The physical nature of materials strengths
Sự so sánh về độ bền phá huỷ, phá huỷ trượt do kéo và độ bền riêng của các HKVĐH khác nhau từ các nguồn tham khảo đã có
Ngu n: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART
Biên d ch và gi i thi u b i: Nguy n Hoàng Vi t
B n ch t v t lý b n v t li u **
By Zhe-Feng Zhang* and Jürgen Eckert
B ng 1. S so sánh v b n phá h y, phá h y trư t do kéo và b n ruêng c a các HKV H khác nhau t các
ngu n tham kh o ã có. b n phá h y và góc phá h y trư t do kéo quan sát ư c b i các tác gi iv im i
h HKV H khác nhau, sau ó 2 bi n b n riêng và t s c a nó ư c tính toán theo tiêu chu n phá h y ng
nh t.
θT = Fmax/A0 θT
Tác gi Thành ph n (GPa) τ0 (GPa) σ0 (GPa) a = τ0/σ0
(degree)
He et al. 5 Zr52.5Ni14.6Al10Cu17.9Ti5 1.66 -55 0.96 1.91 0.504
6
Inoue et al. Cu60Zr30Ti10 2.00 ~54 1.14 2.36 0.485
7
Lewandowski et al. Zr40Ti12Ni9.4Cu12.2Be22 1.98 -51.6 1.11 2.44 0.455
Liu et al. 8 Zr52.5Ni14.6Al10Cu17.9Ti5 1.65 -54 0.94 1.95 0.485
9
Mukai et al. Pd40Ni40P20 1.65 -56 0.97 1.85 0.522
Noskova et al. 10 Co70Si15B10Fe5 1.48 -60 0.91 1.57 0.577
11
Xiao et al. Zr52.5Ni10Al10Cu15Be12.5 1.75 -55 1.01 1.96 0.504
Zhang et al. 12 Zr52.5Ni14.6Al10Cu17.9Ti5 1.66 -56 0.97 1.86 0.522
13
Zhang et al. Zr59Cu20Al10Ni8Ti3 1.58 -54 0.90 1.86 0.485
14
Zielinski et al. Ni75Si8B17 1.59 -53 0.90 1.93 0.464
b n c a v t li u ư c ánh giá thư ng ư c mô t trong nhi u sách giáo khoa[1,2].
thư ng qua phương pháp xác nh d b n i v i m u v t li u h p kim vô nh hình
kéo. i v i m t v t li u nh t nh di n tích (HKV H-metallic glass), có x y ra s phá
m t c t ban u A0, n u áp d ng l c kéo l n h y ch trư t (shear mode), xem hình
nh t d n n phá h y m u là Fmax, b n 1, và b m t trư t phá h y t o ra 1 góc
phá h y s ư c tính toán là: σ max =
Fmax θT = 56o tương ng v i tr c kéo. Hành vi
Ao
phá h y trư t này x y ra r t ph bi n i
v i HKV H, như ư c mô t trong b ng
1[5-14]. Theo nh nghĩa trong sách giáo
khoa[1-2], b n phá h y khi kéo c a
Fmax
HKV H s là σ max = . Tuy v y, di n
Ao
tích th c c a b m t phá h y s là
Ao sin (θT ) và l c kéo pháp tuy n c a m t
s là Fmax ⋅ cos (θT ) . i u này d n n k t
qu là ng su t phá h y là
www.luyenkim.net
Ngu n: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART
Biên d ch và gi i thi u b i: Nguy n Hoàng Vi t
Fmax ⋅ sin (θT ) ⋅ cos (θT ) Hình. 2. (a) Minh h a v t th b tác ng t h p
có s khác bi t so tr ng thái ng su t (σ n , τ n ) và phá h y t i hai
Ao
bi n b n riêng (σ o ,τ o )
F
v i max như ư c nh nghãi trong sách
Ao i v i v t li u ch u m t l c kéo F, luôn
giáo khoa. Như v y, nó s làm n y sinh m t luôn có t h p ng su t (σ n ,τ n ) trên b t kì
s câu h i thú v và có ý nghĩa. b n kéo
m t ph ng nào, như minh h a hình 2 (a).
Fmax có hi u bi t rõ hơn v b n ch t v t lý
th c s c a HKV H là hay
Ao
b n v t li u và tr l i các câu h i thú v
Fmax ⋅ sin (θT ) ⋅ cos (θT ) trên., chúng tôi gi s r ng i v i v t li u
? T i sao dư i tác
Ao
ng hư ng ch có 2 giá tr b n riêng σ o
d ng ng su t kéo, HKV H l i không b
và τ o , như minh h a hình 2b, σ o nh
phá h y theo m t ng su t pháp tuy n l n
nghĩa là b n t i h n c a v t li u Mode
nh t ( θT = 90o ) ho c không phá h y theo
phá h y I; τ o là b n t i h n c a v t li u
tr c ng su t trư t l n nh t ( θT = 45o )? B n
Mode phá h y II. N u m t ph ng b t kì
ch t v t lý v b n v t li u là gì?
c a v t li u ch u t h p ng su t (σ n ,τ n ) ,
b n phá h y s ư c bi u di n theo tiêu
2 2
chu n sau: (σ n / σ o ) + (τ n / τ o ) = 1 (1)
Trong khi ó, tr ng thái ng su t (σ n ,τ n )
trên m t trư t b t kì tuân theo phương trình
Mohr, nghĩa là
2 2 2
Hình. 1. Hình thái vĩ mô phá h y trư t do kéo c a (σ n − σ T / 2 ) + (τ n ) = (σ T / 2 ) (2)
m u HKV H Zr52.5Ni14.6Al10Cu17.9Ti5. b n phá h y
kéo pháp tuy n c a m u vào kho ng 1.58 GPa và m t Theo phương trình 1 và 2, hai bi n bèn
phá h y trư t t o thành m t góc 56° so v i phương
ng su t kéo
c l p có th xuy ra t :
.
τ o = σ T / 2 1 − a2 (3a)
σ o = σ T / 2a 1 − a 2 (3b)
ây, σ T = Fmax Ao ư c g i là b n
phá h y (kéo); a là h s mode phá h y[4] và
ư c tính toán t góc phá h y trư t vĩ mô
khi kéo, xem ph n th o lu n sau ây. ây,
gi nh σ T = Fmax Ao ư c c p n như
www.luyenkim.net
Ngu n: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART
Biên d ch và gi i thi u b i: Nguy n Hoàng Vi t
là b n phá h y pháp tuy n, thay vì
b n riêng c a v t li u. Ch khi HKV H phá
h y d c theo m t ng su t pháp l n nh t,
θT = 90o , ta m i có σ T = σ o [4]; Tuy v y,
h u h t các HKV H phá h y theo mode
trư t v i các góc trư t khác nhau, tương
[5-14]
ng , vì th ng su t phá h y khi kéo
σ T không b ng ng su t t i h n σ o . Bên Hình. 3. D i trư t trong các v t li u khác nhau, (a)
d i trư t ơn tinh th ng b bi n d ng; (b) tương
tác d i trư t sơ c p và th c p trong ơn tinh th
c ch ó, t s a = τ o σ o ư c nh nghĩa là Cu-Al; (c) va ch m c a d i trư t t i biên h t trong
lư ng tinh th ng bi n d ng; (d) d i trư t trong
h s mode phá h y và là hàm c a góc phá h p kim Al-Cu c u trúc siêu m n.
h y trư t θT ,[4]
Ta cũng bi t rõ rang r ng b n c a các
a = sin 2 θT − cos 2 θT / 2 ⋅ sin θT (4) lo i v t li u kim lo i là khác nhau áng k
Th phương trình 4 vào phương trình 3a và do s khác nhau v chi ti t vi c u trúc[1-2].
3b, ta có th tính toán hai giá tr b riêng D a vào phân tích b n trên, v m t
nguyên t c, chúng cung c p manh m i m i
σ o và τ o , là hàm c a b n phá h y
liên k t n quan h b n i v i các lo i
σ T = Fmax Ao và góc phá h y trư t θT ,
HKV H v i các c u trúc khác nhau qua
nghĩa là
quan i m hi n tư ng lu n. i v i các h
2 2 2
σ o = σ T sin θT / sin θT − cos θT ơn tinh th d o, bi n d ng m t trư t
τ o = σ T sin θT 2 thư ng x y ra ng su t trư t t i h n th p
τ o (ví d : ~ 1 – 10 MPa)15. Nghĩa là, b n
Th c t , b n σ o bi u di n ng su t t i
σ o ph i cao b i vì phá h y d ng lá c c
h n có th phá h y v t li u mode I –
t o n t; b n τ o là tr kháng t i h n kì khó x y ra trong các ơn tinh th d o. Do
ó, t s a = τ o σ o c a các on tinh th d o
kh c ph c mode II – quá trình trư t c a v t
li u. Do ó, t s a = τ o σ o cũng có th có giá tr r t g n 0. Theo nh lu t Schmid
và tiêu chu n kéo th ng nh t, ng su t kéo
xem là tham s riêng c a v t li u, làm nh
i v i bi n d ng trư t có th bi u di n là
hư ng n các mode phá h y I ho c II c a
2
các v t li u khác nhau. σ T = τ n Ω = τ o 1 − (σ n σ o ) / Ω (6)
ây Ω là h s Schmid c a ơn tinh th ,
τ o là ng su t trư t t i h n trên m t trư t
www.luyenkim.net
Ngu n: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART
Biên d ch và gi i thi u b i: Nguy n Hoàng Vi t
( i n hình là m t (111) trong các tinh th
fcc). Khi có bi n d ng d o cao hơn, các ơn
tinh th d o thư ng có quá trình hóa b n
bi n d ng, ví d ng su t trư t t i h n τ o
tăng lên nh tích t l ch bên trong các d i
trư t[16] (xem hình 3a). Ngoài ra, thư ng có
s tương tác gi a các d i trư t sơ c p và th
c p trong ơn tinh th b bi n d ng m c
Hình 4. S ph thu c c a i x ng b n gi a ng
cao, như hình 3b, làm d n n s tăng su t nén và kéo n t s a = τ o σ o khi gi m kích
thư c biên h t c a v t li u.
áng k c a b n trư t τ o do cơ ch hóa
b n ph c n[15]. Cơ ch hóa b n quan tr ng D a vào b ng s li u b ng 1, hai giá tr
khác n a cũng thư ng ư c gây ra b i hãm b n riêng σ o và τ o c a các HKV H khác
l ch – trên t i các bên h t lư ng tinh th hay nhau ư c tính toán b ng cách thay th ng
a tinh th , d n n s gia tăng áng k ng
su t phá h y kéo pháp tuy n σ T và góc phá
su t trư t τ o nh hi u ng ch n biên h t t i
h y trư t θT vào các phương trình 5a và 5b.
các d i trư t, như hình 3c. Khi có s làm
Có th th y r ng giá tr n σ o n m trong
nh m n biên h t trong các v t li u nanô
kho ng 1.5 – 2.5GPa cho các HKV H nêu
tinh th hay h t siêu m n, các d i trư t tr
b ng 1, và τ o m c ~ 1.0GPa, giá tr τ o
thành mode bi n d ng d o chính, như hình
3d. Các v t li u này thư ng có ch a ng cao hơn ng su t trư t t i h n c a các ơn
[15]
su t trư t cao τ o so sánh v i v t li u này có tinh th . Do v y, n u xem xét r ng t t c
các giá tr σ o c a các HKV H là như nhau,
biên h t thô to là nh hi u ng hóa b n h t
m n[21-24]. S gia tăng áng k c a b n khi gia tăng b n trư t τ o , t s
trư t t i h n τ o s luôn luôn d n nt s a = τ o σ o s theo s gia tăng c p l n
a = τ o σ o cao. i v i v t li u HKV H, lư t như sau t ơn tinh th , lư ng tinh th
v m t b n ch t coi tr ng thái vô nh hình hay biên h t thô, tinh th thư ng, tinh th
(V H) là s gi i h n t i a i v i quá biên h t siêu m n, v t li u nanô tinh th và
trình làm m n biên h t c a v t li u tinh th , HKV H[15-24]. Gi s t t c t t c v t li u
và do ó có t s a = τ o σ o cao nh t. ch y ho c phá h y mode trư t và b n
c a chúng theo t i kéo t i h n th ng nh t và
tiêu chu n Tresca dư i t i nén, tương ng,
www.luyenkim.net
Ngu n: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART
Biên d ch và gi i thi u b i: Nguy n Hoàng Vi t
b n nén pháp tuy n σ C và b n kéo c a các v t li u nanô tinh th ho c h t siêu
pháp tuy n σ T ư c bi u di n dư i d ng m n.
T ng k t, σ o và τ o có th ư c xem là hai
σC =τo ( sin45o cos 45o ) = 2ϖo (T/C Tresca) (7)
bi n b n riêng c l p i v i v t li u
và
ng nh t trong t nhiên. b n phá h y
2
σT = 2ωo 1− a (Tiêu chu n th ng nh t) (8)
chu n ki m tra ( σ C và σ T ) c a các v t li u
Như minh h a hình 4, s ph thu c c a
không ph n ánh b n riêng c a chúng, mà
b n nén và kéo pháp tuy n ( σ C và σ T ) ch ph n ánh nh hư ng t h p c a b n
vào t s ư c th y r t rõ. Khi σ o và τ o các tr ng thái ng su t khác
a = τ o σ o ≤ 0.240 , hai giá tr b n c a
nhau ( σ n , τ n ). Trong quá trình bi n d ng
chúng g n như là gi ng nhau, i u này gi i
d o, t t c các d i trư t c a v t li u luôn
thích t i sao các v t li u tinh th thông
luôn b tác ng tr ng thái ng su t t h p
thư ng có h t thô t nó x y ra i x ng v
( σ n , τ n ), như minh h a hình 3(a)-(d). Khi
b n khi nén và kéo (xem vùng A, hình 4).
v t li u v i h t thô to ư c làm m n h t
Khi tăng cao hơn t s a = τ o σ o , i x ng
thành v t li u có c u trúc biên hat m n, siêu
v b n ( σ C - σ T ) là rõ rang, ư c ánh m n ho c nanô tinh th [20-27]
, th m chí t o
d u vùng B - hình 4. Hi n nhiên, chúng ta v t li u V H, t s a = τ o σ o s tăng lien
t ng k t r ng t s a = τ o σ o c a các v t t c. Thông thư ng, b n ng su t nén
li u HKV H n m trong kho ng 0.385 – pháp tuy n σ C s ư c xác nh b ng
[4]
0.707 . Khi có t i nén và t i kéo, HKV H
b n trư t τ o ; tuy nhiên, ng su t kéo pháp
bi u hi n i x ng b n nh t nh, [3-14,28]
tuy n σ T ư c i u khi n b i c b n σo
phù h p v i vùng C – hình 4. i x ng
b n khác nhau có th ư c phân b theo các và τ o . Do ó, khi v t li u có t s
giá tr cao tương i c a t s a = τ o σ o cao, r t khó có th hi u ư c t i
a = τ o σ o = 0.385 - 0.707 tuân theo tiêu sao i x ng b n ( σ n - τ n ) thư ng x y ra
[4]
chu n phá h y th ng nh t. gi a vùng A i v i v t li u b n cao này, i n hình là
và C trên hình 4, t s này vào kho ng V t li u V H [3-14,28]
, á ho c g m[3], cũng
a = τ o σ o = 0.240 − 0.385 , rõ ràng, i như v t li u có c u trúc h t siêu m n ho c
[20-27]
x ng b n vùng B cũng là không áng nanô tinh th . Hơn n a, i u ó cho
k . i u ó cho th y t s a = τo σo th y r ng khái ni m m i ư c xu t v
vùng B s tương ng v i các tính ch t riêng b n ch t v t lý c a b n v t li u có m t ý
nghĩa quan tr ng hi u rõ hơn v cơ ch
www.luyenkim.net
Ngu n: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114129695/PDFSTART
Biên d ch và gi i thi u b i: Nguy n Hoàng Vi t
hóa b n và thi t k t i ưu vi c u trúc iv i
v t li u hi u năng cao trong th c t các ng
d ng k thu t.
Experimental
In the current research, different metallic materials
were employed, for example pure Cu and Cu-Al
single crystals, Cu bicrystals were grown by the
Bridgman method in a horizontal furnace,[12,19]
ultrafine-grained Al-Cu poly-crystals were
fabricated by equal channel angular processing
(ECAP) technique. Besides, some Zr-, and Ti-based
bulk metallic glasses were prepared by arc-melting
elemental Zr, Cu, Al, Ni and Ti with a purity of
99.9% or better in a Ti-gettered argon
atmosphere.[12,13,28] For reaching homogeneity,
the master alloy ingots were re-melted several times
and were subsequently cast into copper molds with
different dimensions, i.e. 40 mm × 30 mm × 1.8 mm
for tensile test specimens and 3 mm in diameter and
a lengthen of 50 mm for the samples used for
compressive tests. The compression and the tensile
tests of bulk metallic glasses were conducted at
different strain rates with an Instron 4466 testing
machine at room temperature. Tensile and fatigue
tests of the pure Cu and Cu-Al single crystals, Cu
bicrystals and ultrafine-grained Al-Cu polycrystals
were performed on Shimadzu testing machine. After
fracture, all the specimens were investigated by
scanning electron microscope (SEM) to reveal the
fracture surface morphology and the fracture
features.
Received: September 14, 2006 Final version:
November 13, 2006
www.luyenkim.net
