Hiểu nguyên lý chính của thí nghiệm kéo một chiều và biết cách sử dụng hệ thống máy MTS để thực hiện thí nghiệm. Xác định đường cong quan hệ ứng suấtbiến dạng, so sánh sự khác biệt giữa đường cong thực và đường cong công nghệ Biết áp dụng các kiến thức đã học để xác định các thông số cơ học cơ bản của vật liệu bao gồm: Môđun đàn hồi, ngưỡng dẻo, giới hạn chảy dẻo 0.2, độ bền, ứng suất phá hủy, biến dạng tại điểm phá hủy, độ giảm tiết diện mẫu, độ dãn dài, hệ số biến cứng biến dạng, hệ số mũ biến dạng, độ cứng Rockwell.
Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Bài 01: KÉO ĐƠN Người soạn: TS Nguyễn Đặng Thủy, Th.S Đỗ Minh Đức Người duyệt: PTN Công nghệ vật liệu kim loại Tài liệu tham khảo: 1) B.N Arzamaxov, “Vật liệu học”, NXB GD, 2004 2) Đỗ Minh Nghiệp, Trần Quốc Thắng, “Độ dẻo & Độ bền kim lọai”, NXB KHKT, 2012 I Mục tiêu, ý nghĩa yêu cầu Hiểu nguyên lý thí nghiệm kéo chiều biết cách sử dụng hệ thống máy MTS để thực thí nghiệm Xác định đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng, so sánh khác biệt đường cong thực đường cong công nghệ Biết áp dụng kiến thức học để xác định thông số học vật liệu bao gồm: Mô-đun đàn hồi, ngưỡng dẻo, giới hạn chảy dẻo 0.2, độ bền, ứng suất phá hủy, biến dạng điểm phá hủy, độ giảm tiết diện mẫu, độ dãn dài, hệ số biến cứng biến dạng, hệ số mũ biến dạng, độ cứng Rockwell II Cơ sở lý thuyết Đường cong ứng suất – biến dạng Trạng thái đàn hồi Trạng thái đàn hồi vật liệu đặc trưng vùng có độ dốc không đổi đồ thị kéo nén (miền đàn hồi vật liệu), trạng thái đàn hồi vật liệu trở trạng thái ban đầu sau dỡ tải Mô đun đàn hồi E tỷ số quan hệ ứng suất biến dạng miền đàn hồi mô tả theo định luật Hooke: E el (1) Với hầu hết vật liệu nhiệt độ thường, quan hệ ứng suất biến dạng miền đàn hồi tuyến tính 6|Page Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Hình Đường cong ứng suất – biến dạng Giới hạn chảy Khi ứng suất đạt tới giá trị cực đại miền đàn hồi, vật liệu chuyển sang trạng thái biến dạng dẻo Điểm chuyển tiếp miền đàn hồi miền dẻo gọi giới hạn chảy, Thường khó xác định xác điểm chuyển tiếp Do vậy, giới hạn chảy xác định ứng suất gây lượng biến dạng dư 0,2 % so với mẫu ban đầu Các loại vật liệu giòn khơng tồn vùng biến dạng dẻo nên ko có giới hạn chảy, có giới hạn phá hủy Hóa bền biến dạng Khi vật liệu vùng biến dạng dẻo, dỡ tải giá trị 0, vật liệu trở trạng thái đàn hồi khơng thể trở hình thái ban đầu bị biến dạng dẻo Khi chất tải trở lại, vật liệu trì trạng thái đàn hồi đến điểm dỡ tải (vật liệu ghi nhớ toàn trình chất tải trước đó) bắt đầu giới hạn bền tiếp tục chảy dẻo lên giá trị cao chưa bị chất tải Do giới hạn chảy vật liệu gia tăng cách nâng biến dạng cao với giới hạn chảy ban đầu Phương pháp thường sử dụng để nâng cao độ bền cho vật liệu số trường hợp đặc biệt 7|Page Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Tính khơng ổn định, vùng thắt độ bền kéo: Khi độ dốc đường cong ứng suất biến dạng giảm dần đạt tới giá trị Tại điểm vật liệu đạt giá trị dẻo không ổn định (giới hạn bền kéo - UTS) Quá trình biến dạng vật liệu lúc trở nên dễ dàng độ dốc đồ thị bắt đầu xuống Trong suốt trình này, ứng suất chống lại lực tác dụng làm biến dạng vật liệu giảm nhanh so với bền vật liệu có hóa bền mang lại Sau trình khơng ổn định, mẫu bị phá hủy nhanh, dễ dàng quan sát qua thay đổi tiết diện mẫu, mặt cắt lúc có tượng co thắt Sau q trình thắt vật liệu bị phá hủy, ứng suất thời điểm phá hủy gọi ứng suất phá hủy UTS u Pmax Ao (2) Phá hủy Hình Mặt cắt mẫu bị phá hủy 8|Page Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Khi vật liệu phá hủy, tiết diện mẫu nơi phá hủy tòn nhiều hình dạng khác nhau, Hình cho thấy dạng bề mặt thông thường tiết diện phá hủy vật liệu Phân tích quan hệ ứng suất biến dạng Định nghĩa ứng suất biến dạng Hình Biến dạng, ứng suất kỹ thuật biến dạng, ứng suất thực Đường cong ứngđầu suất-biến dạng thực Trong thí nghiệm kéo đơn, kích thước hình học ban mẫu (A0, L0) sở để tính tốn ứng suất biến dạng kỹ thuật Ứng suất kỹ thuật tính đơn giản theo áp lực P sau: e (3) P A0 với A0 diện tích mặt cắt mẫu trước biến dạng Biến dạng kỹ thuật tính theo độ dài mẫu theo công thức sau: e L Lo L Lo Lo (4) với L0 diện tích chiều dài mẫu trước biến dạng 9|Page Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Hai giá trị e e gọi ứng suất biến dạng kỹ thuật Tuy nhiên, định nghĩa ứng suất biến dạng thực lại ko đơn giản, ứng suất thực định nghĩa áp lực tác dụng lên diện tích bề mặt tức thời A t P A (5) Biến dạng thực xác định theo công thức sau: dL L (6) L dL ln L L Lo (6a) d t Lấy tích phân vế ta có: L t Xác định ứng suất thực, biến dạng thực từ đồ thị kéo đơn Dựa mối quan hệ ứng suất biến dạng với kích thước mẫu, ứng suất thực tính gần theo cơng thức sau: L L Lo L ln 1 L o (7) t ln 1 e (7a) ln ln Lo Lo Và rút gọn đơn giản lại: Mối quan hệ giữ cho biến dạng đồng tượng thắt xảy Khi ứng suất tập trung vùng thắt ứng suất, biến dạng thực lúc cần thiết Từ mối quan hệ ứng suất kỹ thuật ứng suất thực ta suy mối quan hệ tương tự với biến dạng Theo định luật thể tích khơng đổi ta có: A L Ao Lo Ao L A Lo (8) Thay vào cơng thức 6a ta có: L A d t ln ln o ln o A d Lo (9) Công thức biểu thị liên quan diện tích mặt cắt tức thời tới biến dạng thực diện tích mặt cắt ban đầu Từ (9) thay vào (7a) ta có: 10 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 (10) Ao (1 e ) A Cả ứng suất thực biến dạng thực nhận từ lực tác dụng P, theo định nghĩa thay vào ta có: P e Ao t A (11) Từ ta có mối quan hệ ứng suất kỹ thuật ứng suất thực: Ao e (1 e ) A t e (12) Khi trình kéo tiếp tục vượt qua giới hạn bền, q trình khơng ổn định xảy ra, thể tích thay đổi, diện tích mặt cắt vùng thắt xác định có dụng cụ đo suốt q trình thí nghiệm Khi đạt trạng thái phá hủy, ứng suất phá hủy tính thơng qua đường kính mặt cắt vùng phá hủy: ln Ao A df f f ln (13) Biến dạng phá hủy tính thơng qua độ giảm diện tích mặt cắt (tính theo %): d % RA o d 2f do2 d 2f 100 1 100 (14) Thay vào cơng thức (13) ta có: 100 100 % RA f ln (15) Từ đó, ứng suất phá hủy thực là: f Pf (16) Af Biến dạng tổng Vật liệu tồn trạng thái biến dạng đàn hồi bên nó, kể sau biến dạng dẻo tham gia vào trình biến dạng dẻo Do biến dạng vật liệu tổng biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo: 11 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) total el p 2012 (17) đó: el - Biến dạng đàn hồi p - Biến dạng dẻo Quan hệ ứng suất biến dạng dẻo Nếu đồ thị quan hệ xây dựng ứng suất biến dạng dẻo thực, ta ln có đồ thị dạng đường thẳng (xem hình 4), thể rõ qua cơng thức Công thức (7a) (12) giới hạn ứng suất kỹ thuật biến dạng kỹ thuật trước tượng thắt xảy Các điểm sau tính thơng qua cơng thức tính trạng thái phá hủy (13) (16) Hình 4: ứng suất thực biến dạng dẻo thực Quan hệ tuyến tính đồ thị thơng qua thay đổi liên quan đến định luật lượng sau: t K tn, p (18) đó: K - hệ số bền vật liệu N - hệ số mũ hóa bền biến dạng (xem hình 4) 12 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Với loại hợp kim định, hai hệ số không đổi, nhiên K n thay đổi hợp kim xử lý nhiệt K n xác định thông qua đồ thị hàm (18) hình 4, K giá trị t trục y đồ thị biến dạng dẻo thực t,p = n độ dốc đường tuyến tính log-log Nói cách khác, giá trị n xác định từ độ dốc đồ thị tuyến tính biển diễn mối quan hệ đường logarit biến dạng ứng suất thực hệ tọa độ chuẩn Từ công thức quan hệ biến dạng dẻo thực với ứng suất thực xây dựng công thức liên hệ biến dạng tổng ứng suất thực, gọi quan hệ ứng suất biến dạng đàn hồi: el (19) E Biến dạng tổng lúc trở thành: t n t t E K (20) Khi xảy tượng thắt, việc đo đạc xác diện tích mặt cắt có thay đổi hình dạng mặt cắt khó khăn, sử dụng cơng thức tính gần sau đây: K f nf (21) III Thí nghiệm 1.Mẫu thí nghiệm: Mẫu thí nghiệm sử dụng thí nghiệm mẫu trụ có tiết diện khơng đồng theo phần có kích thước theo TCVN ASTM (xem hình 5) 2.Vật liệu thí nghiệm Để đơn giản hóa, vật liệu tiến hành thí nghiệm kim loại mầu phổ thông: Nhôm, Đồng, Thép 13 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Hình Mẫu thử kéo 3.Trình tự tiến hành thí nghiệm Xem xét kiểm tra an tồn vật dụng chuẩn bị cho thí nghiệm trước bật máy Khởi động máy kéo nén MTS (điện, phần mềm máy tính, chỉnh lưu) Sử dụng phần mềm chuyên dụng đặt chế độ cho thí nghiệm tiến hành theo hướng dẫn Gá mẫu lên máy kéo nén theo hướng dẫn, sau cho máy chạy Kết thúc thí nghiệm, tắt phần mềm sử dụng máy tính, lấy mẫu khỏi máy, tắt máy tính cơng tắc điện nước liên quan IV Báo cáo thí nghiệm: Vẽ đồ thị quan hệ ứng suất biến dạng kỹ thuật thực vật liệu Tính tốn thơng số u cầu theo bảng báo cáo thí nghiệm So sánh kết tính thí nghiệm với thông số chuẩn vật liệu Từ số liệu cho, cho biết mối quan hệ độ bền, độ cứng (nếu có) tính dẻo Phác thảo lại bề mặt phá hủy mẫu thí nghiệm từ phá hủy với loại vật liệu So sánh đồ thị ứng suất biến dạng kỹ thuật với đồ thị ứng suất biến dạng thực Lấy ví dụ 14 | P a g e ... (21) III Thí nghiệm 1.Mẫu thí nghiệm: Mẫu thí nghiệm sử dụng thí nghiệm mẫu trụ có tiết diện khơng đồng theo phần có kích thước theo TCVN ASTM (xem hình 5) 2.Vật liệu thí nghiệm Để đơn giản hóa,... cho thí nghiệm trước bật máy Khởi động máy kéo nén MTS (điện, phần mềm máy tính, chỉnh lưu) Sử dụng phần mềm chuyên dụng đặt chế độ cho thí nghiệm tiến hành theo hướng dẫn Gá mẫu lên máy kéo. .. báo cáo thí nghiệm So sánh kết tính thí nghiệm với thơng số chuẩn vật liệu Từ số liệu cho, cho biết mối quan hệ độ bền, độ cứng (nếu có) tính dẻo Phác thảo lại bề mặt phá hủy mẫu thí nghiệm từ