Caractéristiques de contrainte-déformation des aciers

Structural Engineering
 

Overview

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

L’importance des matériaux au développement humain est clairement capturé par les classifications au début de l’histoire mondiale en périodes telles que l’âge de Pierre, âge du fer et l’âge du Bronze. La mise en place des processus pour produire des aciers dans le milieu des années 1800 Siemens et Bessemer est sans doute le plus important développement unique dans le lancement de la révolution industrielle qui a transformé une grande partie de l’Europe et des États-Unis dans la seconde moitié du 19ème siècle des sociétés agraires dans les sociétés urbaines et mécanisées d’aujourd'hui. L’acier, dans ses variations presque infinies, est tout autour de nous, de nos appareils de cuisine aux voitures, aux lignes de vie tels que les réseaux de transport d’électricité et les systèmes de distribution d’eau. Dans cette expérience, que nous nous pencherons sur le comportement de contrainte-déformation de deux types d’acier qui a lié la gamme généralement vue dans les applications de génie civil - de l’acier roulé très doux, chaud à froid difficile, roulé un.

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JoVE Science Education Database. Structural Engineering. Caractéristiques de contrainte-déformation des aciers. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Le terme acier est couramment utilisé pour désigner une matière qui est principalement de fer (Fe), souvent de l’ordre de 95 à 98 %. Fer pur est allotropique, avec une structure de (BCC) cubique corps centré à température ambiante qui se transforme en une structure de (FCC) cubique faces centrées au-dessus de 912° C. Les espaces vides dans la structure de la FCC et les imperfections dans la structure cristalline permettant pour les autres atomes, tels que les atomes de carbone (C), à être ajoutées ou supprimées par la diffusion des espaces interstitiels (ou vide). Ces ajouts et le développement subséquent des structures cristallines différentes, sont le résultat de chauffage et de refroidissement à différentes vitesses et températures, un processus appelé traitement thermique. Cette technologie a été connue pour plus de 2000 ans, mais gardée secret depuis de nombreuses années dans les applications telles que l’acier de Damas, qui utilisait le Wootz acier de l’Inde (≈300AD).

Si nous élargissons les cercles vides dans la structure de la FCC que les sphères commencent à toucher et couper un cube de base de cette structure atomique, le résultat est la maille. Sphères avec 41,4 % du diamètre d’atome de fer peuvent être ajoutés avant ces nouveaux domaines commencent à se toucher le fer ones. Atomes de carbone sont 56 % du diamètre du fer ones, donc la nouvelle structure se déforme comme des atomes de carbone sont introduits. Les propriétés de l’acier peuvent être manipulées en changeant la taille, la fréquence et la distribution de ces distorsions.

En fer forgé, un des prédécesseurs plus utiles de l’acier, a une teneur en carbone supérieure à 2 %. Il s’avère que la teneur en carbone optimal pour des applications civiles, les aciers est la gamme de 0,2 à 0,5 %. Beaucoup du processus de traitement métallurgique début visaient à ramener les teneurs en carbone dans ces niveaux dans des volumes qui étaient économiques à produire. Le procédé Bessemer aux USA et le processus de Siemens en Grande-Bretagne sont deux des exemples plus réussis de ces techniques au début. Les plus couramment utilisés aujourd'hui sont le four à arc électrique et le four basique à oxygène. En plus de carbone, les aciers plus modernes contiennent manganèse (Mn), chrome (Cr), molybdène (Mo), cuivre (Cu), nickel (Ni) et autres métaux en petites quantités pour améliorer la force, la déformabilité et la ténacité. Un exemple simple de l’effet de ces alliages sur les propriétés mécaniques est ce qu’on appelle carbone équivalent (CE) :

Equation 1

Le marquage CE est un indice utile pour déterminer la soudabilité d’un acier particulier ; en règle générale, un CE < 0,4 % est représentatif de l’acier qui est soudable. Comme nombre de connexions dans les structures métalliques est réalisé par soudure, c’est un indice utile de se rappeler lors de la spécification des matériaux pour la construction.

Tel que mentionné dans la vidéo de JoVE concernant « constantes de matériau » , pour des fins de modélisation, nous avons besoin d’établir un lien entre le stress et les souches. La meilleure description simple du comportement des matériaux est donnée par une courbe de contrainte (Fig.1). À la suite de problèmes de flambement lors du chargement en compression et en difficultés dans une matière uniformément dans plus d’une direction de chargement, un essai de traction uniaxial est généralement exécuté pour déterminer une courbe contrainte-déformation. Ce test fournit des informations de base sur les principales caractéristiques techniques principalement des matériaux métalliques homogènes.

Le test de tension typique est décrite par ASTM E8. ASTM E8 définit le type et taille de l’échantillon d’essai à utiliser, utilisation d’équipement typique et données déclarées pour un test de tension métallique.

Figure 1
Figure 1 : Courbe contrainte-déformation à faible teneur en carbone.

Puisque nous devons mesurer grâce à très grandes déformations plastiques, la mesure de la déformation ne peut pas toujours être faite avec jauges de contrainte sur toute la gamme de déformation (jusqu'à 40 %) ; la colle échouera presque toujours avant les ruptures de spécimen. Un extensomètre, qui comprend un petit C-cadre avec bras en porte-à-faux instrumenté avec des jauges de contrainte et correctement calibré, est généralement utilisé jusqu'à environ 20 %. L’extensomètre étant un instrument coûteux et délicat, il doit être retiré avant les spécimen de fractures ; le test sera arrêté et l’extensomètre supprimé peu de temps après que le spécimen atteint sa tension maximale et la déformation maximale estimée de marques sur le spécimen.

Les principales propriétés d’intérêt sont (Fig. 2) :

Limite proportionnelle : La limite proportionnelle est la contrainte maximale pour laquelle le stress reste linéairement proportionnelle à la contrainte, c'est-à-dire pour lequel Loi de Hooke est strictement applicable () vidéo - JoVE « Matériel Constants »). Cette valeur est généralement déterminée en observant les changements dans le taux de stress lorsque le test est exécuté dans des conditions de vitesse constante à croisillon. Dans la gamme élastique linéaire, le taux de stress est proportionnel à la vitesse de déformation et est, idéalement, constant. Comme le matériel commence à plastifier, comme en témoigne une augmentation de la vitesse de déformation, le taux de stress commence à décroître. La limite proportionnelle est prise sous la contrainte lorsque le taux de contrainte initiale commence à diminuer.

Élasticité : Beaucoup de métaux présentent une forte élasticité ou le stress au cours de laquelle les souches continuent d’augmenter rapidement sans aucune augmentation du stress. Ceci est démontré par une ligne horizontale, ou céder le plateaudans la courbe contrainte-déformation. L’élasticité correspond grosso modo à la charge duquel feuillet commence à se produire dans les grilles atomiques. Ce feuillet est déclenché en parvenant à une force de cisaillement critique et est beaucoup plus faible que peut calculer à partir des premiers principes en raison des nombreuses imperfections dans la structure cristalline. Dans certains matériaux, tels que l’acier doux testés dans cette expérience, il y a une diminution faible mais perceptible dans le stress avant que le matériel a atteint le plateau de rendement, donnant lieu à des points de rendement inférieuret supérieur . Pour les matières qui ne présentent pas un point de rendement clairs, un équivalent limite conventionnelle d’élasticité est utilisé. Nous allons examiner cette définition en détail dans la vidéo de JoVE concernant « Stress souche caractéristiques d’aluminium », qui traite de ces propriétés en aluminium.

Figure 2
Figure 2 : Définitions des variables aux faibles déformations.

Module d’élasticité : Le module d’élasticité d’un matériau est défini comme étant la pente de la partie linéaire du diagramme contrainte-déformation tel qu’illustré à la Fig. 2. Cette propriété a été discutée dans la vidéo de JoVE concernant « constantes de matériau ». E est un nombre relativement élevé : 30 x 106 psi (210Gpa) pour l’acier ; 10 x 106  psi (70 GPa) pour l’aluminium ; 1.5 x 106 lb/po2 (10,5 GPa) pour le chêne ; et 0,5 x 106  psi (3.5 GPa) pour plexiglas.

Module de résistance : Le module de la résilience est la zone située sous la partie élastique du diagramme contrainte-déformation et a des unités d’énergie par unité de volume. Le module de résistance mesure la capacité d’un matériau à absorber l’énergie sans subir des déformations permanentes.

Module d’écrouissage : Comme le glissement, ou mouvements de dislocation, qui a déclenché le plateau de rendement commencent à atteindre les joints de grain (ou les zones où les réseaux sont orientés à des angles différents), les dislocations commencent à « empiler », et de l’énergie supplémentaire est nécessaire pour propager leur mouvement dans les autres céréales. Cela conduit à un raidissement dans le comportement de contrainte, même si le module d’écrouissage est généralement au moins un ordre de grandeur en dessous d’Young.

Résistance à la traction : C’est la valeur maximale de la contrainte technique atteinte lors de l’essai et se produit peu de temps avant que ne commence le spécimen au cou (ou modification de zone) sensiblement (Fig. 3).

Souche maximum : Cette valeur est considérée comme la valeur de la déformation lorsque le spécimen des fractures. Puisque l’extensomètre a généralement été supprimé au moment où nous arrivons à ce point dans le test et la déformation a localisé (striction) dans une très courte distance le long de la longueur de l’échantillon, cette valeur est très difficile de mesurer expérimentalement. Pour cette raison, aussi bien une élongation uniforme et un allongement pour cent sont souvent utilisés lors de la spécification des matériaux plutôt qu’une valeur maximale de la souche.

Figure 3
Figure 3 : Définitions aux grandes déformations.

Uniforme élongation : L’allongement pour cent est défini comme l’allongement pour cent (changement de longueur longueur/original) du spécimen, juste avant la striction se produit.

Allongement pour cent : Généralement deux marques, nominalement à 2 po de distance, sont faites sur l’échantillon avant l’essai. Après l’essai, les deux morceaux du spécimen fracturé sont mis en place autant que possible, et la déformation finale entre les marques est remesurée. Il s’agit d’une façon brute, mais utile de préciser un allongement minimal pour les matériaux dans un contexte de génie.

Pourcentage zone : De la même façon à un allongement de pourcentage, il est possible essayer de faire une mesure de la surface finale du spécimen fracturé. En divisant la force juste avant la rupture de ce domaine, il est possible d’obtenir une idée de la véritable force du matériau.

Dureté : La dureté est définie comme étant la surface totale sous le diagramme contrainte-déformation. C’est une mesure de la capacité d’un matériau à subir avant de déformations de grande envergure, permanentes à la cassure. Ses unités sont les mêmes que ceux pour le module de la résilience.

Les propriétés décrites ci-dessus peuvent être utilisées pour évaluer la façon dont un matériau donné sera conforme aux critères de performance présentées dans la vidéo de JoVE concernant « constantes de matériau ». Dans la mesure où la sécurité est concernée, les caractéristiques de capacité de résistance et de déformation sont essentiels ; ces caractéristiques sont généralement regroupés sous le terme de ductile comportement. Comportement ductile implique qu’un matériau sera rendement et être capable de maintenir sa force sur un régime de grandes déformations plastiques. Une grande dureté est souhaitable, ce qui en pratique signifie qu’une structure donnera des signes de défaillance imminente, par exemple très grandes déformations visibles avant un effondrement catastrophique ne survienne, permettant à que ses occupants le temps d’évacuer la structure.

En revanche, les matériaux qui présentent un comportement fragile , échouera généralement de manière soudaine et catastrophique. C’est le cas de matériaux cementatious et en céramique, qui montrent la faible capacité de résistance à la traction. Une poutre en béton va échouer de cette façon parce qu’elle est très faible en traction. Pour remédier à cet écueil, on place des ronds en acier dans la région de traction des poutres en béton, en les transformant en poutres en béton armé.

Il est important de réaliser que le comportement fragile et ductile n’est pas un comportement inhérent. Comme nous allons le voir dans la vidéo de JoVE concernant « essai de dureté Rockwell », en soumettant un acier au carbone qui est ductile à température ambiante et sous une contrainte faible chargement des conditions tarifaires à souche très rapide de chargement condition (impact) à basse température peut aboutir à comportement fragile. En outre, il est important de reconnaître que certains matériaux, par exemple, en fonte, peut être très fragiles en tension, mais ductile en compression.

Deux autre caractéristique matérielle importante qui doivent être définis à ce stade, car ils influencent nos choix de matériaux, modélisation, sont isotropie et homogénéité. Un matériau est dit isotrope si ses propriétés élastiques sont les mêmes dans toutes les directions. Plupart des matériaux génie sont faits de cristaux qui est petites par rapport aux dimensions de l’ensemble du corps. Ces cristaux est orientés au hasard, donc statistiquement le comportement du matériau peut être considéré comme isotrope. Autres matériaux, comme le bois et autres matières fibreuses, peut avoir des propriétés élastiques semblables dans deux directions seulement (orthotropes) ou dans les trois directions (anisotrope).

En revanche, un matériau est considéré comme homogène si ses propriétés élastiques sont les mêmes dans tout le corps. Pour la conception, la plupart des matériaux de construction sont supposés aussi homogènes. Ceci est valable même pour les matériaux comme le béton qui ont différentes phases (mortier et pierres), comme nous parlons généralement caractérisant des quantités beaucoup plus grandes, qui peuvent être considéré comme statistiquement homogènes.

Procedure

Tension stable de spécimens en acier

Le but de cette expérience :

  • Afin de familiariser les élèves avec le test de laboratoire standard pour déterminer les propriétés de traction des matériaux métalliques dans n’importe quelle forme (ASTM E8),
  • Pour comparer les propriétés de couramment utilisée d’ingénierie des matériaux métalliques (acier et aluminium), et
  • Pour comparer les propriétés testées des métaux aux valeurs publiées.

On supposera qu’une machine d’essai universelle (UTM) avec contrôle de déformation et de capacités d’acquisition de tests et données associées est disponible. Conformément aux procédures recommandées étape par étape pour effectuer des essais de traction fournis par le fabricant de l’UTM, accordant une attention particulière pour les consignes de sécurité. Ne pas aller de l’avant si vous êtes incertain au sujet de n’importe quelle étape et clarifier les doutes avec votre instructeur de laboratoire, que vous pouvez blesser gravement vous-même ou votre entourage si vous ne suivez pas les précautions adéquates. En outre, assurez-vous que vous connaissez toutes les procédures d’arrêt d’urgence et que vous êtes familier avec le logiciel de gestion de la machine.

La procédure ci-dessous est générique et est destinée à couvrir les mesures les plus importantes ; Il peut y avoir des écarts significatifs de lui selon l’équipement disponible.

1. préparer des échantillons :

  1. Obtenir des éprouvettes cylindriques pour les deux aciers, un doux et chaud roulé (par exemple A36) et un dur et froid roulées (par exemple un C1018).
  2. Mesurer le diamètre de l’éprouvette à la plus proche po 0,002 à plusieurs endroits près du milieu à l’aide d’un pied à coulisse.
  3. Maintenir le spécimen et marquer, à l’aide d’un fichier, une longueur de gage approximative de 2 po. Remarque : Noter la longueur de gage avec soin afin qu’il soit clairement gravé, mais pas si profonde quant à devenir une concentration de contrainte qui peut conduire à la pour cassure.
  4. Mesurer la véritable longueur de gage à la po 0,002 plus proche à l’aide d’un pied à coulisse a marqué.
  5. Si possible installer un extensomètre comme décrit dans JoVE vidéo sur « Constantes de matériau ».
  6. Recueillir toutes les informations disponibles sur les données d’étalonnage et de la résolution de tous les instruments utilisés pour évaluer les erreurs expérimentales possibles et les limites de confiance. Ces deux questions sont essentielles à l’obtention de résultats significatifs, mais dépassent la portée de ce qui est discuté ici.

2. les échantillons d’essai :

  1. Allumez la machine d’essai et initialiser le logiciel. Assurez-vous que vous avez le programme d’installation toute capacités d’acquisition de graphique et les données appropriées au sein du logiciel. Au minimum, afficher la courbe contrainte-déformation et possèdent des afficheurs pour la charge et la souche.
  2. Sélectionnez des tests appropriés au sein du logiciel qui est compatible avec le protocole d’essai ASTM E8. Notez la vitesse de déformation utilisée et si deux taux, un pour l’élastique et un pour la plage d’inélastique, sont utilisés. Définissez également toutes les mesures appropriées dans le logiciel (par exemple, pour la machine à s’arrêter au 15 % de déformation, afin de retirer l’extensomètre et d’enregistrer la valeur maximale de charge est atteinte.).
  3. Relever manuellement la traverse tel que toute la longueur de l’échantillon se glisse facilement entre les poignées. Insérez avec précaution le spécimen dans les poignées supérieurs à environ 80 % de la profondeur de la poignée ; aligner le spécimen à l’intérieur des poignées et serrer légèrement, afin d’empêcher la chute de l’échantillon. Remarque : Ne pas serrer la poignée de sa pleine pression à ce stade.
  4. Abaissez lentement la traverse supérieure. Une fois l’échantillon se trouve environ 80 % de la profondeur du fond grip, assurez-vous que le spécimen est correctement aligné dans les poignées du bas (c'est-à-dire avec les poignées du bas en position complètement ouverte, le spécimen doit « flotter » au milieu de l’ouverture de poignée inférieure). Désalignement de spécimen, qui se traduira par des contraintes de flexion et de torsion supplémentaires au cours des essais, est l’une des erreurs plus courantes rencontrées lorsqu’on effectue des tests de tension. Si l’alignement est pauvre, travailler avec un technicien pour aligner correctement les poignées.
  5. Appliquer une pression latérale appropriée au modèle à travers les poignées pour s’assurer qu’aucun glissement se produit au cours des essais. Notez qu’il y aura une petite charge axiale à ce stade, que le processus de serrage introduit une précharge dans l’échantillon. les machines d’essai peuvent avoir des ajustements logiciels pour minimiser cette précharge. Enregistrez la valeur de précharge.
  6. Fixez solidement l’extensomètre électronique au modèle selon les spécifications du fabricant. Remarque : Les lames de l’extensomètre n’ont pas besoin d’être positionnée exactement sur les marques de gage sur l’échantillon, mais devraient être centrés sur le spécimen.
  7. Vérifiez soigneusement que vous avez correctement exécuté toutes les procédures jusqu'à ce point ; Si possible, avoir un superviseur vérifier si l’échantillon est prêt à être testé.
  8. Démarrer le chargement pour commencer à appliquer l’effort de traction au modèle de formulaire et observez la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Remarque : Si la charge mesurée n’augmente pas, le spécimen est glissant à travers les poignées et a besoin d’être remis en place. Si cela se produit, arrêter l’essai et recommencer à nouveau à l’étape 2.3.
  9. Quelque temps avant la rupture de l’échantillon, le test sera automatiquement suspendu sans décharger le spécimen. À ce stade, retirez l’extensomètre. Si le spécimen rompt avec l’extensomètre en place, vous détruirez l’extensomètre, une pièce très coûteuse d’équipement.
  10. Reprendre l’application de la charge de traction jusqu'à la défaillance. En arrivant à la charge maximale, les charges mesurées vont commencer à diminuer. À ce stade, le spécimen commencera striction et rupture finale doit se produire dans cette région à col à travers la déchirure ductile.
  11. Une fois le test terminé, soulever la traverse, desserrer les poignées supérieurs et retirez le morceau de spécimen de la poignée supérieure. Une fois la moitié supérieure de l’éprouvette est enlevée, desserrez la poignée de fond et enlever l’autre moitié de l’échantillon.
  12. Enregistrez la valeur à l’effort de traction maximal et imprimer une copie de la courbe contrainte-déformation. Enregistrer les données enregistrées numériquement.
  13. Soigneusement, assembler les extrémités de l’échantillon fracturé et mesurez la distance entre les marques en gage à la plus proche à 0,002. Enregistrer la longueur finale de gage.
  14. Mesurer le diamètre de l’échantillon à la section plus petite à la plus proche à 0,002.
  15. Le document le spécimen fracturé avec photos et schémas.

3. analyse des données

  1. Calculer le % d’allongement et réduction de la superficie pour chaque type de matériau métallique.
    allongement =Equation 2
    réduction de la superficie =Equation 3
  2. Décrire, classer et enregistrer le mode de fracture prédominante pour chaque échantillon.
  3. Déterminer les propriétés des matériaux tel que décrit dans les Fig. 2 et 3. Organiser les données dans une feuille de calcul telle que la souche jusqu'à 0,004 est donnée par l’extensomètre et entre 0,004 et 0,15 par l’extensomètre (limite supérieure de l’extensomètre est la valeur de la déformation au cours de laquelle il a été retiré de l’épreuve, cette valeur change selon le la capacité de déformation de l’échantillon).
  4. Utilisez l’allongement cruciformes de déplacement et % pour estimer la souche ultime. Si un extensomètre n’est pas utilisée, n’oubliez pas de corriger pour n’importe quel glissement initial de l’extensomètre. On peut compter les places dans le graphique pour obtenir la dureté (aire sous la courbe contrainte-déformation).
  5. En utilisant un manuel ou autre mention appropriée, déterminer le module d’élasticité, limite d’élasticité et résistance à la traction des matériaux utilisés. Comparez les valeurs publiées pour les résultats des tests.

L’acier est un terme général pour fer allié au carbone et d’autres éléments comme le manganèse, le chrome et le nickel.

Les variations dans les méthodes de composition et de traitement peuvent adapter ses propriétés pour la construction des voitures, des ponts et gratte-ciel, pour n’en ne nommer que quelques unes des utilisations possibles presque infinies.

Il est important de comprendre la réponse de l’acier à charger lors de la conception des installations et des bâtiments sûrs. Un outil fondamental pour la modélisation des caractéristiques des matériaux est la courbe contrainte-déformation.

Nous allons utiliser l’essai de traction uniaxial pour étudier le comportement élastique et inélastique d’un acier laminé à chaud et un acier laminé à froid difficile, qui représentent les limites hautes et basses respectivement de résistance à la traction dans les applications de génie civil.

Stress se définit comme la force divisée par l’aire sur laquelle il est appliqué. Déformation est le changement de longueur divisée par la longueur initiale. Courbes contrainte-déformation décrivent les propriétés élastiques et inélastiques des matériaux en montrant comment un matériau comme acier répond à appliqué de force.

L’essai de traction uniaxiale est généralement utilisé pour l’étude de contrainte et de déformation. Dans ce test, une machine lentement tire les extrémités d’un échantillon avec une plus grande et une plus grande force et mesure l’allongement qui en résulte. Le test de tension métallique est décrite par ASTM E8, qui définit le type et la taille de l’échantillon, le type de matériel et les données à déclarer.

La courbe contrainte-déformation révèle de nombreuses propriétés du matériau soumis à l’essai. Parmi eux, module d’élasticité (la pente de la zone linéaire initiale, où la déformation est proportionnelle à la charge), module de résilience (la zone sous la région linéaire, qui mesure la capacité d’un matériau à absorber l’énergie sans déformation permanente), la limite proportionnelle (le stress au point de la courbe s’écarte de linéarité), points de rendement (où stress contre la souche soudainement diminue ou modifications) et plateau de rendement (où déformation augmente rapidement sans augmenter le stress).

L’acier est un matériau ductile. La ductilité est définie comme la variation de longueur à la rupture divisée par la longueur initiale. Endurance est la capacité d’un matériau à absorber l’énergie avant elle des fractures.

Maintenant que nous comprenons que certaines des caractéristiques fondamentales des matériaux, nous allons étudier une méthode pour mesurer le stress et la fatigue en laboratoire et d’étudier la relation entre ces deux quantités.

Obtenir des éprouvettes cylindriques pour deux types d’acier, un doux et laminées à chaud, tels que de l’A36 et un dur et laminées à froid, tels que C1018.

Utiliser un pied à coulisse pour mesurer le diamètre en plusieurs endroits près de la moitié de l’échantillon. Prendre ces mesures pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Ensuite, tenir le spécimen fermement. Tracer une longueur entre repères d’environ deux pouces. Préciser la marque mais très peu profonde pour éviter entraîne une concentration de contrainte qui peut conduire à se fracturer. Mesurer la réelle marquée entre repères pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Enfin, installer une jauge de contrainte. Le spécimen est maintenant prêt à être testé.

Nous utiliserons un universel essais machine ou UTM, pour mesurer les propriétés de traction des spécimens. Allumez la machine d’essai et initialiser le logiciel. Mettre en place un graphique approprié et paramètres d’acquisition de données, puis sélectionnez un mode opératoire qui est compatible avec le protocole ASTM E8.

Les vitesses de déformation réglée pour les souches basses zéro à 5 % et pour la grande souche de gammes supérieures à 5 % respectivement. Ceux-ci doivent être à proximité de 0,05 pouces par minute pour le chargement initial et 0,5 pouces par minute après 5 % de déformation. Puis définir des mesures supplémentaires dans le logiciel, telles que l’arrêt de la machine à 5 % de déformation dans l’extensomètre de l’enlever avant la défaillance de l’échantillon.

Manuellement lever la traverse toute la longueur de l’échantillon se glisse facilement entre les mâchoires supérieure et inférieure. Insérez avec précaution le spécimen dans la poignée supérieure à environ 80 % de la profondeur de la poignée. Aligner le spécimen à l’intérieur de la poignée supérieure et serrer légèrement pour empêcher la chute de l’échantillon. Abaissez lentement la traverse supérieure. Une fois que le spécimen est dans environ 80 % de la profondeur du fond grip, commencer alignement du spécimen dans les poignées du bas. Le spécimen doit flotter dans le centre de la poignée de fond entièrement ouverts. Appliquer une pression latérale au modèle à travers les poignées pour s’assurer qu’aucun glissement se produit au cours des essais. Note le processus de serrage introduit une petite force axiale sur l’échantillon.

Le logiciel permet d’imposer une précharge pour compenser cette force et noter sa valeur. Fixer solidement les extensomètres électroniques de l’échantillon selon les instructions du fabricant. Les lames de l’extensomètre devraient être centrés sur le spécimen. Si on utilise une jauge de contrainte, branchez-le.

Commencer le test en appliquant la charge de traction à l’échantillon. Observer la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Pour confirmer que l’échantillon n’est pas glissant à travers les poignées, assurez-vous que la charge mesurée augmente linéairement. Quelque temps avant la défaillance de l’échantillon, le logiciel se met automatiquement en pause le test. Laisser l’échantillon sur la machine et retirer l’extensomètre. Reprendre l’application de la charge de traction jusqu'à la défaillance. En arrivant à la charge maximale, les charges mesurées commencent à diminuer. À ce stade, le spécimen commence à l’encolure. Rupture finale devrait avoir lieu dans cette région à col à travers la déchirure ductile.

Fois l’épreuve terminée, soulever la traverse, desserrez la poignée supérieure et retirez le morceau de spécimen. Desserrer l’étau de fond et enlever l’autre moitié de l’échantillon. Reporter la valeur à l’effort de traction maximal. Enregistrer les données enregistrées et la courbe contrainte-déformation.

Avec précaution, assembler les extrémités de l’échantillon fracturé et mesurez la distance entre les repères de mesure pour le 2000e plus proche d’un pouce. Enregistrer la longueur finale. Enfin, mesurer le diamètre de l’échantillon à la plus petite section pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Pour déterminer les propriétés des matériaux, tout d’abord prendre un regard sur les données de l’A36 doux en acier laminées à chaud et les données pour acier dur laminé à froid C1018, respectivement.

Maintenant calculer l’allongement pour cent pour chaque échantillon, sachant la jauge finale et la première longueur de jauge. Calculer la réduction de la superficie pour chaque échantillon, en utilisant le diamètre final et le diamètre initial de l’échantillon. Enregistrez ces valeurs dans un tableau de résultats.

Puis, calculez d’autres paramètres du matériau en utilisant les courbes expérimentales de contrainte-déformation. Une comparaison rapide de ces courbes pour les deux spécimens montre leurs comportements élastiques et inélastiques très différents. De la souche beaucoup plue à des niveaux inférieurs du stress, l’acier A36 est plus doux et beaucoup plus malléable que l’acier C1018.

Pour l’acier de l’A36, la contrainte à la rupture est environ 58,6 kilopounds par pouce carré, sensiblement supérieur à la valeur nominale de 36,0 kilopounds par pouce carré. Contrainte maximale est environ 86,6 kilopounds pouce carré à une souche d’environ 20 %.

Ce complot agrandi montre un point de rendement à la hausse à environ 58,6 kilopounds par pouce carré et un rendement inférieur à environ 56,8 kilopounds par pouce carré. Début du plateau du rendement est également visible ici. Données de jauge de contrainte révèlent une région élastique linéaire pour l’acier de l’A36 avec une pente définie dans le module de Young d’environ 29 393 kilopounds par pouce carré. Ce résultat est très proche de la valeur nominale de 29 000 kilopounds par pouce carré.

Au point où les données s’écarte de la linéarité, nous pouvons déterminer que la limite proportionnelle est environ 55,58 kilopounds par pouce carré. Pour comparaison, en raison de la non linéarité de la courbe contrainte-déformation, l’acier C1018 a une très faible concentration maximale proportionnelle.

Les résultats de l’extensomètre couvre la souche jusqu'à 5 %. Données pour l’acier A36 montrent le plateau en plastique et le début d’écrouissage où la courbe s’élève encore à une souche d’environ 2,7 %. En revanche, le C1018 n’a aucun plateau de rendement clairs.

Terminer l’analyse des données en résumant les résultats du test pour les deux échantillons d’acier dans le tableau suivant.

L’allongement de l’acier doux laminé à chaud est de l’ordre de 25 à 40 %. En revanche, l’allongement de l’acier laminé à froid dur est seulement la moitié de ce montant. L’allongement pour cent est une valeur moyenne de la longueur du matériel entre les repères de mesure, mais la quasi-totalité de la déformation est localisée dans une petite région autour du point de rupture. Par conséquent, la souche locale pourrait être beaucoup plus grande que la moyenne.

L’examen physique des deux spécimens montrent de grandes différences dans la façon dont ils échouent, correspondant à des différences dans leurs courbes de contrainte-déformation.

L’acier A36 a une surface de rupture avec le matériel aspiré à la jante pendant la déformation finale progressive et grand allongement à contraintes inférieures, indiquant un métal très doux mais ductile.

En revanche, l’acier C1018 a une surface de rupture plat, correspondant à la rupture soudaine et beaucoup moins allongement à plu élevé souligne, caractéristiques de haute résistance mais faible ductilité.

Regardons quelques applications communes d’acier sous l’angle de la relation entre le stress et la fatigue.

Ingénieurs civils analyse structurelles effondrements de ponts et de bâtiments afin d’améliorer les futures conceptions structurales. Ce processus a mené aux composants tels que l’acier laminé de poutres en I pour les bâtiments de plusieurs étages, soudé profond-je-poutres de ponts et les boulons haute résistance et les attaches. Chacun nécessite différents types d’acier avec forces spécifiées et ductilities, souvent d’abord entendus par un examen de leurs courbes de contrainte-déformation.

Ingénieurs utilisent les caractéristiques de contrainte-déformation des matériaux pour rendre les voitures plus sûres. Connaissant la résistance et ductilité de l’armature et comment il se déforme en réponse aux forces d’impact, ingénieurs peuvent concevoir des corps d’une automobile à absorber l’énergie au cours de la collision et augmenter les chances de survivre à un crash.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux caractéristiques contrainte-déformation de l’acier.

Vous devriez maintenant savoir comment effectuer un essai de traction uniaxial afin de déterminer les propriétés de traction des matériaux métalliques et comment analyser les courbes effort-déformation pour aciers typiques.

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Results

Des mesures (Fig. 5 et tableau 1), un acier doux peut-être avoir des allongements de l’ordre de 25 % à 40 %, tandis que l’acier plus dur peut être la moitié de celle. Il est important de noter que presque tous la déformation est localisée dans un petit volume et donc l’allongement % est seulement une moyenne ; localement, la souche pourrait être beaucoup plus élevée. Notez également que la réduction de % du secteur est également une mesure très difficile à faire car les surfaces sont inégaux ; ainsi, cette valeur varie considérablement.

Spécimen A36 C1018 dans.
% Élongation 33,3 17.3 %
Réduction des zones % 54,3 50.1 %
Résistance à la traction d’élasticité 58,6 73,0 ksi
Résistance à la traction 86,6 99,9 ksi
Contrainte à la rupture 58,6 86,7 ksi
Module d’élasticité 29393 29362 ksi

Le tableau 1. Essai en acier Sommaire.

Figure 4
Figure 4 : Typique ductile (image de gauche) et fragile (image de droite) surface de rupture.

En général, ceux-ci varieront d’une fracture de cisaillement ductile (coupe-cône), tels qu’attendues d’un échec comme celui montré sur la Fig. 4, d’une fracture de clivage fragile. Résultats graphiques typiques pour les courbes contrainte-déformation complète sont indiqués dans la Fig. 5. Noter les très grandes différences dans les caractéristiques de contrainte-déformation, gamme de l’acier très doux mais ductile A36 à une très forte mais non ductile C1018. Notez que les deux sont appelées conventionnellement en acier, mais leur performance est nettement différente.

Figure 5
Figure 5 : Courbe contrainte-déformation finale.

Applications and Summary

Cette expérience décrit comment faire pour obtenir une courbe contrainte / déformation pour acier typique. Différences dans les courbes effort-déformation remonte à une différence dans le traitement (p. ex., écrouissage vs laminage à chaud) et la composition chimique (par exemple, le pourcentage de carbone et d’autres alliages). Les tests ont montré que la faible émission de carbone acier est un matériau très ductile lors du chargement en traction uniaxiale.

Il est toujours pertinent de comparer les résultats expérimentaux aux valeurs publiées. Ces derniers représentent généralement une valeur minimale de la spécification basée sur la limite de confiance de 95 %, il est donc probable que n’importe quelle valeur de résistance tabulé sera dépassé lors de l’essai, habituellement par une marge de 5 % à 15 %. Cependant, les valeurs beaucoup plus élevées sont possibles, comme matériaux ont tendance à être classé vers le bas, s’ils ne respectent pas certaines exigences de la spécification. Les valeurs de souche vont généralement être proches de ceux publiés. Le module d’élasticité, d’autre part, ne devrait pas varier significativement. Si la valeur de E n’est pas proche de celle publiée, un réexamen par le biais des sources d’erreur doit être effectué. Par exemple, l’erreur peut être due au glissement de l’extensomètre, calibrage incorrect de la cellule de pesage ou extensomètre, mauvaises tensions d’entrée dans les capteurs, paramètres mal entrés dans le logiciel, pour ne citer que quelques uns.

L’acier est un matériau utilisé dans l’industrie de la construction. Ses applications comprennent :

  • Laminés en acier en I sections structurales couramment utilisées dans les immeubles de plusieurs étages classiques parce qu’il est facile de préfabriquer et connecter les composants, gain de temps dans le processus de construction.
  • Soudé assiette creuse j’ai poutres utilisés dans les ponts, où les sections sont construites par soudure d’araignées raidies profondes, minces et épaisses brides. Cela met la plupart du matériel dans sa position la plus utile (les brides), optimisation de la conception pour la résistance et la rigidité et réduire le coût global du projet.
  • Boulons et attaches utilisés dans des connexions, où généralement haute résistance et ductilité modérée sont requises. Ces attaches sont utilisés dans les myriades de produits allant des voitures aux appareils ménagers.

L’application la plus importante de la tension de test décrit ci-après est en cours de contrôle de la qualité dans la fabrication de l’acier, l’aluminium et des métaux semblables utilisés dans l’industrie de la construction. Les normes ASTM exigent que ces tests sur des échantillons représentatifs de chaque coulée d’acier, et ces résultats doivent être traçables aux repères établis. La sécurité du public est intimement liée à s’assurer que ce type de procédure de contrôle de la qualité est normalisé et suivi. Mauvaise qualité dans des matériaux de construction et l’absence de ductilité au matériel et au niveau structurel, sont la cause la plus fréquente des effondrements pendant et après les tremblements de terre et des catastrophes naturelles similaires. Manque de force dans des parties importantes ont conduit à l’échec du pont I-35W à Minneapolis en 2007 et l’utilisation de matériaux non conformes aux normes sont à l’origine d’un grand nombre des effondrements qui se produisent dans les pays en développement, telle celle qui a repris un millier de vies en 2013 quand la S avar bâtiment s’est effondré à Dhaka (Bangladash).

Sur une base quotidienne, on peut citer l’exemple de l’industrie automobile, ce qui profite grandement de connaître le comportement de contrainte-déformation de l’acier et autres matériaux lors de la conception des voitures pour effectuer en toute sécurité et efficacement en cas de choc. En concevant des voitures qui ont la force dans certaines régions, tout en permettant à la souche et la ductilité dans d’autres régions, les fabricants peuvent créer meilleure gestion de l’accident, mais seulement si ils peuvent deviner avec précision les caractéristiques de contrainte-déformation de chaque partie.

Tension stable de spécimens en acier

Le but de cette expérience :

  • Afin de familiariser les élèves avec le test de laboratoire standard pour déterminer les propriétés de traction des matériaux métalliques dans n’importe quelle forme (ASTM E8),
  • Pour comparer les propriétés de couramment utilisée d’ingénierie des matériaux métalliques (acier et aluminium), et
  • Pour comparer les propriétés testées des métaux aux valeurs publiées.

On supposera qu’une machine d’essai universelle (UTM) avec contrôle de déformation et de capacités d’acquisition de tests et données associées est disponible. Conformément aux procédures recommandées étape par étape pour effectuer des essais de traction fournis par le fabricant de l’UTM, accordant une attention particulière pour les consignes de sécurité. Ne pas aller de l’avant si vous êtes incertain au sujet de n’importe quelle étape et clarifier les doutes avec votre instructeur de laboratoire, que vous pouvez blesser gravement vous-même ou votre entourage si vous ne suivez pas les précautions adéquates. En outre, assurez-vous que vous connaissez toutes les procédures d’arrêt d’urgence et que vous êtes familier avec le logiciel de gestion de la machine.

La procédure ci-dessous est générique et est destinée à couvrir les mesures les plus importantes ; Il peut y avoir des écarts significatifs de lui selon l’équipement disponible.

1. préparer des échantillons :

  1. Obtenir des éprouvettes cylindriques pour les deux aciers, un doux et chaud roulé (par exemple A36) et un dur et froid roulées (par exemple un C1018).
  2. Mesurer le diamètre de l’éprouvette à la plus proche po 0,002 à plusieurs endroits près du milieu à l’aide d’un pied à coulisse.
  3. Maintenir le spécimen et marquer, à l’aide d’un fichier, une longueur de gage approximative de 2 po. Remarque : Noter la longueur de gage avec soin afin qu’il soit clairement gravé, mais pas si profonde quant à devenir une concentration de contrainte qui peut conduire à la pour cassure.
  4. Mesurer la véritable longueur de gage à la po 0,002 plus proche à l’aide d’un pied à coulisse a marqué.
  5. Si possible installer un extensomètre comme décrit dans JoVE vidéo sur « Constantes de matériau ».
  6. Recueillir toutes les informations disponibles sur les données d’étalonnage et de la résolution de tous les instruments utilisés pour évaluer les erreurs expérimentales possibles et les limites de confiance. Ces deux questions sont essentielles à l’obtention de résultats significatifs, mais dépassent la portée de ce qui est discuté ici.

2. les échantillons d’essai :

  1. Allumez la machine d’essai et initialiser le logiciel. Assurez-vous que vous avez le programme d’installation toute capacités d’acquisition de graphique et les données appropriées au sein du logiciel. Au minimum, afficher la courbe contrainte-déformation et possèdent des afficheurs pour la charge et la souche.
  2. Sélectionnez des tests appropriés au sein du logiciel qui est compatible avec le protocole d’essai ASTM E8. Notez la vitesse de déformation utilisée et si deux taux, un pour l’élastique et un pour la plage d’inélastique, sont utilisés. Définissez également toutes les mesures appropriées dans le logiciel (par exemple, pour la machine à s’arrêter au 15 % de déformation, afin de retirer l’extensomètre et d’enregistrer la valeur maximale de charge est atteinte.).
  3. Relever manuellement la traverse tel que toute la longueur de l’échantillon se glisse facilement entre les poignées. Insérez avec précaution le spécimen dans les poignées supérieurs à environ 80 % de la profondeur de la poignée ; aligner le spécimen à l’intérieur des poignées et serrer légèrement, afin d’empêcher la chute de l’échantillon. Remarque : Ne pas serrer la poignée de sa pleine pression à ce stade.
  4. Abaissez lentement la traverse supérieure. Une fois l’échantillon se trouve environ 80 % de la profondeur du fond grip, assurez-vous que le spécimen est correctement aligné dans les poignées du bas (c'est-à-dire avec les poignées du bas en position complètement ouverte, le spécimen doit « flotter » au milieu de l’ouverture de poignée inférieure). Désalignement de spécimen, qui se traduira par des contraintes de flexion et de torsion supplémentaires au cours des essais, est l’une des erreurs plus courantes rencontrées lorsqu’on effectue des tests de tension. Si l’alignement est pauvre, travailler avec un technicien pour aligner correctement les poignées.
  5. Appliquer une pression latérale appropriée au modèle à travers les poignées pour s’assurer qu’aucun glissement se produit au cours des essais. Notez qu’il y aura une petite charge axiale à ce stade, que le processus de serrage introduit une précharge dans l’échantillon. les machines d’essai peuvent avoir des ajustements logiciels pour minimiser cette précharge. Enregistrez la valeur de précharge.
  6. Fixez solidement l’extensomètre électronique au modèle selon les spécifications du fabricant. Remarque : Les lames de l’extensomètre n’ont pas besoin d’être positionnée exactement sur les marques de gage sur l’échantillon, mais devraient être centrés sur le spécimen.
  7. Vérifiez soigneusement que vous avez correctement exécuté toutes les procédures jusqu'à ce point ; Si possible, avoir un superviseur vérifier si l’échantillon est prêt à être testé.
  8. Démarrer le chargement pour commencer à appliquer l’effort de traction au modèle de formulaire et observez la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Remarque : Si la charge mesurée n’augmente pas, le spécimen est glissant à travers les poignées et a besoin d’être remis en place. Si cela se produit, arrêter l’essai et recommencer à nouveau à l’étape 2.3.
  9. Quelque temps avant la rupture de l’échantillon, le test sera automatiquement suspendu sans décharger le spécimen. À ce stade, retirez l’extensomètre. Si le spécimen rompt avec l’extensomètre en place, vous détruirez l’extensomètre, une pièce très coûteuse d’équipement.
  10. Reprendre l’application de la charge de traction jusqu'à la défaillance. En arrivant à la charge maximale, les charges mesurées vont commencer à diminuer. À ce stade, le spécimen commencera striction et rupture finale doit se produire dans cette région à col à travers la déchirure ductile.
  11. Une fois le test terminé, soulever la traverse, desserrer les poignées supérieurs et retirez le morceau de spécimen de la poignée supérieure. Une fois la moitié supérieure de l’éprouvette est enlevée, desserrez la poignée de fond et enlever l’autre moitié de l’échantillon.
  12. Enregistrez la valeur à l’effort de traction maximal et imprimer une copie de la courbe contrainte-déformation. Enregistrer les données enregistrées numériquement.
  13. Soigneusement, assembler les extrémités de l’échantillon fracturé et mesurez la distance entre les marques en gage à la plus proche à 0,002. Enregistrer la longueur finale de gage.
  14. Mesurer le diamètre de l’échantillon à la section plus petite à la plus proche à 0,002.
  15. Le document le spécimen fracturé avec photos et schémas.

3. analyse des données

  1. Calculer le % d’allongement et réduction de la superficie pour chaque type de matériau métallique.
    allongement =Equation 2
    réduction de la superficie =Equation 3
  2. Décrire, classer et enregistrer le mode de fracture prédominante pour chaque échantillon.
  3. Déterminer les propriétés des matériaux tel que décrit dans les Fig. 2 et 3. Organiser les données dans une feuille de calcul telle que la souche jusqu'à 0,004 est donnée par l’extensomètre et entre 0,004 et 0,15 par l’extensomètre (limite supérieure de l’extensomètre est la valeur de la déformation au cours de laquelle il a été retiré de l’épreuve, cette valeur change selon le la capacité de déformation de l’échantillon).
  4. Utilisez l’allongement cruciformes de déplacement et % pour estimer la souche ultime. Si un extensomètre n’est pas utilisée, n’oubliez pas de corriger pour n’importe quel glissement initial de l’extensomètre. On peut compter les places dans le graphique pour obtenir la dureté (aire sous la courbe contrainte-déformation).
  5. En utilisant un manuel ou autre mention appropriée, déterminer le module d’élasticité, limite d’élasticité et résistance à la traction des matériaux utilisés. Comparez les valeurs publiées pour les résultats des tests.

L’acier est un terme général pour fer allié au carbone et d’autres éléments comme le manganèse, le chrome et le nickel.

Les variations dans les méthodes de composition et de traitement peuvent adapter ses propriétés pour la construction des voitures, des ponts et gratte-ciel, pour n’en ne nommer que quelques unes des utilisations possibles presque infinies.

Il est important de comprendre la réponse de l’acier à charger lors de la conception des installations et des bâtiments sûrs. Un outil fondamental pour la modélisation des caractéristiques des matériaux est la courbe contrainte-déformation.

Nous allons utiliser l’essai de traction uniaxial pour étudier le comportement élastique et inélastique d’un acier laminé à chaud et un acier laminé à froid difficile, qui représentent les limites hautes et basses respectivement de résistance à la traction dans les applications de génie civil.

Stress se définit comme la force divisée par l’aire sur laquelle il est appliqué. Déformation est le changement de longueur divisée par la longueur initiale. Courbes contrainte-déformation décrivent les propriétés élastiques et inélastiques des matériaux en montrant comment un matériau comme acier répond à appliqué de force.

L’essai de traction uniaxiale est généralement utilisé pour l’étude de contrainte et de déformation. Dans ce test, une machine lentement tire les extrémités d’un échantillon avec une plus grande et une plus grande force et mesure l’allongement qui en résulte. Le test de tension métallique est décrite par ASTM E8, qui définit le type et la taille de l’échantillon, le type de matériel et les données à déclarer.

La courbe contrainte-déformation révèle de nombreuses propriétés du matériau soumis à l’essai. Parmi eux, module d’élasticité (la pente de la zone linéaire initiale, où la déformation est proportionnelle à la charge), module de résilience (la zone sous la région linéaire, qui mesure la capacité d’un matériau à absorber l’énergie sans déformation permanente), la limite proportionnelle (le stress au point de la courbe s’écarte de linéarité), points de rendement (où stress contre la souche soudainement diminue ou modifications) et plateau de rendement (où déformation augmente rapidement sans augmenter le stress).

L’acier est un matériau ductile. La ductilité est définie comme la variation de longueur à la rupture divisée par la longueur initiale. Endurance est la capacité d’un matériau à absorber l’énergie avant elle des fractures.

Maintenant que nous comprenons que certaines des caractéristiques fondamentales des matériaux, nous allons étudier une méthode pour mesurer le stress et la fatigue en laboratoire et d’étudier la relation entre ces deux quantités.

Obtenir des éprouvettes cylindriques pour deux types d’acier, un doux et laminées à chaud, tels que de l’A36 et un dur et laminées à froid, tels que C1018.

Utiliser un pied à coulisse pour mesurer le diamètre en plusieurs endroits près de la moitié de l’échantillon. Prendre ces mesures pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Ensuite, tenir le spécimen fermement. Tracer une longueur entre repères d’environ deux pouces. Préciser la marque mais très peu profonde pour éviter entraîne une concentration de contrainte qui peut conduire à se fracturer. Mesurer la réelle marquée entre repères pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Enfin, installer une jauge de contrainte. Le spécimen est maintenant prêt à être testé.

Nous utiliserons un universel essais machine ou UTM, pour mesurer les propriétés de traction des spécimens. Allumez la machine d’essai et initialiser le logiciel. Mettre en place un graphique approprié et paramètres d’acquisition de données, puis sélectionnez un mode opératoire qui est compatible avec le protocole ASTM E8.

Les vitesses de déformation réglée pour les souches basses zéro à 5 % et pour la grande souche de gammes supérieures à 5 % respectivement. Ceux-ci doivent être à proximité de 0,05 pouces par minute pour le chargement initial et 0,5 pouces par minute après 5 % de déformation. Puis définir des mesures supplémentaires dans le logiciel, telles que l’arrêt de la machine à 5 % de déformation dans l’extensomètre de l’enlever avant la défaillance de l’échantillon.

Manuellement lever la traverse toute la longueur de l’échantillon se glisse facilement entre les mâchoires supérieure et inférieure. Insérez avec précaution le spécimen dans la poignée supérieure à environ 80 % de la profondeur de la poignée. Aligner le spécimen à l’intérieur de la poignée supérieure et serrer légèrement pour empêcher la chute de l’échantillon. Abaissez lentement la traverse supérieure. Une fois que le spécimen est dans environ 80 % de la profondeur du fond grip, commencer alignement du spécimen dans les poignées du bas. Le spécimen doit flotter dans le centre de la poignée de fond entièrement ouverts. Appliquer une pression latérale au modèle à travers les poignées pour s’assurer qu’aucun glissement se produit au cours des essais. Note le processus de serrage introduit une petite force axiale sur l’échantillon.

Le logiciel permet d’imposer une précharge pour compenser cette force et noter sa valeur. Fixer solidement les extensomètres électroniques de l’échantillon selon les instructions du fabricant. Les lames de l’extensomètre devraient être centrés sur le spécimen. Si on utilise une jauge de contrainte, branchez-le.

Commencer le test en appliquant la charge de traction à l’échantillon. Observer la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Pour confirmer que l’échantillon n’est pas glissant à travers les poignées, assurez-vous que la charge mesurée augmente linéairement. Quelque temps avant la défaillance de l’échantillon, le logiciel se met automatiquement en pause le test. Laisser l’échantillon sur la machine et retirer l’extensomètre. Reprendre l’application de la charge de traction jusqu'à la défaillance. En arrivant à la charge maximale, les charges mesurées commencent à diminuer. À ce stade, le spécimen commence à l’encolure. Rupture finale devrait avoir lieu dans cette région à col à travers la déchirure ductile.

Fois l’épreuve terminée, soulever la traverse, desserrez la poignée supérieure et retirez le morceau de spécimen. Desserrer l’étau de fond et enlever l’autre moitié de l’échantillon. Reporter la valeur à l’effort de traction maximal. Enregistrer les données enregistrées et la courbe contrainte-déformation.

Avec précaution, assembler les extrémités de l’échantillon fracturé et mesurez la distance entre les repères de mesure pour le 2000e plus proche d’un pouce. Enregistrer la longueur finale. Enfin, mesurer le diamètre de l’échantillon à la plus petite section pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Pour déterminer les propriétés des matériaux, tout d’abord prendre un regard sur les données de l’A36 doux en acier laminées à chaud et les données pour acier dur laminé à froid C1018, respectivement.

Maintenant calculer l’allongement pour cent pour chaque échantillon, sachant la jauge finale et la première longueur de jauge. Calculer la réduction de la superficie pour chaque échantillon, en utilisant le diamètre final et le diamètre initial de l’échantillon. Enregistrez ces valeurs dans un tableau de résultats.

Puis, calculez d’autres paramètres du matériau en utilisant les courbes expérimentales de contrainte-déformation. Une comparaison rapide de ces courbes pour les deux spécimens montre leurs comportements élastiques et inélastiques très différents. De la souche beaucoup plue à des niveaux inférieurs du stress, l’acier A36 est plus doux et beaucoup plus malléable que l’acier C1018.

Pour l’acier de l’A36, la contrainte à la rupture est environ 58,6 kilopounds par pouce carré, sensiblement supérieur à la valeur nominale de 36,0 kilopounds par pouce carré. Contrainte maximale est environ 86,6 kilopounds pouce carré à une souche d’environ 20 %.

Ce complot agrandi montre un point de rendement à la hausse à environ 58,6 kilopounds par pouce carré et un rendement inférieur à environ 56,8 kilopounds par pouce carré. Début du plateau du rendement est également visible ici. Données de jauge de contrainte révèlent une région élastique linéaire pour l’acier de l’A36 avec une pente définie dans le module de Young d’environ 29 393 kilopounds par pouce carré. Ce résultat est très proche de la valeur nominale de 29 000 kilopounds par pouce carré.

Au point où les données s’écarte de la linéarité, nous pouvons déterminer que la limite proportionnelle est environ 55,58 kilopounds par pouce carré. Pour comparaison, en raison de la non linéarité de la courbe contrainte-déformation, l’acier C1018 a une très faible concentration maximale proportionnelle.

Les résultats de l’extensomètre couvre la souche jusqu'à 5 %. Données pour l’acier A36 montrent le plateau en plastique et le début d’écrouissage où la courbe s’élève encore à une souche d’environ 2,7 %. En revanche, le C1018 n’a aucun plateau de rendement clairs.

Terminer l’analyse des données en résumant les résultats du test pour les deux échantillons d’acier dans le tableau suivant.

L’allongement de l’acier doux laminé à chaud est de l’ordre de 25 à 40 %. En revanche, l’allongement de l’acier laminé à froid dur est seulement la moitié de ce montant. L’allongement pour cent est une valeur moyenne de la longueur du matériel entre les repères de mesure, mais la quasi-totalité de la déformation est localisée dans une petite région autour du point de rupture. Par conséquent, la souche locale pourrait être beaucoup plus grande que la moyenne.

L’examen physique des deux spécimens montrent de grandes différences dans la façon dont ils échouent, correspondant à des différences dans leurs courbes de contrainte-déformation.

L’acier A36 a une surface de rupture avec le matériel aspiré à la jante pendant la déformation finale progressive et grand allongement à contraintes inférieures, indiquant un métal très doux mais ductile.

En revanche, l’acier C1018 a une surface de rupture plat, correspondant à la rupture soudaine et beaucoup moins allongement à plu élevé souligne, caractéristiques de haute résistance mais faible ductilité.

Regardons quelques applications communes d’acier sous l’angle de la relation entre le stress et la fatigue.

Ingénieurs civils analyse structurelles effondrements de ponts et de bâtiments afin d’améliorer les futures conceptions structurales. Ce processus a mené aux composants tels que l’acier laminé de poutres en I pour les bâtiments de plusieurs étages, soudé profond-je-poutres de ponts et les boulons haute résistance et les attaches. Chacun nécessite différents types d’acier avec forces spécifiées et ductilities, souvent d’abord entendus par un examen de leurs courbes de contrainte-déformation.

Ingénieurs utilisent les caractéristiques de contrainte-déformation des matériaux pour rendre les voitures plus sûres. Connaissant la résistance et ductilité de l’armature et comment il se déforme en réponse aux forces d’impact, ingénieurs peuvent concevoir des corps d’une automobile à absorber l’énergie au cours de la collision et augmenter les chances de survivre à un crash.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux caractéristiques contrainte-déformation de l’acier.

Vous devriez maintenant savoir comment effectuer un essai de traction uniaxial afin de déterminer les propriétés de traction des matériaux métalliques et comment analyser les courbes effort-déformation pour aciers typiques.

Merci de regarder !

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