Residual stresses in prestressing wires

• Autorzy: Atienza J. M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/24.2015.1.1

Warianty tytułu

PL

Naprężenia własne w drutach do betonu sprężonego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Cold-drawn eutectoid steel wires can be seen as, in present day terminology, nano-composite, nano-laminate material (of alternating ferrite and cementite lamellae) with outstanding properties of strength and toughness. These wires are used in prestressed concrete structures to provide compressive stresses to the concrete. For that purpose, they are loaded up to 60 to 70% of their tensile strength. Although the loading stress is lower than the elastic limit (around 85% of the tensile strength), failure may occur in service conditions due to stress corrosion. Wire failure reduces the load bearing capacity and may lead to catastrophic collapse of the prestressed structure. With modern computational techniques it is possible to estimate the stresses to which the wires would be subjected in service. However, this could not be enough to predict the performance of the wires because the presence of residual stresses, which will be added to the service stresses, can seriously affect the life of the component [1]. Residual stresses arise as a consequence of the inhomogeneous plastic deformations associated with cold drawing. Producers are conscious of their harmful effects and try to reduce their influence by post-drawing treatments. Hence, it is very important to know the distribution of residual stresses generated by drawing and to understand the mechanism to modify them. The problem is that severe plastic deformation, anisotropy and the presence of cementite make experimental measurements and simulations in this kind of wires a difficult task. Until now, the measuring of residual stresses was considered more a scientific problem and even revealing their presence was a challenging task. However, wire manufacturers were aware of the deleterious effect produced by the presence of tensile residual stresses at the surface of the wires after drawing. That is the reason why they consider residual stresses both dangerous and damaging, and hence attempt to reduce their influence by stress relieving treatments. But residual stresses may also have beneficial effects if we are able to obtain the desired profile. With the advent of powerful experimental techniques for measurement of residual stresses — such as neutron and X-ray diffractometers — and of faster computers to simulate numerically the wire drawing processes, this phenomenon is seen now in a new light. A significant research effort has been undertaken in recent years in order to understand, measure and control the residual stresses in cold-drawn wires. This paper reviews the authors´ work on the field.

PL

Druty ze stali eutektoidalnej ciągnione na zimno mogą być postrzegane według współczesnej terminologii jako nanokompozyty, materiał nanolaminowany (przemienny układ płytek ferrytu i cementytu) o wysokich poziomie wytrzymałości i ciągliwości. Takie druty są stosowane w elementach do betonu sprężonego, aby wprowadzić w nim naprężenia ściskające. W tym celu są one obciążone do 60÷70% ich wytrzymałości na rozciąganie. Jakkolwiek naprężenie obciążające jest niższe niż granica sprężystości (około 85% wytrzymałości na rozciąganie), podczas eksploatacji konstrukcji pęknięcia mogą wystąpić w wyniku korozji naprężeniowej. Pęknięcia drutów zmniejszają ich zdolność do przenoszenia obciążeń i mogą doprowadzić do katastrofalnych zniszczeń konstrukcji z betonu sprężonego. Wykorzystując nowoczesne techniki komputerowe można oszacować naprężenia jakimi druty będą poddane w eksploatacji. Jednak nie jest to wystarczające, aby przewidzieć zachowanie drutów ze względu na obecność w nich naprężeń własnych, które mogą się sumować z naprężeniami z eksploatacji i poważnie mogą skrócić żywotność elementu [1]. Naprężenia własne powstają w konsekwencji niejednorodności odkształcenia plastycznego związanego z procesem ciągnienia na zimno. Wytwórcy zdają sobie sprawę z niekorzystnego wpływu tych naprężeń i próbują zmniejszyć ich wpływ przez różne obróbki po procesie ciągnienia. Stąd jest bardzo ważnym, aby znać rozkład naprężeń własnych generowanych w procesie ciągnienia i poznać mechanizm modyfikowania ich wielkości. Problemem jest, że duże odkształcenia plastyczne, anizotropia i obecność cementytu powodują, że pomiary doświadczalne i symulacje komputerowe dla tego rodzaju drutów są trudnym zadaniem. Do teraz pomiary naprężeń własnych były traktowane jako problem naukowy i nawet ujawnienie ich obecności było dużym wyzwaniem. Producenci drutów zdawali sobie sprawę ze szkodliwego efektu związanego z obecnością rozciągających naprężeń własnych na powierzchni drutów po procesie ciągnienia. Jest to powodem, dlaczego naprężenia własne są traktowane jako niebezpieczne i niszczące i stąd próby, aby zmniejszyć ich wielkość poprzez różne obróbki odprężające. Naprężenia własne mogą mieć również korzystne efekty, jeżeli jesteśmy zdolni otrzymać ich pożądany rozkład na przekroju poprzecznym drutu. Dostępność technik doświadczalnych do pomiaru naprężeń własnych, takich jak dyfraktometry neutronowe i rentgenowskie oraz szybsze komputery do symulacji numerycznych procesu ciągnienia drutów, pozwalają widzieć ten problem w nowym świetle . W ostatnich latach podjęto znaczny wysiłek badawczy, aby zrozumieć, zmierzyć i kontrolować naprężenia własne w drutach ciągnionych. Niniejszy artykuł jest przeglądem prac autora w tym zakresie.

Słowa kluczowe

EN

residual stresses; prestressing wires

PL

naprężenia własne; drut; beton sprężony

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Hutnik, Wiadomości Hutnicze
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 82, nr 1
• Strony: 6--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Atienza J. M.

• Universidad Politécnica de Madrid UPM, ETSI Caminos, Canales y Puertos, Depto Ciencia de Materiales, c/ Prof Aranguren s/n. 28040 Madrid, Hiszpania

Bibliografia

• 1. Elices M.: Influence of residual stresses in the performance of cold-drawn pearlitic wires, Journal of Materials Science, vol. 39, 2004, no. 12, pp. 3889÷3899
• 2. Withers P. J., Bhadeshia H.K.D.H.: Residual stress. Part 1-Measurement techniques, Materials Science and Technology, vol. 176, 2001, pp 355÷365
• 3. Noyan I.C., Cohen J.B.: Residual Stress: Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1987
• 4. Atienza J.M.: Residual stresses in cold drawn steel wires. PhD Thesis, Polytechnique University of Madrid, Spain, 2001
• 5. Daymond M. R., Priesmeyer H. G.: Elastoplastic deformation of ferritic steel and cementite studied by neutron diffraction and self-consistent modeling, Acta Materialia, vol. 50, 2001, pp. 1613÷1626
• 6. Martinez-Perez M.L., Mompean F.J., Ruiz-Hervias J., Borlado C.R., Atienza J.M., García-Hernandez M., Elices M., Gil Sevillano J., Lin Peng Ru, Buslaps T.: Residual stress profiling in the ferrite and cementite phases of cold-drawn steel rods by synchro- tron X-ray and neutron diffraction, Acta Materialia, vol. 52, 2004, pp 5303÷5313
• 7. Atienza J.M., Ruiz-Hervias J., Caballero L., Elices M.: Residual stresses and stress corrosion in cold drawn eutectoid steel wires. Wire Journal International, 2007, no. 7, pp 53÷57
• 8. Atienza J.M., Elices M.: Influence of residual stresses in the tensile test of cold drawn wires. Materials and Structures, vol. 36, 2003, pp. 548÷552
• 9. CEB-FIP (1990). Model Code 1990, Lausanne, (1991). ASTM-A421 (1991), EHE-UNE 36094 (1994), BS-2691 1991
• 10. Atienza J.M., Elices M.: Role of residual stresses in the stress relaxation of prestressed concrete wires. Journal of Materials in Civil Engineering vol. 19, 2007, no. 8, pp. 703÷707