Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô, góp phần nâng cao chất lượng vật liệu trong công nghiệp.

• Tác giả: Huỳnh Chí Trường
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Chí Cương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Suất Dư Trong Vật Liệu Tinh Thể Hạt Thô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu
• 1.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Trong nước
• 1.2.2. Ngoài nước
• 1.2.2.1. Nghiên cứu Grain Size and Its Influence on Materials Properties
• 1.2.2.2. Nghiên cứu của O. Soyama
• 1.2.2.3. Tác giả Erik Khzouz
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.5. Mục đích nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• 1.6.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6.2. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Bố cục của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Biến dạng dẻo
• 2.1.1. Khái niệm
• 2.1.2. Cơ chế hình học của biến dạng dẻo
• 2.1.3. Biến dạng trượt trong đơn tinh thể
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ DAO ĐỘNG MẪU
• 3.1. Yêu cầu của thiết bị dao động mẫu
• 3.2. Đề xuất phương án
• 3.2.1. Phương án 1 – Cải tiến bàn gá Vertex
• 3.2.2. Phương án 2- Theo bài báo của tác giả O.
• 3.2.3. Phương án 3 – Thiết kế mới
• 3.3. Lựa chọn phương án
• 3.4. Bộ điều khiển cho thiết bị dao động mẫu
• 3.5. Trình tự đo mẫu
• 4. CHƯƠNG 4: TẠO MẪU THÍ NGHIỆM
• 4.1. Mẫu thí nghiệm
• 4.2. Thực hiện thí nghiệm
• 4.3. Kết quả tạo mẫu thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: ĐO ỨNG SUẤT DƯ
• 5.1. Chọn mẫu đo ứng suất dư
• 5.2. Kết quả đo ứng suất
• 5.3. Kết quả các mẫu đo còn lại
• 5.4. Tổng hợp đo ứng suất các mẫu
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu ứng suất dư trong vật liệu tinh thể hạt thô là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Ứng suất dư có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp. Việc xác định ứng suất dư không phá hủy là cần thiết để đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả để xác định ứng suất dư trong các vật liệu này. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này cho vật liệu hạt thô gặp nhiều khó khăn do số lượng hạt nhiễu xạ thấp và sự không tuyến tính trong đồ thị sin2ψ. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của phương pháp đo bằng cách sử dụng phương pháp dao động mẫu.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong công nghiệp, nhiều quy trình gia công kim loại liên quan đến biến dạng dẻo, như rèn, cán, và ép chảy. Những quy trình này không chỉ thay đổi hình dạng mà còn ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của vật liệu. Ứng suất dư là một yếu tố quan trọng cần được kiểm soát để đảm bảo độ bền và độ dẻo của sản phẩm. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu mối quan hệ giữa kích thước hạt, góc dao động và ứng suất dư, từ đó đề xuất các phương pháp xử lý nhiệt hiệu quả cho vật liệu hạt thô.

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao. Việc xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô bằng phương pháp nhiễu xạ X-Quang sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực vật liệu, đồng thời hỗ trợ các kỹ sư trong việc thiết kế và chế tạo các sản phẩm có độ bền cao.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về biến dạng dẻo và ứng suất dư. Biến dạng dẻo là hiện tượng xảy ra khi vật liệu chịu tác động của lực bên ngoài, dẫn đến sự thay đổi hình dạng mà không trở về trạng thái ban đầu khi lực được loại bỏ. Các cơ chế hình học của biến dạng dẻo bao gồm trượt, chuyển pha và biến dạng do áp lực. Hiểu rõ về biến dạng dẻo giúp xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất dư trong vật liệu. Nghiên cứu này cũng sẽ đề cập đến lý thuyết nhiễu xạ tia X, một phương pháp quan trọng để đo ứng suất dư trong vật liệu tinh thể.

2.1 Biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo xảy ra khi vật liệu chịu lực tác động lớn hơn giới hạn đàn hồi của nó. Trong quá trình này, cấu trúc tinh thể của vật liệu có thể bị thay đổi, dẫn đến sự hình thành ứng suất dư. Các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ biến dạng và kích thước hạt đều ảnh hưởng đến quá trình này. Nghiên cứu về biến dạng dẻo giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành ứng suất dư và từ đó tìm ra các phương pháp kiểm soát hiệu quả hơn.

2.2 Lý thuyết nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật không phá hủy được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và ứng suất dư trong vật liệu. Phương pháp này dựa trên nguyên lý Bragg, cho phép đo góc nhiễu xạ và cường độ tia X phản xạ từ bề mặt vật liệu. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích cho các vật liệu hạt thô, nơi mà việc đo đạc có thể gặp khó khăn do sự không đồng đều trong cấu trúc. Nghiên cứu này sẽ áp dụng lý thuyết nhiễu xạ để xác định ứng suất dư trong các mẫu vật liệu đã qua xử lý nhiệt.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong đề tài này bao gồm các bước từ lý thuyết đến thực nghiệm. Đầu tiên, nghiên cứu lý thuyết về biến dạng dẻo và nhiễu xạ tia X sẽ được thực hiện để xây dựng cơ sở cho các thí nghiệm. Sau đó, mẫu vật liệu sẽ được chế tạo và xử lý nhiệt theo các điều kiện khác nhau. Cuối cùng, phương pháp dao động mẫu sẽ được áp dụng để đo ứng suất dư. Kết quả thu được sẽ được phân tích và so sánh với các phương pháp đo khác để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của phương pháp này.

3.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm sẽ được chế tạo từ vật liệu thép C45, một loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí. Các mẫu sẽ được xử lý nhiệt để tạo ra các kích thước hạt khác nhau, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt đến ứng suất dư. Quy trình chế tạo mẫu sẽ bao gồm các bước như cắt, gia công và xử lý nhiệt, đảm bảo rằng các mẫu đạt tiêu chuẩn cho thí nghiệm.

3.2 Đo ứng suất dư

Phương pháp đo ứng suất dư sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng thiết bị nhiễu xạ tia X kết hợp với phương pháp dao động mẫu. Các mẫu sẽ được đặt trong thiết bị và góc dao động sẽ được điều chỉnh để thu thập dữ liệu nhiễu xạ. Kết quả sẽ được phân tích để xác định giá trị ứng suất dư trong từng mẫu. Phương pháp này hứa hẹn sẽ mang lại độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Xác định ứng suất dư trong vật liệu tinh thể hạt thô là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, đặc biệt đối với các vật liệu như thép C45 đã qua xử lý nhiệt. Theo ước tính, ứng suất dư ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, độ dẻo và tuổi thọ của chi tiết máy, đồng thời tác động đến quá trình gia công và bảo dưỡng. Phương pháp đo ứng suất dư bằng nhiễu xạ tia X (XRD) được đánh giá cao nhờ tính không phá hủy và khả năng đo trực tiếp trên chi tiết đang làm việc. Tuy nhiên, đối với vật liệu có hạt tinh thể lớn, việc đo ứng suất dư gặp nhiều khó khăn do chùm tia X không nhiễu xạ hết toàn bộ hạt, dẫn đến sai số trong kết quả.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp dao động mẫu với góc dao động ∆α nhằm khắc phục nhược điểm này, đặc biệt khi đo các mẫu thép C45 đã qua xử lý nhiệt với kích thước hạt thô khoảng 90 µm. Mục tiêu chính là xác định ứng suất dư chính xác hơn thông qua việc cải tiến kỹ thuật đo và thiết kế thiết bị dao động mẫu phù hợp với máy đo XRD hiện có. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Hạt nhân TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến 2016.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc nâng cao độ chính xác trong đo ứng suất dư, từ đó góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm cơ khí, giảm thiểu hư hỏng do ứng suất dư gây ra và hỗ trợ hiệu quả trong công tác sửa chữa, bảo dưỡng. Kết quả nghiên cứu cũng mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp XRD cho các vật liệu có hạt thô, vốn là thách thức lớn trong lĩnh vực đo ứng suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết biến dạng dẻo và lý thuyết nhiễu xạ tia X.

1. Lý thuyết biến dạng dẻo: Biến dạng dẻo là biến dạng còn lại sau khi bỏ ngoại lực, gây ra sự thay đổi về hình dạng, kích thước và tổ chức tế vi của vật liệu. Cơ chế biến dạng chủ yếu là trượt trong đơn tinh thể, dẫn đến tăng mật độ lệch mạng và hình thành ứng suất dư. Quá trình xử lý nhiệt sau biến dạng dẻo gồm hai giai đoạn hồi phục và kết tinh lại, ảnh hưởng đến kích thước hạt và tính chất cơ học của vật liệu.

2. Lý thuyết nhiễu xạ tia X: Dựa trên định luật Bragg, tia X khi chiếu vào vật liệu tinh thể sẽ bị nhiễu xạ tại các mặt phẳng nguyên tử với góc 2θ thỏa mãn điều kiện nλ = 2d sinθ. Việc xác định vị trí đỉnh nhiễu xạ giúp tính toán biến dạng và từ đó suy ra ứng suất dư. Phương pháp đo ứng suất dư sử dụng mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng dφ,ψ và sin²ψ, đồng thời áp dụng định luật Hooke để liên hệ biến dạng với ứng suất.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: ứng suất dư, biến dạng dẻo, lệch mạng, kết tinh lại, góc dao động ∆α, bước sóng tia X λ, góc nhiễu xạ 2θ, hệ số Poisson ν, mô đun đàn hồi E, và tiêu chuẩn ASTM E112-12 về cấp độ hạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp lý thuyết:

• Nguồn dữ liệu: Mẫu thép C45 đã qua xử lý nhiệt với kích thước hạt thô được tạo mẫu và xử lý tại Trung tâm Hạt nhân TP. Hồ Chí Minh. Tổng số mẫu thí nghiệm khoảng 18 mẫu với các điều kiện nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khác nhau.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng thiết bị đo nhiễu xạ tia X kết hợp với thiết bị dao động mẫu được thiết kế và chế tạo riêng nhằm tạo góc dao động ∆α tối ưu. Phương pháp dao động mẫu giúp tăng số lượng hạt tinh thể tham gia nhiễu xạ, cải thiện độ chính xác của phép đo. Dữ liệu thu thập được xử lý để xây dựng biểu đồ d - sin²ψ, từ đó xác định ứng suất dư theo công thức dựa trên định luật Hooke.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các bước thiết kế thiết bị dao động mẫu, tạo mẫu thí nghiệm, đo ứng suất dư, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của góc dao động ∆α đến độ chính xác đo ứng suất dư: Kết quả cho thấy khi góc dao động ∆α tăng đến 7°, số lượng hạt tinh thể tham gia nhiễu xạ tăng đáng kể, tạo ra các vòng nhiễu xạ mạnh và nhiều điểm nhiễu xạ hơn. Điều này giúp giảm sai số chuẩn trong đo ứng suất dư, với độ chính xác cải thiện khoảng 15-20% so với phương pháp không dao động.

2. Mối quan hệ giữa kích thước hạt và ứng suất dư: Qua xử lý nhiệt với thời gian giữ nhiệt từ 2 đến 4 giờ, kích thước hạt tăng từ khoảng 50 µm đến 90 µm, đồng thời ứng suất dư giảm trung bình 25%. Điều này chứng tỏ quá trình kết tinh lại làm giảm mật độ lệch mạng, từ đó giảm ứng suất dư tích tụ trong vật liệu.

3. Hiệu quả của thiết bị dao động mẫu tự chế: Thiết bị dao động mẫu đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật với độ chính xác góc ±0,1°, thời gian dừng 1 giây trước khi đổi chiều, và khả năng điều chỉnh góc dao động linh hoạt. Thiết bị hoạt động ổn định trong suốt quá trình đo, góp phần nâng cao chất lượng dữ liệu thu thập.

4. So sánh với các nghiên cứu trước: Kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về việc sử dụng phương pháp dao động ω để cải thiện độ chính xác đo ứng suất dư trên vật liệu hạt thô. Sai số chuẩn giảm nhanh khi tăng góc dao động, tương tự như nghiên cứu của O. Soyama.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện độ chính xác đo ứng suất dư là do phương pháp dao động mẫu làm tăng số lượng hạt tinh thể tham gia nhiễu xạ, khắc phục hạn chế của chùm tia X không chiếu hết toàn bộ hạt trong vật liệu hạt thô. Việc tăng góc dao động ∆α đến 7° là tối ưu, bởi nếu tăng quá lớn sẽ gây biến dạng dữ liệu do thay đổi bước quét góc 2θ trong quá trình dao động ψ.

Biểu đồ d - sin²ψ tuyến tính hơn khi áp dụng phương pháp dao động, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán ứng suất dư. Các số liệu về kích thước hạt và ứng suất dư cũng phản ánh rõ quá trình kết tinh lại và hồi phục trong vật liệu thép C45, phù hợp với lý thuyết biến dạng dẻo và kết tinh lại đã trình bày.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vòng nhiễu xạ so sánh giữa các góc dao động khác nhau, biểu đồ mối quan hệ kích thước hạt - ứng suất dư, và bảng tổng hợp kết quả đo ứng suất dư các mẫu. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện độ chính xác và ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tính chất vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp dao động mẫu với góc ∆α = 7° trong đo ứng suất dư: Động tác này giúp tăng độ chính xác đo ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô, nên được áp dụng rộng rãi trong các trung tâm đo lường và phòng thí nghiệm cơ khí. Thời gian thực hiện: ngay lập tức.

2. Thiết kế và chế tạo thiết bị dao động mẫu phù hợp với máy XRD hiện có: Các đơn vị nghiên cứu và sản xuất thiết bị đo nên phát triển thiết bị dao động mẫu với khả năng điều chỉnh góc dao động linh hoạt, độ chính xác cao và vận hành ổn định. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.

3. Xây dựng quy trình xử lý nhiệt tối ưu cho thép C45 nhằm kiểm soát kích thước hạt và ứng suất dư: Dựa trên mối quan hệ giữa kích thước hạt và ứng suất dư, các doanh nghiệp sản xuất chi tiết cơ khí nên áp dụng quy trình xử lý nhiệt phù hợp để nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.

4. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật về phương pháp đo ứng suất dư bằng XRD kết hợp dao động mẫu: Tăng cường năng lực chuyên môn để đảm bảo việc đo lường chính xác và hiệu quả. Thời gian thực hiện: 3 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về đo ứng suất dư, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về biến dạng dẻo và xử lý nhiệt.

2. Kỹ sư và chuyên gia kiểm định chất lượng trong ngành sản xuất cơ khí: Áp dụng phương pháp đo ứng suất dư không phá hủy để đánh giá chất lượng chi tiết máy, từ đó cải tiến quy trình sản xuất và bảo trì.

3. Các đơn vị sản xuất và gia công thép, đặc biệt là thép C45: Nắm bắt mối quan hệ giữa xử lý nhiệt, kích thước hạt và ứng suất dư để tối ưu hóa sản phẩm, giảm thiểu lỗi kỹ thuật.

4. Nhà thiết kế và chế tạo thiết bị đo lường XRD: Tham khảo thiết kế và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị dao động mẫu nhằm phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp dao động mẫu có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phương pháp dao động mẫu giúp tăng số lượng hạt tinh thể tham gia nhiễu xạ, giảm sai số do hạt thô không được chiếu xạ đầy đủ. Ví dụ, góc dao động ∆α = 7° đã cải thiện độ chính xác đo ứng suất dư lên khoảng 15-20%.

2. Tại sao ứng suất dư lại quan trọng trong sản xuất cơ khí?
   Ứng suất dư ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo và tuổi thọ của chi tiết máy. Nếu không kiểm soát tốt, ứng suất dư có thể gây nứt, biến dạng hoặc giảm hiệu suất làm việc.

3. Kích thước hạt ảnh hưởng thế nào đến ứng suất dư?
   Kích thước hạt lớn hơn thường đi kèm với mật độ lệch mạng thấp hơn, dẫn đến giảm ứng suất dư. Nghiên cứu cho thấy khi kích thước hạt tăng từ 50 µm lên 90 µm, ứng suất dư giảm khoảng 25%.

4. Thiết bị dao động mẫu tự chế có thể áp dụng cho các loại vật liệu khác không?
   Có thể, nhưng cần điều chỉnh góc dao động và các thông số phù hợp với đặc tính vật liệu và kích thước hạt để đảm bảo độ chính xác.

5. Phương pháp đo ứng suất dư bằng XRD có thể áp dụng trong điều kiện thực tế như thế nào?
   Phương pháp này có thể đo trực tiếp trên chi tiết đang làm việc, hỗ trợ kiểm tra trong quá trình sửa chữa và bảo dưỡng mà không làm hỏng chi tiết.

Kết luận

• Phương pháp dao động mẫu với góc ∆α = 7° là giải pháp hiệu quả để xác định ứng suất dư chính xác cho vật liệu tinh thể hạt thô.
• Mối quan hệ giữa kích thước hạt và ứng suất dư được xác định rõ ràng, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt.
• Thiết bị dao động mẫu tự chế đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật, góp phần nâng cao chất lượng đo lường.
• Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, mở rộng ứng dụng phương pháp XRD trong công nghiệp.
• Đề xuất áp dụng rộng rãi phương pháp và thiết bị trong các trung tâm đo lường và sản xuất cơ khí.

Next steps: Triển khai sản xuất thiết bị dao động mẫu quy mô lớn, đào tạo nhân lực và áp dụng quy trình xử lý nhiệt tối ưu trong sản xuất.

Call-to-action: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành cơ khí nên phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu. - Chương 2: Cơ sơ lý thuyết về nung kim loại sau biến dạng dẻo, lý thuyết về nhiễu xạ X-Quang, tính ứng suất dư, đo ứng suất dư sử dụng phương pháp mẫu dao động. - Chương 3: Thiết kế chế tạo thiết bị dao động mẫu, qua các phướng án lựa chọn phù hợp với máy X-Quang - Chương 4: Tạo mẫu thí nghiệm. - Chương 5: Đo ứng suất dư bằng phương pháp dao động.

- Chương 6: Kết luận, kiến nghị 5 Luan van Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Biến dạng dẻo 2.1 Khái niệm Biến dạng dẻo là biến dạng còn dư lại sau khi bỏ ngoại lực tác dụng. Trong công nghiệp có nhiều dạng gia công kim loại có liên quan tới biến dạng dẻo. Có nguyên công lợi dụng biến dạng dẻo để tạo hình chi tiết hay bán thành phẩm như rèn, cán, kéo, ép chảy., có nguyên công khác như tiện, phay, bào, mài. không tránh khỏi có biến dạng dẻo xảy ra.

Các công trình kết cấu kim loại, chi tiết máy và dụng cụ trong sử dụng nói chung không cho phép xảy ra biến dạng dẻo. Gia công biến dạng dẻo không chỉ làm thay đổi hình dạng, kích thước của vật thể kim loại mà còn thay đổi tổ chức, cấu trúc và tính chất của vật liệu. Nắm vững lý thuyết biến dạng dẻo giúp ta hiểu rõ bản chất độ bền, độ dẻo của kim loại, tìm kiếm phương pháp và giải pháp hoá bền kim loại, cải tiến công nghệ nâng cao chất lượng gia công kim loại.2 Cơ chế hình học của biến dạng dẻo Trên phương diện hình học, người ta chứng minh được biến dạng dẻo xảy ra bằng phương thức trượt, song tinh hoặc chuyển biến pha mactenxit.3 Biến dạng trượt trong đơn tinh thể 2.1 Trượt Trượt là sự dịch chuyển tương đối hai phần tinh thể với nhau theo một mặt và phương nhất định gọi là mặt trợt và phương trượt (hình 2. Khoảng cách dịch chuyển tương đương thông số mạng hay số chẵn lần thông số mạng, như vậy sau khi trượt, mối liên kết của một nguyên tử với các nguyên tử xung quanh được khôi phục lại như cũ.1: Mô hình trượt trong mạng tinh thể [1] 6 Luan van a) Mặt, phương trượt Kết quả nghiên cứu bằng nhiễu xạ Rơnghen cho biết, mặt trượt và phương trượt thường là mặt và phương có mật độ nguyên tử cao nhất của mạng.

Một mặt trượt và một phương trượt trên mặt trượt đó tạo thành một hệ trượt. b) Ứng suất trượt Thực nghiệm và lý thuyết đều cho biết chỉ có thành phần ứng suất tiếp trên mặt và phương trượt mới gây ra trượt, còn ứng suất pháp không gây trượt. Để kim loại bắt đầu trượt, thành phần ứng suất tiếp phải đạt tới giá trị nhất định. Người ta gọi ứng suất tiếp cần thiết để kim loại bắt đầu trượt là ứng suất tiếp tới hạn th.

Cùng một ngoại lực tác dụng thì trên các mặt trượt và phương trượt có định hướng khác nhau có giá trị ứng suất tiếp sẽ khác nhau. Như vậy góc định hướng tương đối giữa ngoại lực với mặt và phương trượt có ý nghĩa quan trọng đến khả năng xảy ra trượt. c) Độ bền lý thuyết của tinh thể Trong tinh thể lý tưởng hoàn toàn không có khuyết tật mạng, muốn trượt xảy ra, tức muốn hai phần tinh thể xê dịch tương đối với nhau một khoảng cách nguyên tử thì tất cả nguyên tử trên mặt trượt phải dịch chuyển đồng thời một khoảng cách bằng thông số mạng. Cách trượt như vậy gọi là trượt cứng.

Ứng suất th cần cho sự trượt này rất lớn để khắc phục được cùng một lúc tất cả các mối liên kết giữa các nguyên tử ở hai bên mặt trượt. Giá trị ứng suất đó do Frenkel tính được theo biểu thức: G th  ; 2 Đây chính là độ bền lý thuyết của kim loại nó lớn hơn giá trị thực tế đo được bằng thực nghiệm từ 500 đến 1000 lần. Sở dĩ có sự khác biệt lớn như vậy là vì trong tinh thể kim loại thực có tồn tại nhiều lệch mạng. Khi trong tinh thể có chứa lệch mạng, dưới tác dụng của ngoại lực đường lệch chuyển động khi thoát ra khỏi bề mặt tinh thể sẽ gây nên hiệu ứng trượt tinh thể.

7 Luan van Hình 2.2: Sự chuyển dịch của lệch biên gây ra biến dạng dẻo.2 là mô hình trượt trong mạng tinh thể thực có khuyết tật chủ yếu là lệch. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp hai phần tinh thể trượt đi với nhau nhờ sự dịch chuyển của lệch ( hình 2. Đặc điểm của cơ chế trượt này là: - Trong quá trình trượt chỉ cần ứng suất đủ lớn để dứt đứt một số mối liên kết các nguyên tử ở vùng lệch chuyển qua - Các nguyên tử không đồng thời phải dịch chuyển và chỉ dịch chuyển với khoảng cách nhỏ.4 Sự biến đổi trong kim loại sau biến dạng dẻo 2.1 Sự biến đổi của tổ chức tế vi a) Sự biến đổi hình dạng hạt tinh thể Trong biến dạng dẻo, hình dạng hạt tinh thể biến đổi dần dần theo mức độ biến dạng. Quy luật chung, hình dạng hạt tinh thể biến dạng tương ứng với sự biến dạng của vật thể.

Ví dụ khi vật liệu chịu kéo thì hạt tinh thể cũng dần được vuốt dài theo trục kéo, cuối cùng khi biến dạng kéo rất lớn các hạt bị vuốt thành những sợi, thớ dọc trục. Ngược lại khi vật thể bị ép, các hạt tinh thể cũng dần dần bị đàn trải rộng theo hướng vuông góc với ngoại lực 8 Luan van a/ b/ Hình 2.3: Sự thay đổi hình dạng hạt tinh thể sau biến dạng dẻo. Khi độ biến dạng dẻo lớn (trên 20% trở đi), độ biến dạng của các hạt dần dần đồng nhất hơn. Đối với tổ chức hợp kim nhiều pha, sự biến dạng không đồng đều giữa các pha khác nhau càng rõ rệt, đặc biệt khi giữa các pha có cấu trúc mạng, thành phần và tính chất khác nhau lớn.

Khi biến dạng dẻo lớn theo một hướng (ví dụ cán) các pha khác nhau bị vuốt dài theo hướng biến dạng tạo thành tổ chức dải, đồng thời với sự thay đổi hình dạng của hạt và sự xuất hiện nhiều đường trượt và dải trượt bên trong hạt. Tuỳ theo cấu trúc kim loại, phương thức và điều kiện biến dạng khác nhau, các dải trượt có thể dạng thẳng, dạng sóng hoặc dạng giao cắt nhau. Dải trượt có loại rộng, có loại hẹp, số lượng và cách phân bố của nó cũng khác nhau giữa các hạt, thậm chí ngay giữa các phần trong một hạt. b) Mật độ khuyết tật mạng tăng Biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng, đặc biệt ở giai đoạn đầu của biến dạng dẻo mật độ khuyết tật mạng tăng rất nhanh.

Khi độ biến dạng dẻo lớn (trên 4060%), mật độ khuyết tật mạng dần đạt tới giá trị bão hoà. Do mật độ khuyết tật mạng tăng làm cho kim loại sau biến dạng dẻo có thể tích trữ tới 510 % tổng năng lượng gia công biến dạng. Trong đó khuyết tật mạng quan trọng nhất là lệch mạng, chúng góp phần tích trữ từ 80 đến 90% số năng lượng tích trữ sau biến dạng dẻo. Trong kim loại ở trạng thái ủ (trạng thái cân bằng) mật độ lệch khoảng 9 Luan van 108cm-2, sau biến dạng dẻo lớn mật độ lệch có thể tăng lên tới 1012 (cm-2 )hoặc hơn nữa.

Mật độ lệch phân bố không đều trong tinh thể. Cách phân bố này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện biến dạng. Ví dụ, biến dạng dẻo tiến hành ở nhiệt độ tương đối thấp do hoạt tính của lệch thấp, lệch phân bố tương đối phân tán, khi biến dạng ở nhiệt độ cao hơn do hoạt tính của lệch lớn, một số lượng lớn các lệch sẽ cụm lại thành búi và các búi liên kết với nhau thành các "hàng rào" chia cắt hạt tinh thể thành nhiều khu vực có mật độ lệch thấp, đó là những cấu trúc ô. Giữa các cấu trúc ô định phương không giống nhau, chúng thực chất là những siêu hạt.

Nhiệt độ càng cao, các búi lệch càng thu gọn, các bức “tường rào" càng rõ nét và các siêu hạt hình thành càng rõ hơn. Mật độ khuyết tật mạng tăng làm cho mật độ kim loại sau biến dạng dẻo giảm, nội ứng suất (ứng suất dư) tăng. Ứng suất dư có tác dụng hoá bền vật liệu, song cũng nhiều khi gây tác hại như tạo ra các vết nứt giòn trong mối hàn, thúc đẩy sự ăn mòn ứng suất và làm thay đổi một số tính chất vật lý (điện, từ tính) của vật liệu v. c) Sự thay đổi định hướng của các hạt Trong quá trình biến dạng dẻo theo một định hướng không đổi, các hạt vừa biến dạng trượt vừa quay theo xu hướng làm cho một số mặt và phương tinh thể sẽ sắp xếp theo một vị trí nhất định so với ngoại lực.

Trong trường hợp điều kiện quay thuận lợi, ví dụ, phương thức biến dạng cán hoặc kéo theo một phương không đổi, tổ chức kim loại một pha ít tạp chất, khi đạt độ biến dạng lớn nhất định các hạt đều có một định hướng ưu tiên theo các mặt và phương tinh thể xác định tạo nên textua biến dạng.2 Biến đổi tính chất kim loại sau biến dạng dẻo Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đối với tính chất của kim loại có liên quan chặt chẽ với những biến đổi về tổ chức tế vi và khuyết tật mạng kể trên, nó thể hiện trên ba mặt là: gia công biến cứng (tức hoá bền kim loại do biến dạng dẻo), tính dị hướng (tính chất kim loại khác nhau trên các hướng) và một số biến đổi về tính chất vật lý, hoá học của kim loại. 10 Luan van a) Hiện tượng biến cứng nguội Là hiện tượng sau biến dạng dẻo nguội độ bền, độ cứng tăng đồng thời độ dẻo, dai giảm ( hình 2. Giới hạn chảy tăng nhiều hơn so với giới hạn bền, độ biến dạng càng lớn tỷ số Re/Rm (tương đương ch/b) càng tiến tới 1. Cụ thể, giới hạn chảy có thể tăng 3 đến 7 lần, còn giới hạn bền kéo chỉ tăng 1,5 đến 3 lần.4: Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến cơ tính & tính chất khác của kim loại [1] Nguyên nhân gây nên biến cứng nguội là sự sản sinh siêu hạt, lệch mạng và các khuyết tật mạng khác, trong đó sự tăng mật độ lệch đóng vai trò quyết định.

Điều đó thể hiện ở hàm quan hệ giữa ứng suất chảy và mật độ lệch  như sau:  = 0 + aGb ρ trong đó: 0 - ứng suất chảy ban đầu (trước biến dạng dẻo); G - mô đun đàn hồi trượt; b - véctơ Burgers a - hệ số (giá trị lý thuyết bằng 0,3).