Các nguyên t nằm trên 1β đ nh, tâm c a hai mặt đáy vƠ tơm c a ba kh i lăng tr tam giác cách đ u nhau.Nguyên t x p xít nhau theo các mặt đáy (0 0 0 1). Ba nguyên t gi a song song v i mặt đáy s p x p nguyên t gi ng nhau nh β mặt đáy nh ng nằm các hõm cách đ u nhau.
Hình 2. 7: Ọ c sở , ch s ph ng của ô c cở[13]
Trong thực t , các nguyên t không hoàn toàn nằm đúng các v trí gây nên sự sai l ch m ng trong tinh th làm nh h ng l n đ n c tính c a kim lo i. Từ c u trúc tinh th c a kim lo i, ta có th s d ng các tia b c x xuyên vào bên trong kim lo i. Dựa trên hình nh nhi u x thu nh n đ c, ta có th kh o sát nh ng thu c tính c a kim lo i đó, đánh giá nh ng khuy t t t trong kim lo i, nh ng ng su t d vƠ nh t là sự sai h ng m i c a kim lo i khi nó chu tác đ ng c a ng su t tuần hoàn theo th i gian.
2.4 Các phư ng pháp nghiên cứu kim lo i và h p kim
Tùy theo m c đích, các ph ng pháp nghiên c u kim lo i và h p kim bao g m các lo i sau:
2.4.1 Phư ng pháp nghiên cứu c u trúc bằng tia X hay tia R ngen.
Đó lƠ ph ng pháp nghiên c u sự s p x p các nguyên t trong kim lo i và h p kim bằng tia R ngen. Tia R ngen có b c sóng r t ng n do v y chúng mang năng l ng l n, có th xuyên qua v t th . Căn c vào hình nh nhi u x c a tia X b ph n chi u từ các mặt tinh th mƠ ng i ta có th xác đ nh đ c kích th c c a nó, nh kỹ thu t này hi n nay ng i ta đƣ bi t đ c c u trúc m ng tinh th c a hầu h t các nguyên t hóa h c, phần l n các pha th ng gặp trong v t li u kim lo i đang s d ng hi n nay và phần l n các khoán v t
2.4.2 Phư ng pháp nghiên cứu t chức kim lo i và h p kim
Ng i ta nh n th y không nh ng c u trúc (sự s p x p các nguyên t trong m ng tinh th , mà t ch c kim lo i và h p kim cũng nh h ng r t nhi u đ n tính ch t c a chúng. T ch c kim lo i và h p kim là t p h p c a các thành phần c u t o khác nhau (kích th c h t, c u t o pha sự phân b c a h t c a pha kim lo i và h p kim ) mà ta có th quan sát đ c bằng các ph ng pháp khác nhau.
Mặt g y
Quan sát kim lo i chỗ g y vỡ bằng m t th ng có th phát hi n đ c các v t n t l n, xác đ nh s b v đ h t. nh đó ta có th k t lu n s b v ch t l ng c a kim lo i và h p kim.
T ch c thô đ i
T ng tự ph ng pháp trên lƠ dùng kim lo i ch g y vỡ mài phẳng b mặt quan sát k t h p v i m t s hóa ch t ăn mòn nhẹ vƠ quan sát d i kính lúp đ quan sát b mặt m u. Có th quan sát phát hi n đ c sự không đ ng nh t c a t ch c kim lo i nh sự phân b c a th , chênh l ch c a ph t pho và cac bon trong thép v.v…
T ch c t vi
Ph ng pháp t ch c t vi lƠ ph ng pháp nghiên c u các thành phần c u t o c a kim lo i và h p kim d i kính hi n vi. Có th dùng kính hi n vi quang h c hoặc kính hi n vi đi n t .
Chư ng 3
LÝ THUY T M I
3.1 Hi n tư ng phá h y m ic a kim lo i.[3]
Phần l n các chi ti t máy làm vi c v i ng su t thay đ i theo th i gian. Thực t ch ng t rằng các chi ti t máy này có th b h ng khi ch u ng su t có tr s th p h n nhi u so v i tr ng h p ng su t không thay đ i. quan sát sự phá h y khi ch u ng su t thay đ i, ng i ta th y quá trình h ng vì m i b t đầu từ nh ng v t n t r t nh sinh ra t i vùng chi ti t máy ch u ng su t t ng đ i l n; khi s chu trình làm vi c c a chi ti t tăng lên thì các v t n t nƠy cũng m r ng dần, chi ti t máy ngày càng b y u và cu i cùng xẩy ra g y h ng chi ti t máy . Đó chính lƠ sự phá h y m i. Kh năng c a kim lo i c n l i sự phá h y m i đ c g i lƠ đ b n m i, hoặc còn g i là s c b n m i.
3.1.1 Hi n tư ng m i.
Hi n t ng phá h y m i đ c phát hi n từ gi a th kỷ1λ vƠ đƣ từ lâu gi i h n b n m i đ c coi là m t trong các đặc tr ng tính toán ch y u đ xác đ nh kích th c chi ti t máy. Thực ti n ch ng minh cho th y 90% các t n th t c a chi ti t máy có liên quan đ n sự phát sinh và phát tri n các v t n t m i.
Qua các nghiên c u v sự phá h y c a v t li u có th rút ra nh ng k t lu n sau đơyμ
- V t li u có th b phá h y khi tr s ng su t l n nh t σmax không nh ng th p h n nhi u so v i gi i h n b n mà th m chí có th th p h n gi i h n ch y c a v t li u, n u nh s lần thay đ i ng su t (s chu kỳ ng su t ) khá l n.
- Sự phá h y m i bao gi cũng b t đầu từ nh ng v t n t r t nh (còn g i là v t n t t vi), không nhìn th y đ c bằng m t th ng. Các v t n t này phát tri n dần cùng v i sự gia tăng s chu trình ng su t, đ n m t lúc nƠo đó chi ti t máy b gãy h ng hoàn toàn.
- Đ i v i m t s v t li u có t n t i m t tr s ng su t gi i h n tác d ng vào v t li u v i s chu kỳ r t l n mà không phá h ng v t li u.
Sự phá h y m i khác v i phá h y do ch u ng su t tĩnh v b n ch t cũng nh v hi n t ng bên ngoài. Phá h y vì ng su t tĩnh lƠ do tác d ng c a ng su t có tr s khá cao, đ i v i v t li u dẻo ng su t này l n h n gi i h n ch y, còn đ i v iv t li u giòn thì tr s ng su t cao h n gi i h n b n. Sự phá h y tĩnh bao gi cũng kèm theo sự xu t hi n bi n d ng dẻo rõ r t, choán c m t vùng chi ti t máy. Trái l i phá h y m i xẩy ra khi tr s ng su t không l n l m. Chi ti t máy b h ng có th d i d ng gƣy đ t hoàn toàn hoặc có nh ng v t n t l n, khi n chi ti t máy không th ti p t c làm vi c đ c n a. Sự phá h y m i có tính ch t c c b , ch xẩy ra trong m t vùng nh c a chi ti t, v t n t m i phát tri n ng m ngầm r t khó phát hi n bằng m t th ng. Tr c khi chi ti t máy b h ng hoƠn toƠn th ng không th y m t d u hi u báo tr c nào, thí d nh bi n d ng dẻo (k c đ i v i v t li u dẻo) nh ng sau đó đ t nhiên xẩy ra sự phá h y t i m t hoặc vài ti t di n nƠo đó c a chi ti t. t i ti t di n này v t n t đƣ phát tri n khá sâu, làm gi m di n tích phần làm vi c đ n m c chi ti t không còn đ kh năng ch u t i n a.
Hình d ng chỗ h ng vì m i khác hẳn ch h ng do tác d ng c a ng su t tĩnh, đ i v i v t li u dẻo xẩy ra co th t ti t di n t i vùng b h ng, còn đ i v i v t li u giòn chỗ đ t có d u hi u b đ t ra. Tr ng h p chi ti t máy b h ng do m i, quan
sát b mặt v t gãy có th th y rõ hai vùng: vùng th nh t t ng đ i m n, h t nh , (gi ng nh chỗ vỡ c a mãnh s ), đó lƠ vùng các v t n t m i đang phát tri n. Vùng th hai g gh , có h t to hoặc có các th . Vùng nƠy đ c g i là vùng h ng tĩnh, còn vùng th nh t g i là vùng h ng vì m i. Cũng có tr ng h p quan sát trên ti t di n h ng ta th y có ba vùng: vùng th nh t khá m n, là vùng phát sinh và phát tri n v t n t t c đ ch m, vùng th hai thô h n, t c đ phát tri n v t n t trong vùng này nhanh h n vƠ vùng th ba g gh là vùng h ng tĩnh.
Xem xét hình d ng bên ngoài c a v t g y ta có th bi t đ c chi ti t máy đƣ làm vi c quá t i nhi u hay ít. N u di n tích không h ng vì m i chi m t l khá l n so v i vùng h ng tĩnh, ta bi t là chi ti t máy đƣ lƠm vi c lâu v i ng su t l n h n gi i h n m i. N u di n tích vùng h ng tĩnh khá l n, chi ti t máy rõ rƠng đƣ chu quá t i l n trong th i gian ng n v i s chu kỳ ng su t t ng đ i ít đƣ phá h ng.
3.1.2 Đư ng cong m i.
Trên c s k t qu các thí nghi m m i, ng i ta l p đ c đ th có d ng đ ng cong bi u di n quan h gi a ng su t σmax ( ng su t biên đ hoặc ng su t l n nh t) v i s chu kỳthay đ i ng su t N mà chi ti t máy (hoặc m u thí nghi m) ch u đ c cho đ n khi h ng. Đ ng cong nƠy đ c g i lƠ đ ng congVeller (Wohler’s curve), mang tên nhà khoa h c đầu tiên làm các th nghi m xác l p đ ng cong này.
Hình 3. 2: Đ ờng cong m i Veller
ng su t thay đ i có th là ng su t l n nh t hoặc lƠ biên đ ng su t. (σmax, σa)
Tr ng h p ng su t pháp , n u ký hi u : σmaxậlà ng su t thay đ i có tr s l n nh t, σaậlƠ biên đ ng su t. S chu kỳ N đ c g i là đ c g i là tu i th ng v i m c ng su t σ. Qua đ th đ ng cong m i ta th y: - Khi ng su t càng cao thì tu i th càng gi m. - N u gi m ng su t đ n m t gi i h n nƠo đó đ i v i m t s v t li u, tu i th N có th tăng lên khá l n mà m u th không b gẩy h ng. Tr s σr đ c g i là gi i h n b n m i c a v t li u.
Đ xây dựng đ ng cong m i m t d ng chu kỳ ng su t nƠo đó trong m t đi u ki n nƠo đó, ng i ta ph i ti n hành từ βη đ n 100 thí nghi m cho m t lo i m u đ c quy chuẩn.
Tùy theo ph ng pháp x lý s li u thực nghi m, ngƠy nay ng i ta đƣ có h n 10 bi u th c toán h c bi u di n đ ng cong m i.
M t s d ng ph ng trình th ng gặp là:
.� = (3.1)
σa.Nd = C1 (3.2)
(σaậσr) (N ậ B)m = C2 (3.3) Trong đó μ a,d, m, C, C1, C2 là các thông s c a các ph ng trình
σa ậbiên đ ng su t
σr ậ gi i h n m i c a v t li u chu kỳ ng su t r.
3.1.3 Gi i h n m i.
Gi i h n m i c a v t li u là m t trong s nh ng đặc tr ng c h c c a v t li u. Cũng nh các đặc tr ng c h c khác, mu n xác đ nh gi i h n m i c a m t v t li u nào, m t đi u ki n nào cần ph i làm thực nghi m theo đúng tiêu chuẩn c a quy chuẩn đó.
Gi i h n m i c a v t li u m t đi u ki n nƠo đó lƠ giá tr l n nh t c a ng su t thay đ i theo th i gian ng v i m t s chu kỳ ng su t c s mà v t li u không
b phá h ng. Mỗi v t li u có chu kỳ ng su t c s riêng. G i No là s chu kỳ ng su t c s . Bảng 3. 1: No là s chu kỳ ng suất c sở của một s vật li u. STT Lo i vật li u N0 1 Thép cacbon th p 2.106 2 Thép cacbon trung bình 2.106 3 Thép h p kim 2.106 4 Kim lo i màu 5.106 5 Gang 1,5.106 6 V t li u compozit 1,5.106 3.2 Nh ngy utố nhhưởngt iđộb nm i. 3.2.1 nh hưởng c a b n ch t v t li u và x lý nhi t. B n ch t v t li u đ c quy t đnh b i t ch c c u trúc t vi m t đi u ki n nƠo đó c a v t li u, đ c th hi n bằng hàng lo t các đặc tr ng c h c và hóa h c. C u trúc t vi do quá trình công ngh luy n kim hay quá trình x lý nhi t quy t đnh. Nh ng quá trình này t o ra nh ng c u trúc h t khác nhau làm nh h ng l n đ n s c ch ng m i c a v t li u.
B n ch t v t li u:
V t li u có nh h ng l n đ n đ b n m i c a chi ti t máy. Chi ti t máy đ c ch t o bằng v t li u có c tính cao, đ b n m i c a chi ti t s cao vì khi v t li u có c tính cao thì kh năng xu t hi n các v t n t s khó khăn h n.
Nhìn chung, chi ti t máy đ c ch t o bằng v t li u kim lo i có đ b n m i cao h n chi ti t máy đ c ch t o bằng v t li u phi kim lo i.
V t li u thép có đ b n m i cao h n các v t li u khác. N u thép có hƠm l ng cacbon t ng đ i cao thì gi i h n b n m i s cao h n thép có hƠm l ng cacbon th p h n. Thép h p kim có đ b n m i cao h n thép cacbon thông th ng.
Chi ti t máy đ c ch t o bằng thép có đ b n m i cao h n chi ti t máy đ c ch t o bằng gang.
Thép có c u t o ferit thì đ b n m i th p, trái l i thép có c u t o mactenxit đ b n m i cao. N u thép có l n nhi u t p ch t phi kim lo i s t o ra nhi u khuy t t t bên trong v t li u, khi đó đ b n m i s gi m.
Chi ti t máy đ c ch t o bằng kim lo i đen có đ b n m i cao h n so v i chi ti t máy đ c ch t o bằng h p kim màu.
H p kim màu không có gi i h n m i dài h n, các s li u v gi i h n b n m i c a h p kim mƠu đ c xác đ nh theo chu kỳc s No=108. Đ b n m i c a chi ti t máy đ c ch t o bằng h p kim màu thì ph thu c vƠo ph ng pháp ch t o. N u chi ti t máy đ c ch t o bằng phôi d p s có đ b n m i cao h n, phôi đúc liên t c hoặc đúc d i áp lực có đ b n m i cao h n phôi đúc bằng ph ng pháp thông th ng.
3.2.1.1 nh hưởng c a l ch m ng
Đ b n lý thuy t c a kim lo i đ c xác đ nh từđi u ki n bi n d ng hoặc phá h y trong vùng đƠn h i c a m ng lỦ t ng đa tinh th , trong đó ngo i lực tác d ng đ i ng v i liên k t nguyên t .
Đ b n kỹ thu t là s c ch ng l i bi n d ng đƠn h i hoặc bi n d ng dẻo và sự phá h y c a v t r n thực. Đ b n kỹ thu t đ c xác đ nh bằng thực nghi m.Ng i ta ch ng minh đ c rằng, đ b n lý thuy t l n nh t c a kim lo i đ c tính theo công th c: � = 0 1 2 ( 3-4) Trong đó E lƠ modun đƠn h i, Us μ Năng l ng b mặt, r0: kho ng cách gi a các nguyên t .
Ví d : N u E= 103 kG/mm2 , Us = 10-4 kG/mm2, r0 = 2.10-7 mm thì σmax= 700 kG/mm2.
Theo J.K. Mackenzil và N.F. Mott cho rằng, ng su t tr t t ng đ i gi a hai mặt phẳng nguyên t trong tinh th bằng:
ượ =30 (3-5) V i Gμ modun đƠn h i tr t (Shear modulus).
Bằng thực nghi m, O. Vingsbo, Y. Bertrom vƠ G. Lagerberg đƣ tìm ra công th c ph n ánh nh h ng c a l ch m ng t i s c ch ng phá h y m i: = 0 + (3-6) Trong đó μ σ0 : ng su t ma sát tr t, α : h s gi m b n vì l ch m ng. ρ μ m t đ l ch m ng (L/V). L : t ng chi u dài l ch m ng. V : th tích tinh th . Gμ modun đƠn h i tr t . b: vecto Burgers. 3.2.1.2 nh hưởng c a t chức t vi ậđộ h t.
T ch c t vi do quá trình công ngh luy n kim hay quá trình x lý nhi t quy t đnh. Nh ng quá trình này t o ra nh ng c u trúc h t khác nhau làm nh h ng l n đ n s c ch ng m i c a v t li u, làm cho gi i h n m i gi m đi từ 1.7 đ n 2 lần.Tuy nhiên, thực nghi m cũng cho rằng nh h ng c a t ch c t vi t ra y u h n n u