Tài liệu Vật liệu học_Chương 2 pdf

19 Chơng 2 Biến dạng dẻo và cơ tính Đa số vậ t liệ u, đặ c biệ t là kim loạ i, thờng đ ợc bá n dới dạ ng cá c bá n thà nh phẩ m dới dạ ng: dâ y, thanh, hì nh, ống, tấ m, lá , bă ng . nhờ biế n dạ ng dẻ o (cá n), hoặ c cá c phôi rè n khả o sát biế n dạng dẻ o không những giúp hiể u biế t cơ sở quá trì nh mà còn giúp đề ra cá c biệ n phá p nâ ng cao cơ tí nh, khắ c phục những khuyế t tậ t. 2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy 2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy 2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy 2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy 2.1.1. 2.1.1.2.1.1. 2.1.1. Khái niệ m Khái niệ mKhái niệ m Khái niệ m Biể u đồ tả i trọng (hay ứng suấ t) vs biến dạ ng hì nh 2.1. cho thấ y: - Nế u tiế p tục tă ng tả i trọng đế n giá trị cao nhấ t F b , mẫ u bị thắ t lạ i tả i trọng =const (hoặ c ) nhng ứ/s phá hủy ở điể m c. Sự biế n đổi về mạ ng tinh thể ở ba trạ ng thá i trê n trì nh bà y ở hì nh 2.2. a) b) c) d) Khi biế n dạ ng đà n hồi thì biế n dạ ng nhỏ a<a, biế n dạ ng dẻ o thì a>a, với a là thông số mạ ng phá hủy cá c liê n kế t bị hủy hoạ i dẫ n đế n đứt rời. Biế n dạ ng dẻ o = cá ch tr ợt (đôi khi xả y ra bằ ng song tinh), ở đâ y chỉ giới hạ n khả o sá t biế n dạ ng dẻ o dới hì nh thứ c nà y. 2.1.2. 2.1.2.2.1.2. 2.1.2. Trợt đơn tinh thể Trợt đơn tinh thểTrợt đơn tinh thể Trợt đơn tinh thể Trợt là sự chuyể n dời tơng đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phơng nhất đị nh gọi là mặ t và phơng trợt (hì nh 2.3.) a. Các mặt và phơng trợt a. Các mặt và phơng trợta. Các mặt và phơng trợt a. Các mặt và phơng trợt Mặt trợt là mặt (tởng tợng) phân cách giữa hai mặt nguyê n tử dày đặc nhất mà theo đó sự trợt xảy ra. Cá c mặ t và phơng trợt của ba kiể u mạ ng tinh thể thờng gặ p đ ợc trì nh bà y ở hì nh 2.4: - M ạ ng lftm (A1): mặ t trợt {111}, (4 mặ tx3 phơng)=12 hệ trợt chí nh khá c nhau. - M ạ ng lftk (A2): mặ t trợt {110}, (6 mặ t x 2 phơng)= 12 hệ trợt chí nh khá c nhau. - Mạ ng lgxc (A3): mặ t trợt, (1 mặ t x 3 phơng)= 3 hệ trợt chí nh khá c nhau. - Khi F < F đh , độ giã n dà i l tỷ lệ bậ c nhấ t với tả i trọng biế n dạng đàn hồi. Vớ i F 1 biế n dạ ng O1, bỏ tả i trọng mẫ u lạ i trở lạ i kí ch thớc ban đầ u. - Khi F > F đh , độ biế n dạ ng tă ng nhanh theo tả i trọng, khi bỏ tả i trọng biế n dạ ng vẫ n còn lạ i một phầ n biế n dạng dẻ o. Khi F= F a biế n dạ ng Oa'', khi F=0 biế n dạ ng Oa' biế n dạ ng dẻ o hay d, Hì nh 2.1. Biểu đồ kéo kim li a a độ dã n dà i tả i trọng F F b F a F đh F l a b c e l O Hì nh 2.2 . Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lợt tăng tải trọng ban đầu (a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo (c), phá hủy (d) 20 - Ngoà i cá c mặ t, phơng trợt chí nh kể trê n còn có khả nă ng bị trợt theo cá c mặ t, phơng dà y đặ c khá c tuy không phả i là dà y đặ c nhấ t. Hì nh 2.3. Sơ đồ biểu diễn sự trợt: a. đơn tinh thể và mạng tinh thể trớc khi trợt, b. hì nh dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể sau khi trợt. Hì nh 2.4. Các mặt và phơng trợt cơ bản của kim loại: a. lập phơng tâm khối, <100> b. lập phơng tâm mặt,<111> c. lục giác xếp chặt, <0001> - Khả nă ng biế n dạ ng dẻ o của kim loạ i tỷ lệ thuậ n với số hệ trợt chí nh: số hệ trợt càng cao khả nă ng trợt cà ng lớn kim loạ i càng dễ biến dạ ng dẻo - Thực tế đã chứng tỏ điều này: Fe ,Al,Ag,Cu .(mạ ng A1) dẻ o và dễ dá t mỏng hơ n Zn (A3). So với lftk (A2) mạ ng lftm (A1) tuy cùng 12 hệ trợt nhng dễ trợt hơn tí nh dẻ o cao hơn b. b.b. b. ứ ng suất gây ra trợt ng suất gây ra trợtng suất gây ra trợt ng suất gây ra trợt Đị nh luật Schmid. Khi > th (xá c đị nh đối với từng kim loạ i) trợt mới xả y ra. Giá trị của =? = S F cos.cos= O S F sin.cos.cos trong đó F/S 0 là ứng suấ t ké o 0 thay và o ta có: = 0,5 0 sin2 cos. Gọi cos.cos là thừa số Schmid. ứng suấ t gâ y ra trợt phụ thuộc và o góc & qua thừa số Schmid. Khi = 90 o hay = 90 o = 0, lực F chỉ là m phá hủy mà không xả y ra biế n dạ ng dẻ o. Hì nh 2.5. Trợt trong đơn tinh thể Khi (+) 90 o , max = 0,5ơ 0 khi = = 45 o . H ệ trợt nào có max thuậ n lợi nhấ t trợt xả y ra trớc cá c hệ í t thuận lợi hơn. Hì nh thá i của trợt: hì nh 2.2c và 2.3b: các bậ c trợt, dải trợt. Hì nh 2.5b. Bậ c trợt và dải trợt bậ c dả i a) b) a) b) c) phơng trợt mặ t trợ F F F 21 c. c.c. c. Tí nh dễ trợt Tí nh dễ trợt Tí nh dễ trợt Tí nh dễ trợt - -- - cơ chế trợt cơ chế trợt cơ chế trợt cơ chế trợt Độ bề n lý thuyế t: t.h 2 G , rấ t cao. Thực tế có lệ ch t.h 43 10810 . G ữ rấ t nhỏ 2.1.3. 2.1.3.2.1.3. 2.1.3. Tr TrTr Trợt đa tinh thể ợt đa tinh thểợt đa tinh thể ợt đa tinh thể Vậ t liệ u kim loạ i thực tề luôn luôn là VL đa tinh thể . a. a.a. a. Các đặc điể m Các đặc điể mCác đặc điể m Các đặc điể m Đặ c điể m của trợt đa tinh thể : 1) Các hạt bị biến dạng không đồng thời với mức độ khác nhau 2) Có tí nh đẳng hớng: số hạ t vô cùng lớn 3) Đa tinh thể c ó độ bề n cao hơn : Cá c hạ t cả n trở biế n dạ ng lẫ n nhau, biê n hạ t cả n trợt. lực cao hơn độ bề n cao hơn. 4) Hạt càng nhỏ độ bề n và độ dẻ o càng cao : hạ t nhỏ có tổng diệ n tí ch biê n hạ t lớn hơn, sẽ cả n trợt mạ nh hơn nê n là m tă ng độ bề n. Theo Hall - Petch: ch = o + + + + d k , Khi hạ t nhỏ đi tăng độ dai vậ t liệ u khó bị phá hủy giòn rấ t u việ t b. b.b. b. Tổ chức và tí nh chất của kim loạ i sau khi biế n dạng dẻ o Tổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ oTổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ o Tổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ o 1) Sau khi biế n dạ ng xô lệ ch mạ ng t/thể . =0 =(40-50)% =(40-50)% =(70-90)% Hì nh 2.7. Sự thay đổi tổ chức sau biến dạng Textua biế n dạ ng. Ví dụ khi cá n: Al mạ ng A1: - cá c mặ t {110} song song với mặ t cá n 2) Biế n dạng dẻ o do xô lệch mạng ứng suất d, cho cơ tí nh , ứng suấ t nén d bề mặ t là m giới hạ n mỏi: lă n é p, phun bi. 3) Xu hớng thay đổi cơ tí nh sau khi biế n dạng dẻ o (hì nh 2.8): . Bề n ( đh , 0,2 ), cứng , dẻ o . Dẫ n điệ n và tí nh chống ă n mòn giả m Hì nh 2.8. ảnh hởng của độ biến dạng đến cơ tí nh của kim loại nói chung (a) và Cu nói riêng (b). tạ p chấ t Hì nh 2.6. Mô hì nh trợt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên) tí nh chấ t 0,2 b độ dẫ n b , 02 , ksi 0 ,2 b độ dã n dà i, 20 40 60 a) b) 22 2.1.4. 2.1.4.2.1.4. 2.1.4. Phá hủy Phá hủyPhá hủy Phá hủy ứ ng suấ t > [ b ] phá hủy do gã y, vỡ hoặ c đứt (fractography). Đầu tiê n xuất hiệ n vế t nứt tế vi trê n bề mặt hay ở sâu bê n trong phát triể n vế t nứt phá huỷ Tuỳ theo tả i trọng: a. a.a. a. Tải trọng tĩ nh Tải trọng tĩ nhTải trọng tĩ nh Tải trọng tĩ nh Tả i trọng tĩ nh: Phá hủy giòn và phá hủy dẻ o - Phá hủy dẻ o kè m theo biế n dạng dẻ o - Phá hủy giòn không kè m theo biế n dạ ng - Phá huỷ giòn xảy ra đột ngột (d), phá huỷ dẻ o xả y ra từ từ (a) chậ m (b), nhanh (c) - Công cho phá huỷ dẻ o lớn hơn - Phá huỷ dẻ o hay giòn do: + bản chấ t VL: thé p, Al, Cu phá huỷ dẻ o, gang giòn. ceramic, polyme nhiệ t rắ n phá huỷ giòn a) b) c) d) Hì nh 2.9. Các dạng mặt gãy khi phá hủy + T o phá huỷ giòn, tải trọng đặt vào nhanh, đột ngột phá huỷ giòn -+ Kế t cấ u gâ y tậ p trung ứng suấ t (hạ bậ c đột ngột, rã nh, khí a, nứt, ) dể gâ y phá huỷ giòn Cơ chế p Cơ chế pCơ chế p Cơ chế phá hủy há hủyhá hủy há hủy Phá hủy theo 4 giai đoạ n sau: 1) hì nh thành vế t nứt (tế vi), 2) vế t nứt tế vi phát triể n dới tới hạn, tới hạ n 3) vế t nứt tới hạn phát triể n nhanh, 4) nứt chấ m dứt và gã y rời, trong đó cá c giai đoạ n 1,2 và 3 đ ợc coi là quan trọng nhấ t, đá ng để ý nhấ t. Tập trung ứng suất Tập trung ứng suấtTập trung ứng suất Tập trung ứng suất Theo A.A Griffith: max : t max a 2 = (2.1) Gọi = max I K là hệ số cờng độ ứng suấ t, xác đị nh bằ ng công thức: aYK I = (2.2) Đối với vậ t liệ u giòn, ứng suấ t tới hạ n gh cầ n thiế t để phá t triể n vế t nứt là : a E2 gh = (2.3) 3 kiể u phá t triể n vế t nứt thờng gặ p (hì nh 2.13): Hì nh 2.11. Sự hì nh thà nh vế t nứt nguồn lệ c Frank-Read cả n trở c/đ a) b) o t x x 2a x x a o x x max mặ t cắ t dọc theo nt Hì nh 2.12. Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố ứng suất trên tiết diện cắt ngang qua vết rỗng (b) 23 Hì nh 2.13. Ba kiểu tải trọng và lan chuyển vết nứt: Kiểu I là kiểu thờng gặ p hơn cả và đ ợc đa và o tí nh toá n. Do tậ p trung ứng suấ t gh (công thức 2.3) vế t nứt gâ y phá huỷ giòn vậ t liệ u. Giỏ tr h s cng ng sut tng ng ti ú c gi l dai phỏ hu ca vt liu, ký hiu l K IC , c trng cho mi loi vt liu aYK ghIC = , [N.m -3/2 ] hay [ MPa.m 1/2 ], xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m Đối với vậ t liệ u dẻ o (phầ n lớn kim loạ i và vậ t liệ u polyme), đề u có biế n dạ ng dẻ o trớc khi phá hủy, điề u đó là m cho đỉ nh nứt tù (cùn, bớt sắ c nhọn) đi, bá n kí nh cong tă ng lê n, nhờ đó làm tăng gh và K IC . Bảng 2.1. Giới hạn chảy và độ dai phá hủy biến dạng phẳng của một số loại vật liệu Vậ t liệ u 0,2 , MPa K IC , MPa m Vậ t liệ u 0,2 , MPa K IC , MPa m Kim loạ i Ceramic và polyme Hợp kim nhôm 2024- T351 325 36 Hợp kim nhôm 7075- T651 505 29 oxit nhôm - 3-5,3 Thuỷ tinh - 0,7-0,8 Bê tông - 0,2-1,4 Thé p 4340,tôi +ram 260 o C Thé p 4340,tôi +ram 425 o C 1640 1420 50 87,4 Polyme ,PMMA Polystyren, PS - - 1,0 0,8-1,1 b. b.b. b. Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳTrong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ Cầ u, trục, bá nh ră ng, chị u tả i trọng không lớn (<< 0,2 ) nhng thay đổi theo chu kỳ, vẫ n có thể bị phá hủy sau thời gian dà i và tơng đối dài (> 10 5 ữ 10 6 chu kỳ) phá hủy mỏi. Cơ chế : từ vế t nứt đầ u tiê n, thờng nằ m ở trê n bề mặ t là nơi chị u ứng suấ t ké o lớn nhấ t, điề u kiệ n thuậ n lợi phá t triể n vế t nứt. Vế t nứt tế vi trê n bề mặ t: rỗ co, bọt khí , tạ p chấ t, xớc, lồi lõm tă ng độ bóng bề mặ t Vế t nứt có thể sinh ra dới tá c dụng của tả i trọng thay đổi theo chu kỳ (hì nh 2.15a). Hì nh 2.15a. Sơ đồ hì nh thà nh vế t nứt mỏi Hì nh 2.15b. Sơ đồ mặ t gã y khi phá huỷ mỏi Mặ t gã y ở chỗ phá hủy mỏi (hì nh 2.15b). 2.2. 2.2.2.2. 2.2. Các đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ a Các đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ aCác đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ a Các đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ a mặ t vế t nứt nguồn lệ ch Frank-Read k k vùng 1, sá t bề mặ t là vế t nứ t đ ầ u vùng 3, phá hỷ biế n dạ ng hẳ ứng suấ t ẳ chiề u dà y Độ d ai p há K IC Hì nh 2.14. ảnh hởng của chiề u dà y B th Kiể u I=ké o Kiể u Kiể u III=xé 24 Cơ tí nh cho biế t khả nă ng chị u tả i của vậ t liệ u trong cá c điề u kiệ n tơng ứng, là cơ sở của cá c tí nh toá n sức bề n, khả nă ng sử dụng và o một mục đí ch nhấ t đị nh. Cá c đặ c trng cơ tí nh đ ợc xá c đị nh trê n cá c mẫ u chuẩ n. Thờng gặ p nhấ t là độ bề n, độ dẻ o, độ cứng, độ dai va đậ p, độ dai phá hủy. 2.2.1. 2.2.1.2.2.1. 2.2.1. Độ bề n (tĩ nh) Độ bề n (tĩ nh)Độ bề n (tĩ nh) Độ bề n (tĩ nh) Tùy theo đặ c điể m của tả i trọng ngời ta phâ n biệ t độ bề n ké o, né n, uốn, xoắ n . Bề n và độ dẻ o khi ké o là thông dụ ng hơn cả nê n khô ng cầ n phả i ghi chú, trờng hợp còn lạ i đề u phả i ghi chú (né n, uố n hay xoắ n .). a. a.a. a. Các chỉ tiê u Các chỉ tiê uCác chỉ tiê u Các chỉ tiê u Đặ c tr ng cho độ bề n tĩ nh: đh , C , b : kG/mm 2 , MPa, psi, ksi (Anh & Hoa kỳ),. Quan hệ giữa các đơn vị thờng gặ p nh sau: 1kG/mm 2 10MPa, 1kG/mm 2 1,45 ksi, 1ksi = 10 3 psi Giới hạn đàn hồi đh , khó xá c đị nh chấ p nhậ n 0,01 hay 0,05 theo công thức: 0 dh dh S F = MPa, 0 01,0 01,0 S F = MPa, hay 0 05,0 05,0 S F = MPa, Giới hạ n chảy vật lý ch , G GG Giới hạn chảy quy ớc 0,2 , [MPa] Giới hạ n bề n b : 0 b b S F = , [MPa], trong đó: b. b.b. b. Các yế u tố ảnh hởng Các yế u tố ảnh hởngCác yế u tố ảnh hởng Các yế u tố ảnh hởng Cá c phơng phá p nâ ng cao độ bề n: giảm giảmgiảm giảm hoặ c tăng mật độ lệ ch tăng mật độ lệ chtăng mật độ lệ ch tăng mật độ lệ ch. . Giả m: Sợi Fe là 13000MPa, Fe armco 250MPa . Tă ng: biế n dạ ng nguội, hợp kim hoá , nhiệ t luyệ n, . c. c.c. c. Cá CáCá Các biệ n pháp hóa bề n vật liệ u c biệ n pháp hóa bề n vật liệ uc biệ n pháp hóa bề n vật liệ u c biệ n pháp hóa bề n vật liệ u Biế n dạ ng dẻ o : tă ng mậ t độ lê ch tă ng độ bề n: dậ p, gò, uốn, gậ p, ké o, cá n nguội biế n cứng, tă ng bề n Hì nh 2.16. Thay đổi độ bề n theo mậ t độ lệ ch Hợp kim hóa : đ a nguyê n tử lạ và o tă ng xô lệ ch mạ ng và mậ t độ lệ ch tă ng độ bề n, Tạ o cá c pha cứng phâ n tá n hay hó a bề n tiế t pha: Nhiệ t luyệ n tôi + ram: tôi và sau đó là ram - tạ o nê n sự quá bã o hòa tă ng độ bề n, độ cứng Hóa - nhiệ t luyệ n: thấ m C, N . tă ng bề n, cứng, chị u mà i mòn, nâ ng cao bề n mỏi Là m- nhỏ hạ t : là m hạ t nhỏ nà y duy nhấ t là m tă ng tấ t cả cá c chỉ tiê u bề n, dẻ o, dai. 2.2.2. Độ dẻ o 2.2.2. Độ dẻ o2.2.2. Độ dẻ o 2.2.2. Độ dẻ o Độ dẻ o là Độ dẻ o là Độ dẻ o là Độ dẻ o là khả năng biế n dạng của vật liệ u khả năng biế n dạng của vật liệ u khả năng biế n dạng của vật liệ u khả năng biế n dạng của vật liệ u dới tải trọng dới tải trọngdới tải trọng dới tải trọng a. a.a. a. 2 22 2 chỉ tiê u chỉ tiê u chỉ tiê u chỉ tiê u : %100 l ll 0 01 = , %100 S SS 0 10 = b. b.b. b. Tí nh siê u dẻ o Tí nh siê u dẻ o Tí nh siê u dẻ o Tí nh siê u dẻ o Đ/n: Đ/n:Đ/n : Đ/n: Vậ t liệ u có tới trê n 100% (100 ữ 1000%), đ ợc gọi là siê u dẻ o, Công dụng: Công dụng: Công dụng: Công dụng: chế tạ o cá c sả n phẩ m rỗng, dà i với tiế t diệ n không đồng đề u: chai, lọ, ống, Chế tạo: Chế tạo:Chế tạo: Chế tạo: tạ o tí nh siê u dẻ o bằ ng cá ch: - tạ o tổ chức hạ t rấ t nhỏ, (cỡ hạ t khoả ng 10 à m), đẳ ng trục, đồng đề u và ổn đị nh khi biế n dạ ng, đâ y là yế u tố quan trọng nhấ t, - biế n dạ ng ở nhiệ t độ cao, cỡ (0,6 ữ 0,85) T C o , - tốc độ biế n dạ ng rấ t chậ m, cỡ 10 -4 ữ 10 -3 s -1 (tức 0,01 ữ 0,1%/s). mậ t độ lệ ch, 2 10 8 10 10 10 12 độ bền 25 T rợt khi siê u dẻ o xả y ra chủ yế u theo biê n hạ t 2.2.3. 2.2.3.2.2.3. 2.2.3. Độ dai va đập Độ dai va đậpĐộ dai va đập Độ dai va đập: : : : Hì nh 2.17: công phá huỷ Sơ đồ thử va đập (hì nh 2.18). - Hì nh 2.17. Công phá huỷ vậ t liệ u Hì nh 2.18. Sơ đồ thử độ dai va đập 2 loại m 2 loại m2 loại m 2 loại mẫu thử độ dai va đập ẫu thử độ dai va đậpẫu thử độ dai va đập ẫu thử độ dai va đập: :: : 10x10mm dà i 55mm (mẫ u Charpy) và 75mm (Izod) với rã nh khí a hì nh chữ U hay chữ V: (để tậ p trung ứng suấ t) rộngxsâ u ( 2x2mm). TCVN chỉ quy đị nh thử theo mẫ u Charpy và ký hiệ u độ dai va đậ p bằ ng a K : Đị nh nghĩ a: Đị nh nghĩ a:Đị nh nghĩ a: Đị nh nghĩ a: Độ dai va đậ p là công phá hủy tí nh cho một đ.v. tiế y diệ n cắ t ngang mẫ u: Công thức tí nh: S A a K K = , [j/cm 2 ] hay [kJ/m 2 ] trong đó: A K là công phá hủy, J; S tiế t diệ n mẫ u tạ i chỗ rã nh khí a (0,8cm 2 ) Đơ n vị Đơ n vịĐơ n vị Đơ n vị : [j/cm 2 ], : [kj/m 2 ], : [kgm/cm 2 ] 1kGm/cm 2 10J/cm 2 ; 1kJ/m 2 0,01kGm/cm 2 ; 1kGm/cm 2 100kJ/m 2 Phạm vi áp dụng: Phạm vi áp dụng: Phạm vi áp dụng: Phạm vi áp dụng: Chi tiế t chị u va đậ p a K min = 200kJ/m 2 (2kGm/cm 2 ), va đập cao phải có a K 1000kJ/m 2 . Biệ n pháp tăng a Biệ n pháp tăng aBiệ n pháp tăng a Biệ n pháp tăng a K KK K : :: : Nế u coi a K tỷ lệ với tí ch ( 0,2 x ) để a K t đồng thời 0,2 & do đó: - Làm cho hạt nhỏ mị n là phơng phá p tốt nhấ t để a K . - Hóa bề n bề mặt : tôi bề mặ t, hóa - nhiệ t luyệ n vừa bề n, cứng, tí nh chống mà i mòn mà vẫ n cho a K cao, chống va đậ p tốt. - Tạ o hạ t tròn, đa cạ nh có độ dai cao hơn khi hạ t có dạ ng tấ m, hì nh kim. - Giả m số lợng, kí ch thớc, tạ o hạ t cà ng tròn, phâ n bố đề u của cá c pha rắ n a K . 2.2.4. 2.2.4.2.2.4. 2.2.4. Độ dai phá hủy biế n dạng phẳng Độ dai phá hủy biế n dạng phẳngĐộ dai phá hủy biế n dạng phẳng Độ dai phá hủy biế n dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K IC Mẫu thử: hì nh 2.19 là dạ ng mẫ u đơn giả n nhấ t, vết nứt mỏi: - phả i cùng chiề u với rã nh khí a và chạ y dà i trê n suốt chiề u dà y của mẫ u B = W/2, - trê n cả hai bề mặ t ngoà i, cả 2 bê n vế t nứt mỏi phả i ă n sâ u và o í t nhấ t là 1,3 - chiều dà i a (bằng rã nh ban đầ u + nứt mỏi) phả i ~ B hay 0,45ữ0,55W. Quy trì nh thử: - đặ t ngà m trục và o hai lỗ, tá c dụng lực ké o để rã nh khí a và nứt mỏi đợc mở rộng ra (nứt phá t triể n theo kiể u I). - Xâ y dựng biể u đồ tả i trọng ké o - độ mở của rã nh nh hì nh 2.20. tả i trọng biế n vậ t liệ u iò vậ t liệ u dẻ 26 Hì nh 2.19.Mẫu thử độ dai phá huỷ biến dạ ng phẳ ng Hì nh 2.20. Biể u đồ ké o khi thử độ dai phá huỷ H s hỡnh hc Y v K I ph thuc vo hỡnh dng v ti trng (shape factor): /im ca ti trng v vt nt H s cng ng sut, K I c im ca ti trng v vt nt H s cng ng sut K I = a (a<<W) a. w2 a tg a w2 K I = a ca ca2 K I + = K I =1,1 a (a<<W) a w a 1 w2 a tg a w2 K I = a ) t a l( ) t a 5,1l(1,1 K 2/3 I = K I = 1,1 a (a<<W) a ) W a 1( ) W a 2,01(1,1 K 2/3 I = a ) t a l( ) t a 5,1l(1,1 K 2/3 I = Để tí nh K IC ta phi thc hin cỏc bc sau: 1. Xá c đị nh tả i trọng F Q QQ Q : kẻ đ ờng thẳ ng OA nghiê ng bằ ng 0,95 so vớ i OB, F Q QQ Q = F S , 2. Kiể m tra lạ i tỷ lệ F max /F Q QQ Q : nế u F max /F Q QQ Q < 1,10 thì t yờu cu 3. Tớnh giỏ trị K Q QQ Q theo công thức: K Q = (F Q /BW 1/2 ). f (a/w), MPa.m 1/2 trong đó: F Q QQ Q - tả i trọng ké o đ ợc xá c đị nh nh trê n, kN, B, W, a - chiề u dà y, chiề u rộng mẫ u, chiề u dà i nứt, cm. (2+a/w) (0,886+4,64a/w - 13,32a 2 /w 2 + 14,72a 3 /w 3 - 5,6a 4 /w 4 ) f(a/w) = (1 - a/w) 3/2 4. Kim nghim giỏ tr tớnh toỏn F F B W rã nh F max A F S = F Q tả i trọng F độ m ca nt O B 2W 2a 2W 2a F F c a t l a t l F 2W a 2W a M M 27 Tớnh giỏ tr A= 2,5(K Q / o,2 ), nu A B(a) K Q = K IC , ý nghĩ a của K nghĩ a của K nghĩ a của K nghĩ a của K IC ICIC IC : :: : Là chỉ tiê u cơ tí nh quan trọng nhấ t để đá nh giá khả nă ng chống phá hủy giòn. - Bit K IC v a ứng suấ t thiế t kế phả i thoả mã n: aY K IC hay K I < K IC - Bit K IC v kớch thc vt nt a: 2 IC Y K . 1 a (2.5) 2.2.5. 2.2.5.2.2.5. 2.2.5. Độ cứ ng Độ cứ ngĐộ cứ ng Độ cứ ng a. Đặc điể m a. Đặc điể ma. Đặc điể m a. Đặc điể m Xác đị nh đơn giả n nhất, nhanh chóng nhấ t, Đ/n: Đ/n:Đ/n : Đ/n: Độ cứng là khả năng chống lại biế n dạng dẻ o cục bộ của vật liệ u thông qua mũi đâm. Đ ĐĐ Đặ c đ iể m ặc điểmặc điểm ặc điểm: :: : khả nă ng chống mà i mòn, tạ o mẫ u nhỏ và đơn giả n, thử tạ i chỗ, nhanh, Các l Các lCác l Các loại: oại:oại: oại: thô đạ i và tế vi, thờng dùng độ cứng thô đại. Sơ đồ của cá c phơng pháp thử độ cứng (hì nh 2.21). a) b) c) Hì nh 2.21. Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phơng pháp đo độ cứng: a. Brinen, b. Rôcvel, c. Vicke. b. b.b. b. Độ cứng Brinen HB Độ cứng Brinen HBĐộ cứng Brinen HB Độ cứng Brinen HB: HB=F/S, F l ti trng, kg hay N, S din tớch hỡnh chm cu. Quan hệ gia bn v cng: - Thé p cá n (trừ không gỉ , bề n nóng) b 0,34 HB, - Thép đúc b (0,3 ữ 0,4) HB, - Gang xám b (HB - 60) / 6, - Đồng, latông, brông ở trạ ng thá i biế n cứng b 0,40HB, - Đồng, latông, brông ở trạ ng thá i ủ b 0,55HB, - Đura b 0,35HB. Tuy nhiê n độ cứng HB cũng có những nhợc điểm sau: + không thể đo cá c vậ t liệ u có độ cứng cao hơn 450 HB, mẫ u phả i phẳ ng, to, dà y + không cho phé p đo trê n cá c loạ i trục (vì có mặ t cong), o tơng đối chậm Chí nh vì vậ y trong sả n suấ t thờng dùng cá ch đo Rôcvel hơn. d. d.d. d. Độ cứng Rôcvel HR (HRC, HRA, HRB) Độ cứng Rôcvel HR (HRC, HRA, HRB)Độ cứng Rôcvel HR (HRC, HRA, HRB) Độ cứng Rôcvel HR (HRC, HRA, HRB) Đo độ cứng Rôcvel HR (hì nh 2.21b) tiệ n lợi hơn do nhanh, kế t quả đo cho ngay trê n má y và đo đợc cá c vậ t liệ u từ tơng đối mềm đến cứng, đo tại chỗ, đo đợc lớp bề mặ t. Khá c vớ i HB, HR là loạ i độ cứng quy ớc (không có thứ nguyê n): - Độ cứng Rôcvel theo cá c thang C, A ký hiệ u là HRC, HRA đ ợc đo bằ ng mũi hì nh nón bằ ng kim cơng o thé p tôi, lớp hóa - nhiệ t luyệ n . - Độ cứng Rôcvel theo thang B ký hiệ u là HRB đ ợc đo bằ ng mũi bi bằ ng thé p tôi o thé p ủ, thờng hóa, gang đúc . d. Độ cứng Vicke HV d. Độ cứng Vicke HVd. Độ cứng Vicke HV d. Độ cứng Vicke HV Là loạ i độ cứng có phơng phá p đo tơng tự nh Brinen, HV= F / S [kG/mm 2 ] hay [MPa ] song với những khá c biệ t sau: D F d h d F f F 28 - mũi đâ m kim cơng hì nh thá p bốn mặ t đề u với góc ở đỉ nh giữa hai mặ t đối diệ n là 136 o - Vicke đ ợc dùng để đo độ cứng cho mọi vậ t liệ u từ rấ t mề m đế n rấ t cứng cho cả cá c mẫ u mỏng (0,3 ữ 0,5mm), đ ợc coi là độ cứng chuẩ n trong nghiê n cứu khoa học. e. e.e. e. Chuyển đổi giữa các tha Chuyển đổi giữa các thaChuyển đổi giữa các tha Chuyển đổi giữa các thang độ cứng ng độ cứngng độ cứng ng độ cứng Dùng bả ng tra (trong tà i liệ u thí nghiệ m). 2.3. 2.3.2.3. 2.3. Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o - -- - Thải bề n Thải bề n Thải bề n Thải bề n - -- - Biế n dạng nóng Biế n dạng nóng Biế n dạng nóng Biế n dạng nóng 2.3.1. 2.3.1.2.3.1. 2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Trạng thái kim loạ i đã qua biế n dạng dẻ oTrạng thái kim loạ i đã qua biế n dạng dẻ o Trạng thái kim loạ i đã qua biế n dạng dẻ o Sau bin dng vt liu trng thỏi khụng n nh nung núng thải bề n. Tỏc dng: khôi phục lạ i trạ ng thá i ban đầ u: dẻ o và mề m: biế n dạ ng dẻ o, gia công cắ t, khử bỏ ứng suấ t bê n trong để trá nh phá hủy giòn. 2.3.2. 2.3.2.2.3.2. 2.3.2. Các giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóng Các giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóngCác giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóng Các giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóng a. a.a. a. Hồi phục Hồi phục Hồi phục Hồi phục ở nhiệ t độ thấ p (< 0,1 ữ 0,2T C ) Tỏc dng: giả m sai lệ ch mạ ng (điể m:gim nút trống), giả m mậ t độ lệ ch và ứng suấ t bê n trong ., trong khi đó tổ chức tế vi cha thay đổi, giả m điệ n trở chút í t, cơ tí nh cha thay đổi. b. b.b. b. Kế t tinh lại Kế t tinh lại Kế t tinh lại Kế t tinh lại (kế t tinh lạ i lầ n thứ nhấ t) Bản chất kế t tinh lại Bản chất kế t tinh lạiBản chất kế t tinh lại Bản chất kế t tinh lại: :: : quá trì nh hì nh thà nh cá c hạ t mới không có cá c sai lệ ch do biế n dạ ng dẻ o gâ y ra theo cơ chế tạ o mầ m và phá t triể n mầ m nh kế t tinh gi l kt tinh li: - -- - Tạo m Tạo mTạo m Tạo mầm ầmầm ầm: :: : ở những vùng bị xô lệ ch mạ nh nhấ t, biế n dạ ng dẻ o cà ng mạ nh, cà ng nhiề u mầ m - Sự phá t triể n mm tiế p theo là quá trì nh tự nhiê n. Sau khi kế t tinh lại Sau khi kế t tinh lạiSau khi kế t tinh lại Sau khi kế t tinh lại: :: : thải bề n: độ dẻo tăng lên và độ bền, độ cứng giảm đi một cách đột ngột. Nhit kt tinh li: :: : T=aT C (K), > 40 ữ 50%, thời gian giữ nhiệ t =1h, kim loạ i tinh khiế t thì a 0,2 ữ 0,3, kim loạ i nguyê n chấ t kỹ thuậ t thì a 0,4, dung dị ch rắ n a 0,5 ữ 0,8. Độ biế n dạ ng cà ng lớn, thời gian ủ cà ng dà i hệ số a cà ng nhỏ. Vớ d cỏc kim loi nguyờn cht k thut: Fe (T C = 1539 o C) - 450 o C, Cu (T C = 1083 o C) - 270 o C, Al (T C = 660 o C) - 100 o C, Pb, Zn, Sn (T C trê n dới 300 o C) < 25 o C. Tổ chức tế vi và độ hạt Tổ chức tế vi và độ hạtTổ chức tế vi và độ hạt Tổ chức tế vi và độ hạt Hạ t mới đa cạ nh, đẳ ng trục, độ hạ t phụ thuộc: - Mức độ biế n dạng: biế n dạ ng nhỏ 2 ữ 8% hạ t tạ o thà nh rấ t lớn, gọi là độ biế n dạng tới hạn, thờng phả i trá nh. - Nhiệt độ ủ: cà ng cao hạ t to lê n. - Thời gian giữ nhiệ t: cà ng dà i hạ t cà ng lớn. Thực tế thờng biế n dạ ng ( 40 ữ 50%), ủ nhiệ t độ cao (tu tng kim loi), thời gian 1h (tối đa không quá 2h) hạ t nhỏ. c. c.c. c. Kế t tinh lại lần thứ hai Kế t tinh lại lần thứ haiKế t tinh lại lần thứ hai Kế t tinh lại lần thứ hai Hì nh 2.22. Tổ chức và cơ tí nh của kim loại sau khi kết tinh lại b , 0,2 , k, t ktl1 t ktl2 t o b 0,2 hi phc kt tinh li ln 1 ln 2 độ dẻo độ dẫ n [...]... Khi axit có hoà tan oxy thì EoH(O)=1 ,23 V do đó tấ t cả cá c kim loạ i trê n đề u bị ă n mò n Trong môi tr ờng n ớc Eo khoả ng 0,4V trừ Ag còn hầ u hế t cá c kim loạ i đề u bị ă n mòn H+, O2 Khi kim loạ i bị ă n mòn thì xả y ra phả n O2,OHMen+ ứ ng: Me Men+ + ne axit không có oxy: 2H+ + 2e H2 , catôt anô t eaxit có oxy: O2 + 4H+ + 4e 2H2O N ớc có oxy: O2 + 2H2O + 4e 4OHkim loạ i Xem sơ đồ hì nh... H o E , vol: -2, 37 -1,67 -0,76 -0,74 -0,44 -0 ,25 -0,14 -0,13 0 Cu Ag +0,34 +0,80 30 Điệ n thế điệ n cực môi tr ờng: Môi tr ờng axit khô ng hoà tan oxy EMT = - 0,059 pH - 0,030 lgPH2, EMT = - 0,059 pH khi á p suấ t riê ng phầ n của hydro PH2 = 1 at Môi tr ờng axit, kiề m và môi tr ờng n ớc (ngọt và n ớc biể n) có hoà tan oxy EMT = 1 ,23 - 0,059 pH + 0,015 lgPO2, EMT = 1 ,23 - 0,059 pH khi PO2 = 1 at Khả... gâ y ă n mòn : O2, Cl2, Nă ng l ợng tự do của phả n ứng ă n mòn ở câ n bằ ng biể u thị bằ ng: G = G o + RT ln 1 = 0, do đó: y PG 2 ln PG = 2G o biể u diễ n trê n đồ thị : (h.5.16): yRT Khi PP1, Me1 bị ă n mòn (vùng ổ n PC đị nh MexGy) ở T=TC: nế u P>PC cả 2 kim loạ i bị ă n mòn P1 (PC>P1) Me2 2 kim loạ i Me1 và Me2: Me T>TC (trá... là : [A/cm2], [A/dm2], lgPG Me MexGy 31 2 - Tốc độ ăn mòn khối l ợng: Pkl=m/St, thứ nguyê n: [g/cm ngà y] mò n - Tốc độ thâm nhập: Ptn =Pkl/, thứ nguyê n: [mm/nă m], (- khối l ợng riê ng của kim loạ i) Dựa và o tốc đ ộ thâ m nhậ p của môi tr ờng, ng ời ta chia kim loạ i thà nh ba nhóm: Ptn < 0, 125 mm/nă m đ ợc coi là rấ t bề n ă n mòn, (0, 125 < Ptn< 1 ,25 ) mm/nă m là trung bì nh Ptn > 1 ,25 mm / nă... cao: vẩ y ô xyt, thoá t cacbon Hì nh 2. 23 Tổ chức thớ của trục khuỷu theo các ph ơng pháp chế tạo khác nhau: a tạo phôi bằng dập nóng (tốt), b cắt từ một thỏi thép nguyên (xấu) a) b) 2. 4 2. 4 Ăn mòn và bả o vệ kim loạ i: Đ/n: ăn mòn là sự phá huỷ kim loạ i d ới tá c động của môi tr ờng Thiệ t hạ i do ă n mòn hà ng nă m chiế m khoả ng 4% GDP củ a mỗ i quốc gia 2. 4.1 2. 4.1 Phâ n loại: Theo cơ chế xả y ra... trong n ớc (ngọ t và n ớc biể n), đấ t, khí quyể n ẩ m, trong dung dị ch hoá chấ t (axit, kiề m), b Ăn mòn hoá họ c (ă n mòn trong môi tr ờng khí ): cá c chấ t xâ m thự c nh O2, S2, Cl2 2. 4 .2 Cơ chế của quá trì nh ăn mòn kim loại: 2 cơ chế ă n mòn th ờng gặ p nhấ t là : cơ chế điệ n hoá , chủ yế u đối với kim loạ i và cơ chế ă n mòn hoá học, đ ối vớ i tấ t cả cá c loạ i vậ t liệ u a Cơ chế điệ n hóa... catôt, H+ và O2 chuyể n đế n catô t Ia / m = U ), trong đó U là hiệ u điệ n thế giữa catôt và anôt, U=EMT-EKL, R tổng điệ n trở R ăn mòn galvanic: latông 2 pha: giầ u Cu và giầ u Zn khi ngâ m trong n ớc pha sẽ bị ă n mòn thà nh cá c lỗ, ta gọi đó là ă n mòn thoá t Zn b Cơ chế ăn mò n hoá học kim loại Ăn mòn hoá học kim loạ i Me đ ợc mô tả bằ ng phả n ứng sau: xMe + y/2G2 = MexGy trong đ ó G2 là chấ t... Me2: Me T>TC (trá i điể m TC), Me1 bề n ă n mòn hơn Me2 T . n, dẻ o, dai. 2. 2 .2. Độ dẻ o 2. 2 .2. Độ dẻ o2 .2. 2. Độ dẻ o 2. 2 .2. Độ dẻ o Độ dẻ o là Độ dẻ o là Độ dẻ o là Độ dẻ o là khả năng biế n dạng của vật liệ u khả. 0,1%/s). mậ t độ lệ ch, 2 10 8 10 10 10 12 độ bền 25 T rợt khi siê u dẻ o xả y ra chủ yế u theo biê n hạ t 2. 2.3. 2. 2.3 .2. 2.3. 2. 2.3. Độ dai va đập Độ dai