Giáo trình vật liệu kỹ thuật ppsx

Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo cá

Giáo trình vật liệu kỹ thuật

MỤC LỤC

Chương 1 3 TỔNG QUAN 3Giới hạn bền được tính theo công thức: 9

Chương 1

TỔNG QUAN1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU.

1.1.1 Khái niệm chung

Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo

ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong xây dựng các công trình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận cơ thể con người hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v

Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa thành phần, cấu tạo và tính chất

của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ

Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơ bản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đường thực nghiệm Việc đưa ra những phương pháp thực nghiệm mới để nghiên cứu cấu tạo (cấu trúc) và các tính chất cơ, lý của vật liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển

Nghiên cứu các tính chất vật lý như mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v… hay cơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đàn hồi, hoặc tính công nghệ như độ chảy loãng, khả năng gia công cắt gọt, và các tính năng làm việc như tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế

Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển và sử dụng vật liệu, trên

cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và sử dụng vật liệu

1.1.2 Phân loại vật liệu

Dựa theo các tính chất đặc trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme Tuy nhiên những năm gần đây

đã xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ tư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít

1.1.2.1 Vật liệu kim loại.

Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác

Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép)

Có độ bền cơ học, nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật

Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao và liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do

Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định hình Vật liệu kim loại

− Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên

tố sắt Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang

− Kim loại và hợp kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt Thí dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng Nhóm này còn có tên gọi là kim loại và hợp kim màu

1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc.

Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô cơ - ceramíc chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, và các phi kim dưới dạng các ôxýt, cácbít, hay nitrít, với liên kết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự như trạng thái thủy tinh hay

vô định hình

Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa là "vật nung" nên

khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thiêu kết

Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông

Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí như nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử và hàng không vũ trụ

1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme.

Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn

- Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém

- Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp

- Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển

Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có thể chứa thêm ôxy, clo, nitơ,

liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích thước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái

tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình Tuy nhiên chúng có thể có cấu trúc hỗn

hợp vừa tinh thể vừa vô định hình

Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra phần lớn vật liệu hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp, chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đơn (monome) và do đó

tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE),

polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v.

1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit.

Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần Ví dụ: bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt

Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại, v.v… là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp-compozít với những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung Một số vật liệu kết hợp - compozít được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh

độ bền cao và sợi các bon

Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa được nêu trên còn có các nhóm vật liệu khác có tính năng và thành phần rất riêng biệt như:

- Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn)

- Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU.

Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của loài người, có thể chia ra làm 3 giai đoạn lớn sau:

1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài người.

Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng công cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu

có sẵn trong tự nhiên như :

− Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v.

− Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v.

− Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v.

Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguyên thủy, không qua chế biến Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng các cắt, mài, đập hay nghiền v.v Tại thời

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng.

1 Bán dẫn; 2 Siêu dẫn; 3 Silicon; 4 Polyme dẫn điện.

kỳ này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách phơi khô đất sét ngoài nắng.

1.2.2.Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm.

Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa là sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc và mò mẫm, con người thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu Có thể kể ra đây vài ví dụ:

Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo

ra những công cụ lao động và vũ khí Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, mà người ta phát hiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta

Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép và sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép Kỹ thuật này đạt được

đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syrie) cho đến ngày

nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ Các nhà khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh

đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII trước Công nguyên

đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như mũ sắt, lưỡi cưa và các công cụ rèn v.v

Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần như nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị Những lò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3.000 năm trước Công nguyên

Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy hơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa và đường sắt v.v Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những là niềm tự hào và là biều tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới

Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã

có những bước tiến rất sớm Từ thế kỷ XV trước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan

đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng

đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa v.v

1.2.3.Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học.

Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành các tính chất khác nhau của chúng Chính nhờ những kiến thức khoa học đó mà con người đã đánh giá được định tính chiều hướng phát triển của vật liệu và định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn

Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu:

− Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có tên Ðuara (duaralumin) xuất

hiện nhờ quá trình hóa già biến cứng

−Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp

−Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện và tạo lớp chuyển tiếp

−Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời như thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu

độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít.

−Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình

−Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v…

Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu

Các sự kiện nổi bật:

 Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?

 Luyện thép ở quy mô CN → TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn

 Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời

 Sử dụng vi tính →máy tính → công nghệ cao với nền kinh tế tri thức →?

 Cơ khí (vật liệu kim loại) → máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)

 Đèn điện tử → máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)

 Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz → 200MHz (P) → (330 - 400)MHz (PII) →

(400 -700)MHz (PIII), PIV → 1GHz, ?

 Máy hút bụi: gỗ (hộp)→ kim loại (trụ) → polyme (cầu) công suất gấp 10, kích

thước 1/3

Xu hướng phát triển của vật liệu :

Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại

1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại

Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại→ giảm nhưng vẫn quan trọng nhất.

Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế trong tương lai

Hình 1.1 Phân bố vật liệu

1.3 NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU

1.2.1 Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu

Vật liệu nói chung và vật liệu dùng trong cơ khí nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các kết cấu công trình và tạo nên các sản phẩm cho cuộc sống v.v

Tuy nhiên khi chế tạo và sử dụng, chúng ta cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn vật liệu thích hợp, bảo đảm chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm

Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu như sau:

Ðể bảo đảm một sản phẩm cơ khí có thể sử dụng được (tức làm việc được trong thực tế) thì vật liệu chế tạo ra nó phải có cơ tính, lý tính, hóa tính v.v sao cho sản phẩm sử dụng được bền lâu với độ tin cậy trong thời gian dự kiến

Tính công nghệ của vật liệu được hiểu là khả năng có thể gia công vật liệu bằng các

phương pháp khác nhau như đúc, hàn, rèn, nhiệt luyện v.v để tạo ra sản phẩm có chất lượng phù hợp với yêu cầu sử dụng

Tính kinh tế là yêu cầu tất yếu của sản phẩm, nó đòi hỏi vật liệu chế tạo ra nó phải cho

giá thành thấp nhất trong khi các yêu cầu về công nghệ và sử dụng được thỏa mãn

1.2.2 Những tính chất cơ bản của vật liệu

Trong khuôn khổ của môn học, cuốn sách này chỉ đề cập đến hai yêu cầu cơ bản ban đầu với những tính chất cơ học, tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính công nghệ đồng thời sơ lược về độ tin cậy và tuổi thọ của vật liệu

1.2.2.1 Tính chất cơ học.

Tính chất cơ học (hay còn được gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc trưng cơ học

biểu thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng

Các đặc trưng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ bền mỏi và tính chống mài mòn

a Ðộ bền.

Ðộ bền là khả năng cơ học của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy

và được ký hiệu bằng σ (xích ma) Ðơn vị đo độ bền được tính bằng N/mm2, kN/m2, hay MPa

Nhóm các đặc trưng cho độ bền bao gồm:

 Giới hạn đàn hồi σdh (còn được ký hiệu là Re)

Giới hạn đàn hồi là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu đo mà sau khi bỏ nó đi mẫu

không bị biến dạng dẻo hoặc chỉ bị biến dạng dẻo rất nhỏù (độ biến dạng dư vào khoảng 0,001 – 0,005% so với chiều dài ban đầu của mẫu)

Giới hạn đàn hồi được tính theo công thức:

Trong giai đoạn đàn hồi, nếu là đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng

ε tuân theo định luật Hook, và nó có thể biểu diễn dưới dạng công thức đơn giản

σ = E ε, (MPa).

Với E (N/m2) là mô đun đàn hồi khi kéo, nén

Người ta qui định gọi σ0,002 là giới hạn đàn hồi qui ước.

 Giới hạn chảy σc (còn được ký hiệu là R0,2 ).

Giới hạn chảy là ứng suất tại đó vật liệu bị "chảy", tức tiếp tục bị biến dạng với ứng suất

Với Pc (N) là lực tác dụng bắt đầu biến dạng dẻo

F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu

Thực tế rất khó xác định giá trị Pc ứng với lúc vật liệu bắt đầu chảy, cho nên khi vật liệu

có tính dẻo kém, không có thềm chảy rõ, người ta thường qui ước tải trọng ứng với khi mẫu bị

biến dạng 0,2% là tải trọng chảy, vì thế giá trị

0

2 , 0 2 , 0

F

P

=

σ được gọi là giới hạn chảy qui ước.

 Giới hạn bền σb (còn được ký hiệu là Rm)

Giới hạn bền là ứng suất ứng với tải trọng tác dụng lớn nhất Pb hay Pmax làm cho thanh

vật liệu bị đứt Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 197-85 giới hạn bền còn được gọi là giá trị

Trong hệ SI giới hạn bền được đo bằng N/mm2 Giới hạn bền càng lớn, khả năng chịu tải

mà không gây phá hủy của kết cấu càng lớn

Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các độ bền như độ bền kéo σk, độ bền uốn σu và độ bền nén σn v.v

b Ðộ dẻo:

Ðộ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị

phá hủy Ðộ dẻo được xác định bằng độ giãn dài tương đối δ (%) và độ thắt tỉ đối ψ (%)

Ðộ giãn dài tương đối là tỉ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài tuyệt đối của mẫu

sau khi đứt với chiều dài ban đầu

Ðộ giãn dài tương đối được tính theo công thức:

%100

Với: l0 (mm) và l1 (mm) là độ dài của mẫu trước và sau khi kéo

 Ðộ thắt tương đối hay độ thắt tỉ đối ψ (%)

Ðộ thắt tỉ đối cũng là tỉ số tính theo phần trăm giữa độ thắt tuyệt đối của mẫu sau khi đứt

với diện tích mặt cắt ngang ban đầu Ðộ thắt tỉ đối được tính theo công thức:

F

∆

=

ψ

Trong đó ∆F = F0 – F1 với F0 và F1 là tiết điện của mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn

vị đo (mm2) Vật liệu có độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại

Có nhiều phương pháp thử để xác định độ bền và độ dẻo của vật liệu nhưng thông dụng nhất là thử kéo

Nội dung của phương pháp này là dùng máy kéo

nén vạn năng (hình 1.2) để kéo mẫu thử được làm theo

tiêu chuẩn đến khi mẫu bị đứt

Quá trình tăng tải sẽ gây ra biến dạng mẫu một

lượng ∆l

Mối quan hệ giữa lực P và lượng biến dạng tuyệt

đối ∆l hoặc ứng suất σ và biến dạng tương đối ε được

ghi lại trên giản đồ kéo

Mẫu thử kéo được chọn theo những qui định riêng

và có hình dạng, kích thước theo tiêu chuẩn

Thử kéo là phương pháp tác động từ từ lên mẫu

một tải trọng kéo cho đến khi mẫu đứt rời Hình 1.2

giới thiệu một loại máy thử kéo, nén vạn năng

c Ðộ cứng

Ðộ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác

dụng thông qua vật nén Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đo càng kém Ðo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết

Ðộ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng đều dùng tải trọng ấn viên

bi bằng thép nhiệt luyện cứng hoặc mũi côn kim cương hoặc mũi chóp kim cương lên bề mặt

của vật liệu cần thử, rồi xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đo Thường dùng

các loại độ cứng Brinen (HB), độ cứng Rockwell (HRC, HRB và HRA), và độ cứng Vícke

(HV)

Ðộ cứng Brinen được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.3) Ðơn vị đo độ cứng

Brinen HB là kG/mm2 hoặc đổi ra MPa

Tùy theo chiều dày của mẫu thử chúng ta chọn đường kính của viên bi là D = 10 mm, D

= 5 mm hoặc D = 0,25 mm, đồng thời tùy thuộc vào tính chất của vật liệu chúng ta chọn tải trọng P cho thích hợp

− Ðối với thép và gang thì P = 30D2

− Ðối với đồng và hợp kim đồng P = 10D2

− Ðối với nhôm, babít và hợp kim mềm khác P = 2,5D2

Hình 1.2 Máy thử kéo nén vạn năng.

Thí dụ:

Khi thử thép dùng bi có đường kính D = 10 mm ta chọn tải trọng P = 30D2 = 300 kG

Ðộ cứng Brinen được tính theo công thức:

F

P

HB = Trong đó F là diện tích mặt cầu của vết lõm và được tính:

2 2 2

2

.2

d D D D

11

2

D d D

P

Với D (mm) là đường kính viên bi và d (mm) là đường kính vết lõm

Ðộ cứng HB của vật liệu được kiểm tra không lớn hơn 450 (kG/mm2)

Ðộ cứng Rockwell được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính 1,587mm tương đương 1/16" (thang B) hoặc mũi côn bằng kim

cương có góc ở đỉnh 1200 (thang A hoặc C) lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.4).

Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng, còn mũi côn kim cương dùng để thử các vật liệu có độ cứng cao như thép đã nhiệt luyện Khi đo độ cứng Rockwell bao giờ tải trọng P cũng tác động hai lần:

Lần đầu là tải trọng sơ bộ với P0 = 10 kG, chiều sâu vết lõm tính từ đây Sau đến tải

trọng chính P (tải trọng chính P phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu theo bảng).

0 1 2 3 4 5 6 7

Hình 1.3 Sơ đồ đo độ cứng Brinen

(a) và sơ đồ đo đường kính vết lõm bằng kính lúp có thước mẫu (b).

Trong khi thử, số đo độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ Số đo độ cứng Rockwell được biểu thị bằng đơn vị qui ước (không có thứ nguyên) Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, nhưng trong thực tế dùng nhiều nhất là thang B (HRB), thang A (HRA) và thang C (HRC).

Thang HRB dùng bi thép với P = 100 kG áp dụng cho các vật liệu mềm và cứng vừa như gang, thép sau khi ủ, hợp kim đồng nhôm Thang HRC dùng mũi kim cương với P = 150 kG

áp dụng cho các vật liệu có độ cứng trung bình và cao như gang, thép sau khi tôi và ram

Thang HRA dùng mũi kim cương với P = 60 kG áp dụng cho các vật liệu rất cứng như hợp

− Tải trọng tác dụng nhỏ từ 1 đến 100 kG, trong đó mức 30 kG với thời gian giữ tải trọng

10 đến 15 giây được coi là điều kiện tiêu chuẩn

− Khi ấn mũi hình tháp, tỉ lệ giữa các đường chéo vết lõm nhận được khi thay đồi tải trọng luôn luôn không đổi nên cho phép tăng hay giảm tải trọng tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu

Ðộ cứng Vicke được dùng để đo độ cứng của các vật liệu từ rất mềm đến rất cứng với lớp cần đo rất mỏng có thể tới 0,04 đến 0,06mm của bề mặt sau khi thấm than, thấm nitơ và nhiệt luyện

Ðộ cứng Vicke được ký hiệu là HV đơn vị kG/mm2 và được xác định theo công thức:

Trong đó: P (kG) là tải trọng d (mm) là đường chéo của vết lõm

Lưu ý: Ðộ cứng ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết vắn tắt bằng HV

và số đo mà không cần ghi thứ nguyên Thí dụ: HV300.

Hình 1.4 Vị trí tương đối giữa

mũi đâm và mẫu đo ở các thời điểm đo:

00: lúc chưa đo;

11: tải trọng sơ bộ P 0 22: thêm tải trọng chính P 1 ; 33: P 1

Hình 1.5 Mũi đâm

hình tháp (a) và vết lõm (b) khi đo độ cứng bằng phương pháp Vicke

HV =

Ðộ cứng ở điều kiện phi tiêu chuẩn thì phải ghi thêm các điều kiện HV10/ 30300 được hiểu là

độ cứng HV được đo bằng tải trọng 10 kG với thời gian giữ tải trọng 30 giây là 300 kG/mm2

Ðộ cứng Vicke được dùng cả trong độ cứng tế vi

d Ðộ dai va chạm.

Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay tải trọng va đập) Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đột ngột hay va đập đó mà

không bị phá hủy được gọi là độ dai va đập (hay độ dai va chạm) Muốn thử va đập cần phải

có mẫu thử được lựa chọn theo những qui định riêng như ngang hay dọc thớ, vị trí nào trên sản phẩm và có hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn

Nhìn chung các nước đều qui định mẫu thử là thanh có tiết diện hình vuông 10 x 10 (mm) và có chiều dài 55 mm hoặc 75 mm Chúng khác nhau chủ yếu ở hình dạng và kích thước của vết khía trên mẫu, nơi tập trung ứng suất để phá hủy dòn

Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến hai phương pháp thử va đập và kèm theo đó là hai dạng mẩu thử:

− Loại Charpy (có chiều dài 55 mm)

− Loại Izod (có chiều dài 75 mm).

TCVN 312 - 69 qui định một mẫu chính và bốn mẫu phụ Sơ đồ thử va đập được mô tả

trên hình 1.6

Búa với khối lượng P được thả rơi tự do từ độ cao h, đập vào mẫu rồi làm vỡ nó, vì thế

chỉ trở

về tới độ cao h' < h Năng lượng va đập dùng để phá hủy mẫu được ký hiệu là AK và được xác định theo công thức:

Hình1.6 Sơ đồ thử va đập:

a Cách gá mẫu Izod; b Cách gá mẫu Charpy; c Sơ đồ thiết bị và quá trình thử.

Năng lượng (phá hủy do) va đập AK được tính theo đơn vị công, trước đây theo kG.m, theo hệ quốc tế SI được đo bằng Jun (J) với 1J = 1N.m.

Trong các qui định của TCVN và một số nước độ dai va đập được ký hiệu là a k Nó là công cần thiết để phá hủy một đơn vị diện tích, mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh và được xác định theo công thức:

với đơn vị đo là J/mm2 hay kJ/m2

.

Trong đó AK (J hay kJ) là năng lượng va đập

F (mm2) là diện tích mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh

e Ðộ bền mỏi.

Khi chi tiết máy làm việc trong điều kiện tải trọng biến đổi theo thời gian, có qui luật và được lặp đi lặp lại theo chu kỳ nhiều lần thường xảy ra phá hủy với ứng suất thấp hơn giới

hạn bền kéo tĩnh Hiện tượng này được gọi là hiện tượng mỏi Nguyên nhân của mỏi là do có

sự tích lũy dần các khuyết tật mạng dẫn đến hình thành các vết nứt tế vi, rồi các vết nứt này phát triển tạo nên sự phá hủy

Khả năng chống lại hiện tượng mỏi của vật liệu được gọi là độ bền mỏi Trong phá hủy mỏi người ta quan tâm đến hai chỉ tiêu quan trọng là độ bền mỏi và tuổi thọ chu kỳ.

Ðộ bền mỏi là ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đựng được một số chu trình làm

việc bất kỳ mà không bị phá hủy và nó được ký hiệu là σ-1 Còn số chu kỳ tối thiểu mà vật liệu chịu đựng được trước khi xuất hiện vết nứt mỏi có kích thước đủ lớn dẫn đến phá hủy

được gọi là tuổi thọ chu kỳ và được ký hiệu là N G

Tuổithọ chu kỳ có thể là vô hạn khi σMax lớn hơn σ-1 Ðối với thép NG = 106 ÷ 107 còn hợp kim nhôm thì NG = 106 (xem thêm chương 5 phần phá hủy mỏi).

f Tính chống mài mòn.

Mài mòn là quá trình phá hủy dần lớp bề mặt chi tiết của vật liệu bằng cách tách các hạt

khỏi bề mặt do tác dụng của ma sát Người ta xác định sự mài mòn theo sự thay đổi kích thước hoặc khối lượng của vật liệu

Khả năng của vật liệu chống lại sự mài mòn trong những điều kiện ma sát nhất định của

vật liệu được gọi là tính chống mài mòn của vật liệu

Ðể đánh giá mức độ mòn, người ta thường dùng:

− Tốc độ mài mòn V h là tỉ số giữa lượng mài mòn và thời gian mài mòn

− Cường độ mài mòn j h là nghịch đảo của tốc độ mòn

Giá trị vận tốc mài mòn càng nhỏ thì tuổi thọ làm việc của vật liệu càng cao

1.2.2.2 Tính chất vật lý

Tính chất vật lý hay còn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất của vật liệu thể

hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của chúng không bị thay đổi

Lý tính cơ bản của vật liệu gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính chất nhiệt, tính chất điện và từ tính

1 Khối lượng riêng.

Khối lượng riêng là khối lượng của 1 cm3 vật chất Nếu gọi P là khối lượng của vật chất (g), V là thể tích của vật chất (cm3) và γ là khối lượng riêng của vật chất (hay vật liệu) ta có:

Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng

để so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể giải quyết những vấn đề thực tế

Thí dụ, những vật lớn, thép hình khó cân được khối lượng, nhưng biết được khối lượng

riêng của vật liệu và đo được kích thước của chúng, người ta có thể tính được thể tích nên có thể không cần cân cả vật mà ta vẫn tính được khối lượng của chúng

3 Tính chất nhiệt.

Khi một vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó tăng lên và các kích thước của nó giãn nở ra Nhiệt lượng của nó có thể được truyền từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng có nhiệt độ thấp hơn

Nhiệt dung, tính giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt là những tính chất nhiệt quan trọng của vật liệu rắn

a Nhiệt dung:

Nhiệt dung biểu thị năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị vật chất lên

một độ Nhiệt dung được xác định theo công thức:

dT

dQ

Trong đó: dQ là năng lượng cần thiết để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT.

Thông thường nhiệt dung có đơn vị đo là jun hoặc calo cho một mol vật liệu (J/mol hay

cal/mol.K) Nhiệt dung của một đơn vị khối lượng được gọi là nhiệt dung riêng và có thứ

nguyên là J/kG.K hay cal/g.K.

b Tính dãn nở nhiệt:

Tính dãn nở nhiệt là khả năng dãn nở của vật liệu khi nung nóng Ðộ dãn nở lớn hay bé

có thể biểu thị bằng hệ số dãn nở theo chiều dài Ða số các vật liệu nở ra khi bị nung nóng nóng và co lại khi lạnh

Nguyên nhân của hiện tượng giãn nở nhiệt chính là sự tăng khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử khi tăng nhiệt độ Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu của vật liệu rắn được xác định như sau:

)( 1 0

− αl là hệ số giãn nở vì nhiệt với thứ nguyên 0C-1

Các vật liệu polyme thường có hệ số giãn nở nhiệt αl lớn (vào khoảng 50.10-3/0C đến 300.10-3/0C) Vật liệu vô cơ gốm, kim loại có αl nhỏ hơn (vào khoảng 0,5.10-6/0C đến 25.10-

6/0C)

Giữa các đoạn đường ray nối nhau, người ta luôn để khe hở chính là để dự phòng sự thay đổi kích thước do dãn nở nhiệt.

c Tính dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp

của vật liệu Ðặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu là độ dẫn nhiệt λ với thứ nguyên

là W/m.K

Trong vật rắn, nhiệt được truyền bởi sóng dao động mạng (phôtôn) và điện tử tự do Các kim loại thường dẫn nhiệt tốt, ngược lại các vật liệu khác như gốm, vật liệu phi kim và polyme dẫn nhiệt kém, nên chúng thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt

4 Tính chất điện.

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn điện của nó

Tính dẫn điện của vật liệu là khả năng truyền dòng điện của vật liệu Ðặc trưng cho khả

năng dẫn điện của kim loại là độ dẫn điện σ với đơn vị đo (Ωcm)-1 Các kim loại đều là vật dẫn điện tốt Dẫn điện tốt nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhôm Hợp kim nói chung và các vật liệu phi kim có tính dẫn điện kém hơn kim loại

Ðộ dẫn điện được biểu diễn bằng điện tích Q (Culông) đi qua một đơn vị diện tích S

(cm2) trong một đơn vị thời gian t thường tính bằng giây của dây dẫn dài l (cm) có điện áp hai đầu dây là U (V)

].[

1 = Ω−1 −1

S t U

l Q

ρ

Với ρ là điện trở suất của vật liệu mẫu (Ω.cm)

Các vật liệu rắn có độ dẫn điện trải rộng trên 27 cỡ số Căn cứ vào khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn được chia thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện

Các vật liệu dẫn điện có độ dẫn điện cỡ

107 (Ωcm)-1, thường các kim loại là những

vật liệu dẫn điện tốt Các vật liệu cách điện

còn được gọi là các điện môi có độ dẫn điện

thấp, nằm trong khoảng 10-10 (Ωcm)-1 và 10

-20 (Ωcm)-1 Các vật liệu bán dẫn là các loại

vật liệu có độ dẫn điện trung gian giữa hai

loại trên, nó nằm trong khoảng từ 10-6

(Ωcm)-1 đến 104 (Ωcm)-1

Dòng điện được tạo thành do chuyển

động của các hạt mang điện tích dưới tác

dụng lực của một điện trường ngoài đặt vào

Các hạt mang điện dương được gia tốc theo

hướng của điện trường còn các hạt mang điện âm thì theo hướng ngược lại

Trong hầu hết các vật liệu rắn, dòng điện được tạo thành do các dòng điện tử và đó là sự

dẫn điện bằng điện tử Ngoài ra, trong các vật liệu ion, sự chuyển động thuần túy của các ion

cũng có thể tạo ra một dòng điện và đó là sự dẫn điện bằng ion.

 Siêu dẫn (điện) Ða số kim loại khi được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần 00K thì điện trở giảm từ từ và đạt tới một giá trị nhất định

Hình 1.7 Sự phụ thuộc điện trở-nhiệt độ của

vật dẫn bình thường và vật liệu siêu dẫn ở gần

0 0 K.

Các vật liệu có tính chất trên được gọi là vật liệu siêu dẫn và nhiệt độ tại đó vật liệu đạt tới trạng thái siêu dẫn được gọi là nhiệt độ tới hạn TC

Hiện tượng siêu dẫn được giải thích bằng lý thuyết khá phức tạp, nhưng về cơ bản, trạng thái siêu dẫn có được là do tương tác hút giữa cặp điện tử dẫn Chuyển động của những điện tử ghép cặp này hầu như không bị tán xạ bởi dao động nhiệt và các nguyên tử phức tạp, nhờ đó

mà điện trở vốn tỉ lệ với cường độ tán xạ điện tử sẽ bằng không

Hiện tượng siêu dẫn có những ứng dụng thực tế rất đa dạng, ví dụ như:

− Các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra những từ trường mạnh với công suất tiêu thụ thấp được sử dụng trong các thiết bị thí nghiệm và nghiên cứu khoa học

− Nam châm cho các máy gia tốc hạt năng lượng cao

− Truyền tín hiệu và chuyển mạch tốc độ cao hơn cho máy tính

− Tầu đệm từ cao tốc với đệm nâng nhờ lực đẩy của từ trường

Tiếc thay, trở ngại lớn nhất của vật liệu siêu dẫn là khó khăn trong việc đạt và làm chủ được nhiệt độ rất thấp (khoảng từ 770K đến 1300K) Chúng ta hy vọng trở ngại này sớm được khắc phục cùng với sự phát triển thế hệ mới của các chất siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn cao hợp lý

5 Từ tính.

Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưởng lên các vật liệu khác

gọi là hiện tượng "từ".

Từ tính là khả năng dẫn từ của kim loại Sắt, niken, cô ban và hợp kim của chúng đều có từ

tính thể hiện rất rõ rệt nên chúng được gọi là kim loại từ tính.

Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp như chế tạo động cơ điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại và máy tính v.v

1.2.2.3 Tính chất hóa học

Tính chất hóa học đáng quan tâm nhất đối với vật liệu dùng trong cơ khí là tính ổn định

hóa học của vật liệu khi chúng tiếp xúc với môi trường có hoạt tính khác nhau như ô xy, nước, axít, bazơ v.v mà không bị phá hủy

Thông thường mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng với từng môi trường nhất định Tính năng hóa học cơ bản của vật liệu có thể chia thành mấy loại sau:

 Tính chịu ăn mòn:

Tính chịu ăn mòn của vật liệu là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của các môi

trường xung quanh

 Tính chịu nhiệt:

Tính chịu nhiệt của vật liệu là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của ôxy trong không

khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt ở nhiệt độ cao

 Tính chịu axít:

Tính chịu axít của vật liệu là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của axít.

1.2.2.4 Tính công nghệ.

Tính công nghệ là khả năng của vật liệu cho phép gia công nóng hay gia công nguội

Tính công nghệ bao gồm các tính chất sau:

Tính đúc của vật liệu là khả năng điền đầy vật liệu lỏng vào lòng khuôn và nó được đặc

 Tính rèn:

Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực để

tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy

Thép có tính rèn cao khi nung nóng đến nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối lớn Gang không có khả năng rèn vì dòn Ðồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội v.v

Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết hàn được nung nóng cục bộ

chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo Tính hàn của vật liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học, bản chất vật liệu v.v

 Tính cắt gọt:

Tính cắt gọt là khả năng của vật liệu cho phép gia công cắt gọt như tiện, phay, bào v.v dễ

hay khó Nhân tố ảnh hưởng đến tính cắt gọt là độ cứng Ðộ cứng của thép để gia công cắt thuận lợi đạt độ bóng bề mắt cao vào khoảng 180 ÷ 200 HB

1.2.2.5 Ðộ tin cậy.

Ðộ tin cậy là xác suất không xuất hiện hư hỏng của vật liệu trong một thời gian hoặc

trong một phạm vi làm việc nào đó

Ví dụ: độ tin cậy làm việc không hỏng của bánh răng sau khi chạy 300.000 km là 0,9 có

nghĩa là sau khi làm việc (chạy được 300.000 km) thì sẽ có khoảng 10% bánh răng hỏng vì bị mòn, tróc hoặc gẫy v.v

Ðộ tin cậy của vật liệu phụ thuộc vào khả năng của vật liệu chống lại các phá hủy khi xuất hiện các ứng suất cực đại Nói cách khác, độ tin cậy là khả năng của vật liệu làm việc bình thường trong thời gian ngắn hạn, dưới tác dụng của tình huống ngoài tính toán như áp suất, nhiệt độ và môi trường

Sự xuất hiện phá hủy dòn là tình huống nguy hiểm nhất đối với độ tin cậy của kết cấu Chính vì thế, để nâng cao độ tin cậy của kết cấu cần phải thực hiện các biện pháp giảm khả năng (xác suất) phá hủy dòn bằng cách chế tạo ra vật liệu kết cấu có đủ độ dẻo và độ dai va đập

1.2.2.6 Tuổi thọ.

Tuổi thọ của vật liệu đặc trưng cho khả năng của vật liệu chống lại sự phát triển dần của

phá hủy, đảm bảo duy trì khả năng làm việc của chi tiết trong thời gian đã định Ðây là chỉ tiêu có tính chất tổng hợp của vật liệu

Làm tăng tuổi thọ của vật liệu có nghĩa là làm giảm tốc độ phá hủy đến mức tối thiểu Với đa số các chi tiết máy, tuổi thọ được quyết định bởi độ bền mỏi và tính chống mài mòn

1.3 Nội dung môn học gồm bốn phần chính:

- Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơn cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy

- Hợp kim và biến đổi tổ chức: cấu trúc của hợp kim, chuyển pha → nhiệt luyện.

- Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng

- Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng

Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ, lý, hoá tính, tính công nghệ đồng thời rẻ, nhẹ và bảo vệ môi trường → CMS (Cambridge Materials

Selector)

Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là

nội dung cơ bản của toàn bộ môn học.

Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong bao gồm tổ chức

vĩ mô và vi mô của vật liệu

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn, quan sát được bằng mắt thường (0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm)

Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắt hay lúp Bao gồm 2 loại:

- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử (pha) với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể (mm) với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học (0,15mm) hay kính hiển vi điện tử (10nm)

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể → tia X và phương tiện khác.

Tính chất bao gồm: cơ tính, vật lý tính, hóa tính, tính công nghệ & sử dụng

3 Các tiêu chuẩn vật liệu

- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN

- Tiêu chuẩn Nga ΓOCT

- Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ:

ASTM (American Society for Testing and Materials),

AISI (American Iron and Steel Institute),

SAE (Society of Automotive Engineers),

AA (Aluminum Association),

CDA (Copper Development Association),

UNS (Unified Numbering System)

- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS

- Tiêu chuẩn Châu Âu EN

- Đức DIN, Pháp NF, Anh BS cũng là các tiêu chuẩn quan trọng cần biết

CHƯƠNG 3

CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI

Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí rất ít dùng kim loại nguyên chất, mà thường dùng các hợp kim Do đó, trong chương này sẽ khảo sát cấu tạo và giản đồ trạng thái của hợp kim

3.1 Các khái niệm cơ bản

3.1.1 Khái niệm hợp kim

Hợp kim là hỗn hợp đồng nhất về mặt tổ chức của từ hai nguyên tố trở lên trong

đó có ít nhất một nguyên tố là kim loại và nguyên tố kim loại đóng vai trò chính tức là có hàm lượng lớn nhất, tính chất của nó thể hiện rõ rệt nhất

3.1.2 Đặc điểm của hợp kim

- Hợp kim dễ sản xuất hơn so với kim loại nguyên chất

- Hợp kim có nhiều tính chất tốt hơn so với kim loại nguyên chất

- Hợp kim có thể tạo ra những tính chất đặc biệt mà kim loại nguyên chất không thể có

- Hợp kim có giá thành rẻ hơn so với kim loại nguyên chất

- Hợp kim có tính công nghệ cao hơn so với kim loại nguyên chất và được thể hiện ở: Tính dẻo: Khi sử dụng hợp kim cho tính dẻo cao, do đó khả năng biến dạng dẻo tốt, dễ dàng cho việc gia công áp lực

Tính đúc: Khi sử dụng các hợp kim có thể thu được điều kiện nóng chảy thấp hơn kim loại nguyên chất, do đó tính chẩy loảng cao nên có thể điền đầy các lòng khuôn phức tạp.Tính cắt gọt tốt hơn

Chính vì thế trong thực tế hầu như chỉ sử dụng hợp kim

3.1.3 Các định nghĩa cơ bản về hợp kim

- Pha (F): là cấu phần đồng nhất của hợp kim cùng tổ chức và cùng trạng thái (khi ở trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng), được ngăn cách bằng một bề mặt phân pha đủ lớn

- Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng (các pha tồn tại ổn định trong một điều kiện bên ngoài xác định)

- Hệ cân bằng: hệ được coi là hệ cân bằng khi các qúa trình xảy ra trong hệ có tính thuận nghịch

Qúa trình thuận nghịch: những qúa trình mà khi có sự thay đổi của một yếu tố bên ngoài hoặc bên trong sẽ làm hệ biến đổi theo một hướng Khi yếu tố bên ngoài đó thay đổi theo chiều ngược lại và đi qua các giai đoạn như hướng biến đổi trước

- Cấu tử (nguyên) (N): là những cấu phần độc lập của hệ (có thể là đơn chất hoặc hợp chất) có thành phần hóa học ổn định mà nó có nhiệm vụ cấu tạo nên tất cả các pha của hệ

- Bậc tự do của hệ (T): là số các yếu tố bên ngoài (P, T0) hoặc bên trong (thành

phần) có thể thay đổi được mà hệ không bị thay đổi trạng thái

Quy tắc pha (Gibbs) để tính bậc tự do: T = N - F + 2

Trong đó:

N: là số cấu tử cấu tạo nên hệ

F: là số pha của hệ tại điểm tính bậc tự do

2: là số yếu tố bên ngoài (P, T0)

ý nghĩa của bậc tự do: giúp chúng ta biết được trạng thái của hệ Khi T = 0 thì hệ sẽ suy biến thành một điểm.

Nếu T = 0 tức là F = N + 1 khi đó hệ là vô biến, hay không có yếu tố nào (nhiệt độ hay thành phần) có thể thay đổi được Ví dụ kim loại nguyên chất (N = 1) khi nóng chảy hay kết tinh sẽ tồn tại 2 pha (F = 2 nên T = 0), điều này chứng tỏ kim loại nguyên chất nóng chảy sau kết tinh ở nhiệt độ không đổi (vì trong hệ một nguyên không có biến số về thành phần hóa học)

Nếu T = 1 tức là F = N hệ là đơn biến tức là chỉ có một yếu tố (hoặc nhiệt độ hoặc là thành phần) có thể thay đổi được Ví dụ hợp kim Cu - Ni khi nung nóng sẽ biến thành dung dịch lỏng, vì vậy số pha F = 2 nên T = 1 do N = 2, điều này chứng tỏ quá trình nóng chảy của hợp kim Cu - Ni xảy ra trong một khoảng nhiệt độ hoặc là tại một nhiệt độ nào đấy trong quá trình nóng chảy ta có thêm vào một ít Cu (hoặc Ni) mà vẫn không làm thay đổi số pha của hệ.Nếu T = 2 tức là F = N - 1 hệ là nhị biến tức là cùng một lúc có thể thay đổi cả 2 yếu tố nhiệt độ và thành phần Ví dụ, phần lớn các hợp kim 2 nguyên ở trạng thái lỏng đều hòa tan

vô hạn vào nhau nên chỉ có tổ chức một pha là dung dịch lỏng, điều này chứng tỏ ở trạng thái lỏng ta có thể thay đổi thành phần hoặc nhiệt độ khá dễ dàng mà hợp kim vẫn chỉ có tổ chức một pha

3.2 Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản

Với thực tế, có thể có dung dịch rắn có nhiều chất tan

3.2.1.2 Phân loại dung dịch rắn

Dựa vào kiểu hòa tan của chất tan trọng mạng dung môi, nghĩa là kiểu sắp xếp của nguyên tử chất tan trong mạng tinh thể dung môi thì dung dịch rắn được phân thành: dung dịch rắn thay thế, dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn có trật tự

3.2.1.2.1 Dung dịch rắn thay thế

- Khái niệm: Dung dịch rắn thay thế là dung dịch rắn trong đó các nguyên tử chất tan chiếm chỗ của nguyên tử dung môi tại vị trí các nút mạng là

- Đặc điểm: Dung dịch rắn thay thế giữ nguyên kiểu mạng của dung môi nhưng

tạo ra các sai lệch điểm trong mạng tinh thể nên tạo ứng suất dư trong mạng và dấu của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan

- Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:

Điều kiện kích thước:

Trong đó: dA: đường kính nguyên tử dung môi

dB: đường kính nguyên tử chất tanNếu sai khác đường kính nguyên tử càng nhỏ thì càng dễ tạo dung dịch rắn thay thế

- Các loại dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn thay thế có thể có dạng hòa tan vô hạn hoặc hòa tan có hạn

Dung dịch rắn thay thế hòa tan có hạn: tồn tại một giới hạn hòa tan của chất tan trong dung môi

Tỉ lệ dung môi xA: xA + xB = 1

Tỉ lệ chất tan xB: xB < 1

Dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn: xB = 1

- Điều kiện tạo thành hòa tan vô hạn:

+ Dung môi và chất tan phải có cùng kiểu mạng

Từ nguyên lý "thay thế" thấy rằng: nếu hai nguyên A và B hòa tan vô hạn vào nhau thì chúng phải có kiểu mạng giống nhau Điều kiện giống nhau về kiểu mạng chỉ mới là điều kiện cần Khả năng tạo thành dung dịch rắn vô hạn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Nhiều nguyên tố có kiểu mạng giống nhau nhưng chưa chắc đã tạo nên dung dịch rắn vô hạn Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn ta thấy thông thường các nguyên tố cùng một chu kỳ thì có kiểu mạng giống nhau

Sự tương quan về đường kính nguyên tử khi đường kính nguyên tử của các nguyên thành phần A và B không giống nhau nên khi hòa tan vào nhau chúng tạo ra sai lệch điểm và xung quanh một nguyên tử hoà tan xuất hiện trường sai lệch đàn hồi Sự sai khác đường kính nguyên tử giữa các nguyên A và B càng lớn, nồng độ hòa tan càng cao thì mức độ sai lệch mạng càng nhiều và đến một mức nào đó mạng trở nên không ổn định Khi đó, sự sai khác về đường kính nguyên tử chất tan (dB) và đường kính nguyên tử dung môi (dA) không vượt quá 15% Điều này giải thích tại sao đại đa số các dung dịch rắn thay thế được tạo thành giữa các kim loại với nhau, chỉ một số ít trường hợp là giữa kim loại và á kim

+ Chỉ số nồng độ điện tử Ce (số điện tử hóa trị của dung dịch rắn tạo thành) phải nhỏ hơn

vô hạn vào trong A thì phải có hóa trị bằng hoặc nhỏ hơn hóa trị của A

+ Tương quan về độ âm điện ( χ ): Sai khác về độ âm điện càng nhỏ thì khả năng hòa tan

vô hạn càng tăng

3.2.1.2.2 Dung dịch rắn xen kẽ

- Khái niệm: Dung dịch rắn xen kẽ là loại dung dịch rắn mà các nguyên tử chất tan đi vào

- Đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ:

+ Giữ nguyên kiểu mạng của dung môi, tồn tại các sai lệch điểm loại nút xen kẽ, tạo ra trường ứng suất lớn hơn do kích thước lỗ hổng nhỏ hơn nhiều so với đường kính nguyên tử.+ Không thể xảy ra dạng dung dịch rắn hòa tan vô hạn

+ Dung dịch rắn xen kẽ có độ bền và độ cứng cao hơn so với dung dịch rắn thay thế do mức độ xô lệch mạng lớn hơn

- Điều kiện tạo dung dịch rắn xen kẽ:

Điều kiện kích thước:

Nếu sai khác nguyên tử càng lớn thì càng dễ tạo ra dung dịch rắn xen kẽ

EA: Năng lượng biên của miền Brillouin trong chất tan

EB: Năng lượng biên của miền Brillouin trong dung môi

3.2.1.3.Tính chất chung của dung dịch rắn

- Mang tính chất của dung môi: với hợp kim, dung môi phải là kim loại do đó dung dịch rắn mang tính kim loại

- Trong dung dịch rắn tồn tại nhiều khuyết tật mạng do sự xen kẽ hoặc thay thế

của các nguyên tử chất tan, mức năng lượng tự do cao hơn nguyên tử nguyên chất do đó kém ổn định hơn

- Độ bền, độ cứng và độ rắn thường cao hơn kim loại nguyên chất

3.2.2 Các pha trung gian

3.2.2.1 Khái niệm

Các pha trung gian là dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi các cấu tử có kiểu mạng riêng biệt của mình, không phụ thuộc vào kiểu mạng của các nguyên tạo ra nó

3.2.2.2 Các loại pha trung gian

Các pha trung gian có rất nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào kích thước nguyên tử tương đối giữa các nguyên, hóa trị của các nguyên và vị trí của các nguyên trong bảng hệ thống tuần hoàn:

- Hợp chất hóa học hóa trị

- Pha xen kẽ

Là các pha tạo thành có kiểu mạng riêng và là hợp chất hóa học tạo nên giữa các kim loại

ở nhóm chuyển tiếp có đường kính nguyên tử lớn với các á kim có đường kính nguyên tử bé

và thỏa mãn điều kiện kích thước:

- Khi dB/ dA < 0,59 tạo thành pha xen kẽ với các kiểu mạng đơn giản của các nguyên tố kim loại, có kiểu mạng khác cả A và B (pha xen kẽ đơn giản) Thường là các loại các bít VC,

WC, TiC

Đặc điểm: Độ hạt nhỏ, độ cứng và độ bền cao, được dùng làm các pha hóa bền lý tưởng cho hợp kim

- Khi dB/ dA > 0,59 tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng tinh thể phức tạp, có tới hàng chục

ô cơ bản trong một nguyên tử (pha xen kẽ phức tạp) Ví dụ : Fe3C, Mn3C, Cr7C3

Đặc điểm: Có kiểu mạng rất phức tạp

Tính chất: Có độ cứng, độ bền cao và nhiệt độ nóng chảy cao Thường dùng hóa bền cho hợp kim làm việc ở nhiệt độ thường

3.2.2.2.3 Pha điện tử (Pha Hum - Rôzêri)

Là pha tạo nên bởi các kim loại có hóa trị khác nhau, được hình thành có kiểu mạng riêng nhưng phải thỏa mãn quy luật về trị số nồng độ điện tử Ce

Pha điện tử có ba dạng cơ bản:

- Pha β: Ce = 3 / 2 - Có kiểu mạng lập phương thể tâm A2

- Pha γ: Ce = 21 / 13 - Có kiểu mạng lập phương phức tạp với 52 nguyên tử trong một ô

Chú ý: Cấu tạo pha điện tử chỉ có tác dụng tính toán chỉ số Ce, từ đó chỉ ra kiểu mạng Bản thân các pha điện tử tồn tại trong phạm vi thành phần.

Tính chất: Pha điện tử có độ hạt rất nhỏ, độ cứng và độ bền cao Số lượng không lớn, vùng thành phần không rộng do đó ít dùng trong việc hóa bền

Là các pha trung gian có dải thành phần từ A4B→ AB4

Đặc điểm: pha σ có kiểu mạng rất phức tạp, tính giòn rất cao, vùng thành phần rộng do

đó làm giảm cơ tính rất mạnh của hợp kim, khi lựa chọn hợp kim tránh hình thành pha σ

Phản ứng cùng tinh xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định

Đặc điểm của hỗn hợp cơ học cùng tinh là có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có tính đúc tốt, nhưng lại có tính giòn cao dẫn đến khó gia công áp lực

- Hỗn hợp cơ học cùng tích: là dạng hỗn hợp cơ học tiết ra cùng một lúc ở thể

- Một dung dịch rắn + một pha trung gian (phổ biến nhất)

- Hai pha trung gian

3.3 Giản đồ trạng thái của hợp kim

3.3.2 ý nghĩa và phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái

- Hệ tọa độ của giản đồ hai nguyên là nhiệt độ và thành phần

- Thông thường là xây dựng bằng phương pháp phân tích nhiệt: Giả sử cần xây dựng giản

đồ trạng thái của hệ hai nguyên A và B người ta chế tạo các mẫu hợp kim có thành phần thay đổi từ 100%A → 100%B Sau đó nung đến trạng thái lỏng hoàn toàn các mẫu rồi cho kết tinh với một tốc độ kết tinh đủ chậm để đo, đánh dấu các điểm chuyển biến và nối các điểm cùng tính chất lại thu được giản đồ trạng thái

3.3.3 Một số loại giản đồ trạng thái hai nguyên cơ bản

3.3.3.1 Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn

Phần lớn trường hợp hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, nhưng số trường hợp hòa tan vô hạn ở trạng thái rắn lại rất ít, đó là trường hợp của hệ: Cu - Ni; Au - Ag; Au - Pt;

Fe - Ni; Au - Ni; Cr - Mo

- Dạng giản đồ:

- Các đường trên giản đồ:

TA m TB: là đường lỏng

α: dung dịch rắn thay thế của B trong A hoặc A trong B.

Điểm TA và TB ứng với nhiệt độ nóng chảy của hai kim loại nguyên chất tạo nên hệ hợp kim

- Sự kết tinh của kim loại điển hình: Trên điểm (1) - hợp kim lỏng

Từ điểm (1) đến (2) - lỏng chuyển sang rắn Dưới điểm (2) - kết thúc kết tinh α

- Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ

Phía trên đường lỏng là vùng tồn tại của dung dịch lỏng, phía dưới đường đặc là

vùng tồn tại của dung dịch rắn (α), trong khoảng giữa 2 đường lỏng và đặc gồm có cả 2 pha: dung dịch rắn và dung dịch lỏng, đấy là vùng ứng với sự kết tinh hay nóng chảy của hợp kim

- Đặc điểm của hợp kim:

Có tính dẻo cao do đồng nhất là một pha dung dịch rắn Luôn xảy ra sự thiên tích do đó ít

sử dụng để sản xuất đúc

* Quy tắc đòn bẩy để xác định thành phần pha trong hợp kim:

Khảo sát hợp kim chứa x%B ở nhiệt độ t0 trạng thái này được biểu diễn bởi điểm Q Giả

sử ở nhiệt độ đã cho, hợp kim bao gồm 2 pha M và N, trong pha M có chứa x1%B, còn trong pha N chỉ chứa x2%B Ta cần tìm lượng tương đối của 2 pha đó là m và n trong một đơn vị của hợp kim Ta thấy m.x1 là lượng chứa của B trong M; n.x2 là lượng chứa của B trong N nên:

Quy tắc này giúp ta tính được tỷ lệ pha của hợp kim nếu nó cấu tạo bởi 2 pha

3.3.3.2 Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở lỏng, không hòa tan ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh

Trong thực tế, cũng có gặp trường hợp hai nguyên hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, nhưng ở trạng thái rắn lại hoàn toàn không hòa tan vào nhau, đó là trường hợp của các hệ: Pb - Sb; Sn - Zn

- Dạng giản đồ:

không hòa tan ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh

- Các đường trên giản đồ:

TA Q TB: là đường lỏng

P Q R: là đường đặc (đường cùng tinh, điểm Q gọi là điểm cùng tinh)

Đường lỏng và đường đặc phân giản đồ làm 4 khu vực Khu vực phía trên đường lỏng là vùng tồn tại dung dịch lỏng, khu vực giữa đường lỏng TAQ và đường đặc là vùng tồn tại của 2 pha dung dịch lỏng (L) và tinh thể A, khu vực giữa đường lỏng TBQ và đường đặc là vùng tồn tại của hai pha dung dịch lỏng (L) và tinh thể B, khu vực phía dưới đường đặc là vùng tồn tại của hai pha rắn A và B

Do 2 nguyên hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng nên có thể tạo nên dung dịch lỏng, vô hạn (L) ở trạng thái rắn chúng không hòa tan vào nhau tạo nên dung dịch rắn mà vẫn nằm ở trạng thái gồm các nguyên nguyên chất A và B Vậy các pha có thể tạo nên trong giản

đồ này là dung dịch lỏng, nguyên nguyên chất A và B nên số pha lớn nhất F = 3

- Hợp kim có thành phần ứng với điểm Q có đặc trưng là có nhiệt độ nóng chảy thấp, kết tinh ở nhiệt độ không đổi và kết tinh ra ngay hai pha rắn một lúc Điểm Q

được gọi là điểm cùng tinh, phản ứng cùng tinh xảy ra như sau: LQ → [A + B] (cùng một lúc kết tinh ra cả A và B)

Hợp kim ở bên trái điểm Q gọi là hợp kim trước cùng tinh, sau điểm Q gọi là hợp kim sau cùng tinh

- Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ

- Đặc điểm của hợp kim

+ Tính dẻo kém do sự xuất hiện của cùng tinh [A + B]

+ Nhiệt độ nóng chảy của hợp kim giảm dần, thấp nhất tại thành phần cùng tinh nên hay dùng để sản xuất đúc

+ Cũng do xuất hiện cùng tinh [A + B] nên độ phân tán, độ cứng cao dẫn đến khó gia công áp lực

* Tam giác Tam man để xác định lượng cùng tinh:

- Theo quy tắc đòn bẩy:

Xét hợp kim I, hợp kim này sau khi kết tinh xong có tổ chức A + [A + B] trong

đó tinh thể A biểu diễn ở điểm C và cùng tinh [A + B] biểu diễn tại điểm E Do vậy:

- Theo cách tính từ tam giác Tamman:

Ngoài ra, trong hình vẽ trên, nếu coi EF là 100% lượng cùng tinh thì các đoạn thẳng vuông góc với CD và nằm trong các tam giác CEF và DEF sẽ chỉ rõ lượng cùng tinh của các hợp kim tương ứng (hình a) Tương tự, cũng có thể xác định lượng pha A (hình b) và pha B (hình c)

3.3.3.3 Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan có hạn ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh

- Giản đồ trạng thái:

- Các đường trên giản đồ:

TA Q TB: là đường lỏng

TA P Q R TB: là đường đặc

P Q R: đường cùng tinh

Q: điểm cùng tinh

PE: đường giới hạn hoà tan của B trong A theo nhiệt độ RF: đường giới hạn hoà tan của

A trong B theo nhiệt độ α: dung dịch rắn xen kẽ của B trong A

β: dung dịch rắn xen kẽ của A trong B

αII, βII: vẫn là α, β nhưng được tiết ra ở trạng thái rắn

[α + β]: hỗn hợp cơ học cùng tinh của A và B

- Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ

- Đặc điểm của hợp kim: có hai vùng

+ Dung dịch rắn

+ Có hỗn hợp cơ học cùng tinh

→ Tuỳ theo thành phần hợp kim người ta có thể lựa chọn các phương pháp gia công khác nhau:

+ Các hợp kim có %B<%P và > %R: đây là hợp kim dẻo, có thể gia công áp lực

+ Các hợp kim có % B thuộc khoảng [ P, R ]: đây là hợp kim đúc, tính chất phụ thuộc vào lượng α và β

3.3.3.4 Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở lỏng và tạo thành bao tinh

Phản ứng cùng tích :

[αp + βK] gọi là hỗn hợp cơ học cùng tích

Ví dụ: Giản đồ trạng thái Fe + C (sẽ nghiên cứu ở phần sau)

- Loại tạo thành hợp chất hóa học ổn định

Các hợp chất hóa học tạo thành luôn ổn định về thành phần hóa học

Ví dụ: Giản đồ trạng thái Mg - Ca

CHƯƠNG 4 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI

Đa số các vật phẩm kim loại được chế tạo bằng cách gia công biến dạng Trong các nhá máy luyện kim sau khi nấu chảy và đúc kim loại thành những thỏi lớn, người ta đem cán thành những bán thành phẩm khác nhau: dạng thỏi, tấm hình vv ở các nhà máy cơ khí chế tạo, các chi tiết được gia công bằng rèn, rập, tiện, phay bào

Trong tất cả các phương pháp gia công đá, kim loại bị biến dạng dẻo để nhận được hình dạng cần thiết Khi cán, rèn, rập, quá trình biến dạng kim loại xảy ra trong toàn bộ hoặc hầu hết thể tích kim loại, còn khi tiện phay, bào chỉ xảy ra trên một phần thể tích (thông thường

là lớp bề mặt) với kết quả cuối cùng của biến dạng là sự tách phai Mục đích của chương này

là nghiên cứu bản chất của quá trình biến dạng mà chủ yếu là biến dạng dẻo có nếu khái quát

về biến dạng đàn hồi và sự phá huỷ, đồng thời nghiên cứu những thay đổi về tổ chức và tính chất do biến dạng dẻo gây ra, ảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái sau biến dạng

4.1 Các khái niệm

4.1.1 Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy

4.1.1.1 Biểu đồ kéo kim loại

Khảo sát quá trình biến dạng của mẫu, ta có thể rút ra 3 yếu tố biến dạng sau

đây: Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi ngay sau khi khử tải trọng, biến dạng dẻo

có kèm theo sự thay đổi hình dạng sau khi khử tải trọng và sự phá hủy làm cho mẫu tách rời thành những phần riêng lẻ Tương ứng với 3 yếu tố đó là 3 giai đoạn của biến dạng

+ Biến dạng đàn hồi (đoạn OA)

+ Biến dạng dẻo - đường cong AB

+ Biến cứng - đường cong BC

+ Giai đoạn phá hủy - đường cong CD

Biến dạng đàn hồi không những xảy ra trong giai đoạn đàn hồi mà ngay cả trong giai đoạn biến dạng dẻo và phá hủy Chính vì vậy, độ biến dạng của 2 giai đoạn này gồm 2 phần: đàn hồi và dẻo nên ∆L = ∆lđh + ∆ld

Ví dụ: Tại điểm K muốn tìm 2 thành phần này, ta phải kẻ KN//OA; KM// trục tung Khi

đó ON là ∆ld đoạn NM là ∆lđh

+ Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà bị mất đi sau khi khử tải trọng Biến dạng

đàn hồi tuân theo định luật Hooke tức là ứng suất σ tác dụng lên kim loại gây ra độ biến dạng ε tỷ lệ thuận với suất đó: σ = E.ε

E: gọi là môđuyn đàn hồi pháp tuyến của vật liệu (MN/mm2; Mpa) Với trạng thái ứng suất tiếp τ thì: τ = G.γ

γ góc lệch của tinh thể khi chịu ứng suất

G: môđuyn trượt của vật liệu (MN/mm2; Mpa)

+ Môđuyn đàn hồi pháp tuyến E và môđuyn trượt G là 2 đặc tính quan trọng của biến dạng đàn hồi Giữa chúng có quan hệ sau: E = 2G(1 + ν)

ν: là hệ số poisson tùy thuộc vào từng loại kim loại thông thường ν ≈ 1/3

Từ các biểu thức trên, ta thấy định luật Hooke chỉ đúng trong giai đoạn biến dạng đàn hồi

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến môđuyn đàn hồi, nhiệt độ, nguyên tố hợp kim và tổ chức của vật liệu

4.1.2 Biến dạng dẻo đơn tinh thể

4.1.2.1 Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo

Xét ứng suất trên mặt tinh thể:

* Khi ứng suất là ứng suất pháp (σ)

Nếu tác dụng lên tinh thể ứng suất pháp thuần túy (kéo theo nén) thì khoảng cách nguyên

tử theo chiều trực giao với mặt tinh thể sẽ tăng hoặc giảm Nếu ứng suất bé thì sự thay đổi khoảng cách nguyên tử cũng bé và khi khử ứng suất, lực hút hoặc đẩy sẽ đưa nguyên tử về vị trí cũ, tức là độ biến dạng sẽ mất đi Nếu ứng suất pháp lớn làm cho sự thay đổi khoảng cách nguyên tử vượt quá giá trị cho phép thì sẽ xảy ra quá trình phá hủy Như vậy, ứng suất pháp không làm cho tinh thể biến dạng dẻo mà chỉ có biến dạng đàn hồi và sau đó phá hủy dòn, tức phá hủy không kèm theo biến dạng dẻo

* Khi ứng suất là ứng suất tiếp (τ)

Khi ứng suất tiếp có trị số nhỏ, các lớp nguyên tử bị xê dịch đàn hồi một góc 

(hình b) và khi khử ứng suất, các nguyên tử trở lại vị trí cũ, do đó tinh thể trở lại với kích thước và hình dáng ban đầu Khi ứng suất đủ lớn, ngoài sự xê dịch đàn hồi có thể xảy ra hiện tượng trượt (hình c) phần trên của tinh thể trượt khỏi phần dưới một đoạn bằng một khoảng cách nguyên tử Mặt phẳng nơi xảy ra trượt gọi là mặt trượt Khi trượt, nguyên tử phá vỡ mối liên kết với nguyên tử cũ xong lại tại mối liên kết mới với nguyên tử mới nên mối liên kết giữa các nguyên tử không bị phá hủy Kích thước và hình dáng của tinh thể thay đổi mà không bị phá hủy và như vậy đã xảy ra biến dạng dẻo Vậy, chỉ có ứng suất tiếp mới gây ra biến dạng dẻo

4.1.2.2 Độ bền lý thuyết và thực tế của kim loại

* Độ bền lý thuyết

Để xác định độ bền của kim loại cần nghiên cứu và tính toán thông qua cơ chế trượt Để tạo ra sự xê dịch dư thì lớp nguyên tử trên phải trượt tương ứng với lớp nguyên tử dưới một đoạn ít nhất là bằng 1 thông số mạng

Vì lúc đó các nguyên tử chiếm các vị trí cân bằng mới, trùng với các nút mạng của tinh thể

Gọi x là độ xê dịch của mỗi nguyên tử và cũng là độ xê dịch chung của toàn lớp nguyên

tử Tại vị trí trung gian x=b/2, thì lực tác dụng lên nguyên tử A bằng 0 vì lực hút được cân

dụng lên nguyên tử khi trượt được tính là:

F: là lực trượt cần thiết mà mỗi nguyên tử phải thắng để dịch chuyển với độ xô dịch x Mặt khác, theo định luật Hooke ta có:

k: gọi là biên độ của lực, nó là lực lớn nhất cần tác dụng lên mặt trượt để tạo ra sự trượt

Do đó, độ bền lý thuyết của tinh thể kim loại là

* Độ bền thực tế

Độ bền thực tế nhỏ hơn giá trị độ bền lý thuyết từ (103÷ 104) lần Sự khác nhau này chỉ

có thể giải thích được khi xuất hiện lý thuyết lệch theo đó, cấu trúc mạng tinh thể thực tế là không hoàn chỉnh và có chứa nhiều lệnh

Tại trung tâm lệch độ ổn định kém do tăng năng lượng tự do chính vì vậy, chỉ cần tác động nhỏ thì nó làm thay đổi trạng thái và vị trí Khi đó, giá trị ứng suất gây ra chuyển động của lệch gần bằng với ứng suất thực tế và được tính theo công thức Peiers- Nabbaro

a: khoảng cách giữa các mặt nguyên tử song song với mặt trượt

b: khoảng cách giữa các nguyên tử theo hướng trượt

Tóm lại, trong tinh thể có cấu tạo hoàn chỉnh lý tưởng, trượt xảy ra bằng cách các nguyên

tử trên mặt trượt xê dịch cùng một lúc trên một khoảng cách nguyên tử do đó cần phải có lực tác dụng rất lớn Trong tinh thể thực tế, trượt xảy ra bằng chuyển động của lệch, các nguyên

tử trên mặt trượt xê dịch không cùng lúc nên chỉ cần lực tác dụng tương đối nhỏ

* Nguồn tạo lệch Frank - Read

Theo mô hình, biến dạng một lệch tạo ra một bậc có trị số là một thông số mạng

b Trong tinh thể nếu có n lệch sẽ tạo ra một bậc có trị số là n

Thực tế, mức độ biến dạng tạo ra có trị số lớn hơn n rất nhiều Giả thuyết trong quá trình biến dạng dẻo các lệch mới sinh ra Nguồn phát sinh lệch trong khi biến dạng được gọi

là nguồn Frank - Read với nguyên lý hoạt động như sau:

Giả sử có một đoạn đường lệch AB bị kẹp chặt Đó là những nút gặp nhau của các đường lệch trên những mặt trượt khác nhau, những nguyên tử tạp chất hay các nguyên nhân khác Dưới tác dụng của ứng suất tiếp τ, đường lệch phải chuyển động trên mặt trượt nhưng do A, B

bị kẹp chặt nên đường lệch AB bị cong dần ứng suất cần thiết để đường lệch có bán kính cong cực tiểu gọi là ứng suất tới hạn

b: độ lớn véctơ bragg

l: là khoảng cách giữa hai điểm AB

4.1.3 Các cơ chế biến dạng dẻo

4.1.3.1 Trượt

Là cơ chế biến dạng dẻo mà trong quá trình biến dạng một phần tinh thể trượt tương đối

so với một mặt cố định gọi là mặt trượt Trong mặt trượt theo các phương xác định gọi là phương trượt

+ Mặt trượt là mặt có mật độ mặt sít chặt Ms lớn nhất

+ Hệ trượt là tích số giữa mặt trượt và phương trượt Kiểu mạng nào có hệ trượt lớn thì khả năng biến dạng càng cao.

Phương trượt (111) có 3 phương nên có 12 hệ trượt

Cả 2 mạng A1K12 và A2K8 cùng có 12 hệ trượt xong mạng A1K12 dễ biến dạng dẻo hơn do có số mặt trượt lớn hơn

Đặc điểm của đối tinh

+ Giống như trượt, đối tinh cũng xảy ra theo nhưng mặt và phương xác định

+ Khi biến dạng, quá trình đối tinh bắt đầu khi ứng suất vượt quá trị số nhất

+ Đối tinh xảy ra đột ngột trứ không phải từ từ với tốc độ xác định như quá trình trượt Vì vậy, nó có khả năng tiến hành để dễ dàng trong điều kiện tải trọng nhanh

+ Vì sự chuyển dịch của nguyên tử trên mỗi mặt phẳng xảy ra chỉ một lần trên khoảng cách ngắn nên độ biến dạng dư tạo ra khi đối tinh có trị số rất, bé nên những tinh thể khi biến dạng dẻo bằng đối tinh thì quá trình phá hủy là phá hủy dòn

+ Đối tinh xảy ra thì có tác dụng làm cho quá trình trượt cũng xảy ra dễ dàng hơn

4.1.3.3 Vai trò của mặt trượt và phương trượt trong biến dạng dẻo

Coi ψ = 0 ta thấy nếu ϕ = 0 và ϕ = 900 thì cho dù lực P có lớn đến đâu cũng không xảy ra trượt vị trí thuận lợi nhất của mặt trượt để (τψ)max là ϕ = 450

Khi đó: τmax =(1/2) σ0

4.1.4 Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc tinh thể sau biến dạng dẻo, các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu

4.1.4.1 Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc của tinh thể

+ Xuất hiện các đường trượt, dải trượt hoặc đường đối tinh, dải song tinh Ta biết rằng, một lệch đi ra mặt ngoài tạo ra một bậc có độ lớn Tập hợp các điểm đi ra mặt ngoài của lệch tạo thành đường trượt Tập hợp các đường trượt gọi là dải trượt

+ Tạo thành các tổ chức hạt nhỏ và có tính định hướng

+ Tạo thành thớ làm tăng tính dị hướng của vật liệu

+ Nâng cao mật độ lệch và khuyết tật trong tinh thể

+ Sự tạo thành Textua biến dạng đó là tổ chức sau biến dạng không đúng với góc của mặt trượt do bị hạn chế phương trượt hay còn gọi là hiện tượng quay mặt trượt

+ Tạo thành ứng suất dư sau biến dạng dẻo nên tạo ra các trung tâm ứng suất dư do tăng mật độ khuếch tán

+ Tạo ra ứng suất dư thô đại tồn tại trong toàn bộ thể tích sau khi biến dạng

+ Tạo ra ứng suất dư tế vi tồn tại trong nội bộ một hạt tinh thể do đó tạo nên trung tâm gây ra các vết nứt đầu tiên làm phá hủy kim loại vì vậy sau biến dạng dẻo phải khử ứng suất dư

+ Làm thay đổi cơ tính của kim loại mà điển hình làm tăng độ cứng, giới hạn

đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn bền Làm giảm độ dẻo, độ dai, va đập

+ Biến dạng dẻo làm tăng mức độ sai lệch mạng làm tăng ứng suất dư và độ hạt nhỏ vì vậy làm giảm tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt

4.1.4.2 Các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu

* Nếu kim loại có cấu tạo mạng hoàn toàn lý tưởng:

Trong kim loại mà cấu tạo mạng là lý tưởng tức là không chứa lệch thì nó có độ bền rất cao tương ứng với độ bền lý thuyết Đó là do trong các sợi đơn tinh thể với kích thước nhỏ, số lượng sai lệch mạng là vô cùng nhỏ bé, do đó cơ chế biến dạng gần giống với cơ chế đối với tinh thể hoàn chỉnh Tinh thể sợi có đường kính càng nhỏ thì số lượng sai lệch mạng càng ít

và độ bền càng cao Như vậy, việc chế tạo các tinh thể kim loại sợi là một phương hướng nâng cao độ bền của vật liệu

* Nếu kim loại có cấu tạo mạng thực tế:

Do sự có mặt của sai lệch mạng nên chúng có độ bền thấp vì biến dạng dẻo gây ra chủ yếu là do chuyển động của lệch Muốn có độ bền cao thì cần có biện pháp cản trở chuyển động của lệch tức là tạo ra các yếu tố hãm lệch

+ Tăng mật độ lệch và phân bố đều trong thể tích Mật độ lệch càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng nhỏ, tương tác giữa chúng càng mạnh