Tính toán thiết kế máy cán

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG
HỌC
DỰNG
TRƯỜNG
ĐẠIĐẠI
HỌC
XÂYXÂY
DỰNG

-

Tinh hình nghiên cứu thiết kế máy cán trên thế giới và trong nước.
LỜI NÓI ĐẦU

-

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

Cán kim loại khác là phương pháp gia công bằng áp lực, còn gọi là
Chương
Cơ sởphoi.
lý thuyết
cángia
kéo
kimcó
loại
gia
công2.không
Khácvềvới

công
phoi như 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
Chương 3. Tính toán thiết kế máy cán
theo hình dạng và kích thước mong muốn. Để làm được điều đó phải có các
Gồm có các phần chính sau:
thiết bị cán kim loại (máy cán).
-

Tính góc uốn của phôi qua từng cặp trục (biến dạng dẻo)
Cùng với sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp trong cả nước,

ngành công nghiệp luyện kim hiện đang được chú trọng. Trong ngành công
này- kim
thì các
cán lực
kéotác
kim
loại là một trong những khâu quan trọng để tạo ra
Tĩnh
dụng
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 phương pháp tạo
- Chọn động cơ
hình bằng cán nguội, phương pháp này đã du nhập vào nước ta đế cán ra
các
sản-phẩm
tôn thiết
tấm kế

nhưbộthép
địnhđaihình chữ u, chữ z, tấm lợp kim loại...
Tínhtừtoán
truyền
Thiết bị cán nguội thường gồm nhiều cặp trục cán đặt liên tiếp nhau, phôi
được dẫn động nhờ lực ma sát (tạo ra khi các trục quay), sản phẩm tạo hình
Tính
hộp giảm
tốc đổi.
theo- yêu
cầuchọn
với chiều
dày không

Hiện nay cùng với sự phát triển cơ sở hạ tầng đô thị và khu công
nghiệp tậpHà
trung,
con
đại2004
xuất hiện ngày một nhiều nên cần
Nội,các
ngày
28đường
tháng hiện
5 năm
một khối lượng lớn tấm chắn
để làm
Sinhxôviên
thựcdải
hiệnphân cách. Do đó, đòi hỏi các

thiết bị cán tôn định hình đảm bảo được sản lượng và chất lượng tấm chắn
xô ngày một nâng cao.

LÊ NHẬT TẦM
TÂM - LỚP 44M

21


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Chương I
TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu THIẾT KÊ CHÊ TẠO MÁY CÁN

TRÊN
THÊ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

Máy cán trên thế giới lúc đầu chỉ có hai trục quay ngược chiều nhau
với những sản phẩm đơn giản nhu gươm, dao... Năm 1864, chiếc máy cán
ba trục đầu tiên ra đời chạy bằng máy hơi nước 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

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

3


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

Hình 1.1. Hình phối cảnh giá cán tấm 4 trục của hãng SMS (Đức)

Trước năm 1954, các loại thép tại Việt Nam hầu như nhập từ Pháp
về, sau 1954 thì nhập thép từ Liên Xô (cũ), Trung Quốc và các nước Đông
Âu. Đến năm 1975, nhà máy cán thép Gia Sàng (Thái Nguyên) được đưa
vào hoạt động. Từ đó đến nay, ngành cán thép đã được tạo đà phát triển
mạnh. Các xí nghiệp liên doanh cán thép giữa Việt Nam và nước ngoài đã
hình thành từ Bắc đến Nam như: 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...

Nước ta hiện nay đang bước 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 được thành lập trong những năm gần đây. Năm 2003, nhà máy
cán thép Việt - Ý tại khu công nghiệp Phố Nối A (Hưng Yên) với tổng vốn
đầu tư 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 lượng cao COSEVCO với công suất giai đoạn
1
là 250.000 tấn sản phẩm/năm, với tổng mức vốn đầu tư 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 tư 105 triệu
USD... Nước ta có rất nhiều nhà máy cán thép làm ăn không hiệu quả

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

4


THUYẾT
THUYẾTMINH
MINHĐỒ
ĐỒÁN
ÁNTỐT
TỐTNGHIỆP
NGHIỆP

TRƯỜNG
TRƯỜNGĐẠI
ĐẠIHỌC
HỌCXÂY
XÂYDỰNG
DỰNG

1

Hình 1.3. Máy cán có một giá cán

1. Động cơ

Máy 'Thép
có một giá'Thép
cán (Hình
1.3) làcliữ
máyTThép
cán chỉ
giá cán loại 2
Dày
góc 'Thép
chữcó
ư một
gai
thép
( Thép
cặp trục hoặc 3 cặp trục cán ra sản phẩm tấm. Hiện nay(Thép
các xưởng cơ khí

• Máy cán tạo hình được phân loại như sau:

-

Theo công dụng

1. Động cơ

ra
-

Theo số giá cán trong máy cán

-

Theo số trục cán có trong giá cán

-

Theo cỡ kích thước của sản phẩm
Phân xưởng cán được phân loại:
Hình 1.4.

LÊ
LÊNHẬT
NHẬTTÂM
TẦM--LỚP
LỚP44M
44M

56


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Máy cán bố trí theo hàng có các giá cán bố trí thành một hay nhiều
hàng ngang, các máy cán được 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 xưởng cán, máy cán có thể bố trí theo hình z (hình 1.5) - bố
trí này được 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 được trang bị từ trước năm 1970 và nguồn gốc

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)

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

1


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

nhóm thứ 2 làm nhiệm vụ cán tinh thường bố trí theo hàng và vật cán
thường được cán theo vòng (hình 1.6 và hình 1.7).

IỆT> EK,
I I =tz±p nì=.=Ey~
Ị—1 nn nn rnJ- rn rn 3
IZNI IZNI ìz\r IZN

Hình 1.6. Mặt bằns bố trí máy cán bán liên tục
1 - Động cơ, 2 - Hộp giảm tốc,

Trong máy cán liên tục thường có trục cán được bố trí nằm ngang và

LÊ NHẬT TẦM - LỚP 44M

8


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

2 - Giá cán trục đặt nằm ngang

3 - Động cơ

4 - Hộp giảm tốc

5 - Hộp bánh răng truyền lực

Ớ 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... nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ cho nhu cầu thị trường 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

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

9


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

- Khi tạo hình bằng cán nguội, phôi không phải nung nóng nên kim

loại bị biến cứng làm giới hạn chảy tăng từ 10 -r 15, chất lượng sản
phẩm cao hơn cán nóng, tạo hình xong không phải xử lý nhiệt.

- Môi trường sản xuất tích cực (không gây tiếng ồn, nóng, bụi...)
1.3. LựA CHỌN SẢN PHẨM VÀ THIÊT BỊ

Có nhiều loại tấm chắn phân luồng đường, tấm chắn xô phổ biến là

b

Hình 1.8. Hai dạng thép hình chắn xô

a. Profín dạng hình sin

b. Profín định hình

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

10


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

Để có được các sản phẩm định hình từ tôn tấm có nhiều phương
pháp,
trong đó điển hình là hai phương pháp cán nguội và dập nguội. Phương
pháp
dập nguội cho năng suất không cao, chiều dài hạn chế, thiết bị cồng kềnh...
Phương pháp cán cho năng suất cao, sản phẩm đẹp. Máy cán tấm chắn xô
dạng sóng hình sin đã được nhiều cơ sở trong nước 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 dưỡng 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
phương án thiết kế máy cán tôn sử dụng bộ truyền xích để dẫn động các cặp
trục cán.

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

11


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Chưong II
Cơ SỞ LÝ THUYẾT VỂ BIÊN DẠNG KIM LOẠI

2.1. CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN
2.1.1

Vật liệu kim loại

Theo các nhà kỹ thuật. Kim loại được quan niêm là các vật thể có
những dấu hiệu chung đặc trưng như:

-

Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.

-

Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua.

-

Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép).

-

Có độ bền cơ học nhưng kém bền hóa học

-

Trừ thủy ngân ra, các kim loại ở nhiệt độ bình thường đều có cấu
trúc
tinh thể.

LÊ NHẬT TẦM - LỚP 44M

12

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí qui định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1
-T2%) song cũng gây ra ảnh hưởng đối với tinh thể khi chịu tác dụng của
ngoại lực. Theo kích thước ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia
thành:

-

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

-

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

-

Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước 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 lượn).

Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ... nếu chúng nằm
liền nhau trên một đường sẽ tạo ra sai lệch đường. 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 dưới những tác dụng khác nhau. Dạng điển hình
nhất của sai lệch đường mà ta sẽ khảo sát là lệch (dislocation). Chúng có
những dạng hình học nhất định và tính ổn định cao. Sai lệch đường bao
gồm:

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

13


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

biên của bán mặt nên có tên là lệch biên. Với sự phân bố như vậy nửa tinh
c

a)

Mô hình tạo thành

b) Sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch

Như vậy, về bản chất, lệch biên là giao tuyến của mặt phẳng nguyên
tử thừa (ABCD) với mặt phẳng EE (gọi là mặt trượt) và nó là một chuỗi các
nguyên tử.

b)

a)

Hình 2.2. Lệch xoắn

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

14


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

CÓ thể hình dung lệch xoắn như mô hình trượt dịch ở hình 2.2a (điều
này không đồng nghĩa nó được hình thành đúng như vậy): cắt tinh thể lý
tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài của mặt phảng
ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC. Điều này sẽ làm
cho
các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại có
dạng
đường xoắn ốc giống như mặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn biểu thị sắp
xếp nguyên tử ở trên và dưới bán mặt. Sự xô lệch nguyên tử được thấy rõ ở
hình 2.2b. Cũng giống như trên đường AD là tâm của sự xô lệch nên được
gọi là trục lệch.
c. Lệch hỗn hợp

Hình 2.3. Mô hình lệch xoắn

Vùng ABC là một phần của mặt trượt mà ở đây đã xảy ra xê dịch các

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

15


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

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 như
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
thường được nghiên cứu dưới tác dụng của tải trọng kéo và lấy nó làm
trường 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.
Phương pháp thử kéo cũng là phương pháp chủ yếu để đánh giá cơ tính của
vật liệu và so sánh các vật liệu với nhau.

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

16

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Biến dạng đàn hồi: khi tải trọng đặt vào nhỏ, F tăng dần từ 0 đến
Fđh,
độ biến dạng (ở đây biểu thị bằng độ dãn dài Al) tăng dần theo qui luật
tuyến tính với tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi. Giai đoạn Oe trên
hình được gọi là giai đoạn đàn hồi, được đặc trưng bởi Fđh và ứng suất đàn
hồi ơdh.

Biến dạng dẻo: khi tải trọne đặt vào lớn, F > Fdh, 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 Fa mẫu bị kéo dài theo đường Oea tức
dài thêm đoạn Oa”, nhưng khi bỏ tải trọng mẫu bị co lại theo đường song
song với đoạn Oe nên cuối cùng vẫn còn bị dài thêm một đoạn Oa’. Như
vậy biến dạng dẻo là biến dạng có kèm theo sự thay đổi kích thước của hình
dáng khi bỏ tải trọng. Hiện tượng biến dạng tăng khi ứng suất (lực) tăng
không đáng kể gọi là sự chảy của vật liệu, ứng suất tương ứng gọi là giới
hạn chảy ơch.

Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thước kim loại

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

17

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

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 được trình bày như
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+Aa, tức
là chưa sang vị trí cân bằng mới nên khi bỏ tải trọng lại trỏ’ 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 hon (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 được bảo tồn, còn khi phá hủy các liên kết bị hủy
hoại dẫn đến đứt rời.
2.2.2.

Lý thuyết trượt

Trượt 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 tương ứng với ứng suất tiếp
làm xê dịch nguyên tử đều có thể tạo ra trượt. Tải trọng kéo (hoặc nén)
LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

18


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

trượt luôn là phương xếp chặt còn các mặt trượt 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 trượt
(tức là tích của số mặt trượt với số phương trượt) và độ xếp thể tích Mv
(mật
độ nguyên tử). Ví dụ kim loại có mạng tinh thể lập phương tâm mặt và
mạng lục giác xếp chặt tuy có Mv gần bằng nhau nhưng hệ số trượt khác
nhau nên khả năng biến dạng dẻo của chúng khác nhau. Kim loại mạng lập
phương tâm mặt do có hệ số trượt lớn hơn nên chúng dễ biến dạng dẻo hơn.
Kim loại mạng lập phương tâm khối tuy có hệ số trượt lớn nhưng Mv nhỏ
nên biến dạng dẻo kém hơn kim loại mạng lập phương tâm mặt. Ví dụ thao
tác dập cán kéo thép thường thực hiện ở nhiệt độ cao (900° -ỉ- 1000°C) vì ở
nhiệt độ đó thép dễ biến dạng vì có mạng lập phương tâm mặt, trong khi ở
nhiệt độ thấp nó có mạng lập phương tâm khối khó biến dạng dẻo.

Khảo sát vai trò của định hướng mặt trượt đến khả năng trượt, tức
khả

năng biến dạng dẻo. Muốn trượt xảy ra để có biến dạng dẻo thì trong hệ số

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

19


ơm =„= p =
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XẦY DỰNG

Hình 2.6. Định hướng của hệ trượt với ngoại lực
Mặt trượt là hình elip gạch chéo có pháp tuyến On hợp với phương

COS(p

ứng suất pháp tác dụng lên mặt trượt có trị số:
’0

ứng suất an chỉ gây ra biến dạng đàn hồi hoặc phá hủy, ứng suất tiếp

biến dạng dẻo được tính bằng:
p p .COSIỊ/ p.sinọ.cosọ 1
._
= Y L = V =-------------7 =^CT.sin 2(p.cosy
COS(p

LÊ NHẬT TẦM - LỚP 44M

cosọ

20


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

trí thuận lợi nhất của mặt trượt là cp = 45°, khi đó Tm đạt giá trị là
1
■^ƠQ.COSlị/ .

Tóm lại với một tải trọng xác định, trị số của ứng suất trượt thay đổi
theo định hướng của hệ trượt với phương tải trọng. Trong tinh thể gồm
nhiều mặt trượt khác nhau thì quá trình biến dạng dẻo bằng trượt xảy ra sau
trượt tiến trong mặt có định hướng thuận lợi, sự phát triển dần sang các mặt
kém thuận lợi hơn. Điều này giải thích tại sao kim loại có dạng lập phương
tâm mặt lại luôn bị biến dạng dẻo khi chịu tải thích hợp trước khi bị phá

c. Cơ chê trượt

Trượt là một trong các yếu tố gây ra hiện tượng dẻo. được thực hiện
bằng xê dịch nguyên tử. Dưới đây sẽ xem xét kỹ hơn cơ chế xê dịch nguyên
tử trên các mặt trượt để tạo ra bậc cấp trên mặt ngoài tinh thể trong hai
trường hợp: tinh thể lý tưởng và tinh thể thực.

A

B

C

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

D

E

F

G

H

I

21


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Sơ đồ trượt trong tinh thể lý tưởng được trình bày trên hình 2.7. Dãy

nguyên tử ABC... biểu diễn lớp nguyên tử phía trên mặt trượt có dãy 1, 2,

3,... biểu diễn lớp nguyên tử phía dưới mặt trượt. Khoảng cách giữa hai lớp

nguyên tử là a còn giữa các nguyên tử của một lớp là b. Để có biến dạng dư

thì cả lớp nguyên tử ABC... phải xê dịch tương 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

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

b
Hệ số k là giá trị cực đại của hàm f(x) và được xác định trên cơ sở
định luật Hooke cho các biến dạng nhỏ.

X
2nx 2nx _

LÊ NHẬT TẦM - LỚP 44M

22


Tlth ~ 0
THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2

3

4

5

6

7

8

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

9
k = -b 2n

o•

o

Hình 2.9. Sự di chuyển của lệch ra mặt ngoài để tạo nên cấp bậc

Hình 2.9 cho thấy cách sắp xấp nguyền tử xung quanh một lệch biên
thay đổi như thế nào khi nó chuyến vị trí đến lúc gặp mặt ngoài tinh thể tạo
Khi
« bđộthìlớnk bằng
» —.véctơ
Đó làBungers.
lưc lớn nhất
lên di
măt
trươt
một bậc
cấpa có

Bằngcần
cáchtácđódung
mỗi lần
chuyển
2TC
lệch thực hiện được một xê dịch bằng khoảng cách nguyên tử. Xê dịch đó
được minh hoạ trên hình 2.10 như sau: Dưới tác dụng của ứng suất tiếp các
2n
nguyên tử phía trên mặt trượt dịch sangGphải a —» a\ b —> b\ c —» c\ h
—»

h’

G sang trái i —» i’, k —» k\ m —»
còn các nguyên tử phía dưới dịchXchuyển
m’
bằng cách xê dịch nhỏ so với khoảng cách nguyên tử. Kết quả là mặt phẳng
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 trượt xảy ra trong kim loại dễ dàng hơn nhiều so với
tinh thể lý tưởng. Lý thuyết lệch đã giải thích cơ chế trước đây là xê dịch
LÊ NHẬT TẦM
TÂM - LỚP 44M

24
23


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

M

Để lệch chuyển động được thì ứng suất tiếp phải đạt được trị số cần
thiết nhằm vượt 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
lượng tương tác nguyên tử, Peierls - Nabarro đã tính được ứng suất tiếp giới
hạn - ứng suất tối thiểu để lệch bắt đầu chuyển động là:
2G .

271 a.

tp N =1----exp(-—-,f0

1-V 1-v b

LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

25


Xp"N ~ 8.103

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

3G
Thực ra việc tính ứng suất tới hạn khá phức tạp do chưa biết chính

xác về cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vùng lõi lệch. Ngoài ra, toàn bộ
đường lệch không nhất thiết phải chuyển đổi song song đồng thời như giả
thiết. Nó có thể bị uốn khúc để tương ứng với trạng thái năng lượng tháp
nhất. Khi đó ứng suất tới hạn Xp.Nchắc sẽ có trị số nhỏ hơn.

Tóm lại trong tinh thế lý tưởng trượt xảy ra bằng cách các nguyên tử
trên mặt trượt xê dịch cùng một lúc như một khối cứng trên một khoảng
cách nguyên tử, do đó cần phải có ngoại lực rất lớn. Trong tinh thể thực,
trượt thực hiện bằng chuyển động của lệch nhờ các xê dịch rất nhỏ (so với
khoảng cách nguyên tử) của các nguyên tử gần như lệch nên chỉ cần ngoại
lực tương đối nhỏ (giống như sự xê dịch của bộ quân bài tạo ra các bậc
• Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể.
Biến dạng dẻo trong đơn tinh thẻ được biểu diễn trên hình 2-11,
là
đường cong biến dạng nói lên quan hệ giữa ứng suất tác dụng X và độ
xê
dịch của y do nó tạo ra. Để đơn giản hoá ta xem đường cong gồm các
đoạn
Oa, ab, be và đoạn cong cd. Ta không xem xét đoạn Oa vì đoạn này biểu

LÊ NHẬT TẦM - LỚP 44M

26


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

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 trượt mà trượt là do chuyển động của
lệch phát sinh từ nguồn Frank - Read. Muốn cho nguồn Frank - Read bắt
đầu hoạt động thì ứng suất tác dụng trên mặt trượt có định hướng thuận lợi
nhất phải lớn hơn trị số ứng suất xác định theo công thức:

_ Gb _ Gb
Xp'R
G:

~

2R

~

1

Mô

đun

trượt,

b: Véc tơ Burgers.
R: Bán kính cong của đường lệch.
L: Khoảng cách giữa 2 điểm chết.

ứng suất tới hạn đó có thể xem như giới hạn đàn hồi của tinh thể vì
LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

27


THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY

luôn tương 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 tượng này gọi là sự hoá bền. Trong giai
đoạn biến dạng từ điểm a đến điểm b khả năng hoá bền đuợc đặc trưng bởi
hệ số hoá bền tg0, (0, là góc nghiêng của đoạn ab). Sau khi những đơn tinh
thể có mật độ lệch nhỏ, các lệch nằm xa nhau và ít tương tác với nhau nên
hệ số hoá bền giai đoạn này tương đối nhỏ khoảng 10'4G. Vì biến dạng dẻo
xảy ra với mức độ hoá bền nhỏ như vậy nên giai đoạn biến dạng ab gọi là
giai đoạn dễ trượt. Đặc trưng của giai đoạn này là lệch trượt chủ yếu nằm
trên một mặt trượt với khoảng trượt 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 hướng chuyển động của lệch mạng cùng
với phương của ứng suất tiếp, với lệch mạng xoắn. Lệch mạng chuyển động
vuông góc với phương của ứng suất tiếp.

Khi ứng suất tác dụng đã đạt trị số xác định nào đó thì ứng suất trượt
thực tế trên những mặt trượt có định hướng bất lợi hơn đã đạt được trị số để
lệch chuyển động và nguồn Frank - Read bắt đầu hoạt động. Do trượt xảy
ra trên những hệ mặt phẳng cắt nhau sẽ tạo nên những vật chướng 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

lệch. Vì vậy muốn trượt tiếp tục thì phải tăng mạnh ứng suất tác dụng để
thắng được những yếu tố hãm lệch có thể có. Đó là nguyên nhân giải thích
vì sao đoạn thẳng bc có độ nghiêng lớn, tức là hệ số hoá bền tg02 lớn gấp
hàng chục lần so với giai đoạn dễ trượt. Do đó hoạt động của các hệ trượt
thứ cấp cũng như tương tác giữa chúng với hệ sơ cấp ngày một mạnh mà
LÊ NHẬT TÂM - LỚP 44M

28