Bài giảng Vật liệu học: Chương 2 - ThS. Hoàng Văn Vương

Bài giảng Vật liệu học: Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Biến dạng dẻo và phá hủy; Các đặc trưng cơ tính; Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương Biến dạng dẻo tính 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy 2.2 Các đặc trưng tính 2.3 Nung kim loại qua biến dạng dẻo 20-June-12 Chương Biến dạng dẻo tính 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy 2.1.1 Khái niệm - Biến dạng: Sự thay đổi kích thước, hình dạng vật liệu tác dụng tải trọng - Biến dạng đàn hồi: Biến dạng bỏ tải P < đh - Biến dạng dẻo: Biến dạng tồn bỏ tải P > đh 20-June-12 Tải trọng F 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy Fb b Fa a Fđh c e a1 a2 Độ dãn dài l Biểu đồ tải trọng – biến dạng 20-June-12 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy a) Ban đầu: nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân b) Biến dạng dàn hối: nguyên tử xê dịch phạm vi hẹp nhỏ số mạng, trở vị trí ban đầu bỏ tải c) Biến dạng dẻo: nguyên tử xê dịch phạm vi lơn số mạng (trượt), khơng thể trở vị trí ban đầu bỏ tải d) Phả hủy: liên kết nguyên tử bị cắt rời 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Khái niệm: Trượt chuyển dời tương đối phần tinh thể theo Mặt trượt Phương trượt mặt phương định gọi phương trượt mặt trượt Hiện tượng trượt đơn tinh thể 20-June-12 Trượt đơn tinh thể Zn 2.1.2 Trượt đơn tinh thể a) Các mặt phương trượt Mặt trượt: Mặt (tưởng tượng) phân cách hai mặt nguyên tử dày đặc xảy tượng trượt Mặt dày đặc nhất? Điều kiện: - Liên kết nguyên tử bề vững - Khoảng cách hai mặt lớn Phương trượt: Phương có mật độ nguyên tử lớn Hệ trượt: kết hợp phương trượt mặt trượt 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A1 Họ mặt trượt: {111}, số lượng: Họ phương trượt , số lượng: Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A2 Họ mặt trượt: {110}: Họ phương trượt : Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A3 Mặt xếp chặt nhất: {0001}: Họ phương xếp chặt  1120  : Hệ20-June-12 trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 3 Kiểu mạng Họ mặt trượt Họ phương trượt {111} (4) {110} (6) {0001} (1) (3) (2)  1120  (3) Hệ trượt 12 12 Kim loại Fe, Ai, Cu, Au Fe, Cr, W, V Ti, Zn, Mg, Be 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể b) Ứng suất gây trượt Định luật Schmid: ứng suất tác dụng s s’  Phương trượt  Mặt trượt t Diện tích mặt trượt: S=S0/cos Ứng suất tiếp phương trượt: S0 20-June-12  = (F/S)cos = (F/S0)coscos   = 0 coscos 2.1.2 Trượt đơn tinh thể b) Ứng suất gây trượt Định luật Schmid:  = 0coscos  th Không xảy trượt Dễ xảy trượt Không xảy trượt 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể c) Cơ chế trượt Lý thuyết: th = G/2 Thực tế: th = G/(8.102  8.104) G: mođun trượt 20-June-12 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Đặc điểm - Các hạt bị biến dạng khơng Có tính đẳng hướng - Có độ bền cao - Hạt nhỏ độ bền độ dẻo cao Biểu thức Hall-Petch ch = 0 + kd-1/2 - ch: ứng suất chảy d: kích thước hạt 0: ứng suất cho lệch chuyển động d   k: số 20-June-12 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Tổ chức tính chất sau biến dạng Tổ chức: - Các hạt có xu hướng dài theo phương biến dạng -  = 30-40%: hạt bị chia nhỏ kéo dài theo thớ -  = 70-90%: hạt bị quay, phương mạng số song song, tạo tổ chức textua biến dạng 20-June-12 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Tổ chức tính chất sau biến dạng Tính chất: - Hạt tinh thể bị kéo dài theo phương biến dạng: có tính dị hướng Ứng suất lớn 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 chống ăn mòn giảm 20-June-12 2.1.4 Phá hủy  Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, khắc phục  thiệt hại kinh tế, người…  cần phải có biện pháp khắc phục Đặc điểm chung: hình thành vết nứt tế vi phát triển vết nứt  tách rời  phá huỷ 20-June-12 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Phá hủy dẻo: kèm theo biến dạng dẻo đáng kể + phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều lượng  cơng phá hủy lớn - Phá hủy giịn: kèm theo biến dạng không đáng kể + phát triển với tốc độ nhanh, cần lượng nhỏ  công phá hủy nhỏ - 20-June-12 Phá hủy dẻo Phá hủy giòn 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Phá hủy giòn hay dẻo Bản chất 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 giịn - Chú ý: vết phá hủy cắt ngang hạt hay theo biên giới hạt 20-June-12 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Cơ chế phá hủy Vết cắt Sợi Xuất vết nứt tế vi Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn giá trị tới hạn Các vết nứt tế vi phát triển nhanh Phá huỷ vật liệu 20-June-12 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Vết nứt tế vi - mầm phá hủy VL: - Vết nứt kết tinh, nguội nhanh - Các rỗ khí, bọt khí vật đúc - Từ pha có độ bền thấp vật liệu - Hình thành trình biến dạng tập hợp nhiều lệch dấu chuyển động mặt trượt gặp vật cản (pha thứ hai, biên hạt…) 20-June-12 2.1.4 Phá hủy b) Phá hủy điều kiện tải trọng chu kỳ Đặc điểm: - Vật liệu chịu tải trọng không lớn ( 108 (biến dạng dẻo – nhiệt luyện)  Có biện pháp hóa bền Biến dạng dẻo: tăng mật độ lệch  biến cứng, tăng bền Hợp kim hóa: tăng xơ lệch mạng, mật độ lệch  tăng bền VD: Thép: CT31: b = 120-150MPa b > 310MPa Làm nhỏ hạt: tăng bền, dẻo, dai Nhiệt luyện – Hóa nhiệt luyện Tiết pha phân tán: tạo pha thứ phân tán nhỏ mịn chốt cản trở chuyển động lệch  tăng độ bền, độ cứng VD: Đura: AlCu4,5Mg1,2: b = 400-800MPa Al: b = 40-80MPa 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.2 Độ dẻo (%, %) K/n: tập tiêu tính phản ánh độ biến dạng dư vật liệu bị phá hủy tác dụng tải trọng tĩnh Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Các tiêu: Độ dãn dài tương đối độ co thắt tương đôi: %  20-June-12 l1  l0 100% l0 % S  S1  100 % S0 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.2 Độ dẻo (%, %) Tính siêu dẻo:  = (100-1000)% gọi vật liệu siêu dẻo Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo: - Nhiệt độ: T tăng,  tăng Ưu điểm vật liệu siêu dẻo: - Tốc độ biến dạng tăng,  giảm - - Độ hạt: d giảm,  tăng Dễ chế tạo sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều, phức tạp - Kiểu mạng tinh thể: A1 > A2 > A3 - Tiết kiệm lượng 20-June-12 10 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ dai đập (ak) K/n: khả chống phá hủy vật liệu tác dụng tải trọng động ak: Công phá hủy tiết diện mẫu ak = Ak/S [Nm/mm2] [kJ/mm2], kGm/cm2] 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ dai va đập (ak) Phạm vi ứng dụng: - Chi tiết chịu va đập: ak > 200kJ/m2 - Chi tiết chịu va đập cao: ak > 1000kJ/m2 - Mối tương quan ak (0,2): ak ~ ch (0,2) x Các biện pháp nâng cao độ dai: - Làm nhỏ mịn hạt: tăng bền, dẻo  tăng độ dai - Hóa bền bề mặt - Hình dạng trịn đa cạnh có độ dai cao so với dạng tấm, kim 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng K/n: Khả vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục tác dụng tải trọng thông qua mũi đâm Đặc điểm: - Chỉ biểu thị tính chất bề mặt vật liệu (VL không đồng nhất) - Biểu thị khả chống ăn mòn vật liệu - Khi vật liệu đồng (phôi ủ): biểu thị khả gia công vật liệu - Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy mẫu, đơn giản, nhanh chóng 20-June-12 11 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng Nguyên lý xác định độ cứng: Ép tải trọng lên mẫu thông qua đâm vật liệu cứng tạo vết lõm bề mặt mẫu, vết lõm lớn, độ cứng thấp Phân loại: - Độ cứng tế vi, dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé xác định độ cứng hạt, pha tổ chức vật liệu - Độ cứng thô đại, tải trọng mũi đâm lớn phản ánh khả chống biến dạng dẻo nhiều hạt, nhiều pha  xác định độ cứng chung vật liệu - Kí hiệu H (Hardness) 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng Phân loại: a) Độ cứng Brinell (HB): mũi đâm bi thép HB  P 2P  F D( D  D  d 02 ) Thép gang: D = 10mm, p = 30D2 = 3000N, t = 15s Ưu điểm: Quan hệ bậc với b = a.HB (a = 0,3 – 0,5) Nhược điểm, phạm vi ứng dụng: - Mẫu đo phẳng - Chỉ đo vật liệu có độ cứng thấp: thép ủ, thường hóa, vật liệu kim loại màu 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng Phân loại: b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC): - Mũi đâm kim cương hình chóp (HRA, HRC), 1200 Mũi đâm bi thép D = 1,58mm (HRB) P=f+F f = 10kG (F = 50: HRB, F = 90: HRA, F = 140 HRC) f f F f h 20-June-12 HR = k-(h/0,002) (không thứ nguyên) 12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng Phân loại: b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC): Ưu điểm: - Đo vật liệu từ tương đối mềm cứng - Kết đo hiển thị máy - Thời gian đo nhanh - Đo trực tiếp sản phẩm Phạm vi ứng dụng: HRC: thép sau tôi, + ram, thấm C HRA: lớp thấm mỏng: thấm C, C + N HRB: Thép ủ, thường hóa, gang đúc 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng Phân loại: c) Độ cứng Vickers HV: - Mũi đâm kim cương hình tháp, 1360 Tải trọng nhỏ (1-100kG), điều kiện chuẩn 30kG, t = 10-15 HV  1,854 Ưu điểm: P d2 - Đo độ cứng cho loại vật liệu, mẫu mỏng - Kết đo không phụ thuộc vào tải trọng Nhược điểm: - Thiết bị đắt tiền - Xử lý mẫu phức tạp không tiện lợi phương pháp đo Rockwell 20-June-12 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.4 Độ cứng Chuyển đổi thang đo độ cứng: HV HB HRC HRA HRB Thấp 240 240 20 60,5 100 TB 513 475 50 75,9 - Cao 697 - 60 81,2 - Các mức độ cứng thép - Mềm: HB< 150 - Thấp: HB ~ 200 - Trung bình: HB ~ 300-400 - Tương đối cao: HRC ~ 50-58 - Cao HRC ~ 60-65 - Rất cao HRC > 65 20-June-12 13 2.3 Nung thép 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) - Xơ lệch mạng lớn, mật độ lệch cao - Tồn ứng suất dư  Kim loại bị hóa bền biến cứng (TT không cân bằng): b, ch, đh, HB tăng; , ak giảm Tại cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo - Để tiếp tục biến dạng dẻo - Để gia cơng cắt gọt dễ dàng - Khử bỏ ứng suất tránh phá hủy giòn 20-June-12 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến 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 - b) Kết tinh lại: - T > Tktl (aTnc) (a = 0,3-0,8) Hình thành hạt theo chế sinh mầm phát triển mầm Biến dạng dẻo mạnh, số lượng tâm mầm nhiều, hạt nhỏ mịn Tổ chức hạt đa cạnh, đẳng trục  Dẻo tăng, bền, cứng giảm - 20-June-12 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến 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 bé” Phát triển hạt tự nhiên, giảm tổng biên giới hạt nên làm giảm lượng dự trữ  Kết tinh lần hai làm xấu tính - 20-June-12 14 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.3 Biến dạng nóng – Biến dạng nguội - Biến dạng nguội: T < Tktl + Khơng có q trình kết tinh lại + Hóa bền - Biến dạng nóng: T > Tktl [(0,7-0,75)Tnc] + Hóa bền biến dạng + Kết tinh lại, xô lệch mạng gây thải bền, giảm độ cứng 20-June-12 15 ... Thấp 24 0 24 0 20 60,5 100 TB 513 475 50 75,9 - Cao 697 - 60 81 ,2 - Các mức độ cứng thép - Mềm: HB< 150 - Thấp: HB ~ 20 0 - Trung bình: HB ~ 30 0-4 00 - Tương đối cao: HRC ~ 5 0-5 8 - Cao HRC ~ 6 0-6 5 -. .. chống ăn mòn vật liệu - Khi vật liệu đồng (phôi ủ): biểu thị khả gia công vật liệu - Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy mẫu, đơn giản, nhanh chóng 20 -June- 12 11 2. 2 Các đặc trưng tính 2. 2.4 Độ cứng... số mặt trượt = 12 20-June- 12 2.1 .2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A2 Họ mặt trượt: {110}: Họ phương trượt : Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 20-June- 12 2.1 .2 Trượt đơn tinh