Giáo trình Vật liệu học

Nội dung text: Giáo trình Vật liệu học

1. GIÁO TRÌNH Vật liệu học 1
2. MỤC LỤC Chương 1 8 TỔNG QUAN 8 1.1KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU 8 1.1.1 Khái niệm chung 8 Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong xây dựng các công trình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận cơ thể con người hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v. 8 1.1.2 Phân loại vật liệu 8 1.1.2.1 Vật liệu kim loại. 8 1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc 9 1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme. 9 1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit 9 1.1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU 10 1.1.3.1 Giai đoạn tiền sử của loài người. 10 1.1.3.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm. 11 1.1.3.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học. 11 1.2NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU 13 1.2.1 Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu 13 1.2.2 Những tính chất cơ bản của vật liệu 13 Giới hạn bền được tính theo công thức: 14 CHƯƠNG 3 26 CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI 26 3.1. Các khái niệm cơ bản 26 3.1.1. Khái niệm hợp kim 26 3.1.2. Đặc điểm của hợp kim 26 3.1.3. Các định nghĩa cơ bản về hợp kim 26 3.2. Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản 27 3.2.1. Dung dịch rắn 27 3.2.1.1. Khái niệm 27 3.2.1.2. Phân loại dung dịch rắn 27 3.2.1.3.Tính chất chung của dung dịch rắn 29 3.2.2. Các pha trung gian 29 3.2.2.1. Khái niệm 29 3.2.2.2. Các loại pha trung gian 29 3.2.3. Hỗn hợp cơ học 31 3.2.3.1. Khái niệm 31 3.2.3.2. Các loại hỗn hợp cơ học 31 3.2.3.3. Thành phần tạo nên hỗn hợp cơ học 31 3.3. Giản đồ trạng thái của hợp kim 31 3.3.1. Khái niệm 31 3.3.2. ý nghĩa và phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái 32 2
3. 3.3.2.1. ý nghĩa 32 3.3.2.2. Phương pháp xây dựng 32 3.3.3. Một số loại giản đồ trạng thái hai nguyên cơ bản 32 3.3.3.1. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn 32 3.3.3.2. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở lỏng, không hòa tan ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh 33 3.3.3.4. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở lỏng và tạo thành bao tinh 36 3.3.3.5. Một số dạng giản đồ đặc biệt 36 CHƯƠNG 4 38 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 38 4.1. Các khái niệm 38 4.1.1. Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy 38 4.1.1.1. Biểu đồ kéo kim loại 38 4.1.1.2. Bản chất của biến dạng đàn hồi. Định luật Hooke 38 4.1.1.3. Biến dạng dẻo 39 4.1.2. Biến dạng dẻo đơn tinh thể 39 4.1.2.1. Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo 39 4.1.2.2. Độ bền lý thuyết và thực tế của kim loại 40 4.1.3. Các cơ chế biến dạng dẻo 42 4.1.3.1. Trượt 42 4.1.3.2. Đối tinh 43 4.1.3.3. Vai trò của mặt trượt và phương trượt trong biến dạng dẻo 43 4.1.4. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc tinh thể sau biến dạng dẻo, các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu 44 4.1.4.1. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc của tinh thể 44 4.1.4.2. Các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu 45 4.1.5. Các yếu tố hãm lệch trong tinh thể 46 4.1.5.1. Tương tác giữa các lệch 46 4.1.5.2. Các nguyên tử tạp chất 46 4.1.5.3. Biên giới hạt và biên giới siêu hạt 46 4.1.5.4. Pha thứ hai phân tán 46 4.1.6. Đặc điểm biến dạng dẻo đa tinh thể 47 4.1.7. Nung kim loại sau biến dạng dẻo 48 4.1.7.1. Mục đích 48 4.1.7.2. Các giai đoạn xảy ra khi nung kim loại qua biến dạng dẻo 48 4.2. Các đặc trưng cơ tính của vật liệu 50 4.2.1. Độ bền tĩnh và độ dẻo 50 4.2.1.1. Nhóm đặc trưng cho độ bền 50 4.2.1.2. Nhóm đặc trưng cho độ dẻo 50 4.2.2. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng tĩnh mà không phá hủy mẫu .50 4.2.2.1. Độ cứng Brinell (HB) 50 4.2.2.2. Độ cứng Rocoel (HR) 51 4.2.2.3. Độ cứng Vicken (HV) 51 4.2.2.4. Độ cứng tế vi (H) 51 4.2.3. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng động 51 4.2.4. Độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ (giới hạn bền mỏi) 52 CHƯƠNG 5 53 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CÁCBON 53 5.1. Các bon và sắt 53 3
4. 5.1.1. Các bon 53 5.1.2. Sắt 53 5.1.2.1. Cơ tính 53 5.1.2.2. Tính thù hình 53 5.2. Giản đồ trạng thái Fe - C 54 5.2.1. Giản đồ trạng thái 54 5.2.2. Các tổ chức của hợp kim Fe - C 54 5.2.2.1. Các tổ chức một pha 54 5.2.2.2. Các tổ chức 2 pha 55 5.2.3. Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C 55 5.2.3.1. Phần phía trên đường đặc AHJECF 56 5.2.3.2. Phần phía dưới đường đặc AHJECF 56 5.3. Phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái 56 5.3.1. Thép 56 5.3.2. Gang 58 5.3.3. Đặc điểm cơ tính của thép và gang theo giản đồ trạng thái 59 5.3.3.1. Thép 59 5.3.3.2. Gang 59 5.4. Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái 59 5.4.1. Nhiệt độ phản ứng cùng tinh (T = 11470C) 59 5.4.2. Nhiệt độ phản ứng cùng tích (T = 7270C) 59 5.4.3. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Ferit ( ) trong Auxtenit () là đường A3 59 5.4.4. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Xementit (Xe) vào Auxtenit () là đường Acm 60 6.1. Khái niệm về nhiệt luyện 61 6.1.1. Định nghĩa 61 6.1.2. Các đặc điểm của nhiệt luyện 62 6.1.3. Các yếu tố đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện 62 6.1.4. Phân loại nhiệt luyện 62 6.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung thép 62 6.2.1. Mô tả thí nghiệm 62 6.2.2. Nhiệt độ chuyển biến Peclit thành Auxtenit 63 6.2.2.1. Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép cùng tích 63 6.2.2.2. Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép và sau cùng tích 64 6.2.3. Cơ chế hình thành  khi nung 65 6.2.4. Độ hạt của  và biểu diễn độ hạt trên giản đồ trạng thái 66 6.3. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội thép 67 6.3.1. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt Auxtenit 67 6.3.1.1. Mô tả thí nghiệm: Làm thí nghiệm với thép cùng tích (0,8%C) 67 6.3.1.2. Ảnh hưởng của độ quá nguội đến chuyển biến 67 6.3.1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của  quá nguội 68 6.3.1.4. Các sản phẩm của sự phân hoá đẳng nhiệt của Auxtenit quá nguội68 6.3.1.5 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt  quá nguội của thép trước cùng tích và sau cùng tích 69 6.3.2. Chuyển biến  P khi làm nguội liên tục 69 6.3.3. Chuyển biến của  khi làm nguội nhanh - chuyển biến Mactenxit 70 6.3.3.1. Khái niệm: 70 6.3.3.2. Tốc độ nguội tới hạn để xảy ra chuyển biến Mactenxit 71 6.3.3.3. Đặc điểm của chuyển biến Mactenxit 71 6.3.3.4. Cơ tính của M 73 4
5. 6.4. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG THÉP ĐÃ TÔI 74 6.4.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram 75 6.4.2.1. Giai đoạn I (T0 4000C) 76 6.4.3. Cơ tính của thép sau nhiệt luyện tôi và ram 76 6.4.3.1. Giữa Mtôi và Mram: 76 6.4.3.2. Giữa Ttôi và Tram: 76 6.4.3.3. Giữa Xtôi và Xram: 77 CHƯƠNG 7: 78 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN THÉP 78 7.1. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP 78 7.1.1. Ủ thép 78 7.1.1.1. Định nghĩa và mục đích của ủ thép 78 7.1.1.2. Phân loại 79 7.1.2. Thường hóa thép 81 7.1.2.1. Định nghĩa 81 7.1.2.2. Đặc điểm của thường hoá thép 81 7.1.2.3. Mục đích áp dụng của thường hoá 82 7.1.2.4. Nhiệt độ ủ và thường hoá thép theo giản đồ trạng thái 82 7.2. TÔI THÉP 83 7.2.1. Định nghĩa 83 7.2.2. Đặc điểm 83 7.2.3. Mục đích của tôi 83 7.2.4. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 84 7.2.4.1. Tốc độ tôi tới hạn 84 7.2.4.2. Độ thấm tôi 84 7.2.5. Xác định nhiệt độ tôi 85 7.2.6. Các phương pháp tôi 86 7.2.6.1. Yêu cầu đối với môi trường làm nguội 86 7.2.6.2. Các phương pháp tôi thông thường 86 7.2.6.3. Các phương pháp tôi đặc biệt 88 7.2.6.4. Một số môi trường nguội hay dùng 89 7.3. RAM THÉP 90 7.3.1. Định nghĩa và mục đích 90 73.1.1 Định nghĩa: 90 7.3.1.2 Mục đích: 90 7.3.2. Các phương pháp ram 90 7.3.2.1. Ram thấp 90 7.3.2.2. Ram trung bình 90 7.3.2.3. Ram cao 91 7.3.3. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện 91 7.3.3.1. Biến dạng, nứt 91 7.3.3.2. Oxi hóa và thoát cacbon 92 7.3.3.3. Độ cứng không đạt 93 7.3.3.4. Tính dòn cao 93 7.3.3.5. Dòn ram 93 7.4. SƠ LƯỢC VỀ CÁC THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN 93 7.4.1. Đặc điểm của lò nhiệt luyện 93 7.4.1.1. Yêu cầu đối với lò nhiệt luyện 93 7.4.1.2. Phân loại lò nhiệt luyện 94 5
6. 7.4.2. Các nhóm thiết bị nhiệt luyện 94 7.4.2.1. Nhóm thiết bị nung (gia nhiệt) 94 7.4.2.2. Nung nóng thép và xác định thời gian nung nóng để tôi 96 7.4.2.3. Nhóm thiết bị làm nguội và thiết bị kiểm tra 97 CHƯƠNG 8: HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP 98 8.1. BỀ MẶT CHI TIẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT 98 8.1.1. Bề mặt chi tiết và các yêu cầu làm việc của bề mặt 98 8.1.2. Các phương pháp hóa bền bề mặt thép 98 8.2. PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC 98 8.2.1. Nguyên lý 98 8.2.2. Các phương pháp cơ học 98 8.2.2.1. Phun bi 98 8.2.2.2. Lăn ép 99 8.2.2.3. Đập 99 8.3. PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT 99 8.3.1. Định nghĩa 99 8.3.2. Nguyên lý 99 8.3.3. Các phương pháp tôi bề mặt 99 8.3.3.1. Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện có tần số cao 99 8.3.3.2. Tôi bề mặt bằng nung nóng bởi ngọn lửa C2H2 + O2 101 8.4. Phương pháp hoá nhiệt luyện 101 8.4.1. Khái niệm 101 8.4.2. Mục đích 101 8.4.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình hoá nhiệt luyện 102 8.4.4. Các cơ chế khuếch tán 103 8.4.5. Công nghệ thấm cacbon 103 8.4.5.1. Định nghĩa 103 8.4.5.2. Mục đích và yêu cầu đối với lớp thấm, chọn loại thép để thấm 103 8.4.5.3. Chọn nhiệt độ và thời gian thấm 103 8.4.6. Các phương pháp thấm cacbon 105 8.4.6.1. Thấm cacbon thể rắn 105 8.4.6.2. Thấm cacbon thể lỏng 105 8.4.6.3. Thấm cacbon thể khí 106 8.4.6.4. Nhiệt luyện sau thấm cacbon 106 8.4.6.5. Tổ chức và cơ tính của chi tiết thấm cacbon 107 8.4.7. Thấm Nitơ 108 8.4.7.1. Định nghĩa và mục đích 108 8.4.7.2. Cấu tạo của lớp thấm nitơ 108 8.4.7.3. Công nghệ thấm nitơ 108 8.4.7.4. Đặc điểm của lớp thấm nitơ 109 8.4.8. Thấm Cacbon - Nitơ 109 8.4.8.1. Định nghĩa và mục đích 109 8.4.8.2. Các phương pháp thấm 110 9.1. Giới thiệu chung về gang 110 9.1.1. Định nghĩa 110 9.1.2. Phân loại 110 9.1.3. Cơ tính và tính công nghệ 111 9.1.4. Công dụng 111 9.1.5. Sự hình thành graphit trong gang 111 9.1.5.1. Graphit 111 9.1.5.2. Sự tạo thành graphit trong gang 111 6
7. 9.1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành Graphit khi kết tinh 112 9.2. Tổ chức tế vi và cơ tính các loại gang 113 9.2.1. Tổ chức tế vi và cơ tính của gang xám 113 9.2.1.1. Tổ chức tế vi 113 9.2.1.2. Cơ tính 114 9.2.2. Tổ chức tế vi và cơ tính của gang dẻo 115 9.2.2.1. Thành phần hoá học 115 9.2.2.2. Quy trình ủ gang trắng thành gang dẻo 115 9.2.2.3. Cơ tính của gang dẻo 116 9.2.2.4. Ký hiệu 116 9.2.3. Gang cầu 116 9.2.3.1. Tổ chức tế vi 116 9.2.3.2. Thành phần hoá học và cách sản xuất vật đúc gang cầu 116 9.2.3.3. Cơ tính gang cầu 117 9.2.3.4. Ký hiệu 117 9.3. Nhiệt luyện gang 117 9.3.1. Nhiệt luyện gang xám 117 9.3.1.1. ủ khử ứng suất bên trong 117 9.3.1.2. ủ làm mất lớp vỏ biến trắng 117 9.3.1.3. ủ để thay đổi nền kim loại 117 9.3.1.4. Tôi và ram 118 9.3.1.5. Hoá bền bề mặt 118 9.3.2. Nhiệt luyện gang cầu 118 9.3.2.1. ủ 118 9.3.2.2. Tôi và ram 119 9.3.2.3. Hoá bền bề mặt 119 7
8. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU. 1.1.1 Khái niệm chung Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong xây dựng các công trình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận cơ thể con người hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v. Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa thành phần, cấu tạo và tính chất của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ. Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơ bản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đường thực nghiệm. Việc đưa ra những phương pháp thực nghiệm mới để nghiên cứu cấu tạo (cấu trúc) và các tính chất cơ, lý của vật liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển. Nghiên cứu các tính chất vật lý như mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v hay cơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đàn hồi, hoặc tính công nghệ như độ chảy loãng, khả năng gia công cắt gọt, và các tính năng làm việc như tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế. Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển và sử dụng vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn. Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và sử dụng vật liệu. 1.1.2 Phân loại vật liệu Dựa theo các tính chất đặc trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên những năm gần đây đã xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ tư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít. 1.1.2.1 Vật liệu kim loại. Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép) Có độ bền cơ học, nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao và liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do. Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định hình. Vật liệu kim loại được chia làm hai nhóm lớn: 8
9. Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tố sắt. Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang. Kim loại và hợp kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt. Thí dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng. Nhóm này còn có tên gọi là kim loại và hợp kim màu. 1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc. Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô cơ - ceramíc chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, và các phi kim dưới dạng các ôxýt, cácbít, hay nitrít, với liên kết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự như trạng thái thủy tinh hay vô định hình. Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa là "vật nung" nên khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thiêu kết. Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông. Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí như nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử và hàng không vũ trụ. 1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme. Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn. - Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém. - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp. - Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển. Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có thể chứa thêm ôxy, clo, nitơ, liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích thước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình. Tuy nhiên chúng có thể có cấu trúc hỗn hợp vừa tinh thể vừa vô định hình. Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra phần lớn vật liệu hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp, chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đơn (monome) và do đó tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v. 1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit. Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ: bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. 9
10. Kim loại 1 4 Compozít 23 Hữu cơ - Vô cơ - polyme 33 ceramíc Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng. 1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện. Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại, v.v là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp-compozít với những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung. Một số vật liệu kết hợp - compozít được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền cao và sợi các bon. Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa được nêu trên còn có các nhóm vật liệu khác có tính năng và thành phần rất riêng biệt như: - Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn). - Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU. Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của loài người, có thể chia ra làm 3 giai đoạn lớn sau: 1.2.1. Giai đoạn tiền sử của loài người. Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng công cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như : Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v. Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v. Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v. Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguyên thủy, không qua chế biến. Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng các cắt, mài, đập hay nghiền v.v. Tại thời 10
11. kỳ này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách phơi khô đất sét ngoài nắng. 1.2.2.Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm. Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa là sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc và mò mẫm, con người thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu. Có thể kể ra đây vài ví dụ: Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra những công cụ lao động và vũ khí. Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, mà người ta phát hiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta. Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm. Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép và sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép. Kỹ thuật này đạt được đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syrie) cho đến ngày nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ. Các nhà khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII trước Công nguyên đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như mũ sắt, lưỡi cưa và các công cụ rèn v.v. Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần như nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị. Những lò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3.000 năm trước Công nguyên. Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy hơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa và đường sắt v.v. Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp. Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những là niềm tự hào và là biều tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới. Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV trước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa v.v. 1.2.3.Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học. Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành các tính chất khác nhau của chúng. Chính nhờ những kiến thức khoa học đó mà con người đã đánh giá được định tính chiều hướng phát triển của vật liệu và định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn. Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu: 11
12. Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có tên Ðuara (duaralumin) xuất hiện nhờ quá trình hóa già biến cứng. Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp. Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện và tạo lớp chuyển tiếp. Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời như thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít. Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình. Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu Các sự kiện nổi bật:  Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?  Luyện thép ở quy mô CN TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn  Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời  Sử dụng vi tính máy tính công nghệ cao với nền kinh tế tri thức ?  Cơ khí (vật liệu kim loại) máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)  Đèn điện tử máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)  Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz 200MHz (P) (330 - 400)MHz (PII) (400 -700)MHz (PIII), PIV 1GHz, ?  Máy hút bụi: gỗ (hộp) kim loại (trụ) polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3. Xu hướng phát triển của vật liệu : Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại 1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại. Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại giảm nhưng vẫn quan trọng nhất. Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế trong tương lai. Hình 1.1. Phân bố vật liệu 12
13. 1.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU. 1.2.1 Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu Vật liệu nói chung và vật liệu dùng trong cơ khí nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các kết cấu công trình và tạo nên các sản phẩm cho cuộc sống v.v. Tuy nhiên khi chế tạo và sử dụng, chúng ta cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn vật liệu thích hợp, bảo đảm chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm. Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu như sau:  Thứ nhất là yêu cầu về tính sử dụng. Ðể bảo đảm một sản phẩm cơ khí có thể sử dụng được (tức làm việc được trong thực tế) thì vật liệu chế tạo ra nó phải có cơ tính, lý tính, hóa tính v.v sao cho sản phẩm sử dụng được bền lâu với độ tin cậy trong thời gian dự kiến.  Thứ hai là tính công nghệ của vật liệu. Tính công nghệ của vật liệu được hiểu là khả năng có thể gia công vật liệu bằng các phương pháp khác nhau như đúc, hàn, rèn, nhiệt luyện v.v để tạo ra sản phẩm có chất lượng phù hợp với yêu cầu sử dụng.  Thứ ba là tính kinh tế. Tính kinh tế là yêu cầu tất yếu của sản phẩm, nó đòi hỏi vật liệu chế tạo ra nó phải cho giá thành thấp nhất trong khi các yêu cầu về công nghệ và sử dụng được thỏa mãn. 1.2.2 Những tính chất cơ bản của vật liệu Trong khuôn khổ của môn học, cuốn sách này chỉ đề cập đến hai yêu cầu cơ bản ban đầu với những tính chất cơ học, tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính công nghệ đồng thời sơ lược về độ tin cậy và tuổi thọ của vật liệu. 1.2.2.1 Tính chất cơ học. Tính chất cơ học (hay còn được gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng. Các đặc trưng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ bền mỏi và tính chống mài mòn. a. Ðộ bền. Ðộ bền là khả năng cơ học của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy và được ký hiệu bằng  (xích ma). Ðơn vị đo độ bền được tính bằng N/mm 2, kN/m2, hay MPa. Nhóm các đặc trưng cho độ bền bao gồm:  Giới hạn đàn hồi dh (còn được ký hiệu là Re). Giới hạn đàn hồi là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu đo mà sau khi bỏ nó đi mẫu không bị biến dạng dẻo hoặc chỉ bị biến dạng dẻo rất nhỏù (độ biến dạng dư vào khoảng 0,001 – 0,005% so với chiều dài ban đầu của mẫu). Giới hạn đàn hồi được tính theo công thức: P p 2  dh , (N/mm hay MPa). F0 2 Trong đó: F0 (mm ) là tiết diện ban đầu của mẫu. Pp (N) là lực tác dụng. Trong giai đoạn đàn hồi, nếu là đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất  và biến dạng  tuân theo định luật Hook, và nó có thể biểu diễn dưới dạng công thức đơn giản. 13
14.  = E. , (MPa). Với E (N/m2) là mô đun đàn hồi khi kéo, nén. Người ta qui định gọi 0,002 là giới hạn đàn hồi qui ước.  Giới hạn chảy c (còn được ký hiệu là R0,2). Giới hạn chảy là ứng suất tại đó vật liệu bị "chảy", tức tiếp tục bị biến dạng với ứng suất không đổi . Pc 2  c , (N/mm hay MPa). F0 Với Pc (N) là lực tác dụng bắt đầu biến dạng dẻo. 2 F0 (mm ) là tiết diện ban đầu của mẫu. Thực tế rất khó xác định giá trị P c ứng với lúc vật liệu bắt đầu chảy, cho nên khi vật liệu có tính dẻo kém, không có thềm chảy rõ, người ta thường qui ước tải trọng ứng với khi mẫu bị P0,2 biến dạng 0,2% là tải trọng chảy, vì thế giá trị  0,2 được gọi là giới hạn chảy qui ước. F0  Giới hạn bền b (còn được ký hiệu là Rm). Giới hạn bền là ứng suất ứng với tải trọng tác dụng lớn nhất P b hay Pmax làm cho thanh vật liệu bị đứt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 197-85 giới hạn bền còn được gọi là giá trị độ bền tức thời. Giới hạn bền được tính theo công thức: Pb 2  b , (N/mm hay MPa). F0 2 Với F0 (mm ) là tiết diện ban đầu của mẫu. Pb (N) là lực tác dụng lớn nhất. Trong hệ SI giới hạn bền được đo bằng N/mm 2. Giới hạn bền càng lớn, khả năng chịu tải mà không gây phá hủy của kết cấu càng lớn. Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các độ bền như độ bền kéo  k, độ bền uốn u và độ bền nén n v.v. b. Ðộ dẻo: Ðộ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Ðộ dẻo được xác định bằng độ giãn dài tương đối  (%) và độ thắt tỉ đối  (%).  Ðộ giãn dài tương đối  (%) Ðộ giãn dài tương đối là tỉ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài tuyệt đối của mẫu sau khi đứt với chiều dài ban đầu. Ðộ giãn dài tương đối được tính theo công thức: l l  1 0 .100% , (%). l0 Với: l0 (mm) và l1 (mm) là độ dài của mẫu trước và sau khi kéo.  Ðộ thắt tương đối hay độ thắt tỉ đối  (%). Ðộ thắt tỉ đối cũng là tỉ số tính theo phần trăm giữa độ thắt tuyệt đối của mẫu sau khi đứt với diện tích mặt cắt ngang ban đầu. Ðộ thắt tỉ đối được tính theo công thức: F  .100% , (%). F0 14
15. Trong đó F = F 0 – F1 với F0 và F1 là tiết điện của mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn vị đo (mm2). Vật liệu có độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại. Có nhiều phương pháp thử để xác định độ bền và độ dẻo của vật liệu nhưng thông dụng nhất là thử kéo.  Thử kéo Nội dung của phương pháp này là dùng máy kéo nén vạn năng (hình 1.2) để kéo mẫu thử được làm theo tiêu chuẩn đến khi mẫu bị đứt. Quá trình tăng tải sẽ gây ra biến dạng mẫu một lượng l. Mối quan hệ giữa lực P và lượng biến dạng tuyệt đối l hoặc ứng suất  và biến dạng tương đối  được ghi lại trên giản đồ kéo. Mẫu thử kéo được chọn theo những qui định riêng và có hình dạng, kích thước theo tiêu chuẩn. Hình 1.2 Máy thử kéo nén vạn năng. Thử kéo là phương pháp tác động từ từ lên mẫu một tải trọng kéo cho đến khi mẫu đứt rời. Hình 1.2 giới thiệu một loại máy thử kéo, nén vạn năng. c. Ðộ cứng Ðộ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đo càng kém. Ðo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết. Ðộ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng đều dùng tải trọng ấn viên bi bằng thép nhiệt luyện cứng hoặc mũi côn kim cương hoặc mũi chóp kim cương lên bề mặt của vật liệu cần thử, rồi xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đo. Thường dùng các loại độ cứng Brinen (HB), độ cứng Rockwell (HRC, HRB và HRA), và độ cứng Vícke (HV).  Ðộ cứng Brinen Ðộ cứng Brinen được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.3). Ðơn vị đo độ cứng Brinen HB là kG/mm2 hoặc đổi ra MPa. Tùy theo chiều dày của mẫu thử chúng ta chọn đường kính của viên bi là D = 10 mm, D = 5 mm hoặc D = 0,25 mm, đồng thời tùy thuộc vào tính chất của vật liệu chúng ta chọn tải trọng P cho thích hợp. Ðối với thép và gang thì P = 30D2. Ðối với đồng và hợp kim đồng P = 10D2. Ðối với nhôm, babít và hợp kim mềm khác P = 2,5D2. 15
16. P 0 1 2 3 4 5 6 7 D b. Hình 1.3 Sơ đồ đo độ cứng Brinen (a) và sơ đồ đo đường kính vết lõm bằng kính lúp có thước mẫu (b). a. d Thí dụ: Khi thử thép dùng bi có đường kính D = 10 mm ta chọn tải trọng P = 30D2 = 300 kG. P Ðộ cứng Brinen được tính theo công thức: HB . F Trong đó F là diện tích mặt cầu của vết lõm và được tính: .D2 .D F D2 d 2 , (mm2). 2 2 2 P Và do đó HB 2 2 D d 1 1 D Với D (mm) là đường kính viên bi và d (mm) là đường kính vết lõm. Ðộ cứng HB của vật liệu được kiểm tra không lớn hơn 450 (kG/mm2).  Ðộ cứng Rockwell. Ðộ cứng Rockwell được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính 1,587mm tương đương 1/16" (thang B) hoặc mũi côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang A hoặc C) lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.4). Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng, còn mũi côn kim cương dùng để thử các vật liệu có độ cứng cao như thép đã nhiệt luyện. Khi đo độ cứng Rockwell bao giờ tải trọng P cũng tác động hai lần: Lần đầu là tải trọng sơ bộ với P 0 = 10 kG, chiều sâu vết lõm tính từ đây. Sau đến tải trọng chính P (tải trọng chính P phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu theo bảng). Hình 1.4 Vị trí tương đối giữa mũi đâm và mẫu đo ở các thời điểm đo: 00: lúc chưa đo; 11: tải trọng sơ bộ P0 22: thêm tải trọng chính P1; 33: P1. 16
17. Trong khi thử, số đo độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Số đo độ cứng Rockwell được biểu thị bằng đơn vị qui ước (không có thứ nguyên). Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, nhưng trong thực tế dùng nhiều nhất là thang B (HRB), thang A (HRA) và thang C (HRC). Thang HRB dùng bi thép với P = 100 kG áp dụng cho các vật liệu mềm và cứng vừa như gang, thép sau khi ủ, hợp kim đồng nhôm. Thang HRC dùng mũi kim cương với P = 150 kG áp dụng cho các vật liệu có độ cứng trung bình và cao như gang, thép sau khi tôi và ram. Thang HRA dùng mũi kim cương với P = 60 kG áp dụng cho các vật liệu rất cứng như hợp kim cứng, lớp thấm xuyanua.  Ðộ cứng Vicke. Ðộ cứng Vicke là loại độ cứng có phương pháp đo tương tự như Brinen, nhưng có những điểm khác như: Mũi đâm làm bằng kim cương với hình tháp bốn mặt đều có góc ở đỉnh giữa hai mặt đối diện là 1360 (hình 1.5). Tải trọng tác dụng nhỏ từ 1 đến 100 kG, trong đó mức 30 kG với thời gian giữ tải trọng 10 đến 15 giây được coi là điều kiện tiêu chuẩn. Khi ấn mũi hình tháp, tỉ lệ giữa các đường chéo vết lõm nhận được khi thay đồi tải trọng luôn luôn không đổi nên cho phép tăng hay giảm tải trọng tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. d Hình 1.5 Mũi đâm 1360 hình tháp (a) và vết d lõm (b) khi đo độ cứng bằng phương pháp Vicke a. b. Ðộ cứng Vicke được dùng để đo độ cứng của các vật liệu từ rất mềm đến rất cứng với lớp cần đo rất mỏng có thể tới 0,04 đến 0,06mm của bề mặt sau khi thấm than, thấm nitơ và nhiệt luyện. Ðộ cứng Vicke được ký hiệu là HV đơn vị kG/mm2 và được xác định theo công thức: Trong đó: P (kG) là tải trọng. d (mm) là đường chéo của vết lõm. P Lưu ý: Ðộ cứng ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết vắn tắt bằng HV HV 1,854 2 d và số đo mà không cần ghi thứ nguyên. Thí dụ: HV300. Ðộ cứng ở điều kiện phi tiêu chuẩn thì phải ghi thêm các điều kiện. HV10/ 30300 được hiểu là độ cứng HV được đo bằng tải trọng 10 kG với thời gian giữ tải trọng 30 giây là 300 kG/mm2. Ðộ cứng Vicke được dùng cả trong độ cứng tế vi. d. Ðộ dai va chạm. Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay tải trọng va đập). Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đột ngột hay va đập đó mà không bị phá hủy được gọi là độ dai va đập (hay độ dai va chạm). Muốn thử va đập cần phải có mẫu thử được lựa chọn theo những qui định riêng như ngang hay dọc thớ, vị trí nào trên sản phẩm và có hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn. 17
18. Nhìn chung các nước đều qui định mẫu thử là thanh có tiết diện hình vuông 10 x 10 (mm) và có chiều dài 55 mm hoặc 75 mm. Chúng khác nhau chủ yếu ở hình dạng và kích thước của vết khía trên mẫu, nơi tập trung ứng suất để phá hủy dòn. Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến hai phương pháp thử va đập và kèm theo đó là hai dạng mẩu thử: Loại Charpy (có chiều dài 55 mm). Loại Izod (có chiều dài 75 mm). TCVN 312 - 69 qui định một mẫu chính và bốn mẫu phụ. Sơ đồ thử va đập được mô tả trên hình 1.6. Hình1.6. Sơ đồ thử va đập: a. Cách gá mẫu Izod; b. Cách gá mẫu Charpy; c. Sơ đồ thiết bị và quá trình thử. Búa với khối lượng P được thả rơi tự do từ độ cao h, đập vào mẫu rồi làm vỡ nó, vì thế chỉ trở về tới độ cao h' < h. Năng lượng va đập dùng để phá hủy mẫu được ký hiệu là A K và được xác định theo công thức: AK = P.h - P.h' = P.(h - h'). Năng lượng (phá hủy do) va đập A K được tính theo đơn vị công, trước đây theo kG.m, theo hệ quốc tế SI được đo bằng Jun (J) với 1J = 1N.m. Trong các qui định của TCVN và một số nước độ dai va đập được ký hiệu là a k. Nó là công cần thiết để phá hủy một đơn vị diện tích, mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh và được xác định theo công thức: 2 A 2 với đơn vị đo là J/mm a K hay kJ/m . K F Trong đó AK (J hay kJ) là năng lượng va đập. F (mm2) là diện tích mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh. e. Ðộ bền mỏi. 18
19. Khi chi tiết máy làm việc trong điều kiện tải trọng biến đổi theo thời gian, có qui luật và được lặp đi lặp lại theo chu kỳ nhiều lần thường xảy ra phá hủy với ứng suất thấp hơn giới hạn bền kéo tĩnh. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng mỏi. Nguyên nhân của mỏi là do có sự tích lũy dần các khuyết tật mạng dẫn đến hình thành các vết nứt tế vi, rồi các vết nứt này phát triển tạo nên sự phá hủy. Khả năng chống lại hiện tượng mỏi của vật liệu được gọi là độ bền mỏi. Trong phá hủy mỏi người ta quan tâm đến hai chỉ tiêu quan trọng là độ bền mỏi và tuổi thọ chu kỳ. Ðộ bền mỏi là ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đựng được một số chu trình làm việc bất kỳ mà không bị phá hủy và nó được ký hiệu là -1. Còn số chu kỳ tối thiểu mà vật liệu chịu đựng được trước khi xuất hiện vết nứt mỏi có kích thước đủ lớn dẫn đến phá hủy được gọi là tuổi thọ chu kỳ và được ký hiệu là NG. 6 7 Tuổi thọ chu kỳ có thể là vô hạn khi  Max lớn hơn  -1. Ðối với thép N G = 10  10 còn 6 hợp kim nhôm thì NG = 10 (xem thêm chương 5 phần phá hủy mỏi). f. Tính chống mài mòn. Mài mòn là quá trình phá hủy dần lớp bề mặt chi tiết của vật liệu bằng cách tách các hạt khỏi bề mặt do tác dụng của ma sát. Người ta xác định sự mài mòn theo sự thay đổi kích thước hoặc khối lượng của vật liệu. Khả năng của vật liệu chống lại sự mài mòn trong những điều kiện ma sát nhất định của vật liệu được gọi là tính chống mài mòn của vật liệu. Ðể đánh giá mức độ mòn, người ta thường dùng: Tốc độ mài mòn Vh là tỉ số giữa lượng mài mòn và thời gian mài mòn. Cường độ mài mòn jh là nghịch đảo của tốc độ mòn. Giá trị vận tốc mài mòn càng nhỏ thì tuổi thọ làm việc của vật liệu càng cao. 1.2.2.2 Tính chất vật lý. Tính chất vật lý hay còn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất của vật liệu thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của chúng không bị thay đổi. Lý tính cơ bản của vật liệu gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính chất nhiệt, tính chất điện và từ tính. 1. Khối lượng riêng. Khối lượng riêng là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Nếu gọi P là khối lượng của vật chất (g), V là thể tích của vật chất (cm3) và  là khối lượng riêng của vật chất (hay vật liệu) ta có: P  (g/cm3) V Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể giải quyết những vấn đề thực tế. Thí dụ, những vật lớn, thép hình khó cân được khối lượng, nhưng biết được khối lượng riêng của vật liệu và đo được kích thước của chúng, người ta có thể tính được thể tích nên có thể không cần cân cả vật mà ta vẫn tính được khối lượng của chúng. 2. Nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu là nhiệt độ mà khi nung nóng đến đó thì vật liệu từ thể rắn chuyển thành thể lỏng. 19
20. Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì tính chảy loãng của vật liệu ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của chúng quyết định. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu càng thấp thì tính chảy loãng của chúng càng tốt và càng dễ đúc. 3. Tính chất nhiệt. Khi một vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó tăng lên và các kích thước của nó giãn nở ra. Nhiệt lượng của nó có thể được truyền từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng có nhiệt độ thấp hơn. Nhiệt dung, tính giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt là những tính chất nhiệt quan trọng của vật liệu rắn. a. Nhiệt dung: Nhiệt dung biểu thị năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị vật chất lên một độ. Nhiệt dung được xác định theo công thức: dQ C . dT Trong đó: dQ là năng lượng cần thiết để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT. Thông thường nhiệt dung có đơn vị đo là jun hoặc calo cho một mol vật liệu (J/mol hay cal/mol.K). Nhiệt dung của một đơn vị khối lượng được gọi là nhiệt dung riêng và có thứ nguyên là J/kG.K hay cal/g.K. b. Tính dãn nở nhiệt: Tính dãn nở nhiệt là khả năng dãn nở của vật liệu khi nung nóng. Ðộ dãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số dãn nở theo chiều dài. Ða số các vật liệu nở ra khi bị nung nóng nóng và co lại khi lạnh. Nguyên nhân của hiện tượng giãn nở nhiệt chính là sự tăng khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử khi tăng nhiệt độ. Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu của vật liệu rắn được xác định như sau: l1 l0 l l (T1 T0 ) hay l . T l0 l0 Trong đó: l 0 (mm) và l1 (mm) là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi thay đổi nhiệt độ từ T 0 đến T1. 0 -1 l là hệ số giãn nở vì nhiệt với thứ nguyên C . -3 0 Các vật liệu polyme thường có hệ số giãn nở nhiệt l lớn (vào khoảng 50.10 / C đến -3 0 -6 0 - 300.10 / C). Vật liệu vô cơ gốm, kim loại có l nhỏ hơn (vào khoảng 0,5.10 / C đến 25.10 6/0C). Giữa các đoạn đường ray nối nhau, người ta luôn để khe hở chính là để dự phòng sự thay đổi kích thước do dãn nở nhiệt. c. Tính dẫn nhiệt. Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp của vật liệu. Ðặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu là độ dẫn nhiệt  với thứ nguyên là W/m.K Trong vật rắn, nhiệt được truyền bởi sóng dao động mạng (phôtôn) và điện tử tự do. Các kim loại thường dẫn nhiệt tốt, ngược lại các vật liệu khác như gốm, vật liệu phi kim và polyme dẫn nhiệt kém, nên chúng thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt. 20
21. 4. Tính chất điện. Một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn điện của nó.  Tính dẫn điện. Tính dẫn điện của vật liệu là khả năng truyền dòng điện của vật liệu. Ðặc trưng cho khả năng dẫn điện của kim loại là độ dẫn điện  với đơn vị đo (cm) -1. Các kim loại đều là vật dẫn điện tốt. Dẫn điện tốt nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhôm. Hợp kim nói chung và các vật liệu phi kim có tính dẫn điện kém hơn kim loại. Ðộ dẫn điện được biểu diễn bằng điện tích Q (Culông) đi qua một đơn vị diện tích S (cm2) trong một đơn vị thời gian t thường tính bằng giây của dây dẫn dài l (cm) có điện áp hai đầu dây là U (V). 1 Q.l  [ 1.cm 1] . U.t.S Với là điện trở suất của vật liệu mẫu (.cm). Các vật liệu rắn có độ dẫn điện trải rộng trên 27 cỡ số. Căn cứ vào khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn được chia thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện. Các vật liệu dẫn điện có độ dẫn điện cỡ 107 (cm)-1, thường các kim loại là những vật liệu dẫn điện tốt. Các vật liệu cách điện còn được gọi là các điện môi có độ dẫn điện thấp, nằm trong khoảng 10-10 (cm)-1 và 10- 20 (cm)-1. Các vật liệu bán dẫn là các loại vật liệu có độ dẫn điện trung gian giữa hai loại trên, nó nằm trong khoảng từ 10-6 (cm)-1 đến 104 (cm)-1. Dòng điện được tạo thành do chuyển Hình 1.7 Sự phụ thuộc điện trở-nhiệt độ động của các hạt mang điện tích dưới tác dụng lực của một điện trường ngoài đặt vào. của vật dẫn bình thường và vật liệu siêu 0 Các hạt mang điện dương được gia tốc theo dẫn ở gần 0 K. hướng của điện trường còn các hạt mang điện âm thì theo hướng ngược lại. Trong hầu hết các vật liệu rắn, dòng điện được tạo thành do các dòng điện tử và đó là sự dẫn điện bằng điện tử. Ngoài ra, trong các vật liệu ion, sự chuyển động thuần túy của các ion cũng có thể tạo ra một dòng điện và đó là sự dẫn điện bằng ion.  Siêu dẫn (điện). Ða số kim loại khi được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần 0 0K thì điện trở giảm từ từ và đạt tới một giá trị nhất định. Các vật liệu có tính chất trên được gọi là vật liệu siêu dẫn và nhiệt độ tại đó vật liệu đạt tới trạng thái siêu dẫn được gọi là nhiệt độ tới hạn TC . Hiện tượng siêu dẫn được giải thích bằng lý thuyết khá phức tạp, nhưng về cơ bản, trạng thái siêu dẫn có được là do tương tác hút giữa cặp điện tử dẫn. Chuyển động của những điện tử ghép cặp này hầu như không bị tán xạ bởi dao động nhiệt và các nguyên tử phức tạp, nhờ đó mà điện trở vốn tỉ lệ với cường độ tán xạ điện tử sẽ bằng không. Hiện tượng siêu dẫn có những ứng dụng thực tế rất đa dạng, ví dụ như: Các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra những từ trường mạnh với công suất tiêu thụ thấp được sử dụng trong các thiết bị thí nghiệm và nghiên cứu khoa học. Nam châm cho các máy gia tốc hạt năng lượng cao. 21
22. Truyền tín hiệu và chuyển mạch tốc độ cao hơn cho máy tính. Tầu đệm từ cao tốc với đệm nâng nhờ lực đẩy của từ trường. Tiếc thay, trở ngại lớn nhất của vật liệu siêu dẫn là khó khăn trong việc đạt và làm chủ được nhiệt độ rất thấp (khoảng từ 77 0K đến 1300K). Chúng ta hy vọng trở ngại này sớm được khắc phục cùng với sự phát triển thế hệ mới của các chất siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn cao hợp lý. 5. Từ tính. Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưởng lên các vật liệu khác gọi là hiện tượng "từ". Từ tính là khả năng dẫn từ của kim loại. Sắt, niken, cô ban và hợp kim của chúng đều có từ tính thể hiện rất rõ rệt nên chúng được gọi là kim loại từ tính. Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp như chế tạo động cơ điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại và máy tính v.v. 1.2.2.3 Tính chất hóa học. Tính chất hóa học đáng quan tâm nhất đối với vật liệu dùng trong cơ khí là tính ổn định hóa học của vật liệu khi chúng tiếp xúc với môi trường có hoạt tính khác nhau như ô xy, nước, axít, bazơ v.v mà không bị phá hủy. Thông thường mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng với từng môi trường nhất định. Tính năng hóa học cơ bản của vật liệu có thể chia thành mấy loại sau:  Tính chịu ăn mòn: Tính chịu ăn mòn của vật liệu là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của các môi trường xung quanh.  Tính chịu nhiệt: Tính chịu nhiệt của vật liệu là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt ở nhiệt độ cao.  Tính chịu axít: Tính chịu axít của vật liệu là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của axít. 1.2.2.4 Tính công nghệ. Tính công nghệ là khả năng của vật liệu cho phép gia công nóng hay gia công nguội. Tính công nghệ bao gồm các tính chất sau:  Tính đúc: Tính đúc của vật liệu là khả năng điền đầy vật liệu lỏng vào lòng khuôn và nó được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co, tính hoà tan khí và tính thiên tích.  Tính rèn: Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy. Thép có tính rèn cao khi nung nóng đến nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối lớn. Gang không có khả năng rèn vì dòn. Ðồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội v.v.  Tính hàn Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết hàn được nung nóng cục bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. Tính hàn của vật liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học, bản chất vật liệu v.v.  Tính cắt gọt: 22
23. Tính cắt gọt là khả năng của vật liệu cho phép gia công cắt gọt như tiện, phay, bào v.v dễ hay khó. Nhân tố ảnh hưởng đến tính cắt gọt là độ cứng. Ðộ cứng của thép để gia công cắt thuận lợi đạt độ bóng bề mắt cao vào khoảng 180  200 HB. 1.2.2.5 Ðộ tin cậy. Ðộ tin cậy là xác suất không xuất hiện hư hỏng của vật liệu trong một thời gian hoặc trong một phạm vi làm việc nào đó. Ví dụ: độ tin cậy làm việc không hỏng của bánh răng sau khi chạy 300.000 km là 0,9 có nghĩa là sau khi làm việc (chạy được 300.000 km) thì sẽ có khoảng 10% bánh răng hỏng vì bị mòn, tróc hoặc gẫy v.v. Ðộ tin cậy của vật liệu phụ thuộc vào khả năng của vật liệu chống lại các phá hủy khi xuất hiện các ứng suất cực đại. Nói cách khác, độ tin cậy là khả năng của vật liệu làm việc bình thường trong thời gian ngắn hạn, dưới tác dụng của tình huống ngoài tính toán như áp suất, nhiệt độ và môi trường. Sự xuất hiện phá hủy dòn là tình huống nguy hiểm nhất đối với độ tin cậy của kết cấu. Chính vì thế, để nâng cao độ tin cậy của kết cấu cần phải thực hiện các biện pháp giảm khả năng (xác suất) phá hủy dòn bằng cách chế tạo ra vật liệu kết cấu có đủ độ dẻo và độ dai va đập. 1.2.2.6 Tuổi thọ. Tuổi thọ của vật liệu đặc trưng cho khả năng của vật liệu chống lại sự phát triển dần của phá hủy, đảm bảo duy trì khả năng làm việc của chi tiết trong thời gian đã định. Ðây là chỉ tiêu có tính chất tổng hợp của vật liệu. Làm tăng tuổi thọ của vật liệu có nghĩa là làm giảm tốc độ phá hủy đến mức tối thiểu. Với đa số các chi tiết máy, tuổi thọ được quyết định bởi độ bền mỏi và tính chống mài mòn. 1.3 Nội dung môn học gồm bốn phần chính: - Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơn cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy. - Hợp kim và biến đổi tổ chức: cấu trúc của hợp kim, chuyển pha nhiệt luyện. - Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng - Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ, lý, hoá tính, tính công nghệ đồng thời rẻ, nhẹ và bảo vệ môi trường CMS (Cambridge Materials Selector). Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học. Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong bao gồm tổ chức vĩ mô và vi mô của vật liệu. Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn, quan sát được bằng mắt thường (0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm). Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắt hay lúp. Bao gồm 2 loại: - Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử (pha) với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể (mm) với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học (0,15mm) hay kính hiển vi điện tử (10nm). 23
24. - Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể tia X và phương tiện khác. Tính chất bao gồm: cơ tính, vật lý tính, hóa tính, tính công nghệ & sử dụng. 3. Các tiêu chuẩn vật liệu - Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN - Tiêu chuẩn Nga ΓOCT - Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ: ASTM (American Society for Testing and Materials), AISI (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers), AA (Aluminum Association), CDA (Copper Development Association), UNS (Unified Numbering System) - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS - Tiêu chuẩn Châu Âu EN - Đức DIN, Pháp NF, Anh BS cũng là các tiêu chuẩn quan trọng cần biết. 24
25. CHƯƠNG 3 CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí rất ít dùng kim loại nguyên chất, mà thường dùng các hợp kim. Do đó, trong chương này sẽ khảo sát cấu tạo và giản đồ trạng thái của hợp kim. 3.1. Các khái niệm cơ bản 3.1.1. Khái niệm hợp kim Hợp kim là hỗn hợp đồng nhất về mặt tổ chức của từ hai nguyên tố trở lên trong đó có ít nhất một nguyên tố là kim loại và nguyên tố kim loại đóng vai trò chính tức là có hàm lượng lớn nhất, tính chất của nó thể hiện rõ rệt nhất. 3.1.2. Đặc điểm của hợp kim - Hợp kim dễ sản xuất hơn so với kim loại nguyên chất. - Hợp kim có nhiều tính chất tốt hơn so với kim loại nguyên chất. - Hợp kim có thể tạo ra những tính chất đặc biệt mà kim loại nguyên chất không thể có. - Hợp kim có giá thành rẻ hơn so với kim loại nguyên chất. - Hợp kim có tính công nghệ cao hơn so với kim loại nguyên chất và được thể hiện ở: Tính dẻo: Khi sử dụng hợp kim cho tính dẻo cao, do đó khả năng biến dạng dẻo tốt, dễ dàng cho việc gia công áp lực. Tính đúc: Khi sử dụng các hợp kim có thể thu được điều kiện nóng chảy thấp hơn kim loại nguyên chất, do đó tính chẩy loảng cao nên có thể điền đầy các lòng khuôn phức tạp. Tính cắt gọt tốt hơn. Chính vì thế trong thực tế hầu như chỉ sử dụng hợp kim. 3.1.3. Các định nghĩa cơ bản về hợp kim - Pha (F): là cấu phần đồng nhất của hợp kim cùng tổ chức và cùng trạng thái (khi ở trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng), được ngăn cách bằng một bề mặt phân pha đủ lớn. - Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng (các pha tồn tại ổn định trong một điều kiện bên ngoài xác định). - Hệ cân bằng: hệ được coi là hệ cân bằng khi các qúa trình xảy ra trong hệ có tính thuận nghịch. Qúa trình thuận nghịch: những qúa trình mà khi có sự thay đổi của một yếu tố bên ngoài hoặc bên trong sẽ làm hệ biến đổi theo một hướng. Khi yếu tố bên ngoài đó thay đổi theo chiều ngược lại và đi qua các giai đoạn như hướng biến đổi trước. - Cấu tử (nguyên) (N): là những cấu phần độc lập của hệ (có thể là đơn chất hoặc hợp chất) có thành phần hóa học ổn định mà nó có nhiệm vụ cấu tạo nên tất cả các pha của hệ. - Bậc tự do của hệ (T): là số các yếu tố bên ngoài (P, T0) hoặc bên trong (thành phần) có thể thay đổi được mà hệ không bị thay đổi trạng thái. Quy tắc pha (Gibbs) để tính bậc tự do: T = N - F + 2 Trong đó: N: là số cấu tử cấu tạo nên hệ F: là số pha của hệ tại điểm tính bậc tự do 2: là số yếu tố bên ngoài (P, T0) Trong thực tế, coi P = const nên: T = N - F + 1 (công thức Gibbs). 26
26. ý nghĩa của bậc tự do: giúp chúng ta biết được trạng thái của hệ. Khi T = 0 thì hệ sẽ suy biến thành một điểm. Nếu T = 0 tức là F = N + 1 khi đó hệ là vô biến, hay không có yếu tố nào (nhiệt độ hay thành phần) có thể thay đổi được. Ví dụ kim loại nguyên chất (N = 1) khi nóng chảy hay kết tinh sẽ tồn tại 2 pha (F = 2 nên T = 0), điều này chứng tỏ kim loại nguyên chất nóng chảy sau kết tinh ở nhiệt độ không đổi (vì trong hệ một nguyên không có biến số về thành phần hóa học). Nếu T = 1 tức là F = N hệ là đơn biến tức là chỉ có một yếu tố (hoặc nhiệt độ hoặc là thành phần) có thể thay đổi được. Ví dụ hợp kim Cu - Ni khi nung nóng sẽ biến thành dung dịch lỏng, vì vậy số pha F = 2 nên T = 1 do N = 2, điều này chứng tỏ quá trình nóng chảy của hợp kim Cu - Ni xảy ra trong một khoảng nhiệt độ hoặc là tại một nhiệt độ nào đấy trong quá trình nóng chảy ta có thêm vào một ít Cu (hoặc Ni) mà vẫn không làm thay đổi số pha của hệ. Nếu T = 2 tức là F = N - 1 hệ là nhị biến tức là cùng một lúc có thể thay đổi cả 2 yếu tố nhiệt độ và thành phần. Ví dụ, phần lớn các hợp kim 2 nguyên ở trạng thái lỏng đều hòa tan vô hạn vào nhau nên chỉ có tổ chức một pha là dung dịch lỏng, điều này chứng tỏ ở trạng thái lỏng ta có thể thay đổi thành phần hoặc nhiệt độ khá dễ dàng mà hợp kim vẫn chỉ có tổ chức một pha. 3.2. Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản - Dung dịch rắn - Các pha trung gian - Hỗn hợp cơ học 3.2.1. Dung dịch rắn 3.2.1.1. Khái niệm Dung dịch rắn là một dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi hai nguyên, trong đó một nguyên bảo tồn được kiểu mạng gọi là dung môi, nguyên thứ hai hòa tan vào trong kiểu mạng đó gọi là chất tan. Với thực tế, có thể có dung dịch rắn có nhiều chất tan. 3.2.1.2. Phân loại dung dịch rắn Dựa vào kiểu hòa tan của chất tan trọng mạng dung môi, nghĩa là kiểu sắp xếp của nguyên tử chất tan trong mạng tinh thể dung môi thì dung dịch rắn được phân thành: dung dịch rắn thay thế, dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn có trật tự. 3.2.1.2.1. Dung dịch rắn thay thế - Khái niệm: Dung dịch rắn thay thế là dung dịch rắn trong đó các nguyên tử chất tan chiếm chỗ của nguyên tử dung môi tại vị trí các nút mạng là - Đặc điểm: Dung dịch rắn thay thế giữ nguyên kiểu mạng của dung môi nhưng tạo ra các sai lệch điểm trong mạng tinh thể nên tạo ứng suất dư trong mạng và dấu của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan. - Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế: 27
27. Điều kiện kích thước: Trong đó:d A: đường kính nguyên tử dung môi dB: đường kính nguyên tử chất tan Nếu sai khác đường kính nguyên tử càng nhỏ thì càng dễ tạo dung dịch rắn thay thế - Các loại dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn thay thế có thể có dạng hòa tan vô hạn hoặc hòa tan có hạn. Dung dịch rắn thay thế hòa tan có hạn: tồn tại một giới hạn hòa tan của chất tan trong dung môi. Tỉ lệ dung môi xA: xA + xB = 1 Tỉ lệ chất tan xB: xB < 1 Dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn: xB = 1 - Điều kiện tạo thành hòa tan vô hạn: + Dung môi và chất tan phải có cùng kiểu mạng. Từ nguyên lý "thay thế" thấy rằng: nếu hai nguyên A và B hòa tan vô hạn vào nhau thì chúng phải có kiểu mạng giống nhau. Điều kiện giống nhau về kiểu mạng chỉ mới là điều kiện cần. Khả năng tạo thành dung dịch rắn vô hạn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Nhiều nguyên tố có kiểu mạng giống nhau nhưng chưa chắc đã tạo nên dung dịch rắn vô hạn. Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn ta thấy thông thường các nguyên tố cùng một chu kỳ thì có kiểu mạng giống nhau. Sự tương quan về đường kính nguyên tử khi đường kính nguyên tử của các nguyên thành phần A và B không giống nhau nên khi hòa tan vào nhau chúng tạo ra sai lệch điểm và xung quanh một nguyên tử hoà tan xuất hiện trường sai lệch đàn hồi. Sự sai khác đường kính nguyên tử giữa các nguyên A và B càng lớn, nồng độ hòa tan càng cao thì mức độ sai lệch mạng càng nhiều và đến một mức nào đó mạng trở nên không ổn định. Khi đó, sự sai khác về đường kính nguyên tử chất tan (dB) và đường kính nguyên tử dung môi (dA) không vượt quá 15%. Điều này giải thích tại sao đại đa số các dung dịch rắn thay thế được tạo thành giữa các kim loại với nhau, chỉ một số ít trường hợp là giữa kim loại và á kim. + Chỉ số nồng độ điện tử Ce (số điện tử hóa trị của dung dịch rắn tạo thành) phải nhỏ hơn Ce giới hạn. Ce = xA.vA + xB.vB vA, vB: Hóa trị của các nguyên Ce = vA.xA +vB.(1 - xA) Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy, khi tạo thành dung dịch rắn thay thế dạng hòa tan vô hạn thì trị số nồng độ điện tử nhỏ hơn giới hạn nhất định. Giới hạn này phụ thuộc vào kiểu mạng và bản chất của dung môi. Thông thường, người ta thấy rằng nguyên tố B muốn hòa tan vô hạn vào trong A thì phải có hóa trị bằng hoặc nhỏ hơn hóa trị của A. + Tương quan về độ âm điện (  ): Sai khác về độ âm điện càng nhỏ thì khả năng hòa tan vô hạn càng tăng. 3.2.1.2.2. Dung dịch rắn xen kẽ - Khái niệm: Dung dịch rắn xen kẽ là loại dung dịch rắn mà các nguyên tử chất tan đi vào vị trí các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi. 28
28. - Đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ: + Giữ nguyên kiểu mạng của dung môi, tồn tại các sai lệch điểm loại nút xen kẽ, tạo ra trường ứng suất lớn hơn do kích thước lỗ hổng nhỏ hơn nhiều so với đường kính nguyên tử. + Không thể xảy ra dạng dung dịch rắn hòa tan vô hạn. + Dung dịch rắn xen kẽ có độ bền và độ cứng cao hơn so với dung dịch rắn thay thế do mức độ xô lệch mạng lớn hơn. - Điều kiện tạo dung dịch rắn xen kẽ: Điều kiện kích thước: Nếu sai khác nguyên tử càng lớn thì càng dễ tạo ra dung dịch rắn xen kẽ. 3.2.1.2.3. Dung dịch rắn có trật tự Chỉ xảy ra với dung dịch rắn thay thế. Trong trường hợp này các nguyên tử chất tan được sắp xếp theo một quy luật xác định. - Điều kiện tạo dung dịch rắn có trật tự: Trong đó: EA: Năng lượng biên của miền Brillouin trong chất tan EB: Năng lượng biên của miền Brillouin trong dung môi. 3.2.1.3.Tính chất chung của dung dịch rắn - Mang tính chất của dung môi: với hợp kim, dung môi phải là kim loại do đó dung dịch rắn mang tính kim loại. - Trong dung dịch rắn tồn tại nhiều khuyết tật mạng do sự xen kẽ hoặc thay thế của các nguyên tử chất tan, mức năng lượng tự do cao hơn nguyên tử nguyên chất do đó kém ổn định hơn. - Độ bền, độ cứng và độ rắn thường cao hơn kim loại nguyên chất. 3.2.2. Các pha trung gian 3.2.2.1. Khái niệm Các pha trung gian là dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi các cấu tử có kiểu mạng riêng biệt của mình, không phụ thuộc vào kiểu mạng của các nguyên tạo ra nó. 3.2.2.2. Các loại pha trung gian Các pha trung gian có rất nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào kích thước nguyên tử tương đối giữa các nguyên, hóa trị của các nguyên và vị trí của các nguyên trong bảng hệ thống tuần hoàn: - Hợp chất hóa học hóa trị - Pha xen kẽ 29
29. - Pha điện tử - Pha Lavies - Pha  - Cấu trúc khuyết 3.2.2.2.1. Hợp chất hóa học hóa trị Là pha được tạo thành trên cơ sở các nguyên tố có tính chất hóa học khác nhau theo liên kết hóa trị (Fe2O3, FeO, Al2O3, SiO2 ). Loại pha này ít gặp trong hợp kim. 3.2.2.2.2. Pha xen kẽ Là các pha tạo thành có kiểu mạng riêng và là hợp chất hóa học tạo nên giữa các kim loại ở nhóm chuyển tiếp có đường kính nguyên tử lớn với các á kim có đường kính nguyên tử bé và thỏa mãn điều kiện kích thước: - Khi dB/ dA 0,59 tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng tinh thể phức tạp, có tới hàng chục ô cơ bản trong một nguyên tử (pha xen kẽ phức tạp). Ví dụ : Fe3C, Mn3C, Cr7C3 Đặc điểm: Có kiểu mạng rất phức tạp. Tính chất: Có độ cứng, độ bền cao và nhiệt độ nóng chảy cao. Thường dùng hóa bền cho hợp kim làm việc ở nhiệt độ thường. 3.2.2.2.3. Pha điện tử (Pha Hum - Rôzêri) Là pha tạo nên bởi các kim loại có hóa trị khác nhau, được hình thành có kiểu mạng riêng nhưng phải thỏa mãn quy luật về trị số nồng độ điện tử Ce. Pha điện tử có ba dạng cơ bản: - Pha : Ce = 3 / 2 - Có kiểu mạng lập phương thể tâm A2 - Pha : Ce = 21 / 13 - Có kiểu mạng lập phương phức tạp với 52 nguyên tử trong một ô cơ bản - Pha : Ce = 7 / 4 - Có kiểu mạng lục giác. Trong đó: nA, nB: chỉ số của các nguyên trong cấu tạo pha vA, vB: hóa trị của các nguyên. Ví dụ: Trong hợp kim Cu - Zn Các dạng cấu trúc: 30
30. Chú ý: Cấu tạo pha điện tử chỉ có tác dụng tính toán chỉ số Ce, từ đó chỉ ra kiểu mạng. Bản thân các pha điện tử tồn tại trong phạm vi thành phần. Tính chất: Pha điện tử có độ hạt rất nhỏ, độ cứng và độ bền cao. Số lượng không lớn, vùng thành phần không rộng do đó ít dùng trong việc hóa bền. 3.2.2.2.4. Pha Laves Là hợp kim của nhóm các kim loại chuyển tiếp mà có thành phần không đổi thường được biểu diễn bằng công thức AB2 (MgCu2, CuZn2 ). Đặc điểm của pha Laves: rất giòn làm giảm cơ tính của hợp kim, do đó trong sản xuất hợp kim tránh sự xuất hiện của pha Laves. Pha Laves có cấu trúc mạng tinh thể theo hệ lập phương và lục giác. 3.2.2.2.5. Pha  Là các pha trung gian có dải thành phần từ A4B AB4. Đặc điểm: pha  có kiểu mạng rất phức tạp, tính giòn rất cao, vùng thành phần rộng do đó làm giảm cơ tính rất mạnh của hợp kim, khi lựa chọn hợp kim tránh hình thành pha . 3.2.3. Hỗn hợp cơ học 3.2.3.1. Khái niệm Hỗn hợp cơ học là các tổ chức của hợp kim có hai pha cùng tồn tại trong một thể thống nhất, hai pha được tạo ra cùng một lúc và giữ nguyên bề mặt phân pha. 3.2.3.2. Các loại hỗn hợp cơ học - Hỗn hợp cơ học cùng tinh: là dạng hỗn hợp cơ học cùng một lúc kết tinh ra hai pha từ thể lỏng. L [A + B] T = 2 - 3 + 1 = 0 Phản ứng cùng tinh xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định. Đặc điểm của hỗn hợp cơ học cùng tinh là có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có tính đúc tốt, nhưng lại có tính giòn cao dẫn đến khó gia công áp lực. - Hỗn hợp cơ học cùng tích: là dạng hỗn hợp cơ học tiết ra cùng một lúc ở thể RA [RB + RC] T = 0 Phản ứng cùng tích xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định. Đặc điểm của hỗn hợp cùng tích là có độ bền và độ cứng cao thích hợp với việc sản xuất các sản phẩm yêu cầu cơ tính tốt. Tuy nhiên với độ cứng cao dẫn đến khó gia công áp lực. 3.2.3.3. Thành phần tạo nên hỗn hợp cơ học - Hai dung dịch rắn - Một dung dịch rắn + một pha trung gian (phổ biến nhất) - Hai pha trung gian 3.3. Giản đồ trạng thái của hợp kim 3.3.1. Khái niệm Giản đồ trạng thái của hợp kim là đồ thị xây dựng mối quan hệ giữa tổ chức pha của hợp kim phụ thuộc vào nhiệt độ. Các loại giản đồ trạng thái: - Giản đồ một nguyên - Giản đồ hai nguyên - Giản đồ ba nguyên - Giản đồ bốn nguyên 31
31. 3.3.2. ý nghĩa và phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái 3.3.2.1. ý nghĩa - Dùng để xác định tổ chức của hợp kim theo các điều kiện bên ngoài và bên trong (nhiệt độ và thành phần). - Xác định các trạng thái tới hạn của hợp kim ở tất cả các vị trí để phục vụ cho xử lí nhiệt luyện hợp kim. - Lựa chọn phương án sản xuất hợp kim một cách hợp lý nhất. 3.3.2.2. Phương pháp xây dựng - Hệ tọa độ của giản đồ hai nguyên là nhiệt độ và thành phần. - Thông thường là xây dựng bằng phương pháp phân tích nhiệt: Giả sử cần xây dựng giản đồ trạng thái của hệ hai nguyên A và B người ta chế tạo các mẫu hợp kim có thành phần thay đổi từ 100%A 100%B. Sau đó nung đến trạng thái lỏng hoàn toàn các mẫu rồi cho kết tinh với một tốc độ kết tinh đủ chậm để đo, đánh dấu các điểm chuyển biến và nối các điểm cùng tính chất lại thu được giản đồ trạng thái. 3.3.3. Một số loại giản đồ trạng thái hai nguyên cơ bản 3.3.3.1. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn Phần lớn trường hợp hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, nhưng số trường hợp hòa tan vô hạn ở trạng thái rắn lại rất ít, đó là trường hợp của hệ: Cu - Ni; Au - Ag; Au - Pt; Fe - Ni; Au - Ni; Cr - Mo - Dạng giản đồ: - Các đường trên giản đồ: TA m TB: là đường lỏng TA n TB: là đường đặc 32
32. : dung dịch rắn thay thế của B trong A hoặc A trong B. Điểm TA và TB ứng với nhiệt độ nóng chảy của hai kim loại nguyên chất tạo nên hệ hợp kim. - Sự kết tinh của kim loại điển hình: Trên điểm (1) - hợp kim lỏng. Từ điểm (1) đến (2) - lỏng chuyển sang rắn. Dưới điểm (2) - kết thúc kết tinh . - Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ Phía trên đường lỏng là vùng tồn tại của dung dịch lỏng, phía dưới đường đặc là vùng tồn tại của dung dịch rắn ( ), trong khoảng giữa 2 đường lỏng và đặc gồm có cả 2 pha: dung dịch rắn và dung dịch lỏng, đấy là vùng ứng với sự kết tinh hay nóng chảy của hợp kim. - Đặc điểm của hợp kim: Có tính dẻo cao do đồng nhất là một pha dung dịch rắn. Luôn xảy ra sự thiên tích do đó ít sử dụng để sản xuất đúc. * Quy tắc đòn bẩy để xác định thành phần pha trong hợp kim: Khảo sát hợp kim chứa x%B ở nhiệt độ t 0 trạng thái này được biểu diễn bởi điểm Q. Giả sử ở nhiệt độ đã cho, hợp kim bao gồm 2 pha M và N, trong pha M có chứa x1%B, còn trong pha N chỉ chứa x2%B. Ta cần tìm lượng tương đối của 2 pha đó là m và n trong một đơn vị của hợp kim. Ta thấy m.x 1 là lượng chứa của B trong M; n.x 2 là lượng chứa của B trong N nên: Quy tắc này giúp ta tính được tỷ lệ pha của hợp kim nếu nó cấu tạo bởi 2 pha. 3.3.3.2. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở lỏng, không hòa tan ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh Trong thực tế, cũng có gặp trường hợp hai nguyên hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, nhưng ở trạng thái rắn lại hoàn toàn không hòa tan vào nhau, đó là trường hợp của các hệ: Pb - Sb; Sn - Zn. - Dạng giản đồ: 33
33. không hòa tan ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh - Các đường trên giản đồ: TA Q TB: là đường lỏng P Q R: là đường đặc (đường cùng tinh, điểm Q gọi là điểm cùng tinh). Đường lỏng và đường đặc phân giản đồ làm 4 khu vực. Khu vực phía trên đường lỏng là vùng tồn tại dung dịch lỏng, khu vực giữa đường lỏng TAQ và đường đặc là vùng tồn tại của 2 pha dung dịch lỏng (L) và tinh thể A, khu vực giữa đường lỏng TBQ và đường đặc là vùng tồn tại của hai pha dung dịch lỏng (L) và tinh thể B, khu vực phía dưới đường đặc là vùng tồn tại của hai pha rắn A và B. Do 2 nguyên hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng nên có thể tạo nên dung dịch lỏng, vô hạn (L). ở trạng thái rắn chúng không hòa tan vào nhau tạo nên dung dịch rắn mà vẫn nằm ở trạng thái gồm các nguyên nguyên chất A và B. Vậy các pha có thể tạo nên trong giản đồ này là dung dịch lỏng, nguyên nguyên chất A và B nên số pha lớn nhất F = 3. - Hợp kim có thành phần ứng với điểm Q có đặc trưng là có nhiệt độ nóng chảy thấp, kết tinh ở nhiệt độ không đổi và kết tinh ra ngay hai pha rắn một lúc. Điểm Q được gọi là điểm cùng tinh, phản ứng cùng tinh xảy ra như sau: LQ [A + B] (cùng một lúc kết tinh ra cả A và B) Hợp kim ở bên trái điểm Q gọi là hợp kim trước cùng tinh, sau điểm Q gọi là hợp kim sau cùng tinh. - Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ - Đặc điểm của hợp kim. + Tính dẻo kém do sự xuất hiện của cùng tinh [A + B]. + Nhiệt độ nóng chảy của hợp kim giảm dần, thấp nhất tại thành phần cùng tinh nên hay dùng để sản xuất đúc. + Cũng do xuất hiện cùng tinh [A + B] nên độ phân tán, độ cứng cao dẫn đến khó gia công áp lực. * Tam giác Tam man để xác định lượng cùng tinh: - Theo quy tắc đòn bẩy: Xét hợp kim I, hợp kim này sau khi kết tinh xong có tổ chức A + [A + B] trong đó tinh thể A biểu diễn ở điểm C và cùng tinh [A + B] biểu diễn tại điểm E. Do vậy: 34
34. - Theo cách tính từ tam giác Tamman: Ngoài ra, trong hình vẽ trên, nếu coi EF là 100% lượng cùng tinh thì các đoạn thẳng vuông góc với CD và nằm trong các tam giác CEF và DEF sẽ chỉ rõ lượng cùng tinh của các hợp kim tương ứng (hình a). Tương tự, cũng có thể xác định lượng pha A (hình b) và pha B (hình c). 3.3.3.3. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở trạng thái lỏng, hòa tan có hạn ở trạng thái rắn và có tạo thành cùng tinh - Giản đồ trạng thái: - Các đường trên giản đồ: 35
35. TA Q TB: là đường lỏng TA P Q R TB: là đường đặc P Q R: đường cùng tinh Q: điểm cùng tinh PE: đường giới hạn hoà tan của B trong A theo nhiệt độ RF: đường giới hạn hoà tan của A trong B theo nhiệt độ : dung dịch rắn xen kẽ của B trong A : dung dịch rắn xen kẽ của A trong B II, II: vẫn là ,  nhưng được tiết ra ở trạng thái rắn [ + ]: hỗn hợp cơ học cùng tinh của A và B - Đường nguội của hợp kim điển hình: hình vẽ - Đặc điểm của hợp kim: có hai vùng + Dung dịch rắn + Có hỗn hợp cơ học cùng tinh Tuỳ theo thành phần hợp kim người ta có thể lựa chọn các phương pháp gia công khác nhau: + Các hợp kim có %B %R: đây là hợp kim dẻo, có thể gia công áp lực. + Các hợp kim có % B thuộc khoảng [ P, R ]: đây là hợp kim đúc, tính chất phụ thuộc vào lượng và . 3.3.3.4. Giản đồ hệ hai nguyên hòa tan vô hạn ở lỏng và tạo thành bao tinh - Dạng giản đồ: - Các đường trên giản đồ: TA M TB: là đường lỏng TA N P TB: là đường đặc M N P: đường bao tinh, xảy ra phản ứng bao tinh LM + P N 3.3.3.5. Một số dạng giản đồ đặc biệt - Loại tạo cùng tích 36
36. Phản ứng cùng tích : [ p + K] gọi là hỗn hợp cơ học cùng tích Ví dụ: Giản đồ trạng thái Fe + C (sẽ nghiên cứu ở phần sau) - Loại tạo thành hợp chất hóa học ổn định Các hợp chất hóa học tạo thành luôn ổn định về thành phần hóa học. Ví dụ: Giản đồ trạng thái Mg - Ca 37
37. CHƯƠNG 4 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI Đa số các vật phẩm kim loại được chế tạo bằng cách gia công biến dạng. Trong các nhá máy luyện kim sau khi nấu chảy và đúc kim loại thành những thỏi lớn, người ta đem cán thành những bán thành phẩm khác nhau: dạng thỏi, tấm hình vv ở các nhà máy cơ khí chế tạo, các chi tiết được gia công bằng rèn, rập, tiện, phay bào Trong tất cả các phương pháp gia công đá, kim loại bị biến dạng dẻo để nhận được hình dạng cần thiết. Khi cán, rèn, rập, quá trình biến dạng kim loại xảy ra trong toàn bộ hoặc hầu hết thể tích kim loại, còn khi tiện phay, bào chỉ xảy ra trên một phần thể tích (thông thường là lớp bề mặt) với kết quả cuối cùng của biến dạng là sự tách phai. Mục đích của chương này là nghiên cứu bản chất của quá trình biến dạng mà chủ yếu là biến dạng dẻo có nếu khái quát về biến dạng đàn hồi và sự phá huỷ, đồng thời nghiên cứu những thay đổi về tổ chức và tính chất do biến dạng dẻo gây ra, ảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái sau biến dạng. 4.1. Các khái niệm 4.1.1. Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy 4.1.1.1. Biểu đồ kéo kim loại Khảo sát quá trình biến dạng của mẫu, ta có thể rút ra 3 yếu tố biến dạng sau đây: Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi ngay sau khi khử tải trọng, biến dạng dẻo có kèm theo sự thay đổi hình dạng sau khi khử tải trọng và sự phá hủy làm cho mẫu tách rời thành những phần riêng lẻ. Tương ứng với 3 yếu tố đó là 3 giai đoạn của biến dạng. + Biến dạng đàn hồi (đoạn OA) + Biến dạng dẻo - đường cong AB + Biến cứng - đường cong BC + Giai đoạn phá hủy - đường cong CD Biến dạng đàn hồi không những xảy ra trong giai đoạn đàn hồi mà ngay cả trong giai đoạn biến dạng dẻo và phá hủy. Chính vì vậy, độ biến dạng của 2 giai đoạn này gồm 2 phần: đàn hồi và dẻo nên L = lđh + ld Ví dụ: Tại điểm K muốn tìm 2 thành phần này, ta phải kẻ KN//OA; KM// trục tung. Khi đó ON là ld đoạn NM là lđh 4.1.1.2. Bản chất của biến dạng đàn hồi. Định luật Hooke 38
38. + Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà bị mất đi sau khi khử tải trọng. Biến dạng đàn hồi tuân theo định luật Hooke tức là ứng suất  tác dụng lên kim loại gây ra độ biến dạng  tỷ lệ thuận với suất đó:  = E. E: gọi là môđuyn đàn hồi pháp tuyến của vật liệu (MN/mm2; Mpa) Với trạng thái ứng suất tiếp  thì:  = G.  góc lệch của tinh thể khi chịu ứng suất G: môđuyn trượt của vật liệu (MN/mm2; Mpa) + Môđuyn đàn hồi pháp tuyến E và môđuyn trượt G là 2 đặc tính quan trọng của biến dạng đàn hồi. Giữa chúng có quan hệ sau: E = 2G(1 + ) : là hệ số poisson tùy thuộc vào từng loại kim loại thông thường  1/3 Từ các biểu thức trên, ta thấy định luật Hooke chỉ đúng trong giai đoạn biến dạng đàn hồi. + Các yếu tố ảnh hưởng đến môđuyn đàn hồi, nhiệt độ, nguyên tố hợp kim và tổ chức của vật liệu. 4.1.1.3. Biến dạng dẻo Đặc trưng của biến dạng dẻo là biến dạng sau khi bỏ tải trọng mà vẫn tồn tại một lượng biến dạng dư làm mẫu bị thay đổi về hình dạng và kích thước. ý nghĩa: Làm thay đổi hình dạng, kích thước mà kim loại không bị phá hủy cho phép gia công các sản phẩm có hình dạng xác định, làm cơ sở lý thuyết gia công kim loại bằng áp lực. 4.1.2. Biến dạng dẻo đơn tinh thể 4.1.2.1. Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo Xét ứng suất trên mặt tinh thể: * Khi ứng suất là ứng suất pháp () Nếu tác dụng lên tinh thể ứng suất pháp thuần túy (kéo theo nén) thì khoảng cách nguyên tử theo chiều trực giao với mặt tinh thể sẽ tăng hoặc giảm. Nếu ứng suất bé thì sự thay đổi khoảng cách nguyên tử cũng bé và khi khử ứng suất, lực hút hoặc đẩy sẽ đưa nguyên tử về vị trí cũ, tức là độ biến dạng sẽ mất đi. Nếu ứng suất pháp lớn làm cho sự thay đổi khoảng cách nguyên tử vượt quá giá trị cho phép thì sẽ xảy ra quá trình phá hủy. Như vậy, ứng suất pháp không làm cho tinh thể biến dạng dẻo mà chỉ có biến dạng đàn hồi và sau đó phá hủy dòn, tức phá hủy không kèm theo biến dạng dẻo. * Khi ứng suất là ứng suất tiếp () 39
39. Khi ứng suất tiếp có trị số nhỏ, các lớp nguyên tử bị xê dịch đàn hồi một góc (hình b) và khi khử ứng suất, các nguyên tử trở lại vị trí cũ, do đó tinh thể trở lại với kích thước và hình dáng ban đầu. Khi ứng suất đủ lớn, ngoài sự xê dịch đàn hồi có thể xảy ra hiện tượng trượt (hình c) phần trên của tinh thể trượt khỏi phần dưới một đoạn bằng một khoảng cách nguyên tử. Mặt phẳng nơi xảy ra trượt gọi là mặt trượt. Khi trượt, nguyên tử phá vỡ mối liên kết với nguyên tử cũ xong lại tại mối liên kết mới với nguyên tử mới nên mối liên kết giữa các nguyên tử không bị phá hủy. Kích thước và hình dáng của tinh thể thay đổi mà không bị phá hủy và như vậy đã xảy ra biến dạng dẻo. Vậy, chỉ có ứng suất tiếp mới gây ra biến dạng dẻo. 4.1.2.2. Độ bền lý thuyết và thực tế của kim loại * Độ bền lý thuyết Để xác định độ bền của kim loại cần nghiên cứu và tính toán thông qua cơ chế trượt. Để tạo ra sự xê dịch dư thì lớp nguyên tử trên phải trượt tương ứng với lớp nguyên tử dưới một đoạn ít nhất là bằng 1 thông số mạng. Vì lúc đó các nguyên tử chiếm các vị trí cân bằng mới, trùng với các nút mạng của tinh thể. Gọi x là độ xê dịch của mỗi nguyên tử và cũng là độ xê dịch chung của toàn lớp nguyên tử. Tại vị trí trung gian x=b/2, thì lực tác dụng lên nguyên tử A bằng 0 vì lực hút được cân bằng từ 2 phía. Khi độ xê dịch x > b/2 thì nó chịu tác dụng lực hút từ nguyên tử C nên lực tác 40
40. dụng lên nguyên tử khi trượt được tính là: F: là lực trượt cần thiết mà mỗi nguyên tử phải thắng để dịch chuyển với độ xô dịch x. Mặt khác, theo định luật Hooke ta có: k: gọi là biên độ của lực, nó là lực lớn nhất cần tác dụng lên mặt trượt để tạo ra sự trượt. Do đó, độ bền lý thuyết của tinh thể kim loại là * Độ bền thực tế Độ bền thực tế nhỏ hơn giá trị độ bền lý thuyết từ (10 3  104) lần. Sự khác nhau này chỉ có thể giải thích được khi xuất hiện lý thuyết lệch theo đó, cấu trúc mạng tinh thể thực tế là không hoàn chỉnh và có chứa nhiều lệnh. Tại trung tâm lệch độ ổn định kém do tăng năng lượng tự do chính vì vậy, chỉ cần tác động nhỏ thì nó làm thay đổi trạng thái và vị trí. Khi đó, giá trị ứng suất gây ra chuyển động của lệch gần bằng với ứng suất thực tế và được tính theo công thức Peiers- Nabbaro a: khoảng cách giữa các mặt nguyên tử song song với mặt trượt b: khoảng cách giữa các nguyên tử theo hướng trượt Tóm lại, trong tinh thể có cấu tạo hoàn chỉnh lý tưởng, trượt xảy ra bằng cách các nguyên 41
41. tử trên mặt trượt xê dịch cùng một lúc trên một khoảng cách nguyên tử do đó cần phải có lực tác dụng rất lớn. Trong tinh thể thực tế, trượt xảy ra bằng chuyển động của lệch, các nguyên tử trên mặt trượt xê dịch không cùng lúc nên chỉ cần lực tác dụng tương đối nhỏ. * Nguồn tạo lệch Frank - Read Theo mô hình, biến dạng một lệch tạo ra một bậc có trị số là một thông số mạng b . Trong tinh thể nếu có n lệch sẽ tạo ra một bậc có trị số là n. . Thực tế, mức độ biến dạng tạo ra có trị số lớn hơn n. rất nhiều. Giả thuyết trong quá trình biến dạng dẻo các lệch mới sinh ra. Nguồn phát sinh lệch trong khi biến dạng được gọi là nguồn Frank - Read với nguyên lý hoạt động như sau: Giả sử có một đoạn đường lệch AB bị kẹp chặt. Đó là những nút gặp nhau của các đường lệch trên những mặt trượt khác nhau, những nguyên tử tạp chất hay các nguyên nhân khác. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp , đường lệch phải chuyển động trên mặt trượt nhưng do A, B bị kẹp chặt nên đường lệch AB bị cong dần. ứng suất cần thiết để đường lệch có bán kính cong cực tiểu gọi là ứng suất tới hạn. b: độ lớn véctơ bragg l: là khoảng cách giữa hai điểm AB 4.1.3. Các cơ chế biến dạng dẻo 4.1.3.1. Trượt Là cơ chế biến dạng dẻo mà trong quá trình biến dạng một phần tinh thể trượt tương đối so với một mặt cố định gọi là mặt trượt. Trong mặt trượt theo các phương xác định gọi là phương trượt. + Mặt trượt là mặt có mật độ mặt sít chặt Ms lớn nhất. + Phương trượt là phương có số nguyên tử lớn nhất + Hệ trượt là tích số giữa mặt trượt và phương trượt. Kiểu mạng nào có hệ trượt lớn thì 42
42. khả năng biến dạng càng cao. Ví dụ: Với mạng A1K12 Mặt trượt (111) có 6 mặt Phương trượt (110) có 2 phương nên có 12 hệ trượt Với mạng A2K8: Mặt trượt (111) có 4 mặt Phương trượt (111) có 3 phương nên có 12 hệ trượt Cả 2 mạng A1K12 và A2K8 cùng có 12 hệ trượt xong mạng A1K12 dễ biến dạng dẻo hơn do có số mặt trượt lớn hơn Với mạng A3L12: Mặt trượt (0001) có 1 mặt Phương trượt (2110) có 3 phương nên có 3 hệ trượt vì vậy mạng A3L12 rất khó biến dạng dẻo 4.1.3.2. Đối tinh Đối tinh là quá trình biến dạng dẻo mà các phần tinh thể dịch chuyển đối xứng nhau qua một mặt phẳng cố định gọi là mặt đối tinh (song tinh) Đặc điểm của đối tinh + Giống như trượt, đối tinh cũng xảy ra theo nhưng mặt và phương xác định. + Khi biến dạng, quá trình đối tinh bắt đầu khi ứng suất vượt quá trị số nhất + Đối tinh xảy ra đột ngột trứ không phải từ từ với tốc độ xác định như quá trình trượt. Vì vậy, nó có khả năng tiến hành để dễ dàng trong điều kiện tải trọng nhanh. + Vì sự chuyển dịch của nguyên tử trên mỗi mặt phẳng xảy ra chỉ một lần trên khoảng cách ngắn nên độ biến dạng dư tạo ra khi đối tinh có trị số rất, bé nên những tinh thể khi biến dạng dẻo bằng đối tinh thì quá trình phá hủy là phá hủy dòn. + Đối tinh xảy ra thì có tác dụng làm cho quá trình trượt cũng xảy ra dễ dàng hơn. 4.1.3.3. Vai trò của mặt trượt và phương trượt trong biến dạng dẻo 43
43. Coi  = 0 ta thấy nếu = 0 và = 900 thì cho dù lực P có lớn đến đâu cũng không xảy ra 0 trượt vị trí thuận lợi nhất của mặt trượt để ()max là = 45 Khi đó: max =(1/2) 0 4.1.4. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc tinh thể sau biến dạng dẻo, các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu 4.1.4.1. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc của tinh thể + Xuất hiện các đường trượt, dải trượt hoặc đường đối tinh, dải song tinh. Ta biết rằng, một lệch đi ra mặt ngoài tạo ra một bậc có độ lớn . Tập hợp các điểm đi ra mặt ngoài của lệch tạo thành đường trượt. Tập hợp các đường trượt gọi là dải trượt. + Tạo thành các tổ chức hạt nhỏ và có tính định hướng 44
44. + Tạo thành thớ làm tăng tính dị hướng của vật liệu + Nâng cao mật độ lệch và khuyết tật trong tinh thể + Sự tạo thành Textua biến dạng đó là tổ chức sau biến dạng không đúng với góc của mặt trượt do bị hạn chế phương trượt hay còn gọi là hiện tượng quay mặt trượt. + Tạo thành ứng suất dư sau biến dạng dẻo nên tạo ra các trung tâm ứng suất dư do tăng mật độ khuếch tán. + Tạo ra ứng suất dư thô đại tồn tại trong toàn bộ thể tích sau khi biến dạng + Tạo ra ứng suất dư tế vi tồn tại trong nội bộ một hạt tinh thể do đó tạo nên trung tâm gây ra các vết nứt đầu tiên làm phá hủy kim loại vì vậy sau biến dạng dẻo phải khử ứng suất dư. + Làm thay đổi cơ tính của kim loại mà điển hình làm tăng độ cứng, giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn bền. Làm giảm độ dẻo, độ dai, va đập + Biến dạng dẻo làm tăng mức độ sai lệch mạng làm tăng ứng suất dư và độ hạt nhỏ vì vậy làm giảm tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt. 4.1.4.2. Các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu * Nếu kim loại có cấu tạo mạng hoàn toàn lý tưởng: Trong kim loại mà cấu tạo mạng là lý tưởng tức là không chứa lệch thì nó có độ bền rất cao tương ứng với độ bền lý thuyết. Đó là do trong các sợi đơn tinh thể với kích thước nhỏ, số lượng sai lệch mạng là vô cùng nhỏ bé, do đó cơ chế biến dạng gần giống với cơ chế đối với tinh thể hoàn chỉnh. Tinh thể sợi có đường kính càng nhỏ thì số lượng sai lệch mạng càng ít và độ bền càng cao. Như vậy, việc chế tạo các tinh thể kim loại sợi là một phương hướng nâng cao độ bền của vật liệu. * Nếu kim loại có cấu tạo mạng thực tế: Do sự có mặt của sai lệch mạng nên chúng có độ bền thấp vì biến dạng dẻo gây ra chủ yếu là do chuyển động của lệch. Muốn có độ bền cao thì cần có biện pháp cản trở chuyển động của lệch tức là tạo ra các yếu tố hãm lệch. + Tăng mật độ lệch và phân bố đều trong thể tích. Mật độ lệch càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng nhỏ, tương tác giữa chúng càng mạnh. 45
45. + Tăng cường tác dụng hãm lệch của biên giới hạt và biên giới siêu hạt bằng cách tạo ra kim loại có hạt nhỏ về kích thước hạt siêu bé. + Tạo ra pha thứ 2 có độ bền cao hơn dưới dạng những hạt nhỏ phân tán. + Tạo ra sai lệch mạng bằng cách chuyển biến pha 4.1.5. Các yếu tố hãm lệch trong tinh thể Khi lệch chuyển động trên mặt trượt, chúng có thể gặp những chướng ngại khác nhau làm cho tốc độ chậm lại hoặc đứng hẳn lại, không chuyển động được nữa. Nghiên cứu các yếu tố cản trở chuyển động của lệch là vấn đề rất cần thiết vì rằng sự hãm lệch có liên quan trực tiếp đến cơ tính của kim loại, mà trước hết là độ bền. Lệch có thể bị hãm do những lệch khác do những dạng khuyết tật khác nhau trong tinh thể, các nguyên tử tạp chất và nguyên tố hợp kim vv chúng ta sẽ khảo sát nội dung chủ yếu của quá trình hãm lệch do các yếu tố kể trên.Khái niệm: Khi khả năng linh động của lệch giảm dần đến khả năng biến dạng kém làm giới hạn chảy của vật liệu tăng. Để tăng độ bền của vật liệu ta cần tăng các yếu tố cản trở chuyển động của lệch. 4.1.5.1. Tương tác giữa các lệch Trong một thể tích vật liệu khi tồn tại nhiều lệch thì các trục lệch cắt nhau. Do hướng chuyển động của các lệch khác nhau nên chuyển động của một lệch phải kéo theo chuyển động của lệch khác có tương tác với nó nên làm giảm tính linh động của lệch (gọi là chướng ngại Lommer - Cottrell) Chướng ngại Lommer - Cottrell là chướng ngại chủ yếu và tác dụng rất mạnh. Đặc biệt là khi tạo thành rừng lệnh và lưới lệnh (đặc trưng bởi hệ số biến đổi điện trở theo nhiệt độ ) 4.1.5.2. Các nguyên tử tạp chất Trong bất kỳ tinh thể nào cũng luôn tồn tại các nguyên tử tạp chất. Các nguyên tử tạp chất có xu hướng tập trung về trung tâm lệch dọc theo trục lệch nên chúng tạo thành các chuỗi gần đường lệch được gọi là khí quyển Cottrell. Sự có mặt của khí quyển Cottrell có tác dụng hãm lệch vì rằng lệch muốn chuyển động thì phải kéo theo khí quyển đó mà tốc độ chuyển động của lệch lớn còn nguyên tử tạp chất chuyển động với tốc độ bé. Lệch được bao bọc bởi khí quyển cottrell (nên chỉ có thể chuyển động trong các trường hợp sau). + Nếu tốc độ trượt rất bé mà nhiệt độ cao làm cho khả năng khuếch tán của nguyên tử tạp chất và của lệch gần bằng nhau nên lệch chuyển động sẽ kéo theo khí quyển của các nguyên tử tạp chất. + Nếu ứng suất tác dụng đủ lớn có khả năng tách nguyên tử tạp chất ra khỏi trường hút của lệch thì lệch có thể được giải phóng. Nhược điểm: Hóa bền không mạnh, có thể tạo các tổ chức khác theo yêu cầu nên không dùng để hóa bền vật liệu. 4.1.5.3. Biên giới hạt và biên giới siêu hạt Biên giới hạt và siêu hạt là vùng sắp xếp nguyên tử không có trật tự, không có mặt trượt và phương trượt xác định nên sự trượt khó phát triển. Khi lệch chuyển động qua biên giới hạt thì một phần năng lượng bị mất đi do đó làm giảm độ linh động của lệch. Vì vậy, hạt càng nhỏ thì biên giới hạt càng nhiều làm cho lệch càng khó chuyển động. 4.1.5.4. Pha thứ hai phân tán 46
46. Trong tổ chức hợp kim thường có sự xuất hiện của các pha thứ hai là các loại pha trung gian dưới dạng những hạt nhỏ phán tán. Chúng cũng được coi là yếu tố cản trở chuyển động của lệch khá hiệu quả. + Nếu khoảng cách giữa các hạt nhỏ lệch có thể đi xuyên qua các hạt bằng cách cắt chúng theo mặt trượt. Khả năng cắt phụ thuộc vào  B môđuyn đàn hồi của pha thứ 2 nên thường xảy ra với các pha mềm. + Nếu khoảng cách giữa các hạt lớn dưới tác dụng của ứng suất tiếp  lớn hơn trị số tới hạn thì đường lệch bị uốn cong. Khi vượt qua các hạt, lệch bị uốn cong để lại những vòng lệch bao xung quanh chúng làm cản trở chuyển động của các lệch tiếp theo sau Cả hai trường hợp trên, lệch muốn vượt qua các hạt phân tán đều phải tốn năng lượng. Nếu ứng suất tác dụng không tăng thì lệch có thể bị h•m và muốn tiếp tục chuyển động thì phải tăng ứng suất. Đó chính là một trong những yếu tố hóa bền có hiệu quả. 4.1.6. Đặc điểm biến dạng dẻo đa tinh thể Đa tinh thể bao gồm vô số đơn tinh thể có định vị phương mạng khác nhau khi chịu tải trọng số lượng các hạt có định vị phương mạng phù hợp với điều kiện biến dạng theo các phương là như nhau nên đa tinh thể đẳng hướng về tính biến dạng. Vùng biên giới hạt là các vùng sai sắp xếp có mật độ khuyết tật lớn nên làm cản trở chuyển động của lệch chính vì vậy đa tinh thể khó biến dạng dẻo hơn so với đơn tinh thể. Khi chịu tải trọng theo một phương nào đó thì có những hạt thuận lợi, cho biến dạng nhiều, có những hạt thuận lợi cho biến dạng ít, có những hạt không có khả năng biến dạng. Để tránh phá hủy, các hạt không thuận lợi cho việc biến dạng phải có sự quay mặt trượt. Quan hệ giữa độ bền và kích thước hạt thường được biểu diễn bằng công thức Hall - Petch. -1/2 s = 0 + k.d s: giới hạn chảy của đa tinh thể 0: hằng số, nói lên khả năng chống trượt của trạng thái tổ chức và cấu trúc ban đầu của tinh thể k: hằng số, phụ thuộc vào khả năng hãm lệch của tinh giới 47
47. d: kích thước trung bình của hạt 4.1.7. Nung kim loại sau biến dạng dẻo 4.1.7.1. Mục đích Kim loại sau biến dạng dẻo có mật độ khuyết tật tăng, ứng suất dư xuất hiện làm năng lượng tự do tăng lên. Vì vậy, kim loại sau khi biến dạng dẻo luôn có xu hướng trở về trạng thái ổn định với năng lượng bé. Muốn trở về trạng thái ổn định này cần phải cung cấp năng lượng cho hệ bằng cách nung trở lại kim loại đã qua biến dạng dẻo. 4.1.7.2. Các giai đoạn xảy ra khi nung kim loại qua biến dạng dẻo * Giai đoạn hồi phục: là quá trình nung kim loại đ• qua biến dạng dẻo vượt qua một nhiệt 0 0 độ xác định tùy thuộc vào bản chất kim loại gọi là nhiệt độ hồi phục, T hp =0,2T nóng chảy. Các hiện tượng xảy ra trong giai đoạn hồi phục là: - Giảm ứng suất dư Đây là một trong những thay đổi quan trọng. Sự tăng cường tính di động của nguyên tử khi nung làm cho chúng có khả năng quay về vị trí cân bằng, khắc phục những sai lệch bộ phận. Do năng lượng cấp nhỏ nên độ dời các nguyên tử x nhỏ hơn thông số mạng a nên làm cho ứng suất dư được phân bố lại trong nội bộ một hạt. - Quá trình đa canh hóa: là sự tập trung các lệch về những vị trí thẳng hàng trên các mặt tinh thể khác nhau. Sự tăng cường tính di động của nguyên tử khi nung làm cho các lệch chuyển động hoặc dọc theo mặt trượt hoặc theo chiều trực giao với mặt trượt. Nếu 2 lệch khác dấu chuyển động ngược chiều trong cùng một mặt phẳng trượt chúng sẽ triệt tiêu nhau. Những lệch cùng dấu khi chuyển động trên những mặt trượt song song, do trường ứng suất đàn hồi của chính bản thân, chúng sắp xếp thành từng dãy theo chiều trực giao với mặt trượt. - Sự thay đổi tính chất Trong giai đoạn phục hồi, một số tính chất của kim loại cũng thay đổi cụ thể là làm tăng độ dẫn điện, cơ tính thay đổi không đáng kể, làm giảm độ bền, độ cứng một ít. * Kết tinh lại: là quá trình nung kim loại đã qua biến dạng dẻo vượt qua một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ kết tinh lại. T0 kết tinh lại = (0,3  0,4) T0 nóng chảy Các hiện tượng xảy ra của quá trình này: - Sự tạo mầm kết tinh lại là quá trình tạo ra những hạt tinh thể mới mà những hạt này được phát triển từ những trung tâm ban đầu gọi là mầm. Thực nghiệm cho thấy, sự tạo mầm có các đặc điểm sau đây. + Mầm được tạo ra trước tiên ở những vùng có mức độ sai lệch mạng lớn như vùng tinh giới, vùng mặt trượt. + Mức độ biến dạng càng lớn mầm được tạo ra càng nhiều Sự tạo mầm làm giảm năng lượng của hệ nên khử được ứng suất dư kể cả ứng suất dư thô đại. Bên cạnh đó, nó làm cho độ bền, độ cứng giảm đồng thời độ dẻo dai tăng lên. Sự tạo mầm ở trạng thái rắn nên có tổ chức hạt nhỏ. Sự lớn lên của mầm bằng cách sát nhập các hạt nhỏ vào hạt lớn và tạo sự ổn định về năng lượng. - Nhiệt độ kết tinh lại Đó là t0 nung tối thiểu mà ở đấy quá trình kết tinh lại (tạo mầm và lớn lên của mầm) xảy ra với tốc độ đáng kể. Kết tinh lại có liên quan với sự dịch chuyển các nguyên tử trên những khoảng cách lớn do đó liên quan đến khả năng tự khuếch tán. Như vậy nhiệt độ kết tinh lại phụ thuộc vào bản chất kim loại, mức độ biến dạng, thời gian giữ nhiệt và tạp chất. * Sự thay đổi tính chất sau kết tinh lại 48
48. Trong giai đoạn kết tinh lại ứng suất dư, điện trở suất và năng lượng tự do tiếp tục giảm. Xu hướng chung là các tổ chức trở về trạng thái ban đầu khi chưa biến dạng. Sự thay đổi quan trọng nhất về tính chất do kết tinh lại là cơ tính. Nếu biến dạng dẻo làm tăng độ bền, độ cứng, giảm độ dẻo thì kết tinh lại khử bỏ những ảnh hưởng đó tức làm giảm độ, độ cứng và tăng độ dẻo. Hay nói khác đi kết tinh lại có tác dụng "thải bền" ngược với tác dụng hóa bền của biến dạng dẻo. - Khái niệm về gia công nóng và gia công nguội Gia công nguội là hình thức biến dạng có kèm theo sự hóa bền và phải tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại. Gia công nóng là hình thức gia công ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại và có kèm theo sự thải bền. Nhìn chung, gia công nóng được sử dụng rộng rãi vì có những ưu điểm chính sau: + ít có khả năng nứt hỏng khi biến dạng, nhất là khi rèn, rập, cán vì khi biến dạng nóng kim loại hoặc ít không bị hòa bền. Thêm vào độ lệch dễ chuyển động hơn, trượt dễ hơn, lại có thêm những mặt trượt mới vv tức tăng mạnh khả năng biến dạng dẻo của kim loại mà không sinh ra vết nứt. + Khi gia công nóng, kim loại có khả năng biến dạng lớn nên với lực tác dụng tương đối bé cũng có thể gây nên độ biến dạng cao. Điều này cho phép giảm công suất máy hoặc cùng công suất như nhau, gia công được những khối kim loại hoặc chi tiết lớn hơn. Đó là ưu điểm quan trọng cho phép chế tạo được những chi tiết lớn như rèn trục khuỷu, trục tuốcbin nặng hàng chục hoặc hàng trăm. + Nếu biến dạng nóng tiến hành ở nhiệt độ đủ cao và với tốc độ tương đối chậm thì không cần phải nung (tức ủ) trung gian giữa các lần biến dạng, điều thường phải làm khi biến dạng nguội. Ví dụ khi cần nguội, sau mỗi lần cần kim loại bị hóa bền nên muốn cán tiếp tục phải tiến hành ủ trung gian. Còn nếu cán nóng, có thể cán đi cán lại nhiều lần, không cần phải nung. + Có khả năng điều chỉnh độ hạt. Tổ chức hạt được tạo thành khi biến dạng nóng là kết quả của hai quá trình biến dạng dẻo và kết tinh lại, phụ thuộc vào các yếu tố như đ• trình bày ở trên. Muốn nhận được độ hạt nhỏ, phải chú ý các điểm sau: - Dựa vào giản đồ kết tinh lại chọn mức độ biến dạng để nhận được độ hạt nhỏ. Không nên biến dạng với mức độ thấp vì độ hạt lớn. - Biến dạng phải tiến hành liên tục vì ở nhiệt độ quá trình lớn lên của hạt xảy ra rất nhanh, nếu để ngưng lâu trong một thời gian nào đó thì hạt kịp lớn lên và độ hạt lớn. - Nhiệt độ kết thúc biến dạng chỉ nên chọn cao hơn một ít so với nhiệt độ kết tinh lại vì nhiệt độ càng thấp, độ hạt càng nhỏ. Tuy nhiên đối với những kim loại kém dẻo, nhiệt độ kết thúc biến dạng phải chọn thế nào đó để kim loại không bị nứt vỡ. Song gia công nóng cũng có những nhược sau: + Khó khống chế nhiệt độ trong phạm vi cho phép, nhất là đối với các vật phẩm có kích thước bé như là mỏng, sợi v.v Muốn khống chế nhiệt độ phải có thiết bị đo và điều chỉnh chính xác, như vậy giá thành sẽ cao. Cũng vì thế, đối với mỗi kim loại người ta đề ra một kích thước tới hạn, nếu vật phẩm dày hơn - nên biến dạng nóng, mỏng hơn - biến dạng nguội. + Tổ chức và tính chất ít đồng nhất hơn so với biến dạng nguội nhất là đối với kim loại có chuyển biến thù hình và kích thước lớn. Một loại khuyết tật bề mặt quan trọng khi biến dạng nóng là lớp oxyt trên bề mặt chi tiết đòi hỏi phải có những biện pháp khử bỏ tiếp theo sau như gia công cắt gọt, đánh bóng v.v 49
49. + Nhược điểm nữa của gia công nóng là khống chế kích thước và hình dáng vật phẩm vì thể tích kim loại nóng lớn hơn, khó tính toán lượng dư chính xác, nhất là trong trường hợp kim loại bị oxy hóa. Thêm vào đó khi làm nguội do ứng suất nhiệt, hình dáng kích thước có thể thay đổi. 4.2. Các đặc trưng cơ tính của vật liệu 4.2.1. Độ bền tĩnh và độ dẻo 4.2.1.1. Nhóm đặc trưng cho độ bền 2 - Giới hạn đàn hồi  đh [KG/mm ]: là ứng suất tác dụng lớn nhất mà khi ngừng tác dụng tải trọng thì vật liệu không bị biến dạng hoặc biến dạng dẻo rất bé. Trong đó: Pđh: là lực sinh ra lớn nhất để vật liệu không bị biến dạng dẻo [KG] F: là tiết diện ban đầu [mm2]. 2 2 - Giới hạn chảy  ch,  0,2 [KG/mm ; MN/m ; MPa]: là giá trị ứng suất mà khi ứng suất gây ra do tải trọng tác động vượt qúa nó thì vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo. Pch: là tải trọng tác động tại thời điểm chảy [KG] F: là tiết diện ban đầu [mm2]. 2 2 - Giới hạn bền B [KG / mm , MN/m , MPa): là giá trị ứng suất lớn nhất mà khi ứng suất gây ra do tác động của tải trọng vượt qua nó thì vật liệu bị phá hủy. P: là tải trọng tác động tại thời điểm phá hủy [KG] F: là tiết diện của mẫu thử [mm2]. 4.2.1.2. Nhóm đặc trưng cho độ dẻo - Độ giãn dài tương đối của vật liệu (%): l: chiều dài của mẫu sau khi kéo l0: chiều dài ban đầu của mẫu Độ giãn dài tương đối đặc trưng cho tính dẻo của vật liệu. - Độ thắt tỉ đối  (%): F0: là tiết diện ban đầu của mẫu F: là tiết diện mẫu tại vị trí bị kéo đứt 4.2.2. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng tĩnh mà không phá hủy mẫu Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo của vật liệu khi chịu tác động của tải trọng thông qua một vật cứng tác động lên vật liệu. 4.2.2.1. Độ cứng Brinell (HB) + Tải trọng tiêu chuẩn: P = 3000KG + Mũi đâm: viên bi bằng thép đã được tôi cứng, đường kính tiêu chuẩn của viên bi d = 10mm 50
50. HB P (KG/mm2) F F: diện tích vết lõm do viên bi gây ra trên bề mặt vật liệu thử +) Phạm vi ứng dụng vật liệu mềm (thép sau ủ, hợp kim đồng, nhôm) 4.2.2.2. Độ cứng Rocoel (HR) Có 3 thang A, B, C là HRA, HRB, HRC * Độ cứng HRA + Tải trọng tiêu chuẩn P = 60KG + Mũi đâm: kim cương hoặc hợp kim cứng hình tháp có góc ở đỉnh 1200 HRA = a - bh a, b: là hằng số thực nghiệm HRA: là đại lượng không thứ nguyên + Phạm vi áp dụng: đo các vật liệu rất cứng (như thép thấm C, N) * Độ cứng HRB + Tải trọng tiêu chuẩn P = 100KG + Mũi đâm: viên bi có đường kính d = 1/16 inch + Phạm vi áp dụng: đo tương tự như HB nhưng áp dụng cho tấm mỏng * Độ cứng HRC + Tải trọng: P = 150KG + Mũi đâm: Kim cương, hợp kim cứng hình tháp có góc ở đỉnh 1200 + Phạm vi áp dụng: Dùng để đo vật liệu có độ cứng cao như thép sau khi tôi 4.2.2.3. Độ cứng Vicken (HV) + Tải trọng tiêu chuẩn P = 2  50 (KG) + Mũi đâm có dạng hình chóp có góc ở đỉnh là 1360 + Phạm vi áp dụng: Đo vật liệu có độ cứng cao nhưng mỏng F: diện tích vết lõm (mm2) 4.2.2.4. Độ cứng tế vi (H) + Tải trọng: P = 1  500 (g) + Mũi đâm: Kim cương hoặc hợp kim cứng có góc ở đỉnh là 1200 Để đo độ cứng này và quan sát được diện tích vết lõm phải đi kèm với kính hiển vi + Phạm vi áp dụng: áp dụng để đo độ cứng của các pha khác nhau trong tổ chức của vật liệu. 4.2.3. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng động Tải trọng động là tải trọng tác động lên vật liệu dưới dạng các xung lực hay va đập. 2 2 Chỉ tiêu đặc trưng: độ dai va đập ak (KG.m/cm ; kJ/cm ) Độ dai va đập là công tiêu phí để phá hủy mẫu có vết khía chia cho diện tích của tiết diện ngang ở chỗ có vết khía. 51
51. 4.2.4. Độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ (giới hạn bền mỏi) Phá hủy mỏi là dạng phá hủy xảy ra khi kim loại chịu tải tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ theo một quy luật bất kỳ nào đó. Hiện tượng mỏi của vật liệu mà hậu quả của nó là phá hủy mỏi được hết sức chú ý khi thiết kế các chi tiết máy. Phá hủy mỏi có các đặc điểm sau: + Khả năng phá hủy mỏi không phụ thuộc vào thời gian mà thông qua số lượng chu kỳ đặt tải trọng. + Nếu ứng suất thực tế bé hơn một giá trị xác định thì phá hủy mỏi không bao giờ xảy ra dù số lượng chu kỳ là rất lớn. Giá trị ứng suất này gọi là giới hạn mỏi -1; -r (kG/mm2) Cách xác định giới hạn mỏi bằng cách xây dựng đường cong mỏi Như vậy, giới hạn bền mỏi là giá trị ứng suất mà khi số chu kỳ tải trọng lớn hơn 10 7 mẫu mới bị phá hủy. + Giới hạn mỏi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và hệ số bất đối xứng tải trọng đặc trưng cho chu kỳ + Phá hủy mỏi thường "nhạy cảm" với yếu tố gây ra sự tập trung ứng suất 52
52. CHƯƠNG 5. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CÁCBON Trong phần này nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt - cácbon, các khái niệm cơ bản về gang - thép, các phương pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, cơ - nhiệt luyện và sơ lược về các thiết bị nhiệt luyện. Do vậy cần hiểu được các chuyển biến khi nung nóng và làm nguội thông qua giản đồ trạng thái Fe - C và các giản đồ có liên quan, bản chất của các tổ chức tạo thành, mối quan hệ giữa các tổ chức. Cơ sở để nghiên cứu gang - thép và tìm hiểu các tính chất của nó là giản đồ trạng thái Fe - C. Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trước hết phải khảo sát các đặc tính của các nguyên thành phần. 5.1. Các bon và sắt 5.1.1. Các bon Các bon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn và có thể ở hai dạng thù hình: Graphít và kim cương. Trong điều kiện bình thường Graphít là dạng thù hình ổn định còn kim cương không ổn định. Trong hợp kim Fe - C, các bon nguyên chất chỉ có thể tồn tại ở dạng Graphít - nó có mạng lục giác và rất mềm. 5.1.2. Sắt Sắt là nguyên tố hợp kim thuộc nhóm VII trong bảng hệ thống tuần hoàn, nó thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp. Cũng giống như các nguyên tố khác nó không thể tồn tại ở dạng tuyệt đối tinh khiết mà thường tồn tại dưới dạng hợp chất. Sắt có các tính chất sau: 5.1.2.1. Cơ tính - Giới hạn bền kéo b : 250 N/mm2 - Giới hạn chảy 0,2 : 120 N/mm2 - Độ giãn dài tương đối  : 50 % - Độ thắt tỷ đối  : 85 % - Độ cứng HB : 80 kG/mm2 - Độ dai va đập ak : 3000 kJ/m2 Như vậy so với nhiều kim loại thường dùng như nhôm, đồng, sắt có độ bền, độ cứng cao hơn hẳn, nhưng vẫn còn thấp so với yêu cầu của chế tạo cơ khí. Đó là nguyên nhân người ta hầu như không dùng sắt nguyên chất trong chế tạo cơ khí, mà dùng hợp kim của nó vì có cơ tính cao hơn rõ rệt. 5.1.2.2. Tính thù hình - Mạng lập phương thể tâm tồn tại ở hai khoảng nhiệt độ: Dưới 911 0C được gọi là Fe( ) và từ (1392  1539)0C được gọi là Fe(). - Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng (911 1392)0C được gọi là Fe(). Do mạng lập phương diện tâm có mật độ mạng Mv lớn hơn mạng lập phương thể tâm nên khi nung nóng quá 9100C có chuyển biến thù hình từ Fe( ) sang Fe(). 53
53. 5.2. Giản đồ trạng thái Fe - C 5.2.1. Giản đồ trạng thái Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lượng các bon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe 3C. Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3 dạng hợp chất là FeC, Fe2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử. Bảng 5.1. Bảng tọa độ các điểm Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ A 0 1539 E 2,14 1147 H 0,1 1499 C 4,3 1147 J 0,16 1499 F 6,67 1147 B 0,51 1499 R 0,02 727 N 0 1392 S 0,8 727 D 6,67 1600 K 6,67 727 G 0 910 Q 0,006 0 5.2.2. Các tổ chức của hợp kim Fe - C Trên giản đồ, đường ABCD là đường lỏng Đường AHJECF là đường đặc 5.2.2.1. Các tổ chức một pha - Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cácbon trong sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD. - Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe3C): là hợp chất hóa học của sắt với các bon - Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFK. - Xementit thứ nhất (XeI): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó được tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147  1600) 0C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to. - Xementit thứ hai (XeII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở trong khoảng nhiệt độ (727  1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống còn 54