Giáo trình vật liệu cơ khí, CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU

Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Chương 1
CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
1.1. Cấu trúc của vật liệu
1.1.1. Khái niệm chung
*Vật rắn trong tự nhiên tồn tại 2 dạng: Vật rắn vô dịnh hình và vật rắn tinh thể
Vật rắn vô định hình: là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử,
ion) trong nó không có sắp xếp trật tự, không theo một qui luật nào. Ví dụ : Than
đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ…( thường là các phi kim loại)
Vật rắn tinh thể: là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử, ion)
có sắp xếp trật tự theo một qui luật nào đó. Ví dụ: Ferit ( FeS2); Hematit (FeO3)…
thường là những vật kim loại.
Các nhóm vật liệu thường sử
dụng trong công nghiệp hiện nay:
- Vật liệu kim loại;
- Vật liệu vô cơ – Ceramic;
- Vật liệu hữu cơ – Polyme;
- Vật liệu tổ hợp – Compozit.
Vật liệu cơ khí được phân làm 2
loại: kim loại và hợp kim
Kim loại là loại vật thể sáng ,
Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các
dẻo, có thể luyện, rèn được, có tính dẫn
điện, dẫn nhiệt cao và do một nguyên tố nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng.
hoá học tạo nên. Hiện nay có trên 85
1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3.
nguyên tố kim loại
Silicon; 4. Polyme dẫn điện.

VD:Fe; Cu; AL; Zn;...
Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết của 2 hay nhiều nguyên
tố (nguyên tố chủ yếu là kim loại) để vật liệu mới có tính chất kim loại.Vídụ: Thép
các bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe + C); La tông là
hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn). Kim loại và hợp kim được sử dụng
rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc, …
1.1.2. Cấu trúc tinh thể của vật liệu cơ khí
1.1.2.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật liệu cơ khí
a. Cấu tạo:
Nguyên tử = hạt nhân + electron = (Proton + nơtron) + electron
Nơtron không mang điện tích, electron mang điện tích âm và proton mang điện
tích dương có trị số bằng điện tích của electrong nên nguyên tử trung hòa về điện.
Cấu hình electron chỉ rõ: số lưởng tử chính (1,2,3,...), ký hiệu phân lớp
(s,p,d,...), số lượng electron thuộc phân lớp(số mũ trên ký hiệu phân lớp). Ví dụ Cu
có Z = 29 có cấu hình electron là 1s22s22p63s23p63d104s1 ta biết được số electron
ngoài cùng là 1 nên hóa trị của Cu là 1.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

1

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

b. Liên kết nguyên tử trong vật liệu cơ khí:
Trong nguyên tử kim loại số điện tử ở lớp ngoài cùng rất ít, thường chỉ 1 đến
2 electron. Những điện tử này liên kết yếu với các hạt nhân nên dễ dàng bị bứt ra

khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do các nguyên tử trở thành ion dương. Điện
tử tự do quyết định tính chất của kim loại.
- Liên kết đồng hóa trị: là liên kết của 2
(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau
một số electron hóa trị để có đủ 8 electron
Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên
ở lớp ngoài cùng
kết đồng hóa trị phân tử clo
Ví dụ: Clo có Z = 17 (1s22s22p63s23p5) có
7 electron ngoài cùng, 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử góp chung một electron để
lớp ngoài cùng có 8e.
- Liên kết ion:
Liên kết ion càng mạnh khi lớp ngoài cùng chứa ít
electron, nhận càng gần hạt nhân.
Hình 1.3.

- Liên kết kim loại:
Là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn
chìm trong đám mây electron tự do.
Liên kết này tạo cho kim loại các tính chất
điển hình: ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và tính
dẻo dai cao.
- Liên kết hỗn hợp:
Thực ra các liên kết trong các chất, vật liệu
thông dụng thường mang tính hỗn hợp của nhiều
Hình 1.4.
loại. Ví dụ: Na và Cl có tính âm điện lần lượt là 0,9
và 3,0 vì thế liên kết giữa Na và Cl trong NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và
48% liên kết đồng hóa trị.
1.1.2.2. Khái niệm về mạng tinh thể

Ở trên chúng ta biết kim loại là vật tinh thể. Các nguyên tử (phân tử, ion)
của nó luôn ở những vị trí nhất định, có qui luật theo những hình dạng hình học
nhất định. Để nghiên cứu cấu trục của nguyên tử (phân tử) này, các nhà bác học đã
mô tả lại sự sắp xếp của chúng ở những vật tinh thể bằng những mô hình hình học
trong không gian.
a. Tính đối xứng là tính chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, đường, mặt
tự trùng lặp lại gồm có:
- Tâm đối xứng: bằng phép nghich đảo qua tâm chúng trùng lại nhau
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

2

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

- Trục đối xứng: Các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trục một góc
- Mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gương qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng
lặp nhau.
b. Định nghĩa mạng tinh thể
Ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suất khí quyển, hầu hết các kim loại tồn
tại ở trạng thái rắn tinh thể – các nguyên tử (ion kim loại) sắp xếp theo những trật tự
nhất định trong không gian – kiểu mạng tinh thể nhất định.
Mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả sắp xếp có quy luật của các
nguyên tử (phân tử, ion) trong vật tinh thể.
c. Ô cơ sở
- Mạng tinh thể gồm vô số các ô nhỏ xếp liên tiếp nhau theo ba chiều trong không

gian. Các ô nhỏ đó gọi là ô cơ sở (ô cơ bản).
Ô cơ sở là phần
nhỏ nhất đặc trưng đầy
đủ về sự sắp xếp trật tự
có qui luật của toàn bộ
mạng tinh thể.
- Do tính đối xứng bằng
phương pháp xoay và tịnh
Hình 1.5. Ô cơ sở
tiến ta sẽ xuy ra toàn bộ mạng tinh thể.
- Thông số mạng ( hằng số mạng) là kích thước của ô cơ sở, thường ký hiệu là kích
thước các cạnh của ô cơ sở từ đó có thể xác định toàn bộ kích thước của ô cơ sở.
- Nút mạng tương ứng với vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể.
- Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được ký hiệu bằng [u v w]. Ba chỉ
số u, v, w là ba số
nguyên tỷ lệ thuận với
tọa độ của nút mạng nằm
trên phương ở gần gốc
tọa độ nhất (hình 1.6).
Hình 1.6 giới thiệu ba
phương điển hình trong
mạng tinh thể của hệ lập
phương: đường chéo
Hình 1.6. Các phương điển
Hình 1.7. Các mặt điển
khối [111], đường chéo hình của hệ lập phương
hình của của hệ lập
mặt [110], cạnh [100]
phương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

3

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

- Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, song
song và cách đều nhau.
Chú ý: Phương và mặt tinh thể có kích thước vô hạn
d. Mật độ nguyên tử
- Là đại lượng đánh giá mức độ sắp xếp xít chặt của các chất điểm đối với mỗi kiểu
mạng.
* Mật độ xếp
Mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử được đánh giá chủ yếu qua mật độ xếp.
Mật độ xếp theo phương chiều dài Ml , theo mặt Ms hay trong mạng Mv được xác
định theo các công thức:
Ml = l/L; Ms = s/S ; Mv =v/V
Trong đó
- l,s,v lần lượt là chiều dài , diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ.
- L, S,V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích đem xét.
* Số phối trí( số sắp xếp) là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử
đã cho, Số sắp xếp càng lớn chứng tỏ mạng tinh thể càng dày đặc.
* Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh
khối là tâm nguyên tử, ion tại nút mạng
1.1.3. Cấu trúc mạng tinh thể thực tế
Kim loại nguyên chất thường tồn tại 3 kiểu mạng chính:

+ Lập phương tâm mặt;
+ Lập phương tâm khối;
+ Lục giác xếp chặt.
a. Mạng lập phương tâm khối A2
- Ô cơ bản của kiểu mạng này là :
Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và
một nguyên tử nằm ở tâm của hình lập phương.
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 1 = 2
- Thông số mạng: a ≈ 2,87 . 10-7 mm
Hình 1.8. Mạng lập phương tâm thể
- Các kim loại có kiểu mạng này là :
Feα , Cr , W, Mo ...
b. Mạng lập phương diện tâm
- Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các nguyên tử
nằm ở đỉnh của hình lập phương và nằm ở tâm các
mặt của hình lập phương.
- Các kim loại có kiểu mạnh này là: Feγ, Cu, Al,
Ni, Pb, Au, Ag,…
Hình 1.9. Mạng lập phương tâm diện
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở:
n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

4

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

- Thông số mạng: a ≈ 3,64 . 10-7mm
c. Mạng lục phương dày đặc
- Ô cơ bản của kiểu mạng này là: Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lục lăng, nằm
ở tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở tâm ba hình lăng trụ tam giác cách nhau.
- Số nguyên tử trong một ô cơ sở:
n = 12.1/6 + 2.1/2 + 3 = 6
- Các kim loại có kiểu mạnh này là : Z n , B e , M g
, T i , C o ...
- Thông số mạng: a ≈ 3,2 . 10-7mm, c = 5,2.10-7mm.
1.1.3. Cấu trúc mạng tinh thể thực tế
1.1.3.1. Sai lệch mạng tinh thể
Hình 1.10. Mạng lục phương dày đặc
1.1.3.1.1. Sai lệch điểm
a. Định nghĩa
Là những dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo cả 3 chiều đo
b. Các dạng cơ bản
Sai lệch điểm có các dạng sau:
* Nút trống
Trong tinh thể, nguyên tử luôn luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của mình.
Theo lý thuyết thống kê của Mexwell - Boltzmann thì năng lượng dao động nguyên
tử ở nhiệt độ đã cho phân bố không đều trên các nguyên tử. ở những thời điểm bất
kỳ luôn luôn có những nguyên tử có năng lượng lớn hơn hoặc bé hơn trị số trung
bình. Khi một số nguyên tử nào đó có năng lượng đủ lớn với biên độ dao động lớn
thì chúng có khả năng bứt khỏi vị trí cân bằng quy định của mình và để lại đó
những nút mạng trống không có nguyên tử. Sau khi rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên
tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng hoặc di chuyển ra ngoài bề
mặt tinh thể (cơ cấu tạo nút trống của schottky).
Bản thân sự có mặt của những nút trống và nguyên tử "thừa" xen kẽ giữa các nút

mạng đã tạo ra sai lệch điểm trong mạng tinh thể. Ngoài ra chúng còn làm cho các
nguyên tử lân cận bị xê dịch ít nhiều khỏi vị trí của mình tạo ra vùng sai lệch hình
cầu với kích thước vài khoảng cách nguyên tử.Khi tạo thành các nút trống năng
lượng tự do của hệ thống tăng lên kèm theo sự thay đổi entrôpi S.
* Nút xen kẽ: Một nguyên tử không dừng ở nút mạng mà đi vào lỗ hổng mạng tinh
thể (là những nguyên tử lạ).
Hình 1.11. Sai lệch điểm do nút trống (a
nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng (b)
nguyên tử tạp chất ở nút mạng (c).
* Nguyên tử lạ thay thế
Trong thực tế không thể có một kim loại nào có độ sạch tuyệt đối. Những phương
pháp luyện mới và tiên tiến nhất cũng chỉ cho phép đạt được độ sạch khoảng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

5

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

99,9999% hoặc cao hơn một ít, còn theo những phương pháp luyện thông thường
lượng tạp chất có thể đến vài phần trăm. Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế vị
trí các nguyên tử cơ sở ở các nút mạng hoặc nằm xen kẽ giữa các nút mạng. Nếu
nguyên tử tạp chất nằm ở các nút mạng có bán kính lớn hơn hoặc bé hơn so với
nguyên tử cơ sở thì vị trí của các nguyên tử lân cận sẽ bị xê dịch, chúng bị nống ra
hoặc bóp lại. Nếu nguyên tử tạp chất nằm xen kẽ giữa các nút mạng có kích thước
lớn hơn kích thước các lỗ hổng thì nó đẩy lùi các nguyên tử chung quanh khỏi vị trí

cân bằng. Tóm lại sự có mặt của các nguyên tử tạp chất có thể gây ra sai lệch điểm.
1.1.3.1.2. Sai lệch đường
a. Định nghĩa
Là những dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo 2 chiều đo, lớn theo chiều còn lại.
b. Các dạng cơ bản
* Lệch thẳng (lệch biên)
Nguyên nhân: Do sự xuất hiện các mặt tinh thể không hoàn chỉnh dẫn đến tạo ra các
trục có năng lượng cao hơn, do đó kém ổn định hơn nên tạo ra trục lệch. Để đánh
giá cường độ lệch người ta dùng véc tơ Burgers
Lệch thẳng có thể hình dung bằng cách sau: Giả sử có mạng tinh thể hoàn chỉnh
gồm những mặt nguyên tử song song và cách đều nhau. Bây giờ nếu chúng ta chèn
thêm nửa mặt phẳng ABCD vào nửa phần trên của tinh thể thì các mặt nguyên tử
thẳng đứng nằm về hai phía mặt ABCD sẽ không còn hoàn toàn song song nhau
nữa, chúng bị cong đi ở vùng gần đường AD. Các nguyên tử nằm trong vùng này bị
xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình: Các nguyên tử ở vùng phía dưới đường
AD bị đẩy xa ra một ít (vùng có ứng
suất kéo) còn các nguyên tử ở phía
trên đường AD bị ép lại một ít
(vùng có ứng suất nén). Như vậy
vùng có sai lệch nằm xung quanh
đường thẳng AD và vì vậy người ta
gọi là lệch thẳng. Đường AD đường
gọi là trục có lệch thẳng.
Hình 1.12. Mô hình lệch thăng
* Lệch xoắn
Nguyên nhân: Do sự dịch chuyển của các mặt tinh thể không hoàn chỉnh tạo ra các
bề mặt nhấp nhô tế vi (*) mạng tinh thể.
Lệch xoắn có thể hình dung bằng cách sau: Các tinh thể hoàn chỉnh bằng nửa mặt
phẳng ABCD xong xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau làm thế nào để mặt
nguyên tử nằm ngang thứ nhất bên phải trùng với mặt nguyên tử thứ bên trái. Kết

quả làm cho các nguyên tử nằm gần đường AB bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ
của mình. Sở dĩ có danh từ lệch xoắn vì các lớp nguyên tử trong vùng sai lệch mạng
đi theo hình xoắn ốc.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

6

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Mặt phẳng ABCD gọi là mặt trượt của lệch. Các nguyên tử nằm trong vùng dọc
theo trục 1. Trục L gọi là trục của lệch xoắn.

Hình 1.13. Mô hình lệch xoắn
- Tinh thể hoàn chỉnh
- Tinh thể có lệch xoắn
- Cách bố trí nguyên tử về hai phía mặt trượt
Véc tơ Burgers của lệch xoán luôn
luôn song song với trục lệch
* Lệch hỗn hợp
Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa
Hình 1.14. Mô hình
lệch thẳng và lệch xoắn nó mang các
lệch hỗn hợp
đặc điểm của cả hai loại lệch đã nêu.

Hình 1.15. Quan hệ giữa vectơ b và trục lệch L của lệch thăng (a), lệch xoắn (b)
và lệch hỗn hợp (c).
Nếu đối với lệch thẳng hoặc xoắn vectơ Burgers b nằm trực giao hoặc song
song với trục của lệch trên mặt phẳng trượt thì vectơ Burgers của lệch hỗn hợp tạo
thành với trục lệch một góc bất kỳ giữa 00 và 900 trên mặt trượt
* Khái niệm về "lưới lệch" hoặc "rừng lệch"
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

7

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Lệch là dạng khuyết tật có sẵn trong kim loại. Chúng phân bố một cách bất
kỳ có thể cắt nhau tại những điểm gọi là nút lệch. Sự phân bố không gian của các
đường lệch trong kim loại chưa biến dạng gọi là lưới lệch hoặc rừng lệch.
Trạng thái ổn định nhất là tại mỗi nút chỉ có ba lệch gặp nhau. Nhưng cũng
có trường hợp khi 4 hoặc 6 lệch cắt nhau tại một điểm, nhưng những nút lệnh như
vậy luôn luôn có xu hướng biến thành nút "bộ ba". Trên hình vẽ nếu sơ đồ lưới lệch
trong tinh thể hình trụ chưa biến dạng.
1.1.3.3. Sai lệch mặt
a. Định nghĩa
Là những sai lệch có kích thước nhỏ theo chiều đo
b. Các dạng cơ bản
Sai lệch mặt trong mạng tinh thể gồm các dạng chủ yếu: biên giới hạt, biên giới siêu
hạt và mặt ngoài tinh thể.

* Biên giới hạt
Vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tinh thể là một dạng sai lệch mặt, vì ở
đây các nguyên tử sắp xếp không theo trật tự nhất định, đặc trưng cho các vùng phía
bên trong. Vì vậy kim loại ở vùng biên giới có cấu tạo giống như vật thể vô định
hình vẽ. Giả thiết này cho phép giải thích một số tính chất của vùng biên giới như
năng lượng tự do, khả năng hòa tan tạp chất vv...Vị trí nguyên tử của vùng biên giới
không phải hoàn toàn ngẫu nhiên mà còn tuân theo một số nguyên tắc nào đó phụ
thuộc vào góc lệch mạng của hai hạt. Biên giới hạt chứa rất nhiều sai lệch mạng, có
chiều dài khoảng vài đến hàng trăm thông số mạng.
Độ sạch của kim loại càng cao, chiều dày của lớp càng bé. Nói một cách
khác, kim loại chứa nhiều tạp chất bao
nhiêu thì vùng biên giới càng dày bấy
nhiêu vì nó có khả năng hòa tan nhiêu
nguyên tử tạp chất. Năng lượng tự do của
biên giới cao hơn so với các vùng phía
trong và thường được đánh giá bằng sức
căng biên giới hạt (tương tự như sức căng
bề mặt của mặt ngoài).
Hình 1.16.Cách sắp xếp nguyên tử trong vùng biên
Do đặc điểm về cấu tạo,
giới hạt theo thuyết "vô định hình"
vùng biên giới hạt có một số tính chất sau:
- Có nhiều độ nóng chảy thấp hưn một ít so với các vùng phía bên trong. Người ta
đã phát hiện rằng trong kim loại cực sạch nhiệt độ nóng chảy của biên giới hạt thấp
hơn khoảng 0,140C so với bản thân hạt.
- Có hoạt tính hóa học cao hơn thể hiện ở tốc độ bị ăn mòn hóa học cao.
Do vậy mà bằng phương pháp tầm thực (cho ăn mòn nhẹ bằng axít) có thể phát hiện
được biên giới hạt.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

8

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

- Khi chuyển biến pha, biên giới là nơi để sinh ra tâm mầm nhất
- Có khả năng khuếch tán cao với tốc độ nhanh hơn so với vùng bên trong
- Góp phần khá lớn vào điện trở của kim loại. Kim loại có độ hạt nhỏ tức tổng số
vùng biên giới lớn, có điện trở cao hơn.
- Ở nhiệt độ cao trên vùng biên giới hạt xảy ra quá trình chảy dẻo
- Biên giới có tác dụng cản trở quá trình trượt
khi biến dạng. Vấn đề này chúng ta sẽ xét đến
khi nghiên cứu quá trình biến dạng dẻo.
* Khái niệm về siêu hạt (block) và biên giới
siêu hạt
Các nghiên cứu tỷ mỷ về cấu trúc siêu tế vi
cho thấy rằng ngay trong mỗi hạt phương
mạng cũng không phải hoàn toàn cố định. Hạt
được phân chia thành vô số vùng nhỏ có kích
thước khoảng 10-5 10-3 và phương
mạng lệch nhau một góc rất nhỏ, thường nhỏ
hơn 10. Những vùng nhỏ này của hạt gọi là
siêu hạt (hoặc block).
* Mặt ngoài của tinh thể:
Hình 1.17. Mô hình siêu hạt
Mặt ngoài của tinh thể có trạng thái sắp xếp nguyên tử khác với những vùng phía

trong. Trên bề mặt mỗi nguyên tử chỉ được liên kết
với một số nguyên tử nằm ở phía trong số sắp xếp
bé hơn trị số quy định và do đó lực liên kết không
cân bằng. Đó là nguyên nhân làm cho các nguyên
tử ở mặt ngoài sắp xếp không có trật tự, tạo nên sai
lệch mặt.
Do mạng tinh thể bị xô lệch nên mặt ngoài cơ năng
lượng tự do cao hơn. Phần năng lượng tự do được
tăng thêm trên một đơn vị diện tích bề mặt gọi là
năng lượng bề mặt hoặc sức căng bề mặt.
Hình 1.18. Mô hình sắp xếp
1.1.3.2. Đơn tinh thể, đa tinh thể
nguyên tử của mặt ngoài tinh thể
a. Tính thù hình của vật tinh thể
* Tính thù hình là khả năng tồn tại ở nhiều kiểu mạng khác nhau của một nguyên tố,
phụ thuộc vào sự thay đổi của điều kiện bên ngoài.
Ví dụ: Đối với sắt (Fe)
Ở nhiệt độ < 9100C có dạng Fe (α) có kiểu mạng lập phương thể tâm có kiểu mạng
A2, K8
Ở 9100C < t0 < 13920C có dạng Fe (γ) có kiểu mạng A1, K12
Ở 13920C < t0 < 15390C có dạng Fe (ô) có kiểu mạng A2, K8
Sự chuyển biến của các mạng tinh thể này sang mạng tinh thể khác gọi là sự chuyển
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

9

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

biến thù hình.
Ví dụ: Sn < 130C chuyển từ lập phương đơn giản sang lục giác phức tạp.
b. Tính dị hướng của vật thể
Chỉ đúng với đơn tinh thể có cùng một vị phương mạng
Là sự khác biệt về tính chất (cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ...) của vật thể
theo các phương khác nhau.
* Khái niệm đơn và đa tinh thể
+ Đơn tinh thể: là một khối chất rắn mà trong toàn bộ thể tích có cùng một định vị
phương mạng, có tính dị hướng. Tong thiên nhiên, có một số khoáng vật có thể tồn
tại dưới dạng đơn tinh thể, chúng có bề mặt ngoài
nhẵn hình dáng xác định. Đơn tinh thể chỉ dùng
Hình 1.19. Mô hình
trong chất bán dẫn.
tinh thể
+ Đa tinh thể: Trong thực tế hầu như chỉ gặp các
Mô hình đơn tinh thể a
vật liệu đa tinh thể.
Đa tinh thể gồm vô số đơn tinh thể là các hạt hoặc
Đa tinh thể b
siêu hạt có định vị phương mạng khác nhau nên đa
tinh thể có tính đẳng hướng trừ khi người sử dụng
cố tình tạo ra phương định hướng khác nhau.
1.2. Biến dạng và cơ tính của vật liệu
1.2.1. Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo
1.2.1.1. Các giai đoạn của biến dạng
Khảo sát quá trình biến dạng của mẫu, ta có thể rút ra quá trình biến dạng trải qua 3
giai đoạn:

Biến dạng đàn hồi (đoạn OA): khi F < Fdh, độ
biến dạng ∆l tỷ lệ bậc nhất với tải trọng=>biến
dạng đàn hồi. Khi bỏ tải trọng mẫu trở lại kích
thước ban đầu.
Biến dạng dẻo (đường cong AB):độ biến
dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng
biến dạng vẫn còn lại một phần.
Biến cứng (đường cong BC):nếu tiếp tục
tăng tải trọng đến giá trị cao nhất (điểm C) mẫu bị
thắt lại, tải trọng = const(hoặc giảm) nhưng ứng
Hình 1.20. Biểu đồ kéo kim loại
suất tăng lên dẫn đến phá hủy ở điểm C.
Giai đoạn phá hủy (đường cong CD): mẫu bị phá hủy
Biến dạng đàn hồi không những xảy ra trong giai đoạn đàn hồi mà còn xẩy ra
trong giai đoạn biến dạng dẻo và phá hủy. Chính vì vậy mà độ biến dạng của 2 giai
đoạn này bao gồm 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 // với trục
tung. Khi đó ON là ∆ld và MN là ∆lđh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

10

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

1.2.1.2. Biến dạng đàn hồi. Định luật Hooke

Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi khử tại trọng.
Biến dạng đàn hồi tuân theo định luật Hooke: Ứng suất σ tác dụng lên kim loại gây
ra độ biến dạng ε tỷ lệ thuận với ứng suất đó: ϭ = E.ε
E: Moduyn đàn hồi pháp tuyến của vật liệu (MN/mm 2; Mpa)
Các yếu tố ảnh hưởng đến Moduyn đàn hồi: nhiệt độ, nguyên tố hợp kim và tổ chức
của vật liệu.
1.2.1.3. Biến dạng dẻo
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 và 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.
Biến dạng dẻo là hình thức gia công kim loại không phoi rất phổ biến như:
cán, rèn, dập, ép chảy, kéo…
a. Biến dạng dẻo đơn tinh thể
* Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo các mặt và
phương nhất định gọi là mặt và phương trượt.
- Mặt trượt: là mặt tưởng tượng phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà
theo đó sự trượt xảy ra.
- Mặt trượt trượt theo các phương nhất định có số nguyên tử lớn nhất gọi là phương
trượt.
- Các mặt và phương trượt của ba kiểu mạng tinh thể thường gặp:
+ Mạng lập phương tâm mặt (A1): mặt trượt {111} (4 mặt 3 phương) = 12 hệ trượt
chính khác nhau.
+

Hình 1.22

Hình 1.21

Mạng lập phương tâm khối (A2): mặt trượt {110} (6 mặt 2 phương) = 12 hệ trượt
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

11

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

chính khác nhau.
+ Mạng lục giác xếp chặt (A3): mặt trượt {0001} (1 mặt 3 phương) = 3 hệ trượt
chính khác nhau.
- Khả năng biến dạng dẻo của kim loại tỷ lệ
thuận với số hệ trượt chính: số hệ trượt chính
càng cao=> khả năng trượt
càng lớn=> kim loại càng dễ biến dạng dẻo.
- Thực tế đã chứng tỏ điều này: Feγ; Al; Cu;
Ag…(mạng A1) dẻo và dễ dát mỏng hơn
Zn(mạng A3).
So với mạng lập phương tâm khối (A2), mạng
Hình 1.23
lập phương tâm mặt (A1) tuy cùng 12 hệ trượt
nhưng dễ trượt hơn=> tính dẻo cao hơn.
b. Ứng suất gây ra trượt
Khi τ >τth ( xác định đối với từng kim loại)=> trượt mới xảy ra.
τ = F/Scosαcosβ = F/S0sinαcosαcosβ
Trong đó: F/S0 = σ0 là ứng suất kéo

=> τ = 0,5 σ0sin2αcosβ
Ứng suất τ phụ thuộc vào góc α và β :
Khi α = 900 hay β = 900=> τ = 0; lực F chỉ
làm phá hủy chứ không xảy ra biến dạng
dẻo.
Hình 1.24
Khi α = β = 450=> τmax = 0,5 σ0; Hệ trượt nào
có τmax trượt xảy ra trước
c. Tính dễ trượt – cơ chế trượt
Độ bền lý thuyết rất cao: τt.h = G/2π
Hình 1.25.
Độ bền thực tế rất nhỏ:
Mô hình trượt
τt.h = G/(103+8.104)
trong mạng
b. Trượt đa tinh thể
tinh thể thực tế
Vật liệu kim loại thực tế luôn luôn là
(có lệch biên)
vật liệu đa tinh thể.
* Các đặc điểm của trượt đa tinh thể
- Các hạt bị biến dạng không đồng thời với mức độ khac nhau
- Có tính đẳng hướng: số hạt vô cùng lớn
- Đa tinh thể có độ bền cao hơn: Các hạt cản trở biến dạng lẫn nhau, biên hạt cản
trượt cao -> lực cản trượt cao hơn -> độ bền cao hơn
- Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao: hạt nhỏ có tổng diện tích biên hạt lớn
hơn, sẽ cản trượt mạnh hơn nên làm tăng độ bền. Theo Hall-Pectch: σ ch = σ0 + k/ d
. Khi hạt nhỏ đi-> tăng độ dai-> vật liệu khó bị phá hủy dòn-> rất ưu việt.
* Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

12

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

- Sauk hi biến dạng -> xô lệch mạng tinh thể

Hình 1.26.
Sự thay đổi
tổ chức sau
biến dạng
Hiện tượng Textua biến dạng : Ví dụ khi cán Al mạng A1, các mặt {110} song song
với mặt cán
- Biến dạng dẻo-> do xô lệch mạng-> ứng suất dư->cơ tính tăng, ứng suất nén dư bề
mặt làm tăng giới hạn mỏi: lăn ép, phun bi.
- Xu hướng thay đổi cơ tính sau khi biến dạng dẻo:
+
Hình 1.27. Ảnh hưởng của độ
biến dạng đến cơ tính của kim
loại nói chung (a) và Cu nói
riêng (b)
Bền (σđh ,σ0,2), cứng tăng, dẻo giảm
+ Dẫn điện và tính chống ăn mòn giảm
2.2. Hồi phục và kết tinh lại
a. Hồi phục

- Quá trình hồi phục xảy ra ở nhiệt độ thấp (<0,1÷0,2TC)
- Trong giai đoạn này chỉ xảy ra những biến đổi nhỏ như:
+ Giảm sai lệch mạng ( chủ yếu là sai lêch điểm)
+ Giảm mật độ lêch và ứng suất bên trong
b. Kết tinh lại
* Kết tinh lại lần thứ nhất là giai đoạn có nhiều
các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế
vi và tính chất
-Mầm được sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô
Hình 1.27. Tổ chức và cơ tính
lệch mạnh nhất như biên giới hạt, mặt trượt
của kim loại sau kết tinh lại
-Sự phát triển mầm tiếp theo là quá trình tự nhiên.
=> Mầm kết tinh được tạo ra càng nhiều thì hạt nhận được càng nhỏ.
0
0
- Nhiệt độ kết tinh lại Tktl = k .TS
Trong đó:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

13

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

k: Hệ số phụ thuộc vào: Độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ

nhiệt : k = 0,5 ÷ 0,8
k = 0,4 đối với kim loại nguyên chất
k = 0,2 ÷0,3 đối với kim loại tinh khiết
Độ biến dạng càng lớn, thời gian ủ càng dài , hệ số k càng nhỏ.
- Tổ chức tế vi và độ hạt
+ Về tổ chức tế vi:
Các hạt hoàn toàn mới không chứa sai lệch mạng do biến dạng dẻo.
+ Kích thước hạt sau khi kết tinh lại phụ thuộc vào các yếu tố sau: Mức độ biến
dạng (mức độ biến dạng càng tăng thì số mầm sinh ra càng nhiều do đó hạt sau khi
kết tinh lại càng nhỏ, biến dạng nhỏ 2÷8% hạt tạo thành rất lớn, gọi là độ biến dạng
tới hạn, thường phải tránh); nhiệt độ ủ (càng cao thì hạt càng to lên); thời gian giữ
nhiệt khi ủ (càng dài thì hạt càng lớn).
* Kết tinh lại lần thứ hai: Khi tiếp tục nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết
tinh lại sẽ có hiện tượng các hạt nhỏ sát nhập vào các hạt lớn làm cho kích thước hạt
lớn thêm nữa, hiện tượng đó gọi là kết tinh lần hai
Hiện tượng này làm xấu cơ tính, ta cần phải tránh
1.3. Phá hủy
Thông thường, khi tiếp tục tăng ứng suất > [σb]-> phá hủy do gãy, vỡ hoặc đứt. Phá
hủy là dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không thể khôi phục sửa chữa được, gây tổn
thất nghiêm trọng về kinh tế và những hậu quả về sinh mạng, vì vậy cần nghiên cứu
tỷ mỷ để chống lại nó. Hiện có một ngành chuyên nghiên cứu về nó ( fractography).
Trong mỗi trường hợp khác nhau, sự phá hủy mang những đặc điểm riêng song có
một cơ chế chung là: Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi trên bề mặt hay ở sâu bên
trong, tiếp theo vết nứt đó phát triển lên rồi cuối cùng mới dẫn đến tách đứt, rời
(pha hủy)
1.3.1. Phá hủy dòn, dẻo(Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh)
Tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng vào(đặt vào) một cách chậm chạp, êm, tức là
tăng lên từ từ
Người ta phân biệt hai dạng phá hủy: giòn và dẻo
- Phá hủy dẻo kèm theo biến dạng dẻo, phá hủy giòn không kèm theo biến dạng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

14

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Tùy theo vùng gẫy có tiết diện biến đổi hay
không mà phân biệt hai dạng này. Phá hủy kèm
theo biến dạng dẻo với mức độ rõ rệt tức là vùng
gẫy vỡ có tiết diện biến đổi được gọi là phá hủy
dẻo; ngược lại khi kèm theo biến dạng dẻo không
rõ rệt tức vùng gẫy vỡ có tiết diện hầu như không
biến đổi được gọi là phá hủy giòn. Có thể phân
Hình 1.28.Các dạng
biệt dễ dàng hai dạng này khi thử kéo ở chỗ bị đứt
mặt gẫy khi phá hủy
(hình 2.9). Dạng đứt như ở hình 2.9a là phá hủy
dẻo ở các vật liệu có độ dẻo rất cao nên chỗ đứt bị co thắt rất mạnh chỉ còn là một
điểm, khi dẻo cao trước khi đứt bị biến dạng đáng kể thành hình côn về hai phía
như hai đáy cốc ráp lại như ở hình 2.9b, ở một số loại còn thấy có dạng chén - đĩa
(chén đặt trên đĩa) như hình 2.9c là loại có độ dẻo thấp, trong khi đó loại vật liệu
giòn có mặt gãy bằng phẳng, ngang mà trên bề mặt hầu như không thấy có thay
hình đổi dạng như hình 2.9d. Rõ ràng là phá hủy giòn là loại không dự báo (không
thể biết trước từ các biểu hiện bên ngoài) nên rất nguy hiểm, do vậy nếu phải xảy ra

thì bao giờ người ta cũng mong muốn phá hủy là dẻo, có thể biết trước để thay thế
hay sửa chữa.

Hình 1.29. Ảnh hưởng
của nhiệt độ (a) và tốc
độ biến dạng ε (b) đến
phá hủy giòn vỡ dẻo.
(ε 1< ε 2< ε 3)
- Công do phá hủy dẻo lớn hơn
Phá hủy dẻo phát triển với tốc độ rất chậm, cần nhiều năng lượng, trong khi đó phá
hủy giòn phát triển với tốc độ rất lớn (khoảng 1000m/s), chỉ cần năng lượng nhỏ.
Khi phá hủy sự tách rời các phần của vật thể có thể cắt ngang các hạt (mặt gãy
nhẵn) hay theo biên hạt (mặt gãy nổi hạt), trong đó mặt gãy nổi hạt luôn luôn đi
kèm với phá hủy giòn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

15

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

- Phá hủy dẻo hay giòn chủ yếu là phụ thuộc loại vật liệu: vật liệu dẻo như thép , Al,
Cu thường bị phá hủy dẻo, còn vật liệu giòn như gang thường bị phá hủy giòn.
Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ đặt tải trọng: khi hạ thấp nhiệt độ
cũng như tăng tốc độ đặt tải trọng cũng có thể làm vật liệu dẻo bị phá hủy giòn.

Khi hạ thấp nhiệt độ, ở mọi vật liệu cơ tính đều biến đổi theo chiều hướng tăng độ
bền và giảm độ dẻo (hình 2.10a), tại nhiệt độ Tob.gi - được gọi là nhiệt độ biến giòn
- giới hạn chảy σ0,2 bằng giới hạn bền σb và độ giãn dài δ gần như bằng không.
Khi thử ở thấp hơn nhiệt độ này σb < σ0,2 nên tải trọng tác dụng đạt đến σb trước,
gây nên phá hủy trước khi đạt đến σ0,2 tạo ra biến dạng dẻo. Trong thực tế luôn
luôn mong mỏi vật liệu có nhiệt độ biến giòn càng thấp càng tốt, vật liệu được coi là
giòn là loại có nhiệt độ biến giòn ở khoảng nhiệt độ thường, vật liệu được coi là dẻo
là loại có nhiệt độ biến giòn ở nhiệt độ âm sâu. Nếu như vậy thì khái niệm giòn dẻo chỉ là quy ước. Khi tăng tốc độ biến dạng hay đặt tải trọng, vật liệu có khuynh
hướng trở nên giòn tức làm nhiệt độ biến giòn tăng lên (hình 2.10b). Như vậy ngay
cả vật liệu dẻo vẫn có thể bị phá hủy giòn nếu làm việc ở nhiệt độ thấp (thông
thường máy móc, kết cấu ở xứ lạnh dễ có nguy cơ phá hủy giòn hơn ở xứ nóng) và
chịu tải trọng thay đổi đột ngột.
Các yếu tố tập trung ứng suất như vết khía, nứt, tiết diện thay đổi đột ngột làm ứng
suất cục bộ tăng vọt và σb giảm mạnh, làm vật liệu có xu hướng phá hủy giòn.
Cơ chế phá hủy
Người ta cho rằng sự phá hủy cũng theo cơ
chế tạo mầm nứt và mầm nứt phát triển
dẫn đến tách rời, tuần tự theo năm giai
đoạn sau:
1) Hình thành vết nứt (tế vi).
2) Vết nứt tế vi phát triển đến kích thước
Hình 1.30. Sự chuyển
dưới tới hạn.
động và tích tụ lệch
trước các cản trở.
3) Vết nứt tế vi phát triển đạt đến kích
thước tới hạn.
4) Vết nứt tới hạn phát triển nhanh.
5) Nứt chấm dứt và gãy rời.
Trong đó các giai đoạn 1,2 và 4 được coi là quan trọng nhất, đáng để ý nhất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

16

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Vết nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đoạn biến dạng dẻo. Trong vật
liệu khó tránh khỏi có những vết rỗng đã có sẵn như rỗ co, bọt khí, nứt khi kết tinh,
các pha có độ bền quá thấp như grafit trong gang..., chúng đóng vai trò của mầm khi
phá hủy. Trong quá trình biến dạng dẻo, lệch phát sinh thêm (bởi nguồn Frank Read) và chuyển động trên mặt trượt bị nghẽn lại ở trước các cản trở như biên hạt,
pha thứ hai như biểu thị ở hình 2.11. Các lệch biên cùng dấu sát nhau tạo nên một
khoảng trống ngay dưới các bán mặt sẽ là điểm xuất phát cho nứt phát triển. Sự phá
hủy hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng phát triển của vết nứt tế vi này, sẽ không xảy
ra phá hủy một khi nứt tế vi này vẫn giữ nguyên kích thước (không phát triển). Hơn
nữa trong quá trình phát triển lên, vết nứt tế vi này cũng chưa phải là nguy hiểm nếu
kích thước của nó nhỏ hơn giá trị tới hạn. Sự phát triển nứt xảy ra do ứng suất tập
trung theo hiệu ứng góc nhọn ở đỉnh nứt (đỉnh nứt càng nhọn sự tập trung càng

Hình 1.31.
Sơ đồ vết rỗng (a) và
sự phân bố ứng suất
trên tiết diện cắt ngang
qua vết rỗng (b).

mạnh).

Theo A.A Griffith vật liệu có phần rỗng như biểu thị ở hình 2.12a thì ứng suất phân
bố không đều trên tiết diện đi qua vết rỗ, nứt ấy được biểu thị ở hình 2.12b. Trong
trường hợp điển hình, nứt có dạng enlip và định hướng sao cho chiều dài của nó
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

17

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

vuông góc với ứng suất tác dụng thì ứng suất cực đại ở đầu nhọn vết nứt là σm sẽ có
giá trị

trong đó: σ0 - ứng suất kéo danh nghĩa (bằng tải trọng chia cho diện tích mặt cắt
ngang mẫu),
a - một nửa chiều dài vết nứt,
ρt - bán kính cong của đỉnh vết nứt.
Như vậy vết nứt, rỗ càng dài và càng nhọn thì (a/ρt)^(1/2) càng lớn, sự tập trung
ứng suất càng mạnh. Kt = σm / σ0 được gọi là hệ số tập trung ứng suất.
Cần chú ý là hiệu ứng tập trung ứng suất trong vật liệu giòn mạnh hơn trong vật liệu
dẻo là do trong loại vật liệu dẻo khi ứng suất cực đại vượt quá giới hạn chảy sẽ xảy
ra biến dạng dẻo làm cho sự phân bố ứng suất ở quanh vùng có yếu tố tập trung sẽ
đồng đều hơn và ứng suất lớn nhất ở nơi tập trung khó đạt được giá trị tính toán
theo công thức trên. A.A Griffith cũng cho rằng khi ứng suất tập trung ở đỉnh nứt
vượt quá ứng suất tới hạn σc lúc đó vết nứt sẽ phát triển một cách tự nhiên không gì

cản nổi, dẫn đến phá hủy, nguy cơ nứt mới trở nên hiện thực.
Với vật liệu giòn, ứng suất tới hạn σc cần thiết để phát triển vết nứt là:
trong đó: E - môđun đàn hồi, γS - năng lượng bề mặt riêng, a - một nửa
của chiều dài của vết nứt bên trong.
Trong biểu thức này tuy không có ρt song có ngụ ý rằng bán kính cong ở đây là đủ
bé (đỉnh nứt đủ nhọn) để ứng suất cục bộ tăng cao quá độ bền liên kết của vật liệu.
Đối với vật liệu dẻo (phần lớn kim loại và vật liệu polyme) đều có biến dạng dẻo
trước khi phá hủy, điều đó làm cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi, bán kính cong
tăng lên, nhờ đó làm tăng σc. Về mặt toán học, trong biểu thức (2.2) có thể thay
γS bằng γs + γp, trong đó γp biểu thị năng lượng biến dạng dẻo đi kèm với phát
triển vết nứt. Với vật liệu dẻo cao γp >> γS.
Hình 1.32. Ba kiểu dịch chuyển
bề mặt vết nứt
a. Kiểu I - mở hay kéo,
b. Kiểu II - trượt,
c. Kiểu III - xé.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

18

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Bây giờ hãy tính σc cho từng cách lan truyền vết nứt. Có ba kiểu dịch chuyển bề
mặt vết nứt như biểu thị ở hình 2.13. Kiểu I là kiểu mở hay kéo do tải trọng kéo gây
nên, kiểu II và kiểu III lần lượt là kiểu trượt và xé. Kiểu I là kiểu thường gặp hơn cả

và được đưa vào tính toán.Nếu vật liệu có dạng tấm tương đối mỏng so với kích
thước vết nứt sẽ tồn tại trạng thái lực phẳng. Trong trường hợp ngược lại (tấm
tương đối dày so với kích thước vết nứt) sẽ tồn tại trạng thái gọi là biến dạng phẳng.
Như đã nói, phá hủy xảy ra do tập trung (ứng suất) làm cho ứng suất tác dụng ở
đỉnh nứt vượt quá giá trị σc (công thức 2.2). Trong yếu tố này có một giá trị tới hạn
có thể dùng để xác định các điều kiện của phá hủy giòn; giá trị tới hạn đó được gọi
là độ dai phá hủy KC và được biểu thị bằng công thức
trong đó:
Y - thông số không thứ nguyên, phụ thuộc vào cả hình dạng của cả mẫu lẫn nứt; ví
dụ tấm vô hạn có nứt bên trong dài 2a thì Y = 1, tấm nửa vô hạn có nứt hình nêm
dài a thì Y = 1,1.
Vậy định nghĩa độ dai phá
hủy là tính chất biểu thị
sức bền chống phá hủy
Hình 1.34.
giòn của vật liệu khi có sẵn
Ảnh hưởng của
nứt với thứ nguyên lực x
chiều dày tấm đến
chiều dài (MPa hay psi).
độ dai phá hủy
Với các mẫu tương đối
mỏng giá trị KC phụ thuộc và giảm đi theo chiều dày B của mẫu.
Từ một chiều dày B nhất định trở lên được xác định theo công thức:
KC không phụ thuộc vào B (hình 1.34) và đạt giá trị nhỏ nhất được ký hiệu là KIC,,
giá trị KIC được gọi là độ dai phá hủy biến dạng phẳng cũng được xác định bằng
công thức (2.3), tức là
1.3.2. Phá hủy mỏi. Hiện tượng dão
Trong thực tế nhiều kết cấu và chi tiết máy như cầu, trục, bánh rang chịu tác
dụng của tải trọng không lớn (ngay cả thấp hơn σ0,2 khá nhiều) nhưng thay đổi

theo chu kỳ, có thể bị phá hủy sau thời gian dài và tương đối dài (> 105 - 106 chu
kỳ). Sự phá hủy như vậy còn được gọi là phá hủy mỏi. Cũng giống như mọi phá
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

19

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

hủy khác, phá hủy mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên song với đặc điểm là nó
thường nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi
cho sự tạo thành và phát triển vết nứt.
Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí , tạp chất, xước, lồi lõm;
do vậy tăng độ bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩa đặc biệt để chống phá hủy
mỏi. Ngoài ra nứt cũng có thể sinh ra dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu
kỳ. Thông thường nếu ở nửa chu kỳ đầu mẫu chịu kéo, lệch dịch chuyển trên mặt
trượt, thoát ra ở bề mặt và tạo ra ở đó bậc thang nhỏ thì ở nửa chu kỳ tiếp theo mẫu
chịu nén, lệch chuyển dời ngược lại làm bậc thang cũ mất đi, bề mặt bằng phẳng
như cũ (hình 2.15a). Quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi sự trở về không hoàn
toàn như cũ và chỗ bậc thang cũ có một hõm sâu bằng thông số mạng, đây chính là
vết nứt đầu tiên.
Mặt gãy ở chỗ phá hủy mỏi có những nét đặc biệt, nó hầu như có ba vùng rõ rệt như
biểu thị ở hình 2.15b. Vùng 1 rất nhỏ sát với bề mặt là nứt đầu tiên, vùng 2 (vùng
mỏi) là vùng nứt phát triển chậm chạp từ bề mặt vào bên trong, có bề mặt nhẵn,
phẳng với những dải phân cách
các giai đoạn phát triển của vết

nứt. Nứt phát triển từ từ cho đến
khi tiết diện còn rất nhỏ nên ứng
suất tác dụng trên nó rất lớn gây
ra phá hủy tức thời là vùng 3
(vùng gãy) có hình dạng đặc
trưng như phá hủy giòn hoặc dẻo
Hình 1.35. Chu trình ứng suất và
biến dạng khi tải trọng thay đổi
theo chu kỳ (a) và sơ đồ cấu tạo
vết nứt mỏi (b)
1- vùng nứt đầu tiên (mầm),
2. vùng nứt phát triển chậm,
3. vùng gãy tức thời.
1.3.3. Phương hướng nâng cao độ bền kim loại
* Nếu kim loại có cấu tạo mạng hoàn toàn lý tưởng:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

20

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Trong kim loại mà cấu tạo mạng là lý tưởng tức là không 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
a. Biến cứng bề mặt
* Định nghĩa: là phương pháp biến dạng lớp bề mặt của thép đến một chiều sâu
nhất định làm cho mạng tinh thể của lớp này bị xô lệch dẫn đến độ cứng, độ bền
tăng lên.
* Đặc điểm:
- Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng dư làm tăng độ cứng và tính chống
mài mòn của bề mặt.
- Lớp bề mặt có ứng suất nén dư do vậy tăng giới hạn bền mỏi, giảm và mất đi
khá nhiều các tật hỏng ở bề mặt như vết khía, rỗ và các vết nứt mỏi.
* Các phương pháp biến cứng bề mặt
- Phun bi: Phun những hạt làm bằng thép lò xo đã qua tôi hay gang trắng với kích
thước 0,5 đến 1,5mm lên bề mặt chi tiết với tốc độ hạt 50 đến 100m/s, chiều sâu của
lớp hóa bền đạt đến0,7mm. Áp dụng phun bi cho các chi tiết làm bằng thép cứng,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

21

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

hợp kim nhôm: lò xo treo, nhíp ôtô, bánh răng hộp tốc độ và cầu sau của ôtô, các
loại trục và thanh truyền ..v..v..
- Lăn ép: Được thực hiện trên máy cán có gá lắp một hay nhiều bi hoặc con lăn ép
lực lên chúng là nhờ lò xo hay hệ thống thủy lực. Chiều sâu của lớp biến cứng bề
mặt tới 15mm, thường áp dụng cho các chi tiết lớn.
- Dập: Là hình thức biến dạng bề mặt kim loại bằng va đập được gá lắp trên máy
hoặc thực hiện bằng tay. Lớp biến cứng có thể sâu tới 35mm, được áp dụng trong
chế tạo máy để hóa bền các chi tiết của thiết bị rèn ép, máy nén thủy lực.
b. Tôi bề mặt thép
* Nguyên lý chung: Là phương pháp nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu
nhất định lên nhiệt độ tôi, khi đó phần lớn tiết diện (lõi) không được nung nóng.
Khi làm nguội
1.4. Các phương pháp thử cơ tính của vật liệu
1.4.1. Phương pháp thử kéo, nén, độ dai va đập
a. Phương pháp thử kéo nén
Nhằm để xác định cơ tính của kim loại như: độ bền, độ dẻo, độ đàn hồi.
*. Độ bền
Là khả năng chống lại của lực bên
ngoài mà không bị phá hỏng, dạng phá

hỏng của thử kéo là bị đứt.
l0
Để thử kéo ta tiến hành trên máy thử kéo
với mẫu thử làm bằng vật liệu đó có kích
thước hình dạng theo qui định, độ thử có
l1
chiều dài gấp 10 đường kính.
l0 : chiều dài tính toán
Hai đầu to để cạp trên máy thử kéo.
Để đánh giá tình trạng chịu lực của vật liệu ta dùng khái niệm ứng suất: Ứng suất là
tải trọng tác dụng lên một đơn vị diện tích của mẫu thử.
Để xác định độ bền của kim loại ta lấy lực kéo Pmax ( lực làm cho mẫu thử bị đứt)
chia cho diện tích tiết diện ban đầu F0 của mẫu thử.
P
σ = max (kg / mm 2 )
F0
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

22

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

*. Độ đàn hồi
Là khả năng thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài rồi trở lại
như cũ khi bỏ lực tác dụng.

Trên máy thử kéo ta tăng lực kéo mẫu thử đần dần và theo dõi sự dãn dài của mẫu
thử cho tới khi lực kéo đạt giá trị Pp tại giá trị này nếu bỏ lực kéo mẫu thử trở lại
giống như ban đầu=> Kim loại có tính đàn hồi.
Khi kéo tới giá trị Pe nếu bỏ lực kéo làm biến dạng dư không quá 0,005% chiều dài
ban đầu, nếu lấy lực kéo này chia cho mẫu rta đạt giới hạn đàn hồi.
P
σ = e (kg / mm 2 )
F0
*. Độ dẻo
Là khả năng biến dạng
dưới tác dụng của lực bên ngoài
mà không bị phá hỏng đồng thời giữ biến dạng đó khi bỏ lực tác dụng.
Độ dẻo được đánh gia bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối.
Độ giãn dài tương đối : σ = l1 − l0 .100%
s
l0
l0 : chiều dài ban đầu của mẫu thử
l1 : chiều dài sau khi kéo của mẫu thử.
F −F
ψ = 0 1 .100%
Độ thắt tỷ đối:
F1
F1 : diện tích tiết diện tại chỗ đứt
F0 : diện tích tiết diện trước khi kéo
Kim loại càng dẻo thì độ thắt tỷ đối và độ giãn dài tương đối càng lớn.
*. Biểu đồ kéo
Đoạn OPp độ giãn dài tỷ lệ thuận với lực kéo. Ứng suất tại Pp coi như là giới
hạn đàn hồi.
Qua đoạn OPp không còn tỷ lệ thuận nếu tăng lực
kéo độ thử giãn dài nhanh hơn.

P
z
Tăng lực kéo mãu thử giãn dài tới S kim loại
s
có hiện tượng chảy, lực kéo không tăng nhưng mẫu
P
thử vẫn giãn dài, ứng suất tại đây là giới hạn chảy.
Qua điểm S nếu tăng lực kéo tiếp tục mẫu thử
dãn dài co thắt ở giữa và đứt. Tại P ứng với tải
o
trọng của giới hạn bền khi kéo của vật liệu.
p

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

23

Môn học: Vật liệu cơ khí


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

b. Phương pháp thử độ dai va đập
55
Mẫu thử có kích thước 10x10x55mm ở
giữa rãnh rộng 2mm, sâu 2mm, mẫu
thử đặt trên máy thử và nằm trên
2

đường rơi của búa.
2
Thép chứa crôm thì tia lửa màu cam.
Bằng cách này ta xác định thanh phần
=> Ứng dụng trong công việc.
Khi ta nâng búa năng lượng đầu búa là PH, năng lượng của đầu búa sau khi rơi là
Ph=> công tiêu hao làm gãy mẫu thử là: A = P (H - h)
Nhưng so sánh chịu va đập của các kim loại ta xét công tiêu hao trên một tiết diện
vật thử aH = A/F
Vật liệu giòn độ dai va đập nhỏ.
1.4.2. Phương pháp thử độ cứng
a. Thử độ cứng theo phương pháp Brinen
Dùng viên bi cầu bằng thép tôi cứng có đường kính 2,5 ; 5 ; 10mm ấn vào bề mặt
với lực P.
Tỷ số lực P và bề mặt vết lõm F gọi là độ cứng Brinen (ký hiệu HB)
HB =

P
2P
=
( kg / mm 2 )
F πD D − D 2 − d 2

)

(

Với

(

πD
F = πDh =
D − D2 − d 2
2

)

D

D: đường kính

viên bi
d: đường kính vết lõm
h : chiều sâu vết lõm
Trong thực tế người ta dùng kính núp đặc biệt
đo đường kính vết lõm d từ đó tra bảng => độ cứng HB
Phương pháp này chỉ thử thép mềm chưa tôi cứng
b. Thử độ cứng bằng phương pháp Rôcven

h
d

h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

24

h

Môn học: Vật liệu cơ khí

h h2

h

h2


Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN

Tổ môn cơ sở

Dùng viên bi có đường kính 1,58mm hoặc mũi kim cương có góc ở đỉnh 1200
để ấn nên bề mặt vật thử.
Ta lần lượt tác dụng lên viên bi, mũi kim cương 2 lực ấn khác nhau. Lực ấn
ban đầu 10kg và lực ấn tiếp theo là 60kh, 100kg, 159kg.
- Lực thứ 1 viên bi mũi kim cương lún xuống một đoạn là h, lực thứ 2 lún xuống
một đoạn là h2
- Hiệu số h1 = h2 – h đặc trưng cho độ cứng Roocsven (ký hiệu HR).
1HR ứng với độ nún 0,002mm.
Trên máy với vật liệu cứng dùng mũi kim cương với lực ấn:
60kh đọc độ cứng là HRA (đọc trên thang A)
150kh đọc độ cứng là HRC (đọc trên thang C)
Vật liệu mềm dùng lực ấn 100kh đọc độ cứng là HRB (đọc trên thang B)
c. Thử độ cứng bằng cách dập trên viên bi
Dùng để xác định độ cứng vật lớn không thể đặt trên máy đo độ cứng.
Dùng búa đập một lực bất kỳ lên(1); (1) nằm trong thân (2) liền xuống viên
bi (5) có đường kính 10mm, thông qua thanh ngang (3) dùng làm vật mẫu, độ cứng

sau khi dập viên bi để lại vết lõm trên mặt(4) và trên mẫu (3).
HBvatthu

2
HBmau * d mau
=
2
d vatthu

2

HBvật thử : Độ cứng miếng mẫu
3
dmẫu : Dường kính vết lõm vật mẫu
5
4
dvật thử : Đường kính vết lõm vật thử
1.5. Một số tính chất đặc trưng của vật liệu
1.5.1. Lý tính của vật liệu
Tính chất vật lý hay còn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất của
vật liệu thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của chúng không
bị thay đổi.
Lý tính cơ bản của vật liệu gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính
chất nhiệt, tính chất điện và từ tính.
a. Khối lượng riêng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT

25

Môn học: Vật liệu cơ khí