Giáo trình vật liệu cơ khí, CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Giáo trình vật liệu cơ khí, CẤU TRÚC TINH THỂ ,CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Chương 1 CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

1.1 Cấu trúc của vật liệu

1.1.1 Khái niệm chung

*Vật rắn trong tự nhiên tồn tại 2 dạng: Vật rắn vô dịnh hình và vật rắn tinh thể

Vật rắn vô định hình: là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử,

ion) trong nó không có sắp xếp trật tự, không theo một qui luật nào Ví dụ : Than

đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ…( thường là các phi kim loại)

Vật rắn tinh thể: là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử, ion)

có sắp xếp trật tự theo một qui luật nào đó Ví dụ: Ferit ( FeS2); Hematit (FeO3)…thường là những vật kim loại

Các nhóm vật liệu thường sử

dụng trong công nghiệp hiện nay:

- Vật liệu kim loại;

- Vật liệu vô cơ – Ceramic;

- Vật liệu hữu cơ – Polyme;

- Vật liệu tổ hợp – Compozit

Vật liệu cơ khí được phân làm 2

loại: kim loại và hợp kim

Kim loại là loại vật thể sáng ,

dẻo, có thể luyện, rèn được, có tính dẫn

điện, dẫn nhiệt cao và do một nguyên tố

hoá học tạo nên Hiện nay có trên 85

nguyên tố kim loại

VD:Fe; Cu; AL; Zn;

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết của 2 hay nhiều nguyên

tố (nguyên tố chủ yếu là kim loại) để vật liệu mới có tính chất kim loại.Vídụ: Thépcác bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe + C); La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn) Kim loại và hợp kim được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc, …

1.1.2 Cấu trúc tinh thể của vật liệu cơ khí

1.1.2.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật liệu cơ khí

a Cấu tạo:

Nguyên tử = hạt nhân + electron = (Proton + nơtron) + electron

Nơtron không mang điện tích, electron mang điện tích âm và proton mang điệntích dương có trị số bằng điện tích của electrong nên nguyên tử trung hòa về điện

Cấu hình electron chỉ rõ: số lưởng tử chính (1,2,3, ), ký hiệu phân lớp (s,p,d, ), số lượng electron thuộc phân lớp(số mũ trên ký hiệu phân lớp) Ví dụ Cu

có Z = 29 có cấu hình electron là 1s22s22p63s23p63d104s1 ta biết được số electron ngoài cùng là 1 nên hóa trị của Cu là 1

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các

nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng.

1 Bán dẫn; 2 Siêu dẫn; 3 Silicon; 4 Polyme dẫn điện.

b Liên kết nguyên tử trong vật liệu cơ khí:

Trong nguyên tử kim loại số điện tử ở lớp ngoài cùng rất ít, thường chỉ 1 đến

2 electron Những điện tử này liên kết yếu với các hạt nhân nên dễ dàng bị bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do các nguyên tử trở thành ion dương Điện

tử tự do quyết định tính chất của kim loại

- Liên kết đồng hóa trị: là liên kết của 2

(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau

một số electron hóa trị để có đủ 8 electron

- Liên kết kim loại:

Là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn

chìm trong đám mây electron tự do

Liên kết này tạo cho kim loại các tính chất

điển hình: ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và tính

dẻo dai cao

- Liên kết hỗn hợp:

Thực ra các liên kết trong các chất, vật liệu

thông dụng thường mang tính hỗn hợp của nhiều

loại Ví dụ: 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 khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị

1.1.2.2 Khái niệm về mạng tinh thể

Ở trên chúng ta biết kim loại là vật tinh thể Các nguyên tử (phân tử, ion) của nó luôn ở những vị trí nhất định, có qui luật theo những hình dạng hình học nhất định Để nghiên cứu cấu trục của nguyên tử (phân tử) này, các nhà bác học đã

mô tả lại sự sắp xếp của chúng ở những vật tinh thể bằng những mô hình hình học trong không gian

a Tính đối xứng là tính chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, đường, mặt

tự trùng lặp lại gồm có:

- Tâm đối xứng: bằng phép nghich đảo qua tâm chúng trùng lại nhau

Hình 1.3.

Hình 1.4.

Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên

kết đồng hóa trị phân tử clo

- Trục đối xứng: Các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trục một góc

- Mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gương qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng lặp nhau

b Định nghĩa mạng tinh thể

Ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suất khí quyển, hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn tinh thể – các nguyên tử (ion kim loại) sắp xếp theo những trật tựnhất định trong không gian – kiểu mạng tinh thể nhất định

Mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả sắp xếp có quy luật của các

nguyên tử (phân tử, ion) trong vật tinh thể.

phương pháp xoay và tịnh Hình 1.5 Ô cơ sở

tiến ta sẽ xuy ra toàn bộ mạng tinh thể

- Thông số mạng ( hằng số mạng) là kích thước của ô cơ sở, thường ký hiệu là kíchthước các cạnh của ô cơ sở từ đó có thể xác định toàn bộ kích thước của ô cơ sở

- Nút mạng tương ứng với vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể

- Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được ký hiệu bằng [u v w] Ba chỉ

phương: đường chéo

khối [111], đường chéo

- Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, song

song và cách đều nhau.

Chú ý: Phương và mặt tinh thể có kích thước vô hạn

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

* Số phối trí( số sắp xếp) là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử

đã cho, Số sắp xếp càng lớn chứng tỏ mạng tinh thể càng dày đặc

* Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh khối là tâm nguyên tử, ion tại nút mạng

a Mạng lập phương tâm khối A2

- Ô cơ bản của kiểu mạng này là :

Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và

một nguyên tử nằm ở tâm của hình lập phương

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 1 = 2

- Thông số mạng: a ≈ 2,87 10-7 mm Hình 1.8 Mạng lập phương tâm thể

- Các kim loại có kiểu mạng này là :

Feα , Cr , W, Mo

b Mạng lập phương diện tâm

- Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các nguyên tử

nằm ở đỉnh của hình lập phương và nằm ở tâm các

mặt của hình lập phương

- Các kim loại có kiểu mạnh này là: Feγ, Cu, Al,

Ni, Pb, Au, Ag,… Hình 1.9 Mạng lập phương tâm diện

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở:

n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4

- Thông số mạng: a ≈ 3,64 10-7mm

c Mạng lục phương dày đặc

- Ô cơ bản của kiểu mạng này là: Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lục lăng, nằm

ở tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở tâm ba hình lăng trụ tam giác cách nhau

- Số nguyên tử trong một ô cơ sở:

tử ở nhiệt độ đã cho phân bố không đều trên các nguyên tử ở những thời điểm bất

kỳ luôn luôn có những nguyên tử có năng lượng lớn hơn hoặc bé hơn trị số trung bình Khi một số nguyên tử nào đó có năng lượng đủ lớn với biên độ dao động lớn thì chúng có khả năng bứt khỏi vị trí cân bằng quy định của mình và để lại đó

những nút mạng trống không có nguyên tử Sau khi rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên

tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng hoặc di chuyển ra ngoài bề mặt tinh thể (cơ cấu tạo nút trống của schottky)

Bản thân sự có mặt của những nút trống và nguyên tử "thừa" xen kẽ giữa các nút mạng đã tạo ra sai lệch điểm trong mạng tinh thể Ngoài ra chúng còn làm cho các nguyên tử lân cận bị xê dịch ít nhiều khỏi vị trí của mình tạo ra vùng sai lệch hình cầu với kích thước vài khoảng cách nguyên tử.Khi tạo thành các nút trống năng lượng tự do của hệ thống tăng lên kèm theo sự thay đổi entrôpi S

* Nút xen kẽ: Một nguyên tử không dừng ở nút mạng mà đi vào lỗ hổng mạng tinh thể (là những nguyên tử lạ)

99,9999% hoặc cao hơn một ít, còn theo những phương pháp luyện thông thường lượng tạp chất có thể đến vài phần trăm Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế vị trí các nguyên tử cơ sở ở các nút mạng hoặc nằm xen kẽ giữa các nút mạng Nếu nguyên tử tạp chất nằm ở các nút mạng có bán kính lớn hơn hoặc bé hơn so với nguyên tử cơ sở thì vị trí của các nguyên tử lân cận sẽ bị xê dịch, chúng bị nống ra hoặc bóp lại Nếu nguyên tử tạp chất nằm xen kẽ giữa các nút mạng có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ hổng thì nó đẩy lùi các nguyên tử chung quanh khỏi vị trí cân bằng Tóm lại sự có mặt của các nguyên tử tạp chất có thể gây ra sai lệch điểm.

Lệch thẳng có thể hình dung bằng cách sau: Giả sử có mạng tinh thể hoàn chỉnh gồm những mặt nguyên tử song song và cách đều nhau Bây giờ nếu chúng ta chèn thêm nửa mặt phẳng ABCD vào nửa phần trên của tinh thể thì các mặt nguyên tử thẳng đứng nằm về hai phía mặt ABCD sẽ không còn hoàn toàn song song nhau nữa, chúng bị cong đi ở vùng gần đường AD Các nguyên tử nằm trong vùng này bị

xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình: Các nguyên tử ở vùng phía dưới đường

AD bị đẩy xa ra một ít (vùng có ứng

suất kéo) còn các nguyên tử ở phía

trên đường AD bị ép lại một ít

(vùng có ứng suất nén) Như vậy

vùng có sai lệch nằm xung quanh

đường thẳng AD và vì vậy người ta

gọi là lệch thẳng Đường AD đường

gọi là trục có lệch thẳng Hình 1.12 Mô hình lệch thăng

đi theo hình xoắn ốc

Mặt phẳng ABCD gọi là mặt trượt của lệch Các nguyên tử nằm trong vùng dọc theo trục 1 Trục L gọi là trục của lệch xoắn

Hình 1.13 Mô hình lệch xoắn

- Tinh thể hoàn chỉnh

- Tinh thể có lệch xoắn

- Cách bố trí nguyên tử về hai phía mặt trượt

Véc tơ Burgers của lệch xoán luôn

luôn song song với trục lệch

* Lệch hỗn hợp

Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa

lệch thẳng và lệch xoắn nó mang các

đặc điểm của cả hai loại lệch đã nêu

Hình 1.15 Quan hệ giữa vectơ b và trục lệch L của lệch thăng (a), lệch xoắn (b)

và lệch hỗn hợp (c).

Nếu đối với lệch thẳng hoặc xoắn vectơ Burgers b nằm trực giao hoặc song song với trục của lệch trên mặt phẳng trượt thì vectơ Burgers của lệch hỗn hợp tạo thành với trục lệch một góc bất kỳ giữa 00 và 900 trên mặt trượt

* Khái niệm về "lưới lệch" hoặc "rừng lệch"

Hình 1.14 Mô hình

lệch hỗn hợp

Lệch là dạng khuyết tật có sẵn trong kim loại Chúng phân bố một cách bất

kỳ có thể cắt nhau tại những điểm gọi là nút lệch Sự phân bố không gian của các đường lệch trong kim loại chưa biến dạng gọi là lưới lệch hoặc rừng lệch

Trạng thái ổn định nhất là tại mỗi nút chỉ có ba lệch gặp nhau Nhưng cũng

có trường hợp khi 4 hoặc 6 lệch cắt nhau tại một điểm, nhưng những nút lệnh như vậy luôn luôn có xu hướng biến thành nút "bộ ba" Trên hình vẽ nếu sơ đồ lưới lệch trong tinh thể hình trụ chưa biến dạng

Độ sạch của kim loại càng cao, chiều dày của lớp càng bé Nói một cách khác, kim loại chứa nhiều tạp chất bao

nhiêu thì vùng biên giới càng dày bấy

nhiêu vì nó có khả năng hòa tan nhiêu

nguyên tử tạp chất Năng lượng tự do của

biên giới cao hơn so với các vùng phía

trong và thường được đánh giá bằng sức

căng biên giới hạt (tương tự như sức căng

bề mặt của mặt ngoài)

Hình 1.16.Cách sắp xếp nguyên tử trong vùng biên

Do đặc điểm về cấu tạo, giới hạt theo thuyết "vô định hình"

vùng biên giới hạt có một số tính chất sau:

- Có nhiều độ nóng chảy thấp hưn một ít so với các vùng phía bên trong Người ta

đã phát hiện rằng trong kim loại cực sạch nhiệt độ nóng chảy của biên giới hạt thấp hơn khoảng 0,140C so với bản thân hạt

- Có hoạt tính hóa học cao hơn thể hiện ở tốc độ bị ăn mòn hóa học cao

Do vậy mà bằng phương pháp tầm thực (cho ăn mòn nhẹ bằng axít) có thể phát hiệnđược biên giới hạt

- Khi chuyển biến pha, biên giới là nơi để sinh ra tâm mầm nhất

- Có khả năng khuếch tán cao với tốc độ nhanh hơn so với vùng bên trong

- Góp phần khá lớn vào điện trở của kim loại Kim loại có độ hạt nhỏ tức tổng số vùng biên giới lớn, có điện trở cao hơn

- Ở nhiệt độ cao trên vùng biên giới hạt xảy ra quá trình chảy dẻo

- Biên giới có tác dụng cản trở quá trình trượt

khi biến dạng Vấn đề này chúng ta sẽ xét đến

khi nghiên cứu quá trình biến dạng dẻo

* Khái niệm về siêu hạt (block) và biên giới

siêu hạt

Các nghiên cứu tỷ mỷ về cấu trúc siêu tế vi

cho thấy rằng ngay trong mỗi hạt phương

mạng cũng không phải hoàn toàn cố định Hạt

được phân chia thành vô số vùng nhỏ có kích

thước khoảng 10-5 10-3 và phương mạng 10-3 và phương mạng

lệch nhau một góc rất nhỏ, thường nhỏ hơn

10 Những vùng nhỏ này của hạt gọi là siêu

hạt (hoặc block)

* Mặt ngoài của tinh thể: Hình 1.17 Mô hình siêu hạt

Mặt ngoài của tinh thể có trạng thái sắp xếp nguyên tử khác với những vùng phía trong Trên bề mặt mỗi nguyên tử chỉ được liên kết

với một số nguyên tử nằm ở phía trong số sắp xếp

bé hơn trị số quy định và do đó lực liên kết không

cân bằng Đó là nguyên nhân làm cho các nguyên

tử ở mặt ngoài sắp xếp không có trật tự, tạo nên sai

lệch mặt

Do mạng tinh thể bị xô lệch nên mặt ngoài cơ năng

lượng tự do cao hơn Phần năng lượng tự do được

tăng thêm trên một đơn vị diện tích bề mặt gọi là

năng lượng bề mặt hoặc sức căng bề mặt Hình 1.18 Mô hình sắp xếp

1.1.3.2 Đơn tinh thể, đa tinh thể nguyên tử của mặt ngoài tinh thể

a Tính thù hình của vật tinh thể

* Tính thù hình là khả năng tồn tại ở nhiều kiểu mạng khác nhau của một nguyên tố,phụ thuộc vào sự thay đổi của điều kiện bên ngoài

Ví dụ: Đối với sắt (Fe)

Ở nhiệt độ < 9100C có dạng Fe () có kiểu mạng lập phương thể tâm có kiểu mạng A2, K8

Ở 9100C < t0 < 13920C có dạng Fe () có kiểu mạng A1, K12

Ở 13920C < t0 < 15390C có dạng Fe (ô) có kiểu mạng A2, K8

Sự chuyển biến của các mạng tinh thể này sang mạng tinh thể khác gọi là sự chuyển

biến thù hình.

Ví dụ: Sn < 130C chuyển từ lập phương đơn giản sang lục giác phức tạp

b Tính dị hướng của vật thể

Chỉ đúng với đơn tinh thể có cùng một vị phương mạng

Là sự khác biệt về tính chất (cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ ) của vật thể theo các phương khác nhau

* Khái niệm đơn và đa tinh thể

+ Đơn tinh thể: là một khối chất rắn mà trong toàn bộ thể tích có cùng một định vị phương mạng, có tính dị hướng Tong thiên nhiên, có một số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể, chúng có bề mặt ngoài

nhẵn hình dáng xác định Đơn tinh thể chỉ dùng

trong chất bán dẫn

+ Đa tinh thể: Trong thực tế hầu như chỉ gặp các

vật liệu đa tinh thể

Đa tinh thể gồm vô số đơn tinh thể là các hạt hoặc

siêu hạt có định vị phương mạng khác nhau nên đa

tinh thể có tính đẳng hướng trừ khi người sử dụng

cố tình tạo ra phương định hướng khác nhau

1.2 Biến dạng và cơ tính của vật liệu

1.2.1 Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

1.2.1.1 Các giai đoạn của biến dạng

Khảo sát quá trình biến dạng của mẫu, ta có thể rút ra quá trình biến dạng trải qua 3 giai đoạn:

Biến dạng đàn hồi (đoạn OA): khi F < Fdh, độ

biến dạng ∆l tỷ lệ bậc nhất với tải trọng=>biến

dạng đàn hồi Khi bỏ tải trọng mẫu trở lại kích

thước ban đầu

Biến dạng dẻo (đường cong AB):độ biến

dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng

biến dạng vẫn còn lại một phần

Biến cứng (đường cong BC):nếu tiếp tục

tăng tải trọng đến giá trị cao nhất (điểm C) mẫu bị

thắt lại, tải trọng = const(hoặc giảm) nhưng ứng Hình 1.20 Biểu đồ kéo kim loại

suất tăng lên dẫn đến phá hủy ở điểm C

Giai đoạn phá hủy (đường cong CD): mẫu bị phá hủy

Biến dạng đàn hồi không những xảy ra trong giai đoạn đàn hồi mà còn xẩy ra trong giai đoạn biến dạng dẻo và phá hủy Chính vì vậy mà độ biến dạng của 2 giai

đoạn này bao gồm đàn hồi và dẻo nên ∆L = ∆l đh +∆l d

Ví dụ: Tại điểm K, muốn tìm 2 thành phần này ta phải kẻ KN // OA; KM // với trục

1.2.1.2 Biến dạng đàn hồi Định luật Hooke

Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi khử tại trọng

Biến dạng đàn hồi tuân theo định luật Hooke: Ứng suất σ tác dụng lên kim loại gây

ra độ biến dạng ε tỷ lệ thuận với ứng suất đó: ϭ = E.ε

E: Moduyn đàn hồi pháp tuyến của vật liệu (MN/mm2; Mpa)

Các yếu tố ảnh hưởng đến Moduyn đàn hồi: nhiệt độ, nguyên tố hợp kim và tổ chứccủa vật liệu

Biến dạng dẻo là hình thức gia công kim loại không phoi rất phổ biến như: cán, rèn, dập, ép chảy, kéo…

a Biến dạng dẻo đơn tinh thể

* Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo các mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt

- Mặt trượt: là mặt tưởng tượng phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà theo đó sự trượt xảy ra

- Mặt trượt trượt theo các phương nhất định có số nguyên tử lớn nhất gọi là phương trượt

- Các mặt và phương trượt của ba kiểu mạng tinh thể thường gặp:

+ Mạng lập phương tâm mặt (A1): mặt trượt {111} (4 mặt 3 phương) = 12 hệ trượt chính khác nhau

+

Mạng lập phương tâm khối (A2): mặt trượt {110} (6 mặt 2 phương) = 12 hệ trượt

chính khác nhau.

+ Mạng lục giác xếp chặt (A3): mặt trượt {0001} (1 mặt 3 phương) = 3 hệ trượt

chính khác nhau

- Khả năng biến dạng dẻo của kim loại tỷ lệ

thuận với số hệ trượt chính: số hệ trượt chính

càng cao=> khả năng trượt

càng lớn=> kim loại càng dễ biến dạng dẻo

- Thực tế đã chứng tỏ điều này: Feγ; Al; Cu;

Ag…(mạng A1) dẻo và dễ dát mỏng hơn

Zn(mạng A3)

So với mạng lập phương tâm khối (A2), mạng

lập phương tâm mặt (A1) tuy cùng 12 hệ trượt

nhưng dễ trượt hơn=> tính dẻo cao hơn

b Ứng suất gây ra trượt

Khi τ >τth ( xác định đối với từng kim loại)=> trượt mới xảy ra

τ = F/Scosαcosβ = F/Scosβ = F/S0sinαcosβ = F/Scosαcosβ = F/Scosβ

Trong đó: F/S0 = σ0 là ứng suất kéo

=> τ = 0,5 σ0sin2αcosβ = F/Scosβ

Ứng suất τ phụ thuộc vào góc αcosβ = F/S và β :

Khi αcosβ = F/S = 900 hay β = 900=> τ = 0; lực F chỉ

làm phá hủy chứ không xảy ra biến dạng

dẻo

Khi αcosβ = F/S = β = 450=> τmax = 0,5 σ0; Hệ trượt nào

có τmax trượt xảy ra trước

c Tính dễ trượt – cơ chế trượt

Độ bền lý thuyết rất cao: τt.h = G/2π

Độ bền thực tế rất nhỏ:

τt.h = G/(103+8.104)

b Trượt đa tinh thể

Vật liệu kim loại thực tế luôn luôn là

vật liệu đa tinh thể

* Các đặc điểm của trượt đa tinh thể

- Các hạt bị biến dạng không đồng thời với mức độ khac nhau

- Có tính đẳng hướng: số hạt vô cùng lớn

- Đa tinh thể có độ bền cao hơn: Các hạt cản trở biến dạng lẫn nhau, biên hạt cản

trượt cao -> lực cản trượt cao hơn -> độ bền cao hơn

- Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao: hạt nhỏ có tổng diện tích biên hạt lớn

hơn, sẽ cản trượt mạnh hơn nên làm tăng độ bền Theo Hall-Pectch: σch = σ0 + k/ d

Khi hạt nhỏ đi-> tăng độ dai-> vật liệu khó bị phá hủy dòn-> rất ưu việt

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

Hình 1.23

Hình 1.24

Hình 1.25

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

- Sauk hi biến dạng -> xô lệch mạng tinh thể

Hiện tượng Textua biến dạng : Ví dụ khi cán Al mạng A1, các mặt {110} song songvới mặt cán

- Biến dạng dẻo-> do xô lệch mạng-> ứng suất dư->cơ tính tăng, ứng suất nén dư bềmặt làm tăng giới hạn mỏi: lăn ép, phun bi

- Xu hướng thay đổi cơ tính sau khi biến dạng dẻo:

+

Bền (σđh ,σ0,2), cứng tăng, dẻo giảm

+ Dẫn điện và tính chống ăn mòn giảm

2.2 Hồi phục và kết tinh lại

a Hồi phục

- Quá trình hồi phục xảy ra ở nhiệt độ thấp (<0,10,2TC)

- Trong giai đoạn này chỉ xảy ra những biến đổi nhỏ như:

+ Giảm sai lệch mạng ( chủ yếu là sai lêch điểm)

+ Giảm mật độ lêch và ứng suất bên trong

b Kết tinh lại

* Kết tinh lại lần thứ nhất là giai đoạn có nhiều

các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế

vi và tính chất

-Mầm được sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô

lệch mạnh nhất như biên giới hạt, mặt trượt

-Sự phát triển mầm tiếp theo là quá trình tự nhiên

=> Mầm kết tinh được tạo ra càng nhiều thì hạt nhận được càng nhỏ

- Nhiệt độ kết tinh lại T ktl0 k.T S0

biến dạng đến cơ tính của kim

loại nói chung (a) và Cu nói

riêng (b)

Hình 1.27 Tổ chức và cơ tính

của kim loại sau kết tinh lại

k: Hệ số phụ thuộc vào: Độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt : k = 0,5  0,8

k = 0,4 đối với kim loại nguyên chất

k = 0,2 0,3 đối với kim loại tinh khiết

Độ biến dạng càng lớn, thời gian ủ càng dài , hệ số k càng nhỏ

- Tổ chức tế vi và độ hạt

+ Về tổ chức tế vi:

Các hạt hoàn toàn mới không chứa sai lệch mạng do biến dạng dẻo

+ Kích thước hạt sau khi kết tinh lại phụ thuộc vào các yếu tố sau: Mức độ biến dạng (mức độ biến dạng càng tăng thì số mầm sinh ra càng nhiều do đó hạt sau khi kết tinh lại càng nhỏ, biến dạng nhỏ 28% hạt tạo thành rất lớn, gọi là độ biến dạngtới hạn, thường phải tránh); nhiệt độ ủ (càng cao thì hạt càng to lên); thời gian giữ nhiệt khi ủ (càng dài thì hạt càng lớn)

* Kết tinh lại lần thứ hai: Khi tiếp tục nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại sẽ có hiện tượng các hạt nhỏ sát nhập vào các hạt lớn làm cho kích thước hạtlớn thêm nữa, hiện tượng đó gọi là kết tinh lần hai

Hiện tượng này làm xấu cơ tính, ta cần phải tránh

1.3 Phá hủy

Thông thường, khi tiếp tục tăng ứng suất > [σb]-> phá hủy do gãy, vỡ hoặc đứt 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 những hậu quả về sinh mạng, vì vậy cần nghiên cứu

tỷ mỷ để chống lại nó Hiện có một ngành chuyên nghiên cứu về nó ( fractography).Trong mỗi trường hợp khác nhau, sự phá hủy mang những đặc điểm riêng song có một cơ chế chung là: Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi 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 (pha hủy)

1.3.1 Phá hủy dòn, dẻo(Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh)

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

Người ta phân biệt hai dạng phá hủy: giòn và dẻo

- Phá hủy dẻo kèm theo biến dạng dẻo, phá hủy giòn không kèm theo biến dạng

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 tức là vùng

gẫy vỡ có tiết diện biến đổi được gọi là phá hủy

dẻo; ngược lại khi kèm theo biến dạng dẻo không

rõ rệt tức vùng gẫy vỡ có tiết diện hầu như không

biến đổi được gọi là phá hủy giòn Có thể phân

biệt dễ dàng hai dạng này khi thử kéo ở chỗ bị đứt

(hình 2.9) Dạng đứt như ở hình 2.9a là phá hủy

dẻo ở các vật liệu có độ dẻo rất cao nên chỗ đứt bị co thắt rất mạnh chỉ còn là một điểm, khi dẻo cao trước khi đứt bị biến dạng đáng kể thành hình côn về hai phía như hai đáy cốc ráp lại như ở hình 2.9b, ở một số loại còn thấy có dạng chén - đĩa (chén đặt trên đĩa) như hình 2.9c là loại có độ dẻo thấp, trong khi đó loại vật liệu giòn có mặt gãy bằng phẳng, ngang mà trên bề mặt hầu như không thấy có thay hình đổi dạng như hình 2.9d Rõ ràng là phá hủy giòn là loại không dự báo (không thể biết trước từ các biểu hiện bên ngoài) nên rất nguy hiểm, do vậy nếu phải xảy ra thì bao giờ người ta cũng mong muốn phá hủy là dẻo, có thể biết trước để thay thế hay sửa chữa

- Công do phá hủy dẻo lớn hơn

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 Khi phá hủy sự tách rời các phần của vật thể có thể cắt ngang các hạt (mặt gãy nhẵn) hay theo biên hạt (mặt gãy nổi hạt), trong đó mặt gãy nổi hạt luôn luôn đi kèm với phá hủy giòn

- Phá hủy dẻo hay giòn chủ yếu là phụ thuộc loại vật liệu: vật liệu dẻo như thép , Al,

Cu thường bị phá hủy dẻo, còn vật liệu giòn như gang thường bị phá hủy giòn