5.2: Caratteristiche sforzo-deformazione degli acciai

Prove di tensione di campioni di acciaio

Lo scopo di questo esperimento è:

• Far conoscere agli studenti il test di laboratorio standard per determinare le proprietà di trazione dei materiali metallici in qualsiasi forma (ASTM E8),
• Confrontare le proprietà dei materiali metallici di ingegneria comunemente usati (acciaio strutturale e alluminio), e
• Per confrontare le proprietà testate dei metalli con i valori pubblicati.

Si presume che sia disponibile una macchina di prova universale (UTM) con controllo della deformazione e relative capacità di test e acquisizione dati. Seguire le procedure passo-passo raccomandate per eseguire prove di trazione fornite dal produttore dell'UTM, prestando particolare attenzione alle linee guida di sicurezza. Non procedere se sei incerto su qualsiasi passaggio e chiarisci eventuali dubbi con il tuo istruttore di laboratorio, poiché puoi ferire gravemente te stesso o coloro che ti circondano se non segui le dovute precauzioni. Inoltre, assicurarsi di conoscere tutte le procedure di arresto di emergenza e di avere familiarità con il software che esegue la macchina.

La procedura riportata di seguito è generica e ha lo scopo di coprire i passaggi più importanti; ci possono essere deviazioni significative da esso a seconda dell'attrezzatura disponibile.

1. Preparare i campioni:

1. Ottenere provini cilindrici per due acciai, uno laminato a caldo e delicato (come l'A36) e uno laminato duro e freddo (come un C1018).
2. Misurare il diametro del campione di prova con l'avvicinarsi di 0,002 pollici in diverse posizioni vicino al centro utilizzando una pinza.
3. Tenere saldamente il campione e segnare, utilizzando un file, una lunghezza approssimativa di 2 pollici. Nota: contrassegnare attentamente la lunghezza del misuratore in modo che sia chiaramente inciso, ma non così profondo da diventare una concentrazione di stress che può portare alla frattura.
4. Misurare la lunghezza effettiva del misuratore contrassegnata con l'stanza più vicina di 0,002 pollici utilizzando una pinza.
5. Se possibile, installare un estensimetri come descritto nel video JoVE su "Material Constants".
6. Raccogliere tutte le informazioni disponibili sui dati di taratura e sulla risoluzione di tutti gli strumenti utilizzati per aiutare a valutare potenziali errori sperimentali e limiti di confidenza. Queste due questioni sono fondamentali per ottenere risultati significativi, ma esulano dallo scopo di ciò che viene discusso qui.

2. Prova i campioni:

1. Accendere il computer di test e inizializzare il software. Assicurarsi di aver configurato tutte le funzionalità grafiche e di acquisizione dati appropriate all'interno del software. Come minimo, visualizzare la curva stress-deformazione e disporre di display per il carico e la deformazione.
2. Selezionare una procedura di test appropriata all'interno del software compatibile con il protocollo di test ASTM E8. Si noti la velocità di deformazione utilizzata e se vengono utilizzate due velocità, una per l'elastico e una per l'intervallo anelastico. Inoltre, impostare eventuali azioni appropriate nel software (ad esempio, affinché la macchina si fermi al 15% di tensione, in modo da rimuovere in modo sicuro l'estensimetro e registrare il valore massimo di carico raggiunto.).
3. Sollevare manualmente la traversa in modo che l'intera lunghezza del campione si adatti facilmente tra le impugnature. Inserire con cura il campione nelle impugnature superiori a circa l'80% della profondità di presa; allineare il campione all'interno delle impugnature e stringere leggermente, in modo da evitare che il campione cada. Nota: NON stringere l'impugnatura alla massima pressione in questa fase.
4. Abbassare lentamente la traversa superiore. Una volta che il campione si trova a circa l'80% della profondità di presa inferiore, assicurarsi che il campione sia correttamente allineato all'interno delle impugnature inferiori (cioè con le impugnature inferiori nella loro posizione completamente aperta, il campione dovrebbe "galleggiare" nel mezzo dell'apertura dell'impugnatura inferiore). Il disallineamento del campione, che comporterà ulteriori sollecitazioni di flessione e torsione durante il test, è uno degli errori più comuni riscontrati durante l'esecuzione di test di tensione. Se l'allineamento è scarso, lavora con un tecnico per allineare correttamente le impugnature.
5. Applicare un'adeguata pressione laterale al campione attraverso le impugnature per garantire che non si verifichino scivolamenti durante il test. Si noti che ci sarà un piccolo carico assiale a questo punto, poiché il processo di serraggio introduce un precarico nel campione; le macchine di prova possono avere regolazioni software per ridurre al minimo questo precarico. Registrare il valore di precaricamento.
6. Collegare saldamente l'estensimetro elettronico al campione secondo le specifiche del produttore. Nota: le lame dell'estensimetro non devono essere posizionate esattamente sui segni del misuratore sul campione, ma devono essere approssimativamente centrate sul campione.
7. Verificare attentamente di aver eseguito correttamente tutte le procedure fino a questo punto; se possibile, chiedere a un supervisore di verificare se il campione è pronto per il test.
8. Avviare il caricamento per iniziare ad applicare il carico di trazione al campione e osservare la lettura dal vivo del carico applicato sul display del computer. Nota: se il carico misurato non aumenta, il campione sta scivolando attraverso le impugnature e deve essere riattaccato. In questo caso, interrompere il test e riavviare nuovamente dal passaggio 2.3.
9. Qualche tempo prima del guasto del campione, il test verrà automaticamente messo in pausa senza scaricare il campione. A questo punto, rimuovere l'estensimetro. Se il campione si rompe con l'estensimetro in posizione, distruggerai l'estensimetro, un'attrezzatura molto costosa.
10. Riprendere ad applicare il carico di trazione fino al guasto. Al raggiungimento del carico massimo, i carichi misurati inizieranno a diminuire. A questo punto, il campione inizierà il collo e la frattura finale dovrebbe verificarsi all'interno di questa regione del collo attraverso la lacrimazione duttile.
11. Al termine del test, sollevare la traversa, allentare le impugnature superiori ed estrarre il pezzo di campione rotto dall'impugnatura superiore. Una volta rimossa la metà superiore del campione, allentare l'impugnatura inferiore e rimuovere l'altra metà del campione.
12. Registrate il valore al carico di trazione massimo e stampate una copia della curva sollecitazione-deformazione. Salvare i dati registrati digitalmente.
13. Montare con cura le estremità del campione fratturato insieme e misurare la distanza tra i segni del misuratore con l'avvicinarsi di 0,002 pollici. Registrare la lunghezza finale del misuratore.
14. Misurare il diametro del campione alla sezione trasversale più piccola con l'tà più vicina di 0,002 pollici.
15. Documentare il campione fratturato con immagini e diagrammi.

3. Analisi dei dati

1. Calcola l'allungamento % e la riduzione dell'area per ogni tipo di materiale metallico.
   allungamento =
   riduzione della superficie =
2. Descrivere, classificare e registrare la modalità di frattura predominante per ciascun campione.
3. Determinare le proprietà del materiale come descritto in Fig. 2 e 3. Organizzare i dati in un foglio di calcolo in modo tale che la deformazione fino a 0,004 sia data dall'estensimetro e compresa tra 0,004 e 0,15 dall'estensimetro (il limite superiore per l'estensimetro è il valore di deformazione al quale è stato rimosso dalla prova; questo valore cambia a seconda della capacità di deformazione del campione).
4. Utilizzare lo spostamento della traversa e l'allungamento %per stimare la deformazione finale. Se non viene utilizzato un estensimetro, assicurarsi di correggere eventuali slittamenti iniziali dell'estensimetro. Si possono contare i quadrati nel grafico per ottenere la tenacità (area sotto curva stress-deformazione).
5. Utilizzando un libro di testo o un altro riferimento adatto, determinare il modulo elastico, la resistenza allo snervamento e la resistenza finale dei materiali utilizzati. Confrontare i valori pubblicati con i risultati del test.

Acciaio è un termine generico per il ferro legato con carbonio e altri elementi come cromo, manganese e nichel.

Le variazioni nella composizione e nei metodi di lavorazione possono adattare le sue proprietà per la costruzione di automobili, ponti e grattacieli, per citare solo alcuni degli usi quasi infiniti possibili.

Comprendere la risposta dell'acciaio al carico è importante quando si progettano edifici e strutture sicure. Uno strumento fondamentale per modellare le caratteristiche dei materiali è la curva sforzo-deformazione.

Utilizzeremo la prova di trazione uniassiale per studiare il comportamento elastico e anelastico di un acciaio dolce laminato a caldo e di un acciaio duro laminato a freddo, che rappresentano rispettivamente limiti bassi e alti di resistenza alla trazione nelle applicazioni di ingegneria civile.

La sollecitazione è definita come la forza divisa per l'area su cui viene applicata. La deformazione è la variazione di lunghezza divisa per la lunghezza iniziale. Le curve sforzo-deformazione descrivono le proprietà elastiche e anelastiche dei materiali mostrando come un materiale come l'acciaio risponde alla forza applicata.

La prova di trazione uniassiale viene generalmente utilizzata per lo studio delle sollecitazioni e delle deformazioni. In questo test, una macchina tira lentamente le estremità di un campione con una forza sempre maggiore e misura l'allungamento risultante. La prova di trazione del metallo è descritta dalla norma ASTM E8, che definisce il tipo e le dimensioni del provino, il tipo di attrezzatura e i dati da riportare.

La curva sforzo-deformazione rivela molte proprietà del materiale in prova. Tra questi, il modulo elastico (la pendenza della regione lineare iniziale, dove la deformazione è proporzionale al carico), il modulo di resilienza (l'area al di sotto della regione lineare, che misura la capacità di un materiale di assorbire energia senza deformazioni permanenti), il limite proporzionale (la sollecitazione nel punto in cui la curva devia dalla linearità), i punti di snervamento (dove la sollecitazione rispetto alla deformazione diminuisce o cambia improvvisamente), e plateau di snervamento (dove la deformazione aumenta rapidamente senza aumentare lo stress).

L'acciaio è un materiale duttile. La duttilità è definita come la variazione di lunghezza a rottura divisa per la lunghezza iniziale. La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima di rompersi.

Ora che abbiamo compreso alcune delle caratteristiche di base dei materiali, diamo un'occhiata a un metodo per misurare lo stress e la deformazione in laboratorio e indaghiamo la relazione tra queste due quantità.

Ottenere provini cilindrici per due tipi di acciaio, uno dolce e laminato a caldo, come l'A36, e uno duro e laminato a freddo, come il C1018.

Utilizzare un calibro per misurare il diametro in diversi punti vicino al centro del campione. Effettua queste misurazioni con l'approssimazione di 2000 di pollice.

Quindi, tenere saldamente il campione. Tracciare una lunghezza del calibro di circa due pollici. Rendere il segno chiaro ma molto superficiale per evitare di creare una concentrazione di stress che può portare alla frattura. Misurare la lunghezza effettiva del calibro contrassegnata con l'approssimazione di 2000 di pollice.

Infine, installare un estensimetro. Il campione è ora pronto per il test.

Utilizzeremo una macchina di prova universale, o UTM, per misurare le proprietà di trazione dei campioni. Accendere la macchina di prova e inizializzare il software. Impostare i parametri grafici e di acquisizione dati appropriati, quindi selezionare una procedura di test compatibile con il protocollo ASTM E8.

Impostare le velocità di deformazione rispettivamente per le deformazioni basse da zero al 5% e per intervalli di deformazione elevati superiori al 5%. Questi dovrebbero essere vicini a 0.05 pollici al minuto per il carico iniziale e 0.5 pollici al minuto dopo uno sforzo del 5%. Quindi impostare eventuali azioni aggiuntive nel software, come l'arresto della macchina al 5% di deformazione nell'estensimetro per rimuoverlo prima della rottura del campione.

Sollevare manualmente la traversa in modo che l'intera lunghezza del provino si adatti facilmente tra i morsetti superiore e inferiore. Inserire con cautela il campione nell'impugnatura superiore a circa l'80% della profondità di presa. Allineare il campione all'interno dell'impugnatura superiore e serrare leggermente per evitare che il campione cada. Abbassare lentamente la traversa superiore. Una volta che il campione si trova entro circa l'80% della profondità di presa inferiore, iniziare l'allineamento del campione all'interno delle prese inferiori. Il campione dovrebbe galleggiare al centro dell'impugnatura inferiore completamente aperta. Applicare una pressione laterale sul campione attraverso i morsetti per garantire che non si verifichi alcuno scivolamento durante il test. Si noti che il processo di serraggio introduce una piccola forza assiale sul campione.

Utilizzare il software per imporre un precarico per compensare questa forza e registrarne il valore. Fissare saldamente gli estensimetri elettronici al campione secondo le istruzioni del produttore. Le lame dell'estensimetro devono essere approssimativamente centrate sul campione. Se si utilizza un estensimetro, collegarlo.

Iniziare la prova applicando un carico di trazione al campione. Osservare la lettura in tempo reale del carico applicato sul display del computer. Per confermare che il campione non scivoli attraverso i morsetti, assicurarsi che il carico misurato aumenti linearmente. Qualche tempo prima del fallimento del campione, il software metterà automaticamente in pausa il test. Lasciare il campione nella macchina di prova e rimuovere l'estensimetro. Riprendere ad applicare il carico di trazione fino al cedimento. Al raggiungimento del carico massimo, i carichi misurati iniziano a diminuire. A questo punto, l'esemplare inizia a collocare. La frattura finale dovrebbe verificarsi in questa regione del collo attraverso la lacerazione duttile.

Al termine del test, sollevare la traversa, allentare l'impugnatura superiore e rimuovere il pezzo di campione rotto da essa. Allentare l'impugnatura inferiore e rimuovere l'altra metà del campione. Registrare il valore al carico di trazione massimo. Salvare i dati registrati e la curva sforzo-deformazione.

Montare con cura le estremità del campione fratturato e misurare la distanza tra i segni del calibro con l'approssimazione di 2000 di pollice. Registrare la lunghezza finale del calibro. Infine, misurare il diametro del campione alla sezione trasversale più piccola con l'approssimazione di 2000 di pollice.

Per determinare le proprietà del materiale, dare prima un'occhiata ai dati per l'acciaio dolce laminato a caldo A36 e ai dati per l'acciaio duro laminato a freddo C1018, rispettivamente.

Ora calcola l'allungamento percentuale per ogni provino, conoscendo il calibro finale e la lunghezza del calibro iniziale. Calcolare la riduzione dell'area per ogni provino, utilizzando il diametro finale e il diametro iniziale del provino. Registrare questi valori in una tabella dei risultati.

Successivamente, calcolare altri parametri del materiale utilizzando le curve sperimentali sforzo-deformazione. Un rapido confronto di queste curve per i due campioni mostra i loro comportamenti elastici e anelastici molto diversi. A causa della sollecitazione molto maggiore a livelli di sollecitazione più bassi, l'acciaio A36 è più morbido e molto più duttile dell'acciaio C1018.

Per l'acciaio A36, la sollecitazione a rottura è di circa 58,6 chilolibbre per pollice quadrato, sostanzialmente superiore al valore nominale di 36,0 chilolibbre per pollice quadrato. Lo stress massimo è di circa 86,6 chilolibbre per pollice quadrato con uno sforzo di circa il 20%.

Questo grafico ingrandito mostra un punto di snervamento verso l'alto a circa 58,6 chilolibbre per pollice quadrato e un punto di snervamento inferiore a circa 56,8 chilolibbre per pollice quadrato. Anche qui è visibile l'inizio del plateau della resa. I dati dell'estensimetro rivelano una regione elastica lineare per l'acciaio A36 con una pendenza definita come modulo di Young di circa 29.393 chilolibbre per pollice quadrato. Questo risultato è molto vicino al valore nominale di 29.000 chilolibbre per pollice quadrato.

Nel punto in cui i dati si discostano dalla linearità, possiamo determinare che il limite proporzionale è di circa 55,58 chilolibbre per pollice quadrato. Per confronto, a causa della non linearità della sua curva sforzo-deformazione, l'acciaio C1018 ha un limite proporzionale molto basso.

I risultati dell'estensimetro coprono la deformazione fino al 5%. I dati per l'acciaio A36 mostrano il plateau plastico e l'inizio dell'incrudimento in cui la curva sale di nuovo a una deformazione di circa il 2,7%. Al contrario, il C1018 non ha un chiaro plateau di resa.

Termina l'analisi dei dati riassumendo i risultati dei test per i due campioni di acciaio nella tabella seguente.

L'allungamento di un acciaio dolce laminato a caldo è compreso tra il 25 e il 40%. Al contrario, l'allungamento di un acciaio duro laminato a freddo è solo la metà di questa quantità. L'allungamento percentuale è un valore medio per la lunghezza del materiale tra i segni di misura, ma quasi tutta la deformazione è localizzata in una piccola regione attorno al punto di frattura. Di conseguenza, la tensione locale potrebbe essere molto maggiore della media.

L'esame fisico dei due campioni mostra grandi differenze nel modo in cui falliscono, corrispondenti a differenze nelle loro curve sforzo-deformazione.

L'acciaio A36 ha una superficie di rottura con materiale estratto sul cerchio durante la graduale deformazione finale e un maggiore allungamento a sollecitazioni inferiori, indicando un metallo molto delicato ma duttile.

Al contrario, l'acciaio C1018 ha una superficie di rottura piana, corrispondente a frattura improvvisa e allungamento molto minore a sollecitazioni molto più elevate, caratteristiche di elevata resistenza ma bassa duttilità.

Diamo un'occhiata ad alcune applicazioni comuni dell'acciaio dal punto di vista della relazione tra stress e deformazione.

Gli ingegneri civili analizzano i crolli strutturali di ponti ed edifici al fine di migliorare i futuri progetti strutturali. Questo processo ha portato alla realizzazione di componenti in acciaio come travi a I laminate per edifici a più piani, travi a I saldate con piastra profonda per ponti e bulloni e dispositivi di fissaggio ad alta resistenza. Ognuno richiede diversi tipi di acciaio con resistenze e duttilità specificate, spesso comprese per la prima volta attraverso l'esame delle loro curve sforzo-deformazione.

Gli ingegneri utilizzano le caratteristiche di sollecitazione-deformazione dei materiali per rendere le automobili più sicure. Conoscendo la resistenza e la duttilità del telaio e il modo in cui si deforma in risposta alle forze d'impatto, gli ingegneri possono progettare il corpo di un'automobile per assorbire l'energia durante la collisione e aumentare le possibilità di sopravvivere a un incidente.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle caratteristiche sforzo-deformazione dell'acciaio.

Ora dovresti sapere come eseguire una prova di trazione uniassiale per determinare le proprietà di trazione dei materiali metallici e come analizzare le curve sforzo-deformazione per gli acciai tipici.

Grazie per l'attenzione!