Chương 6 cơ sở biến dạng tạo hình kim loại

bài giảng cơ sở biến dạng tạo hình kim loại thuộc môn học kỹ thuật chế tạo một tóm tắt ngắn gọn và chi tiết về cơ sở biến dạng kim loại , biến dạng tấm , biến dạng khối , các loại biến dạng đặc biệt , chi tiết chính xác dễ hiểu nhất

LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG

PHẦN 1.

CƠ SỞ LUYỆN KIM

KHÁI QUÁT VỀ BIẾN DẠNG DẺO

KHÁI NIỆM

Sự dịch chuyển trạng thái giữa các chất điểm, các phần

tử của vật thể rắn dưới tác dụng

Dẫn đến sự thay đổi về hình dạng,

kích thước của nó gọi là biến dạng

Ngoại lực

Nguyên nhân khác Nhiệt

độ

Tiêu chuẩn để phân loại là căn cứ vào những ứng suất có tác dụng chủ yếu đối với quá trình

Biến dạng uốn

PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG

Trạng thái dẻo

trong vật thể

biến dạng chủ

yêu được gây

nên bởi ứng suất

BIẾN DẠNG KÉO

Trạng thái dẻo

trong vật thể

biến dạng chủ

yếu được gây

nên bởi ứng suất

kéo một hoặc

nhiều chiều

Thuộc nhóm này có các phương pháp kéo giãn, dập phình, dập định hình

BIẾN DẠNG UỐN

Trạng thái dẻo

trong vật thể

biến dạng chủ

yếu được gây

nên bởi trọng tải

uốn

Thuộc nhóm này có các phương pháp uốn với dụng cụ chuyển động thẳng hoặc chuyển đọng quay.

NHỮNG PHƯƠNG PHÁP TRÊN ĐỀU CHỨA

6 KHU VỰC CẦN XEM XÉT SAU:

Ví D : S đ kéo ụ ơ ồ

Nghiên cứu vật liệu trong

trạng thái dẻo, xác định ứng

suất, biến dạng, tốc độ biến

dạng, dòng chảy kim loại, sự

phân bố nhiệt độ, các quá

trình tế vi xảy ra trong vật

liệu biến dạng.

Khu Vực 1

Vùng biến dạng

Khu Vực 2

G ồm những vấn đề thuộc về vật liệu phôi trước khi biến dạng.(thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể, tổ chức, các tính chất cơ học, chất lượng bề mặt của phôi…)

Vùng trước biến dạng

s n ph mả ẩ

Khu Vực 4

Là vùng ranh giới giữa vật thể biến dạng và dụng cụ biến dạng

Vùng ranh giới biến dạng

Khu Vực 6

Xảy ra những phản ứng bề mặt giữa vật thể biến dạng và

môi trường xung quanh

Ví dụ: oxy hóa tạo thành vẩy oxit trong biến dạng nóng, xâm nhập của chất khí khi biến dạng những kim loại đặc biệt

v.v…

Đ ng cong ng su t bi n d ng c a m t ườ ứ ấ ế ạ ủ ộ kim lo i không có vùng ch y rõ r t trong ạ ả ệ

Trong tất cả các phương pháp GCAL , quá trình biến dạng được thực hiện trong vùng đàn hồi – dẻo.

Ứng suất với lực kéo lớn nhất trong thí nghiệm kéo là giới hạn bền kéo :

Rm = Fmax / A0

= (lg / l0 ).100%

CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TỔ CHỨC KIM LOẠI

CƠ SỞ KIM LOẠI HỌC

Những kim loại và hợp kim được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật thường có cấu trúc tinh thể

thuộc một trong ba dạng.

Lập phương tâm khối

Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp

lập phương là các nguyên tử hoặc ion

dương kim loại.

Số phối trí = 12.

Số đơn vị cấu trúc:4

Bao gồm : -Fe (1184-1665K) Al,

Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Pb, Co (> 1393K)

MẠNG LẬP PHƯƠNG TÂM MẶT

MẠNG LẬP PHƯƠNG TÂM KHỐI

Bao gồm: -Fe (< 1184K), Nb, Mo, Ta,

W, Ti(> 1155  K), Zr (> 1125  K)Cr, V

Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ

sở Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình

thoi Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là

nguyên tử hay ion kim loại.

CHUYỂN BIẾN THÙ HÌNH

Một số kim loại có tồn tại dưới nhũng dạng mạng tinh thể khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ, trong đó mỗi dạng mạng chỉ ổn định trong một khoảng nhiệt độ nhất định

Chuyển biến từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác gọi là chuyển biến thù hình hoặc chuyển

biến pha

Chính các phương pháp nhiệt luyện

là dựa trên cơ sở của các chuyển biến pha để đạt được những tính

chất kỹ thuật cần thiết.

Đặc điểm

này gọi là tính thù hình của kim loại

BIẾN DẠNG DẺO TRONG KIM LOẠI

Quan sát sự biến dạng trong đơn tinh thể

ta thấy có hai cơ chế chủ yếu dẫn đến biến dạng dẻo, đó là trượt và đối tinh.

trượt

Khi mẫu đơn tinh thể bị kéo

ta thấy xuất hiện các bậc trên bề mặt của

mẫu

Trượt

Trượt đơn tinh thể dưới tải trọng kéo

Biến dạng dẻo của mạng tinh thể do trượt Trước biến dạng Sau biến dạng

Một mặt trượt cùng với một phương trượt nằm trên nó tạo thành một hệ trượt.

Mặt trượt và phương trượt là những mặt và phương có mật độ nguyên tử lớn nhất ( bởi lẽ lực liên kết giữa các nguyên tử trên mặt và phương đó là lớn nhất so với

những mặt và phương khác ).

Mặt: 4

Phương: 3

Hệ: 12

Mặt: 24 Phương: 1 Hệ: 24

Mặt: 12 Phương: 1 Hệ: 12

Ứng suất tiếp cần thiết để gây trượt không

lớn

Mức độ trượt bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử trên phương trượt.

SONG TINH ( ĐỐI TINH )

Song tinh trong mạng tinh thể

Khi ứng suất tiếp đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì một phần của mạng tinh thể sẽ xê dịch đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh

bị xê dịch

Khoảng xê dịch của nguyên tử tỉ

lệ thuận với khoảng cách giữa chúng tới mặt song tinh và có trị số nhỏ hơn so với khoảng cách các nguyên tử

Ứng suất cần thiết để tạo thành

cơ học thường lớn hơn ứng suất cần thiết để gây

ra trượt.

Khuyết tật đường (khuyết tật một chiều)

CÁC DẠNG KHUYẾT TẬT MẠNG

Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại bị rối loạn do sự xuất

hiện của các khuyết tật mạng, Căn cứ vào phạm vi không

gian ( kích thước ) của các khuyết tật ta chia thành 3 dang:

Các dạng lệch

LỆCH BIÊN

Nếu ta cắt mạng tinh thể hoàn chỉnh theo mặt phẳng ABCD rồi xê dịch phần trên đi một khoảng cách nguyên tử so với phần dưới theo phương của vector trượt b thì ta sẽ tạo nên một lệch biên.

LỆCH XOẮN

Nếu ta cắt mạng tinh thể hoàn chỉnh theo mặt phẳng ABCD rồi xê dịch phần nằm bên phải đi một khoảng cách nguyên tử so với phần nằm bên trái theo phương của vector trượt thì ta sẽ tạo nên một lệch xoắn.

Các khuyết tật điểm hóa

mạng

Khuyết tật điểm

Biên gới hạt Biên giới pha

Khuyết tật mặt

Khuyết tật sắp

xếp

Là ranh giới giữa các vùng tinh thể có định hướng khác nhau

trong vật liệu đa tinh thể

Biên Giới Hạt

Tùy thuộc vào mức độ

khác nhau về định

hướng của tinh thể ở về

hai phía của biên giới

hạt

biên gới góc lớn, định hướng khác nhau > 50

biên giới góc nhỏ, định hướng khác nhau < 50

Biên giới pha là ranh mặt ranh giới giữa những vùng có cấu trúc tinh thể khác nhau hoặc thành phần khác nhau và bởi vậy bề mặt tinh thể cũng được coi là biên giới pha (giữa pha rắn và pha khí).

Biên Giới Pha

Cấu trúc tinh thể của kim loại có thể xem như là kết quả của một sự sắp xếp chồng theo một thứ tự nhất định của các mặt nguyên tử.

Khuyết Tật Xếp

471 471

LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG

PHẦN 2.

ĐIỀU KIỆN DẺO VÀ PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

NHIỆT ĐỘ

NGUYÊN NHÂN KHÁC

Dẫn đến sự thay đổi hình dạng, kích

thước của vật thể => gọi là biến dạng

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG

BIẾN DẠNG NÉN

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng được gây nên bởi ứng suất nén một hoặc nhiều chiều

BIẾN DẠNG KÉO - NÉN

Tr ng thái d o trong v t th bi n d ng ạ ẻ ậ ể ế ạ

đ c gây nên b i ng su t ượ ở ứ ấ kéo, nén.

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG

BIẾN DẠNG KÉO

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG

Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng được gây nên bởi ứng suất kéo một hoặc nhiều chiều.

ĐIỀU KIỆN DẺO

 Điều kiện dẻo là điều kiện để kim loại quá độ từ

trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo

Điều kiện dẻo

ĐIỀU KIỆN DẺO

Giả thuyết vật liệu đẳng hướng

Tính chất vật lý của nó trên tất cả các phương đều như nhau nên hàm sẽ không phụ thuộc vào việc chọn hệ tọa độ.

ĐIỀU KIỆN DẺO

Vòng tròn Mohr ứng suất

 Độ lớn của ứng suất

tiếp chỉ phụ thuộc vào

hiệu của các ứng suất

chính:

f(σ1-σ2, σ2-σ3, σ1-σ3)

= const (đk)

ĐIỀU KIỆN DẺO

Vòng tròn Mohr ứng suất

Phát sinh biến dạng dẻo khi một

trong ba hàm sau đạt giá trị lớn

nhất:

Dạng hàm khác thỏa điều kiện:

=const

ĐIỀU KIỆN DẺO

Điều kiện dẻo Tresca-Saint-Venant

(Hay còn gọi là điều kiện dẻo ứng suất tiếp lớn nhất)

Trạng thái dẻo bắt đầu và được duy trì nếu một trong hiệu của

ĐIỀU KIỆN DẺO

Điều kiện dẻo Huber - Mises

(Điều kiện dẻo năng lượng biến dạng không đổi) Bất kỳ phần tử kim loại nào đều có thể

chuyển từ trạng thái biến đàn hồi sang trạng

thái biến dạng dẻo khi cường độ ứng suất đạt

đến 1 giá trị bằng giới hạn chảy

ĐIỀU KIỆN DẺO

Ý nghĩa vật lý của điều kiện

Trong những điều kiện biến dạng nhất định (nhiệt độ, tốc độ biến

dạng, mức độ biến dạng) nếu công

tiêng của biến dạng đàn hồi thay đổi

hình dạng đạt tới trị số thì:

- Vật liệu sẽ biến dạng dẻo

- Điều kiện của Huber-Mises là

điều kiện dẻo năng lượng

ĐIỀU KIỆN DẺO

Ý nghĩa hình học của điều kiện

Mặt trụ dẻo

Dựa vào điều kiện

dẻo của Huber –

Mises trong không

ĐIỀU KIỆN DẺO

Ý nghĩa hình học của điều kiện

Mặt trụ dẻo

 Cắt mặt phằng bằng một mặt phẳng vuông góc thì giao tuyến là một đường tròn mô tả trạng thái ứng suất của tất cả các điểm có cùng một tenxơ cầu

 Mặt trụ đó gọi là mặt trụ dẻo

 PN là tổng véctơ của các thành phần các tenxơ lệch ứng suất

ĐIỀU KIỆN DẺO

Ý nghĩa hình học của điều kiện

Mặt phẳng

Mặt dẻo biểu diễn trên mặt phẳng π

ĐIỀU KIỆN DẺO

Ý nghĩa hình học của điều kiện

Mặt elip

Elip dẻo

ĐIỀU KIỆN DẺO

Những biểu thức riêng của điều kiện dẻo

 Trạng thái ứng suất phẳng:

Trạng thái biến dạng phẳng:

 Trạng thái ứng suất đối xứng trục:

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Sơ đồ cơ học biến dạng

Là sự biểu diễn bằng hình vẽ các dạng của trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng trong một phân tố của vật thể biến dạng

Một số sơ đồ ứng suất và biến dạng

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Sơ đồ ứng suất

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

4 Sơ đồ tenxơ lệch ứng suất

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Sơ đồ biến dạng và những sơ đồ ứng suất ứng với nó.

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Nguyên lý đồng dạng

 Đồng dạng về mặt hình học giữa vật thể thực và mô hình.

 Hình dạng mặt công tác của công cụ biến dạng đối với vật thể thực

và đối với mô hình.

 Mức độ biến dạng trên mô hình và trên vật thể thực tại thời điểm

mà ta xét phải bằng nhau.

 Hệ số ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa công cụ biến dạng và kim loại phải bằng nhau.

 Vật thể thực và mô hình phải đồng dạng nhau về mặt vật lí.

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

 Ví dụ khi chọn mẫu hình trụ, khi kéo dây thì biến dạng nhỏ nhất bằng một nửa biến dạng lớn nhất.

 Trong một số trường hợp hợp mối tương quan này

có thể xác định dễ dàng dựa vào điều kiện thể tích không đổi

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Đ nh lu t th tích không đ i ị ậ ể ổ

Theo điều kiện thể tích không đổi ta có: h.b.l= h0.b0.l0

Thể tích của vật thể trước khi biến dạng bằng thể tích vật thể sau khi biến dạng

Gọi thể tích vật trước khi gia công là V0

Gọi thể tích vật sau khi gia công là V. 

Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước khi gia công là:

h0, b0, l0

Vật thể có chiều cao, rộng, dài sau khi gia công là:

h, b, l

Được xác định bằng góc đàn hồi, phụ thược vào mô đun

đàn hồi E của vật liệu và chiều dày của kim loại:

- Gia công nguội: kim loại dạng tấm sẽ chịu ảnh hưởng lớn

- Gia công nguội: kim loại dạng khối, ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi có thể bỏ qua

Thường có thể áp dụng khi thiết kế khuôn dập, vật dập phải kể đến lượng biến dạng dư do biến dạng đàn hồi gây ra.

7 Ma sát tiếp xúc khi biến dạng dẻo

a Đặc điểm và vai trò

 Hai loại ma sát: ma sát trượt và ma sát lăn

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Ma sát tiếp xúc khi biến dạng dẻo

 Đối với gia công kim loại bằng áp lực thì ma sát trượt

• Sự dịch chuyển của các chất điểm trên bề mặt tiếp xúc

• Khi biến dạng nóng thì trên bề mặt tiếp xúc còn có lớp oxit.

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Những nhân tố ảnh hưởng đến ma sát tiếp xúc

 Trạng thái bề mặt của công cụ biến dạng

 Tính dị hướng của ma sát trong biến dạng dẻo sẽ

làm cho hình dạng của vật thể biến dạng thay đổi

 Trạng thái bề mặt của vật thể biến dạng

 Trạng thái hóa lý của bề mặt tiếp xúc

 Nhiệt độ biến dạng

 Bôi trơn

 Tốc độ biến dạng

Ma sát tiếp xúc khi biến dạng dẻo

 Hậu quả

• Làm xuất hiện hoặc gia tăng thêm biến dạng không đồng đều.

• Làm tăng lực và công biến dạng cần thiết

• Làm giảm tuổi thọ công cụ biến dạng

• Đòi hỏi phải bôi trơn.

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

 Để xác định lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc người

ta thường dựa vào định luật ma sát khô của

Biến dạng không đổi đều và ứng suất phụ

Biến dạng không đổi đều

 Phần lớn khi gia công kim loại bằng áp lực thì trạng thái

ứng suất và biến dạng là không đồng đều nghĩa là chúng

khác nhau từ điểm này sang điểm khác.

 Khi biến dạng không đồng đều thì kích thước của các

lớp, các phần khác nhau của vật thể sẽ thay đổi khác nhau

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Ứng suất phụ

Có 3 loại ứng suất phụ:

 Ứng suất phụ loại 1 : là ứng suất phụ cân bằng lẫn

nhau giữa các lớp, các phần của vật thể.

 Ứng suất phụ loại 2 : là ứng suất phụ cân bằng lẫn

nhau giữa các tinh thể kim loại.

 Ứng suất phụ loại 3 : là ứng suất phụ cân bằng lẫn

nhau trong nội bộ hạt tinh thể ( giữa phần này với phần khác của hạt tinh thể ).

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

Ứng suất phụ xuất hiện trong vật thể biến dạng

 Vẫn lưu lại trong vật thể dưới dạng “ ứng suất dư “sau

khi đã dỡ bỏ tải trọng bên ngoài đi.

 Sẽ mất đi do có sự trượt phụ trong các lớp, các phần

của vật thể có xuất hiện ứng suất phụ.

 Sẽ mất đi do sự phá hủy của vật thể biến dạng thành

từng lớp, từng phần nghĩa là khi xảy ra những vết nứt thô đại và tế vi Trong trường hợp này vật thể trở thành phế phẩm

PHÂN TÍCH BIẾN DẠNG

 Làm tăng lực và công biến dạng cần thiết.

Hậu quả

 Làm giảm tính dẻo vì làm thay đổi sơ đồ

trạng thái ứng suất ( ứng suất cơ sở và ứng suất tổng hợp ).

 Làm thay đổi hình dạng của vật thể, thậm

chí có khi phá hủy.

 Gây nên ứng suất dư và sự không đồng

đều về tổ chức và tính chất của sản phẩm.

MA SÁT VÀ BÔI TRƠN

FRICTION AND LUBRICATION

PHẦN 3

GIỚI THIỆU

 Khi biến dạng dẻo, kim loại biến dạng luôn tiếp xúc với dụng cụ gia công Khiến một phần kim loại tại bề mặt tiếp xúc trượt trên bề mặt dụng cụ

Do đó, các điều kiện ma sát tại bề mặt khuôn và phôi ảnh hưởng lớn tới dòng chảy kim loại, hình thành các

khuyết tật trên bề mặt và bên trong của phôi

 Ma sát trong biến dạng dẻo khác so với biến dạng

ma sát cơ học Khi biến dạng dẻo, bề mặt dụng cụ

biến dạng đàn hồi, bề mặt kim loại biến dạng dẻo

 Trong điều kiện không ma sát, phôi biến dạng thống nhất và ứng suất tác dụng là ứng suất pháp(ứng suất đơn trục) σn là không đổi trên đường kính.

 Trong điều kiện thực tế, một số nơi có mức độ ứng suất do ma sát, τ tác động, sự biến dạng của phôi là không thống nhất, kết quả là ứng suất pháp σn tăng từ đường kính ngoài đến trọng tâm của phôi và lực khi chồn trong điều kiện có ma sát là lớn nhất

MA SÁT KHÔ  Bề mặt kim loại bao giờ cũng có các nhấp nhô

nhất định Nhưng do profin nhấp nhô không đồng đều Nên thực tế chúng không tiếp xúc 100%

XÁC ĐỊNH LỰC MA SÁT TRÊN BỀ MẶT TIẾP XÚC

F ms = μ.N = μ.Pcosα

Vật A chỉ chuyển động được khi: F ≥ F ms Psin α ≤ μ.Pcos α

 Điều kiện chuyển động của vật A: tan α ≥ μ

 Lực ma sát tiếp tuyến

 Định luật ứng suất ma sát trung bình

 Lực ma sát trung bình là lực ma sát tiếp tuyến tác dụng trên 1 đơn vị diện tích

Các yếu tố ảnh hưởng đến chức năng của dầu bôi trơn:

 Độ nhớt bôi trơn η

 Vận tốc trượt v

Áp suất bình thường p

 Không có chất bôi trơn tại các bề mặt phôi và khuôn và chỉ có lớp oxit trên bề mặt phôi và khuôn và hoạt động như một màng ngăn cách giữa phôi và khuôn

Trong trường hợp này ma sát rất lớn chỉ thích hợp với cán nóng thép tấm, đùn hợp kim nhôm không bôi trơn

Trong điều kiện khô (Under dry conditions)

 Được chi phối bởi các màng mỏng(thường là hữu cơ) chất hấp thụ hay bám chặt vào bề mặt kim loại, những màng này tạo ra một rào cản ngăn cách trong sự tiếp xúc khô

Bôi trơn màng mỏng (Boundary lubrication)

 Tồn tại khi xuất hiện một lớp dày mỡ bôi trơn/lớp sơn khô giữa bề mặt phôi và khuôn, trong điều kiện này điều kiện ma sát được điều chỉnh bởi độ bền cắt của lớp màng bôi trơn

Bôi trơn toàn phần (Full-film lubrication)

 Tồn tại khi có một lớp dày chất bôi trơn dạng lỏng suất hiện giữa

bề mặt phôi và khuôn, trong trường hợp này điều kiện ma sát được

điều chỉnh bởi độ nhớt của dầu bôi trơn và vận tốc tương đối giữa

phôi và khuôn, dọ nhớt của dầu bôi trơn giảm nhanh khi tăng nhiệt độ

Điều kiện thủy động lực( Hydrodynamic conditions)