Bài giảng Vật liệu học: Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Biến dạng dẻo và phá hủy; Các đặc trưng cơ tính; Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo
20-June-12
Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
2.1.1 Khái niệm
- Biến dạng: Sự thay đổi kích thước, hình dạng
của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng
- Biến dạng đàn hồi: Biến dạng mất đi khi bỏ tải
P < đh
- Biến dạng dẻo: Biến dạng còn tồn tại khi bỏ tải
P > đh
20-June-12
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
Độ dãn dài l
F đ h
a1
e
F a
a b c
F b
a2 0
Biểu đồ tải trọng – biến dạng
20-June-12
Trang 22.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
a) Ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân
bằng
b) Biến dạng dàn hối: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi hẹp
nhỏ hơn hằng số mạng, có thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải
c) Biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi lơn hơn
hằng số mạng (trượt), không thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải
d) Phả hủy: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời
20-June-12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Khái niệm: Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo
những mặt và phương nhất định được gọi là phương trượt và mặt trượt
Trượt trong đơn tinh thể Zn Hiện tượng trượt trong đơn
tinh thể
20-June-12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
a) Các mặt và phương trượt
Mặt trượt: Mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt
nguyên tử dày đặc nhất tại đó xảy ra hiện tượng trượt
Mặt dày đặc nhất?
Điều kiện:
- Liên kết giữa các nguyên tử bề vững nhất
- Khoảng cách giữa hai mặt là lớn nhất
Phương trượt: Phương có mật độ nguyên tử lớn nhất
Hệ trượt: sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt20-June-12
Trang 32.1.2 Trượt đơn tinh thể
Hệ trượt trong mạng A 1
Họ mặt trượt: {111}, số lượng: 4
Họ phương trượt <110>, số lượng: 3
Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12
20-June-12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Hệ trượt trong mạng A 2
Họ mặt trượt: {110}: 6
Họ phương trượt <111>: 2
Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12
20-June-12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Hệ trượt trong mạng A 3
Mặt xếp chặt nhất: {0001}: 1
Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 3
110
20-June-12
Trang 4Ti, Zn, Mg, Be
Fe, Cr, W, V
Fe, Ai, Cu, Au
Kim loại
3 12
12
Hệ trượt
(3)
<111> (2)
<110> (3)
Họ
phương
trượt
{0001} (1) {110} (6)
{111} (4)
Họ mặt
trượt
Kiểu mạng
11 0
20-June-12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
b) Ứng suất gây ra trượt
Định luật Schmid:
Phương trượt
s
t
s’
Mặt trượt
S0
ứng suất tác dụng
Diện tích mặt trượt: S=S0/cos
Ứng suất tiếp trên phương trượt:
= (F/S)cos = (F/S0)coscos
= 0 coscos
20-June-12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
b) Ứng suất gây ra trượt
Định luật Schmid:= 0 coscos th
Không xảy
ra trượt
Không xảy
ra trượt
Dễ xảy ra trượt
20-June-12
Trang 52.1.2 Trượt đơn tinh thể
c) Cơ chế trượt
Lý thuyết: th= G/2 Thực tế: th= G/(8.102 8.104)
G: mođun trượt
20-June-12
2.1.3 Trượt đa tinh thể
a) Đặc điểm
- Các hạt bị biến dạng không đều
- Có tính đẳng hướng
- Có độ bền cao hơn
- Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo
càng cao
Biểu thức Hall-Petch
ch = 0 + kd-1/2
ch : ứng suất chảy
d: kích thước hạt
0: ứng suất cho lệch chuyển động d
k: hằng số20-June-12
2.1.3 Trượt đa tinh thể
a) Tổ chức và tính chất sau biến dạng
Tổ chức:
- Các hạt có xu hướng dài ra theo phương biến dạng
- = 30-40%: các hạt sẽ bị
chia nhỏ và kéo dài theo thớ
- = 70-90%: các hạt bị quay,
các phương mạng cùng chỉ số
song song, tạo tổ chức textua
biến dạng
20-June-12
Trang 62.1.3 Trượt đa tinh thể
a) Tổ chức và tính chất sau biến dạng
Tính chất:
- Hạt tinh thể bị kéo dài theo phương biến dạng: có tính dị hướng
- Ứng suất lớn do xô lệch mạng tinh thể (tăng mật độ lệch)
- Cơ tính thay đổi: độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo, độ dai giảm Điện trở tăng,
khả năng chống ăn mòn giảm
20-June-12
2.1.4 Phá hủy
Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khắc phục
được thiệt hại về kinh tế, con người… cần phải
có biện pháp khắc phục
Đặc điểm chung: hình thành các vết nứt tế viphát
triển vết nứt tách rời phá huỷ
20-June-12
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
- Phá hủy dẻo: kèm theo biến dạng dẻo đáng kể
+ phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng công
phá hủy lớn
- Phá hủy giòn: kèm theo biến dạng không đáng kể
+ phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ
công phá hủy nhỏ hơn
Phá hủy dẻo Phá hủy giòn
20-June-12
Trang 72.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
Phá hủy giòn hay dẻo
- Bản chất của VL: Al, thép…phá hủy dẻo; gang, ceramic
phá hủy giòn
- Nhiệt độ thấp, tốc độ đặt tải nhanh: vl dẻo bị phá hủy giòn
- Kết cấu gây tập trung ứng suất: vl dẻo bị phá hủy giòn
Chú ý: vết phá hủy có thể cắt ngang các hạt hay
theo biên giới hạt
20-June-12
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
Cơ chế phá hủy
1 Xuất hiện các vết nứt tế vi
2 Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn
3 Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn hơn giá trị tới hạn
4 Các vết nứt tế vi phát triển nhanh
5 Phá huỷ vật liệu
20-June-12
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
Vết nứt tế vi - mầm phá hủy VL:
nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một
mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai, biên
hạt…)
20-June-12
Trang 82.1.4 Phá hủy
b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ
Đặc điểm:
- Vật liệu chịu tải trọng không lớn (<< [b], [ch]), thay đổi
theo chu kỳ bị phá hủy sau thời gian tương đối dài (105–
106chu kỳ) (phá hủy mỏi)
- Chi tiết thường gặp: cầu, trục, bánh răng, nhíp, lò xo…
Cơ chế phá hủy:
- Hình thành vết nứt trên bề mặt (vết nứt sẵn có trong quá
trình chế tạo: lõm co, vết xước…)
- Tác dụng ứng suất kéo lớn nhất phát triển vết nứt gây
phá hủy
Tăng độ bóng bề mặt, tạo ứng suất dư nén ở bề mặt
20-June-12
2.1.4 Phá hủy
b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ
Mặt gẫy khi phá hủy mỏi:
Bề mặt phá hủy mỏi được chia làm 3 vùng:
Vùng 1: rất mỏng (vùng của các vết nứt tế vi)
Vùng 2: các vết nứt phát triển chậm Bề mằt phẳng nhưng có
các lớp và dải phân cách
Vùng 3: tiết diện nhỏ, bằng phẳng, phá huỷ tức thời
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
Cơ tính: các đặc trưng cơ học cho biết khả năng
chịu tải của vật liệu trong các điều kiện tương ứng
+ Cơ sở của các tính toán sức bền, khả năng sử
dụng vật liệu vào mục đích nhất định
+ Được xác định trên các mẫu chuẩn nhỏ
- Các chỉ tiêu cơ tính thông dụng: Độ bền, độ dẻo, độ
dai va đập, độ dai phá hủy
20-June-12
Trang 92.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
- Phương pháp thử kéo, nén, uốn
- Đơn vị
1kG/mm 2 10MPa, 1MPa 0,1 kG/mm 2 , 1MPa 0,145 ksi,
1ksi 0,703kG/mm 2 , 1kG/mm 2 1,45 ksi, 1ksi 6,9MPa.
MPa S
F
] [
- Giới hạn đàn hồi: đh
- Giới hạn đàn hồi quy ước: 0,01 , 0,05
- Giới hạn chảy vật lý: ch
- Giới hạn chảy quy ước: 0,2
- Giới hạn bền: b
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
a) Giới hạn đàn hồi: đh
Là ứng suất lớn nhất, sau khi bỏ tải không làm mẫu bị
thay đổi hình dạng và kích thước
MPa
S
F đh
]
[
0
b) Giới hạn đàn hồi quy ước ( 0,01 , 0,05 ):
c) Giới hạn chảy vật lý ch :
Là ứng suất nhỏ nhất gây ra biến dạng dẻo
d) Giới hạn chảy quy ước: 0,2
Fđh: lực kéo lớn nhất không gây biến dạng sau khi bỏ tải (N)
S0: tiết diện mẫu thử (mm 2 )
MPa S
F
] [
0 05 , 0 05 ,
0
MPa S
F
] [
0 2 , 0 2 ,
0
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
d) Giới hạn bền: b
Là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây biến dạng cục
bộ dẫn đến phá hủy mẫu
MPa
S
F
0
0
F0: lực kéo lớn nhất trên giản đồ thử kéo (N)
S0: tiết diện mẫu thử (mm 2 )
e) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền
1 Độ bền lý thuyết
2 Độ bền của đơn tinh thể
3 Các kim loại nguyên chất sau ủ
4 Kim loại sau biến dạng, hóa bền…
20-June-12
Trang 102.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
f) Các biện pháp nâng cao độ bền
- Nguyên lý: hạn chế chuyển động của lệch
- Để tăng bền:
+ Giảm mật độ lệch < 10 8
+ Tăng mật độ lệch > 10 8 (biến dạng dẻo – nhiệt luyện)
Có 5 biện pháp hóa bền
1 Biến dạng dẻo: tăng mật độ lệch biến cứng, tăng bền
2 Hợp kim hóa: tăng xô lệch mạng, mật độ lệch tăng bền
3 Làm nhỏ hạt: tăng bền, dẻo, dai
4 Nhiệt luyện – Hóa nhiệt luyện
5 Tiết pha phân tán: tạo ra các pha thứ 2 phân tán nhỏ mịn là các chốt cản trở chuyển
động của lệch tăng độ bền, độ cứng
VD: Đura: AlCu4,5Mg1,2: b= 400-800MPa
VD: Thép: b = 120-150MPa
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.2 Độ dẻo (%, %)
K/n: là tập các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư
của vật liệu bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng tĩnh
Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo
Các chỉ tiêu: Độ dãn dài tương đối và độ co thắt tương đôi:
% 100
%
0
0
1
l
l l
0 1 0
S S S
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.2 Độ dẻo (%, %)
Tính siêu dẻo: = (100-1000)% gọi là vật liệu siêu dẻo
Ưu điểm của vật liệu siêu dẻo:
- Dễ chế tạo các sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều, phức tạp
- Tiết kiệm năng lượng
Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo:
- Nhiệt độ: T tăng, tăng
- Tốc độ biến dạng tăng, giảm
- Độ hạt: d giảm, tăng
- Kiểu mạng tinh thể: A1> A2> A3
20-June-12
Trang 112.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ dai đập (a k )
K/n: khả năng chống phá hủy của vật liệu dưới tác dụng
của tải trọng động
a k : Công phá hủy trên một tiết diện mẫu ak= Ak/S [Nm/mm2]
[kJ/mm2], kGm/cm2]
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ dai va đập (a k )
Phạm vi ứng dụng:
- Chi tiết chịu va đập: ak> 200kJ/m2
- Chi tiết chịu va đập cao: ak> 1000kJ/m2
- Mối tương quan giữa akvà (0,2):
ak~ ch(0,2) x
Các biện pháp nâng cao độ dai:
- Làm nhỏ mịn hạt: tăng bền, dẻo tăng độ dai
- Hóa bền bề mặt
- Hình dạng tròn đa cạnh có độ dai cao hơn so với dạng
tấm, kim
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
K/n: Khả năng vật liệu chống lại biến
dạng dẻo cục bộ dưới tác dụng của
tải trọng thông qua mũi đâm
Đặc điểm:
- Chỉ biểu thị tính chất bề mặt của vật
liệu (VL không đồng nhất)
- Biểu thị khả năng chống ăn mòn của
vật liệu
- Khi vật liệu đồng nhất (phôi ủ): biểu
thị khả năng gia công của vật liệu
- Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy
mẫu, đơn giản, nhanh chóng
20-June-12
Trang 122.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
Nguyên lý xác định độ cứng:
Ép tải trọng lên mẫu thông qua mỗi
đâm bằng vật liệu cứng tạo vết lõm
trên bề mặt mẫu, vết lõm càng lớn, độ
cứng càng thấp
Phân loại:
- Độ cứng tế vi, dùng tải trọng nhỏ, mũi
đâm bé xác định độ cứng các hạt, pha
trong tổ chức của vật liệu
- Độ cứng thô đại, tải trọng và mũi đâm
lớn phản ánh khả năng chống biến
dạng dẻo của nhiều hạt, nhiều pha
xác định độ cứng chung của vật liệu
- Kí hiệu H (Hardness)
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
Phân loại:
a) Độ cứng Brinell (HB): mũi đâm bi thép
) (
2
2 2
d D
D
D
P
F
P
HB
Thép và gang: D = 10mm, p = 30D 2 = 3000N, t = 15s
Ưu điểm:
Quan hệ bậc nhất với b= a.HB (a = 0,3 – 0,5)
Nhược điểm, phạm vi ứng dụng:
- Mẫu đo phẳng
- Chỉ đo vật liệu có độ cứng thấp: thép ủ, thường
hóa, vật liệu kim loại màu
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
Phân loại:
b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC):
- Mũi đâm kim cương hình chóp (HRA, HRC), 120 0
- Mũi đâm bi thép D = 1,58mm (HRB)
- P = f + F
- f = 10kG (F = 50: HRB, F = 90: HRA, F = 140 HRC)
f
h
HR = k-(h/0,002) (không thứ nguyên)
20-June-12
Trang 132.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
Phân loại:
b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC):
Ưu điểm:
- Đo vật liệu từ tương đối mềm và cứng
- Kết quả đo hiển thị ngay trên máy
- Thời gian đo nhanh
- Đo trực tiếp trên sản phẩm
Phạm vi ứng dụng:
HRC: thép sau tôi, tôi + ram, thấm C HRA: lớp thấm mỏng: thấm C, C + N HRB: Thép ủ, thường hóa, gang đúc
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
Phân loại:
c) Độ cứng Vickers HV:
- Mũi đâm kim cương hình tháp, 136 0
- Tải trọng nhỏ (1-100kG), điều kiện chuẩn 30kG, t = 10-15
2
854 , 1
d
P
HV
Ưu điểm:
- Đo được độ cứng cho mọi loại vật liệu, mẫu mỏng
- Kết quả đo không phụ thuộc vào tải trọng
Nhược điểm:
- Thiết bị đắt tiền
- Xử lý mẫu phức tạp không tiện lợi bằng phương
pháp đo Rockwell
20-June-12
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.4 Độ cứng
Chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng:
-Các mức độ cứng của thép
- Mềm: HB< 150
- Trung bình: HB ~ 300-400
- Cao HRC ~ 60-65
- Thấp: HB ~ 200
- Tương đối cao: HRC ~ 50-58
- Rất cao HRC > 65 20-June-12
Trang 142.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.1 Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo
- Sau biến dạng dẻo hạt bị kéo dài thep phương biến dạng,
có tổ chức thớ (biến dạng lớn có tổ chức textua)
- Xô lệch mạng lớn, mật độ lệch cao
- Tồn tại ứng suất dư trong
Kim loại bị hóa bền biến cứng (TT không cân bằng):
b, ch, đh, HB tăng; , ak giảm
Tại sao cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo
- Để tiếp tục biến dạng dẻo
- Để có thể gia công cắt gọt dễ dàng
- Khử bỏ ứng suất tránh phá hủy giòn
20-June-12
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng
a) Hồi phục:
- T < Tktl(0,1-0,2)Tnc
- Giảm sai lệch mạng
- Giảm mật độ lệch
- Tổ chức tế vi chưa biến đổi
Cơ tính chưa thay đổi
b) Kết tinh lại:
- T > Tktl(aTnc) (a = 0,3-0,8)
- Hình thành hạt theo cơ chế
sinh mầm và phát triển mầm
- Biến dạng dẻo mạnh, số lượng
tâm mầm nhiều, hạt nhỏ mịn
- Tổ chức hạt đa cạnh, đẳng trục
Dẻo tăng, bền, cứng giảm
20-June-12
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng
c) Kết tinh lại lần hai:
- Nhiệt độ cao, thời gian giữ nhiệt dài
Quá trình sát nhập hạt: hạt lớn “nuốt hạt bé”
- Phát triển hạt là tự nhiên, giảm tổng biên giới hạt nên làm
giảm năng lượng dự trữ
Kết tinh lần hai làm xấu cơ tính
20-June-12
Trang 152.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.3 Biến dạng nóng – Biến dạng nguội
- Biến dạng nguội: T < Tktl
+ Không có quá trình kết tinh lại
+ Hóa bền
- Biến dạng nóng: T > Tktl [(0,7-0,75)Tnc]
+ Hóa bền do biến dạng
+ Kết tinh lại, mất xô lệch mạng gây ra thải bền,
giảm độ cứng
20-June-12