5.2: Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Stahl

Spannung von Stahl Proben Testen

Der Zweck dieses Experiments ist:

• Studenten mit der standard-Labor-Test zur Bestimmung der Zugeigenschaften metallischer Werkstoffe in irgendeiner Form (ASTM E8), vertraut zu machen
• Vergleichen Sie die Eigenschaften des allgemein verwendet metallischen Werkstoffen (Stahl und Aluminium), und
• Um die getesteten Eigenschaften von Metallen zu vergleichen veröffentlichten Werte.

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:

1. Zylindrische Probekörper für zwei Stähle erhalten, eine mild und heiß gerollt (z. B. A36) und einer harten und kalten gerollt (z. B. eine C1018).
2. Messen Sie den Durchmesser des Prüflings, die nächste 0,002 Zoll an mehreren Standorten in der Nähe der Mitte mit einem Bremssattel.
3. 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.
4. Messen der tatsächlichen Gage Länge zu den nächstgelegenen 0,002 Zoll mit einem Bremssattel gekennzeichnet.
5. Installieren Sie wenn möglich DMS JoVE video auf "Material Constants" beschrieben.
6. 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.

2. Prüfung der Proben:

1. 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.
2. 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.).
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Nehmen Sie den Wert auf die maximale Zugbelastung und ein gedrucktes Exemplar der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Sichern Sie die Daten digital erfasst.
13. 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.
14. Messen Sie den Durchmesser der Probe bei der kleinsten Querschnitt an den nächstgelegenen 0,002 In.
15. Die gebrochene Exemplar mit Bildern und Diagrammen zu dokumentieren.

(3) Datenanalyse

1. Berechnen Sie die % Dehnung und Einschränkung des Bereichs für jede Art von metallischen Werkstoff.
   Dehnung =
   Einschränkung des Bereichs =
2. Beschreiben, kategorisieren und Aufzeichnen des vorherrschende Fraktur-Modus für jede Probe.
3. 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).
4. 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.
5. 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.

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!