Bài giảng Cơ sở vật liệu học - Chương 2: Biến dạng và cơ tính

Ch¬ng2 BiÕn d¹ng vµ c¬ tÝnh

- C¬ tÝnh ®îc chän lµ mét tiªu chuÈn ®¸nh gi¸ chÊt l-

îng cña nhiÒu vËt liÖu.

Đã lµ hµnh vi cña chóng ®îc béc lé ra khi chÞu t¶i c¬

häc,biÓu hiÖn sù thay ®æi kÝch thíc vµ hinh d¸ng vËt

liÖu kh¶ năng biÕn d¹ng cña vËt liÖu ®îc x¸c ®Þnh b»ng

hai ®Æc trng c¬ b¶n cña c¬ tÝnh lµ ®é bÒn vµ ®é dÎo.

- C¬ tÝnh vËt liÖu ®îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c ph¬ng ph¸p thö

(kiÓm tra) kh¸c nhau tïy theo b¶n chÊt t¶i (chñng lo¹i, tèc

®é, ®é lín) vµ m«i trêng th¶i (nhiÖt ®é, thêi gian, ho¹t

tÝnh)

1

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

Ch¬ng2 BiÕn d¹ng vµ c¬ lý hãa tÝnh

2.1.1 CÁC GIAI ĐOẠN CỦA BIẾN DẠNG

P(σ)

c

- Biến dạng đàn hồi;

- Biến dạng dẻo;

- Phá huỷ.

P_b

P_ch

P_dh

d

b

a

0

a’

∆l(ε)

b’ b’’

2

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.1.2 BiÕn d¹ng ®µn håi

a. §Þnh luËt Hooke

 = E. (¸p dông cho kÐo, nÐn)

 = G. (¸p dông cho xª dÞch)

P = -K.V/V (¸p dông cho Ðp ba chiÒu)

Trong ®ã:

E: m«®un ®µn håi

G: m«®un xª dÞch

K: m«®un Ðp

C¸c m«®un liªn hÖ víi nhau qua h»ng sè Poisson

 (tû sè giữa ®é co chiÒu ngang vµ ®é gi·n chiÒu

dµi) nh sau:

K = E/[ 3 ( 1- 2) ]

G = E/[ 2 (1 + ) ]

Đèi víi ®a sè vËt liÖu thi  0,3 nªn E  2,6G.

Hinh 2.2 BiÕn d¹ng ®µn håi do:

a) øng suÊt kÐo; b) øng suÊt nÐn

c) øng suÊt tiÕp; d) Ðp ba chiÒu

3

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.1.2 BiÕn d¹ng ®µn håi

b. Đµn håi phi tuyÕn

- BiÕn d¹ng thuËn nghÞch kh«ng tu©n theo ®Þnh luËt Hooke lµ ®µn

håi phi tuyÕn hay ®µn håi kiÓu cao su

- BiÕn d¹ng nµy thêng gÆp trong cao su tù nhiªn, trong vËt liÖu phi

kim ®Þnh h×nh hoÆc tinh thÓ côc bé, vËt liÖu kim lo¹i (gang x¸m)

M«®un ®µn håi E kh«ng cßn lµ h»ng sè m¹ng n÷a mµ phô thuéc

vµo øng suÊt vµ biÕn d¹ng:

 = E ().

Ngoµi ra E kh¸ nhá,  cã thÓ kh¸ lín (>>1% ®«i khi tíi 100%). BiÕn d¹ng ®µn

håi trong c¸c lo¹i vËt liÖu trªn dùa vµo sù thay ®æi h×nh d¸ng cña m¹ch ph©n tö.

ë tr¹ng th¸i kh«ng t¶i, vËt liÖu cã cÊu tróc v« ®Þnh h×nh bao gåm c¸c m¹ch ph©n

tö bÞ uèn cong do ®an mãc vµo nhau t¹o ra c¸c bói hoÆc líi ph©n tö.

4

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.1.2 BiÕn d¹ng ®µn håi

c. Đµn håi trÔ

- Trong nhiÒu vËt liÖu thùc tÕ vÉn cã sù chªnh lÖch pha giữa øng

suÊt vµ biÕn d¹ng, tøc biÕn d¹ng ®µn håi vÉn cßn tiÕp tôc khi t¶i ®·

®¹t ®Õn cùc ®¹i vµ cÇn mét thêi gian nữa kÓ tõ lóc bá t¶i ®Ó biÕn

dang trë vÒ kh«ng.

- B¶n chÊt biÕn d¹ng ®µn håi trÔ g¾n liÒn víi c¸c qu¸ tr×nh vi m«

kh¸c nhau nh sù khuÕch t¸n c¸c khuyÕt tËt ®iÓm, sù dao ®éng cña

c¸c ®o¹n lÖch bÞ chèt hai ®Çu, sù ch¶y ë c¸c mÆt ph©n c¸ch (biªn

h¹t, biªn giíi pha), chuyÓn pha … t¹o ra c¸c biÕn d¹ng thuËn

nghÞch.

- Trong kü thuËt, c¸c vËt liÖu cã kh¶ n¨ng t¾t dao ®éng nhê tÝnh ®µn

håi trÔ thêng gÆp ë cao su, gang, mét sè hîp kim s¾t tõ.

5

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2. BIẾN DẠNG DẺO

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

a, Sự trượt của đơn tinh thể

- Trượt là sự chuyển dời tưng đối giữa cá c phần tinh thể theo

những mặt, và phương nhất định giọi là mặt và phương trượt.

6

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2. BIẾN DẠNG DẺO

* Cá c mặt và phương trượt

- Mặt trượt là mặt (mặt tưởng tượng) phâ n cá ch giữa hai mặt

â á

nguyên tử dày đặc nhất mà theo đó sự trượt xảy ra;

- Cá c mặt và phương có mật độ nguyên tử dày đặc nhất là

cá c mặt và phương trượt cơ bản;

7

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

+ Mạng lập phương diện tâ m

- Mặt dày đặc nhất là mặt tạo bởi 3 đường ché o của 3 mặt bên.

Gồm có 4 mặt, mỗi mặt có 3 phương dày đặc nhất, nên cá c

trượt cơ bản là: 4 x 3 = 12 hệ trượt cơ bản.

[101]

8

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

+ Mạng lục giá c xếp chặt

- Mặt dày đặc nhất là mặt đáy

Mặt này có 3 phương dày đặc nhất nên cá c trượt cơ bản là:

1 x 3 = 3 hệ trượt chí nh khá c nhau.

9

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

+ Kết luận

- Khả năng biến dang dẻo của kim loại tỉ lệ với số hệ trượt

í

chí nh;

- Mạng tinh thể hệ lập phương dễ biến dạng hơn hệ lục

giá c xếp chặt;

â

- Hệ lập phương diện tâ m dẻo hơn và hệ lập phương thể

tâ m.

Trong thực tế cá c kim loại thuộc hệ lập phương như AL,

Cu, Fe, Ag, Au …. Dễ biến dạng dẻo hơn, cò n cá c kim loại có

mạng lục giá c xếp chặt rất khó biến dạng dẻo như Zn.

10

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

b, Ứng xuất gây ra trượt

Thực nghiệm và lý thuyết dã chứng tỏ rằng chỉ có phần

ứng xuất tiếp của ngoại lực ở trên mặt và phương trượt mới

gâ y ra trượt

F

Phá p

tuyến với

mặt trượt

S₀

F/S₀

Phương

trượt

σ = F/S

S =

S₀

F

 = cos

cos

S

Mặt trượt

11

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

F

Pháp tuyến

với mặt trượt

 = .cos

S

S₀

S =

cos 

F/S₀

Phương

trượt

σ = F/S

F

τ = .cosθ.cos χ

Mặt trượt

S₀

F

S =

cos

 = cos

F

S

₀=

S₀

τ = σ₀.cosθ.cos χ

12

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể



Mỗi hệ tuy có nhiều mặt trượt, song mặt nào cho  = 45⁰

sẽ trượt trước.

13

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

c, Hình thái trượt

- Cá c mặt dịch chuyển đi tương đối với nhau 1 khoảng nhất

định thì dừng lại?

- Cá c mặt trượt cũng cá ch nhau 1 khoảng nhất định;

- Hệ trượt đầu tiên này gọi là hệ trượt chí nh.

- Những hệ trượt khá c có  > _thcũng trượt và cá c hệ trượt

mới cắt chồng lên cá c hệ trượt cũ. Do đó trở lực tăng lên.

- Ngoài việc tạo ra cá c hệ trượt. Cò n có quá trì nh quay của

mặt trượt, và phương trượt. Mặt trượt có khuynh hướng quay

sao cho đến vị trí ứng suất tiếp lớn nhất (tức thu hẹp gó c ).

14

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

d, Cơ chế trượt

Có 2 cơ chế trượt đó là trượt đồng thời, và nối tiếp

+ Cơ chế đồng thời – Sự trượt cứng

- Khi trượt tất cả cá c nguyên tử ở trên mặt trượt đều dịch

chuyển đồng thời;

- Ứng suất tiếp tá c dụng phải rất lớn để thắng được cùng

1 lúc tất cả cá c liên kết giữa cá c nguyên tử ở 2 bên mặt trượt.

15

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

+ Cơ chế nối tiếp – Sự trượt có lệch

- Lệch luô n là nơi xuất phá t của cá c quá trì nh trượt;

- Trượt tá c động đến cá c nguyên tử ở trên mặt trượt một

cá ch nối tiêp nhau

Chíng

Ng¹i vËt

Nguån

lÖch

`

MÆt trît

16

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

e, Độ bền lý thuyết và độ bền thực tế

+ Độ bền lý thuyết được phản á nh bằng cơ chế trượt cứng,

nghĩa là trong mạng tinh thể hoàn chỉnh khô ng có lệch

- Ứng suất trượt tới hạn trong trường hợp này là:

G

_t.h=

2

G - mô đun trượt

17

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

+ Độ bền thực tế được phản á nh bằng cơ chế trượt có lệch:

G

_t.h=

8.10³8.10⁴

 Giữa độ bền lý thuyết và độ bền thực tế 100  1000 lần

18

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

4.2.1. Biến dạng dẻo đơn tinh thể

Kết luận:

- Trong thực tế độ bền của kim loại rất thấp, nguyên nhâ n

là do trong mạng tinh thể luô n có lệch;

- Nếu trong mạng tinh thể khô ng có hoặc chứa rất í t thì sẽ

được độ bền lý thuyết rất cao.

19

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

2.2. BIẾN DẠNG DẺO

2.2.2. Biến dạng dẻo đa tinh thể

a, Đặc điểm

+ Cá c hạt trong đa tinh thể bị biến dạng khô ng đều.

Vì cá c hạt có sự định hướng về phương bề mặt khá c nhau

nên chúng sẽ bị trượt khá c nhau.

+ Có tí nh đẳng hướng.

Do phương và mặt của cá c hạt định hướng ngẫu nhiên nên kết

quả tổng hợp theo mọi phương của cá c hạt là giống nhau.

+ Độ bề cao hơn đơn tinh thể.

Cá c vùng biên giới hạt bị xô lệch nên rất khó tạo nên mặt và

phương trượt do đó chung có tá c dụng cản trượt .

+ Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao.

Hạt nhỏ thì tổng biên giới hạt lớn nên cản trở mạnh sự trượt.

20

Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB& DCCN

Bài giảng Cơ sở vật liệu học - Chương 2: Biến dạng và cơ tính - Nguyễn Quốc Tuấn