bài giảng môn Vật liệu học

bài giảng bộ môn vật liệu học , dành cho sinh viên khối kĩ thuật

1

MỤC LỤC

mở đầu 4

Chương 1 cấu trúc tinh thể vμ sự hình thμnh 6

1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 6

1.1.1 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 6

1.2 Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 8

1.2.1 Chất rắn tinh thể 8

1.2.2 Chất rắn vô định hình và vi tinh thể 8

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể 9

1.3.1 Tính đối xứng 9

1.3.2 Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt 9

1.3.3 Mật độ nguyên tử 11

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 12

1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) 12

1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 14

1.5 Sai lệch mạng tinh thể 16

1.5.1 Sai lệch điểm 17

1.5.2 Sai lệch đường - Lệch 17

1.5.3 Sai lệch mặt 18

1.6 Đơn tinh thể và đa tinh thể 18

1.6.1 Đơn tinh thể 18

1.6.2 Đa tinh thể 18

1.7 Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại 20

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh 20

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh 21

1.7.3 Sự hình thành hạt 21

1.7.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc 22

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 23

CHƯƠNG 2: BIếN DạNG DẻO Vμ CƠ TíNH 25

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy 25

2.1.1 Khái niệm 25

2.1.2 Trượt đơn tinh thể 27

2.1.3 Trượt đa tinh thể 29

2.1.4 Phá hủy 31

2.2 Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa 33

2.2.1 Độ bền (tĩnh) 33

2.2.2 Độ dẻo 36

2.2.3 Độ dai va đập 36

2.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng: 38

2.2.5 Độ cứng 38

2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 40

2.3.1 Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo 40

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng 40

2.3.3 Biến dạng nóng 42

CHươNG 3 Hợp kim vμ giản đồ pha 44

3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim 44

3.1.1 Khái niệm về hợp kim 44

3.1.2 Dung dịch rắn 46

3.1.3 Pha trung gian 48

3.2 Giản đồ pha của hệ hai cấu tử 49

3.2.1 Giản đồ pha và công dụng 49

3.2.2 Giản đồ loại I 51

3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) 53

3.3.1 Tương tác giữa Fe và C 53

3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3C 54

3.3.3 Phân loại 59

CHƯƠNG 4 NHIệT LUYệN THéP 62

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép 62

4.1.1 Sơ lược về nhiệt luyện 62

3.1.2 Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 63

4.2 Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép 63

4.2.1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 64

4.2.2 Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt 66

4.2.3 Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm 66

4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) 72

4.3 ủ và thường hóa thép 73

4.3.1 ủ thép 73

4.3.2 Thường hóa thép 76

4.4 Tôi thép 77

4.4.1 Định nghĩa và mục đích 77

4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép 77

4.4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 78

4.4.4 Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Các môi trường tôi (tôi thể tích) 79 4.5 Ram thép 82

4.5.1 Mục đích và định nghĩa 82

4.5.2 Các phương pháp ram 82

4.6 Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép 83

4.7 Tôi bề mặt: 84

4.7.1 Tôi cảm ứng: 84

CHươNG 5: thép vμ gang 88

5.1 Khái niệm chung về thép: 88

3

5.1.1 Khái niệm về thép C: 88

5.1.2 Thép hợp kim: 91

5.1.3 Thép kết cấu: 94

5.2 Thép dụng cụ và đặc biệt: 97

5.2.1 Thép dụng cụ: 97

5.2.2 Thép đặc biệt: 101

5.3 Gang: 103

5.3.1.Gang xám: 103

5.3 2 Gang cầu: 104

5.3.3 Gang dẻo: 105

Chương 6 Hợp kim mμu 106

Kim loại đen Fe & HK Fe-C 106

6.1 Hợp kim nhôm: 106

6.1.1 Nhôm nguyên chất: 106

6.1.2 Hợp kim nhôm biến dạng : (hoá bền bằng NL) 107

6.1.3 Hợp kim nhôm đúc: HK trên cơ sở Al-Si  Silumin 108

6.2 Hợp kim đồng: 108

6.2.1 Đồng nguyên chất : 108

6.2.2 Latông: Hợp kim Cu- Zn ( chủ yếu) 108

6.2.3 Brông: 109

6.3 Hợp kim bột: 110

6.3.1 Khái niệm chung: 110

6.3.2 Vật liệu cắt và mài: 110

Chương 7 Vật liệu phi kim7.1 Vật liệu vô cơ: 111

7.1.2 Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh: 114

7.1.3 Gốm và vật liệu chịu lửa: 115

7.1.4 Bêtông và ximăng: 117

7.2 Vật liệu kết hợp ( composit) 118

7.2.1 Khái niệm: 118

7.2.2 Liên kết nền- cốt: 119

7.2.3 Composit cốt hạt: 119

7.2.4 Composit cốt sợi: 121

7.3.5 Một số composit thông dụng: 124

mở đầu

1 Khái niệm về vật liệu

Vật liệu  những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây

dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật

Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học

Khoa học Vật liệu : nghiên cứu quan hệ cấu trúc và tính chất

Kỹ thuât Vật liệu : thiết kế ( tạo ra) những cấu trúc mới  đạt được các tính chất mong

- có ánh kim, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng

- dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép),

- bền cơ học, nhưng kém bền hóa học

5

Ceramic (vật liệu vô cơ): có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit,

cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh

Các tính chất điển hình là:

- dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện),

- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao

- bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ

Polyme (vật liệu hữu cơ): có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và

các á kim, có cấu trúc đại phân tử

Các tính chất điển hình của :

- rẻ và khá rẻ,

- dẫn nhiệt, dẫn điện kém,

- khối lượng riêng nhỏ,

- nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,

- bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển;

- nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp

 Compozit: tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc

tính tốt của các vật liệu thành phần

Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Ngoài ra có những nhóm trung gian:

- bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao (nằm trung gian giữa kim loại và ceramic )

- silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ ( gần với vật liệu hữu cơ)

2 Vai trò của vật liệu

 Cần thiết trong mọi lĩnh vực của cuộc sống:

- Điện ( pin, pin mặt trời….)

- Điện tử viễn thông: cáp quang, bảng mạch, vi mạch…

- Môi trường: chất xử lý nước thải, chất làm trong sạch môi trường

- Sinh học và CN sinh học: chất tăng trưởng, chất thay thế trong cơ thể con người…

- Chế tạo các chi tiết máy

- Dụng cụ thể thao…

- Nghiên cứu quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là

nội dung cơ bản của toàn bộ môn học

- Cấu trúc : sự sắp xếp của các thành phần bên trong

Cấu trúc vĩ mô và vi mô

Cấu trúc vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn

với kích thước quan sát được bằng mắt thường (giới hạn khoảng 0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm)

Cấu trúc vi mô (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử với kích

thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học (phân ly được tới giới hạn cỡ 0,15m) hay kính hiển vi điện tử (cỡ chục nanômet (10nm)

Thường gặp : tổ chức tế vi quang học cho phép

- Cấu trúc và cơ tính: trình bày các nguyên lý chung về mối quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính

cho vật liệu nói chung, nhấn mạnh hơn cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy

- Hợp kim và biến đổi tổ chức: trình bày các tổ chức của hợp kim cũng như các biến đổi pha

và tổ chức dạng điển hình và quan trọng nhất, thiết thực nhất là nhiệt luyện thép

- Vật liệu kim loại: trình bày tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, chế độ nhiệt luyện và công

dụng của các mác thép, gang, hợp kim màu và bột

- Vật liệu phi kim loại: trình bày cấu trúc, thành phần hóa học, cơ tính, các phương pháp tạo

hình và công dụng của ceramic, polyme và compozit

Cần nhấn mạnh là sử dụng hợp lý vật liệu là một trong những mục tiêu quan trọng hàng đầu của môn học, không thể tách rời tiêu chuẩn hóa cũng như các phương pháp kiểm tra, đánh giá Một trong các yêu cầu đề ra là người học phải đạt được khả năng xác định được mác hay ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam và các nước công nghiệp phát triển

Chương 1 cấu trúc tinh thể vμ sự hình thμnh 1.1 Cấu tạo vμ liên kết nguyên tử

1.1.1 Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn

Sơ đồ biểu diễn liên kết liên kết kim loại ion trong phân tử LiF

Đặc điểm :

- liên kết ion càng mạnh khi các nguyên tử càng chứa ít điện tử, tức các điện tử cho và nhận nằm càng gần hạt nhân

- liên kết ion là loại không định hướng

- đặc điểm quan trọng của liên kết ion là thể hiện tính giòn cao

c Liên kết kim loại

- Là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất rất đặc trưng của loại vật liệu này

- Các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do "chung"

- Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion dương và điện tử tự do bao quanh)

và lực đẩy (giữa các ion dương)  ion kim loại luôn luôn có vị trí cân bằng xác định trong đám mây

điện tử

- Liên kết kim loại thường được tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có ít điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử nào)

VD: Các nguyên tố nhóm IA có tính kim loại điển hình, càng dịch sang bên phải tính chất kim loại càng giảm, tính đồng hóa trị trong liên kết càng tăng

Cần nhấn mạnh : liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển hình, rất đặc trưng và được gọi là

tính kim loại

d Liên kết hỗn hợp

- Thực tế các liên kết trong các chất, vật liệu thông dụng không mang tính chất thuần túy của một loại duy nhất nào, mà mang tính hỗn hợp của nhiều loại

Ví dụ : liên kết đồng hóa trị chỉ có được trong liên kết đồng cực (giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố)

Do nhiều yếu tố khác nhau trong đó có tính âm điện (khả năng hút điện tử của hạt nhân) mà các liên kết dị cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau) đều mang đặc tính hỗn hợp giữa liên kết ion và đồng hóa trị

Na và Cl có tính âm điện lần lượt là 0,9 và 3,0, Vì thế liên kết giữa Na và Cl trong NaCl gồm khảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị

e Liên kết yếu (Van der Waals)

- Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên tử  trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhaungẫu cực điện được tạo thành và phân

- Trong chất rắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định không những với các nguyên tử

bên cạnh hay ở gần - trật tự gần, mà còn cả với các nguyên tử khác bất kỳ xa hơn - trật tự xa

Như vậy chất rắn tinh thể có cả trật tự gần lẫn trật tự xa (trong khi đó chất khí hoàn toàn không có trật tự, tức không có cả trật tự gần lẫn trật tự xa)

1.2.2 Chất rắn vô định hình và vi tinh thể

a Chất rắn vô định hình

ở một số chất, trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh hoạt để sắp xếp lại

theo chuyển pha lỏng - rắn; chất rắn tạo thành không có cấu trúc tinh thể và được gọi là chất rắn vô

9

Cũng với vật liệu tinh thể kể trên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (trên dưới 10000 C /s)

sẽ nhận được cấu trúc tinh thể với kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vật liệu có tên gọi là vi tinh

thể (còn gọi là finemet hay nanomet)

1.3 Khái niệm về mạng tinh thể

Trong số các loại vật liệu, loại có cấu trúc tinh thể chiếm tỷ lệ lớn và thường mang các tính chất rất

đa dạng phụ thuộc vào kiểu sắp xếp nguyên tử

+ tâm đối xứng: bằng phép nghịch đảo qua tâm chúng trùng lại nhau;

+trục đối xứng: các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trục một góc , số nguyên n = 2/  được gọi là bậc của trục đối xứng, chỉ tồn tại các n = 1, 2, 3, 4, 6;

+ mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gương qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng lặp lại

1.3.2 Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt

a Ô cơ sở

- Định nghĩa: Phần thể tích nhỏ nhất, có cách sắp xếp các nguyên tử đại diện cho mạng tinh thể với

các đặc trưng hình học của mạng

- khi trình bày các kiểu mạng tinh thể ta chỉ biểu diễn bằng một ô cơ sở

- Do tính đối xứng, từ một ô cơ sở tịnh tiến theo ba chiều đo trong không gian sẽ được mạng tinh thể

- Ô cơ sở được xây dựng trên ba vectơ đơn vị a, b, c , đặt trên ba trục của hệ trục Ox, Oy, Oz

- Môđun của ba vectơ đó a, b, c là kích thước của ô cơ sở còn gọi hằng số mạng (hay thông số

mạng), đặc trưng cho từng nguyên tố hóa học hay đơn chất

- Các góc , ,  hợp bởi các vectơ đơn vị

- Tùy thuộc vào tương quan giữa các cạnh và góc của ô cơ sở có bảy hệ tinh thể khác nhau là:

tam tà (ba nghiêng) a  b  c     

đơn tà (một nghiêng) a  b  c  =  = 90o  

- là vị trí cân bằng của các ion mà nó dao động xung quanh

- Nút mạng tương ứng với các tọa độ lần lượt trên các trục tọa độ Ox, Oy, Oz đã chọn được đặt trong dấu móc vuông [ x,x,x ] , giá trị âm biểu thị bằng dấu " - " trên chỉ số tương ứng

c Chỉ số phương

- Phương là đường thẳng đi qua 2 nút mạng, ký hiệu [u v w ]

- Do tính đối xứng trong sắp xếp nguyên tử mà các phương song song với nhau có tính chất hoàn

toàn như nhau  có cùng một chỉ số phương với phương đi qua gốc tọa độ O

 chỉ số phương là ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút mạng nằm trên phương đó song gần gốc tọa độ nhất

d Chỉ số Miller của mặt tinh thể

- Mặt tinh thể là mặt phẳng được tạo nên bởi các (ít nhất là ba) nút mạng

- Có thể coi mạng tinh thể như gồm bởi các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song với nhau và cách

đều nhau

- Các mặt tinh thể song song với nhau  có tính chất hoàn toàn giống nhau  có cùng một ký hiệu

- Ký hiệu mặt : chỉ số Miller (h k l)

Xác định theo các bước như sau:

- tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz,

- xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểmlấy các giá trị nghịch đảo

- quy đồng mẫu số chungcác giá trị của tử số các chỉ số h, k, l tương ứng cần tìm

11

VD: Xác định chỉ số mặt tinh thể

Chú ý : không cho phép xác định các mặt đi qua gốc tọa độ

Các mặt tuy không song song với nhau nhưng có các chỉ số (giá trị tuyệt đối) h, k, l giống nhau họ mặt h k l

Ví dụ: họ 100 gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001)

e Chỉ số Miller - Bravais trong hệ sáu phương

- Với hệ sáu phương (lục giác) không dùng được chỉ số Miller với hệ có ba trục tọa độdùng chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz, trong đó ba trục đầu tiên nằm trên cùng một mặt phẳng đáy của ô ( goc giưa chúng là 1200)

-Chỉ số Miller - Bravais được ký hiệu bằng (h k i l)

trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) i = - ( h + k )

VD: So sánh hai chỉ số hệ Miller ( hệ 3 phương) và Miller – Bravais (hệ sáu phương)

mặt chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais

a Mật độ xếp

- Mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử được đánh giá chủ yếu qua mật độ xếp Mật độ xếp theo phương (chiều dài) Ml, theo mặt Ms hay trong mạng Mv được xác định theo các công thức:

Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V trong đó: - l, s, v lần lượt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ,

- L, S, V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích đem xét

- Hình dạng, kích thước lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc (kiểu) mạng

- Kích thước của lỗ hổng đóng vai trò quyết định cho phép các nguyên tử khác loại hòa trộn vào, đặc biệt là á kim vào kim loại

- Có 2 loại : lỗ hổng khối 4 mặt và 8 mặt

1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất)

Đặc tính cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn

giản (lập phương tâm mặt, lập phương tâm khối, sáu phương xếp chặt) và các liên kết ngắn,

mạnhTrong kim loại thường không gặp các kiểu mạng không xếp chặt như lập phương đơn giản

a Lập phương tâm khối A2

- Thường gặp ở các KL như Fe, Cr, Mo, W…

- Ô cơ sở là hình lập phương, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh của ô lập phương và tâm khối

- Các mặt xếp chặt là họ {110}

- Mv : 68%  32% là lỗ trống

- Lỗ hổng:

Loại tám mặt có kích thước bằng 0,154 dng.t nằm ở tâm các mặt bên và giữa các cạnh a

13

Loại bốn mặt có kích thước lớn hơn một chút, bằng 0,291 dng.t nằm ở

4

1 trên cạnh nối điểm giữa các cạnh đối diện của các mặt bên

 mạng A2 có nhiều lỗ hổng nhưng kích thước đều nhỏ (max = 30% kích thước nguyên tử)

Loại lỗ hổng hình tám mặt, ( kích thước lớn nhất), bằng 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a

So sánh mạng A2, mạng A1 tuy dày đặc hơn song số lượng lỗ hổng lại ít hơn kích thước lỗ hổng lớn

 quyết định cho sự hòa tan

- Điển hình là Fe, Ni, Al, Cu…

c Sáu phương xếp chặt A3

- Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là : Ti; Mg; Zn

- Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (gồm sáu lăng trụ tam giác đều ), các nguyên tử nằm trên 12 đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau

1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng hóa trị

- Mỗi nguyên tử tham gia liên kết đồng hóa trị góp chung một điện tử hóa trị sao cho lớp điện tử ngoài cùng đủ 8 nếu số điện tử ngoài cùng (hóa trị) tham gia liên kết là N thì mỗi nguyên tử của

nó phải liên kết với 8- N nguyên tử khác để tạo nên liên kết đồng hóa trị có 8-N nguyên tử cách

đều gần nhất  có số sắp xếp là 8-N

a Kim cương A4

15

- Kim cương là một thù hình của cacbon , số điện tử lớp L tham gia liên kết là 4 ( N = 4 ), số sắp xếp

sẽ là 4 tức là mỗi một nguyên tử cacbon có 4 nguyên tử bao quanh gần nhất

- ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyên tử bên trong (nếu chia ô cơ sở A1 này thành tám khối lập phương nhỏ hơn thì bốn nguyên tử này nằm ở tâm của bốn khối cách nhau trong số tám khối đó)

- Cứ bốn nguyên tử cacbon tạo nên một khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều Các khối xếp chung

đỉnh tạo nên mạng kim cương

- Góc cố định giữa các liên kết đồng hóa trị trong mạng kim cương là 109,5o Với các nguyên tử cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lượng lớn nên kim cương có độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng)

b Mạng grafit

- Grafit là dạng thù hình khác của cacbon, khá phổ biến trong thiên nhiên và vật liệu (gang)

- Mạng tinh thể của grafit là sáu phương lớp , trong đó các nguyên tử được phân bố trên các mặt phẳng tại các đỉnh của hình lục giác đều, trong mặt này mỗi nguyên tử đều tạo nên liên kết đồng hóa trị mạnh với ba nguyên tử bao quanh và các góc lệch là 120o

- Khoảng cách giữa các lớp lục giác đều lớn hơn (c = 0,671nm ) với liên kết yếu Van der Waals

grafit rất dễ bị tách lớp , tính chất gần như hoàn toàn trái ngược với kim cương là rất mềm, nó

được coi như là một trong những chất rắn có độ cứng thấp nhất

c Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene

Đặc điểm rõ rệt của sợi cacbon và fullerene là những chất cấu tạo bằng nguyên tử cacbon với cấu trúc mạng là các mặt lục giác đều như của grafit chỉ gồm các liên kết đồng hóa trị (triệt tiêu được liên kết yếu Van der Waals) nên sẽ cho độ bền cao hơn rất nhiều

- được dùng làm "cốt" trong compozit cho độ bền có thể gấp ba lần song lại nhẹ hơn tới bốn lần so với thép

* Phân tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H Kroto (Anh) và R Smalley (Mỹ) tổng hợp được lần đầu tiên vào năm 1985 (công trình này đã được tặng giải Nobel năm 1995) Cấu trúc của fullerene : 60 nguyên tử cacbon sắp xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều

- Một phân tử fullerene C60 có hình dáng giống quả bóng đá nhiều múi Cấu trúc đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong kỹ thuật

1.4.3 Chất rắn có liên kết ion

Cấu trúc tinh thể của hợp chất hóa học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:

 Tỷ số của số lượng ion âm trên số lượng ion dương : tỷ số này là cố định đối với từng hợp chất, phụ thuộc vào số lượng điện tử tham gia liên kết, đảm bảo tính trung hòa về điện của hệ thống

 Tương quan kích thước giữa ion âm và ion dương : liên kết ion là loại không định hướng  các ion luôn có xu hướng sắp xếp sao cho đạt được độ xếp chặt và tính đối xứng cao nhất

- Mạng tinh thể của hợp chất với liên kết ion vẫn có các kiểu mạng (A1, A2) nhưng sự phân bố các ion trong đó khá phức tạp  coi là có mạng phức tạp

- Mạng tinh thể các hợp chất hóa học với liên kết ion tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở của ion âm,

các ion dương còn lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ hổng

1.4.5 Dạng thù hình

- Thù hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học

- Theo chiều nhiệt độ tăng ký hiệu dạng thù hình lần lượt bằng các chữ cái Hy Lạp , , , , 

- Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng này sang dạng khác được gọi là chuyển biến thù hình

- Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình : nhiệt độ, áp suất

VD: C tồn tại dưới nhiều dạng thù hình: kim cương (A4), grafit (A9) sợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60) Grafit là dạng thường gặp và ổn định nhất, còn kim cương rất ít gặp song có thể chế tạo kim cương (nhân tạo) bằng cách ép grafit ở nhiệt độ rất cao (hàng nghìn độ C) và

áp suất cao (hàng nghìn at)

Fe : < 911oC  Fe mạng A2

911  1392oC  Fe, mạng A1

1392oC - 1539oC  Fe; mạng

chú ý : chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tích (nở hay co) và cơ tính

Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911oC sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Fe  Fe)

17

1.5.1 Sai lệch điểm

- Đ/n: Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian

- Nút trống và nguyên tử tự xen kẽ

Do ba động nhiệt (phân bố năng lượng không đều) một số nguyên tử có năng lượng cao, biên độ dao

động lớn  bứt khỏi nút mạng để lại nút không có nguyên tử gọi là nút trống

Sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng trở thành nguyên tử tự xen kẽ

Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử

tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b)

- Mật độ của nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ  tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có giá trị lớn nhất khi sắp chảy lỏng ( 1-2%)

- Do sự sai khác về đường kính nguyên tử giữa các nguyên tố nền và tạp chất  thay thế cho nhau

bao giờ cũng làm cho mạng giãn nở ra hay co rút lại  sai lệch có dạng bao quanh một điểm

khi xen kẽ (hay tự xen kẽ) bao giờ cũng làm mạng nền giãn ra vì kích thước lỗ hổng luôn nhỏ hơn

đường kính nguyên tử Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hướng xích lại gần nhau

1.5.2 Sai lệch đường - Lệch

- Đ/n: Sai lệch đường là loại có kích thước nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo hai chiều và lớn theo chiều thứ ba, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoáy trôn ốc)

- Sai lệch đường có thể là một dãy các sai lệch điểm kể trên, song cơ bản và chủ yếu vẫn là lệch

(dislocation) với hai dạng là biên và xoắn

a Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line)

Có thể hình dung lệch biên: chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phần trên của mạng tinh thể lý

tưởng, sự xuất hiện thêm của bán mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở nên không hoàn toàn song song

với nhau  gây ra vùng xô lệch trong đó vùng bị xô lệch khá nhỏ - chỉ 4  5 thông số mạng

trong phạm vi vòng tròn), rõ ràng là sự xô lệch này kéo dài theo đường AD được gọi là trục lệch, nó chính là biên của bán mặt nên có tên là lệch biên Với sự phân bố như vậy nửa tinh thể có chứa bán

mặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo

b Lệch xoắn (screw dislocation)

- Có thể hình dung lệch xoắn : cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài

ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC Điều này sẽ làm cho các nguyên tử trong

vùng hẹp giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại có dạng đường xoắn ốc giống như mặt vít  lệch

xoắn

- AD là tâm của sự xô lệch nên được gọi là trục lệch

Lệch xoắn: mô hình tạo thành (a), mô hình không gian (b) và sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c)

- Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo

- Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh

- Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu và hằng số mạng cũng như

phương không đổi hướng trong toàn bộ thể tích thì được gọi là đơn tinh thể

- Các đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể

- Đơn tinh thể có tính chất rất đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặt nguyên tử

- Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể

- Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ m) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt

, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính

ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt)

19

- Các hạt tuy có mạng và thông số giống nhau nhưng có phương lệch nhau tức tính đồng nhất về

phương mạng không giữ được trong toàn khối mạng vì thế lại thể hiện tính đẳng hướng (đôi khi còn

gọi là đẳng hướng giả vì mỗi phần của nó - hạt vẫn thể hiện tính dị hướng)

- Biên hạt chịu ảnh hưởng quy luật phương mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “hỗn hợp” , sắp xếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, thường là kém xít chặt với tính chất khác với bản

b Độ hạt

- Hạt to hay nhỏ ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính  cần đánh giá chúng về mặt định lượng

- Để xác định độ hạt người ta hay dùng các cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, tám cấp thường dùng là từ 1 đến 8

- Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh ở cùng độ phóng đại (thường là x100) giữa tổ chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn

Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100

1.7 Sự kết tinh vμ hình thμnh tổ chức của kim loại

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh

a Cấu trúc kim loại lở trạng thái lỏng

- có liên kết KL và có điện tử tự do

- chất lỏng chỉ có trật tự gần (mà không có trật tự xa) có những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự

- các nhóm này tồn tại trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành ở chỗ khác  điều này giúp nó kết tinh một cách dễ dàng

b Biến đổi năng lượng khi kết tinh

- Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ

- Đối với chuyển trạng thái, động lực thúc đẩy nó cũng là năng lượng dự trữ - chuyển động của

nguyên tử, phân tử, ion - được đặc trưng bằng đại lượng được gọi là năng lượng tự do F (F)

- Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

+ T > Ts , Fl < Fr  tồn tại ở trạng thái lỏng

+ T < Ts , Fr < Fl  tồn tại ở trạng thái rắn

- Ts được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy) nhưng chỉ có tính lý thuyết  kết tinh thực tế

- Kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội

- Đa số kim loại nguyên chất kỹ thuật có thể kết tinh với độ quá nguội thay đổi từ rất nhỏ (chỉ 1 

2oC) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn oC) tùy theo tốc độ làm nguội khi kết tinh là chậm hay nhanh

- Cũng với lý luận tương tự cho khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra ở nhiệt độ Tch > Ts, độ chênh lệch giữa chúng được gọi là độ quá nung

21

1.7.2 Hai quá trình của sự kết tinh

ở nhiệt độ T<Ts sự kết tinh xảy ra do hai quá trình cơ bản nối tiếp nhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm

a Tạo mầm

- Mầm là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc tinh thể tức những nhóm trật tự gần (luôn có

sẵn trong kim loại lỏng) với kích thước đủ lớn, được cố định lại, chúng không bị tan đi  phát triển

lên như là trung tâm của tinh thể (hạt)

- có 2 loại mầm : tự sinh và ký sinh

Mầm tự sinh

- Là sự tạo mầm từ kim loại lỏng đồng nhất (đồng thể) không có sự trợ giúp của các phần từ rắn có sẵn ở trong nó

- Những nhóm nguyên tử trật tự gần nào có kích thước đủ lớn r  rth (giả thiết chúng là các khối hình

cầu bán kính r), theo tính toán về nhiệt động học rth =

vf

- Là sự tạo mầm ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong kim loại lỏng không đồng nhất (dị thể) và

là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơn nhiều

+ thực tế ở chỗ kim loại lỏng dù nguyên chất đến đâu cũng còn tạp chất trong đó có các phần tử rắn khó chảy như: bụi tường lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn và ngay cả thành khuôn

+Mầm (nhóm trật tự gần có sẵn trong kim loại lỏng) sẽ gắn lên các bề mặt có sẵn theo những mặt tương thích (cấu trúc gần giống nhau)

  R-R <<  R-L  rth nhỏ đidễ dàng cho tạo mầm

- Thực tế là trong nhiều trường hợp người ta còn cố ý tạo ra và đưa các phần tử rắn vào để giúp kết tinh

- Từ mỗi mầm tạo nên một hạt

- Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trước có nhiều thời gian và kim loại lỏng bao quanh hạt sẽ

to hơn; song thường sự chênh lệch nhỏ ( do  kết tinh ngắn)

- Do các mầm định hướng khi kết tinh ngẫu nhiêncác hạt có phương mạng lệch nhau  xuất hiện vùng biên hạt với mạng tinh thể bị xô lệch

Do tương quan về tốc độ phát triển mầm theo các phương (phụ thuộc vào bản chất KL và điều kiện tản nhiệt)  hạt tạo nên có hình dạng khác nhau

- Khi tốc độ phát triển đều theo mọi phương  hạt có dạng đa cạnh hay cầu

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phương (tức theo một mặt) nào đó, hạt sẽ có dạng tấm, lá, phiến (grafit trong gang xám)

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phương nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột hay hình trụ (VD: Dạng tinh thể hình kim khi nhiệt luyện)

Quá trình tạo và phát triển mầm theo thời gian

23

- Khi tăng độ quá nguội T, n và v đều tăng (hình 1.26) nhưng n tăng nhanh hơn  vẫn làm hạt nhỏ

đi

- Để tăng độ quá nguội khi đúc  phải làm nguội nhanh bằng cách thay đổi vật liệu làm khuôn

ảnh hưởng của độ quá nguội

T đến n và v

VD:

*Đúc trong khuôn cát  nguội chậm nhất

*Đúc trong khuôn bằng kim loại (như gang, thép, đồng) có tính dẫn nhiệt cao hơn  tốc độ nguội tăng lên một cách đáng kể  đúc trong khuôn kim loại (vĩnh cửu) không những không phải làm lại khuôn, cho năng suất cao hơn  nâng cao chất lượng vật đúc

* Làm nguội thêm khuôn kim loại bằng nước, làm tăng thêm tốc độ nguội và độ quá nguội : đúc ly tâm, đúc áp lực, đúc liên tục  năng suất rất cao và chất lượng tốt

- Tăng tốc độ nguội để làm nhỏ hạt  đơn giản, hiệu quả, được áp dụng rất rộng rãi cho các sản phẩm nhỏ và hình dạng đơn giản

VD:

- Khi hòa tan vào kim loại lỏng  kết hợp với tạp chất hoặc khí hòa tan  tạo ra các hợp chất khó chảy, ở dạng các phần tử rắn nhỏ, lơ lửng, phân tán đều trong thể tích giúp cho sự tạo mầm ký sinh:Cho bột Al vào thép lỏng  kết hợp với ôxy, nitơ  ôxyt (Al2O3), nitrit (AlN

- Biến tính hợp kim magiê bằng manhêzit (khoảng 1% mẻ nấu) cỡ hạt giảm từ 0,2-0,3mm (cấp 1) xuống 0,01-0,02mm (cấp 8)

1.7.5 Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

- Thỏi đúc là loại có dạng đơn giản nhất để khảo sát làm cơ sở để xác định cho các trường hợp khác

a Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

-Đối với một thỏi thép đúc điển hình (hình 1.25), từ ngoài vào trong có ba vùng tinh

*Vỏ ngoài cùng - lớp hạt nhỏ đẳng trục :

- Thoạt tiên kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội  kết tinh với T lớn + tác dụng tạo mầm

ký sinh của bề mặt khuôn  hạt tạo thành khá nhỏ mịn

Do thành khuôn có độ nhấp nhô (nhờ chất sơn khuôn)  các mầm định hướng theo các phương ngẫu nhiên trục hạt phát triển đều theo mọi phía (đẳng trục)

* Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối lớn hình trụ:

Dạng hạt dài vuông góc với thành khuôn: sau khi vỏ ngoài đã kết tinh xong thành khuôn mới bắt

đầu nóng lên T ngày càng nhỏ hạt tạo thành có khuynh hướng ngày càng lớn hơn

Hạt phát triển mạnh theo chiều ngược với chiều tản nhiệt có phương vuông góc với thành khuôn (phương thoát nhiệt) Kết quả nhận được vùng hạt tương đối lớn kéo dài (hình trụ ) theo phương

Hình 1.27 Ba vùng tinh

thể của thỏi đúc

*Vùng ở giữa là vùng các hạt lớn đẳng trục

Thành khuôn đã nóng lên nhiều: dẫn đến hai hiệu ứng :

+kim loại lỏng kết tinh với T nhỏ hơn nữa  hạt lớn,

+ phương tản nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng  hạt lại phát triển đều theo mọi phương (đẳng trục)

Chú ý :

- vùng ngoài cùng luôn luôn là lớp vỏ mỏng

- hai vùng sau có mối tương quan với nhau phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn: Khi khuôn

được làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn át vùng 3, thậm chí có khi làm mất hẳn vùng 3, thỏi như là chỉ có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn (tổ chức này được gọi là xuyên tinh)

khó biến dạng dẻo không phù hợp với thỏi cán

b Các khuyết tật của vật đúc

Các khuyết tật khi đúc làm xấu rất nhiều chất lượng vật đúc Có các dạng khuyết tật sau

Rỗ co và lõm co

- Nguyên nhân là do thể tích kim loại khi kết tinh bị co lại, hình thức thể hiện thì khác nhau:

- Các lỗ hổng nhỏ được phân bố rải rác trên khắp vật đúc được gọi là rỗ co Rỗ co làm giảm mật độ

kim loại, làm xấu cơ tính vật đúc,  qua gia công áp lực (biến dạng dẻo) ở nhiệt độ cao thì chúng

được hàn kín lại (bẹp lại) và quá trình khuếch tán làm liền kín ảnh hưởng không đáng kể đến cơ tính

25

- Phần lỗ hổng ở trên cùng và ở phần dày nhất thỏi được gọi là lõm co (là phần kết tinh sau cùng),

bản thân kim loại lỏng ở đây đã bù co cho các phần kết tinh trước ở phía dưới  tạo ra lỗ hổng tập trung được cắt bỏ triệt để ( thể tích sử dụng chỉ còn 85 đến 95%)

Chú ý:

+Đối với mỗi kim loại, hợp kim, lượng (tỷ lệ) co khi kết tinh là một giá trị cố định (như là hằng số vật lý)  khi thể tích lõm co tăng lên thì tổng thể tích rỗ co giảm đi và ngược lại  không thể làm mất được dạng khuyết tật này ( bản chất của kim loại)

+Cách tốt nhất để làm dạng khuyết tật này nằm ngoài sản phẩm đúc là đúc liên tục (khi kết tinh kim

loại bị co được bổ xung kịp thời)  nên sản phẩm đúc ra có cấu trúc xít chặt hơn hiệu quả kinh tế

- kỹ thuật cao khi đúc ống, thỏi thép nhỏ đem cán

Rỗ khí

Khi nấu chảy, kim loại lỏng có khả năng hòa tan một lượng khí đáng kể khi kết tinh độ hòa tan của khí trong kim loại rắn giảm đi đột ngột khí thoát ra không kịp tạo nên các túi rỗng nhỏ

(thường thấy được bằng mắt thường) gọi là rỗ khí hay bọt khí

So với rỗ co, rỗ khí thường làm giảm mạnh mật độ và cơ tính mạnh hơn do có kích thước lớn hơn Khi rỗ khí phân bố ở ngay dưới lớp vỏ của thỏi thép nguy hiểm hơn do dễ bị ôxy hóa  khi

bị biến dạng nóng cũng không thể hàn kín được gây ra tróc vỏ hoặc nứt khi sử dụng

Ngăn ngừa bằng cách khử khí tốt trước khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát hoặc đúc trong chân không

- Đối với vật liệu, đặc biệt là kim loại, chủ yếu sử dụng các bán thành phẩm dạng dây, thanh, hình, ống, tấm, nhờ biến dạng dẻo (cán) hoặc qua rèn để tạo phôi (có dạng gần giống với sản phẩm) trước khi cắt gọt Việc khảo sát biến dạng dẻo  hiểu biết quá trình đó và làm rõ được bản chất của các đặc trưng cơ tính  cùng các biện pháp nâng cao hoặc khắc phục những hiệu ứng không thuận

2.1 Biến dạng dẻo vμ phá hủy

Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫu kim loại tròn, dài ta được biểu đồ kéo  gọi là biểu đồ tải trọng (ứng suất) - biến dạng (hình 2.1)

- Khi tải trọng đặt vào nhỏ, F < Fđh  độ biến dạng (độ giãn dài l) tỷ lệ bậc nhất với tải trọng, khi

bỏ tải trọng biến dạng mất đi  biến dạng đàn hồi

VD: dưới tải trọng F1 mẫu bị dài thêm đoạn O1, bỏ tải trọng đi  mẫu lại trở lại kích thước ban đầu

- Khi F > Fđh , độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng  biến dạng không bị mất đi

mà vẫn còn lại một phần  biến dạng dẻo

VD: khi đặt tải trọng Fa mẫu bị kéo dài theo đường Oea  bị dài thêm đoạn Oa'', bỏ tải trọng mẫu

bị co lại theo đường song song với Oe  cuối cùng bị dài thêm một đoạn Oa' biến dạng dẻo hay dư, a'a'' là phần biến dạng đàn hồi bị mất đi sau quá trình

- Nhờ biến dạng dẻo  có thể thay đổi hình dạng, kích thước kim loại tạo nên nhiều chủng loại ,

đáp ứng yêu cầu sử dụng

- Nếu F> Fb, trong kim loại xảy ra biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt), sau đó, F giảm đi mà biến

dạng vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá hủy ở điểm c

- Sự biến đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thái trên được trình bày ở hình 2.2

+Khi biến dạng đàn hồi các nguyên tử chỉ dịch chuyển đi khoảng cách nhỏ (không quá một thông số mạng) Biến dạng đàn hồi xảy ra do cả ứng suất tiếp lẫn ứng suất pháp

+Khi biến dạng dẻo các nguyên tử dịch chuyển đi khoảng cách lớn hơn (quá một thông số mạng) 

bỏ tải trọng nó trở về vị trí cân bằng mới Biến dạng dẻo chỉ xảy ra do ứng suất tiếp và thường xảy ra

bằng cách trượt

+Khi biến dạng đàn hồi và dẻo lực liên kết giữa các nguyên tử vẫn được bảo tồn, còn khi phá hủy các liên kết bị hủy hoại dẫn đến đứt rời

Hình 2.2 Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lượt tăng tải trọng:

ban đầu (a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo (c), phá hủy (d)

Biến dạng dẻo bắt đầu từ dạng đơn giản nhất (hầu như không gặp trong thực tế) là trượt của

đơn tinh  mở rộng cho đa tinh thể

Đ/n: Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phương nhất

định gọi là mặt và phương trượt như biểu diễn ở hình 2.3

a Các mặt và phương trượt

Đ/n: Mặt trượt là mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà theo

đó sự trượt xảy ra

- Các mặt các mật độ nguyên tử cao nhất thoả mãn 2 điều kiện:

+ Do mật độ nguyên tử cao nhất ( khoảng cách giữa các nguyên tử nhỏ nhất)  lực liên kết giữa các nguyên tử lớn nhất

+Do mật độ khối không đổi khoảng cách giữa 2 mặt này lớn nhất  lực liên kết giữa chúng yếu nhất dễ bị đứt  dịch chuyển tương đối với nhau  liên kết giữa các nguyên tử đối diện nhau sẽ

bị đứt đi (trong khi đó liên kết giữa các nguyên tử cạnh nhau trong mỗi mặt vẫn được bảo toàn)

- Khi trượt các phần của tinh thể sẽ dịch chuyển tương đối với nhau theo các mặt trượt và trên mặt trượt (phương có mật độ lớn nhất  liên kết mạnh nhất)

Hình 2.5 Trượt trong đơn tinh thể ở hỡnh dưới đõy :

a định hướng của hệ trượt với ngoại lực,

b tinh thể sau khi trượt với bậc thang biến dạng dư (dẻo),

c đường trượt và dải trượt trên tổ chức tế vi

+ Mạng lgxc (A3): mặt xít chặt (0001) 2 mặt

có 3 phương dày xít chặt /mặt  có 6 (2 mặt x 3 phương) hệ trượt chính khác nhau

với sự trượt càng lớn+ Ngoài các mặt, phương trượt chính kể trên, trong thực tế tinh thể còn

có khả năng bị trượt theo các mặt, phương dày đặc khác kém dày đặc hơn

+ Kim loại có số hệ trượt càng cao  càng dễ BD

+ Cùng hệ trượt, KL nào có số phương trượt lớn hơn dẻo hơn

VD: mạng hệ lập phương dễ biến dạng dẻo hơn hệ lục giác (Fe, Al, Ag, Au, Cu dẻo hơn Zn)

Al,Au,Ag dẻo hơn Fe

b ứng suất gây ra trượt

Biến dạng dẻo do ứng suất tiếp trên phương trượt gây ra  Hãy tính ứng suất đó

Xét trường hợp đơn giản nhất :

- Kéo đơn tinh thể theo chiều trục (hình 2.5a) Lực kéo F làm với pháp tuyến của mặt trượt góc 

và phương trượt đã cho góc 

- Nếu mặt cắt ngang của tinh thể có diện tích S0

mặt trượt S có diện tích = S0/cos và ứng suất tiếp trên phương trượt là

 =

S

F cos =

S

F cos cos, trong đó: - F/S0 là ứng suất quy ước 0 - ứng suất pháp do ngoại lực F tác dụng lên tiết diện ngang của tinh thể có giá trị không đổi, 

 = 0 cos cos

- Khi   th (xác định đối với từng kim loại)  trượt mới xảy ra

-  phụ thuộc vào cos cos được gọi là thừa số Schmid

- Trường hợp  = 90o hay  = 90o  ngoại lực song hay vuông góc với mặt trượt  =0 lúc này tinh thể bị phá hủy mà không xảy ra biến dạng dẻo

- ứng suất tiếp đạt cực đại max=1/2.0 khi  =  = 45o

- Hệ trượt định hướng thuận lợi nhất: ,  gần 45o nhất (giá trị tới hạn của ứng suất tiếp đạt được sớm nhất)  sẽ trượt trước, sau đó khi tải trọng F tăng các hệ ít thuận lợi hơn trượt sau

c Tính dễ trượt - cơ chế trượt

- Thực tế, các kim loại t.h có giá trị rất nhỏ (ví dụ với Al khoảng 1MPa)  nên kim loại rất dễ trượt (dễ dàng BDD) với ứng suất bé  có độ bền thấp Điều này có liên quan đến mạng tinh thể cũng như độ hoàn thiện của nó

29

- Khi mạng tinh thể có sắp xếp lý tưởng (không có lệch), khi trượt tất cả nguyên tử ở hai bên mặt trượt bắt buộc phải dịch chuyển đồng thời  ứng suất tiếp rất lớn (tính toán t.h 

2

G, trong đó G là

môđun trượt) mô hình trượt là trượt cứng  t.h tương ứng với độ bền lý thuyết

- Mạng tinh thể thực tế (có chứa lệch), trượt xảy ra với ứng suất nhỏ hơn rất nhiều lần, trượt xảy bằng chuyển động của lệch:

+Khi có lệch biên (hình 2.6) các nguyên tử ở hai bên bán mặt bị xô lệch đàn hồi đối xứng (ứng suất hai bên cân bằng nhau) bán mặt này rất dễ dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ khi có lực tác dụng

VD: có ứng suất  tác dụng ( hình vẽ), bán mặt sẽ dịch chuyển một khoảng cách nhỏ sang phải và liên kết được với nửa hàng dọc nguyên tử ở phía dưới thành mặt tinh thể mớibán mặt mới tạo thành và dịch chuyển dần qua phải cho đến khi bán mặt thoát ra khỏi bề mặt tinh thể tạo ra ở đó bậc thang nguyên tử

Hình 2.6 Mô hình trượt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên)

 Như vậy ở từng thời điểm chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt, chuyển động giống như

chạy tiếp sức, do đó chỉ đòi hỏi ứng suất tiếp nhỏ, theo tính toán t.h

lần)  Rõ ràng tiềm năng về độ bền của vật liệu nói chung và kim loại nói riêng là rất lớn, sở dĩ

chưa khai thác được bao nhiêu là do tồn tại lệch và các khuyết tật mạng mà khoa học chưa tìm được giải pháp loại trừ một cách hữu hiệu

Trong thực tế, biến dạng dẻo luôn luôn là trượt đa tinh thể

a Đặc điểm

1) Các hạt bị biến dạng không đều Ngay cả đối với kim loại nguyên chất các hạt có mạng tinh thể

giống nhau nhưng có định hướng mặt và phương khác nhau chúng sẽ bị trượt khác nhau: hạt định hướng thuận lợi  trượt trước với ứng suất bé, hạt có định hướng không thuận lợi  trượt sau với ứng suất lớn hơn, (có hạt không thể trượt được)

2) Có tính đẳng hướng Do sự định hướng phương và mặt của các hạt ngẫu nhiên  kết quả thử theo

phương nào cũng giống nhau (tính đẳng hướng) Tính chất nhận được là trung bình tính chất của hạt theo phương đó

3) Có độ bền cao hơn Các hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua vùng biên giới hạt Vùng biên

hạt có mạng tinh thể sắp xếp không trật tự rất khó tạo nên mặt và phương trượt  giống như lớp vỏ cứng cản trượt do có nhiều cản trở để trượt được phải tác dụng lực cao hơn độ bền cao hơn độ bền trung bình của đơn tinh thể

4) Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao

Do hạt nhỏ có tổng diện tích biên hạt lớn hơn sẽ cản trượt mạnh hơn  tăng độ bền

- Đồng thời hạt nhỏ  nhiều hạt có định hướng thuận lợi với sự trượt  dẻo tăng lên

Hiệu ứng này rất quan trọng: tăng cả độ bền lẫn độ dẻo nên làm tăng mạnh độ dai, vật liệu khó bị

phá hủy giòn ưu việt hơn hẳn hạt lớn trong chế tạo cơ khí, luyện kim  yêu cầu đạt hạt nhỏ

b Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo làm thay đổi rất mạnh tổ chức, tính chất , đặc biệt là cơ tính

1) Trong và sau khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô lệch các hạt bị biến dạng không đều, có khuynh hướng bị kéo dài, bẹt ra theo phương biến dạng

VD: + Với độ biến dạng  lớn (40  50%)  hạt bị phân nhỏ ra, các tạp chất và pha thứ hai bị nhỏ vụn ra, kéo dài ra tạo nên thớ

+  =70  90% (ít gặp) các hạt bị quay đến mức các mặt và phương cùng chỉ số của chúng trở nên song song với nhau (hình 2.7)  cấu trúc textua áp dụng khá rộng rãi cho thép kỹ thuật điện để làm giảm tổn thất từ trong các biến thế

Hình 2.7 Hai dạng textua biến dạng trong vật liệu từ mềm:

a Fe-Si, textua { 110 } < 100 >, b Fe-Ni, textua { 100 } < 100 >

2) Sau BD dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư do xô lệch mạng và BD không đều giữa các hạt ứng suất bên trong có hại cho cơ tính, song cũng có trường hợp người ta cố ý tạo nên lớp ứng suất nén dư  nâng cao giới hạn mỏi (lăn ép, phun bi ở b/m chi tiết)

3) Sau BD dẻo, do mạng tinh thể bị xô lệch, cơ tính kim loại thay đổi rất mạnh theo hướng:

- tăng độ cứng ,

- tăng độ bền (đh và 0,2 tăng mạnh hơn)

 có xu hướng biến cứng, hóa bền, làm giảm dộ dẻo và độ dai, có xu hướng biến giòn Hiện

tượng gọi là hóa bền biến dạng

31

VD : Biến dạng dẻo có thể làm tăng , độ cứng từ 1,5 - 3 lần, ch 3 - 7 lần Các vật liệu với mạng A1 (Fe, Al ;Cu… có hiệu ứng hóa bền biến dạng mạnh hơn)  nên thường được áp dụng nhiều theo)

Ngoài làm thay đổi cơ tính, biến dạng dẻo cũng làm thay đổi lý, hóa tính trong đó đáng chú ý là:

- làm tăng điện trở (tránh biến cứng dây đồng , nhôm),

- làm giảm mạnh tính chống ăn mòn

- Phá hủy là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khôi phục sửa chữa được, gây tổn thất nghiêm trọng về kinh tế và có thể gây hậu quả về sinh mạng

- Cơ chế chung là: trước hết bao giờ cũng xuất hiện vết nứt tế vi đầu tiên ở trên bề mặt hay ở

sâu bên trong, tiếp theo vết nứt đó phát triển lên rồi cuối cùng mới dẫn đến tách đứt, rời

- Xét sự phá hủy trong những điều kiện tải trọng khác nhau

a Trong điều kiện tải trọng tĩnh

-Tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng (đặt vào) một cách chậm chạp, êm, tức tăng lên từ từ Có

hai dạng phá hủy: giòn và dẻo

Phá hủy giòn và phá hủy dẻo

- Tùy theo vùng gẫy có tiết diện biến đổi hay không mà phân biệt hai dạng này:

+ Phá hủy kèm theo biến dạng dẻo với mức độ rõ rệt  vùng gẫy vỡ có tiết diện biến đổi được gọi là phá hủy dẻo

+ Phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không rõ rệt  vùng gẫy vỡ có tiết diện hầu như không biến đổi được gọi là phá hủy giòn

Hình 2.9 Các dạng mặt gãy khi

phá hủy : a) Rất dẻo

- Phá hủy dẻo phát triển với tốc độ rất chậm , cần nhiều năng lượng, trong khi đó phá hủy giòn phát

triển với tốc độ rất lớn (khoảng 1000m/s), chỉ cần năng lượng nhỏ

- Phá hủy ở dạng nào chủ yếu :

+ phụ thuộc loại vật liệu: vật liệu dẻo (thép) thường bị phá hủy dẻo, còn vật liệu giòn (gang) thường

bị phá hủy giòn

+ ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ đặt tải trọng : khi hạ thấp nhiệt độ và tăng tốc độ đặt tải trọng  vật liệu dẻo bị phá hủy giòn

khái niệm giòn - dẻo chỉ là quy ước

-Các yếu tố tập trung ứng suất như vết khía, nứt, tiết diện thay đổi đột ngột làm ứng suất cục bộ tăng vọt và ơb giảm mạnhvật liệu có xu hướng phá hủy giòn Cơ chế

phá hủy

- Theo cơ chế tạo mầm nứt và mầm nứt phát triển dẫn đến tách rời, tuần tự theo năm giai đoạn sau:

3) vết nứt tế vi phát triển đạt đến kích thước tới hạn,

5) nứt chấm dứt và gãy rời,

trong đó các giai đoạn 1,2 và 4 được coi là quan trọng nhất

- Vết nứt tế vi có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí, nứt khi kết tinh, các pha có độ bền quá thấp như

grafit trong gang , chúng đóng vai trò của mầm khi phá hủy

- Trong quá trình biến dạng dẻo, lệch phát sinh thêm (bởi nguồn Frank - Read) và chuyển

động trên mặt trượt và bị nghẽn lại ở các cản trở (biên hạt, pha thứ hai) ( hình 2.11) : các lệch biên cùng dấu sát nhau tạo nên một khoảng trống ngay dưới các bán mặt nứt phát triển

- Sự phá hủy hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng phát triển của vết nứt tế vi : khi kích thước nứt

+ Giá trị và dấu của ưs thay đổi theo chu kỳ

+ Phá hủy sau thời gian dài và tương đối dài ( > 107  108 chu kỳ )  phá hủy mỏi (như cầu, trục,

bánh răng chịu tải trọng không lớn (<< ơ0,2)

+ Mặt gãy ở chỗ phá hủy mỏi có những nét đặc biệt: nó hầu như không biến dạng và có ba vùng rõ rệt :

Vùng 1 rất nhỏ sát với bề mặt là nứt đầu tiên

vùng 2 (vùng mỏi) là vùng nứt phát triển chậm chạp từ bề mặt vào bên trong, có bề mặt nhẵn, phẳng với những dải phân cách các giai đoạn phát triển của vết nứt

Nứt phát triển từ từ cho đến khi tiết diện còn rất nhỏ  ứng suất tác dụng trên nó rất lớn gây ra phá hủy tức thời là vùng 3 (vùng gãy) có hình dạng đặc trưng như phá hủy giòn hoặc dẻo

- Cơ chế : phá hủy mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên (thường ở trên bề mặt, chịu ứng suất kéo

 max), tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành và phát triển vết nứt

Hình 2.11 Sự chuyển động và tích tụ lệch trước các cản trở

33

+ Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí, tạp chất, xước, lồi lõm;  tăng độ

bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩa đặc biệt để chống phá hủy mỏi

+Nứt có thể sinh ra dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ:

nửa chu kỳ đầu mẫu chịu kéo, lệch dịch chuyển trên mặt trượt, thoát ra ở bề mặt  tạo ra ở đó bậc thang nhỏ, nửa chu kỳ tiếp theo mẫu chịu nén, lệch chuyển dời ngược lại làm bậc thang cũ mất đi, bề mặt bằng phẳng như cũ  Quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi sự trở về không hoàn toàn như cũ

 chỗ bậc thang cũ có một hõm sâu bằng thông số mạng  vết nứt đầu tiên

2.2 Các đặc trưng cơ tính thông thường vμ ý nghĩa

- Cơ tính của vật liệu  biểu thị bằng các đặc trưng cơ học cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện khác nhaulà cơ sở của các tính toán sức bền, khả năng sử dụng vào một mục

đích nhất định và để so sánh các loại vật liệu với nhau

- Được xác định trên các mẫu chuẩn về hình dạng, kích thước cho trong các sách tra cứu nên rất tiện lợi cho sử dụng

- Khi sử dụng các số liệu cơ tính cần chú ý:

+ vật liệu hoàn toàn như nhau nhưng mẫu chuẩn khác nhau về hình dạng, kích thước  thì cơ tính

đo được vẫn khác nhau mẫu lớn bao giờ cũng cho cơ tính thấp hơn do xác suất có khuyết tật cao hơn

+ Điều kiện thử mẫu nói chung là đơn giản hơn so với thực tế làm việc của chi tiết

 ngày nay có xu hướng thử nghiệm trong các điều kiện gần giống hay giống hoàn toàn với điều kiện làm việc của chi tiết máy  số liệu chính xác song rất khó thực hiện : Thiết bị lớn, phức tạp,  thử kéo dài

+ Mẫu chuẩn không phản ảnh đúng 100% khả năng của chi tiết thực,  có những hiệu chỉnh cần thiết và là cơ sở đáng tin cậy nhất để suy đoán, tính toán khi chọn lựa vật liệu và thiết kế

Các chỉ tiêu bao gồm:

- Độ bền là tập hợp các đặc trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải trọng cơ học tĩnh của vật liệu

- Xác định bằng ứng suất quy ước của tải trọng gây ra các đột biến về hình học cho mẫu đo

- Tùy theo dạng của tải trọng tác dụng người ta phân biệt độ bền kéo, nén, uốn, xoắn

- Thông thường các số liệu đo cho độ bền và độ dẻo là do thử kéo nên không cần phải ghi chú gì cả,

trong các trường hợp còn lại đều phải ghi chú loại thử gì (nén hay uốn hay xoắn )

- Đơn vị : theo đơn vị của ứng suất: kG/mm 2 , Pa, MPa, N/mm 2 , psi, ksi (trong các sách thường dùng MPa, TCVN hiện hành vẫn dùng kG/mm 2)

1 kG/mm 2  10MPa  1,45ksi (1ksi = 103psi )

(Hoa kỳ, Anh dùng hệ riêng là psi)

1 Giới hạn đàn hồi ơ đh : là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu khi bỏ tải trọng mẫu không bị thay

đổi hình dạng và kích thước

Vì rất khó xác định được điều này  quy định tạo ra độ độ biến dạng dư là 0,01-0,05% của chiều dài ban đầu  ký hiệu là ơ0,01 hay ơ0,05 

F



trong đó:- Fđh , F0,01, F0,05 - lần lượt là tải trọng ( lực ) kéo ứng với đoạn nằm ngang trên biểu đồ kéo

và gây nên biến dạng dư rất nhỏ 0,01% hay 0,05%, tính theo N,

So - diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu, tính theo mm 2

2 Giới hạn chảy vật lý ch là ứng suất tại đó vật liệu bị " chảy ", tức là ứng suất bé nhất bắt đầu gây nên biến dạng dẻo

- thường được xác định ứng với đoạn nằm ngang trên biểu đồ kéo Đối với đa số kim loại và hợp kim thường không có đoạn nằm ngang này nên thường dùng giới hạn chảy quy ước

Giới hạn chảy quy ước 0,2 là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ tải trọng mẫu bị biến dạng dư là 0,20% của chiều dài ban đầu

0

2 , 0 2 , 0S

- Fb - tải trọng ( lực ) kéo cao nhất trên biểu đồ kéo, N

VD: +đh quan trọng đối với lòxo, nhíp vì khi làm việc > ơđh vật liệu mất đàn hồi hoàn toàn

+ch rất quan trọng với các chi tiết lắp ghép, không cho phép làm việc > ơ0,2  vật liệu bị biến dạng dẻo

+ các kết cấu thông thường được tính toán trên cơ sở của ơb chỉ với yêu cầu không bị gãy, vỡ

- Độ bền được coi như chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất

- Nâng cao độ bền trong khi vẫn bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai là phương hướng chủ yếu của vật liệu học vì thỏa mãn được các yêu cầu kinh tế - kỹ thuật quan trọng nhất:

- tăng khả năng chịu tải,

- tăng tuổi thọ,

- giảm nhẹ khối lượng vật liệu sử dụng,

 để tạo ra các máy móc, kết cấu mạnh hơn, bền hơn rẻ và nhỏ gọn hơn

35

1 Nguyên lý nâng cao độ bền:

- Cản trở chuyển động của lệch khi trượt bằng cách giảm hoặc tăng mật độ lệch

- Sự phụ thuộc độ bền vào mật độ lệch ( hình 2.16): Các kim loại nguyên chất ở trạng thái ủ có mật

độ lệch thấp nhất, vào khoảng 10 8 cm -2 (tức trong 1cm 3 có 10 8 cm trục lệch) và có độ bền thấp nhất :

lệch có tính dễ trượt, với mật độ như vậy chúng dễ trượt nhất tức trượt với ứng suất bé nhất độ bền

thấp nhất

- <108cm-2  độ bền tăng lên rất mạnh do giảm nguồn phát sinh trượt và nếu không có lệch (mạng tinh thể lý tưởng) độ bền sẽ đạt được độ bền lý thuyết

VD: đơn tinh thể dạng sợi (râu, whisker) rất mảnh (dày 0,5  2 m, dài 2  10mm( chế tạo bằng

phương pháp đặc biệt - ngưng tụ từ trạng thái hơi trong phòng thí nghiệm) với rất ít lệch có độ bền gần tới lý thuyết

 của tinh thể dạng sợi Fe là 13000MPa, Fe kỹ thuật ; 250MPa

Hình 2.16 Sự phụ thuộc của giới hạn bền

vào mật độ lệch:

1 độ bền lý thuyết,

2 đơn tinh thể dạng sợi (râu),

3 kim loại nguyên chất, ủ,

4 hợp kim, biến dạng, nhiệt luyện

- Trong thực tế chỉ có thể tăng độ bền bằng cách tăng mật độ lệch lên quá giới hạn kể trên Khi làm

cho mật độ lệch tăng lên, lệch trở nên quá dày đặc, các trục lệch giao nhau tạo nên các chốt rất ổn

định cản trở mạnh chuyển động của lệch  muốn gây trượt phải tác dụng ứng suất lớn hơn  độ bền tăng lên (mật độ lệch lên tới giá trị 109  1012cm -2 )

Tạo các pha cứng phân tán hay hóa bền tiết pha Đưa vào hợp kim một nguyên tố thứ hai (thường với

lượng nhỏ) để tạo nên các phần tử có độ cứng cao song có kích thước rất nhỏ và phân tán chốt cản trượt trong nền hợp kim tăng độ bền

Nhiệt luyện tôi + ram : tạo nên sự quá bão hòa cao của nguyên tố thứ hai trong dung dịch rắn thông

thường  tăng độ bền của hợp kim

Làm nhỏ hạt Các phương pháp hóa bền kể trên nói chung đều có chung nhược điểm là ít nhiều làm giảm độ dẻo độ dai, riêng phương pháp làm hạt nhỏ này làm tăng tất cả các chỉ tiêu bền, dẻo, dai

- Nói chung để đạt độ bền càng cao càng  áp dụng tổng hợp các phương pháp hóa bền

- Đ/n: Độ dẻo là tập hợp của các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của vật liệu khi bị phá hủy dưới tải trọng tĩnh,  quyết định khả năng chịu biến dạng dẻo, gia công áp lực của vật liệu

a Các chỉ tiêu

- Người ta đánh giá độ dẻo bằng 2 chỉ tiêu: độ giãn dài tương đối và độ thắt tiết diện tương đối

+ Độ giãn dài tương đối % và độ co thắt tiết diện tương đối % được xác định theo các công thức

%100l

ll

- lo , So - chiều dài, diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử,

- l1 , S1 - chiều dài, diện tích mặt cắt ngang sau khi đứt của mẫu thử

- Có thể đạt được hiệu ứng siêu dẻo bằng cách:

+ làm cho hạt thật nhỏ mịn (cỡ hạt khoảng 10m), đẳng trục, đồng đều và ổn định khi biến dạng, đây

là yếu tố quan trọng nhất,

+biến dạng ở nhiệt độ cao cỡ (0,6  0,85) Ts,

trong đó: AK là công phá hủy mặt cắt ngang S hình chữ nhật qua rãnh khía 10x8mm

Đơn vị đo cũ là kGm/cm2, hiện dùng đơn vị công là J ( 1J = 1N.m ), quan hệ giữa chúng như sau:

1kGm/cm 2  10J/cm 2 ;

- Các nước phương Tây thường không xác định độ dai va đập tính cho một đơn vị diện tích như trên

mà chỉ đơn thuần bằng công phá hủy AK ( J hay kJ) Cần phải nắm vững khi so sánh các số liệu độ

dai từ các nguồn tư liệu khác nhau

VD: công phá hủy AK của vật liệu của một nước phương Tây là 100J sẽ ứng với độ dai va đập aK

00008,0

kJ1,0m)008,001,0(

J100

aK 2 1250kJ/m2 hay 12,5kGm/cm2

Hình 2.18 Mô hình xác định độ dai va đập

- Các chi tiết chịu va đập phải có aK tối thiểu 200kJ/m2

- Các chi tiết chịu va đập cao phải có aK  1000kJ/m2

- Vì coi độ dai va đập aK tỷ lệ với tích (0,2 x )  nâng cao đồng thời hai thông số trên sẽ làm tăng rất mạnh chỉ tiêu cơ tính này

- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dai va đập là:

+ Làm cho hạt nhỏ mịn là phương pháp tác động tốt nhất đến độ dai va đập

+ Hình dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn khi hạt có dạng tấm, hình kim

+ Số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của các pha giòn

2.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng:

- Là chi tiêu đánh giá khả năng chống phá huỷ giòn của vật liệu (tự tìm hiểu)

+ đo độ cứng đơn giản hơn nhiều so với các phương pháp trên do:

* không phá huỷ mẫu, có thể thử ngay trên sản phẩm,

*nhanh (thời gian chỉ vài chục giây, thậm chí ngắn hơn),

*có thể thực hiện trên vật mỏng,

*thiết bị thử nhỏ gọn và rẻ hơn

 đo độ cứng là việc làm thường xuyên của sản xuất cơ khí và cả trong nghiên cứu

- Có hai loại độ cứng: thô đại và tế vi

+thường dùng độ cứng thô đại  mũi đâm và tải trọng đủ lớn để làm biến dạng nhiều hạt và pha 

khả năng chống biến dạng dẻo của

+khi đo độ cứng tế vi  phải dùng mũi đâm bé và đặc biệt là tải trọng nhỏ tác dụng vào từng hạt,

thậm chí từng pha riêng rẽ với sự trợ giúp của kính hiển vi quang học (chỉ dùng trong nghiên cứu khoa học)

- Tất cả độ cứng được ký hiệu bắt đầu bằng chữ H (hardeness) với chữ tiếp theo chỉ loại

39

- Sơ đồ của các phương pháp thử độ cứng trình bày ở hình 2.21

Hình 2.21 Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phương pháp đo độ cứng:

a Brinen, b Rôcvel, c Vicke

- ấn một tải trọng F xác định lên bề mặt phẳng vật liệu qua viên bi cứng có đường kính D sau khi thôi tác dụng, tải trọng để lại trên bề mặt vết lõm với đường kính d (hình 2.21a)

2 2

(

2

d D D D

F S

F HB

tải trọng F - diện tích mặt lõm có dạng chỏm cầu S

thứ nguyên như của ứng suất, kG/mm2

Chú ý : đối với thép, gang dùng bi có D = 10mm, F = 3000kG, thời gian giữ tải trọng 15s (với các vật

liệu khác có quy định khác)  điều kiện tiêu chuẩn, ký hiệu bằng HB (ví dụ HB 229)

- Khi đo ở các điều kiện khác bắt buộc phải ghi rõ các số chỉ lần lượt các điều kiện trên, ví dụ

HB5/750/20 229 là giá trị độ cứng 229kG/mm2 đo bằng bi 5mm, tải 750kG, giữ lâu 20s

- Hiện vẫn chưa có quy định dùng đơn vị MPa cho HB, nếu muốn dùng đơn vị này phải ghi rõ, ví dụ

+ mẫu đo phải có mặt bằng phẳng và đủ dày, do vết lõm khá to thường  không đo trên thành phẩm, + không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong), + +tương đối chậm vì quy trình hơi dài : phải giữ tải trọng vài chục giây, đo đường kính vết lõm bằng lúp sau đó tra bảng tính mới ra kết quả Chính vì vậy trong sản suất thường dùng cách đo Rôcvel hơn

c Độ cứng Rôcvel HR ( HRC, HRA, HRB)

- Nguyên lý : ấn tải trọng F lên mũi đâmbỏ tảitạo vết lõm: vết càng sâu thì độ cứng càng nhỏ

- HR là loại độ cứng quy ước (không có thứ nguyên) xác định bởi chiều sâu dư quy ước gây ra Qui

ước như sau : cứ chiều sâu thực h kể trên tăng thêm 0,002mm thì độ cứng giảm đi một đơn vị so với

mức khởi tính (không kể chiều sâu do tải trọng sơ bộ gây ra):

HR = k - h/0,002 trong đó:

k -hằng số phụ thuộc vào mũi đâm, k = 100 với các thang A,C - dùng mũi kim cương , góc ở đỉnh

120o, k = 130 cho thang B - dùng mũi bi thép,

- Độ cứng Rôcvel có nhiều thang trong đó phổ biến hơn cả có ba thang A, B, C

+ HRC, HRA được đo bằng mũi hình nón bằng kim cương (là vật liệu cứng nhất)  đo được vật liệu

cứng như thép tôi, lớp hóa - nhiệt luyện ) Tải trọng chính F = 140kG cho thang C và F = 50kG cho

thang A

(HRA cho thép với các lớp thấm mỏng như thấm nitơ, cacbon-nitơ)

+ HRB được đo bằng mũi bi bằng thép tôi, đường kính nhỏ, D = 1,588mm (1/16in.) nên chỉ có thể đo các vật liệu có độ cứng vừa phải như thép ủ, thường hóa, gang đúc Tải trọng chính F = 90kG

- Đo độ cứng Rôcvel HR (hình 2.21b) tiện lợi hơn

+ do nhanh, kết quả đo cho ngay trên máy

+ đo được các vật liệu từ tương đối mềm đến cứng, vết lõm khá nhỏ thường không ảnh hưởng đến bề mặt làm việc, có thể đo các vật mỏng, lớp hóa bền và ngay trên thành phẩm

+ thời gian nhanh 15-20s, đọc ngay trên đồng hồ chỉ thị

Giữa các loại, thang độ cứng kể trên HB, HRC, HRA, HRB, HV không có công thức chuyển

đổi bằng toán học Muốn biết tương quan giữa chúng phải dùng bảng tra (trong tài liệu thí nghiệm)

được xác lập bằng thực nghiệm

2.3 Nung kim loại đ∙ qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng

2.3.1 Trạng thái kim loại đ∙ qua biến dạng dẻo

- Sau khi biến dạng dẻo kim loại bị biến cứng, hóa bền (do mạng tinh thể bị xô lệch với mật độ lệch

cao, tồn tại ứng suất bên trong )  trạng thái không cân bằng với năng lượng dự trữ cao và có xu

hướng trở về trạng thái cân bằng

- Quá trình này xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường, nung nóng làm tăng khả năng dịch chuyển của

nguyên tử, làm quá trình trở về đó nhanh hơn Nếu như biến đổi tính chất chủ yếu khi biến dạng

dẻo là hóa bền thì khi nung nóng nó (kim loại đã qua biến dạng dẻo) là thải bền

- Trong nhiều trường hợp người ta phải khôi phục lại trạng thái ban đầu

Hãy xét các quá trình xảy ra khi nung nóng kim loại đã qua biến dạng dẻo

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

Theo nhiệt độ nung nóng tăng lên, trong kim loại đã qua biến dạng dẻo lần lượt có các biến đổi với các giai đoạn sau đây

a Hồi phục

- ở nhiệt độ thấp (thông thường dưới 0,1  0,2T )  xảy ra các quá trình hồi phục, đó là các biến S0

đổi nhỏ trong mạng tinh thể bị xô lệch như : giảm sai lệch mạng (chủ yếu là loại điểm và đặc biệt là nút trống), giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong , trong khi đó tổ chức tế vi chưa biến đổi (vẫn là

các hạt bị kéo dài với nhiều đường trượt)

Tính chất vật lý có thay đổi chút ít (như giảm điện trở) song cơ tính thì hầu như chưa thay đổi: vẫn còn ở trạng thái hóa bền

b Kết tinh lại (kết tinh lại lần thứ nhất)