Tìm hiểu khả năng dùng vật liệu XADO để khôi phục bề mặt cổ trục bằng phương pháp lăn miết, chương 12 pdf

-
1
-
CHƯƠNG
12:
LĂN MIẾT VÀ TÁC DỤNG
C
ỦA LĂN
M
I
ẾT
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP LĂN
MIẾT
I.1 Sai lệch mạng tinh thể- bản chất của biến dạng
dẻo
Trong cấu trúc mạng tinh thể luôn luôn tồn tại dao động
nhiệt và các sai
hỏng
trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử
(ion, phân tử). Những sai hỏng đó
được
gọi là sai lệch mạng
tinh thể hay khuyết tật mạng. Các tính chất biến cứng,
b
i
ến
dạng dẻo của vật liệu đều đo sai lệch mạng quy
đ
ị
nh
Phụ thuộc vào kích thước theo 3 chiều trong không gian mà

sai l
ệch mạng
được
chia thành: Sai lệch điểm, đường, mặt và
khố
i
.
I.1.1 Sai lệch
đ
i
ểm
Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước
nguyên t
ử) theo
3
chiều không gian. Một số sai lệch điểm
điển hình là nút trống, nguyên tử xen
kẽ,
nguyên tử tạp
chấ
t
a) b)
e)
-
2
-
c)
d)
f)
Hình 2-1: Sai lệch trong

m
ạng tinh
t
hể
a. Nút trống Frenkel. b. Nút trống
Scho
tt
ky
-
50
-
c,d. Nguyên tử xen kẽ và
thay
t
hế.
e,f. Sai lệch điểm Schottky và Frenkel
trong m
ạng
i
on.
I.1.2. Sai lệch
đường-Lệch
Sai lệch đường, thường gọi là lệch có kích thước rất
nh
ỏ (cỡ kích
t
hước
nguyên tử) theo 2 chiều và rất lớn theo chiều thứ
ba trong tinh
t

hể.
Lý thuyết đường lệch là cơ sở lý thuyết độ bền. Dựa vào lý
thuy
ết này, có
t
hể
giải thích nhiều vấn đề cơ tính của kim
lo
ại và hợp
k
i
m.
Lệch đường gồm 3 loại
c
ơ bản
l
à
:
Lệch biên: Có thể hình dung lệch biên được tạo thành bằng
cách tr
ượt ép mô
t
ả
hình dưới đây như sau: Cắt tinh thể
theo mạt phẳng P, ép phần phía trên
mặ
t
phẳng P sao cho
phía phải dịch đi một đoạn bằng hằng số mạng, phía trái vẫn
g

i
ữ
nguyên vị trí
cũ.
-
51
-
Hình2-2 : Mô hình tạo lệch trên
m
ạng tinh
t
hể.
 Lệch xoắn: Có thể hình dung bằng mô hình trượt ép
(hình v
ẽ dưới).
Cắ
t
tinh thể lý tưởng theo một nửa mặt phẳng
ABCD (hình 2-3a). Xê dịch hai
mép
ngoài ngược chiều nhau
sao cho các nguyên t
ử mặt ngoài xê dịch một đoạn
bằng
hằng
số mạng theo đường
CD.
-
52
-

a)
b)
Hình 2-3: Mô hình tạo lệch xoắn (a) và sự sắp xếp xung
quanh
đường lệch
(b)
 Lệch hỗn hợp: Là lệch bao gồm cả lệch biên và lệch
xoắn
I.1.3 Sai lệch
mặt
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thước lớn theo 2 chiều
và nh
ỏ theo
ch
i
ều
thứ ba. Trong tinh thể, sai lệch mặt chủ yếu
là biên giới hạt, biên giới siêu hạt,
sa
i
lệch xếp, mặt đối tinh
và mặt ngoài tinh
t
hể.
a) b)
c)
Hình2-4: Mô hình sắp xếp nguyên tử trong biên giới hạt (a),
Mô hình biên
g
i

ớ
i
hạt mang hai chiều tạo nên những viên bi
-
53
-
( b) và ảnh tế vi của biên giới hạt
của
vật liệu đa tinh thể
(c).
I.1.4 Sai lệch
khố
i
Những sai lệch có kích thước lớn theo 3 chiều trong mạng
tinh th
ể gọi là
sa
i
lệch khối. Từ khía cạnh “vi mô”, có thể kể
các sai lệch khối như là các pha
t
hứ
-
54
-
hai tồn tại trên nền hợp kim. Đây là những sai lệch cố ý được
tạo ra với mục
đ
í
ch

nâng cao độ bền, cải thiện tính chất theo
ý muốn. Tuỳ thuộc vào cấu trúc,
h
ì
nh
thái tồn tại kích thước
(hình 2-4) mà hiệu quả hoá bền của pha thứ hai này
sẽ
khác
nhau.
a) b)
c)
Hình 2-5: Sai lệch khối do pha thứ hai: Liền mạng (a),
bán li
ền mạng (b)
và
không liền mạng
(c).
I.2 Biến dạng dẻo và hoá bền
bi
ến
dạng.
Biến dạng dẻo là biến dạng dư, bắt đầu khi ngoại lực đạt
t
ới giá trị giới
hạn-
giới hạn
ch
ảy


C
(lúc định luật Húc mất hiệu lực) và không mất
đi khi bỏ
t
ả
i
.
Biến dạng dư có được do sự dịch chuyển nguyên tử, nhờ phá
v
ỡ các liên kết
ban
đầu rồi lập lại các liên kết với các lân cận
m
ới, để khi bỏ tải nguyên tử không
t
rở
về vị trí xuất phát mà cấu trúc vật liệu vẫn được bảo
t
oàn.
Ứng
suất
b

b
c

c
,

0,2


e
a
-
55
-
0
Biến dạng



Hình 2-6: Đường cong ứng suất- biến dạngOa. Biến dạng
đàn hồi
(

e
-Gi
ới
hạn
đàn hồi, giới hạn tỉ lệ); ab. Biến
d
ạng dẻo đồng đều
(

C
-Gi
ới hạn chảy,

0,
2

-
-
56
-
3
Giới hạn chảy qui ước,

b
-Gi
ới hạn bền kéo); bc. Biến
d
ạng dẻo cục bộ và
phá
hủy (

- Biến dạng dư sau phá
hủy).
Hoá bền biến dạng là hiện tượng một vật liệu bị biến dạng
d
ẻo trở nên
cứng
và bền hơn, thường được dùng để cải thiện cơ tính của vật
li
ệu và có thể khử
bỏ
nhờ nhiệt luyện thích hợp (giai đoạn
ab)
Có thể giải thích chi tiết về hiện tượng hoá bền biến
d
ạng dựa trên

đường
cong biến dạng của đơn tinh thể, mô tả mối quan hệ giữa ứng
su
ất trượt

và
độ
xê dịch

(hình
vẽ)

3


2



1

3


 

1
2



 

a)
b)
c)
d)
Hình 2-7: Đường cong biến dạng đơn
tinh th
ể
vớ
i
a. Mạng lập phương
tâm
mặ
t
b. Mạng sáu
phương xếp
chặ
t
c.
Mạng lập phương tâm
khố
i
d. Hiện tượng
“răng
chảy”
Biến dạng dẻo của đơn tinh thể nói chung gồm 3 giai
đoạn, với đặc điểm
hoá
-

57
-
bền khác nhau như trên (hình
vẽ)
 Giai đoạn 1: Hoá bền tuyến tính
v
ới tốc độ
nhỏ
 Giai đoạn 2: Hoá bền tuyến tính
v
ới tốc độ
l
ớn.
 Giai đoạn 3: Hoá bền
parabo
l
.
Trong giai đoạn 1, khi ứng suất vượt quá giá trị giới hạn,
các lệch mạng
t
ừ
nguồn chuyển động khắp mặt trượt sơ
cấp cho đến khi gặp mặt trượt tự
do.
Trường hợp không
b
ị cản trở tương ứng với đoạn thẳng nằm ngang. Khi có
cản
trở (ví dụ tương tác giữa các lệch trượt) đoạn thẳng sẽ dốc
v

ới độ nghiêng
nhỏ
(
d

/ d


10
4
G
) do cần bổ xung thêm ứng suất để lệch tiếp tục
tr
ượt được, đó
l
à
-
58
-
hoá bền biến dạng. Do hóa bền nhỏ và trượt chủ yếu trên
mặt sơ cấp nên
g
i
a
i
đoạn 1 gọi là giai đoạn trượt đơn giản.
L
ệch tự do và uốn khúc đa dạng là
h
ì

nh
thái chủ yếu của cấu
trúc
l
ệch.
Giai đoạn 2 được gọi là trượt phức tạp, bắt đầu ở ứng suất
đủ cao, khi các
hệ
trượt thứ cấp có thể hoạt động. Tương tác
các lệch thuộc hệ sơ cấp và thứ cấp
sẽ
tạo ra vô số các cản
trở lệch. Vì thế cần phải tiếp tục tăng ứng suất để nguồn
hoạ
t
động tạo biến dạng, làm cho hoá bền biến dạng tăng gấp
hàng ch
ục lần so
vớ
i
giai đoạn 1. Tương tác giữa hai hệ
trượt tạo ra cấu trúc lệch kiểu ô lưới 3
ch
i
ều
rất không đồng
nhất ở giai đoạn này, mà tường ngăn các ô là những búi lệch
vớ
i
mật độ rất

cao.
Ở giai đoạn 3, hóa bền biến dạng vẫn tiếp tục nhưng với
tốc độ giảm hơn
do
quá trình thải bền, đồng thời xảy ra khi
các lệch trái dấu gặp nhau và hủy
l
ẫn
nhau hoặc khi lệch
mạng vượt các cản trở (chủ yếu là nhờ trượt ngang) làm
cho
chướng ngại trở thành đoạn lưới vuông gó với mặt trượt.
Trong khi đó các
l
ệch
cùng dấu sắp xếp lại trật tự, làm cho
các phần tinh thể kề nhau bị quay
hoặc
nghiêng với nhau.
Các quá trình đã làm cho cấu trúc ô lệch hoàn thiện
hơn.
Tường ngăn ô có thể giảm mật độ lệch và trật tự hơn, trong
khi b
ền trong ô
t
h
ì
nghèo lệch. Trượt ngang xảy ra nếu một
phần của lệch tách đã được hợp
nhấ

t
thành đoạn lệch hoàn
-
59
-
chỉnh, quá trình này cần có năng lượng khuyết tât xếp
cao.
Sự thải bền đó được gọi là phục hồi động học, dẫn đến quan
hệ phi tuyến và
g
i
a
i
đoạn 3 có tên là hoá bền
parabo
l
.
Đối với đa tinh thể thì hiện tượng hoá bền biến dạng lớn
gấp hàng chục
l
ần
đơn tinh thể. Sở dĩ như vây vì trong đa
tinh th
ể các hạt có định hướng khác
nhau
và biên giới của
chúng cản trở chuyển động lệch mạng. Sự khác nhau về
đ
ị
nh

hướng thể hiện ở chỗ trượt chỉ sẽ bắt đầu trong một số
ít hạt có định hướng
t
hể
hiện ở chỗ trượt chỉ sẽ bắt đầu trong
một số ít hạt có định hướng thuận lợi (dẻo
v
i
mô). Để lệch có
th
ể trượt được trong toàn bộ đa tinh thể mà vẫn bảo đảm
tí
nh
liên tục cần phải có ít nhất 5 hệ trượt độc lập hoạt động.
Vì vậy ngay từ đầu
t
rượ
t
phức tạp đã xảy ra trong đa tinh thể
với ứng suất cao hơn nhiều so với trượt
đơn
-
60
-
giản trong đơn tinh thể cùng loại mạng. Biên giới hạt chính
là n
ơi mà các
l
ệch
trượt bị dừng lại, tạo thành một tập hợp

với số lượng lệch đáng kể, tạo ra
mộ
t
trường ứng suất bổ
sung cùng với ngoại lực đủ để kích thích nguồn tạo lệch
t
rong
các hạt lân cận hoạt động. Cứ như vậy quá trình biến dạng
dẻo được thực hiện
t
ừ
hạt này sang hạt
khác.
Tiếp tục khảo sát đường cong ứng suất- biến dạng của vật
li
ệu. Giai đoạn
bc
được gọi là giai đoạn biến dạng dẻo cục bộ
và phá hủy. Phá hủy là sự tách đứt
vậ
t
thể do liên kết nguyên
t
ử (ion, phân tử) bị phá vỡ, xảy ra khi ứng suất đạt giá
t
r
ị
giới hạn bền kéo

b

. Phá hủy dẻo xảy ra khi

b
<

e
, tức
sau khi v
ật liệu đã
b
ị
biến dạng dẻo nhiều (

>>1%) như một
s
ố kim loại. Các dạng phá hủy khác
đều
trải qua 2 giai đoạn:
t
ạo vết nứt và phát triển vết
nứ
t
.
Như vậy, toàn bộ cơ sở lý thuyết sai lệch mạng tinh thể cũng
như lý thuyết
b
i
ến
dạng và hoá bền biến dạng cho phép ta
tìm ra mối quan hệ định tính giữa

các
thông số động lực học
(ngo
ại lực tác dụng và giới hạn của ngoại lực tác dụng
đến
độ
bền bề mặt chi tiết, tốc độ quay chi tiết…). Mặt khác có
thể tìm ra
được
hướng chuyển động lệch phù hợp khi tiến
hành gia công bề mặt chi tiết bằng
b
i
ến
dạng dẻo, phương
pháp khuếch tán các nguyên tử khác vào vật liệu kim
l
oạ
i
.
I.3 Các tính chất năng lượng bề
mặt vật
rắn.
-
61
-
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến ma
sát là b
ề mặt
vậ

t
rắn. Có thể khảo sát sơ bộ các tính chất cơ bản
c
ủa bề mặt vật
rắn.
I.3.1 Các dạng bề mặt của
v
ật
rắn.
Người ta phân loại các dạng bề mặt dựa trên các
thang v
ề kích
cỡ.
 Cỡ phân
t
ử.
 Cỡ vi
mô
 Cỡ vĩ
mô.
Khi phân loại các bề mặt ở tầm cỡ phân tử, ta có các liên
k
ết bề mặt với
các
dạng sau
đây
:
-
62
-

 Các bề mặt vật rắn có liên kết nguyên tử, không có sự
tập trung các
đ
i
ện
tử, không xuất hiện trường điện tử ở các
l
ớp mặt, bề mặt các chi tiết không
có
hoạt
tí
nh.
 Các bề mặt vật rắn có liên kết phân tử, loại này xuất
hi
ện sự tâp trung
đ
i
ện
tử tại các khu vực, nếu như vật thể
được cấu trúc bởi các phân tử phân cực
t
rên
bề mặt sẽ có
hiện tượng tập trung điện tích, nhưng ở cường độ
yếu.
 Bề mặt có liên kết ion, các loại bề mặt sẽ có sự tập
trung
điện tích và
xuấ
t

hiện các hiện tượng, tác dụng của
các
điện trường này vượt ra khỏi cả bề
mặ
t
làm cho các bề
mặt có đặc tính đặc biệt- Thường gọi là hiện tượng bề
mặ
t
.
 Các bề mặt vật rắn có liên kết kim loại sẽ có hiện tượng
điện tích tập
t
rung
từng khu vực nhỏ và xuất hiện các tiểu điện
t
rường.
 Ngoài các phân loại dựa trên thang phân tử, chúng ta
còn có các
dạng
phân
l
oạ
i:
 Cỡ vi mô, mà sự khác nhau của nó dựa trên cơ sở
khuyết tật về cấu trúc
ở
lớp bề
mặ
t

.
 Cỡ vĩ mô, dựa trên biến dạng, trạng thái bề mặt, đặc
tính và
ứng
suấ
t
.
Năng lượng và hoạt tính của lớp bề mặt phụ
thuộc vào các nhân tố
sau
:
- Chế độ công nghệ quá
khứ.
- Các yếu tố vận
hành.
- Các yếu tố của môi
t
rường.
-
63
-
a)
b)
-
64
-
c)
d)
Hình 2-8: Dạng cấu trúc bề mặt vật
rắn.

a. Bề mặt có liên kết nguyên
t
ử.
b. Bề mặt có liên kết giữa các nguyên
t
ử
c. Bề mặt có liên kết
i
on
d. Bề mặt vật rắn kim
l
oạ
i