Đường cong ứng suất-biến dạng

Đường cong ứng suất-biến dạng là một trong những biểu đồ sức bền vật liệu đầu tiên mà chúng ta bắt gặp khi bắt đầu hành trình nghiên cứu vật liệu.

Mặc dù thực tế không quá khó, nhưng thoạt đầu có vẻ hơi khó hiểu. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về đường cong ứng suất và biến dạng để hiểu rõ hơn.

Nhưng trước khi đi sâu vào vấn đề, chúng ta sẽ cố gắng giải thích một số khái niệm chính để hiểu rõ hơn.

Tải

Một kim loại trong quá trình sử dụng hoặc sản xuất phải chịu các lực khác nhau. Tùy thuộc vào độ lớn của các lực này, kim loại có thể hoặc không thể thay đổi hình dạng của nó.

Hành động áp dụng lực được gọi là tải. Có năm cách khác nhau mà các lực này có thể được áp dụng lên một bộ phận kim loại.

Năm dạng tải là:

1. Nén
2. Căng
3. Cắt
4. Xoắn
5. Uốn

Kim loại có bản chất đàn hồi ở một mức độ nhất định. Khi chịu tải, kim loại bị biến dạng nhưng có thể quá nhỏ để nhận biết nếu không có công cụ chuyên dụng.

Khi lực tác dụng này bị loại bỏ, kim loại sẽ trở lại kích thước ban đầu (trừ khi lực vượt quá một điểm nhất định). Ví dụ, giống như một quả bóng bay, kim loại sẽ trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực tác dụng bị loại bỏ.

Ứng suất là gì?

Ứng suất được định nghĩa là tỷ lệ giữa lực tác dụng và diện tích mặt cắt ngang của vật liệu mà lực tác dụng.

Công thức tính ứng suất vật liệu:

σ=F/A, trong đó

F là lực (N)

A là diện tích (m2)

σ là ứng suất (N/m2 hoặc Pa)

Ví dụ, lực 1 N tác dụng lên diện tích mặt cắt ngang là 1 m2 sẽ được tính là ứng suất 1 N/m2 hoặc 1 Pa. Đơn vị có thể được hiển thị là N/m2 hoặc Pa, cả hai đều biểu thị áp suất.

Ứng suất có thể được hiểu là lực bên trong được tạo ra trong kim loại để phản ứng với lực tác dụng bên ngoài. Nó sẽ cố gắng chống lại bất kỳ thay đổi nào về kích thước do lực bên ngoài gây ra.

Khi diện tích mặt cắt ngang thay đổi, cùng một lực sẽ tạo ra ứng suất lớn hơn hoặc nhỏ hơn trong kim loại. Diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn sẽ tạo ra giá trị ứng suất lớn hơn và ngược lại.

Biến dạng là gì?

Biến dạng được định nghĩa là tỷ lệ giữa sự thay đổi về kích thước so với kích thước ban đầu của kim loại. Nó không có đơn vị.

Có ba loại biến dạng: biến dạng bình thường, biến dạng thể tích và biến dạng cắt.

Biến dạng bình thường (hay biến dạng dọc) chỉ liên quan đến sự thay đổi về một kích thước, chẳng hạn như chiều dài.

Công thức tính biến dạng là:

ε=(l-l0)/l0, trong đó

l0 là chiều dài ban đầu hoặc ban đầu (mm)

l là chiều dài kéo dài (mm)

Ví dụ, nếu một lực nào đó làm thay đổi chiều dài của kim loại từ 100 mm thành 101 mm, biến dạng bình thường sẽ là (101-100)/100 hoặc 0,01.

Biến dạng bình thường có thể là dương hoặc âm tùy thuộc vào hướng của lực bên ngoài và do đó ảnh hưởng đến chiều dài ban đầu.

Để đơn giản, chúng ta sẽ chỉ nói về biến dạng bình thường trong bài viết của mình. Do đó, mỗi khi chúng ta sử dụng từ biến dạng, nó sẽ ám chỉ biến dạng bình thường. Khi chúng ta đã hiểu được về biến dạng bình thường, chúng ta có thể dễ dàng mở rộng sự hiểu biết tương tự cho hai biến dạng còn lại.

Ứng suất và Biến dạng

Bất cứ khi nào tải trọng tác động lên vật thể, nó sẽ tạo ra ứng suất cũng như biến dạng trong vật liệu.

Hãy lấy một quả bóng đá làm ví dụ. Khi bạn cố bóp nó, nó sẽ tạo ra lực cản. Lực cản được tạo ra là ứng suất gây ra trong khi sự thay đổi về kích thước biểu thị cho biến dạng.

Biến dạng gây ra ứng suất. Khi tác dụng lực dẫn đến biến dạng, vật liệu sẽ cố gắng giữ lại cấu trúc vật thể của nó bằng cách tạo ra ứng suất bên trong.

Đường cong ứng suất-biến dạng được vẽ như thế nào?

Phương pháp phổ biến nhất để vẽ đường cong ứng suất và biến dạng là đưa một thanh của mẫu thử vào thử nghiệm kéo.

Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng Máy thử vạn năng. Máy có hai móc giữ hai đầu của thanh và kéo với tốc độ đồng đều.

Lực tác dụng và biến dạng tạo ra được ghi lại cho đến khi xảy ra gãy. Sau đó, hai thông số được vẽ trên đồ thị X-Y để có được đồ thị quen thuộc.

Đường cong ứng suất-biến dạng

Đường cong ứng suất-biến dạng là một đồ thị cho thấy sự thay đổi ứng suất khi biến dạng tăng. Đây là đồ thị tham chiếu được sử dụng rộng rãi cho kim loại trong khoa học vật liệu và sản xuất.

Có nhiều phần khác nhau trên đường cong ứng suất và biến dạng mô tả hành vi khác nhau của vật liệu dẻo tùy thuộc vào lượng ứng suất được tạo ra.

Đường cong ứng suất và biến dạng đối với vật liệu giòn, cứng (nhưng không dẻo) và dẻo là khác nhau. Đường cong đối với các vật liệu này đơn giản hơn và có thể học rất dễ dàng. Chúng ta sẽ tập trung vào đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu dẻo. Nhưng trước khi đi sâu hơn vào vấn đề đó, chúng ta hãy xem xét một khái niệm quan trọng khác – định luật Hooke.

Định luật Hooke

Nguyên lý vật lý này nói về độ đàn hồi và cách lực cần thiết để kéo dài hoặc nén một vật đàn hồi theo một khoảng cách nhất định tỷ lệ thuận với khoảng cách đó. Lực càng lớn thì khoảng cách càng xa.

Công thức định luật Hooke để tính lực trong lò xo:

Trong trường hợp kim loại, định luật Hooke quy định rằng đối với hầu hết các kim loại, những thay đổi lớn hơn về chiều dài sẽ tạo ra lực bên trong lớn hơn. Điều đó có nghĩa là ứng suất tỷ lệ thuận với độ biến dạng. Điều này là do kim loại thể hiện tính đàn hồi lên đến một giới hạn nhất định.

Nói một cách đơn giản, nếu tải trọng kéo/nén tăng gấp đôi, thì sự tăng/giảm chiều dài cũng sẽ tăng gấp đôi miễn là kim loại nằm trong giới hạn tỷ lệ.

Giới hạn tỷ lệ

Hầu như tất cả các kim loại đều có đặc tính giống như các vật thể đàn hồi trong một phạm vi cụ thể. Phạm vi này thay đổi đối với các kim loại khác nhau và bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như tính chất cơ học, tiếp xúc với khí quyển (ăn mòn), kích thước hạt, xử lý nhiệt và nhiệt độ làm việc.

Khi máy thử bắt đầu kéo mẫu thử, mẫu thử sẽ chịu ứng suất kéo. Ban đầu, vật liệu tuân theo định luật Hooke.

Độ biến dạng sẽ tỷ lệ thuận với ứng suất. Điều đó có nghĩa là tỷ lệ ứng suất trên biến dạng sẽ là một hằng số. Trong khoa học vật liệu, hằng số này được gọi là mô đun đàn hồi Young và là một trong những tính chất cơ học quan trọng nhất cần xem xét khi lựa chọn vật liệu phù hợp cho một ứng dụng.

Cũng không có biến dạng vĩnh viễn. Kim loại sẽ hoạt động giống như lò xo và trở lại kích thước ban đầu khi loại bỏ tải.

Điểm mà hành vi tỷ lệ này được quan sát được gọi là giới hạn tỷ lệ. Khi ứng suất tăng, biến dạng tăng theo đường thẳng. Trong sơ đồ trên, quy tắc này áp dụng cho đến khi chỉ báo độ bền chảy.

Mô đun đàn hồi Young

Được định nghĩa là tỷ lệ ứng suất dọc với biến dạng trong giới hạn tỷ lệ của vật liệu. Còn được gọi là mô đun đàn hồi, nó tương tự như độ cứng của lò xo. Đó cũng là lý do tại sao định luật Hooke bao gồm một hằng số lò xo.

Giả sử chúng ta có 2 vật liệu có cùng chiều dài và tiết diện. Để thay đổi kích thước theo cùng một thước đo, vật liệu có giá trị mô đun Young cao hơn cần lực lớn hơn.

Điểm đàn hồi & Điểm giới hạn chảy

Khi mẫu thử chịu lực kéo tăng dần, ứng suất tăng vượt quá giới hạn tỷ lệ.

Mối quan hệ ứng suất-biến dạng lệch khỏi định luật Hooke. Biến dạng tăng nhanh hơn ứng suất, biểu hiện là đường cong trên biểu đồ ứng suất và biến dạng hơi dẹt.

Đây là phần biểu đồ mà đường cong đầu tiên bắt đầu nhưng vẫn chưa chuyển sang hướng đi xuống. Mặc dù tỷ lệ ứng suất/biến dạng bị mất, nhưng tính chất đàn hồi thì không, và khi loại bỏ tải, kim loại vẫn sẽ trở lại kích thước ban đầu.

Do đó, sự thay đổi kích thước trong giới hạn đàn hồi chỉ là tạm thời và có thể đảo ngược. Giới hạn đàn hồi của vật liệu xác định độ ổn định của vật liệu khi chịu ứng suất.

Đây chính là lý do tại sao các phép tính kỹ thuật sử dụng giới hạn chảy của vật liệu để xác định khả năng chịu tải của vật liệu. Nếu tải lớn hơn giới hạn chảy, kết quả sẽ là biến dạng dẻo không mong muốn.

Hành vi dẻo

Khi mẫu thử được kéo xa hơn trên máy thử, tính chất đàn hồi bị mất. Điều này phù hợp với điểm bắt đầu của vùng cứng hóa biến dạng trong biểu đồ ứng suất-biến dạng.

Điểm giới hạn chảy là nơi đầu tiên quan sát thấy biến dạng dẻo của vật liệu. Nếu vật liệu được tháo kẹp khỏi máy thử vượt quá điểm này, vật liệu sẽ không trở lại chiều dài ban đầu.

Sự cứng hóa biến dạng được cho là xảy ra khi số lượng vị trí sai lệch trong vật liệu trở nên quá cao và chúng bắt đầu cản trở chuyển động của nhau. Vật liệu liên tục tự sắp xếp lại và có xu hướng cứng lại.

Cổ thắt

Biến dạng dẻo tiếp tục xảy ra khi ứng suất tăng. Theo thời gian, mặt cắt ngang sẽ hẹp lại tại một điểm trên thanh. Hiện tượng này được gọi là cổ thắt. Ứng suất cao đến mức dẫn đến hình thành cổ thắt tại điểm yếu nhất của thanh. Bạn có thể thấy hiện tượng này xảy ra trong video ở trên.

Đường cong ứng suất-biến dạng cũng cho thấy vùng xảy ra cổ thắt. Điểm bắt đầu của nó cũng cho chúng ta biết độ bền kéo cực đại của vật liệu.

Độ bền kéo cực đại cho biết lượng ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được. Đạt đến giá trị này sẽ đẩy vật liệu đến chỗ hỏng và gãy.

Điểm gãy

Một khi ở vùng thắt cổ, chúng ta có thể thấy rằng tải không cần phải tăng để biến dạng dẻo hơn nữa.

Một vết nứt sẽ xảy ra ở cổ, thường có hình dạng cốc và hình nón ở cả hai đầu của thanh. Điểm này được gọi là điểm gãy hoặc điểm đứt và được ký hiệu là E trên biểu đồ ứng suất và biến dạng.

Tại sao Đường cong ứng suất-biến dạng lại quan trọng?

Đường cong ứng suất-biến dạng cung cấp cho các kỹ sư thiết kế một danh sách dài các thông số quan trọng cần thiết cho thiết kế ứng dụng. Biểu đồ ứng suất-biến dạng cung cấp cho chúng ta nhiều tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo dai, độ đàn hồi, điểm chảy, năng lượng biến dạng, khả năng phục hồi và độ giãn dài trong quá trình chịu tải.

Nó cũng hữu ích trong chế tạo. Cho dù bạn đang muốn thực hiện đùn, cán, uốn hoặc một số hoạt động khác, các giá trị bắt nguồn từ biểu đồ này sẽ giúp bạn xác định các lực cần thiết để tạo ra biến dạng dẻo.

Nếu bạn cần thiết bị lường đo điện chính hãng, uy tín

Lidinco là công ty cung cấp các loại thiết bị đo lường điện uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.

Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Các loại vòng bi