Bài giảng Biến dạng dẻo và cơ tính

Chương 2: Biến dạng dẻo và cơ tính 2.1 Biến dạng dẻo và phá huỷ Độ dãn dài l T ả i t rọ n g F Fđh a1 e Fa a b c Fb a20 Sơ đồ biểu diễn tải trọng-biến dạng điển hình của KL Sự biến đổi mạng tinh thể ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình biến dạng Khái niệm về biến dạng dẻo Là biến dạng không bị mất đi sau khi bỏ tải trọng tác dụng Giai đoạn ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Giai đoạn biến dạng đàn hồi: các nguyên tử xê dịch phạm vi hẹp so với thông số mạng nên nó vẫn trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng Giai đoạn biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch phạm vi lớn hơn so với thông số mạng nên nó không trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời Phá huỷ dẻo Phá huỷ giòn (không có biến dạng dẻo) Một số hình ảnh quan sát được tại vết gãy của mấu thử (điểm c) Trượt đơn tinh thể P h ư ơ n g t rư ợ t M ặ t tr ư ợ t Trượt trong đơn tinh thể Zn Hiện tượng trượt trong đơn tinh thể Trượt là hiện tượng chuyển dời tương đối giữa các phần tinh thể theo các phương và mặt nhất định gọi là phương trượt và mặt trượt Phương trượt: Mặt trượt: Là mặt phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt 2 điều kiện của mặt trượt: -Phải là mặt xếp xít chặt nhất (liên kết giữa các nguyên tử lớn  bền vững) -Khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt phải là lớn nhất (dễ cắt đứt liên kết giữa 2 mặt  dễ xê dịch) Là phương có mật độ nguyên tử lớn nhất Hệ trượt:Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt Hệ trượt trong mạng A2 Họ mặt trượt: Số lượng:6{110} Họ phương trượt : 2  số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 Hệ trượt trong mạng A1 Họ mặt trượt: Số lượng: 4{111} Họ phương trượt : 3  số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 Hệ trượt trong mạng A3 Họ mặt xếp chặt nhất: Số lượng: 2{0001} Họ phương xếp chặt nhất :3  số hệ trượt = số mặt x số phương = 6 Nhận xét Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng  Nhôm (Al), đồng (Cu)…. dễ biến dạng hơn Manhê (Mg), Kẽm (Zn) Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào có số phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn  Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) (A2)…. dễ biến dạng hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) (A1) s = F/So So s’ Phương trượtf f Ss So F Fs l Ss t l Phân tích các tính toàn cho ứng suất tiếp trên mặt trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể Ứng suất tiếp gây ra trượt Phương trượt s t s’ f l Mặt trượt S0 ứng suất tác dụng Diện tích mặt trượt: S=S0/cosf Ứng suất tiếp trên phương trượt: t = (F/S)cosl=(F/S0)cosfcosl  t = s0 cosfcosl Các giá trị tới hạn a) b) c) t = s0 cosfcosl s0: ứng suất quy ước do ngoại lực F tác dụng lên tiết ngang của tinh thể có tiết diện không đổi Không xảy ra trượt Không xảy ra trượt Dễ xảy ra trượt Cơ chế trượt Lý thuyết: tth~ G/2 Thực tế: tth~ G/(8.1038.104) Trượt trong đa tinh thể Đặc điểm:  Các hạt bị biến dạng không đều  Có tính đẳng hướng  Có độ bền cao hơn  Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo càng cao sc=s0+kd -1/2 Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo  Các hạt có xu hướng dài ra theo phương kéo Độ biến dạng từ 40-50% các hạt sẽ bị phân nhỏ, tạp chất và pha thứ hai bị chia nhỏ phân tán và kéo dài  tạo thớ Độ biến dạng từ 70-90% các hạt sẽ bị quay, các hạt và phương mạng cùng chỉ số đạt tới mức gần như song song  tổ chức textua biến dạng  Sau biến dạng dẻo thì trong kim loại tồn tại ứng suất dư lớn do xô lệch mạng tinh thể  Sau biến dạng dẻo thì cơ tính thay đổi: độ cứng, độ bền tăng. Độ dẻo và độ dai giảm. Làm tăng điện trở và giảm mạnh khả năng chống ăn mòn của kim loại Phá huỷ Phá huỷ là gì?  Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khắc phục được  thiệt hại về kinh tế, con người….. cần phải có biện pháp khắc phục Đặc điểm chung: hình thành các vết nứt tế vi phát triển vết nứt  tách rời phá huỷ a) phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh: Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể  tiết diện mặt gãy thay đổi Phá huỷ giòn: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không đáng kể  tiết diện mặt gãy gần như không thay đổi  Cách nhận biết phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo (quan sát vết phá huỷ) Phá hủy dẻo (tiết diện thay đổi) Phá huỷ giòn (tiết diện hầu như không đổi) a) phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh (tiếp theo): Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng  công phá hủy lớn Phá huỷ giòn phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ công phá hủy nhỏ hơn Chú ý: vết phá hủy có thể cắt ngang các hạt hay theo biên giới hạt a) phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh (tiếp theo): Sự phụ thuộc của hình thức phá huỷ vào một số yếu tố: Nhiệt độ giảm, tốc độ đặt tải tăng  phá huỷ có xu hướng chuyển từ phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất lớn  xu hướng tiến đến trang thái phá huỷ giòn Bề mặt của mẫu phá huỷ giòn Cơ chế phá huỷ Sợi Vết cắt 1 2 3 4 5 1. Xuất hiện các vết nứt tế vi 2. Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn 3. Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn hơn giá trị tới hạn 4. Các vết nứt tế vi phát triển nhanh 5. Phá huỷ vật liệu Sự xuất hiện các vết nứt tế vi - Theo con đường tự nhiện (nguội nhanh  nứt chi tiết) - Từ các rỗ khí, bọt khí - Từ các pha mềm trong vật liệu - Sinh ra trong quá trình biến dạng do có tập hợp nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai) Chú ý: lực tác dụng lên vật mà vuông góc với vết nứt càng lớn  vết nứt phát triển càng nhanh  phá huỷ nhanh chóng b) phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ Đặc điểm: vật liệu chịu tải trọng không lớn, thay đổi theo chu kỳ  có thể bị phá hủy sau một thời gian làm việc (phá huỷ mỏi) Bề mặt phá hủy mỏi được chia làm 3 vùng: Vùng 1: rất mỏng (vùng của các vết nứt tế vi) Vùng 2: các vết nứt phát triển chậm. Bề mằt phẳng nhưng có các lớp và dải phân cách Vùng 3: tiết diện nhỏ, bằng phẳng, phá huỷ tức thời b) phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ Cơ chế của phá huỷ mỏi: - Hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt chi tiết (vết nứt sẵn có trong quá trình chế tạo, lõm co, vết xước……..) - Nửa chu kỳ đầu: giả sử lệch đang chuyển động thoát ra ngoài bề mặt chi tiết  nửa chu kỳ sau lệch sẽ chuyển động ngược lại vị trí cũ (do chu kỳ tải trọng đổi dấu) Nửa chu kỳ đầu Nửa chu kỳ sau Chuyển động lặp lại nhiều lần  lệch không trở về đúng vị trí cân bằng ban đầu  sinh ra vết lõm  vết nứt tế vi 2.2 Các đặc trưng cơ tính Cơ tính là gì? là tập hợp các đặc trưng cơ học biểu thị cho khă năng chịu tải  là cơ sở để so sánh các vật liệu với nhau Cách xác đinh cơ tính? kiểm tra các mẫu thử Chú ý: - Mẫu thử lớn thường có cơ tính thấp hơn (do xác suất xuất hiện của khuyết tật cao hơn) - điều kiện thí nghiệm và làm việc khác nhau  cần có các hệ số an toàn để bảo đảm chi tiết làm việc chịu lực và tuổi thọ cao… a) Độ bền tĩnh (s) Giới hạn đàn hồi (sđh):  là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu không bị biến dạng khi tải trọng mất đi )( 0 2,0 2,0 MPa S F s Fđh: lực kéo lớn nhất không gây biến dạng mẫu sau khi bỏ tải (N) So: tiết diện mẫu thử (mm 2) Giới hạn chảy vật lý (sch):  là ứng suất bé nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu bắt đầu bị biến dạng dẻo Giới hạn chảy quy ước (s0,2): )( 0 MPa S Fdh dh s F0,2: lực kéo tạo ra biến dạng dư 0,2% (N) So: tiết diện mẫu thử (mm 2) Giới hạn bền (sb): Fb: lực kéo lớn nhất trên giản đồ thử kéo (N) So: tiết diện mẫu thử (mm 2))( 0 MPa S Fb b s  là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây ra biến dạng cục bộ dẫn đến phá hủy Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền: mật độ lệch đ ộ b ề n mật độ lệch 1 2 3 4 1. Độ bền theo lý thuyết 2. Độ bền của đơn tinh thể 3. Các kim loại nguyên chất sau ủ 4. Kim loại sau biến dạng, hoá bền…… 108/cm2 1010-1012/cm 2 Các biện pháp hoá bền vật liệu 1.Biến dạng dẻo: 2.Hợp kim hoá: 3. Tạo ra các pha cứng phân tán hay hoá bền tiết pha: 4.Nhiệt luyện tôi+ram: 5. Làm nhỏ hạt: làm tăng xô lệch mạng  khó trượt làm tăng mật độ lệch  tạo các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch tạo dung dịch rắn quá bão hoà  tăng chướng ngại cản trở chuyển động của lệch, ngoài ra làm tăng các chỉ tiêu khác rất tốt như độ dẻo, độ dai b) Độ dẻo (%, %) Độ dẻo là gì? Hiện tượng đối với mẫu thử kéo: Mẫu trước thử kéo Mẫu trước thử kéoMẫu sau thử kéo Mẫu sau thử kéo l0 l1  Là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL bị phá huỷ dưới tải trọng tĩnh Các chỉ tiêu: %100% 0 01 x l ll   %100% 0 10 x S SS   Tính siêu dẻo Nếu  đạt từ 100-1000%  Vật liệu được gọi là siêu dẻo Ưu điểm: - Tiết kiệm được năng lượng - Dễ chế tạo các sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều…. Một số biện pháp để VL đạt được hiệu ứng siêu dẻo: - Làm cho hạt nhỏ mịn, đẳng trục, đồng đều và ổn định - Biến dạng ở nhiệt độ cao (0,6-0,8)Ts - Tốc độ biến dạng cỡ 10-3-10-4s-1 c) Độ dai va đập (ak) Độ dai va đập là gì?  Là đánh giá khả năng chống lại phá huỷ của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động initial heightfinal height sample S A a kk  Nm/cm2, kJ/m2 và kGm/cm2 Ý nghĩa của độ dai va đập:  Có thể phán đoán về khả năng chịu tải trọng va đập của chi tiết Đối với vật liệu thường: ak>200kJ/m 2 Đối với vật liệu chịu va đập cao: ak>1000kJ/m 2 ak ~ sch (s0,2x) Mối tương quan giữa ak và (s0,2x)  Các biện pháp nâng cao ak - Làm hạt nhỏ mịn - Số lượng, kích thước các pha giòn tăng, hình dạng tấm, lưới và phân bố không đều  giảm ak - Hình dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn hạt có dạng tấm, kim d) Độ cứng Độ cứng là gì?  Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu thông qua mũi đâm Đặc điểm: - Khi vật liệu không đồng nhất  Chỉ biểu thị cho tính chất bề mặt - Biểu thị cho khả năng chống mài mòn của vật liệu - Khi vật liệu đồng nhất (ủ) độ cứng cao  khó gia công cắt - Quá trình xác định độ cứng đơn giản hơn nhiều so với các chỉ tiêu cơ tính khác Nguyên lý xác định độ cứng Ép tải trọng xác định lên mẫu thông qua mũi đâm (không bị biến dạng dẻo)  tạo vết lõm trên bề mặt  vết lõm càng rộng (sâu)  độ cứng càng thấp Có 2 loại độ cứng: - Độ cứng tế vi (dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé): xác định độ cứng của các hạt, pha trong tổ chức của vật liệu  dùng cho nghiên cứu - Độ cứng thô đại (tải trọng và mũi đâm lớn): phản ánh khả năng chống biến dạng dẻo của nhiều hạt, pha --> xác định độ cứng chung cho VL Độ cứng brinell HB Điều kiện chuẩn để xác định HB cho thép và gang: D=10mm, F=3000kG, t=15s sb=a.HB Ưu điểm: có mối quan hệ bậc nhất với sb biết HB  xác định tương đối sb mà không cần thử kéo Nhược điểm của loại độ cứng HB - Không thể đo được vật liệu có độ cứng cao hơn 450 HB -  không ứng dụng đo độ cứng cho thép thôi, hợp kim cứng…. - Mẫu phải phẳng, dày do vết đâm lớn  không đo được độ cứng trực tiếp trên sản phẩm - Thời gian do chậm hơn các phương pháp khác, phải có sự trợ giúp của các thiết bị quang học để xác định đướng kính vết lõm Khắc phục  sử dụng độ cứng Rôcvel Độ cứng Rockwell f f fF h f: tải trọng sơ bộ 10kg F: tải trọng chính (90kg cho thang B, 140kg cho thang đo C và 50kg cho thang đo A) Cách xác định độ cứng rockwell: HR = k-(h/0,002) k = 100 với thang đo A, C với mũi đâm kim cương góc ở đỉnh 1200 k = 130 với thang đo B dùng cho mũi bi thép Chú ý: là loại độ cứng quy ước, không có thứ nguyên Ưu điểm của loại độ cứng rockwell Thang đo HR có thể đo được các vật liệu cứng cao: thép tôi, lớp hoá bền…. được sử dụng rất phổ biến Kết quả có thể được hiện ngay trên máy đo Thời gian để xác định được giá trị độ cứng nhanh Mẫu không cần phẳng  có thể đo trực tiếp trên sản phẩm Độ cứng Vickers Mũi đâm kim cương, hình tháp 4 mặt đều với góc ở đỉnh 1360 Tải trọng tác dụng nhỏ (1-100kg), điều kiện chuẩn 30kg với t = 10-15s Cách xác định độ cứng Vickers Nhược điểm: với tải trọng nhỏ thì vẫn cần trợ giúp của thiết bị quang học để xác định d Ưu điểm: xác định được độ cứng cho mọi loại vật liệu Bảng chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng HV HB HRC HRA HRB Thấp 240 240 20 60,5 100 TB 513 475 5 75,9 - Cao 697 - 60 81,2 - Trạng thái vật liệu dựa trên giá trị độ cứng - Mềm: HB< 150 - Trung bình: HB ~ 300-400 - Cao HRC ~ 60-65 - Thấp: HB ~ 200 - Tương đối cao: HRC ~ 50-58 - Rất cao HRC > 65 2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo: Mức độ xô lệch trong mạng tinh thể lớn, mật độ lệch cao  kim loại bị hoá bền, biến cứng  có xu hướng chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái trước biến dạng dẻo) Tại sao cần phải nung kim loại đã qua biến dạng dẻo? - Để có thể tiếp tục biến dạng dẻo nhiều hơn nữa - Để có thể gia công cắt được dễ dàng - Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn Ảnh tổ chức của kim loại sau biến dạng dẻo Trước khi biến dạng Sau khi biến dạng Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng Giai đoạn hồi phục - Xảy ra ở nhiệt độ T < Tktl - Giảm khuyết tật (điểm, nút trống) - Giảm mật độ lệch - Giảm ứng suất - Tổ chức tế vi chưa biến đổi  cơ tính hầu như chưa thay đổi Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng (tiếp theo) Giai đoạn kết tinh lại - Xảy ra ở nhiệt độ T > Tktl - Xuất hiện các mầm mới không chứa sai lệch do biến dạng và thường xuất hiện tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất (mặt trượt, biên hạt) biến dạng dẻo càng mạnh  số lượng tâm mầm càng nhiều  hạt cạng nhỏ mịn - Sự phát triển hạt hoàn toàn giống với quá trình kết tinh của KL lỏng - Sau kết tinh: cơ tính trở về trạng thái trước khi biến dạng dẻo Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại Nhiệt độ kết tinh lại Tktl: Tktl = a.TS a. hệ số phụ thuộc độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt Thông thường: khi mức độ biến dạng > 40-50%, thời gian giữ nhiệt khi nung là 1h thì a có thể được xác định như sau a = 0,4 với kim loại nguyên chất kỹ thuật a = 0,2-0,3 với kim loại hầu như nguyên chất a = 0,5-0,8 với các dung dịch rắn Tổ chức hạt nhận được sau kết tinh lại Hạt sau KTL thì có dạng đa cạnh, đẳng trục Kích thước hạt phụ thuộc: - Mức độ biến dạng - Nhiệt độ ủ - Thời gian giữ nhiệt  Tính chất vật liệu sau kết tinh lại: - Độ bền, độ cứng giảm - Độ dẻo, độ dai tăng Kết tinh lại lần 2:  không mong muốn Biến dạng nóng Thế nào là biến dạng nóng?  Là biến dạng dẻo ở trên nhiệt độ kết tinh lại T ~ (0,7-0,75)Ts Các quá trình xảy ra: - Biến dạng dẻo gây hoá bền vật liệu - Xảy ra quá trình kết tinh lại  Tính chất sau biến dạng nóng phụ thuộc vào quá trình nào mạnh hơn Ưu điểm: - Phôi được nung nóng  mềm  lực tác dụng nhỏ - Bít được các rỗ khí nếu có - Quá trình hợp lý, sau biến dạng dẻo, phôi có thể đem gia công cơ Nhược điểm: - Khó khống chế nhiệt độ đồng đều trên phôi  khó đồng nhất về tổ chức, cơ tính - Khó khống chế chính xác hình dạng, kích thước chi tiết - Chất lượng bề mặt không cao do dễ bị oxy hoá bề mặt Biến dạng nóng (tiếp theo)