1) m=1/4; 2) m=1/2; 3) m= 3/4; 4) m=1.
Từ đồ thị cho thấy, khi m = 1, tốc độ thay đổi tiết diện ngang của mẫu không phụ thuộc vào độ lớn của nó. Khi m giảm, sự khơng đồng đều về mức độ thay đổi tiết diện mẫu gia tăng. Do vậy có thể thấy, đại lƣợng m phản ánh xu thế tạo thắt ngõng của mẫu thử.
Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của ứng suất vào tốc độ biến dạng trong hệ tọa độ logarit đƣợc gọi là đƣờng cong siêu dẻo. Đối với hầu hết các
kim loại, đƣờng cong này có dạng nhƣ hình 2.2.
Hình 2.2. Biểu đồ đường cong siêu dẻo của các kim loại [45, 57, 63]
Hình 2.2 là biểu đồ đặc trƣng của các kim loại biến dạng trong trạng thái siêu dẻo. Theo [57], biểu đồ đƣợc phân thành 3 vùng:
- Vùng I ứng với vùng có tốc độ biến dạng rất nhỏ, giá trị m < 0,3;
- Vùng II ứng với một khoảng hẹp tốc độ biến dạng, giá trị m = 0,3 0,8; - Vùng III ứng với vùng có tốc độ biến dạng lớn hơn giá trị giới hạn, khi đó m < 0,3.
2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến siêu dẻo
Vật liệu siêu dẻo đƣợc đặc trƣng bởi khả năng biến dạng dẻo lớn (), ứng suất chảy nhỏ (s) và độ nhạy cảm tốc độ biến dạng của ứng suất chảy cao (m > 0,3). Nhóm các yếu tố ảnh hƣởng bao gồm: tổ chức vật liệu (kích thƣớc hạt - d, độ đồng trục của hạt, thành phần hóa học, thành phần pha, trạng thái biên giới hạt, texture, …); tốc độ biến dạng ( ̇); và nhiệt độ biến dạng (T).
2.2.1. Ảnh hưởng của tổ chức hạt
Trong siêu dẻo cấu trúc, tổ chức hạt đóng một vai trị quan trọng và có tính chất quyết định đến sự xuất hiện và tồn tại hiện tƣợng siêu dẻo. Kích thƣớc trung bình của hạt phải nhỏ (< 10 m), tổ chức hạt phải đồng
trục mới cho đƣợc hiệu ứng siêu dẻo. Nghiên cứu quá trình biến dạng siêu dẻo cho thấy, ứng xử cơ học của vật liệu rất nhạy cảm với cỡ hạt và nhiệt độ. Nói chung, khi cỡ hạt càng nhỏ thì hiệu ứng siêu dẻo có thể xuất hiện với ứng suất chảy càng nhỏ, tốc độ biến dạng tăng lên, nhiệt độ biến dạng vật liệu càng thấp và ngƣợc lại.
Phƣơng trình mơ tả mối quan hệ giữa ứng suất, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và kích thƣớc hạt đƣợc biểu diễn nhƣ sau [12]:
̇ ( ) ( ) (2.21) Trong đó: A- hằng số kích thƣớc; G- mô đun trƣợt; b- véc tơ Burget; k- hằng số Boltzmann; T- nhiệt độ; d- cỡ hạt; p- số mũ của nghịch đảo cỡ hạt; eff- thành phần lệch của trƣờng ứng suất; D- hệ số khuếch tán (D = D0.exp(-Qs/RT), trong đó: D0- chỉ số tần xuất, Qs- năng lƣợng kích hoạt biểu kiến, R- hằng số khí thực).
Từ phƣơng trình (2.21) có thể nhận thấy rằng, khi nhiệt độ và ứng suất không đổi, tốc độ biến dạng tỷ lệ nghịch với kích thƣớc hạt:
̇ (2.22) Trong đó, p là hệ số và trong điều kiện siêu dẻo có giá trị là 2 hoặc 3 [12]. Nhƣ vậy, ảnh hƣởng của sự giảm kích thƣớc hạt lên tốc độ biến dạng là khá rõ ràng, sự giảm về kích thƣớc hạt xuống 10 lần có thể làm tăng tốc độ biến dạng từ 102 đến 103
lần. Khi đó với một tốc độ biến dạng xác định, việc làm giảm kích thƣớc hạt có khả năng tạo ra hiệu ứng siêu dẻo ở nhiệt độ thấp hơn.
2.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ và nhiệt độ biến dạng tới siêu dẻo
Nhƣ đã biết, khi biến dạng vật liệu trong điều kiện siêu dẻo, trƣợt trên biên giới hạt có sự thích ứng (Accommodation) của khuếch tán là cơ chế biến dạng chính. Nhƣ vậy, tốc biến dạng phải đạt một giá trị thích hợp để kịp xảy
ra quá trình khuếch tán, đồng thời phải để các hạt khơng kịp gia tăng kích thƣớc vƣợt quá giá trị tới hạn trong thời gian biến dạng. Nghiên cứu biến dạng siêu dẻo cấu trúc của vật liệu đã chỉ ra rằng, tốc độ biến dạng thích hợp trong hiện tƣợng siêu dẻo dao động từ 10-1 tới 10-5 s-1.
Hình 2.3. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy của hợp kim Д19 [60] vào tốc độ biến dạng và kích thước hạt ở nhiệt độ T = 490 oC
Từ phƣơng trình (2.21) về quan hệ giữa tốc độ biến dạng, ứng suất, nhiệt độ và kích thƣớc hạt, nhận thấy, tốc độ biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất chảy. Có nghĩa rằng, khi tốc độ biến dạng tăng sẽ làm ứng chảy tăng lên. Ứng suất chảy tăng đồng nghĩa với việc phải tăng áp lực gia công lên vật liệu biến dạng. Hình 2.3 thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất, tốc độ biến dạng và kích thƣớc hạt của hợp kim Д19 [60]. Tốc độ biến dạng nhỏ sẽ làm giảm giá trị ứng suất chảy, tuy nhiên, nếu tốc độ biến dạng quá nhỏ sẽ làm tăng thời gian biến dạng vật liệu, kích thƣớc hạt có thể lớn lên do xảy ra quá trình kết tinh lại, do đó, lại làm tăng ứng suất chảy. Nhƣ vậy, tồn tại một giá trị tốc độ biến dạng tối ƣu, ở đó mức độ biến dạng đạt đƣợc là cao nhất.
Ngoài tổ chức vật liệu, tốc độ biến dạng thì nhiệt độ cũng là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hiện tƣợng siêu dẻo. Hiệu ứng siêu dẻo chỉ xuất hiện
trong một khoảng nhiệt độ nhất định, ngoài khoảng nhiệt độ này vật liệu khơng thể hiện tính chảy siêu dẻo. Có thể nhận thấy rằng, mối quan hệ giữa ứng suất chảy của vật liệu với nhiệt độ biến dạng tƣơng đối phức tạp. Khi nhiệt độ tăng lên, ứng suất chảy siêu dẻo giảm xuống, điều này làm giảm trở lực gia công vật liệu, tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng sẽ lại làm cho quá trình lớn lên của hạt nhanh hơn, dẫn đến sự ảnh hƣởng ngƣợc lại. Từ phân tích này chỉ ra rằng, tồn tại một giá trị nhiệt độ mà khi giá trị tốc độ biến dạng là tối ƣu sẽ đạt đƣợc mức độ biến dạng lớn nhất.
2.3. Xác định độ nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng
Đối với biến dạng siêu dẻo chỉ số m đánh giá độ nhạy cảm của ứng suất chảy với tốc độ biến dạng.
Hệ số m đặc trƣng cho góc nghiêng đƣờng cong phụ thuộc của ứng suất chảy vào tốc độ biến dạng = f(̇) trong hệ trục tọa độ logarit (hình 2.2), đối với vật liệu siêu dẻo thì thơng thƣờng m = 0,3 0,8. Trong trƣờng hợp biến
dạng dẻo truyền thống ở nhiệt độ tƣơng tự thì m khơng vƣợt q 0,2.
Hình 2.4. Mối quan hệ giữa lực kéo và thời gian khi thay đổi tốc độ kéo
Nhƣ vậy, giá trị của hệ số m rất quan trọng trong việc đánh giá khả năng biến dạng siêu dẻo của vật liệu, do đó việc xác định hệ số m trong nghiên cứu
pháp xác định hệ số m, một trong số đó là phƣơng pháp thay đổi tốc độ đột ngột của Backofen, theo sơ đồ nhƣ hình 2.4 [54].
Theo sơ đồ trên, để xác định m, cần thay đổi đột ngột tốc độ kéo từ V1 tới V2 tại điểm D. Điểm A trên sơ đồ ứng với tốc độ kéo V2 khi trạng thái biến dạng ổn định. Khi xác định hệ số m, đƣờng cong tốc độ V1 ngoại suy tới điểm B, sao cho tại đó có cùng đại lƣợng biến dạng nhƣ điểm A.
1 2 lg lg v v P P m B A B - Theo Backofen, m đƣợc xác định nhƣ công thức (2.23).
Phƣơng pháp này cho kết quả khơng chính xác do ảnh hƣởng sai số ngoại suy.
- Để khắc phục sai số ngoại suy Morrison đã đƣa ra công thức xác định m dựa trên ứng suất và tốc độ biến dạng tại A và C [54].
C A C A M m lg lg - Trên cơ sở của Backofen thì Khedvors và Stouell đã đƣa ra cơng thức xác định m nhƣ phƣơng trình (2.25). 1 2 lg lg v v P P m D E B N
- Ngồi ra Khedvors và Stouell cịn đƣa ra một phƣơng pháp khác để xác định m, giá trị của m liên quan đến tốc độ biến dạng trƣớc bƣớc nhảy.
(2.23)
(2.24)
1 2 lg lg v v P P m D F N
- Theo Katler, m đƣợc xác định theo ứng suất và tốc độ biến dạng tại các điểm A và D. 1 2 lg lg D A C m
Các giá trị m theo các phƣơng pháp từ (2.23) đến (2.25) và (2.27) có kết quả gần nhau về quan điểm vật lý. Theo phƣơng pháp của Khedvors và Stouell, cơng thức (2.26) thì có thể sử dụng để phân tích sự tác động của cơ chế biến dạng và có những đặc trƣng riêng.
2.4. Các thuyết về cơ chế biến dạng siêu dẻo
Để nghiên cứu và điều chỉnh đƣợc quá trình biến dạng siêu dẻo cần phải hiểu đƣợc cơ chế biến dạng của nó. Nhìn chung cơ chế biến dạng siêu dẻo phải giải thích đƣợc một số đặc điểm sau đây:
- Tại sao trong một điều kiện biến dạng nhất định, vật liệu lại có khả năng biến dạng với một mức độ lớn mà không bị phá hủy?
- Tại sao khi biến dạng với một mức độ lớn mà ứng suất cần thiết lại nhỏ hơn ở điều kiện biến dạng thông thƣờng?
- Tại sao sau khi biến dạng với một mức độ rất lớn mà cấu trúc hạt hầu nhƣ giữ nguyên đƣợc trạng thái nhỏ, đồng trục ban đầu?
- Mối quan hệ giữa hiện tƣợng siêu dẻo với tổ chức tế vi của vật liệu, trƣớc tiên là giữa ứng suất chảy và kích thƣớc hạt;
- Ngun nhân khơng xảy ra sự hóa bền khi biến dạng siêu dẻo;
(2.26)
Hiện nay tồn tại rất nhiều thuyết khác nhau của nhiều tác giả về cơ chế biến dạng siêu dẻo. Tuy vậy, các thuyết trên chƣa có sự thống nhất, cịn tồn tại những ý kiến trái ngƣợc nhau. Điều này có nguyên nhân là bởi mỗi tác giả đều xuất phát từ những kết quả nghiên cứu cụ thể để khái quát lên cơ chế biến dạng siêu dẻo. Có thể tìm hiểu qua một số thuyết nhƣ sau:
2.4.1. Thuyết dão - 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 dịng vật chất theo chiều ngƣợc lại. Cơ chế đó dẫn đến biến dạng dẻo vĩ mô
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 thoát 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. Dòng 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