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강의 응력-변형 특성

Overview

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부

인간 개발에 대한 재료의 중요성은 석기 시대, 철기 시대 및 청동기 시대와 같은 시대에 세계 역사의 초기 분류에 의해 명확하게 포착됩니다. 1800년대 중반에 철강을 생산하기 위한 지멘스와 베세메르 프로세스의 도입은19세기 후반 유럽과 미국의 대부분을 농촌 사회에서 오늘날의 도시 및 기계화 사회로 변화시킨 산업혁명을 시작하는 데 가장 중요한 발전이라고 할 수 있습니다. 거의 무한한 변화 속에서 강철은 주방 가전제품부터 자동차, 전기 전송 네트워크 및 물 분배 시스템과 같은 생명선에 이르기까지 우리 주변에 있습니다. 이 실험에서 우리는 토목 공학 응용 프로그램에서 일반적으로 볼 수있는 범위를 묶은 두 가지 유형의 강철의 스트레스 변형 거동을 매우 온화하고 뜨거운 압연 강철에서 하드, 차가운 압연 강철에 이르기까지 살펴볼 것입니다.

Principles

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용어 강철은 일반적으로 주로 철 (Fe)인 물질을 나타내는 데 사용되며 종종 95 %에서 98 %의 범위에서 사용됩니다. 순수 철은 동종 요법으로, 실온에서 신체 중심의 입방(BCC) 구조로 912°C 이상의 얼굴 중심 입방체(FCC) 구조로 변경됩니다. FCC 구조의 빈 공간과 결정 구조의 불완전성은 탄소(C) 원자와 같은 다른 원자를 간질(또는 빈) 공간에서 확산하여 첨가또는 제거할 수 있게 한다. 이러한 첨가및 상이한 결정 구조의 후속 개발은 열처리로 알려진 다양한 속도와 온도 범위에서 가열 및 냉각의 결과입니다. 이 기술은 2000 년 이상 알려져 있지만 인도 (≈300AD)에서 우츠 강철을 활용한 다마스쿠스 강철과 같은 응용 분야에서 수년 동안 비밀로 유지되었습니다.

구가 닿기 시작할 때까지 FCC 구조의 열린 원을 확장한 다음 이 원자 구조에 대한 기본 큐브를 잘라내면 그 결과는 단위 셀입니다. 철 원자 직경의 41.4 %를 가진 구체는 철을 만지기 시작하기 전에 추가 될 수 있습니다. 탄소 원자는 철분 지름의 56%이므로 탄소 원자가 도입됨에 따라 새로운 구조가 왜곡됩니다. 강철의 특성은 이러한 왜곡의 크기, 주파수 및 분포를 변경하여 조작할 수 있습니다.

강철의 가장 유용한 전임자 중 하나인 단철은 탄소 함량이 2% 이상입니다. 민간 응용 분야의 철강에 대한 최적의 탄소 함량이 0.2 %에서 0.5 %로 나타났습니다. 초기 야금 처리 과정의 대부분은 생산하기 위하여 경제적인 볼륨에 있는 이 수준에 탄소 내용을 가져오기 위한 것이었습니다. 미국의 베세머 프로세스와 영국의 지멘스 프로세스는 초기 기술의 두 가지 성공적인 예입니다. 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 공정은 전기 아크 로와 기본 산소 용광로입니다. 탄소 외에도 대부분의 현대 철강에는 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 기타 금속이 소량으로 포함되어 있어 강도, 변형성 및 인성을 향상시킵니다. 이러한 합금이 엔지니어링 특성에 미치는 영향의 간단한 예는 소위 탄소 등가물(CE)입니다.

Equation 1

CE는 특정 강철의 용접성을 결정하는 데 유용한 인덱스입니다. 일반적으로 CE < 0.4%는 용접가능한 강철을 대표한다. 금속 구조물의 많은 연결이 용접으로 이루어지므로 구성을 위해 재료를 지정할 때 기억하는 유용한 인덱스입니다.

"재료 상수"에 관한 JoVE 비디오에서 언급 한 바와 같이, 모델링 목적을 위해 우리는 스트레스와 균주 사이의 몇 가지 관계를 설정해야합니다. 많은 재료의 동작에 대한 가장 간단한 설명은 스트레스 스트레인 곡선 (Fig.1)에 의해 제공됩니다. 압축에 적재할 때 좌굴 문제가 있고 물질을 두 방향으로 균일하게 적재하는 데 어려움을 겪는 결과로, 단방향 인장 테스트는 일반적으로 응력-변형 곡선을 결정하기 위해 실행됩니다. 이 테스트는 주로 균일 금속 재료의 주요 엔지니어링 특성에 대한 기본 정보를 제공합니다.

일반적인 장력 시험은 ASTM E8에 의해 기술된다. ASTM E8은 사용될 테스트 시편의 종류와 크기, 사용할 일반적인 장비 및 금속 장력 테스트를 위해 보고되는 데이터를 정의합니다.

Figure 1
그림 1: 저탄소 강철의 응력 변형 곡선.

우리는 매우 큰 플라스틱 균주를 통해 측정해야하기 때문에, 변형 측정은 항상 전체 변형 범위 (최대 40 %)에 걸쳐 변형 게이지로 만들 수 없습니다; 접착제는 거의 항상 시편 골절 전에 실패합니다. 스트레인 게이지와 적절하게 보정된 캔틸레버 암이 있는 작은 C프레임으로 구성된 extensometer는 일반적으로 약 20%까지 사용됩니다. extensometer는 비싸고 섬세한 기기이기 때문에 표본이 골절되기 전에 제거해야합니다. 시험은 중단되고, 표본이 최대 응력과 시편의 자국에서 추정되는 최대 변형에 도달한 직후 에스테모터가 제거됩니다.

관심의 주요 속성은 (그림 2):

비례 제한: 비례 제한은 스트레스가 변형에 비례하여 선형적으로 유지되는 최대 스트레스입니다. 이 값은 일반적으로 일정한 십헤드 속도 조건에서 테스트가 실행될 때 응력 속도의 변화를 보고 결정됩니다. 선형 탄성 범위에서 응력 속도는 변형률에 비례하며 이상적으로 는 일정합니다. 재료가 스트레인 비율의 증가에 의해 입증된 바와 같이, 격자 질화하기 시작하면, 응력 속도는 감소하기 시작합니다. 비례 제한은 초기 응력 률이 감소하기 시작할 때 스트레스로 취합니다.

수율 점: 많은 금속은 긴장이 스트레스의 증가없이 빠르게 증가하는 날카로운 수율 지점 이나 스트레스를 나타낸다. 이것은 응력 변형 곡선에서 수평 선 또는 항복 고원에의해 입증됩니다. 수율점은 원자 격자에서 미끄러짐이 발생하기 시작하는 부하에 대략 해당합니다. 이 슬립은 몇 가지 중요한 전단 력에 도달하여 트리거되며 결정 구조의 수많은 결함으로 인해 첫 번째 원칙에서 계산 할 수있는 것보다 훨씬 낮습니다. 이 실험에서 시험된 온화한 강철과 같은 일부 재료에서는 재료가 수율 고원에 도달하기 전에 작지만 눈에 띄는 응력 감소가 있어 상하 수율 점이 증가합니다. 명확한 항복점을 나타내지 않는 재료의 경우, 동등한 수율 강도가 사용됩니다. 우리는 알루미늄에서 이러한 특성을 다루는 "알루미늄의 스트레스 변형 특성"에관한 JoVE 비디오에서이 정의를 자세히 살펴 볼 것입니다.

Figure 2
그림 2: 낮은 균주에서 변수의 정의입니다.

탄성 계수: 재료의 탄성의 계수는 도 2에 도시된 바와 같이 응력-스트레인 다이어그램의 직선 부분의 경사로 정의된다. 이 속성은 "재료 상수"에관한 JoVE 비디오에서 논의되었다. E는 상대적으로 많은 수: 30 x 106 psi (210Gpa) 강철에 대 한; 알루미늄용 10 x 106  psi (70 GPa); 1.5 X 106  psi (10.5 GPa) 오크에 대 한; 그리고 0.5 x 106  psi (3.5 GPa) 플렉시 유리에 대 한.

탄력성의 계수: 탄력성의 계수는 응력 변형 다이어그램의 탄성 부분 아래 영역이며 부피 단위당 에너지 단위가 있습니다. 복원력의 계수는 영구적인 변형을 거치지 않고 에너지를 흡수하는 재료의 용량을 측정합니다.

스트레인 경화 계수: 항복 고원을 유발한 미끄러짐 또는 탈구 이동이 곡물 경계(또는 격자가 다른 각도로 중심이 되는 영역)에 도달하기 시작하면 탈구가 "쌓이기 시작"하기 시작하고, 움직임을 다른 곡물로 전파하기 위해서는 추가 에너지가 필요합니다. 이것은 긴장 긴장 행동에 있는 뻣뻣하게 이끌어 냅니다, 긴장 경화 계달은 일반적으로 영의 변둘루 의 밑에 크기의 적어도 1 순서이기더라도.

궁극적인 힘: 이것은 시험 중에 도달한 엔지니어링 응력의 최대 값이며 시편이 목(또는 변경 영역)으로 시작되기 직전에 발생합니다(도 3).

최대 변형: 이 값은 표본이 골절될 때 변형값으로 간주됩니다. 전종기는 일반적으로 시험에서 이 시점에 도착할 때까지 제거되고 변형이 시편의 길이를 따라 매우 짧은 거리로 국소화(necking)가 있기 때문에, 이 값은 실험적으로 측정하기가 매우 어렵다. 이러한 이유로 최대 변형 값 대신 재료를 지정할 때 균일한 신장과 백분율 신장모두 자주 사용됩니다.

Figure 3
그림 3: 큰 균주에서 정의.

균일 한 연도 : 백분율 신장은 목이 발생하기 직전에 시편의 백분율 신장(길이/원래 길이의 변화)으로 정의됩니다.

백분율 신장: 일반적으로 두 개의 마크, 명목상 2 에서 떨어져, 테스트하기 전에 표본에 만들어집니다. 시험 후, 골절된 시편의 두 조각은 가능한 한 최선을 다해 함께 배치되고, 마크 사이의 최종 변형을 재측정한다. 이것은 엔지니어링 컨텍스트에서 재료에 대한 최소 신장을 지정하는 조잡하지만 유용한 방법입니다.

백분율 영역: 마찬가지로 백분율 신장과 유사하게, 골절된 시편의 최종 영역을 측정할 수 있다. 이 부위에 의해 골절 직전에 힘을 분할함으로써, 재료의 진정한 강도에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다.

인성: 인성은 응력-변형 다이어그램의 총 영역으로 정의됩니다. 그것은 골절 전에 크고 영구적 인 변형을 겪는 재료의 능력의 척도입니다. 그 단위는 탄력성의 계수에 대한 것과 동일합니다.

위에 설명된 속성은 주어진 자료가 "재료 상수"와관련하여 JoVE 비디오에서 설명된 성능 기준을 얼마나 잘 준수하는지 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 안전에 관한 한 강도와 변형 용량 특성이 핵심입니다. 이러한 특성은 일반적으로 연성 행동의 용어에 따라 그룹화됩니다. 연성 행동은 재료가 큰 플라스틱 변형 체제를 통해 강도를 유지하고 수 있다는 것을 의미합니다. 큰 인성은 실제로 구조물이 임박한 실패의 표시를 줄 것이라는 것을 의미하는 바람직합니다, 예를 들면 치명적인 붕괴가 발생하기 전에 아주 큰 가시 변형, 그것의 점유자가 구조물을 대피하는 시간을 허용합니다.

대조적으로, 취성 행동을 보이는 자료는 일반적으로 갑작스럽고 치명적인 방식으로 실패합니다. 이는 인장 용량이 떨어지는 시멘트 및 세라믹 재료의 경우입니다. 콘크리트 빔은 긴장이 매우 약하기 때문에 이러한 방식으로 실패합니다. 이 함정을 해결하기 위해 콘크리트 빔의 인장 영역에서 철제 막대를 보강하여 철근 콘크리트 빔으로 바꿔 놓습니다.

부서지기 쉽고 연성동작이 본질적인 물질적 행동이 아니라는 것을 깨닫는 것이 중요합니다. 우리는 "록웰 경도 테스트"에관한 JoVE 비디오에서 볼 수 있듯이, 실온에서 연성탄소 강철을 적용하고 낮은 온도에서 매우 빠른 변형 부하 조건 (충격)에 낮은 변형 부하 속도 조건에서 카본 강철을 적용하면 부서지기 쉬운 행동을 초래할 수 있습니다. 또한 주철과 같은 일부 재료는 장력에 매우 부서지기 쉽지만 압축의 연성일 수 있음을 인식하는 것이 중요합니다.

이 시점에서 정의해야 할 두 가지 중요한 재료 특성은 재료 모델링의 선택에 영향을 미치기 때문에 동종요법과 균일성입니다. 탄성 특성이 모든 방향에서 동일하다면 재료는 등위위라고 합니다. 대부분의 엔지니어링 재료는 몸 전체의 치수에 비해 작은 결정으로 만들어집니다. 이러한 결정은 무작위로 지향되므로 통계적으로 물질의 동작은 등위위로 간주 될 수 있습니다. 목재 및 기타 섬유질 재료와 같은 다른 물질은 두방향(정형 외과)또는 모든 세방향(anisotropic)에서만유사한 탄성 특성을 가질 수 있다.

한편, 탄성 특성이 신체 전체에 동일하면 재료가 균일하다고 합니다. 설계 를 위해 대부분의 건축 자재는 균일한 것으로 간주됩니다. 이것은 우리가 일반적으로 통계적으로 균일한 것으로 간주 될 수있는 훨씬 더 큰 볼륨을 특성화에 대해 얘기로, 다른 위상 (박격포와 돌)를 가진 콘크리트와 같은 재료에도 유효합니다.

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Procedure

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강철 표본의 장력 테스트

이 실험의 목적은 다음과 같은 것입니다.

  • 어떤 형태로든 금속 재료의 인장 특성을 결정하기 위한 표준 실험실 시험을 학생들에게 친하게 하기 위해(ASTM E8),
  • 일반적으로 사용되는 엔지니어링 금속 재료 (구조 강철 및 알루미늄)의 특성을 비교하고
  • 금속의 테스트된 속성을 게시된 값과 비교합니다.

변형 제어 및 관련 테스트 및 데이터 수집 기능을 갖춘 범용 테스트 기계(UTM)를 사용할 수 있다고 가정합니다. 안전 지침에 특별한주의를 기울여 UTM 제조업체에서 제공하는 인장 테스트를 수행하기 위해 권장단계별 절차를 따르십시오. 어떤 단계에 대해도 확실하지 않은 경우 진행하지 말고 적절한 예방 조치를 따르지 않으면 주변 사람들에게 심각한 부상을 입을 수 있으므로 실험실 강사에게 의심을 명확히 하십시오. 또한 모든 비상 정지 절차를 알고 컴퓨터를 실행하는 소프트웨어에 익숙해야 합니다.

아래 절차는 일반적이며 가장 중요한 단계를 다루기위한 것입니다. 사용 가능한 장비에 따라 상당한 편차가 있을 수 있습니다.

1. 표본 준비:

  1. 두 강철에 대한 원통형 시험 표본을 구하십시오, 하나는 온화하고 뜨거운 압연 (예 : A36) 및 하나의 하드 및 냉간 압연 (예 : C1018).
  2. 캘리퍼를 사용하여 중간 근처의 여러 위치에서 가장 가까운 0.002로 시험 시편의 직경을 측정합니다.
  3. 표본을 단단히 잡고 파일을 사용하여 약 2in. 게이지 길이를 표시합니다. 참고: 게이지 길이를 신중하게 표시하여 명확하게 새겨지도록 표시하지만, 골절로 이어질 수 있는 응력 농도가 될 만큼 깊지 않습니다.
  4. 캘리퍼를 사용하여 실제 표시된 게이지 길이를 가장 가까운 0.002로 측정합니다.
  5. 가능한 경우 "재료 상수"에 JoVE 비디오에 설명 된 바와 같이 스트레인 게이지를 설치합니다.
  6. 잠재적인 실험 오류 및 신뢰 도차를 평가하는 데 사용되는 모든 계측기의 교정 데이터와 해상도에 대한 사용 가능한 모든 정보를 수집합니다. 이 두 가지 문제는 의미 있는 결과를 얻는 데 핵심이지만 여기에서 논의되는 내용의 범위를 벗어납니다.

2. 표본 테스트:

  1. 테스트 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 초기화합니다. 소프트웨어 내에서 적절한 그래프 및 데이터 수집 기능을 설정해야 합니다. 최소한 응력 변형 곡선을 표시하고 부하 및 변형에 대한 디스플레이가 있습니다.
  2. ASTM E8 테스트 프로토콜과 호환되는 소프트웨어 내에서 적절한 테스트 절차를 선택합니다. 사용 중인 변형률과 탄성용 및 비탄성 범위에 대한 두 개의 속도가 사용되고 있는지 여부를 참고합니다. 또한 소프트웨어에서 적절한 작업을 설정합니다(예: 기계가 15% 스트레인에서 중지하여 extensometer를 안전하게 제거하고 도달한 부하의 최대 값을 기록할 수 있도록).
  3. 수동으로 시편의 전체 길이가 그립 사이에 쉽게 맞을 수 있도록 십헤드를 올립니다. 조심스럽게 그립 깊이의 약 80 %에 상단 그립에 표본을 삽입; 표본이 그립 안쪽에 정렬하여 약간 조여서 시편이 떨어지는 것을 방지합니다. 참고: 이 단계에서는 그립을 전체 압력으로 조이지 마십시오.
  4. 상단 크로스헤드를 천천히 낮춥습니다. 시편이 바닥 그립 깊이의 약 80% 이내인 후에는 시편이 바닥 그립 내에 제대로 정렬되었는지 확인합니다(예: 완전히 열린 위치에 있는 바닥 그립과 함께, 시편은 하단 그립 개구부 중간에 "플로트"해야 합니다). 시험 중에 추가적인 굴곡 및 비틀림 응력을 초래하는 표본 오정렬은 장력 테스트를 수행할 때 발생하는 가장 일반적인 오류 중 하나입니다. 정렬이 좋지 않으면 기술자와 협력하여 그립을 올바르게 정렬합니다.
  5. 그립을 통해 시편에 적절한 측면 압력을 적용하여 테스트 중에 미끄러짐이 발생하지 않도록 합니다. 조임 공정이 시편에 프리로드를 도입하기 때문에 이 시점에서 작은 축 하중이 있을 것입니다. 테스트 컴퓨터에 이 사전 로드를 최소화하기 위해 소프트웨어 조정이 있을 수 있습니다. 프리로드 값을 기록합니다.
  6. 제조 업체의 사양에 따라 전자 extensometer를 시편에 단단히 부착하십시오. 참고: extensometer 블레이드는 표본의 게이지 마크에 정확하게 배치할 필요는 없지만 시편에 중심으로 해야 합니다.
  7. 이 시점까지 모든 절차를 제대로 실행한 지 신중하게 확인합니다. 가능하면 감독자가 시편이 테스트할 준비가 되었는지 확인합니다.
  8. 로딩을 시작하여 시편에 인장 부하를 적용하기 시작하고 컴퓨터 디스플레이에서 적용된 부하의 실시간 판독을 관찰합니다. 참고: 측정된 하중이 증가하지 않으면 시편이 그립을 통해 미끄러지며 다시 부착해야 합니다. 이 경우 테스트를 중지하고 2.3 단계에서 다시 시작합니다.
  9. 시료 고장 전에 시편을 언로드하지 않고 테스트가 자동으로 일시 중지됩니다. 이 시점에서 extensometer를 제거합니다. 표본이 extensometer를 제자리에 놓으면 매우 비싼 장비 인 extensometer를 파괴할 것입니다.
  10. 고장까지 인장 부하 적용을 다시 시작합니다. 최대 하중에 도달하면 측정된 하중이 감소하기 시작합니다. 이 시점에서, 견본은 목이 시작하고 마지막 골절은 성덕 파열을 통해 이 목 지역 내에서 이루어져야 합니다.
  11. 테스트가 끝나면 크로스헤드를 들어 올리고 상단 그립을 느슨하게 하고 상단 그립에서 깨진 시편조각을 꺼냅니다. 시편의 위쪽 절반이 제거되면 아래쪽 그립을 풀고 시편의 나머지 절반을 제거합니다.
  12. 값을 최대 인장 하중으로 기록하고 응력 변형 곡선의 복사본을 인쇄합니다. 디지털로 기록된 데이터를 저장합니다.
  13. 골절된 시편의 끝을 함께 조심스럽게 맞추고 게이지 마크 사이의 거리를 가장 가까운 0.002에서 측정합니다. 최종 게이지 길이를 기록합니다.
  14. 가장 작은 단면에서 시편의 직경을 가장 가까운 0.002로 측정합니다.
  15. 골절된 표본을 그림과 다이어그램으로 문서화합니다.

3. 데이터 분석

  1. 금속 재료의 각 유형에 대한 비율 신장 및 영역의 감소를 계산합니다.
    신장 =Equation 2
    영역 의 감소 =Equation 3
  2. 각 시편에 대한 우세한 골절 모드를 설명하고 분류하고 기록합니다.
  3. 도 2 및 3에 설명된 바와 같이 재료 특성을 결정합니다. 0.004까지의 균주가 익스텐터에 의해 0.004와 0.15 사이의 스트레인 게이지에 의해 주어질 수 있도록 스프레드시트로 데이터를 구성한다(extensometer의 상한은 시험에서 제거된 변형값입니다; 이 값은 시편의 변형 용량에 따라 변경됨).
  4. 십자수 변위와 %신장을 사용하여 궁극적 인 변형을 추정하십시오. 스트레인 게이지를 사용하지 않는 경우 extensometer의 초기 미끄러짐을 수정해야 합니다. 하나는 인성 (스트레스 변형 곡선아래 영역)을 얻기 위해 그래프에서 사각형을 계산할 수 있습니다.
  5. 교과서 또는 기타 적합한 참조를 사용하여 탄성 계수를 결정하고, 강도및 사용되는 재료의 궁극적 인 강도를 결정합니다. 게시된 값을 테스트 결과와 비교합니다.

강철은 탄소와 크롬, 망간 및 니켈과 같은 다른 원소로 합금된 철에 대한 일반적인 용어입니다.

구성 및 가공 방법의 변화는 자동차, 교량 및 고층 빌딩의 건설을 위해 거의 무한한 사용의 몇 가지 이름을 지정할 수 있습니다.

안전한 건물과 구조물을 설계할 때 하중에 대한 강철의 대응을 이해하는 것이 중요합니다. 재료 특성을 모델링하기위한 한 가지 기본 도구는 응력 변형 곡선입니다.

우리는 단방향 인장 테스트를 사용하여 온화한 열압 강철의 탄성 및 비탄력적 행동과 토목 공학 응용 분야에서 각각 낮은 강도와 높은 한계를 나타내는 단단한 냉간 압연 강철을 연구할 것입니다.

응력은 적용되는 영역으로 나눈 힘으로 정의됩니다. 스트레인은 초기 길이로 나눈 길이의 변화입니다. 응력-변형 곡선은 강철과 같은 재료가 적용된 힘에 어떻게 반응하는지 보여줌으로써 재료의 탄성 및 비탄성 특성을 설명합니다.

uniaxial 인장 시험은 일반적으로 스트레스와 긴장을 공부하기 위해 사용됩니다. 이 테스트에서 기계는 더 크고 큰 힘으로 샘플의 끝을 천천히 당기고 그로 인한 신장을 측정합니다. 금속 장력 시험은 시편의 유형 및 크기, 장비 의 종류 및 보고되는 데이터를 정의하는 ASTM E8에 의해 설명된다.

응력-변형 곡선은 테스트 중인 재료의 많은 특성을 보여줍니다. 그 중, 탄성 계수 (변형이 부하에 비례하는 초기 선형 영역의 경사), 탄력성 (영구 변형없이 에너지를 흡수하는 재료의 용량을 측정하는 선형 영역 아래 영역), 비례 제한 (곡선의 응력은 선형에서 벗어난 지점), 항복 점 (응력 대 변형이 갑자기 감소하거나 변경됨). , 및 항복 고원 (변형이 스트레스를 증가하지 않고 빠르게 증가).

강철은 연성 재료입니다. 연성은 초기 길이로 나눈 실패시 길이의 변화로 정의됩니다. 인성은 골절되기 전에 에너지를 흡수하는 재료의 능력입니다.

이제 재료의 기본 특성 중 일부를 이해하게 되었으므로 실험실에서 스트레스와 변형을 측정하고 이 두 수량 간의 관계를 조사하는 방법을 살펴보겠습니다.

A36과 같은 2가지 종류의 강철, 1종온및 열압, C1018과 같은 단단하고 냉간압연한 두 가지 유형의 원통형 검사 표본을 가져옵니다.

캘리퍼를 사용하여 시편 중간 부근의 여러 위치에서 직경을 측정합니다. 이러한 측정을 가장 가까운 2000인치로 확인합니다.

다음으로, 표본을 단단히 잡으라. 약 2 인치의 게이지 길이를 스크라이브. 골절로 이어질 수있는 스트레스 농도를 만들지 않도록 마크를 명확하지만 매우 얕게 만드십시오. 실제 표시된 게이지 길이를 인치의 가장 가까운 2000분의 1로 측정합니다.

마지막으로 스트레인 게이지를 설치합니다. 시편은 이제 테스트 할 준비가되어 있습니다.

우리는 범용 테스트 기계, 또는 UTM을 사용하여 표본의 인장 특성을 측정할 것입니다. 테스트 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 초기화합니다. 적절한 그래프 및 데이터 수집 매개 변수를 설정한 다음 ASTM E8 프로토콜과 호환되는 테스트 프로시저를 선택합니다.

낮은 균주에 대한 변형률을 0~5%로 설정하고 높은 스트레인 범위의 경우 각각 5% 이상입니다. 초기 로딩의 경우 분당 0.05인치, 5% 변형 후 분당 0.5인치에 가깝습니다. 그런 다음 시편 고장 전에 제거하기 위해 extensometer에서 5 % 변형으로 기계를 중지하는 것과 같은 소프트웨어의 추가 작업을 설정합니다.

수동으로 크로스헤드를 들어 올립니다. 시편을 상단 그립에 조심스럽게 삽입하여 그립 깊이의 약 80%를 차지합니다. 상단 그립 내부의 표본을 정렬하고 시편이 떨어지는 것을 방지하기 위해 약간 조입니다. 상단 크로스헤드를 천천히 낮춥습니다. 시편이 하단 그립 깊이의 약 80% 이내인 후 하단 그립 내에서 시편 정렬을 시작합니다. 시편은 완전히 열린 바닥 그립의 중앙에 떠 있어야 합니다. 그립을 통해 시편에 측면 압력을 가하여 테스트 중에 미끄러짐이 발생하지 않도록 합니다. 조임 공정은 시편에 작은 축력을 도입한다.

이 소프트웨어를 사용하여 프리로드를 부과하여 이 힘을 보정하고 그 값을 기록합니다. 제조 업체의 지시에 따라 시편에 전자 익스텐소계를 단단히 부착하십시오. extensometer의 블레이드는 대략 견본에 집중되어야 합니다. 스트레인 게이지를 사용하는 경우 연결합니다.

시편에 인장 하중을 적용하여 테스트를 시작합니다. 컴퓨터 디스플레이에서 적용된 부하의 실시간 판독값을 관찰합니다. 시편이 그립을 통해 미끄러지지 않는지 확인하려면 측정된 하중이 선형으로 증가하고 있는지 확인하십시오. 샘플 오류가 발생하기 전에 소프트웨어가 자동으로 테스트를 일시 중지합니다. 샘플을 테스트 컴퓨터에 두고 extensometer을 제거합니다. 고장까지 인장 부하 적용을 다시 시작합니다. 최대 하중에 도달하면 측정된 하중이 감소하기 시작합니다. 이 시점에서, 견본은 목에서 시작합니다. 최종 골절은 성병 파열을 통해이 목 부위에서 발생해야합니다.

테스트가 끝나면 크로스헤드를 들어 올리고 상단 그립을 느슨하게 하고 깨진 시편조각을 제거합니다. 하단 그립을 느슨하게하고 시편의 나머지 절반을 제거합니다. 값을 최대 인장 하중으로 기록합니다. 기록된 데이터와 응력 변형 곡선을 저장합니다.

골절된 시편의 끝을 함께 조심스럽게 맞추고 게이지 마크 사이의 거리를 가장 가까운 2000인치까지 측정합니다. 최종 게이지 길이를 기록합니다. 마지막으로 가장 작은 단면에서 시편의 직경을 가장 가까운 2000분의 1인치로 측정합니다.

재료 특성을 확인하려면 먼저 A36 온화 압연 강철의 데이터와 C1018 하드 냉간 압연 강철의 데이터를 각각 살펴보십시오.

이제 최종 게이지와 초기 게이지 길이를 알면서도 각 시편에 대한 백분율 신장을 계산합니다. 시편의 최종 직경과 초기 직경을 사용하여 각 시편에 대한 면적의 감소를 계산합니다. 결과 테이블에 이러한 값을 기록합니다.

다음으로 실험 응력-스트레인 곡선을 사용하여 다른 재료 매개 변수를 계산합니다. 두 표본에 대한 이러한 곡선을 빠르게 비교하면 매우 다른 탄성 및 비탄성 동작이 표시됩니다. 낮은 수준의 스트레스에서 훨씬 더 큰 균주에서 A36 강철은 C1018 강철보다 부드럽고 연성입니다.

A36 강철의 경우, 고장의 스트레스는 평방 인치 당 약 58.6 킬로파운드이며 평방 인치 당 36.0 킬로파운드의 명목 값보다 훨씬 높은 것입니다. 최대 스트레스는 약 20 %의 변형에 평방 인치 당 약 86.6 킬로파운드입니다.

이 확대 된 플롯은 평방 인치 당 약 58.6 킬로파운드에서 상승 수익률 포인트와 평방 인치 당 약 56.8 킬로파운드의 낮은 수율 점을 보여줍니다. 수율 고원의 시작도 여기에서 볼 수 있습니다. 스트레인 게이지 데이터는 평방 인치당 약 29,393킬로파운드의 영의 변둘루스로 정의된 경사면이 있는 A36 강철의 선형 탄성 영역을 보여줍니다. 이 결과는 평방 인치 당 29,000 킬로파운드의 명목 값에 매우 가깝습니다.

데이터가 선형에서 벗어난 지점에서 비례 제한은 평방 인치당 약 55.58 킬로파운드를 결정할 수 있습니다. 비교를 위해, 응력 변형 곡선의 비선형성으로 인해 C1018 강철은 매우 낮은 비례 제한을 가지고 있습니다.

extensometer의 결과는 최대 5%까지 긴장을 커버합니다. A36 강철에 대한 데이터는 약 2.7 %의 균주에 곡선이 다시 상승 하는 플라스틱 고원및 긴장 경화의 시작을 보여줍니다. 대조적으로, C1018에는 명확한 항복 고원이 없습니다.

다음 표에 있는 두 개의 강철 샘플에 대한 테스트 결과를 요약하여 데이터 분석을 완료합니다.

온화한 열압 강철의 신장은 25~40%입니다. 대조적으로, 단단한 냉간 압연 강철의 신장은 이 금액의 절반에 불과합니다. 백분율 신장은 게이지 마크 사이의 재료 길이에 대한 평균 값이지만 거의 모든 변형은 골절 지점 주변의 작은 영역으로 국한됩니다. 따라서, 로컬 변형은 평균보다 훨씬 클 수 있습니다.

두 표본의 신체 검사는 응력 변형 곡선의 차이에 해당하는 실패 방식에 큰 차이를 보여줍니다.

A36 강철은 점진적인 최종 변형 과 낮은 응력에서 더 큰 연신 동안 림에 그려진 재료와 고장 표면을 가지고, 매우 온화하지만 연성 금속을 나타내는.

대조적으로, C1018 강철은 평평한 고장 표면을 가지고 있으며, 이는 갑작스런 골절과 훨씬 더 높은 응력에서 훨씬 적은 연신에 해당하며, 높은 강도이지만 연성의 특성입니다.

스트레스와 변형 사이의 관계의 관점에서 강철의 몇 가지 일반적인 응용 프로그램을 살펴 보자.

토목 엔지니어는 교량과 건물의 구조적 붕괴를 분석하여 미래의 구조 설계를 개선합니다. 이 과정은 다층 건물을 위한 압연 I-빔, 교량용 용접 딥 플레이트 I-거더, 고강도 볼트 및 패스너와 같은 강철 구성 요소로 이어졌습니다. 각각은 지정된 강점과 연성을 가진 다양한 유형의 강철을 필요로하며, 종종 스트레스 변형 곡선의 검사를 통해 먼저 이해됩니다.

엔지니어는 재료의 스트레스 변형 특성을 사용하여 안전한 자동차를 만듭니다. 프레임의 강도와 연성을 파악하고 충격력에 대한 대응으로 변형되는 방법을 알고 있는 엔지니어는 충돌 시 에너지를 흡수하고 충돌에서 살아남을 확률을 높이기 위해 자동차의 신체를 설계할 수 있습니다.

당신은 단지 강철의 스트레스 변형 특성에 JoVE의 소개를 보았다.

이제 금속 재료의 인장 특성과 일반적인 강철에 대한 응력 변형 곡선을 분석하는 방법을 결정하기 위해 단방향 인장 테스트를 수행하는 방법을 알아야합니다.

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측정(도 5 및 표 1.)에서, 연화강은 25%-40% 범위에서 신장을 가질 수 있으며, 더 단단한 강철은 그 절반일 수 있다. 거의 모든 변형이 소량으로 국소화되므로 %신장은 평균에 불과하다는 점에 유의해야 합니다. 로컬변형은 훨씬 더 높을 수 있습니다. 또한 면적의 %감소는 표면이 고르지 못하기 때문에 측정하기가 매우 어렵다는 점에 유의하십시오. 따라서 이 값은 상당히 다양합니다.

견본 A36 C1018 안으로.
% 신장 33.3 17.3 %
% 지역 감소 54.3 50.1 %
인장 수율 응력 58.6 73.0 ksi
인장 강도 86.6 99.9 ksi
골절의 스트레스 58.6 86.7 ksi
탄력의 계수 29393 29362 ksi

표 1. 강철 테스트 요약.

Figure 4
그림 4: 일반적인 연성 (왼쪽 이미지) 및 부서지기 쉬운 (오른쪽 이미지) 실패 표면.

일반적으로, 이들은 도 4에 나타난 것과 같은 실패에서, 부서지기 쉬운 분열 골절에 등연성 전단(cup-cone) 골절에서 변화할 것이다. 전체 응력-스트레인 곡선에 대한 일반적인 그래픽 결과는 도 5에 도시된다. 스트레스 변형 특성의 매우 큰 차이를 유의, 매우 온화하지만 연성 A36 강철에서 매우 강하지만 비 연성 C1018에 이르기까지 다양합니다. 둘 다 전통적으로 강철이라고 하지만 성능은 현저히 다릅니다.

Figure 5
그림 5: 최종 응력 변형 곡선.

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Applications and Summary

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이 실험은 일반적인 강철에 대한 응력 변형 곡선을 얻는 방법을 설명했다. 응력-변형 곡선의 차이는 처리(예: 콜드 작업 대 핫 롤링) 및 화학 조성(예: 탄소 및 기타 합금의 백분율)의 차이로 추적될 수 있습니다. 테스트결과 저탄소 강은 동축장으로 장전할 때 매우 연성물질임을 보여주었습니다.

실험 결과를 게시된 값과 비교하는 것은 항상 관련이 있습니다. 후자는 일반적으로 95% 신뢰도 한도를 기준으로 사양에서 최소 값을 나타내므로 일반적으로 5%-15%의 마진으로 테스트에서 표로 된 강도 값을 초과할 가능성이 높습니다. 그러나 재료가 일부 사양 요구 사항을 충족하지 않으면 아래쪽으로 분류되는 경향이 있기 때문에 훨씬 더 높은 값이 가능합니다. 변형 값은 일반적으로 게시된 값과 가깝습니다. 탄성의 계수는 다른 한편으로는 크게 달라지지 않아야합니다. E값이 게시된 값과 가깝지 않은 경우 오류 원본을 다시 검토해야 합니다. 예를 들어, 오차는 전작의 미끄러짐, 로드 셀 또는 extensometer의 부적절한 보정, 센서에 잘못된 입력 전압, 소프트웨어에 입력되는 잘못된 매개 변수, 즉 몇 가지로 인해 발생할 수 있습니다.

강철은 건설 산업에서 널리 사용되는 재료입니다. 응용 프로그램에는 다음이 포함됩니다.

  • 기존 다층 건물에서 일반적으로 사용되는 압연 강철 I자형 구조 섹션은 조립식 및 연결이 용이하기 때문에 시공 과정에서 시간을 절약할 수 있습니다.
  • 교량에 사용되는 용접 된 깊은 플레이트 I-거더는 깊고 얇은 딱딱한 웹과 두꺼운 플랜지를 용접하여 섹션이 내장되어 있습니다. 이것은 재료의 대부분을 가장 유용한 위치 (플랜지)에 두고 강도와 강성에 대한 설계를 최적화하고 프로젝트의 전체 비용을 줄입니다.
  • 일반적으로 높은 강도와 적당한 연성이 필요한 연결에 사용되는 볼트 및 패스너. 이 패스너는 자동차에서 가전 제품에 이르기까지 다양한 제품에 사용됩니다.

본 명세서에 기재된 장력 시험의 가장 중요한 적용은 건설 산업에서 사용되는 철강, 알루미늄 및 유사한 금속의 제조 과정에서 품질 관리 공정에 있다. ASTM 표준은 이러한 테스트를 강철의 각 열의 대표적인 샘플에서 실행해야 하며 이러한 결과는 확립된 벤치마크로 추적할 수 있어야 합니다. 대중의 안전은 이러한 유형의 품질 관리 절차가 표준화되고 준수되는지 확인하는 것과 밀접한 관련이 있습니다. 건축 자재의 품질이 좋지 않으며 재료 및 구조 적 수준에서 연성의 부족은 지진 과 유사한 자연 재해 중 및 유사한 자연 재해 후 붕괴의 가장 일반적인 원인입니다. 중요한 구성 요소의 힘의 부족은 2007 년 미니애폴리스에서 I-35W 다리의 실패로 이어졌고, 불량 물질의 사용은 개발 도상국에서 발생하는 많은 붕괴의 근원에, 2013 년 사바르 건물이 다카 (방글라다쉬)에서 붕괴 했을 때 천 명이 넘는 생명을 앗아갔습니다.

자동차 산업에서 안전하고 효과적으로 주행할 수 있도록 설계할 때 철강 및 기타 재료의 스트레스 변형 행동을 아는 것이 큰 이점을 제공하는 자동차 산업의 사례를 일상적으로 인용할 수 있습니다. 제조업체는 특정 부품의 강도를 가진 자동차를 설계하여 다른 부품의 변형과 연성을 허용하면서 도내 의 응력-변형 특성을 정확하게 추측할 수 있는 경우에만 더 나은 충돌 관리를 만들 수 있습니다.

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