Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Biến dạng và cơ tính - Cao Xuân Việt

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Biến dạng và cơ tính - Cao Xuân Việt cung cấp cho học viên những kiến thức về biến dạng và phá hủy vật liệu, đường cong ứng suất kéo – biến dạng, các tính chất cơ học quan trọng từ thử kéo, các hình thức biến dạng cơ học, biến dạng đàn hồi, biến dạng tuyến tính và phi tuyến,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

BIẾN DẠNG VÀ CƠ TÍNH BIẾN DẠNG & PHÁ HỦY VẬT LIỆU • Vật liệu bắt đầu bị phá hủy nào? • Độ bền vật liệu? • Ước lượng lực phá hủy? • Tốc độ chịu tải, trình tải, ảnh hưởng nhiệt độ tới lực phá hủy? Ship-cyclic loading from waves Hip implant-cyclic loading from walking Adapted from Fig 22.26(b), Callister 7e Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 8, Callister 7e (by Neil Boenzi, The New York Times.) Thuật ngữ  Tải trọng – Lực tác động lên mẫu thử  Đo biến dạng – Thiết bị đo độ dài mẫu thử nghiệm  Ứng suất kỹ thuật – Tải chia cho diện tích mặt cắt ngang vật liệu thử  Biến dạng kỹ thuật – Phần vật liệu biến dạng đơn vị chiều dài thử kéo  Thử kéo: Biểu đồ ứng suất - kéo  Các tính chất kéo  Ứng lực lực nén thực  Thử uốn, thử dòn  Độ cứng vật liệu ỨNG SUẤT & BIẾN DẠNG • Lực kéo, s: Ft Diện tích Ban đầu Ft Diện tích, A Diện tích, A Ft s= Ao • Lực trượt, t: F Fs Fs Ft F Ft Đơn vị ứng suất: N/m2 or lb/in2 Ứng suất (s) kéo nén F s= Ao Biến dạng (e) kéo nén Tải kéo Tải nén Ứng suất trượt Fs t = Ao Biến dạng trượt g = tan q Góc biến dạng xoắn f PHỔ BIẾN NHẤT: BIẾN DẠNG KÉO Lực tác dụng: Kéo, nén, uốn, va đập, mài, đâm… Ứng xử vật liệu: Phụ thuộc chất, hình dáng, kích thước, điểm đặt lực… Trong trường hợp chung: Phải có qui định Máy kéo Mẫu biến dạng Đường cong ứng suất kéo – biến dạng Giới hạn bền kéo s UTS Giới hạn đàn hồi Hóa cứng biến dạng sy Đứt, gãy Phá hủy Vùng dẻo Vùng đàn hồi σ =Eε σ E= ε Tạo cổ E= σy ε  ε1 Vùng đàn hồi góc nghiêng =Young’s (elastic) modulus giới hạn đàn hồi Vùng dẻo giới hạn bền kéo hóa cứng biến dạng phá hủy Biến dạng (e ) (DL/Lo) CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC QUAN TRỌNG TỪ THỬ KÉO  Modul Young: Độ nghiêng đường cong ứng suất – biến dạng, thường số (đã biết) đặc trưng cho vật liệu  Giới hạn đàn hồi: Giá trị lực điểm biến dạng, tính từ biểu đồ modul Young theo tỷ lệ % bù (thường bù = 0.2%)  Bền kéo tới hạn: Giá trị cao ứng lực đường cong ứng suất – biến dạng,  Phần trăm kéo dài: Sự thay đổi chiều dài mẫu chia cho độ dài ban đầu, tính theo % Các hình thức biến dạng học Phụ Thuận Hóa Giới hạn Biến dạng thuộc nghịch bền chảy thời gian Đàn hồi Đàn hồi trễ Dẻo Chảy nhớt Dão Loại vật liệu + + + 0 0 Tất vật liệu + 0 + + Các kim loại (0 < T < Tnc) + + + Kim loại (T>0,3 Tnc), polymer nhiệt dẻo (T>0,5Tnc), gốm (T>0,9Tnc) Cao su, chất dẻo, bê tong, hợp kim Fe – C, hợp kim từ Thủy tinh, polymer nhiệt dẻo (T > Tg) SO SÁNH ĐỘ BỀN VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT E • Modul đàn hồi, E modul đàn hồi DL F =E Ao Lo E ~ đường cong ro Energy E lớn Eo lớn unstretched length ro r smaller Elastic Modulus larger Elastic Modulus 11 • Fatigue = failure under cyclic stress FATIGUE specimen compression on top bearing bearing motor counter flex coupling tension on bottom • Stress varies with time key parameters are S, sm, and frequency smax Adapted from Fig 8.18, Callister 7e (Fig 8.18 is from Materials Science in Engineering, 4/E by Carl A Keyser, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.) s sm smin S time • Key points: Fatigue can cause part failure, even though smax < sc causes ~ 90% of mechanical engineering failures 78 CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ PHÁ HỦY • Fatigue limit, Sfat: S = stress amplitude no fatigue if S < Sfat unsafe case for steel (typ.) Sfat safe 10 • Sometimes, the fatigue limit is zero! Adapted from Fig 8.19(a), Callister 7e 10 10 10 N = Cycles to failure S = stress amplitude unsafe safe 10 10 10 10 N = Cycles to failure case for Al (typ.) Adapted from Fig 8.19(b), Callister 7e 79 CƠ CHẾ PHÁ HỦY FATIGUE MECHANISM • Crack grows incrementally da m = DK  dN typ to ~ Ds a increase in crack length per loading cycle crack origin • Failed rotating shaft crack grew even though Kmax < Kc crack grows faster as • Ds increases • crack gets longer • loading freq increases Adapted from Fig 8.21, Callister 7e (Fig 8.21 is from D.J Wulpi, Understanding How Components Fail, American Society for Metals, Materials Park, OH, 1985.) 80 IMPROVING FATIGUE LIFE Impose a compressive surface stress (to suppress surface cracks from growing) S = stress amplitude Adapted from Fig 8.24, Callister 7e Increasing sm near zero or compressive sm moderate tensile sm Larger tensile sm N = Cycles to failure Method 1: shot peening Method 2: carburizing shot put surface into compression Remove stress concentrators bad C-rich gas better Adapted from Fig 8.25, Callister 7e bad better 81 DÃO MỎI Sample deformation at a constant stress (s) vs time s s,e t Primary Creep: slope (creep rate) decreases with time Secondary Creep: steady-state i.e., constant slope Tertiary Creep: slope (creep rate) increases with time, i.e acceleration of rate Adapted from Fig 8.28, Callister 7e 82 DÃO MỎI • Occurs at elevated temperature, T > 0.4 Tm tertiary primary secondary elastic Adapted from Figs 8.29, Callister 7e 83 DÃO THỨ SINH SECONDARY CREEP • Strain rate is constant at a given T, s strain hardening is balanced by recovery stress exponent (material parameter)  Qc  es = K 2s exp    RT  n strain rate material const • Strain rate increases for higher T, s activation energy for creep (material parameter) applied stress 00 Stress (MPa) 10 40 20 10 10 -2 10 -1 Steady state creep rate Adapted from Fig 8.31, Callister 7e 427°C (Fig 8.31 is from Metals Handbook: Properties 538 °C and Selection: Stainless Steels, Tool Materials, and Special Purpose Metals, Vol 3, ed., D Benjamin 649 °C 9th (Senior Ed.), American Society for Metals, 1980, p 131.) es (%/1000hr) 84 DÃO MỎI CREEP FAILURE • Failure: • Estimate rupture time along grain boundaries S-590 Iron, T = 800°C, s = 20 ksi g.b cavities applied stress From V.J Colangelo and F.A Heiser, Analysis of Metallurgical Failures (2nd ed.), Fig 4.32, p 87, John Wiley and Sons, Inc., 1987 (Orig source: Pergamon Press, Inc.) • Time to rupture, tr T ( 20  logt r ) = L function of applied stress time to failure (rupture) temperature 20 10 Stress, ksi 100 Adapted from Fig 8.32, Callister 7e (Fig 8.32 is from F.R Larson and J Miller, Trans ASME, 74, 765 (1952).) data for S-590 Iron 12 16 20 24 28 L(10 K-log hr) 24x103 K-log hr T ( 20  logt r ) = L 1073K Ans: tr = 233 hr 85 SUMMARY • Engineering materials don't reach theoretical strength • Flaws produce stress concentrations that cause premature failure • Sharp corners produce large stress concentrations and premature failure • Failure type depends on T and stress: - for noncyclic s and T < 0.4Tm, failure stress decreases with: - increased maximum flaw size, - decreased T, - increased rate of loading - for cyclic s: - cycles to fail decreases as Ds increases - for higher T (T > 0.4Tm): - time to fail decreases as s or T increases 86 Viscous Response of Newtonian Liquids The top plane moves at a constant velocity, v, in response to a shear stress: F ss = A A F Dx v Dx v= Dt y A There is a velocity gradient (v/y) normal to the area The viscosity h relates the shear stress, ss, to the velocity gradient v Dx s s= h = h y Dt y h has S.I units of Pa s The shear strain increases by a constant amount over a time interval, g allowing us to define a strain rate: g= Units of s-1 t The viscosity can thus be seen to relate the shear stress to the shear rate: Dx Dx g ss =h Dt y =h y t =h t = hg  Mechanical properties are sensitive to temperature FIGURE 10.9 Effect of temperature on the stress-strain curve for cellulose acetate, a thermoplastic Note the large drop in strength and increase in ductility with a relatively small increase in temperature Source: After T.S Carswell and H.K Nason Manufacturing Processes for Engineering Materials, 5th ed Kalpakjian • Schmid Prentice Hall, 2008 Poly(methyl methacrylate) Ceramics Stress Metals Polymers Strain •Lower elastic modulus, yield and ultimate properties •Greater post-yield deformability •Greater failure strain ... nghiêng) -Vật liệu có giới hạn đàn hồi cao -Sư tăng giới hạn đàn hồi biến dạng vĩnh viễn vật liệu gọi hóa cứng biến dạng (Strain Hardening) Đường cong ứng suất – biến dạng • Lực kéo (điểm 3) -Giá... sợi textua biến dạng  Tính chất:  Ư.s dư tăng tính  H.ứ Baushinger: v.l b .dạng trước dễ b .dạng tiếp (kể theo phương ngược lại)  50 Biến đổi tính chất biến dạng Chuyển động lệch biến dạng tuần... lực (in/in) - Điểm : giới hạn đàn hồi: điểm xảy biến dạng vĩnh viễn ( Nếu vượt qua, vật liệu lấy lại hình dạng ban đầu) Đường cong ứng suất – biến dạng • Hóa cứng biến dạng ? ?- Nếu vật liệu chịu