PHẦN II TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CHƯƠNG 10 TÍNH CHẤT CƠ 10.1 Giới thiệu • Tính chất đặc tính vật liệu biểu tác dụng học lên • Để xác định tính chất thường phải phá hủy mẫu tính chất xác định không phụ thuộc vào dạng hình học kích thước mẫu • Sự phát triển công nghệ thường sau tiến khoa học vật liệu Ví dụ: Hiệu suất chuyển hóa lượng nhiệt → lượng → lượng điện turbin khí → liên quan trực tiếp với độ bền nhiệt độ cao vật liệu làm turbin Từ 1950 – 1960 người ta dùng hợp kim Ni có nhiệt độ vận hành đến 1200 oC (so với thép, nhiệt độ làm việc cho phép khoảng 550 oC) Gần với vật liệu gốm, nhiệt độ tăng đến 3000 oC cần phải giải tính giòn gốm Ví dụ: Từ lâu máy bay chế tạo từ hợp kim Al, gần → sử dụng composit polyme có cấu trúc định hướng → tỉ số độ bền / khối lượng cao → chế tạo máy bay nhẹ → chuyên chở hành khách, hàng hóa, nhiên liệu nhiều → bay lâu mà không cần dừng lại Dựa loại vật liệu này, người ta thực thành công chuyến bay từ California đến Japan 13 10.2 Biến dạng đứt vật liệu kỹ thuật • Biến dạng (Deformation) thay đổi kích thước vật liệu tác dụng lực Biến dạng đàn hồi (elastic deformation), Biến dạng dẻo (plastic deformation) • Đứt (fracture) vật liệu chịu lực lớn phân thành hai nhiều mảnh nhỏ • Phá hủy (failure) chi tiết không thực chức mình, nhiều trường hợp, phá hủy xảy trước đứt gãy 10.2.1 Biến dạng đàn hồi • Ứng suất danh nghĩa, Biến dạng danh nghĩa, định luật Hook, mođun E • Hệ số Poisson, E nhiệt độ • Quan hệ ΔV ν 10.2.2 Biến dạng dẻo 10.2.2.1 Giới thiệu • Khi σ > σch → biến dạng dẻo → bỏ tải không hình dạng, kích thước ban đầu • Trong đa số vật liệu, biến dạng đàn hồi → kéo dài liên kết • Trong tinh thể, biến dạng dẻo → dịch chuyển lệch (khuyết tật đường) • Độ dốc đường σ - ε vùng biến dạng dẻo giảm với tăng biến dạng, nhiên muốn tiếp tục biến dạng dẻo phải tăng ứng suất → vật liệu bị hóa cứng tương tác lệch cấu trúc tinh thể → giảm độ dịch chuyển lệch làm lệch ngừng di chuyển hoàn toàn 10.2.2.2 Ứng suất trượt: • Ứng suất trượt, Độ biến dạng trượt, Quan hệ • Đối với vật liệu đẳng hướng: E = 2G(1 + ν) • Khi τ > τcrit trượt xảy ra, vật liệu bắt đầu bị biến dạng dẻo • Biến dạng dẻo không đẳng hướng: xảy mặt phương xếp chặt Hệ Fcc Mặt trượt {111} Phương trượt < 110 > Bcc {110} {211} {321} < 111 > Hcp {0001} Phương a1, a2, a3 10.2.3 Phép thử kéo (Tensile Test) 10.2.3.1 Thử kim loại Các thông số thu được: • độ bền chảy, độ bền kéo, Biến dạng đứt, % RA, • diện tích đường cong = công/1 dvtt 10 29 30 • Phân tích tai nạn, người ta thấy rằng: đứt giòn thường xảy với vật liệu có độ bền cao (thép D6AC phận nối cánh máy bay F111, hợp kim nhôm vỏ máy bay Comet 737 ), có cấu trúc hàn (các tàu) cấu trúc đúc (bánh xe lửa) • Các tai nạn thường vết nứt nhỏ mà trình kiểm tra không phát • Các vết nứt nhỏ phát triển chậm có tải lặp lại (mỏi) ăn mòn → vết nứt đạt đến kích thước giới hạn đứt gãy xảy nhanh chóng Dự báo đứt giòn • Mục đích: tìm thông số để dự báo kích thước vết nứt mà bắt đầu xảy đứt gãy với kích thước vết nứt cho trước tìm ứng suất làm việc an toàn • Khi có vết nứt ứng suất áp dặt phóng đại lên vùng lân cận vết nứt → thông số cường độ ứng suất K [MPa m ] (stress intensity parameter) • Từ lý thuyết George Irwin (1950 – 1960) người ta xác định giá trị K tùy thuộc vào dạng hình học vết nứt (Giả thiết kích thước vật thể >> kích thước vết nứt) 31 32 • Khi đứt xảy K → Kgh • Kgh không phụ thuộc vào loại vật liệu mà phụ thuộc bề dày vật thể • Giá trị Kgh phần dày gọi độ bền đứt vật liệu cho biết độ dai (toughness) vật liệu có ký hiệu KIc (theo kiểu I) • Độ dai phần mỏng lớn phần dày có biến dạng dẻo đơn vị thể tích nhiều • Giá trị KIc sổ tay sử dụng bề dày vật thể lớn bề dày tới hạn •B = 2,5 KIc: độ bền đứt [MPa m ] • Độ bền đứt thường tỉ lệ với diện tích đường cong ứng suất biến dạng • Gốm có độ bền cao, độ dẻo thấp, polyme không định hướng có độ dẻo cao, độ bền thấp • Cả hai vật liệu có diện tích đường cong nhỏ kim loại nên có giá trị KIc nhỏ 33 10.3 Mỏi (Fatigue) 10.3.1 Khái niệm • Mỏi nguyên nhân chủ yếu gây đứt gãy vật liệu • Mỏi xảy với kim loại, polyme, gốm gốm bị mỏi • Ví dụ: Bẻ gập kim loại theo hướng đến gập lại Vùng gập lại bị biến dạng dẻo không gãy Nếu bẻ gập theo hướng ngược lại lặp lại nhiều lần kim loại bị gãy → với tải lặp lại có chu kỳ kim loại bị gãy tải trọng nhỏ nhiều, so với tải cần thiết để bẻ gãy kim loại lần đặt tải Tiến trình mỏi: Sự tác động lần đầu tải gây nên biến dạng dẻo, lệch di chuyển tương tác với Sự tương tác lệch làm giảm khả di chuyển lệch muốn tiếp tục biến dạng phải tạo nhiều lệch Việc gia tăng mật độ lệch → làm giảm tính hoàn thiện tinh thể vật liệu → vết nứt vết đạt đến kích thước đủ lớn → đứt gãy 34 10.3.2 Giới hạn bền mỏi (a) σmax đối xứng với σmin qua trục thời gian (b) σmax σmin không đối xứng qua trục thời gian (c) chu kỳ ứng suất ngẫu nhiên 35 • Gọi: ứng suất cực đại, cực tiểu σmax σmin • Khoảng ứng suất Δσ = σmax - σmin • Biên độ ứng suất: σ = ΔS = σ max − σ a 2 • Số chu kỳ mỏi đến đứt Nf • Số chu kỳ mỏi 1giây gọi tần số chu kỳ • Ứng suất trung bình: σm = σ max + σ 36 • Khi thay đổi σmax σmino cho σm không đổi σa giảm Vẽ σa theo Nf đường cong biên độ ứng suất theo số chu kỳ mỏi • Thay đổi σm thu dạng đường σa – Nf với σm từ thấp đến cao •Ở số vật liệu (thép C, số polyme) có tồn biên độ ứng suất giới hạn gọi giới hạn bền mỏi σe •Khi σ < σe đứt mỏi không xảy số chu kỳ σe giảm tăng σm 37 • Ở số vật liệu khác (Nylon, Al, Cu, kim loại Fcc khác) không biểu rõ giới hạn bền mỏi → giới hạn bền mỏi lấy biên độ ứng suất với số chu kỳ mỏi 107 chu kỳ • Quan hệ độ bền kéo σb giới hạn bền mỏi σe • 0,25 < (σe / σb) < 0,5 • Điều kiện mỏi KIc = σ b πa 38 10.4 Đặc tính phụ thuộc thời gian (Time – dependent behavior) • Trong môi trường xâm thực nhiệt độ cao, đặc tính ứng suất – biến dạng đứt vật liệu trở thành phụ thuộc thời gian • Khi tần số chu kỳ (trong việc xác định Nf) tốc độ tăng tải (trong việc xác định đường cong ứng suất – biến dạng) trở nên định 10.4.1 Đứt gãy môi trường • Môi trường xâm thực phản ứng với vật liệu làm giảm khả chịu lực Tùy thuộc vào tốc độ đặt tải mà thời gian hư hỏng thay đổi đáng kể Ví dụ: Việc lựa chọn vật liệu để chế tạo tàu thủy công trình khơi Thông thường người ta dùng thép có độ bền cao (high–strength steels) để giảm khối lượng kết cấu Tuy nhiên giới hạn ứng suất cho phép thép có độ bền cao môi trường nước biển lớn giới hạn đứt gãy môi trường xảy → giá trị độ bền khả chịu ăn mòn phải cân nhắc để có khối lượng tối ưu 39 • Đối với polyme: Nhiều loại polyme composit hấp thu ẩm giảm tính chất theo thời gian, Nhiều loại khác môi trường giàu hydrocacbon thay đổi cấu trúc phân tử trở nên giòn Ngoài ra, nhiều loại polyme trở nên giòn tiếp xúc lâu dài với tia tử ngoại tia phóng xạ có lượng cao • Đối với gốm: Trong loại vật liệu gốm có độ chịu môi trường cao hơn, ngoại trừ số trường hợp thủy tinh môi trường nước HF 10.4.2 Rão (Creep) • Khi áp đặt ứng suất nhỏ độ bền chảy nhiệt độ phòng biến dạng tính từ định luật Hooke • Biến dạng nói chung không thay đổi theo thời gian tải cố định • Nếu lặp lại thí nghiệm với tải cố định nhiệt độ cao (T0 > (0,30,5) Tm) (với Tm nhiệt độ nóng chảy, K) biến dạng nhận tăng theo thời gian sau bước biến dạng đàn hồi ban đầu 40 41 • Rão định nghĩa biến dạng dẻo xảy nhiệt độ cao ứng suất không đổi (ứng suất nhỏ giới hạn đàn hồi) khoảng thời gian dài • Tính chất rão phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô vật liệu, trình gia công thành phần kết cấu • Đường cong biến dạng rão có giai đoạn, sau bước biến dạng đàn hồi ban đầu τ = ε0 • Giai đoạn I: tốc độ biến dạng thấp (độ dốc đường cong thấp) Trong giai đoạn này, độ biến dạng tăng tăng khả dịch chuyển nguyên tử hoạt hóa nhiệt, tạo mặt trượt bổ sung lệch di chuyển dể dàng (theo chế leo trình bày phần khuyết tật đường) ε = Aτ1/ ε: biến dạng rão τ: thời gian A: const • Giai đoạn II: tốc độ biến dạng không đổi miền này, tăng khả trượt độ dịch chuyển nhiệt độ cao cân với cản trở trượt tạo lệch rào cản cấu trúc ε = ε0 + βt β = const 42 • Giai đoạn III: Tốc độ biến dạng tăng tăng ứng suất thực tiết diện mẫu giảm (Mẫu bị thắt lại tạo vết nứt bên trong) ε = B + C exp(γt) B, C, γ = const • Đối với kim loại, gốm rão xảy trình khuếch tán khuyết tật điểm, trượt biên giới hạt dịch chuyển lệch • Đối với polyme, rão trượt phân tử với 43 ...CHƯƠNG 10 TÍNH CHẤT CƠ 10.1 Giới thiệu • Tính chất đặc tính vật liệu biểu tác dụng học lên • Để xác định tính chất thường phải phá hủy mẫu tính chất xác định không phụ thuộc... dạng tiếp tục đứt tất yếu xảy Vật liệu có độ biến dạng dẻo lớn trước đứt vật liệu dẻo, ngược lại vật liệu giòn 14 10 .2. 5 Phép đo độ cứng • Độ cứng cách đo độ bền vật liệu chống lại biến dạng dẻo... Ưu điểm phép thử va đập Charpy đánh giá độ bền giòn vật liệu → cung cấp định tính, xếp độ bền giòn vật liệu, không cung cấp liệu thiết kế mang tính định lượng • Ngoài ra, tải trọng phép thử va