BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI (Cơ học ứng dụng)

CHƯƠNG 2. BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI
2.1. Các khái niệm
2.2. Các đặc trưng cơ tính của vật liệu

CHƯƠNG 2. BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI
Đa số các vật phẩm kim loại được chế tạo bằng cách gia công biến dạng. Trong
các nhà máy luyện kim sau khi nấu chảy và đúc kim loại thành những thỏi lớn,
người ta đem cán thành những bán thành phẩm khác nhau: dạng thỏi, tấm hình
vv... ở các nhà máy cơ khí chế tạo, các chi tiết được gia công bằng rèn, rập,
tiện, phay bào ...
Trong tất cả các phương pháp gia công đá, kim loại bị biến dạng dẻo để nhận
được hình dạng cần thiết. Khi cán, rèn, rập, quá trình biến dạng kim loại xảy ra
trong tồn bộ hoặc hầu hết thể tích kim loại, cịn khi tiện phay, bào....chỉ xảy ra
trên một phần thể tích (thông thường là lớp bề mặt) với kết quả cuối cùng của
biến dạng là sự tách phai. Mục đích của chương này là nghiên cứu bản chất của
quá trình biến dạng mà chủ yếu là biến dạng dẻo có nếu khái quát về biến dạng
đàn hồi và sự phá huỷ, đồng thời nghiên cứu những thay đổi về tổ chức và tính
chất do biến dạng dẻo gây ra, ảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái sau biến
dạng.

2.1. Các khái niệm
2.1.1. Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy
2.1.1.1. Biểu đồ kéo kim loại
Mẫu thử kéo : là kim loại làm bằng thép được gia cơng với hình dạng và kích
thước theo TCVN 1960 -76, thường mẫu thử có tiết diện trịn , chiều dài mẫu
thử gấp 10 lần đường kính. Chiều dài là chiều dài tính tốn hình dáng như hình
vẽ
F0

l

0

l

F1

a)

l

1

b)

Hình 2.1. Mẫu thử kéo
1


Điều kiện thí nghiệm: tiến hành ở nhiệt độ phịng, và trên những máy thử kéo
các máy này gồm có các bộ phận chính như cơ cấu để gây tải trọng biến dạng
(N/m2)
cho mẫu, cơ cấu
truyền
P
lực kéo, cơ cấu (N,KN)
thay đổi
lực kéo. Thơng
thường sử
b
C

dụng các máy có
lực kéo
2000, 4000, 5000,
30000,
D
50000KG.
K

Hình 2.2 Giản đồ
- biến dạng

ch
dh A B

ứng suất

Khảo sát quá trình
biến dạng
của mẫu, ta có thể
rút ra 3
N
M
l
O
yếu tố biến dạng
sau đây:
Biến dạng đàn hồi
là
biến
lđh

ld
dạng bị mất đi
ngay sau
khi khử tải trọng, biến dạng dẻo có kèm theo sự thay đổi hình dạng sau khi khử
tải trọng và sự phá hủy làm cho mẫu tách rời thành những phần riêng lẻ. Tương
ứng với 3 yếu tố đó là 3 giai đoạn của biến dạng.
+ Biến dạng đàn hồi (đoạn OA) , khi F < Fdh độ giãn dài L tỷ lệ bậc nhất với
tải trọng mẫu lại trở lại kích thước ban đầu.
+ Biến dạng dẻo - đường cong AB, khi F > Fdh độ biến dạng tăng nhanh theo tải
trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng vẫn còn lại một phần
+ Biến cứng - đường cong BC
+ Giai đoạn phá hủy - đường cong CD
Biến dạng đàn hồi không những xảy ra trong giai đoạn đàn hồi mà ngay cả trong
giai đoạn biến dạng dẻo và phá hủy. Chính vì vậy, độ biến dạng của 2 giai đoạn
này gồm 2 phần: đàn hồi và dẻo nên L = lđh + ld
Ví dụ: Tại điểm K muốn tìm 2 thành phần này, ta phải kẻ KN//OA; KM// trục
tung. Khi đó ON làlđh đoạn NM là ld
Nhìn vào hình 2.2. nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất σ b mẫu bị thắt
lại, dẫn đến tải trọng bằng const nhưng ứng suất tăng nên xảy ra phá hủy ở điểm
D
2.1.1.2. Bản chất của biến dạng đàn hồi. Định luật Hooke

2


+ Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà bị mất đi sau khi khử tải trọng. Biến dạng
đàn hồi tuân theo định luật Hooke tức là ứng suất  tác dụng lên kim loại gây ra
độ biến dạng  tỷ lệ thuận với suất đó:
 = E. (2.1)
E: gọi là môđun đàn hồi pháp tuyến của vật liệu (MN/mm2; Mpa)

Với trạng thái ứng suất tiếp  thì:  = G. (2.2)
 góc lệch của tinh thể khi chịu ứng suất
G: môđuyn trượt của vật liệu (MN/mm2; Mpa)
+ Môđuyn đàn hồi pháp tuyến E và môđuyn trượt G là 2 đặc tính quan trọng của
biến dạng đàn hồi. Giữa chúng có quan hệ sau: E = 2G(1 + )
(2.4)
: là hệ số poisson tùy thuộc vào từng loại kim loại thông thường  
Từ các biểu thức trên, ta thấy định luật Hooke chỉ đúng trong giai đoạn biến
dạng đàn hồi.
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến môđuyn đàn hồi, nhiệt độ, nguyên tố hợp kim và tổ
chức của vật liệu.

Hình 2.3. Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lượt
a. tăng tải trọng ban đầu b. Biến dạng đàn hồi
c. Biến dạng dẻo
d. Phá hủy
2.1.1.3. Biến dạng dẻo
Đặc trưng của biến dạng dẻo là biến dạng sau khi bỏ tải trọng mà vẫn tồn tại một
lượng biến dạng dư làm mẫu bị thay đổi về hình dạng và kích thước.
Ý nghĩa: Làm thay đổi hình dạng, kích thước mà kim loại không bị phá hủy cho
phép gia công các sản phẩm có hình dạng xác định, làm cơ sở lý thuyết gia công
kim loại bằng áp lực.
2.1.2. Biến dạng dẻo đơn tinh thể (trượt đơn tinh thể).
Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và
phương nhất định gọi là mặt và phương trượt (hình 2.4)
Đơn tinh thể và mạng tinh thể trước khi trượt
Hình dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể sau khi trượt

3

Hình 2.4. Sơ đồ biểu diễn sự trượt
2.1.2.1. Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo
Xét ứng suất trên mặt tinh thể:

Hình 2.5. Trượt trong đơn tinh thể
Hình 2.6. Bậc trượt và dải trượt
Theo định luật Schmid
Khi τ > τth (xác định đối với từng kim loại ) -> trượt mới xảy ra. Giá trị của
ứng suất gây ra trượt là:
(2.5)
Trong đó: F/S0 là ứng suất kéo σ0 thay vào ta có
(2.6)
Gọi cosα. Cosβ là thừa số Schmid. Ứng suất gây ra trượt τ phụ thuộc vào góc β
& α qua thừa số Schmid.
-Khi α = 900 hay β = 900 -> τ = 0, lực F chỉ làm phá hủy mà không xảy ra biến
dạng dẻo.
- Khi (α+ β)# 900, τmax = 0,5.σ0, khi α = β = 450

4
a

a


Hệ trượt nào có τmax thuận lợi nhất thì xảy ra trượt trước dẫn đến các hệ ít thuận
lợi hơn.
* Khi ứng suất là ứng suất pháp ()
Hình 2.7. ứng suất tác dụng lên mạng tinh thể
Nếu tác dụng lên tinh thể ứng suất pháp thuần túy (kéo hay nén) thì khoảng cách

nguyên tử theo chiều trực giao với mặt tinh thể sẽ tăng hoặc giảm. Nếu ứng suất
bé thì sự thay đổi khoảng cách nguyên tử cũng bé và khi khử ứng suất, lực hút
hoặc đẩy sẽ đưa nguyên tử về vị trí cũ, tức là độ biến dạng sẽ mất đi. Nếu ứng
suất pháp lớn làm cho sự thay đổi khoảng cách nguyên tử vượt quá giá trị cho
phép thì sẽ xảy ra quá trình phá hủy. Như vậy, ứng suất pháp không làm cho tinh
thể biến dạng dẻo mà chỉ có biến dạng đàn hồi và sau đó phá hủy dịn, tức phá
hủy khơng kèm theo biến dạng dẻo.
* Khi ứng suất là ứng suất tiếp ()

1

(a)

2

(b)

(c)

Hình 2.8. Sự thay đổi mạng tinh thể khi biến dạng
Khi ứng suất tiếp có trị số nhỏ, các lớp nguyên tử bị xê dịch đàn hồi một góc 
(hình b) và khi khử ứng suất, các nguyên tử trở lại vị trí cũ, do đó tinh thể trở lại
với kích thước và hình dáng ban đầu. Khi ứng suất đủ lớn, ngồi sự xê dịch đàn
hồi có thể xảy ra hiện tượng trượt (hình c) phần trên của tinh thể trượt khỏi phần
dưới một đoạn bằng một khoảng cách nguyên tử. Mặt phẳng nơi xảy ra trượt gọi
là mặt trượt. Khi trượt, nguyên tử phá vỡ mối liên kết với nguyên tử cũ xong lại
tại mối liên kết mới với nguyên tử mới nên mối liên kết giữa các nguyên tử
khơng bị phá hủy. Kích thước và hình dáng của tinh thể thay đổi mà không bị
phá hủy và như vậy đã xảy ra biến dạng dẻo. Vậy, chỉ có ứng suất tiếp mới gây
ra biến dạng dẻo.

2.1.2.2. Độ bền lý thuyết và thực tế của kim loại
* Độ bền lý thuyết
Để xác định độ bền của kim loại cần nghiên cứu và tính tốn thơng qua cơ chế
trượt. Để tạo ra sự xê dịch dư thì lớp nguyên tử trên phải trượt tương ứng với lớp
nguyên tử dưới một đoạn ít nhất là bằng 1 thơng số mạng.

5


F
x
B

A

a
B

b/2

b

C
x

Hình 2.9. Biểu đồ lực và khoảng cách nguyên tử
Vì lúc đó các ngun tử chiếm các vị trí cân bằng mới, trùng với các nút
mạng của tinh thể.
Gọi x là độ xê dịch của mỗi nguyên tử và cũng là độ xê dịch chung của toàn lớp
nguyên tử. Tại vị trí trung gian thì lực tác dụng lên ngun tử A bằng 0 vì lực hút

được cân bằng từ 2 phía. Khi độ xê dịch x > thì nó chịu tác dụng lực hút từ
nguyên tử C nên lực tác dụng lên nguyên tử khi trượt được tính là:
(2.7)
F: là lực trượt cần thiết mà mỗi nguyên tử phải thắng để dịch chuyển với độ xô
dịch x.
Mặt khác, theo định luật Hooke ta có
 = F = G.  G. (do  bé)
(2.8)
nên
(coi )
Nếu coi a = b thì G = 2k và k =
k: gọi là biên độ của lực, nó là lực lớn nhất cần tác dụng lên mặt trượt để tạo ra
sự trượt. Do đó, độ bền lý thuyết của tinh thể kim loại là
* Độ bền thực tế
Độ bền thực tế nhỏ hơn giá trị độ bền lý thuyết từ (103  104) lần. Sự khác nhau này
chỉ có thể giải thích được khi xuất hiện lý thuyết lệch theo đó, cấu trúc mạng tinh
thể thực tế là khơng hồn chỉnh và có chứa nhiều lệnh.

vùng trung
tâm lệch

6


Hình 2.10. Lệch chuyển động tạo bậc
Tại trung tâm lệch độ ổn định kém do tăng năng lượng tự do chính vì vậy,
chỉ cần tác động nhỏ thì nó làm thay đổi trạng thái và vị trí. Khi đó, giá trị ứng
suất gây ra chuyển động của lệch gần bằng với ứng suất thực tế và được tính
theo cơng thức Peiers - Nabbaro
(2.9)

a: khoảng cách giữa các mặt nguyên tử song song với mặt trượt
b: khoảng cách giữa các nguyên tử theo hướng trượt
Tóm lại, trong tinh thể có cấu tạo hoàn chỉnh lý tưởng, trượt xảy ra bằng cách
các nguyên tử trên mặt trượt xê dịch cùng một lúc trên một khoảng cách nguyên
tử do đó cần phải có lực tác dụng rất lớn. Trong tinh thể thực tế, trượt xảy ra
bằng chuyển động của lệch, các nguyên tử trên mặt trượt xê dịch không cùng lúc
nên chỉ cần lực tác dụng tương đối nhỏ.
* Nguồn tạo lệch Frank - Read
Theo mơ hình, biến dạng một lệch tạo ra một bậc có trị số là một thơng số
mạng . Trong tinh thể nếu có n lệch sẽ tạo ra một bậc có trị số là n..
Thực tế, mức độ biến dạng tạo ra có trị số lớn hơn n. rất nhiều. Giả thuyết trong
quá trình biến dạng dẻo các lệch mới sinh ra. Nguồn phát sinh lệch trong khi
biến dạng được gọi là nguồn Frank - Read với nguyên lý hoạt động như sau:
Giả sử có một đoạn đường lệch AB bị kẹp chặt. Đó là những nút gặp nhau
của các đường lệch trên những mặt trượt khác nhau, những nguyên tử tạp chất
hay các nguyên nhân khác. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp , đường lệch phải
chuyển động trên mặt trượt nhưng do A, B bị kẹp chặt nên đường lệch AB bị
cong dần. ứng suất cần thiết để đường lệch có bán kính cong cực tiểu gọi là ứng
suất tới hạn.
(2.10)
b: độ lớn véctơ bragg
l: là khoảng cách giữa hai điểm A

A
l

B

Hình 2.11. Mơ hình tạo nguồn phát sinh lệch Frank - Read
2.1.3. Các cơ chế biến dạng dẻo

7


2.1.3.1. Trượt
Là cơ chế biến dạng dẻo mà trong quá trình biến dạng một phần tinh thể trượt
tương đối so với một mặt cố định gọi là mặt trượt. Trong mặt trượt theo các
phương xác
định
mặt trượt
gọi
là
phương
trượt.
Hình 2.12.
Cơ
chế trượt trong mạng tinh thể thực tế có lệch biên
+ Mặt trượt là mặt có mật độ mặt sít chặt Ms lớn nhất.
+ Phương trượt là phương có số nguyên tử lớn nhất
+ Hệ trượt là tích số giữa mặt trượt và phương trượt. Kiểu mạng nào có hệ trượt
lớn thì khả năng biến dạng càng cao.
Ví dụ: Với mạng A1K12
Mặt trượt (111) có 6 mặt
Phương trượt (110) có 2 phương
nên có 12 hệ trượt
Với mạng A2K8:
Mặt trượt (111) có 4 mặt
Phương trượt (111) có 3 phương
nên có 12 hệ trượt
Cả 2 mạng A1K12 và A2K8 cùng có 12 hệ trượt xong mạng A 1K12 dễ biến dạng
dẻo hơn do có số mặt trượt lớn hơn

Với mạng A3L12:
Mặt trượt (0001) có 1 mặt
Phương trượt (2110) có 3 phương nên có 3 hệ trượt vì vậy mạng A 3L12 rất khó
biến dạng dẻo
2.1.3.2. Đối tinh
Đối tinh là quá trình
biến
dạng dẻo mà các phần
tinh
thể dịch chuyển đối
xứng
nhau qua một mặt mặt đối tinh
phẳng cố định gọi là
mặt
đối tinh (song tinh)
Hình 2.13 Cơ chế đối tinh
Đặc điểm của đối tinh
+ Giống như trượt, đối tinh cũng xảy ra theo nhưng mặt và phương xác định.
+ Khi biến dạng, quá trình đối tinh bắt đầu khi ứng suất vượt quá trị số nhất
định.
+ Đối tinh xảy ra đột ngột trứ không phải từ từ với tốc độ xác định như q trình
trượt. Vì vậy, nó có khả năng tiến hành để dễ dàng trong điều kiện tải trọng
nhanh.
+ Vì sự chuyển dịch của nguyên tử trên mỗi mặt phẳng xảy ra chỉ một lần trên
khoảng cách ngắn nên độ biến dạng dư tạo ra khi đối tinh có trị số rất, bé nên
8


những tinh thể khi biến dạng dẻo bằng đối tinh thì q trình phá hủy là phá hủy
dịn.

+ Đối tinh xảy ra thì nó có tác dụng làm cho q trình trượt cũng xảy ra dễ dàng
hơn.
2.1.3.3. Vai trị của mặt trượt và phương trượt trong biến dạng dẻo

P

n
p

n
pn

m

p
n

pp

m

Phương trượt

F

F0

Hình 2.14. Mặt trượt và phương trượt trong tinh thể
m = m.sin --> m =
(2.11)

Mặt khác, ứng suất theo phương trượt
và
(2.12)
nên ta có:
(2.13)
-->
(2.14)
và
Coi  = 0 ta thấy nếu  = 0 và  = 900 thì cho dù lực P có lớn đến đâu cũng
khơng xảy ra trượt vị trí thuận lợi nhất của mặt trượt để ()max là  = 450
Khi đó: max = 0
(2.15)
2.1.3.4. Hình thái và cơ chế của quá trình trượt
a.Hình thái của quá trình trượt
Trên hình 2.15 trình bày sự biến đổi mạng tinh thể khi trượt khơng có lệch. Do
sự dịch chuyển tương đối lẫn nhau giữa hai phần của mạng đi nhưng số nguyên
lần khoảng cách nguyên tử, các nguyên tử ở hai bên mặt trượt chiếm những vị
trí cân bằng mới, nên sau khi bỏ tải trọng mạng tinh thể không thể trở lại hình
dáng cũ, để lại bậc thang trên bề mặt tinh thể. Trong thực tế chiều dài bậc thang
là hằng trăm – hàng nghìn thơng số mạng.

9


Trước biến dạng

Sau biến dạng

Hình 2.15. Sơ đồ biểu diễn sự biến đổi mạng tinh thể
trước và sau khi trượt khơng có lệch

Q trình trượt ở trong mạng của đơn tinh thể sẽ xảy ra theo trật tự sau đây:
Trước tiên mạng tinh thể sẽ bị trượt theo hệ trượt cơ bản có lợi nhất, tức là ở hệ
có ứng suất tiếp lớn hơn ứng suất trượt tới hạn. Hệ trượt này được gọi là hệ trượt
chính. Sau khi hai phần cảu đơn tinh thể chuyển động tương đối với nhau trên
mặt trượt đầu tiên cảu hệ trượt chính đi một khoảng cách nhất định, tạo nên bậc
thang và dừng lại (hình 2.16a), thì sự trượt lại xảy ra tiếp theo ở các mặt trượt kế
tiếp của hệ trượt chính (hình 2.16b và c). Cuối cùng trên bề mặt cảu đơn tinh thể
xuất hiện những bậc thang, đơn tinh thể có dạng như một chuỗi xu xếp nghiêng.
Vết của các mặt trượt trên bề mặt mẫu được gọi là dải trượt. Có thể thấy rất rõ
các dải trượt trên kính hiển vi quang học, nó gồm vơ số các đường song song với
nhau Sở dĩ hai phần của tinh thể chỉ trượt với nhau một khoảng nhất định (ví dụ
với nhôm khoảng 2000A0) rồi dừng lại, cũng như hai mặt trượt cạnh nhau trong
hệ trượt cơ bản không thể quá gần nhau (ví dụ đối với nhơm khoảng cách giữa
hai đường trượt cạnh nhau khoảng 200A0) là do mạng tinh thể ở vùng xung
quanh mặt trượt bị xô lệch, bị hóa bền và sẽ được trình bày ở mục sau (sự biểu
diễn mạng tinh thể vùng xung quanh mặt trượt như hình 2.14 là chưa chính xác).

Hình 2.16. Sơ đồ tạo nên dải trượt trong đơn tinh thể Al

10


- Theo sự phát triển của biến dạng dẻo, ứng suất tăng lên, tiếp theo hệ trượt
chính, trượt sẽ xảy ra theo những hệ trượt khác. Lúc này các đường trượt mới
cắt chồng lên những đường trượt cũ, trở lực trượt tăng lên.
- Ngoài sự tạo nên các hệ trượt chính và kế tiếp kể trên cịn có q trình quay
của mặt trượt và phương trượt. Mặt trượt có khuỵnh hướng quay sao cho đến vị
trí song song với ngoại lực, cịn phương trượt có khuynh hướng quay đến vị trí
sao cho ứng suất tiếp trên nó là lớn nhất (tức thu hẹp góc ở)
Từ sự trình bày trên có thể rút ra nhận xét là nếu trượt xảy ra trên nhiều mặt

phảng thì đơn tinh thể có độ biến dạng dư lớn (hay nói khác đi có độ dẻo cao),
độ biến dạng dư này chính là kết quả tổng hợp của tất cả các độ xê dịch dư (bậc
thang) ở trên mặt trượt.
b.Cơ chế của quá trình trượt
Theo hình thái trượt như trình bày ở trên thì khi trượt tất cả các nguyên tử
ở trên mặt trượt đều dịch chuyển đi đồng thời, nghĩa là ở mỗi thời điểm các
nguyên tử đều dịch chuyển đi những đoạn bằng nhau. Cách trượt như vậy gọi là
trượt cứng. Theo cách trượt này ứng suất tiếp tác dụng phải rất lớn để khắc phục
được cùng một lúc tất cả các mối liên kết giữa các nguyên tử ở hai bên mặt
trượt. Nhưng trong thực tế ứng suất gây ra trượt của kim loại lại rất thấp do đó
cơ chế trượt cứng như đã trình bày ở trên khơng giải thích được tính dễ trượt của
kim loại.
Có thể giải thích tính dễ trượt (ứng suất trượt tới hạn thấp) của kim loại như sau:
Nếu như trong mạng tinh thể ln ln có
lệch thì chúng ln ln là nơi xuất phát
của q trình trượt, sự trượt tác động đến
các nguyên tử ở trên mặt trượt một cách nối
tiếp nhau như chạy tiếp sức, cho nên ở mỗi
thời điểm chỉ có một số lượng các ngun
tử tham gia q trình trượt, do đó ứng suất
gây ra trượt chỉ cần thấp.
Hình 2.17 Quá trình trượt trong tinh thể có lệch thẳng
Hình 2.17 trình bày q trình trượt trong mạng tinh thể có lệch thẳng (lệch biên).
sự có mặt của bán mặt AB ở trong mạng tinh thể gây ra ở vùng xung quanh nó
sự xơ lệch đàn hồi đối xứng, do đó ứng suất (nén hay kéo) ở hai bên nó cũng
mang tính chất đối xứng nên chúng sẽ cân bằng lẫn nhau. Nếu có ứng suất tiếp
tác dụng lên mặt trượt thì sự cân bằng ứng suất đối với bán mặt AB bị phá vỡ:
lực tác dụng lên AB từ bên tráI sẽ lớn hơn bên phải (như trong trường hợp chiều
tác dụng của ụ như biểu diễn ở hình vẽ). Khi đó chỉ cần ứng suất đạt đến một giá
trị khá nhỏ thì trung tâm của lệch (bán mặt AB) bắt đầu di chuyển sang phảI một

đoạn rất nhỏ, tiếp đến vị trí đối diện với nguyên tử ở hàng dưới, lúc đó bán mặt
chuyển tử vị trí AB sang bán mặt vị trí A’B’ (biểu thị bằng vịng đen). Q trình
trượt xảy ra như vậy với sự chuyển động của bán mặt AB từ tráI sang phảI (hình
2.18 a,b,c) và sự trượt kết thúc khi bán mặt được chuyển ra tới bề mặt của tinh
thể và tạo ra ở đó một bậc thang (hình 2.18d). Theo sự trình bày cơ chế trượt có
11


lệch như vậy thì ở mỗi thời điểm chỉ có một số lượng hạn chế các nguyên tử ở
xung quanh bán mặt AB tham gia trượt và có thể hình dung sự dịch chuyển của
bán mặt lần lượt qua từng vị trí như cuộc chạy đua tiếp sức.

a

b

c

d

Hình 2.18 Sơ đồ mơ tả q trình trượt
2.1.4. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc tinh thể sau biến dạng dẻo, các phương
pháp nâng cao độ bền vật liệu
2.1.4.1. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc của tinh thể
+ Xuất hiện các đường trượt, dải trượt hoặc đường đối tinh, dải song tinh. Ta
biết rằng, một lệch đi ra mặt ngồi tạo ra một bậc có độ lớn . Tập hợp các điểm
đi ra mặt ngoài của lệch tạo thành đường trượt. Tập hợp các đường trượt gọi là
dải trượt.
+ Tạo thành các tổ chức hạt nhỏ và có tính định hướng

Sau khi có biến dạng

Hình 2.19 Tổ chức trước và sau khi biến dạng
+ Tạo thành thớ làm tăng tính dị hướng của vật liệu
+ Nâng cao mật độ lệch và khuyết tật trong tinh thể
+ Sự tạo thành Textua biến dạng đó là tổ chức sau biến dạng khơng đúng với góc
của mặt trượt do bị hạn chế phương trượt hay còn gọi là hiện tượng quay mặt
trượt.
+ Tạo thành ứng suất dư sau biến dạng dẻo nên tạo ra các trung tâm ứng suất dư
do tăng mật độ khuếch tán.
+ Tạo ra ứng suất dư thô đại tồn tại trong tồn bộ thể tích sau khi biến dạng
+ Tạo ra ứng suất dư tế vi tồn tại trong nội bộ một hạt tinh thể do đó tạo nên
trung tâm gây ra các vết nứt đầu tiên làm phá hủy kim loại vì vậy sau biến dạng
dẻo phải khử ứng suất dư.
+ Làm thay đổi cơ tính của kim loại mà điển hình làm tăng độ cứng, giới hạn
đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn bền. Làm giảm độ dẻo, độ dai, va đập
+ Biến dạng dẻo làm tăng mức độ sai lệch mạng làm tăng ứng suất dư và độ hạt
nhỏ vì vậy làm giảm tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt.
2.1.4.2. Các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu
12


* Nếu kim loại có cấu tạo mạng hồn tồn lý tưởng:
Độ bền

0

Mức độ sai lệch mạng

Hình 2.20. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng mức độ sai lệch mạng và độ bền

Trong kim loại mà cấu tạo mạng là lý tưởng tức là khơng chứa lệch thì nó
có độ bền rất cao tương ứng với độ bền lý thuyết. Đó là do trong các sợi đơn
tinh thể với kích thước nhỏ, số lượng sai lệch mạng là vô cùng nhỏ bé, do đó cơ
chế biến dạng gần giống với cơ chế đối với tinh thể hoàn chỉnh. Tinh thể sợi có
đường kính càng nhỏ thì số lượng sai lệch mạng càng ít và độ bền càng cao. Như
vậy, việc chế tạo các tinh thể kim loại sợi là một phương hướng nâng cao độ bền
của vật liệu.
* Nếu kim loại có cấu tạo mạng thực tế:
Do sự có mặt của sai lệch mạng nên chúng có độ bền thấp vì biến dạng dẻo gây
ra chủ yếu là do chuyển động của lệch. Muốn có độ bền cao thì cần có biện pháp
cản trở chuyển động của lệch tức là tạo ra các yếu tố hãm lệch.
+ Tăng mật độ lệch và phân bố đều trong thể tích. Mật độ lệch càng lớn, khoảng
cách giữa chúng càng nhỏ, tương tác giữa chúng càng mạnh.
+ Tăng cường tác dụng hãm lệch của biên giới hạt và biên giới siêu hạt bằng
cách tạo ra kim loại có hạt nhỏ về kích thước hạt siêu bé.
+ Tạo ra pha thứ 2 có độ bền cao hơn dưới dạng những hạt nhỏ phân tán.
+ Tạo ra sai lệch mạng bằng cách chuyển biến pha
2.1.5. Các yếu tố hãm lệch trong tinh thể
Khi lệch chuyển động trên mặt trượt, chúng có thể gặp những chướng
ngại khác nhau làm cho tốc độ chậm lại hoặc đứng hẳn lại, không chuyển động
được nữa.
Nghiên cứu các yếu tố cản trở chuyển động của lệch là vấn đề rất cần thiết
vì rằng sự hãm lệch có liên quan trực tiếp đến cơ tính của kim loại, mà trước hết
là độ bền. Lệch có thể bị hãm do những lệch khác do những dạng khuyết tật
khác nhau trong tinh thể, các nguyên tử tạp chất và nguyên tố hợp kim vv...
chúng ta sẽ khảo sát nội dung chủ yếu của quá trình hãm lệch do các yếu tố kể
trên.
Khái niệm : khi khả năng linh động của lệch giảm dần đến khả năng biến
dạng kém làm giới hạn chảy của vật liệu tăng. Để tăng độ bền của vật liệu ta cần
tăng các yếu tố cản trở chuyển động của lệch.

2.1.5.1. Tương tác giữa các lệch
13


Trong một thể tích vật liệu khi tồn tại nhiều lệch thì các trục lệch cắt nhau.
Do hướng chuyển động của các lệch khác nhau nên chuyển động của một lệch
phải kéo theo chuyển động của lệch khác có tương tác với nó nên làm giảm tính
linh động của lệch (gọi là chướng ngại Lommer - Cottrell)
Chướng ngại Lommer - Cottrell là chướng ngại chủ yếu và tác dụng rất
mạnh. Đặc biệt là khi tạo thành rừng lệnh và lưới lệnh (đặc trưng bởi hệ số biến
đổi điện trở theo nhiệt độ )
2.1.5.2. Các nguyên tử tạp chất
Trong bất kỳ tinh thể nào cũng luôn tồn tại các nguyên tử tạp chất. Các
nguyên tử tạp chất có xu hướng tập trung về trung tâm lệch dọc theo trục lệch
nên chúng tạo thành các chuỗi gần đường lệch được gọi là khí quyển Cottrell.
Sự có mặt của khí quyển Cottrell có tác dụng hãm lệch vì rằng lệch muốn
chuyển động thì phải kéo theo khí quyển đó mà tốc độ chuyển động của lệch lớn
còn nguyên tử tạp chất chuyển động với tốc độ bé. Lệch được bao bọc bởi khí
quyển cottrell (nên chỉ có thể chuyển động trong các trường hợp sau).
+ Nếu tốc độ trượt rất bé mà nhiệt độ cao làm cho khả năng khuếch tán của
nguyên tử tạp chất và của lệch gần bằng nhau nên lệch chuyển động sẽ kéo theo
khí quyển của các nguyên tử tạp chất.
+ Nếu ứng suất tác dụng đủ lớn có khả năng tách nguyên tử tạp chất ra khỏi
trường hút của lệch thì lệch có thể được giải phóng.
Nhược điểm: Hóa bền khơng mạnh, có thể tạo các tổ chức khác theo u cầu
nên khơng dùng để hóa bền vật liệu.
2.1.5.3. Biên giới hạt và biên giới siêu hạt
Biên giới hạt và siêu hạt là vùng sắp xếp nguyên tử khơng có trật tự,
khơng có mặt trượt và phương trượt xác định nên sự trượt khó phát triển.
Khi lệch chuyển động qua biên giới hạt thì một phần năng lượng bị mất đi do đó

làm giảm độ linh động của lệch. Vì vậy, hạt càng nhỏ thì biên giới hạt càng
nhiều làm cho lệch càng khó chuyển động.
2.1.5.4. Pha thứ hai phân tán
Trong tổ chức hợp kim thường có sự xuất hiện của các pha thứ hai là các
loại pha trung gian dưới dạng những hạt nhỏ phán tán. Chúng cũng được coi là
yếu tố cản trở chuyển động của lệch khá hiệu quả.
Lệch

Cắt đơi pha thứ 2:
Hình 2.21. Lệch cắt đôi pha thứ hai phân tán nhỏ mịn
+ Nếu khoảng cách giữa các hạt nhỏ lệch có thể đi xuyên qua các hạt bằng cách
cắt chúng theo mặt trượt. Khả năng cắt phụ thuộc vào B môđuyn đàn hồi của
pha thứ 2 nên thường xảy ra với các pha mềm.
14


+ Nếu khoảng cách giữa các
A
A
hạt lớn dưới tác dụng của ứng
suất tiếp  lớn hơn trị số tới
hạn thì đường lệch bị uốn Lệch
Lệch đi ra
cong. Khi vượt qua các hạt,
lệch bị uốn cong để lại những
vòng lệch bao xung quanh
chúng làm cản trở chuyển
B
B
động của các lệch tiếp theo sau

Hình 2.22. Lệch uốn quanh pha thứ hai phân tán
Cả hai trường hợp trên, lệch muốn vượt qua các hạt phân tán đều phải tốn năng
lượng. Nếu ứng suất tác dụng khơng tăng thì lệch có thể bị hãm và muốn tiếp tục
chuyển động thì phải tăng ứng suất. Đó chính là một trong những yếu tố hóa bền
có hiệu quả.
2.1.6. Trượt đa tinh thể.
2.1.6.1. Đặc điểm biến dạng dẻo đa tinh thể:
Quá trình biến dạng dẻo trong đa tinh thể không thể chỉ là tập hợp của
từng quá trình biến dạng dẻo trong các tinh thể riêng biệt, mặc dầu trong mỗi hạt
đều xảy ra trượt và song tinh. Quá trình biến dạng dẻo của đa tinh thể chịu ảnh
hưởng rõ rệt bởi cấu trúc đa tinh thể - đó là tập hợp của các hạt có phương
mạng định hướng một cách ngẫu nhiên và vùng biên giới hạt có sắp xếp khơng
trật tự khác với bản thân hạt. Chính vì vậy q trình biến dạng dẻo đa tinh thể có
mấy đặc điểm sau :
1. Do các hạt bị biến dạng không đồng thời với mức độ khác nhau : nên khi tác
dụng tải trọng tĩnh lên đa tinh thể, các hạt sẽ bị biến dạng khác nhau : hạt nào có
phương mạng định hướng thuận lợi cho trượt sẽ bị biến dạng dẻo trước với ứng
suất tương đối bé, ngược lại hạt nào có định hướng khơng thuận lợi cho trượt thì
hoặc là sẽ bị biến dạng sau với ứng suất lớn hơn hoặc là không thể biến dạng
được. Chính vì vậy giữa các hạt có độ biến dạng dư không đều.
2. Các hạt trong đa tinh thể khơng đứng độc lập mà gắn bó với nhau, do đó sự
biến dạng dẻo của mỗi hạt ln ln ảnh hưởng đến hạt bên cạnh và bị chúng
cản trở. Do vậy các hạt trong đa tinh thể có thể bị trượt ngay theo nhiều hệ trượt
khác nhau và xảy ra đồng thời sự quay của các mặt và phương trượt.
3. Vùng biên giới hạt có sắp xếp khơng trật tự, do đó sự trượt rất khó phát triển ở
đây, vì khơng hình thành được các mặt và phương trượt. Ngoài các yếu tố hãm
lệch trong đơn tinh thể như đã nói ở trên, trong đa tinh thể biên giới hạt là một
yếu tố hãm lệch rất có hiệu quả. Khi lệch chuyển dần đến gần biên giới nó bị
dừng lại và do đó ở đây có mật độ lệch khá cao. Trong kim loại đa tinh thể, khó
có thể trượt liên tục từ hạt này sang hạt khác, không những là do phương các hạt

cạnh nhau định hướng khác nhau mà chủ yếu là còn do tác dụng cản trở của biên
giới hạt.
4.Đa tinh thể có độ bền cao hơn: Các hạt cản trở biến dạng lẫn nhau, biên hạt
cản trượt -> lực cao hơn -> độ bền cao hơn.
Từ những đặc điểm và quy luật biến dạng dẻo đa tinh thể trình bày ở đây có thể
rút ra kết luận là làm nhỏ hạt kim loại không những làm tăng cả độ bền mà còn
15


cả độ dẻo. Hạt kim loại càng nhỏ, tức số hạt càng nhiều, tác dụng cản trượt của
biên giới hạt càng nhiều, do đó muốn trượt được ứng suất phải tăng lên, độ bền
tăng lên. Theo Hall – Petch:
(2.16)
Đồng thời khi số hạt tăng lên do hạt nhỏ đi, số hạt có phương mạng định hướng
thích ứng với sự trượt tăng lên, số hạt chịu biến dạng dẻo sẽ nhiều hơn, do đó
tổng biến dạng dư tăng lên, tức độ dẻo tăng thêm.
Điều này thể hiện rõ trong chế tạo cơ khí : đối với các chi tiết chịu tải trọng ở
nhiệt độ thường và không cao một yêu cầu không thể thiếu được từ đúc hàn rèn
cho đến nhiệt luyện là phải giữ được hạt nhỏ, nếu hạt to lên chỉ tiêu cơ tính sẽ
xấu đi.
2.1.6.2. Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo:
1. Sau khi biến dạng -> xơ lệch mạng tinh thể.

Hình 2.23. Sự thay đổi tổ chức sau khi biến dạng
2. Biến dạng dẻo -> do xô lệch mạng -> ứng suất dư -> cho cơ tính tăng, ứng
suất nén dư -> bề mặt làm tăng giới hạn mỏi.
3. Xu hướng thay đổi cơ tinh sau khi biến dạng dẻo (hình 2.23)

Hình 2.24. Ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tính
a. Kim loại nói chung

b. Cơ tính của đồng
- có tính bền σdh, σ0.2 thì độ cứng tăng, độ dẻo giảm
- Dẫn điện và tính chống ăn mịn giảm
2.1.7. Nung kim loại sau biến dạng dẻo
2.1.7.1. Mục đích
Kim loại sau biến dạng dẻo có mật độ khuyết tật tăng, ứng suất dư xuất hiện làm
năng lượng tự do tăng lên. Vì vậy, kim loại sau khi biến dạng dẻo ln có xu
hướng trở về trạng thái ổn định với năng lượng bé. Muốn trở về trạng thái ổn
định này cần phải cung cấp năng lượng cho hệ bằng cách nung trở lại kim loại
đã qua biến dạng dẻo.
16


2.1.7.2. Các giai đoạn xảy ra khi nung kim loại qua biến dạng dẻo
a.Giai đoạn hồi phục: là quá trình nung kim loại đã qua biến dạng dẻo vượt qua
một nhiệt độ xác định tùy thuộc vào bản chất kim loại gọi là nhiệt độ hồi phục,
T0hp = 0,2T0nóng chảy.
Các hiện tượng xảy ra trong giai đoạn hồi phục là:
- Giảm ứng suất dư
Đây là một trong những thay đổi quan trọng. Sự tăng cường tính di động của
nguyên tử khi nung làm cho chúng có khả năng quay về vị trí cân bằng, khắc
phục những sai lệch bộ phận. Do năng lượng cấp nhỏ nên độ dời các nguyên tử
x nhỏ hơn thông số mạng a nên làm cho ứng suất dư được phân bố lại trong
nội bộ một hạt.
- Q trình đa canh hóa: là sự tập trung các lệch về những vị trí thẳng hàng trên
các mặt tinh thể khác nhau. Sự tăng cường tính di động của nguyên tử khi nung
làm cho các lệch chuyển động hoặc dọc theo mặt trượt hoặc theo chiều trực giao
với mặt trượt. Nếu 2 lệch khác dấu chuyển động ngược chiều trong cùng một
mặt phẳng trượt chúng sẽ triệt tiêu nhau. Những lệch cùng dấu khi chuyển động
trên những mặt trượt song song, do trường ứng suất đàn hồi của chính bản thân,

chúng sắp xếp thành từng dãy theo chiều trực giao với mặt trượt.
- Sự thay đổi tính chất
Trong giai đoạn phục hồi, một số tính chất của kim loại cũng thay đổi cụ thể là
làm tăng độ dẫn điện, cơ tính thay đổi khơng đáng kể, làm giảm độ bền, độ cứng
một ít.
b. Kết tinh lại: là quá trình nung kim loại đã qua biến dạng dẻo vượt qua một
nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ kết tinh lại.
T0kết tinh lại = (0,3  0,4) T0nóng chảy
Các hiện tượng xảy ra của quá trình này:
- Sự tạo mầm kết tinh lại :là quá trình tạo ra những hạt tinh thể mới mà những
hạt này được phát triển từ những trung tâm ban đầu gọi là mầm. Thực nghiệm
cho thấy, sự tạo mầm có các đặc điểm sau đây.
+ Mầm được tạo ra trước tiên ở những vùng có mức độ sai lệch mạng lớn như
vùng tinh giới, vùng mặt trượt.
+ Mức độ biến dạng càng lớn mầm được tạo ra càng nhiều
Sự tạo mầm làm giảm năng lượng của hệ nên khử được ứng suất dư kể cả ứng
suất dư thơ đại. Bên cạnh đó, nó làm cho độ bền, độ cứng giảm đồng thời độ dẻo
dai tăng lên. Sự tạo mầm ở trạng thái rắn nên có tổ chức hạt nhỏ. Sự lớn lên của
mầm bằng cách sát nhập các hạt nhỏ vào hạt lớn và tạo sự ổn định về năng
lượng.
- Nhiệt độ kết tinh lại
Đó là t0 nung tối thiểu mà ở đấy quá trình kết tinh lại (tạo mầm và lớn lên
của mầm) xảy ra với tốc độ đáng kể. Kết tinh lại có liên quan với sự dịch chuyển
các nguyên tử trên những khoảng cách lớn do đó liên quan đến khả năng tự
khuếch tán. Như vậy nhiệt độ kết tinh lại phụ thuộc vào bản chất kim loại, mức
độ biến dạng, thời gian giữ nhiệt và tạp chất.
Sự thay đổi tính chất sau kết tinh lại
17

Trong giai đoạn kết tinh lại ứng suất dư, điện trở suất và năng lượng tự do tiếp
tục giảm. Xu hướng chung là các tổ chức trở về trạng thái ban đầu khi chưa biến
dạng.
Sự thay đổi quan trọng nhất về tính chất do kết tinh lại là cơ tính. Nếu biến dạng
dẻo làm tăng độ bền, độ cứng, giảm độ dẻo thì kết tinh lại khử bỏ những ảnh
hưởng đó tức làm giảm độ, độ cứng và tăng độ dẻo. Hay nói khác đi kết tinh lại
có tác dụng "thải bền" ngược với tác dụng hóa bền của biến dạng dẻo.
- Khái niệm về gia cơng nóng và gia cơng nguội
Gia cơng nguội là hình thức biến dạng có kèm theo sự hóa bền và phải
tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại.
Gia cơng nóng là hình thức gia cơng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại và
có kèm theo sự thải bền.
Nhìn chung, gia cơng nóng được sử dụng rộng rãi vì có những ưu điểm chính
sau:
+ Ít có khả năng nứt hỏng khi biến dạng, nhất là khi rèn, rập, cán vì khi biến
dạng nóng kim loại hoặc ít khơng bị hòa bền. Thêm vào độ lệch dễ chuyển động
hơn, trượt dễ hơn, lại có thêm những mặt trượt mới vv... tức tăng mạnh khả năng
biến dạng dẻo của kim loại mà không sinh ra vết nứt.
+ Khi gia công nóng, kim loại có khả năng biến dạng lớn nên với lực tác dụng
tương đối bé cũng có thể gây nên độ biến dạng cao. Điều này cho phép giảm công
suất máy hoặc cùng công suất như nhau, gia công được những khối kim loại hoặc
chi tiết lớn hơn. Đó là ưu điểm quan trọng cho phép chế tạo được những chi tiết
lớn như rèn trục khuỷu, trục tuốcbin nặng hàng chục hoặc hàng trăm.
+ Nếu biến dạng nóng tiến hành ở nhiệt độ đủ cao và với tốc độ tương đối chậm
thì khơng cần phải nung (tức ủ) trung gian giữa các lần biến dạng, điều thường
phải làm khi biến dạng nguội. Ví dụ khi cần nguội, sau mỗi lần cần kim loại bị
hóa bền nên muốn cán tiếp tục phải tiến hành ủ trung gian. Còn nếu cán nóng,
có thể cán đi cán lại nhiều lần, khơng cần phải nung.
+ Có khả năng điều chỉnh độ hạt. Tổ chức hạt được tạo thành khi biến dạng
nóng là kết quả của hai quá trình biến dạng dẻo và kết tinh lại, phụ thuộc vào

các yếu tố như đã trình bày ở trên. Muốn nhận được độ hạt nhỏ, phải chú ý các
điểm sau:
- Dựa vào giản đồ kết tinh lại chọn mức độ biến dạng để nhận được độ hạt nhỏ.
Khơng nên biến dạng với mức độ thấp vì độ hạt lớn.
- Biến dạng phải tiến hành liên tục vì ở nhiệt độ quá trình lớn lên của hạt xảy ra
rất nhanh, nếu để ngưng lâu trong một thời gian nào đó thì hạt kịp lớn lên và độ
hạt lớn.
- Nhiệt độ kết thúc biến dạng chỉ nên chọn cao hơn một ít so với nhiệt độ kết
tinh lại vì nhiệt độ càng thấp, độ hạt càng nhỏ. Tuy nhiên đối với những kim loại
kém dẻo, nhiệt độ kết thúc biến dạng phải chọn thế nào đó để kim loại khơng bị
nứt vỡ.
* Song gia cơng nóng cũng có những nhược điểm sau:
+ Khó khống chế nhiệt độ trong phạm vi cho phép, nhất là đối với các vật phẩm
có kích thước bé như là mỏng, sợi v.v... Muốn khống chế nhiệt độ phải có thiết
bị đo và điều chỉnh chính xác, như vậy giá thành sẽ cao. Cũng vì thế, đối với
18


mỗi kim loại người ta đề ra một kích thước tới hạn, nếu vật phẩm dày hơn - nên
biến dạng nóng, mỏng hơn - biến dạng nguội.
+ Tổ chức và tính chất ít đồng nhất hơn so với biến dạng nguội nhất là đối với
kim loại có chuyển biến thù hình và kích thước lớn.
Một loại khuyết tật bề mặt quan trọng khi biến dạng nóng là lớp oxyt trên bề mặt
chi tiết địi hỏi phải có những biện pháp khử bỏ tiếp theo sau như gia công cắt
gọt, đánh bóng v.v....
+ Nhược điểm nữa của gia cơng nóng là khống chế kích thước và hình dáng vật
phẩm vì thể tích kim loại nóng lớn hơn, khó tính tốn lượng dư chính xác, nhất
là trong trường hợp kim loại bị oxy hóa. Thêm vào đó khi làm nguội do ứng suất
nhiệt, hình dáng kích thước có thể thay đổi.

2.2. Các đặc trưng cơ tính của vật liệu
Cơ tính cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện tương
ứng, là cơ sở của các tính tốn sức bền, khả năng sử dụng vào một mục đích
nhất định. Các đặc trưng cơ tính được xác định trên các mẫu chuẩn. Thường gặp
nhất là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ dai phá hủy.
2.2.1. Độ bền tĩnh
a. Độ bền: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng cơ học tĩnh mà không bị phá
hủy
Tùy theo đặc điểm của tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo, nén, uốn,
xoắn ...Bền và độ dẻo khi kéo là thông dụng hơn cả nên không cần phải ghi chú,
trường hợp còn lại đều phải ghi chú (nén, uốn hay xoắn...)
b. Phương pháp xác định độ bền và ký hiệu, đơn vị:
Đối với các vật liệu khác nhau người ta căn cứ vào khả năng chịu đựng tải trọng
tác dụng lên nó để xác định trên mẫu thí nghiệm bằng các phương pháp thử kéo
đối với mẫu làm bằng thép, thử nén đối với mẫu làm bằng gang
+ Phương pháp xác định độ bền kéo: Mẫu thử kim loại thép được gia cơng
với hình dạng và kích thước theo TCVN 1960 – 76. Sau đó đặt vào máy thử và
tác dụng lực kéo cho đến khi mẫu kim loại bị đứt
+ Mối quan hệ giữa lực thử kéo P K và chiều dài bị kéo so với chiều dài
ban đầu gọi là độ giãn dài mẫu ∆L và được biểu thị trên biểu đồ thử kéo. Dựa
vào biểu đồ thử kéo người ta xác định các chỉ tiêu phản ánh độ bền tĩnh là các
giới hạn đàn hồi, chảy và giới hạn bền.
Đặc trưng cho độ bền tĩnh: đh, ch, 0,2, b đơn vị [KG/mm2, MPa, Psi, Ksi],
Quan hệ giữa các đơn vị thường gặp như sau.
1 KG/mm2 ≈ 10MPa; 1 KG/mm2 ≈ 1,45 Ksi; 1 Ksi ≈ 103 Psi
- Giới hạn đàn hồi đh [KG/mm2]: là ứng suất tác dụng lớn nhất mà khi
ngừng tác dụng tải trọng thì vật liệu khơng bị biến dạng hoặc biến dạng dẻo rất
bé 0.01 – 0.05% chiều dài ban đầu.
[KG / mm2]
(2.16)

Trong đó:
Pđh: là lực sinh ra lớn nhất để vật liệu không bị biến dạng dẻo [KG]
F: là tiết diện ban đầu [mm2].
19


- Giới hạn chảy ch, 0,2 [KG / mm2; MN / m2; MPa]: là giá trị ứng suất mà khi
ứng suất gây ra do tải trọng tác động vượt qua nó thì vật liệu bắt đầu biến dạng
dẻo ( ứng suất nhỏ nhất bắt đầu gây nên biến dạng dẻo).
[KG / mm2]
(2.17)
Pch: là tải trọng tác động tại thời điểm chảy [KG]
F: là tiết diện ban đầu [mm2]. Hay tiết diện mặt cắt mẫu có cơng thức F =
π . r2 (mm2)
Vì khó xác định Pch nên thường người ta dùng giới hạn chảy quy ước ký hiệu 0,2
(ứng với ∆l = 0.2) là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ lực thử kéo mẫu
bị biến dạng dư là 0,2% so với chiều dài ban đầu, ứng suất ứng với giai đoạn
biến dạng dẻo sau khi bỏ lực tác dụng mẫu bị biến dạng 0,5% (dễ xác định hơn
và trị số tương đương với 0,2)
- Giới hạn bền B [KG / mm2, MN / m2, MPa): là giá trị ứng suất lớn nhất mà khi
ứng suất gây ra do tác động của tải trọng vượt qua nó thì vật liệu bị phá hủy.
[KG / mm2]
(2.18)
P: là tải trọng tác động tại thời điểm phá hủy [KG]
F: là tiết diện của mẫu thử [mm2].
Các biện pháp hóa bền vật liệu
- Biến dạng dẻo : -> Tăng mật độ lệch -> Tăng độ bền : dập, gò, uốn, gập, kéo,
cán nguội -> biến cứng, tăng bền
- Hợp kim hóa : đưa nguyên tử lạ vào -> tăng xô lệch mạng và mật độ lệch ->
tăng độ bền

- Tạo các pha cứng phân tán hay hóa bền tiết pha
- Nhiệt luyện tơi + ram : Tơi và sau đó là ram tạo nên sự quá bão hòa -> tăng độ
bền, độ cứng
- Hóa Nhiệt luyện : Thấm C, N… tăng bền, cứng, chịu mài mòn, nâng cao bền
mỏi
- Làm nhỏ hat : phương pháp này làm tăng tất cả các chỉ tiêu bền, dẻo, dai.
2.2.2. Nhóm đặc trưng cho độ dẻo
Độ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu dưới tải trọng
- Độ giãn dài tương đối của vật liệu  (%):
(2.19)
l: chiều dài của mẫu sau khi kéo
l0: chiều dài ban đầu của mẫu
Độ giãn dài tương đối đặc trưng cho tính dẻo của vật liệu.
- Độ thắt tỉ đối  (%):
(2.20)
F0: là tiết diện ban đầu của mẫu
F: là tiết diện mẫu tại vị trí bị kéo đứt
2.2.3. Độ dai va đập:
Rất nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng đặt vào với tốc độ lớn và đột ngột
tức là chịu va đập, như ô tô khi gặp chướng ngại bị xóc hay phanh đột ngơt. Vì
vậy để đánh giá khả năng chống phá hủy của vật liệu khi chịu tải trọng động ta
phải xác định độ dai va đập của nó.
20


Sơ đồ thử va đập bằng cách dùng búa rơi kiểu con lắc để phá vỡ mẫu chuẩn, qua
đó xác định công phá hủy bằng cách xác định hiệu thế năng của con lắc trước và
sau một hành trình rơi hình 2.25.
Mẫu thử độ dai va đập có tiết diện 10 x 10x 55mm mẫu charpy và chiều dai
75mm đối với mẫu Irod với rãnh khía hình chữ U hay chữ V để tạo yếu tố tập

trung ứng suất ở một bên thường là rộng 2mm và sâu 2mm( hình dạng và độ sâu
rãnh có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo). TCVN chỉ quy thử theo mẫu Charpy và
ký hiệu độ dai va đập bằng ak là công phá hủy một đơn vị diện tích mặt cắt
ngang mẫu, tính theo cơng thức

Hình 2.25. Sơ đồ thử độ dai va đập
- Độ dai va đập là cơng phá hủy tính cho một đơn vị tiết diện cắt ngang mẫu
Công thức tính:
(2.21)
Trong đó AK là cơng phá hủy ; J và S tiết diện hình chữ nhật mẫu tại chỗ rãnh
khía10x 8mm
1KGm/cm2 ≈ 10J/ cm2 ; 1KJ/ m2 ≈ 0,01KGm/cm2 ; 1KGm/cm2 =100KJ/ m2
Phạm vi áp dụng của độ dai va đập :
Chi tiết chịu va đập ak thấp nhất 200 KJ/ m2, và va đập cao phải có a k≥ 1000 KJ/
m2
Biện pháp tăng ak :
- làm cho hạt nhỏ mịn là phương pháp tốt nhất để tăng ak
- Hóa bền bề mặt : Tơi bề mặt, hóa nhiệt luyện vừa làm tăng độ bền, độ cứng và
tính chống mài mòn mà vẫn cho ak cao chống va đập tốt.
- Tạo hạt trịn, đa cạnh có độ dai cao hơn khi hạt có dạng tấm, hình kim.
21


- Giảm số lượng, kích thước, tạo hạt càng trịn, phân bố đều của các pha rắn dẫn
đến tăng độ dai va đập, hạt ở dạng tấm, kim độ dai va đập giảm.
- Hình dáng, kích thước, số lượng và sự phân bố các pha dòn : Pha dòn dạng
tấm, kích thước lớn, số lượng nhiều, và phân bố khơng đồng đều làm giảm dộ
dai và ngược lại.
2.2.4. Độ cứng
Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo của vật liệu khi chịu tác động của

tải trọng thông qua một vật cứng tác động lên vật liệu.
2.2.4.1. Độ cứng Brinel (HB)
+ Tải trọng tiêu chuẩn: P = 3000KG
+ Mũi đâm: độ cứng Brinel dùng các loại bi làm bằng thép đã được tơi cứng,
đường kính tiêu chuẩn của viên bi D = 10mm; 5mm; 2,5mm. Khi kiểm tra chi
tiết dùng bi có đường kính 10mm và tải trọng 3000KG.
(2.22)
F: diện tích vết lõm chỏm cầu do viên bi gây ra trên bề mặt vật liệu thử, mm2
D- đường kính viên bi, mm
d- đường kính vết lõm do viên bi ấn lên bề mặt mẫu thử.mm
h – là chiều sâu vết lõm
Kiểm tra độ cứng của chi tiết có kích thước nhỏ dùng bi có đường kính nhỏ, tải
trọng cũng giảm để bảo đảm tỷ số P = 30D 2. Đối với kim loại màu P = 10D 2. Để
có vết thử đúng chiều dày của mẫu thử phải gần bằng 10 lần chiều sâu vết thử.
Ngoài ra tâm vết thử phải cách cạnh của mẫu một đoạn lớn hơn đường kính viên
bi, khoảng cách từ tâm các vết thử gần nhau phải gấp 2 đường kính viên bi
+) Phạm vi ứng dụng vật liệu mềm (thép sau ủ, hợp kim đồng, nhôm)
Quan hệ giữa độ bền và độ cứng:
- Thép cán (trừ khơng gỉ, bền nóng)
σb ≈ 0.34HB
- Thép đúc
σb ≈ 0.3- 0.4HB
- Gang xám
σb ≈ 60HB/6
- Đồng, latong, brong ở trạng thái biến cứng
σb ≈ 0. 4HB
- Đồng, latong, brong ở trạng thái ủ
σb ≈ 0. 55HB
- Đura
σb ≈ 0. 35HB

+) Nhược điểm của phương pháp đo độ cứng HB
- Khơng thể đo các vật liệu có độ cứng cao hơn 450HB, mẫu phải phẳng, to,
dày
-Không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong), đo tương đối
chậm.

Hình 2.26. Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phương pháp đo độ cứng
22


a. Brimen, b. Rocvel,
Chiều dày
Độ cứng nơi kiểm
Vật liệu
HB
tra
độ
cứng, mm
>5
140 - 450 3- 5
<3
Kim loại đen
>6
< 140
3–6
<3
Kim
loại
màu cứng và
>6

hợp
kim
31.8 - 130 3 – 6
đồng , đồng
<3
thau, đồng
thanh
Kim
loại
màu và hợp
8 - 35
kim mềm
( nhơm , hợp
kim nhơm)

>6
3–6
<3

c. Vicke

Đường
kính
viên bi,
mm
10
5
2.5
10
5

2.5

Thời gian
Tải trọng
tác dụng
P, KG
tải trọng, s
3000
750
187.5
3000
750
187.5

10
5
2.5

1000
250
62.5

10
5
2.5

250
62.5
15.6

10
30

30

60

Bảng 2.1. Điều kiện xác định độ cứng trên máy đo Brinel
Khi đo độ cứng trên mẫu hoặc chi tiết có mặt cong, chiều rộng mặt nhẵn cần
phải có:
Đường kính viên bi, mm
Chiều rộng mặt phẳng nhẵn, mm
10
≥ 20
5
≥ 10
2,5
≥5
Bảng 2.2. Điều kiện xác định đường kính viên bi thử
2.2.4.2. Độ cứng Rocvel (HR)
Tùy theo độ cứng của kim loại thử mà có hai dạng mũi thử, viên bi bằng thép
tơi có đường kính 1,6mm dùng để đo độ cứng cho vật liệu mềm và mũi thử kim
cương hình nón dùng để đo độ cứng cho vật liệu rắn. Trên máy đo có 3 thang A,
B, C là HRA, HRB, HRC
Khi xác định độ cứng Rocvel bề mặt chi tiết thử phải gia cơng cẩn thận vì có
vẩy sắt những vết xước sâu và các khuyết tật khác sẽ làm sai lệch kết quả đo. Do
đó trước khi kiểm tra độ cứng chi tiết phải được mài tròn hoặc mài phẳng bề
mặt, bề mặt gá đỡ chi tiết thử phải sạch, Bề mặt gá và mặt chi tiết thử phải song
song.
23

* Độ cứng HRA Khi cần đo độ cứng các lớp trên bề mặt mỏng mà không làm
thủng các lớp đó thì dùng thang đo A với tải trọng 60KG
+ Tải trọng tiêu chuẩn P = 60KG
+ Mũi đâm: kim cương hoặc hợp kim cứng hình tháp có góc ở đỉnh 1200
HRA = a – bh
(2.23)
a, b: là hằng số thực nghiệm
HRA: là đại lượng không thứ nguyên
+ Phạm vi áp dụng: đo các vật liệu rất cứng (như thép thấm C, N)
* Độ cứng HRB
+ Tải trọng tiêu chuẩn P = 100KG
+ Mũi đâm: viên bi bằng thép đã tơi có đường kính d = 1/16 inch
+ Phạm vi áp dụng: đo tương tự như HB nhưng áp dụng cho tấm mỏng, của thép
ủ, thường hóa và gang đúc...
* Độ cứng HRC
+ Tải trọng: P = 150KG
+ Mũi đâm: Kim cương, hợp kim cứng hình tháp có góc ở đỉnh 1200
+ Phạm vi áp dụng: Dùng để đo vật liệu có độ cứng cao như thép sau khi tơi
2.2.4.3. Độ cứng Vicken (HV)
+ Tải trọng tiêu chuẩn P = 2  50 (KG)
+ Mũi đâm có dạng hình chóp có góc ở đỉnh là 1360
+ Phạm vi áp dụng: Đo vật liệu có độ cứng cao
nhưng mỏng
(KG/mm2)

(2.24)
F: diện tích vết lõm (mm2)
Vicken được dùng để đo độ cứng cho mọi vật

liệu từ rất mềm đến rất cứng cho cả các mẫu
mỏng (0,3 ÷ 0,5mm).
Hình 2.27. Sơ đồ tác dụng tải trọng của phương pháp đo độ cứng vicken
2.2.4.4. Độ cứng tế vi (H)
+ Tải trọng: P = 1  500 (g)
+ Mũi đâm: Kim cương hoặc hợp kim cứng có góc ở đỉnh là 1200
(KG/mm2) (2.25)
Để đo độ cứng này và quan sát được diện tích vết lõm phải đi kèm với kính hiển
vi
+ Phạm vi áp dụng: áp dụng để đo độ cứng của các pha khác nhau trong tổ chức
của vật liệu.
2.2.5. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng động
Tải trọng động là tải trọng tác động lên vật liệu dưới dạng các xung lực hay va
đập.
Chỉ tiêu đặc trưng: độ dai va đập ak (KG.m/cm2; kJ/cm2)
24


107

Số chu kỳ
tải trọng

Độ dai va đập là công tiêu phí để phá hủy mẫu có vết khía chia cho diện
tích của tiết diện ngang ở chỗ có vết khía.
(KG.m/cm2) (2.26)
2.2.6. Độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ (giới hạn bền
mỏi)
Phá hủy mỏi là dạng phá hủy xảy ra khi kim loại chịu tải tác dụng của tải trọng
thay đổi theo chu kỳ theo một quy luật bất kỳ nào đó. Hiện tượng mỏi của vật

liệu mà hậu quả của nó là phá hủy mỏi được hết sức chú ý khi thiết kế các chi
tiết máy. Phá hủy mỏi có các đặc điểm sau:
+ Khả năng phá hủy mỏi không phụ thuộc vào
thời gian
mà thông qua số lượng chu kỳ đặt tải trọng.
+ Nếu ứng suất thực tế bé hơn một giá trị xác
định thì
phá hủy mỏi khơng bao giờ xảy ra dù số lượng
chu kỳ là
rất lớn. Giá trị ứng suất này gọi là giới hạn
mỏi -1;
2
-r (kG/mm )
Cách xác định giới hạn mỏi bằng cách xây
dựng
đường cong mỏi

-1

Hình 2.28. Sự phụ thuộc của số chu kỳ và
độ bền
Như vậy, giới hạn bền mỏi là giá trị ứng suất
mà khi số
7
chu kỳ tải trọng lớn hơn 10 mẫu mới bị phá
hủy.
+ Giới hạn mỏi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và hệ số bất đối xứng tải
trọng đặc trưng cho chu kỳ
r = -1 chu kỳ đối xứng

max

min

thời gian
T

Hình 2.29. Sự phụ thuộc độ bền và thời gian
+ Phá hủy mỏi thường "nhạy cảm" với yếu tố gây ra sự tập trung ứng suất
2.2.7. Phá hủy.
Ứng suất > [σb ] dẫn đến phá hủy do gãy, vỡ hoặc đứt
Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi trên bề mặt hay ở sâu bên trong -> Phát triển vết
nứt -> phá hủy

25