Tài liệu Biến dạng dẻo và cơ tính doc

Mặt trượt là mặt tưởng tượng phân cách giữa hai Cũng lý luậ n tương tự, khi trượt cá c phầ n của tinh thể sẽ dịch chuyể n tương đối với nhau theo cá c mặt trượt và trên mặt trượt đó the

49

Trong chương nà y trì nh bà y cá c hà nh vi của vậ t liệ u (chủ yế u là kim loại) dưới tá c dụng của lực cơ học bên ngoà i, tức là quá trì nh biế n dạng dẻ o và cá c đặc trưng của nó Nhờ những hiể u biế t cơ bả n nà y có thể rút ra những nguyên lý là m cho vậ t liệ u trở nên bền hơn, có cơ tí nh phù hợp với điều kiệ n

là m việ c và gia công

Đối với vậ t liệ u, đặc biệ t là kim loại, cá c bá n thà nh phẩ m được cung

cấ p dưới dạng dâ y, thanh, hì nh, ống, tấ m, lá , bă ng nhờ biế n dạng dẻ o (cá n) nên rấ t tiệ n cho sử dụng ở cá c nhà má y cơ khí chúng thường được qua rè n

để tạo phôi (có dạng gầ n giống với sả n phẩ m) trước khi cắt gọt Việ c khả o sá t biế n dạng dẻ o không những giúp hiể u biế t chí nh quá trì nh đó mà điều quan trọng nữa là còn là m rõ được bả n chấ t của cá c đặc trưng cơ tí nh cùng cá c biệ n phá p nâ ng cao, sự biế n đổi cơ tí nh kè m theo cũng như cá ch khắc phục những hiệ u ứng không thuậ n

2.1 Biế n dạng dẻ o và phá hủy

2.1.1 Khái niệ m

Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫ u kim loại tròn, dà i ta được biể u đồ kéo [hay còn gọi là biể u đồ tả i trọng (hay ứng suấ t) - biế n dạng] với dạng điể n hì nh được trì nh bà y ở hì nh 2.1 Biể u đồ nà y cho ta một khá i niệ m chung về cá c loại biế n dạng và phá hủy

- Khi tả i trọng đặt và o nhỏ, F < Fđh, độ biế n dạng (ở đâ y biể u thị bằ ng

độ gi∙ n dà i ∆l) tỷ lệ bậ c nhấ t với tả i trọng, khi bỏ tả i trọng biế n dạng mấ t đi

Biế n dạng như vậ y được gọi là biế n dạng đàn hồi Ví dụ, dưới tả i trọng F1

mẫ u bị dà i thêm đoạn O1, nhưng khi nhấ c (bỏ) tả i trọng đi mẫ u lại trở lại kí ch thước ban đầ u

Hì nh 2.1 Sơ đồ biểu đồ tải trọng -

biến dạng điển hì nh của kim loại.

- Khi tả i trọng đặt và o lớn, F > Fđh, độ biế n dạng tă ng nhanh theo tả i trọng, khi bỏ tả i trọng biế n dạng không bị mấ t đi mà vẫ n còn lại một phầ n

Biế n dạng nà y được gọi là biế n dạng dẻ o Ví dụ, khi đặt tả i trọng Fa mẫ u bị kéo dà i theo đường Oea tức bị dà i thêm đoạn Oa'', nhưng khi bỏ tả i trọng mẫ u

bị co lại theo đường song song với đoạn thẳng Oe nên cuối cùng vẫ n còn bị dà i thêm một đoạn Oa', phầ n nà y chí nh là phầ n biế n dạng dẻ o hay dư, còn lại sau quá trì nh; còn a'a'' là phầ n biế n dạng đà n hồi bị mấ t đi sau quá trì nh

Nhờ biế n dạng dẻ o ta có thể thay đổi hì nh dạng, kí ch thước kim loại tạo nên nhiều chủng loại phong phú đá p ứng tốt yêu cầ u sử dụng

- Nế u tiế p tục tă ng tả i trọng đế n giá trị cao nhấ t Fb, lúc đó trong kim loại xả y ra biế n dạng cục bộ (hì nh thà nh cổ thắt), tả i trọng tá c dụng giả m đi

mà biế n dạng vẫ n tă ng (cổ thắt hẹp lại) dẫ n đế n đứt và phá hủy ở điể m c

Sự biế n đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thá i trên trì nh bà y ở hì nh 2.2

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)

Khi biế n dạng đà n hồi cá c nguyên tử chỉ dịch chuyể n đi khoả ng cá ch

nhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tă ng từ a lên a+∆a, tức

chưa sang vị trí câ n bằ ng mới nên khi bỏ tả i trọng lại trở về vị trí câ n bằ ng cũ Biế n dạng đà n hồi xả y ra do cả ứng suấ t tiế p lẫ n ứng suấ t phá p Khi biế n dạng

dẻ o cá c nguyên tử dịch chuyể n đi khoả ng cá ch lớn hơn (quá một thông số

mạng) nên khi bỏ tả i trọng nó trở về vị trí câ n bằ ng mới Cầ n nhớ là biế n dạng

dẻ o chỉ xảy ra do ứng suất tiế p Khi biế n dạng đà n hồi và dẻ o lực liên kế t giữa

cá c nguyên tử vẫ n được bả o tồn, còn khi phá hủy cá c liên kế t bị hủy hoại dẫ n

51 nguyên tử đối diệ n nhau sẽ bị đứt đi, trong khi đó mối liên kế t giữa cá c nguyên

tử cạnh nhau trong mỗi mặt vẫ n được bả o toà n Để thỏa m∙ n điều kiệ n đó, cá c mặt nguyên tử nà y phả i có mậ t độ nguyên tử lớn nhấ t (hay khoả ng cá ch nguyên tử nhỏ nhấ t) và nhờ đó có liên kế t vững chắc nhấ t Do mậ t độ khối không thay đổi nên khoả ng cá ch giữa hai mặt có mậ t độ nguyên tử lớn nhấ t

nà y cũng là lớn nhấ t, do đó có liên kế t yế u nhấ t, dễ bị đứt, vì thế hai mặt nà y

dễ dịch chuyể n đi với nhau Mặt trượt là mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai

Cũng lý luậ n tương tự, khi trượt cá c phầ n của tinh thể sẽ dịch chuyể n tương đối với nhau theo cá c mặt trượt và trên mặt trượt đó theo phương có mậ t

độ lớn nhấ t vì có liên kế t mạnh nhấ t Cá c mặt, phương dà y đặc nhấ t và là cá c mặt và phương có thể trượt của ba kiể u mạng tinh thể kim loại thường gặp

ở mạng lậ p phương tâ m khối (A2) cá c mặt dà y đặc nhấ t là họ mặt

{110} là mặt chéo chữ nhậ t đi qua nguyên tử ở giữa khối Tấ t cả có sá u mặt như vậ y Trên mỗi mặt lại có hai phương dà y đặc nhấ t thuộc họ <111> là cá c phương đối đỉnh của khối lậ p phương Sự trượt bao giờ cũng xả y ra bằ ng sự kế t

Còn mạng lục giá c xế p chặt chỉ có một mặt dà y đặc nhấ t là mặt đá y (0001) và trên đó có ba phương dà y đặc nhấ t thuộc họ <11 2 0> Như vậ y mạng

A3 chỉ có 3 (3 mặt x 1 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau

Tuy nhiên ngoà i cá c mặt, phương trượt chí nh kể trên, trong thực tế tinh thể còn có khả nă ng bị trượt theo cá c mặt, phương dà y đặc khá c tuy không phả i là dà y đặc nhấ t Đối với mạng A2 và A3, ngoà i cá c mặt và phương trượt chí nh kể trên kim loại còn có thể trượt trên cá c hệ phụ Ví dụ, Feα (A2) còn

có thể trượt trên cá c hệ : mặt {211} hay {321} với cùng phương <111>; Mg, Ti (A3): {1010} hay {1120} với cùng <11 2 0> Người ta nhậ n thấ y khả nă ng biế n dạng dẻ o của kim loại tỷ lệ thuậ n với

số hệ trượt chí nh Do kim loại có số hệ trượt cà ng cao thì khả nă ng thí ch ứng với sự trượt cà ng lớn nên kim loại với mạng hệ lậ p phương dễ biế n dạng dẻ o hơn hệ lục giá c Thực tế đ∙ chứng tỏ điều nà y: sắt, nhôm, bạc, và ng, đồng

rấ t dẻ o và dễ dá t mỏng, còn kẽ m thì kém hơn Song cùng là hệ lậ p phương, kim loại nà o có số phương trượt cao hơn sẽ có tí nh dẻ o cao hơn, tức loại tâ m mặt dẻ o hơn loại tâ m khối, như ở nhiệ t độ thường đồng, nhôm dẻ o hơn sắt

b ứng suất gây ra trượt

Như đ∙ nói khá c với biế n dạng đà n hồi, khi biế n dạng dẻ o chỉ có thà nh phầ n ứng suấ t tiế p trên phương trượt mới có tá c dụng gâ y nên trượt H∙ y tí nh ứng suấ t đó

Xét trường hợp đơn giả n nhấ t: kéo đơn tinh thể theo một trục như biể u thị ở hì nh 2.5a Lực kéo F là m với phá p tuyế n của mặt trượt đ∙ cho góc χ và phương trượt đ∙ cho góc θ Nế u mặt cắt ngang của tinh thể có diệ n tí ch S0 thì mặt trượt S có diệ n tí ch S0/cosχ và ứng suấ t tiế p trên phương trượt là

τ =

S

F cosθ =

S

F

o

cosθ cosχ, trong đó: - F / S0 là ứng suấ t quy ước σ0  ứng suấ t phá p do ngoại lực F tá c dụng lên tiế t diệ n ngang của tinh thể có giá trị không đổi, nên

τ = σ0 cosθ cosχ

a định hướng của hệ trượt với ngoại lực,

b tinh thể sau khi trượt với bậc thang biến dạng dư (dẻo),

c đường trượt và dải trượt trên tổ chức tế vi

Đó là định luật Schmid Khi τ có độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn nhấ t định τth (xá c định đối với từng kim loại) quá trì nh trượt mới xả y ra Như

vậ y ứng suấ t gâ y ra trượt τ phụ thuộc và o cosθ cosχ được gọi là thừa số

Schmid Nói chung (θ + χ) ≠ 90o, trường hợp θ = 90o hay χ = 90o tức ngoại lực

53 song với mặt trượt hay vuông góc với phương trượt thì τ = 0 lúc nà y tinh thể bị phá hủy mà không xả y ra biế n dạng dẻ o ứng suấ t tiế p đạt cực đại τmax = 0,5ơ0

khi θ = χ = 45o ứng suấ t tiế p τ tá c dụng trên cá c hệ trượt khá c nhau cũng khá c nhau Nế u τ lớn hơn một giá tri τt.h nà o đó được gọi là ứng suấ t trượt tới hạn (có giá trị không đổi đối với mỗi kim loại) thì sự trượt sẽ xả y ra Định luậ t Schmid quy định hệ trượt nà o hoạt động trước tiên khi đặt tả i Đó là hệ thuậ n lợi nhấ t với yế u tố định hướng thuậ n lợi nhấ t: θ, χ gầ n 45o nhấ t, tại đó giá trị tới hạn của ứng suấ t tiế p đạt được sớm nhấ t Như vậ y có thể là hệ thuậ n lợi nhấ t sẽ trượt trước, sau đó khi tả i trọng F tă ng lên đế n lượt cá c hệ í t thuậ n

Sự thay đổi mạng tinh thể khi trượt như trì nh bà y ở hì nh 2.2c và 2.3b

là quá lý tưởng, trong thực tế mạng tinh thể ở hai bên mặt trượt trở nên xô lệ ch gâ y cả n trở trượt tiế p tục, sự trượt chỉ xả y ra trên độ dà i nhấ t định rồi dừng lại, tạo nên bậ c như biể u thị ở hì nh 2.5b Sau khi trượt thấ y có biế n dạng dư,

có thể coi nó như là tổng của cá c bậ c đó thoá t ra khỏi bề mặt khi trượt

Sau khi trượt như vậ y trên mặt ngoà i theo chiều dà i tinh thể xuấ t hiệ n cá c bậ c nhỏ song song nhau, đó là cá c đường trượt mà nhiều đường trượt gầ n nhau tạo nên dả i trượt (hì nh 2.5c)

c Tí nh dễ trượt - cơ chế trượt

Nói chung đối với các kim loại τt.h có giá trị rất nhỏ (ví dụ với nhôm nó

chỉ và o khoả ng 1MPa) nên kim loại rất dễ trượt hay nói khá c đi dễ dà ng bị

biế n dạng dẻ o với ứng suấ t bé tức có độ bền thấ p Điều nà y có liên quan đế n mạng tinh thể cũng như độ hoà n thiệ n của nó

Khi mạng tinh thể có sắp xế p lý tưởng (không có lệ ch), khi trượt tất cả nguyên tử ở hai bên mặt trượt bắt buộc phả i dịch chuyể n đồng thời do đó đòi

hỏi ứng suấ t tiế p rấ t lớn (theo tí nh toá n τt.h ≈

π

2

G, trong đó G là môđun trượt)

Với mô hì nh như vậ y sự trượt là trượt cứng, τt.h tương ứng được gọi là độ bền

lý thuyế t Trong mạng tinh thể thực tế , tức có chứa lệ ch, sự trượt sẽ xả y ra với

ứng suấ t nhỏ hơn rấ t nhiều lầ n và sự trượt sẽ xả y ra khá c bằ ng chuyể n động của lệ ch Khi có lệ ch biên (hì nh 2.6) cá c nguyên tử ở hai bên bá n mặt bị xô

lệ ch đà n hồi đối xứng, ứng suấ t hai bên câ n bằ ng lẫ n nhau nên bá n mặt nà y rấ t

dễ dịch chuyể n đi một khoả ng cá ch nhỏ khi có lực bên ngoà i tá c dụng Giả sử

có ứng suấ t τ có tá c dụng như ở hì nh vẽ , bá n mặt sẽ dịch chuyể n đi một khoả ng cá ch nhỏ sang phả i và do đó liên kế t được với nửa hà ng dọc nguyên tử

ở phí a dưới thà nh mặt tinh thể mới, bá n mặt dịch chuyể n dầ n qua phả i Quá trì nh dịch chuyể n nguyên tử khi trượt cứ xả y ra như vậ y cho đế n khi bá n mặt

được thoá t ra khỏi bề mặt tinh thể , tạo ra ở đó bậ c thang nguyên tử Như vậ y ở

từng thời điể m chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt, sự truyền

chuyể n động giống như chạy tiế p sức, do đó chỉ đòi hỏi ứng suấ t tiế p nhỏ, theo tí nh toá n τt.h ≈ 3 4

10.810.8

G

→ Với mô hì nh như vậ y sự

trượt có tí nh nối tiế p, τt.h tương ứng được gọi là độ bền thực tế , nhỏ hơn độ

bền lý thuyế t từ 100 đế n 1000 lầ n Đó là khoả ng cá ch quá lớn

Rõ ràng tiềm năng về độ bền của vật liệ u nói chung và kim loại nói riêng

là rất lớn, sở dĩ chưa khai thác được bao nhiêu là do tồn tại lệ ch và các khuyế t tật mạng mà khoa học chưa tì m được giải pháp loại trừ một cách hữu hiệ u

Hì nh 2.6 Mô hì nh tr ượt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên)

1) Các hạt bị biế n dạng không đều Ngay cả đối với kim loại nguyên

chấ t cá c hạt có mạng tinh thể giống nhau song lại có định hướng mặt và phương khá c nhau, nên chúng sẽ bị trượt khá c nhau: hạt nà o có định hướng thuậ n lợi với sự trượt sẽ trượt trước với ứng suấ t bé, ngược lại hạt nà o có định hướng không thuậ n lợi sẽ trượt sau với ứng suấ t lớn hơn, thậ m chí có hạt không thể trượt được

2) Có tí nh đẳng hướng Do sự định hướng phương và mặt của cá c hạt

mang tí nh ngẫ u nhiên cho nên dù lực bên ngoà i tá c dụng như thế nà o cũng cho một kế t quả chung như nhau, tức có tí nh đẳng hướng (tuy từng hạt vẫ n có tí nh

dị hướng nhưng tổng hợp lại không còn) Tí nh chấ t nhậ n được là kế t quả thử

vùng biên Trong thực tế sự trượt của hạt nà y đều kéo theo cá c hạt bên cạnh, rồi chí nh nó lại bị cá c hạt nà y cả n trở Vùng biên hạt có sắp xế p không trậ t tự rấ t khó tạo nên mặt và phương trượt nên có thể coi nó như lớp vỏ cứng cả n trượt Chí nh do có nhiều cả n trở như vậ y, để trượt được nói chung phả i tá c dụng lực cao hơn, nói khá c đi có độ bền cao hơn độ bền trung bì nh (theo cá c phương) của đơn tinh thể

4) Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻ o càng cao Do hạt nhỏ có tổng diệ n

tí ch biên hạt lớn hơn, sẽ cả n trượt mạnh hơn nên là m tă ng độ bền Mối quan hệ giữa giới hạn chả y σch (hay σ0,2 ) và kí ch thước (đường kí nh) hạt d được mô tả

55

bằ ng biể u thức Hall - Petch như sau:

σσσσch = σσσσo +

dk

trong đó: σo - ứng suấ t cầ n thiế t để lệ ch chuyể n động khi d →∞ tức trong

đơn tinh thể , k - hằ ng số biể u thị cấ u trúc của biên hạt

Đồng thời khi hạt nhỏ đi, số lượng hạt tă ng lên là m cho số hạt thí ch ứng với sự trượt theo phương bấ t kỳ cũng tă ng lên tương ứng, điều đó cũng có nghĩ a sự trượt được phâ n bố trên nhiều hạt hơn và lượng biế n dạng dư (tức

tí nh dẻ o) tă ng lên Rấ t í t biệ n phá p công nghệ có tá c dụng tốt đồng thời đế n cả độ bền lẫ n độ dẻ o (thông thường khi độ bền tă ng lên thì độ dẻ o lại giả m đi

tương ứng) Hiệ u ứng nà y còn quan trọng hơn ở chỗ do là m tăng cả độ bền lẫn

độ dẻ o nên làm tăng mạnh độ dai, vậ t liệ u khó bị phá hủy giòn Do vậ y vậ t

liệ u với hạt nhỏ ưu việ t hơn hẳn hạt lớn; vì thế trong chế tạo cơ khí , luyệ n kim thường xuyên yêu cầ u đạt hạt nhỏ

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

Biế n dạng dẻ o là m thay đổi rấ t mạnh tổ chức, tí nh chấ t đặc biệ t là cơ

1) Trong và sau khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô

lệ ch, cá c hạt bị biế n dạng không đều, song đều có khuynh hướng bị kéo dà i, bẹt

ra theo phương biế n dạng Với độ biế n dạng ε lớn (40 ữ 50%) hạt bị phâ n nhỏ ra, cá c tạp chấ t và pha thứ hai bị nhỏ vụn ra, kéo dà i ra tạo nên thớ (độ biế n dạng ε

thường được tí nh bằ ng độ giả m của tiế t diệ n phôi khi biế n dạng dẻ o theo công thức ε = 100%

S

SS

Khi kim loại có textua nó sẽ có tí nh dị hướng Hiệ n tượng nà y được á p dụng khá rộng r∙ i cho thép kỹ thuậ t điệ n để là m giả m tổn thấ t từ trong cá c biế n thế

Textua tạo nên trong trường hợp nà y được gọi là textua biế n dạng Ví

2) Sau biế n dạng dẻ o trong kim loại tồn tại ứng suấ t dư do xô lệ ch mạng

và biế n dạng không đều giữa cá c hạt cũng như trên tiế t diệ n Nói chung ứng suấ t bên trong có hại cho cơ tí nh, song cũng có trường hợp người ta cố ý tạo nên lớp ứng suấ t nén dư để nâ ng cao giới hạn mỏi bằ ng cá ch lă n ép, phun bi

3) Sau khi biế n dạng dẻ o, do mạng tinh thể bị xô lệ ch, cơ tí nh kim loại

thay đổi rất mạnh theo chiều hướng như sau (hì nh 2.8):

- tăng độ cứng,

- tăng độ bền song trong đó giới hạn đàn hồi σđh và giới hạn chảy σ0,2

tăng mạnh hơn,

tức có xu hướng biế n cứng, hóa bền, nhưng lại làm giảm dộ dẻ o và độ

Hì nh 2.7 Hai dạng textua biến dạng trong vật liệu từ mềm:

a Fe-Si, textua { 110 } < 100 >, b Fe-Ni, textua { 100 } < 100 >

một số dạng hóa bền khá c như nhiệ t luyệ n, hợp kim hóa )

Hóa bền biế n dạng là hì nh thức hóa bền thông dụng trong kỹ thuậ t

được gọi dưới nhiều tên khá c nhau như: biế n cứng, cứng nguội Hiệ u quả mạnh nhấ t của hóa bền biế n dạng là ở giai đoạn đầ u, cà ng về sau hiệ u quả nà y giả m

dầ n Khi độ biế n dạng rấ t cao σđh và σ0,2 đạt gầ n tới σb, song lúc đó độ dẻ o (δ)

hầ u như bằ ng không Nói chung biế n dạng dẻ o có thể là m tă ng giới hạn bền,

độ cứng từ 1,5 đế n 3 lầ n, giới hạn chả y từ 3 đế n 7 lầ n Cá c vậ t liệ u với mạng A1 (thép austenit, nhôm, đồng và cá c hợp kim của chúng) có hiệ u ứng hóa bền biế n dạng mạnh hơn hơn cả nên thường được á p dụng nhiều hơn, có hiệ u quả hơn loại mạng A2 (cá c thép khá c ) Tuy nhiên là m giả m mạnh độ dẻ o và độ dai là điều phả i tí nh tới khi á p dụng dạng hóa bền nà y Trong nhiều trường hợp sau khi biế n dạng dẻ o, kim loại trở nên hoặc là quá cứng khó cắt gọt hay biế n dạng dẻ o tiế p theo, hoặc là quá giòn dễ bị gẫ y ngay cả dưới tả i trọng va đậ p nhỏ, lúc đó cầ n phả i đưa kim loại về trạng thá i ban đầ u như lúc chưa biế n dạng bằ ng cá ch ủ kế t tinh lại (xem mục 2.3.2 tiế p theo)

Hì nh 2.8 ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tí nh

của kim loại nói chung (a) và đồng nói riêng (b)

Thông thường, khi tiế p tục tă ng ứng suấ t lên cao nữa vậ t liệ u bị phá hủy

do g∙ y, vỡ hoặc đứt Phá hủy là dạng hư hỏng trầ m trọng nhấ t, không thể khôi phục sửa chữa được, gâ y tổn thấ t nghiêm trọng về kinh tế và những hậ u quả về sinh mạng, vì vậ y cầ n nghiên cứu tỉ mỉ để chống lại nó Hiệ n có hẳn một ngà nh chuyên nghiên cứu về phá hủy (fractography) Trong mỗi trường hợp khá c nhau sự phá hủy mang những đặc điể m riêng song có một cơ chế chung là :

trước hế t bao giờ cũng xuất hiệ n vế t nứt tế vi đầu tiên ở trên bề mặt hay ở sâu bên trong, tiế p theo vế t nứt đó phát triể n lên rồi cuối cùng mới dẫn đế n tách

đứt, rời H∙ y xét sự phá hủy trong những điều kiệ n tả i trọng khá c nhau

a Trong điều kiệ n tải trọng tĩ nh

Tả i trọng tĩ nh là tả i trọng tá c dụng (đặt và o) một cá ch chậ m chạp, êm, tức tă ng lên từ từ Người ta phâ n biệ t hai dạng phá hủy: giòn và dẻ o

Phá hủy giòn và phá hủy dẻ o

Hì nh 2.9 Các dạng mặt gãy khi phá hủy:

a) dạng co thắt mạnh thành điểm,

b) dạng co thắt côn về hai phí a,

c) dạng co thắt vừa phải kiểu chén - đĩa,

d) dạng không thắt, bằng phẳng ngang

(phụ lục: hì nh ả nh co thắt khi phá huỷ) Tùy theo vùng gẫ y có tiế t diệ n biế n đổi hay không mà phâ n biệ t hai dạng nà y Phá hủy kè m theo biế n dạng dẻ o với mức độ rõ rệ t tức là vùng gẫ y

vỡ có tiế t diệ n biế n đổi được gọi là phá hủy dẻ o; ngược lại khi kè m theo biế n dạng dẻ o không rõ rệ t tức vùng gẫ y vỡ có tiế t diệ n hầ u như không biế n đổi

được gọi là phá hủy giòn Có thể phâ n biệ t dễ dà ng hai dạng nà y khi thử kéo ở chỗ bị đứt (hì nh 2.9) Dạng đứt như ở hì nh 2.9a là phá hủy dẻ o ở cá c vậ t liệ u có độ dẻ o rấ t cao nên chỗ đứt bị co thắt rấ t mạnh chỉ còn là một

điể m, khi dẻ o cao trước khi đứt bị biế n dạng đá ng kể thà nh hì nh côn về hai phí a như hai đá y cốc rá p lại như ở hì nh 2.9b, ở một số loại còn thấ y có dạng chén - đĩ a (chén đặt trên đĩ a) như hì nh 2.9c là loại có độ dẻ o thấ p, trong khi

đó loại vậ t liệ u giòn có mặt g∙ y bằ ng phẳng, ngang mà trên bề mặt hầ u như không thấ y có thay hì nh đổi dạng như hì nh 2.9d Rõ rà ng là phá hủy giòn là loại không dự bá o (không thể biế t trước từ cá c biể u hiệ n bên ngoà i) nên rấ t

nguy hiể m, do vậ y nế u phả i xả y ra thì bao giờ người ta cũng mong muốn phá hủy là dẻ o, có thể biế t trước để thay thế hay sửa chữa

Hì nh 2.10 ảnh hưởng của nhiệt độ (a) và tốc độ biến dạng ε! (b) đến phá hủy giòn và dẻo (ε!1 <ε!2 <ε!3 )

Phá hủy dẻ o phá t triể n với tốc độ rấ t chậ m, cầ n nhiều nă ng lượng,

trong khi đó phá hủy giòn phá t triể n với tốc độ rấ t lớn (khoả ng 1000m/s), chỉ

cầ n nă ng lượng nhỏ Khi phá hủy sự tá ch rời cá c phầ n của vậ t thể có thể cắt ngang cá c hạt (mặt g∙ y nhẵn) hay theo biên hạt (mặt g∙ y nổi hạt), trong đó mặt g∙ y nổi hạt luôn luôn đi kè m với phá hủy giòn

Phá hủy ở dạng nào chủ yế u là phụ thuộc loại vật liệ u: vật liệ u dẻ o như thép thường bị phá hủy dẻ o, còn vật liệ u giòn như gang thường bị phá hủy giòn Ngoà i ra nó còn phụ thuộc và o nhiệ t độ và tốc độ đặt tả i trọng: khi hạ

thấ p nhiệ t độ cũng như tă ng tốc độ đặt tả i trọng cũng có thể là m vậ t liệ u dẻ o

bị phá hủy giòn

Khi hạ thấ p nhiệ t độ, ở mọi vậ t liệ u cơ tí nh đều biế n đổi theo chiều hướng tă ng độ bền và giả m độ dẻ o (hì nh 2.10a), tại nhiệ t độ To

b.gi - được gọi

là nhiệ t độ biế n giòn - giới hạn chả y σ0,2 bằ ng giới hạn bền σb và độ gi∙ n dà i δ

gầ n như bằ ng không Khi thử ở thấ p hơn nhiệ t độ nà y σb < σ0,2 nên tả i trọng tá c dụng đạt đế n σb trước, gâ y nên phá hủy trước khi đạt đế n σ0,2 tạo ra biế n dạng dẻ o Trong thực tế luôn luôn mong mỏi vậ t liệ u có nhiệ t độ biế n giòn

cà ng thấ p cà ng tốt, vậ t liệ u được coi là giòn là loại có nhiệ t độ biế n giòn ở khoả ng nhiệ t độ thường, vậ t liệ u được coi là dẻ o là loại có nhiệ t độ biế n giòn

ở nhiệ t độ â m sâ u Nế u như vậ y thì khá i niệ m giòn - dẻ o chỉ là quy ước Khi tă ng tốc độ biế n dạng hay đặt tả i trọng, vậ t liệ u có khuynh hướng trở nên giòn tức là m nhiệ t độ biế n giòn tă ng lên (hì nh 2.10b) Như vậ y ngay cả vậ t liệ u

dẻ o vẫ n có thể bị phá hủy giòn nế u là m việ c ở nhiệ t độ thấ p (thông thường má y móc, kế t cấ u ở xứ lạnh dễ có nguy cơ phá hủy giòn hơn ở xứ nóng) và chịu tả i trọng thay đổi đột ngột

Ngoà i ra cá c yế u tố tậ p trung ứng suấ t như vế t khí a, nứt, tiế t diệ n thay

đổi đột ngột là m ứng suấ t cục bộ tă ng vọt và σb giả m mạnh, là m vậ t liệ u có

59

3) vế t nứt tế vi phá t triể n đạt đế n kí ch thước tới hạn,

5) nứt chấ m dứt và g∙ y rời,

trong đó cá c giai đoạn 1,2 và 4 được coi là quan trọng nhấ t, đá ng để ý nhấ t

Vế t nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đoạn biế n dạng dẻ o

Trong vậ t liệ u khó trá nh khỏi có những vế t rỗng đ∙ có sẵn như rỗ co, bọt khí , nứt khi kế t tinh, cá c pha có độ bền quá thấ p như grafit trong gang , chúng

đóng vai trò của mầm khi phá hủy Trong quá trì nh biế n dạng dẻ o, lệ ch phá t

sinh thêm (bởi nguồn Frank - Read) và chuyể n động trên mặt trượt bị nghẽ n lại ở trước cá c cả n trở như biên hạt, pha thứ hai như biể u thị ở hì nh 2.11 Cá c

lệ ch biên cùng dấ u sá t nhau tạo nên một khoả ng trống ngay dưới cá c bá n mặt

sẽ là điể m xuấ t phá t cho nứt phá t triể n Sự phá hủy hoà n toà n phụ thuộc và o khả nă ng phá t triể n của vế t nứt tế vi nà y, sẽ không xả y ra phá hủy một khi nứt

tế vi nà y vẫ n giữ nguyên kí ch thước (không phá t triể n) Hơn nữa trong quá trì nh phá t triể n lên, vế t nứt tế vi nà y cũng chưa phả i là nguy hiể m nế u kí ch thước của nó nhỏ hơn giá trị tới hạn Sự phá t triể n nứt xả y ra do ứng suấ t tậ p trung theo hiệ u ứng góc nhọn ở đỉnh nứt (đỉnh nứt cà ng nhọn sự tậ p trung cà ng mạnh)

Hì nh 2.12 Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố ứng suất trên tiết diện cắt

ngang qua vết rỗng (b)

Hì nh 2.11 Sự chuyển động

và tí ch tụ lệch trước các cản trở.

Theo A.A Griffith vậ t liệ u có phầ n rỗng như biể u thị ở hì nh 2.12a thì ứng suấ t phâ n bố không đều trên tiế t diệ n đi qua vế t rỗ, nứt ấ y được biể u thị ở hì nh 2.12b Trong trường hợp điể n hì nh, nứt có dạng enlip và định hướng sao cho chiều dà i của nó vuông góc với ứng suấ t tá c dụng thì ứng suấ t cực đại ở

đầ u nhọn vế t nứt là σm sẽ có giá trị

m

σ =

t 0

a2

ρ+

Cầ n chú ý là hiệ u ứng tập trung ứng suất trong vật liệ u giòn mạnh hơn

trong vật liệ u dẻ o là do trong loại vậ t liệ u dẻ o khi ứng suấ t cực đại vượt quá

giới hạn chả y sẽ xả y ra biế n dạng dẻ o, điều nà y là m cho sự phâ n bố ứng suấ t ở quanh vùng có yế u tố tậ p trung sẽ đồng đều hơn và ứng suấ t lớn nhấ t ở nơi tậ p trung khó đạt được giá trị tí nh toá n theo công thức trên A.A Griffith cũng cho rằ ng khi ứng suấ t tậ p trung ở đỉnh nứt vượt quá ứng suấ t tới hạn σc lúc đó vế t nứt sẽ phá t triể n một cá ch tự nhiên không gì cả n nổi, dẫ n đế n phá hủy, lúc đó nguy cơ nứt mới trở nên hiệ n thực

Đối với vậ t liệ u giòn, ứng suấ t tới hạn σc cầ n thế t để phá t triể n vế t nứt

a - một nửa của chiều dà i của vế t nứt bên trong

Trong biể u thức nà y tuy không có ρt như ở (2.1) song có ngụ ý rằ ng bá n

kí nh cong ở đâ y là đủ bé (đỉnh nứt đủ nhọn) để ứng suấ t cục bộ tă ng cao quá

Đối với vậ t liệ u dẻ o (phầ n lớn kim loại và vậ t liệ u polyme) đều có biế n dạng dẻ o trước khi phá hủy, điều đó là m cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi, bá n kí nh cong tă ng lên, nhờ đó là m tă ng σc Về mặt toá n học, trong biể u thức (2.2) có thể thay γS bằ ng γs + γp, trong đó γp biể u thị nă ng lượng biế n dạng dẻ o

đi kè m với phá t triể n vế t nứt Với vậ t liệ u dẻ o cao γp >> γS

61

Hì nh 2.13 Ba kiểu dịch chuyển bề mặt vết nứt:

a Kiểu I - mở hay kéo, b Kiểu II - trượt, c Kiểu III - xé

Bâ y giờ h∙ y tí nh σc cho từng cá ch lan truyền vế t nứt Có ba kiể u dịch chuyể n bề mặt vế t nứt như biể u thị ở hì nh 2.13 Kiể u I là kiể u mở hay kéo do

tả i trọng kéo gâ y nên, kiể u II và kiể u III lầ n lượt là kiể u trượt và xé Kiể u I là

kiể u thường gặp hơn cả và được đưa vào tí nh toán

Nế u vậ t liệ u có dạng tấ m tương đối mỏng so với kí ch thước vế t nứt sẽ tồn tại trạng thá i lực phẳng Trong trường hợp ngược lại (tấ m tương đối dà y so

với kí ch thước vế t nứt) sẽ tồn tại trạng thá i gọi là biế n dạng phẳng

Như đ∙ nói, phá hủy xả y ra do tậ p trung (ứng suấ t) là m cho ứng suấ t tá c dụng ở đỉnh nứt vượt quá giá trị σc (công thức 2.2) Trong yế u tố nà y có một giá trị tới hạn có thể dùng để xá c định cá c điều kiệ n của phá hủy giòn; giá trị tới hạn đó được gọi là độ dai phá hủy KC và được biể u thị bằ ng công thức

aY

KC = σ π (2.3) trong đó: Y - thông số không thứ nguyên, phụ thuộc và o cả hì nh dạng của cả mẫ u lẫ n nứt; ví dụ tấ m vô hạn có nứt bên trong dà i 2a thì Y = 1, tấ m nửa vô hạn có nứt hì nh nêm dà i a thì Y = 1,1

Vậ y có thể định nghĩ a độ dai phá hủy là tí nh chất biể u thị sức bền

chống phá hủy giòn của vật liệ u khi có sẵn nứt với thứ nguyên lực x chiều dà i -3/2

(MPa m hay psi in.)

Với cá c mẫ u tương đối mỏng giá trị KC phụ thuộc và giả m đi theo chiều dà y B của mẫ u Từ một chiều dà y B nhấ t định trở lên được xá c định theo công thức

Hì nh 2.14 ảnh hưởng của

chiều dày tấm đến độ dai phá hủy

B

2

2 , 0 IC

K5,2







σ

KC không phụ thuộc và o B (hì nh 2.14) và đạt giá trị nhỏ nhấ t được ký hiệ u là

KIC,, giá trị KIC được gọi là độ dai phá hủy biế n dạng phẳng cũng được xá c

định bằ ng công thức (2.3), tức là

aY

KIC = σ π (2.4) Bả ng 2.1 trì nh bà y cá c giá trị trên cho cá c loại vậ t liệ u khá c nhau

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

Kim loại Hợp kim nhôm 2024- T351 325 36 Hợp kim nhôm 7075- T651 505 29

b Trong điều kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Trong thực tế nhiều kế t cấ u và chi tiế t má y như cầ u, trục, bá nh ră ng

chịu tá c dụng của tả i trọng không lớn (ngay cả thấ p hơn σ0,2 khá nhiều) nhưng

thay đổi theo chu kỳ, có thể bị phá hủy sau thời gian dà i và tương đối dà i (> 105

ữ 106 chu kỳ) Sự phá hủy như vậ y còn được gọi là phá hủy mỏi Cũng giống

như mọi phá hủy khá c, phá hủy mỏi cũng xuấ t phá t từ vế t nứt đầ u tiên song với

đặc điể m là nó thường nằ m ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suấ t kéo lớn nhấ t, tạo

điều kiệ n thuậ n lợi cho sự tạo thà nh và phá t triể n vế t nứt

Vế t nứt tế vi trên bề mặt có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí , tạp chấ t,

xước, lồi lõm; do vậ y tă ng độ bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩ a đặc biệ t

để chống phá hủy mỏi Ngoà i ra nứt cũng có thể sinh ra dưới tá c dụng của tả i

trọng thay đổi theo chu kỳ Thông thường nế u ở nửa chu kỳ đầ u mẫ u chịu kéo,

lệ ch dịch chuyể n trên mặt trượt, thoá t ra ở bề mặt và tạo ra ở đó bậ c thang nhỏ

thì ở nửa chu kỳ tiế p theo mẫ u chịu nén, lệ ch chuyể n dời ngược lại là m bậ c

thang cũ mấ t đi, bề mặt bằ ng phẳng như cũ (hì nh 2.15a) Quá trì nh cứ xả y ra

như vậ y cho đế n khi sự trở về không hoà n toà n như cũ và chỗ bậ c thang cũ có

một hõm sâ u bằ ng thông số mạng, đâ y chí nh là vế t nứt đầ u tiên

63

Hì nh 2.15 Chu trì nh ứng suất và biến dạng khi tải trọng thay đổi theo chu kỳ

(a) và sơ đồ cấu tạo vết nứt mỏi (b):

1 - vùng nứt đầu tiên (mầm), 2 vùng nứt phát triển chậm, 3 vùng gãy tức thời

Mặt g∙ y ở chỗ phá hủy mỏi có những nét đặc biệ t, nó hầ u như có ba vùng rõ rệ t như biể u thị ở hì nh 2.15b Vùng 1 rấ t nhỏ sá t với bề mặt là nứt đầ u tiên, vùng 2 (vùng mỏi) là vùng nứt phá t triể n chậ m chạp từ bề mặt và o bên trong, có bề mặt nhẵn, phẳng với những dả i phâ n cá ch cá c giai đoạn phá t triể n của vế t nứt Nứt phá t triể n từ từ cho đế n khi tiế t diệ n còn rấ t nhỏ nên ứng suấ t tá c dụng trên nó rấ t lớn gâ y ra phá hủy tức thời là vùng 3 (vùng g∙ y) có hì nh dạng đặc trưng như phá hủy giòn hoặc dẻ o đ∙ trì nh bà y

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

Cơ tí nh của vậ t liệ u được biể u thị bằ ng cá c đặc trưng cơ học, chúng cho biế t khả nă ng chịu tả i của vậ t liệ u trong cá c điều kiệ n tương ứng, là cơ sở của cá c tí nh toá n sức bền, khả nă ng sử dụng và o một mục đí ch nhấ t định và

để so sá nh cá c loại vậ t liệ u với nhau Cá c đặc trưng cơ học nà y được xá c định trên cá c mẫ u nhỏ đ∙ được tiêu chuẩ n hóa của cá c má c vậ t liệ u, được trì nh

bà y trong cá c sá ch tra cứu nên rấ t tiệ n lợi cho sử dụng Khi sử dụng cá c số liệ u cơ tí nh cầ n chú ý cá c điể m sau:

- Với vậ t liệ u hoà n toà n như nhau tuy được thử theo mẫ u đ∙ được chuẩ n hóa nhưng khá c nhau về hì nh dạng, kí ch thước (như thử theo cá c tiêu chuẩ n khá c nhau) thì cơ tí nh đo được vẫ n khá c nhau, mẫ u với kí ch thước lớn bao giờ cũng cho cơ tí nh thấ p hơn do xá c suấ t có khuyế t tậ t cao hơn

- Điều kiệ n thử mẫ u nói chung là đơn giả n hơn so với thực tế là m việ c của kế t cấ u, chi tiế t

- Cá c phép thử nghiệ m thường chỉ tiế n hà nh ở nhiệ t độ thường, trong khi đó thực tế không hoà n toà n như vậ y

Chí nh vì vậ y ngà y nay có xu hướng thử nghiệ m trong cá c điều kiệ n

gầ n giống hay giống hoà n toà n với điều kiệ n là m việ c của chi tiế t má y (gọi là thử trên bệ hay sten), tuy đạt được số liệ u chí nh xá c song rấ t khó thực hiệ n vì

đòi hỏi má y lớn, phức tạp, thời gian thử kéo dà i

Do có sự khá c nhau về hì nh dạng, kí ch thước và điều kiệ n là m việ c nên chỉ tiêu cơ tí nh đo được trên mẫ u chuẩ n không phả n ả nh đúng 100% khả nă ng của chi tiế t, kế t cấ u thực, vẫ n cầ n có những hiệ u chỉnh cầ n thiế t Tuy

nhiên không thể phủ nhậ n chúng vẫ n là cơ sở đá ng tin cậ y nhấ t của cá c suy

đoá n, tí nh toá n khi chọn lựa vậ t liệ u và thiế t kế Cầ n nắm vững cá c chỉ tiêu

cơ tí nh thường gặp là độ bền, độ dẻ o, độ cứng, độ dai va đậ p, độ dai phá hủy

biế n dạng phẳng cùng cá c ý nghĩ a của chúng

Thử tĩ nh là dạng thử phổ biế n nhấ t trong đó tả i trọng đặt và o một cá ch

từ từ hay với tốc độ tă ng tả i trọng không đá ng kể Độ bền là tậ p hợp của cá c

đặc trưng cơ học phả n á nh sức chịu đựng tả i trọng cơ học tĩ nh của vậ t liệ u,

chúng được xá c định bằ ng ứng suấ t quy ước của tả i trọng gâ y ra cá c đột biế n

về hì nh học cho mẫ u đo Tùy theo dạng của tả i trọng tá c dụng người ta phâ n

biệ t độ bền kéo, nén, uốn, xoắn Thông thường các số liệ u đo cho độ bền và độ

dẻ o là do thử kéo nên không cầ n phả i ghi chú gì cả , trong cá c trường hợp còn

lại đều phả i ghi chú loại thử gì (nén hay uốn hay xoắn ) Că n cứ và o biể u đồ

tả i trọng - độ gi∙ n dà i nhậ n được khi kéo mẫ u như trì nh bà y ở hì nh 2.1 xá c

định được độ bền và độ dẻ o

Cá c chỉ tiêu phả n á nh độ bền tĩ nh là cá c giới hạn đà n hồi, chả y và bền,

được đo theo đơn vị của ứng suấ t: kG/mm 2 , Pa, MPa, N/mm 2 , psi, ksi (theo xu

hướng chung, sá ch dùng đơn vị MPa trong khi cá c tiêu chuẩ n về vậ t liệ u của

TCVN hiệ n hà nh vẫ n dùng kG/mm 2 ) Trước đâ y dùng đơn vị đo kG/mm 2 nhưng

nay đơn vị thông dụng quốc tế là Pa (pascal) song đơn vị nà y quá nhỏ,

1Pa ≈ 10-7 kG/mm2 nên thường dùng bội của nó là MPa, 1MPa = 106Pa Riêng

Hoa kỳ, Anh dùng hệ riêng là psi 1psi = 1lbf/in2, song đơn vị nà y hơi nhỏ, 1psi

= 6,9.103Pa, nên dùng bội của nó là ksi, 1ksi = 103psi Quan hệ giữa cá c đơn vị

thường gặp như sau:

1 kG/mm 2≈≈≈≈ 10MPa, 1MPa ≈≈≈≈ 0,1 kG/mm 2 ,

1 ksi ≈≈≈≈ 0,703kG/mm 2 , 1 kG/mm 2≈≈≈≈ 1,45 ksi,

1 MPa ≈≈≈≈ 0,145 ksi, 1 ksi ≈≈≈≈ 6,9MPa

Theo giá trị tă ng dầ n lầ n lượt được cá c giới hạn sau

Giới hạn đàn hồi σđh là ứng suấ t lớn nhấ t tá c dụng lên mẫ u khi bỏ tả i

trọng mẫ u không bị thay đổi hì nh dạng và kí ch thước (tuy nhiên rấ t khó xá c

định được điều nà y nên thường quy định tạo ra độ độ biế n dạng dư là 0,01 ữ

0,05% của chiều dà i ban đầ u, lúc đó ký hiệ u là σ0,01 hay σ0,05) theo công thức:

S

F

=

trong đó: - Fđh, F0,01, F0,05 - lầ n lượt là tả i trọng (lực) kéo ứng với đoạn nằ m

ngang trên biể u đồ kéo và gâ y nên biế n dạng dư rấ t nhỏ nhưng có

thể nhậ n thấ y được là 0,01% hay 0,05%, tí nh theo N,

- So - diệ n tí ch mặt cắt ngang ban đầ u của mẫ u, tí nh theo mm 2

Giới hạn chảy vật lý σch là ứng suấ t tại đó vậ t liệ u bị "chả y", tức là ứng

suấ t bé nhấ t bắt đầ u gâ y nên biế n dạng dẻ o, thường được xá c định ứng với

đoạn nằ m ngang trên biể u đồ kéo Đối với đa số kim loại và hợp kim thường

không có đoạn nằ m ngang nà y nên thường dùng giới hạn chả y quy ước