vat-lieu-hoc

1. Chương 2
Cơ tính vật liệu kim loại

2. - Biến dạng dẻo là hình thức gia công kim loại không phoi rất phổ biến
như: cán, rèn, dập, kéo, ép chảy,...
- Tìm hiểu các ứng xử của vật liệu kim loại dưới tác dụng của ngoại lực:
+ Khảo sát sự biến đổi cấu trúc mạng tinh thể của kim loại và hợp kim.
+ Các tính chất của kim loại và hợp kim biến đổi?

3. Nội dung
2.1 Biến dạng dẻo
2.1.1. Khái niệm.
2.1.2. Trượt đơn tinh thể
2.1.3. Trượt đa tinh thể
2.2 Phá hủy
2.3 Các đặc trưng cơ tính thông thường
và ý nghĩa
2.4 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo
3

4. 2.1.1 Khái niệm
Các trạng thái ứng suất
Ư/S kéo Ư/S nén Ư/S tiếp Ư/S xoắn
4
Ứng suất: σ = F/A
[ N/m2] hoặc [kG/mm2 ]
1 kG/mm2 = 107 N/m2 = 107 Pa = 10 MPa

5. F
Giản đồ ứng suất-biến dạng
F
5
2.1.1 Khái niệm
Thí nghiệm thử kéo

6. Giản đồ ứng suất – biến dạng
Bản chất các quá trình này là gì?
• σ ≤ σđh
• ε = 0, σ = E.ε
• Do σtiếp và σpháp
• Là biến dạng khi bỏ lực tác dụng,
chi tiết trở về trạng thái ban đầu
• σ ≥ σch
• ε ≠ 0
• Do σtiếp
• Là biến dạng khi bỏ lực tác dụng,
chi tiết tồn tại biến dạng dư
• σ ≥ σb
• Biến dạng cục bộ (hình thành nút thắt)
• Phá hủy ở điểm d
6
Biến dạng đàn hồi (đoạn Oa):
Biến dạng dẻo (đoạn abc):
Phá hủy (đoạn cd):
Giản đồ ứng suất – biến dạng (stress-
strain) của Vật liệu kim loại điển hình
d
c
b
a
O
Ứng suất, σ
σđh
σch
σb
Độ biến dạng, ε
Lực tác dụng, F
Độ giãn dài, ∆l
o
l
l



o
F
A
 

7. d
c
b
a
O
Ứng suất, σ
σđh
σch
σb
Biến dạng, ε
 Biến dạng đàn hồi (Oa):
Sự xê dịch đàn hồi của các
nguyên tử khỏi vị trí cân
bằng (nhỏ hơn thông số
mạng → liên kết chưa bị phá
vỡ)
 Biến dạng dẻo (abc):
Sự dịch chuyển của các
nguyên tử lớn hơn một
thông số mạng → liên kết
ban đầu bị phá vỡ và lập lại
liên kết với các nguyên tử
lân cận mới.
 Phá hủy (cd):
Liên kết của các nguyên tử bị
cắt rời
Hiện tượng gì xảy ra
trong biến dạng dẻo?
7
Giản đồ ứng suất – biến dạng

8. εdư
2.1.2 Sự trượt trong đơn tinh thể
Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử
lớn nhất.
8
Hệ trượt τ
σ τ
τ
τ
τ
τ
Mặt trượt
Phương trượt
Hệ trượt
σ σ
Trượt: sự xê dịch của các phần tinh thể mà
không làm thay đổi cấu trúc tinh thể
→ trượt gây ra Biến Dạng Dẻo
Mặt trượt: mặt (tưởng tượng) phân cách
giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà
tại đó xảy ra hiện tượng trượt
2 đặc điểm của mặt trượt:
- Phải là mặt xếp xít chặt nhất
- Khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt phải là lớn nhất

9. Kim loại có kiểu mạng A1: Au, Ag, Cu, Al, Feγ ……
Họ mặt {111}: Có 4 mặt riêng biệt
Họ phương <110>: 3 phương riêng biệt
Có 12 hệ trượt {111} x <110>
9
Hệ trượt trong mạng A1

10. Kim loại có kiểu mạng A2: V, Cr, W, Mo, Feα ……
Họ mặt {110} : Có 6 mặt riêng biệt
Họ phương <111> : 2 phương riêng biệt
Có 12 hệ trượt {110} x <111>
10
Hệ trượt trong mạng A2

11.  Kim loại có kiểu mạng A3: Zn, Mg, Zr ……
Họ mặt {0001} : Có 1 mặt riêng biệt
Họ phương <1120> : 3 phương riêng biệt
Có 3 hệ trượt {0001} x <1120>
11
Hệ trượt trong mạng A3

12. Kiểu mạng
Số mặt trượt {111} 4 {110} 6 {0001} 1
Số phương trượt <110> 3 <111> 2
Số hệ trượt 12 12 3
Kim loại Feγ, Al, Cu, Au Feα, Cr, W, V Tiα, Zn, Mg, Be
• Khả năng biến dạng dẻo tỷ lệ thuận Số hệ trượt chính
Nhật xét
12
A1 (lftm) > A2 (lftk) > A3 (spxc)
• Trong cùng hệ tinh thể (hệ lập phương): kiểu mạng nào có
nhiều phương trượt hơn sẽ dễ biến dạng dẻo hơn

13. • Biến dạng dẻo do trượt
• Sự trượt xảy ra trên hệ trượt
• Kim loại có nhiều hệ trượt thì dễ biến dạng
– Các kim loại có kiểu mạng A1, A2 dễ biến dạng
– Các kim loại kiểu mạng A3 khó biến dạng
• Kim loại có k/m A1 dễ biến dạng nhất, vì:
– Trên một mặt trượt có nhiều phương trượt hơn
– Mật độ xếp nguyên tử cao hơn
– Hệ trượt phụ nhiều hơn (Mv cao hơn)
13
Nhận xét

14. 0
0
S
F


0 cos cos
τ σ . .
 

Ứng suất gây trượt – Định lý Schmidth
Định lý Schmidth
Ý nghĩa của định lý này là gì?
F
Pháp tuyến
với mặt
trượt
Mặt
trượt
S0
σ
σ0
Phương
trượt
τ
ϕ
S
λ
Ư/s pháp
Ư/s tiếp
cosФ.cosλ : thừa số Schmidth
truot
truot
F
s
 
cos
o
truot
S
S


.cos
truot
F F 

Ftruot
Fpháp

15. Trượt xẩy ra khi :  = 0 .cosϕ.cosλ≥ th
th (ứng suất trượt tới hạn) = const cho mỗi kim loại
λ =90o ϕ =90o
λ = ϕ = 45o
15
Ứng suất gây trượt – Định lý Schmidth
Không xảy ra trượt Xảy ra trượt
τ = τmin = 0 τ = τmax = 0,5σo

16.  Ứng suất trượt tác dụng lên
các hệ trượt khác nhau là khác
nhau
 Hệ trượt có định hướng (Ф, λ)
thuận lợi sẽ trượt trước, sau đó
đến hệ ít thuận lợi hơn
 Vật liệu có nhiều hệ trượt →
xác suất để có hệ trượt thuận lợi
cao hơn → dễ biến dạng dẻo
hơn
 = 0 .cosϕ.cosλ ≥ th
Ý nghĩa của Định lý Schmidth
16
F
Mặt
trượt
S0
σ
σ
0 Phương
trượt
τ
ϕ
S
λ
Ư/s
tiếp

17.  Cơ chế trượt cứng
Thực tế: th~ G/(8.1038.104)
Trượt xẩy ra do lệch chuyển động
 Cơ chế trượt nối tiếp
17
Cơ chế trượt
Khi mạng tinh thể lý tưởng (không có lệch)
th~ G/2 G: môđun trượt [MPa]
τ
τ
τ
τ
εdư

18. Biến dạng dẻo ↔ lệch chuyển động trên các hệ trượt
Hóa bền = ?
th (lý thuyết) ~ G/2 > th (Thực tế) ~ G/(8.1038.104)
Biến dạng dẻo ↔ trượt
Trượt ↔ lệch chuyển động trên các hệ trượt
Mọi cản trở chuyển động của lệch đều tăng bền cho vật liệu
18
Lý thuyết hóa bền
Tiềm năng của vật liệu
Cản trở chuyển động của lệch

19. Các hạt biến dạng không đều:
do định hướng các hạt không giống
nhau, hạt BD trước, hạt BD sau
Có tính đẳng hướng: do định
hướng ngẫu nhiên → kết quả theo
mọi phương là như nhau
 Có độ bền cao hơn: vai trò của
biên hạt
Hạt càng nhỏ, độ bền, độ dẻo
càng cao: hạt nhỏ → xác suất định
hướng thuật lợi với lực tác dụng cao
hơn; hạt nhỏ → biên hạt nhiều
2.1.3 Sự trượt của đa tinh thể
Đa tinh thể ≈ (đơn tinh thể)n
Thực tế, biến dạng dẻo của vật liệu luôn là
trượt của đa tinh thể
Vai trò của biên hạt trong cản trở
lệch chuyển động
19

20. Nội dung
2.1 Biến dạng dẻo
2.2 Phá hủy
2.2.1 Khái niệm
2.2.2 Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
2.2.3 Phá hủy trong điều kiện tải trọng theo chu kỳ
2.2.4 Phá hủy mỏi
2.3 Các chỉ tiêu cơ tính
2.4 Kết tinh lại
20

21. Phá hủy do đứt, gãy, vỡ… → Không khắc phục được và nguy hiểm
Đặc điểm chung:
→ Hình thành vết nứt tế vi
→ Phát triển vết nứt tế vi
→ Tách rời
Tải trọng tĩnh: Khi ứng suất σ > [σb ]
21
2.2.1Khái niệm
d
c
b
a
O
Ứng suất, σ
σđh
σch
σb
Biến dạng, ε
Tải trọng theo chu kỳ: có thể bị phá
hủy với σ < [σđh ]

22. 2.2.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh
+ σch < σb
+ ε ≠ 0; ΔS ≠ 0;
+ Thời gian phá hủy dài
→ cần E lớn
→ nhận biết trước
+ σch > σb
+ ε = 0; ΔS = 0;
+ Thời gian phá hủy ngắn
→ Cần E nhỏ
→ không nhận biết trước
Các yếu tố ảnh hưởng:
+ Bản chất vật liệu: Thép – phá hủy dẻo; Gang – phá hủy giòn
+ Nhiệt độ
+ Tốc độ biến dạng (tốc độ đặt tải)
+ Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt tập trung ứng suất -> phá hủy giòn
22
Phá hủy dẻo Phá hủy giòn

23. Cơ chế phá hủy
Sợi
Vết
cắt
1 2 3 4 5
1. Hình thành cổ thắt (biến dạng dẻo cục bộ) – nếu là vật phá hủy dẻo
2. Xuất hiện vết nứt tế vi
3. Các vết nứt tế vi tích tụ, phát triển đến kích thước tới hạn
4. Vết nứt trên tới hạn phát triển nhanh
5. Phá huỷ vật liệu
23
2.2.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

24. Vết nứt tế vi từ đâu?
Tồn tại sẵn có trong vật liệu:
Các rỗ khí, bọt khí (đúc)
Các pha mềm trong vật liệu
24
Sự chuyển động và tích tụ
lệch trước các cản trở.
Sinh ra trong quá trình công nghệ:
Gia công biến dạng dẻo
F
F
Xử lý nhiệt
2.2.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

25. 25
Sự tập trung ứng suất ở đầu vết nứt:
2
m o t o
t
a
K
  

 
Kt : Hệ số tập trung ứng suất
t = Bán kính cong ở đầu vết nứt
o = Ứng suất phá tác dụng
m = Ứng suất ở đầu vết nứt
Ứng
suất
Vị trí dọc theo mặt cắt X_X’
σo
σm
x x’
2.2.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

26. Khi nào vết nứt tế vi phát triển?
m ≥ c
Phá hủy
Ic
c
K
Y a



KIC = K1C: Độ dai phá hủy phẳng, [𝑀𝑃𝑎 𝑚]
(biểu thị sức bền chống phá hủy giòn của vật liệu khi có sẵn nứt)
a: ½ chiều dài vết nứt kín, [m]
Y: Hệ số kích thước
Y = 1

a
a
Y = 1.1
Mẫu phẳng, chịu
ứng suất tác dụng
vuông góc với vết
nứt, kích thước vết
nứt nhỏ so với
chiều rộng của
mẫu
26
2.2.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

27. • Nếu ứng suất tập trung tại đầu vết
nứt đủ lớn:
• Vết nứt đủ lớn, có ứng suất tập trung tại
đầu vết nứt lớn nhất sẽ phát triển trước
Trường hợp 1: Kích thước vết nứt
lớn nhất quyết định ứng suất tác dụng
1
max
c
tk
K
Y a



tk
amax
Không phá hủy
Phá hủy
Trường hợp 2: Ứng suất tác
dụng quyết định kích thước vết
nứt cho phép
2
1
max
1 c
tk
K
a
Y
 
 
  
 
amax
tk
Phá hủy
27
Vết nứt phát triển
m ≥ c
Ic
c
K
Y a



Để vết nứt không phát triển
Không phá hủy
2.2.2 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

28. Đặc điểm:
 Chi tiết làm việc dưới tải trọng không lớn ( << σch ) và thay đổi theo
chu kỳ → Phá hủy mỏi sau một thời gian dài (> 105 – 106 chu kỳ)
 Mặt gãy gồm 3 vùng rõ nét:
1 – vùng sinh vết nứt: nứt đầu tiên xuất hiện, sát bề mặt (mầm)
2 – vùng phát triển vết nứt mỏi: nứt phát triển chậm, nhẵn phẳng, có dải phân
cách (vùng mỏi)
3 - vùng gãy tức thời: có tiết diện nhỏ nên ứng suất lớn.
Sự khác nhau ở phá hủy mỏi trong vật liệu dẻo và vật liệu giòn là
diện tích vùng thứ 2
28
1
2
3
Vật liệu dẻo
Vật liệu giòn
1
2
3
2.2.3 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng theo chu kỳ
- Phá hủy mỏi

29. Vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt:
Vêt nứt có sẵn: gia công bề mặt, quá trình xử lý nhiệt
Do các bậc lệch thoát ra bề mặt (nơi chịu ưs kéo lớn nhất) sau
nhiều chu kỳ làm việc
29
Cơ chế: Vết nứt tế vi xuất hiện
Phát triển vết nứt
Phá hủy tức thời
2.2.3 Phá huỷ trong điều kiện tải trọng theo chu kỳ
- Phá hủy mỏi
Nửa CK đầu: lệch thoát ra bề mặt → bậc thang
Nửa CK sau: lệch chuyển động ngược lại → mất bậc thang
Sau nhiều CK, lệch không trở lại vị trí ban đầu → vết lõm ( vết nứt tế vi)
Thể hiện rõ trên mặt gãy
Tăng độ bền mỏi????