2.3.1. Trạng thá i kim loại đã qua biế n dạng dẻ o
Như đ∙ trì nh bà y, sau khi biế n dạng dẻ o kim loại bị biế n cứng, hó a bền (do mạng tinh thể bị xô lệ ch với mậ t đ ộ lệ ch cao, tồ n tại ứng suấ t bên trong...), ở trạng thá i khô ng câ n bằ ng với nă ng lượ ng dự trữ cao và có xu hướng trở về trạng thá i câ n bằ ng với cá c diễ n biế n ngượ c lại, trở về mạng câ n bằ ng ban đ ầ u khô ng có xô lệ ch mạng do biế n dạng dẻ o và ứng suấ t bên trong. Với đ a số kim loại, hợ p kim, quá trì nh nà y xả y ra rấ t chậ m ở nhiệ t đ ộ thường, nung nó ng là m tă ng khả nă ng dịch chuyể n của nguyên tử , là m quá trì nh trở về đ ó nhanh hơ n. Nế u như biế n đ ổi tí nh chấ t chủ yế u khi biế n dạng dẻ o là hó a bền thì khi nung nó ng nó (kim loại đ∙ qua biế n dạng dẻ o) là thả i bền. Trong nhiều trường hợ p người ta phả i khô i phụ c lại trạng thá i ban đ ầ u: dẻ o và mềm bằ ng cá ch nung nó ng lại, vì cá c lý do sau:
- đ ể tiế p tụ c biế n dạng dẻ o (ví dụ , khi kéo sợ i, kim loại ngà y một cứng, giòn, cầ n nă ng lượ ng ngà y một lớn hơ n và có nguy cơ đ ứt g∙y, đ ế n một lúc nà o đ ó phả i khô i phụ c tí nh dẻ o, giả m đ ộ cứng mới có thể kéo tiế p đượ c),
- đ ể có thể gia cô ng cắt,
- khử bỏ ứng suấ t bên trong đ ể trá nh phá hủy giòn.
H∙y xét cá c quá trì nh xả y ra khi nung nó ng kim loại đ∙ qua biế n dạng dẻ o.
2.3.2. Cá c giai đoạn chuyể n biế n khi nung nó ng
Theo nhiệ t đ ộ nung nó ng tă ng lên, trong kim loại đ∙ qua biế n dạng dẻ o lầ n lượ t có cá c biế n đ ổi với cá c giai đ oạn sau đ â y.
a. Hồ i phục
ở nhiệ t đ ộ thấ p (thô ng thường dưới 0,1 ữ 0,2TS0) trong kim loại đ∙ qua biế n dạng dẻ o xả y ra cá c quá trì nh hồ i phụ c, đ ó là cá c biế n đ ổi nhỏ trong mạng tinh thể bị xô lệ ch như: giả m sai lệ ch mạng nó i chung (chủ yế u là loại
đ iể m và đ ặc biệ t là nút trống), giả m mậ t đ ộ lệ ch và ứng suấ t bên trong..., trong khi đ ó tổ chức tế vi chưa biế n đ ổi (vẫ n là cá c hạt bị kéo dà i với nhiều đường trượ t). Tí nh chấ t vậ t lý có thay đ ổi chút í t (như giả m đ iệ n trở ) song cơ tí nh thì hầ u như chưa thay đ ổi: vẫ n còn ở trạng thá i hó a bền.
b. Kế t tinh lại (kế t tinh lại lầ n thứ nhấ t)
Đâ y là giai đ oạn quan trọ ng nhấ t với cá c đ ột biế n về cấ u trúc mạng tinh thể , tổ chức tế vi và tí nh chấ t.
Bả n chấ t kế t tinh lại
Khi nung nó ng cao hơ n nhiệ t đ ộ nhấ t đ ịnh (gọ i là nhiệ t đ ộ kế t tinh lại), trong mạng tinh thể bị xô lệ ch có quá trì nh hì nh thà nh cá c hạt mới khô ng có cá c sai lệ ch do biế n dạng dẻ o gâ y ra theo cơ chế tạo mầ m và phá t triể n mầ m nh kÕ t tinh:
- Mầ m là nhữ ng vù ng khô ng chứa sai lệ ch do biế n dạng dẻ o; chúng sinh ra chủ yế u ở nhữ ng vù ng bị xô lệ ch mạnh nhấ t, nă ng lượ ng dự trữ cao nhấ t nên kém ổn đ ịnh nhấ t (như mặt trượ t, biên hạt) do đ ó dễ trở về trạng thá i câ n bằ ng với í t sai lệ ch nhấ t. Như vậ y kim loại bị biế n dạng dẻ o cà ng mạnh, mầ m kế t tinh lại sẽ đượ c tạo nên cà ng nhiều nên hạt cà ng nhỏ.
- Sự phá t triể n tiế p theo là quá trì nh tự nhiên.
Sau khi kế t thúc kế t tinh lại, có cá c hạt hoà n toà n mới đ a cạnh với mạng tinh thể í t sai lệ ch nhấ t như trước khi bị biế n dạng dẻ o và mọ i tí nh chấ t trở lại mức như trước khi bị biế n dạng tức xả y ra quá trì nh thả i bền: đ ộ dẻ o tă ng lên và đ ộ bền, đ ộ cứng giả m đ i một cá ch đ ột ngột. ở đ â y có hai vấ n đ ề đ á ng quan tâ m là nhiệ t đ ộ tiế n hà nh quá trì nh nà y và kí ch thước hạt nhậ n đượ c.
Nhiệ t đ ộ
Nhiệ t đ ộ kế t tinh lại là nhiệ t đ ộ nhỏ nhấ t tại đ ó xả y ra quá trì nh kế t tinh lại (tạo mầ m và phá t triể n mầ m) với tốc đ ộ đ á ng kể . Do kế t tinh lại phụ thuộc và o sự dịch chuyể n xa của nguyên tử nên nhiệ t đ ộ của quá trì nh đ ó - Tktl0 - phụ thuộc và o nhiệ t đ ộ nó ng chả y - TS0 - theo cô ng thức :
0 S 0
ktl a.T
T = (cả hai nhiệ t đ ộ đ ều tí nh theo oK)
trong đ ó hệ số a phụ thuộc và o đ ộ sạch của kim loại, mức đ ộ biế n dạng và thời gian giữ nhiệ t. Trong đ iều kiệ n thường gặp nhấ t: mức đ ộ biế n dạng lớn (> 40 ữ 50%), thời gian giữ nhiệ t khi nung nó ng khoả ng 1h, đ ối với kim loại nguyên chấ t kỹ thuậ t thì a ≈ 0,4, kim loại tinh khiế t (hầ u như nguyên chấ t) a ≈ 0,2 ữ 0,3, hợ p kim là dung dịch rắn a ≈ 0,5 ữ 0,8. Độ biế n dạng cà ng lớn, thời gian ủ cà ng dà i hệ số a tươ ng ứng cà ng nhỏ. Trên cơ sở nà y có thể tí nh đượ c nhiệ t
đ ộ ủ đ ể khô i phụ c cá c tí nh chấ t ban đ ầ u cho cá c kim loại và hợ p kim, một việ c là m thường phả i giả i quyế t trong cô ng nghệ gia cô ng kim loại.
Như vậ y cá c kim loại (nguyên chấ t kỹ thuậ t) thường gặp có nhiệ t đ ộ kế t tinh lại khá c nhau, như sau:
Fe (t0S = 1539oC) - 450oC, Cu (t0S = 1083oC) - 270 oC,
Al (t0S = 660oC) - 100oC, Pb, Zn, Sn (t0Strên dưới 300oC) - < t0 thường.
Tổ chức tế vi và đ ộ hạt
Sau kế t tinh lại đượ c cá c hạt mới đ a cạnh, đ ẳng trụ c, mấ t hẳn dạng hạt méo, kéo dà i; song đ iều cầ n bà n ở đ â y là đ ộ hạt, vì như đ∙ biế t nó có ả nh hưở ng lớn đ ế n cơ tí nh (hạt cà ng nhỏ cà ng tốt). Người ta nhậ n thấ y sau kế t tinh lại đ ộ hạt phụ thuộc chủ yế u và o ba yế u tố sau.
- Mức đ ộ biế n dạng. Nó i chung kim loại bị biế n dạng dẻ o cà ng mạnh, sau khi ủ kế t tinh lại hạt tạo thà nh cà ng nhỏ, đ iều nà y đượ c giả i thí ch là do xô
lệ ch mạng mạnh tạo nên nhiều mầ m. Chí nh vì vậ y ngoà i lý do nă ng suấ t ra người ta thường cố gắng biế n dạng với lượ ng ép lớn đ ể tạo hạt nhỏ khi kế t tinh lại. Biế n dạng nhỏ với lượ ng ép 2 ữ 8% chỉ tạo ra rấ t í t vù ng xô lệ ch nên tạo ra í t mầ m, hạt tạo thà nh rấ t lớn, đ ộ biế n dạng như vậ y đượ c gọ i là đ ộ biế n dạng tới hạn, thường phả i trá nh. Tuy nhiên trong trường hợ p ngượ c lại cầ n hạt to (trong thép kỹ thuậ t đ iệ n) lại phả i lợ i dụ ng hiệ u ứng nà y.
78
Hì nh 2.22. Sự biến đổi của tổ chức và cơ
tí nh của kim loại đã qua biến dạng dẻo khi bị nung nãng.
- Nhiệ t đ ộ ủ. Nhiệ t đ ộ ủ cà ng cao tốc đ ộ tạo mầ m và phá t triể n mầ m
đ ều tă ng nhưng tốc đ ộ phá t triể n tă ng nhanh hơ n nên hạt to lên.
- Thời gian giữ nhiệ t. Thời gian giữ nhiệ t tại nhiệ t đ ộ ủ cà ng dà i cà ng có
đ iều kiệ n cho hạt phá t triể n nên hạt cà ng lớn.
Trong thực tế thường biế n dạng với lượ ng ép lớn (≥ 40 ữ 50%), khi ủ chú ý khô ng tă ng nhiệ t đ ộ quá mức quy đ ịnh và thời gian giữ chỉ khoả ng 1h (tối đ a khô ng quá 2h) đ ể tạo ra hạt nhỏ. Tù y thuộc và o kí ch thước hạt đ ạt đượ c sau khi kế t tinh lại to hay nhỏ hơ n, cơ tí nh sẽ có biế n đ ổi tươ ng ứng so với trước khi biế n dạng. ủ kế t tinh lại là phươ ng phá p nhiệ t luyệ n tạo hạt nhỏ duy nhấ t cho cá c kim loại, hợ p kim khô ng có chuyể n biế n thù hì nh.
c. Kế t tinh lại lầ n thứ hai
Sau khi kế t tinh lại như trên (còn đượ c gọ i là kế t tinh lại lầ n thứ nhấ t) nế u tiế p tụ c nâ ng cao nhiệ t đ ộ hay kéo dà i thời gian giữ nhiệ t sẽ có quá trì nh sá t nhậ p của cá c hạt nhỏ hơ n bao quanh và o hạt lớn, hay nó i khá c đ i hạt lớn
"nuốt" hạt bé là m hạt to lên thêm. Sự phá t triể n hạt là quá trì nh tự nhiên vì nó là m giả m tổng biên giới hạt do đ ó là m giả m tổng nă ng lượ ng dự trữ . Quá trì nh nà y đượ c gọ i là kế t tinh lại lầ n thứ hai và thường phả i trá nh. Có thể hì nh dung sự biế n đ ổi tổ chức (hạt) và cơ tí nh của kim loại đ∙ qua biế n dạng dẻ o khi bị nung nó ng ở hì nh 2.22.
2.3.3. Biế n dạng nó ng
a. Khá i niệ m
Khi gia cô ng kim loại bằ ng á p lực có phâ n biệ t ở trạng thá i nó ng và trạng thá i nguội. Vậ y nung nó ng hay đ ể nguội (khô ng nung nó ng) có phả i là
đ ặc trưng phâ n biệ t giữ a chúng hay khô ng ?.
Theo quan đ iể m của vậ t liệ u họ c thì biế n dạng nó ng là biế n dạng dẻ o ở nhiệ t đ ộ cao hơ n nhiệ t đ ộ kế t tinh lại của nó, còn ở thấ p hơ n là biế n dạng nguội. Như vậ y khô ng nhấ t thiế t nung nó ng là đ ặc trưng cho biế n dạng nó ng.
Ví dụ : biế n dạng dẻ o vonfram (W) ở nhiệ t đ ộ cao đ ế n 1000oC vẫ n là biế n dạng nguội vì vẫ n còn thấ p hơ n nhiệ t đ ộ kế t tinh lại của nó (1200oC) trong khi
đ ó chì (Pb), thiế c (Sn), kẽ m (Zn) biế n dạng (ở nhiệ t đ ộ thường) bao giờ cũng là biế n dạng nó ng vì nhiệ t đ ộ kế t tinh lại của chúng thấ p hơ n 0oC. Thường biế n dạng nó ng ở nhiệ t đ ộ 0,7 ữ 0,75TS0.
b. Cá c quá trì nh xả y ra
H∙y xét cá c quá trì nh xả y ra khi biế n dạng nó ng và ả nh hưở ng của chúng đ ế n cơ tí nh. Khi biế n dạng nó ng bao giờ cũng có hai quá trì nh đ ối lậ p nhau xả y ra:
- biế n dạng dẻ o là m xô lệ ch mạng tạo nên hó a bền, biế n cứng, nhưng sau đ ó là
- kế t tinh lại là m mấ t xô lệ ch mạng gâ y ra thả i bền, giả m đ ộ cứng.
Cho nên sau biế n dạng nó ng cơ tí nh kim loại sẽ thay đ ổi theo chiều hướng của quá trì nh mạnh hơ n. Trong trường hợ p lý tưở ng, hiệ u ứng thả i bền
đ ủ lớn nhờ nhiệ t đ ộ kế t thúc biế n dạng vẫ n còn cao hơ n nhiệ t đ ộ kế t tinh lại và thời gian tồ n tại ở khoả ng nhiệ t đ ộ nà y đ ủ dà i đ ể hoà n thà nh quá trì nh kế t tinh lại, thì sau biế n dạng nó ng kim loại vẫ n giữ đượ c đ ộ dẻ o cao, đ ộ bền, đ ộ cứng thấ p (khô ng bị biế n cứng). Trong thực tế sả n xuấ t khó đ ạt đượ c cá c đ iều kiệ n trên (thường do nguyên nhâ n cô ng nghệ ) nên sau biế n dạng nó ng kim loại vẫ n bị biế n cứng một phầ n và đ ể hồ i phụ c đ ộ cứng và đ ộ dẻ o vẫ n phả i đưa đ i ủ kế t tinh lại tiế p theo (có thể trá nh phầ n nà o biế n cứng bằ ng sau khi kế t thúc biế n dạng nó ng vù i ngay kim loại và o cá t hay vô i bột đ ể trá nh mấ t nhiệ t).
c. Cá c đặc điể m
So với biế n dạng nguội, biế n dạng nó ng có nhữ ng ưu, nhượ c đ iể m nhấ t
đ ịnh.
VÒ u ® iÓ m
- lỗ hổng bẹp lại trong quá trì nh, nhờ nhiệ t đ ộ cao (gầ n nhiệ t đ ộ chả y hơ n) khuế ch tá n mạnh nên hà n kí n lại, cả i thiệ n đượ c tổ chức kim loại,
- nhờ nhiệ t đ ộ cao, tí nh dẻ o cao hơ n nên khó bị nứt, khô ng cầ n lực ép lớn mà vẫ n đ ạt đượ c lượ ng ép lớn, nhờ vậ y có nă ng suấ t cao và gia cô ng đượ c cá c phô i lớn và rấ t lớn,
- nhờ kế t tinh lại nên khô ng có hoặc giả m đượ c biế n cứng, có thể khô ng phả i ủ đ ể thả i bền,
- nhờ lượ ng ép lớn, nhiệ t đ ộ ủ hợ p lý có thể cả i thiệ n đ ộ hạt (đ iều nà y rấ t quan trọ ng với loại hợ p kim có nhiều pha thứ hai cứng và giòn) bả o đ ả m cơ
tí nh tổng hợ p tốt. Để đ ạt yêu cầ u nà y thường tiế n hà nh biế n dạng liên tụ c ở nhiệ t đ ộ cao với lượ ng ép lớn, khô ng kế t thúc biế n dạng ở nhiệ t đ ộ cao hơ n Tktl0 nhiÒu.
Về nhượ c đ iể m
+ khó khống chế nhiệ t đ ộ đ ồ ng đ ều trên phô i, nhấ t là phô i mỏng hoặc lớn, do đ ó khó đ ạt đượ c đ ồ ng nhấ t về tổ chức và cơ tí nh,
+ khó khống chế chí nh xá c hì nh dạng, kí ch thước sả n phẩ m với đ ộ chí nh xá c cao do có sự gi∙n nở (khi nung) và co lại (khi nguội),
+ chấ t lượ ng bề mặt khô ng cao: đ ộ bó ng kém do vẩ y ô xyt, có thể có khuyế t tậ t (như với thép: ô xy hó a, thoá t cacbon).
Thô ng thường biế n dạng nguội có đ ặc tí nh ngượ c lại.
80
Hì nh 2.23. Tổ chức thớ của trục khuỷu theo các phương pháp chế tạo khác nhau: a. tạo phôi bằng dập nóng (tốt), b. cắt từ một thỏi thép nguyên (xấu).
Cả khi biế n dạng nguội lẫ n nó ng đ ều tạo nên thớ. Khi biế n dạng dẻ o cá c tạp chấ t (ô xyt, nitrit, sunfit...) bị bẹp, nhỏ vụ n ra, kéo dà i theo phươ ng biế n dạng tạo nên bề mặt phâ n cá ch giữ a cá c lớp hay gọ i là thớ. Điều nà y rõ rệ t hơ n khi biế n dạng nó ng. Do tạo thớ kim loại và hợ p kim có tí nh dị hướng mạnh (cơ
tí nh theo phươ ng dọ c thớ bao giờ cũng cao hơ n phươ ng cắt ngang). Khi thớ phâ n bố hợ p lý có thể tạo cho sả n phẩ m đ ộ bền cao. Nó i chung yêu cầ u thớ phâ n bố theo viền chu vi trong cá c phô i dậ p nó ng như bá nh ră ng, trụ c khuỷu.
Trên hì nh 2.23 trì nh bà y hai tổ chức thớ cho trụ c khuỷu bằ ng cá ch dậ p nó ng từ một thanh (hì nh a) và bằ ng cá ch cắt gọ t từ một phô i cá n lớn (hì nh b). Rõ rà ng là dậ p nó ng cho tạo thớ tốt hơ n.
(phụ lụ c: tổ chức hạt khi cá n nó ng)