Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Phần 2: Tính chất của vật liệu

PHẦN II

TÍNH CHẤT

CỦA VẬT LIỆU

1

CHƯƠNG 10

TÍNH CHẤT CƠ

2

10.1 Giới thiệu

• Tính chất cơ là các đặc tính của vật liệu biểu hiện ra khi tác dụng cơ học lên nó.

• Để xác định tính chất cơ thường phải phá hủy mẫu và tính chất cơ xác định được

sẽ không phụ thuộc vào dạng hình học và kích thước mẫu.

• Sự phát triển công nghệ mới thường đi sau sự tiến bộ của khoa học vật liệu.

Ví dụ: Hiệu suất chuyển hóa năng lượng nhiệt → năng lượng cơ → năng lượng

điện của turbin khí → liên quan trực tiếp với độ bền ở nhiệt độ cao của vật liệu

làm turbin. Từ 1950 – 1960 người ta đã dùng hợp kim Ni có nhiệt độ vận hành đến

o

1200 C (so với thép, nhiệt độ làm việc cho phép chỉ khoảng 550 C). Gần đây với

vật liệu gốm, nhiệt độ có thể tăng đến 3000 ^oC nhưng cần phải giải quyết được tính

giòn của gốm.

Ví dụ: Từ lâu máy bay được chế tạo từ hợp kim Al, gần đây → sử dụng composit

hoặc polyme có cấu trúc định hướng → tỉ số độ bền / khối lượng cao hơn → chế

tạo máy bay nhẹ hơn → chuyên chở hành khách, hàng hóa, nhiên liệu nhiều hơn

→ bay lâu hơn mà không cần dừng lại. Dựa trên loại vật liệu mới này, người ta đã

3

thực hiện thành công chuyến bay từ California đến Japan chỉ trong 13 giờ.

10.2 Biến dạng và đứt của vật liệu kỹ thuật

• Biến dạng (Deformation) là sự thay đổi kích thước của vật liệu dưới tác dụng lực.

9 Biến dạng đàn hồi (elastic deformation),

9 Biến dạng dẻo (plastic deformation).

• Đứt (fracture) khi vật liệu chịu lực lớn phân thành hai hoặc nhiều mảnh nhỏ.

• Phá hủy (failure) khi chi tiết không thực hiện được chức năng của mình, trong

nhiều trường hợp, phá hủy có thể xảy ra trước khi đứt gãy.

4

5

10.2.1 Biến dạng đàn hồi

• Ứng suất danh nghĩa, Biến dạng danh nghĩa, định luật Hook, mođun E

• Hệ số Poisson, E và nhiệt độ

• Quan hệ ΔV và ν

6

10.2.2 Biến dạng dẻo

10.2.2.1 Giới thiệu

• Khi σ > σ_ch→ biến dạng dẻo → bỏ tải

không về hình dạng, kích thước ban đầu.

• Trong đa số vật liệu, biến dạng đàn hồi

→ sự kéo dài liên kết.

• Trong tinh thể, biến dạng dẻo → sự dịch

chuyển lệch (khuyết tật đường)

• Độ dốc của đường σ - ε trong vùng biến

dạng dẻo giảm với sự tăng biến dạng, tuy

nhiên muốn tiếp tục biến dạng dẻo thì

phải tăng ứng suất

→ vật liệu bị hóa cứng bởi sự tương tác

giữa các lệch trong cấu trúc tinh thể

→ giảm độ dịch chuyển của lệch hoặc làm

lệch ngừng di chuyển hoàn toàn

7

10.2.2.2 Ứng suất trượt:

• Ứng suất trượt, Độ biến dạng trượt, Quan

hệ

• Đối với vật liệu đẳng hướng: E = 2G(1 +

ν)

• Khi τ > τ_critthì trượt xảy ra, vật liệu bắt

đầu bị biến dạng dẻo.

• Biến dạng dẻo là không đẳng hướng: nó

chỉ xảy ra trên các mặt và phương xếp chặt

Hệ

Mặt trượt

Phương trượt

Fcc

{111}

< 110 >

Bcc {110} {211} {321}

Hcp {0001}

< 111 >

Phương a₁, a₂, a₃

8

10.2.3 Phép thử kéo (Tensile Test)

10.2.3.1 Thử kim loại

9

Các thông số thu được:

• độ bền chảy, độ bền kéo, Biến dạng đứt, % RA,

• diện tích dưới đường cong = công/1 dvtt

10

• Ứng suất thực, Biến dạng thực, Quan hệ thực – danh nghĩa

l A₀

⇒ A₀l₀= Al ⇒ =

• khi biến dạng dẻo V = const

l₀

A

ε_th= ln(l / l₀) = ln(1+ ε)

σ_th= σ(1+ ε)

11

10.2.3.2 Thử gốm

• Do gốm giòn → khó chế tạo mẫu có hình dáng cần thiết (khu vực có tiết diện

nhỏ) và khó chế tạo bộ gá kẹp mẫu → thử gốm bằng phương pháp uốn cong

12

Thuận lợi:

• Dạng hình học của mẫu đơn giản (khối chử nhật hoặc khối trụ)

• Quá trình thử đơn giản.

• Chi phí thử thấp.

Ứng suất uốn σ = Mc / I

M: moment uốn cực đại. c: khoảng cách từ tâm đến bề mặt mẫu.

I: moment quán tính của mặt cắt ngang, F: tải; L: khoảng cách giữa hai gối đỡ.

Tiết diện mẫu

M

c

I

σ

Chữ nhật

FL/4 d/2 bd³/12 3FL/2bd²

FL/4 R

πR⁴/4

FL/πR³

Tròn

13

10.2.4 Đứt dẻo và đứt giòn: (Ductile and Brittle Fracture)

Nếu quá trình biến dạng cứ tiếp tục thì đứt tất yếu sẽ xảy ra. Vật liệu có độ biến

dạng dẻo lớn trước khi đứt là vật liệu dẻo, ngược lại là vật liệu giòn.

14

10.2.5 Phép đo độ cứng

• Độ cứng là cách đo độ bền của vật liệu chống lại biến dạng dẻo (vết lõm, xước).

• Nguyên tắc đo: Áp đặt một tải trọng lên đầu đâm (indenter), đầu này sẽ tạo vết

lõm trên bề mặt mẫu, xác định độ sâu và kích thước vết lõm sẽ tính được độ cứng.

• Có nhiều cách đo độ cứng (phụ thuộc vào loại đầu đâm) như Brinell, Vickers,

Knoop, Rockwell và Rockwell ở bề mặt (superficial Rockwell).

• Trong phép đo độ cứng Rockwell, chỉ số độ cứng là hiệu độ sâu của hai vết lõm

tạo ra từ một tải nhỏ ban đầu và một tải lớn hơn tiếp theo.

• Đối với phép đo Rockwell, tải nhỏ ban đầu là 10 kg, tải lớn tiếp theo có thể là 60,

100 và 150 kg. Mỗi thang tương ứng với một chữ số phụ thuộc vào đầu đâm và tải

trọng.

• Đối với phép đo Rockwell bề mặt, tải nhỏ ban đầu là 3 kg, tải lớn tiếp theo có thể

là 15, 30 và 45 kg..

• Trong mỗi thang, độ cứng nằm trong khoảng 0 – 130.

• Nếu độ cứng > 100 hoặc < 30 trên bất kỳ thang nào sẽ không chính xác, nên phải

dùng thang cứng hơn hoặc mềm hơn tiếp theo.

15

16

17

Phép

đo độ

cúng

Đầu đâm Hình dạng đầu đâm

Tải

trọng

Công thức tính độ cứng

Brinell Bi có đường

P

2P

(HB

hoặc

BHN)

kính 10 mm

bằng thép

hoặc WC

(cacbua

HB =

2

(

)

πD D − D − d

wonfram)

Tế vi

Vickers bằng kim

(HV)

Hình chóp

P

HV = 1,854P/d₁²

cương

Tế vi

Hình chóp

HK = 14,2P/l²

Knoop bằng kim

(HK) cương

18

Rockwell Hình côn bằng

và kim cương hoặc

Rockwell bi thép có

Rockwell: nhỏ 10

kg, lớn:

60; 100; 150 kg.

Rockwell bề mặt:

nhỏ 3kg. lớn: 13;

30; 45 kg

bề mặt

đường kính

1/16; 1/8; 1/4;

1/2 in.

(HR)

Tham khảo thêm các tiêu chuẩn ASTM về phép đo độ cứng như

(có trên web của e-learning.hcmut.edu.vn)

• E18–98, Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell

Superficial Hardness of Metallic Materials.

• E10–00, Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials.

• E92–82, Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials.

• E384–99, Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials.

• E140–97, Standard Hardness Conversion Tables for Metals.

19

Thang đo Rockwell

Thang đo Rockwell bề mặt

Ký hiệu

Đầu đâm

Tải

Ký hiệu

Đầu đâm

Tải

trọng

A

Kim cương

60

15N

30N

45N

Kim cương

15

B

C

Bi, 1/16 in

100

150

30

45

Kim cương

D

Kim cương

100

15T

30T

Bi, 1/16 in

Bi, 1/8 in

15

30

45

15

30

45

E

F

Bi, 1/8 in

Bi, 1/16 in

Bi, 1/8 in

100

60

45T

G

H

K

150

60

15W

30W

45W

150

Ví dụ: 80 HRB biểu thị độ cứng Rockwell là 80 trên thang B; 60 HR30W biểu thị

độ cứng Rockwell bề mặt là 60 trên thang 30W.

20

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Phần 2: Tính chất của vật liệu - Chương 10: Tính chất cơ