Kết cấu trong vật liệu kim loại và ảnh hưởng của nó đến tính chất

Thông thường, vật liệu kim loại là một đa tinh thể bao gồm một số lượng lớn các hạt tinh thể. Khi hướng hạt của đa tinh thể tập trung xung quanh một mặt phẳng tham chiếu (hoặc hướng) nhất định của vật liệu vĩ mô, nó được gọi là hướng ưu tiên và kết cấu là hướng ưu tiên của đa tinh thể. Theo nghĩa rộng, hiện tượng định hướng hạt lệch khỏi phân bố ngẫu nhiên trong đa tinh thể có thể được gọi là kết cấu.

Trong vật liệu kim loại, sự tồn tại của hiện tượng kết cấu là phổ quát. Trường nhiệt độ bên ngoài, trường điện từ, trường biến dạng và dị hướng bên trong tinh thể có thể gây ra kết cấu. Ví dụ, hướng ưa thích của hạt trong quá trình biến dạng là bề mặt trượt / trượt tinh thể và hiệu ứng mô men trong quá trình kéo dài. kết quả của. Vật liệu công nghiệp thường có kết cấu đúc, kết cấu biến dạng, kết cấu kết tinh lại và kết cấu thay đổi pha, trong đó kết cấu biến dạng và kết cấu kết tinh được nghiên cứu thêm.

Đại diện kết cấu

Cái gọi là hướng tinh thể đề cập đến ba trục tinh thể của tinh thể (chẳng hạn như trục [100], [010], [001]) trong một hệ tọa độ tham chiếu đã cho (như hướng RD, TD bên và ND bình thường trong tấm cán) Định hướng tương đối trong. Khi thực sự mô tả hướng tinh thể, các khung tham chiếu khác nhau được đặt do các điều kiện biến dạng khác nhau. Ví dụ, đối với biến dạng lăn phổ biến nhất, ba trục của khung tham chiếu thường được đặt theo hướng cán (RD) và bề mặt lăn. Hướng (ND) và hướng ngang của tấm cán, nghĩa là hướng vuông góc với hướng cán (TD), giả sử hướng được biểu thị là (110) [1-12], biểu thị mặt phẳng (110) của ô đơn vị tại thời điểm này. Song song với bề mặt cán, hướng [1-12] song song với hướng lăn.

Loại kết cấu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của kim loại và phương pháp xử lý, v.v ... Trong số đó, có kết cấu cán, vẽ kết cấu và những thứ tương tự. Kết cấu cán là kết cấu xảy ra trong quá trình biến dạng cán. Nó được đặc trưng ở chỗ một mặt phẳng tinh thể nhất định {hkl} của mỗi hạt song song với bề mặt lăn và hướng song song với hướng lăn. Kết cấu cán thường được biểu thị là {hkl} . Sự kéo dài đơn hướng và biến dạng vẽ làm cho một hướng nhất định của các hạt đa tinh thể song song với hướng kéo dài hoặc vẽ. Do đó, kết cấu được hình thành được gọi là kết cấu lụa, còn được gọi là kết cấu sợi, song song với việc kéo dài. Hoặc hướng tinh thể của hướng vẽ.

Hình cực là một mẫu phân phối hướng đại diện cho mặt phẳng tinh thể đã chọn {hkl} của mỗi hạt trong vật liệu cần thử trên bản đồ chiếu cực có chứa hướng của hệ tọa độ mẫu. Hình này được gọi là hình cực {hkl}. Hình 1 là hình cực {111} của hợp kim Cu-30%Zn sau khi cán 96%. Có thể được biết từ phân tích định hướng rằng thành phần kết cấu trong vật liệu chủ yếu là kết cấu {110} <1-12>. Còn được gọi là kết cấu đồng thau.

Hình.1 {111} hình cực của hợp kim Cu-30%Zn sau khi cán 96%

Trái ngược với hình cực, hình cực ngược là một biểu đồ mô tả sự phân bố không gian của một đặc điểm ngoại hình nhất định của vật liệu đa tinh thể song song với vật liệu trong hệ tọa độ tinh thể. Ba trục của hệ tọa độ tham chiếu thường lấy ba trục tinh thể của tinh thể hoặc hướng tinh thể chỉ số thấp. Đối với hệ thống khối, vì có 24 đối xứng, chỉ một phần của [001] - [101] - [111] được chọn. Diễn tả. Hình cực ngược thường được sử dụng để mô tả kết cấu lụa. Hình 2 cho thấy hình cực ngược của thép cacbon thấp cán nóng song song với hướng ND thông thường. Có thể thấy rằng có <111> và <100> dệt lụa trong vật liệu. Kết cấu.

Hình 2 Sơ đồ cực ngược của thép nhẹ cán nóng

Các hình cực cực và nghịch đảo sử dụng đồ họa hai chiều để mô tả phân bố định hướng của không gian ba chiều và tất cả chúng đều có những hạn chế. Mật độ phân phối f (g) của hướng không gian g (1,, φ2) có thể biểu thị phân bố hướng của toàn bộ không gian, được gọi là hàm phân phối hướng không gian (ODF). ODF là hình ba chiều được tính từ phân bố mật độ cực của hình cực. Vì việc sử dụng sơ đồ ba chiều là bất tiện, nên nó thường được biểu diễn bằng một tập hợp các phần được cố định bởi φ2. Hình 3 cho thấy ODF của nhôm nguyên chất công nghiệp sau khi cán nguội bằng biến dạng 95%.

Hình 3 Sơ đồ ODF của nhôm nguyên chất công nghiệp sau khi cán nguội với biến dạng 95%

Kết cấu tác động đến hiệu suất

Một số lượng lớn các kết quả thực nghiệm cho thấy các tính chất của vật liệu 20%-50% bị ảnh hưởng bởi kết cấu, và kết cấu ảnh hưởng đến cơ học của mô đun đàn hồi, tỷ lệ Poisson, độ bền, độ dai, độ dẻo, tính chất từ tính, độ dẫn và hệ số giãn nở tuyến tính. Hiệu suất và đặc tính vật lý, đây là một số ví dụ về ảnh hưởng của kết cấu đối với tính chất vật liệu.

Nghiên cứu nhiều nhất là ảnh hưởng của kết cấu đến tính chất cơ học tĩnh của vật liệu. Hình 4 cho thấy một hợp kim magiê thương mại tạo ra kết cấu cơ sở mạnh dưới tác động của quá trình hàn khuấy ma sát, do đó các phần khác nhau của vật liệu được kéo theo các hướng khác nhau. Hiệu suất kéo dài cho thấy một sự khác biệt. Ví dụ, trong trường hợp mẫu được xử lý bằng quy trình hàn ma sát (FSP), độ bền kéo của vật liệu theo hướng chiều rộng của mẫu, nghĩa là hướng ngang (TD), cao hơn đáng kể so với hướng xử lý (PD), trưng bày bất đẳng hướng đáng chú ý.

Hình.4 Tính chất kéo của các hướng mẫu khác nhau sau hợp kim magiê AZ31 ở trạng thái lăn ban đầu và hàn khuấy ma sát

Kết cấu cũng ảnh hưởng đến tính chất đàn hồi của vật liệu. Hình 5 cho thấy ảnh hưởng của kết cấu lên mô đun đàn hồi của màng vàng. Ba hình trong hình cho thấy vàng đơn tinh thể trong hệ tọa độ tinh thể. Kết cấu của màng vàng không có kết cấu trong hệ tọa độ mẫu và tham số mô đun đàn hồi của màng vàng chứa kết cấu tơ trong hệ tọa độ mẫu, có thể thấy rằng kết cấu tạo ra mô đun đàn hồi của vật liệu dị hướng dọc Các mô đun đàn hồi của vật liệu theo các hướng khác nhau cho thấy một sự khác biệt đáng kể. Mô đun đàn hồi của vật liệu theo hướng S3 là 118 GPa, cao hơn mô đun đàn hồi 89,7 GPa theo hướng S1 và S2, và giá trị tối thiểu của mô đun đàn hồi nằm dọc theo độ lệch S3. Hướng khoảng 40 độ và mô-đun chỉ 60 GPa.

Hình 5 Ảnh hưởng của kết cấu đến mô đun đàn hồi của màng vàng

Các hành vi ăn mòn cũng bị ảnh hưởng bởi các kết cấu. Hình 6 cho thấy đồ thị Nyquist của phổ trở kháng của titan tinh khiết thương mại sau khi trải qua các mức độ khác nhau của biến dạng góc kênh bằng nhau. Số lần biến dạng là khác nhau, và cấu trúc vi mô và kết cấu của vật liệu cũng khác nhau, có thể thấy rằng vật liệu có khả năng chống ăn mòn tốt hơn khi không bị biến dạng (0 pass) ở trạng thái ban đầu.

Hình.6 Ảnh hưởng của ép đùn góc kênh bằng nhau trên sơ đồ Nyquist của phổ trở kháng titan tinh khiết thương mại

Hành vi mỏi của vật liệu theo tải chu kỳ động cũng bị ảnh hưởng bởi kết cấu. Hình 7 cho thấy hành vi mỏi chu kỳ thấp của một hướng khác nhau của hợp kim magiê sau biến dạng đùn sẽ khác nhau. Có thể thấy rằng trong trường hợp có cùng biên độ biến dạng, tuổi thọ mỏi của vật liệu theo hướng RD thường tốt hơn so với tuổi thọ mỏi theo hướng ND.

Hình 7 Ảnh hưởng của kết cấu đến hành vi mỏi chu kỳ thấp của vật liệu

Tóm lại, sự hiện diện của kết cấu là phổ quát trong vật liệu kim loại. Bản chất của kết cấu là nhiều hạt không được phân phối theo một hướng ngẫu nhiên, điều này tự nhiên dẫn đến bất đẳng hướng trong các tính chất của vật liệu. Ảnh hưởng của kết cấu đến tính chất vật liệu được nghiên cứu để sử dụng tốt hơn kết cấu trong vật liệu để điều chỉnh các thuộc tính liên quan của vật liệu.