(Thuyết minh + Bản vẽ) đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế máy cán tôn định hình

ThuyÕt minh ®å ¸n tèt nghiÖp

Lª NhËt T©m – líp 44M

Trêng §¹i häc X©y dùng

1


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

1 Lời nói đầu
Cán kim loại khác là phơng pháp gia công bằng áp lực, còn gọi là gia
công không phoi. Khác với gia công có phoi nh cắt gọt kim loại trên các
máy tiện phay bào khoan khoét doa mài Khi gia công
áp lực dùng một lực rất mạnh tác dụng vào phôi kim loại buộc nó biến dạng
theo hình dạng và kích thớc mong muốn. Để làm đợc điều đó phải có các
thiết bị cán kim loại (máy cán).
Cùng với sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp trong cả nớc,
ngành công nghiệp luyện kim hiện đang đợc chú trọng. Trong ngành công
này kim thì cán kéo kim loại là một trong những khâu quan trọng để tạo ra
thành phẩm và bán thành phẩm phục vụ cho các ngành công nghiệp khác.
Từ lâu trên thế giới đã xuất hiện các sản phẩm sử dụng phơng pháp tạo hình
bằng cán nguội, phơng pháp này đã du nhập vào nớc ta để cán ra các sản
phẩm từ tôn tấm nh thép định hình chữ U, chữ Z, tấm lợp kim loại Thiết bị
cán nguội thờng gồm nhiều cặp trục cán đặt liên tiếp nhau, phôi đợc dẫn
động nhờ lực ma sát (tạo ra khi các trục quay), sản phẩm tạo hình theo yêu
cầu với chiều dày không đổi.
Hiện nay cùng với sự phát triển cơ sở hạ tầng đô thị và khu công

nghiệp tập trung, các con đờng hiện đại xuất hiện ngày một nhiều nên cần
một khối lợng lớn tấm chắn xô để làm dải phân cách. Do đó, đòi hỏi các
thiết bị cán tôn định hình đảm bảo đợc sản lợng và chất lợng tấm chắn xô
ngày một nâng cao.
Đồ án này trình bày tính toán thiết kế máy cán nguội tôn định hình
với sản phẩm là tấm chắn xô có profin định hình, chiều dài theo yêu cầu.
Đồ án đợc chia thành 3 chơng và 7 bản vẽ:
Chơng 1. Tổng quan
Nội dung chính của chơng:


Tình hình nghiên cứu thiết kế máy cán trên thế giới và
trong nớc.



Nhu cầu thị trờng, so sánh và lựa chọn sản phẩm.

Chơng 2. Cơ sở lý thuyết về cán kéo kim loại
Chơng 3. Tính toán thiết kế máy cán
Gồm có các phần chính sau:
Lê Nhật Tâm lớp 44M

2


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Tính góc uốn của phôi qua từng cặp trục (biến dạng dẻo)



Tính các lực tác dụng



Chọn động cơ



Tính toán thiết kế bộ truyền đai



Tính chọn hộp giảm tốc



Tính toán thiết kế các bộ truyền xích



Tính toán thiết kế các quả cán

Tính trục



Chọn ổ và then cho các trục.

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Lê Gôn đã tận tình hớng dẫn,
giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này. Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế
nên không thể tránh khi thiếu sót, rất mong đợc sự đóng góp ý kiến của các
thầy và các bạn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2004
Sinh viên thực hiện
Lê Nhật Tâm

Lê Nhật Tâm lớp 44M

3


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Chơng I

Tổng quan
1.1. Tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo máy cán trên
thế giới và trong nớc

Máy cán trên thế giới lúc đầu chỉ có hai trục quay ngợc chiều nhau

với những sản phẩm đơn giản nh gơm, dao Năm 1864, chiếc máy cán ba
trục đầu tiên ra đời chạy bằng máy hơi nớc và cho ra sản phẩm thép tấm và
thép hình, đồng tấm và dây đồng. Do kỹ thuật ngày càng phát triển, do nhu
cầu về vật liệu thép tấm phục vụ cho các ngành công nghiệp nhẹ, chế tạo xe
lửa mà công nghệ chế tạo máy cán tăng nhanh chóng. Chiếc máy cán với
giá cán bốn trục ra đời vào năm 1870, rồi đến các máy cán với giá cán 6
trục, 12 trục, 20 trục và các loại máy cán đặc biệt khác đợc ra đời để cán
các vật liệu cực mỏng, siêu mỏng và dị hình nh máy cán bi, cán thép chu
kỳ, máy đúc cán liên tục.

Hình 1.1. Hình phối cảnh giá cán tấm 4 trục của hãng SMS (Đức)
Trớc năm 1954, các loại thép tại Việt Nam hầu nh nhập từ Pháp về,
sau 1954 thì nhập thép từ Liên Xô (cũ), Trung Quốc và các nớc Đông Âu.
Đến năm 1975, nhà máy cán thép Gia Sàng (Thái Nguyên) đợc đa vào hoạt
động. Từ đó đến nay, ngành cán thép đã đợc tạo đà phát triển mạnh. Các xí
nghiệp liên doanh cán thép giữa Việt Nam và nớc ngoài đã hình thành từ
Lê Nhật Tâm lớp 44M

4


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Bắc đến Nam nh: Công ty thép Việt-úc VINAUSTEEL ở Hải, Công ty thép
Việt Nhật ở Vũng Tàu, Công ty thép ống VINAPIE ở Hải Phòng liên
doanh giữa Việt Nam và Hàn Quốc v.v
Nớc ta hiện nay đang bớc vào thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại
hóa nên nhu cầu về thép trong xây dựng và cơ khí là rất lớn. Nhiều nhà máy

cán thép đã đợc thành lập trong những năm gần đây. Năm 2003, nhà máy
cán thép Việt - ý tại khu công nghiệp Phố Nối A (Hng Yên) với tổng vốn
đầu t 125 tỷ đồng, công suất 126.000 tấn thép/năm đã chính thức đi vào
hoạt động. Ngày 11/4/2003, tại Đông Hà (Quảng Trị) đã khởi công xây
dựng nhà máy cán thép chất lợng cao COSEVCO với công suất giai đoạn 1
là 250.000 tấn sản phẩm/năm, với tổng mức vốn đầu t hơn 254 tỷ đồng.
Tháng 12/2003, công ty thép Bluescope Việt Nam đã khởi công nhà máy
thép hiện đại đạt tiêu chuẩn quốc tế tại khu công nghiệp Phú Mỹ 1, tỉnh Bà
Rịa - Vũng Tàu, với tổng diện tích 12.000ha, tổng số vốn đầu t 105 triệu
USD Nớc ta có rất nhiều nhà máy cán thép làm ăn không hiệu quả nhng
vẫn có rất nhiều dự án mới, do các nhà máy cũ hiện nay công nghệ đã quá
lạc hậu.
Các thiết bị gia công và tạo hình thép nói chung và thép dạng sóng
nói riêng đợc nghiên cứu chế tạo từ lâu. Trong dây chuyền cán tạo thép hình
thì máy cán là thiết bị chính.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

5


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Hình 1.2. Máy cán hình và một số sản phẩm thép hình


Máy cán tạo hình đợc phân loại nh sau:

Theo công dụng
Theo số giá cán trong máy cán
Theo số trục cán có trong giá cán
Theo cỡ kích thớc của sản phẩm
Phân xởng cán đợc phân loại:
Theo tên sản phẩm cuối cùng
Theo cách bố trí của các máy cán trong xởng theo công nghệ cán nh
máy cán phôi, máy cán hình, máy cán tấm, máy cán ống, máy cán
chuyên dùng...
Theo bố trí các thiết bị chính (giá cán).
1
2

3

Hình 1.3. Máy cán có một giá cán
1. Động cơ
2. Hộp giảm tốc
3. Hộp bánh răng truyền lực
4. Giá cán

4

Máy có một giá cán (Hình 1.3) là máy cán chỉ có một giá cán loại 2
cặp trục hoặc 3 cặp trục cán ra sản phẩm tấm. Hiện nay các xởng cơ khí của
chúng ta thờng sử dụng.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

6

Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

1
4

3

2

(a)

4

1
1
1

3

2

3

(b)

1. Động cơ

2. Hộp giảm tốc
3. Hộp bánh răng truyền lực
4. Giá cán

3

4

4

4

Hình 1.4.
a. Máy cán bố trí một hàng
b. Máy cán bố trí ba hàng
Máy cán bố trí theo hàng có các giá cán bố trí thành một hay nhiều
hàng ngang, các máy cán đợc dẫn động chung bằng một động cơ hoặc dẫn
động riêng biệt tùy theo ý đồ công nghệ (hình 1.4). Để tiết kiệm diện tích
mặt bằng của xởng cán, máy cán có thể bố trí theo hình Z (hình 1.5) bố
trí này đợc dùng ở nhà máy cán thép Gia Sàng Khu gang thép Thái
Nguyên và ở các nhà máy luyện cán thép Miền Nam là loại máy cán bố trí
theo hàng. Những máy này đợc trang bị từ trớc năm 1970 và nguồn gốc
máy của Đức, Pháp...

Lê Nhật Tâm lớp 44M

7


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

1
2

3

4

1 - Động cơ, 2 - Hộp giảm tốc, 3 - Hộp bánh răng truyền lực, 4 - Giá cán

Hình 1.5. Máy cán bố trí kiểu chữ Z (bàn cờ)
Máy cán bán liên tục và liên tục loại máy cán này thờng có 2
nhóm giá cán: nhóm giá cán để cán ra sản phẩm thô và nhóm giá cán để cán
ra sản phẩm tinh. Nhóm giá cán ra sản phẩm thô thờng bố trí liên tục, nhóm
thứ 2 làm nhiệm vụ cán tinh thờng bố trí theo hàng và vật cán thờng đợc cán
theo vòng (hình 1.6 và hình 1.7).

Lê Nhật Tâm lớp 44M

8


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

1

1
2

2

1

3

3

4

4

3

4

Hình 1.6. Mặt bằng bố trí máy cán bán liên tục
1 - Động cơ, 2 - Hộp giảm tốc,
3 - Hộp bánh răng truyền lực, 4 - Giá cán
(a) Nhóm giá cán thô liên tục
(b) Nhóm giá cán bố trí theo hàng

Trong máy cán liên tục thờng có trục cán đợc bố trí nằm ngang và
thẳng đứng (hình 1.7).
3

5

4

2

1

Hình 1.7. Máy cán liên tục
1 - Giá cán trục đặt thẳng đứng
2 - Giá cán trục đặt nằm ngang
3 - Động cơ
4 - Hộp giảm tốc
5 - Hộp bánh răng truyền lực

Lê Nhật Tâm lớp 44M

9


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

ở Việt Nam, sản phẩm của nhà máy cán thép Gia Sàng chủ yếu là
thép hình cỡ nhỏ. Vinapie và Công ty Xuân Hòa lắp máy cán ra sản phẩm
ống. Hãng BHP, Zamilsteel Co. trang bị máy cán ra thép U, Z làm xà gồ,
nhà khung thép nhng vẫn cha đáp ứng đủ cho nhu cầu thị trờng ngày một
tăng. Ngoài ra còn nhiều cơ sở sản xuất tự chế máy cán để sản xuất thép U
cỡ nhỏ, ống làm giàn giáo và cột chống phục vụ ngành xây dựng...
1.2.

Đặc điểm của sản phẩm cán nguội

Hệ số sử dụng kim loại cán nguội đạt tới 99,5% nên ít phế phẩm (so
với cán nóng phế phẩm ít hơn từ 3 đến 5 lần).
Hình dạng của tiết diện rất đa dạng, phong phú. Tiết diện có thể kín
hay hở.
Phôi đợc cắt từ tôn tấm (CT3, dải băng thép, cuộn tôn mạ màu).
Chiều dày phôi liệu và sản phẩm giống nhau, chiều dài sản phẩm từ
4m đến vô tận (theo chiều dài của phôi).
Khi tạo hình bằng cán nguội, phôi không phải nung nóng nên kim
loại bị biến cứng làm giới hạn chảy tăng từ 10 ữ 15, chất lợng sản
phẩm cao hơn cán nóng, tạo hình xong không phải xử lý nhiệt.
Môi trờng sản xuất tích cực (không gây tiếng ồn, nóng, bụi...)
1.3. Lựa chọn sản phẩm và thiết bị

Có nhiều loại tấm chắn phân luồng đờng, tấm chắn xô phổ biến là
dạng sóng gồm hai loại: tấm chắn xô dạng hình sin và tấm chắn xô profin
định hình (Hình 1.8). Có thể kể tên các đờng sử dụng loại thép hình này để
phân luồng nh đờng Thăng Long Nội Bài, quốc lộ 5, đờng Giải Phóng

Lê Nhật Tâm lớp 44M

10


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

a
b
Hình 1.8. Hai dạng thép hình chắn xô
a. Profin dạng hình sin
b. Profin định hình
So với tấm chắn xô dạng hình sin, tấm chắn xô profin định hình có độ
bền cao hơn, chịu lực cơ học tốt hơn, nên tuổi thọ lớn và hiện đợc u tiên sử
dụng.
Để có đợc các sản phẩm định hình từ tôn tấm có nhiều phơng pháp,
trong đó điển hình là hai phơng pháp cán nguội và dập nguội. Phơng pháp
dập nguội cho năng suất không cao, chiều dài hạn chế, thiết bị cồng kềnh
Phơng pháp cán cho năng suất cao, sản phẩm đẹp. Máy cán tấm chắn xô
dạng sóng hình sin đã đợc nhiều cơ sở trong nớc gióng dựng. Tuy nhiên,
máy cán loại này có profin trục cán chép theo dạng của sản phẩm, nên việc
chế tạo, sửa chữa và bảo dỡng khó khăn, giá thành cao. Đa số các máy cán
tấm chắn xô cũ ở Việt Nam hiện nay đều sử dụng bộ truyền bánh răng nên
việc điều chỉnh khe hở cán rất khó khăn. Trong đồ án này chúng tôi chọn
phơng án thiết kế máy cán tôn sử dụng bộ truyền xích để dẫn động các cặp
trục cán.
Việc thiết kế, chế tạo máy sẽ góp phần giảm đầu t cơ bản, giảm chi
phí nhập khẩu, chủ động với sản phẩm mới - đó là một trong những yêu cầu
tất yếu khi nhu cầu ngày một lớn và có sự cạnh tranh cao.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

11


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Chơng II

Cơ sở lý thuyết về biến dạng kim loại
2.1. các khái niệm cơ bản

2.1.1 Vật liệu kim loại
Theo các nhà kỹ thuật. Kim loại đợc quan niêm là các vật thể có
những dấu hiệu chung đặc trng nh:
Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thờng đi qua.
Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép).
Có độ bền cơ học nhng kém bền hóa học
Trừ thủy ngân ra, các kim loại ở nhiệt độ bình thờng đều có cấu trúc
tinh thể.
Nhiệt độ nóng chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp
ứng đợc yêu cầu đa dạng của kỹ thuật.
2.1..2 Mạng tinh thể Lệch mạng
Đặc tính cấu trúc của kim loại là nguyên tử (ion) luôn có xu hớng xếp
xít chặt với kiểu mạng đơn giản (nh lập phơng tâm mặt, lập phơng tâm khối,
lục giác xếp chặt) và các liên kết ngắn, mạnh.
Trong tinh thể các nguyên tử (phân tử) sắp xếp tại các nút mạng của
kiểu mạng thì mạng tinh thể đó đợc gọi là mạng tinh thể lý tởng. Tuy nhiên
trên thực tế hầu nh không gặp mạng tinh thể lý tởng vì luôn có những
nguyên tử không nằm đúng ví trí của nó hoặc các lớp nguyên tử không sắp
xếp đúng trật tự lý thuyết, gây nên những sai lệch mạng tinh thể hay khuyết
tật mạng.
Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí qui định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 ữ
2%) song cũng gây ra ảnh hởng đối với tinh thể khi chịu tác dụng của ngoại

lực. Theo kích thớc ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành:


Sai lệch điểm: là loại sai lệch có kích thớc rất nhỏ (cỡ nguyên
tử) theo ba chiều không gian.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

12


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp



Trờng Đại học Xây dựng

Sai lệch đờng: là loại có kích thớc nhỏ theo hai chiều và lớn
theo chiều thứ ba, tức là có dạng của một đờng (có thể là đờng thẳng,
cong, xoáy trôn ốc).



Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thớc lớn theo hai chiều đo
và nhỏ theo chiều thứ ba, tức là có dạng của một mặt (có thể là mặt
phẳng, cong hay uốn lợn).
Các sai lệch điểm nh nút trống, nguyên tử xen kẽ... nếu chúng nằm
liền nhau trên một đờng sẽ tạo ra sai lệch đờng. Tuy nhiên dạng sai lệch này
không có tính ổn định cao. Ví dụ các nút trống có thể tập trung thành cụm
hoặc phân tán đều dới những tác dụng khác nhau. Dạng điển hình nhất của

sai lệch đờng mà ta sẽ khảo sát là lệch (dislocation). Chúng có những dạng
hình học nhất định và tính ổn định cao. Sai lệch đờng bao gồm:
a. Lệch biên
Có thể hình dung lệch biên nh mô hình ở hình 2.1 (điều này không
đồng nghĩa nó đợc hình thành đúng nh vậy), chèn thêm bán mặt ABCD vào
nửa phần trên của mạng tinh thể lý tởng (hình 2.1a), sự xuất hiện thêm của
bán mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở nên
không hoàn toàn song song với nhau nữa. Nh thấy rõ ở hình 2.1b biểu thị
sắp xếp nguyên tử trên mặt cắt vuông góc với trục AD (trong đó vùng bị xô
lệch khá nhỏ, chỉ 4 ữ 5 thông số mạng trong phạm vi vòng tròn), rõ ràng là
sự xô lệch này kéo dài theo đờng AD đợc gọi là trục lệch, nó chính là biên
của bán mặt nên có tên là lệch biên. Với sự phân bố nh vậy nửa tinh thể có
chứa bán mặt sẽ chịu ứng suất nén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo.
C

B
B

E

D

A

A

E

E

a)

E

b)

Hình 2.1. Lệch biên
a) Mô hình tạo thành
b) Sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch

Lê Nhật Tâm lớp 44M

13


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Nh vậy, về bản chất, lệch biên là giao tuyến của mặt phẳng nguyên tử
thừa (ABCD) với mặt phẳng EE (gọi là mặt trợt) và nó là một chuỗi các
nguyên tử.
b. Lệch xoắn
B

A

F

D

E

A
B

D
C

C
a)

b)

Hình 2.2. Lệch xoắn
a. Mô hình tạo thành
b. Sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch
Có thể hình dung lệch xoắn nh mô hình trợt dịch ở hình 2.2a (điều
này không đồng nghĩa nó đợc hình thành đúng nh vậy): cắt tinh thể lý tởng
theo bán mặt ABCD rồi trợt dịch hai mép ngoài của mặt phẳng ngợc chiều
nhau đi một hằng số mạng trên đờng BC. Điều này sẽ làm cho các nguyên
tử trong vùng hẹp giữa hai đờng AD và BC sắp xếp lại có dạng đờng xoắn
ốc giống nh mặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn biểu thị sắp xếp nguyên tử
ở trên và dới bán mặt. Sự xô lệch nguyên tử đợc thấy rõ ở hình 2.2b. Cũng
giống nh trên đờng AD là tâm của sự xô lệch nên đợc gọi là trục lệch.
c. Lệch hỗn hợp
Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa lệch biên và lệch xoắn. nó mang
các đặc điểm của cả hai lệch đã nêu trên hình 2.3. Sau đây trình bày cách
hình dung lệch hỗn hợp bằng cách ép trợt.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

14


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

C

C
B

A

A

B

b)
a)

Hình 2.3. Mô hình lệch xoắn
a) Cách bố trí nguyên tử xung quanh trục lệch
b) Cách hình dung lệch hỗn hợp bằng cách ép trựơt
Vùng ABC là một phần của mặt trợt mà ở đây đã xảy ra xê dịch các
nguyên tử. Đờng cong AC là ranh giới giữa hai vùng bị trợt và cha trợt đó là
trục lệch. Hình 2.3a trình bày cách bố trí nguyên tử xung quanh trục lệch.
Lệch hỗn hợp là tổng hợp của lệch biên và lệch xoắn.

2.2.

biến dạng dẻo và phá hủy

2.2..1 Khái niệm
Để nghiên cứu quá trình biến dạng ta nghiên cứu mối quan hệ giữa
ứng suất và biến dạng sinh ra. Trên thực tế khi gia công sản phẩm cũng nh
khi cho máy hoạt động, kim loại chịu tác dụng của nhiều tải trọng với trạng
thái ứng suất ba chiều. Tuy nhiên để đơn giản hoá, quá trình biến dạng thờng đợc nghiên cứu dới tác dụng của tải trọng kéo và lấy nó làm trờng hợp
điển hình, vì nó thể hiện rõ ràng các giai đoạn biến dạng. Các giai đoạn biến
dạng bao gồm: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy. Phơng pháp
thử kéo cũng là phơng pháp chủ yếu để đánh giá cơ tính của vật liệu và so
sánh các vật liệu với nhau.
Theo Sức bền vật liệu, khi tăng dần lực kéo F 0 đặt dọc trục một mẫu
kim loại tròn, có chiều dài l0, đờng kính d0 sau đó lập quan hệ giữa lực kéo
F và độ dãn dài (biên độ tuyệt đối) l = l l0, ta đợc biểu đồ kéo với dạng
điển hình nh trên hình 2.4. Biểu đồ này cho ta một khái niệm chung về các
loại biến dạng và phá hủy.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

15


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

F

b

Fb
Fa

a

Fđh

e

F1

0

a'

a"

l

Hình 2.4. Sơ đồ biến dạng điển hình của kim loại
Biến dạng đàn hồi: khi tải trọng đặt vào nhỏ, F tăng dần từ 0 đến F đh,
độ biến dạng (ở đây biểu thị bằng độ dãn dài l) tăng dần theo qui luật
tuyến tính với tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi. Giai đoạn Oe trên
hình đợc gọi là giai đoạn đàn hồi, đợc đặc trng bởi Fđh và ứng suất đàn hồi
đh.
Biến dạng dẻo: khi tải trọng đặt vào lớn, F > F đh, độ biến dạng tăng
nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn còn
lại một phần. Ví dụ khi đặt tải trọng F a mẫu bị kéo dài theo đờng Oea tức

dài thêm đoạn Oa, nhng khi bỏ tải trọng mẫu bị co lại theo đờng song song
với đoạn Oe nên cuối cùng vẫn còn bị dài thêm một đoạn Oa. Nh vậy biến
dạng dẻo là biến dạng có kèm theo sự thay đổi kích thớc của hình dáng khi
bỏ tải trọng. Hiện tợng biến dạng tăng khi ứng suất (lực) tăng không đáng
kể gọi là sự chảy của vật liệu, ứng suất tơng ứng gọi là giới hạn chảy ch.
Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thớc kim loại
tạo nên nhiều chủng loại phong phú đáp ứng tốt yêu cầu sử dụng.
Phá hủy: nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất F b, lúc đó
trong kim loại xảy ra biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt), tải trọng tác
dụng giảm mà biến dạng vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá hủy
ở điểm C.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

16


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng






a)

b)

c)

d)

Hình 2.5. Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể
a) Ban đầu b) Biến dạng đàn hồi
c) Biến dạng kéo d) Phá hủy
Sự biến đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thái trên đợc trình bày nh
hình 2.5.
Khi biến dạng đàn hồi các nguyên tử chỉ dịch chuyển đi khoảng cách
nhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tăng từ a lên a+a, tức
là cha sang vị trí cân bằng mới nên khi bỏ tải trọng lại trở về vị trí cân bằng
cũ. Biến dạng đàn hồi xảy ra do cả ứng suất tiếp lẫn ứng suất pháp. Khi biến
dạng dẻo nguyên tử dịch chuyển đi khoảng cách lớn hơn (quá một thông số
mạng) nên khi bỏ tải trọng nó trở về vị trí cân bằng mới. Biến dạng dẻo chỉ
xảy ra do ứng suất tiếp. Khi biến dạng đàn hồi và dẻo lực liên kết giữa các
nguyên tử vẫn đợc bảo tồn, còn khi phá hủy các liên kết bị hủy hoại dẫn đến
đứt rời.
2.2..2 Lý thuyết trợt
Trợt là sự xê dịch của từng mặt nguyên tử song song với nhau mà
không làm thay đổi cấu trúc tinh thể.
Bất kỳ dạng tải trọng nào có thành phần tơng ứng với ứng suất tiếp
làm xê dịch nguyên tử đều có thể tạo ra trợt. Tải trọng kéo (hoặc nén) thuần
túy sinh ra ứng suất pháp chỉ làm thay đổi khoảng cách nguyên tử gây ra
biến dạng đàn hồi hoặc phá hủy khi ứng suất đủ lớn. ứng suất tiếp nhỏ chỉ
làm xê dịch đàn hồi các nguyên tử (hình 2.5), làm thay đổi hình dáng và
kích thớc tinh thể khi bỏ tải hoặc gây song tinh tạo biến dạng d.
a. Các mặt và phơng trợt

Quá trình trợt xảy ra theo các mặt và các phơng tinh thể xác định gọi
là các mặt và phơng trợt. Phơng trợt nằm trên mặt trợt. Mặt trợt và phơng trLê Nhật Tâm lớp 44M

17


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

ợt lập thành một hệ trợt. Nh vậy trong các kim loại phơng trợt luôn là phơng
xếp chặt còn các mặt trợt có thể là mặt xếp chặt hoặc không xếp chặt.
Khả năng biến dạng dẻo của kim loại có thể đánh giá theo hệ số trợt
(tức là tích của số mặt trợt với số phơng trợt) và độ xếp thể tích MV (mật độ
nguyên tử). Ví dụ kim loại có mạng tinh thể lập phơng tâm mặt và mạng lục
giác xếp chặt tuy có MV gần bằng nhau nhng hệ số trợt khác nhau nên khả
năng biến dạng dẻo của chúng khác nhau. Kim loại mạng lập phơng tâm
mặt do có hệ số trợt lớn hơn nên chúng dễ biến dạng dẻo hơn. Kim loại
mạng lập phơng tâm khối tuy có hệ số trợt lớn nhng MV nhỏ nên biến dạng
dẻo kém hơn kim loại mạng lập phơng tâm mặt. Ví dụ thao tác dập cán kéo
thép thờng thực hiện ở nhiệt độ cao (9000 ữ 10000C) vì ở nhiệt độ đó thép dễ
biến dạng vì có mạng lập phơng tâm mặt, trong khi ở nhiệt độ thấp nó có
mạng lập phơng tâm khối khó biến dạng dẻo.
Khảo sát vai trò của định hớng mặt trợt đến khả năng trợt, tức khả
năng biến dạng dẻo. Muốn trợt xảy ra để có biến dạng dẻo thì trong hệ số
trợt ứng suất tiếp phải đạt đợc một trị số tới hạn, xác định đối với mỗi kim
loại hay hợp kim gọi là ứng suất trợt (xê dịch tới hạn th).
b. ứng suất gây ra trợt
Ta hãy phân tích thành phần ứng suất trong hệ trợt của một mẫu thử
hình trụ đơn tinh thể chịu lực kéo P có tiết diện ngang là S0 (hình 2.6).

P
S0
n





P

m

S

P

Hình 2.6. Định hớng của hệ trợt với ngoại lực
Lê Nhật Tâm lớp 44M

18


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

Mặt trợt là hình elip gạch chéo có pháp tuyến O n hợp với phơng kéo
qua góc . Phơng trợt Om hợp với OP (giao tuyến giữa mặt trợt và mặt
phẳng qua On và P) góc . Diện tích mặt trợt là:
S0

cos
ứng suất pháp tác dụng lên mặt trợt có trị số:
S =

m =

Pn Pp . cos
=
= 0 cos 2
S0
S
cos

ứng suất n chỉ gây ra biến dạng đàn hồi hoặc phá hủy, ứng suất tiếp
m gây ra biến dạng dẻo đợc tính bằng:
m =

Pm Pp . cos P.sin . cos 1
=
=
= .sin 2. cos
S0
S0
S
2
cos
cos

Điều kiện để trợt xảy ra là m th.
Nh vậy khả năng biến dạng dẻo ngoài độ lớn của tải trọng bên ngoài

còn phụ thuộc vào định hớng của mặt trợt nữa. Rõ ràng là nếu = 00 hoặc
900 thì dù ngoại lực khá lớn, m luôn bằng 0 và trợt không xảy ra. Vị trí
1
0 . cos .
2
Tóm lại với một tải trọng xác định, trị số của ứng suất trợt thay đổi
theo định hớng của hệ trợt với phơng tải trọng. Trong tinh thể gồm nhiều
mặt trợt khác nhau thì quá trình biến dạng dẻo bằng trợt xảy ra sau trợt tiến
trong mặt có định hớng thuận lợi, sự phát triển dần sang các mặt kém thuận
lợi hơn. Điều này giải thích tại sao kim loại có dạng lập phơng tâm mặt lại
luôn bị biến dạng dẻo khi chịu tải thích hợp trớc khi bị phá hủy.
thuận lợi nhất của mặt trợt là = 450, khi đó m đạt giá trị là

c. Cơ chế trợt
Trợt là một trong các yếu tố gây ra hiện tợng dẻo. đợc thực hiện bằng
xê dịch nguyên tử. Dới đây sẽ xem xét kỹ hơn cơ chế xê dịch nguyên tử trên

Lê Nhật Tâm lớp 44M

19


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

các mặt trợt để tạo ra bậc cấp trên mặt ngoài tinh thể trong hai trờng hợp:
tinh thể lý tởng và tinh thể thực.

A

B

C

D

E

F

G

H

I
Mặt trợt

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Hình 2.7. Sơ đồ trợt trong tinh thể lý tởng
Sơ đồ trợt trong tinh thể lý tởng đợc trình bày trên hình 2.7. Dãy
nguyên tử ABC... biểu diễn lớp nguyên tử phía trên mặt trợt có dãy 1, 2, 3,...
biểu diễn lớp nguyên tử phía dới mặt trợt. Khoảng cách giữa hai lớp nguyên
tử là a còn giữa các nguyên tử của một lớp là b. Để có biến dạng d thì cả lớp
nguyên tử ABC... phải xê dịch tơng ứng với lớp 1, 2, 3,... một đoạn bằng b
sao cho có nguyên tử ở vào vị trí cân bằng mới, trùng với nút mạng tinh thể.
Lực cần thiết cho xê dịch đó liên quan đến sự thay đổi lực liên kết nguyên
tử khi trợt. Lực tác dụng lên nguyên tử A khi nó dịch chuyển một đoạn
x

b
b
là lực hút từ phía nguyên tử 1 và khi x > là lực hút từ phía nguyên
2
2
b
(cân bằng không bền) và x = 0, b (cân bằng bền).
2
Vậy lực F cần thiết mà nguyên tử phía phải thắng để thực hiện xê

tử 2. Tại vị trí x =
dịch

0có thể là một hàm tuần hoàn của x với dạng hình sin (hình 2.8) với biên độ
k.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

20


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

2x
b
Hệ số k là giá trị cực đại của hàm f(x) và đợc xác định trên cơ sở định
luật Hooke cho các biến dạng nhỏ.
Thật vậy, khi x << a, độ xê dịch đàn hồi:
F(x ) = k. sin



x
x
và F = G. = G.
a
a

Mặt khác khi x << b thì có thể xem sin
F = G.

2 x 2x
. Do đó:

b
b

x
2x
k.
a
b

Rút ra
a G
k= .
b 2
F

x

b/2

Hình 2.8. Lực trợt trong tinh thể lý tởng
G
. Đó là lực lớn nhất cần tác dụng lên mặt trợt để
2
thực hiện biến dạng dẻo. Vậy nó cũng phản ánh độ bền xê dịch lý thuyết
của tinh thể.
Khi a b thì k

lth

G
2

Các tính toán với dạng hàm F(x) chính xác hơn cho lth nhỏ hơn
Lê Nhật Tâm lớp 44M

21


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

G
30
Độ bền lý thuyết tính theo hai công thức trên lớn hơn các kết quả
thực nghiệm tới hàng nghìn lần. Sự sai khác quá lớn giữa độ bền lý thuyết
và thực tế cho thấy sự trợt xảy ra trong kim loại dễ dàng hơn nhiều so với
tinh thể lý tởng. Lý thuyết lệch đã giải thích cơ chế trớc đây là xê dịch của
một nhóm nguyên tử nhờ lệch mạng có sẵn trong tinh thể chuyển động.
lth

A

B

C

D

E

F

G

H

I

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Hình 2.9. Sự di chuyển của lệch ra mặt ngoài để tạo nên cấp bậc
Hình 2.9 cho thấy cách sắp xấp nguyển tử xung quanh một lệch biên
thay đổi nh thế nào khi nó chuyển vị trí đến lúc gặp mặt ngoài tinh thể tạo
một bậc cấp có độ lớn bằng véctơ Bungers. Bằng cách đó mỗi lần di chuyển
lệch thực hiện đợc một xê dịch bằng khoảng cách nguyên tử. Xê dịch đó đợc minh hoạ trên hình 2.10 nh sau: Dới tác dụng của ứng suất tiếp các
nguyên tử phía trên mặt trợt dịch sang phải a a, b b, c c, h h
còn các nguyên tử phía dới dịch chuyển sang trái i i, k k, m m
bằng cách xê dịch nhỏ so với khoảng cách nguyên tử. Kết quả là mặt phẳng
đứng m e bị chia đôi một mức he biến thành bán mặt eh, nửa kia hợp
với bản mặt cũ thành mặt phẳng đứng ma. Nh vậy lệch đã chuyển vị trí
xuất phát d sang vị trí mới h.

Lê Nhật Tâm lớp 44M

22


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

e

a
b
c

b' f
c' g

g'

d

d' h

h'

i'

f'

i
k

k'
l'

l
M

Hình 2.10. Sự di chuyển nguyên tử khi một lệch biên trợt
một khoảng cách nguyên tử

Để lệch chuyển động đợc thì ứng suất tiếp phải đạt đợc trị số cần
thiết nhằm vợt cản trở thế năng giữa hai vị trí lân cận. Dựa vào giả thiết về
cách sắp xếp gần đúng nguyên tử ở gần lệch và về quy luật biến đổi lực lợng
tơng tác nguyên tử, Peierls Nabarro đã tính đợc ứng suất tiếp giới hạn
ứng suất tối thiểu để lệch bắt đầu chuyển động là:

P _ N =

2G
2 a
exp(
. )
1 v
1 v b

trong đó:
P-N: là ứng suất tới hạn Peierls Nabarro.
a: là khoảng cách giữa các mặt nguyên tử song song với mặt trợt.
b: là khoảng cách nguyên tử trong phơng trợt.
Công thức tính ứng suất Peierls Nabarro thể hiện quy luật lựa chọn
của biến dạng dẻo. Khi a và b có trị số nhỏ thì P-N sẽ nhỏ, tức lệch trợt dễ
dàng. Điều đó giải thích tại sao trợt thờng xảy ra theo mặt xếp chặt và phơng xếp chặt. Để so sánh P-N với tl.h hay a b và v 1/3 khi đó:
3G
8.10 3
Thực ra việc tính ứng suất tới hạn khá phức tạp do cha biết chính xác
về cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vùng lõi lệch. Ngoài ra, toàn bộ đờng
P N =

Lê Nhật Tâm lớp 44M

23


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

lệch không nhất thiết phải chuyển đổi song song đồng thời nh giả thiết. Nó
có thể bị uốn khúc để tơng ứng với trạng thái năng lợng tháp nhất. Khi đó
ứng suất tới hạn P-N chắc sẽ có trị số nhỏ hơn.
Tóm lại trong tinh thể lý tởng trợt xảy ra bằng cách các nguyên tử
trên mặt trợt xê dịch cùng một lúc nh một khối cứng trên một khoảng cách
nguyên tử, do đó cần phải có ngoại lực rất lớn. Trong tinh thể thực, trợt thực
hiện bằng chuyển động của lệch nhờ các xê dịch rất nhỏ (so với khoảng
cách nguyên tử) của các nguyên tử gần nh lệch nên chỉ cần ngoại lực tơng
đối nhỏ (giống nh sự xê dịch của bộ quân bài tạo ra các bậc thang).


Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể.
Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể đợc biểu diễn trên hình 2-11, là đ-

ờng cong biến dạng nói lên quan hệ giữa ứng suất tác dụng và độ xê dịch
của do nó tạo ra. Để đơn giản hoá ta xem đờng cong gồm các đoạn 0a, ab,
be và đoạn cong cd. Ta không xem xét đoạn 0a vì đoạn này biểu thị giai
đoạn biến dạng đàn hồi. Trong biến dạng dẻo chủ yếu xảy ra theo hai cơ chế
chính, đó là sự trợt và song tinh.


d
c

1
1

b

a
0



Hình 2.11. Đờng cong biến dạng tiêu biểu của đơn tinh thể
Khi ứng suất đủ lớn thì sẽ xảy ra quá trình biến dạng dẻo. Giả sử biến
dạng dẻo xảy ra chủ yếu bằng cách trợt mà trợt là do chuyển động của lệch
phát sinh từ nguồn Frank Read. Muốn cho nguồn Frank Read bắt đầu

Lê Nhật Tâm lớp 44M

24


Thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Trờng Đại học Xây dựng

hoạt động thì ứng suất tác dụng trên mặt trợt có định hớng thuận lợi nhất
phải lớn hơn trị số ứng suất xác định theo công thức:
F R =

Gb Gb
=
2R
1

G: Mô đun trợt.
b: Véc tơ Burgers.

R: Bán kính cong của đờng lệch.
L: Khoảng cách giữa 2 điểm chết.
ứng suất tới hạn đó có thể xem nh giới hạn đàn hồi của tinh thể vì nó
kết thúc giai đoạn biến dạng không có trợt, tức là giai đoạn biến dạng đàn
hồi thuần tuý. Nếu nguồn phát sinh lệch Frank Read hoạt động không bị
cản trở nào và các lệch chuyển động hoàn toàn tự do ra mặt ngoài thì đoạn
ab phải nằm song song với trục biểu thị sự xê dịch vì dới tác dụng của ứng
suất cố định trợt xảy ra liên tục, độ biến dạng tăng liên tục. Tuy nhiên giữa
các lệch trong cùng một mặt trợt và giữa các mặt trợt luôn luôn tơng tác với
nhau cản trở lẫn nhau nên muốn nguồn phát sinh lệch Frank Read tiếp
tục hoạt động và lệch tiếp tục chuyển động thì vẫn phải tác dụng ứng suất
cao hơn. Hiện tợng này gọi là sự hoá bền. Trong giai đoạn biến dạng từ
điểm a đến điểm b khả năng hoá bền đuợc đặc trng bởi hệ số hoá bền tg1
(1 là góc nghiêng của đoạn ab). Sau khi những đơn tinh thể có mật độ lệch
nhỏ, các lệch nằm xa nhau và ít tơng tác với nhau nên hệ số hoá bền giai
đoạn này tơng đối nhỏ khoảng 10-4G. Vì biến dạng dẻo xảy ra với mức độ
hoá bền nhỏ nh vậy nên giai đoạn biến dạng ab gọi là giai đoạn dễ trợt. Đặc
trng của giai đoạn này là lệch trợt chủ yếu nằm trên một mặt trợt với
khoảng trợt tự do lớn. Kết quả là sau khi thôi tác dụng ngoại lực, vật không
thể tự trở về hình dạng và vị trí ban đầu.
Với lệch mạng vuông góc hớng chuyển động của lệch mạng cùng với
phơng của ứng suất tiếp, với lệch mạng xoắn. Lệch mạng chuyển động
vuông góc với phơng của ứng suất tiếp.
Khi ứng suất tác dụng đã đạt trị số xác định nào đó thì ứng suất trợt
thực tế trên những mặt trợt có định hớng bất lợi hơn đã đạt đợc trị số để lệch
chuyển động và nguồn Frank Read bắt đầu hoạt động. Do trợt xảy ra
trên những hệ mặt phẳng cắt nhau sẽ tạo nên những vật chớng ngại và
những tập hợp lệch hoặc cụm lệch có tác dụng cản trở mạnh chuyển động
của những lệch khác hoặc có thể đình chỉ hoạt động của nguồn phát sinh
Lê Nhật Tâm lớp 44M

25