Tài liệu Biến dạng dẻo và cơ tính_Chương 2 ppt

19
Chơng 2





Biến dạng dẻo và cơ tính
Đa số vậ t liệ u, đặ c biệ t là kim loạ i, thờng đ ợc bá n dới dạ ng cá c bá n thà nh
phẩ m dới dạ ng: dâ y, thanh, hì nh, ống, tấ m, lá , bă ng... nhờ biế n dạ ng dẻ o (cá n), hoặ c cá c
phôi rè n khả o sát biế n dạng dẻ o không những giúp hiể u biế t cơ sở quá trì nh mà còn
giúp đề ra cá c biệ n phá p nâ ng cao cơ tí nh, khắ c phục những khuyế t tậ t.
2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy
2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy 2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy
2.1. Biế n dạng dẻ o và phá hủy




2.1.1.
2.1.1.2.1.1.
2.1.1. Khái niệ m
Khái niệ mKhái niệ m
Khái niệ m

Biể u đồ tả i trọng (hay ứng suấ t) vs biến dạ ng hì nh 2.1. cho thấ y:











- Nế u tiế p tục tă ng tả i trọng đế n giá trị cao nhấ t F
b
, mẫ u bị thắ t lạ i tả i trọng
=const (hoặ c ) nhng ứ/s phá hủy ở điể m c.
Sự biế n đổi về mạ ng tinh thể ở ba trạ ng thá i trê n trì nh bà y ở hì nh 2.2.

a) b) c) d)

Khi biế n dạ ng đà n hồi thì biế n dạ ng nhỏ a<a, biế n dạ ng dẻ o thì a>a, với a là thông
số mạ ng
phá hủy cá c liê n kế t bị hủy hoạ i dẫ n đế n đứt rời.
Biế n dạ ng dẻ o = cá ch tr ợt (đôi khi xả y ra bằ ng song tinh), ở đâ y chỉ giới hạ n khả o sá t
biế n dạ ng dẻ o dới hì nh thứ c nà y.
2.1.2.
2.1.2.2.1.2.
2.1.2. Trợt đơn tinh thể
Trợt đơn tinh thểTrợt đơn tinh thể
Trợt đơn tinh thể

Trợt là sự chuyể n dời tơng đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt và phơng
nhất đị nh gọi là mặ t và phơng trợt (hì nh 2.3.)
a. Các mặt và phơng trợt
a. Các mặt và phơng trợta. Các mặt và phơng trợt
a. Các mặt và phơng trợt














Mặt trợt là mặt (tởng tợng) phân cách giữa hai mặt nguyê n tử dày đặc nhất mà theo
đó sự trợt xảy ra.
Cá c mặ t và phơng trợt của ba kiể u mạ ng tinh thể thờng gặ p đ ợc trì nh bà y ở hì nh
2.4:
- M
ạ ng lftm (A1): mặ t trợt {111}, (4 mặ tx3 phơng)=12 hệ trợt chí nh khá c nhau.
- M
ạ ng lftk (A2): mặ t trợt {110}, (6 mặ t x 2 phơng)= 12 hệ trợt chí nh khá c nhau.
- Mạ ng lgxc (A3): mặ t trợt, (1 mặ t x 3 phơng)= 3 hệ trợt chí nh khá c nhau.

- Khi F < F
đh
, độ giã n dà i l tỷ lệ bậ c nhấ t với tả i trọng
biế n dạng đàn hồi. Vớ i F
1
biế n dạ ng O1, bỏ tả i
trọng mẫ u lạ i trở lạ i kí ch thớc ban đầ u.
- Khi F > F
đh
, độ biế n dạ ng tă ng nhanh theo tả i trọng,
khi bỏ tả i trọng biế n dạ ng vẫ n còn lạ i một phầ n biế n
dạng dẻ o. Khi F= F
a


biế n dạ ng Oa'', khi F=0

biế n
dạ ng Oa' biế n dạ ng dẻ o hay d,
Hì nh 2.1.
Biểu đồ kéo kim
li
a
a
độ dã n dà i
tả i trọng F
F
b
F
a

F
đh
F
l
a
b
c
e
l
O
Hì nh 2.2
.
Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể
khi lần lợt tăng tải trọng ban đầu (a),
biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo
(c), phá hủy (d)
20
- Ngoà i cá c mặ t, phơng trợt chí nh kể trê n còn có khả nă ng bị trợt theo cá c mặ t,
phơng dà y đặ c khá c tuy không phả i là dà y đặ c nhấ t.

Hì nh 2.3.
Sơ đồ biểu diễn sự trợt: a. đơn
tinh thể và mạng tinh thể trớc khi trợt,
b. hì nh dạng đơn tinh thể và mạng

tinh thể
sau khi trợt.

Hì nh 2.4.
Các mặt và phơng trợt cơ
bản của kim loại:
a.

lập phơng tâm khối, <100>
b.

lập phơng tâm mặt,<111>
c. lục giác xếp chặt, <0001>
- Khả nă ng biế n dạ ng dẻ o của kim loạ i tỷ lệ thuậ n với số hệ trợt chí nh: số hệ trợt càng
cao khả nă ng trợt cà ng lớn kim loạ i càng dễ biến dạ ng dẻo
- Thực tế đã chứng tỏ điều này: Fe

,Al,Ag,Cu...(mạ ng A1) dẻ o và dễ dá t mỏng hơ n Zn
(A3).
So với lftk (A2) mạ ng lftm (A1) tuy cùng 12 hệ trợt nhng dễ trợt hơn tí nh dẻ o cao
hơn
b.
b.b.
b.

ứ
ng suất gây ra trợt
ng suất gây ra trợtng suất gây ra trợt
ng suất gây ra trợt


Đị nh luật Schmid.
Khi >
th
(xá c đị nh đối với từng kim loạ i)
trợt mới xả y ra. Giá trị của

=?

=
S
F
cos.cos=
O
S
F
sin.cos.cos
trong đó F/S
0
là ứng suấ t ké o
0
thay và o ta có:
= 0,5
0
sin2 cos. Gọi cos.cos là

thừa số
Schmid.
ứng suấ t gâ y ra trợt phụ
thuộc và o góc

&

qua thừa số Schmid.
Khi = 90
o
hay = 90
o
= 0, lực F chỉ là m
phá hủy mà không xả y ra biế n dạ ng dẻ o.











Hì nh 2.5. Trợt trong đơn tinh thể
Khi (+) 90
o
,
max

= 0,5ơ
0
khi = = 45
o
.
H
ệ trợt nào có
max
thuậ n lợi nhấ t trợt xả y ra
trớc

cá c hệ í t thuận lợi hơn.
Hì nh thá i của trợt: hì nh 2.2c và 2.3b: các bậ c trợt, dải
trợt.







Hì nh 2.5b. Bậ c trợt và dải
trợt
bậ c
dả i
a)
b)
a)
b)
c)

phơng
trợt
mặ t
trợ
F


F
F
21
c.
c.c.
c. Tí nh dễ trợt
Tí nh dễ trợt Tí nh dễ trợt
Tí nh dễ trợt -
--
- cơ chế trợt
cơ chế trợt cơ chế trợt
cơ chế trợt


Độ bề n lý thuyế t:
t.h

2
G
, rấ t cao. Thực tế có lệ ch
t.h

43

10810 .
G
ữ
rấ t nhỏ









2.1.3.
2.1.3.2.1.3.
2.1.3. Tr
TrTr
Trợt đa tinh thể
ợt đa tinh thểợt đa tinh thể
ợt đa tinh thể



Vậ t liệ u kim loạ i thực tề luôn luôn là VL đa tinh thể .


a.
a.a.
a.

Các đặc điể m
Các đặc điể mCác đặc điể m
Các đặc điể m




Đặ c điể m của trợt đa tinh thể :
1) Các hạt bị biến dạng không đồng thời với mức độ khác nhau
2) Có tí nh đẳng hớng: số hạ t vô cùng lớn
3) Đa tinh thể c
ó độ bề n cao hơn
: Cá c hạ t cả n trở biế n dạ ng lẫ n nhau, biê n hạ t cả n trợt.

lực cao hơn

độ bề n cao hơn.
4) Hạt càng nhỏ độ bề n và độ dẻ o càng cao
: hạ t nhỏ có tổng diệ n tí ch biê n hạ t lớn hơn,
sẽ cả n trợt mạ nh hơn nê n là m tă ng độ bề n. Theo Hall - Petch:



ch
=

o
+
+ +
+

d
k
,
Khi hạ t nhỏ đi
tăng độ dai
vậ t liệ u khó bị phá hủy giòn rấ t u việ t
b.
b.b.
b. Tổ chức và tí nh chất của kim loạ i sau khi biế n dạng dẻ o
Tổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ oTổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ o
Tổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ o




1) Sau khi biế n dạ ng xô lệ ch mạ ng t/thể .





=0 =(40-50)%


=(40-50)%

=(70-90)%
Hì nh 2.7. Sự thay đổi tổ chức sau biến dạng
Textua biế n dạ ng. Ví dụ khi cá n: Al mạ ng A1: - cá c mặ t {110} song song với mặ t cá n
2) Biế n dạng dẻ o do xô lệch mạng ứng suất d, cho cơ tí nh , ứng suấ t nén d

bề mặ t là m giới hạ n mỏi: lă n é p, phun bi.
3) Xu hớng thay đổi cơ tí nh sau khi biế n dạng dẻ o (hì nh 2.8):
. Bề n (
đh
,
0,2
), cứng , dẻ o
. Dẫ n điệ n và tí nh chống ă n mòn giả m












Hì nh 2.8. ảnh hởng của độ biến dạng đến cơ tí nh của kim loại nói chung (a) và Cu
nói riêng (b).
tạ p chấ t
Hì nh 2.6.
Mô hì nh trợt trong mạng tinh
thể thực tế (có lệch biên)

tí nh chấ t

0,2



b


độ dẫ n


b
,

02
,
ksi


0
,2


b


độ dã n dà i,
20

40

60
a)
b)
22
2.1.4.
2.1.4.2.1.4.
2.1.4. Phá hủy
Phá hủyPhá hủy
Phá hủy


ứ
ng suấ t > [
b
] phá hủy do gã y, vỡ hoặ c đứt (fractography).
Đầu tiê n xuất hiệ n vế t nứt tế vi trê n bề mặt hay ở sâu bê n trong

phát triể n vế t nứt

phá
huỷ
Tuỳ theo tả i trọng:

a.
a.a.
a.

Tải trọng tĩ nh

Tải trọng tĩ nhTải trọng tĩ nh
Tải trọng tĩ nh













Tả i trọng tĩ nh: Phá hủy giòn và phá hủy
dẻ o




- Phá hủy dẻ o kè m theo biế n dạng dẻ o
- Phá hủy giòn không kè m theo biế n dạ ng
- Phá huỷ giòn xảy ra đột ngột (d), phá huỷ
dẻ o xả y ra từ từ (a) chậ m (b), nhanh (c)
- Công cho phá huỷ dẻ o lớn hơn
- Phá huỷ dẻ o hay giòn do:
+ bản chấ t VL: thé p, Al, Cu phá huỷ dẻ o,
gang giòn.
ceramic, polyme nhiệ t rắ n phá huỷ giòn

a) b) c) d)
Hì nh 2.9.
Các dạng mặt gãy khi phá hủy
+ T
o
phá huỷ giòn, tải trọng đặt vào nhanh, đột ngột phá huỷ giòn
-+ Kế t cấ u gâ y tậ p trung ứng suấ t (hạ bậ c đột ngột, rã nh, khí a, nứt,..) dể gâ y phá huỷ
giòn
Cơ chế p
Cơ chế pCơ chế p
Cơ chế phá hủy
há hủyhá hủy
há hủy



Phá hủy theo 4 giai đoạ n sau:
1) hì nh thành vế t nứt (tế vi),

2) vế t nứt tế vi phát triể n dới tới hạn, tới hạ n
3) vế t nứt tới hạn phát triể n nhanh,
4) nứt chấ m dứt và gã y rời,
trong đó cá c giai đoạ n 1,2 và 3 đ ợc coi là quan trọng nhấ t,
đá ng để ý nhấ t.
Tập trung ứng suất
Tập trung ứng suấtTập trung ứng suất
Tập trung ứng suất


Theo A.A Griffith:
max
:

t
max
a

2 =
(2.1)
Gọi


=
max
I
K

là hệ số cờng độ ứng suấ t,
xác đị nh bằ ng công thức:

aYK
I
=
(2.2)
Đối với vậ t liệ u giòn, ứng suấ t tới hạ n
gh
cầ n thiế t để phá t triể n vế t nứt là :
a
E2
gh


=
(2.3)
3 kiể u phá t triể n vế t nứt thờng gặ p (hì nh 2.13):











Hì nh 2.11. Sự hì nh thà nh vế t nứt

nguồn lệ c Frank-Read
cả n trở c/đ
a)
b)

o

t
x
x
2a
x x
a

o
x
x

max
mặ t cắ t dọc theo
nt
Hì nh 2.12. Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố
ứng suất trên tiết diện cắt ngang qua vết rỗng
(b)
23

Hì nh 2.13.
Ba kiểu tải trọng và lan chuyển vết nứt:

Kiểu I là kiểu thờng gặ p hơn cả và đ ợc đa và o tí nh toá n.
Do tậ p trung ứng suấ t
gh
(công thức 2.3) vế t nứt gâ y phá huỷ giòn vậ t liệ u. Giỏ
tr h s cng ng sut tng ng ti ú c gi l dai phỏ hu ca vt liu,
ký hiu l K
IC
, c trng cho mi loi vt liu

aYK
ghIC
= , [N.m
-3/2
] hay

[
MPa.m
1/2
], xá c đị nh bằ ng thực nghiệ m

Đối với vậ t liệ u dẻ o (phầ n lớn kim loạ i và vậ t liệ u polyme), đề u có biế n dạ ng dẻ o trớc
khi phá hủy, điề u đó là m cho đỉ nh nứt tù (cùn, bớt sắ c nhọn) đi, bá n kí nh cong tă ng lê n,
nhờ đó làm tăng
gh
và K
IC
.
Bảng 2.1. Giới hạn chảy và độ dai phá hủy biến dạng phẳng của một số loại vật liệu
Vậ t liệ u

0,2
, MPa
K
IC
, MPa
m

Vậ t liệ u

0,2
, MPa
K
IC
, MPa
m

Kim loạ i Ceramic và polyme
Hợp kim nhôm 2024-
T351
325 36

Hợp kim nhôm 7075-
T651
505 29
oxit nhôm - 3-5,3
Thuỷ tinh - 0,7-0,8
Bê tông - 0,2-1,4
Thé p 4340,tôi +ram
260
o
C Thé p 4340,tôi
+ram 425
o
C
1640
1420
50
87,4
Polyme ,PMMA
Polystyren, PS
-
-
1,0
0,8-1,1
b.
b.b.
b. Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ
Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳTrong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ
Trong điề u kiệ n tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Cầ u, trục, bá nh ră ng,.. chị u tả i trọng không lớn (<<
0,2
) nhng thay đổi theo chu kỳ, vẫ n
có thể bị phá hủy sau thời gian dà i và tơng đối dài (> 10
5
ữ 10
6
chu kỳ) phá hủy mỏi.
Cơ chế : từ vế t nứt đầ u tiê n, thờng nằ m ở trê n bề mặ t là nơi chị u ứng suấ t ké o lớn nhấ t,
điề u kiệ n thuậ n lợi phá t triể n vế t nứt.
Vế t nứt tế vi trê n bề mặ t: rỗ co, bọt khí , tạ p chấ t, xớc, lồi lõm tă ng độ bóng bề mặ t
Vế t nứt có thể sinh ra dới tá c dụng của tả i trọng thay đổi theo chu kỳ (hì nh 2.15a).





Hì nh 2.15a. Sơ đồ hì nh thà nh vế t nứt
mỏi





Hì nh 2.15b. Sơ đồ mặ t gã y khi phá huỷ mỏi
Mặ t gã y ở chỗ phá hủy mỏi (hì nh 2.15b).

2.2.
2.2.2.2.
2.2.

Các đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ a
Các đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ aCác đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ a
Các đặc trng cơ tí nh thông thờng và ý nghĩ a






mặ t











vế t nứt nguồn lệ ch
Frank-Read

k

k
vùng 1, sá t
bề mặ t là
vế t nứ t đ ầ u
vùng 3,
phá
hỷ
biế n dạ ng
hẳ
ứng suấ t
ẳ
chiề u dà y
Độ d ai p há
K
IC
Hì nh 2.14. ảnh hởng của chiề u
dà y
B
th
Kiể u I=ké o
Kiể u
Kiể u III=xé