Đo độ bền kéo

Trong quá trình thử kéo, mẫu được kẹp phải chịu tải trọng kéo không đổi sao cho nó bị giãn ra và cuối cùng bị đứt. Thông thường, các thử nghiệm này được thực hiện theo quy trình tiêu chuẩn được quốc tế công nhận và tính toán kết quả để dữ liệu có thể được di chuyển giữa các phòng thí nghiệm. Tốc độ tải có thể được áp dụng như tốc độ giãn không đổi, tốc độ biến dạng không đổi hoặc tốc độ tải không đổi, tùy thuộc vào tiêu chuẩn.

Độ bền kéo σUTS, hay SU, là ứng suất tại đó vật liệu bị đứt hoặc biến dạng vĩnh viễn. Độ bền kéo là một đặc tính chuyên sâu và do đó không phụ thuộc vào kích thước của mẫu thử. Tuy nhiên, nó phụ thuộc vào việc chuẩn bị mẫu và nhiệt độ của môi trường và vật liệu thử nghiệm.

Độ bền kéo, cùng với mô đun đàn hồi và khả năng chống ăn mòn, là một thông số quan trọng của vật liệu kỹ thuật được sử dụng trong các kết cấu và thiết bị cơ khí. Nó được chỉ định cho các vật liệu như hợp kim, vật liệu composite, gốm sứ, nhựa và gỗ.

Có nhiều định nghĩa khác nhau về độ bền kéo và sau đây là đại diện cho các đặc tính của thép cacbon thấp:
1. Ultimate strength
2. Yield strength
3. Rupture
4. Strain hardening region
5. Necking region

Các kim loại, bao gồm cả thép, có mối quan hệ ứng suất-biến dạng tuyến tính đến giới hạn tỷ lệ, thường gần với điểm chảy dẻo nhất. Ở một số loại thép, ứng suất giảm sau điểm chảy dẻo; điều này là do sự tương tác của các nguyên tử carbon và sự sai lệch trong thép chịu ứng suất. Thép hợp kim và thép được tôi cứng không cho thấy hiệu ứng này và đối với hầu hết các kim loại, điểm chảy dẻo không được xác định rõ ràng.

Nếu tải được loại bỏ trước khi đạt đến giới hạn tỷ lệ hoặc điểm chảy dẻo, vật liệu sẽ trở lại hình dạng ban đầu. Tuy nhiên, khi vượt quá điểm chảy dẻo, biến dạng sẽ tồn tại vĩnh viễn và vật liệu sẽ không trở lại hình dạng ban đầu. Biến dạng vĩnh viễn này được gọi là biến dạng dẻo, không thể chấp nhận được đối với nhiều ứng dụng và do đó các đặc tính của vật liệu tại điểm chảy dẻo của nó được sử dụng làm giới hạn thiết kế.

Trong thử nghiệm tải trọng kéo thông thường, thép và nhiều kim loại dẻo khác sẽ trải qua giai đoạn làm cứng biến dạng, sau khi vượt qua điểm chảy dẻo, trong đó ứng suất lại tăng lên khi biến dạng tăng dần cho đến cường độ cuối cùng. Nếu vật liệu được dỡ tải tại thời điểm này, đường cong ứng suất-biến dạng sẽ song song với phần đường cong giữa điểm gốc và điểm chảy dẻo. Nếu được nạp lại, nó sẽ đi theo đường cong dỡ tải trở lại cường độ cuối cùng, trở thành cường độ chảy mới.

Sau khi kim loại đã được chịu tải đến giới hạn chảy, nó bắt đầu bị “cổ” khi diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử giảm do dòng chảy dẻo. Khi sự thắt cổ trở nên đáng kể, nó có thể gây ra sự đảo ngược đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật, trong đó ứng suất giảm tương ứng với biến dạng tăng do hiệu ứng hình học. Điều này là do ứng suất kỹ thuật và biến dạng kỹ thuật được tính toán dựa trên diện tích mặt cắt ngang ban đầu trước khi thắt cổ.

Nếu đồ thị được vẽ theo ứng suất thực và biến dạng thực, thì đường cong sẽ luôn dốc lên và không bao giờ đảo ngược, vì ứng suất thực được điều chỉnh theo sự giảm diện tích mặt cắt ngang. Không quan sát thấy hiện tượng thắt cổ đối với vật liệu chịu nén. Ứng suất cực đại trên đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật được gọi là cường độ cực đại. Sau một thời gian thắt cổ, vật liệu sẽ vỡ ra và năng lượng đàn hồi tích trữ sẽ được giải phóng dưới dạng tiếng ồn và nhiệt. Ứng suất tác dụng lên vật liệu tại thời điểm đứt được gọi là độ bền kéo.

Kim loại dẻo không có điểm chảy dẻo được xác định rõ ràng, vì vậy trong những trường hợp này, chúng ta phải “phát minh” ra điểm chảy dẻo. Cường độ năng suất thường được xác định bởi “biến dạng bù 0,2%”. Cường độ chảy dẻo ở mức bù 0,2% được xác định bằng cách tìm giao điểm của đường cong ứng suất-biến dạng với một đường thẳng song song với độ dốc ban đầu của đường cong và cắt trục hoành ở mức 0,2%.

Các vật liệu giòn như bê tông và sợi carbon không có điểm chảy dẻo và không bị cứng lại, điều đó có nghĩa là độ bền cuối cùng và độ bền đứt là như nhau.

Các vật liệu giòn điển hình không có bất kỳ biến dạng dẻo nào nhưng bị hỏng khi biến dạng là đàn hồi. Một trong những đặc điểm của hư hỏng giòn là hai phần bị gãy có thể được ghép lại để tạo ra hình dạng giống như bộ phận ban đầu. Đường cong biến dạng ứng suất điển hình đối với vật liệu giòn sẽ là tuyến tính. Việc thử nghiệm một số mẫu giống hệt nhau sẽ dẫn đến ứng suất phá hủy khác nhau.

Độ bền kéo được đo bằng đơn vị lực trên một đơn vị diện tích. Trong hệ SI, đơn vị là Newton trên mét vuông (N/m2) hoặc pascal (Pa). Đơn vị của Imperial hoặc tiếng Anh là pound-lực trên inch vuông (lbf/in²) hoặc PSI. Tuy nhiên, các kỹ sư ở Mỹ thường sử dụng đơn vị ksi, tức là một nghìn psi.