钢的应力-应变特性

Structural Engineering

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Overview

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂

材料对人类发展的重要性, 清楚地被世界历史的早期分类所捕捉到石器时代、铁器时代和青铜时代等时期。引进西门子和麦地那工艺生产钢在 mid-1800s 是一个最重要的发展, 在发动工业革命, 改变了大部分欧洲和美国在下半年的19年.世纪从耕地社会到今天的都市和机械化的社会。钢, 在其几乎无限的变化, 是我们周围, 从我们的厨房用具, 汽车, 到生命线, 如电力传输网络和供水系统。在这个实验中, 我们将研究两种类型的钢的应力-应变行为, 这些钢材与土木工程应用中通常看到的范围有关-从非常温和的热轧钢材到坚硬的冷轧的钢。

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JoVE Science Education Database. 结构工程. 钢的应力-应变特性. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

钢的术语通常用来表示主要是铁 (Fe) 的材料, 通常在95% 到98% 的范围内。纯铁是同素异形体, 在室温下以身体为中心的立方 (BCC) 结构, 在912°C 之上变成以面为中心的立方 (FCC) 结构。FCC 结构中的空空间和晶体结构中的缺陷允许其他原子, 如碳 (C) 原子, 通过扩散从间隙 (或空) 空间中添加或移除。这些增加, 以及随后发展的不同的晶体结构, 是由于加热和冷却在不同的速率和温度范围, 一个过程称为热处理。这项技术已有2000年的知名度, 但多年来一直在大马士革钢铁等应用领域保持着秘密 (≈300AD)。

如果我们扩大 FCC 结构中的开放圈, 直到球体开始接触, 然后切割这个原子结构的基本立方体, 结果就是单元单元。在这些新球体开始接触铁原子之前, 可以添加41.4% 的铁离子直径的球体。碳原子是铁的直径的 56%, 因此新的结构会随着碳原子的引入而扭曲。钢的性能可以通过改变这些畸变的大小、频率和分布来操纵。

锻铁是钢铁最有用的前身之一, 其碳含量超过2%。结果表明, 民用钢材的最佳碳含量为0.2% 至0.5%。许多早期的冶金处理过程旨在将碳含量带到这些水平, 这是经济生产的体积。在美国和西门子在英国的过程中的麦地那过程是这些早期技术的两个更成功的例子。目前最常用的工艺是电弧炉和基本氧炉。除碳外, 大多数现代钢还含有锰 (锰)、铬 (铬)、钼 (钼)、铜 (铜)、镍 (镍) 和其他金属, 以提高强度、变形力和韧性。这些合金对工程性能的影响的一个简单例子是所谓的碳当量 (CE):

Equation 1

CE 是确定某一钢的可焊性的有用指标;通常情况下, CE < 0.4% 代表的是一种焊接的钢材。由于金属结构中的许多连接是通过焊接制造的, 所以这是在指定建筑材料时要记住的一个有用的指标。

正如朱庇特视频中提到的"物质常数" , 为了建模目的, 我们需要确定应力和应变之间的关系。stressstrain 曲线 (图 1) 给出了许多材料行为的最佳简单描述。由于在压缩加载时存在屈曲问题, 并且在多个方向上均匀地加载材料时遇到困难, 因此通常运行单轴拉伸试验来确定应力应变曲线。本试验提供了主要工程特性的基本信息, 主要是均质金属材料。

典型的拉力试验是由 ASTM E8 描述的。ASTM E8 定义了要使用的测试标本的类型和大小、要使用的典型设备和用于金属拉伸试验的数据。

Figure 1
图 1: 低碳钢的应力应变曲线。

由于我们需要通过非常大的塑料应变测量, 所以应变测量不能总是在整个变形范围内进行应变计 (最多 40%); 在试样破裂之前, 胶水几乎总是会失效。一个计, 其中包括一个小 C 框架与悬臂式武器检测应变仪和适当校准, 通常使用高达约20%。由于计是一种昂贵而精致的仪器, 因此需要在试样破裂前去除;试验将停止, 并在试样达到其最大应力和从试样上的标记估计的最大变形后不久计。

感兴趣的主要属性是 (图 2):

比例限制:比例极限是应力与应变成线性比例的最大应力, 即胡克定律是严格适用的(朱庇特视频- "物质常数").这个值通常是通过观察在恒定的十字头速度条件下运行测试时的应力率变化来确定的。在线性弹性范围内, 应力速率与应变速率成正比, 理想情况下是恒定的。当材料开始塑化性能时, 由于应变速率的增加, 应力速率开始下降。当初始应力率开始下降时, 比例极限被视为应力。

屈服点:许多金属呈现出一个尖锐的屈服点或应力, 在这种压力下, 这种菌株的压力会继续迅速增加。这在应力-应变曲线中由水平线或屈服高原来证明。屈服点大致对应于原子晶格中滑移开始发生的载荷。这种滑移是通过达到一些临界剪切力触发的, 并且比从第一原理计算出来的低得多, 因为晶体结构中存在许多缺陷。在一些材料中, 如在试验中测试的低碳钢, 在材料到达屈服高原之前, 应力会有很小但明显的下降, 从而产生下屈服点。对于不表现出明确屈服点的材料, 使用当量屈服强度。我们将在朱庇特视频中详细研究这个定义, 关于"铝的应力应变特性", 它涉及铝的这些性质。

Figure 2
图 2: 低应变变量的定义。

弹性模量:材料的弹性模量被定义为应力应变图直线部分的斜率, 如图2所示。这个属性在朱庇特视频中讨论了关于"物质常数"。E 是一个相对较大的数字:30 x 106 psi (210Gpa) 的钢材;10 x 106  psi (70 GPa) 为铝;1.5 X 106 psi (10.5 GPa) 为橡木;和 0.5 x 106  psi (3.5 GPa) 的有机玻璃。

韧性模量:韧性模量是应力-应变图弹性部分下的面积, 其单位体积单位为能级。弹性模量测量材料吸收能量的能力而不经历永久性变形。

应变硬化模量:由于滑动, 或位错运动, 触发屈服高原开始达到晶界 (或区域的晶格是在不同的角度), 错位开始 "堆积", 并需要额外的能量, 以传播其移动到其他谷物。这导致了应力-应变行为的刚性, 尽管应变硬化模量通常至少是低于杨氏模量的一个数量级。

极限强度:这是在测试过程中达到的工程应力的最大值, 在试样开始颈部 (或改变区域) 前不久发生 (图 3)。

最大应变:当试样破裂时, 该值被视为应变值。由于计一般已被删除的时间, 我们到达这一点的测试和变形已经本地化 (缩进) 到一个非常短的距离沿标本长度, 这个值是很难测量实验。因此, 当指定材料而不是最大应变值时, 通常使用均匀伸长率和伸长率。

Figure 3
图 3: 大应变的定义。

均匀伸长率:伸长率被定义为试样在颈缩前的伸长率 (长度/原始长度的变化)。

伸长率:通常二个标记, 名义上2在. 除, 在测试之前被做对样品。经过试验, 将两块破碎试样尽可能地放在一起, 最后的变形 remeasured。这是一个粗略的, 但有用的方法, 指定最小伸长的材料在工程环境。

百分比区域:同样的伸长率, 有可能尝试做一个测量的最终面积的骨折标本。通过在断裂前将力除以这个区域, 就有可能获得材料的真正强度的概念。

韧性:韧性被定义为应力应变图下的总面积。它是衡量材料在骨折前经受大的永久性变形的能力的量度。其单位与韧性弹性模量相同。

上面描述的属性可以用来评估给定的材料将如何符合朱庇特视频中讨论的"材料常数"的性能标准。在安全方面, 强度和变形能力特征是关键;这些特征通常被分组在韧性行为的期限之下。韧性行为意味着材料将屈服, 并能够保持其强度在一个大的塑性变形制度。一个大的韧性是可取的, 这在实践上意味着一个结构会给出即将出现的故障的迹象, 例如在灾难性崩溃发生之前非常大的可见变形, 允许其占用时间疏散结构。

相比之下, 表现出脆性行为的材料, 通常会以突然的、灾难性的方式失败。这是 cementatious 和陶瓷材料的例子, 它的拉伸能力较差。混凝土梁在这种情况下会失败, 因为它的张力很弱。为了弥补这个陷阱, 一个地方钢筋在混凝土梁的拉区, 把它们变成钢筋混凝土梁。

重要的是要认识到脆性和韧性行为不是一个内在的物质行为。正如我们将在朱庇特视频中看到的"洛克韦氏硬度测试", 服从在室温下韧性的碳钢, 在低应变加载速率条件下, 以非常快的应变加载条件 (冲击) 在低温下可能导致脆性行为。此外, 重要的是要认识到, 一些材料, 如铸铁, 可能是非常脆的紧张, 但韧性的压缩。

在这一点上, 需要定义的另外两个重要的材料特性是各向同性和同质性, 因为它们影响我们对材料建模的选择。如果材料的弹性特性在各个方向上都是相同的, 则说它是各向同性的。大多数工程材料是由与整个身体的尺寸相比较小的晶体制成的。这些晶体是随机定向的, 所以统计的材料的行为可以被认为是各向同性的。其他材料, 如木材和其他纤维材料, 可以有类似的弹性性质在两个方向仅 (正交异性) 或在所有三方向 (各向异性)。

另一方面, 如果材料的弹性特性在整个身体中都是相同的, 则说它是均匀的。为了设计目的, 大多数建筑材料被假定为均匀的。这是有效的, 即使材料, 如混凝土有不同的阶段 (砂浆和石块), 因为我们一般都在谈论的特点更大的体积, 可以认为统计上均匀。

Procedure

钢试样的拉伸试验

本实验的目的是:

  • 让学生熟悉标准的实验室测试以确定任何形式的金属材料的拉伸性能 (ASTM E8),
  • 比较常用工程金属材料 (结构钢和铝材) 的性能, 并
  • 将被测试的金属属性与已发布的值进行比较。

假定有一个具有变形控制和相关测试和数据采集能力的通用测试机 (UTM) 可用。按照推荐的分步程序执行由制造商提供的拉伸测试, 特别注意安全指南。如果你不确定任何步骤, 并澄清任何疑问与你的实验室讲师, 因为你可以严重伤害自己或周围的人如果你不采取适当的预防措施, 不要继续进行。另外, 请确保您知道所有紧急停止过程, 并且您熟悉运行该计算机的软件。

下面的程序是通用的, 旨在涵盖最重要的步骤;根据可用设备的不同, 可能有明显的偏差。

1. 准备标本:

  1. 获得两种钢的圆柱形试样, 一个温和的热轧 (如 A36) 和一个硬和冷轧 (如 C1018)。
  2. 测量试样的直径到最近的0.002 英寸在中间的几个位置使用卡尺。
  3. 把标本牢牢地握住, 用一个文件标记, 大约2。注意: 仔细地标记测量长度, 使其清晰地蚀刻, 但不太深以致成为可能导致骨折的应力集中。
  4. 用卡尺测量实际有标记的量规长度到最近的0.002。
  5. 如果可能的话, 安装一个应变片, 如朱庇特视频中所描述的 "物质常数"。
  6. 收集有关校准数据的所有可用信息, 并解决用于帮助评估潜在的实验错误和可信度限制的所有仪器。这两个问题是取得有意义结果的关键, 但超出了这里讨论的范围。

2. 测试样品:

  1. 打开测试机并初始化该软件。请确保在软件中设置了适当的图形和数据获取功能。至少, 显示应力应变曲线, 并显示负载和应变。
  2. 在软件中选择与 ASTM E8 测试协议兼容的适当测试过程。注意所使用的应变率, 以及两个速率, 一个为弹性, 一个为非弹性范围, 正在使用。另外, 在软件中设置任何适当的操作 (例如, 为了使机器停止15% 应变, 以便安全地移除计并记录达到的最大负载值)。
  3. 手动提高十字头, 使试样的全长适合在手柄之间容易。仔细地将试样插入顶部手柄, 使其握深80% 左右;将试样夹在手柄内, 稍微收紧, 以防止试样掉落。注: 在这个阶段, 不要收紧对其全部压力的控制。
  4. 慢慢地降低顶部横梁。一旦试样在底部抓握深度的80% 左右, 确保试样正确地对准底部手柄 (即, 在其完全打开的位置底部手柄, 标本应 "浮动" 在底部抓握打开的中间)。试样的错位在测试过程中会产生额外的弯曲和扭转应力, 是进行拉力试验时遇到的最常见的误差之一。如果对齐方式较差, 请与技术人员一起正确地对齐手柄。
  5. 通过手柄向试样施加适当的侧向压力, 以确保在测试过程中不会发生滑移。请注意, 在这一点上将有一个小的轴向负荷, 因为收紧过程中引入了对试样的预载;测试机器可能会进行软件调整以最小化此预加载。记录预加载值。
  6. 按照制造商的规格, 将电子计安全地连接到试样上。注: 计刀片不需要精确定位在标本上的量具标记上, 但应近似地以试样为中心。
  7. 仔细检查你是否已经正确执行了所有的程序, 直到这一点;如有可能, 请让主管核实样品是否已准备好进行测试。
  8. 开始加载, 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察在计算机显示器上应用负载的实时读数。注: 如果测量的负荷不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新附加。如果发生这种情况, 请停止测试, 然后从步骤2.3 重新启动。
  9. 在示例失败之前的某个时间, 测试将自动暂停, 而不卸载样本。此时, 移除计。如果标本打破了计的地方, 你会摧毁计, 一个非常昂贵的设备。
  10. 继续应用拉伸负载直到故障。当到达最大载荷时, 测量的载荷将开始减小。此时, 试样将开始颈缩, 最后的骨折应发生在这个颈区域内通过韧性撕裂。
  11. 测试结束后, 举起十字头, 松开顶部手柄, 从顶部抓地拉出碎片标本。一旦标本的上半部分被删除, 松开底部的抓地力, 并删除标本的另一半。
  12. 在最大拉伸载荷下记录值, 并打印应力应变曲线的副本。保存数字记录的数据。
  13. 小心地将破裂试样的两端合在一起, 并测量标尺标记与最近0.002 之间的距离。记录最后的测量长度。
  14. 测量试样的直径在最小的剖面到最近的0.002 英寸。
  15. 用图片和图表记录骨折标本。

3. 数据分析

  1. 计算每种金属材料的伸长率, 减少面积。
    伸长率 =Equation 2
    面积减少 =Equation 3
  2. 描述、分类和记录每个标本的主要断裂模式。
  3. 确定材料属性, 如图2和3所述。在电子表格中组织数据, 使应变计的应变达到 0.004, 在0.004 和0.15 之间由计 (计的上限是从测试中移除的应变值; 此值根据试样的变形能力)。
  4. 使用十字头位移和%elongation 估计极限应变。如果不使用应变计, 一定要纠正计的任何初始滑动。你可以计算图中的平方以获得韧性 (应力-应变曲线下的面积)。
  5. 使用教科书或其他适当的参考, 确定的弹性模量, 屈服强度, 和最终强度的材料使用。将已发布的值与测试结果进行比较。

钢是一个通用的术语, 铁合金与碳和其他元素, 如铬, 锰, 镍。

组合和加工方法的变化可以为汽车、桥梁和摩天大楼的建造量身定做, 只命名几乎无限可能的用途。

在设计安全的建筑物和结构时, 了解钢材对载荷的反应是很重要的。材料特性建模的一个基本工具是应力-应变曲线。

采用单轴拉伸试验研究了低碳钢和硬冷轧钢的弹性和非弹性行为, 分别代表了土木工程应用中抗拉强度的低、高限。

应力被定义为被应用的区域除以的力。应变是长度的变化除以初始长度。应力-应变曲线描述了材料的弹性和非弹性特性, 说明了钢铁材料如何响应应用力。

单轴拉伸试验通常用于研究应力和应变。在这个测试中, 机器慢慢地拉着样品的两端, 用更大的力量和测量产生的伸长。金属拉伸试验由 ASTM E8 描述, 它定义了试样的类型和尺寸、设备类型和要报告的数据。

应力-应变曲线揭示了试验材料的许多性质。其中, 弹性模量 (初始线性区域的斜率, 变形与荷载成正比), 韧性模量 (线性区域下的区域, 测量材料的吸收能量的能力而不产生永久性变形),比例极限 (曲线偏离线性的应力), 屈服点 (应力与应变突然下降或变化), 屈服高原 (在不增加应力的情况下, 变形迅速增加)。

钢是一种韧性材料。延性被定义为故障长度的变化除以初始长度。韧性是材料在骨折前吸收能量的能力。

现在我们了解了材料的一些基本特性, 让我们来看看在实验室中测量应力和应变的方法, 并研究这两种量之间的关系。

获得两种类型的钢的圆柱形试样, 一个温和的和热轧的, 如 A36, 和一个硬和冷轧, 如 C1018。

用卡尺测量试样中部附近几个部位的直径。把这些测量到最接近的第2000英寸。

下一步, 牢牢地握住标本。抄写约两英寸的量规长度。使标记清晰, 但很浅, 以避免造成应力集中, 可能导致骨折。测量实际有标记的标尺长度到最接近的第2000英寸。

最后, 安装应变仪。标本现在已经准备好进行测试了。

我们将使用一个通用的测试机器, 或 UTM, 以测量试样的拉伸性能。打开测试机并初始化该软件。设置适当的图形和数据采集参数, 然后选择与 ASTM E8 协议兼容的测试过程。

将低应变的应变率设为零到 5%, 并对高应力范围分别大于5%。这应该是接近0.05 英寸每分钟的初始加载和0.5 英寸每分钟5% 的应变。然后在软件中设置任何其他操作, 例如在计中停止机器5% 应变, 以在试样失效前将其卸下。

手动提高十字头, 使试样的全长适合在顶部和底部手柄容易。小心地将试样插入到顶部的手柄上, 大约80% 的抓地深度。将试样对准顶部手柄, 稍微收紧以防止试样掉落。慢慢地降低顶部横梁。一旦试样在底部抓地深度的80% 左右, 开始标本对准在底部手柄。试样应漂浮在完全打开的底部手柄的中心。通过手柄向试样施加侧向压力, 以确保在测试过程中不会发生滑动。注意, 拧紧过程会在试样上引入小轴向力。

使用该软件强制预加载以补偿此力并记录其值。根据制造商的指示, 将电子伸长仪安全地连接到试样上。计的叶片应大致以试样为中心。如果使用应变计, 请将其连接起来。

通过将拉伸载荷应用于试样开始测试。观察计算机显示器上应用负载的实时读数。为了确认试样没有滑过手柄, 确保测量的载荷呈线性增长。在示例失败之前的某个时间, 软件将自动暂停测试。将样品留在测试机中, 然后取出计。继续应用拉伸负载直到故障。当达到最大载荷时, 实测载荷开始减小。此时, 标本开始颈部。最后的断裂应发生在这个颈区域通过韧性撕裂。

测试结束后, 举起十字头, 松开顶部的抓地力, 并从它身上取出碎片。松开底部的抓地力, 取出标本的另一半。在最大拉伸载荷下记录值。保存记录的数据和应力应变曲线。

小心地将破裂试样的两端合在一起, 并测量标尺标记与最接近的第2000英寸之间的距离。记录最后的测量长度。最后, 测量试样的直径在最小的剖面到最接近的第2000英寸。

为确定材料性能, 首先对 A36 轻热轧钢的数据和 C1018 硬冷轧钢的数据进行了研究。

现在计算每个试样的伸长率, 知道最后的量规和初始的测量长度。用试样的最终直径和初始直径计算每个试样的面积减少量。在结果表中记录这些值。

其次, 利用实验应力-应变曲线计算其它材料参数。对两个试样的曲线进行快速比较, 表明它们具有非常不同的弹性和非弹性行为。从较低的应力水平更大的应变, A36 钢比 C1018 钢更柔软, 更韧性。

对于 A36 钢, 在失败的压力是约 58.6 kilopounds 每平方英寸, 大大高于标称值为 36.0 kilopounds 每平方英寸。最大应力约为每平方英寸 86.6 kilopounds, 应变约为20%。

这个放大的剧情显示一个向上屈服点在大约 58.6 kilopounds 每平方英寸和一个较低的屈服点在大约 56.8 kilopounds 每平方英寸。屈服高原的开始在这里也是可见的。应变计数据揭示了 A36 钢的线性弹性区, 其斜率被定义为每平方英寸约 29393 kilopounds 的杨氏模量。这个结果是非常接近的名义价值 2.9万 kilopounds 每平方英寸。

在数据偏离线性度的时候, 我们可以确定比例极限大约是每平方英寸的 55.58 kilopounds。为比较, 由于其应力-应变曲线的非线性, C1018 钢的比例极限很低。

结果从计盖子劳损5%。A36 钢的数据显示了塑性高原和应变硬化的开始, 曲线在2.7% 的应变下再次上升。相比之下, C1018 没有明确的屈服高原。

通过总结下表中两个钢样的测试结果, 完成数据分析。

温和热轧钢的伸长率在25到40% 之间。相比之下, 硬冷轧钢的伸长率仅为这一量的一半。伸长率是测量标记之间材料长度的平均值, 但几乎所有的变形都被局部地定位到断裂点周围的一个小区域。因此, 局部应变可能比平均值大得多。

两个标本的体格检查显示出他们失败的方式有很大差异, 对应于它们的应力-应变曲线的差异。

A36 钢有一个失效表面与材料在边缘逐渐最后变形和更大的伸长在低重音, 表明一个非常温和, 但韧性金属。

与此相反, C1018 钢有一个平坦的破坏面, 对应于突然断裂和更少的伸长在更高的应力, 高强度但低延性的特点。

让我们从应力与应变的关系的角度来看一下钢的一些常见应用。

土木工程师分析桥梁和建筑物的结构倒塌, 以改善未来的结构设计。这一过程导致了诸如多层建筑的轧制 i 型钢、桥梁焊接深板梁、高强度螺栓和紧固件等钢构件。每一个都要求不同类型的钢具有特定的强度和 ductilities, 通常首先通过检查其应力应变曲线来理解。

工程师们使用材料的应力应变特性来制造更安全的汽车。工程师们知道了车架的强度和延性, 以及它是如何在撞击力的作用下变形的, 因此可以设计出汽车的车身, 在碰撞过程中吸收能量, 并增加坠毁的几率。

你刚刚看了朱庇特对钢的应力应变特性的介绍。

你现在应该知道如何进行单轴拉伸试验来确定金属材料的拉伸性能, 以及如何分析典型钢的应力应变曲线。

谢谢收看!

Results

从测量 (图5和表 1), 温和的钢可能有伸长率在 25%-40% 范围内, 而坚硬钢可能是其中的一半。重要的是要注意到, 几乎所有的变形是局部的小体积, 因此,%elongation 只是一个平均值;当地的应变可能会高得多。还要注意的是,%reduction 的面积也是一个非常困难的测量, 使表面不均匀;因而这个价值将可观地范围。

标本 A36 C1018 在.
伸长率 33。3 17。3 %
减少面积 54。3 50。1 %
拉伸屈服应力 58。6 73。0 ksi
抗拉强度 86。6 99。9 ksi
断裂应力 58。6 86。7 ksi
弹性模量 29393 29362 ksi

表1。钢制试验总结。

Figure 4
图 4: 典型的韧性 (左图) 和脆性 (右图) 失效表面.

一般情况下, 这些会因韧性剪切 (杯锥) 断裂而异, 如图4所示的故障所预期的那样, 对脆性劈裂断裂。图5显示了完整应力应变曲线的典型图形结果。注意在应力应变特性上的非常大的差异, 从非常温和但韧性的 A36 钢到非常强但非韧性 C1018 的范围。注意, 两者都是传统上称为钢, 但其性能明显不同。

Figure 5
图 5: 最后的应力-应变曲线.

Applications and Summary

本实验描述了如何获得典型钢的应力应变曲线。应力-应变曲线的差异可以追溯到加工过程中的差异 (例如, 冷工作与热轧) 和化学成分 (如碳和其他合金的百分比)。试验表明, 低碳钢在单轴张力加载时是一种非常韧性的材料。

将实验结果与发布的值进行比较总是相关的。后者通常代表基于95% 置信极限的规范中的最小值, 因此在测试中可能会超过表中的任何强度值, 通常为 5%-15% 的边距。然而, 更高的价值是可能的, 因为材料往往被分类向下, 如果他们不符合某些规格要求。应变值一般将接近那些发布。另一方面, 弹性弹性模量不应有显著差异。如果 E 的值与所发布的不太接近, 则应通过对错误源的重新复审来进行。例如, 误差可能是由于计的滑动、负载单元或计的校准不正确、传感器输入电压错误、输入到软件中的错误参数等原因造成的。

钢材是建筑业中广泛使用的材料。其应用包括:

  • 传统多层建筑中常用的轧制钢 I 型钢结构截面, 因为它易于预制和连接部件, 节省了施工过程中的时间。
  • 在桥梁中使用的焊接深板 I 型钢, 其中截面是通过焊接深, 薄筋网和厚法兰来建造的。这使得大部分材料在其最有用的位置 (法兰), 优化设计的强度和刚度, 并降低项目的整体成本。
  • 连接用螺栓和紧固件, 通常要求高强度和中等延展性。这些紧固件用于无数的产品, 从汽车到家用电器不等。

本文所描述的张力测试的最重要应用是在制造钢铁、铝和类似金属的过程中, 在建造业中使用的质量控制。ASTM 标准要求在每种钢材的代表性样品上运行这种测试, 这些结果必须可追溯到既定基准。公众的安全与确保这类质量控制程序标准化和遵循密切相关。建筑材料质量差, 材料和结构水平缺乏延性, 是地震和类似自然灾害发生期间和之后倒塌的最常见原因。关键部件缺乏强度导致2007年在明尼阿波利斯的 I-35W 大桥失败, 使用不合标准的材料是发展中国家发生的许多坍塌的根源, 在 2013年, 当 Savar 大厦倒塌在达卡 (Bangladash)。

在每天的基础上, 人们可以举出汽车工业的例子, 从了解钢材和其他材料的应力应变行为, 到在碰撞的情况下安全有效地进行设计时, 这一点很有好处。通过设计在某些零件上具有强度的汽车, 同时允许在其他零件的应变和延性, 制造商可以创造更好的碰撞管理, 但只有当他们能够准确地推测每部分的应力应变特性。

钢试样的拉伸试验

本实验的目的是:

  • 让学生熟悉标准的实验室测试以确定任何形式的金属材料的拉伸性能 (ASTM E8),
  • 比较常用工程金属材料 (结构钢和铝材) 的性能, 并
  • 将被测试的金属属性与已发布的值进行比较。

假定有一个具有变形控制和相关测试和数据采集能力的通用测试机 (UTM) 可用。按照推荐的分步程序执行由制造商提供的拉伸测试, 特别注意安全指南。如果你不确定任何步骤, 并澄清任何疑问与你的实验室讲师, 因为你可以严重伤害自己或周围的人如果你不采取适当的预防措施, 不要继续进行。另外, 请确保您知道所有紧急停止过程, 并且您熟悉运行该计算机的软件。

下面的程序是通用的, 旨在涵盖最重要的步骤;根据可用设备的不同, 可能有明显的偏差。

1. 准备标本:

  1. 获得两种钢的圆柱形试样, 一个温和的热轧 (如 A36) 和一个硬和冷轧 (如 C1018)。
  2. 测量试样的直径到最近的0.002 英寸在中间的几个位置使用卡尺。
  3. 把标本牢牢地握住, 用一个文件标记, 大约2。注意: 仔细地标记测量长度, 使其清晰地蚀刻, 但不太深以致成为可能导致骨折的应力集中。
  4. 用卡尺测量实际有标记的量规长度到最近的0.002。
  5. 如果可能的话, 安装一个应变片, 如朱庇特视频中所描述的 "物质常数"。
  6. 收集有关校准数据的所有可用信息, 并解决用于帮助评估潜在的实验错误和可信度限制的所有仪器。这两个问题是取得有意义结果的关键, 但超出了这里讨论的范围。

2. 测试样品:

  1. 打开测试机并初始化该软件。请确保在软件中设置了适当的图形和数据获取功能。至少, 显示应力应变曲线, 并显示负载和应变。
  2. 在软件中选择与 ASTM E8 测试协议兼容的适当测试过程。注意所使用的应变率, 以及两个速率, 一个为弹性, 一个为非弹性范围, 正在使用。另外, 在软件中设置任何适当的操作 (例如, 为了使机器停止15% 应变, 以便安全地移除计并记录达到的最大负载值)。
  3. 手动提高十字头, 使试样的全长适合在手柄之间容易。仔细地将试样插入顶部手柄, 使其握深80% 左右;将试样夹在手柄内, 稍微收紧, 以防止试样掉落。注: 在这个阶段, 不要收紧对其全部压力的控制。
  4. 慢慢地降低顶部横梁。一旦试样在底部抓握深度的80% 左右, 确保试样正确地对准底部手柄 (即, 在其完全打开的位置底部手柄, 标本应 "浮动" 在底部抓握打开的中间)。试样的错位在测试过程中会产生额外的弯曲和扭转应力, 是进行拉力试验时遇到的最常见的误差之一。如果对齐方式较差, 请与技术人员一起正确地对齐手柄。
  5. 通过手柄向试样施加适当的侧向压力, 以确保在测试过程中不会发生滑移。请注意, 在这一点上将有一个小的轴向负荷, 因为收紧过程中引入了对试样的预载;测试机器可能会进行软件调整以最小化此预加载。记录预加载值。
  6. 按照制造商的规格, 将电子计安全地连接到试样上。注: 计刀片不需要精确定位在标本上的量具标记上, 但应近似地以试样为中心。
  7. 仔细检查你是否已经正确执行了所有的程序, 直到这一点;如有可能, 请让主管核实样品是否已准备好进行测试。
  8. 开始加载, 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察在计算机显示器上应用负载的实时读数。注: 如果测量的负荷不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新附加。如果发生这种情况, 请停止测试, 然后从步骤2.3 重新启动。
  9. 在示例失败之前的某个时间, 测试将自动暂停, 而不卸载样本。此时, 移除计。如果标本打破了计的地方, 你会摧毁计, 一个非常昂贵的设备。
  10. 继续应用拉伸负载直到故障。当到达最大载荷时, 测量的载荷将开始减小。此时, 试样将开始颈缩, 最后的骨折应发生在这个颈区域内通过韧性撕裂。
  11. 测试结束后, 举起十字头, 松开顶部手柄, 从顶部抓地拉出碎片标本。一旦标本的上半部分被删除, 松开底部的抓地力, 并删除标本的另一半。
  12. 在最大拉伸载荷下记录值, 并打印应力应变曲线的副本。保存数字记录的数据。
  13. 小心地将破裂试样的两端合在一起, 并测量标尺标记与最近0.002 之间的距离。记录最后的测量长度。
  14. 测量试样的直径在最小的剖面到最近的0.002 英寸。
  15. 用图片和图表记录骨折标本。

3. 数据分析

  1. 计算每种金属材料的伸长率, 减少面积。
    伸长率 =Equation 2
    面积减少 =Equation 3
  2. 描述、分类和记录每个标本的主要断裂模式。
  3. 确定材料属性, 如图2和3所述。在电子表格中组织数据, 使应变计的应变达到 0.004, 在0.004 和0.15 之间由计 (计的上限是从测试中移除的应变值; 此值根据试样的变形能力)。
  4. 使用十字头位移和%elongation 估计极限应变。如果不使用应变计, 一定要纠正计的任何初始滑动。你可以计算图中的平方以获得韧性 (应力-应变曲线下的面积)。
  5. 使用教科书或其他适当的参考, 确定的弹性模量, 屈服强度, 和最终强度的材料使用。将已发布的值与测试结果进行比较。

钢是一个通用的术语, 铁合金与碳和其他元素, 如铬, 锰, 镍。

组合和加工方法的变化可以为汽车、桥梁和摩天大楼的建造量身定做, 只命名几乎无限可能的用途。

在设计安全的建筑物和结构时, 了解钢材对载荷的反应是很重要的。材料特性建模的一个基本工具是应力-应变曲线。

采用单轴拉伸试验研究了低碳钢和硬冷轧钢的弹性和非弹性行为, 分别代表了土木工程应用中抗拉强度的低、高限。

应力被定义为被应用的区域除以的力。应变是长度的变化除以初始长度。应力-应变曲线描述了材料的弹性和非弹性特性, 说明了钢铁材料如何响应应用力。

单轴拉伸试验通常用于研究应力和应变。在这个测试中, 机器慢慢地拉着样品的两端, 用更大的力量和测量产生的伸长。金属拉伸试验由 ASTM E8 描述, 它定义了试样的类型和尺寸、设备类型和要报告的数据。

应力-应变曲线揭示了试验材料的许多性质。其中, 弹性模量 (初始线性区域的斜率, 变形与荷载成正比), 韧性模量 (线性区域下的区域, 测量材料的吸收能量的能力而不产生永久性变形),比例极限 (曲线偏离线性的应力), 屈服点 (应力与应变突然下降或变化), 屈服高原 (在不增加应力的情况下, 变形迅速增加)。

钢是一种韧性材料。延性被定义为故障长度的变化除以初始长度。韧性是材料在骨折前吸收能量的能力。

现在我们了解了材料的一些基本特性, 让我们来看看在实验室中测量应力和应变的方法, 并研究这两种量之间的关系。

获得两种类型的钢的圆柱形试样, 一个温和的和热轧的, 如 A36, 和一个硬和冷轧, 如 C1018。

用卡尺测量试样中部附近几个部位的直径。把这些测量到最接近的第2000英寸。

下一步, 牢牢地握住标本。抄写约两英寸的量规长度。使标记清晰, 但很浅, 以避免造成应力集中, 可能导致骨折。测量实际有标记的标尺长度到最接近的第2000英寸。

最后, 安装应变仪。标本现在已经准备好进行测试了。

我们将使用一个通用的测试机器, 或 UTM, 以测量试样的拉伸性能。打开测试机并初始化该软件。设置适当的图形和数据采集参数, 然后选择与 ASTM E8 协议兼容的测试过程。

将低应变的应变率设为零到 5%, 并对高应力范围分别大于5%。这应该是接近0.05 英寸每分钟的初始加载和0.5 英寸每分钟5% 的应变。然后在软件中设置任何其他操作, 例如在计中停止机器5% 应变, 以在试样失效前将其卸下。

手动提高十字头, 使试样的全长适合在顶部和底部手柄容易。小心地将试样插入到顶部的手柄上, 大约80% 的抓地深度。将试样对准顶部手柄, 稍微收紧以防止试样掉落。慢慢地降低顶部横梁。一旦试样在底部抓地深度的80% 左右, 开始标本对准在底部手柄。试样应漂浮在完全打开的底部手柄的中心。通过手柄向试样施加侧向压力, 以确保在测试过程中不会发生滑动。注意, 拧紧过程会在试样上引入小轴向力。

使用该软件强制预加载以补偿此力并记录其值。根据制造商的指示, 将电子伸长仪安全地连接到试样上。计的叶片应大致以试样为中心。如果使用应变计, 请将其连接起来。

通过将拉伸载荷应用于试样开始测试。观察计算机显示器上应用负载的实时读数。为了确认试样没有滑过手柄, 确保测量的载荷呈线性增长。在示例失败之前的某个时间, 软件将自动暂停测试。将样品留在测试机中, 然后取出计。继续应用拉伸负载直到故障。当达到最大载荷时, 实测载荷开始减小。此时, 标本开始颈部。最后的断裂应发生在这个颈区域通过韧性撕裂。

测试结束后, 举起十字头, 松开顶部的抓地力, 并从它身上取出碎片。松开底部的抓地力, 取出标本的另一半。在最大拉伸载荷下记录值。保存记录的数据和应力应变曲线。

小心地将破裂试样的两端合在一起, 并测量标尺标记与最接近的第2000英寸之间的距离。记录最后的测量长度。最后, 测量试样的直径在最小的剖面到最接近的第2000英寸。

为确定材料性能, 首先对 A36 轻热轧钢的数据和 C1018 硬冷轧钢的数据进行了研究。

现在计算每个试样的伸长率, 知道最后的量规和初始的测量长度。用试样的最终直径和初始直径计算每个试样的面积减少量。在结果表中记录这些值。

其次, 利用实验应力-应变曲线计算其它材料参数。对两个试样的曲线进行快速比较, 表明它们具有非常不同的弹性和非弹性行为。从较低的应力水平更大的应变, A36 钢比 C1018 钢更柔软, 更韧性。

对于 A36 钢, 在失败的压力是约 58.6 kilopounds 每平方英寸, 大大高于标称值为 36.0 kilopounds 每平方英寸。最大应力约为每平方英寸 86.6 kilopounds, 应变约为20%。

这个放大的剧情显示一个向上屈服点在大约 58.6 kilopounds 每平方英寸和一个较低的屈服点在大约 56.8 kilopounds 每平方英寸。屈服高原的开始在这里也是可见的。应变计数据揭示了 A36 钢的线性弹性区, 其斜率被定义为每平方英寸约 29393 kilopounds 的杨氏模量。这个结果是非常接近的名义价值 2.9万 kilopounds 每平方英寸。

在数据偏离线性度的时候, 我们可以确定比例极限大约是每平方英寸的 55.58 kilopounds。为比较, 由于其应力-应变曲线的非线性, C1018 钢的比例极限很低。

结果从计盖子劳损5%。A36 钢的数据显示了塑性高原和应变硬化的开始, 曲线在2.7% 的应变下再次上升。相比之下, C1018 没有明确的屈服高原。

通过总结下表中两个钢样的测试结果, 完成数据分析。

温和热轧钢的伸长率在25到40% 之间。相比之下, 硬冷轧钢的伸长率仅为这一量的一半。伸长率是测量标记之间材料长度的平均值, 但几乎所有的变形都被局部地定位到断裂点周围的一个小区域。因此, 局部应变可能比平均值大得多。

两个标本的体格检查显示出他们失败的方式有很大差异, 对应于它们的应力-应变曲线的差异。

A36 钢有一个失效表面与材料在边缘逐渐最后变形和更大的伸长在低重音, 表明一个非常温和, 但韧性金属。

与此相反, C1018 钢有一个平坦的破坏面, 对应于突然断裂和更少的伸长在更高的应力, 高强度但低延性的特点。

让我们从应力与应变的关系的角度来看一下钢的一些常见应用。

土木工程师分析桥梁和建筑物的结构倒塌, 以改善未来的结构设计。这一过程导致了诸如多层建筑的轧制 i 型钢、桥梁焊接深板梁、高强度螺栓和紧固件等钢构件。每一个都要求不同类型的钢具有特定的强度和 ductilities, 通常首先通过检查其应力应变曲线来理解。

工程师们使用材料的应力应变特性来制造更安全的汽车。工程师们知道了车架的强度和延性, 以及它是如何在撞击力的作用下变形的, 因此可以设计出汽车的车身, 在碰撞过程中吸收能量, 并增加坠毁的几率。

你刚刚看了朱庇特对钢的应力应变特性的介绍。

你现在应该知道如何进行单轴拉伸试验来确定金属材料的拉伸性能, 以及如何分析典型钢的应力应变曲线。

谢谢收看!

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