شیب فلات عملکرد در فولادهای کربن سازه ای

بر روی شیب فلات عملکرد در فولادهای کربن سازه ای

روش های طراحی جدیدی درحال توسعه است که به اجزای فولاد استوکی اجازه میدهد تا به شرایط پلاستیک کامل برسند و حتی از آن فراتر بروند. برای اعتبارسنجی نظری، چنین روش هایی به تفسیر رفتار تنش - کرنش تک محوره در فولاد سازه ای فراتر از نمایش الاستیک - پلاستیک ایده آل نیاز دارند. با این حال، در حال حاضر خواص سفت شوندگی فشار در فولادهای کربن توسط استانداردها و یا هیچ تولید کنندۀ فولاد تضمین نشده است. با این اوصاف، فرضیاتی ممکن است براساس مقادیر مناسب این خواص ارائه شود که اغلب مبتنی بر اطلاعات محدود در قالب منحنی های تنش - کرنش منفرد هستند. این مقاله با استفاده از یک مثال در محاسبۀ عناصر الاستیک - پلاستیک نشان میدهد که یک سازۀ لوله شکل خوب میتواند با باریکی قابل مقایسه با استانداردهای نا مناسب تعریف شده و با استفاده از آزمایش در هنگام استفاده از یک سطح بسیار متوسط از سخت شدن کرنشی در اولین عملکرد به شرایط پلاستیکی کامل برسد. سپس این فرضیه مطرح میشود که فلات عملکرد در منحنی تنش - فشار برای فولادهای کربن سازه ای که بطور کلاسیک بصورت مسطح و با مدول مماس صفر تیمار شدند، در واقع یک شیب کوچک است اما ازلحاظ آماری قابل توجیه نیست. درنهایت، به نظر می رسد یک مجموعه قوی از تحلیل رگرسیون خطی شیب های فلات عملکردی که از 225 نمونه آزمایش کششی استخراج شده است، از این فرضیه حمایت می کنند و به این نتیجه رسیدند که شیب فلات از0.3  درصد از مدول الاستیک اولیه است؛ مطابق با اینکه عنصر محدود برای احیای شرایط کامل پلاستیک در باریکی های تجربی کافی است.

مدتها است که محققان به این نتیجه رسیدند که با فرض نمایش الاستیک - پلاستیک ایده آل از رابطۀ تنش - فشار برای فولاد نمیتوان لحظۀ پلاستیک کامل یک سطح مقطعی را در کرنش ها بدست آورد. همچنین کاملآ اثبات شده است که آزمایشات بر روی اجزای سازه شرایط پلاستیکی کامل را بطور قابل توجهی در باریکی محدود نشان می دهد. در گذشته، این عدم تطابق اغلب توسط مهندسان نادیده گرفته میشد زیرا تمرکز بر قدرت اجزای سازه ای منفرد بود که شواهد آزمون برای آنها کافی بوده و از قوانین تجربی بر پایه آزمایشات اجزای سازه در طراحی استفاده می شد. با این حال، در دنیای مدرن با اشکال سازه ای نوآورانه و پیچیده، نرم افزار قدرتمند و بودجه محدود برای انجام آزمایشات میتوان گفت که تدوین قوانین جدید تجربی براساس مطالعات محاسباتی که فقط به حداقل کالیبراسیون تجربی نیاز دارند بسیار ضروری است. برهمین اساس، تفسیر مطمئن و ایمن از رفتار مواد پس از بازدهی ضروری است؛ هدف از این مقاله ایجاد چنین خصوصیاتی است. همچنین در سال های اخیر شاهد توسعه روش های طراحی جدید در سازه های فولادی مانند منحنی ظرفیت تعمیم یافته، طراحی مقاومت مرجع و روش مقاومت مداوم بوده ایم که بطور رسمی اجازه میدهد مقاومت پلاستیکی کامل یک سازه بدست آمده و حتی از آن فراتر رود. توسعه آنها براساس پیشرفت های چشمگیر در مدل سازی محاسباتی صورت می گیرد که اکنون میتواند پیچیدگی های بزرگ سازه و مواد را برطرف کند. با این حال، برای تبدیل شدن به یک ابزار طراحی مؤثر و گسترده، هریک از این روش های جدید به دانش مطمئنی از خواص سخت شدن فشار پس از عملکرد مواد نیاز دارند. متأسفانه این خواص به ندرت با قطعیت شناخته میشوند؛ در هیچ استاندارد مواد سازه ای فولاد تعریف نشده و حتی توسط هیچ تولید کنندۀ فولاد تضمین نمیشودو با بررسی بیشتر در تعریف رابطۀ تنش- فشار در مدل سازی محاسباتی، مسئله اختلاف بین نتایج بدست آمده از آزمایش کنترل کشش و رفتار فولاد در سازه مطرح میشود. اول، بطور کلاسیک فرض بر این است که آزمایش کشش نیز نشان دهندۀ رفتار فشاری باشد، بنابراین از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا رفتار سازه ای برای سازه های فولادی تحت تأثیر ملاحظات پایداری است. دوم، آزمون کشش با مرزهای دقیق ساخته شده، فاقد آنها یا هرگونه نقص و تغییر در ساختارهای واقعی است که میتواند باعث ظهور نوارهای لودر و بازده محلی شود؛ قبل از حالت بازده کلی تر در تنش متوسط کمی بالاتر. بنابراین دلایلی وجود دارد که بتوان باور داشت که آزمون کششی ارزیابی محتاطانه ای از مدل سازی مواد را ارائه میدهد که بایستی برای بهترین ارزیابی سازه های کامل استفاده شود.

بسیاری از تحولات خلاقانه و ابتکاری در زمینۀ سازه های فلزی وجود دارد که بیشتر شامل سیستم های سازه ای میشود نه عناصر سازه ای منفرد؛ علاوه براین، شکل پذیری و پایداری نیز بسیار مهم است. در گذشته، آزمون آزمایشی سازه های فلزی به شدت به عناصر منفرد متکی بوده است و با استفاده از تیمارهای تجربی بر پایه آمار و حتی نتایج احتمالی در سیستم های ساختاری کامل، به قوانین طراحی تبدیل شده است. اما این آزمایش پر هزینه است، پارامترهای مختلف رفتار موارد را تحت تأثیر قرار میدهند و حتی تیمار آماری به آزمایشات "یکسان" بسیاری نیاز دارد؛ بنابراین شرایط اقتصادی ایجاب می کند که بجای آن بتوان از مدلسازی محاسباتی برای ارائه توجیهی ایمن استفاده کرد. اما چنین مدلسازی تنها در صورت ایمن بودن خواص مواد میتواند رفتار اولیه پس از بازده فولاد را با اطمینان مشخص کند زیرا تقاضای رقابتی و انعطاف پذیری معمولآ منجر به شرایط پایدار در کرنش کوچک میشود. این دیدگاه آینده نگر تنها علت در انجام این مطالعه محسوب میشود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، مهندسی منحنی تنش - فشار کششی در فولادهای کربن سازه ای بطور کلاسیک به سه حالت مجزا تقسیم میشوند: اولین حالت کشش خطی است تا نقطه بازده بالایی پس از افت کم تنش به مقدار " بازده پایین " و فشار مداوم در امتداد " فلات عملکرد " جریان پلاستیک بدون هیچ گونه تغییر خاصی در تنش است؛ نوارهای لودر در تشکیل پلاستیک ازطریق نمونه منتشر میشوند. زمانی که کل نمونه به فشار لودر εL برسد، فشار بیشتر باعث بالا رفتن تنش (سخت شدن کرنش) میشود و در نهایت، به حداکثر مقدار رسیده و پس از آن منجر به شکستگی میشود. همچنین براساس این شکل میتوان گفت که طول آن به روند ساخت و سابقۀ کرنش فولاد بستگی دارد و خواص ماده ذاتی نیست. علاوه براین به ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی، اندازه دانه، پیری کرنش، میزان بارگذاری در آزمایشات، تراز نمونه ها و دکل آزمایش نیز وابسته است. رابطه تنش - فشار معمولآ بصورت قطعات خطی ایده آل صورت گرفته است.

تقسیم بندی کلاسیک مهندسی منحنی تنش- فشار برای فولاد کربن سازه ای

حالت دوم فلات عملکردی را نادیده میگیرد اما فرض بر این است که سخت شدن کرنش خطیEh   در اولین کرنش عملکرد Ey=σy/Enom با افزایش تنش تا مقاومت کششی نهاییEu  آغاز میشود. نوع سوم همانند واریانت دوم است اما شامل یک فلات بازدهی با طول محدود میشود که طول n برای بیش از 15 بار yε با مدول های مماسEh  بین 0.3 تا 4 درصد پیشنهاد شده است.

یافته های حاصل از این مطالعه براساس مجموعه داده های 225 منحنی تنش - فشار در فولادهای کربن سازه ای است که در ابتدا برای اهداف این تحقیق بدست نیامده اند و بنابراین بایستی با احتیاط تیمار شوند:

- اصول طراحی فعلی برای اجزای سازۀ انبوه و سایر سازه ها با محاسبه قابل توجیه نیستند؛ مگر اینکه یک مدول تانژانت برای سخت شدن کرنش پس از عملکرد فولاد تضمین شود. اگر سخت شدن کرنش واقعی با فلات عملکرد طولانی با مدول مماس صفر همراه باشد، اصول طراحی فعلی نیز قابل توجیه نیستند.

- از محاسبه ساده غیرخطی الاستیک - پلاستیک برای نشان دادن این واقعیت استفاده شده است که فقط مقدار بسیار کمی از سخت شدن کرنش که بلافاصله پس از اولین عملکرد شروع میشود، کافی است تا به مقاومت کامل پلاستیکی در قطعات دایره ای توخالی با مقادیر پشتوانه آزمایشی برسد. سخت شدگی ملایم فقط بایستی حدود 3 درصد یا کمتر از مدول الاستیک اسمی باشد.

- نتایج بدست آمده از این منحنی ها برای بررسی این احتمال بطور گسترده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است که فلات عملکرد ممکن است دارای شیب مثبت سیستماتیک باشد؛ مربوط به مقادیر متوسط سخت شدن کرنش مورد نیاز و تعریف شده توسط محاسبۀ عنصر محدود. صفحات عملکرد برای اولین بار شناسایی و تجزیه شدند؛ هر فلات متعاقبآ با استفاده از حداقل مربعات رگرسیون خطی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت تا میانگین شیب فلات آن (مدول مماس) استخراج شود و از لحاظ آماری نیز توجیه شود. انجام مطالعه با حساسیت پایین به واریانس اختلاف ازطریق همبستگی احتمالی نشان داد که سطح توجیه آماری بطور گسترده ای حتی باوجود ریسک بالا، همچنان ادامه دارد.

- از این تعداد منحنی، در 195 مورد (86.7 درصد) فلات عملکرد با شیب مثبت و در 175 مورد دیگر (77.8 درصد) رضایت آماری 95 درصدی مشاهده شده است. براساس محاسبه عنصر محدود، میانگین شیب فلات تقریبآ 0.3 درصد از مدول الاستیک اسمی است.

- گروه کوچکی از 17 منحنی (7.6 درصد) با شیب فلات عملکرد منفی دارای سطح رضایتمندی 95 درصدی و 0.2 درصد از مدول الاستیک اسمی هستند. این امر در خطاهای فرایند آزمایش اعمال شده است.

- باتوجه به اینکه مجموعه داده ها "متمرکز و یکپارچه" هستند، تیمار آماری کامل تر نشان داده است که درجه فولاد ازلحاظ آماری در شیب فلات معناداری قرار دارد و این شیب بایستی برای تمامی درجه های فولاد مورد مطالعه مثبت باشد.

- مشخص شد که دستیابی به وجود شیب مثبت و مطلوب آماری در فلات با تخلیه نمونه و بارگیری مجدد آن در فلات برای ارزیابی مدول الاستیک میسر میشود، اما این کار باعث افزایش پراکندگی و واریانس در متغیرها میشود.

- همچنین مشخص شد که متغیرهای مربوط به کرنش برای تعیین مدول های سخت شوندگی و شکل پذیری بطور مداوم خطاهای استاندارد بالاتر و ضرایب تغییر را از متغیرهای تنش عملکرد و مقاومت های نهایی نشان میدهند. اگرچه این امر ممکن است نشان دهندۀ تفاوت بیشتری در اندازه گیری دقیق فشارها باشد، اما ازطرفی نشان میدهد که پارامترها بطور بالقوه دارای تنوع آماری بالایی هستند.

- منحنی تنش - فشار نسبت به گزارشات معمولی معمولآ حاوی اطلاعات مفیدتری است. نویسندگان جامعه پژوهش مهندسی سازه را قویآ تشویق می کنند تا مجموعه داده های آزمایش کششی موجود را بررسی کرده و آنها را با استفاده از یک روش مشابه پیشنهاد شده در این مقاله با هدف بازتولید و تصدیق یافته های ارائه شده در اینجا کشف کنند.

- استفاده از برنامه آزمایشی دقیق برای تعیین نهایی و پیشنهاد مرزهای خواص پس از بازده در رایج ترین فولادهای سازه ای منقضی شده است.