Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Phần 2: Tính chất của vật liệu - Chương 10: Tính chất cơ
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
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
10.2.2 Biến dạng dẻo
10.2.2.1 Giới thiệu
• Khi σ > σch → 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
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 > τcrit thì 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
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
εth = ln(l / l0) = ln(1+ ε)
σth = 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
7
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
2
πD D − D − d
wonfram)
Tế vi
Vickers bằng kim
(HV)
Hình chóp
P
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
trọng
A
Kim cương
60
15N
30N
45N
Kim cương
Kim cương
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, 1/16 in
Bi, 1/16 in
Bi, 1/8 in
Bi, 1/8 in
Bi, 1/8 in
15
30
45
15
30
45
E
F
Bi, 1/8 in
Bi, 1/16 in
Bi, 1/16 in
Bi, 1/8 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
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu - Phần 2: Tính chất của vật liệu - Chương 10: Tính chất cơ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_co_so_khoa_hoc_vat_lieu_phan_2_tinh_chat_cua_vat_l.pdf