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

Próba rozciągania próbek stalowych
Celem tego eksperymentu jest:
<ul>
	<li class="jove_content">Zapoznanie uczniów ze standardowym testem laboratoryjnym do określania właściwości rozciągania materiałów metalicznych w dowolnej postaci (ASTM E8),</li>
	<li class="jove_content">Porównanie właściwości powszechnie stosowanych metalowych materiałów konstrukcyjnych (stal konstrukcyjna i aluminium) oraz</li>
	<li class="jove_content">Porównanie badanych właściwości metali z opublikowanymi wartościami. </li>
</ul>
Zakłada się, że dostępna jest uniwersalna maszyna wytrzymałościowa (UTM) z kontrolą odkształceń i powiązanymi możliwościami testowania i pozyskiwania danych. Postępuj zgodnie z zalecanymi procedurami krok po kroku, aby wykonać próby rozciągania dostarczone przez producenta UTM, zwracając szczególną uwagę na wytyczne dotyczące bezpieczeństwa. Nie kontynuuj, jeśli nie masz pewności co do jakiegokolwiek kroku i wyjaśnij wszelkie wątpliwości ze swoim instruktorem laboratoryjnym, ponieważ możesz poważnie zranić siebie lub osoby wokół siebie, jeśli nie zastosujesz odpowiednich środków ostrożności. Upewnij się również, że znasz wszystkie procedury zatrzymania awaryjnego i że znasz oprogramowanie do obsługi maszyny. 
Poniższa procedura jest ogólna i ma na celu omówienie najważniejszych kroków; Mogą wystąpić znaczne odchylenia od niego w zależności od dostępnego sprzętu. 
1. Przygotuj próbki:
<ol>
	<li>Uzyskaj cylindryczne próbki testowe dla dwóch stali, jednej walcowanej na gorąco i miękkiej (takiej jak A36) oraz jednej walcowanej na twardo i zimno (takiej jak C1018). </li>
	<li>Zmierz średnicę próbki do badań z dokładnością do 0,002 cala. w kilku miejscach w pobliżu środka za pomocą suwmiarki. </li>
	<li>Przytrzymaj mocno próbkę i zaznacz za pomocą pilnika około 2 cale. długość miernika. Uwaga: Dokładnie zaznacz długość przyrządu, aby był wyraźnie wytrawiony, ale nie na tyle głęboko, aby uzyskać koncentrację naprężeń, która może prowadzić do pęknięcia. </li>
	<li>Zmierz rzeczywistą oznaczoną długość przyrządu pomiarowego z dokładnością do 0.002 cala. za pomocą suwmiarki. </li>
	<li>Jeśli to możliwe, zainstaluj tensometr zgodnie z opisem w filmie JoVE na temat "Stałe materiałowe". </li>
	<li>Zbierz wszystkie dostępne informacje na temat danych kalibracyjnych i rozdzielczości wszystkich używanych przyrządów, aby pomóc w ocenie potencjalnych błędów eksperymentalnych i granic ufności. Te dwie kwestie są kluczowe dla uzyskania znaczących wyników, ale wykraczają poza zakres tego, co jest tutaj omawiane. </li>
</ol>
2. Przetestuj próbki:
<ol>
	<li>Włącz maszynę testującą i zainicjuj oprogramowanie. Upewnij się, że w oprogramowaniu skonfigurowano odpowiednie funkcje tworzenia wykresów i gromadzenia danych. Jako minimum należy wyświetlić krzywą naprężenie-odkształcenie oraz wyświetlić obciążenie i odkształcenie. </li>
	<li>Wybierz odpowiednią procedurę testową w oprogramowaniu, która jest zgodna z protokołem testowym ASTM E8. Zwróć uwagę na używaną szybkość odkształcania i czy używane są dwie szybkości, jedna dla zakresu elastycznego i jedna dla nieelastycznego. Ustaw również odpowiednie działania w oprogramowaniu (np. aby maszyna zatrzymała się na 15% naprężeniu, aby bezpiecznie wyjąć ekstensometr i zarejestrować maksymalną wartość obciążenia, która została osiągnięta). </li>
	<li>Ręcznie podnieś poprzeczkę tak, aby próbka na całej długości łatwo zmieściła się między uchwytami. Ostrożnie włóż próbkę do górnych uchwytów do około 80% głębokości uchwytu; Wyrównaj próbkę wewnątrz uchwytów i lekko dokręć, aby zapobiec upadkowi próbki. Uwaga: NIE dokręcaj uchwytu do pełnego nacisku na tym etapie. </li>
	<li>Powoli opuść górną poprzeczkę. Gdy próbka znajdzie się w odległości około 80% głębokości dolnego uchwytu, upewnij się, że próbka jest prawidłowo wyrównana w dolnych uchwytach (tj. gdy dolne uchwyty znajdują się w całkowicie otwartej pozycji, próbka powinna "unosić się" w środku otworu dolnego uchwytu). Niewspółosiowość próbki, która spowoduje dodatkowe naprężenia zginające i skręcające podczas testowania, jest jednym z najczęstszych błędów napotykanych podczas przeprowadzania prób rozciągania. Jeśli wyrównanie jest słabe, skontaktuj się z technikiem, aby prawidłowo wyrównać uchwyty. </li>
	<li>Zastosuj odpowiedni nacisk boczny na próbkę przez uchwyty, aby upewnić się, że podczas badania nie dojdzie do poślizgu. Należy pamiętać, że w tym momencie wystąpi niewielkie obciążenie osiowe, ponieważ proces dokręcania wprowadza napięcie wstępne do próbki; Maszyny testujące mogą mieć dostosowane oprogramowanie w celu zminimalizowania tego obciążenia wstępnego. Zapisz wartość obciążenia wstępnego. </li>
	<li>Bezpiecznie przymocuj elektroniczny ekstensometr do próbki zgodnie ze specyfikacją producenta. Uwaga: Ostrza ekstensometru nie muszą być ustawione dokładnie na znakach miernika na próbce, ale powinny być w przybliżeniu wyśrodkowane na próbce. </li>
	<li>Dokładnie sprawdź, czy wszystkie dotychczasowe procedury zostały prawidłowo wykonane; Jeśli to możliwe, poproś przełożonego o sprawdzenie, czy próbka jest gotowa do badania. </li>
	<li>Rozpocznij ładowanie, aby rozpocząć przykładanie obciążenia rozciągającego do próbki i obserwuj odczyt na żywo przyłożonego obciążenia na wyświetlaczu komputera. Uwaga: Jeśli zmierzone obciążenie nie wzrasta, próbka ślizga się przez uchwyty i należy ją ponownie zamocować. W takim przypadku przerwij test i uruchom go ponownie, zaczynając od kroku 2.3. </li>
	<li>Jakiś czas przed awarią próbki test zostanie automatycznie wstrzymany bez rozładowywania próbki. W tym momencie wyjmij ekstensometr. Jeśli próbka pęknie z założonym ekstensometrem, zniszczysz ekstensometr, który jest bardzo drogim elementem wyposażenia. </li>
	<li>Wznów przykładanie obciążenia rozciągającego aż do awarii. Po osiągnięciu maksymalnego obciążenia zmierzone obciążenia zaczną się zmniejszać. W tym momencie próbka zacznie się przeszywać, a ostateczne pęknięcie powinno nastąpić w tym obszarze szyjki poprzez ciągliwe rozerwanie. </li>
	<li>Po zakończeniu testu podnieś poprzeczkę, poluzuj górne uchwyty i wyciągnij złamany kawałek próbki z górnego uchwytu. Po usunięciu górnej połowy próbki poluzuj dolny uchwyt i wyjmij drugą połowę próbki. </li>
	<li>Zapisz wartość przy maksymalnym obciążeniu rozciągającym i wydrukuj kopię krzywej naprężenie-odkształcenie. Zapisz dane zarejestrowane cyfrowo. </li>
	<li>Ostrożnie dopasuj do siebie końce pękniętej próbki i zmierz odległość między znakami pomiarowymi z dokładnością do 0,002 cala. Zapisz ostateczną długość przyrządu pomiarowego. </li>
	<li>Zmierz średnicę próbki w najmniejszym przekroju poprzecznym z dokładnością do 0,002 cala. </li>
	<li>Udokumentuj pękniętą próbkę za pomocą zdjęć i schematów. </li>
</ol>
3. Analiza danych
<ol>
	<li>Obliczyć wydłużenie procentowe i zmniejszenie powierzchni dla każdego rodzaju materiału metalowego. 
	wydłużenie = <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10361/10361eq2v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 
	zmniejszenie powierzchni = <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/10361/10361eq3v2.jpg" style="font-size: 14px;"></li>
	<li>Opisz, skategoryzuj i zapisz dominujący tryb pękania dla każdej próbki. </li>
	<li>Określ właściwości materiału zgodnie z opisem na rys. 2 i 3. Uporządkuj dane w arkuszu kalkulacyjnym w taki sposób, aby odkształcenie do 0,004 było podane przez tensometr, a od 0,004 do 0,15 przez tensometru (górną granicą dla ekstensometru jest wartość odkształcenia, przy którym został on usunięty z testu; wartość ta zmienia się w zależności od zdolności odkształcania próbki). </li>
	<li>Użyj przemieszczenia trawersy i wydłużenia procentowego, aby oszacować odkształcenie końcowe. Jeśli tensometr nie jest używany, należy skorygować wszelkie początkowe poślizgi ekstensometru. Na wykresie można policzyć kwadraty, aby uzyskać udarność (obszar pod krzywą naprężenie-odkształcenie). </li>
	<li>Korzystając z podręcznika lub innego odpowiedniego odniesienia, określ moduł sprężystości, granicę plastyczności i wytrzymałość końcową użytych materiałów. Porównaj opublikowane wartości z wynikami testu. </li>
</ol>

W eksperymencie tym opisano, w jaki sposób uzyskać krzywą naprężenie-odkształcenie dla typowej stali. Różnice w krzywych naprężenie-odkształcenie można przypisać różnicom w przetwarzaniu (np. obróbka na zimno vs. walcowanie na gorąco) i składzie chemicznym (np. procentowa zawartość węgla i innych stopów). Testy wykazały, że stal niskowęglowa jest materiałem bardzo plastycznym, gdy jest obciążona napięciem jednoosiowym.
Zawsze istotne jest porównywanie wyników eksperymentalnych z opublikowanymi wartościami. Te ostatnie na ogół reprezentują minimalną wartość ze specyfikacji opartą na 95% granicy ufności, więc jest prawdopodobne, że każda wartość wytrzymałości przedstawiona w tabeli zostanie przekroczona w teście, zwykle o 5%-15% marginesu. Możliwe są jednak znacznie wyższe wartości, ponieważ materiały są zwykle klasyfikowane w dół, jeśli nie spełniają pewnych wymagań specyfikacji. Wartości odkształceń będą na ogół zbliżone do tych opublikowanych. Z drugiej strony moduł sprężystości nie powinien się znacząco różnić. Jeżeli wartość E nie jest zbliżona do opublikowanej, należy przeprowadzić gruntowne ponowne zbadanie źródeł błędów. Na przykład błąd może być spowodowany ślizgnięciem się ekstensometru, nieprawidłową kalibracją ogniwa obciążnikowego lub ekstensometru, nieprawidłowymi napięciami wejściowymi do czujników, nieprawidłowymi parametrami wprowadzanymi do oprogramowania, by wymienić tylko kilka.
Stal jest materiałem szeroko stosowanym w przemyśle budowlanym. Jego zastosowania obejmują:
<ul>
	<li class="jove_content">Stalowe sekcje konstrukcyjne w kształcie litery I powszechnie stosowane w konwencjonalnych budynkach wielokondygnacyjnych, ponieważ łatwo jest prefabrykować i łączyć komponenty, oszczędzając czas w procesie budowy.</li>
	<li class="jove_content">Spawane głębokie dwuteowniki płytowe stosowane w mostach, gdzie sekcje są zabudowane poprzez spawanie głębokich, cienkich usztywnionych środników i grubych kołnierzy. To sprawia, że większość materiału znajduje się w najbardziej użytecznej pozycji (kołnierze), optymalizując konstrukcję pod kątem wytrzymałości i sztywności oraz zmniejszając całkowity koszt projektu.</li>
	<li class="jove_content">i łączniki stosowane w połączeniach, gdzie na ogół wymagana jest wysoka wytrzymałość i umiarkowana ciągliwość. Te elementy złączne są używane w niezliczonych produktach, od samochodów po sprzęt AGD.</li>
</ul>
Najważniejszym zastosowaniem opisanej w niniejszym dokumencie próby rozciągania jest proces kontroli jakości podczas produkcji stali, aluminium i podobnych metali stosowanych w budownictwie. Normy ASTM wymagają, aby takie badanie było przeprowadzane na reprezentatywnych próbkach każdego ciepła stali, a takie wyniki muszą być identyfikowalne z ustalonymi wzorcami. Bezpieczeństwo publiczne jest ściśle związane z zapewnieniem, że ten rodzaj procedury kontroli jakości jest ustandaryzowany i przestrzegany. Niska jakość materiałów budowlanych oraz brak plastyczności na poziomie materiałowym i konstrukcyjnym są najczęstszą przyczyną zawaleń w trakcie i po trzęsieniach ziemi i podobnych klęskach żywiołowych. Brak wytrzymałości krytycznych elementów doprowadził do awarii mostu I-35W w Minneapolis w 2007 r., a użycie materiałów niespełniających norm jest przyczyną wielu zawaleń, które mają miejsce w krajach rozwijających się, takich jak ten, który pochłonął ponad tysiąc istnień ludzkich w 2013 r., kiedy zawalił się budynek Savar w Dhace (Bangladash).
Na co dzień można przytoczyć przykład przemysłu motoryzacyjnego, który czerpie ogromne korzyści ze znajomości zachowania naprężeniowo-odkształceniowego stali i innych materiałów podczas projektowania samochodów, aby działały bezpiecznie i skutecznie w sytuacji zderzenia. Projektując samochody, które mają wytrzymałość w niektórych częściach, a jednocześnie pozwalają na odkształcenia i plastyczność w innych częściach, producenci mogą stworzyć lepsze zarządzanie zderzeniami, ale tylko wtedy, gdy są w stanie dokładnie określić charakterystykę naprężenie-odkształcenie każdej części.

Termin stal jest powszechnie używany do określenia materiału, którym jest głównie żelazo (Fe), często w zakresie od 95% do 98%. Czyste żelazo jest alotropowe, ze strukturą sześcienną skoncentrowaną na ciele (BCC) w temperaturze pokojowej, która zmienia się w strukturę sześcienną skoncentrowaną na twarzy (FCC) powyżej 912°C. Puste przestrzenie w strukturze FCC i niedoskonałości w strukturze krystalicznej pozwalają na dodawanie lub usuwanie innych atomów, takich jak atomy węgla (C), poprzez dyfuzję z przestrzeni śródmiąższowych (lub pustych). Te dodatki, a następnie rozwój różnych struktur krystalicznych, są wynikiem ogrzewania i chłodzenia w różnych szybkościach i zakresach temperatur, procesu znanego jako obróbka cieplna. Technologia ta jest znana od ponad 2000 lat, ale przez wiele lat utrzymywana w tajemnicy w zastosowaniach takich jak stal damasceńska, w której wykorzystano stal Wootz z Indii (≈300AD).
Jeśli rozszerzymy otwarte okręgi w strukturze FCC, aż kule zaczną się stykać, a następnie wytniemy podstawowy sześcian dla tej struktury atomowej, wynikiem będzie komórka elementarna. Kule o średnicy atomu żelaza 41,4% mogą być dodane, zanim te nowe kule zaczną stykać się z kulami żelaznymi. Atomy węgla mają 56% średnicy atomów żelaza, więc nowa struktura ulega zniekształceniu w miarę wprowadzania atomów węgla. Właściwościami stali można manipulować, zmieniając rozmiar, częstotliwość i rozkład tych zniekształceń.
Kute żelazo, jeden z najbardziej użytecznych poprzedników stali, ma zawartość węgla większą niż 2%. Okazuje się, że optymalna zawartość węgla dla stali do zastosowań cywilnych wynosi od 0,2% do 0,5%. Wiele wczesnych procesów obróbki metalurgicznej miało na celu doprowadzenie zawartości węgla do tych poziomów w ilościach, które były ekonomiczne w produkcji. Proces Bessemera w USA i proces Siemensa w Wielkiej Brytanii to dwa z bardziej udanych przykładów tych wczesnych technik. Najczęściej stosowanymi obecnie procesami są elektryczny piec łukowy i podstawowy piec tlenowy. Oprócz węgla większość nowoczesnych stali zawiera mangan (Mn), chrom (Cr), molibden (Mo), miedź (Cu), nikiel (Ni) i inne metale w niewielkich ilościach w celu poprawy wytrzymałości, odkształcalności i ciągliwości. Prostym przykładem wpływu tych stopów na właściwości inżynierskie jest tzw. ekwiwalent węgla (CE):
<img alt="Równanie 1" src="/files/ftp_upload/10361/10361eq1v2.jpg" style="krycie: 0,9; rozmiar czcionki: 14px;">
CE jest użytecznym wskaźnikiem do określania spawalności danej stali; zazwyczaj CE &lt; 0,4% jest reprezentatywne dla stali, która jest spawalna. Ponieważ wiele połączeń w konstrukcjach metalowych jest wykonywanych przez spawanie, jest to przydatny wskaźnik, o którym należy pamiętać przy określaniu materiałów do budowy.
Jak zauważono w filmie JoVE dotyczącym "Stałych materialnych", dla celów modelowania musimy ustalić pewien związek między naprężeniami a odkształceniami. Najlepszym prostym opisem zachowania wielu materiałów jest krzywa naprężenie-odkształcenie (rys. 1). W wyniku problemów z wyboczeniem podczas obciążenia przy ściskaniu i trudności z równomiernym obciążeniem materiału w więcej niż jednym kierunku, zwykle przeprowadza się jednoosiową próbę rozciągania w celu wyznaczenia krzywej naprężenie-odkształcenie. Test ten dostarcza podstawowych informacji na temat głównych cech inżynieryjnych, przede wszystkim jednorodnych materiałów metalowych.
Typowy test rozciągania jest opisany przez ASTM E8. ASTM E8 określa rodzaj i rozmiar próbki testowej, która ma być użyta, typowy sprzęt, który ma być użyty, oraz dane, które należy podać do próby rozciągania metalu.
<img alt="Rysunek 1" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig1v3.jpg" style="krycie: 0,9; rozmiar czcionki: 14px;"> 
Rysunek 1: Krzywa naprężenie-odkształcenie dla stali niskowęglowej.
Ponieważ musimy mierzyć przez bardzo duże odkształcenia plastiku, pomiar odkształcenia nie zawsze może być wykonany za pomocą tensometrów w całym zakresie deformacji (do 40%); klej prawie zawsze ulegnie awarii przed pęknięciem próbki. Ekstensometr, który składa się z małej ramy C z ramionami wspornikowymi wyposażonymi w tensometry i odpowiednio skalibrowanymi, jest zwykle używany do około 20%. Ponieważ ekstensometr jest drogim i delikatnym instrumentem, należy go usunąć przed pęknięciem próbki; Test zostanie zatrzymany, a ekstensometr usunięty wkrótce po tym, jak próbka osiągnie maksymalne naprężenie i maksymalne odkształcenie oszacowane na podstawie śladów na próbce.
Główne interesujące właściwości to (Rys. 2):
Limit proporcjonalny: Granica proporcjonalna to maksymalne naprężenie, dla którego naprężenie pozostaje liniowo proporcjonalne do odkształcenia, tzn. dla którego prawo Hooke'a jest ściśle stosowane (JoVE video - "Material Constants"). Wartość ta jest zazwyczaj określana na podstawie zmian szybkości naprężeń, gdy test jest przeprowadzany w warunkach stałej prędkości poprzecznej. W liniowym zakresie sprężystości szybkość naprężeń jest proporcjonalna do szybkości odkształcania i w idealnym przypadku jest stała. Gdy materiał zaczyna się uplastyczniać, o czym świadczy wzrost szybkości odkształcania, szybkość naprężeń zaczyna się zmniejszać. Granicę proporcjonalną przyjmuje się jako naprężenie, gdy początkowa szybkość naprężenia zaczyna się zmniejszać.
Granica plastyczności: Wiele metali wykazuje ostrą granicę plastyczności lub naprężenie, przy którym szczepy kontynuują gwałtowny wzrost, bez żadnego wzrostu naprężenia. Świadczy o tym pozioma linia lub plateau plastyczności na krzywej naprężenie-odkształcenie. Granica plastyczności odpowiada w przybliżeniu obciążeniu, przy którym zaczyna zachodzić poślizg w sieciach atomowych. Poślizg ten jest wywoływany przez osiągnięcie pewnej krytycznej siły ścinającej i jest znacznie niższy niż można obliczyć na podstawie pierwszych zasad ze względu na liczne niedoskonałości struktury krystalicznej. W niektórych materiałach, takich jak stal miękka testowana w tym eksperymencie, występuje niewielki, ale zauważalny spadek naprężeń, zanim materiał osiągnie plateau plastyczności, co prowadzi do powstania górnych i dolnych granic plastyczności. W przypadku materiałów, które nie mają wyraźnej granicy plastyczności, stosuje się równoważną granicę plastyczności. Przyjrzymy się szczegółowo tej definicji w filmie JoVE dotyczącym "Charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej aluminium", który dotyczy tych właściwości aluminium.
<img alt="Rysunek 2" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig2v2.jpg"> 
Rysunek 2: Definicje zmiennych przy niskich odkształceniach.
Moduł sprężystości: Moduł sprężystości materiału jest zdefiniowany jako nachylenie prostej części wykresu naprężenie-odkształcenie, jak pokazano na rys. 2. Ta właściwość została omówiona w filmie JoVE dotyczącym "Stałych materiałowych". E to stosunkowo duża liczba: 30 x 106 psi (210Gpa) dla stali; 10 x 106 psi (70 GPa) dla aluminium; 1,5 X 106 psi (10,5 GPa) dla dębu; i 0,5 x 106 psi (3.5 GPa) dla pleksi.
Moduł sprężystości: Moduł sprężystości to obszar pod sprężystą częścią diagramu naprężenie-odkształcenie i ma jednostki energii na jednostkę objętości. Moduł sprężystości mierzy zdolność materiału do pochłaniania energii bez ulegania trwałym odkształceniom.
Moduł utwardzania odkształceniowego: Gdy ruchy poślizgu lub przemieszczenia, które spowodowały plateau plonowania, zaczynają docierać do granic ziaren (lub obszarów, gdzie sieci są zorientowane pod różnymi kątami), dyslokacje zaczynają się "nawarstwiać" i potrzebna jest dodatkowa energia, aby rozprzestrzenić ich ruch na inne ziarna. Prowadzi to do usztywnienia zachowania naprężenie-odkształcenie, chociaż moduł umocnienia odkształceniowego jest zwykle co najmniej o jeden rząd wielkości niższy od modułu Younga.
Wytrzymałość ostateczna: Jest to maksymalna wartość naprężenia inżynieryjnego osiągnięta podczas testu i występuje na krótko przed tym, jak próbka zacznie znacznie się przekręcać (lub zmieniać obszar) (Rys. 3).
Maksymalne odkształcenie: Ta wartość jest przyjmowana jako wartość odkształcenia, gdy próbka ulega złamaniu. Ponieważ ekstensometr został na ogół usunięty, zanim dojdziemy do tego punktu w teście, a deformacja zlokalizowała się (szyjkowanie) na bardzo krótkiej odległości wzdłuż długości próbki, wartość ta jest bardzo trudna do zmierzenia eksperymentalnie. Z tego powodu przy określaniu materiałów często stosuje się zarówno wydłużenie jednorodne, jak i wydłużenie procentowe zamiast maksymalnej wartości odkształcenia.
<img alt="Rysunek 3" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig3v2.jpg" style="krycie: 0,9; rozmiar czcionki: 14px;"> 
Rysunek 3: Definicje przy dużych szczepach.
Wydłużenie jednolite: Wydłużenie procentowe jest definiowane jako procentowe wydłużenie (zmiana długości/pierwotnej długości) próbki tuż przed wystąpieniem przewężenia.
Procentowe wydłużenie: Generalnie na próbce przed badaniem wykonuje się dwa znaki, nominalnie oddalone od siebie o 2 cale. Po badaniu dwa kawałki pękniętej próbki są łączone ze sobą tak dobrze, jak to możliwe, a ostateczne odkształcenie między śladami jest ponownie mierzone. Jest to prymitywny, ale użyteczny sposób określania minimalnego wydłużenia materiałów w kontekście inżynierskim.
Procent powierzchni: Podobnie jak w przypadku wydłużenia procentowego, można spróbować zmierzyć końcową powierzchnię pękniętej próbki. Dzieląc siłę tuż przed pęknięciem przez ten obszar, można uzyskać wyobrażenie o prawdziwej wytrzymałości materiału.
Wytrzymałość: Wytrzymałość jest zdefiniowana jako całkowita powierzchnia na diagramie naprężenie-odkształcenie. Jest to miara zdolności materiału do ulegania dużym, trwałym odkształceniom przed pęknięciem. Jego jednostki są takie same jak dla modułu sprężystości.
Właściwości opisane powyżej mogą być użyte do oceny, jak dobrze dany materiał będzie spełniał kryteria wydajności omówione w filmie JoVE dotyczące "Stałych materiałowych". Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, kluczowe są charakterystyki wytrzymałości i zdolności do odkształcania; Cechy te są zwykle grupowane pod pojęciem zachowania ciągliwego. Zachowanie plastyczne oznacza, że materiał będzie się ugiął i będzie w stanie utrzymać swoją wytrzymałość w dużym reżimie odkształceń plastycznych. Pożądana jest duża wytrzymałość, co w praktyce oznacza, że konstrukcja będzie dawać oznaki zbliżającej się awarii, np. bardzo duże widoczne odkształcenia, zanim dojdzie do katastrofalnego zawalenia, dając jej mieszkańcom czas na ewakuację konstrukcji.
Dla kontrastu, materiały, które wykazują kruchość, zazwyczaj ulegają nagłemu, katastrofalnemu działaniu. Tak jest w przypadku materiałów cementowych i ceramicznych, które wykazują słabą wytrzymałość na rozciąganie. Belka betonowa ulegnie uszkodzeniu w ten sposób, ponieważ jest bardzo słaba pod względem naprężenia. Aby zaradzić tej pułapce, umieszcza się stalowe pręty zbrojeniowe w obszarze rozciągania belek betonowych, zamieniając je w belki żelbetowe.
Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że kruche i plastyczne zachowanie nie jest nieodłącznym zachowaniem materialnym. Jak zobaczymy w filmie JoVE dotyczącym "Testu twardości Rockwella", poddanie stali węglowej, która jest ciągliwa w temperaturze pokojowej i w warunkach niskiego obciążenia odkształceniem, bardzo szybkiemu obciążeniu odkształceniem (uderzeniu) w niskich temperaturach może skutkować kruchym zachowaniem. Ponadto ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że niektóre materiały, np. żeliwo, mogą być bardzo kruche przy rozciąganiu, ale plastyczne przy ściskaniu.
Dwie inne ważne cechy materiału, które muszą być zdefiniowane w tym momencie, ponieważ wpływają na nasz wybór modelowania materiałów, to izotropia i jednorodność. Mówi się, że materiał jest izotropowy, jeśli jego właściwości sprężyste są takie same we wszystkich kierunkach. Większość materiałów inżynieryjnych jest wykonana z kryształów, które są małe w porównaniu z wymiarami całego ciała. Kryształy te są zorientowane losowo, więc statystycznie zachowanie materiału można uznać za izotropowe. Inne materiały, takie jak drewno i inne materiały włókniste, mogą mieć podobne właściwości sprężyste tylko w dwóch kierunkach (ortotropowe) lub we wszystkich trzech kierunkach (anizotropowe).
Z drugiej strony, materiał jest uważany za jednorodny, jeśli jego właściwości sprężyste są takie same w całym ciele. Dla celów projektowych przyjmuje się, że większość materiałów konstrukcyjnych jest jednorodna. Dotyczy to nawet materiałów takich jak beton, które mają różne fazy (zaprawa i kamienie), ponieważ generalnie mówimy o charakteryzowaniu znacznie większych objętości, które można uznać za statystycznie jednorodne.

charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowe stali

Źródło: Roberto Leon, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Znaczenie materiałów dla rozwoju ludzkości jest wyraźnie uchwycone przez wczesne klasyfikacje historii świata na takie okresy jak epoka kamienia łupanego, epoka żelaza i epoka brązu. Wprowadzenie procesów Siemensa i Bessemera do produkcji stali w połowie XIX wieku jest prawdopodobnie najważniejszym wydarzeniem w rozpoczęciu rewolucji przemysłowej, która przekształciła znaczną część Europy i USA w drugiej połowieXIX wieku ze społeczeństw agrarnych w dzisiejsze społeczeństwa miejskie i zmechanizowane. Stal, w swoich niemal nieskończonych odmianach, jest wszędzie wokół nas, od naszych urządzeń kuchennych, przez samochody, po linie ratunkowe, takie jak elektryczne sieci przesyłowe i systemy dystrybucji wody. W tym eksperymencie przyjrzymy się zachowaniu naprężenie-odkształcenie dwóch rodzajów stali, które ograniczają zakres zwykle spotykany w zastosowaniach inżynierii lądowej - od bardzo łagodnej stali walcowanej na gorąco do twardej, walcowanej na zimno.

Z pomiarów (rys. 5 i tabela 1) wynika, że stal miękka może mieć wydłużenia w zakresie 25%-40%, podczas gdy stal twardsza może mieć połowę tego. Ważne jest, aby pamiętać, że prawie cała deformacja jest zlokalizowana w małej objętości, a zatem wydłużenie % jest tylko średnią; Lokalnie szczep może być znacznie wyższy. Należy również pamiętać, że procentowe zmniejszenie powierzchni jest również bardzo trudnym pomiarem do wykonania, ponieważ powierzchnie są nierówne; W związku z tym wartość ta będzie się znacznie różnić. 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Próbka</td>
			<td>A36</td>
			<td>C1018</td>
			<td>w. </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>% wydłużenia</td>
			<td>33.3</td>
			<td>17.3</td>
			<td>%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>% Zmniejszenie powierzchni</td>
			<td>54.3</td>
			<td>50.1</td>
			<td>%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Granica plastyczności przy rozciąganiu</td>
			<td>58.6</td>
			<td>73.0</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wytrzymałość na rozciąganie</td>
			<td>86.6</td>
			<td>99.9</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Naprężenie przy złamaniu</td>
			<td>58.6</td>
			<td>86.7</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moduł sprężystości</td>
			<td>29393</td>
			<td>29362</td>
			<td>ksi</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1. Podsumowanie testu stali. 
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig4v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 
Rysunek 4: Typowa ciągliwa (na zdjęciu po lewej) i krucha (na zdjęciu po prawej) powierzchnia uszkodzenia. 
Ogólnie rzecz biorąc, będą się one różnić od pęknięcia ciągliwego przy ścinaniu (stożek miseczkowy), jakiego można by się spodziewać po awarii, takiej jak ta pokazana na rys. 4, do kruchego złamania łupliwości. Typowe wyniki graficzne dla kompletnych krzywych naprężenie-odkształcenie przedstawiono na rys. 5. Należy zwrócić uwagę na bardzo duże różnice w charakterystyce naprężenie-odkształcenie, od bardzo łagodnej, ale ciągliwej stali A36 do bardzo mocnej, ale nieciągliwej stali C1018. Należy pamiętać, że obie są konwencjonalnie nazywane stalą, ale ich wydajność jest znacznie inna. 
<img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10361/10361fig5v2.jpg" style="font-size: 14px;"> 
Rysunek 5: Końcowa krzywa naprężenie-odkształcenie.

Charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowe stali

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

Stal to ogólne określenie żelaza stopionego z węglem i innymi pierwiastkami, takimi jak chrom, mangan i nikiel. Różnice w składzie i metodach przetwarzania mogą dostosować jego właściwości do budowy samochodów, mostów i drapaczy chmur, by wymienić tylko kilka z niemal nieskończonych możliwych zastosowań. Zrozumienie reakcji stali na obciążenie jest ważne podczas projektowania bezpiecznych budynków i konstrukcji. Jednym z podstawowych narzędzi do modelowania charakterystyk materiałów jest krzywa naprężenie-odkształcenie. Wykorzystamy jednoosiową próbę rozciągania do zbadania sprężystego i nieelastycznego zachowania miękkiej stali walcowanej na gorąco i twardej stali walcowanej na zimno, które reprezentują odpowiednio niskie i wysokie granice wytrzymałości na rozciąganie w zastosowaniach inżynierii lądowej. Naprężenie definiuje się jako siłę podzieloną przez obszar, na który jest przyłożona. Odkształcenie to zmiana długości podzielona przez długość początkową. Krzywe naprężenie-odkształcenie opisują sprężyste i niesprężyste właściwości materiałów, pokazując, jak materiał taki jak stal reaguje na przyłożoną siłę. Jednoosiowa próba rozciągania jest zwykle stosowana do badania naprężeń i odkształceń. W tym teście maszyna powoli ciągnie końce próbki z coraz większą siłą i mierzy powstałe wydłużenie. Test rozciągania metalu jest opisany przez normę ASTM E8, która określa rodzaj i rozmiar próbki, rodzaj sprzętu oraz dane, które należy podać. Krzywa naprężenie-odkształcenie ujawnia wiele właściwości badanego materiału. Wśród nich moduł sprężystości (nachylenie początkowego obszaru liniowego, w którym odkształcenie jest proporcjonalne do obciążenia), moduł sprężystości (obszar poniżej obszaru liniowego, który mierzy zdolność materiału do pochłaniania energii bez trwałego odkształcenia), granica proporcjonalności (naprężenie w punkcie, w którym krzywa odchyla się od liniowości), punkty plastyczności (gdzie naprężenie w stosunku do odkształcenia nagle maleje lub zmienia się), i plateau plonowania (gdzie odkształcenie gwałtownie wzrasta bez zwiększania naprężeń). Stal jest materiałem ciągliwym. Ciągliwość definiuje się jako zmianę długości w momencie uszkodzenia podzieloną przez długość początkową. Wytrzymałość to zdolność materiału do pochłaniania energii przed pęknięciem. Teraz, gdy rozumiemy niektóre z podstawowych cech materiałów, przyjrzyjmy się metodzie pomiaru naprężeń i odkształceń w laboratorium i zbadajmy związek między tymi dwiema wielkościami. Uzyskaj cylindryczne próbki testowe dla dwóch rodzajów stali, jednej walcowanej miękko i na gorąco, takiej jak A36, oraz jednej walcowanej na twardo i na zimno, takiej jak C1018. Użyj suwmiarki, aby zmierzyć średnicę w kilku miejscach w pobliżu środka próbki. Wykonaj te pomiary z dokładnością do 2000 cala. Następnie mocno przytrzymaj próbkę. Narysuj długość miernika około dwóch cali. Spraw, aby znak był wyraźny, ale bardzo płytki, aby uniknąć tworzenia koncentracji naprężeń, które mogą prowadzić do pęknięcia. Zmierz rzeczywistą oznaczoną długość miernika z dokładnością do 2000 części cala. Na koniec zainstaluj tensometr. Próbka jest teraz gotowa do badań. Będziemy używać uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej lub UTM do pomiaru właściwości rozciągania próbek. Włącz maszynę testującą i zainicjuj oprogramowanie. Ustaw odpowiednie parametry wykresów i akwizycji danych, a następnie wybierz procedurę testową, która jest zgodna z protokołem ASTM E8. Ustaw odpowiednio dla niskich odkształceń od zera do 5%, a dla wysokich zakresów odkształceń większych niż 5%. Powinny one wynosić blisko 0,05 cala na minutę przy początkowym obciążeniu i 0,5 cala na minutę po 5% obciążeniu. Następnie ustaw wszelkie dodatkowe działania w oprogramowaniu, takie jak zatrzymanie maszyny przy 5% naprężeniu w ekstensometrze, aby usunąć ją przed awarią próbki. Ręcznie podnieś poprzeczkę, aby próbka na całej długości łatwo zmieściła się między górnym i dolnym uchwytem. Ostrożnie włóż próbkę do górnego uchwytu do około 80% głębokości uchwytu. Dopasuj próbkę do górnego uchwytu i lekko dokręć, aby zapobiec upadkowi próbki. Powoli opuść górną poprzeczkę. Gdy próbka znajdzie się w odległości około 80% głębokości dolnego uchwytu, rozpocznij wyrównywanie próbki w dolnych uchwytach. Próbka powinna unosić się na środku całkowicie otwartego dolnego uchwytu. Wywieraj boczny nacisk na próbkę przez uchwyty, aby upewnić się, że podczas badania nie dojdzie do poślizgu. Należy pamiętać, że proces dokręcania wprowadza niewielką siłę osiową działającą na próbkę. Użyj oprogramowania, aby nałożyć napięcie wstępne, aby skompensować tę siłę i zapisać jej wartość. Stabilnie przymocuj elektroniczne ekstensometry do próbki zgodnie z instrukcją producenta. Ostrza ekstensometru powinny być w przybliżeniu wyśrodkowane na próbce. Jeśli używany jest tensometr, podłącz go. Rozpocznij badanie od przyłożenia obciążenia rozciągającego do próbki. Obserwuj odczyt na żywo przyłożonego obciążenia na wyświetlaczu komputera. Aby upewnić się, że próbka nie ślizga się przez uchwyty, upewnij się, że zmierzone obciążenie rośnie liniowo. Jakiś czas przed awarią próbki oprogramowanie automatycznie wstrzyma test. Pozostaw próbkę w maszynie testowej i wyjmij ekstensometr. Wznów przykładanie obciążenia rozciągającego aż do awarii. Po osiągnięciu maksymalnego obciążenia zmierzone obciążenia zaczynają się zmniejszać. W tym momencie okaz zaczyna się szyć. Ostateczne złamanie powinno nastąpić w tej okolicy szyjki poprzez ciągliwe rozerwanie. Po zakończeniu testu podnieś poprzeczkę, poluzuj górny uchwyt i usuń z niego złamany kawałek próbki. Poluzuj dolny uchwyt i wyjmij drugą połowę próbki. Zapisz wartość przy maksymalnym obciążeniu rozciągającym. Zapisz zarejestrowane dane i krzywą naprężenie-odkształcenie. Ostrożnie dopasuj do siebie końce pękniętej próbki i zmierz odległość między znakami miernika z dokładnością do 2000 części cala. Zapisz ostateczną długość miernika. Na koniec zmierz średnicę próbki w najmniejszym przekroju z dokładnością do 2000 części cala. Aby określić właściwości materiału, najpierw zapoznaj się z danymi dotyczącymi odpowiednio miękkiej stali walcowanej na gorąco A36 i danych dotyczącej twardej stali walcowanej na zimno C1018. Teraz oblicz procentowe wydłużenie dla każdej próbki, znając ostateczny miernik i początkową długość miernika. Oblicz zmniejszenie powierzchni dla każdej próbki, używając średnicy końcowej i początkowej średnicy próbki. Zapisz te wartości w tabeli wyników. Następnie oblicz inne parametry materiału za pomocą eksperymentalnych krzywych naprężenie-odkształcenie. Szybkie porównanie tych krzywych dla dwóch próbek pokazuje ich bardzo różne zachowania sprężyste i nieelastyczne. Ze względu na znacznie większe odkształcenia przy niższych poziomach naprężeń, stal A36 jest bardziej miękka i znacznie bardziej plastyczna niż stal C1018. W przypadku stali A36 naprężenie przy zniszczeniu wynosi około 58,6 kilofunta na cal kwadratowy, znacznie powyżej wartości nominalnej wynoszącej 36,0 kilofuntów na cal kwadratowy. Maksymalne naprężenie wynosi około 86,6 kilofunta na cal kwadratowy przy odkształceniu około 20%. Ten powiększony wykres pokazuje rosnący punkt plastyczności na poziomie około 58.6 kilofuntów na cal kwadratowy i niższy punkt plastyczności na poziomie około 56.8 kilofuntów na cal kwadratowy. Widoczny jest tu również początek plateau plonowania. Dane tensometryczne ujawniają liniowy obszar sprężysty dla stali A36 o nachyleniu zdefiniowanym jako moduł Younga wynoszącym około 29 393 kilofuntów na cal kwadratowy. Wynik ten jest bardzo zbliżony do wartości nominalnej 29 000 kilofuntów na cal kwadratowy. W punkcie, w którym dane odbiegają od liniowości, możemy określić, że granica proporcjonalności wynosi około 55,58 kilofuntów na cal kwadratowy. Dla porównania, ze względu na nieliniowość krzywej naprężenie-odkształcenie, stal C1018 ma bardzo niską granicę proporcjonalności. Wyniki z ekstensometru obejmują odkształcenia do 5%. Dane dla stali A36 pokazują plateau tworzywa sztucznego i początek utwardzania odkształceniowego, gdzie krzywa ponownie wznosi się przy odkształceniu około 2,7%. Z kolei C1018 nie ma wyraźnego plateau plonów. Zakończ analizę danych, podsumowując wyniki badań dla dwóch próbek stali w poniższej tabeli. Wydłużenie miękkiej stali walcowanej na gorąco mieści się w zakresie od 25 do 40%. Natomiast wydłużenie twardej stali walcowanej na zimno wynosi tylko połowę tej wartości. Wydłużenie procentowe jest średnią wartością długości materiału między znakami skrajni, ale prawie całe odkształcenie jest zlokalizowane w małym obszarze wokół punktu pęknięcia. W związku z tym lokalny szczep może być znacznie większy niż średnia. Badanie fizykalne dwóch próbek wykazało duże różnice w sposobie, w jaki zawodzą, odpowiadające różnicom w ich krzywych naprężenie-odkształcenie. Stal A36 ma powierzchnię niszczącą z materiałem wyciągniętym na obrzeżu podczas stopniowego odkształcenia końcowego i większego wydłużenia przy niższych naprężeniach, co wskazuje na bardzo łagodny, ale ciągliwy metal. Natomiast stal C1018 ma płaską powierzchnię uszkodzenia, odpowiadającą nagłemu pęknięciu i znacznie mniejszemu wydłużeniu przy znacznie wyższych naprężeniach, charakteryzującej się wysoką wytrzymałością, ale niską ciągliwością. Przyjrzyjmy się niektórym typowym zastosowaniom stali z perspektywy związku między naprężeniem a odkształceniem. Inżynierowie budownictwa analizują zawalenia konstrukcyjne mostów i budynków w celu ulepszenia przyszłych projektów konstrukcyjnych. Proces ten doprowadził do powstania elementów stalowych, takich jak walcowane belki dwuteowe do budynków wielokondygnacyjnych, spawane dwuteowniki z głębokiej płyty do mostów oraz śruby i łączniki o wysokiej wytrzymałości. Każdy z nich wymaga różnych rodzajów stali o określonej wytrzymałości i plastyczności, często po raz pierwszy zrozumiałych poprzez badanie ich krzywych naprężenie-odkształcenie. Inżynierowie wykorzystują charakterystykę naprężeniowo-odkształceniową materiałów, aby tworzyć bezpieczniejsze samochody. Znając wytrzymałość i plastyczność ramy oraz to, jak odkształca się ona w odpowiedzi na siły uderzenia, inżynierowie mogą zaprojektować nadwozie samochodu tak, aby pochłaniało energię podczas zderzenia i zwiększało szansę na przeżycie zderzenia. Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie JoVE do charakterystyk naprężeniowo-odkształceniowych stali. Powinieneś teraz wiedzieć, jak przeprowadzić jednoosiową próbę rozciągania, aby określić właściwości rozciągania materiałów metalowych i jak analizować krzywe naprężenie-odkształcenie dla typowych stali. Dzięki za oglądanie!

Education

JoVE Science Education

Engineering

Inżynieria

Structural Engineering

Inżynieria konstrukcji

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

This collection introduces students to fundamental concepts and protocols for material characterization, with specific emphasis on common construction materials such as steel, wood, and concrete.

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14686.jpg

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, ...

electrical-safety-precautions-and-basic-equipment

Electrical Safety Precautions and Basic Equipment

Source: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.
Electric machines and power electronics experiments ...

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

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards