2. 2
CH3 – CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
Nội dung
Ứng suất và biến dạng
Kéo
Nén
Cắt
Xoắn
Biến dạng đàn hồi
Biến dạng dẻo
• Giới hạn đàn hồi/ mô đun
đàn hồi
• Giới hạn chảy
• Độ bền kéo
Vật liệu dẻo, giòn
Độ dẻo, độ dai, độ cứng
3. 3
Tại sao nghiên cứu cơ tính của vật liệu?
- Các kỹ sư cơ khí có nhiệm vụ phải hiểu các tính chất cơ
học của vật liệu và các phương pháp đo các cơ tính đó.
- Các kỹ sư cơ khí phải thiết kế các chi tiết có ứng suất làm
việc trong giới hạn đàn hồi cho phép để không xảy ra
biến dạng dẻo và phá hủy chi tiết.
- Các kỹ sư cơ khí tính toán lực/ứng suất tác dụng lên vật
liệu làm biến dạng vật liệu nhằm tạo hình vật liệu mong
muốn.
GIỚI THIỆU
4. 4
Các cơ tính then chốt của vật liệu cần cho quá trình thiết kế
gồm: độ cứng vững, độ bền, độ cứng, độ dẻo, và độ dẻo dai
(stiffness, strength, hardness, ductility, and toughness)
Các tính chất trên cần phải xác định một cách chắc chắn bằng
các phép đo được chuẩn bị cẩn thận.
Các tính chất cơ học được nhiều đơn vị, tổ chức quan tâm (ví
dụ, các nhà sản xuất và người tiêu dùng vật tư, các tổ chức
nghiên cứu, các cơ quan chính phủ v.v.).
GIỚI THIỆU
5. 5
Phân loại tải trọng
Định nghĩa
Nếu tải trọng tác dụng lên bề mặt hoặc diện tích mặt cắt ngang
của chi tiết một cách đồng đều, thì hành vi cơ học của vật liệu có
thể xác định bằng phép đo ứng suất biến dạng đơn giản.
Có ba cách cơ bản tải trọng có thể tác động lên vật liệu: kéo căng
hoặc nén, cắt (tiếp) và xoắn.
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
6. 6
Loại tải tác động
Kéo
(tensile)
Nén
(compression)
Căt
(shear)
Xoắn
(torsion)
Materials Science and Engineering- An Introduction, 9th Edition - William D. Callister, Jr. David G. Rethwisch
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
8. 8
Thử kéo- Xác định đường cong ứng suất biến dạng
- Để xác định một số đặc tính cơ học của vật liệu rất quan trọng trong thiết kế: Độ
cứng vững (mô đun đàn hồi), độ bền (đàn hồi, tới hạn, phá hủy ...), tính dẻo (độ giãn
dài, độ giảm diện tích ...)
- Mẫu bị biến dạng, thường đến phá hủy, bằng tải trọng kéo tăng dần áp vào dọc trục
của mẫu thử.
- Mặt cắt ngang của mẫu thường là tròn, vuông hoặc mẫu tấm.
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
9. 9
Cơ chế thử kéo
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
11. 11
Kết quả thử kéo
Tải trọng hoặc lực tương ứng với độ dãn dài được biểu diễn dưới
dạng ứng suất và biến dạng kỹ thuật.
Ứng suất kỹ thuật: σ = F / A0 [N/mm2=MPa]
F : Tải trọng đặt vuông góc với mặt cắt ngang của mẫu
A0 : Diện tích mặt cắt ngang của mẫu
Độ biến dạng kỹ thuật: ε = Δl / l0 (× 100 %)
Δl - độ dãn dài, l0 – Chiều dài ban đầu.
Ứng suất và biến dạng mang giá trị dương nếu chịu tải
trọng kéo, và mang giá trị âm nếu tải trọng nén.
l/2
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
12. 12
Kết quả thử nén
Phương pháp tương tự như thử kéo nhưng lực biến
dạng hướng vào mẫu.
Tính toán: sử dụng các công thức tương tự như thử kéo
để xác định ứng suất và biến dạng.
Lực nén có giá trị âm -> Ứng suất âm. l0 lớn hơn li, -> độ biến dạng
cũng âm.
Thử kéo phổ biến hơn vì dễ thực hiện; Thử nén cho ít thông tin hơn.
Sử dụng khi hành vi của vật liệu chịu sự biến dạng lớn và vĩnh viễn,
hoặc khi vật liệu giòn không thử kéo được.
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
14. 14
Thử cắt và xoắn
Ứng suất tiếp tính theo công thức sau
= F / A0 [N/mm2=MPa]
F - tải đặt song song với mặt trên và dưới mẫu với diện tích A0.
Độ biến dạng: = tgθ (× 100 %); θ – góc biến dạng
Biến dạng xoắn là một dạng biến dạng
cắt đơn thuần. Ứng suất trong trường
hợp này là một hàm của mô men xoắn
đơn thuần T, độ biến dạng được tính
theo góc nghiên .
KHÁI NIỆM VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG
15. 15
Biến dạng đàn hồi (Elastic deformation)
Có khả năng tự phục hồi: khi tải đặt vào được
gỡ bỏ, vật liệu trở về nguyên hình dạng ban
đầu của nó
Độ biến dạng thường nhỏ (ngoại trừ một số
nhựa và cao su)
Biến dạng dẻo (Plastic deformation)
Không phục hồi: khi bỏ tải, vật liệu sẽ không
trở về hình dáng ban đầu.
BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO
16. 16
Hành vi Ứng suất – Biến dạng (tuyến tính)
Với hầu hết kim loại Ứng suất và Biến dạng kỹ
thuật tỷ lệ thuận theo định luật Hooke
σ = E ε (Hooke's law)
E là Mô đun đàn hồi, có cùng đơn vị như σ,
N/m2 hoặc Pa;
Ứng suất trượt (cắt) và Biến dạng trượt cũng
tỷ lệ thuận qua quy luật sau
= G ; G – Mô đun biến dạng trượt
BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI
σ
ε
Biến dạng đàn hồi tuyến tính
Chất tải
Dỡ tải
Độ dốc = E
Ứngsuất
Biến dạng
17. 17
Độ lớn Mô đun đàn hồi
Các kim loại, hợp kim thông dụng: 45 GPa (Mg) và 407 GPa (W)
(nhiệt độ phòng)
BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI
19. 19
BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI
Độ cứng
(vững) tại
nhiệt độ
phòng (i.e.,
mô đun đàn
hồi) cho một
số loại vật
liệu như kim
loại,
ceramic,
polymer và
composit vật
liệu
20. 20
Tỷ số giữa biến dạng bên (x, y) và biến
dạng dọc trục
Kim loại và hợp kim: = 0.25 - 0.35
Mối quan hệ giữa G, E và
E = 2G (1 + )
G - Ứng suất trượt
Đa số kim loại, G = 0.4E
BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI
Tính đàn hồi của vật liệu – Hệ số Poisson
21. 21
Đường cong ứng suất biến dạng
Biến dạng đàn hồi thực sự chỉ dưới 0.005 độ biến
dạng (hầu hết các kim loại).
Trên giới hạn đàn hồi (P), quan hệ ứng suất – biến
dạng không còn tuyến tính
Biến dạng dẻo xảy ra là do phá vỡ liên kết nguyên
tử, trong vật liệu tinh thể là do sự trượt của lệch.
BIẾN DẠNG DẺO
22. 22
Độ bền đàn hồi (giới hạn đàn hồi)
Hầu hết chi tiết máy được thiết kế làm việc trong
giới hạn đàn hồi -> cần xác định giới hạn đàn hồi
Hầu hết kim loại biến dạng dẻo xảy ra từ từ
Điểm giới hạn P – phân chia biến dạng dẻo và biến
dạng đàn hối
Giới hạn đàn hồi, σy (MPa): là điểm xác định ranh
giới.
Một số vật liệu khó xác định điểm này, nên láy quy
ước 0.002 (độ biến dạng, 0.2% độ giản dài.
BIẾN DẠNG DẺO
23. 23
Quá trình biến dạng của thép
• Thép các bon thấp hoặc kim loại dẻo, giới hạn đàn – dẻo xảy ra trong
khoảng điểm trên và dưới.
• Giới hạn đàn dẻo dễ xác định. Giá trị giới hạn đàn
hồi lấy giá trị trung bình.
• Nhôm: 35 Mpa ; thép các bon trung bình ~ 600
thép độ bền cao > 1400 Mpa
BIẾN DẠNG DẺO
24. 24
Độ bền kéo
Vượt qua giới hạn đàn hồi vật liệu tiếp tục biến
dạng dẻo tới giá trị úng suất lớn nhất, M, và
giảm tới điểm F (độ bền phá hủy)
50 Mpa (Al) to 3000 Mpa for the high-strength steels
BIẾN DẠNG DẺO
25. 25
Độ bền kéo vs. độ bền đàn hối
• Thông thường khi thiết kế độ bền đàn hồi được quan tâm nhiều
hơn, thiết kế phải đảm bảo chi tiết máy làm việc trong khoảng
giới hạn đàn hồi.
• Độ bền phá hủy không phải là chỉ tiêu để thiết kế chi tiết máy.
BIẾN DẠNG DẺO
27. 27
Vật liệu giòn – vật liệu dẻo
Độ dẻo là khả năng vật liệu biến dạng trước khi phá hủy (fracture)
Các kim loại hay hợp kim không biến dạng dẻo hay ít biến dạng coi là
giòn
BIẾN DẠNG DẺO
28. 28
Độ dẻo
Xác định theo % giản dài (plastic tensile strain at failure)
Hoặc theo sự giảm
diện tích mặt cắt
ngang của mẫu
lo
lf Ao
Af
Vật liệu dẻo khi biến
dạng sẽ tạo cổ thắc
BIẾN DẠNG DẺO
30. 30
Độ dai (Độ dai va đập, J/m3)
Khả năng vật liệu hấp thu năng lượng và
biến dạng dẻo trước khi phá hủy. (sự
chống lại phá hủy khi vật liệu có vết nứt)
Ở trạng thái tĩnh (tốc độ biến dạng
thấp), có thể xác định nhờ đường cong
σ - ε
Một kim loại “dai”, phải bao gồm cả bền
và dẻo
Thường xác định bằng phương pháp
thử độ dai va đập
BIẾN DẠNG DẺO
31. 31
PP Charpy (fracture toughness)
Năng lượng va đập
E = m.g (H - h)
Độ dai va đập = E/S
S: Diện tích mặt cắt
ngang
BIẾN DẠNG DẺO
33. 33
ĐỘ CỨNG
Đo khả năng biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu (e.g., vết lõm nhỏ
hoặc vết xướt)
Theo thang Mohs scale: khả năng một vật liệu cào xướt một vật
liệu mềm hơn: 1 – 10 (diamond)
Phương pháp đo độ cứng được dùng phổ biến hơn các pp thử cơ
tính khác:
- Đơn giản và rẻ
- Không phá hủy mẫu
- Các tính chất cơ khác có thể suy ra từ dữ liệu độ cứng chẳng
hạn độ bền kéo
BIẾN DẠNG DẺO
37. 37
CHUYỂN ĐỔI ĐỘ CỨNG
Có chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng
khác nhau.
Các thang có thể chuyển đổi lẫn nhau:
Knoop, Brinell, Rockwell và Mohs
Bảng chuyển đổi thông dụng theo tiêu
chuẩn ASTM: E140
39. 39
Tóm tắt cơ tính
https://www.youtube.com
Search for: MaterialsScience2000
Methods to test materials –
Tensile test - Brinell hardness test - Vickers hardness test - Rockwell hardness test
- Charpy impact test - Fatigue test - Metallography part I - Metallography part II –
Dye penetrant Inspection - Magnetic particle examination - Ultrasonic testing –
X-ray inspection and computed tomography - Scanning electron microscope
Responsible: Prof. Dr.-Ing. Rainer Schwab,
Karlsruhe University of Applied Sciences, Germany
40. 40
THIẾT KẾ/HỆ SỐ AN TOÀN
What are the limits of “safe” deformation?
Yield strength is usually the
important parameter for
practical engineering design
ƯS thiết kế: σd = N’σc
σc - ưs tính toán tối đa
N’ – hệ số thiết kế > 1
đảm bảo
σd < σy
ƯS an toàn:
σw = σy/N
N – hệ số an toàn
N = 1.2 - 4.0
41. 41
Summary
• Stress and strain: Size-independent measures of load and
displacement, respectively
• Elastic behavior: Reversible mechanical deformation,
often shows a linear relation between stress and strain
• Elastic deformation is characterized by elastic moduli (E or G). To
minimize deformation, select a material with a large elastic moduli
(E or G)
• Plastic behavior: Permanent deformation, occurs when the
tensile (or compressive) uniaxial stress reaches the yield strength
σy
• Tensile strength: maximum stress supported by the material
• Toughness: The energy needed to break a unit volume of
material
• Ductility: The plastic strain at failure
