Phõn tớch mặt gẫy
Sự phỏ hủy của vật liệu kỹ thuật luụn là một hiện tƣợng khụng mong muốn. Ngay cả khi nguyờn nhõn dẫn tới phỏ hủy và hành vi của vật liệu đó đƣợc biết thỡ việc ngăn ngừa phỏ hủy vẫn rất khú. Cỏc nguyờn nhõn chớnh là việc lựa chọn vật liệu khụng chớnh xỏc, cụng nghệ chế tạo khụng đỳng, việc thiết kế khụng chuẩn xỏc.
Phỏ hủy xảy ra do ứng suất (kộo, nộn, xoắn, cắt). Đối với vật liệu kỹ thuật cú 2 dạng phỏ hủy: phỏ hủy rũn và phỏ hủy dẻo. Việc phõn loại này dựa trờn khả năng biến dạng dẻo của vật liệu trƣớc khi phỏ hủy xảy ra. Vật liệu dai thƣờng biến dạng dẻo, hấp thụ nhiều năng lƣợng trƣớc khi phỏ hủy. Ngƣợc lại, vật liệu rũn khụng biến dạng dẻo và ớt hấp thụ năng lƣợng trƣớc khi bị phỏ hủy. Giản đồ ứng suất – biến dạng của 2 loại vật liệu này đƣợc biểu diễn trờn hỡnh 5.34 [4].
93
Hỡnh 5.34. Hành vi ứng suất-biến dạng của vật liệu rũn và dẻo
Hỡnh 5.35. a) Phỏ hủy cực dẻo; nỳt thắt cổ chai lớn (một điểm); b) Phỏ hủy dẻo vừa phải; nỳt thắt cổ chai thấy rừ; c) phỏ hủy rũn: khụng thắt
cổ chai
Phỏ hủy dai
Hỡnh 5.35a đặc trƣng cho vật kiệu vụ cựng dẻo, thớ dụ vàng hoặc thiếc sạch ở nhiệt độ phũng hoặc cỏc kim loại khỏc, polyme, thủy tinh hữu cơ ở nhiệt độ cao. Thụng thƣờng kim loại phỏ hủy theo kiểu 5.35b: nỳt thắt cổ chai vừa phải. Quỏ trỡnh biến dạng cú thể xảy ra theo một số giai đoạn (hỡnh 5.36 [4]).
Phỏ hủy dai thƣờng gắn liền với sự cú mặt của chất lẫn hoặc cỏc pha tiết ra. Một nột đặc trƣng của phỏ hủy dai là sự hỡnh thành cỏc “lỳm đụng tiến” (hỡnh 5.37 a [4]) trờn mặt gẫy: đú là một nửa lỗ rỗng tế vi đƣợc hỡnh thành trong quỏ trỡnh phỏ hủy. Cỏc “lỳm đồng tiền này cú thể biến dạng và tạo ra cấu trỳc “gỗ mục” trờn mặt gẫy (hỡnh 5.37 b [4]).
a) Bắt đầu thắt cổ chai
b) Hỡnh thành cỏc lỗ rỗng tế vi
c) Cỏc lỗ rỗng liờn kết lại thành cỏc vết nứt
d) Vết nứt phỏt triển
e) Cuối cung là phỏ hủy cắt nghiờng 450
so với hướng kộo
Hỡnh 5.36. Cỏc giai đoạn phỏ hủy dai
Hỡnh 5.37. Cấu trỳc đặc trưng của phỏ hủy dẻo: a) ―lỳm đồng tiền‖; b) ―gỗ mục‖
94
Phỏ hủy rũn
Phỏ hủy rũn xảy ra khụng kốm theo biến dạng dẻo, với sự phỏt triển rất nhanh của vết nứt. Hƣớng phỏt triển nứt gần nhƣ vuụng gúc với hƣớng đặt lực kộo và thƣờng tạo ra mặt gẫy phẳng (hỡnh 5.35c). Phỏ hủy rũn cú thể cú dạng vạch chữ V hoặc dạng quạt (hỡnh 5.38 [4]). Cả hai dạng này đều khỏ thụ đến mức cú thể nhận thấy bằng mắt thƣờng.
Phỏ hủy rũn kiểu xuyờn tinh. Đối với cỏc vật liệu rũn, sự phỏt triển của nứt là sự phỏ vỡ liờn tiếp cỏc mối liờn kết nguyờn tử dọc theo một mặt tinh thể nào đú (hỡnh 5.39 a).
Quỏ trỡnh nhƣ vậy đƣợc gọi là chẻ.
Dạng phỏ hủy này là phỏ hủy xuyờn tinh, bởi lẽ vết nứt cắt qua cỏc tinh thể. Ở mức vĩ mụ mặt gẫy cú cấu trỳc hạt hoặc lộ rừ bề mặt hạt do sự thay đổi hƣớng của cỏc mặt chẻ khi chuyển từ hạt này sang hạt khỏc.
Hỡnh 5.38. Mặt gẫy hỡnh quạt. Mũi tờn chỉ vị trớ vết nứt xuất hiện
Phỏ hủy rũn theo biờn giới hạt. Trong một số hợp kim, nứt phỏt triển theo biờn giới hạt (hỡnh 5.40). Cú thể dạng 3D của hạt. Dạng phỏ hủy này thƣờng do cỏc quỏ trỡnh làm yếu hoặc làm rũn vựng biờn giới hạt.
Hỡnh 5.39. a) Mặt cắt cú tớnh chất sơ đồ cho thấy nứt phỏt triển xuyờn qua tinh thể trong trường hợp phỏ hủy rũn xuyờn tinh; b) Ảnh SEM mặt góy của gang bền cao
95
Hỡnh 5.40. a) Mặt cắt cú tớnh chất sơ đồ cho thấy nứt phỏt triển dọc theo biờn giới hạt trong trường hợp phỏ hủy rũn theo biờn giới hạt; b) Ảnh SEM mặt góy theo biờn giới hạt
Ảnh mặt gẫy của mẫu đỳc Lƣu biến- Áp lực đƣợc thể hiện trờn hỡnh 5.41. Nếu chỉ quan sỏt hỡnh dạng mẫu hợp kim A356 sau khi đứt thỡ khụng phỏt hiện thấy sự co thắt ngang đỏng kể nào và cú thể nghĩ rằng tất cả cỏc mẫu hợp kim A356 đó bị phỏ hủy rũn. Tuy nhiờn, trờn đƣờng cong thử kộo đó thấy cỏc mẫu đƣợc biến dạng dẻo đỏng kể trƣớc phỏ hủy (khoảng > 3 %). Bởi vậy, trờn thực tế, để đỏnh giỏ tốt nhất khả năng chịu tải và cơ chế phỏ hủy của vật liệu cần phõn tớch mặt gẫy. Đú là một kỹ thuật quan trọng và phổ biến của Cơ học phỏ hủy, trong đú bề mặt thực của mặt gẫy cú thể đƣợc quan sỏt và đỏnh giỏ bằng phƣơng phỏp chụp và phõn tớch trờn kớnh hiển vi điện tử quột.
Hỡnh 5.41. Mặt gẫy của mẫu MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=200MPa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 5.42. Phõn tớch EDS
96 Cú thể nhận thấy rất rừ trờn cỏc ảnh mặt gẫy là phỏ hủy xảy ra theo cơ chế đứt bờn trong hạt (hỡnh 5.41), tạo ra mặt gẫy với cỏc “lỳm đồng tiền” khỏ tiờu biểu cho kiểu phỏ hủy dẻo. Kiểu phỏ hủy này đặc trƣng cho loại vật liệu cú khả năng biến dạng dẻo đỏng kể (hay là dự trữ độ dẻo) trƣớc khi phỏ hủy. Hợp kim A356 do đƣợc hợp kim húa bằng một số nguyờn tố hợp kim nhƣ Mg, Cu, Ti,... nờn cú chứa một số pha húa bền phõn tỏn vừa làm tăng độ bền, vừa giảm bớt xu hƣớng phỏ hủy rũn vốn cú của silumin đơn giản khụng đƣợc hợp kim húa.
Phõn tớch EDX đối với MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=200 MPa sau khi nhiệt luyện cho thấy tại vựng phỏ hủy dẻo thành phần chủ yếu là Al, Si, Mg (thành phần chớnh của hợp kim A356) – hỡnh 5.42.