hấp phụ mặt ma sát Khi chất bôi tr[ncos phân tử phân cực, l m thay đổi sức căng bề mặt chất bôi trơn, l m tăng lực hấp phụ dụng cụ (vật dập) với chất bôi trơn Trong gia công áp lực, mặt tiếp xúc ổ biến dạng chịu áp lực lớn đạt 100MPa, nên chất bôi trơn thờng bị nén ép ngo i tr−êng ma s¸t Lùc ph¸p tuyÕn c ng lớn, độ nhớt v hoạt tính chất bôi trơn c ng nhỏ chất bôi trơn bị nén Ðp ngo i c ng nhiÒu Nh− vËy, nÕu điều kiện biến dạng, độ bền kim loại biến dạng c ng lớn, ứng suất pháp bề mặt tiếp xúc c ng lớn, nên chọn chất bôi trơn có độ nhớt lớn Độ nhớt tăng, chiều d y lớp bôi trơn c ng tăng, nhng ®é nhít c ng lín l m cho ho¹t tÝnh chất điểm chất bôi trơn giảm, từ l m tăng lực ma sát Nh vậy, lực ma sát tăng l m chiều d y lớp bôi trơn tăng l m lực ma sát giảm; mặt khác, giảm hoạt tính chất điểm chất bôi trơn l m lực ma sát tăng Nếu bề mặt dụng cụ v vật biến dạng có độ nhám lớn, ngăn cản chất bôi trơn bị ép ra, nhng mặt khác lại l m diện tích ma sát tăng l m lực ma sát tăng Phơng pháp gia công ảnh hởng đến chiều d y lớp bôi trơn Khi chuốt qua lỗ, kim loại biến dạng từ kích thớc lớn th nh kích nhỏ, đồng thời chất bôi trơn dễ bị ép v o r nh tế vị v hấp phụ bề mặt kim loại, l m kim loại dễ biến dạng Nh vậy, độ nhớt v hoạt tính chất bôi trơn c ng nhỏ, c ng dễ phá huỷ lớp bôi trơn, v ngợc lại Lực pháp tuyến c ng lớn, chất bôi trơn bị ép khỏi mặt tiếp xúc c ng dễ, nên chiều dầy lớp bôi trơn c ng nhỏ, c ng dễ phá huỷ lớp bôi trơn Độ nhám bề mặt tiếp xúc c ng lớn, chất bôi trơn c ng khã Ðp v chiỊu d y líp b«i trơn c ng lớn Khi chiều biến dạng kim loại ngợc với chiều lực ma sát, chiều d y lớp bôi trơn c ng nhỏ, khả phá huỷ lớp bôi trơn c ng lớn Chất bôi trơn có tác dụng giảm lực ma sát ngo i gia công áp lực, l m giảm nhiệt độ dụng cụ, khử tờng dính kim loại v dụng cụ, nâng cao chất lợng bề mặt chi tiết gia công Khi lực ma sát giảm, giảm trở lực biến dạng kim loại, từ giảm tổng lực tác dụng kim loại lên dụng cụ v giảm công tiêu hao, giảm độ m i mòn dụng cụ, nâng cao tuổi thọ dụng cụ 102 3.4.2 Các yêu cầu chất bôi trơn Để tăng hiệu chất bôi trơn, gia công áp lực cần chọn chất bôi trơn phù hợp Chất bôi trơn phải có hoạt tính lớn; Chất bôi trơn có đủ độ nhớt, để bảo đảm độ bám dính tốt bề mặt dụng cụ v chi tiết; Có khả nhanh chóng phủ hết bề mặt tiếp xúc; Chất bôi trơn có tính ổn định hoá học tốt điều kiện l m việc, có nhiệt độ nóng chảy cao, nhiệt độ bắt cháy cao, sản phẩm cháy có tính ổn định hoá học tốt 3.4.3 Các chất bôi trơn thờng dùng gia công áp lực Điều kiện gia công áp lực đa dạng, nên chất bôi trơn khác Có thể dùng độ nhớt để phân loại chất bôi trơn a Emunxi, thuộc loại chất nhũ tơng gồm chất dầu v nớc ho tan Các hạt dầu tạo th nh chất huyền phù nằm nớc Loại chất bôi trơn n y vừa có tác dụng bôi trơn, vừa có tác dụng l m nguội v tác dụng ăn mòn vật liệu Nhng tính ổn định hoá học kém, không dùng gia công áp lực nhiệt độ cao Có thể sử dụng êmunxi th nh phần gồm nớc, dầu khoáng v x phòng Nớc có tác dụng l m nguội, dầu khoáng v x phòng có tác dụng bôi trơn Chất bôi trơn n dùng dập nguội, gia công nóng vật liệu nhôm b Dầu mazut v hỗn hợp dầu Trong trờng hợp lực pháp tuyến lớn, cán, dập nguội , chuốt, để giảm thiểu khả chất bôi trơn bị nén ép khỏi bề mặt tiếp xúc, dùng hỗn hợp dầu, gồm dầu động vật, dầu thực vật v loại mỡ Trong th nh phần mỡ có chất hình th nh với lớp ôxyt hợp chất gần giống x phòng có độ bền tốt v tính dẻo tốt, chịu đợc áp lực gia công c Dầu pha chất điều chỉnh độ nhớt Để tăng độ nhớt cho loại dầu kể trên, cho thêm chất nh paraphin, x phòng Các chất n y tăng độ nhớt, đồng thời không giảm chất lợng bôi trơn Khi gia công hợp him nhôm, dùng hỗn hợp mỡ động vật, pha thêm 15% graphit 103 d Dầu pha thêm phụ gia Để tăng hoạt tính chất bôi trơn cho v o dầu chất có hoạt tính cao, nh graphit, bột mica, hỗn hợp mởgaphit Các chất n y tạo nên lớp bôi trơn hợp chất bền vững, ngăn cản bị nén ép ngo i mặt tiếp xúc Dới áp lực cao chất pha thêm chèn v o r nh bề mặt tiếp xúc, l m tăng tác dụng bôi trơn Trong ép chảy nóng, sử dụng dầu khoáng pha graphit, sau bôi phủ v o cối ép, chất bốc dễ bị cháy, bề mặt lại graphit, có tác dụng bôi trơn v nhiệt độ cao không bị phá huỷ Chất n thờng dùng ép chảy thép không gỉ, thép chịu nhiệt e Nớc thuỷ tinh Khi gia công áp lực nóng nhiệt độ cao, nh ép chảy thép chất khó nóng chảy, graphit sinh tợng thấm bon., nên sử dụng nớc thuỷ tinh Nớc thuỷ tinh bám dụng cụ vừa có tác dụng bôi trơn vừa có tác dụng bảo vệ lòng khuôn Khi dập nóng thép không gỉ, nhiệt độ gia công đến 1000~12000C, nên dùng keo, sơn thuỷ tinh thuỷ tinh bột f Chất bôi trơn bột Để tránh việc chất bôi trơn bị nén ép ngo i, thờng dùng chất bôi trơn dạng bột: bột x phòng, bột MoS2 g Chất bôi trơn kim loại Khi chuốt dây thép, dùng chất bôi trơn kim loại, cách phủ mạ bề mặt phôi lợp chì đồng, có tác dụng bôi trơn chịu áp lực cao h Phốt phát hoá Gần gia công áp lực sử dụng lớp phốt phát l m chất bôi trơn Lớp n y có độ bám dính bề mặt vật liệu tốt, bảo đảm bôi trơn tốt điều kiện bề mặt ma sát đợc hình th nh trình biến dạng đợc bôi trơn tốt 3.5 Các yếu tố ảnh hởng đến giá trị lực ma sát tiếp xúc Các yếu tố ảnh hởng đến độ lớn lực ma sát bề mặt tiếp xúc đơn vị biến dạng dẻo: 3.5.1 Trạng thái bề mặt dụng cụ, độ nhám bề mặt c ng lớn, giá trị lực ma sát c ng lớn Lực ma sát khác phụ thuộc quan hệ phơng trợt 104 v phơng gia công bề mặt dụng cụ Khi gia công bề mặt dụng cụ phơng pháp m i lực ma sát giảm đến lần, có bôi trơn lực ma sát phơng ngang gia công lớn khoảng 20% so với phơng dọc gia công Trên bề mặt tiếp xúc kim loại bôi trơn v m ng ôxyt hoá quan sát thấy có tợng kim loại bị dính bề mặt dụng cụ, điều l m tăng lực ma sát 3.5.2 Trạng thái bề mặt vật biến dạng: trạng thái bề mặt vật biến dạng có ảnh hởng lúc ban đầu Sau kim loại biến dạng, tính không đồng biến dạng giảm, bề mặt vật biến dạng mang hình dụng cụ, nên ảnh hởng giảm Th nh phần hoá học vật liệu biến dạng, trình công nghệ gia công (đúc, xử lý bề mặt, nung, ủ ), trạng thái vẩy ôxyt, nhiệt độ có ảnh hởng lớn đến trạng thái bề mặt vật biến dạng Thí dụ, th nh phần hoá học khác nhau, tính chất lớp vẩy ôxyt có độ cứng khác nhau, l m cho hệ số ma sát khác nhau, chúng thay đổi phạm vi 0,16~0,80 Mặt khác, hệ số ma sát phụ thuộc chiều d y lớp vẩy ôxyt, độ bền lớp 3.5.3.Th nh phần hoá học hợp kim biến dạng v dụng cụ Trong gia công áp lực, tính chất lớp ôxyt bề mặt, lực liên kết lớp ôxyt v kim loại, tốc độ ôxyt hoá, ®é dÉn nhiƯt, trë lùc biÕn d¹ng ®Ịu phơ thuộc th nh phần hoá học vật liệu Trong gia công áp lực, có tợng tơng tác bề mặt bề mặt kim loại v chất bôi trơn Trong ma sát khô, cọ xát mặt tiếp xúc trực tiếp liên quan đến th nh phần hoá học Vật liệu có độ bền cao, ®é ® n håi tèt, nhÊt l ®é bỊn nhiƯt, khả trì độ nhấp nhô thời gian d i, độ m i mòn ít, có hệ số ma sát nhỏ Thực nghiệm cho thấy, phạm vi nhiệt độ 1200~8000C, tăng h m lợng bon thép, hệ số ma sát giảm 105 Hình 3.6 Quan hệ hệ số ma sát v h m lợng Cácbon 3.5.4 Lực pháp tuyến, hay áp lực đơn vị mặt tiếp xúc Lực pháp tuyến, hay áp lực đơn vị mặt tiếp xúc có ảnh hởng đến hệ số ma sát, liên quan đến việc thoát sản phẩm m i mòn Nếu sản phẩm m i mòn đợc khử khỏi bề mặt tiếp xúc, áp lực tăng lực ma sát giảm, nhng sản phẩm lu lại l m tăng lực ma sát Khi có bôi trơn, áp lực đơn vị tăng, hệ số ma sát giảm Nh trờng hợp ma sát khô, không khử đợc sản phẩm m i mòn, nên sản phẩm đợc coi l chất bôi trơn, lúc n y trở th nh ma sát nửa khô Sự ảnh hởng áp lực đơn vị đối víi hƯ sè ma s¸t phơ thc sù h¸p phơ chất bề mặt, hấp phụ Hình 3.7 Quan hệ áp lực đơn vị v hệ số ma sát 106 chất bôi trơn, l m cho áp lực tăng l m giảm hệ số ma sát 3.5.5.Nhiệt ®é dơng v vËt biÕn d¹ng Quan hƯ ®iỊu kiện nhiệt độ đến hệ số ma sát phức tạp, nhiệt độ ảnh hởng đến trạng thái bề mặt dụng cụ v vật biến dạng, đến trạng thái hấp phụ chất Hình 3.8 Quan hệ hệ số ma sát v nhiệt độ bôi trơn v tính chất chất bôi vật rèn trơn Có mặt đối lập: kim loại dới tác dụng nhiệt tạo lớp ôxyt hoá l m tăng ma sát, đồng thời, tăng nhiệt độ, bề mặt thô lớp ôxyt v kim loại trở nên nhẵn bóng, l m giảm hệ số ma sát Thực nghiệm cho biết, nhiệt độ tiêu chuẩn, hệ số ma sát có giảm, tăng nhiệt độ lên, hệ số ma sát tăng, l khoảng nhiệt độ 500~8000C hệ số ma sát lớn nhất, đạt giá trị max 8000C Tiếp tục tăng nhiệt, hệ số ma sát giảm Hệ số ma sát cán thép trục gang tính: = 1,05 -0,0005T, T- nhiệt độ cán Thực nghiệm cho biết, cán nóng thép có h m lợng 0,5~0,8% C hệ số ma sát đạt giá trị lớn 7000C Hình 3.9 Quan hệ hệ số ma sát v nhiệt độ thép 0,5~0,8%C Nói chung, gia công áp lực, phạm vi nhiệt độ gia công từ 1200~9000C, nhiệt độ kim loại c ng cao, hệ số ma sát c ng giảm 107 Đối với hợp kim m u, nhiệt độ gia công dới 9000C, đồng đỏ: dới 7500C, đồng Brôn dới 8500C, hợp kim nhôm dới 5000C, nhận thấy, nhiệt độ c ng giảm hệ số ma sát c ng nhỏ Hình 3.10 Quan hệ hệ số ma sát v lợng biến dạng v nhiệt độ chồn Trong hình 3.10, Đờng biểu diền biến đổi hệ số ma sát trờng hợp không bôi trơn, đờng đợc bôi trơn nitrit Bo, đờng bôi trơn mỡ graphit; hình a,b biểu diễn biến đổi hệ số ma sát theo nhiệt độ; hình c biểu diễn biến đổi ma sát theo lợng biến dạng nhiệt độ t = 10000C 3.5.6 ảnh hởng chất bôi trơn Chất bôi trơn có tác dụng giảm hệ số ma sát v giảm nhiệt độ dụng cụ Bảng dới cho giá tri hệ số ma sát gia công đồng v nhôm với chất bôi trơn khác 3.5.7 ảnh hởng tốc độ gia công Thực nghiệm cho thấy, tăng tốc độ biến dạng v tốc độ trợt dụng cụ v kim loại, hệ số ma sát giảm Gupkin đ rõ, chồn kim loại nhôm cứng đầu búa nhẵn, 4000C hệ số ma sát tĩnh l 0,32, hệ số ma sát động l 0,22 Tại nhiệt độ 4500C hệ số ma sát tĩnh l 0,38 v hệ số ma sát động l 0,22 Có nghĩa l trạng thái tĩnh hệ số ma sát lớn hệ số ma sát trạng thái động 108 Hệ số ma sát số kim loại Chất bôi trơn Bảng 3.2 Hệ số ma sát Nhôm Đồng Không bôi trơn 0,1 0,36 Dầu công nghiệp 0,30 0,26 Nớc 0,14 0,19 Dầu biến 0,14 0,15 Glixêrin 0,09 0,15 Dầu máy C 0,07 0,12 Dầu nặng số 0,04 0,11 HƯ sè ma s¸t cđa mét sè kim loại hợp kim biến dạng Bảng 3.3 Điều kiện Hệ số ma sát gia công Bôi trơn Nhiệt Thép C HK Kim loại HK chịu Nhôm độ HK Mg nỈng nhiƯt C V1 V2 V2 V1 V2 Kh«ng 0,8~0,9 0,4 0,35 0,50 0,48 0,4 0,35 0,32 0,30 0,28 0,25 bôi trơn Tnc Không bôi trơn Không bôi tr¬n V1 V1 V2 V1 V2 0,5~0,8 0,45 0,40 0,48 0,45 0,38 0,32 0,34 0,32 0,26 0,22 Tnc 0,3~0,5 0,43 0,30 0,35 0,30 0,32 0,24 0,26 0,24 0,24 0,20 Tnc Bôi trơn T=250C 0,12~0,06 Ghi chú: V1 - Tốc độ < m/s; V2 - Tèc ®é > m/s v điều kiện va đập Khi dùng chất bôi trơn cho gia công nóng, dùng giá trị 85~75% số liệu bảng để chọn chất bôi trơn 3.6 Định luật trở lực nhỏ 109 Các vấn đề nêu cha phơng biến dạng chất điểm vật liệu Ta biết, kim loại biến dạng theo phơng Nhng trục, kim loại có khả biến dạng theo hớng dơng âm Khi gia công áp lực, kim loại chảy theo hớng trở lực nhỏ Hay nói cách khác, kim loại bị biến dạng, hớng n o ma sát hơn, chúng chảy theo hớng nhiều hơn, hớng n o cã Ýt ma s¸t cã nghÜa l trë lùc bề mặt Định luật trở lực nhỏ cho biết phơng hớng biến dạng v dịch chuyển chất điểm chịu tác dụng ngoại lực Nếu ma sát, ma sát theo chiều nh nhau, chất điểm kim loại bề mặt biến dạng theo hớng Khi biÕt h−íng chÝnh biÕn d¹ng cđa vËt thĨ, h−íng trơc thø biÕn d¹ng chØ cã thĨ theo hớng Thí dụ, ép chảy, hình dáng kích thớc lỗ cối định giá trị biến dạng h−íng chÝnh δ2, δ3 BiÕn d¹ng cđa h−íng thø đợc xác định định luật thể tích không đổi 1=2+3 Hớng chảy kim loại theo hớng ép, nh xác định đợc hớng biến dạng Nếu cho biết hớng biến dạng phơng chính, phơng thứ bị ngăn cản, phơng thứ xác định Thí dụ, chồn khuôn dạng r nh, kim loại chảy theo phơng nhất- dọc theo hớng trái v phải r nh Hình 3.11 Kim loại khuôn Hình 3.12 Hớng chuyển vị chất điểm kim loại chồn 110 Khi phơng trục biến dạng xác định, phơng trục kim loại dịch chuyển tự Thí dụ, chồn đe phẳng Nếu tiết diện phôi l tròn, sau biến dạng chồn ta đợc tiết diện tròn Nhng tiết diện phôi hình vuông, chiều d i tiếp xúc v biến dạng điểm theo phơng khác l khác nhau, theo hớng trục ngắn theo đờng chéo Nên chồn, cạnh kim loại chảy nhiều hơn, tiết diện phôi trở nên tròn Nếu tiết diện hình chữ nhật ta thấy tợng tơng tự Do ma sát đờng chéo lớn, trục d i lớn nên, đầu tiệ hình th nh hình ôvan, sau th nh hình tròn Hình 3.13 Chuyển vị điểm theo hớng kính 3.7 Sự phân bố không ứng suất v biến dạng Trong biến dạng dẻo kim loại, có tợng biến dạng không đều, từ l m tổ chức kim loại không v tính vật liệu không Biến dạng không trạng thái ứng suất: Ta biết, trạng thái ứng suất điểm ho n toán xác định ten xơ ứng suất Khi độ sang điểm khác, ta lại đợc ten xơ ứng suất với th nh phần khác ten xơ trớc, kể phơng trục thay đổi Để đợc to n cảnh trạng thái ứng suất vật thể biến dạng, cần biết trạng thái ứng suất tất điểm, tập hợp tất trạng thái ứng suất gọi l trờng ứng suất Nếu thu đợc trờng ứng suất đồng ten xơ ứng suất, ta đợc trạng thái biến dạng đồng Trong gia công áp lực kim loại, biến dạng đồng nhất, dù giả thiết tính toán có rõ vật liệu đồng nhất, đẳng hớng v liên tục 111 Nguyên nhân biến dạng không - trạng thái ứng suất không đều: a Ma sát tiếp xúc Nh nói trên, gia công áp lực, dụng cụ v kim loại biến dạng có mặt tiếp xúc, mặt ma sát Trên bề mặt tiếp xúc, lực ma sát ngăn cản kim loại dịch chuyển Đó l lực ma sát ngo i Do tác dụng lực ma sát ngo i dần yếu v o sâu kim loại, nên tạo th nh vùng khó biến dạng, có phân giới theo ®−êng chÐo 450 tõ mÐp ngo i cđa dơng cụ Do tác dụng ma sát tiếp xúc, hình th nh vùng có trạng thái ứng suất khác nhau, nên biến dạng khác Hình 3.14 Biến dạng không chồn b Hình dạng vật rèn H/D v tỷ số nén h/H không Vật rèn c ng phức tạp, tỷ số nén c ng sai khác, biến dạng c ng không Tại mặt cắt khác nhau, lợng nén khác nhau, điều kiện dẻo khác nhau, nên có chỗ biến dạng nhiều, có chỗ biến dạng ít, có chỗ có biến dạng đ n hồi Việc tiết diện khác biến dạng khác gây ứng suất phụ, l m trở lực biến dạng tăng b Hình dáng dụng cụ Hình dáng dụng cụ khác nhau, phẳng, lõm chữ V hình ôvan, hình đa tuyến (prôfin tiết diện phôi bánh răng) tạo nên lợng nén tiết diện khác v từ tỷ số nén vị trí khác l khác 112 Nếu nh vậy, vùng khác nhau, chúng có sơ đồ biến dạng gần nh nhau, nhng trị số biến dạng khác d Nhiệt độ nung không gia công thời điểm khác có nhiệt độ kết tinh lại khác Hình 1.15 Sự phân bố ứng suất vật rèn, chồn đe lõm thời điểm bắt đầu (a) v thời điểm trờng øng st Mét chi tiÕt phøc t¹p, nung chóng truyền nhiệt điều kiện khác nhau, tạo nên nhiệt độ vùng khác l khác Một chi tiết d i cần vuốt, đầu đợc vuốt nhiệt độ cao, đầu vuốt nhiệt độ thấp Khi biến dạng dẻo nhiệt độ cao, tính dẻo tốt dễ biến dạng Nhng quan trọng l nhiệt độ rèn lần gia công cuối Vïng dõng rÌn ë nhiƯt ®é cao sÏ kÕt tinh lại nhiệt độ cao v hạt tinh thể lớn, tính chất vật liệu vùng thấp Vùng dừng rèn nhiệt độ thấp, gần nhiệt độ Ac3 cho hạt nhỏ sau kết tinh lại Từ tính chất học sau biến dạng tốt e Tính chất vật liệu không Do kim loại gồm nhiều pha, pha có tính dẻo khác v đó, dới tác dụng ngoại lực, chúng biểu trạng thái biến dạng khác 3.8 Các tợng sinh biến dạng không a Sinh phình tang trống Theo điều kiện dẻo, kim lo¹i biÕn d¹ng øng st tiÕp lín nhÊt cờng độ ứng suất đạt giá trị giới hạn chảy Xét mặt cắt ổ biến dạng chồn, vùng kim loại theo đờng chéo l m với bề mặt góc 45 l vùng sớm đạt điều kiện dẻo, Nên biến dạng sớm nhất, vùng cha kịp biến dạng 113 Vùng dới đe, chịu trạng thái ứng suất nén chiều, khó biến dạng Vùng biên trạng thái ứng suất có chiều tiếp tuyến l kéo, nên dễ tạo hình trống v tạo vết nứt bề mặt Do vùng, lớp Hình 3.16 Các dạng tang trống chồn kim loại biến dạng khác nhau, dễ gây ứng suất d Lợng biến dạng tăng l m tăng độ biến dạng không ®Ịu Ta cã thĨ lÊy hƯ sè ph×nh tang trèng để đánh giá b Biến dạng không bề mặt Do tỷ số H/D lớn, lợng biến dạng nhỏ gây biến dạng bề mặt, tầng không biến d¹ng, t¹o tang trèng nèi b»ng hình trụ c Hiện tợng phận diện tích mặt chuyển lên bề mặt tiếp xúc Khi biến dạng không đều, bề mặt bị hạn chế không dịch chuyển lực ma sát Dới tác dụng lực bề mặt bên bị gấp khúc lên mặt tiếp xúc v l m tăng mặt tiếp xúc Hiện tợng tăng diện tích bề mặt v phình tang trống phụ thuộc tỷ số H/D v tû sè nÐn ∆h/H NÕu tû sè nÐn nhỏ 50% chủ yếu phình tang trống v kim loại chuyển dịch lên bề mặt tiếp xúc Khi tỷ số nén vợt 50% chủ yếu l diện tích mặt tiếp xúc dịch chuyển Hình3.17 Sự chuyển dịch để hình th nh diện tích tiếp xúc d Vùng dính v khó biến dạng Trong trờng hợp biến dạng không đều, diện tích tiếp xúc tăng chủ yếu mặt bên dịch chuyển lên mặt tiếp xúc Khi đó, trợt tơng đối kim loại biến dạng v dụng cụ Đó l tợng dính, vùng kim loại gọi l vùng dính 114 Trờng hợp không ho n to n dính, có vùng dính v vùng trợt Hệ số ma sát c ng lín, tû lƯ H/D c ng lín vïng dÝnh c ng lín e ¶nh h−ëng cđa vïng ngo i Trong trờng hợp nén cụ bộ, có vùng biến dạng kề sát vùng không biến dạng Vùng không chịu nén gọi l vïng ngo i Do kim lo¹i l mét khèi thống nhất, biến dạng lan truyền sang vùng không "bị nén" v vùng không bị nén tác động ngợc lại l m thay đổi trạng thái ứng suất v biÕn d¹ng ỉ biÕn d¹ng f øng st phô øng suÊt phô hay øng suÊt d−, cã d¹ng øng suÊt d− lo¹i I l øng suÊt t¹o cân phần lớp vật liệu ứng suất d loại II l ứng suất cân hạt tinh thể ứng suất d loại II l ứng suất cân phần mạng tinh thĨ øng st d− bao giê cịng cßn l−u lại vật thể sau biến dạng, l m tăng trở lực biến dạng, l m giảm tính dẻo vật liệu, biến đổi phân bố ứng suất v giảm tính ổn định hình học Do có ứng suất phụ, với ứng suất tác dụng l m biến dạng dẻo phần, hạt tinh thể khác Mặt khác, ứng suất phụ gây ứng suất tập trung, l nguyên nhân gây vết nứt tế vi, phá ho¹i tÝnh ho n chØnh cđa tinh thĨ, t¹o vết nứt Nh vậy, để bảo đảm biến dạng đồng vùng biến dạng cần phải bảo đảm nguyên tắc v dùng biện pháp xử lý: Bảo đảm tính đồng hớng vật liệu; Trạng thái vật lý chất điểm vật biến dạng đồng đều, l giới hạn chảy; Lợng biến dạng tơng ®èi v tut ®èi ph¸i b»ng nhau; TiÕp xóc ®ång dụng cụ v vật biến dạng; Ma sát tiếp xúc nhỏ ma sát không gây trở lực lớn Việc bảo đảm biến dạng dều l khó, phải gia công chi tiết có hình dáng phức tạp Trong thiết kế công nghệ cần chủ động giải v đa giải pháp nhằm giảm thiểu ảnh hởng biến dạng không 115 Trớc hết cần thiết kế khuôn, tạo điều kiện phân bố biến dạng Thông thờng, cho lợng biến dạng không tập trung v o nguyên công gia công thô, nguyên công gia công tinh, cho biến dạng v để bảo đảm sau kết tinh lại đợc tổ chức hạt nhỏ Bề mặt khuôn cần đợc gia công có độ nhẵn cao, bề mặt đợc bôi trơn v l m nguội tốt, tránh ảnh hởng xấu ma sát; Nung kim loại đều, giữ nhiệt ®ång ®Ịu §èi víi vËt liƯu cã ®é dÉn nhiƯt thấp, cần có quy trình gia nhiệt đúng, thời gian nhiệt đồng đủ Đối với vật rèn phức tạp, phải bảo đảm giữ nhiệt đồng tất mặt cắt Trong thao tác quy trình công nghệ, cần thực đầy đủ theo quy trình công nghệ, l m chế độ công nghệ 116 Chơng ứng suất trạng thái ứng suất 4.1 Khái niệm chung 4.1.1 Các giả thiết Thuộc tính vật rắn thực đa dạng, tuỳ theo mục đích nghiên cứu trọng v o số thuộc tính cần thiết v không xét đến thuộc tính khác Vì vậy, lý thuyết biến dạng dẻo cần đa số giả thiết, nhằm đơn giản hoá v v o số thuộc tính Trong chơng n y nghiên cứu lý thuyết biến dạng dẻo toán học, sử dụng công cụ toán, nghiên cứu ứng xử vật liệu dới tác dụng ngoại lực - ứng suất - biến dạng Cơ học vật rắn biến dạng khác với học vật rắn chỗ coi vật có tính biến dạng, có nghĩa l , thay đổi hình dáng, kích thớc dới tác dụng ngoại lực Lý thuyết biến dạng dẻo toán học dựa các giả thuyết, khái niệm v quy luật học vật rắn v học môi trờng liên tục Khi nghiên cứu trạng thái ứng suất v trạng thái biến dạng vật liệu, phải nghiên cứu trạng thái đặc trng chung cho chóng VËt liƯu thùc l kh«ng ho n to n đồng nhất, thí dụ, khối kim loại đúc có tổ chức đúc với cấu trúc khác nhau, nhng nghiên cứu, coi vật l đồng - thuộc tính vật lý giống điểm vật chất Trong vật thể thực có nhiều khuyết tật, nh rỗ khí đúc, khuyết tật điểm mạng , nhng phải coi vật thể l liên tục Có nghĩa l thc tÝnh vËt lý nh− nhiƯt ®é, mËt ®é v thuộc tính học nh ứng suất biến dạng liên tục từ điểm vật chất n y sang điểm vật chất khác Mặt khác giả thiết, thuộc tÝnh c¬ häc v vËt lý cđa vËt thĨ kim loại giống theo hớng Nh vậy, đối tợng nghiên cứu lý thuyết biến dạng dẻo (toán học) l vật thể có tính liên tục, đồng v đẳng hớng Đối với vật thể biến dạng có cấu trúc phức tạp, cần sử dụng phơng pháp mô hình, chọn kích thớc đối tợng để thoả m n điều kiện 117 4.1.2 Lực khối Lực mặt Lực l đại lợng véctơ Lực tác dụng lên ®iĨm vËt chÊt to n thĨ tÝch cđa ®èi tợng l lực khối, nh lực hấp dẫn, lực quán tính Các lực n y tỷ lệ với khối lợng riêng Lực tác dụng lên mặt ngo i đối tợng l lực mặt, hay lực ngo i Chúng l lực tập trung lực phân bố Theo nguyên lý vật rắn, ngoại lực cân bằng, hệ điểm vật chất nằm trạng thái cân bằng, chúng không chuyển động v không biến dạng trạng thái đ n hồi cân sảy điều kiện lực tác dụng ngoại lực khác Nhng trạng thái dẻo, cân sảy điều kiện giá trị ngoại lực định Nhng, giải b i toán đ n hồi, điều kiện biên định, b i toán l nghiệm Nhng giải b i toán dẻo, với điều kiện biên, b i toán l đa nghiệm 4.1.3 ứng suất Giả thiết nghiên cứu vật thể chịu tác dụng lực bề mặt Pi, ngoại lực tác dụng bề mặt v trạng thái cân Dới tác dụng ngoại lực, vật thể xuất lực tơng tác phần vật thể, đợc gọi l nội lực Có thể dùng phơng pháp mặt cắt để nghiên cứu Nếu chia vật thể mặt cắt th nh phần, sau bỏ nửa, thí dụ phần bên trái Để cân bằng, phải xuất nội lực P, tác dụng mặt cắt F, giá trị tổng hợp nội lực phải cân với tổng giá trị ngoại lực tác dụng lên diện tích mặt ngo i nửa vật thể Xét điểm M tiết diện nhỏ F mặt cắt, mặt chia đôi vật thể, chịu tác dụng nội lực P v có vec tơ pháp tuyến n Nh vậy, coi diện tích F tác dụng nội lực phân bố đều, v tổng hợp lực P tác dụng tâm diện tích Nói chung, phơng P không trùng với n 118 Hình 4.1 ứng suất trung bình M (a) v vÐc t¬ øng suÊt (b) øng suÊt điểm M l giới hạn tỷ lệ néi lùc ∆P víi diƯn tÝc ∆F ∆F tiÕn đến không, v đợc ký hiêụ l S P F F (4.1) S = lim Giá trị đợc gọi l ứng suất Côsi ứng suất điểm l đại lợng véc tơ phân véc tơ ứng suất th nh th nh phần, th nh phần vuông góc với mặt cắt gọi l ứng suất pháp, th nh phần nằm mặt cắt gäi l øng suÊt tiÕp Th−êng ph©n th nh øng suất pháp v ứng suất tiếp Đồng thời cịng cã thĨ ph©n th nh øng st theo Hình 4.2 Các th nh phần toạ độ 0xyz : Sx, Sy, Sz vectơ ứng suất S 4.2 Trạng thái ứng suất điểm Để xác định vec tơ ứng suất điểm vật thể, cần dứng mặt cắt qua điểm Nhng, qua điểm dựng nhiều mặt cắt, mặt tác dụng vectơ lực Pn Từ định luật tác dụng v phản tác dụng, mặt có phơng ngợc với n, xác định ứng suất phơng Tập hợp vectơ ứng suất, tác dụng mặt cắt qua điểm cho trớc, đợc gọi l trạng thái ứng suất điểm 119 dựng phân khối nhỏ, có đỉnh đặt O, mặt bên l mặt toạ độ v song song với trục toạ độ x y z Cạnh khối l vô nhỏ dx, dy, dz Theo định nghĩa, vứt bỏ phần vật chất ngo i khối vuông, lực tác dụng diện tích mặt bên phân khối l néi lùc (øng suÊt) a H×nh 4.3 øng suÊt to n phần (a) v b th nh phần trạng thái ứng suất A (b) Có thể biểu diễn véc tơ ứng suất tác dụng lên điểm A thông qua véc tơ ứng suất th nh phần tác dụng lên mặt vuông góc với (Hình 4.2) Mỗi ứng suất tác dụng lên mặt đợc phân th nh th nh phần có phơng v chiều song song với trục toạ độ Kết l có ứng suất pháp v ứng suất tiếp ứng suất pháp đợc biểu diễn X, Y, Z Các ứng suất tiếp đợc biểu diễn xy, xZ, yx, yz, zx, zy Các số đợc ghi nh sau: Chỉ số thứ chiều trục toạ độ m véc tơ lực tác dụng hớng theo; Chỉ số thứ chiều trục toạ độ m véc tơ pháp tuyến mặt có ứng suất tác dụng Thí dơ: τxy øng st tiÕp cã chiỊu theo trơc X v nằm mặt có pháp tuyến theo trục Y ứng suất pháp dơng tiết diện có pháp tuyến ngo i trùng với chiều dơng trục toạ độ, lực tác động theo chiều dơng trục Hay ứng suất pháp kéo l dơng, nén l âm Chiều ứng suất tiếp l dơng, øng st 120 tiÕp cã xu h−íng l m ph©n tố quay theo chiều kim đồng hồ Hình 4.3 biểu diễn ứng suất với chiều dơng Theo định luật cân lực v mômen, chứng minh ứng suất tiếp mặt đôi mét: τxy= τyx, τyz= τzy, τxZ= τzx (4.2) Nh− vËy, øng suÊt th nh phÇn chØ cã øng suất độc lập ứng suất to n phần phân th nh ứng suất th nh phần theo ph−¬ng x, y, z, t−¬ng øng Sx, Sy, Sz, viÕt dới dạng vec tơ: Sx = xi + xyj + τxzk Sy = τyzi + σyj + τyzk (4.3) Sz = τzxi + τzyj + σzk Cã thĨ viÕt c¸c ứng suất th nh phần dới dạng ma trận v nhận thấy l ma trận đối xứng qua đờng chÐo σx τ yx τ xy σy τ xz τ yz τ zx τ zy σz τ xy σy τ xz τ yz hay σx (4.4a) σz (4.4b) 4.3 ứng suất mặt nghiêng Nếu biết ứng suất th nh phần tác dụng lên mặt phẳng vuông góc qua điểm khảo sát, xác định trạng thái ứng suất điểm Qua điểm gốc toạ độ, dựng mặt phẳng nghiêng so với hệ toạ độ đó, đợc tứ diện vuông 0ABC N l pháp tuyến mặt nghiêng ABC Nh vậy, xác định côsin phơng cđa ph¸p tun N nh− sau: 121 cosα x = cos(N , x ) = l   cosα y = cos(N, y ) = m   cosα z = cos(N, z) = n  (4.5) C¸c diƯn tÝch khối tứ diện đợc tính theo công thức: ABC l ∆F, ∆0BC l ∆Fx, ∆0AC l ∆Fy v ∆0AB l Fz Giả thiết mặt nghiêng tác dụng øng st S, v cã chiỊu bÊt kú nh− h×nh 4.4 Đem chiếu S trục toạ độ Hình 4.4 ứng suất mặt nghiêng ABC đợc ứng suất th nh phần Sx, Sy, Sz Điểm O, hay khối tứ diện nằm trạng thái cân Có nghĩa l , hợp lực theo phơng không VËy cã thÓ viÕt: ∑ Fx =S x ∆F −σ x ∆Fx − τ xy ∆Fy − τ xz ∆Fz =0; ∑ Fy =S y ∆F − τ yx ∆Fx −σ y ∆Fy− τ yz ∆Fz =0; ∑ Fx =S z ∆F − τ zy ∆Fx − τ zy ∆Fy −σ z ∆Fz = 0; BiÕt: (4.6) ∆Fx = ∆F l ∆Fy = ∆F m ∆Fz = ∆F n V× vËy Sx = σX l + τxym + τxz n Sy = τyx l + σy m + τyz.n Sz = τzx l + τzy.m + σz 122 (4.7) S xác định theo vec tơ øng suÊt th nh phÇn : 2 S =S x + S y + S z (4.8) Mặt khác, ứng suất pháp mặt nghiêng N xác định theo ứng suất th nh phần Sx, Sy, Sz: σN= Sx.l + Sy.m + Sz.n (4.9) NÕu biĨu diƠn øng st ph¸p theo c¸c th nh phần trạng thái ứng suất đợc: N = X l2 + σY.m2 + σZ.n2+ 2τxy l.m+ τyz.m.n +2 zx.n.l (4.10) ứng suất tiếp tổng nằm mặt nghiêng xác định nh sau: = S2 - 2N (4.11) Nh vậy, xác định đợc giá trị ứng suất mặt nghiêng Nói cách khác, biết đợc th nh phần ứng suất tác dụng lên điểm mặt vuông góc với nhau, xác định đợc trạng thái ứng suất điểm Trong đó, S l véc tơ ứng suất mặt nghiêng, ứng suất th nh phần l th nh phần tenxơ ứng suất, đợc nghiên cứu tiếp sau 4.4 ứng suất pháp Xét công thức tính N , thấy l phơng trình mặt cong Nếu từ gốc toạ độ vẽ véctơ r theo phơng pháp tuyến N mặt nghiêng Bình phơng độ lớn véc tơ tỷ lệ nghịch với ứng suất pháp r2= c N (4.12) Vậy, côsin phơng vectơ có thĨ biĨu diƠn nh− sau: x y z l= ; m= ; n= r r r (4.13) Thay c¸c giá trị côsin phơng v o công thức tính N , đợc: c = X x2 + Y.y2 + Z.z2+ 2(xy.xy+ yz.yz + zx.zx) (4.14) 123 Đây l công thức biểu diễn phơng trình đờng cong bậc hai, l mặt cong ứng suất Côsi Các hệ số phơng trình l : c, x, y, z, xy, yz,zx Nếu thay đổi phơng v toạ độ x, y, z vectơ r theo vị trí mặt nghiêng, nhận thấy, đầu mút véc tơ r nằm mặt cong xác định biểu thức Bề mặt ho n to n xác định đợc trạng thái ứng suất điểm, mặt gọi l mặt ứng suất Côsi Nhận thấy, thay đổi vị trí trục toạ độ, hệ số phơng trình thay đổi, có nghĩa l thay đổi giá trị ứng suất mặt ứng suất theo toạ độ khảo sát Có nghĩa l , tuỳ theo việc chọn trục toạ độ, đợc phơng trình ®−êng cong bËc hai kh¸c Nh− vËy, cã thĨ chọn hệ toạ độ trùng với phơng trục mặt cong Trục l trục có giá trị ứng suất pháp Mặt tác dụng ứng suất pháp gọi l mặt Nếu trục toạ độ chọn song song với hớng mặt toạ độ tơng ứng có ứng suất pháp ứng suất pháp trục đợc gọi l ứng suất pháp chính, đợc ký hiÖu b»ng chØ sè 1, 2, 3, theo thø tù độ lớn, 1, 2, Góc phơng pháp tuyến mặt nghiêng so với trục tơng ứng l 1, 2, tơng ứng côsin phơng l, m, n Vậy ứng suất pháp mặt nghiêng có thĨ biĨu diƠn: σN = σ1l2 + σ2m2 + σ3 n2 , (4.15) Các th nh phần véctơ ứng suất cã thĨ viÕt theo trơc chÝnh: S1 = σ1l ; S2 = σ2 m ; S3 = σ3 n (4.16) S2 = σ12l2 + σ22m2 + σ32 n2 , (4.17) ứng suất tiếp đợc xác định : = S2 - σ2N = σ12l2 + σ22m2 + σ32 n2 - (σ1l2 + σ2m2 + σ3 n2 )2 (4.18) BiÕt, quan hệ côsin phơng : l2 + m2 + n2 = Cã thÓ suy : 124 (4.20) S12 σ 12 + S2 σ2 + S3 (4.21) =1 (4.21) l phơng trình mặt elipxôit Trong trạng thái ứng suất định, 1, 2, l giá trị không đổi Biểu thức biểu diễn mặt elip với hệ trục toạ độ l ứng suất pháp Khảo sát mét vÐct¬ øng suÊt S, thÊy S1, S2 , S3 l hình chiếu S mặt toạ độ Giá trị vectơ không thay đổi thay đổi hệ trục toạ độ, thay đổi giá trị hình chiếu th nh phần Trong hệ toạ độ 1, 2, giá trị ứng suất l không đổi Nh vậy, điểm mặt cầu elip biểu diễn trạng thái ứng suất, trạng thái ứng suất n y có đặc trng tenxơ Nếu ứng suÊt chÝnh b»ng v cïng dÊu, elÝp cÇu trë th nh hình cầu ứng suất Trong trờng hợp đó, ứng suất phơng n o v l ứng suất pháp Nếu ứng suất pháp không, elipxôit trở th nh hình elip Trạng thái ứng suất khối trở th nh trạng thái ứng suất phẳng Nếu ứng suất không, hình elíp trở th nh đờng thẳng, tơng ứng trạng thái ứng suất đờng 4.5 Tenxơ ứng suất Cho mặt nghiêng chịu tác dụng ứng suất pháp , mặt gọi l mặt Giả sử vị trí mặt đợc xác định côsin phơng l, m, n so với hệ trục toạ độ x y z, công thức (4.7) cã d¹ng: Sx = σ l = σX l + τxym + τxz n Sy = σ m = τyx.l + σy m + τyz.n (4.22) Sz = σ n = τzx l + τzy.m + σz n ChuyÓn vế ta đợc: (X-) l + xym + xz.n = τyx.l + (σy-σ).m + τyz.n = (4.23) τzx l + τzy.m + (σz-σ) n = 125 §Ĩ phơng trình có nghiệm, định thức hệ số phải không, có nghĩa l : x τ xy τ xz τ yx σ y −σ τ yz =0 τ zx τ zy σ y −σ (4.24) Triển khai định thức đợc phơng trình bậc ba ®èi víi σ σ3 - I1σ2- I2σ - I3 = (4.25) đó: I1, I2, I3 - bÊt biÕn thø nhÊt, thø v thø cña tenxơ ứng suất Nghiệm hệ phơng trình l giá trị ứng suất pháp 1, σ2, σ3 I1 = σx + σy + σz = const I2 = σx σy + σy σz + σz σx - τzx2 - τyz2 - τzx2 = const (4.26) I3 = σx σy σz + τxyτyzτzx - σx τyz2 - σy τzx2 - σzτxy2 = const BÊt biÕn thø cã thÓ viÕt : σ x  I = τ yx τ zx  τ xy τ xz   σ y τ yz  τ zy σ z   BÊt biÕn thø cã thÓ viÕt: σ x I2 =  τ yx τ xy   σ x τ xz   σ y τ yz  + + σ y  τ zx σ z  τ zy σ z    Các bất biến tenxơ ứng suất có ý nghĩa lớn, chúng đặc trng cho trạng thái ứng suất không phụ thuộc v o hệ toạ độ biểu diễn Các bất biến l đặc trng trạng thái ứng suất, nhng chứng minh trạng thái ứng suất mang thuộc tính tenxơ Trên đ chứng minh, trạng thái ứng suất điểm đợc biểu diễn mặt elip cầu, với trục l 1, 2, Các giá trị ứng suất thay đổi theo thay đổi côsin phơng ứng suất Trong đó, ứng suất l không 126 ... 3.7 Sự phân bố không ứng suất v biến dạng Trong biến dạng dẻo kim loại, có tợng biến dạng không đều, từ l m tổ chức kim loại không v tính vật liệu không Biến dạng không trạng thái ứng suất: Ta... Sau kim loại biến dạng, tính không đồng biến dạng giảm, bề mặt vật biến dạng mang hình dụng cụ, nên ảnh hởng giảm Th nh phần hoá học vật liệu biến dạng, trình công nghệ gia công (đúc, xử lý bề... Hình 3.16 Các dạng tang trống chồn kim loại biến dạng khác nhau, dễ gây ứng suất d Lợng biến dạng tăng l m tăng độ biến dạng không Ta lấy hệ số phình tang trống để đánh giá b Biến dạng không bề