Biến dạng dẻo và cơ tính
Trong chương này trình bày các hành vi của vật liệu ( chủ yếu là kim loại) dưới tác dụng của lực cơ học bên ngoài, tức là quá trình biến dạng dèo và các đặc trưng của nó.
49
Ch¬ ng 2 biÕn d¹ng dÎo vµ c¬ tÝ nh
Trong ch ¬ng nµ y tr× nh bµ y c¸ c hµ nh vi cña vË t liÖ u (chñ yÕ u lµ kim
lo¹i) d íi t¸ c dông cña lùc c¬ häc bªn ngoµ i, tøc lµ qu¸ tr× nh biÕ n d¹ng dÎ o vµ
c¸ c ®Æc trng cña nã. Nhê nh÷ng hiÓ u biÕ t c¬ b¶ n nµ y cã thÓ rót ra nh÷ng
nguyªn lý lµ m cho vË t liÖ u trë nªn bÒn h¬n, cã c¬ tÝ nh phï hîp víi ®iÒu kiÖ n
lµ m viÖ c vµ gia c«ng.
§èi víi vË t liÖ u, ® Æc biÖ t lµ kim lo¹i, c¸ c b¸ n thµ nh phÈ m ® î c cung
cÊ p díi d¹ng d© y, thanh, h× nh, èng, tÊ m, l¸ , b¨ ng... nhê biÕ n d¹ng dÎ o (c¸ n)
nªn rÊ t tiÖ n cho sö dô ng. ë c¸ c nhµ m¸ y c¬ khÝ chóng th êng ® îc qua rÌ n
®Ó t¹o ph«i (cã d¹ng gÇ n gièng víi s¶ n phÈ m) tr íc khi c¾t gä t. ViÖ c kh¶ o s¸ t
biÕ n d¹ng dÎ o kh« ng nh÷ ng gióp hiÓ u biÕ t chÝ nh qu¸ tr× nh ®ã mµ ®iÒu quan
trä ng n÷ a lµ cßn lµ m râ ® î c b¶ n chÊ t cña c¸ c ® Æc tr ng c¬ tÝ nh cïng c¸ c
biÖ n ph¸ p n© ng cao, sù biÕ n ®æi c¬ tÝ nh kÌ m theo còng nh c¸ ch kh¾c phôc
nh÷ng hiÖ u øng kh«ng thuË n.
2.1. BiÕ n d¹ng dÎ o vµ ph¸ hñy
2.1.1. Kh¸ i niÖ m
Khi kÐo tõ tõ theo chiÒu trôc mét mÉ u kim lo¹i trßn, dµ i ta ®îc biÓ u ®å
kÐo [hay cßn gäi lµ biÓ u ®å t¶ i träng (hay øng suÊ t) - biÕ n d¹ng] víi d¹ng ®iÓ n
h× nh ® îc tr× nh bµ y ë h× nh 2.1. BiÓ u ®å nµ y cho ta mét kh¸ i niÖ m chung vÒ
c¸ c lo¹i biÕ n d¹ng vµ ph¸ hñy.
H× nh 2.1. S¬ ®å biÓu ®å t¶i träng -
biÕn d¹ng ®iÓn h× nh cña kim lo¹i.
- Khi t¶ i trä ng ® Æt vµ o nhá, F < F® h, ®é biÕ n d¹ng (ë ®© y biÓ u thÞ b» ng
® é gi∙ n dµ i ∆l) tû lÖ bË c nhÊ t víi t¶ i träng, khi bá t¶ i träng biÕ n d¹ng mÊ t ®i.
BiÕ n d¹ng nh vË y ®îc gäi lµ biÕ n d¹ng ®µn håi. VÝ dô , d íi t¶ i träng F1
mÉ u bÞ dµ i thªm ®o¹n O1, nh ng khi nhÊ c (bá) t¶ i träng ®i mÉ u l¹i trë l¹i kÝ ch
th íc ban ®Ç u.
50
- Khi t¶ i träng ®Æt vµ o lín, F > F® h, ®é biÕ n d¹ng t¨ ng nhanh theo t¶ i
trä ng, khi bá t¶ i träng biÕ n d¹ng kh«ng bÞ mÊ t ®i mµ vÉ n cßn l¹i mét phÇ n.
BiÕ n d¹ng nµ y ®îc gäi lµ biÕ n d¹ng dÎ o. VÝ dô, khi ®Æt t¶ i träng Fa mÉ u bÞ
kÐo dµ i theo ®êng Oea tøc bÞ dµ i thªm ®o¹n Oa'', nhng khi bá t¶ i träng mÉ u
bÞ co l¹i theo ®êng song song víi ®o¹n th¼ng Oe nªn cuèi cïng vÉ n cßn bÞ dµ i
thªm mét ® o¹n Oa', phÇ n nµ y chÝ nh lµ phÇ n biÕ n d¹ng dÎ o hay d, cßn l¹i sau
qu¸ tr× nh; cßn a'a'' lµ phÇ n biÕ n d¹ng ®µ n håi bÞ mÊ t ®i sau qu¸ tr× nh.
Nhê biÕ n d¹ng dÎ o ta cã thÓ thay ®æi h× nh d¹ng, kÝ ch thíc kim lo¹i t¹o
nªn nhiÒu chñng lo¹i phong phó ® ¸ p øng tèt yªu cÇ u sö dô ng.
- NÕ u tiÕ p tô c t¨ ng t¶ i träng ®Õ n gi¸ trÞ cao nhÊ t Fb, lóc ®ã trong kim
lo¹i x¶ y ra biÕ n d¹ng côc bé (h× nh thµ nh cæ th¾t), t¶ i träng t¸ c dông gi¶ m ®i
mµ biÕ n d¹ng vÉ n t¨ ng (cæ th¾t hÑp l¹i) dÉ n ®Õ n ®øt vµ ph¸ hñy ë ®iÓ m c.
Sù biÕ n ®æi vÒ m¹ng tinh thÓ ë ba tr¹ng th¸ i trªn tr× nh bµ y ë h× nh 2.2.
H× nh 2.2. S¬ ®å biÕn ®æi m¹ng tinh thÓ khi lÇn lît t¨ng t¶i träng:
ban ®Çu (a), biÕn d¹ng ®µn håi (b), biÕn d¹ng dÎo (c), ph¸ hñy (d).
Khi biÕ n d¹ng ® µ n håi c¸ c nguyªn tö chØ dÞch chuyÓ n ®i kho¶ ng c¸ ch
nhá (kh«ng qu¸ mét th«ng sè m¹ng), th« ng sè m¹ng t¨ ng tõ a lªn a+∆a, tøc
ch a sang vÞ trÝ c© n b» ng míi nªn khi bá t¶ i träng l¹i trë vÒ vÞ trÝ c© n b» ng cò.
BiÕ n d¹ng ® µ n hå i x¶ y ra do c¶ øng suÊ t tiÕ p lÉ n øng suÊ t ph¸ p. Khi biÕ n d¹ng
dÎ o c¸ c nguyªn tö dÞch chuyÓ n ®i kho¶ ng c¸ ch lín h¬ n (qu¸ mét th« ng sè
m¹ng) nªn khi bá t¶ i träng nã trë vÒ vÞ trÝ c© n b» ng míi. CÇ n nhí lµ biÕ n d¹ng
dÎ o chØ x¶y ra do øng suÊt tiÕ p. Khi biÕ n d¹ng ®µ n håi vµ dÎ o lùc liªn kÕ t gi÷a
c¸ c nguyªn tö vÉ n ®îc b¶ o tån, cßn khi ph¸ hñy c¸ c liªn kÕ t bÞ hñy ho¹i dÉ n
® Õ n ®øt rêi.
BiÕ n d¹ng dÎ o th êng x¶ y ra b» ng c¸ ch trît (®«i khi x¶ y ra b» ng song
tinh), ë ®© y chØ giíi h¹n kh¶ o s¸ t biÕ n d¹ng dÎ o díi h× nh thøc nµ y.
§Ó kh¶ o s¸ t biÕ n d¹ng dÎ o chóng ta sÏ b¾t ®Ç u tõ d¹ng ®¬n gi¶ n nhÊ t
(tuy hÇ u nh kh«ng gÆp trong thùc tÕ ) lµ tr î t cña ® ¬ n tinh thÓ rå i më réng ra
cho d¹ng thùc tÕ nh ng phøc t¹p h¬n lµ cho ®a tinh thÓ .
2.1.2. Trî t ®¬ n tinh thÓ
Trît lµ sù chuyÓ n dêi t ¬ng ®èi gi÷a c¸c phÇn cña tinh thÓ theo nh÷ng
mÆt vµ ph¬ng nhÊt ®Þnh gä i lµ mÆt vµ ph ¬ ng tr ît nh ® îc biÓ u diÔ n ë
h× nh 2.3.
a. C¸c mÆt vµ ph¬ng trît
Khi hai mÆt nguyªn tö dÞch chuyÓ n t¬ng ®èi víi nhau, liªn kÕ t gi÷a c¸ c
51
nguyªn tö ® èi diÖ n nhau sÏ bÞ ®øt ®i, trong khi ®ã mèi liªn kÕ t gi÷a c¸ c nguyªn
tö c¹nh nhau trong mç i mÆt vÉ n ®îc b¶ o toµ n. §Ó tháa m∙ n ®iÒu kiÖ n ®ã, c¸ c
mÆt nguyªn tö nµ y ph¶ i cã mË t ®é nguyªn tö lín nhÊ t (hay kho¶ ng c¸ ch
nguyªn tö nhá nhÊ t) vµ nhê ® ã cã liªn kÕ t v÷ ng ch¾c nhÊ t. Do mË t ® é khèi
kh« ng thay ®æi nªn kho¶ ng c¸ ch gi÷a hai mÆt cã mË t ®é nguyªn tö lín nhÊ t
nµ y còng lµ lín nhÊ t, do ® ã cã liªn kÕ t yÕ u nhÊ t, dÔ bÞ ®øt, v× thÕ hai mÆt nµ y
dÔ dÞch chuyÓ n ®i víi nhau. MÆt trît lµ mÆt (tëng tîng) ph©n c¸ch gi÷a hai
mÆt nguyªn tö dµ y ® Æc nhÊ t mµ theo ®ã sù trît x¶y ra.
Còng lý luË n t ¬ng tù, khi trît c¸ c phÇ n cña tinh thÓ sÏ dÞch chuyÓ n
t ¬ng ® èi víi nhau theo c¸ c mÆt trît vµ trªn mÆt tr ît ®ã theo ph¬ng cã mË t
® é lín nhÊ t v× cã liªn kÕ t m¹nh nhÊ t. C¸ c mÆt, ph ¬ng dµ y ®Æc nhÊ t vµ lµ c¸ c
mÆt vµ ph ¬ng cã thÓ trît cña ba kiÓ u m¹ng tinh thÓ kim lo¹i thêng gÆp
® îc tr× nh bµ y ë h× nh 2.4.
H× nh 2.3. S¬ ®å biÓu diÔn sù trît: H× nh 2.4. C¸c mÆt vµ ph¬ng trît c¬
a.h× nh d¹ng ®¬n tinh thÓ vµ m¹ng tinh b¶n cña kim lo¹i:
thÓ tríc khi trît, a. lËp ph¬ng t©m khèi,
b. h× nh d¹ng ®¬n tinh thÓ vµ m¹ng tinh b. lËp ph¬ng t©m mÆt,
thÓ sau khi trît. c. lôc gi¸c xÕp chÆt.
ë m¹ng lË p ph¬ ng t© m khèi (A2) c¸ c mÆt dµ y ®Æc nhÊ t lµ hä mÆt
{110} lµ mÆt chÐo ch÷ nhË t ® i qua nguyªn tö ë gi÷a khèi. TÊ t c¶ cã s¸ u mÆt
nh vË y. Trªn mçi mÆt l¹i cã hai ph ¬ng dµ y ®Æc nhÊ t thuéc hä lµ c¸ c
ph ¬ng ®èi ®Ønh cña khèi lË p ph¬ng. Sù tr î t bao giê còng x¶ y ra b» ng sù kÕ t
hî p gi÷ a mét mÆt trît vµ mét ph ¬ ng tr ît trªn nã, ®îc gäi lµ hÖ tr ît.
Nh vË y m¹ng A2 cã 12 (6 mÆt x 2 ph ¬ ng) hÖ trît chÝ nh kh¸ c nhau.
ë m¹ng lË p ph¬ ng t© m mÆt (A1) c¸ c mÆt dµ y ®Æc nhÊ t lµ hä mÆt
{111} lµ mÆt chÐo t¹o bë i ba ® êng chÐo cña ba mÆt bªn cã chung mét ® Ønh. TÊ t
c¶ cã bèn mÆt nh vË y. Trªn mçi mÆt cã ba ph ¬ng dµ y ®Æc nhÊ t lµ ®êng
chÐo thuéc hä kÓ trªn. Nh vË y m¹ng A1 còng cã 12 (4 mÆt x 3 ph ¬ng)
hÖ trî t chÝ nh kh¸ c nhau.
Cßn m¹ng lô c gi¸ c xÕ p chÆt chØ cã mét mÆt dµ y ®Æc nhÊ t lµ mÆt ®¸ y
(0001) vµ trªn ®ã cã ba ph¬ ng dµ y ®Æc nhÊ t thuéc hä . Nh vË y m¹ng
52
A3 chØ cã 3 (3 mÆt x 1 ph¬ng) hÖ tr ît chÝ nh kh¸ c nhau.
Tuy nhiªn ngoµ i c¸ c mÆt, ph ¬ ng trît chÝ nh kÓ trªn, trong thùc tÕ tinh
thÓ cßn cã kh¶ n¨ ng bÞ tr ît theo c¸ c mÆt, ph ¬ng dµ y ®Æc kh¸ c tuy kh«ng
ph¶ i lµ dµ y ®Æc nhÊ t. §èi víi m¹ng A2 vµ A3, ngoµ i c¸ c mÆt vµ ph¬ ng tr ît
chÝ nh kÓ trªn kim lo¹i cßn cã thÓ trît trªn c¸ c hÖ phô. VÝ dô, Feα (A2) cßn
cã thÓ trî t trªn c¸ c hÖ : mÆt {211} hay {321} víi cïng ph¬ng ; Mg, Ti
(A3): {1010} hay {11 2 0} víi cïng .
Ng êi ta nhË n thÊ y kh¶ n¨ ng biÕ n d¹ng dÎ o cña kim lo¹i tû lÖ thuË n víi
sè hÖ trît chÝ nh. Do kim lo¹i cã sè hÖ trît cµ ng cao th× kh¶ n¨ ng thÝ ch øng
víi sù tr î t cµ ng lín nªn kim lo¹i víi m¹ng hÖ lË p ph¬ng dÔ biÕ n d¹ng dÎ o
h¬n hÖ lôc gi¸ c. Thùc tÕ ®∙ chøng tá ®iÒu nµ y: s¾t, nh«m, b¹c, vµ ng, ®ång...
rÊ t dÎ o vµ dÔ d¸ t máng, cßn kÏ m th× kÐm h¬n. Song cïng lµ hÖ lË p ph ¬ng,
kim lo¹i nµ o cã sè ph¬ng trît cao h¬n sÏ cã tÝ nh dÎ o cao h¬n, tøc lo¹i t© m
mÆt dÎ o h¬ n lo¹i t© m khèi, nh ë nhiÖ t ®é th êng ®å ng, nh«m... dÎ o h¬ n s¾t.
b. øng suÊt g©y ra trît
Nh ® ∙ nãi kh¸ c víi biÕ n d¹ng ® µ n hå i, khi biÕ n d¹ng dÎ o chØ cã thµ nh
phÇ n øng suÊ t tiÕ p trªn ph¬ng trî t míi cã t¸ c dô ng g© y nªn trît. H∙ y tÝ nh
øng suÊ t ® ã .
XÐt trêng hî p ® ¬ n gi¶ n nhÊ t: kÐo ®¬n tinh thÓ theo mét trôc nh biÓ u
thÞ ë h× nh 2.5a. Lùc kÐo F lµ m víi ph¸ p tuyÕ n cña mÆt tr ît ®∙ cho gãc χ vµ
ph ¬ng trît ®∙ cho gãc θ. NÕ u mÆt c¾t ngang cña tinh thÓ cã diÖ n tÝ ch S0 th×
mÆt trît S cã diÖ n tÝ ch S0/cosχ vµ øng suÊ t tiÕ p trªn ph¬ ng trît lµ
F F
τ = cosθ = cosθ cosχ,
S So
trong ®ã: - F / S0 lµ øng suÊ t quy íc σ0 øng suÊ t ph¸ p do ngo¹i
lùc F t¸ c dông lªn tiÕ t diÖ n ngang cña tinh thÓ cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi, nªn
τ = σ0 cosθ cosχ
H× nh 2.5. Trît trong ®¬n tinh thÓ:
a. ®Þnh híng cña hÖ trît víi ngo¹i lùc,
b. tinh thÓ sau khi trît víi bËc thang biÕn d¹ng d (dÎo),
c. ®êng trît vµ d¶i trît trªn tæ chøc tÕ vi
§ã lµ ® Þnh luË t Schmid. Khi τ cã ®é lín vî t qu¸ mét gi¸ trÞ tíi h¹n
nhÊ t ® Þnh τth (x¸ c ® Þnh ® èi víi tõng kim lo¹i) qu¸ tr× nh tr ît míi x¶ y ra. Nh
vË y øng suÊ t g© y ra trît τ phô thuéc vµ o cosθ cosχ ®îc gäi lµ thõa sè
Schmid. Nãi chung (θ + χ) ≠ 90o, tr êng hîp θ = 90o hay χ = 90o tøc ngo¹i lùc
53
song víi mÆt trît hay vu«ng gãc víi ph¬ ng tr ît th× τ = 0 lóc nµ y tinh thÓ bÞ
ph¸ hñy mµ kh«ng x¶ y ra biÕ n d¹ng dÎ o. øng suÊ t tiÕ p ®¹t cùc ®¹i τmax = 0,5¬ 0
khi θ = χ = 45o. øng suÊ t tiÕ p τ t¸ c dô ng trªn c¸ c hÖ trît kh¸ c nhau còng
kh¸ c nhau. NÕ u τ lín h¬ n mét gi¸ tri τt.h nµ o ®ã ®îc gäi lµ øng suÊ t trît tíi
h¹n (cã gi¸ trÞ kh« ng ® æi ® èi víi mçi kim lo¹i) th× sù trît sÏ x¶ y ra. §Þnh luË t
Schmid quy ®Þnh hÖ trît nµ o ho¹t ®éng tríc tiªn khi ®Æt t¶ i. §ã lµ hÖ thuË n
lî i nhÊ t víi yÕ u tè ® Þnh híng thuË n lî i nhÊ t: θ, χ gÇ n 45o nhÊ t, t¹i ®ã gi¸ trÞ
tíi h¹n cña øng suÊ t tiÕ p ®¹t ®îc sím nhÊ t. Nh vË y cã thÓ lµ hÖ thuË n lîi
nhÊ t sÏ tr ît tr íc, sau ®ã khi t¶ i träng F t¨ ng lªn ®Õ n l ît c¸ c hÖ Ý t thuË n
lî i h¬n.
Sù thay ® æi m¹ng tinh thÓ khi trît nh tr× nh bµ y ë h× nh 2.2c vµ 2.3b
lµ qu¸ lý t ëng, trong thùc tÕ m¹ng tinh thÓ ë hai bªn mÆt tr ît trë nªn x« lÖ ch
g© y c¶ n trë trî t tiÕ p tô c, sù tr î t chØ x¶ y ra trªn ® é dµ i nhÊ t ® Þnh rå i dõ ng
l¹i, t¹o nªn bË c nh biÓ u thÞ ë h× nh 2.5b. Sau khi trît thÊ y cã biÕ n d¹ng d,
cã thÓ coi nã nh lµ tæng cña c¸ c bË c ® ã tho¸ t ra khái bÒ mÆt khi trît.
Sau khi tr ît nh vË y trªn mÆt ngoµ i theo chiÒu dµ i tinh thÓ xuÊ t hiÖ n
c¸ c bË c nhá song song nhau, ®ã lµ c¸ c ® êng trît mµ nhiÒu ®êng trît gÇ n
nhau t¹o nªn d¶ i tr ît (h× nh 2.5c).
c. TÝ nh dÔ trît - c¬ chÕ trît
Nã i chung ® èi víi c¸ c kim lo¹i τt.h cã gi¸ trÞ rÊt nhá (vÝ dô víi nh« m nã
chØ vµ o kho¶ ng 1MPa) nªn kim lo¹i rÊt dÔ trît hay nãi kh¸ c ®i dÔ dµ ng bÞ
biÕ n d¹ng dÎ o víi øng suÊ t bÐ tøc cã ®é bÒn thÊ p. §iÒu nµ y cã liªn quan ®Õ n
m¹ng tinh thÓ còng nh ® é hoµ n thiÖ n cña nã.
Khi m¹ng tinh thÓ cã s¾p xÕ p lý tëng (kh«ng cã lÖ ch), khi tr ît tÊ t c¶
nguyªn tö ë hai bªn mÆt trît b¾t buéc ph¶ i dÞch chuyÓ n ®ång thêi do ®ã ®ßi
G
hái øng suÊ t tiÕ p rÊ t lín (theo tÝ nh to¸ n τt.h ≈ , trong ®ã G lµ m«®un tr ît).
2π
Víi m« h× nh nh vË y sù trî t lµ trît cøng, τt.h t¬ng øng ® îc gäi lµ ®é bÒn
lý thuyÕ t. Trong m¹ng tinh thÓ thùc tÕ , tøc cã chøa lÖ ch, sù trî t sÏ x¶ y ra víi
øng suÊ t nhá h¬n rÊ t nhiÒu lÇ n vµ sù trît sÏ x¶ y ra kh¸ c b» ng chuyÓ n ®éng
cña lÖ ch. Khi cã lÖ ch biªn (h× nh 2.6) c¸ c nguyªn tö ë hai bªn b¸ n mÆt bÞ x«
lÖ ch ®µ n håi ®èi xøng, øng suÊ t hai bªn c© n b» ng lÉ n nhau nªn b¸ n mÆt nµ y rÊ t
dÔ dÞch chuyÓ n ® i mét kho¶ ng c¸ ch nhá khi cã lùc bªn ngoµ i t¸ c dông. Gi¶ sö
cã øng suÊ t τ cã t¸ c dông nh ë h× nh vÏ , b¸ n mÆt sÏ dÞch chuyÓ n ®i mét
kho¶ ng c¸ ch nhá sang ph¶ i vµ do ®ã liªn kÕ t ®îc víi nöa hµ ng däc nguyªn tö
ë phÝ a díi thµ nh mÆt tinh thÓ míi, b¸ n mÆt dÞch chuyÓ n dÇ n qua ph¶ i. Qu¸
tr× nh dÞch chuyÓ n nguyªn tö khi tr î t cø x¶ y ra nh vË y cho ® Õ n khi b¸ n mÆt
® îc tho¸ t ra khái bÒ mÆt tinh thÓ , t¹o ra ë ® ã bË c thang nguyªn tö. Nh vË y ë
tõ ng thêi ® iÓ m chØ cã mét sè nguyªn tö h¹n chÕ tham gia trît, sù truyÒn
chuyÓ n ®éng gièng nh ch¹y tiÕ p søc, do ®ã chØ ®ßi hái øng suÊ t
G
tiÕ p nhá, theo tÝ nh to¸ n τt.h ≈ . Víi m« h× nh nh vË y sù
8.10 → 8.10 4
3
tr ît cã tÝ nh nèi tiÕ p, τt.h t ¬ng øng ® îc gäi lµ ® é bÒn thùc tÕ , nhá h¬n ®é
bÒn lý thuyÕ t tõ 100 ®Õ n 1000 lÇ n. §ã lµ kho¶ ng c¸ ch qu¸ lín.
54
Râ rµng tiÒm n¨ng vÒ ®é bÒn cña vËt liÖ u nãi chung vµ kim lo¹i nãi riªng
lµ rÊt lín, së dÜ ch a khai th¸ c ® îc bao nhiªu lµ do tån t¹i lÖ ch vµ c¸c
khuyÕ t tË t m¹ng mµ khoa hä c cha t× m ®î c gi¶ i ph¸ p lo¹i trõ mét c¸ ch h÷ u
hiÖ u.
H× nh 2.6. M« h× nh trît trong m¹ng tinh thÓ thùc tÕ (cã lÖch biªn).
2.1.3. Trî t ®a tinh thÓ
Trong thùc tÕ , biÕ n d¹ng dÎ o lu«n lu«n lµ trît ®a tinh thÓ .
a. C¸c ®Æc ®iÓ m
Tuy ®a tinh thÓ gåm bë i nhiÒu tinh thÓ (h¹t) song kh« ng thÓ xem sù
tr ît cña nã lµ tæng ®¬n thuÇ n cña sù tr ît cña tõng tinh thÓ hay h¹t trong nã.
Tõ nh÷ng ®Æc ®iÓ m vÒ cÊ u tróc ® ∙ tr× nh bµ y ë 1.4.1 cã thÓ thÊ y trî t ® a tinh
thÓ cã nh÷ng ®Æc ®iÓ m sau.
1) C¸c h¹t bÞ biÕ n d¹ng kh«ng ®Òu. Ngay c¶ ®èi víi kim lo¹i nguyªn
chÊ t c¸ c h¹t cã m¹ng tinh thÓ gièng nhau song l¹i cã ®Þnh h íng mÆt vµ
ph ¬ ng kh¸ c nhau, nªn chóng sÏ bÞ trît kh¸ c nhau: h¹t nµ o cã ®Þnh híng
thuË n lîi víi sù tr î t sÏ trî t tr íc víi øng suÊ t bÐ, ngî c l¹i h¹t nµ o cã ® Þnh
h íng kh«ng thuË n lîi sÏ trît sau víi øng suÊ t lín h¬n, thË m chÝ cã h¹t
kh«ng thÓ trî t ®îc.
2) Cã tÝ nh ®¼ng híng. Do sù ® Þnh h íng ph ¬ng vµ mÆt cña c¸ c h¹t
mang tÝ nh ngÉ u nhiªn cho nªn dï lùc bªn ngoµ i t¸ c dô ng nh thÕ nµ o còng cho
mét kÕ t qu¶ chung nh nhau, tøc cã tÝ nh ®¼ng h íng (tuy tõ ng h¹t vÉ n cã tÝ nh
dÞ h íng nhng tæng hîp l¹i kh«ng cßn). TÝ nh chÊ t nhË n ®î c lµ kÕ t qu¶ thö
tæng hîp theo mäi ph¬ng cña c¸ c h¹t.
3) Cã ® é bÒn cao h¬ n. C¸ c h¹t kh« ng rêi r¹c mµ g¾n bã víi nhau qua
vïng biªn. Trong thùc tÕ sù trît cña h¹t nµ y ®Òu kÐo theo c¸ c h¹t bªn c¹nh, råi
chÝ nh nã l¹i bÞ c¸ c h¹t nµ y c¶ n trë. Vïng biªn h¹t cã s¾p xÕ p kh«ng trË t tù rÊ t
khã t¹o nªn mÆt vµ ph¬ng trît nªn cã thÓ coi nã nh líp vá cøng c¶ n trî t.
ChÝ nh do cã nhiÒu c¶ n trë nh vË y, ®Ó trî t ® îc nãi chung ph¶ i t¸ c dông lùc
cao h¬n, nãi kh¸ c ®i cã ®é bÒn cao h¬n ®é bÒn trung b× nh (theo c¸ c ph ¬ng)
cña ®¬ n tinh thÓ .
4) H¹t cµ ng nhá ® é bÒn vµ ®é dÎ o cµng cao. Do h¹t nhá cã tæng diÖ n
tÝ ch biªn h¹t lín h¬n, sÏ c¶ n trî t m¹nh h¬ n nªn lµ m t¨ ng ® é bÒn. Mèi quan hÖ
gi÷a giíi h¹n ch¶ y σch (hay σ0,2) vµ kÝ ch thíc (® êng kÝ nh) h¹t d ® î c m« t¶
55
b» ng biÓ u thøc Hall - Petch nh sau:
k
σch = σo +
d
trong ®ã: σo - øng suÊ t cÇ n thiÕ t ® Ó lÖ ch chuyÓ n ®éng khi d → ∞ tøc trong
®¬n tinh thÓ , k - h» ng sè biÓ u thÞ cÊ u tróc cña biªn h¹t.
§ång thêi khi h¹t nhá ® i, sè l î ng h¹t t¨ ng lªn lµ m cho sè h¹t thÝ ch øng
víi sù trît theo ph¬ ng bÊ t kú còng t¨ ng lªn t ¬ng øng, ®iÒu ®ã còng cã
nghÜ a sù trît ® îc ph© n bè trªn nhiÒu h¹t h¬n vµ lîng biÕ n d¹ng d (tøc
tÝ nh dÎ o) t¨ ng lªn. RÊ t Ý t biÖ n ph¸ p c« ng nghÖ cã t¸ c dô ng tèt ®å ng thêi ® Õ n
c¶ ®é bÒn lÉ n ®é dÎ o (th«ng thêng khi ®é bÒn t¨ ng lªn th× ®é dÎ o l¹i gi¶ m ®i
t ¬ ng øng). HiÖ u øng nµ y cßn quan träng h¬n ë chç do lµ m t¨ng c¶ ®é bÒn lÉn
® é dÎ o nªn lµ m t¨ ng m¹nh ®é dai, vË t liÖ u khã bÞ ph¸ hñy gißn. Do vË y vË t
liÖ u víi h¹t nhá u viÖ t h¬ n h¼n h¹t lín; v× thÕ trong chÕ t¹o c¬ khÝ , luyÖ n kim
th êng xuyªn yªu cÇ u ® ¹t h¹t nhá.
b. Tæ chøc vµ tÝ nh chÊt cña kim lo¹i sau khi biÕ n d¹ng dÎ o
BiÕ n d¹ng dÎ o lµ m thay ®æi rÊ t m¹nh tæ chøc, tÝ nh chÊ t ®Æc biÖ t lµ c¬
tÝ nh cña vË t liÖ u còng nh kim lo¹i.
1) Trong vµ sau khi tr ît m¹ng tinh thÓ ë xung quanh mÆt tr ît bÞ x«
lÖ ch, c¸ c h¹t bÞ biÕ n d¹ng kh«ng ® Òu, song ® Òu cã khuynh h íng bÞ kÐo dµ i, bÑt
ra theo ph¬ ng biÕ n d¹ng. Víi ®é biÕ n d¹ng ε lín (40 ÷ 50%) h¹t bÞ ph© n nhá ra,
c¸ c t¹p chÊ t vµ pha thø hai bÞ nhá vôn ra, kÐo dµ i ra t¹o nªn thí (®é biÕ n d¹ng ε
th êng ® îc tÝ nh b» ng ®é gi¶ m cña tiÕ t diÖ n ph«i khi biÕ n d¹ng dÎ o theo
So − Sf
c« ng thøc ε= 100% , trong ®ã So vµ Sf lµ tiÕ t diÖ n ph«i tríc vµ
So
sau khi biÕ n d¹ng dÎ o). Khi ®é biÕ n d¹ng rÊ t lín (70 ÷ 90%, Ý t gÆp) c¸ c h¹t bÞ
quay ® Õ n møc c¸ c mÆt vµ ph¬ng m¹ng cïng chØ sè cña chóng trë nªn song
song víi nhau (h× nh 2.7), t¹o nªn cÊ u tróc ® îc gäi lµ textua (texture) ®∙ dîc
tr× nh bµ y ë môc 1.6.3 vµ h× nh 1.20.
Khi kim lo¹i cã textua nã sÏ cã tÝ nh dÞ híng. HiÖ n tîng nµ y ® îc ¸ p
dô ng kh¸ réng r∙ i cho thÐp kü thuË t ® iÖ n ® Ó lµ m gi¶ m tæn thÊ t tõ trong c¸ c
biÕ n thÕ .
Textua t¹o nªn trong trêng hîp nµ y ® îc gäi lµ textua biÕ n d¹ng. VÝ
dô khi c¸ n:
- c¸ c mÆt {123} vµ {110} cña A1, {100} hoÆc {110} cña A2, {0001} cña
A3 ®Þnh h íng l¹i song song víi mÆt ph¼ng c¸ n;
- c¸ c ph¬ng < 412 > vµ < 211 > cña A1, < 100 > cña A2, < 1010 > cña
A3 ®Þnh h íng l¹i song song víi ph ¬ng c¸ n.
2) Sau biÕ n d¹ng dÎ o trong kim lo¹i tån t¹i øng suÊ t d do x« lÖ ch m¹ng
vµ biÕ n d¹ng kh«ng ®Òu gi÷a c¸ c h¹t còng nh trªn tiÕ t diÖ n. Nãi chung øng
suÊ t bªn trong cã h¹i cho c¬ tÝ nh, song còng cã trêng hîp ng êi ta cè ý t¹o
nªn líp øng suÊ t nÐn d ® Ó n© ng cao giíi h¹n mái b» ng c¸ ch l¨ n Ðp, phun bi.
3) Sau khi biÕ n d¹ng dÎ o, do m¹ng tinh thÓ bÞ x« lÖ ch, c¬ tÝ nh kim lo¹i
thay ®æi rÊt m¹nh theo chiÒu híng nh sau (h× nh 2.8):
- t¨ng ®é cøng,
56
- t¨ ng ® é bÒn song trong ®ã giíi h¹n ®µn håi σ® h vµ giíi h¹n ch¶y σ0,2
t¨ ng m¹nh h¬n,
tøc cã xu híng biÕ n cøng, hãa bÒn, nh ng l¹i lµm gi¶m dé dÎ o vµ ®é
dai, tøc cã xu h íng biÕ n gißn.
H× nh 2.7. Hai d¹ng textua biÕn d¹ng trong vËt liÖu tõ mÒm:
a. Fe-Si, textua { 110 } < 100 >, b. Fe-Ni, textua { 100 } < 100 >.
HiÖ n tîng nµy cßn ®îc gäi lµ hãa bÒn biÕ n d¹ng (®Ó ph© n biÖ t víi
mét sè d¹ng hãa bÒn kh¸ c nh nhiÖ t luyÖ n, hî p kim hãa...).
Hãa bÒn biÕ n d¹ng lµ h× nh thøc hãa bÒn th«ng dông trong kü thuË t
® îc gä i d íi nhiÒu tªn kh¸ c nhau nh: biÕ n cøng, cøng nguéi. HiÖ u qu¶ m¹nh
nhÊ t cña hã a bÒn biÕ n d¹ng lµ ë giai ®o¹n ®Ç u, cµ ng vÒ sau hiÖ u qu¶ nµ y gi¶ m
dÇ n. Khi ® é biÕ n d¹ng rÊ t cao σ® h vµ σ0,2 ®¹t gÇ n tíi σb, song lóc ®ã ®é dÎ o (δ)
hÇ u nh b» ng kh«ng. Nãi chung biÕ n d¹ng dÎ o cã thÓ lµ m t¨ ng giíi h¹n bÒn,
® é cøng tõ 1,5 ®Õ n 3 lÇ n, giíi h¹n ch¶ y tõ 3 ®Õ n 7 lÇ n. C¸ c vË t liÖ u víi m¹ng
A1 (thÐp austenit, nh«m, ®ång vµ c¸ c hî p kim cña chóng) cã hiÖ u øng hã a bÒn
biÕ n d¹ng m¹nh h¬ n h¬ n c¶ nªn thêng ®îc ¸ p dông nhiÒu h¬n, cã hiÖ u qu¶
h¬n lo¹i m¹ng A2 (c¸ c thÐp kh¸ c...). Tuy nhiªn lµ m gi¶ m m¹nh ®é dÎ o vµ ®é
dai lµ ® iÒu ph¶ i tÝ nh tíi khi ¸ p dông d¹ng hãa bÒn nµ y. Trong nhiÒu tr êng hîp
sau khi biÕ n d¹ng dÎ o, kim lo¹i trë nªn hoÆc lµ qu¸ cøng khã c¾t gät hay biÕ n
d¹ng dÎ o tiÕ p theo, hoÆc lµ qu¸ gißn dÔ bÞ gÉ y ngay c¶ díi t¶ i träng va ®Ë p
nhá, lóc ®ã cÇ n ph¶ i ® a kim lo¹i vÒ tr¹ng th¸ i ban ®Ç u nh lóc cha biÕ n d¹ng
b» ng c¸ ch ñ kÕ t tinh l¹i (xem môc 2.3.2 tiÕ p theo).
H× nh 2.8. ¶nh hëng cña ®é biÕn d¹ng ®Õn c¬ tÝ nh
cña kim lo¹i nãi chung (a) vµ ®ång nãi riªng (b).
57
Ngoµ i lµ m thay ® æi c¬ tÝ nh, biÕ n d¹ng dÎ o còng lµ m thay ® æi lý , hã a
tÝ nh trong ® ã ® ¸ ng chó ý lµ :
- lµ m t¨ ng ®iÖ n trë (do vË y ®èi víi vË t liÖ u dÉ n ®iÖ n nh d© y ®ång,
nh« m ph¶ i tr¸ nh dï ng ë tr¹ng th¸ i biÕ n cøng),
- lµ m gi¶ m m¹nh tÝ nh chèng ¨ n mßn.
2.1.4. Ph¸ hñy
Th«ng th êng, khi tiÕ p tôc t¨ ng øng suÊ t lªn cao n÷a vË t liÖ u bÞ ph¸ hñy
do g∙ y, vì hoÆc ® øt. Ph¸ hñy lµ d¹ng h háng trÇ m trä ng nhÊ t, kh« ng thÓ kh« i
phô c sö a ch÷ a ® îc, g© y tæn thÊ t nghiªm träng vÒ kinh tÕ vµ nh÷ng hË u qu¶ vÒ
sinh m¹ng, v× vË y cÇ n nghiªn cøu tØ mØ ® Ó chèng l¹i nã . HiÖ n cã h¼n mét
ngµ nh chuyªn nghiªn cøu vÒ ph¸ hñy (fractography). Trong mç i tr êng hîp kh¸ c
nhau sù ph¸ hñy mang nh÷ng ®Æc ®iÓ m riªng song cã mét c¬ chÕ chung lµ :
tr íc hÕ t bao giê còng xuÊ t hiÖ n vÕ t nøt tÕ vi ® Ç u tiªn ë trªn bÒ mÆt hay ë s© u
bªn trong, tiÕ p theo vÕ t nøt ® ã ph¸ t triÓ n lªn rå i cuèi cï ng míi dÉ n ® Õ n t¸ ch
® øt, rêi. H∙ y xÐt sù ph¸ hñy trong nh÷ng ®iÒu kiÖ n t¶ i träng kh¸ c nhau.
a. Trong ®iÒu kiÖ n t¶i träng tÜ nh
T¶ i trä ng tÜ nh lµ t¶ i träng t¸ c dông (®Æt vµ o) mét c¸ ch chË m ch¹p, ªm,
tøc t¨ ng lªn tõ tõ . Ngêi ta ph© n biÖ t hai d¹ng ph¸ hñy: gißn vµ dÎ o.
Ph¸ hñy gißn vµ ph¸ hñy dÎ o
H× nh 2.9. C¸c d¹ng mÆt g·y khi ph¸
hñy:
a) d¹ng co th¾t m¹nh thµnh
®iÓm,
b) d¹ng co th¾t c«n vÒ hai
phÝ a,
c) d¹ng co th¾t võa ph¶i kiÓu
chÐn - ®Üa,
d) d¹ng kh«ng th¾t, b»ng ph¼ng
ngang.
(phô lôc: h× nh ¶ nh co th¾t khi ph¸ huû)
Tï y theo vï ng gÉ y cã tiÕ t diÖ n biÕ n ® æi hay kh« ng mµ ph© n biÖ t hai
d¹ng nµ y. Ph¸ hñy kÌ m theo biÕ n d¹ng dÎ o víi møc ®é râ rÖ t tøc lµ vïng gÉ y
vì cã tiÕ t diÖ n biÕ n ® æi ®î c gä i lµ ph¸ hñy dÎ o; ng îc l¹i khi kÌ m theo biÕ n
d¹ng dÎ o kh«ng râ rÖ t tøc vïng gÉ y vì cã tiÕ t diÖ n hÇ u nh kh«ng biÕ n ®æi
® îc gäi lµ ph¸ hñy gißn. Cã thÓ ph© n biÖ t dÔ dµ ng hai d¹ng nµ y khi
thö kÐo ë chç bÞ ®øt (h× nh 2.9). D¹ng ®øt nh ë h× nh 2.9a lµ ph¸ hñy dÎ o ë
c¸ c vË t liÖ u cã ® é dÎ o rÊ t cao nªn chç ® øt bÞ co th¾t rÊ t m¹nh chØ cßn lµ mét
® iÓ m, khi dÎ o cao tríc khi ®øt bÞ biÕ n d¹ng ®¸ ng kÓ thµ nh h× nh c«n vÒ hai
phÝ a nh hai ® ¸ y cèc r¸ p l¹i nh ë h× nh 2.9b, ë mét sè lo¹i cßn thÊ y cã d¹ng
chÐn - ®Ü a (chÐn ®Æt trªn ®Ü a) nh h× nh 2.9c lµ lo¹i cã ®é dÎ o thÊ p, trong khi
® ã lo¹i vË t liÖ u gißn cã mÆt g∙ y b» ng ph¼ng, ngang mµ trªn bÒ mÆt hÇ u nh
kh« ng thÊ y cã thay h× nh ® æi d¹ng nh h× nh 2.9d. Râ rµ ng lµ ph¸ hñy gißn lµ
lo¹i kh«ng dù b¸ o (kh«ng thÓ biÕ t tr íc tõ c¸ c biÓ u hiÖ n bªn ngoµ i) nªn rÊ t
58
nguy hiÓ m, do vË y nÕ u ph¶ i x¶ y ra th× bao giê ngêi ta còng mong muèn ph¸
hñy lµ dÎ o, cã thÓ biÕ t tríc ®Ó thay thÕ hay söa ch÷a.
H× nh 2.10. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é (a) vµ tèc ®é biÕn d¹ng ε! (b) ®Õn
ph¸ hñy gißn vµ dÎo. ( ε! 1< ε! 2< ε! 3)
Ph¸ hñy dÎ o ph¸ t triÓ n víi tèc ®é rÊ t chË m, cÇ n nhiÒu n¨ ng l îng,
trong khi ®ã ph¸ hñy gißn ph¸ t triÓ n víi tèc ®é rÊ t lín (kho¶ ng 1000m/s), chØ
cÇ n n¨ ng lî ng nhá. Khi ph¸ hñy sù t¸ ch rêi c¸ c phÇ n cña vË t thÓ cã thÓ c¾t
ngang c¸ c h¹t (mÆt g∙ y nh½n) hay theo biªn h¹t (mÆt g∙ y næi h¹t), trong ® ã mÆt
g∙ y næi h¹t lu«n lu«n ®i kÌ m víi ph¸ hñy gißn.
Ph¸ hñy ë d¹ng nµo chñ yÕ u lµ phô thuéc lo¹i vËt liÖ u: vËt liÖ u dÎ o
nh thÐp thêng bÞ ph¸ hñy dÎ o, cßn vË t liÖ u gißn nh gang th êng bÞ ph¸ hñy
gißn. Ngoµ i ra nã cßn phô thuéc vµ o nhiÖ t ®é vµ tèc ®é ®Æt t¶ i träng: khi h¹
thÊ p nhiÖ t ® é còng nh t¨ ng tèc ®é ®Æt t¶ i träng còng cã thÓ lµ m vË t liÖ u dÎ o
bÞ ph¸ hñy gißn.
Khi h¹ thÊ p nhiÖ t ® é, ë mäi vË t liÖ u c¬ tÝ nh ®Òu biÕ n ®æi theo chiÒu
híng t¨ ng ® é bÒn vµ gi¶ m ®é dÎ o (h× nh 2.10a), t¹i nhiÖ t ®é Tob.gi - ®îc gäi
lµ nhiÖ t ® é biÕ n gißn - giíi h¹n ch¶ y σ0,2 b» ng giíi h¹n bÒn σb vµ ®é gi∙ n dµ i δ
gÇ n nh b» ng kh«ng. Khi thö ë thÊ p h¬n nhiÖ t ®é nµ y σb < σ0,2 nªn t¶ i träng
t¸ c dô ng ® ¹t ® Õ n σb tríc, g© y nªn ph¸ hñy tríc khi ®¹t ®Õ n σ0,2 t¹o ra biÕ n
d¹ng dÎ o. Trong thùc tÕ lu« n lu«n mong mái vË t liÖ u cã nhiÖ t ®é biÕ n gißn
cµ ng thÊ p cµ ng tèt, vË t liÖ u ®î c coi lµ gißn lµ lo¹i cã nhiÖ t ® é biÕ n gißn ë
kho¶ ng nhiÖ t ®é thêng, vË t liÖ u ® îc coi lµ dÎ o lµ lo¹i cã nhiÖ t ®é biÕ n gißn
ë nhiÖ t ®é © m s© u. NÕ u nh vË y th× kh¸ i niÖ m gißn - dÎ o chØ lµ quy íc. Khi
t¨ ng tèc ®é biÕ n d¹ng hay ®Æt t¶ i träng, vË t liÖ u cã khuynh híng trë nªn gißn
tøc lµ m nhiÖ t ® é biÕ n gißn t¨ ng lªn (h× nh 2.10b). Nh vË y ngay c¶ vË t liÖ u
dÎ o vÉ n cã thÓ bÞ ph¸ hñy gißn nÕ u lµ m viÖ c ë nhiÖ t ®é thÊ p (th«ng thêng
m¸ y mãc, kÕ t cÊ u ë xø l¹nh dÔ cã nguy c¬ ph¸ hñy gißn h¬n ë xø nãng) vµ
chÞu t¶ i träng thay ®æi ®ét ngét.
Ngoµ i ra c¸ c yÕ u tè tË p trung øng suÊ t nh vÕ t khÝ a, nøt, tiÕ t diÖ n thay
® æi ® ét ngét lµ m øng suÊ t cô c bé t¨ ng vä t vµ σb gi¶ m m¹nh, lµ m vË t liÖ u cã
xu híng ph¸ hñy gißn.
C¬ chÕ ph¸ hñy
Ng êi ta cho r» ng sù ph¸ hñy còng theo c¬ chÕ t¹o mÇ m nøt vµ mÇ m nøt
ph¸ t triÓ n dÉ n ®Õ n t¸ ch rêi, tuÇ n tù theo n¨ m giai ®o¹n sau:
1) h× nh thµnh vÕ t nøt (tÕ vi),
2) vÕ t nøt tÕ vi ph¸t triÓ n ® Õ n kÝ ch thíc díi tíi h¹n,
59
3) vÕ t nøt tÕ vi ph¸ t triÓ n ®¹t ®Õ n kÝ ch th íc tíi h¹n,
4) vÕ t nøt tíi h¹n ph¸t triÓ n nhanh,
5) nøt chÊ m døt vµ g∙ y rêi,
trong ® ã c¸ c giai ® o¹n 1,2 vµ 4 ®îc coi lµ quan träng nhÊ t, ®¸ ng ®Ó ý nhÊ t.
H× nh 2.11. Sù chuyÓn ®éng
vµ tÝ ch tô lÖch tríc c¸c c¶n
trë.
VÕ t nøt tÕ vi cã thÓ lµ cã s½n hay sinh ra trong giai ®o¹n biÕ n d¹ng dÎ o.
Trong vË t liÖ u khã tr¸ nh khái cã nh÷ ng vÕ t rç ng ®∙ cã s½n nh rç co, bä t khÝ ,
nøt khi kÕ t tinh, c¸ c pha cã ®é bÒn qu¸ thÊ p nh grafit trong gang..., chóng
® ã ng vai trß cña mÇ m khi ph¸ hñy. Trong qu¸ tr× nh biÕ n d¹ng dÎ o, lÖ ch ph¸ t
sinh thªm (bëi nguån Frank - Read) vµ chuyÓ n ®éng trªn mÆt tr ît bÞ nghÏ n
l¹i ë tr íc c¸ c c¶ n trë nh biªn h¹t, pha thø hai nh biÓ u thÞ ë h× nh 2.11. C¸ c
lÖ ch biªn cïng dÊ u s¸ t nhau t¹o nªn mét kho¶ ng trèng ngay d íi c¸ c b¸ n mÆt
sÏ lµ ®iÓ m xuÊ t ph¸ t cho nøt ph¸ t triÓ n. Sù ph¸ hñy hoµ n toµ n phô thuéc vµ o
kh¶ n¨ ng ph¸ t triÓ n cña vÕ t nøt tÕ vi nµ y, sÏ kh«ng x¶ y ra ph¸ hñy mét khi nøt
tÕ vi nµ y vÉ n gi÷ nguyªn kÝ ch thíc (kh«ng ph¸ t triÓ n). H¬n n÷a trong qu¸
tr× nh ph¸ t triÓ n lªn, vÕ t nøt tÕ vi nµ y còng ch a ph¶ i lµ nguy hiÓ m nÕ u kÝ ch
th íc cña nã nhá h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n. Sù ph¸ t triÓ n nøt x¶ y ra do øng suÊ t tË p
trung theo hiÖ u øng gã c nhä n ë ®Ønh nøt (®Ønh nøt cµ ng nhän sù tË p trung cµ ng
m¹nh).
H× nh 2.12. S¬ ®å vÕt rçng (a) vµ sù ph©n bè øng suÊt trªn tiÕt diÖn c¾t
ngang qua vÕt rçng (b).
60
Theo A.A Griffith vË t liÖ u cã phÇ n rçng nh biÓ u thÞ ë h× nh 2.12a th×
øng suÊ t ph© n bè kh« ng ® Òu trªn tiÕ t diÖ n ®i qua vÕ t rç, nøt Ê y ® îc biÓ u thÞ ë
h× nh 2.12b. Trong trêng hîp ®iÓ n h× nh, nøt cã d¹ng enlip vµ ®Þnh h íng sao
cho chiÒu dµ i cña nã vu« ng gãc víi øng suÊ t t¸ c dông th× øng suÊ t cùc ®¹i ë
® Ç u nhä n vÕ t nøt lµ σm sÏ cã gi¸ trÞ
a
σm = 2σ 0 + (2.1)
ρt
trong ®ã: σ0 - øng suÊ t kÐo danh nghÜ a (b» ng t¶ i träng chia cho diÖ n tÝ ch mÆt
c¾t ngang mÉ u),
a - mét nöa chiÒu dµ i vÕ t nøt,
ρt - b¸ n kÝ nh cong cña ®Ønh vÕ t nøt.
Nh vË y vÕ t nøt, rç cµ ng dµ i vµ cµ ng nhän th× (a/ρt)1/2 cµ ng lín, sù tË p
trung øng suÊ t cµ ng m¹nh. Kt = σm / σ0 ®îc gäi lµ hÖ sè tË p trung øng suÊ t.
CÇ n chó ý lµ hiÖ u øng tËp trung øng suÊt trong vËt liÖ u gißn m¹nh h¬n
trong vËt liÖ u dÎ o lµ do trong lo¹i vË t liÖ u dÎ o khi øng suÊ t cùc ® ¹i vît qu¸
giíi h¹n ch¶ y sÏ x¶ y ra biÕ n d¹ng dÎ o, ® iÒu nµ y lµ m cho sù ph© n bè øng suÊ t ë
quanh vïng cã yÕ u tè tË p trung sÏ ® å ng ® Òu h¬ n vµ øng suÊ t lín nhÊ t ë n¬ i tË p
trung khã ® ¹t ®î c gi¸ trÞ tÝ nh to¸ n theo c«ng thøc trªn. A.A Griffith còng cho
r» ng khi øng suÊ t tË p trung ë ®Ønh nøt vî t qu¸ øng suÊ t tíi h¹n σc lóc ®ã vÕ t
nøt sÏ ph¸ t triÓ n mét c¸ ch tù nhiªn kh«ng g× c¶ n næi, dÉ n ®Õ n ph¸ hñy, lóc ®ã
nguy c¬ nøt míi trë nªn hiÖ n thùc.
§èi víi vË t liÖ u gißn, øng suÊ t tíi h¹n σc cÇ n thÕ t ®Ó ph¸ t triÓ n vÕ t nøt
lµ
2Eγ S
σc = (2.2)
πa
trong ®ã: E - m«®un ®µ n håi,
γS - n¨ ng lîng bÒ mÆt riªng,
a - mét nöa cña chiÒu dµ i cña vÕ t nøt bªn trong.
Trong biÓ u thøc nµ y tuy kh« ng cã ρt nh ë (2.1) song cã ngô ý r» ng b¸ n
kÝ nh cong ë ®© y lµ ®ñ bÐ (®Ønh nøt ®ñ nhän) ®Ó øng suÊ t côc bé t¨ ng cao qu¸
® é bÒn liªn kÕ t cña vË t liÖ u.
§èi víi vË t liÖ u dÎ o (phÇ n lín kim lo¹i vµ vË t liÖ u polyme) ®Òu cã biÕ n
d¹ng dÎ o tr íc khi ph¸ hñy, ®iÒu ®ã lµ m cho ®Ønh nøt tï (cïn, bít s¾c nhän) ®i,
b¸ n kÝ nh cong t¨ ng lªn, nhê ®ã lµ m t¨ ng σc. VÒ mÆt to¸ n häc, trong biÓ u thøc
(2.2) cã thÓ thay γS b» ng γs + γp, trong ®ã γp biÓ u thÞ n¨ ng l îng biÕ n d¹ng dÎ o
® i kÌ m víi ph¸ t triÓ n vÕ t nøt. Víi vË t liÖ u dÎ o cao γp >> γS.
61
H× nh 2.13. Ba kiÓu dÞch chuyÓn bÒ mÆt vÕt nøt:
a. KiÓu I - më hay kÐo, b. KiÓu II - trît, c. KiÓu III - xÐ.
B© y giê h∙ y tÝ nh σc cho tõng c¸ ch lan truyÒn vÕ t nøt. Cã ba kiÓ u dÞch
chuyÓ n bÒ mÆt vÕ t nøt nh biÓ u thÞ ë h× nh 2.13. KiÓ u I lµ kiÓ u më hay kÐo do
t¶ i träng kÐo g© y nªn, kiÓ u II vµ kiÓ u III lÇ n lît lµ kiÓ u trît vµ xÐ. KiÓ u I lµ
kiÓ u thêng gÆp h¬ n c¶ vµ ® îc ®a vµo tÝ nh to¸n.
NÕ u vË t liÖ u cã d¹ng tÊ m t¬ng ®èi máng so víi kÝ ch th íc vÕ t nøt sÏ
tå n t¹i tr¹ng th¸ i lùc ph¼ng. Trong trêng hîp ngî c l¹i (tÊ m t¬ng ®èi dµ y so
víi kÝ ch thíc vÕ t nøt) sÏ tå n t¹i tr¹ng th¸ i gäi lµ biÕ n d¹ng ph¼ng.
Nh ® ∙ nã i, ph¸ hñy x¶ y ra do tË p trung (øng suÊ t) lµ m cho øng suÊ t
t¸ c dông ë ®Ønh nøt v î t qu¸ gi¸ trÞ σc (c« ng thøc 2.2). Trong yÕ u tè nµ y cã
mét gi¸ trÞ tíi h¹n cã thÓ dï ng ®Ó x¸ c ®Þnh c¸ c ®iÒu kiÖ n cña ph¸ hñy gißn; gi¸
trÞ tíi h¹n ® ã ®î c gä i lµ ® é dai ph¸ hñy KC vµ ® îc biÓ u thÞ b» ng c«ng thøc
K C = Yσ πa (2.3)
trong ®ã: Y - th«ng sè kh« ng thø nguyªn, phô thuéc vµ o c¶ h× nh d¹ng cña
c¶ mÉ u lÉ n nøt; vÝ dô tÊ m v« h¹n cã nøt bªn trong dµ i 2a th× Y = 1, tÊ m nöa
v« h¹n cã nøt h× nh nªm dµ i a th× Y = 1,1.
VË y cã thÓ ® Þnh nghÜ a ®é dai ph¸ hñy lµ tÝ nh chÊt biÓ u thÞ søc bÒn
chèng ph¸ hñy gißn cña vËt liÖ u khi cã s½n nøt víi thø nguyªn lùc x chiÒu dµ i -3/2
( MPa m hay psi in. ).
H× nh 2.14. ¶nh hëng cña
chiÒu dµy tÊm ®Õn ®é dai ph¸
hñy
Víi c¸ c mÉ u t ¬ ng ®èi máng gi¸ trÞ KC phô thuéc vµ gi¶ m ®i theo
chiÒu dµ y B cña mÉ u. Tõ mét chiÒu dµ y B nhÊ t ®Þnh trë lªn ®îc x¸ c ®Þnh theo
c« ng thøc
62
2
K
B ≥ 2,5 IC
σ 0, 2
KC kh«ng phô thuéc vµ o B (h× nh 2.14) vµ ®¹t gi¸ trÞ nhá nhÊ t ®îc ký hiÖ u lµ
KIC,, gi¸ trÞ KIC ® î c gä i lµ ®é dai ph¸ hñy biÕ n d¹ng ph¼ng còng ®îc x¸ c
® Þnh b» ng c«ng thøc (2.3), tøc lµ
K IC = Yσ πa (2.4)
B¶ ng 2.1 tr× nh bµ y c¸ c gi¸ trÞ trªn cho c¸ c lo¹i vË t liÖ u kh¸ c nhau.
B¶ ng 2.1. Giíi h¹n ch¶y vµ ®é dai ph¸ hñy biÕn d¹ng ph¼ng cña mét sè lo¹i vËt liÖu
VË t liÖ u σ0,2, MPa KIC, MPa m
Kim lo¹i
Hî p kim nh« m 2024- T351 325 36
Hî p kim nh« m 7075- T651 505 29
ThÐp hî p kim 4340, t« i + ram 260oC 1640 50
ThÐp hî p kim 4340, t« i + ram 425oC 1420 87,4
Ceramic
« xyt nh« m - 3,0÷5,3
Thñy tinh - 0,7÷0,8
Bªt«ng - 0,2÷1,4
Polyme
Polymethyl metacrylate (PMMA) - 1,0
Polystyrene (PS) - 0,8÷1,1
b. Trong ®iÒu kiÖ n t¶i träng thay ®æi theo chu kú
Trong thùc tÕ nhiÒu kÕ t cÊ u vµ chi tiÕ t m¸ y nh cÇ u, trô c, b¸ nh r¨ ng
chÞu t¸ c dô ng cña t¶ i trä ng kh«ng lín (ngay c¶ thÊ p h¬n σ0,2 kh¸ nhiÒu) nhng
thay ®æi theo chu kú, cã thÓ bÞ ph¸ hñy sau thêi gian dµ i vµ t¬ ng ® èi dµ i (> 105
÷ 106 chu kú). Sù ph¸ hñy nh vË y cßn ®îc gäi lµ ph¸ hñy mái. Còng gièng
nh mäi ph¸ hñy kh¸ c, ph¸ hñy mái còng xuÊ t ph¸ t tõ vÕ t nøt ®Ç u tiªn song víi
® Æc ®iÓ m lµ nã th êng n» m ë trªn bÒ mÆt lµ n¬ i chÞu øng suÊ t kÐo lín nhÊ t, t¹o
® iÒu kiÖ n thuË n lîi cho sù t¹o thµ nh vµ ph¸ t triÓ n vÕ t nøt.
VÕ t nøt tÕ vi trªn bÒ mÆt cã thÓ lµ cã s½n nh rç co, bät khÝ , t¹p chÊ t,
xíc, lå i lâ m; do vË y t¨ ng ® é bãng bÒ mÆt khi gia c«ng c¾t cã ý nghÜ a ®Æc biÖ t
® Ó chèng ph¸ hñy mái. Ngoµ i ra nøt còng cã thÓ sinh ra d íi t¸ c dông cña t¶ i
trä ng thay ® æi theo chu kú. Th«ng th êng nÕ u ë nöa chu kú ®Ç u mÉ u chÞu kÐo,
lÖ ch dÞch chuyÓ n trªn mÆt tr ît, tho¸ t ra ë bÒ mÆt vµ t¹o ra ë ® ã bË c thang nhá
th× ë nöa chu kú tiÕ p theo mÉ u chÞu nÐn, lÖ ch chuyÓ n dêi ng îc l¹i lµ m bË c
thang cò mÊ t ®i, bÒ mÆt b» ng ph¼ng nh cò (h× nh 2.15a). Qu¸ tr× nh cø x¶ y ra
nh vË y cho ®Õ n khi sù trë vÒ kh«ng hoµ n toµ n nh cò vµ chç bË c thang cò cã
mét hâm s© u b» ng th«ng sè m¹ng, ®© y chÝ nh lµ vÕ t nøt ®Ç u tiªn.
63
H× nh 2.15. Chu tr× nh øng suÊt vµ biÕn d¹ng khi t¶i träng thay ®æi theo chu kú
(a) vµ s¬ ®å cÊu t¹o vÕt nøt mái (b):
1- vïng nøt ®Çu tiªn (mÇm), 2. vïng nøt ph¸t triÓn chËm, 3. vïng g·y tøc thêi.
MÆt g∙ y ë chç ph¸ hñy mái cã nh÷ng nÐt ®Æc biÖ t, nã hÇ u nh cã ba
vï ng râ rÖ t nh biÓ u thÞ ë h× nh 2.15b. Vïng 1 rÊ t nhá s¸ t víi bÒ mÆt lµ nøt ®Ç u
tiªn, vï ng 2 (vï ng mái) lµ vïng nøt ph¸ t triÓ n chË m ch¹p tõ bÒ mÆt vµ o bªn
trong, cã bÒ mÆt nh½n, ph¼ng víi nh÷ng d¶ i ph© n c¸ ch c¸ c giai ®o¹n ph¸ t triÓ n
cña vÕ t nøt. Nøt ph¸ t triÓ n tõ tõ cho ® Õ n khi tiÕ t diÖ n cßn rÊ t nhá nªn øng suÊ t
t¸ c dông trªn nã rÊ t lín g© y ra ph¸ hñy tøc thêi lµ vï ng 3 (vïng g∙ y) cã h× nh
d¹ng ®Æc tr ng nh ph¸ hñy gißn hoÆc dÎ o ® ∙ tr× nh bµ y.
2.2. C¸ c ®Æc trng c¬ tÝ nh th« ng thêng vµ ý
nghÜ a
C¬ tÝ nh cña vË t liÖ u ® î c biÓ u thÞ b» ng c¸ c ® Æc tr ng c¬ häc, chóng
cho biÕ t kh¶ n¨ ng chÞu t¶ i cña vË t liÖ u trong c¸ c ®iÒu kiÖ n t ¬ng øng, lµ c¬ së
cña c¸ c tÝ nh to¸ n søc bÒn, kh¶ n¨ ng sö dông vµ o mét môc ®Ý ch nhÊ t ®Þnh vµ
®Ó so s¸ nh c¸ c lo¹i vË t liÖ u víi nhau. C¸ c ®Æc tr ng c¬ häc nµ y ® îc x¸ c ®Þnh
trªn c¸ c mÉ u nhá ®∙ ® îc tiªu chuÈ n hã a cña c¸ c m¸ c vË t liÖ u, ®îc tr× nh
bµ y trong c¸ c s¸ ch tra cøu nªn rÊ t tiÖ n lîi cho sö dông. Khi sö dông c¸ c sè liÖ u
c¬ tÝ nh cÇ n chó ý c¸ c ® iÓ m sau:
- Víi vË t liÖ u hoµ n toµ n nh nhau tuy ® îc thö theo mÉ u ®∙ ® îc
chuÈ n hãa nh ng kh¸ c nhau vÒ h× nh d¹ng, kÝ ch th íc (nh thö theo c¸ c tiªu
chuÈ n kh¸ c nhau) th× c¬ tÝ nh ® o ®îc vÉ n kh¸ c nhau, mÉ u víi kÝ ch th íc lín
bao giê còng cho c¬ tÝ nh thÊ p h¬ n do x¸ c suÊ t cã khuyÕ t tË t cao h¬ n.
- §iÒu kiÖ n thö mÉ u nã i chung lµ ®¬n gi¶ n h¬n so víi thùc tÕ lµ m viÖ c
cña kÕ t cÊ u, chi tiÕ t.
- C¸ c phÐp thö nghiÖ m thêng chØ tiÕ n hµ nh ë nhiÖ t ®é th êng, trong
khi ® ã thùc tÕ kh« ng hoµ n toµ n nh vË y.
ChÝ nh v× vË y ngµ y nay cã xu híng thö nghiÖ m trong c¸ c ®iÒu kiÖ n
gÇ n gièng hay gièng hoµ n toµ n víi ®iÒu kiÖ n lµ m viÖ c cña chi tiÕ t m¸ y (gäi lµ
thö trªn bÖ hay sten), tuy ®¹t ®îc sè liÖ u chÝ nh x¸ c song rÊ t khã thùc hiÖ n v×
® ßi hái m¸ y lín, phøc t¹p, thêi gian thö kÐo dµ i.
Do cã sù kh¸ c nhau vÒ h× nh d¹ng, kÝ ch th íc vµ ®iÒu kiÖ n lµ m viÖ c
nªn chØ tiªu c¬ tÝ nh ®o ® îc trªn mÉ u chuÈ n kh«ng ph¶ n ¶ nh ®óng 100% kh¶
n¨ ng cña chi tiÕ t, kÕ t cÊ u thùc, vÉ n cÇ n cã nh÷ng hiÖ u chØnh cÇ n thiÕ t. Tuy
64
nhiªn kh« ng thÓ phñ nhË n chóng vÉ n lµ c¬ së ®¸ ng tin cË y nhÊ t cña c¸ c suy
®o¸ n, tÝ nh to¸ n khi chän lùa vË t liÖ u vµ thiÕ t kÕ . CÇ n n¾m v÷ ng c¸ c chØ tiªu
c¬ tÝ nh th êng gÆp lµ ®é bÒn, ® é dÎ o, ® é cøng, ® é dai va ®Ë p, ® é dai ph¸ hñy
biÕ n d¹ng ph¼ng cï ng c¸ c ý nghÜ a cña chóng.
2.2.1. §é bÒn (tÜ nh)
Thö tÜ nh lµ d¹ng thö phæ biÕ n nhÊ t trong ®ã t¶ i träng ®Æt vµ o mét c¸ ch
tõ tõ hay víi tèc ® é t¨ ng t¶ i träng kh«ng ®¸ ng kÓ . §é bÒn lµ tË p hîp cña c¸ c
®Æc tr ng c¬ hä c ph¶ n ¸ nh søc chÞu ®ùng t¶ i träng c¬ häc tÜ nh cña vË t liÖ u,
chóng ® î c x¸ c ® Þnh b» ng øng suÊ t quy íc cña t¶ i trä ng g© y ra c¸ c ® ét biÕ n
vÒ h× nh häc cho mÉ u ®o. Tïy theo d¹ng cña t¶ i träng t¸ c dông ngêi ta ph© n
biÖ t ®é bÒn kÐo, nÐn, uèn, xo¾n... Th«ng thêng c¸c sè liÖ u ®o cho ®é bÒn vµ ®é
dÎ o lµ do thö kÐo nªn kh« ng cÇ n ph¶ i ghi chó g× c¶ , trong c¸ c tr êng hîp cßn
l¹i ® Òu ph¶ i ghi chó lo¹i thö g× (nÐn hay uèn hay xo¾n...). C¨ n cø vµ o biÓ u ®å
t¶ i träng - ®é gi∙ n dµ i nhË n ®î c khi kÐo mÉ u nh tr× nh bµ y ë h× nh 2.1 x¸ c
® Þnh ® îc ®é bÒn vµ ®é dÎ o.
a. C¸c chØ tiªu
C¸ c chØ tiªu ph¶ n ¸ nh ®é bÒn tÜ nh lµ c¸ c giíi h¹n ®µ n håi, ch¶ y vµ bÒn,
® îc ®o theo ®¬n vÞ cña øng suÊ t: kG/mm2, Pa, MPa, N/mm2, psi, ksi (theo xu
h íng chung, s¸ ch dïng ®¬n vÞ MPa trong khi c¸ c tiªu chuÈ n vÒ vË t liÖ u cña
TCVN hiÖ n hµ nh vÉ n dïng kG/mm2). Tríc ® © y dï ng ® ¬ n vÞ ® o kG/mm2 nhng
nay ®¬n vÞ th«ng dông quèc tÕ lµ Pa (pascal) song ®¬n vÞ nµ y qu¸ nhá,
1Pa ≈ 10-7 kG/mm2 nªn thêng dïng béi cña nã lµ MPa, 1MPa = 106Pa. Riªng
Hoa kú, Anh dï ng hÖ riªng lµ psi. 1psi = 1lbf/in2, song ®¬n vÞ nµ y h¬i nhá, 1psi
= 6,9.103Pa, nªn dïng béi cña nã lµ ksi, 1ksi = 103psi. Quan hÖ gi÷a c¸ c ®¬n vÞ
th êng gÆp nh sau:
1kG/mm2 ≈ 10MPa, 1MPa ≈ 0,1 kG/mm2,
1ksi ≈ 0,703kG/mm2, 1kG/mm2 ≈ 1,45 ksi,
1MPa ≈ 0,145 ksi, 1ksi ≈ 6,9MPa.
Theo gi¸ trÞ t¨ ng dÇ n lÇ n lît ®îc c¸ c giíi h¹n sau.
Giíi h¹n ®µn håi σ® h lµ øng suÊ t lín nhÊ t t¸ c dông lªn mÉ u khi bá t¶ i
trä ng mÉ u kh« ng bÞ thay ® æi h× nh d¹ng vµ kÝ ch th íc (tuy nhiªn rÊ t khã x¸ c
® Þnh ®îc ®iÒu nµ y nªn thêng quy ®Þnh t¹o ra ®é ®é biÕ n d¹ng d lµ 0,01 ÷
0,05% cña chiÒu dµ i ban ®Ç u, lóc ® ã ký hiÖ u lµ σ0,01 hay σ0,05) theo c« ng thøc:
Fdh F0, 01 F0, 05
σ dh = MPa, hay σ 0, 01 = MPa, hay σ 0, 05 = MPa,
S0 S0 S0
trong ®ã: - F® h, F0,01, F0,05 - lÇ n lît lµ t¶ i träng (lùc) kÐo øng víi ®o¹n n» m
ngang trªn biÓ u ®å kÐo vµ g© y nªn biÕ n d¹ng d rÊ t nhá nh ng cã
thÓ nhË n thÊ y ® î c lµ 0,01% hay 0,05%, tÝ nh theo N,
- So - diÖ n tÝ ch mÆt c¾t ngang ban ®Ç u cña mÉ u, tÝ nh theo mm2.
Giíi h¹n ch¶y vËt lý σch lµ øng suÊ t t¹i ®ã vË t liÖ u bÞ "ch¶ y", tøc lµ øng
suÊ t bÐ nhÊ t b¾t ®Ç u g© y nªn biÕ n d¹ng dÎ o, thêng ® îc x¸ c ®Þnh øng víi
®o¹n n» m ngang trªn biÓ u ®å kÐo. §èi víi ® a sè kim lo¹i vµ hî p kim thêng
kh«ng cã ®o¹n n» m ngang nµ y nªn thêng dï ng giíi h¹n ch¶ y quy íc.
65
Giíi h¹n ch¶y quy íc σ0,2 lµ øng suÊ t díi t¸ c dô ng cña nã sau khi bá
t¶ i träng mÉ u bÞ biÕ n d¹ng d lµ 0,20% cña chiÒu dµ i ban ® Ç u
F0, 2
σ 0, 2 = MPa
S0
trong ®ã: - F0,2 - t¶ i träng (lùc) kÐo øng víi t¹o ra ® é biÕ n d¹ng d lµ 0,20%
cña chiÒu dµ i ban ® Ç u cña mÉ u, N.
C¸ c sè liÖ u vÒ giíi h¹n ch¶ y lµ cho theo lo¹i nµ y.
Giíi h¹n bÒn σb lµ øng suÊ t cao nhÊ t g© y ra biÕ n d¹ng côc bé råi dÉ n
® Õ n ph¸ hñy
F
σ b = b MPa
S0
trong ®ã: - Fb - t¶ i trä ng (lùc) kÐo cao nhÊ t trªn biÓ u ®å kÐo, N.
Qua c¸ c chØ tiªu nµ y cã thÓ x¸ c ®Þnh ®îc kh¶ n¨ ng lµ m viÖ c cña vË t
liÖ u d íi t¶ i trä ng kÐo ®∙ cho. Nh giíi h¹n ®µ n håi rÊ t quan träng ®èi víi
lßxo, nhÝ p v× khi lµ m viÖ c qu¸ σ® h vË t liÖ u kh«ng cßn ®µ n håi hoµ n toµ n, giíi
h¹n ch¶ y rÊ t quan träng víi c¸ c chi tiÕ t l¾p ghÐp kh« ng cho phÐp lµ m viÖ c qu¸
σ0,2 v× vË t liÖ u bÞ biÕ n d¹ng dÎ o, c¸ c kÕ t cÊ u th«ng thêng ® îc tÝ nh to¸ n trªn
c¬ së cña σb chØ víi yªu cÇ u kh«ng bÞ g∙ y, vì.
b. C¸c yÕ u tè ¶nh hëng
§é bÒn ® îc coi nh chØ tiªu c¬ tÝ nh quan träng nhÊ t. N© ng cao ®é bÒn
trong khi vÉ n b¶ o ® ¶ m tèt ® é dÎ o, ®é dai lµ ph ¬ng h íng chñ yÕ u cña vË t
liÖ u hä c. Trong chÕ t¹o c¬ khÝ còng nh x© y dùng, yªu cÇ u sö dông vË t liÖ u
víi ® é bÒn ngµ y mét cao v× tháa m∙ n ® îc c¸ c yªu cÇ u kinh tÕ - kü thuË t quan
trä ng nhÊ t:
- t¨ ng kh¶ n¨ ng chÞu t¶ i,
- t¨ ng tuæi thä , vµ
- gi¶ m nhÑ khèi l îng vË t liÖ u sö dông,
® Ó t¹o ra c¸ c m¸ y mã c, kÕ t cÊ u m¹nh h¬n, bÒn h¬n rÎ vµ nhá gän h¬n.
Cã nhiÒu ph¬ ng ph¸ p n© ng cao ®é bÒn cña kim lo¹i vµ vË t liÖ u song
® Òu dùa trªn nguyªn lý c¬ b¶ n lµ : c¶ n trë chuyÓ n ®éng cña lÖ ch khi trît b» ng
c¸ ch gi¶ m hoÆc t¨ ng mË t ®é lÖ ch. Sù phô thuéc ®é bÒn vµ o mË t ®é lÖ ch ® îc
biÓ u diÔ n trªn h× nh 2.16. C¸ c kim lo¹i nguyªn chÊt ë tr¹ng th¸i ñ cã mËt ®é
lÖ ch thÊp nhÊt, vµo kho¶ng 108cm-2 (tøc trong 1cm3 cã 108cm trôc lÖ ch) vµ cã
® é bÒn thÊ p nhÊ t (øng víi vïng cùc tiÓ u trªn ®êng cong). HiÖ n tîng nµ y
®îc gi¶ i thÝ ch nh sau: lÖ ch cã tÝ nh dÔ trît, víi mË t ®é nh vË y chóng dÔ
tr ît nhÊ t tøc tr ît víi øng suÊ t bÐ nhÊ t, do ®ã cã ®é bÒn thÊ p nhÊ t. NÕ u t¨ng
hay gi¶m mËt ®é lÖ ch so víi møc nµy, ®é bÒn ® Òu t¨ ng lªn. Khi gi¶ m xuèng
díi møc nµ y ®é bÒn t¨ ng lªn rÊ t m¹nh do gi¶ m nguån ph¸ t sinh trît vµ nÕ u
kh« ng cã lÖ ch (m¹ng tinh thÓ lý të ng) ®é bÒn sÏ ® ¹t ®îc ®é bÒn lý thuyÕ t;
® iÒu nµ y ®∙ ® îc chøng minh: ®¬ n tinh thÓ d¹ng sî i (r© u, whisker) rÊ t m¶ nh
(dµ y 0,5 ÷ 2 µm, dµ i 2 ÷ 10mm) ® îc chÕ t¹o b» ng ph ¬ng ph¸ p ®Æc biÖ t
(ng ng tô tõ tr¹ng th¸ i h¬i tõ mét trung t© m) trong phßng thÝ nghiÖ m, víi rÊ t Ý t
lÖ ch cã ®é bÒn gÇ n tíi lý thuyÕ t. Nh giíi h¹n bÒn cña tinh thÓ d¹ng sîi cña s¾t
lµ 13000MPa, ®ång - 3000MPa, kÏ m - 2250MPa trong khi ®é bÒn thùc tÕ víi ®é
s¹ch kü thuË t (t¹p chÊ t kho¶ ng 0,2%) cña s¾t lµ 250MPa, ®ång - 200MPa, kÏ m -
66
150MPa. Râ rµ ng vÒ mÆt lý thuyÕ t ® © y lµ ph¬ng ph¸ p rÊ t cã hiÖ u qu¶ ®Ó
lµ m t¨ ng ®é bÒn, song kh«ng thÓ ¸ p dô ng trong thùc tÕ v× kh« ng thÓ chÕ t¹o
c¸ c tinh thÓ kh«ng khuyÕ t tË t kÓ trªn víi kÝ ch thíc lín h¬n giíi h¹n ® ã . Trong
thùc tÕ chØ cã thÓ t¨ ng ® é bÒn b»ng c¸ch t¨ng mËt ®é lÖ ch lªn qu¸ giíi h¹n kÓ
trªn. Khi lµ m cho mË t ®é lÖ ch t¨ ng lªn, lÖ ch trë nªn qu¸ dµ y ®Æc, c¸ c trôc lÖ ch
giao nhau t¹o nªn c¸ c chèt rÊ t æn ®Þnh c¶ n trë m¹nh chuyÓ n ®éng cña lÖ ch tøc
lµ muèn g© y trî t ph¶ i t¸ c dông øng suÊ t lín h¬n do ®ã ®é bÒn t¨ ng lªn. C¸ c
biÖ n ph¸ p thùc tÕ lµ m t¨ ng ®é bÒn ®Òu nhê t¨ ng mË t ®é lÖ ch lªn tíi gi¸ trÞ
109 ÷ 1012cm-2.
H× nh 2.16. Sù phô thuéc cña giíi h¹n
bÒn vµo mËt ®é lÖch:
1. ®é bÒn lý thuyÕt,
2. ®¬n tinh thÓ d¹ng sîi (r©u),
3. kim lo¹i nguyªn chÊt, ñ,
4. hîp kim, biÕn d¹ng, nhiÖt luyÖn.
c. C¸c biÖ n ph¸p hãa bÒn vËt liÖ u
BiÕ n d¹ng dÎ o. Nhê ¸ p dông c¸ c c«ng nghÖ biÕ n d¹ng dÎ o, ngoµ i cã
thÓ t¹o nªn c¸ c b¸ n thµ nh phÈ m cã h× nh d¹ng vµ kÝ ch thíc theo ý muèn, cßn
lµ m cho vË t liÖ u trë nªn bÒn h¬n nhê hiÖ u øng lµ m t¨ ng x« lÖ ch m¹ng nªn khã
t¹o thµ nh mÆt tr ît vµ t¨ ng mË t ® é lÖ ch, lµ m t¨ ng ® é bÒn. Nhê c¸ c nguyªn
c« ng biÕ n d¹ng dÎ o (ë nhiÖ t ® é thêng) rÊ t th«ng dông nh dË p, gß, uèn, gË p,
kÐo, c¸ n t¹o nªn biÕ n cøng mµ ®é cøng ®é bÒn t¨ ng lªn nhiÒu lÇ n nh ®∙ tr× nh
bµ y ë 2.1.3.
Hîp kim hãa (® a thªm nguyªn tè thø hai vµ o kim lo¹i nguyªn chÊ t) ®Ó
t¹o nªn dung dÞch r¾n (thay thÕ hoÆc xen kÏ ) lµ m t¨ ng x« lÖ ch m¹ng vµ mË t ®é
lÖ ch, trong nhiÒu trêng hî p ®iÒu nµ y kh«ng nh÷ng kh«ng lµ m t¨ ng mµ cßn
lµ m gi¶ m gi¸ thµ nh t¹o nªn hiÖ u qu¶ kinh tÕ - kü thuË t cao. Trong thùc tÕ chñ
yÕ u sö dông nhiÒu lo¹i vË t liÖ u nµ y cho mô c ® Ý ch chÞu t¶ i v× ® ¸ p øng tèt yªu
cÇ u cña vË t liÖ u kÕ t cÊ u: t¨ ng ®é bÒn nh ng kh« ng lµ m xÊ u (tuy cã gi¶ m) ® é
dÎ o, ® é dai.
T¹o c¸ c pha cøng ph© n t¸ n hay hãa bÒn tiÕ t pha. §a vµ o hî p kim mét
nguyªn tè thø hai (thêng víi l îng nhá) ®Ó t¹o nªn c¸ c phÇ n tö cã ®é cøng cao
song cã kÝ ch th íc rÊ t nhá vµ ph© n t¸ n, cã t¸ c dông nh nh÷ng chèt c¶ n trît
trong nÒn dung dÞch r¾n bÒn vµ dÎ o trªn, lµ m t¨ ng ®é bÒn lªn møc cao h¬n n÷a.
67
NhiÖ t luyÖ n t«i + ram. C¸ c hî p kim, ® Æc biÖ t lµ thÐp vµ mét sè lo¹i hî p
kim ® å ng, nh« m, titan rÊ t nh¹y c¶ m víi nguyªn c«ng nhiÖ t luyÖ n: t«i vµ sau ®ã
lµ ram - t¹o nªn sù qu¸ b∙ o hßa cao cña nguyªn tè thø hai trong dung dÞch r¾n
th« ng th êng nªn lµ m t¨ ng ® é bÒn cña hîp kim lªn møc cao h¬n n÷a. T«i + ram
còng nh c¸ c ph¬ng ph¸ p hãa - nhiÖ t luyÖ n nh thÊ m cacbon, thÊ m nit¬ ...
® îc øng dông rÊ t réng r∙ i trong chÕ t¹o c¬ khÝ ®Ó t¨ ng ®é bÒn, ®é cøng, tÝ nh
chèng mµ i mßn cña chi tiÕ t m¸ y vµ dông cô.
Lµ m nhá h¹t. C¸ c ph ¬ ng ph¸ p hã a bÒn kÓ trªn nã i chung ® Òu cã chung
nhîc ®iÓ m lµ Ý t nhiÒu lµ m gi¶ m ®é dÎ o ® é dai, riªng ph ¬ ng ph¸ p lµ m h¹t
nhá nµ y lµ m t¨ ng tÊ t c¶ c¸ c chØ tiªu bÒn, dÎ o, dai kÓ trªn nh ®∙ tr× nh bµ y ë
mô c 2.1.3a.
Nãi chung ®Ó ®¹t ®é bÒn cµ ng cao cµ ng ph¶ i ¸ p dô ng tæng hî p nhiÒu
c¸ c ph¬ng ph¸ p hãa bÒn kÓ trªn nh sÏ nghiªn cøu sau nµ y.
2.2.2. §é dÎ o
§é dÎ o lµ tË p hî p cña c¸ c chØ tiªu c¬ tÝ nh ph¶ n ¸ nh ®é biÕ n d¹ng d
cña vË t liÖ u khi bÞ ph¸ hñy díi t¶ i träng tÜ nh, nã quyÕ t ®Þnh kh¶ n¨ ng chÞu
biÕ n d¹ng dÎ o, gia c« ng ¸ p lùc cña vË t liÖ u nh dË p (s© u hay n«ng), d¸ t máng,
kÐo sî i... Nh ® ∙ biÕ t kh¶ n¨ ng chÞu biÕ n d¹ng dÎ o lµ tÝ nh c«ng nghÖ quan
trä ng bË c nhÊ t cña vË t liÖ u, nhê ®ã vË t liÖ u míi dÔ t¹o h× nh ë d¹ng dµ i víi
c¸ c pr«fin kh¸ c nhau thÝ ch hî p cho vË n chuyÓ n, l¾p r¸ p vµ sö dô ng (hiÖ n
nhiÒu vË t liÖ u cã c¸ c ® Æc tÝ nh sö dông rÊ t tèt - nh siªu dÉ n nhng mét trong
nh÷ ng lý do khiÕ n Ý t triÓ n väng lµ do kh«ng thÓ biÕ n d¹ng dÎ o, kÐo sîi ®îc
nh ® ∙ tr× nh bµ y ë mô c 0.3).
a. C¸c chØ tiªu
Ngêi ta ® ¸ nh gi¸ ® é dÎ o cïng víi ®é bÒn khi thö kÐo b» ng ®o sù thay
® æi t¬ng ®èi cña ®é dµ i vµ tiÕ t diÖ n mÉ u sau khi bÞ ph¸ hñy qua hai chØ tiªu:
® é gi∙ n dµ i t¬ng ®èi vµ ®é th¾t tiÕ t diÖ n t¬ng ®èi.
§é gi∙ n dµi t¬ng ®èi δ% vµ ®é th¾t tiÕ t diÖ n t¬ng ®èi ψ% ® îc x¸ c
®Þnh theo c¸ c c«ng thøc
l −l S − S1
δ = 1 0 100% , ψ= 0 100%
l0 S0
trong ®ã: - lo, So - chiÒu dµ i, diÖ n tÝ ch mÆt c¾t ngang ban ®Ç u cña mÉ u thö,
- l1, S1 - chiÒu dµ i, diÖ n tÝ ch mÆt c¾t ngang sau khi ®øt cña mÉ u
thö .
b. TÝ nh siªu dÎ o
VË t liÖ u ®î c coi lµ dÎ o khi cã ®é gi∙ n dµ i t ¬ ng ® èi δ kho¶ ng vµ i
chô c phÇ n tr¨ m, ë mét sè vË t liÖ u vµ trong mét sè ®iÒu kiÖ n δ cã thÓ ®¹t tíi
gi¸ trÞ cao, h¬n 100% (100 ÷ 1000%), ® îc gäi lµ siªu dÎ o. Hî p kim siªu dÎ o
® îc dïng ®Ó chÕ t¹o c¸ c s¶ n phÈ m cã d¹ng rçng, dµ i víi tiÕ t diÖ n kh«ng
®ång ®Òu kiÓ u nh chai, lä , èng, cßn trong s¶ n xuÊ t th«ng thêng cã thÓ gi¶ m
® ¸ ng kÓ lùc Ðp còng nh tiÕ t kiÖ m n¨ ng lîng. Cã thÓ ®¹t ®îc hiÖ u øng siªu
dÎ o b» ng c¸ ch:
68
- lµ m cho h¹t thË t nhá mÞn (cì h¹t kho¶ ng 10µm), ®¼ng trôc, ®ång ®Òu
vµ æn ® Þnh khi biÕ n d¹ng, ® © y lµ yÕ u tè quan träng nhÊ t,
- biÕ n d¹ng ë nhiÖ t ®é cao cì (0,6 ÷ 0,85) Tso,
- tèc ®é biÕ n d¹ng cì 10-4 ÷ 10-3 s-1 (tøc 0,01 ÷ 0,1%/s).
ë tr¹ng th¸ i siªu dÎ o sù trît x¶ y ra chñ yÕ u theo biªn h¹t (hÇ u nh
kh« ng theo c¬ chÕ chuyÓ n dêi lÖ ch trong h¹t nh th«ng thêng).
2.2.3. §é dai va ®Ë p
RÊ t nhiÒu chi tiÕ t m¸ y lµ m viÖ c díi t¶ i träng ®Æt vµ o víi tèc ®é lín,
® ét ngét hay nãi kh¸ c ®i lµ chÞu va ®Ë p, nh « t« khi gÆp chíng ng¹i, bÞ xãc
hay phanh ®ét ngét. Mét c¸ ch ®¸ nh gi¸ kh¶ n¨ ng chèng ph¸ hñy cña vË t liÖ u
khi chÞu t¶ i träng ®éng nh vË y lµ c¸ ch thö va ®Ë p b» ng c¸ ch uèn, tøc ®o c«ng
ph¸ hñy hay ® é dai va ® Ë p. Còng cã thÓ ®o¸ n ®Þnh c«ng ph¸ hñy ®ã qua biÓ u
®å kÐo. Qua hai biÓ u ®å kÐo tr× nh bµ y ë h× nh 2.17 thÊ y r» ng vË t liÖ u t ¬ng
øng víi ®êng AB cã c«ng ph¸ hñy (nÕ u quan niÖ m c«ng = lùc x ®é dµ i) bÐ v×
diÖ n tÝ ch mµ ® êng cong chiÕ m chç (phÇ n g¹ch chÐo) kh¸ nhá, trong khi ®ã
vË t liÖ u t¬ ng øng víi ®êng AB' cã c«ng ph¸ hñy lín. Mét c¸ ch gÇ n ®óng cã
thÓ coi ®é dai va ®Ë p tû lÖ víi tÝ ch sè cña ® é bÒn víi ® é dÎ o (giíi h¹n bÒn kÐo
hay giíi h¹n ch¶ y x ® é gi∙ n dµ i t¬ng ®èi). Thö va ®Ë p b» ng c¸ ch dïng bóa
r¬ i kiÓ u con l¾c ®Ó ph¸ vì mÉ u chuÈ n, qua ®ã x¸ c ® Þnh c«ng ph¸ hñy b» ng
c¸ ch x¸ c ®Þnh hiÖ u thÕ n¨ ng cña con l¾c tr íc vµ sau mét hµ nh tr× nh r¬i (h× nh
2.18).
H× nh 2.17. C¸c d¹ng biÓu ®å kÐo vµ
c«ng ph¸ hñy.
MÉ u thö ® é dai va ® Ë p cã tiÕ t diÖ n 10x10mm dµ i 55mm (mÉ u Charpy)
vµ 75mm (Izod) víi r∙ nh khÝ a h× nh ch÷ U hay ch÷ V (®Ó t¹o yÕ u tè tË p trung
øng suÊ t) ë mét mÆt bªn th êng lµ réng 2mm vµ s© u 2mm (cÇ n nhí lµ h× nh
d¹ng vµ ® é s© u r∙ nh cã ¶ nh h ë ng lín ® Õ n kÕ t qu¶ ®o). TCVN chØ quy ® Þnh
thö theo mÉ u Charpy vµ ký hiÖ u ®é dai va ®Ë p b» ng aK lµ c«ng ph¸ hñy mét
d¬ n vÞ diÖ n tÝ ch mÆt c¾t ngang mÉ u, tÝ nh theo c«ng thøc:
A
a K = K Nm/cm2 hay kJ/m2 hay kGm/cm2
S
trong ®ã: AK lµ c«ng ph¸ hñy mÆt c¾t ngang S h× nh ch÷ nhË t qua r∙ nh khÝ a
10x8mm.
§¬n vÞ ®o cò lµ kGm/cm2, hiÖ n dïng ®¬n vÞ c«ng lµ J (1J = 1N.m), quan