TIỂU LUẬN NHIỆT ĐỘ VÀ TỐC ĐỘ BIẾN DẠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TIỂU LUẬN NHÓM Đề bài: NHIỆT ĐỘ VÀ TỐC ĐỘ BIẾN DẠNG •••• HVTH : NGUYỄN NGHĨA DANH MSHV : 1970225 Trở lực biến dạng Trở lực biến dạng đại lượng đánh giá thuộc tính chịu lực vật liệu, đại lượng dùng để xác định lực cần thiết để vật liệu biến dạng Tuỳ theo điều kiện biến dạng, trở lực biến dạng tỷ lệ thuận với giới hạn chảy giới hạn bền vật liệu Trở lực biến dạng khơng hồn tồn đồng với tính dẻo vật liệu Trong trạng thái điều kiện biến dạng định, trở lực biến dạng tỷ lệ thuận với tính dẻo vật liệu Trở lực biến dạng xác định áp lực đơn vị vật liệu tác dụng lên dụng cụ gia công Trở lực biến dạng xác định áp lực đơn vị P=PTBF PTB = nơ s đó: PTB - áp lực đơn vị trung bình lên dụng cụ; n = nv nbc n nơ hệ số xét ảnh hưởng trạng thái ứng suất, hệ số ảnh hưởng lớn đến áp lực đơn vị, thường khoảng 0,7- 0,8; nv hệ số xét ảnh hưởng tốc độ biến dạng; nbc hệ số xét ảnh hưởng biến cứng; s giới hạn chảy 1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính dẻo trở lực biến dạng Trở lực biến dạng giá trị áp lực đơn vị gây biến dạng dẻo điều kiện nhiệt độ tốc độ biến dạng định Trong biến dạng kéo đơn, trở lực biến dạng giới hạn chảy Tăng nhiệt độ, tính vật liệu thay đổi Trở lực biến dạng (độ bền vật liệu) giảm, tính dẻo vật liệu (độ dãn dài tỷ đơi) tăng Khi nhiệt đạt 1000 ° C giới hạn bền vật liệu giảm 10 lần Hình 1: Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính dẻo thép Quan hệ giá trị giới hạn chảy nhiệt độ bịều điện bảng công thức sau: Pt 1=Pt e*{t 1-t 2) Trong đó: Pt1 - giá trị giới hạn chảy nhiệt độ t1 Pt2 - giá trị giới hạn chảy nhiệt độ t2 a - hệ số nhiệt độ, số vật liệu nghiên cứu, khoảng nhiệt độ khơng có biến đổi hố lý Nói chung, nhiệt độ tăng, tính dẻo thép tăng trở lực biến dạng giảm Đối với sắt có vùng tính dẻo thấp, nhiệt độ tăng: - Khi t < 200 °C kim loại dòn, độ dai va đập nhỏ Đối với vật liệu làm việc nhiệt độ thấp cần xác định vùng chuyển biến dòn - Khi t = 300 - 400 °C vùng dồn xanh, kim loại tiết FesO; - Khi t= 800 - 950 °C vùng dàn nóng, thép bon , có chuyển biến pha , - > p Peclit chuyển thành Ostenit, hai pha có tính dẻo khác , làm biến a dạng khơng tính dẻo giảm; đồng thời có ảnh hưởng lưu huỳnh S, tạo hợp chất MnS2, làm giảm độ bón phân giới hạt tạo thành vùng dịn nóng - Khi t > 1250°C vùng nhiệt, nung, tính dẻo giảm Các vùng có tính dẻo tốt vùng nhiệt độ 100 ~ 200 °C, tăng động nguyên tử kim loại Vùng thứ 700~800 °C, có tác dụng kết tinh lại khuyếch tán làm tăng tính dẻo, vùng thứ 950~1250 °C, kim loại năm vùng pha, có tính dẻo tốt Khi tăng nhiệt độ, động nhiệt phân tử tăng tăng tính dẻo phản giới hạt, nơi có nhiều tạp chất, tính ổn định nhiệt chúng hạt tinh thể Nên phân biến dạng phân giới hạt tăng Mặt khác gia công nhiệt độ cao, vết nứt tế gắn kết, việc hình thành vết nứt chậm lại, tính dẻo tăng cản lực biến dạng nhỏ Nói chung nhiệt độ gia cơng nhiệt độ kết tình lại, vật liệu có tính dẻo tốt Tính dẻo thép khác thể khác Trong gia cơng áp lực, xác định biểu đồ tinh dẻo vật liệu theo nhiệt độ Từ xác định độ biến dạng cán thiết tùy theo nhiệt độ vật rèn Trong Hình ta thấy: - Đường I biểu diễn đường dẻo loại thép hợp kim Khi nhiệt độ tầng, tính dẻo tăng, đến nhiệt độ 1250 °C, tính dẻo giảm - Đường II biểu diễn tính dẻo thép khơng gỉ, nhiệt độ tăng làm tính dẻo kim loại hợp kim giảm - Đường III, nhiệt độ tăng đến 1000 °C tính dẻo tàng, sau tính dẻo giảm - Đường IV, nhiệt độ trung gian 1000 °C tính dẻo giảm, sau tăng nhiệt độ tính dẻo tàng, điển hình sát ngun chất - Đường V, nhiệt độ tăng, tính dẻo khơng thay đổi, đến nhiệt độ 1250 °C tỉnh dẻo giảm hẳn, thép hợp kim chất lượng cao thếp ổ bi có dạng Nhiều loại kim loại hợp kim gia cơng áp lực nhiệt độ cao, dễ hình thành lớp vảy ơxyt, làm giảm kích thước chất lượng bề mặt sản phẩm Vì vậy, với chi tiết nhỏ mỏng, phải tiến hành gia công nhiệt độ thấp Một Sổ chi tiết cần có độ bền bề mặt, gia cơng nhiệt độ cao dễ gây cacbon Trong trường hợp gia cơng nguội nửa nóng Nếu phải gia cơng nhiệt độ cao cấn nhung khí bảo vệ nung nhanh Như vậy, biến dạng dẻo nhiệt độ cao đòi hỏi áp lực đơn vị nhỏ hơn, cho độ biến dạng lớn 1200 ửc 1000 Nhiịtdộ Hình 2: Quan hệ tính dẻo nhiệt độ số vật liệu 1.2 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng Trong gia công áp lực, tuỳ dạng công nghệ thiết bị, kim loại biến dạng với tốc độ khác nhau: Gia công loại máy ép với tốc độ dụng cụ 0,1-0,5m/s; gia công máy búa với tốc độ 5-10m/s; máy bủa tốc độ cao 20-30m/s; gia công lượng nổ, lượng xung điện t, tốc độ gia công cao Chính cần nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến tính dẻo trở lực biến dạng vật liệu Tốc độ biến dạng kim loại tăng, trở lực biến dạng tăng tính dẻo giảm Tốc độ biến dạng làm giảm tính dẻo nhiều vật liệu thép biến thể, thép hợp kim cao hợp kim đồng Các hợp kim nhôm, thép kết cấu cacbo kết cấu hợp kim nhạy cảm với tốc độ biến dạng Đối với vật liệu có tính dẻo lớn, gia cơng trạng thái nóng với bất kỹ giải tốc độ biến dạng Ảnh hưởng tốc độ biến dạng giacơng nguội gia cong nóng Phạm vi tốc độ thấp có ảnh hưởng mạnh phạm vi tốc độ cao Tốc độ biến dạng tăng, phần lượng chuyển thành nhiệt làm tăng nhiệt độ vật liệu làm tính dẻo tăng Như vậy, hiệu ứng tốc độ biển dạng phụ thuộc điều kiện biến dạng Nếu tốc độ biến dạng gây tốc độ biến nhanh tốc độ khử biến cứng, chúng làm giảm tính dẻo Ngược lại, tác dụng hiệu ứng nhiệt làm nhiệt độ tăng, khiến nhiệt độ kim loại rơi vào vùng dòn, làm kim loại giảm tính dẻo Hình 3: Quan hệ giới hạn bền giới hạn chảy với tốc độ biến dạng Nếu biến dạng, hiệu ứng tốc độ làm tăng dẻo nhanh biển cứng, làm cho trợ lực điện dụng giảm Nếu tăng tốc độ biến dạng, hiệu ứng nhiệt làm vật liệu năm vùng địn chuyển sang vùng dẻo, kim loại tăng tính dẻo Hiệu ứng nhiệt tác dụng gia công nhiệt độ cao, tăng nhiệt độ, giới hạn chảy vật liệu giảm, giảm lượng cần cho biến dạng Khi gia công nhiệt độ nhiệt độ kết tinh lại, kim loại bị biến cứng khơng có q trình khử biến cứng Giới hạn chảy tăng, ảnh hưởng tốc độ biến dạng ít,ngược lại điều kiện gia công nguội với tốc độ cao, ảnh hưởng tốc độ biến dạng tăng, xuất hiện tượng hồi phục, làm giảm trở lực biến dạng, tỉnh dẻo tăng Khi gia công nhiệt độ nhiệt độ kết tinh lại, tốc độ biến dạng tăng, tốc độ kết tinh lại giảm, ứng suất chảy lớn tỉnh dẻo nhỏ Tác dụng hiệu ứng nhiệt thay đổi tốc độ biến dạng thấy rõ vùng gần dẻo dịn Thí dụ: L59 có tính dẻo thấp nhiệt độ 600- 700 °C, hiệu ứng nhiệt làm nhiệt độ tăng rơi vào vùng nhiệt độ 700- 800 °C, vật liệu có tính dẻo tốt Như vậy, vùng giáp ranh, cần thay đổi nhiệt độ 40-50 °C, vật liệu chuyển từ trạng thái có tính dẻo cao thành vật liệu có tính dẻo thấp ngược lại Gia công sắt kỹ thuật nhiệt độ gần 825 °C với tốc độ cao, chuyển chúng sang vùng dòn phạm vi nhiệt độ 825-1000 °C Thép nhiệt độ nung thấp hợp kim từ rèn phạm vi nhiệt độ thường có tốc độ kết tinh lại chậm, nên tăng tốc độ biến dạng thay đổi đặc trưng biển dạng: từ biến dạng nóng thành biến dạng nửa nóng, từ làm giảm tính dẻo tăng giới hạn chảy Ảnh hướng tốc độ biến dạng phụ thuộc vào vật liệu Hệ số động tính bảng giới hạn chảy tốc độ biến dạng cao giới hạn chảy biến dạng tĩnh số vật liệu: s =ơ so+ fc n ln ệ- Trong đó: ơs, ơso - ứng suất chảy tương ứng với tốc độ biến dạng é & Ẽ0 ; n - xác định thực nghiệm Thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti tốc độ gia công tăng đến 4,8 m/s giới hạn bền tăng 17,5%, giới hạn chảy tăng đến lần Đối với thép 40Cr tốc độ biến dạng tăng đến 146c1 (tốc độ gia công 4,4 m/s), trạng thái ủ, giới hạn bền tăng 22%, giới hạn chảy tăng 35% Hình Biên d^Dg , % Hình Ảnh hưởng tốc độ gia cơng (biến dạng) đến tính chất học thép C Trong thực tế tính tốn tốc độ ảnh hưởng biến dạng đến trở lực biến dạng, dùng hệ số tốc độ ực, Gupkin đưa số liệu sau: Tỷ lệ tốc độ biến dạng Nhiệt độ biến dạng £2 T/Tnc=0.3~0.5 T/Tnc=0.5~0.7 • £ T/Tnc>0 10 1.05~1.10 1.10~1.1 1.15~1.30 1.30~1.50 100 1.10~1.22 1.22~1.32 1.32~1.70 1.70~2.25 1000 1.16~1.34 1.34~1.52 1.52~2.20 2.20~3.4 ẻ Từ 1.10 11/s đến tốc 1.10~1.25 1.25~1.75 1.75~2.50 2.50~3.50 độ va đập *Ghi chú: T Tnc Nhiệt độ gia cơng nhiệt độ nóng chảy vật liệu tính nhiệt độ tuyệt đối Ảnh hưởng tốc độ biến dạng đến tính dẻo nghiên cứu ứng dụng gia công áp lực tốc độ cao nghiên cứu phá hủy vật liệu tác dụng xung nổ Theo kết thí nghiệm, tác dụng tốc độ biến dạng làm giảm tính dẻo vật liệu Mỗi vật liệu có tốc độ biến dạng giới hạn, thép khoảng 50- 100 m/s, nhôm - 11 m/s Nhiệt độ Ở nhiệt độ cao, tốc độ làm cứng biến dạng giảm nhanh hầu hết kim loại với gia tăng nhiệt độ, Hình 5.20 Ứng suất dịng chảy độ bền kéo, đo mức biến dạng tốc độ biến dạng không đổi, giảm nhiệt độ tăng Hình 5: Giảm số mũ làm cứng biến dạng, n, nhôm nguyên chất với nhiệt độ Số mũ n T/TM Hình 6: Giảm độ bền kéo đồng nguyên chất, bạc nhôm với nhiệt độ tương đồng 10 Tương tự, bề mặt cong hình trụ mỏng làm nguội trình biến dạng khuôn lõm dụng cụ, diện tích bề mặt cong hình trụ tiếp xúcvới dụng cụ khn Vì vậy, tham số, L; tỷ số thể tích với diện tích bề mặt cong hình trụ cho L_ V _ n (radiusị2 X length _ radiusof cylinder A n radius X length , tức L bán kính hình trụ Do đó, cộng độ tăng nhiệt biến dạng dẻo (10.3) ma sát (10.7) với nhiệt độ chi tiết gia công truyền nhiệt chi tiết gia công dụng cụ khn (10.12), nhiệt độ trung bình cuối cùng, T, chi tiết gia công thời điểm t = tn cho T_MD +MF+Tn_ p°mĩ + ỵPAvkt PCsp.heat + [Td+(T 0-Td VpC sp.heat ị ị exp '’'L ] PCsp heat Tốc độ biến dạng Tốc độ biến dạng tính đạo hàm tốc độ chuyển vị theo tọa độ tương ứng đạo hàm tốc độ biến dạng theo thời gian Cần phân biệt tốc độ biến dạng với tốc độ chuyển vị (hay tốc độ chuyển động dụng cụ biến dạng), tốc độ chất điểm trình biến dạng Tốc độ chuyển vị giới hạn số gia chuyển vị số gia thời gian số gia tiến đến không Theo phương tác dụng dụng cụ, chuyển vị đầu dụng cụ chuyển vị chất điểm mặt tiếp xúc Ta xác định trường tốc độ chuyển vị, từ ta xác định đường dịng chuyển vị chất điểm Tốc độ biến dạng xác định đạo hàm biến dạng & theo thời gian Thứ nguyên tốc độ chuyển vị m/s (mm/s), thử nguyên tốc độ biến dạng 1/s (s1) Các thành phần tốc độ biến dạng biểu diễn tenxơ tốc độ biến dạng 23 êx Tè= 1, 2xz Ỹ ẻ z Khi biến dạng dẻo, thể tích vật thể biếnd ạng không đổi, tenxơ tốc độ biến dạng tenxơ lệch, tổng tốc độ biến dạng theo hướng không ẻ x +ẻ y + ẻz =0 Ta tìm trục tốc độ biến dạng có tốc độ biến dạng đường, khơng có biến dạng trượt; tốc độ biến dạng trượt y I2 ,ỵ 23 ,Y 31 , tốc độ biến dạng mặt ý0; cường độ tốc độ biến dạng trượt Ỷ i, cường độ tốc độ biến dạng ẻ i 3.1 Hiệu ứng tốc độ biến dạng Các tác động việc tăng tốc độ biến dạng vận tốc biến dạng trình làm việc sau: • Để tăng ứng suất chảy chi tiết gia cơng tải trọng biến dạng • Để giảm độ dẻo chi tiết gia công • Để tăng nhiệt độ chi tiết gia công gia nhiệt đoạn nhiệt • Để cải thiện khả bôi trơn giao diện công việc, miễn trì màng bơi trơn • Gây nóng chất bôi trơn chất lỏng dẫn đến giảm độ nhớt, làm giảm độ dày màng ép khỏi chất bôi trơn từ giao diện chi tiết gia cơng - dụng cụ tăng ma sát bề mặt • Để giảm hệ số ma sát trượt chế độ trượt tốc độ cao (Williams Griffen 1964; Earles Powell 1966/67; Kadhim Earles 1966/67; Ettles 1986), • Làm cho nhiều kim loại khó tạo hình bị biến dạng hợp kim titan vonfram 24 Người ta thấy tốc độ biến dạng tăng nhiệt độ giảm làm tăng ứng suất chảy chi tiết gia công tải trọng biến dạng, tải trọng cần thiết để thực biến dạng giảm thiểu cách chọn giá trị chúng Tải trọng biến dạng nhỏ cơng suất u cầu thiết bị cần thiết cho biến dạng nhỏ rẻ Trong rèn khuôn hở chi tiết gia cơng hình trụ bị nén hai khuôn phẳng, tốc độ biến dạng thực, ẻ; thường định nghĩa dedh / h dh / dt_v £=—-=" =-=4dt dt h h Trong đó: h chiều cao tức thời chi tiết gia công, v vận tốc biến dạng h độ giảm chiều cao chi tiết gia công khoảng thời gian d/ d Vì nhiều q trình làm việc khn hội tụ sử dụng để làm biến dạng chi tiết gia cơng khe hở khn, h thay đổi theo khoảng cách x, dọc theo trục dọc chi tiết gia công, nên xác định khoảng cách tốc độ biến dạng trung bình £; sau: L = chiều dài vùng biến dạng, tức chiều dài tiếp xúc chi tiết gia công dụng cụ Đánh giá tốc độ biến dạng trung bình mặt thời gian chấp nhận Nếu thời gian di chuyển chi tiết gia công qua khuôn tn tốc độ biến dạng trung bình theo thời gian £t; đưa 25 Các giá trị điển hình vận tốc biến dạng tốc độ biến dạng gặp phải hoạt động thử nghiệm tạo hình khác liệt kê Bảng Cần lưu ý từ Bảng vận tốc đầu cắt máy thử độ bền kéo tiêu chuẩn thấp đáng kể sovới vận tốc biến dạng hầu hết thiết bị tạo hình thương mại Các vận tốc biến dạng hoạt động làm việc tạo tốc độ biến dạng cao, biến dạng tập trung thành vùng hẹp Ví dụ, tốc độ biến dạng lớn 10 s đạt q trình kéo dây mỏng với vận tốc 40 m s - Bảng 1: Các giá trị điển hình vận tốc tốc độ biến dạng cho hoạt động thử nghiệm định hình khác (Dieter 1988) Operation Tension test Superplastic forming Mechanical press Hydraulic forging press Charpy impact test Forging hammer and rolling Wire drawing Velocity (m s-1) x 10- x 10 x 10-7- x 10-4 0.06 - 1.5 0.06 - 0.3 3-6 - 10 10 - 40 Strain rate (s-1) 10-5- 10-1 Less than 10-2 0.5 - 500 10-2- 10-4 10-2- 10-4 102 - x 105 Từ Bảng 1, thấy tốn hạng hình thành hai cực phổ tốc độ biến dạng hình thành tốc độ lượng cao (HERF) hình thành siêu dẻo Trong HERF, tên cho thấy, việc phân phối lượng biến dạng xảy với tốc độ nhanh nhiều so với hoạt động tạo hình thơng thường Q trình HERF cịn gọi q trình tạo hình tốc độ cao, rèn, đùn, tạo tấm, v.v., thực trình với vận tốc hình thành cao tới 200 m s -1, trái ngược với vận tốc tạo hình tối đa 40 m s -1, có vẽ dây Năng lượng trình sử dụng để tạo vận tốc hạt cao không giống cách làm thông thường Đối với nhiều vật liệu, độ dẻo, đo biến dạng kỹ thuật đến đứt gãy, tăng với tốc độ biến dạng vượt phạm vi làm việc thông thường tốc độ biến dạng đạt đến giá trị tới hạn độ dẻo giảm mạnh 26 Mặt khác, q trình tạo hình siêu dẻo phải thực nhiệt độ 0,4 T m; (trong Tm điểm nóng chảy vật liệu siêu dẻo tính Kelvin) thường tốc độ biến dạng 0,01 s’1 Đây tốc độ biến dạng giới hạn mà khơng có q trình tạo siêu dẻo thực tốc độ tạo siêu dẻo thực phạm vi tốc độ biến dạng Nói chung, vật liệu trải qua trình tạo hình siêu dẻo phải có kích thước hạt mịn từ 1-3 pm khơng phéptăng lên kết tinh lại, nhiệt độ tạo hình đủ để kết tinh lại Chính lý này, cấu trúc hai pha, chủ yếu chế phẩm eutectic eutectoid, yêu cầu cho trình tạo siêu dẻo, số kim loại pha có kích thước hạt mịn thể tính chất siêu dẻo (Johnson 1970) Một đặc tính quan trọng vật liệu siêu dẻo có giá trị độ nhạy tốc độ biến dạng cao m (0,3