Thử nghiệm 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 giãn và là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá các tính chất cơ học của vật liệu.
1. Thử kéo
Thử nghiệm kéo dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học vật liệu. Bằng cách áp dụng tải trọng kéo vào mẫu vật liệu trong các điều kiện nhất định, nó gây ra biến dạng kéo cho đến khi mẫu bị đứt. Trong quá trình thử nghiệm, biến dạng của mẫu thử nghiệm dưới các tải trọng khác nhau và tải trọng tối đa khi mẫu bị đứt được ghi lại, để tính toán giới hạn chảy, 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 vật
2. Đường cong kéo
Phân tích một số giai đoạn của quá trình kéo giãn:
a. Ở giai đoạn OP với tải trọng nhỏ, độ giãn dài có mối quan hệ tuyến tính với tải trọng và Fp là tải trọng lớn nhất 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 vào giai đoạn biến dạng ban đầu, tải được loại bỏ, mẫu có thể trở về trạng thái ban đầu và biến dạng đàn hồi.
c. Sau khi tải vượt quá Fe, tải được gỡ bỏ, một phần biến dạng được phục hồi và một phần biến dạng còn lại được giữ lại, được gọi là biến dạng dẻo. Fe được gọi là giới hạn đàn hồi.
d. Khi tải trọng tăng thêm, đường cong kéo xuất hiện răng cưa. Khi tải trọng không tăng hoặc giảm, hiện tượng kéo dài liên tục của mẫu thử nghiệm được gọi là chảy dẻo. Sau khi chảy dẻo, mẫu bắt đầu trải qua biến dạng dẻo rõ ràng.
e. Sau khi chảy dẻo, mẫu cho thấy khả năng chống biến dạng, độ cứng khi làm việc và độ bền biến dạng tăng lên. Khi tải trọng đạt đến Fb, cùng một phần của mẫu co lại mạnh. Fb là giới hạn cường độ.
f. Hiện tượng co ngót dẫn đến giảm khả năng chịu lực của mẫu. Khi tải trọng đạt đến Fk, mẫu bị vỡ. Đây được gọi là tải trọng gãy.
Sức chịu lực
Giới hạn chảy là giá trị ứng suất lớn nhất mà vật liệu kim loại có thể chịu được từ khi bắt đầu biến dạng dẻo cho đến khi gãy hoàn toàn khi chịu tác động của ngoại lực. Giá trị này đánh dấu điểm tới hạn mà vật liệu chuyển từ giai đoạn biến dạng đàn hồi sang giai đoạn biến dạng dẻo.
Phân loại
Giới hạn chảy trên: là ứng suất cực đại của mẫu trước khi lực giảm lần đầu tiên khi xảy ra hiện tượng chảy.
Giới hạn chảy thấp: chỉ ứng suất tối thiểu trong giai đoạn chảy khi hiệu ứng thoáng qua ban đầu bị bỏ qua. Vì giá trị của điểm chảy thấp tương đối ổn định nên thường được dùng làm chỉ số về sức bền vật liệu, gọi là điểm chảy hoặc giới hạn chảy.
Công thức tính toán
Đối với giới hạn chảy trên: R = F / Sₒ, trong đó F là lực lớn nhất trước khi lực giảm lần đầu tiên trong giai đoạn giới hạn chảy và Sₒ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu.
Đối với giới hạn chảy thấp hơn: R = F / Sₒ, trong đó F là lực tối thiểu F bỏ qua hiệu ứng thoáng qua ban đầu và Sₒ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu.
Đơn vị
Đơn vị của giới hạn chảy 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 động của lực bên ngoài lớn hơn giới hạn này, thép cacbon thấp sẽ tạo ra biến dạng vĩnh viễn và không thể phục hồi; khi chịu tác động của lực bên ngoài nhỏ hơn giới hạn này, thép cacbon thấp có thể trở lại trạng thái ban đầu.
Giới hạn chảy là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu kim loại. Nó phản ánh khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo khi chịu tác động của ngoại lực.
Độ bền kéo
Độ bền kéo là khả năng của vật liệu chống lại hư hỏng dưới tải trọng kéo, được thể hiện cụ thể là giá trị ứng suất lớn nhất 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 toán 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 (milimét 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.
Các yếu tố ảnh hưởng
Độ bền kéo bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc vi mô, quy trình xử lý nhiệt, phương pháp gia công, v.v. Các vật liệu khác nhau có độ bền kéo khác nhau, vì vậy trong các ứng dụng thực tế, cần phải lựa chọn vật liệu phù hợp dựa trên các tính chất cơ học của 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 các 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 một yếu tố phải được xem xét. Ví dụ, trong kỹ thuật xây dựng, độ bền kéo của thép là một yếu tố quan trọng để xác định xem nó có thể chịu được tải trọng hay không; trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, độ bền kéo của vật liệu nhẹ và có độ bền cao là chìa khóa để đảm bảo an toàn cho máy bay.
Độ bền mỏi:
Mỏi kim loại là quá trình trong đó vật liệu và thành phần dần dần tạo ra hư hỏng tích lũy cục bộ vĩnh viễn ở một hoặc nhiều nơi dưới ứng suất tuần hoàn hoặc biến dạng tuần hoàn, và các vết nứt hoặc gãy hoàn toàn đột ngột xảy ra sau một số chu kỳ nhất định.
Đặc trưng
Đột ngột về thời gian: Sự phá hủy do mỏi kim loại thường xảy ra đột ngột trong thời gian ngắn mà không có dấu hiệu rõ ràng.
Vị trí tại chỗ: Sự cố hỏng hóc do mỏi thường xảy ra tại các khu vực cục bộ nơi ứng suất tập trung.
Độ nhạy cảm với môi trường và các khuyết tật: Độ mỏi kim loại rất nhạy cảm với môi trường và các khuyết tật nhỏ bên trong vật liệu, có thể đẩy nhanh quá trình mỏi.
Các yếu tố ảnh hưởng
Biên độ ứng suất: Độ lớn của ứng suất ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ chịu mỏi của kim loại.
Độ lớn ứng suất trung bình: Ứng suất trung bình càng lớn thì tuổi thọ chịu mỏi của kim loại càng ngắn.
Số chu kỳ: Kim loại chịu ứng suất hoặc biến dạng theo chu kỳ càng nhiều thì mức độ hư hỏng do mỏi càng nghiêm trọng.
Biện pháp phòng ngừa
Tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu: Chọn vật liệu có giới hạn chịu mỏi cao hơn.
Giảm sự tập trung ứng suất: Giảm sự tập trung ứng suất thông qua thiết kế kết cấu hoặc phương pháp xử lý, chẳng hạn như sử dụng các chuyển tiếp góc bo tròn, tăng kích thước mặt cắt ngang, v.v.
Xử lý bề mặt: Đánh bóng, phun sơn, v.v. trên bề mặt kim loại để giảm khuyết tật bề mặt và cải thiện độ bền mỏi.
Kiểm tra và bảo dưỡng: Kiểm tra thường xuyên các chi tiết kim loại để phát hiện và sửa chữa kịp thời các khuyết tật như vết nứt; bảo dưỡng các bộ phận dễ bị mỏi như thay thế các chi tiết bị mòn và gia cố các liên kết yếu.
Mỏi kim loại là một chế độ hỏng kim loại phổ biến, được đặc trưng bởi tính đột ngột, cục bộ và nhạy cảm với môi trường. Biên độ ứng suất, độ lớn ứng suất trung bình và số chu kỳ là những yếu tố chính ảnh hưởng đến 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 độ 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 của đường cong SN:
(\sigma^m N = C)
Trong đó (\sigma) là ứng suất, N là số chu kỳ ứng suất và m và C là hằng số vật liệu.
Các bước tính toán
Xác định hằng số vật liệu:
Xác định giá trị của m và C thông qua thí nghiệm hoặc tham khảo tài liệu có liên quan.
Xác định hệ số tập trung ứng suất: Xem xét hình dạng và kích thước thực tế của bộ phận, cũng như sự tập trung ứng suất do các góc bo tròn, rãnh then, v.v. gây ra để xác định hệ số tập trung ứng suất K. Tính toán độ bền mỏi: Theo đường cong SN và hệ số tập trung ứng suất, kết hợp với tuổi thọ thiết kế và mức ứng suất làm việc của bộ phận, hãy tính toán độ bền mỏi.
2. Tính dẻo:
Tính dẻo là 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 ngoại lực đã được loại bỏ.
Chỉ số dẻo và công thức tính toán
Độ giãn dài (δ)
Định nghĩa: Độ giãn dài là tỷ lệ phần trăm biến dạng tổng thể của phần đo sau khi mẫu bị gãy kéo đến chiều dài đo ban đầu.
Công thức: δ = (L1 – L0)/L0 × 100%
Trong đó L0 là chiều dài đo ban đầu của mẫu vật;
L1 là chiều dài đo được sau khi mẫu vật bị gãy.
Giảm phân đoạn (Ψ)
Định nghĩa: Độ giảm phân đoạn là tỷ lệ phần trăm độ giảm tối đa ở diện tích mặt cắt ngang tại điểm thắt cổ chai sau khi mẫu bị phá vỡ 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 vật;
F1 là diện tích mặt cắt ngang tại điểm thắt cổ chai sau khi mẫu vật bị vỡ.
3. Độ cứng
Độ cứng kim loại là chỉ số tính chất cơ học dùng để đo độ cứng của vật liệu kim loại. Chỉ số này biểu thị khả năng chống biến dạng ở thể tích cục bộ trên bề mặt kim loại.
Phân loại và biểu diễn độ cứng của kim loại
Độ cứng kim loại có nhiều phương pháp phân loại và biểu diễn khác nhau theo các phương pháp thử nghiệm khác nhau. Chủ yếu bao gồm:
Độ cứng Brinell (HB):
Phạm vi ứng dụng: Thường dùng khi vật liệu mềm hơn như kim loại màu, thép trước khi nhiệt luyện hoặc sau khi ủ.
Nguyên lý thử nghiệm: Với một kích thước tải thử nhất định, một viên bi thép cứng hoặc bi cacbua có đường kính nhất định được ép vào bề mặt kim loại cần thử nghiệm, sau một thời gian quy định, tải được dỡ ra và đo đường kính vết lõm trên bề mặt cần thử nghiệm.
Công thức tính toán: 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 dùng cho các vật liệu có độ cứng cao hơn, chẳng hạn như độ cứng sau khi xử lý nhiệt.
Nguyên lý thử nghiệm: Tương tự như độ cứng Brinell, nhưng sử dụng các đầu dò khác nhau (kim cương) và phương pháp tính toán khác nhau.
Các loại: Tùy thuộc vào ứng dụng, 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 bằng kính hiển vi.
Nguyên lý thử nghiệm: Ép bề mặt vật liệu bằng tải trọng nhỏ hơn 120kg và dùng đầu ấn hình nón vuông kim cương có góc đỉnh 136°, chia diện tích bề mặt của hố ấn vật liệu cho giá trị tải trọng để có được giá trị độ cứng Vickers.
Độ cứng Leeb (HL):
Tính năng: Máy kiểm tra độ cứng cầm tay, dễ đo.
Nguyên lý thử nghiệm: Sử dụng lực nảy tạo ra bởi đầu bi va chạm sau khi va chạm vào bề mặt độ cứng và tính độ cứng theo tỷ số giữa tốc độ nảy của đầu bi tại khoảng cách 1mm từ bề mặt mẫu và tốc độ va chạm.
Thời gian đăng: 25-09-2024
