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铝的应力-应变特性

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与大多数金属相比, 铝具有优越的重量比、耐腐蚀性和易于制造的优点。因此, 铝是最广泛使用的金属之一, 并被雇用在产品范围从苏打罐到航空航天组件。

纯铝的强度很低, 但随着合金化和热处理的不断提高, 其力学性能也有显著的改善。这些过程使其广泛应用于机械和电气材料。由于它是仅次于钢材的结构材料, 因此获得铝的应力应变曲线对于确定其使用的可预测和安全极限至关重要。

在本视频中, 我们将用标准单轴拉伸试验来观察普通铝型的应力应变行为。

铝的重量轻, 大约有1/3 的钢密度。它的弹性模量, 通常被称为约 70 gigapascal, 或 1万 kilopounds 每平方英寸, 也约1/3 的钢。

与钢一样, 铝的机械性能可以通过合金化、principly 锌、铜、锰、硅和镁等显著改善。冷却工作或应变硬化, 材料轧制或通过染料绘制, 也可以增加强度。

单轴拉伸试验通常用于研究金属如铝的弹性行为。本试验产生应力应变曲线, 表明材料拉长, 然后随着施加力的增加而失效。

铝或任何材料的失效通过几个步骤进行。缩口, 空隙成核, 空隙生长和聚结, 裂纹扩展, 最后是断裂。6061-T6 铝具有良好的强度和刚度, 易于完成和阳极处理。它通常用于许多电子产品, 如笔记本电脑和电视的外壳。

这是 6061-T6 铝的应力应变曲线。注意它的应力应变曲线没有表现出一个尖锐的屈服点, 而是弹性弹性模量的逐渐减小。虽然这种铝实际上是失败的, 过程是渐进的, 很难定义一个明确的失败点时, 看应力应变曲线。

为了确定一个用于工程目的的屈服点, ASTM 和其他组织采用了0.2% 偏移方法。此方法需要确定行为线性部分的最佳拟合线, 并绘制与0.2% 应变相同的慢起始线。第二行与应力应变曲线在任意定义为屈服强度的点相交。

现在我们了解了铝的特性以及它们是如何被设计出来的, 让我们来看看如何测量应力应变曲线来确定它的韧性和力学特性。

获得普通铝的圆柱形试样, 如 6061-T6。使用口径测量在样品中间附近的几个位置的直径。把这些测量到最接近的第2000英寸。

接下来, 牢牢地握住标本, 并标记大约两英寸的量规长度。确保测量长度清楚地蚀刻, 但有一个浅的划痕, 所以它不会成为应力集中, 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。

对于这个实验, 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。首先, 打开测试机并初始化软件。设置图形和数据采集参数。接下来, 选择与 ASTM E8 协议兼容的测试。注意弹性和非弹性范围的应变率。然后, 在软件中设置任何其他操作, 如以5% 的拉伸强度停止机器。

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握。试样应该漂浮在底部抓地中心。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。

拧紧过程在试样上引入了小轴向载荷。使用该软件调整和最小化此预加载并记录其值。根据制造商的说明, 将电子计安全地连接到试样上。计的叶片应大致以试样为中心。

通过将拉伸载荷应用于试样进行测试, 观察应用负载在计算机显示器上的实时读数。确认试样不通过手柄滑动, 以确保测量的负载增加。在示例失败之前的某个时间, 软件会自动暂停测试。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。当达到最大负载时, 测量的负载将开始减少。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。然后, 松开底部的抓地力, 取出另一半的标本。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近的剖面到最接近的第2000英寸。

现在让我们看看如何分析我们刚刚收集的数据。首先, 计算试样的伸长率, 知道最终测量长度和初始测量长度。用试样的最终直径和初始直径计算每个试样的面积减少。其次, 利用实验应力应变曲线计算其它材料参数。

这是一个情节的应变表数据高达0.3% 的屈服点。本区应力应变曲线的斜率为杨氏模量, 每平方英寸约为 9998 kilopounds, 接近 1万 kilopounds 每平方英寸的标称值。R 平方值为0.999 表示此数据的优良线性度。

这是从一个计的数据到5% 的应变。曲线显示一个双线性字符, 具有长的弹性部分后跟一个低斜率的屈服高原。为了找到一个不表现出明确屈服点的材料的屈服点, 像这个标本, 我们使用0.2% 偏移法。

首先, 我们沿着曲线的初始线性部分画一条线。然后复制它以0.2% 的应变开始。第二行与任意定义为屈服点的曲线相交。在这种情况下, 它是大约 44.2 kilopounds 每平方英寸。这是高于名义屈服强度这个铝是 40 kilopounds 每平方英寸。

如果我们绘制的数据非常接近屈服点, 比例限制是应力, 其中曲线开始偏离线性, 约 39.1 kilopounds 每平方英寸为这个标本。

这是完整的应力应变曲线, 其数据低于 5%, 从十字头位移的计和高于5% 的应变。最大应力约为每平方英寸 46.1 kilopounds, 应变约为6.5%。这一极限强度刚好高于 45 kilopounds 每平方英寸的标称极限强度。失败的压力约为每平方英寸 33.5 kilopounds。韧性是应力应变曲线下的区域, 可以用梯形规则计算, 每平方英寸为 2.2 kilopounds。

热处理试样的测量表明, 这种类型的铝可能有伸长率在8到13% 的范围内。重要的是要注意的是, 百分比伸长率是平均值的材料长度之间的标尺标记。然而, 几乎所有的变形, 发生在一个小体积周围的脖子区域, 所以局部应变可能比平均应变高得多。

一般情况下, 断裂从颈缩、成核和生长, 到裂纹扩展, 最后是破裂。故障曲面与此过程一致。对于铝, 伸长率小于5% 可视为脆性, 而伸长率大于15% 可视为韧性。该试样的伸长率相对较大。我们应该如何描述这种材料?

我们可以比较它的失效表面与两种不同类型的钢。铝试样的???尺寸大于脆性冷轧钢的大小, 但小于韧性热轧钢, 因此这种铝可以被描绘为半韧性。

此外, 我们可以看看这些三金属的应力应变曲线。冷轧 C1018 钢具有高强度, 在高应力下由低应变表示, 但在10% 的伸长率下不及格, 显示其延性低。与此相反, 韧性热轧 A36 钢的伸长率要比冷轧钢高出近25%。我们刚刚测试的 6061-T6 铝的强度和失败率都低于任何一种钢。

现在我们来看一下铝的拉伸试验的一些常见应用。应力应变曲线最重要的用途是铝生产过程中的质量控制。ASTM 标准要求对每种铝热的代表性样品进行测试, 结果必须可追溯到既定基准。制造商使用 ISO TS 16949 等标准对汽车和其他行业的材料进行质量控制和质量保证。

为烹饪行业的铝箔有一个理想的柔韧, 所以它可以很容易地处理和折叠。同样, 在饮料罐中使用的铝必须足够坚固, 以保持其形状时举行, 但容易压碎时, 必要的。拉伸试验确保这些薄铝板具有特定的机械质量。

你刚刚看了朱庇特对铝的应力应变特性的介绍。你现在应该知道关于 ASTM E8 标准实验室测试, 以确定金属材料的拉伸性能。你也应该了解如何准备一个样品的 ASTM 测试和获得应力应变曲线的典型铝。

谢谢收看!

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