Tài liệu Vật liệu học_Chương 2 pdf

Trượt đơn tinh thểTrượt đơn tinh thểTrượt đơn tinh thểTrượt đơn tinh thể Trượt là sự chuyể n dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phương nhất đị nh gọi là mặ t và p

19

Chương 2

Biến dạng dẻo và cơ tính

Đa số vậ t liệ u, đặ c biệ t là kim loạ i, thường được bá n dưới dạ ng cá c bá n thà nh

phẩ m dưới dạ ng: dâ y, thanh, hì nh, ống, tấ m, lá , bă ng nhờ biế n dạ ng dẻ o (cá n), hoặ c cá c phôi rè n → khả o sá t biế n dạ ng dẻ o không những giúp hiể u biế t cơ sở quá trì nh mà còn giúp đề ra cá c biệ n phá p nâ ng cao cơ tí nh, khắ c phục những khuyế t tậ t

2.1 Biế n dạng dẻ o và phá hủy

2.1 Biế n dạng dẻ o và phá hủy

2.1.1

2.1.1 Khái niệ mKhái niệ mKhái niệ m

Biể u đồ tả i trọng (hay ứng suấ t) vs biế n dạ ng hì nh 2.1 cho thấ y:

- Nế u tiế p tục tă ng tả i trọng đế n giá trị cao nhấ t Fb, mẫ u bị thắ t lạ i → tả i trọng

=const (hoặ c ↓) nhưng ứ/s ↑ →phá hủy ở điể m c

Sự biế n đổi về mạ ng tinh thể ở ba trạ ng thá i trê n trì nh bà y ở hì nh 2.2

a) b) c) d)

Khi biế n dạ ng đà n hồi thì biế n dạ ng nhỏ ∆a<a, biế n dạ ng dẻ o thì ∆a>a, với a là thông

số mạ ng

phá hủy cá c liê n kế t bị hủy hoạ i dẫ n đế n đứt rời

Biế n dạ ng dẻ o = cá ch trượt (đôi khi xả y ra bằ ng song tinh), ở đâ y chỉ giới hạ n khả o sá t biế n dạ ng dẻ o dưới hì nh thức nà y

2.1.2

2.1.2 Trượt đơn tinh thểTrượt đơn tinh thểTrượt đơn tinh thểTrượt đơn tinh thể

Trượt là sự chuyể n dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phương nhất đị nh gọi là mặ t và phương trượt (hì nh 2.3.)

a Các mặt và phương trượt

a Các mặt và phương trượt

a Các mặt và phương trượt

a Các mặt và phương trượt

Mặt trượt là mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyê n tử dày đặc nhất mà theo

đó sự trượt xảy ra

Cá c mặ t và phương trượt của ba kiể u mạ ng tinh thể thường gặ p được trì nh bà y ở hì nh 2.4:

- Mạ ng lftm (A1): mặ t trượt {111}, (4 mặ tx3 phương)=12 hệ trượt chí nh khá c nhau

- Mạ ng lftk (A2): mặ t trượt {110}, (6 mặ t x 2 phương)= 12 hệ trượt chí nh khá c nhau

- Mạ ng lgxc (A3): mặ t trượt, (1 mặ t x 3 phương)= 3 hệ trượt chí nh khá c nhau

- Khi F < Fđh, độ giã n dà i ∆l tỷ lệ bậ c nhấ t với tả i trọng

→ biế n dạng đàn hồi Với F1 → biế n dạ ng O1, bỏ tả i trọng mẫ u lạ i trở lạ i kí ch thước ban đầ u

- Khi F > Fđh, độ biế n dạ ng tă ng nhanh theo tả i trọng, khi bỏ tả i trọng biế n dạ ng vẫ n còn lạ i một phầ n → biế n

dạng dẻ o Khi F= Fa → biế n dạ ng Oa'', khi F=0 → biế n dạ ng Oa' → biế n dạ ng dẻ o hay dư,

Hì nh 2.1 Biểu đồ kéo kim

l i

a’ a’’ độ dã n dà i

Fb

Fa

F đh

Fl

a

b

c

e

l

O

Hì nh 2.2. Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể

khi lần lượt tăng tải trọng ban đầu (a),

biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo

(c), phá hủy (d)

20

- Ngoà i cá c mặ t, phương trượt chí nh kể trê n còn có khả nă ng bị trượt theo cá c mặ t, phương dà y đặ c khá c tuy không phả i là dà y đặ c nhấ t

Hì nh 2.3 Sơ đồ biểu diễn sự trượt: a đơn

tinh thể và mạng tinh thể trước khi trượt,

b hì nh dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể

sau khi trượt

Hì nh 2.4 Các mặt và phương trượt cơ

bản của kim loại:

a lập phương tâm khối, <100>

b lập phương tâm mặt,<111>

c lục giác xếp chặt, <0001>

- Khả nă ng biế n dạ ng dẻ o của kim loạ i tỷ lệ thuậ n với số hệ trượt chí nh: số hệ trượt cà ng cao → khả nă ng trượt cà ng lớn → kim loạ i cà ng dễ biế n dạ ng dẻ o

- Thực tế đã chứng tỏ điề u nà y: Feγ,Al,Ag,Cu (mạ ng A1) dẻ o và dễ dá t mỏng hơn Zn (A3)

So với lftk (A2) mạ ng lftm (A1) tuy cùng 12 hệ trượt nhưng dễ trượt hơn → tí nh dẻ o cao hơn

b

b ứng suất gây ra trượtng suất gây ra trượtng suất gây ra trượtng suất gây ra trượt

Đị nh luật Schmid

Khi τ > τth (xá c đị nh đối với từng kim loạ i) →

trượt mới xả y ra Giá trị của τ=?

τ =

S

F

cosα.cosβ=

O

S

F sinα.cosα.cosβ trong đó F/S0 là ứng suấ t ké o σ0 thay và o ta có:

τ = 0,5σ0 sin2α cosβ Gọi cosα.cosβ là

thừa số Schmid ứng suấ t gâ y ra trượt τ phụ

thuộc và o góc β & α qua thừa số Schmid

Khi α = 90o hay β = 90o → τ = 0, lực F chỉ là m

phá hủy mà không xả y ra biế n dạ ng dẻ o Hì nh 2.5 Trượt trong đơn tinh thể Khi (α+β) ≠ 90o, τmax = 0,5ơ0 khi α = β = 45o

Hệ trượt nà o có τmax → thuậ n lợi nhấ t → trượt xả y ra

trước → cá c hệ í t thuậ n lợi hơn

Hì nh thá i của trượt: hì nh 2.2c và 2.3b: cá c bậ c trượt, dả i

trượt

Hì nh 2.5b Bậ c trượt và dả i trượt

bậ c

dả i

c)

phương trượt

mặ t trượ

F

F

F

21

c

c Tí nh dễ trượt Tí nh dễ trượt Tí nh dễ trượt Tí nh dễ trượt cơ chế trượt cơ chế trượt cơ chế trượt cơ chế trượt

Độ bề n lý thuyế t: τt.h ≈

π 2

G

, → rấ t cao Thực tế có lệ ch τt.h ≈ 3 4

10 8

10

G

2.1.3

2.1.3 TrTrượt đa tinh thểượt đa tinh thể Vậ t liệ u kim loạ i thực tề luôn luôn là VL đa tinh thể

a

a Các đặc điể mCác đặc điể mCác đặc điể m

Đặ c điể m của trượt đa tinh thể :

1) Các hạt bị biế n dạng không đồng thời với mức độ khác nhau

2) Có tí nh đẳng h ướng: số hạ t vô cùng lớn

3) Đa tinh thể có độ bề n cao hơn: Cá c hạ t cả n trở biế n dạ ng lẫ n nhau, biê n hạ t cả n trượt

→ lực cao hơn → độ bề n cao hơn

4) Hạt càng nhỏ độ bề n và độ dẻ o càng cao: hạ t nhỏ có tổng diệ n tí ch biê n hạ t lớn hơn,

sẽ cả n trượt mạ nh hơn nê n là m tă ng độ bề n Theo Hall - Petch: σch = σo +

d

k

, Khi hạ t nhỏ đi → tăng độ dai → vậ t liệ u khó bị phá hủy giòn → rấ t ưu việ t

b

b Tổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ oTổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ oTổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ o

1) Sau khi biế n dạ ng → xô lệ ch mạ ng t/thể

ε=0 ε=(40-50)%

ε=(40-50)% ε=(70-90)%

Hì nh 2.7 Sự thay đổi tổ chức sau biến dạng

Textua biế n dạ ng Ví dụ khi cá n: Al mạ ng A1: - cá c mặ t {110} song song với mặ t cá n 2) Biế n dạ ng dẻ o → do xô lệ ch mạ ng → ứng suấ t dư, → cho cơ tí nh ↑ , ứng suấ t né n dư

bề mặ t là m ↑ giới hạ n mỏi: lă n é p, phun bi

3) Xu h ướng thay đổi cơ tí nh sau khi biế n dạng dẻ o (hì nh 2.8):

Bề n (σđh,σ0,2), cứng ↑, dẻ o ↓

Dẫ n điệ n và tí nh chống ă n mòn giả m

Hì nh 2.8 ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tí nh của kim loại nói chung (a) và Cu nói riêng (b)

tạ p chấ t

Hì nh 2.6 Mô hì nh trượt trong mạng tinh

thể thực tế (có lệch biên)

τ

τ

ε →

σ0,2

σb

độ dẫ n

ε →

σb ,σ02

σ0,2

σb

20 40 60

22

2.1.4

2.1.4 Phá hủyPhá hủyPhá hủy

ứng suấ t > [σb] → phá hủy do gã y, vỡ hoặ c đứt (fractography)

Đầu tiê n xuất hiệ n vế t nứt tế vi trê n bề mặt hay ở sâu bê n trong→phát triể n vế t nứt→phá huỷ

Tuỳ theo tả i trọng:

a.a.a Tải trọng tĩ nhTải trọng tĩ nhTải trọng tĩ nh

Tả i trọng tĩ nh: Phá hủy giòn và phá hủy

dẻ o

- Phá hủy dẻ o kè m theo biế n dạ ng dẻ o

- Phá hủy giòn không kè m theo biế n dạ ng

- Phá huỷ giòn xả y ra đột ngột (d), phá huỷ

dẻ o xả y ra từ từ (a) chậ m (b), nhanh (c)

- Công cho phá huỷ dẻ o lớn hơn

- Phá huỷ dẻ o hay giòn do:

+ bả n chấ t VL: thé p, Al, Cu → phá huỷ dẻ o,

gang →giòn

ceramic, polyme nhiệ t rắ n → phá huỷ giòn

a) b) c) d) Hì nh 2.9 Các dạng mặt gãy khi phá hủy

+ To ↓ → phá huỷ giòn, tả i trọng đặ t và o nhanh, đột ngột → phá huỷ giòn

-+ Kế t cấ u gâ y tậ p trung ứng suấ t (hạ bậ c đột ngột, rã nh, khí a, nứt, ) → dể gâ y phá huỷ giòn

Cơ chế p

Cơ chế phá hủyhá hủyhá hủy

Phá hủy theo 4 giai đoạ n sau:

1) hì nh thành vế t nứt (tế vi),

2) vế t nứt tế vi phát triể n dưới tới hạn, tới hạ n

3) vế t nứt tới hạn phát triể n nhanh,

4) nứt chấ m dứt và gã y rời,

trong đó cá c giai đoạ n 1,2 và 3 được coi là quan trọng nhấ t,

đá ng để ý nhấ t

Tập trung ứng suất

Tập trung ứng suất

Theo A.A Griffith: σmax:

t max

a

2

Gọi

σ

σ

= max

I

K là hệ số cường độ ứng suấ t,

xá c đị nh bằ ng công thức:

a Y

KI = σ π (2.2)

Đối với vậ t liệ u giòn, ứng suấ t tới hạ n σgh cầ n thiế t để phá t triể n vế t nứt là :

a

E

2

gh

π

γ

=

σ (2.3)

3 kiể u phá t triể n vế t nứt thường gặ p (hì nh 2.13):

Hì nh 2.11 Sự hì nh thà nh vế t nứt

nguồn lệ c Frank-Read

cả n trở c/đ

σ o

ρ t

x

x

x

a

σ max

mặ t cắ t dọ c theo

n t

Hì nh 2.12 Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố

ứng suất trên tiết diện cắt ngang qua vết rỗng (b)

23

Hì nh 2.13 Ba kiểu tải trọng và lan chuyển vết nứt:

Kiể u I là kiể u thường gặ p hơn cả và được đưa và o tí nh toá n

Do tậ p trung ứng suấ t σ ≥ σgh (công thức 2.3) → vế t nứt ↑ gâ y phá huỷ giòn vậ t liệ u Giỏ

tr h s c ng đ ng su t t ng ng t i đú đ c g i là đ dai phỏ hu c a v t li u,

ký hi u là KIC, đ c tr ng cho m i lo i v t li u

KIC = Y σgh π a , [N.m-3/2] hay [MPa.m1/2], xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m

Đối với vậ t liệ u dẻ o (phầ n lớn kim loạ i và vậ t liệ u polyme), đề u có biế n dạ ng dẻ o trước khi phá hủy, điề u đó là m cho đỉ nh nứt tù (cùn, bớt sắ c nhọn) đi, bá n kí nh cong tă ng lê n, nhờ đó là m tă ng σgh và KIC

Bảng 2.1 Giới hạn chảy và độ dai phá hủy biến dạng phẳng của một số loại vật liệu

Vậ t liệ u σ0,2, MPa KIC, MPa m Vậ t liệ u σ0,2, MPa KIC, MPa m

Hợp kim nhôm 2024-

T351

325 36

Hợp kim nhôm 7075-

oxit nhôm - 3-5,3 Thuỷ tinh - 0,7-0,8

Bê tông - 0,2-1,4

Thé p 4340,tôi +ram

260oC Thé p 4340,tôi

+ram 425oC

1640

1420

50 87,4

Polyme ,PMMA Polystyren, PS

-

-

1,0 0,8-1,1 b

b Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳTrong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳTrong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Cầ u, trục, bá nh ră ng, chị u tả i trọng không lớn (<< σ0,2 ) nhưng thay đổi theo chu kỳ, vẫ n

có thể bị phá hủy sau thời gian dà i và tương đối dà i (> 105 ữ 106 chu kỳ) → phá hủy mỏi Cơ chế : từ vế t nứt đầ u tiê n, thường nằ m ở trê n bề mặ t là nơi chị u ứng suấ t ké o lớn nhấ t,

điề u kiệ n thuậ n lợi → phá t triể n vế t nứt

Vế t nứt tế vi trê n bề mặ t: rỗ co, bọt khí , tạ p chấ t, xước, lồi lõm → tă ng độ bóng bề mặ t

Vế t nứt có thể sinh ra dưới tá c dụng của tả i trọng thay đổi theo chu kỳ (hì nh 2.15a)

Hì nh 2.15a Sơ đồ hì nh thà nh vế t nứt

mỏi

Hì nh 2.15b Sơ đồ mặ t gã y khi phá huỷ mỏi

Mặ t gã y ở chỗ phá hủy mỏi (hì nh 2.15b)

2.2

2.2 Các đặc trưng cơ tí nh thông thường và ý nghĩ aCác đặc trưng cơ tí nh thông thường và ý nghĩ aCác đặc trưng cơ tí nh thông thường và ý nghĩ aCác đặc trưng cơ tí nh thông thường và ý nghĩ a

mặ t

⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ ⊥

vế t nứt nguồn lệ ch

Frank-Read

σ k

σ k

vùng 1, sá t

bề mặ t là

vế t nứt đầ u

vùng 3, phá

h ỷ

biế n dạ ng hẳ

ứng suấ t

ẳ

chiề u dà y

K IC

Hì nh 2.14 ảnh hưởng của chiề u

dà y

Bth Kiể u I=ké o Kiể u Kiể u III=xé

24

Cơ tí nh cho biế t khả nă ng chị u tả i của vậ t liệ u trong cá c điề u kiệ n tương ứng, là cơ sở của cá c tí nh toá n sức bề n, khả nă ng sử dụng và o một mục đí ch nhấ t đị nh Cá c đặ c trưng cơ tí nh được xá c đị nh trê n cá c mẫ u chuẩ n

Thường gặ p nhấ t là độ bề n, độ dẻ o, độ cứng, độ dai va đậ p, độ dai phá hủy

2.2.1

2.2.1 Độ bề n (tĩ nh)Độ bề n (tĩ nh)Độ bề n (tĩ nh)

Tùy theo đặ c điể m của tả i trọng người ta phâ n biệ t độ bề n ké o, né n, uốn, xoắ n Bề n và

độ dẻ o khi ké o là thông dụng hơn cả nê n không cầ n phả i ghi chú, trường hợp còn lạ i đề u phả i ghi chú (né n, uốn hay xoắ n )

a

a Các chỉ tiê uCác chỉ tiê uCác chỉ tiê u

Đặ c trưng cho độ bề n tĩ nh:σđh, σC, σb: kG/mm 2 , MPa, psi, ksi (Anh & Hoa kỳ), Quan hệ

giữa cá c đơn vị thường gặ p như sau:

1kG/mm2 ≈ 10MPa, 1kG/mm2 ≈ 1,45 ksi, 1ksi = 103psi

Giới hạn đàn hồi σđh, khó xá c đị nh → chấ p nhậ n σ0,01 hay σ0,05 theo công thức:

0

dh dh

S

F

=

0

01 , 0 01 , 0

S

F

=

σ MPa, hay

0

05 , 0 05 , 0

S

F

=

Giớ i hạ n chả y vậ t lý σσσσch ,

G

Giới hạn chảy quy ước σσσσ0,2 , [MPa]

Giớ i hạ n bề n σσσσb :

0

b b

S

F

=

σ , [MPa], trong đó:

b

b Các yế u tố ảnh hưởngCác yế u tố ảnh hưởngCác yế u tố ảnh hưởngCác yế u tố ảnh hưởng

Cá c phương phá p nâ ng cao độ bề n:

giảmgiảmgiảm hoặ c tăng mật độ lệ chtăng mật độ lệ chtăng mật độ lệ ch

Giả m: Sợi Fe là 13000MPa, Fe armco 250MPa

Tă ng: biế n dạ ng nguội, hợp kim hoá , nhiệ t luyệ n,

c

c CáCáCá c biệ n pháp hóa bề n vật liệ uc biệ n pháp hóa bề n vật liệ uc biệ n pháp hóa bề n vật liệ u

Biế n dạ ng dẻ o: → tă ng mậ t độ lê ch → tă ng độ bề n:

dậ p, gò, uốn, gậ p, ké o, cá n nguội → biế n cứng, tă ng

bề n

Hì nh 2.16 Thay đổi độ bề n theo

mậ t độ lệ ch

Hợp kim hóa: đưa nguyê n tử lạ và o → tă ng xô lệ ch mạ ng và mậ t độ lệ ch → tă ng độ bề n, Tạ o cá c pha cứng phâ n tá n hay hóa bề n tiế t pha:

Nhiệ t luyệ n tôi + ram: tôi và sau đó là ram - tạ o nê n sự quá bã o hòa → tă ng độ bề n, độ cứng

Hóa - nhiệ t luyệ n: thấ m C, N tă ng bề n, cứng, chị u mà i mòn, nâ ng cao bề n mỏi

Là m- nhỏ hạ t: là m hạ t nhỏ nà y duy nhấ t là m tă ng tấ t cả cá c chỉ tiê u bề n, dẻ o, dai

2.2.2 Độ dẻ o

2.2.2 Độ dẻ o

Độ dẻ o là

Độ dẻ o là khả năng biế n dạng của vật liệ u khả năng biế n dạng của vật liệ u khả năng biế n dạng của vật liệ u dưới tải trọngdưới tải trọngdưới tải trọngdưới tải trọng

a

a 2222 chỉ tiê u chỉ tiê u chỉ tiê u : 100 %

l

l l

0

0

=

S

S S

0

1

=

ψ

b

b Tí nh siê u dẻ o Tí nh siê u dẻ o Tí nh siê u dẻ o

Đ/n:

Đ/n: Vậ t liệ u có δ tới trê n 100% (100 ữ 1000%), được gọi là siê u dẻ o,

Công dụng:

Công dụng: chế tạ o cá c sả n phẩ m rỗng, dà i với tiế t diệ n không đồng đề u: chai, lọ, ống, Chế tạo:Chế tạo:Chế tạo: tạ o tí nh siê u dẻ o bằ ng cá ch:

- tạ o tổ chức hạ t rấ t nhỏ, (cỡ hạ t khoả ng 10àm), đẳ ng trục, đồng đề u và ổn đị nh khi biế n

dạ ng, đâ y là yế u tố quan trọng nhấ t,

- biế n dạ ng ở nhiệ t độ cao, cỡ (0,6 ữ 0,85) TCo,

- tốc độ biế n dạ ng rấ t chậ m, cỡ 10-4 ữ 10-3 s-1 (tức 0,01 ữ 0,1%/s)

mậ t độ lệ ch,

2

10 8

10 10

10 12

25

Tr−ùt khi sià u dẽ o xả y ra chũ yế u theo bià n hỈ t

2.2.3

2.2.3 ườ dai va Ẽậpườ dai va Ẽậpườ dai va Ẽập: : : HỨ nh 2.17: cẬng phÌ huỹ

SÈ Ẽổ thữ va Ẽậ p (hỨ nh 2.18)

-

HỨ nh 2.17 CẬng phÌ huỹ vậ t liệ u HỨ nh 2.18 SÈ Ẽổ thữ Ẽờ dai va Ẽậ p

2 loỈi m

2 loỈi mẫu thữ Ẽờ dai va Ẽậpẫu thữ Ẽờ dai va Ẽậpẫu thữ Ẽờ dai va Ẽập:::: 10x10mm dẾ i 55mm (mẫ u Charpy) vẾ 75mm (Izod) vợi r· nh khÝ a hỨ nh chứ U hay chứ V: (Ẽể tậ p trung ựng suấ t) rờngxsẪ u ( 2x2mm) TCVN chì quy

ẼÞ nh thữ theo mẫ u Charpy vẾ ký hiệ u Ẽờ dai va Ẽậ p bÍ ng aK:

ưÞ nh nghị a:

ưÞ nh nghị a: ườ dai va Ẽậ p lẾ cẬng phÌ hũy tÝ nh cho mờt Ẽ.v tiế y diệ n c¾ t ngang mẫ u: CẬng thực tÝ nh:

S

A

a K

K = , [j/cm 2 ] hay [kJ/m 2 ]

trong Ẽọ: AK lẾ cẬng phÌ hũy, J; S tiế t diệ n mẫ u tỈ i chố r· nh khÝ a (0,8cm 2 )

ưÈn vÞ

ưÈn vÞ : [j/cm2], : [kj/m2], : [kgm/cm2]

1kGm/cm2 ≈ 10J/cm2; 1kJ/m2 ≈ 0,01kGm/cm2; 1kGm/cm2 ≈ 100kJ/m2

PhỈm vi Ìp dừng:

PhỈm vi Ìp dừng:

Chi tiế t chÞ u va Ẽậ p aK min = 200kJ/m2 (2kGm/cm2), va Ẽậ p cao phả i cọ aK ≥ 1000kJ/m2 Biệ n phÌp tẨng aBiệ n phÌp tẨng aK::::

Nế u coi aK tỹ lệ vợi tÝ ch (σ0,2 x δ) → Ẽể ↑ aK t ↑ Ẽổng thởi σ0,2 & δ do Ẽọ:

- LẾm cho hỈt nhõ mÞ n lẾ ph−Èng phÌ p tột nhấ t Ẽể ↑aK

- Họa bề n bề mặt : tẬi bề mặ t, họa - nhiệ t luyệ n → vửa ↑ bề n, cựng, tÝ nh chộng mẾ i mòn

mẾ vẫ n cho aK cao, chộng va Ẽậ p tột

- TỈ o hỈ t tròn, Ẽa cỈ nh cọ Ẽờ dai cao hÈn khi hỈ t cọ dỈ ng tấ m, hỨ nh kim

- Giả m sộ l−ùng, kÝ ch th−ợc, tỈ o hỈ t cẾ ng tròn, phẪ n bộ Ẽề u cũa cÌ c pha r¾ n → ↑aK

2.2.4

2.2.4 ườ dai phÌ hũy biế n dỈng phỊngườ dai phÌ hũy biế n dỈng phỊngườ dai phÌ hũy biế n dỈng phỊng (plane - strain fracture toughness), KIC

Mẫu thữ: hỨ nh 2.19 lẾ dỈ ng mẫ u ẼÈn giả n nhấ t, vế t nựt mõi:

- phả i củng chiề u vợi r· nh khÝ a vẾ chỈ y dẾ i trà n suột chiề u dẾ y cũa mẫ u B = W/2,

- trà n cả hai bề mặ t ngoẾ i, cả 2 bà n vế t nựt mõi phả i Ẩ n sẪ u vẾ o Ý t nhấ t lẾ 1,3

- chiề u dẾ i a (bÍ ng r· nh ban Ẽầ u + nựt mõi) phả i ~ B hay 0,45ứ0,55W

Quy trỨ nh thữ:

- Ẽặ t ngẾ m trừc vẾ o hai lố, tÌ c dừng lỳc kÐ o Ẽể r· nh khÝ a vẾ nựt mõi Ẽ−ùc mỡ rờng ra (nựt phÌ t triể n theo kiể u I)

- XẪ y dỳng biể u Ẽổ tả i trồng kÐ o - Ẽờ mỡ cũa r· nh ν nh− hỨ nh 2.20

biế n

vậ t

liệ u

iò

vậ t liệ u dẽ

26

Hì nh 2.19.Mẫ u thử độ dai phá huỷ biế n

dạ ng phẳ ng

Hì nh 2.20 Biể u đồ ké o khi thử độ dai phá huỷ

H s hỡnh h c Y và KI ph thu c vào hỡnh d ng và t i tr ng (shape factor):

/đi m c a t i

tr ng và v t n t

đ ng su t, KI

c đi m c a t i

tr ng và v t n t

đ ng su t

KI =σ π a (a<<W)

a w 2

a tg a

w 2

KI π σ π

π

=

a c a

c a 2

KI σ π

ư

+ π

=

KI =1,1σ π a (a<<W)

a w

a 1

w 2

a tg a

w 2

KI σ π

ư

π π

) t

a l (

) t

a 5 , 1 l ( 1 , 1 K

2 / 3

ư

ư

=

KI = 1,1σ π a (a<<W)

a )

W

a 1 (

) W

a 2 , 0 1 ( 1 , 1 K

2 / 3

ư

ư

) t

a l (

) t

a 5 , 1 l ( 1 , 1 K

2 / 3

ư

ư

=

Để tí nh KIC ta ph i th c hi n cỏc b c sau:

1 Xá c đị nh tả i trọng FQ Q : kẻ đường thẳ ng OA nghiê ng bằ ng 0,95 so với OB, FQ = FS,

2 Kiể m tra lạ i tỷ lệ Fmax/FQ: nế u Fmax/FQ < 1,10 thì đ t yờu c u

3 Tớnh giỏ trị KQ theo công thức: KQ = (FQ/BW1/2) f (a/w), MPa.m 1/2

trong đó: FQ - tả i trọng ké o được xá c đị nh như trê n, kN,

B, W, a - chiề u dà y, chiề u rộng mẫ u, chiề u dà i nứt, cm

(2+a/w) (0,886+4,64a/w - 13,32a2/w2 + 14,72a3/w3 - 5,6a4/w4)

f(a/w) = 

(1 - a/w)3/2

4 Ki m nghi m giỏ tr tớnh toỏn

F

F

B

W

rã nh

FS= FQ

độ m c a n t ν

O

B

2W

2a

2W 2a

F

F

c

a

t

l

a

t

l F

σ

σ

2W

a

σ

2W

a

σ

M

M

27

Tợnh giõ tr A= 2,5(KQ/σo,2), n u A ≤ B(a) → KQ= KIC,

ý nghị a cũa K nghị a cũa KIC::::

LẾ chì tià u cÈ tÝ nh quan trồng nhấ t Ẽể ẼÌ nh giÌ khả nẨ ng chộng phÌ hũy giòn

- Bi t KIC vỏ a → ựng suấ t thiế t kế σ phả i thoả m· n:

a Y

KIC π

≤

σ hay KI< KIC

- Bi t KIC vỏ σ → kợch th c v t n t a:

2 IC

Y

K

1

a 









 σ π

2.2.5

2.2.5 ườ cựngườ cựngườ cựng

a ưặc Ẽiể m

a ưặc Ẽiể m

XÌ c ẼÞ nh ẼÈn giả n nhấ t, nhanh chọng nhấ t,

ư/n:

ư/n: ườ cựng lẾ khả nẨng chộng lỈi biế n dỈng dẽ o cừc bờ cũa vật liệ u thẬng qua múi ẼẪm

ư

ưặc Ẽiể mặc Ẽiể mặc Ẽiể m:::: khả nẨ ng chộng mẾ i mòn, tỈ o mẫ u nhõ vẾ ẼÈn giả n, thữ tỈ i chố, nhanh,

CÌc lCÌc lCÌc loỈi:oỈi:oỈi: thẬ ẼỈ i vẾ tế vi, thưởng dủng Ẽờ cựng thẬ ẼỈi SÈ Ẽổ cũa cÌ c phưÈng phÌ p thữ

Ẽờ cựng (hỨ nh 2.21)

a) b) c)

HỨ nh 2.21 SÈ Ẽổ tÌc dừng tải trồng cũa cÌc phưÈng phÌp Ẽo Ẽờ cựng:

a Brinen, b RẬcvel, c Vicke

b

b ườ cựng Brinen HBườ cựng Brinen HBườ cựng Brinen HB: HB=F/S, F lỏ t i tr ng, kg hay N, S di n tợch hớnh ch m c u Quan hệ gi a đ b n vỏ đ c ng:

- ThÐ p cÌ n (trử khẬng gì , bề n nọng) σb ≈ 0,34 HB,

- ưổng, latẬng, brẬng ỡ trỈ ng thÌ i biế n cựng σb ≈ 0,40HB,

- ưổng, latẬng, brẬng ỡ trỈ ng thÌ i ũ σb ≈ 0,55HB,

Tuy nhià n Ẽờ cựng HB cúng cọ nhứng nhưùc Ẽiể m sau:

+ khẬng thể Ẽo cÌ c vậ t liệ u cọ Ẽờ cựng cao hÈn 450 HB, mẫ u phả i phỊ ng, to, dẾ y + khẬng cho phÐ p Ẽo trà n cÌ c loỈ i trừc (vỨ cọ mặ t cong), đo tưÈng Ẽội chậ m ChÝ nh vỨ vậ y trong sả n suấ t thưởng dủng cÌ ch Ẽo RẬcvel hÈn

d

d ườ cựng RẬcvel HR (HRC, HRA, HRB)ườ cựng RẬcvel HR (HRC, HRA, HRB)ườ cựng RẬcvel HR (HRC, HRA, HRB)

ưo Ẽờ cựng RẬcvel HR (hỨ nh 2.21b) tiệ n lùi hÈn do nhanh, kế t quả Ẽo cho ngay trà n mÌ y vẾ Ẽo Ẽưùc cÌ c vậ t liệ u tử tưÈng Ẽội mề m Ẽế n cựng, Ẽo tỈ i chố, Ẽo Ẽưùc lợp bề

mặ t

KhÌ c vợi HB, HR lẾ loỈ i Ẽờ cựng quy ược (khẬng cọ thự nguyà n):

- ườ cựng RẬcvel theo cÌ c thang C, A ký hiệ u lẾ HRC, HRA Ẽưùc Ẽo bÍ ng múi hỨ nh nọn bÍ ng kim cưÈng → đo thÐ p tẬi, lợp họa - nhiệ t luyệ n

- ườ cựng RẬcvel theo thang B ký hiệ u lẾ HRB Ẽưùc Ẽo bÍ ng múi bi bÍ ng thÐ p tẬi → đo thÐ p ũ, thưởng họa, gang Ẽục

d ườ cựng Vicke HV

d ườ cựng Vicke HV

LẾ loỈ i Ẽờ cựng cọ phưÈng phÌ p Ẽo tưÈng tỳ như Brinen, HV= F / S [kG/mm 2] hay [MPa ] song vợi nhứng khÌ c biệ t sau:

D

F

F

28

- mũi đâ m kim cương hì nh thá p bốn mặ t đề u với góc ở đỉ nh giữa hai mặ t đối diệ n là

136o

- Vicke được dùng để đo độ cứng cho mọi vậ t liệ u từ rấ t mề m đế n rấ t cứng cho cả cá c

mẫ u mỏng (0,3 ữ 0,5mm), được coi là độ cứng chuẩ n trong nghiê n cứu khoa học

e

e Chuyể n đổi giữa các thaChuyể n đổi giữa các thaChuyể n đổi giữa các thang độ cứngng độ cứngng độ cứng

Dùng bả ng tra (trong tà i liệ u thí nghiệ m)

2.3

2.3 Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Nung kim loại đã qua biế n dạng dẻ o Thải bề n Thải bề n Thải bề n Biế n dạng nóng Biế n dạng nóng Biế n dạng nóng

2.3.1

2.3.1 Trạng thái kim loại đã qua biế n dạng dẻ oTrạng thái kim loại đã qua biế n dạng dẻ oTrạng thái kim loại đã qua biế n dạng dẻ o

Sau bi n d ng v t li u tr ng thỏi khụng n đ nh → nung núng → thải bề n

Tỏc d ng: khôi phục lạ i trạ ng thá i ban đầ u: dẻ o và mề m: biế n dạ ng dẻ o, gia công cắ t, khử bỏ ứng suấ t bê n trong để trá nh phá hủy giòn

2.3.2

2.3.2 Các giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóngCác giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóngCác giai đoạn chuyể n biế n khi nung nóng

a

a Hồi phục Hồi phục Hồi phục

ở nhiệ t độ thấ p (< 0,1 ữ 0,2TC)

Tỏc d ng: giả m sai lệ ch mạ ng (điể m:gi m nút trống), giả m mậ t độ lệ ch và ứng suấ t bê n trong , trong khi đó tổ chức tế vi chưa thay đổi, giả m điệ n trở chút í t, cơ tí nh chưa thay

đổi

b

b Kế t tinh lại Kế t tinh lại Kế t tinh lại (kế t tinh lạ i lầ n thứ nhấ t)

Bản chất kế t tinh lại

Bản chất kế t tinh lại:::: quá trì nh hì nh thà nh cá c hạ t mới không có cá c sai lệ ch do biế n dạ ng dẻ o gâ y ra theo cơ chế tạ o mầ m và phá t triể n mầ m như kế t tinh g i là k t tinh l i: Tạo mTạo mTạo mầmầmầm:::: ở những vùng bị xô lệ ch mạ nh nhấ t, biế n dạ ng dẻ o cà ng mạ nh, cà ng nhiề u

mầ m

- Sự phá t triể n m m tiế p theo là quá trì nh tự nhiê n

Sau khi kế t tinh lại

Sau khi kế t tinh lại:::: thải bề n: độ dẻ o tă ng lê n và độ bề n, độ cứng giả m đi một cá ch đột

ngột

Nhi t đ k t tinh l i:::: T=aTC (K), ε > 40 ữ 50%, thời gian giữ nhiệ t =1h, kim loạ i tinh khiế t thì a ≈ 0,2 ữ 0,3, kim loạ i nguyê n chấ t kỹ thuậ t thì a ≈ 0,4, dung dị ch rắ n a ≈ 0,5 ữ 0,8

Độ biế n dạ ng cà ng lớn, thời gian ủ cà ng dà i hệ số a cà ng nhỏ

Vớ d cỏc kim lo i nguyờn ch t k thu t:

Fe (TC = 1539oC) - 450oC, Cu (TC = 1083oC) - 270 oC,

Al (TC = 660oC) - 100oC, Pb, Zn, Sn (TC trê n dưới 300oC) < 25oC

Tổ chức tế vi và độ hạt

Tổ chức tế vi và độ hạt

Hạ t mới đa cạ nh, đẳ ng trục, độ hạ t phụ

thuộc:

- Mức độ biế n dạng: biế n dạ ng nhỏ 2 ữ 8%

hạ t tạ o thà nh rấ t lớn, gọi là độ biế n dạng

tới hạn, thường phả i trá nh

- Nhiệ t độ ủ: cà ng cao → hạ t to lê n

- Thời gian giữ nhiệ t: cà ng dà i → hạ t cà ng

Thực tế thường biế n dạ ng (≥ 40 ữ 50%), ủ

nhiệ t độ đ cao (tu t ng kim lo i), thời

gian 1h (tối đa không quá 2h) → hạ t nhỏ

c

c Kế t tinh lại lần thứ haiKế t tinh lại lần thứ haiKế t tinh lại lần thứ hai

Hì nh 2.22 Tổ chức và cơ tí nh của kim

loại sau khi kết tinh lại

σb

σ b

δ

σ 0,2

h i

ph c k t tinh l i

l n 1 l n 2 độ dẻ o độ dẫ n