lớn hơn giới hạn đàn hồi.
2-Vớ dụ : - Khi đặt tải trọng F ch (lớn hơn giỏ tri Fđh ), mẫu bị kộo dài theo đường 0ea, tức là biến dạng một đoạn 0a". Khi bỏ tải trọng tỏc dụng mẫu bị co lại theo đường aa, song song với 0e. Như vậy mẫu đó bị dài thờm một đoạn 0a,.
- Khi ta bẻ một que sắt với một lực lớn, nú bị gập cong lại mà khụng trở về vị trớ ban đầu được nữa.
Biến dạng dẻo chỉ gõy ra bởi ứng suất tiếp, lỳc này cỏc nguyờn tử dịch chuyển đi một khoảng cỏc khỏ lớn (lớn hơn một thụng số mạng). Do vậy khi bỏ tải trọng chỳng chiếm vị trớ cõn bằng mới. Biến dạng dẻo thường xảy ra bằng cỏch trượt là chủ yếu, đụi khi xảy ra bằng song tinh.
Trong quỏ trỡnh biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lực liờn kết giữa cỏc nguyờn tử vẫn được bảo toàn. Trong quỏ trỡnh phỏ hủy thỡ mối liờn kết này khụng cũn nữa. Chỳng ta sẽ khảo sỏt quỏ trỡnh trượt của đơn tinh thể, là dạng đơn giản nhất (nhưng hầu như khụng gặp trong thực tế) để từ đú khảo sỏt cỏc hỡnh thức khỏc phức tạp hơn.
48
A A AA AAs BM
A
Khụng tải Đàn hồi Trượt Song tinh Chuyển pha M
Hỡnh 2.4- Sơ đồ biến dạng trong vật liệu (A, B-cỏc cấu trỳc khỏc nhau)
Hỡnh 2.5- Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi tăng tải trọng
2.1.3.Sự trượt của đơn tinh thể :
1-Khỏi niệm : Trượt là sự chuyển dời tương đối với nhau giữa cỏc phần của tinh thể theo
những mặt và phương nhất định gọi là mặt trượt và phương trượt.
Trượt là hỡnh thức biến dạng dẻo chủ yếu trong thực tế. Đụi khi ta cũng gặp một hỡnh thức khỏc của biến dạng dẻo là song tinh, tuy nhiờn song tinh xảy ra khú khăn hơn nhiều so với trượt.
2-Cỏc mặt trượt và phương trượt :
Trong quỏ trỡnh trượt hai mặt nguyờn tử dịch chuyển tương đối với nhau, liờn kết giữa cỏc nguyờn tử đối diện nhau bị đứt rời, nhưng mối liờn kết giữa hai nguyờn tử lõn cận nhau trong mỗi mặt vẫn được bảo toàn. Mặt trượt và phương trượt là cỏc mặt và phương cú mật độ nguyờn tử lớn nhất. Khoảng cỏch giữa hai mặt cú mật độ nguyờn tử lớn nhất sẽ xa nhất nờn liờn kết giữa chỳng yếu hơn, do đú chỳng cú thể dịch chuyển tương đối với nhau dễ dàng hơn. Cỏc phương cú mật độ nguyờn tử lớn nhất sẽ cú liờn kết nguyờn tử theo phương đú mạnh nhất. Do vậy khi trượt mối liờn kết nguyờn tử trờn phương đú vẫn bảo toàn. Trong cỏc kiểu mạng tinh thể thường gặp cỏc mặt và phương dày đặc nhất chớnh là cỏc mặt trượt và phương trượt cơ bản.
Trong mạng lập phương tõm khối (A2) cỏc mặt cú mật độ dày đặc nhất là cỏc mặt đi qua nguyờn tử trung tõm khối lập phương, kiểu (110) cú tất cả sỏu mặt như vậy. Trờn mỗi mặt cú hai phương dày đặc nhất kiểu [111]. Như vậy cỏch trượt của kiểu mạng A2 là : 6 mặt x 2 phương = 12. Mạng A2 cú 12 hệ trượt chớnh khỏc nhau. Sự trượt bao giờ cũng xảy ra bằng sự kết hợpỹ giữa một mặt trượt và một phương trượt trờn đú gọi là hệ trượt.
Trong mạng lập phương tõm mặt (A1) cỏc mặt cú mật độ dày đặc nhất là cỏc mặt kiểu (111) được tạo ra bởi ba đường chộo của ba mặt bờn cú chung một đỉnh. Cú bốn mặt kiểu như vậy. Trờn mỗi mặt cú ba phương là đường chộo của mặt bờn cú mật độ dày đặc nhất . Như vậy cỏch trượt của mạng (A1) là : 4 mặt x 3 phương = 12. Do đú mạng A1 cũng cú 12 hệ trượt chớnh khỏc nhau.
Trong mạng sỏu phương xếp chặt (A3) chỉ cú một mặt dày đặc nhất dú là mặt đỏy, trờn đú cú ba phương dày đặc nhất chớnh là cỏc đường chộo của lục giỏc. Do vậy mạng A3 cú ba hệ trượt chớnh.
49
Hỡnh 2.6 - Sơ đồ biểu diễn sự trượt
a) Hỡnh dạng đơn tinh thể và mạng trước khi trượt. b) Hỡnh dạng đơn tinh thể và mạng sau khi trượt.
Khả năng biến dạng dẻo của kim loại tỷ lệ thuận với số hệ trượt chớnh. Kim loại cú cựng số lượng hệ trượt chớnh thỡ kim loại cú số phương trượt trong một mặt trượt lớn
50
Bảng 2- Hệ trượt trong một số loại vật liệu
Hỡnh 2.7- Cỏc hệ trượt trong cỏc kiểu mạng thường gặp:
a) Lập phương tõm mặt; b) Sỏu phương xếp chặt c) Lập phương tõm khối
Ngoài cỏc hệ trượt chớnh ra, trong thực tế kim loại cũn cú thể trượt trờn cỏc mặt
hơn sẽ cú tớnh dẻo cao hơn. Vớ dụ :
-Sắt, nhụm, bạc, đồng, vàng (mạng lập phương tõm khối và tõm mặt) dẻo hơn rất nhiều so với kẽm (mạng sỏu phương xếp chặt).
-Kiểu mạng lập phương tõm khối và tõm mặt cú cựng số hệ trượt chớnh, nhưng mạng tõm mặt cú số phương trượt trong một mặt lớn hơn nờn dẻo hơn. Ở nhiệt độ thường đồng, vàng dẻo hơn sắt.
3-Ứng suất gõy ra trượt :
Như đó núi ở trờn chỉ cú ứng suất tiếp trờn mặt trươtỹ và theo phương trượt mới gõy ra quỏ trỡnh trượt. Ta tớnh toỏn ứng suất này. Giả sử rằng tiến hành kộo đỳng tõm một phõn tố đơn tinh thể hỡnh trụ bằng lực F. Lực kộo F tạo với phỏp tuyến mặt trượt đó cho gúc θ và phương trượt gúcλ . Gọi tiết diện ngang của tinh thể là S0 thỡ diện tớch mặt trượt là So / cosθ . Ứng suất tiếp trờn phương trượt là :
τ = (F / S) cosλ = ( F / S0) cosθ cosλ
Trong đú F / S0 là ứng suất chớnh σ0 cú giỏ trị khụng đổi trờn tiết diện ngang của mẫu. Do đú ứng uất tiếp gõy ra trượt là :τ = σ0 cosθ cosλ . Đõy chớnh là biểu thức của
định luật Schmid, cosθ cos λ gọi là thừa số Schmid.
Như vậy khi τ cú độ lớn vượt quỏ một giỏ trị tới hạn nhất định (tựy theo từng kim loại) thỡ quỏ trỡnh trượt mới xảy ra. Ứng suất τ phụ thuộc vào cosθ cosλ (thừa số
Schmid). Trong trường hợp θ = 90o hay λ = 90o giỏ trị của τ = 0, trong trường hợp này ngoại lực song song với mặt trượt hay vuụng gúc với phương trượt do đú tinh thể bị phỏ hủy mà khụng gõy ra biến dạng dẻo. Ứng suất tiếp cực đại τ max = 0,5σ0 khi θ =λ = 45o. Như vậy ứng suất tiếp trờn cỏc hệ trượt khỏc nhau cũng khỏc nhau, tựy thuộc vào gúc tạo bởi hệ trượt với phương của ngoại lực. Khi giỏ trị của τ lớn hơn một giỏ trị τ th nào đú (gọi là ứng suất trượt tới hạn, cú giỏ trị khụng đổi với mỗi kim loại) thỡ sự trượt sẽ xảy ra. Định luật Schmid quy định hệ trượt nào trượt trước tiờn khi đặt tải trọng, đú là hệ trượt thuận lợi nhất cú cỏc yếu tố định hướng thuận lợi nhất tức là θ ,λ gần tới 45o nhất, tại đõy giỏ trị ứng suất tiếp tới hạn đạt được sớm nhất. Do đú hệ trượt thuận lợi nhất sẽ trượt trước, tiếp đú khi tải trọng tăng lờn đến lượt cỏc hệ trượt ớt thuận lợi hơn tham gia trượt.
52
Hỡnh 2.8- Trượt trong đơn tinh thể:
a) Sự định hướng của hệ trượt với ngoại lực. b) Xờ dịch tạo ra cỏc bậc nhỏ.
4-Hỡnh thỏi trượt :
Quỏ trỡnh trượt trong đơn tinh thể xảy ra theo trỡnh tự sau :
-Đầu tiờn sự trượt sẽ xảy ra ở hệ trượt cú ứng suất tiếp lớn nhất, đú là hệ trượt chớnh. Cỏc mặt này cú gúc nghiờng gần 45o nhất so với phương tải trọng. Cỏc mặt dịch chuyển đi tương đối với nhau một khoảng nhất định rồi dừng lại. Cỏc mặt trượt cỏch nhau một khoảng cỏch nhất định.
-Mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xụ lệch nờn cản trở quỏ trỡnh trượt tiếp tục.
-Tiếp tục tăng tải trọng tỏc dụng, trờn một số hệ khỏc cũng cú giỏ trị ứng suất tiếp lớn hơn giỏ trị tới hạn và tham gia trượt. Đú chớnh là hệ trượt thực tế.
-Ngoài việc tạo ra cỏc hệ trượt, cũn cú quỏ trỡnh quay của mặt và phương trượt để thu hẹp cỏc gúc θ và λ gần đến 45o.
Quỏ trỡnh này tạo cỏc bậc trờn đơn tinh thể. Sau khi trượt sẽ tạo ra biến dạng dư, nú được xem là tổng của cỏc bậc đú khi thoỏt ra bề mặt tinh thể. Sau khi kết thỳc quỏ trỡnh trượt trờn mặt ngoài tinh thể xuất hiện cỏc bậc nhỏ song song nhau gọi là đường trượt. Nhiều đường trươtỹ gần nhau tạo thành dải trượt, trong một số trường hợp giống như chuỗi xu xếp nghiờng.
5-Cơ chế trượt :
Khi nghiờn cứu quỏ trỡnh trượt ta thấy nú cú thể xảy ra theo hai cơ chế sau : cơ chế đồng thời và nối tiếp.
a-Cơ chế đồng thời (sự trượt cứng) : theo cơ chế này tất cả cỏc nguyờn tử ở hai bờn mặt trượt trong một thời điểm đồng thời dịch chuyển đi một khoảng cỏch như nhau. Quỏ trỡnh đú gọi là sự trượt cứng. Quỏ trỡnh này cần phải tỏc dụng một lực rất lớn để tỏch rời mối liờn kết của cỏc nguyờn tử ở hai bờn mặt trượt cựng một lỳc. Trong khi đú ứng suất thực tế gõy ra trượt lại khỏ nhỏ so với giỏ trị này. Do đú sự trượt cứng là khụng cú trong thực tế.
b-Cơ chế nối tiếp (sự trượt khi cú lệch) : trong mạng tinh thể thực tế luụn cú lệch sự trượt sẽ xảy ra với ứng suất nhỏ hơn rất nhiều lần và sự trượt tiến hành bằng chuyển động của lệch. Giả sử trong mạng tinh thể chứa lệch đường lỳc này cỏc nguyờn tử ở hai bờn bỏn mặt bị xụ lệch đàn hồi đối xứng, ứng suất hai bờn cõn bằng nhau nờn bỏn mặt này rất dễ dàng dịch chuyển đi một khoảng cỏch nhỏ (nhỏ hơn hoặc bằng một thụng số mạng) khi cú lực bờn ngoài tỏc dụng vào. Giả thiết rằng ứng suất tiếp tỏc dụng vào từ bờn trỏi bỏn mặt sẽ dịch chuyển sang phải một khoảng cỏch nhỏ và liờn kết với nửa hàng dọc nguyờn tử bờn dưới thành mặt tinh thể mới, bỏn mặt dịch chuyển dần qua phải. Quỏ trỡnh cứ tiếp tục như vậy cho đến khi bỏn mặt đi ra khỏi bề mặt tinh thể và tạo ra bậc 53
Hỡnh 2.9- Aớnh chụp dải trượt trờn kớnh hiển vi điện tử
nhỏ tại đú. Như vậy ở mỗi thời điểm chỉ cú một số nguyờn tử hạn chế tham gia trượt, quỏ trỡnh truyền chuyển động giống như hiện tượng chạy tiếp sức, do đú chỉ cần một giỏ trị ứng suất tiếp nhỏ.
6-Độ bền lý thuyết và độ bền thực tế :
Trong mạng tinh thể lý tưởng (khụng chứa lệch) khi trượt tất cảc cỏc nguyờn tử hai bờn mặt trượt bắt buộc phải dịch chuyển đồng thời, đũi hỏi một giỏ trị ứng suất tiếp rất lớn : τ th =
2
G
π . Với G là mụ đun trượt. Giỏ trị này gọi là độ bền lý thuyết.
Trong thực tế, mạng tinh thể luụn chứa lệch, do vậy núi chung cỏc kim loại cú giỏ tri τ th rất nhỏ nờn kim loại rất dễ trượt và dễ dàng biến dạng dẻo. Do đú kim loại cú độ bền thấp. Theo tớnh toỏn giỏ trị này khoảng 8.103
G
48.10 8.10
G
ữ . Từ đú ta thấy rằng độ bền thực tế nhỏ hơn độ bền lý thuyết từ 100 đến 1000 lần. Do vậy ta chưa khai thỏc hết khả năng làm việc của vật liệu do tồn tại lệch và cỏc khuyết tật khỏc.
2.1.4.Sự trượt của đa tinh thể :
Trong thực tế ta sử dụng vật liệu cú cấu tạo đa tinh thể, do vậy quỏ trỡnh biến dạng dẻo luụn tiến hành trong đa tinh thể. Do vậy cú nhiều điểm khỏc biệt so với quỏ trỡnh biến dạng dẻo đơn tinh thể.
1-Cỏc đặc điểm của sự trượt đa tinh thể :
a-Cỏc hạt bị biến dạng khụng đều : Trong mạng tinh thể kim loại sự định hướng
mặt và phương khỏc nhau nờn sẽ trượt khỏc nhau. Hạt nào cú định hướng thuận lợỹi sẽ trượt trước, với ứng suất bộ và ngược lại. Thậm chớ cú hạt khụng thể trượt được. Do vậy trong quỏ trỡnh biến dạng dẻo cú hạt biến dạng nhiều, hạt biến dạng ớt, cú hạt chỉ biến dạng đàn hồi.
b-Cú tớnh đẳng hướng : Do sự định hướng phương và mặt của cỏc hạt là ngẫu nhiờn
cho nờn dự lực tỏc bờn ngoài như thế nào đi nữa cũng cho một kết quả chung như nhau, tức là cú tớnh chất đẳng hướng. Tớnh chất nhận được là kết quả thử tổng hợp theo mọi phương của mẫu.
c-Cú độ bền cao hơn : Cỏc hạt tồn tại khụng rời rạc mà gắn bú với nhau qua biờn
giới hạt. Trong thực tế sự trượt của một hạt đều bị sự cản trở của hạt bờn cạnh. Vựng biờn giới hạt sắp xếp khụng trật tự, cú nhiều xụ lệch mạng, do vậy khú tạo nờn mặt trượt. Vỡ thế chỳng như một lớp vỏ cứng cản trở quỏ trỡnh trượt. Do cú sự cản trở này phải tỏc dụng lực lớn hơn một ớt mới gõy ra biến dạng dẻo. Điều đú chứng tỏ rằng độ bền của đa tinh thể cao hơn đơn tinh thể.
d-Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao : Với kớch thước hạt càng nhỏ thỡ tổng
diện tớch biờn giới hạt càng lớn. Do đú chỳng sẽ cản trở trượt càng mạnh hơn nờn làm tăng độ bền. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy σ0,2 và kớch thước d của biờn gới hạt được biểu diễn như sau : σ0,2 = σo + kd1/2 - Biểu thức Hall - Petch.
Trong đú : - σo là ứng suất cần thiết để lệch chuyển động khi d → ∞ (ứng với trong trường hợp đơn tinh thể).
-k là hằng số biểu thị cấu trỳc của biờn giới hạt.
Mặt khỏc khi kớch thước hạt nhỏ, số lượng hạt trong một đơn vị thể tớch sẽ tăng lờn, do vậy số hạt cú phương thớch ứng với sự trượt theo phương bất kỳ cũng tăng lờn tương ứng. Tức là sự trượt được tiến hành trờn nhiều hạt hơn và lượng biến dạng dư tăng lờn, do đú tớnh dẻo tăng lờn. Như vậy việc tạo ra hạt nhỏ đồng thời làm tăng cả độ bền lẫn độ dẻo nờn làm tăng mạnh độ dai. Trong chế tạo cơ khớ luụn cú xu hướng sử dụng vật liệu cú kớch thước hạt nhỏ mịn.
2-Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến tổ chức và tớnh chất kim loại :
a-Trong quỏ trỡnh biến dạng dẻo hỡnh dạng và kớch thước hạt thay đổi rất nhiều. Khi bị kộo hạt sẽ dài ra theo phương của lực tỏc dụng. Khi bị nộn hạt bị bẹp đi. Mạng tinh thể xung quanh mặt trượt bị xụ lệch và biến dạng khụng đều.
Với mức độ biến dạng lớn ( ε = 40 ữ 50% ) hạt sẽ bị phõn nhỏ ra, cỏc tạp chất và pha thứ hai sẽ bị nhỏ vụn ra và kộo dài ra, tạo nờn tổ chức thớ. (Độ biến dạng tớnh theo cụng thức ε = o 1
o
S S
S
−
. 100%). Tổ chức thớ cú cơ tớnh rất khỏc nhau theo phương dọc và ngang thớ, theo phương dọc thớ độ bền rất lớn và ngược lại.
Khi với mức độ biến dạng rất lớn (70 ữ 90%) cỏc hạt sẽ bị quay đến mức độ cỏc mặt và phương cú chỉ số giống nhau (cựng ký hiệu) sẽ song song với nhau và lỳc này vật liệu lại thể hiện tớnh cú hướng. Hiện tượng đú gọi là biến dạng chọn hướng hay biến dạng tờxtuya. Biến dạng tờxtuya được ứng dụng khỏ rộng rói trong thộp kỹ thuật điện để làm giảm tổn thất từ cho mỏy biến thế.
b-Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại khỏ nhiều ứng suất dư do xụ lệch mạng, do biến dạng khụng đều giữa cỏc hạt và trờn toàn tiết diện. Ứng suất dư làm giảm cơ tớnh của vật liệu. Trong trường hợp cần nõng cao giới hạn mỏi thỡ ứng suất nộn dư sẽ cú lợi. Tạo ra lớp ứng suất nộn dư này bằng cỏch : tụi bề mặt, lăn bi, phun bi...
c-Sau biến dạng dẻo do mạng tinh thể bị xụ lệch nờn cơ tớnh kim loại thay đổi rất nhiều
-Tăng độ cứng
-Tăng độ bền (cả giới hạn bền, đàn hồi và chảy) -Giảm độ dộo và độ dai.
Hiện tượng này gọi là húa bền hay biến cứng. Trong thực tế biến cứng là khụng cú lợi khi cần gia cụng cắt gọt tiếp theo. Tuy nhiờn ta cú thể sử dụng biến cứng để làm tăng
55
Hỡnh 2.10- Hai dạng textuya trong biến dạng vật liệu từ: