Chƣơng 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO
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- mơ 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 q 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 không 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.