Vật liệu khảo sát đã có sẵn hoặc lấy ra từ công trình đợc chế tạo thành các mẫu thử. Hình dạng và kích thớc của mẫu thử đợc xác định tuỳ theo:
- Cấu tạo vật liệu - Mục đích thí nghiệm
- Các quy định trong tiêu chuẩn
Các mẫu vật liệu đợc đa vào máy thí nghiệm tơng ứng với trạng thái làm việc của vật liệu (kéo, nén, uốn, xoắn), cho chịu tác dụng của lực ngoài có giá trị tăng dần theo từng cấp cho đến lúc mẫu bị phá hoại hoàn toàn. Dới tác dụng của lực ngoài, vật liệu trong mẫu thử sẽ bị biến dạng tơng ứng với trị số của ứng suất do các cấp lực tác dụng gây ra trong mẫu. Tơng ứng với mỗi giá trị của ứng suất, dùng các dụng cụ đo để đo trị số biến dạng t - ơng đối trong vật liệu của mẫu thử. Các cặp trị số của ứng suất và biến dạng tơng đối nhận đợc trong quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu cho phép xây dựng một đờng cong biểu diễn quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu khảo sát và đợc gọi là biểu đồ đặc trng của vật liệu, bởi vì qua đồ thị này có thể xác định đợc các đặc trng cơ - lý của vật liệu khảo sát.
Biểu đồ vật liệu (σ - ε) nhận đợc qua quá trình thí nghiệm phá hoại mẫu thử thờng là biểu diễn quan hệ giữa ứng suất kép hoặc nén với biến dạng tơng đối theo một trục dới tác dụng của tải trọg có tốc độ chậm rải, ở môi trờng nhiệt độ phòng thí nghiệm. Với điều kiện thí nghiệm đó sẽ tạo ra trong mẫu sự kéo hoặc nén tự do dới ảnh hởng của trờng ứng suất không đổi trên suốt chiều dài làm việc của mẫu thử. Tuy nhiên, sự làm việc thực tế của vật liệu trên kết cấu công trình thờng chịu các trạng thái ứng suất phức tạp hơn, không giống hoàn toàn sự làm việc của vật liệu trong các mẫu thử.
Để có đợc một biểu đồ vật liệu phản ánh đúng đắn trạng thái làm việc thực tế của vật liệu trong mẫu là rất phức tạp trong các khâu: phơng pháp thí nghiệm, kỹ thuật đo và biện pháp xử lý kết quả. Chẳng hạn, khi thí nghiệm và xử lý kết quả thí nghiệm kéo phá hoại mẫu thử để xác định quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu sẽ xảy ra ba trờng hợp sau:
a/ Biểu đồ xây dựng trên quan hệ σ = f(ε) chịu kéo với giá trị tính toán về ứng suất
σ và biến dạng tơng đối ε xuất phát từ tiết diện ban đầu Fo và chiều dài chuẩn đo ban đầu Lo
của mẫu thử.
σ = P/Fo và ε = ∆l/Lo
Xây dựng biểu đồ (σ - ε) theo phơng pháp này thờng rất đơn giản cho việc thí nghiệm, nhng thực ra cha phải là biểu đồ phản ánh đúng đắn sự làm việc của vật liệu (đờng a trên hình 2.18).
b/ Biểu đồ (σ - ε) xây dựng với giá trị tính toán ứng suất σ xuất phát từ tiết diện bị
thu hẹp của mẫu thử.
Thực ra trong quá trình chịu kéo, tiết diện của mẫu sẽ không còn giữ nguyên hình dạng ban đầu mà đã bị thu hẹp lại theo sự phát triển của tải trọng (đặc biệt trong vùng có eo chảy). Nếu tính toán giá trị của ứng suất theo tiết diện co thắt ở eo thì sẽ nhận đợc đờng quan hệ (σ - ε) khác với đờng (a)
Đờng quan hệ (σ - ε) đợc xây dựng với σ = P/Feo và ε = ∆l/Lo sẽ cho dạng gần đúng với sự làm việc của vật liệu hơn (đờng b trên hình 2.18)
Hình 2.18. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng
c/ Biểu đồ (σ - ε) xây dựng với giá trị tính toán ứng suất σ và biến dạng tơng đối ε xuất phát từ tiết diện bị thu hẹp và chiều dài cuối cùng của mẫu thử.
Đờng biểu diễn quan hệ (σ - ε) ở trờng hợp (b) cũng cha phản ánh đầy đủ mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mẫu chịu kéo. Thật vậy, khi giá trị ứng suất trong mẫu tăng (σ = P/Feo) thì độ giãn dài ∆l của mẫu cúng sẽ tăng nhanh nhng không rải đầu trên
toàn bộ chiều dài Lo ban đầu, mà chỉ tăng nhanh tại vùng xuất hiện eo chảy.
Nếu xây dựng quan hệ (σ - ε) với ứng suất σ = P/Feo và biến dạng tơng đối ε=∆leo/Leo thì sẽ nhận đợc đờng c trên hình 2.1. Đờng biểu diễn này thể hiện đúng đắn mối
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu khảo sát.
Qua quá trình nghiên cứu các vật liệu xây dựng cho thấy, biểu đồ đặc trng vật liệu
(σ - ε) nhận đợc bằng phơng pháp thí nghiệm phá hoại mẫu sẽ chịu ảnh hởng trực tiếp các
yếu tố sau:
a/ Tốc độ gia tải. Để nhận đợc quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sát với thực tế
làm việc của vật liệu, khi tiến hành thí nghiệm kéo phá hoại mẫu bình thờng, cần khống chế tốc độ gia tải lên mẫu quanh giới hạn 100kG/cm2/s. Khi tốc độ gia tải vợt quá giới hạn đó, biểu đồ biến dạng của vật liệu nhận đợc sẽ cho giá trị giới hạn chảy cao hơn. Ngợc lại, khi thí nghiệm với tốc độ thấp hơn 100kG/cm2/s, sẽ đợc biểu đồ có giá trị giới hạn chảy thấp hơn bình thờng. Tuy nhiên giá trị mô đun biến dạng của vật liệu vẫn giữ nguyên trị số, không chịu ảnh hởng của tốc độ gia tải thí nghiệm (h.2.19). Bởi vậy, tơng ứng với các tốc độ gia tải ta sẽ đợc một họ đờng cong biến dạng nằm trong một vùng xác định.
Hình 2.19. Biểu đồ biến dạng của vật liệu khi tốc độ gia tải thay đổi và khi nhiệt độ của môi trờng khác nhau.
b/ Nhiệt độ môi trờng. Thực tế khảo sát cho thấy, khi tiến hành thí nghiệm kéo phá
hoại mẫu trong môi trờng nhiệt độ khác nhau thì các biểu đồ vật liệu nhận đợc sẽ khác nhau. Ngoài việc tăng hoặc giảm giá trị giới hạn chảy, khi tiến hành thí nghiệm trong môi trờng nhiệt độ khác với nhiệt độ bình thờng thì giá trị của môđun biến dạng của vật liệu cũng thay đổi theo: mô đun biến dạng của vật liệu sẽ giảm khi nhiệt độ môi trờng tăng và ngợc lại (h.2.19).
c/ Trạng thái ứng suất tác dụng. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sẽ
không giống nhau khi các mẫu vật liệu chịu tác dụng của trờng ứng suất theo hai trục và theo ba trục. Trên hình 2.20 trình bày sự thay đổi của quan hệ (σ - ε) khi các nhân tố của vật liệu chịu trạng thái ứng suất phẳng với sự tơng quan σ1 và σ2 = ασ1.
Hình 2.20. Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất hai trục
σF - ứng suất kéo một trục εF - biến dạng kéo một trục (khi α=0)
Hình 2.21. Biểu đồ biến dạng vật liệu trong trạng thái ứng suất ba trục
Trên hình 2.21 trình bày sự thay đổi của các đồ thị biểu diễn quan hệ (σ - ε) khi phân tố vật liệu trong mẫu chịu tác dụng của trạng thái ứng suất theo ba trục với các tơng quan σ1 và σ2 = σ3 = ασ1.
Phơng pháp phá hoại mẫu vật liệu thờng đợc tiến hành trong các phòng thí nghiệm, ở đây các điều kiện thử nghiệm nh: thiết bị máy móc, môi trờng và thời gian đều đợc khống chế chuẩn; các số liệu nhận đợc của phơng pháp thí nghiệm này thờng ít chịu ảnh hởng của các yếu tố khác, vì vậy kết quả nhận đợc sẽ phản ánh tốt tính chất vốn có của vật liệu.
Khi vật liệu làm việc trên kết cấu công trình thực tế sẽ chịu nhiều yếu tố ảnh hởng khác làm thay đổi khả năng chịu lực so với các điều kiện chuẩn. Các phơng pháp phá hoại mẫu thử thờng ít có khả năng xét đến sự thay đổi đó.
Trên thực tế, để có thể kể đến tất cả những yếu tố ảnh hởng đến sự làm việc của vật liệu trên công trình thờng dùng các phơng pháp nghiên cứu bằng cách khảo sát gián tiếp, không phá hoại vật liệu.