Bài giảng Gia công áp lực ĐHBK Hà Nội

Ch−¬ng 1
Nh÷ng kiÕn thøc c¬ së vÒ biÕn d¹ng dÎo

TÀI LIỆU ĐƯỢC DOWNLOAD MIỄN PHÍ TẠI WEBSITE SHARE99.NET

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

1


Chơng 1. Những kiến thức cơ sở về biến dạng dẻo

1.1 cơ sở vật lý của quá trình biến dạng (Cơ sở kim loại học)
1.1.1 Khái quát về quá trình biến dạng
Sự dịch chuyển tơng đối giữa các chất điểm, các phần tử của vật thể rắn
dới tác dụng của ngoại lực, nhiệt độ hoặc của một nguyên nhân nào đó dẫn
đến sự thay đổi về hình dạng, kích thớc vật thể, liên kết vật liệu đợc bảo
toàn, đợc gọi là biến dạng dẻo.
9 Tất
ấ cả
ả mọi phơng pháp GCAL đều
ề dựa trên một tiền
ề đề
ề chung là thực
hiện một quá trình biến dạng dẻo.
9 Vật liệu dới tác dụng của ngoại lực sẽ thay đổi hình dạng và kích thớc
mà không mất đi sự liên kết bền chặt của nó.
9 Khả năng biến dạng dẻo đợc coi là một đặc tính quan trọng của kim loại.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

2


Biến dạng mẫu khi thử kéo
Để làm sáng tỏ quá trình biến dạng ặ theo dõi thí nghiệm kéo giản đơn. Dới tác
dụng của lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo dài cho đến khi bị kéo đứt. Trong thí
nghiệm kéo với các thiết bị phù hợp ta có thể đo đợc lực kéo và độ dãn dài
tơng ứng, từ đó xác định ứng suất và biến dạng theo các mối quan hệ sau:

- Vùng biến dạng đàn hồi
- Vùng biến dạng đàn hồi dẻo
(trong đó biến dạng đàn hồi rất
nhỏ so với biến dạng dẻo
- Vùng phá huỷ

Cho SV xem Video thử kéo mẫu.

ờng cong ứng suất - biến dạng

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

3


Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo trong tinh thể
Biến dạng của vật thể là tổng hợp của các quá trình biến dạng trong từng hạt
tinh thể và trên biên giới hạt ặ muốn tìm hiểu cơ chế của quá trình biến
dạng trong đa tinh thể trớc hết hãy nghiên cứu sự biến dạng trong đơn tinh
thể lý tởng (không có khuyết tật).
Biến dạng đàn hồi

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

4


Biến dạng dẻo trong tinh th
Biến dạng trong đơn tinh thể có hai cơ chế chủ yếu: trợt và đối tinh.

Trợt
Khi mẫu đơn tinh thể bị kéo ặ xuất hiện các bậc trên bề mặt của mẫu. Điều đó
chứng tỏ có sự trợt lên nhau giữa các phần của tinh thể. Sự trợt xảy ra chủ yếu
trên những mặt nhất định và dọc theo những phơng nhất định gọi là mặt trợt và
phơng trợt. Mức độ trợt thờng là bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa
các nguyên tử trên phơng trợt.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

5


Mặt trợt và phơng trợt là những mặt và phơng có mật độ nguyên tử lớn
nhất. Điều này cũng dễ hiểu bởi lẽ lực liên kết giữa các nguyên tử trên mặt và
phơng đó là lớn nhất so với những mặt và phơng khác.
Số lợng hệ trợt càng lớn thì khả năng xảy ra trợt càng nhiều có nghĩa là càng
dễ biến dạng dẻo. ặ Bởi vậy khả năng biến dạng dẻo của kim loại có thể đợc
đánh giá thông qua số lợng hệ trợt.
Đặc điểm của trợt:
-Trợt
Trợt chỉ xảy ra dới tác dụng của ứng suất tiếp.

- Phơng mạng không thay đổi trớc và sau khi trợt.
- Mức độ trợt bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử
- ứng suất tiếp cần thiết để gây ra trợt không lớn.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

6


Song tinh (đối tinh)
Khi ứng suất tiếp đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thì một phần của mạng tinh thể
sẽ xê dịch đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt
song tinh. Song tinh cũng chỉ xảy ra trên các mặt và các phơng xác định.

Mặt song tinh

Song tinh có những đặc điểm sau:
- Giống nh trợt sự tạo thành song tinh chỉ xảy ra dới tác dụng của ứng suất tiếp
- Khác với trợt là song tinh kèm theo sự thay đổi phơng mạng của phần tinh thể bị xê dịch.
- Khoảng xê dịch của các nguyên tử tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng tới mặt song
tinh và có trị số nhỏ hơn so với khoảng cách nguyên tử.
- ứng suất cần thiết để tạo thành đối tinh cơ học thờng lớn hơn ứng suất cần thiết để gây ra
trợt. Bởi vậy nói chung trợt sẽ xảy ra trớc và chỉ khi các quá trình trợt gặp khó khăn thì
song tinh mới tạo thành.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

7

Song tinh (đối tinh)
Vì xê dịch của các nguyên tử khi tạo thành song tinh nhỏ nên song tinh
không dẫn đến một mức độ biến dạng dẻo đáng kể trong tinh thể (chỉ
vài %).
Nếu cùng với song tinh còn xảy ra trợt thì trợt sẽ đóng vai trò chính
trong quá trình biến dạng dẻo.
Trong các tinh thể liên kết đồng hoá trị nh Bi , Sb ... toàn bộ biến dạng
dẻo cho đến lúc phá hủy chủ yếu do song tinh tạo nên, vì thế mức độ
biến dạng dẻo trong các tinh thể đó rất nhỏ, chúng đợc coi là những
vật liệu ròn.
ròn
Đối với những kim loại mạng lục phơng xếp chặt nh Zn , Mg , Cd do
số lợng hệ trợt ít nên thờng tạo thành song tinh, song ý nghĩa của
song tinh đối với biến dạng dẻo không lớn mà quan trọng hơn là do
song tinh làm thay đổi phơng mạng nên có thể làm xuất hiện một vài
định hớng mới có lợi cho trợt. Trong trờng hợp này biến dạng dẻo
xảy ra thờng tăng lên so với trờng hợp chỉ có trợt đơn thuần. Tuy
nhiên sự thay đổi này không lớn nên các kim loại mạng lục phơng xếp
chặt vẫn là những vật liệu có tính dẻo kém.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

8


Khuyết tật trong mạng tinh thể
Các dạng khuyết tật mạng
Cấu trúc tinh thể của vật liệu kim loại bị rối loạn do sự xuất hiện của các khuyết tật mạng.
Căn cứ vào kích thớc của các khuyết tật có thể chia chúng thành ba dạng:
- Khuyết tật điểm: các nút trống, các nguyên tử xen kẽ

- Khuyết tật đờng: ví dụ các loại lệch
- Khuyết tật mặt: biên giới hạt, biên giới pha, khuyết tật xếp

Các khuyết tật điểm

1- Nút trống
2- Nguyên tử xen kẽ
3- Nguyên tử thay thế
4- Nguyên tử ngoại lai
xen kẽ

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

9


KhuyÕt tËt ®−êng (lÖch)

LÖch biªn

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

LÖch xo¾n

10


KhuyÕt tËt mÆt
Biªn giíi h¹t

KhuyÕt tËt xÕp

Biªn giíi pha

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

11


1.1.2 Hoá bền biến dạng
Hiện tợng ứng suất chảy tăng lên theo mức độ biến dạng trong quá trình biến dạng.
Một hiện tợng rất quan trọng xảy ra trong quá trình biến dạng.
ảnh hởng nh đến tính chất của sản phẩm.
Xảy ra khi biến dạng ở nhiệt độ còn tơng đối thấp.
Hoá bền biến dạng làm tăng tải trọng đối với dụng cụ biến dạng, đòi hỏi tiêu hao về lực và
công biến dạng ngày càng tăng. Vì vậy, để có thể đạt đợc một mức độ biến dạng mong
muốn nào đó trong nhiều trờng hợp phải tiến hành các bớc nhiệt luyện trung gian nhằm
giảm bớt ứng suất chảy và khôi phục tính dẻo.
Để tránh hiện tợng hoá bền biến dạng --> thực hiện biến dạng ở nhiệt độ cao, song
độ chính xác và chất lợng bề mặt của sản phẩm lại kém hơn nhiều so với biến dạng nguội.
Nguyên nhân của hiện tợng hóa bền:
ắLệch không ngừng đợc sinh ra,
ắKhi chuyển động, lệch hoặc gặp phải chớng
ngại vật hoặc cắt nhau --> dồn ứ lại --> rừng lệch
ắMuốn tiếp tục chuyển động --> phải tăng ứng
suất.
ắtất cả những nhân tố nào gây cản trở cho sự sản
sinh và chuyển động của lệch đều là nguyên nhân
dẫn đến hoá bền biến dạng.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

12


1.1.3 Các quá trình kích hoạt nhiệt
Khi tăng nhiệt độ:
--> Tinh chất kim loại thay đổi, trở nên mềm và dẻo hơn.
--> Lực và công biến dạng nhỏ, mức độ biến dạng lớn.
Tuy nhiên:
--> Dễ bị ôxy hoá bề mặt dẫn đến chất lợng bề mặt kém
--> Độ chính xác của sản phẩm không cao

(1) hồi phục
(2) kết tinh lại
(3) lớn lên của hạt

(1)

(2)

(3)

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

13


Håi phôc

§a diÖn ho¸ trong tinh thÓ bÞ uèn
(a) s¾p xÕp cña lÖch trong tinh thÓ bÞ uèn
(b) s¾p xÕp cña lªch sau khi ®a diÖn ho¸

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

14


Kết tinh lại
Tổ chức của thép Các bon thấp sau khi biến dạng nguội và sau khi ủ một giờ ở
những nhiệt độ khác nhau

(a) cha ủ

(c) ủ ở 5500C

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

(b) ủ ở 5250C

(d) ủ ở 6500C

15


NhiÖt ®é biÕn d¹ng

Biến dạng
nguội

•
•
•

•

Thường thực hiện ở
nhiệt độ phòng
Nhiệt độ biến dạng
nhỏ hơn nhiệt độ kết
tinh lại
L biế
Lực
biến d
dạng lớ
lớn,
vật liệu bị hóa bền,
khả năng biến dạng
dẻo thấp
Ví dụ với Thép C:
Biến dạng ở Nhiệt độ
phòng là biến dạng
nguội

Biến dạng nửa
nóng
•
•
•

•

Nung nóng khi biến dạng
Nhiệt độ biến dạng ở
khoảng xung quanh nhiệt
độ kết tinh lại
Giảm lực biến dạng,
nâng
â cao khả năng
ă biến
biế
dạng dẻo, ứng suất chảy
giảm do có sự phục hồi,
một phần kết tinh lại
Ví dụ với Thép C: Biến
dạng nửa nóng ở nhiệt
độ từ 650-800oC

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

Biến dạng
nóng
•
•
•

•

Nung nóng khi biến
dạng

Nhiệt độ biến dạng
cao hơn nhiệt độ
kết tinh lại
Giảm đáng kể
ể lực
biến dạng, tính dẻo
của vật liệu cao,
ứng suất chảy giảm
nhiều do kết tinh lại
Ví dụ với Thép C:
Biến dạng nóng ở
nhiệt độ từ 11501250oC

16


VÝ dô nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i cña mét sè lo¹i vËt liÖu

Vật liệu

Nhiệt độ kết
tinh lại

Vật liệu

Nhiệt độ kết
tinh lại

C-Thép

550-730oC

Sn

0-40oC

Al (99,9%)

290-300oC

Zn

50-100oC

Al hợp kim 360-400oC

Mo

870oC

Cu

200oC

W

900-1000oC

Pb

-50-50oC

Ni

400-600oC

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

17


1.1.4 ng sut chy v ng cong chy
ng sut chy
ứng suất cần thiết (xác định trong trạng thái ứng suất đơn) làm cho vật liệu
đạt đợc trạng thái dẻo hoặc duy trì ở trạng thái dẻo gọi là ứng suất chảy (còn
gọi là độ bền biến dạng- ký hệu là kf hoặc f). ứng suất chảy là một thông số
cơ bản của vật liệu, nó phụ thuộc trớc hết vào bản thân vật liệu (thành phần,
tổ chức, cấu trúc, ... ) và các điều kiện biến dạng (nhiệt độ, mức độ biến dạng,
tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất).
kf = f(vật liệu, nhiệt độ, mức độ biến dạng, tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất)
Thộp C15
ng cong sut chy
Đờng cong biểu diễn sự phụ
thuộc của ứng suất chảy vào mức
độ biến dạng (hoặc tốc độ biến
dạng) gọi là đờng cong chảy
hoặc đờng cong hoá bền.

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

18


Đường cong chảy

Biến dạng nguội

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

Biến dạng nóng

19


Đường chảy nguội của
các vật liệu khác nhau

Đường chảy nóng thép
C25 phụ thuộc vào tốc
độ biến dạng

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

20


Sù phô thuéc cña øng suÊt chảy vµo nhiÖt ®é,
tèc ®é biÕn d¹ng cña thÐp C15

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

21


C¸c ph−¬ng ph¸p x¸c định ®−êng ch¶y b»ng thùc nghiÖm
ThÝ nghiÖm kÐo
ThÝ nghiÖm nÐn
ThÝ nghiÖm xo¾n

Bé m«n Gia c«ng ¸p lùc – VIÖN C¬ KhÝ - §HBK Hµ n«i

22


Mô hình toán học của đờng cong chảy

f = C n
Extrapolated

C: hệ số phụ thuộc vào từng vật liệu
n: số mũ hóa bền phụ thuộc vào vật
liệu

Rupture
Uniform maxim
mum
strain

Ture Stress

ĐƯờNG CHảY NGUộI

Uniform Straining

f = C ( + 0 ) n

f = A + B
Necking

n

f = A0 + A1 + A2 2 + K

True Strain
Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

23


Bảng thông số ĐƯờNG CHảY NGUộI

Vật liệu

f0 (MPa)

f0 (MPa)

C(MPa)

n

420

1100

0.149

16MnCr5*

810

0.090

0.150

20MnCr5*

950

0.150

800

0.240

100Cr6*

1160

0.180

110

0.240

Vật liệu

C (MPa)

n

St38*

730

0.100

42CrMo4

St42*

850

0.230

St60*

890

C10*

Ck10*,**

260

730

0.216

Al99.5*

Ck15**

280

760

0.165

Al99.5**

60

150

0.222

Ck22**

320

760

0.157

Al99.8**

60

150

0.222

960

0.150

AlMgSi1**

130

260

0.197

390

0.190

Ck35*
Ck35**

340

950

0.178

AlMg3*

Ck45**

390

1000

0.167

CuZn10**

250

600

0.331

Cf53**

430

1140

0.170

CuZn30**

250

880

0.433

850

0.090

CuZn37**

280

880

0.433

970

0.118

CuZn40*

800

0.330

15Cr3*
34Cr4**

410

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

24


Mô hình toán học của đờng cong chảy
ĐƯờNG CHảY nóng

Đờng chảy nửa nóng:

m
&
f = K
n

n: số mũ húa bền
m: số mũ tốc độ hóa bền
Đờng chảy nóng:

m
&
f = K

Bộ môn Gia công áp lực VIệN Cơ Khí - ĐHBK Hà nôi

25