Tìm hiểu 3 dạng độ bền kéo

Giới hạn chảy, giới hạn bền kéo và độ nứt gãy của vật liệu là các đặc tính kỹ thuật thiết yếu giúp xác định cách thức các thành phần sẽ hoạt động khi chịu tải trọng ứng dụng khác nhau.

Độ bền kéo là một trong những tính chất cơ bản nhất trong bất kỳ vật liệu xây dựng nào. Tính chất cơ học này thường được sử dụng để đánh giá sự phù hợp của vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Các giá trị độ bền kéo thường được nhập vào các công thức, tính toán và phần mềm máy tính khác nhau để giúp dự đoán hành vi của các thành viên cấu trúc dưới các loại tải khác nhau. Do tầm quan trọng của nó, tính chất này thường được nêu rõ trong các tài liệu đặc điểm kỹ thuật vật liệu.

Kiểm tra độ bền kéo của vật liệu

Một trong những phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để xác định độ bền kéo của vật liệu là thử nghiệm độ bền kéo (còn được gọi là thử nghiệm độ căng). Trong quy trình này, một mẫu thử hình trụ được nạp vào một máy kẹp chặt nó ở một đầu và áp dụng lực kéo dọc trục ở đầu kia. Sau đó, máy sẽ từ từ và liên tục kéo dài mẫu thử với tốc độ chuẩn cho đến khi hỏng. Các lực đối lập trong mẫu thử do kéo dài áp đặt được ghi lại và vẽ trên đồ thị chống lại độ giãn dài được áp dụng.

Kết quả biểu đồ lực kéo (hoặc đồ thị biến dạng ứng suất) cho mẫu thép hiển thị ba vùng riêng biệt đại diện cho ba loại cường độ kéo khác nhau: Giới hạn chảy, giới hạn bền kéo và độ nứt gãy của vật liệu. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận chi tiết về ba thông số độ bền kéo này để đưa ra ý tưởng về cách chúng được áp dụng trong các ứng dụng kỹ thuật.

Hình 1 : Biểu đồ kéo biểu lộ 3 loại cường độ kéo khác nhau ( nguồn : Wikipedia )

Độ bền kéo # 1: giới hạn chảy

Giới hạn chảy được định nghĩa là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không trải qua biến dạng vĩnh viễn. Vì mẫu thử được kéo dài trong các giai đoạn ban đầu của thử nghiệm, độ dốc ban đầu của đồ thị biến dạng ứng suất là tuyến tính, tức là, ứng suất trong vật liệu tỷ lệ thuận với biến dạng ứng dụng. Giai đoạn đầu tiên này được gọi là vùng đàn hồi tuyến tính vì vật liệu vẫn tuân theo Định luật Hooke. Tại thời điểm này, vật liệu được cho là hoạt động đàn hồi. Do đó, nếu tải thử nghiệm được loại bỏ, mẫu thử dự kiến ​​sẽ quay trở lại hình dạng và chiều dài ban đầu.

Khi máy tiếp tục kéo dài mẫu thử, một điểm được chạm tới giới hạn kim loại được kéo dài vượt quá khả năng trở về chiều dài ban đầu. Nói cách khác, vật liệu được cho là đã biến dạng giá trị của ứng suất tại thời điểm này được gọi là giới hạn chảy.

Độ bền kéo # 2: giới hạn bền kéo

Giới hạn bền kéo (UTS), hay đơn giản là độ bền kéo, được định nghĩa là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi hỏng. Sau khi độ chảy vật liệu, nó đi vào trạng thái biến dạng dẻo. Ở giai đoạn này, vật liệu được kéo dài đến điểm biến dạng vĩnh viễn, tức là, mẫu thử sẽ không trở về hình dạng và chiều dài ban đầu khi tải được gỡ bỏ.

Trong vùng biến dạng dẻo, lực đối kháng tiếp tục tăng khi đối tượng thử nghiệm chống lại độ giãn dài theo cách phi tuyến tính. Sự tăng cường rõ ràng này của vật liệu xảy ra do một hiện tượng được gọi là làm cứng cơ học (còn được gọi là làm cứng nguội). Trong quá trình làm cứng biến dạng, cấu trúc tinh thể trong cấu trúc vi mô vật liệu Vượt qua sự biến dạng và sắp xếp lại vĩnh viễn.
Kết quả là, vật mẫu cứng lại đến một điểm tối đa, sau đó lực điện trở hoặc biến dạng giảm. Giá trị của ứng suất cực đại này được gọi là giới hạn bền kéo.

Giới hạn bền kéo là một thông số quan trọng trong thiết kế và phân tích của thiết kế nhiều tòa nhà và cây cầu. Trong hầu hết các vật liệu dẻo, giới hạn bền kéo thường cao hơn khoảng 1,5 đến 2,0 lần so với giới hạn chảy.

Độ bền kéo # 3: Độ nứt gãy

Độ nứt gãy, còn được gọi là cường độ gãy, là giá trị của ứng suất tại điểm gãy. Trong thử nghiệm độ bền kéo, đó là giá trị ứng suất mà tại đó mẫu thử tách thành hai phần riêng biệt.

Trong các vật liệu dẻo, chẳng hạn như thép, một khi lực kéo cuối cùng đạt được giá trị của lực đối lập trong vật liệu giảm dần với độ giãn dài tiếp tục. Độ giảm này là do sự thắt lại trong đối tượng thử nghiệm ngay trước khi gãy cấu trúc.

Trong quá trình thắt, sự sụt giảm nổi bật của mặt cắt ngang cục bộ xảy ra trong kim loại, tạo cho nó hình chữ “V” hoặc “điểm thắt”. Tất cả các biến dạng dẻo hơn nữa là kết quả của sự kéo dài liên tục bây giờ xảy ra ở vị trí thắt. Điểm thắt cuối cùng trở thành vị trí đứt gãy khi lực đủ mạnh được áp dụng cho đối tượng thử nghiệm.

Hình 2: Mẫu thử cho thấy sự thắt lại do áp dụng tải trọng dọc trục (nguồn: GSC-3D.com)

Trạng thái mềm dẻo và trạng thái đứt gãy

Hình minh họa đồ thị ứng suất biến dạng và các loại cường độ kéo khác nhau được định nghĩa trong bài viết này liên quan đến độ dẻo vật liệu. Điều này đã được thực hiện một cách có chủ ý vì các vật liệu dẻo dễ thể hiện rõ nhất sự khác biệt giữa độ chảy, độ bền kéo và độ gãy.

Tuy nhiên, các vật liệu giòn, chẳng hạn như gang, tường xây và thủy tinh, hoạt động hơi khác một chút. Một vết gãy trong vật liệu giòn là tương đối đột ngột, thường không có thay đổi đáng chú ý trong mặt cắt ngang hoặc tốc độ kéo trước khi gãy.

Hình 3: Sơ đồ biến dạng ứng suất cho vật liệu giòn (nguồn: Researchgate.net)

Hầu hết các vật liệu giòn không có điểm chảy được xác định rõ, cũng làm cứng cơ học. Độ bền kéo và cường độ phá hủy là như nhau. Trong Hình 3, biểu đồ biến dạng ứng suất cho vật liệu giòn chủ yếu là tuyến tính. Như đã thấy rõ trong biểu đồ, vật liệu giòn không thể hiện dấu hiệu biến dạng dẻo và hư hỏng trong khi vật liệu về cơ bản là đàn hồi.

Một đặc tính khác của vật liệu giòn giúp phân biệt chúng với độ dẻo là có ít hoặc không giảm diện tích mặt cắt ngang trong khi gãy. Nói cách khác, nút thắt không hình thành. Kết quả là hai phần bị hỏng có thể được ghép lại để tạo ra hình dạng giống như thành phần ban đầu.

Kết luận

Điểm chảy, độ bền kéo và độ bền gãy của vật liệu là các đặc tính kỹ thuật thiết yếu giúp xác định cách thức các thành phần sẽ hoạt động khi chịu tải trọng ứng dụng khác nhau. Giá trị của những điểm mạnh này phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm loại vật liệu, nhiệt độ, cấu trúc phân tử và thành phần hóa học.
Điểm chảy, độ bền kéo và độ bền gãy dễ dàng được xác định trong các biểu đồ kéo của vật liệu dẻo. Vật liệu giòn, mặt khác, chỉ thể hiện điểm gãy. Sự khác biệt giữa hai loại vật liệu này là rất quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật trong đó độ dẻo và độ giòn của vật liệu có thể có ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình thiết kế và phân tích.

Source: https://dvn.com.vn
Category: Tiêu Dùng