49 Chương 2 biến dạng dẻo và cơ tí nh 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 phẩm đ ược 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 đ ược 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 đ ược 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 niệm Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫ u kim loại tròn, dà i ta được biểu 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 đ ược 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 < F đh , 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 đ ược gọi là biế n dạng đàn hồi. Ví dụ, dưới tả i trọng F 1 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. 50 - Khi tả i trọng đặt và o lớn, F > F đh , 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 đ ược gọi là biế n dạng dẻ o. Ví dụ, khi đặt tả i trọng F a mẫ u bị kéo dà i theo đ ường Oea tức bị dà i thêm đoạn Oa'', nhưng khi bỏ tả i trọng mẫ u bị co lại theo đ ường 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 F b , 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 đ ược bả o tồn, còn khi phá hủy cá c liên kế t bị hủy hoại dẫ n đến đứt rời. Biế n dạng dẻ o thường xả y ra bằ ng cá ch trượt (đôi khi xả y ra bằ ng song tinh), ở đâ y chỉ giới hạn khả o sá t biế n dạng dẻ o dưới hì nh thức nà y. Để khả o sá t biế n dạng dẻ o chúng ta sẽ bắt đầ u từ dạng đơn giả n nhấ t (tuy hầ u như không gặp trong thực tế ) là trượt của đơn tinh thể rồi mở rộng ra cho dạng thực tế nhưng phức tạp hơn là cho đa tinh thể . 2.1.2. Trượt đơn tinh thể Trượt là sự chuyể n dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt như được biểu diễn ở hì nh 2.3. a. Các mặt và phương trượt Khi hai mặt nguyên tử dịch chuyể n tương đối với nhau, liên kế t giữa cá c 51 nguyên tử đối diệ n nhau sẽ bị đứt đi, trong khi đó mối liên kế t giữa các nguyên tử cạnh nhau trong mỗi mặt vẫ n đ ược bả o toà n. Để thỏa m n điều kiện đó, các 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 mặt nguyên tử dày đặc nhất mà theo đó sự trượt xảy ra. Cũng lý luậ n tương tự, khi trượt cá c phầ n của tinh thể sẽ dịch chuyể n tương đối với nhau theo các 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 đ ược trì nh bà y ở hì nh 2.4. Hì nh 2.3. Sơ đồ biểu diễn sự trượt: a.hì nh dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể trước khi trượt, b. hì nh dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể sau khi trượt. Hì nh 2.4. Các mặt và phương trượt cơ bản của kim loại: a. lập phương tâm khối, b. lập phương tâm mặt, c. lục giác xếp chặt. 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 hợp giữa một mặt trượt và một phương trượt trên nó, đ ược gọi là hệ trượt. Như vậ y mạng A2 có 12 (6 mặt x 2 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau. ở mạng lậ p phương tâ m mặt (A1) cá c mặt dà y đặc nhấ t là họ mặt {111} là mặt chéo tạo bởi ba đ ường chéo của ba mặt bên có chung một đỉnh. Tấ t cả có bốn mặt như vậ y. Trên mỗi mặt có ba phương dà y đặc nhấ t là đ ường chéo thuộc họ <110> kể trên. Như vậ y mạng A1 cũng có 12 (4 mặt x 3 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau. 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 52 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, Fe (A2) còn có thể trượt trên cá c hệ : mặt {211} hay {321} với cùng phương <111>; Mg, Ti (A3): {10 10} hay {11 2 0} 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 hơ n 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. ứ ng 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 và phương trượt đ cho góc . Nế u mặt cắt ngang của tinh thể có diệ n tí ch S 0 thì mặt trượt S có diệ n tí ch S 0 /cos và ứng suấ t tiế p trên phương trượt là = S F cos = S F o cos cos, trong đó: - F / S 0 là ứng suấ t quy ước 0 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 = 0 cos cos Hì nh 2.5. Trượt trong đơn tinh thể: 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 l à định luật Schmid. Khi có độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn nhấ t định th (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 phụ thuộc và o cos cos được gọi là thừa số Schmid. Nói chung ( + ) 90 o , trường hợp = 90 o hay = 90 o tức ngoại lực 53 song với mặt trượt hay vuông góc với phương trượt thì = 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 max = 0,5ơ 0 khi = = 45 o . ứng suấ t tiế p tá c dụng trên cá c hệ trượt khá c nhau cũng khá c nhau. Nế u lớn hơn một giá tri t.h nào 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: , gầ n 45 o nhấ t, tại đó giá trị tới hạn của ứng suấ t tiế p đạt đ ược 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 lợi hơn. 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 đ ường trượt mà nhiều đ ường 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 t.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 t.h 2 G , trong đó G là môđun trượt). Với mô hì nh như vậ y sự trượt là trượt cứng, t.h tương ứng đ ược gọi là độ bền lý thuyế t. Trong mạng tinh thể thực tế , tức có chứa lệ ch, sự trượt sẽ xảy 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 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 đ ược 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 đ ược 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 t.h 43 10.810.8 G . Với mô hì nh như vậ y sự trượt có tí nh nối tiế p, t.h tương ứng đ ược 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. 54 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 đ ược bao nhiêu là do tồn tại lệ ch và các khuyế t tật mạng mà khoa học chưa tì m đ ược 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). 2.1.3. Trượt đa tinh thể Trong thực tế , biế n dạng dẻ o luôn luôn là trượt đa tinh thể . a. Các đặc điểm Tuy đa tinh thể gồm bởi nhiều tinh thể (hạt) song không thể xem sự trượt của nó là tổng đơn thuầ n của sự trượt của từng tinh thể hay hạt trong nó. Từ những đặc điể m về cấ u trúc đ trì nh bà y ở 1.4.1 có thể thấ y trượt đa tinh thể có những đặc điể m sau. 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 đ ược là kế t quả thử tổng hợp theo mọi phương của cá c hạt. 3) Có độ bền cao hơn. Cá c hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua 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 đ ộ 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 ch (hay 0,2 ) và kí ch thước (đ ường kí nh) hạt d đ ược mô tả 55 bằ ng biể u thức Hall - Petch như sau: ch = o + d k trong đó: o - 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 đ ộ 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 đ ổi rấ t mạnh tổ chức, tí nh chấ t đặc biệ t là cơ tí nh của vậ t liệ u cũng như kim loại. 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 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 thường đ ược tí nh bằ ng độ giả m của tiế t diệ n phôi khi biế n dạng dẻ o theo công thức = %100 S SS o fo , trong đó S o và S f là tiế t diệ n phôi trước và sau khi biế n dạng dẻ o). Khi độ biế n dạng rấ t lớn (70 ữ 90%, í t gặp) cá c hạt bị quay đế n mức cá c mặt và phương mạng cùng chỉ số của chúng trở nên song song với nhau (hì nh 2.7), tạo nên cấ u trúc đ ược gọi là textua (texture) đ dược trì nh bà y ở mục 1.6.3 và hì nh 1.20. Khi kim loại có textua nó sẽ có tí nh dị hướng. Hiệ n tượng nà y đ ược áp dụng khá rộng r i cho thép kỹ thuậ t điệ n để là m giả m tổn thấ t từ trong cá c biến thế. Textua tạo nên trong trường hợp nà y đ ược gọi là textua biế n dạng. Ví dụ khi cá n: - cá c mặt {123} và {110} của A1, {100} hoặc {110} của A2, {0001} của A3 định hướng lại song song với mặt phẳng cá n; - cá c phương < 412 > và < 211 > của A1, < 100 > của A2, < 10 10 > của A3 định hướng lại song song với phương cá n. 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, 56 - tăng độ bền song trong đó giới hạn đàn hồi đh và giới hạn chảy 0,2 tăng mạnh hơn, tức có xu hướng biế n cứng, hóa bền , nhưng lại làm giảm dộ dẻ o và độ dai, tức có xu hướng biế n giòn. 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 >. Hiệ n tượng này còn đ ược gọi là hóa bền biế n dạng (để phân biệt với 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 đ ược 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 đh và 0,2 đạt gầ n tới b , song lúc đó độ dẻ o () 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 đ ược 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 đ ưa 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). 57 Ngoà i là m thay đổi cơ tí nh, biế n dạng dẻ o cũng là m thay đổi lý, hóa tí nh trong đó đá ng chú ý là : - là m tă ng điệ n trở (do vậ y đối với vậ t liệ u dẫ n điệ n như dâ y đồng, nhôm phả i trá nh dùng ở trạng thá i biế n cứng), - là m giả m mạnh tí nh chống ă n mòn. 2.1.4. Phá hủy 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 đ ược, 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 nhữ ng 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 đ ược 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 58 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 ! (b) đến phá hủy giòn và dẻo. ( ! 1 < ! 2 < ! 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 T o b.gi - đ ược gọi là nhiệ t độ biế n giòn - giới hạn chả y 0,2 bằ ng giới hạn bền b và độ gi n dà i gầ n như bằ ng không. Khi thử ở thấ p hơn nhiệ t độ nà y b < 0,2 nên tả i trọng tá c dụng đạt đế n b trước, gâ y nên phá hủy trước khi đạt đế n 0,2 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 đ ược coi là giòn là loại có nhiệ t độ biế n giòn ở khoả ng nhiệ t độ thường, vậ t liệ u đ ược 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 b giả m mạnh, là m vậ t liệ u có xu hướng phá hủy giòn. Cơ chế phá hủy Người ta cho rằ ng sự phá hủy cũng theo cơ chế tạo mầ m nứt và mầ m nứt phá t triể n dẫ n đế n tá ch rời, tuầ n tự theo nă m giai đoạn sau: 1) hì nh thành vế t nứt (tế vi), 2) vế t nứt tế vi phát triể n đế n kí ch thước dưới tới hạn, [...]... vùng 3 (vùng g y) có hì nh dạng đ ặc trưng như phá hủy giòn hoặc dẻ o đ trì nh bà y 2.2 Các đặc trưng cơ tí nh thô ng thường và ý nghĩ a Cơ tí nh của vậ t liệ u được biể u thị bằ ng cá c đ ặc trưng cơ học, chúng cho biế t khả nă ng chịu tả i của vậ t liệ u trong cá c đ iều kiệ n tươ ng ứng, là cơ sở của cá c tí nh toá n sức bền, khả nă ng sử dụ ng và o một mục đí ch nhấ t định và để so sá nh cá c loại... trị 109 ữ 1012cm-2 Hì nh 2.16 Sự phụ thuộc của giới hạn bền vào mật độ lệch: 1 độ bền lý thuyết, 2 đơn tinh thể dạng sợi (râu), 3 kim loại nguyên chất, ủ, 4 hợp kim, biến dạng, nhiệt luyện c Các biệ n pháp hóa bền vật liệ u Biế n dạng dẻ o Nhờ á p dụng cá c cô ng nghệ biế n dạng dẻ o, ngoà i có thể tạo nên cá c bá n thà nh phẩ m có hì nh dạng và kí ch thước theo ý muốn, còn là m cho vậ t liệ u trở nên... vậ t mỏng, + thiế t bị thử nhỏ gọ n và rẻ hơn Chí nh vì vậ y đo độ cứng là việ c là m thường xuyên của sả n xuấ t cơ khí và cả trong nghiên cứu Có hai loại độ cứng: thô đ ại và tế vi Nói chung đ ộ cứng thường dù ng đ ều là độ cứng thô đại vì mũi đâ m và tả i trọng đủ lớn để là m biế n dạng nhiều hạt và pha, nên giá trị đ o được phả n á nh khả nă ng chống lại biế n dạng dẻ o của tậ p hợ p cá c hạt, pha... p tốt - Hì nh dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơ n khi hạt có dạng tấ m, hì nh kim - Số lượ ng, hì nh dạng, kí ch thước và sự phâ n bố của cá c pha giòn; chúng có số lượ ng cà ng nhiều, kí ch thước cà ng lớn, có dạng tấ m hay lưới liên tục, phâ n bố cà ng không đ ồng đ ều cà ng là m giả m độ dai va đậ p Độ dai va đậ p là chỉ tiêu cơ tí nh có tí nh chấ t định tí nh, khô ng được đưa và o cá c cô... đ ịnh hiệ u thế nă ng của con lắc trước và sau một hà nh trì nh rơi (hì nh 2.18) Hì nh 2.17 Các dạng biểu đồ kéo và công phá hủy Mẫ u thử đ ộ dai va đ ậ p có tiế t diệ n 10x10mm dà i 55mm (mẫ u Charpy) và 75mm (Izod) với r nh khí a hì nh chữ U hay chữ V (đ ể tạo yế u tố tậ p trung ứng suấ t) ở một mặt bên thường là rộng 2mm và sâ u 2mm (cầ n nhớ là hì nh dạng và đ ộ sâ u r nh có ả nh hưởng lớn đ ế n... biến đổi của tổ chức và cơ tí nh của kim loại đã qua biến dạng dẻo khi bị nung nóng - Nhiệ t đ ộ ủ Nhiệ t đ ộ ủ cà ng cao tốc đ ộ tạo mầ m và phá t triể n mầ m đều tă ng nhưng tốc độ phá t triể n tă ng nhanh hơ n nên hạt to lên - Thời gian giữ nhiệ t Thời gian giữ nhiệ t tại nhiệ t độ ủ cà ng dà i cà ng có đ iều kiệ n cho hạt phá t triể n nên hạt cà ng lớn Trong thực tế thư ờng biế n dạng với lư ợng ép... xảy ra H y xét cá c quá trì nh xả y ra khi biế n dạng nóng và ả nh hưởng của chúng đế n cơ tí nh Khi biế n dạng nóng bao giờ cũng có hai quá trì nh đối lậ p nhau xả y ra: - biế n dạng dẻ o là m xô lệ ch mạng tạo nên hó a bền, biế n cứng, nhưng sau đó là - kế t tinh lại là m mấ t xô lệ ch mạng gâ y ra thả i bền, giả m đ ộ cứng Cho nên sau biế n dạng nóng cơ tí nh kim loại sẽ thay đ ổi theo chiều hư ớng... 2.20 Hì nh 2.19 Mẫu thử độ dai phá hủy Hì nh 2.20 Biểu đồ kéo khi thử độ dai biến dạng phẳng trước (a) và sau (b) khi thử phá hủy biến dạng phẳng Để tí nh KIC trước tiên phả i tí nh giá trị KQ như sau: - xá c đ ịnh tả i trọng FQ là tả i trọ ng tương ứng với thời đ iể m vế t nứt bắt đ ầ u phá t triể n không ổn đ ịnh (nhanh và tự nhiên) theo cá c bư ớc sau đ â y: + kẻ đư ờng thẳng mới qua qua gốc tọa... đ ều và ổn định khi biế n dạng, đ â y là yế u tố quan trọ ng nhấ t, - biế n dạng ở nhiệ t độ cao cỡ (0,6 ữ 0,85) Tso, - tốc đ ộ biế n dạng cỡ 10-4 ữ 10-3 s-1 (tức 0,01 ữ 0,1%/s) ở trạng thá i siêu dẻ o sự trư ợt xả y ra chủ yế u theo biên hạt (hầ u như không theo cơ chế chuyể n dời lệ ch trong hạt như thông thư ờng) 2.2.3 Độ dai va đậ p Rấ t nhiều chi tiế t má y là m việ c dưới tả i trọ ng đ ặt và o... 0 thường Tổ chức tế vi và đ ộ hạt Sau kế t tinh lại đượ c cá c hạt mới đa cạnh, đ ẳng trục, mấ t hẳn dạng hạt méo, kéo dà i; song điều cầ n bà n ở đ â y là đ ộ hạt, vì như đ biế t nó có ả nh hưở ng lớn đế n cơ tí nh (hạt cà ng nhỏ cà ng tốt) Ngư ời ta nhậ n thấ y sau kế t tinh lại đ ộ hạt phụ thuộc chủ yế u và o ba yế u tố sau - Mức độ biế n dạng Nó i chung kim loại bị biế n dạng dẻ o cà ng mạnh, sau . 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. 49 Chương 2 biến dạng dẻo và cơ tí nh 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