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Caractéristiques de contrainte-déformation des aciers
 

Caractéristiques de contrainte-déformation des aciers

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L’acier est un terme général pour fer allié au carbone et d’autres éléments comme le manganèse, le chrome et le nickel.

Les variations dans les méthodes de composition et de traitement peuvent adapter ses propriétés pour la construction des voitures, des ponts et gratte-ciel, pour n’en ne nommer que quelques unes des utilisations possibles presque infinies.

Il est important de comprendre la réponse de l’acier à charger lors de la conception des installations et des bâtiments sûrs. Un outil fondamental pour la modélisation des caractéristiques des matériaux est la courbe contrainte-déformation.

Nous allons utiliser l’essai de traction uniaxial pour étudier le comportement élastique et inélastique d’un acier laminé à chaud et un acier laminé à froid difficile, qui représentent les limites hautes et basses respectivement de résistance à la traction dans les applications de génie civil.

Stress se définit comme la force divisée par l’aire sur laquelle il est appliqué. Déformation est le changement de longueur divisée par la longueur initiale. Courbes contrainte-déformation décrivent les propriétés élastiques et inélastiques des matériaux en montrant comment un matériau comme acier répond à appliqué de force.

L’essai de traction uniaxiale est généralement utilisé pour l’étude de contrainte et de déformation. Dans ce test, une machine lentement tire les extrémités d’un échantillon avec une plus grande et une plus grande force et mesure l’allongement qui en résulte. Le test de tension métallique est décrite par ASTM E8, qui définit le type et la taille de l’échantillon, le type de matériel et les données à déclarer.

La courbe contrainte-déformation révèle de nombreuses propriétés du matériau soumis à l’essai. Parmi eux, module d’élasticité (la pente de la zone linéaire initiale, où la déformation est proportionnelle à la charge), module de résilience (la zone sous la région linéaire, qui mesure la capacité d’un matériau à absorber l’énergie sans déformation permanente), la limite proportionnelle (le stress au point de la courbe s’écarte de linéarité), points de rendement (où stress contre la souche soudainement diminue ou modifications) et plateau de rendement (où déformation augmente rapidement sans augmenter le stress).

L’acier est un matériau ductile. La ductilité est définie comme la variation de longueur à la rupture divisée par la longueur initiale. Endurance est la capacité d’un matériau à absorber l’énergie avant elle des fractures.

Maintenant que nous comprenons que certaines des caractéristiques fondamentales des matériaux, nous allons étudier une méthode pour mesurer le stress et la fatigue en laboratoire et d’étudier la relation entre ces deux quantités.

Obtenir des éprouvettes cylindriques pour deux types d’acier, un doux et laminées à chaud, tels que de l’A36 et un dur et laminées à froid, tels que C1018.

Utiliser un pied à coulisse pour mesurer le diamètre en plusieurs endroits près de la moitié de l’échantillon. Prendre ces mesures pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Ensuite, tenir le spécimen fermement. Tracer une longueur entre repères d’environ deux pouces. Préciser la marque mais très peu profonde pour éviter entraîne une concentration de contrainte qui peut conduire à se fracturer. Mesurer la réelle marquée entre repères pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Enfin, installer une jauge de contrainte. Le spécimen est maintenant prêt à être testé.

Nous utiliserons un universel essais machine ou UTM, pour mesurer les propriétés de traction des spécimens. Allumez la machine d’essai et initialiser le logiciel. Mettre en place un graphique approprié et paramètres d’acquisition de données, puis sélectionnez un mode opératoire qui est compatible avec le protocole ASTM E8.

Les vitesses de déformation réglée pour les souches basses zéro à 5 % et pour la grande souche de gammes supérieures à 5 % respectivement. Ceux-ci doivent être à proximité de 0,05 pouces par minute pour le chargement initial et 0,5 pouces par minute après 5 % de déformation. Puis définir des mesures supplémentaires dans le logiciel, telles que l’arrêt de la machine à 5 % de déformation dans l’extensomètre de l’enlever avant la défaillance de l’échantillon.

Manuellement lever la traverse toute la longueur de l’échantillon se glisse facilement entre les mâchoires supérieure et inférieure. Insérez avec précaution le spécimen dans la poignée supérieure à environ 80 % de la profondeur de la poignée. Aligner le spécimen à l’intérieur de la poignée supérieure et serrer légèrement pour empêcher la chute de l’échantillon. Abaissez lentement la traverse supérieure. Une fois que le spécimen est dans environ 80 % de la profondeur du fond grip, commencer alignement du spécimen dans les poignées du bas. Le spécimen doit flotter dans le centre de la poignée de fond entièrement ouverts. Appliquer une pression latérale au modèle à travers les poignées pour s’assurer qu’aucun glissement se produit au cours des essais. Note le processus de serrage introduit une petite force axiale sur l’échantillon.

Le logiciel permet d’imposer une précharge pour compenser cette force et noter sa valeur. Fixer solidement les extensomètres électroniques de l’échantillon selon les instructions du fabricant. Les lames de l’extensomètre devraient être centrés sur le spécimen. Si on utilise une jauge de contrainte, branchez-le.

Commencer le test en appliquant la charge de traction à l’échantillon. Observer la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Pour confirmer que l’échantillon n’est pas glissant à travers les poignées, assurez-vous que la charge mesurée augmente linéairement. Quelque temps avant la défaillance de l’échantillon, le logiciel se met automatiquement en pause le test. Laisser l’échantillon sur la machine et retirer l’extensomètre. Reprendre l’application de la charge de traction jusqu'à la défaillance. En arrivant à la charge maximale, les charges mesurées commencent à diminuer. À ce stade, le spécimen commence à l’encolure. Rupture finale devrait avoir lieu dans cette région à col à travers la déchirure ductile.

Fois l’épreuve terminée, soulever la traverse, desserrez la poignée supérieure et retirez le morceau de spécimen. Desserrer l’étau de fond et enlever l’autre moitié de l’échantillon. Reporter la valeur à l’effort de traction maximal. Enregistrer les données enregistrées et la courbe contrainte-déformation.

Avec précaution, assembler les extrémités de l’échantillon fracturé et mesurez la distance entre les repères de mesure pour le 2000e plus proche d’un pouce. Enregistrer la longueur finale. Enfin, mesurer le diamètre de l’échantillon à la plus petite section pour le 2000e plus proche d’un pouce.

Pour déterminer les propriétés des matériaux, tout d’abord prendre un regard sur les données de l’A36 doux en acier laminées à chaud et les données pour acier dur laminé à froid C1018, respectivement.

Maintenant calculer l’allongement pour cent pour chaque échantillon, sachant la jauge finale et la première longueur de jauge. Calculer la réduction de la superficie pour chaque échantillon, en utilisant le diamètre final et le diamètre initial de l’échantillon. Enregistrez ces valeurs dans un tableau de résultats.

Puis, calculez d’autres paramètres du matériau en utilisant les courbes expérimentales de contrainte-déformation. Une comparaison rapide de ces courbes pour les deux spécimens montre leurs comportements élastiques et inélastiques très différents. De la souche beaucoup plue à des niveaux inférieurs du stress, l’acier A36 est plus doux et beaucoup plus malléable que l’acier C1018.

Pour l’acier de l’A36, la contrainte à la rupture est environ 58,6 kilopounds par pouce carré, sensiblement supérieur à la valeur nominale de 36,0 kilopounds par pouce carré. Contrainte maximale est environ 86,6 kilopounds pouce carré à une souche d’environ 20 %.

Ce complot agrandi montre un point de rendement à la hausse à environ 58,6 kilopounds par pouce carré et un rendement inférieur à environ 56,8 kilopounds par pouce carré. Début du plateau du rendement est également visible ici. Données de jauge de contrainte révèlent une région élastique linéaire pour l’acier de l’A36 avec une pente définie dans le module de Young d’environ 29 393 kilopounds par pouce carré. Ce résultat est très proche de la valeur nominale de 29 000 kilopounds par pouce carré.

Au point où les données s’écarte de la linéarité, nous pouvons déterminer que la limite proportionnelle est environ 55,58 kilopounds par pouce carré. Pour comparaison, en raison de la non linéarité de la courbe contrainte-déformation, l’acier C1018 a une très faible concentration maximale proportionnelle.

Les résultats de l’extensomètre couvre la souche jusqu'à 5 %. Données pour l’acier A36 montrent le plateau en plastique et le début d’écrouissage où la courbe s’élève encore à une souche d’environ 2,7 %. En revanche, le C1018 n’a aucun plateau de rendement clairs.

Terminer l’analyse des données en résumant les résultats du test pour les deux échantillons d’acier dans le tableau suivant.

L’allongement de l’acier doux laminé à chaud est de l’ordre de 25 à 40 %. En revanche, l’allongement de l’acier laminé à froid dur est seulement la moitié de ce montant. L’allongement pour cent est une valeur moyenne de la longueur du matériel entre les repères de mesure, mais la quasi-totalité de la déformation est localisée dans une petite région autour du point de rupture. Par conséquent, la souche locale pourrait être beaucoup plus grande que la moyenne.

L’examen physique des deux spécimens montrent de grandes différences dans la façon dont ils échouent, correspondant à des différences dans leurs courbes de contrainte-déformation.

L’acier A36 a une surface de rupture avec le matériel aspiré à la jante pendant la déformation finale progressive et grand allongement à contraintes inférieures, indiquant un métal très doux mais ductile.

En revanche, l’acier C1018 a une surface de rupture plat, correspondant à la rupture soudaine et beaucoup moins allongement à plu élevé souligne, caractéristiques de haute résistance mais faible ductilité.

Regardons quelques applications communes d’acier sous l’angle de la relation entre le stress et la fatigue.

Ingénieurs civils analyse structurelles effondrements de ponts et de bâtiments afin d’améliorer les futures conceptions structurales. Ce processus a mené aux composants tels que l’acier laminé de poutres en I pour les bâtiments de plusieurs étages, soudé profond-je-poutres de ponts et les boulons haute résistance et les attaches. Chacun nécessite différents types d’acier avec forces spécifiées et ductilities, souvent d’abord entendus par un examen de leurs courbes de contrainte-déformation.

Ingénieurs utilisent les caractéristiques de contrainte-déformation des matériaux pour rendre les voitures plus sûres. Connaissant la résistance et ductilité de l’armature et comment il se déforme en réponse aux forces d’impact, ingénieurs peuvent concevoir des corps d’une automobile à absorber l’énergie au cours de la collision et augmenter les chances de survivre à un crash.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux caractéristiques contrainte-déformation de l’acier.

Vous devriez maintenant savoir comment effectuer un essai de traction uniaxial afin de déterminer les propriétés de traction des matériaux métalliques et comment analyser les courbes effort-déformation pour aciers typiques.

Merci de regarder !

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