Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
2.1.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến cấu trúc hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
Cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể.
Trong chất rắn dạng tinh thể, các tiểu phân (nguyên tử, ion, phân tử,…) được sắp xếp một cách đều đặn, tuần hoàn tạo thành một mạng lưới không gian. Do đó cấu trúc tinh thể liên quan đến mọi tính chất của vật liệu. Nhưng trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên những sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng [2].
a. Sai lệch mạng tinh thể: Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 - 2%) song gây ảnh hưởng rất xấu đến tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng...) tức đến độ bền - chỉ tiêu cơ tính hàng đầu, nên việc khảo sát các sai lệch này có ý nghĩa lý thuyết và thực tế lớn lao, không thể bỏ qua. Phụ thuộc vào kích thước ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: sai lệch điểm, đường, mặt và khối.
Sai lệch điểm: là các sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm. Một số sai lệch điểm điển hình là nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử tạp chất.
Hình 2.1: Sai lệch điểm trong mạng tinh thể (Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000)
a) Nút trống b) Nguyên tử xen kẻ c) Nguyên tử tạp chất
Sai lệch đường: là loại sai lệch có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo chiều thứ 3 trong tinh thể, tức có dạng của một đường (đường ở đây có thể là thẳng, cong, xoắn ốc). Các sai lệch điển hình như: lệch biên, lệch xoắn, lệch
15 hỗn hợp. Ngày nay, đã có thể giải thích nhiều vấn đề về cơ tính, lý tính của kim loại và hợp kim mà trước đây không thể giải thích được bằng lý thuyết cổ điển.
Hình 2.2: Sai lệch đường trong mạng tinh thể (Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000)
a) Lệch biên b) Lệch xoắn c) Lệch hỗn hợp
Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ 3, có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể là phẳng, cong hay uốn lượn). Trong tinh thể sai lệch chủ yếu là biên giới hạt, biên giới siêu hạt, sai lệch xếp, mặt đối tinh và mặt ngoài tinh thể.
16 Hình 2.3: Sai lệch mặt trong mạng tinh thể
(Nguồn: Lê Công Dưỡng, 2000)
a) Biên giới hạt b) Biên giới siêu hạt tạo nên do tường lệch b. Ảnh hưởng của các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo
Hiện tượng biến cứng
- Thay đổi đình dạng của đơn tinh thể.
- Hướng đa tinh thể thay đổi từ vô hướng sang tập trung về trục tác dụng của các lực tác dụng, tinh thể bị kéo dài từ vô hướng thành có hướng nhất định.
- Gây ứng suất dư do biến dạng không đều cùng lúc, biến dạng trong nội bộ hạt tinh thể không đều.
Hiện tượng biến mềm: biến kim loại từ trạng thái mất cân bằng có thế năng tự do cao (do biến cứng) về trạng thái cân bằng.
Hiện tượng hồi phục: khi ở nhiệt độ thấp trong kim loại đã qua biến dạng dẻo xảy ra các quá trình hồi phục, đó là các biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể bị xô lệch như: giảm sai lệch mạng nói chung, giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong.
Hiện tượng kết tinh lại
- Kết tinh lại lẩn thứ nhất: đây là giai đoạn quan trọng nhất với các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế vi và tính chất. Khi kim loại qua biến dạng dẻo có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh lại) trong mạng tinh thể bị xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới không có các sai lệch do biến dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh.
17 - Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng dẻo, chúng sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô lệch mạnh nhất, năng lượng dự trữ cao nhất nên kém ổn định nhất do đó dễ trở về trạng thái cân bằng với ít sai lệch nhất.
Như vậy kim loại bị biến dạng dẻo cành mạnh, mầm kết tinh lại sẽ hình thành càng nhiều dẫn đến số lượng hạt sinh ra càng lớn tạo điều kiện để các hạt có kích thước nhỏ hơn.
- Kết tinh lại lần thứ hai: sau khi kết tinh lần thứ nhất nếu tiếp tục nâng cao nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ có quá trình sát nhập của các hạt nhỏ hơn bao quanh vào hạt lớn, làm cho hạt lớn to thêm. Sự phát triển hạt là quá trình tự nhiên vì nó làm giảm tổng biên giới hạt do đó làm giảm tổng năng lượng dự trữ. Quá trình này là quá trình kết tinh lại lần thứ hai và thường phải tránh.
- Nhiệt độ kết tinh lại: là nhiệt độ nhỏ nhất tại đó xảy ra quá trình kết tinh lại (tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể. Do kết tinh lại phụ thuộc vào sự dịch chuyển xa của nguyên tử nên nhiệt độ của quá trình đó phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy.
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công biến dạng dẻo
Mức độ biến dạng
- Nói chung kim loại bị biến dạng dẻo càng mạnh, sau khi kết tinh lại hạt có kích thước càng nhỏ, điều này được giải thích là do xô lệch mạng mạnh tạo nên nhiều mầm. Chính vì vậy ngoài lý do năng suất ra người ta thường gắn biến dạng với lượng ép lớn để tạo ra hạt nhỏ khi kết tinh lại.
- Biến dạng nhỏ với lượng ép 2÷8% chỉ tạo ra rất ít vũng xô lệch nên tạo ra ít mầm, hạt tạo thành rất lớn, độ biến dạng như vậy gọi là độ biến dạng tới hạn, thường phải tránh.
Nhiệt độ ủ và thời gian giữ nhiệt
- Nhiệt độ ủ: nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to hơn.
- Thời gian giữ nhiệt: thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn.
- Sau khi biến dạng nóng, nhiệt độ ngừng biến dạng càng cao thì hạt càng lớn.
Nhận xét chung cho các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD)
Các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt thực chất là làm gia tăng xô lệch mạng để tạo ra nhiều mầm, từ đó sau khi kết tinh lại hạt tạo thành càng mịn và nhỏ.
18 Nếu biến dạng càng mãnh liệt thì nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công càng lớn dẫn đến xảy ra hiện tượng hồi phục làm giảm xô lệch mạng, từ đó làm giảm mầm sinh ra và hạt sinh ra khi kết tinh lại sẽ lớn.
Nếu biến dạng không đủ mạnh thì xô lệch mạng sinh ra sẽ ít hơn cũng làm giảm mầm sinh ra và hạt sau kết tinh cũng sẽ lớn.
Vì vậy cần lựa chọn một mức biến dạng và tốc độ biến dạng hợp lí để nhiệt độ sinh ra không quá cao để tránh cho tổng số lượng mầm sinh ra là lớn nhất và làm cho kích thước hạt lớn.