Thép là loại vật liệu dẻo và dòn; trong đó hàm lượng Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định tổ chức, tính chất và công dụng của thép.
Hình 3. 22 Ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon đến cơ tính của thép [4].
Theo hình 3.22 thì khi tăng %C sẽ làm giảm độ dẻo và độ dai va đập. Khi %C tăng trong khoảng 0,8 - 1% thì độ bền và độ cứng cao nhất nhưng khi vượt qua 1% thì độ bền và độ cứng bắt đầu giảm.
Theo %C có thể chia thép làm 4 nhóm có cơ tính và công dụng khác nhau
• Thép cacbon thấp (%C ≤ 0,25%) dẻo, dai nhưng có độ bền và độ cứng thấp.
• Thép cacbon trung bình (%C từ 0,3 - 0,5%) chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.
• Thép cacbon tương đối cao (%C từ 0,55 - 0,65%) có tính đàn hồi cao, dùng làm lò xo.
• Thép cacbon cao (%C ≥ 0,7%) có độ cứng cao nên được dùng làm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập.
Do tính chất dẻo nên thép có một điểm chảy dẻo, khi vượt qua điểm này thì biến dạng của thép rất lớn, không ứng xử theo một quy luật nhất định nào. Đến khi đạt đến trạng thái tới hạn thì thép bị phá hủy. Hình 3.23 phản ánh đúng ứng xử của
thép thông qua quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu này.
Hình 3. 23 Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép [4]
Theo đó, thép sẽ ứng xử đàn hồi tuyến tính theo một đường thẳng trong giai đoạn đầu, góc hợp bởi đường thẳng đó và trục hoành chính là module đàn hồi của thép. Sau khi vượt qua điểm chảy dẻo thì thép bắt đầu ứng xử phi tuyến.
Trong Ansys, phần tử SOLID185 (hình 3.24) [9] sẽ được xử dụng để mô hình cho vật liệu thép. Ở đây, quan hệ ứng suất – biến dạng và các tính chất vật liệu cơ bản của thép sẽ được đưa vào chương trình tính toán.