Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften der Stähle

Structural Engineering
 

Overview

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Die Bedeutung der Materialien für die menschliche Entwicklung ist eindeutig durch die frühe Klassifikationen der Weltgeschichte in Perioden wie die Steinzeit, Eisenzeit und Bronzezeit erfasst. Die Einführung der Siemens und Bessemer Prozesse produzieren Stähle in der Mitte der 1800er ist wohl die bedeutendste Entwicklung bei der Einführung der industriellen Revolution, die viel von Europa und den USA in der zweiten Hälfte des 19th verwandelt Jahrhundert von Agrargesellschaften in die Stadt- und mechanisierten Gesellschaft von heute. Stahl in fast unendlichen Variationen, ist alles um uns herum, von unsere Küchengeräte, Autos, Lebensadern wie elektrischen Übertragungsnetzen und Wasserverteilungssystemen. In diesem Experiment, das wir betrachten das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von zwei Arten von Stahl, die den Bereich in der Regel in hoch-und Tiefbau-Anwendungen - gebunden rollte eine sehr milde, warme Walzstahl zu einem harten, kalten ein.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Konstruktiver Ingenieurbau. Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften der Stähle. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Eisen Sie der Begriff Stahl häufig verwendet, um ein Material zu kennzeichnen, die hauptsächlich ist (Fe), oft im Bereich von 95 bis 98 %. Reines Eisen ist allotropen, mit einer Körper-zentrierten kubischen (BCC) Struktur bei Raumtemperatur, die ändert sich in ein flächenzentrierter kubische (FCC) Struktur über 912 ° C. Die leeren Räume in der FCC-Struktur und Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur können für andere Atome, wie Kohlenstoffatome (C), hinzugefügt oder durch Diffusion aus der interstitiellen (oder leeren) Leerzeichen entfernt werden. Diese Ergänzungen und die anschließende Entwicklung von verschiedenen Kristallstrukturen sind das Ergebnis von Heizung und Kühlung zu unterschiedlichen Preisen und Temperaturbereiche, ein Prozeß bekannt als Wärmebehandlung. Diese Technologie hat seit über 2000 Jahren bekannt, aber geheim gehalten, seit vielen Jahren in Anwendungen wie Damaskus Stahl, Wootz Stahl aus Indien (≈300AD) eingesetzt.

Wenn wir offenen Kreise in der FCC-Struktur zu erweitern, bis die Kugeln zu berühren, und dann schneiden Sie einen grundlegende Cube für diese atomare Struktur beginnen, ist das Ergebnis der Elementarzelle. Kugeln mit 41,4 % der Eisen-Atom-Durchmesser können hinzugefügt werden, bevor diese neuen Sphären beginnen, um das Eisen zu berühren. Kohlenstoffatome sind 56 % des Durchmessers des Eisens sind, so dass die neue Struktur verzerrt, wie Kohlenstoffatome eingeführt werden. Die Eigenschaften des Stahls können durch Ändern der Größe, Häufigkeit und Verteilung dieser Verzerrungen manipuliert werden.

Schmiedeeisen, einer der nützlichsten Vorgänger aus Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Es stellt sich heraus, dass der optimale Kohlenstoffgehalt für Stähle aus zivile Anwendungen der Bereich von 0,2 bis 0,5 %. Viele der frühen metallurgischen Behandlungsprozess zielten auf Kohlenstoffgehalte bringen diese Ebenen in Mengen, die wirtschaftlich zu produzieren waren. Bessemer-Verfahren in den USA und der Siemens-Prozess im Vereinigten Königreich sind zwei der erfolgreicher Beispiele der frühen Techniken. Heute am häufigsten eingesetzten Verfahren sind der Elektrolichtbogenofen und den grundlegenden Sauerstoff-Ofen. Neben Kohlenstoff enthalten die meisten modernen Stählen Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Nickel (Ni) und andere Metalle in geringen Mengen, Festigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit zu verbessern. Ein einfaches Beispiel für die Auswirkung dieser Legierungen auf technischen Eigenschaften ist der so genannte Carbon-Äquivalent (CE):

Equation 1

Die CE ist ein brauchbarer Index bei der Bestimmung der Schweißbarkeit aus einem speziellen Stahl; in der Regel ist eine CE < 0,4 % Vertreter des Stahls, die schweißbar ist. Wie viele Verbindungen im Stahl-und Metallbau durch Schweißen hergestellt werden, ist dies ein brauchbarer Index zu erinnern, wenn Sie Materialien für den Bau angeben.

Wie in der Jupiter-Video über "Material Constants" erwähnt, müssen wir für die Modellierung, eine Beziehung zwischen Stress und Belastungen zu etablieren. Die beste einfache Beschreibung des Verhaltens vieler Materialien ist durch eine Stressstrain Kurve (Abb. 1) gegeben. Aufgrund der Schwierigkeiten mit Knicken beim Laden in der Kompression und Schwierigkeiten beim Laden eines Materials einheitlich in mehrere Richtungen läuft ein einachsiger Zugversuch in der Regel um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu bestimmen. Dieser Test enthält grundlegende Informationen über die Technische Hauptmerkmale in erster Linie der homogenen metallischer Werkstoffe.

Die typische Zugversuch wird durch ASTM E8 beschrieben. ASTM E8 definiert Art und Größe des Prüflings zu verwendenden, typische Ausrüstung verwendet werden, und Daten für ein Metall Zugversuch gemeldet werden.

Figure 1
Abbildung 1: Spannungs-Dehnungs-Kurve für Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.

Da wir durch sehr große plastische Dehnungen messen müssen, die Dehnungsmessung nicht immer erfolgen mit Dehnungsmessstreifen über die gesamte Verformung reichen (bis zu 40 %); der Kleber fast immer vor der Probe Frakturen fehl. Ein Extensometer, besteht aus einem kleinen C-Rahmen mit auskragenden Armen instrumentiert mit Dehnungsmessstreifen und entsprechend kalibriert und dient in der Regel bis zu etwa 20 %. Da die Extensometer teure und empfindliche Instrument ist, muss es vor der Probe Frakturen entfernt werden; der Test wird gestoppt, und die Extensometer entfernt, kurz nachdem die Probe seine maximale Spannung und die maximale Verformung erreicht geschätzt Markierungen auf die Probe.

Die wichtigsten Eigenschaften von Interesse sind (Abb. 2):

Proportional Grenze: Die proportionale beträgt die maximale Spannung, die für die Belastung linear proportional zur Belastung bleibt, d. h. für die Hookes Gesetz streng geltenden () video - JoVE ist "Material Constants"). Dieser Wert ist in der Regel durch Stress Veränderungen zu betrachten, wenn der Testlauf unter Konstanten Kreuzkopf Geschwindigkeit Bedingungen bestimmt. Im linear elastischen Bereich die Stress-Rate ist proportional zur Belastung und ist im Idealfall konstant. Als das Material beginnt zu Plastifizieren, wie durch eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit belegt, beginnt die Stress-Rate zu sinken. Die proportionale Grenze wird als Stress bei die Vorspannung Rate beginnt zu sinken, getragen.

Punkt Ausbeute: Viele Metalle weisen eine scharfe Streckgrenze oder Stress, an dem die Stämme weiterhin rapide ohne Stress zu erhöhen. Dies wird belegt durch eine horizontale Linie oder Ausbeute Plateau, die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Streckgrenze entspricht in etwa der Belastung bei der Schlupf beginnt in den atomaren Gittern auftreten. Dieser Slip ist ausgelöst durch einige kritische Schubkraft zu erreichen und ist viel niedriger, als wegen der zahlreichen Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur von ersten Grundsätzen berechnet werden kann. Einige Materialien, wie der Baustahl getestet in diesem Experiment gibt es ein kleinen aber spürbarer Rückgang der Stress, bevor das Material Ausbeute Plateau zu oberen und niedrigeren Renditen Punkteerreicht. Für Materialien, die keine klare Streckgrenze aufweisen, wird eine entsprechende Streckgrenze verwendet. Wir sehen diese Definition im Detail in der Jupiter-Video über "Stress-Stamm Eigenschaften von Aluminium", die sich mit diesen Eigenschaften in Aluminium beschäftigt.

Figure 2
Abbildung 2: Definitionen von Variablen bei geringen Belastungen.

E-Modul: Elastizitätsmoduls eines Materials wird definiert als die Steigung des linearen Teils der Spannungs-Dehnungs-Diagramm wie in Abb. 2 dargestellt. Diese Eigenschaft wurde in dem Jupiter Video zu "Material Constants"diskutiert. E ist eine relativ große Anzahl: 30 x 106 Psi (210Gpa) für Stahl; 10 x 106  Psi (70 GPa) für Aluminium; 1,5 x 106 Psi (10,5 GPa) für Eiche; und 0,5 x 106  Psi (3.5 GPa) für Plexiglas.

Modul von Resilienz: Der Modul von Resilienz ist der Bereich unter den elastischen Teil der Spannungs-Dehnungs-Diagramm und hat Maßeinheiten von Energie pro Volumeneinheit. Der Modul von Resilienz misst die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, ohne bleibende Verformungen.

Belastung Härten Modul: Wenn der Schlupf oder Luxation Bewegungen, die das Ertrag Plateau ausgelöst beginnen, erreichen die Korngrenzen (oder Bereiche wo die Gitter in verschiedenen Winkeln ausgerichtet sind), die Versetzungen beginnen, "anhäufen", und zusätzlicher Energie ist erforderlich, um zu verbreiten ihre Bewegung in anderen Getreidearten. Dies führt zu eine Versteifung im Spannungs-Dehnungs-Verhalten, obwohl die Belastung Modulus Härten in der Regel mindestens eine Größenordnung unterhalb des Elastizitätsmoduls.

Endfestigkeit: Dies ist der Maximalwert der engineering Stress während der Prüfung erreicht und tritt kurz vor die Probe zum Hals beginnt (oder Bereich ändern) deutlich (Abb. 3).

Max. Belastung: Dieser Wert wird als Stamm Wert genommen, wenn die Probe zerbricht. Da die Extensometer in der Regel durch die Zeit entfernt wurde bekommen wir zu diesem Punkt im Test und die Verformung (Einschnürung) in einer sehr kurzen Entfernung entlang der Länge des Prüfkörpers lokalisiert hat, dieser Wert ist sehr schwierig, experimentell zu messen. Aus diesem Grund werden eine gleichmäßige Dehnung und eine prozentuale Dehnung häufig verwendet, wenn Sie Materialien anstelle eine maximale Dehnung Wert angeben.

Figure 3
Abbildung 3: Definitionen zu großen Belastungen.

Gleichmäßige Dehnung: Die prozentuale Dehnung ist definiert als die prozentuale Dehnung (Länge/Original Längenänderung) der Probe kurz bevor Einschnürung erfolgt.

Prozent Dehnung: In der Regel zwei Markierungen, nominell 2 Zoll auseinander, die Probe vor der Prüfung erfolgen. Nach dem Test die zwei Stücke des gebrochenen Exemplars sind so gut wie möglich zusammengestellt, und die endgültige Verformung zwischen den Marken nachgemessen. Dies ist eine grobe, aber nützliche Möglichkeit Minimale Dehnung für Materialien in einem technischen Umfeld zu spezifizieren.

Prozent-Bereich: Ähnlich ist es, prozentuale Dehnung, kann man versuchen, ein Maß für das letzte Gebiet der gebrochenen Probe machen. Durch die Aufteilung der Kraft kurz vor Bruch von diesem Bereich, ist es möglich, einen Überblick über die wahre Stärke des Materials zu erhalten.

Härte: Zähigkeit wird definiert, um die gesamte Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden. Es ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, große, dauerhafte Verformungen vor dem Bruch zu unterziehen. Ihre Einheiten sind identisch mit denen für das Modul von Resilienz.

Die oben beschriebenen Eigenschaften können verwendet werden, zu beurteilen, wie gut ein bestimmtes Material diskutierten in dem Jupiter Video zu "Material Constants"Performance-Kriterien entspricht. Soweit die Sicherheit betrifft, sind die Festigkeit und Verformung Kapazität Merkmale Schlüssel; Diese Eigenschaften werden in der Regel unter dem Begriff gruppiert duktiles Verhalten. Duktiles Verhalten impliziert, dass ein Material wird nachgeben und in der Lage, seine Stärke über eine große plastische Verformung Regime aufrecht zu erhalten. Eine große Zähigkeit ist wünschenswert, die in der Praxis bedeutet, dass eine Struktur zu Anzeichen einer drohenden Ausfall, z.B. sehr große sichtbare Verformung, bevor es ein katastrophaler Zusammenbruch kommt, so dass seine Insassen Zeit, um die Struktur zu evakuieren, geben wird.

Im Gegensatz dazu wird Materialien, die spröde Verhalten im Allgemeinen in einer plötzlichen, katastrophalen Weise Versagen. Dies ist der Fall von cementatious und keramische Materialien, die Arme dehnbare Kapazität aufweisen. Ein Betonbalken wird auf diese Weise fehl, da es sehr schwach in Spannung ist. Um diese Falle zu beseitigen, setzt man verstärkt Stabstahl Betonbalken, wandeln sie in Stahlbetonbalken Zug-und Umgebung.

Es ist wichtig zu erkennen, dass spröde und duktiles Verhalten keine inhärente Materialverhalten. Wie wir, in dem Jupiter-Video über "Rockwell-Härte-Test" sehen werden, ein Kohlenstoffstahl, der duktilen bei Raumtemperatur und unter eine geringe Belastung Rate Belastungsbedingungen sehr schnell laden Zustand (Impact) Belastung bei niedrigen Temperaturen ist zu unterwerfen können zu führen. spröde Verhalten. Darüber hinaus ist es wichtig zu erkennen, dass einige Materialien, z. B. Gusseisen sehr spröde Spannung sein können, duktilen in Kompression.

Zwei andere wichtige materielle charakteristisch, die an dieser Stelle definiert werden müssen, wie sie Einfluss auf unsere Auswahl an Material, Modellierung, sind Isotropie und Homogenität. Ein Material wird gesagt, isotrope wenn seine elastischen Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind. Die meisten Werkstoffe bestehen aus Kristallen, die klein im Vergleich zu den Dimensionen des gesamten Körpers sind. Diese Kristalle zufällig ausgerichtet sind, kann also statistisch das Verhalten des Materials isotrop gelten. Andere Materialien, wie Holz und andere faserigen Materialien können in beiden Richtungen nur ähnliche elastische Eigenschaften haben (orthotropen) oder in allen drei Raumrichtungen (anisotrop).

Auf der anderen Seite soll ein Material homogen sein, wenn seine elastischen Eigenschaften im ganzen Körper identisch sind. Für gestalterische Zwecke werden die meisten Baumaterialien möglichst homogen angenommen. Dies gilt auch für Materialien wie Beton, die verschiedene Phasen (Mörtel und Steinen), wo wir sind in der Regel über Charakterisierung viel größere Volumina, die statistisch homogen betrachtet werden können.

Procedure

Spannung von Stahl Proben Testen

Der Zweck dieses Experiments ist:

  • Studenten mit der standard-Labor-Test zur Bestimmung der Zugeigenschaften metallischer Werkstoffe in irgendeiner Form (ASTM E8), vertraut zu machen
  • Vergleichen Sie die Eigenschaften des allgemein verwendet metallischen Werkstoffen (Stahl und Aluminium), und
  • Um die getesteten Eigenschaften von Metallen zu vergleichen veröffentlichten Werte.

Es ist anzunehmen, dass eine Universalprüfmaschine (UTM) mit Verformung Kontrolle und damit verbundenen Tests und Daten Akquisition Fähigkeiten zur Verfügung steht. Verfahren Sie empfohlene Schritt für Schritt um Zugprüfung von UTM, wobei besonderes Augenmerk auf die Sicherheitshinweise des Herstellers durchzuführen. Nicht fortfahren Sie, wenn Sie über jeden Schritt unsicher sind, und klären Sie Zweifel mit Ihrem Labor-Lehrer zu, wie Sie ernsthaft verletzen können Sie selbst oder Menschen in Ihrer Umgebung, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht befolgt werden. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie wissen, alle Not-Halt-Verfahren und, dass Sie mit der Software der Maschine vertraut sind.

Das folgende Verfahren ist generisch und wichtigsten Schritte abdecken soll; Möglicherweise gibt es erhebliche Abweichungen je nach den verfügbaren Geräten.

1. Proben vorbereiten:

  1. Zylindrische Probekörper für zwei Stähle erhalten, eine mild und heiß gerollt (z. B. A36) und einer harten und kalten gerollt (z. B. eine C1018).
  2. Messen Sie den Durchmesser des Prüflings, die nächste 0,002 Zoll an mehreren Standorten in der Nähe der Mitte mit einem Bremssattel.
  3. Festhalten Sie die Probe und markieren Sie, mit einer Datei, eine ungefähre 2 Zoll Gage Länge. Hinweis: Markieren Sie die Gage Länge sorgfältig so dass es klar geätzt, aber nicht so tief wie eine Spannungskonzentration geworden, die zum Bruch führen können.
  4. Messen der tatsächlichen Gage Länge zu den nächstgelegenen 0,002 Zoll mit einem Bremssattel gekennzeichnet.
  5. Installieren Sie wenn möglich DMS JoVE video auf "Material Constants" beschrieben.
  6. Sammeln Sie alle verfügbaren Informationen über die Kalibrierdaten und Auflösung aller Instrumente, die verwendet wird, um experimentelle Fehlermöglichkeiten und Vertrauensgrenzen zu beurteilen. Diese beiden Fragen sind Schlüssel zu aussagekräftigen Ergebnissen aber würde den Rahmen sprengen, was hier diskutiert wird.

2. Prüfung der Proben:

  1. Schalten Sie die Prüfmaschine und Initialisieren der Software. Stellen Sie sicher, dass Sie keine entsprechende grafische Darstellung und Daten Akquisition-Funktionen innerhalb der Software eingerichtet haben. Auf ein Minimum der Spannungs-Dehnungs-Kurve anzeigen und Displays für die Last und Belastung haben.
  2. Wählen Sie eine geeignete Prüfverfahren innerhalb der Software, die mit der ASTM E8 Testprotokoll kompatibel ist. Beachten Sie die Umformgeschwindigkeit verwendet wird und ob zwei Preise für die elastischen und unelastischen Bereich verwendet werden. Auch setzen Sie geeigneten Maßnahmen in der Software (z. B. für die Maschine zu stoppen bei 15 % Dehnung, um sicher die Extensometer entfernen und den maximale Wert der Belastung zu erfassen, die erreicht wird.).
  3. Erhöhen Sie die Traverse manuell so, dass die volle Länge der Probe zwischen den Griffen passt. Legen Sie die Probe in die oberen Griffe auf ca. 80 % der Tiefe Griff; richten Sie die Probe in die Griffe und ziehen Sie an, um die Probe zu verhindern. Hinweis: Ziehen Sie den Griff, um seinen vollen Druck nicht zu diesem Zeitpunkt.
  4. Senken Sie langsam die obere Traverse. Sobald die Probe innerhalb von etwa 80 % der unteren Griff Tiefe ist, sicherzustellen, dass die Probe erscheint in der unteren Griffe ausgerichtet (d.h. mit den unteren griffen in die vollständig geöffnete Position die Probe sollte "schweben" in der Mitte der unteren Öffnung der Zinken). Probe Fehlstellungen, die Biege- und Torsionssteifigkeit zusatzspannungen während des Tests führen wird, ist eines der häufigsten Fehler beim Spannung Tests durch. Wenn die Ausrichtung schlecht, ist Arbeit mit einem Techniker, die Griffe richtig auszurichten.
  5. Wenden Sie entsprechenden seitlichen Druck auf die Probe durch die Griffe um sicherzustellen, dass kein Verrutschen während des Tests auftritt an Beachten Sie, dass an dieser Stelle eine kleine Axiale Last werden, wie festziehen eine Vorspannung in der Probe führt; die Prüfmaschinen möglicherweise Software-Anpassungen, diese Vorspannung zu minimieren. Notieren Sie sich die Vorspannung Wert.
  6. Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe nach Angaben des Herstellers. Hinweis: Die Extensometer klingen müssen nicht genau auf die Gage Markierungen auf dem Probestück positioniert werden, aber sollte ungefähr zentriert werden, auf die Probe.
  7. Vergewissern Sie sich, dass Sie alle Verfahren bis zu diesem Zeitpunkt korrekt ausgeführt haben; Wenn möglich, haben Sie einen Vorgesetzten überprüfen, ob die Probe zum Testen bereit.
  8. Starten Sie der Laden zunächst Anwendung der Zugbelastung auf die Probe und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu. Hinweis: Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angenäht werden. Wenn dies auftritt, beenden Sie den Test und starten Sie erneut ab Schritt 2.3.
  9. Irgendwann vor der Probe scheitern wird der Test automatisch angehalten ohne Entladen der Probekörpers. An dieser Stelle entfernen Sie die Extensometer. Bricht die Probe mit der Extensometer vorhanden, werden Sie die Extensometer, ein sehr teures Gerät zerstören.
  10. Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Bei Erreichen der maximalen Last, beginnt die gemessenen Belastungen zu verringern. An dieser Stelle die Probe beginnt Einschnürung und endgültigen Bruch sollte innerhalb dieser necked Region durch duktile reißen kommen.
  11. Nach Abschluss des Tests erhöhen Sie die Kreuzkopf, lösen Sie die obere Griffe und das gebrochene Stück der Probe aus dem oberen Griff herausziehen. Sobald die obere Hälfte der Probe entfernt ist, lösen Sie den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe.
  12. Nehmen Sie den Wert auf die maximale Zugbelastung und ein gedrucktes Exemplar der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Sichern Sie die Daten digital erfasst.
  13. Sorgfältig zusammenpassen Sie die Enden des gebrochenen Probe und Messen Sie den Abstand zwischen den Gage-Markierungen an den nächstgelegenen 0,002 In. Die endgültige Gage Länge aufzeichnen.
  14. Messen Sie den Durchmesser der Probe bei der kleinsten Querschnitt an den nächstgelegenen 0,002 In.
  15. Die gebrochene Exemplar mit Bildern und Diagrammen zu dokumentieren.

(3) Datenanalyse

  1. Berechnen Sie die % Dehnung und Einschränkung des Bereichs für jede Art von metallischen Werkstoff.
    Dehnung =Equation 2
    Einschränkung des Bereichs =Equation 3
  2. Beschreiben, kategorisieren und Aufzeichnen des vorherrschende Fraktur-Modus für jede Probe.
  3. Bestimmen Sie die Materialeigenschaften, wie in Abb. 2 und 3 beschrieben. Die Daten in eine Tabellenkalkulation zu organisieren, so dass die Belastung bis 0,004 von DMS und 0,004 bis 0,15 durch die Extensometer gegeben ist (die Obergrenze für die Extensometer ist der Wert der Belastung an, es wurde entfernt aus dem Test; dieser Wert ändert sich je nach die Verformung Kapazität der Probe).
  4. Verwenden Sie Kreuzkopf Verschiebung und % Dehnung, um ultimative Dehnung zu schätzen. Wenn ein DMS nicht verwendet wird, achten Sie darauf, für jede erste Schlupf der Extensometer korrigieren. Plätze in der Grafik, die Zähigkeit (Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve) zu erhalten kann man rechnen.
  5. Mit einem Lehrbuch oder andere geeignete Referenz, bestimmen der Elastizitätsmodul, Ertrag, Stärke und Bruchfestigkeit der verwendeten Materialien. Vergleichen Sie die veröffentlichten Werte auf die Testergebnisse.

Stahl ist ein allgemeiner Begriff für Eisen mit Kohlenstoff und anderen Elementen wie Chrom, Mangan und Nickel legiert.

Variationen in der Zusammensetzung und Verarbeitung Methoden können seine Eigenschaften für den Bau von Autos, Brücken und Hochhäuser, um nur einige der fast unendlichen Einsatzmöglichkeiten zu nennen anpassen.

Steels Antwort laden zu verstehen ist wichtig, beim sicheren Gebäuden und Strukturen zu entwerfen. Ein grundlegendes Werkzeug für die Modellierung von Materialeigenschaften ist die Spannungs-Dehnungs-Kurve.

Wir verwenden den einachsigen Zugversuch, um elastische und unelastische Verhalten eines warmgewalzten Stahl und eine harte kaltgewalzter Stahl, die niedrige und hohe Grenzen bzw. der Zugfestigkeiten im Tiefbau darstellen zu studieren.

Stress wird definiert als die Kraft geteilt durch die Fläche auf die er angewendet wird. Dehnung ist die Längenänderung dividiert durch die Ausgangslänge. Spannungs-Dehnungs-Kurven beschreiben die elastischen und unelastischen Eigenschaften der Materialien zeigen, wie ein Material wie Stahl entspricht Kraft aufgebracht.

Die einachsige Zugversuch wird typischerweise zum Studium Stress und Anspannung. In diesem Test eine Maschine langsam zieht die Enden einer Probe mit immer mehr Kraft und misst die daraus resultierenden Dehnung. Das Metall Zugversuch beschreibt ASTM E8, bestimmt die Art und Größe der Probe, der Art der Ausrüstung und die Daten gemeldet werden.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt viele Eigenschaften des Materials unter Test. Unter ihnen Elastizitätsmodul (die Steigung der ersten linearen Bereichs, wo Verformung proportional zum Laden ist), e-Modul von Resilienz (der Bereich unterhalb der linearen Region, die ein Material Kapazität Energie ohne bleibende Verformung aufnehmen misst), proportional-Grenze (die Spannung an den Punkt der Kurve von Linearität abweicht), Ertrag Punkte (wo stress versus Belastung plötzlich abnimmt oder Änderungen) und Ertrag Plateau (wo Verformung steigt ohne Stress zu erhöhen).

Stahl ist ein duktiles Material. Duktilität ist definiert als die Längenänderung bei Ausfall dividiert durch die Ausgangslänge. Härte ist die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, bevor es bricht.

Jetzt, wo wir einige der grundlegenden Eigenschaften der Materialien zu verstehen, betrachten wir eine Methode, um Stress und Anspannung im Labor zu messen und untersuchen das Verhältnis zwischen diesen beiden Größen.

Erhalten Sie zylindrische Probekörper für zwei Arten von Stahl, eine mild und warm gewalzte, z. B. A36 und eine hart und kalt gewalztes, wie C1018.

Verwenden Sie einen Bremssattel, um den Durchmesser an mehreren Standorten in der Nähe der Mitte der Probe zu messen. Machen Sie diese Messungen, die nächste 2000. Zoll.

Als nächstes festhalten Sie die Probe gut. Schreiber eine Manometer-Länge von etwa zwei Zoll. Die Marke klar zu machen, aber sehr flach, um zu vermeiden, erstellen eine Spannungskonzentration, die zum Bruch führen kann. Messen Sie die tatsächliche Spurweite Länge zu den nächstgelegenen 2000. Zoll markiert.

Zum Schluss installieren Sie ein DMS. Das Exemplar ist nun bereit zum Testen.

Wir werden eine universelle Maschine oder UTM, Tests verwenden, um die Zugfestigkeit Eigenschaften der Proben zu messen. Schalten Sie die Prüfmaschine und Initialisieren der Software. Richten Sie entsprechende grafische Darstellung und Daten Aufnahmeparameter, wählen Sie dann eine Test-Prozedur, die mit dem ASTM E8-Protokoll kompatibel ist.

Eingestellten Dehnraten für geringe Belastungen NULL auf 5 % und für hohe Belastung bzw. reicht mehr als 5 %. Diese sollte in der Nähe von 0,05 Zoll pro Minute für das initiale Laden und 0,5 Zoll pro Minute nach 5 % Dehnung. Dann legen Sie weiteren Aktionen in der Software, wie z. B. Anhalten der Maschine bei 5 % Dehnung in der Extensometer vor Probe Fehler entfernen.

Manuell erhöhen Sie den Kreuzkopf, so dass die volle Länge der Probe zwischen den oberen und unteren griffen passt. Die Probe vorsichtig in die Top-Grip auf ca. 80 % der Tiefe Griff einsetzen. Richten Sie die Probe innerhalb der oberen Griff und ziehen Sie leicht an, um die Probe vor dem Absturz zu verhindern. Senken Sie langsam die obere Traverse. Sobald die Probe innerhalb von etwa 80 % der unteren Griff Tiefe ist, starten Sie Probe Ausrichtung innerhalb der unteren Griffe. Die Probe sollte in der Mitte der vollständig geöffneten unteren Griff schweben. Seitlichen Druck auf die Probe durch die Griffe um sicherzustellen, dass kein Verrutschen während des Tests erfolgt. Beachten Sie, dass festziehen eine kleine axiale Kraft auf die Probe stellt.

Verwenden Sie die Software, um eine Vorspannung um diese Kraft zu kompensieren und notieren Sie den Wert zu verhängen. Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe entsprechend Anleitungen des Herstellers. Die Klingen der Extensometer sollte etwa auf das Präparat zentriert werden. Wenn ein Dehnungsmessstreifen verwendet wird, schließen Sie es.

Beginnen Sie den Test, indem Zugbelastung auf die Probe. Die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu beobachten. Um zu bestätigen, dass die Probe nicht durch die Griffe Rutschen ist, sicherzustellen Sie, dass die gemessene Belastung linear zunimmt. Irgendwann vor Probe scheitern wird die Software automatisch den Test angehalten. Lassen Sie die Probe in die Prüfmaschine und entfernen Sie die Extensometer. Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Bei Erreichen der maximalen Last, beginnen die gemessenen Belastungen zu verringern. An diesem Punkt beginnt die Probe zum Hals. Necked hierzulande durch duktile reißen sollte zum endgültigen Bruch kommen.

Nachdem der Test beendet ist, erhöhen Sie die Kreuzkopf, lockern Sie der obersten Griff und entfernen Sie das gebrochene Stück der Probe daraus. Lösen Sie den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe. Nehmen Sie den Wert auf die maximale Zugbelastung. Speichern Sie die erfassten Daten und der Spannungs-Dehnungs-Kurve.

Sorgfältig zusammenpassen Sie die Enden des gebrochenen Probe und Messen Sie den Abstand zwischen den Markierungen Messgerät zu den nächstgelegenen 2000. Zoll. Die letzte Spur Länge aufzeichnen. Zu guter Letzt Messen Sie den Durchmesser der Probe am kleinsten Querschnitt zu den nächstgelegenen 2000. Zoll.

Ermitteln, Materialeigenschaften, zuerst schauen Sie sich die Daten für die A36 warmgewalzter Baustahl und die Daten für C1018 schwer kaltgewalzter Stahl, beziehungsweise.

Berechnen Sie jetzt die prozentuale Dehnung für jede Probe, zu wissen, dass das endgültige Messgerät und die ursprüngliche Länge messen. Die Einschränkung des Bereichs für jede Probe mit den endgültigen Durchmesser und der Ausgangsdurchmesser der Probe zu berechnen. Notieren Sie diese Werte in einer Ergebnistabelle.

Als Nächstes berechnen Sie andere Materialparameter mit experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven. Ein kurzer Vergleich der Kurven für die zwei Exemplare zeigt ihre sehr unterschiedlichen elastischen und unelastischen Verhaltensweisen. Von den viel größeren Belastung auf den unteren Ebenen von Stress ist die A36-Stahl weicher und weit mehr als der C1018 Stahl duktil.

Für die A36-Stahl ist die Spannung bei Ausfall etwa 58,6 Kilopounds pro Quadratzoll, wesentlich über dem Nennwert von 36,0 Kilopounds pro Quadratzoll. Maximale Spannung beträgt ca. 86,6 Kilopounds pro Quadratzoll auf einen Stamm von etwa 20 %.

Diese vergrößerte Darstellung zeigt eine nach oben Streckgrenze bei etwa 58,6 Kilopounds pro Quadratzoll und eine untere Streckgrenze bei ca. 56,8 Kilopounds pro Quadratzoll. Beginn der Ertrag Hochebene ist auch hier sichtbar. DMS-Daten zeigt einen linearen elastischen Bereich für die A36-Stahl mit einer Neigung definiert als Elastizitätsmodul von etwa 29.393 Kilopounds pro Quadratzoll. Dieses Ergebnis ist sehr nah an den Nennwert der 29.000 Kilopounds pro Quadratzoll.

An der Stelle, wo die Daten von Linearität abweicht, können wir feststellen, dass die proportionale beträgt etwa 55,58 Kilopounds pro Quadratzoll. Zum Vergleich: wegen der Nichtlinearität der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist der C1018 Stahl sehr gering proportional beschränkt.

Ergebnisse von den Titelseiten Extensometer Stamm bis zu 5 %. Daten für die A36-Stahl zeigt die Kunststoff-Plateau und dem Beginn der Kaltverfestigung wo steigt die Kurve wieder auf einen Stamm von rund 2,7 %. Im Gegensatz dazu hat der C1018 keine klare Ertrag Plateau.

Beenden Sie die Datenanalyse durch Zusammenfassung der Testergebnisse für die beiden Stahlproben in der folgenden Tabelle.

Die Dehnung in einem warmgewalzten Stahl ist im Bereich von 25 bis 40 %. Im Gegensatz dazu ist die Dehnung eines harten kaltgewalzten Stahl nur Hälfte dieses Betrags. Die prozentuale Dehnung ist ein Durchschnittswert für die Länge des Materials zwischen den Manometer-Marken, aber fast alle die Verformung ist, eine kleine Region um den Bruch Punkt lokalisiert. Infolgedessen konnte die lokale Belastung viel größer als der Durchschnitt sein.

Körperliche Untersuchung der beiden Exemplare zeigen große Unterschiede in der Art, wie sie scheitern, Unterschiede in der Spannungs-Dehnungs-Kurven entsprechen.

Die A36-Stahl hat eine Ausfall Oberfläche mit Material am Rand während der schrittweisen endgültige Verformung und größere Dehnung bei niedrigeren Spannungen, zeigt eine sehr milde aber duktile Metall herausgezogen.

Im Gegensatz dazu der C1018 Stahl hat eine flache fehlerfläche, plötzlichen Bruch entspricht und viel weniger Dehnung bei viel höher betont, Eigenschaften von hoher Festigkeit aber geringe Duktilität.

Schauen wir uns einige gängige Anwendungen aus Stahl aus der Sicht der Beziehung zwischen Stress und Anspannung.

Bauingenieure analysieren strukturelle Einstürze in Brücken und Gebäuden, um künftige Konstruktionen zu verbessern. Dieser Prozess führte zu Komponenten wie Stahl I-Träger für mehrstöckige Gebäude gerollt, geschweißt tief-Platte ich-Träger für Brücken, und hochfeste Schrauben und Verbindungselemente. Jede erfordert verschiedene Arten von Stahl mit bestimmten stärken und duktilitäten, oft erst durch Prüfung der ihre Spannungs-Dehnungs-Kurven verstanden.

Ingenieure nutzen die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften des Materials, um sicherere Autos zu machen. Zu wissen, die Festigkeit und Duktilität des Rahmens und wie es in Reaktion auf Kräfte beeinflussen verformt, entwerfen Ingenieure eines Automobils Körper Energie bei Aufprall absorbieren und erhöhen Sie die Chance einen Sturz zu überleben.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften des Stahls beobachtet.

Sie sollten jetzt wissen, wie Sie einen einachsigen Zugversuch ermitteln die Zugeigenschaften von metallischen Werkstoffen durchführen und Spannungs-Dehnungs-Kurven für typische Stähle zu analysieren.

Danke fürs Zuschauen!

Results

Aus den Messungen (Abb. 5 und Tabelle 1) möglicherweise ein Baustahl Dehnungen im Bereich von 25-40 %, während die härtere Stahl die Hälfte davon sein kann. Es ist wichtig zu beachten, dass fast alle die Verformung in einem kleinen Volumen lokalisiert ist und damit die % Dehnung nur durchschnittlich; vor Ort konnte die Belastung wesentlich höher sein. Beachten Sie auch, dass die % Verringerung der Bereich auch eine sehr schwierige Messung ist zu machen, wie unebenen Untergründen; somit reicht dieser Wert erheblich.

Probe A36 C1018 in.
% Dehnung 33.3 17.3 %
% Bereich Reduzierung 54,3 50.1 %
Zugfestigkeit Streckgrenze 58,6 73,0 ksi
Zugfestigkeit 86,6 99,9 ksi
Stress bei der Fraktur 58,6 86,7 ksi
Elastizitätsmodul 29393 29362 ksi

Tabelle 1. Stahlprüfkörper Zusammenfassung.

Figure 4
Abbildung 4 : Typische duktil (linkes Bild) und spröde (rechtes Bild) fehlerfläche.

In der Regel diese variiert zwischen einer duktilen Scherung (Cup-Konus) Fraktur, wie zu erwarten wäre nach einem Fehler wie in Abb. 4 gezeigt, um eine spröde Dekolleté-Fraktur. Typische grafische Ergebnisse für die komplette Spannungs-Dehnungs-Kurven sind in Abb. 5 dargestellt. Beachten Sie die sehr große Unterschiede in der Spannungs-Dehnungs-Charakteristik, von einem sehr milden aber duktil A36-Stahl bis sehr stark, aber nicht dehnbar C1018 reichen. Beachten Sie, dass beide sind konventionell Stahl genannt, aber ihre Leistung deutlich anders ist.

Figure 5
Abbildung 5 : Letzte Spannungs-Dehnungskurve.

Applications and Summary

Dieses Experiment beschrieben, wie man eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für typische Stahl zu erhalten. Unterschiede in den Spannungs-Dehnungs-Kurven können entweder Unterschied in der Verarbeitung (z. B. Kaltverformung vs. Warmwalzen) und chemische Zusammensetzung (z. B. Prozent aus Kohlenstoff und andere Legierungen) zugeordnet werden. Die Tests zeigten, dass Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eine sehr duktiles Material wenn in einachsigen Spannung geladen ist.

Es ist immer relevant, Versuchsergebnisse veröffentlichten Werten zu vergleichen. Letztere repräsentieren in der Regel einen Mindestwert von der Spezifikation basierend auf 95 % Vertrauensgrenze, sodass es wahrscheinlich ist, dass jede Stärkewert tabellarisch im Test in der Regel durch eine Marge von 5 % - 15 % überschritten wird. Jedoch sind viel höhere Werte möglich, da Materialien sind in der Regel nach unten eingestuft werden, wenn sie einige Spezifikation Anforderung nicht entsprechen. Die Dehnungswerte werden in der Regel in der Nähe von jenen veröffentlicht werden. Der Elastizitätsmodul, sollten nicht auf der anderen Seite deutlich variieren. Wenn der Wert von E nicht nah an dem veröffentlicht ist, sollte eine durch Überprüfung der Fehlerquellen durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Fehler Rutschfestigkeit der Extensometer, unsachgemäße Kalibrierung der Wägezelle oder Extensometer, falsche Eingangsspannungen in Sensoren, falsche Parameter werden in die Software eingeben, um nur einige zu nennen fällig.

Stahl ist ein allgemein verwendetes Material in der Bauwirtschaft. Die Anwendungen umfassen:

  • Gerollt-förmigen strukturelle Stahlprofile häufig in konventionellen mehrstöckigen Gebäuden verwendet, weil es einfach zu Anarbeiten und verbinden die Komponenten, die Zeitersparnis im Bauprozess.
  • Teller tief ich-Träger verwendet in Brücken, wo die Abschnitte sind durch Schweißen, Tiefe, dünne versteifte Stege und dicken Flanschen bebauten verschweißt. Dadurch wird ein Großteil des Materials in seiner nützlichsten Position (Flansche), das Design für die Festigkeit und Steifigkeit zu optimieren und reduzieren die Gesamtkosten des Projekts.
  • Schrauben und Verbindungselemente verwendet in Verbindungen, wo in der Regel hohe Festigkeit und moderate Duktilität erforderlich sind. Diese Verbindungselemente werden in Myriaden von Autos bis hin zu Haushaltsgeräten eingesetzt.

Die wichtigste Anwendung der hier beschriebenen Zugversuch ist im Prozess Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Stahl, Aluminium und ähnlichen Metallen in der Bauindustrie verwendet. ASTM-Standards verlangen, dass dieser Test auf repräsentative Proben von jedem Wärme aus Stahl ausgeführt werden müssen, und solche Ergebnisse rückführbar auf etablierten Benchmarks. Die öffentliche Sicherheit ist eng verbunden, um sicherzustellen, dass diese Art der Qualitätskontrollverfahren standardisiert und gefolgt ist. Schlechter Qualität in Baumaterialien und Mangel an Duktilität auf Material und strukturellen Ebene sind die häufigste Ursache von zusammenbricht während und nach dem Erdbeben und ähnliche Naturkatastrophen. Kraftlosigkeit in kritischen Komponenten führte zum Scheitern der I-35W Brücke in Minneapolis im Jahr 2007 und die Verwendung von minderwertigen Materialien sind die Ursache vieler zusammenbricht, die in den Entwicklungsländern, so das man auftreten, die tausend Leben in 2013, wenn übernahm die S Avar Gebäude eingestürzt in Dhaka (Bangladesch).

Auf einer täglichen Basis kann man am Beispiel der Automobilindustrie, erwähnen, die stark profitiert von Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Stahl und anderen Materialien zu wissen, beim Entwerfen von Autos, sicher und effektiv in einer crashsituation durchzuführen. Durch die Gestaltung von Autos, die Stärke in bestimmten Teilen, wobei für Belastung und Duktilität in anderen Teilen, können Hersteller erstellen besseres crashmanagement, aber nur, wenn sie genau die Spannungs-Dehnungs-Merkmale der einzelnen Teile vermuten können.

Spannung von Stahl Proben Testen

Der Zweck dieses Experiments ist:

  • Studenten mit der standard-Labor-Test zur Bestimmung der Zugeigenschaften metallischer Werkstoffe in irgendeiner Form (ASTM E8), vertraut zu machen
  • Vergleichen Sie die Eigenschaften des allgemein verwendet metallischen Werkstoffen (Stahl und Aluminium), und
  • Um die getesteten Eigenschaften von Metallen zu vergleichen veröffentlichten Werte.

Es ist anzunehmen, dass eine Universalprüfmaschine (UTM) mit Verformung Kontrolle und damit verbundenen Tests und Daten Akquisition Fähigkeiten zur Verfügung steht. Verfahren Sie empfohlene Schritt für Schritt um Zugprüfung von UTM, wobei besonderes Augenmerk auf die Sicherheitshinweise des Herstellers durchzuführen. Nicht fortfahren Sie, wenn Sie über jeden Schritt unsicher sind, und klären Sie Zweifel mit Ihrem Labor-Lehrer zu, wie Sie ernsthaft verletzen können Sie selbst oder Menschen in Ihrer Umgebung, wenn die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen nicht befolgt werden. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie wissen, alle Not-Halt-Verfahren und, dass Sie mit der Software der Maschine vertraut sind.

Das folgende Verfahren ist generisch und wichtigsten Schritte abdecken soll; Möglicherweise gibt es erhebliche Abweichungen je nach den verfügbaren Geräten.

1. Proben vorbereiten:

  1. Zylindrische Probekörper für zwei Stähle erhalten, eine mild und heiß gerollt (z. B. A36) und einer harten und kalten gerollt (z. B. eine C1018).
  2. Messen Sie den Durchmesser des Prüflings, die nächste 0,002 Zoll an mehreren Standorten in der Nähe der Mitte mit einem Bremssattel.
  3. Festhalten Sie die Probe und markieren Sie, mit einer Datei, eine ungefähre 2 Zoll Gage Länge. Hinweis: Markieren Sie die Gage Länge sorgfältig so dass es klar geätzt, aber nicht so tief wie eine Spannungskonzentration geworden, die zum Bruch führen können.
  4. Messen der tatsächlichen Gage Länge zu den nächstgelegenen 0,002 Zoll mit einem Bremssattel gekennzeichnet.
  5. Installieren Sie wenn möglich DMS JoVE video auf "Material Constants" beschrieben.
  6. Sammeln Sie alle verfügbaren Informationen über die Kalibrierdaten und Auflösung aller Instrumente, die verwendet wird, um experimentelle Fehlermöglichkeiten und Vertrauensgrenzen zu beurteilen. Diese beiden Fragen sind Schlüssel zu aussagekräftigen Ergebnissen aber würde den Rahmen sprengen, was hier diskutiert wird.

2. Prüfung der Proben:

  1. Schalten Sie die Prüfmaschine und Initialisieren der Software. Stellen Sie sicher, dass Sie keine entsprechende grafische Darstellung und Daten Akquisition-Funktionen innerhalb der Software eingerichtet haben. Auf ein Minimum der Spannungs-Dehnungs-Kurve anzeigen und Displays für die Last und Belastung haben.
  2. Wählen Sie eine geeignete Prüfverfahren innerhalb der Software, die mit der ASTM E8 Testprotokoll kompatibel ist. Beachten Sie die Umformgeschwindigkeit verwendet wird und ob zwei Preise für die elastischen und unelastischen Bereich verwendet werden. Auch setzen Sie geeigneten Maßnahmen in der Software (z. B. für die Maschine zu stoppen bei 15 % Dehnung, um sicher die Extensometer entfernen und den maximale Wert der Belastung zu erfassen, die erreicht wird.).
  3. Erhöhen Sie die Traverse manuell so, dass die volle Länge der Probe zwischen den Griffen passt. Legen Sie die Probe in die oberen Griffe auf ca. 80 % der Tiefe Griff; richten Sie die Probe in die Griffe und ziehen Sie an, um die Probe zu verhindern. Hinweis: Ziehen Sie den Griff, um seinen vollen Druck nicht zu diesem Zeitpunkt.
  4. Senken Sie langsam die obere Traverse. Sobald die Probe innerhalb von etwa 80 % der unteren Griff Tiefe ist, sicherzustellen, dass die Probe erscheint in der unteren Griffe ausgerichtet (d.h. mit den unteren griffen in die vollständig geöffnete Position die Probe sollte "schweben" in der Mitte der unteren Öffnung der Zinken). Probe Fehlstellungen, die Biege- und Torsionssteifigkeit zusatzspannungen während des Tests führen wird, ist eines der häufigsten Fehler beim Spannung Tests durch. Wenn die Ausrichtung schlecht, ist Arbeit mit einem Techniker, die Griffe richtig auszurichten.
  5. Wenden Sie entsprechenden seitlichen Druck auf die Probe durch die Griffe um sicherzustellen, dass kein Verrutschen während des Tests auftritt an Beachten Sie, dass an dieser Stelle eine kleine Axiale Last werden, wie festziehen eine Vorspannung in der Probe führt; die Prüfmaschinen möglicherweise Software-Anpassungen, diese Vorspannung zu minimieren. Notieren Sie sich die Vorspannung Wert.
  6. Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe nach Angaben des Herstellers. Hinweis: Die Extensometer klingen müssen nicht genau auf die Gage Markierungen auf dem Probestück positioniert werden, aber sollte ungefähr zentriert werden, auf die Probe.
  7. Vergewissern Sie sich, dass Sie alle Verfahren bis zu diesem Zeitpunkt korrekt ausgeführt haben; Wenn möglich, haben Sie einen Vorgesetzten überprüfen, ob die Probe zum Testen bereit.
  8. Starten Sie der Laden zunächst Anwendung der Zugbelastung auf die Probe und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu. Hinweis: Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angenäht werden. Wenn dies auftritt, beenden Sie den Test und starten Sie erneut ab Schritt 2.3.
  9. Irgendwann vor der Probe scheitern wird der Test automatisch angehalten ohne Entladen der Probekörpers. An dieser Stelle entfernen Sie die Extensometer. Bricht die Probe mit der Extensometer vorhanden, werden Sie die Extensometer, ein sehr teures Gerät zerstören.
  10. Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Bei Erreichen der maximalen Last, beginnt die gemessenen Belastungen zu verringern. An dieser Stelle die Probe beginnt Einschnürung und endgültigen Bruch sollte innerhalb dieser necked Region durch duktile reißen kommen.
  11. Nach Abschluss des Tests erhöhen Sie die Kreuzkopf, lösen Sie die obere Griffe und das gebrochene Stück der Probe aus dem oberen Griff herausziehen. Sobald die obere Hälfte der Probe entfernt ist, lösen Sie den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe.
  12. Nehmen Sie den Wert auf die maximale Zugbelastung und ein gedrucktes Exemplar der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Sichern Sie die Daten digital erfasst.
  13. Sorgfältig zusammenpassen Sie die Enden des gebrochenen Probe und Messen Sie den Abstand zwischen den Gage-Markierungen an den nächstgelegenen 0,002 In. Die endgültige Gage Länge aufzeichnen.
  14. Messen Sie den Durchmesser der Probe bei der kleinsten Querschnitt an den nächstgelegenen 0,002 In.
  15. Die gebrochene Exemplar mit Bildern und Diagrammen zu dokumentieren.

(3) Datenanalyse

  1. Berechnen Sie die % Dehnung und Einschränkung des Bereichs für jede Art von metallischen Werkstoff.
    Dehnung =Equation 2
    Einschränkung des Bereichs =Equation 3
  2. Beschreiben, kategorisieren und Aufzeichnen des vorherrschende Fraktur-Modus für jede Probe.
  3. Bestimmen Sie die Materialeigenschaften, wie in Abb. 2 und 3 beschrieben. Die Daten in eine Tabellenkalkulation zu organisieren, so dass die Belastung bis 0,004 von DMS und 0,004 bis 0,15 durch die Extensometer gegeben ist (die Obergrenze für die Extensometer ist der Wert der Belastung an, es wurde entfernt aus dem Test; dieser Wert ändert sich je nach die Verformung Kapazität der Probe).
  4. Verwenden Sie Kreuzkopf Verschiebung und % Dehnung, um ultimative Dehnung zu schätzen. Wenn ein DMS nicht verwendet wird, achten Sie darauf, für jede erste Schlupf der Extensometer korrigieren. Plätze in der Grafik, die Zähigkeit (Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve) zu erhalten kann man rechnen.
  5. Mit einem Lehrbuch oder andere geeignete Referenz, bestimmen der Elastizitätsmodul, Ertrag, Stärke und Bruchfestigkeit der verwendeten Materialien. Vergleichen Sie die veröffentlichten Werte auf die Testergebnisse.

Stahl ist ein allgemeiner Begriff für Eisen mit Kohlenstoff und anderen Elementen wie Chrom, Mangan und Nickel legiert.

Variationen in der Zusammensetzung und Verarbeitung Methoden können seine Eigenschaften für den Bau von Autos, Brücken und Hochhäuser, um nur einige der fast unendlichen Einsatzmöglichkeiten zu nennen anpassen.

Steels Antwort laden zu verstehen ist wichtig, beim sicheren Gebäuden und Strukturen zu entwerfen. Ein grundlegendes Werkzeug für die Modellierung von Materialeigenschaften ist die Spannungs-Dehnungs-Kurve.

Wir verwenden den einachsigen Zugversuch, um elastische und unelastische Verhalten eines warmgewalzten Stahl und eine harte kaltgewalzter Stahl, die niedrige und hohe Grenzen bzw. der Zugfestigkeiten im Tiefbau darstellen zu studieren.

Stress wird definiert als die Kraft geteilt durch die Fläche auf die er angewendet wird. Dehnung ist die Längenänderung dividiert durch die Ausgangslänge. Spannungs-Dehnungs-Kurven beschreiben die elastischen und unelastischen Eigenschaften der Materialien zeigen, wie ein Material wie Stahl entspricht Kraft aufgebracht.

Die einachsige Zugversuch wird typischerweise zum Studium Stress und Anspannung. In diesem Test eine Maschine langsam zieht die Enden einer Probe mit immer mehr Kraft und misst die daraus resultierenden Dehnung. Das Metall Zugversuch beschreibt ASTM E8, bestimmt die Art und Größe der Probe, der Art der Ausrüstung und die Daten gemeldet werden.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurve zeigt viele Eigenschaften des Materials unter Test. Unter ihnen Elastizitätsmodul (die Steigung der ersten linearen Bereichs, wo Verformung proportional zum Laden ist), e-Modul von Resilienz (der Bereich unterhalb der linearen Region, die ein Material Kapazität Energie ohne bleibende Verformung aufnehmen misst), proportional-Grenze (die Spannung an den Punkt der Kurve von Linearität abweicht), Ertrag Punkte (wo stress versus Belastung plötzlich abnimmt oder Änderungen) und Ertrag Plateau (wo Verformung steigt ohne Stress zu erhöhen).

Stahl ist ein duktiles Material. Duktilität ist definiert als die Längenänderung bei Ausfall dividiert durch die Ausgangslänge. Härte ist die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, bevor es bricht.

Jetzt, wo wir einige der grundlegenden Eigenschaften der Materialien zu verstehen, betrachten wir eine Methode, um Stress und Anspannung im Labor zu messen und untersuchen das Verhältnis zwischen diesen beiden Größen.

Erhalten Sie zylindrische Probekörper für zwei Arten von Stahl, eine mild und warm gewalzte, z. B. A36 und eine hart und kalt gewalztes, wie C1018.

Verwenden Sie einen Bremssattel, um den Durchmesser an mehreren Standorten in der Nähe der Mitte der Probe zu messen. Machen Sie diese Messungen, die nächste 2000. Zoll.

Als nächstes festhalten Sie die Probe gut. Schreiber eine Manometer-Länge von etwa zwei Zoll. Die Marke klar zu machen, aber sehr flach, um zu vermeiden, erstellen eine Spannungskonzentration, die zum Bruch führen kann. Messen Sie die tatsächliche Spurweite Länge zu den nächstgelegenen 2000. Zoll markiert.

Zum Schluss installieren Sie ein DMS. Das Exemplar ist nun bereit zum Testen.

Wir werden eine universelle Maschine oder UTM, Tests verwenden, um die Zugfestigkeit Eigenschaften der Proben zu messen. Schalten Sie die Prüfmaschine und Initialisieren der Software. Richten Sie entsprechende grafische Darstellung und Daten Aufnahmeparameter, wählen Sie dann eine Test-Prozedur, die mit dem ASTM E8-Protokoll kompatibel ist.

Eingestellten Dehnraten für geringe Belastungen NULL auf 5 % und für hohe Belastung bzw. reicht mehr als 5 %. Diese sollte in der Nähe von 0,05 Zoll pro Minute für das initiale Laden und 0,5 Zoll pro Minute nach 5 % Dehnung. Dann legen Sie weiteren Aktionen in der Software, wie z. B. Anhalten der Maschine bei 5 % Dehnung in der Extensometer vor Probe Fehler entfernen.

Manuell erhöhen Sie den Kreuzkopf, so dass die volle Länge der Probe zwischen den oberen und unteren griffen passt. Die Probe vorsichtig in die Top-Grip auf ca. 80 % der Tiefe Griff einsetzen. Richten Sie die Probe innerhalb der oberen Griff und ziehen Sie leicht an, um die Probe vor dem Absturz zu verhindern. Senken Sie langsam die obere Traverse. Sobald die Probe innerhalb von etwa 80 % der unteren Griff Tiefe ist, starten Sie Probe Ausrichtung innerhalb der unteren Griffe. Die Probe sollte in der Mitte der vollständig geöffneten unteren Griff schweben. Seitlichen Druck auf die Probe durch die Griffe um sicherzustellen, dass kein Verrutschen während des Tests erfolgt. Beachten Sie, dass festziehen eine kleine axiale Kraft auf die Probe stellt.

Verwenden Sie die Software, um eine Vorspannung um diese Kraft zu kompensieren und notieren Sie den Wert zu verhängen. Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe entsprechend Anleitungen des Herstellers. Die Klingen der Extensometer sollte etwa auf das Präparat zentriert werden. Wenn ein Dehnungsmessstreifen verwendet wird, schließen Sie es.

Beginnen Sie den Test, indem Zugbelastung auf die Probe. Die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu beobachten. Um zu bestätigen, dass die Probe nicht durch die Griffe Rutschen ist, sicherzustellen Sie, dass die gemessene Belastung linear zunimmt. Irgendwann vor Probe scheitern wird die Software automatisch den Test angehalten. Lassen Sie die Probe in die Prüfmaschine und entfernen Sie die Extensometer. Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Bei Erreichen der maximalen Last, beginnen die gemessenen Belastungen zu verringern. An diesem Punkt beginnt die Probe zum Hals. Necked hierzulande durch duktile reißen sollte zum endgültigen Bruch kommen.

Nachdem der Test beendet ist, erhöhen Sie die Kreuzkopf, lockern Sie der obersten Griff und entfernen Sie das gebrochene Stück der Probe daraus. Lösen Sie den unteren Griff und entfernen Sie die andere Hälfte der Probe. Nehmen Sie den Wert auf die maximale Zugbelastung. Speichern Sie die erfassten Daten und der Spannungs-Dehnungs-Kurve.

Sorgfältig zusammenpassen Sie die Enden des gebrochenen Probe und Messen Sie den Abstand zwischen den Markierungen Messgerät zu den nächstgelegenen 2000. Zoll. Die letzte Spur Länge aufzeichnen. Zu guter Letzt Messen Sie den Durchmesser der Probe am kleinsten Querschnitt zu den nächstgelegenen 2000. Zoll.

Ermitteln, Materialeigenschaften, zuerst schauen Sie sich die Daten für die A36 warmgewalzter Baustahl und die Daten für C1018 schwer kaltgewalzter Stahl, beziehungsweise.

Berechnen Sie jetzt die prozentuale Dehnung für jede Probe, zu wissen, dass das endgültige Messgerät und die ursprüngliche Länge messen. Die Einschränkung des Bereichs für jede Probe mit den endgültigen Durchmesser und der Ausgangsdurchmesser der Probe zu berechnen. Notieren Sie diese Werte in einer Ergebnistabelle.

Als Nächstes berechnen Sie andere Materialparameter mit experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven. Ein kurzer Vergleich der Kurven für die zwei Exemplare zeigt ihre sehr unterschiedlichen elastischen und unelastischen Verhaltensweisen. Von den viel größeren Belastung auf den unteren Ebenen von Stress ist die A36-Stahl weicher und weit mehr als der C1018 Stahl duktil.

Für die A36-Stahl ist die Spannung bei Ausfall etwa 58,6 Kilopounds pro Quadratzoll, wesentlich über dem Nennwert von 36,0 Kilopounds pro Quadratzoll. Maximale Spannung beträgt ca. 86,6 Kilopounds pro Quadratzoll auf einen Stamm von etwa 20 %.

Diese vergrößerte Darstellung zeigt eine nach oben Streckgrenze bei etwa 58,6 Kilopounds pro Quadratzoll und eine untere Streckgrenze bei ca. 56,8 Kilopounds pro Quadratzoll. Beginn der Ertrag Hochebene ist auch hier sichtbar. DMS-Daten zeigt einen linearen elastischen Bereich für die A36-Stahl mit einer Neigung definiert als Elastizitätsmodul von etwa 29.393 Kilopounds pro Quadratzoll. Dieses Ergebnis ist sehr nah an den Nennwert der 29.000 Kilopounds pro Quadratzoll.

An der Stelle, wo die Daten von Linearität abweicht, können wir feststellen, dass die proportionale beträgt etwa 55,58 Kilopounds pro Quadratzoll. Zum Vergleich: wegen der Nichtlinearität der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist der C1018 Stahl sehr gering proportional beschränkt.

Ergebnisse von den Titelseiten Extensometer Stamm bis zu 5 %. Daten für die A36-Stahl zeigt die Kunststoff-Plateau und dem Beginn der Kaltverfestigung wo steigt die Kurve wieder auf einen Stamm von rund 2,7 %. Im Gegensatz dazu hat der C1018 keine klare Ertrag Plateau.

Beenden Sie die Datenanalyse durch Zusammenfassung der Testergebnisse für die beiden Stahlproben in der folgenden Tabelle.

Die Dehnung in einem warmgewalzten Stahl ist im Bereich von 25 bis 40 %. Im Gegensatz dazu ist die Dehnung eines harten kaltgewalzten Stahl nur Hälfte dieses Betrags. Die prozentuale Dehnung ist ein Durchschnittswert für die Länge des Materials zwischen den Manometer-Marken, aber fast alle die Verformung ist, eine kleine Region um den Bruch Punkt lokalisiert. Infolgedessen konnte die lokale Belastung viel größer als der Durchschnitt sein.

Körperliche Untersuchung der beiden Exemplare zeigen große Unterschiede in der Art, wie sie scheitern, Unterschiede in der Spannungs-Dehnungs-Kurven entsprechen.

Die A36-Stahl hat eine Ausfall Oberfläche mit Material am Rand während der schrittweisen endgültige Verformung und größere Dehnung bei niedrigeren Spannungen, zeigt eine sehr milde aber duktile Metall herausgezogen.

Im Gegensatz dazu der C1018 Stahl hat eine flache fehlerfläche, plötzlichen Bruch entspricht und viel weniger Dehnung bei viel höher betont, Eigenschaften von hoher Festigkeit aber geringe Duktilität.

Schauen wir uns einige gängige Anwendungen aus Stahl aus der Sicht der Beziehung zwischen Stress und Anspannung.

Bauingenieure analysieren strukturelle Einstürze in Brücken und Gebäuden, um künftige Konstruktionen zu verbessern. Dieser Prozess führte zu Komponenten wie Stahl I-Träger für mehrstöckige Gebäude gerollt, geschweißt tief-Platte ich-Träger für Brücken, und hochfeste Schrauben und Verbindungselemente. Jede erfordert verschiedene Arten von Stahl mit bestimmten stärken und duktilitäten, oft erst durch Prüfung der ihre Spannungs-Dehnungs-Kurven verstanden.

Ingenieure nutzen die Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften des Materials, um sicherere Autos zu machen. Zu wissen, die Festigkeit und Duktilität des Rahmens und wie es in Reaktion auf Kräfte beeinflussen verformt, entwerfen Ingenieure eines Automobils Körper Energie bei Aufprall absorbieren und erhöhen Sie die Chance einen Sturz zu überleben.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften des Stahls beobachtet.

Sie sollten jetzt wissen, wie Sie einen einachsigen Zugversuch ermitteln die Zugeigenschaften von metallischen Werkstoffen durchführen und Spannungs-Dehnungs-Kurven für typische Stähle zu analysieren.

Danke fürs Zuschauen!

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