Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO
2.4. Các thuyết về cơ chế biến dạng siêu dẻo
2.4.1. Thuyết dã o khuếch tán
Thuyết dão - khuếch tán đƣợc đề xuất bởi các nhà khoa học nhƣ: D.H. Avery và W.A. Backofen [14].
Hình 2.5. Hình dạng của hạt trước (đường đứt nét) và sau khi xảy ra hiện tượng dão - khuếch tán
Theo thuyết này, nếu vật liệu đa tinh thể không nằm trong trạng thái ứng suất thủy tĩnh thì dƣới ảnh hƣởng của ứng suất pháp sẽ tạo ra một sự khác nhau về thế năng vacanxy (nút trống) để cân bằng gradient thế năng.
Sự dịch chuyển sẽ từ vùng có thế năng cao (vùng chịu ứng suất kéo) tới vùng có thế năng thấp hơn (vùng chịu ứng suất nén). Sự dịch chuyển của vacanxy sẽ tƣơng ứng với sự khuếch tán của dòng vật chất theo chiều ngƣợc lại và kết quả dẫn tới sự biến dạng vĩ mô của khối kim loại.
Ý tƣởng đầu tiên đƣợc Nabarro đề xuất cho rằng, nồng độ cân bằng nhiệt của nút trống không nhƣ nhau tại các mặt tinh thể có định hƣớng khác nhau trong trƣờng ứng suất phi thủy tĩnh. Gradient nồng độ nút trống (sinh ra do chênh lệch nồng độ) sẽ tạo ra một dòng nút trống giữa các mặt tinh thể và một dòng vật chất theo chiều ngƣợc lại. Cơ chế đó dẫn đến biến dạng dẻo vĩ mơ
của tinh thể. Trên cơ sở đó, một phƣơng trình trạng thái đơn giản cho quá trình biến dạng đã đƣợc đề xuất. Xét trƣờng hợp đơn giản lý tƣởng: một đơn tinh thể có dạng khối lập phƣơng với cạnh d, chịu tác động của ứng suất cắt thuần túy trên mặt nghiêng 45o (hình 2.6).
Hình 2.6. Biến dạng dão – khuyếch tán của một đơn tinh thể
Giả thiết đơn tinh thể không chứa các lệch, có nghĩa là “nguồn” và “giếng” của nút trống chỉ là các mặt tự do và đơn tinh thể có kích thƣớc đủ nhỏ để quan hệ giữa bề mặt và thể tích có giá trị lớn.
Hình 2.7. Sự tạo thành một nút trống (hình vng tơ đậm) do một nguyên tử thoát ra trên bề mặt tinh thể
Sự tạo thành một nút trống trên mặt chịu nén (BC) tƣơng đƣơng với việc “bứt” một nguyên tử từ bên trong tinh thể qua mặt BC (hình 2.7). Giả sử b là khoảng cách giữa các nguyên tử và một nguyên tử có thể biểu diễn bằng một khối lập phƣơng có cạnh là b. Nhƣ vậy, để thốt ra trên mặt BC, một nguyên
tử phải thắng đƣợc lực cản là b2
và phải tiêu tốn một năng lƣợng (công) là:
b2 x b = b3 = ( là thể tích nguyên tử).
Biểu thức trên cho thấy, năng lƣợng tạo thành một nút trống bằng kích hoạt nhiệt gia tăng trên mặt chịu nén. Ngƣợc lại, trên mặt chịu kéo AB,
ứng suất trợ giúp cho nguyên tử thoát từ bên trong tinh thể ra trên bề mặt và năng lƣợng tạo thành nút trống ở đây giảm đi .
Phân biệt hai dạng dão - khuếch tán: dạng thứ nhất do Nabarro - Herring đƣa ra khi dịng khuếch tán theo thể tích hạt, dạng thứ hai là khi dịng khuếch tán đi theo biên giới hạt do Coble đề xuất.
Tốc độ dão - khuếch tán theo Nabarro - Herring: ̇
(2.28)
Trong đó: DV - Hệ số khuếch tán thể tích, d - kích thƣớc hạt trung bình, k - hằng số Bolsmana, T - nhiệt độ,
B - Hệ số tính đến ảnh hƣởng của hình dáng hạt. Tốc độ dão - khuếch tán theo Coble:
̇
(2.29) Trong đó: DBG - Hệ số khuếch tán biên giới hạt, - độ dày biên giới hạt.
Trong lý thuyết về dão - khuyếch tán, song song với cơ chế biến dạng bằng chuyển chất xuyên hạt (dão Nabarro - Herring), còn tồn tại cơ chế biến dạng bằng chuyển chất theo ranh giới hạt (dão Coble). Theo mơ hình Coble, quá trình khuyếch tán (chuyển chất) xảy ra dọc theo ranh giới hạt. Trong trƣờng hợp này, tốc độ biến dạng phụ thuộc vào hệ số tự khuyếch tán bề mặt (trên ranh giới hạt) thay vì hệ số tự khuyếch tán thể tích và có quan hệ tỷ lệ nghịch với d3 thay vì với d2.
dạng các khối đa tinh thể với hạt mịn và là hai dạng biến dạng quan trọng đối với nhiều hệ kim loại trong miền nhiệt độ cao và ứng suất thấp. Dịng khuếch tán đi qua thể tích và theo biên giới hạt thƣờng xảy ra đồng thời, tùy thuộc vào điều kiện biến dạng, tổ chức hạt của vật liệu mà có thể một trong hai dạng sẽ chiếm ƣu thế.
Ngồi các q trình biến dạng ở nhiệt độ cao thơng thƣờng khác, q trình chuyển chất dƣới tác dụng của ứng suất hay dão - khuyếch tán cịn có vai trị hết sức quan trọng trong thực tế cơng nghệ thiêu kết và siêu dẻo. Tầm quan trọng của dão - khuyếch tán đối với quá trình thiêu kết là hiển nhiên. Liên quan đến siêu dẻo, đây là quá trình biến dạng của đa tinh thể với hạt rất mịn ở nhiệt độ cao và phải đƣợc diễn ra với sự tƣơng thích cần thiết giữa quá trình khuyếch tán chuyển chất và biến dạng do trƣợt giữa các hạt.
2.4.2. Thuyết trượt của lệch (biến dạng trong hạt)
Trong điều kiện biến dạng siêu dẻo, cùng với sự trƣợt của hạt theo biên giới hạt còn xảy ra sự biến dạng trong hạt, đƣợc tạo nên bởi chuyển động của lệch. Biến dạng trong hạt nhờ chuyển động của lệch là cơ chế đƣợc biết đến rộng rãi đối với vật liệu dẻo khi biến dạng với tốc độ cao, tƣơng ứng vùng III (phân biệt các vùng I, II và III theo tốc độ biến dạng nhƣ trên hình 2.2). Tuy nhiên, vai trị và sự có mặt của lệch trong quá trình biến dạng ở vùng I và vùng II lại là vấn đề bàn thảo của nhiều nhà nghiên cứu.
Quan sát dƣới kinh hiển vi điện tử khi biến dạng siêu dẻo, ngƣời ta khơng thấy sự xuất hiện của lệch. Có thể dự đốn rằng, trong q trình biến dạng siêu dẻo đã có sự biến mất nhanh chóng của các lệch do có q trình trƣợt của lệch đã xảy ra. Trƣợt của lệch đƣợc kiểm soát bởi leo của lệch, lệch sinh ra do biến dạng dẻo (trong hạt) trƣợt và tích lũy tại các chƣớng ngại, lệch thốt khỏi chƣớng ngại do có thêm kích hoạt nhiệt gọi là lệch leo (các nút trống khuếch tán đến lân cận lệch). Vì vậy tốc độ biến dạng dão không đƣợc
quyết định bởi tốc độ trƣợt của lệch (nhƣ trong biến dạng nguội) mà bởi tốc độ leo của lệch. Để chứng tỏ sự trƣợt của lệch trong hạt, ngƣời ta nghiên cứu sự hình thành và thay đổi textuya tinh thể trong quá trình biến dạng siêu dẻo. Kết quả cho thấy rằng, trong q trình biến dạng siêu dẻo đã có dịch chuyển tổng thể của các lệch.
Các nghiên cứu đầu tiên về sự trƣợt của lệch đƣợc tiến hành bởi О. А. Кайбышев, И. В. Казачков [61], đối với hợp kim Zn-22%Al trong trạng thái cán khơng có textuya. Nhận thấy rằng, sau khi biến dạng siêu dẻo các mẫu khơng có textuya ban đầu trong khoảng tốc độ biến dạng ở vùng I và vùng III (hình 2.8), ở pha kẽm hình thành các textuya dọc trục. Với các tốc độ biến dạng ̇ nhỏ (vùng I) thì xuất hiện textuya cực đại theo hƣớng trục kéo, còn
trong khoảng tốc độ của vùng III thì hình thành textuya cực đại theo hƣớng mặt cắt ngang.
Hình 2.8. Phân vùng biến dạng theo tốc độ biến dạng
Rõ ràng, đã có sự chuyển đổi từ textuya này sang textuya khác theo sự thay đổi của tốc độ biến dạng ̇. Trong một số khoảng tốc độ biến dạng ̇ ở
vùng II thì khơng xuất hiện các textuya rõ rệt sau khi kéo ở vùng pha . Nhƣ vậy, tồn tại mối tƣơng quan giữa các đặc điểm về sự hình thành textuya và sự thay đổi tính chất cơ học của hợp kim trong sự phụ thuộc vào kích thƣớc hạt
và điều kiện biến dạng. Các kết quả nghiên cứu này đã chứng minh đƣợc mối quan hệ giữa biến dạng siêu dẻo và sự hình thành textuya trong quá trình biến dạng.
2.4.3. Thuyết giả ổn định pha
Thuyết giả ổn định pha đƣợc đề xuất bởi А. А. Пресняков, Р.К. Аубакирова [44].
Пресняков cho rằng hiệu ứng siêu dẻo có liên quan đến trạng thái đặc biệt của kim loại, vì trong trạng thái này các nguyên tử có độ linh hoạt cao. Trạng thái này có thể xuất hiện trong thời điểm chuyển biến pha, hoặc trong trƣờng hợp làm nguội nhanh, lúc đó các pha trở lên giả ổn định. Tính dẻo tăng lên mạnh mẽ ở thời điểm giả ổn định pha, sự thay đổi tổ chức có bản chất khuếch tán thuần túy và chỉ biểu hiện khi chuyển biến pha trong các hợp kim với số lƣợng pha thứ cấp đủ lớn. Theo Пресняков, biến dạng siêu dẻo có mang đặc tính khuếch tán và quan hệ với q trình chuyển biến pha. Các luận điểm chính của thuyết này nhƣ sau [44]:
- Giữa hiệu ứng siêu dẻo và kích thƣớc hạt khơng có mối quan hệ nào. Пресняков đã nghiên cứu trên hợp kim cùng tinh Al-33%Cu thấy rằng hợp kim này biểu hiện tính siêu dẻo ngay khi hạt lớn và hợp kim này biểu hiện tính siêu dẻo trong trạng thái ủ đồng đều.
- Siêu dẻo đƣợc gây nên bởi trạng thái giả ổn định pha. Tác giả đã chứng minh đƣợc rằng, hợp kim cùng tích Zn-Al thể hiện tính siêu dẻo khi làm nguội nhanh, cịn khi làm nguội chậm khơng thể hiện tính siêu dẻo.
- Siêu dẻo có liên quan tới chuyển biến pha. Nếu khơng có chuyển biến pha thì khơng có siêu dẻo.
- Tính siêu dẻo của các hợp kim khi làm nguội chậm mà trƣớc đó có biến dạng sơ bộ là kết quả của sự phục hồi về tổ chức. Tổ chức kim loại do có mặt của các khuyết tật trở lên giả ổn định và vì vậy dẫn đến hiệu ứng siêu dẻo.
Tuy nhiên, các kết quả thực nghiệm cho thấy các luận điểm của Пресняков đƣa ra là không phù hợp. Ví dụ, ở luận điểm 2, khi chứng tỏ hợp kim cùng tích Zn-Al thể hiện tính siêu dẻo khi làm nguội nhanh và khơng thể hiện tính siêu dẻo khi làm nguội chậm thì ơng khơng xem xét tới ảnh hƣởng của tốc độ nguội lên cấu trúc tế vi của hợp kim này hoặc ở luận điểm 3, ông không phân biệt rõ siêu dẻo gây ra bởi các điều kiện bên ngoài với siêu dẻo cấu trúc, đồng thời cũng khơng tính đến ảnh hƣởng của thành phần cùng tinh lên tổ chức hạt nhỏ của hợp kim khảo sát.