CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU
2.3. Ứng suất và biến dạng
2.3.2. Đường cong ứng suất – biến dạng
• Định luật Hooke
Đối với vật liệu chịu ứng suất kéo ở mức độ tương đối thấp, ứng suất và biến dạng tỷ lệ với nhau thông qua phương trình (4)[7]:
𝜎 = 𝐸𝜀 (2.4)
Trong đó: E – Mô đun đàn hồi, hoặc mô đun Young (N/m2), 𝜎 – Ứng suất (MPa), 𝜀 – Biến dạng.
• Đường cong ứng suất, biến dạng
Hình dạng và kích cỡ của đường cong ứng suất – biến dạng của kim loại sẽ phụ thuộc vào thành phần kim loại, gia công nhiệt, tiền sử biến dạng dẻo và tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái ứng suất trong quá trình thử nghiệm. Các thông số được sử dụng để mô tả đường cong ứng suất – biến dạng là cường độ kéo, cường độ hiệu suất hoặc điểm hiệu suất, phần trăm độ giãn dài và giảm diện tích. Hai thông số đầu là thông số cường độ và hai thông số sau cho thấy tính dẻo [7].
Đồ thị ứng suất – biến dạng kĩ thuật (hình 2.5) cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong một số phạm vi ứng suất. Nếu ứng suất ở trong vùng tuyến tính, vật liệu là đàn hồi trong vùng này, biến dạng cũng được loại bỏ. Nhưng nếu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật liệu sẽ biến dạng vĩnh viễn. Vật liệu có thể bắt đầu "co thắt" ở một số vị trí và cuối cùng là vỡ. Trong vùng tuyến tính, một loại vật liệu cụ thể sẽ luôn có các đường cong giống nhau mặc dù kích thước vật lý khác nhau. Do đó, có thể nói rằng tính tuyến tính và độ dốc là hằng số của loại vật liệu. Trong ứng suất kéo và nén, hằng số này được gọi là mô đun đàn hồi hoặc mô đun Young (E) [7].
𝐸 = 𝐹/𝐴
∆𝑙/𝑙 (2.5)
Trong đó: 𝐹/𝐴 – Ứng suất (N/m2), ∆𝑙/𝑙 – Biến dạng, E – mô đun đàn hồi(N/m2).
16
Bảng 2.1. Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu [7]
Vật liệu E (N/m2) Nhôm 6.89 x 1010
Đồng 11.73x 1010 20.70 x 1010 Thép 2.1 x 108
Hình 2.5. Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng [7]
Các vùng điển hình có thể quan sát được trong đường cong ứng suất – biến dạng ở hình 2.5 là [7]:
1. Vùng đàn hồi (Elastic region) 2. Hiệu suất (Yielding)
3. Biến dạng cứng (Strain Hardening) 4. “Co thắt” và hỏng (Necking and Failure)
17
Cần lưu ý rằng đối với các vật liệu thực tế khác nhau thì đường cong sẽ khác nhau, không phải lúc nào các khu vực trên cũng được thể hiện rõ ràng và phạm vi của từng khu vực trong không gian ứng suất – biến dạng là phụ thuộc vào vật liệu, và không phải tất cả các vật liệu đều thể hiện tất cả các khu vực trên.
• Hành vi giòn và dẻo của vật liệu
Hành vi của vật liệu có thể được phân thành hai loại: giòn và dẻo. Lớp vật liệu dẻo gồm thép và nhôm, lớp vật liệu giòn gồm: thủy tinh, gốm sứ, bê tông và gang. Để phân biệt hai loại này ta dựa vào đường cong ứng suất – biến dạng (hình 2.6) [7].
Hình 2.6. Hành vi dẻo và giòn của vật liệu [7]
Độ nhạy của vật liệu dẻo và giòn được thể hiện bởi sự khác biệt về cả chất lượng và định lượng trong đường cong ứng suất – biến dạng tương ứng. Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy còn vật liệu giòn gãy ở biến dạng nhỏ hơn nhiều. Trong vật liệu dẻo, vùng hiệu suất chiếm phần lớn đường cong ứng suất – biến dạng, trong khi vật liệu giòn thì vùng hiệu suất gần như không tồn tại. Các vật liệu giòn thường có mô đun Young tương đối lớn và có ứng suất tối đa so với các vật liệu dẻo [7].
Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy. Ngược lại, vật liệu giòn gãy đột ngột và không có dấu hiệu báo trước. Do đó các vật liệu dẻo như thép là sự lựa chọn hàng đầu trong cấu trúc xây dựng. Năng lượng hấp thụ (trên một đơn vị thể tích) trong thử nghiệm độ bền kéo, là vùng dưới đường cong ứng suất – biến dạng. Bằng cách so sánh các đường cong trong hình 2.6 ta thấy rằng các vật liệu dẻo có khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn nhiều trước khi gãy [7].
18
Cần lưu ý rằng không phải tất cả các vật liệu đều có thể dễ dàng phân loại là dẻo hay giòn. Độ nhạy vật liệu cũng phụ thuộc vào môi trường hoạt động, nhiều vật liệu dẻo trở nên giòn khi nhiệt độ giảm. Với sự phát triển của công nghệ luyện kim và hợp chất, nhiều vật liệu được cải tiến, kếp hợp giữa hai thành phần dẻo và giòn [7].