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钢的应力-应变特性

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钢是一个通用的术语, 铁合金与碳和其他元素, 如铬, 锰, 镍。

组合和加工方法的变化可以为汽车、桥梁和摩天大楼的建造量身定做, 只命名几乎无限可能的用途。

在设计安全的建筑物和结构时, 了解钢材对载荷的反应是很重要的。材料特性建模的一个基本工具是应力-应变曲线。

采用单轴拉伸试验研究了低碳钢和硬冷轧钢的弹性和非弹性行为, 分别代表了土木工程应用中抗拉强度的低、高限。

应力被定义为被应用的区域除以的力。应变是长度的变化除以初始长度。应力-应变曲线描述了材料的弹性和非弹性特性, 说明了钢铁材料如何响应应用力。

单轴拉伸试验通常用于研究应力和应变。在这个测试中, 机器慢慢地拉着样品的两端, 用更大的力量和测量产生的伸长。金属拉伸试验由 ASTM E8 描述, 它定义了试样的类型和尺寸、设备类型和要报告的数据。

应力-应变曲线揭示了试验材料的许多性质。其中, 弹性模量 (初始线性区域的斜率, 变形与荷载成正比), 韧性模量 (线性区域下的区域, 测量材料的吸收能量的能力而不产生永久性变形),比例极限 (曲线偏离线性的应力), 屈服点 (应力与应变突然下降或变化), 屈服高原 (在不增加应力的情况下, 变形迅速增加)。

钢是一种韧性材料。延性被定义为故障长度的变化除以初始长度。韧性是材料在骨折前吸收能量的能力。

现在我们了解了材料的一些基本特性, 让我们来看看在实验室中测量应力和应变的方法, 并研究这两种量之间的关系。

获得两种类型的钢的圆柱形试样, 一个温和的和热轧的, 如 A36, 和一个硬和冷轧, 如 C1018。

用卡尺测量试样中部附近几个部位的直径。把这些测量到最接近的第2000英寸。

下一步, 牢牢地握住标本。抄写约两英寸的量规长度。使标记清晰, 但很浅, 以避免造成应力集中, 可能导致骨折。测量实际有标记的标尺长度到最接近的第2000英寸。

最后, 安装应变仪。标本现在已经准备好进行测试了。

我们将使用一个通用的测试机器, 或 UTM, 以测量试样的拉伸性能。打开测试机并初始化该软件。设置适当的图形和数据采集参数, 然后选择与 ASTM E8 协议兼容的测试过程。

将低应变的应变率设为零到 5%, 并对高应力范围分别大于5%。这应该是接近0.05 英寸每分钟的初始加载和0.5 英寸每分钟5% 的应变。然后在软件中设置任何其他操作, 例如在计中停止机器5% 应变, 以在试样失效前将其卸下。

手动提高十字头, 使试样的全长适合在顶部和底部手柄容易。小心地将试样插入到顶部的手柄上, 大约80% 的抓地深度。将试样对准顶部手柄, 稍微收紧以防止试样掉落。慢慢地降低顶部横梁。一旦试样在底部抓地深度的80% 左右, 开始标本对准在底部手柄。试样应漂浮在完全打开的底部手柄的中心。通过手柄向试样施加侧向压力, 以确保在测试过程中不会发生滑动。注意, 拧紧过程会在试样上引入小轴向力。

使用该软件强制预加载以补偿此力并记录其值。根据制造商的指示, 将电子伸长仪安全地连接到试样上。计的叶片应大致以试样为中心。如果使用应变计, 请将其连接起来。

通过将拉伸载荷应用于试样开始测试。观察计算机显示器上应用负载的实时读数。为了确认试样没有滑过手柄, 确保测量的载荷呈线性增长。在示例失败之前的某个时间, 软件将自动暂停测试。将样品留在测试机中, 然后取出计。继续应用拉伸负载直到故障。当达到最大载荷时, 实测载荷开始减小。此时, 标本开始颈部。最后的断裂应发生在这个颈区域通过韧性撕裂。

测试结束后, 举起十字头, 松开顶部的抓地力, 并从它身上取出碎片。松开底部的抓地力, 取出标本的另一半。在最大拉伸载荷下记录值。保存记录的数据和应力应变曲线。

小心地将破裂试样的两端合在一起, 并测量标尺标记与最接近的第2000英寸之间的距离。记录最后的测量长度。最后, 测量试样的直径在最小的剖面到最接近的第2000英寸。

为确定材料性能, 首先对 A36 轻热轧钢的数据和 C1018 硬冷轧钢的数据进行了研究。

现在计算每个试样的伸长率, 知道最后的量规和初始的测量长度。用试样的最终直径和初始直径计算每个试样的面积减少量。在结果表中记录这些值。

其次, 利用实验应力-应变曲线计算其它材料参数。对两个试样的曲线进行快速比较, 表明它们具有非常不同的弹性和非弹性行为。从较低的应力水平更大的应变, A36 钢比 C1018 钢更柔软, 更韧性。

对于 A36 钢, 在失败的压力是约 58.6 kilopounds 每平方英寸, 大大高于标称值为 36.0 kilopounds 每平方英寸。最大应力约为每平方英寸 86.6 kilopounds, 应变约为20%。

这个放大的剧情显示一个向上屈服点在大约 58.6 kilopounds 每平方英寸和一个较低的屈服点在大约 56.8 kilopounds 每平方英寸。屈服高原的开始在这里也是可见的。应变计数据揭示了 A36 钢的线性弹性区, 其斜率被定义为每平方英寸约 29393 kilopounds 的杨氏模量。这个结果是非常接近的名义价值 2.9万 kilopounds 每平方英寸。

在数据偏离线性度的时候, 我们可以确定比例极限大约是每平方英寸的 55.58 kilopounds。为比较, 由于其应力-应变曲线的非线性, C1018 钢的比例极限很低。

结果从计盖子劳损5%。A36 钢的数据显示了塑性高原和应变硬化的开始, 曲线在2.7% 的应变下再次上升。相比之下, C1018 没有明确的屈服高原。

通过总结下表中两个钢样的测试结果, 完成数据分析。

温和热轧钢的伸长率在25到40% 之间。相比之下, 硬冷轧钢的伸长率仅为这一量的一半。伸长率是测量标记之间材料长度的平均值, 但几乎所有的变形都被局部地定位到断裂点周围的一个小区域。因此, 局部应变可能比平均值大得多。

两个标本的体格检查显示出他们失败的方式有很大差异, 对应于它们的应力-应变曲线的差异。

A36 钢有一个失效表面与材料在边缘逐渐最后变形和更大的伸长在低重音, 表明一个非常温和, 但韧性金属。

与此相反, C1018 钢有一个平坦的破坏面, 对应于突然断裂和更少的伸长在更高的应力, 高强度但低延性的特点。

让我们从应力与应变的关系的角度来看一下钢的一些常见应用。

土木工程师分析桥梁和建筑物的结构倒塌, 以改善未来的结构设计。这一过程导致了诸如多层建筑的轧制 i 型钢、桥梁焊接深板梁、高强度螺栓和紧固件等钢构件。每一个都要求不同类型的钢具有特定的强度和 ductilities, 通常首先通过检查其应力应变曲线来理解。

工程师们使用材料的应力应变特性来制造更安全的汽车。工程师们知道了车架的强度和延性, 以及它是如何在撞击力的作用下变形的, 因此可以设计出汽车的车身, 在碰撞过程中吸收能量, 并增加坠毁的几率。

你刚刚看了朱庇特对钢的应力应变特性的介绍。

你现在应该知道如何进行单轴拉伸试验来确定金属材料的拉伸性能, 以及如何分析典型钢的应力应变曲线。

谢谢收看!

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