BAI GIANG+BÀI TẬP VẬT LIỆU CƠ KHÍÔ TÔ

CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU a Các khái niệm về mạng tinh thể .Ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suất khí quyển, hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn tinh thể – các nguyên tử

Các nhóm vật liệu thường sử dụng trong công nghiệp hiện nay:

Vật liệu kim loại;

Vật liệu vô cơ – Ceramic;

Vật liệu hữu cơ – Polyme;

Vật liệu tổ hợp – Compozit

1

CHƯƠNG 1 CẤU TRÖC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

1.1 Cấu trúc của vật liệu

1.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

a) Định nghĩa

- Kim loại là vật thể sáng, có ánh kim, dẻo, có thể rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, có hệ số nhiệt điện trở dương

VD: Fe, Cu, Al, Ag, Au, giòn, Ce(xêri) dẫn điện kém

b) Đặc điểm

Số điện tử hoá trị của lớp điện tử ngoài cùng rất ít, thường chỉ có 1-3 điện tử Chúng liên kết yếu với hạt nhân, nên dễ bị bứt ra thành điện tử tư do, còn nguyên tử trở thành ion dương

Sự tồn tại của các điện tử tự do quyết định nhiều tính chất quan trọng của kim loại như: vẻ sáng (ánh kim); tính dẻo; tính dẫn điện và dẫn nhiệt

+ Vẻ sáng: Bức xạ tạo ra ánh sáng gọi là ánh kim (Các điện tử tự do bị kích động và đạt mức năng lượng cao nhưng không ổn định khi bị ánh sáng chiếu vào) + Tính dẻo: Mây điện tử có tác dụng như một lớp đệm để các ion dương có thể trượt đi với nhau khi bị biến dạng (phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể) + Tính dẫn điện: Khi đặt kim loại vào một hiệu điện thế, các điện tử tự do sẽ chuyển động theo một hướng nhất định tạo nên dòng điện.

+ Tính dẫn nhiệt: Khi nhiệt độ tăng thì các ion dương và mây điện tử dao động mạnh và truyền động năng cho nhau.

1.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

c) Liên kết kim loại

- Là liên kết giữa mạng ion dương xác định với các điện tử tự do Năng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và lực hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử tự do

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU a) Các khái niệm về mạng tinh thể

Ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suất khí quyển, hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn tinh thể – các nguyên tử (ion kim loại) sắp xếp theo những trật tự nhất định trong không gian – kiểu mạng tinh thể nhất định

Mạng tinh thể

- Là mạng không gian được tạo nên bởi các ion, nguyên tử sắp xếp theo một quy luật chặt chẽ, tạo thành một dạng hình học nhất định

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Ô cơ sở (ô cơ bản)

Mạng tinh thể được tạo thành từ những hình khối đơn giản, giống nhau, xếp liên tiếp nhau theo ba chiều trong không gian Các ô nhỏ đó gọi là ô cơ sở (ô cơ bản)

Ô cơ sở là phần nhỏ nhất đặc trưng đầy đủ cho các tính chất cơ bản của mạng tinh thể

Mạng tinh thể gồm các mặt song song và cách đều nhau - mặt tinh thể.

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Phương tinh thể

- Biểu diễn vị trí và hướng của mặt tinh thể nào đó

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Thông số mạng tinh thể

- Là khoảng cách giữa hai nguyên tử gần nhau nhất theo một phương nào đó

+ Từ thông số mạng có thể tính ra được các khoảng cách bất kỳ trong mạng;

+ Thông số mạng được xác định theo kích thước các cạnh của ô cơ sở;

+ Đơn vị đo là Ăng-strôn (Å).1Å = 10-8 cm

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Mật độ nguyên tử trong mạng tinh thể

- Là đại lượng đánh giá mức độ sắp xếp sít chặt của các chất điểm đối với mỗi kiểu mạng Bao gồm: mật độ theo phương, mật độ mặt và mật độ khối

+ Mật độ theo phương:

- Là mức độ sít chặt của các nguyên tử theo một phương nhất định Phương nào có khoảng cách giữa các nguyên tử nhỏ hơn thì phương đó có mật độ lớn hơn

- Là mức độ xít chặt của các nguyên tử theo một mặt nào đó và được tính theo công thức sau:

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

+ Mật độ khối: là mức độ xít chặt của các nguyên tử trong một ô cơ sở và được tính theo công thức sau:

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại.

Có tất cả 14 kiểu mạng tinh thể khác nhau thuộc 7 hệ.Kim loại nguyên chất thường tồn tại 3 kiểu mạng chính:

Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe ,  Cr, W, Mo,…;

Số nguyên tử trong một ô cơ sở n = 8.(1/8) +1 = 2;

Số sắp xếp của mạng K = 8;

Mật độ khối Mv = 68%;

- a  2,87.10-7mm

Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , Cu, Ni… ;

Số nguyên tử trong một ô cơ sở n = 8.(1/8) + 6.(1/2) = 4;

Số sắp xếp của mạng K = 12 (số các nguyên tử cách đều gần nhất 1 nguyên tử bất kỳ);

Mật độ mặt (111) Ms = 91%, mật độ khối Mv = 74%;

- a 3,64.10 -7mm

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

Lục giác xếp chặt – A3 (T12)

Các kim loại có kiểu mạng này là: Zn, Mg, Cd, Cr, Mo,…;

Số nguyên tử trong một ô cơ sở n = 12.1/6 +2.1/2 + 3 = 6;

Số sắp xếp của mạng K = 12;

Mật độ khối Mv = 74%;

- a 3,2.10 -7mm; c 5,2.10 -7mm

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 1.1.2.3 Tính chất của mạng tinh thể a) Tính dị hướng của tinh thể

Có thể nhận thấy mật độ nguyên tử theo những phương khác nhau là khác nhau Vì vậy, tính chất cơ, lý, hóa đo theo các phương này nhận được những giá trị không giống nhau

Sự thay đổi tính chất phụ thuộc vào phương tinh thể được gọi là tính dị hướng

VD:

Những phương có mật độ nguyên tử cao thì độ bền cao

1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU

đổi đột ngột.

+ Thay đổi về thể tích:

- Khi nung nóng đến 9100C thì có chuyển biến từ Fe - mạng A2 sang Fe - mạng A1 thể tích của kim loại bị giảm đi và khi làm nguội thì ngược  lại

+ Thay đổi về tính chất:

Cacbon có 2 dạng thù hình là Graphit và Kim cương có tính chất khác nhau

Graphit – A3 là vật liệu rất mềm Kim cương là vật liệu rất cứng

Chế tạo Kim cương từ Graphit: nén Graphit ở áp suất 100.000 at và ởnhiệt độ 20000C

1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ

- Đặc điểm:

+ Kim loại đơn tinh thể có độ nguyên chất rất cao, sai lệch mạng ít nhất;

+ Có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên, hầu như để có được đơntinh thể kim loại người ta phải nuôi;

+ Chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu điện;

+ Có tính dị hướng (là sự khác nhau về tính chất cơ, lý, hoá theo các phương khác nhau), vì theo các hướng khác nhau độ xếp chặt nguyên tử khác nhau

1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ

+ Nút trống: là những vị trí thiếu nguyên tử, do dao động nhiệt gâyra;

+ Nguyên tử xen kẽ: khi chất điểm nhảy khỏi vị trí cân bằng, và nằm ở vị trí nào đó trong mạng tạo nên xen kẽ hay còn gọi là sai chỗ;

+ Nguyên tử tạp chất: Trong kim loại luôn có lẫn một lượng nhất định nguyên tử của nguyên tố khác, thường gọi là tạp chất Do kích thước của nguyên tử kim loại nền và nguyên tử tạp chất khác nhau nên có sự sô lệch cục bộ quanh vị trí của nó, tạo nên khuyết tật điểm;

Ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và chống biến dạng của kim loại;

Chúng được tạo thành khi kết tinh hoặc trong quá trình biến dạng dẻo;

- Mật độ lệch được xác định như sau:

1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ 1.1.3.3 Các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim

Nhằm nghiên cứu về cấu tạo bên trong của kim loại và hợp kim

+ Tập hợp các thành phần cấu tạo khác nhau: Độ lớn, hình dạng hạt, cấu tạo pha và sự phân bố giữa chúng;

+ Cấu trúc bên trong sự sắp sếp các nguyên tử, ion trong mạng tinh

thể

a) Phương pháp mặt gẫy

Quan sát kim loại ở chỗ gẫy, vỡ (mặt gẫy) và có thể phát hiện:Vết nứt lớn; lẫn xỉ lớn, rỗ xỉ, rỗ khí, sơ bộ về hạt lớn hay bé

VD: khi thấy hạt lớn có thể biết là kim loại dòn, dễ gấy, hoặc khi thấy vết

nứt và lẫn xỉ có thể kết luận về nguyên nhân hư hỏng …

1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ

Phương pháp tổ chức thô đại

Đem mài phẳng mặt gẫy bằng giấy mài có thể thấy rõ một số dạng hỏng của kim loại như nứt, lẫn xỉ, rỗ Nếu dùng kính lúp để quan sát có thể phát hiện những dạng hỏng với kích thước nhỏ hơn, tới 0,05 mm.Nếu dùng một số hoá chất thích hợp để ăn mòn nhẹ bề mặt ngoài sẽ phát hiện được sự không đồng nhất của tổ chức kim loại như lớp tôi bề mặt, lớp thấm tôi tổ chức thớ, sự thiên tích của phốt pho, và lưu huỳnh

Đó là phương pháp nghiên cứu tổ chức kim loại bằng kính hiểm vi.

Sử dụng chùm điện tử bị gia tốc trong điiện trường có điện thế cao tới hàng vạn vôn nên bước sóng rất ngắn

Khả năng phân li của kính đến vài chục A0, có loại tới vài A0 nghĩa là gần tới khoảng cách nguyên tử

- Hai phương pháp nghiên cứu tổ chức tế vi này chỉ cho biết: hình dạng, kích thước, số lượng và sự phân bố của hạt và các pha.

1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ

d) Phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen

Tia Rơnghe có bước sóng rất ngắn nên có khả năng đâm xuyên - căn cứ vào ánh vạch nhiễu xạ của tia phản chiếu từ mặt tinh thể có thể suy ra một cách chính xác kiểu mạng tinh thể và giá trị của thông số mạng.

Ngoài ra còn sử dụng các phương pháp khác như:

+ Phân tích thành phần hoá học, xác định cơ, lý, hoá tính và các khuyết tật rỗ nứt mà không phá huỷ kim loại

1.2 BIẾN DẠNG VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO 1.2.1.1 Các giai đoạn của biến dạng

Biểu đồ kéo kim loại

Diến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy là 3 quá trình nối tiếp nhau xảy ra trong kim loại và đa số các hợp kim dưới tác dụng của tải trọng

Ban đầu, tăng tải trọng độ biến dạng ∆l tăng theo tỷ lệ bậc nhất ứng với đoạn Oa Đây là giai đoạn  biến dạng đàn hồi.Khi tải trọng vượt quá Pdh  độ biến dạng ∆l tăng theo với tốc độ nhanh hơn Đây là giai đoạn biến dạng dẻo kèm biến dạng đàn hồi.Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất tại c trong kkim loại xuất hiện vết nứt, lúc này ứng suất tăng nhanh gây biến dạng tập trung, kích thước vết nứt tăng lên và cuối cùng làm cho mẫu bị phá hủy tại điểm d Đây là giai đoạn phá hủy.

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

Bản chất ? Ứng suất ( US pháp và US tiếp) 

Trước khi biến dạng dưới tác dụng của ứng suất

Ảnh hưởng riêng của ứng suất pháp và ứng suất tiếp gây ra biến dạng đàn hồi và biến dạng này sẽ mất đi ngay sau khi ngắt bỏ tải trọng Tải trọng Pdh là tải trọng ứng với giới hạn đàn hồi

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

Tiếp tục tăng giá trị ứng suất pháp vượt qua giới hạn đàn hồi, thì mẫu bị phá hủy Gọi là phá hủy dòn

Khi tăng ứng suất tiếp, tương ứng P > Pdh, khi ngắt bỏ tải trọng mẫu còn lại biến dạng dư

Tiếp tục tăng ứng suất tiếp, tương ứng P > Pph, mẫu bị phá hủy

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

Kết luận: Vai trò của ứng suất pháp tuyến gây ra biến dạng đàn hồi và phá hủy dòn Trong khi ứng suất tiếp sinh ra biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy.

Biến dạng dẻo là hình thức gia công kim loại không phoi rất phổbiến như: cán, rèn, dập, kéo, ép chảy,

Tìm hiểu các ứng xử của vật liệu kim loại dưới tác dụng của ngoại lực:

+ Các tính chất của biến dạng dẻo?

+ Các tính chất của kim loại và hợp kim biến đổi?

+ Khảo sát sự biến đổi cấu trúc mạng tinh thể của kim loại

và hợp kim

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

a) Biến dạng dẻo đơn tinh thể

* Sự trượt của đơn tinh thể

- Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần tinh thể theo những mặt, và phương nhất định giọi là mặt và phương trượt

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

- Mặt trượt là mặt (mặt tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà theo đó sự trượt xảy ra;

- Các mặt và phương có mật độ nguyên tử dày đặc nhất là các mặt và phương trượt cơ bản;

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

* Ứng suất gây ra trượt

Thực nghiệm và lý thuyết đã chứng tỏ rằng chỉ có phần ứng suất tiếp của ngoại lực ở trên mặt và phương trượt mới gây ra trượt

Pháp tuyến với mặt trƣợt

+ Cơ chế trượt đối với đơn tinh thể hoàn thiện hoặc tinh thể lý tưởng

Quá trình trượt xảy ra do sự dịch chuyển tương đối giữa hai phần của mạng đi những số nguyên lần khoảng cách nguyên tử;Khi trượt tất cả các nguyên tử ở trên mặt trượt đều dịch chuyển

đồng thời;

Ứng suất tiếp tác dụng phải rất lớn để thắng được cùng 1 lúc tất cả các liên kết giữa các nguyên tử ở 2 bên mặt trượt

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

+ Cơ chế trượt đối với đơn tinh thể có chứa lệch (Không hoàn thiện)Lệch luôn là nơi xuất phát của các quá trình trượt;

Trượt tác động đến các nguyên tử ở trên mặt trượt một cách nối tiếp nhau

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

Kết luận:

Trượt với đơn tinh thể hoàn thiện phản ánh độ bền lý thuyết của kim loại Trong khi trượt với đơn tinh thể có chứa lệch phản ánh độ bền thực tế;

Độ bền thực tế luôn nhỏ hơn lý thuyết rất nhiều;

Trong thực tế độ bền của kim loại rất thấp, nguyên nhân là do

trong mạng tinh thể luôn có lệch

* Đặc điểm

+ Các hạt trong đa tinh thể bị biến dạng không đều

Vì các hạt có sự định hướng về phương bề mặt khác nhau nên chúng

sẽ bị trượt khác nhau

+ Có tính đẳng hướng

Do phương và mặt của các hạt định hướng ngẫu nhiên nên kết quả tổng hợp theo mọi phương của các hạt là giống nhau

+ Độ bề cao hơn đơn tinh thể

Các vùng biên giới hạt bị xô lệch nên rất khó tạo nên mặt và phương trượt do đó chung có tác dụng cản trượt

+ Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao

Hạt nhỏ thì tổng biên giới hạt lớn nên cản trở mạnh sự trượt

1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO

Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo

Khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mạt trượt bị xô lệch, các hạt bị biến dạng không đều;

Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư;

Sau biến dạng dẻo cơ tính kim loại thay đổi:

+ Độ bền, độ cứng tăng lên;

+ Độ dẻo độ dai giảm đi;

 gọi là hoá bền hoặc biến cứng

- Biến dạng dẻo cũng làm thay đổi tính chất lý hoá của kim loại như:

+ Tăng điện trở;

+ Giảm tính chống ăn mòn

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI

Biến dạng dẻo tạo ra trong kim loại những dạng sai lệch: Sai lệch điểm, sai lệch đường hay sai lệch mặt Do đó trạng thái của kim loại sau biến dạng dẻo là không ổn định Hệ kim loại sau khi biến dạng dẻo luôn có xu hướng trở về trạng thải ổn định có năng lượng nhỏ hơn

Quá trình này được kích thích từ bên ngoài bằng cách nung nóng Khi nóng lên độ linh động của các nguyên tử tăng lên, tăng khả năng tự khuyếch tán Kết quả là các nguyên tử trở về vị trí ổn định hơn

Phụ thuộc vào nhiệt độ nung, quá trình này chia ra làm 2 giai đoạn chủ yếu là: Hồi phục và kết tinh lại

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI

Hồi phục

Hồi phục được thực hiện ở nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh lại Tại nhiệt độ hồi phục, khả năng khuyếch tán nguyên tử kim loại nền và nguyên tử tạp chất tăng lên nhưng do nhiệt độ này còn nhỏ, nên khả năng dịch chuyển các nguyên tử nhỏ Không quá một khoảng cách nguyên tử - gọi là chuyển dịch ngắn

Những thay đổi xảy ra trong giai đoạn hồi phục:

Giảm ứng suất dư

Do sự phân bố lại lệch, giảm sai lệch điểm nên mức độ xô lệch mạng giảm đi Vì vậy ứng suất dư trong từng hạt giảm đi rõ rệt

Giảm sai lệch mạng

Do một số nguyên tử có khả năng dịch chuyển ngắn để trở về trạng thái ổn định hơn nên sai lệch mạng (chủ yếu là các nút trống và sai lệch điểm) giảm đi

Thay đổi một số tính chất sau:

Biến dạng dẻo do làm tăng sai lệch nên điện trở tăng và tính dẫn điện kém đi Quá trình hồi phục làm giảm sai lệch mạng nên độ dẫn điện và điện trở được hồi phục như trước

Trong giai đoạn hồi phục, cơ tính của kim loại có thể thay đổi chút ít theo hướng giảm độ bền, độ cứng do có liên quan đến mật độ lệch

Giai đoạn này tổ chức tế vi chưa biến đổi do đó các tính chất khác của kim loại chưa khôi phục bao nhiêu

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI

Kết tinh lại

Tiếp sau giai đoạn hồi phục là giai đoạn kết tinh lại Giai đoạn này tạo ra các mầm của hạt mới không chứa lệch, rồi sau đó các mầm này phát triển lên tạo ra một tổ chứa các hạt không chứa các sai lệch mạng

Sự tạo mầm

Mầm chủ yếu được tạo ra ở các vùng tập trung sai lệch mạng như

biên giới hat, mặt trượt

Mức độ biến dạng càng lớn mầm tạo ra càng nhiều

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI b) Nhiệt độ kết tinh lại

Nhiệt độ kết tinh lại là nhiệt độ nhỏ nhất tại đó xảy ra quá trình tạo mầm và phát triển mầm trong kim loại bị biến dạng dẻo sau khi được nung nóng

Thực nghiệm đưa ra quan hệ giữa nhiệt độ kết tinh lại và nhiệt độ nóng chảy như sau:

T ktl = k.T nc Trong đó: k là hệ số phụ thuộc vào độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt.

Thông thường k = 0,4 0,6.

k = 0,4 - Đối với kim loại nguyên chất.

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI

c) Giai đoạn kết tinh lại lần thứ nhất

Sau khi hình thành mầm, mầm bắt đầu phát triển lên, đồng thời tiếp tục sinh mầm tại biên giới hạt Các mầm mới, ổn định và phát triển nuốt hết các hạt kém ổn định hơn, tạo ra một thế hệ hạt mới

Sự kết tinh lại lần thứ nhất kết thúc

Sự biến đổi tổ chức và cơ tính của kim loại biến dạng dẻo khi nung nóng

Tổ chức tế vi và độ hạt

Về tổ chức tế vi: Các hạt hoàn toàn mới không chứa sai lệch mạng do biến dạng dẻo;

Kích thước hạt sau khi kết tinh lại phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Mức độ biến dạng (Mức độ biến dạng càng tăng, số mầm sinh ra càng nhiều do đó hạt sau khi kết tinh lại càng nhỏ);

+ Nhiệt độ ủ;

+ Thời gian giữ nhiệt khi ủ

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI d) Giai đoạn kết tinh lại lần thứ hai

Sau khi kết tinh lại lần thứ nhất được các tổ chức tế vi mới gồm các hạt có kích thước to nhỏ khác nhau

Giai đoạn kết tinh lại lần 2 là quá trình tự nhiên, sự lớn lên của hạt xảy ra bằng cách các hạt lớn thôn tính các hạt bé để giảm tổng diện tích bề mặt nhằm đạt được trạng thái năng lượng thấp hơn

Sự phát triển của kết tinh lại lần 2 đạt phụ thuộc vào:

Nhiệt độ kết tinh lại lần 2 cao hơn nhiệt độ kết tinh lại lần 1

Nhiệt độ càng cao thì càng dễ xảy ra quá trình kết tinh lại lần 2

Động lực của quá trình kết tinh lại lần 2 là năng lượng ranh giới giũa các hạt Các hạt có kích thước càng chênh lệch nhau càng dễ xảy ra kết tinh lần 2 và ngược lại

1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI

Tổ chức và tính chất sau kết tinh lại

Phá hủy giòn, dẻo là dạng phá hủy khi đặt vào tải trọng tĩnh.

Phá hủy kèm theo biến dạng dẻo với mức độ rõ rệt tức là vùng gẫy vỡ có tiết diện biến đổi được gọi là phá hủy dẻo; ngược lại khi kèm theo biến dạng dẻo không rõ rệt tức vùng gẫy vỡ có tiết diện hầu như không biến đổi được gọi là phá hủy giòn.Phá hủy giòn là loại không dự báo (không thể biết trước từ các biểu hiện bên ngoài) nên rất nguy hiểm, do vậy nếu phải xảy ra thì bao giờ người ta cũng mong muốn phá hủy là dẻo, có thể biết trước để thay thế hay sửa chữa

1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO a) Nhiệt độ

Khi hạ thấp nhiệt độ, cơ tính vật liệu đều biến đổi theo chiều hướng giảm độ dẻo

Nhiệt độ Tb.gi - được gọi là nhiệt độ biến giòn

Trong thực tế luôn luôn mong mỏi vật liệu có nhiệt độ biến giòn càng thấp càng tốt, vật liệu được coi là giòn là loại có nhiệt độ biến giòn ở khoảng nhiệt độ thường, vật liệu được coi là dẻo là loại có nhiệt độ biến giòn ở nhiệt độ âm sâu

1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO

b) Tốc độ biến dạng

Khi tăng tốc độ biến dạng hay đặt tải trọng, vật liệu có khuynh hướng trở nên giòn tức làm nhiệt độ biến giòn tăng lên

Như vậy ngay cả vật liệu dẻo vẫn có thể bị phá hủy giòn nếu làm việc ở nhiệt độ thấp và chịu tải trọng thay đổi đột ngột

c) Tập trung ứng suất

Nếu mẫu kim loại chứa nhiều yếu tố tập trung ứng suất ( rãnh khía, vết nứt bên trong, thay đổi tiết diện đột ngột…) thì ứng suất ở những vùng này cao hơn rất nhiều giá trị ứng suất trung bình

Vì vậy kim loại hoàn toàn có thể bị phá hủy giòn ngay cả khi ứng suất ở giới hạn chảy

1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO

d) Cơ chế phá hủy

Vết nứt tới hạn

phát triển nhanh

Vết nứt tế vi phát triển đến kích thước dưới tới hạn Nứt chấm dứtvà gãy rời.

Vết nứt tế vi phát triển đạt đến kích thước tới hạn

Hình thành vết nứt (tế vi)

1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO

Vết nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đoạn biến dạng dẻo

Sự phá hủy hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng phát triển của vết nứt tế vi này, sẽ không xảy ra phá hủy một khi nứt tế vi này vẫn giữ nguyên kích thước (không phát triển) Hơn nữa trong quá trình phát triển lên, vết nứt tế vi này cũng chưa phải là nguy hiểm nếu kích thước của nó nhỏ hơn giá trị tới hạn Sự phát triển nứt xảy ra do ứng suất tập trung theo hiệu ứng góc nhọn ở đỉnh nứt (đỉnh nứt càng nhọn sự tập trung càng mạnh)

Grifth cũng cho rằng khi ứng suất tập trung ở đỉnh nứt vượt quá ứng suất tới hạn gh lúc đó vết nứt sẽ phát triển một cách tự nhiên không gì cản nổi, dẫn đến phá hủy, lúc đó nguy cơ nứt mới trở nên hiện thực.

E - môđun đàn hồi

 - năng lượng bề mặt riêng

a - một nửa của chiều dài của vết nứt bên trong.

1.3.2 PHÁ HỦY MỎI

Phá hủy mỏi là dạng phá hủy xảy ra khi kim loại chịu tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ, theo một quy luật nào đó

Phá hủy mỏi có một số đặc điểm sau:

Khả năng phá hủy mỏi không phụ thuộc trực tiếp vào thời gian mà thông qua số lượng chu kỳ

Nếu trong thời gian tương đối ngắn mà tải trọng thay đổi với tần suất lớn thì phá hủy mỏi vẫn có thể xảy ra và ngược lại

Nếu ứng suất thực tế bé hơn một giá trị xác định thì phá hủy mỏi không bao giờ xảy ra dù số lượng chu kỳ là rất lớn Giá trị ứng suất này gọi là giới hạn mỏi

Cơ chế phá hủy mỏi

Cũng giống như mọi phá hủy khác, phá hủy mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên song với đặc điểm là nó thường nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành và phát triển vết nứt.Nguồn của vết nứt:

- Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí , tạp chất, xước, lồi lõm…

Hạn chế phá hủy mỏi

Tránh gây ra sự tập trung ứng suất nhất là trên lớp bề mặt Những vùng quan trọng cần mài bóng để làm mất những vết xước nhỏ Vật liệu cần có tổ chức đồng đều, không có tạp chất rỗ khí.Vết nứt nhanh chóng phát triển khi có thành phần của ứng suất kéo tác dụng Để hạn chế sự phát triển này có thể áp dụng biện pháp tạo trước ứng suất nén trên lớp bề mặt như phun bi, lăn ép…

1.3.3 HIỆN TƢỢNG DÃO

Cơ chế phá hủy dão:

Các hạt trượt lên nhau theo biên giới hạt nên ở vùng tiếp giáp giữa 3 hạt có sự tập trung ứng suất lớn đủ để tạo ra vết nứt

Hạt 3 Hạt 2

Các nút trống tích tụ trên biên giới hạt tạo nên các lỗ hổng có kíchthước nhỏ, sau đó chúng liên kết lại và tạo thành vết nứt lớn

Khả năng xuất hiện và tốc độ phát triển của vết nứt dão càng lớn khi tăng nhiệt độ và ứng suất

Độ bền là chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng để đánh giá chất lượng củakim loại và hợp kim

Mối quan hệ giữa độ bền và mật độlệch trong kim loại là rất khăng khít:

Mật độ lệch bằng không, độ bền đạt giá trị cực đại- độ bền lý thuyết

Để chế tạo được những đơn tinh thể sạch đòi hỏi công nghệ cao, chi phí lớn

Các tinh thể có kích thước quá nhỏ, chưa thể làm nổi một chi tiết hoàn chỉnh

1.3.4 PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO ĐỘ BỀN KIM LOẠI b) Tăng mật độ lệch

Đây là biện pháp được sử dụng chủ yếu hiện nay để tăng bền cho kim loại và hợp kim

Khi tăng mật độ lệch, khoảng cách giữa các lệch càng nhỏ, tương tác lệch giữa chúng càng mạnh và chúng làm khó chuyển động do biến dạng dẻo, tức tăng bền

1.3.4 PHƯƠNG HƯỚNG NÂNG CAO ĐỘ BỀN KIM LOẠI

Làm nhỏ hạt

Làm nhỏ hạt tăng biên giới hạt Mà biên giới hạt là một  yếu tố hãm lệch tăng bền

Các biện pháp làm nhỏ hạt: nhiệt luyện, biến dạng dẻo thích hợp…

Làm xô lệch mạng

Mạng tinh thể bị xô lệch tăng mật độ lệch vượt quá giới hạn các lệch cắt nhau, hình thành các chốt cố định cản trở chuyển động lệch tăng   bền

Các biện pháp làm xô lệch mạng: Tiến hành biến dạng dẻo hoặc nhiệt luyện bằng phương pháp tôi