tính chất cơ học của vật liệu

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN : VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU Giảng viên hướng dẫn: T.s Nguyễn Văn Bời Lớp học phần Nhóm : 210414002 :10 TP.Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  BỘ MÔN: HÓA HỮU CƠ TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC TÍNH CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU TP.Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2010 MỤC LỤC NỘI DUNG Tính chất học vật liệu kim loại Cơ tính (tính chất học vật liệu): Là đặc trưng học biểu thị khả vật liệu chịu tác dụng tải trọng.Cơ tính vật liệu bao gồm: độ bền, độ cứng, độ dãn dài tương đối, độ dai va chạm Dưới tác động ngoại lực P, vật rắn có xu hướng thay đổi hình dáng so với trước chịu tác dụng lực gọi biến dạng, vật xuất ứng suất để chống lại biến dạng.Biến dạng thay đổi hình dạng kích thước vật liệu tác động ngoại lực Ứng suất: đại lượng biểu thị nội lực phát sinh vật thể biến dạng tác dụng nguyên nhân bên tải trọng, thay đổi nhiệt độ, v v… Ứng suất = Khi ứng suất pháp (σ), vuông góc với bề mặt chịu lực làm vật liệu bị biến dạng (ε) Khi ứng suất tiếp (τ), song song với bề mặt chịu lực làm cho vật bị xê dịch (γ) 1.1 Các đặc trưng tính Độ bền δ: Là đặc tính vật liệu, định nghĩa khả chịu đựng không bị nứt, gãy, phá hủy tác động ngoại lực lên vật thể Các đặc tính độ bên theo cách tác động ngoại lực khác nhau: độ bền kéo ( σk), độ bền nén (σn), độ bền cắt (σu), độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập, giới hạn chảy  Độ bền uốn ứng suất thấp làm biến dạng vĩnh viễn cho vật liệu xem xét  Độ bền nén giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ  Độ bền kéo giới hạn lớn ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét  Độ bền mỏi số đo độ bền vật liệu thành phần chịu tải trọng có chu kỳ  Độ bền va đập khả chịu đựng vật liệu chịu tải trọng va đập đột ngột  Giới hạn chảy: ứng suất nhỏ làm cho kim loại bị biến dạng dẻo (biến dạng dư.) Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo tác dụng ngoại lực P (N) lên kim loại có diện tích tiết diện ngang F (mm2) Giá trị độ bền tính theo công thức: σ= P F Giới hạn mà lực P đạt đến giá trị làm cho kim loại bị phá huỷ gọi giới hạn bền cho phép ký hiệu [σ] Độ cứng: khả vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén Cùng giá trị lực nén biến dạng mẫu đo lớn độ cứng Gồm loại: +Độ cứng Brinen (đo theo phương pháp Bri nen): Ký hiệu HB HB tính theo công thức: P: tải trọng (kG) F: diện tích mặt cầu vết lõm (mm2) Đơn vị độ cứng Brinen HB kG/mm2 Tuỳ theo chiều dày mẫu thử mà chọn đường kính viên bi thử D=10 mm, D=5mm, D=2,5mm Tuỳ theo tính chất vật liệu mà chọn tải trọng P cho thích hợp: - Đối với thép gang: P = 30D2 - Đồng hợp kim đồng: P = 10D2 - Nhôm, babit hợp kim mềm khác; P = 2,5D2 Độ cứng HB dùng đo vật liệu có độ cứng thấp (< 450 kG/mm2) gang, thép chưa tôi, đồng, nhôm V.v… +Độ cứng Rowell (Rôcoen): Ký hiệu HRA, HRB, HRC tương ứng với thang đo A, B, C Các thang đo độ cứng Rocwel Thang A – Dùng mũi chóp kim cương P = 60 KG Ký hiệu: HRA -Thang B –Dùng bi thép P = 100 KG Ký hiệu: HRB -Thang C – Dùng mũi chóp kim cương P = 150 KG Ký hiệu: HRC Nội dung phương pháp: • Tải trọng P • Bi thép cứng có đường kính 1/16” (1,587 mm) cho thang đo B Đo vật cứng • mũi hình côn kim cương có góc đỉnh 1200 (thang A C) dùng thử vật liệu có độ cứng cao thép qua nhiệt luyện Độ cứng Rôcoen HRC dùng để đo độ cứng cao (> 450 kG/ mm2) Quan hệ loại độ cứng: - Độ cứng thấp : HB = 220 HRC = 20 - Độ cứng trung bình: HB =250 - 450 HRC = 25 – 45 - Độ cứng cao: - Độ cứng cao: HRC = 50 – 64 HRC > 64 Độ cứng Víchke :Dùng mũi kim cương hình chóp đáy vuông, góc hai mặt đối diện 1360 ấn lên bề mặt mẫu thử với tải trọng P từ ÷ 120 kG (5; 10; 20; 30; 50; 100; 120) Độ cứng Vicke ký hiệu HV (kG/mm2) đó: P: tải trọng (kG); d: đường chéo vết lõm Phương pháp đo độ cứng Vicke đo cho vật liệu mềm vật liệu có lớp bề mặt cứng mỏng sau thấm than, thấm nitơ, nhiệt luyện v.v… Độ dẻo: Độ dẻo đặc tính vật liệu chịu tác động lực làm biến dạng vật thể chất rắn mà không làm phá hủy khối chất rắn +Độ dãn dài tương đối (δ%) • Là tỷ lệ tính theo phần trăm lượng dãn dài sau kéo l1 chiều dài ban đầu l0 ; Ký hiệu: δ% δ= l1 − l × 100 l0 % L0, l1 độ dài trước sau kéo tính mm • Vật liệu có độ dãn dài tương đối lớn dẻo ngược lại Vật liệu có độ dãn dài tương đối lớn dẻo ngược lại Độ dai va chạm (ak): Là khả chịu tải trọng tác dụng đột ngột (tải trọng va đập) vật liệu mà không bị phá huỷ.Ký hiệu: ak A: công sinh va đập làm gẫy mẫu(J) F: diện tích tiết diện mẫu (mm2) Đơn vị ak (J/mm2; kJ/m2) Tính chất học vật liệu vô Tính chất học vật liệu hữu Khái niệm: Vật liệu hữu (còn gọi cao phân tử) phân tử có nhiều hợp phần Là hợp chất hình thành lặp lại nhiều lần loại hay nhiều loại nguyên tử hay nhiều nhóm nguyên tử lien kết với với số lượng lớn để tạo thành loại tính chất mà chúng không thay đổi đáng kể lấy thêm vào vài đơn vị cấu tạo Theo cấu trúc vật liệu hữu (polymer) phân thành loại sau đây: Polyme mạch thẳng: Đại phân tử chuỗi mắc xích nối liền theo đường dích dắc hay hình xoắn ốc ( ví dụ polyetylen PE) (hình a) Polyme mạch nhánh: Là loại mạch thẳng phân tử có nhánh (ví dụ Polyizobutylen PIB) (hình b) Polyme dạng lưới: Các mạch cạnh polymer nối với liên kết cộng hóa trị (ví dụ loại cao su lưu hóa) (hình c) Polyme không gian: Các monomer có nhóm hoạt động tạo nên polymer không gian chiều, có tính cơ, lý, nhiệt đặc biệt (ví dụ nhựa eepoxy) (hình d) Biến dạng tính: 10 Biến dạng vật liệu hữu theo hàm số nhiệt độ.khi nhiệt độ tăng đồng thời ứng suất giảm.biến dạng (δ) vật liệu tăng σ 40C 200C 300C 400C 500C 600C ε Đồliệu thịtheo σ-εthểcủa Biến dạng vật tíchpolymetylmetacrylat biến dạng (Vbd): Khi thể tích biến dạng giảm thi polymetylmetacrylat ứng suất giảm độ biến dạng (δ) tăng Bảng số liệu: Độ biến dạng số số vật liệu polyme Vật liệu d E σ δ g/cm3 103MPa MPa % PE 40-50%t.thể 0.92-0.93 0.17-0.28 8.3-31 100-650 PE 70-80%t.thể 0.95-0.97 1.07-1.09 22-31 10-1200 PVC vô đ.hình 1.30-1.58 2.4-4.1 41-52 40-80 PTFE50-70%t.thể 2.14-2.20 0.40-0.55 14-34 200-400 PP 50-60%t.thể 0.90-0.91 1.14-1.55 31-34 100-600 PS vô đ.hình 1.04-1.05 2.28-3.28 36-52 1.2-2.5 PMMA vô đ.hình 1.17-1.20 2.24-3.24 48-76 2-10 Bakelit 1.24-1.32 2.8-4.8 34-62 1.5-2.0 Cơ chế biến dạng: 11 Polyme giòn (Bakelit): Polyme giòn có cấu trúc mạng tịnh thể không gian lưới hẹp Khi chịu tác dụng lực mạng tinh thể duỗi thẳng ra, mạch nhánh (doliên kết cộng hóa trị) bị đút làm cho vật liệu polymer giòn xuất vết nứt Lưới σ σ Polyme dẻo: Cấu trúc phân tử dạng tinh thể vô định hình (hình a) Khi chịu tác dụng áp lực cấu trúc vô định hình biến dạng thuận nghịch (hình b) Khi tác dụng lực lớn tinh thể trượt quay song song với lực tác dung, làm cho vật liện biến dạng không thuận nghịch (hình c) Khi tác dụng lực đủ lớn tinh thể bị chia cắt thành nhóm nhỏ (hình d) Khi tiếp tục tác dụng thêm lực tinh thể bị chia cắt nhóm nhỏ bị tách rời xếp lại Các mảnh tinh thể lien kết phân tử nối mạng, dẫn đến ứng suất tăng, từ xuất biến dạng trượt.Khi tác dụng thêlực lớn vật liệu xuất vết nứt, mạng tinh thể bị đứt mạng, dẫn tới vật liệu bị phá hủy (hình e) 12 Polyme đàn hồi cao su: Polyme đàn hồi cao su có cấu trúc vô định hình dạng búi lưới rộng Khi tác dụng lực mạng tinh thể duỗi thẳng song song với phương lực Khi ngừng tác dụng lực vào vật liệu mạch tinh thể trở lại trạng thái ban đầu Lưới σ σ 13 Bbúi 14 [...]... dạng của vật liệu hữu cơ theo một hàm số nhiệt độ.khi nhiệt độ tăng đồng thời ứng suất giảm.biến dạng (δ) của vật liệu tăng σ 40C 200C 300C 400C 500C 600C 0 ε Đ liệu thịtheo σ-εth của Biến dạng của vật tíchpolymetylmetacrylat biến dạng (Vbd): Khi thể tích biến dạng giảm thi polymetylmetacrylat ứng suất giảm và độ biến dạng (δ) tăng Bảng số liệu: Độ biến dạng và các chỉ số của một số vật liệu polyme Vật. .. 2.8-4.8 34-62 1.5-2.0 Cơ chế biến dạng: 11 Polyme giòn (Bakelit): Polyme giòn có cấu trúc mạng tịnh thể không gian và lưới hẹp Khi chịu tác dụng của một lực thì mạng tinh thể sẽ duỗi thẳng ra, mạch nhánh (doliên kết cộng hóa trị) bị đút làm cho vật liệu polymer giòn xuất hiện vết nứt Lưới σ σ Polyme dẻo: Cấu trúc phân tử là dạng tinh thể và vô định hình (hình a) Khi chịu tác dụng của một áp lực thì... thêlực lớn nữa thì vật liệu sẽ xuất hiện vết nứt, mạng tinh thể bị đứt mạng, dẫn tới vật liệu bị phá hủy (hình e) 12 Polyme đàn hồi cao su: Polyme đàn hồi cao su có cấu trúc vô định hình dạng búi hoặc lưới rộng Khi tác dụng một lực thì mạng tinh thể duỗi thẳng và song song với phương của lực Khi ngừng tác dụng lực vào vật liệu thì mạch tinh thể trở lại trạng thái ban đầu Lưới σ σ 13 Bbúi 14 ... dung, làm cho vật liện biến dạng không thuận nghịch (hình c) Khi tác dụng một lực đủ lớn thì tấm tinh thể bị chia cắt thành nhóm nhỏ (hình d) Khi tiếp tục tác dụng thêm lực thì các tấm tinh thể bị chia cắt thanh các nhóm nhỏ sẽ bị tách rời và sắp xếp lại Các mảnh tinh thể lien kết bằng phân tử nối mạng, dẫn đến ứng suất tăng, từ đó xuất hiện biến dạng trượt.Khi tác dụng thêlực lớn nữa thì vật liệu sẽ xuất... tíchpolymetylmetacrylat biến dạng (Vbd): Khi thể tích biến dạng giảm thi polymetylmetacrylat ứng suất giảm và độ biến dạng (δ) tăng Bảng số liệu: Độ biến dạng và các chỉ số của một số vật liệu polyme Vật liệu d E σ δ g/cm3 103MPa MPa % PE 40-50%t.thể 0.92-0.93 0.17-0.28 8.3-31 100-650 PE 70-80%t.thể 0.95-0.97 1.07-1.09 22-31 10-1200 PVC vô đ.hình 1.30-1.58 2.4-4.1 41-52 40-80 PTFE50-70%t.thể 2.14-2.20 ... PE 4 0-5 0%t.thể 0.9 2-0 .93 0.1 7-0 .28 8. 3-3 1 10 0-6 50 PE 7 0-8 0%t.thể 0.9 5-0 .97 1.0 7-1 .09 2 2-3 1 1 0-1 200 PVC vô đ.hình 1.3 0-1 .58 2. 4-4 .1 4 1-5 2 4 0-8 0 PTFE5 0-7 0%t.thể 2.1 4-2 .20 0.4 0-0 .55 1 4-3 4 20 0-4 00... 20 0-4 00 PP 5 0-6 0%t.thể 0.9 0-0 .91 1.1 4-1 .55 3 1-3 4 10 0-6 00 PS vô đ.hình 1.0 4-1 .05 2.2 8-3 .28 3 6-5 2 1. 2-2 .5 PMMA vô đ.hình 1.1 7-1 .20 2.2 4-3 .24 4 8-7 6 2-1 0 Bakelit 1.2 4-1 .32 2. 8-4 .8 3 4-6 2 1. 5-2 .0 Cơ chế... cứng cao (> 450 kG/ mm2) Quan hệ loại độ cứng: - Độ cứng thấp : HB = 220 HRC = 20 - Độ cứng trung bình: HB =250 - 450 HRC = 25 – 45 - Độ cứng cao: - Độ cứng cao: HRC = 50 – 64 HRC > 64 Độ cứng