Hóa học - Chương 2: Biến dạng và cơ tính vật liệu

1• 2.1. Biến dang đàn hồi:  Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực. Ứng suất = phản lực /một đơn vị diện tích Ứng suất pháp (): vuông góc với mặt chịu lực Ứng suất tiếp () sinh ra xê dịch trong mặt chịu lực Ứng suất pháp 3 chiều: gây biến đổi thể tích V/V Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ lực tác dụng – có thể gây ra do các ứng suất trên 1 Chương 2: Biến dạng và cơ tính vật liệu 2 Các loại ứng suất có thể gây biến dạng đàn hồi Định luật HOOKE : .E (cho kéo nén)  = G. (cho xê dịch) P= -K.V/V (cho ép 3 chiều) Mô tả quan hệ giữa ứng suất () và độ biến dạng () thông qua môđun đàn hồi (E) Trong đó: E: mô đun đàn hồi G: mô đun xê dịch K: Mô đun ép Quan hệ: E = 2G(1+) E = 3K(1-2)  - hằng số Poisson (=0,3 với đa số VL) 4 Đàn hồi tuyến tính Đàn hồi phi tuyến  Mô đun đàn hồi của một vật thể được xác định bằng độ dốc của đường cong ứng suất - biến dạng trong vùng biến dạng đàn hồi 25 Có ba loại mô đun đàn hồi cơ bản:  Mô đun Young (E): mô tả đàn hồi dạng kéo (hoặc xu hướng của một vật thể bị biến dạng bởi lực kéo dọc theo một trục, nó được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất kéo và biến dạng kéo (gọi đơn là mô đun đàn hồi).  Mô đun cắt (G) miêu tả xu hướng của một vật thể bị cắt (hình dạng của biến dạng với thể tích không đổi) khi bị tác động bởi các lực ngược hướng; nó được định nghĩa bằng ứng suất cắt chia cho biến dạng kéo. Mô đun cắt là một phần nguồn gốc của tính dẻo (the derivation of viscosity).  Mô đun khối (K) mô tả biến dạng thể tích, hoặc xu hướng thể tích của một vật thể bị biến dạng dưới một áp lực; nó được định nghĩa bằng tỷ số ứng suất thể tích chia cho biến dạng • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến E Độ dãn dài l T ả i t rọ n g F Fđh a1 e Fa a b c Fb a20 Biểu đồ tải trọng-biến dạng điển hình của KL 2.2. Biến dạng dẻo – cơ chế hoá bền trong vật liệu 2.2.1. Cơ chế biến dạng dẻo trong kim loại - Khi đặt tải F< Fđh →Biến dạng theo đường Oe (tuyến tính) →Bỏ lực tác dụng, mẫu trở về trạng thái ban đầu (theo đường oe) →BD đàn hồi - Khi tải đặt vào lớn F> Fđh→Biến dạng tăng nhanh theo tải trọng. Bỏ tải, BD không mất đi hoàn toàn→BD dẻo (trở về theo đường aa1 // oe, oa1 là BD dư, a1a2 là BD đàn hồi. - Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến Fb→xảy ra BD cục bộ, hình thành cổ thắt, F giảm, BD vẫn tăng→đứt 3Khi không chịu lực tác dụng : các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Giai đoạn biến dạng đàn hồi: các nguyên tử xê dịch nhỏ hơn một thông số mạng → trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải trọng Giai đoạn biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch lớn hơn một thông số mạng → trở về vị trí cân bằng mới khi bỏ tải trọng Giai đoạn phá huỷ: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời Sự biến đổi mạng tinh thể trong quá trình biến dạng 10 1. Biến dạng dẻo là gì? Biến dạng dẻo là biến dạng dư không bị mất đi sau khi bỏ tải trọng tác dụng •Ứng suất tiếp gây ra biến dạng dẻo (trượt), ứng suất pháp không gây ra biến dạng dẻo. 2. Trượt đơn tinh thể P h ư ơ n g t rư ợ t M ặ t tr ư ợ t Trượt trong đơn tinh thể Zn Hiện tượng trượt trong đơn tinh thể Đ/n: Trượt là hiện tượng chuyển dời tương đối giữa các phần tinh thể theo các phương và mặt nhất định gọi là phương trượt và mặt trượt 12 Mặt trượt: mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử lớn nhất Hệ trượt: Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt a) Các mặt và phương trượt Mặt dày đặc nhất? • 2 điều kiện của mặt trượt: - Mặt xếp chặt nhất  liên kết giữa các nguyên tử lớn nhất - Do Mv không đổi  khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt là lớn nhất  liên kết giữa chúng yếu nhất 413 Hệ trượt trong mạng A2 Họ mặt trượt {110} : 6 mặt trượt Họ phương trượt : 2 phương trượt  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt 14 Hệ trượt trong mạng A1 Họ mặt trượt: Số lượng: 4 mặt trượt{111} Họ phương trượt : 3 phương trượt  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt 15 Hệ trượt trong mạng A3 Mặt xếp chặt nhất: (0001) Số lượng: 1 mặt trượt Họ phương xếp chặt nhất : 3 phương trượt  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 3 hệ trượt 16 Kiểu mạng Số mặt trượt 6 4 1 Số phương trượt 2 3 3 Số hệ trượt 12 12 3 Kim loại Feα, Cr, W, V Feγ, Al, Cu, Au Tiα, Zn, Mg, Be 5Nhận xét - Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng  Nhôm (Al), đồng (Cu). dễ biến dạng hơn Magiê (Mg), Kẽm (Zn) - Trong cùng một hệ tinh thể (lập phương): kim loại nào có số phương trượt nhiều hơn thì dễ biến dạng dẻo hơn  Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) (A2). dễ biến dạng hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) (A1) Text - Ngoài các hệ trượt chính, KL còn có thể trượt theo các hệ khác có mật độ xếp chăth thấp hơn Phân tích các tính toán cho ứng suất tiếp trên mặt trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể σo = F/So So σ Phương trượt  Ss So F Fs  Ss   (F là lực kéo đơn tinh thể theo chiều trục) Ứng suất tiếp gây ra trượt Phương trượt F σ  Mặt trượt S S0 Lực tác dụng Diện tích mặt trượt: S= Ứng suất tiếp trên phương trượt: = .cos = coscos   = σ0 coscos = σ0 ứng suất qui ước)   F S os So c  F So F S F So Các giá trị tới hạn a) b) c) = σ0 coscos ≥ th  max khi ==450  =σ/2 σ0: ứng suất quy ước do ngoại lực F tác dụng lên tiết ngang của tinh thể có tiết diện không đổi (F/S0= σ0) Không xảy ra trượt Không xảy ra trượt Dễ xảy ra trượt t=0 =90 t=σ/2 ==450 t=0  =90 621 2.2.2. Cơ chế hóa bền trong kim loại 1. Cơ chế trượt cứng: • Mạng tinh thể lý tưởng  khi trượt tất cả các nguyên tử ở hai bên mặt trượt trượt đồng thờiứng suất tiếp lớn  th~ G/2π (G là mô đun trượt)  độ bền lý thuyết 2. Cơ chế trượt nối tiếp Thực tế: th~ G/(8.10 3  8.104) →nhỏ VD: th của Al ~ 1MPA→liên quan đến mạng tinh thể và mức độ hoàn thiện của mạng tinh thể  số lượng hạn chế các nguyên tử tham gia chuyển động (1 thời điểm)  chạy tiếp sức - σ lý thuyêt > σ thực tế 100-1000 lần tiềm năng của VL 23 3. Trượt trong đa tinh thể a. Đặc điểm: Các hạt bị biến dạng không đều (do định hướng phương mạng khác nhau →hạt biến dạng trước, hạt BD sau)  Có tính đẳng hướng ( do định hướng ngẫu nhiên→kết quả theo mọi phương giống nhau)  Có độ bền cao hơn ( do biên giới có xô lệch mạng, khó tạo mặt trượt và phương trượt→vỏ cứng cản trượt)  Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo càng cao ( Nhiều hạt định hướng thuận lợi với phương lực tác dụng, BD dễ. Nhiều hạt →biên giới nhiều→bền tăng) Thực tế, BD dẻo của KL luôn là trượt của đa tinh thể 74.Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo Các hạt có xu hướng kéo dài theo phương BD Khi độ biến dạng = 40-50% các hạt, tạp chất và pha thứ hai bị chia nhỏ phân tán và kéo dài  tạo thớ - = 70-90% các hạt sẽ bị quay, các mặt và phương mạng cùng chỉ số đạt tới mức gần như song song  tổ chức textua (textua biến dạng) có tính dị hướng, áp dụng trong KT điện làm giảm tổn thất từ trong biến thế 26 Ví dụ 27 28 Mô hình textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi (vectơ biểu thị hướng kéo, trục texua là [111] ). v v 829 Trước khi biến dạng Sau khi biến dạng 30 Tóm lại:  Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư lớn do xô lệch mạng tinh thể  Sau biến dạng dẻo cơ tính thay đổi: độ cứng, độ bền tăng ( đh; 0,2 tăng mạnh); độ dẻo và độ dai giảm Biến cứng, hóa bền: Hóa bền biến dạng  Tăng điện trở và giảm mạnh khả năng chống ăn mòn của kim loại 31 Sự biến đổi Cơ tính sau biến dạng dẻo: độ cứng, độ bền tăng, độ dẻo và độ dai giảm. σch,MPa δ, % σb ,MPa Mức độ biến dạng ε, % 1.Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo: Mức độ xô lệch trong mạng tinh thể lớn, mật độ lệch cao  kim loại bị hoá bền biến cứng ( năng lượng dự trữ cao)  có xu hướng chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái trước biến dạng dẻo) Tại sao cần phải nung kim loại đã qua biến dạng dẻo? - Để có thể tiếp tục biến dạng dẻo tiếp theo - Để có thể gia công cắt được dễ dàng - Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn 2.2.3. Hồi phục, kết tinh lại và sự lớn lên của hạt 92. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng a. Giai đoạn hồi phục - Xảy ra ở nhiệt độ T < Tktl - Giảm khuyết tật (điểm, nút trống) - Giảm mật độ lệch - Giảm ứng suất - Tổ chức tế vi chưa biến đổi nhiều cơ tính hầu như chưa thay đổi b. Giai đoạn kết tinh lại - Xảy ra ở nhiệt độ T > Tktl -Hình thành các hạt mới không có chứa sai lệch do BD dẻo gây ra theo cơ chế tao mầm và phát triển mầm giống qt kết tinh - Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng và thường xuất hiện tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất (mặt trượt, biên hạt) biến dạng dẻo càng mạnh  số lượng mầm càng nhiều  hạt cạng nhỏ mịnphát triển lên - Kết thúc KTL: các hạt hoàn toàn mới, đa cạnh, mạng tinh thể ít sai lệch nhất Cơ tính trở về trạng thái trước khi biến dạng dẻothải bền : Độ bền, cứng giảm, dẻo tăng c. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại Nhiệt độ kết tinh lại Tktl: Tktl = a.TS a. hệ số phụ thuộc độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt Thông thường: khi mức độ biến dạng > 40-50%, thời gian giữ nhiệt khi nung là 1h : a = 0,4 với kim loại nguyên chất kỹ thuật a = 0,2-0,3 với kim loại hầu như nguyên chất a = 0,5-0,8 với các dung dịch rắn Đồng thau: 8s, 580 0C 15min, 580 0C 10min, 700 0C d. Tổ chức hạt nhận được sau kết tinh lại -Hạt sau KTL thì có dạng đa cạnh, đẳng trục Kích thước hạt phụ thuộc: - Mức độ biến dạng - Nhiệt độ ủ -Thời gian giữ nhiệt Giữ nhiệt quá dài, nhiệt độ càng caohạt càng lớnJ/đ KTL lần 2 không mong muốn 10 37 Sự biến đổi tổ chức và cơ tính của KL đã qua BD dẻo và nung nóng: Độ bền, cứng giảm. Độ dẻo tăng ( sau KTL 2 lại giảm) 38 Tính chất của thép sau biến dạng dẻo 39 Tổ chức sau BDD thép (90%) Sau KTL lần 1 ở 8300C Sau KTL (lần 2) ở 9300C e. Biến dạng nóng Thế nào là biến dạng nóng?  Là biến dạng dẻo ở trên nhiệt độ kết tinh lại T ~ (0,7-0,75)Ts VD: W – Tktl = 1200 0C ↔ Sn, Zn, Pb - Tktl < 250C) Fe =4500C 11 41 Các quá trình xảy ra: • Biến dạng dẻo làm xô lệch mạng →hóa bền, biến cứng; • Kết tinh lại làm mất xô lệch mạng →thải bền, giảm độ cứng.  Tính chất sau biến dạng nóng phụ thuộc vào quá trình nào mạnh hơn •Lý tưởng : Hiệu ứng thải bền đủ lớn ( To kết thúc BD>TKTL) và thời gian giữ nhiệt đủ lớn để hoàn thành KTL Ưu điểm: - Phôi được nung nóng  mềm  lực tác dụng nhỏ - Bít được các rỗ khí nếu có KL xít chặt - Quá trình hợp lý, sau BDD, phôi có thể đem gia công cơ - Có thể có thể đạt được hạt nhỏ với cơ tính cao Nhược điểm: - Khó khống chế T đồng đều trên phôi  khó đồng nhất về tổ chức, cơ tính - Khó khống chế chính xác hình dạng, kích thước chi tiết - Chất lượng bề mặt không cao do dễ bị OXH bề mặt (a) Tổ chức thớ của trục khuỷu chế tạo bằng dập nóng (b) bằng phương pháp cắt từ thỏi thép nguyên 2.2.4. Cơ chế biến dạng trong vật liệu ceramic Đặc điểm về biến dạng chủ yếu của vật liệu ceramic là biến dạng đàn hồi và phá huỷ VËt liÖu M«®un ph¸ hñy, MPa M«®un ®µn håi, GPa MgO 105 210 MgAl2O4 90 240 Silica nấu chảy 110 75 Thủy tinh 70 70 Vật liệu Môđun phá hủy, MPa Môđun đàn hồi, GPa TiC 1100 310 Al2O3 200-345 370 BeO 140-275 310 SiC 170 470 Biểu đồ ứng suất –biến dạng khi uốn của alumim và thủy tinh Biến dạng dẻo • Trong một số đ/k vẫn có thể có BD dẻo • Gốm tinh thể: Trượt + giống kim loại (có lệch, ít hệ trượt  cứng, giòn) + khó khăn do liên kết ion: các ion bao bọc xung quanh là ion khác dấu, khi trượt đi một khoảng cách nguyên tử  cùng dấu đối diện với nhau đẩy nhau  cản trở xê dịch  khó trượt) 12 Các yếu tố ảnh hưởng • Đàn hồi và độ bền: tỷ phần lỗ xốp là yếu tố quyết định (do công nghệ chế tạo) • Độ cứng Nhóm vật liệu có độ cứng rất cao (kim cương, B4C, SiC, WC, Al2O3, SiO2, thuỷ tinh) 2.2.4. Cơ chế biến dạng trong vật liệu polyme • Nhựa nhiệt rắn A • Nhựa nhiệt dẻo B • Elastome C - J/đ1: vùng VĐH được kéo giãn - J/đ 2: trượt xảy ra trong tấm TT theo phương của lực tác dụng - J/đ 3: phân chia của các tấm TT do ưs tiếp thành các nhóm nhỏ - J/đ4: các nhóm nhỏ TT và VĐH tách rời và sắp xếp lại 2.3. Phá huỷ Phá huỷ là gì? 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 13 2.3.1. Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh: 1. Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể  tiết diện mặt gãy thay đổi 2. Phá huỷ giòn: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo không đáng kể  tiết diện mặt gãy gần như không thay đổi  Cách nhận biết phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo (quan sát vết phá huỷ) Phá hủy dẻo Phá huỷ giòn Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng  công phá hủy lớn Phá huỷ giòn phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ công phá hủy nhỏ hơn Chú ý: vết phá hủy có thể cắt ngang các hạt hay theo biên giới hạt Loại phá huỷ phụ thuộc vào một số yếu tố: - Vật liệu: Thép phá hủy dẻo, gang phá hủy giòn -T0 giảm, v đặt tải tăng  phá huỷ có xu hướng chuyển từ phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn - Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất lớn  xu hướng tiến đến  phá huỷ giòn Bề mặt của mẫu phá huỷ giòn 3. Cơ chế phá huỷ Sợi Vết 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 14 Nguyên nhân xuất hiện các vết nứt tế vi -Theo con đường tự nhiên (nguội nhanh  nứt chi tiết) - Từ các rỗ khí, bọt khí - Từ các pha mềm trong vật liệu - Sinh ra trong quá trình BD dẻo → lệch phát sinh thêm (nguồn Frank- Read) → tập hợp nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai) Chú ý: Kích thước vết nứt đầu tiên theo phương vuông góc với lực tác dụng càng lớn  ứng suất để phát triển vết nứt càng nhỏ Sù chuyÓn ®éng vµ tÝch tô lÖch tríc c¸c c¶n trë. 2.3.2. Tải trọng chu kỳ - phá huỷ mỏi Điều kiện tải trọng - ứng suất đổi dấu - tuần hoàn hoặc không tuần hoàn Ứng suất danh định  Cường độ ứng suất Phá hủy mỏi. Đặc điểm: vật liệu chịu tải trọng không lớn (<< σ0,2 ), thay đổi theo chu kỳ  có thể bị phá hủy sau một thời gian làm việc (107-108 chu kỳ) →phá huỷ mỏi 56 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 bằng phẳng, phá huỷ tức thời 1. Phát sinh vết nứt 2. Phát triển vết nứt mỏi 3. Vùng phá hủy tức thời 15 Cơ chế của phá huỷ mỏi: - Hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt ct (vết nứt sẵn có trong quá trình chế tạo, lõm co, vết xước..) - Nửa chu kỳ đầu: giả sử lệch chuyển động thoát ra ngoài bề mặt chi tiết  tạo ra một bậc thang nhỏ. Nửa chu kỳ sau lệch sẽ chuyển động ngược lại vị trí cũ (do chu kỳ tải trọng đổi dấu)→Mất bậc thang. Nửa chu kỳ đầu Nửa chu kỳ sau Chuyển động lặp lại nhiều lần  lệch không trở về đúng vị trí cân bằng ban đầu  sinh ra vết lõm  vết nứt tế vi Các yếu tố ảnh hưởng Ứng suất danh định Trạng thái bề mặt  Thiết kế Dão • Hiện tượng: VL chịu tải không đổi BD không phụ thuộc vào thời gian BD dão • Có 2 loại: BD đàn hồi trễ hoặc BD dẻo. • Cơ chế - Giai đoạn I: dão chuyển tiếp (tốc độ dão giảm liên tục – góc nghiêng của đường cong – tương ứng với hóa bền BD: lệch cắt nhau) -Giai đoạn II: Dão ổn định: cân bằng hoá bền và thải bền (đa cạnh hóa hoặc kết tinh lại)- J/đ quan trong nhất (tốc độ BD) -Giai đoạn III: Dão nhanh dần: Thải bền chiếm ưu thế (Biên hạt có thể trượt, vét nứt hình thành, mẫu co thắt, phá hủy theo biên hạt) hạt và xuất hiện các vết nứt Tốc độ BD: Các yếu tố ảnh hưởng • Nhiệt độ và ứng suất 16 2.4 Các đặc trưng cơ tính Cơ tính là gì? tập hợp các đặc trưng cơ học biểu thị cho khả năng chịu tải trong các đ/k khác nhau  là cơ sở để so sánh các vật liệu với nhau Cách xác đinh cơ tính? kiểm tra các mẫu thử Xác định cơ tính khác →Mẫu chuẩn khác nhau 62 Chú ý: - Mẫu thử lớn thường có cơ tính thấp hơn (do xác suất xuất hiện của khuyết tật cao hơn) - điều kiện thí nghiệm đơn giản và làm việc thật phức tạp - Là cơ sở để tính toán  khi đó cần có các hệ số an toàn để bảo đảm chi tiết làm việc chịu lực và tuổi thọ cao 1. Độ bền tĩnh (σ) - Tập hợp các đặc trưng cơ học phản ảnh khả năng chịu tải trọng cơ hoc tĩnh cua VL - Xác định bằng ưs qui ước của tải trọng →gây ra các đột biến về hình học cho mẫu - Tùy theo dạng tải trọng tác dung→ độ bền kéo, nén , uốn , xoắn,..... σn σu σx - Thông thường số liệu của độ bền, dẻo do thử kéo→không ghi chú thích. - Đơn vị: KG/mm2 ( TC Việt nam đang dùng) MPA ( thông dụng trên thế giới); N/mm2; Ksi 1KG/mm2 ≈ 10MPa ≈ 1,45Ksi (Pounds per square inch= psi; kilopounds per square inch= Ksi=1000 psi) 64 Giới hạn đàn hồi (σđh): σ0,01 ; σ0,05 a) Độ bền tĩnh (σ) (tiếp)  là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu không bị biến dạng khi bỏ tải trọng Fđh: lực kéo lớn nhất không gây biến dạng mẫu sau khi bỏ tải (N) So: tiết diện mẫu thử (mm 2) Giới hạn chảy vật lý (σch):  là ứng suất bé nhất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu bắt đầu bị biến dạng dẻo Giới hạn chảy quy ước (σ0,2):  là ứng suất tác dụng lên mẫu và làm cho mẫu bị biến dạng dư là 0,2% sau khi bỏ lực tác dụng F0,2: lực kéo tạo ra biến dạng dư 0,2% (N) So: tiết diện mẫu thử (mm 2) 17 Giới hạn bền (σb): ( tiếp) Fb: lực kéo lớn nhất trên biểu đồ thử kéo (N) So: tiết diện mẫu thử (mm 2)  là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây ra biến dạng cục bộ dẫn đến phá hủy Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền: mật độ lệch đ ộ b ề n mật độ lệch 1 2 3 4 1. Độ bền theo lý thuyết 2. Độ bền của đơn tinh thể 3. Các kim loại nguyên chất sau ủ 4. Kim loại sau biến dạng, hoá bền 108/cm2 1010-1012/cm 2 Nguyên lý: Cản trở chuyển động của lêch khi trượt bằng cách tăng hay giảm mật độ lệch KL ủ có mật độ lệch thấp nhất dễ trượt VD: Râu đơn TT Fe 13.000MPa ( d 0,5-2 micron, dài 2-10mm); Fe KT 250MPa Các biện pháp hoá bền vật liệu 1. Biến dạng dẻo: 2. Hợp kim hoá: 3. Tạo ra các pha cứng phân tán hay hoá bền tiết pha: 4. Nhiệt luyện tôi+ram: 5. Làm nhỏ hạt: làm tăng xô lệch mạng  khó trượt làm tăng mật độ lệch  tạo các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch tạo dung dịch rắn quá bão hoà  tăng chướng ngại cản trở chuyển động của lệch, ngoài ra làm tăng các chỉ tiêu khác rất tốt như độ dẻo, độ dai b) Độ dẻo (%, %) Độ dẻo là gì? Hiện tượng đối với mẫu thử kéo: Mẫu trước thử kéo Mẫu trước thử kéoMẫu sau thử kéo Mẫu sau thử kéo l0 l1  Là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL khi bị phá huỷ dưới tải trọng tĩnh Các chỉ tiêu: 68 c) Độ dai va đập (ak) Khái niệm: Khả năng chống phá hủy của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động 18 Đơn vị: Nm/cm2, kJ/m2 và kGm/cm2 Ak :Công phá hủy mặt cắt ngang S hình chữ nhật 10x10x55; rãnh rộng 2-sâu 2mm Ý nghĩa của độ dai va đập:  Có thể phán đoán về khả năng chịu tải trọng va đập của chi tiết Đối với vật liệu thường: ak>200kJ/m 2 Đối với vật liệu chịu va đập cao: ak>1000kJ/m 2 ak ~ σch (σ0,2 ) x %) Mối tương quan giữa ak và (0,2; )  Các biện pháp nâng cao ak - Hạt nhỏ mịn  tăng ak -Trạng thái bề mặt ( vết khía, rãnh, lỗ....) - Số lượng, kích thước các pha giòn tăng, hình dạng tấm, lưới và phân bố không đều  giảm ak - Hình dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn hạt có dạng tấm, kim d. Độ dai phá hủy – là cường độ ứng suất tới hạn gây ra sự phát triển một vết nứt có sẵn trong mẫu (vết nứt được coi là nhỏ để lực kéo coi như vuông góc với BM vết nứt) Y- điều kiện xác định – vết nứt trong lòng mẫu và rất nhỏ Y=1; vết nứt ở mép mẫu – Y=1,2 - ứng suất đặt vào mẫu a- chiều rộng vết nứt .ICK Y a  aYK C  Sự dịch chuyển bề mặt vết nứt a.Kiểu I – mở b.Kiểu II – trượt c.Kiểu III - xé 19 Ý nghĩa của độ dai phá hủy biến dạng phẳng • Vật liệu sử dụng  KIC Kích thước nửa vết nứt a • Vật liệu sử dụng  KIC Ứng suất tác dụng   Phá hủy giòn Phá hủy dẻo Ứ n g s u ấ t aY K IC   2 IC Y K . 1 a          Với mỗi vật liệu: KIC=const  Khi tăng ưsVL bị phá hủy ở b  Nếu giữ  < b  VL cũng bị phá hủy nếu vết nứt a phát triển và đạt kích thước tới hạn  Vết nứt càng lớn thì  cần phá hủy mẫu càng nhỏ. Kỹ sư thiết kế phải biết được KIC để tránh chi tiết phá hủy đột ngột. Biết KIC  + Tính được max của vật liệu chịu được khi nó có chứa khuyết tật am + hoặc: khi VL chịu ưs biết Trước m  xác định kích thước max của vết nứt cho phép Ý nghĩa của độ dai phá hủy biến dạng phẳng Kích thước nửa vết nứt a Ứng suất tác dụng   Phá hủy giòn Phá hủy dẻo Ứ n g s u ấ t  aY K IC   2 IC Y K . 1 a         Với mỗi vật liệu: KIC=const Khi tăng ưsVL bị phá hủy ở b Nếu giữ  < b  VL cũng bị phá hủy nếu vết nứt a phát triển và đạt kích thước tới hạn Vết nứt càng lớn thì  cần phá hủy mẫu càng nhỏ. Kỹ sư thiết kế phải biết được KIC để tránh chi tiết phá hủy đột ngột. e) Độ cứng Độ cứng là gì?  Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu do tải trọng thông qua mũi đâm Đặc điểm: - Khi vật liệu không đồng nhất  Chỉ biểu thị cho tính chất bề mặt - Biểu thị khả năng chống mài mòn, tính mài bóng của vật liệu - Khi vật liệu đồng nhất (ủ) độ cứng cao  khó gia công cắt - Quá trình xác định độ cứng đơn giản hơn nhiều so với các chỉ tiêu cơ tính khác ( nhanh, không phá hủy mẫu, tiến hành ngay trên sản phẩm....) 20 Nguyên lý xác định độ cứng Ép tải trọng xác định lên mẫu thông qua mũi đâm (không bị biến dạng dẻo)  tạo vết lõm trên bề mặt  vết lõm càng rộng (sâu)  độ cứng càng thấp Có 2 loại độ cứng: - Độ cứng tế vi (dùng tải trọng nhỏ, mũi đâm bé): xác định độ cứng của các hạt, pha trong tổ chức của vật liệu  dùng cho nghiên cứu - Độ cứng thô đại (tải trọng và mũi đâm lớn): phản ánh khả năng chống biến dạng dẻo của nhiều hạt, pha  xác định độ cứng chung cho VL Các loại độ cứng thông dụng: Brinell (HB); Rockwell (HR); Vickers (HV) Độ cứng brinell HB Điều kiện chuẩn để xác định HB cho thép và gang: D=10mm, F=3000kG, t=15s b=a.HB Ưu điểm: có mối quan hệ bậc nhất với b  biết HB  xác định tương đối b mà không cần thử kéo Thép cán a=0,34 Đồng- kẽm a=0,4-0,55 Dura a= 0,35 Nhược điểm của loại độ cứng HB - Không thể đo được vật liệu có độ cứng cao hơn 450 HB (do bi bằng thép tôi) không ứng dụng đo độ cứng cho thép tôi, hợp kim cứng. - Mẫu phải phẳng, dày do vết đâm lớn  không đo được độ cứng trực tiếp trên sản phẩm - Thời gian đo chậm hơn các phương pháp khác (10”), phải có sự trợ giúp của các thiết bị quang học (lúp hay HV) để xác định đướng kính vết lõm tra bảng Khắc phục  sử dụng độ cứng Rôcvel Độ cứng Rockwell f f fF h f: tải trọng sơ bộ 10kg F: tải trọng chính (90kG cho thang B, 140kG cho thang đo C và 50kG cho thang đo A) - Vết lõm càng sâu  độ cứng càng thấp - Qui ước: sâu thêm 0,002mm ( 2micron) độ cứng giảm đi 1 đơn vị - Là loại độ cứng quy ước, không có thứ nguyên 21 81 Phạm vi áp dụng: - HRC đo thép sau khi tôi, tôi + ram, thấm cacbon; - HRA đo mẫu mỏng, lớp thấm mỏng: thấm C, N, C-N; - HRB đo vật liệu mềm hơn: thép ủ, thường hóa, gang đúc. Ưu điểm: - Đo được các vật liệu từ tương đối mềm đến cứng; -Bề mặt không cần phẳng - Vết lõm khá nhỏ, có thể đo các vật mỏng, lớp hóa bền và ngay trên thành phẩm và trên mặt trục; - Đo nhanh, tiện lợi phù hợp với điều kiện sản xuất. Độ cứng Vickers Mũi đâm kim cương, hình tháp 4 mặt đều với góc ở đỉnh 1360 Tải trọng tác dụng nhỏ (1-100kg), điều kiện chuẩn 30kg với t = 10-15s Cách xác định độ cứng Vickers Nhược điểm: với tải trọng nhỏ thì vẫn cần trợ giúp của thiết bị quang học để xác định d Ưu điểm: xác định được độ cứng cho mọi loại vật liệu Bảng 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 - Trạng thái vật liệu dựa trên giá trị độ cứng - Mềm: HB< 150 - Thấp: HB ~ 200 - Trung bình: HB ~ 300-400 - Tương đối cao: HRC ~ 50-58 - Rất cao HRC > 65 - Cao HRC ~ 60-65 84 Cần nắm chắc: -Trượt ( biến dạng) của đơn tinh thể - ứng suất gây ra trượt- cách tính ứng suất gây trượt - Cơ chế trượt cứng và trượt nối tiếp - Các đặc điểm của biến dạng trong đa tinh thể - Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo - Nung kim loại qua biến dạng dẻo ( Ủ kết tinh lại) ( biến đổi tổ chức- tính chất) - Phá hủy : đặc trưng phá hủy dẻo-giòn- mỏi-dão - Cơ tính: Độ bền-dẻo-dai va đập- độ cứng - Chú ý: Phân biệt các trường hợp sử dụng độ cứng HB-HRA-HRB-HRC-HV (lựa chọn) 22 Bài tập Bài 1. Xét một đơn tinh thể kim loại cho ứng suất tác dụng hợp với mặt trượt và phương trượt lần lượt là các góc 60° và 35°. Nếu ứng suất tiếp tới hạn bằng 6,2 MPa, thì ứng suất tác dụng 12 MPa có gây trượt không? Nếu không, ứng suất tác dụng cần thiết bằng bao nhiêu? Bài 2. Cho một đơn tinh thể Zn thử kéo, mặt trượt hợp với trục tải kéo một góc 65°. Phương trượt có thể hợp với trục tải kéo tạo thành các góc 30°, 48°, và 78°. • Phương nào trượt dễ xảy ra nhất? • Nếu biến dạng dẻo bắt đầu với ứng suất kéo là 2,5 MPa, hãy xác định ứng suất tiếp gây ra trượt trong tinh thể Zn. 85 Bài 3:Xét một đơn tinh thể Ni với ứng suất kéo đặt vào theo hướng [001]. Nếu trượt xảy ra trên mặt (111), phương [101] và trượt bắt đầu với ứng suất kéo đặt vào bằng 13,9MPa. Hãy tính toán ứng suất tiếp tới hạn? (Gợi ý: tính các góc  và ) 86