Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại (Đề tài NCKH)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỐI HÀN
THÉP CARBON CHẤT LƢỢNG THƢỜNG, XÂY DỰNG BÀI
THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH MỐI HÀN DÙNG CHO
MƠN HỌC CƠNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-93

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Hồ Sĩ Hùng

TP. HCM, Tháng 12 năm 2013


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐƠN VỊ CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỐI HÀN
THÉP CARBON CHẤT LƢỢNG THƢỜNG, XÂY DỰNG BÀI
THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH MỐI HÀN DÙNG CHO

MƠN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-93

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Hồ Sĩ Hùng

Thành viên đề tài:

TP. HCM, Tháng 12 năm 2013


THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài:

Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng, xây dựng
bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học
công nghệ kim loại
- Mã số: T2012 - 93
- Chủ nhiệm: GV. ThS. Hồ Sĩ Hùng
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013
2. Mục tiêu:
- Xây dựng tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng
- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại
3. Tính mới và sáng tạo:
- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại
4. Kết quả nghiên cứu:
- Xây dựng đƣợc bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ
kim loại

5. Sản phẩm:
- Bản thuyết minh
- Xây dựng chƣơng trình nội dung thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Có thể ứng dụng tại khoa cơ khí máy trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Tp. HCM
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................................ 1
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................... 1
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nƣớc ................... 1

2.

Tính cấp thiết :..................................................................................................................... 1

3.

Mục tiêu: ............................................................................................................................. 1

4.

Cách tiếp cận: ...................................................................................................................... 1

5.

Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 1

6.

Đối tƣợng nghiên cứu:......................................................................................................... 1

7.

Phạm vi nghiên cứu: ............................................................................................................ 1

8.

Nội dung nghiên cứu : ......................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về thép carbon chất lƣợng thƣờng ..................................................................... 3
1.2. Các chỉ tiêu cơ tính dƣới tải trọng tĩnh................................................................................ 7
1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu. ........................................................................................ 9
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH DƢỚI TẢI TRỌNG
TĨNH MỐI HÀN ...................................................................................................................... 25
2.1. Mục đích yêu cầu ............................................................................................................... 25

2.3. Trình tự thí nghiệm ............................................................................................................ 30
2.4. Báo cáo giá kết quả ............................................................................................................ 38
KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ ........................................................................................................... 39


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường.
Bảng 1.2. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng thường
Bảng 1.3. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao
Bảng 1.4 : Thành phần hóa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân
nhóm thứ hai (ΓOCT 380 – 71)

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép.
Hình 2.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhơm và các kim loại khơng có
điểm giới hạn chảy.
Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể
Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi
Hình 2.5 Các mặt trượt (tơ đen) và các phương trượt (chỉ bằng các mũi tên)


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SMAW : Shielded metal arc welding
GTAW : Gas–tungsten arc welding


MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nƣớc
Hiện nay việc kiểm tra đánh giá mối hàn hiện nay đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong

một số ngành đóng tàu, dẫn dầu, dẫn khí, bồn chứa,... Với nhu cầu đó hiện nay rất
nhiều cơ sở đã nghiên cứu vấn đề này và ra đời một số trung tâm kiểm định. Tuy nhiên
hiện nay việc đào ở các trƣờng hầu nhƣ chƣa đƣợc chú trọng.
2. Tính cấp thiết :
Phá hủy kết cấu hàn đã đƣợc quan tâm từ lâu. Đánh giá độ bền và độ ổn định của
kết cấu hàn định kỳ sau một thời gian sử dụng là một yêu cầu rất quan trọng, nhằm
phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn. Thực tế Việt Nam, tại các Cơng
ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Cơng ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Công ty Rƣợu,
bia và nƣớc giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện bằng tuabin khí,… q trình phá
hủy của các chi tiết, cụm chi tiết có mối ghép hàn là điều đáng lo ngại.
3. Mục tiêu:

- Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng
-

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối
hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

4. Cách tiếp cận:

- Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Khảo sát thực tế

-

Nghiên cứu tài liệu

-

Thực nghiệm.

6. Đối tƣợng nghiên cứu:
-

Mối hàn thép hợp carbon chất lƣợng thƣờng

- Chỉ tiêu cơ tính (dưới tác dụng của tải trọng tĩnh)
7. Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng

-

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối
hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

8. Nội dung nghiên cứu :
-

Thép carbon chất lƣợng thƣờng


-

Các chỉ tiêu cơ tính dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh

-

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối
hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại


CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về thép carbon chất lƣợng thƣờng
Nhóm này thường được cung cấp ở dạng ở dạng cán nóng (dây, ống, tấm,
thanh, thép hình …) với mục đích chủ yếu làm các kết cấu trong xây dựng (nhà,
xưởng, cầu, cốt bê tông, trong chế tạo máy làm các chi tiết không quan trọng).
Theo TCVN 1765-75, nhóm thép này được kí hiệu bằng chữ CT (C: cacbon, T:
thép) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2). Nhóm thép này
được chia thành ba phân nhóm nhỏ:
 Phân nhóm A: chỉ qui định về cơ tính, không qui định về thành phần hoá
học (xem bảng III.1), loại thép này được dùng làm các chi tiết, kết cấu không qua
gia công nóng (hàn, nhiệt luyện ...) do đó chúng giữ nguyên cơ tính và tổ chức ban
đầu.
 Phân nhóm B: chỉ qui định về thành phần hoá học mà không qui định về
cơ tính, thép thuộc phân nhóm này kí hiệu: BCT (xem bảng III.2). Loại thép này
được dùng làm các kết cấu qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, rèn …) do đó cần
biết thành phần hoá học để xác định chế độ nhiệt độ gia công nóng.
 Phân nhóm C: được qui định cả về cơ tính và thành phần hoá học, cơ
tính giống nhóm A, thành phần hoá học giống nhóm B, thép thuộc phân nhóm này
kí hiệu: CCT (xem bảng III.3). Loại thép này được dùng làm các kết cấu có qua gia
công nhiệt. Thép ở nhóm này có chất lượng cao hơn hai phân nhóm trên.
 Cả ba phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu
tải nhẹ. Trong nhóm này có những phân nhóm đặc biệt được dung làm kết cấu xây
dựng, đóng tàu, làm cầu …
Bảng 1.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường.

Phân nhóm A

Mác theùp

 b , MPa

 0.2 , MPa

%


CT31

 310

-

20

CT33

320-420

-

31

CT34

340-440

200

29

CT38

380-490

210

23

CT42

420-540

240

21

CT51

500-640

260

17

CT61

 600

300

12

Bảng 1.2. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng thường
Phân nhóm B

Mác

C, %

Mn, %

Si trong thép, %

S, %

Sôi

Nửa lặng

Lặng

Không quá

-

-

-

-

0.06

0.06

BCT33 0.06-0.12

0.25-0.5

0.05

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

BTC34 0.09-0.15

0.25-0.5

0.05

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

BTC38 0.14-0.22

0.3-0.65

0.07

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

BTC42 0.18-0.27

0.4-0.7

0.07

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

BTC51 0.28-0.37

0.5-0.8

-

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

BTC61 0.38-0.49

0.5-0.8

-

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

thép
BTC31

 0.23

P, %

Bảng 1.3. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao
Phân nhóm C
(Từ CCT33÷CCT51)

Mác
thép

C, %

Mn, %
Sôi

Si trong thép, %

S, %

Nửa lặng

Không quá

Lặng

P, %


CCT33 0.06-0.12

0.25-0.5

0.05

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

CCT34 0.09-0.15

0.25-0.5

0.05

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

CCT38 0.14-0.22

0.3-0.65

0.07

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

CCT42 0.18-0.27

0.4-0.7

0.07

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

CCT51 0.28-0.37

0.5-0.8

-

0.05-0.17

0.12-0.3

0.05

0.04

1.1.2. Tiêu chuẩn Liên Xô cũ ΓOCT 380 – 71 quy định nhóm thép này đƣợc kí hiệu
bằng chữ CT . Với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ( số càng lớn độ bền và lƣợng cacbon
càng lớn ) và lại đƣợc chia làm 3 phân nhóm.
Tiêu chuẩn Việt Nam kí hiệu thép cacbon chất lƣợng thƣờng phân nhóm A bằng chữ
CT ( C – cacbon, T – thép ) và số tiếp theo chỉ giới hạn bền tính ra KG/mm2.
 Phân nhóm thứ nhất ( A) :
Là loại thép cacbon chất lƣợng thƣờng chỉ đƣợc qui định về cơ tính khơng đƣợc qui
định về thành phần hóa học.
Bảng I.1 : Cơ tính và các số hiệu thép của phân nhóm thứ nhất
( ΓOCT 380 – 71 và TCVN 1765 – 75 ).
Số hiệu thép

σ0,2,
σb, N/mm2

Liên Xô

Việt Nam

δ5 , %

N/mm2
Không nhỏ hơn

cũ

CT0

CT31

≥ 310

-

20

CT1

CT33

320 – 420

-

31

CT2

CT34

340 – 440

200

39

CT3

CT38

380 – 490

210

23

CT4

CT42

420 – 540

240

21

CT5

CT51

500 – 640

260

17

CT6

CT61

≥ 600

300

12


Chú thích:Bảng I.2 Trích bảng 17,tr 259 sách Kim Loại Học Và Nhiệt Luyện_Tác
giả:Nghiêm Hùng.
Ngoài các số hiệu trên cho loại thép lặng, cịn có các số hiệu có thêm vào phía sau theo
TCVN thép sơi “ s “, thép nửa lặng “ n “, chúng có độ bền thấp hơn, độ dẻo cao hơn
đôi chút so với thép lặng có cùng gốc kí hiệu.
Nhóm thép thứ nhất ( A ) thƣờng dùng rất phổ biến trong xây dựng và một phần trong
chế tạo cơ khí để làm các sản phẩm và chi tiết thơng qua gia cơng nóng.

 Phân nhóm thứ hai ( B ) :
Là loại thép cacbon thƣờng chỉ đƣợc qui định về thành phần hóa học (Bảng I.2 ) mà
khơng qui định về cơ tính. Kí hiệu của phân nhóm này giống phân nhóm thứ nhất
nhƣng đằng trƣớc thêm chữ Б đối với tiêu chuẩn Liên Xô cũ và chữ B đối với tiêu
chuẩn Việt Nam ( với ý nghĩa chỉ phân nhóm thứ hai ).
Bảng 1.4 : Thành phần hóa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân
nhóm thứ hai (ΓOCT 380 – 71)
Số hiệu thép

C, %

Mn,%

Si trong thép,%
Lặng

P,%

Liên

Việt

Xô cũ

Nam

БCT0

BCT31

≤ 0,23

-

-

-

-

0,06

0,07

БCT1

BCT33

0,06 – 0,12

0,25 – 0,50

0,05

0,05 – 0,17

0,12 – 0,30

0,05

0,04

БCT2

BCT34

0,09 – 0,15

0,25 – 0,50

0,05

0,05 – 0,17

0,12 – 0,30

0,05

0,04

БCT3

BCT38

0,14 – 0,22

0,30 – 0,65

0,07

0,05 – 0,17

0,12 – 0,30

0,05

0,04

БCT4

BCT42

0,18 – 0,27

0,40 – 0,70

0,07

0,05 – 0,17

0,12 – 0,30

0,05

0,04

БCT5

BCT51

0,28 – 0,37

0,50 – 0,80

-

0,05 – 0,17

0,15 – 0,35

0,05

0,04

БCT6

BCT61

0,38 – 0,49

0,50 – 0,80

-

0,05 – 0,17

0,15 – 0,35

0,05

0,04

Sơi

Nửa lặng

S,%

Khơng lớn
hơn

Chú thích:Bảng I.2 Trích bảng 18,tr 260 sách Kim Loại Học Và Nhiệt Luyện_Tác
giả:Nghiêm Hùng.


Phân nhóm thép này đƣợc dùng để chế tạo các sản phẩm và chi tiết qua gia cơng nóng
(rèn, hàn, nhiệt luyện), lúc đó tổ chức và cơ tính ở trạng thái cung cấp không đƣợc giữ
lại. Nhƣ đã biết thành phần cacbon của thép là yếu tố để xác định chế độ rèn, hàn,
nhiệt luyện.
 Phân nhóm thứ ba (C).
Là loại thép cacbon thƣờng, đƣợc qui định cả cơ tính lẫn thành phần hóa học. Kí hiệu
của phân nhóm này giống nhƣ phân nhóm thứ nhất, nhƣng đằng trƣớc thêm chữ B đối
với của Liên Xô cũ và chữ C đối với của Việt Nam ( với ý nghĩa chỉ phân nhóm thứ
ba ). Có các số hiệu БCT1, БCT2 cho đến БCT5 của Liên Xô cũ và từ CCT34 đến
CCT51 của Việt Nam ( với cả ba loại lặng, nửa lặng và sơi). Cơ tính mỗi số hiệu của
phân nhóm C tƣơng ứng với số hiệu tƣơng tự của phân nhóm A (Bảng I.1), cịn thành
phần hóa học – phân nhóm Б ( Bảng I.2).
1.2. Các chỉ tiêu cơ tính dƣới tải trọng tĩnh
Các chi tiết máy, các kết cấu trong xây dựng đa phần đƣợc làm từ kim loại
hoặc hợp kim nhƣ thép, nhôm, gang, kẽm, titan, đồng…. Trong phần này mô tả các

đặc trƣng quan trọng của vật liệu có ảnh hƣởng đến việc thiết kế ban đầu.
Độ bền, độ đàn hồi, và tính dẻo của kim loại, chất dẻo, và một số vật liệu
thƣờng dùng khác thƣờng đƣợc xác định từ thí nghiệm kéo một mẫu vật liệu, mẫu
thƣờng là tròn hoặc thanh dẹt, đƣợc kẹp giữa các vấu cặp và kéo chậm đến khi đứt.
Độ lớn của lực trên mẫu và sự thay đổi tƣơng ứng về chiều dài (biến dạng) đƣợc
theo dõi và ghi lại liên tục trong suốt q trình thí nghiệm. Vì ứng suất trong thanh
bằng lực tác dụng chia cho diện tích, nên ứng suất tỉ lệ với lực tác dụng. Các thơng
số từ thí nghiệm kéo thƣờng đƣợc vẽ ra trên giản đồ ứng suất - biến dạng nhƣ
trong hình 2.1 và 2.2. Từ các giản đồ đó một vài thông số nhƣ độ bền, độ đàn hồi
và độ dẻo của các kim loại đƣợc xác định.
1.2.1 Giới hạn bền kéo
Điểm cao nhất của đƣờng cong ứng suất-biến dạng đƣợc gọi là giới hạn bền
kéo ( ), đôi khi đƣợc gọi là giới hạn bền hoặc đơn giản là độ bền kéo. Tại điểm
này, trên mẫu thử đo đƣợc ứng suất qui ước lớn nhất. Nhƣ trong hình 2.1 và 2.2
đƣờng cong đi xuống sau điểm cao nhất. Tuy nhiên, chú ý rằng thiết bị đo dùng để
tạo ra giản đồ này trên thực tế vẽ ra đƣờng cong tải trọng ứng với biến dạng chứ
không phải ứng suất thực ứng với biến dạng. Ứng suất qui ƣớc đƣợc tính bằng
cách chia tải trọng cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử. Sau điểm cao
nhất của đƣờng cong là đoạn thẳng, có sự giảm rõ rệt đƣờng kính của mẫu, gọi là
sự co thắt. Vì vậy, tải trọng tác dụng trên một diện tích nhỏ hơn, và ứng suất thực
tiếp tục tăng cho đến khi thanh bị đứt. Rất khó để theo dõi sự giảm đƣờng kính


trong q trình co thắt, vì vậy thơng thƣờng là sử dụng điểm cao nhất của đƣờng
cong nhƣ là giới hạn bền kéo, mặc dù nó là giá trị nhỏ hơn.
1.2.2 Giới hạn chảy,
Một phần của giản đồ ứng suất - biến dạng có biến dạng tăng lớn nhƣng
ứng suất khơng tăng hoặc tăng rất ít, gọi là giới hạn chảy ( ). Thuộc tính này
chứng tỏ rằng thực tế vật liệu bị chảy hay biến dạng dẻo một cách lâu dài và có mức
độ lớn. Nếu điểm chảy dẻo là rõ ràng nhƣ trong hình 2.1, nó đƣợc gọi là giới hạn

chảy. Đây là đặc thù của thép cacbon thơng thƣờng.

Hình 2.2 chỉ ra dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu nhƣ
nhôm hoặc titan hoặc thép có độ bền cao. Chú ý rằng nó khơng có điểm giới hạn
chảy, nhƣng vật liệu thực tế có giới hạn chảy tại hoặc gần mức ứng suất . Điểm
đó đƣợc xác định bởi phương pháp offset, theo đó một đƣờng thẳng đƣợc vẽ song
song với phần đoạn thẳng của đƣờng cong và lệch sang phải một đoạn bằng biến
dạng dƣ, thƣờng là 0.20% biến dạng. Giao điểm của đƣờng thẳng đó và đƣờng cong
ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy của vật liệu.

Hình 2.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép.


Hình 2.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhơm và các kim loại khơng
có điểm giới hạn chảy.
1.2.3 Giới hạn tỉ lệ
Điểm trên đƣờng cong ứng suất - biến dạng mà tại đó nó kết thúc phần
đƣờng thẳng gọi là giới hạn tỉ lệ. Tại giá trị đó hoặc lớn hơn, ứng suất khơng
cịn tăng tỉ lệ với biến dạng. Dƣới giá trị giới hạn tỉ lệ, có thể áp dụng định luật
Húc: ứng suất tỉ lệ bậc nhất với biến dạng. Trong thiết kế cơ khí, vật liệu rất ít
khi đƣợc sử dụng ở mức ứng suất trên giới hạn tỉ lệ.
1.2.4 Giới hạn đàn hồi
Ở một điểm nào đó, vật liệu bị biến dạng dẻo và vì vậy nó khơng thể trở lại
hình dạng ban đầu sau khi thôi tác dụng tải, gọi là giới hạn đàn hồi. Dƣới mức
này, vật liệu làm việc hoàn toàn đàn hồi. Giới hạn tỉ lệ và giới hạn đàn hồi
nằm dƣới giới hạn chảy. Vì rất khó để xác định, nên chúng rất ít khi đƣợc đƣa
ra.
1.2.5 Môđun đàn hồi kéo, E
Với phần đoạn thẳng của giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ bậc
nhất với biến dạng, và giá trị của môđun đàn hồi E là một hằng số tỉ lệ.

(2.1)
Đây là độ dốc của phần đoạn thẳng trên giản đồ. Môđun đàn hồi thể hiện độ
cứng của vật liệu, hay là khả năng chống lại biến dạng.
1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu.
Quá trình biến dạng của vật liệu gồm 3 giai đoạn nối tiếp nhau: biến dạng đàn
hồi, biến dạng đàn hồi-dẻo và phá hủy.


1.3.1 Biến dạng đàn hồi
Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ lực tác dụng bên ngoài.
Đặt tải trọng vào sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử của
mạng tinh thể, nhƣ đơn tinh thể kim loại có mạng lập phƣơng ở trạng thái biến dạng
đàn hồi-dẻo có kiểu mạng chính phƣơng (lập phƣơng kéo dài).

Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể
a) Mạng tinh thể ban đầu,
b) Mạng tinh thể khi chịu tải trọng P
c) Mạng tinh thể sau khi bỏ tải trọng
Đối với kim loại và hợp kim trong vùng đàn hồi, giữa ứng suất và biến dạng có
quan hệ tuyến tính tƣơng ứng với quy luật tỉ lệ thuận theo cơng thức 2.1.

Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi
Gọi hệ số tỉ lệ E là môđun đàn hồi pháp tuyến, nó bằng tang góc nghiêng của đƣờng
thẳng biểu diễn biến dạng đàn hồi trong hệ tọa độ ứng suất pháp – độ giãn dài.
Giá trị môđun đàn hồi của các kim loại khác nhau là khác nhau và phụ thuộc
vào bản chất kim loại, kiểu mạng và thông số mạng tinh thể.
1.3.2 Biến dạng dẻo
Tải trọng đặt lên vật liệu lớn hơn giới hạn đàn hồi sẽ làm cho vật liệu biến dạng
dẻo, biến dạng dẻo đặc trƣng ở chỗ là sau khi bỏ tải trọng vật liệu có độ biến dạng dƣ.

Trong quá trình biến dạng dẻo, sức cản biến dạng của kim loại ln tăng lên cịn khả
năng biến dạng dẻo thì càng giảm đi, hiện tƣợng này đƣợc gọi là “biến cứng”.
Biến dạng dẻo thực hiện bằng cách trƣợt
những lớp mỏng kim loại theo những mặt tinh
thể xác định – các mặt có sức cản trƣợt là nhỏ
nhất. Thơng thƣờng các mặt trượt là các mặt có
nguyên tử sắp xếp một cách xít chặt nhất.
Phương trượt trùng với phƣơng có ngun tử
sắp xếp dày đặc nhất.

Hình 2.5 Các mặt trƣợt (tô đen) và các phƣơng trƣợt (chỉ bằng các mũi tên)
Ví dụ: mạng lập phƣơng thể tâm có 2 phƣơng trƣợt là 2 đƣờng chéo của hình chữ nhật
ABCD, cịn lập phƣơng diện tâm có 3 phƣơng trƣợt là ba cạnh của tam giác ABC.
Hệ số trượt: dùng để đánh giá khả năng trƣợt của mạng tinh thể, ký hiệu là H,
đƣợc tính nhƣ sau:
H = (số mặt trƣợt x số phƣơng trƣợt)/ 1 mặt trƣợt.
Ví dụ: Mạng lập phƣơng thể tâm: H = 6 x 2 = 12. (Fe…)
Mạng lập phƣơng diện tâm: H = 4 x 3 = 12. (Cu, Al…)
Mạng lục giác: H = 1 x 3 = 3 (có tính dịn: Zn).
Hệ số trƣợt càng nhiều thì tính dẻo càng cao. Khi có cùng hệ số trƣợt thì loại mạng nào
có số phƣơng trƣợt trên một mặt trƣợt nhiều hơn thì dẻo hơn.
Ứng suất trượt: Ứng suất tiếp trên mặt trƣợt và theo phƣơng trƣợt mới gây ra
quá trình trƣợt. Giả sử tiến hành kéo đúng tâm một phân tố đơn tinh thể hình trụ bằng
lực P. Lực kéo P tạo với pháp tuyến mặt trƣợt đã cho góc và phƣơng trƣợt một góc
. Ứng suất tiếp trên phƣơng trƣợt là:
Trong đó: - P/F0 là ứng suất quy ƣớc σ0 - ứng suất pháp do ngoại lực F tác dụng lên
tiết diện ngang của tinh thể có giá trị khơng đổi, nên:
(2.2)

Đó là định luật Schmid. Khi τ có độ lớn vƣợt quá một giá trị tới hạn nhất định
τth (xác định đối với từng kim loại) quá trình trƣợt mới xảy ra. Nhƣ vậy ứng suất gây ra
trƣợt τ phụ thuộc vào cos , cos đƣợc gọi là thừa số Schmid. Nói chung (
)≠
o
o
o
90 , trƣờng hợp θ = 90 hay = 90 tức ngoại lực song với mặt trƣợt hay vng góc
với phƣơng trƣợt thì τ = 0 lúc này tinh thể bị phá hủy mà không xảy ra biến dạng dẻo.
Ứng suất tiếp đạt cực đại τmax = 0,5 0 khi
45o.
Ứng suất tiếp τ tác dụng trên các hệ trƣợt khác nhau cũng khác nhau. Nếu τ lớn hơn
một giá tri τth nào đó đƣợc gọi là ứng suất trƣợt tới hạn (có giá trị khơng đổi đối với
mỗi kim loại) thì sự trƣợt sẽ xảy ra. Định luật Schmid quy định hệ trƣợt nào hoạt động
trƣớc tiên khi đặt tải. Đó là hệ thuận lợi nhất với yếu tố định hƣớng: , gần 45o nhất,
tại đó giá trị tới hạn của ứng suất tiếp τ đạt đƣợc sớm nhất. Nhƣ vậy có thể là hệ thuận
lợi nhất sẽ trƣợt trƣớc, sau đó khi tải trọng F tăng lên đến lƣợt các hệ ít thuận lợi hơn.
Khi mạng tinh thể có sắp xếp lý tƣởng (khơng có lệch). Khi trƣợt, tất cả nguyên tử ở
hai bên mặt trƣợt bắt buộc phải dịch chuyển đồng thời do đó địi hỏi ứng suất tiếp rất
lớn.
(2.3)
Với mơ hình nhƣ vậy sự trƣợt là trƣợt cứng, τth tƣơng ứng đƣợc gọi là độ bền lý
thuyết. Trong mạng tinh thể thực tế , tức có chứa lệch, sự trƣợt sẽ xảy ra với ứng suất
nhỏ hơn rất nhiều lần và sự trƣợt sẽ xảy ra khác bằng chuyển động của lệch. Khi có
lệch biên:

Hình 2.7 Mơ hình trƣợt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên)
Các nguyên tử ở hai bên bán mặt bị xô lệch đàn hồi đối xứng, ứng suất hai bên
cân bằng lẫn nhau nên bán mặt này rất dễ dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ khi có

lực bên ngồi tác dụng. Giả sử có ứng suất τ có tác dụng nhƣ ở hình vẽ, bán mặt sẽ
dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ sang phải và do đó liên kết đƣợc với nửa hàng
dọc nguyên tử ở phía dƣới thành mặt tinh thể mới, bán mặt dịch chuyển dần qua phải.
Quá trình dịch chuyển nguyên tử khi trƣợt cứ xảy ra nhƣ vậy cho đến khi bán mặt
đƣợc thoát ra khỏi bề mặt tinh thể, tạo ra ở đó bậc thang nguyên tử. Nhƣ vậy ở từng
thời điểm chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trƣợt, sự truyền chuyển động
giống nhƣ chạy tiếp sức, do đó chỉ địi hỏi ứng suất tiếp nhỏ, theo tính tốn:
(2.4)
Với mơ hình nhƣ vậy sự trƣợt có tính nối tiếp, τth tƣơng ứng đƣợc gọi là độ bền
thực tế, nhỏ hơn độ bền lý thuyết từ 100 đến 1000 lần.


Sự trượt đa tinh thể:
Tuy đa tinh thể gồm bởi nhiều tinh thể (hạt), song không thể xem sự trƣợt của
nó là tổng đơn thuần của sự trƣợt từng tinh thể hay hạt trong nó. Từ những đặc điểm
về cấu trúc có thể thấy trƣợt đa tinh thể có những đặc điểm sau:
* Các hạt bị biến dạng không đều: Ngay cả đối với kim loại nguyên chất các hạt có
mạng tinh thể giống nhau song lại có định hƣớng mặt và phƣơng khác nhau, nên chúng
sẽ bị trƣợt khác nhau: hạt nào có định hƣớng thuận lợi với sự trƣợt sẽ trƣợt trƣớc với
ứng suất bé, ngƣợc lại hạt nào có định hƣớng khơng thuận lợi sẽ trƣợt sau với ứng suất
lớn hơn, thậm chí có hạt khơng thể trƣợt đƣợc.
* Có tính đẳng hƣớng: do sự định hƣớng phƣơng và mặt của các hạt mang tính ngẫu
nhiên cho nên dù lực bên ngoài tác dụng nhƣ thế nào cũng cho một kết quả nhƣ nhau.
Tính chất nhận đƣợc là kết quả thử tổng hợp theo mọi phƣơng của các hạt.
* Có độ bền cao hơn: các hạt khơng rời rạc mà gắn bó với nhau qua vùng biên giới hạt.
Trong thực tế sự trƣợt của hạt này đều kéo theo các hạt bên cạnh, rồi chính nó lại bị
các hạt này cản trở . Vùng biên giới hạt có sắp xếp khơng trật tự rất khó tạo nên mặt và
phƣơng trƣợt nên có thể coi nó nhƣ lớp vỏ cứng cản trượt. Chính do có nhiều cản trở
nhƣ vậy, để trƣợt đƣợc nói chung phải tác dụng lực cao hơn, nói khác đi có độ bền cao
hơn độ bền trung bình (theo các phƣơng) của đơn tinh thể.

* Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao. Do hạt nhỏ có tổng diện tích biên hạt lớn
hơn, sẽ cản trƣợt mạnh hơn nên làm tăng độ bền. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy
σch (hay σ0,2) và đường kính hạt d đƣợc mơ tả bằng biểu thức Hall - Petch nhƣ sau:
(2.5)
Trong đó: σ0 - ứng suất cần thiết để lệch chuyển động khi d → ∞ tức trong đơn tinh
thể , k - hằng số biểu thị cấu trúc của biên giới hạt.
Đồng thời khi hạt nhỏ đi, số lƣợng hạt tăng lên làm cho số hạt thích ứng với sự
trƣợt theo phƣơng bất kỳ cũng tăng lên tƣơng ứng, điều đó cũng có nghĩa sự trƣợt
đƣợc phân bố trên nhiều hạt hơn và lƣợng biến dạng dƣ (tức tính dẻo) tăng lên. Rất ít
biện pháp cơng nghệ có tác dụng tốt đồng thời đến cả độ bền lẫn độ dẻo (thông thƣờng
khi độ bền tăng lên thì độ dẻo lại giảm đi tƣơng ứng). Hiệu ứng này còn quan trọng
hơn ở chỗ do làm tăng cả độ bền lẫn độ dẻo nên làm tăng mạnh độ dai, vật liệu khó bị
phá hủy giịn. Do vậy, vật liệu với hạt nhỏ ƣu việt hơn hẳn hạt lớn; vì thế trong chế tạo
cơ khí, luyện kim thƣờng xuyên yêu cầu đạt đƣợc hạt nhỏ.
1.3.3 Phá hủy
Sự phá hủy của vật liệu trong kỹ thuật luôn là vấn đề khơng mong muốn, nó
làm thiệt hại về kinh tế, sức khỏe, tính mạng của con ngƣời. Mặc dù nguyên nhân và
các đặc tính của sự phá hủy trong vật liệu đã đƣợc biết đến nhƣng việc phòng ngừa sự
phá hủy trong vật liệu là rất khó khăn. Các nguyên nhân thông thƣờng của sự phá hủy
là do việc lựa chọn vật liệu, thiết kế và sử dụng không đúng cách.
2.2.3.1 Cơ chế chung của sự phá hủy:
- Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi bên trong hay trên bề mặt chi tiết:


+ Vết nứt có sẵn: rỗ xốp, rỗ khí khi đúc, nứt tế vi khi kết tinh, hàn, nhiệt luyện, các pha
có độ bền thấp (grafit trong gang).
+ Vết nứt sinh ra trong quá trình biến dạng: nếu trong kim loại có pha thứ hai với độ
cứng và tính giịn cao thì khi biến dạng dẻo, các vết nứt tế vi sinh ra ở đây hay ở biên
giới hạt.
+ Do tích tụ của lệch: khi biến dạng dẻo do tác dụng của nguồn phát lệch sinh ra thêm

và dịch chuyển trên mặt trƣợt, khi bị cản trở chúng dồn lại và tạo nên vết nứt tế vi ở
đó.

Hình 2.8 Sự hình thành vết nứt tế vi do tích tụ các lệch
- Rồi qua quá trình biến dạng tiếp theo vết nứt đó phát triển.
- Cuối cùng kim loại bị tách rời.
2.2.3.2 Phá hủy dưới tải trọng tĩnh:
Tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng (đặt vào) một cách chậm chạp, êm, tức tăng lên từ
từ. Ứng suất phá hủy σtd (ứng suất tách đứt) là ứng suất nhỏ nhất làm cho vật liệu kim
loại tách rời thành hai hay nhiều phần khác nhau.
i) Các dạng phá hủy dưới tải trọng tĩnh.
Tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo trƣớc khi phá hủy ngƣời ta phân ra làm hai loại:
phá hủy dịn và phá hủy dẻo.

Hình 2.9 Phá hủy dịn và phá hủy dẻo của kim loại


+ Phá hủy giòn: Là một dạng phá hủy dƣới tải trọng tĩnh mà vật liệu chƣa qua biến
dạng dẻo. Mặt gãy có dạng phẳng và vng góc với phƣơng có ứng suất pháp lớn nhất.
Phá hủy giịn xảy ra mà không thể dự báo trƣớc, nên rất nguy hiểm.
+ Phá hủy dẻo: là loại phá hủy dƣới tải trọng tĩnh mà vật liệu đã qua biến dạng dẻo.
Vùng gãy vỡ bao giờ cũng có sự co thắt về tiết diện. Phá hủy dẻo có thể đƣợc dự báo
trƣớc hay từ hình dạng bên ngồi có thể đốn đƣợc, nên ít nguy hiểm hơn.
ii) Nguyên nhân của phá hủy:
Phá hủy xảy ra do thành phần ứng suất pháp làm phá vỡ liên kết nguyên tử ở hai bên
của một mặt nào đó. Khi thành phần ứng suất này đủ lớn và thắng đƣợc ứng suất tách
đứt tới hạn σtd thì xảy ra phá hủy giòn hoặc phá hủy dẻo.
+ σtd> σc: kim loại bị tách đứt trƣớc khi đạt đến giới hạn chảy nên sự phá hủy khơng có
biến dạng dƣ mà mang đặc tính giịn.
+ σtd< σc: trƣớc khi tách đứt kim loại bị biến dạng dẻo, sự phá hủy mang đặc tính dẻo.

iii) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá hủy dưới tải trọng tĩnh:
- Nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ thì giới hạn chảy giảm đi, trong đó giới hạn tách đứt hầu
nhƣ khơng thay đổi, nên ở nhiệt độ thấp hầu nhƣ kim loại bị phá hủy dòn, ở nhiệt độ
cao kim loại bị phá hủy dẻo.

Hình 2.10 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng đến sự phá hủy
- Tốc độ biến dạng: tốc độ biến dạng càng cao, sự trƣợt càng khó xảy ra, tức giới hạn
chảy càng cao, trong khi đó thì giới hạn tách đứt khơng đổi. Khi tăng tốc độ biến dạng,
kim loại dễ bị phá hủy dòn.
- Trạng thái bề mặt chi tiết: nếu bề mặt chi tiết có nhiều vết xƣớc và tiết diện thay đổi
đột ngột làm tăng khả năng phá hủy và ngƣợc lại.Chẳng hại nhƣ chi tiết trụ bậc ta phải
tạo cung R để tránh hiện tƣợng tập trung ứng suất gây phá hủy.
- Tập trung ứng suất: các yếu tố gây nên tập trung ứng suất nhƣ vết khía, nứt, tiết diện
thay đổi đột ngột, làm ứng suất cục bộ tăng lên vƣợt quá giới hạn tách đứt gây nên phá
hủy.
2. Phương pháp uốn trên 3 điểm
4.2.1.1 Kích thước, hình dạng mẫu
i) Mẫu thử dạng thanh (Bend Specimen) SE(B)


Hình 4.23 Kích thƣớc và dung sai mẫu thử kiểu SE(B)
Mẫu đƣợc chuẩn bị với kích thƣớc và dung sai nhƣ hình 4.x. Mẫu cũng có một vết
khía đƣợc chế tạo sẵn và một vết nứt mỏi đƣợc tạo ra trƣớc khi đƣa lên máy thử.
Khoảng cách giữa hai gối tỳ là 4W và kích thƣớc của mẫu phải thỏa điều kiện:
.
ii) Mẫu thử dạng uốn (Arc-Shaped) A(B)

Hình 4.24 Kích thƣớc và dung sai mẫu thử kiểu A(B)
4.2.2.2 Phương pháp tiến hành
Mẫu sau khi chuẩn bị và lựa chọn cân thận đƣợc đặt lên máy thử uốn nhƣ hình 4.25,

tác dụng lực nén làm cho vết nứt mỏi trên mẫu phát triển và mở rộng (theo kiểu I),
Xây dựng biểu đồ tải trọng kéo – độ mở rộng của rãnh V.


Hình 4.25 Sơ đồ bố trí mẫu uốn dạng thanh trên máy thử uốn SE(B)
4.2.2.3 Kết quả
i) Mẫu thử dạng uốn (Bend Specimen) SE(B)

Trong đó:

PQ = tải , kl-bf (kN)
B= chiều dày mẫu, in (cm)
W = chiều rộng(chiều sâu) của mẫu.
S = khoảng cách giữa 2 gối tỳ, in (cm)
a =chiều dài vết nứt, in (cm)
ii) Mẫu thử dạng uốn (Arc-Shaped) A(B)
+ Cho mẫu có S = 4W

Trong đó:

+ Cho mẫu có S = 3W

Trong đó:

P = tải , kN (kl-bf)
B= chiều dày mẫu, cm (in)
W = chiều rộng(chiều sâu) của mẫu. cm (in)
S = khoảng cách giữa 2 gối tỳ, cm (in)
a =chiều dài vết nứt, cm (in)
r1 = bán kính trong ,cm (in)

r2 = bán kính ngồi , cm (in)
3/ Độ cứng


a/ Định nghĩa: Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu dƣới tác dụng
của tải trọng thơng qua mũi đâm.

Hình 5.1
* Các loại mũi đâm:
a)

b)

c)

.
1360

Hình 5.1 Mũi đâm a) Bi thép

b) Hình cơn

c) Hình tháp

b/ Các phƣơng pháp đo độ cứng
* Phƣơng pháp đo độ cứng Brinen (HB)
- Mũi đâm là bi thép (hình 5.2 a), có các đƣờng kính sau: D = 2,5; 5; 10 (mm)
Tải trọng tƣơng ứng là P = 1875; 7500; 30000 (N); P có thể đo bằng kilogram lực
(KG). Mối quan hệ giữa P và D:
P

 30
D2

- Nguyên lý đo của phƣơng pháp: Ấn viên bi bằng thép đã tôi cứng lên bề mặt mẫu,
dƣới tác dụng của tải trọng tƣơng ứng với đƣờng kính bi đã định trƣớc. Trên mặt mẫu
sẽ có vết lõm hình chỏm cầu. Gọi P (N) là tải trọng tác dụng, S (mm2) là diện tích vết
lõm, số đo Brinen đƣợc tính bằng cơng thức sau:
HB =

P
x 0,1 (KG/mm2) [P : N]
S


Mũi đâm

Vật liệu



Hình 5.3
Nếu gọi D là đƣờng kính viên bi; chiều sâu vết lõm là h. Ta có:
S = Dh
Tuy nhiên việc đo đƣờng kính d của vết lõm lại dễ dàng hơn nhiều so với độ
sâu h nên diện tích chỏm cầu có thể tính bằng cơng thức:
S=
HB 

D( D  D 2  d 2 )
2

P  0,1

P  0,1

(KG/mm2)
D
Dh
(D  D 2  d 2 )
2

Đối với thép và gang thƣờng dùng P = 3000kG, D = 10mm
Để xác định độ cứng HB cần phải đo đƣợc đƣờng kính vết lõm và dùng cơng thức trên
để tính (song có thể dùng bảng tính sẵn để tra bảng – Bảng 5.3)
- Điều kiện đo độ cứng Brinen
+ Chiều dày mẫu thí nghiệm khơng nhỏ hơn 10 lần chiều sâu của vết lõm.
+ Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, khơng có khuyết tật.
+ Chiều rộng, dài của mẫu và khoảng cách giữa 2 vết đo phải lớn hơn 2D.
+ Thời gian tác động cũng ảnh hƣởng đến kết quả đo. Thơng thƣờng thời gian này có
thể tra theo bảng 5.1).
Chiều dày
Thời gian tác
Vật liệu Độ cứng HB bé
nhất P/D2 D(mm) P(N)
dụng (s)
(mm)
>6
30
10
30000 10
140 - 450

3–6
30
5
7500 10
Kim loại
<3
30
2,5
1875 10
đen
>6
30
10
30000 30
< 140
3–6
30
5
7500 30