Kiểm tra độ bền kéo chủ yếu được sử dụng để xác định khả năng chống hư hỏng của vật liệu kim loại trong quá trình kéo dài và là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu.
1. Kiểm tra độ bền kéo
Kiểm tra độ bền kéo dựa trên các nguyên tắc cơ bản của cơ học vật liệu. Bằng cách tác dụng lực kéo lên mẫu vật liệu trong những điều kiện nhất định, nó sẽ gây ra biến dạng kéo cho đến khi mẫu bị đứt. Trong quá trình thử nghiệm, sự biến dạng của mẫu thử nghiệm dưới các tải trọng khác nhau và tải trọng tối đa khi đứt mẫu được ghi lại, để tính toán cường độ năng suất, độ bền kéo và các chỉ số hiệu suất khác của vật liệu.
Ứng suất σ = F/A
σ là độ bền kéo (MPa)
F là tải trọng kéo (N)
A là diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử
2. Đường cong kéo
Phân tích một số giai đoạn của quá trình kéo dài:
Một. Trong giai đoạn OP với tải nhỏ, độ giãn dài có mối quan hệ tuyến tính với tải và Fp là tải tối đa để duy trì đường thẳng.
b. Sau khi tải vượt quá Fp, đường cong kéo bắt đầu có mối quan hệ phi tuyến tính. Mẫu bước vào giai đoạn biến dạng ban đầu, tải trọng được loại bỏ và mẫu có thể trở về trạng thái ban đầu và biến dạng đàn hồi.
c. Sau khi tải vượt quá Fe, tải được loại bỏ, một phần biến dạng được phục hồi và một phần biến dạng dư được giữ lại, gọi là biến dạng dẻo. Fe được gọi là giới hạn đàn hồi.
d. Khi tải tăng thêm, đường cong kéo có dạng răng cưa. Khi tải trọng không tăng hoặc giảm thì hiện tượng mẫu thí nghiệm bị kéo dài liên tục gọi là chảy dẻo. Sau khi chảy dẻo, mẫu bắt đầu trải qua biến dạng dẻo rõ ràng.
đ. Sau khi chảy dẻo, mẫu cho thấy khả năng chống biến dạng tăng lên, độ cứng gia công và độ bền biến dạng tăng lên. Khi tải đạt tới Fb, phần tương tự của mẫu sẽ co lại mạnh. Fb là giới hạn sức mạnh.
f. Hiện tượng co ngót dẫn đến giảm khả năng chịu lực của mẫu. Khi tải đạt tới Fk, mẫu sẽ bị đứt. Đây được gọi là tải trọng gãy xương.
Sức mạnh năng suất
Độ bền năng suất là giá trị ứng suất tối đa mà vật liệu kim loại có thể chịu được từ khi bắt đầu biến dạng dẻo đến đứt gãy hoàn toàn khi chịu tác dụng của ngoại lực. Giá trị này đánh dấu điểm tới hạn tại đó vật liệu chuyển từ giai đoạn biến dạng đàn hồi sang giai đoạn biến dạng dẻo.
Phân loại
Cường độ năng suất trên: đề cập đến ứng suất tối đa của mẫu trước khi lực giảm lần đầu tiên khi xảy ra hiện tượng chảy dẻo.
Cường độ năng suất thấp hơn: đề cập đến ứng suất tối thiểu trong giai đoạn năng suất khi hiệu ứng nhất thời ban đầu bị bỏ qua. Vì giá trị của điểm chảy dẻo thấp hơn tương đối ổn định nên nó thường được sử dụng làm chỉ báo về độ bền của vật liệu, được gọi là điểm chảy dẻo hoặc cường độ chảy dẻo.
Công thức tính toán
Đối với cường độ chảy trên: R = F / Sₒ, trong đó F là lực cực đại trước khi lực giảm xuống lần đầu tiên trong giai đoạn chảy dẻo và Sₒ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu.
Đối với cường độ chảy thấp hơn: R = F / Sₒ, trong đó F là lực tối thiểu F bỏ qua hiệu ứng nhất thời ban đầu và Sₒ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu.
Đơn vị
Đơn vị của cường độ năng suất thường là MPa (megapascal) hoặc N/mm2 (Newton trên milimét vuông).
Ví dụ
Lấy thép cacbon thấp làm ví dụ, giới hạn chảy của nó thường là 207MPa. Khi chịu tác dụng của ngoại lực lớn hơn giới hạn này, thép cacbon thấp sẽ sinh ra biến dạng vĩnh viễn và không thể phục hồi được; Khi chịu tác dụng của ngoại lực nhỏ hơn giới hạn này, thép cacbon thấp có thể trở về trạng thái ban đầu.
Độ bền năng suất là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu kim loại. Nó phản ánh khả năng chống biến dạng dẻo của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực.
Độ bền kéo
Độ bền kéo là khả năng của vật liệu chống lại hư hỏng dưới tải trọng kéo, được biểu thị cụ thể bằng giá trị ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trong quá trình kéo. Khi ứng suất kéo trên vật liệu vượt quá độ bền kéo của nó, vật liệu sẽ bị biến dạng dẻo hoặc gãy.
Công thức tính toán
Công thức tính độ bền kéo (σt) là:
σt = F/A
Trong đó F là lực kéo tối đa (Newton, N) mà mẫu có thể chịu được trước khi đứt và A là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu (mm vuông, mm2).
Đơn vị
Đơn vị của độ bền kéo thường là MPa (megapascal) hoặc N/mm2 (Newton trên milimét vuông). 1 MPa bằng 1.000.000 Newton trên mét vuông, cũng bằng 1 N/mm2.
Yếu tố ảnh hưởng
Độ bền kéo bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hóa học, vi cấu trúc, quy trình xử lý nhiệt, phương pháp xử lý, v.v. Các vật liệu khác nhau có độ bền kéo khác nhau nên trong ứng dụng thực tế cần lựa chọn vật liệu phù hợp dựa trên tính chất cơ học của nguyên vật liệu.
Ứng dụng thực tế
Độ bền kéo là một thông số rất quan trọng trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật vật liệu và thường được sử dụng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu. Về mặt thiết kế kết cấu, lựa chọn vật liệu, đánh giá an toàn, v.v., độ bền kéo là yếu tố phải được xem xét. Ví dụ, trong kỹ thuật xây dựng, độ bền kéo của thép là yếu tố quan trọng quyết định thép có chịu được tải trọng hay không; Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, độ bền kéo của vật liệu nhẹ và độ bền cao là chìa khóa đảm bảo an toàn cho máy bay.
Sức mạnh mỏi:
Độ mỏi kim loại đề cập đến quá trình trong đó vật liệu và thành phần dần dần tạo ra hư hỏng tích lũy cục bộ vĩnh viễn ở một hoặc một số nơi dưới ứng suất tuần hoàn hoặc biến dạng theo chu kỳ, và các vết nứt hoặc đứt gãy hoàn toàn đột ngột xảy ra sau một số chu kỳ nhất định.
Đặc trưng
Đột ngột về mặt thời gian: Sự hư hỏng do mỏi kim loại thường xảy ra đột ngột trong thời gian ngắn mà không có dấu hiệu rõ ràng.
Tính cục bộ tại vị trí: Phá hoại do mỏi thường xảy ra ở các khu vực cục bộ nơi tập trung ứng suất.
Nhạy cảm với môi trường và khuyết tật: Độ mỏi kim loại rất nhạy cảm với môi trường và các khuyết tật nhỏ bên trong vật liệu, điều này có thể đẩy nhanh quá trình mỏi.
Yếu tố ảnh hưởng
Biên độ ứng suất: Độ lớn của ứng suất ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ mỏi của kim loại.
Độ lớn ứng suất trung bình: Ứng suất trung bình càng lớn thì tuổi thọ mỏi của kim loại càng ngắn.
Số chu kỳ: Kim loại càng chịu ứng suất hoặc biến dạng theo chu kỳ thì sự tích tụ hư hỏng do mỏi càng nghiêm trọng.
biện pháp phòng ngừa
Tối ưu hóa lựa chọn vật liệu: Chọn vật liệu có giới hạn mỏi cao hơn.
Giảm sự tập trung ứng suất: Giảm sự tập trung ứng suất thông qua các phương pháp thiết kế kết cấu hoặc xử lý, chẳng hạn như sử dụng các chuyển tiếp góc tròn, tăng kích thước mặt cắt ngang, v.v.
Xử lý bề mặt: Đánh bóng, phun, v.v. trên bề mặt kim loại để giảm khuyết tật bề mặt và cải thiện độ bền mỏi.
Kiểm tra và bảo trì: Thường xuyên kiểm tra các linh kiện kim loại để kịp thời phát hiện và sửa chữa các khuyết tật như vết nứt; duy trì các bộ phận dễ bị mỏi, chẳng hạn như thay thế các bộ phận bị mòn và gia cố các liên kết yếu.
Mỏi kim loại là một dạng hư hỏng kim loại phổ biến, được đặc trưng bởi tính đột ngột, cục bộ và nhạy cảm với môi trường. Biên độ ứng suất, cường độ ứng suất trung bình và số chu kỳ là những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ mỏi kim loại.
Đường cong SN: mô tả tuổi thọ mỏi của vật liệu dưới các mức ứng suất khác nhau, trong đó S biểu thị ứng suất và N biểu thị số chu kỳ ứng suất.
Công thức hệ số sức bền mỏi:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Trong đó (Ka) là hệ số tải, (Kb) là hệ số kích thước, (Kc) là hệ số nhiệt độ, (Kd) là hệ số chất lượng bề mặt và (Ke) là hệ số độ tin cậy.
Biểu thức toán học đường cong SN:
(\sigma^m N = C)
Trong đó (\sigma) là ứng suất, N là số chu kỳ ứng suất, m và C là các hằng số vật liệu.
Các bước tính toán
Xác định các hằng số vật liệu:
Xác định giá trị của m và C thông qua thí nghiệm hoặc tham khảo tài liệu liên quan.
Xác định hệ số tập trung ứng suất: Xem xét hình dạng và kích thước thực tế của bộ phận cũng như nồng độ ứng suất do phi lê, rãnh then v.v. để xác định hệ số tập trung ứng suất K. Tính toán độ bền mỏi: Theo đường cong SN và ứng suất hệ số tập trung, kết hợp với tuổi thọ thiết kế và mức độ ứng suất làm việc của bộ phận, tính toán độ bền mỏi.
2. Độ dẻo:
Độ dẻo đề cập đến tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực sẽ tạo ra biến dạng vĩnh viễn mà không bị gãy khi ngoại lực vượt quá giới hạn đàn hồi của nó. Biến dạng này là không thể đảo ngược và vật liệu sẽ không trở lại hình dạng ban đầu ngay cả khi loại bỏ ngoại lực.
Chỉ số dẻo và công thức tính chỉ số dẻo
Độ giãn dài (δ)
Định nghĩa: Độ giãn dài là tỷ lệ phần trăm của tổng biến dạng của phần đo sau khi mẫu bị đứt do kéo so với chiều dài đo ban đầu.
Công thức: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Trong đó L0 là chiều dài cữ ban đầu của mẫu thử;
L1 là chiều dài cữ sau khi mẫu bị đứt.
Giảm phân đoạn (Ψ)
Định nghĩa: Mức giảm phân đoạn là tỷ lệ phần trăm của mức giảm tối đa diện tích mặt cắt ngang tại điểm thắt cổ sau khi mẫu bị đứt về diện tích mặt cắt ngang ban đầu.
Công thức: Ψ = (F0 – F1)/F0×100%
Trong đó F0 là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử;
F1 là diện tích mặt cắt ngang tại điểm thắt sau khi mẫu bị đứt.
3. Độ cứng
Độ cứng kim loại là chỉ số tính chất cơ học để đo độ cứng của vật liệu kim loại. Nó cho thấy khả năng chống biến dạng cục bộ trên bề mặt kim loại.
Phân loại và biểu thị độ cứng kim loại
Độ cứng của kim loại có nhiều cách phân loại và thể hiện khác nhau theo các phương pháp thử nghiệm khác nhau. Chủ yếu bao gồm những điều sau đây:
Độ cứng Brinell (HB):
Phạm vi ứng dụng: Thường được sử dụng khi vật liệu mềm hơn, chẳng hạn như kim loại màu, thép trước khi xử lý nhiệt hoặc sau khi ủ.
Nguyên tắc kiểm tra: Với một tải trọng thử nghiệm có kích thước nhất định, một quả bóng thép cứng hoặc quả bóng cacbua có đường kính nhất định được ép vào bề mặt kim loại cần thử và tải được dỡ ra sau một thời gian xác định và đường kính của vết lõm trên bề mặt cần kiểm tra được đo.
Công thức tính: Giá trị độ cứng Brinell là thương số thu được bằng cách chia tải trọng cho diện tích bề mặt hình cầu của vết lõm.
Độ cứng Rockwell (HR):
Phạm vi ứng dụng: Thường được sử dụng cho các vật liệu có độ cứng cao hơn, chẳng hạn như độ cứng sau khi xử lý nhiệt.
Nguyên lý kiểm tra: Tương tự như độ cứng Brinell, nhưng sử dụng đầu dò (kim cương) khác nhau và phương pháp tính toán khác nhau.
Các loại: Tùy theo ứng dụng mà có HRC (dành cho vật liệu có độ cứng cao), HRA, HRB và các loại khác.
Độ cứng Vickers (HV):
Phạm vi ứng dụng: Thích hợp cho phân tích kính hiển vi.
Nguyên tắc kiểm tra: Nhấn bề mặt vật liệu với tải trọng dưới 120kg và đầu đo hình nón hình vuông bằng kim cương có góc đỉnh 136 ° và chia diện tích bề mặt của hố thụt vật liệu cho giá trị tải trọng để lấy giá trị độ cứng Vickers.
Độ cứng Leeb (HL):
Tính năng: Máy đo độ cứng cầm tay, dễ đo.
Nguyên lý kiểm tra: Sử dụng độ nảy do đầu bi va chạm tạo ra sau khi va chạm vào bề mặt độ cứng và tính độ cứng bằng tỷ lệ giữa tốc độ bật lại của cú đấm ở mức 1mm tính từ bề mặt mẫu và tốc độ va đập.
Thời gian đăng: 25-09-2024
