Chuong 1.GCAL

Nếu ứng suất trong tồn tại trong vật thể sau khi gia công dưới dạng ứng suất dư thì ứng suất trong kim loại bao gồm cả ứng suất sinh ra do tác dụng của ngoại lực khi vật thể làm việc v

Nguyªn lý Gia c«ng kim lo¹i b»ng ¸p lùc

I - Lực trong gia công kim loại bằng áp lực

1 – Ngoại lực: Gồm các thành phần chính sau

đây:

1.1 – Lực tác dụng chính

Là lực sinh ra do tác dụng của thiết bị (thông qua

đầu búa , khuôn rèn ) làm cho kim loại biến

dạng Khi xem xét tác dụng của lực tác dụng

chính người ta quan tâm không chỉ phương, chiều, cường độ của lực tác dụng mà còn phải chú ý đến

1.2 – Phản lực

Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố

định của thiết bị và luôn thẳng góc với mặt tựa có chiều ngược với lực tác dụng chính Khi tính phản lực cần chú ý đến lực ma sát sinh ra giữa dụng cụ gia công và kim loại

biến dạng, chiều của lực ma sát ngược với hư ớng di động của kim loại, cản trở quá trình biến dạng và có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng

Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố

định của thiết bị và luôn thẳng góc với mặt tựa có chiều ngược với lực tác dụng chính Khi tính phản lực cần chú ý đến lực ma sát sinh ra giữa dụng cụ gia công và kim loại

biến dạng, chiều của lực ma sát ngược với hư ớng di động của kim loại, cản trở quá trình biến dạng và có ảnh hưởng rất lớn đến quá

Khi biến dạng các phần tử của vật thể biến

dạng không đều nhau nên tốc độ chuyển động của chúng cũng không đều nhau và sinh ra lực quán tính Vì việc xác định lực quán tính là

công việc phức tạp hiện chưa được nghiên cứu

đầy đủ đối với từng trường hợp cụ thể nên khi tính toán chỉ cần đưa vào hệ số điều chỉnh bằng thực nghiệm để xét đến ảnh hưởng của lực này

quá giới hạn bền của vật liệu sẽ gây nên nứt

nẻ Nếu ứng suất trong tồn tại trong vật thể

sau khi gia công dưới dạng ứng suất dư thì

ứng suất trong kim loại (bao gồm cả ứng suất sinh ra do tác dụng của ngoại lực khi vật thể làm việc và ứng suất dư) sẽ chóng đạt đến

giới hạn bền

1 - Đặc tính vật lý của biến dạng dẻo

Khi chịu tác dụng của ngoại lực, kim loại sẽ biến dạng theo 3 giai đoạn: biến dạng đàn hồi (khi thôi tác dụng lực, kim loại sẽ trở về vị trí ban đầu), biến dạng dẻo (khi thôi tác dụng lực, biến dạng

vẫn tồn tại, vật thể có hình dáng khác hình dáng ban đầu) Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất sinh

ra do ngoại lực vượt quá giới hạn đàn hồi Giai

đoạn cuối của biến dạng là sự phá huỷ kim loại,

1.1– Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể

1.1.1– Sự trượt

Khi tác dụng lực vào kim loại, trong mỗi đơn tinh

thể xuất hiện 2 dạng ứng suất: ứng suất pháp và ứng suất tiếp Dưới tác dụng của ứng suất tiếp τ

xê dịch, vặn vẹo và các nguyên tử trở về vị trí cân bằng bền, sự trượt sẽ chuyển qua các mặt trượt

khác Như vậy mạng tinh thể của kim loại nào càng

có nhiều mặt trượt thì kim loại đó càng dẻo

Cơ cấu của qúa trình trượt theo cách giải thích mới có thể tóm tắt như sau:

Theo thuyết lệch kim loại khi kết tinh không sắp xếp theo quy luật một cách lý tưởng mà bao giờ cũng tồn tại những chỗ

bị xô lệch, tại những chỗ lệch này nguyên tử ở trạng thái

cân bằng không bền mà dễ chuyển động và có xu hướng trở

về vị trí cân bằng Vì thế khi có lực tác dụng thì sự di động xảy ra tại các điểm lệch của mạng tinh thể Nếu ứng suất tiếp tác động liên tục và có trị số đủ lớn thì các điểm lệch và vùng lệch lân cận sẽ chuyển dịch dần về một phía và cuối cùng đạt đến sự xê dịch bằng một khoảng cách là bội số của thông số mạng Như vậy quá trình trượt được thực hiện đầu tiên là các chỗ lệch di chuyển đến vị trí mới và điểm lệch bị mất đi, nhưng đồng thời lại tạo nên chỗ lệch mới Quá trình

cứ như vậy tiếp diễn cho đến khi ngừng tác dụng của lực.

1.1.2 Song tinh

Dưới tác dụng của ứng suất tiếp τ, trong tinh thể

có sự dịch chuyển tương đối của một phần mạng tinh thể đến vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng tinh thể cố định gọi là mặt

song tinh Khi song tinh các nguyên tử trên các mặt tinh thể dịch chuyển đi trên những đoạn

không bằng bội số nguyên của thông số mạng, và

độ dài đoạn dịch chuyển tỷ lệ thuận với khoảng cách từ mặt phẳng tinh thể đó tới mặt phẳng song tinh

Hiện tượng song tinh xảy ra rất nhanh và càng

mạnh khi biến dạng đột ngột với tốc độ biến dạng lớn

Quá trình song tinh có các đặc điểm sau:

- Song tinh tạo điều kiện cho mặt trượt ở vào vị trí thuận lợi nhất giúp cho quá trình biến dạng xảy ra

dễ dàng

- Biến dạng dư do song tinh gây ra rất nhỏ, ví dụ trong tinh thể kẽm nếu tổ chức của nó đã hoàn toàn chuyển sang song tinh thì lượng biến dạng dư cũng chỉ khoảng 7%

- Trong quá trình trượt nếu có xuất hiện song tinh thì ứng suất tiếp tới hạn τth sẽ giảm xuống, có trư

ờng hợp giảm đi 50% như khi biến dạng Mg

- Song tinh tiến hành tương đối dễ dàng đối với các kim loại có mạng lục giác xếp chặt ở nhiệt độ thường

Đa tinh thể là tập hợp của nhiều đơn tinh

thể kề sát nhau và có liên kết với nhau chặt chẽ Vì thế biến dạng dẻo của đa tinh thể

bao gồm sự biến dạng trong nội bộ từng đơn tinh thể theo các hình thức trượt, song tinh

… và sự biến dạng ở vùng nối tiếp giữa các

đơn tinh thể (vùng tinh giới hạt), vùng này mạng tinh thể bị xô lệch mạnh.

Biến dạng đa tinh thể có các đặc điểm:

- Do phương mạng giữa các đơn tinh thể (còn gọi là hạt) lệch nhau, nên dù tải trọng đặt vào phân bố đều và có hướng xác định nhưng tình trạng chịu lực của các hạt rất khác

nhau, vì thế sự biến dạng của các hạt không đồng đều.

- Do phương mạng giữa các hạt kim loại trong đa tinh thể

định hướng ngẫu nhiên nên khả năng biến dạng của các hạt khác nhau Các hạt không biến dạng cùng một lúc mà bắt

đầu ở những hạt có mặt trượt tạo với hướng lực tác dụng

- Quá trình biến dạng ở giữa các hạt (tinh giới hạt) thực hiện rất khó khăn do mạng tinh thể bị xô lệch nhiều vì thế kim loại có độ hạt nhỏ, tinh giới nhiều sẽ có độ bền lớn hơn kim loại có hạt lớn

- ở mức độ biến dạng rất lớn có thể xảy ra sự định hướng lại phương mạng của các hạt trùng nhau Lúc đó các hạt sẽ

quay đi, mặt trượt của các hạt sẽ có phương giống nhau

hoặc gần giống nhau

Biến cứng (hay hoá bền) là hiện tượng nâng cao

độ bền và độ cứng, giảm độ dẻo của kim

loại sau khi biến dạng dẻo, và thường xảy ra

ở những điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng nhất định

Biến cứng kim loại là do các hiện tượng sau đây

phát sinh trong quá trình biến dạng dẻo:

- Các hạt kim loại và tạp chất bị phân chia thành

nhiều phần nhỏ, hình dạng của các hạt bị thay đổi (kéo dài, vặn vẹo ) Tổ chức kim loại gồm những hạt nhỏ có hình dạng như vậy sẽ có độ bền và cứng cao, độ dẻo thấp

- ở vùng mặt trượt sau biến dạng mạng tinh thể bị xô lệch nhiều và tích trữ thế năng lớn, gây khó

khăn cho quá trình trượt` tiếp theo, và nếu sự xô

lệch mạng ở vùng mặt trượt quá lớn thì kim loại

không có khả năng biến dạng dẻo được nữa

- Các mảnh vụn kim loại, các bít, nitơrit tách ra nằm trên mặt trượt và tinh giới cản trở sự trượt

- Lệch sinh ra nhiều trong quá trình biến dạng Nếu mật độ lệch quá lớn các lệch sẽ cắt nhau tạo nên

các chốt ngăn cản chuyển động của lệch, làm cho kim loại khó biến dạng

cần tăng độ bền, độ cứng, tính chịu mài mòn của vật liệu

- Trong quá trình biến dạng độ dẻo của kim loại dần dần giảm đi, kim loại có thể bị biến cứng, không có khả năng tạo được các mặt

trượt mới nữavà chúng trở nên dòn Nếu cứ tiếp tục tác dụng lực để cưỡng bức biến dạng thì trong tổ chức kim loại sẽ xuất hiện các vết

3 Quá trình biến mềm

- Kim loại bị biến cứng có mạng tinh thể bị xô lệch, tồn tại ứng suất bên trong đó là trạng thái không ổn định có thế năng lớn

- Trong thực tế sản xuất có nhiều trường

hợp cần thiết phải khôi phục nhanh các tính chất ban đầu của kim loại đã bị biến cứng

để cải thiện tính chất cắt gọt, tính dẻo để

rèn dập

Quá trình biến mềm thực hiện theo 2 giai

đoạn:

Giai đoạn này xảy ra ở nhiệt độ không cao lắm Lúc này các nguyên tử trở về vị trí cân bằng bền, ứng suất và sự xô lệch đàn hồi của mạng tinh thể trong các hạt bị biến dạng đàn hồi mất đi, một phần mạng tinh thể bị xô lệch trong các bộ biến dạng

dẻo được chuyển sang trạng thái trật tự

Tuy nhiên quá trình hồi phục chỉ làm thay đổi

mạng tinh thể của hạt và làm mất các sai lệch trong mạng mà chưa làm thay đổi về tổ chức tế vi, tức là chưa làm thay đổi hình dạng, kích thước và hướng

3.2 Giai đoạn kết tinh lại

Giai đoạn này xảy ra khi nhiệt độ nung nóng của kim loại đạt tới một giá trị nhất định gọi là nhiệt độ kết tinh lại ở nhiệt độ này động năng của các

nguyên tử tăng lên rất lớn, kéo theo sự thay đổi vị trí rất mạnh, tạo khả năng thay đổi hình dạng, kích thước của các hạt kim loại

Quá trình kết tinh lại bao gồm sự nảy mầm, phát triển mầm để biến tổ chức kim loại từ trạng thái

không cân bằng trở về trạng thái cân bằng xảy ra như sau:

Tổ chức kim loại sau khi kết tinh lại gồm các hạt mới khác hẳn hạt cũ, đẳng trục vì có mạng không

bị xô lệch

thay đổi được hình dạng, kích thước hạt (các hạt bị kéo dài trở về gần tròn), tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán làm đồng đều thành phần hoá học thực hiện dễ dàng làm mất khe

hở giữa các hạt, nâng cao tính chặt chẽ của tổ chức kim loại

Khi kết tinh lại cùng với sự xuất hiện những tâm mầm còn có quá trình phát triển của các tâm mầm làm cho các hạt lớn lên bằng cách

Nhiệt độ tại đó bắt đầu xuất hiện những tâm mầm kết tinh lại đầu tiên gọi là nhiệt độ kết tinh lại hay ngưỡng kết tinh lại Theo A.A.Bôsơva nhiệt độ kết tinh lại được tính:

Tktl = k.Tch

Trong đó: Tktl và Tch là nhiệt độ kết tinh lại và

nhiệt độ chảy của kim loại và hợp kim, 0K

k – Hệ số phụ thuộc vào thành phần và trạng thái cấu tạo của kim loại và hợp kim Với kim loại

nguyên chất kỹ thuật chịu biến dạng lớn k = 0,4 còn với kim loại tinh khiết tuyệt đối k = 0,1 ữ 0,2

- Mức độ biến dạng kim loại càng thấp thì năng lượng dự trữ trong kim loại càng nhỏ, sự xuất hiện và lớn lên của tâm mầm càng khó, nhiệt độ kết tinh lại cần phải cao

- Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ kết tinh càng dài thì nhiệt độ kết tinh lại không cần phải cao

- Độ hạt ban đầu càng lớn thì nhiệt độ kết tinh cần phải cao vì kim loại hạt lớn dễ biến dạng, năng lượng dự trữ sau biến dạng nhỏ

Các hình thức biến dạng.

- Biến dạng nguội là ứng với quá trình gia công ở nhiệt độ

và tốc độ biến dạng không xảy ra sự phục hồi và kết tinh lại

- Biến dạng bán nguội ứng với quá trình gia công ở nhiệt độ

và tốc độ biến dạng không xảy ra hiện tượng kết tinh lại,

nhưng có sự phục hồi, nhờ đó giảm được biến cứng và ứng suất dư, tăng được độ dẻo kim loại.

- Biến dạng bán nóng ứng với qúa trình gia công ở điều kiện

và tốc độ biến dạng xảy ra quá trình kết tinh lại không hoàn toàn

- Biến dạng ở điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng mà quá trình kết tinh lại xảy ra hoàn toàn được gọi là biến dạng

nóng Hiện tượng biến cứng được khắc phục hoàn toàn, kim loại sau gia công có độ dẻo cao, cơ tính tốt, trở lực biến

dạng nhỏ

tính dẻo và biến dạng của kim loại

I - Trạng thái ứng suất

1 – Các loại ứng suất

Khi gia công áp lực trong vật thể biến dạng tồn tại các loại ứng suất Xét một điểm bất kỳ thuộc vật thể biến dạng, trong trường hợp tổng quát chất

điểm này nằm trong trạng thái ứng suất với các

thành phần ứng suất tác dụng sau

Qua một điểm bất kỳ thuộc vật biến dạng dưới tác dụng cả ngoại lực người ta đều có thể tìm được

3 mặt phẳng vuông góc với nhau đi qua điểm đó, sao cho trên 3 mặt ấy chỉ có ứng suất pháp tác

dụng Các mặt phẳng ấy được gọi là các mặt phẳng chính, còn các ứng suất pháp tác dụng trên các mặt phẳng chính, được ký hiệu lần lượt là: σ1 , σ2 , σ3 Khi đó trạng thái ứng suất của chất điểm bất kỳ

thuộc vật biến dạng được biểu diễn bằng các ứng suất chính

Quy ước các ứng suất chính tác dụng được sắp xếp phù hợp với ký hiệu σx > σy > σz

2 – điều kiện ứng suất chính để kim loại

biến dạng dẻo

Để kim loại biến dạng dẻo thì ứng suất tiếp lớn nhất τmax gây trượt phải đạt tới một giá trị tới hạn τth:

τmax = τth

Khi kéo mẫu kim loại (trạng thái ứng suất đư ờng) ứng suất ứng với lúc kim loại bắt đầu biến dạng dẻo được gọi là giới hạn chảy của kim loại, ký hiệu là σch , tức là điều kiện để kim loại biến dạng dẻo là:

σ  = σ

biến dạng của kim loại

Trạng thái ứng suất có ảnh hưởng nhiều đến khả năng biến dạng dẻo của kim loại ứng suất kéo có khả năng tạo ra biến dạng dẻo rất hạn chế vì ứng suất kéo gây nên sự trượt (biến dạng) ở tinh giới hạt là chính còn ứng suất nén có khả năng tạo được biến dạng dẻo lớn vì ứng suất nén gây sự trượt chủ yếu trong nội bộ các hạt

Trong số chín trạng thái ứng suất chính thì trạng thái ứng suất kéo khối có khả năng gây biến dạng dẻo kim loại kém nhất, kim loại rất khó biến dạng, có độ dòn cao và dễ bị phá huỷ khi lực tác dụng có cường độ lớn Trạng thái này không gặp trong thực tế gia công áp lực Trạng thái nén khối có

Chiều tăng của tính dẻo

Sơ đồ trạng thái ứng suất xếp theo tính dẻo tăng dần

Khi gia công áp lực, do tác dụng của ngoại lực cũng như

do ảnh hưởng của quá trình nung nóng và làm nguội không

đều, do ảnh hưởng của quá trình chuyển biến pha Người

ta phân biệt 3 loại ứng suất dư: Loại 1 (thô đại); loại 2 (tế vi); loại 3 (siêu tế vi).

- ứng suất dư loại 1 xuất hiện do biến dạng không đồng đều giữa các phần khác nhau của vật thể, ứng suất dư này cân bằng với nhau xét trong phạm vi toàn vật thể.

- ứng suất dư loại 2 xuất hiện do sự biến dạng không đồng

đều giữa các hạt kim loại do các hạt này có thành phần, tổ chức, nhiệt độ chảy không đồng nhất Sau khi biến dạng

Vì ứng suất dư gây ra nhiều điều bất lợi nên cần phải dùng các biện pháp để khử hoặc giảm bớt tác hại của nó Một số biện pháp thường dùng là:

- Xử lý bằng nhiệt: với ứng suất dư loại 1 có thể thực hiện ủ non ở nhiệt độ thấp, đối với ứng suất dư loại 2 và 3 thì thực hiện kết tinh lại hoàn toàn rồi mới ủ non.

- Biện pháp cơ học: Dùng búa gõ nhẹ, phun bi thép, cát, cho vật vào thùng quay, làm biến dạng bề mặt chi tiết bằng cách cán, kéo, chạy rà để tạo ra ứng suất cân bằng với ứng suất dư.

Ngoài ra để ngăn chặn hình thành ứng suất dư trong vật gia công nên chọn phương pháp biến dạng phôi hợp lý (kết cấu máy, khuôn ), sử dụng kim loại đồng nhất, nung nóng và làm nguội thích hợp, thiết lập chế độ ma sát và chọn chế độ gia công (nhiệt độ, tốc độ và mức độ biến dạng) hợp lý

1 thành phần hoá học của kim loại và hợp kim

Có ảnh hưởng nhiều đến tính dẻo và sự biến dạng của chúng Trong thép nếu hàm lượng các bon càng nhiều thì

độ bền, độ cứng tăng lên còn độ dẻo giảm đi Thép có

thành phần C < 0,25% với tổ chức Ferit có độ dẻo cao

- Phốt pho (P) hoà tan vào trong Ferit làm giảm tính dẻo, tăng độ bền và cứng của thép Khi lượng chứa P nhiều hơn 0,1% thì sẽ tạo nên các phần giàu P rất dòn Đặc biệt khi lượng P > 1,2% (vượt quá giới hạn hoà tan P vào

Ferit) sẽ tạo thành phốt phít sắt (Fe3P) Fe3P sẽ tạo thành

dòn

- Lưu huỳnh (S) có trong thép sẽ làm cho thép “dòn

- Mangan (M) có khả năng hoà tan vào Ferit và

Xêmentít, làm tăng độ bền và thay đổi một số tính chất của thép Mn có khả năng khử tác hại của tạp chất lưu huỳnh (S), có khả năng lấy S của FeS do tạo thành sunfuamangan (MnS) có nhiệt độ chảy cao hơn nhiệt độ chảy của FeS và nhiệt độ gia công nóng rất nhiều (≈ 16200C), do đó làm cho thép

không bị “dòn nóng”, dễ biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao (vì MnS dẻo và dễ biến dạng)

- Các nguyên tố hợp kim khác (Cr, Ni, W, Si) có trong thép càng nhiều thì thép càng kém dẻo, vì

chúng tạo nên hợp kim có nhiều pha phức tạp cũng như làm tăng nhiệt độ kết tinh lại