Biến dạng dẻo Kim loại và các đặc tính liên quan

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
INSTITUTE OF MATERIALS SCIENCE

TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU
CENTER OF MATERIALS AND FAILURE ANALYSIS

BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI VÀ
CÁC ĐẶC TÍNH LIÊN QUAN
Cà Mau, 6-2016

KS: Đặng Nhật Khiêm


Nội dung
Phần I: Cấu tạo kim loại
I.
II.
III.
IV.

Giới thiệu chung
Cấu trúc tinh thể của kim loại
Đặc điểm cấu tạo của kim loại
Mạng tinh thể kim loại

Phần II: Biến dạng kim loại và các đặc tính liên quan
Vai trò của gia công biến dạng
VI. Cơ sở về quá trình biến dạng của kim loại
VII. Đặc tính biến dạng của kim loại
VIII. Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến cơ-hóa tính của
kim loại

V.


Phần I

CẤU TẠO KIM LOẠI


I. Giới thiệu chung
1. Kim loại ?
- Vật thể sáng, dẻo
- Có thể rèn được.
- Có tính dẫn nhiệt, điện


2. Phân loại:
- Kim loại và HK của sắt: sắt, thép cacbon. thép HK, thép không gỉ,

thép dụng cụ,..
- Kim loại và HK không chứa sắt: đồng, nhôm, magie, titan, crom


II. Cấu trúc tinh thể của KL
1. Cấu trúc hạt của KL:
- Cấu trúc của KL rắn bao gồm các hạt (tinh thể).
- Các hạt bao gồm: các phân tử đơn vị
các hạt nhân
được sắp xếp theo 1 trật tự cố định.
- Cấu trúc các phần tử đơn vị này
lặp lại trên toàn bộ khối KL.

2. Mạng KL:
 Cấu trúc phần tử được gọi là
mạng, vì các ng.tử được đặt ở các
điểm của nút mạng.


(Tiếp)

KL có 3 kiểu cấu trúc mạng chính:

+ Lập phương thể tâm (BCC)
+ Lập phương diện tâm (BFC)
+ Lục giác xếp chặt (HCP)
2.1. Cấu trúc lập phương thể tâm
(BCC): Cấu trúc gồm 1 ng.tử ở mỗi góc
và 1 ng.tử ở giữa của khối lập phương.
 Các KL có cấu trúc BCC: Cr, Fe, Mo,
Nb, Ti, W,..


(Tiếp)

2.2. Cấu trúc lập phương diện tâm (FCC):
Cấu trúc này gồm mỗi 1 ng.tử ở mỗi góc hình
hộp, và 1 ng.tử ở giữa mỗi mặt của hình hộp.
 Các KL có cấu trúc FCC: Al, Co, Cu, Fe, Ni,

Ag, Au,…
2.3. Cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP): Cấu
trúc gồm mỗi ng.tử ở mỗi góc của lăng trụ lục

giác, ngoài ra có 3 ng.tử đối xứng ở 2 đầu và
ở tâm của 3 mặt trụ.
 Các KL có cấu trúc HCP: Zn, Co, Mg, Ti,..


III. Đặc điểm cấu tạo của KL
1. Đặc điểm cấu tạo nguyên tử: hạt nhân (notron và
proton) ở tâm và điện tử (electron) chuyển động trên lớp vỏ.

 Đặc điểm điện tích: Notron không mang điện tích; Proton
mang (+1); electron (-1).

Mẫu ng.tử theo
Rutheford


(Tiếp)

2. Vỏ nguyên tử:
- Các electron (điện tử tự do) chuyển động xung quanh hạt
nhân nguyên tử. Các electron này quyết định các tính chất
đặc trưng của KL.
- Số hóa trị của KL (số điện tử ở lớp ngoài cùng). Những
điện tử này dễ bị bứt đi thành điện tử tự do và nguyên tử
thành ion +.
- Các electron chuyển động với các mức năng lượng khác
nhau tạo thành các lớp (s, p, d, f,..) xung quanh hạt nhân.
3. Liên kết kim loại:
Giữa các điện tích của nguyên tử có sự hút và đẩy xảy ra. Sự
cân bằng giữa lực hút và lực đẩy là cơ sở của liên kết KL.

(Tiếp)

 Liên kết ion:
- Liên kết ion trong hóa học: do lực tác dụng tĩnh điện

giữa các ion trái dấu.
VD: muối CaCl có
liên kết ion giữa
Ca+ và Cl-.


(Tiếp)

 Liên kết hóa trị:

- Liên kết hóa học mà chia sẻ các đôi electron dùng
chung giữa các nguyên tử để trở thành phân tử.
Ví dụ:
Phân tử H2O


(Tiếp)

 Liên kết ion kim loại:
Sự chia sẻ các điện tử tự do lớp ngoài cùng giữa các
nguyên tử kim loại trong lưới tinh thể tạo sự cân bằng lực
giữa ion + (proton) và điện tử tự do (-) chính là cơ sở của
liên kết KL.

 Chính liên kết
này tạo cho KL
có các tính chất
điển hình:
 Dẫn điện và dẫn
nhiệt cao.
 Có ánh kim.
 Tính dẻo cao


Các tính chất của kim loại
1. Cơ tính: KL có cơ tính tổng hợp tốt, thỏa mãn các y/c chế
tạo CK như: đúc, rèn, hàn, mạ, g/c cắt gọt. Các đặc tính cơ học
của KL: độ bền, dẻo, dai, độ cứng, độ bền mỏi.
2. Lý tính: Các tính chất điện, từ, nhiệt của KL được ứng dụng
nhiều trong CN, các thiết bị, dụng cụ điện phục vụ cuộc sống.
3. Hóa tính: KL thường tác dụng mạnh với phi kim, do đó
không ổn định về mặt hóa học, dẫn đến bị gỉ bị ăn mòn trong
KK. Nhưng có 1 số KL và HK đặc biệt có tính ổn định cao trong
môi trường khi quyển, axit, bazơ, muối,…
4. Tính chất CN: có khả năng chịu các dạng g/c khác nhau
như: đúc, rèn, dập, cắt, tôi,…. Nói chung 1 KL không thể đồng
thời có các tính chất trên.


IV. Mạng tinh thể kim loại
Mạng lý tưởng là không có những khuyết tật mạng,
nhưng sự không hoàn hảo hay các khuyết tật luôn
có thể xảy ra trong VL kim loại như: các ng.tố HK
hay tạp chất, sự biến dạng, biên hạt,…

Các dạng khuyết tật mạng cấu trúc:
1. Khuyết tật điểm
2. Khuyết tật đường
3. Khuyết tật mặt


1) Khuyết tật điểm:
- Voids (lỗ rỗng) là các vùng với một
số lượng lớn các nguyên tử bị thiếu
trong mạng (hình).
- Hợp kim hay nguyên tử không tinh
khiết nằm trong mạng tinh thể kim
loại

Hình ảnh lỗ rỗng trong nền
vật liệu KL trên ảnh SEM


2) Khuyết tật đường (lệch cạnh):
Các điểm khuyêt tật cục bộ tao trong mạng sự dịch chuyển
nằm dọc theo đường và trên đỉnh của nửa mặt trên → làm
biến dạng xung quanh đường lệch.


Sự di chuyển lệch (cơ chế biến dạng)


3) Khuyết tật mặt:
Là các khuyết tật liên quan như
biên hạt, biên song tinh, biên pha,

tạp chất.
Inclusions


Hệ thống trượt
Khả năng xảy ra trượt:
- Sự trượt xảy ra với
mặt trượt có mật độ
ng.tử lớn.
- VL càng có nhiều mặt
trượt thì càng dễ xảy
ra trượt.

Hình: a) Một hệ thống trượt
{111} [110] xảy ra trong một
tinh thể đơn vị FCC. b) Mặt
trượt {111} và 3 hướng trượt
[110] (hướng mũi tên)


(Tiếp)

Hình ảnh các đường trượt trên bề mặt của một mẫu
đồng đa tinh thể


Cơ chế tăng bền/biến cứng
VL tinh thể có khả năng biến
dạng dẻo lớn phụ thuộc vào
khả năng di chuyển lệch trong

VL. Do đó, sự cản trở lệch sẽ
tạo nên sức bền của VL. Một
số cách cản trở lệch di chuyển
như sau:
- Kiểm soát cỡ hạt (giảm tính
liên tục của mặt phẳng
ng.tử).
- Biến cứng (tạo ra và xáo trộn các lệch)
- HK hóa (đưa vào các khuyết tật điểm và thêm các hạt để
cản trở lệch)


a. Kiểm soát cỡ hạt
Cỡ hạt có ảnh hưởng tới sức bền của VL:
Các hạt càng nhỏ
độ bền VL càng tăng

Trong đó:
- d: đường kính hạt
trung bình
- Ϭo và ky: hằng số phụ
thuộc vật liệu.
Ảnh hưởng của cỡ hạt tới độ bền chảy của
HK 70Cu-30Zn


b. Biến cứng
Quá trình làm KL cứng và bền hơn thông qua biến dạng
dẻo. Khi biến dạng dẻo KL, lệch di chuyển và thêm lệch
khác được tạo ra. Càng nhiều lệch thì càng có nhiều ràng

buộc và xáo trộn trong VL → làm suy giảm khả năng di
chuyển của lệch và tăng bền VL.
Tăng cứng,
bền
Gia công
nguội

Lệch
mạng
Giảm độ dẻo


c. Hợp kim hóa
Quá trình tạo thêm các khuyết tật điểm và đưa các hạt thêm
để cản trở lệch.

Hàm lượng Ni ảnh hưởng đến a) độ bền chảy b) độ giãn dài (%EL)
của hợp kim Cu-Ni.