Tensile Testing and Hardness Testing of Various Metals Technical Report Submitted to: Dept. of Industrial & Manufacturing Engineering  

Prof. Edward C. De Meter  310 Leonhard Building  

The Pennsylvania State UNiversity   University Park, PA 16802 

  

Submitted by:  Team: 4 

Pavel Shusharin,  Erik Venuti 

Matthew Prevost David Hontz 

 Date: 2/10/16 

                     

 

Table of Contents Methodology  Analysis  

Analysis of data obtained with an extensometer Analysis of true stress­strain for ductile materials 

                                 

 

Investigation Methodology  The metals that were tested in the lab: Cold Rolled Annealed Steel 6061 Aluminum  1018 Hot Rolled  Brass   Cast Iron  Our group tested: Cold Rolled Annealed Steel  The measurements that were taken:  

1) Tensile Test a) Time b) Position  c) Force d) Change in length  

2) Rockwell Hardness  3) Brinell Hardness  4) Pre­Tensile Test measurements  

a) Gage Width  b) Gage Thickness c) Gage Length   

5) Post­Tensile Data  a) Gage Width  b) Gage Thickness  c) Permanent Length Between Jaw Alignment Marks 

 The Mechanical properties that were derived:  

1) Young’s Modulus  2) Engineering and True Strain at Yield point 3) Ultimate Tensile Stress 4) Engineering and True Strain at UTS 5) Ductility  6) Engineering and True Shear Strain  7) True Strain at Fracture  8) Measured and Predicted Max True Stress  9) Strain Hardening exponent  10) Strength Coefficient  11) Predicted toughness  

 Analysis of data obtained with an extensometer.  For each metal:  

● Engineering stress­strain plot with a figure caption ● Additional graph that shows a 0.2% offset and includes a trend for the linear 

portion of the graph  ● Table with e0 , eu , E, y (shear strain), UTS and ductility.   

 Brass 

 Figure 1.1 Engineering stress­strain plot for Brass  

● The shape of this plot indicates this Brass is a ductile metal ● It does not appear the extensometer slipped during this tensile test 

    

 Figure 1.2 Engineering stress­strain plot of the elastic region with 0.2% offset     Table 1.1 Table of mechanical properties of Brass  

e0 (in/in)  eu (in/in)  E (ksi)  y (ksi)  UTS (ksi)  Ductility (%) 

0.0044  0.2058  16042  38.0  47.9  35                

6061 Aluminum   

 Figure 1.3: Engineering Stress vs. Strain plot for Aluminum Specimen Ductility: 6061 Aluminum exhibits a large region of plastic deformation before fracture which is indicative of ductility.    

 Figure 1.4: Zoomed Engineering Stress vs. Strain displaying 0.2% offset for Aluminum Specimen. Extensometer: The data contains a slight discontinuity at the beginning of the test which indicates that the extensometer slipped.   Table 1.2 Mechanical properties of 6061 Aluminum 

ϵo (in./in.)  ϵu (in./in.)  E (ksi)  γ (ksi)  σUTS  (ksi)  Ductility 

0.00537  0.0903  8605.9  35.417  41.544  16%  

              

 

1018 Hot Rolled Steel  

 Figure 1.5 Engineering Stress vs Strain plot for 1018 Hot Rolled Steel  

Figure 1.6 Zoomed Engineering Stress vs Strain plot of 1018 Hot Rolled Steel displaying 0.2% offset  Comments:  Based on this data, the 1018 Hot Rolled Steel specimen exhibits significant ductility due to its large plastic deformation. The data shows a slight discontinuity at the beginning of the test, indicating that the extensometer slips for a brief moment.  Table 1.3 Mechanical properties of 1018 Hot Rolled Steel  

e0 (in/in)  eu (in/in)  E (ksi)  y (ksi)  UTS (ksi)   Ductility  

.0035  .01912  33.141*10^6   51.63  60.89  33.0% 

  

      

Cast Iron 

 Figure 1.7: Engineering Stress vs. Strain for Cast Iron Specimen  Ductility: The data shows almost no signs of plastic deformation which indicates that Cast Iron is not ductile. 

 Table 1.4 Mechanical Properties of Cast Iron  

ϵo (in./in.)  ϵu (in./in.)  E (ksi)  γ (ksi)  σUTS  (ksi)  Ductility 

N/A  N/A  15118  N/A  6.8087  0.5% 

              

1018 Annealed Steel  

 Figure 1.8: Engineering Stress vs. Strain for the 1018 Cold Rolled Steel  

 Figure 1.9: Zoomed Engineering Stress vs. Strain displaying the 0.2% offset and elastic region.  Comment: Based on this data, the 1018 Cold Rolled Steel specimen exhibits significant ductility due to its large plastic deformation. The data is very smooth and does not exhibit any discontinuities indicating that the extensometer did not slip during testing. 

Table 1.5 Mechanical properties of 1018 Annealed Steel 

ϵo (in./in.)  ϵu (in./in.)  E (ksi)  γ (ksi)  σUTS  (ksi)  Ductility % 

0.003373  0.2219  24128  31.84  44.46  42 

   

 

   

   

   

   

   

Analysis of true stress­strain for ductile materials For each ductile metal:  

● True stress­strain plot  ● A table with yt, mst­max (measured maximum true strain), k, n, pst­max (predicted 

maximum true strain) and predicted toughness.   

Brass  

 Figure 2.1 A true stress­strain plot, including a flow stress equation and trendline 

For this metal, the predicted value for maximum true strength was reasonably close to the actual value.  This measurement has an 18.6% error, which is slightly than the other metals tested. 

Table 2.1. Mechanical properties evaluated from true stress­strain plot 

yt (ksi)  mst­max (ksi)  k  n  pst­max  predicted toughness (in/in) 

38.4  78.72  68.52  0.122  64.05  32.7   

e0  0.00442  in/in 

eu  0.20577  in/in 

E  16032  ksi 

γ  38.0  ksi 

UTS  47.9  ksi 

Ductility  35  % 

ef  0.57549  in/in 

σt­max  78.718  ksi 

κ  68.52  ksi 

η  0.1222   

Toughness  32.70  lb/(in/in)3 

            

  

Aluminum  

 Figure 2.2. True Stress vs. Strain plot for Aluminum Specimen  Table 2.2 Mechanical properties evaluated from true stress vs. strain plot 

γt  (ksi)  κ (ksi)  η   

measured σt­max (ksi) 

predicted σt­max(ksi) 

predicted toughness (lb*in./in.^3)   

35.607  56.176  0.0941  52.605  46.944  3.542141 

Comments:          

1018 Hot Rolled Steel 

 Figure 2.3. True Stress vs Strain plot for 1018 Hot Rolled Steel.  

 The first (blue) data set represents strain data from 0 to ε0 . The second (red) 

data set represents strain data from ε0 to εu. The third data set (green) represents the predicted failure point corresponding to εf and σt max.  Table 2.3. Mechanical properties evaluated from true stress vs. strain plot  

yt (ksi) 

κ (ksi)  η  εf(in/in)  σt max Predicted (ksi) 

σt max Flow Stress (ksi) 

Toughness (lbf*in/in^3) 

51.87  72.31  .064  .0863  61.83  65.58  4.848  

The value for predicted σt max was very close to the actual value obtained with the data, varying by only 3.75 ksi and yielding a mere 5.7% error.      

  

1018 Cold Rolled Steel  

 Figure 2.4. True Stress vs. Strain for the 1018 Cold Rolled Specimen 

The value for predicted σt max was much less than the actual value obtained with the data. This is because the measured value takes into account the instantaneous cross­sectional area, while the predicted value uses the original cross sectional area. The values vary much more for the annealed steel than the other materials because of the annealed steel’s high ductility.   Table 2.4. Mechanical properties evaluated from true stress vs. strain plot  

yt (ksi)  κ (ksi)  η  εf(in/in)  σt max Predicted (ksi) 

σt max Flow Stress (ksi) 

31.95  72.479  0.2016  .3506  58.6741  81.3956 

        

Analysis of data obtained with an extensometer.  Cold Rolled Annealed steel  

 Figure 1.3 Engineering Stress­Strain plot for Cold Rolled Annealed Steel   

 

Figure 1.4  Engineering Stress ­ Strain plot of the elastic region with 0.2% offset   

e0 (in/in)  eu (in/in)  E (ksi)  y (ksi)  UTS (ksi)   Ductility  

0.039  0.1784  1011.2  38.36  70.02  22.16 % 

    

     

     

     

     

     

                       

           Based on the data for the five specimens, the material that would be the easiest to form into a shape would be 1018 Annealed Steel.  It exhibited the highest ductility percentage (42%) and a relatively low yield strength (31.84 ksi). These properties make it easy to plastically deform and form into a shape.  For similar reasons, the Cast Iron sample would be the most difficult material to plastically deform and form into a shape. It exhibited a very low ductility percentage (0.5%) making it very difficult to plastically deform.  Annealing is a process of heat treating a metal in a certain way that would improve its material properties. Mainly, annealing will increase ductility while decreasing hardness. These changes increase the formability of the annealed metal and it more workable. This is consistent with our data because of the two samples of 1018 Steel (hot rolled and annealed), the annealed specimen exhibited a higher ductility percentage by 9 percent.   Steel specimens have alloying elements present in their structure, meaning an increased dislocation density. The increase in number of dislocations causes the steels to yield in a two­part fashion, resulting in an upper yield strength and lower yield strength. The anomaly is primarily found in steels due to the high number of interstitial defects that the alloying process results in.     

                            Hardness values for tested specimens  Table . Hardness values for annealed hot rolled steel. 

Annealed hot rolled Steel  

Rockwell B Test  Brinell 10/500 Hardness Test 

Average  51.85  81.25 

Conversion table value  52  85 

  Table . Hardness values for cold rolled annealed steel. 

Cold rolled annealed steel 

Rockwell B Test  Brinell 10/500 Hardness Test 

Average  99.7  227.5 

Conversion table value  95  220 

  Table . Hardness values for aluminum.  

6061 Aluminum  Rockwell B Test  Brinell 10/500 Hardness Test 

Average  53.825  95.6 

Conversion table value  54  87 

  Table . Hardness values for brass.  

Brass   Rockwell B Test  Brinell 10/500 Hardness Test 

Average  71.1  110.5 

Conversion table value  71  112 

      Table . Hardness values for cast iron.  

Cast Iron   Rockwell B Test   Brinell 10/500 Hardness test  

Average   96.1  201.5 

Conversion   97  184 

 Table . Hardness values for hot rolled steel.  

Hot Rolled Steel   Rockwell B Test  Brinell 10/500 Hardness Test 

Average  83.7  137.5 

Conversion table value  84  140 

  Comments on the agreement of the average hardness values measured to that of the conversion tables: All the measurements closely correlated to the values given in the conversion tables of ASMI. Even though there is some deviation it is negligible considering all the components that went into testing, from slight deviations of the internal structure of materials, to human error.       Tables. The info is taken from the International ASTM standard: 

http://www.mdmstandard.ro/download/resurse/Tabele%20de%20conversie%20ASTM%20pentru%2

0duritati%20(in%20engleza).pdf