Tài liệu Biến dạng dẻo và cơ tính doc

49


Chương 2

biến dạng dẻo và cơ tí nh

Trong chương nà y trì nh bà y cá c hà nh vi của vậ t liệ u (chủ yế u là kim
loại) dưới tá c dụng của lực cơ học bên ngoà i, tức là quá trì nh biế n dạng dẻ o và
cá c đặc trưng của nó. Nhờ những hiể u biế t cơ bả n nà y có thể rút ra những
nguyên lý là m cho vậ t liệ u trở nên bền hơn, có cơ tí nh phù hợp với điều kiệ n
là m việ c và gia công.
Đối với vậ t liệ u, đặc biệ t là kim loại, cá c bá n thà nh phẩm đ ược cung
cấ p dưới dạng dâ y, thanh, hì nh, ống, tấ m, lá , bă ng... nhờ biế n dạng dẻ o (cá n)
nên rấ t tiệ n cho sử dụng. ở cá c nhà má y cơ khí chúng thường đ ược qua rè n
để tạo phôi (có dạng gầ n giống với sả n phẩ m) trước khi cắt gọt. Việ c khả o sá t
biế n dạng dẻ o không những giúp hiể u biế t chí nh quá trì nh đó mà điều quan
trọng nữa là còn là m rõ đ ược bả n chấ t của cá c đặc trưng cơ tí nh cùng cá c
biệ n phá p nâ ng cao, sự biế n đổi cơ tí nh kè m theo cũng như cá ch khắc phục
những hiệ u ứng không thuậ n.
2.1.

Biế n dạng dẻ o và phá hủy
2.1.1.

Khái niệm


Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫ u kim loại tròn, dà i ta được biểu đồ
kéo [hay còn gọi là biể u đồ tả i trọng (hay ứng suấ t) - biế n dạng] với dạng điể n
hì nh đ ược trì nh bà y ở hì nh 2.1. Biể u đồ nà y cho ta một khá i niệ m chung về

cá c loại biế n dạng và phá hủy.
- Khi tả i trọng đặt và o nhỏ, F < F
đh
, độ biế n dạng (ở đâ y biể u thị bằ ng
độ gi n dà i l) tỷ lệ bậ c nhấ t với tả i trọng, khi bỏ tả i trọng biế n dạng mấ t đi.
Biế n dạng như vậ y đ ược gọi là biế n dạng đàn hồi. Ví dụ, dưới tả i trọng F
1

mẫ u bị dà i thêm đoạn O1, nhưng khi nhấ c (bỏ) tả i trọng đi mẫ u lại trở lại kí ch
thước ban đầ u.
Hì nh 2.1. Sơ đồ biểu đồ tải trọng -
biến dạng điển hì nh của kim loại.
50
- Khi tả i trọng đặt và o lớn, F > F
đh
, độ biế n dạng tă ng nhanh theo tả i
trọng, khi bỏ tả i trọng biế n dạng không bị mấ t đi mà vẫ n còn lại một phầ n.
Biế n dạng nà y đ ược gọi là biế n dạng dẻ o. Ví dụ, khi đặt tả i trọng F
a
mẫ u bị
kéo dà i theo đ ường Oea tức bị dà i thêm đoạn Oa'', nhưng khi bỏ tả i trọng mẫ u
bị co lại theo đ ường song song với đoạn thẳng Oe nên cuối cùng vẫ n còn bị dà i
thêm một đoạn Oa', phầ n nà y chí nh là phầ n biế n dạng dẻ o hay dư, còn lại sau
quá trì nh; còn a'a'' là phầ n biế n dạng đà n hồi bị mấ t đi sau quá trì nh.
Nhờ biế n dạng dẻ o ta có thể thay đổi hì nh dạng, kí ch thước kim loại tạo
nên nhiều chủng loại phong phú đá p ứng tốt yêu cầ u sử dụng.
- Nế u tiế p tục tă ng tả i trọng đế n giá trị cao nhấ t F
b
, lúc đó trong kim
loại xả y ra biế n dạng cục bộ (hì nh thà nh cổ thắt), tả i trọng tá c dụng giả m đi

mà biế n dạng vẫ n tă ng (cổ thắt hẹp lại) dẫ n đế n đứt và phá hủy ở điể m c.
Sự biế n đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thá i trên trì nh bà y ở hì nh 2.2.
Hì nh 2.2. Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lượt tăng tải trọng:
ban đầu (a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo (c), phá hủy (d).

Khi biế n dạng đà n hồi cá c nguyên tử chỉ dịch chuyể n đi khoả ng cá ch
nhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tă ng từ a lên a+

a, tức
chưa sang vị trí câ n bằ ng mới nên khi bỏ tả i trọng lại trở về vị trí câ n bằ ng cũ.
Biế n dạng đà n hồi xả y ra do cả ứng suấ t tiế p lẫ n ứng suấ t phá p. Khi biế n dạng
dẻ o cá c nguyên tử dịch chuyể n đi khoả ng cá ch lớn hơn (quá một thông số
mạng) nên khi bỏ tả i trọng nó trở về vị trí câ n bằ ng mới. Cầ n nhớ là biế n dạng
dẻ o chỉ xảy ra do ứng suất tiế p. Khi biế n dạng đà n hồi và dẻ o lực liên kế t giữa
cá c nguyên tử vẫ n đ ược bả o tồn, còn khi phá hủy cá c liên kế t bị hủy hoại dẫ n
đến đứt rời.
Biế n dạng dẻ o thường xả y ra bằ ng cá ch trượt (đôi khi xả y ra bằ ng song
tinh), ở đâ y chỉ giới hạn khả o sá t biế n dạng dẻ o dưới hì nh thức nà y.
Để khả o sá t biế n dạng dẻ o chúng ta sẽ bắt đầ u từ dạng đơn giả n nhấ t
(tuy hầ u như không gặp trong thực tế ) là trượt của đơn tinh thể rồi mở rộng ra
cho dạng thực tế nhưng phức tạp hơn là cho đa tinh thể .
2.1.2.

Trượt đơn tinh thể

Trượt là sự chuyể n dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những
mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt như được biểu diễn ở
hì nh 2.3.
a. Các mặt và phương trượt

Khi hai mặt nguyên tử dịch chuyể n tương đối với nhau, liên kế t giữa cá c
51
nguyên tử đối diệ n nhau sẽ bị đứt đi, trong khi đó mối liên kế t giữa các nguyên
tử cạnh nhau trong mỗi mặt vẫ n đ ược bả o toà n. Để thỏa m n điều kiện đó, các
mặt nguyên tử nà y phả i có mậ t độ nguyên tử lớn nhấ t (hay khoả ng cá ch
nguyên tử nhỏ nhấ t) và nhờ đó có liên kế t vững chắc nhấ t. Do mậ t độ khối
không thay đổi nên khoả ng cá ch giữa hai mặt có mậ t độ nguyên tử lớn nhấ t
nà y cũng là lớn nhấ t, do đó có liên kế t yế u nhấ t, dễ bị đứt, vì thế hai mặt nà y
dễ dịch chuyể n đi với nhau. Mặt trượt là mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai
mặt nguyên tử dày đặc nhất mà theo đó sự trượt xảy ra.
Cũng lý luậ n tương tự, khi trượt cá c phầ n của tinh thể sẽ dịch chuyể n
tương đối với nhau theo các mặt trượt và trên mặt trượt đó theo phương có mậ t
độ lớn nhấ t vì có liên kế t mạnh nhấ t. Cá c mặt, phương dà y đặc nhấ t và là cá c
mặt và phương có thể trượt của ba kiể u mạng tinh thể kim loại thường gặp
đ ược trì nh bà y ở hì nh 2.4.

Hì nh 2.3. Sơ đồ biểu diễn sự trượt:
a.hì nh dạng đơn tinh thể và mạng tinh
thể trước khi trượt,
b. hì nh dạng đơn tinh thể và mạng
tinh
thể sau khi trượt.
Hì nh 2.4. Các mặt và phương trượt cơ
bản của kim loại:
a. lập phương tâm khối,
b. lập phương tâm mặt,
c. lục giác xếp chặt.

ở mạng lậ p phương tâ m khối (A2) cá c mặt dà y đặc nhấ t là họ mặt
{110} là mặt chéo chữ nhậ t đi qua nguyên tử ở giữa khối. Tấ t cả có sá u mặt

như vậ y. Trên mỗi mặt lại có hai phương dà y đặc nhấ t thuộc họ <111> là cá c
phương đối đỉnh của khối lậ p phương. Sự trượt bao giờ cũng xả y ra bằ ng sự kế t
hợp giữa một mặt trượt và một phương trượt trên nó, đ ược gọi là hệ trượt.
Như vậ y mạng A2 có 12 (6 mặt x 2 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau.
ở mạng lậ p phương tâ m mặt (A1) cá c mặt dà y đặc nhấ t là họ mặt
{111} là mặt chéo tạo bởi ba đ ường chéo của ba mặt bên có chung một đỉnh. Tấ t
cả có bốn mặt như vậ y. Trên mỗi mặt có ba phương dà y đặc nhấ t là đ ường
chéo thuộc họ <110> kể trên. Như vậ y mạng A1 cũng có 12 (4 mặt x 3 phương)
hệ trượt chí nh khá c nhau.
Còn mạng lục giá c xế p chặt chỉ có một mặt dà y đặc nhấ t là mặt đá y
(0001) và trên đó có ba phương dà y đặc nhấ t thuộc họ <11
2 0>. Như vậ y mạng
52
A3 chỉ có 3 (3 mặt x 1 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau.
Tuy nhiên ngoà i cá c mặt, phương trượt chí nh kể trên, trong thực tế tinh
thể còn có khả nă ng bị trượt theo cá c mặt, phương dà y đặc khá c tuy không
phả i là dà y đặc nhấ t. Đối với mạng A2 và A3, ngoà i cá c mặt và phương trượt
chí nh kể trên kim loại còn có thể trượt trên cá c hệ phụ. Ví dụ, Fe

(A2) còn
có thể trượt trên cá c hệ : mặt {211} hay {321} với cùng phương <111>; Mg, Ti
(A3): {10
10} hay {11 2 0} với cùng <11 2 0>.
Người ta nhậ n thấ y khả nă ng biế n dạng dẻ o của kim loại tỷ lệ thuậ n với
số hệ trượt chí nh. Do kim loại có số hệ trượt cà ng cao thì khả nă ng thí ch ứng
với sự trượt cà ng lớn nên kim loại với mạng hệ lậ p phương dễ biế n dạng dẻ o
hơn hệ lục giá c. Thực tế đ chứng tỏ điều nà y: sắt, nhôm, bạc, và ng, đồng...
rấ t dẻ o và dễ dá t mỏng, còn kẽ m thì kém hơn. Song cùng là hệ lậ p phương,
kim loại nà o có số phương trượt cao hơ n sẽ có tí nh dẻ o cao hơn, tức loại tâ m
mặt dẻ o hơn loại tâ m khối, như ở nhiệ t độ thường đồng, nhôm... dẻ o hơn sắt.

b.

ứ
ng suất gây ra trượt
Như đ nói khá c với biế n dạng đà n hồi, khi biế n dạng dẻ o chỉ có thà nh
phầ n ứng suấ t tiế p trên phương trượt mới có tá c dụng gâ y nên trượt. H y tí nh
ứng suấ t đó.
Xét trường hợp đơn giả n nhấ t: kéo đơn tinh thể theo một trục như biể u
thị ở hì nh 2.5a. Lực kéo F là m với phá p tuyế n của mặt trượt đ cho góc và
phương trượt đ cho góc . Nế u mặt cắt ngang của tinh thể có diệ n tí ch S
0
thì
mặt trượt S có diệ n tí ch S
0
/cos và ứng suấ t tiế p trên phương trượt là
=
S
F
cos =
S
F
o
cos cos,
trong đó: - F / S
0
là ứng suấ t quy ước
0
ứng suấ t phá p do ngoại
lực F tá c dụng lên tiế t diệ n ngang của tinh thể có giá trị không đổi, nên

=
0
cos cos


Hì nh 2.5. Trượt trong đơn tinh thể:
a. định hướng của hệ trượt với ngoại lực,
b. tinh thể sau khi trượt với bậc thang biến dạng dư (dẻo),
c. đường trượt và dải trượt trên tổ chức tế vi

Đó l à định luật Schmid. Khi có độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn
nhấ t định
th
(xá c định đối với từng kim loại) quá trì nh trượt mới xả y ra. Như
vậ y ứng suấ t gâ y ra trượt phụ thuộc và o cos cos được gọi là thừa số
Schmid. Nói chung ( + ) 90
o
, trường hợp = 90
o
hay = 90
o
tức ngoại lực
53
song với mặt trượt hay vuông góc với phương trượt thì = 0 lúc nà y tinh thể bị
phá hủy mà không xả y ra biế n dạng dẻ o. ứng suấ t tiế p đạt cực đại
max
= 0,5ơ
0

khi = = 45

o
. ứng suấ t tiế p tá c dụng trên cá c hệ trượt khá c nhau cũng
khá c nhau. Nế u lớn hơn một giá tri
t.h
nào đó được gọi là ứng suấ t trượt tới
hạn (có giá trị không đổi đối với mỗi kim loại) thì sự trượt sẽ xả y ra. Định luậ t
Schmid quy định hệ trượt nà o hoạt động trước tiên khi đặt tả i. Đó là hệ thuậ n
lợi nhấ t với yế u tố định hướng thuậ n lợi nhấ t: , gầ n 45
o
nhấ t, tại đó giá trị
tới hạn của ứng suấ t tiế p đạt đ ược sớm nhấ t. Như vậ y có thể là hệ thuậ n lợi
nhấ t sẽ trượt trước, sau đó khi tả i trọng F tă ng lên đế n lượt cá c hệ í t thuậ n
lợi hơn.
Sự thay đổi mạng tinh thể khi trượt như trì nh bà y ở hì nh 2.2c và 2.3b
là quá lý tưởng, trong thực tế mạng tinh thể ở hai bên mặt trượt trở nên xô lệ ch
gâ y cả n trở trượt tiế p tục, sự trượt chỉ xả y ra trên độ dà i nhấ t định rồi dừng
lại, tạo nên bậ c như biể u thị ở hì nh 2.5b. Sau khi trượt thấ y có biế n dạng dư,
có thể coi nó như là tổng của cá c bậ c đó thoá t ra khỏi bề mặt khi trượt.
Sau khi trượt như vậ y trên mặt ngoà i theo chiều dà i tinh thể xuấ t hiệ n
cá c bậ c nhỏ song song nhau, đó là cá c đ ường trượt mà nhiều đ ường trượt gầ n
nhau tạo nên dả i trượt (hì nh 2.5c).

c.

Tí nh dễ trượt - cơ chế trượt
Nói chung đối với các kim loại

t.h
có giá trị rất nhỏ (ví dụ với nhôm nó
chỉ và o khoả ng 1MPa) nên kim loại rất dễ trượt hay nói khá c đi dễ dà ng bị

biế n dạng dẻ o với ứng suấ t bé tức có độ bền thấ p. Điều nà y có liên quan đế n
mạng tinh thể cũng như độ hoà n thiệ n của nó.
Khi mạng tinh thể có sắp xế p lý tưởng (không có lệ ch), khi trượt tất cả
nguyên tử ở hai bên mặt trượt bắt buộc phả i dịch chuyể n đồng thời do đó đòi
hỏi ứng suấ t tiế p rấ t lớn (theo tí nh toá n
t.h


2
G
, trong đó G là môđun trượt).
Với mô hì nh như vậ y sự trượt là trượt cứng,
t.h
tương ứng đ ược gọi là độ bền
lý thuyế t. Trong mạng tinh thể thực tế , tức có chứa lệ ch, sự trượt sẽ xảy ra với
ứng suấ t nhỏ hơn rấ t nhiều lầ n và sự trượt sẽ xả y ra khá c bằ ng chuyể n động
của lệ ch. Khi có lệ ch biên (hì nh 2.6) cá c nguyên tử ở hai bên bá n mặt bị xô
lệ ch đà n hồi đối xứng, ứng suấ t hai bên câ n bằ ng lẫ n nhau nên bá n mặt nà y rấ t
dễ dịch chuyể n đi một khoả ng cá ch nhỏ khi có lực bên ngoà i tá c dụng. Giả sử
có ứng suấ t có tá c dụng như ở hì nh vẽ , bá n mặt sẽ dịch chuyể n đi một
khoả ng cá ch nhỏ sang phả i và do đó liên kế t đ ược với nửa hà ng dọc nguyên tử
ở phí a dưới thà nh mặt tinh thể mới, bá n mặt dịch chuyể n dầ n qua phả i. Quá
trì nh dịch chuyể n nguyên tử khi trượt cứ xả y ra như vậ y cho đế n khi bá n mặt
đ ược thoá t ra khỏi bề mặt tinh thể , tạo ra ở đó bậ c thang nguyên tử. Như vậ y ở
từng thời điể m chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt, sự truyền
chuyể n động giống như chạy tiế p sức, do đó chỉ đòi hỏi ứng suấ t
tiế p nhỏ, theo tí nh toá n
t.h

43

10.810.8
G

. Với mô hì nh như vậ y sự
trượt có tí nh nối tiế p,
t.h
tương ứng đ ược gọi là độ bền thực tế , nhỏ hơn độ
bền lý thuyế t từ 100 đế n 1000 lầ n. Đó là khoả ng cá ch quá lớn.
54
Rõ ràng tiềm năng về độ bền của vật liệ u nói chung và kim loại nói riêng
là rất lớn, sở dĩ chưa khai thác đ ược bao nhiêu là do tồn tại lệ ch và các
khuyế t tật mạng mà khoa học chưa tì m đ ược giải pháp loại trừ một cách hữu
hiệ u.

Hì nh 2.6. Mô hì nh tr ượt trong mạng tinh thể thực tế (có lệch biên).

2.1.3.

Trượt đa tinh thể
Trong thực tế , biế n dạng dẻ o luôn luôn là trượt đa tinh thể .

a.

Các đặc điểm
Tuy đa tinh thể gồm bởi nhiều tinh thể (hạt) song không thể xem sự
trượt của nó là tổng đơn thuầ n của sự trượt của từng tinh thể hay hạt trong nó.
Từ những đặc điể m về cấ u trúc đ trì nh bà y ở 1.4.1 có thể thấ y trượt đa tinh
thể có những đặc điể m sau.
1) Các hạt bị biế n dạng không đều. Ngay cả đối với kim loại nguyên
chấ t cá c hạt có mạng tinh thể giống nhau song lại có định hướng mặt và

phương khá c nhau, nên chúng sẽ bị trượt khá c nhau: hạt nà o có định hướng
thuậ n lợi với sự trượt sẽ trượt trước với ứng suấ t bé, ngược lại hạt nà o có định
hướng không thuậ n lợi sẽ trượt sau với ứng suấ t lớn hơn, thậ m chí có hạt
không thể trượt được.
2) Có tí nh đẳng hướng. Do sự định hướng phương và mặt của cá c hạt
mang tí nh ngẫ u nhiên cho nên dù lực bên ngoà i tá c dụng như thế nà o cũng cho
một kế t quả chung như nhau, tức có tí nh đẳng hướng (tuy từng hạt vẫ n có tí nh
dị hướng nhưng tổng hợp lại không còn). Tí nh chấ t nhậ n đ ược là kế t quả thử
tổng hợp theo mọi phương của cá c hạt.
3) Có độ bền cao hơn. Cá c hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua
vùng biên. Trong thực tế sự trượt của hạt nà y đều kéo theo cá c hạt bên cạnh, rồi
chí nh nó lại bị cá c hạt nà y cả n trở. Vùng biên hạt có sắp xế p không trậ t tự rấ t
khó tạo nên mặt và phương trượt nên có thể coi nó như lớp vỏ cứng cả n trượt.
Chí nh do có nhiều cả n trở như vậ y, để trượt được nói chung phả i tá c dụng lực
cao hơn, nói khá c đi có độ bền cao hơn độ bền trung bì nh (theo cá c phương)
của đơn tinh thể .
4) Hạt càng nhỏ đ ộ bền và độ dẻ o càng cao
. Do hạt nhỏ có tổng diệ n
tí ch biên hạt lớn hơn, sẽ cả n trượt mạnh hơn nên là m tă ng độ bền. Mối quan hệ
giữa giới hạn chả y
ch
(hay
0,2
) và kí ch thước (đ ường kí nh) hạt d đ ược mô tả
55
bằ ng biể u thức Hall - Petch như sau:

ch
=



o
+
d
k

trong đó:
o
- ứng suấ t cầ n thiế t để lệ ch chuyể n động khi d tức trong
đơn tinh thể , k - hằ ng số biể u thị cấ u trúc của biên hạt.
Đồng thời khi hạt nhỏ đi, số lượng hạt tă ng lên là m cho số hạt thí ch ứng
với sự trượt theo phương bấ t kỳ cũng tă ng lên tương ứng, điều đó cũng có
nghĩ a sự trượt được phâ n bố trên nhiều hạt hơn và lượng biế n dạng dư (tức
tí nh dẻ o) tă ng lên. Rấ t í t biệ n phá p công nghệ có tá c dụng tốt đồng thời đế n
cả độ bền lẫ n độ dẻ o (thông thường khi đ ộ bền tă ng lên thì độ dẻ o lại giả m đi
tương ứng). Hiệ u ứng nà y còn quan trọng hơn ở chỗ do là m tăng cả độ bền lẫn
độ dẻ o nên làm tăng mạnh độ dai, vậ t liệ u khó bị phá hủy giòn. Do vậ y vậ t
liệ u với hạt nhỏ ưu việ t hơn hẳn hạt lớn; vì thế trong chế tạo cơ khí , luyệ n kim
thường xuyên yêu cầ u đạt hạt nhỏ.

b.

Tổ chức và tí nh chất của kim loại sau khi biế n dạng dẻ o
Biế n dạng dẻ o là m thay đ ổi rấ t mạnh tổ chức, tí nh chấ t đặc biệ t là cơ
tí nh của vậ t liệ u cũng như kim loại.

1) Trong và sau khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô
lệ ch, cá c hạt bị biế n dạng không đều, song đều có khuynh hướng bị kéo dà i, bẹt
ra theo phương biế n dạng. Với độ biế n dạng lớn (40 ữ 50%) hạt bị phâ n nhỏ ra,
cá c tạp chấ t và pha thứ hai bị nhỏ vụn ra, kéo dà i ra tạo nên thớ (độ biế n dạng
thường đ ược tí nh bằ ng độ giả m của tiế t diệ n phôi khi biế n dạng dẻ o theo
công thức =
%100
S
SS
o
fo

, trong đó S
o
và S
f
là tiế t diệ n phôi trước và
sau khi biế n dạng dẻ o). Khi độ biế n dạng rấ t lớn (70 ữ 90%, í t gặp) cá c hạt bị
quay đế n mức cá c mặt và phương mạng cùng chỉ số của chúng trở nên song
song với nhau (hì nh 2.7), tạo nên cấ u trúc đ ược gọi là textua (texture) đ dược
trì nh bà y ở mục 1.6.3 và hì nh 1.20.
Khi kim loại có textua nó sẽ có tí nh dị hướng. Hiệ n tượng nà y đ ược áp
dụng khá rộng r i cho thép kỹ thuậ t điệ n để là m giả m tổn thấ t từ trong cá c
biến thế.
Textua tạo nên trong trường hợp nà y đ ược gọi là textua biế n dạng. Ví
dụ khi cá n:
- cá c mặt {123} và {110} của A1, {100} hoặc {110} của A2, {0001} của
A3 định hướng lại song song với mặt phẳng cá n;
- cá c phương < 412 > và < 211 > của A1, < 100 > của A2, < 10
10 > của

A3 định hướng lại song song với phương cá n.
2) Sau biế n dạng dẻ o trong kim loại tồn tại ứng suấ t dư do xô lệ ch mạng
và biế n dạng không đều giữa cá c hạt cũng như trên tiế t diệ n. Nói chung ứng
suấ t bên trong có hại cho cơ tí nh, song cũng có trường hợp người ta cố ý tạo
nên lớp ứng suấ t nén dư để nâ ng cao giới hạn mỏi bằ ng cá ch lă n ép, phun bi.
3) Sau khi biế n dạng dẻ o, do mạng tinh thể bị xô lệ ch, cơ tí nh kim loại
thay đổi rất mạnh theo chiều hướng như sau (hì nh 2.8):
- tăng độ cứng,
56
- tăng độ bền song trong đó giới hạn đàn hồi

đh
và giới hạn chảy

0,2
tăng mạnh hơn,
tức có xu hướng biế n cứng, hóa bền
,
nhưng lại làm giảm dộ dẻ o và độ
dai, tức có xu hướng biế n giòn.
Hì nh 2.7. Hai dạng textua biến dạng trong vật liệu từ mềm:
a. Fe-Si, textua { 110 } < 100 >, b. Fe-Ni, textua { 100 } < 100 >.

Hiệ n tượng này còn đ ược gọi là hóa bền biế n dạng (để phân biệt với
một số dạng hóa bền khá c như nhiệ t luyệ n, hợp kim hóa...).
Hóa bền biế n dạng là hì nh thức hóa bền thông dụng trong kỹ thuậ t
đ ược gọi dưới nhiều tên khá c nhau như: biế n cứng, cứng nguội. Hiệ u quả mạnh
nhấ t của hóa bền biế n dạng là ở giai đoạn đầ u, cà ng về sau hiệ u quả nà y giả m
dầ n. Khi độ biế n dạng rấ t cao
đh

và
0,2
đạt gầ n tới
b
, song lúc đó độ dẻ o ()
hầ u như bằ ng không. Nói chung biế n dạng dẻ o có thể là m tă ng giới hạn bền,
độ cứng từ 1,5 đế n 3 lầ n, giới hạn chả y từ 3 đế n 7 lầ n. Cá c vậ t liệ u với mạng
A1 (thép austenit, nhôm, đồng và cá c hợp kim của chúng) có hiệ u ứng hóa bền
biế n dạng mạnh hơn hơn cả nên thường đ ược á p dụng nhiều hơn, có hiệ u quả
hơn loại mạng A2 (cá c thép khá c...). Tuy nhiên là m giả m mạnh độ dẻ o và độ
dai là điều phả i tí nh tới khi á p dụng dạng hóa bền nà y. Trong nhiều trường hợp
sau khi biế n dạng dẻ o, kim loại trở nên hoặc là quá cứng khó cắt gọt hay biế n
dạng dẻ o tiế p theo, hoặc là quá giòn dễ bị gẫ y ngay cả dưới tả i trọng va đậ p
nhỏ, lúc đó cầ n phả i đ ưa kim loại về trạng thá i ban đầ u như lúc chưa biế n dạng
bằ ng cá ch ủ kế t tinh lại (xem mục 2.3.2 tiế p theo).

Hì nh 2.8. ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tí nh
của kim loại nói chung (a) và đồng nói riêng (b).
57
Ngoà i là m thay đổi cơ tí nh, biế n dạng dẻ o cũng là m thay đổi lý, hóa
tí nh trong đó đá ng chú ý là :
- là m tă ng điệ n trở (do vậ y đối với vậ t liệ u dẫ n điệ n như dâ y đồng,
nhôm phả i trá nh dùng ở trạng thá i biế n cứng),
- là m giả m mạnh tí nh chống ă n mòn.
2.1.4.

Phá hủy
Thông thường, khi tiế p tục tă ng ứng suấ t lên cao nữa vậ t liệ u bị phá hủy
do g y, vỡ hoặc đứt. Phá hủy là dạng hư hỏng trầ m trọng nhấ t, không thể khôi
phục sửa chữa đ ược, gâ y tổn thấ t nghiêm trọng về kinh tế và những hậ u quả về

sinh mạng, vì vậ y cầ n nghiên cứu tỉ mỉ để chống lại nó. Hiệ n có hẳn một
ngà nh chuyên nghiên cứu về phá hủy (fractography). Trong mỗi trường hợp khá c
nhau sự phá hủy mang nhữ ng đặc điể m riêng song có một cơ chế chung là :
trước hế t bao giờ cũng xuất hiệ n vế t nứt tế vi đầu tiên ở trên bề mặt hay ở sâu
bên trong, tiế p theo vế t nứt đó phát triể n lên rồi cuối cùng mới dẫn đế n tách
đứt, rời. H y xét sự phá hủy trong những điều kiệ n tả i trọng khá c nhau.

a.

Trong điều kiệ n tải trọng tĩ nh

Tả i trọng tĩ nh là tả i trọng tá c dụng (đặt và o) một cá ch chậ m chạp, êm,
tức tă ng lên từ từ. Người ta phâ n biệ t hai dạng phá hủy: giòn và dẻ o.
Phá hủy giòn và phá hủy dẻ o





Hì nh 2.9. Các dạng mặt gãy khi phá
hủy:
a) dạng co thắt mạnh thành
điểm,
b) dạng co thắt côn về hai
phí a,
c) dạng co thắt vừa phải kiểu
chén - đĩa,
d) dạng không thắt, bằng phẳng
ngang.

(phụ lục: hì nh ả nh co thắt khi phá huỷ)
Tùy theo vùng gẫ y có tiế t diệ n biế n đổi hay không mà phâ n biệ t hai
dạng nà y. Phá hủy kè m theo biế n dạng dẻ o với mức độ rõ rệ t tức là vùng gẫ y
vỡ có tiế t diệ n biế n đổi được gọi là phá hủy dẻ o; ngược lại khi kè m theo biế n
dạng dẻ o không rõ rệ t tức vùng gẫ y vỡ có tiế t diệ n hầ u như không biế n đổi
đ ược gọi là phá hủy giòn. Có thể phâ n biệ t dễ dà ng hai dạng nà y khi
thử kéo ở chỗ bị đứt (hì nh 2.9). Dạng đứt như ở hì nh 2.9a là phá hủy dẻ o ở
cá c vậ t liệ u có độ dẻ o rấ t cao nên chỗ đứt bị co thắt rấ t mạnh chỉ còn là một
điể m, khi dẻ o cao trước khi đứt bị biế n dạng đá ng kể thà nh hì nh côn về hai
phí a như hai đá y cốc rá p lại như ở hì nh 2.9b, ở một số loại còn thấ y có dạng
chén - đĩ a (chén đặt trên đĩ a) như hì nh 2.9c là loại có độ dẻ o thấ p, trong khi
đó loại vậ t liệ u giòn có mặt g y bằ ng phẳng, ngang mà trên bề mặt hầ u như
không thấ y có thay hì nh đổi dạng như hì nh 2.9d. Rõ rà ng là phá hủy giòn là
loại không dự bá o (không thể biế t trước từ cá c biể u hiệ n bên ngoà i) nên rấ t
58
nguy hiể m, do vậ y nế u phả i xả y ra thì bao giờ người ta cũng mong muốn phá
hủy là dẻ o, có thể biế t trước để thay thế hay sửa chữa.

Hì nh 2.10. ảnh hưởng của nhiệt độ (a) và tốc độ biến dạng
!
(b) đến
phá hủy giòn và dẻo. (
!
1
<
!
2
<
!
3

)

Phá hủy dẻ o phá t triể n với tốc độ rấ t chậ m, cầ n nhiều nă ng lượng,
trong khi đó phá hủy giòn phá t triể n với tốc độ rấ t lớn (khoả ng 1000m/s), chỉ
cầ n nă ng lượng nhỏ. Khi phá hủy sự tá ch rời cá c phầ n của vậ t thể có thể cắt
ngang cá c hạt (mặt g y nhẵn) hay theo biên hạt (mặt g y nổi hạt), trong đó mặt
g y nổi hạt luôn luôn đi kè m với phá hủy giòn.
Phá hủy ở dạng nào chủ yế u là phụ thuộc loại vật liệ u: vật liệ u dẻ o
như thép thường bị phá hủy dẻ o, còn vật liệ u giòn như gang thường bị phá hủy
giòn. Ngoà i ra nó còn phụ thuộc và o nhiệ t độ và tốc độ đặt tả i trọng: khi hạ
thấ p nhiệ t độ cũng như tă ng tốc độ đặt tả i trọng cũng có thể là m vậ t liệ u dẻ o
bị phá hủy giòn.
Khi hạ thấ p nhiệ t độ, ở mọi vậ t liệ u cơ tí nh đều biế n đổi theo chiều
hướng tă ng độ bền và giả m độ dẻ o (hì nh 2.10a), tại nhiệ t độ T
o
b.gi
- đ ược gọi
là nhiệ t độ biế n giòn - giới hạn chả y
0,2
bằ ng giới hạn bền
b
và độ gi n dà i
gầ n như bằ ng không. Khi thử ở thấ p hơn nhiệ t độ nà y
b
<
0,2
nên tả i trọng
tá c dụng đạt đế n
b
trước, gâ y nên phá hủy trước khi đạt đế n

0,2
tạo ra biế n
dạng dẻ o. Trong thực tế luôn luôn mong mỏi vậ t liệ u có nhiệ t độ biế n giòn
cà ng thấ p cà ng tốt, vậ t liệ u đ ược coi là giòn là loại có nhiệ t độ biế n giòn ở
khoả ng nhiệ t độ thường, vậ t liệ u đ ược coi là dẻ o là loại có nhiệ t độ biế n giòn
ở nhiệ t độ â m sâ u. Nế u như vậ y thì khá i niệ m giòn - dẻ o chỉ là quy ước. Khi
tă ng tốc độ biế n dạng hay đặt tả i trọng, vậ t liệ u có khuynh hướng trở nên giòn
tức là m nhiệ t độ biế n giòn tă ng lên (hì nh 2.10b). Như vậ y ngay cả vậ t liệ u
dẻ o vẫ n có thể bị phá hủy giòn nế u là m việ c ở nhiệ t độ thấ p (thông thường
má y móc, kế t cấ u ở xứ lạnh dễ có nguy cơ phá hủy giòn hơn ở xứ nóng) và
chịu tả i trọng thay đổi đột ngột.
Ngoà i ra cá c yế u tố tậ p trung ứng suấ t như vế t khí a, nứt, tiế t diệ n thay
đổi đột ngột là m ứng suấ t cục bộ tă ng vọt và
b


giả m mạnh, là m vậ t liệ u có
xu hướng phá hủy giòn.


Cơ chế phá hủy

Người ta cho rằ ng sự phá hủy cũng theo cơ chế tạo mầ m nứt và mầ m nứt
phá t triể n dẫ n đế n tá ch rời, tuầ n tự theo nă m giai đoạn sau:
1) hì nh thành vế t nứt (tế vi),
2) vế t nứt tế vi phát triể n đế n kí ch thước dưới tới hạn,
59
3) vế t nứt tế vi phá t triể n đạt đế n kí ch thước tới hạn,
4) vế t nứt tới hạn phát triể n nhanh,
5) nứt chấ m dứt và g y rời,

trong đó cá c giai đoạn 1,2 và 4 đ ược coi là quan trọng nhấ t, đá ng để ý nhấ t.

Vế t nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đ oạn biế n dạng dẻ o.
Trong vậ t liệ u khó trá nh khỏi có những vế t rỗng đ có sẵn như rỗ co, bọt khí ,
nứt khi kế t tinh, cá c pha có độ bền quá thấ p như grafit trong gang..., chúng
đóng vai trò của mầm khi phá hủy. Trong quá trì nh biế n dạng dẻ o, lệ ch phá t
sinh thêm (bởi nguồn Frank - Read) và chuyể n động trên mặt trượt bị nghẽ n
lại ở trước cá c cả n trở như biên hạt, pha thứ hai như biể u thị ở hì nh 2.11. Cá c
lệ ch biên cùng dấ u sá t nhau tạo nên một khoả ng trống ngay dưới cá c bá n mặt
sẽ là điể m xuấ t phá t cho nứt phá t triể n. Sự phá hủy hoà n toà n phụ thuộc và o
khả nă ng phá t triể n của vế t nứt tế vi nà y, sẽ không xả y ra phá hủy một khi nứt
tế vi nà y vẫ n giữ nguyên kí ch thước (không phá t triể n). Hơn nữa trong quá
trì nh phá t triể n lên, vế t nứt tế vi nà y cũng chưa phả i là nguy hiể m nế u kí ch
thước của nó nhỏ hơn giá trị tới hạn. Sự phá t triể n nứt xả y ra do ứng suấ t tậ p
trung theo hiệ u ứng góc nhọn ở đỉnh nứt (đỉnh nứt cà ng nhọn sự tậ p trung cà ng
mạnh).

Hì nh 2.12. Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố ứng suất trên tiết diện cắt
ngang qua vết rỗng (b).
Hì nh 2.11. Sự chuyển động
và tí ch tụ lệch trước các cản
trở.
60
Theo A.A Griffith vậ t liệ u có phầ n rỗng như biể u thị ở hì nh 2.12a thì
ứng suấ t phâ n bố không đều trên tiế t diệ n đi qua vế t rỗ, nứt ấ y được biể u thị ở
hì nh 2.12b. Trong trường hợp điể n hì nh, nứt có dạng enlip và định hướng sao
cho chiều dà i của nó vuông góc với ứng suấ t tá c dụng thì ứng suấ t cực đại ở
đầ u nhọn vế t nứt là
m
sẽ có giá trị

m

=
t
0
a
2

+ (2.1)
trong đó:
0
- ứng suấ t kéo danh nghĩ a (bằ ng tả i trọng chia cho diệ n tí ch mặt
cắt ngang mẫ u),
a - một nửa chiều dà i vế t nứt,

t
- bá n kí nh cong của đỉnh vế t nứt.
Như vậ y vế t nứt, rỗ cà ng dà i và cà ng nhọn thì (a/
t
)
1/2
cà ng lớn, sự tậ p
trung ứng suấ t cà ng mạnh. K
t
=
m
/
0
đ ược gọi là hệ số tậ p trung ứng suấ t.

Cầ n chú ý là hiệ u ứng tập trung ứng suất trong vật liệ u giòn mạnh hơn
trong vật liệ u dẻ o là do trong loại vậ t liệ u dẻ o khi ứng suấ t cực đại vượt quá
giới hạn chả y sẽ xả y ra biế n dạng dẻ o, điều nà y là m cho sự phâ n bố ứng suấ t ở
quanh vùng có yế u tố tậ p trung sẽ đồng đều hơn và ứng suấ t lớn nhấ t ở nơi tậ p
trung khó đạt đ ược giá trị tí nh toá n theo công thức trên. A.A Griffith cũng cho
rằ ng khi ứng suấ t tậ p trung ở đỉnh nứt vượt quá ứng suấ t tới hạn
c
lúc đó vế t
nứt sẽ phá t triể n một cá ch tự nhiên không gì cả n nổi, dẫ n đế n phá hủy, lúc đó
nguy cơ nứt mới trở nên hiệ n thực.

Đối với vậ t liệ u giòn, ứng suấ t tới hạn
c
cầ n thế t để phá t triể n vế t nứt
là

a
E2
S
c


=

(2.2)

trong đó: E - môđun đà n hồi,

S
- nă ng lượng bề mặt riêng,

a - một nửa của chiều dà i của vế t nứt bên trong.
Trong biể u thức nà y tuy không có
t
như ở (2.1) song có ngụ ý rằ ng bá n
kí nh cong ở đâ y là đủ bé (đỉnh nứt đủ nhọn) để ứng suấ t cục bộ tă ng cao quá
độ bền liên kế t của vậ t liệ u.
Đối với vậ t liệ u dẻ o (phầ n lớn kim loại và vậ t liệ u polyme) đều có biế n
dạng dẻ o trước khi phá hủy, điều đó là m cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi,
bá n kí nh cong tă ng lên, nhờ đó là m tă ng
c
. Về mặt toá n học, trong biể u thức
(2.2) có thể thay
S
bằ ng
s
+
p
, trong đó
p
biể u thị nă ng lượng biế n dạng dẻ o
đi kè m với phá t triể n vế t nứt. Với vậ t liệ u dẻ o cao
p
>>
S
.