Bài giảng Công nghệ gia công áp lực - Chương 1: Những kiến thức cơ sở về biến dạng dẻo. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Cơ sở vật lý của quá trình biến dạng (cơ sở kim loại học), cơ học quá trình biến dạng. Mời các bạn cùng tham khảo.
Chơng Những kiến thức sở biến dạng dẻo 1.1 sở vật lý trình biến dạng (Cơ sở kim loại học) 1.1.1 Khái quát trình biến dạng Sự dịch chuyển tơng đối chất điểm, phần tử vật thể rắn dới tác dụng ngoại lực, nhiệt độ nguyên nhân no dẫn đến thay đổi hình dạng, kích thớc vật thể, liên kết vật liệu đợc bảo ton, đợc gọi l biến dạng dẻo Tất phơng pháp GCAL dựa tiền đề chung l thực trình biến dạng dẻo Vật liệu dới tác dụng ngoại lực thay đổi hình dạng v kích thớc m không liên kết bền chặt Khả biến dạng dẻo đợc coi l đặc tính quan trọng kim loại Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Biến dạng mẫu thử kéo Để lm sáng tỏ trình biến dạng ặ theo dõi thí nghiệm kéo giản đơn Dới tác dụng lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo di cho ®Õn bÞ kÐo ®øt Trong thÝ nghiƯm kÐo víi thiết bị phù hợp ta đo đợc lực kéo v độ dÃn di tơng ứng, từ xác định ứng suất v biến dạng theo mối quan hệ sau: - Vùng biến dạng đn hồi - Vùng biến dạng đn hồi dẻo (trong biến dạng đn hồi nhỏ so với biến dạng dẻo - Vïng ph¸ hủ Cho SV xem Video thư kÐo mẫu Bộ môn Gia công áp lực ờng cong ứng suất - biến dạng VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Biến dạng đn hồi v biến dạng dẻo tinh thể Biến dạng vật thể l tổng hợp trình biến dạng hạt tinh thể v biên giới hạt ặ muốn tìm hiểu chế trình biến dạng đa tinh thể trớc hết hÃy nghiên cứu biến dạng đơn tinh thể lý tởng (không có khuyết tật) Biến dạng đn hồi Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Biến dạng dẻo tinh th Biến dạng đơn tinh thể có hai chế chủ yếu: trợt v đối tinh Trợt Khi mẫu đơn tinh thể bị kéo ặ xuất bậc bề mặt mẫu Điều chứng tỏ có trợt lên phần tinh thể Sự trợt xảy chủ yếu mặt định v dọc theo phơng định gọi l mặt trợt v phơng trợt Mức độ trợt thờng l số nguyên lần khoảng cách nguyên tử phơng trợt Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mặt trợt v phơng trợt l mặt v phơng có mật độ nguyên tử lớn Điều ny dễ hiểu lẽ lực liên kết nguyên tử mặt v phơng l lớn so với mặt v phơng khác Số lợng hệ trợt cng lớn khả xảy trợt cng nhiều có nghĩa l cng dễ biến dạng dẻo ặ Bởi khả biến dạng dẻo kim loại đợc đánh giá thông qua số lợng hệ trợt Đặc điểm trợt: -Trợt xảy dới tác dụng ứng suất tiếp - Phơng mạng không thay đổi trớc v sau trợt - Mức độ trợt số nguyên lần khoảng cách nguyên tử - ứng suất tiếp cần thiết để gây trợt không lớn Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Song tinh (đối tinh) Khi ứng suất tiếp đạt tới giá trị tới hạn no phần mạng tinh thể xê dịch đến vị trí đối xứng với phần lại qua mặt phẳng gọi l mặt song tinh Song tinh xảy mặt v phơng xác định Mặt song tinh Song tinh có đặc điểm sau: - Giống nh trợt tạo thnh song tinh xảy d−íi t¸c dơng cđa øng st tiÕp - Kh¸c víi trợt l song tinh kèm theo thay đổi phơng mạng phần tinh thể bị xê dịch - Khoảng xê dịch nguyên tử tỷ lệ thuận với khoảng cách chúng tới mặt song tinh v có trị số nhỏ so với khoảng cách nguyên tử - ứng suất cần thiết để tạo thnh đối tinh học thờng lớn ứng suất cần thiết để gây trợt Bởi nói chung trợt xảy trớc v trình trợt gặp khó khăn song tinh tạo thnh Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Song tinh (đối tinh) Vì xê dịch nguyên tử tạo thnh song tinh nhỏ nên song tinh không dẫn đến mức độ biến dạng dẻo đáng kể tinh thể (chỉ vi %) Nếu với song tinh xảy trợt trợt đóng vai trò trình biến dạng dẻo Trong tinh thể liên kết đồng hoá trị nh Bi , Sb ton biến dạng dẻo lúc phá hủy chủ yếu song tinh tạo nên, mức độ biến dạng dẻo tinh thể nhỏ, chúng đợc coi l vật liệu ròn Đối với kim loại mạng lục phơng xếp chặt nh Zn , Mg , Cd số lợng hệ trợt nên thờng t¹o thμnh song tinh, song ý nghÜa cđa song tinh biến dạng dẻo không lớn m quan trọng l song tinh lm thay đổi phơng mạng nên lm xuất vi định hớng míi cã lỵi cho tr−ỵt Trong tr−êng hỵp nμy biÕn dạng dẻo xảy thờng tăng lên so với trờng hợp có trợt đơn Tuy nhiên thay đổi ny không lớn nên kim loại mạng lục phơng xếp chặt l vật liệu có tính dẻo Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khuyết tật mạng tinh thể Các dạng khuyết tật mạng Cấu trúc tinh thể vật liệu kim loại bị rối loạn xuất khuyết tật mạng Căn vo kích thớc khuyết tật chia chúng thnh ba dạng: - Khuyết tật điểm: nút trống, nguyên tử xen kẽ - Khuyết tật đờng: ví dụ loại lệch - Khuyết tật mặt: biên giới hạt, biên giới pha, khuyết tật xếp Các khuyết tật điểm 1- Nút trống 2- Nguyên tử xen kÏ 3- Nguyªn tư thay thÕ 4- Nguyªn tư ngoại lai xen kẽ Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khuyết tật đờng (lệch) Lệch xoắn Lệch biên Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khuyết tật mặt Biên giới hạt Khuyết tật xếp Biên giới pha Bộ môn Gia công áp lực 10 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bảng thông số ĐƯờNG CHảY Nóng m K (MPa) T(oC) m K (MPa) T(oC) C15** 0.154 99/84 1100/1200 CuAl5** 0.163 102 800 C35** 0.144 89/72 1100/1200 Al99.5** 0.159 24 450 C45** 0.163 90/70 1100/1200 AlMn** 0.135 36 480 C60** 0.167 85/68 1100/1200 AlCuMg1** 0.122 72 450 X10Cr13** 0.091 105/88 1100/1250 AlCuMg2** 0.131 77 450 X5CrNi189** 0.094 137/116 1100/1250 AlMgSi1** 0.108 48 450 X5CrNiTi189** 0.176 100/74 1100/1250 AlMgMn** 0.194 70 480 E-Cu** 0.127 56 800 AlMg3** 0.091 80 450 CuZn28** 0.212 51 800 AlMg5** 0.110 102 450 CuZn37** 0.201 44 750 AlZnMgCu1,5* * 0.134 81 450 CuZn40Pb2** 0.218 35 650 CuZn20Al** 0.180 70 800 CuZn28Sn** 0.162 68 800 VËt liệu Bộ môn Gia công áp lực Vật liệu 25 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chơng Những kiến thức sở biến dạng dẻo 1.2 Cơ học trình biến dạng P1 Pn 1.2.1 ứng suất P2 Định nghĩa ứng suất điểm P5 P4 ứng suất pháp v tiếp P3 Nội lùc vμ øng suÊt vËt thÓ øng suÊt theo phơng Trên mặt phẳng có thnh phần: mét øng suÊt ph¸p vμ hai øng suÊt tiÕp Bé môn Gia công áp lực 26 VIệN Cơ Khí - §HBK Hμ n«i CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.1 øng suÊt øng suÊt kü thuËt vμ øng suÊt thùc A0 F A F l0 dl øng suÊt thùc øng suÊt kü thuËt F σ = A F σ0 = A0 Chó ý: biến dạng dẻo ta sử dụng ứng suất thực! Bộ môn Gia công áp lực 27 VIệN Cơ Khí - §HBK Hμ n«i CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.1 øng suÊt ⎛σx ⎜ ⎜ • ⎜ ⎝ • τ xy σy • τ xz ⎞ ⎟ τ yz ⎟ ⎟ σz ⎠ HÖ toạ độ Đề Khi khảo sát bi toán biến dạng dẻo ta thờng sử dụng hệ tọa độ Bộ môn Gia công áp lực Hệ toạ độ ⎛σ1 0 ⎞ ⎜ ⎟ σ ij = ⎜ σ ⎟ ⎜0 σ ⎟ 3⎠ 28 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.1 ứng suất Chuyển từ hệ tọa độ Đề sang hệ tọa độ dựa váo bất biÕn cđa ten x¬ øng st Ten x¬ øng st cã bÊt biÕn: - BÊt biÕn I1 lμ bÊt biÕn bËc nhÊt I = σ x + σ y + σ z = const - BÊt biÕn I2 lμ bÊt biÕn bËc hai ( ) I = − σ x σ y + σ y σ z + σ z σ x + τ 2xy + τ 2yz + τ 2zx = const - BÊt biÕn I3 la bÊt biÕn bËc ba I = σ x σ y σ z + τ xy τ yz τ zx − σ x τ 2yz − σ y τ 2zx − σ z τ 2xy = const σ1 ; ; l nghiệm phơng trình: − I 1σ − I σ − I = Bộ môn Gia công áp lực 29 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.2 biến dạng Một điểm có toạ độ ban đầu lμ x, y, z, sau biÕn d¹ng nhá cã toạ độ l x, y, z Chuyển vị điểm ®ã t−¬ng øng theo ph−¬ng x, y, z: x’ - x = ux y’ - y = uy z’ - z = uz BiÕn d¹ng dμi vμ biÕn d¹ng gãc mặt phẳng z Bộ môn Gia công áp lực 30 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.2 biÕn d¹ng BiÕn d¹ng dμi vμ biÕn d¹ng gãc : ∂u x εx = ∂x ∂u y εy = ∂y ∂u εz = z ∂z ∂u x ∂u y ⎫ + γ xy = ⎪ ∂y ∂x ⎪ ∂u y ∂u z ⎪⎪ γ yz = + ⎬ ∂z ∂y ⎪ ∂u z ∂u x ⎪ + γ zx = x z Ten xơ biến dạng: ε xx ⎜ ε ij = ⎜ ε yx ⎜ε zx Ten xơ tốc độ biến dạng: xy yy zy Bộ môn Gia công áp lực ε xz ⎞ ⎟ ε yz ⎟ ⎟ ε zz ⎠ ⎛ ε&xx ⎜ ε&ij = ⎜ ε&yx ⎜ ε& ⎝ zx ε&xy ε&yy ε&zy 31 VIƯN C¬ KhÝ - §HBK Hμ n«i CuuDuongThanCong.com ε&xz ⎞ ⎟ ε&yz ⎟ ε&zz ⎟⎠ https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.2 biÕn d¹ng BiÕn d¹ng kü thuËt vμ biến dạng thực Trạng thái Ban đầu l0 Trạng thái biến dạng F F l dl Trạng thái sau biến dạng l Bộ môn Gia công áp lực 32 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.2 biÕn d¹ng BiÕn d¹ng kü thuËt (biÕn d¹ng d·n dμi): l1 − l ε= l0 BiÕn d¹ng thùc (biÕn d¹ng logarit): dl l1 dϕ = ⇒ ϕ = ln l l0 Ta cã: ϕ = ln (1 + ) Bộ môn Gia công áp lực Chú ý: Biến dạng dẻo CN GCAL l biến dạng lớn nên ta sử dụng biến dạng thực 33 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.3 Quan hệ ứng suất v biến dạng Trong biến dạng đn hồi, quan hệ ứng suất v biến dạng tuân theo ®inh luËt Hooke : ( ) ( ) Eε x = σ x − ν σ y + σ z ⎫ ⎪ E ε y = σ y − ν( σ z + σ x )⎪ ⎪ Eε z = σ z − ν σ x + σ y ⎪ ⎬ ⎪ G γ xy = τ xy ⎪ G γ yz = τ yz ⎪ ⎪ G γ zx = τ zx ⎭ Bé m«n Gia công áp lực E - mô đun đn hồi dọc - hệ số Poisson G - mô đun ®μn håi tr−ỵt E = G (1 + ν ) 34 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.3 Quan hệ ứng suất v biến dạng Trong biến dạng dẻo, ta có quan hệ ứng suÊt vμ biÕn d¹ng nh− sau: 1⎡ ⎤⎫ ε1 = ⎢σ1 − (σ2 + σ3 )⎥ ⎪ D⎣ ⎦⎪ 1⎡ ⎤⎪ ε2 = ⎢σ2 − (σ3 + σ1 )⎥⎬ D⎣ ⎦⎪ 1⎡ ⎤⎪ ε3 = ⎢σ3 − (σ1 + σ2 )⎥⎪ D⎣ ⎦⎭ Sù khác mô đun E v G biến dạng đn hồi với mô đun D biến dạng dẻo l chỗ E v G l số vật liệu định D thay đổi suốt trình biến dạng Trong biến dạng đn hồi E = tg = const, biến dạng dẻo D = tg m luôn thay đổi trình biến dạng Bộ môn Gia công áp lực 35 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.4 Điều kiện dẻo L điều kiện để kim loại độ từ trạng thái đn hồi sang trạng thái dẻo Xét trờng hợp kéo tròn theo hớng trục Thanh bị biến dạng dẻo no ứng suất kéo tiết diện đạt tới giới hạn chảy Trờng hợp tổng quát: vật thể chụi tác dụng tảI trọng bên ngoi, bên vật thể xuất ứng suất tơng đơng đạt tới ứng suất chảy vật liệu vật thể ny bị biến dạng dẻo §iỊu kiƯn dỴo Tresca-Saint Venant: σ max − σ = k f = k Ten x¬ øng suÊt vËt thÓ: ⎛σ 0 ⎞ σ ij = ⎜⎜ σ ⎟⎟ ⎜0 σ Điều kiện dẻo Huber-Mises: ( σ ) + (σ − σ ) + (σ − σ ) = k 2f = k 2 2 Trong c¸c biểu thức k gọi l ứng suất tiếp chảy, đợc xác định trờng hợp cắt tuý Theo điều kiện dẻo Tresca max = k = kf/2, theo điều kiện dẻo Mises thì: k= Bộ môn Gia công áp lực k f 0,575k f 36 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.4 Điều kiện dẻo Những biểu thức riêng điều kiện dẻo - Trạng thái ứng suất phẳng: σ 2x + σ 2z − σ x σ z + 3τ 2xz = k f2 σ y = τ xy = τ yz = σ 12 + σ 23 − σ 1σ = k 2f - Tr¹ng thái biến dạng phẳng: ( x z ) σx + σz σy = 2 + τ 2xz = k *2 = k f σ1 − σ = ± k f = ± k *f = ± k τ xy = τ yz = 1 k f = ± k *f = ± k τ 13 = - Trạng thái ứng suất đối xứng trục: ρθ = τ θz = (σ ρ − σθ Bộ môn Gia công áp lực ) + ( θ ( − σz ) + σz − σρ ) + τ 2zρ = k 2f 37 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.5 Những nguyên tắc, định luật biến dạng dẻo Quan hệ ứng suất chảy v biến dạng thực xác định theo đờng cong chảy vật liệu Vật thể biến dạng tuân theo định luật dẻo, định luật thể tích không đổi, nguyên tắc trở lực biến dạng nhỏ Thể tích vật thể không thay đổi trớc Định luật thể tích không đổi v sau biến dạng Tổng thnh phần biến dạng đờng chéo chÝnh b»ng kh«ng V = X0.Y0.Z0 = Xn.Yn.Zn Bé m«n Gia công áp lực 38 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nguyên tắc trở lực biến dạng nhỏ Nếu chất điểm vật thể biến dạng dịch chuyển phơng no có trở lực nhỏ Sơ đồ chảy hớng kính kim loại chồn Lấy ví dụ chồn có sát v không ma sát; dập khối khuôn hở có vnh biên Bộ môn Gia công áp lực 39 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... đợc lực kéo v độ dÃn di tơng ứng, từ xác định ứng suất v biến dạng theo mối quan hệ sau: - Vùng biến dạng đn hồi - Vùng biến dạng đn hồi dẻo (trong biến dạng đn hồi nhỏ so với biến dạng dẻo -. .. mÉu Bé m«n Gia công áp lực ờng cong ứng suất - biến dạng VIệN Cơ Khí - ĐHBK H nôi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Biến dạng đn hồi v biến dạng dẻo tinh thể Biến dạng vật thể... tinh lại C-Thép 55 0-7 30oC Sn 0-4 0oC Al (99,9%) 29 0-3 00oC Zn 5 0-1 00oC Al hợp kim 36 0-4 00oC Mo 870oC Cu 200oC W 90 0-1 000oC Pb -5 0-5 0oC Ni 40 0-6 00oC Bé m«n Gia công áp lực 16 VIệN Cơ Khí - ĐHBK H