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 strainγ = 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);

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

A– 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 is 0.5
For many metal and alloys, values of 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 82 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