5.2: 강의 응력-변형 특성

강철 표본의 장력 테스트

이 실험의 목적은 다음과 같은 것입니다.

• 어떤 형태로든 금속 재료의 인장 특성을 결정하기 위한 표준 실험실 시험을 학생들에게 친하게 하기 위해(ASTM E8),
• 일반적으로 사용되는 엔지니어링 금속 재료 (구조 강철 및 알루미늄)의 특성을 비교하고
• 금속의 테스트된 속성을 게시된 값과 비교합니다.

변형 제어 및 관련 테스트 및 데이터 수집 기능을 갖춘 범용 테스트 기계(UTM)를 사용할 수 있다고 가정합니다. 안전 지침에 특별한주의를 기울여 UTM 제조업체에서 제공하는 인장 테스트를 수행하기 위해 권장단계별 절차를 따르십시오. 어떤 단계에 대해도 확실하지 않은 경우 진행하지 말고 적절한 예방 조치를 따르지 않으면 주변 사람들에게 심각한 부상을 입을 수 있으므로 실험실 강사에게 의심을 명확히 하십시오. 또한 모든 비상 정지 절차를 알고 컴퓨터를 실행하는 소프트웨어에 익숙해야 합니다.

아래 절차는 일반적이며 가장 중요한 단계를 다루기위한 것입니다. 사용 가능한 장비에 따라 상당한 편차가 있을 수 있습니다.

1. 표본 준비:

1. 두 강철에 대한 원통형 시험 표본을 구하십시오, 하나는 온화하고 뜨거운 압연 (예 : A36) 및 하나의 하드 및 냉간 압연 (예 : C1018).
2. 캘리퍼를 사용하여 중간 근처의 여러 위치에서 가장 가까운 0.002로 시험 시편의 직경을 측정합니다.
3. 표본을 단단히 잡고 파일을 사용하여 약 2in. 게이지 길이를 표시합니다. 참고: 게이지 길이를 신중하게 표시하여 명확하게 새겨지도록 표시하지만, 골절로 이어질 수 있는 응력 농도가 될 만큼 깊지 않습니다.
4. 캘리퍼를 사용하여 실제 표시된 게이지 길이를 가장 가까운 0.002로 측정합니다.
5. 가능한 경우 "재료 상수"에 JoVE 비디오에 설명 된 바와 같이 스트레인 게이지를 설치합니다.
6. 잠재적인 실험 오류 및 신뢰 도차를 평가하는 데 사용되는 모든 계측기의 교정 데이터와 해상도에 대한 사용 가능한 모든 정보를 수집합니다. 이 두 가지 문제는 의미 있는 결과를 얻는 데 핵심이지만 여기에서 논의되는 내용의 범위를 벗어납니다.

2. 표본 테스트:

1. 테스트 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 초기화합니다. 소프트웨어 내에서 적절한 그래프 및 데이터 수집 기능을 설정해야 합니다. 최소한 응력 변형 곡선을 표시하고 부하 및 변형에 대한 디스플레이가 있습니다.
2. ASTM E8 테스트 프로토콜과 호환되는 소프트웨어 내에서 적절한 테스트 절차를 선택합니다. 사용 중인 변형률과 탄성용 및 비탄성 범위에 대한 두 개의 속도가 사용되고 있는지 여부를 참고합니다. 또한 소프트웨어에서 적절한 작업을 설정합니다(예: 기계가 15% 스트레인에서 중지하여 extensometer를 안전하게 제거하고 도달한 부하의 최대 값을 기록할 수 있도록).
3. 수동으로 시편의 전체 길이가 그립 사이에 쉽게 맞을 수 있도록 십헤드를 올립니다. 조심스럽게 그립 깊이의 약 80 %에 상단 그립에 표본을 삽입; 표본이 그립 안쪽에 정렬하여 약간 조여서 시편이 떨어지는 것을 방지합니다. 참고: 이 단계에서는 그립을 전체 압력으로 조이지 마십시오.
4. 상단 크로스헤드를 천천히 낮춥습니다. 시편이 바닥 그립 깊이의 약 80% 이내인 후에는 시편이 바닥 그립 내에 제대로 정렬되었는지 확인합니다(예: 완전히 열린 위치에 있는 바닥 그립과 함께, 시편은 하단 그립 개구부 중간에 "플로트"해야 합니다). 시험 중에 추가적인 굴곡 및 비틀림 응력을 초래하는 표본 오정렬은 장력 테스트를 수행할 때 발생하는 가장 일반적인 오류 중 하나입니다. 정렬이 좋지 않으면 기술자와 협력하여 그립을 올바르게 정렬합니다.
5. 그립을 통해 시편에 적절한 측면 압력을 적용하여 테스트 중에 미끄러짐이 발생하지 않도록 합니다. 조임 공정이 시편에 프리로드를 도입하기 때문에 이 시점에서 작은 축 하중이 있을 것입니다. 테스트 컴퓨터에 이 사전 로드를 최소화하기 위해 소프트웨어 조정이 있을 수 있습니다. 프리로드 값을 기록합니다.
6. 제조 업체의 사양에 따라 전자 extensometer를 시편에 단단히 부착하십시오. 참고: extensometer 블레이드는 표본의 게이지 마크에 정확하게 배치할 필요는 없지만 시편에 중심으로 해야 합니다.
7. 이 시점까지 모든 절차를 제대로 실행한 지 신중하게 확인합니다. 가능하면 감독자가 시편이 테스트할 준비가 되었는지 확인합니다.
8. 로딩을 시작하여 시편에 인장 부하를 적용하기 시작하고 컴퓨터 디스플레이에서 적용된 부하의 실시간 판독을 관찰합니다. 참고: 측정된 하중이 증가하지 않으면 시편이 그립을 통해 미끄러지며 다시 부착해야 합니다. 이 경우 테스트를 중지하고 2.3 단계에서 다시 시작합니다.
9. 시료 고장 전에 시편을 언로드하지 않고 테스트가 자동으로 일시 중지됩니다. 이 시점에서 extensometer를 제거합니다. 표본이 extensometer를 제자리에 놓으면 매우 비싼 장비 인 extensometer를 파괴할 것입니다.
10. 고장까지 인장 부하 적용을 다시 시작합니다. 최대 하중에 도달하면 측정된 하중이 감소하기 시작합니다. 이 시점에서, 견본은 목이 시작하고 마지막 골절은 성덕 파열을 통해 이 목 지역 내에서 이루어져야 합니다.
11. 테스트가 끝나면 크로스헤드를 들어 올리고 상단 그립을 느슨하게 하고 상단 그립에서 깨진 시편조각을 꺼냅니다. 시편의 위쪽 절반이 제거되면 아래쪽 그립을 풀고 시편의 나머지 절반을 제거합니다.
12. 값을 최대 인장 하중으로 기록하고 응력 변형 곡선의 복사본을 인쇄합니다. 디지털로 기록된 데이터를 저장합니다.
13. 골절된 시편의 끝을 함께 조심스럽게 맞추고 게이지 마크 사이의 거리를 가장 가까운 0.002에서 측정합니다. 최종 게이지 길이를 기록합니다.
14. 가장 작은 단면에서 시편의 직경을 가장 가까운 0.002로 측정합니다.
15. 골절된 표본을 그림과 다이어그램으로 문서화합니다.

3. 데이터 분석

1. 금속 재료의 각 유형에 대한 비율 신장 및 영역의 감소를 계산합니다.
   신장 =
   영역 의 감소 =
2. 각 시편에 대한 우세한 골절 모드를 설명하고 분류하고 기록합니다.
3. 도 2 및 3에 설명된 바와 같이 재료 특성을 결정합니다. 0.004까지의 균주가 익스텐터에 의해 0.004와 0.15 사이의 스트레인 게이지에 의해 주어질 수 있도록 스프레드시트로 데이터를 구성한다(extensometer의 상한은 시험에서 제거된 변형값입니다; 이 값은 시편의 변형 용량에 따라 변경됨).
4. 십자수 변위와 %신장을 사용하여 궁극적 인 변형을 추정하십시오. 스트레인 게이지를 사용하지 않는 경우 extensometer의 초기 미끄러짐을 수정해야 합니다. 하나는 인성 (스트레스 변형 곡선아래 영역)을 얻기 위해 그래프에서 사각형을 계산할 수 있습니다.
5. 교과서 또는 기타 적합한 참조를 사용하여 탄성 계수를 결정하고, 강도및 사용되는 재료의 궁극적 인 강도를 결정합니다. 게시된 값을 테스트 결과와 비교합니다.

강철은 탄소 및 크롬, 망간 및 니켈과 같은 기타 원소와 합금된 철을 가리키는 일반적인 용어입니다.

구성 및 가공 방법의 변화는 자동차, 교량 및 고층 빌딩의 건설을 위한 속성을 조정할 수 있으며, 이는 거의 무한한 가능한 용도 중 일부에 불과합니다.

하중에 대한 강철의 반응을 이해하는 것은 안전한 건물과 구조물을 설계할 때 중요합니다. 재료 특성을 모델링하기 위한 기본 도구 중 하나는 응력-변형률 곡선입니다.

우리는 단축 인장 시험을 사용하여 연강 열간 압연 강과 경질 냉간 압연 강재의 탄성 및 비탄성 거동을 연구할 것이며, 이는 토목 공학 응용 분야에서 인장 강도의 하한과 상한을 각각 나타냅니다.

응력은 힘이 가해지는 영역으로 나눈 값으로 정의됩니다. 변형률은 길이의 변화를 초기 길이로 나눈 값입니다. 응력-변형률 곡선은 강철과 같은 재료가 적용된 힘에 어떻게 반응하는지 보여줌으로써 재료의 탄성 및 비탄성 특성을 설명합니다.

단축 인장 시험은 일반적으로 응력과 변형을 연구하는 데 사용됩니다. 이 테스트에서 기계는 점점 더 큰 힘으로 샘플의 끝을 천천히 당기고 결과 연신율을 측정합니다. 금속 인장 시험은 ASTM E8에 의해 설명되며, 이 시험은 시편의 유형과 크기, 장비 유형 및 보고할 데이터를 정의합니다.

응력-변형률 곡선은 테스트 대상 재료의 많은 특성을 보여줍니다. 그 중에서도 탄성 계수(변형이 하중에 비례하는 초기 선형 영역의 기울기), 탄성 계수(선형 영역 아래 영역, 영구 변형 없이 에너지를 흡수하는 재료의 용량을 측정), 비례 한계(곡선이 선형성에서 벗어나는 지점의 응력), 항복점(응력 대 변형률이 갑자기 감소하거나 변경되는 경우), 및 항복 고원(응력을 증가시키지 않고 변형이 빠르게 증가하는 경우).

강철은 연성 재료입니다. 연성은 파손 시 길이의 변화를 초기 길이로 나눈 값으로 정의됩니다. 인성은 재료가 파괴되기 전에 에너지를 흡수하는 능력입니다.

이제 재료의 기본 특성 중 일부를 이해했으므로 실험실에서 응력과 변형을 측정하는 방법을 살펴보고 이 두 가지 양 간의 관계를 조사해 보겠습니다.

A36과 같은 연강 및 열간 압연 강철과 C1018과 같은 경질 냉간 압연 강철의 두 가지 유형에 대한 원통형 시험 표본을 얻습니다.

캘리퍼를 사용하여 시편 중앙 근처의 여러 위치에서 직경을 측정합니다. 가장 가까운 2000인치까지 이러한 측정을 수행합니다.

그런 다음 표본을 단단히 잡습니다. 약 2인치의 게이지 길이를 스크라이빙합니다. 균열로 이어질 수 있는 응력 집중이 생성되지 않도록 표시를 명확하되 매우 얕게 만듭니다. 실제 표시된 표점 거리를 가장 가까운 2000인치까지 측정합니다.

마지막으로 스트레인 게이지를 설치합니다. 이제 시편을 테스트할 준비가 되었습니다.

우리는 만능 재료 시험기(UTM)를 사용하여 시편의 인장 특성을 측정할 것입니다. 시험기를 켜고 소프트웨어를 초기화합니다. 적절한 그래프 및 데이터 수집 매개변수를 설정한 다음 ASTM E8 프로토콜과 호환되는 테스트 절차를 선택합니다.

낮은 변형률에 대해서는 0에서 5%까지, 높은 변형률 범위에 대해서는 각각 5%보다 큰 변형률을 설정합니다. 이는 초기 하중의 경우 분당 0.05인치에 가깝고 5% 변형 후에는 분당 0.5인치에 가까워야 합니다. 그런 다음 소프트웨어에서 추가 작업을 설정합니다(예: 신율계에서 5% 변형률로 기계를 정지하여 시편이 파손되기 전에 제거합니다.

시편의 전체 길이가 상단 그립과 하단 그립 사이에 쉽게 맞도록 크로스 헤드를 수동으로 올립니다. 그립 깊이의 약 80%까지 시편을 상단 그립에 조심스럽게 삽입합니다. 시편을 상단 그립 내부에 정렬하고 시편이 떨어지지 않도록 약간 조입니다. 상단 크로스헤드를 천천히 내립니다. 시편이 하단 그립 깊이의 약 80% 이내에 있으면 하단 그립 내에서 시편 정렬을 시작합니다. 시편은 완전히 열린 하단 그립의 중앙에 떠 있어야 합니다. 그립을 통해 시편에 측면 압력을 가하여 시험 중에 미끄러짐이 발생하지 않도록 합니다. 조임 공정은 시편에 작은 축 방향 힘을 도입합니다.

소프트웨어를 사용하여 이 힘을 보상하기 위해 예압을 가하고 그 값을 기록합니다. 제조업체의 지침에 따라 전자 신율계를 시편에 단단히 부착합니다. 신율계의 블레이드는 시편의 중심에 대략적으로 위치해야 합니다. 스트레인 게이지를 사용하는 경우 연결하십시오.

시편에 인장 하중을 가하여 시험을 시작합니다. 컴퓨터 디스플레이에서 적용된 부하의 실시간 판독값을 관찰하십시오. 시편이 그립을 통해 미끄러지지 않는지 확인하려면 측정된 하중이 선형으로 증가하고 있는지 확인하십시오. 샘플 실패 얼마 전에 소프트웨어가 자동으로 테스트를 일시 중지합니다. 샘플을 테스트 기계에 그대로 두고 신율계를 제거합니다. 실패할 때까지 인장 하중 적용을 재개합니다. 최대 부하에 도달하면 측정된 부하가 감소하기 시작합니다. 이 시점에서 시편은 목을 형성하기 시작합니다. 최종 파괴는 연성 인열(ductile tearing)을 통해 이 목 부위에서 발생해야 합니다.

시험이 끝난 후 크로스 헤드를 올리고 상단 그립을 풀고 부러진 시편 조각을 제거합니다. 하단 그립을 풀고 시편의 나머지 절반을 제거합니다. 최대 인장 하중에서 값을 기록합니다. 기록된 데이터와 응력-변형률 곡선을 저장합니다.

파괴된 시편의 끝을 조심스럽게 끼우고 표점 마크 사이의 거리를 가장 가까운 2000인치까지 측정합니다. 최종 게이지 거리를 기록합니다. 마지막으로, 가장 가까운 2000인치에서 가장 작은 단면에서 시편의 직경을 측정합니다.

재료 특성을 확인하려면 먼저 A36 연연강에 대한 데이터와 C1018 경질 냉연강에 대한 데이터를 각각 살펴보십시오.

이제 각 시편에 대한 연신율을 계산하여 최종 게이지와 초기 게이지 길이를 알 수 있습니다. 시편의 최종 지름과 초기 지름을 사용하여 각 표본의 면적 감소를 계산합니다. 이러한 값을 결과 테이블에 기록합니다.

다음으로, 실험 응력-변형률 곡선을 사용하여 다른 재료 매개변수를 계산합니다. 두 표본에 대한 이러한 곡선을 빠르게 비교하면 매우 다른 탄성 및 비탄성 거동을 알 수 있습니다. 낮은 응력 수준에서 훨씬 더 큰 변형으로 인해 A36 강은 C1018 강보다 부드럽고 훨씬 더 연성이 있습니다.

A36 강철의 경우 파손 응력은 제곱인치당 약 58.6킬로파운드로, 제곱인치당 공칭 값인 36.0킬로파운드보다 훨씬 높습니다. 최대 응력은 약 20%의 변형률에서 제곱인치당 약 86.6kg입니다.

이 확대된 플롯은 제곱인치당 약 58.6킬로파운드의 상향 항복점과 제곱인치당 약 56.8킬로파운드의 낮은 항복점을 보여줍니다. 수확량 고원의 시작도 여기에서 볼 수 있습니다. 스트레인 게이지 데이터는 제곱인치당 약 29,393킬로파운드의 영률(Young's Modulus)로 정의된 기울기를 가진 A36 강철의 선형 탄성 영역을 보여줍니다. 이 결과는 제곱인치당 29,000킬로파운드의 공칭 값에 매우 가깝습니다.

데이터가 선형성에서 벗어나는 지점에서 비례 한계가 제곱인치당 약 55.58킬로파운드임을 확인할 수 있습니다. 비교를 위해 응력-변형률 곡선의 비선형성으로 인해 C1018 강은 비례 한계가 매우 낮습니다.

신율계의 결과는 최대 5%의 변형률을 다룹니다. A36 강에 대한 데이터는 플라스틱 고원과 약 2.7%의 변형률에서 곡선이 다시 상승하는 변형 경화의 시작을 보여줍니다. 대조적으로, C1018은 명확한 수율 정체기가 없습니다.

다음 표에서 두 개의 강철 샘플에 대한 테스트 결과를 요약하여 데이터 분석을 마칩니다.

연간압연강재의 연신율은 25-40% 범위입니다. 대조적으로, 경질 냉간 압연 강판의 연신율은 이 양의 절반에 불과합니다. 연신율은 표점 마크 사이의 재료 길이에 대한 평균 값이지만, 거의 모든 변형은 파괴 지점 주변의 작은 영역에 국한됩니다. 결과적으로, 국소 변형률은 평균보다 훨씬 클 수 있습니다.

두 시편에 대한 물리적 검사는 응력-변형률 곡선의 차이에 따라 파손 방식에 큰 차이가 있음을 보여줍니다.

A36 강은 점진적인 최종 변형 중에 림에서 재료가 당겨지고 낮은 응력에서 더 큰 연신율이 있는 파괴 표면을 가지고 있어 매우 부드럽지만 연성이 있는 금속을 나타냅니다.

대조적으로, C1018 강은 갑작스런 파괴에 해당하는 평평한 파괴 표면을 가지고 있으며 훨씬 더 높은 응력에서 연신율이 훨씬 적으며 강도는 높지만 연성이 낮은 특성을 가지고 있습니다.

응력과 변형률 사이의 관계라는 관점에서 강철의 몇 가지 일반적인 응용 분야를 살펴보겠습니다.

토목 엔지니어는 미래의 구조 설계를 개선하기 위해 교량과 건물의 구조적 붕괴를 분석합니다. 이 프로세스는 다층 건물용 압연 I-빔, 교량용 용접된 깊은 판 I-거더, 고강도 볼트 및 패스너와 같은 강철 부품으로 이어졌습니다. 각각은 지정된 강도와 연성을 가진 다양한 유형의 강철을 필요로 하며, 종종 응력-변형률 곡선 검사를 통해 먼저 이해합니다.

엔지니어는 더 안전한 자동차를 만들기 위해 재료의 응력-변형률 특성을 사용합니다. 프레임의 강도와 연성, 그리고 충격력에 반응하여 프레임이 어떻게 변형되는지 알고 있는 엔지니어는 충돌 시 에너지를 흡수하고 충돌 시 생존 가능성을 높이도록 자동차의 차체를 설계할 수 있습니다.

방금 JoVE의 강철의 응력-변형 특성에 대한 소개를 시청했습니다.

이제 금속 재료의 인장 특성을 결정하기 위해 단축 인장 시험을 수행하는 방법과 일반적인 강철의 응력-변형률 곡선을 분석하는 방법을 알게 되었습니다.

시청해 주셔서 감사합니다!