chap2_mechanical testing and microscopy.pdf

8/18/2019 Chap2_Mechanical testing and microscopy.pdf

1/59

Mechanical testing and

microscopy


2/59

Types of mechanical testing

การทดสอบสมบัตท าง ก ล ขอ ง วัสดปร ะ เภท ตางๆแยกตามประเภทของแรงกระทา : (a) แร ง ดง (Tension), (b)แร ง อัด (Compression), (c) แรงกดบนผว (Indentation hardness), (d) แร ง ดัดบนคานท ตดกับกาแพง

(Cantilever bending), (e) แร ง ดัด 3 จด (Three-point bending), (f) แร ง ดัด 4 จด (Four-point

bending) (g) แรงบด (Torsion)


3/59

การทดสอบแรงดงดวยเคร องทดสอบอเนกประสงค

การเคล �อนท �ของครอสเฮดผานระบบสกร

ช นงานทดสอบ

อปกรณตดตามระยะ

เซลลวัดแรง

ครอสเฮด


4/59

เคร องทดสอบอเนกประสงค (Universal testing machine)


5/59

Some examples of specimens before and after tensile testing and a

typical arrangement for threaded-end specimens are shown below.

ช นงานทดสอบแรงดง ทั งกอ น แล ะ ห ลัง ก าร ท ดส อ บ (

ซาย)

โลหะ (

ขวา)

พอลเมอร


6/59

Types of test specimens

ช นงานทดสอบสมบัตท าง ก ล 3 ประเภท: (a) ช นงานผวเรยบไมมรอยบาก, (b) ช นงานมรอยบาก (Notched) (c) ช นงานท มรอยแตก (Precracked)


7/59

การเปล ยนแปลงร ปรางของวัสดเม อไดรับแรงด ง

L

A0

L0

F

F


8/59

Tensile test

A unidirectional force is applied to a

specimen in the tensile test by means of the

moveable crosshead

Engineering stress = σ = F/A0 (MPa)

(1 Pa = 1 N/m2)

Engineering strain = ε = (l-l0)/l0

Stress-strain curve for gray cast iron in

tension showing brittle behavior


9/59

กราฟแสดงความสัมพันธระหวางความเคนและความเครยดทางว ศวกรรมของวัสดทั วไป

ความตานแรงดง

ความเคนประลัย

ค ว า ม เ ค น

ความเครยด

ความเคนจดคราก


10/59

กราฟแสดงความสัมพันธระหวางความเคนและความเครยดในชวงแรกท ความชันของกราฟมลักษณะเปนเสนตรง หรอวัสดมการเปล ยนแปลงร ปรางแบบยดหย น

เม �อมแรงกระทา

ความชันของกราฟ = มอดลัส

0



เม �อไมมแรงกระทา


11/59

กราฟแสดงวธการหาคามอดลัสแบบแทนเจนตและแบบซแคนต

∆σ

∆ɛ มอดลัสแบบซแคนต ระหวางจดเร �มตนและความเคน σ1

σ1

σ2

∆σ

∆ɛมอดลัสแบบแทนเจนต ณ ความเคน σ

2



=

=


12/59


13/59

กราฟแสดงปรากฏการณจดครากท มทังจดครากบนและจดครากลาง


ค ว า ม เ ค น จดครากลาง

σy

จดครากบน


14/59

กราฟแสดงตาแหนงของขดจากัดการแปรผันตรง

ตวามเครยด


σy ขดจากัดการแปรผันตรง


15/59

Elastic properties

• Modulus of elasticity (Young’s modulus) = E =σ

/ε (GPa or psi)

• This relation ship is Hooke’s law and can be seen from stress-

strain curve (elastic region)

Schematic of the engineering stress-strain

curve of a typical ductile metal that

exhibits necking behavior

Engineering stress-strain curve and geometry

of deformation typical of some polymers


16/59

The stress-strain curve for an aluminium alloy Comparison of the elastic behaviour of

steel and aluminium


17/59

Necking behaviour

Deformation in a tension test of aductile metal: (a) unstrained, (b)

after uniform elongation and (c)

during necking

Fractures from tension tests on (left) rot-

rolled AISI 1020 steel and (right) gray cast

iron


18/59

กราฟแสดงความสัมพันธระหวางความเคนและความเครยดของวัสดเหนยวและวัสดเปราะ

0 B B’

A’

Aวัสดเปราะ

วัสดเหนยว




19/59

กราฟแสดงการหาคามอดลัสของรซเลยนซ


ความเครยด0.002

σy

ɛy

พ นท �ใตกราฟของสามเหล �ยม


20/59


21/59

กราฟแสดงการหาคาความแกรงของวัสด

0

วัสดเหนยว



คาความแกรง = พ นท �ใตกราฟความเคนและความเครยด


22/59

True stress and true strain

Fig. 20 The relationship between the

true stress-strain diagram and the

engineering stress-strain diagram

True stress (σt)

σt = F/Ai

True stain (εt)

εt = ln (li/l0)

• It is often not requiring true stress and true strain because when

the material exceed the yield strength, it deforms.

• This leads to failure of component because it no longer has the

original intended shape.


23/59

กราฟแสดงความเคนจรงและความเครยดจรงเปรยบเทยบกับความเคนและความเครยดทางวศวกรรม



จดท �เกดการคอด

จดท �เกดการคอด

ความเคนและความเครยดทางวศวกรรม

ความเคนและความเครยดจรง


24/59

Engineering measures of ductil ity

• Ductility: a measure of the amount of plastic deformation that a

material can withstand without breaking

• There are two approaches to measure ductility.

% Elongation = (lf -l0)/l0 x 100

% Reduction in area = (A0-Af )/A0 x 100

where lf = the distance between gauge marks after the specimen

breaks

Af = the final cross-sectional area at the fracture surface


25/59


26/59

Trends of tensile behaviour for different materials

Tensile properties for some engineering metals


27/59

Mechanical properties for polymers at room temperature


28/59

Tensile properties for various SiC reinforcements in a 6061-T6 aluminum

matrix


29/59

Engineering stress-strain curves from

tension tests on three steels

Engineering stress-strain curves from

tension tests on three aluminum alloys


30/59

Effect of temperature

The effect of temperature (a) on the stress-strain curve and (b) on the tensile

properties of an aluminium alloy

• Tensile properties depend on temperature.

• Hot working (deformation of material at a high temperature takesadvantage of the higher ductility and lower required stress


31/59

Effect of strain rate

Effect of strain rate on the ultimate tensile strength of copper for tests at various

temperatures


32/59

Compression test

A typical arrangement for a compression test is shown in the below figure.

Uniform displacement rates in compression are applied in a manner similarto a tension test, except the direction of loading

Compression test in a universal testing machine using a

spherical-seated bearing block


33/59

Some examples of compression specimens of various materials both

before and after testing are shown as the following figures.

Compression specimens of metals (left to

right): untested specimen, and tested specimen

of gray cast iron, aluminum alloy 7075-T651,

and hot-rolled AISI 1020 steel

Untested and tested 150 mm diameter

compression specimens of concrete with

Hokie limestone aggregate


34/59

Trends in compressive behaviour

Initial portions of stress-strain curves

in tension and compression for 7075-

T651 aluminum

Stress-strain curves for plexiglass (acrylic,

PMMA) in both tension and compression


35/59

Hardness test

Brinell hardness test

Plastic deformation under a Brinell

hardness indenter

• The Brinell hardness number is defined

as HB and can be calculated as follows.

HB = 2P/[ πD{D-(D2-d2)0.5}]

• HB can also be found from table for

hardness values of materials

elsewhere.


36/59

Vickers hardness test

The Vickers hardness number (HV) is defined as below.

HV = (2P/d2)sin(α/2)

Vickers hardness indentation


37/59

Approximate relative hardness of various

metals and ceramics

Approximate relationship between UTS and Brinell

and Vickers hardness of carbon and alloy steels


38/59

Vickers hardness and bending strengths for some ceramics and glasses


39/59

Rockwell hardness test

The Rockwell hardness number (HV) is

defined as below.

HRX = M-(∆h/0.002)

Where ∆h = h2-h1

M = the upper limit of the scale

Rockwell hardness indentation made by application

of (a) the minor load and (b) the major load, on a

diamond Brale indenter


40/59

Commonly used Rockwell hardness scales

Brinell and Rockwell hardness indentations


41/59

Approximate equivalent hardness numbers

and UTS for carbon and alloy steels

Hardness correlations and

conversions

σu = 3.45 (HB) MPa

where σu = the ultimate tensile

strength


42/59

Impact test

The two most common tests are Charpy V-notch and Izod tests.

Specimens and loading configurations for (a) Charpy V-notch and (b) Izod tests


43/59

Charpy testing machine, shown with

the pendulum in the raised position

prior to its release to impact a

specimen

Broken Charpy specimens


44/59

Properties obtained from the impact test

Results from a series of Izod impact tests

for a supertough nylon thermoplastic

polymer

The Charpy V-notch properties fro a BCC

carbon steel and a FCC stainless steel.


45/59

Variation in Charpy V-notch impact energy

with temperature for normalized plain

carbon steels of various carbon contents

Temperature dependence of Charpy V-

notch impact resistance for different alloy

steels of similar carbon content all

quenched and tempered to HRC 34

B di t t


46/59

Bending test

(a) The bend test often used for measuring the strength of brittle materials and (b) the

deflection (δ) obtained by bending

• By applying the load at three points and causing bending, a tensile

force acts on the material opposite the midpoint. Fracture begins at this

location

• Flexural strength (modulus of rupture)

Flexural strength = 3FL/2wh2


47/59

Stress-deflection curve for MgO obtained from a bend test


48/59

Fl li


49/59

Flow lines

• Flow lines caused by the concentration altering during the cooling

cycle results in ‘banding’ where the different metal constituentsoccur at different concentrations.

Flow line in forging highlighted after sectioning and etching


50/59

Mi B i


51/59

2109504 Adv. Phy. Met. I 51

© J.Paul Robinson

Microscope Basics

• Standard required the following

– real image formed at a tube length

of 160mm

– the parfocal distance set to 45 mm

– object to image distance set to 195

mm

Focal length

of objective

= 45 mm

Mechanical

tube length

= 160 mm

Object to

Image

Distance

= 195 mm


52/59

The Conventional Microscope

Focal length

of objective

= 45 mm

Object to

Image

Distance

= 195 mm

Mechanical

tube length

= 160 mm

Upright Scope


53/59

2109504 Adv. Phy. Met. I 53

Upright Scope

Brightfield

Source

Epi-

illumination

Source

Inverted Microscope


54/59

2109504 Adv. Phy. Met. I 54

Inverted Microscope

Brightfield

Source

Epi-

illumination

Source

Typical inverted microscope


55/59

2109504 Adv. Phy. Met. I 55

Typical inverted microscope


56/59

An example of SEM


57/59


58/59

Scanning coils


59/59

Scanning coils

• In SEM the specimen is traversed by an electron beam.

• Movement is achieved by scanning (raster) coils in the microscopecolumn controlled by a scan generator.

• Primary beam is electronically deflected over a given area of the

specimen:

• Raster Pattern of the primary electron beam is synchronised with

the scanning pattern of the cathode ray tube yielding a point-to-

point translation.

chap2_mechanical testing and microscopy.pdf

Documents