Bài giảng Công nghệ gia công áp lực - Chương 1: Những kiến thức cơ sở về biến dạng dẻo

Bài giảng Công nghệ gia công áp lực - Chương 1: Những kiến thức cơ sở về biến dạng dẻo. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Cơ sở vật lý của quá trình biến dạng (cơ sở kim loại học), cơ học quá trình biến dạng. Mời các bạn cùng tham khảo.

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 rắn dướitác dụng của ngoại lực, nhiệt độ hoặc của một nguyên nhân nμo đó dẫn đến sự thay

đổi về hình dạng, kích thước vật thể, liên kết vật liệu được bảo toμn, được gọi lμ biến

dạng dẻo

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

hiện một quá trình biến dạng dẻo

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

mμ không mất đi sự liên kết bền chặt của nó

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

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)

Để lμm sáng tỏ quá trình biến dạng ặ theo dõi thí nghiệm kéo giản đơn Dưới tác dụngcủa lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo dμi cho đến khi bị kéo đứt Trong thí nghiệm kéo vớicác thiết bị phù hợp ta có thể đo được lực kéo vμ độ dãn dμi tương ứng, từ đó xác địnhứng suất vμ biến dạng theo các mối quan hệ sau:

- Vùng biến dạng đμn hồi

- Vùng biến dạng đμn hồi – dẻo

(trong đó biến dạng đμn hồi rất nhỏ

so với biến dạng dẻo

- Vùng phá huỷ

Biến dạng mẫu khi thử kéo

Biến dạng đμn hồi vμ biến dạng dẻo trong tinh thể

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

thể vμ 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 đμn hồi

Biến dạng dẻo trong tinh thể

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

Trượt

Khi mẫu đơn tinh thể bị kéo ặ xuất hiện các bậc trên bề mặt của mẫu Điều đó chứng tỏ

có sự trượt lên nhau giữa các phần của tinh thể Sự trượt xảy ra chủ yếu trên những mặtnhất định vμ dọc theo những phương nhất định gọi lμ mặt trượt vμ phương trượt Mức độtrượt thường lμ bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử trên phươngtrượt

Mặt trượt vμ phương trượt lμ những mặt vμ phương có mật độ nguyên tử lớn nhất Điều nμy cũng dễ hiểu bởi lẽ lực liên kết giữa các nguyên tử trên mặt vμ phương đó lμ lớn nhất so với những mặt vμ phương khác.

Số lượng hệ trượt cμng lớn thì khả năng xảy ra trượt cμng nhiều có nghĩa lμ cμng 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

- Phương mạng không thay đổi trước vμ 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 nμo đó thì một phần của mạng tinh thể sẽ xêdịch đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi lμ mặt song tinh Song tinh cũng chỉ xảy ra trên các mặt vμ các phương xác định

Mặt song tinh

Song tinh có những đặc điểm sau:

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

- Khác với trượt lμ 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 vμ có trị số nhỏ hơn so với khoảng cách nguyên tử.

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

Vì xê dịch của các nguyên tử khi tạo thμnh song tinh nhỏ nên song tinh khôngdẫn đến một mức độ biến dạng dẻo đáng kể trong tinh thể (chỉ vμi %)

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

Trong các tinh thể liên kết đồng hoá trị như Bi , Sb toμn bộ biến dạng dẻocho đến lúc phá hủy chủ yếu do song tinh tạo nên, vì thế mức độ biến dạng dẻo trong các tinh thể đó rất nhỏ, chúng được coi lμ những vật liệu ròn

Đối với những kim loại mạng lục phương xếp chặt như Zn , Mg , Cd do sốlượng hệ trượt ít nên thường tạo thμnh song tinh, song ý nghĩa của song tinh

đối với biến dạng dẻo không lớn mμ quan trọng hơn lμ do song tinh lμm thay

đổi phương mạng nên có thể lμm xuất hiện một vμi định hướng mới có lợi chotrượt Trong trường hợp nμy biến dạng dẻo xảy ra thường tăng lên so vớitrường hợp chỉ có trượt đơn thuần Tuy nhiên sự thay đổi nμy không lớn nêncác kim loại mạng lục phương xếp chặt vẫn lμ những vật liệu có tính dẻo kém

Song tinh (đối tinh)

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

KhuyÕt tËt ®−êng (lÖch)

KhuyÕt tËt mÆt

Biªn giíi h¹t

Biªn giíi pha

KhuyÕt tËt xÕp

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 lμm tăng tải trọng đối với dụng cụ biến dạng, đòi hỏi tiêu hao về lực vμ công biến dạng ngμy cμng tăng Vì vậy, để có thể đạt được một mức độ biến dạng mong muốn nμo đó trong nhiều trường hợp phải tiến hμnh các bước nhiệt luyện trung gian nhằm giảm bớt ứng suất chảy

vμ khôi phục tính dẻo

™Để tránh hiện tượng hoá bền biến dạng > thực hiện biến dạng ở nhiệt độ cao, song độ chính xác vμ chất lượng bề mặt của sản phẩm lại kém hơn nhiều so với biến dạng nguội.

Nguyên nhân của hiện tượng hóa bền:

ắ Lệch không ngừng được sinh ra,

ắ Khi chuyển động, lệch hoặc gặp phải chướng ngại vật hoặc cắt nhau > dồn ứ lại > rừng lệch

ắ Muốn tiếp tục chuyển động > phải tăng ứng suất

ắ tất cả những nhân tố nμo gây cản trở cho sự sản sinh

vμ chuyển động của lệch đều lμ nguyên nhân dẫn đến hoá bền biến dạng.

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¸

Biến dạng nguội

Biến dạng nửa

núng

Biến dạng núng

• Giảm đỏng kể lựcbiến dạng, tớnh dẻocủa vật liệu cao, ứngsuất chảy giảm nhiều

do kết tinh lại

• Vớ dụ với Thộp C:

Biến dạng núng ởnhiệt độ từ 1150-

1250oC

• Nung núng khi biến dạng

• Nhiệt độ biến dạng ởkhoảng xung quanh nhiệt

độ kết tinh lại

• Giảm lực biến dạng, nõngcao khả năng biến dạngdẻo, ứng suất chảy giảm

do cú sự phục hồi, mộtphần kết tinh lại

• Vớ dụ với Thộp C: Biếndạng nửa núng ở nhiệt độ

từ 650-800oC

Nhiệt độ biến dạng

400-600oC Ni

-50-50oC Pb

900-1000oC W

200oC Cu

870oC Mo

360-400oC

Al hợp kim

50-100oC Zn

290-300oC

Al (99,9%)

0-40oC Sn

550-730oC C-Thộp

Nhiệt độ kết tinh lại Vật liệu

Nhiệt độ kết tinh lại Vật liệu

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

1.1.4 Ứng suất chảy vμ đường cong chảy

ứng suất cần thiết (xác định trong trạng thái ứng suất đơn) lμm cho vật liệu đạt được

trạng thái dẻo hoặc duy trì ở trạng thái dẻo gọi lμ ứng suất chảy (còn gọi lμ độ bền

biến dạng- ký hệu lμ kf hoặc σf) ứng suất chảy lμ một thông số cơ bản của vật liệu,

nó phụ thuộc trước hết vμo bản thân vật liệu (thμnh phần, tổ chức, cấu trúc, ) vμ

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 vμo mức độ biến

dạng (hoặc tốc độ biến dạng) gọi lμ

đường cong chảy hoặc đường cong

hoá bền

Thộp C15

Biến dạng nguội Biến dạng nóng

Đường cong chảy

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 vμo nhiệt độ, tốc độ

biến dạng của thép C15

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 vËtliÖu

0.433 880

280 CuZn37 **

0.090 850

15Cr3 *

0.433 880

250 CuZn30 **

0.170 1140

430 Cf53 **

0.331 600

250 CuZn10 **

0.167 1000

390 Ck45 **

130 60 60

420

σf0 (MPa)

340

320 280 260

σf0 (MPa)

0.190 390

AlMg3 * 0.178

950 Ck35 **

0.197 260

AlMgSi1 **

0.150 960

Ck35 *

0.222 150

Al99.8 **

0.157 760

Ck22 **

0.222 150

Al99.5 **

0.165 760

Ck15 **

0.240 110

Al99.5 * 0.216

730 Ck10 *,**

0.180 1160

100Cr6 * 0.240

800 C10 *

0.150 950

20MnCr5 * 0.150

890 St60 *

0.090 810

16MnCr5 * 0.230

850 St42 *

0.149 1100

42CrMo4 0.100

730 St38 *

n C(MPa)

M« h×nh to¸n häc cña ®−êng cong ch¶y

B¶ng th«ng sè §¦êNG CH¶Y Nãng

650 35

0.218 CuZn40Pb2**

450 81

0.134

AlZnMgCu1,5*

*

750 44

0.201 CuZn37**

0.110 0.091

0.194 0.108 0.131 0.122 0.135 0.159 0.163

m

0.212 0.127

0.176 0.094 0.091 0.167 0.163 0.144 0.154

m

450 102

AlMg5**

800 51

CuZn28**

450 80

AlMg3**

800 56

E-Cu**

480 70

AlMgMn**

1100/1250 100/74

X5CrNiTi189**

450 48

AlMgSi1**

1100/1250 137/116

X5CrNi189**

450 77

AlCuMg2**

1100/1250 105/88

X10Cr13**

450 72

AlCuMg1**

1100/1200 85/68

C60**

480 36

AlMn**

1100/1200 90/70

C45**

450 24

Al99.5**

1100/1200 89/72

C35**

800 102

CuAl5**

1100/1200 99/84

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

øng suÊt theo c¸c ph−¬ng

Trªn mét mÆt ph¼ng cã

3 thμnh phÇn:

mét øng suÊt ph¸p vμhai øng suÊt tiÕp

Chó ý: trong biÕn d¹ng dÎo ta sö dôngøng suÊt kü thuËt vμ øng suÊt thùc

Ten x¬ øng suÊt cã 3 bÊt biÕn:

- BÊt biÕn I1 lμ bÊt biÕn bËc nhÊt

1.2.2 biến dạng

Một điểm có toạ độ ban

đầu lμ x, y, z, sau khi biến dạng nhỏ

có toạ độ lμ x’, y’, z’ Chuyển vị của điểm đótương ứng theo phương

x, y, z: x’ - x

= ux

y’ - y = uyz’ - z = uz

∂

= γ

∂

∂ +

∂

∂

= γ

∂

∂ +

∂

∂

= γ

z

u x

u

y

u z

u

x

u y

u

x z

zx

z y

yz

y x

& & &

& & &

1.2.2 biÕn d¹ng

0

01

l

l

= ε

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

BiÕn d¹ng thùc (biÕn d¹ng logarit):

0

1

l

l ln l

Chó ý: BiÕn d¹ng dÎo trong CN GCAL

lμ biÕn d¹ng lín nªn ta sö dông biÕn d¹ng thùc

1.2.3 Quan hÖ gi÷a øng suÊt vμ biÕn d¹ng

Trong biÕn d¹ng ®μn håi, quan hÖ gi÷a øng suÊt vμ biÕn d¹ng tu©n theo ®inh

( ) ( ) ( ) ⎪ ⎪

3 3

1 3

2 2

3 2

1 1

2

1 1

2

1 1

2

1 1

σ σ

σ ε

σ σ

σ ε

σ σ

σ ε

D D D

Trong biến dạng dẻo, ta có quan

hệ giữa ứng suất vμ biến dạng

nh− sau:

Sự khác nhau cơ bản giữa các mô đun E vμ G trong biến dạng đμn hồi với mô đun D

trong biến dạng dẻo lμ ở chỗ E vμ G lμ hằng số đối với một vật liệu nhất định còn D thì

thay đổi trong suốt quá trình biến dạng

1.2.3 Quan hệ giữa ứng suất vμ biến dạng

1.2.4 Điều kiện dẻo

Lμ điều kiện để kim loại quá độ từ trạng thái đμn hồi sang trạng thái dẻo

Xét trường hợp kéo một thanh tròn theo hướng trục Thanh sẽ bị biến dạng dẻo nếu

nμo 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 ngoμi, bên trong vật

thể xuất hiện ứng suất tương đương đạt tới ứng suất chảy của vật liệu thì vật thể nμy bị

biến dạng dẻo

Lμ điều kiện để kim loại quá độ từ trạng thái đμn hồi sang trạng thái dẻo

k 2

Điều kiện dẻo Huber-Mises:

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

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

1.2.4 Điều kiện dẻo

Những biểu thức riêng của điều kiện dẻo

- Trạng thái ứng suất phẳng:

σy = τxy = τyz = 0

2 f

2 xz z

x

2 z

σ +

σ

= σ

τxy = τyz = 0

( σ x − σz )2 + τ2xz = k f = k 2

4 *2 4

k 2 k

k 3

f f

3

1 − σ = ± = ± = ± σ

τ13 1

3

1 2

= ± kf = ± k*f = ± k

- Trạng thái ứng suất đối xứng trục:

τρθ = τθz = 0

1.2.5 Những nguyên tắc, định luật trong biến dạng dẻo

Quan hệ giữa ứng suất chảy vμ biến dạng thực xác định theo đường cong chảy của vật

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 nμo có trở lực nhỏ

nhất