Báo cáo Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lượng thường, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỐI HÀN THÉP CARBON CHẤT LƯỢNG THƯỜNG, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH MỐI HÀNS K C 0 0 3 DÙNG9 5 9 CHO MƠN HỌC CƠNG NGHỆ KIM LOẠI MÃ SỐ: T2013-93 S KC 0 0 5 4 4 5 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỐI HÀN THÉP CARBON CHẤT LƢỢNG THƢỜNG, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH MỐI HÀN DÙNG CHO MƠN HỌC CƠNG NGHỆ KIM LOẠI Mã số: T2013-93 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Hồ Sĩ Hùng TP. HCM, Tháng 12 năm 2013
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MỐI HÀN THÉP CARBON CHẤT LƢỢNG THƢỜNG, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH MỐI HÀN DÙNG CHO MƠN HỌC CƠNG NGHỆ KIM LOẠI Mã số: T2013-93 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Hồ Sĩ Hùng Thành viên đề tài: TP. HCM, Tháng 12 năm 2013
4. THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thơng tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng độ dai va đập mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại - Mã số: T2012 - 93 - Chủ nhiệm: GV. ThS. Hồ Sĩ Hùng - Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013 2. Mục tiêu: - Xây dựng tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng - Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại 3. Tính mới và sáng tạo: - Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại 4. Kết quả nghiên cứu: - Xây dựng đƣợc bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại 5. Sản phẩm: - Bản thuyết minh - Xây dựng chƣơng trình nội dung thí nghiệm kiểm tra cơ tính mối hàn 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Cĩ thể ứng dụng tại khoa cơ khí máy trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Tp. HCM Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đĩng dấu) (ký, họ và tên)
5. MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU 1 DANH MỤC HÌNH 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 MỞ ĐẦU 1 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngồi nƣớc 1 2. Tính cấp thiết : 1 3. Mục tiêu: 1 4. Cách tiếp cận: 1 5. Phƣơng pháp nghiên cứu 1 6. Đối tƣợng nghiên cứu: 1 7. Phạm vi nghiên cứu: 1 8. Nội dung nghiên cứu : 1 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 1.1. Tổng quan về thép carbon chất lƣợng thƣờng 3 1.2. Các chỉ tiêu cơ tính dƣới tải trọng tĩnh 7 1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu. 9 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA CƠ TÍNH DƢỚI TẢI TRỌNG TĨNH MỐI HÀN 25 2.1. Mục đích yêu cầu 25 2.3. Trình tự thí nghiệm 30 2.4. Báo cáo giá kết quả 38 KẾ T LUÂṆ - ĐỀ NGHỊ 39
6. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường. Bảng 1.2. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng thường Bảng 1.3. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao Bảng 1.4 : Thành phần hĩa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân nhĩm thứ hai (ΓOCT 380 – 71) DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép. Hình 2.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhơm và các kim loại khơng cĩ điểm giới hạn chảy. Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi Hình 2.5 Các mặt trượt (tơ đen) và các phương trượt (chỉ bằng các mũi tên)
7. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SMAW : Shielded metal arc welding GTAW : Gas–tungsten arc welding
8. MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngồi nƣớc Hiện nay việc kiểm tra đánh giá mối hàn hiện nay đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong một số ngành đĩng tàu, dẫn dầu, dẫn khí, bồn chứa, Với nhu cầu đĩ hiện nay rất nhiều cơ sở đã nghiên cứu vấn đề này và ra đời một số trung tâm kiểm định. Tuy nhiên hiện nay việc đào ở các trƣờng hầu nhƣ chƣa đƣợc chú trọng. 2. Tính cấp thiết : Phá hủy kết cấu hàn đã đƣợc quan tâm từ lâu. Đánh giá độ bền và độ ổn định của kết cấu hàn định kỳ sau một thời gian sử dụng là một yêu cầu rất quan trọng, nhằm phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn. Thực tế Việt Nam, tại các Cơng ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Cơng ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Cơng ty Rƣợu, bia và nƣớc giải khát Sài Gịn; Nhà máy nhiệt điện bằng tuabin khí, quá trình phá hủy của các chi tiết, cụm chi tiết cĩ mối ghép hàn là điều đáng lo ngại. 3. Mục tiêu: - Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng - Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại 4. Cách tiếp cận: - Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế - Nghiên cứu tài liệu - Thực nghiệm. 6. Đối tƣợng nghiên cứu: - Mối hàn thép hợp carbon chất lƣợng thƣờng - Chỉ tiêu cơ tính (dưới tác dụng của tải trọng tĩnh) 7. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép carbon chất lƣợng thƣờng - Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại 8. Nội dung nghiên cứu : - Thép carbon chất lƣợng thƣờng
9. - Các chỉ tiêu cơ tính dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh - Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra cơ tính (dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh) mối hàn dùng cho mơn học cơng nghệ kim loại
10. CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về thép carbon chất lƣợng thƣờng Nhóm này thường được cung cấp ở dạng ở dạng cán nóng (dây, ống, tấm, thanh, thép hình ) với mục đích chủ yếu làm các kết cấu trong xây dựng (nhà, xưởng, cầu, cốt bê tông, trong chế tạo máy làm các chi tiết không quan trọng). Theo TCVN 1765-75, nhóm thép này được kí hiệu bằng chữ CT (C: cacbon, T: thép) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2). Nhóm thép này được chia thành ba phân nhóm nhỏ: . Phân nhóm A: chỉ qui định về cơ tính, không qui định về thành phần hoá học (xem bảng III.1), loại thép này được dùng làm các chi tiết, kết cấu không qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện ) do đó chúng giữ nguyên cơ tính và tổ chức ban đầu. . Phân nhóm B: chỉ qui định về thành phần hoá học mà không qui định về cơ tính, thép thuộc phân nhóm này kí hiệu: BCT (xem bảng III.2). Loại thép này được dùng làm các kết cấu qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, rèn ) do đó cần biết thành phần hoá học để xác định chế độ nhiệt độ gia công nóng. . Phân nhóm C: được qui định cả về cơ tính và thành phần hoá học, cơ tính giống nhóm A, thành phần hoá học giống nhóm B, thép thuộc phân nhóm này kí hiệu: CCT (xem bảng III.3). Loại thép này được dùng làm các kết cấu có qua gia công nhiệt. Thép ở nhóm này có chất lượng cao hơn hai phân nhóm trên.  Cả ba phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu tải nhẹ. Trong nhóm này có những phân nhóm đặc biệt được dung làm kết cấu xây dựng, đóng tàu, làm cầu Bảng 1.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường. Phân nhóm A Mác thép  b , MPa  0.2 , MPa %
11. CT31 310 - 20 CT33 320-420 - 31 CT34 340-440 200 29 CT38 380-490 210 23 CT42 420-540 240 21 CT51 500-640 260 17 CT61 600 300 12 Bảng 1.2. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng thường Phân nhóm B Mác C, % Mn, % Si trong thép, % S, % P, % thép Sôi Nửa lặng Lặng Không quá BTC31 0.23 - - - - 0.06 0.06 BCT33 0.06-0.12 0.25-0.5 0.05 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 BTC34 0.09-0.15 0.25-0.5 0.05 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 BTC38 0.14-0.22 0.3-0.65 0.07 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 BTC42 0.18-0.27 0.4-0.7 0.07 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 BTC51 0.28-0.37 0.5-0.8 - 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 BTC61 0.38-0.49 0.5-0.8 - 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 Bảng 1.3. Thành phần hoá học của các mác thép cacbon chất lượng cao Phân nhóm C (Từ CCT33÷CCT51) Mác C, % Mn, % Si trong thép, % S, % P, % thép Sôi Nửa lặng Lặng Không quá
12. CCT33 0.06-0.12 0.25-0.5 0.05 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 CCT34 0.09-0.15 0.25-0.5 0.05 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 CCT38 0.14-0.22 0.3-0.65 0.07 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 CCT42 0.18-0.27 0.4-0.7 0.07 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 CCT51 0.28-0.37 0.5-0.8 - 0.05-0.17 0.12-0.3 0.05 0.04 1.1.2. Tiêu chuẩn Liên Xơ cũ ΓOCT 380 – 71 quy định nhĩm thép này đƣợc kí hiệu bằng chữ CT . Với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ( số càng lớn độ bền và lƣợng cacbon càng lớn ) và lại đƣợc chia làm 3 phân nhĩm. Tiêu chuẩn Việt Nam kí hiệu thép cacbon chất lƣợng thƣờng phân nhĩm A bằng chữ CT ( C – cacbon, T – thép ) và số tiếp theo chỉ giới hạn bền tính ra KG/mm2. Phân nhĩm thứ nhất ( A) : Là loại thép cacbon chất lƣợng thƣờng chỉ đƣợc qui định về cơ tính khơng đƣợc qui định về thành phần hĩa học. Bảng I.1 : Cơ tính và các số hiệu thép của phân nhĩm thứ nhất ( ΓOCT 380 – 71 và TCVN 1765 – 75 ). Số hiệu thép σ0,2, δ5, % 2 2 σb, N/mm N/mm Liên Xơ Việt Nam Khơng nhỏ hơn cũ CT0 CT31 ≥ 310 - 20 CT1 CT33 320 – 420 - 31 CT2 CT34 340 – 440 200 39 CT3 CT38 380 – 490 210 23 CT4 CT42 420 – 540 240 21 CT5 CT51 500 – 640 260 17 CT6 CT61 ≥ 600 300 12
13. Chú thích:Bảng I.2 Trích bảng 17,tr 259 sách Kim Loại Học Và Nhiệt Luyện_Tác giả:Nghiêm Hùng. Ngồi các số hiệu trên cho loại thép lặng, cịn cĩ các số hiệu cĩ thêm vào phía sau theo TCVN thép sơi “ s “, thép nửa lặng “ n “, chúng cĩ độ bền thấp hơn, độ dẻo cao hơn đơi chút so với thép lặng cĩ cùng gốc kí hiệu. Nhĩm thép thứ nhất ( A ) thƣờng dùng rất phổ biến trong xây dựng và một phần trong chế tạo cơ khí để làm các sản phẩm và chi tiết thơng qua gia cơng nĩng. Phân nhĩm thứ hai ( B ) : Là loại thép cacbon thƣờng chỉ đƣợc qui định về thành phần hĩa học (Bảng I.2 ) mà khơng qui định về cơ tính. Kí hiệu của phân nhĩm này giống phân nhĩm thứ nhất nhƣng đằng trƣớc thêm chữ Б đối với tiêu chuẩn Liên Xơ cũ và chữ B đối với tiêu chuẩn Việt Nam ( với ý nghĩa chỉ phân nhĩm thứ hai ). Bảng 1.4 : Thành phần hĩa học của các số hiệu thép cacbon chất lượng thường phân nhĩm thứ hai (ΓOCT 380 – 71) Số hiệu thép C, % Mn,% Si trong thép,% S,% P,% Liên Việt Sơi Nửa lặng Lặng Khơng lớn Xơ cũ Nam hơn БCT0 BCT31 ≤ 0,23 - - - - 0,06 0,07 БCT1 BCT33 0,06 – 0,12 0,25 – 0,50 0,05 0,05 – 0,17 0,12 – 0,30 0,05 0,04 БCT2 BCT34 0,09 – 0,15 0,25 – 0,50 0,05 0,05 – 0,17 0,12 – 0,30 0,05 0,04 БCT3 BCT38 0,14 – 0,22 0,30 – 0,65 0,07 0,05 – 0,17 0,12 – 0,30 0,05 0,04 БCT4 BCT42 0,18 – 0,27 0,40 – 0,70 0,07 0,05 – 0,17 0,12 – 0,30 0,05 0,04 БCT5 BCT51 0,28 – 0,37 0,50 – 0,80 - 0,05 – 0,17 0,15 – 0,35 0,05 0,04 БCT6 BCT61 0,38 – 0,49 0,50 – 0,80 - 0,05 – 0,17 0,15 – 0,35 0,05 0,04 Chú thích:Bảng I.2 Trích bảng 18,tr 260 sách Kim Loại Học Và Nhiệt Luyện_Tác giả:Nghiêm Hùng.
14. Phân nhĩm thép này đƣợc dùng để chế tạo các sản phẩm và chi tiết qua gia cơng nĩng (rèn, hàn, nhiệt luyện), lúc đĩ tổ chức và cơ tính ở trạng thái cung cấp khơng đƣợc giữ lại. Nhƣ đã biết thành phần cacbon của thép là yếu tố để xác định chế độ rèn, hàn, nhiệt luyện. Phân nhĩm thứ ba (C). Là loại thép cacbon thƣờng, đƣợc qui định cả cơ tính lẫn thành phần hĩa học. Kí hiệu của phân nhĩm này giống nhƣ phân nhĩm thứ nhất, nhƣng đằng trƣớc thêm chữ B đối với của Liên Xơ cũ và chữ C đối với của Việt Nam ( với ý nghĩa chỉ phân nhĩm thứ ba ). Cĩ các số hiệu БCT1, БCT2 cho đến БCT5 của Liên Xơ cũ và từ CCT34 đến CCT51 của Việt Nam ( với cả ba loại lặng, nửa lặng và sơi). Cơ tính mỗi số hiệu của phân nhĩm C tƣơng ứng với số hiệu tƣơng tự của phân nhĩm A (Bảng I.1), cịn thành phần hĩa học – phân nhĩm Б ( Bảng I.2). 1.2. Các chỉ tiêu cơ tính dƣới tải trọng tĩnh Các chi tiết máy, các kết cấu trong xây dựng đa phần đƣợc làm từ kim loại hoặc hợp kim nhƣ thép, nhơm, gang, kẽm, titan, đồng . Trong phần này mơ tả các đặc trƣng quan trọng của vật liệu cĩ ảnh hƣởng đến việc thiết kế ban đầu. Độ bền, độ đàn hồi, và tính dẻo của kim loại, chất dẻo, và một số vật liệu thƣờng dùng khác thƣờng đƣợc xác định từ thí nghiệm kéo một mẫu vật liệu, mẫu thƣờng là trịn hoặc thanh dẹt, đƣợc kẹp giữa các vấu cặp và kéo chậm đến khi đứt. Độ lớn của lực trên mẫu và sự thay đổi tƣơng ứng về chiều dài (biến dạng) đƣợc theo dõi và ghi lại liên tục trong suốt quá trình thí nghiệm. Vì ứng suất trong thanh bằng lực tác dụng chia cho diện tích, nên ứng suất tỉ lệ với lực tác dụng. Các thơng số từ thí nghiệm kéo thƣờng đƣợc vẽ ra trên giản đồ ứng suất - biến dạng nhƣ trong hình 2.1 và 2.2. Từ các giản đồ đĩ một vài thơng số nhƣ độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo của các kim loại đƣợc xác định. 1.2.1 Giới hạn bền kéo Điểm cao nhất của đƣờng cong ứng suất-biến dạng đƣợc gọi là giới hạn bền kéo ( ), đơi khi đƣợc gọi là giới hạn bền hoặc đơn giản là độ bền kéo. Tại điểm này, trên mẫu thử đo đƣợc ứng suất qui ước lớn nhất. Nhƣ trong hình 2.1 và 2.2 đƣờng cong đi xuống sau điểm cao nhất. Tuy nhiên, chú ý rằng thiết bị đo dùng để tạo ra giản đồ này trên thực tế vẽ ra đƣờng cong tải trọng ứng với biến dạng chứ khơng phải ứng suất thực ứng với biến dạng. Ứng suất qui ƣớc đƣợc tính bằng cách chia tải trọng cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử. Sau điểm cao nhất của đƣờng cong là đoạn thẳng, cĩ sự giảm rõ rệt đƣờng kính của mẫu, gọi là sự co thắt. Vì vậy, tải trọng tác dụng trên một diện tích nhỏ hơn, và ứng suất thực tiếp tục tăng cho đến khi thanh bị đứt. Rất khĩ để theo dõi sự giảm đƣờng kính
15. trong quá trình co thắt, vì vậy thơng thƣờng là sử dụng điểm cao nhất của đƣờng cong nhƣ là giới hạn bền kéo, mặc dù nĩ là giá trị nhỏ hơn. 1.2.2 Giới hạn chảy, Một phần của giản đồ ứng suất - biến dạng cĩ biến dạng tăng lớn nhƣng ứng suất khơng tăng hoặc tăng rất ít, gọi là giới hạn chảy ( ). Thuộc tính này chứng tỏ rằng thực tế vật liệu bị chảy hay biến dạng dẻo một cách lâu dài và cĩ mức độ lớn. Nếu điểm chảy dẻo là rõ ràng nhƣ trong hình 2.1, nĩ đƣợc gọi là giới hạn chảy. Đây là đặc thù của thép cacbon thơng thƣờng. Hình 2.2 chỉ ra dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu nhƣ nhơm hoặc titan hoặc thép cĩ độ bền cao. Chú ý rằng nĩ khơng cĩ điểm giới hạn chảy, nhƣng vật liệu thực tế cĩ giới hạn chảy tại hoặc gần mức ứng suất . Điểm đĩ đƣợc xác định bởi phương pháp offset, theo đĩ một đƣờng thẳng đƣợc vẽ song song với phần đoạn thẳng của đƣờng cong và lệch sang phải một đoạn bằng biến dạng dƣ, thƣờng là 0.20% biến dạng. Giao điểm của đƣờng thẳng đĩ và đƣờng cong ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy của vật liệu. Hình 2.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép.
16. Hình 2.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhơm và các kim loại khơng cĩ điểm giới hạn chảy. 1.2.3 Giới hạn tỉ lệ Điểm trên đƣờng cong ứng suất - biến dạng mà tại đĩ nĩ kết thúc phần đƣờng thẳng gọi là giới hạn tỉ lệ. Tại giá trị đĩ hoặc lớn hơn, ứng suất khơng cịn tăng tỉ lệ với biến dạng. Dƣới giá trị giới hạn tỉ lệ, cĩ thể áp dụng định luật Húc: ứng suất tỉ lệ bậc nhất với biến dạng. Trong thiết kế cơ khí, vật liệu rất ít khi đƣợc sử dụng ở mức ứng suất trên giới hạn tỉ lệ. 1.2.4 Giới hạn đàn hồi Ở một điểm nào đĩ, vật liệu bị biến dạng dẻo và vì vậy nĩ khơng thể trở lại hình dạng ban đầu sau khi thơi tác dụng tải, gọi là giới hạn đàn hồi. Dƣới mức này, vật liệu làm việc hồn tồn đàn hồi. Giới hạn tỉ lệ và giới hạn đàn hồi nằm dƣới giới hạn chảy. Vì rất khĩ để xác định, nên chúng rất ít khi đƣợc đƣa ra. 1.2.5 Mơđun đàn hồi kéo, E Với phần đoạn thẳng của giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ bậc nhất với biến dạng, và giá trị của mơđun đàn hồi E là một hằng số tỉ lệ. (2.1) Đây là độ dốc của phần đoạn thẳng trên giản đồ. Mơđun đàn hồi thể hiện độ cứng của vật liệu, hay là khả năng chống lại biến dạng. 1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu. Quá trình biến dạng của vật liệu gồm 3 giai đoạn nối tiếp nhau: biến dạng đàn hồi, biến dạng đàn hồi-dẻo và phá hủy.
17. 1.3.1 Biến dạng đàn hồi Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ lực tác dụng bên ngồi. Đặt tải trọng vào sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử của mạng tinh thể, nhƣ đơn tinh thể kim loại cĩ mạng lập phƣơng ở trạng thái biến dạng đàn hồi-dẻo cĩ kiểu mạng chính phƣơng (lập phƣơng kéo dài). Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể a) Mạng tinh thể ban đầu, b) Mạng tinh thể khi chịu tải trọng P c) Mạng tinh thể sau khi bỏ tải trọng Đối với kim loại và hợp kim trong vùng đàn hồi, giữa ứng suất và biến dạng cĩ quan hệ tuyến tính tƣơng ứng với quy luật tỉ lệ thuận theo cơng thức 2.1. Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi Gọi hệ số tỉ lệ E là mơđun đàn hồi pháp tuyến, nĩ bằng tang gĩc nghiêng của đƣờng thẳng biểu diễn biến dạng đàn hồi trong hệ tọa độ ứng suất pháp – độ giãn dài. Giá trị mơđun đàn hồi của các kim loại khác nhau là khác nhau và phụ thuộc vào bản chất kim loại, kiểu mạng và thơng số mạng tinh thể. 1.3.2 Biến dạng dẻo Tải trọng đặt lên vật liệu lớn hơn giới hạn đàn hồi sẽ làm cho vật liệu biến dạng dẻo, biến dạng dẻo đặc trƣng ở chỗ là sau khi bỏ tải trọng vật liệu cĩ độ biến dạng dƣ.
18. Trong quá trình biến dạng dẻo, sức cản biến dạng của kim loại luơn tăng lên cịn khả năng biến dạng dẻo thì càng giảm đi, hiện tƣợng này đƣợc gọi là “biến cứng”. Biến dạng dẻo thực hiện bằng cách trƣợt những lớp mỏng kim loại theo những mặt tinh thể xác định – các mặt cĩ sức cản trƣợt là nhỏ nhất. Thơng thƣờng các mặt trượt là các mặt cĩ nguyên tử sắp xếp một cách xít chặt nhất. Phương trượt trùng với phƣơng cĩ nguyên tử sắp xếp dày đặc nhất. Hình 2.5 Các mặt trƣợt (tơ đen) và các phƣơng trƣợt (chỉ bằng các mũi tên) Ví dụ: mạng lập phƣơng thể tâm cĩ 2 phƣơng trƣợt là 2 đƣờng chéo của hình chữ nhật ABCD, cịn lập phƣơng diện tâm cĩ 3 phƣơng trƣợt là ba cạnh của tam giác ABC. Hệ số trượt: dùng để đánh giá khả năng trƣợt của mạng tinh thể, ký hiệu là H, đƣợc tính nhƣ sau: H = (số mặt trƣợt x số phƣơng trƣợt)/ 1 mặt trƣợt. Ví dụ: Mạng lập phƣơng thể tâm: H = 6 x 2 = 12. (Fe ) Mạng lập phƣơng diện tâm: H = 4 x 3 = 12. (Cu, Al ) Mạng lục giác: H = 1 x 3 = 3 (cĩ tính dịn: Zn). Hệ số trƣợt càng nhiều thì tính dẻo càng cao. Khi cĩ cùng hệ số trƣợt thì loại mạng nào cĩ số phƣơng trƣợt trên một mặt trƣợt nhiều hơn thì dẻo hơn. Ứng suất trượt: Ứng suất tiếp trên mặt trƣợt và theo phƣơng trƣợt mới gây ra quá trình trƣợt. Giả sử tiến hành kéo đúng tâm một phân tố đơn tinh thể hình trụ bằng lực P. Lực kéo P tạo với pháp tuyến mặt trƣợt đã cho gĩc và phƣơng trƣợt một gĩc . Ứng suất tiếp trên phƣơng trƣợt là: Trong đĩ: - P/F0 là ứng suất quy ƣớc σ0 - ứng suất pháp do ngoại lực F tác dụng lên tiết diện ngang của tinh thể cĩ giá trị khơng đổi, nên: (2.2)
19. Đĩ là định luật Schmid. Khi τ cĩ độ lớn vƣợt quá một giá trị tới hạn nhất định τth (xác định đối với từng kim loại) quá trình trƣợt mới xảy ra. Nhƣ vậy ứng suất gây ra trƣợt τ phụ thuộc vào cos , cos đƣợc gọi là thừa số Schmid. Nĩi chung ( ) ≠ 90o, trƣờng hợp θ = 90o hay = 90o tức ngoại lực song với mặt trƣợt hay vuơng gĩc với phƣơng trƣợt thì τ = 0 lúc này tinh thể bị phá hủy mà khơng xảy ra biến dạng dẻo. o Ứng suất tiếp đạt cực đại τmax = 0,5 0 khi 45 . Ứng suất tiếp τ tác dụng trên các hệ trƣợt khác nhau cũng khác nhau. Nếu τ lớn hơn một giá tri τth nào đĩ đƣợc gọi là ứng suất trƣợt tới hạn (cĩ giá trị khơng đổi đối với mỗi kim loại) thì sự trƣợt sẽ xảy ra. Định luật Schmid quy định hệ trƣợt nào hoạt động trƣớc tiên khi đặt tải. Đĩ là hệ thuận lợi nhất với yếu tố định hƣớng: , gần 45o nhất, tại đĩ giá trị tới hạn của ứng suất tiếp τ đạt đƣợc sớm nhất. Nhƣ vậy cĩ thể là hệ thuận lợi nhất sẽ trƣợt trƣớc, sau đĩ khi tải trọng F tăng lên đến lƣợt các hệ ít thuận lợi hơn. Khi mạng tinh thể cĩ sắp xếp lý tƣởng (khơng cĩ lệch). Khi trƣợt, tất cả nguyên tử ở hai bên mặt trƣợt bắt buộc phải dịch chuyển đồng thời do đĩ địi hỏi ứng suất tiếp rất lớn. (2.3) Với mơ hình nhƣ vậy sự trƣợt là trƣợt cứng, τth tƣơng ứng đƣợc gọi là độ bền lý thuyết. Trong mạng tinh thể thực tế , tức cĩ chứa lệch, sự trƣợt sẽ xảy ra với ứng suất nhỏ hơn rất nhiều lần và sự trƣợt sẽ xảy ra khác bằng chuyển động của lệch. Khi cĩ lệch biên: Hình 2.7 Mơ hình trƣợt trong mạng tinh thể thực tế (cĩ lệch biên) Các nguyên tử ở hai bên bán mặt bị xơ lệch đàn hồi đối xứng, ứng suất hai bên cân bằng lẫn nhau nên bán mặt này rất dễ dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ khi cĩ lực bên ngồi tác dụng. Giả sử cĩ ứng suất τ cĩ tác dụng nhƣ ở hình vẽ, bán mặt sẽ dịch chuyển đi một khoảng cách nhỏ sang phải và do đĩ liên kết đƣợc với nửa hàng dọc nguyên tử ở phía dƣới thành mặt tinh thể mới, bán mặt dịch chuyển dần qua phải. Quá trình dịch chuyển nguyên tử khi trƣợt cứ xảy ra nhƣ vậy cho đến khi bán mặt đƣợc thốt ra khỏi bề mặt tinh thể, tạo ra ở đĩ bậc thang nguyên tử. Nhƣ vậy ở từng thời điểm chỉ cĩ một số nguyên tử hạn chế tham gia trƣợt, sự truyền chuyển động giống nhƣ chạy tiếp sức, do đĩ chỉ địi hỏi ứng suất tiếp nhỏ, theo tính tốn: (2.4) Với mơ hình nhƣ vậy sự trƣợt cĩ tính nối tiếp, τth tƣơng ứng đƣợc gọi là độ bền thực tế, nhỏ hơn độ bền lý thuyết từ 100 đến 1000 lần.
20. Sự trượt đa tinh thể: Tuy đa tinh thể gồm bởi nhiều tinh thể (hạt), song khơng thể xem sự trƣợt của nĩ là tổng đơn thuần của sự trƣợt từng tinh thể hay hạt trong nĩ. Từ những đặc điểm về cấu trúc cĩ thể thấy trƣợt đa tinh thể cĩ những đặc điểm sau: * Các hạt bị biến dạng khơng đều: Ngay cả đối với kim loại nguyên chất các hạt cĩ mạng tinh thể giống nhau song lại cĩ định hƣớng mặt và phƣơng khác nhau, nên chúng sẽ bị trƣợt khác nhau: hạt nào cĩ định hƣớng thuận lợi với sự trƣợt sẽ trƣợt trƣớc với ứng suất bé, ngƣợc lại hạt nào cĩ định hƣớng khơng thuận lợi sẽ trƣợt sau với ứng suất lớn hơn, thậm chí cĩ hạt khơng thể trƣợt đƣợc. * Cĩ tính đẳng hƣớng: do sự định hƣớng phƣơng và mặt của các hạt mang tính ngẫu nhiên cho nên dù lực bên ngồi tác dụng nhƣ thế nào cũng cho một kết quả nhƣ nhau. Tính chất nhận đƣợc là kết quả thử tổng hợp theo mọi phƣơng của các hạt. * Cĩ độ bền cao hơn: các hạt khơng rời rạc mà gắn bĩ với nhau qua vùng biên giới hạt. Trong thực tế sự trƣợt của hạt này đều kéo theo các hạt bên cạnh, rồi chính nĩ lại bị các hạt này cản trở . Vùng biên giới hạt cĩ sắp xếp khơng trật tự rất khĩ tạo nên mặt và phƣơng trƣợt nên cĩ thể coi nĩ nhƣ lớp vỏ cứng cản trượt. Chính do cĩ nhiều cản trở nhƣ vậy, để trƣợt đƣợc nĩi chung phải tác dụng lực cao hơn, nĩi khác đi cĩ độ bền cao hơn độ bền trung bình (theo các phƣơng) của đơn tinh thể. * Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao. Do hạt nhỏ cĩ tổng diện tích biên hạt lớn hơn, sẽ cản trƣợt mạnh hơn nên làm tăng độ bền. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy σch (hay σ0,2) và đường kính hạt d đƣợc mơ tả bằng biểu thức Hall - Petch nhƣ sau: (2.5) Trong đĩ: σ0 - ứng suất cần thiết để lệch chuyển động khi d → ∞ tức trong đơn tinh thể , k - hằng số biểu thị cấu trúc của biên giới hạt. Đồng thời khi hạt nhỏ đi, số lƣợng hạt tăng lên làm cho số hạt thích ứng với sự trƣợt theo phƣơng bất kỳ cũng tăng lên tƣơng ứng, điều đĩ cũng cĩ nghĩa sự trƣợt đƣợc phân bố trên nhiều hạt hơn và lƣợng biến dạng dƣ (tức tính dẻo) tăng lên. Rất ít biện pháp cơng nghệ cĩ tác dụng tốt đồng thời đến cả độ bền lẫn độ dẻo (thơng thƣờng khi độ bền tăng lên thì độ dẻo lại giảm đi tƣơng ứng). Hiệu ứng này cịn quan trọng hơn ở chỗ do làm tăng cả độ bền lẫn độ dẻo nên làm tăng mạnh độ dai, vật liệu khĩ bị phá hủy giịn. Do vậy, vật liệu với hạt nhỏ ƣu việt hơn hẳn hạt lớn; vì thế trong chế tạo cơ khí, luyện kim thƣờng xuyên yêu cầu đạt đƣợc hạt nhỏ. 1.3.3 Phá hủy Sự phá hủy của vật liệu trong kỹ thuật luơn là vấn đề khơng mong muốn, nĩ làm thiệt hại về kinh tế, sức khỏe, tính mạng của con ngƣời. Mặc dù nguyên nhân và các đặc tính của sự phá hủy trong vật liệu đã đƣợc biết đến nhƣng việc phịng ngừa sự phá hủy trong vật liệu là rất khĩ khăn. Các nguyên nhân thơng thƣờng của sự phá hủy là do việc lựa chọn vật liệu, thiết kế và sử dụng khơng đúng cách. 2.2.3.1 Cơ chế chung của sự phá hủy: - Đầu tiên xuất hiện vết nứt tế vi bên trong hay trên bề mặt chi tiết:
21. + Vết nứt cĩ sẵn: rỗ xốp, rỗ khí khi đúc, nứt tế vi khi kết tinh, hàn, nhiệt luyện, các pha cĩ độ bền thấp (grafit trong gang). + Vết nứt sinh ra trong quá trình biến dạng: nếu trong kim loại cĩ pha thứ hai với độ cứng và tính giịn cao thì khi biến dạng dẻo, các vết nứt tế vi sinh ra ở đây hay ở biên giới hạt. + Do tích tụ của lệch: khi biến dạng dẻo do tác dụng của nguồn phát lệch sinh ra thêm và dịch chuyển trên mặt trƣợt, khi bị cản trở chúng dồn lại và tạo nên vết nứt tế vi ở đĩ. Hình 2.8 Sự hình thành vết nứt tế vi do tích tụ các lệch - Rồi qua quá trình biến dạng tiếp theo vết nứt đĩ phát triển. - Cuối cùng kim loại bị tách rời. 2.2.3.2 Phá hủy dưới tải trọng tĩnh: Tải trọng tĩnh là tải trọng tác dụng (đặt vào) một cách chậm chạp, êm, tức tăng lên từ từ. Ứng suất phá hủy σtd (ứng suất tách đứt) là ứng suất nhỏ nhất làm cho vật liệu kim loại tách rời thành hai hay nhiều phần khác nhau. i) Các dạng phá hủy dưới tải trọng tĩnh. Tùy thuộc vào mức độ biến dạng dẻo trƣớc khi phá hủy ngƣời ta phân ra làm hai loại: phá hủy dịn và phá hủy dẻo. Hình 2.9 Phá hủy dịn và phá hủy dẻo của kim loại
22. S K L 0 0 2 1 5 4