Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften von Stahl
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Overview
Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Die Bedeutung der Materialien für die menschliche Entwicklung ist eindeutig durch die frühe Klassifikationen der Weltgeschichte in Perioden wie die Steinzeit, Eisenzeit und Bronzezeit erfasst. Die Einführung der Siemens und Bessemer Prozesse produzieren Stähle in der Mitte der 1800er ist wohl die bedeutendste Entwicklung bei der Einführung der industriellen Revolution, die viel von Europa und den USA in der zweiten Hälfte des 19th verwandelt Jahrhundert von Agrargesellschaften in die Stadt- und mechanisierten Gesellschaft von heute. Stahl in fast unendlichen Variationen, ist alles um uns herum, von unsere Küchengeräte, Autos, Lebensadern wie elektrischen Übertragungsnetzen und Wasserverteilungssystemen. In diesem Experiment, das wir betrachten das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von zwei Arten von Stahl, die den Bereich in der Regel in hoch-und Tiefbau-Anwendungen – gebunden rollte eine sehr milde, warme Walzstahl zu einem harten, kalten ein.
Principles
Eisen Sie der Begriff Stahl häufig verwendet, um ein Material zu kennzeichnen, die hauptsächlich ist (Fe), oft im Bereich von 95 bis 98 %. Reines Eisen ist allotropen, mit einer Körper-zentrierten kubischen (BCC) Struktur bei Raumtemperatur, die ändert sich in ein flächenzentrierter kubische (FCC) Struktur über 912 ° C. Die leeren Räume in der FCC-Struktur und Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur können für andere Atome, wie Kohlenstoffatome (C), hinzugefügt oder durch Diffusion aus der interstitiellen (oder leeren) Leerzeichen entfernt werden. Diese Ergänzungen und die anschließende Entwicklung von verschiedenen Kristallstrukturen sind das Ergebnis von Heizung und Kühlung zu unterschiedlichen Preisen und Temperaturbereiche, ein Prozeß bekannt als Wärmebehandlung. Diese Technologie hat seit über 2000 Jahren bekannt, aber geheim gehalten, seit vielen Jahren in Anwendungen wie Damaskus Stahl, Wootz Stahl aus Indien (≈300AD) eingesetzt.
Wenn wir offenen Kreise in der FCC-Struktur zu erweitern, bis die Kugeln zu berühren, und dann schneiden Sie einen grundlegende Cube für diese atomare Struktur beginnen, ist das Ergebnis der Elementarzelle. Kugeln mit 41,4 % der Eisen-Atom-Durchmesser können hinzugefügt werden, bevor diese neuen Sphären beginnen, um das Eisen zu berühren. Kohlenstoffatome sind 56 % des Durchmessers des Eisens sind, so dass die neue Struktur verzerrt, wie Kohlenstoffatome eingeführt werden. Die Eigenschaften des Stahls können durch Ändern der Größe, Häufigkeit und Verteilung dieser Verzerrungen manipuliert werden.
Schmiedeeisen, einer der nützlichsten Vorgänger aus Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 %. Es stellt sich heraus, dass der optimale Kohlenstoffgehalt für Stähle aus zivile Anwendungen der Bereich von 0,2 bis 0,5 %. Viele der frühen metallurgischen Behandlungsprozess zielten auf Kohlenstoffgehalte bringen diese Ebenen in Mengen, die wirtschaftlich zu produzieren waren. Bessemer-Verfahren in den USA und der Siemens-Prozess im Vereinigten Königreich sind zwei der erfolgreicher Beispiele der frühen Techniken. Heute am häufigsten eingesetzten Verfahren sind der Elektrolichtbogenofen und den grundlegenden Sauerstoff-Ofen. Neben Kohlenstoff enthalten die meisten modernen Stählen Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Nickel (Ni) und andere Metalle in geringen Mengen, Festigkeit, Verformbarkeit und Zähigkeit zu verbessern. Ein einfaches Beispiel für die Auswirkung dieser Legierungen auf technischen Eigenschaften ist der so genannte Carbon-Äquivalent (CE):
Die CE ist ein brauchbarer Index bei der Bestimmung der Schweißbarkeit aus einem speziellen Stahl; in der Regel ist eine CE < 0,4 % Vertreter des Stahls, die schweißbar ist. Wie viele Verbindungen im Stahl-und Metallbau durch Schweißen hergestellt werden, ist dies ein brauchbarer Index zu erinnern, wenn Sie Materialien für den Bau angeben.
Wie in der Jupiter-Video über “Material Constants” erwähnt, müssen wir für die Modellierung, eine Beziehung zwischen Stress und Belastungen zu etablieren. Die beste einfache Beschreibung des Verhaltens vieler Materialien ist durch eine Stressstrain Kurve (Abb. 1) gegeben. Aufgrund der Schwierigkeiten mit Knicken beim Laden in der Kompression und Schwierigkeiten beim Laden eines Materials einheitlich in mehrere Richtungen läuft ein einachsiger Zugversuch in der Regel um eine Spannungs-Dehnungs-Kurve zu bestimmen. Dieser Test enthält grundlegende Informationen über die Technische Hauptmerkmale in erster Linie der homogenen metallischer Werkstoffe.
Die typische Zugversuch wird durch ASTM E8 beschrieben. ASTM E8 definiert Art und Größe des Prüflings zu verwendenden, typische Ausrüstung verwendet werden, und Daten für ein Metall Zugversuch gemeldet werden.
Abbildung 1: Spannungs-Dehnungs-Kurve für Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Da wir durch sehr große plastische Dehnungen messen müssen, die Dehnungsmessung nicht immer erfolgen mit Dehnungsmessstreifen über die gesamte Verformung reichen (bis zu 40 %); der Kleber fast immer vor der Probe Frakturen fehl. Ein Extensometer, besteht aus einem kleinen C-Rahmen mit auskragenden Armen instrumentiert mit Dehnungsmessstreifen und entsprechend kalibriert und dient in der Regel bis zu etwa 20 %. Da die Extensometer teure und empfindliche Instrument ist, muss es vor der Probe Frakturen entfernt werden; der Test wird gestoppt, und die Extensometer entfernt, kurz nachdem die Probe seine maximale Spannung und die maximale Verformung erreicht geschätzt Markierungen auf die Probe.
Die wichtigsten Eigenschaften von Interesse sind (Abb. 2):
Proportional Grenze: Die proportionale beträgt die maximale Spannung, die für die Belastung linear proportional zur Belastung bleibt, d. h. für die Hookes Gesetz streng geltenden () video – JoVE ist “Material Constants”). Dieser Wert ist in der Regel durch Stress Veränderungen zu betrachten, wenn der Testlauf unter Konstanten Kreuzkopf Geschwindigkeit Bedingungen bestimmt. Im linear elastischen Bereich die Stress-Rate ist proportional zur Belastung und ist im Idealfall konstant. Als das Material beginnt zu Plastifizieren, wie durch eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit belegt, beginnt die Stress-Rate zu sinken. Die proportionale Grenze wird als Stress bei die Vorspannung Rate beginnt zu sinken, getragen.
Punkt Ausbeute: Viele Metalle weisen eine scharfe Streckgrenze oder Stress, an dem die Stämme weiterhin rapide ohne Stress zu erhöhen. Dies wird belegt durch eine horizontale Linie oder Ausbeute Plateau, die Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Streckgrenze entspricht in etwa der Belastung bei der Schlupf beginnt in den atomaren Gittern auftreten. Dieser Slip ist ausgelöst durch einige kritische Schubkraft zu erreichen und ist viel niedriger, als wegen der zahlreichen Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur von ersten Grundsätzen berechnet werden kann. Einige Materialien, wie der Baustahl getestet in diesem Experiment gibt es ein kleinen aber spürbarer Rückgang der Stress, bevor das Material Ausbeute Plateau zu oberen und niedrigeren Renditen Punkteerreicht. Für Materialien, die keine klare Streckgrenze aufweisen, wird eine entsprechende Streckgrenze verwendet. Wir sehen diese Definition im Detail in der Jupiter-Video über “Stress-Stamm Eigenschaften von Aluminium”, die sich mit diesen Eigenschaften in Aluminium beschäftigt.
Abbildung 2: Definitionen von Variablen bei geringen Belastungen.
E-Modul: Elastizitätsmoduls eines Materials wird definiert als die Steigung des linearen Teils der Spannungs-Dehnungs-Diagramm wie in Abb. 2 dargestellt. Diese Eigenschaft wurde in dem Jupiter Video zu “Material Constants”diskutiert. E ist eine relativ große Anzahl: 30 x 106 Psi (210Gpa) für Stahl; 10 x 106 Psi (70 GPa) für Aluminium; 1,5 x 106 Psi (10,5 GPa) für Eiche; und 0,5 x 106 Psi (3.5 GPa) für Plexiglas.
Modul von Resilienz: Der Modul von Resilienz ist der Bereich unter den elastischen Teil der Spannungs-Dehnungs-Diagramm und hat Maßeinheiten von Energie pro Volumeneinheit. Der Modul von Resilienz misst die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren, ohne bleibende Verformungen.
Belastung Härten Modul: Wenn der Schlupf oder Luxation Bewegungen, die das Ertrag Plateau ausgelöst beginnen, erreichen die Korngrenzen (oder Bereiche wo die Gitter in verschiedenen Winkeln ausgerichtet sind), die Versetzungen beginnen, “anhäufen”, und zusätzlicher Energie ist erforderlich, um zu verbreiten ihre Bewegung in anderen Getreidearten. Dies führt zu eine Versteifung im Spannungs-Dehnungs-Verhalten, obwohl die Belastung Modulus Härten in der Regel mindestens eine Größenordnung unterhalb des Elastizitätsmoduls.
Endfestigkeit: Dies ist der Maximalwert der engineering Stress während der Prüfung erreicht und tritt kurz vor die Probe zum Hals beginnt (oder Bereich ändern) deutlich (Abb. 3).
Max. Belastung: Dieser Wert wird als Stamm Wert genommen, wenn die Probe zerbricht. Da die Extensometer in der Regel durch die Zeit entfernt wurde bekommen wir zu diesem Punkt im Test und die Verformung (Einschnürung) in einer sehr kurzen Entfernung entlang der Länge des Prüfkörpers lokalisiert hat, dieser Wert ist sehr schwierig, experimentell zu messen. Aus diesem Grund werden eine gleichmäßige Dehnung und eine prozentuale Dehnung häufig verwendet, wenn Sie Materialien anstelle eine maximale Dehnung Wert angeben.
Abbildung 3: Definitionen zu großen Belastungen.
Gleichmäßige Dehnung: Die prozentuale Dehnung ist definiert als die prozentuale Dehnung (Länge/Original Längenänderung) der Probe kurz bevor Einschnürung erfolgt.
Prozent Dehnung: In der Regel zwei Markierungen, nominell 2 Zoll auseinander, die Probe vor der Prüfung erfolgen. Nach dem Test die zwei Stücke des gebrochenen Exemplars sind so gut wie möglich zusammengestellt, und die endgültige Verformung zwischen den Marken nachgemessen. Dies ist eine grobe, aber nützliche Möglichkeit Minimale Dehnung für Materialien in einem technischen Umfeld zu spezifizieren.
Prozent-Bereich: Ähnlich ist es, prozentuale Dehnung, kann man versuchen, ein Maß für das letzte Gebiet der gebrochenen Probe machen. Durch die Aufteilung der Kraft kurz vor Bruch von diesem Bereich, ist es möglich, einen Überblick über die wahre Stärke des Materials zu erhalten.
Härte: Zähigkeit wird definiert, um die gesamte Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Diagramm werden. Es ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, große, dauerhafte Verformungen vor dem Bruch zu unterziehen. Ihre Einheiten sind identisch mit denen für das Modul von Resilienz.
Die oben beschriebenen Eigenschaften können verwendet werden, zu beurteilen, wie gut ein bestimmtes Material diskutierten in dem Jupiter Video zu “Material Constants”Performance-Kriterien entspricht. Soweit die Sicherheit betrifft, sind die Festigkeit und Verformung Kapazität Merkmale Schlüssel; Diese Eigenschaften werden in der Regel unter dem Begriff gruppiert duktiles Verhalten. Duktiles Verhalten impliziert, dass ein Material wird nachgeben und in der Lage, seine Stärke über eine große plastische Verformung Regime aufrecht zu erhalten. Eine große Zähigkeit ist wünschenswert, die in der Praxis bedeutet, dass eine Struktur zu Anzeichen einer drohenden Ausfall, z.B. sehr große sichtbare Verformung, bevor es ein katastrophaler Zusammenbruch kommt, so dass seine Insassen Zeit, um die Struktur zu evakuieren, geben wird.
Im Gegensatz dazu wird Materialien, die spröde Verhalten im Allgemeinen in einer plötzlichen, katastrophalen Weise Versagen. Dies ist der Fall von cementatious und keramische Materialien, die Arme dehnbare Kapazität aufweisen. Ein Betonbalken wird auf diese Weise fehl, da es sehr schwach in Spannung ist. Um diese Falle zu beseitigen, setzt man verstärkt Stabstahl Betonbalken, wandeln sie in Stahlbetonbalken Zug-und Umgebung.
Es ist wichtig zu erkennen, dass spröde und duktiles Verhalten keine inhärente Materialverhalten. Wie wir, in dem Jupiter-Video über “Rockwell-Härte-Test” sehen werden, ein Kohlenstoffstahl, der duktilen bei Raumtemperatur und unter eine geringe Belastung Rate Belastungsbedingungen sehr schnell laden Zustand (Impact) Belastung bei niedrigen Temperaturen ist zu unterwerfen können zu führen. spröde Verhalten. Darüber hinaus ist es wichtig zu erkennen, dass einige Materialien, z. B. Gusseisen sehr spröde Spannung sein können, duktilen in Kompression.
Zwei andere wichtige materielle charakteristisch, die an dieser Stelle definiert werden müssen, wie sie Einfluss auf unsere Auswahl an Material, Modellierung, sind Isotropie und Homogenität. Ein Material wird gesagt, isotrope wenn seine elastischen Eigenschaften in allen Richtungen gleich sind. Die meisten Werkstoffe bestehen aus Kristallen, die klein im Vergleich zu den Dimensionen des gesamten Körpers sind. Diese Kristalle zufällig ausgerichtet sind, kann also statistisch das Verhalten des Materials isotrop gelten. Andere Materialien, wie Holz und andere faserigen Materialien können in beiden Richtungen nur ähnliche elastische Eigenschaften haben (orthotropen) oder in allen drei Raumrichtungen (anisotrop).
Auf der anderen Seite soll ein Material homogen sein, wenn seine elastischen Eigenschaften im ganzen Körper identisch sind. Für gestalterische Zwecke werden die meisten Baumaterialien möglichst homogen angenommen. Dies gilt auch für Materialien wie Beton, die verschiedene Phasen (Mörtel und Steinen), wo wir sind in der Regel über Charakterisierung viel größere Volumina, die statistisch homogen betrachtet werden können.
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!