钢的术语通常用来表示主要是铁 (Fe) 的材料, 通常在95% 到98% 的范围内。纯铁是同素异形体, 在室温下以身体为中心的立方 (BCC) 结构, 在912°C 之上变成以面为中心的立方 (FCC) 结构。FCC 结构中的空空间和晶体结构中的缺陷允许其他原子, 如碳 (C) 原子, 通过扩散从间隙 (或空) 空间中添加或移除。这些增加, 以及随后发展的不同的晶体结构, 是由于加热和冷却在不同的速率和温度范围, 一个过程称为热处理。这项技术已有2000年的知名度, 但多年来一直在大马士革钢铁等应用领域保持着秘密 (≈300AD)。

如果我们扩大 FCC 结构中的开放圈, 直到球体开始接触, 然后切割这个原子结构的基本立方体, 结果就是单元单元。在这些新球体开始接触铁原子之前, 可以添加41.4% 的铁离子直径的球体。碳原子是铁的直径的 56%, 因此新的结构会随着碳原子的引入而扭曲。钢的性能可以通过改变这些畸变的大小、频率和分布来操纵。

锻铁是钢铁最有用的前身之一, 其碳含量超过2%。结果表明, 民用钢材的最佳碳含量为0.2% 至0.5%。许多早期的冶金处理过程旨在将碳含量带到这些水平, 这是经济生产的体积。在美国和西门子在英国的过程中的麦地那过程是这些早期技术的两个更成功的例子。目前最常用的工艺是电弧炉和基本氧炉。除碳外, 大多数现代钢还含有锰 (锰)、铬 (铬)、钼 (钼)、铜 (铜)、镍 (镍) 和其他金属, 以提高强度、变形力和韧性。这些合金对工程性能的影响的一个简单例子是所谓的碳当量 (CE):

CE 是确定某一钢的可焊性的有用指标;通常情况下, CE < 0.4% 代表的是一种焊接的钢材。由于金属结构中的许多连接是通过焊接制造的, 所以这是在指定建筑材料时要记住的一个有用的指标。

正如朱庇特视频中提到的"物质常数" , 为了建模目的, 我们需要确定应力和应变之间的关系。stressstrain 曲线 (图 1) 给出了许多材料行为的最佳简单描述。由于在压缩加载时存在屈曲问题, 并且在多个方向上均匀地加载材料时遇到困难, 因此通常运行单轴拉伸试验来确定应力应变曲线。本试验提供了主要工程特性的基本信息, 主要是均质金属材料。

典型的拉力试验是由 ASTM E8 描述的。ASTM E8 定义了要使用的测试标本的类型和大小、要使用的典型设备和用于金属拉伸试验的数据。

图 1: 低碳钢的应力应变曲线。

由于我们需要通过非常大的塑料应变测量, 所以应变测量不能总是在整个变形范围内进行应变计 (最多 40%); 在试样破裂之前, 胶水几乎总是会失效。一个计, 其中包括一个小 C 框架与悬臂式武器检测应变仪和适当校准, 通常使用高达约20%。由于计是一种昂贵而精致的仪器, 因此需要在试样破裂前去除;试验将停止, 并在试样达到其最大应力和从试样上的标记估计的最大变形后不久计。

感兴趣的主要属性是 (图 2):

比例限制:比例极限是应力与应变成线性比例的最大应力, 即胡克定律是严格适用的(朱庇特视频- "物质常数").这个值通常是通过观察在恒定的十字头速度条件下运行测试时的应力率变化来确定的。在线性弹性范围内, 应力速率与应变速率成正比, 理想情况下是恒定的。当材料开始塑化性能时, 由于应变速率的增加, 应力速率开始下降。当初始应力率开始下降时, 比例极限被视为应力。

屈服点:许多金属呈现出一个尖锐的屈服点或应力, 在这种压力下, 这种菌株的压力会继续迅速增加。这在应力-应变曲线中由水平线或屈服高原来证明。屈服点大致对应于原子晶格中滑移开始发生的载荷。这种滑移是通过达到一些临界剪切力触发的, 并且比从第一原理计算出来的低得多, 因为晶体结构中存在许多缺陷。在一些材料中, 如在试验中测试的低碳钢, 在材料到达屈服高原之前, 应力会有很小但明显的下降, 从而产生上、下屈服点。对于不表现出明确屈服点的材料, 使用当量屈服强度。我们将在朱庇特视频中详细研究这个定义, 关于"铝的应力应变特性", 它涉及铝的这些性质。

图 2: 低应变变量的定义。

弹性模量:材料的弹性模量被定义为应力应变图直线部分的斜率, 如图2所示。这个属性在朱庇特视频中讨论了关于"物质常数"。E 是一个相对较大的数字:30 x 10⁶ psi (210Gpa) 的钢材;10 x 10⁶  psi (70 GPa) 为铝;1.5 X 10⁶ psi (10.5 GPa) 为橡木;和 0.5 x 10⁶  psi (3.5 GPa) 的有机玻璃。

韧性模量:韧性模量是应力-应变图弹性部分下的面积, 其单位体积单位为能级。弹性模量测量材料吸收能量的能力而不经历永久性变形。

应变硬化模量:由于滑动, 或位错运动, 触发屈服高原开始达到晶界 (或区域的晶格是在不同的角度), 错位开始 "堆积", 并需要额外的能量, 以传播其移动到其他谷物。这导致了应力-应变行为的刚性, 尽管应变硬化模量通常至少是低于杨氏模量的一个数量级。

极限强度:这是在测试过程中达到的工程应力的最大值, 在试样开始颈部 (或改变区域) 前不久发生 (图 3)。

最大应变:当试样破裂时, 该值被视为应变值。由于计一般已被删除的时间, 我们到达这一点的测试和变形已经本地化 (缩进) 到一个非常短的距离沿标本长度, 这个值是很难测量实验。因此, 当指定材料而不是最大应变值时, 通常使用均匀伸长率和伸长率。

图 3: 大应变的定义。

均匀伸长率:伸长率被定义为试样在颈缩前的伸长率 (长度/原始长度的变化)。

伸长率:通常二个标记, 名义上2在. 除, 在测试之前被做对样品。经过试验, 将两块破碎试样尽可能地放在一起, 最后的变形 remeasured。这是一个粗略的, 但有用的方法, 指定最小伸长的材料在工程环境。

百分比区域:同样的伸长率, 有可能尝试做一个测量的最终面积的骨折标本。通过在断裂前将力除以这个区域, 就有可能获得材料的真正强度的概念。

韧性:韧性被定义为应力应变图下的总面积。它是衡量材料在骨折前经受大的永久性变形的能力的量度。其单位与韧性弹性模量相同。

上面描述的属性可以用来评估给定的材料将如何符合朱庇特视频中讨论的"材料常数"的性能标准。在安全方面, 强度和变形能力特征是关键;这些特征通常被分组在韧性行为的期限之下。韧性行为意味着材料将屈服, 并能够保持其强度在一个大的塑性变形制度。一个大的韧性是可取的, 这在实践上意味着一个结构会给出即将出现的故障的迹象, 例如在灾难性崩溃发生之前非常大的可见变形, 允许其占用时间疏散结构。

相比之下, 表现出脆性行为的材料, 通常会以突然的、灾难性的方式失败。这是 cementatious 和陶瓷材料的例子, 它的拉伸能力较差。混凝土梁在这种情况下会失败, 因为它的张力很弱。为了弥补这个陷阱, 一个地方钢筋在混凝土梁的拉区, 把它们变成钢筋混凝土梁。

重要的是要认识到脆性和韧性行为不是一个内在的物质行为。正如我们将在朱庇特视频中看到的"洛克韦氏硬度测试", 服从在室温下韧性的碳钢, 在低应变加载速率条件下, 以非常快的应变加载条件 (冲击) 在低温下可能导致脆性行为。此外, 重要的是要认识到, 一些材料, 如铸铁, 可能是非常脆的紧张, 但韧性的压缩。

在这一点上, 需要定义的另外两个重要的材料特性是各向同性和同质性, 因为它们影响我们对材料建模的选择。如果材料的弹性特性在各个方向上都是相同的, 则说它是各向同性的。大多数工程材料是由与整个身体的尺寸相比较小的晶体制成的。这些晶体是随机定向的, 所以统计的材料的行为可以被认为是各向同性的。其他材料, 如木材和其他纤维材料, 可以有类似的弹性性质在两个方向仅 (正交异性) 或在所有三方向 (各向异性)。

另一方面, 如果材料的弹性特性在整个身体中都是相同的, 则说它是均匀的。为了设计目的, 大多数建筑材料被假定为均匀的。这是有效的, 即使材料, 如混凝土有不同的阶段 (砂浆和石块), 因为我们一般都在谈论的特点更大的体积, 可以认为统计上均匀。

从测量 (图5和表 1), 温和的钢可能有伸长率在 25%-40% 范围内, 而坚硬钢可能是其中的一半。重要的是要注意到, 几乎所有的变形是局部的小体积, 因此,%elongation 只是一个平均值;当地的应变可能会高得多。还要注意的是,%reduction 的面积也是一个非常困难的测量, 使表面不均匀;因而这个价值将可观地范围。

标本	A36	C1018	在.
伸长率	33。3	17。3	%
减少面积	54。3	50。1	%
拉伸屈服应力	58。6	73。0	ksi
抗拉强度	86。6	99。9	ksi
断裂应力	58。6	86。7	ksi
弹性模量	29393	29362	ksi

表1。钢制试验总结。

图 4: 典型的韧性 (左图) 和脆性 (右图) 失效表面.

一般情况下, 这些会因韧性剪切 (杯锥) 断裂而异, 如图4所示的故障所预期的那样, 对脆性劈裂断裂。图5显示了完整应力应变曲线的典型图形结果。注意在应力应变特性上的非常大的差异, 从非常温和但韧性的 A36 钢到非常强但非韧性 C1018 的范围。注意, 两者都是传统上称为钢, 但其性能明显不同。

图 5: 最后的应力-应变曲线.

本实验描述了如何获得典型钢的应力应变曲线。应力-应变曲线的差异可以追溯到加工过程中的差异 (例如, 冷工作与热轧) 和化学成分 (如碳和其他合金的百分比)。试验表明, 低碳钢在单轴张力加载时是一种非常韧性的材料。

将实验结果与发布的值进行比较总是相关的。后者通常代表基于95% 置信极限的规范中的最小值, 因此在测试中可能会超过表中的任何强度值, 通常为 5%-15% 的边距。然而, 更高的价值是可能的, 因为材料往往被分类向下, 如果他们不符合某些规格要求。应变值一般将接近那些发布。另一方面, 弹性弹性模量不应有显著差异。如果 E 的值与所发布的不太接近, 则应通过对错误源的重新复审来进行。例如, 误差可能是由于计的滑动、负载单元或计的校准不正确、传感器输入电压错误、输入到软件中的错误参数等原因造成的。

钢材是建筑业中广泛使用的材料。其应用包括:

• 传统多层建筑中常用的轧制钢 I 型钢结构截面, 因为它易于预制和连接部件, 节省了施工过程中的时间。
• 在桥梁中使用的焊接深板 I 型钢, 其中截面是通过焊接深, 薄筋网和厚法兰来建造的。这使得大部分材料在其最有用的位置 (法兰), 优化设计的强度和刚度, 并降低项目的整体成本。
• 连接用螺栓和紧固件, 通常要求高强度和中等延展性。这些紧固件用于无数的产品, 从汽车到家用电器不等。

本文所描述的张力测试的最重要应用是在制造钢铁、铝和类似金属的过程中, 在建造业中使用的质量控制。ASTM 标准要求在每种钢材的代表性样品上运行这种测试, 这些结果必须可追溯到既定基准。公众的安全与确保这类质量控制程序标准化和遵循密切相关。建筑材料质量差, 材料和结构水平缺乏延性, 是地震和类似自然灾害发生期间和之后倒塌的最常见原因。关键部件缺乏强度导致2007年在明尼阿波利斯的 I-35W 大桥失败, 使用不合标准的材料是发展中国家发生的许多坍塌的根源, 在 2013年, 当 Savar 大厦倒塌在达卡 (Bangladash)。

在每天的基础上, 人们可以举出汽车工业的例子, 从了解钢材和其他材料的应力应变行为, 到在碰撞的情况下安全有效地进行设计时, 这一点很有好处。通过设计在某些零件上具有强度的汽车, 同时允许在其他零件的应变和延性, 制造商可以创造更好的碰撞管理, 但只有当他们能够准确地推测每部分的应力应变特性。