co so ly thuyet can

1. Sự biến dạng dẻo của kim loại Kim loại chịu tác dụng của ngoại lực đều xảy ra ba giai đoạn biến dạng. đó là biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, phá hủy Biến dạng dẻo của đơn tinh thể Biến dạng dẻo của đa tinh thể

Cơ sở lý thuyết

1 Sự biến dạng dẻo của kim loại

1.1 Sự biến dạng dẻo của kim loại

Kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực đều xảy ra ba giai đoạn là biến dạng đàn hồi,biến dạng dẻo, phá hủy

Xét biến dạng dẻo là biến dạng mà sau khi đã bỏ lực tác dụng vẫn còn một phần biến dạng dư được giữ lại và trên các phần tử của vật thể không nhận thấy có sự phá huỷ

Biến dạng dẻo ở kim loại bao gồm biến dạng dẻo của đơn tinh và đa tinh

+ Biến dạng dẻo của đơn tinh thể: Là biến dạng dẻo theo cơ

chế trượt và song tinh

Kim loại khác nhau thì có tính dẻo khác nhau

+ Biến dạng dẻo của đa tinh thể.

Đa tinh thể là tập hợp của các đơn tinh Biến dạng của đa tinh gồm 2 dạng:

+ Biến dạng trong nội bộ hạt: Gồm sự trượt và song tinh Sự trượt

xảy ra đối với các hạt có phương kết hợp với phương của lực tác dụng 45o sẽ trượt trước rồi đến các mặt khác Sự song tinh sảy ra khi có lực tác dụng lớn đột ngột gây ra biến dạng dẻo của kim loại

+Biến dạng ở vùng tinh giới: Tại đây chứa nhiều tạp chất dễ

chảy và mạng tinh thể bị rối loạn cho nên sự trượt và biến dạng thường ở nhiệt độ to> 950oC

Giải thích sự trượt.

Theo tế có những chỗ lệch, các nguyên tử ở vị trí lệch luôn có

xu hướng trở về vị trí cân bằng Khi có lực thuyết lệch, kim loại kết tinh không sắp xếp theo qui luật một cách lý tưởng mà thực tác dụng thì đầu tiên sự di động xảy ra ở các điểm lệch, các vùng lân cận cũng dịch chuyển theo Cuối cùng lại tạo nên chỗ lệch mới Quá trình cứ tiếp tục đến khi không còn lực tác dụng nữa

* Hiện tượng trượt còn được giải thích bằng một hiện tượng khác đó là sự khuyếch tán khi nhiệt độ tăng cao, các nguyên tử

di động mạnh dần và dịch chuyển sang một vị trí cân bằng khác, làm mạng tinh thể bị biến dạng dưới hình thức trượt BDĐH là biến dạng mà khi thôi tác dụng lực, kim loại sẽ trở về vị trí ban đầu

Giải thích hiện tượng song tinh

Dưới tác dụng của ứng suất tiếp , trong tinh thể có sự dịch chuyển tương đối của hàng loạt các mặt ngtử này so với các mặt khác Qua một mặt phẳng cố định nào đó gọi là mặt song tinh Hiện tượng song tinh xảy ra rất nhanh và mạnh khi biến dạng đột ngột, tốc độ biến dạng lớn

1.1.2 Các hiện tượng xảy ra khi biến dạng dẻo

Sự thay đổi hình dạng hạt: Sự thay đổi hình dạng hạt chủ yếu là

nhờ quá trình trượt Hạt không những thay đổi về kích thước mà còn có thể vỡ ra thành nhiều khối nhỏ làm tăng cơ tính

Sự đổi hướng của hạt: Trước khi biến dạng các hạt sắp sếp

không theo một hướng nhất định nào.Sự hình thành tổ chức sợi dẫn đến sự sai khác về cơ, lí tính của kim loại theo những hướng khác nhau, làm cho kim loại mất tính đẳng hướng

Sự tạo thành ứng suất dư: Khi gia công áp lực do biến dạng

không đều và không cùng một lực nên trong nội bộ vật thể sau khi biến dạng còn để lại ứng suất gọi là ứng suất dư

Có 3 loại ứng suất dư:

Ưùng suất dư loại 1 (σ1): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các bộ phận của vật thể

Ứng suất dư loại 2 (σ2): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều giữa các hạt

Ứng suất dư loại 3 (σ3): Là ứng suất dư sinh ra do sự biến dạng không đồng đều trong nội bộ hạt

1.2 Sự thay đổi thể tích và thể trọng:

Khi biến dạng dẻo trong nội bộ hạt luôn xảy ra hai quá trình: Tạo ra những vết nứt, khe xốp, lỗ rỗ tế vi do sự vỡ nát của mạng tinh thể khi trượt và song tinh

Quá trình hàn gắn những lỗ rỗ,vết nứt khi kết tinh lại Do đó khi gia công áp lực, tỉ trọng và thể tích của kim loại bị thay đổi đáng kể

1.2.1 Trạng thái ứng suất

Trạng thái ứng suất kéo càng ít, nén càng nhiều thì tính dẻo kim loại càng cao

Trạng thái ứng suất nén khối làm kim loại có tính dẻo cao hơn nén mặt phẳng và đường thẳng còn trạng thái ứng suất kéo khối thì lại làm tính dẻo kim loại kém đi

1.2.2 Tốc độ biến dạng và nhiệt độ

Tốc độ biến dạng là lượng biến dạng dài tương đối trong một đơn vị thời gian: W=

dt V

d V

.

Gia công nguội to = TKTL

Nếu tăng tốc độ biến dạng sẽ làm giảm tính dẻo của kim loại

do có sự biến cứng của kim loại

Gia công nóng to > TKTL

Ơû nhiệt độ không quá cao: Đối với thép to= 900o C

Khi tăng tốc độ biến dạng (W) thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 1000oC ÷ 1100oC nên thép rất dẻo

Gia công kim loại ở nhiệt độ quá cao: Nếu tăng W thì lực ma sát làm tăng nhiệt độ của kim loại đến vùng quá nhiệt làm độ dẻo giảm , độ cứng tăng lên

1.2.3 Thành phần và tổ chức kim loại

Thành phần và tổ chức kim loại liên quan với nhau Kim loại ở trạng thái nguyên chất hoặc một pha dung dịch rắn bao giờ cũng có tính dẻo cao hơn và dễ biến dạng hơn so với kim loại có cấu tạo hỗn hợp cơ học hoặc hợp chất hoá học

Vd : Thép % C thấp dẻo hơn thép %C cao

1.2 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất và tổ

chức của kim loại

1.2.1Aûnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất và tổ chức của kim loại

Tốc độ biến dạng càng tăng thì sự vỡ nát của các hạt càng lớn, độ hạt càng giảm do đó cơ tính càng cao

Biến dạng dẻo giúp khử được các khuyết tật như xốp co, rỗ khí, rỗ co, lõm co… làm tăng độ mịn chặt của kim loại làm cơ tính tăng lên

Biến dạng dẻo có thể tạo được các thớ uốn xoắn khác nhau làm tăng cơ tính sản phẩm

Tốc độ biến dạng cũng có ảnh hưởng lớn tới cơ tính sản phẩm : Nếu tốc độ biến dạng càng lớn thì sự biến cứng càng nhiều , sự không đồng đều của biến cứng càng nghiêm trọng và sự phân bố thớ càng không đều do đó cơ tính kém

1.2.2 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới lý tính kim loại

Biến dạng dẻo làm tăng điện trở, giảm tính dẫn điện và làm thay đổi từ trường trong kim loại

Tính dẫn điện : Biến dạng dẻo tạo ra sự sai lệch trong mạng tinh

thể làm tính liên tục của điện trường trong tinh thể bị phá vỡ, ngoài ra nó còn tạo những màng chắn cản trở sự chuyển động tự

do của điện tử Đây là nguyên nhân làm tăng điện trở của kim loại

Tính dẫn nhiệt : Biến dạng dẻo làm giảm tính dẫn nhiệt Do

biến dạng dẻo làm xô lệch mạng, làm xô lệch vùng tinh giới, làm giảm biên độ dao động nhiệt của các điện tử

Từ tính : Các sai lệch tạo ra khi biến dạng dẻo làm thay đổi

cách bố trí từ trường cơ bản trong kim loại do đó làm thay đổi từ tính, độ thấm từ,…

1.2.3 Aûnh hưởng của biến dạng dẻo tới hoá tính

Sau khi biến dạng dẻo năng lượng tự do của các kim loại tăng do đó hoạt tính hoá học của kim loại cũng tăng lên

1.3 Sự kết tinh lại

Kim loại ở trạng thái đặc có hiện tượng kết tinh (sinh ra tâm mầm, phát triển mầm ) gọi là hiện tượng kết tinh lại

Khi gia công nguội bề mặt kim loại bị biến cứng ( độ cứng tăng, độ dẻo giảm )

Để khử biến cứng ta nung kim loại lên to, giữ nhiệt, ủ kết tinh lại rồi đem gia công tiếp

Hiện tượng kết tinh lại gồm 3 giai đoạn :

- Giai đoạn hồi phục: to = (0,2÷ 0,3)Tnc (oK )

- Giai đoạn kết tinh lại lần 1: to = 0.4 Tnc

- Giai đoạn kết tinh lại lần 2: to > 0.4 Tnc

Trong gia công áp lực cần tránh lượng biến dạng tới hạn vì ở đó độ hạt kim loại lớn nhất làm cơ tính kém

Gia công nóng to> TKTL (oK ); TKTL=0.4 Tnc (oK )

Gia công ở nhiệt độ cao nên kim loại có độ dẻo cao, độ bền, độ cứng thấp nên lực biến dạng không lớn, công suất thiết bị không lớn, nhưng độ chính xác, độ nh¸m của bề mặt kim loại không cao Thường gia công phôi dạng khối

Gia công nguội to< TKTL (oK )

Lực biến dạng lớn, đòi hỏi công suất thiết bị lớn Độ chính xác và độ nh¸m bề mặt cao Thường gia công phôi dạng tấm

2.Các định luật cơ bản được áp dụng khi gia công áp lực

2.1 Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại song song với biến dạng dẻo

Khi gia công áp lực nếu trong kim loại xảy ra biến dạng dẻo bao giờ cũng có một lượng biến dạng đàn hồi kèm theo (được xác định bằng góc đàn hồi , phụ thuộc vào moduyn đàn hồi E của vật liệu và chiều dày tấm kim loại)

Gia công nguội : Kim loại dạng tấm sẽ chịu ảnh hưởng lớn

Gia công nóng : Kim loại dạng khối , ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi có thể bỏ qua

Thường để áp dụng khi thiết kế khuôn dập, vật dập phải kể đến lượng biến dạng dư do biến dạng đàn hồi gây ra

2.2 Định luật ứng suất dư

Khi gia công áp lực do nung nóng và làm nguội không đều, lực biến dạng, lực ma sát… phân bố không đều làm phát sinh ra ứng suất dư tồn tại cân bằng bên trong vật thể kim loại Nếu không cân bằng thì sẽ có quá trình tích, thoát ứng suất làm cho vật thể biến dạng ngoài ý muốn để ứng suất dư tồn tại cân bằng

2.3 Định luật thể tích không đổi

Thể tích của vật thể trước khi biến dạng bằng thể tích vật thể sau khi biến dạng

Gọi thể tích vật trước khi gia công là V0

Gọi thể tích vật sau khi gia công là V

Vật thể có chiều cao, rộng, dài trước khi gia công là: h0 ; b0 ; l 0 Vật thể có chiều cao, rộng, dài sau khi gia công là: h ; b ; l

Theo điều kiện thể tích không đổi ta có : h.b l = h0.b0.l0

1

0 0 0

=

•

•

l

l b

b h

h

 ln

0

h

h

+ ln

0

b

b

+ ln

0

l

l

= 0

δ 1 + δ 2 + δ 3 = 0 (*)

Phương trình (*) gọi là phương trình điều kiện thể tích không đổi

δ 1; δ 2; δ 3: là các ứng biến chính

Nhận xét : Khi gia công biến dạng nếu tồn tại cả ba ứng biến

chính nghĩa là có sự thay đổi kích thước cả ba chiều thì đầu của một ứng biến phải trái dấu với hai ứng biến kia và có giá trị tuyệt đối bằng tổng của hai ứng biến kia

0

h

h

<1 ⇒ δ 1 <0 ⇒ δ2 , δ 3 > 0

δ1 = δ2 + δ3

- δ1 = δ2 + δ3

Khi có một ứng biến bằng 0 thì hai ứng biến còn lại phải ngược dấu và có trị số tuyệt đối bằng nhau

Dập không làm mỏng thành phôi: SF = SSP ⇒ δ 1 = 0 ⇒ δ2

= δ3

Aùp dụng để tính toán kích thước, khối lượng phôi trước khi gia công

2.4 Định luật trở lực bé nhất

Khi bieỏn daùng kim loaùi, moọt chaỏt ủieồm baỏt kỡ treõn vaọt theồ bieỏn daùng seừ di chuyeồn theo hửụựng coự trụỷ lửùc beự nhaỏt hay di chuyeồn ủeỏn ủửụứng vieàn coự chu vi beự nhaỏt

Aựp duùng ủeồ thieỏt keỏ hỡnh daựng cuỷa phoõi trửụực khi gia coõng

3 Nung kim loại trớc khi gia công áp lực

3.1 Mục đích

- Tăng độ dẻo của vật liệu để thuận lợi cho quá trình biến dạng dẻo

- Giảm ma sát để nâng cao tuổi thọ của thiết bị

- Tạo tổ chức một pha đồng nhất khi gia công áp lực

- Đa đến kiểu mạng có khả năng biến dạng dẻo cao

- Tận dụng hiệu ứng kết tinh lại

3.2 Những hiện tợng xảy ra khi nung nóng kim loại

3.2.1 Hiện tợng nứt nẻ

- Hiện tợng nứt nẻ là hiện tợng hình thành các vết nứt trên bề mặt, thậm chí trong lòng kim loại

- Nguyên nhân:

+ Do ứng suất d hình thành khi nung lớn, vợt quá σB

+ Nung nóng không đều

+ Tốc độ nung quá nhanh

- Khắc phục: chọn nhiệt độ nung và thiết bị nung cho thích hợp, trong quá trình nung phải đảm bảo nhiệt độ phân bố đều trên bề mặt vật nung

3.2.2 Hiện tợng ôxy hoá

- Hiện tợng ôxy hoá là hiện tợng hình thành lớp ôxít trên bề mặt vật nung, trong quá trình gia công áp lực lớp ôxít bong ra dẫn đến hao phí về khối lợng kim loại

- Nguyên nhân: do tiếp xúc với O2 không khí trong khi nung

- Cách khắc phục: tạo ra môi trờng nung không ôxy hoá, nung trong môi trờng khí bảo vệ

3.2.3 Hiện tợng thoát cácbon bề mặt

- Hiện tợng thoát cácbon bề mặt là hiện tợng lớp C bề mặt bị cháy trong quá trình nung làm hàm lợng C giảm, giảm độ cứng, mất khả năng làm việc của chi tiết sau khi gia công

- Các chất khí O2, CO2, H2, H2O hình thành lên phản ứng làm mất C

Fe3C + O2 → Fe + CO ↑

Fe3C + CO2 → Fe + CO ↑

Fe3C + H2O → Fe + CO ↑ + H2 ↑

Fe3C + H2 → Fe + CH4 ↑

Khí tác dụng mạnh nhất là H2O và sau đó theo thứ tự : CO2, O2, H2

- Quá trình ôxy hoá và quá trình mất C ngợc nhau, ôxy hoá là quá trình khuyếch tán khí vào kim loại, còn mất C là quá trình C khuyếch tán ra ngoài

- Quá trình mất C cũng chỉ xảy ra trên bề mặt kim loại và xảy ra đồng thời với quá trình ôxy hoá

- Khi bắt đầu nung tốc độ mất C nhanh sau đó giảm dần nhng tốc độ

ôxy hoá thì ngợc lại Khi tốc độ ôxy hoá và mất C bằng nhau, lớp cháy C sẽ không phát triển, khi tốc độ ôxy hoá lớn hơn tốc độ mất C thì lớp mất C giảm lớp ôxy hoá càng tăng

- Khắc phục: để giảm bớt sự mất C có thể dùng chất sơn phủ lên bề mặt vật nung

3.2.4 Hiện tợng quá nhiệt

- Kim loại ở nhiệt độ tăng cao thì càng dễ gia công bằng áp lực, nhng nếu nhiệt độ nung quá cao thì hạt austenit càng lớn làm cho tính dẻo của kim loại giảm nhiều có thể tạo lên nứt nẻ khi gia công hoặc giảm tính dẻo của chi tiết làm việc Đối với thép C nhiệt độ quá nhiệt dới nhiệt độ đờng đặc khoảng 1500C trở lên (t0

qn > t0

đđ - 1500C) Nếu thời gian giữ ở nhiệt độ quá nhiệt càng lâu hạt ôstenit càng lớn có nghĩa là kim loại càng kém dẻo

- Khắc phục: hiện tợng quá nhiệt có thể khắc phục đợc bằng phơng pháp ủ

3.2.5 Hiện tợng cháy

- Hiện tợng cháy là hiện tợng ôxy hóa mãnh liệt kim loại dọc theo biên giới hạt

- Khi kim loại nung trên nhiệt độ quá nhiệt (gần đờng đặc) sẽ làm mất tính liên tục của kim loại, dẫn đến việc phá huỷ hoàn toàn độ bền và độ dẻo của kim loại

- Hiện tợng cháy rất dễ phát hiện, kim loại bị cháy sẽ phát sáng và có nhiều tia lửa bắn ra

4 Chọn khoảng nhiệt độ gia công áp lực cho thép.

4.1 ý nghĩa của việc chọn khoảng nhiệt độ gia công áp lực

- Trong quá trình gia công thì nhiệt độ của phôi giảm dần do đó phải chọn nhiệt độ bắt đầu và kết thúc quá trình gia công gọi là khoảng nhiệt

độ gia công áp lực

- ý nghĩa:

+ Tận dụng đợc tính dẻo của vật liệu khi gia công áp lực

+ Tiết kiệm năng lợng của quá trình nung.

+ Giảm ma sát để nâng cao tuổi thọ của thiết bị

+ Đảm bảo cơ tính của sản phẩm sau khi gia công

+ Nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình gia công

4.2 Xác định khoảng nhiệt độ gia công áp lực của thép

Cơ sở chọn: dựa vào sự thay đổi tổ chức

- Với thép trớc cùng tích:

+ Nhiệt độ bắt đầu gia công: tbđ = tđặc - (100 ữ 150)oC Nh vậy, tránh xảy ra hiện tợng cháy, tận dụng đợc khoảng nhiệt độ tồn tại tổ chức γ (tính dẻo cao)

+ Nhiệt độ kết thúc gia công: tkt = tAr3 + (20 ữ 30)oC

- Với thép sau cùng tích:

+ Nhiệt độ bắt đầu gia công nh thép trớc cùng tích

+ Nhiệt độ kết thúc gia công: tkt = tAr1 + (40 ữ 50)oC

Nhiệt độ nung lý thuyết

- Trong thực tế: thép sau cùng tích, đặc biệt khi C > 1% rất ít dùng trong gia công áp lực Nếu sử dụng thì khoảng nhiệt độ gia công áp lực bị thu hẹp

để tránh thoát C Vì vậy có thể ứng dụng phạm vi khoảng nhiệt độ gia công

áp lực nh hình vẽ

A

0C 153

727

91

0 G

S

40 ữ 50

0,

0C

135 0

110 0

80 0

0,

Vùng chảy

Vùng quá

nhiệt

Vùng biến

Vùng gia công áp lực

Phạm vi nhiệt độ gia công áp lực

5 Thời gian nung kim loại

Thời gian nung đợc biểu thị thông qua tốc độ nung Xảy ra theo hai giai

đoạn:

- Giai đoạn nhiệt độ thấp: chủ yếu là quá trình đối lu và truyền nhiệt, vì vậy hoàn toàn phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của kim loại và giới hạn bền của

nó Trong giai đoạn này thờng là nung chậm để tránh biến dạng nhiệt đặc biệt là những chi tiết có hình dáng phức tạp Tốc độ nung trong giai đoạn này gọi là tốc độ nung cho phép

- Giai đoạn nhiệt độ cao (> 6000C): cơ chế truyền nhiệt là bức xạ và dẫn nhiệt Chọn tốc độ nung nhanh để tránh ôxy hoá, thoát cacbon Gọi tốc độ nung trong giai đoạn này là tốc độ nung kỹ thuật

Các căn cứ để tính tốc độ nung:

+ Dựa vào vật liệu

+ Hình dáng của chi tiết

+ Cách chất chi tiết trong lò, thông qua hệ số chất chi tiết α

Ví dụ:

Hệ số chất chi tiết

6 Làm nguội sau khi gia công áp lực

6.1 Mục đích của làm nguội

- Tạo ra các tổ chức hợp lý cho vật liệu nhằm đảm bảo:

+ Về chất lợng pha trong vật liệu (mật độ khuyết tật ρ)

+ Cơ tính cho quá trình gia công tiếp theo

- Tránh gây ra biến dạng cho sản phẩm :

+ Biến dạng do chuyển biến pha

+ Biến dạng do ứng suất d

- Tận dụng khả năng kết tinh lại của vật liệu và hồi phục của vật liệu

6.2 Các phơng pháp làm nguội

- Làm nguội trong không khí tĩnh: chi tiết sau khi gia công áp lực đợc đặt

tại nơi khô ráo, kín gió

Đặc điểm:

+ Thực hiện đơn giản, giảm chi phí trong quá trình sản xuất

α = 1 α =

1,4

α = 4