Bài giảng Gia công áp lực ĐHBK Hà Nội

1.1.1 Khái quát về quá trình biến dạngSự dịch chuyển tương đối giữa các chất điểm, các phần tử của vật thể rắndưới tác dụng của ngoại lực, nhiệt độ hoặc của một nguyên nhân nào đó dẫn đế

Ch−¬ng 1 Nh÷ng kiÕn thøc c¬ së vÒ biÕn d¹ng dÎo

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i 1

TÀI LIỆU ĐƯỢC DOWNLOAD MIỄN PHÍ TẠI WEBSITE SHARE99.NET

1.1.1 Khái quát về quá trình biến dạng

Sự dịch chuyển tương đối giữa các chất điểm, các phần tử của vật thể rắndưới tác dụng của ngoại lực, nhiệt độ hoặc của một nguyên nhân nào đó dẫn

đến sự thay đổi về hình dạng, kích thước vật thể, liên kết vật liệu được bảo

toàn, được gọi là biến dạng dẻo

Chương 1 Những kiến thức cơ sở về biến dạng dẻo

1.1 cơ sở vật lý của quá trình biến dạng (Cơ sở kim loại học)

9 Tất cả mọi phương pháp GCAL đều dựa trên một tiền đề chung là thực

hiện một quá trình biến dạng dẻo

9 Vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực sẽ thay đổi hình dạng và kích thước

mà không mất đi sự liên kết bền chặt của nó

9 Khả năng biến dạng dẻo được coi là một đặc tính quan trọng của kim loại

Để làm sáng tỏ quá trình biến dạng ặ theo dõi thí nghiệm kéo giản đơn Dưới tácdụng của lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo dài cho đến khi bị kéo đứt Trong thínghiệm kéo với các thiết bị phù hợp ta có thể đo được lực kéo và độ dãn dàitương ứng, từ đó xác định ứng suất và biến dạng theo các mối quan hệ sau:

- Vùng biến dạng đàn hồi

Biến dạng mẫu khi thử kéo

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 3

Đường cong ứng suất - biến dạng

- Vùng biến dạng đàn hồi – dẻo

(trong đó biến dạng đàn hồi rất

nhỏ so với biến dạng dẻo

- Vùng phá huỷ

Cho SV xem Video thử kéo mẫu.

Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo trong tinh thể

Biến dạng của vật thể là tổng hợp của các quá trình biến dạng trong từng hạt

tinh thể và trên biên giới hạt ặ muốn tìm hiểu cơ chế của quá trình biến

dạng trong đa tinh thể trước hết hãy nghiên cứu sự biến dạng trong đơn tinh

thể lý tưởng (không có khuyết tật)

Biến dạng đàn hồi

Biến dạng dẻo trong tinh thể

Biến dạng trong đơn tinh thể có hai cơ chế chủ yếu: trượt và đối tinh

Trượt

Khi mẫu đơn tinh thể bị kéo ặ xuất hiện các bậc trên bề mặt của mẫu Điều đóchứng tỏ có sự trượt lên nhau giữa các phần của tinh thể Sự trượt xảy ra chủ yếutrên những mặt nhất định và dọc theo những phương nhất định gọi là mặt trượt vàphương trượt Mức độ trượt thường là bằng một số nguyên lần khoảng cách giữacác nguyên tử trên phương trượt

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 5

Mặt trượt và phương trượt là những mặt và phương có mật độ nguyên tử lớnnhất Điều này cũng dễ hiểu bởi lẽ lực liên kết giữa các nguyên tử trên mặt vàphương đó là lớn nhất so với những mặt và phương khác.

Số lượng hệ trượt càng lớn thì khả năng xảy ra trượt càng nhiều có nghĩa là càng

dễ biến dạng dẻo ặ Bởi vậy khả năng biến dạng dẻo của kim loại có thể được

đánh giá thông qua số lượng hệ trượt

Đặc điểm của trượt:

-Trượt chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp.Trượt chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp

- Phương mạng không thay đổi trước và sau khi trượt

- Mức độ trượt bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử

- ứng suất tiếp cần thiết để gây ra trượt không lớn

Song tinh (đối tinh)

Khi ứng suất tiếp τ đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì một phần của mạng tinh thể

sẽ xê dịch đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặtsong tinh Song tinh cũng chỉ xảy ra trên các mặt và các phương xác định

Mặt song tinh

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 7

Song tinh có những đặc điểm sau:

- Giống như trượt sự tạo thành song tinh chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp

- Khác với trượt là song tinh kèm theo sự thay đổi phương mạng của phần tinh thể bị xê dịch.

- Khoảng xê dịch của các nguyên tử tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng tới mặt song tinh và có trị số nhỏ hơn so với khoảng cách nguyên tử.

- ứng suất cần thiết để tạo thành đối tinh cơ học thường lớn hơn ứng suất cần thiết để gây ra trượt Bởi vậy nói chung trượt sẽ xảy ra trước và chỉ khi các quá trình trượt gặp khó khăn thì song tinh mới tạo thành.

Vì xê dịch của các nguyên tử khi tạo thành song tinh nhỏ nên song tinhkhông dẫn đến một mức độ biến dạng dẻo đáng kể trong tinh thể (chỉvài %).

Nếu cùng với song tinh còn xảy ra trượt thì trượt sẽ đóng vai trò chínhtrong quá trình biến dạng dẻo

Trong các tinh thể liên kết đồng hoá trị như Bi , Sb toàn bộ biến dạngdẻo cho đến lúc phá hủy chủ yếu do song tinh tạo nên, vì thế mức độbiến dạng dẻo trong các tinh thể đó rất nhỏ, chúng được coi là nhữngvật liệu ròn

Song tinh (đối tinh)

vật liệu ròn

Đối với những kim loại mạng lục phương xếp chặt như Zn , Mg , Cd do

số lượng hệ trượt ít nên thường tạo thành song tinh, song ý nghĩa củasong tinh đối với biến dạng dẻo không lớn mà quan trọng hơn là dosong tinh làm thay đổi phương mạng nên có thể làm xuất hiện một vài

định hướng mới có lợi cho trượt Trong trường hợp này biến dạng dẻoxảy ra thường tăng lên so với trường hợp chỉ có trượt đơn thuần Tuynhiên sự thay đổi này không lớn nên các kim loại mạng lục phương xếpchặt vẫn là những vật liệu có tính dẻo kém

KhuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ

C¸c d¹ng khuyÕt tËt m¹ng

CÊu tróc tinh thÓ cña vËt liÖu kim lo¹i bÞ rèi lo¹n do sù xuÊt hiÖn cña c¸c khuyÕt tËt m¹ng C¨n cø vµo kÝch th−íc cña c¸c khuyÕt tËt cã thÓ chia chóng thµnh ba d¹ng:

- KhuyÕt tËt ®iÓm: c¸c nót trèng, c¸c nguyªn tö xen kÏ

- KhuyÕt tËt ®−êng: vÝ dô c¸c lo¹i lÖch

- KhuyÕt tËt mÆt: biªn giíi h¹t, biªn giíi pha, khuyÕt tËt xÕp

C¸c khuyÕt tËt ®iÓm

1- Nót trèng 2- Nguyªn tö xen kÏ

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i 9

3- Nguyªn tö thay thÕ 4- Nguyªn tö ngo¹i lai xen kÏ

KhuyÕt tËt ®−êng (lÖch)

KhuyÕt tËt mÆt

Biªn giíi h¹t KhuyÕt tËt xÕp

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i 11

Biªn giíi pha

1.1.2 Hoá bền biến dạng

™ Hiện tượng ứng suất chảy tăng lên theo mức độ biến dạng trong quá trình biến dạng.

™ Một hiện tượng rất quan trọng xảy ra trong quá trình biến dạng.

™ ảnh hưởng như đến tính chất của sản phẩm.

™ Xảy ra khi biến dạng ở nhiệt độ còn tương đối thấp.

™ Hoá bền biến dạng làm tăng tải trọng đối với dụng cụ biến dạng, đòi hỏi tiêu hao về lực và công biến dạng ngày càng tăng Vì vậy, để có thể đạt được một mức độ biến dạng mong muốn nào đó trong nhiều trường hợp phải tiến hành các bước nhiệt luyện trung gian nhằm giảm bớt ứng suất chảy và khôi phục tính dẻo.

™Để tránh hiện tượng hoá bền biến dạng > thực hiện biến dạng ở nhiệt độ cao, song

độ chính xác và chất lượng bề mặt của sản phẩm lại kém hơn nhiều so với biến dạng nguội.

Nguyên nhân của hiện tượng hóa bền:

1.1.3 C¸c qu¸ tr×nh kÝch ho¹t nhiÖt

(2) (3)

Håi phôc

§a diÖn ho¸ trong tinh thÓ bÞ uèn(a) s¾p xÕp cña lÖch trong tinh thÓ bÞ uèn(b) s¾p xÕp cña lªch sau khi ®a diÖn ho¸

• Nung nóng khi biến dạng

• Nhiệt độ biến dạng ở khoảng xung quanh nhiệt

• Ví dụ với Thép C: Biến dạng nóng ở nhiệt độ từ 1150-

1250oC

nâng cao khả năng biến dạng dẻo, ứng suất chảy giảm do có sự phục hồi, một phần kết tinh lại

• Ví dụ với Thép C: Biến dạng nửa nóng ở nhiệt

độ từ 650-800oC

Vật liệu Nhiệt độ kết

Nhiệt độ kết tinh lại

Ví dụ nhiệt độ kết tinh lại của một số loại vật liệu

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 17

1.1.4 Ứng suất chảy và đường cong chảy

ứng suất cần thiết (xác định trong trạng thái ứng suất đơn) làm cho vật liệu

đạt được trạng thái dẻo hoặc duy trì ở trạng thái dẻo gọi là ứng suất chảy (còn

gọi là độ bền biến dạng- ký hệu là kf hoặc σf) ứng suất chảy là một thông số

cơ bản của vật liệu, nó phụ thuộc trước hết vào bản thân vật liệu (thành phần,

tổ chức, cấu trúc, ) và các điều kiện biến dạng (nhiệt độ, mức độ biến dạng,

tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất)

Ứng suất chảy

kf = f(vật liệu, nhiệt độ, mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất)

Đường cong suất chảy

Đường cong biểu diễn sự phụ

thuộc của ứng suất chảy vào mức

độ biến dạng (hoặc tốc độ biến

dạng) gọi là đường cong chảy

hoặc đường cong hoá bền

Thộp C15

Đường cong chảy

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i 19

Đường chảy nguội của

các vật liệu khác nhau

Đường chảy nóng thép C25 phụ thuộc vào tốc

độ biến dạng

Sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào nhiệt độ,

tốc độ biến dạng của thép C15

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 21

C¸c ph−¬ng ph¸p x¸c định ®−êng ch¶y b»ng thùc nghiÖm

ThÝ nghiÖm kÐo

ThÝ nghiÖm nÐn

ThÝ nghiÖm xo¾n

M« h×nh to¸n häc cña ®−êng cong ch¶y

§¦êNG CH¶Y NGUéI

C: hÖ sè phô thuéc vµo tõng vËt liÖun: sè mò hãa bÒn phô thuéc vµo vËt liÖu

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i 23

VËt liÖu σf0 (MPa) C (MPa) n VËt liÖu σf0 (MPa) C(MPa) n

St38 * 730 0.100 42CrMo4 420 1100 0.149 St42 * 850 0.230 16MnCr5 * 810 0.090 St60 * 890 0.150 20MnCr5 * 950 0.150 C10 * 800 0.240 100Cr6 * 1160 0.180 Ck10 *,** 260 730 0.216 Al99.5 * 110 0.240

B¶ng th«ng sè §¦êNG CH¶Y NGUéI

Ck15 ** 280 760 0.165 Al99.5 ** 60 150 0.222 Ck22 ** 320 760 0.157 Al99.8 ** 60 150 0.222 Ck35 * 960 0.150 AlMgSi1 ** 130 260 0.197 Ck35 ** 340 950 0.178 AlMg3 * 390 0.190 Ck45 ** 390 1000 0.167 CuZn10 ** 250 600 0.331 Cf53 ** 430 1140 0.170 CuZn30 ** 250 880 0.433 15Cr3 * 850 0.090 CuZn37 ** 280 880 0.433 34Cr4 ** 410 970 0.118 CuZn40 * 800 0.330

M« h×nh to¸n häc cña ®−êng cong ch¶y

B¶ng th«ng sè §¦êNG CH¶Y Nãng

VËt liÖu m K (MPa) T( o C) VËt liÖu m K (MPa) T( o C)

C15** 0.154 99/84 1100/1200 CuAl5** 0.163 102 800 C35** 0.144 89/72 1100/1200 Al99.5** 0.159 24 450 C45** 0.163 90/70 1100/1200 AlMn** 0.135 36 480 C60** 0.167 85/68 1100/1200 AlCuMg1** 0.122 72 450 X10Cr13** 0.091 105/88 1100/1250 AlCuMg2** 0.131 77 450 X5CrNi189** 0.094 137/116 1100/1250 AlMgSi1** 0.108 48 450 X5CrNiTi189*

*

0.176 100/74 1100/1250 AlMgMn** 0.194 70 480

E-Cu** 0.127 56 800 AlMg3** 0.091 80 450 CuZn28** 0.212 51 800 AlMg5** 0.110 102 450 CuZn37** 0.201 44 750 AlZnMgCu1,5

Ch−¬ng 1 Nh÷ng kiÕn thøc c¬ së vÒ biÕn d¹ng dÎo

1.2 C¬ häc qu¸ tr×nh biÕn d¹ng

1.2.1 øng suÊt

Néi lùc vµ øng suÊt trong vËt thÓ

§Þnh nghÜa øng suÊt t¹i mét ®iÓm

øng suÊt t¹i ph¸p vµ tiÕp

σ =

Chó ý: trong biÕn d¹ng dÎo ta sö dông øng suÊt thùc!

Ten xơ ứng suất có 3 bất biến:

- Bất biến I1 là bất biến bậc nhất

I1 = σx + σy + σz = const

- Bất biến I2 là bất biến bậc hai

1.2.1 ứng suất

Chuyển từ hệ tọa độ Đề các sang hệ tọa độ chính dựa váo các bất biến

của ten xơ ứng suất

1.2.2 biến dạng

Một điểm có toạ độban đầu là x, y, z,

sau khi biến dạng nhỏ

có toạ độ là x’, y’, z’.Chuyển vị của điểm

đó tương ứng theophương x, y, z:

x’ - x = ux

’

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 31

y’ - y = uyz’ - z = uz

Biến dạng dài và biến dạng góc trên mặt phẳng z

= γ

∂

∂ +

∂

∂

= γ

∂

∂ +

∂

∂

= γ

u u

y

u z

u

x

u y

u

x z

z y

yz

y x

& & &

& & &

& & &

1.2.2 biÕn d¹ng

0

01

l

l

l −

= ε

BiÕn d¹ng kü thuËt (biÕn d¹ng d·n dµi):

BiÕn d¹ng thùc (biÕn d¹ng logarit):

1

l l

dl d

0

1

l

l ln l

1.2.3 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

Trong biến dạng đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tuân theo

đinh luật Hooke :

( )

E E E

E = 2 G 1 + ν

ν hệ số Poisson

G - mô đun đàn hồi tr−ợt

2 2

3 2

1 1

2

1 1

2

1 1

σ σ

σ ε

σ σ

σ ε

D D

Trong biến dạng dẻo, ta có

quan hệ giữa ứng suất và biến

3 3

2

1 1

2

σ σ

σ

ε

D D

Sự khác nhau cơ bản giữa các mô đun E và G trong biến dạng đàn hồi với mô

đun D trong biến dạng dẻo là ở chỗ E và G là hằng số đối với một vật liệu nhất

định còn D thì thay đổi trong suốt quá trình biến dạng

Trong biến dạng đàn hồi E = tgα = const, còn trong biến dạng dẻo D = tgα’ mà α’ thì luôn luôn thay đổi trong quá trình biến dạng

1.2.4 Điều kiện dẻo

Là điều kiện để kim loại quá độ từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo

Xét trường hợp kéo một thanh tròn theo hướng trục Thanh sẽ bị biến dạng dẻo nếu nào ứng suất kéo trên tiết diện của nó đạt tới giới hạn chảy

Trường hợp tổng quát: khi vật thể chụi tác dụng của tảI trọng bên ngoài, bên

trong vật thể xuất hiện ứng suất tương đương đạt tới ứng suất chảy của vật liệu

thì vật thể này bị biến dạng dẻo

Là điều kiện để kim loại quá độ từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo

k 2

kf

min

σ

ƒĐiều kiện dẻo Tresca-Saint Venant:

Ten xơ ứng suất trong vật thể:

Bộ môn Gia công áp lực – VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi 37

1 2 3

ƒĐiều kiện dẻo Huber-Mises:

Trong các biểu thức trên k gọi là ứng suất tiếp chảy, được xác định trong trường

hợp cắt thuần tuý Theo điều kiện dẻo của Tresca thì τmax= k = kf/2,

theo điều kiện dẻo của Mises thì:

k = 1 kf ≈ kf

3 0 575 ,

1.2.4 §iÒu kiÖn dÎo

Nh÷ng biÓu thøc riªng cña ®iÒu kiÖn dÎo

- Tr¹ng th¸i øng suÊt ph¼ng:

σy = τxy = τyz = 0

2 f

2 xz z

x

2 z

σ +

y

f f

3

1 − σ = ± = ± = ± σ

3

1 2

1.2.5 Những nguyên tắc, định luật trong biến dạng dẻo

Quan hệ giữa ứng suất chảy và biến dạng thực xác định theo đường cong chảy

Nguyên tắc trở lực biến dạng nhỏ nhất

Sơ đồ chảy hướng kính của

kim loại khi chồn

Nếu các chất điểm trong vật thể biến dạng

sẽ dịch chuyển trên phương nào có trở lực

nhỏ nhất

kim loại khi chồn

Lấy ví dụ chồn có sát và không ma sát; dập khối trên khuôn hở có vành biên

2 Thiết bị rèn dập – sơ đồ bố trí thiết bị một phân xuởng

2 Thiết bị trong phân xưởng dập tạo hình

Thiết bị trong phân xưởng dập

Máy dập

Thiết bị trong phân xưởng dập tạo hình bao gồm nhiều loại :

Lò nung Máy nắn, thiết bị phụ trợ Máy vận chuyển

Máy dập

Máy búa

Máy ép

: Máy khi làm việc lực tác dụng vào vật rèn là lực động

: Máy khi làm việc lực tác dụng vào vật rèn là lực tĩnh

Máy búa hơi nước không khí nénMáy búa không khí nén

Máy búa cơ khíMáy búa thủy lực

Máy ép cơ khí

2.1 Phân loại Thiết bị dập tạo hình

1, Theo loại truyền động

Truyền động bằng cơ khí

Phân loại thiết bị dập tạo hình : thông thường có 3 cách phân loại

• Theo loại truyền động

• Theo dấu hiệu động học và động lực học của giai đoạn gây biến dạng dẻo vật dập

• Theo đặc điểm công nghệ

Truyền động bằng chất lỏng, dầu, nước

Truyền động bằng khí, điện từ

2.1 Phân loại Thiết bị dập tạo hình

2, Theo dấu hiệu động học Nhóm 1 : Gồm tất cả các máy búa

Nhóm 2 : Các máy ép thuỷ lực

Nhóm 3 : Các máy ép cơ khí Nhóm 4 : Các máy cán rèn quay

Xét thời kỳ có tải của máy

- Chuyển động của máy là nhờ liên kết cứng

- Các bộ phận của máy thực hiện chuyển

động quay

- Vận tốc là hằng số

Nhóm 5 : Các máy dập xung

Máy dập tự động Máy chuyên dùng

………

Giíi thiÖu c¸c lo¹i thiÕt bÞ rÌn dËp ®iÓn h×nh

Giới thiệu các loại thiết bị rèn dập điển hình

Máy ép cơ khí

Máy ép trục khuỷu Máy ép vít Máy kiểu quay

Máy dập tự động Máy dập chuyên dùng

LÜnh vùc øng dông : RÌn tù do, chån, vuèt, dËp khèi

Träng l−îng phÇn r¬i : Bao gåm Piston c«ng t¸c, c¸n piston c«ng t¸c, ®e trªn

2.2.1 Quá trình va đập và hiệu suất va đập

Với máy búa : Năng lượng để biến dạng dẻo vật rèn được tích luỹ ở đầu búa vàkhuôn, xét 2 trường hợp :

• Máy búa có bệ đe cố định

• Máy búa không bệ đe (bệ đe chuyển động)Xét 2 trường hợp máy búa không bệ đe: theo định luật bảo toàn động lượng hệ :

m v m

v m

v m

.

2 1

' 1 2

2 1

2.2.1 Quá trình va đập và hiệu suất va đập

Chia quá trình va đập thành 2 giai đoạn

• Giai đoạn 1 – Giai đoạn có tải – Từ thời điểm 2 đầu búa tiến lại với nhau đến thời

điểm vật rèn bị biến dạng cực đại

• Giai đoạn 2 – Kết thúc giai đoạn 1 – do năng l−ợng biến dạng đàn hồi tích luỹ ở

m v m

v m

m

m v m

v v

2 1

2

' 2 1

' 1 2

1

2 2 1

1

+

= +

+

=

Trong đó :

m1, v1 : khối l−ợng và vận tốc ban đầu của bộ phận rơi

m2, v2 : khối l−ợng và vận tốc ban đầu của bệ đe

v’1 : tốc độ sau khi va đập của bộ phận rơi

v’2 : tốc độ sau khi va đập của bệ đe

vx : tốc độ trọng tâm của hệ thống va đập

Lúc va đập

Lúc bật ra