The physical nature of materials strengths

Nguồn: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART Biên dịch và giới thiệu bởi: Nguyễn Hoàng Việt www.luyenkim.net Bản chất vật lý độ bền vật liệu ** By Zhe-Feng Zhang* and Jürgen Eckert Bảng 1. Sự so sánh về độ bền phá hủy, phá hủy trượt do kéo và độ bền ruêng của các HKVĐH khác nhau từ các nguồn tham khảo đã có. Độ bền phá hủy và góc phá hủy trượt do kéo quan sát được bởi các tác giả đối với mỗi hệ HKVĐH khác nhau, sau đó 2 biến độ bền riêng và tỷ số của nó được tính toán theo tiêu chuẩn phá hủy đồng nhất. Tác giả Thành phần θ θθ θ T = F max /A 0 (GPa) θ θθ θ T (degree) τ ττ τ 0 (GPa) σ σσ σ 0 (GPa) a = τ ττ τ 0 / σ σσ σ 0 He et al. 5 Zr 52.5 Ni 14.6 Al 10 Cu 17.9 Ti 5 1.66 -55 0.96 1.91 0.504 Inoue et al. 6 Cu 60 Zr 30 Ti 10 2.00 ~54 1.14 2.36 0.485 Lewandowski et al. 7 Zr 40 Ti 12 Ni 9.4 Cu 12.2 Be 22 1.98 -51.6 1.11 2.44 0.455 Liu et al. 8 Zr 52.5 Ni 14.6 Al 10 Cu 17.9 Ti 5 1.65 -54 0.94 1.95 0.485 Mukai et al. 9 Pd 40 Ni 40 P 20 1.65 -56 0.97 1.85 0.522 Noskova et al. 10 Co 70 Si 15 B 10 Fe 5 1.48 -60 0.91 1.57 0.577 Xiao et al. 11 Zr 52.5 Ni 10 Al 10 Cu 15 Be 12.5 1.75 -55 1.01 1.96 0.504 Zhang et al. 12 Zr 52.5 Ni 14.6 Al 10 Cu 17.9 Ti5 1.66 -56 0.97 1.86 0.522 Zhang et al. 13 Zr 59 Cu 20 Al 10 Ni 8 Ti 3 1.58 -54 0.90 1.86 0.485 Zielinski et al. 14 Ni 75 Si 8 B 17 1.59 -53 0.90 1.93 0.464 Độ bền của vật liệu được đánh giá thường thường qua phương pháp xác định dộ bền kéo. Đối với một vật liệu nhất định diện tích mặt cắt ban đầu A 0 , nếu áp dụng lực kéo lớn nhất dẫn đến phá hủy mẫu là F max , độ bền phá hủy sẽ được tính toán là: max max o F A σ = được mô tả trong nhiều sách giáo khoa [1,2] . Đối với mẫu vật liệu hợp kim vô định hình (HKVĐH-metallic glass), có xảy ra sự phá hủy ở chế độ trượt (shear mode), xem hình 1, và bề mặt trượt phá hủy tạo ra 1 góc 56 o T θ = tương ứng với trục kéo. Hành vi phá hủy trượt này xảy ra rất phổ biến đối với HKVĐH, như được mô tả trong bảng 1 [5-14] . Theo định nghĩa trong sách giáo khoa [1-2] , độ bền phá hủy khi kéo của HKVĐH sẽ là max max o F A σ = . Tuy vậy, diện tích thực của bề mặt phá hủy sẽ là ( ) sin o T A θ và lực kéo pháp tuyến của mặt sẽ là ( ) max cos T F θ ⋅ . Điều này dẫn đến kết quả là ứng suất phá hủy là Nguồn: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART Biên dịch và giới thiệu bởi: Nguyễn Hoàng Việt www.luyenkim.net ( ) ( ) max sin cos T T o F A θ θ ⋅ ⋅ có sự khác biệt so với max o F A như được định nghãi trong sách giáo khoa. Như vậy, nó sẽ làm nảy sinh một số câu hỏi thú vị và có ý nghĩa. Độ bền kéo thực sự của HKVĐH là max o F A hay ( ) ( ) max sin cos T T o F A θ θ ⋅ ⋅ ? Tại sao dưới tác dụng ứng suất kéo, HKVĐH lại không bị phá hủy theo mặt ứng suất pháp tuyến lớn nhất ( 90 o T θ = ) hoặc không phá hủy theo trục ứng suất trượt lớn nhất ( 45 o T θ = )? Bản chất vật lý về độ bền vật liệu là gì? Hình. 1. Hình thái vĩ mô phá hủy trượt do kéo của mẫu HKVĐH Zr 52.5 Ni 14.6 Al 10 Cu 17.9 Ti 5 . Độ bền phá hủy kéo pháp tuyến của mẫu vào khoảng 1.58 GPa và mặt phá hủy trượt tạo thành một góc 56° so với phương ứng suất kéo . Hình. 2. (a) Minh họa vật thể bị tác động tổ hợp trạng thái ứng suất ( ) , n n σ τ và phá hủy tại hai biến độ bền riêng ( ) , o o σ τ Đối với vật liệu chịu một lực kéo F, luôn luôn có tổ hợp ứng suất ( ) , n n σ τ trên bất kì mặt phẳng nào, như minh họa ở hình 2 (a). Để có hiểu biết rõ hơn về bản chất vật lý độ bền vật liệu và trả lời các câu hỏi thú vị ở trên., chúng tôi giả sử rằng đối với vật liệu đẳng hướng chỉ có 2 giá trị độ bền riêng o σ và o τ , như minh họa ở hình 2b, o σ định nghĩa là độ bền tới hạn của vật liệu ở Mode phá hủy I; o τ là độ bền tới hạn của vật liệu ở Mode phá hủy II. Nếu mặt phẳng bất kì của vật liệu chịu tổ hợp ứng suất ( ) , n n σ τ , độ bền phá hủy sẽ được biểu diễn theo tiêu chuẩn sau: ( ) ( ) 2 2 / / 1 n o n o σ σ τ τ + = (1) Trong khi đ ó, tr ạ ng thái ứ ng su ấ t ( ) , n n σ τ trên m ặ t tr ượ t b ấ t kì tuân theo ph ươ ng trình Mohr, ngh ĩ a là ( ) ( ) ( ) 2 2 2 / 2 / 2 n T n T σ σ τ σ − + = (2) Theo ph ươ ng trình 1 và 2, hai bi ế n độ bèn độ c l ậ p có th ể xuy ra t ừ : 2 2 / 2 1 (3 ) / 2 1 (3 ) o T o T a a a a b τ σ σ σ = − = − Ở đ ây, maxT o F A σ = đượ c g ọ i là độ b ề n phá h ủ y (kéo); a là h ệ s ố mode phá h ủ y [4] và đượ c tính toán t ừ góc phá h ủ y tr ượ t v ĩ mô khi kéo, xem ph ầ n th ả o lu ậ n sau đ ây. Ở đ ây, gi ả đị nh maxT o F A σ = đượ c đề c ậ p đế n nh ư Nguồn: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART Biên dịch và giới thiệu bởi: Nguyễn Hoàng Việt www.luyenkim.net là độ b ề n phá h ủ y pháp tuy ế n, thay vì độ b ề n riêng c ủ a v ậ t li ệ u. Ch ỉ khi HKV Đ H phá h ủ y d ọ c theo m ặ t ứ ng su ấ t pháp l ớ n nh ấ t, 90 o T θ = , ta m ớ i có T o σ σ = [4] ; Tuy v ậ y, h ầ u h ế t các HKV Đ H phá h ủ y theo mode tr ượ t v ớ i các góc tr ượ t khác nhau, t ươ ng ứ ng [5-14] , vì th ế ứ ng su ấ t phá h ủ y khi kéo T σ không b ằ ng ứ ng su ấ t t ớ i h ạ n o σ . Bên c ạ ch đ ó, t ỷ s ố o o a τ σ = đượ c đị nh ngh ĩ a là h ệ s ố mode phá h ủ y và là hàm c ủ a góc phá h ủ y tr ượ t T θ , [4] 2 2 sin cos / 2 sin T T T a θ θ θ = − ⋅ (4) Th ế ph ươ ng trình 4 vào ph ươ ng trình 3a và 3b, ta có th ể tính toán hai giá tr ị độ b ề riêng o σ và o τ , là hàm c ủ a độ b ề n phá h ủ y maxT o F A σ = và góc phá h ủ y tr ượ t T θ , ngh ĩ a là 2 2 2 sin / sin cos o T T T T σ σ θ θ θ = − sin 2 o T T τ σ θ = Th ự c t ế , độ b ề n o σ bi ể u di ễ n ứ ng su ấ t t ớ i h ạ n để có th ể phá h ủ y v ậ t li ệ u ở mode I – t ạ o n ứ t; độ b ề n o τ là tr ở kháng t ớ i h ạ n để kh ắ c ph ụ c mode II – quá trình tr ượ t c ủ a v ậ t li ệ u. Do đ ó, t ỷ s ố o o a τ σ = c ũ ng có th ể xem là tham s ố riêng c ủ a v ậ t li ệ u, làm ả nh h ưở ng đế n các mode phá h ủ y I ho ặ c II c ủ a các v ậ t li ệ u khác nhau. Hình. 3. Dải trượt trong các vật liệu khác nhau, (a) dải trượt ở đơn tinh thể đồng bị biến dạng; (b) tương tác dải trượt sơ cấp và thứ cấp trong đơn tinh thể Cu-Al; (c) va chạm của dải trượt tới biên hạt trong lưỡng tinh thể đồng biến dạng; (d) dải trượt trong hợp kim Al-Cu cấu trúc siêu mịn. Ta c ũ ng bi ế t rõ rang r ằ ng độ b ề n c ủ a các lo ạ i v ậ t li ệ u kim lo ạ i là khác nhau đ áng k ể do s ự khác nhau v ề chi ti ế t vi c ấ u trúc [1-2] . D ự a vào phân tích độ b ề n ở trên, v ề m ặ t nguyên t ắ c, chúng cung c ấ p manh m ố i m ớ i liên k ế t đế n quan h ệ độ b ề n đố i v ớ i các lo ạ i HKV Đ H v ớ i các c ấ u trúc khác nhau qua quan đ i ể m hi ệ n t ượ ng lu ậ n. Đố i v ớ i các h ệ đơ n tinh th ể d ẻ o, bi ế n d ạ ng m ặ t tr ượ t th ườ ng x ả y ra ở ứ ng su ấ t tr ượ t t ớ i h ạ n th ấ p o τ (ví d ụ : ~ 1 – 10 MPa) 15 . Ngh ĩ a là, độ b ề n o σ ph ả i đủ cao b ở i vì phá h ủ y d ạ ng lá c ự c kì khó x ả y ra trong các đơ n tinh th ể d ẻ o. Do đ ó, t ỷ s ố o o a τ σ = c ủ a các đ on tinh th ể d ẻ o có giá tr ị r ấ t g ầ n 0. Theo đị nh lu ậ t Schmid và tiêu chu ẩ n kéo th ố ng nh ấ t, ứ ng su ấ t kéo đố i v ớ i bi ế n d ạ ng tr ượ t có th ể bi ể u di ễ n là ( ) 2 1 / T n o n o σ τ τ σ σ = Ω = − Ω (6) Ở đ ây Ω là h ệ s ố Schmid c ủ a đơ n tinh th ể , o τ là ứ ng su ấ t tr ượ t t ớ i h ạ n trên m ặ t tr ượ t Nguồn: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART Biên dịch và giới thiệu bởi: Nguyễn Hoàng Việt www.luyenkim.net ( đ i ể n hình là m ặ t (111) trong các tinh th ể fcc). Khi có bi ế n d ạ ng d ẻ o cao h ơ n, các đơ n tinh th ể d ẻ o th ườ ng có quá trình hóa b ề n bi ế n d ạ ng, ví d ụ ứ ng su ấ t tr ượ t t ớ i h ạ n o τ t ă ng lên nh ờ tích t ụ l ệ ch bên trong các d ả i tr ượ t [16] (xem hình 3a). Ngoài ra, th ườ ng có s ự t ươ ng tác gi ữ a các d ả i tr ượ t s ơ c ấ p và th ứ c ấ p trong đơ n tinh th ể b ị bi ế n d ạ ng ở m ứ c độ cao, nh ư hình 3b, làm d ẫ n đế n s ự t ă ng đ áng k ể c ủ a độ b ề n tr ượ t o τ do c ơ ch ế hóa b ề n ph ụ c ậ n [15] . C ơ ch ế hóa b ề n quan tr ọ ng khác n ữ a c ũ ng th ườ ng đượ c gây ra b ở i hãm l ệ ch – trên t ạ i các bên h ạ t l ưỡ ng tinh th ể hay đ a tinh th ể , d ẫ n đế n s ự gia t ă ng đ áng k ể ứ ng su ấ t tr ượ t o τ nh ờ hi ệ u ứ ng ch ắ n biên h ạ t t ớ i các d ả i tr ượ t, nh ư hình 3c. Khi có s ự làm nh ỏ m ị n biên h ạ t trong các v ậ t li ệ u nanô tinh th ể hay h ạ t siêu m ị n, các d ả i tr ượ t tr ở thành mode bi ế n d ạ ng d ẻ o chính, nh ư hình 3d. Các v ậ t li ệ u này th ườ ng có ch ứ a ứ ng su ấ t tr ượ t cao o τ so sánh v ớ i v ậ t li ệ u này có biên h ạ t thô to là nh ờ hi ệ u ứ ng hóa b ề n h ạ t m ị n [21-24] . S ự gia t ă ng đ áng k ể c ủ a độ b ề n tr ượ t t ớ i h ạ n o τ s ẽ luôn luôn d ẫ n đế n t ỷ s ố o o a τ σ = cao. Đố i v ớ i v ậ t li ệ u HKV Đ H, v ề m ặ t b ả n ch ấ t coi tr ạ ng thái vô đị nh hình (V Đ H) là s ự gi ớ i h ạ n t ố i đ a đố i v ớ i quá trình làm m ị n biên h ạ t c ủ a v ậ t li ệ u tinh th ể , và do đ ó có t ỉ s ố o o a τ σ = cao nh ấ t. Hình 4. Sự phụ thuộc của đối xứng độ bền giữa ứng suất nén và kéo đến tỷ số o o a τ σ = khi giảm kích thước biên hạt của vật liệu. D ự a vào b ả ng s ố li ệ u ở b ả ng 1, hai giá tr ị độ b ề n riêng o σ và o τ c ủ a các HKV Đ H khác nhau đượ c tính toán b ằ ng cách thay th ế ứ ng su ấ t phá h ủ y kéo pháp tuy ế n T σ và góc phá h ủ y tr ượ t T θ vào các ph ươ ng trình 5a và 5b. Có th ể th ấ y r ằ ng giá tr ị n o σ n ằ m trong kho ả ng 1.5 – 2.5GPa cho các HKV Đ H nêu ở b ả ng 1, và o τ ở m ứ c ~ 1.0GPa, giá tr ị o τ cao h ơ n ứ ng su ấ t tr ượ t t ớ i h ạ n c ủ a các đơ n tinh th ể [15] . Do v ậ y, n ế u xem xét r ằ ng t ấ t c ả các giá tr ị o σ c ủ a các HKV Đ H là nh ư nhau, khi gia t ă ng độ b ề n tr ượ t o τ , t ỷ s ố o o a τ σ = s ẽ theo s ự gia t ă ng c ấ p độ l ầ n l ượ t nh ư sau t ừ đơ n tinh th ể , l ưỡ ng tinh th ể hay biên h ạ t thô, tinh th ể th ườ ng, tinh th ể biên h ạ t siêu m ị n, v ậ t li ệ u nanô tinh th ể và HKV Đ H [15-24] . Gi ả s ử t ấ t c ả t ấ t c ả v ậ t li ệ u ch ả y ho ặ c phá h ủ y ở mode tr ượ t và độ b ề n c ủ a chúng theo t ả i kéo t ớ i h ạ n th ố ng nh ấ t và tiêu chu ẩ n Tresca d ướ i t ả i nén, t ươ ng ứ ng, Nguồn: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART Biên dịch và giới thiệu bởi: Nguyễn Hoàng Việt www.luyenkim.net độ b ề n nén pháp tuy ế n C σ và độ b ề n kéo pháp tuy ế n T σ đượ c bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng ( ) o sin45 os 45 2 o C o o c σ τ ϖ = = (T/C Tresca) (7) và 2 2 1 T o a σ ω = − (Tiêu chuẩn thống nhất) (8) Nh ư minh h ọ a ở hình 4, s ự ph ụ thu ộ c c ủ a độ b ề n nén và kéo pháp tuy ế n ( C σ và T σ ) vào t ỷ s ố đượ c th ấ y r ấ t rõ. Khi 0.240 o o a τ σ = ≤ , hai giá tr ị độ b ề n c ủ a chúng g ầ n nh ư là gi ố ng nhau, đ i ề u này gi ả i thích t ạ i sao các v ậ t li ệ u tinh th ể thông th ườ ng có h ạ t thô t ự nó x ả y ra đố i x ứ ng v ề độ b ề n khi nén và kéo (xem vùng A, hình 4). Khi t ă ng cao h ơ n t ỷ s ố o o a τ σ = , đố i x ứ ng v ề độ b ề n ( C σ - T σ ) là rõ rang, đượ c đ ánh d ấ u ở vùng B - hình 4. Hi ể n nhiên, chúng ta t ổ ng k ế t r ằ ng t ỷ s ố o o a τ σ = c ủ a các v ậ t li ệ u HKV Đ H n ằ m trong kho ả ng 0.385 – 0.707 [4] . Khi có t ả i nén và t ả i kéo, HKV Đ H bi ể u hi ệ n đố i x ứ ng độ b ề n nh ấ t đị nh, [3-14,28] phù h ợ p v ớ i vùng C – hình 4. Đố i x ứ ng độ b ề n khác nhau có th ể đượ c phân b ổ theo các giá tr ị cao t ươ ng đố i c ủ a t ỷ s ố 0.385 - 0.707 o o a τ σ = = tuân theo tiêu chu ẩ n phá h ủ y th ố ng nh ấ t. [4] Ở gi ữ a vùng A và C trên hình 4, t ỷ s ố này vào kho ả ng 0.240 0.385 o o a τ σ = = − , rõ ràng, đố i x ứ ng độ b ề n ở vùng B c ũ ng là không đ áng k ể . Đ i ề u đ ó cho th ấ y t ỷ s ố o o a τ σ = ở vùng B s ẽ t ươ ng ứ ng v ớ i các tính ch ấ t riêng c ủ a các v ậ t li ệ u nanô tinh th ể ho ặ c h ạ t siêu m ị n. T ổ ng k ế t, o σ và o τ có th ể đượ c xem là hai bi ế n độ b ề n riêng độ c l ậ p đố i v ớ i v ậ t li ệ u đồ ng nh ấ t trong t ự nhiên. Độ b ề n phá h ủ y chu ẩ n ki ể m tra ( C σ và T σ ) c ủ a các v ậ t li ệ u không ph ả n ánh độ b ề n riêng c ủ a chúng, mà ch ỉ ph ả n ánh ả nh h ưở ng t ổ h ợ p c ủ a độ b ề n o σ và o τ ở các tr ạ ng thái ứ ng su ấ t khác nhau ( n σ , n τ ). Trong quá trình bi ế n d ạ ng d ẻ o, t ấ t c ả các d ả i tr ượ t c ủ a v ậ t li ệ u luôn luôn b ị tác độ ng ở tr ạ ng thái ứ ng su ấ t t ổ h ợ p ( n σ , n τ ), nh ư minh h ọ a ở hình 3(a)-(d). Khi v ậ t li ệ u v ớ i h ạ t thô to đượ c làm m ị n h ạ t thành v ậ t li ệ u có c ấ u trúc biên hat m ị n, siêu m ị n ho ặ c nanô tinh th ể [20-27] , th ậ m chí t ạ o v ậ t li ệ u V Đ H, t ỷ s ố o o a τ σ = s ẽ t ă ng lien t ụ c. Thông th ườ ng, độ b ề n ứ ng su ấ t nén pháp tuy ế n C σ s ẽ đượ c xác đị nh b ằ ng độ b ề n tr ượ t o τ ; tuy nhiên, ứ ng su ấ t kéo pháp tuy ế n T σ đượ c đ i ề u khi ể n b ở i c ả độ b ề n o σ và o τ . Do đ ó, khi v ậ t li ệ u có t ỷ s ố o o a τ σ = cao, r ấ t khó có th ể hi ể u đượ c t ạ i sao đố i x ứ ng độ b ề n ( n σ - n τ ) th ườ ng x ả y ra đố i v ớ i v ậ t li ệ u độ b ề n cao này, đ i ể n hình là V ậ t li ệ u V Đ H [3-14,28] , đ á ho ặ c g ố m [3] , c ũ ng nh ư v ậ t li ệ u có c ấ u trúc h ạ t siêu m ị n ho ặ c nanô tinh th ể [20-27] . H ơ n n ữ a, đ i ề u đ ó cho th ấ y r ằ ng khái ni ệ m m ớ i đượ c đề xu ấ t v ề b ả n ch ấ t v ậ t lý c ủ a độ b ề n v ậ t li ệ u có m ộ t ý ngh ĩ a quan tr ọ ng để hi ể u rõ h ơ n v ề c ơ ch ế Nguồn: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART Biên dịch và giới thiệu bởi: Nguyễn Hoàng Việt www.luyenkim.net hóa b ề n và thi ế t k ế t ố i ư u vi c ấ u trúc đố i v ớ i v ậ t li ệ u hi ệ u n ă ng cao trong th ự c t ế các ứ ng d ụ ng k ỹ thu ậ t. Experimental In the current research, different metallic materials were employed, for example pure Cu and Cu-Al single crystals, Cu bicrystals were grown by the Bridgman method in a horizontal furnace,[12,19] ultrafine-grained Al-Cu poly-crystals were fabricated by equal channel angular processing (ECAP) technique. Besides, some Zr-, and Ti-based bulk metallic glasses were prepared by arc-melting elemental Zr, Cu, Al, Ni and Ti with a purity of 99.9% or better in a Ti-gettered argon atmosphere.[12,13,28] For reaching homogeneity, the master alloy ingots were re-melted several times and were subsequently cast into copper molds with different dimensions, i.e. 40 mm × 30 mm × 1.8 mm for tensile test specimens and 3 mm in diameter and a lengthen of 50 mm for the samples used for compressive tests. The compression and the tensile tests of bulk metallic glasses were conducted at different strain rates with an Instron 4466 testing machine at room temperature. Tensile and fatigue tests of the pure Cu and Cu-Al single crystals, Cu bicrystals and ultrafine-grained Al-Cu polycrystals were performed on Shimadzu testing machine. After fracture, all the specimens were investigated by scanning electron microscope (SEM) to reveal the fracture surface morphology and the fracture features. Received: September 14, 2006 Final version: November 13, 2006 . 3 mm in diameter and a lengthen of 50 mm for the samples used for compressive tests. The compression and the tensile tests of bulk metallic glasses were. Experimental In the current research, different metallic materials were employed, for example pure Cu and Cu-Al single crystals, Cu bicrystals were grown by the Bridgman