Bài giảng Vật liệu học: Chương 2 - ThS. Hoàng Văn Vương

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật liệu học: Chương 2 Biến dạng dẻo và cơ tính, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Biến dạng dẻo và phá hủy; Các đặc trưng cơ tính; Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu học: Chương 2 - ThS. Hoàng Văn Vương

Chương 2. Biến dạng dẻo và cơ tính 2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo 20-June-12 Chương 2. Biến dạng dẻo và cơ tính 2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy 2.1.1 Khái niệm - Biến dạng: Sự thay đổi kích thước, hình dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng - Biến dạng đàn hồi: Biến dạng mất đi khi bỏ tải P < đh - Biến dạng dẻo: Biến dạng còn tồn tại khi bỏ tải P > đh 20-June-12 2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy Tải trọng F Fb b Fa a c Fđh e 0 a1 a2 Độ dãn dài l Biểu đồ tải trọng – biến dạng 20-June-12 1
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy a) Ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng b) Biến dạng dàn hối: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi hẹp nhỏ hơn hằng số mạng, có thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải c) Biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi lơn hơn hằng số mạng (trượt), không thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải d) Phả hủy: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Khái niệm: Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phương nhất định được gọi là phương trượt và mặt trượt. Mặt trượt Phương trượt Hiện tượng trượt trong đơn Trượt trong đơn 20-June-12 tinh thể tinh thể Zn 2.1.2 Trượt đơn tinh thể a) Các mặt và phương trượt Mặt trượt: Mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất tại đó xảy ra hiện tượng trượt Mặt dày đặc nhất? Điều kiện: - Liên kết giữa các nguyên tử bề vững nhất - Khoảng cách giữa hai mặt là lớn nhất Phương trượt: Phương có mật độ nguyên tử lớn nhất Hệ trượt: sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt 20-June-12 2
2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt trong mạng A1 Họ mặt trượt: {111}, số lượng: 4 Họ phương trượt , số lượng: 3 Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt trong mạng A2 Họ mặt trượt: {110}: 6 Họ phương trượt : 2 Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể Hệ trượt trong mạng A3 Mặt xếp chặt nhất: {0001}: 1 Họ phương xếp chặt nhất  1120  : 3 Hệ20-June-12 trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 3 3
Kiểu mạng Họ mặt {111} (4) {110} (6) {0001} (1) trượt Họ phương (3) (2)  1120  (3) trượt Hệ trượt 12 12 3 Kim loại Fe, Ai, Cu, Au Fe, Cr, W, V Ti, Zn, Mg, Be 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể b) Ứng suất gây ra trượt Định luật Schmid: ứng suất tác dụng s s’  Phương trượt  Mặt trượt t Diện tích mặt trượt: S=S0/cos Ứng suất tiếp trên phương trượt: S0  = (F/S)cos = (F/S0)coscos   = 0 coscos 20-June-12 2.1.2 Trượt đơn tinh thể b) Ứng suất gây ra trượt Định luật Schmid:  = 0coscos  th Không xảy Dễ xảy ra Không xảy ra trượt trượt ra trượt 20-June-12 4
2.1.2 Trượt đơn tinh thể c) Cơ chế trượt Lý thuyết: th = G/2. Thực tế: th = G/(8.102  8.104) G: mođun trượt 20-June-12 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Đặc điểm - Các hạt bị biến dạng không đều - Có tính đẳng hướng - Có độ bền cao hơn - Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo càng cao Biểu thức Hall-Petch ch = 0 + kd-1/2 ch: ứng suất chảy d: kích thước hạt 0: ứng suất cho lệch chuyển động d   k: hằng số 20-June-12 2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Tổ chức và tính chất sau biến dạng Tổ chức: - Các hạt có xu hướng dài ra theo phương biến dạng -  = 30-40%: các hạt sẽ bị chia nhỏ và kéo dài theo thớ -  = 70-90%: các hạt bị quay, các phương mạng cùng chỉ số song song, tạo tổ chức textua biến dạng 20-June-12 5
2.1.3 Trượt đa tinh thể a) Tổ chức và tính chất sau biến dạng Tính chất: - Hạt tinh thể bị kéo dài theo phương biến dạng: có tính dị hướng - Ứng suất lớn do 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 năng chống ăn mòn giảm 20-June-12 2.1.4 Phá hủy  Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khắc phục được  thiệt hại về kinh tế, con người….. cần phải có biện pháp khắc phục Đặc điểm chung: hình thành các vết nứt tế vi phát triển vết nứt  tách rời  phá huỷ 20-June-12 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh - Phá hủy dẻo: kèm theo biến dạng dẻo đáng kể + phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng  công phá hủy lớn - Phá hủy giòn: kèm theo biến dạng không đáng kể + phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ  công phá hủy nhỏ hơn Phá hủy dẻo Phá hủy giòn 20-June-12 6
2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh Phá hủy giòn hay dẻo - Bản chất của 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 có thể cắt ngang các hạt hay theo biên giới hạt 20-June-12 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh Cơ chế phá hủy Vết Sợi cắt 1 2 3 4 5 1. Xuất hiện các vết nứt tế vi 2. Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước tới hạn 3. Các vết nứt tế vi phát triển đến kích thước lớn hơn giá trị tới hạn 4. Các vết nứt tế vi phát triển nhanh 5. Phá huỷ vật liệu 20-June-12 2.1.4 Phá hủy a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh Vết nứt tế vi - mầm phá hủy VL: - Vết nứt khi kết tinh, nguội nhanh - Các rỗ khí, bọt khí trong vật đúc - Từ các pha có độ bền thấp trong vật liệu - Hình thành trong quá trình biến dạng do tập hợp nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai, biên hạt…) 20-June-12 7
2.1.4 Phá hủy b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ Đặc điểm: - Vật liệu chịu tải trọng không lớn (
2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.1 Độ bền (tĩnh) - Phương pháp thử kéo, nén, uốn - Đơn vị 1kG/mm2  10MPa, 1MPa  0,1 kG/mm2, 1MPa  0,145 ksi, 1ksi  0,703kG/mm2, 1kG/mm2  1,45 ksi, 1ksi  6,9MPa. F  [ MPa ] S - Giới hạn đàn hồi:  đh - Giới hạn đàn hồi quy ước:  0,01,  0,05 - Giới hạn chảy vật lý:  ch - Giới hạn chảy quy ước:  0,2 - Giới hạn bền:  b 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.1 Độ bền (tĩnh) a) Giới hạn đàn hồi: đh Là ứng suất lớn nhất, sau khi bỏ tải không làm mẫu bị thay đổi hình dạng và kích thước Fđh Fđh: lực kéo lớn nhất không gây biến  [MPa ] dạng sau khi bỏ tải (N) S0 S0: tiết diện mẫu thử (mm2) F0 ,05 b) Giới hạn đàn hồi quy ước (0,01, 0,05):  0 ,05  [ MPa] S0 c) Giới hạn chảy vật lý ch: Là ứng suất nhỏ nhất gây ra biến dạng dẻo F0, 2 d) Giới hạn chảy quy ước: 0,2  0 ,2  [MPa ] S0 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.1 Độ bền (tĩnh) d) Giới hạn bền: b Là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây biến dạng cục bộ dẫn đến phá hủy mẫu F0: lực kéo lớn nhất trên giản đồ thử F0 kéo (N) b  [MPa ] S0 S0: tiết diện mẫu thử (mm2) e) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền 1. Độ bền lý thuyết 2. Độ bền của đơn tinh thể 3. Các kim loại nguyên chất sau ủ 4. Kim loại sau biến dạng, hóa bền… 20-June-12 9
2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.1 Độ bền (tĩnh) f) Các biện pháp nâng cao độ bền - Nguyên lý: hạn chế chuyển động của lệch - Để tăng bền: + Giảm mật độ lệch < 108 + Tăng mật độ lệch > 108 (biến dạng dẻo – nhiệt luyện)  Có 5 biện pháp hóa bền 1. Biến dạng dẻo: tăng mật độ lệch  biến cứng, tăng bền 2. Hợp kim hóa: tăng xô lệch mạng, mật độ lệch  tăng bền VD: Thép: b = 120-150MPa CT31: b > 310MPa 3. Làm nhỏ hạt: tăng bền, dẻo, dai 4. Nhiệt luyện – Hóa nhiệt luyện 5. Tiết pha phân tán: tạo ra các pha thứ 2 phân tán nhỏ mịn là các chốt cản trở chuyển động của lệch  tăng độ bền, độ cứng VD: Đura: AlCu4,5Mg1,2: b = 400-800MPa Al: b = 40-80MPa 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.2 Độ dẻo (%, %) K/n: là tập các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của vật liệu bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng tĩnh Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Mẫu trước thử kéo Mẫu sau thử kéo Các chỉ tiêu: Độ dãn dài tương đối và độ co thắt tương đôi: l1  l0 S 0  S1 %  100% %  100 % 20-June-12 l0 S0 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.2 Độ dẻo (%, %) Tính siêu dẻo:  = (100-1000)% gọi là vật liệu siêu dẻo Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo: - Nhiệt độ: T tăng,  tăng Ưu điểm của vật liệu siêu dẻo: - Tốc độ biến dạng tăng,  giảm - Dễ chế tạo các sản phẩm rỗng, - Độ hạt: d giảm,  tăng dài, tiết diện không đều, phức tạp - Kiểu mạng tinh thể: A1 > A2 > A3 - Tiết kiệm năng lượng 20-June-12 10
2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.3 Độ dai đập (ak) K/n: khả năng chống phá hủy của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động ak: Công phá hủy trên một tiết diện mẫu ak = Ak/S [Nm/mm2] [kJ/mm2], kGm/cm2] 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.3 Độ dai va 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 giữa ak và (0,2): ak ~ ch (0,2) x Các biện pháp nâng cao độ dai: - Làm nhỏ mịn hạt: tăng bền, dẻo  tăng độ dai - Hóa bền bề mặt - Hình dạng tròn đa cạnh có độ dai cao hơn so với dạng tấm, kim 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng K/n: Khả năng vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm Đặc điểm: - Chỉ biểu thị tính chất bề mặt của vật liệu (VL không đồng nhất) - Biểu thị khả năng chống ăn mòn của vật liệu - Khi vật liệu đồng nhất (phôi ủ): biểu thị khả năng gia công của vật liệu - Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy mẫu, đơn giản, nhanh chóng 20-June-12 11
2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng Nguyên lý xác định độ cứng: Ép tải trọng lên mẫu thông qua mỗi đâm bằng vật liệu cứng tạo vết lõm trên bề mặt mẫu, vết lõm càng lớn, độ cứng càng thấp Phân loại: - Độ cứng tế vi, dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé xác định độ cứng các hạt, pha trong tổ chức của vật liệu - Độ cứng thô đại, tải trọng và mũi đâm lớn phản ánh khả năng chống biến dạng dẻo của nhiều hạt, nhiều pha  xác định độ cứng chung của vật liệu - Kí hiệu H (Hardness) 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng Phân loại: a) Độ cứng Brinell (HB): mũi đâm bi thép P 2P HB   F D( D  D 2  d 02 ) Thép và gang: D = 10mm, p = 30D2 = 3000N, t = 15s Ưu điểm: Quan hệ bậc nhất với b = 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 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng 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) 20-June-12 12
2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng Phân loại: b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC): Ưu điểm: - Đo vật liệu từ tương đối mềm và cứng - Kết quả đo hiển thị ngay trên máy - Thời gian đo nhanh - Đo trực tiếp trên sản phẩm Phạm vi ứng dụng: HRC: thép sau tôi, tôi + ram, thấm C HRA: lớp thấm mỏng: thấm C, C + N HRB: Thép ủ, thường hóa, gang đúc 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng 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 P HV  1,854 Ưu điểm: d2 - Đo được độ cứng cho mọi loại vật liệu, mẫu mỏng - Kết quả đo không phụ thuộc vào tải trọng Nhược điểm: - Thiết bị đắt tiền - Xử lý mẫu phức tạp không tiện lợi bằng phương pháp đo Rockwell 20-June-12 2.2 Các đặc trưng cơ tính 2.2.4 Độ cứng Chuyển đổi giữa các 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 của 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 20-June-12 13
2.3 Nung thép đã 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) - Xô lệch mạng lớn, mật độ lệch cao - Tồn tại ứng suất dư trong  Kim loại bị hóa bền biến cứng (TT không cân bằng): b, ch, đh, HB tăng; , ak giảm Tại sao cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo - Để tiếp tục biến dạng dẻo - Để có thể gia công cắt gọt dễ dàng - Khử bỏ ứng suất tránh phá hủy giòn 20-June-12 2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi 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 cơ chế sinh mầm và 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 20-June-12 2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi 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 bé” - Phát triển hạt là tự nhiên, giảm tổng biên giới hạt nên làm giảm năng lượng dự trữ  Kết tinh lần hai làm xấu cơ tính 20-June-12 14
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo 2.3.3 Biến dạng nóng – Biến dạng nguội - Biến dạng nguội: T < Tktl + Không có quá trình kết tinh lại + Hóa bền - Biến dạng nóng: T > Tktl [(0,7-0,75)Tnc] + Hóa bền do biến dạng + Kết tinh lại, mất xô lệch mạng gây ra thải bền, giảm độ cứng 20-June-12 15