알루미늄의 응력-변형 특성

금속 과 비금속 원소 사이의 한계에 원자 번호 13, 그리고 얼굴 중심 입방 (FCC) 구조에서, 주기적인 테이블에서 모두, 알루미늄이 가장 화학적으로 활성 요소 중 하나임을 분명하다. 사실, 그것은 쉽게 부식하는 경향이 알루미늄을 만드는 것 같다 산소에 대한 매우 강한 친화력을 가지고있다. 흥미롭게도, 새로 생산된 알루미늄의 표면은 산소와 즉시 반응하여 산화 및 기타 유형의 화학 공격으로부터 기본 금속을 보호하는 얇고 상대적으로 안정적이며 불활성 산화물 층을 생성합니다. 이 표면 특성은 상대적인 경량 특성과 경도 외에도 알루미늄을 매우 바람직한 건축 자재로 만드는 것입니다.

알루미늄 표면의 산화물 코팅은 일반적으로 매우 얇으며(약 50~ 100Å) 강철에서 흔히 볼 수 있는 전형적인 산화철과 달리 기본 물질에 단단히 부착됩니다. 산화물 층은 너무 얇아서 알루미늄의 기계적 특성에 영향을 미치지 않으며 눈에 거의 투명하여 재료의 미적 특성을 손상시키지 않습니다. 부식 및 마모 저항을 개선하기 위해이 산화물 층의 두께를 증가시키는 데 사용할 수있는 여러 가지 양극 조정 기술이 있습니다. 알루미늄을 사용하기 전에 고려해야 할 잠재적 단점 중 하나는 상대적으로 낮은 온도에서 녹아 고온 응용 제품에는 적합하지 않다는 것입니다.

알루미늄은 가볍고, 강철의 밀도가 약 1/3인; 이 1/3 관계는 또한 알루미늄에 대한 약 70GPa (10,000 ksi)로 종종 촬영탄성의 변성에 대한 사실보유. 그것의 강도와 다른 기계적 특성, 순수한 상태에서 매우 낮은, 합금 및 열 처리에 의해 실질적으로 향상 될 수 있습니다., 강철에 대 한 경우처럼. 강화는 또한 재료가 다이를 통해 압연 또는 그려지는 냉간 작업 또는 변형 경화를 통해 달성될 수 있으며, 시트 나 바의 면적이 감소합니다.

알루미늄에 주요 합금 추가는 구리, 망간, 실리콘, 마그네슘 및 아연입니다. 다른 요소는 곡물 정제및 특수 특성개발을 위해 더 적은 양으로 추가됩니다.

• 구리는 알루미늄에 상당한 용해도를 가지고 있으며 합금의 노화 경화 특성을 통해 상당한 강화 효과를 부여합니다. 많은 알루미늄 합금은 구리를 주요 첨가또는 주요 합금 원소 중 1~10%의 농도로 포함합니다.
• 망간은 알루미늄의 고체 용해도가 제한되어 있지만 약 1 %의 농도에서 비 열 처리 가능한 연알루미늄 합금의 중요한 시리즈를 형성합니다.
• 실리콘은 융점을 낮추고 알루미늄의 유동성을 증가시킵니다. 강도의 적당한 증가는 또한 실리콘 첨가에 의해 제공됩니다.
• 마그네슘은 알루미늄의 작업 경화 특성을 대폭 강화하고 개선합니다. 그것은 고체 알루미늄에 상대적으로 높은 용해도를 가지고 있지만 7 % 미만을 포함하는 알 - Mg 합금은 상당한 열 처리 특성을 표시하지 않습니다. 마그네슘은 또한 다른 원소, 특히 구리와 아연과 함께 첨가되어 강도가 더욱 향상됩니다.
• 아연은 합금을 주조하고 연합금의 마그네슘과 함께 알루미늄 합금 중 가장 높은 강도를 갖는 열 처리 가능한 합금을 생산하는 데 사용됩니다.
• 주석은 알루미늄의 마찰 특성을 향상시키고, 주조 알-Sn 합금은 종종 베어링에 사용됩니다.
• 구리와 실리콘은 일반적으로 사용되는 3xx.x 계열 주조 합금에서 함께 합금됩니다. 바람직한 특성 및 특성 범위는 열 치료 및 비 열 치료 가능한 합금 모두에서 얻어진다.
• 마그네슘과 실리콘은 대략적인 비율로 첨가되어 Mg₂Si를 형성하며, 이는 단조 합금과 주조 합금 모두에서 노화 경화의 기초입니다.

알루미늄 제품의 두 가지 일반적인 유형은 일반적으로 인식됩니다: 단조 및 주조. 모래 또는 영구 금형으로 물질을 흐르는 물질에 의해 형성된 모든 알루미늄은 다이 캐스트또는 주조가 최종 형태인 다른 공정에 의해 캐스팅되는 것으로, 주조 알루미늄이라고 불려; 다른 제품은 단장으로 취합니다. 미국에서는 알루미늄 연합금(시트, 플레이트, 압출 및 단조)은 4자리 식별 번호를 가지며, 주조 합금은 소수점 왼쪽에 세 자리 수, 소수점의 오른쪽에 는 한 자리(표 1 참조). 첫 번째 숫자는 단조 합금과 주조 합금 모두에 대한 주요 합금 성분을 정의합니다. 주요 합금 성분은 일반적으로 5 % 이하 (무게에 의해) 단합금및 주조 합금에서 동일하거나 더 높은. 합금의 대부분은 2 ~ 4 개의 다른 요소를 포함하지만 주요 합금 성분보다 훨씬 작은 양. 단조 합금 지정에서, 1XXX 시리즈의 마지막 두 자리는 99.00 % 이상의 최소 알루미늄 비율을 제공합니다. 2XXX에서 9XXX 시리즈를 통해 마지막 두 자리는 시리즈에 등록된 개별 합금을 지정합니다. 두 번째 숫자는 원래 합금의 수정을 지정합니다. 합금 지정 시스템은 주조와 유사합니다. 이 경우 두 번째 및 세 번째 숫자는 lXX.X 합금의 경우 99.00% 이상의 최소 알루미늄 비율을 제공합니다. 2XX에서. X ~ 9XX. X 시리즈, 두 번째 두 숫자는 시리즈에 등록 된 개별 합금입니다. 주조 합금의 경우 소수점의 오른쪽에 있는 숫자는 주조용 0, 그리고 1 및 2(1보다 좁은 조성 제한)의 제품 형태를 제공합니다. 2, 6 및 7 그룹의 합금은 열 치료할 수 있습니다.

표 1: 연수 및 주조 알루미늄 합금 지정 시스템.

또한, 템퍼 번호는 제품이 어떻게 제작되었는지를 나타내는 데 사용되며, 연가공 및 주조 제품에 모두 적용됩니다. F 및 O 성질은 모든 합금 및 제품 형태에 적용됩니다. TXXXX로 지정된 성질은 제조 후 열 처리를 수신하고 반응하는 합금 및 제품 형태에 적용됩니다. 이 합금은 열 치료 할 수 있다고합니다. 2XXX, 6XXX 및 7XXX 시리즈 및 주조 합금의 단합금은 일반적으로 이 그룹에 있다. 비열 치료 합금은 균주 경화에 의해 강도와 다른 특성을 얻고, H의 성질이 지정됩니다. 이 그룹에는 1 XXX, 3XXX 및 5XXX 시리즈가 포함됩니다. 성질에 대한 자세한 내용은 다양한 알루미늄 협회 참조 문서에 포함되어 있습니다.

기본 성질은 다음과 같습니다.

• "F" 또는 제작: 열 또는 작업 경화 조건에 대한 특별한 통제가 없는 성형 공정의 제품에 적용됩니다.
• "0" 또는 아닐드: 재결정화에 영향을 미치고 가장 낮은 강도 조건을 생성하고 연성과 치수 안정성을 향상시키기 위해 어닐링된 제품을 캐스팅하기 위해 가열된 연수 제품에 적용됩니다.
• "H" 또는 변형 경화: 냉간 작업을 통해 변형 경화에 의해 강화되는 연제품에 적용; 스트레인 경화는 강도의 일부 감소를 생성하는 보조 열 처리에 선행될 수 있다. H는 항상 두 자리 이상의 숫자로 뒤따릅니다. 첫 번째 숫자가 기본 작업을 나타내는 HI, H2 및 H3의 세 가지 기본 변형 경화 범주가 있습니다(1= 변형만 강화되고 2 = 변형 경화 및 부분적으로 어닐링; 3 = 변형 경화 및 안정화). 두 번째 숫자는 변형 경화 정도를 나타냅니다 (1 = 분기; 2 = 절반; 3 = 전체 및 4 = 추가 하드).
• "W" 또는 용액 열 처리: 용액 열 처리 후 실온에서 자발적으로 노화되는 합금에만 적용되는 불안정한 성질.
• "T" 또는 열 처리: 열 처리되는 제품에 적용되며, 때로는 보조 균주 경화로 F 또는 0 이외의 안정적인 성질을 생성합니다. T다음에는 항상 하나 이상의 숫자가 있습니다. 기본적으로 열 처리 가능한 알루미늄 합금은 담금질 후 실온에서 자연적으로 노화되며 강수경화로 강화됩니다.

도 1은 6061 T6 알루미늄에 대한 전형적인 응력-변형 곡선을 나타낸다. 이것은 좋은 강도와 강성을 가진 소재로 완성하기 쉽고 양극 산화가 용이합니다. 6061 T6 알루미늄은 일반적으로 노트북 및 TV와 같은 많은 전자 제품에 대한 케이스에 사용됩니다.

도 1의 응력-변형 곡선은 날카로운 수율 점을 나타내지 않고 오히려 탄력의 계수의 점진적 감소를 나타낸다. ASTM 및 기타 조직은 엔지니어링 목적으로 수익률 점을 결정하기 위해 0.2% 오프셋 방식을 채택했습니다. 도 2에 도시된 바와 같이, 동작의 선형 부분에 대해 가장 적합한 선을 결정하고 0.2% 변형에서 시작하는 유사한 경사로 선을 그리는 것이 필요하다. 이 두 번째 선이 응력-스트레인 곡선과 교차하는 강도는 임의로 항복 강도로 정의됩니다.

그림 1: 열 처리 알루미늄에 대한 일반적인 응력 변형 곡선.

그림 2: 명백한 수율 점 없이 재료의 수율 강도 의 정의.

알루미늄장력 테스트

이 실험의 목적은 다음과 같은 것입니다.

1. 어떤 형태로든 금속 재료의 인장 특성을 결정하기 위한 표준 실험실 시험을 학생들에게 친하게 하기 위해(ASTM E8),
2. 일반적으로 사용되는 엔지니어링 금속 재료 (구조 강철 및 알루미늄)의 특성을 비교하고
3. 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. UTM 제조업체가 제공하는 인장 테스트를 수행하기 위한 절차를 단계별로 수행하여 안전 지침에 특별한 주의를 기울입니다. 어떤 단계에 대해도 확실하지 않은 경우 진행하지 마십시오. 적절한 예방 조치를 따르지 않으면 자신 또는 주변 사람들에게 심각한 부상을 입을 수 있으므로 실험실 강사에게 의심을 명확히 하십시오. 또한 모든 비상 정지 절차를 알고 컴퓨터를 실행하는 소프트웨어에 익숙하다는 것을 알고 있는지 확인하십시오.

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

1. 표본 준비:

1. 6061T6과 같은 일반적인 알루미늄에 대한 원통형 시험 시편을 가져옵니다.
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. 가능하면 "재료 상수"에 대한 JoVE 비디오에 설명된 대로 세로 변형 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 설명하는 내용의 범위를 벗어납니다.

2. 표본 테스트:

테스트 컴퓨터를 켜고 소프트웨어를 초기화합니다. 소프트웨어 내에서 적절한 그래프 및 데이터 수집 기능을 설정했는지 확인합니다. 최소한 응력 변형 곡선을 표시하고 부하 및 변형에 대한 디스플레이가 있어야 합니다.

1. ASTM E8 테스트 프로토콜과 호환되는 소프트웨어 내에서 적절한 테스트 절차를 선택합니다. 사용 중인 스트레인 속도와 탄성용 및 탄성 범위에 대한 두 개의 요금이 사용되고 있는지 여부에 유의하십시오. 소프트웨어에서 적절한 작업을 설정합니다(예: 기계가 5% 스트레인에서 중지하여 extensometer를 안전하게 제거하고 도달한 부하의 최대 값을 유지할 수 있도록).
2. 수동으로 시편의 전체 길이가 그립 사이에 쉽게 맞을 수 있도록 십헤드를 올립니다. 조심스럽게 그립 깊이의 약 80 %에 상단 그립에 표본을 삽입; 표본을 그립 안쪽에 정렬하고 시편이 떨어지는 것을 방지하기 위해 약간 조입니다. 참고: 이 단계에서는 그립을 전체 압력으로 조이지 마십시오.
3. 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. 계측기 자체의 정렬이 좋지 않으면 기술자와 협력하여 그립을 올바르게 정렬합니다.
4. 그립을 통해 시편에 적절한 측면 압력을 적용하여 테스트 중에 미끄러짐이 발생하지 않도록 합니다. 참고: 조임 프로세스가 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.
5. 제조 업체의 사양에 따라 전자 extensometer를 시편에 단단히 부착하십시오. 참고: extensometer 블레이드는 표본의 게이지 마크에 정확하게 배치할 필요는 없지만 시편에 중심으로 해야 합니다.
6. 이 시점까지 모든 절차를 제대로 실행한 지 신중하게 확인합니다. 가능하면 감독자가 시편이 테스트할 준비가 되었는지 확인합니다.
7. 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 실험을 다시 시작합니다.
8. 샘플 고장 전에 시편을 언로드하지 않고 테스트가 자동으로 일시 중지됩니다(2.7 단계). 이 시점에서 extensometer를 제거합니다. 표본이 제자리에 extensometer와 휴식하는 경우, 당신은 extensometer, 장비의 매우 비싼 조각을 파괴합니다.
9. 고장까지 인장 부하 적용을 다시 시작합니다. 최대 하중에 도달하면 측정된 하중이 감소하기 시작합니다. 이 시점에서, 견본은 목을 시작하고 최종 골절은 성덕성 또는 반 연성 파열을 통해 이 목 지역 내에서 이루어져야 합니다.
10. 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.
11. 값을 최대 인장 하중으로 기록하고 응력 변형 곡선의 복사본을 인쇄합니다. 하드 디스크와 하나 이상의 이동식 미디어 장치에 디지털방식으로 기록된 데이터를 저장합니다.
12. 골절된 시편의 끝을 조심스럽게 맞추고 게이지 마크 사이의 거리를 가장 가까운 0.002에서 측정합니다. 최종 게이지 길이를 기록합니다.
13. 가장 작은 단면에서 시편의 직경을 가장 가까운 0.002로 측정합니다.
14. 골절된 표본을 그림과 다이어그램으로 문서화합니다.

3. 데이터 분석

1. 표 1의 데이터를 사용하여 금속 재료의 각 유형에 대한 % 신장 및 면적 의 감소를 계산합니다.
   신장 = = 8.6%
   면적 감소 = = 36.5%
2. 각 시편에 대한 우세한 골절 모드를 설명하고 분류하고 기록합니다.
3. "강철의 스트레스 변형 특성"에 대한 JoVE 비디오에 설명된 바와 같이 재료 특성을 결정합니다. 0.004까지의 균주가 익스텐터에 의해 0.004와 0.05 사이의 스트레인 게이지에 의해 주어질 수 있도록 스프레드시트에서 데이터를 구성한다(extensometer의 상한은 시험에서 제거된 변형값입니다; 이 값은 시편의 변형 용량에 따라 변경됨). 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.
4. 교과서 또는 기타 적합한 참조를 사용하여 탄성 계수를 결정하고, 강도및 사용되는 재료의 궁극적 인 강도를 결정합니다. 게시된 값을 테스트 결과와 비교합니다.

측정 및 도 3로부터, 이 시험에 사용되는 6061T6과 같은 열 처리 알루미늄은 일반적으로 8%-13% 범위에서 %의 신장을 나타낸다. 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.

표 1. 원형 6061 T6 알루미늄 시편에 대한 장력 테스트 결과.

그림 3 - 알루미늄 시편의 목걸이. 

그림 4 - 일반적인 반연성 고장 표면. 

일반적으로, 이들은 연성 전단에서 다를 것 이다 (컵 콘) 부서지기 쉬운 분열 골절에 골절. 도 3 및 도 4에 도시된 고장은 이 과정과 일치하지만, "강철의 스트레스-스트레인 특성"에 대한 JoVE 비디오에서 뜨거운 압연 강철과 비교하여 이 알루미늄에서 덜 연성을 볼 수 있다. 따라서 이러한 실패는 %신장이 상대적으로 크더라도 반 연성으로 특징 지을 수 있습니다. 일반적인 결과는 도 1에 도시된다.

이 실험은 일반적인 알루미늄에 대한 응력-변형 곡선을 얻는 방법을 설명했다. 응력-변형 곡선의 차이는 처리(예: 주조, 압출, 열 처리 또는 냉간 작업)와 화학 적 조성(예: 합금의 유형 및 백분율)의 차이로 추적될 수 있다. 이러한 공정 및 합금은 알루미늄의 강도를 순수 재료의 20~60배 증가시다. 테스트결과 알루미늄은 동축장내로 장전할 때 연성 물질임을 보여주었다.

알루미늄은 매우 다재다능하고 튼튼한 소재입니다. 알루미늄 협회는 "... 이 응용 프로그램은 연료 효율적인 차량, 스마트 폰, 지퍼 및 호일과 같은 일상 용품에서부터 미국의 전력 망, 워싱턴 기념물의 정점 및 국제 우주 정거장을 배선하는 데 이르기까지 뻗어 있습니다. ... 지금까지 생산된 모든 알루미늄의 75%가 여전히 사용 중입니다. 재활용 알루미늄 생산은 에너지의 8%만 필요하며 1차 생산량에 비해 배출량의 8%를 창출합니다."

여기서 설명된 장력 시험의 가장 중요한 적용은 알루미늄 제조 중 품질 관리 공정에 있습니다. ASTM 표준은 이러한 테스트를 알루미늄의 각 열의 대표 샘플에서 실행해야 하며 이러한 결과는 확립된 벤치마크로 추적할 수 있어야 합니다. 알루미늄 제조업체는 ISO/TS 16949와 같은 표준을 사용하며 자동차 및 관련 산업을 위한 재료의 QC/QA와 유사합니다.

요리 산업의 알루미늄 호일은 호일이 손으로 쉽게 기동 할 수있을만큼 유연하도록 인장 테스트에 의존합니다. 소다 캔도 마찬가지입니다 - 보유 할 때 제자리에 머물 수있을만큼 강하지만 원할 때 쉽게 분쇄 할 수 있습니다.