Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 2. Biến dạng dẻo và cơ tính docx

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủyBiểu đồ tải trọng – biến dạng 2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy a Ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng b Biến dạng dàn hối: các nguyên tử

Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo

Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy

2.1.1 Khái niệm

- Biến dạng: Sự thay đổi kích thước, hình dạng

của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng

- Biến dạng đàn hồi: Biến dạng mất đi khi bỏ tải

P < σđh

- Biến dạng dẻo: Biến dạng còn tồn tại khi bỏ tải

P > σđh

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy

Biểu đồ tải trọng – biến dạng

2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy

a) Ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân

bằng

b) Biến dạng dàn hối: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi hẹp

nhỏ hơn hằng số mạng, có thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải

c) Biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi lơn hơn

hằng số mạng (trượt), không thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải

d) Phả hủy: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

Khái niệm: Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo

những mặt và phương nhất định được gọi là phương trượt và mặt trượt

Mặt trượt: Mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt

nguyên tử dày đặc nhất tại đó xảy ra hiện tượng trượt

Mặt dày đặc nhất?

Điều kiện:

- Liên kết giữa các nguyên tử bề vững nhất

- Khoảng cách giữa hai mặt là lớn nhất

Phương trượt: Phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Hệ trượt: sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

Hệ trượt trong mạng A1

Họ mặt trượt: {111}, số lượng: 4

Họ phương trượt <110>, số lượng: 3

Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

b) Ứng suất gây ra trượt

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

b) Ứng suất gây ra trượt

Định luật Schmid:τ= σ 0 cosαcosβ ≥ τ th

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

2.1.3 Trượt đa tinh thể

- Hạt tinh thể bị kéo dài theo phương biến dạng: có tính dị hướng

- Ứng suất lớn do xô lệch mạng tinh thể (tăng mật độ lệch)

- Cơ tính thay đổi: độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo, độ dai giảm Điện trở tăng,

khả năng chống ăn mòn giảm

a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh

+ phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng Æ công

phá hủy lớn

+ phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ Æ

công phá hủy nhỏ hơn

2.1.4 Phá hủy

a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh

Phá hủy giòn hay dẻo

- Bản chất của VL: Al, thép…phá hủy dẻo; gang, ceramic

phá hủy giòn

- Nhiệt độ thấp, tốc độ đặt tải nhanh: vl dẻo bị phá hủy giòn

- Kết cấu gây tập trung ứng suất: vl dẻo bị phá hủy giòn

Chú ý: vết phá hủy có thể cắt ngang các hạt hay

theo biên giới hạt

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

- Từ các pha có độ bền thấp trong vật liệu

- Hình thành trong quá trình biến dạng do tập hợp

nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một

mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai, biên

hạt…)

2.1.4 Phá hủy

b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ

Đặc điểm:

- Vật liệu chịu tải trọng không lớn (<< [σb], [σch]), thay đổi

theo chu kỳ bị phá hủy sau thời gian tương đối dài (105–

106chu kỳ) (phá hủy mỏi)

- Chi tiết thường gặp: cầu, trục, bánh răng, nhíp, lò xo…

Cơ chế phá hủy:

- Hình thành vết nứt trên bề mặt (vết nứt sẵn có trong quá

trình chế tạo: lõm co, vết xước…)

- Tác dụng ứng suất kéo lớn nhất phát triển vết nứt gây

phá hủy

→ Tăng độ bóng bề mặt, tạo ứng suất dư nén ở bề mặt

2.1.4 Phá hủy

b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ

Mặt gẫy khi phá hủy mỏi:

Bề mặt phá hủy mỏi được chia làm 3 vùng:

năng chịu tải của vật liệu trong các điều

kiện tương ứng

+ Cơ sở của các tính toán sức bền, khả

năng sử dụng vật liệu vào mục đích nhất

định

+ Được xác định trên các mẫu chuẩn nhỏ

- Các chỉ tiêu cơ tính thông dụng: Độ bền,

độ dẻo, độ dai va đập, độ dai phá hủy

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.1 Độ bền (tĩnh)

- Phương pháp thử kéo, nén, uốn

- Đơn vị

1kG/mm 2 ≈ 10MPa, 1MPa ≈ 0,1 kG/mm 2 , 1MPa ≈ 0,145 ksi,

1ksi ≈ 0,703kG/mm 2 , 1kG/mm 2 ≈ 1,45 ksi, 1ksi ≈ 6,9MPa.

F

][

=σ

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.1 Độ bền (tĩnh)

a) Giới hạn đàn hồi: σđh

Là ứng suất lớn nhất, sau khi bỏ tải không làm mẫu bị

thay đổi hình dạng và kích thước

b) Giới hạn đàn hồi quy ước (σ0,01 , σ0,05 ):

c) Giới hạn chảy vật lý σch :

Là ứng suất nhỏ nhất gây ra biến dạng dẻo

d) Giới hạn chảy quy ước: σ0,2

MPa

S

F đh

] [

0

=

σ Fdạng sau khi bỏ tải (N)đh: lực kéo lớn nhất không gây biến

S0: tiết diện mẫu thử (mm 2 )

MPa S

F

] [ 0

05 , 0 05 ,

0 =

σ

MPa S

F

] [ 0

2 , 0 2 ,

0 =

σ

2 Độ bền của đơn tinh thể

3 Các kim loại nguyên chất sau ủ

4 Kim loại sau biến dạng, hóa bền…

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.1 Độ bền (tĩnh)

f) Các biện pháp nâng cao độ bền

- Nguyên lý: hạn chế chuyển động của lệch

- Để tăng bền:

+ Giảm mật độ lệch < 10 8

+ Tăng mật độ lệch > 10 8 (biến dạng dẻo – nhiệt luyện)

⇒ Có 5 biện pháp hóa bền

1 Biến dạng dẻo: tăng mật độ lệch → biến cứng, tăng bền

2 Hợp kim hóa: tăng xô lệch mạng, mật độ lệch → tăng bền

3 Làm nhỏ hạt: tăng bền, dẻo, dai

4 Nhiệt luyện – Hóa nhiệt luyện

5 Tiết pha phân tán: tạo ra các pha thứ 2 phân tán nhỏ mịn là các chốt

cản trở chuyển động của lệch → tăng độ bền, độ cứng

VD: Đura: AlCu4,5Mg1,2: σb= 400-800MPa

VD: Thép: σb= 120-150MPa

CT31: σb> 310MPa

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.2 Độ dẻo ( ψ%, δ%)

K/n: là tập các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư

của vật liệu bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng tĩnh

Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo

%100

ψ

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.2 Độ dẻo ( ψ%, δ%)

Tính siêu dẻo: δ = (100-1000)% gọi là vật liệu siêu dẻo

Ưu điểm của vật liệu siêu dẻo:

- Dễ chế tạo các sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều, phức tạp

- Tiết kiệm năng lượng

Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo:

- Nhiệt độ: T tăng, δ tăng

- Tốc độ biến dạng tăng, δ giảm

- Độ hạt: d giảm, δ tăng

- Kiểu mạng tinh thể: A1> A2> A3

- Chi tiết chịu va đập: ak> 200kJ/m2

- Chi tiết chịu va đập cao: ak> 1000kJ/m2

- Mối tương quan giữa akvà (σ0,2×δ):

ak~ σch(σ0,2) xδ

Các biện pháp nâng cao độ dai:

- Làm nhỏ mịn hạt: tăng bền, dẻo → tăng độ dai

- Hóa bền bề mặt

- Hình dạng tròn đa cạnh có độ dai cao hơn so với dạng

tấm, kim

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.3 Độ cứng (a k )

K/n: Khả năng vật liệu chống lại biến

dạng dẻo cục bộ dưới tác dụng của

tải trọng thông qua mũi đâm

- Khi vật liệu đồng nhất (phôi ủ): biểu

thị khả năng gia công của vật liệu

- Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy

mẫu, đơn giản, nhanh chóng

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.3 Độ cứng (a k )

Nguyên lý xác định độ cứng:

Ép tải trọng lên mẫu thông qua mỗi

đâm bằng vật liệu cứng tạo vết lõm

trong tổ chức của vật liệu

- Độ cứng thô đại, tải trọng và mũi đâm

lớn phản ánh khả năng chống biến

dạng dẻo của nhiều hạt, nhiều pha →

xác định độ cứng chung của vật liệu

- Kí hiệu H (Hardness)

2 0

D D D

P F

- Chỉ đo vật liệu có độ cứng thấp: thép ủ, thường

hóa, vật liệu kim loại màu

- Đo vật liệu từ tương đối mềm và cứng

- Kết quả đo hiển thị ngay trên máy

- Thời gian đo nhanh

- Đo trực tiếp trên sản phẩm

Phạm vi ứng dụng:

HRB: thép sau tôi, tôi + ram, thấm CHRA: lớp thấm mỏng: thấm C, C + NHRB: Thép ủ, thường hóa, gang đúc

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.3 Độ cứng (a k )

Phân loại:

c) Độ cứng Vickers HV:

- Mũi đâm kim cương hình tháp, 136 0

- Tải trọng nhỏ (1-100kG), điều kiện chuẩn 30kG, t = 10-15

2

854 , 1

d

P

Ưu điểm:

- Đo được độ cứng cho mọi loại vật liệu, mẫu mỏng

- Kết quả đo không phụ thuộc vào tải trọng

Nhược điểm:

- Thiết bị đắt tiền

- Xử lý mẫu phức tạp không tiện lợi bằng phương

pháp đo Rockwell

2.2 Các đặc trưng cơ tính

2.2.3 Độ cứng (a k )

Chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng:

81,2

-60-

697Cao

75,9

-50475

513TB

10060,5

20240

240Thấp

HRBHRA

HRCHB

2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo

2.3.1 Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo

- Sau biến dạng dẻo hạt bị kéo dài thep phương biến dạng,

có tổ chức thớ (biến dạng lớn có tổ chức textua)

- Xô lệch mạng lớn, mật độ lệch cao

- Tồn tại ứng suất dư trong

→ Kim loại bị hóa bền biến cứng (TT không cân bằng):

σb, σch, σđh, HB tăng; δ, ak giảm

Tại sao cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo

- Để tiếp tục biến dạng dẻo

- Để có thể gia công cắt gọt dễ dàng

- Khử bỏ ứng suất tránh phá hủy giòn

2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

a) Hồi phục:

- T < Tktl(0,1-0,2)Tnc

- Giảm sai lệch mạng

- Giảm mật độ lệch

- Tổ chức tế vi chưa biến đổi

→ Cơ tính chưa thay đổi

→ Dẻo tăng, bền, cứng giảm

2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo

2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

c) Kết tinh lại lần hai:

- Nhiệt độ cao, thời gian giữ nhiệt dài

→ Quá trình sát nhập hạt: hạt lớn “nuốt hạt be”

- Phát triển hạt là tự nhiên, giảm tổng biên giới hạt nên làm

giảm năng lượng dự trữ

→ Kết tinh lần hai làm xấu cơ tính

2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo

2.3.3 Biến dạng nóng – Biến dạng nguội