アルミニウムの応力-ひずみ特性

Structural Engineering

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Overview

ソース: ロベルト ・ レオン、ブラックスバーグ, バージニア バージニア工科大学土木環境工学科

アルミニウムは、航空機部品にソーダ缶からのすべての遍在は私たちの生活の中で最も豊富な材料の一つです。その普及は比較的最近 (1900AD)、主に、フリーの状態で、酸素と Al2O3の形で多くの場合、他の要素との組み合わせではなく、アルミは発生しません。アルミはもともと熱帯の国でのボーキサイト鉱床から得られた、その洗練された非常に高エネルギーの消費が必要です。質のアルミニウムを生産の高コストは非常に広くリサイクル材料が別の理由です。

アルミ、特に場合は、いくつかの共通の要素の 1 つ以上の合金はますます建築、交通機関で使用されている化学・電気のアプリケーション。今日では、アルミを突破鋼構造部材としての使用でのみです。アルミニウムは鋳造及び鍛造、押し出しフラッ トロール製品として、他のほとんどの金属のような利用できます。アルミニウム合金の容易さと同様、優れた強度対重量比、耐腐食性、作製、非磁性、高熱および電気伝導性、使いやすさを提供しています。

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JoVE Science Education Database. 構造工学. アルミニウムの応力-ひずみ特性. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

原子番号 13 金属と非金属の成分間の制限で、周期表での位置とその面心立方 (FCC) 構造から、アルミニウムは最も化学的に活動的な要素の一つであることは明らかです。実際には、酸素、アルミニウムを簡単に腐食に傾向があるように思われるため非常に強い親和性があります。興味深いことに、新たに生産されたアルミニウムの表面が酸素、卑金属酸化とその他の種類の化学攻撃の両方を保護する薄い、比較的安定で不活性酸化膜を生産に瞬時に反応します。その相対的な軽量の性質と硬さ、に加えてこの表面特性は、非常に望ましい建材アルミを作るものです。

アルミニウムの表面に酸化皮膜は、一般的に非常に薄い (約 50 に 100 Å) と鋼で一般的な典型的な鉄酸化物とは異なり、基材におさえます。酸化層が薄いので、アルミニウムの機械的性質には影響しませんしてないそれにより材料の審美的な質を損なうことの目にほとんど透明です。その腐食と耐摩耗性を改善するためにこの酸化物の層の厚さを増加する使用ことができます陽極酸化技術の数があります。それを使用する前に考慮するアルミニウムの 1 つの潜在的な欠点は、それが比較的低温で溶けるし、従って高温用途に適してではありませんです。

アルミニウムは軽量で、スチール製の密度約 1/3 です。また弾性係数、70GPa について、撮影が多いために当てはまるこの 1/3 関係 (10,000 ksi) アルミ用。その強さとその純粋な状態で非常に低いが、他の機械的特性が大幅に改善される合金と熱処理によって鋼の場合と同様。強化は、冷たい作業またはひずみ硬化材料の圧延又はシートまたはバーの領域の減少に終ってダイスを通して描かれてどこでも実現できます。

アルミニウム主体の合金追加、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛。他の要素は結晶粒微細化と特殊なプロパティを開発するより少ない量でも追加されます。

  • はかなり溶解性は、アルミニウムと合金の時効硬化特性により大幅な強化効果を付与します。多くのアルミニウム合金には、主要な付加としてまたはプリンシパル 1 ~ 10% の濃度の元素の中で銅が含まれています。
  • マンガンはアルミニウム、固体の溶解度を制限しているが、約 1% の濃度で非-加熱-treatable 鍛造アルミニウム合金の重要なシリーズを形成します。
  • シリコンは融点を下げるため、アルミニウムの流動性を増加します。強度の中等度の増加も、シリコン追加機能によって提供されます。
  • マグネシウムは、実質的な強化およびアルミニウムの加工硬化特性の改善を提供します。固体アルミ、Mg はかなり熱処理特性を示さない 7% 未満を含む Al-mg 合金の比較的高い容解性があります。マグネシウムは、他の要素、特に銅および強度の一層の改善のための亜鉛との組み合わせにも追加されます。
  • 亜鉛アルミニウム合金中最高の強度を有する快の合金を生産する鋳造用合金で、鍛造合金中のマグネシウムと組み合わせてを採用します。
  • アルミ、減摩性が向上し、Al-sn 合金キャストはしばしば軸受用します。
  • 一般的に使用される 3xx.x 系鋳造合金、銅およびケイ素が一緒に合金化します。特性およびプロパティの望ましい範囲は両方の快を求め、熱-治療可能な合金。
  • マグネシウムとシリコンは、Mg2Si の両方で時効硬化の基礎となる鍛造し、鋳造合金を形成するおおよその割合で追加されます。

アルミニウム製品の 2 つの一般的な種類は、一般的に認識される: 錬鉄し、キャストします。流れによって形成される任意のアルミ材料砂または恒久的な金型、ダイカスト、かキャストは最終的な形では、他のプロセスによってキャストするにはキャスト アルミニウム; と呼ばれるその他の製品は、鍛造の製品として扱われます。アメリカ、アルミ鍛造合金 (シート、板、押出形材、鍛造品) 4 桁の識別番号をあるは、鋳造合金がポイント、小数点の左側に 3 桁の数字と 1 桁の小数点の右側にポイント (テーブル 1 を参照)。最初の桁は、鍛造と鋳造合金の主要な合金成分を定義します。主な合金成分は 5% で、通常または以下 (量り売り) の鍛造合金と同じまたは鋳造合金で高い。合金のほとんどは、2 つの他の 4 つの要素が主な合金成分よりもはるかに小さい量で含まれています。合金展伸材の指定は、1 xxx シリーズの最後の 2 桁は 99.00% 以上最低アルミニウムの割合を与えます。9 xxx シリーズを通して 2 xxx、最後の 2 桁シリーズに登録されている個々 の合金を指定します。2 番目の数字は、元合金の変更を指定します。合金の指定制度は、鋳物と似ています。この場合、2 番目と 3 番目の桁は、lXX.X 合金の 99.00% 以上最小アルミ割合を与えます。で 2 xx。9XX を通じて X。X シリーズは、次の 2 つの数字は個々 の合金シリーズに登録されています。キャスト合金の小数点の右側に番号を与える製品フォーム: 鋳物と 1、2 (1 より狭い限界組成) 塊の場合は 0。2、6、7 のグループの合金はある熱治療可能です。

表 1: 鍛造と鋳造アルミニウム合金の指定システム。

鍛造合金 キャスト合金
合金 主な合金成分 合金 主な合金成分
1 XXX 99% 最小アルミ lXXX.X 99% 最小アルミ
2 XXX 3 XX。X シリコン、銅やマグネシウム
3XXX マンガン 4 XX。X シリコン
4 XXX シリコン 5 XX。X マグネシウム
5 XXX マグネシウム 7XX。X 亜鉛
6 XXX マグネシウムとシリコン 8 XX。X スズ
7 XXX 亜鉛
8 XXX その他の要素

また、気性数はどのように製品を作製し、鍛造と鋳造の両方の製品に適用されることを示すためです。F と O の怒りは、すべての合金および製品のフォームに適用されます。TXXXX を指定の気性は合金と熱処理加工後の受信し、応答の製品フォームに適用されます。これらの合金と言われるみがき。鍛造合金 7 xxx、6 xxx、2 xxx シリーズの合金が一般的にこのグループで出演します。非熱処理形合金ひずみ硬化によってその強さとその他の特性を得るため、H の気性が指定されます。このグループに含まれている、1 XXX、3XXX、5 xxx シリーズ。気性の詳細については、各種アルミニウム協会の参考資料に含まれています。

基本的な気質は次のとおりです。

  • "F"を作製または: 形成過程の熱や加工硬化条件を特別な制御は採用されていませんの製品に適用されます。
  • 「0」または焼なまし: 再結晶の影響し、強度が最低条件を生成する熱せられた、展伸材と鋳造製品は、靭性と寸法安定性を向上させるのには、アニールに適用されます。
  • "H"またはひずみ硬化: 冷間を通してひずみ硬化によって増強される鍛造の製品に適用されますひずみ硬化は強度のいくつかの減少を生成する補足の熱処理に続く場合があります。H は、常に 2 つ以上の数字が続きます。3 基本的なひずみ硬化カテゴリがあります: こんにちは、H2、H3、最初の桁が基本的な操作を示します (1 = ひずみ硬化のみ; 2 = ひずみ硬化し部分的に焼なまし; 3 = ひずみ硬化および安定化)。2 桁目は、ひずみ硬化の度合いを示す (1 = 四半期; 2 = 半分; 3 = 完全、4 = 余分なハード)。
  • "W"または熱処理ソリューション: ソリューション熱処理後の室温で自発的に年齢合金にのみ適用、不安定な気性。
  • "T"または熱処理された: 熱処理、F または 0 以外の安定した気性を生成する補助硬化時に製品に適用されます。T は、常に 1 つ以上の数字が続きます。基本的には、362 時効性アルミニウム合金焼入後室温で年齢が自然と析出硬化によって強化されます。

6061 T6 アルミの典型的な応力-ひずみ曲線を図 1 に示します。良い耐力・剛性、アノダイズ仕上げしやすい素材です。6061 T6 アルミニウムは、ノート パソコン、テレビなど、多くの電子製品の筐体に使用されます。

図 1 に応力-ひずみ曲線はシャープな降伏点、弾性率ではなく徐々 に減少が見られません。エンジニア リングの目的のための降伏点を調べるには、ASTM および他の組織は、0.2% のオフセットのアプローチを採用しています。図 2 に示すように、動作の直線部分の直線を決定して 0.2% ひずみ時似たような斜面の始まる行を描画が必要です。この 2 行目が応力-ひずみ曲線と交わる強度任意、降伏強さとして定義されます。

Figure 1
図 1: 熱処理されたアルミの典型的な応力-ひずみ曲線。

Figure 2
図 2: 明白な降伏せず材料の降伏強さの定義。

Procedure

アルミニウムの引張試験

この実験の目的は次のとおりです。

  1. 任意のフォーム (ASTM E8) における金属材料の引張特性を決定する標準的な検査で学生を知らせるため
  2. 一般のプロパティを比較する (構造用鋼およびアルミニウム)、金属材料を使用し、
  3. 金属のテスト プロパティを比較するには、値を公開しました。

万能試験機 (UTM) 変形制御と関連付けられたテストとデータ集録の機能が利用できるものとみなします。追って手順を実行引張試験を実行するプロシージャは、安全ガイドラインに特に注意を払って、UTM の製造元から提供されました。任意の手順について不明な場合は続行しないでください。傷つけることができる真剣に自分や周りの人適切な予防措置に従わない場合、あなたのラボのインストラクターと一緒に疑問を明らかにします。また緊急停止のすべてのプロシージャを知っているし、マシンを実行しているソフトウェアに精通しているかどうかを確認します。

以下の手順は一般的な最も重要な手順をカバーするものです。利用可能な機器によってそれからの有意な偏差があります。

1. 試験片を準備しなさい。

  1. 6061T6 など一般的なアルミの円筒試験片を入手します。
  2. キャリパーを使用して中央付近にいくつかの場所に最も近い 0.002 インチ試験片の直径を測定します。
  3. 試料をしっかりと、マーク、ゲージ、おおよそ 2 インチの長さのファイルを使用します。注: 明らかにエッチングがそれほどディープになる破壊につながる応力集中をされるように慎重にゲージの長さをマークします。
  4. 実際のキャリパーを使用して最も近い 0.002 インチ ゲージ長さをマークを測定します。
  5. 可能であれば、「定数」を素材にゼウスのビデオで説明されているように縦ひずみゲージをインストールします。
  6. 校正データの潜在的な誤差と信頼限界を評価するために使用されているすべての楽器の解像度、すべての入手可能な情報を収集します。これらの 2 つの問題は意味のある結果を得ることへのキーが、何がここで議論の範囲を超えています。

2. 試料をテストします。

試験機をオンにし、ソフトウェアを初期化します。どんな適切なグラフやデータ集録機能を備えてソフトウェア内でセットアップいることを確認します。最低でも、応力-ひずみ曲線を表示し、荷重とひずみのディスプレイを持ってください。

  1. ASTM E8 テスト プロトコルと互換性があるソフトウェアで適切な検査を選択します。使用されているひずみ速度に注意してくださいと弾性と非弾性範囲の 2 つのレートが使用されているかどうか。(例えば、伸縮計を安全に削除することができますので、5% 歪みで停止する、達した負荷の最大値を保持するマシン) ソフトウェアで適切なアクションを設定します。
  2. 手動で標本の全長はグリップの間に容易に合うようなクロスヘッドを上げます。グリップの深さの約 80% の上部のグリップに試料を慎重に挿入します。グリップ内部試験片、試験片が落下するを防止するために少し締めます。注:、この段階での完全な圧力にグリップが締めください。
  3. トップのクロスヘッドをゆっくりと下ろします。試料が下部のグリップの深さの約 80% 以内で、試料が下部のグリップ内で正しく配置されてを確認してください (すなわち、完全に開いた位置に下部のグリップと試料が「フロート」グリップの下部開口部の中に)。テスト中に追加の曲げおよびねじり応力になります、試験片のズレは、引張試験を行う場合に発生する最も一般的なエラーの 1 つです。楽器自体の配置が悪い場合に、合わせて適切なグリップの技術者と仕事。
  4. テスト中に滑り、ことを発生しないようにグリップを試験片に適切な側圧を適用されます。注: がある小さな軸力この時点で、金融引き締めのプロセス導入予供試体;テスト コンピューターは、このプリロードを最小限に抑えるためのソフトウェア調整があります。プリロードの値を記録します。
  5. 製造元の仕様に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。メモ: 伸縮ブレード試料ゲージ マークを正確に配置する必要はありませんが試料のほぼ中央が。
  6. このポイントまでのすべての手順を正しく実行したかを入念に確認します。可能であれば、試料のテストの準備を確認スーパーバイザーがあります。
  7. 試験片に引張荷重を適用を開始する読み込みを開始し、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブ読書を観察します。注: 測定された負荷が増加しない、試料がグリップをすり抜けてを再アタッチする必要があります。この場合、テストは停止し、ステップ 2.3 から実験を再開します。
  8. サンプル失敗の前に時々 標本 (ステップ 2.7) をアンロードせずテストを自動的に一時停止されます。この時点で、伸縮計を削除します。標本休憩場所で、伸縮計、伸縮計、大変高価な機器を破壊します。
  9. 失敗するまで引張荷重を適用するを再開します。最大負荷に達する、測定荷重は減少していきます。この時点で、供試体はくびれを開始され、最終破断延性または半延性引き裂きを通してこのハイネック地域内発生します。
  10. テストが完了したら、クロスヘッドを上げる、上部のグリップを緩めるし、トップのグリップからの標本の破片を抜きます。供試体の上半分を削除すると、下部のグリップを緩めるし、他の供試体の半分を削除します。
  11. 最大引張荷重時の値を記録し、応力-ひずみ曲線のコピーを印刷します。少なくとも 1 つのリムーバブル メディア デバイス、ハード ディスクにデジタル記録されたデータを保存します。
  12. 慎重に破断端を一緒に合わせて、最も近い 0.002 の標点間の距離を測定します。最後のゲージの長さを記録します。
  13. 最も近い 0.002 の最小断面の試験片の直径を測定します。
  14. 写真や図で破断を文書化します。

3. データ分析

  1. 表 1 のデータを使用して計算 % 伸長と金属材料の種類ごとに面積の削減。
    伸び = Equation 1 = 8.6%
    面積の削減 = Equation 2 = 36.5%
  2. 説明、分類し、各試料に対する支配的な破壊モードを記録します。
  3. 「鋼の応力-ひずみ特性」にゼウスのビデオで説明されているように材質を決定します。0.004 までひずみが (、伸縮計の上限のひずみテストから削除された; この値変わる値伸縮によるひずみゲージによる、0.004 と 0.05 の間が与えられた、スプレッドシート内のデータを整理します。変形能力標本)。終局ひずみを推定するのにクロスヘッド変位と % 伸長を使用します。ひずみゲージを使用しない場合必ず、伸縮計の任意の初期のスリップを修正してください。1 つは、靱性 (応力-ひずみ曲線の下の領域) を取得するグラフ内の正方形を数えることができます。
  4. 教科書またはその他の適切な参照を使用して、弾性率を決定する、強度、および使用される材料の強度を得られます。テスト結果を公開されている値を比較します。

アルミニウムのほとんどの金属と比較して、重量比、耐腐食性、製作の容易さに優れた強度があります。結果として、アルミニウムは最も広く使用されている金属の一つとソーダ缶から航空機部品に至るまでの製品で採用されています。

純アルミニウムの強度は非常に低いが、その機械的性質は、合金と熱処理を大幅に改善することができます。これらのプロセスは、機械的および電気的材料の広範な応用を有効にします。2 番目だからアルミニウムの応力ひずみ曲線を取得、構造材料として鉄骨だけがその使用の予測可能で安全な限界を決定するために重要。

このビデオでは、一般的な標準の一軸引張試験を用いるアルミニウムの応力ひずみ挙動を見ていきます。

アルミで軽量です、約 1/3 鋼の密度。その弾性率、約 70 gigapascal または平方インチあたり 10,000 キロポンド頻繁引用はまた約 1/3 鋼のこと。

鋼とアルミニウムの機械的性質によって向上できます大幅に合金、亜鉛、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、principly。冷却作業またはひずみ硬化、どこ材料に圧延などの染料を打ち消し、また強度を増やすことができます。

一軸引張試験は、アルミなどの金属の弾性挙動の研究に使われます。このテストでは、材料の伸長を示していますし、失敗すると応用力が増加応力ひずみ曲線を生成します。

アルミニウム、または任意の材料は、いくつかの手順を介して進行するが失敗します。くびれ、ボイド発生、ボイド成長・合体、き裂の伝ぱと最後に、破壊します。6061 T6 アルミニウムは良好な強度と剛性を持って、終了し、アノダイズ簡単です。それ、ノート パソコンやテレビなど多くの電子製品の筐体に使用されます。

これは 6061 T6 アルミニウムの応力ひずみ曲線であります。どのようにその応力ひずみ曲線はシャープな降伏点、弾性率ではなく徐々 に減少を発生しませんを注意してください。実際にこのアルミが失敗、プロセスは漸進的、応力ひずみ曲線を見るとき明確な失敗ポイントを定義することは困難です。

工学の降伏点を決定する ASTM の目的および他の組織は、0.2% オフセット アプローチを採用しています。このメソッドでは、動作の直線部分のラインを合わせて決定して 0.2% ひずみ時同じ遅い先頭で線を描画を必要があります。2 行目には、降伏強さとして定義された任意の時点での応力ひずみ曲線が交差しています。

今では我々 は、アルミニウムとどのように彼らが設計することができますのプロパティを理解し、延性および機械的特性を決定する応力ひずみ曲線の測定方法を見てみましょう。

6061 T6 などの一般的なアルミの円筒試験片を入手します。口径を使用して、試験片の中央付近にいくつかの場所で直径を測定します。インチの最も近い第二千にこれらの測定を行います。

次に、供試体をしっかりと保持し、約 2 インチのゲージの長さをマークします。ゲージ長さをエッチング加工して明確にされていることを確認、それが骨折につながる応力集中にならないように傷が浅く。実際測定インチの最も近い第二千にゲージの長さをマークします。

最後に、ひずみゲージをインストールします。供試体は、テストの準備ができました。

この実験のため私たちの試験片の引張特性の測定テスト マシン、または UTM、ユニバーサルが使用されます。まず、テスト マシンをオンにし、ソフトウェアを初期化します。グラフ作成とデータ集録パラメーターを設定します。次に、ASTM E8 プロトコルと互換性のあるテストを選択します。弾性および非弾性範囲のひずみ速度に注意してください。その後、5% 引張強度のマシンを停止するなど、ソフトウェアの追加のアクションを設定します。

手動で上げる、クロスヘッド標本の全長は、上部と下部のグリップの間に容易に適合。慎重にグリップの深さの約 80% にトップのグリップに試料を挿入します。トップのグリップ内部供試体、試料の落下を防ぐために少し締めます。

トップのクロスヘッドをゆっくりと下ろします。一度試料は、下部のグリップ内底グリップの深さ開始標本整列の約 80% 以内です。供試体は、底グリップの中央に浮かぶべきであります。テスト中に、滑り発生しませんようにグリップを標本に側圧を適用されます。

金融引き締めのプロセスは、供試体の小さな軸負荷を紹介します。調整とこのプリロードを最小限にし、その値を記録ソフトウェアを使用します。製造元の指示に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。伸縮計のブレードは、試料のほぼ中央する必要があります。

引張荷重を供試体に適用することでテストを開始し、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブの読み取りを観察します。試料、測定の負荷が増加していることを確認することによってグリップを滑りされていないを確認します。サンプル失敗の前にいくつかの時間、ソフトウェアは自動的にテストを一時停止します。テスト コンピューターでサンプルを残すし、伸縮計を削除します。失敗するまで引張荷重を適用するを再開します。最大荷重に到達すると、測定の負荷が減少していきます。この時点で、供試体は、首を開始します。延性引き裂きを通してこのハイネック地域で最終破断が発生します。

テストが終了した後、クロスヘッドを上げるトップ グリップを緩める、それから供試体の破片を削除します。下部のグリップを緩めるし、供試体の他の半分を削除します。最大引張荷重時の値を記録します。記録されたデータおよび応力ひずみ曲線を保存します。慎重に一緒に破断端を合わせて、インチの最も近い第二千にゲージ マーク間の距離を測定します。最後のゲージの長さを記録します。

最後に、最も近いインチの最も近い第二千の断面で供試体の直径を測定します。

我々 は収集したデータを分析する方法を見てみましょう。まず、最終的なゲージの長さと、初期ゲージの長さを知る試験片のパーセントの伸びを計算します。最後の直径と供試体の最初の直径を使用して各試料に対する面積の削減を計算します。次に、実験応力ひずみ曲線を使用して他の材料パラメーターを計算します。

これは、約 0.3% の降伏点までひずみ計データのプロットです。この地域の応力ひずみ曲線の傾きはヤング率で、1 平方インチあたり 10,000 キロポンドの公称値に近い平方インチあたり約 9,998 キロポンド。0.999 の R 乗の値は、このデータに対して優れた直線性を示します。

これは、5% のひずみまで伸縮計のデータです。曲線は、低勾配で収量高原に続いて長い弾性部分とバイリニアの文字を示しています。この標本のような明確な降伏点を示さないが材料の降伏点を見つけるには、0.2% オフセット メソッドを使用します。

まず、我々 は曲線の最初の直線部分に線を描画します。それに 0.2% ひずみ時開始を複製します。2 行目では、降伏点として定義した任意曲線と交差します。この場合は、1 平方インチあたり約 44.2 キロポンドです。これは 1 平方インチあたり 40 キロポンドであるこのアルミの公称降伏です。

我々 は非常に降伏点に近いデータをプロット、曲線が直線性、この標本の平方インチあたり約 39.1 キロポンドから逸脱するからストレスが、比例限度。

これは、約 5% 5% クロスヘッド変位からのひずみから、伸縮計からのひずみの下データを完全な応力ひずみ曲線です。最大応力は約 6.5% のひずみで平方インチあたり約 46.1 キロポンドです。この究極の強さは、1 平方インチあたり 45 キロポンドの公称耐力のすぐ上です。ストレス障害では、1 平方インチあたり約 33.5 キロポンドです。靭性は応力ひずみ曲線の下の領域し、1 平方インチあたり 2.2 キロポンド台形ルールで計算できます。

熱処理の試験片の測定値は、8 に 13% の範囲の伸びがありますアルミのこのタイプを示します。マテリアル ゲージ印の間の長さの平均値をパーセントの伸びには注意してくださいすることが重要です。局所ひずみは平均ひずみよりも高くなる可能性がありますので、ハイネック周辺、少量でただし、ほとんどすべての変形が発生します。

一般的には、ボイド発生とき裂進展し、最終的に、破壊の成長にくびれから障害の進行状況します。破面は、このプロセスと一貫性が。アルミニウム、5% 未満の伸び考慮されるかもしれない脆性、伸びを 15% は延性考慮されるかもしれないより大きい間。この標本ではパーセントの伸びが比較的大きいです。どのようにこの材料について述べる必要があります?

その破面の鋼の 2 種類と比較できます。アルミニウム試料?サイズ圧延鋼、しかしより少ない脆性冷延性をホット圧延鋼よりものでアルミのこのタイプ特徴付けられるとして半延性よりも大きいです。

さらに、これらの 3 つの金属の応力ひずみ曲線を見てすることができます。圧延鋼は高強度、高応力、低ひずみによって示されるが約 10% で失敗した C1018 伸び、その低延性を示します。一方より延性ホット圧延 A36 鋼鉄は、冷延鋼板よりも低い応力でほぼ 25% の最大くらい大きく伸長です。我々 はちょうどテスト 6061 T6 アルミニウムには、どちらかの鋼鉄より低い伸びの失敗と同様、下の強さがあります。

アルミニウムの引張試験の一般的なアプリケーションのいくつかを見てみましょう。応力ひずみ曲線の最も重要な使用は、アルミニウムの製造時に品質管理です。ASTM の基準は各熱アルミニウムの代表的なサンプルのテストを必要し、結果が確立されたベンチマークにトレーサブルである必要があります。メーカーは、品質管理・自動車などの工業用材料の品質保証 ISO TS 16949 などの標準を使用します。

料理用のアルミ箔は、簡単に処理して折り返しできるに必要な柔軟性。同様に、清涼飲料缶用アルミは開催簡単に破砕が必要なときとその形状を保持するのに十分である必要があります。引張試験は、これらアルミニウムの薄板が指定した機械的性質を持っていることを保証します。

アルミニウムの応力ひずみ特性のゼウスの概要を見てきただけ。今、金属材料の引張特性を求める ASTM E8 基準検査について知っておくべき。また、ASTM テスト用試料を準備し、典型的なアルミニウムの応力ひずみ曲線を取得する方法を理解する必要があります。

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Results

測定値、図 3、熱処理アルミニウム、このテストで使用される 6061T6 などから通常 8-13% の範囲で % 伸びを展示いたします。それはほとんどすべての変形は少量でローカライズされて、このように伸び率 % が平均です。 注意してローカル株は、はるかに高い可能性があります。領域の % 還元も表面が均一; ようにする非常に困難な測定であることにも注意してください。したがってこの値はかなり範囲です。

供試体呼び径 0.335 で。
センター径 0.340 で。
試験片の長さ 10.0 で。
テーパー部の長さ 4.0 で。
元のゲージの長さ 1.987 で。
グリップまでの距離 5.471 で。
収量にクロスヘッド速度 0.05 インチ/分
降伏後のクロスヘッド速度 0.5 インチ/分
予圧 200 ポンド。
引張降伏耐力 3800 ポンド。
Max。引張荷重 4100 ポンド。
破壊荷します。 3000 ポンド。
最終的なゲージ長 2.157 で。
最終径 0.271 で。

表 1。円形 6061 T6 アルミニウム試験体の引張試験の結果。

Figure 3
図 3-アルミ片に生じるくびれ。 

Figure 4
図 4-典型的な半延性破壊曲面。 

一般に、これらは胸の谷間が脆性破壊を延性剪断 (カップ コーン) 破壊から異なります。図 3 と図 4 に示すように失敗はこのプロセスを一貫性のあるが、伸びの少ないゼウス「鋼の応力-ひずみ特性」のビデオで、熱延鋼板と比較してこのアルミで見ることができます。したがってこの失敗は % の伸びが比較的大きい場合でもに半延性として特徴付けられます。典型的な結果は、図 1 のとおりです。

Applications and Summary

この実験では、典型的なアルミニウムの応力-ひずみ曲線を取得する方法を説明します。応力-ひずみ曲線の違いは、(、鋳造、押出し、熱処理や冷間加工などの処理と化学組成 (種類と合金率など) のいずれかの違いにたどることができます。これらのプロセスおよび合金純粋な材料の 20 倍から 60 倍の倍率でアルミの強度を高めます。テストは、アルミが延性材料一軸引張応力下に読み込まれたときであることを示した。

アルミニウムは、非常に汎用性の高い、丈夫な素材です。アルミニウム協会の状態は、"... 低燃費車、スマート フォン、ジッパー、国家の電源グリッド、ワシントン記念塔の頂点を配線や国際宇宙ステーションを住宅に箔のような毎日項目から応用にわたります。.今まですべてアルミの驚くべき 75% 生産まだ使われています。リサイクルされたアルミニウム生産エネルギーの 8% だけを必要とする、一次生産と比較して排出量の 8% を作成します。」

ここで説明した引張試験の最も重要なアプリケーションは、アルミニウムの製造時品質管理処理中です。ASTM 基準を要求してアルミの各熱の代表サンプルでそのようなテストを実行することと、このような結果はの確立されたベンチマークにトレーサブルである必要があります。アルミ メーカーは、自動車および関連産業のための材料の QC/QA の ISO/TS 16949 などと同様の基準を使用します。

調理業界でアルミ箔は、箔が手で容易に操縦するのには十分に柔軟であることを確認するための引張試験に依存します。同じソーダ缶のために行く-必要なときに簡単に破砕が開催されたときの場所に滞在するには十分に強かった。

アルミニウムの引張試験

この実験の目的は次のとおりです。

  1. 任意のフォーム (ASTM E8) における金属材料の引張特性を決定する標準的な検査で学生を知らせるため
  2. 一般のプロパティを比較する (構造用鋼およびアルミニウム)、金属材料を使用し、
  3. 金属のテスト プロパティを比較するには、値を公開しました。

万能試験機 (UTM) 変形制御と関連付けられたテストとデータ集録の機能が利用できるものとみなします。追って手順を実行引張試験を実行するプロシージャは、安全ガイドラインに特に注意を払って、UTM の製造元から提供されました。任意の手順について不明な場合は続行しないでください。傷つけることができる真剣に自分や周りの人適切な予防措置に従わない場合、あなたのラボのインストラクターと一緒に疑問を明らかにします。また緊急停止のすべてのプロシージャを知っているし、マシンを実行しているソフトウェアに精通しているかどうかを確認します。

以下の手順は一般的な最も重要な手順をカバーするものです。利用可能な機器によってそれからの有意な偏差があります。

1. 試験片を準備しなさい。

  1. 6061T6 など一般的なアルミの円筒試験片を入手します。
  2. キャリパーを使用して中央付近にいくつかの場所に最も近い 0.002 インチ試験片の直径を測定します。
  3. 試料をしっかりと、マーク、ゲージ、おおよそ 2 インチの長さのファイルを使用します。注: 明らかにエッチングがそれほどディープになる破壊につながる応力集中をされるように慎重にゲージの長さをマークします。
  4. 実際のキャリパーを使用して最も近い 0.002 インチ ゲージ長さをマークを測定します。
  5. 可能であれば、「定数」を素材にゼウスのビデオで説明されているように縦ひずみゲージをインストールします。
  6. 校正データの潜在的な誤差と信頼限界を評価するために使用されているすべての楽器の解像度、すべての入手可能な情報を収集します。これらの 2 つの問題は意味のある結果を得ることへのキーが、何がここで議論の範囲を超えています。

2. 試料をテストします。

試験機をオンにし、ソフトウェアを初期化します。どんな適切なグラフやデータ集録機能を備えてソフトウェア内でセットアップいることを確認します。最低でも、応力-ひずみ曲線を表示し、荷重とひずみのディスプレイを持ってください。

  1. ASTM E8 テスト プロトコルと互換性があるソフトウェアで適切な検査を選択します。使用されているひずみ速度に注意してくださいと弾性と非弾性範囲の 2 つのレートが使用されているかどうか。(例えば、伸縮計を安全に削除することができますので、5% 歪みで停止する、達した負荷の最大値を保持するマシン) ソフトウェアで適切なアクションを設定します。
  2. 手動で標本の全長はグリップの間に容易に合うようなクロスヘッドを上げます。グリップの深さの約 80% の上部のグリップに試料を慎重に挿入します。グリップ内部試験片、試験片が落下するを防止するために少し締めます。注:、この段階での完全な圧力にグリップが締めください。
  3. トップのクロスヘッドをゆっくりと下ろします。試料が下部のグリップの深さの約 80% 以内で、試料が下部のグリップ内で正しく配置されてを確認してください (すなわち、完全に開いた位置に下部のグリップと試料が「フロート」グリップの下部開口部の中に)。テスト中に追加の曲げおよびねじり応力になります、試験片のズレは、引張試験を行う場合に発生する最も一般的なエラーの 1 つです。楽器自体の配置が悪い場合に、合わせて適切なグリップの技術者と仕事。
  4. テスト中に滑り、ことを発生しないようにグリップを試験片に適切な側圧を適用されます。注: がある小さな軸力この時点で、金融引き締めのプロセス導入予供試体;テスト コンピューターは、このプリロードを最小限に抑えるためのソフトウェア調整があります。プリロードの値を記録します。
  5. 製造元の仕様に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。メモ: 伸縮ブレード試料ゲージ マークを正確に配置する必要はありませんが試料のほぼ中央が。
  6. このポイントまでのすべての手順を正しく実行したかを入念に確認します。可能であれば、試料のテストの準備を確認スーパーバイザーがあります。
  7. 試験片に引張荷重を適用を開始する読み込みを開始し、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブ読書を観察します。注: 測定された負荷が増加しない、試料がグリップをすり抜けてを再アタッチする必要があります。この場合、テストは停止し、ステップ 2.3 から実験を再開します。
  8. サンプル失敗の前に時々 標本 (ステップ 2.7) をアンロードせずテストを自動的に一時停止されます。この時点で、伸縮計を削除します。標本休憩場所で、伸縮計、伸縮計、大変高価な機器を破壊します。
  9. 失敗するまで引張荷重を適用するを再開します。最大負荷に達する、測定荷重は減少していきます。この時点で、供試体はくびれを開始され、最終破断延性または半延性引き裂きを通してこのハイネック地域内発生します。
  10. テストが完了したら、クロスヘッドを上げる、上部のグリップを緩めるし、トップのグリップからの標本の破片を抜きます。供試体の上半分を削除すると、下部のグリップを緩めるし、他の供試体の半分を削除します。
  11. 最大引張荷重時の値を記録し、応力-ひずみ曲線のコピーを印刷します。少なくとも 1 つのリムーバブル メディア デバイス、ハード ディスクにデジタル記録されたデータを保存します。
  12. 慎重に破断端を一緒に合わせて、最も近い 0.002 の標点間の距離を測定します。最後のゲージの長さを記録します。
  13. 最も近い 0.002 の最小断面の試験片の直径を測定します。
  14. 写真や図で破断を文書化します。

3. データ分析

  1. 表 1 のデータを使用して計算 % 伸長と金属材料の種類ごとに面積の削減。
    伸び = Equation 1 = 8.6%
    面積の削減 = Equation 2 = 36.5%
  2. 説明、分類し、各試料に対する支配的な破壊モードを記録します。
  3. 「鋼の応力-ひずみ特性」にゼウスのビデオで説明されているように材質を決定します。0.004 までひずみが (、伸縮計の上限のひずみテストから削除された; この値変わる値伸縮によるひずみゲージによる、0.004 と 0.05 の間が与えられた、スプレッドシート内のデータを整理します。変形能力標本)。終局ひずみを推定するのにクロスヘッド変位と % 伸長を使用します。ひずみゲージを使用しない場合必ず、伸縮計の任意の初期のスリップを修正してください。1 つは、靱性 (応力-ひずみ曲線の下の領域) を取得するグラフ内の正方形を数えることができます。
  4. 教科書またはその他の適切な参照を使用して、弾性率を決定する、強度、および使用される材料の強度を得られます。テスト結果を公開されている値を比較します。

アルミニウムのほとんどの金属と比較して、重量比、耐腐食性、製作の容易さに優れた強度があります。結果として、アルミニウムは最も広く使用されている金属の一つとソーダ缶から航空機部品に至るまでの製品で採用されています。

純アルミニウムの強度は非常に低いが、その機械的性質は、合金と熱処理を大幅に改善することができます。これらのプロセスは、機械的および電気的材料の広範な応用を有効にします。2 番目だからアルミニウムの応力ひずみ曲線を取得、構造材料として鉄骨だけがその使用の予測可能で安全な限界を決定するために重要。

このビデオでは、一般的な標準の一軸引張試験を用いるアルミニウムの応力ひずみ挙動を見ていきます。

アルミで軽量です、約 1/3 鋼の密度。その弾性率、約 70 gigapascal または平方インチあたり 10,000 キロポンド頻繁引用はまた約 1/3 鋼のこと。

鋼とアルミニウムの機械的性質によって向上できます大幅に合金、亜鉛、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、principly。冷却作業またはひずみ硬化、どこ材料に圧延などの染料を打ち消し、また強度を増やすことができます。

一軸引張試験は、アルミなどの金属の弾性挙動の研究に使われます。このテストでは、材料の伸長を示していますし、失敗すると応用力が増加応力ひずみ曲線を生成します。

アルミニウム、または任意の材料は、いくつかの手順を介して進行するが失敗します。くびれ、ボイド発生、ボイド成長・合体、き裂の伝ぱと最後に、破壊します。6061 T6 アルミニウムは良好な強度と剛性を持って、終了し、アノダイズ簡単です。それ、ノート パソコンやテレビなど多くの電子製品の筐体に使用されます。

これは 6061 T6 アルミニウムの応力ひずみ曲線であります。どのようにその応力ひずみ曲線はシャープな降伏点、弾性率ではなく徐々 に減少を発生しませんを注意してください。実際にこのアルミが失敗、プロセスは漸進的、応力ひずみ曲線を見るとき明確な失敗ポイントを定義することは困難です。

工学の降伏点を決定する ASTM の目的および他の組織は、0.2% オフセット アプローチを採用しています。このメソッドでは、動作の直線部分のラインを合わせて決定して 0.2% ひずみ時同じ遅い先頭で線を描画を必要があります。2 行目には、降伏強さとして定義された任意の時点での応力ひずみ曲線が交差しています。

今では我々 は、アルミニウムとどのように彼らが設計することができますのプロパティを理解し、延性および機械的特性を決定する応力ひずみ曲線の測定方法を見てみましょう。

6061 T6 などの一般的なアルミの円筒試験片を入手します。口径を使用して、試験片の中央付近にいくつかの場所で直径を測定します。インチの最も近い第二千にこれらの測定を行います。

次に、供試体をしっかりと保持し、約 2 インチのゲージの長さをマークします。ゲージ長さをエッチング加工して明確にされていることを確認、それが骨折につながる応力集中にならないように傷が浅く。実際測定インチの最も近い第二千にゲージの長さをマークします。

最後に、ひずみゲージをインストールします。供試体は、テストの準備ができました。

この実験のため私たちの試験片の引張特性の測定テスト マシン、または UTM、ユニバーサルが使用されます。まず、テスト マシンをオンにし、ソフトウェアを初期化します。グラフ作成とデータ集録パラメーターを設定します。次に、ASTM E8 プロトコルと互換性のあるテストを選択します。弾性および非弾性範囲のひずみ速度に注意してください。その後、5% 引張強度のマシンを停止するなど、ソフトウェアの追加のアクションを設定します。

手動で上げる、クロスヘッド標本の全長は、上部と下部のグリップの間に容易に適合。慎重にグリップの深さの約 80% にトップのグリップに試料を挿入します。トップのグリップ内部供試体、試料の落下を防ぐために少し締めます。

トップのクロスヘッドをゆっくりと下ろします。一度試料は、下部のグリップ内底グリップの深さ開始標本整列の約 80% 以内です。供試体は、底グリップの中央に浮かぶべきであります。テスト中に、滑り発生しませんようにグリップを標本に側圧を適用されます。

金融引き締めのプロセスは、供試体の小さな軸負荷を紹介します。調整とこのプリロードを最小限にし、その値を記録ソフトウェアを使用します。製造元の指示に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。伸縮計のブレードは、試料のほぼ中央する必要があります。

引張荷重を供試体に適用することでテストを開始し、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブの読み取りを観察します。試料、測定の負荷が増加していることを確認することによってグリップを滑りされていないを確認します。サンプル失敗の前にいくつかの時間、ソフトウェアは自動的にテストを一時停止します。テスト コンピューターでサンプルを残すし、伸縮計を削除します。失敗するまで引張荷重を適用するを再開します。最大荷重に到達すると、測定の負荷が減少していきます。この時点で、供試体は、首を開始します。延性引き裂きを通してこのハイネック地域で最終破断が発生します。

テストが終了した後、クロスヘッドを上げるトップ グリップを緩める、それから供試体の破片を削除します。下部のグリップを緩めるし、供試体の他の半分を削除します。最大引張荷重時の値を記録します。記録されたデータおよび応力ひずみ曲線を保存します。慎重に一緒に破断端を合わせて、インチの最も近い第二千にゲージ マーク間の距離を測定します。最後のゲージの長さを記録します。

最後に、最も近いインチの最も近い第二千の断面で供試体の直径を測定します。

我々 は収集したデータを分析する方法を見てみましょう。まず、最終的なゲージの長さと、初期ゲージの長さを知る試験片のパーセントの伸びを計算します。最後の直径と供試体の最初の直径を使用して各試料に対する面積の削減を計算します。次に、実験応力ひずみ曲線を使用して他の材料パラメーターを計算します。

これは、約 0.3% の降伏点までひずみ計データのプロットです。この地域の応力ひずみ曲線の傾きはヤング率で、1 平方インチあたり 10,000 キロポンドの公称値に近い平方インチあたり約 9,998 キロポンド。0.999 の R 乗の値は、このデータに対して優れた直線性を示します。

これは、5% のひずみまで伸縮計のデータです。曲線は、低勾配で収量高原に続いて長い弾性部分とバイリニアの文字を示しています。この標本のような明確な降伏点を示さないが材料の降伏点を見つけるには、0.2% オフセット メソッドを使用します。

まず、我々 は曲線の最初の直線部分に線を描画します。それに 0.2% ひずみ時開始を複製します。2 行目では、降伏点として定義した任意曲線と交差します。この場合は、1 平方インチあたり約 44.2 キロポンドです。これは 1 平方インチあたり 40 キロポンドであるこのアルミの公称降伏です。

我々 は非常に降伏点に近いデータをプロット、曲線が直線性、この標本の平方インチあたり約 39.1 キロポンドから逸脱するからストレスが、比例限度。

これは、約 5% 5% クロスヘッド変位からのひずみから、伸縮計からのひずみの下データを完全な応力ひずみ曲線です。最大応力は約 6.5% のひずみで平方インチあたり約 46.1 キロポンドです。この究極の強さは、1 平方インチあたり 45 キロポンドの公称耐力のすぐ上です。ストレス障害では、1 平方インチあたり約 33.5 キロポンドです。靭性は応力ひずみ曲線の下の領域し、1 平方インチあたり 2.2 キロポンド台形ルールで計算できます。

熱処理の試験片の測定値は、8 に 13% の範囲の伸びがありますアルミのこのタイプを示します。マテリアル ゲージ印の間の長さの平均値をパーセントの伸びには注意してくださいすることが重要です。局所ひずみは平均ひずみよりも高くなる可能性がありますので、ハイネック周辺、少量でただし、ほとんどすべての変形が発生します。

一般的には、ボイド発生とき裂進展し、最終的に、破壊の成長にくびれから障害の進行状況します。破面は、このプロセスと一貫性が。アルミニウム、5% 未満の伸び考慮されるかもしれない脆性、伸びを 15% は延性考慮されるかもしれないより大きい間。この標本ではパーセントの伸びが比較的大きいです。どのようにこの材料について述べる必要があります?

その破面の鋼の 2 種類と比較できます。アルミニウム試料?サイズ圧延鋼、しかしより少ない脆性冷延性をホット圧延鋼よりものでアルミのこのタイプ特徴付けられるとして半延性よりも大きいです。

さらに、これらの 3 つの金属の応力ひずみ曲線を見てすることができます。圧延鋼は高強度、高応力、低ひずみによって示されるが約 10% で失敗した C1018 伸び、その低延性を示します。一方より延性ホット圧延 A36 鋼鉄は、冷延鋼板よりも低い応力でほぼ 25% の最大くらい大きく伸長です。我々 はちょうどテスト 6061 T6 アルミニウムには、どちらかの鋼鉄より低い伸びの失敗と同様、下の強さがあります。

アルミニウムの引張試験の一般的なアプリケーションのいくつかを見てみましょう。応力ひずみ曲線の最も重要な使用は、アルミニウムの製造時に品質管理です。ASTM の基準は各熱アルミニウムの代表的なサンプルのテストを必要し、結果が確立されたベンチマークにトレーサブルである必要があります。メーカーは、品質管理・自動車などの工業用材料の品質保証 ISO TS 16949 などの標準を使用します。

料理用のアルミ箔は、簡単に処理して折り返しできるに必要な柔軟性。同様に、清涼飲料缶用アルミは開催簡単に破砕が必要なときとその形状を保持するのに十分である必要があります。引張試験は、これらアルミニウムの薄板が指定した機械的性質を持っていることを保証します。

アルミニウムの応力ひずみ特性のゼウスの概要を見てきただけ。今、金属材料の引張特性を求める ASTM E8 基準検査について知っておくべき。また、ASTM テスト用試料を準備し、典型的なアルミニウムの応力ひずみ曲線を取得する方法を理解する必要があります。

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