Características de tensión-deformación del acero

El término de acero se utiliza comúnmente para designar un material que es principalmente hierro (Fe), a menudo en el rango de 95 a 98%. El hierro puro es alotrópica, con una estructura cúbica centrada en el cuerpo del (BCC) a temperatura ambiente que se transforma en una estructura cúbica centrada en la cara del (FCC) 912° c. Los espacios vacíos en la estructura FCC y las imperfecciones en la estructura cristalina permiten otros átomos, tales como átomos de carbono (C), para añadir o quitar a través de difusión desde los espacios intersticiales (o vacíos). Estas adiciones y el posterior desarrollo de las estructuras de cristal diferentes, son el resultado de calefacción y enfriamiento en diferentes tipos y gamas de temperaturas, un proceso conocido como tratamiento térmico. Esta tecnología ha sido conocida por más de 2000 años, pero mantenidos en secreto durante muchos años en aplicaciones tales como acero de Damasco, que utiliza acero de Wootz de la India (≈300AD).

Si ampliamos los círculos abiertos en la estructura FCC hasta las esferas comienzan a tocar y luego cortar un cubo base de esta estructura atómica, el resultado es la celda unidad. Esferas con 41.4% del diámetro del átomo de hierro pueden agregarse antes de estas nuevas esferas comienzan a tocar la plancha unos. Átomos de carbono son el 56% del diámetro de hierro que, por lo que la nueva estructura se distorsiona como se introducen los átomos de carbono. Las propiedades del acero se pueden manipular cambiando el tamaño, frecuencia y distribución de estas distorsiones.

Hierro forjado, uno de los precursores más útiles de acero, tiene un contenido de carbono superior al 2%. Resulta que el contenido óptimo de carbono para aceros de aplicaciones civiles es el rango de 0.2% a 0.5%. Muchos del temprano proceso de tratamiento metalúrgico apuntaron a que contenido de carbono de estos niveles en volúmenes que eran económicos producir. El proceso de Bessemer en Estados Unidos y el proceso de Siemens en el Reino Unido son dos de los ejemplos más exitosos de estas técnicas tempranos. Los procesos más comúnmente utilizados hoy son el horno de arco eléctrico y el horno de oxígeno básico. Además de carbono, aceros más modernos contienen manganeso (Mn), cromo (Cr), molibdeno (Mo), cobre (Cu), níquel (Ni) y otros metales en pequeñas cantidades para mejorar la dureza, resistencia y deformabilidad. Un ejemplo simple del efecto de estas aleaciones en las propiedades de ingeniería es el llamado carbono equivalente (CE):

La CE es un índice útil para determinar la soldabilidad de un acero especial; típicamente, un CE < 0.4% es representativo de un acero soldable. Como muchas conexiones en estructuras metálicas son hechas por soldadura, este es un índice útil para recordar cuando la especificación de materiales para la construcción.

Como se señaló en el video de Zeus sobre "constantes de materiales" , para fines de modelado tenemos que establecer alguna relación entre el estrés y las tensiones. La mejor descripción simple del comportamiento de muchos materiales está dada por una curva stressstrain (Fig. 1). Como resultado de problemas de pandeo en compresión y dificultades en la carga de un material uniforme en más de una dirección de carga, un ensayo de tracción uniaxial generalmente se ejecuta para determinar una curva del stress-strain. Esta prueba proporciona información básica sobre las principales características de ingeniería de materiales metálicos homogéneos.

La prueba de tensión típica se describe en ASTM E8. ASTM E8 define el tipo y tamaño de la probeta a utilizar, típico equipo a utilizar y datos a presentarse para una prueba de tensión del metal.

Figura 1: Curva del Stress-strain para acero de bajo carbono.

Ya que necesitamos medir a través de cepas de plástico muy grandes, la medición de la tensión siempre no se puede realizar con medidores de tensión en toda la gama de deformación (40%); la cola casi siempre fallará antes de las fracturas de la muestra. Un extensómetro, que consiste en un pequeño bastidor en C-con los brazos voladizos instrumentado con galgas de tensión y debidamente calibrado, se utiliza típicamente hasta alrededor del 20%. El extensómetro es un instrumento delicado y costoso, necesita retirarse antes de las fracturas de la muestra; la prueba se detendrá y el extensómetro retirado poco después de que la muestra alcanza su máxima tensión y la deformación máxima estimada de marcas en el espécimen.

Las principales características de interés son (Fig. 2):

Límite proporcional: El límite proporcional es la tensión máxima que estrés permanece linealmente proporcional a la deformación, es decir, para el cual ley de Hooke es estrictamente aplicable () JoVE video - "Constantes de materiales"). Este valor generalmente es determinado analizando cambios en el ritmo de estrés cuando la prueba se ejecuta en condiciones de velocidad constante de la cruceta. En el rango elástico lineal, la tasa de tensión es proporcional a la tasa de deformación y es, idealmente, constante. Cuando el material empieza a plastificar, evidenciada por un aumento en el grado de deformación, el esfuerzo de velocidad comienza a disminuir. El límite proporcional es tomado como el estrés, cuando la tasa de estrés inicial empieza a disminuir.

Punto de producción: Muchos metales exhiben un punto de rendimiento sostenido o estrés en el que las tensiones continúan aumentando rápidamente sin ningún aumento en el estrés. Esto se evidencia por una línea horizontal, o ceder la meseta, en la curva del stress-strain. El punto de producción corresponde aproximadamente a la carga a que slip comienza a ocurrir en enrejados atómicos. Este deslizamiento se activa al alcanzar cierta fuerza de esquileo crítica y es mucho más baja que puede calcularse a partir de primeros principios debido a las numerosas imperfecciones en la estructura cristalina. En algunos materiales, como el acero probado en este experimento, hay una pequeña pero notable disminución de estrés antes de que el material alcanza la meseta de producción, dando lugar a puntos de rendimiento más bajoy superior . Para materiales que no exhiben un punto claro de rendimiento, se utiliza un equivalente fuerza de producción . Veremos en esta definición en detalle en el video de Zeus sobre "estrés tensión características de aluminio", que se ocupa de estas características en aluminio.

Figura 2: Definición de variables en bajas tensiones.

Módulo de elasticidad: El módulo de elasticidad de un material se define como la pendiente de la porción recta del diagrama tensión-deformación como se muestra en la Fig.2. Esta propiedad fue discutida en el video de Zeus sobre "constantes de materiales". E es un número relativamente grande: 30 x 10⁶ psi (210Gpa) para el acero; 10 x 10⁶  psi (70 GPa) para el aluminio; 1.5 x 10⁶ psi (10.5 GPa) de roble; y 0.5 x 10⁶  psi (3.5 GPa) de plexiglás.

Módulo de elasticidad: El módulo de resiliencia es el área debajo de la parte elástica del diagrama tensión-deformación y tiene unidades de energía por unidad de volumen. El módulo de elasticidad mide la capacidad de un material para absorber energía sin sufrir deformaciones permanentes.

Tensión módulo de endurecimiento: El deslizamiento o movimientos de luxación, que desencadenó la meseta de producción comienzan a llegar a los límites de grano (o zonas donde los enrejados están orientados en ángulos diferentes), las dislocaciones empiezan a "acumular", y es necesaria energía adicional para propagar su movimiento en otros granos. Esto conduce a una rigidez en el comportamiento de la tensión, aunque la tensión módulo de endurecimiento es generalmente por lo menos un orden de magnitud por debajo del módulo de Young.

Última fuerza: Este es el valor máximo de la ingeniería de tensión alcanzado durante la prueba y se produce poco antes de que la muestra comienza a cuello (o área) apreciable (Fig. 3).

Tensión máxima: Este valor se toma como el valor de la tensión cuando la muestra fracturas. Puesto que el extensómetro generalmente ha sido suprimido por el momento llegamos a este punto en la prueba y la deformación localizado (estricción) a una distancia muy corta a lo largo de la longitud del espécimen, este valor es muy difícil de medir experimentalmente. Por esta razón, un alargamiento uniforme y un alargamiento porcentual se utilizan al especificar materiales en lugar de un valor de tensión máxima.

Figura 3: Definiciones en grandes variedades.

Alargamiento de uniforme: La elongación porcentual se define como el alargamiento porcentual (cambio en longitud de la longitud original) de la muestra justo antes de que se produce la estricción.

Alargamiento porcentual: Generalmente dos marcas, nominalmente de 2 pulgadas de distancia, se realizan a la muestra antes de la prueba. Después de la prueba, las dos piezas de la muestra fracturada se juntan lo mejor posible, y la deformación final entre las marcas es nuevo. Se trata de una manera cruda, pero útil de especificar mínimo alargamiento para materiales en un contexto de ingeniería.

Porcentaje área: Del mismo modo a elongación porcentual, es posible intentar hacer una medición de la zona final de la pieza fracturada. Al dividir la fuerza justo antes de la fractura por esta zona, es posible obtener una idea de la verdadera fuerza del material.

Dureza: Dureza se define como el área bajo el diagrama tensión-deformación. Es una medida de la capacidad de un material para experimentar antes de deformaciones grandes, permanente de la fractura. Sus unidades son las mismas que para el módulo de resiliencia.

Las propiedades descritas anteriormente pueden utilizarse para evaluar qué tan bien un determinado material se ajusta a los criterios de rendimiento discutidos en el video de Zeus sobre "constantes de materiales". En la medida en que se refiere a seguridad, las características de capacidad de resistencia y deformación son clave; Estas características generalmente se agrupan bajo el término de dúctil comportamiento. Comportamiento dúctil implica que un material se rendimiento y ser capaces de mantener su fuerza en un régimen de deformación plástica grande. Una gran dureza es deseable, que en la práctica significa que una estructura dará signos de falla inminente, por ejemplo gran deformación visible antes de que ocurra un colapso catastrófico, permitiendo a que sus ocupantes tiempo para evacuar la estructura.

Por el contrario, materiales que muestran un comportamiento frágil , generalmente no de forma repentina y catastrófica. Este es el caso de materiales cementatious y cerámica, que muestran escasa capacidad de resistencia a la tracción. Una viga de hormigón fallará de esta manera porque es muy débil en tensión. Para solucionar este escollo, uno coloca refuerzo barras de acero en la región de resistencia de vigas de hormigón, convirtiéndolos en vigas de hormigón armado.

Es importante tener en cuenta que el comportamiento frágil y dúctil no es un comportamiento material inherente. Como veremos en el video de Zeus sobre "Test de dureza de Rockwell", sujetar un acero al carbono que es dúctil a temperatura ambiente y bajo una tensión bajo condiciones de frecuencia a tensión muy rápida carga condición (impacto) de carga a bajas temperaturas pueden resultar en comportamiento frágil. Además, es importante reconocer que algunos materiales, por ejemplo, de hierro fundido, pueden ser muy frágiles en tensión y dúctil en compresión.

Dos otra característica material importante que es necesario definir en este punto, ya que influyen la elección de material de modelado, son isotropía y la homogeneidad. Se dice que un material es isótropo si sus propiedades elásticas son iguales en todas las direcciones. Mayoría de los materiales Ingeniería está hecha de cristales que son pequeños en comparación con las dimensiones de todo el cuerpo. Estos cristales están orientados al azar, así que estadísticamente el comportamiento del material puede ser considerado isotrópico. Otros materiales como la madera y otros materiales fibrosos, pueden tener propiedades elásticas similares en dos direcciones solamente (ortotrópico) o en las tres direcciones (anisotrópico).

Por otro lado, un material se dice que es homogéneo si sus propiedades elásticas son iguales en todo el cuerpo. Para propósitos de diseño, materiales de construcción más se asumen como homogéneos. Esto es válido incluso para materiales como el hormigón que tienen diferentes fases (mortero y piedras), como generalmente estamos hablando de caracterizar volúmenes mucho más grandes, que pueden considerarse estadísticamente homogéneos.

Tensión de prueba de muestras de acero

El propósito de este experimento es:

• Familiarizar a los estudiantes con la prueba estándar de laboratorio para la determinación de las propiedades de resistencia a la tracción de materiales metálicos en cualquier forma (ASTM E8),
• Para comparar las propiedades de los comúnmente utilizados materiales metálicos (acero y aluminio), de ingeniería y
• Para comparar las propiedades comprobadas de metales publicado valores.

Se asume que existe una máquina de ensayos universal (UTM) con control de deformación y asociados habilidades de adquisición de datos y pruebas. Siga paso a paso de los procedimientos recomendados para realizar ensayos de tracción proporcionadas por el fabricante de la UTM, prestando especial atención a las pautas de seguridad. No continuar si no está seguro acerca de cualquier paso y aclarar cualquier duda con su instructor de laboratorio, ya que puede lesionar gravemente a sí mismo o los que te rodean si no sigues las precauciones adecuadas. También, asegúrese de que usted sabe todos los procedimientos de parada de emergencia y que está familiarizado con el software que se ejecuta la máquina.

El siguiente procedimiento es genérico y está destinado a cubrir los pasos más importantes; puede haber desviaciones significativas de ella dependiendo del equipo disponible.

1. preparación de muestras:

1. Obtener a probetas cilíndricas para los dos aceros, uno suave y caliente rodado (como A36) y una dura y fría laminados (como un C1018).
2. Mida el diámetro de la probeta a la más cercana 0,002 pulg en varios lugares cerca de la mitad usando una pinza.
3. Sujete a la pieza firmemente y marca, utilizando un archivo, una longitud de aproximadamente 2 pulgadas calibre. Nota: Marque la longitud de la calibre cuidadosamente para que sea claramente grabadas, pero no tan profunda como para convertirse en una concentración de tensiones que puede conducir a la fractura.
4. Medir el real marcado longitud calibre el pulg 0,002 más cercano utilizando una pinza.
5. Si es posible instalar un medidor de tensión como se describe en JoVE video "Constantes de materiales".
6. Recopilar toda la información disponible sobre la calibración y resolución de todos los instrumentos están utilizando para ayudar a evaluar posibles errores experimentales y límites de confianza. Estas dos cuestiones son clave para obtener resultados significativos pero más allá del alcance de lo que se discute aquí.

2. los especímenes de prueba:

1. Encienda la máquina de prueba e inicializar el software. Asegúrese de que tener configuración cualquier adecuadas habilidades de adquisición de datos y gráficas dentro del software. Como mínimo, Mostrar la curva del stress-strain y tienen pantallas para la carga y la tensión.
2. Seleccione un procedimiento de prueba apropiado dentro del software que es compatible con el protocolo de pruebas de ASTM E8. Tenga en cuenta el grado de deformación se utiliza y si se utilizan dos tipos, uno para el elástico y uno para el rango inelástico. También, establecer las acciones correspondientes en el software (por ejemplo, para la máquina detener en la tensión del 15%, con el fin de quitar el extensómetro y registrar el valor máximo de la carga que se alcanza.).
3. Elevar manualmente la cruceta que toda la longitud de la muestra se ajusta fácilmente entre los puños. Introduzca cuidadosamente el espécimen en los agarres superiores a alrededor del 80% de la profundidad de agarre; Alinee al espécimen dentro de los puños y apriete ligeramente, con el fin de evitar que a la pieza caiga. Nota: No apriete la empuñadura a la presión total en esta etapa.
4. Baje lentamente la cruceta superior. Una vez que el espécimen está en alrededor del 80% de la profundidad de agarre inferior, asegúrese de que el ejemplar esté correctamente alineado en los agarres de la parte inferior (es decir, con los agarres de parte inferior en su posición totalmente abierta, la muestra debe "flotar" en el centro de la abertura de agarre inferior). Desalineamiento de la muestra, que dará lugar a tensiones adicionales de flexión y torsión durante la prueba, es uno de los errores más comunes al realizar pruebas de tensión. Si la alineación es pobre, con un técnico para alinear correctamente las empuñaduras.
5. Aplique presión lateral correspondiente a la muestra a través de las asas para asegurarse de que no hay deslizamiento ocurre durante la prueba. Tenga en cuenta que habrá una carga axial pequeña en este punto, como el proceso de atornillado introduce una carga en la muestra; las máquinas pueden tener ajustes de software para reducir esta carga. Registre el valor de precarga.
6. Conecte firmemente el extensómetro electrónico al espécimen según especificación del fabricante. Nota: Las cuchillas del extensómetro no necesita colocarse exactamente sobre las marcas de medición en la muestra, pero deben ser aproximadamente centradas en la muestra.
7. Compruebe que correctamente han ejecutado todos los procedimientos hasta este punto; Si es posible, tener un supervisor verificar si el espécimen está listo para la prueba.
8. Iniciar la carga para comenzar a aplicar la carga de tensión a la muestra y observar la lectura viva de la carga aplicada en la pantalla del ordenador. Nota: Si no aumenta la carga medida, la muestra se desliza a través de los puños y necesita ser reatada. Si esto ocurre, la prueba de detener y reiniciar otra vez de paso 2.3.
9. En algún momento antes del fallo de la muestra, la prueba se automáticamente pausará sin descargar a la muestra. En este punto, retire el extensómetro. Si la muestra se rompe con el extensómetro en el lugar, se destruirá el extensómetro, una muy costosa pieza de equipo.
10. Reanudar la aplicación de carga de tracción hasta el fallo. Al llegar a la carga máxima, la carga medida comenzará a disminuir. En este punto, la muestra comenzará collarino y fractura final debe ocurrir dentro de esta región del cuello a través del desgarramiento dúctil.
11. Después de que termine la prueba, levantar la cruceta, afloje las abrazaderas superior y sacar el pedazo roto de espécimen de agarre superior. Una vez que se retira la mitad superior del espécimen, afloje la empuñadura inferior y retire la otra mitad de la muestra.
12. Registre el valor en la carga máxima de tracción e imprima una copia de la curva del stress-strain. Guardar los datos grabados digitalmente.
13. Encajar los extremos de la pieza fracturada y mida la distancia entre las marcas de medición a la más cercana 0,002. Registrar la longitud de la calibre final.
14. Mida el diámetro de la muestra en la sección representativa más pequeña a la más cercana 0,002.
15. Documentar a la muestra fracturada con fotos y diagramas.

3. Análisis de los datos

1. Calcular el % de elongación y reducción del área para cada tipo de material metálico.
   alargamiento =
   reducción de área =
2. Describir, clasificar y registrar el modo de fractura predominante para cada muestra.
3. Determinar las propiedades del material como se describe en la Fig. 2 y 3. Organizar los datos en una hoja de cálculo que la cepa hasta 0.004 es dado por las galgas extensiométricas y entre 0.004 y 0.15 por el extensómetro (el límite superior para el extensómetro es el valor de tensión a la que fue eliminado de la prueba; este valor cambia dependiendo de la capacidad de deformación de la muestra).
4. Utilice el alargamiento de la dislocación y el % de cruceta para estimar la deformación última. Si no se utiliza un medidor de tensión, asegúrese de corregir cualquier lapsus inicial El extensómetro. Uno puede contar casillas en la gráfica para obtener la dureza (área bajo la curva del stress-strain).
5. Con un libro de texto u otra referencia conveniente, determinar el módulo elástico, producción de fuerza y la última resistencia de los materiales utilizados. Comparar los valores publicados de los resultados.

Medidas (Fig. 5 y tabla 1), un acero suave puede tener alargamientos en el rango de 25-40%, mientras que el acero más duro puede ser la mitad de eso. Es importante tener en cuenta que casi todos la deformación se localiza en un pequeño volumen y así el alargamiento % es sólo un promedio; localmente la cepa podría ser mucho mayor. Tenga en cuenta también que la reducción del % del área es también una medición muy difícil hacer que las superficies son irregulares; por lo tanto este valor varían considerablemente.

Tabla 1. Acero prueba sumaria.

Figura 4 : Típica dúctil (imagen izquierda) y quebradizos (imagen derecha) superficie de falla.

En general, estos pueden variar de una fractura de cizalla dúctil (cono taza), como se espera de un fallo como el que se muestra en la figura 4, a una fractura frágil escote. Resultados gráficos típicos de las curvas de tensión completa se muestran en la figura 5. Nota las diferencias muy grandes en la característica de la tensión, van desde una muy leve pero dúctil de acero A36 para un C1018 muy fuerte pero no dúctil. Tenga en cuenta que ambos son convencionalmente llamados acero, pero su rendimiento es notablemente diferente.

Figura 5 : Curva del stress-strain final.

Este experimento describe cómo obtener una curva de tensión-deformación típico de acero. Las diferencias en las curvas de tensión pueden atribuirse a cualquier diferencia en la composición química (p. ej., porcentaje de carbono y otras aleaciones) y procesamiento (por ejemplo, trabajo en frío vs. laminación en caliente). Las pruebas mostraron que el acero con poco carbono es un material muy dúctil cuando carga en la tensión uniaxial.

Siempre es relevante comparar resultados experimentales con valores publicados. Este último generalmente representa un valor mínimo de la especificación basada en el límite de confianza de 95%, así que es probable que cualquier valor de intensidad tabulado será superada en la prueba, generalmente por un margen de 5% - 15%. Sin embargo, valores mucho más altos son posibles, ya que los materiales tienden a clasificarse hacia abajo si no cumplen con algún requisito de la especificación. Los valores de tensión generalmente va a estar cerca de los publicados. El módulo de elasticidad, por el contrario, si no varían significativamente. Si el valor de E no es cercano al publicado, debe realizarse una reexaminación a través de las fuentes de error. Por ejemplo, el error puede ser debido al deslizamiento del extensómetro, la incorrecta calibración de la celda de carga o extensómetro, voltajes de entrada incorrectos en los sensores, parámetros equivocados que ingresa en el software, por nombrar algunos.

El acero es un material ampliamente utilizado en la industria de la construcción. Sus aplicaciones incluyen:

• Laminado en secciones estructurales de acero en forma de de uso general en edificios de varios pisos convencionales porque es fácil de prefabricar y conectar los componentes, ahorro de tiempo en el proceso de construcción.
• Soldado con autógena plato hondo-vigas en puentes, donde las secciones son edificadas por soldadura profunda, finas telas rígidas y gruesas pestañas. Esto pone la mayoría del material en su posición más útil (las pestañas), optimizando el diseño para resistencia y rigidez y reducir el costo total del proyecto.
• Pernos y sujetadores utilizados en las conexiones, donde generalmente de alta resistencia y ductilidad moderada se requieren. Estos sujetadores se utilizan en infinidad de productos que van desde coches hasta electrodomésticos.

La aplicación más importante de la prueba de tensión descrita está en el proceso de control de calidad durante la fabricación de acero, aluminio y metales similares utilizados en la industria de la construcción. Normas ASTM requieren ejecutar dicha prueba en muestras representativas de cada calor de acero, y dichos resultados deben ser trazables a puntos de referencia establecidos. La seguridad del público está íntimamente ligada a asegurándose de que este tipo de procedimiento de control de calidad estandarizado y seguido. Mala calidad en materiales de construcción y la falta de ductilidad en el material y el nivel estructural, son la causa más común de colapsos durante y después de los terremotos y catástrofes similares. Falta de fuerza en componentes críticos condujo a la falta del puente I-35W en Minneapolis en 2007 y uso de materiales deficientes están en la raíz de muchos de los colapsos que se producen en los países en desarrollo, tal que tuvo más de 1 mil vidas en 2013, cuando la S edificio de Avar se derrumbó en Dhaka (Bangladash).

En lo cotidiano, uno puede citar el ejemplo de la industria del automóvil, que se beneficia grandemente de saber comportamiento tensión-deformación del acero y otros materiales en el diseño de los coches para llevar a cabo con seguridad y eficacia en una situación de accidente. Mediante el diseño de autos que tengan fuerza en ciertas partes, permitiendo para la tensión y ductilidad en otras partes, fabricantes pueden crear mejor gestión del accidente, pero sólo si pueden suponer con precisión las características de tensión de cada parte.