49 Chương 2

biến dạng dẻo và cơ tí nh

Trong chương nà y trì nh bà y cá c hà nh vi của vậ t liệ u (chủ yế u là kim
loại) dưới tá c dụng của lực cơ học bên ngoà i, tức là quá trì nh biế n dạng dẻ o và
cá c đặc trưng của nó. Nhờ những hiể u biế t cơ bả n nà y có thể rút ra những
nguyên lý là m cho vậ t liệ u trở nên bền hơn, có cơ tí nh phù hợp với điều kiệ n
là m việ c và gia công.
Đối với vậ t liệ u, đặc biệ t là kim loại, cá c bá n thà nh phẩm đ ược cung
cấ p dưới dạng dâ y, thanh, hì nh, ống, tấ m, lá , bă ng... nhờ biế n dạng dẻ o (cá n)
nên rấ t tiệ n cho sử dụng. ở cá c nhà má y cơ khí chúng thường đ ược qua rè n
để tạo phôi (có dạng gầ n giống với sả n phẩ m) trước khi cắt gọt. Việ c khả o sá t
biế n dạng dẻ o không những giúp hiể u biế t chí nh quá trì nh đó mà điều quan
trọng nữa là còn là m rõ đ ược bả n chấ t của cá c đặc trưng cơ tí nh cùng cá c
biệ n phá p nâ ng cao, sự biế n đổi cơ tí nh kè m theo cũng như cá ch khắc phục
những hiệ u ứng không thuậ n.
2.1.

Biế n dạng dẻ o và phá hủy
2.1.1.

Khái niệm Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫ u kim loại tròn, dà i ta được biểu đồ
kéo [hay còn gọi là biể u đồ tả i trọng (hay ứng suấ t) - biế n dạng] với dạng điể n
hì nh đ ược trì nh bà y ở hì nh 2.1. Biể u đồ nà y cho ta một khá i niệ m chung về

mà biế n dạng vẫ n tă ng (cổ thắt hẹp lại) dẫ n đế n đứt và phá hủy ở điể m c.
Sự biế n đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thá i trên trì nh bà y ở hì nh 2.2.
Hì nh 2.2. Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lượt tăng tải trọng:
ban đầu (a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo (c), phá hủy (d).

Khi biế n dạng đà n hồi cá c nguyên tử chỉ dịch chuyể n đi khoả ng cá ch
nhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tă ng từ a lên a+

a, tức
chưa sang vị trí câ n bằ ng mới nên khi bỏ tả i trọng lại trở về vị trí câ n bằ ng cũ.
Biế n dạng đà n hồi xả y ra do cả ứng suấ t tiế p lẫ n ứng suấ t phá p. Khi biế n dạng
dẻ o cá c nguyên tử dịch chuyể n đi khoả ng cá ch lớn hơn (quá một thông số
mạng) nên khi bỏ tả i trọng nó trở về vị trí câ n bằ ng mới. Cầ n nhớ là biế n dạng
dẻ o chỉ xảy ra do ứng suất tiế p. Khi biế n dạng đà n hồi và dẻ o lực liên kế t giữa
cá c nguyên tử vẫ n đ ược bả o tồn, còn khi phá hủy cá c liên kế t bị hủy hoại dẫ n
đến đứt rời.
Biế n dạng dẻ o thường xả y ra bằ ng cá ch trượt (đôi khi xả y ra bằ ng song
tinh), ở đâ y chỉ giới hạn khả o sá t biế n dạng dẻ o dưới hì nh thức nà y.
Để khả o sá t biế n dạng dẻ o chúng ta sẽ bắt đầ u từ dạng đơn giả n nhấ t
(tuy hầ u như không gặp trong thực tế ) là trượt của đơn tinh thể rồi mở rộng ra
cho dạng thực tế nhưng phức tạp hơn là cho đa tinh thể .
2.1.2.

Trượt đơn tinh thể

Trượt là sự chuyể n dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những
mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt như được biểu diễn ở
hì nh 2.3.
a. Các mặt và phương trượt


như vậ y. Trên mỗi mặt lại có hai phương dà y đặc nhấ t thuộc họ <111> là cá c
phương đối đỉnh của khối lậ p phương. Sự trượt bao giờ cũng xả y ra bằ ng sự kế t
hợp giữa một mặt trượt và một phương trượt trên nó, đ ược gọi là hệ trượt.
Như vậ y mạng A2 có 12 (6 mặt x 2 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau.
ở mạng lậ p phương tâ m mặt (A1) cá c mặt dà y đặc nhấ t là họ mặt
{111} là mặt chéo tạo bởi ba đ ường chéo của ba mặt bên có chung một đỉnh. Tấ t
cả có bốn mặt như vậ y. Trên mỗi mặt có ba phương dà y đặc nhấ t là đ ường
chéo thuộc họ <110> kể trên. Như vậ y mạng A1 cũng có 12 (4 mặt x 3 phương)
hệ trượt chí nh khá c nhau.
Còn mạng lục giá c xế p chặt chỉ có một mặt dà y đặc nhấ t là mặt đá y
(0001) và trên đó có ba phương dà y đặc nhấ t thuộc họ <11
2 0>. Như vậ y mạng
52
A3 chỉ có 3 (3 mặt x 1 phương) hệ trượt chí nh khá c nhau.
Tuy nhiên ngoà i cá c mặt, phương trượt chí nh kể trên, trong thực tế tinh
thể còn có khả nă ng bị trượt theo cá c mặt, phương dà y đặc khá c tuy không
phả i là dà y đặc nhấ t. Đối với mạng A2 và A3, ngoà i cá c mặt và phương trượt
chí nh kể trên kim loại còn có thể trượt trên cá c hệ phụ. Ví dụ, Fe

(A2) còn
có thể trượt trên cá c hệ : mặt {211} hay {321} với cùng phương <111>; Mg, Ti
(A3): {10
10} hay {11 2 0} với cùng <11 2 0>.
Người ta nhậ n thấ y khả nă ng biế n dạng dẻ o của kim loại tỷ lệ thuậ n với
số hệ trượt chí nh. Do kim loại có số hệ trượt cà ng cao thì khả nă ng thí ch ứng
với sự trượt cà ng lớn nên kim loại với mạng hệ lậ p phương dễ biế n dạng dẻ o
hơn hệ lục giá c. Thực tế đ chứng tỏ điều nà y: sắt, nhôm, bạc, và ng, đồng...
rấ t dẻ o và dễ dá t mỏng, còn kẽ m thì kém hơn. Song cùng là hệ lậ p phương,
kim loại nà o có số phương trượt cao hơ n sẽ có tí nh dẻ o cao hơn, tức loại tâ m
mặt dẻ o hơn loại tâ m khối, như ở nhiệ t độ thường đồng, nhôm... dẻ o hơn sắt.

=
0
cos cos Hì nh 2.5. Trượt trong đơn tinh thể:
a. định hướng của hệ trượt với ngoại lực,
b. tinh thể sau khi trượt với bậc thang biến dạng dư (dẻo),
c. đường trượt và dải trượt trên tổ chức tế vi

Đó l à định luật Schmid. Khi có độ lớn vượt quá một giá trị tới hạn
nhấ t định
th
(xá c định đối với từng kim loại) quá trì nh trượt mới xả y ra. Như
vậ y ứng suấ t gâ y ra trượt phụ thuộc và o cos cos được gọi là thừa số
Schmid. Nói chung ( + ) 90
o
, trường hợp = 90
o
hay = 90
o
tức ngoại lực
53
song với mặt trượt hay vuông góc với phương trượt thì = 0 lúc nà y tinh thể bị
phá hủy mà không xả y ra biế n dạng dẻ o. ứng suấ t tiế p đạt cực đại
max
= 0,5ơ
0

khi = = 45

biế n dạng dẻ o với ứng suấ t bé tức có độ bền thấ p. Điều nà y có liên quan đế n
mạng tinh thể cũng như độ hoà n thiệ n của nó.
Khi mạng tinh thể có sắp xế p lý tưởng (không có lệ ch), khi trượt tất cả
nguyên tử ở hai bên mặt trượt bắt buộc phả i dịch chuyể n đồng thời do đó đòi
hỏi ứng suấ t tiế p rấ t lớn (theo tí nh toá n
t.h


2
G
, trong đó G là môđun trượt).
Với mô hì nh như vậ y sự trượt là trượt cứng,
t.h
tương ứng đ ược gọi là độ bền
lý thuyế t. Trong mạng tinh thể thực tế , tức có chứa lệ ch, sự trượt sẽ xảy ra với
ứng suấ t nhỏ hơn rấ t nhiều lầ n và sự trượt sẽ xả y ra khá c bằ ng chuyể n động
của lệ ch. Khi có lệ ch biên (hì nh 2.6) cá c nguyên tử ở hai bên bá n mặt bị xô
lệ ch đà n hồi đối xứng, ứng suấ t hai bên câ n bằ ng lẫ n nhau nên bá n mặt nà y rấ t
dễ dịch chuyể n đi một khoả ng cá ch nhỏ khi có lực bên ngoà i tá c dụng. Giả sử
có ứng suấ t có tá c dụng như ở hì nh vẽ , bá n mặt sẽ dịch chuyể n đi một
khoả ng cá ch nhỏ sang phả i và do đó liên kế t đ ược với nửa hà ng dọc nguyên tử
ở phí a dưới thà nh mặt tinh thể mới, bá n mặt dịch chuyể n dầ n qua phả i. Quá
trì nh dịch chuyể n nguyên tử khi trượt cứ xả y ra như vậ y cho đế n khi bá n mặt
đ ược thoá t ra khỏi bề mặt tinh thể , tạo ra ở đó bậ c thang nguyên tử. Như vậ y ở
từng thời điể m chỉ có một số nguyên tử hạn chế tham gia trượt, sự truyền
chuyể n động giống như chạy tiế p sức, do đó chỉ đòi hỏi ứng suấ t
tiế p nhỏ, theo tí nh toá n
t.h

43

phương khá c nhau, nên chúng sẽ bị trượt khá c nhau: hạt nà o có định hướng
thuậ n lợi với sự trượt sẽ trượt trước với ứng suấ t bé, ngược lại hạt nà o có định
hướng không thuậ n lợi sẽ trượt sau với ứng suấ t lớn hơn, thậ m chí có hạt
không thể trượt được.
2) Có tí nh đẳng hướng. Do sự định hướng phương và mặt của cá c hạt
mang tí nh ngẫ u nhiên cho nên dù lực bên ngoà i tá c dụng như thế nà o cũng cho
một kế t quả chung như nhau, tức có tí nh đẳng hướng (tuy từng hạt vẫ n có tí nh
dị hướng nhưng tổng hợp lại không còn). Tí nh chấ t nhậ n đ ược là kế t quả thử
tổng hợp theo mọi phương của cá c hạt.
3) Có độ bền cao hơn. Cá c hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua
vùng biên. Trong thực tế sự trượt của hạt nà y đều kéo theo cá c hạt bên cạnh, rồi
chí nh nó lại bị cá c hạt nà y cả n trở. Vùng biên hạt có sắp xế p không trậ t tự rấ t
khó tạo nên mặt và phương trượt nên có thể coi nó như lớp vỏ cứng cả n trượt.
Chí nh do có nhiều cả n trở như vậ y, để trượt được nói chung phả i tá c dụng lực
cao hơn, nói khá c đi có độ bền cao hơn độ bền trung bì nh (theo cá c phương)
của đơn tinh thể .
4) Hạt càng nhỏ đ ộ bền và độ dẻ o càng cao
. Do hạt nhỏ có tổng diệ n
tí ch biên hạt lớn hơn, sẽ cả n trượt mạnh hơn nên là m tă ng độ bền. Mối quan hệ
giữa giới hạn chả y
ch
(hay
0,2
) và kí ch thước (đ ường kí nh) hạt d đ ược mô tả
55
bằ ng biể u thức Hall - Petch như sau:


1) Trong và sau khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô
lệ ch, cá c hạt bị biế n dạng không đều, song đều có khuynh hướng bị kéo dà i, bẹt
ra theo phương biế n dạng. Với độ biế n dạng lớn (40 ữ 50%) hạt bị phâ n nhỏ ra,
cá c tạp chấ t và pha thứ hai bị nhỏ vụn ra, kéo dà i ra tạo nên thớ (độ biế n dạng
thường đ ược tí nh bằ ng độ giả m của tiế t diệ n phôi khi biế n dạng dẻ o theo
công thức =
%100
S
SS
o
fo

, trong đó S
o
và S
f
là tiế t diệ n phôi trước và
sau khi biế n dạng dẻ o). Khi độ biế n dạng rấ t lớn (70 ữ 90%, í t gặp) cá c hạt bị
quay đế n mức cá c mặt và phương mạng cùng chỉ số của chúng trở nên song
song với nhau (hì nh 2.7), tạo nên cấ u trúc đ ược gọi là textua (texture) đ dược
trì nh bà y ở mục 1.6.3 và hì nh 1.20.
Khi kim loại có textua nó sẽ có tí nh dị hướng. Hiệ n tượng nà y đ ược áp
dụng khá rộng r i cho thép kỹ thuậ t điệ n để là m giả m tổn thấ t từ trong cá c
biến thế.
Textua tạo nên trong trường hợp nà y đ ược gọi là textua biế n dạng. Ví
dụ khi cá n:
- cá c mặt {123} và {110} của A1, {100} hoặc {110} của A2, {0001} của
A3 định hướng lại song song với mặt phẳng cá n;
- cá c phương < 412 > và < 211 > của A1, < 100 > của A2, < 10
10 > của

và
0,2
đạt gầ n tới
b
, song lúc đó độ dẻ o ()
hầ u như bằ ng không. Nói chung biế n dạng dẻ o có thể là m tă ng giới hạn bền,
độ cứng từ 1,5 đế n 3 lầ n, giới hạn chả y từ 3 đế n 7 lầ n. Cá c vậ t liệ u với mạng
A1 (thép austenit, nhôm, đồng và cá c hợp kim của chúng) có hiệ u ứng hóa bền
biế n dạng mạnh hơn hơn cả nên thường đ ược á p dụng nhiều hơn, có hiệ u quả
hơn loại mạng A2 (cá c thép khá c...). Tuy nhiên là m giả m mạnh độ dẻ o và độ
dai là điều phả i tí nh tới khi á p dụng dạng hóa bền nà y. Trong nhiều trường hợp
sau khi biế n dạng dẻ o, kim loại trở nên hoặc là quá cứng khó cắt gọt hay biế n
dạng dẻ o tiế p theo, hoặc là quá giòn dễ bị gẫ y ngay cả dưới tả i trọng va đậ p
nhỏ, lúc đó cầ n phả i đ ưa kim loại về trạng thá i ban đầ u như lúc chưa biế n dạng
bằ ng cá ch ủ kế t tinh lại (xem mục 2.3.2 tiế p theo).

Hì nh 2.8. ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tí nh
của kim loại nói chung (a) và đồng nói riêng (b).
57
Ngoà i là m thay đổi cơ tí nh, biế n dạng dẻ o cũng là m thay đổi lý, hóa
tí nh trong đó đá ng chú ý là :
- là m tă ng điệ n trở (do vậ y đối với vậ t liệ u dẫ n điệ n như dâ y đồng,
nhôm phả i trá nh dùng ở trạng thá i biế n cứng),
- là m giả m mạnh tí nh chống ă n mòn.
2.1.4.

Phá hủy
Thông thường, khi tiế p tục tă ng ứng suấ t lên cao nữa vậ t liệ u bị phá hủy
do g y, vỡ hoặc đứt. Phá hủy là dạng hư hỏng trầ m trọng nhấ t, không thể khôi
phục sửa chữa đ ược, gâ y tổn thấ t nghiêm trọng về kinh tế và những hậ u quả về

(phụ lục: hì nh ả nh co thắt khi phá huỷ)
Tùy theo vùng gẫ y có tiế t diệ n biế n đổi hay không mà phâ n biệ t hai
dạng nà y. Phá hủy kè m theo biế n dạng dẻ o với mức độ rõ rệ t tức là vùng gẫ y
vỡ có tiế t diệ n biế n đổi được gọi là phá hủy dẻ o; ngược lại khi kè m theo biế n
dạng dẻ o không rõ rệ t tức vùng gẫ y vỡ có tiế t diệ n hầ u như không biế n đổi
đ ược gọi là phá hủy giòn. Có thể phâ n biệ t dễ dà ng hai dạng nà y khi
thử kéo ở chỗ bị đứt (hì nh 2.9). Dạng đứt như ở hì nh 2.9a là phá hủy dẻ o ở
cá c vậ t liệ u có độ dẻ o rấ t cao nên chỗ đứt bị co thắt rấ t mạnh chỉ còn là một
điể m, khi dẻ o cao trước khi đứt bị biế n dạng đá ng kể thà nh hì nh côn về hai
phí a như hai đá y cốc rá p lại như ở hì nh 2.9b, ở một số loại còn thấ y có dạng
chén - đĩ a (chén đặt trên đĩ a) như hì nh 2.9c là loại có độ dẻ o thấ p, trong khi
đó loại vậ t liệ u giòn có mặt g y bằ ng phẳng, ngang mà trên bề mặt hầ u như
không thấ y có thay hì nh đổi dạng như hì nh 2.9d. Rõ rà ng là phá hủy giòn là
loại không dự bá o (không thể biế t trước từ cá c biể u hiệ n bên ngoà i) nên rấ t
58
nguy hiể m, do vậ y nế u phả i xả y ra thì bao giờ người ta cũng mong muốn phá
hủy là dẻ o, có thể biế t trước để thay thế hay sửa chữa.

Hì nh 2.10. ảnh hưởng của nhiệt độ (a) và tốc độ biến dạng
!
(b) đến
phá hủy giòn và dẻo. (
!
1
<
!
2
<
!
3

0,2
tạo ra biế n
dạng dẻ o. Trong thực tế luôn luôn mong mỏi vậ t liệ u có nhiệ t độ biế n giòn
cà ng thấ p cà ng tốt, vậ t liệ u đ ược coi là giòn là loại có nhiệ t độ biế n giòn ở
khoả ng nhiệ t độ thường, vậ t liệ u đ ược coi là dẻ o là loại có nhiệ t độ biế n giòn
ở nhiệ t độ â m sâ u. Nế u như vậ y thì khá i niệ m giòn - dẻ o chỉ là quy ước. Khi
tă ng tốc độ biế n dạng hay đặt tả i trọng, vậ t liệ u có khuynh hướng trở nên giòn
tức là m nhiệ t độ biế n giòn tă ng lên (hì nh 2.10b). Như vậ y ngay cả vậ t liệ u
dẻ o vẫ n có thể bị phá hủy giòn nế u là m việ c ở nhiệ t độ thấ p (thông thường
má y móc, kế t cấ u ở xứ lạnh dễ có nguy cơ phá hủy giòn hơn ở xứ nóng) và
chịu tả i trọng thay đổi đột ngột.
Ngoà i ra cá c yế u tố tậ p trung ứng suấ t như vế t khí a, nứt, tiế t diệ n thay
đổi đột ngột là m ứng suấ t cục bộ tă ng vọt và
bgiả m mạnh, là m vậ t liệ u có
xu hướng phá hủy giòn. Cơ chế phá hủy

Người ta cho rằ ng sự phá hủy cũng theo cơ chế tạo mầ m nứt và mầ m nứt
phá t triể n dẫ n đế n tá ch rời, tuầ n tự theo nă m giai đoạn sau:
1) hì nh thành vế t nứt (tế vi),
2) vế t nứt tế vi phát triể n đế n kí ch thước dưới tới hạn,
59
3) vế t nứt tế vi phá t triể n đạt đế n kí ch thước tới hạn,
4) vế t nứt tới hạn phát triể n nhanh,
5) nứt chấ m dứt và g y rời,


m

=
t
0
a
2

+ (2.1)
trong đó:
0
- ứng suấ t kéo danh nghĩ a (bằ ng tả i trọng chia cho diệ n tí ch mặt
cắt ngang mẫ u),
a - một nửa chiều dà i vế t nứt,

t
- bá n kí nh cong của đỉnh vế t nứt.
Như vậ y vế t nứt, rỗ cà ng dà i và cà ng nhọn thì (a/
t
)
1/2
cà ng lớn, sự tậ p
trung ứng suấ t cà ng mạnh. K
t
=
m
/
0
đ ược gọi là hệ số tậ p trung ứng suấ t.

a - một nửa của chiều dà i của vế t nứt bên trong.
Trong biể u thức nà y tuy không có
t
như ở (2.1) song có ngụ ý rằ ng bá n
kí nh cong ở đâ y là đủ bé (đỉnh nứt đủ nhọn) để ứng suấ t cục bộ tă ng cao quá
độ bền liên kế t của vậ t liệ u.
Đối với vậ t liệ u dẻ o (phầ n lớn kim loại và vậ t liệ u polyme) đều có biế n
dạng dẻ o trước khi phá hủy, điều đó là m cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi,
bá n kí nh cong tă ng lên, nhờ đó là m tă ng
c
. Về mặt toá n học, trong biể u thức
(2.2) có thể thay
S
bằ ng
s
+
p
, trong đó
p
biể u thị nă ng lượng biế n dạng dẻ o
đi kè m với phá t triể n vế t nứt. Với vậ t liệ u dẻ o cao
p
>>
S
.

Trích đoạn bề n Biến dạng nóng

---