Mechanical properties of cold-formed stainless steel

Abstract

Korozivzdorná ocel je specifický materiál, který se svým chováním liší od uhlíkové oceli, což vyžaduje odlišný přístup při navrhování stavebních konstrukcí. Jedním z hlavních znaků všech korozivzdorných ocelí, který doposud nebyl uspokojivě prozkoumán a nebyl zohledněn v normách pro navrhování, je výrazná změna pracovního diagramu způsobená tvářením za studena během výroby zejména dutých průřezů. V posledních desetiletích byly stanoveny různé vztahy pro popis základních materiálových charakteristik těchto profilů, které využívají rozdílných parametrů potřebných pro výpočet a získávají i rozličné výsledné hodnoty. Některé jsou přesnější pro malá přetvoření (očekávaná ve stavebních konstrukcích), jiné jsou přesnější pro vyšší hodnoty deformace. Současně publikovaný výzkum se také liší ve stanovení základních materiálových charakteristik jako modulu pružnosti, parametrech nelinearity, smluvní meze kluzu a pevnosti či tažnosti. Zvláště pro za studena tvářené oceli se tyto veličiny mohou významně lišit. Níže uvedený výzkum zahrnuje experimentální program zaměřený na zkoušky netvářeného i tvářeného materiálu ze čtyř druhů ocelí: austenitické (1.4404), feritické (1.4003), austeniticko-feritické = duplexní (1.4462) a nízkolegované austeniticko-feritické, tzv. lean-duplexní (1.4162). Tyto vybrané druhy reprezentují nejvíce používané typy korozivzdorných ocelí pro konstrukční účely zpracovávané tvářením zastudena. Získaná data společně s ostatními dostupnými výsledky dalších výzkumů slouží jako podklad pro analytickou část práce. Hlavním úkolem disertační práce bylo stanovit analytické řešení pro popis pracovního diagramu celého průřezu vyrobeného pomocí tváření za studena do formy hranaté nebo kruhové trubky. Dalším cílem bylo určit vztahy pro další mechanické vlastnosti průřezu, jako jsou tažnost nebo mez pevnosti, jelikož tato problematika nebyla dosud dostatečně prozkoumána. Uvedené závěry mohou přispět k nejnovějším postupům pro navrhování a pomoci zpřesnit výpočty metodou konečných prvků využívající zvýšené mechanické vlastnosti zastudena tvářených prvků.

Stainless steel is material of many specific properties. Structural behaviour significantly differs from carbon steel and demands more sophisticated structure design. One of the main attributes of all stainless steel grades that haven't been satisfactorily investigated is the significant change of stress-strain behaviour due to cold-forming in fabrication process of structural elements. In the last decades some proposals for the most basic material properties have been developed. These models work with various material parameters and result in different values. Some of them show a good agreement in the range of strain expected in service of load-bearing structures, other are in good agreement at higher strains. Current experimental results obtained from the recent approaches demonstrate also different values for basic material characteristics, especially for the modulus of elasticity, parameters of nonlinearity, 0.2% proof strength, ultimate tensile strength or ductility. Particularly, material properties of steel in cold worked conditions can differ a lot as it is stated herein. Presented research project involves testing programme focused on virgin and cold-worked elements of four stainless steel grades: austenitic (1.4404), ferritic (1.4003), duplex (1.4462) and lean duplex (1.4162). Selected grades represent the most used families of stainless steel specific for structural purposes and used for section fabricating via cold-forming. Gathered data together with other available experimental results serve as a base for the analytical part of the thesis. The main task of the thesis was to establish an analytical solution for a stress-strain diagram of a whole structural section represented by rectangular or circular hollow sections. Further objective was to establish relationships for mechanical properties such as ductility or ultimate strength as these issues of current research have not been sufficiently investigated yet. Conclusions stated herein might contribute to the newest design codes and help to precise finite element analyses using enhanced properties of cold-worked stainless steel.