tính chất cơ học của vật liệu

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (336.06 KB, 14 trang )

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


TIỂU LUẬN MÔN : VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA

TÊN ĐỀ TÀI:
TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU

Giảng viên hướng dẫn: T.s Nguyễn Văn Bời
Lớp học phần
Nhóm

: 210414002
:10

TP.Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


BỘ MÔN: HÓA HỮU CƠ

TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC

TÍNH CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU

TP.Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2010

2

MỤC LỤC

3

4

NỘI DUNG
1 Tính chất cơ học của vật liệu kim loại
Cơ tính (tính chất cơ học của vật liệu): Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả
năng của vật liệu khi chịu tác dụng của tải trọng.Cơ tính của vật liệu bao gồm: độ bền, độ
cứng, độ dãn dài tương đối, độ dai va chạm
Dưới tác động của ngoại lực P, vật rắn có xu hướng thay đổi hình dáng so với
trước khi chịu tác dụng của lực và được gọi là biến dạng, khi đó trong vật xuất hiện ứng
suất để chống lại sự biến dạng.Biến dạng là sự thay đổi hình dạng kích thước của vật liệu
dưới tác động của ngoại lực
Ứng suất: đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng
của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, v..v…
Ứng suất =
Khi ứng suất pháp (σ), vuông góc với bề mặt chịu lực thì làm vật liệu bị biến dạng
(ε). Khi ứng suất tiếp (τ), song song với bề mặt chịu lực thì làm cho vật bị xê dịch (γ)
1.1 Các đặc trưng cơ tính
Độ bền δ: Là đặc tính cơ bản của vật liệu, được định nghĩa là khả năng chịu đựng
không bị nứt, gãy, phá hủy dưới tác động của ngoại lực lên vật thể.
Các đặc tính về độ bên theo cách tác động ngoại lực khác nhau: độ bền kéo ( σk),
độ bền nén (σn), độ bền cắt (σu), độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập, giới hạn chảy…
 Độ bền uốn là ứng suất thấp nhất làm biến dạng vĩnh viễn cho một vật liệu xem

xét.
 Độ bền nén là giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ.

 Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét.
5

 Độ bền mỏi là số đo độ bền của vật liệu hoặc thành phần chịu tải trọng có chu kỳ.
 Độ bền va đập là khả năng chịu đựng của vật liệu khi chịu các tải trọng va đập đột
ngột.
 Giới hạn chảy: là ứng suất nhỏ nhất làm cho kim loại bị biến dạng dẻo (biến dạng
dư.)
Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo khi tác dụng ngoại lực P (N) lên thanh kim loại có diện
tích tiết diện ngang F (mm2).

Giá trị độ bền được tính theo công thức:

σ=

P
F

Giới hạn mà tại đó lực P đạt đến giá trị làm cho thanh kim loại bị phá huỷ được gọi
là giới hạn bền cho phép được ký hiệu [σ].
Độ cứng: là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại
lực tác dụng thông qua vật nén. Cùng một giá trị lực nén biến dạng trên mẫu đo càng lớn
thì độ cứng càng kém.

Gồm 2 loại:
+Độ cứng Brinen (đo theo phương pháp Bri nen): Ký hiệu HB

HB được tính theo công thức:

6

P: tải trọng (kG)
F: diện tích mặt cầu vết lõm (mm2)
Đơn vị của độ cứng Brinen HB là kG/mm2.
Tuỳ theo chiều dày của mẫu thử mà chọn đường kính viên bi thử D=10 mm,
D=5mm, D=2,5mm.
Tuỳ theo tính chất của vật liệu mà chọn tải trọng P cho thích hợp:
– Đối với thép và gang: P = 30D2
– Đồng và hợp kim đồng: P = 10D2
– Nhôm, babit và các hợp kim mềm khác; P = 2,5D2
Độ cứng HB dùng đo vật liệu có độ cứng thấp (< 450 kG/mm2) như gang, thép
chưa tôi, đồng, nhôm V.v…
+Độ cứng Rowell (Rôcoen): Ký hiệu HRA, HRB, HRC tương ứng với 3 thang đo
A, B, C.
Các thang đo trong độ cứng Rocwel
Thang A –

Dùng mũi chóp kim cương
P = 60 KG

Ký hiệu:

HRA

-Thang B –Dùng bi thép
P = 100 KG Ký hiệu:

HRB

-Thang C – Dùng mũi chóp kim cương
P = 150 KG Ký hiệu:

HRC

Nội dung phương pháp:
•

Tải trọng P.
7

•

Bi thép tôi cứng có đường kính 1/16” (1,587 mm) cho thang đo B. Đo vật ít cứng.

•

mũi hình côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang A hoặc C) dùng thử vật
liệu có độ cứng cao như thép đã qua nhiệt luyện.
Độ cứng Rôcoen HRC dùng để đo độ cứng cao (> 450 kG/ mm2).
Quan hệ các loại độ cứng:
– Độ cứng thấp :

HB = 220
HRC = 20

– Độ cứng trung bình:

HB =250 – 450
HRC = 25 – 45

– Độ cứng cao:
– Độ cứng rất cao:

HRC = 50 – 64
HRC > 64

Độ cứng Víchke :Dùng mũi kim cương hình chóp đáy vuông, góc giữa hai mặt đối
diện 1360 ấn lên bề mặt mẫu thử với tải trọng P từ 5 ÷ 120 kG (5; 10; 20; 30; 50; 100;
120)
Độ cứng Vicke ký hiệu HV (kG/mm2). trong đó:
P: tải trọng (kG); d: đường chéo của vết lõm.
Phương pháp đo độ cứng Vicke có thể đo cho cả vật liệu mềm và vật liệu có lớp bề
mặt cứng mỏng sau khi đã thấm than, thấm nitơ, nhiệt luyện v.v…
Độ dẻo: Độ dẻo là một đặc tính vật liệu khi chịu tác động của các lực làm biến dạng vật
thể chất rắn mà không làm phá hủy khối chất rắn đó.

8

+Độ dãn dài tương đối (δ%)
•

Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng dãn dài sau khi kéo l1 và chiều dài ban
đầu l0 ; Ký hiệu: δ%

δ=

l1 − l 0
× 100
l0

%

L0, l1 độ dài trước và sau khi kéo tính bằng mm
•

Vật liệu có độ dãn dài tương đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại.

Vật liệu có độ dãn dài tương đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại.
Độ dai va chạm (ak): Là khả năng chịu tải trọng tác dụng đột ngột (tải trọng va
đập) của vật liệu mà không bị phá huỷ.Ký hiệu: ak

A: công sinh ra khi va đập làm gẫy mẫu(J)
F: diện tích tiết diện mẫu (mm2)
Đơn vị của ak (J/mm2; kJ/m2)
2. Tính chất cơ học của vật liệu vô cơ

9

3. Tính chất cơ học của vật liệu hữu cơ
Khái niệm: Vật liệu hữu cơ (còn được gọi là cao phân tử) là phân tử có nhiều hợp phần cơ
bản. Là một hợp chất được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại
nguyên tử hay nhiều nhóm nguyên tử lien kết với nhau với một số lượng khá lớn để tạo
thành một loại tính chất mà chúng không thay đổi đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một

vài đơn vị cấu tạo.
Theo cấu trúc vật liệu hữu (polymer) cơ được phân thành các loại sau đây:
Polyme mạch thẳng: Đại phân tử của nó là các chuỗi mắc xích nối liền nhau theo đường
dích dắc hay hình xoắn ốc ( ví dụ như polyetylen PE) (hình a)
Polyme mạch nhánh: Là loại mạch thẳng nhưng trong phân tử có nhánh (ví dụ
Polyizobutylen PIB) (hình b)
Polyme dạng lưới: Các mạch cạnh nhau trong polymer này được nối với nhau bằng liên
kết cộng hóa trị (ví dụ các loại cao su lưu hóa) (hình c)
Polyme không gian: Các monomer có 3 nhóm hoạt động tạo nên polymer không gian 3
chiều, có tính cơ, lý, nhiệt đặc biệt. (ví dụ nhựa eepoxy) (hình d)

Biến dạng và cơ tính:
10

Biến dạng của vật liệu hữu cơ theo một hàm số nhiệt độ.khi nhiệt độ tăng đồng thời ứng
suất giảm.biến dạng (δ) của vật liệu tăng.

σ

40C
200C

300C
400C
500C
600C

0

ε

Đồliệu
thịtheo
σ-εthểcủa
Biến dạng của vật
tíchpolymetylmetacrylat
biến dạng (Vbd): Khi thể tích biến dạng giảm thi

polymetylmetacrylat

ứng suất giảm và độ biến dạng (δ) tăng .

Bảng số liệu: Độ biến dạng và các chỉ số của một số vật liệu polyme
Vật liệu

d

E

σ

δ

g/cm3

103MPa

MPa

%

PE 40-50%t.thể

0.92-0.93

0.17-0.28

8.3-31

100-650

PE 70-80%t.thể

0.95-0.97

1.07-1.09

22-31

10-1200

PVC vô đ.hình

1.30-1.58

2.4-4.1

41-52

40-80

PTFE50-70%t.thể

2.14-2.20

0.40-0.55

14-34

200-400

PP 50-60%t.thể

0.90-0.91

1.14-1.55

31-34

100-600

PS vô đ.hình

1.04-1.05

2.28-3.28

36-52

1.2-2.5

PMMA vô đ.hình

1.17-1.20

2.24-3.24

48-76

2-10

Bakelit

1.24-1.32

2.8-4.8

34-62

1.5-2.0

Cơ chế biến dạng:

11

Polyme giòn (Bakelit): Polyme giòn có cấu trúc mạng tịnh thể không gian và lưới hẹp.
Khi chịu tác dụng của một lực thì mạng tinh thể sẽ duỗi thẳng ra, mạch nhánh (doliên kết
cộng hóa trị) bị đút làm cho vật liệu polymer giòn xuất hiện vết nứt.

Lưới

σ

σ

Polyme dẻo:
Cấu trúc phân tử là dạng tinh thể và vô định hình (hình a)
Khi chịu tác dụng của một áp lực thì cấu trúc vô định hình biến dạng thuận nghịch
(hình b)
Khi tác dụng một lực lớn thì tấm tinh thể trượt và quay song song với lực tác dung,
làm cho vật liện biến dạng không thuận nghịch. (hình c)
Khi tác dụng một lực đủ lớn thì tấm tinh thể bị chia cắt thành nhóm nhỏ (hình d)
Khi tiếp tục tác dụng thêm lực thì các tấm tinh thể bị chia cắt thanh các nhóm nhỏ
sẽ bị tách rời và sắp xếp lại. Các mảnh tinh thể lien kết bằng phân tử nối mạng, dẫn đến
ứng suất tăng, từ đó xuất hiện biến dạng trượt.Khi tác dụng thêlực lớn nữa thì vật liệu sẽ
xuất hiện vết nứt, mạng tinh thể bị đứt mạng, dẫn tới vật liệu bị phá hủy. (hình e)

12

Polyme đàn hồi cao su:
Polyme đàn hồi cao su có cấu trúc vô định hình dạng búi hoặc lưới rộng. Khi tác
dụng một lực thì mạng tinh thể duỗi thẳng và song song với phương của lực. Khi ngừng
tác dụng lực vào vật liệu thì mạch tinh thể trở lại trạng thái ban đầu.

Lưới

σ

σ

13

Bbúi

14

MỤC LỤCNỘI DUNG1 Tính chất cơ học của vật liệu kim loạiCơ tính ( tính chất cơ học của vật liệu ) : Là những đặc trưng cơ học biểu lộ khảnăng của vật liệu khi chịu tính năng của tải trọng. Cơ tính của vật liệu gồm có : độ bền, độcứng, độ dãn dài tương đối, độ dai va chạmDưới ảnh hưởng tác động của ngoại lực P., vật rắn có khuynh hướng đổi khác hình dáng so vớitrước khi chịu tính năng của lực và được gọi là biến dạng, khi đó trong vật Open ứngsuất để chống lại sự biến dạng. Biến dạng là sự đổi khác hình dạng size của vật liệudưới ảnh hưởng tác động của ngoại lựcỨng suất : đại lượng bộc lộ nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụngcủa những nguyên do bên ngoài như tải trọng, sự đổi khác nhiệt độ, v .. v … Ứng suất = Khi ứng suất pháp ( σ ), vuông góc với mặt phẳng chịu lực thì làm vật liệu bị biến dạng ( ε ). Khi ứng suất tiếp ( τ ), song song với mặt phẳng chịu lực thì làm cho vật bị xê dịch ( γ ) 1.1 Các đặc trưng cơ tínhĐộ bền δ : Là đặc tính cơ bản của vật liệu, được định nghĩa là năng lực chịu đựngkhông bị nứt, gãy, tàn phá dưới tác động ảnh hưởng của ngoại lực lên vật thể. Các đặc tính về độ bên theo cách tác động ảnh hưởng ngoại lực khác nhau : độ bền kéo ( σk ), độ bền nén ( σn ), độ bền cắt ( σu ), độ bền uốn, độ bền mỏi, độ bền va đập, số lượng giới hạn chảy …  Độ bền uốn là ứng suất thấp nhất làm biến dạng vĩnh viễn cho một vật liệu xemxét.  Độ bền nén là số lượng giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ.  Độ bền kéo là số lượng giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét.  Độ bền mỏi là số đo độ bền của vật liệu hoặc thành phần chịu tải trọng có chu kỳ luân hồi.  Độ bền va đập là năng lực chịu đựng của vật liệu khi chịu những tải trọng va đập độtngột.  Giới hạn chảy : là ứng suất nhỏ nhất làm cho sắt kẽm kim loại bị biến dạng dẻo ( biến dạngdư. ) Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo khi tính năng ngoại lực P. ( N ) lên thanh kim loại có diệntích tiết diện ngang F ( mm2 ). Giá trị độ bền được tính theo công thức : σ = Giới hạn mà tại đó lực P đạt đến giá trị làm cho thanh sắt kẽm kim loại bị phá huỷ được gọilà số lượng giới hạn bền được cho phép được ký hiệu [ σ ]. Độ cứng : là năng lực của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoạilực tính năng trải qua vật nén. Cùng một giá trị lực nén biến dạng trên mẫu đo càng lớnthì độ cứng càng kém. Gồm 2 loại : + Độ cứng Brinen ( đo theo giải pháp Bri nen ) : Ký hiệu HBHB được tính theo công thức : P. : tải trọng ( kG ) F : diện tích quy hoạnh mặt cầu vết lõm ( mm2 ) Đơn vị của độ cứng Brinen HB là kG / mm2. Tuỳ theo chiều dày của mẫu thử mà chọn đường kính viên bi thử D = 10 mm, D = 5 mm, D = 2,5 mm. Tuỳ theo tính chất của vật liệu mà chọn tải trọng P. cho thích hợp : – Đối với thép và gang : P = 30D2 – Đồng và hợp kim đồng : P = 10D2 – Nhôm, babit và những kim loại tổng hợp mềm khác ; P = 2,5 D2Độ cứng HB dùng đo vật liệu có độ cứng thấp ( < 450 kG / mm2 ) như gang, thépchưa tôi, đồng, nhôm V.v … + Độ cứng Rowell ( Rôcoen ) : Ký hiệu HRA, HRB, HRC tương ứng với 3 thang đoA, B, C.Các thang đo trong độ cứng RocwelThang A – Dùng mũi chóp kim cươngP = 60 KGKý hiệu : HRA-Thang B – Dùng bi thépP = 100 KG Ký hiệu : HRB-Thang C – Dùng mũi chóp kim cươngP = 150 KG Ký hiệu : HRCNội dung chiêu thức : Tải trọng P.Bi thép tôi cứng có đường kính 1/16 ” ( 1,587 mm ) cho thang đo B. Đo vật ít cứng. mũi hình côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 1200 ( thang A hoặc C ) dùng thử vậtliệu có độ cứng cao như thép đã qua nhiệt luyện. Độ cứng Rôcoen HRC dùng để đo độ cứng cao ( > 450 kG / mm2 ). Quan hệ những loại độ cứng : – Độ cứng thấp : HB = 220HRC = 20 – Độ cứng trung bình : HB = 250 – 450HRC = 25 – 45 – Độ cứng cao : – Độ cứng rất cao : HRC = 50 – 64HRC > 64 Độ cứng Víchke : Dùng mũi kim cương hình chóp đáy vuông, góc giữa hai mặt đốidiện 1360 ấn lên mặt phẳng mẫu thử với tải trọng P. từ 5 ÷ 120 kG ( 5 ; 10 ; 20 ; 30 ; 50 ; 100 ; 120 ) Độ cứng Vicke ký hiệu HV ( kG / mm2 ). trong đó : P. : tải trọng ( kG ) ; d : đường chéo của vết lõm. Phương pháp đo độ cứng Vicke hoàn toàn có thể đo cho cả vật liệu mềm và vật liệu có lớp bềmặt cứng mỏng dính sau khi đã thấm than, thấm nitơ, nhiệt luyện v.v … Độ dẻo : Độ dẻo là một đặc tính vật liệu khi chịu ảnh hưởng tác động của những lực làm biến dạng vậtthể chất rắn mà không làm tàn phá khối chất rắn đó. + Độ dãn dài tương đối ( δ % ) Là tỷ suất tính theo Xác Suất giữa lượng dãn dài sau khi kéo l1 và chiều dài banđầu l0 ; Ký hiệu : δ % δ = l1 − l 0 × 100 l0L0, l1 độ dài trước và sau khi kéo tính bằng mmVật liệu có độ dãn dài tương đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại. Vật liệu có độ dãn dài tương đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại. Độ dai va chạm ( ak ) : Là năng lực chịu tải trọng công dụng bất thần ( tải trọng vađập ) của vật liệu mà không bị phá huỷ. Ký hiệu : akA : công sinh ra khi va đập làm gẫy mẫu ( J ) F : diện tích quy hoạnh tiết diện mẫu ( mm2 ) Đơn vị của ak ( J / mm2 ; kJ / mét vuông ) 2. Tính chất cơ học của vật liệu vô cơ3. Tính chất cơ học của vật liệu hữu cơKhái niệm : Vật liệu hữu cơ ( còn được gọi là cao phân tử ) là phân tử có nhiều hợp phần cơbản. Là một hợp chất được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loạinguyên tử hay nhiều nhóm nguyên tử lien kết với nhau với một số lượng khá lớn để tạothành một loại tính chất mà chúng không đổi khác đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào mộtvài đơn vị chức năng cấu trúc. Theo cấu trúc vật liệu hữu ( polymer ) cơ được phân thành những loại sau đây : Polyme mạch thẳng : Đại phân tử của nó là những chuỗi mắc xích nối tiếp nhau theo đườngdích dắc hay hình xoắn ốc ( ví dụ như polyetylen PE ) ( hình a ) Polyme mạch nhánh : Là loại mạch thẳng nhưng trong phân tử có nhánh ( ví dụPolyizobutylen PIB ) ( hình b ) Polyme dạng lưới : Các mạch cạnh nhau trong polymer này được nối với nhau bằng liênkết cộng hóa trị ( ví dụ những loại cao su đặc lưu hóa ) ( hình c ) Polyme khoảng trống : Các monomer có 3 nhóm hoạt động giải trí tạo nên polymer khoảng trống 3 chiều, có tính cơ, lý, nhiệt đặc biệt quan trọng. ( ví dụ nhựa eepoxy ) ( hình d ) Biến dạng và cơ tính : 10B iến dạng của vật liệu hữu cơ theo một hàm số nhiệt độ. khi nhiệt độ tăng đồng thời ứngsuất giảm. biến dạng ( δ ) của vật liệu tăng. 40C200 C300C400C500C600CĐồliệuthịtheoσ – εthểcủaBiến dạng của vậttíchpolymetylmetacrylatbiến dạng ( Vbd ) : Khi thể tích biến dạng giảm thipolymetylmetacrylatứng suất giảm và độ biến dạng ( δ ) tăng. Bảng số liệu : Độ biến dạng và những chỉ số của 1 số ít vật liệu polymeVật liệug / cm3103MPaMPaPE 40-50 % t. thể0. 92-0. 930.17 – 0.288.3 – 31100 – 650PE 70-80 % t. thể0. 95-0. 971.07 – 1.0922 – 3110 – 1200PVC vô đ. hình1. 30-1. 582.4 – 4.141 – 5240 – 80PTFE50-70 % t. thể2. 14-2. 200.40 – 0.5514 – 34200 – 400PP 50-60 % t. thể0. 90-0. 911.14 – 1.5531 – 34100 – 600PS vô đ. hình1. 04-1. 052.28 – 3.2836 – 521.2 – 2.5 PMMA vô đ. hình1. 17-1. 202.24 – 3.2448 – 762 – 10B akelit1. 24-1. 322.8 – 4.834 – 621.5 – 2.0 Cơ chế biến dạng : 11P olyme giòn ( Bakelit ) : Polyme giòn có cấu trúc mạng tịnh thể khoảng trống và lưới hẹp. Khi chịu công dụng của một lực thì mạng tinh thể sẽ duỗi thẳng ra, mạch nhánh ( doliên kếtcộng hóa trị ) bị đút làm cho vật liệu polymer giòn Open vết nứt. Lưới  σσ  Polyme dẻo : Cấu trúc phân tử là dạng tinh thể và vô định hình ( hình a ) Khi chịu công dụng của một áp lực đè nén thì cấu trúc vô định hình biến dạng thuận nghịch ( hình b ) Khi tính năng một lực lớn thì tấm tinh thể trượt và quay song song với lực tác dung, làm cho vật liện biến dạng không thuận nghịch. ( hình c ) Khi tính năng một lực đủ lớn thì tấm tinh thể bị chia cắt thành nhóm nhỏ ( hình d ) Khi tiếp tục tác dụng thêm lực thì những tấm tinh thể bị chia cắt thanh những nhóm nhỏsẽ bị tách rời và sắp xếp lại. Các mảnh tinh thể lien kết bằng phân tử nối mạng, dẫn đếnứng suất tăng, từ đó Open biến dạng trượt. Khi tính năng thêlực lớn nữa thì vật liệu sẽxuất hiện vết nứt, mạng tinh thể bị đứt mạng, dẫn tới vật liệu bị hủy hoại. ( hình e ) 12P olyme đàn hồi cao su đặc : Polyme đàn hồi cao su đặc có cấu trúc vô định hình dạng búi hoặc lưới rộng. Khi tácdụng một lực thì mạng tinh thể duỗi thẳng và song song với phương của lực. Khi ngừngtác dụng lực vào vật liệu thì mạch tinh thể trở lại trạng thái khởi đầu. Lưới  σσ  13B búi14

Source: https://suanha.org
Category: Vật Liệu