CHƯƠNG 2. BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 48 2.1. Các khái niệm 48 2.2. Các đặc trưng cơ tính của vật liệu 67 Đa số các vật phẩm kim loại được chế tạo bằng cách gia công biến dạng. Trong các nhà máy luyện kim sau khi nấu chảy và đúc kim loại thành những thỏi lớn, người ta đem cán thành những bán thành phẩm khác nhau: dạng thỏi, tấm hình vv... ở các nhà máy cơ khí chế tạo, các chi tiết được gia công bằng rèn, rập, tiện, phay bào ... Trong tất cả các phương pháp gia công đá, kim loại bị biến dạng dẻo để nhận được hình dạng cần thiết. Khi cán, rèn, rập, quá trình biến dạng kim loại xảy ra trong toàn bộ hoặc hầu hết thể tích kim loại, còn khi tiện phay, bào....chỉ xảy ra trên một phần thể tích (thông thường là lớp bề mặt) với kết quả cuối cùng của biến dạng là sự tách phai. Mục đích của chương này là nghiên cứu bản chất của quá trình biến dạng mà chủ yếu là biến dạng dẻo có nếu khái quát về biến dạng đàn hồi và sự phá huỷ, đồng thời nghiên cứu những thay đổi về tổ chức và tính chất do biến dạng dẻo gây ra, ảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái sau biến dạng.
CHƯƠNG BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 2.1 Các khái niệm 2.2 Các đặc trưng tính vật liệu CHƯƠNG BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI Đa số vật phẩm kim loại chế tạo cách gia công biến dạng Trong nhà máy luyện kim sau nấu chảy đúc kim loại thành thỏi lớn, người ta đem cán thành bán thành phẩm khác nhau: dạng thỏi, hình vv nhà máy khí chế tạo, chi tiết gia cơng rèn, rập, tiện, phay bào Trong tất phương pháp gia công đá, kim loại bị biến dạng dẻo để nhận hình dạng cần thiết Khi cán, rèn, rập, trình biến dạng kim loại xảy tồn hầu hết thể tích kim loại, tiện phay, bào xảy phần thể tích (thơng thường lớp bề mặt) với kết cuối biến dạng tách phai Mục đích chương nghiên cứu chất trình biến dạng mà chủ yếu biến dạng dẻo có khái quát biến dạng đàn hồi phá huỷ, đồng thời nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất biến dạng dẻo gây ra, ảnh hưởng nhiệt độ đến trạng thái sau biến dạng 2.1 Các khái niệm 2.1.1 Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo phá hủy 2.1.1.1 Biểu đồ kéo kim loại Mẫu thử kéo : kim loại làm thép gia cơng với hình dạng kích thước theo TCVN 1960 -76, thường mẫu thử có tiết diện trịn , chiều dài mẫu thử gấp 10 lần đường kính Chiều dài chiều dài tính tốn hình dáng hình vẽ F0 l l F1 a) l b) Hình 2.1 Mẫu thử kéo Điều kiện thí nghiệm: tiến hành nhiệt độ phòng, máy thử kéo máy gồm có phận cấu để gây tải trọng biến dạng (N/m2) cho mẫu, cấu truyền P lực kéo, cấu (N,KN) thay đổi lực kéo Thông thường sử b C dụng máy có lực kéo 2000, 4000, 5000, 30000, D 50000KG K Hình 2.2 Giản đồ - biến dạng ch dh A B ứng suất Khảo sát trình biến dạng mẫu, ta rút N M l O yếu tố biến dạng sau đây: Biến dạng đàn hồi biến lđh ld dạng bị sau khử tải trọng, biến dạng dẻo có kèm theo thay đổi hình dạng sau khử tải trọng phá hủy làm cho mẫu tách rời thành phần riêng lẻ Tương ứng với yếu tố giai đoạn biến dạng + Biến dạng đàn hồi (đoạn OA) , F < Fdh độ giãn dài L tỷ lệ bậc với tải trọng mẫu lại trở lại kích thước ban đầu + Biến dạng dẻo - đường cong AB, F > Fdh độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, bỏ tải trọng biến dạng lại phần + Biến cứng - đường cong BC + Giai đoạn phá hủy - đường cong CD Biến dạng đàn hồi xảy giai đoạn đàn hồi mà giai đoạn biến dạng dẻo phá hủy Chính vậy, độ biến dạng giai đoạn gồm phần: đàn hồi dẻo nên L = lđh + ld Ví dụ: Tại điểm K muốn tìm thành phần này, ta phải kẻ KN//OA; KM// trục tung Khi ON làlđh đoạn NM ld Nhìn vào hình 2.2 tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao σ b mẫu bị thắt lại, dẫn đến tải trọng const ứng suất tăng nên xảy phá hủy điểm D 2.1.1.2 Bản chất biến dạng đàn hồi Định luật Hooke + Biến dạng đàn hồi biến dạng mà bị sau khử tải trọng Biến dạng đàn hồi tuân theo định luật Hooke tức ứng suất tác dụng lên kim loại gây độ biến dạng tỷ lệ thuận với suất đó: = E. (2.1) E: gọi môđun đàn hồi pháp tuyến vật liệu (MN/mm2; Mpa) Với trạng thái ứng suất tiếp thì: = G. (2.2) góc lệch tinh thể chịu ứng suất G: môđuyn trượt vật liệu (MN/mm2; Mpa) + Môđuyn đàn hồi pháp tuyến E môđuyn trượt G đặc tính quan trọng biến dạng đàn hồi Giữa chúng có quan hệ sau: E = 2G(1 + ) (2.4) : hệ số poisson tùy thuộc vào loại kim loại thông thường Từ biểu thức trên, ta thấy định luật Hooke giai đoạn biến dạng đàn hồi + Các yếu tố ảnh hưởng đến môđuyn đàn hồi, nhiệt độ, nguyên tố hợp kim tổ chức vật liệu Hình 2.3 Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể a tăng tải trọng ban đầu b Biến dạng đàn hồi c Biến dạng dẻo d Phá hủy 2.1.1.3 Biến dạng dẻo Đặc trưng biến dạng dẻo biến dạng sau bỏ tải trọng mà tồn lượng biến dạng dư làm mẫu bị thay đổi hình dạng kích thước Ý nghĩa: Làm thay đổi hình dạng, kích thước mà kim loại không bị phá hủy cho phép gia công sản phẩm có hình dạng xác định, làm sở lý thuyết gia công kim loại áp lực 2.1.2 Biến dạng dẻo đơn tinh thể (trượt đơn tinh thể) Trượt chuyển dời tương đối phần tinh thể theo mặt phương định gọi mặt phương trượt (hình 2.4) Đơn tinh thể mạng tinh thể trước trượt Hình dạng đơn tinh thể mạng tinh thể sau trượt Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn trượt 2.1.2.1 Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo Xét ứng suất mặt tinh thể: Hình 2.5 Trượt đơn tinh thể Hình 2.6 Bậc trượt dải trượt Theo định luật Schmid Khi τ > τth (xác định kim loại ) -> trượt xảy Giá trị ứng suất gây trượt là: (2.5) Trong đó: F/S0 ứng suất kéo σ0 thay vào ta có (2.6) Gọi cosα Cosβ thừa số Schmid Ứng suất gây trượt τ phụ thuộc vào góc β & α qua thừa số Schmid -Khi α = 900 hay β = 900 -> τ = 0, lực F làm phá hủy mà không xảy biến dạng dẻo - Khi (α+ β)# 900, τmax = 0,5.σ0, α = β = 450 a a Hệ trượt có τmax thuận lợi xảy trượt trước dẫn đến hệ thuận lợi * Khi ứng suất ứng suất pháp () Hình 2.7 ứng suất tác dụng lên mạng tinh thể Nếu tác dụng lên tinh thể ứng suất pháp túy (kéo hay nén) khoảng cách nguyên tử theo chiều trực giao với mặt tinh thể tăng giảm Nếu ứng suất bé thay đổi khoảng cách nguyên tử bé khử ứng suất, lực hút đẩy đưa nguyên tử vị trí cũ, tức độ biến dạng Nếu ứng suất pháp lớn làm cho thay đổi khoảng cách nguyên tử vượt giá trị cho phép xảy trình phá hủy Như vậy, ứng suất pháp không làm cho tinh thể biến dạng dẻo mà có biến dạng đàn hồi sau phá hủy dịn, tức phá hủy khơng kèm theo biến dạng dẻo * Khi ứng suất ứng suất tiếp () (a) (b) (c) Hình 2.8 Sự thay đổi mạng tinh thể biến dạng Khi ứng suất tiếp có trị số nhỏ, lớp nguyên tử bị xê dịch đàn hồi góc (hình b) khử ứng suất, nguyên tử trở lại vị trí cũ, tinh thể trở lại với kích thước hình dáng ban đầu Khi ứng suất đủ lớn, ngồi xê dịch đàn hồi xảy tượng trượt (hình c) phần tinh thể trượt khỏi phần đoạn khoảng cách nguyên tử Mặt phẳng nơi xảy trượt gọi mặt trượt Khi trượt, nguyên tử phá vỡ mối liên kết với nguyên tử cũ xong lại mối liên kết với nguyên tử nên mối liên kết ngun tử khơng bị phá hủy Kích thước hình dáng tinh thể thay đổi mà không bị phá hủy xảy biến dạng dẻo Vậy, có ứng suất tiếp gây biến dạng dẻo 2.1.2.2 Độ bền lý thuyết thực tế kim loại * Độ bền lý thuyết Để xác định độ bền kim loại cần nghiên cứu tính tốn thơng qua chế trượt Để tạo xê dịch dư lớp nguyên tử phải trượt tương ứng với lớp nguyên tử đoạn thơng số mạng F x B A a B b/2 b C x Hình 2.9 Biểu đồ lực khoảng cách ngun tử Vì lúc ngun tử chiếm vị trí cân mới, trùng với nút mạng tinh thể Gọi x độ xê dịch nguyên tử độ xê dịch chung tồn lớp ngun tử Tại vị trí trung gian lực tác dụng lên nguyên tử A lực hút cân từ phía Khi độ xê dịch x > chịu tác dụng lực hút từ nguyên tử C nên lực tác dụng lên nguyên tử trượt tính là: (2.7) F: lực trượt cần thiết mà nguyên tử phải thắng để dịch chuyển với độ xô dịch x Mặt khác, theo định luật Hooke ta có = F = G. G (do bé) (2.8) nên (coi ) Nếu coi a = b G = 2k k = k: gọi biên độ lực, lực lớn cần tác dụng lên mặt trượt để tạo trượt Do đó, độ bền lý thuyết tinh thể kim loại * Độ bền thực tế Độ bền thực tế nhỏ giá trị độ bền lý thuyết từ (103 104) lần Sự khác giải thích xuất lý thuyết lệch theo đó, cấu trúc mạng tinh thể thực tế khơng hồn chỉnh có chứa nhiều lệnh vùng trung tâm lệch Hình 2.10 Lệch chuyển động tạo bậc Tại trung tâm lệch độ ổn định tăng lượng vậy, cần tác động nhỏ làm thay đổi trạng thái vị trí Khi đó, giá trị ứng suất gây chuyển động lệch gần với ứng suất thực tế tính theo công thức Peiers - Nabbaro (2.9) a: khoảng cách mặt nguyên tử song song với mặt trượt b: khoảng cách nguyên tử theo hướng trượt Tóm lại, tinh thể có cấu tạo hồn chỉnh lý tưởng, trượt xảy cách nguyên tử mặt trượt xê dịch lúc khoảng cách nguyên tử cần phải có lực tác dụng lớn Trong tinh thể thực tế, trượt xảy chuyển động lệch, nguyên tử mặt trượt xê dịch không lúc nên cần lực tác dụng tương đối nhỏ * Nguồn tạo lệch Frank - Read Theo mơ hình, biến dạng lệch tạo bậc có trị số thơng số mạng Trong tinh thể có n lệch tạo bậc có trị số n Thực tế, mức độ biến dạng tạo có trị số lớn n nhiều Giả thuyết trình biến dạng dẻo lệch sinh Nguồn phát sinh lệch biến dạng gọi nguồn Frank - Read với nguyên lý hoạt động sau: Giả sử có đoạn đường lệch AB bị kẹp chặt Đó nút gặp đường lệch mặt trượt khác nhau, nguyên tử tạp chất hay nguyên nhân khác Dưới tác dụng ứng suất tiếp , đường lệch phải chuyển động mặt trượt A, B bị kẹp chặt nên đường lệch AB bị cong dần ứng suất cần thiết để đường lệch có bán kính cong cực tiểu gọi ứng suất tới hạn (2.10) b: độ lớn véctơ bragg l: khoảng cách hai điểm A A l B Hình 2.11 Mơ hình tạo nguồn phát sinh lệch Frank - Read 2.1.3 Các chế biến dạng dẻo 2.1.3.1 Trượt Là chế biến dạng dẻo mà trình biến dạng phần tinh thể trượt tương đối so với mặt cố định gọi mặt trượt Trong mặt trượt theo phương xác định mặt trượt gọi phương trượt Hình 2.12 Cơ chế trượt mạng tinh thể thực tế có lệch biên + Mặt trượt mặt có mật độ mặt sít chặt Ms lớn + Phương trượt phương có số nguyên tử lớn + Hệ trượt tích số mặt trượt phương trượt Kiểu mạng có hệ trượt lớn khả biến dạng cao Ví dụ: Với mạng A1K12 Mặt trượt (111) có mặt Phương trượt (110) có phương nên có 12 hệ trượt Với mạng A2K8: Mặt trượt (111) có mặt Phương trượt (111) có phương nên có 12 hệ trượt Cả mạng A1K12 A2K8 có 12 hệ trượt xong mạng A 1K12 dễ biến dạng dẻo có số mặt trượt lớn Với mạng A3L12: Mặt trượt (0001) có mặt Phương trượt (2110) có phương nên có hệ trượt mạng A 3L12 khó biến dạng dẻo 2.1.3.2 Đối tinh Đối tinh trình biến dạng dẻo mà phần tinh thể dịch chuyển đối xứng qua mặt mặt đối tinh phẳng cố định gọi mặt đối tinh (song tinh) Hình 2.13 Cơ chế đối tinh Đặc điểm đối tinh + Giống trượt, đối tinh xảy theo mặt phương xác định + Khi biến dạng, trình đối tinh bắt đầu ứng suất vượt trị số định + Đối tinh xảy đột ngột trứ từ từ với tốc độ xác định trình trượt Vì vậy, có khả tiến hành để dễ dàng điều kiện tải trọng nhanh + Vì chuyển dịch nguyên tử mặt phẳng xảy lần khoảng cách ngắn nên độ biến dạng dư tạo đối tinh có trị số rất, bé nên tinh thể biến dạng dẻo đối tinh trình phá hủy phá hủy dịn + Đối tinh xảy có tác dụng làm cho trình trượt xảy dễ dàng 2.1.3.3 Vai trò mặt trượt phương trượt biến dạng dẻo P n p n pn m p n pp m Phương trượt F F0 Hình 2.14 Mặt trượt phương trượt tinh thể m = m.sin > m = (2.11) Mặt khác, ứng suất theo phương trượt (2.12) nên ta có: (2.13) > (2.14) Coi = ta thấy = = 900 cho dù lực P có lớn đến đâu khơng xảy trượt vị trí thuận lợi mặt trượt để ()max = 450 Khi đó: max = 0 (2.15) 2.1.3.4 Hình thái chế trình trượt a.Hình thái trình trượt Trên hình 2.15 trình bày biến đổi mạng tinh thể trượt khơng có lệch Do dịch chuyển tương đối lẫn hai phần mạng số nguyên lần khoảng cách nguyên tử, nguyên tử hai bên mặt trượt chiếm vị trí cân mới, nên sau bỏ tải trọng mạng tinh thể khơng thể trở lại hình dáng cũ, để lại bậc thang bề mặt tinh thể Trong thực tế chiều dài bậc thang trăm – hàng nghìn thông số mạng Trước biến dạng Sau biến dạng Hình 2.15 Sơ đồ biểu diễn biến đổi mạng tinh thể trước sau trượt khơng có lệch Quá trình trượt mạng đơn tinh thể xảy theo trật tự sau đây: Trước tiên mạng tinh thể bị trượt theo hệ trượt có lợi nhất, tức hệ có ứng suất tiếp lớn ứng suất trượt tới hạn Hệ trượt gọi hệ trượt Sau hai phần cảu đơn tinh thể chuyển động tương mặt trượt cảu hệ trượt khoảng cách định, tạo nên bậc thang dừng lại (hình 2.16a), trượt lại xảy mặt trượt hệ trượt (hình 2.16b c) Cuối bề mặt cảu đơn tinh thể xuất bậc thang, đơn tinh thể có dạng chuỗi xu xếp nghiêng Vết mặt trượt bề mặt mẫu gọi dải trượt Có thể thấy rõ dải trượt kính hiển vi quang học, gồm vơ số đường song song với Sở dĩ hai phần tinh thể trượt với khoảng định (ví dụ với nhơm khoảng 2000A0) dừng lại, hai mặt trượt cạnh hệ trượt gần (ví dụ nhơm khoảng cách hai đường trượt cạnh khoảng 200A0) mạng tinh thể vùng xung quanh mặt trượt bị xô lệch, bị hóa bền trình bày mục sau (sự biểu diễn mạng tinh thể vùng xung quanh mặt trượt hình 2.14 chưa xác) Hình 2.16 Sơ đồ tạo nên dải trượt đơn tinh thể Al 10 độ dẻo Hạt kim loại nhỏ, tức số hạt nhiều, tác dụng cản trượt biên giới hạt nhiều, muốn trượt ứng suất phải tăng lên, độ bền tăng lên Theo Hall – Petch: (2.16) Đồng thời số hạt tăng lên hạt nhỏ đi, số hạt có phương mạng định hướng thích ứng với trượt tăng lên, số hạt chịu biến dạng dẻo nhiều hơn, tổng biến dạng dư tăng lên, tức độ dẻo tăng thêm Điều thể rõ chế tạo khí : chi tiết chịu tải trọng nhiệt độ thường không cao yêu cầu thiếu từ đúc hàn rèn nhiệt luyện phải giữ hạt nhỏ, hạt to lên tiêu tính xấu 2.1.6.2 Tổ chức tính chất kim loại sau biến dạng dẻo: Sau biến dạng -> xơ lệch mạng tinh thể Hình 2.23 Sự thay đổi tổ chức sau biến dạng Biến dạng dẻo -> xô lệch mạng -> ứng suất dư -> cho tính tăng, ứng suất nén dư -> bề mặt làm tăng giới hạn mỏi Xu hướng thay đổi tinh sau biến dạng dẻo (hình 2.23) Hình 2.24 Ảnh hưởng độ biến dạng đến tính a Kim loại nói chung b Cơ tính đồng - có tính bền σdh, σ0.2 độ cứng tăng, độ dẻo giảm - Dẫn điện tính chống ăn mòn giảm 2.1.7 Nung kim loại sau biến dạng dẻo 2.1.7.1 Mục đích Kim loại sau biến dạng dẻo có mật độ khuyết tật tăng, ứng suất dư xuất làm lượng tự tăng lên Vì vậy, kim loại sau biến dạng dẻo ln có xu hướng trở trạng thái ổn định với lượng bé Muốn trở trạng thái ổn định cần phải cung cấp lượng cho hệ cách nung trở lại kim loại qua biến dạng dẻo 16 2.1.7.2 Các giai đoạn xảy nung kim loại qua biến dạng dẻo a.Giai đoạn hồi phục: trình nung kim loại qua biến dạng dẻo vượt qua nhiệt độ xác định tùy thuộc vào chất kim loại gọi nhiệt độ hồi phục, T0hp = 0,2T0nóng chảy Các tượng xảy giai đoạn hồi phục là: - Giảm ứng suất dư Đây thay đổi quan trọng Sự tăng cường tính di động nguyên tử nung làm cho chúng có khả quay vị trí cân bằng, khắc phục sai lệch phận Do lượng cấp nhỏ nên độ dời nguyên tử x nhỏ thông số mạng a nên làm cho ứng suất dư phân bố lại nội hạt - Q trình đa canh hóa: tập trung lệch vị trí thẳng hàng mặt tinh thể khác Sự tăng cường tính di động nguyên tử nung làm cho lệch chuyển động dọc theo mặt trượt theo chiều trực giao với mặt trượt Nếu lệch khác dấu chuyển động ngược chiều mặt phẳng trượt chúng triệt tiêu Những lệch dấu chuyển động mặt trượt song song, trường ứng suất đàn hồi thân, chúng xếp thành dãy theo chiều trực giao với mặt trượt - Sự thay đổi tính chất Trong giai đoạn phục hồi, số tính chất kim loại thay đổi cụ thể làm tăng độ dẫn điện, tính thay đổi khơng đáng kể, làm giảm độ bền, độ cứng b Kết tinh lại: trình nung kim loại qua biến dạng dẻo vượt qua nhiệt độ xác định gọi nhiệt độ kết tinh lại T0kết tinh lại = (0,3 0,4) T0nóng chảy Các tượng xảy trình này: - Sự tạo mầm kết tinh lại :là trình tạo hạt tinh thể mà hạt phát triển từ trung tâm ban đầu gọi mầm Thực nghiệm cho thấy, tạo mầm có đặc điểm sau + Mầm tạo trước tiên vùng có mức độ sai lệch mạng lớn vùng tinh giới, vùng mặt trượt + Mức độ biến dạng lớn mầm tạo nhiều Sự tạo mầm làm giảm lượng hệ nên khử ứng suất dư kể ứng suất dư thô đại Bên cạnh đó, làm cho độ bền, độ cứng giảm đồng thời độ dẻo dai tăng lên Sự tạo mầm trạng thái rắn nên có tổ chức hạt nhỏ Sự lớn lên mầm cách sát nhập hạt nhỏ vào hạt lớn tạo ổn định lượng - Nhiệt độ kết tinh lại Đó t0 nung tối thiểu mà trình kết tinh lại (tạo mầm lớn lên mầm) xảy với tốc độ đáng kể Kết tinh lại có liên quan với dịch chuyển nguyên tử khoảng cách lớn liên quan đến khả tự khuếch tán Như nhiệt độ kết tinh lại phụ thuộc vào chất kim loại, mức độ biến dạng, thời gian giữ nhiệt tạp chất Sự thay đổi tính chất sau kết tinh lại 17 Trong giai đoạn kết tinh lại ứng suất dư, điện trở suất lượng tự tiếp tục giảm Xu hướng chung tổ chức trở trạng thái ban đầu chưa biến dạng Sự thay đổi quan trọng tính chất kết tinh lại tính Nếu biến dạng dẻo làm tăng độ bền, độ cứng, giảm độ dẻo kết tinh lại khử bỏ ảnh hưởng tức làm giảm độ, độ cứng tăng độ dẻo Hay nói khác kết tinh lại có tác dụng "thải bền" ngược với tác dụng hóa bền biến dạng dẻo - Khái niệm gia cơng nóng gia cơng nguội Gia cơng nguội hình thức biến dạng có kèm theo hóa bền phải tiến hành nhiệt độ thấp nhiệt độ kết tinh lại Gia cơng nóng hình thức gia cơng nhiệt độ cao nhiệt độ kết tinh lại có kèm theo thải bền Nhìn chung, gia cơng nóng sử dụng rộng rãi có ưu điểm sau: + Ít có khả nứt hỏng biến dạng, rèn, rập, cán biến dạng nóng kim loại khơng bị hịa bền Thêm vào độ lệch dễ chuyển động hơn, trượt dễ hơn, lại có thêm mặt trượt vv tức tăng mạnh khả biến dạng dẻo kim loại mà khơng sinh vết nứt + Khi gia cơng nóng, kim loại có khả biến dạng lớn nên với lực tác dụng tương đối bé gây nên độ biến dạng cao Điều cho phép giảm công suất máy công suất nhau, gia công khối kim loại chi tiết lớn Đó ưu điểm quan trọng cho phép chế tạo chi tiết lớn rèn trục khuỷu, trục tuốcbin nặng hàng chục hàng trăm + Nếu biến dạng nóng tiến hành nhiệt độ đủ cao với tốc độ tương đối chậm khơng cần phải nung (tức ủ) trung gian lần biến dạng, điều thường phải làm biến dạng nguội Ví dụ cần nguội, sau lần cần kim loại bị hóa bền nên muốn cán tiếp tục phải tiến hành ủ trung gian Cịn cán nóng, cán cán lại nhiều lần, không cần phải nung + Có khả điều chỉnh độ hạt Tổ chức hạt tạo thành biến dạng nóng kết hai trình biến dạng dẻo kết tinh lại, phụ thuộc vào yếu tố trình bày Muốn nhận độ hạt nhỏ, phải ý điểm sau: - Dựa vào giản đồ kết tinh lại chọn mức độ biến dạng để nhận độ hạt nhỏ Không nên biến dạng với mức độ thấp độ hạt lớn - Biến dạng phải tiến hành liên tục nhiệt độ trình lớn lên hạt xảy nhanh, để ngưng lâu thời gian hạt kịp lớn lên độ hạt lớn - Nhiệt độ kết thúc biến dạng nên chọn cao so với nhiệt độ kết tinh lại nhiệt độ thấp, độ hạt nhỏ Tuy nhiên kim loại dẻo, nhiệt độ kết thúc biến dạng phải chọn để kim loại khơng bị nứt vỡ * Song gia cơng nóng có nhược điểm sau: + Khó khống chế nhiệt độ phạm vi cho phép, vật phẩm có kích thước bé mỏng, sợi v.v Muốn khống chế nhiệt độ phải có thiết bị đo điều chỉnh xác, giá thành cao Cũng thế, 18 kim loại người ta đề kích thước tới hạn, vật phẩm dày - nên biến dạng nóng, mỏng - biến dạng nguội + Tổ chức tính chất đồng so với biến dạng nguội kim loại có chuyển biến thù hình kích thước lớn Một loại khuyết tật bề mặt quan trọng biến dạng nóng lớp oxyt bề mặt chi tiết địi hỏi phải có biện pháp khử bỏ sau gia cơng cắt gọt, đánh bóng v.v + Nhược điểm gia cơng nóng khống chế kích thước hình dáng vật phẩm thể tích kim loại nóng lớn hơn, khó tính tốn lượng dư xác, trường hợp kim loại bị oxy hóa Thêm vào làm nguội ứng suất nhiệt, hình dáng kích thước thay đổi 2.2 Các đặc trưng tính vật liệu Cơ tính cho biết khả chịu tải vật liệu điều kiện tương ứng, sở tính tốn sức bền, khả sử dụng vào mục đích định Các đặc trưng tính xác định mẫu chuẩn Thường gặp độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ dai phá hủy 2.2.1 Độ bền tĩnh a Độ bền: khả vật liệu chịu tải trọng học tĩnh mà không bị phá hủy Tùy theo đặc điểm tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo, nén, uốn, xoắn Bền độ dẻo kéo thông dụng nên không cần phải ghi chú, trường hợp lại phải ghi (nén, uốn hay xoắn ) b Phương pháp xác định độ bền ký hiệu, đơn vị: Đối với vật liệu khác người ta vào khả chịu đựng tải trọng tác dụng lên để xác định mẫu thí nghiệm phương pháp thử kéo mẫu làm thép, thử nén mẫu làm gang + Phương pháp xác định độ bền kéo: Mẫu thử kim loại thép gia cơng với hình dạng kích thước theo TCVN 1960 – 76 Sau đặt vào máy thử tác dụng lực kéo mẫu kim loại bị đứt + Mối quan hệ lực thử kéo P K chiều dài bị kéo so với chiều dài ban đầu gọi độ giãn dài mẫu ∆L biểu thị biểu đồ thử kéo Dựa vào biểu đồ thử kéo người ta xác định tiêu phản ánh độ bền tĩnh giới hạn đàn hồi, chảy giới hạn bền Đặc trưng cho độ bền tĩnh: đh, ch, 0,2, b đơn vị [KG/mm2, MPa, Psi, Ksi], Quan hệ đơn vị thường gặp sau KG/mm2 ≈ 10MPa; KG/mm2 ≈ 1,45 Ksi; Ksi ≈ 103 Psi - Giới hạn đàn hồi đh [KG/mm2]: ứng suất tác dụng lớn mà ngừng tác dụng tải trọng vật liệu khơng bị biến dạng biến dạng dẻo bé 0.01 – 0.05% chiều dài ban đầu [KG / mm2] (2.16) Trong đó: Pđh: lực sinh lớn để vật liệu không bị biến dạng dẻo [KG] F: tiết diện ban đầu [mm2] 19 - Giới hạn chảy ch, 0,2 [KG / mm2; MN / m2; MPa]: giá trị ứng suất mà ứng suất gây tải trọng tác động vượt qua vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo ( ứng suất nhỏ bắt đầu gây nên biến dạng dẻo) [KG / mm2] (2.17) Pch: tải trọng tác động thời điểm chảy [KG] F: tiết diện ban đầu [mm2] Hay tiết diện mặt cắt mẫu có cơng thức F = π r2 (mm2) Vì khó xác định Pch nên thường người ta dùng giới hạn chảy quy ước ký hiệu 0,2 (ứng với ∆l = 0.2) ứng suất tác dụng sau bỏ lực thử kéo mẫu bị biến dạng dư 0,2% so với chiều dài ban đầu, ứng suất ứng với giai đoạn biến dạng dẻo sau bỏ lực tác dụng mẫu bị biến dạng 0,5% (dễ xác định trị số tương đương với 0,2) - Giới hạn bền B [KG / mm2, MN / m2, MPa): giá trị ứng suất lớn mà ứng suất gây tác động tải trọng vượt qua vật liệu bị phá hủy [KG / mm2] (2.18) P: tải trọng tác động thời điểm phá hủy [KG] F: tiết diện mẫu thử [mm2] Các biện pháp hóa bền vật liệu - Biến dạng dẻo : -> Tăng mật độ lệch -> Tăng độ bền : dập, gò, uốn, gập, kéo, cán nguội -> biến cứng, tăng bền - Hợp kim hóa : đưa nguyên tử lạ vào -> tăng xô lệch mạng mật độ lệch -> tăng độ bền - Tạo pha cứng phân tán hay hóa bền tiết pha - Nhiệt luyện + ram : Tơi sau ram tạo nên q bão hịa -> tăng độ bền, độ cứng - Hóa Nhiệt luyện : Thấm C, N… tăng bền, cứng, chịu mài mòn, nâng cao bền mỏi - Làm nhỏ hat : phương pháp làm tăng tất tiêu bền, dẻo, dai 2.2.2 Nhóm đặc trưng cho độ dẻo Độ dẻo khả biến dạng vật liệu tải trọng - Độ giãn dài tương đối vật liệu (%): (2.19) l: chiều dài mẫu sau kéo l0: chiều dài ban đầu mẫu Độ giãn dài tương đối đặc trưng cho tính dẻo vật liệu - Độ thắt tỉ đối (%): (2.20) F0: tiết diện ban đầu mẫu F: tiết diện mẫu vị trí bị kéo đứt 2.2.3 Độ dai va đập: Rất nhiều chi tiết máy làm việc tải trọng đặt vào với tốc độ lớn đột ngột tức chịu va đập, tơ gặp chướng ngại bị xóc hay phanh đột ngơt Vì để đánh giá khả chống phá hủy vật liệu chịu tải trọng động ta phải xác định độ dai va đập 20 Sơ đồ thử va đập cách dùng búa rơi kiểu lắc để phá vỡ mẫu chuẩn, qua xác định cơng phá hủy cách xác định hiệu lắc trước sau hành trình rơi hình 2.25 Mẫu thử độ dai va đập có tiết diện 10 x 10x 55mm mẫu charpy chiều dai 75mm mẫu Irod với rãnh khía hình chữ U hay chữ V để tạo yếu tố tập trung ứng suất bên thường rộng 2mm sâu 2mm( hình dạng độ sâu rãnh có ảnh hưởng lớn đến kết đo) TCVN quy thử theo mẫu Charpy ký hiệu độ dai va đập ak công phá hủy đơn vị diện tích mặt cắt ngang mẫu, tính theo cơng thức Hình 2.25 Sơ đồ thử độ dai va đập - Độ dai va đập công phá hủy tính cho đơn vị tiết diện cắt ngang mẫu Cơng thức tính: (2.21) Trong AK cơng phá hủy ; J S tiết diện hình chữ nhật mẫu chỗ rãnh khía10x 8mm 1KGm/cm2 ≈ 10J/ cm2 ; 1KJ/ m2 ≈ 0,01KGm/cm2 ; 1KGm/cm2 =100KJ/ m2 Phạm vi áp dụng độ dai va đập : Chi tiết chịu va đập ak thấp 200 KJ/ m2, va đập cao phải có a k≥ 1000 KJ/ m2 Biện pháp tăng ak : - làm cho hạt nhỏ mịn phương pháp tốt để tăng ak - Hóa bền bề mặt : Tơi bề mặt, hóa nhiệt luyện vừa làm tăng độ bền, độ cứng tính chống mài mịn mà cho ak cao chống va đập tốt - Tạo hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hạt có dạng tấm, hình kim 21 - Giảm số lượng, kích thước, tạo hạt tròn, phân bố pha rắn dẫn đến tăng độ dai va đập, hạt dạng tấm, kim độ dai va đập giảm - Hình dáng, kích thước, số lượng phân bố pha dịn : Pha dịn dạng tấm, kích thước lớn, số lượng nhiều, phân bố không đồng làm giảm dộ dai ngược lại 2.2.4 Độ cứng Độ cứng khả chống lại biến dạng dẻo vật liệu chịu tác động tải trọng thông qua vật cứng tác động lên vật liệu 2.2.4.1 Độ cứng Brinel (HB) + Tải trọng tiêu chuẩn: P = 3000KG + Mũi đâm: độ cứng Brinel dùng loại bi làm thép tơi cứng, đường kính tiêu chuẩn viên bi D = 10mm; 5mm; 2,5mm Khi kiểm tra chi tiết dùng bi có đường kính 10mm tải trọng 3000KG (2.22) F: diện tích vết lõm chỏm cầu viên bi gây bề mặt vật liệu thử, mm2 D- đường kính viên bi, mm d- đường kính vết lõm viên bi ấn lên bề mặt mẫu thử.mm h – chiều sâu vết lõm Kiểm tra độ cứng chi tiết có kích thước nhỏ dùng bi có đường kính nhỏ, tải trọng giảm để bảo đảm tỷ số P = 30D Đối với kim loại màu P = 10D Để có vết thử chiều dày mẫu thử phải gần 10 lần chiều sâu vết thử Ngoài tâm vết thử phải cách cạnh mẫu đoạn lớn đường kính viên bi, khoảng cách từ tâm vết thử gần phải gấp đường kính viên bi +) Phạm vi ứng dụng vật liệu mềm (thép sau ủ, hợp kim đồng, nhôm) Quan hệ độ bền độ cứng: - Thép cán (trừ khơng gỉ, bền nóng) σb ≈ 0.34HB - Thép đúc σb ≈ 0.3- 0.4HB - Gang xám σb ≈ 60HB/6 - Đồng, latong, brong trạng thái biến cứng σb ≈ 4HB - Đồng, latong, brong trạng thái ủ σb ≈ 55HB - Đura σb ≈ 35HB +) Nhược điểm phương pháp đo độ cứng HB - Khơng thể đo vật liệu có độ cứng cao 450HB, mẫu phải phẳng, to, dày -Khơng cho phép đo loại trục (vì có mặt cong), đo tương đối chậm Hình 2.26 Sơ đồ tác dụng tải trọng phương pháp đo độ cứng 22 a Brimen, b Rocvel, Chiều dày Độ cứng nơi kiểm Vật liệu HB tra độ cứng, mm >5 140 - 450 3- 6 < 140 3–6 6 hợp kim 31.8 - 130 – đồng , đồng 6 3–6 [σb ] dẫn đến phá hủy gãy, vỡ đứt Đầu tiên xuất vết nứt tế vi bề mặt hay sâu bên -> Phát triển vết nứt -> phá hủy 25 2.2.7.1.Tải trọng tĩnh Tải trọng tĩnh phá hủy giòn phá hủy -Phá hủy dẻo kèm theo biến dạng dẻo - Phá hủy giòn khơng kèm theo biến dạng - Phá hủy giịn xảy đột ngột (d), phá hủy dẻo xảy từ từ (a), phá hủy dẻo chậm (b), nhanh (c) dẻo xảy Hình 2.30 Các dạng mặt gãy phá hủy -Công phá hủy dẻo lớn - Phá hủy dẻo hay giòn do: + Bản chất vật liệu: Ví dụ Thép, Al, Cu có phá hủy dẻo Gang giịn, Ceramic, polymer nhiệt rắn có phá hủy giịn + Nhiệt độ giảm -> phá hủy giòn, tải trọng đặt vào nhanh, đột ngột -> phá hủy giòn + Kết cấu gây tập trung ứng suất (hạ bậc đột ngột, rãnh, khía, nứt…) -> dễ gây phá hủy giịn *) Cơ chế phá hủy Phá hủy theo giai đoạn sau: - Hình thành vết nứt tế vi - Vết nứt ti phát triển tới hạn - Vết nứt tới hạn phát triển nhanh - Nứt chấm dứt gãy rời Trong chế giai đoạn 1,2,3 coi quan trọng Hình 2.31 Sự hình thành vết nứt 26 Hình 2.32 a Sơ đồ vết rỗng b Sự phân bố ứng suất tiết diện cắt ngang qua vết rỗng *)Tập trung ứng suất Theo A Griffith σmax: Gọi hệ số cường độ ứng suất xác định công thức : Đối với vật liệu giòn ứng suất tới hạn σgh cần thiết để phát triển vết nứt : Hình 2.32 kiểu phát triển vết nứt thường gặp Hình 2.33 Ba kiểu tải trọng lan chuyển vết nứt Hình 2.34 Ảnh hưởng chiều dày Kiểu I kiểu thường gặp đưa vào tính tốn Do tập trung ứng suất σ ≥ σgh nên vết nứt tăng gây phá hủy giòn vật liệu Giá trị hệ số cường độ 27 ứng suất tương ứng gọi độ dai phá hủy vật liệu, ký hiệu K Ic đặc trưng cho loại vật liệu (2.27) Đối với vật liệu dẻo phần lớn kim loại vật liệu polymer có biến dạng dẻo trước phá hủy, điều làm cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi, bán kính cong tăng lên, nhờ làm tăng σgh KIC Bảng 2.3 Giới hạn chảy độ dai phá hủy biến dạng phẳng số loại vật liệu 2.2.7.2 Phá hủy điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ Cầu, trục, bánh răng… chịu tải trọng không lớn ( 10 ÷ 106 chu kỳ) -> phá hủy mỏi *Cơ chế: Từ vết nứt đầu tiên, thường nằm bề mặt nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, điều kiện thuận lợi -> phát triển vết nứt Vết nứt tế vi bề mặt: rỗ co, bọt khí, tạp chất, xước, lồi, lõm -> tăng độ bóng bề mặt Vết nứt sinh tác dụng tải trọng thay đổi theo chu kỳ hình 2.34a Hình 2.35.a sơ đồ hình thành vết nứt Hình 2.35.b sơ đồ mặt gãy phá hủy mỏi Câu hỏi ôn tập Câu 1: Khái niệm, đặc điểm chế biến dạng dẻo đơn tinh thể Câu 2: Trình bày đặc trưng tính vật liệu 28 ... đồ biến đổi mạng tinh thể a tăng tải trọng ban đầu b Biến dạng đàn hồi c Biến dạng dẻo d Phá hủy 2.1.1.3 Biến dạng dẻo Đặc trưng biến dạng dẻo biến dạng sau bỏ tải trọng mà tồn lượng biến dạng. .. lên tiêu tính xấu 2.1.6.2 Tổ chức tính chất kim loại sau biến dạng dẻo: Sau biến dạng -> xô lệch mạng tinh thể Hình 2.23 Sự thay đổi tổ chức sau biến dạng Biến dạng dẻo -> xô lệch mạng -> ứng suất... có tính bền σdh, σ0.2 độ cứng tăng, độ dẻo giảm - Dẫn điện tính chống ăn mịn giảm 2.1.7 Nung kim loại sau biến dạng dẻo 2.1.7.1 Mục đích Kim loại sau biến dạng dẻo có mật độ khuyết tật tăng, ứng