ly thuet bien dang deo kimloai 9986

Học viện kỹ thuật Quân ====================== Đinh bá Trụ Cơ sở Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại Tài liệu giảng dạy Đại học chuyên ngành Gia công áp lực Công nghệ chế tạo đạn Hà Nội 2-2004 Lời nói đầu Gia công kim loại áp lực ngành sản xuất khí Công nghệ gia công kim loại áp lực cho phép tạo sản phẩm có hình dáng kích thức phức tạp, cho tổ chức kim loại để có chất l-ợng tính tốt cho suất cao, giá thành hạ Công nghệ gia công áp lực đại đ-ợc chuyển giao vào Việt Nam, nh- công nghệ sản xuất khung vỏ ôtô xe máy, công nghệ sản xuất chi tiết phụ tùng phục vụ nội địa hóa sản phẩm khí Các công nghệ gia công kim loại áp lực đ-ợc xây dựng sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, khoa học nghiên cứu sở biến dạng vi mô thuộc tính biến dạng vật liệu, nghiên cứu tính toán tr-ờng ứng suất biến dạng d-ới tác dụng ngoại lực nhằm khai thác hết tiềm biến dạng dẻo vật liệu, tối -u công nghệ, để xác định đ-ợc quy trình công nghệ biến dạng dẻo hợp lý Cuốn sách Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại đ-ợc biên soạn với nội dung sau: Các ch-ơng 1, 2, giới thiệu lý thuyêt biến dạng dẻo vật lý, nghiên cứu quy luật biến dạng vật liệu từ cấu trúc chất vật liệu Các ch-ơng 4, 5, giới thiệu lý thuyết biến dạng, ứng suất, điều kiện dẻo nhằm mục tiêu tính toán toán dẻo Ch-ơng giới thiệu tổng hợp thuộc tính dẻo trở lực biến dạng vật liệu, tạo điều kiện khai thác hết tính dẻo chúng Cuối sách có câu hỏi dùng để ôn tập Sách đ-ợc biên soạn theo ch-ơng trình giảng dạy Đại học chuyên ngành công nghệ gia công áp lực chuyên ngành chế tạo Vũ khí - Đạn Học viện Kỹ thuật quân Sách dùng làm sách giáo khoa cho sinh viên làm sách tham khảo cho kỹ s- chuyên ngành Rất mong có đóng góp ý kiến bạn đọc Xin chân thành cảm ơn Tác giả Mục lục Trang Lời nói đầu Mục lục Mở đầu Khái quát gia công áp lực I Vai trò phát triển chuyên ngành GCAL II Vai trò lý thuyết biến dạng dẻo côngnghệ gia công áp lực III ứng dụng kỹ thuật biến dạng tạo hình sản xuất quốc 9 12 13 phòng IV Nguyên tắc thiết lập chế độ công nghệ Ch-ơng Cơ chế biến dạng dẻo Quá trình Vật lý- Hoá học Biến dạng dẻo 1.1 Khái niệm biến dạng dẻo 17 17 1.2 Cơ chế biến dạng dẻo : Tr-ợt chuyển động lệch 19 1.4 Hoá bền biến dạng dẻo nguội đ-ờng cong biến dạng 43 1.3 Biến dạng dẻo nguội đa tinh thể Ch-ơng tác dụng yếu tố nhiệt 40 57 t-ợng biến dạng dẻo kim loại 2.1 Biến dạng dẻo nhiệt độ cao- Hồi phục kết tinh lại 57 2.3 Hiệu ứng nhiệt biến dạng dẻo 69 2.2 Chuyển biến pha biến dạng dẻo 65 2.4 Biến dạng dẻo có pha lỏng BDD kim loại lỏng 73 kim loại 81 2.5 Hiện t-ợng từ biến: bò-dÃo-tác dụng sau đàn hồi-võng trễ Ch-ơng Ma sát tiếp xúc gia công áp lực Sự phân bố không ứng suất biến dạng 3.1 Khái niệm ma sát vai trò ma sát gia công áp lực 3.2 Cơ chế sinh ma sát khô 3.3 Các định luật ma sát 3.4 Bôi trơn ảnh h-ởng chúng đến lực ma sát 3.5 Các yếu tố ảnh h-ởng đến giá trị lực ma sát tiếp xúc 3.6 Định luật trở lực nhỏ 3.7 Sự phân bố không ứng suất biến dạng 3.8 Các t-ợng sinh biến dạng không 91 91 94 97 102 105 111 112 114 Ch-¬ng IV øng suÊt Trạng thái ứng suất 117 4.2 Trạng thái ứng suất điểm 119 4.4 ứng suất pháp 123 4.6 ứng suất tiếp cực trị 125 4.8 Vòng Mo øng st 132 4.1 Kh¸i niƯm chung 117 4.3 ứng suất mặt nghiêng 121 4.5 Tenxơ ứng suất 125 4.7 ứng suất mặt (bát diện) 129 4.9 Ph-ơng trình vi phân cân tĩnh lực trạng thái ứng suất 137 4.10 Trạng thái ứng suất đối xứng trục trạng thái phẳng 140 khối Ch-ơng V Biến dạng tốc độ biến dạng 144 153 5.1 Khái niệm biến dạng dẻo nhỏ tốc độ biến dạng 153 5.3 Tính liên tục biến dạng 171 5.2 Chuyển vị biến dạng phân tố 155 5.4 Tốc độ chuyển vị tốc độ biến dạng 173 176 5.5 5.6 Biến dạng đồng Định luật biến dnfj thể tích không đổi 176 Ch-ơng VI Điều kiện dẻo phân tích trình biến dạng dẻo 179 6.1 Điều kiện chảy dẻo Treska-Saint-Vnant 179 6.3 ý nghĩa vật lý điều kiện dẻo l-ợng 186 6.2 Điều kiện dẻo l-ợng biến dạng không đổi 6.4 ý nghĩa hình học điều kiện dẻo 6.5 Điều kiện dẻo trạng thái ứng suất 6.6 ảnh h-ởng giá trị ứng suất trung gian 6.7 Quan hệ ứng suất biến dạng biến dạng dẻo Ch-ơng VII Trở lực biến dạng Tính dẻo vật liệu kim loại 7.1 Một số thuộc tÝnh biÕn d¹ng cđa vËt liƯu 184 190 193 194 198 213 213 7.2 Kh¸i niƯm vỊ trë lùc biÕn dạng tính dẻo vật liệu 219 tính dẻo kim loại 221 7.3.ảnh h-ởng thành phần hoá học đến trở lực biến dạng 7.4 ảnh h-ởng tổ chức kim loại 7.5 ảnh h-ởng nhiệt độ đến tính dẻo trở lực biến dạng 7.6 ảnh h-ởng tốc độ biến dạng đến tính dẻo trở lực biến dạng 7.7 ảnh h-ởng sơ đồ học biến dạng đến tính dẻo vật liệu 7.8 Trạng thái siêu dẻo vật liệu Câu hỏi ôn tập Tài liệu tham khảo 223 225 227 232 243 247 257 Mở đầu Khái quát gia công áp lực kim loại I vai trò phát triển chuyên ngành GCAL Công nghệ GCAL có từ lâu đời, nh-ng mÃi đến vài kỷ đ-ợc phát triển, nhờ có phát triển lý thuyết biến dạng dẻo lý thuyết gia công áp lực Lý thuyết biến dạng dẻo gia công áp lực kim loại dựa sở học môi tr-ờng liên tục, học vật rắn biến dạng, lý thuyết dẻo, kim loại học vật lý, đại số tuyến tính Ngày nay, có cách mạng biến dạng tạo hình Các thành tựu lớn học vật rắn biến dạng, toán học, kỹ thuật mô đà tạo cho lý thuyết công nghệ GCAL sức mạnh Ta xác định đ-ợc công nghệ biến dạng tối -u, sử dụng hết khả biến dạng vật liệu, tận dụng nguồn l-ợng nhờ sử dụng kỹ thuật mô đà đ-a ngành GCAL giải công nghệ tạo hình không cần chế thử, giai đoạn tốn phí tiền để chế tạo khuôn thử nghiệm chi phí nguyên vật liệu thử nghiệm Ph-ơng pháp Công nghệ Gia công kim loại áp lực, hay Công nghệ Biến dạng tạo hình ph-ơng pháp công nghệ, vừa công nghệ chuẩn bị tạo phôi cho công nghệ khí vừa công nghệ tạo hình sản phẩm cuối cùng, cho phép tạo hình dáng, kích th-ớc sản phẩm mà cho sản phẩm kim loại chất l-ợng cao tính chất - lý - hoá, tiết kiệm nguyên vật liệu, cho suất lao động cao, từ hạ giá thành sản phẩm Là dạng công nghệ lúc biến đổi Hình dáng Kích th-ớc Tổ chức kim loại, nên chúng đ-ợc ứng dụng yêu cầu chất l-ợng sản phẩm cao Trong điều kiện biến dạng xử lý nhiệt định, tổ chức kim loại thay đổi: phá bỏ tổ chức đúc, tạo tổ chức thớ, làm nhỏ hạt tinh thể, tạo têctua, phá vỡ làm phân tán hạt tạp chất nhờ làm tăng tính bền, độ dai va đập, khả chịu mỏi, chịu va đập, tăng tuổi thọ sản phẩm Sản phẩm Công nghệ áp lực đa dạng, gia công nhiều loại vật liệu Có thể tạo trạng thái siêu dẻo, gia công với biến dạng lớn gia công vật liệu khó biến dạng Công nghệ gia công kim loại áp lực th-ớc đo trình độ phát triển công nghiệp quốc gia Các công nghệ gia công áp lực kinh điển, nh- Cán- Kéo-ép-Rèn-Dập, chiếm 80% tổng sản l-ợng sản phẩm kim loại hợp kim, tiếp tục hoàn thiện công nghệ, bảo đảm suất chất l-ợng sản phẩm Ngành gia công áp lực mở số h-ớng nghiên cứu ph-ơng pháp công nghệ mới: Phát triển lý thuyết biến dạng dẻo, ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật vào giải toán lý thuyết gia công áp lực Đ-a ph-ơng pháp toán mới, quan đ-a ph-ơng pháp số (nh- ph-ơng pháp phần tử hữu hạn, ph-ơng pháp biến phân, ph-ơng pháp phần tử biên) kết hợp sử dụng máy tính điện tử vào việc giải toán biến dạng dẻo Từ mô trạng thái ứng suất biến dạng, mô trình chảy dẻo vật liệu, quan sát đ-ợc chiều sâu bên trình biến dạng mà điều khiển chúng Đ-a tính toán tối -u giải toán công nghệ tạo hình khuôn, bảo đảm tận dụng hết tính thiết bị Nhờ ph-ơng pháp số ứng dụng biến dạng tạo hình đà giải toán biến dạng lớn, đ-a nhiều yếu tố thực vào trình giải toán biến dạng Xây dựng nhiều mô hình thuộc tính vật liệu vật liệu độ bền cao, vật liệu composit, thích ứng vật liệu đ-ợc đ-a vào sử dụng Kết hợp yếu tố biến dạng tác động biến đổi tổ chức bên vật liệu với xử lý nhiệt để tạo vật liệu có tổ chức kim t-ơng có độ bền cao, công nghệ đà thành công nghệ sản xuất hàng loạt lớn, nhờ tiết kiệm nhiều vật liệu, vật liệu xây dựng Cũng h-ớng công nghệ tác động nhiệt đà tạo hiệu ứng siêu dẻo tếctua, làm vật liệu có tính dẻo đặc biệt, dùng biến dạng tạo hình chi tiết có nhiều thành vách mỏng, hình dáng phức tạp ứng dụng CAD/CAM/CIM khâu sản xuất ứng dụng công nghệ thông tin tiến hành Thiết kế công nghệ, thiết bị, khuôn, nhờ trợ giúp phần mềm khí chế tạo máy phần mềm chuyên dùng thiết kế biến dạng tạo hình đà thiết kế nhanh chóng khuôn dập phức tạp, nhanh chóng thay đổi kết cấu, mẫu mÃ, suất tăng hàng trăm lần Tr-ớc đây, sản phẩm phải qua khâu sản xuất thử, phải thiết kế chế tạo khuôn, gia công thử, sau dập thử kiểm tra cần chỉnh sửa khuôn chế tạo lại khuôn ứng dụng phần mềm thiết kế kỹ thuật mô phỏng, có khả kiểm tra đánh giá độ xác hình dáng kích th-ớc, độ bền, độ tin cậy công nghệ khuôn, thay cho việc sản xuất thử tốn Hiện nay, nhiều máy điều khiển theo ch-ơng trình số CNC đ-ợc sử dụng để gia công khuôn mẫu dùng GCAL, nhờ thiết bị này, công việc gia công bề mặt phức tạp đ-ợc xử lý nhanh chóng, xác Đà có ch-ơng trình liên kết sau thiết kế xong khuôn, mà hoá, chuyển sang điều khiển máy CNC gia công, không cần giai đoạn lập trình riêng Vì vậy, đà liên kết khâu thiết kế chế tạo khuôn làm Mặt khác, đà ứng dụng hệ thống điều khiển tự động, mạch công suất cao, tạo khối mạch điều khiển máy GCAL, đồng thời đà có nhiều dây chuyền sản xuất tự động với điều khiển trung tâm máy tính Tạo ph-ơng pháp gia công đặc biệt: ph-ơng pháp công nghệ đà biết nh- gia công l-ợng cao, gia công vật liệu bột, bimêtan, ngày phát triển công nghệ sản xuất chi tiết từ ép vật liệu hạt, ta nhận đ-ợc sản phẩm với thành phần bất kỳ, phân bố thành phần vùng khác nhautuìy theo điều kiện chịu tải cua sản phẩm, vật liệu composit Một ph-ơng pháp gia công vật liệu khó biến dạng, cấu tạo thành phần (cấu tử đặc biệt) công nghệ ép bán lỏng Công nghệ cần nung nóng chảy vật liệu nền, thành phần tăng bền, gia cố thành phần có thuộc tính đặc biệt khác trạng thái hạt rắn, sau đổ vào khuôn đ-a vào ép Từ ta đ-ợc vật liệu có tính đặc biệt theo yêu cầu Từ vấn đề nêu trên, khoa học kỹ tht GCAL cđa thÕ giíi ®· cã rÊt nhiỊu biÕn đổi, nhiều ph-ơng pháp tính toán mới, công nghệ đại xuất hiện, đà giải nhiệm vụ sản xuất cách nhanh chóng hiệu kinh tế cao Mặt khác, đòi hỏi ng-ời có trình độ khoa häc kü tht cao, cã hiĨu biÕt s©u réng kiến thức kiến thức chuyên ngành, có trình độ tin học tốt II Vai trò lý thuyết biến dạng dẻo công nghệ gia công áp lực Môn khoa học biến dạng dẻo gia công áp lực nghiên cứu từ nhiều mặt khác nhau: Về mặt học biến dạng dẻo : Bằng ph-ơng pháp toán học nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng vật thể biến dạng, xác định quan hệ ứng suất biến dạng Từ đó, xác định điều kiện lực cần thiết chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo Kết nghiên cứu cho ph-ơng pháp tính toán lực công biến dạng, làm sở cho việc phân tích ứng suất biến dạng Về mặt vật lý trình biến dạng kim loại : Nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết chế biến dạng tạo hình kim loại, xác định ảnh h-ởng yếu tố đến trình biến dạng Có nghĩa nghiên cứu đặc tr-ng vật lý biến dạng dẻo kim loại, ảnh h-ởng nhiệt độ, mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng dạng trạng thái ứng suất trình biến dạng dẻo, xác định quan hệ vật lý biến dạng dẻo, đồng thời nghiên cứu ảnh h-ởng ma sát yếu tố khác đến trình biến dạng Kết nghiên cứu cho phép xác định điều kiện tối -u phân bố ứng suất biến dạng đồng điều Về mặt vật lý - hoá học: Nghiên cứu vấn đề quan hệ biến dạng dẻo kim loại với thành phần hoá học trạng thái pha vật liệu Từ tìm ảnh h-ởng yếu tố nhiệt đến thuộc tính biến dạng, tạo điều kiện để đạt biến dạng dẻo nhiều xác định hợp lý chế độ biến dạng cho vật liệu khó biến dạng dẻo Nh-ng nhiều yếu tố tác động, lý thuyết toán học gia công áp lực kim loại giải hết vấn đề sản xuất thực tế nêu Chính vậy, môn khoa học cần đến thực nghiệm, tổng kết kinh nghiệm sản xuất thực tế, từ tìm quy luật sát thực Biết rằng, tính dẻo yếu tố trạng thái vật chất, chúng quan hệ với điều kiện biến dạng: sơ đồ học biến dạng, nhiệt độ, tốc độ, mức độ biến dạng điều kiện bên nh- ma sát, môi tr-ờng Vì vậy, trọng tâm nghiên cứu Lý thuyết biến dạng dẻo vật lý là: Nghiên cứu tác động điều kiện nhiệt học đến biến dạng tạo hình kim loại, nghiên cứu ảnh h-ởng điều kiện nhiệt độ, ma sát để xác lập chế độ công nghệ biến dạng tối -u Nghiên cứu ảnh h-ởng gia công biến dạng đến tính chất học - vật lý - hoá học kim loại từ khai thác hết tiềm vật liệu nhằm thu đ-ợc sản phẩm có chất l-ợng cao tính Nghiên cứu ph-ơng pháp biến dạng tạo hình để xác lập mối quan hệ tối -u kích th-ớc hình dáng phôi sản phẩm, bảo đảm điều kiện kim loại biến dạng lớn nhất, hợp lý nhất, độ xác kÝch th-íc tèt nhÊt Nghiªn cøu trë lùc biÕn dạng vật liệu, lực công biến dạng để sử dụng hết đ-ợc công suất thiết bị Bảo đảm điều kiện suất cao, chất l-ợng sản phẩm tốt, tiêu hao nguyên liệu l-ợng III ứng dụng kỹ thuật biến dạng tạo hình sản xuất quốc phòng Các sản phẩm vũ khí đạn dạng sản phẩm yêu cầu cao chất l-ợng Chúng chịu tác dụng áp lực xung nổ, chịu tác dụng nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh , nên đòi hỏi sử dụng công nghệ biến dạng tạo hình Công nghệ rèn: dùng sản xuất phôi loại nòng pháo, nòng súng Công nghệ dập khối dùng sản xuất chi tiết pháo, dập đầu đạn, dập vỏ số loại động loa đạn phản lực Công nghệ dập vuốt dùng sản xuất loại vỏ liều đạn cỡ Công nghệ miết ép dùng chế tạo ống thành mỏng chịu áp lực lớn làm vỏ động tên lửa Công nghệ ép bán lỏng dùng ép thân cánh tên lửa Do vũ khí đạn sử dụng vật liệu đặc thù, th-ờng tính biến dạng dẻo kém, nên, cần xác định xác chế độ công nghệ gia công Nh- nòng pháo th-ờng dùng thép hợp kim hóa tốt độ bền cao 38XH2M Thép có độ dẫn nhiệt kém, gia công đòi hỏi xác định xác chế độ biến dạng, đồng thời bảo đảm chế độ nung làm nguội Xác định đ-ợc chế độ công nghệ hợp lý phải sở nghiên cứu giải toán tổng hợp xác định tính vật liệu, giải toán ứng suất biến dạng, xác định điều kiện biến dạng, tốc độ biến dạng tối -u, khai thác đ-ợc tiềm biến dạng vật liệu Trong sản xuất loại tàu, uốn vỏ tàu, dập chi tiết lắp tàu cần sử dụng công nghệ gia công áp lực Trong sản xuất loại xe quân sự, công nghƯ dËp tÊm dïng dËp vá xe, c«ng nghƯ dập khối dùng sản xuất loại bánh răng, trục xoắn xe tăng, xe thiết giáp Nh- vậy, nghiên cứu sản xuất quốc phòng, cần đặt trọng tâm vào nghiên cứu trình biến dạng tạo hình, có nghĩa dựa sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại IV Nguyên tắc thiết lập chế độ công nghệ Nh- đà nêu, nhờ biến dạng dẻo đà phá vỡ tổ chức đúc, hàn gắn khuyết tật đúc, tạo tổ chức kim loại tốt Có nghĩa Biến dạng dẻo đà tác động vào bên vật liệu kim loại, làm thay đổi trạng thái tổ chức pha cấu trúc hạt theo chế độ nhiệt Nh- vậy, cần tác động tỷ số rèn định ( 4~8) Trong ph-ơng pháp biến dạng dẻo, dòng chảy kim loại không đồng đều, phân bố ứng suất biến dạng không đều, từ ta đ-ợc tính lý hoá không vùng khác Đối với sản phẩm thông dụng, ảnh h-ởng biến dạng không tính không bỏ qua Nh-ng sản phẩm quân sự, yêu cầu chất l-ợng cao đồng yêu cầu bảo đảm chất l-ợng cao vùng định, việc nghiên cứu phân bố ứng suất biến dạng quan trọng Từ lý thuyết, nghiên cứu dòng chảy theo chiều để xác định chế độ tạo hình điều khiển tính vật liệu Các thông số công nghệ chủ yếu cần xác định là: lực, tốc độ gia công tốc độ biến dạng, ma sát tiếp súc, độ biến dạng, nhiệt độ - Tr-ớc hết cần nhận dạng vật liệu Để làm sở tính toán, cần xác định đ-ợc mô hình vật liệu điều kiện biến dạng Công nghệ biến dạng dựa sở khả biến dạng vật liệu điều kiện nhiệt độ - tốc độ biến dạng Nh- vậy, cần dựa giới hạn chảy vật liệu tính dẻo chúng để tăng độ biến dạng mà không gây phá huỷ vật liệu Cần xác định thuộc tính biến dạng đàn dẻo, đàn dẻo lý t-ởng, đàn nhớt với việc sử dụng mô hình tính toán cho phù hợp - Trên sở lý thuyết biến dạng dẻo, xác định chế độ biến dạng cho b-ớc nguyên công, sè b-íc lµ Ýt nhÊt vµ cho tû sè rÌn tốt Mặt khác, ảnh h-ởng biến dạng dẻo đến tính chất vật lý học vật liệu liên hệ chặt với yếu tố công nghệ nguyên công cuối tạo sản phẩm Nh- cần xử lý mối quan hệ tính kế thừa tính cải biến tổ chức tính chất vật liệu - Nghiên cứu chảy dẻo kim loại cần biết tr-ớc đặc tr-ng học vật liệu, từ tính toán thông số biến dạng; có nghĩa là, thiết lập quy trình công nghệ biến dạng ch-a biết khả chảy dẻo chúng Các thuộc tính học đ-ợc xác định thử kéo đơn, điều kiện nhiệt độ, độ biến dạng tốc độ biến dạng phù hợp với điều kiện gia công - Lý thuyết chảy dẻo chiều cho phép phân tích phân bố ứng suất biến dạng ổ biến dạng phôi, nh-ng ch-a tích hợp đ-ợc tác động đó, nên xác định thông số công nghệ trung bình Biến dạng dẻo sảy thoả mÃn điều kiện dẻo định Tuỳ theo điều kiện biến dạng, cần chọn điều kiện dẻo Von Misses hay Treska-St.Vnant Trên sở tr-ờng phân bố c-ờng độ ứng suất điều kiện dẻo, ta biết đ-ợc biến dạng dẻo vùng khác phân tích đ-ợc biến dạng không đó, tìm đ-ợc lực biến dạng cần thiết Tr-ớc ph-ơng pháp l-ới đ-ờng tr-ợt ph-ơng pháp cho phép thấy đ-ợc biến dạng không vùng - Nay nhờ phát triển toán học, giải hệ ph-ơng trình vi phân đạo hàm riêng ph-ơng pháp số, ph-ơng pháp phần tử hữu hạn, nên ta phân tích đ-ợc phân bố xác tr-ờng ứng suất biến dạng Tr-ớc đây, nghiên cứu tr-ờng tốc độ biến dạng khó, nhờ ph-ơng pháp PTHH, giải toán Lagrange, phân tích tr-ờng phân bố tốc độ biến dạng, thấy đ-ợc véc tơ biến dạng điểm - Sự biến dạng tr-ợt bề mặt tiếp xúc chịu ảnh h-ởng lớn ma sát tiếp xúc, ảnh h-ởng ma sát tiếp xúc bị lan truyền vào bên ổ biến dạng, làm cho biến dạng không tăng Mặt khác, ma sát tiếp xúc ngăn cản kim loại điền đầy lòng khuôn, làm tăng đôk mài mòn mặt lòng khuôn, tăng trở lực biến dạng Ngày để tìm lời giải xác cho toán biến dạng dẻo, quan hệ chặt với việc tìm quy luật tác dụng ma sát tiếp xúc Hệ số ma sát coi tỷ lệ ứng suất tiếp bề mặt tiếp xúc víi øng st tiÕp lín nhÊt, hay lµ cosin cđa góc thoát đ-ờng tr-ợt mặt tiếp xúc - Sơ đồ học biến dạng có tác động lớn xác định chế độ công nghệ Dòng chảy dẻo chuyển dịch theo h-ớng kim loại Dòng chảy dẻo kim loại đ-ợc tạo dịch chuyển dụng cụ so với phôi dòng chảy dẻo dịch chuyển kim loại không nén đ-ợc, sơ đồ trạng thái ứng suất định h-ớng chảy theo định luật trở lực nhỏ Sử dụng phân tố biểu diễn trạng thái ứng suất đồng thời dùng phân tố khối biểu diễn trạng thái biến dạng điểm - Biến dạng hiệu ứng nhiệt độ: Khi biến dạng dẻo, l-ợng công biến dạng chuyển thành nhiệt Nhiệt l-ỵng sinh phơ thc nhiỊu u tè, chđ u nội ma sát, tổ chức cấu trúc kim loại Do hiệu ứng nhiệt, làm kim loại chuyển trạng thái pha, làm thay đổi tính dẻo vật liệu - Tốc độ biến dạng: Khi tốc độ biến dạng tăng, giới hạn chảy tăng trở lực biến dạng tăng Tính dẻo vật liệu phụ thuộc tốc độ biến dạng, số vật liệu nhạy cảm tốc độ biến dạng, nên xác định công nghệ cần xác định thuộc tính dẻo vật liệu điều kiện tốc độ biến dạng t-ơng ứng Ch-ơng Cơ chế biến dạng dẻo kim loại trình vật lý - hoá học biến dạng dẻo 1.1 Khái niệm biến dạng dẻo 1.1.1 Biến dạng đàn hồi dẻo kim loại Trong kim loại, nguyên tử (iôn) tồn lực tác dụng t-ơng hỗ, gồm lực đẩy lực kéo Tại nhiệt độ định chúng dao động quanh vị trí cân Nhờ vậy, vật thể tồn với hình dáng kích th-ớc định Theo quan điểm l-ợng, nguyên tử tồn vị trí l-ợng tự thấp nhất, tuỳ thuộc cấu trúc tinh thể Các nguyên tử mạng tinh thể lập ph-ơng thể tâm (LPTT) có l-ợng tự cao hơn, mạng lập ph-ơng diện tâm (LPDT), l-ợng tự thấp D-ới tác dụng ngoại lực nhiệt độ, làm thay đổi nguyên Hình 1.1 Biểu đồ nguyên tử tử, nguyên tử rời khỏi vị trí cân Ta nhận thấy thông qua thay đổi kích th-ớc vật thể Lực lớn, nhiệt độ cao, thể tăng Nếu l-ợng làm nguyên tử cách xa nhau, l-ợng không đủ v-ợt qua giá trị định, ng-ỡng lớn nhất, sau lực giảm nhiệt, nguyên tử quay vị trí ban đầu Sự dịch chuyển nguyên tử tạo biến dạng Ng-ời ta chia kiểu biến dạng : biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, phá huỷ Vật thể d-ới tác dụng ngoại lực bị biến dạng Nếu sau cất tải biến dạng bị đi, vật thể trở hình dáng kích th-ớc ban đầu, nh- ch-a bị tác dụng lực, ta gọi biến dạng biến dạng đàn hồi Biến dạng đàn hồi phụ thuộc hai yếu tố lực nhiệt độ, ta cã thĨ biĨu diƠn:   ®ã:   t MR (1.1) MR- hệ số đàn hồi - hệ sè d·n në nhiƯt t- gia sè biÕn ®ỉi nhiƯt Giải ph-ơng trình không đơn giản, giá trị biến dạng đàn hồi chịu ảnh h-ởng nhiều yếu tố khác, nh- tổ chức kim loại: dung dịch rắn hay hỗn hợp học Khi tăng l-ợng tự nguyên tử v-ợt qua giới hạn, nguyên tử kim loại chuyển dời sang vị trí xa ổn định hơn, không trở vị trí cân cũ lực tác dụng Tổng dịch chuyển nguyên tử sang vị trí tạo nên độ biến dạng d-, hay thay đổi hình dáng kích th-ớc vật thể, gọi biến dạng dẻo, hay biến dạng d- Để tạo nên dịch chuyển sang vị trí không gây nên phá huỷ mối liên kết, phải bảo đảm trình nguyên tử dịch chuyển khoảng cách nguyên tử không đ-ợc v-ợt kích th-ớc vùng lực tác dụng t-ơng hỗ kéo nguyên tử (hình 1.1) Khi cất tải, biến dạng sau biến dạng dẻo, nguyên tử có xu chiếm vị trí cân mới, thiết lập lại mối quan hệ liên kết nguyên tử Nh-ng biến dạng dẻo không làm thay đổi thể tích vật thể biến dạng 1.1.2 Phá huỷ Phá huỷ thay đổi hình dáng kích th-ớc vật thể d-ới tác dụng ngoại lực, sau cất tải chúng không giữ nguyên liên kết ban đầu nguyên tử phần Phá huỷ nứt, gÃy, vỡ mối liên kết nguyên tử ứng suất kéo gây nên Cần phân biệt khái niệm biến dạng dẻo phá huỷ 1.2 Cơ chế biến dạng dẻo - Tr-ợt chuyển động lệch 1.2.1 Biến dạng dẻo đơn tinh thể a Tr-ợt chế biến dạng tr-ợt Biến dạng dẻo kim loại đ-ợc thực cách tr-ợt song tinh, trình chuyển dịch song song t-ơng đối, không đồng thời hai phần (lớp) nhỏ mạng tinh thể Quá trình tr-ợt xảy từ từ theo mặt ph-ơng định -u tiên cho mặt ph-ơng có góc định h-ớng với ngoại lực thuận lợi, cho ứng suất tiếp lớn mặt ph-ơng lớn giá trị giới hạn Hình 1.2 Tr-ợt mặt tinh thể Tr-ợt trình chuyển động t-ơng đối hai phần tinh thể, chuyển dịch t-ơng đối bao hàm loạt mặt lớp mỏng tạo thành dải tr-ợt, vùng trung gian mặt tr-ợt biến dạng Thực nghiệm cho thấy, khoảng cách mặt tr-ợt có giá trị khoảng 1m, khoảng cách lớp nguyên tử khoảng - 10 m Tr-ợt xảy vùng, tạo thành mặt, chiều dày mặt đ-ờng kính nguyên tử Mặt đ-ợc gọi mặt tr-ợt, mặt song song với mặt tinh thể Tr-ợt xảy số mặt ph-ơng tinh thể định Trên ph-ơng mặt tinh thể th-ờng có mật độ nguyên tử dày đặc hay có lực liên kết nguyên tử lớn nhất, so với mặt ph-ơng khác Tr-ợt phải khắc phục lực tác dụng t-ơng hỗ mặt tinh thể ( nguyên tử mặt nguyên tử) Ph-ơng tr-ợt ph-ơng có khoảng cách nguyên tử nhỏ Tr-ợt xảy d-ới t¸c dơng cđa øng st tiÕp, cho c¸c d·y nguyên tử trình tr-ợt giữ đ-ợc mối liên kết Nếu không mối liên kết đó, biến dạng dẻo dẫn đến phá huỷ Bất kì kiểu mạng tinh thể nào, tr-ợt xảy mặt tr-ợt theo số ph-ơng tr-ợt định Tổng hợp mặt tr-ợt ph-ơng tr-ợt đ-ợc gọi hệ tr-ợt Mạng LP tâm mặt LP tâm khối Sáu ph-ơng xếp chặt Mặt tr-ợt {111} {110} Bảng 1.1 Ph-ơng tr-ợt {112} {0001}  1120  {123} {1011} Vectơ BERGET Số hệ tr-ợt a/2 a/2 a Hình 1.3 Mặt tr-ợt ph-ơng tr-ợt, biểu đồ Schmid 4x3=12 6x2= 12 12x1=12 24x1=24 1x3 =3 6x1 =6 KÕt qu¶ cđa tr-ợt làm xuất biến đổi hình dáng tinh thể, xuất giải tr-ợt bề mặt làm thay đổi tính chất vật lý vật liệu (nhất tính chất học) Một hệ tr-ợt tham gia trình biến dạng ứng suất tiếp sinh ngoại lực tác dụng mặt tr-ợt ph-ơng tr-ợt v-ợt giá trị ứng suất tiếp giới hạn phụ thuộc vào kết cấu vật liệu nhiệt độ Theo Schmid ứng suất tiếp tác dụng lên ph-ơng tr-ợt mặt tr-ợt đ-ợc tính theo c«ng thøc:  F cos  cos  S0 (1.2) Hệ tr-ợt đ-ợc hoạt động khi: đó: = Cos.Cos = C (1.3)  = F/So  - gãc ph-ơng lực ph-ơng tinh thể; - góc ph-ơng lực mặt tinh thể S0- diện tích mặt cắt ban đầu mẫu Trong tr-ờng hợp chung, hệ tr-ợt hoạt động ứng suất tiếp tác động lớn giá trị ứng suất tiếp tới hạn phụ thuộc cấu trúc tinh thể, nhiệt độ ®é s¹ch cđa vËt liƯu VËt liƯu cã d¹ng m¹ng lập ph-ơng diện tâm có C nhỏ vật liệu có mạng lập ph-ơng thể tâm Vật liệu sạch, hạt nhỏ, giới hạn đàn hồi nhỏ, C nhỏ Hình 1.4 ứng suất tiếp giới hạn phụ thuộc kiểu mạng nhiệt độ Bảng 1.2 cho số liệu ứng suất tr-ợt tới hạn phụ thuộc cấu trúc vật liệu, độ số kim loại nguyên chất nhiệt độ th-ờng Kim loại Bảng 1.2 Độ % Mặt tr-ợt Ag 99,999 {111} 0,38 Cu 99,98 {111} 0,5 Al Fe 99,994 99,96 Mo S¹ch Zn 99,96 Cd 99,96 Ti 99,999 99,9990 Ph-ơng tr-ợt {111} ƯS C, MN/m2 {110} 0,8 {112} 28 {110} 73 {0001} 0,96 {0001} 0,58 {112} {0001} {1010} 0,18 14 Giá trị ứng suất tới hạn biến đổi theo nhiệt độ độ Niken đ-ợc ghi bảng 1.3 Với tinh thể bạc có độ 99,999; 99,97 99,93% , giá trị ứng suất tiếp tới hạn nhiệt độ th-ờng 0,48; 0,73; 1,9 MN/m2 Bảng 1.3 Nhiệt độ 99,9 99,98 180-195 13,6 7,5-8,5 508 9,7 - K ƯS C, MN/m2 với độ sạch, % 20 290-300 - 10,4 9-11 3,3-7,5 Trong mét sè nghiên cứu, đà đ-a công thức tính ứng suất tr-ợt tới hạn phụ thuộc thành phần, với đơn tinh thể mạng lập ph-ơng diện tâm d C k n dC (1.4) ®ã : C - øng suất tr-ợt tới hạn, MN/m2; C - nồng độ nguyên tö; k h»ng sè; da  ; a - h»ng sè m¹ng; a dC n = , hệ số thực nghiệm Biến dạng dẻo tr-ợt xác định theo giá trị véctơ Berget: đó: p =  b x  - mËt ®é lƯch; (1.5) b - vectơ Berget; x - độ dịch chuyển trung bình lệch b.Tr-ợt chuyển động lệch Lùc PAIER-NABARRO NÕu cã mỈt tinh thĨ ( mặt tr-ợt) khác nhau, h khoảng cách mặt nguyên tử, b véc tơ BERGET Khi lớp nguyên tử chuyển dịch khoảng cách x cần tác dụng ứng suất tiếp : c sin 2 x 2 x  c ; b b (1.6) ®ã : C - øng suÊt cho phép tr-ợt vật liệu Thấy rằng, nguyên tử biến dạng chuyển dịch đoạn x, cho l-ợng biến dạng đàn hồi lớn x Vậy, muốn nguyên tử dịch chuyển giá trị h ứng suất tr-ợt phải đạt tới giá trị là: x  G ; h (1.7) T¹i nưa chu kú đầu biến dạng với x