background image

Lecture 5

Mechanical Properties

1

Introduction

 During the application/ service, many materials are subjected to forces or loads

 Thus understanding of the relationship between microstructure of the materials

(internal structure) & their mechanical properties are very important

STRESS (σ):

 Internal reaction of a structure to externally applied load; external load and

internal stress are equal in magnitude and opposite in direction.

 σ = force / area

 Units: MN/m

2

= MPa (M = 10

6

)

 Types:

-Tension

- Compression
- Shear

-Torsion

STRAIN (ε):

 Change in length per unite initial length;

ε

=L – Lo / Lo= ∆L / Lo

 Units: dimensionless

 Types:

- Elastic strain.
- Plastic strain.

Tension

Tensile stress, σ:


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

2

Compression

-The force is in compressive form
-The specimen contracts along the direction of the stress
-Compressive force is taken to be –ve, thus yields –ve stress
-Since Lo is greater than L, the compressive strains are also -ve

Shear Sress – Shear Strain

Shear stress

, τ

= F/A

0

F is applied parallel to upper and lower faces each having area A

0

.

Shear strain, γ = tan θ = w/l

0

(* 100 %), θ is strain angle


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

3

Torsion

STRESS – STRAIN DIAGRAM

Tension/Tensile Test

 Tensile test determines the strength of the material when subjected to a simple

stretching operation. Strength and stress are not the same thing. Stress is a
function of the applied load while strength is a material property.

 Uniform stressed state is formed over the cross section of a smooth specimen

of either circular or rectangular cross section.

 Typically, test samples of standard dimension are pulled slowly at a constant

rate (strain rates between 10

-5

and 10

0

per second) in a testing machine

Tensile Test Equipment

The specimen to be tested is clamped by two grips. The grips are driven by a powerful
hydraulic actuator. Once the specimen has been attached to the grips, the vertical
movements of the grips generate the desired loading on the specimen.


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

4

Engineering Stress (σ);

F – Load applied perpendicular to the specimen cross section (N)

Ao – original cross section area (m

2

)

The unit of σ = MPa (where 1MPa= 10

6

N/ m

2

)

Engineering Strain

Tensile strain:

Lateral strain:

Where;
δ = change in length
Lo = original length before load is applied
Strain is always dimensionless

Stress-Strain Behavior


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

5

Elastic Deformation

 Reversible: when the stress is removed, the material returns to the dimensions

it had before the loading.

 Usually strains are small (except for the case of some plastics, e.g. rubber).

 In tensile tests, if the deformation is elastic, the stress strain relationship is

called Hooke's law:

σ = E ε

E is Young's modulus or modulus of elasticity, has the same units as σ, N/m

2

or Pa


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

6

Nonlinear Elastic Behavior
In some materials (many polymers, concrete...), elastic deformation is not linear, but it
is still reversible.


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

7

Poisson's ratio, ν

Poisson’s ratio (v) is defined as the ratio of lateral and axial strain

The maximum value of v is 0.5
For many metal and alloys, values of v range between 0.2 to 0.35
Units:
E: [GPa], ν: dimensionless

Shear Modulus

Relationship of shear stress to shear strain:

τ = G γ

G is Shear Modulus (Units: N/m

2

or Pa)


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

8

Plastic Deformation

 stress and strain are not proportional to each other

 the deformation is not reversible

Tensile Properties: Yielding

Yield strength σy - is chosen as that causing a permanent strain of 0.002

Yield point P - the strain deviates from being proportional to the stress (the
proportional limit)

The yield stress is a measure of resistance to plastic deformation


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

9

 Some steel and other materials exhibit stress strain behavior which

demonstrating the yield point phenomenon

 Thus it not necessary to employ the strain offset method to determine the

yield strength

 Yield strength = average stress that is associated with the lower yield point

Tensile Strength

If stress = tensile strength is maintained then specimen will eventually break


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

10

For structural applications, the yield stress is usually a more important property than
the tensile strength, since once the yield stress has passed, the structure has deformed
beyond acceptable limits.

Tensile properties: Ductility

Ductility is a measure of the deformation at fracture
Defined by percent elongation (plastic tensile strain at failure)

or percent reduction in area

Toughness

• Energy to break a unit volume of material
• Approximate by the area under the stress-strain curve.


background image

Lecture 5

Mechanical Properties

11

Brittle fracture: elastic energy
Ductile fracture: elastic + plastic energy
Units: the energy per unit volume, e.g. J/m

3

True Stress and Strain

True stress = load divided by actual area in the necked-down region (A

i

):

σ

T

= F/A

i

Sometimes it is convenient to use true strain defined as

ε

T

= ln(l

i

/l

o

)

True stress continues to rise to the point of fracture, in contrast to the engineering
stress.




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام عضوان و 212 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل