PowerPoint Presentation 1 VẬT LIỆU KỸ THUẬT Giảng viên TS Nguyễn Thị Hằng Nga Email nthngatlu edu vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí CHƯƠNG 3 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU NỘI DUNG 3 1 Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo 3 2 Cơ chế biến dạng dẻo 3 3 Phá huỷ vật liệu 3 4 Một số đặc trưng cơ tính TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ môn Công nghệ cơ khí 3 1 1 Các giai đoạn biến dạng a Biến dạng là gì Là sự thay đổi hình dạng, kích thước của vật liệu dưới tác dụng củ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ khí TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ khí CHƯƠNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU NỘI DUNG Giảng viên: TS Nguyễn Thị Hằng Nga Email: nthnga@tlu.edu.vn 3.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI, BIẾN DẠNG DẺO 3.1 3.2 3.3 3.4 Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo Cơ chế biến dạng dẻo Phá huỷ vật liệu Một số đặc trưng tính 3.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI, BIẾN DẠNG DẺO Từ biểu đồ kéo ta thấy có giai đoạn : - Giai đoạn 1: P tăng, l tăng bậc Giai đoạn biến dạng đàn hồi - Giai đoạn 2: P tăng, l tăng nhanh (> bậc nhất) Giai đoạn biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo - Giai đoạn 3: Pmax, P giảm, l tăng nhanh Giai đoạn phá huỷ 3.1.1 Các giai đoạn biến dạng a Biến dạng Là thay đổi hình dạng, kích thước vật liệu tác dụng ngoại lực (Kéo, nén, xoắn…) b Biểu đồ kéo Là biểu đồ xác định quan hệ tải trọng (P) độ biến dạng (l) xây dựng qua thí nghiệm thử kéo 3.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI, BIẾN DẠNG DẺO 3.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI, BIẾN DẠNG DẺO 3.1.2 Biến dạng đàn hồi 3.1.3 Biến dạng dẻo ❖ Xảy tức tác dụng tải trọng đặt vào ❖ Xảy ứng suất đặt vào vượt giới hạn chảy vật liệu ❖ Nguyên nhân: Sự kéo căng liên kết nguyên tử Các nguyên tử ❖ Nguyên nhân: chưa dịch chuyển thông số mạng ➢ Do trượt tương đối mặt phẳng tinh thể (do chuyển động lệch biên lệch xoắn) vật liệu ➢ Các nguyên tử dịch chuyển thông số mạng ❖ Đồ thị σ-ε: Mođun đàn hồi εp: Biến dạng dẻo sau bỏ tải εe: Biến dạng đàn hồi Biểu đồ ứng suất - biến dạng (σ-ε) 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 3.2.1 Biến dạng dẻo đơn tinh thể Theo chế trượt song tinh a.Trượt Là dịch chuyển tương phần tinh thể theo mặt phương định gọi mặt trượt ❖ Cơ chế trượt: + Trượt cứng: (trong tinh thể lý tưởng – khơng có lệch) - Là trình mà nguyên tử mặt trượt dịch chuyển cách đồng thời, nghĩa thời điểm nguyên tử dịch chuyển đoạn (Ứng suất trượt lớn) phương trượt - Mặt trượt phương trượt mặt phương có mật độ nguyên tử lớn - Kết hợp mặt trượt phương trượt ta có hệ trượt - Hệ trượt nhiều vật liệu dẻo 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 10 + Trượt có lệch: (trong tinh thể thực) - Là trình trượt mà nguyên tử mặt trượt dịch chuyển cách nối tiếp (chạy tiếp sức), nghĩa thời điểm có số nguyên tử tham gia trình trượt - Lệch nơi xuất phát trình trượt 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 11 b Song tinh - Là trình dịch chuyển phần tinh thể tương ứng với mặt phẳng cố định (mặt phẳng song tinh) cho nguyên tử đến vị trí đối xứng với nguyên tử phần cịn lại - Song tinh đóng vai trị quan trọng biến dạng nhiệt độ cao 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 12 3.2.2 Biến dạng dẻo đa tinh thể a Đặc điểm biến dạng dẻo đa tinh thể - Do hạt định hướng khác nhau, nên chịu tác dụng tải trọng, hạt biến dạng khác Hạt có phương mạng thuận lợi biến dạng trước với ứng suất thấp ngược lại - Sự biến dạng dẻo hạt có ảnh hưởng đến hạt bên cạnh bị chúng cản trở - Vùng biên giới hạt, nguyên tử xếp không trật tự, cản trở trượt lệch + Nhận xét: - Hạt nhỏ Nhiều hạt định hướng thuận lợi dẻo - Hạt nhỏ Biên giới hạt nhiều Yếu tố cản trở trình trượt nhiều độ bền vật liệu tăng 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 13 3.2 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO 14 b Ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tổ chức tế vi - Quá trình trượt làm cho mạng tinh thể bị xô lệch Biến dạng dẻo tăng xô lệch mạng tăng - Biến dạng dẻo làm hình dạng hạt thay đổi: S0 Sf S0 : Mức độ biến dạng S0, Sf: Tiết diện phôi trước sau BDD = (15)% hạt biến dạng không đều; = (4050)% hạt chia cắt, tạp chất pha thứ nhỏ vụn ra, kéo dài theo phương biến dạng; = (7090)% hạt bị quay đến mức mặt phương mạng chúng // với (định hướng giống nhau), kéo dài theo phương biến dạng (textua) gặp thực tế 3.2.3 Ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tính chất kim loại a.Ứng suất dư: Sau biến dạng dẻo vật liệu tồn US dư - US dư thơ đại: tồn vùng thể tích vật liệu biến dạng không - US dư tế vi: Tồn phạm vi hạt, biến dạng phạm vi hạt không b Thay đổi tính: - Tăng giới hạn bền, giới hạn chảy, độ cứng - Giảm độ dẻo, độ dai Tức có xu hướng biến giịn c Thay đổi tính chất lý hóa: - Dẫn điện, nhiệt giảm (tăng điện trở) - Chống ăn mòn giảm, hoạt tính hố học tăng 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 15 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 16 - Khi tải trọng tác dụng P > Pmax vật liệu bị tách rời thành nhiều phần Vật liệu bị phá huỷ - Phá huỷ vật liệu dẫn đến thảm hoạ nguy hiểm 3.3.1 Cơ chế phá huỷ Phá huỷ kết phá vỡ liên kết nguyên tử nằm phía mặt phẳng đó, thành phần ứng suất pháp mặt phẳng đạt giá trị đủ lớn để tách hai mặt nguyên tử rời Ứng suất ứng với giá trị gọi giới hạn tách đứt (td) + Cơ chế: Vết nứt xuất Vết nứt phát triển Phá huỷ + Các dạng phá huỷ: - Phá huỷ điều kiện tải trọng tĩnh (phá huỷ giòn, dẻo) - Phá huỷ điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ (phá huỷ mỏi) - Phá huỷ điều kiện tải trọng nhiệt độ cao (phá huỷ dão) 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 17 Tải trọng tĩnh 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 18 Tải trọng chu kỳ = a sin(t) Là tải trọng biến đổi chậm hay khơng đổi theo thời gian, có gia tốc chuyển động nhỏ bỏ qua lực qn tính so với tải trọng tác động Tải trọng chu kỳ biên độ khơng đổi: (a) Chu trình ứng suất đối xứng, m = 0; (b) Ứng suất trung bình m ≠ 0; (c) Chu trình mạch động dương min = 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 19 20 3.3.2 Phá huỷ điều kiện tải trọng tĩnh a Phá huỷ dẻo: - Là phá huỷ kèm theo biến dạng với mức độ tương đối lớn - Điều kiện: tải trọng > tách đứt > ch b Phá huỷ giòn - Là phá huỷ xảy vật liệu chưa kịp biến dạng dẻo, mặt gãy có tiết diện gần khơng đổi - Điều kiện: ch > tải trọng > tách đứt 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 21 22 c Các yếu tố ảnh hưởng: Sự phá huỷ vật liệu dẻo hay giòn chịu ảnh hưởng yếu tố như: nhiệt độ, tốc độ biến dạng, tập trung ƯS… ➢ Ảnh hưởng nhiệt độ: T tăng, ch giảm tồn Ts (Tbiến giòn) Khi T > Ts phá huỷ dẻo Khi T < Ts phá huỷ giòn ➢ Ảnh hưởng tốc độ biến dạng: Tốc độ biến dạng tăng trượt khó khăn ch tăng tồn ’th Khi ’ > ’th phá huỷ giòn ngược lại σtt σtt σch theo chu kỳ: < ch = a sin(t) - Giới hạn mỏi ứng suất tải trọng lớn mà vật liệu khơng giới hạn Ngh = 106-107 giịn dẻo Ts - Phá huỷ mỏi phá huỷ xảy điều kiện tải trọng thay đổi phá huỷ mỏi số chu kỳ làm việc vượt qua số chu kỳ làm việc σtd σtd giòn σch 3.3.3 Phá huỷ mỏi dẻo T ε’th ε’ 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 23 a Đường cong mỏi (S – N) • Là đường biểu diễn mối quan hệ ứng suất làm việc số chu kỳ làm việc tới phá hủy chi tiết máy • Biểu đồ đường cong mỏi thường vẽ theo: 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 24 Hệ số an toàn theo đường cong mỏi (S – N) ˆ dự đoán xảy Xét mức ứng suất ˆ a số chu kỳ N trình làm việc thực tế (hình dưới) Xét điểm (1) (2) đồ thị tương ứng với phá hủy - Biên độ ứng suất số chu kỳ tới phá huỷ Nf - Ứng suất danh nghĩa số chu kỳ tới phá huỷ Nf • Đặc điểm: - Nếu chi tiết làm việc mức ứng suất cao số chu kỳ để phá huỷ giảm - Nếu chi tiết làm việc mức ứng suất thấp số chu kỳ để phá huỷ tăng lên Để chi tiết làm việc an toàn → giá trị cần phải nằm đường cong mỏi: a = f(Nf) 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 25 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 26 b Các yếu tố ảnh hưởng: - Ứng suất tác dụng: Ứng suất tác dụng tăng phá huỷ mỏi sớm xảy - Hệ số phản đối xứng r = max / min tăng giới hạn mỏi giảm - Số chu kỳ tác dụng: Số chu kỳ làm việc tăng xác xuất phá huỷ mỏi tăng giới hạn mỏi giảm Đường cong mỏi thử uốn quay (S-N) mẫu thép trơn có giới hạn mỏi định Giới hạn mỏi dài hạn ứng với số chu kỳ lớn - Sự tập trung ứng suất: Giới hạn mỏi nhạy cảm với tập trung ứng suất: vết xước bề mặt, tạp chất, lỗ rỗ… 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 27 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 28 3.3.4 Phá huỷ dão - Là phá huỷ xảy nhiệt độ cao, thời gian lâu: dão < ch Sơ đồ máy thử dão - Nguyên nhân: Ở nhiệt độ cao biên giới hạt bền thân hạt nên xảy biến dạng dẻo - Biên giới hạt nơi xảy kết tinh sau có xếp ngun tử khơng trật tự (giống vơ định hình) Ở nhiệt độ cao vùng biên giới hạt dễ bị mềm làm cho hạt trượt lên chịu tác dụng tải trọng đủ lớn 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 29 Đặc điểm: 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 30 Quá trình biến dạng theo thời gian - Lực tác dụng giữ không đổi khoảng thời gian dài - Biến dạng dão đo theo thời gian thời điểm đứt gãy - Tiến hành ứng suất nhiệt độ khác → tùy thuộc vật liệu điều kiện làm việc - Thời gian thử từ < phút vài năm 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 31 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 32 Đường cong dão thường gồm giai đoạn: + Giai đoạn 1: Dão chuyển tiếp → tốc độ biến dạng tương đối cao + Giai đoạn 2: Dão ổn định → tốc độ biến dạng tăng ổn định + Giai đoạn 3: Dão không ổn định → tốc độ biến dạng tăng không ổn định, xảy co thắt 3.4.1 Độ bền tĩnh Là đặc trưng học phản ánh sức chịu đựng tải trọng tĩnh vật liệu (kG/mm2, MPa, N/mm2) Bao gồm: - Mô đun đàn hồi (E) - Giới hạn bền kéo - Giới hạn chảy quy ước 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 33 Mơ đun đàn hồi, E (GPa) Giới hạn bền kéo, σU : - Đại lượng đặc trưng cho độ cứng vững vật liệu E 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 34 B A B A - Ứng suất kéo lớn mà vật liệu chịu đựng trước bị phá huỷ Trong : Pmax : Lực kéo lớn trước vật liệu bị phá hủy Ai : Diện tích tiết diện ngang ban đầu mẫu thử Nhận xét: Giai đoạn đầu đường cong ứng suất-biến dạng phép thử kéo: (a) Đa số kim loại hợp kim; (b) Vật liệu có giảm giới hạn chảy; (c) Vật liệu khơng có vùng tuyến tính; + Xác định theo bảng số liệu & đồ thị ứng suất-biến dạng + u lớn, khả chống phá hủy vật liệu tốt 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 35 Giới hạn chảy quy ước, σ0.2 : Độ bền phá hủy, σf : - Ứng suất thời điểm mẫu bị phá huỷ f Pf Ai - Ứng suất kéo ứng với độ biến dạng dẻo quy ước 0.2% (hay 0.002) Pa Trong đó: Trong đó: 0.2 P0.2 Ai Pa (*) P0.2: Lực kéo mà sau bỏ tải trọng biến dạng dẻo lại 0.2% Pf : Lực tác dụng thời điểm mẫu bị phá huỷ Ai : Diện tích tiết diện ngang ban đầu mẫu thử Nhận xét: 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 36 Ai : Diện tích tiết diện ngang ban đầu mẫu thử Nhận xét: Đối với vật liệu giòn: σu = σf - Giá trị 0.2 lớn khả chống lại biến dạng dẻo vật liệu lớn Đối với kim loại dẻo: σu lớn σf - Xác định đồ thị & tính tốn từ cơng thức (*) Thơng thường: Xác định đồ thị ứng suất-biến dạng & bảng số liệu 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 37 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 38 Độ giãn dài tương đối, f pf : 3.4.2 Độ dẻo - Là tiêu tính phản ánh độ biến dạng dư vật liệu bị phá huỷ tải trọng tĩnh - Độ dẻo đặc trưng độ giãn dài tương đối f pf độ co thắt tỷ đối %RA vật liệu - Tỷ số lượng chiều dài tăng thêm sau mẫu thử bị kéo đứt với chiều dài ban đầu, đơn vị %: f L f Li L 100% 100% Li Li pf f f E Trong đó: Lf : Độ dài điểm mẫu bị phá huỷ Li : Độ dài ban đầu mẫu thử σf: Độ bền phá hủy 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 39 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 40 Độ co thắt tỷ đổi, %RA: - Tỷ số thay đổi diện tích mặt cắt sau bị phá hủy với diện tích mặt cắt ban đầu, đơn vị % % RA Ai A f 100% Ai Trong đó: Ai : Diện tích mặt cắt ngang ban đầu, mm2 Af : Diện tích mặt cắt ngang sau phá huỷ, mm2 3.4.3 Độ dai va đập - Là tiêu đánh giá khả chống phá huỷ vật liệu chịu tác động tải trọng động (va đập) - Độ dai va đập (ak) công cần thiết để phá huỷ đơn vị diện tích mặt cắt ngang mẫu có tiết diện 10 x mm ak 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH [Nm/cm2 ] 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 42 41 3.4.4 Độ dai phá huỷ biến dạng phẳng - Độ dai phá huỷ biến dạng phẳng KlC tiêu tính đánh giá khả chống phá huỷ giịn vật liệu Trong đó: Ak S K Ic FcSg a c KIc: Là độ dai phá hủy biến dạng phẳng ac : Chiều dài vết nứt tới hạn tương ứng với phá hủy Sg: Ứng suất danh nghĩa mặt cắt toàn phần (khi khơng có vết nứt) F: Là đại lượng khơng thứ nguyên, phụ thuộc hình dạng vết nứt, kiểu đặt tải tỷ lệ chiều dài vết nứt so với kích thước mẫu Đối với kim loại kỹ thuật: + Giá trị KIc thường từ 20 200 + Độ dẻo thử kéo giảm → độ dai phá huỷ giảm + Quá trình xử lý nhiệt khác → độ bền khác → giá trị KIc khác Đối với Polyme: + Giá trị KIc nằm khoảng từ Đối với gốm: + Giá trị KIc nằm khoảng từ 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 44 43 Phương pháp thử độ cứng Brinell 3.4.5 Độ cứng - Độ cứng khả chống lại biến dạng dẻo cục vật liệu có vật thể khác cứng xâm nhập vào Đặc điểm: - Đối với vật liệu khơng đồng nhất, độ cứng phản ánh tính chất bề mặt - Độ cứng đặc trưng cho khả chịu mài mòn - Đối với vật liệu đồng nhất, độ cứng tỷ lệ thuận với độ bền - Phương pháp xác định đơn giản Vật liệu thử: - Vật liệu kim loại: Gang, thép, đồng, nhôm, … - Vật liệu polyme: PVC, PMMA ❖ Ký hiệu: HB , Đơn vị HB KG/mm2 ❖ Nguyên tắc: Dùng bi thép có đường kính xác định (thường 10 mm).Tác dụng lực tương đối lớn (thường 3000 kg với vật cứng thép gang 500 kg với vật mềm đồng, hợp kim nhôm) lên bề mặt mẫu ❖ Trị số: Lực chia cho diện tích mặt cong vết lõm 2P HB 0.5 πD D D d Trong đó: D: Đường kính viên bi, mm d : Đường kính vết lõm, mm 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 45 46 Phương pháp thử độ cứng Rockwell Phương pháp thử độ cứng Vickers ❖ Ký hiệu: HV ❖ Ký hiệu: HRX ❖ Nguyên tắc: (X là: A, B, C, D, E, R, M) - Dùng mũi đâm có dạng hình tháp kim cương với góc bề mặt α = 136 ❖ Nguyên tắc: + Dùng mũi đâm kim cương có dạng hình nón, góc đỉnh 120 - Lực tác dụng khoảng: (1 120kg) ❖ Trị số: Lực chia cho diện tích bề mặt vết lõm HV Trong đó: 2P 1.854P sin kG / mm 2 d2 d2 d: Đường chéo vết lõm, mm + Dùng mũi đâm bi thép có đường kính d = (1.6 12.7) mm + Tác dụng lực (tùy thang đo A, B, C, …) lên mẫu tra theo bảng (slide sau) 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 47 48 Phương pháp thử độ cứng Rockwell CÁC THANG ĐO ĐỘ CỨNG ROCKWELL THÔNG DỤNG ❖ Trị số: Mỗi đơn vị độ cứng biểu diễn theo giảm độ lún sâu mũi đâm HRX M h 0.002 Ký hiệu, HRX, X= Đường kính mũi đâm, viên bi, mm (in) Lực tác dụng (Kg) Ứng dụng điển hình A Đầu kim cương 60 Các vật liệu làm dụng cụ X: Chỉ thang đo sử dụng (A, B, C, D, E, R, M) D Đầu kim cương 100 Các loại gang, thép M: Giới hạn thang đo C Đầu kim cương 150 Các loại thép, gang cứng, hợp kim Ti M = 100 → mũi đâm kim cương (thang A, C, D) B 1.588 (0.0625) 100 Các loại thép mềm, hợp kim Cu Al E 3.175 (0.125) 100 Các hợp kim Al Mg, kim loại mềm khác, pôlyme gia cường M 6.35 (0,250) 100 Các kim loại mềm, pôlyme môđun cao R 12.70 (0.500) 60 Các kim loại mềm, pơlyme mơđun thấp Trong đó: M = 130 → mũi đâm bi thép (thang B, E, R, M) h = h2 – h1: Chiều sâu vết lõm, mm (Hiện đo máy → kết ngay) h1: Độ sâu tải phụ, mm h2: Độ sâu tải chính, mm ... tính chất lý hóa: - Dẫn điện, nhiệt giảm (tăng điện trở) - Chống ăn mịn giảm, hoạt tính hố học tăng 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 15 3.3 PHÁ HUỶ VẬT LIỆU 16 - Khi tải trọng tác dụng P > Pmax vật liệu. .. Vật liệu có giảm giới hạn chảy; (c) Vật liệu khơng có vùng tuyến tính; + Xác định theo bảng số liệu & đồ thị ứng suất-biến dạng + u lớn, khả chống phá hủy vật liệu tốt 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ... trưng cho độ cứng vững vật liệu E 3.4 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 34 B A B A - Ứng suất kéo lớn mà vật liệu chịu đựng trước bị phá huỷ Trong : Pmax : Lực kéo lớn trước vật liệu bị phá hủy Ai