מאפייני מתח-מתח של פלדות
English
Share
Overview
מקור: רוברטו ליאון, המחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית, וירג’יניה טק, בלקסבורג, VA
חשיבות החומרים להתפתחות האנושית נתפסת בבירור על ידי הסיווגים המוקדמים של ההיסטוריה העולמית לתקופות כגון תקופת האבן, תקופת הברזל ותקופת הברונזה. כניסתם של תהליכי סימנס ובסמר לייצור פלדות באמצע המאה ה-19 היא ללא ספק ההתפתחות החשובה ביותר בהשקת המהפכה התעשייתית שהפכה את רוב אירופה וארה”ב במחציתהשנייה של המאה ה-19 מחברות חקלאיות לחברות העירוניות והמוכן של ימינו. פלדה, בווריאציות הכמעט אינסופיות שלה, נמצאת סביבנו, ממכשירי המטבח שלנו למכוניות, לקווי חיים כגון רשתות הולכה חשמליות ומערכות חלוקת מים. בניסוי זה נבחן את התנהגות מתח-המתח של שני סוגי פלדה שקשרו את הטווח שנראה בדרך כלל ביישומי הנדסה אזרחית – מפלדה מגולגלת קלה וחמה מאוד ועד פלדה מגולגלת קשה וקרה.
Principles
המונח פלדה משמש בדרך כלל כדי לציין חומר שהוא בעיקר ברזל (Fe), לעתים קרובות בטווח של 95% עד 98%. ברזל טהור הוא אלוטרופי, עם מבנה מעוקב (BCC) ממוקד גוף בטמפרטורת החדר שמשתנה למבנה מעוקב (FCC) במרכז הפנים מעל 912°C. החללים הריקים במבנה ה-FCC והפגמים במבנה הגביש מאפשרים להוסיף או להסיר אטומים אחרים, כגון אטומי פחמן (C), באמצעות דיפוזיה מהחללים הביניים (או הריקים). תוספות אלה, והתפתחותם של מבני גביש שונים, הן תוצאה של חימום וקירור בקצבים שונים וטווחי טמפרטורה שונים, תהליך המכונה טיפול בחום. טכנולוגיה זו ידועה כבר למעלה מ-2,000 שנה, אך נשמרה בסוד במשך שנים רבות ביישומים כמו פלדה מדמשק, שהשתמשה בפלדת ווץ מהודו (≈300 לספירה).
אם נרחיב את העיגולים הפתוחים במבנה ה-FCC עד שהספירות יתחילו לגעת, ואז נחתוך קובייה בסיסית למבנה האטומי הזה, התוצאה היא תא היחידה. ניתן להוסיף כדורים עם 41.4% מקוטר אטום הברזל לפני שספירות חדשות אלה מתחילות לגעת בספירות הברזל. אטומי פחמן הם 56% מקוטר הברזל, כך שהמבנה החדש מתעוות כאשר אטומי פחמן מוצגים. המאפיינים של פלדה ניתן לתמרן על ידי שינוי הגודל, התדירות, והפצה של עיוותים אלה.
ברזל יצוק, אחד מקודמיו השימושיים ביותר של פלדה, יש תוכן פחמן של יותר מ 2%. מתברר כי תכולת הפחמן האופטימלית לפלדות מיישומים אזרחיים היא בטווח של 0.2% עד 0.5%. רבים מתהליך הטיפול המטלורגי המוקדם נועדו להביא את תכולת הפחמן לרמות אלה בכמויות שהיו חסכוניות לייצור. תהליך Bessemer בארה”ב ותהליך סימנס בבריטניה הם שתיים מהדוגמאות המוצלחות יותר לאותן טכניקות מוקדמות. התהליכים הנפוצים ביותר כיום הם תנור הקשת החשמלי ותרן החמצן הבסיסי. בנוסף לפחמן, רוב הפלדות המודרניות מכילות מנגן (Mn), כרום (Cr), מוליבדן (Mo), נחושת (Cu), ניקל (Ni), ומתכות אחרות בכמויות קטנות כדי לשפר את כוח, עיוות, וקשיחות. דוגמה פשוטה של ההשפעה של סגסוגות אלה על תכונות הנדסיות היא מה שנקרא שווה ערך פחמן (CE):
CE הוא מדד שימושי בקביעת ריתוך של פלדה מסוימת; בדרך כלל, CE < 0.4% מייצג פלדה כי הוא ריתוך. כמו חיבורים רבים מבני מתכת נעשים על ידי ריתוך, זהו אינדקס שימושי לזכור בעת ציון חומרים לבנייה.
כפי שצוין בסרטון JoVE לגבי “קבועים חומר” , למטרות דוגמנות אנחנו צריכים ליצור קשר כלשהו בין מתח וזנים. התיאור הפשוט הטוב ביותר של התנהגותם של חומרים רבים ניתן על ידי עקומת מתח (Fig.1). כתוצאה מבעיות עם קורס בעת טעינה בדחיסה וקשיים בטעינת חומר באופן אחיד ביותר מכיוון אחד, מבחן מתיחה יוניאקסיאלי מופעל בדרך כלל כדי לקבוע עקומת מתח-מתח. בדיקה זו מספקת מידע בסיסי על המאפיינים ההנדסיים העיקריים בעיקר של חומרים מתכתיים הומוגניים.
מבחן המתח הטיפוסי מתואר על ידי ASTM E8. ASTM E8 מגדיר את הסוג והגודל של דגימת הבדיקה לשימוש, ציוד טיפוסי לשימוש, ונתונים שיש לדווח עבור בדיקת מתח מתכת.
איור 1: עקומת מתח לפלדת פחמן נמוכה.
מכיוון שעלינו למדוד באמצעות זני פלסטיק גדולים מאוד, מדידת המתח לא תמיד יכולה להתבצע עם בדיחות מאמץ על כל טווח העיוות (עד 40%); הדבק כמעט תמיד ייכשל לפני שברי הדגימה. מגבר, המורכב ממסגרת C קטנה עם זרועות מכווצות עם בדיחות מאמץ וכיול הולם, משמש בדרך כלל עד כ -20%. מאז extensometer הוא מכשיר יקר ועדין, זה צריך להיות מוסר לפני שברי הדגימה; הבדיקה תיעצר, והמקסים יוסרו זמן קצר לאחר שהדגימה תגיע ללחץ המרבי שלה ואת העיוות המרבי המוערך מסימנים על הדגימה.
המאפיינים העיקריים של עניין הם (איור 2):
מגבלה פרופורציונלית: הגבול היחסי הוא הלחץ המקסימלי שעבורו הלחץ נשאר פרופורציונלי באופן ליניארי להתאמה, כלומר שהחוק של הוק חל בהחלט (סרטוןJoVE – “קבועים חומריים”). ערך זה נקבע בדרך כלל על ידי התבוננות בשינויים בקצב הלחץ כאשר הבדיקה מופעלת בתנאי מהירות צולבים קבועים. בטווח האלסטי הליניארי, שיעור הלחץ הוא פרופורציונלי לקצב המתח והוא, באופן אידיאלי, קבוע. ככל שהחומר מתחיל להסתלח, כפי שמעידים עלייה בשיעור המתח, שיעור הלחץ מתחיל לרדת. הגבול היחסי נלקח כלחץ כאשר שיעור הלחץ הראשוני מתחיל לרדת.
נקודת תשואה: מתכות רבות מציגות נקודת תשואה חדה או מתח שבו הזנים ממשיכים לעלות במהירות ללא כל עלייה בלחץ. זה בא לידי עדות על ידי קו אופקי, או רמת תשואה, בעקום מתח-מתח. נקודת התשואה תואמת בערך לעומס שבו החלקה מתחילה להתרחש בסבים האטומיים. מעידה זו מופעלת על ידי הגעה לכוח גיזה קריטי והוא נמוך בהרבה ממה שניתן לחשב מעקרונות ראשונים בגלל הפגמים הרבים במבנה הגביש. בחומרים מסוימים, כגון פלדה קלה שנבדקה בניסוי זה, יש ירידה קטנה אך ניכרת בלחץ לפני שהחומר מגיע לרמת התשואה, מה שמוליד נקודות תשואה עליונות ונמונות . עבור חומרים שאינם מציגים נקודת תשואה ברורה, נעשה שימוש בכוח תשואה שווה ערך. נבחן הגדרה זו בפירוט בסרטון JoVE לגבי “מאפייני זן מתח של אלומיניום”, העוסקת במאפיינים אלה באלומיניום.
איור 2: הגדרות של משתנים בזנים נמוכים.
מודולוס אלסטי: מודולוס האלסטיות של חומר מוגדר כשיפוע של החלק הישר של דיאגרמת זן הלחץ כפי שמוצג ב- Fig.2. נכס זה נדון בסרטון JoVE לגבי “קבועים חומר”. E הוא מספר גדול יחסית: 30 x 106 פסאיי (210Gpa) עבור פלדה; 10 x 106 פסאיי (70 GPa) עבור אלומיניום; 1.5 X 106 psi (10.5 GPa) עבור אלון; ו 0.5 x 106 פסאיי (3.5 GPa) עבור פרספקס.
מודולוס של חוסן: מודולוס החוסן הוא האזור שמתחת לחלק האלסטי של דיאגרמת זן הלחץ ויש לו יחידות אנרגיה ליחידת נפח. מודולוס החוסן מודד את היכולת של חומר לספוג אנרגיה מבלי לעבור עיוותים קבועים.
זן מוקש מוקשים: כאשר תנועות ההחלקה, או הנקע, שהפעילו את רמת התשואה מתחילות להגיע לגבולות התבואה (או לאזורים שבהם הסכרים מכוונים בזוויות שונות), הנקעים מתחילים “להיערם”, ואנרגיה נוספת נדרשת כדי להפיץ את תנועתם לדגנים אחרים. זה מוביל להקשחת התנהגות מתח-מתח, אם כי זן הקשחת מודולוס הוא בדרך כלל לפחות סדר אחד של סדר גודל מתחת מודולוס של יאנג.
כוח אולטימטיבי: זהו הערך המקסימלי של הלחץ ההנדסי שהושג במהלך הבדיקה ומתרחש זמן קצר לפני שהדגימה מתחילה לצוואר (או לשנות אזור) באופן ניכר (איור 3).
מאמץ מרבי: ערך זה נלקח כערך המתח כאשר הדגימה נשברת. מאז extensometer בדרך כלל הוסר עד שנגיע לנקודה זו במבחן ואת העיוות יש לוקליזציה (צוואר) למרחק קצר מאוד לאורך הדגימה, ערך זה קשה מאוד למדוד באופן ניסיוני. מסיבה זו, הן התארכות אחידה והן התארכות אחוז משמשים לעתים קרובות בעת ציון חומרים במקום ערך מאמץ מקסימלי.
איור 3: הגדרות בזנים גדולים.
התארכות אחידה: התארכות האחוז מוגדרת כהארכה באחוזים (שינוי באורך/אורך המקורי) של הדגימה רגע לפני התרחשות הצוואר.
אחוז התארכות: בדרך כלל שני סימנים, נומינלי 2 בנפרד, נעשים על הדגימה לפני הבדיקה. לאחר הבדיקה, שני החלקים של הדגימה השבורה להרכיב בצורה הטובה ביותר האפשרית, ואת העיוות הסופי בין הסימנים הוא remeasured. זוהי דרך גסה, אך שימושית לציין התארכות מינימלית לחומרים בהקשר הנדסי.
אזור אחוזים: בדומה לאירכות אחוזים, ניתן לנסות לבצע מדידה של האזור הסופי של הדגימה השבורה. על ידי חלוקת הכוח ממש לפני השבר על ידי אזור זה, ניתן לקבל מושג על הכוח האמיתי של החומר.
קשיחות: קשיחות מוגדרת כנוחה הכוללת תחת דיאגרמת המתח. זהו מדד ליכולתו של חומר לעבור עיוותים גדולים וקבועים לפני השבר. יחידותיו זהות לאלה של מודולוס החוסן.
המאפיינים שתוארו לעיל יכולים לשמש כדי להעריך עד כמה חומר נתון יתאים לקריטריוני הביצועים שנדונו בסרטון JoVE לגבי “קבועים חומריים”. ככל שבטיחות היא מודאגת, המאפיינים כוח וקיבולת עיוות הם המפתח; מאפיינים אלה מקובצים בדרך כלל תחת המונח של התנהגות רקיע. התנהגות דביקה מרמזת כי חומר יניב ויוכל לשמור על כוחו על משטר עיוות פלסטיק גדול. קשיחות גדולה רצויה, אשר בפועל אומר כי מבנה ייתן סימנים של כישלון הממשמש ובא, למשל עיוות גלוי גדול מאוד לפני קריסה קטסטרופלית מתרחשת, ומאפשר לדייריו זמן לפנות את המבנה.
לעומת זאת, חומרים המציגים התנהגות שבירה, בדרך כלל ייכשלו באופן פתאומי, קטסטרופלי. זהו המקרה של חומרים צמנטיים וקרמיים, המציגים יכולת מתיחה ירודה. קרן בטון תיכשל בצורה זו מכיוון שהיא חלשה מאוד במתח. כדי לתקן את המלכודת הזו, אחד ממקם את מוטות הפלדה באזור המתיחה של קורות בטון, והופך אותם לקורות בטון מחוזקות.
חשוב להבין כי התנהגות שבירה ודביקה אינה התנהגות חומרית אינהרנטית. כפי שנראה בסרטון JoVE לגבי “מבחן קשיות Rockwell”,חשיפת פלדת פחמן כי הוא דביק בטמפרטורת החדר ותחת תנאי קצב טעינה עומס נמוך למצב טעינת מאמץ מהיר מאוד (השפעה) בטמפרטורות נמוכות יכול לגרום להתנהגות שבירה. בנוסף, חשוב להכיר בכך כי חומרים מסוימים, למשל, ברזל יצוק, יכול להיות שביר מאוד במתח, אבל דביק בדחיסה.
שני מאפיינים חומריים חשובים אחרים שיש להגדיר בשלב זה, כפי שהם משפיעים על הבחירה שלנו של מודלים חומריים, הם איזוטרופיה הומוגניות. חומר הוא אמר להיות איזוטרופי אם המאפיינים האלסטיים שלה זהים בכל הכיוונים. רוב החומרים ההנדסיים עשויים מגבישים קטנים בהשוואה לממדי כל הגוף. גבישים אלה מכוונים באופן אקראי, כך שמבחינה סטטיסטית התנהגות החומר יכולה להיחשב איזוטרופית. חומרים אחרים, כגון עץ וחומרים סיביים אחרים, יכולים להיות בעלי תכונות אלסטיות דומות בשני כיוונים בלבד (אורתוטרופי) או בכל שלושת הכיוונים (אניסוטרופי).
מצד שני, חומר הוא אמר להיות הומוגני אם המאפיינים האלסטיים שלה זהים בכל הגוף. למטרות תכנון, רוב חומרי הבנייה נחשבים הומוגניים. זה תקף אפילו עבור חומרים כמו בטון שיש להם שלבים שונים (מרגמה ואבנים), כפי שאנו בדרך כלל מדברים על אפיון כרכים גדולים בהרבה, אשר יכול להיחשב הומוגני סטטיסטית.
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!