,9</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
<tr>
<td>Stress bei der Fraktur</td>
			<td>58,6</td>
			<td>86,7</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
<tr>
<td>Elastizitätsmodul</td>
			<td>29393</td>
			<td>29362</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 1. Stahlprüfkörper Zusammenfassung.
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig4v2.jpg" style="font-size: 14px;"> Abbildung 4 : Typische duktil (linkes Bild) und spröde (rechtes Bild) fehlerfläche.
In der Regel diese variiert zwischen einer duktilen Scherung (Cup-Konus) Fraktur, wie zu erwarten wäre nach einem Fehler wie in Abb. 4 gezeigt, um eine spröde Dekolleté-Fraktur. Typische grafische Ergebnisse für die komplette Spannungs-Dehnungs-Kurven sind in Abb. 5 dargestellt. Beachten Sie die sehr große Unterschiede in der Spannungs-Dehnungs-Charakteristik, von einem sehr milden aber duktil A36-Stahl bis sehr stark, aber nicht dehnbar C1018 reichen. Beachten Sie, dass beide sind konventionell Stahl genannt, aber ihre Leistung deutlich anders ist.
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig5v2.jpg" style="font-size: 14px;"> Abbildung 5 : Letzte Spannungs-Dehnungskurve.

Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Stahl

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
The importance of materials to human ...

Stahl ist ein allgemeiner Begriff für Eisen, das mit Kohlenstoff und anderen Elementen wie Chrom, Mangan und Nickel legiert ist. Variationen in der Zusammensetzung und den Verarbeitungsmethoden können seine Eigenschaften für den Bau von Autos, Brücken und Wolkenkratzern anpassen, um nur einige der nahezu unendlichen Einsatzmöglichkeiten zu nennen. Das Verständnis der Reaktion von Stahl auf Lasten ist bei der Planung sicherer Gebäude und Bauwerke wichtig. Ein grundlegendes Werkzeug zur Modellierung von Materialkennwerten ist die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Mit dem einachsigen Zugversuch untersuchen wir das elastische und unelastische Verhalten eines warmgewalzten Baustahls und eines kaltgewalzten Hartstahls, die jeweils niedrige bzw. obere Grenzen der Zugfestigkeiten im Tiefbau darstellen. Die Spannung ist definiert als die Kraft geteilt durch den Bereich, auf den sie angewendet wird. Die Dehnung ist die Längenänderung geteilt durch die Anfangslänge. Spannungs-Dehnungs-Kurven beschreiben die elastischen und inelastischen Eigenschaften von Werkstoffen, indem sie zeigen, wie ein Werkstoff wie Stahl auf ausgeübte Kraft reagiert. Der einachsige Zugversuch wird typischerweise zur Untersuchung von Spannungen und Dehnungen verwendet. Bei diesem Test zieht eine Maschine mit immer größerer Kraft langsam an den Enden einer Probe und misst die daraus resultierende Dehnung. Der Metallzugversuch wird durch ASTM E8 beschrieben, die die Art und Größe der Probe, die Art des Geräts und die zu meldenden Daten definiert. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt viele Eigenschaften des zu prüfenden Werkstoffs. Dazu gehören der Elastizitätsmodul (die Steigung des anfänglichen linearen Bereichs, in dem die Verformung proportional zur Belastung ist), der Elastizitätsmodul (der Bereich unter dem linearen Bereich, der die Fähigkeit eines Materials misst, Energie ohne bleibende Verformung zu absorbieren), der proportionale Grenzwert (die Spannung an dem Punkt, an dem die Kurve von der Linearität abweicht), Fließpunkte (an denen die Spannung gegenüber der Dehnung plötzlich abnimmt oder sich ändert), und Fließplateau (wo die Verformung schnell zunimmt, ohne die Spannung zu erhöhen). Stahl ist ein duktiler Werkstoff. Die Duktilität ist definiert als die Längenänderung beim Versagen dividiert durch die Anfangslänge. Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, bevor es bricht. Nachdem wir nun einige der grundlegenden Eigenschaften von Materialien verstanden haben, schauen wir uns eine Methode zur Messung von Spannung und Dehnung im Labor an und untersuchen die Beziehung zwischen diesen beiden Größen. Erhalten Sie zylindrische Prüfkörper für zwei Stahlsorten, einen weichgewalzten und warmgewalzten Stahl, z. B. A36, und einen hart- und kaltgewalzten Stahl, z. B. C1018. Verwenden Sie einen Messschieber, um den Durchmesser an mehreren Stellen in der Nähe der Mitte der Probe zu messen. Führen Sie diese Messungen auf den nächsten 2000stel Zoll genau durch. Halten Sie dann die Probe fest. Ritzen Sie eine Messlänge von ca. zwei Zoll. Machen Sie die Markierung klar, aber sehr flach, um eine Spannungskonzentration zu vermeiden, die zum Bruch führen kann. Messen Sie die tatsächlich markierte Messlänge auf das nächste 2000stel Zoll genau. Installieren Sie abschließend einen Dehnungsmessstreifen. Die Probe ist nun bereit für die Prüfung. Wir werden eine Universalprüfmaschine (UTM) verwenden, um die Zugeigenschaften der Proben zu messen. Schalten Sie die Prüfmaschine ein und initialisieren Sie die Software. Richten Sie geeignete Grafik- und Datenerfassungsparameter ein und wählen Sie dann ein Testverfahren aus, das mit dem ASTM E8-Protokoll kompatibel ist. Legen Sie die Dehnungsraten für niedrige Dehnungen von null bis 5 % bzw. für hohe Dehnungsbereiche von mehr als 5 % fest. Diese sollten bei der Erstbelastung bei 0,05 Zoll pro Minute und bei 0,5 Zoll pro Minute nach 5 % Belastung liegen. Legen Sie dann alle zusätzlichen Aktionen in der Software fest, z. B. das Anhalten der Maschine bei einer Dehnung von 5 % im Extensometer, um es vor dem Versagen der Probe zu entfernen. Heben Sie die Traverse manuell an, sodass die gesamte Länge der Probe problemlos zwischen den oberen und unteren Spannzeugen passt. Führen Sie die Probe vorsichtig bis zu ca. 80 % der Klemmtiefe in den oberen Griff ein. Richten Sie die Probe im oberen Griff aus und ziehen Sie sie leicht fest, um ein Herunterfallen der Probe zu verhindern. Senken Sie die obere Traverse langsam ab. Sobald sich die Probe innerhalb von etwa 80 % der unteren Spanntiefe befindet, beginnen Sie mit der Ausrichtung der Probe innerhalb der unteren Spannzeuge. Die Probe sollte in der Mitte des vollständig geöffneten unteren Spannzeugs schwimmen. Üben Sie durch die Spannzeuge seitlichen Druck auf die Probe aus, um sicherzustellen, dass während der Prüfung kein Verrutschen auftritt. Beachten Sie, dass durch den Anzugsvorgang eine kleine Axialkraft auf die Probe ausgeübt wird. Verwenden Sie die Software, um eine Vorspannung zu erheben, um diese Kraft auszugleichen und ihren Wert aufzuzeichnen. Befestigen Sie die elektronischen Extensometer gemäß den Anweisungen des Herstellers sicher an der Probe. Die Klingen des Extensometers sollten ungefähr mittig auf der Probe liegen. Wenn ein Dehnungsmessstreifen verwendet wird, schließen Sie diesen an. Beginnen Sie die Prüfung, indem Sie eine Zugbelastung auf die Probe ausüben. Beobachten Sie die Live-Messung der aufgebrachten Last auf dem Computerbildschirm. Um sicherzustellen, dass die Probe nicht durch die Spannzeuge rutscht, stellen Sie sicher, dass die gemessene Last linear zunimmt. Einige Zeit vor dem Versagen der Probe pausiert die Software den Test automatisch. Lassen Sie die Probe in der Prüfmaschine und entfernen Sie das Extensometer. Fahren Sie mit der Zugbelastung fort, bis sie versagt. Bei Erreichen der maximalen Last beginnen die gemessenen Lasten zu sinken. An diesem Punkt beginnt das Exemplar sich einzuschnüren. Die endgültige Fraktur sollte in diesem Halsbereich durch duktiles Reißen erfolgen. Heben Sie nach Beendigung der Prüfung die Traverse an, lösen Sie den oberen Griff und entfernen Sie das zerbrochene Stück der Probe. Lösen Sie den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe. Notieren Sie den Wert bei der maximalen Zugbelastung. Speichern Sie die aufgezeichneten Daten und die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Passen Sie die Enden der gebrochenen Probe vorsichtig zusammen und messen Sie den Abstand zwischen den Messmarkierungen auf das 2000stel Zoll genau. Notieren Sie die endgültige Messlänge. Messen Sie abschließend den Durchmesser der Probe im kleinsten Querschnitt auf das nächste 2000stel Zoll genau. Um die Materialeigenschaften zu bestimmen, werfen wir zunächst einen Blick auf die Daten für den warmgewalzten Stahl A36 bzw. die Daten für den kaltgewalzten Stahl C1018. Berechnen Sie nun die prozentuale Dehnung für jede Probe, wobei Sie die endgültige Dehnung und die anfängliche Dickenlänge kennen. Berechnen Sie die Flächenverkleinerung für jede Probe unter Verwendung des Enddurchmessers und des Anfangsdurchmessers der Probe. Notieren Sie diese Werte in einer Ergebnistabelle. Berechnen Sie anschließend weitere Materialparameter anhand der experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven. Ein schneller Vergleich dieser Kurven für die beiden Proben zeigt ihr sehr unterschiedliches elastisches und inelastisches Verhalten. Aufgrund der viel höheren Dehnung bei niedrigeren Spannungen ist der A36-Stahl weicher und weitaus duktiler als der C1018-Stahl. Für den A36-Stahl beträgt die Bruchspannung etwa 58,6 Kilopfund pro Quadratzoll und liegt damit deutlich über dem Nennwert von 36,0 Kilopfund pro Quadratzoll. Die maximale Belastung beträgt etwa 86,6 Kilopounds pro Quadratzoll bei einer Dehnung von etwa 20 %. Dieses vergrößerte Diagramm zeigt eine nach oben gerichtete Streckgrenze bei etwa 58,6 Kilopfund pro Quadratzoll und eine niedrigere Streckgrenze bei etwa 56,8 Kilopfund pro Quadratzoll. Auch der Beginn des Ertragsplateaus ist hier sichtbar. Die Daten der Dehnungsmessstreifen zeigen einen linearen elastischen Bereich für den A36-Stahl mit einer Steigung, die als Elastizitätsmodul von etwa 29.393 Kilopounds pro Quadratzoll definiert ist. Dieses Ergebnis liegt sehr nahe am Nennwert von 29.000 Kilopfund pro Quadratzoll. An dem Punkt, an dem die Daten von der Linearität abweichen, können wir bestimmen, dass die proportionale Grenze bei etwa 55,58 Kilopfund pro Quadratzoll liegt. Zum Vergleich: Aufgrund der Nichtlinearität seiner Spannungs-Dehnungs-Kurve hat der Stahl C1018 eine sehr niedrige proportionale Grenze. Die Ergebnisse des Extensometers decken Dehnungen bis zu 5% ab. Die Daten für den Stahl A36 zeigen das plastische Plateau und den Beginn der Kaltverfestigung, wo die Kurve bei einer Dehnung von etwa 2,7 % wieder ansteigt. Im Gegensatz dazu weist der C1018 kein klares Ertragsplateau auf. Schließen Sie die Datenanalyse ab, indem Sie die Testergebnisse für die beiden Stahlproben in der folgenden Tabelle zusammenfassen. Die Dehnung eines warmgewalzten Baustahls liegt im Bereich von 25 bis 40 %. Im Gegensatz dazu beträgt die Dehnung eines harten, kaltgewalzten Stahls nur die Hälfte. Die prozentuale Dehnung ist ein Durchschnittswert für die Länge des Materials zwischen den Messmarken, aber fast die gesamte Verformung ist auf einen kleinen Bereich um den Bruchpunkt herum lokalisiert. Folglich kann die lokale Belastung viel größer sein als der Durchschnitt. Die physikalische Untersuchung der beiden Proben zeigt große Unterschiede in der Art und Weise, wie sie versagen, was den Unterschieden in ihren Spannungs-Dehnungs-Kurven entspricht. Der A36-Stahl hat eine Versagensfläche, bei der das Material an der Felge während der allmählichen Endverformung herausgezogen wird und die Dehnung bei niedrigeren Spannungen größer ist, was auf ein sehr mildes, aber duktiles Metall hinweist. Im Gegensatz dazu hat der Stahl C1018 eine flache Versagensfläche, die einem plötzlichen Bruch und einer viel geringeren Dehnung bei viel höheren Spannungen entspricht, Eigenschaften einer hohen Festigkeit, aber einer geringen Duktilität. Schauen wir uns einige gängige Anwendungen von Stahl aus der Perspektive der Beziehung zwischen Spannung und Dehnung an. Bauingenieure analysieren strukturelle Einstürze in Brücken und Gebäuden, um zukünftige Tragwerksentwürfe zu verbessern. Dieser Prozess hat zu Stahlbauteilen wie gewalzten I-Trägern für mehrstöckige Gebäude, geschweißten tiefen I-Trägern für Brücken sowie hochfesten Schrauben und Befestigungselementen geführt. Jeder erfordert unterschiedliche Stahlsorten mit spezifizierten Festigkeiten und Duktilitäten, die oft erst durch die Untersuchung ihrer Spannungs-Dehnungs-Kurven verstanden werden. Ingenieure nutzen die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Werkstoffen, um Autos sicherer zu machen. Mit dem Wissen um die Festigkeit und Duktilität des Rahmens und wie er sich als Reaktion auf Aufprallkräfte verformt, können Ingenieure die Karosserie eines Automobils so konstruieren, dass sie bei einer Kollision Energie absorbiert und die Chance erhöht, einen Unfall zu überleben. Sie haben gerade die Einführung in die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Stahl von JoVE gesehen. Sie sollten nun wissen, wie Sie einen einachsigen Zugversuch durchführen, um die Zugeigenschaften von metallischen Werkstoffen zu bestimmen und wie Sie Spannungs-Dehnungs-Kurven für typische Stähle analysieren. Danke fürs Zuschauen!

Education

Lehre

JoVE Science Education

Engineering

Ingenieurwesen

Structural Engineering

Konstruktiver Ingenieurbau

steel strength from mild to cold rolled

Steel strength can vary widely, and this lesson focuses on how that shows up in stress-strain behavior. Stress is the force applied to a material, and strain is the change in shape or length that results. The study compares two steels that represent the range often seen in civil engineering applications.

The two examples are a very mild, hot rolled steel and a harder, cold rolled steel. Hot rolled steel is formed at high temperature, while cold rolled steel is processed differently to produce a harder material. By comparing them, students can see how steel properties change across common structural uses.

Steel has played a major role in human development. The shift from the Stone Age, Iron Age, and Bronze Age to modern materials reflects that importance. The Siemens and Bessemer processes in the mid-1800s helped produce steel on a large scale and supported the Industrial Revolution in Europe and the USA.

Today, steel is used in many everyday systems. It appears in kitchen appliances, cars, electrical transmission networks, and water distribution systems. This experiment connects those real-world uses to the stress-strain response of steel.

Steel Strength from Mild to Cold Rolled

material constants

Measuring Elasticity in Aluminum Bars

Measuring elasticity in aluminum bars helps civil engineers connect force, stress, and strain to the way a material changes shape. Because each civil engineering structure is unique and costly to reproduce, engineers depend on analytical models instead of full-scale testing for every design. These simplified models help check that strength and stiffness limits are not exceeded. To build those models, engineers need two things. They need theories that describe how structures respond to loads.

stress-strain characteristics of steels

Steel strength can vary widely, and this lesson focuses on how that shows up in stress-strain behavior. Stress is the force applied to a material, and strain is the change in shape or length that results. The study compares two steels that represent the range often seen in civil engineering applications. The two examples are a very mild, hot rolled steel and a harder, cold rolled steel. Hot rolled steel is formed at high temperature, while cold rolled steel is processed differently to produce...

stress-strain characteristics of aluminum

stress-strain-characteristics-of-aluminum

Aluminum Uses, Properties, and Forms

Aluminum is a widely used metal with a strong strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and easy fabrication. It is also non-magnetic and has high thermal and electrical conductivity. These properties help explain why aluminum appears in so many products and structures. Aluminum is found in everyday items such as soda cans and airplane components. It is especially useful when alloyed with one or more common elements. Alloys are metal mixtures, and they expand aluminum’s role in...

charpy impact test of cold formed and hot rolled steels under diverse temperature conditions

charpy-impact-test-cold-formed-hot-rolled-steels-under-diverse

Charpy V-Notch Testing of Steel Fracture

Charpy V-notch testing helps measure how steel handles impact before it fractures. It is a simple way to estimate a material's toughness, or its ability to absorb energy when hit suddenly. In civil engineering, this test is used to judge how likely a steel is to fail in a brittle way. Brittle fracture is one of the most dangerous kinds of structural failure. It can happen suddenly and with little warning. The material does not bend much first, much like a bone fracture. These failures are more...

rockwell hardness test and the effect of treatment on steel

rockwell-hardness-test-and-the-effect-of-treatment-on-steel

Rockwell Hardness in Heat-Treated Aluminum

Rockwell hardness testing measures how much a material resists indentation. It is a simple and relatively inexpensive mechanical test, so engineers use it often when they need useful data quickly. It is also less destructive than tensile testing, which makes it practical for many samples. Hardness is a material property that describes how much plastic deformation, or permanent yield, happens when a known force is applied. Hardness tests are empirical, which means the results come from measured...

buckling of steel columns

Why Slender Steel Members Buckle

Slender steel members can fail by buckling when they are placed in compression. In civil engineering, this failure mode matters because steel structures are often designed to be strong, economical, and fast to build. Steel members are useful in civil works because the material has high strength and many parts can be prefabricated before they reach the job site. That helps reduce material use, simplify fabrication, and speed up construction. Compared with reinforced concrete structures, the...

dynamics of structures

Earthquake Testing of Structural Models

Earthquake testing of structural models helps engineers understand how buildings may behave during ground shaking. Earthquakes remain a major hazard around the world. Damage can affect large regions and lead to heavy loss of life, as seen in the 2005 Banda Aceh earthquake in Indonesia. The number and strength of earthquakes are not increasing, but the risk to buildings is. Rapid, unregulated growth in seismically active areas, including the Circum-Pacific "belt of fire," raises that risk.

fatigue of metals

Metal Fatigue in Bridges and Structures

Metal fatigue in bridges and other structures develops when repeated loads weaken metal over time. The Silver Bridge collapse in Point Pleasant, West Virginia, in 1967 brought this problem into focus. The eyebar-chain suspension bridge over the Ohio River failed during evening rush hour, and 46 people died. The collapse began with a single eyebar that had a small 0.1-inch defect. Repeated loading made that defect grow until it reached a critical length. The eyebar then failed in a brittle way,...

tension tests of polymers

Polymer Types and Stress-Strain Behavior

Polymer materials are used in civil structures, from soft sealants to rigid pipes in water and wastewater systems. A polymer is a molecule made of repeating subunits. The word comes from Greek, where "poly" means many and "-mer" means basic unit. These repeating units are called monomers, and the structure of the polymer helps determine its properties. Polymers are grouped into three main categories: plastics, elastomers, and rigid rod polymers. Plastics include thermosets and thermoplastics.

tension test of fiber-reinforced polymeric materials

tension-test-of-fiber-reinforced-polymeric-materials

FRP Materials Under Stretching Load

Fiber-reinforced polymeric materials, or FRP materials, are composite materials made of long fibers embedded in a polymer resin. The fibers are arranged in aligned, parallel directions. This gives the material orthotropic behavior, which means it responds differently depending on the direction of the load. Along the fiber direction, FRP is very strong and stiff. Across the fibers, it is much weaker because the resin carries most of the load in that direction. A common unidirectional form is...

aggregates for concrete and asphaltic mixes

aggregates-for-concrete-and-asphaltic-mixes

Testing Aggregate Properties in Concrete Mixes

Concrete and asphalt both rely on aggregates, which are the sand- and rock-like particles mixed into the material. Concrete is a composite made of cement, water, air, coarse aggregate, and fine aggregate. Fine aggregates are usually sands, while coarse aggregates are natural or crushed rocks. Chemical admixtures may also be added to change specific properties, such as making concrete more fluid during casting. Asphaltic mixes also contain coarse and fine aggregates, along with asphalts,...

tests on fresh concrete

Concrete Mix Design and Freshness Tests

Concrete mix design and fresh concrete tests are used to check whether a batch is workable and ready to place. Concrete has two phases. One phase is the cement paste, which includes cement, water, and air. The other phase is the aggregate portion, which includes coarse and fine aggregates. Designing a concrete mix involves two key goals. The fresh mix must be easy to cast into forms, even when the forms contain steel reinforcement. In this stage, concrete rheology, or how the material flows,...

compression tests on hardened concrete

Concrete Strength Tests After Hardening

Concrete strength tests after hardening show how cured concrete performs once it has set. Concrete goes through two main stages in construction. The first stage is batching, transporting, and casting fresh concrete. At that time, the material is viscous, and workability and finishability are the main performance goals. The second stage begins soon after the concrete is placed in the form. Hydration starts, and the concrete begins to set and harden. This process is complex, and not every phase...

tests of hardened concrete in tension

Concrete Tension, Cracking, and Steel Reinforcement

Concrete tension behavior is important because cracking often begins when concrete is pulled apart or combined with shear. A previous lab on concrete in compression showed that concrete can carry very large compressive stresses, but the failures did not occur as pure compression failures. Instead, they formed along shear planes, where tensile forces were highest. This experiment focuses on how hardened concrete behaves in tension and why its maximum tensile strength matters. Tension and shear...

tests on wood

Wood Beam Bending and Strength Tests

Wood is a common building material used in construction. It is renewable and sustainable, and it also has strong visual appeal. More buildings are likely made with wood than with any other structural material today. Many wood structures are single-family homes. Wood framing is also used in larger apartment buildings, as well as in commercial and industrial buildings. Its wide use comes from both cost and appearance. Wood buildings can often be built with little equipment, which helps keep...

structural engineering

Diese Sammlung stellt Studierenden grundlegende Konzepte und Protokolle für die Materialcharakterisierung vor, mit besonderem Schwerpunkt auf allgemeine Baustoffe wie Stahl, Holz und Beton.

Compare the stress-strain behavior of mild hot rolled steel and harder cold rolled steel, and see how steel shapes bridges, cars, appliances, and utilities.

Steel Strength from Mild to Cold Rolled | JoVE K12

Chemistry and Physics

IPC.2

IPC.2.D

Overview

Principles of Uniaxial Tensile Test

Specimen Preparation

Stress-Strain Testing Protocol

Data Analysis

Results

Applications

Summary

Models, Theories, and Laws

Scientists frequently use models to help them comprehend a specific collection of phenomena. In physics, a model is a condensed version of a physical ...

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Brick Sizes

The dimensions of a brick are determined by three measurements: its width, height, and length.
Typically, bricks are sized to build walls in modules of 4 ...

structural-properties-and-dimensions-of-lumber

Structural Properties and Dimensions of Lumber

Wood fibers align along the tree&#39;s length, giving it up to twenty times higher tensile strength along the fibers than across them. Wood is also ...

Accuracy, limits, and approximation

Accuracy, limits, and approximations are common in many fields, especially in engineering calculations. These concepts are imperative for ensuring that a ...

Design Consideration

While designing a structure, the considerations start with the ultimate strength of a material, which is determined through tests, measuring changes under ...

Dynamics of Structures

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
It is rare nowadays that a whole year goes by ...

Material Constants

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
In contrast to the production of cars or ...

Estimation of the Physical Quantities

On many occasions, physicists, other scientists, and engineers need to make estimates of a particular quantity. These are sometimes referred to as ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14734.jpg

Identify advantages and limitations of models such as their size, scale, properties, and materials

PHYS.2.A

Introduction to Statistics

The science of statistics involves collecting, analyzing, interpreting, and presenting data. The method of collecting, organizing, and summarizing data is ...

How Data are Classified: Categorical Data

A variable, usually notated by capital letters such as X and Y, is a characteristic or measurement that can be determined for each member of a population. ...

How Data are Classified: Numerical Data

Data that are countable or measurable in specific units are called numerical or quantitative data. Quantitative data are always numbers. Quantitative data ...

Review and Preview

Data are individual items of information obtained from a population or sample. Data may be classified as qualitative (categorical), quantitative ...

What is a Frequency Distribution

A frequency is the number of times a value of the data occurs. The sum of all the frequency values represents the total number of students included in the ...

What is Central Tendency?

Descriptive statistics describe or summarize relevant characteristics of a sample and aid in the analysis of data of interest. When analyzing large ...

Arithmetic Mean

The arithmetic mean is the most commonly used measure of the central tendency of a data set. It is defined as the sum of all the elements constituting the ...

What is a Mode?

The mode is one of the commonly used measures of a central tendency. It is defined as the most frequent value in a data set.
There can be more than one ...

Median

Besides mean, the median is a widely used measure of central tendency. Typically, median is defined as the central or middle value of a data set, measured ...

What is Variation?

Apart from the measures of central tendency, distribution, outliers, and the changing characteristics of data with time, an important characteristic of ...

Standard Deviation

The most commonly used measure of variation is the standard deviation. It is a numerical value measuring how far data values are from their mean. The ...

Standard Error of the Mean

The sampling variability of a statistic is defined as how much the statistic varies from one sample to another. The sampling variability of a statistic is ...

Calculating Standard Deviation

The standard deviation is the most common measure of variation. It is a value that tells us how far a data value is from the mean value in a dataset. ...

Variance

&#160;The deviations show how spread out the data are about the mean. A positive deviation occurs when the data value exceeds the mean, whereas a negative ...

Coefficient of Variation

The coefficient of variation measures the dispersion of the data points or distribution around the mean. Using the coefficient of variation, we can ...

Probability in Statistics

Probability is the likelihood of an event occurring. The term event is defined as a collection of results of a procedure. An event is a simple event when ...

Random Variables

A random variable is a single numerical value that indicates the outcome of a procedure. The concept of random variables is fundamental to the probability ...

What is a Hypothesis?

A hypothesis can be a simple sentence or statement about a property or any phenomenon observed or predicted for a population. It is usually a claim about ...

Null and Alternative Hypotheses

The actual hypothesis testing begins by considering two hypotheses. They are termed&#160; the null hypothesis and the alternative hypothesis. These ...

Types of Hypothesis Testing

There are three types of hypothesis tests: right-tailed, left-tailed, and two-tailed.
When the null and alternative hypotheses are stated, it is observed ...

Study Design in Statistics

A study design is a set of techniques that allow a researcher to collect and analyze data from different variables defined for a specific research ...

types-of-errors-detection-and-minimization

Types of Errors: Detection and Minimization

Error is the deflection of an obtained result from the expected or true results of an experiment. This happens due to the uncertainty associated with the ...

systematic-error-methodological-and-sampling-errors

Systematic Error: Methodological and Sampling Errors

Systematic errors, depending on their source, are of four types &#8211; sampling, instrumental, method, and personal errors.
Sampling errors occur due to ...

Random Error

Indeterminate or random errors arise from several uncontrollable variables in successive measurements.
Since these errors can neither be predicted nor ...

Analyze data by identifying significant statistical features, patterns, sources of error, and limitations

PHYS.2.B

Numerical Calculations

In engineering applications, the representation of the numerical value is critical. Presenting or reporting the answer is one of the essential parts of ...

Quantitative Analysis

Quantitative analysis is a technique for measuring the amount of specific constituents in a sample. When the sample&#39;s composition is unknown, ...

Statistical Analysis: Overview

An analysis is usually conducted by replicated sampling or repeated measurements on the same sample. This leads to scattered results rather than a single ...

Dimensional Analysis

Dimensional analysis, also known as the factor label method, is a versatile approach for mathematical operations. The main principle behind this approach ...

calculating-and-interpreting-the-linear-correlation-coefficient

Calculating and Interpreting the Linear Correlation Coefficient

The correlation coefficient, r, developed by Karl Pearson in the early 1900s, is numerical and provides a measure of strength and direction of the linear ...

variation-normal-distribution-range-and-standard-deviation

Variation: Normal Distribution, Range, and Standard Deviation

In the field of psychology, there are&nbsp;several ways to organize measurements of a trait, feature, or characteristic (i.e., variables). Qualitative ...

Regression Analysis

Regression analysis is a statistical tool that describes a mathematical relationship between a dependent variable and one or more independent variables.
...

Microsoft Excel: Regression Analysis

Regression analysis is critical in statistics. Consider the data as shown here in the Microsoft Excel worksheet. The scatter plot of variables has a ...

5-Number Summary

In a dataset, the 5-number summary includes the minimum data value, the data value of the first quartile, the median data value or data value of the ...

The Small x Assumption

If a reaction has a small equilibrium constant, the equilibrium position favors the reactants. In such reactions, a negligible change in concentration may ...

Use mathematical calculations to assess quantitative relationships in data

PHYS.2.C

Experimental Designs

An experimental design is a systematic process that allows researchers to evaluate the relationship between dependent and independent variables. There are ...

from-theory-to-design-the-role-of-creativity-in-designing-experiments

From Theory to Design: The Role of Creativity in Designing Experiments

Source: Laboratories of Gary Lewandowski, Dave Strohmetz, and Natalie Ciarocco&#8212;Monmouth University

Research studies come into being when a ...

aerodynamic-performance-of-a-model-aircraft-the-dc-6b

Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
The low-speed wind tunnel is ...

Design of Prismatic Beams for Bending

The design process for prismatic beams subjected to bending begins by determining the allowable stress for the chosen material.
The allowable stress is ...

Fatigue of Metals

Source: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
The importance of studying metal fatigue in civil ...

Heat Exchanger Analysis

Source: Alexander S Rattner and Christopher J Greer; Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, ...

Evaluate experimental and engineering designs

Scientific and engineering practices. The student analyzes and interprets data to derive meaning, identify features and patterns, and discover relationships or correlations to develop evidence-based arguments or evaluate designs. The student is expected to:

Steel Strength from Mild to Cold Rolled

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