CHƯƠNG 2: BIẾN DẠNG DẺO VAÌ CƠ TÍNH
2.1.BIẾN DẠNG DẺO VA
Khảo sát biểu đồ kéo theo chiều trục của mẫu kim loại hình trụ cho ta khái niệm về các loại biến dạng và phá hủy.
2.1.1.Biến dạng đàn hồi :
1-Khái niệm : là biến dạng bị mất đi khi bỏ tải trọng tác dụng, nĩ xảy ra khi tải trọng
ột giá trị xác định gọi là giới hạn đàn hồi. nhỏ hơn m Trên v Độ giãn dài'l Ta íi tro üng F Fb Fa Fdh F1 O l a’ a’’ e a b c
Hình 2.1- Sơ đồ biểu đồ tải trọng- biến dạng điển hình của kim loại
2-Ví dụ : - Với tải trọng F1 mẫu bị kéo dài ra một đoạn Ol, nhưng nếu bỏ tải trọng mẫu trở về kích ban đầu.
- Kéo một lị xo vớ lực nhỏ, khi thả tay ra lập tức nĩ co về kích thước cũ.
iến dạng đàn hồi cĩ thể gây ra bởi ứng suất pháp lẫn ứng suất tiếp. Lúc này các nguyên B
tư
Hình 2.2- Biến dạng đàn hồi do:
tác dụng, chúng trở về vị trí ban đầu. Dưới tác dụng của ứng suất pháp mạng tinh thể bị
ạn 0a". Khi bỏ tải trọng tác dụng mẫu bị co lại theo đường aa, song ng với 0e. Như vậy mẫu đã bị dài thêm một đoạn 0a,.
- Khi ta bẻ một que sắt với một lực lớn, nĩ bị gập cong lại mà khơng trở về vị trí an đầu được nữa.
ra bởi ứng suất tiếp, lúc này các nguyên tử dịch chuyển đi
c nguyên tử ẫn được bảo tồn. Trong quá trình phá hủy thì mối liên kết này khơng cịn nữa. Chúng sẽ khảo sát quá trình trượt của đơn tinh thể, là dạng đơn giản nhất (nhưng hầu như hơng gặp trong thực tế) để từ đĩ khảo sát các hình thức khác phức tạp hơn.
ng tinh thể bị
ạn 0a". Khi bỏ tải trọng tác dụng mẫu bị co lại theo đường aa, song ng với 0e. Như vậy mẫu đã bị dài thêm một đoạn 0a,.
- Khi ta bẻ một que sắt với một lực lớn, nĩ bị gập cong lại mà khơng trở về vị trí an đầu được nữa.
ra bởi ứng suất tiếp, lúc này các nguyên tử dịch chuyển đi
c nguyên tử ẫn được bảo tồn. Trong quá trình phá hủy thì mối liên kết này khơng cịn nữa. Chúng sẽ khảo sát quá trình trượt của đơn tinh thể, là dạng đơn giản nhất (nhưng hầu như hơng gặp trong thực tế) để từ đĩ khảo sát các hình thức khác phức tạp hơn.
kéo dài ra, dưới tác dụng của ứng suất tiếp mạng tinh thể như bị xơ nghiêng đi một gĩc nhỏ nào đĩ.
kéo dài ra, dưới tác dụng của ứng suất tiếp mạng tinh thể như bị xơ nghiêng đi một gĩc nhỏ nào đĩ.
2.1.2.Biến dạng dẻo :
1- Khái niệm : là biến dạng vẫn tồn tại khi bỏ tải trọng tác dụng, nĩ xảy ra khi tải trọng
lớn hơn giới hạn đàn hồi.
2.1.2.Biến dạng dẻo :
1- Khái niệm : là biến dạng vẫn tồn tại khi bỏ tải trọng tác dụng, nĩ xảy ra khi tải trọng
lớn hơn giới hạn đàn hồi.
2-Ví dụ : - Khi đặt tải trọng F ch (lớn hơn giá tri Fđh ), mẫu bị kéo dài theo đường 0ea, tức là biến dạng một đo 2-Ví dụ : - Khi đặt tải trọng F so so b b
Biến dạng dẻo chỉ gây Biến dạng dẻo chỉ gây
một khoảng các khá lớn (lớn hơn một thơng số mạng). Do vậy khi bỏ tải trọng chúng chiếm vị trí cân bằng mới. Biến dạng dẻo thường xảy ra bằng cách trượt là chủ yếu, đơi khi xảy ra bằng song tinh.
Trong quá trình biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lực liên kết giữa cá
một khoảng các khá lớn (lớn hơn một thơng số mạng). Do vậy khi bỏ tải trọng chúng chiếm vị trí cân bằng mới. Biến dạng dẻo thường xảy ra bằng cách trượt là chủ yếu, đơi khi xảy ra bằng song tinh.
Trong quá trình biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lực liên kết giữa cá v v ta ta k k
ch (lớn hơn giá tri Fđh ), mẫu bị kéo dài theo đường 0ea, tức là biến dạng một đo
a) Ứng suất kéo; b) Ứng suất nén c) Xê dịch; d)Éïp ba chiều ) Ư ï 3 hi ư Hình 2.3- Lực liên kết giữa 2 nguyên tử lân cận A A A A A As BM A
Khơng tải Đàn hồi Trượt Song tinh Chuyển pha M
Hình 2.5- Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi tăng tải trọng
a) Ban đầu; b) Biến dạng đàn hồi; c) Biến dạng dẻo; d) Phá huỷ
2.1.3.Sự trượt của đơn tinh thể :
1-Khái niệm : Trượt là sự chuyển dời tương đối với nhau giữa các phần của tinh thể theo
những mặt và phương nhất định gọi là mặt trượt và phương trượt.
ío chủ yếu trong thực tế. Đơi khi ta cũng gặp một
uyên tử lớn nhất sẽ cĩ liên kết ngu
mặt cĩ hai phương dày đặc nhất kiểu [111]. Như vậy cách trượt của kiểu mạng
ía ba mặt bên cĩ chung một đỉnh. Cĩ bốn mặt kiê
ác nhau.
Trong mạng sáu phương xếp chặt (A3) chỉ cĩ một mặt dày đặc nhất dĩ là mặt đĩ cĩ ba phương dày đặc nhất chính là các đường chéo của lục giác. Do vậy ạng A3 cĩ ba hệ trượt chính.
Trượt là hình thức biến dạng de
hình thức khác của biến dạng dẻo là song tinh, tuy nhiên song tinh xảy ra khĩ khăn hơn nhiều so với trượt.
2-Các mặt trượt và phương trượt :
Trong quá trình trượt hai mặt nguyên tử dịch chuyển tương đối với nhau, liên kết giữa các nguyên tử đối diện nhau bị đứt rời, nhưng mối liên kết giữa hai nguyên tử lân cận nhau trong mỗi mặt vẫn được bảo tồn. Mặt trượt và phương trượt là các mặt và phương cĩ mật độ nguyên tử lớn nhất. Khoảng cách giữa hai mặt cĩ mật độ nguyên tử lớn nhất sẽ xa nhất nên liên kết giữa chúng yếu hơn, do đĩ chúng cĩ thể dịch chuyển tương đối với nhau dễ dàng hơn. Các phương cĩ mật độ ng
yên tử theo phương đĩ mạnh nhất. Do vậy khi trượt mối liên kết nguyên tử trên phương đĩ vẫn bảo tồn. Trong các kiểu mạng tinh thể thường gặp các mặt và phương dày đặc nhất chính là các mặt trượt và phương trượt cơ bản.
Trong mạng lập phương tâm khối (A2) các mặt cĩ mật độ dày đặc nhất là các mặt đi qua nguyên tử trung tâm khối lập phương, kiểu (110) cĩ tất cả sáu mặt như vậy. Trên mỗi
A2 là : 6 mặt x 2 phương = 12. Mạng A2 cĩ 12 hệ trượt chính khác nhau. Sự trượt bao giờ cũng xảy ra bằng sự kết hợpü giữa một mặt trượt và một phương trượt trên đĩ gọi là hệ trượt.
Trong mạng lập phương tâm mặt (A1) các mặt cĩ mật độ dày đặc nhất là các mặt kiểu (111) được tạo ra bởi ba đường chéo cu
øu như vậy. Trên mỗi mặt cĩ ba phương là đường chéo của mặt bên cĩ mật độ dày đặc nhất . Như vậy cách trượt của mạng (A1) là : 4 mặt x 3 phương = 12. Do đĩ mạng A1 cũng cĩ 12 hệ trượt chính kh
đáy, trên m
Hình 2.6 - Sơ đồ biểu diễn sự trượt
a) Hình dạng đơn tinh thể và mạng trước khi trượt. b) Hình dạng đơn tinh thể và mạng sau khi trượt.
hả năng biến dạng dẻo của kim loại tỷ lệ thuận với số hệ trượt chính. Kim loại ĩ cùng số lượng hệ trượt chính thì kim loại cĩ số phương trượt trong một mặt trượt lớn
Hình 2.7- Các hệ trượt trong các kiểu mạng thường gặp:
a) Lập phương tâm mặt; b) Sáu phương xếp chặt c) Lập phương tâm khối
K c
Ngồi các hệ trượt chính ra, trong thực tế kim loại cịn cĩ thể trượt trên các mặt
hơn
ơng xếp chặt).
ng tâm khối và tâm mặt cĩ cùng số hệ trượt chính, nhưng
ï
rằng tiến hành kéo đúng tâm một F ạo với pháp tuyến mặt trượt đã cho sẽ cĩ tính dẻo cao hơn. Ví dụ :
-Sắt, nhơm, bạc, đồng, vàng (mạng lập phương tâm khối và tâm mặt) dẻo hơn rất nhiều so với kẽm (mạng sáu phư
-Kiểu mạng lập phươ
mạng tâm mặt cĩ số phương trượt trong một mặt lớn hơn nên dẻo hơn. Ở nhiệt độ thường đồng, vàng dẻo hơn sắt.
3-Ứng suất gây ra trượt :
Như đã nĩi ở trên chỉ co ứng suất tiếp trên mặt trươtü và theo phương trượt mới gây ra quá trình trượt. Ta tính tốn ứng suất này. Giả sử
phân tố đơn tinh thể hình trụ bằng lực F. Lực kéo t
gĩc T và phương trượt gĩcO. Gọi tiết diện ngang của tinh thể là S0 thì diện tích mặt trượt là So/ cosF. Ứng suất tiếp trên phương trượt là :
W = (F / S) cos = ( F / ST 0) cosT cosO
Trong đĩ F / S0 là ứng suất chính V cĩ giá trị khơng đổi trên tiết diện ngang của ẫu. Do đĩ ứng uất tiếp gây ra trượt là :
0
m W = V0cosT cosO. Đây chính là biểu thức của
ịnh luật Schmid, cosT cos
đ O gọi là thừa số Schmid.
Như vậy khi W cĩ độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn nhất định (tùy theo từng kim loại) thì quá trình trượt mới xảy ra. Ứng suất Wphụ thuơ vào cosüc T cosO (hừa số Schmid).Trong trường hợp
t
T = 90o hay O = 90o giá trị củaW = 0, trong trường hợp này ngoại lực song song với mặt trượt hay vuơng gĩc với phương trượt do đĩ tinh thể ị phá hủy mà khơng gây ra biến dạng dẻo. Ứng suất tiếp cực đại
b
Wmax = 0,5V0 khi T=O = 45o. Như vậy ứng suất tiếp trên các hệ trượt khác nhau cũng khác nhau, tùy thuộc vào gĩc tạo bởi hệ trượt với phương của ngoại lực. Khi giá trị của Wlớn hơn một giá trị W thnào đĩ (gọi là ứng suất trượt tới hạn, cĩ giá trị khơng đổi với mỗi kim loại) thì sự trượt sẽ xảy ra. Định luật Schmid quy định hệ trượt nào trượt trước tiên khi đặt tải trọng, đĩ là hệ trượt thuận lợi nhâút coï các yêu tố định hương thuâú ï ûn lơüi nhâút tức làT ,O gần tới 45onhất,
Hình 2.8- Trượt trong đơn tinh thể:
a) Sự định hướng của hệ trượt với ngoại lực. b) Xê dịch tạo ra các bậc nhỏ.
tại đây giá trị ứng suất tiếp tới hạn đạt được sớm nhất. Do đĩ hệ trượt thuận lợi nhất sẽ t thuận lợi hơn tham gia
xảy ra ở hệ trượt cĩ ứng suất tiếp lớn nhất, đĩ là hệ trượt chính.
ơng đối với nhau một khoảng nhất định rồi dừng lại. Các mặt trượt cách nhau một
uá trình trượt tiếp
n một số hệ khác cũng cĩ giá trị ứng suất tiếp ĩ chính là hệ trượt thực tế.
ài việc tạo ra các hệ trượt, cịn cĩ q
trượt trước, tiếp đĩ khi tải trọng tăng lên đến lượt các hệ trượt í trượt.
4-Hình thái trượt :
Quá trình trượt trong đơn tinh thể xảy ra theo trình tự sau : -Đầu tiên sự trượt sẽ
Các mặt này cĩ gĩc nghiêng gần 45onhất so với phương tải trọng. Các mặt dịch chuyển đi tư
khoảng cách nhất định.
-Mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xơ lệch nên cản trở q tục.
-Tiếp tục tăng tải trọng tác dụng, trê lớn hơn giá trị tới hạn và tham gia trượt. Đ
-Ngo
uá trình quay của mặt và phương trượt để thu hẹp các gĩc T và O gần đến 45o.
Quá trình này tạo các bậc trên đơn tinh thể. Sau khi trượt sẽ tạo ra biến dạng dư, nĩ được xem là tổng của các bậc đĩ khi thốt ra bề mặt tinh thể. Sau khi kết thúc quá trình trượt trên mặt ngồi tinh thể xuất hiện các bậc nhỏ song song nhau gọi là đường trượt. tü gần nhau tạo thành
p nghiêng.
üi là sự trượt cứng. Quá trình này cần phải tác dụng một lực rất lớn để tách rời Nhiều đường trươ
Hình 2.9- Aính chụp dải trượt trên kính hiển vi điện tử
dải trượt, trong một số trường hợp giống như chuỗi xu xế
5-Cơ chế trượt :
Khi nghiên cứu quá trình trượt ta thấy nĩ cĩ 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 các nguyên tử ở hai bên mặt trượt trong một thời điểm đồng thời dịch chuyển đi một khoảng cách như nhau. Quá trình đĩ go
mối liên kết của các nguyên tử ở hai bên mặt trượt cùng một lúc. Trong khi đĩ ứng suất thực tế gây ra trượt lại khá nhỏ so với giá trị này. Do đĩ sự trượt cứng là khơng cĩ trong thực tế.
b-Cơ chế nối tiếp (sự trượt khi cĩ lệch) : trong mạng tinh thể thực tế luơn cĩ 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 lúc này các nguyên tử ở hai bên bán mặt bị xơ lệch đàn hồi đối xứng, ứng suất hai bên cân bằng nhau nên bán mặt này rất dễ dàng dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ (nhỏ hơn hoặc bằng một thơng số mạng) khi cĩ lực bên ngồi tác dụng vào. Giả thiết rằng ứng suất tiếp tác dụng vào từ
bên trái bán mặt sẽ dịch chuyển sang phải một khoảng cách nhỏ và liên kết với nửa hàng dọc nguyên tử bên dưới thành mặt tinh thể mới, bán mặt dịch chuyển dần qua phải. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi bán mặt đi ra khỏi bề mặt tinh thể và tạo ra bậc hỉ cĩ một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt,
b ï
nhỏ tại đĩ. Như vậy ở mỗi thời điểm c
quá trình truyền chuyển động giống như hiện tượng chạy tiếp sức, do đĩ chỉ cần một giá trị ứng suất tiếp nhỏ.
6-Độ ền ly thuyết và độ bền thực tế :
Trong mạng tinh thể lý tưởng (khơng chứa lệch) khi trượt tất cảc các nguyên tử hai bên mặt trượt bắt buộc phải dịch chuyển đồng thời, địi hỏi một giá trị ứng suất tiếp rất lớn : W th =
2
G
S . Với G là mơ đun trượt. Giá tr n là độ bền lý thuyết.
Trong thực tế, mạng tinh thể luơn chứa lệch, do vậy nĩi chung các kim loại cĩ giá tri
ị ày gọi
W th rất nhỏ nên kim loại rất dễ trượt và dễ dàng biến dạng dẻo. Do đĩ kim loại cĩ độ ìy khoảng
bền thấp. Theo tính tốn giá trị na G 3
8.10 y8.104
thực tế nhỏ hơn độ bền lý thuyết từ 100 đến 1000 lần. Do vậy ta chưa khai thác hết khả năng làm việc của vật liệu do
G
. Từ đĩ ta thấy rằng độ bền
tồn tại lệch và các khuyết tật khác.
ún dạng khơng đều : Trong mạng tinh thể kim loại sự định hướng ặt
hạt đều bị sự cản trở của hạt bên cạnh. Vùng
a
ïn. Do đĩ chúng sẽ cản trở trượt càng mạnh hơn nên làm ïc d của biên gới hạt được
2.1.4.Sự trượt của đa tinh thể :
Trong thực tế ta sử dụng vật liệu cĩ cấu tạo đa tinh thể, do vậy quá trình biến dạng dẻo luơn tiến hành trong đa tinh thể. Do vậy cĩ nhiều điểm khác biệt so với quá trình biến dạng dẻo đơn tinh thể.
1-Các đặc điểm của sự trượt đa tinh thể :
a-Các hạt bị biê
m và phương khác nhau nên sẽ trượt khác nhau. Hạt nào cĩ định hướng thuận lợüi sẽ trượt trước, với ứng suất bé và ngược lại. Thậm chí cĩ hạt khơng thể trượt được. Do vậy trong quá trình biến dạng dẻo cĩ hạt biến dạng nhiều, hạt biến dạng ít, cĩ hạt chỉ biến dạng đàn hồi.
b-Cĩ tính đẳng hướng : Do sự định hướng phương và mặt của các hạt là ngẫu nhiên cho nên dù lực tác bên ngồi như thế nào đi nữa cũng cho một kết quả chung như nhau, tức là cĩ tính chất đẳng hướng. Tính chất nhận được là kết quả thử tổng hợp theo mọi phương của mẫu.
c-Cĩ độ bền cao hơn : Các hạt tồn tại khơng rời rạc mà gắn bĩ với nhau qua biên giới hạt. Trong thực tế sự trượt của một
biên giới hạt sắp xếp khơng trật tự, cĩ nhiều xơ lệch mạng, do vậy khĩ tạo nên mặt trượt. Vì thế chúng như một lớp vỏ cứng cản trở quá trình trượt. Do cĩ sự cản trở này phải tác dụng lực lớn hơn một ít mới gây ra biến dạng dẻo. Điều đĩ chứng tỏ rằng độ