CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ BIẾN DẠNG
1.3. Tính dẻo và trạng thái siêu dẻo của vật liệu
1.3.1. Tính dẻo của vật liệu
Tính dẻo của vật liệu là khả năng chịu tác dụng của ngoại lực để biến dạng dẻo mà không bị phá hủy.
Tính dẻo không đồng nghĩa với độ dẻo. Độ dẻo của vật liệu là mức độ biến dạng dẻo dưới tác dụng của ngoại lực trong điều kiện nhiệt độ, tốc độ biến dạng và trạng thái ứng suất nhất định mà không được phá hủy. Độ dẻo được đo bằng các chỉ số dẻo như độ dãn dài tỉ đối, độ co thắt tỉ đối, độ dai va đập…. Tính dẻo của vật liệu khác tính mềm dẻo của vật liệu. Tính mềm dẻo là tính chống lại biến dạng của kim loại. Ví dụ, chì là kim loại có tính dẻo tốt và tính mềm dẻo tốt. Trong thực tế, rất ít kim loại có đồng thời 2 thuộc tính đều tốt như vậy. Thép không gỉ ôstenit ở trạng thái nguội có thể chịu được biến dạng lớn không bị phá hủy, có nghĩa trong điều kiện đó kim loại có tính dẻo tốt, nhưng thép đó lại có tính mềm dẻo kém.
Tính dẻo của vật liệu là hàm số của các thuộc tính của vật liệu: thành phần, tổ chức hợp kim, cấu trúc tinh thể, đồng thời còn là hàm của trạng thái biến dạng vật liệu: trạng thái ứng cơ học, sự đồng đều của trạng thái ứng suất và biến dạng; nhiệt độ và sự đồng đều nhiệt độ; tốc độ biến dạng. Cao su, nhựa đường có tính dẻo kém nhưng có độ dẻo cao, thép không gỉ có tính dẻo tốt ở nhiệt độ thấp, chịu lực lớn để biến dạng dẻo nhưng không bị phá hủy, độ dẻo thấp. Thạch anh dưới áp suất thủy tĩnh không bị phá vỡ, chịu áp lực rất lớn và độ dẻo rất nhỏ. Kim loại có tính dẻo ở nhiệt độ cao, thép có tính dẻo cao khi tổ chức nằm ở vùng tổ chức ôstenit, có tính dẻo kém khi ở vùng tổ chức 2 pha, hoặc quá nhiệt. Chì có tính dẻo tốt, độ dẻo cao ở nhiệt độ thường,
nhưng dưới áp lực thủy tĩnh chì không biến dạng, nếu ứng suất bằng giới hạn bền, chì bị vỡ vụn.
1.3.2. Trạng thái siêu dẻo của vật liệu
Hiện tượng siêu dẻo được đặc trưng bằng sự tăng vọt độ dãn dài khi thí nghiệm kéo, trong khi đó trở lực biến dạng giảm rõ rệt so với điều kiện biến dạng thường. Khi biến dạng siêu dẻo, đặc điểm biến dạng kéo là tăng nhanh biến dạng ở giai đoạn biến dạng đều (chưa hình thành cổ thắt). Hiện tượng siêu dẻo thường gặp ở các hợp kim cùng tinh. Một số hợp kim có chuyển biến thù hình như thép, chuyển biến Peclit thành Ôstenit, cũng quan sát thấy hiện tượng siêu dẻo.
Hiệu ứng siêu dẻo xảy ra trong điều kiện cơ nhiệt nhất định, phụ thuộc tổ chức kim loại (kích thước hạt tinh thể), nhiệt độ và tốc độ biến dạng.
Để có hiệu ứng siêu dẻo, hạt tinh thể phải đồng đều, kích thước hạt khoảng 1 2 m . Tùy theo các vật liệu khác nhau, có thể nhận được các hiệu ứng siêu dẻo khác nhau, độ biến dạng dài có hợp kim đạt 1000%.
Nhiều nghiên cứu chỉ rõ hiệu ứng siêu dẻo xảy ra gần giữa các pha và phân giới hạt, biến dạng dẻo chủ yếu là biến dạng giữa các hạt tinh thể và do sự bò của các lỗ trống và lệch. Đối với cơ chế biến dạng dẻo của biến dạng dão, cần tăng thế năng của đa tinh thể do năng lượng ở phân giới hạt và năng lượng khuyết tật mạng. Khi biến dạng dẻo nguội, có thể phá vỡ làm hạt nhỏ, khi lượng biến dạng trên 50%. Đồng thời có biến dạng phân giới hạt, hạt bị kéo dài, lệch mạng có mật độ lớn tại phân giới hạt, đồng thời hình thành các siêu hạt, các bloc…. Việc tăng thế năng giữa các hạt và giảm kích thước hạt với việc tăng khả năng chuyển động nhiệt của các nguyên tử, làm cho biến dạng phân giới hạt dễ dàng. Mặt khác, do biến dạng dẻo nguội, làm tăng hoạt tính của hạt, nên cũng làm tăng quá trình khuyếch tán. Đối với vật liệu gồm nhiều pha, tăng tính linh hoạt của phân giới hạt, làm giảm nhẹ quá trình biến dạng dẻo phân giới hạt, khi tăng nhiệt độ.
Yếu tố nhiệt độ cũng là yếu tố quan trọng gây hiệu ứng siêu dẻo, khi nhiệt độ gần nhiệt độ chuyển biến pha. Để bảo đảm giữ được kích thước hạt nhỏ, khi nung vật liệu đến nhiệt độ siêu dẻo, cần phải nung nhanh, thường tốc độ trên 200 300 C s . Khi đó, kết tinh lại chưa kịp xảy ra, kích thước hạt có 0 thể vẫn giữ nguyên như trước khi nung.
Tốc độ biến dạng cũng là yếu tố gây hiệu ứng siêu dẻo. Tốc độ biến dạng tối ưu để tạo siêu dẻo là tại điểm tốc độ quá trình biến cứng bằng tốc độ khử biến cứng. Khi tốc độ biến dạng lớn, độ biến dạng giới hạn giảm do quá trình hóa bền vật liệu.
Khi tốc độ biến dạng nhỏ, làm sự tăng thế năng của cấu trúc kim loại ít,
có thể lúc đó quá trình kết tinh lại tăng, và vì vậy độ biến dạng giới hạn giảm.
Trạng thái siêu dẻo tạo ra tích tụ phát triển biến dạng vùng hình thành cổ thắt, từ đó làm tăng nhanh trở lực biến dạng khi tăng tốc độ biến dạng. Biết rằng cường độ hóa bền giảm khi tăng biến dạng, nên gây ra hạn chế giá trị biến dạng đều trong điều kiện thí nghiệm kéo thông thường. Trong điều kiện siêu dẻo, quan hệ ứng suất chảy với tốc độ biến dạng hầu như không phụ thuộc vào giá trị biến dạng, nên độ biến dạng đều tăng nhanh. Ta cũng thấy khi biến dạng siêu dẻo, trở lực biến dạng nhỏ hơn 2 3 lần so với điều kiện biến dạng bình thường.
Vậy ta có thể tạo ra hiệu ứng siêu dẻo để gia công các vật liệu thành mỏng, ống, vật liệu khó biến dạng với trạng thái ứng suất thủy tĩnh.
Tóm lại, qua một loạt các phương pháp thống kê nghiên cứu về biến dạng dẻo của vật liệu dẫn đã trình bày ở trên ta thấy nổi lên một vấn đề là trong tất cả các phương pháp nghiên cứu, các phương trình xây dựng nên đều chứa các thông số mà việc xác định chúng phải nhờ vào thực nghiệm, hoặc là một hàm phức tạp của rất nhiều biến số trung gian. Trong nhiều bài toán, việc
giải các phương trình này gặp không ít khó khăn, đặc biệt có những phương trình chỉ giải được trên máy tính điện tử…
Tất cả những điều đó đòi hỏi phải có một phương pháp nghiên cứu nào đó về biến dạng dẻo của vật liệu dẫn, tránh được các hạn chế trên mà vẫn cho các kết quả giải tích và phù hợp tốt với thực nghiệm. Đáp ứng yêu cầu đó trong chương 2, chương 3 tôi đã trình bày một số kết quả thu được khi nghiên cứu biến dạng dẻo của kim loại và hợp kim bằng phương pháp mômen.