Напряженно-деформированные характеристики сталей

Сталь — это общий термин для железа, легированного углеродом и другими элементами, такими как хром, марганец и никель.

Вариации в составе и методах обработки могут адаптировать его свойства для строительства автомобилей, мостов и небоскребов, и это лишь некоторые из почти бесконечных возможных применений.

Понимание реакции стали на нагрузку важно при проектировании безопасных зданий и сооружений. Одним из основных инструментов для моделирования характеристик материала является кривая зависимости деформации от напряжения.

Мы будем использовать одноосное испытание на растяжение для изучения упругих и неупругих характеристик мягкой горячекатаной стали и твердой холоднокатаной стали, которые представляют собой соответственно низкие и высокие пределы прочности на разрыв в гражданском строительстве.

Напряжение определяется как сила, деленная на площадь, на которую она прилагается. Деформация — это изменение длины, деленное на начальную длину. Кривые зависимости деформации от напряжения описывают упругие и неупругие свойства материалов, показывая, как такой материал, как сталь, реагирует на приложенную силу.

Испытание на одноосное растяжение обычно используется для изучения напряжений и деформаций. В этом испытании машина медленно вытягивает концы образца со все большим и большим усилием и измеряет результирующее удлинение. Испытание металла на растяжение описывается стандартом ASTM E8, который определяет тип и размер образца, тип оборудования и данные, которые должны быть сообщены.

Кривая зависимости деформации от напряжения показывает многие свойства испытуемого материала. Среди них модуль упругости (наклон начальной линейной области, где деформация пропорциональна нагрузке), модуль упругости (площадь под линейной областью, которая измеряет способность материала поглощать энергию без остаточной деформации), пропорциональный предел (напряжение в точке, где кривая отклоняется от линейности), точки текучести (где напряжение в зависимости от деформации внезапно уменьшается или изменяется), и плато текучести (где деформация быстро увеличивается без увеличения напряжения).

Сталь является пластичным материалом. Пластичность определяется как изменение длины при разрушении, деленное на начальную длину. Ударная вязкость — это способность материала поглощать энергию до того, как он разрушится.

Теперь, когда мы понимаем некоторые из основных характеристик материалов, давайте рассмотрим метод измерения напряжения и деформации в лаборатории и исследуем взаимосвязь между этими двумя величинами.

Получите цилиндрические образцы для испытаний двух типов стали: одной мягкой и горячекатаной, такой как A36, и одной твердой и холоднокатаной, такой как C1018.

С помощью штангенциркуля измерьте диаметр в нескольких местах около середины образца. Делайте эти измерения с точностью до 2000-й доли дюйма.

Далее крепко держите образец. Начертайте измерительную длину примерно два дюйма. Сделайте отметку четкой, но очень неглубокой, чтобы избежать создания концентрации напряжения, которая может привести к перелому. Измерьте фактическую размеченную расчетную длину с точностью до 2000-й доли дюйма.

Наконец, установите тензометрический датчик. Теперь образец готов к испытаниям.

Мы будем использовать универсальную испытательную машину, или UTM, для измерения свойств образцов на разрыв. Включите тестовый станок и инициализируйте программное обеспечение. Настройте соответствующие параметры построения графиков и сбора данных, затем выберите процедуру испытания, совместимую с протоколом ASTM E8.

Установите нормы деформации для низких деформаций от нуля до 5% и для высоких диапазонов деформаций более 5% соответственно. Они должны быть близки к 0,05 дюйма в минуту при начальной нагрузке и 0,5 дюйма в минуту после 5% деформации. Затем задайте любые дополнительные действия в программном обеспечении, такие как остановка машины при 5% деформации в экстензометре, чтобы удалить его до выхода образца из строя.

Вручную поднимите траверсу так, чтобы образец по всей длине легко помещался между верхним и нижним захватами. Осторожно вставьте образец в верхнюю рукоятку примерно на 80% глубины захвата. Выровняйте образец внутри верхней рукоятки и слегка затяните, чтобы образец не упал. Медленно опустите верхнюю траверсу. Как только образец окажется в пределах примерно 80% глубины нижнего захвата, начните выравнивание образца в пределах нижних захватов. Образец должен плавать в центре полностью открытой нижней рукоятки. Прикладывайте боковое давление к образцу через захваты, чтобы не допустить соскальзывания во время испытания. Обратите внимание, что в процессе затяжки на образец действует небольшая осевая сила.

Используйте программное обеспечение для наложения предварительной нагрузки, чтобы компенсировать эту силу и записать ее значение. Надежно прикрепите электронные экстензометры к образцу в соответствии с инструкцией производителя. Лопасти экстензометра должны быть примерно по центру образца. Если используется тензометрический датчик, подключите его.

Начните испытание с приложения растягивающей нагрузки к образцу. Наблюдайте за считыванием приложенной нагрузки на дисплее компьютера в реальном времени. Чтобы убедиться, что образец не проскальзывает через захваты, убедитесь, что измеренная нагрузка увеличивается линейно. За некоторое время до отказа образца программное обеспечение автоматически приостановит тест. Оставьте образец в испытательной машине и снимите экстензометр. Возобновите применение растягивающей нагрузки до отказа. При достижении максимальной нагрузки измеряемые нагрузки начинают снижаться. На этом этапе экземпляр начинает шеевать. Окончательный перелом должен произойти в этой шейной области за счет пластичного разрыва.

После окончания испытания поднимите траверсу, ослабьте верхнюю рукоятку и снимите с нее сломанный кусок образца. Ослабьте нижнюю рукоятку и снимите вторую половину образца. Запишите значение при максимальной разрывной нагрузке. Сохраните записанные данные и кривую зависимости деформации от напряжения.

Тщательно подогнайте концы сломанного образца друг к другу и измерьте расстояние между измерительными метками с точностью до 2000-й доли дюйма. Запишите итоговую расчетную длину. Наконец, измерьте диаметр образца в наименьшем поперечном сечении с точностью до 2000-й доли дюйма.

Чтобы определить свойства материала, сначала взгляните на данные для мягкой горячекатаной стали A36 и данные для твердой холоднокатаной стали C1018 соответственно.

Теперь рассчитайте процент удлинения для каждого образца, зная окончательный калибр и начальную расчетную длину. Рассчитайте уменьшение площади для каждого образца, используя окончательный диаметр и начальный диаметр образца. Запишите эти значения в таблицу результатов.

Затем рассчитайте другие параметры материала с помощью экспериментальных кривых зависимости напряжения от деформации. Быстрое сравнение этих кривых для двух образцов показывает их очень различное упругое и неупругое поведение. Из-за гораздо большей деформации при более низких уровнях напряжения сталь A36 мягче и гораздо более пластична, чем сталь C1018.

Для стали A36 напряжение при разрушении составляет около 58,6 килофунтов на квадратный дюйм, что значительно выше номинального значения 36,0 килофунтов на квадратный дюйм. Максимальное напряжение составляет около 86,6 килофунтов на квадратный дюйм при деформации около 20%.

На этом увеличенном графике показана точка выхода вверх примерно 58,6 килофунтов на квадратный дюйм и нижняя точка текучести около 56,8 килофунтов на квадратный дюйм. Здесь же видно начало плато урожайности. Данные тензометрических датчиков показывают линейную упругую область для стали A36 с наклоном, определенным как модуль Юнга, около 29 393 килофунтов на квадратный дюйм. Этот результат очень близок к номинальному значению в 29 000 килофунтов на квадратный дюйм.

В точке, где данные отклоняются от линейности, мы можем определить, что пропорциональный предел составляет около 55,58 килофунтов на квадратный дюйм. Для сравнения, из-за нелинейности кривой зависимости деформации от напряжения сталь C1018 имеет очень низкий пропорциональный предел.

Результаты экстензометра охватывают деформацию до 5%. Данные для стали A36 показывают пластическое плато и начало деформационного упрочнения, где кривая снова поднимается при деформации около 2,7%. В отличие от него, C1018 не имеет четкого плато урожайности.

Завершите анализ данных, обобщив результаты испытаний для двух образцов стали в следующей таблице.

Удлинение мягкой горячекатаной стали находится в пределах от 25 до 40%. Напротив, удлинение твердой холоднокатаной стали составляет лишь половину этой величины. Процент удлинения — это среднее значение длины материала между измерительными метками, но почти вся деформация локализована в небольшой области вокруг точки разрушения. Следовательно, местное напряжение может быть намного больше среднего.

Физикальное исследование двух образцов показало большие различия в способе их разрушения, соответствующие различиям в их кривых зависимости напряжения и деформации.

Сталь A36 имеет поверхность разрушения с материалом, вытягивающимся на ободе при постепенной окончательной деформации и большим удлинением при более низких нагрузках, что указывает на очень мягкий, но пластичный металл.

Сталь C1018, напротив, имеет плоскую поверхность разрушения, соответствующую внезапному разрушению и гораздо меньшему удлинению при гораздо более высоких напряжениях, характеристики высокой прочности, но низкой пластичности.

Давайте рассмотрим некоторые распространенные применения стали с точки зрения взаимосвязи между напряжением и деформацией.

Инженеры-строители анализируют структурные обрушения на мостах и в зданиях, чтобы улучшить будущие структурные конструкции. Этот процесс привел к появлению стальных компонентов, таких как прокатные двутавровые балки для многоэтажных зданий, сварные двутавровые балки из глубоких листов для мостов, а также высокопрочные болты и крепежные элементы. Для каждого из них требуются различные типы сталей с заданной прочностью и пластичностью, которые часто сначала понимаются путем изучения их кривых зависимости напряжения от деформации.

Инженеры используют характеристики деформации и напряжения материалов для создания более безопасных автомобилей. Зная прочность и пластичность рамы и то, как она деформируется в ответ на ударные силы, инженеры могут спроектировать кузов автомобиля таким образом, чтобы он поглощал энергию во время столкновения и увеличивал шансы выжить в аварии.

Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в характеристики стали при напряжении и деформации».

Теперь вы должны знать, как проводить испытание на одноосное растяжение для определения свойств металлических материалов при растяжении и как анализировать кривые зависимости напряжения-деформации для типичных сталей.

Спасибо за просмотр!