Напряженно-деформированные характеристики алюминия

По сравнению с большинством металлов, алюминий обладает превосходным соотношением прочности и веса, коррозионной стойкостью и простотой изготовления. В результате алюминий является одним из наиболее широко используемых металлов и используется в продуктах, начиная от банок с газировкой и заканчивая аэрокосмическими компонентами.

Прочность чистого алюминия очень низкая, но его механические свойства могут значительно улучшиться при легировании и термической обработке. Эти процессы обеспечивают его широкое применение в механических и электрических материалах. Поскольку алюминий уступает только стали в качестве конструкционного материала, получение кривой деформации напряжения для алюминия имеет решающее значение для определения предсказуемых и безопасных пределов его использования.

В этом видео мы рассмотрим поведение при напряжении и деформации распространенного типа алюминия с использованием стандартного испытания на одноосное растяжение.

Алюминий легкий и имеет примерно 1/3 плотности стали. Его модуль упругости, часто называемый около 70 гигапаскаль или 10 000 килофунтов на квадратный дюйм, также составляет около 1/3 от модуля упругости стали.

Как и в случае со сталью, механические свойства алюминия могут значительно улучшиться при легировании, в основном цинком, медью, марганцем, кремнием и магнием. Охлаждаемая обработка или деформационное закаливание, при котором материал прокатывается или протягивается через красители, также может повысить прочность.

Испытание на одноосное растяжение обычно используется для изучения упругих свойств металлов, таких как алюминий. В результате этого испытания создается кривая напряженной деформации, которая показывает, как материал удлиняется, а затем разрушается при увеличении приложенной силы.

Разрушение алюминия или любого другого материала протекает в несколько этапов. Шейкинг, зарождение пустот, рост и коалесценция пустот, распространение трещин и, наконец, перелом. Алюминий 6061-T6 обладает хорошей прочностью и жесткостью, легко отделывается и анодируется. Он обычно используется в корпусах для многих электронных продуктов, таких как ноутбуки и телевизоры.

Это кривая деформации напряжения для алюминия 6061-T6. Обратите внимание, что его кривая деформации напряжения демонстрирует не резкий предел текучести, а скорее постепенное уменьшение модуля упругости. Хотя этот алюминий на самом деле выходит из строя, процесс происходит постепенно, и трудно определить четкую точку разрушения, глядя на кривую напряжения и деформации.

Для определения предела текучести для инженерных целей ASTM и другие организации приняли метод смещения 0,2%. Этот метод требует определения линии наилучшего соответствия для линейной части поведения и проведения линии с таким же медленным началом при напряжении 0,2%. Вторая линия пересекает кривую напряженной деформации в точке, которая произвольно определяется как предел текучести.

Теперь, когда мы понимаем свойства алюминия и то, как их можно спроектировать, давайте рассмотрим, как измерить кривую напряжения-деформации, чтобы определить его пластичные и механические характеристики.

Получите цилиндрический образец для испытаний обычного алюминия, например 6061-T6. Используйте калибр для измерения диаметра в нескольких местах вблизи середины образца. Делайте эти измерения с точностью до 2000-й доли дюйма.

Затем крепко держите образец и отметьте калибровочную длину примерно два дюйма. Убедитесь, что расчетная длина четко протравлена, но с неглубокой царапиной, чтобы она не превратилась в концентрацию 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.

В этом эксперименте мы будем использовать универсальную испытательную машину, или UTM, для измерения свойств образца на разрыв. Сначала включите тестовый станок и инициализируйте программное обеспечение. Настройте параметры построения графиков и сбора данных. Затем выберите тест, совместимый с протоколом ASTM E8. Обратите внимание на скорости деформации для диапазона упругости и неупругости. Затем задайте любые дополнительные действия в программном обеспечении, такие как остановка машины при прочности на разрыв 5%.

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 выравнивать образец в пределах нижних захватов. Образец должен плавать в центре нижней рукоятки. Прикладывайте боковое давление к образцу через захваты, чтобы не допустить соскальзывания во время испытания.

В процессе затяжки на образец возникает небольшая осевая нагрузка. Используйте программное обеспечение для регулировки и минимизации этой предварительной нагрузки и записи ее значения. Надежно прикрепите электронный экстензометр к образцу в соответствии с инструкциями производителя. Лопасти экстензометра должны быть примерно по центру образца.

Начните испытание с приложения растягивающей нагрузки к образцу и наблюдайте за показаниями приложенной нагрузки на дисплее компьютера в реальном времени. Убедитесь, что образец не проскальзывает через захваты, убедившись, что измеренная нагрузка увеличивается. За некоторое время до отказа образца программное обеспечение автоматически приостанавливает тест. Оставьте образец в испытательной машине и снимите экстензометр. Возобновите применение растягивающей нагрузки до отказа. При достижении максимальной нагрузки измеренные нагрузки начнут 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. Затем ослабьте нижнюю рукоятку и снимите вторую половину экземпляра. Запишите значение при максимальной разрывной нагрузке. Сохраните записанные данные и кривую деформации 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 ближайшем поперечном сечении с точностью до 2000-й доли дюйма.

Давайте теперь рассмотрим, как анализировать данные, которые мы только что собрали. Сначала рассчитайте процент удлинения образца, зная конечную расчетную длину и начальную расчетную длину. Рассчитайте уменьшение площади для каждого образца, используя окончательный диаметр и начальный диаметр образца. Затем рассчитайте другие параметры материала с помощью экспериментальных кривых напряжения-деформации.

Это график данных тензометрического датчика с точностью до предела текучести около 0,3%. Наклон кривой деформации напряжения в этой области равен модулю Юнга и составляет около 9 998 килофунтов на квадратный дюйм, что близко к номинальному значению 10 000 килофунтов на квадратный дюйм. Значение R-квадрат 0,999 указывает на отличную линейность этих данных.

Это данные экстензометра с точностью до 5%. Кривая имеет билинейный характер с длинным упругим участком, за которым следует плато урожайности с низким уклоном. Чтобы найти предел текучести для материала, который не демонстрирует четкого предела текучести, как этот образец, мы используем метод смещения 0,2%.

Сначала проводим линию вдоль начальной линейной части кривой. Затем дублируйте его, начните с напряжения 0,2%. Вторая линия пересекает кривую, которая произвольно определена как точка текучести. В данном случае она составляет около 44,2 килофунтов на квадратный дюйм. Это выше номинального предела текучести алюминия, который составляет 40 килофунтов на квадратный дюйм.

Если мы построим график очень близко к точке текучести, пропорциональным пределом будет напряжение, при котором кривая начинает отклоняться от линейности, около 39,1 килофунтов на квадратный дюйм для этого образца.

Это полная кривая деформации напряжения, данные которой приведены ниже: деформация около 5% от экстензометра и выше деформация 5% от смещения траверсы. Максимальное напряжение составляет около 46,1 килофунтов на квадратный дюйм при деформации около 6,5%. Эта предел прочности чуть выше номинальной предельной прочности в 45 килофунтов на квадратный дюйм. Напряжение при разрушении составляет около 33,5 килофунтов на квадратный дюйм. Ударная вязкость — это площадь под кривой напряженной деформации и может быть рассчитана с помощью трапециевидного правила как 2,2 килофунта на квадратный дюйм.

Измерения термообработанного образца показывают, что этот тип алюминия может иметь удлинение в диапазоне от 8 до 13%. Важно отметить, что процент удлинения — это среднее значение длины материала между измерительными метками. Однако почти вся деформация происходит в небольшом объеме вокруг шейной области, поэтому местная деформация может быть намного выше, чем средняя деформация.

В целом, неудача прогрессирует от сужения к зародышеобразованию и росту пустот, к распространению трещин и, наконец, к перелому. Поверхность разрушения согласуется с этим процессом. Для алюминия относительное удлинение менее 5% может считаться хрупким, в то время как относительное удлинение более 15% может считаться пластичным. Процентное удлинение у этого образца относительно велико. Как мы должны описать этот материал?

Мы можем сравнить его поверхность разрушения с поверхностью разрушения двух разных типов стали. Размер ??? Для алюминиевого образца он больше, чем для хрупкой холоднокатаной стали, но меньше, чем для пластичной горячекатаной стали, поэтому этот тип алюминия можно охарактеризовать как полупластичный.

Кроме того, мы можем посмотреть на кривые деформации напряжения для этих трех металлов. Холоднокатаная сталь C1018 обладает высокой прочностью, о чем свидетельствует низкая деформация при высоких нагрузках, но выходит из строя при удлинении около 10%, что свидетельствует о ее низкой пластичности. Напротив, более пластичная горячекатаная сталь A36 имеет гораздо большее удлинение до максимума почти 25% при меньшем напряжении, чем холоднокатаная сталь. Алюминий 6061-T6, который мы только что испытали, имеет меньшую прочность, а также разрушение при меньшем удлинении, чем любая сталь.

Давайте теперь рассмотрим некоторые из распространенных применений испытаний алюминия на растяжение. Наиболее важным применением кривых деформации напряжения является контроль качества при производстве алюминия. Стандарты ASTM требуют испытаний на репрезентативных образцах каждой плавки алюминия, а результаты должны быть прослеживаемы до установленных эталонов. Производители используют такие стандарты, как ISO TS 16949 для контроля качества и обеспечения качества материалов для автомобильной и других отраслей промышленности.

Алюминиевая фольга для кулинарной промышленности обладает необходимой податливостью, поэтому ее можно легко обрабатывать и складывать. Точно так же алюминий, используемый в банках для безалкогольных напитков, должен быть достаточно прочным, чтобы сохранять свою форму при удержании, но при необходимости легко измельчаемым. Испытание на растяжение гарантирует, что эти тонкие листы алюминия обладают заданными механическими качествами.

Вы только что посмотрели введение JoVE в характеристики деформации напряжения алюминия. Теперь вы должны знать о лабораторных испытаниях по стандарту ASTM E8 для определения свойств металлических материалов на разрыв. Вы также должны понимать, как подготовить образец к испытаниям ASTM и получить кривую деформации напряжения для типичного алюминия.

Спасибо за просмотр!