Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 2. Biến dạng dẻo và cơ tính docx

08/2010
1
Chương 2. Biến dạng dẻo và cơ tính
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.3 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo
Chương 2. Biến dạng dẻo và cơ tính
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
2.1.1 Khái niệm
- Biến dạng: Sự thay đổi kích thước, hình dạng
của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng
- Biến dạng đàn hồi: Biến dạng mất đi khi bỏ tải
P < σ
đh
- Biến dạng dẻo: Biến dạng còn tồn tại khi bỏ tải
P > σ
đh
08/2010
2
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
Độ dãn dài
Δ
l
Tảitrọng F
F
đh
a
1
e
F
a

a
b
c
F
b
a
2
0
Biểu đồ tải trọng – biến dạng
2.1 Biến dạng dẻo và phá hủy
a) Ban đầu: các nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân
bằng
b) Biến dạng dàn hối: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi hẹp
nhỏ hơn hằng số mạng, có thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải
c) Biến dạng dẻo: các nguyên tử xê dịch trong phạm vi lơn hơn
hằng số mạng (trượt), không thể trở về vị trí ban đầu khi bỏ tải
d) Phả hủ
y: liên kết giữa các nguyên tử bị cắt rời
08/2010
3
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Khái niệm: Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo
những mặt và phương nhất định được gọi là phương trượt và mặt trượt.
Phương trượt
Mặttrượt
Trượt trong đơn
tinh thể Zn
Hiệntượng trượt trong đơn
tinh thể
2.1.2 Trượt đơn tinh thể

a) Các mặt và phương trượt
Mặt trượt: Mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt
nguyên tử dày đặc nhất tại đóxảy ra hiện tượng trượt
Mặt dày đặc nhất?
Điều kiện:
- Liên kết giữa các nguyên tử bề vững nhất
-Khoảng cách giữa hai mặt là lớn nhất
Phương trượt: Phương có mật độ nguyên tử lớn nhất
Hệ trượt: sự kết hợp giữa một phương trượt và một mặt trượt
08/2010
4
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Hệ trượt trong mạng A
1
Họ mặt trượt: {111}, số lượng: 4
Họ phương trượt <110>, số lượng: 3
Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Hệ trượt trong mạng A
2
Họ mặt trượt: {110}: 6
Họ phương trượt <111>: 2
Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 12
08/2010
5
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
Hệ trượt trong mạng A
3
Mặt xếp chặt nhất: {0001}: 1
Họ phương xếp chặt nhất : 3

Hệ trượt = số phương trượt x số mặt trượt = 3
>< 0211
Ti
α
, Zn, Mg, BeFe
α
, Cr, W, VFe
γ
, Ai, Cu, Au
Kim loại
31212
Hệ trượt
(3)<111> (2)<110> (3)
Họ phương
trượt
{0001} (1){110} (6){111} (4)
Họ mặt
trượt
Kiểu mạng
>< 0211
08/2010
6
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
b) Ứng suất gây ra trượt
Định luật Schmid:
Phương trượt
σ
τ
σ’
α

β
Mặttrượt
S
0
ứng suấttácdụng
Diện tích mặt trượt: S=S
0
/cosα
Ứng suất tiếp trên phương trượt:
τ = (F/S)cosβ = (F/S
0
)cosαcosβ
Æ τ
=
σ
0
cos
α
cos
β
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
b) Ứng suất gây ra trượt
Định luật Schmid:
τ
=
σ
0
cos
α
cos

β ≥τ
th
τ
R
= 0
φ=90°
σ
τ
R
= σ/2
λ=45°
φ=45°
σ
τ
R
= 0
λ=90°
σ
a) b) c)
Không xảy
ra trượt
Không xảy
ra trượt
Dễ xảyra
trượt
08/2010
7
2.1.2 Trượt đơn tinh thể
c) Cơ chế trượt
Lý thuyết: τ

th
= G/2π. Thực tế: τ
th
= G/(8.10
2
÷ 8.10
4
)
G: mođun trượt
2.1.3 Trượt đa tinh thể
a) Đặc điểm
-Các hạt bị biến dạng không đều
- Có tính đẳng hướng
-Có độ bền cao hơn
-Hạt càng nhỏ thì độ bền và độ dẻo
càng cao
Biểu thức Hall-Petch
σ
ch
= σ
0
+ kd
-1/2
σ
ch
: ứng suất chảy
d: kích thước hạt
σ
0
: ứng suất cho lệch chuyển động d → ∞

k: hằng số
08/2010
8
2.1.3 Trượt đa tinh thể
a) Tổ chức và tính chất sau biến dạng
Tổ chức:
-Các hạt có xu hướng dài ra theo phương biến dạng
- ε = 30-40%: các hạt sẽ bị
chia nhỏ và kéo dài theo thớ
- ε = 70-90%: các hạt bị quay,
các phương mạng cùng chỉ số
song song, tạo tổ chức textua
biến dạng
2.1.3 Trượt đa tinh thể
a) Tổ chức và tính chất sau biến dạng
Tính chất:
-Hạt tinh thể bị kéo dài theo phương biến dạng: có tính dị hướng
- Ứng suất lớn do xô lệch mạng tinh thể (tăng mật độ lệch)
-Cơ tính thay đổi: độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo, độ dai giảm. Điện trở tăng,
khả năng chống ăn mòn giảm
08/2010
9
2.1.4 Phá hủy
Æ Là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khắc phục
được
Æ
thiệt hại về kinh tế, con người…
Æ
cần phải
có biện pháp khắc phục

Đặc điểm chung: hình thành các vết nứt tế vi
Æ
phát
triển vết nứt
Æ
tách rời
Æ
phá huỷ
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
-Pháhủy dẻo: kèm theo biến dạng dẻo đáng kể
+ phát triển với tốc độ chậm, cần nhiều năng lượng Æ công
phá hủy lớn
-Pháhủy giòn: kèm theo biến dạng không đáng kể
+ phát triển với tốc độ rất nhanh, cần năng lượng nhỏ Æ
công phá hủy nhỏ hơn
Phá hủy dẻoPháhủy giòn
08/2010
10
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
Phá hủy giòn hay dẻo
-Bản chất của VL: Al, thép…phá hủy dẻo; gang, ceramic
phá hủy giòn
-Nhiệt độ thấp, tốc độ đặt tải nhanh: vl dẻo bị phá hủy giòn
-Kết cấu gây tập trung ứng suất: vl dẻo bị phá hủy giòn
Chú ý: vếtpháhủycóthể cắt ngang các hạthay
theo biên giớihạt
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh

Cơ chế phá hủy
Sợi
Vết
cắt
1 2
3 4 5
1. Xuấthiện các vếtnứttế vi
2. Các vếtnứttế vi phát triển đếnkíchthướctớihạn
3. Các vếtnứttế vi phát triển đếnkíchthướclớnhơngiátrị tớihạn
4. Các vếtnứttế vi phát triển nhanh
5. Phá huỷ vậtliệu
08/2010
11
2.1.4 Phá hủy
a) Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
Vết nứt tế vi - mầm phá hủy VL:
-Vết nứt khi kết tinh, nguội nhanh
-Các rỗ khí, bọt khí trong vật đúc
-Từ các pha có độ bền thấp trong vật liệu
- Hình thành trong quá trình biến dạng do tập hợp
nhiều lệch cùng dấu chuyển động trên cùng một
mặt trượt và gặp vật cản (pha thứ hai, biên
hạt…)
2.1.4 Phá hủy
b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ
Đặc điểm:
-Vật liệu chịu tải trọng không lớn (<< [σ
b
], [σ
ch

]), thay đổi
theo chu kỳ bị phá hủy sau thời gian tương đối dài (10
5
–
10
6
chu kỳ) (phá hủy mỏi)
- Chi tiết thường gặp: cầu, trục, bánh răng, nhíp, lò xo…
Cơ chế phá hủy:
- Hình thành vết nứt trên bề mặt (vết nứt sẵn có trong quá
trình chế tạo: lõm co, vết xước…)
-Tác dụng ứng suất kéo lớn nhất phát triển vết nứt gây
phá hủy
→ Tăng độ bóng bề mặt, tạo ứng suất dư nén ở bề mặt
08/2010
12
2.1.4 Phá hủy
b) Phá hủy trong điều kiện tải trọng chu kỳ
Mặt gẫy khi phá hủy mỏi:
Bề mặt phá hủymỏi đượcchialàm3 vùng:
Vùng 1: rấtmỏng (vùng củacácvếtnứttế vi)
Vùng 2: các vếtnứt phát triểnchậm. Bề mằtphẳng nhưng có
các lớpvàdải phân cách
Vùng 3: tiếtdiệnnhỏ, bằng phẳng, phá huỷ tứcthời
2.2 Các đặc trưng cơ tính
Cơ tính: các đặc trưng cơ học cho biết khả
năng chịu tải của vật liệu trong các điều
kiện tương ứng
+ Cơ sở của các tính toán sức bền, khả
năng sử dụng vật liệu vào mục đích nhất

định
+ Được xác định trên các mẫu chuẩn nhỏ
-Các chỉ tiêu cơ tính thông dụng: Độ bền,
độ
dẻo, độ dai va đập, độ dai phá hủy
08/2010
13
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
-Phương pháp thử kéo, nén, uốn
- Đơn vị
1kG/mm
2
≈ 10MPa, 1MPa ≈ 0,1 kG/mm
2
, 1MPa ≈ 0,145 ksi,
1ksi ≈ 0,703kG/mm
2
, 1kG/mm
2
≈ 1,45 ksi, 1ksi ≈ 6,9MPa.
- Giới hạn đàn hồi: σ
đh
- Giới hạn đàn hồi quy ước: σ
0,01
, σ
0,05
- Giới hạn chảy vật lý: σ
ch
- Giới hạn chảy quy ước: σ

0,2
- Giới hạn bền: σ
b
MPa
S
F
][=
σ
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
a) Giới hạn đàn hồi: σ
đh
Là ứng suất lớn nhất, sau khi bỏ tải không làm mẫu bị
thay đổi hình dạng và kích thước
b) Giới hạn đàn hồi quy ước (σ
0,01
, σ
0,05
):
c) Giới hạn chảy vật lý σ
ch
:
Là ứng suất nhỏ nhất gây ra biến dạng dẻo
d) Giới hạn chảy quy ước: σ
0,2
MPa
S
F
đh
][

0
=
σ
F
đh
: lực kéo lớn nhất không gây biến
dạng sau khi bỏ tải (N)
S
0
: tiết diện mẫu thử (mm
2
)
MPa
S
F
][
0
05,0
05,0
=
σ
MPa
S
F
][
0
2,0
2,0
=
σ

08/2010
14
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
d) Giới hạn bền: σ
b
Là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây biến dạng cục
bộ dẫn đến phá hủy mẫu
MPa
S
F
b
][
0
0
=
σ
F
0
: lực kéo lớn nhất trên giản đồ thử
kéo (N)
S
0
: tiết diện mẫu thử (mm
2
)
e) Các yếu tốảnh hưởng đến độ bền
1. Độ bền lý thuyết
2. Độ bền của đơn tinh thể
3. Các kim loại nguyên chất sau ủ

4. Kim loại sau biến dạng, hóa bền…
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.1 Độ bền (tĩnh)
f) Các biện pháp nâng cao độ bền
- Nguyên lý: hạn chế chuyển động của lệch
- Để tăng bền:
+ Giảm mật độ lệch < 10
8
+Tăng mật độ lệch > 10
8
(biến dạng dẻo – nhiệt luyện)
⇒ Có 5 biện pháp hóa bền
1. Biến dạng dẻo: tăng mật độ lệch → biến cứng, tăng bền
2. Hợp kim hóa: tăng xô lệch mạng, mật độ lệch → tăng bền
3. Làm nhỏ hạt: tăng bền, dẻo, dai
4. Nhiệt luyện – Hóa nhiệt luyện
5. Tiết pha phân tán: tạo ra các pha thứ 2 phân tán nhỏ mịn là các chốt
cản trở chuyển động của lệch → tăng độ bền, độ
cứng
VD: Đura: AlCu4,5Mg1,2: σ
b
= 400-800MPa
Al: σ
b
= 40-80MPa
VD: Thép: σ
b
= 120-150MPa
CT31: σ
b

> 310MPa
08/2010
15
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.2 Độ dẻo ( ψ%, δ%)
K/n: là tập các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư
của vật liệu bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng tĩnh
Mẫutrướcthử kéo Mẫutrướcthử kéoMẫusauthử kéo Mẫusauthử kéo
Các chỉ tiêu: Độ dãn dài tương đối và độ co thắt tương đôi:
%100%
0
01
×
−
=
l
ll
δ
%100%
0
10
×
−
=
S
SS
ψ
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.2 Độ dẻo ( ψ%, δ%)
Tính siêu dẻo: δ = (100-1000)% gọi là vật liệu siêu dẻo

Ưu điểm của vật liệu siêu dẻo:
-Dễ chế tạo các sản phẩm rỗng,
dài, tiết diện không đều, phức tạp
-Tiết kiệm năng lượng
Yếu tốảnh hưởng đến độ dẻo:
-Nhiệt độ: T tăng, δ tăng
-Tốc độ biến dạng tăng, δ giảm
- Độ hạt: d giảm, δ tăng
-Kiểu mạng tinh thể: A
1
> A
2
> A
3
08/2010
16
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ dai đập (a
k
)
K/n: khả năng chống phá hủy của vật liệu dưới tác dụng
của tải trọng động
a
k
: Công phá hủy trên một tiết diện mẫu a
k
= A
k
/S [Nm/mm
2

]
[kJ/mm
2
], kGm/cm
2
]
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ dai đập (a
k
)
Phạm vi ứng dụng:
- Chi tiết chịu va đập: a
k
> 200kJ/m
2
- Chi tiết chịu va đập cao: a
k
> 1000kJ/m
2
-Mối tương quan giữa a
k
và (σ
0,2
×δ):
a
k
~ σ
ch
(σ
0,2

)xδ
Các biện pháp nâng cao độ dai:
- Làm nhỏ mịn hạt: tăng bền, dẻo → tăng độ dai
-Hóa bền bề mặt
- Hình dạng tròn đa cạnh có độ dai cao hơn so với dạng
tấm, kim
08/2010
17
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
K/n: Khả năng vật liệu chống lại biến
dạng dẻo cục bộ dưới tác dụng của
tải trọng thông qua mũi đâm
Đặc điểm:
-Chỉ biểu thị tính chất bề mặt của vật
liệu (VL không đồng nhất)
-Biểu thị khả năng chống ăn mòn của
vật liệu
-Khi vật liệu đồng nhất (phôi ủ): biểu
thị khả năng gia công của vật liệu
-Sử dụng mẫu nhỏ, không phá hủy
mẫu, đơn giản, nhanh chóng
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
Nguyên lý xác định độ cứng:
Ép tải trọng lên mẫu thông qua mỗi

đâm bằng vật liệu cứng tạo vết lõm
trên bề mặt mẫu, vết lõm càng lớn, độ
cứng càng thấp
Phân loại:
- Độ cứng tế vi, dùng tải trọng nhỏ, mũi
đâm bé xác định độ cứng các hạt, pha
trong tổ chức của vật liệu
- Độ cứng thô đại, tải trọng và mũi đ
âm
lớn phản ánh khả năng chống biến
dạng dẻo của nhiều hạt, nhiều pha →
xác định độ cứng chung của vật liệu
-Kíhiệu H (Hardness)
08/2010
18
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
Phân loại:
a) Độ cứng Brinell (HB): mũi đâm bi thép
)(
2
2
0
2
dDDD
P
F
P

HB
−−
==
π
Thép và gang: D = 10mm, p = 30D
2
= 3000N, t = 15s
Ưu điểm:
Quan hệ bậc nhất với σ
b
= a.HB (a = 0,3 – 0,5)
Nhược điểm, phạm vi ứng dụng:
-Mẫu đo phẳng
-Chỉ đo vật liệu có độ cứng thấp: thép ủ, thường
hóa, vật liệu kim loại màu
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
Phân loại:
b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC):
-Mũi đâm kim cương hình chóp (HRA, HRC), 120
0
-Mũi đâm bi thép D = 1,58mm (HRB)
- P = f + F
- f = 10kG (F = 50: HRB, F = 90: HRA, F = 140 HRC)
f
f
f
F

h
HR = k-(h/0,002) (không thứ nguyên)
08/2010
19
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
Phân loại:
b) Độ cứng Rockwell HR (HRA, HRB, HRC):
Ưu điểm:
- Đo vật liệu từ tương đối mềm và cứng
-Kết quả đo hiển thị ngay trên máy
-Thời gian đo nhanh
- Đo trực tiếp trên sản phẩm
Phạm vi ứng dụng:
HRB: thép sau tôi, tôi + ram, thấm C
HRA: lớp thấm mỏng: thấm C, C + N
HRB: Thép ủ, thường hóa, gang đúc
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
Phân loại:
c) Độ cứng Vickers HV:
-Mũi đâm kim cương hình tháp, 136
0
-Tải trọng nhỏ (1-100kG), điều kiện chuẩn 30kG, t = 10-15
2
854,1

d
P
HV =
Ưu điểm:
- Đo được độ cứng cho mọi loại vật liệu, mẫu mỏng
-Kết quả đo không phụ thuộc vào tải trọng
Nhược điểm:
-Thiết bị đắt tiền
-Xử lý mẫu phức tạp không tiện lợi bằng phương
pháp đo Rockwell
08/2010
20
2.2 Các đặc trưng cơ tính
2.2.3 Độ cứng (a
k
)
Chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng:
-81,260-697Cao
-75,950475513TB
10060,520240240Thấp
HRBHRAHRCHBHV
Các mức độ cứng của thép
-Mềm: HB< 150
- Trung bình: HB ~ 300-400
- Cao HRC ~ 60-65
-Thấp: HB ~ 200
-Tương đối cao: HRC ~ 50-58
-Rất cao HRC > 65
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.1 Trạng thái kim loại sau biến dạng dẻo

- Sau biến dạng dẻo hạt bị kéo dài thep phương biến dạng,
có tổ chức thớ (biến dạng lớn có tổ chức textua)
-Xô lệch mạng lớn, mật độ lệch cao
-Tồn tại ứng suất dư trong
→ Kim loại bị hóa bền biến cứng (TT không cân bằng):
σ
b
, σ
ch
, σ
đh
, HB tăng; δ, a
k
giảm
Tại sao cần phải nung kim loại qua biến dạng dẻo
- Để tiếp tục biến dạng dẻo
- Để có thể gia công cắt gọt dễ dàng
-Khử bỏứng suất tránh phá hủy giòn
08/2010
21
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng
a) Hồi phục:
-T < T
ktl
(0,1-0,2)T
nc
-Giảm sai lệch mạng
-Giảm mật độ lệch
-Tổ chức tế vi chưa biến đổi

→ Cơ tính chưa thay đổi
b) Kết tinh lại:
-T > T
ktl
(aT
nc
) (a = 0,3-0,8)
- Hình thành hạt theo cơ chế
sinh mầm và phát triển mầm
-Biến dạng dẻo mạnh, số lượng
tâm mầm nhiều, hạt nhỏ mịn
-Tổ chức hạt đa cạnh, đẳng trục
→ Dẻo tăng, bền, cứng giảm
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng
c) Kết tinh lại lần hai:
-Nhiệt độ cao, thời gian giữ nhiệt dài
→ Quá trình sát nhập hạt: hạt lớn “nuốt hạt be”
- Phát triển hạt là tự nhiên, giảm tổng biên giới hạt nên làm
giảm năng lượng dự trữ
→ Kết tinh lần hai làm xấu cơ tính
08/2010
22
2.3 Nung thép đã qua biến dạng dẻo
2.3.3 Biến dạng nóng – Biến dạng nguội
-Biến dạng nguội: T < T
ktl
+ Không có quá trình kết tinh lại
+ Hóa bền
-Biến dạng nóng: T > T

ktl
[(0,7-0,75)T
nc
]
+ Hóa bền do biến dạng
+Kết tinh lại, mất xô lệch mạng gây ra thải bền,
giảm độ cứng