冷弯热轧钢在不同温度条件下的冲击试验研究

Structural Engineering

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Overview

资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂

结构中可能发生的一种更隐蔽的故障类型是脆性断裂, 主要是由于质量较差的材料或材料选择不当造成的。脆性骨折往往发生突然, 没有大量的材料不适应性;例如, 考虑一下骨折。这些故障通常发生在由于三维载荷条件下, 由于局部应变浓度高, 且没有提供逻辑和直接力路径的情况下, 材料无法开发剪应力的情况下。设计师。在1994北岭地震后的多层钢结构中, 观测到了这种类型的故障。在这些建筑物中, 一些关键焊缝断裂而不显示任何韧性行为。裂缝往往发生在连接附近, 或在基材件之间的接口, 因为焊接往往引入局部不连续性, 材料和几何, 以及三维应力由于冷却。

当指定一个结构的材料, 它将看到非常低的工作温度 (即阿拉斯加管道) 许多装载周期 (在州际公路上的桥梁), 或在焊接被广泛使用, 有必要有一个简单的测试,表征材料的健壮性, 或对骨折的抵抗力。在土木工程领域, 测试是在本实验室描述的冲击式 V 型切口试验。在冲击载荷作用下, 该锤式 V 型切口试验旨在提供一种非常简单的测量材料吸收能量的能力。

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JoVE Science Education Database. 结构工程. 冷弯热轧钢在不同温度条件下的冲击试验研究. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

在金属结构中, 人们对获得韧性行为感兴趣, 这样就会出现即将失效的征兆或预警。例如, 在钢梁中, 这可能以过度变形的形式出现。这种性能通过材料韧性进行量化, 定义为应力-应变曲线下的区域, 这是与韧性或脆性行为最紧密相关的机械性能。韧性与强度和延性有关。韧性是材料在失效前塑性变形变形的能力, 延性是衡量材料在失败前塑性变形变形量的量度。一种强度高但延性低的材料不难, 就像低强度、高延性的材料不难。为了使材料坚硬, 必须能够吸收高应力和高应变 (延性和强度)。

同样的材料, 一个温和的钢, 例如, 可以表现为韧性或脆性的方式, 取决于 actualmaterial 化学, 加工和加载条件。在性能方面, 至少有 fivemain 驱动程序可以进行此更改:

  1. 材料的分子和显微结构, 其晶粒尺寸越细, 就会增加强度并降低延性, 并且存在大量的合金, 如碳, 通常会导致大多数钢材的延性下降。

  2. 材料的加工可以导致钢板在轧制方向上的不同韧性, 垂直于它, 并在板材的厚度。后者的方向特别敏感, 因为很难在厚板上形成一致的显微组织。

  3. 加载条件 (在3维内加载), 通常会抑制剪切应力的发展。在1和2维载荷下, 通常会遇到产生大剪应力的加载情况, 从而导致大量的屈服和韧性行为。在极限, 对于一个3D 的静水压加载, 没有半径的摩尔的圆圈, 因此没有剪切。在这种情况下, 材料不会屈服, 而是突然失败。

  4. 应变率的增加, 导致强度提高, 但变形能力降低。

  5. 温度的下降, 可能导致显著的, 韧性下降。有些材料在室温下可能非常韧性, 如果温度明显降低, 可能会变得非常脆。

为了确定材料是否会以脆性或韧性的方式表现, 你通常会进行一次冲击 V 凹槽撞击试验。还有其他类似的测试, 例如 Izod 冲击试验, 这是欧洲最常用的韧性试验。这些测试打算测量小体积材料在受到突然冲击载荷时能吸收的能量。如前所述, 这种能量可以被认为与应力-应变曲线下的区域直接相关。

每一个比对撞击的 V 型切口试样都有标准化的尺寸, 设计、支持和加载, 这样当受到一个标准的一次打击时, 它就会失败。重要的是要记住, 摆锤测量是有关的体积和几何的标本, 因此, 结果是有用的比较材料的相对行为, 而不是他们的绝对值。

为了进行测试, 在一侧 (图 1) 上有一个凹槽的小梁状试样受到从固定高度落下的固定重量锤的冲击 (图 2)。重量通常介于150磅和300磅之间, 可以在不同的高度上下降, 以产生不同数量的能量。V 型凹槽的设计目的是诱导应力集中, 从而显著增加局部应力。当光束被简单地支撑在两边并向下触击中间时, 光束会在张力处弯曲。因此, 这将产生一个裂纹传播通过标本时击中。

Figure 1
图 1:锤标本.

Figure 2
2:锤试验机.

从理论上讲, 在锤击前, 假设钟摆是无摩擦的, 那么在锤子的某一高度储存的势能将完全转化为动能。当锤子撞击试样和它的裂缝时, 会消耗一定量的动能。然后, 你可以测量摆在相反方向上的钟摆的摆动程度。从最初的高度和在罢工之后达到的高度的区别, 你可以计算出势能的差异。在这个过程中失去的所有能量都可以被假定为在骨折中的试样吸收。这个值被认为是等于材料的韧性, 或应力-应变曲线下的面积。

许多金属, 特别是以身体为中心的立方 (BCC) 钢, 在温度约为40或 50°的气温下, 表现出了很大的能量吸收下降, 并达到了一个较低的高原约-100°f. 今天暴露的许多结构环境在这个温度范围之内, 因此了解金属失效的温度依赖性是重要的。例如, 在阿拉斯加北部建造一条管道, 温度可以达到非常低的值, 了解金属的温度依赖性失效是很重要的。然而, 大多数以面为中心的立方 (FCC) 钢材, 如不锈钢, 都不受这种温度效应的影响。

理论断裂强度, 又称理想断裂强度, 主要取决于自由表面能和原子距离。理想材料的强度大约是其弹性模量的1/8 到1/10。由于缺陷、空隙、金属夹杂物和/或杂质, 实际的实验断裂强度要低得多。例如, 在一个简单的钢筋负载紧张, 压力被认为是统一的, 除了接近的两端的负载被应用。然而, 随着一个简单的圆形孔的引入, 这些力必须绕着孔流动, 从而造成孔旁边的应力集中。

应力集中的大小与孔半径成正比 (r/w)。随着半径的减小, 应力集中因子急剧增加。然而, 在自然界和人造产品中没有完美的洞;一般情况下, 微观层面会出现锯齿状的边缘, 因此应力集中程度会更高。金属晶格中存在许多缺陷和不足。它靠近这些小的应力集中, 裂缝开始形成, 当加载非常迅速, 这些裂缝将传播, 合并, 最终导致材料失败。

该试验属于断裂力学领域, 涉及一种材料的抗裂纹形成和传播能力的表征。线性弹性断裂力学 (LEFM) 是一种热力学方法, 其中系统的总能量是相等的工作由于施加的负荷加上储存的应变能量加上创造新的裂缝表面所需的能量。在其线性的方式, 它是非常有用的表征脆性材料, 表现有限的可塑性。对 LEFM 的应用有若干限制, 例如在裂纹扩展前存在大量的塑性, 如假假设没有能量通过塑性而丧失。

Procedure

在试验中, 我们将在不同温度下对几种冲击试样进行试验, 以说明温度对低碳钢抗撞击性能的影响。

  1. 要准备测试机, 首先要确保锤子的路径没有任何障碍物。一旦路径是明确的, 提起锤子, 直到它闩锁和安全锁, 以防止意外释放锤。
  2. 要准备标本, 使用冷箱冷却每一个金属试样的温度远远低于冻结。使用热板将每个金属的另一试样加热到200°以上的温度。
  3. 一旦锤子被举起, 用钳子将试样插入机器中, 确保它位于夹具中, 而从侧面的凹槽会受到锤子的冲击。
  4. 一旦标本准备就绪, 将计算机上的表盘设置为精确的300英尺磅. 重要: 使用旋钮转动表盘。不要推上指针!
  5. 要开始测试, 请卸下锁并按下拉杆松开钟摆。
  6. 在试样被破坏后, 刻度盘将读取试样所吸收的能量。记录此值。
  7. 一旦被吸收的能量被记录下来, 你可以使用机器刹车来阻止钟摆摆动。由于使用制动器改变了量规读数, 请务必在使用前记录数据。
  8. 一旦钟摆停止, 检索标本, 并确定有纤维纹理的骨折的脸面积的百分比。

材料的韧性可以用锤式 V 凹槽测试来测量, 这是一种简单的测试材料的健壮性或抗断裂的特点。

脆性故障是最隐蔽的结构故障之一, 没有警告。为了避免这种情况, 应用涉及非常低的工作温度, 反复加载循环, 或广泛的焊接, 必须使我们的强硬材料。坚硬的材料不太可能以脆性的方式失败。

韧性可以用锤式 V 切口测试来测量。测试涉及用已知重量的摆动锤撞击缺口试样, 计算试样在撞击过程中吸收的能量, 并观察断口表面。

这段视频将说明如何执行的冲击 V 切口测试和分析结果。

坚韧的材料是坚硬的和韧性的。在失败之前, 它能吸收比不那么坚硬的材料更多的能量。随着材料的化学成分的改变, 材料的加工和加载情况的变化会导致材料韧性的变化。

这是用来预测材料是否会在服役中以脆性或韧性的方式表现。每个测试标本都有标准尺寸的 V 型凹槽, 用于显著增加局部应力。在测试过程中, 试样在试验机中得到了支持, 其缺口与加载方向的距离有关。一个已知重量和高度的锤子摇摆, 击中标本。试样的缺口侧经历了张力。这会导致裂纹通过试样的厚度传播到失效。

锤的势能随着它向试样摆动而变成动能。当锤子击中试样时, 少量的能量被吸收。在撞击试样之前和之后, 势能的变化可以计算清楚锤的高度。锤所失去的能量等于试样所吸收的能量。在失效过程中吸收的能量表明了材料的韧性。这与应力-应变曲线下的区域有关, 具有最难吸收高应力和高应变的材料。

锤式 V 型切口冲击试验值对特定测试条件是准确的, 但也可用于预测材料的相对行为。

在下一节中, 我们将用冲击式 V 切口撞击试验来测量两种不同钢材在高温和低温下的韧性。

注意: 这个实验涉及重型运动部件和极端温度。在测试过程中遵循所有安全准则和程序。在试验日之前, 将所需材料的试样加工到标准尺寸进行摆锤试验。

对于这个演示, 我们将测试两种不同类型的钢材, ASTM A36 和 C1018。要准备标本, 用冷盒子冷却每一个金属标本的40摄氏度。用热板将每块金属的另一试样加热到摄氏200摄氏度。在室温下保存第三组标本。

现在, 准备测试机。首先, 检查锤子的路径是否有障碍物, 然后提起锤子直到闩锁。保护锁以防意外释放锤子。确认区域是否清晰, 然后取下锁并按下拉杆松开钟摆。锤子应该自由地摆动与非常少许摩擦, 因此可忽略的能量丢失如指示在表盘。使用休息停止钟摆, 这样你就可以要道锤子, 然后用钳子把一个标本放在铁砧上, 从撞击一侧的缺口。

当标本准备就绪时, 将机器上的表盘设置为300英尺磅。再次确认该区域是明确的, 然后释放钟摆。锤子会撞击试样, 当它在相反的一侧摆动时, 移动表盘以指示试样吸收的能量量。记录测量值, 然后使用机器断点停止锤摆动。参与休息将使测量读数无效, 因此在应用中断后不要阅读。

一旦钟摆停止, 检索标本, 并确定有纤维纹理的骨折的脸面积的百分比。对剩余的示例重复测试过程。当你完成最后的测试后, 把锤子放在下一位置。

现在, 看看结果。

比较每个温度组中以面为中心的立方材料的代表性样本。这些样品在测试的温度范围内几乎没有变化。

现在, 比较每个温度组的体中心立方材料的样品。在高温下测试的样品显示出更多的延性和塑性变形, 而低温组的样品则显示脆性断裂的迹象。

通过将吸收的能量绘制成试样温度的函数, 可以看出过渡到脆性破坏的过程。对于以体为中心的立方材料, 在高温下, 在低温下的低高原和中间的过渡区, 有明显的上层高原。以面为中心的立方材料在降低温度下不显示相同的过渡。

现在, 你欣赏的冲击 V 凹槽撞击试验, 用于预测在服务中的材料韧性, 让我们来看看它是如何应用于确保健全的结构每天。

极端的温度环境, 如空间探索, 在一个大范围内的温度变化, 以及狗雪橇, 在那里气温降到低于零, 需要强硬的材料。

一个特别重要的应用是在桥梁设计, 其中钢材需要符合 ASTM 标准, 其中包括低和高温的冲击极限.

你刚刚看了朱庇特对冲击试验的介绍。你现在应该了解如何在各种温度下对材料进行冲击试验, 以及这些结果与材料韧性的关系。

谢谢收看!

Results

在对试样和温度值进行重复实验后, 可以绘制吸收能量的温度依赖性, 并清楚地看到上层和下部搁板 (或平坦的水平部分) 的存在。这些货架表明, 有明确的极小值和极大值, 可以达到为给定的材料和加工。主要的兴趣是仔细量化的过渡温度, 以尽量减少风险, 这些都属于结构的运行温度的设计。类似的材料进行不同的热处理和机械处理将显示一些类似的上下货架, 但也在过渡温度的明显变化。将过渡区向左移动将会降低结构的断裂风险;然而, 这需要在处理方面增加大量的费用。

应注意的是, 摆锤试验是有用的表征脆性材料, 这将显示很少延性。在实践中, 对所有类型的材料, 包括非常韧性金属, 都采用了摆锤试验。这种使用是根本不正确的, 因为驱动脆性失效的变形过程与韧性失效的工艺不同。这是不可能得出一个简单的测试, 可用于生产设置, 如锤式一, 为半韧性或韧性材料。因此, 在不久的将来, 摆锤测试很可能会继续流行。

Applications and Summary

冲击试验, 以锤式和 Izod 试验的形式, 通常用于测量金属材料对脆性断裂的电阻。该试验采用了带有凹槽的小梁试样。横梁是由一个大锤子装载在一个无摩擦的钟摆。这种加载序列的应变速率与产生局部大应力集中的 V 形凹槽的存在相结合, 导致试样的快速裂纹扩展和分裂。

试验确定了材料在压裂过程中所吸收的能量, 比较了试验开始和结束时的势能, 从冲击锤的位置进行了测量。吸收能量的大小取决于小梁试样中材料的体积, 所以结果仅在比较的意义上有效。

断裂力学是所有材料中一个非常重要的研究领域, 因为它提醒我们所有的材料都含有缺陷的形状和尺寸是重要的, 需要在设计中解决应力集中问题。

一个证明温度依赖性的重要性是在第二次世界大战时, 一些自由船和 T-2 油轮字面上分裂一半, 而仍然在港口。对于自由船, 这种故障必须与焊接过程中引起的应力集中有关, 以及由于焊接操作而导致的钢船体脆化, 以及伴随着寒冷的海水温度。

这是许多 ASTM 标准的一部分, 因此, 我们每天都在使用许多产品。一个特别重要的应用是在桥梁设计中, 大多数钢材被指定为通过低温和高温冲击极限 (, 20 英尺磅在-40°F 和40英尺磅在 80°F)。

断裂能是一种非常重要的物质性质。如果你测试一个无瑕疵的玻璃板与表面能γs= 17x10-5在磅/在2 和 E=10x106 psi, 理论断裂力量将是关于 465,000psi, 给定格里菲斯的等式 (σf = (2Eγs/πa)0.5)。如果你引入了一个缺陷, 即使规模小到 0.01in, 到玻璃板, 断裂强度减少三级的数量, 只有 465psi, 这是更像我们看到在现实生活中。

其他温度依赖的应用, 其中一个比对 v 切口测试将是重要的包括测试设备的空间旅行, 其中的温度变化营业额大范围, 以及雪橇设备在南极洲和其他极地地区, 其中气温降到零度以下。

在试验中, 我们将在不同温度下对几种冲击试样进行试验, 以说明温度对低碳钢抗撞击性能的影响。

  1. 要准备测试机, 首先要确保锤子的路径没有任何障碍物。一旦路径是明确的, 提起锤子, 直到它闩锁和安全锁, 以防止意外释放锤。
  2. 要准备标本, 使用冷箱冷却每一个金属试样的温度远远低于冻结。使用热板将每个金属的另一试样加热到200°以上的温度。
  3. 一旦锤子被举起, 用钳子将试样插入机器中, 确保它位于夹具中, 而从侧面的凹槽会受到锤子的冲击。
  4. 一旦标本准备就绪, 将计算机上的表盘设置为精确的300英尺磅. 重要: 使用旋钮转动表盘。不要推上指针!
  5. 要开始测试, 请卸下锁并按下拉杆松开钟摆。
  6. 在试样被破坏后, 刻度盘将读取试样所吸收的能量。记录此值。
  7. 一旦被吸收的能量被记录下来, 你可以使用机器刹车来阻止钟摆摆动。由于使用制动器改变了量规读数, 请务必在使用前记录数据。
  8. 一旦钟摆停止, 检索标本, 并确定有纤维纹理的骨折的脸面积的百分比。

材料的韧性可以用锤式 V 凹槽测试来测量, 这是一种简单的测试材料的健壮性或抗断裂的特点。

脆性故障是最隐蔽的结构故障之一, 没有警告。为了避免这种情况, 应用涉及非常低的工作温度, 反复加载循环, 或广泛的焊接, 必须使我们的强硬材料。坚硬的材料不太可能以脆性的方式失败。

韧性可以用锤式 V 切口测试来测量。测试涉及用已知重量的摆动锤撞击缺口试样, 计算试样在撞击过程中吸收的能量, 并观察断口表面。

这段视频将说明如何执行的冲击 V 切口测试和分析结果。

坚韧的材料是坚硬的和韧性的。在失败之前, 它能吸收比不那么坚硬的材料更多的能量。随着材料的化学成分的改变, 材料的加工和加载情况的变化会导致材料韧性的变化。

这是用来预测材料是否会在服役中以脆性或韧性的方式表现。每个测试标本都有标准尺寸的 V 型凹槽, 用于显著增加局部应力。在测试过程中, 试样在试验机中得到了支持, 其缺口与加载方向的距离有关。一个已知重量和高度的锤子摇摆, 击中标本。试样的缺口侧经历了张力。这会导致裂纹通过试样的厚度传播到失效。

锤的势能随着它向试样摆动而变成动能。当锤子击中试样时, 少量的能量被吸收。在撞击试样之前和之后, 势能的变化可以计算清楚锤的高度。锤所失去的能量等于试样所吸收的能量。在失效过程中吸收的能量表明了材料的韧性。这与应力-应变曲线下的区域有关, 具有最难吸收高应力和高应变的材料。

锤式 V 型切口冲击试验值对特定测试条件是准确的, 但也可用于预测材料的相对行为。

在下一节中, 我们将用冲击式 V 切口撞击试验来测量两种不同钢材在高温和低温下的韧性。

注意: 这个实验涉及重型运动部件和极端温度。在测试过程中遵循所有安全准则和程序。在试验日之前, 将所需材料的试样加工到标准尺寸进行摆锤试验。

对于这个演示, 我们将测试两种不同类型的钢材, ASTM A36 和 C1018。要准备标本, 用冷盒子冷却每一个金属标本的40摄氏度。用热板将每块金属的另一试样加热到摄氏200摄氏度。在室温下保存第三组标本。

现在, 准备测试机。首先, 检查锤子的路径是否有障碍物, 然后提起锤子直到闩锁。保护锁以防意外释放锤子。确认区域是否清晰, 然后取下锁并按下拉杆松开钟摆。锤子应该自由地摆动与非常少许摩擦, 因此可忽略的能量丢失如指示在表盘。使用休息停止钟摆, 这样你就可以要道锤子, 然后用钳子把一个标本放在铁砧上, 从撞击一侧的缺口。

当标本准备就绪时, 将机器上的表盘设置为300英尺磅。再次确认该区域是明确的, 然后释放钟摆。锤子会撞击试样, 当它在相反的一侧摆动时, 移动表盘以指示试样吸收的能量量。记录测量值, 然后使用机器断点停止锤摆动。参与休息将使测量读数无效, 因此在应用中断后不要阅读。

一旦钟摆停止, 检索标本, 并确定有纤维纹理的骨折的脸面积的百分比。对剩余的示例重复测试过程。当你完成最后的测试后, 把锤子放在下一位置。

现在, 看看结果。

比较每个温度组中以面为中心的立方材料的代表性样本。这些样品在测试的温度范围内几乎没有变化。

现在, 比较每个温度组的体中心立方材料的样品。在高温下测试的样品显示出更多的延性和塑性变形, 而低温组的样品则显示脆性断裂的迹象。

通过将吸收的能量绘制成试样温度的函数, 可以看出过渡到脆性破坏的过程。对于以体为中心的立方材料, 在高温下, 在低温下的低高原和中间的过渡区, 有明显的上层高原。以面为中心的立方材料在降低温度下不显示相同的过渡。

现在, 你欣赏的冲击 V 凹槽撞击试验, 用于预测在服务中的材料韧性, 让我们来看看它是如何应用于确保健全的结构每天。

极端的温度环境, 如空间探索, 在一个大范围内的温度变化, 以及狗雪橇, 在那里气温降到低于零, 需要强硬的材料。

一个特别重要的应用是在桥梁设计, 其中钢材需要符合 ASTM 标准, 其中包括低和高温的冲击极限.

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