Çeliklerin Gerilme-Gerinim Özellikleri

Çelik, karbon ve krom, manganez ve nikel gibi diğer elementlerle alaşımlı demir için genel bir terimdir.

Bileşim ve işleme yöntemlerindeki varyasyonlar, özelliklerini arabaların, köprülerin ve gökdelenlerin inşası için uyarlayabilir ve neredeyse sonsuz olası kullanımlardan sadece birkaçını adlandırabilir.

Güvenli binalar ve yapılar tasarlarken çeliğin yüke tepkisini anlamak önemlidir. Malzeme özelliklerini modellemek için temel bir araç, gerilim-gerinim eğrisidir.

İnşaat mühendisliği uygulamalarında çekme mukavemetlerinin sırasıyla düşük ve yüksek sınırlarını temsil eden hafif sıcak haddelenmiş çeliğin ve sert soğuk haddelenmiş çeliğin elastik ve elastik olmayan davranışını incelemek için tek eksenli çekme testini kullanacağız.

Gerilme, kuvvetin uygulandığı alana bölünmesi olarak tanımlanır. Gerinme, uzunluktaki değişimin ilk uzunluğa bölünmesiyle elde edilir. Gerilme-gerinim eğrileri, çelik gibi bir malzemenin uygulanan kuvvete nasıl tepki verdiğini göstererek malzemelerin elastik ve elastik olmayan özelliklerini tanımlar.

Tek eksenli çekme testi tipik olarak stres ve gerinim incelemek için kullanılır. Bu testte, bir makine bir numunenin uçlarını giderek daha büyük bir kuvvetle yavaşça çeker ve ortaya çıkan uzamayı ölçer. Metal gerilim testi, numunenin tipini ve boyutunu, ekipman tipini ve raporlanacak verileri tanımlayan ASTM E8 tarafından tanımlanır.

Gerilim-gerinim eğrisi, test edilen malzemenin birçok özelliğini ortaya koymaktadır. Bunlar arasında, elastik modül (deformasyonun yük ile orantılı olduğu ilk doğrusal bölgenin eğimi), esneklik modülü (bir malzemenin kalıcı deformasyon olmadan enerjiyi emme kapasitesini ölçen doğrusal bölgenin altındaki alan), oransal sınır (eğrinin doğrusallıktan saptığı noktadaki gerilim), akma noktaları (gerilime karşı gerinimin aniden azaldığı veya değiştiği yerler), ve verim platosu (deformasyonun stresi artırmadan hızla arttığı yer).

Çelik sünek bir malzemedir. Süneklik, arıza anındaki uzunluktaki değişimin ilk uzunluğa bölünmesi olarak tanımlanır. Tokluk, bir malzemenin kırılmadan önce enerjiyi emme yeteneğidir.

Artık malzemelerin bazı temel özelliklerini anladığımıza göre, laboratuvarda gerilim ve gerinim ölçmek için bir yönteme bakalım ve bu iki nicelik arasındaki ilişkiyi inceleyelim.

Biri A36 gibi yumuşak ve sıcak haddelenmiş ve diğeri C1018 gibi sert ve soğuk haddelenmiş olmak üzere iki tür çelik için silindirik test numuneleri elde edin.

Numunenin ortasına yakın birkaç yerde çapı ölçmek için bir kumpas kullanın. Bu ölçümleri bir inçin en yakın 2000'de birine kadar yapın.

Ardından, numuneyi sıkıca tutun. Yaklaşık iki inçlik bir ölçü uzunluğu yazın. Kırılmaya yol açabilecek bir stres konsantrasyonu oluşturmaktan kaçınmak için işareti net ama çok sığ yapın. Gerçek işaretli ölçü uzunluğunu bir inçin en yakın 2000'ine kadar ölçün.

Son olarak, bir gerinim ölçer takın. Numune artık test için hazırdır.

Numunelerin çekme özelliklerini ölçmek için evrensel bir test makinesi veya UTM kullanacağız. Test makinesini açın ve yazılımı başlatın. Uygun grafik ve veri toplama parametrelerini ayarlayın, ardından ASTM E8 protokolü ile uyumlu bir test prosedürü seçin.

Düşük gerinimler için sırasıyla sıfır ila %5 ve yüksek gerinim aralıkları için sırasıyla %5'ten fazla gerinim oranlarını ayarlayın. Bunlar, ilk yükleme için dakikada 0,05 inç'e yakın ve %0,5 zorlanmadan sonra dakikada 5 inç'e yakın olmalıdır. Ardından, numune arızasından önce çıkarmak için ekstansometrede makineyi %5'lik gerinimde durdurmak gibi ek eylemleri yazılımda ayarlayın.

Çaprazkafayı manuel olarak kaldırın, böylece numunenin tam uzunluğu üst ve alt tutamaklar arasına kolayca sığar. Numuneyi, kavrama derinliğinin yaklaşık %80'ine kadar dikkatlice üst tutamağa yerleştirin. Numuneyi üst tutamağın içine hizalayın ve numunenin düşmesini önlemek için hafifçe sıkın. Üst çaprazkafayı yavaşça indirin. Numune, alt kavrama derinliğinin yaklaşık %80'i içinde olduğunda, alt çeneler içinde numune hizalamasına başlayın. Numune, tamamen açılmış alt tutamağın merkezinde yüzmelidir. Test sırasında kayma olmamasını sağlamak için çeneler aracılığıyla numuneye yanal basınç uygulayın. Sıkma işleminin numune üzerinde küçük bir eksenel kuvvet oluşturduğunu unutmayın.

Bu kuvveti telafi etmek ve değerini kaydetmek için bir ön yük uygulamak için yazılımı kullanın. Elektronik ekstansometreleri, üreticinin talimatına göre numuneye güvenli bir şekilde takın. Ekstansometrenin kanatları yaklaşık olarak numune üzerinde ortalanmalıdır. Bir gerinim ölçer kullanılıyorsa, bağlayın.

Numuneye çekme yükü uygulayarak teste başlayın. Uygulanan yükün bilgisayar ekranında canlı olarak okunmasını gözlemleyin. Numunenin çenelerden kaymadığını doğrulamak için, ölçülen yükün doğrusal olarak arttığından emin olun. Numune arızasından bir süre önce, yazılım testi otomatik olarak duraklatacaktır. Numuneyi test makinesinde bırakın ve ekstansometreyi çıkarın. Arızalanana kadar çekme yükü uygulamaya devam edin. Maksimum yüke ulaşıldığında, ölçülen yükler azalmaya başlar. Bu noktada, örnek boynunu bükmeye başlar. Bu boyunlu bölgede sünek yırtılma ile son kırık meydana gelmelidir.

Test sona erdikten sonra, çaprazkafayı kaldırın, üst tutamağı gevşetin ve kırık numune parçasını ondan çıkarın. Alt tutamağı gevşetin ve numunenin diğer yarısını çıkarın. Maksimum çekme yükündeki değeri kaydedin. Kaydedilen verileri ve gerilim-gerinim eğrisini kaydedin.

Kırık numunenin uçlarını dikkatlice bir araya getirin ve gösterge işaretleri arasındaki mesafeyi bir inçin en yakın 2000'de birine kadar ölçün. Son ölçü uzunluğunu kaydedin. Son olarak, numunenin çapını en küçük kesitte bir inçin en yakın 2000'ine kadar ölçün.

Malzeme özelliklerini belirlemek için önce sırasıyla A36 yumuşak sıcak haddelenmiş çelik verilerine ve C1018 sert soğuk haddelenmiş çelik verilerine bakın.

Şimdi, son ölçüyü ve ilk ölçü uzunluğunu bilerek, her numune için uzama yüzdesini hesaplayın. Numunenin son çapını ve ilk çapını kullanarak her numune için alan küçülmesini hesaplayın. Bu değerleri bir sonuç tablosuna kaydedin.

Ardından, deneysel gerilim-gerinim eğrilerini kullanarak diğer malzeme parametrelerini hesaplayın. İki örnek için bu eğrilerin hızlı bir karşılaştırması, çok farklı elastik ve elastik olmayan davranışlarını gösterir. Daha düşük stres seviyelerinde çok daha fazla gerilmeden, A36 çeliği C1018 çeliğinden daha yumuşak ve çok daha sünektir.

A36 çeliği için, kırılma gerilimi inç kare başına yaklaşık 58.6 kilopound'dur ve inç kare başına 36.0 kilopound olan nominal değerin önemli ölçüde üzerindedir. Maksimum stres, yaklaşık% 20'lik bir zorlanmada inç kare başına yaklaşık 86.6 kilopounddur.

Bu büyütülmüş grafik, inç kare başına yaklaşık 58.6 kilopound yukarı doğru bir verim noktası ve inç kare başına yaklaşık 56.8 kilopound ile daha düşük bir verim noktası gösterir. Verim platosunun başlangıcı da burada görülebilir. Gerinim ölçer verileri, A36 çeliği için inç kare başına yaklaşık 29.393 kilopoundluk Young Modülü olarak tanımlanan bir eğime sahip doğrusal bir elastik bölge ortaya koymaktadır. Bu sonuç, inç kare başına 29.000 kilopound nominal değerine çok yakındır.

Verilerin doğrusallıktan saptığı noktada, oransal sınırın inç kare başına yaklaşık 55.58 kilopound olduğunu belirleyebiliriz. Karşılaştırma için, gerilim-gerinim eğrisinin doğrusal olmaması nedeniyle, C1018 çeliği çok düşük bir oransal sınıra sahiptir.

Ekstansometreden elde edilen sonuçlar %5'e kadar olan gerilmeleri kapsar. A36 çeliği için veriler, plastik platoyu ve eğrinin yaklaşık% 2,7'lik bir gerinimle tekrar yükseldiği gerinim sertleşmesinin başlangıcını göstermektedir. Buna karşılık, C1018'in net bir verim platosu yoktur.

Aşağıdaki tabloda yer alan iki çelik numunesi için test sonuçlarını özetleyerek veri analizini tamamlayın.

Yumuşak sıcak haddelenmiş bir çeliğin uzaması %25 ila %40 aralığındadır. Buna karşılık, sert soğuk haddelenmiş bir çeliğin uzaması bu miktarın sadece yarısı kadardır. Uzama yüzdesi, mastar işaretleri arasındaki malzemenin uzunluğu için ortalama bir değerdir, ancak hemen hemen tüm deformasyon, kırılma noktası etrafındaki küçük bir bölgeye lokalizedir. Sonuç olarak, yerel suş ortalamadan çok daha büyük olabilir.

İki numunenin fiziksel muayenesi, gerilme-gerinim eğrilerindeki farklılıklara karşılık gelen, başarısız olma şekillerinde büyük farklılıklar göstermektedir.

A36 çeliği, kademeli nihai deformasyon sırasında kenardan çekilen malzeme ve daha düşük gerilmelerde daha fazla uzama ile bir arıza yüzeyine sahiptir, bu da çok hafif ancak sünek bir metali gösterir.

Buna karşılık, C1018 çeliği, ani kırılmaya ve çok daha yüksek gerilmelerde çok daha az uzamaya karşılık gelen düz bir kırılma yüzeyine, yüksek mukavemet ancak düşük süneklik özelliklerine sahiptir.

Çeliğin bazı yaygın uygulamalarına, gerilme ve gerinim arasındaki ilişki perspektifinden bakalım.

İnşaat mühendisleri, gelecekteki yapısal tasarımları iyileştirmek için köprülerdeki ve binalardaki yapısal çökmeleri analiz eder. Bu süreç, çok katlı binalar için haddelenmiş I-kirişler, köprüler için kaynaklı derin plakalı I-kirişler ve yüksek mukavemetli cıvatalar ve bağlantı elemanları gibi çelik bileşenlere yol açmıştır. Her biri, genellikle ilk olarak gerilim-gerinim eğrilerinin incelenmesiyle anlaşılan, belirli mukavemetlere ve süneklere sahip farklı çelik türleri gerektirir.

Mühendisler, daha güvenli otomobiller yapmak için malzemelerin gerilme-gerinim özelliklerini kullanırlar. Çerçevenin mukavemetini ve sünekliğini ve darbe kuvvetlerine tepki olarak nasıl deforme olduğunu bilen mühendisler, bir otomobilin gövdesini çarpışma sırasında enerjiyi emecek ve bir çarpışmadan kurtulma şansını artıracak şekilde tasarlayabilir.

JoVE'nin Çeliğin Gerilme-Gerinim Özelliklerine Giriş kitabını az önce izlediniz.

Artık metalik malzemelerin çekme özelliklerini belirlemek için tek eksenli bir çekme testinin nasıl yapılacağını ve tipik çelikler için gerilim-gerinim eğrilerinin nasıl analiz edileceğini bilmelisiniz.

İzlediğiniz için teşekkürler!