5.3: アルミニウムの応力-ひずみ特性

アルミニウムの引張試験

この実験の目的は次のとおりです。

1. 任意のフォーム (ASTM E8) における金属材料の引張特性を決定する標準的な検査で学生を知らせるため
2. 一般のプロパティを比較する (構造用鋼およびアルミニウム)、金属材料を使用し、
3. 金属のテスト プロパティを比較するには、値を公開しました。

万能試験機 (UTM) 変形制御と関連付けられたテストとデータ集録の機能が利用できるものとみなします。追って手順を実行引張試験を実行するプロシージャは、安全ガイドラインに特に注意を払って、UTM の製造元から提供されました。任意の手順について不明な場合は続行しないでください。傷つけることができる真剣に自分や周りの人適切な予防措置に従わない場合、あなたのラボのインストラクターと一緒に疑問を明らかにします。また緊急停止のすべてのプロシージャを知っているし、マシンを実行しているソフトウェアに精通しているかどうかを確認します。

以下の手順は一般的な最も重要な手順をカバーするものです。利用可能な機器によってそれからの有意な偏差があります。

1. 試験片を準備しなさい。

1. 6061T6 など一般的なアルミの円筒試験片を入手します。
2. キャリパーを使用して中央付近にいくつかの場所に最も近い 0.002 インチ試験片の直径を測定します。
3. 試料をしっかりと、マーク、ゲージ、おおよそ 2 インチの長さのファイルを使用します。注: 明らかにエッチングがそれほどディープになる破壊につながる応力集中をされるように慎重にゲージの長さをマークします。
4. 実際のキャリパーを使用して最も近い 0.002 インチ ゲージ長さをマークを測定します。
5. 可能であれば、「定数」を素材にゼウスのビデオで説明されているように縦ひずみゲージをインストールします。
6. 校正データの潜在的な誤差と信頼限界を評価するために使用されているすべての楽器の解像度、すべての入手可能な情報を収集します。これらの 2 つの問題は意味のある結果を得ることへのキーが、何がここで議論の範囲を超えています。

2. 試料をテストします。

試験機をオンにし、ソフトウェアを初期化します。どんな適切なグラフやデータ集録機能を備えてソフトウェア内でセットアップいることを確認します。最低でも、応力-ひずみ曲線を表示し、荷重とひずみのディスプレイを持ってください。

1. ASTM E8 テスト プロトコルと互換性があるソフトウェアで適切な検査を選択します。使用されているひずみ速度に注意してくださいと弾性と非弾性範囲の 2 つのレートが使用されているかどうか。(例えば、伸縮計を安全に削除することができますので、5% 歪みで停止する、達した負荷の最大値を保持するマシン) ソフトウェアで適切なアクションを設定します。
2. 手動で標本の全長はグリップの間に容易に合うようなクロスヘッドを上げます。グリップの深さの約 80% の上部のグリップに試料を慎重に挿入します。グリップ内部試験片、試験片が落下するを防止するために少し締めます。注:、この段階での完全な圧力にグリップが締めください。
3. トップのクロスヘッドをゆっくりと下ろします。試料が下部のグリップの深さの約 80% 以内で、試料が下部のグリップ内で正しく配置されてを確認してください (すなわち、完全に開いた位置に下部のグリップと試料が「フロート」グリップの下部開口部の中に)。テスト中に追加の曲げおよびねじり応力になります、試験片のズレは、引張試験を行う場合に発生する最も一般的なエラーの 1 つです。楽器自体の配置が悪い場合に、合わせて適切なグリップの技術者と仕事。
4. テスト中に滑り、ことを発生しないようにグリップを試験片に適切な側圧を適用されます。注: がある小さな軸力この時点で、金融引き締めのプロセス導入予供試体;テスト コンピューターは、このプリロードを最小限に抑えるためのソフトウェア調整があります。プリロードの値を記録します。
5. 製造元の仕様に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。メモ: 伸縮ブレード試料ゲージ マークを正確に配置する必要はありませんが試料のほぼ中央が。
6. このポイントまでのすべての手順を正しく実行したかを入念に確認します。可能であれば、試料のテストの準備を確認スーパーバイザーがあります。
7. 試験片に引張荷重を適用を開始する読み込みを開始し、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブ読書を観察します。注: 測定された負荷が増加しない、試料がグリップをすり抜けてを再アタッチする必要があります。この場合、テストは停止し、ステップ 2.3 から実験を再開します。
8. サンプル失敗の前に時々 標本 (ステップ 2.7) をアンロードせずテストを自動的に一時停止されます。この時点で、伸縮計を削除します。標本休憩場所で、伸縮計、伸縮計、大変高価な機器を破壊します。
9. 失敗するまで引張荷重を適用するを再開します。最大負荷に達する、測定荷重は減少していきます。この時点で、供試体はくびれを開始され、最終破断延性または半延性引き裂きを通してこのハイネック地域内発生します。
10. テストが完了したら、クロスヘッドを上げる、上部のグリップを緩めるし、トップのグリップからの標本の破片を抜きます。供試体の上半分を削除すると、下部のグリップを緩めるし、他の供試体の半分を削除します。
11. 最大引張荷重時の値を記録し、応力-ひずみ曲線のコピーを印刷します。少なくとも 1 つのリムーバブル メディア デバイス、ハード ディスクにデジタル記録されたデータを保存します。
12. 慎重に破断端を一緒に合わせて、最も近い 0.002 の標点間の距離を測定します。最後のゲージの長さを記録します。
13. 最も近い 0.002 の最小断面の試験片の直径を測定します。
14. 写真や図で破断を文書化します。

3. データ分析

1. 表 1 のデータを使用して計算 % 伸長と金属材料の種類ごとに面積の削減。
   伸び = = 8.6%
   面積の削減 = = 36.5%
2. 説明、分類し、各試料に対する支配的な破壊モードを記録します。
3. 「鋼の応力-ひずみ特性」にゼウスのビデオで説明されているように材質を決定します。0.004 までひずみが (、伸縮計の上限のひずみテストから削除された; この値変わる値伸縮によるひずみゲージによる、0.004 と 0.05 の間が与えられた、スプレッドシート内のデータを整理します。変形能力標本)。終局ひずみを推定するのにクロスヘッド変位と % 伸長を使用します。ひずみゲージを使用しない場合必ず、伸縮計の任意の初期のスリップを修正してください。1 つは、靱性 (応力-ひずみ曲線の下の領域) を取得するグラフ内の正方形を数えることができます。
4. 教科書またはその他の適切な参照を使用して、弾性率を決定する、強度、および使用される材料の強度を得られます。テスト結果を公開されている値を比較します。

ほとんどの金属と比較して、アルミニウムは強度対重量比、耐食性、および製造の容易さに優れています。その結果、アルミニウムは最も広く使用されている金属の1つであり、ソーダ缶から航空宇宙部品まで幅広い製品に採用されています。

純アルミニウムの強度は非常に低いですが、その機械的特性は合金化と熱処理によって大幅に改善できます。これらのプロセスにより、機械材料や電気材料への広範な応用が可能になります。アルミニウムは構造材料として鋼鉄に次ぐものであるため、アルミニウムの応力ひずみ曲線を得ることは、その使用の予測可能で安全な限界を決定するために重要です。

このビデオでは、標準的な一軸引張試験を使用して、一般的なタイプのアルミニウムの応力ひずみ挙動を見ていきます。

アルミニウムは軽量で、密度は鋼鉄の約1/3です。その弾性率は、しばしば約70ギガパスカル、または1平方インチあたり10,000キロポンドであると引用され、鋼の約1/3でもあります。

鋼と同様に、アルミニウムの機械的特性は、亜鉛、銅、マンガン、シリコン、マグネシウムと主に合金化することで大幅に改善できます。冷却作業またはひずみ硬化、つまり材料を染料で圧延または引き抜くことも、強度を高めることができます。

一軸引張試験は、通常、アルミニウムなどの金属の弾性挙動を研究するために使用されます。この試験では、材料がどのように伸び、加えられた力が増加すると破損するかを示す応力ひずみ曲線が生成されます。

アルミニウムやその他の材料の故障は、いくつかのステップを経て進行します。ネッキング、ボイド核形成、ボイド成長と合体、亀裂の伝播、そして最後に破壊。6061-T6アルミニウムは強度と剛性に優れており、仕上げや陽極酸化が容易です。ラップトップやテレビなど、多くの電子製品のケーシングに一般的に使用されています。

これは、6061-T6 アルミニウムの応力ひずみ曲線です。その応力ひずみ曲線が急激な降伏点を示すのではなく、弾性率が徐々に減少することに注意してください。このアルミニウムは実際には故障しますが、プロセスは緩やかであり、応力ひずみ曲線を見るときに明確な故障点を定義することは困難です。

エンジニアリング目的で降伏点を決定するために、ASTMおよびその他の組織は0.2%オフセットアプローチを採用しています。この方法では、動作の線形部分に最適な線を決定し、0.2% のひずみで同じゆっくりと開始する線を描画する必要があります。2 番目の線は、降伏強度として任意に定義された点で応力ひずみ曲線と交差します。

アルミニウムの特性とその設計方法を理解したところで、応力ひずみ曲線を測定して延性と機械的特性を決定する方法を見てみましょう。

6061-T6などの一般的なアルミニウム用の円筒形試験片を入手します。キャリバーを使用して、試験片の中央付近のいくつかの場所で直径を測定します。これらの測定は、2000分の1インチ単位で行います。

次に、試験片をしっかりと保持し、約2インチの標点距離に印を付けます。ゲージ長がはっきりとエッチングされていることを確認してくださいが、破損につながる可能性のある応力集中にならないように、浅い傷が付いています。実際にマークされたゲージ長を2000分の1インチ単位で測定します。

最後に、ひずみゲージを取り付けます。これで、試験片を試験する準備が整いました。

この実験では、万能試験機(UTM)を使用して、試験片の引張特性を測定します。まず、テストマシンの電源を入れ、ソフトウェアを初期化します。グラフ作成とデータ取得のパラメータを設定します。次に、ASTM E8プロトコルと互換性のあるテストを選択します。弾性範囲と非弾性範囲のひずみ速度に注意してください。次に、ソフトウェアで追加のアクションを設定します。たとえば、機械を5%の引張強度で停止するなど。

クロスヘッドを手動で持ち上げて、試験片の全長が上部グリップと下部グリップの間に簡単に収まるようにします。試験片をトップグリップにグリップ深さの約80%まで慎重に挿入します。試験片をトップグリップの内側に合わせ、試験片が落下しないように少し締めます。

上部のクロスヘッドをゆっくりと下げます。試験片がボトムグリップの深さの約80%以内に来たら、ボトムグリップ内で試験片のアライメントを開始します。試験片はボトムグリップの中央に浮く必要があります。グリップを介して試験片に横方向の圧力を加え、試験中に滑りが発生しないようにします。

締め付けプロセスにより、試験片に小さな軸方向荷重がかかります。ソフトウェアを使用して、このプリロードを調整および最小化し、その値を記録します。電子伸び計は、製造元の指示に従って試験片にしっかりと取り付けます。伸び計のブレードは、試験片のほぼ中央に配置する必要があります。

試験片に引張荷重を加えて試験を開始し、加えられた荷重のライブ読み取りをコンピューターディスプレイで観察します。測定された荷重が増加していることを確認して、試験片がグリップをすり抜けていないことを確認します。サンプルが失敗する少し前に、ソフトウェアは自動的にテストを一時停止します。サンプルを試験機に残し、伸び計を取り外します。破損するまで引張荷重の適用を再開します。最大負荷に達すると、測定された負荷は減少し始めます。この時点で、標本はネックになり始めます。最終的な骨折は、延性引き裂きによってこの首部に発生するはずです。

試験が終了したら、クロスヘッドを持ち上げ、トップグリップを緩め、壊れた試験片をクロスヘッドから取り出します。次に、下部のグリップを緩め、試験片の残りの半分を取り外します。最大引張荷重で値を記録します。記録したデータと応力ひずみ曲線を保存します。破砕した試験片の端を慎重にはめ込み、ゲージマーク間の距離を2000分の1インチ単位で測定します。最終的なゲージ長を記録します。

最後に、最も近い断面での試験片の直径を最も近い2000分の1インチまで測定します。

次に、収集したばかりのデータを分析する方法を見てみましょう。まず、最終的な標点距離と初期標点距離を知って、試験片の伸び率を計算します。試験片の最終直径と初期直径を使用して、各試験片の面積の減少を計算します。次に、実験応力ひずみ曲線を使用して他の材料パラメータを計算します。

約0.3%の降伏点までのひずみゲージデータをプロットしたものです。この領域の応力ひずみ曲線の傾きはヤング率で、約 9,998 キロポンド/平方インチであり、公称値の 10,000 キロポンド/平方インチに近くなっています。R二乗値0.999は、このデータの線形性が優れていることを示しています。

これは、伸び計から最大5%のひずみまでのデータです。曲線は双線形の特徴を示しており、長い弾性部分とそれに続く低い傾斜の降伏プラトーが続きます。この試験片のように明確な降伏点を示さない材料の降伏点を見つけるには、0.2%オフセット法を使用します。

まず、曲線の最初の線形部分に沿って線を引きます。次に、0.2%のひずみで開始します。2 番目の線は、譲歩点として任意に定義された曲線と交差します。この場合、平方インチあたり約44.2キロポンドです。これは、このアルミニウムの公称降伏強度である40キロポンド/平方インチを上回っています。

降伏点に非常に近い位置にデータをプロットすると、比例限界は曲線が線形性から逸脱し始める応力であり、この試験片では1平方インチあたり約39.1キロポンドです。

これは、伸び計から約5%のひずみを下回り、クロスヘッド変位から5%のひずみを超えるデータを持つ完全な応力ひずみ曲線です。最大応力は、約6.5%のひずみで約46.1キロポンド/平方インチです。この極限強度は、公称極限強度である45キロポンド/平方インチをわずかに上回っています。故障時の応力は、1平方インチあたり約33.5キロポンドです。靭性は応力ひずみ曲線の下の領域であり、台形ルールを使用して2.2キロポンド/平方インチと計算できます。

熱処理された試験片の測定は、このタイプのアルミニウムが8〜13%の範囲の伸びを有する可能性があることを示しています。伸び率は、ゲージマーク間の材料の長さの平均値であることに注意することが重要です。ただし、ほとんどすべての変形はネック領域の周りの小さな体積で発生するため、局所ひずみは平均ひずみよりもはるかに高くなる可能性があります。

一般に、破壊はネッキングからボイド核形成と成長、亀裂の伝播、そして最後に破壊へと進行します。故障サーフェスは、このプロセスと一致しています。アルミニウムの場合、伸びが5%未満は脆性と見なされ、伸びが15%を超える場合は延性と見なされる場合があります。この試験片の伸び率は比較的大きいです。この資料をどのように説明すべきですか?

その故障面を2種類の鋼の故障面と比較できます。???のサイズアルミニウム試験片は、脆性冷間圧延鋼よりも大きいが、延性熱間圧延鋼よりも小さいため、このタイプのアルミニウムは半延性として特徴付けることができます。

さらに、これら 3 つの金属の応力ひずみ曲線も見ることができます。冷間圧延されたC1018鋼は、高応力での低ひずみで示される高強度を備えていますが、約10%の伸びで破損し、延性が低いことを示しています。対照的に、より延性のある熱間圧延A36鋼は、冷間圧延鋼よりも低い応力で最大約25%まではるかに大きな伸びを持っています。私たちがテストしたばかりの6061-T6アルミニウムは、どちらの鋼よりも強度が低く、伸びが小さいため故障します。

次に、アルミニウムの引張試験の一般的な用途のいくつかを見てみましょう。応力ひずみ曲線の最も重要な用途は、アルミニウムの製造中の品質管理です。ASTM規格では、アルミニウムの各熱の代表的なサンプルで試験を行うことが義務付けられており、その結果は確立されたベンチマークにトレーサブルでなければなりません。メーカーは、自動車やその他の業界向けの材料の品質管理と品質保証にISO TS 16949などの規格を使用しています。

調理業界向けのアルミホイルは、取り扱いや折り畳みが簡単なため、柔軟性が望ましいです。同様に、清涼飲料水の缶に使われるアルミニウムも、持ったときに形状を保つ強度があり、必要なときには簡単につぶれるものでなければなりません。引張試験により、これらの薄いアルミニウムシートが指定された機械的品質を備えていることが保証されます。

JoVEによるアルミニウムの応力ひずみ特性の紹介をご覧になりました。これで、金属材料の引張特性を決定するためのASTME8規格実験室試験について知っておく必要があります。また、ASTM試験用の試験片を準備し、一般的なアルミニウムの応力ひずみ曲線を取得する方法も理解する必要があります。

ご覧いただきありがとうございます!