chương 2 biến dạng dẻo và cơ tính

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

Chương 2: Biến dạng dẻo tính 2.1 Biến dạng dẻo phá huỷ

Độ dãn dài l

T

ải

trọn

g F

Fđh

a1 e Fa a b c Fb a2

Sự biến đổi mạng tinh thể giai đoạn khác nhau trình biến dạng

Khái niệm biến dạng dẻo

Là biến dạng không bị sau bỏ tải trọng tác dụng

Giai đoạn ban đầu: nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân

bằng

Giai đoạn biến dạng đàn hồi: nguyên tử xê dịch phạm vi hẹp so với

thông số mạng nên trở vị trí ban đầu bỏ tải trọng

Giai đoạn biến dạng dẻo: nguyên tử xê dịch phạm vi lớn so với

thơng số mạng nên khơng trở vị trí ban đầu bỏ tải trọng

Phá huỷ dẻo Phá huỷ giòn (khơng có biến

dạng dẻo)

Trượt đơn tinh thể

Ph

ươ

ng

t

rượ

t

Mặt

trượt

Trượt đơn tinh thể Zn Hiện tượng trượt đơn

tinh thể

Phương trượt:

Mặt trượt: Là mặt phân cách hai mặt nguyên tử dày đặc

mà xảy tượng trượt

2 điều kiện mặt trượt:

-Phải mặt xếp xít chặt (liên kết nguyên tử lớn  bền vững)

-Khoảng cách mặt xít chặt phải lớn (dễ cắt đứt liên kết mặt  dễ xê dịch)

Là phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Hệ trượt mạng A2

Họ mặt trượt: {110} Số lượng:6 Họ phương trượt <111>: 2

Hệ trượt mạng A1

Họ mặt trượt:{111} Số lượng: 4

Họ phương trượt <110>: 3

Hệ trượt mạng A3

Họ mặt xếp chặt nhất: {0001} Số lượng: 2

Họ phương xếp chặt <1120>: 3

Nhận xét

Kim loại có số hệ trượt cao dễ biến dạng

 Nhơm (Al), đồng (Cu)… dễ biến dạng Manhê (Mg), Kẽm (Zn)

Trong hệ tinh thể (lập phương): kim loại có số phương trượt nhiều dễ biến dạng dẻo hơn

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

s = F/So

So

s’

Phương trượt

f

f

Ss

So F

Fs

l

Ss

t l

Ứng suất tiếp gây trượt

Phương trượt

s

t s’

f

l

Mặt trượt

S0

ứng suất tác dụng

Diện tích mặt trượt: S=S0/cosf Ứng suất tiếp phương trượt:

Các giá trị tới hạn

a) b) c)

t = s0 cosfcosl

s0: ứng suất quy ước ngoại lực F tác dụng lên tiết ngang tinh thể có tiết diện khơng đổi

Khơng xảy

ra trượt Không xảy ra trượt

Cơ chế trượt

Lý thuyết: tth~ G/2

Trượt đa tinh thể Đặc điểm:

 Các hạt bị biến dạng không đều

 Có tính đẳng hướng

 Có độ bền cao hơn

 Hạt nhỏ độ bền độ dẻo cao

Tổ chức tính chất sau biến dạng dẻo

 Các hạt có xu hướng dài theo phương kéo

Độ biến dạng từ 40-50% các hạt bị phân nhỏ, tạp chất pha thứ hai bị chia nhỏ phân tán kéo dài  tạo thớ

Độ biến dạng từ 70-90% các hạt bị quay, hạt phương mạng số đạt tới mức gần song song  tổ chức textua biến dạng

 Sau biến dạng dẻo kim loại tồn ứng suất dư lớn xô lệch mạng tinh thể

Phá huỷ

Phá huỷ gì?

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

a) phá huỷ điều kiện tải trọng tĩnh:

Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể  tiết diện mặt gãy thay đổi

Phá huỷ giịn: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo khơng đáng kể

 tiết diện mặt gãy gần không thay đổi

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

Phá hủy dẻo (tiết diện thay đổi)

Phá huỷ giòn

a) phá huỷ điều kiện tải trọng tĩnh (tiếp theo):

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

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

a) phá huỷ điều kiện tải trọng tĩnh (tiếp theo):

Sự phụ thuộc hình thức phá huỷ vào số yếu tố:

Nhiệt độ giảm, tốc độ 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 trang thái phá huỷ giòn

Cơ chế phá huỷ

Sợi Vết cắt

1 2 3 4 5

1. Xuất vết nứt tế vi

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 giá trị tới hạn

Sự xuất vết nứt tế vi

- Theo đường tự nhiện (nguội nhanh  nứt chi tiết) - Từ rỗ khí, bọt khí

- Từ pha mềm vật liệu

- Sinh trình biến dạng có tập hợp nhiều

lệch dấu chuyển động mặt trượt gặp vật cản (pha thứ hai)

b) phá huỷ điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Đặc điểm: vật liệu chịu tải trọng khơng lớn, thay đổi theo chu kỳ  có thể bị phá hủy sau thời gian làm việc (phá huỷ mỏi)

Bề mặt phá hủy mỏi chia làm 3 vùng:

Vùng 1: mỏng (vùng vết nứt tế vi)

Vùng 2: vết nứt phát triển chậm Bề mằt phẳng có

các lớp dải phân cách

b) phá huỷ điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Cơ chế phá huỷ mỏi:

- Hình thành vết nứt tế vi bề mặt chi tiết (vết nứt sẵn có trong q trình chế tạo, lõm co, vết xước…… )

- Nửa chu kỳ đầu: giả sử lệch chuyển động ngồi bề mặt chi tiết  nửa chu kỳ sau lệch chuyển động ngược lại vị trí cũ (do chu kỳ tải trọng đổi dấu)

Nửa chu kỳ đầu Nửa chu kỳ sau

2.2 Các đặc trưng tính

Cơ tính gì? là tập hợp đặc trưng học biểu thị cho khă chịu tải

 là sở để so sánh vật liệu với nhau Cách xác đinh tính? kiểm tra mẫu thử

Chú ý: - Mẫu thử lớn thường có tính thấp (do xác suất xuất khuyết tật cao hơn)

a) Độ bền tĩnh (s)

Giới hạn đàn hồi (sđh):

 là ứng suất lớn tác dụng lên mẫu làm cho mẫu không bị biến dạng tải trọng đi

) ( , , MPa S F  s

Fđh: lực kéo lớn không gây biến dạng mẫu sau bỏ tải (N)

So: tiết diện mẫu thử (mm2) Giới hạn chảy vật lý (sch):

 là ứng suất bé tác dụng lên mẫu làm cho mẫu bắt đầu bị biến dạng dẻo

Giới hạn chảy quy ước (s0,2): ) ( MPa S Fdh dh  s

Giới hạn bền (sb):

Fb: lực kéo lớn giản đồ thử kéo (N)

So: tiết diện mẫu thử (mm2) ) ( MPa S Fb b  s

 là ứng suất lớn tác dụng lên mẫu gây biến dạng cục dẫn đến phá hủy

Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền: mật độ lệch

độ

bền

mật độ lệch

1

2

3

4

1. Độ bền theo lý thuyết 2. Độ bền đơn tinh thể 3. Các kim loại nguyên

chất sau ủ

4. Kim loại sau biến dạng, hoá bền……

108/ cm2

Các biện pháp hoá bền vật liệu

1. Biến dạng dẻo:

2. Hợp kim hoá:

3. Tạo pha cứng phân tán hay hoá

bền tiết pha:

4. Nhiệt luyện tôi+ram: 5. Làm nhỏ hạt:

làm tăng xô lệch mạng  khó trượt làm tăng mật độ lệch

 tạo chướng ngại cản trở chuyển động lệch tạo dung dịch rắn bão hoà

b) Độ dẻo (%, %)

Độ dẻo gì? Hiện tượng mẫu thử kéo:

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

l0 l1

 Là tập hợp tiêu tính phản ánh độ biến dạng dư VL bị phá huỷ tải trọng tĩnh

Các tiêu:

% 100 % 0 x l l l  

 % 100%

Tính siêu dẻo

Nếu  đạt từ 100-1000%  Vật liệu gọi siêu dẻo

Ưu điểm:

- Tiết kiệm lượng

- Dễ chế tạo sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều….

Một số biện pháp để VL đạt hiệu ứng siêu dẻo:

- Làm cho hạt nhỏ mịn, đẳng trục, đồng ổn định - Biến dạng nhiệt độ cao (0,6-0,8)Ts

c) Độ dai va đập (ak)

Độ dai va đập gì?

 Là đánh giá khả chống lại phá huỷ vật liệu tác dụng tải trọng động

initial height final height

sample

S A

Ý nghĩa độ dai va đập:

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

Đối với vật liệu thường: ak>200kJ/m2

Đối với vật liệu chịu va đập cao: ak>1000kJ/m2

ak ~ sch (s0,2x)

Mối tương quan ak và (s0,2x)

 Các biện pháp nâng cao ak - Làm hạt nhỏ mịn

- Số lượng, kích thước pha giịn tăng, hình dạng tấm, lưới

phân bố không  giảm ak

d) Độ cứng

Độ cứng gì?

 Là khả chống lại biến dạng dẻo cục vật liệu thông qua mũi đâm

Đặc điểm:

- Khi vật liệu không đồng  Chỉ biểu thị cho tính chất bề mặt

- Biểu thị cho khả chống mài mòn vật liệu

Nguyên lý xác định độ cứng

Ép tải trọng xác định lên mẫu thông qua mũi đâm (không bị biến dạng dẻo)  tạo vết lõm bề mặt

 vết lõm rộng (sâu)  độ cứng thấp Có loại độ cứng:

- Độ cứng tế vi (dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé): xác định độ cứng hạt, pha tổ chức vật liệu  dùng cho nghiên cứu

Độ cứng brinell HB

Điều kiện chuẩn để xác định HB cho thép gang:

D=10mm, F=3000kG, t=15s

sb=a.HB

Nhược điểm loại độ cứng HB

- Không thể đo vật liệu có độ cứng cao 450 HB

- không ứng dụng đo độ cứng cho thép thôi, hợp kim cứng….

- Mẫu phải phẳng, dày vết đâm lớn  không đo độ cứng trực tiếp sản phẩm

- Thời gian chậm phương pháp khác, phải có sự trợ giúp thiết bị quang học để xác định

đướng kính vết lõm

Độ cứng Rockwell f

f F f

h

f: tải trọng sơ 10kg

F: tải trọng (90kg cho thang B, 140kg cho thang đo C 50kg cho thang đo A)

Cách xác định độ cứng rockwell: HR = k-(h/0,002)

k = 100 với thang đo A, C với mũi đâm kim cương góc đỉnh 1200 k = 130 với thang đo B dùng cho mũi bi thép

Ưu điểm loại độ cứng rockwell

Thang đo HR đo vật liệu cứng cao: thép tơi, lớp hố bền…. được sử dụng phổ biến

Kết máy đo

Thời gian để xác định giá trị độ cứng nhanh

Độ cứng Vickers

Mũi đâm kim cương, hình tháp mặt đều với góc đỉnh 1360

Tải trọng tác dụng nhỏ (1-100kg), điều kiện chuẩn 30kg với t = 10-15s

Cách xác định độ cứng Vickers

Nhược điểm: với tải trọng nhỏ cần trợ giúp thiết bị quang học để xác định d

Bảng chuyển đổi thang đo độ cứng

HV HB HRC HRA HRB

Thấp 240 240 20 60,5 100

TB 513 475 5 75,9

-Cao 697 - 60 81,2

-Trạng thái vật liệu dựa giá trị độ cứng

- Mềm: HB< 150

- Trung bình: HB ~ 300-400 - Cao HRC ~ 60-65

- Thấp: HB ~ 200

2.3 Nung kim loại qua biến dạng dẻo Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo:

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

Tại cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo?

- Để tiếp tục biến dạng dẻo nhiều nữa - Để gia cơng cắt dễ dàng

Ảnh tổ chức kim loại sau biến dạng dẻo

Các giai đoạn chuyển biến nung nóng

Giai đoạn hồi phục

- Xảy nhiệt độ T < Tktl

- Giảm khuyết tật (điểm, nút trống) - Giảm mật độ lệch

- Giảm ứng suất

Các giai đoạn chuyển biến nung nóng

(tiếp theo)

Giai đoạn kết tinh lại - Xảy nhiệt độ T > Tktl

- Xuất mầm không chứa sai lệch biến dạng

thường xuất vùng bị xô lệch mạnh (mặt trượt, biên hạt) biến dạng dẻo mạnh  số lượng tâm mầm càng nhiều  hạt cạng nhỏ mịn

- Sự phát triển hạt hoàn toàn giống với trình kết tinh KL

lỏng

Yếu tố ảnh hưởng đến trình kết tinh lại

Nhiệt độ kết tinh lại Tktl:

Tktl = a.TS

a hệ số phụ thuộc độ kim loại, mức độ biến dạng thời gian giữ nhiệt

Thông thường: mức độ biến dạng > 40-50%, thời gian giữ nhiệt nung 1h a xác định sau

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

Tổ chức hạt nhận sau kết tinh lại Hạt sau KTL có dạng đa cạnh, đẳng trục

Kích thước hạt phụ thuộc:

- Mức độ biến dạng - Nhiệt độ ủ

- Thời gian giữ nhiệt

 Tính chất vật liệu sau kết tinh lại:

- Độ bền, độ cứng giảm - Độ dẻo, độ dai tăng

Biến dạng nóng

Thế biến dạng nóng?

 Là biến dạng dẻo nhiệt độ kết tinh lại T ~ (0,7-0,75)Ts

Các trình xảy ra:

- Biến dạng dẻo gây hố bền vật liệu - Xảy q trình kết tinh lại

Ưu điểm:

- Phơi nung nóng  mềm  lực tác dụng nhỏ - Bít rỗ khí có

- Quá trình hợp lý, sau biến dạng dẻo, phơi đem gia cơng cơ

Nhược điểm:

- Khó khống chế nhiệt độ đồng phơi  khó đồng tổ

chức, tính

- Khó khống chế xác hình dạng, kích thước chi tiết - Chất lượng bề mặt khơng cao dễ bị oxy hố bề mặt