Chương 2 biến dang dẻo va cơ tinh HANG (1)

biến dạng dẻo và cơ tính . .

• 2.1 Biến dang đàn hồi:

Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng

với ngoại lực

Ứng suất = phản lực /một đơn vị diện tích

Ứng suất pháp (): vuông góc với mặt chịu lực

Ứng suất tiếp () sinh ra xê dịch trong mặt chịu lực

Ứng suất pháp 3 chiều: gây biến đổi thể tích V/V

Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi

Định luật HOOKE :  .E (cho kéo nén)

 = G. (cho xê dịch)

P= -K V/V (cho ép 3 chiều)

Mô tả quan hệ giữa ứng suất () và độ biến dạng () thông qua

môđun đàn hồi (E)

Trong đó: E: mô đun đàn hồi

G: mô đun xê dịch

Đàn hồi tuyến tính Đàn hồi phi tuyến

 Mô đun đàn hồi của một vật thể được xác định bằng độ dốc

của đường cong ứng suất - biến dạng trong vùng biến dạng đàn hồi

Có ba loại mô đun đàn hồi cơ bản:

 Mô đun Young (E): mô tả đàn hồi dạng kéo (hoặc xu

hướng của một vật thể bị biến dạng bởi lực kéo dọc

theo một trục, nó được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng

suất kéo và biến dạng kéo (gọi đơn là mô đun đàn hồi).

 Mô đun cắt (G) miêu tả xu hướng của một vật thể bị

cắt (hình dạng của biến dạng với thể tích không đổi) khi

bị tác động bởi các lực ngược hướng; nó được định

nghĩa bằngứng suất cắt chia cho biến dạng kéo

Mô đun cắt là một phần nguồn gốc củatính dẻo(the

derivation of viscosity)

 Mô đun khối (K) mô tả biến dạng thể tích, hoặc xu

hướng thể tích của một vật thể bị biến dạng dưới một

áp lực; nó được định nghĩa bằng tỷ số ứng suất thể tích

chia cho biến dạng

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến E

Biểu đồ tải trọng-biến dạng điển hình của KL

2.2 Biến dạng dẻo – cơ chế hoá bền trong vật liệu

2.2.1 Cơ chế biến dạng dẻo trong kim loại -Khi đặt tải F< Fđh→Biến dạng theo đường Oe

(tuyến tính) →Bỏ lực tác dụng, mẫu trở về trạng thái ban đầu (theo đường oe) →BD đàn hồi

- Khi tải đặt vào lớn F> Fđh→Biến dạng tăng nhanh theo tải trọng Bỏ tải, BD không mất đi hoàn toàn→BD dẻo (trở về theo đường aa1//

oe, oa1 là BD dư, a1a2là BD đàn hồi.

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến Fb→xảy ra BD cục bộ, hình thành cổ thắt, F giảm, BD vẫn tăng→đứt

Khi không chịu lực tác dụng :các nguyên tử chỉ dao động

xung quanh vị trí cân bằng

Giai đoạn biến dạng đàn hồi:các nguyên tử xê dịch nhỏ hơn

một thông số mạng → trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng

Giai đoạn biến dạng dẻo:các nguyên tử xê dịch lớn hơn một

thông số mạng → trở về vị trí cân bằng mới khi bỏ tải trọng

Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời

Sự biến đổi mạng tinh thể trong quá trình biến dạng

10

1 Biến dạng dẻo là gì?

Biến dạng dẻo là biến dạng dư không bị

mất đi sau khi bỏ tải trọng tác dụng

ứng suất pháp không gây ra biến dạng dẻo.

2 Trượt đơn tinh thể

tinh thể

Đ/n: Trượt là hiện tượng chuyển dời tương đối giữa các phần

tinh thể theo các phương và mặt nhất định gọi là phương trượt

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

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

Phương trượt:phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Hệ trượt:Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặttrượt

a) Các mặt và phương trượt

Mặt dày đặc nhất?

• 2 điều kiện của mặt trượt:

- Mặt xếp chặt nhất  liên kết giữa các nguyên tử lớn nhất

- Do Mvkhông đổi  khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt là lớn nhất  liên kết giữa chúng yếu nhất

Hệ trượt trong mạng A2

Họ mặt trượt {110} : 6 mặt trượt

Họ phương trượt <111>: 2 phương trượt

 Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt

14

Hệ trượt trong mạng A1

Họ mặt trượt: {111} Số lượng: 4 mặt trượt

Họ phương trượt <110> : 3 phương trượt

 Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt

Kim loại Fe α , Cr, W, V Fe γ , Al, Cu, Au Ti α , Zn, Mg,

Be

Nhận xét

- Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng

 Nhôm (Al), đồng (Cu)… dễ biến dạng hơn Magiê (Mg),

Kẽm (Zn)

- Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào có số

phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn

 Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) ( A2 )… dễ biến dạng

hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) ( A1 )

Ứng suất tiếp gây ra trượt

F So

Không xảy ra trượt

Dễ xảy ra trượt

2.2.2 Cơ chế hóa bền trong kim loại

1 Cơ chế trượt cứng:

• Mạng tinh thể lý tưởng  khi trượt tất cả các

nguyên tử ở hai bên mặt trượt trượt đồng

thờiứng suất tiếp lớn

 th~ G/2π (G là mô đun trượt)  độ bền lý thuyết

2 Cơ chế trượt nối tiếp

Thực tế: th~ G/(8.103  8.104) →nhỏ

VD: th của Al ~ 1MPA→liên quan đến mạng tinh thể và mức độ hoàn thiện của mạng tinh thể

 số lượng hạn chế các nguyên tử tham gia chuyển động (1

thời điểm)  chạy tiếp sức

- σ lý thuyêt > σ thực tế 100-1000 lần tiềm năng của VL

 Có độ bền cao hơn( do biên giới có

xô lệch mạng, khó tạo mặt trượt và phương trượt→vỏ cứng cản trượt)

 Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo càng cao ( Nhiều hạt định hướng thuận lợi với phương lực tác dụng, BD dễ

Nhiều hạt →biên giới nhiều→bền tăng)

Thực tế, BD dẻo của KL luôn là trượt của đa tinh thể

4.Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo

Các hạt có xu hướng kéo dài theo phương BD

Khi độ biến dạng = 40-50%các hạt, tạp chất

và pha thứ hai bị chia nhỏ phân tán và kéo dài  tạo

thớ

- = 70-90%các hạt sẽ bị quay, các mặt và

phương mạng cùng chỉ số đạt tới mức gần như song

song tổ chức textua (textua biến dạng) có

tính dị hướng, áp dụng trong KT điện làm giảm tổn

 Sau biến dạng dẻo cơ tính thay đổi: độ cứng,

độ bền tăng ( đh; 0,2tăng mạnh); độ dẻo và

độ dai giảm  Biến cứng, hóa bền: Hóa bền biến dạng

 Tăng điện trở và giảm mạnh khả năng chống

ăn mòn của kim loại

31

Sự biến đổi Cơ tính sau biến dạng dẻo:

độ cứng, độ bền tăng, độ dẻo và độ dai giảm

b , MPa

Mức độ biến dạng ε, %

1.Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo:

Mức độ xô lệch trong mạng tinh thể lớn, mật độ lệch cao  kim loại bị hoá bền biến cứng ( năng lượng dự trữ cao)  có xu hướng chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái trước biến dạng dẻo)

Tại sao cần phải nung kim loại đã qua biến dạng dẻo?

- Để có thể tiếp tục biến dạng dẻo tiếp theo

- Để có thể gia công cắt được dễ dàng

- Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn

2.2.3 Hồi phục, kết tinh lại và sự lớn lên của hạt

2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

a Giai đoạn hồi phục

- Xảy ra ở nhiệt độ T < T ktl

- Giảm khuyết tật (điểm, nút trống)

- Giảm mật độ lệch

- Giảm ứng suất

- Tổ chức tế vi chưa biến đổi nhiều cơ tính hầu như

chưa thay đổi

b Giai đoạn kết tinh lại

- Xảy ra ở nhiệt độ T > T ktl -Hình thành các hạt mới không có chứa sai lệch do BD dẻo gây ra theo cơ chế tao mầm và phát triển mầm giống

qt kết tinh

-Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng

và thường xuất hiện tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất

(mặt trượt, biên hạt) biến dạng dẻo càng mạnh  số lượng mầm càng nhiều  hạt cạng nhỏ mịnphát triển lên

- Kết thúc KTL: các hạt hoàn toàn mới, đa cạnh, mạng tinh thể ít sai lệch nhất

Cơ tính trở về trạng thái trước khi biến dạng dẻothải bền : Độ bền, cứng giảm, dẻo tăng

c Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại

Nhiệt độ kết tinh lại T ktl : Tktl = a.TS

a hệ số phụ thuộc độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời

gian giữ nhiệt

Thông thường: khi mức độ biến dạng > 40-50%, thời gian giữ nhiệt

khi nung là 1h :

a = 0,4 với kim loại nguyên chất kỹ thuật

a = 0,2-0,3 với kim loại hầu như nguyên chất

a = 0,5-0,8 với các dung dịch rắn

Đồng thau: 8s, 580 0 C 15min, 580 0 C 10min, 700 0 C

d Tổ chức hạt nhận được sau kết tinh lại

-Hạt sau KTL thì có dạng đa cạnh, đẳng trục

Kích thước hạt phụ thuộc:

- Mức độ biến dạng

- Nhiệt độ ủ-Thời gian giữ nhiệt

Giữ nhiệt quá dài, nhiệt độ càng caohạt càng lớnJ/đ KTL lần 2 không mong muốn

Sự biến đổi tổ chức và cơ tính của KL đã qua BD dẻo và

nung nóng: Độ bền, cứng giảm Độ dẻo tăng ( sau KTL 2

Các quá trình xảy ra:

• Biến dạng dẻo làm xô lệch mạng →hóa bền, biến cứng;

• Kết tinh lại làm mất xô lệch mạng →thải bền, giảm độ

cứng

Tính chất sau biến dạng nóng phụ thuộc vào quá

trình nào mạnh hơn

•Lý tưởng: Hiệu ứng thải bền đủ lớn ( Tokết thúc

BD>TKTL) và thời gian giữ nhiệt đủ lớn để hoàn thành KTL

Ưu điểm:

- Phôi được nung nóng mềm lực tác dụng nhỏ

- Bít được các rỗ khí nếu có KL xít chặt

- Quá trình hợp lý, sau BDD, phôi có thể đem gia công cơ

- Có thể có thể đạt được hạt nhỏ với cơ tính cao Nhược điểm:

- Khó khống chế T đồng đều trên phôi  khó đồng nhất về tổ

chức, cơ tính

- Khó khống chế chính xác hình dạng, kích thước chi tiết

- Chất lượng bề mặt không cao do dễ bị OXH bề mặt

(a) Tổ chức thớ của trục khuỷu chế tạo bằng dập nóng

Các yếu tố ảnh hưởng

• Đàn hồi và độ bền: tỷ phần lỗ xốp là yếu tố quyết định

(do công nghệ chế tạo)

• Độ cứng

Nhóm vật liệu có độ cứng rất cao

(kim cương, B4C, SiC, WC, Al2O3, SiO2, thuỷ tinh)

2.2.4 Cơ chế biến dạng trong vật liệu polyme

• Nhựa nhiệt rắn A

• Nhựa nhiệt dẻo B

• Elastome C

- J/đ1: vùng VĐH được kéo giãn

- J/đ 2: trượt xảy ra trong tấm TT theo phương của lực tác dụng

- J/đ 3: phân chia của các tấm TT do ưs tiếp thành các nhóm nhỏ

- J/đ4: các nhóm nhỏ TT và VĐH tách rời và sắp xếp lại

2.3 Phá huỷ

Phá huỷ là gì?

Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khắc phục được  thiệt hại về kinh tế, con người…  cần phải có biện pháp khắc phục

Đặc điểm chung: hình thành các vết nứt tế vi phát triển vết nứt  tách rời phá huỷ

2.3.1 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh:

1 Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể 

tiết diện mặt gãy thay đổi

2 Phá huỷ giòn: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không

đáng kể  tiết diện mặt gãy gần như không thay đổi

 Cách nhận biết phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo (quan sát vết

phá huỷ)

Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng  công phá hủy lớn

Phá huỷ giòn phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ công phá hủy nhỏ hơn

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

Loại phá huỷ phụ thuộc vào một số yếu tố:

- Vật liệu: Thép phá hủy dẻo, gang phá hủy giòn

-T 0 giảm, v đặt tải tăng  phá huỷ có xu hướng chuyển từ

phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn

- Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất

lớn  xu hướng tiến đến  phá huỷ giòn

Bề mặt của mẫu phá huỷ giòn

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

Nguyờn nhõn xuất hiện cỏc vết nứt tế vi

-Theo con đường tự nhiờn (nguội nhanh  nứt chi tiết)

- Từ cỏc rỗ khớ, bọt khớ

- Từ cỏc pha mềm trong vật liệu

-Sinh ra trong quỏ trỡnh BD dẻo→ lệch phỏt sinh thờm (nguồn

Frank- Read) → tập hợp nhiều lệch cựng dấu chuyển động trờn

cựng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai)

Chỳ ý: Kớch thước vết nứt đầu tiờn theo phương vuụng gúc với lực tỏc dụng càng lớn

 ứng suất để phỏt

triển vết nứt càng nhỏ

Sự chuyển động và tích tụ lệch trớc các cản trở.

2.3.2 Tải trọng chu kỳ - phỏ huỷ mỏi

Điều kiện tải trọng

- ứng suất đổi dấu

- tuần hoàn hoặc khụng tuần hoàn Ứng suất danh định

 Cường độ ứng suất

Phỏ hủy mỏi.

Đặc điểm: vật liệu chịu tải trọng khụng lớn (<< σ 0,2 ), thay

đổi theo chu kỳ  cú thể bị phỏ hủy sau một thời gian làm

việc (10 7 -10 8 chu kỳ) → phỏ huỷ mỏi

56

Bề mặt phỏ hủy mỏi được chia làm 3 vựng:

Vựng 1 : rất mỏng (vựng của cỏc vết nứt tế vi)

Vựng 2 : cỏc vết nứt phỏt triển chậm Bề mằt phẳng nhưng cú cỏc lớp và dải phõn cỏch

Vựng 3 : tiết diện bằng phẳng, phỏ huỷ tức thời

1 Phỏt sinh vết nứt

2 Phỏt triển vết nứt mỏi

3 Vựng phỏ hủy tức thời

Cơ chế của phá huỷ mỏi:

- Hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt ct (vết nứt sẵn có

trong quá trình chế tạo, lõm co, vết xước…… )

- Nửa chu kỳ đầu: giả sử lệch chuyển động thoát ra ngoài bề

mặt chi tiết  tạo ra một bậc thang nhỏ Nửa chu kỳ sau

lệch sẽ chuyển động ngược lại vị trí cũ (do chu kỳ tải trọng

đổi dấu)→Mất bậc thang.

Chuyển động lặp lại nhiều lần  lệch không trở về đúng vị trí cân

bằng ban đầu  sinh ra vết lõm  vết nứt tế vi

• Hiện tượng: VL chịu tải không

đổi BD không phụ thuộc vào

thời gian BD dão

• Có 2 loại: BD đàn hồi trễ hoặc

BD dẻo.

- Giai đoạn I: dão chuyển tiếp

(tốc độ dão giảm liên tục – góc

nghiêng của đường cong –

tương ứng với hóa bền BD: lệch

cắt nhau)

-Giai đoạn II: Dão ổn định: cân bằng hoá bền và thải bền (đa

cạnh hóa hoặc kết tinh lại)- J/đ quan trong nhất (tốc độ BD)

-Giai đoạn III: Dão nhanh dần: Thải bền chiếm ưu thế (Biên hạt

có thể trượt, vét nứt hình thành, mẫu co thắt, phá hủy theo biên

hạt) hạt và xuất hiện các vết nứt

Tốc độ BD:

Các yếu tố ảnh hưởng

• Nhiệt độ và ứng suất

2.4 Các đặc trưng cơ tính

Cơ tính là gì?

tập hợp các đặc trưng cơ học biểu thị cho khả năng

chịu tải trong các đ/k khác nhau

 là cơ sở để so sánh các vật liệu với nhau

Cách xác đinh cơ tính?

kiểm tra các mẫu thử

Xác định cơ tính khác →Mẫu chuẩn khác nhau

- Là cơ sở để tính toán  khi đó cần có các hệ số

an toàn để bảo đảm chi tiết làm việc chịu lực và tuổi thọ cao…

1 Độ bền tĩnh (σ)

- Tập hợp các đặc trưng cơ học phản ảnh khả năng chịu tải

trọng cơ hoc tĩnh cua VL

- Xác định bằng ưs qui ước của tải trọng →gây ra các đột

biến về hình học cho mẫu

- Tùy theo dạng tải trọng tác dung→ độ bền kéo, nén , uốn ,

xoắn, σ n σ u σ x

- Thông thường số liệu của độ bền, dẻo do thử kéo→không

ghi chú thích

- Đơn vị: KG/mm 2 ( TC Việt nam đang dùng)

MPA ( thông dụng trên thế giới); N/mm 2 ; Ksi

1KG/mm 2 ≈ 10MPa ≈ 1,45Ksi

(Pounds per square inch= psi;

kilopounds per square inch= Ksi=1000 psi)

Giới hạn chảy quy ước (σ 0,2 ):

 là ứng suất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu bị biến dạng

dư là 0,2% sau khi bỏ lực tác dụng

F 0,2 : lực kéo tạo ra biến dạng dư 0,2% (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

Giới hạn bền (σ b ): ( tiếp)

F b : lực kéo lớn nhất trên biểu đồ thử kéo (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

 là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây ra biến dạng cục bộ

2 Độ bền của đơn tinh thể

3 Các kim loại nguyên chất sau ủ

4 Kim loại sau biến dạng, hoá bền……

10 8 /cm2

10 10 -10 12 /cm 2

Nguyên lý: Cản trở chuyển động của lêch khi trượt bằng cách tăng hay giảm mật độ lệch

 tạo các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch

tạo dung dịch rắn quá bão hoà

 tăng chướng ngại cản trở chuyển động của lệch, ngoài ra

làm tăng các chỉ tiêu khác rất tốt như độ dẻo, độ dai

b) Độ dẻo (%, %)

Độ dẻo là gì? Hiện tượng đối với mẫu thử kéo:

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

 Là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL khi bị phá

huỷ dưới tải trọng tĩnh

Các chỉ tiêu:

68

c) Độ dai va đập (a k ) Khái niệm:Khả năng chống phá hủy của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động

Đơn vị: Nm/cm 2 , kJ/m 2 và kGm/cm 2

A k :Công phá hủy mặt cắt ngang S hình chữ nhật

10x10x55; rãnh rộng 2-sâu 2mm

Ý nghĩa của độ dai va đập:

 Có thể phán đoán về khả năng chịu tải trọng va đập của chi tiết

Đối với vật liệu thường: a k >200kJ/m 2 Đối với vật liệu chịu va đập cao: a k >1000kJ/m 2

ak~ σch(σ0,2 ) x %)Mối tương quan giữa a k và ( 0,2 ; )

 Các biện pháp nâng cao a k

- Hạt nhỏ mịn  tăng a k -Trạng thái bề mặt ( vết khía, rãnh, lỗ )

- Số lượng, kích thước các pha giòn tăng, hình dạng tấm, lưới và phân bố không đều  giảm a k

- Hình dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn hạt có dạng tấm, kim

d Độ dai phá hủy –là cường độ ứng suất tới hạn gây ra

sự phát triển một vết nứt có sẵn trong mẫu (vết nứt được

coi là nhỏ để lực kéo coi như vuông góc với BM vết nứt)

Y- điều kiện xác định – vết nứt trong lòng mẫu và rất nhỏ

Y=1; vết nứt ở mép mẫu – Y=1,2

- ứng suất đặt vào mẫu

Sự dịch chuyển bề mặt vết nứt

a.Kiểu I – mở b.Kiểu II – trượt c.Kiểu III - xé