Bài giảng Cơ sở vật liệu học - Chương 2: Biến dạng và cơ tính vật liệu

Chương 2: Biến dạng và cơ tính vật liệu<br /> • 2.1. Biến dang đàn hồi:<br />  Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng<br /> với ngoại lực.<br />  Ứng suất = phản lực /một đơn vị diện tích<br />  Ứng suất pháp (): vuông góc với mặt chịu lực<br />  Ứng suất tiếp () sinh ra xê dịch trong mặt chịu lực<br />  Ứng suất pháp 3 chiều: gây biến đổi thể tích V/V<br /> <br /> Các loại ứng suất có thể<br /> gây biến dạng đàn hồi<br /> <br />  Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi<br /> bỏ lực tác dụng – có thể gây ra do các ứng suất<br /> trên<br /> 1<br /> <br /> Định luật HOOKE :<br /> <br /> .E<br /> <br /> 2<br /> <br /> (cho kéo nén)<br /> <br />  = G.<br /> (cho xê dịch)<br /> P= -K.V/V (cho ép 3 chiều)<br /> Mô tả quan hệ giữa ứng suất () và độ biến dạng () thông qua<br /> môđun đàn hồi (E)<br /> <br /> Trong đó: E: mô đun đàn hồi<br /> G: mô đun xê dịch<br /> K: Mô đun ép<br /> <br /> E = 2G(1+)<br /> E = 3K(1-2)<br />  - hằng số Poisson (=0,3 với đa số VL)<br /> <br /> Quan hệ:<br /> <br /> Đàn hồi tuyến tính<br /> <br /> Đàn hồi phi tuyến<br /> <br />  Mô đun đàn hồi của một vật thể được xác định bằng độ dốc<br /> của đường cong ứng suất - biến dạng trong vùng biến dạng đàn<br /> hồi<br /> <br /> 4<br /> <br /> 1<br /> <br /> Có ba loại mô đun đàn hồi cơ bản:<br />  Mô đun Young (E): mô tả đàn hồi dạng kéo (hoặc xu<br /> hướng của một vật thể bị biến dạng bởi lực kéo dọc<br /> theo một trục, nó được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng<br /> suất kéo và biến dạng kéo (gọi đơn là mô đun đàn hồi).<br />  Mô đun cắt (G) miêu tả xu hướng của một vật thể bị<br /> cắt (hình dạng của biến dạng với thể tích không đổi) khi<br /> bị tác động bởi các lực ngược hướng; nó được định<br /> nghĩa bằng ứng suất cắt chia cho biến dạng kéo.<br /> Mô đun cắt là một phần nguồn gốc của tính dẻo (the<br /> derivation of viscosity).<br />  Mô đun khối (K) mô tả biến dạng thể tích, hoặc xu<br /> hướng thể tích của một vật thể bị biến dạng dưới một<br /> áp lực; nó được định nghĩa bằng tỷ số ứng suất thể tích<br /> chia cho biến dạng<br /> <br /> • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến E<br /> <br /> 5<br /> <br /> 2.2. Biến dạng dẻo – cơ chế hoá bền trong vật liệu<br /> <br /> Tải trọng F<br /> <br /> 2.2.1. Cơ chế biến dạng dẻo trong kim loại<br /> Fb<br /> <br /> b<br /> <br /> Fa<br /> a<br /> <br /> Fđh<br /> <br /> c<br /> <br /> e<br /> <br /> 0<br /> <br /> a1<br /> <br /> a2<br /> <br /> Khi đặt tải F< Fđh →Biến dạng theo đường Oe<br /> (tuyến tính) →Bỏ lực tác dụng, mẫu trở về<br /> trạng thái ban đầu (theo đường oe) →BD đàn<br /> hồi<br /> - Khi tải đặt vào lớn F> Fđh→Biến dạng tăng<br /> nhanh theo tải trọng. Bỏ tải, BD không mất đi<br /> hoàn toàn→BD dẻo (trở về theo đường aa1 //<br /> oe, oa1 là BD dư, a1a2 là BD đàn hồi.<br /> - Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến Fb→xảy ra BD<br /> cục bộ, hình thành cổ thắt, F giảm, BD vẫn<br /> tăng→đứt<br /> <br /> -<br /> <br /> Độ dãn dài l<br /> <br /> Biểu đồ tải trọng-biến dạng điển hình của KL<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1. Biến dạng dẻo là gì?<br /> Biến dạng dẻo là biến dạng dư không bị<br /> mất đi sau khi bỏ tải trọng tác dụng<br /> Sự biến đổi mạng tinh thể trong quá trình biến dạng<br /> <br /> Khi không chịu lực tác dụng : các nguyên tử chỉ dao động<br /> xung quanh vị trí cân bằng<br /> <br /> •Ứng suất tiếp gây ra biến dạng dẻo (trượt),<br /> ứng suất pháp không gây ra biến dạng dẻo.<br /> <br /> Giai đoạn biến dạng đàn hồi: các nguyên tử xê dịch nhỏ hơn<br /> một thông số mạng → trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng<br /> Giai đoạn biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch lớn hơn một<br /> thông số mạng → trở về vị trí cân bằng mới khi bỏ tải trọng<br /> Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời<br /> 10<br /> <br /> a) Các mặt và phương trượt<br /> <br /> 2. Trượt đơn tinh thể<br /> <br /> Mặt trượt: mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên<br /> tử dày đặc nhất mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt<br /> <br /> Hiện tượng trượt trong đơn<br /> tinh thể<br /> <br /> Mặt trượt<br /> <br /> Phương trượt<br /> <br /> Mặt dày đặc nhất?<br /> <br /> • 2 điều kiện của mặt trượt:<br /> - Mặt xếp chặt nhất  liên kết giữa các nguyên tử lớn nhất<br /> Trượt trong đơn tinh<br /> thể Zn<br /> <br /> Đ/n: Trượt là hiện tượng chuyển dời tương đối giữa các phần<br /> tinh thể theo các phương và mặt nhất định gọi là phương trượt<br /> và mặt trượt<br /> <br /> - Do Mv không đổi  khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt là lớn<br /> nhất  liên kết giữa chúng yếu nhất<br /> Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử lớn nhất<br /> Hệ trượt: Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt<br /> trượt<br /> 12<br /> <br /> 3<br /> <br /> Hệ trượt trong mạng A2<br /> <br /> Hệ trượt trong mạng A1<br /> <br /> Họ mặt trượt {110} : 6 mặt trượt<br /> <br /> Họ mặt trượt:{111} Số lượng: 4 mặt trượt<br /> <br /> Họ phương trượt : 2 phương trượt<br /> <br /> Họ phương trượt : 3 phương trượt<br /> <br />  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt<br /> <br />  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt<br /> 13<br /> <br /> 14<br /> <br /> Hệ trượt trong mạng A3<br /> Kiểu mạng<br /> <br /> Số mặt trượt<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> <br /> 1<br /> <br /> Số phương<br /> trượt<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 3<br /> <br /> Mặt xếp chặt nhất: (0001) Số lượng: 1 mặt trượt<br /> <br /> Số hệ trượt<br /> <br /> 12<br /> <br /> 12<br /> <br /> 3<br /> <br /> Họ phương xếp chặt nhất : 3 phương<br /> trượt<br />  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 3 hệ trượt<br /> <br /> Kim loại<br /> <br /> Feα, Cr, W, V<br /> <br /> Feγ, Al, Cu, Au<br /> <br /> Tiα, Zn, Mg,<br /> Be<br /> <br /> 15<br /> <br /> 16<br /> <br /> 4<br /> <br /> Phân tích các tính toán cho ứng suất tiếp trên mặt<br /> trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể<br /> <br /> Nhận xét<br /> - Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng<br />  Nhôm (Al), đồng (Cu)…. dễ biến dạng hơn Magiê (Mg),<br /> Kẽm (Zn)<br /> <br /> σo = F/So<br /> <br /> (F là lực kéo đơn tinh thể theo chiều trục)<br /> <br /> σ<br /> <br /> - Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào có số<br /> phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn<br /> Text<br /> <br /> F<br /> <br /> So<br /> <br /> <br /> <br />  Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) (A2)…. dễ biến dạng<br /> hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) (A1)<br /> <br /> Phương trượt<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ss<br /> <br /> Fs<br /> <br /> Ss<br /> <br /> <br /> <br /> - Ngoài các hệ trượt chính, KL còn có thể trượt theo các hệ<br /> khác có mật độ xếp chăth thấp hơn<br /> <br /> <br /> So<br /> <br /> Ứng suất tiếp gây ra trượt<br /> Lực tác dụng<br /> <br /> F<br /> σ<br /> <br /> Các giá trị tới hạn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br />  max khi<br /> <br /> ==450  =σ/2<br /> <br /> σ0: ứng suất quy ước do ngoại lực F tác dụng lên tiết ngang<br /> của tinh thể có tiết diện không đổi (F/S0= σ0)<br /> <br /> Phương trượt<br /> <br /> a)<br /> <br /> Mặt trượt<br /> S<br /> <br /> <br /> <br /> Diện tích mặt trượt: S=<br /> <br /> S0<br /> <br /> = F<br /> S<br /> <br /> .cos =<br /> <br /> b)<br /> <br /> c)<br /> <br /> So<br /> cos<br /> <br /> Ứng suất tiếp trên phương trượt:<br /> F<br /> S<br /> <br /> = σ0 coscos ≥ th<br /> <br /> F<br /> coscos<br /> So<br /> <br /> t=0<br /> =90<br /> <br /> t=σ/2<br /> ==450<br /> <br /> t=0<br />  =90<br /> <br />   = σ0 coscos<br /> <br /> F σ0 ứng suất qui ước)<br /> =<br /> So<br /> <br /> Không xảy ra<br /> trượt<br /> <br /> Dễ xảy ra<br /> trượt<br /> <br /> Không xảy ra<br /> trượt<br /> <br /> 5<br /> <br />