thí nghiệm thử uốn của vật liệu

Uốn hoặc thử uốn là phổ biến đối với các lò xo và các vật liệu giòn mà sự phá hủy của chúng là tuyến tính như bê tông, đá, gỗ, nhựa, kính và đồ gốm. Các loại vật liệu giòn như kim loại và vật liệu gia công bằng luyện kim bột, thường được thử bằng cách uốn ngang

Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Bài 02: THỬ UỐN Người soạn: TS Nguyễn Đặng Thủy, TS Phạm Quang, Th.S Đỗ Minh Đức Người duyệt: PTN Công nghệ vật liệu kim loại Tài liệu tham khảo 1) Dowling, N E., Mechanical behavior of materials: Engineering methods for deformation, fracture and fatigue, 1999, Prentice Hall, ISBN-0-13010989-4 2) Hibbleler, R C., Mechanics of materials, 2005, Prentice Hall, ISBN 0-13186-638-9 3) Udomphol, T., Mechanical Metallurgy Laboratory 431303 Mục tiêu Sau thực xong thí nghiệm sinh viên biết nguyên lý thử uốn, thực hành kỹ thí nghiệm giải thích kết thử nghiệm vật liệu cho chúng bị phá hủy uốn điểm Nghiên cứu phản ứng kim loại chúng bị uốn Xác định thông số độ bền uốn, giới hạn chảy uốn môđun đàn hồi Sinh viên giải thích số liệu thử nghiệm lựa chọn vật liệu kỹ thuật thích hợp cho việc sử dụng để ngăn ngừa phá hủy uốn I Cơ sở lý thuyết Uốn thử uốn phổ biến lò xo vật liệu giòn mà phá hủy chúng tuyến tính bê tơng, đá, gỗ, nhựa, kính đồ gốm Các loại vật liệu giòn kim loại vật liệu gia công luyện kim bột, thường thử cách uốn ngang Do thử uốn thích hợp để đánh giá độ bền vật liệu giòn mà kết thử kéo chúng thường khó giải thích mẫu bi phá vỡ xung quanh vùng gá kẹp Việc đánh giá kết thử kéo khơng có giá trị miền phá hủy nằm ngồi vùng chiều dài cần tính mẫu Mẫu nhẵn mặt hình hộp khơng có rãnh khía sử dụng để thử uốn ba điểm bốn điểm uốn hình 1(a) 1(b) Hình minh họa uốn ba điểm có khả uốn cong góc 180o vật liệu hàn 16 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Hình Thử uốn hình hộp dạng (trái) ba điểm uốn (phải) bốn điểm uốn Hình Sơ đồ bố trí mẫu thử uốn dạng ba điểm Xem xét trình uốn cong ba điểm vật liệu đàn hồi, đặt tải vào tâm nhịp uốn mẫu mặt phẳng x-y, phân bố ứng suất toàn chiều rộng mẫu (w = 2c) thể hình 3(a) Ứng suất khơng đường trung gian NN Ứng suất phương y theo hướng dương ứng suất kéo, ngược lại theo hướng âm ứng suất nén Trong vùng đàn hồi, vật liệu giòn cho thấy quan hệ tuyến tính tải độ võng, chảy dẻo xảy lớp mỏng bề mặt mẫu tâm nhịp uốn Điều làm xuất vết nứt cuối mẫu bị phá hủy Tuy nhiên, vật liệu dẻo cho đường cong tải-độ võng phi tuyến trước phá hủy xảy ra, trái ngược với vật liệu giòn đề cập Hơn nữa, trường hợp khó khăn xác định điểm bắt đầu chảy dẻo Sự phân bố ứng suất vật liệu dẻo sau chảy dẻo nêu hình 3(b) Vì vậy, thấy thử uốn không phù hợp cho vật liệu dẻo khó xác định điểm chảy dẻo vật liệu bị uốn đường cong ứng suất-biến dạng nhận vùng đàn hồi khơng tuyến tính Các kết nhận khơng giá trị Vì thử uốn thích hợp để thử nghiệm vật liệu ròn có đường cong ứng suất-biến dạng với vùng đàn hồi tuyến tính trước vật liệu phá hủy 17 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Hình 3: Phân bố ứng suất hình hộp (a) uốn đàn hồi (b) sau chảy dẻo [1] Đối với vật liệu giòn có mối quan hệ ứng suất-biến dạng tuyến tính, ứng suất phá hủy (f) xác định từ ứng suất phá hủy uốn dựa theo theo phân tich vùng tuyến tính đàn hồi phương trình 1: (1) (2) đó: M - mơmen uốn c - 1/2 chiều rộng mẫu hình t - độ dày mẫu hình I - mơmen qn tính mặt cắt ngang Khi bị uốn ba điểm hình 1(a) với tải P đặt nhịp uốn hình hộp có chiều dài L hai lăn, mômen uốn cao tâm nhịp uốn là: (3) đó: (4) đó: σfb - ứng suất phá hủy tính tốn Pf - tải phá hủy mẫu thử uốn w - chiều rộng mẫu có chiều dài 2c 18 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3040) 2012 Ứng suất phá hủy uốn gọi độ bền uốn, độ bền tương đương với môđun phá hủy uốn Độ bền uốn khác với ứng suất phá hủy thử kéo, phá hủy xảy cách xa điểm chảy dẻo Tuy nhiên, vật liệu giòn có độ bền nén lớn so với độ bền kéo Do phá hủy vật liệu uốn ứng suất kéo, đặc biệt dọc theo bề mặt đối diện hướng đặt tải.Việc xác định giới hạn chảy (σy) thực cách thay Pf tải chảy dẻo Py phương trình Tải chảy dẻo xác định điểm chảy dẻo % biến dạng dư định Từ ta có giới hạn chảy phương trình Cần lưu ý giới hạn chảy nhận từ thử uốn không khác so giới hạn chảy nhận từ thử kéo Đó mối quan hệ tải trọng độ lệch (uốn) tuyến tính điểm chảy dẻo: (5) Biến dạng uốn tính từ phương trình (v độ lệch uốn trục mẫu): (6) Hơn nữa, từ kết thử nghiệm, ta nhận mơđun đàn hồi vật liệu sở phân tích đàn hồi tuyến tính Độ lệch (uốn) trục mẫu (v) tâm minh họa hình biểu diễn phương trình 6: (7) mơđun đàn hồi (EB) tính từ độ dốc đường cong tải-độ lệch (uốn) vùng tuyến tính sau: (8) hoặc: (9) m độ dốc đường cong tải-độ lệch (uốn) 19 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Mô-đun đàn hồi từ thử uốn thường gần với giá trị mô-đun đàn hồi từ thử kéo nén ta thí nghiệm loại vật liệu Tuy nhiên, có số yếu tố ảnh hưởng đến mô-đun đàn hồi, như: Biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo vị trí lăn điểm đặt tải đủ lớn so với độ uốn Nếu mẫu ngắn thử uốn, biến dạng ứng suất tiếp xảy ra, mà khơng có ý nghĩa cho việc tính tốn theo lý thuyết trục Vật liệu có mơđun đàn hồi khác nhau, bị uốn, kéo nén Vì vậy, mơđun đàn hồi uốn cần nhận diện để tránh nhầm lẫn giải thích tính chất học vật liệu Hình Quan hệ ứng suất biến dạng uốn (a) (b) Hình (a) Độ lệch (uốn) trục (b) Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) Theo hình (b) Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) hình hộp chịu tải P Khi uốn cong theo ba điểm, biến dạng giới hạn khu vực nhịp uốn mẫu, sau dẫn đến chảy dẻo 20 | P a g e Lab.1 – Tính chất – nhiệt vật liệu (MSE3040) 2012 II Vật liệu thiết bị Mẫu thí nghiệm uốn Thước đo thước kẹp Bút Máy thử uốn III Quy trình thí nghiệm Đo chiều rộng độ dày mẫu, gồm chiều dài/ độ uốn vào bảng cho để tính ứng suất mơđun đàn hồi Đánh dấu vị trí đặt tải theo ba điểm uốn Thử uốn thực máy MTS phá hủy Xây dựng đường cong tải trọng - độ võng thiết bị đo quay số sử dụng Tính độ bền uốn, giới hạn chảy môđun đàn hồi mẫu vật Mô tả phá hủy uốn phác họa bề mặt gãy bảng cung cấp Thảo luận kết thử nghiệm thu đưa kết luận IV Kết Bảng 1: Số liệu thử uốn vật liệu Mô tả Mẫu Mẫu Chiều dầy, t (mm) Chiều rộng, w (mm) Chiều dài uốn, L (mm) Tải uốn tối đa, Pmax (N) Độ bền uốn tối đa, σmaxb (MPa) Bend strain at maximum Biến dạng uốn tối đa, Ɛmaxb (%) Môđun đàn hồi EB, (MPa) Chi tiết mặt gãy VI Câu hỏi Giải thích gang phá hủy uốn? Có khác so với phá hủy nhơm uốn? Bạn đốn trước điều thí nghiệm uốn thực nhiệt độ cao? Cho ví dụ ứng dụng kỹ thuật cần đến đặc tính uốn vật liệu 21 | P a g e ... chất – nhiệt vật liệu (MSE3015) 2012 Hình Thử uốn hình hộp dạng (trái) ba điểm uốn (phải) bốn điểm uốn Hình Sơ đồ bố trí mẫu thử uốn dạng ba điểm Xem xét trình uốn cong ba điểm vật liệu đàn hồi,... xác định điểm chảy dẻo vật liệu bị uốn đường cong ứng suất-biến dạng nhận vùng đàn hồi khơng tuyến tính Các kết nhận khơng giá trị Vì thử uốn thích hợp để thử nghiệm vật liệu ròn có đường cong... Tính độ bền uốn, giới hạn chảy môđun đàn hồi mẫu vật Mô tả phá hủy uốn phác họa bề mặt gãy bảng cung cấp Thảo luận kết thử nghiệm thu đưa kết luận IV Kết Bảng 1: Số liệu thử uốn vật liệu Mô tả