Language
Country/Area
No result found
Vũ điệu kỳ lạ của ứng suất và biến dạng: Vật liệu biến dạng như thế nào dưới áp lực?
Trong kỹ thuật và khoa học vật liệu, đường cong ứng suất-biến dạng là chìa khóa để hiểu được hành vi của vật liệu. Đường cong này thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, thu được bằng cách tác dụng tải trọng từ từ lên mẫu vật liệu thử nghiệm và đo độ biến dạng của nó. Những đường cong này không chỉ giúp kỹ sư dự đoán hiệu suất của vật liệu mà còn có thể tiết lộ nhiều đặc tính quan trọng của vật liệu, chẳng hạn như mô đun Young, giới hạn chảy và độ bền kéo cực đại.
Đường cong ứng suất-biến dạng có thể tiết lộ các đặc tính của vật liệu ở các giai đoạn biến dạng khác nhau, khiến chúng trở thành một công cụ quan trọng không thể bỏ qua trong cộng đồng kỹ thuật.
Định nghĩa đường cong ứng suất và biến dạng
Nhìn chung, đường cong ứng suất-biến dạng biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong mọi dạng biến dạng. Những mối quan hệ này có thể là bình thường, cắt hoặc hỗn hợp cả hai, và có thể là đơn trục, song trục hoặc đa trục, và thậm chí có thể thay đổi theo thời gian. Sự biến dạng có thể ở dạng nén, kéo, xoắn, quay, v.v.
Các cuộc thảo luận trong tương lai sẽ tập trung chủ yếu vào mối quan hệ giữa ứng suất pháp tuyến dọc trục và biến dạng pháp tuyến dọc trục, được thu thập từ các thử nghiệm kéo. Trong nhiều tình huống thực tế, các vật liệu khác nhau sẽ biểu hiện các đường cong ứng suất-biến dạng khác nhau, phản ánh hành vi riêng biệt của từng vật liệu.
Các giai đoạn khác nhau của đường cong ứng suất-biến dạng
Đường cong ứng suất-biến dạng của nhiều vật liệu có thể được chia thành nhiều giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn thể hiện hành vi khác nhau. Lấy thép cacbon thấp làm ví dụ, đường cong ứng suất-biến dạng của nó ở nhiệt độ phòng cho thấy các giai đoạn chính sau:
Vùng đàn hồi tuyến tính
Giai đoạn đầu tiên là vùng đàn hồi tuyến tính. Trong vùng này, ứng suất tỉ lệ thuận với độ biến dạng, nghĩa là tuân theo định luật Hawke, và độ dốc của vùng này là mô đun Young. Ở đây, vật liệu chỉ trải qua biến dạng đàn hồi cho đến khi đạt đến điểm bắt đầu biến dạng dẻo, và ứng suất tại điểm này được gọi là giới hạn chảy.
Vùng cứng biến dạng
Giai đoạn thứ hai là vùng cứng hóa do ứng suất. Ở vùng này, ứng suất tăng dần khi vượt quá giới hạn chảy cho đến khi đạt đến độ bền kéo cực đại. Vùng này được đặc trưng bởi sự gia tăng ứng suất chủ yếu xảy ra khi vật liệu bị kéo giãn. Vì vật liệu phải trải qua quá trình tôi cứng ở giai đoạn này nên cần phải tạo ra ứng suất ngày càng lớn hơn để khắc phục sức cản bên trong.
Trong quá trình làm cứng biến dạng, biến dạng dẻo làm tăng mật độ sai lệch bên trong vật liệu, điều này sẽ có tác động đáng kể đến hành vi biến dạng tiếp theo.
Vùng cổ
Giai đoạn thứ ba là vùng thắt cổ chai. Khi ứng suất vượt quá giới hạn chịu kéo, mặt cắt ngang cục bộ của vật liệu sẽ giảm đáng kể, tạo thành cổ. Tại thời điểm này, biến dạng không đồng đều và áp lực tập trung ở vị trí giảm, dẫn đến sự hình thành cổ chai nhanh hơn và cuối cùng là gãy xương. Mặc dù lực kéo giảm đi vào thời điểm này nhưng quá trình làm cứng vẫn tiếp tục và ứng suất thực tế vẫn tiếp tục tăng lên.
Phần cuối của vùng thắt nút thể hiện vết nứt của vật liệu và độ giãn dài cũng như độ giảm mặt cắt ngang sau khi nứt có thể được tính toán để phục vụ cho cộng đồng kỹ thuật trong việc thiết kế vật liệu và quy trình sản xuất.
Phân loại vật liệu
Dựa trên các đặc điểm chung thể hiện trên đường cong ứng suất-biến dạng, chúng ta có thể chia vật liệu thành hai loại: vật liệu dẻo và vật liệu giòn.
Vật liệu dẻo
Vật liệu dẻo, chẳng hạn như thép kết cấu và hầu hết các kim loại khác, có đặc tính biến dạng ở nhiệt độ bình thường. Đường cong ứng suất-biến dạng của những vật liệu như vậy thường chứa một điểm giới hạn chảy được xác định rõ ràng và thể hiện một loạt các hành vi biến dạng trong giai đoạn biến dạng dẻo. Độ dẻo dai của vật liệu dẻo thường liên quan đến diện tích bên dưới đường cong ứng suất-biến dạng của nó, đây là chỉ báo về năng lượng mà vật liệu hấp thụ trước khi gãy.
Vật liệu giòn
Các vật liệu giòn như gang, thủy tinh và một số loại đá có đặc tính rất khác so với các vật liệu dẻo. Những vật liệu này thường không có giới hạn chảy được xác định rõ ràng và khi xảy ra gãy xương, tốc độ biến dạng hầu như không thay đổi. Đường cong ứng suất-biến dạng của nó thường là tuyến tính và không có biến dạng dẻo đáng kể nào xảy ra trong quá trình biến dạng.
Một đặc điểm của vật liệu giòn là chúng có xu hướng trở lại hình dạng ban đầu khi bị gãy, trái ngược với hiện tượng gãy thắt nút của vật liệu dẻo.
Hiểu được cách vật liệu phản ứng dưới các áp suất khác nhau chắc chắn là rất quan trọng đối với việc thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp. Trong kỹ thuật ứng dụng, chúng ta cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về tính chất của nhiều loại vật liệu khác nhau và cách chúng hoạt động trong những tình huống khác nhau. Bạn đã bao giờ nghĩ đến những yếu tố tiềm năng nào khác cần được xem xét ngoài độ bền khi lựa chọn vật liệu chưa?
