Tổng số bài gửi : 38 Được cảm ơn : 102 Join date : 03/03/2010
Tiêu đề: TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC Tue Mar 09, 2010 9:03 pm
1. Khái niệm: Khi chịu tải, vật sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực. Ứng suất là phản lực tính trên một đơn vị diện tích. σ=F/A Ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là ứng suất pháp σ, gây ra biến dạng ε. Ứng suất tiếp sinh ra xê dịch γ trong mặt chịu lực. Ứng suất pháp ba chiều làm biến đổi thể tích ∆V/V. Hình 1.1: Sơ đồ ứng suất kéo, ứng suất nén và xê dịch
2. Sự biến dạng:Fđh
Hình 2.1: Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi tăng tải trọng B.dạng đàn hồi (H.b) : các ng.tử dịch chuyển ∆a B.dạng dẻo (H.c) : các ng.tử dịch chuyển (a+∆a) B.dạng phá hủy (H.d) : các ng.tử tách khỏi nhau
Giản đồ thử kéo và các giai đoạn biến dạng:
Hình 2.2: Biểu đồ tải trọng – biến dạng điển hình của kim loại
– Khi F < Fđh , độ giãn dài ∆l tỷ lệ bậc nhất với tải trọng → biến dạng đàn hồi. Với F1 → biến dạng O1, bỏ tải trọng mẫu trở lại kích thước ban đầu. – Khi F > Fđh, độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng vẫn còn lại một phần → biến dạng dẻo.Khi F = Fa → biến dạng Oa’’, khi F = 0 → biến dạng Oa’ → biến dạng dẻo hay dư. – Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất Fb, mẫu bị thắt lại → tải trọng = const (hoặc↓ ) nhưng ứng suất ↑ → phá hủy ở điểm c.
2.1Biến dạng đàn hồi: Biến dạng đàn hồi dựa trên sự xê dịch nguyên tử khỏi vị trí cân bằng. Biến dạng tức thời xuất hiện khi đặt tải không biến đổi trong suốt thời gian chịu tải và chỉ mất ngay sau khi bỏ tải. Modul đàn hồi: E = σ/ε ε – độ biến dạng hay Ε = F/(A.ε) phụ thuộc vào phương tác dụng trên mặt tinh thể hay phương tinh thể. Vật liệu thực tế sử dụng là vật liệu đa tinh thể: trong vật liệu có nhiều hạt tinh thể khác nhau. Như vậy tác dụng lực lên một phần tử lập phương thì cũng tác dụng lực lên nhiều mặt tinh thể khác nhau theo các phương tinh thể khác nhau. Modul đàn hồi sẽ khác nhau phụ thuộc vào phương tinh thể. 2.2 Biến dạng dẻo: Biến dạng dẻo là biến dạng dư, bắt đầu khi ngoại lực đạt một giá trị tới hạn – giới hạn chảy và không mất đi khi bỏ tải. Biến dạng dư có được do sự dịch chuyển nguyên tử, nhờ phá vỡ các liên kết ban đầu rồi lập lại liên kết với các lân cận mới, để khi bỏ tải nguyên tử không trở về vị trí xuất phát mà cấu trúc của vật liệu vẫn được bảo toàn. 2.2.1.Sự trượt của đơn tinh thể : 2.2.1.1 Khái niệm : Trượt là sự chuyển dời tương đối với nhau giữa các phần của tinh thể theo những mặt vàphương nhất định gọi là mặt trượt và phương trượt. Trượt là hình thức biến dạng dẻo chủ yếu trong thực tế. Đôi khi ta cũng gặp một hình thức khác của biến dạng dẻo là song tinh, tuy nhiên song tinh xảy ra khó khăn hơn nhiều so với trượt. 2.2.1.2 Các mặt trượt và phương trượt : Trong quá trình trượt hai mặt nguyên tử dịch chuyển tương đối với nhau, liên kết giữa các nguyên tử đối diện nhau bị đứt rời, nhưng mối liên kết giữa hai nguyên tử lân cận nhau trong mỗi mặt vẫn được bảo toàn. Mặt trượt và phương trượt là các mặt và phương có mật độ nguyên tử lớn nhất. Khoảng cách giữa hai mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất sẽ xa nhất nên liên kết giữa chúng yếu hơn, do đó chúng có thể dịch chuyển tương đối với nhau dễ dàng hơn. Các phương có mật độ nguyên tử lớn nhất sẽ có liên kết nguyên tử theo phương đó mạnh nhất. Do vậy khi trượt mối liên kết nguyên tử trên phương đó vẫn bảo toàn. Trong các kiểu mạng tinh thể thường gặp các mặt và phương dày đặc nhất chính là các mặt trượt và phương trượt cơ bản. Trong mạng lập phương tâm khối (A2) các mặt có mật độ dày đặc nhất là các mặt đi qua nguyên tử trung tâm khối lập phương, kiểu (110) có tất cả sáu mặt như vậy. Trên mỗi mặt có hai phương dày đặc nhất kiểu [111]. Như vậy cách trượt của kiểu mạng A2 là : 6 mặt x 2 phương = 12. Mạng A2 có 12 hệ trượt chính khác nhau. Sự trượt bao giờ cũng xảy ra bằng sự kết hợp giữa một mặt trượt và một phương trượt trên đó gọi là hệ trượt. Trong mạng lập phương tâm mặt (A1) các mặt có mật độ dày đặc nhất là các mặt kiểu (111) được tạo ra bởi ba đường chéo của ba mặt bên có chung một đỉnh. Có bốn mặt kiểu như vậy. Trên mỗi mặt có ba phương là đường chéo của mặt bên có mật độ dày đặc nhất . Như vậy cách trượt của mạng (A1) là : 4 mặt x 3 phương = 12. Do đó mạng A1 cũng có 12 hệ trượt chính khác nhau. Trong mạng sáu phương xếp chặt (A3) chỉ có một mặt dày đặc nhất dó là mặt đáy,trên đó có ba phương dày đặc nhất chính là các đường chéo của lục giác. Do vậymạng A3 có ba hệ trượt chính.
Hình 2.3: Sơ đồ biểu diễn sự trượt a) Hình dạng đơn tinh thể và mạng trước khi trượt. b) Hình dạng đơn tinh thể và mạng sau khi trượt.
Hình 2.4: Các hệ trượt trong các kiểu mạng thường gặp: a) Lập phương tâm mặt; b) Sáu phương xếp chặt c) Lập phương tâm khối
Khả năng biến dạng dẻo của kim loại tỷ lệ thuận với số hệ trượt chính. Kim loại có cùng số lượng hệ trượt chính thì kim loại có số phương trượt trong một mặt trượt lớn hơn sẽ có tính dẻo cao hơn. Ví dụ : -Sắt, nhôm, bạc, đồng, vàng (mạng lập phương tâm khối và tâm mặt) dẻo hơn rấtnhiều so với kẽm (mạng sáu phương xếp chặt). -Kiểu mạng lập phương tâmkhối và tâm mặt có cùng số hệ trượt chính, nhưng mạng tâm mặt có số phương trượt trong một mặt lớn hơn nên dẻo hơn. Ở nhiệt độ thường đồng, vàng dẻo hơn sắt. 2.2.1.3 Ứng suất gây ra trượt : Như đã nói ở trên chỉ có ứng suất tiếp trên mặt trượt và theo phương trượt mới gâyra quá trình trượt. Ta tính toán ứng suất này. Giả sử rằng tiến hành kéo đúng tâm một phân tố đơn tinh thể hình trụ bằng lực F. Lực kéo tạo với pháp tuyến mặt trượt đã cho góc θ và phương trượt góc λ. Gọi tiết diện ngang của tinh thể là S0 diện tích mặttrượt là S0 / cosχ. Ứng suất tiếp trên phương trượt là : τ = (F/S) cos θ = ( F / S0) cos θ cos λ Trongđó F / S0 là ứng suất chính σ0 có giá trị không đổi trên tiết diện ngang của mẫu. Do đó ứng suất tiếp gây ra trượt là : τ = σ0 cos θ cos λ. Đây chính là biểu thức của định luật Schmid, cos θ cos λ gọi là thừa số Schmid.
Hình 2.5: Trượt trong đơn tinh thể: a) Sự định hướng của hệ trượt với ngoại lực. b) Xê dịch tạo ra các bậc nhỏ.
Như vậy khi τ có độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn nhất định (tùy theo từng kim loại) thì quá trình trượt mới xảy ra. Ứng suất τ phụ thuộc vào cos θ cos λ ( thừa số Schmid). Trong trường hợp θ = 90 hay λ = 90 giá trị của τ = 0, trong trường hợp này ngoại lực song song với mặt trượt hay vuông góc với phương trượt do đó tinh thể bị phá hủy mà không gây ra biến dạng dẻo. Ứng suất tiếp cực đại τmax = 0,5 σ0 khi θ = λ = 450. Như vậy ứng suất tiếp trên các hệ trượt khác nhau cũng khác nhau, tùy thuộc vào góc tạo bởi hệ trượt với phương của ngoại lực. Khi giá trị của τ lớn hơn một giá trị τth nào đó (gọi là ứng suất trượt tới hạn, có giá trị không đổi với mỗi kim loại) thì sự trượt sẽ xảy ra. Định luật Schmid quy định hệ trượt nào trượt trước tiên khi đặt tải trọng, đó là hệ trượt thuận lợi nhất có các yêu tố định hướng thuận lợi nhất tức là θ, λ gần tới 450 nhất, tại đây giá trị ứngsuất tiếp tới hạn đạt được sớm nhất. Do đó hệ trượt thuận lợi nhất sẽ trượt trước, tiếp đó khi tải trọng tăng lên đến lượt các hệ trượt ít thuận lợi hơn tham gia trượt. 2.2.1.4 Hình thái trượt : Quá trình trượt trong đơn tinh thể xảy ra theo trình tự sau : - Đầu tiên sự trượt sẽ xảy ra ở hệ trượt có ứng suất tiếp lớn nhất, đó là hệ trượt chính. Các mặt này có góc nghiêng gần 450 nhất so với phương tải trọng. Các mặt dịch chuyển tương đối với nhau một khoảng nhất định rồi dừng lại. Các mặt trượt cách nhau một khoảng cách nhất định. - Mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô lệch nên cản trở quá trình trượt tiếp tục. - Tiếp tục tăng tải trọng tác dụng,trên một số hệ khác cũng có giá trị ứng suất tiếp lớn hơn giá trị tới hạn và tham gia trượt.Đó chính là hệ trượt thực tế. - Ngoài việc tạo ra các hệ trượt, còn có quá trình quay của mặt và phương trượt để thu hẹp các góc θ và λ và gần đến 450. Quá trình này tạo các bậc trên đơn tinh thể. Sau khi trượt sẽ tạo ra biến dạng dư, nó được xem là tổng của các bậc đó khi thoát ra bề mặt tinh thể. Sau khi kết thúc quá trình trượt trên mặt ngoài tinh thể xuất hiện các bậc nhỏ song song nhau gọi là đường trượt. Nhiều đường trượt gần nhau tạo thành dải trượt, trong một số trường hợp giống như chuỗi xu xếp nghiêng.
Hình 2.6: Ảnh chụp dải trượt trên kính hiển vi điện tử
2.2.1.5 Cơ chế trượt : Khi nghiêncứu quá trình trượt ta thấy nó có thể xảy ra theo hai cơ chế sau : cơ chế đồng thời và nối tiếp. a-Cơ chế đồng thời (sự trượt cứng) : theo cơ chế này tất cả các nguyên tử ở hai bên mặt trượt trong một thời điểm đồng thời dịch chuyển đi một khoảng cách như nhau. Quá đó gọi là là sự trượt cứng. Quá trình này cần phải tác dụng một lực rất lớn để tách rời mối liên kết của các nguyên tử ở hai bên mặt trượt cùng một lúc. Trong khi đó ứng suất thực tế gây ra trượt lại khá nhỏ so với giá trị này. Do đó sự trượt cứng là không có trong thực tế. b-Cơ chế nối tiếp (sự trượt khi có lệch) : trong mạng tinh thể thực tế luôn có lệch sự trượt sẽ xảy ra với ứng suất nhỏ hơn rất nhiều lần và sự trượt tiến hành bằng chuyển động của lệch. Giả sử trong mạng tinh thể chứa lệch đường lúc này các nguyên tử ở hai bên bán mặt bị xô lệch đàn hồi đối xứng, ứng suất hai bên cân bằng nhau nên bán mặt này rất dễ dàng dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ (nhỏ hơn hoặc bằng một thông số mạng) khi có lực bên ngoài tác dụng vào. Giả thiết rằng ứng suất tiếp tác dụng vào từ bên trái bán mặt sẽ dịch chuyển sang phải một khoảng cách nhỏ và liên kết với nửa hang dọc nguyên tử bên dưới thành mặt tinh thể mới, bán mặt dịch chuyển dần qua phải. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi bán mặt đi ra khỏi bề mặt tinh thể và tạo ra bậc nhỏ tại đó. Như vậy ở mỗi thời điểm chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt, quá trình truyền chuyển động giống như hiện tượng chạy tiếp sức, do đó chỉ cần một giá trị ứng suất tiếp nhỏ. 2.2.2 Sự trượt của đa tinh thể : Trong thực tế ta sử dụng vật liệu có cấu tạo đa tinh thể, do vậy quá trình biến dạng dẻo luôn tiến hành trong đa tinh thể. Do vậy có nhiều điểm khác biệt so với quá trình biến dạng dẻo đơn tinh thể. 2.2.2.1 Các đặc điểm của sự trượt đa tinh thể : a-Các hạt bị biến dạng không đều : Trong mạng tinh thể kim loại sự định hướng mặt và phương khác nhau nên sẽ trượt khác nhau. Hạt nào có định hướng thuận lợi sẽ trượt trước, với ứng suất bé và ngược lại. Thậm chí có hạt không thể trượt được. Do vậy trong quá trình biến dạng dẻo có hạt biến dạng nhiều, hạt biến dạng ít, có hạt chỉ biến dạng đàn hồi. b-Có tính đẳng hướng : Do sự định hướng phương và mặt của các hạt là ngẫu nhiên cho nên dù lực tác bên ngoài như thế nào đi nữa cũng cho một kết quả chung như nhau, tức là có tính chất đẳng hướng. Tính chất nhận được là kết quả thử tổng hợp theo mọi phương của mẫu. c-Có độ bền cao hơn : Các hạt tồn tại không rời rạc mà gắn bó với nhau qua biên. Trong thực tế sự trượt của một hạt đều bị sự cản trở của hạt bên cạnh. Vùng biên giới hạt sắp xếp không trật tự, có nhiều xô lệch mạng, do vậy khó tạo nên mặt trượt. Vì thế chúng như một lớp vỏ cứng cản trở quá trình trượt. Do có sự cản trở này phải tác dụng lực lớn hơn một ít mớigây ra biến dạng dẻo. Điều đó chứng tỏ rằng độ bền của đa tinh thể cao hơn đơn tinh thể. d-Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao : Với kích thước hạt càng nhỏ thì tổng diện tích biên giới hạt càng lớn. Do đó chúng sẽ cản trở trượt càng mạnh hơn nên làm tăng độ bền. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy σ0.2 và kích thước d của biên giới hạt được biểu diễn như sau: σ0.2 = σ0 + kd1/2 - Biểu thức Hall - Petch. Trong đó : - σ0 là ứng suất cần thiết để lệch chuyển động khi d → ∞ (ứng với trong trường hợp đơn tinh thể). -k là hằng số biểu thị cấu trúc của biên giới hạt. Mặt khác khi kích thước hạt nhỏ, số lượng hạt trong một đơn vị thể tích sẽ tăng lên, do vậy số hạt có phương thích ứng với sự trượt theo phương bất kỳ cũng tăng lên tương ứng. Tức là sự trượt được tiến hành trên nhiều hạt hơn và lượng biến dạng dư tăng lên, do đó tính dẻo tăng lên. Như vậy việc tạo ra hạt nhỏ đồng thời làm tăng cả độ bền lẫn độ dẻo nên làm tăng mạnh độ dai. Trong chế tạo cơ khí luôn có xu hương sử dụng vật liệu dẻo có kích thước hạt nhỏ mịn. 2.2.2.2 Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến tổ chức và tính chất kim loại : a-Trong quá trình biến dạng dẻo hình dạng và kích thước hạt thay đổi rất nhiều. Khi nén hạt bị bẹp đi. Mạng tinh bị kéo hạt sẽ dài ra theo phương của lực tác dụng.Khi bị nén hạt bị bẹp đi. Mạng tinh thể xung quanh mặt trượt bị xô lệch và biến dạng không đều. Với mức độ biến dạng lớn (ε = 40 ÷ 50% ) hạt sẽ bị phân nhỏ ra, các tạp chất và pha thứ hai sẽ bị nhỏ vụn ra và kéo dài ra, tạo nên tổ chức thớ. (Độ biến dạng tính theo công thức ε = (S0 – S1)/S0 . 100%). Tổ chức thớ có cơ tính rất khác nhau theo phương dọc và ngang thớ, theo phương dọc thớ độ bền rất lớn và ngược lại. Khivới mức độ biến dạng rất lớn (70 ÷ 90%) các hạt sẽ bị quay đến mức độ các mặt và phương có chỉ số giống nhau (cùng ký hiệu) sẽ song song với nhau và lúc này vật liệu lại thể hiện tính có hướng. Hiện tượng đó gọi là biến dạng chọn hướng hay biến dạng têxtuya. Biến dạng têxtuya được ứng dụng khá rộng rãi trong thép kỹ thuật điện để làm giảm tổn thất từ cho máy biến thế.
Hình 2.7: Hai dạng textuya trong biến dạng vật liệu từ: a) Fe-Si, textuya 011<100>;b) Fe-Ni, textuya001<100>
b-Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại khá nhiều ứng suất dư do xô lệch mạng, do biến dạng không đều giữa các hạt và trên toàn tiết diện. Ứng suất dư làm giảm cơ tính của vật liệu. Trong trường hợp cần nâng cao giới hạn mỏi thì ứng suất nén dư sẽ có lợi. Tạo ra lớp ứng suất nén dư này bằng cách: tôi bề mặt, lăn bi, phun bi... c-Sau biến dạng dẻo do mạng tinh thể bị xô lệch nên cơ tính kim loại thay đổi rất nhiều -Tăng độ cứng -Tăng độ bền (cả giới hạn bền, đàn hồi và chảy) -Giảm độ déo và độ dai. Hiện tượng này gọi là hóa bền hay biến cứng. Trong thực tế biến cứng là không có lợi khi cần gia công cắt gọt tiếp theo. Tuy nhiên ta có thể sử dụng biến cứng để làm tăng độ bền độ cứng của một số chi tiết như : xích xe tăng, máy kéo, lá chắn súng máy, đại bác, mũ sắt ... d-Biến dạng dẻo cũng làm thay đổi đáng kể tính chất lý, hóa của vật liệu : làm tăng điện trở, tăng từ kháng làm giảm tính chống ăn mòn điện hóa...
Hình 2.8: Sơ đồ tổ chức tế vi điển hình của vật liệu bị biến dạng
3. Các đặt trưng cơ tính: Cơ tính cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện tương ứng, là cơ sở của các tính toán sức bền, khả năng sử dụng vào mục đích nhất định. Các đặc trưng cơ tính được xác định trên các mẫu chuẩn.Thường gặp nhất là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ dai phá hủy. 3.1 Độ bền (tĩnh): Tùy theo đặt điểm của tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo, nén, uốn, xoắn… Bền và độ dẻo khi kéo là thông dụng hơn cả nên không cần phải ghi chú (nén, uốn hay xoắn …). 3.1.1 Các chỉ tiêu: Đặc trưng cho độ bền tĩnh: sđh, sc, sb : kG/mm2, MPa, psi, ksi (Anh và Hoa Kỳ). quan hệ giữa các đơn vị thường gặp như sau: 1kG/mm2 ≈ 10MPa, kG/mm2 ≈ 1.45ksi, 1ksi ≈ 103psi Giới hạn đàn hồi sđh, khó xác định → chấp nhận s0.01 hay s0.05 theo công thức: sđh = Fđh / S0 MPa → s0.01 = F0.01 / S0 MPa hay s0.05 = F0.05 / S0 MPa Giới hạn chảy vật lý sch, Giới hạn chảy quy ước s0.2 , [MPa] Giới hạn bền sb : sb = Fb / S0 , [MPa] 3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng: Các phương pháp nâng cao độ bền: giảm hoặc tăng mật độ lệch. . Giảm: Sợi Fe là 13000 MPa, Fe Armco 250MPa . Tăng: biến dạng nguội, hợp kim hóa, nhiệt luyện,…
Hình 3.1: thay đổi độ bền theo mật độ lệch
3.1.3 Các biện pháp hóa bền vật liệu: Biến dạng dẻo: → tăng mật độ lệch → tăng độ bền: dập, gò, uốn, kéo, cán nguội→ biến cứng, tăng bền Hợp kim hóa: đưa nguyên tử lạ vào → tăng xô lệch mạng và mật độ lệch → tăng độ bền Tạo các pha cứng phân tán hay hóa bền tiết pha Nhiệt luyện tôi và ram: tôi và sau đó là ram – tạo nên sự quá bão hòa → tăng độ bền, độ cứng Hóa – nhiệt luyện: thấm C, N… tăng bền, cứng, chịu mài mòn, nâng cao bền mỏi Làm nhỏ hạt: làm hạt nhỏ này duy nhất làm tăng tất cả các chỉ tiêu bền, dẻo, dai. 3.2 Độ dẻo: Là khả năng biến dạng của vật liệu dưới tải trọng 3.2.1 Chỉ tiêu: δ = (l1 – l0)/l0 . 100% ψ = (S0 – S1)/S0 . 100% 3.2.2 Tính siêu dẻo: Định nghĩa: vật liệu có δ tới trên 100% (100÷1000%), được gọi là siêu dẻo. Công dụng: chế tạo các sản phẩm rỗng, dài với tiết diện không đồng đều: chai, lọ, ống… Chế tạo: tạo tính siêu dẻo bằng cách: - tạo tổ chức hạt rất nhỏ, (cỡ hạt khoảng 10μm), đẳng trục, đồng đều và ổn định khi biến dạng đây là yếu tố quan trọng nhất. - biến dạng ở nhiệt độ cao, cỡ (0.6 ÷ 0.85) TC̊ . - tốc độ biến dạng rất chậm, cỡ 10-4 ÷ 10-3s-1 ( tức 0.01 ÷ 0.1%/s). trượt khi siêu dẻo xảy ra chủ yếu theo biên hạt. 3.2.3 Độ dai va đập:
Hình 3.2: Sơ đồ thử độ dai va đập
2 loại mẫu thử độ dai va đập: 10x10 mm dài 55mm (mẫu Charpy) và 75mm (Izod) với rãnh khí a hình chữ U hay chữ V: (để tập trung ứng suất) rộngxsâu (2x2mm). TCVN chỉ quy định thử theo mẫu Charpy và ký hiệu độ dai va đập bằng ak: Định nghĩa: Độ dai va đập là công phá hủy tính cho một đơn vị tiết diện cắt ngang mẫu
Hình 3.3: Công phá hủy vật liệu
Công thức tính: ak = Ak/S, [j/cm2] hay [kj/m2], trong đó: Ak là công phá hủy, j; S là tiết diện mẫu chỗ rãnh khí a (0.8cm2) Đơn vị: [j/cm2] , [kj/m2] , [kgm/cm2] 1kGm/cm2 ≈ 10j/cm2; 1kj/m2 ≈ 0.01 kGm/cm2; 1kGm/cm2 ≈ 100 kj/m2 Phạm vi áp dụng: Chi tiết chịu va đập ak min = 200kj/m2 (2kGm/cm2), va đập cao phải có ak ≥ 1000kj/m2. Biện pháp tăng ak: Nếu coi ak tỷ lệ với tích (σ0.2 x δ) → để ↑ ak thì tăng đồng thời σ0.2 & δ do đó: - Làm cho hạt nhỏ mịn là phương pháp tốt nhất để ↑ak. - Hóa bền bề mặt: tôi bề mặt, hóa – nhiệt luyện → vừa ↑ bền, cứng, tính chống mài mòn mà vẫn cho ak cao, chống va đập tốt. - Tạo hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn khi hạt có dạng tấm, hình kim. - Giảm số lượng, kích thước, tạo hạt càng tròn, phân bố đều của các pha rắn → ↑ ak. 3.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng: KIC Mẫu thử: - phải cùng chiều với rãnh khí a và chạy trên suốt chiều dày của mẫu B = W/2 - trên cả hai bề mặt ngoài, cả hai bên vết nứt mỏi phải ăn sâu vào ít nhất là 1,3 - chiều dài a (bằng rãnh ban đầu + nứt mỏi) phải ~ B hay 0.45 ÷ 0.55W.
Hình 3.4: Mẫu thử độ dai biến dạng phẳng Quy trình thử: - Đặt ngàm trục vào hai lỗ, tác dụng lực kéo để rãnh khí a và nứt mỏi được mở rộng ra (nứt phát triển theo kiểu I). - Xây dựng biểu đồ tải trọng kéo – độ mở của rãnh như hình
Hình 3.5: Biểu đồ kéo khi thử độ dai phá hủy
3.2.5 Độ cứng: 3.2.5.1 Đặc điểm: Xác định đơn giản nhất, nhanh chóng nhất. Định nghĩa: Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu thông qua mũi đâm. Đặc điểm: khả năng chống mài mòn, tạo mẫu nhỏ và đơn giản, thử tại chỗ, nhanh,… Các loại: thô đại và tế vi, thường dung độ cứng thô đại. Sơ đồ của các phương pháp thử độ cứng 3.2.5.2 Độ cứng Brinen HB: HB = F/S, F là tải trọng, kg hay N, S diện tích hình chỏm cầu. Quan hệ giữa độ bền và độ cứng: - Thép cán (trừ không gỉ, bền nóng) σb ≈ 0.34 HB - Thép đúc σb ≈ (0.3 ÷ 0.4) HB - Gang xám σb ≈ (HB – 60)/6 - Đồng, latông, brông ở trạng thái biến cứng σb ≈ 0.4 HB - Đồng, latông, brông ở trạng thái ủ σb ≈ 0.55 HB - Đura σb ≈ 0.35 HB Tuy nhiên độ cứng HB cũng có những nhược điểm sau: + không thể đo các vật liệu có độ cứng cao hơn 450 HB, mẫu phải phẳng, to, dày. + không cho phép đo trên các loại trục (vì có các mặt cong), đo tương đối chậm Chính vì vậy trong sản suất thường dùng cách đo Rôcvel hơn.
Hình 3.6: Sơ đồ tác dụng tải trọng của phương pháp đo độ cứng Brinen
3.2.5.3 Độ cứng Rôcvel HR (HRC, HRA, HRB) Đo độ cứng Rôcvel HR tiện lợi do nhanh, kết quả đo cho ngay trên máy và đo được các vật liệu từ tương đối mềm đến cứng, đo tại chỗ, đo được lớp bề mặt. Khác với HB, HR là loại độ cứng quy ước không có thứ nguyên: - độ cứng Rôcvel theo các thang C, A ký hiệu là HRC, HRA được đo bằng mũi hình nón bằng kim cương → đo thép tôi, lớp hóa – nhiệt luyện … - độ cứng Rôcvel theo thang B ký hiệu là HRB được đo bằng mũi bi bằng thép tôi → đo thép ủ, thường hóa, gang đúc…
Hình 3.7: Sơ đồ tác dụng tải trọng của phương pháp đo độ cứng Rôcvel
3.2.5.4 Độ cứng Vicke HV: là loại độ cứng có phương pháp đo tương tự như Brinen, HV = F/S [kG/mm2] hay [MPa] song với những khác biệt sau: - Mũi đâm kim cương hình tháp bốn mặt đều với góc ở đỉnh giữa hai mặt đối diện là 3600 - Vicke được dùng để đo độ cứng cho mọi vật liệu từ rất mềm đến rất cứng cho cả các mẫu mỏng (0.3÷0.5mm), được coi là độ cứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học.
Hình 3.8: Sơ đồ tác dụng tải trọng của phương pháp đo độ cứng Vicke
4. Cơ tính của vật liệu vô cơ: 4.1 Tính đàn hồi và tính giòn: Vật liệu vô cơ là vật liệu đàn hồi điển hình. Ở nhiệt độ thường dưới tác dụng của tải trọng, mối quan hệ giữa ứng suất hình thành trong vật liệu (σ) và độ biến dạng (ε) của mẫu hoàn toàn tuân theo định luật Hooke: σ = E. ε trong đó E – môđun đàn hồi.
Hình 4.1: Mối quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng
Ta nhận thấy rằng ở trên giới hạn đàn hồi, vật liệu vô cơ bị phá hủy ngay mà không có biến dạng dẻo như kim loại. Đó là đặc trưng của tính giòn. Chính đặc điểm liên kết nguyên tử với các góc liên kết xác định và lực liên kết lớn, cấu tạo mạng tinh thể phức tạp là những nguyên nhân tạo nên tính giòn của vật liệu vô cơ. 4.2 Độ bền cơ học: 4.2.3 Độ bền lý thuyết σLT = (2E.γ/a)1/2 E – môđun đàn hồi; γ – sức căng bề mặt; a – khoảng cách nguyên tử σ LT – vật liệu corinđông là 50.103 MPa, thủy tinh SiO2 là 8.103 MPa. 4.2.4 Độ bền thực tế: do có vết nứt tế vi 10-3÷100μm → độ bền thực tế = 1/100 độ bền lý thuyết: khi chịu tải kéo σO thì thực tế σ = 2. σO(l/r)1/2 Trong đó: l – chiều dài của vết nứt; r – bán kính cong đầu vết nứt Thực trong vật liệu phụ thuộc vào σO và tỷ lệ thuận với r. Khi nứt dài, đầu nhọn: σ ≥ [σLT] → nứt tăng → phá hủy Cũng do cơ chế phá hủy trên, vật liệu vô cơ luôn có độ bền nén cao hơn nhiều lần so với độ bền kéo. *Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu: - Ðộ bền cơ học của vật liệu vô cơ không phải do năng lượng liên kết nguyên tử cấu tạo nên nó quyết định mà do tình trạng khuyết tật trên bề mặt và bên trong vật liệu quyết định. Khi số lượng vết nứt tế vi và kích thước vết nứt tăng thì cơ tính giảm - Ở các vật liệu vô cơ tinh thể, kích thước của các hạt tinh thể cấu tạo nên vật liệu có ảnh hưởng rõ tới cơ tính của vật lịêu. Khi kích thước hạt càng giảm thì bề mặt ranh giới giữa các hạt tăng lên, sẽ có tác dụng ngăn chặn hoặc làm thay đổi hướng lan truyền vết nứt, vì thế độ bền cơ học của vật liệu tăng lên. - Ngoài ra khi hàm lượng bọt khí trong vật liệu tăng thì độ bền giảm không chỉ do diện tích chịu lực giảm, mà còn do tại các chỗ rỗ khí thường tập trung tạp chất và ứng suất. Hình dạng bọt khí cũng ảnh hưởng tới cơ khí. Các bọt khí dài làm giảm độ bền mạnh hơn so với các bọt khí tròn. - Tuy nhiên, khi hàm lượng bọt khí rất thấp chẳng hạn khoảng 0,1 tới 0,5% và kích thước của chúng lại rất nhỏ có thể làm tăng độ bền. Trong trường hợp này các lỗ hổng cực mịn đóng vai trò các turng tâm hấp thụ năng lượng có tác dụng ngăn chặn sự lan truyền vết nứt và giải toả ứng suất phá hủy vật liệu. - Cuối cùng, độ bền của vật liệu vô cơ còn phụ thuộc vào điều kiện và môi trường sử dụng. Hơi ẩm và nhiệt độ chẳng hạn làm giảm năng lượng bề mặt riêng nên làm giảm độ bền. Tốc độ tải trọng tăng càng lớn, kích thước mẫu càng nhỏ thì kết quả đo độ bền càng cao. Vì thế xác định độ bền của vật liệu vô cơ cần phải được thực hiện theo đúng các qui định ghi trong các tiêu chuẩn. 4.3 Độ nhớt: Chảy nhớt là một hình thức biến dạng không thuận nghịch thường gặp trong các vật liệu vô định hình hoặc vật thể kim loại ở nhiệt độ cao. Nguyên nhân của chảy nhớt là sự dịch chuyển tương đối giữa các tập thể nguyên tử, iôn không theo một phương xác định nào hoặc các cơ chế khuếch tán độc lập của nguyên tử. Độ nhớt cho biết khả năng chống lại biến dạng (chảy) của vật liệu, được tính bằng công thức: η = τ.φ-1 trong đó: η – độ nhớt [Pa.s] τ – ứng suất xê dịch φ – tốc độ chảy Hiểu biết về độ nhớt có vai trò quan trọng trong việc chế tạo và sử dụng vật liệu. Ví dụ, cần biết độ nhớt của thủy tinh, kim loại nóng chảy để điều khiển quá trình tạo hình như thổi, ép, đúc. Độ nhớt cho phép đánh giá sự ổn định kích thước, hình dáng của các chi tiết chế tạo từ thủy tinh,… khi làm việc có tải ở một nhiệt độ xác định. 5. Cơ tính của vật liệu hữu cơ: 5.1 Biến dạng dưới tác dụng của lực: Vật liệu polyme có ba đặc trưng khi biến dạng dưới tác dụng của lực như trong hình. Đường A là đường cong biến dạng của polyme giòn, nó bị đứt ngay khi có biến dạng đàn hồi. Đối với polyme dẻo, đường B biến dạng tương tự như của đa số kim loại: đầu tiên là biến dạng đàn hồi, tiếp theo là chảy và sau đó là biến dạng dẻo rồi phá hủy. Đường C là biến dạng hoàn toàn đàn hồi của polyme có độ đàn hồi cao như của cao su và có tên chung là elastome.
Hình 5.1: Đường cong biến dạng của vật liệu polyme giòn (đường A), dẻo (đường B), và đàn hồi cao (đường C).
Mođun đàn hồi, giới hạn kéo, tính dẻo và độ giãn dài của polyme được xác định như kim loại. Bảng trình bày các tính chất cơ học của một số polyme thông dụng. Các chỉ tiêu cơ tính này của polyme về nhiều phương diện khác với kim loại. Ví dụ môđun đàn hồi của các polyme đàn hồi cao có thể rất nhỏ, bằng 7 MPa và cũng có thể lớn tới 4.103MPa ở các polyme rất cứng. Môđun đàn hồi của kim loại lớn hơn rất nhiều và dao động từ 48.103 đến 410.103 MPa. Giới hạn bền kéo của polymer vào khoảng 100 MPa. Kim loại ít khi giãn dài hơn 100%, trong khi đó các polymer đàn hồi cao có thể giãn dài tới 1000%.
Vật liệu d g/cm3 E 103MPa s MPa d % PE 40-50%t.thể 0.92-0.93 0.17-0.28 8.3-31 100-650 PE 70-80%t.thể 0.95-0.97 1.07-1.09 22-31 10-1200 PVC vô đ.hình 1.30-1.58 2.4-4.1 41-52 40-80 PTFE50-70%t.thể 2.14-2.20 0.40-0.55 14-34 200-400 PP 50-60%t.thể 0.90-0.91 1.14-1.55 31-34 100-600 PS vô đ.hình 1.04-1.05 2.28-3.28 36-52 1.2-2.5 PMMA vô đ.hình 1.17-1.20 2.24-3.24 48-76 2-10
Ngoài ra, tính chất cơ học của polymer nhạy hơn rất nhiều với thay đổi nhiệt độ ngay ở nhiệt độ phòng. Hình 5.2 trình bày sự biến dạng của polymetylmetacrylat (plexiglass – thủy tinh hữu cơ) ở một số nhiệt độ trong khoảng 4 đến 600C. Qua hình vẽ thấy rằng tăng nhiệt độ làm giãn môđun đàn hồi, giới hạn bền kéo, tăng độ dẻo và ở 40C vật liệu hoàn toàn giòn, còn ở 50 – 600C vật liệu có thể biến dạng đàn hồi.
Hình 5.2: Đồ thị s-e của polymetylmetacrylat
5.2 Độ dai va đập: Khả năng chịu tác dụng va đập của polymer có liên quan đến một số ứng dụng. Cũng như kim loại, polymer có thể bị phá hủy dẻo hoặc giòn trong điều kiện tác dụng của lực va đập, phụ thuộc vào nhiệt độ, kích thước mẫu, tốc độ biến dạng, cách tác dụng lực. Polymer tinh thể và vô định hình giòn ở nhiệt độ thấp và cả hai có độ dai va đập tương đối thấp. Chúng có sự chuyển tiếp từ dẻo sang giòn ở khoảng nhiệt độ tương đối hẹp. Tất nhiên, độ dai va đập giảm dần ở nhiệt độ cao hơn vì polymer bắt đầu mềm. Thông thường, độ dai va đập cao ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ chuyển tiếp dẻo – giòn thấp hơn nhiệt độ phòng. 5.3 Độ bền mỏi: Polymer có thể bị phá hủy do mỏi khi lực tác dụng theo chu kỳ. Cũng như kim loại, mỏi xảy ra ở ứng suất tương đối thấp so với giới hạn bền kéo. Thử nghiệm mỏi vật liệu polymer không phổ cập như vật liệu kim loại. Tuy nhiên hiện tượng mỏi của hai loại gần giống nhau và đường biểu diễn có cùng dạng. Một số polymer có giới hạn mỏi, đó là trị số ứng suất mà ở đó ứng suất phá hủy trở nên độc lập với chu kỳ tác dụng lực, một số khác lại không có giới hạn này. Tấ nhiên, độ bền và giới hạn mỏi của vật liệu polymer nhỏ hơn của kim loại nhiều. 5.4 Độ bền xé và độ cứng: Các tính chất này đôi khi có ảnh hưởng đến việc lựa chọn polymer trong một số ứng dụng đặt biệt. Độ bền xé rách là một tính chất quan trọng của một số loại chất dẻo, nhất là loại dùng ở màng mỏng như bao bì. Độ bền xé là năng lượng cần thiết để xé rách một mẫu có kích thước chuẩn. Độ bền kéo và xé rách có lien quan với nhau. Cũng như của kim loại, độ cứng của kim loại nói lên khả năng chống cọ xước, xuyên qua. Đa số phương pháp đo độ cứng dựa trên nguyên lý tương tự như dùng cho kim loại.
Tiêu đề: TIỂU LUẬN VẬT LIỆU HỌC 
Tue Mar 09, 2010 9:03 pm
