Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao Bảng 1.4 : Thành phần hĩa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân nhĩm thứ hai ΓOCT 380 – 71 DANH MỤC HÌNH Hìn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỐI HÀN THÉP CARBON CHẤT LƯỢNG THƯỜNG,

XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA

CƠ TÍNH MỐI HÀN DÙNG CHO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

MÃ SỐ: T2013-93

Tp Hồ Chí Minh, 2013

S 0 9

S KC 0 0 5 4 4 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-93

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Hồ Sĩ Hùng

TP HCM, Tháng 12 năm 2013

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-93

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Hồ Sĩ Hùng

Thành viên đề tài:

TP HCM, Tháng 12 năm 2013

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013

2 Mục tiêu:

- Xây dựng tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

3 Tính mới và sáng tạo:

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

4 Kết quả nghiên cứu:

- Xây dựng được bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ

kim loại

5 Sản phẩm:

- Bản thuyết minh

- Xây dựng chương trình nội dung thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Có thể ứng dụng tại khoa cơ khí máy trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp HCM

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 1

DANH MỤC HÌNH 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nước 1

2 Tính cấp thiết : 1

3 Mục tiêu: 1

4 Cách tiếp cận: 1

5 Phương pháp nghiên cứu 1

6 Đối tượng nghiên cứu: 1

7 Phạm vi nghiên cứu: 1

8 Nội dung nghiên cứu : 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng quan về thép carbon chất lượng thường 3

1.2 Các chỉ tiêu cơ tính dưới tải trọng tĩnh 7

1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu 9

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH DƯỚI TẢI TRỌNG TĨNH MỐI HÀN 25

2.1 Mục đích yêu cầu 25

2.3 Trình tự thí nghiệm 30

2.4 Báo cáo giá kết quả 38

KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 39

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường

Bảng 1.2 Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng thường

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao

Bảng 1.4 : Thành phần hĩa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân nhĩm thứ hai (ΓOCT 380 – 71)

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép

Hình 2.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhơm và các kim loại khơng cĩ điểm giới hạn chảy

Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể

Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi

Hình 2.5 Các mặt trượt (tơ đen) và các phương trượt (chỉ bằng các mũi tên)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SMAW : Shielded metal arc welding

GTAW : Gas–tungsten arc welding

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nước

Hiện nay việc kiểm tra đánh giá mối hàn hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi trong một số ngành đóng tàu, dẫn dầu, dẫn khí, bồn chứa, Với nhu cầu đó hiện nay rất nhiều cơ sở đã nghiên cứu vấn đề này và ra đời một số trung tâm kiểm định Tuy nhiên hiện nay việc đào ở các trường hầu như chưa được chú trọng

2 Tính cấp thiết :

Phá hủy kết cấu hàn đã được quan tâm từ lâu Đánh giá độ bền và độ ổn định của kết cấu hàn định kỳ sau một thời gian sử dụng là một yêu cầu rất quan trọng, nhằm phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn Thực tế Việt Nam, tại các Công

ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Công ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Công ty Rượu, bia và nước giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện bằng tuabin khí,… quá trình phá hủy của các chi tiết, cụm chi tiết có mối ghép hàn là điều đáng lo ngại

3 Mục tiêu:

- Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dưới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

4 Cách tiếp cận:

- Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dưới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

8 Nội dung nghiên cứu :

- Thép carbon chất lượng thường

- Các chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng tĩnh

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dưới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về thép carbon chất lượng thường

Nhóm này thường được cung cấp ở dạng ở dạng cán nóng (dây, ống, tấm, thanh, thép hình …) với mục đích chủ yếu làm các kết cấu trong xây dựng (nhà, xưởng, cầu, cốt bê tông, trong chế tạo máy làm các chi tiết không quan trọng) Theo TCVN 1765-75, nhóm thép này được kí hiệu bằng chữ CT (C: cacbon, T: thép) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2) Nhóm thép này được chia thành ba phân nhóm nhỏ:

 Phân nhóm A: chỉ qui định về cơ tính, không qui định về thành phần hoá

học (xem bảng III.1), loại thép này được dùng làm các chi tiết, kết cấu không qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện ) do đó chúng giữ nguyên cơ tính và tổ chức ban đầu

 Phân nhóm B: chỉ qui định về thành phần hoá học mà không qui định về

cơ tính, thép thuộc phân nhóm này kí hiệu: BCT (xem bảng III.2) Loại thép này được dùng làm các kết cấu qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, rèn …) do đó cần biết thành phần hoá học để xác định chế độ nhiệt độ gia công nóng

 Phân nhóm C: được qui định cả về cơ tính và thành phần hoá học, cơ

tính giống nhóm A, thành phần hoá học giống nhóm B, thép thuộc phân nhóm này

kí hiệu: CCT (xem bảng III.3) Loại thép này được dùng làm các kết cấu có qua gia công nhiệt Thép ở nhóm này có chất lượng cao hơn hai phân nhóm trên

 Cả ba phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu tải nhẹ Trong nhóm này có những phân nhóm đặc biệt được dung làm kết cấu xây dựng, đóng tàu, làm cầu …

Bảng 1.1 Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường

Phân nhóm A

CT31 CT33 CT34 CT38 CT42 CT51 CT61

320-420 340-440 380-490 420-540 500-640

- 0.05 0.05 0.07 0.07

-

-

- 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17

- 0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3

0.06 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05

0.06 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04

Bảng 1.3 Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao

0.05 0.05 0.07 0.07

-

0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17 0.05-0.17

0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3 0.12-0.3

0.05 0.05 0.05 0.05 0.05

0.04 0.04 0.04 0.04 0.04

1.1.2 Tiêu chuẩn Liên Xô cũ ΓOCT 380 – 71 quy định nhóm thép này được kí hiệu bằng chữ CT Với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ( số càng lớn độ bền và lượng cacbon càng lớn ) và lại được chia làm 3 phân nhóm

Tiêu chuẩn Việt Nam kí hiệu thép cacbon chất lượng thường phân nhóm A bằng chữ

CT ( C – cacbon, T – thép ) và số tiếp theo chỉ giới hạn bền tính ra KG/mm2

Chú thích:Bảng I.2 Trích bảng 17,tr 259 sách Kim Loại Học Và Nhiệt Luyện_Tác giả:Nghiêm Hùng

Ngoài các số hiệu trên cho loại thép lặng, còn có các số hiệu có thêm vào phía sau theo TCVN thép sôi “ s “, thép nửa lặng “ n “, chúng có độ bền thấp hơn, độ dẻo cao hơn đôi chút so với thép lặng có cùng gốc kí hiệu

Nhóm thép thứ nhất ( A ) thường dùng rất phổ biến trong xây dựng và một phần trong chế tạo cơ khí để làm các sản phẩm và chi tiết thông qua gia công nóng

 Phân nhóm thứ hai ( B ) :

Là loại thép cacbon thường chỉ được qui định về thành phần hóa học (Bảng I.2 ) mà không qui định về cơ tính Kí hiệu của phân nhóm này giống phân nhóm thứ nhất nhưng đằng trước thêm chữ Б đối với tiêu chuẩn Liên Xô cũ và chữ B đối với tiêu chuẩn Việt Nam ( với ý nghĩa chỉ phân nhóm thứ hai )

Bảng 1.4 : Thành phần hóa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân

nhóm thứ hai (ΓOCT 380 – 71)

Số hiệu thép C, % Mn,% Si trong thép,% S,% P,% Liên

- 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,30 – 0,65 0,40 – 0,70 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80

- 0,05 0,05 0,07 0,07

-

-

- 0,05 – 0,17 0,05 – 0,17 0,05 – 0,17 0,05 – 0,17 0,05 – 0,17 0,05 – 0,17

- 0,12 – 0,30 0,12 – 0,30 0,12 – 0,30 0,12 – 0,30 0,15 – 0,35 0,15 – 0,35

0,06 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

0,07 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

Chú thích:Bảng I.2 Trích bảng 18,tr 260 sách Kim Loại Học Và Nhiệt Luyện_Tác giả:Nghiêm Hùng

Phân nhóm thép này được dùng để chế tạo các sản phẩm và chi tiết qua gia công nóng (rèn, hàn, nhiệt luyện), lúc đó tổ chức và cơ tính ở trạng thái cung cấp không được giữ lại Như đã biết thành phần cacbon của thép là yếu tố để xác định chế độ rèn, hàn, nhiệt luyện

 Phân nhóm thứ ba (C)

Là loại thép cacbon thường, được qui định cả cơ tính lẫn thành phần hóa học Kí hiệu của phân nhóm này giống như phân nhóm thứ nhất, nhưng đằng trước thêm chữ B đối với của Liên Xô cũ và chữ C đối với của Việt Nam ( với ý nghĩa chỉ phân nhóm thứ

ba ) Có các số hiệu БCT1, БCT2 cho đến БCT5 của Liên Xô cũ và từ CCT34 đến CCT51 của Việt Nam ( với cả ba loại lặng, nửa lặng và sôi) Cơ tính mỗi số hiệu của phân nhóm C tương ứng với số hiệu tương tự của phân nhóm A (Bảng I.1), còn thành phần hóa học – phân nhóm Б ( Bảng I.2)

1.2 Các chỉ tiêu cơ tính dưới tải trọng tĩnh

Các chi tiết máy, các kết cấu trong xây dựng đa phần được làm từ kim loại hoặc hợp kim như thép, nhôm, gang, kẽm, titan, đồng… Trong phần này mô tả các đặc trưng quan trọng của vật liệu có ảnh hưởng đến việc thiết kế ban đầu

Độ bền, độ đàn hồi, và tính dẻo của kim loại, chất dẻo, và một số vật liệu

thường dùng khác thường được xác định từ thí nghiệm kéo một mẫu vật liệu, mẫu thường là tròn hoặc thanh dẹt, được kẹp giữa các vấu cặp và kéo chậm đến khi đứt

Độ lớn của lực trên mẫu và sự thay đổi tương ứng về chiều dài (biến dạng) được theo dõi và ghi lại liên tục trong suốt quá trình thí nghiệm Vì ứng suất trong thanh bằng lực tác dụng chia cho diện tích, nên ứng suất tỉ lệ với lực tác dụng Các thông

số từ thí nghiệm kéo thường được vẽ ra trên giản đồ ứng suất - biến dạng như

trong hình 2.1 và 2.2 Từ các giản đồ đó một vài thông số như độ bền, độ đàn hồi

và độ dẻo của các kim loại được xác định

1.2.1 Giới hạn bền kéo

Điểm cao nhất của đường cong ứng suất-biến dạng được gọi là giới hạn bền

kéo ( ), đôi khi được gọi là giới hạn bền hoặc đơn giản là độ bền kéo Tại điểm này, trên mẫu thử đo được ứng suất qui ước lớn nhất Như trong hình 2.1 và 2.2

đường cong đi xuống sau điểm cao nhất Tuy nhiên, chú ý rằng thiết bị đo dùng để

tạo ra giản đồ này trên thực tế vẽ ra đường cong tải trọng ứng với biến dạng chứ không phải ứng suất thực ứng với biến dạng Ứng suất qui ước được tính bằng

cách chia tải trọng cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử Sau điểm cao nhất của đường cong là đoạn thẳng, có sự giảm rõ rệt đường kính của mẫu, gọi là

sự co thắt Vì vậy, tải trọng tác dụng trên một diện tích nhỏ hơn, và ứng suất thực

tiếp tục tăng cho đến khi thanh bị đứt Rất khó để theo dõi sự giảm đường kính

trong quá trình co thắt, vì vậy thông thường là sử dụng điểm cao nhất của đường cong như là giới hạn bền kéo, mặc dù nó là giá trị nhỏ hơn

1.2.2 Giới hạn chảy,

Một phần của giản đồ ứng suất - biến dạng có biến dạng tăng lớn nhưng

ứng suất không tăng hoặc tăng rất ít, gọi là giới hạn chảy ( ) Thuộc tính này

chứng tỏ rằng thực tế vật liệu bị chảy hay biến dạng dẻo một cách lâu dài và có mức

độ lớn Nếu điểm chảy dẻo là rõ ràng như trong hình 2.1, nó được gọi là giới hạn chảy Đây là đặc thù của thép cacbon thông thường

Hình 2.2 chỉ ra dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu như nhôm hoặc titan hoặc thép có độ bền cao Chú ý rằng nó không có điểm giới hạn

chảy, nhưng vật liệu thực tế có giới hạn chảy tại hoặc gần mức ứng suất Điểm

đó được xác định bởi phương pháp offset,theo đó một đường thẳng được vẽ song song với phần đoạn thẳng của đường cong và lệch sang phải một đoạn bằng biến dạng dư, thường là 0.20% biến dạng Giao điểm của đường thẳng đó và đường cong ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy của vật liệu

Hình 2.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép

Hình 2.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhôm và các kim loại không

có điểm giới hạn chảy

1.2.3 Giới hạn tỉ lệ

Điểm trên đường cong ứng suất - biến dạng mà tại đó nó kết thúc phần

đường thẳng gọi là giới hạn tỉ lệ Tại giá trị đó hoặc lớn hơn, ứng suất không

còn tăng tỉ lệ với biến dạng Dưới giá trị giới hạn tỉ lệ, có thể áp dụng định luật

Húc: ứng suất tỉ lệ bậc nhất với biến dạng Trong thiết kế cơ khí, vật liệu rất ít

khi được sử dụng ở mức ứng suất trên giới hạn tỉ lệ

1.2.4 Giới hạn đàn hồi

Ở một điểm nào đó, vật liệu bị biến dạng dẻo và vì vậy nó không thể trở lại

hình dạng ban đầu sau khi thôi tác dụng tải, gọi là giới hạn đàn hồi Dưới mức

này, vật liệu làm việc hoàn toàn đàn hồi Giới hạn tỉ lệ và giới hạn đàn hồi nằm dưới giới hạn chảy Vì rất khó để xác định, nên chúng rất ít khi được đưa

ra

1.2.5 Môđun đàn hồi kéo, E

Với phần đoạn thẳng của giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ bậc

nhất với biến dạng, và giá trị của môđun đàn hồi E là một hằng số tỉ lệ

Đây là độ dốc của phần đoạn thẳng trên giản đồ Môđun đàn hồi thể hiện độ cứng của vật liệu, hay là khả năng chống lại biến dạng

1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu

Quá trình biến dạng của vật liệu gồm 3 giai đoạn nối tiếp nhau: biến dạng đàn hồi, biến dạng đàn hồi-dẻo và phá hủy

1.3.1 Biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ lực tác dụng bên ngoài Đặt tải trọng vào sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử của mạng tinh thể, như đơn tinh thể kim loại có mạng lập phương ở trạng thái biến dạng đàn hồi-dẻo có kiểu mạng chính phương (lập phương kéo dài)

Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể

a) Mạng tinh thể ban đầu,

b) Mạng tinh thể khi chịu tải trọng P

c) Mạng tinh thể sau khi bỏ tải trọng

Đối với kim loại và hợp kim trong vùng đàn hồi, giữa ứng suất và biến dạng có quan hệ tuyến tính tương ứng với quy luật tỉ lệ thuận theo công thức 2.1

Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi

Gọi hệ số tỉ lệ E là môđun đàn hồi pháp tuyến, nó bằng tang góc nghiêng của đường

thẳng biểu diễn biến dạng đàn hồi trong hệ tọa độ ứng suất pháp – độ giãn dài

Giá trị môđun đàn hồi của các kim loại khác nhau là khác nhau và phụ thuộc vào bản chất kim loại, kiểu mạng và thông số mạng tinh thể

1.3.2 Biến dạng dẻo

Tải trọng đặt lên vật liệu lớn hơn giới hạn đàn hồi sẽ làm cho vật liệu biến dạng dẻo, biến dạng dẻo đặc trưng ở chỗ là sau khi bỏ tải trọng vật liệu có độ biến dạng dư

Trong quá trình biến dạng dẻo, sức cản biến dạng của kim loại luôn tăng lên còn khả

năng biến dạng dẻo thì càng giảm đi, hiện tượng này được gọi là “biến cứng”

Biến dạng dẻo thực hiện bằng cách trượt

những lớp mỏng kim loại theo những mặt tinh

Hình 2.5 Các mặt trượt (tô đen) và các phương trượt (chỉ bằng các mũi tên)

Ví dụ: mạng lập phương thể tâm có 2 phương trượt là 2 đường chéo của hình chữ nhật ABCD, còn lập phương diện tâm có 3 phương trượt là ba cạnh của tam giác ABC

Hệ số trượt: dùng để đánh giá khả năng trượt của mạng tinh thể, ký hiệu là H,

được tính như sau:

H = (số mặt trượt x số phương trượt)/ 1 mặt trượt

Ví dụ: Mạng lập phương thể tâm: H = 6 x 2 = 12 (Fe…)

Mạng lập phương diện tâm: H = 4 x 3 = 12 (Cu, Al…)

Mạng lục giác: H = 1 x 3 = 3 (có tính dòn: Zn)

Hệ số trượt càng nhiều thì tính dẻo càng cao Khi có cùng hệ số trượt thì loại mạng nào

có số phương trượt trên một mặt trượt nhiều hơn thì dẻo hơn

Ứng suất trượt: Ứng suất tiếp trên mặt trượt và theo phương trượt mới gây ra

quá trình trượt Giả sử tiến hành kéo đúng tâm một phân tố đơn tinh thể hình trụ bằng lực P Lực kéo P tạo với pháp tuyến mặt trượt đã cho góc và phương trượt một góc Ứng suất tiếp trên phương trượt là:

Trong đó: - P/F0 là ứng suất quy ước σ0 - ứng suất pháp do ngoại lực F tác dụng lên tiết diện ngang của tinh thể có giá trị không đổi, nên:

(2.2)

Đó là định luật Schmid Khi τ có độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn nhất định

τth (xác định đối với từng kim loại) quá trình trượt mới xảy ra Như vậy ứng suất gây ra trượt τ phụ thuộc vào cos , cos được gọi là thừa số Schmid Nói chung ( ) ≠

90o, trường hợp θ = 90o hay = 90o tức ngoại lực song với mặt trượt hay vuông góc với phương trượt thì τ = 0 lúc này tinh thể bị phá hủy mà không xảy ra biến dạng dẻo Ứng suất tiếp đạt cực đại τmax = 0,5 0 khi 45o

Ứng suất tiếp τ tác dụng trên các hệ trượt khác nhau cũng khác nhau Nếu τ lớn hơn một giá tri τth nào đó được gọi là ứng suất trượt tới hạn (có giá trị không đổi đối với mỗi kim loại) thì sự trượt sẽ xảy ra Định luật Schmid quy định hệ trượt nào hoạt động trước tiên khi đặt tải Đó là hệ thuận lợi nhất với yếu tố định hướng: , gần 45o

nhất, tại đó giá trị tới hạn của ứng suất tiếp τ đạt được sớm nhất Như vậy có thể là hệ thuận lợi nhất sẽ trượt trước, sau đó khi tải trọng F tăng lên đến lượt các hệ ít thuận lợi hơn Khi mạng tinh thể có sắp xếp lý tưởng (không có lệch) Khi trượt, tất cả nguyên tử ở hai bên mặt trượt bắt buộc phải dịch chuyển đồng thời do đó đòi hỏi ứng suất tiếp rất lớn

Với mô hình như vậy sự trượt là trượt cứng, τth tương ứng được gọi là độ bền lý thuyết Trong mạng tinh thể thực tế , tức có chứa lệch, sự trượt sẽ xảy ra với ứng suất nhỏ hơn rất nhiều lần và sự trượt sẽ xảy ra khác bằng chuyển động của lệch Khi có lệch biên:

Hình 2.7 Mô hình trượt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên)

Các nguyên tử ở hai bên bán mặt bị xô lệch đàn hồi đối xứng, ứng suất hai bên cân bằng lẫn nhau nên bán mặt này rất dễ dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ khi có lực bên ngoài tác dụng Giả sử có ứng suất τ có tác dụng như ở hình vẽ, bán mặt sẽ dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ sang phải và do đó liên kết được với nửa hàng dọc nguyên tử ở phía dưới thành mặt tinh thể mới, bán mặt dịch chuyển dần qua phải Quá trình dịch chuyển nguyên tử khi trượt cứ xảy ra như vậy cho đến khi bán mặt được thoát ra khỏi bề mặt tinh thể, tạo ra ở đó bậc thang nguyên tử Như vậy ở từng thời điểm chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt, sự truyền chuyển động giống như chạy tiếp sức, do đó chỉ đòi hỏi ứng suất tiếp nhỏ, theo tính toán:

(2.4) Với mô hình như vậy sự trượt có tính nối tiếp, τth tương ứng được gọi là độ bền thực tế, nhỏ hơn độ bền lý thuyết từ 100 đến 1000 lần

Sự trượt đa tinh thể:

Tuy đa tinh thể gồm bởi nhiều tinh thể (hạt), song không thể xem sự trượt của

nó là tổng đơn thuần của sự trượt từng tinh thể hay hạt trong nó Từ những đặc điểm

về cấu trúc có thể thấy trượt đa tinh thể có những đặc điểm sau:

* Các hạt bị biến dạng không đều: Ngay cả đối với kim loại nguyên chất các hạt có mạng tinh thể giống nhau song lại có định hướng mặt và phương khác nhau, nên chúng

sẽ bị trượt khác nhau: hạt nào có định hướng thuận lợi với sự trượt sẽ trượt trước với ứng suất bé, ngược lại hạt nào có định hướng không thuận lợi sẽ trượt sau với ứng suất lớn hơn, thậm chí có hạt không thể trượt được

* Có tính đẳng hướng: do sự định hướng phương và mặt của các hạt mang tính ngẫu nhiên cho nên dù lực bên ngoài tác dụng như thế nào cũng cho một kết quả như nhau Tính chất nhận được là kết quả thử tổng hợp theo mọi phương của các hạt

* Có độ bền cao hơn: các hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua vùng biên giới hạt Trong thực tế sự trượt của hạt này đều kéo theo các hạt bên cạnh, rồi chính nó lại bị các hạt này cản trở Vùng biên giới hạt có sắp xếp không trật tự rất khó tạo nên mặt và

phương trượt nên có thể coi nó như lớp vỏ cứng cản trượt Chính do có nhiều cản trở

như vậy, để trượt được nói chung phải tác dụng lực cao hơn, nói khác đi có độ bền cao hơn độ bền trung bình (theo các phương) của đơn tinh thể

* Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao Do hạt nhỏ có tổng diện tích biên hạt lớn hơn, sẽ cản trượt mạnh hơn nên làm tăng độ bền Mối quan hệ giữa giới hạn chảy

σch (hay σ0,2) và đường kính hạt d được mô tả bằng biểu thức Hall - Petch như sau:

cơ khí, luyện kim thường xuyên yêu cầu đạt được hạt nhỏ

1.3.3 Phá hủy

Sự phá hủy của vật liệu trong kỹ thuật luôn là vấn đề không mong muốn, nó làm thiệt hại về kinh tế, sức khỏe, tính mạng của con người Mặc dù nguyên nhân và các đặc tính của sự phá hủy trong vật liệu đã được biết đến nhưng việc phòng ngừa sự phá hủy trong vật liệu là rất khó khăn Các nguyên nhân thông thường của sự phá hủy

là do việc lựa chọn vật liệu, thiết kế và sử dụng không đúng cách

2.2.3.1 Cơ chế chung của sự phá hủy:

- Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi bên trong hay trên bề mặt chi tiết:

+ Vết nứt có sẵn: rỗ xốp, rỗ khí khi đúc, nứt tế vi khi kết tinh, hàn, nhiệt luyện, các pha

có độ bền thấp (grafit trong gang)

+ Vết nứt sinh ra trong quá trình biến dạng: nếu trong kim loại có pha thứ hai với độ cứng và tính giòn cao thì khi biến dạng dẻo, các vết nứt tế vi sinh ra ở đây hay ở biên giới hạt

+ Do tích tụ của lệch: khi biến dạng dẻo do tác dụng của nguồn phát lệch sinh ra thêm

và dịch chuyển trên mặt trượt, khi bị cản trở chúng dồn lại và tạo nên vết nứt tế vi ở

đó

Hình 2.8 Sự hình thành vết nứt tế vi do tích tụ các lệch

- Rồi qua quá trình biến dạng tiếp theo vết nứt đó phát triển

- Cuối cùng kim loại bị tách rời

2.2.3.2 Phá hủy dưới tải trọng tĩnh:

Tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng (đặt vào) một cách chậm chạp, êm, tức tăng lên từ

từ Ứng suất phá hủy σtd (ứng suất tách đứt) là ứng suất nhỏ nhất làm cho vật liệu kim loại tách rời thành hai hay nhiều phần khác nhau

i) Các dạng phá hủy dưới tải trọng tĩnh

Tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo trước khi phá hủy người ta phân ra làm hai loại: phá hủy dòn và phá hủy dẻo

Hình 2.9 Phá hủy dòn và phá hủy dẻo của kim loại

+ Phá hủy giòn: Là một dạng phá hủy dưới tải trọng tĩnh mà vật liệu chưa qua biến dạng dẻo Mặt gãy có dạng phẳng và vuông góc với phương có ứng suất pháp lớn nhất Phá hủy giòn xảy ra mà không thể dự báo trước, nên rất nguy hiểm

+ Phá hủy dẻo: là loại phá hủy dưới tải trọng tĩnh mà vật liệu đã qua biến dạng dẻo Vùng gãy vỡ bao giờ cũng có sự co thắt về tiết diện Phá hủy dẻo có thể được dự báo trước hay từ hình dạng bên ngoài có thể đoán được, nên ít nguy hiểm hơn

ii) Nguyên nhân của phá hủy:

Phá hủy xảy ra do thành phần ứng suất pháp làm phá vỡ liên kết nguyên tử ở hai bên của một mặt nào đó Khi thành phần ứng suất này đủ lớn và thắng được ứng suất tách đứt tới hạn σtd thì xảy ra phá hủy giòn hoặc phá hủy dẻo

+ σtd> σc: kim loại bị tách đứt trước khi đạt đến giới hạn chảy nên sự phá hủy không có biến dạng dư mà mang đặc tính giòn

+ σtd< σc: trước khi tách đứt kim loại bị biến dạng dẻo, sự phá hủy mang đặc tính dẻo

iii) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá hủy dưới tải trọng tĩnh:

- Nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ thì giới hạn chảy giảm đi, trong đó giới hạn tách đứt hầu như không thay đổi, nên ở nhiệt độ thấp hầu như kim loại bị phá hủy dòn, ở nhiệt độ cao kim loại bị phá hủy dẻo

Hình 2.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng đến sự phá hủy

- Tốc độ biến dạng: tốc độ biến dạng càng cao, sự trượt càng khó xảy ra, tức giới hạn chảy càng cao, trong khi đó thì giới hạn tách đứt không đổi Khi tăng tốc độ biến dạng, kim loại dễ bị phá hủy dòn

- Trạng thái bề mặt chi tiết: nếu bề mặt chi tiết có nhiều vết xước và tiết diện thay đổi đột ngột làm tăng khả năng phá hủy và ngược lại.Chẳng hại như chi tiết trụ bậc ta phải tạo cung R để tránh hiện tượng tập trung ứng suất gây phá hủy

- Tập trung ứng suất: các yếu tố gây nên tập trung ứng suất như vết khía, nứt, tiết diện thay đổi đột ngột, làm ứng suất cục bộ tăng lên vượt quá giới hạn tách đứt gây nên phá hủy

2 Phương pháp uốn trên 3 điểm

4.2.1.1 Kích thước, hình dạng mẫu

i) Mẫu thử dạng thanh (Bend Specimen) SE(B)

Hình 4.23 Kích thước và dung sai mẫu thử kiểu SE(B)

Mẫu được chuẩn bị với kích thước và dung sai như hình 4.x Mẫu cũng có một vết khía được chế tạo sẵn và một vết nứt mỏi được tạo ra trước khi đưa lên máy thử Khoảng cách giữa hai gối tỳ là 4W và kích thước của mẫu phải thỏa điều kiện:

ii) Mẫu thử dạng uốn (Arc-Shaped) A(B)

Hình 4.24 Kích thước và dung sai mẫu thử kiểu A(B)

4.2.2.2 Phương pháp tiến hành

Mẫu sau khi chuẩn bị và lựa chọn cân thận được đặt lên máy thử uốn như hình 4.25, tác dụng lực nén làm cho vết nứt mỏi trên mẫu phát triển và mở rộng (theo kiểu I), Xây dựng biểu đồ tải trọng kéo – độ mở rộng của rãnh V

Hình 4.25 Sơ đồ bố trí mẫu uốn dạng thanh trên máy thử uốn SE(B)

4.2.2.3 Kết quả

i) Mẫu thử dạng uốn (Bend Specimen) SE(B)

Trong đó:

PQ = tải , kl-bf (kN)

B= chiều dày mẫu, in (cm)

W = chiều rộng(chiều sâu) của mẫu

S = khoảng cách giữa 2 gối tỳ, in (cm)

B= chiều dày mẫu, cm (in)

W = chiều rộng(chiều sâu) của mẫu cm (in)

S = khoảng cách giữa 2 gối tỳ, cm (in)

a =chiều dài vết nứt, cm (in)

r1 = bán kính trong ,cm (in)

r2 = bán kính ngoài , cm (in)

3/ Độ cứng