CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KIM LOẠI đề BÀI CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KIM LOẠI

Ta có thể xác định được công nghệ biếndạng tối ưu, sử dụng hết khả năng biến dạng của vật liệu, tận dụng nguồn năng lượng vànhất là nhờ sử dụng kỹ thuật mô phỏng đã đưa ngành GCAL giải q

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CƠ SỞ BIẾN DẠNG TẠO HÌNH KIM LOẠI

TÊN ĐỀ BÀI:

CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG BIẾN

DẠNG TẠO HÌNH KIM LOẠI

Giáo viên hướng dẫn: TS Lưu Phương Minh

Học viên thực hiện: Nguyễn Lực

Huỳnh Hiển Vinh

MSHV: 1870323MSHV: 1970234

TP HCM – 06/2020

MỤC LỤC

I KHÁI QUÁT VỀ GIA CÔNG ÁP LỰC 3

1.1 Vai trò 3

1.2 Sự phát triển 3

II CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO VÀ QUÁ TRÌNH VẬT LÝ KHI BIẾN DẠNG DẺO 5

2.1 Khái niệm 5

2.2 Phân loại 5

2.2.1 Phân loại theo dạng phôi 5

2.2.2 Phân loại theo nhiệt độ biến dạng 7

2.2.3 Phân loại theo dạng ứng suất 9

2.3 Cơ chế biến dạng dẻo đơn tinh thể 10

2.3.1 Trượt 10

2.3.2 Song tinh 14

2.4 Biến dạng dẻo trong đa tinh thể 15

2.5 Hóa bền khi biến dạng dẻo nguội và đường cong biến dạng 15

2.5.1 Hiện tượng biến cứng nguội 15

2.5.2 Đặc điểm của biến cứng nguội 17

2.6 Biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, hồi phục và kết tinh lại 18

2.6.1 Hồi phục 19

2.6.2 Kết tinh lại 19

2.7 Chuyển biến pha khi biến dạng dẻo 19

2.7.1 Đặc điểm lực tác dụng 20

2.7.2 Ảnh hưởng của mức độ biến dạng 20

2.7.3 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng 20

2.8 Hiệu ứng nhiệt khi biến dạng dẻo 21

III TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

I KHÁI QUÁT VỀ GIA CÔNG ÁP LỰC

I.1 Vai trò

Công nghệ gia công áp lực (GCAL) có từ rất lâu đời, nhưng mãi đến vài thế kỷ naymới được phát triển, chính là nhờ có sự phát triển của lý thuyết biến dạng dẻo và lýthuyết gia công áp lực Lý thuyết biến dạng dẻo và gia công áp lực kim loại dựa trên cơ

sở cơ học môi trường liên tục, cơ học vật rắn biến dạng, lý thuyết dẻo, kim loại học vật

lý, đại số tuyến tính Ngày nay, đang có một cuộc cách mạng về biến dạng tạo hình Cácthành tựu lớn của cơ học vật rắn biến dạng, toán học, kỹ thuật mô phỏng đã tạo cho lýthuyết và công nghệ GCAL một sức mạnh mới Ta có thể xác định được công nghệ biếndạng tối ưu, sử dụng hết khả năng biến dạng của vật liệu, tận dụng nguồn năng lượng vànhất là nhờ sử dụng kỹ thuật mô phỏng đã đưa ngành GCAL giải quyết công nghệ tạohình không cần chế thử, một giai đoạn tốn phí tiền của để chế tạo khuôn thử nghiệm vàchi phí nguyên vật liệu thử nghiệm.[1]

Phương pháp công nghệ gia công kim loại bằng áp lực , hay công nghệ biến dạngtạo hình là một phương pháp công nghệ, vừa là công nghệ chuẩn bị tạo phôi cho côngnghệ cơ khí vừa là công nghệ tạo hình sản phẩm cuối cùng không những cho phép tạo rahình dáng, kích thước sản phẩm mà còn cho sản phẩm kim loại một chất lượng cao vềcác tính chất cơ – lý – hóa, tiết kiệm nguyên vật liệu, và cho năng xuất lao động cao, từ

đó hạ giá thành sản phẩm Là dạng công nghệ duy nhất cùng một lúc biến đổi hình dángkích thước và tổ chức kim loại nên chúng được ứng dụng khi yêu cầu chất lượng sảnphẩm cao Trong điều kiện biến dạng và xử lý nhiệt nhất định, tổ chức kim loại thay đổi:phá bỏ tổ chức đúc, tạo tổ chức thớ, làm nhỏ hạt tinh thể, phá vở và làm phân tán các hạttạp chất… nhờ đó làm tăng tính bền, độ dai va đập, khả năng chịu mỏi, chịu va đập, tăngtuổi thọ sản phẩm Sản phẩm của công nghệ áp lực rất đa dạng, gia công nhiều loại vậtliệu Có thể tạo ra trạng thái siêu dẻo, gia công với biến dạng lớn hoặc gia công với cácvật liệu khó biến dạng

I.2 Sự phát triển

Công nghệ gia công kim loại bằng áp lực ngày càng phát triển là thước đo trình độ phát triển của một nền công nghiệp quốc gia Các công nghệ gia công áp lực lâu đời như: Cán – Kéo – Ép – Rèn - Dập chiếm trên 80% tổng sản lượng các sản phẩm kim loại và

hợp kim, đang tiếp tục hoàn thiện công nghệ nhằm không ngừng nâng cao chất lượng sảnphẩm.

Sự phát triển của lý thuyết biến dạng dẻo, đưa các phương pháp toán mới, quantrọng nhất là phương pháp số (Phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp biến phân,phương pháp phần tử biên) kết hợp máy tính điện tử vào việc giải bài toán biến dạng dẻo

Từ đó có thể mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng, mô phỏng quá trình chảy dẻocủa vật liệu, quan sát được chiều sâu bên trong của quá trình biến dạng mà điều khiểnchúng Đưa tính toán tối ưu giải bài toán công nghệ tạo hình và khuôn, bảo đảm tận dụnghết tính năng thiết bị Nhờ phương pháp số ứng dụng trong biến dạng tạo hình đã giảiquyết bài toán biến dạng lớn, đưa nhiều yếu tố thực vào trong quá trình giải bài toán biếndạng Kết hợp các yếu tố biến dạng tác động biến đổi tổ chức bên trong vật liệu với xử lýnhiệt để tạo ra vật liệu có tổ chức kim tương có độ bền cao, công nghệ này đã thành mộtcông nghệ sản xuất hàng loạt lớn, nhờ đó tiết kiệm rất nhiều vật liệu, nhất là vật liệu xâydựng Cũng bằng hướng công nghệ tác động bằng cơ nhiệt đã tạo hiệu ứng siêu dẻo hoặctếctua, làm vật liệu có tính dẻo đặc biệt, dùng biến dạng tạo hình các chi tiết có nhiềuthành vách mỏng, hình dáng phức tạp

Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CIM vào các khâu sản xuất đã làm tăng năng xuất

và chất lượng sản phẩm Nhờ mô phỏng trước khi tiến hành sản xuất hàng loạt đã làmgiảm sai sót và chi phí đáng kể Ngày này nhờ vào các máy gia công áp lực có điểu khiển

số (CNC) nên quá trình gia công được tiến hành một cách tự động và độ chính xác ngàycàng cao kiểm soát được rủi ro trong quá trình sản xuất

Hình 1.1 Máy làm lò xo có điều khiển (CNC)

II CƠ CHẾ BIẾN DẠNG DẺO VÀ QUÁ TRÌNH VẬT LÝ KHI BIẾN DẠNG DẺO

2.1 Khái niệm

Sự dịch chuyển tương đối giữa các chất điểm, các phân tử của vật thể rắn dưới tácdụng của ngoại lực, nhiệt độ và của một nguyên nhân nào đó dẫn đến sự thay đổi về hìnhdạng, kích thước của nó gọi là biến dạng

Tất cả mọi phương pháp gia công áp lực (GCAL) đều dựa trên một tiền đề chung làthực hiện một quá trình biến dạng dẻo

Hình 2.1 Biểu đồ ứng suất - biến dạng của vật liệu

2.2 Phân loại

2.2.1 Phân loại theo dạng phôi

Hình 2.2 Phân loại biến dạng kim loại

Hình 2.3 Quá trình biến dạng khối: a, Cán b, Dập khuôn c,Ép d, kéo

Hình 2.4 Quá trình biến dạng tấm: a, Uốn b, Vuốt c, Trượt: (1) Trước khi trượt (2) Sau

khi trượt

2.2.2 Phân loại theo nhiệt độ biến dạng

 Gia công nguội:

- Là biến dạng tạo hình thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn một chút,dưới nhiệt độ kết tinh lại

- Trong quá trình gia công nguội, chỉ có thể xảy ra biến dạng trượt, đối tinh,mạng tinh thể bị uốn và phá vỡ và các miếng tinh thể quay

- Trong gia công nguội chỉ có hiện tượng biến cứng nguội, không xảy ra quátrình hồi phục và kết tinh lại

- Ưu điểm rõ ràng của quá trình gia công nguội so với gia công nóng là:

 Độ chính xác cao hơn, nghĩa là có thể đạt được dung sai khắt khe hơn

 Cơ tính và độ cứng cao hơn do hóa bền

 Đảm bảo rằng phôi đầu vào không có vảy và bụi bẩn

 Độ dẻo và độ cứng của vật liệu làm giới hạn khả năng áp dụng cácphương pháp gia công

 Gia công ấm:

- Do đặc tính biến dạng dẻo thường được tăng cường bằng cách tăng nhiệt độphôi, hoạt động tạo hình đôi khi được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độphòng nhưng dưới nhiệt độ kết tinh lại Thuật ngữ biến dạng ấm được ápdụng cho phạm vi nhiệt độ thứ hai này Đường phân chia giữa biến dạngnguội và biến dạng ấm thường được thể hiện dưới dạng điểm nóng chảy củakim loại Đường phân chia thường được lấy là 0,3 Tm, trong đó Tm là điểmnóng chảy (nhiệt độ tuyệt đối) cho kim loại cụ thể

- Trong quá trình gia công có biến cứng và hồi phục nhưng chưa kết tinh lại.

Do có quá trình hồi phục nên có thể cải thiện một phần tính chất cơ học và vật

lý của kim loại quá trình hồi phục xảy ra do nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt

độ phòng hoặc do tốc độ biến dạng (strain rate) làm tăng nhiệt độ của vật giacông

- Độ bền và độ cứng thấp hơn ở nhiệt độ thường, cũng như độ dẻo cao hơn,mang lại cho gia công ấm các ưu điểm so với gia công nguội:

 Lực và công suất thấp hơn

 Có thể gia công được các hình dạng phúc tạp

 Có thể giảm hoặc loại bỏ quá trính ủ trung gian

 Gia công nóng:

- Là quá trình gia công thực hiện ở nhiệt độ trên nhiệt độ kết tinh lại Nhiệt

độ kết tinh lại cho một kim loại nhất định là 0.5Tnc tình bằng nhiệt độ tuyệt đối.Trong thực thế, gia công nóng thường thực hiện ở nhiệt độ trên 0.5Tnc Tuynhiên, quá trình biến dạng tự tạo ra nhiệt, làm tăng nhiệt độ làm việc ở các khuvực cục bộ của bộ phận Điều này có thể gây ra ở những khu vực này, điều nàyrất không mong muốn Theo đó, nhiệt độ gia công nóng thường duy trì ở 0.5Tnc– 0.75Tnc

- Trong gia công nóng, quá trình kết tinh lại xảy ra hoàn toàn, kim loại biếndạng thro cơ chế như trong gia công nguội

- Trong quá trình gia công nóng, tốc độ kết tinh lại lớn hơn tốc độ biến cứng,nên sau gia công nóng, không có dấu vết của biến cứng nguội Tổ chức kim loạisau biến dạng nóng là tổ chức sau kết tinh lại

 Gia công đẳng nhiệt:

- Một số kim loại, chẳng hạn như thép hợp kim cao, nhiều hợp kim titan và hợpkim niken nhiệt độ cao, có độ cứng nóng tốt, một đặc tính giúp chúng hữu íchcho ứng dụng nhiệt độ cao Tuy nhiên, chính đặc tính này khiến chúng khóbiến dạng bằng các phương pháp thông thường Vấn đề là khi các kim loạinày được nung nóng đến nhiệt độ gia công nóng (>0.5Tnc) của chúng và sau

đó tiếp xúc với các công cụ tạo hình nguội, nhiệt sẽ nhanh chóng được truyền

ra khỏi bề mặt bộ phận, do đó làm tăng cơ tính ở các khu vực này Sự thayđổi nhiệt độ và cơ tính ở các vùng khác nhau của phôi gây ra các dòng chảy

không đều trong kim loại trong quá trình biến dạng, dẫn đến ứng suất dư cao

và nứt bề mặt

- Biến dạng đẳng nhiệt liên quan đến các quá trình biến dạng được thực hiệntheo cách loại bỏ sự làm mát bề mặt và độ dốc nhiệt thu được trong chi tiếtgia công Điều này làm yếu và giảm tuổi thọ dụng cụ gia công, nhưng nótránh được các vấn đề được mô tả ở trên khi các kim loại khó này được hìnhthành theo các phương pháp thông thường Trong một số trường hợp, biếndạng đẳng nhiệt đại diện cho cách duy nhất mà các vật liệu làm việc này cóthể được biến dạng

2.2.3 Phân loại theo dạng ứng suất

- Biến dạng kéo: Trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi

ứng suất kéo một hoặc nhiều chiều Ví dụ: kéo dãn, dập phình, dập định hình…

- Biến dạng nén: trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi

ứng suất nén một hoặc nhiều chiều Ví dụ: cán, rèn tự do, rèn khuôn, ép chảy…

- Biến dạng kéo-nén: trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gậy nên

bởi ứng suất kéo và nén Ví dụ: kéo, dập vuốt, uốn vành, miết…

- Biến dạng cắt: trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi tải

trọng cắt Ví dụ: trượt, xoắn

- Biếng dạng uốn: trạng thái dẻo trong vật thể biến dạng chủ yếu được gây nên bởi

trọng tải uốn Thuộc nhóm này có các phương pháp uốn với dụng cụ chuyển độngthẳng hoặc chuyển động quay

Hình 2.6 Hiện tượng trượt trong đơn tinh thể

Hình 2.7 Sự biến đổi mạng tinh thể trong quá trình biến dạng:

 Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

 Hệ trượt là tích số của phương trượt và mặt trượt

 Số hệ trượt càng lớn thì khả năng xảy ra trượt càng nhiều có nghĩa là càng dễ biến dạng dẻo

 Nếu có cùng hệ trượt thì cấu trúc nào có phương trượt lớn hơn dễ biến dạng dẻo hơn

Hệ trượt của ba dạng tinh thể thường gặp

 Mạng lập phương tâm khối

 Mặt trượt: {110}

 Phương trượt: <111>

 Số hệ trượt = 6 (mặt trượt) x 2 (phương trượt) = 12

 Mạng lập phương tâm diện

Hình 2.9 Mạng lập phương tâm diện

 Số hệ trượt = 1 (mặt trượt) x 3 (phương trượt) = 3

 Đặc điểm của trượt

 Chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp

 Phương mạng không thay đổi sau khi trượt

 Mức độ trượt bằng số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử trên phươngtrượt

 Ứng suất tiếp cần thiết gậy ra trượt không lớn

 Ứng suất

- Ứng suất tiếp do lực F gây ra trên mặt trượt

Hình 2.11 Phân tích ứng suất tiếp trên bề mặt trượt

Định luật Schmid: τ =σ0×Cosθ ×Cosχ ≥ τ th

Cosθ ×Cosχ là thừa số Schmid

Song tinh cũng giống như trượt chỉ xảy ra trên các mặt và các phương xác định.

Hình 2.12 Song tinh trong mạng tinh thể

 Đặc điểm:

 Chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp

 Thay đổi phương mạng sau song tinh

 Khoảng xê dịch tỷ lệ thuận với khoảng cách tới mặt song tinh và nhỏ hơn khoảng cách nguyên tử

 Ứng suất cần thiết lớn hơn ứng suất gây trượt

 Mức độ biến dạng dẻo không đáng kể

 Tạo ra vài định hướng mới có lợi cho trượt.

 Ứng suất tiếp cần thiết để gây ra trượt không lớn

 Kim loại mạng lục phương xếp chặt thường tạo thành song tinh do số hệ trượt ít

2.4 Biến dạng dẻo trong đa tinh thể

- Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ µm) được gọi là hạt tinh thể

hay đơn giản là hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau và liên kết với nhau qua vùng ranh giới gọi là biên hạt

Hình 2.13 Sự hình thành đa tinh thể

 Gồm nhiều hạt tinh thể đa cạnh

 Trong mỗi hạt có sự sắp xếp theo một trật tự quy luật

 Giữa các hạt là ranh giới hạt

 Mỗi hạt có định hướng riêng (tính dị hướng)

 Đa tinh thể có tính đẳng hướng

- Sự biến dạng dẻo trong đa tinh thể

 Biến dạng trong nội bộ các hạt

 Hạt nào có hướng thuận lợi với lực tác dụng sẽ biến dạng trước

 Hạt nào không có hướng thuận lợi sẽ dịch chuyển tương đối giữa các hạt cho đến khi vào vị trí thuận lợi cho biến dạng

 Sự biến dạng trong một hạt cũng theo cơ chế trượt và song tinh như biến dạng dẻo của đơn tinh thể

2.5 Hóa bền khi biến dạng dẻo nguội và đường cong biến dạng

2.5.1 Hiện tượng biến cứng nguội

Biến dạng dẻo kim loại làm thay đổi tổ chức và tính chất cơ - lý - hoá của vật liệu.Khi tăng độ biến dạng làm tăng các chỉ tiêu cơ học chống biến dạng: tăng giới hạn đànhồi, tăng giới hạn tỷ lệ, tăng giới hạn chảy và tăng giới hạn bền Đồng thời biến dạng dẻolàm giảm các chỉ tiêu dẻo: độ dãn dài tỷ đối, độ co thắt tỷ đối, độ dai va chạm, tăng điệntrở, giảm khả năng chống ăn mòn, giảm từ tính trong vật liệu từ Tổng hợp tất cả các hiệntượng liên quan đến tính chất cơ lý hoá thay đổi trong quá trình biến dạng dẻo vật liệu gọi

là biến cứng Do biến cứng, làm ứng suất chảy tăng, ứng suất chảy tăng theo độ tăng củabiến dạng Trên đồ thị đường cong biến cứng góc tiếp tuyến của đường cong với trục biếndạng được gọi là hệ số biến cứng Hệ số biến cứng do tính chất của mạng, đặc tính sắpxếp của mạng, tổ chức của kim loại và tốc độ biến dạng quyết định

Hình 2.14 Đường cong ứng suất-biến dạng có hóa bền [7]

 Ảnh hưởng của tính chất mạng:

Biến cứng trong kim loại mạng lập phương diện tâm (LPDT) lớn hơn biến cứng củamạng sáu mặt Do mạng tinh thể LPDM có một số nhóm mặt bát diện nên sinh ra songtrượt, tăng động năng, nhiệt năng của các nguyên tử, hơn nữa do có song trượt tác dụngcắt nhau, tạo khuyết tật, nên có hệ số biến cứng lớn hơn trường hợp trượt đơn giản Tuỳtheo độ tăng của tạp chất hệ số biến cứng giảm Nguyên nhân chủ yếu do tác dụng ngược,khử nhau giữa sự xô lệch mạng gây ra xung quanh mặt trượt và sự xô lệch do các nguyên

tử tạp chất gây ra Kết quả làm độ biến cứng giảm Đối với mạng lập phương diện tâm ,

sự xô lệch mạng do các nguyên tử tạp chất gây ra làm tăng hệ số trượt có thể tham giatrượt, đồng thời làm quá trình song trượt giảm, vì vậy biến cứng giảm.

 Ảnh hưởng của đặc tính sắp xếp các nguyên tử trong mạng

Đặc tính sắp xếp của các nguyên tử trong mạng thường quyết định nhiệt độ và điềukiện nhiệt luyện

Trong trường hợp trạng thái sắp xếp không trật tự làm tăng giới hạn chảy, nhưnggiảm hệ số biến cứng Việc tăng giới hạn chảy có thể giải thích như sau: các nguyên tửcho vào trong mạng tinh thể làm mạng xô lệch

Mạng không trật tự bị xô lệch nhiều hơn mạng trật tự Đồng thời có thể giả định, khidung dịch rắn không trật tự sinh ra xô lệch mạng lớn, sẽ ngăn cản sự chuyển dịch của cácmặt trượt khả dĩ, có nghĩa ngăn cản song trượt Song trượt bị hạn chế khiến hệ số biếncứng giảm

 Ảnh hưởng của tổ chức kim loại đa tinh thể

Đa tinh thể là một vật thể bao gồm nhiều hạt tinh thể Mỗi một hạt gồm các nguyên

tử cùng loại hoặc các nguyên tử khác loại tạo dung dịch rắn Giữa các hạt có phân giớihạt, cấu trúc và tính chất của phân giới hạt khác với cấu trúc và tính chất trong nội bộ hạt.Các chất ở phân giới hạt thường không tan vào trong hạt Tất cả các tạp chất ở ngoài vào

và các chất dễ nóng chảy thường kết tinh sau; sự phân bố các chất trên bề mặt của hạt đatinh thể và thành phần tải các mặt khác nhau do điều kiện kết tinh, điều kiện gia côngtrước, độ lớn hạt quyết định Tổ chức của đa tinh thể quyết định đến quá trình biến cứngnguội Đặc điểm của tổ chức đa tinh thể là các hạt không đều, định hướng khác nhau, tínhchất và cấu trúc của hạt và phân giới hạt khác nhau Độ không đồng đều hạt càng lớn,định hướng của các hạt càng sai khác, cấu trúc và tính chất giữa hạt và phân giới hạt càngkhác nhau làm tăng sự phân bố ứng suất và biến dạng càng khác nhau nên biến cứng cngkhác

 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng.

Độ tăng của tốc độ biến dạng càng lớn, độ biến cứng càng tăng Khi biến dạng ở tốc

độ cao, có thể làm cho quá trình trượt xảy ra ở một số mặt trượt, làm độ xô lệch mạngtăng, nên độ biến cứng tăng Nhưng trong điều kiện nhiệt độ khác nhau, tốc độ biến dạngvượt quá giá trị nhất định, lúc đó xảy ra một số hiện tượng mâu thuẫn nhau trong quá