Bài giảng Luyện kim vật lý - Chương 3: Hợp kim hóa - Nguyễn Văn Đức

08/03/2020 1 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn Luyện kim vật lý Physical Metallurgy Giảng viên: GVC. ThS. Nguyễn Văn Đức TS. Hoàng Văn Vương. Viện: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3. Hợp kim hóa • 3.1. Hợp kim dung dịch rắn. • 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn • 3.3. Sự tiết pha – Hóa bền tiết pha phân tán • 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha • 3.3.2. Tôi, hóa già hợp kim Al • 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền • 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già – thời gian hóa già • 3.4. Tăng bền cho hợp kim • 3.5. Độ dẻo và độ dai va đập • 3.6. Nứt (cracking) • 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • 3.6.2. Cơ chế phát triển vết nứt • 3.6.3. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng • 3.6.4. Biểu đồ phá hủy • 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.1. Hợp kim dung dịch rắn a) Khái niệm hợp kim: Hợp kim là hợp chất giữa các nguyên tố kim l oại hay kim loại với á kim, mang tính chất của KL – nền VD: Thép: Fe + C, Mn, Si, Cr Đura: Al + Cu, Mg b) Ưu điểm: Độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cao hơn; tính công nghệ tốt hơn, nhiệt luyện hóa bền tốt hơn và rẻ hơn 1 2 3 08/03/2020 2 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE c) Các khái niệm cơ bản: - Pha: phần đồng nhất về: thành phần hóa học, cơ tính, hóa lý tính, c ó cấu trúc tinh thể xác định. Giữa các pha phân cách nhau bởi biên giới pha - Cấu tử: là các nguyên tố (hoặc hc hóa học bền vững) tạo nên pha tr ong hợp kim - Hệ: tập hợp các pha, có thể ở trạng thái cân bằng hoặc không cân b ằng + (1): giả cân bằng + (2): không cân bằng + (3): cân bằng ổn định 1 2 3 3.1. Hợp kim dung dịch rắn Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.1. Hợp kim dung dịch rắn d) Phân loại tương tác: Không tương tác: Ở trạng thái lỏng nguyên tố A và B hòa tan vào nhau, không hòa tan ở trạng thái rắn, tạo hỗn hợp cơ học: A+B Có tương tác: - Hòa tan vào nhau tạo dung dịch rắ n A(B) – giữ nguyên kiểu mạng củ a nền - Phản ứng tạo hợp chất hóa học với kiểu mạng khác hẳn Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.1. Hợp kim dung dịch rắn Dung dịch rắn Khái niệm: là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của dung môi (kim loạ i nền), các nguyên tử hòa tan sắp xếp lại trong mạng dung môi một cá ch đều đặn Kí hiệu: A(B) = A là dung môi, B chất hòa tan a) Dung dịch rắn thay thế - B thay thể A trong mạng tinh thể - d = dA-dB/dA 15% không tồn tại) Điều kiện để hòa tan vô hạn: - Cùng kiểu mạng tinh thể - d < 8% - Số điện tử hóa trị như nhau - Tính âm điện gần như nhau 4 5 6 08/03/2020 3 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Dung dịch rắn b) Dung dịch rắn xen kẽ - Các nguyên tử hòa tan nằm ở vị trí xen kẽ (lỗ hổng) trong mạng ti nh thể dung môi (rB  rlh) - Bán kính nguyên tử hòa tan nhỏ, giới hạn hòa tan thấp Các đặc tính của dung dịch rắn: - Có đặc trưng cơ lý hóa tính của kim lo ại - Mạng tinh thể bị biến dạng - Tăng độ cứng, độ bền so với kim loại n guyên chất - B tăng: tăng cứng, bền; dẻo giảm - Tính chống ăn mòn, dẫn điện, nhiệt ké m kim loại nguyên chất 3.1. Hợp kim dung dịch rắn Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Dung dịch rắn b) Pha trung gian - Các hợp chất hóa học có trong hợp kim n ằm giữa hai vùng dung dịch rắn trên giản đồ pha Đặc điểm: - Có kiểu mạng tinh thể phức tạp, khác h ẳn với nguyên tố thành phần - Có tỉ lệ giữa các nguyên tố xác định, bi ểu diễn bằng công thức hóa học AmBn - Tính chất khác hẳn so với các nguyên t ố thành phần - Có nhiệt độ nóng chảy xác định Fe3C 3.1. Hợp kim dung dịch rắn Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn Nén Kéo Interstitial Solid Solution Substitutional Solid Solution Hợp kim hóa: thay đổi thành phần hóa học của loại nguyên chất bằng một số nguyên tố nhất định, gọi là nguyên tố hợp kim để cải thiện cơ tính của vật liệu. 7 8 9 08/03/2020 4 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn • Làm biến dạng mạng tinh thể và tạo ra ứng suất. • Ứng suất này gây cản trở chuyển động của lệch. C D A B Spinodal Cơ chế: Phân tán Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn • Nguyên tử kích thước nhỏ làm giảm khả năng di chuyển của lệch • Kích thước lớn - ghim lệch Tăng bền Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn Lệch bị cản trở bởi khí quyển Cottrell Nguyên tử xen kẽ ở lõi lệch • Dung dịch rắn có chứa nguyên tử xen kẽ (C, N) sẽ nằm ở lõi lệch tư ơng tác với lệch biên  sự phân tách trục lệch hình thành nên khí q uyển Cottrell cản trở chuyển động của lệch. 10 11 12 08/03/2020 5 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn • Nguyên tử kích thước nhỏ làm khả năng di chuyển của lệch • Kích thước lớn - ghim lệch d8m = 0,154dnt Misfits, xx= yy = -0.05; zz =+0.43 d4m = 0,291dnt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn • Thực nghiệm: y ~ C 1/2 Yi el d st re ng th (M Pa ) wt. %Ni, (Concentration C) 60 120 180 0 10 20 30 40 50 Te ns ile s tr en gt h (M Pa ) wt. %Ni, (Concentration C) 200 300 400 0 10 20 30 40 50 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.2. Tương tác của lệch với dung dịch rắn 13 14 15 08/03/2020 6 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3. Sự tiết pha – Hóa bền tiết pha phân tán • 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha • 3.3.2. Tôi, hóa già hợp kim Al • 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền • 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già – thời gian hóa già Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3. Sự tiết pha – Hóa bền tiết pha phân tán • Hóa bền tiết pha phân tán làm tăng độ cứng và độ bền của hợp kim bởi các pha nhỏ mịn, phân tán đồng đều trên nền hợp kim. • Quá trình hóa bền này gọi là hóa già (aging), thường áp d ụng cho một vật liệu kim loại màu:  Đồng-beri (Cu-Be)  Đồng-thiếc (Cu-Sn)  Magiê-nhôm (Mg-Al)  Nhôm-đồng (Al-Cu) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha • Để có quá trình hóa bền tiết pha, hợp kim phải tồ n tại ít nhất hai pha ở nhi ệt độ phòng. • Xảy ra quá trình hòa tan và tiết pha khi nung nón g và làm nguội. 16 17 18 08/03/2020 7 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha • Pha phân tán hình thành do quá trình sinh mầm và phát triển mầm ở biên giới hạt. • Phụ thuộc vào năng lượng bề mặt giữa pha phân tán và nền mp, năng lượng biên hạt của nền m,gb  Góc giữa pha phân tán và nền Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha 19 20 21 08/03/2020 8 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.1. Giản đồ pha hợp kim Al hóa bền tiết pha Hóa bền tiết pha phân tán: là quá trình hóa bền vật liệu bằng cách tiết pha thứ hai nhỏ mị n từ dung dịch rắn quá bão hòa. Dung dịch quá bão hòa α CuAl2 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.2. Tôi, hóa già hợp kim Al Dung dịch rắn đơn phá Dung dịch rắn quá bão hòa Sau hóa già  Step 1: Solution Treatment  Step 2: Quenching  Step 3: Ageing Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.2. Tôi, hóa già hợp kim Al  Step 1: Nung nóng và giữ nhiệt ở nhiệt độ T0, tạo dung dịch rắn một pha đồng n hất  (Solution Treatment).  Step 2: Nguội nhanh xuống nhiệt độ T1( Quenching) để không xảy ra khuếch ta, không hình thành pha , hình thành dun g dịch rắn quá bão hòa (supersaturated s olid solution) ss.  Step 3: Nung nóng dung dịch rắn ss ở nhiệt độ dưới nhiệt độ chuyển biến pha T2 trong vùng hai pha +. Xảy ra quá t rình tiết pha phân tán, sau đó nguội xuố ng nhiệt độ phòng (Aging).  Độ bền và độ cứng hợp kim phụ thuộc v ào nhiệt độ và thời gian hóa già. 22 23 24 08/03/2020 9 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.2. Tôi, hóa già hợp kim Al Hợp kim Al-4%Cu Vùng Guinier-Preston (GP) - Các cụm nguyên tử nhỏ tiết ra dung dịch rắn quá bão hòa trong giai đoạn đầu của quá trình hóa già. Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền 1. Biên giới ngược pha 2. Mặt phân cách 3. Liền mạng 4. Thay đổi mô đun đàn hồi (hoặc trượt) Cơ chế: - Hóa bền bởi trường biến dạng - Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi (trượt) - Hóa bền hóa học modint   cohAPB Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1. Trường biến dạng )( cohcoh f   Sinh ra trường ứng suất do sai lệch mạng tinh thể Fine spacing Ideal spacing Coarse spacing 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền 25 26 27 08/03/2020 10 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 2. Mô đun đàn hồi )( Gfcoh  Năng lượng của lệch chuyển động bị biến đổi khi dịch chuyển qua các hạt tiết pha phân tán Randi Holmestad, Precipitation in an Al-Mg-Si-Ge-Cu Alloy 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3. Hóa học )( APBorder f   )( schemical f   b V fAPB order 2    b rV Gr G fschemical 2/3 2       Bề mặt mới 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Side View Hạt phân tán Top View Phần trượt của mặt trượt Phần không trượt của mặt trượt d Lệch uốn con qua hạt Lệch cắt hạt phân tán dch 1 ~• Ứng suất chảy: d Gb  Hiệu ứng Orowan 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền 28 29 30 08/03/2020 11 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Hiệu ứng kích thước rcutting  rbowing 1 bcr  icr  • Hóa bền tiết pha phân tán hiệu quả hơn hợp kim hóa dung dịch rắn. • Các pha liên kiêm cản trở chuyển động của lệch tốt hơn phụ thuộc vào tạo ra biên giới ngược pha • Bán kính tới hạn:  Cắt  Vòng: rc-b ~ 10nm  Liền mạng  không liền mạng: rc-I ~ 10nm - 1m 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 1, 2, 3, Hóa bền bằng cách nào Hóa bền hóa già???. 3.3.3. Tương tác lệch – pha phân tán và cơ chế hóa bền 1 2 3 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Nhiệt độ cao, thời gian hóa già ngắn, độ bền thấp 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ – thời gian hóa già Độ bền kéo 31 32 33 08/03/2020 12 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Giảm độ dẻo??? 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ – thời gian hóa già Độ dẻo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Nhiệt độ cao, thời gian càng dài độ cứng giảm 3.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ – thời gian hóa già Độ cứng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Eutectoid Eutectic   - Ferrite (Alpha iron)   - Austenite (Gamma iron)   - Ferrite (Delta iron)  Fe3C – Cementite (Iron Carbide) 34 35 36 08/03/2020 13 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Sơ đồ nhiệt luyện thép a) Định nghĩa: Nhiệt luyện thép là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và là m nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức  biến đổi tính chất theo yêu cầu Đặc điểm: - Không làm nóng chảy, biến dạng chi tiết - Đánh giá bằng kết quả biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính b) Các yếu tố đặc trưng - Các thông số chính: + Nhiệt độ nung, T + Thời gian giữ nhiệt,gn + Tốc độ nguội, Vng - Các chỉ tiêu đánh giá kết quả + Tổ chức tế vi (cấu tạo pha, chiều sâu lớp hóa bền) + Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai + Độ cong vênh biến dạng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Sơ đồ nhiệt luyện thép c) Phân loại nhiệt luyện thép: - Nhiệt luyện: chỉ dùng tác động nhiệt làm thay đổi tổ chức, tính ch ất, bao gồm: ủ, thường hóa, tôi + ram - Hóa nhiệt luyện: kết hợp thấm các nguyên tố làm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt và nhiệt luyện, cải thiện cơ tính: thấm C, C-N, Al, Co, B - Cơ nhiệt luyện: kết hợp biến dạng dẻo ở trạng thái austenit và nhi ệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, cơ tính tổng hợp cao nhất Vai trò của nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí - Tăng độ cứng, tính chóng mài mòn và độ bền của thép: tăng tuổi t họ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu - Cải thiện tính công nghệ: nhiệt luyện sơ bộ tạo cơ tính phù hợp vớ i điều kiện gia công 3.4. Tăng bền cho hợp kim Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Coarse Pearlite Fine Pearlite 37 38 39 08/03/2020 14 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Ảnh hưởng tốc độ đến tổ chức và cơ tính Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Tôi - Ram Hóa bền khối Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Tôi bề mặt - Ram thấp Hóa bền bề mặt, 40 41 42 08/03/2020 15 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.4. Tăng bền cho hợp kim Thấm C, N, C-N Hóa bền bề mặt, Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Mô đun đàn hồi (Young’s modulus Giới hạn chảy (Yield strength) quy ước 0,2% 12 12        E  .E 3.5. Độ dẻo và độ dai của vật liệu Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Độ dẻo (Ductility): 0L L %100. 0 0 A AAf  Độ dãn dài tỷ đối Độ co thắt tỷ đối 3.5. Độ dẻo và độ dai của vật liệu 43 44 45 08/03/2020 16 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Độ dai (Toughness): năng lượng trên một đơn vị thể tích cần thiết đ ể phá hủy vật liệu  Phá hủy giòn (Brittle fracture): Biến dạng đàn hồi  Phá hủy dẻo (Ductile fracture): Biến dạng đàn hồi + dẻo 3.5. Độ dẻo và độ dai của vật liệu Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.5. Độ dẻo và độ dai của vật liệu Độ hồi phục (Resilience), công biến dạng đàn hồi (Modulus of res ilience): • Độ hồi phục: là khả năng hấp thụ năng lượng khi chịu tải chỉ xảy r a biến dạng đàn hồi khi bỏ tải. • Công biến dạng: là năng lượng trên một đơn vị thể tích gây ra biến dạng vật liệu (biến dạng đàn hồi – vật liệu giòn, biến dạng đàn hồi + dẻo – vật liệu dẻo). Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6. Nứt (cracking) • 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • 3.6.2. Cơ chế phát triển vết nứt • 3.6.3. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng • 3.6.4. Biểu đồ phá hủy 46 47 48 08/03/2020 17 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất 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 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • Phá hủy: sẽ phân tách vật liệu thành một hay nhiều phần khác nh au dưới tác dụng của tải trọng ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy. • Lực tác dụng: Kéo/nén, xoắn, cắt Động (chu kỳ) • Phá hủy mỏi Tĩnh • Phá hủy giòn• Phá hủy dẻo Cố định (thời gian dài) • Phá hủy dão Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • Đặc điểm chung: Hình thành các vết nứt tế vi Phát triển vết nứt Tách rời phá huỷ 49 50 51 08/03/2020 18 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất Rất dẻo Tương đối dẻo Giòn Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • Vật liệu dẻo - biến dạng dẻo lớn và hấp thụ năng lượng (độ dẻo d ai) trước khi gãy • Vật liệu giòn - biến dạng dẻo ít v à hấp thụ năng lượng thấp trước khi gãy. Phá hủy giòn Phá hủy dẻo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất Phá hủy giònPhá hủy dẻo Tổ chức tế vi mẫu phá hủy (a) ứng suất kéo, (b) ứng suất trượt Tổ chức tế vi mẫu phá hủy (a) vết nứt xuyên hạt, (b) vết nứt biên hạt Côn-Cốc Phẳng 52 53 54 08/03/2020 19 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất Phá hủy dẻo Phá hủy giòn Điều kiện ban đầu  Tổ chức hạt nhỏ  Tổ chức hạt lớn Nhiệt độ  Nhiệt độ cao  Nhiệt độ thấp Tốc độ biến dạng  Thấp  Cao Điều kiện tải  Tải trọng tĩnh Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ phá hủy Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất (a) Đứt gãy giòn; (b) Đứt gãy trong đơn tinh thể (c) Đứt gãy tương đối dẻo (d) Đứt gãy hoàn toàn dẻo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất 1. Hình thành cổ thắt (biến dạng dẻo cục bộ) 2. Lỗ trống tập trung, xuất hiện vết nứt tế vi ở tâm trục kéo 3. Các vết nứt tế vi tích tụ, phát triển đến kích thước tới hạn 4. Vết nứt trên tới hạn phát triển nhanh, lan truyền do biến dạng cắt (Shear deformation) 5. Phá huỷ vật liệu: vết phát triển ra ngoài theo hướng 450 với trục kéo gần bề mặt nơi ứng suất trượt lớn nhất. Vết nứt có hình dạng “côn-cốc” với tổ chức sợi bên trong lõi do biến dạng dẻo 45O - Ứng suất trượt lớn nhất Vết nứt phát triển theo hướ ng 90O so với trục kéo Phá hủy dẻo 55 56 57 08/03/2020 20 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất 1. Khi chịu tải trọng kéo chậm tăng, xảy ra biến dạng đàn hồi. Vượt quá giới hạn đàn hồi bắt đầu giai đoạn biến dạng dẻo biến cứng vật liệu. 2. Tăng tải, tăng độ giãn dài vĩnh viễn và đồng thời giảm diện tích mặt cắt n gang. 3. Vùng cổ thắt có mật độ khuyết tật cao (lỗ trống, tạp chất và biên giới hạt g óc nhỏ) nơi cản trở lệch trượt rất hiệu quả và tập trung lệch với mật độ ca o và tạo ra ứng suất đủ lớn. Các lệch tách tách rời nhau do lực đẩy các ng uyên tử hình thành vết nứt tế vi. 4. Một khi vết nứt tế vi hình thành sẽ phát triển nhờ quá trình trượt của lệch dưới tác dụng của ứng suất. Vết nứt sẽ lan truyền dọc theo mặt trượt và ph át triển vết nứt hơn nữa cho đến khi phá hủy vật liệu. Phá hủy dẻo Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất Phá hủy dẻo Tạo vết nứt tại mặt trượt Vết nứt biên giới hạt góc nhỏ Vết nứt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất • Biến dạng không đáng kể • Tốc độ lan truyền vết nứt lớn • Hướng lan truyền vết nứt vuông góc với hướng tác dụng lực • Vết nứt thường lan truyền bằng sự phân tách – phá vỡ các li ên kết nguyên tử dọc theo các mặt tinh thể nhất định (các m ặt phẳng phân cắt) Phá hủy giòn 58 59 60 08/03/2020 21 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất Phá hủy giòn A. Vết nứt xuyên hạt: Bề mặt gẫy có cấu trúc đa mặt với định hướng kh ác nhau của các mặt phân cách. B. Vết nứt dọc biên giới hạt: Do biên giới hạt liên kết yếu hoặc bị thiên tích tạp chất lớn. Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất Chuyển trạng thái dẻo – giòn • Nhiệt độ: Tcao  Tthấp  Dẻo  Giòn. • Hợp kim thường làm tăng nhiệt độ chuyển tiếp: Dẻo  Giòn. • Kim loại kiểu mạng FCC vẫn dễ phá hủy dẻo nhiệt độ rất thấp trong khi BCC phá hủy giòn. • Đối với gốm sứ, nhiệt độ chuyển tiếp cao hơn.  f ,  y → y T → f DBTT DuctileBrittle  Dẻo y < f  chảy dẻo trước  Giòn y > f  phá hủy trước Ductile Brittle Transition Temperature (DBTT) y (FCC) y (BCC) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.1. Nứt trong vật liệu – sự tập trung ứng suất So sánh phá hủy dẻo và giòn Phá hủy dẻo Phá hủy giòn  Xảy ra biến dạng dẻo, tốc độ phát triển vết nứt chậm.  Không (ít) biến dạng dẻo, tốc độ phá hủy nhanh  Bề mặt gẫy màu xám, dạng thớ  Bề mặt màu sáng, phẳng  Trong điều kiện biến dạng dẻo  Trong điều kiện biến dạng đàn hồi  Cấu trúc hai phần đứt gẫy dạng “cốc- côn”  Phân tách theo phương vuông góc với ứng suất kéo  Xu hướng phá hủy dẻo tăng khi lệch và các khuyết tật khác tăng  Xu hướng phá hủy dòn tăng khi nhiệt độ giảm, tốc độ biến dạng tăng  Có sự thay đổi diện tích tiết diện sau phá hủy  Không có sự thay đổi diện tích tiết diện sau phá hủy 61 62 63 08/03/2020 22 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.2. Cơ chết phát triển vết nứt - Vết nứt tế vi khi kết tinh, nguội nhanh - Các rỗ khí, bọt khí trong vật đúc - Từ các pha độ bền thấp trong vật liệu (graphit trong gang) - Sinh ra trong quá trình biến dạng do có tập hợp nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai) 1. Hình thành vết nứt tế vi 2. Vết nứt tế vi phát triển đến kích thước dưới tới hạn 3. Vết nứt tế vi phát triển đạt kích thước tới hạn 4. Vết nứt tới hạn phát triển nhanh và lan truyền 5. Nứt chấm dứt và gẫy rời Cơ chế phá hủy Tạo mầm và phát triển vết nứt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.2. Cơ chết phát triển vết nứt 1. Lệch tập trung bên cạnh trướng ngại vật (biên giới hạt, biên giới tạp chất – nê n, pha thứ 2-nền) 2. Lệch trái dấu hợp thành vết nứt trong các mặt trượt cạnh nhau 3. Lệch có vec tơ Burgers khác nhau cùng chuyển động trên các mặt trượt khác nhau, gặp nhau thành vết nứt. 4. Gần biên giới góc nghiêng. Cơ chế phá hủy Mầm vết nứt tế vi Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.2. Cơ chết phát triển vết nứt • Độ bền phá hủy lý thuyết: ~E/10 • Thực nghiệm: ~ E/100 - E/10,000 Tập trung ứng suất Độ bền phá hủy thấp hơn lý thuyết: Do tập trung ứng suất ở vết nứt tê vi  là nguồn tăng ứng suất làm khuếch đại ứng suất ở đầu vết nứt. Độ lớn khuếch đại phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và định hướng của vết nứt. 64 65 66 08/03/2020 23 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.2. Cơ chết phát triển vết nứt Tập trung ứng suất – mô hình Griffith • Vết nứt Griffith Trong đó t = bán kính cong đầu vết nứt o = Ứng suất tác dụng m = Ứng suất ở đầu vết nứt a = nửa chiều dài vết nứt ot t om K       2/1 a2 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.2. Cơ chết phát triển vết nứt Tập trung ứng suất – mô hình Griffith Hệ số tập trung ứng suất • Vết nứt Griffith 2/1 a2     to m tK   r/h Tăng w/h 0 0.5 1.0 1.0 1.5 2.0 2.5 Kt r w h max Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Cơ chế phá hủy, sự hình thành và phát triển vết nứt Lan truyền vết nứt • Vết nứt góc nhọn lan truyền dễ dàng hơn vết nứt góc tù • Cân bằng năng lượng khi xuất hiện vết nứt. • Khi: σm > σch - Vật liệu giòn, năng lượng đàn hồi được tích trữ trong quá tr ình biến dạng dẻo được giải phóng vết nứt lan truyền, và tạ o nên bề mặt mới. Không có biến dạng dẻo xung quanh vết nứt (góc nhọn). - Vật liệu dẻo xảy ra biến dạng dẻo quanh vết nứt (góc tù). Giòn Dẻo Vùng biến dang 67 68 69 08/03/2020 24 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Cơ chế phá hủy, sự hình thành và phát triển vết nứt Điều kiện: vết nứt lan truyền Vết nứt lan truyền khi ứng suất đầu vết nứt (m) vượt quá giá trị ứng suất tới hạn (c): m >c Trong đó – E = mô đun đàn hồi – s = năng lượng bề mặt riêng – a = một nửa chiều dài vết nứt trong Với vật liệu dẻo => thay thể s bởi s + p p : năng lượng biến dạng đàn hồi 2/1 a 2        sc E 2 2 c s m Ea   am → U → 0      madc Ud a – a < am: vết nứt không phát triển – a > am: vết nứt phát triển Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Cơ chế phá hủy, sự hình thành và phát triển vết nứt Điều kiện: vết nứt lan truyền Giòn Dẻo Vùng biến dang Nasim Bosh, Surface and Coatings Technology 347, 10.1016/j.surfcoat.2018.05.011 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng • Trị số cường độ ứng suất (K) • Vết nứt phát triển khi K vượt quá giá trị tới hạn: K>KC Trong đó: Y là thông số không thứ nguyên a.YKC  K/N: là khả năng chống lại phá hủy giòn của vật liệu Y = 1 Y = 1,1 70 71 72 08/03/2020 25 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.3. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng aYK IC  Giá trị nhỏ nhất của KC được gọi là độ dai phá hủy biến dạng phẳng, không phụ thuộc vào chiều dày mẫu Đ ộ da ip há hủ y K C KIC Chiều dày B Ứng suất phẳng Biến dạng phẳng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.3. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng Ứng suất thiết kế:  < C maxaY K IC TK     amaxKhông phá hủy Phá hủy Kích thước vế nứt cho phép 2 max 1      TK IC Y Ka  amax Không phá hủy Phá hủy Để chi tiết không bị phá hủy giòn thì khi thiết kế cần chú ý: • Biết kích thước vết nứt a và KIC • Biết ứng suất tác dụng  và KIC Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.3. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (Charpy)(Izod) 73 74 75 08/03/2020 26 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.6.4. Biểu đồ phá hủy Mode I: Kéo mở - tải trọng tác dụng vuông góc bề mặt vết nứt (K1C) Mode II: Trượt song song với bề mặt vết nứt và vuông góc đỉnh vết nứt (K2C) Mode III: Xé song song với mặt vết nứt và song song với đỉnh vết nứt (K3C) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi 76 77 78 08/03/2020 27 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi K/n: Mỏi là quá trình biến dạng của vật liệu khi chịu tải trọ ng thay đổi theo chu kỳ. • Chu trình ứng suất: là toàn bộ ứng suất trong suốt chu kỳ thay đổi tuàn hoàn. Điều hòa Không điều hòa Bất kỳ Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi • Ứng suất cực đại, cực tiểu: max, min • Ứng suất trung bình chu trình: m. • Khoảng dao động ứng suất: R • Biên độ ứng suất: a • Hệ số không đối xứng: r • Hệ số biên độ A: 2 minmax  m minmax  R 22 minmax R a   max min  r m aA        minmax minmax Chu kỳ → m r max minỨ ng su ất ké o → 0 79 80 81 08/03/2020 28 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi • Hệ số tập trung ứng suất a : tỷ số ứng suất lớn nhất và ứng suất thực the o tiết diện làm việc. • Giới hạn chịu mỏi (giới hạn mỏi): r khả năng vật liệu chống lại tải tuần hoàn khi số chu trình N  • Giới hạn chịu mỏi quy ước: N là ứng suất cần để phá hủy mỏi với số lư ợng chu trình xác định N • Giới hạn chống mỏi: u ứng suất phát hủy vật liệu khi N  0 • Độ bền lâu N là số chu trình ứng suất gây phá hủy mỏi vật liệu trong điề u kiện xác định • Hệ số tập trung ứng suất hiệu dụng K: là tỷ số giưa giới hạn mỏi của m ẫu phẳng và giới hạn mỏi của mẫu tập trung ứng suất. • Hệ số nhạy tập trung ứng suất q: 1 1     a Kqa Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi 1. Bắt đầu vết nứt tại một số điểm tập trung suất; 2. Vết nứt phát triển và lan truyền vết nứt trong từng chu kỳ ứng suất; 3. Phá hủy xảy ra rất nhanh một khi vết nứt tiến lên đã đạt đến kích thước tới hạn. Tổng số chu kỳ phá hủy được xác định: Nf = Ni + Np Nf : Số chu kỳ dẫn đến phá hủy Ni : Số chu kỳ tạo vết nứt đầu tiên Np : Số chu kỳ vết nứt lan truyền Chu kỳ tải cao (tải trọng nhỏ): Ni cao. Tăng tải trọng tác dụng, Ni giảm, Np chiế m ưu thế Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi 1. Vết nứt ban đầu hình thành từ bề mặt: chất lượng bề mặt thấp, độ bóng không cao (vết nứt sẵn có trong quá trình chế tạo: lõm co, vế t xước, tập trung bậc lệch ở bề mặt) 2. Lan truyền vết nứt  I: Lan truyền chậm dọc theo mặt tinh thể ở một số hạt với ứn g suất trượt lớn. Bề mặt gãy phẳng nhẵn  II: Lan truyền nhanh vuông góc với ứng suất tác dụng. Vết n ứt phát triển lặp đi lặp lại xảy ra với vết nứt nhọn và tù. Bề mặt gẫy gồ ghề. 3. Đạt kích thước tới hạn và lan truyền nhanh chóng 82 83 84 08/03/2020 29 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Lan truyền vết nứt mKC dN da )(  C → hằng số  K → (Kmax  Kmin)  m→ ~3 for steels, 3-4 Al alloys Độ tăng chiều dài vết nứt trên chu kỳ tải aYK IC  a)(a minmax   YYK minmax KKK  Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Biến dạng dẻo lặp đi lặp lại ở đầu về nứt Tải kéo: nhỏ Tải kéo: max Tải nén: nhỏ Tải nén: = 0, hoặc max Tải kéo: nhỏ Tải nén: = 0, hoặc max Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Biến dạng dẻo lặp đi lặp lại ở đầu về nứt 85 86 87 08/03/2020 30 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Mặt gẫy khi phá hủy mỏi: Bề mặt phá hủy mỏi được chia làm 3 vùng: Vùng 1: rất mỏng (vùng của các vết nứt tế vi) Vùng 2: các vết nứt phát triển chậm. Bề mằt phẳng nhưng có các lớp và dải phân cách Vùng 3: tiết diện nhỏ, bằng phẳng, phá huỷ tức thời Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Đường cong ứng suất – chu kỳ CNpa  - biên độ ứng suất thực nghiệm N- chu kỳ tải p và c là hằng số thực nghiệm p a HCF: mỏi chu kỳ lớn biến dạng nhỏ (high cycle fatigue) (N > 105 chu kỳ) LCF: mỏi chu kỳ nhỏ biến dạng lớn (low cycle fatigue) (N < 105 chu kỳ) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Đường cong ứng suất – chu kỳ Al Hợp kim Ti 7075-T6 88 89 90 08/03/2020 31 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 3.7. Độ bền mỏi và phá hủy mỏi Yếu tố ảnh hưởng: Biên độ tải, nhiệt độ, chất lượng bề mặt, ăn mòn Xấu Tốt Đánh bóng bề mặt Tạo bề mặt ứng suất nén dư Biến cứng bề mặt: Tôi, ram, thấm C, N, C-N Tối ưu hình thái bề mặt  Phủ lớp bề mặt chống ăn mòn Lựa chọn vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt thấp Giải pháp Giàu C, N, C-N steel alloy Vùng ứng suất nén 91