铝的应力-应变特性

无论从它在周期表中的位置, 在金属和非金属元素之间的极限, 原子数为 13, 从它的面中心立方 (FCC) 结构, 很明显, 铝是最化学活性的元素之一。事实上, 它对氧气有很强的亲和力, 这似乎使铝容易受到腐蚀。有趣的是, 新生产的铝的表面将立即与氧气反应, 产生一个薄, 相对稳定和惰性氧化物层, 保护基本金属的氧化和其他类型的化学攻击。这种表面性质, 除了其相对轻量的性质和硬度, 是什么使铝成为一个非常理想的建筑材料。

铝表面的氧化物涂层通常非常薄 (大约50到100Å), 并且紧紧地附着在基体材料上, 不同于钢中常见的铁氧化物。氧化物层是如此薄, 它不影响铝的力学性能, 几乎是透明的眼睛, 从而不减损材料的审美品质。有许多阳极氧化技术, 可用于提高这一氧化物层的厚度, 以提高其腐蚀和耐磨性。铝在使用前要考虑的一个潜在缺点是它在相对较低的温度下熔化, 因此不适用于高温应用。

铝的重量轻, 密度约为钢的 1/3;这1/3 的关系也适用于弹性模量的弹性, 这通常被视为约 70GPa (1万 ksi) 铝。它的强度和其他机械性能, 这是非常低的纯状态, 可以大大改善合金和热处理, 就像钢铁一样。加强也可以通过冷工作或应变硬化, 其中的材料是轧制或绘制通过模具导致减少的工作表或酒吧的面积。

铝的主要合金添加物是铜、锰、硅、镁和锌。其他元素也增加在少量为五谷提炼和开发特别物产:

• 铜在铝中具有明显的溶解度, 并通过合金的时效硬化特性赋予了坚固的强化作用。许多铝合金含有铜, 无论是主要的加法, 还是主要的合金元素, 浓度为1到10%。
• 锰在铝中的固溶性有限, 但浓度约为 1%, 是一种重要的非热处理锻铝合金系列。
• 硅降低熔点, 增加铝的流动性。增加硅还提供了适度的强度增长。
• 镁为铝的工作硬化特性提供了大量的强化和改进。它在固体铝中的溶解度相对较高, 但含少于7% 毫克的铝镁合金没有明显的热处理特性。镁也加入了与其他元素, 特别是铜和锌, 以更好地提高强度。
• 锌是在铸造合金中使用的, 并与锻制合金中的镁结合在一起制造出铝合金中强度最高的可热处理合金。
• 锡改善了铝的减摩特性, 铸造铝锡合金常用于轴承。
• 铜和硅在常用的 3 x 系列铸造合金一起被合金化。在热处理和非热处理合金中都能得到理想的特性和性能范围。
• 镁和硅以近似比例增加, 形成镁₂Si, 这是锻造和铸造合金时效硬化的基础。

两种一般类型的铝制品被普遍认可: 锻造和铸造。任何铝由流动的材料形成砂或永久性模具, 被压铸, 或由任何其他工艺铸造是最终形式, 被称为铸铝;任何其他产品被视为锻造产品。在美国, 铝锻合金 (板材、板材、挤压件和锻件) 有一个四位数的标识号, 而铸造合金在小数点左边有一个三位数字, 小数点右边有一个数字 (见表 1)。第一个数字定义了锻造和铸造合金的主要合金成分。主要合金成分通常是5% 或更少 (按重量) 在锻造合金和相同或更高的铸造合金。大多数合金含有两到四其他元素, 但比主要合金成分的数量要小得多。在锻制合金的指定, 1XXX 系列的最后两位数字给出的最低铝百分比在99.00% 以上。在2XXX 到9XXX 系列中, 最后两个数字指定为该系列注册的单个合金。第二位数选定原始的合金的修改。铸件的合金命名系统类似。在这种情况下, 第二个和第三个数字给出了 lXX 合金的最低铝百分比99.00% 以上。在2XX。X 到9XX。X 系列, 第二个数字是在系列中注册的单个合金。对于铸造合金, 小数点右侧的数字提供了产品形式: 0 用于铸件, 1 和 2 (比1更窄的成分限制) 用于钢锭。合金在 2, 6 和7组是热治疗。

表 1: 锻铸铝合金的命名系统。

此外, 一个回火号码用来指示产品是如何制造的, 并适用于锻造和铸造产品。F 和 O 的脾气适用于所有的合金和产品形式。脾气指定 TXXXX 适用于合金和产品形式, 接受和响应热处理后, 制造。据说这些合金是可热治疗的.在2XXX、6XXX、7XXX 系列和铸造合金中的锻制合金一般都在这个组中。非热处理合金通过应变硬化获得其强度和其它特性, 并指定 H 的回火。本组包括 1 XXX、3XXX 和5XXX 系列。关于脾气的更多细节包含在各种各样的铝协会参考文件。

基本的脾气是:

• "F" 或捏造: 适用于成型工艺的产品, 在这种过程中不使用对热或工作硬化条件的特殊控制。
• "0" 或退火: 适用于已加热以影响再结晶和产生最低强度条件的锻制品, 以及用于退火以提高延性和尺寸稳定性的铸造产品。
• "H" 或应变硬化: 适用于通过冷加工强化应变硬化的锻制品;应变硬化后可进行补充热处理, 从而产生一定的强度降低。H 总是后跟两个或更多位数。有三基本的应变硬化类别: HI, H2 和 H3, 其中第一个数字表明基本操作 (1 = 应变硬化只; 2 = 应变硬化和部分退火; 3 = 应变硬化和稳定)。第二位数表示应变硬化的程度 (1 = 季度; 2 = 一半; 3 = 满; 4 = 额外硬)。
• "W" 或溶液热处理: 一种不稳定的回火, 仅适用于常温下溶液热处理后自然老化的合金。
• "T" 或热处理: 适用于热处理的产品, 有时辅以应变硬化, 以产生除 F 或0以外的稳定回火。T 总是后跟一个或多个数字。基本上, 热处理后的铝合金自然会在室温下老化, 并通过沉淀硬化来强化。

图1显示了 6061 T6 铝的典型应力应变曲线。这是一种材料, 具有良好的强度和刚度, 容易完成和阳极处理。6061 T6 铝通常用于许多电子产品的外壳, 如笔记本电脑和电视机。

图1中的应力-应变曲线并不表现出一个尖锐的屈服点, 而是弹性弹性模量的逐渐减小。为了确定一个用于工程目的的屈服点, ASTM 和其他组织采用了0.2% 偏移方法。如图2所示, 这需要为行为的线性部分确定最佳拟合线, 并绘制一条与相似斜率开始于0.2% 应变的直线。第二线与应力-应变曲线相交的强度被任意定义为屈服强度。

图 1: 热处理铝的典型应力应变曲线。

图 2: 没有明显屈服点的材料屈服强度的定义。

铝的拉伸试验

本实验的目的是:

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

假定有一个具有变形控制和相关测试和数据采集能力的通用测试机 (UTM) 可用。逐步执行由制造商提供的拉伸测试的过程, 特别注意安全准则。如果您不确定任何步骤, 请不要继续。如果你不遵照适当的预防措施, 你可以严重伤害自己或周围的人, 以此来澄清你对实验室讲师的疑虑。还要确保您知道所有紧急停止过程, 并且您熟悉运行该计算机的软件。

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

1. 准备标本:

1. 为普通铝 (如 6061T6) 获取圆柱形试样。
2. 测量试样的直径到最近的0.002 英寸在中间的几个位置使用卡尺。
3. 把标本牢牢地握住, 用一个文件标记, 大约2。注意: 仔细地标记测量长度, 使其清晰地蚀刻, 但不太深以致成为可能导致骨折的应力集中。
4. 用卡尺测量实际有标记的量规长度到最近的0.002。
5. 如果可能的话, 安装一个纵向应变仪, 如朱庇特视频中所描述的 "材料常数"。
6. 收集有关校准数据的所有可用信息, 并解决用于帮助评估潜在的实验错误和可信度限制的所有仪器。这两个问题是取得有意义结果的关键, 但超出了这里讨论的范围。

2. 测试样品:

打开测试机并初始化该软件。请确保在软件中设置了适当的图形和数据获取功能。至少应显示应力应变曲线, 并显示负载和应变。

1. 在软件中选择与 ASTM E8 测试协议兼容的适当测试过程。请注意所使用的应变率, 以及两个率, 一个为弹性和一个为非弹性范围, 正在使用。在软件中设置任何适当的操作 (例如, 为了使机器停止5% 应变, 这样您就可以安全地移除计并保持达到的最大负载值)。
2. 手动提高十字头, 使试样的全长适合在手柄之间容易。仔细地将试样插入顶部手柄, 使其握深80% 左右;将试样夹在手柄内, 稍微收紧以防止试样掉落。注: 在这个阶段, 不要收紧对其全部压力的控制。
3. 慢慢地降低顶部横梁。一旦试样在底部抓握深度的80% 左右, 确保试样正确地对准底部手柄 (即, 在其完全打开的位置底部手柄, 标本应 "浮动" 在底部抓握打开的中间)。试样的错位在测试过程中会产生额外的弯曲和扭转应力, 是进行拉力试验时遇到的最常见的误差之一。如果仪器本身的对齐很差, 请与技术员一起正确地对准手柄。
4. 通过手柄向试样施加适当的侧向压力, 以确保在测试过程中不会发生滑移。注: 在这一点上将有一个小的轴向负荷, 因为收紧过程中引入了对试样的预载;您的测试机器可能会进行软件调整以最小化此预加载。记录预加载值。
5. 按照制造商的规格, 将电子计安全地连接到试样上。注: 计刀片不需要精确定位在标本上的量具标记上, 但应近似地集中在试样上。
6. 仔细检查你是否已经正确执行了所有的程序, 直到这一点;如有可能, 请让主管核实样品是否已准备好进行测试。
7. 开始加载, 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察在计算机显示器上应用负载的实时读数。注: 如果测量的负荷不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新附加。如果出现这种情况, 请停止测试, 然后从步骤2.3 重新启动实验。
8. 有时在示例失败之前, 测试将自动暂停, 而不卸载样本 (步骤 2.7)。此时, 移除计。如果标本打破了计到位, 你会摧毁计, 一个非常昂贵的设备。
9. 继续应用拉伸负载直到故障。当到达最大载荷时, 测量的载荷将开始减小。此时, 试样将开始颈缩, 最后的断裂应发生在这个颈区域内通过韧性或半韧性撕裂。
10. 测试结束后, 举起十字头, 松开顶部手柄, 从顶部抓地拉出碎片标本。一旦标本的上半部分被删除, 松开底部的抓地力, 并删除标本的另一半。
11. 在最大拉伸载荷下记录值, 并打印应力应变曲线的副本。将记录的数据保存到硬盘和至少一个可移动媒体设备上。
12. 仔细地将破裂试样的两端合在一起, 并测量标尺标记与最近0.002 之间的距离。记录最后的测量长度。
13. 测量试样的直径在最小的剖面到最近的0.002 英寸。
14. 用图片和图表记录骨折标本。

3. 数据分析

1. 使用表1中的数据, 计算每种金属材料的伸长率和面积减少。
   伸长率 = 8.6%
   面积的减少 = = 36.5%
2. 描述、分类和记录每个标本的主要断裂模式。
3. 确定材料属性, 如朱庇特视频中所描述的 "钢的应力-应变特性"。在电子表格中组织数据, 使应变计的应变达到 0.004, 在0.004 和0.05 之间由计 (计的上限是从测试中移除的应变值; 此值根据试样的变形能力)。使用十字头位移和%elongation 估计极限应变。如果不使用应变计, 一定要纠正计的任何初始滑动。你可以计算图中的平方以获得韧性 (应力-应变曲线下的面积)。
4. 使用教科书或其他适当的参考, 确定的弹性模量, 屈服强度, 和最终强度的材料使用。将已发布的值与测试结果进行比较。

从测量和图3中, 热处理铝, 如本试验中使用的 6061T6, 通常会在 8%-13% 范围内表现出% 伸长率。重要的是要注意到, 几乎所有的变形是局部的小体积, 因此,%elongation 只是一个平均值;当地的应变可能会高得多。还要注意的是,%reduction 的面积也是一个非常困难的测量, 使表面不均匀;因而这个价值将可观地范围。

表1。圆形 6061 T6 铝试样拉伸试验结果。

图 3-铝试样中的颈缩. 

图 4-典型的半韧性失效表面. 

一般情况下, 这些变化将不同于韧性剪切 (杯锥) 断裂和脆性劈裂断裂。图3和图4所示的故障与这一过程是一致的, 但与朱庇特视频中关于 "钢的应力-应变特性" 的热轧钢相比, 这种铝的延展性更低。因此, 即使%elongation 相对较大, 这种故障也可以被描绘为半韧性。典型的结果如图1所示。

本实验描述了如何获得典型铝的应力应变曲线。应力-应变曲线的差异可以追溯到加工过程中的差异 (如铸件、挤出、热处理或冷加工) 和化学成分 (如合金的类型和百分比)。这些工艺和合金提高铝的强度的因素, 20 至60倍的纯材料。试验表明, 铝是一种在单轴张力载荷下的韧性材料。

铝是一种非常多才多艺和坚韧的材料。铝业协会说, "它的应用范围从每天的项目, 如节油汽车, 智能手机, 拉链和箔, 以布线国家的电网, 顶端的华盛顿纪念碑和住房的国际空间站。...一个惊人的75% 的所有铝生产仍然在使用中。回收铝生产只需要8% 的能源, 并创造8% 的排放量与初级生产相比。

本文介绍的张力试验的最重要应用是在铝加工过程中的质量控制。ASTM 标准要求在每种铝热的代表性样品上运行这种测试, 这些结果必须可追溯到既定的基准。铝制造商使用 ISO/TS 16949 等标准, 类似于汽车及相关行业的材料 QC/QA。

在烹饪行业中, 铝箔依赖于拉伸试验, 以确保箔具有足够的柔韧性能, 易于手工操纵。苏打罐也一样--足够结实, 可以在举行时留在原地, 但在需要时容易压碎。