I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP LĂN MIẾT
I.2 Biến dạng dẻo và hoá bền biến dạng
Biến dạng dẻo là biến dạng dư, bắt đầu khi ngoại lực đạt tới giá trị giới hạn- giới hạn chảy C (lúc định luật Húc mất hiệu lực) và không mất đi khi bỏ tải. Biến dạng dư có được do sự dịch chuyển nguyên tử, nhờ phá vỡ các liên kết ban đầu rồi lập lại các liên kết với các lân cận mới, để khi bỏ tải nguyên tử không trở về vị trí xuất phát mà cấu trúc vật liệu vẫn được bảo toàn.
Hình 2-6: Đường cong ứng suất- biến dạngOa. Biến dạng đàn hồi (e-Giới hạn đàn hồi, giới hạn tỉ lệ); ab. Biến dạng dẻo đồng đều (C-Giới hạn chảy, 0,2-
a b c 0 Biến dạng Ứng suất b e 2 , 0 , c
Giới hạn chảy qui ước, b-Giới hạn bền kéo); bc. Biến dạng dẻo cục bộ và phá hủy ( - Biến dạng dư sau phá hủy).
Hoá bền biến dạng là hiện tượng một vật liệu bị biến dạng dẻo trở nên cứng và bền hơn, thường được dùng để cải thiện cơ tính của vật liệu và có thể khử bỏ nhờ nhiệt luyện thích hợp (giai đoạn ab)
Có thể giải thích chi tiết về hiện tượng hoá bền biến dạng dựa trên đường cong biến dạng của đơn tinh thể, mô tả mối quan hệ giữa ứng suất trượt và độ xê dịch (hình vẽ)
Hình 2-7: Đường cong biến dạng đơn tinh thể với a. Mạng lập phương tâm mặt
b. Mạng sáu phương xếp chặt c. Mạng lập phương tâm khối d. Hiện tượng “răng chảy”
Biến dạng dẻo của đơn tinh thể nói chung gồm 3 giai đoạn, với đặc điểm hoá bền khác nhau như trên (hình vẽ)
Giai đoạn 1: Hoá bền tuyến tính với tốc độ nhỏ Giai đoạn 2: Hoá bền tuyến tính với tốc độ lớn. Giai đoạn 3: Hoá bền parabol.
Trong giai đoạn 1, khi ứng suất vượt quá giá trị giới hạn, các lệch mạng từ nguồn chuyển động khắp mặt trượt sơ cấp cho đến khi gặp mặt trượt tự do. Trường hợp không bị cản trở tương ứng với đoạn thẳng nằm ngang. Khi có cản trở (ví dụ tương tác giữa các lệch trượt) đoạn thẳng sẽ dốc với độ nghiêng nhỏ (d/d 104G ) do cần bổ xung thêm ứng suất để lệch tiếp tục trượt được, đó là
a) 1 2 3 1 2 3 3 b) c) d)
hoá bền biến dạng. Do hóa bền nhỏ và trượt chủ yếu trên mặt sơ cấp nên giai đoạn 1 gọi là giai đoạn trượt đơn giản. Lệch tự do và uốn khúc đa dạng là hình thái chủ yếu của cấu trúc lệch.
Giai đoạn 2 được gọi là trượt phức tạp, bắt đầu ở ứng suất đủ cao, khi các hệ trượt thứ cấp có thể hoạt động. Tương tác các lệch thuộc hệ sơ cấp và thứ cấp sẽ tạo ra vô số các cản trở lệch. Vì thế cần phải tiếp tục tăng ứng suất để nguồn hoạt động tạo biến dạng, làm cho hoá bền biến dạng tăng gấp hàng chục lần so với giai đoạn 1. Tương tác giữa hai hệ trượt tạo ra cấu trúc lệch kiểu ô lưới 3 chiều rất không đồng nhất ở giai đoạn này, mà tường ngăn các ô là những búi lệch với mật độ rất cao.
Ở giai đoạn 3, hóa bền biến dạng vẫn tiếp tục nhưng với tốc độ giảm hơn do quá trình thải bền, đồng thời xảy ra khi các lệch trái dấu gặp nhau và hủy lẫn nhau hoặc khi lệch mạng vượt các cản trở (chủ yếu là nhờ trượt ngang) làm cho chướng ngại trở thành đoạn lưới vuông gó với mặt trượt. Trong khi đó các lệch cùng dấu sắp xếp lại trật tự, làm cho các phần tinh thể kề nhau bị quay hoặc nghiêng với nhau. Các quá trình đã làm cho cấu trúc ô lệch hoàn thiện hơn. Tường ngăn ô có thể giảm mật độ lệch và trật tự hơn, trong khi bền trong ô thì nghèo lệch. Trượt ngang xảy ra nếu một phần của lệch tách đã được hợp nhất thành đoạn lệch hoàn chỉnh, quá trình này cần có năng lượng khuyết tât xếp cao. Sự thải bền đó được gọi là phục hồi động học, dẫn đến quan hệ phi tuyến và giai đoạn 3 có tên là hoá bền parabol.
Đối với đa tinh thể thì hiện tượng hoá bền biến dạng lớn gấp hàng chục lần đơn tinh thể. Sở dĩ như vây vì trong đa tinh thể các hạt có định hướng khác nhau và biên giới của chúng cản trở chuyển động lệch mạng. Sự khác nhau về định hướng thể hiện ở chỗ trượt chỉ sẽ bắt đầu trong một số ít hạt có định hướng thể hiện ở chỗ trượt chỉ sẽ bắt đầu trong một số ít hạt có định hướng thuận lợi (dẻo vi mô). Để lệch có thể trượt được trong toàn bộ đa tinh thể mà vẫn bảo đảm tính liên tục cần phải có ít nhất 5 hệ trượt độc lập hoạt động. Vì vậy ngay từ đầu trượt phức tạp đã xảy ra trong đa tinh thể với ứng suất cao hơn nhiều so với trượt đơn
giản trong đơn tinh thể cùng loại mạng. Biên giới hạt chính là nơi mà các lệch trượt bị dừng lại, tạo thành một tập hợp với số lượng lệch đáng kể, tạo ra một trường ứng suất bổ sung cùng với ngoại lực đủ để kích thích nguồn tạo lệch trong các hạt lân cận hoạt động. Cứ như vậy quá trình biến dạng dẻo được thực hiện từ hạt này sang hạt khác.
Tiếp tục khảo sát đường cong ứng suất- biến dạng của vật liệu. Giai đoạn bc được gọi là giai đoạn biến dạng dẻo cục bộ và phá hủy. Phá hủy là sự tách đứt vật thể do liên kết nguyên tử (ion, phân tử) bị phá vỡ, xảy ra khi ứng suất đạt giá trị giới hạn bền kéo b. Phá hủy dẻo xảy ra khi b<e, tức sau khi vật liệu đã bị biến dạng dẻo nhiều ( >>1%) như một số kim loại. Các dạng phá hủy khác đều trải qua 2 giai đoạn: tạo vết nứt và phát triển vết nứt.
Như vậy, toàn bộ cơ sở lý thuyết sai lệch mạng tinh thể cũng như lý thuyết biến dạng và hoá bền biến dạng cho phép ta tìm ra mối quan hệ định tính giữa các thông số động lực học (ngoại lực tác dụng và giới hạn của ngoại lực tác dụng đến độ bền bề mặt chi tiết, tốc độ quay chi tiết…). Mặt khác có thể tìm ra được hướng chuyển động lệch phù hợp khi tiến hành gia công bề mặt chi tiết bằng biến dạng dẻo, phương pháp khuếch tán các nguyên tử khác vào vật liệu kim loại.