Bài giảng Kim loại học (Phần 4) pdf

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 P<P
đh
: Tăng P biến dạng ∆l tăng lên, giảm P, biến dạng ∆l cũng
giảm theo. Khi P=0, biến dạng ∆l=0. Biến dạng mất khi thôi tác dụng của ngoại lực.
Người ta gọi giai đoạn này là giai đoạn biến dạng đàn hồi. Trong giai đoạn này quan hệ
giữa biến dạng và lực tác động là mối quan hệ tỉ lệ (đoạn OA).
Khi P=P
ch
>P
đh
: 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).
Hình 18: Thí nghiệm kéo mẫu thép.
25
∆
L=L
P
-L
0

L
0
L
p
P
E
P
âh
P
ch
P
o
F E'
∆
L
A
B
E
C
∆
L
( )
λϕτ
CosSin
F
P
∗=
2
2
1

0
Khi P>P
ch
: 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 ∆l
D
=OF. Biến dạng này được gọi là biến dạng dư
hay biến dạng dẻo. Như vậy khi P=P
E
biến dạng ∆l=OE’=OF+FE’=∆l
D
+∆l
đh
.
Như vậy biến dạng dẻo kim loại chỉ xảy ra khi ngoại lực tác động vượt quá một
giới hạn nào đó (P
TL
). 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=∆l
max
/L
0
và độ thắt tỷ đối: ψ=F/F
0
; Với ∆l
max
-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 P
đh
, P
ch
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=P
E
,
nếu ta giảm lực P=0, biến dạng đàn hồi mất mẫu còn lại biến dạng dư ∆l
D
. 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 P
đh
→P
E
. 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.
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 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
26
n khi trờn cỏc h mt trt khỏc ng xut gõy trt cng ln hn gii hn bn trt,
s trt tip tc xy ra theo cỏc h mt ny.
Cựng vi s trt l s xoay ca cỏc mt tinh th sao cho h cỏc mt trt nh
hng cú li nht cho s trt.
T cỏc phõn tớch trờn cú th rỳt ra mt s kt lun:
-Cỏc kim loi cú
kiu mng LPDT cú
nhiu mt v phng
trt nh hng u
trong khụng gian nờn
d trt nht (d cú
cỏc mt trt vo v
trớ thun li cho s

trt). Cỏc kim loi
ny cú tớnh do cao
nht sau ú mi ti cỏc
KL cú kiu mng
LPTT, cỏc KL cú kiu
mng LGXC kộm do
nht.
-Cỏc biờn gii
ht cng l cỏc nguyờn nhõn cn tr s trt ca tinh th, vỡ vy cỏc vt th kim loi cú
ht nh, biờn gii ht nhiu s bn hn cỏc KL ht ln ng thi cng cú kh nng bin
dng do cao hn.
-Kim loi nguyờn cht do hn hp kim vỡ cú cu trỳc 1 pha cú ớt lch.
-Cỏc cu trỳc hn hp c hc trong ú cú cỏc pha cng giũn cn tr s trt ca
cỏc tinh th cú kh nng bin dng nờn cú bn cao hn, kh nng bin dng do kộm
hn.
-Khi bin dng ln >70% do hin tng xoay ca cỏc tinh th nờn vt a tinh
th cú th cú tớnh d hng.
4-Anh hng ca bin dng do n t chc t vi v tớnh cht kim loi:
-Trong v sau khi trt, mng tinh th xung quanh mt trt b xụ lch. Cỏc ht
tinh th b bin dng khụng u, cú xu th chung l di v bt ra theo phng bin dng.
Khi bin dng t 40-50%, ht b phõn nh ra, tp cht v pha th hai cng b nh
vn v kộo di ra theo phng bin dng to thnh t chc th. Khi bin dng >70%
cỏc ht b quay n mc phng mng ca chỳng gn nh song song vi nhau to nờn
hin tng nh hng hoc textua.
-Sau khi bin dng do trong kim loi tn ti ng sut d do xụ lch mng v s
bin dng khụng u gia cỏc ht. Núi chung ng sut ny cú hi cho c tớnh, nhng
trong mt s trng hp ngi ta li c ý to ra nú lm tng gii hn mi.
-Sau bin dng do c tớnh kim loi thay i theo chiu hng tng bn,
cng, gim do dai, gim kh nng bin dng do. Nh bin dng do ngỡ ta cú
th lm tng bn, cng kim loi lờn 1.5-3 ln, tng gii hn chy, gii hn n hi

27

Hỡnh 19: Sửù trửụùt ủụn tinh theồ.
Hỡnh 20: Cụ cheỏ trửụùt mem.
P
Phửụng
trửụùt


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: T
KTL

=K*T
s
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 1-2
h
, 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(1539
o
C)=450
0
C; Cu(1083
0
C)=270
0
C;
Al(658
0
C)=100
0
C;
Pb, Zn, Sn, có nhiệt độ chảy trên dưới 300
0
C, 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:
+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
28
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 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.
29
+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 10
7
-10
8
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.
-Tăng lệch mạng để các lệch cản trở lẫn nhau. Thực hiện được trong thực tiễn kĩ
thuật bằng nhiều phương pháp.
30