HN DN: STGT công nghệ rèn 1.

1

Chương 1
Nguyên lý
Gia công kim loại bằng áp lực
2
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
?1 - Khái niệm về biến dạng dẻo kim loại
I - Lực trong gia công kim loại bằng áp lực
1 - Ngoại lực: Gồm các thành phần chính sau đây:
1.1 - Lực tác dụng chính
Là lực sinh ra do tác dụng của thiết bị (thông qua đầu búa , khuôn rèn ...) làm cho kim loại biến dạng. Khi xem xét tác dụng của lực tác dụng chính người ta quan tâm không chỉ phương, chiều, cường độ của lực tác dụng mà còn phải chú ý đến cả điểm đặt lực tác dụng, vì cùng cường độ và phương chiều, nhưng điểm tác dụng của lực khác nhau sẽ tạo ra quá trình biến dạng khác nhau đối với vật biến dạng.
3
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1.2 - Phản lực
Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố định của thiết bị và luôn thẳng góc với mặt tựa có chiều ngược với lực tác dụng chính. Khi tính phản lực cần chú ý đến lực ma sát sinh ra giữa dụng cụ gia công và kim loại biến dạng, chiều của lực ma sát ngược với hướng di động của kim loại, cản trở quá trình biến dạng và có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng.
4
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1.2 - Phản lực
Phản lực thường sinh ra trên bộ phận cố định của thiết bị và luôn thẳng góc với mặt tựa có chiều ngược với lực tác dụng chính. Khi tính phản lực cần chú ý đến lực ma sát sinh ra giữa dụng cụ gia công và kim loại biến dạng, chiều của lực ma sát ngược với hướng di động của kim loại, cản trở quá trình biến dạng và có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng.
5
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
6
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1.3 - Lực quán tính
Khi biến dạng các phần tử của vật thể biến dạng không đều nhau nên tốc độ chuyển động của chúng cũng không đều nhau và sinh ra lực quán tính. Vì việc xác định lực quán tính là công việc phức tạp hiện chưa được nghiên cứu đầy đủ đối với từng trường hợp cụ thể nên khi tính toán chỉ cần đưa vào hệ số điều chỉnh bằng thực nghiệm để xét đến ảnh hưởng của lực này.
7
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2- Nội lực
Nội lực là lực sinh ra bên trong vật thể trong khi gia công và có thể tồn tại trong vật thể sau khi gia công, nội lực này tạo trong vật thể ứng suất bên trong. Nếu ứng suất này vượt quá giới hạn bền của vật liệu sẽ gây nên nứt nẻ. Nếu ứng suất trong tồn tại trong vật thể sau khi gia công dưới dạng ứng suất dư thì ứng suất trong kim loại (bao gồm cả ứng suất sinh ra do tác dụng của ngoại lực khi vật thể làm việc và ứng suất dư) sẽ chóng đạt đến giới hạn bền.
8
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
II - Biến dạng dẻo kim loại
1 - Đặc tính vật lý của biến dạng dẻo
Khi chịu tác dụng của ngoại lực, kim loại sẽ biến dạng theo 3 giai đoạn: biến dạng đàn hồi (khi thôi tác dụng lực, kim loại sẽ trở về vị trí ban đầu), biến dạng dẻo (khi thôi tác dụng lực, biến dạng vẫn tồn tại, vật thể có hình dáng khác hình dáng ban đầu). Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất sinh ra do ngoại lực vượt quá giới hạn đàn hồi. Giai đoạn cuối của biến dạng là sự phá huỷ kim loại, khi ngoại lực vượt quá giới hạn bền.
9
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1.1- Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể
1.1.1- Sự trượt
Khi tác dụng lực vào kim loại, trong mỗi đơn tinh thể xuất hiện 2 dạng ứng suất: ứng suất pháp và ứng suất tiếp. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp ? một bộ phận của đơn tinh có sự di trượt tương đối so với bộ phận còn lại theo một bề mặt tinh thể nhất định trên một hướng nhất định với khoảng cách là một bội số nguyên của thông số mạng. ứng suất tiếp để đạt tới sự trượt gọi là ứng suất tiếp tới hạn ?th , còn mặt tinh thể theo đó xảy ra sự trượt gọi là mặt trượt
10
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
11
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
12
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Trong quá trình trượt trên mặt trượt mạng tinh thể bị xê dịch, vặn vẹo và các nguyên tử trở về vị trí cân bằng bền, sự trượt sẽ chuyển qua các mặt trượt khác. Như vậy mạng tinh thể của kim loại nào càng có nhiều mặt trượt thì kim loại đó càng dẻo.
13
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Cơ cấu của qúa trình trượt theo cách giải thích mới có thể tóm tắt như sau:
Theo thuyết lệch kim loại khi kết tinh không sắp xếp theo quy luật một cách lý tưởng mà bao giờ cũng tồn tại những chỗ bị xô lệch, tại những chỗ lệch này nguyên tử ở trạng thái cân bằng không bền mà dễ chuyển động và có xu hướng trở về vị trí cân bằng. Vì thế khi có lực tác dụng thì sự di động xảy ra tại các điểm lệch của mạng tinh thể. Nếu ứng suất tiếp tác động liên tục và có trị số đủ lớn thì các điểm lệch và vùng lệch lân cận sẽ chuyển dịch dần về một phía và cuối cùng đạt đến sự xê dịch bằng một khoảng cách là bội số của thông số mạng. Như vậy quá trình trượt được thực hiện đầu tiên là các chỗ lệch di chuyển đến vị trí mới và điểm lệch bị mất đi, nhưng đồng thời lại tạo nên chỗ lệch mới. Quá trình cứ như vậy tiếp diễn cho đến khi ngừng tác dụng của lực.
14
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
15
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1.1.2. Song tinh
Dưới tác dụng của ứng suất tiếp ?, trong tinh thể có sự dịch chuyển tương đối của một phần mạng tinh thể đến vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng tinh thể cố định gọi là mặt song tinh. Khi song tinh các nguyên tử trên các mặt tinh thể dịch chuyển đi trên những đoạn không bằng bội số nguyên của thông số mạng, và độ dài đoạn dịch chuyển tỷ lệ thuận với khoảng cách từ mặt phẳng tinh thể đó tới mặt phẳng song tinh
Hiện tượng song tinh xảy ra rất nhanh và càng mạnh khi biến dạng đột ngột với tốc độ biến dạng lớn.
16
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
17
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Quá trình song tinh có các đặc điểm sau:
- Song tinh tạo điều kiện cho mặt trượt ở vào vị trí thuận lợi nhất giúp cho quá trình biến dạng xảy ra dễ dàng.
- Biến dạng dư do song tinh gây ra rất nhỏ, ví dụ trong tinh thể kẽm nếu tổ chức của nó đã hoàn toàn chuyển sang song tinh thì lượng biến dạng dư cũng chỉ khoảng 7%.
- Trong quá trình trượt nếu có xuất hiện song tinh thì ứng suất tiếp tới hạn ?th sẽ giảm xuống, có trường hợp giảm đi 50% như khi biến dạng Mg.
- Song tinh tiến hành tương đối dễ dàng đối với các kim loại có mạng lục giác xếp chặt ở nhiệt độ thường.
18
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1.2. Biến dạng dẻo đa tinh thể
Đa tinh thể là tập hợp của nhiều đơn tinh thể kề sát nhau và có liên kết với nhau chặt chẽ. Vì thế biến dạng dẻo của đa tinh thể bao gồm sự biến dạng trong nội bộ từng đơn tinh thể theo các hình thức trượt, song tinh . và sự biến dạng ở vùng nối tiếp giữa các đơn tinh thể (vùng tinh giới hạt), vùng này mạng tinh thể bị xô lệch mạnh.
19
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Biến dạng đa tinh thể có các đặc điểm:
- Do phương mạng giữa các đơn tinh thể (còn gọi là hạt) lệch nhau, nên dù tải trọng đặt vào phân bố đều và có hướng xác định nhưng tình trạng chịu lực của các hạt rất khác nhau, vì thế sự biến dạng của các hạt không đồng đều.
- Do phương mạng giữa các hạt kim loại trong đa tinh thể định hướng ngẫu nhiên nên khả năng biến dạng của các hạt khác nhau. Các hạt không biến dạng cùng một lúc mà bắt đầu ở những hạt có mặt trượt tạo với hướng lực tác dụng một góc gần 450 nhất,
- Quá trình biến dạng ở giữa các hạt (tinh giới hạt) thực hiện rất khó khăn do mạng tinh thể bị xô lệch nhiều vì thế kim loại có độ hạt nhỏ, tinh giới nhiều sẽ có độ bền lớn hơn kim loại có hạt lớn.
- ở mức độ biến dạng rất lớn có thể xảy ra sự định hướng lại phương mạng của các hạt trùng nhau. Lúc đó các hạt sẽ quay đi, mặt trượt của các hạt sẽ có phương giống nhau hoặc gần giống nhau.
20
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2. Hiện tượng biến cứng
Biến cứng (hay hoá bền) là hiện tượng nâng cao độ bền và độ cứng, giảm độ dẻo của kim loại sau khi biến dạng dẻo, và thường xảy ra ở những điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng nhất định.
Biến cứng kim loại là do các hiện tượng sau đây phát sinh trong quá trình biến dạng dẻo:
21
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
- Các hạt kim loại và tạp chất bị phân chia thành nhiều phần nhỏ, hình dạng của các hạt bị thay đổi (kéo dài, vặn vẹo ...). Tổ chức kim loại gồm những hạt nhỏ có hình dạng như vậy sẽ có độ bền và cứng cao, độ dẻo thấp.
- ở vùng mặt trượt sau biến dạng mạng tinh thể bị xô lệch nhiều và tích trữ thế năng lớn, gây khó khăn cho quá trình trượt` tiếp theo, và nếu sự xô lệch mạng ở vùng mặt trượt quá lớn thì kim loại không có khả năng biến dạng dẻo được nữa.
- Các mảnh vụn kim loại, các bít, nitơrit ... tách ra nằm trên mặt trượt và tinh giới cản trở sự trượt.
- Lệch sinh ra nhiều trong quá trình biến dạng. Nếu mật độ lệch quá lớn các lệch sẽ cắt nhau tạo nên các chốt ngăn cản chuyển động của lệch, làm cho kim loại khó biến dạng.
22
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
- Hiện tượng biến cứng kim loại là có lợi khi cần tăng độ bền, độ cứng, tính chịu mài mòn của vật liệu.
- Trong quá trình biến dạng độ dẻo của kim loại dần dần giảm đi, kim loại có thể bị biến cứng, không có khả năng tạo được các mặt trượt mới nữavà chúng trở nên dòn. Nếu cứ tiếp tục tác dụng lực để cưỡng bức biến dạng thì trong tổ chức kim loại sẽ xuất hiện các vết nứt tế vi, các vết nứt này ngày càng phát triển và có thể làm đứt rời các phần vật thể.
23
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
3. Quá trình biến mềm
- Kim loại bị biến cứng có mạng tinh thể bị xô lệch, tồn tại ứng suất bên trong ... đó là trạng thái không ổn định có thế năng lớn.
- Trong thực tế sản xuất có nhiều trường hợp cần thiết phải khôi phục nhanh các tính chất ban đầu của kim loại đã bị biến cứng để cải thiện tính chất cắt gọt, tính dẻo để rèn dập ...
Quá trình biến mềm thực hiện theo 2 giai đoạn:
24
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
3.1. Giai đoạn phục hồi
Giai đoạn này xảy ra ở nhiệt độ không cao lắm. Lúc này các nguyên tử trở về vị trí cân bằng bền, ứng suất và sự xô lệch đàn hồi của mạng tinh thể trong các hạt bị biến dạng đàn hồi mất đi, một phần mạng tinh thể bị xô lệch trong các bộ biến dạng dẻo được chuyển sang trạng thái trật tự.
Tuy nhiên quá trình hồi phục chỉ làm thay đổi mạng tinh thể của hạt và làm mất các sai lệch trong mạng mà chưa làm thay đổi về tổ chức tế vi, tức là chưa làm thay đổi hình dạng, kích thước và hướng hạt kim loại. Tổ chức kim loại sau khi phục hồi vẫn bao gồm các hạt bị kéo dài theo phương biến dạng. Nhiệt độ phục hồi Tph = (0,25 ? 0,3)Tch
25
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
3.2. Giai đoạn kết tinh lại
Giai đoạn này xảy ra khi nhiệt độ nung nóng của kim loại đạt tới một giá trị nhất định gọi là nhiệt độ kết tinh lại. ở nhiệt độ này động năng của các nguyên tử tăng lên rất lớn, kéo theo sự thay đổi vị trí rất mạnh, tạo khả năng thay đổi hình dạng, kích thước của các hạt kim loại.
Quá trình kết tinh lại bao gồm sự nảy mầm, phát triển mầm để biến tổ chức kim loại từ trạng thái không cân bằng trở về trạng thái cân bằng xảy ra như sau:
Tổ chức kim loại sau khi kết tinh lại gồm các hạt mới khác hẳn hạt cũ, đẳng trục vì có mạng không bị xô lệch.
26
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Kết tinh lại khử được hầu hết ứng suất dư và thay đổi được hình dạng, kích thước hạt (các hạt bị kéo dài trở về gần tròn), tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán làm đồng đều thành phần hoá học thực hiện dễ dàng làm mất khe hở giữa các hạt, nâng cao tính chặt chẽ của tổ chức kim loại.
Khi kết tinh lại cùng với sự xuất hiện những tâm mầm còn có quá trình phát triển của các tâm mầm làm cho các hạt lớn lên bằng cách sát nhập các hạt bé vào các hạt lớn, tụ tập các tinh thể xung quanh mầm kết tinh
27
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Nhiệt độ tại đó bắt đầu xuất hiện những tâm mầm kết tinh lại đầu tiên gọi là nhiệt độ kết tinh lại hay ngưỡng kết tinh lại. Theo A.A.Bôsơva nhiệt độ kết tinh lại được tính:
Tktl = k.Tch
Trong đó: Tktl và Tch là nhiệt độ kết tinh lại và nhiệt độ chảy của kim loại và hợp kim, 0K.
k - Hệ số phụ thuộc vào thành phần và trạng thái cấu tạo của kim loại và hợp kim. Với kim loại nguyên chất kỹ thuật chịu biến dạng lớn k = 0,4 còn với kim loại tinh khiết tuyệt đối k = 0,1 ? 0,2.
28
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Nhiệt độ kết tinh lại phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
- Mức độ biến dạng kim loại càng thấp thì năng lượng dự trữ trong kim loại càng nhỏ, sự xuất hiện và lớn lên của tâm mầm càng khó, nhiệt độ kết tinh lại cần phải cao.
- Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ kết tinh càng dài thì nhiệt độ kết tinh lại không cần phải cao.
- Độ hạt ban đầu càng lớn thì nhiệt độ kết tinh cần phải cao vì kim loại hạt lớn dễ biến dạng, năng lượng dự trữ sau biến dạng nhỏ.
- Tạp chất ở dạng các hạt nhỏ lẫn trong kim loại càng nhiều đòi hỏi nhiệt độ kết tinh lại phải tương đối cao.
29
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Các hình thức biến dạng.
- Biến dạng nguội là ứng với quá trình gia công ở nhiệt độ và tốc độ biến dạng không xảy ra sự phục hồi và kết tinh lại
- Biến dạng bán nguội ứng với quá trình gia công ở nhiệt độ và tốc độ biến dạng không xảy ra hiện tượng kết tinh lại, nhưng có sự phục hồi, nhờ đó giảm được biến cứng và ứng suất dư, tăng được độ dẻo kim loại.
- Biến dạng bán nóng ứng với qúa trình gia công ở điều kiện và tốc độ biến dạng xảy ra quá trình kết tinh lại không hoàn toàn.
- Biến dạng ở điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng mà quá trình kết tinh lại xảy ra hoàn toàn được gọi là biến dạng nóng. Hiện tượng biến cứng được khắc phục hoàn toàn, kim loại sau gia công có độ dẻo cao, cơ tính tốt, trở lực biến dạng nhỏ.
30
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
?2 - những nhân tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại
I - Trạng thái ứng suất
1 - Các loại ứng suất
Khi gia công áp lực trong vật thể biến dạng tồn tại các loại ứng suất. Xét một điểm bất kỳ thuộc vật thể biến dạng, trong trường hợp tổng quát chất điểm này nằm trong trạng thái ứng suất với các thành phần ứng suất tác dụng sau.
- Các thành phần ứng suất tiếp: ?xy , ?xz ,?yz
- 30Các thành phần ứng suất pháp: ?x , ?y , ?z
31
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Qua một điểm bất kỳ thuộc vật biến dạng dưới tác dụng cả ngoại lực người ta đều có thể tìm được 3 mặt phẳng vuông góc với nhau đi qua điểm đó, sao cho trên 3 mặt ấy chỉ có ứng suất pháp tác dụng. Các mặt phẳng ấy được gọi là các mặt phẳng chính, còn các ứng suất pháp tác dụng trên các mặt phẳng chính, được ký hiệu lần lượt là: ?1 , ?2 , ?3. Khi đó trạng thái ứng suất của chất điểm bất kỳ thuộc vật biến dạng được biểu diễn bằng các ứng suất chính.
Quy ước các ứng suất chính tác dụng được sắp xếp phù hợp với ký hiệu ?x > ?y > ?z.
32
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
1
33
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2 - điều kiện ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo
Để kim loại biến dạng dẻo thì ứng suất tiếp lớn nhất ?max gây trượt phải đạt tới một giá trị tới hạn ?th:
?max = ?th
Khi kéo mẫu kim loại (trạng thái ứng suất đường) ứng suất ứng với lúc kim loại bắt đầu biến dạng dẻo được gọi là giới hạn chảy của kim loại, ký hiệu là ?ch , tức là điều kiện để kim loại biến dạng dẻo là:
??2? = ?ch
34
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
3. ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đối với tính dẻo và biến dạng của kim loại
Trạng thái ứng suất có ảnh hưởng nhiều đến khả năng biến dạng dẻo của kim loại. ứng suất kéo có khả năng tạo ra biến dạng dẻo rất hạn chế vì ứng suất kéo gây nên sự trượt (biến dạng) ở tinh giới hạt là chính còn ứng suất nén có khả năng tạo được biến dạng dẻo lớn vì ứng suất nén gây sự trượt chủ yếu trong nội bộ các hạt.
Trong số chín trạng thái ứng suất chính thì trạng thái ứng suất kéo khối có khả năng gây biến dạng dẻo kim loại kém nhất, kim loại rất khó biến dạng, có độ dòn cao và dễ bị phá huỷ khi lực tác dụng có cường độ lớn. Trạng thái này không gặp trong thực tế gia công áp lực. Trạng thái nén khối có khả năng tạo biến dạng dễ dàng nhất, thường gặp trong các quá trình chồn, cán, dập thể tích, ép kim loại ...
35
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
36
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
II - ứng suất dư
Khi gia công áp lực, do tác dụng của ngoại lực cũng như do ảnh hưởng của quá trình nung nóng và làm nguội không đều, do ảnh hưởng của quá trình chuyển biến pha ... Người ta phân biệt 3 loại ứng suất dư: Loại 1 (thô đại); loại 2 (tế vi); loại 3 (siêu tế vi).
- ứng suất dư loại 1 xuất hiện do biến dạng không đồng đều giữa các phần khác nhau của vật thể, ứng suất dư này cân bằng với nhau xét trong phạm vi toàn vật thể.
- ứng suất dư loại 2 xuất hiện do sự biến dạng không đồng đều giữa các hạt kim loại do các hạt này có thành phần, tổ chức, nhiệt độ chảy ... không đồng nhất. Sau khi biến dạng xong các ứng suất dư này cân bằng với nhau.
- ứng suất dư loại 3 xuất hiện do sự trượt và vặn vẹo xô lệch trong bản thân hạt khi biến dạng. Các ứng suất dư này cân bằng với nhau xét trong phạm vi giữa các ô tinh thể.
37
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Vì ứng suất dư gây ra nhiều điều bất lợi nên cần phải dùng các biện pháp để khử hoặc giảm bớt tác hại của nó. Một số biện pháp thường dùng là:
- Xử lý bằng nhiệt: với ứng suất dư loại 1 có thể thực hiện ủ non ở nhiệt độ thấp, đối với ứng suất dư loại 2 và 3 thì thực hiện kết tinh lại hoàn toàn rồi mới ủ non.
- Biện pháp cơ học: Dùng búa gõ nhẹ, phun bi thép, cát, cho vật vào thùng quay, làm biến dạng bề mặt chi tiết bằng cách cán, kéo, chạy rà ... để tạo ra ứng suất cân bằng với ứng suất dư.
Ngoài ra để ngăn chặn hình thành ứng suất dư trong vật gia công nên chọn phương pháp biến dạng phôi hợp lý (kết cấu máy, khuôn ...), sử dụng kim loại đồng nhất, nung nóng và làm nguội thích hợp, thiết lập chế độ ma sát và chọn chế độ gia công (nhiệt độ, tốc độ và mức độ biến dạng) hợp lý
38
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
III - thành phần hoá học và tổ chức kim loại
1. thành phần hoá học của kim loại và hợp kim
Có ảnh hưởng nhiều đến tính dẻo và sự biến dạng của chúng. Trong thép nếu hàm lượng các bon càng nhiều thì độ bền, độ cứng tăng lên còn độ dẻo giảm đi. Thép có thành phần C < 0,25% với tổ chức Ferit có độ dẻo cao.
- Phốt pho (P) hoà tan vào trong Ferit làm giảm tính dẻo, tăng độ bền và cứng của thép. Khi lượng chứa P nhiều hơn 0,1% thì sẽ tạo nên các phần giàu P rất dòn. Đặc biệt khi lượng P > 1,2% (vượt quá giới hạn hoà tan P vào Ferit) sẽ tạo thành phốt phít sắt (Fe3P). Fe3P sẽ tạo thành cùng tinh với sắt (Fe3P - Fe) có nhiệt độ chảy cao và dòn.
- Lưu huỳnh (S) có trong thép sẽ làm cho thép "dòn nóng", do nó tác dụng với sắt tạo thành sunfua sắt (FeS). Vì không hoà tan vào sắt nên dù lượng S nhiều hay ít đều tạo thành FeS. FeS sẽ tạo thành cùng tinh với sắt (FeS - Fe) có nhiệt độ chảy thấp (? 9850C), do đó khi kết tinh sẽ nằm ở tinh giới. ở khoảng nhiệt độ 800 ? 12000C
39
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
- Mangan (M) có khả năng hoà tan vào Ferit và Xêmentít, làm tăng độ bền và thay đổi một số tính chất của thép. Mn có khả năng khử tác hại của tạp chất lưu huỳnh (S), có khả năng lấy S của FeS do tạo thành sunfuamangan (MnS) có nhiệt độ chảy cao hơn nhiệt độ chảy của FeS và nhiệt độ gia công nóng rất nhiều (? 16200C), do đó làm cho thép không bị "dòn nóng", dễ biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao (vì MnS dẻo và dễ biến dạng).
- Các nguyên tố hợp kim khác (Cr, Ni, W, Si) có trong thép càng nhiều thì thép càng kém dẻo, vì chúng tạo nên hợp kim có nhiều pha phức tạp cũng như làm tăng nhiệt độ kết tinh lại.
40
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2. Tổ chức kim loại
- Mức độ liên kết của các hạt càng lớn, mật độ kim loại càng cao, thành phần hoá học đều đặn, kích thước hạt đều, tạp chất phân bố đều, mặt trượt càng nhiều thì tính dẻo của kim loại càng cao, kim loại càng dễ biến dạng. Kim loại đúc có tổ chức hạt không đều nên tính dẻo sẽ thấp, sau khi qua cán, rèn dập ... thì tính dẻo và cơ tính sẽ tăng lên.
- Kim loại có tổ chức kết tinh lại không hoàn toàn có tính dẻo thấp, khó biến dạng. Tổ chức kim loại càng nhiều pha càng kém dẻo. Tinh giới hạt có độ bền kém thì tính dẻo kém, khó biến dạng, ngược lại nếu tinh giới có độ bền cao thì kim loại sẽ dẻo, dễ biến dạng.
41
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
IV - Nhiệt độ
Khi tăng nhiệt độ dao động của các nguyên tử tăng lên và chúng trở nên rất linh động. Nhiệt độ tăng cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán, kết tinh lại, tức là có khả năng làm tăng độ dẻo và giảm một phần độ bền và cứng của kim loại.

42
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
V - tốc độ biến dạng
Tốc độ biến dạng là lượng biến dạng của một đơn vị thể tích dV/V trong một đơn vị thời gian dt, được biểu thị bằng công thức:
W = dV/Vdt
Khi tác dụng lực lên vật gia công tức là đã sử dụng năng lượng để biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo kim loại, làm tồn tại ứng suất dư trong nó ... Năng lượng tiêu hao cho biến dạng dẻo phần lớn chuyển thành nhiệt năng toả ra xung quanh và được biểu thị bằng mức độ toả nhiệt, là tỷ số giữa công sinh ra để biến dạng dẻo (Ad) với công do thiết bị cung cấp (A).
? = Ad/A

43
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại có thể tóm tắt như sau:
* Khi tăng tốc độ biến dạng có thể làm giảm tính dẻo của kim loại nếu:
- Tốc độ sinh ra biến cứng lớn hơn tốc độ sinh ra biến mềm.
- Do tác dụng của hiệu ứng nhiệt làm cho kim loại đạt tới nhiệt độ mà tại nhiệt độ này kim loại có độ dẻo thấp.
* Khi tăng tốc độ biến dạng có thể làm tăng tính dẻo và khả năng biến dạng của kim loại nếu:
- Do tác dụng của hiệu ứng nhiệt làm cho tốc độ biến mềm lớn hơn tốc độ biến cứng.
- Do tác dụng của hiệu ứng nhiệt làm cho kim loại đạt tới nhiệt độ ứng với lúc kim loại có tính dẻo cao
44
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
VI - ma sát
Khi biến dạng kim loại của vật biến dạng co xu hướng di trượt trên bề mặt dụng cụ, do đó làm phát sinh lực ma sát trên bề mặt tiết xúc giữa vật biến dạng và dụng cụ gia công.
- Ma sát dạng nửa ướt, bề mặt tiếp xúc thực tế rất lớn, biến dạng dư của lớp bề mặt phôi tương đối lớn.
- Ma sát không đều theo mọi hướng và tồn tại áp lực có giá trị lớn trên các bề mặt tiếp xúc.
- Ma sát thực hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa 2 vật thể có trạng thái khác nhau: dụng cụ gia công ở trạng thái rắn (có thể xem là vật rắn tuyệt đối), trong khi vật biến dạng lại đang nằm trong trạng thái dẻo, mấp mô bề mặt của vật biến dạng nhanh chóng được san bằng và có thể xẩy ra biến cứng.
45
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
?3 - ảnh hưởng của biến dạng đến tổ chức tính chất của kim loại
Quá trình biến dạng làm thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại với những mức độ khác nhau phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của quá trình biến dạng và xử lý sau khi biến dạng.
I - ảnh hưởng đối với tổ chức kim loại
1 - ảnh hưởng đối với tổ chức hạt
Trong quá trình biến dạng luôn xẩy ra hiện tượng biến cứng và biến mềm. Tốc độ của hai quá trình này phụ thuộc vào tốc độ và nhiệt độ biến dạng, trạng thái tổ chức của kim loại trước khi gia công ...
46
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
47
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2 - ảnh hưởng đối với tổ chức kim loại đúc
Tổ chức kim loại đúc là tổ chức kết tinh dạng nhánh cây và do nhiều nguyên nhân thường khó đảm bảo sự đồng đều của tổ chức, sự tồn tại các khuyết tật như rỗ co, rỗ khí, lõm co .... Nhờ biến dạng nóng có thể trừ bỏ được các khuyết tật kể trên, tăng độ mịn chặt và cải thiện cơ tính của kim loại.
Hình dạng các hạt sau khi biến dạng nóng cũng thay đổi rõ rệt. Với mức độ biến dạng rất lớn của biến dạng nóng, các hạt kim loại sẽ bị xoay về một hướng thống nhất và bị kéo dài cùng các tạp chất tạo nên tổ chức thớ. Đặc điểm tổ chức thớ của kim loại là khả năng chịu lực theo các phương không đồng đều.
48
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Do tính dị hướng của kim loại có tổ chức thớ sau khi gia công áp lực nên khi thiết kế chi tiết và quá trình công nghệ chế tạo chi tiết đó cần phải bố trí thớ kim loại theo những chỉ dẫn sau đây:
- Chi tiết chịu ứng suất cắt thì bố trí mặt phẳng ứng suất cắt vuông góc với phương của thớ.
- Chi tiết chịu ứng suất kéo thì bố trí phương của lực kéo trùng với phương của thớ.
- Tránh cắt đứt thớ khi gia công mà nên tìm cách uốn các thớ theo đường bao quanh của chi tiết.
49
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
50
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
II - ảnh hưởng đối với tính chất của kim loại
Gia công kim loại bằng áp lực làm thay đổi tính chất của kim loại so với các tính chất ban đầu cuả nó. Tuỳ thuộc vào hình thức biến dạng mà sự thay đổi tính chất diễn ra khác nhau.
Sự thay đổi tính chất kim loại khi biến dạng nguội
Khi biến dạng nguội thường xảy ra hiện tượng biến cứng làm cho độ bền, độ cứng của kim loại tăng lên, còn độ dẻo và độ dai va chạm giảm đi. Mức độ biến dạng tăng thì các yếu tố trên cũng tăng, giảm theo. Trong những trường hợp đặc biệt biến dạng nguội có thể tăng giới hạn bền lên 2 ? 3 lần, giới hạn chảy lên đến 4 ? 5 lần.
Vì xuất hiện các lỗ trống nhỏ trong tổ chức kim loại khi biến dạng nguội nên sau gia công độ dẫn nhiệt, dẫn điện, tính thấm từ giảm đi, còn độ hoà tan, lực từ tính và từ trễ thì tăng lên
51
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
52
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
?4 - Một số định luật áp dụng trong gia công áp lực
Các định luật áp dụng trong gia công áp lực xác định mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất, những biến đổi xảy ra khi biến dạng, quan hệ giữa công biến dạng và kích thước của vật biến dạng. Dưới đây giới thiệu một số định luật.
53
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
I - định luật tồn tại biến dạng đàn hồi trong biến dạng dẻo
"Khi kim loại đã nằm trong trạng thái biến dạng dẻo thì đồng thời trong nó cũng tồn tại biến dạng đàn hồi. Quan hệ giữa biến dạng và ứng suất trong giai đoạn đàn hồi biểu thị bằng định luật Húc".
54
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
II - Định luật ứng suất dư (phụ)
Do nhiều nguyên nhân khác nhau như (nhiệt độ phân bố không đều, tổ chức kim loại không đồng đều, lực biến dạng phân bố không đều, do có ma sát ...) mà trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng ở các phần khác nhau của vật thể không đồng nhất.
Như vậy có thể khẳng định: "Trong kim loại đã qua biến dạng dẻo tồn tại ứng suất dư tự cân bằng với nhau".
55
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
III - Định luật thể tích không đổi
Nội dung của định luật là: "Thể tích của vật biến dạng không thay đổi khi gia công áp lực".
V = const
Giả sử thể tích của vật thể trước khi biến dạng là H.B.L còn thể tích của vật thể sau khi biến dạng là h.b.l. Theo định luật thể tích không đổi ta có H.B.L = h.b.l
hoặc ?1 + ?2 + ?3 = 0.
trong đó ?1, ?2, ?3 được gọi là biến dạng thẳng hoặc ứng biến chính,và phương trình trên được gọi là "phương trình điều kiện thể tích không đổi".
56
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
IV - Định luật trở lực biến dạng bé nhất
Nội dung của định luật như sau: "Trong quá trình biến dạng, các chất điểm của vật biến dạng sẽ di chuyển theo hướng nào có trở lực bé nhất".
Phù hợp với nội dung của định luật, khi điều kiện ma sát ngoài trên các hướng của mặt tiếp xúc đều nhau thì một chất điểm nào đó trong vật biến dạng sẽ di chuyển theo hướng có pháp tuyến ngắn nhất, kể từ điểm đó tới đường viền.
57
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
V - Định luật đồng dạng
Nội dung của định luật như sau: "Công tiêu hao cho biến dạng của các vật thể đồng dạng hình học và làm bằng cùng một loại vật liệu tỷ lệ thuận với thể tích (khối lượng) của chúng".
Nếu ký hiệu K là hệ số đồng dạng; V1, V2, M1, M2, là thể tích, khối lượng của hai vật thể đồng dạng, còn A1, A2 là công để thực hiện biến dạng hai vật thể đồng dạng đó thì có thể biểu diễn định luật đồng dạng theo biểu thức:


Nhận thấy rằng khi M1 = 1 thì .
Có nghĩa là công tiêu hao để làm biến dạng một vật thể X đồng dạng hình học làm bằng cùng một loại vật liệu với một vật thể Y bằng tích số giữa khối lượng của vật thể X đó với công tiêu hao để làm biến dạng hình học với vật thể Y (có khối lượng bằng 1).
58
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
?5 - áp lực đơn vị và công biến dạng
I - áp lực đơn vị
1 - áp lực đơn vị
Khi tính toán và chọn thiết bị gia công áp lực cần phải xác định được lực cần thiết để gây biến dạng. Muốn xác định được lực biến dạng cần phải phân tích và nắm được sự phân bố lực trên bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ gia công và vật biến dạng, hình dáng và kích thước của bề mặt tiếp xúc ...
59
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Nếu ký hiệu P là ngoại lực tác dụng lên vật thể để gây ra biến dạng, F là diện tích áp lực, là diện tích hình chiếu của bề mặt áp lực ABC lên trên mặt phẳng vuông góc với phương tác dụng của ngoại lực (mặt phẳng áp lực AOC) còn K là áp lực đơn vị trung bình, hay nói gọn hơn là áp lực đơn vị, thì quan hệ giữa chúng được biểu diễn bằng biểu thức sau:
K = P/F
Như vậy nếu bằng phương pháp nào đó xác định được áp lực đơn vị K đối với một quá trình biến dạng cụ thể và biết được diện tích áp lực F thì có thể xác định được lực P cần thiết để thực hiện quá trình biến dạng đó.
60
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2 - áp lực đơn vị đối với một số quá trình gia công (biến dạng) cụ thể
2 - 1. áp lực đơn vị khi chồn
Giả sử chồn một phôi hình trụ đường kính d, chiều cao h, hệ số ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa vật biến dạng và dụng cụ là f.
Tách từ phôi biến dạng một phân tố vô cùng bé để khảo sát. Phân tố được giới hạn bởi hai mặt phẳng hướng tâm giao nhau một góc ? và hai mặt cung đồng tâm phân tố nằm ở trạng thái cân bằng nên tổng hình chiếu của tất cả các lực tác dụng lên phân tố trên một trục X - X bất kỳ bằng 0, nghĩa là:
?2.x.?.h - (?2 + d?2).(x + dx).?.h + 2?3 sin.h.dx - 2?1f.x.?.dx = 0.
61
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Với các chú ý sau đây:
Vì ? rất nhỏ nên sin ? /2 ? ?/2
Vì biến dạng là đối xứng nên ?2 = ?3
Sau khi biến đổi biểu thức biểu diễn phương trình cân bằng trên ta được phương trình cân bằng có dạng rút gọn:

62
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Để xác định áp lực đơn vị K, ta thực hiện như sau:
Lực tác dụng trên hình vành khăn của phân tố tách ra theo hướng chồn (hướng Z) là:
dP = ?1.2?.x.dx
Lực tác dụng trên toàn bề mặt tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ theo hướng chồn Z (lực chồn) là:

áp lực đơn vị trung bình:
Giải tích phân và thay các giá trị vào ta nhận được biểu thức tính áp lực đơn vị K:

Khi có thể dùng công thức tính áp lực đơn vị K đơn giản hơn như sau:
63
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2 - 2. áp lực đơn vị khi vuốt
Sơ đồ của quá trình vuốt phôi giới thiệu trên hình vẽ, với các ký hiệu trên hình vẽ được hiểu là:
bo , ho - kích thước ban đầu của phôi
b, h - kích thước của chi tiết sau khi vuốt
L, B - kích thước đe
S - bước vuốt.
64
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Bằng phương pháp tương tự như khi nghiên cứu quá trình chồn phôi là tìm được biểu thức tính áp lực đơn vị khi vuốt.


Khi S = b thì:

Khi vuốt trên đe có rãnh tròn đường kính d, chiều dài lo thì áp lực đơn vị được tính như sau:
65
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2.3. áp lực đơn vị khi đột
2.3.1. Khi đột hở
d - đường kính mũi đột
D - đường kính vật gia công
h - bề dày còn lại không đột
66
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2.3.2. Khi đột kín




Khi , áp lực đơn vị được tính theo công thức sau:







Khi , áp lực đơn vị được tính theo công thức sau:









67
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
II - Công biến dạng
Khi biến dạng một vật thể nào đó đòi hỏi phải tiêu tốn một năng lượng cần thiết. Nếu biết được áp lực đơn vị và sự thay đổi kích thước xẩy ra khi biến dạng thì có thể tính được công biến dạng.
1 - Tính công biến dạng khi tác dụng lực kéo
Khảo sát một vật thể có dạng hình hộp chữ nhật với kích thước ban đầu a0, b0, c0. Trên tiết diện diện tích fo = b0.c0 có tác dụng lực P hướng theo trục của phôi. Do tác dụng của lực kéo P, vật thể biến dạng bị kéo dài đạt tới các kích thước a, b, c.Công biến dạng được tính như sau:
Khi vật thể bị biến dạng với một lượng vô cùng bé da
dA = P.da = K.f.da
68
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Theo định luật thể tích không đổi af = a0f0 = V = const
Vi phân hai vế của phương trình có;
da.f + df.a = 0 ;
`
Có thể viết lại công thức tính công như sau:


Hoặc
69
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Khi làm vật thể biến dạng từ kích thước a0 đến kích thước a1 (hay từ diện tích tiết diện ngang fo = bo.co đến diện tích tiết diện ngang f1 = b1.c1) công biến dạng toàn bộ được tính theo công thức sau:
A =
Nếu giả thiết áp lực đơn vị K trong quá trình biến dạng không thay đổi thì công A được biểu diễn theo biểu thức sau:
A = V.K.ln = V.K.ln
70
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
2 - Tính công biến dạng khi tác dụng lực nén (chồn)
Khi chồn vật thể có dạng hình trụ với chiều cao h thì lượng biến dạng cần thiết sẽ là: P = K.F
ở đây:
K - áp lực đơn vị trung bình.
F - Diện tích tiết diện chịu áp lực: F =
V là thể tích của vật biến dạng.
71
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực
Nếu vật bị chồn để hạ chiều cao một đoạn h thì công biến dạng cần thiết sẽ là:
?A = Px.(- ?h) = - K. .?h.

hoặc dA = - K.V.
Lấy tích phân ta được:
A = K.V. (ln H0 - ln H1)
ở đây: H0 , H1 - độ cao ban đầu và chiều cao sau biến dạng của vật.
Bằng những phương pháp tương tự, có thể tính được công biến dạng của các quá trình gia công áp lực khác.
72
Chương I. Nguyên lý GCKL bằng áp lực