Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO
2.4. Các thuyết về cơ chế biến dạng siêu dẻo
2.4.5. Thuyết trượt trên biên giới hạt
Đây là cơ chế đƣợc nhiều tác giả công nhận hơn cả, đại diện cho các tác giả này là: М.V.Grapski, О. А. Кайбышев, О. М. Смирнов, Asbby, Ghosh... [57, 61, 64].
Trƣợt trên biên giới là cơ chế duy nhất có thể giải thích các hiện tƣợng đƣợc quan sát thấy trong quá trình biến dạng siêu dẻo: sự xuất hiện mức độ biến dạng lớn, duy trì tổ chức đồng trục, sự quay của hạt và thay đổi của
textuya.
Sự xuất hiện của trƣợt trên biên giới hạt đƣợc ghi nhận qua q trình thực nghiệm đó là: sự dịch chuyển tƣơng hỗ lẫn nhau của các hạt liền kề theo toàn bộ biên giới, chúng phát triển và thay thế các các hạt lân cận. Sự thay thế này đặc trƣng cho biến dạng siêu dẻo, hiếm khi xuất hiện trong điều kiện thông thƣờng. Khi biến dạng thơng thƣờng kim loại có hạt lớn thì độ giãn dài của mẫu không đồng đều, kết quả có sự kéo dài của các hạt và vì thế trong mặt cắt ngang mẫu số hạt hầu nhƣ không giảm.
Trong điều kiện biến dạng siêu dẻo, nhƣ đã biết trong các thí nghiệm, hình dạng của từng hạt thay đổi rất ít. Nếu một vài hạt bị kéo dài thì sự kéo dài đó nhỏ hơn rất nhiều lần giá trị độ giãn dài tƣơng đối của mẫu. Khi không thay đổi hoặc thay đổi ít hình dạng hạt trong vùng tốc độ II ( hình 2.2) có nghĩa là có sự thế chỗ các hạt lân cận, dẫn đến sự tăng mật độ hạt theo chiều kéo mẫu và trên tiết diện ngang giảm, điều đó tạo nên mức độ biến dạng lớn.
2.4.5.1. Mơ hình trượt theo biên giới hạt
Tất cả các mơ hình trƣợt theo biên giới hạt đƣợc nghiên cứu bởi các tác giả [54] có thể chia làm hai dạng. Dạng thứ nhất mơ tả sự sắp xếp, hốn đổi của các hạt trong một lớp khơng kèm theo sự tăng diện tích lớp đó, dạng thứ hai giữa các hạt của lớp hiện tại có sự tạo thành hạt mới từ lớp liền kề.
- Mơ hình sắp xếp hốn đổi:
Hình 2.9. Sự thay thế liền kề khi biến dạng siêu dẻo
là C. Hạt B và H đi đến tiếp cận và chia cách các hạt C và D. Khi đó tất cả các hạt tồn tại ở dạng cân bằng trục. Sự thay đổi khơng nhiều hình dáng các hạt đảm bảo sự liên tục và không tạo ra các đứt đoạn. Ở đây đã xảy ra q trình thích ứng (Accommodation), sự điều chỉnh của các hạt trong mối quan hệ
tƣơng hỗ lẫn nhau, q trình này có thể diễn ra ở mơ hình trƣợt theo biên giới hạt bất kì.
D. Lee [15] đã đề xuất mơ hình sắp xếp hốn đổi hạt khi biến dạng siêu dẻo với sự tham gia dịch chuyển của biên giới (hình 2.10). Trong mơ hình này sự dịch chuyển của biên giới hạt từ a - c là sự tạo thành mối tiếp giáp bốn từ hai mối tiếp giáp ba và sau đó thì phân chia thành hai mối tiếp giáp ba (d,e).
Hình 2.10. Mơ hình sắp xếp của Lee
Sự thay đổi này phù hợp với sự thay đổi sự liên kết các hạt khi kết tinh lại tụ tập thông thƣờng. Nguyên nhân của sự phân chia mối tiếp giáp bốn là sự không cân bằng sức kéo trên biên giới hạt: biên giới hạt dịch chuyển theo hƣớng tạo thành tất cả các góc có giá trị 120o
.
Kết quả của sự sắp xếp là hạt 1 và 3 trở thành liền kề, hạt 2 và 4 tách rời nhau. Điều này tƣơng ứng với sự tăng chiều dài của mơ hình có 4 hạt theo hƣớng kéo 73% (biến dạng logarit là 0,55).
Mơ hình của Lee đƣợc sử dụng cho vật liệu một pha. Trong vật liệu hai pha với tổ chức kép, ví dụ nhƣ Zn-22%Al, sự dịch chuyển của biên giới đòi
hỏi sự phân bố khuếch tán các thành phần trên khoảng cách tƣơng đƣơng với kích thƣớc hạt.
Bên cạnh đó M. F. Ashby và R. A. Verrall đã đƣa ra đƣợc mơ hình sắp xếp (hình 2.11), mơ hình này có nét tƣơng đồng với mơ hình của Lee. Vị trí ban đầu và kết thúc hạt 6 cạnh và giá trị độ giãn dài của mơ hình 4 hạt trong hai mơ hình là giống nhau. Điểm khác biệt là có sự thích ứng trƣợt theo biên giới hạt: trong mơ hình Ashby và Verrall cơ chế biến dạng đƣợc đảm bảo bằng sự khuếch tán dòng vật chất theo biên giới và thể tích hạt (chiều mũi tên). Sau này các tả giả trên cịn đƣa ra mơ hình có hạt hình vng.
Hình 2.11. Mơ hình sắp xếp Ashby - Verrall
Tất cả các mơ hình sắp xếp hốn đổi hạt là mơ hình hai chiều. Chúng khơng kèm theo sự tăng diện tích bề mặt mẫu, điều mà ln xảy ra khi kéo. Ví dụ, biến dạng thực là 0,55 (73%) thì diện tích bề mặt của mẫu hình trụ tăng lên 31,6%.
Ngồi ra, một số tác giả đã đề xuất mơ hình “thêm hạt”, tạo nên sự tăng diện tích bề mặt mẫu kéo. Trên hình 2.12 mơ tả mơ hình của R. C. Gifkins dịch chuyển tƣơng hỗ của các hạt 1 4 theo biên giới của chúng dẫn đến sự tạo thành giữa các hạt lỗ hổng. Theo mức độ phát triển biến dạng lỗ hổng này tăng và đƣợc điền đầy bởi hạt 5, thêm vào từ lớp liền kề (lớp dƣới của mặt phẳng vẽ). Bƣớc tiếp theo là sự dịch chuyển biên giới để gần với mối tiếp
Hình 2.12. Mơ hình thêm hạt Gifkins
Mơ hình “thêm hạt” làm việc với bất kì hình dạng và nhóm hạt (khơng chỉ với hạt 6 cạnh), ln ln đảm bảo tăng diện tích bề mặt. Từ mơ hình đƣa đến kết luận, mặt cắt ngang càng lớn thì độ giãn dài tƣơng đối càng lớn.
Tuy nhiên, tất cả các mơ hình nêu trên đều đã đƣợc đơn giản hóa so với thực tế, nhƣng điều quan trọng nhất là các mơ hình thay thế liền kề đều đƣa đến kết luận: sự tăng số lƣợng các hạt dọc theo trục kéo, nhờ đó có thể nhận đƣợc mức độ giãn dài tƣơng đối rất lớn.
2.4.5.2. Sự thích ứng trong trượt trên biên giới hạt
Sự trƣợt giữa các hạt diễn ra trên biên giới hạt, thông thƣờng các bề mặt biên giới hạt là không bằng phẳng, do vậy trƣợt phải xảy ra trên các bề mặt gồ ghề. Sự trƣợt trên các bề mặt khơng phẳng đó có thể tƣởng tƣợng nhƣ hình 2.13 dƣới đây.
Để có thể trƣợt đƣợc trong điều kiện nhƣ vậy địi hỏi phải có một ứng suất đủ lớn tƣơng đƣơng với độ bền cắt lý thuyết của kim loại để thắng đƣợc sự cản trở của bề mặt. Từ lập luận nhƣ vậy, dẫn chúng ta đến kết luận trƣợt không phải là quá trình duy nhất của biến dạng siêu dẻo. Sự trƣợt giữa các hạt thực hiện đƣợc với ứng suất chảy nhỏ còn phụ thuộc vào sự phát triển của các q trình thích ứng, làm cho biên giới hạt trở nên bằng phẳng hơn. Nhƣ vậy theo cơ chế này biến dạng dẻo là sự tác động đồng thời của hai quá trình: trƣợt giữa các hạt và q trình thích ứng. Q trình thích ứng để tạo nên bề
mặt trƣợt trơn tru hơn có thể là sự tác động theo các sơ đồ đàn hồi, khuếch tán và biến dạng dẻo nhỏ.
Hình 2.13. Sự trượt của hai tinh thể trên bề mặt khơng phẳng
Hình 2.14. Thích ứng theo sơ đồ đàn hồi
Khi ứng suất nhỏ và nhiệt độ thấp, thích ứng xảy ra theo sơ đồ đàn hồi (hình 2.14). Theo sơ đồ này tác dụng cho tới thời điểm cân bằng giữa nội và ngoại ứng suất.
Hình 2.15. Thích ứng theo sơ đồ khuếch tán khuếch tán
Hình 2.16. Thích ứng theo sơ đồ biến dạng dẻo nhỏ biến dạng dẻo nhỏ
Khi ứng suất nhỏ và nhiệt độ cao q trình thích ứng xảy ra theo sơ đồ khuếch tán (hình 2.15). Kết quả làm cho mặt trƣợt bằng phẳng hơn.
Khi ứng suất đủ lớn có thể gây nên biến dạng dẻo nhỏ của các hạt, sự dịch chuyển của các lệch ở hai mặt biên giới bằng cách trƣợt và dão đảm bảo có thể “dịch chuyển” kim loại ở phần lồi bù vào phần lõm để tạo nên bề mặt ít gồ ghề hơn (hình 2.16).
2.4.5.3. Đóng góp của sự trượt trên biến giới hạt trong q trình biến dạng siêu dẻo
Hiện nay có sự thống nhất chung về cơ chế biến dạng siêu dẻo, nhƣng có thể nói hiện tƣợng siêu dẻo có thể xảy ra đồng thời theo nhiều cơ chế khác nhau, hay nói một cách khác là các cơ chế đều có sự đóng góp trong q trình
trọng. Qua một số khảo sát, tính tốn đã chỉ ra cơ chế này thƣờng giữ vai trị chủ đạo trong q trình biến dạng siêu dẻo cấu trúc của vật liệu.
Trên hình 2.17 thể hiện sự so sánh mức độ đóng góp mức độ biến dạng của 3 cơ chế: trƣợt theo biên giới hạt (TBH), dão khuếch tán (KT) và trƣợt của lệch (TL) trong quá trình biến dạng siêu dẻo đối với MA8 và AM6.
Hình 2.17. Đóng góp của các cơ chế trong q trình biến dạng siêu dẻo của hợp kim MA8 (a) và AM6 (b) trong vùng tốc độ khác nhau (I-III)