08/2010 Chương Biến dạng dẻo tính 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy 2.2 Các đặc trưng tính 2.3 Nung kim loại qua biến dạng dẻo Chương Biến dạng dẻo tính 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy 2.1.1 Khái niệm - Biến dạng: Sự thay đổi kích thước, hình dạng vật liệu tác dụng tải trọng - Biến dạng đàn hồi: Biến dạng bỏ tải P < σđh - Biến dạng dẻo: Biến dạng tồn bỏ tải P > σđh 08/2010 Tải trọng F 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy Fb b Fa Fđh a c e a1 a2 Độ dãn dài Δl Biểu đồ tải trọng – biến dạng 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy a) Ban đầu: nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân b) Biến dạng dàn hối: nguyên tử xê dịch phạm vi hẹp nhỏ số mạng, trở vị trí ban đầu bỏ tải c) Biến dạng dẻo: nguyên tử xê dịch phạm vi lơn số mạng (trượt), khơng thể trở vị trí ban đầu bỏ tải d) Phả hủy: liên kết nguyên tử bị cắt rời 08/2010 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Khái niệm: Trượt chuyển dời tương đối phần tinh thể theo Mặt trượt Phương trượt mặt phương định gọi phương trượt mặt trượt Hiện tượng trượt đơn tinh thể Trượt đơn tinh thể Zn 2.1.2 Trượt đơn tinh thể a) Các mặt phương trượt Mặt trượt: Mặt (tưởng tượng) phân cách hai mặt nguyên tử dày đặc xảy tượng trượt Mặt dày đặc nhất? Điều kiện: - Liên kết nguyên tử bề vững - Khoảng cách hai mặt lớn Phương trượt: Phương có mật độ nguyên tử lớn Hệ trượt: kết hợp phương trượt mặt trượt 08/2010 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A1 Họ mặt trượt: {111}, số lượng: Họ phương trượt , số lượng: Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A2 Họ mặt trượt: {110}: Họ phương trượt : Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 08/2010 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt mạng A3 Mặt xếp chặt nhất: {0001}: Họ phương xếp chặt < 1120 > : Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = Kiểu mạng Họ mặt trượt {111} (4) {110} (6) {0001} (1) Họ phương trượt (3) (2) < 1120 > (3) Hệ trượt 12 12 Kim loại Feγ, Ai, Cu, Au Feα, Cr, W, V Tiα, Zn, Mg, Be 08/2010 2.1.2 Trượt đơn tinh thể b) Ứng suất gây trượt Định luật Schmid: ứng suất tác dụng σ σ’ α Phương trượt β Mặt trượt τ Diện tích mặt trượt: S=S0/cosα Ứng suất tiếp phương trượt: τ = (F/S)cosβ = (F/S0)cosαcosβ S0 τ = σ0 cosαcosβ 2.1.2 Trượt đơn tinh thể b) Ứng suất gây trượt Định luật Schmid: τ = σ0cosαcosβ ≥ τth a) σ b) τR = λ=90° Không xảy trượt σ c) τR = σ/2 λ=45° φ=45° Dễ xảy trượt σ τR = φ=90° Không xảy trượt 08/2010 2.1.2 Trượt đơn tinh thể c) Cơ chế trượt Lý thuyết: τth = G/2π Thực tế: τth = G/(8.102 ÷ 8.104) G: mođun trượt 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Đặc điểm - Các hạt bị biến dạng khơng Có tính đẳng hướng Có độ bền cao Hạt nhỏ độ bền độ dẻo cao Biểu thức Hall-Petch σch = σ0 + kd-1/2 σch: ứng suất chảy d: kích thước hạt σ0: ứng suất cho lệch chuyển động d → ∞ k: số 08/2010 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Tổ chức tính chất sau biến dạng Tổ chức: - Các hạt có xu hướng dài theo phương biến dạng - ε = 30-40%: hạt bị chia nhỏ kéo dài theo thớ - ε = 70-90%: hạt bị quay, phương mạng số song song, tạo tổ chức textua biến dạng 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Tổ chức tính chất sau biến dạng Tính chất: - Hạt tinh thể bị kéo dài theo phương biến dạng: có tính dị hướng Ứng suất lớn xô lệch mạng tinh thể (tăng mật độ lệch) Cơ tính thay đổi: độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo, độ dai giảm Điện trở tăng, khả chống ăn mòn giảm 08/2010 2.1.4 Phá hủy Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, khắc phục thiệt hại kinh tế, người… cần phải có biện pháp khắc phục Đặc điểm chung: hình thành vết nứt tế vi triển vết nứt tách rời phá huỷ phát 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh - Phá hủy dẻo: kèm theo biến dạng dẻo đáng kể + phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều lượng công phá hủy lớn - Phá hủy giòn: kèm theo biến dạng không đáng kể + phát triển với tốc độ nhanh, cần lượng nhỏ công phá hủy nhỏ Phá hủy dẻo Phá hủy giòn 08/2010 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Phá hủy giòn hay dẻo - Bản chất VL: Al, thép…phá hủy dẻo; gang, ceramic phá hủy giòn - Nhiệt độ thấp, tốc độ đặt tải nhanh: vl dẻo bị phá hủy giòn - Kết cấu gây tập trung ứng suất: vl dẻo bị phá hủy giòn Chú ý: vết phá hủy cắt ngang hạt hay theo biên giới hạt 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Cơ chế phá hủy Vết cắt Sợi Xuất vết nứt tế vi Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn giá trị tới hạn Các vết nứt tế vi phát triển nhanh Phá huỷ vật liệu 10 08/2010 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh Vết nứt tế vi - mầm phá hủy VL: - Vết nứt kết tinh, nguội nhanh - Các rỗ khí, bọt khí vật đúc - Từ pha có độ bền thấp vật liệu - Hình thành trình biến dạng tập hợp nhiều lệch dấu chuyển động mặt trượt gặp vật cản (pha thứ hai, biên hạt…) 2.1.4 Phá hủy b) Phá hủy điều kiện tải trọng chu kỳ Đặc điểm: - Vật liệu chịu tải trọng không lớn ( 108 (biến dạng dẻo – nhiệt luyện) ⇒ Có biện pháp hóa bền Biến dạng dẻo: tăng mật độ lệch → biến cứng, tăng bền Hợp kim hóa: tăng xô lệch mạng, mật độ lệch → tăng bền VD: Thép: CT31: σb = 120-150MPa σb > 310MPa Làm nhỏ hạt: tăng bền, dẻo, dai Nhiệt luyện – Hóa nhiệt luyện Tiết pha phân tán: tạo pha thứ phân tán nhỏ mịn chốt cản trở chuyển động lệch → tăng độ bền, độ cứng VD: Đura: AlCu4,5Mg1,2: σb = 400-800MPa Al: σb = 40-80MPa 14 08/2010 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.2 Độ dẻo ( ψ%, δ%) K/n: tập tiêu tính phản ánh độ biến dạng dư vật liệu bị phá hủy tác dụng tải trọng tĩnh Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Các tiêu: Độ dãn dài tương đối độ co thắt tương đơi: δ% = l1 − l0 ×100% l0 ψ%= S − S1 × 100 % S0 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.2 Độ dẻo ( ψ%, δ%) Tính siêu dẻo: δ = (100-1000)% gọi vật liệu siêu dẻo Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo: - Nhiệt độ: T tăng, δ tăng - Tốc độ biến dạng tăng, δ giảm - Độ hạt: d giảm, δ tăng - Kiểu mạng tinh thể: A1 > A2 > A3 Ưu điểm vật liệu siêu dẻo: - Dễ chế tạo sản phẩm rỗng, dài, tiết diện không đều, phức tạp - Tiết kiệm lượng 15 08/2010 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ dai đập (ak) K/n: khả chống phá hủy vật liệu tác dụng tải trọng động ak: Công phá hủy tiết diện mẫu ak = Ak/S [Nm/mm2] [kJ/mm2], kGm/cm2] 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ dai đập (ak) Phạm vi ứng dụng: - Chi tiết chịu va đập: ak > 200kJ/m2 - Chi tiết chịu va đập cao: ak > 1000kJ/m2 - Mối tương quan ak (σ0,2×δ): ak ~ σch (σ0,2) xδ Các biện pháp nâng cao độ dai: - Làm nhỏ mịn hạt: tăng bền, dẻo → tăng độ dai - Hóa bền bề mặt - Hình dạng trịn đa cạnh có độ dai cao so với dạng tấm, kim 16 08/2010 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) K/n: Khả vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục tác dụng tải trọng thông qua mũi đâm Đặc điểm: - Chỉ biểu thị tính chất bề mặt vật liệu (VL khơng đồng nhất) - Biểu thị khả chống ăn mòn vật liệu - Khi vật liệu đồng (phôi ủ): biểu thị khả gia công vật liệu - Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy mẫu, đơn giản, nhanh chóng 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) Nguyên lý xác định độ cứng: Ép tải trọng lên mẫu thông qua đâm vật liệu cứng tạo vết lõm bề mặt mẫu, vết lõm lớn, độ cứng thấp Phân loại: - Độ cứng tế vi, dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé xác định độ cứng hạt, pha tổ chức vật liệu - Độ cứng thô đại, tải trọng mũi đâm lớn phản ánh khả chống biến dạng dẻo nhiều hạt, nhiều pha → xác định độ cứng chung vật liệu - Kí hiệu H (Hardness) 17 08/2010 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) Phân loại: a) Độ cứng Brinell (HB): mũi đâm bi thép HB = P 2P = F πD( D − D − d 02 ) Thép gang: D = 10mm, p = 30D2 = 3000N, t = 15s Ưu điểm: Quan hệ bậc với σb = a.HB (a = 0,3 – 0,5) Nhược điểm, phạm vi ứng dụng: - Mẫu đo phẳng - Chỉ đo vật liệu có độ cứng thấp: thép ủ, thường hóa, vật liệu kim loại màu 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) Phân loại: b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC): - Mũi đâm kim cương hình chóp (HRA, HRC), 1200 Mũi đâm bi thép D = 1,58mm (HRB) P=f+F f = 10kG (F = 50: HRB, F = 90: HRA, F = 140 HRC) f f F f h HR = k-(h/0,002) (không thứ nguyên) 18 08/2010 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) Phân loại: b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC): Ưu điểm: - Đo vật liệu từ tương đối mềm cứng - Kết đo hiển thị máy - Thời gian đo nhanh - Đo trực tiếp sản phẩm Phạm vi ứng dụng: HRB: thép sau tôi, + ram, thấm C HRA: lớp thấm mỏng: thấm C, C + N HRB: Thép ủ, thường hóa, gang đúc 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) Phân loại: c) Độ cứng Vickers HV: - Mũi đâm kim cương hình tháp, 1360 Tải trọng nhỏ (1-100kG), điều kiện chuẩn 30kG, t = 10-15 HV = 1,854 Ưu điểm: P d2 - Đo độ cứng cho loại vật liệu, mẫu mỏng - Kết đo không phụ thuộc vào tải trọng Nhược điểm: - Thiết bị đắt tiền - Xử lý mẫu phức tạp không tiện lợi phương pháp đo Rockwell 19 08/2010 2.2 Các đặc trưng tính 2.2.3 Độ cứng (ak) Chuyển đổi thang đo độ cứng: HV HB HRC HRA HRB Thấp 240 240 20 60,5 100 TB 513 475 50 75,9 - Cao 697 - 60 81,2 - Các mức độ cứng thép - Mềm: HB< 150 - Thấp: HB ~ 200 - Trung bình: HB ~ 300-400 - Tương đối cao: HRC ~ 50-58 - Cao HRC ~ 60-65 - Rất cao HRC > 65 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.1 Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo - Sau biến dạng dẻo hạt bị kéo dài thep phương biến dạng, có tổ chức thớ (biến dạng lớn có tổ chức textua) - Xơ lệch mạng lớn, mật độ lệch cao - Tồn ứng suất dư → Kim loại bị hóa bền biến cứng (TT không cân bằng): σb, σch, σđh, HB tăng; δ, ak giảm Tại cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo - Để tiếp tục biến dạng dẻo - Để gia cơng cắt gọt dễ dàng - Khử bỏ ứng suất tránh phá hủy giòn 20 08/2010 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến nung nóng a) Hồi phục: → T < Tktl (0,1-0,2)Tnc Giảm sai lệch mạng Giảm mật độ lệch Tổ chức tế vi chưa biến đổi Cơ tính chưa thay đổi b) Kết tinh lại: - T > Tktl (aTnc) (a = 0,3-0,8) Hình thành hạt theo chế sinh mầm phát triển mầm - Biến dạng dẻo mạnh, số lượng tâm mầm nhiều, hạt nhỏ mịn - Tổ chức hạt đa cạnh, đẳng trục → Dẻo tăng, bền, cứng giảm 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến nung nóng c) Kết tinh lại lần hai: - Nhiệt độ cao, thời gian giữ nhiệt dài → Quá trình sát nhập hạt: hạt lớn “nuốt hạt be” - Phát triển hạt tự nhiên, giảm tổng biên giới hạt nên làm giảm lượng dự trữ → Kết tinh lần hai làm xấu tính 21 08/2010 2.3 Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3.3 Biến dạng nóng – Biến dạng nguội - Biến dạng nguội: T < Tktl + Khơng có q trình kết tinh lại + Hóa bền - Biến dạng nóng: T > Tktl [(0,7-0,75)Tnc] + Hóa bền biến dạng + Kết tinh lại, xô lệch mạng gây thải bền, giảm độ cứng 22 ... S0 2.2 Các đặc trưng tính 2.2 .2 Độ dẻo ( ψ%, δ %) Tính siêu dẻo: δ = (1 0 0-1 00 0)% gọi vật liệu siêu dẻo Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo: - Nhiệt độ: T tăng, δ tăng - Tốc độ biến dạng tăng, δ giảm -. .. Nung thép qua biến dạng dẻo 2.3 .1 Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo - Sau biến dạng dẻo hạt bị kéo dài thep phương biến dạng, có tổ chức thớ (biến dạng lớn có tổ chức textua) - Xơ lệch mạng lớn,... 0,3 – 0, 5) Nhược điểm, phạm vi ứng dụng: - Mẫu đo phẳng - Chỉ đo vật liệu có độ cứng thấp: thép ủ, thường hóa, vật liệu kim loại màu 2.2 Các đặc trưng tính 2.2 .3 Độ cứng (ak) Phân loại: b) Độ cứng