Bài giảng Cơ sở vật liệu học - Chương 2: Biến dạng và cơ tính vật liệu

Chương 2: Biến dạng và cơ tính vật liệu

• 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

Các loại ứng suất có thể gây biến dạng đàn hồi

 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

(cho kéo nén)

(cho xê dịch)

 = G. P= -K.V/V (cho ép 3 chiều)

Định luật HOOKE : .E

Mô tả quan hệ giữa ứng suất () và độ biến dạng () thông qua môđun đàn hồi (E)

Đàn hồi tuyến tính

Đàn hồi phi tuyến

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)

 Mô đun đàn hồi của một vật thể được xác định bằng độ dốc

 - hằng số Poisson (=0,3 với đa số VL)

của đường cong ứng suất - biến dạng trong vùng biến dạng đàn hồi

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến E

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

2.2. Biến dạng dẻo – cơ chế hoá bền trong vật liệu 2.2.1. Cơ chế biến dạng dẻo trong kim loại

Fb

- 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

F g n ọ r t i ả T

Fa

- Khi tải đặt vào lớn F> Fđh→Biến dạng tăng

Fđh

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

Độ dãn dài l

Biểu đồ tải trọng-biến dạng điển hình của KL

1. Biến dạng dẻo là gì?

Biến dạng dẻo là biến dạng dư không bị mất đi sau khi bỏ tải trọng tác dụng

Sự biến đổi mạng tinh thể trong quá trình biến dạng

•Ứng suất tiếp gây ra biến dạng dẻo (trượt), ứng suất pháp không gây ra biến dạng dẻo.

Khi 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

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 mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt

ợ ư

r t t ặ M

r t g n ơ ư h P

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

Trượt trong đơn tinh thể Zn

Hiện tượng trượt trong đơn tinh thể

Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Hệ trượt: Là sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt

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

Hệ trượt trong mạng A2

Hệ trượt trong mạng A1

{111} Họ mặt trượt {110} : 6 mặt trượt Họ mặt trượt: Số lượng: 4 mặt trượt

Họ phương trượt <111>: 2 phương trượt Họ phương trượt <110>: 3 phương trượt

 Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 12 hệ trượt

Hệ trượt trong mạng A3

Kiểu mạng

1 Số mặt trượt

6

4

3

2

3 Số phương trượt

Mặt xếp chặt nhất: (0001) Số lượng: 1 mặt trượt

3 Số hệ trượt

12 Kim loại

Feα, Cr, W, V

Feγ, Al, Cu, Au

Họ phương xếp chặt nhất <1120>: 3 phương trượt  Số hệ trượt = số mặt x số phương = 3 hệ trượt

Tiα, Zn, Mg, Be

Nhận xét

Phân tích các tính toán cho ứng suất tiếp trên mặt trượt từ mô hình trượt của đơn tinh thể

- Kim loại có số hệ trượt càng cao thì càng dễ biến dạng

(F là lực kéo đơn tinh thể theo chiều trục)

σo = F/So

 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 Text

Phương trượt

So 



 Nikel (Ni), Nhôm (Al), đồng (Cu) (A2)…. dễ biến dạng hơn Crôm (Cr), Vonfram (V) (A1)





- Ngoài các hệ trượt chính, KL còn có thể trượt theo các hệ khác có mật độ xếp chăth thấp hơn

Ứng suất tiếp gây ra trượt

Các giá trị tới hạn

= σ0 coscos ≥ th

Lực tác dụng

 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)



Phương trượt



Mặt trượt S

Diện tích mặt trượt: S=

So c  os



Ứng suất tiếp trên phương trượt:

F S

.cos = coscos

=

t=0 =90

t=σ/2 ==450

t=0  =90

F S

F So

  = σ0 coscos

= σ0 ứng suất qui ước)

F So

Không xảy ra trượt

Dễ xảy ra trượt

2. Cơ chế trượt nối tiếp

2.2.2. Cơ chế hóa bền trong kim loại

Thực tế: th~ G/(8.103  8.104) →nhỏ

1. Cơ chế trượt cứng:

VD: th của Al ~ 1MPA→liên quan đến mạng tinh thể và mức độ hoàn thiện của mạng tinh thể

• 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

 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

3. Trượt trong đa tinh thể

Thực tế, BD dẻo của KL luôn là trượt của 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)

4.Tổ chức và tính chất sau biến dạng dẻo

Ví dụ

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

Mô hình textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi (vectơ biểu thị hướng kéo, trục texua là [111] ).

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

Trước khi biến dạng

Sau khi biến dạng

2.2.3. Hồi phục, kết tinh lại và sự lớn lên của hạt

Sự biến đổi Cơ tính sau biến dạng dẻo:

1.Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo:

độ cứng, độ bền tăng, độ dẻo và độ dai giảm.

σch,MPa

δ, %

σb ,MPa

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

Mức độ biến dạng ε, %

- Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn

2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

a. Giai đoạn hồi phục

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

- Xảy ra ở nhiệt độ T < Tktl - Giảm khuyết tật (điểm, nút trống)

- Giảm mật độ lệch

- Giảm ứng suất

- 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

- Tổ chức tế vi chưa biến đổi nhiều cơ tính hầu như chưa thay đổi

- 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

d. Tổ chức hạt nhận được sau kết tinh lại

c. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại

-Hạt sau KTL thì có dạng đa cạnh, đẳng trục

Nhiệt độ kết tinh lại Tktl:

Tktl = a.TS

Kích thước hạt phụ thuộc:

- Mức độ biến dạng

- Nhiệt độ ủ

a. hệ số phụ thuộc độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt

-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

Giữ nhiệt quá dài, nhiệt độ càng caohạt càng lớnJ/đ KTL lần 2 không mong muốn

a = 0,5-0,8 với các dung dịch rắn

Đồng thau: 8s, 580 0C 15min, 580 0C 10min, 700 0C

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)

Tính chất của thép sau biến dạng dẻo

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

Tổ chức sau BDD thép (90%) Sau KTL lần 1 ở 8300C

Sau KTL (lần 2) ở 9300C

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

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

- 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

Biến dạng dẻo

2.2.4. Cơ chế biến dạng trong vật liệu ceramic

• 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 Đặc điểm về biến dạng chủ yếu của vật liệu ceramic là biến dạng đàn hồi và phá huỷ

Vật liệu

dấu, khi trượt đi một khoảng cách nguyên tử  cùng dấu đối diện với nhau đẩy nhau  cản trở xê dịch  khó trượt)

Môđun phá hủy, MPa 1100 200-345 140-275 hñy, MPa 170

TiC Al2O3 BeO VËt liÖu M«®un ph¸ SiC

105 90 110

Môđun đàn hồi, GPa 310 370 310 M«®un ®µn håi, 470 GPa 210 240 75

Biểu đồ ứng suất –biến dạng khi uốn của alumim và thủy tinh

MgO MgAl2O4 Silica nấu chảy Thủy tinh

Các yếu tố ảnh hưởng

2.2.4. Cơ chế biến dạng trong vật liệu polyme

• Đàn hồi và độ bền: tỷ phần lỗ xốp là yếu tố quyết định

(do công nghệ chế tạo)

• Nhựa nhiệt rắn A • Nhựa nhiệt dẻo B • Elastome C

• Độ cứng Nhóm vật liệu có độ cứng rất cao (kim cương, B4C, SiC, WC, Al2O3, SiO2, thuỷ tinh)

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

- 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

2.3.1. Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh:

Phá huỷ dẻo phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng  công phá hủy lớn

1. Phá huỷ dẻo: là phá huỷ kèm theo biến dạng dẻo đáng kể  tiết diện mặt gãy thay đổi

Phá huỷ giòn phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ công phá hủy nhỏ hơn

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)

Chú ý: vết phá hủy có thể cắt ngang các hạt hay theo biên giới hạt

Phá hủy dẻo

Phá huỷ giòn

3. Cơ chế phá huỷ

Loại phá huỷ phụ thuộc vào một số yếu tố:

- Vật liệu: Thép phá hủy dẻo, gang phá hủy giòn

Vết cắt

-T0 giảm, v đặt tải tăng  phá huỷ có xu hướng chuyển từ phá huỷ dẻo sang phá huỷ giòn

Sợi

- Tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt bị tập trung ứng suất lớn  xu hướng tiến đến  phá huỷ giòn

3

4

5

1

2 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

Bề mặt của mẫu phá huỷ giòn

Nguyên nhân xuất hiện các vết nứt tế vi

2.3.2. Tải trọng chu kỳ - phá huỷ mỏi

-Theo con đường tự nhiên (nguội nhanh  nứt chi tiết) - Từ các rỗ khí, bọt khí - Từ các pha mềm trong vật liệu

Điều kiện tải trọng - ứng suất đổi dấu - tuần hoàn hoặc không tuần hoàn Ứng suất danh định

- 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)

 Cường độ ứng suất

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.

Phá hủy mỏi.

1. Phát sinh vết nứt

2. Phát triển vết nứt 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

3. Vùng phá hủy tức thời

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

Cơ chế của phá huỷ mỏi:

Các yếu tố ảnh hưởng

- Hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt ct (vết nứt sẵn có trong quá trình chế tạo, lõm co, vết xước……..)

Ứng suất danh định Trạng thái bề mặt  Thiết kế

- 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

Dão

Các yếu tố ảnh hưởng

• Nhiệt độ và ứng suất

• 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 BD:

(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

2.4 Các đặc trưng cơ tính

Chú ý:

Cơ tính là gì?

tập hợp các đặc trưng cơ học biểu thị cho khả năng

- Mẫu thử lớn thường có cơ tính thấp hơn (do xác suất xuất hiện của khuyết tật cao hơn)

chịu tải trong các đ/k khác nhau

 là cơ sở để so sánh các vật liệu với nhau

- điều kiện thí nghiệm đơn giản và làm việc thật phức tạp

Cách xác đinh cơ tính?

- 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…

kiểm tra các mẫu thử Xác định cơ tính khác →Mẫu chuẩn khác nhau

1. Độ bền tĩnh (σ)

; σ0,05

a) Độ bền tĩnh (σ) (tiếp) Giới hạn đàn hồi (σđh): σ0,01

 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)

- 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

So: tiết diện mẫu thử (mm2)

- Thông thường số liệu của độ bền, dẻo do thử kéo→không ghi chú thích.

- Đơn vị: KG/mm2 ( TC Việt nam đang dùng)

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

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)

F0,2: lực kéo tạo ra biến dạng dư 0,2% (N) So: tiết diện mẫu thử (mm2)

Giới hạn bền (σb): ( tiếp)

Các biện pháp hoá bền vật liệu

 là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây ra biến dạng cục bộ dẫn đến phá hủy

1. Biến dạng dẻo:

làm tăng xô lệch mạng  khó trượt

Fb: lực kéo lớn nhất trên biểu đồ thử kéo (N)

làm tăng mật độ lệch

2. Hợp kim hoá:

So: tiết diện mẫu thử (mm2)

3. Tạo ra các pha cứng phân tán hay hoá

Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền: mật độ lệch

bền tiết pha:

1. Độ bền theo lý thuyết

 tạo các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch

2. Độ bền của đơn tinh thể

1 3. Các kim loại nguyên chất sau ủ

4. Nhiệt luyện tôi+ram:

2 4. Kim loại sau biến dạng, hoá

tạo dung dịch rắn quá bão hoà

bền……

n ề b ộ đ

5. Làm nhỏ hạt:

1010-1012/cm

4

3

 tăng chướng ngại cản trở chuyển động của lệch, ngoài ra làm tăng các chỉ tiêu khác rất tốt như độ dẻo, độ dai

mật độ lệch

108/cm2

VD: Râu đơn TT Fe 13.000MPa ( d 0,5-2 micron, dài 2-10mm); Fe KT 250MPa 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

b) Độ dẻo (%, %)

Độ dẻo là gì? Hiện tượng đối với mẫu thử kéo:

c) Độ dai va đập (ak) Khái niệm: Khả năng chống phá hủy của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động

 Là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL khi bị phá huỷ dưới tải trọng tĩnh

l1

l0

Mẫu trước thử kéo

Mẫu sau thử kéo

Mẫu trước thử kéo

Mẫu sau thử kéo

Các chỉ tiêu:

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/m2 Đối với vật liệu chịu va đập cao: ak>1000kJ/m2 Mối tương quan giữa ak và (0,2; )

ak ~ σch (σ0,2 ) x %)

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

 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)



   . a

Y

K C

ICK

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

Sự dịch chuyển bề mặt vết nứt a.Kiểu I – mở b.Kiểu II – trượt c.Kiểu III - xé

Ý nghĩa của độ dai phá hủy biến dạng phẳng

 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

• Vật liệu sử dụng  KIC Kích thước nửa vết nứt a





K IC  aY

ấ u s

g n Ứ

Phá hủy giòn



IC Y

K 1  .   

  

 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

• Vật liệu sử dụng  KIC Ứng suất tác dụng   Phá hủy dẻo

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:

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.

- Khi vật liệu không đồng nhất  Chỉ biểu thị cho tính chất bề mặt





Phá hủy giòn Kích thước nửa vết nứt a

- Biểu thị khả năng chống mài mòn, tính mài bóng của vật liệu

K IC  aY

t ấ u s g n Ứ



Ứng suất tác dụng   Phá hủy dẻo

- 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....)

IC Y

K 1  .   

  

Độ cứng brinell HB

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

Điều kiện chuẩn để xác định HB cho thép và gang:

Có 2 loại độ cứng:

D=10mm, F=3000kG, t=15s

- 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

Ưu điểm: có mối quan hệ bậc nhất với b  biết HB  xác định tương đối b mà không cần thử kéo

b=a.HB

- 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)

Thép cán Đồng- kẽm Dura a=0,34 a=0,4-0,55 a= 0,35

Nhược điểm của loại độ cứng HB

Độ cứng Rockwell

f

F

f

- 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….

h

- Mẫu phải phẳng, dày do vết đâm lớn  không đo được độ cứng trực tiếp trên sản phẩm

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)

- 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

- 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

Độ cứng Vickers

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.

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

Ưu điểm:

liệu từ

- Đo được các vật tương đối mềm đến cứng;

-Bề mặt không cần phẳng

Cách xác định độ cứng Vickers

- Vết lõm khá nhỏ, có thể đo các vật mỏng, lớp hóa bền và ngay trên thành phẩm và trên mặt trục;

Ưu điểm: xác định được độ cứng cho mọi loại vật liệu

- Đo nhanh, tiện lợi phù hợp với điều kiện sản xuất.

Nhược điểm: với tải trọng nhỏ thì vẫn cần trợ giúp của thiết bị quang học để xác định d

Bảng chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng

HRC

HRA

HRB

Cần nắm chắc: -Trượt ( biến dạng) của đơn tinh thể - ứng suất gây ra

Thấp

240

60,5

100

TB

513

475

75,9

Cao

697

81,2

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) (

Trạng thái vật liệu dựa trên giá trị độ cứng

biến đổi tổ chức- tính chất)

- Mềm: HB< 150

- Tương đối cao: HRC ~ 50-58

- Thấp: HB ~ 200

- Rất cao HRC > 65

- Cao HRC ~ 60-65

- Trung bình: HB ~ 300-400

- 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)

Bài tập

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 )

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.