Características de tensión-deformación del acero

Acero es un término general para el hierro aleado con carbono y otros elementos como el cromo, el manganeso y el níquel.

Las variaciones en la composición y los métodos de procesamiento pueden adaptar sus propiedades para la construcción de automóviles, puentes y rascacielos, por nombrar solo algunos de los casi infinitos usos posibles.

Comprender la respuesta del acero a la carga es importante cuando se diseñan edificios y estructuras seguros. Una herramienta fundamental para modelar las características de los materiales es la curva tensión-deformación.

Utilizaremos el ensayo de tracción uniaxial para estudiar el comportamiento elástico e inelástico de un acero laminado en caliente suave y un acero laminado en frío duro, que representan límites bajos y altos respectivamente de resistencias a la tracción en aplicaciones de ingeniería civil.

La tensión se define como la fuerza dividida por el área sobre la que se aplica. La deformación es el cambio de longitud dividido por la longitud inicial. Las curvas de tensión-deformación describen las propiedades elásticas e inelásticas de los materiales al mostrar cómo un material como el acero responde a la fuerza aplicada.

El ensayo de tracción uniaxial se utiliza normalmente para estudiar la tensión y la deformación. En esta prueba, una máquina tira lentamente de los extremos de una muestra con una fuerza cada vez mayor y mide el alargamiento resultante. La prueba de tensión metálica se describe mediante ASTM E8, que define el tipo y tamaño de la muestra, el tipo de equipo y los datos que se deben informar.

La curva de tensión-deformación revela muchas propiedades del material bajo prueba. Entre ellos, el módulo elástico (la pendiente de la región lineal inicial, donde la deformación es proporcional a la carga), el módulo de resiliencia (el área debajo de la región lineal, que mide la capacidad de un material para absorber energía sin deformación permanente), el límite proporcional (la tensión en el punto en que la curva se desvía de la linealidad), los puntos de fluencia (donde la tensión frente a la deformación disminuye o cambia repentinamente), y la meseta de rendimiento (donde la deformación aumenta rápidamente sin aumentar la tensión).

El acero es un material dúctil. La ductilidad se define como el cambio en la longitud en el momento de la falla dividido por la longitud inicial. La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía antes de fracturarse.

Ahora que entendemos algunas de las características básicas de los materiales, veamos un método para medir la tensión y la deformación en el laboratorio e investiguemos la relación entre estas dos cantidades.

Obtenga muestras de prueba cilíndricas para dos tipos de acero, uno suave y laminado en caliente, como el A36, y otro duro y laminado en frío, como el C1018.

Use un calibrador para medir el diámetro en varios lugares cerca de la mitad de la muestra. Realice estas mediciones con una precisión de 2000 pulgadas.

A continuación, sostenga la muestra firmemente. Traza una longitud de calibre de aproximadamente dos pulgadas. Haga que la marca sea clara pero muy superficial para evitar crear una concentración de tensión que pueda provocar una fractura. Mida la longitud real del calibre marcado con una precisión de 2000 pulgadas más cercana.

Por último, instale una galga extensométrica. El espécimen ya está listo para ser analizado.

Utilizaremos una máquina de ensayo universal, o UTM, para medir las propiedades de tracción de las probetas. Encienda la máquina de prueba e inicialice el software. Configure los parámetros de adquisición de datos y gráficos apropiados y, a continuación, seleccione un procedimiento de prueba que sea compatible con el protocolo ASTM E8.

Establezca las tasas de deformación para las deformaciones bajas de cero a 5% y para rangos de deformación altos superiores al 5% respectivamente. Estos deben estar cerca de 0.05 pulgadas por minuto para la carga inicial y 0.5 pulgadas por minuto después de una tensión del 5%. A continuación, configure cualquier acción adicional en el software, como detener la máquina con una deformación del 5% en el extensómetro para eliminarla antes de que falle la muestra.

Levante manualmente la cruceta para que toda la longitud de la muestra quepa fácilmente entre las empuñaduras superior e inferior. Inserte con cuidado la muestra en la empuñadura superior hasta aproximadamente el 80% de la profundidad de la empuñadura. Alinee la muestra dentro de la empuñadura superior y apriétela ligeramente para evitar que la muestra se caiga. Baje lentamente la cruceta superior. Una vez que la muestra esté dentro de aproximadamente el 80% de la profundidad de la mordaza inferior, comience la alineación de la muestra dentro de las mordazas inferiores. El espécimen debe flotar en el centro de la empuñadura inferior completamente abierta. Aplique presión lateral a la muestra a través de las mordazas para asegurarse de que no se produzca ningún deslizamiento durante la prueba. Tenga en cuenta que el proceso de apriete introduce una pequeña fuerza axial en la muestra.

Utilice el software para imponer una precarga para compensar esta fuerza y registrar su valor. Fije los extensómetros electrónicos de forma segura a la muestra de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Las cuchillas del extensómetro deben estar aproximadamente centradas en la muestra. Si se está utilizando una galga extensométrica, conéctela.

Comience la prueba aplicando carga de tracción a la muestra. Observe la lectura en vivo de la carga aplicada en la pantalla de la computadora. Para confirmar que la muestra no se desliza a través de las mordazas, asegúrese de que la carga medida esté aumentando linealmente. En algún momento antes de que se produzca un error en la muestra, el software pausará automáticamente la prueba. Deje la muestra en la máquina de prueba y retire el extensómetro. Reanude la aplicación de la carga de tracción hasta el fallo. Al alcanzar la carga máxima, las cargas medidas comienzan a disminuir. En este punto, el espécimen comienza a cuello. La fractura final debe ocurrir en esta región con cuello a través de un desgarro dúctil.

Una vez finalizada la prueba, levante la cruceta, afloje la empuñadura superior y retire la pieza rota de la muestra. Afloje la empuñadura inferior y retire la otra mitad de la muestra. Registre el valor a la carga máxima de tracción. Guarde los datos registrados y la curva tensión-deformación.

Encaje cuidadosamente los extremos de la muestra fracturada y mida la distancia entre las marcas de calibre con una precisión de 2000 pulgadas más cercana. Registre la longitud final del calibre. Finalmente, mida el diámetro de la muestra en la sección transversal más pequeña hasta la 2000 de pulgada más cercana.

Para determinar las propiedades del material, primero eche un vistazo a los datos del acero laminado en caliente suave A36 y los datos del acero laminado en frío duro C1018, respectivamente.

Ahora calcule el porcentaje de alargamiento para cada muestra, conociendo el calibre final y la longitud del calibre inicial. Calcule la reducción de área para cada espécimen, utilizando el diámetro final y el diámetro inicial de la muestra. Registre estos valores en una tabla de resultados.

A continuación, calcule otros parámetros del material utilizando las curvas experimentales de tensión-deformación. Una comparación rápida de estas curvas para los dos especímenes muestra sus comportamientos elásticos e inelásticos muy diferentes. Debido a la deformación mucho mayor a niveles más bajos de tensión, el acero A36 es más blando y mucho más dúctil que el acero C1018.

Para el acero A36, la tensión en la falla es de aproximadamente 58,6 kilolibras por pulgada cuadrada, sustancialmente por encima del valor nominal de 36,0 kilolibras por pulgada cuadrada. La tensión máxima es de aproximadamente 86.6 kilolibras por pulgada cuadrada a una tensión de aproximadamente el 20%.

Este gráfico ampliado muestra un límite elástico ascendente de aproximadamente 58,6 kilolibras por pulgada cuadrada y un límite elástico inferior de aproximadamente 56,8 kilolibras por pulgada cuadrada. El comienzo de la meseta de rendimiento también es visible aquí. Los datos de las galgas extensométricas revelan una región elástica lineal para el acero A36 con una pendiente definida como el módulo de Young de aproximadamente 29.393 kilolibras por pulgada cuadrada. Este resultado está muy cerca del valor nominal de 29.000 kilolibras por pulgada cuadrada.

En el punto en el que los datos se desvían de la linealidad, podemos determinar que el límite proporcional es de aproximadamente 55,58 kilolibras por pulgada cuadrada. A modo de comparación, debido a la no linealidad de su curva de tensión-deformación, el acero C1018 tiene un límite proporcional muy bajo.

Los resultados del extensómetro cubren una deformación de hasta el 5%. Los datos para el acero A36 muestran la meseta plástica y el comienzo del endurecimiento por deformación, donde la curva vuelve a subir a una deformación de aproximadamente el 2,7%. Por el contrario, el C1018 no tiene una meseta de rendimiento clara.

Finalice el análisis de datos resumiendo los resultados de las pruebas para las dos muestras de acero en la siguiente tabla.

El alargamiento de un acero laminado en caliente suave está en el rango de 25 a 40%. Por el contrario, el alargamiento de un acero duro laminado en frío es solo la mitad de esta cantidad. El porcentaje de alargamiento es un valor promedio para la longitud del material entre las marcas de calibre, pero casi toda la deformación se localiza en una pequeña región alrededor del punto de fractura. En consecuencia, la cepa local podría ser mucho mayor que el promedio.

El examen físico de los dos especímenes muestra grandes diferencias en la forma en que fallan, lo que corresponde a diferencias en sus curvas de tensión-deformación.

El acero A36 tiene una superficie de falla con material extraído en el borde durante la deformación final gradual y una mayor elongación a tensiones más bajas, lo que indica un metal muy suave pero dúctil.

Por el contrario, el acero C1018 tiene una superficie de falla plana, que corresponde a una fractura repentina y mucho menos alargamiento a tensiones mucho más altas, características de alta resistencia pero baja ductilidad.

Veamos algunas aplicaciones comunes del acero desde la perspectiva de la relación entre la tensión y la deformación.

Los ingenieros civiles analizan los colapsos estructurales en puentes y edificios con el fin de mejorar los futuros diseños estructurales. Este proceso ha dado lugar a componentes de acero como vigas en I laminadas para edificios de varios pisos, vigas en I de placa profunda soldadas para puentes y pernos y sujetadores de alta resistencia. Cada uno requiere diferentes tipos de acero con resistencias y ductilidades especificadas, que a menudo se entienden por primera vez a través del examen de sus curvas de tensión-deformación.

Los ingenieros utilizan las características de tensión-deformación de los materiales para fabricar automóviles más seguros. Conociendo la resistencia y ductilidad del bastidor y cómo se deforma en respuesta a las fuerzas de impacto, los ingenieros pueden diseñar la carrocería de un automóvil para absorber energía durante una colisión y aumentar las posibilidades de sobrevivir a un choque.

Acabas de ver la Introducción de JoVE a las características de tensión-deformación del acero.

Ahora debería saber cómo realizar una prueba de tracción uniaxial para determinar las propiedades de tracción de los materiales metálicos y cómo analizar las curvas de tensión-deformación para aceros típicos.

¡Gracias por mirar!