Bài giảng Kim loại học (Phần 4)

Chia sẻ: Vo Han | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

278
lượt xem 75
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một trong những tính chất làm cho kim loại trở nên được ứng dụng rộng rãi là khả năng biến dạng dẻo. Trong chế tạo cơ khí tính chất này của kim loại được ứng dụng trong các phương pháp gia công tạo hình bằng áp lực. Đây là một trong những phương pháp gia công kim loại có năng suất và chất lượng cao, được ứng dụng rất phổ biến. Vì vậy việc nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến biến dạng dẻo của kim loại là cần thiết....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kim loại học (Phần 4)

25 VII-BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI. Một trong những tính chất làm cho kim loại trở nên được ứng dụng rộng rãi là khả năng biến dạng dẻo. Trong chế tạo cơ khí tính chất này của kim loại được ứng dụng trong các phương pháp gia công tạo hình bằng áp lực. Đây là một trong những phương pháp gia công kim loại có năng suất và chất lượng cao, được ứng dụng rất phổ biến. Vì vậy việc nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến biến dạng dẻo của kim loại là cần thiết. Nó cho ta hiểu được bản chất và các hiện tượng (hiệu ứng) luôn đi kèm với biến dạng dẻo, giúp ta dự đoán trước các biến đổi về tổ chức và cơ tính của kim loại khi gia công bằng các phương pháp có biến dạng dẻo. 1-Khái niệm: Biến dạng dẻo là phần biến dạng của kim loại do ngoại lực tác động gây ra vẫn còn giữ lại trên vật thể sau khi đã thôi tác dụng của ngoại lực. Xét thí nghiệm kéo mẫu kim loại (hnh 18): Khi lực kéo PPđh : Người ta quan sát thấy mặc dù ngoại lực tăng rất ít hoặc hầu như không tăng, nhưng biến dạng ∆ l tăng nhanh. Đây là giai đoạn chảy của vật liệu (AB). C P E P E P ch B P âh A L0 Lp F E' o ∆L ∆L ∆L=L L P 0 Hình 18: Thí nghiệm kéo mẫu thép.
26 Khi P>Pch : Tăng ngọai lực P sẽ làm tăng biến dạng ∆ l, nhưng mối quan hệ giữa P và ∆ l không còn là mối quan hệ tỉ lệ nữa (đoạn BC). Trong giai đoạn này nếu giảm P biến dạng ∆ l cũng sẽ giảm, nhưng theo đường thẳng đứt đoạn EF. Khi P=0 ta nhận thấy mẫu vẫn còn lại một đoạn biến dạng ∆ lD=OF. Biến dạng này được gọi là biến dạng dư hay biến dạng dẻo. Như vậy khi P=PE biến dạng ∆ l=OE’=OF+FE’=∆ lD+∆ lđh . Như vậy biến dạng dẻo kim loại chỉ xảy ra khi ngoại lực tác động vượt quá một giới hạn nào đó (PTL). Khi biến dạng dẻo mức độ biến dạng phụ thuộc vào mức độ tăng của ngoại lực. Khả năng biến dạng dẻo được đánh giá bằng chỉ tiêu độ giãn dài tương đối: δ =∆ lmax /L0 và độ thắt tỷ đối: ψ=F/F0 ; Với ∆ lmax-Độ giãn dài tương đối lớn nhất khi mẫu bị kéo đứt, F và F 0 -Tiết diện mẫu tại cổ thắt khi đứt và tiết diện ban đầu của mẫu. Các giá trị ngoại lực Pđh , Pch gọi là các giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy. 2-Hiệu ứng hoá bền-biến cứng khi biến dạng dẻo: Khi mẫu thép đang ở trạng thái biến dạng dẻo ứng với ngoại lực tác động P=PE , nếu ta giảm lực P=0, biến dạng đàn hồi mất mẫu còn lại biến dạng dư ∆ lD . Nếu tiếp tục tăng lực kéo trở lại mẫu lại tiếp tục biến dạng theo quy luật ban đầu nhưng các giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy đều tăng hơn so với lúc ban đầu. Miền đàn hồi của mẫu ứng với đoạn FE. Như vậy giới hạn đàn hồi của mẫu tăng từ Pđh→PE . Hiện tượng này gọi là hiệu ứng hoá bền-biến cứng của vật liệu khi biến dạng dẻo. 3-Nguyên nhân của biến dạng dẻo và biến cứng: Nguyên nhân chính của BD dẻo là sự trượt của các mặt tinh thể. Một hình thức khác của biến dạng dẻo ít xảy ra hơn là song tinh. Sự trượt của các mặt tinh thể xảy ra trên các họ mặt có mật độ nguyên tử dày đặc nhất và cũng là các họ mặt có khoảng cách xa nhau nhất, liên kết giữa các mặt là yếu nhất. Phương dễ trượt nhất cũng là phương có mật độ nguyên tử dày đặc nhất. Nguyên nhân gây nên trượt là do ứng suất tiếp theo phương trượt do ngoại lực tác động vượt quá giới hạn trượt của vật liệu (hình 19). Có hai cơ chế trượt: Trượt cứng và trượt mềm. Trượt mềm là cơ chế trượt chủ yếu, trong đó có vai trò quan trọng của lệch thẳng (hình 20). Trong quá trình trượt của các mặt tinh thể có sự hình thành các lệch mới và sự tích tụ lệch mạng. Sự hình thành các lệch mới làm cản trở chuyển động của các lệch cũ là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng biến cứng, hoá bền vật liệu. Ứng suất gây trượt trên 01 đơn tinh thể: Sự tích tụ lệch là nguyên nhân chính tạo ra vết nứt và sự phá huỷ dẻo. 1P Sin(2ϕ ∗ ) Cosλ τ= 2 F0 Như vậy có thể hình dung quá trình biến dạng dẻo và biến cứng của vật liệu kim loại như sau: Khi ứng suất gây trượt do ngoại lực tác dụng trên một họ mặt trượt thuận lợi nào đó vượt quá giới hạn bền trượt của vật liệu, sự trượt sẽ xảy ra trên họ mặt đó. Sự trượt sẽ là các chuyển động liên tục của vô số lệch thẳng tồn tại
27 trong mạng tinh thể theo phương trượt (theo cơ chế trượt mềm). Trong quá trình dịch chuyển đó có sự cản trở của các lệch có trục không song song với mặt trượt và có sự hình thành các lệch khác tiếp tục gây cản trở chuyển động của lệch làm tăng giới hạn bền trượt. Muốn tiếp tục xảy ra biến dạng dẻo đòi hỏi phải tăng ngoại lực tác dụng. Quá trình cứ tiếp diễn cho đến khi trên các họ mặt trượt khác ứng xuất gây trượt cũng lớn hơn giới hạn bền trượt, sự trượt tiếp tục xảy ra theo các hệ mặt này. Cùng với sự trượt là sự xoay của các mặt tinh thể sao cho họ các mặt trượt định hướng có lợi nhất cho sự trượt. Từ các phân tích trên có thể rút ra một số kết luận: -Các kim loại có kiểu mạng LPDT P có nhiều mặt và phương trượt định hướng đều trong ϕ không gian nên dễ λ τ trượt nhất (dễ có các mặt trượt ở vào vị trí Phöông tröôï t thuận lợi cho sự trượt). Các kim loại này có tính dẻo cao nhất sau đó mới tới các KL có kiểu mạng Hình 20: Cô cheá t m m. tröôï eà LPTT, các KL có kiểu mạng LGXC kém dẻo Hình 19: Söïtröôït ñôn tinh theå . nhất. -Các biên giới hạt cũng là các nguyên nhân cản trở sự trượt của tinh thể, vì vậy các vật thể kim loại có hạt nhỏ, biên giới hạt nhiều sẽ bền hơn các KL hạt lớn đồng thời cũng có khả năng biến dạng dẻo cao hơn. -Kim loại nguyên chất dẻo hơn hợp kim vì có cấu trúc 1 pha có ít lệch. -Các cấu trúc hỗn hợp cơ học trong đó có các pha cứng giòn cản trở sự trượt của các tinh thể có khả năng biến dạng nên có độ bền cao hơn, khả năng biến dạng dẻo kém hơn. -Khi độ biến dạng lớn >70% do hiện tượng xoay của các tinh thể nên vật đa tinh thể có thể có tính dị hướng. 4-Anh hưởng của biến dạng dẻo đến tổ chức tế vi và tính chất kim loại: -Trong và sau khi trượt, mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô lệch. Các hạt tinh thể bị biến dạng không đều, có xu thế chung là dài và bẹt ra theo phương biến dạng. Khi độ biến dạng đạt 40-50%, hạt bị phân nhỏ ra, tạp chất và pha thứ hai cũng bị nhỏ vụn và kéo dài ra theo phương biến dạng tạo thành tổ chức thớ. Khi độ biến dạng >70% các hạt bị quay đến mức phương mạng của chúng gần như song song với nhau tạo nên hiện tượng định hướng hoặc textua.
28 -Sau khi biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư do xô lệch mạng và sự biến dạng không đều giữa các hạt. Nói chung ứng suất này có hại cho cơ tính, nhưng trong một số trường hợp người ta lại cố ý tạo ra nó để làm tăng giới hạn mỏi. -Sau biến dạng dẻo cơ tính kim loại thay đổi theo chiều hướng tăng độ bền, độ cứng, giảm độ dẻo độ dai, giảm khả năng biến dạng dẻo. Nhờ biến dạng dẻo ngươì ta có thể làm tăng độ bền, độ cứng kim loại lên 1.5-3 lần, tăng giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi lên 3-7 lần. Vì vậy đây là phương pháp hoá bền rất có hiệu quả trong kĩ thuật, nhưng phải chú ý là nó làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai. 5-Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo: Khi nung kim loại đã qua biến dạng dẻo lên đến trên một nhiệt độ nhất định nào đó (được gọi là nhiệt độ kết tinh lại) thì bên trong tổ chức của kim loại sẽ có những chuyển biến xảy ra, chuyển biến này gọi là sự kết tinh lại. Nói chung sau khi kết tinh lại, kim loại có xu hướng chuyển biến về trạng thái ban đầu, tức là thải bền, tăng độ dẻo độ dai. Các giai đoại của chuyển biến xảy ra theo trình tự nhiệt độ nung như sau: a)Giai đoạn hồi phục: Khi nhiệt độ nung còn thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại, trong mạng tinh thể kim loại chỉ có các chuyển biến nhỏ như giảm sai lệch, giảm mật độ lệch… Các chuyển biến này có tác dụng làm giảm ứng suất bên trong của kim loại, ảnh hưởng rất ít đến cơ tính. b)Giai đoạn kết tinh lại: Khi nhiệt độ nung lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại, trong tổ chức tế vi của kim loại bắt đầu có chuyển biến. Đó là sự hình thành các hạt tinh thể mới hoàn toàn theo đúng cơ chế tạo mầm và phát triển mầm khi kết tinh. Hiện tường này được gọi là hiện tượng kết tinh lại. Sau khi quá trình kết tinh lại xảy ra, các tinh thể kim loại mới được hình thành hoàn toàn không còn chứa những sai lệch do quá trình biến dạng dẻo trước đó tạo ra. Nhiệt độ kết tinh lại là nhiệt độ thấp nhất xảy ra sự kết tinh lại với tốc độ đáng kể. Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy của kim loại: TKTL=K*Ts Hệ số tỉ lệ K phụ thuộc các yếu tố như: Độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt. Trong điều kiện biến dạng lớn ε >40-50%, thời gian ủ 1-2h , đối với các kim loại nguyên chất kĩ thuật K=0.4, kim loại tinh khiết K=0.2-0.3, dung dịch rắn K=0.5- 0.8. Nhiệt độ kết tinh lại của một số kim loại nguyên chất kĩ thuật như sau: Fe(1539oC)=4500C; Cu(10830C)=2700C; Al(6580C)=1000C; Pb, Zn, Sn, có nhiệt độ chảy trên dưới 3000C, nhiệt độ kết tinh lại thấp hơn nhiệt độ thường. c c)Tổ chức tế vi và tính chất kim loại sau khi kết tinh lại: -Sau khi quá trình kết tinh lại xảy ra, các tinh thể kim loại mới được hình thành hoàn toàn không còn chứa những sai lệch do quá trình biến dạng dẻo trước đó tạo ra. Nhưng vấn đề cơ bản có tính chất quyết định đến cơ tính sau khi kết tinh lại là kích thước của hạt. Kích thước hạt sau khi kết tinh lại có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn kích thước hạt ban đầu, điều đó phụ thuộc các yếu tố sau:
29 +Mức độ biến dạng: Ở mức độ biến dạng nhỏ (trong khoảng 2-8% -Độ biến dạng tới hạn) mức độ xô lệch mạng ít, khi kết tinh lại số lượng mầm sinh ra ít, hạt tạo thành rất lớn. Trong kĩ thuật nên tránh độ biến dạng này. +Nhiệt độ ủ: Nhiệt độ ủ cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại sẽ làm hạt lớn. +Thời gian ủ kéo dài cũng làm hạt lớn. -Về cơ tính: Nói chung sau khi kết tinh lại kim loại trở nên mềm dẻo hơn, độ bền độ cứng giảm. Nếu hạt tạo thành sau khi kết tinh lại nhỏ hơn hạt ban đầu (trước khi biến dạng dẻo), thì cơ tính của kim loại sẽ tốt hơn (bền hơn, dẻo dai hơn). Ngược lại nếu hạt tạo thành lớn hơn kích thước hạt ban đầu thì cơ tính sẽ xấu hơn. 6-Biến dạng nóng kim loại: -Biến dạng dẻo kim loại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại gọi là biến dạng nóng. -Khi biến dạng nóng kim loại có hai quá trình trái ngược nhau đồng thời xảy ra: +Biến dạng dẻo đi kèm với hiệu ứng hoá bền, biến cứng kim loại, giảm độ dẻo độ dai. +Kết tinh lại với xu hướng trở về cơ tính ban đầu: Thải bền, giảm độ cứng, tăng dẻo dai. -Kết quả cuối cùng phụ thuộc vào sự tương tác của hai quá trình trên và các điều kiện tiến hành biến dạng. Khi biến dạng tiến hành ở nhiệt độ cao, mức độ và tốc độ biến dạng lớn, kết thúc biến dạng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại thì hai quá trình biến cứng và kết tinh lại có thể hoàn toàn trừ khử lẫn nhau, kim loại sau biến dạng vẫn giữ được các tính chất ban đầu. Khi tiến hành biến dạng ở nhiệt độ không đủ cao, kết thúc ở nhiệt độ gần hoặc nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh lại, quá trình kết tinh lại không kịp xảy ra hoàn toàn, kết quả là kim loại bị biến cứng. -Biến dạng kim loại ở trạng thái nóng có nhiều ưu điểm: Kim loại mềm dẻo hơn dể biến dạng tiết kiệm được lực và công, có thể tiến hành biến dạng với tốc độ cao và độ biến dạng lớn, nhất là các phôi có kích thước lớn, quá trình biến dạng có khả năng hàn kín được các vết nứt, rỗ, các khuyết tật trong kim loại nhờ hiện tượng khuếch tán. Nhược điểm của biến dạng nóng là nó làm tạp chất và các pha thứ hai không tham gia vào quá trình biến dạng bị nát vụn và kéo dài ra tạo nên tổ chức thớ, lúc này kim loại có tính dị hướng mạnh. Nếu thớ tạo đúng sẽ có lợi khi chịu lực, thớ tạo sai sẽ làm giảm cơ tính của vật liệu. VIII PHÁ HUỶ KIM LOẠI: 1-Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh: -Phân biệt hai dạng phá huỷ: Giòn và dẻo. Phá huỷ dẻo là sự phá huỷ có kèm theo hiện tượng biến dạng dẻo ở mức độ rõ rệt ngay tại vùng lân cận của phá huỷ. Như vậy nếu quan sát thường xuyên ta có thể dự đoán được khả năng gây phá huỷ ở những vị trí có các dấu hiệu xuất hiện biến dạng dẻo. Ngược lại, phá huỷ giòn là
30 dạng phá hủy không kèm theo biến dạng dẻo với mức độ rõ rệt ở ngay vùng phá huỷ. Đây là dạng phá huỷ nguy hiểm vì khó dự đoán trước. -Nguyên nhân của phá huỷ là do ứng suất pháp trên bề mặt phá huỷ gây nên. Khi ứng suất này đạt đến một giá trị nào đó cao hơn ứng suất tới hạn gọi là giới hạn tách đứt (σ TĐ) thì ỨS này đủ để phá vỡ liên kết nguyên tử trên hai bề mặt nguyên tử và tách hai mặt nguyên tử rời nhau gây nên hiện tượng phá huỷ. Tuỳ thuộc vào sự tương quan giữa giới hạn chảy (σ C) và giới hạn tách đứt (σ TĐ) mà đặc tính của phá huỷ có thể là giòn hay dẻo: +Khi σ C < σ TĐ thì trước khi phá hủy sẽ xảy ra biến dạng dẻo và đặc tính phá hủy sẽ là phá hủy dẻo. +Khi σ C > σ TĐ thì chưa kịp xảy ra biến dạng dẻo kim loại đã bị phá hủy, đặc tính phá huỷ là giòn. -Ngoài yếu tố bản chất của vật liệu cũng còn một vài yếu tố khác ảnh hưởng đến đặc tính của phá hủy: +Nhiệt độ xảy ra phá huỷ: Nhiệt độ càng thấp càng dễ xảy ra phá huỷ giòn. Ngược lại phá hủy ở nhiệt độ cao dễ xảy ra phá huỷ dẻo. +Tốc độ tăng tác dụng lực: Tốc độ tăng tác dụng lực càng cao làm tốc độ biến dạng dẻo cũng tăng cao, giới hạn chảy tăng nhanh, càng dễ xảy ra phá hủy giòn. +Mức độ tập trung ứng suất: Mức độ tập trung ứng suất càng lớn càng dễ gây phá hủy giòn. -Sự tạo thành vết nứt đầu tiên là mầm mống của sự phá hủy. Vết nứt này có thể có sẵn trong kim loại dưới dạng các khuyết tật đúc như rỗ, khuyết tật của gia công áp lực như nứt sẵn, vết nhăn… . Trong quá trình biến dạng dẻo vết nứt sinh ra do tích tụ lệch, do các pha giòn bị vỡ, do tróc trên vùng biên giới với pha cứng giòn… -Khi đã có vết nứt thì việc phát triển của nó là dễ dàng khi chịu tải trọng tác dụng. 2-Phá hủy trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kì (phá hủy mỏi). Khi chịu tải trọng thay đổi theo chu kì kim loại sẽ bị phá huỷ khi ứng suất còn thấp hơn giới hạn bền rất nhiều, có thể còn nhỏ hơn cả giới hạn chảy. Sự phá huỷ thường xảy ra sau một thời gian làm việc 107-108 chu trình. Nếu vượt qua số chu trình này mà kim loại chưa bị phá hủy thì khả năng bị phá hủy về sau sẽ rất hạn chế. Vùng bị phá hủy mỏi luôn luôn có hai phần: Phần phá hủy từ từ theo thời gian và phần phá hủy tức thời. Sự tạo thành vết nứt đầu tiên cũng có các nguyên nhân giống như phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh. Nhưng vết nứt đầu tiên thường xuất hiện trên bề mặt chi tiết, là nơi chịu ứng suất tác dụng lớn nhất. Việc nâng cao chất lượng bề mặt bao gồm cả chất lượng kim loại và chất lượng gia công có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao giới hạn mỏi. X-NGUYÊN LÍ HOÁ BỀN VẬT LIỆU KIM LOẠI: -Giảm lệch mạng tăng độ bền kim loại lên gần độ bền lí thuyết. Chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm.
31 -Tăng lệch mạng để các lệch cản trở lẫn nhau. Thực hiện được trong thực tiễn kĩ thuật bằng nhiều phương pháp.