C©u1: §Þnh luËt Fick1, Fick2. a. Định luật Fick I và hệ số khuyếch tán Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một đơn vị bề mặt vuông góc với phương khuếch tán và Gradient nồng độ δcδx: J = D. = Dgradc(1.1) Trong đó: Dấu trừ chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nồng độ D hệ số khuếch tán ( cm2s) Trong nhiều trường hợp: D = D0.exp(QRT) D0: hằng số ( cm2s) Q: hoạt năng khuếch tán T: nhiệt độ khuếch tán (K) R: hằng số khí ( R=1,98calmol) Từ những trị số D0 và Q có thể xác định hệ số khuyếch tán D ở nhiệt độ bất kỳ và đặc điểm của quá trình khuếch tán Trên hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc hệ số khuếch tán khác loại của Cu trong Al trong hệ trục lgD ≈ 1T Hình 1.1 Hệ số khuếch tán của Cu trong Al phụ thuộc và nhiệt độ Bảng1.1 Số liệu thực nghiệm D0 và Q Chất khuếch tán Trong dung môi Vùng nhiệt độ, 0C D0, cm2s Q, Kcalmol D ở nhiệt độ, cm2s 5000C 2000C Al Al 450 ÷ 650 1,71 34,0 4,5.1010 Zn Cu 0,34 45,5 1,5.1013 Fe α – Fe 700÷750 2,00 60,6 8,0.1018 C α – Fe 500÷750 0,20 24,6 2,8.108 N α – Fe 3.102 18,2 9,0.109 N Cr 3.104 24,4 4,0.1011 B Fe40N40B20 1,1.108 82,8 3,0.1015 Ag Pd81Si19 2,0.106 29,9 1,2.1013 Na+ NaCl 350÷750 0,5 38,0 2,8.1011 Cl NaCl 1,1.102 51,4 1,7.1013 Ag+ AgBr 1,2 16,0 1,8.1012 Ag+ GaAs 500÷1000 2,5.103 9,0 5,0.106 1,2.1010 O2 Polyetylen 2,09 12,2 1,8.109 H2 Cao su tự nhiên 0,26 6,0 1,0.107 Ở trạng thái rắn ( nhiệt độ < 6600C) D tăng rất nhanh theo nhiệt độ, còn ở trạng thái lỏng DL thay đổi không đáng kể. Trong nhiều trường hợp DL được xác định theo biểu thức DL = const(Tη) η là độ sệt. Ở gần nhiệt độ nóng chảy DL khoảng 104 cm2s. Hệ số khuếch tán tăng vài cỡ số khi chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng. Ở trạng thái rắn độ dốc của đường lnD = f(1T) là QR. Do vậy từ trị số D ở hai nhiệt độ khác nhau có thể xác định được D0 và Q. 1.2.2 Định luật FickII Nếu nồng độ c không những là hàm của x mà còn phụ thuộc vào thời gian t thì để thuận tiện người ta sử dụng định luật FickII Định luật FickII trong trường hợp hệ số khuếch tán không phụ thuộc nồng độ như sau: = D. (1.2) Nghiệm của phương trình trên trong trường hợp khuếch tán một chất có nồng độ cs trên bề mặt vào bên trong mẫu với nồng độ ban đầu c0( cs>c0) có dạng: C(x,t) = cs – (cs – c0 ) erf( ) (1.3)
Trang 1Ử LÝ VẬT LIỆU C©u1: §Þnh luËt Fick1, Fick2.
a Định luật Fick I và hệ số khuyếch tán
Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một đơn vị bề mặt vuông góc với phương khuếch tán và Gradient nồng độ δc/δx:
kỳ và đặc điểm của quá trình khuếch tán
Trên hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc hệ số khuếch tán khác loại của Cu trong Al trong hệ trục lgD ≈ 1/T
Trang 2Bảng1.1 Số liệu thực nghiệm D0 và QChất
khuếch Trong dung môi Vùng nhiệt độ, 0 C cmD02, /s Kcal/molQ, D ở nhiệt độ, cm
C(x,t) = cs – (cs – c0 ) erf(
t D
x
.
2 ) (1.3)Trong đó erf(
t D
x
. ) là hàm sai của đại lượng
t D
x
.
2 được tính sẵn trong sổ
Trang 3Từ biểu thức (1.3) thấy rằng c(x,t) tỷ lệ với
t D
x
.
2 Nếu cs và c0 là hằng số cú nghĩa là chiều sõu x lớp khuếch tỏn với nồng độ c nào đú tỷ lệ thuận với
t
D.
Câu2: Sự hình thành tinh thể của vật đúc?
Tổ chức đặc trng của thỏi đúc kim loại gồm ba vùng: Vùng da đúc, vùng tinh thể hình trụ, và vùng tinh thể hạt thô đều trục
Khi kim loại đợc rót vào khuôn nguội,lớp bề mặt tiếp xúc trực tiếp vào thành khuôn nên kim loại đợc làm nguội rất nhanh Do có độ quá nguội lớn nên trên bề mặt nhấp nhô của thành khuôn hình thành vô số các mấm ký sinh và chúng phát triển vô hớng cho đến khi tiếp xúc và cản trở lẫn nhau tạo thành lớp da đúc gồm các hạt tinh thể rất nhỏ mịm, kim loại lỏng tiếp tục đợc làm nguội theo hớng tỏa nhiệt chính, phơng vuông góc với thành khuôn Tinh thể nào có trục chính nhánh cây trùng với phơng tỏa nhiệt thì sẽ phát triển nhanh vào bên trong, cản trở sự phát triển của các tinh thể lân cận có hớng trục chính bất lợi hơn Sau quá trình “ cạnh tranh “ một số tinh thể ngừng phát triển, số còn lại phát triển u tiên theo phơng vuông góc với trục chính tạo vùng tinh thể hình trụ, pha lỏng còn lại ở vùng trung tâm thỏi đúc tiếp tục kết tinh với độ quá nguội bé hơn nhiều so với các vùng bên ngoài Số lợng mầm kết tinh thêm vào đó chúng lớn lên trong điều kiện nhiệt độ nhỏ và nh nhau theo một phơng nên phát triển đồng đều tạo thành tổ chức với các hạt thô và đều trục
Không phải khi nào tổ chức của thỏi đúc cũng gồm đủ ba vùng
- Khi đúc vật mỏng (vài mm) trong khuôn kim loại làm nguội bằng nớc do tốc độ nguội rất lớn nên tổ chức nhận đợc chỉ gồm có vùng da đúc rất nhỏ mịn trong cả chiều dày vật đúc
- Khi đúc kim loại nguyên chất trong khuôn nguội nhanh do độ quá nguội
đủ lớn vùng tinh thể hình trụ sẽ phát triển xuyên suốt vào trong thỏi đúc tạo nên tổ chức xuyên tinh
- Thỏi thép với tổ chức xuyên tinh dễ bị nứt khi cán hoặc rèn còn các kim loại có độ dẻo cao nh Al, Cu thì tổ chức xuyên tinh không gây ra tác hại
Câu3: Các khuyết tật xảy ra đúc?
Các khuyết tật khi đúc làm xấu rất nhiều chất lợng vật đúc Có các dạng khuyết tật sau:
Trang 4là rỗ co Rỗ co làm giảm mật độ kim loại, làm xấu cơ tính của vật đúc nhng
nếu thỏi đúc đã đợc qua gia công áp lực ở nhiệt độ cao thì chúng đợc hàn kín lại nhờ bị bẹp lại và quá trình khuếch tán làm liền kín nên trong trờng hợp này ảnh hởng không đáng kể đến cơ tính
- Phần lỗ hổng trên cùng và phần dày nhất thỏi thì đợc gọi là lõm co Đây là
phần kết tinh sau cùng, bản thân kim loại ở đây đã bù co cho phần kết tinh
tr-ớc ở phía dới và đến lợt nó kết tinh thì không còn đâu kim loại lỏng để bổ xung cho mình nữa tạo ra lỗ hổng tập trung Trong thực tế khi thiết kế vật
đúc ngời ta phải để phần lõm co này ở ngoài sản phẩm dới dạng đậu ngót
Đối với mỗi kim loại, hợp kim, lợng co khi kết tinh là một giá trị cố định nên khi thể tích lõm co tăng lên thì tổng thể tích rỗ co giảm đi và ngợc lại chứ không thể làm mất đợc khuyết tật này vì nó là bản chất của kim loại
Để dạng khuyết tật này nằm ngoài sản phẩm đúc thì nên sử dụng đúc liên tục
b. Rỗ khí
Trong điều kiện nấu chảy thông thờng, kim loại lỏng có khả năng hòa tan một lợng khí đáng kể sau khi kết tinh độ hòa tan của khí trong kim loại rắn giảm đi đột ngột, khí thoát ra không kịp bị mắc kẹt tạo nên các túi rỗng nhỏ
đợc gọi là rỗ khí hay bọt khí
So với rỗ co thì rỗ khí thờng làm giảm mạnh mật độ và cơ tính mạnh hơn do
có kích thớc lớn hơn Khi rỗ khí đợc phân bố ngay dới lớp vỏ của thỏi thép
có thể nguy hiểm hơn do nó dễ bị oxy hóa nên ngay cả khi biến dạng nóng cũng không thể hàn kín đợc gây ra tróc vỏ hoặc nứt khi sử dụng
Ta có thể khắc phục bằng cách khử khí tốt khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát hoặc đúc trong chân không
d ứng suất đúc
Khi làm nguội vật đúc ứng suất đợc sinh ra do các nguyên nhân sau đây:
- Khi đúc vật đúc đợc làm nguội không đồng đều, phần mỏng hoặc lớp bề mặt tiếp xúc với thành khuôn đợc nguội nhanh hơn so với phần dày hoặc các lớp bên trong
- Do đợc làm nguội không đều các chuyển pha trong vật liệu cũng không xảy
ra đồng thời và nh nhau trong toàn bộ vật đúc
- Đối với các vật đúc có hình dạng phức tạp quá trình co của vật liệu bị khuôn cản trở
Trang 5Các ứng suất chỉ có thể sinh ra nhất thời hoặc cũng có thể tồn tại lâu dài sau khi vật đúc nguội hoàn toàn gọi là ứng suất d ứng suất đôi khi cũng có lợi (ví dụ ứng suất kéo khi đông đặc) nhng nếu vợt qua giá trị cho phép của vật liệu chúng gây nên cong vênh hoặc làm nứt vật đúc Đối với nhiều vật liệu ứng suất d kéo là rất nguy hiểm, chúng kết hợp với ngoại lực thúc đẩy phát triển vết nứt gây nên phá hủy vật liệu.
Để hạn chế ứng suất hình dáng chi tiết phải đợc thiết kế hợp lý, khi đúc cần
rỡ vật đúc sớm ra khỏi khuôn Các chi tiết có hình dạng dễ cong vênh khi nguội cần tạo thêm các gân trợ lực, làm tăng độ cứng vững của chi tiết đúc Sau khi đúc phải ủ để khử ứng suất d
Câu4: Bản chất của các giai đoạn biến dạng?
2.1.1 Các giai đoạn biến dạng
Cơ tính vật liệu đợc xác định bằng các phơng pháp thử (kiểm tra) khác nhau tùy theo bản chất tải (chủng loại, tốc độ, độ lớn) và môi trờng thải (nhiệt độ, thời gian, hoạt tính) Đơn giản và thông dụng là phơng pháp thử kéo Trong
đó mẫu thử chịu lực kéo một chiều trùng với trục mẫu, tăng dần cho đến khi mẫu đứt Kết quả thử đợc ghi trên giản đồ kéo biểu thị quan hệ giữa lực kéo
và độ dãn dài trong đó phân biệt ba giai đoạn sau
- Biến dạng thuận nghịch, mất ngay sau khi bỏ tải hoặc sau một thời gian xác
định (vi dụ biến dạng đàn hồi, biến dạng đàn hồi trễ)
- Biến dạng không thuận nghịch, còn giữ lại khi bỏ tải (ví dụ biến dạng dẻo, nhớt )…
- Phá hủy khi vật liệu tách đứt hoặc vỡ giai đoạn này xuất hiện sau biến dạng không thuận nghịch (phá hủy dẻo) và ch phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu và
điều kiện thử
a Biến dạng thuận nghịch
Không có vòng trễ trong chu kỳ đặt tải- bỏ tải là trờng hợp đàn hồi lý tởng,
có có thể tuyến tính (đa số kim loại, hợp kim) hoặc phi tuyến (cao su, polymer, xơng động vật) Sự xuất hiện vòng trễ chứng tỏ biến dạng kèm theo mất năng lợng Đó là hiện tợng đàn hồi trễ, liên quan đến một thành phần phụ thuộc thời gian của biến dạng, không đáng kể đối với kim loại, nhng quan trọng cho polymer ở nhiệt độ trung bình
Biến dạng đàn hồi xảy ra trong tất cả các vật liệu, thờng không vợt qúa 1% trong vật liệu tinh thể xếp chặt, nhng có thể lớn hơn nhiều đối với polyme có cấu trúc định hình hoặc bán tinh thể
Biến dạng thuận nghịch đặc biệt quan trọng trong công nghiệp chế tạo máy
và dụng cụ đo nơi mà các phần tử đàn hồi (lò xo, giảm xóc ) không đ… ợc phép có bất kỳ biến dạng d nào khi chịu tải tức thời cũng nh tải lâu dài
b Biến dạng không thuận nghịch
- Có thể là biến dạng dẻo trong vật liệu tinh thể (kim loại hợp kim) hoặc chảy nhớt trong vật liệu phi tinh thể (gốm, thủy tinh, polymer ở nhiệt độ cao
Trang 6) Hai hình thức biến dạng này tuy cùng tạo ra biến dạng d
về cơ chế và thời điểm bắt đầu
- Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu khi ứng suất lớn hơn giới hạn chảy σC và đợc thực hiện nhờ chuyển động khuyết tật mạng tinh thể (lệch, khuyết tật điểm )
độ bền kết cấu cao nhờ độ dẻo của vật liệu
c Phá hủy
Là sự tách đứt vật thể do liên kết nguyên tử (ion, phân tử) bị phá vỡ, xảy ra khi ứng suất đạt tới giới hạn bền kéo σk
- Phá hủy giòn không kèm theo biến dạng d đáng kể (δ < 1% nên σb ≈σe)
Ví dụ: ở vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao
- Phá hủy dẻo xảy ra khi σb >> σe, tức là sau khi vật liệu đã có biến dạng dẻo nhiều (δ>>1%) nh một số kim loại
Các dạng phá hủy đều trải qua hai giai đoạn: Tạo vết nứt và phát triển vết nứt
Tính giòn và tính dẻo không phải là tính chất của vật liệu, bởi chúng qui
định chủ yếu bằng điều kiện tải, vì các vật liệu cơ khí chủ yếu làm việc trong vùng đàn hồi nên khi sử dụng các vật liệu dẻo cần đề phòng chúng bị biến dạng dẻo và phá hủy do tải trọng tĩnh Ngợc lại phá hủy giòn rất cần thiết trong kỹ thuật nghiền đập
Trang 7a) ứng suất kéo; b) ứng suất nén tử lân cận
c) ứng suất tiếp; d) ép ba chiều
ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là ứng suất pháp σ, gây ra biến dạng
ε
ứng suất tiếp τ sinh ra xê dịch γ trong mặt chịu lực
ứng suất ba chiều (áp lực P) làm biến đổi thể tích ∆V/V
Biến dạng đàn hồi có thể do ứng suất pháp hoặc ứng suất tiếp sinh ra Đó là biến dạng bị mất đi khi bỏ tải, tuyến tính và không có vòng trễ
Đối với nhiều vật liệu quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi
đợc mô tả bằng định luật Hooke, phơng trình cơ sở của lý thuyết đàn hồi
σ = E.ε (áp dụng cho kéo, nén) (2.1)
Đối với đa số vật liệu thì à≈ 0,3 nên E ≈ 2,6G
Đối với phơng trình của σ và τ chỉ đợc dùng để tính và thiết kế chi tiết máy cho các vật liệu đẳng hớng hoặc giả đẳng hớng có cấu trúc vô định hình
Đối với vật liệu dị hớng nh đơn tinh thể, đa tinh thể có tổ chức textual (định hớng u tiên của hạt, biên hạt, pha thứ hai ) hoặc chất dẻo có mạch phân tử…
định hớng sẽ tạo ra tạo ra các phơng biến dạng thuận lợi và bất lợi cho các hằng số đàn hồi phụ thuộc vào phơng tinh thể
Ví dụ:
Môđun đàn hồi E của đơn tinh thể α - Fe trong các phơng [ 100 ], [ 110 ], và [ 111 ] lần lợt là 135, 210 và 290 MPa, còn của đa tinh thể là 210.103MPa Biến dạng đàn hồi dựa trên sự xê dịch nguyên tử khỏi vị trí cân bằng
b Đàn hồi phi tuyến
Biến dạng thuận nghịch không tuân theo định luật Hooke là đàn hồi phi tuyến hay đàn hồi kiểu cao su Biến dạng này thờng gặp trong cao su tự nhiên, trong vật liệu phi kim định hình hoặc tinh thể cục bộ, vật liệu kim loại (gang xám).Đờng cong biến dạng cho thấy rằng quy luật tuyến tính chỉ đúng với biến dạng rất nhỏ, còn lại là phi tuyến, tức là môđun đàn hồi E không còn là hằng số mạng nữa mà phụ thuộc vào ứng suất và biến dạng;:
σ = E (σ)ε (2.2)
Trang 8Ngoài ra E khá nhỏ, ε có thể khá lớn (>>1% đôi khi tới 100%) Biến dạng
đàn hồi trong các loại vật liệu trên dựa vào sự thay đổi hình dáng của mạch phân tử ở trạng thái không tải, vật liệu có cấu trúc vô định hình bao gồm các mạch phân tử bị uốn cong do đan móc vào nhau tạo ra các búi hoặc lới phân tử
Khi chịu kéo, các mạch phân tử đợc duỗi thẳng và song song với phơng ngoại lực mà vẫn liên kết với nhau tại các điểm nút của ô lới hoặc búi Có thể xảy ra kết tinh cục bộ
Biến dạng đàn hồi chính là độ giãn dài tổng cộng trong phơng tải trọng
c Đàn hồi trễ
Biến dạng thuận nghịch đợc miêu tả nh không phụ thuộc vào thời gian tức là biến dạng tức thời xuất hiện khi đặt tải, không biến đổi trong suốt thời gian chịu tải và chỉ mất ngay sau khi bỏ tải Trong nhiều vật liệu thực tế vẫn có sự chênh lệch pha giữa ứng suất và biến dạng, tức biến dạng đàn hồi vẫn còn tiếp tục khi tải đã đạt đến cực đại và cần một thời gian nữa kể từ lúc bỏ tải để biến dang trở về không
Bản chất biến dạng đàn hồi trễ gắn liền với các quá trình vi mô khác nhau
nh sự khuếch tán các khuyết tật điểm, sự dao động của các đoạn lệch bị chốt hai đầu, sự chảy ở các mặt phân cách (biên hạt, biên giới pha), chuyển pha tạo ra các biến dạng thuận nghịch
Trong tinh thể lý tởng cơ chế dịch chuyển có thể là sự chuyển dời tập thể
đồng thời của các nguyên tử, song còn có nhiều điều cha đợc sáng tỏ Đối với tinh thể thực nó đợc thực hiện bằng trợt, song pha hoặc chuyển pha mactenxtit liên quan đến chuyển động của các khuyết tật mạng
Để mô tả đặc tính biến dạng của các vật liệu thông dụng trong kỹ thuật cần thiết phải tìm hiểu đặc điểm biến dạng dẻo đơn tinh thể và tính chất của hạt chứa nó cũng nh các vùng liên kết
Câu5: Cách xác định độ dai phá hủy?
Trang 92.4.1 Vật liệu vô cơ
a Đặc điểm biến dạng
- ở nhiệt độ thấp vật liệu gốm, thủy tinh có thể chỉ biến dạng đàn hồivà kết thúc bằng phá hủy giòn Đặc trng biến dạng là các môđun E, G, à và giới hạn bền σb Nếu vật liệu chứa lỗ trống thì các môđun sẽ giảm tùy thuộc vào
số lợng lỗ trống
Loại trừ MgO đơn tinh thể ở nhiệt độ phòng, khi chịu nén, trớc lúc phá hủy
đã biến dạng dẻo đợc một vài phần trăm Lý do mà MgO có đợc vài hệ trợt hoạt động, còn nếu nếu chịu tải kéo và là đan tinh thể thì nó cũng bị phá hủy giòn nh vật liệu gốm khác.Mặc dù cũng có cấu trúc tinh thể nh kim loại, cũng xếp chặt với các mặt và phơng tinh thể xếp chặt, cũng chứa lệch và nguồn lệch, nhng các hệ trợt không thể hoạt động đợc, vì liên kết ion làm cho các ion tích điện cùng dấu phải xê dịch gần nhau khi lệch trợt, nhng lực
đẩy tĩnh điện sẽ cản trở xê dịch đó Tính giòn cũng cản trở biến dạng dẻo cục
bộ nhằm giảm bớt tập trung ứng suất tại các nơi sẽ có vết nứt
-Thủy tinh do không có trật tự xa nên không có hệ trợt và lệch mạng ở nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ thủy tinh hóa Tg đặc tính biến dạng cũng giống nh gốm, nghĩa là chỉ có biến dạng đàn hồi làm biến dạng các lới ion tức thời sau đó hình dạng ban đầu đợc khôi phục lại dần dần khi bỏ tải Sự tăng giảm môđun
đàn hồi E phụ thuộc vào thành phần và thể loại ion, còn tốc độ phục hồi hình dạng phụ thuộc vào ứng suất tác dụng và nhiệt độ
- ở nhiệt độ cao vật liệu gốm có thể bị biến dạng dẻo một ít chính là nhờ chuyển động hoạt nhiệt của lệch, nhờ có thêm mặt trợt mới, nhờ lệch leo,… Vì lệch linh động trong gốm có liên kết ion nhiều hơn trong gốm có liên kết
đồng hóa trị cho nên u tiên chọn loại sau cho các chi tiết chịu tải ở nhiệt độ cao
Thủy tinh có nhiệt độ T ≥ Tg hóa mềm và chuyển sang trạng thái nhiệt dẻo, khi đó tính biến dạng rất phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, sẽ chảy nhớt khi tốc độ thấp và giòn khi tốc độ cao Sự hóa mềm của thủy tinh hạn chế sử dụng chúng ở nhịêt độ đó, song lại tạo điều kiện thuận lợi để gia công tạo hình mà đối với các loại gốm không làm đợc
b Đặc điểm phá hủy
Vật liệu gốm không dẻo nên chỉ phá hủy giòn Độ bền phá hủy thực hịên trên mẫu thử kéo, thử nén cho thấy lần lợt là σb ≈ 10-2τlt (mẫu thờng, thử kéo), σbn≈ 10-1τlt (mẫu thờng thử nén)
Sự khác biệt trên cho thấy vết nứt đóng vai trò chính, thử kéo mở rộng và thử nén hàn kín vết nứt sẵn có ở nhiệt độ thấp nứt và phá hủy xảy ra bên trong hạt, còn ở nhiệt độ cao phá hủy theo biên hạt, khi có tác động của ăn mòn
đến vết nứt bề mặt, phá hủy có thể xảy ra chậm theo thời gian
Trang 10Thủy tinh cũng phá hủy giống nh gốm Thủy tinh vô định hình phá hủy giòn
ở nhiệt độ T< Tg Do đợc hình thành từ thể lỏng, thủy tinh không có lỗ trống bên trong nhiều nh gốm, vì vậy trạng thái bề mặt (vết nứt, khía, ghồ ghề) quyết định đến độ bền phá hủy ảnh hởng cuả ăn mòn cũng giống nh gốm Khi nhiệt độ T>Tg nhờ chảy nhớt mà thủy tinh sẽ phá hủy dẻo
c Khả năng cải thiện cơ tính
Không có cách nào làm tăng đợc khả năng biến dạng dẻo của vật liệu vô cơ Biện pháp tốt nhất là tăng khả năng chống phá huỷ nhờ giảm số lợng và kích thớc của vết nứt, lỗ trống bên trong và trên bề mặt của vật liệu Bên trong cần tạo vật liệu không có lỗ trống, hạt nhỏ mịn và tổ chức đơn pha Bên ngoài cần tạo một trạng thái ứng suất nén trên lớp bề mặt Dới đây nêu một vài ph-
- Làm cứng bằng chuyển pha mactenxit của hạt ZrO2
- Làm giảm nguy cơ lan rộng vết nứt, tăng KIC nhờ dùng các hạt ZrO2 hấp thụ năng lợng tích ở gần vết nứt để tự nó chuyển pha
2.4.2 Vật liệu chất dẻo
a Đặc điểm biến dạng
Do cấu trúc khá phức tạp và ít nhất quán nên quá trình biến dạng của chất dẻo rất phức tạp Đặc điểm biến dạng của chất dẻo nằm giữa hai trạng thái giới hạn: vật rắn giòn và chất lỏng nhớt, cũng có thể xảy ra các quá trình t-
ơng tự nh trong vật liệu kim loại là tạo các dải xê dịch, chuyển pha mactenxit, hồi phục và kết tinh lại
Đờng cong ứng suất – biến dạng thờng có ba dạng ( hình vẽ 3.14a)
Hình 2.14 Đờng cong ứng suất biến dạng của chất dẻo a) Các dạng đờng cong thử kéo; b) ảnh hởng của nhiệt độ và tốc độ thử kéo
Trang 11- Đờng 1 cho các chất giòn phá hủy ngay sau biến dạng đàn hồi.
- Đờng 2 giống với vật liệu kim loại: có biến dạng đàn hồi, răng chảy và biến dạng dẻo trớc phá hủy, đúng cho các vật liệu dẻo
- Đờng 3 đặc trng cho biến dạng đàn hồi kiểu cao su các elastome (biến dạng thuận nghịch lớn ở ứng suất nhỏ và phi tuyến)
Các đặc trng biến dạng của chất dẻo tuy khác về trị số so với vật liệu kim loại nhng giống nh kim loại ở chỗ môđun đàn hồi, giới hạn bền kéo giảm và
độ dẻo tăng khi tăng nhiệt độ Giảm tốc độ biến dạng ảnh hởng giống nh tăng nhiệt độ (hình 2.14b)
Chất dẻo vô định hình ở nhiệt độ thấp hơn Tg biến dạng đàn hồi trễ là chủ yếu và vẫn tuyến tính cho tới 0,5% biến dạng chung Khi biến dạng lớn hơn
sẽ xuất hiện biến dạng phi tuyến, cục bộ và không thuận nghịch thể hiện ở các dải xê dịch nghiêng một góc 450 và các khe rãng vuông góc với phơng tải Tuy nhiên biến dạng dẻo đó chỉ tập trung ở các dải xê dịch còn toàn bộ vật liệu vẫn biến dạng thuận nghịch Khi các dải hợp nhất và phát triển sẽ xuất hiện các răng chảy σc và biến dạng dẻo sẽ nhiều hơn Trong quá trình biến dạng tiếp theo các rãnh có thể tạo ra các vết nứt bề mặt và dẵn tới phá hủy
Chất dẻo bán tinh thể có đờng cong ứng suất - biến dạng giống nh chất dẻo
vô định hình Khác nhau ở chỗ răng chảy có kèm theo vùng chảy kéo và kéo dài tới vài trăm phần trăm biến dạng giới hạn chảy và giới hạn bền cao hơn
Chất dẻo mạng lới gồm elastome và đurome có đờng cong ứng suất – biến
dạng giống nh đờng 1 và 3 ở hình vẽ 2.14a Elastome có mạng rộng khi T >
Tg thờng biến dạng kiểu caosu (đàn hồi phi tuyến) nhờ độ linh động cao của mạch phân tử, đôi khi có thể đạt tới một vài phần trăm biến dạng Khi biến dạng mạnh các mạch phân tử có thể bị kết tinh cục bộ và dẫn tới biến dạng
đàn hồi tuyến tính hoặc có thể bị phá hủy Nếu tìm cách giảm độ linh động của mạch phân tử nh hạ thấp nhiệt độ dới Tg hoặc tăng mật độ điểm mắt lới thì elastome sẽ biến dạng hoàn toàn đàn hồi tuyến tính và phá hủy giòn nh đ-ờng 1
Phá hủy giòn xảy ra với các chất dẻo dễ biến dạng đàn hồi tức chúng có cấu
trúc mạng lới hẹp hoặc có cấu trúc mạng lới rộng hay không mạng lới nhng ở nhiệt độ thấp hơn Tg nh elastome hay nhiệt dẻo ở durome phá hủy xảy ra
Trang 12nhờ phá vỡ các liên kêt sơ cấp còn ở elastome và nhiệt dẻo các liên kết thứ cấp.
Phá hủy dẻo trong các trờng hợp còn lại do các khuyết tật tạo ra vết nứt nh
sự mở rộng các dải xê dịch, các khe rãnh, các miền rỗng Trong chất dẻo bán tinh thể cơ chế phá hủy giống nh ở vô định hình vì đều xảy ra ở miền vô định hình Giống nh vật liệu kim loại chất dẻo thay đổi tính dẻo và giòn theo nhiệt
độ, tốc độ biến dạng và trạng thái ứng suất
Hình 2.15 Các dạng vết đứt phá hủy vật liệu chất dẻo a) phá hủy dẻo; b) phá hủy giòn; c) phá hủy dạng sợi
c Khả năng cải thiện cơ tính
- Làm bền hóa bên trong theo phơng pháp đồng trùng hợp nhờ giảm Tg để tăng độ dẻo ở nhiệt độ thấp bằng cách đa vào mạch phân tử gốc các đoạn mạch linh động và liên kết yếu hơn
- Làm mềm hóa bên ngoài bằng cách đa vào mạch các phân tử gốc các phân
tử làm mềm đơn cực và lỡng cực
- Trộn nhiều chất dẻo để tối u tính chất, trong đó chất trộn đợc gọi là chất biến tính Có thể trộn ở trạng thái rắn hoặc nóng chảy (phơng pháp này không làm thay đổi đáng kể Tg)
- Sử dụng các chất bổ trợ và tăng cờng dạng sợi, tấm hoặc cầu bằng thủy tinh, cacbon, amiăng, thạch cao, compozit để tăng độ bền Có thể dùng bức xạ điện tử cực nhanh hoặc các phản ứng nhiệt – hóa để tăng độ bền, chống mài mòn, tăng bền nhiệt cho một số loại chất dẻo
2.4.3 Vật liệu vô định hình
Do không có cấu trúc tinh thể nên vật liệu vô định hình không chứa các khuyết tật mạng điển hình nh trong tinh thể (khuyết tật điểm, lệch mạng, biên hạt ) song lại có các dạng khuyết tật khác nhể tích tự do (các lỗ hổng), các tâm ứng suất ba chiều (nén, kéo cục bộ) ảnh hởng trực tiếp tới các đặc tr-
ng cơ tính và biến dạng của nó
Trang 13Môđun đàn hồi của vật liệu vô định hình nhỏ hơn khoảng 20 ữ 30% môđun
đàn hồi của hợp kim tinh thể do tỷ khối của trạng thái vô định hình nhỏ hơn trạng thái tinh thể Trong khi đó giới hạn chảy của chúng tơng đối cao có thể tới E/ (50ữ100) là do ứng suất xê dịch cần để trợt xảy rất lớn khi không có các khuyết tật thích hợpchuyển động Tuy nhiên quá trình vẫn xảy ra cục bộ
và tập trung tại các dải trợt, ở đó trật tự gần đã giảm ứng suất xê dịch tới hạn
và hạn chế dịch chuyển nguyên tử lan sang các vùng khác Do đó thử kéo của các hợp kim vô định hình dạng băng hệ Fe – B và Fe- Si – B cho thấy
đờng cong ứng suất – biến dạng gần giống các vật liệu giòn, nghĩa là không
có biến dạng dẻo đáng kể, không có hóa bền biến dạng và độ dãn dài khi phá hủy δ không vợt quá 1 ữ2% Có thể khi thử nén quá trình trợt đợc phân bố
đồng đều hơn trong toàn thể tích và do đó biến dạng dẻo sẽ lớn hơn, song kỹ thuật thử không cho phép thực hiện với các mẫu mỏng Quá trình trợt đợc thực hiện đợc có lẽ nhờ sự dịch chuyển cục bộ của các thể tích tự do Đối với
hệ đã nêu giới hạn bền kéo σb và δ đều giảm theo thời gian và nhiệt độ ủ, do quá trình tích thoát cấu trúc đã xảy ra và dẫn đến sự hóa giòn của băng vô
định hình Quá trình này cần đợc kiểm tra khi chế tạo và sử dụng
Câu6: Sự hình thành của tổ chức anstenit, peclit.
* Austenit (γ - Feγ):
0,8
Trang 14- Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Fe, cú dạng lập phương diện tõm Độ hoà tan của Cacbon trong Fe ở 11470C là 2,14% và ở 7270C là 0,8%.
7270C
- Tổ chức Austenit là cỏc hạt sỏng đa cạnh cú song tinh (thỉnh thoảng
cú hai đường song song cắt ngang hạt) Rất ớt khi quan sỏt được tổ chức này
vỡ nú ở nhiệt độ cao Chỉ khi lượng Mn hoặc Ni lớn mới làm Austenit tồn tại
ở nhiệt độ thường
Peclit (P- [Feα + Fe3C]):
- Là hỗn hợp cơ học cựng tớch của Ferit và Xờmentit (F +Xe) Khi thành phần hoỏ học của Austenit là 0,8%C sẽ xảy ra chuyển biến cựng tớch ở 7270C:
Fe(C)0,8 [F +Xe]
Austenit Peclit
- Gồm Peclit tấm và Peclit hạt
- Peclit tấm là tổ chức cú Xờmentit ở dạng tấm Khi quan sỏt tổ chức
tế vi sẽ thấy cỏc vạch Xờmentit tối trờn nền Peclit sỏng - Peclit hạt là tổ chức cú Xờmentit ở dạng hạt
Câu7 : Cách xác định đ ờng cong chữ C ?
Câu8: Các ph ơng pháp nhiệt luyện ủ, Th ờng hóa, tôi?
Có nhiều phơng pháp ủ mà mỗi phơng pháp chỉ đạt đợc một, hai hay ba trong
số năm mục đích sau đây:
- Giảm độ cứng (làm mềm thép) để dễ tiến hành gia công cắt gọt
- Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng (dập, cán, kéo) nguội
- Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong gây nên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo
- Làm đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc bị thiên tích
- Làm nhỏ hạt thép
c Các phơng pháp ủ không có chuyển biến pha
Trang 15Các phơng pháp ủ này có nhiệt độ ủ thấp hơn đờng Ac1 nên không có chuyển biến peclit → austenit khi nung nóng do đó không làm biến đổi tổ chức của thép.
* ủ thấp
ủ thấp hay ủ non đợ c tiến hành ở khoảng nhiệt độ 200 ữ 600 0C với mục
đích làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong vật đúc hay sản phẩm qua gia công cơ khí (cắt gọt hay dập nguội)
- Nếu nhiệt độ ủ trong khoảng 200 ữ 300 0C thì chỉ khử bỏ mội phần ứng suất
- Nếu nhiệt độ ủ trong khoảng 450 ữ 600 0C sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong
ủ thấp đợc dùng cho các chi tiết máy quan trọng chỉ đòi hỏi làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong
Ví dụ: Thân máy cắt đợc làm bằng vật liệu gang xám, yêu cầu cần khử bỏ phần lớn ứng suất bên trong để không làm cong, biến dạng sống trợt, thờng
- Sau khi gia công cơ ứng suất bên trong sẽ tăng lên ảnh hởng xấu đến khả năng làm việc của sản phẩm nh xecmăng sau khi mài, cắt gọt, lò xo khi bị quấn nguội, phải đợc ủ ở khoảng 200 ữ 350 0C
Cách ủ này không làm thay đổi độ cứng của thép
* ủ Kết tinh lại
ủ kết tinh lại đợc tiến hành cho thép qua biến dạng nguội, bị biến cứng cần khôi phục tính dẻo, độ cứng ở mức nh trớc khi bị biến dạng Đối với thép cacbon ủ kết tinh lại đợc tiến hành ở nhiệt độ 600 ữ 700 0C Khác với ủ thấp,
ủ kết tinh lại làm giảm độ cứng và làm thay đổi kích thớc hạt, vì vậy phơng pháp này thờng không đợc áp dụng cho thép vì phần bị biến dạng tới hạn sau khi kết tinh lại sẽ có hạt rất lớn thép bị giòn Để tránh thiếu sót này đối với thép ngời ta áp dụng các phơng pháp ủ có chuyển biến pha Do vậy phơng pháp này thờng chỉ đợc áp dụng cho các kim loại, hợp kim không có chuyển biến thù hình nh Al, Cu
d Các phơng pháp ủ có chuyển biến pha
Các phơng pháp ủ này có nhiệt độ cao ủ cao hơn Ac1 nên có xảy ra chuyển biến peclit → austenit khi nung nóng với hiệu ứng làm nhỏ hạt, nên khi làm
Trang 16nguội chậm austenit hạt nhỏ lại chuyển biến thành peclit với kích thớc hạt nhỏ.
* ủ hoàn toàn
- ủ hoàn toàn là phơng pháp ủ áp dụng cho thép trớc cùng tích với lợng cacbon trong khoảng 0,30 ữ 0,65% với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn là austenit tức là nung đến nhiệt độ cao hơn Ac3:
- Nhiệt độ ủ: Tủ = AC1 + (20 ữ 30) 0C
Khi ủ không hoàn toàn do chỉ đợc nung thấp nên bản thân austenit tạo thành cha kịp làm đồng đều thành phần hoặc vẫn còn các phần tử xêmentit của peclit cha chuyển biến xong hoặc xêmentitII Sự không đồng nhất nh vậy làm cho sự tạo thành peclit hạt dễ dàng và độ cứng HB < 220 dễ gia công cắt hơn
* ủ khuếch tán (ủ đồng đều hóa)
Là dạng ủ đợc tíên hành ở nhiệt độ rất cao (~ 1000 ữ 1200 0C), thời gian giữ nhiệt dài để làm đồng thành phần vật đúc và thờng đợc dùng cho thép hợp kim cao
* ủ đẳng nhiệt
ủ đẳng nhiệt thờng đợc dùng cho thép hợp kim để rút ngắn thời gian ủ ủ
đẳng nhiệt đợc tiến hành nh sau: Chi tiết sau khi đợc giữ ở nhiệt độ ủ đợc làm nguội trong môi trờng có nhiệt độ cố định, giữ ở nhiệt độ này một thời gian đủ dài để hoàn thành chuyển biến sau đó làm nguội ngoài không khí Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt mà chúng ta nhận đợc tổ chức có độ cứng khác nhau
3.1.2.2 Thờng hóa
a Khái niệm
- Thờng hóa là phơng pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit (cao hơn Ac3 hay Acm) giữ nhiệt trong một thời gian
