[Case Study] Kiểm tra độ bền kéo Kim loại, Gốm, Ceramic, Polymer

Kiểm tra độ bền kéo của vật liệu kim loại

Là một trong những bài kiểm tra được sử dụng thường xuyên nhất trong ngành, bài kiểm tra độ bền kéo đánh giá một số tính chất cơ học của vật liệu. Các tính chất này có được từ việc phân tích đồ thị do bài kiểm tra tạo ra, được gọi là đường cong ứng suất-biến dạng. Đường cong này đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung cho phân tích toán học liên quan đến quy trình.

Đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu kim loại cho phép chúng ta mô tả tất cả các thông số quan trọng trong thử nghiệm. Dưới đây, chúng ta sẽ đi sâu vào việc hiểu rõ hơn về các thông số này, những thông số này trở nên rõ ràng khi vật liệu chịu ứng suất cơ học. Các thông số này xác định khả năng truyền hoặc chống lại ứng suất tác dụng lên vật liệu.

Đường cong ứng suất-biến dạng là biểu diễn đồ họa về mối quan hệ giữa ứng suất – lực trên một đơn vị diện tích tác động lên một vật thể, và biến dạng – biến dạng do ứng suất gây ra. Đường cong ứng suất-biến dạng có một số vùng và điểm quan trọng.

Đường cong ứng suất x biến dạng điển hình của thử nghiệm kéo

Hình 2 – Đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của thử nghiệm kéo

Đường cong ứng suất-biến dạng đối với thép mềm, một vật liệu dẻo, là biểu diễn đồ họa về mối quan hệ giữa ứng suất, xuất phát từ lực tác dụng, và biến dạng, hoặc biến dạng, xuất phát từ ứng suất. Đường cong được chia thành một số vùng riêng biệt, mỗi vùng biểu diễn hành vi vật liệu khác nhau dưới ứng suất. Sau đây là giải thích chi tiết về từng vùng và các đặc tính xuất phát từ vùng đó:

Ứng suất : Ứng suất là thước đo lực bên trong mà vật liệu phải chịu khi có tải trọng tác dụng. Nó được tính bằng cách chia lực tác dụng (F) cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu (A0) của vật liệu. Ứng suất thường được đo bằng đơn vị áp suất như Pascal (Pa) hoặc pound trên inch vuông (psi). Công thức là:

σ = F/A0

Phép tính này giả định rằng lực được phân bố đều trên toàn bộ diện tích. Nếu lực không đồng đều, ứng suất tại bất kỳ điểm nào cũng có thể cao hơn hoặc thấp hơn ứng suất trung bình do công thức này đưa ra.

Biến dạng : Biến dạng đo mức độ vật liệu biến dạng khi phản ứng với ứng suất. Nó được tính bằng cách chia sự thay đổi chiều dài (ΔL) cho chiều dài ban đầu (L0) của vật liệu. Công thức là:

ε = ΔL / L0

Phép tính này giả định rằng biến dạng là đồng đều dọc theo chiều dài của vật liệu. Nếu biến dạng không đồng đều, biến dạng tại bất kỳ điểm nào cũng có thể cao hơn hoặc thấp hơn biến dạng trung bình được đưa ra bởi công thức này.

Giới hạn tỷ lệ (Vùng đàn hồi) : Đây là phần tuyến tính ban đầu của đường cong, tại đó vật liệu có tính đàn hồi và biến dạng chỉ là tạm thời. Nếu ứng suất bị loại bỏ trong giai đoạn này, vật liệu sẽ trở lại hình dạng ban đầu. Độ dốc của vùng này được gọi là Mô đun đàn hồi hoặc Mô đun Young (E), dùng để đo độ cứng của vật liệu. Điểm cuối của vùng tuyến tính này được gọi là Giới hạn tỷ lệ.

Giới hạn đàn hồi : Ngay sau giới hạn tỷ lệ là giới hạn đàn hồi. Cho đến thời điểm này, vật liệu vẫn sẽ trở về hình dạng ban đầu khi ứng suất được loại bỏ. Vượt quá điểm này, biến dạng vĩnh viễn xảy ra.

Điểm chảy : Điểm chảy đánh dấu điểm kết thúc của vùng đàn hồi và điểm bắt đầu của vùng dẻo. Đây là điểm mà vật liệu sẽ trải qua biến dạng vĩnh viễn và sẽ không trở lại hình dạng ban đầu khi ứng suất được loại bỏ. Ứng suất tại điểm chảy được gọi là Độ bền chảy (σy).

Làm cứng biến dạng (Vùng dẻo) : Sau điểm giới hạn chảy, vật liệu sẽ tiếp tục biến dạng ngay cả khi không tăng (hoặc thậm chí giảm) tải. Vùng này được đặc trưng bởi quá trình làm cứng khi làm việc, khi đó vật liệu được gia cường do biến dạng dẻo. Vùng này kết thúc tại điểm Độ bền kéo cực đại.

Độ bền kéo cực đại (UTS) : Đây là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi xảy ra hiện tượng thắt nút (biến dạng cục bộ). Đây là điểm cao nhất trên đường cong ứng suất-biến dạng.

Vùng thắt nút : Ngoài UTS, vật liệu trải qua quá trình thắt nút, khi đó vật liệu bắt đầu mỏng đi và yếu đi tại một điểm cụ thể, dẫn đến giảm ứng suất kỹ thuật (lực/diện tích ban đầu). Tuy nhiên, ứng suất thực tế hoặc ứng suất thực trên vật liệu tiếp tục tăng do diện tích ở cổ bị thu hẹp.

Điểm gãy : Điểm mà vật liệu cuối cùng bị gãy hoặc nứt là điểm gãy. Ứng suất tại điểm này là ứng suất gãy.

Pha đàn hồi : Pha đàn hồi là phần của đường cong ứng suất-biến dạng mà vật liệu sẽ trở lại hình dạng ban đầu khi ứng suất được loại bỏ. Pha này được đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng, như được mô tả bởi Định luật Hooke.

Pha dẻo : Pha dẻo là phần của đường cong ứng suất-biến dạng mà vật liệu sẽ bị biến dạng vĩnh viễn khi ứng suất bị loại bỏ. Pha này được đặc trưng bởi mối quan hệ phi tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng.

Định luật Hooke : Định luật Hooke phát biểu rằng ứng suất tác dụng lên một vật liệu tỷ lệ thuận với độ biến dạng mà vật liệu đó phải chịu, miễn là ứng suất không vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu.

Định luật Hooke có thể được phát biểu như sau:

F = -k * x

Ở đâu:

F là lực tác dụng vào vật liệu,

k là hằng số đặc trưng cho vật liệu được gọi là hằng số lò xo,

x là độ dịch chuyển của vật liệu (lượng vật liệu bị kéo giãn hoặc nén lại so với vị trí ban đầu).

Dấu âm biểu thị lực do lò xo tác dụng ngược với hướng dịch chuyển của nó.

Trong bối cảnh thử nghiệm độ bền kéo và mối quan hệ ứng suất-biến dạng, Định luật Hooke thường được diễn đạt như sau:

σ = E * ε

Ở đâu:

σ là ứng suất được áp dụng,

E là mô đun đàn hồi (còn gọi là mô đun Young), một hằng số mô tả độ cứng của vật liệu,

ε là độ biến dạng hoặc độ biến dạng trên một đơn vị chiều dài.

Phiên bản này của Định luật Hooke nêu rằng độ biến dạng trong vật liệu tỷ lệ thuận với ứng suất tác dụng, với hằng số tỷ lệ là môđun đàn hồi. Mối quan hệ này vẫn giữ nguyên miễn là ứng suất nằm trong giới hạn đàn hồi của vật liệu. Vượt quá giới hạn đàn hồi, vật liệu có thể bị biến dạng dẻo và Định luật Hooke không còn áp dụng nữa.

Mô đun đàn hồi ( Mô đun Young ) : Mô đun đàn hồi, hay mô đun Young là thước đo độ cứng của vật liệu. Nó được tính bằng cách chia ứng suất (σ) cho độ biến dạng (ε) trong vùng đàn hồi (tuyến tính) của đường cong ứng suất-biến dạng. Công thức là:

E = σ / ε

Phép tính này giả định rằng vật liệu tuân theo Định luật Hooke và mối quan hệ ứng suất-biến dạng là tuyến tính trong vùng quan tâm. Nếu vật liệu không tuân theo Định luật Hooke hoặc nếu mối quan hệ ứng suất-biến dạng là phi tuyến tính, mô đun đàn hồi có thể thay đổi theo ứng suất và biến dạng.

Tỷ số Poisson : Tỷ số Poisson đo lường mức độ vật liệu có xu hướng co lại (hoặc giãn ra) theo một hướng khi nó bị kéo căng (hoặc nén) theo hướng khác. Tỷ số này được tính bằng cách lấy tỷ số âm của biến dạng ngang (εt, biến dạng theo hướng vuông góc với ứng suất tác dụng) với biến dạng dọc (εl, biến dạng theo hướng của ứng suất tác dụng). Công thức là:

ν = – εt / εl

Phép tính này giả định rằng vật liệu là đẳng hướng (tính chất của nó giống nhau theo mọi hướng) và biến dạng là nhỏ. Nếu vật liệu là dị hướng hoặc nếu biến dạng là lớn, tỷ lệ Poisson có thể thay đổi theo hướng và độ lớn của biến dạng.

Mô đun đàn hồi : Mô đun đàn hồi là thước đo khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu khi bị biến dạng đàn hồi, và sau đó trả lại năng lượng đó khi tải trọng được gỡ bỏ. Đó là diện tích bên dưới phần đàn hồi của đường cong ứng suất-biến dạng.

Necking hoặc Area Reduction : Necking là một dạng biến dạng kéo khi một lượng ứng suất tương đối lớn tập trung không cân xứng ở một vùng nhỏ của vật liệu. Diện tích mặt cắt ngang của vật liệu giảm ở vùng có necking, dẫn đến gãy xương cuối cùng.

Mô đun độ dai : Mô đun độ dai là thước đo khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu cho đến khi gãy. Đó là tổng diện tích bên dưới đường cong ứng suất-biến dạng cho đến điểm gãy. Đối với vật liệu dẻo , điều này bao gồm cả vùng đàn hồi và vùng dẻo của đường cong. Đối với vật liệu giòn , có ít hoặc không có biến dạng dẻo trước khi gãy, mô đun độ dai thường tương đương với mô đun đàn hồi.

Trong hình sau đây cho thấy thử nghiệm kéo điển hình đối với vật liệu dẻo và giòn, với vật liệu dẻo có xu hướng biến dạng dẻo lớn, với sự nghiêm ngặt hơn xảy ra ở mẫu thử trong quá trình thử nghiệm, đây là trường hợp của đồng, thép cacbon thấp hoặc thép. Trong trường hợp vật liệu giòn, ít hoặc không xảy ra biến dạng dẻo, vì vật liệu lưu trữ toàn bộ năng lượng được áp dụng để biến dạng nó và gãy một cách thảm khốc, điều này xảy ra với gang xám, thép tôi và vật liệu gốm.

Hình dạng và độ lớn của đường cong ứng suất-biến dạng kim loại phụ thuộc vào thành phần, xử lý nhiệt, lịch sử biến dạng dẻo trước đó và tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái kéo được áp dụng trong quá trình thử nghiệm.

Biểu đồ biến dạng ứng suất của thép cacbon thấp thu được qua thử nghiệm kéo

Đồ thị ứng suất - biến dạng của đồng thu được qua thí nghiệm kéo

Đồ thị ứng suất - biến dạng của gang thu được qua thí nghiệm kéo

Hình 3 – Đường cong ứng suất-biến dạng điển hình của thép cacbon thấp, đồng và gang xám

Các thử nghiệm kéo được tiến hành trên nhiều loại vật liệu bao gồm kim loại và hợp kim. Sau đây là một số vật liệu kim loại phổ biến và các giá trị thử nghiệm kéo điển hình của chúng:

Thép : Thép là một trong những kim loại được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới, với nhiều ứng dụng. Độ bền kéo của thép có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại và cách xử lý, nhưng nhìn chung, nó nằm trong khoảng 400-500 MPa đối với thép mềm. Thép hợp kim thấp, cường độ cao có thể có độ bền kéo lên tới 800 MPa.

Nhôm : Nhôm là kim loại nhẹ, dễ uốn. Độ bền kéo của nhôm nguyên chất là khoảng 90-100 MPa, nhưng hợp kim nhôm có thể có độ bền kéo từ 200 MPa đến 600 MPa.

Đồng : Đồng được biết đến với khả năng dẫn điện tuyệt vời. Độ bền kéo của đồng là khoảng 210-220 MPa. Hợp kim đồng, chẳng hạn như đồng thau và đồng thau, có độ bền kéo cao hơn, thường vượt quá 400 MPa.

Titan : Titan là kim loại nhẹ, bền thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. Titan tinh khiết thương mại có độ bền kéo khoảng 240-370 MPa, trong khi hợp kim titan có thể có độ bền kéo trên 1000 MPa.

Niken : Niken có độ bền kéo khoảng 460-1400 MPa. Siêu hợp kim gốc niken, được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như động cơ phản lực, có thể có độ bền kéo trên 1000 MPa.

Đây là những giá trị gần đúng. Độ bền kéo thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như hợp kim cụ thể được sử dụng, quy trình sản xuất và bất kỳ quá trình xử lý nhiệt hoặc gia công cơ học nào được thực hiện trên vật liệu.

Kiểm tra độ bền kéo của polyme:

Vật liệu polyme thường là hợp chất hữu cơ dựa trên cacbon, hydro và các nguyên tố phi kim loại khác được tạo thành từ các phân tử rất lớn, có mật độ thấp và có thể cực kỳ linh hoạt.

Xét về polyme, thử nghiệm này nhạy cảm với các thông số cấu trúc và bên ngoài, do đó có các đường cong điển hình cho ba nhóm polyme: dễ vỡ (a), nhựa (b) và đàn hồi (c), có thể thấy rõ ràng rằng hành vi của polyme khác với kim loại, chủ yếu là do cơ chế biến dạng. Các tiêu chuẩn chính được sử dụng trong trường hợp này là ASTM D638 và ISO 527-1.

thử nghiệm kéo: đường cong ứng suất-biến dạng của polyme

Hình 4 – Đường cong ứng suất-biến dạng cho (a) polyme dễ vỡ, (b) nhựa, (c) chất đàn hồi.

Thử nghiệm kéo cũng quan trọng đối với vật liệu polyme như đối với kim loại. Nó cung cấp thông tin quan trọng về các đặc tính cơ học của vật liệu, có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại polyme, công thức và quá trình chế biến của nó. Sau đây là một số polyme phổ biến và các giá trị thử nghiệm kéo điển hình của chúng:

Polyethylene (PE) : Polyethylene là một trong những loại polymer được sử dụng rộng rãi nhất. Độ bền kéo của nó có thể thay đổi tùy theo mật độ và cấu trúc phân tử. Polyethylene mật độ thấp (LDPE) thường có độ bền kéo là 8-17 MPa, trong khi Polyethylene mật độ cao (HDPE) có độ bền kéo là 20-33 MPa.

Polypropylene (PP) : Polypropylene là một loại polymer đa năng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ bao bì đến các thành phần ô tô. Độ bền kéo của nó thường nằm trong khoảng 25-35 MPa.

Polyvinyl Clorua (PVC) : PVC là một loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi với các ứng dụng từ ống đến quần áo. Độ bền kéo của PVC cứng có thể lên tới 55 MPa, trong khi PVC mềm thường có độ bền kéo là 10-25 MPa.

Polystyrene (PS) : Polystyrene là một loại nhựa cứng, giòn thường được sử dụng trong dao kéo dùng một lần và hộp đựng CD. Độ bền kéo của nó thường vào khoảng 35-50 MPa.

Polyethylene Terephthalate (PET) : PET thường được sử dụng trong chai đựng đồ uống và các ứng dụng đóng gói khác. Độ bền kéo của nó thường nằm trong khoảng từ 50-80 MPa.

Polycarbonate (PC) : Polycarbonate là một loại nhựa cứng, trong suốt thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập tốt, chẳng hạn như kính mắt và linh kiện điện tử. Độ bền kéo của nó thường nằm trong khoảng từ 55-75 MPa.

Polytetrafluoroethylene (PTFE/Teflon) : PTFE là một loại polymer hiệu suất cao có nhiều ứng dụng do các đặc tính độc đáo của nó, bao gồm khả năng chịu nhiệt độ cao và ma sát thấp. Độ bền kéo của nó thường vào khoảng 20-35 MPa.

Đây là những giá trị gần đúng. Độ bền kéo thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như công thức cụ thể của polyme, quy trình sản xuất và bất kỳ chất phụ gia hoặc chất độn nào được sử dụng trong vật liệu.

Kiểm tra độ bền kéo cho vật liệu gốm

Vật liệu gốm thường là sự kết hợp của các nguyên tố kim loại và phi kim loại, thường là oxit, nitrua và cacbua. Chúng thường là chất cách nhiệt và điện và cũng có khả năng chịu nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt tốt hơn kim loại và polyme. Về tính chất cơ học, gốm cứng nhưng dễ vỡ.

Kiểm tra độ bền kéo là phương pháp quan trọng để xác định tính chất cơ học của vật liệu gốm. Tuy nhiên, gốm thường giòn và có thể khó kiểm tra dưới tải trọng kéo do có xu hướng gãy ở độ biến dạng tương đối thấp.

Do đó, các phương pháp gián tiếp như thử uốn hoặc thử vòng trên vòng thường được sử dụng để ước tính độ bền kéo. Sau đây là một số vật liệu gốm phổ biến và giá trị độ bền kéo điển hình của chúng:

Alumina (Al2O3) : Alumina là một loại gốm kỹ thuật được sử dụng rộng rãi do có khả năng cách điện tốt, chịu nhiệt độ cao và độ cứng cao. Độ bền kéo của gốm alumina thường nằm trong khoảng 200-400 MPa.

Zirconia (ZrO2) : Gốm sứ Zirconia, đặc biệt là loại được ổn định bằng yttria, được biết đến với độ bền và độ dẻo dai cao so với các loại gốm sứ khác. Độ bền kéo của gốm sứ Zirconia có thể dao động từ 800-1000 MPa.

Silicon Carbide (SiC) : Silicon carbide là một loại gốm rất cứng, chịu nhiệt độ cao với độ dẫn nhiệt tuyệt vời. Độ bền kéo của nó thường nằm trong khoảng 300-500 MPa.

Silicon Nitride (Si3N4) : Gốm silicon nitride được biết đến với độ bền gãy cao và khả năng chống sốc nhiệt. Độ bền kéo của gốm silicon nitride có thể dao động từ 500-800 MPa.

Boron Carbide (B4C) : Boron carbide là một trong những vật liệu cứng nhất được biết đến và thường được sử dụng trong áo giáp và các ứng dụng khác đòi hỏi độ cứng cao. Độ bền kéo của nó thường vào khoảng 300-400 MPa.

Gốm thủy tinh : Gốm thủy tinh, chẳng hạn như loại dùng trong đồ nấu nướng, có độ bền kéo có thể dao động từ 50-100 MPa.

Đây là những giá trị gần đúng. Độ bền kéo thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như công thức cụ thể của gốm, quy trình sản xuất và bất kỳ chất phụ gia hoặc chất hỗ trợ thiêu kết nào được sử dụng trong vật liệu.

Kiểm tra độ bền kéo cho vật liệu Composite

Vật liệu composite được tạo thành từ hai hoặc nhiều vật liệu thành phần có các tính chất vật lý hoặc hóa học khác nhau đáng kể. Khi kết hợp, chúng tạo ra một vật liệu có các đặc tính khác với các thành phần riêng lẻ. Độ bền kéo của vật liệu composite có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại vật liệu được sử dụng và cách sắp xếp của chúng. Sau đây là một số vật liệu composite phổ biến và các giá trị độ bền kéo điển hình của chúng:

Polyme gia cường sợi (FRP) : Đây là loại vật liệu composite được tạo thành từ ma trận polyme được gia cường bằng sợi. Các sợi cung cấp độ bền và độ cứng, trong khi ma trận phân phối tải đều giữa các sợi. Độ bền kéo có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại sợi và ma trận được sử dụng. Ví dụ, vật liệu composite sợi carbon có thể có độ bền kéo lên đến 1500-2000 MPa, trong khi vật liệu composite sợi thủy tinh thường có độ bền kéo trong khoảng 500-1000 MPa.

Vật liệu composite nền kim loại (MMC) : Đây là vật liệu composite mà kim loại được gia cố bằng các kim loại khác, gốm hoặc sợi carbon. Độ bền kéo của MMC có thể dao động từ 200-800 MPa tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng.

Vật liệu tổng hợp nền gốm (CMC) : Đây là vật liệu tổng hợp được làm từ nền gốm được gia cố bằng sợi. Chúng được thiết kế để duy trì độ bền và độ dẻo dai ở nhiệt độ cao, nơi kim loại có thể bị hỏng. Độ bền kéo của CMC có thể dao động từ 200-600 MPa.

Bê tông : Bê tông là vật liệu tổng hợp được tạo thành từ cốt liệu (sỏi và cát) liên kết với nhau bằng xi măng. Cường độ chịu kéo của bê tông thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén, thường vào khoảng 2-5 MPa.

Gỗ : Gỗ là vật liệu tổng hợp tự nhiên được tạo thành từ các sợi cellulose liên kết với nhau bằng ma trận lignin. Độ bền kéo của gỗ có thể thay đổi tùy theo loài và hướng thớ gỗ, nhưng thường dao động từ 40-120 MPa.

Đây là những giá trị gần đúng. Độ bền kéo thực tế có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như công thức cụ thể của vật liệu composite, quy trình sản xuất và hướng gia cố.