Biến dạng dẻo Kim loại và các đặc tính liên quan

Cơ chế tăng bền/biến cứngVL tinh thể có khả năng biến dạng dẻo lớn phụ thuộc vào khả năng di chuyển lệch trong - Biến cứng tạo ra và xáo trộn các lệch - HK hóa đưa vào các khuyết tật điể

BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI VÀ CÁC ĐẶC TÍNH LIÊN QUAN

KS: Đặng Nhật Khiêm

Cà Mau, 6-2016

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU

INSTITUTE OF MATERIALS SCIENCE

TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU

CENTER OF MATERIALS AND FAILURE ANALYSIS

Nội dung

Phần I: Cấu tạo kim loại

I. Giới thiệu chung

II. Cấu trúc tinh thể của kim loại

III. Đặc điểm cấu tạo của kim loại

IV. Mạng tinh thể kim loại

Phần II: Biến dạng kim loại và các đặc tính liên quan

V. Vai trò của gia công biến dạng

VI. Cơ sở về quá trình biến dạng của kim loại

VII. Đặc tính biến dạng của kim loại

VIII. Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến cơ-hóa tính của

kim loại

Phần I

CẤU TẠO KIM LOẠI

I Giới thiệu chung

1. Kim loại ?

- Vật thể sáng, dẻo

- Có thể rèn được.

- Có tính dẫn nhiệt, điện

II Cấu trúc tinh thể của KL

1 Cấu trúc hạt của KL:

- Cấu trúc của KL rắn bao gồm các hạt (tinh thể)

- Các hạt bao gồm: các phân tử đơn vị các hạt nhân được sắp xếp theo 1 trật tự cố định

- Cấu trúc các phần tử đơn vị này

lặp lại trên toàn bộ khối KL

2 Mạng KL:

 Cấu trúc phần tử được gọi là

mạng, vì các ng.tử được đặt ở các

điểm của nút mạng

và 1 ng.tử ở giữa của khối lập phương.

 Các KL có cấu trúc BCC: Cr, Fe, Mo,

Nb, Ti, W,

(Tiếp)

2.2 Cấu trúc lập phương diện tâm (FCC):

Cấu trúc này gồm mỗi 1 ng.tử ở mỗi góc hình hộp, và 1 ng.tử ở giữa mỗi mặt của hình hộp.

 Các KL có cấu trúc FCC: Al, Co, Cu, Fe, Ni,

Ag, Au,…

2.3 Cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP): Cấu trúc gồm mỗi ng.tử ở mỗi góc của lăng trụ lục giác, ngoài ra có 3 ng.tử đối xứng ở 2 đầu và

ở tâm của 3 mặt trụ

 Các KL có cấu trúc HCP: Zn, Co, Mg, Ti,

(Tiếp)

III Đặc điểm cấu tạo của KL

1 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử: hạt nhân (notron và

proton) ở tâm và điện tử (electron) chuyển động trên lớp vỏ

Mẫu ng.tử theo Rutheford

 Đặc điểm điện tích: Notron không mang điện tích; Proton mang (+1); electron (-1)

2 Vỏ nguyên tử:

- Các electron (điện tử tự do) chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử Các electron này quyết định các tính chất đặc trưng của KL

- Số hóa trị của KL (số điện tử ở lớp ngoài cùng) Những điện tử này dễ bị bứt đi thành điện tử tự do và nguyên tử thành ion +

- Các electron chuyển động với các mức năng lượng khác nhau tạo thành các lớp (s, p, d, f, ) xung quanh hạt nhân

3 Liên kết kim loại:

Giữa các điện tích của nguyên tử có sự hút và đẩy xảy ra Sự cân bằng giữa lực hút và lực đẩy là cơ sở của liên kết KL

(Tiếp)

 Liên kết ion kim loại:

Sự chia sẻ các điện tử tự do lớp ngoài cùng giữa các nguyên tử kim loại trong lưới tinh thể tạo sự cân bằng lực giữa ion + (proton) và điện tử tự do (-) chính là cơ sở của liên kết KL

Các tính chất của kim loại

4 Tính chất CN: có khả năng chịu các dạng g/c khác nhau

như: đúc, rèn, dập, cắt, tôi,… Nói chung 1 KL không thể đồng thời có các tính chất trên

1 Cơ tính: KL có cơ tính tổng hợp tốt, thỏa mãn các y/c chế tạo CK như: đúc, rèn, hàn, mạ, g/c cắt gọt Các đặc tính cơ học của KL: độ bền, dẻo, dai, độ cứng, độ bền mỏi

2 Lý tính: Các tính chất điện, từ, nhiệt của KL được ứng dụng nhiều trong CN, các thiết bị, dụng cụ điện phục vụ cuộc sống

3 Hóa tính: KL thường tác dụng mạnh với phi kim, do đó

không ổn định về mặt hóa học, dẫn đến bị gỉ bị ăn mòn trong

KK Nhưng có 1 số KL và HK đặc biệt có tính ổn định cao trong môi trường khi quyển, axit, bazơ, muối,…

IV Mạng tinh thể kim loại

Mạng lý tưởng là không có những khuyết tật mạng, nhưng sự không hoàn hảo hay các khuyết tật luôn

có thể xảy ra trong VL kim loại như: các ng.tố HK hay tạp chất, sự biến dạng, biên hạt,…

Các dạng khuyết tật mạng cấu trúc:

1 Khuyết tật điểm

2 Khuyết tật đường

3 Khuyết tật mặt

1) Khuyết tật điểm:

- Voids (lỗ rỗng) là các vùng với một

số lượng lớn các nguyên tử bị thiếu

trong mạng (hình)

- Hợp kim hay nguyên tử không tinh

khiết nằm trong mạng tinh thể kim

loại

Hình ảnh lỗ rỗng trong nền vật liệu KL trên ảnh SEM

Các điểm khuyêt tật cục bộ tao trong mạng sự dịch chuyển nằm dọc theo đường và trên đỉnh của nửa mặt trên → làm biến dạng xung quanh đường lệch.

2) Khuyết tật đường (lệch cạnh):

Sự di chuyển lệch (cơ chế biến dạng)

Là các khuyết tật liên quan như

biên hạt, biên song tinh, biên pha,

tạp chất

3) Khuyết tật mặt:

Inclusions

Hệ thống trượt

Khả năng xảy ra trượt:

- Sự trượt xảy ra với

Hình ảnh các đường trượt trên bề mặt của một mẫu

đồng đa tinh thể

(Tiếp)

Cơ chế tăng bền/biến cứng

VL tinh thể có khả năng biến

dạng dẻo lớn phụ thuộc vào

khả năng di chuyển lệch trong

- Biến cứng (tạo ra và xáo trộn các lệch)

- HK hóa (đưa vào các khuyết tật điểm và thêm các hạt để cản trở lệch)

b Biến cứng

Quá trình làm KL cứng và bền hơn thông qua biến dạng dẻo Khi biến dạng dẻo KL, lệch di chuyển và thêm lệch khác được tạo ra Càng nhiều lệch thì càng có nhiều ràng buộc và xáo trộn trong VL → làm suy giảm khả năng di chuyển của lệch và tăng bền VL

Gia công

nguội

Tăng cứng, bền

Giảm độ dẻo

Lệch mạng

c Hợp kim hóa

Hàm lượng Ni ảnh hưởng đến a) độ bền chảy b) độ giãn dài (%EL)

của hợp kim Cu-Ni.

Quá trình tạo thêm các khuyết tật điểm và đưa các hạt thêm

để cản trở lệch

Phần II

BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI VÀ CÁC ĐẶC TÍNH LIÊN QUAN

I VAI TRÒ CỦA GIA CÔNG BIẾN DẠNG

- Nhà máy Công nghiệp

- Công nghiệp Quốc phòng

2 Vai trò của gia công biến dạng-tạo hình:

- Khối lượng lớn: hàng trăm triệu tấn mỗi năm

- Giảm khối lượng gia công cắt gọt: tiết kiệm VL và chi phí

- Chiếm tỷ trọng công nghiệp lớn: 15-20% GDP

- Lợi ích xã hội: tạo ra hàng triệu việc làm cho XH

(Tiếp)

3 Phân loại gia công biến dạng:

3.1 Tạo hình kim loại khối:

 Rèn-dập: khuôn kín, khuôn hở, rèn đẳng nhiệt

 Chuốt, chồn, đùn

 Cán: cán tấm, cán hình, cán ống,…

3.2 Tạo hình kim loại tấm:

 Uốn, nắn thẳng hoặc cuốn mép

 Lốc cầu, cán mép đầu ống

 Thúc, dập sâu

 Cắt, đột, xén

(Tiếp)

II CƠ SỞ VỀ QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG KIM LOẠI

Biến dạng kim loại: Là quá trình tác dụng lực vượt quá giới hạn chảy của vật liệu để tạo ra biến dạng dư hay sự lệch mạng

Sự thay đổi của cấu trúc hạt đa tinh thể kim loại sau khi biến

dạng dẻo a) Các hạt đẳng trục trước khi biến dạng; b) Các hạt bị kéo dài sau biến dạng.

(Tiếp)

- Ở to cao, KL trở nên mềm, Ϭy giảm xuống → lực tạo

hình thấp → giảm chi phí thiết bị

- KL dẻo hơn ở to cao → khả năng tạo hình, biến dạng lớn cao hơn ở trạng thái lạnh

- Những khuyết tật đúc (rỗ co, ngót) trong vật đúc được hàn lại, tạo nên đặc tính cơ học tốt hơn

GIA CÔNG NGUỘI (≤0.3Tm)

- Đặc tính cơ học cao hơn (độ cứng, độ bền)

- Sự biến cứng có thể giảm thiểu xử lý nhiệt làm cứng bề mặt

- Phát triển vật liệu không đẳng hướng trong KL tấm cán nguội để ứng dụng cho dập sâu

- Do biến cứng, vật liệu trở nên kém dẻo

- Yêu cầu bề mặt phôi phải sạch

GIA CÔNG NỬA NÓNG (0.3Tm - 0.5Tm)

- Không tốn lực và năng lượng như gia công nguội

- Chất lượng bề mặt khá cao, do không hư hại bề mặt như gia công nóng

- Độ bền thấp hơn, nhưng độ dẻo cao hơn gia công nguội

- Giảm chi phí gia công tinh

- Ít bị vảy gỉ và thoát Các bon hơn gia công nóng

III ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG CỦA KIM LOẠI

1. Khái niệm ứng suất - biến dạng:

 Ứng suất kéo-nén: Ϭ = F/Ao

 Ứng suất cắt: τ = F/Ao

Đơn vị: Mpa hay N/mm2

 Biến dạng dài: ε = ΔL/Lo

 Biến dạng uốn, xoắn: γ = tgθ

2 Ứng xử của ứng suất - biến dạng:

Biến dạng đàn hồi: Vật liệu trở lại kích thước ban dầu sau khi

bỏ tải tác dụng

Biến dạng dẻo: Vật liệu bị biến dạng dư sau khi đã dỡ bỏ

hoàn toàn tải trọng tác dụng

- εl: biến dạng theo chiều ngang

- εa: biến dạng theo chiều dọc

 Độ dẻo: Khả năng biến dạng trước khi phá hủy.

Độ giãn dài: %EL = ().100%

Độ thắt: %RA = ().100%

 Tính phục hồi: Khả năng hấp thụ năng lượng đàn hồi

 Độ dai: Khả năng hấp thụ năng lượng đến phá hủy

 Độ cứng: Khả năng chống chịu được biến dạng dẻo

•  

Khả năng tạo hình của KL

1. Tỷ lệ biến dạng dẻo r: Là khả năng của tấm kim loại

chống lại sự mỏng đi hay dày lên khi chịu một lực kéo hoặc nén

Trong đó: - =ln(: biến dạng theo chiều ngang

- biến dạng theo chiều dày

 Một vật liệu có giá trị r càng lớn thì khả năng kéo (thúc, đùn) càng tốt

•  

Khả năng tạo hình của KL

2 Chỉ số biến cứng n: đặc trưng cho khả năng tăng bền của kim loại bởi sự biến dạng dẻo

3 Tốc độ biến dạng: Khi tôc độ biến dạng tăng lên, ứng

suất dòng (chảy) cũng tăng lên dẫn đến lực biến dạng cũng tăng lên

IV ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ-HÓA HỌC CỦA VẬT LIỆU

1 Đặc tính cơ học

2 Độ dẻo của kim loại

3 Sự chuyển biến về cấu trúc kim loại

4 Khả năng chống ăn mòn

1 Ảnh hưởng đến đăc tính cơ học

Trong quá trình tạo hình,

có nhiều yếu tố ảnh hưởng

đến đặc tính cơ học, nhất

là biến dạng nóng nhiều

quá trình xảy ra đồng thời

như: biến cứng, hồi phục,

tái kết tinh.

1.1 Tỷ lệ biến dạng

1.2 Tốc độ biến dạng

1.3 Nhiệt độ

1.4 Áp suất Ảnh hưởng của biến dạng dẻo tới ứng xử

ứng suất-biến dạng khi kéo

1.1.Tỷ lệ biến dạng

1.1.1 Độ bền chảy:

- Làm tăng khả năng chống

biến dạng của vật liệu

Ảnh hưởng của mức độ biến dạng

tới độ bền chảy của vật liệu thép

1040, Đồng thau và Đồng KL

Mức độ biến dạng dẻo (%CW):

Trong đó:

- Ao: Diện tích mặt cắt ban đầu

- Ad: Diện tích sau biến dạng

Hiệu ứng Bauchinger

Hiệu ứng Bauschinger: Hiện

tượng chảy trong quá trình

nén ngay sau một quá trình

kéo sẽ làm giảm modul đàn

hồi của vật liệu, còn gọi là

- Tạo microvoids trong lòng VL

1.1.2 Ảnh hưởng tới độ

bền kéo đứt:

Tăng khả năng chịu tải

của vật liệu khi tăng tỷ lệ

biến dạng nguội

Ảnh hưởng của tỷ lệ gia công nguội đến độ bền kéo đứt của vật liệu thép 1040, đồng thau và đồng

1.1 Tỷ lệ biến dạng

1 Ảnh hưởng đến đăc tính cơ học

1 Ảnh hưởng đến đăc tính cơ học

Ảnh hưởng của lượng chuyển biến Martensite sau quá trình biến dạng tới độ cứng của vật liệu X5CrNi18-8

1 Ảnh hưởng đến đăc tính cơ học

Ảnh hưởng của nhiệt độ kết thúc gia công biến dạng tới độ bền va đập của vật liệu thép AISI 1541.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng tới

1.3 Nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng tới độ bền chảy của thép 2 1 /4

Cr-1Mo.

1.4 Áp suất gia công biến dạng

1.4 Áp suất gia công biến dạng

Ảnh hưởng tỷ lệ biến dạng đến ứng suất rèn tại các mức nhiệt độ khác nhau khi gia công biến dạng vật liệu SUS 304 và thép 1020

Áp suất gia công biến

1.4 Áp suất gia công biến dạng

Áp suất gia công biến

dạng thay đổi tỷ lệ

nghịch với sự tăng

của nhiệt độ khi thực

hiện với các mức độ

biến dạng không đổi

Ảnh hưởng của áp suất rèn với nhiệt độ gia công cho 3 loại vật liệu với tỷ lệ biến dạng từ 10-50%.

2 Ảnh hưởng đến độ dẻo

Độ dẻo: là đặc tính quan

trọng quyết định tới tính tạo

hình của VL

Gia công biến dạng làm

giảm độ dẻo và khả năng

chịu va đập khi tăng tỷ lệ

Những yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo của kim loại:

đến tính dẻo (Xem thêm 1.3)

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính

dẻo của thép không gỉ.

2 Ảnh hưởng đến độ dẻo

Hình: Sự thay đổi độ dẻo (A, Z) phụ thuộc vào mức độ biến dạng của vật liệu 2.5 Mức độ biến dạng %CW:

3 Ảnh hưởng đến sự chuyển biến cấu trúc kim loại

Sự thay đổi lượng

chuyển biến pha

Sự thay đổi về cấu trúc kim loại do: a) Gia công nguội; b) Gia công

nóng.

3.2 Quá trình kết tinh lại:

3 Ảnh hưởng đến sự chuyển biến cấu trúc kim loại

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình kết tinh lại

Ảnh hưởng của nhiệt

độ ủ tới độ bền kéo

và tính dẻo của HK

đồng Cỡ hạt thay đổi

với nhiệt độ ủ trong

các giai đoạn khôi

phục, kết tinh lại và

lớn hạt

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình kết tinh lại

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình kết tinh lại

Hình ảnh trạng thái kết tinh lại và lớn hạt của KH đồng thau: e) Hạt lớn

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình kết tinh lại

Sự thay đổi của

của nhiệt độ kết

tinh lại với tỷ lệ gia

công nguội của

thép

4 Ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn

Ảnh hưởng của tỷ lệ biến dạng tới thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn của 3

loại vật liệu X5CrNi18-10 trong dung dịch 3.5%NaCl.

 Bề mặt vật liệu X5CrNi18-8:

Vi lỗ và ăn mòn lỗ xuất hiện trên bề mặt

mẫu chưa biến dạng khi ngâm trong dd

 Bề mặt vật liệu X5CrNi18-8:

Ăn mòn lỗ xuất hiện trên mẫu biến dạng

40% được ngâm trong dd 30% H2SO4.

Nứt lớp thụ động bề mặt của mẫu cán 40% sau ngâm trong dd 30%H2SO

4 Ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn

a) b)

Cấu trúc tế vi của vật liệu X5CrNi18-10: a) Trạng thái ban đầu; b)

Sau biến dạng 20% (Martensite-đen; austenite-trắng)

 Kim loại nền vật liệu X5CrNi18-8:

4 Ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn

d) c)

Cấu trúc tế vi của vật liệu X5CrNi18-10: c) Sau biến dạng 50%;

Sau biến dạng 70% (Martensite-đen; austenite-trắng)

 Kim loại nền vật liệu X5CrNi18-8:

4 Ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn

Tài liệu tham khảo

1 ASM Handbook Vol 13B: Corrosion Materials.

2 ASM Handbook Vol 14: Forming and Forging

3 ASM Handbook Vol 14A: Metalworking Bulk Forming.

4 ASM Handbook Vol 14B: Sheet Forming

5 W.Ozgowicz; A.Kurc; M.Kciuk- Effects of

deformation-induced martensite on the microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of X5CrNi18-8 stainless steel- Archives

of Materials Science and Engineering Vol 43, 5.2010

6 A.Kurc, M.Kciuk, M.Basiaga- Influence of cold rolling on the

corrosion resistance of austenitic steel – Journal of Achievements

in Materials and Manufacturing Engineering Vol 38, 3.2010