המונח פלדה משמש בדרך כלל כדי לציין חומר שהוא בעיקר ברזל (Fe), לעתים קרובות בטווח של 95% עד 98%. ברזל טהור הוא אלוטרופי, עם מבנה מעוקב (BCC) ממוקד גוף בטמפרטורת החדר שמשתנה למבנה מעוקב (FCC) במרכז הפנים מעל 912°C. החללים הריקים במבנה ה-FCC והפגמים במבנה הגביש מאפשרים להוסיף או להסיר אטומים אחרים, כגון אטומי פחמן (C), באמצעות דיפוזיה מהחללים הביניים (או הריקים). תוספות אלה, והתפתחותם של מבני גביש שונים, הן תוצאה של חימום וקירור בקצבים שונים וטווחי טמפרטורה שונים, תהליך המכונה טיפול בחום. טכנולוגיה זו ידועה כבר למעלה מ-2,000 שנה, אך נשמרה בסוד במשך שנים רבות ביישומים כמו פלדה מדמשק, שהשתמשה בפלדת ווץ מהודו (≈300 לספירה).

אם נרחיב את העיגולים הפתוחים במבנה ה-FCC עד שהספירות יתחילו לגעת, ואז נחתוך קובייה בסיסית למבנה האטומי הזה, התוצאה היא תא היחידה. ניתן להוסיף כדורים עם 41.4% מקוטר אטום הברזל לפני שספירות חדשות אלה מתחילות לגעת בספירות הברזל. אטומי פחמן הם 56% מקוטר הברזל, כך שהמבנה החדש מתעוות כאשר אטומי פחמן מוצגים. המאפיינים של פלדה ניתן לתמרן על ידי שינוי הגודל, התדירות, והפצה של עיוותים אלה.

ברזל יצוק, אחד מקודמיו השימושיים ביותר של פלדה, יש תוכן פחמן של יותר מ 2%. מתברר כי תכולת הפחמן האופטימלית לפלדות מיישומים אזרחיים היא בטווח של 0.2% עד 0.5%. רבים מתהליך הטיפול המטלורגי המוקדם נועדו להביא את תכולת הפחמן לרמות אלה בכמויות שהיו חסכוניות לייצור. תהליך Bessemer בארה"ב ותהליך סימנס בבריטניה הם שתיים מהדוגמאות המוצלחות יותר לאותן טכניקות מוקדמות. התהליכים הנפוצים ביותר כיום הם תנור הקשת החשמלי ותרן החמצן הבסיסי. בנוסף לפחמן, רוב הפלדות המודרניות מכילות מנגן (Mn), כרום (Cr), מוליבדן (Mo), נחושת (Cu), ניקל (Ni), ומתכות אחרות בכמויות קטנות כדי לשפר את כוח, עיוות, וקשיחות. דוגמה פשוטה של ההשפעה של סגסוגות אלה על תכונות הנדסיות היא מה שנקרא שווה ערך פחמן (CE):

CE הוא מדד שימושי בקביעת ריתוך של פלדה מסוימת; בדרך כלל, CE < 0.4% מייצג פלדה כי הוא ריתוך. כמו חיבורים רבים מבני מתכת נעשים על ידי ריתוך, זהו אינדקס שימושי לזכור בעת ציון חומרים לבנייה.

כפי שצוין בסרטון JoVE לגבי "קבועים חומר" , למטרות דוגמנות אנחנו צריכים ליצור קשר כלשהו בין מתח וזנים. התיאור הפשוט הטוב ביותר של התנהגותם של חומרים רבים ניתן על ידי עקומת מתח (Fig.1). כתוצאה מבעיות עם קורס בעת טעינה בדחיסה וקשיים בטעינת חומר באופן אחיד ביותר מכיוון אחד, מבחן מתיחה יוניאקסיאלי מופעל בדרך כלל כדי לקבוע עקומת מתח-מתח. בדיקה זו מספקת מידע בסיסי על המאפיינים ההנדסיים העיקריים בעיקר של חומרים מתכתיים הומוגניים.

מבחן המתח הטיפוסי מתואר על ידי ASTM E8. ASTM E8 מגדיר את הסוג והגודל של דגימת הבדיקה לשימוש, ציוד טיפוסי לשימוש, ונתונים שיש לדווח עבור בדיקת מתח מתכת.

איור 1: עקומת מתח לפלדת פחמן נמוכה.

מכיוון שעלינו למדוד באמצעות זני פלסטיק גדולים מאוד, מדידת המתח לא תמיד יכולה להתבצע עם בדיחות מאמץ על כל טווח העיוות (עד 40%); הדבק כמעט תמיד ייכשל לפני שברי הדגימה. מגבר, המורכב ממסגרת C קטנה עם זרועות מכווצות עם בדיחות מאמץ וכיול הולם, משמש בדרך כלל עד כ -20%. מאז extensometer הוא מכשיר יקר ועדין, זה צריך להיות מוסר לפני שברי הדגימה; הבדיקה תיעצר, והמקסים יוסרו זמן קצר לאחר שהדגימה תגיע ללחץ המרבי שלה ואת העיוות המרבי המוערך מסימנים על הדגימה.

המאפיינים העיקריים של עניין הם (איור 2):

מגבלה פרופורציונלית: הגבול היחסי הוא הלחץ המקסימלי שעבורו הלחץ נשאר פרופורציונלי באופן ליניארי להתאמה, כלומר שהחוק של הוק חל בהחלט (סרטוןJoVE - "קבועים חומריים"). ערך זה נקבע בדרך כלל על ידי התבוננות בשינויים בקצב הלחץ כאשר הבדיקה מופעלת בתנאי מהירות צולבים קבועים. בטווח האלסטי הליניארי, שיעור הלחץ הוא פרופורציונלי לקצב המתח והוא, באופן אידיאלי, קבוע. ככל שהחומר מתחיל להסתלח, כפי שמעידים עלייה בשיעור המתח, שיעור הלחץ מתחיל לרדת. הגבול היחסי נלקח כלחץ כאשר שיעור הלחץ הראשוני מתחיל לרדת.

נקודת תשואה: מתכות רבות מציגות נקודת תשואה חדה או מתח שבו הזנים ממשיכים לעלות במהירות ללא כל עלייה בלחץ. זה בא לידי עדות על ידי קו אופקי, או רמת תשואה, בעקום מתח-מתח. נקודת התשואה תואמת בערך לעומס שבו החלקה מתחילה להתרחש בסבים האטומיים. מעידה זו מופעלת על ידי הגעה לכוח גיזה קריטי והוא נמוך בהרבה ממה שניתן לחשב מעקרונות ראשונים בגלל הפגמים הרבים במבנה הגביש. בחומרים מסוימים, כגון פלדה קלה שנבדקה בניסוי זה, יש ירידה קטנה אך ניכרת בלחץ לפני שהחומר מגיע לרמת התשואה, מה שמוליד נקודות תשואה עליונות ונמונות . עבור חומרים שאינם מציגים נקודת תשואה ברורה, נעשה שימוש בכוח תשואה שווה ערך. נבחן הגדרה זו בפירוט בסרטון JoVE לגבי "מאפייני זן מתח של אלומיניום", העוסקת במאפיינים אלה באלומיניום.

איור 2: הגדרות של משתנים בזנים נמוכים.

מודולוס אלסטי: מודולוס האלסטיות של חומר מוגדר כשיפוע של החלק הישר של דיאגרמת זן הלחץ כפי שמוצג ב- Fig.2. נכס זה נדון בסרטון JoVE לגבי "קבועים חומר". E הוא מספר גדול יחסית: 30 x 10⁶ פסאיי (210Gpa) עבור פלדה; 10 x 10⁶  פסאיי (70 GPa) עבור אלומיניום; 1.5 X 10⁶  psi (10.5 GPa) עבור אלון; ו 0.5 x 10⁶  פסאיי (3.5 GPa) עבור פרספקס.

מודולוס של חוסן: מודולוס החוסן הוא האזור שמתחת לחלק האלסטי של דיאגרמת זן הלחץ ויש לו יחידות אנרגיה ליחידת נפח. מודולוס החוסן מודד את היכולת של חומר לספוג אנרגיה מבלי לעבור עיוותים קבועים.

זן מוקש מוקשים: כאשר תנועות ההחלקה, או הנקע, שהפעילו את רמת התשואה מתחילות להגיע לגבולות התבואה (או לאזורים שבהם הסכרים מכוונים בזוויות שונות), הנקעים מתחילים "להיערם", ואנרגיה נוספת נדרשת כדי להפיץ את תנועתם לדגנים אחרים. זה מוביל להקשחת התנהגות מתח-מתח, אם כי זן הקשחת מודולוס הוא בדרך כלל לפחות סדר אחד של סדר גודל מתחת מודולוס של יאנג.

כוח אולטימטיבי: זהו הערך המקסימלי של הלחץ ההנדסי שהושג במהלך הבדיקה ומתרחש זמן קצר לפני שהדגימה מתחילה לצוואר (או לשנות אזור) באופן ניכר (איור 3).

מאמץ מרבי: ערך זה נלקח כערך המתח כאשר הדגימה נשברת. מאז extensometer בדרך כלל הוסר עד שנגיע לנקודה זו במבחן ואת העיוות יש לוקליזציה (צוואר) למרחק קצר מאוד לאורך הדגימה, ערך זה קשה מאוד למדוד באופן ניסיוני. מסיבה זו, הן התארכות אחידה והן התארכות אחוז משמשים לעתים קרובות בעת ציון חומרים במקום ערך מאמץ מקסימלי.

איור 3: הגדרות בזנים גדולים.

התארכות אחידה: התארכות האחוז מוגדרת כהארכה באחוזים (שינוי באורך/אורך המקורי) של הדגימה רגע לפני התרחשות הצוואר.

אחוז התארכות: בדרך כלל שני סימנים, נומינלי 2 בנפרד, נעשים על הדגימה לפני הבדיקה. לאחר הבדיקה, שני החלקים של הדגימה השבורה להרכיב בצורה הטובה ביותר האפשרית, ואת העיוות הסופי בין הסימנים הוא remeasured. זוהי דרך גסה, אך שימושית לציין התארכות מינימלית לחומרים בהקשר הנדסי.

אזור אחוזים: בדומה לאירכות אחוזים, ניתן לנסות לבצע מדידה של האזור הסופי של הדגימה השבורה. על ידי חלוקת הכוח ממש לפני השבר על ידי אזור זה, ניתן לקבל מושג על הכוח האמיתי של החומר.

קשיחות: קשיחות מוגדרת כנוחה הכוללת תחת דיאגרמת המתח. זהו מדד ליכולתו של חומר לעבור עיוותים גדולים וקבועים לפני השבר. יחידותיו זהות לאלה של מודולוס החוסן.

המאפיינים שתוארו לעיל יכולים לשמש כדי להעריך עד כמה חומר נתון יתאים לקריטריוני הביצועים שנדונו בסרטון JoVE לגבי "קבועים חומריים". ככל שבטיחות היא מודאגת, המאפיינים כוח וקיבולת עיוות הם המפתח; מאפיינים אלה מקובצים בדרך כלל תחת המונח של התנהגות רקיע. התנהגות דביקה מרמזת כי חומר יניב ויוכל לשמור על כוחו על משטר עיוות פלסטיק גדול. קשיחות גדולה רצויה, אשר בפועל אומר כי מבנה ייתן סימנים של כישלון הממשמש ובא, למשל עיוות גלוי גדול מאוד לפני קריסה קטסטרופלית מתרחשת, ומאפשר לדייריו זמן לפנות את המבנה.

לעומת זאת, חומרים המציגים התנהגות שבירה, בדרך כלל ייכשלו באופן פתאומי, קטסטרופלי. זהו המקרה של חומרים צמנטיים וקרמיים, המציגים יכולת מתיחה ירודה. קרן בטון תיכשל בצורה זו מכיוון שהיא חלשה מאוד במתח. כדי לתקן את המלכודת הזו, אחד ממקם את מוטות הפלדה באזור המתיחה של קורות בטון, והופך אותם לקורות בטון מחוזקות.

חשוב להבין כי התנהגות שבירה ודביקה אינה התנהגות חומרית אינהרנטית. כפי שנראה בסרטון JoVE לגבי "מבחן קשיות Rockwell",חשיפת פלדת פחמן כי הוא דביק בטמפרטורת החדר ותחת תנאי קצב טעינה עומס נמוך למצב טעינת מאמץ מהיר מאוד (השפעה) בטמפרטורות נמוכות יכול לגרום להתנהגות שבירה. בנוסף, חשוב להכיר בכך כי חומרים מסוימים, למשל, ברזל יצוק, יכול להיות שביר מאוד במתח, אבל דביק בדחיסה.

שני מאפיינים חומריים חשובים אחרים שיש להגדיר בשלב זה, כפי שהם משפיעים על הבחירה שלנו של מודלים חומריים, הם איזוטרופיה הומוגניות. חומר הוא אמר להיות איזוטרופי אם המאפיינים האלסטיים שלה זהים בכל הכיוונים. רוב החומרים ההנדסיים עשויים מגבישים קטנים בהשוואה לממדי כל הגוף. גבישים אלה מכוונים באופן אקראי, כך שמבחינה סטטיסטית התנהגות החומר יכולה להיחשב איזוטרופית. חומרים אחרים, כגון עץ וחומרים סיביים אחרים, יכולים להיות בעלי תכונות אלסטיות דומות בשני כיוונים בלבד (אורתוטרופי) או בכל שלושת הכיוונים (אניסוטרופי).

מצד שני, חומר הוא אמר להיות הומוגני אם המאפיינים האלסטיים שלה זהים בכל הגוף. למטרות תכנון, רוב חומרי הבנייה נחשבים הומוגניים. זה תקף אפילו עבור חומרים כמו בטון שיש להם שלבים שונים (מרגמה ואבנים), כפי שאנו בדרך כלל מדברים על אפיון כרכים גדולים בהרבה, אשר יכול להיחשב הומוגני סטטיסטית.

מן המדידות (איור 5 ושולחן 1.), פלדה קלה עשויה להיות התארכות בטווח של 25%-40%, בעוד פלדה קשה יותר עשויה להיות חצי מזה. חשוב לציין שכמעט כל העיוות הוא לוקליזציה באמצעי אחסון קטן ולכן התארכות %היא רק ממוצע; באופן מקומי הזן יכול להיות הרבה יותר גבוה. שים לב גם כי הפחתת האחוז של שטח היא גם מדידה קשה מאוד לעשות כמו המשטחים אינם אחידים; לכן ערך זה ינוע במידה ניכרת.

הדגימה	A36	C1018	ב.
% התארכות	33.3	17.3	%
% צמצום שטח	54.3	50.1	%
מתח תשואה מתיחה	58.6	73.0	ksi
חוזק מתיחה	86.6	99.9	ksi
מתח בשבר	58.6	86.7	ksi
מודולוס של גמישות	29393	29362	ksi

טבלה 1. סיכום מבחן פלדה.

איור 4: משטח כשל אופייני של צינור (תמונה שמאלית) ושברירי (תמונה ימנית).

באופן כללי, אלה ישתנו משבר גיסת רקיע (גביע חרוט), כגון צפוי מכישלון כגון זה המוצג בתאנה 4, לשבר מחשוף שביר. תוצאות גרפיות אופייניות עבור עקומות מאמץ הלחץ המלאות מוצגות ב- Fig. 5. שימו לב להבדלים הגדולים מאוד במאפיין מתח-זן, נעים בין פלדה A36 קלה מאוד אבל דביקה C1018 חזק מאוד אבל לא דביק. שים לב כי שניהם נקראים באופן קונבנציונלי פלדה, אבל הביצועים שלהם שונים במידה ניכרת.

איור 5: עקומת מתח-מתח סופית.

ניסוי זה תיאר כיצד להשיג עקומת מתח-זן עבור פלדה טיפוסית. הבדלים עקומות מתח-זן ניתן לייחס כל הבדל בעיבוד (למשל, עבודה קרה לעומת גלגול חם) והרכב כימי (למשל, אחוז של פחמן וסגסוגות אחרות). הבדיקות הראו כי פלדה דלת פחמן היא חומר דביק מאוד כאשר טעון במתח חד-חמצני.

זה תמיד רלוונטי להשוות תוצאות ניסוי לערכים שפורסמו. האחרון מייצג בדרך כלל ערך מינימלי מהמפרט בהתבסס על מגבלת ביטחון של 95%, כך שסביר להניח כי כל ערך חוזק tabulated יעלה במבחן, בדרך כלל על ידי מרווח של 5%-15%. עם זאת, ערכים גבוהים בהרבה אפשריים, כמו חומרים נוטים להיות מסווגים כלפי מטה אם הם אינם עומדים בדרישת מפרט כלשהי. ערכי המתח בדרך כלל יהיו קרובים לאלה שפורסמו. מודולוס של גמישות, לעומת זאת, לא צריך להשתנות באופן משמעותי. אם הערך של E אינו קרוב לערך שפורסם, יש לבצע בחינה מחדש של מקורות שגיאה. לדוגמה, השגיאה עשויה לנבוע מהחלקה של ההפרשה, כיול לא תקין של תא העומס או המפחת, מתחי כניסה שגויים לתוך החיישנים, פרמטרים שגויים להיות קלט לתוך התוכנה, שם אבל כמה.

פלדה היא חומר בשימוש נרחב בענף הבנייה. היישומים שלה כוללים:

• פלדה מגולגלת בצורת I קטעים מבניים נפוץ בבניינים רב קומות קונבנציונאלי כי זה קל טרומי ולחבר את הרכיבים, חוסך זמן בתהליך הבנייה.
• קורות I של לוחות עמוקים מרותכים המשמשים בגשרים, שם המקטעים בנויים על ידי ריתוך רשתות עמוקות ודקות וארגונים עבים. זה מעמיד את רוב החומר בעמדה השימושית ביותר שלה (אוגנים), אופטימיזציה של העיצוב עבור כוח ונוקשות והפחתת העלות הכוללת של הפרויקט.
• ברגים ומהדקים המשמשים בחיבורים, שבהם בדרך כלל כוח גבוה וצינורות מתונה נדרשים. מחברים אלה משמשים במספר עצום של מוצרים החל מכוניות למכשירים ביתיים.

היישום החשוב ביותר של מבחן המתח המתואר להלן הוא בתהליך בקרת האיכות במהלך הייצור של פלדה, אלומיניום ומתכות דומות המשמשות בענף הבנייה. תקני ASTM דורשים כי בדיקה כזו תנוהל על דגימות מייצגות של כל חום פלדה, ותוצאות כאלה חייבות להיות ניתנות למעקב על אמות מידה שנקבעו. בטיחות הציבור קשורה קשר הדוק לוודא כי סוג זה של הליך בקרת איכות הוא סטנדרטי ו אחריו. איכות ירודה בחומרי בנייה, וחוסר ציתות ברמה החומרית והמבנית, הם הגורם הנפוץ ביותר להתמוטטויות במהלך ואחרי רעידות אדמה ואסונות טבע דומים. חוסר כוח ברכיבים קריטיים הוביל לכישלון גשר I-35W במיניאפוליס בשנת 2007 ושימוש בחומרים לא תקניים עומדים בבסיסן של רבות מהקריסות המתרחשות במדינות מתפתחות, כגון זו שגבתה את חייהם של יותר מאלף בני אדם בשנת 2013 כאשר בניין סוואר קרס בדאקה (בנגלדש).

על בסיס יומיומי, ניתן לצטט את הדוגמה של תעשיית הרכב, אשר נהנה מאוד לדעת התנהגות מתח מתח של פלדה וחומרים אחרים בעת עיצוב מכוניות לבצע בבטחה וביעילות במצב התרסקות. על ידי עיצוב מכוניות שיש להן כוח בחלקים מסוימים, תוך מתן אפשרות למתח וצינורות בחלקים אחרים, היצרנים יכולים ליצור ניהול התרסקות טוב יותר, אך רק אם הם יכולים לשער במדויק את מאפייני המתח-מתח של כל חלק.