Biến dang dẻo vật liệu kim loại

Tài liệu về biến dạng của kim loại: biến dạng dẻo. Trong slide này trình bình rất nhiều kiến thức và kim loại, quá trình biến dạng, mốc biến dạng từng kim loại cụ thể điều kiện biến dạng kim loại, cũng như ưu nhược điểm, từ đó rút ra ứng dụng vào đời sống sản xuất

Chương 2: Biến dạng dẻo và cơ tính

2.1 Biến dạng dẻo

Độ dãn dài l

F đ h

a 1

e

F a

a

b

c

F b

a 2 0

Biểu đồ tải trọng-biến dạng điển hình của KL

-Khi đặt tải F< Fđh→Biến dạng theo đường Oe (tuyến tính) →Bỏ lực tác dụng, mẫu trở về trạng thái ban đầu (theo đường oe) →BD đàn hồi

- Khi tải đặt vào lớn F> Fđh→Biến dạng tăng nhanh theo tải trọng Bỏ tải, BD không mất đi hoàn toàn→BD dẻo (trở về theo đường aa1//

oe, oa1 là BD dư, a1a2là BD đàn hồi.

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến Fb→xảy ra BD cục bộ, hình thành cổ thắt, F giảm, BD vẫn tăng→đứt

→ Sự biến đổi mạng tinh thể ở các giai đoạn

khác nhau trong quá trình biến dạng

2.1.1.Khái niệm về biến dạng dẻo

Là biến dạng không bị mất đi sau khi bỏ tải trọng tác

dụng

Khi không chịu lực tác dụng :các nguyên tử chỉ dao động xung

quanh vị trí cân bằng

Giai đoạn biến dạng đàn hồi:các nguyên tử xê dịch nhỏ hơn

một thông số mạng → trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng

Giai đoạn biến dạng dẻo:các nguyên tử xê dịch lớn hơn một thông

số mạng → trở về vị trí cân bằng mới khi bỏ tải trọng

Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời

Chú ý: BD dẻo chỉ xảy ra do ứng suất tiếp (

2.1.2 Trượt đơn tinh thể

Trượt trong đơn tinh thể Zn Hiện tượng trượt trong đơn

tinh thể

Đ/n: Trượt là hiện tượng chuyển dời tương đối giữa các phần tinh thể theo các phương và mặt nhất định gọi là phương trượt

và mặt trượt

• Phương trượt:

• Mặt trượt: Là mặt phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc

nhất mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt

• 2 điều kiện của mặt trượt:

-Phải là mặt xếp xít chặt nhất (khoảng cách giữa các nguyên

tử nhỏ nhất  liên kết giữa các nguyên tử lớn nhất  bền

vững)

- Do mật độ thể tích không đổi  khoảng cách giữa 2 mặt xít

chặt là lớn nhất  liên kết giữa chúng yếu nhất (dễ cắt đứt

liên kết giữa 2 mặt  dễ dịch chuyển)

Là phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

• Hệ trượt:

Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt

trượt → tạo ra sự trượt

Hệ trượt trong mạng A2

Họ mặt trượt: {110} Số lượng:

Họ phương trượt <111>:

 số hệ trượt = số mặt x số phương =

Hệ trượt trong mạng A1

Họ mặt trượt: {111} Số lượng:

Họ phương trượt <110>:

 số hệ trượt = số mặt x số phương =

Hệ trượt trong mạng A3

Họ mặt xếp chặt nhất: {0001} Số lượng:

Họ phương xếp chặt nhất <1120>:

 số hệ trượt = số mặt x số phương =

Nhận xét

- Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng

 Nhôm (Al), đồng (Cu)… dễ biến dạng hơn Magiê (Mg),

Kẽm (Zn)

- Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào có số

phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn

 Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) ( A1 )… dễ biến dạng

hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) ( A2 )

- Ngoài các hệ trượt chính, KL còn có thể trượt theo các hệ

khác có mật độ xếp chăth thấp hơn

Phân tích các tính toán cho ứng suất tiếp trên mặt trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể

σ = F/So

So σ

Phương trượt





Ss

So

F

Fs



Ss





(F là lực kéo đơn tinh thể theo chiều trục)

Ứng suất tiếp gây ra trượt

Phương trượt

F

σ



Mặt trượt

S

S 0

Lực tác dụng

Diện tích mặt trượt: S=

Ứng suất tiếp trên phương trượt:

= cos = coscos

 = σ 0 coscos

= σ 0 ứng suất qui ước)





F

S

os

So

c 

F

So

F S

F So

Các giá trị tới hạn

= σ 0 coscos

 định luật Schmid; coscos là thừa số Schmid

max khi ==45 0 =σ/ 2

σ0 : ứng suất quy ước do ngoại lực F tác dụng lên tiết ngang của tinh thể có tiết diện không đổi (F/S 0=σ0 )

Không xảy ra trượt

Không xảy ra trượt

Dễ xảy ra trượt

t = 0

=0

t = σ/ 2

 =0

2 Cơ chế trượt a.Cơ chế trượt cứng:

• Mạng tinh thể lý tưởng  khi trượt tất cả các

nguyên tử ở hai bên mặt trượt trượt đồng

thờiứng suất tiếp lớn

 th~ G/2π (G là mô đun trượt)  độ bền lý thuyết

b Cơ chế trượt nối tiếp

Thực tế:  th ~ G/(8.10 3  8.10 4 ) →nhỏ

VD: th của Al ~ 1MPA→liên quan đến mạng tinh thể và mức độ hoàn thiện của mạng tinh thể

 số lượng hạn chế các nguyên tử tham gia chuyển động (1

thời điểm)  chạy tiếp sức

- σ lý thuyêt > σ thực tế 100-1000 lần tiềm năng của VL

15

2.1.3 Trượt trong đa tinh thể

1 Đặc điểm:

Các hạt bị biến dạng không đều(do định hướng phương mạng khác nhau

→hạt biến dạng trước, hạt BD sau)

 Có tính đẳng hướng( do định hướng ngẫu nhiên→kết quả theo mọi phương giống nhau)

 Có độ bền cao hơn( do biên giới có

xô lệch mạng, khó tạo mặt trượt và phương trượt→vỏ cứng cản trượt)

 Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo càng cao ( Nhiều hạt định hướng thuận lợi với phương lực tác dụng, BD dễ

Nhiều hạt →biên giới nhiều→bền tăng)

Thực tế, BD dẻo của KL luôn là trượt của đa tinh thể

2.Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo

Các hạt có xu hướng kéo dài theo phương BD

Khi độ biến dạng = 40-50%các hạt, tạp chất

và pha thứ hai bị chia nhỏ phân tán và kéo dài  tạo

thớ

-= 70-90%các hạt sẽ bị quay, các mặt và

phương mạng cùng chỉ số đạt tới mức gần như song

song  tổ chức textua có tính dị hướng, áp dụng

trong KT điện làm giảm tổn thất từ trong biến thế

18

Tóm lại:

suất dư lớn do xô lệch mạng tinh thể

biến dạng

ăn mòn của kim loại

2.2 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo

2.2.1.Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo:

Mức độ xô lệch trong mạng tinh thể lớn, mật độ lệch

cao  kim loại bị hoá bền biến cứng ( năng lượng dự

trữ cao)  có xu hướng chuyển về trạng thái năng

lượng thấp hơn (trạng thái trước biến dạng dẻo)

Tại sao cần phải nung kim loại đã qua biến dạng

dẻo?

- Để có thể tiếp tục biến dạng dẻo tiếp theo

- Để có thể gia công cắt được dễ dàng

- Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn

20

Trước khi biến dạng Sau khi biến dạng

2.2.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

1 Giai đoạn hồi phục

- Xảy ra ở nhiệt độ T < T ktl

- Giảm khuyết tật (điểm, nút trống)

- Giảm mật độ lệch

- Giảm ứng suất

- Tổ chức tế vi chưa biến đổi nhiều cơ tính hầu như

chưa thay đổi

2 Giai đoạn kết tinh lại

- Xảy ra ở nhiệt độ T > T ktl -Hình thành các hạt mới không có chứa sai lệch do BD

dẻo gây ra theo cơ chế tao mầm và phát triển mầm giống

qt kết tinh

-Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng

và thường xuất hiện tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất

(mặt trượt, biên hạt) biến dạng dẻo càng mạnh  số lượng mầm càng nhiều  hạt cạng nhỏ mịnphát triển lên

- Kết thúc KTL: các hạt hoàn toàn mới, đa cạnh, mạng tinh

thể ít sai lệch nhất

Cơ tính trở về trạng thái trước khi biến dạng dẻothải bền : Độ bền, cứng giảm, dẻo tăng

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại

Nhiệt độ kết tinh lại T ktl : T ktl = a.T S

a hệ số phụ thuộc độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời

gian giữ nhiệt

Thông thường: khi mức độ biến dạng > 40-50%, thời gian giữ nhiệt

khi nung là 1h :

a = 0,4 với kim loại nguyên chất kỹ thuật

a = 0,2-0,3 với kim loại hầu như nguyên chất

a = 0,5-0,8 với các dung dịch rắn

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt của đồng thau

a Ủ ở 400 0 C

b Ủ ở 650 0 C

c Ủ ở 800 0 C

Tổ chức hạt nhận được sau kết tinh lại

-Hạt sau KTL thì có dạng đa cạnh, đẳng trục

Kích thước hạt phụ thuộc:

- Mức độ biến dạng

- Nhiệt độ ủ -Thời gian giữ nhiệt

Giữ nhiệt quá dài, nhiệt độ càng caohạt càng lớnJ/đ KTL lần 2  không mong muốn

Sự biến đổi tổ chức và cơ tính của KL đã qua BD dẻo và

nung nóng: Độ bền, cứng giảm Độ dẻo tăng ( sau KTL 2

lại giảm)

2.2.3 Biến dạng nóng

Thế nào là biến dạng nóng?

 Là biến dạng dẻo ở trên nhiệt độ kết tinh lại

T ~ (0,7-0,75)T s

Các quá trình xảy ra:

- Biến dạng dẻo gây hoá bền vật liệu

- Xảy ra quá trình KTL VL trở nên mềm dẻo (thải bền)

 Tính chất sau biến dạng nóng phụ thuộc vào quá trình

nào mạnh hơn

Lý tưởng : Hiệu ứng thải bền đủ lớn ( T o kết thúc BD>T KTL ) và thời gian giữ nhiệt đủ lớn để hoàn thành KTL

Ưu điểm:

- Phôi được nung nóng  mềm  lực tác dụng nhỏ

- Bít được các rỗ khí nếu có

- Quá trình hợp lý, sau BDD, phôi có thể đem gia công cơ

- Có thể có thể đạt được hạt nhỏ với cơ tính cao

Nhược điểm:

- Khó khống chế T đồng đều trên phôi  khó đồng nhất về tổ

chức, cơ tính

- Khó khống chế chính xác hình dạng, kích thước chi tiết

- Chất lượng bề mặt không cao do dễ bị OXH bề mặt

(a) Tổ chức thớ của trục khuỷu chế tạo bằng dập nóng

(b) bằng phương pháp cắt

từ thỏi thép nguyên

2.3 Phá huỷ

Phá huỷ là gì?

Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khắc phục được  thiệt hại về kinh tế, con người…  cần phải có biện pháp khắc phục

Đặc điểm chung: hình thành các vết nứt tế vi phát triển vết nứt  tách rời phá huỷ

2.3.1 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh:

1 Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể 

tiết diện mặt gãy thay đổi

2 Phá huỷ giòn: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không

đáng kể  tiết diện mặt gãy gần như không thay đổi

 Cách nhận biết phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo (quan sát vết

phá huỷ)

Phá hủy dẻo Phá huỷ giòn

Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng  công phá hủy lớn

Phá huỷ giòn phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ công phá hủy nhỏ hơn

Chú ý: vết phá hủy có thể cắt ngang các hạt hay theo biên giới hạt

Loại phá huỷ phụ thuộc vào một số yếu tố:

- Vật liệu: Thép phá hủy dẻo, gang phá hủy giòn

-T 0 giảm, v đặt tải tăng  phá huỷ có xu hướng chuyển từ

phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn

- Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất

lớn  xu hướng tiến đến  phá huỷ giòn

Bề mặt của mẫu phá huỷ giòn

3 Cơ chế phá huỷ

Sợi

Vết cắt

1 Xuất hiện các vết nứt tế vi

2 Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn

3 Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn hơn giá trị tới hạn

4 Các vết nứt tế vi phát triển nhanh

5 Phá huỷ vật liệu

Nguyờn nhõn xuất hiện cỏc vết nứt tế vi

-Theo con đường tự nhiờn (nguội nhanh  nứt chi tiết)

- Từ cỏc rỗ khớ, bọt khớ

- Từ cỏc pha mềm trong vật liệu

-Sinh ra trong quỏ trỡnh BD dẻo→ lệch phỏt sinh thờm (nguồn

Frank- Read) → tập hợp nhiều lệch cựng dấu chuyển động trờn

cựng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai)

Chỳ ý: Kớch thước vết nứt đầu tiờn theo phương vuụng gúc với lực tỏc dụng càng lớn

 ứng suất để phỏt triển vết nứt càng nhỏ

Sự chuyển động và tích tụ lệch trước các cản trở.

2.3.2 Phỏ huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Đặc điểm: vật liệu chịu tải trọng khụng lớn (<< σ 0,2 ), thay đổi theo chu kỳ  cú thể bị phỏ hủy sau một thời gian làm việc (10 7 -10 8 chu kỳ) → phỏ huỷ mỏi

35

Bề mặt phỏ hủy mỏi được chia làm 3 vựng:

Vựng 1 : rất mỏng (vựng của cỏc vết nứt tế vi)

Vựng 2 : cỏc vết nứt phỏt triển chậm Bề mằt phẳng nhưng cú

cỏc lớp và dải phõn cỏch

Vựng 3 : tiết diện bằng phẳng, phỏ huỷ tức thời

1 Phỏt sinh vết

nứt

2 Phỏt triển vết nứt mỏi

3 Vựng phỏ hủy tức thời

Cơ chế của phỏ huỷ mỏi:

- Hỡnh thành cỏc vết nứt tế vi trờn bề mặt ct (vết nứt sẵn cú trong quỏ trỡnh chế tạo, lừm co, vết xước…… )

- Nửa chu kỳ đầu: giả sử lệch chuyển động thoỏt ra ngoài bề mặt chi tiết  tạo ra một bậc thang nhỏ Nửa chu kỳ sau lệch sẽ chuyển động ngược lại vị trớ cũ (do chu kỳ tải trọng đổi dấu)→Mất bậc thang.

Nửa chu kỳ đầu Nửa chu kỳ sau Chuyển động lặp lại nhiều lần  lệch khụng trở về đỳng vị trớ cõn bằng ban đầu  sinh ra vết lừm  vết nứt tế vi

2.4 Các đặc trưng cơ tính

Cơ tính là gì?

tập hợp các đặc trưng cơ học biểu thị cho khả năng

chịu tải trong các đ/k khác nhau

 là cơ sở để so sánh các vật liệu với nhau

Cách xác đinh cơ tính?

kiểm tra các mẫu thử

Xác định cơ tính khác →Mẫu chuẩn khác nhau

38

Chú ý:

- Mẫu thử lớn thường có cơ tính thấp hơn (do xác suất xuất hiện của khuyết tật cao hơn)

- điều kiện thí nghiệm đơn giản và làm việc thật phức tạp

- Là cơ sở để tính toán  khi đó cần có các hệ số

an toàn để bảo đảm chi tiết làm việc chịu lực và tuổi thọ cao…

1 Độ bền tĩnh (σ)

- Tập hợp các đặc trưng cơ học phản ảnh khả năng chịu tải

trọng cơ hoc tĩnh cua VL

- Xác định bằng ưs qui ước của tải trọng →gây ra các đột

biến về hình học cho mẫu

- Tùy theo dạng tải trọng tác dung→ độ bền kéo, nén , uốn ,

xoắn, σ n σ u σ x

- Thông thường số liệu của độ bền, dẻo do thử kéo→không

ghi chú thích

- Đơn vị: KG/mm 2 ( TC Việt nam đang dùng)

MPA ( thông dụng trên thế giới); N/mm 2 ; Ksi

40

Giới hạn đàn hồi (σ đh ): σ0,01 ; σ0,05

a) Độ bền tĩnh (σ) (tiếp)

 là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu không bị

biến dạng khi bỏ tải trọng

F đh : lực kéo lớn nhất không gây biến dạng mẫu sau khi bỏ tải (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

Giới hạn chảy vật lý (σ ch ):

 là ứng suất bé nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu bắt đầu bị

biến dạng dẻo

Giới hạn chảy quy ước (σ 0,2 ):

 là ứng suất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu bị biến dạng

dư là 0,2% sau khi bỏ lực tác dụng

F 0,2 : lực kéo tạo ra biến dạng dư 0,2% (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

Giới hạn bền (σ b ): ( tiếp)

F b : lực kéo lớn nhất trên biểu đồ thử kéo (N)

S o : tiết diện mẫu thử (mm 2 )

 là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây ra biến dạng cục bộ

dẫn đến phá hủy

Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền: mật độ lệch

mật độ lệch

1

2

3

4

1 Độ bền theo lý thuyết

2 Độ bền của đơn tinh thể

3 Các kim loại nguyên chất sau ủ

4 Kim loại sau biến dạng, hoá bền……

10 8 /cm2

10 10 -10 12 / cm2

Nguyên lý: Cản trở chuyển động của lêch khi trượt bằng cách tăng hay giảm mật độ lệch

KL ủ có mật độ lệch thấp nhất dễ trượt

VD: Râu đơn TT Fe 13.000MPa ( d 0,5-2 micron, dài 2-10mm); Fe KT 250MPa

Các biện pháp hoá bền vật liệu

1 Biến dạng dẻo:

2 Hợp kim hoá:

3 Tạo ra các pha cứng phân tán hay hoá bền tiết pha:

4 Nhiệt luyện tôi+ram:

5 Làm nhỏ hạt:

làm tăng xô lệch mạng  khó trượt làm tăng mật độ lệch

 tạo các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch

tạo dung dịch rắn quá bão hoà

 tăng chướng ngại cản trở chuyển động của lệch, ngoài ra

làm tăng các chỉ tiêu khác rất tốt như độ dẻo, độ dai

b) Độ dẻo (%, %)

Độ dẻo là gì? Hiện tượng đối với mẫu thử kéo:

Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo

 Là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL khi bị phá

huỷ dưới tải trọng tĩnh

Các chỉ tiêu:

c) Độ dai va đập (a k )

 Là đánh giá khả năng chống lại phá huỷ của vật liệu dưới tác dụng của tải

trọng động

Đơn vị: Nm/cm 2 , kJ/m 2 và kGm/cm 2

A k :Công phá hủy mặt cắt ngang S hình chữ nhật 10x10x55; rãnh rộng 2-sâu 2mm

Ý nghĩa của độ dai va đập:

 Có thể phán đoán về khả năng chịu tải trọng va đập của chi tiết

Đối với vật liệu thường: a k >200kJ/m 2

Đối với vật liệu chịu va đập cao: a k >1000kJ/m 2

a k ~ σ ch (σ 0,2 ) x )

Mối tương quan giữa a k và (0,2 ; )

 Các biện pháp nâng cao a k

- Hạt nhỏ mịn  tăng a k

-Trạng thái bề mặt ( vết khía, rãnh, lỗ )

- Số lượng, kích thước các pha giòn tăng, hình dạng tấm, lưới và

phân bố không đều  giảm a k

- Hình dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn hạt có dạng tấm, kim

d) Độ cứng

Độ cứng là gì?

 Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật

liệu do tải trọng thông qua mũi đâm

Đặc điểm:

- Khi vật liệu không đồng nhất  Chỉ biểu thị cho tính chất bề mặt

- Biểu thị khả năng chống mài mòn, tính mài bóng của vật liệu

- Khi vật liệu đồng nhất (ủ) độ cứng cao  khó gia công cắt

- Quá trình xác định độ cứng đơn giản hơn nhiều so với các chỉ tiêu cơ tính khác ( nhanh, không phá hủy mẫu, tiến hành ngay trên sản phẩm )

Nguyên lý xác định độ cứng

Ép tải trọng xác định lên mẫu thông qua mũi đâm

(không bị biến dạng dẻo)  tạo vết lõm trên bề mặt

 vết lõm càng rộng (sâu)  độ cứng càng thấp

Có 2 loại độ cứng:

-Độ cứng tế vi (dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé): xác

định độ cứng của các hạt, pha trong tổ chức của vật

liệu  dùng cho nghiên cứu

-Độ cứng thô đại (tải trọng và mũi đâm lớn): phản ánh

khả năng chống biến dạng dẻo của nhiều hạt, pha 

xác định độ cứng chung cho VL

Các loại độ cứng thông dụng:

Brinell (HB); Rockwell (HR); Vickers (HV)

Độ cứng brinell HB

Điều kiện chuẩn để xác định HB cho thép và gang:

D=10mm, F=3000kG, t=15s

b =a.HB

Ưu điểm: có mối quan hệ bậc nhất với b

 biết HB  xác định tương đối b mà không cần thử kéo