Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Bài: Biến dạng và cơ tính

BIẾN DẠNG VÀ CƠ TÍNH

BIẾN DẠNG & PHÁ HỦY VẬT LIỆU

• Vật liệu bắt đầu bị phá hủy thế nào?

• Độ bền của vật liệu?

• Ước lượng lực phá hủy?

• Tốc độ chịu tải, quá trình tải, ảnh hưởng nhiệt độ tới lực phá hủy?

Ship-cyclic loading

from waves.

Hip implant-cyclic

loading from walking.

2

Adapted from Fig. 22.26(b),

Callister 7e.

Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 8, Callister 7e. (by Neil

Boenzi, The New York Times.)

Thuật ngữ

 Tải trọng – Lực tác động lên mẫu khi thử.

 Đo biến dạng – Thiết bị đo độ dài mẫu khi thử

nghiệm.

 Ứng suất kỹ thuật – Tải chia cho diện tích mặt cắt

ngang của vật liệu thử.

 Biến dạng kỹ thuật – Phần vật liệu biến dạng trên

một đơn vị chiều dài khi thử kéo.

 Thử kéo: Biểu đồ ứng suất - kéo

 Các tính chất khi kéo

 Ứng lực và lực nén thực

 Thử uốn, thử dòn

 Độ cứng vật liệu

ỨNG SUẤT & BIẾN DẠNG

• Lực kéo, s:

• Lực trượt, t:

F

t

Diện tích, A

F

s

F

s

F

t

F

t

F

t

s =

F

A

o

Diện tích

Ban đầu

Đơn vị ứng suất:

N/m²or lb/in²

4

Ứng suất (s)

kéo và nén

F

=

s

A

o

Biến dạng (e)

do kéo và nén

Tải nén

Tải kéo

Ứng suất trượt

F

s

=

t

A

o

Góc biến dạng

do xoắn f

Biến dạng trượt

g

= tan

q

PHỔ BIẾN NHẤT: BIẾN DẠNG KÉO

Lực tác dụng: Kéo, nén, uốn, va đập, mài, đâm….

Ứng xử của vật liệu: Phụ thuộc bản chất, hình dáng, kích thước, điểm đặt

lực…

Trong trường hợp chung: Phải có qui định.

Máy kéo

Mẫu biến dạng

6

Đường cong ứng suất kéo – biến dạng

Giới hạn

bền kéo

3

Tạo cổ

s_UTS

Giới hạn

Hóa cứng

đàn hồi

khi biến dạng

s_y

4

Đứt, gãy

Phá hủy

2

Vùng đàn hồi

Vùng dẻo

góc nghiêng =Young’s (elastic)

modulus giới hạn đàn hồi

Vùng dẻo

Vùng đàn hồi

giới hạn bền kéo

hóa cứng khi biến dạng

phá hủy

σ = Eε

7

1

σ

σ_y

E =

Biến dạng ( ) (DL/Lo)

e

E =

ε

ε₂ ε₁

CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC QUAN TRỌNG TỪ

THỬ KÉO

^{ M}su^oất^d–^ulbi^Yế^on^udⁿạn^gg^:,^Đt^ộhưⁿờ^gn^hg^iêlⁿà^gh^cằ^ủn^ag^đs^ưố^ờ(ⁿđ^gã^cb^oiⁿết^g)^ứđⁿặ^gc

trưng cho mỗi vật liệu.

 Giới hạn đàn hồi: Giá trị của lực tại điểm biến

dạng, tính từ biểu đồ modul Young theo tỷ lệ % bù

(thường bù = 0.2%).

 Bền kéo tới hạn: Giá trị cao nhất của ứng lực trên

đường cong ứng suất – biến dạng, .

 Phần trăm kéo dài: Sự thay đổi chiều dài mẫu

chia cho độ dài ban đầu, tính theo %

8

Các hình thức biến dạng cơ học

Phụ

thuộc

thời gian

Thuận Hóa Giới hạn

Biến dạng

Loại vật liệu

nghịch bền

chảy

Tất cả các vật liệu

Đàn hồi 0

Đàn hồi +

trễ

+ 0

0

Cao su, chất dẻo, bê tong,

hợp kim Fe – C, hợp kim từ

Các kim loại (0 < T < T_nc)

Dẻo

0

+

0 +

0 0

+

0

Thủy tinh, polymer nhiệt

dẻo (T > T_g)

Chảy

nhớt

Dão

Kim loại (T>0,3 T_nc),

polymer nhiệt dẻo

+

0 +

+

(T>0,5T_nc), gốm (T>0,9T⁹_nc)

SO SÁNH ĐỘ BỀN VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT E

• Modul đàn hồi, E

modul đàn hồi

D

F

A

L

= E

L

o

E ~ đường cong tại r_o

Energy

E lớn nếu E_olớn.

r^u_o^{nstretched length}

r

smaller Elastic Modulus

larger Elastic Modulus

11

BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI

BIẾN DẠNG TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN

 Biến dạng phi tuyến

 Biến dạng đàn hồi tuyến

tính: (Cho trường đẳng

hướng)

(cho biến dạng thuận

nghịch, đàn hồi)

^b^Qi^uến^{i l}d^uạ^ận^tg^tur^yất^ếnnh^tíỏⁿ,^hcò^cn^hỉlà^với

phi tuyến. Khi đó E

≠const, mà là hàm ứng

suất:

 Định luật Hooke:

E.

 Cho kéo, nén:

_{ Trượt (xê dịch):}t = G.g

 Ép ba chiều: P = - K.ΔV/V

^{ C}ép^ácK^mli^oê^dn^uh^lệ^đàbⁿằn^hg^ồhⁱệ^Es^,ố^{trượt G,}

s = E(s).e

Poisson m:

Tuyến tính

 (tỷ số co ngang/ giãn dài)

 K = E/(1 – 2 m)

 G = E/2(1+2 m)

F

Phi tuyến

 Đa số vật liệu có m  0,3 & E 

11

2,6G

d

BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI

3. Unload

1. Initial

2. Small load

bonds

stretch

return to

initial

d

F

2

Ứng xử ứng suất –

biến dạng, điển hình

với kim loại là biến

dạng đàn hồi và dẻo,

giới hạn tỷ lệ P và độ

bền σ_y, xác định bằng

0.002 bù kéo (tại điểm

ghi nhận biến dạng

dẻo)

P là điểm chuyển biến

dạng đàn hồi sang

biến dạng dẻo.

13

Đường cong ứng suất – biến dạng

• Vùng đàn hồi (điểm 1 –2)

- Vật liệu trở lại hình dạng ban đầu khi thôi tác dụng lực.

- Ứng lực tỷ lệ tuyến tính với biến dạng.

σ

E =

or

σ = Eε

ε

σ _{: Ứng lực (psi)}

E : Modul đàn hồi (Young’s Modulus) (psi)

: Ứng lực (in/in)

ε

- Điểm 2 : giới hạn đàn hồi: điểm xảy ra biến dạng vĩnh viễn

( Nếu vượt qua, vật liệu không thể lấy lại hình dạng ban đầu)

Đường cong ứng suất – biến dạng

• Hóa cứng do biến dạng

•- Nếu vật liệu chịu tải ngược lại (nén) tới điểm 4, đường

cong sẽ trở lại điểm 3 với cùng modul đàn hồi (hai đường //

cùng góc nghiêng).

-Vật liệu sẽ có giới hạn đàn hồi cao hơn

-Sư tăng giới hạn đàn hồi bởi biến dạng vĩnh viễn của vật liệu

được gọi là hóa cứng do biến dạng (Strain Hardening).

Đường cong ứng suất – biến dạng

• Lực kéo (điểm 3)

-Giá trị ứng suất cao nhất trên đường cong được gọi là bền

kéo (TS) hoặc giới hạn bền khi kéo (UTS).

- Đó là ứng suất maximum mà vật liệu có thể chịu mà

không bị gãy.

• Phá hủy (điểm 5)

- Nếu vật liệu bị kéo dài trước điểm 3, ứng suất giảm

ngay khi tạo cổ và sự biến dạng không đồng nhất xảy ra.

-Vật liệu bị phá hủy tại điểm 5.

Đường cong ứng suất – biến dạng

(của thép và cao su)

Trước điểm “B”, the yield strength, các biến dạng là đàn hồi

ĐÀN HỒI TRỄ

 Có sự lệch pha giữa ứng suất và biến dạng về thời gian (trễ).

 Bản chất: k.tán sai lệch điểm, dao động lệch chốt hai đầu,

chảy tại mặt phân cách (biên), chuyển pha…

19

BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Bài: Biến dạng và cơ tính - Cao Xuân Việt