Nguyên Lý Gia Công Kim Loại Bằng Áp Lực

Ch­¬ng 1

Nguyªn lý
Gia c«ng kim lo¹i b»ng ¸p lùc

1


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1 - Khái niệm về biến dạng dẻo kim loại
I - Lực trong gia công kim loại bằng áp lực
1 Ngoại lực: Gồm các thành phần chính sau
đây:
1.1 Lực tác dụng chính
Là lực sinh ra do tác dụng của thiết bị (thông qua
đầu búa , khuôn rèn ...) làm cho kim loại biến
dạng. Khi xem xét tác dụng của lực tác dụng
chính người ta quan tâm không chỉ phương, chiều,
cường độ của lực tác dụng mà còn phải chú ý đến
cả điểm đặt lực tác dụng, vì cùng cường độ và phư
ơng chiều, nhưng điểm tác dụng của lực khác
nhau sẽ tạo ra quá trình biến dạng khác nhau đối
với vật biến dạng.
2


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1.2 Phản lực
Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố

định của thiết bị và luôn thẳng góc với mặt
tựa có chiều ngược với lực tác dụng chính.
Khi tính phản lực cần chú ý đến lực ma sát
sinh ra giữa dụng cụ gia công và kim loại
biến dạng, chiều của lực ma sát ngược với hư
ớng di động của kim loại, cản trở quá trình
biến dạng và có ảnh hưởng rất lớn đến quá
trình biến dạng.
3


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1.2 Phản lực
Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố
định của thiết bị và luôn thẳng góc với mặt
tựa có chiều ngược với lực tác dụng chính.
Khi tính phản lực cần chú ý đến lực ma sát
sinh ra giữa dụng cụ gia công và kim loại
biến dạng, chiều của lực ma sát ngược với hư
ớng di động của kim loại, cản trở quá trình
biến dạng và có ảnh hưởng rất lớn đến quá
trình biến dạng.
4


Ch­¬ng I. Nguyªn lý GCKL b»ng ¸p lùc

5

Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1.3 Lực quán tính
Khi biến dạng các phần tử của vật thể biến
dạng không đều nhau nên tốc độ chuyển động
của chúng cũng không đều nhau và sinh ra lực
quán tính. Vì việc xác định lực quán tính là
công việc phức tạp hiện chưa được nghiên cứu
đầy đủ đối với từng trường hợp cụ thể nên khi
tính toán chỉ cần đưa vào hệ số điều chỉnh bằng
thực nghiệm để xét đến ảnh hưởng của lực này.

6


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

2 Nội lực
Nội lực là lực sinh ra bên trong vật thể trong
khi gia công và có thể tồn tại trong vật thể
sau khi gia công, nội lực này tạo trong vật
thể ứng suất bên trong. Nếu ứng suất này vư
ợt quá giới hạn bền của vật liệu sẽ gây nên
nứt nẻ. Nếu ứng suất trong tồn tại trong vật
thể sau khi gia công dưới dạng ứng suất dư
thì ứng suất trong kim loại (bao gồm cả ứng
suất sinh ra do tác dụng của ngoại lực khi
vật thể làm việc và ứng suất dư) sẽ chóng đạt
đến giới hạn bền.

7


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

II - Biến dạng dẻo kim loại
1 - Đặc tính vật lý của biến dạng dẻo
Khi chịu tác dụng của ngoại lực, kim loại sẽ
biến dạng theo 3 giai đoạn: biến dạng đàn hồi (khi
thôi tác dụng lực, kim loại sẽ trở về vị trí ban đầu),
biến dạng dẻo (khi thôi tác dụng lực, biến dạng
vẫn tồn tại, vật thể có hình dáng khác hình dáng
ban đầu). Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất sinh
ra do ngoại lực vượt quá giới hạn đàn hồi. Giai
đoạn cuối của biến dạng là sự phá huỷ kim loại,
khi ngoại lực vượt quá giới hạn bền.
8


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1.1 Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể
1.1.1 Sự trượt
Khi tác dụng lực vào kim loại, trong mỗi đơn tinh
thể xuất hiện 2 dạng ứng suất: ứng suất pháp và
ứng suất tiếp. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp
một bộ phận của đơn tinh có sự di trượt tương
đối so với bộ phận còn lại theo một bề mặt tinh
thể nhất định trên một hướng nhất định với
khoảng cách là một bội số nguyên của thông số

mạng. ứng suất tiếp để đạt tới sự trượt gọi là
ứng suất tiếp tới hạn th , còn mặt tinh thể theo
đó xảy ra sự trượt gọi là mặt trượt
9


Ch­¬ng I. Nguyªn lý GCKL b»ng ¸p lùc

10


Ch­¬ng I. Nguyªn lý GCKL b»ng ¸p lùc

2000A0

200A0

11


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

Trong quá trình trượt trên mặt trượt mạng tinh thể bị
xê dịch, vặn vẹo và các nguyên tử trở về vị trí cân
bằng bền, sự trượt sẽ chuyển qua các mặt trượt
khác. Như vậy mạng tinh thể của kim loại nào càng
có nhiều mặt trượt thì kim loại đó càng dẻo.
110
010
0

100















a)





a

b)

c)

12




Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

Cơ cấu của qúa trình trượt theo cách giải thích mới có thể tóm
tắt như sau:
Theo thuyết lệch kim loại khi kết tinh không sắp xếp theo quy
luật một cách lý tưởng mà bao giờ cũng tồn tại những chỗ
bị xô lệch, tại những chỗ lệch này nguyên tử ở trạng thái
cân bằng không bền mà dễ chuyển động và có xu hướng trở
về vị trí cân bằng. Vì thế khi có lực tác dụng thì sự di động
xảy ra tại các điểm lệch của mạng tinh thể. Nếu ứng suất
tiếp tác động liên tục và có trị số đủ lớn thì các điểm lệch và
vùng lệch lân cận sẽ chuyển dịch dần về một phía và cuối
cùng đạt đến sự xê dịch bằng một khoảng cách là bội số của
thông số mạng. Như vậy quá trình trượt được thực hiện đầu
tiên là các chỗ lệch di chuyển đến vị trí mới và điểm lệch bị
mất đi, nhưng đồng thời lại tạo nên chỗ lệch mới. Quá trình

cứ như vậy tiếp diễn cho đến khi ngừng tác dụng của lực.
13


Ch­¬ng I. Nguyªn lý GCKL b»ng ¸p lùc

14


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1.1.2. Song tinh
Dưới tác dụng của ứng suất tiếp , trong tinh thể
có sự dịch chuyển tương đối của một phần mạng
tinh thể đến vị trí mới đối xứng với phần còn lại
qua một mặt phẳng tinh thể cố định gọi là mặt
song tinh. Khi song tinh các nguyên tử trên các
mặt tinh thể dịch chuyển đi trên những đoạn
không bằng bội số nguyên của thông số mạng, và
độ dài đoạn dịch chuyển tỷ lệ thuận với khoảng
cách từ mặt phẳng tinh thể đó tới mặt phẳng song
tinh
Hiện tượng song tinh xảy ra rất nhanh và càng
mạnh khi biến dạng đột ngột với tốc độ biến dạng
lớn.
15


Ch­¬ng I. Nguyªn lý GCKL b»ng ¸p lùc

16


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

Quá trình song tinh có các đặc điểm sau:
- Song tinh tạo điều kiện cho mặt trượt ở vào vị trí
thuận lợi nhất giúp cho quá trình biến dạng xảy ra
dễ dàng.
- Biến dạng dư do song tinh gây ra rất nhỏ, ví dụ
trong tinh thể kẽm nếu tổ chức của nó đã hoàn toàn
chuyển sang song tinh thì lượng biến dạng dư cũng
chỉ khoảng 7%.
- Trong quá trình trượt nếu có xuất hiện song tinh
thì ứng suất tiếp tới hạn th sẽ giảm xuống, có trư
ờng hợp giảm đi 50% như khi biến dạng Mg.
- Song tinh tiến hành tương đối dễ dàng đối với các
kim loại có mạng lục giác xếp chặt ở nhiệt độ thư
ờng.
17


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

1.2. Biến dạng dẻo đa tinh thể
Đa tinh thể là tập hợp của nhiều đơn tinh
thể kề sát nhau và có liên kết với nhau chặt
chẽ. Vì thế biến dạng dẻo của đa tinh thể
bao gồm sự biến dạng trong nội bộ từng
đơn tinh thể theo các hình thức trượt, song

tinh và sự biến dạng ở vùng nối tiếp
giữa các đơn tinh thể (vùng tinh giới hạt),
vùng này mạng tinh thể bị xô lệch mạnh.

18


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

Biến dạng đa tinh thể có các đặc điểm:
- Do phương mạng giữa các đơn tinh thể (còn gọi là hạt)
lệch nhau, nên dù tải trọng đặt vào phân bố đều và có hướng
xác định nhưng tình trạng chịu lực của các hạt rất khác
nhau, vì thế sự biến dạng của các hạt không đồng đều.
- Do phương mạng giữa các hạt kim loại trong đa tinh thể
định hướng ngẫu nhiên nên khả năng biến dạng của các hạt
khác nhau. Các hạt không biến dạng cùng một lúc mà bắt
đầu ở những hạt có mặt trượt tạo với hướng lực tác dụng
một góc gần 450 nhất,
- Quá trình biến dạng ở giữa các hạt (tinh giới hạt) thực hiện
rất khó khăn do mạng tinh thể bị xô lệch nhiều vì thế kim
loại có độ hạt nhỏ, tinh giới nhiều sẽ có độ bền lớn hơn kim
loại có hạt lớn.
- ở mức độ biến dạng rất lớn có thể xảy ra sự định hướng lại
phương mạng của các hạt trùng nhau. Lúc đó các hạt sẽ
quay đi, mặt trượt của các hạt sẽ có phương giống nhau
hoặc gần giống nhau.
19

Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

2. Hiện tượng biến cứng
Biến cứng (hay hoá bền) là hiện tượng nâng
cao độ bền và độ cứng, giảm độ dẻo của
kim loại sau khi biến dạng dẻo, và thường
xảy ra ở những điều kiện nhiệt độ và tốc độ
biến dạng nhất định.
Biến cứng kim loại là do các hiện tượng sau
đây phát sinh trong quá trình biến dạng
dẻo:
20


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

- Các hạt kim loại và tạp chất bị phân chia thành
nhiều phần nhỏ, hình dạng của các hạt bị thay đổi
(kéo dài, vặn vẹo ...). Tổ chức kim loại gồm những
hạt nhỏ có hình dạng như vậy sẽ có độ bền và cứng
cao, độ dẻo thấp.
- ở vùng mặt trượt sau biến dạng mạng tinh thể bị
xô lệch nhiều và tích trữ thế năng lớn, gây khó
khăn cho quá trình trượt` tiếp theo, và nếu sự xô
lệch mạng ở vùng mặt trượt quá lớn thì kim loại
không có khả năng biến dạng dẻo được nữa.
- Các mảnh vụn kim loại, các bít, nitơrit ... tách ra
nằm trên mặt trượt và tinh giới cản trở sự trượt.
- Lệch sinh ra nhiều trong quá trình biến dạng. Nếu
mật độ lệch quá lớn các lệch sẽ cắt nhau tạo nên

các chốt ngăn cản chuyển động của lệch, làm cho
kim loại khó biến dạng.
21


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

- Hiện tượng biến cứng kim loại là có lợi khi
cần tăng độ bền, độ cứng, tính chịu mài mòn
của vật liệu.
- Trong quá trình biến dạng độ dẻo của kim
loại dần dần giảm đi, kim loại có thể bị biến
cứng, không có khả năng tạo được các mặt
trượt mới nữavà chúng trở nên dòn. Nếu cứ
tiếp tục tác dụng lực để cưỡng bức biến dạng
thì trong tổ chức kim loại sẽ xuất hiện các
vết nứt tế vi, các vết nứt này ngày càng phát
triển và có thể làm đứt rời các phần vật thể.
22


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

3. Quá trình biến mềm
- Kim loại bị biến cứng có mạng tinh thể bị
xô lệch, tồn tại ứng suất bên trong ... đó là
trạng thái không ổn định có thế năng lớn.
- Trong thực tế sản xuất có nhiều trường
hợp cần thiết phải khôi phục nhanh các
tính chất ban đầu của kim loại đã bị biến

cứng để cải thiện tính chất cắt gọt, tính dẻo
để rèn dập ...
Quá trình biến mềm thực hiện theo 2 giai
đoạn:
23


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

3.1. Giai đoạn phục hồi
Giai đoạn này xảy ra ở nhiệt độ không cao lắm.
Lúc này các nguyên tử trở về vị trí cân bằng bền,
ứng suất và sự xô lệch đàn hồi của mạng tinh thể
trong các hạt bị biến dạng đàn hồi mất đi, một phần
mạng tinh thể bị xô lệch trong các bộ biến dạng
dẻo được chuyển sang trạng thái trật tự.
Tuy nhiên quá trình hồi phục chỉ làm thay đổi
mạng tinh thể của hạt và làm mất các sai lệch trong
mạng mà chưa làm thay đổi về tổ chức tế vi, tức là
chưa làm thay đổi hình dạng, kích thước và hướng
hạt kim loại. Tổ chức kim loại sau khi phục hồi vẫn
bao gồm các hạt bị kéo dài theo phương biến dạng.
Nhiệt độ phục hồi Tph = (0,25 ữ 0,3)Tch
24


Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực

3.2. Giai đoạn kết tinh lại
Giai đoạn này xảy ra khi nhiệt độ nung nóng của

kim loại đạt tới một giá trị nhất định gọi là nhiệt độ
kết tinh lại. ở nhiệt độ này động năng của các
nguyên tử tăng lên rất lớn, kéo theo sự thay đổi vị
trí rất mạnh, tạo khả năng thay đổi hình dạng, kích
thước của các hạt kim loại.
Quá trình kết tinh lại bao gồm sự nảy mầm, phát
triển mầm để biến tổ chức kim loại từ trạng thái
không cân bằng trở về trạng thái cân bằng xảy ra
như sau:
Tổ chức kim loại sau khi kết tinh lại gồm các hạt
mới khác hẳn hạt cũ, đẳng trục vì có mạng không
bị xô lệch.
25