Características de tensión-deformación del acero
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Overview
Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA
La importancia de los materiales para el desarrollo humano es captada claramente por las clasificaciones primeras de la historia mundial en períodos como la edad de piedra, edad del hierro y la edad del bronce. La introducción de los procesos de Siemens y Bessemer para producir acero a mediados de los años 1800 es sin duda el desarrollo más importante solo en el lanzamiento de la Revolución Industrial que transformó gran parte de Europa y los Estados Unidos en la segunda mitad de los 19th Siglo de las sociedades agrarias a las sociedades urbanas y mecanizadas de hoy. Acero, en sus casi infinitas variaciones, está alrededor de nosotros, de nuestros aparatos de cocina a los coches, para líneas de vida redes de transmisión eléctrica y sistemas de distribución de agua. En este experimento que vamos a analizar el comportamiento de la tensión de dos tipos de acero que la gama generalmente vista en aplicaciones de ingeniería civil – de un acero laminado en caliente, muy suave a un frío duro, laminado en uno.
Principles
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.
Procedure
Results
From the measurements (Fig. 5 and Table 1.), a mild steel may have elongations in the 25%-40% range, while the harder steel may be one-half of that. It is important to note that almost all the deformation is localized in a small volume and thus the %elongation is only an average; locally the strain could be much higher. Note also that the %reduction of area is also a very difficult measurement to make as the surfaces are uneven; thus this value will range considerably.
| Specimen | A36 | C1018 | in. |
| % Elongation | 33.3 | 17.3 | % |
| % Area Reduction | 54.3 | 50.1 | % |
| Tensile Yield Stress | 58.6 | 73.0 | ksi |
| Tensile Strength | 86.6 | 99.9 | ksi |
| Stress at Fracture | 58.6 | 86.7 | ksi |
| Modulus of Elasticity | 29393 | 29362 | ksi |
Table 1. Steel test summary.
Figure 4: Typical ductile (left image) and brittle (right image) failure surface.
In general, these will vary from a ductile shear (cup-cone) fracture, such as would be expected from a failure such as that shown in Fig. 4, to a brittle cleavage fracture. Typical graphical results for the complete stress-strain curves are shown in Fig. 5. Note the very large differences in the stress-strain characteristic, range from a very mild but ductile A36 steel to a very strong but non-ductile C1018. Note that both are conventionally called steel, but their performance is markedly different.
Figure 5: Final stress-strain curve.
Applications and Summary
This experiment described how to obtain a stress-strain curve for typical steel. Differences in the stress-strain curves can be traced to either difference in the processing (e.g., cold working vs. hot rolling) and chemical composition (e.g., percent of carbon and other alloys). The tests showed that low-carbon steel is a very ductile material when loaded in uniaxial tension.
It is always relevant to compare experimental results to published values. The latter generally represent a minimum value from the specification based on 95% confidence limit, so it is likely that any strength value tabulated will be exceeded in the test, usually by a 5%-15% margin. However, much higher values are possible, as materials tend to be classified downwards if they do not meet some specification requirement. The strain values are generally going to be close to those published. The modulus of elasticity, on the other hand, should not vary significantly. If the value of E is not close to the published one, a through reexamination of error sources should be carried out. For example, the error may be due to slipping of the extensometer, improper calibration of the load cell or extensometer, wrong input voltages into the sensors, wrong parameters being input into the software, to name but a few.
Steel is a widely used material in the construction industry. Its applications include:
- Rolled steel I-shaped structural sections commonly used in conventional multi-story buildings because it is easy to prefabricate and connect the components, saving time in the construction process.
- Welded deep plate I-girders used in bridges, where the sections are built-up by welding deep, thin stiffened webs and thick flanges. This puts most of the material in its most useful position (the flanges), optimizing the design for strength and stiffness and reducing the overall cost of the project.
- Bolts and fasteners used in connections, where generally high strength and moderate ductility are required. These fasteners are used in myriads of products ranging from cars to household appliances.
The most important application of the tension test described herein is in the quality control process during the manufacturing of steel, aluminum and similar metals used in the construction industry. ASTM standards require that such test be run on representative samples of each heat of steel, and such results must be traceable to established benchmarks. The safety of the public is intimately tied to making sure that this type of quality control procedure is standardized and followed. Poor quality in construction materials, and lack of ductility at the material and structural level, are the most common cause of collapses during and after earthquakes and similar natural disasters. Lack of strength in critical components led to the failure of the I-35W bridge in Minneapolis in 2007 and use of substandard materials are at the root of many of the collapses that occur in developing countries, such the one that took over a thousand lives in 2013 when the Savar building collapsed in Dhaka (Bangladash).
On an everyday basis, one can cite the example of the automobile industry, which greatly benefits from knowing stress-strain behavior of steel and other materials when designing cars to perform safely and effectively in a crash situation. By designing cars that have strength in certain parts, while allowing for strain and ductility in other parts, manufacturers can create better crash management, but only if they can accurately surmise the stress-strain characteristics of each part.
Transcript
Steel is a general term for iron alloyed with carbon and other elements like chromium, manganese, and nickel.
Variations in the composition and processing methods can tailor its properties for construction of cars, bridges, and skyscrapers, to name only a few of the nearly infinite possible uses.
Understanding steel’s response to load is important when designing safe buildings and structures. One fundamental tool for modeling material characteristics is the stress-strain curve.
We will use the uniaxial tensile test to study the elastic and inelastic behavior of a mild hot-rolled steel and a hard cold-rolled steel, which represent low and high limits respectively of tensile strengths in civil engineering applications.
Stress is defined as the force divided by the area over which it is applied. Strain is the change in length divided by the initial length. Stress-strain curves describe the elastic and inelastic properties of materials by showing how a material like steel responds to applied force.
The uniaxial tensile test is typically used for studying stress and strain. In this test, a machine slowly pulls the ends of a sample with greater and greater force and measures the resulting elongation. The metal tension test is described by ASTM E8, which defines the type and size of the specimen, the type of equipment, and the data to be reported.
The stress-strain curve reveals many properties of the material under test. Among them, elastic modulus (the slope of the initial linear region, where deformation is proportional to load), modulus of resilience (the area beneath the linear region, which measures a material’s capacity to absorb energy without permanent deformation), proportional limit (the stress at the point the curve deviates from linearity), yield points (where stress versus strain suddenly decreases or changes), and yield plateau (where deformation increases rapidly without increasing stress).
Steel is a ductile material. Ductility is defined as the change in length at failure divided by the initial length. Toughness is the ability of a material to absorb energy before it fractures.
Now that we understand some of the basic characteristics of materials, let’s look at a method to measure stress and strain in the laboratory and investigate the relationship between these two quantities.
Obtain cylindrical test specimens for two types of steel, one mild and hot-rolled, such as A36, and one hard and cold-rolled, such as C1018.
Use a caliper to measure the diameter at several locations near the middle of the specimen. Make these measurements to the nearest 2000th of an inch.
Next, hold the specimen firmly. Scribe a gauge length of approximately two inches. Make the mark clear but very shallow to avoid creating a stress concentration that can lead to fracture. Measure the actual marked gauge length to the nearest 2000th of an inch.
Finally, install a strain gauge. The specimen is now ready for testing.
We will be using a universal testing machine, or UTM, to measure the tensile properties of the specimens. Turn on the testing machine and initialize the software. Set up appropriate graphing and data acquisition parameters, then select a test procedure that is compatible with the ASTM E8 protocol.
Set strain rates for the low strains zero to 5% and for high strain ranges greater than 5% respectively. These should be close to 0.05 inches per minute for the initial loading and 0.5 inches per minute after 5% strain. Then set any additional actions in the software, such as stopping the machine at 5% strain in the extensometer to remove it before specimen failure.
Manually raise the crosshead so the full length of the specimen fits easily between the top and bottom grips. Carefully insert the specimen into the top grip to about 80% of the grip depth. Align the specimen inside the top grip and tighten slightly to prevent the specimen from falling. Slowly lower the top crosshead. Once the specimen is within about 80% of the bottom grip depth, start specimen alignment within the bottom grips. The specimen should float in the center of the fully opened bottom grip. Apply lateral pressure to the specimen through the grips to ensure that no slipping occurs during testing. Note the tightening process introduces a small axial force on the specimen.
Use the software to impose a preload to compensate for this force and record its value. Attach the electronic extensometers securely to the specimen according to the manufacturer’s instruction. The blades of the extensometer should be approximately centered on the specimen. If a strain gauge is being used, connect it.
Begin the test by applying tensile load to the specimen. Observe the live reading of applied load on the computer display. To confirm the specimen is not slipping through the grips, make sure the measured load is increasing linearly. Sometime before sample failure, the software will automatically pause the test. Leave the sample in the test machine and remove the extensometer. Resume applying tensile load until failure. Upon reaching the maximum load, the measured loads begin to decrease. At this point, the specimen starts to neck. Final fracture should occur in this necked region through ductile tearing.
After the test has ended, raise the crosshead, loosen the top grip, and remove the broken piece of specimen from it. Loosen the bottom grip and remove the other half of the specimen. Record the value at the maximum tensile load. Save the recorded data and the stress-strain curve.
Carefully fit the ends of the fractured specimen together and measure the distance between the gauge marks to the nearest 2000th of an inch. Record the final gauge length. Finally, measure the diameter of the specimen at the smallest cross section to the nearest 2000th of an inch.
To determine material properties, first take a look at the data for the A36 mild hot-rolled steel and the data for C1018 hard cold-rolled steel, respectively.
Now calculate the percent elongation for each specimen, knowing the final gauge and the initial gauge length. Calculate the reduction of area for each specimen, using the final diameter and the initial diameter of the specimen. Record these values in a results table.
Next, calculate other material parameters using the experimental stress-strain curves. A quick comparison of these curves for the two specimens shows their very different elastic and inelastic behaviors. From the much greater strain at lower levels of stress, the A36 steel is softer and far more ductile than the C1018 steel.
For the A36 steel, the stress at failure is about 58.6 kilopounds per square inch, substantially above the nominal value of 36.0 kilopounds per square inch. Maximum stress is about 86.6 kilopounds per square inch at a strain of about 20%.
This magnified plot shows an upward yield point at about 58.6 kilopounds per square inch and a lower yield point at about 56.8 kilopounds per square inch. The beginning of the yield plateau is also visible here. Strain gauge data reveals a linear elastic region for the A36 steel with a slope defined as Young’s Modulus of about 29,393 kilopounds per square inch. This result is very close to the nominal value of 29,000 kilopounds per square inch.
At the point where the data deviates from linearity, we can determine the proportional limit is about 55.58 kilopounds per square inch. For comparison, due to the nonlinearity of its stress-strain curve, the C1018 steel has a very low proportional limit.
Results from the extensometer covers strain up to 5%. Data for the A36 steel shows the plastic plateau and the beginning of strain hardening where the curve rises again at a strain of about 2.7%. In contrast, the C1018 has no clear yield plateau.
Finish the data analysis by summarizing the test results for the two steel samples in the following table.
The elongation of a mild hot-rolled steel is in the range of 25 to 40%. In contrast, the elongation of a hard cold-rolled steel is only half this amount. The percent elongation is an average value for the length of material between the gauge marks, but almost all the deformation is localized to a small region around the fracture point. Consequently, the local strain could be much greater than the average.
Physical examination of the two specimens show large differences in the way they fail, corresponding to differences in their stress-strain curves.
The A36 steel has a failure surface with material drawn out at the rim during gradual final deformation and greater elongation at lower stresses, indicating a very mild but ductile metal.
In contrast, the C1018 steel has a flat failure surface, corresponding to sudden fracture and much less elongation at much higher stresses, characteristics of high strength but low ductility.
Let’s look at some common applications of steel from the perspective of the relationship between stress and strain.
Civil engineers analyze structural collapses in bridges and buildings in order to improve future structural designs. This process has led to steel components like rolled I-beams for multi-story buildings, welded deep-plate I-girders for bridges, and high-strength bolts and fasteners. Each requires different types of steel with specified strengths and ductilities, often first understood through examination of their stress-strain curves.
Engineers use the stress-strain characteristics of materials to make safer automobiles. Knowing the strength and ductility of the frame and how it deforms in response to impact forces, engineers can design an automobile’s body to absorb energy during collision and increase the chance of surviving a crash.
You’ve just watched JoVE’s Introduction to Stress-Strain Characteristics of Steel.
You should now know how to perform a uniaxial tensile test to determine the tensile properties of metallic materials and how to analyze stress-strain curves for typical steels.
Thanks for watching!