1 Contents Lời nói đầu 4 Chương 1 Giới thiệu về nguyên tắc lựa chọn vật liệu và công nghệ 5 1 1 Nguyên tắc chung 5 1 2 Đánh giá so sánh vật liệu về phương diện khối lượng 6 1 3 Nguyên tác chất lượng cục bộ 7 1 4 Giảm chủng loại vật liệu sử dụng 8 1 5 Các loại vật liệu dùng trong chế tạo máy 8 1 5 1 Kim loại đen gồm có gang và thép 8 1 5 2 Hợp kim mầu 9 1 5 3 Kim loại gốm 10 1 5 4 Vật liệu không kim loại 10 Chương 2 Lựa chọn vật liệu 12 2 1 Các bước thực hiện lựa chọn vật liệu 12 2 2 1 Lựa chọn c.
Contents Lời nói đầu Chương Giới thiệu nguyên tắc lựa chọn vật liệu công nghệ 1.1 Nguyên tắc chung 1.2 Đánh giá so sánh vật liệu phương diện khối lượng 1.3 Nguyên tác chất lượng cục 1.4 Giảm chủng loại vật liệu sử dụng 1.5 Các loại vật liệu dùng chế tạo máy 1.5.1 Kim loại đen gồm có gang thép 1.5.2 Hợp kim mầu 1.5.3 Kim loại gốm 10 1.5.4 Vật liệu không kim loại 10 Chương Lựa chọn vật liệu 12 2.1 Các bước thực lựa chọn vật liệu 12 2.2.1 Lựa chọn chi tiết cần chế tạo 12 2.1.2 Phân tích điều kiện làm việc chi tiết đươc chọn yêu cầu tính 13 2.1.3 Tính tốn đưa tiêu chí lựa chọn vật liệu 14 2.2 Lựa chọn mac thép 17 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng mac thep 22 Chương Xây dựng quy trình cơng nghệ nấu luyện chế tạo 24 3.1 Quy trình cơng nghệ nấu luyện 24 3.3.1 Thiết bị lò hồ quang xoay chiều AC-EAF 24 3.1.2 Quy trình nấu luyện lị điện hồ quang 26 3.2 Quy trình tinh luyện 28 3.2.1 Thiết bị 28 3.3 Quy trình chế tạo bánh 32 3.3.1 Yêu cầu kỹ thuật chế tạo bánh 32 3.3.2 Các phương pháp gia công bánh 33 3.3.3 Thiết kế chi tiết nguyên công 35 Chương Xây dựng quy trình cơng nghệ xử lý nâng cao tính kiểm tra 37 4.1 Quy trình cơng nghệ xử lý nhiệt 37 4.1.1 Tôi + ram cao 37 4.1.2 Tôi tần số + ram thấp 37 4.2 Các phương pháp kiểm tra vật liệu 37 4.2.1 Phương pháp phân tích thành phần hóa học 37 4.2.2 Kiểm tra tính 38 4.2.3 Phương pháp kiểm tra tổ chức tế vi 46 Chương Lưu ý lựa chọn vật liệu 52 Chương Kết luận 54 Tài liệu tham khảo 55 Figure 0.1 Sau áp dụng tiêu độ bền 18 Figure 0.2 Sau áp dụng tiêu ứng suất chảy 18 Figure 0.3 Sau áp dụng tiêu độ cứng 19 Figure 0.4 Sau áp dụng hàm tiêu hiệu giá 20 Figure 0.5 Sau áp dụng hàm tiêu hiệu khối lượng 21 Figure 0.6 Cơ tính thép AISI 4340 21 Figure 0.7 Cơ tính thép AISI 4340 22 Figure 0.1 Sơ đồ phân loại lò hồ quang 26 Figure 0.2 Quy trình sản xuất thép lị điện 26 Figure 0.3 Sơ đồ cơng nghệ lị tinh luyện LF 30 Figure 0.1 Nhập thành phần thép vào phần mềm 37 Figure 0.2 Phase sau trình làm nguội 37 Figure 0.3 Độ cứng thép sau làm nguội 37 Figure 0.4 Giản đồ nguội CCT 37 Figure 0.5 Giản đồ nguội TTT 37 Figure 0.6 Sơ đồ quy trình nhiệt luyện 37 Figure 0.7 Sơ đồ quy trình nhiệt luyện 37 Figure 0.8 S5 Solaris Plus 37 Figure 0.9 S7 Metal Lab Plus 37 Figure 0.10 S7 Metal Lab Plus 37 Figure 0.11 Mẫu mài máy mài DS1100 - GNR 38 Figure 0.12 Máy thử kéo 39 Figure 0.13 Sự biến dạng mẫu kéo biểu đồ ứng suất-biến dạng 40 Figure 0.14 Máy đo độ cứng 44 Figure 0.15 Máy thử va đập 46 Figure 0.16 Máy cắt đĩa kim cương tốc độ thấp Model 650 47 Figure 0.17 Dung dịch đúc opoxy khuôn đúc mẫu 47 Figure 0.18 Máy đánh bóng mẫu SMARTLAM®2.0 48 Figure 0.19 Các size giấy mài khác dung dịch mài kim cương sử dụng trình mài học 48 Figure 0.20 Thiết bị chuẩn bị mẫu chùm tia Ion ArBlade 5000 49 Figure 0.21 Kính hiển vi quang học OM 49 Lời nói đầu Hiện nay, cơng nghiệp hố, đại hố đất nước mục tiêu hàng đầu Đảng Nhà nước, ngành khí nói chung ngành chế tạo máy nói riêng giữ vai trị quan trọng việc giải vấn đề cụ thể thường gặp sản xuất , sửa chữa sử dụng Trong sinh viên lớp lao động kế cận đất nước Để đánh giá lực sinh viên đồ án tốt nghiệp chương trình tổng hợp chuyên môn đào tạo Đối với ngành khí chế tạo máy đồ án tốt nghiệp có vị trí quan trọng người cán kỹ thuật thiết kế, chế tạo loại máy trang thiết bị khí nhằm phục vụ ngành kinh tế : công nghiệp, nông nghiệp , giao thông vận tải , điện lực… Mục đích đồ án tạo cho người cơng nhân, cán kỹ thuật nắm vững vận dụngcó hiệu phương pháp thiết kế, xây dựng quản lý trình chế tạo sản phẩm khí, kỹ thuật sản xuất tổ chức sản xuất nhằm đạt tiêu kinh tế, kỹ thuật theo yêu cầu điều kiện quy mô sản xuất cụ thể đạt hiệu kinh tế kỹ thuật, sản xuất sử dụng cao Là sinh viên ngành khoa học kĩ thuật vật liệu, sau hoàn thành thời gian học tập rèn luyện trường, để đánh giá kết học tập , em nhà trường giao nhiệm vụ thực thiết kế đồ án môn học với đề tài : “Lựa chọn vật liệu chế tạo bánh hộp số” em trình bày sau Chương Giới thiệu nguyên tắc lựa chọn vật liệu công nghệ 1.1 Nguyên tắc chung Chọn vật liệu công việc quan trọng, chất lượng tiết máy nói riêng máy nói chung phụ thuộc phần lớn vào việc chọn vật liệu có hợp lí hay khơng Muốn chọn vật liệu hợp lí, cần hiểu đẩy đủ tính chất loại vật liệu nắm vững yêu cầu mà điểu kiện làm việc điều kiện chế tạo tiết máy đồi hỏi vật liệu Khi chọn vật liệu phải xét đến yêu cầu sau : đảm Vật liệu phải thoả mãn điều kiện làm việc tiết máy, nói cách khác phải bảo cho tiết máy có đủ khả làm việc (thí dụ đủ độ bên, độ cứng, độ bên mồn, V.V ), - Thoả mãn yêu cầu khối lượng kích thước tiết máy máy - Vật liệu phải có tính chất cơng nghệ thích ứng với hình dạng phương phấp gia cơng tiết máy (chẳng hạn tiết máy có hình dạng phức tạp, gia cơng phương pháp đúc địi hỏi vật liệu phải có tính đúc ; tiết mắy cần gia cơng cất gọt vật liệu phải cắt gọt được, v.v ) ; công sức chế tạo tốn - Có lợi phương diện giá thành sẵn phẩm (giá vật liệu giá thành chế tạo) ; vật liệu phải dễ tìm, tốn vấn để cung cấp, cần ý dùng vật liệu sắn có nước Nói chung sở tiến hành so sánh số phương án, ta chọn vật liệu cách hợp lí Trong số trường hợp để chọn vật liệu người ta đùng hệ thống tiêu có tính chất kết hợp, khơng đặc trưng tính chất riêng biệt vật liệu (như độ bên tĩnh, độ bên môi độ cứng), mà đặc trưng cho tập hợp số tính chất Cấu trúc tiêu thay đổi theo yêu cầu kết cấu thí dụ giá thành thấp hay khối lượng nhỏ mà đảm bảo độ bền tĩnh, độ bên độ cứng, v.v cho Thường thường người ta ý nhiều đến tiêu khối lượng tiết máy nhiều loại máy, nhân tố quan trọng, đặc rưng cho hiệu kết cấu, kết hợp với giá đơn vị khối lượng, tiêu khối lượng cho ta hình dung rõ ràng khối lượng vật liệu giá vật liệu kết cấu Đối với số tiết máy mà điều kiện làm việc đòi hỏi phận phải đáp ứng yêu cầu khác nhau, ta thường dùng nguyên tắc “chất lượng cục bộ” để chọn hợp lí vật liệu chế tạo chúng Ngoài chọn vật liệu chế tạo máy, cần hạn chế số lượng loại vật liệu để giảm bớt khó khăn việc cung cấp bảo quản, v.v 1.2 Đánh giá so sánh vật liệu phương diện khối lượng Giả sử chiều dài L chịu kéo lực F khối lượng riêng (mật độ) y, giới hạn bên kéo dụ, hệ số an tồn s Diện tích tiết diện A, thể tích V khối lượng G định theo cơng thức : Do đó, với L, E, s nhau, tỉ số khối lượng hai làm vật liệu khác (𝛾1 , 𝜎𝑏1 𝑣à 𝛾2 , 𝜎𝑏2 ) là: Như khối lượng có độ bên (về kéo) tỉ lệ ngược với tỉ số vật liệu có tỉ số cao kết cấu tiết có khối lượng nhỏ Tỉ số 𝜎𝑏 𝛾 𝜎𝑏 𝛾 Dùng gọi độ bền riêng vật liệu Nó tiêu chủ yếu chất lượng vật liệu kết cấu mà yếu tố khối lượng giữ vai trồ quan trọng Nếu tính tốn tiến hành cho giới hạn bền mỏi kéo 𝜎−1 có lợi mặt khối lượng định tỉ số 𝜎−1 𝛾 gọi độ bền riêng vật liệu Xét trường hợp uốn xoắn có tiết diện đồng dạng, thí dụ trục có tiết điện trịn Vì khối lượng trục tỉ lệ với bình phương đường kính đường kính trục tính theo sức bến vật liệu tỉ lệ ngược với số bậc ba giới hạn bền (xem chương Trục), ta có hệ thức : Khi uốn : Khi xoắn : 𝜏𝑏 — Giới hạn xoắn : Đối với nhiều tiết máy, độ cứng giữ vai trò quan trọng Trường 𝐹 hợp bị kéo (hoặc nén) có độ cứng giống nhau, nghĩa tỉ số với F ~ lực ∆𝑙 kéo nén ; ∆𝑙 - biến dạng thanh, quan hệ khối lượng biểu thị theo hệ thức Vì 𝐹1 ∆𝑙1 = 𝐹2 ∆𝑙2 giả sử có chiểu dài nhau, ta có E1A1 = E2A2 ; với E1,A1,E2 A2 môđun đàn hỏi diện tích tiết điện Do ta có : Hệ thức cho thấy, với yêu cầu vệ độ cứng nhự nhau, tiết máy chế tạo bảng vật liệu có tỉ số E/ 𝛾 lớn khối lượng nhỏ 1.3 Nguyên tác chất lượng cục Nhiều tiết máy bề mặt thể tích khác lại có u cầu khác : độ bên mòn, độ bền tiếp xúc độ thể tích, độ cứng độ dẻo, độ bên chống gì, độ dẫn nhiệt, khả giảm chấn v.v Những yêu cầu xuất phát từ điểu kiện làm việc khác phận, nhiều trường hợp chọn vật liệu đồng thời đáp ứng yêu cầu có loại vật liệu đắt Trường hợp chi tiết máy lầm việc điều kiện không nặng nẻ, chọn loại vật liệu đáp ứng phần số yêu cầu chủ yếu Tuy nhiên, cách giải hợp lí tiên tiến chọn vật liệu theo nguyên tắc chất lượng cục Thực chất nguyên tắc minh hoạ theo số thí dụ sau : Cánh tua bin địi hỏi phải có đủ sức bền tính chống gỉ Trước người ta phải dùng thép khơng gỉ đất tiền để chế tạo Có thể giải hợp lí cách sử dụng thép bon thép hợp kim thông thường sau phủ lớp thép khơng gÏ bên ngồi Yêu cầu bánh bể mặt phải có độ bền tiếp xúc cao, có độ bên cao Có thể chế tạo bánh thép bon thép hợp kim thấp, tơi bể mặt dịng điện tần số cao tăng bền biến dạng déo chân Như biện pháp thay đổi cục chất lượng vật liệu, đáp ứng yêu cầu làm việc Bạc lót trục khuỷu động đốt đồi hỏi phải có tính chống mòn, giảm ma sát đủ độ bên Để giải hợp lí yêu cầu này, người ta dùng bạc lót gồm ba thứ vật liệu : ống thép phủ lên lớp đồng chì, sau tráng lên lớp babít chì Ống thép có đủ độ bên mỗi, lớp đồng chì để tạo cho lớp babít bám lên bê mặt ống, cịn lớp babít chì trực tiếp chịu ma sát mài mịn, loại vật liệu có tính chống mịn cao, hệ số ma sát thấp Rất nhiều biện pháp công nghệ gia công kim loại đại, cụ thể phương pháp mạ, đắp, nhiệt luyện hoá nhiệt luyện, tăng bên biến dạng dẻo, cho phép tạo tính chất cần thiết cho tiết diện phần tiết máy, đấp ứng yêu cầu làm việc cụ thể 1.4 Giảm chủng loại vật liệu sử dụng Khi chọn vậi liệu cho tiết máy, cần xét đến khó khăn vấn để cung cấp sản xuất đồi hỏi nhiều chủng loại vật liệu để cố gắng rút giảm số loại vật liệu Ưu điểm hạn chế số lượng mác thép loại vật liệu đùng chế tạo tiết máy (được sản xuất nhà máy) : - Giảm nhẹ việc cung cấp giảm giá thành vật liệu, việc mua vận chuyển thuận tiện hơn, tốn thời gian bơn : - Đơn giản việc bảo quản kiểm kê, giảm diện tích kho - Giảm nhẹ việc nghiên cứu chế độ gia cơng hợp lí nhất, giảm nhẹ công việc xưởng nhiệt luyện - Giảm khả phế phẩm dùng vật liệu nhiệt luyện khơng hợp lí 1.5 Các loại vật liệu dùng chế tạo máy Có nhiều loại vật liệu sử dụng chế tạo máy, chế tạo tiết máy, bao gồm kim loại đen, hợp kim mầu, kim loại gốm vật liệu không kim loại 1.5.1 Kim loại đen gồm có gang thép Gang hợp chất sắt với bon (hàm lượng 2%) ; thép hợp chất sắt với bon hàm lượng thấp (dưới 2%) Ngoài gang thép cịn có lẫn tạp chất khác có thêm nguyên tố hợp kim Gang thép loại vật liệu thông dụng chúng có đệ bền độ cứng cao, rẻ hợp kim mầu Nhược điểm kim loại đen khối lượng riêng lớn chống gỉ Để tăng thêm tính chất cần thiết gang thép, người ta sản xuất loại gang hợp kim, thép hợp kim đồng thời áp dụng rộng rãi phương pháp nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, tăng bên gây biến dạng dẻo v.v Gang có tính đúc tốt, giá tương đối thấp bền nên dùng nhiều chế tạo tiết có hình dạng phức tạp, dùng rộng rãi để chế tạo tiết vỏ máy thân TCVN 1659 - 75 quy định kí hiệu mác gang chữ số Thí dụ GX15-32 gang xám có trị số giới hạn bên kéo thấp l5 kG/mm? trị số giới hạn bền uốn thấp 32 kG/mm” Đối với gang đúc có kí hiệu từ GD0 đến GĐ4, số thứ tự ~ hàm lượng silic gang, số thứ tự tăng hàm lượng silic cầng giảm Đối với gang hợp kim, kí hiệu gồm chữ G kí hiệu nguyên tố hợp kìm hố với chữ số hàm lượng trung bình ngun tế theo phần trăm (%) Thí đụ GNi15Cu7Cr2 gang hợp kim chứa 15% niken, 7% đồng 2% crôm Thép kết cấu loại vật liệu thông dụng để chế tạo tiết máy Thép kết cấu có loại : thép bon thông thường, thép bon chất lượng tốt, thép bon dụng cụ, thép hợp kim v.v TVN 1659 — 75 quy định kí hiệu ¿hép bon thơng thường chữ CT kèm theo chữ số trị số giới hạn bền kéo nhỏ (kG/mm') thép Thí dụ CT38, CT42 Thép cácbon chất lượng tốt kí hiệu chữ C kèm theo chữ số hàm lượng trung bình bon theo phần vạn Thí dụ C435 loại thép bon có chất lượng tốt có hàm lượng bon trung bình 0,45% Nếu thép có hàm lượng mangan nâng cao sau số có thêm chữ Mn thí dụ C45Mn, C50Mn (chúa khoảng 0,7% đến 1% mangan) Đối với loại thép bon nói trên, cuối mác thép sơi có thêm kí hiệu s, thép nửa lặng có kí hiệu n Khơng có kí hiệu biểu thị thép lặng Thép hợp kim kí hiệu chữ số hàm lượng bon theo phần vạn kí hiệu nguyên tố hợp kim hoá kèm theo chữ số hàm lượng trung bình ngun tố tính theo phần trăm Thí dụ thép 10Cr12NI2 có 0,10% bon, 12% Crơm 2% niken 1.5.2 Hợp kim mầu Là hợp kim có thành phần chủ yếu kim loại mâu (đồng, kẽm, chì, thiếc nhơm v.v ) Hợp kim mầu đát kim loại đen nên dùng có u cầu đặc biệt địi hỏi kết cấu có khối lượng nhỏ có tính giảm ma sát, chống gỉ v.v Hợp kim mầu thường dùng chế tạo máy có loại : hợp kim đồng, babít hợp kim nhẹ Hợp kim đồng gơm brơng (đồng thanh) latơng (đồng thau) brơng dùng nhiều Latong hợp kim đồng với ngun tố hợp kim hố chủ yếu kẽm, cịn brông hợp kim đồng với nguyên tố hợp kim hố chủ yếu khơng phải kẽm Hợp kim đồng có tính chống gỉ giảm ma sát Babit hợp kim thường gồm nguyên tố thiếc chì, dùng ổ trượt, có tính giảm ma sát tốt Hợp kim nhẹ hợp kim có mật độ khối lượng riêng y < 4500 kg/m”, sở nhôm, manhêdi, titan nguyên tố khác Cu, Mn, Si, v.v Hợp kim nhẹ có độ bên riêng cao, dùng chủ yếu chễ cần giảm khối lượng máy vận chuyển, cần giảm bớt qn tính tiết hành trình nhanh, tiết chuyển động tịnh tiến, v.v Trong chế tạo máy thường dùng hợp kim nhơm đúc có tên silumin, hợp kim nhôm với silic (hàm lượng 4—13%) có độ bền cao, chống gi tốt, hợp kim nhôm biến dạng gọi đuyra, hợp kim sở nhơm manhêdi, có độ bên riêng tính học cao Trong loại hợp kim nhẹ, hợp kim titan có độ bền cao Vật liệu kim loại sợi hỗn hợp tổ hợp kim loại làm sợi tăng bền Độ bên vật liệu hỗn hợp có nhôm với sợi bo cao gấp đôi độ bên hợp kim nhôm 1.5.3 Kim loại gốm Là vật liệu chế tạo cách nung ép bột kim loại với chất phụ gia Chỉ tiết máy chế tạo ép khuôn không cần gia công cắt gọt Chỉ tiết máy kim loại gốm có tính chất quan trọng khó nồng chảy, xốp, hệ số ma sát thấp v.v Nhược điểm vật liệu gốm giá thành tương đối cao chế tạo với số lượng ít, kích thước tiết máy bị hạn chế điều kiện chế tạo Trong chế tạo máy thường dùng kim loại gốm bột sắt để chế tạo bạc ổ trượt, bánh chịu tải nhỏ, v.v Vật liệu gốm sắt graphit (2 — 3% graphit, lại bột sắt) dùng để chế tạo ổ trượt, có tính giảm ma sát tốt nhờ grapbit lỗ rỗng để dầu chui vào bôi trơn bề mặt trượt 1.5.4 Vật liệu không kim loại Được dùng chế tạo máy có gỗ, đa, cao su, amiang, chất dẻo, v.v Chất dẻo vật liệu cao phân tử, có tính chất : nhẹ, bản, đễ chế tạo, dễ cất gọt, cách nhiệt cách điện, chống ăn mòn, giảm ma sắt tăng ma sát, giảm chấn v.v Chất đẻo có tính dễ tạo hình nhờ biến dạng dẻo điều kiện nhiệt độ áp suất khơng cao lắm, phương pháp chế tạo có suất cao đúc áp lực, đập, kéo, thổi v.v sản xuất sản phẩm có hình dạng phức tạp Vì chất dẻo nhẹ, độ bên riêng vài chất dẻo tương đương với thép tốt, dùng kết cấu có yêu cầu khối lượng nhỏ Tuy nhiên, cần ý số nhược điểm chất dẻo hạn chế việc sử dụng chúng rộng rãi để chế tạo tiết máy Nói chung độ bên chất đếo thấp kìm loại, độ rắn độ cứng thấp (mơđun đàn hồi E nhỏ hàng chục hàng trăm lần so với thép), dẫn nhiệt tính chịu nhiệt không cao (60 — 250°C) 10 Sự liên quan tỷ lệ ứng suất 0zvà độ giãn £ mô tả định luật Hook (xem bên phải) Hệ số E phương trình gọi mơđun đàn hồi thông số đặc trưng cho độ cứng (độ vững) vật liệu Các loại thép có mơđun đàn hổi E=210000 N/mm2 Khi đạt đến ứng suất định, gọi giới hạn đàn hổi R , mẫu kéo giãn đáng kể lúc lực kéo không thay đổi: mẫu bị “kéo giãn” Sau vượt khỏi phạm vi kéo giãn, ứng suất mẫu kéo tăng từ từ đến điểm cực đại đường biểu diễn Trị số cao ứng suất gọi độ bền kéo R Sau đường biểu diễn xuống Mẫu kéo thắt lại lúc nhiều cuối đút gãy Độ giãn lại sau mẫu đút gãy gọi độ giãn đút gãy A Thí dụ: Một mẫu kéo trịn với đường kính ban đầu d= mm chiểu dài ban đẩu A0=40 mm kiểm tra thử nghiệm kéo Lực kéo lúc đạt giới hạn đàn hồi F =11810 N, lực kéo cực đại F =18095 Sau mẫu kéo đứt gãy chiều dài lại đo L =50,8 mm Những trị số độ lớn sau bao nhiêu: a) giới hạn đàn hổi, b) độ bền kéo c) độ giãn đứt gãy? 41 Tham số đặc trưng cho vật liệu khơng có giới hạn đàn hồi rõ rệt, vật liệu khơng có giới hạn đàn hồi rõ rệt nhôm, thép tôi, đường biểu diễn ứng suất-độ giãn khơng có giới hạn đàn hồi Lúc đẩu đường biểu diễn đường thẳng tăng dẩn, chuyển sang đường cong khơng có điểm chuyển tiếp hạ xuống sau vượt qua khỏi trị số cực đại đứt gây (Hình 1) Ứng suất điểm cao đường biểu diễn trường hợp gọi độ bền kéo R, độ giãn lại độ giãn đứt gãy A (xem cơng thức tính phẩn trên) Vì vật liệu với đường biểu diễn thiếu giới hạn đàn hổi quan trọng cho việc tính độ bển, nên người ta chọn độ lớn thay độ giãn 0,2% R 02 Đây ứng suất làm cho mẫu kéo sau hết tải 0,2% đọ giãn lại 42 Độ giãn 0,2% xác định đường vẽ song song với đoạn thẳng phẩn đầu đường biểu diễn qua điểm £ = 0,2% (Hình 1) Thí dụ: Giới hạn độ giãn 0,2% vật liệu nhơm hình có trị số /?p0J= 120 N/mm2 So sánh vật liệu Mỗi vật liệu có dạng đặc biệt đường biểu diễn ứng suất- độ giãn Khi ghi lại đường biểu diễn kim loại khác biểu đồ, người ta nhận thấy phản ứng khác biệt vật liệu qua biến dạng (Hình 2) Thử nghiệm ép Trên máy kiểm tra đa năng, mẫu thử lực ép F tác động từ từ đến gãy nứt (Hình 1) Vật liệu cứng giịn gang đúc sắt thép vỡ nhiều miếng lớn Vật liệu dai nhưthép khơng tơi bị biến dạng phình thành hình trống có vết nứt hướng lực tác động, ứng suất tối cao đạt nơi mẫu ép gọi độ bền ép dB Thử nghiệm cắt Khả chịu tải cất vật liệu kiểm tra thử nghiệm cắt Trên máy kiểm tra đa năng, mẫu cắt dạng tròn đặt gá cắt Lực cắt nâng lên từ từ đến mẫu bị cắt đứt Lực cắt tối đa F cẩn thiết đo với lần diện tích tiết diện trịn (2.S ) người ta tính độ cắt Đơ bền cắt B = Fm2 Sq Kiểm tra độ cứng theo Vickers Phương pháp kiểm tra độ cứng theo Vickers dùng đầu thử hình khối tháp cạnh kim cương ấn vào mẫu với lực kiểm tra Fvà đo đường chéo d vết ấn khối tháp phát sinh (Hình 1) 43 Thực thử nghiêm Trong trường hợp thông thường việc kiểm tra độ cứng thực với máy kiểm tra độ cứng Figure 0.14 Máy đo độ cứng Đẩu thử, thí dụ khối tháp kim cương, ép vào mẫu với lực thử nghiệm Sau 10 đến 15 giây, đẩu thử nhấc lên quay sang bên Nhờ hệ thống phóng đại quang học đến vết ấn thành hình vết chiếu vào màng phát quang, nơi vết ấn đo xác với đường ray đo di động Trong kiểm tra độ cứng theo Vickers phạm vi lớn, lực kiểm tra sau sử dụng: 49,3 N (HV5), 98,07 N (HV10), 196,1 N (HV20), 294,2 N (HV30), 490,3 N (HV50) 980,7 N (HV100) 44 Kiểm tra độ cứng theo Vickers cần đẩu thử, vật dùng để kiểm tra vật liệu mềm lẫn vật liệu cứng Ký hiệu ngắn Độ cứng Vickers trình bày ký hiệu ngắn, gổm có trị số độ cứng, chữ ký hiệu HV điểu kiện kiểm tra (xem thí dụ bên phải) Trường hợp thời gian tác động 10 đến 15 giây bỏ đi, thí dụ 360 HV 50 Kết kiểm tra độ cứng theo Vickers Brinell cho vật liệu mểm cứng vừa (đến 350 HV) có trị số Với vật liệu cứng chúng có trị số sai biệt với Kiểm tra độ cứng theo Vickers với tải nhẹ vết ấn vi mơ (rất nhỏ) Nếu cẩn có vết ấn đẩu thử nhỏ tốt người ta dùng thiết bị kiểm tra với tải nhẹ Lực kiểm tra gây vết ấn nhỏtừ2N đến 50N (HV 0,2 đến HV 5), đo kính hiển vi gắn thiết bị kiểm tra Kiểm tra độ cứng với tải nhẹ dùng để kiểm tra lớp mỏng chi tiết hoàn tất Trong thử nghiệm độ cứng theo Vickers phạm vi nhỏ, thí dụ nhưtừng hạt cấu trúc, người ta dùng lực kiểm tra nhỏ N Kiểm tra độ cứng theo Knoop Phương pháp thử nghiệm tương tự thử nghiệm theo Vickers ứng dụng cho vật liệu cứng giòn, chẳng hạn đồ gốm Đầu thử khối tháp kim cương hình thoi Để thử độ dai va đập người ta thực máy thử va đập lực đập búa với độ cao h để phá hủy mẫu kim loại Có hai loại mẫu sử dụng để xác định độ dai va đập: Mẫu charpy có kích thước 10x10x55mm, thử phải ngàm hai đầu máy Mẫu Izod có kích thước 10x10x75 mm, xẻ rãnh chữ V sâu mm cách đầu 28mm ngàm đầu máy Quả búa lắc máy đập vào mặt đối diện chỗ xẻ rãnh, đồng hồ máy giá trị công phá hủy mẫu 45 Figure 0.15 Máy thử va đập 4.2.3 Phương pháp kiểm tra tổ chức tế vi Để quan sát cấu trúc tế vi vật liệu, người ta thường dùng phương pháp tẩm thực Tẩm thực q trình ăn mịn bề mặt mẫu dung dịch hóa học thích hợp, gọi dung dich tẩm thực Tuy nhiên điểm hạn chế phương pháp sau bôi dung dịch tẩm thực cần phải chỉnh thời gian để kết thúc trình tẩm thực, thời gian để dài ngắn mẫu khơng đáp ứng mục đích mà cần quan sát Nếu quan sát sau tẩm thực, ta thấy đường biên giới nhỏ bị đứt đoạn tẩm thực chưa đủ thời gian phải đem tẩm thực lại Ngược lại đường biên giới to, đậm, độ tương phản bề mặt thời gian tẩm thực dài nồng độ dung dịch cao phải đem đánh bóng tẩm thực lại Có thể thấy trình tẩm thực trình phức tạp, tốn thời gian chưa có kinh nghiệm phải làm lại nhiều lần.Để giải vấn này, sử dụng thiết bị chuẩn bị mẫu chùm tia ion Arblade 5000 Hitachi Bằng việc dùng chùm tia ion A lượng thấp để mài, đánh bóng bề mặt mẫu giúp ta quan sát cấu trúc tế vi vật liệu Các bước để soi, nghiên cứu tổ chức mẫu kim loại nói chung hay kim loại đồng nói riêng sau: • Chọn vị trí cắt mẫu đến kích thước u cầu • Đúc epoxy mẫu 46 • Mài thơ với giấy nhám có độ hạt phù hợp • Đánh bóng tinh dung dịch đánh bóng dùng chùm ion đánh bóng • Soi cấu trúc kính hiển vi Bước 1: Cắt mẫu Tùy vào mục đích nghiên cứu mà chọn vị trí cắt mẫu phù hợp, dùng máy cắt kim loại, cưa máy, cưa tay…Hình máy cắt đĩa kim cương tốc độ thấp dùng để cắt mẫu đồng Figure 0.16 Máy cắt đĩa kim cương tốc độ thấp Model 650 Bước 2: Đúc mẫu Thép sau cắt thông thường mẫu đúc dung dịch epoxy để thuận tiện cho việc mài thô, mài đánh bóng Khơng việc đúc mẫu cịn giúp bảo vệ góc cạnh bên ngồi rìa mẫu nhằm không bị biến đổi cấu trúc mài đánh bóng Figure 0.17 Dung dịch đúc opoxy khuôn đúc mẫu 47 Bước 3: Mài thô Mẫu sau cắt mài thô với loại giấy mài size khác từ thô đến mịn thiết bị đánh bóng mẫu SMARTLAM®2 Figure 0.18 Máy đánh bóng mẫu SMARTLAM®2.0 Các giấy nhám thường đánh số từ nhỏ đến lớn, số lớn hạt mài mịn Ví dụ size mài như: P320, P800, P1200, P2000…Sau mài thô xong chuyển sang mài tinh với dung dịch kim cương 6M, 3M, 1M (Hình 4) Figure 0.19 Các size giấy mài khác dung dịch mài kim cương sử dụng trình mài học Kết thúc trình mài tinh, mang mẫu rửa, sấy khô quan sát hiển vi điện tử quét Do chịu ảnh hưởng lực học q trình mài nên Hình có nhiều vết xước lớn thơng tin cấu trúc tế vi Bước 4: Đánh bóng tinh Việc đánh bóng giấy mài hay dung dịch mài, mẫu chịu ảnh hưởng nhiều lực học tác động lên bề mặt mẫu, vật liệu bị biến dạng làm thay đổi cấu trúc Mục đích tìm cấu trúc thật vật liệu để xác định kích cỡ, hình dáng phân bố hạt, pha tổ chức, khuyết tật… từ để đánh giá 48 tính vật liệu, thơng số cơng nghệ, rà sốt q trình sản xuất phát triền công nghệ Thiết bị chuẩn bị mẫu chùm tia Arblade 5000 (Hình 6) đời với công nghệ sử dụng chùm tia ion A lượng thấp để mài, đánh bóng bề mặt vật liệu, giúp loại bỏ nhiệt làm việc với vật liệu nhạy cảm nhiệt, đảm bảo bề mặt mẫu không bị biến dạng, bị ảnh hưởng lực học q trình mài thơ giúp ta quan sát tổ chức thật vật liệu Figure 0.20 Thiết bị chuẩn bị mẫu chùm tia Ion ArBlade 5000 Bước 5: Soi mẫu kim tương kính hiển vi Figure 0.21 Kính hiển vi quang học OM 49 Thị kính Bệ mẫu Vật kính Giá điều chỉnh vật kính Núm điều chỉnh hội tụ Núm điều chỉnh nguồn sáng Núm vị chỉnh Hệ thống đèn chiếu sáng mẫu vật Tụ quang Ánh sáng khả kiến từ nguồn tập trung lại qua tụ quang để phản xạ bề mặt mẫu Sau đó, ảnh mẫu tạo thành phóng đại lần thứ nhờ thấu kính có tiêu cự ngắn (vài mm) gọi vật kính Hình ảnh tiếp tục phóng đại lên nhiều lần nhờ thấu kính phóng đại Hình ảnh phóng đại cuối mẫu ảnh thật, quan sát nhờ thị kính (có tiêu cực dài nhiều so với tiêu cự vật kính) ghi lại nhờ CCD camera Sau mẫu chuẩn bị đạt yêu cầu tiến hành soi mẫu kính hiển vi Mẫu đưa vào kính hiển vi để soi với độ phóng đại: 50 lần, 100 lần, 200 lần, 500 lần hay 100 lần tùy yêu cầu cụ thể Kính hiển vi hệ có cổng kết nối với camera truyền hình khép kín cho phép hiển thị ảnh tức thời máy tính Vì vậy, thay quan sát mắt kính người vận hành quan sát amnf hình máy tính Máy tính cài đặt phần mềm điều khiển camera chức phân tích ảnh cấp cao đo lường kích thước, đếm hạt, graphit, tính tốn tỷ lệ… Phân tích mẫu phần mềm 50 Phân tích hạt, chức như: • Xác định kích thước hạt theo tiêu chuẩn ASTM E112 EN ISO 643 • Vẽ đường viền hạt • Xuất báo cáo sang Excel • Phân tích Graphit, chức chính: • Tự động phát hạt Graphit tơ màu cho hạt • Đo thống kê nút graphit • Tính tốn %Ferrite, %Graphit, %Pearlite, tỷ lệ Ferrite / Pearlite … • Phân tích gang theo tiêu chuẩn ISO 945 • Xuất báo cáo sang Excel 51 Chương Lưu ý lựa chọn vật liệu Chi tiết máy phần tử cấu tạo thành nên máy, có hình dạng kích thước xác định, có cơng dụng định máy Thép để làm chi tiết máy có u cầu cao phải thỏa mãn yêu cầu khác tính, xác hình dạng, kích thước độ bóng bề mặt để lắp ráp Để thỏa mãn yêu cầu đó, chi tiết máy với điều kiện làm việc khác thường làm nhiều mác thép khác với chế độ nhiệt luyện ram khơng giống Cơ tính Tính chất chi tiết máy khả chịu tải trọng tĩnh động, yêu cầu có độ bền cao độ dai tốt phù hợp với điều kiện tải trọng Về độ bền người ta ngày coi trọng giới hạn chảy, lẽ chi tiết máy dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo làm việc.Độ dai va đập quan trọng chi tiết chịu tải trọng động phải tăng tải cách đột ngột Ngoài hai tiêu nhiều chi tiết máy đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mịn làm việc bị ma sát hay cọ sát Tính cơng nghệ Để trở thành chi tiết máy thành phẩm, thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia cơng Do đó, vật liệu phải có tính cơng nghệ thích ứng với hình dạng phương pháp gia công chi tiết máy, để cơng sức gia cơng Tính kinh tế Do sản lượng lớn, thép chế tạo máy nói chung phải rẻ, nên nói chung thường dùng thép cacbon hợp kim thấp, trường hợp thật quan trọng dùng đến hợp kim hóa trung bình, khơng dùng hợp kim hóa cao Thành phần hóa học 52 Do u cầu tính, tính cơng nghệ, kinh tế, thép phải có thành phần hóa học phù hợp Cacbon thép cacbon Cacbon nguyên tố định tính tính cơng nghệ thép, nên chọn hàm lượng cacbon yếu tố quan trọng hàng đầu xác định mác thép Cacbon hóa bền thép song làm giảm độ dẻo, độ dai, làm xấu tính gia cơng áp lực, gia cơng cắt tính hàn Do tác dụng lượng cacbon thép kết cấu chế tạo máy thường gặp quy định chặt chẽ: 0,10 – 0,65% Nói chung thép cacbon chế tạo chi tiết máy có tính công nghệ tốt rẻ, dùng phổ biến chế tạo máy thông dụng để làm chi tiết chịu tải trọng thấp hay trung bình, có tiết diện nhỏ (< 20mm), hình dạng đơn giản Tuy nhiên thép cabon có nhược điểm quan trọng, là: Khi có tiết diện lớn (> 30 – 40mm) khơng thể đạt độ bền tốt tiết diện nhỏ, • Khơng thể chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp (tiết diện thay đổi đột ngột), • Tính chống ram kém, khơng trì độ bền, độ cứng cao sau tơi bị nung nóng đến 200oC cao hơn, nên nói chung khơng làm việc nhiệt độ Ngược lại thép hợp kim lại thể ưu việt ba mặt • Thành phần hợp kim thép hợp kim So với thép cacbon, thép hợp kim có đắt hơn, tính cơng nghệ hơn, song bù lại có độ bền cao hơn, ưu điểm quan trọng Thép hợp kim làm chi tiết máy có đặc điểm sau: Độ bền cao hơn, điều thể rõ tiết diện lớn nhờ tính thấm tơi cao, đặc biệt thấu đạt tính cao đồng tồn tiết diện • Do tơi dầu, chí áp dụng tơi phân cấp nên làm chi tiết có hình dạng phức tạp mà khơng sợ nứt bị biến dạng lớn • Tính chống ram tốt nên mặt giữ độ bền nhiệt độ cao hơn, mặt khác điều kiện thép hợp kim ram nhiệt độ cao ứng suất bên thấp Một mác thép hợp kim phổ biến dùng để làm chi tiết máy thép SCM440 SCM420 Với việc bổ sung thêm nguyên tố Crom Molyden giúp cho thép SCM440 SCM420 có khả chịu mài mịn, chịu nhiệt tốt, độ dẻo dai, tính đàn hồi cao, chống ăn mịn oxi hóa tốt Ngồi ra, cịn có độ cứng độ bền lí tưởng để dùng cho chi tiết máy đòi hỏi cường độ làm việc cao lâu dài • 53 Chương Kết luận Sau thời nghiên cứu, tính tốn thiết kế, hướng dẫn tận tình thầy giáo ………… góp ý khoa ban, em hoàn thành đồ án lựa chọn vật liệu: - Lập quy trình cơng nghệ chế tạo lựa chọn vật liệu “bánh hộp số”: + Bánh chi tiết dùng để truyền lực chuyển động mà ta thường thấy nhiều loại máy khác Với phát triển ngành chế tạo máy với yêu cầu sửa chữa thay + Vật liệu lựa chọn: AISI 4340 + Phương pháp chế tạo: Tiện + Quy trình nhiệt luyện: Tơi + ram cao, tần số + ram thấp Cũng qua việc tiến hành làm đồ án em học tập nhiều kinh nghiệm việc chế tạo sản phẩm khí Biết phương pháp làm tăng suất sản phẩm giảm chi phí cho vật liệu Tuy nhiên thời gian có hạn hiểu biết thực tế em hạn chế nên đề tài đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến phê bình thầy để đồ án em hoàn chỉnh Cuối em xin cảm ơn giúp đỡ thầy cô đặc biệt thầygiáo ………… hướng dẫn em hoàn thành đồ án … , ngày….tháng…năm 20… Sinh viên thiết kế …………… 54 Tài liệu tham khảo Sổ tay Công nghệ Chế Tạo máy -Tập I Sổ tay Công nghệ Chế Tạo máy -Tập II Sổ tay Công nghệ Chế Tạo máy -Tập III Dung sai lắp ghép (PGS.TS Ninh Đức Tôn) Cơ sở thiết kế máy chi tiết máy (TS Trần Thọ) Sổ tay át lát đồ gá (PGS.TS Trần Văn Địch) Công Nghệ chế tạo bánh (PGS.TS Trần Văn Địch) Công nghệ chế tạo máy - Tập 1,2 Cơ sở chất lượng trình cắt (PGS.TS Trần Hữu Đà) 55 ... lựa chọn vật liệu Dùng phương pháp loại trừ để chọn 1- 5 loại vật liệu có tiêu hiệu cao Phân tích lựa chọn vật liệu hợp lý 2.2 .1 Lựa chọn chi tiết cần chế tạo Chi tiết lựa chọn: bánh truyền bánh... 0.90≦0.40 1. 20 Cr Mo 0.700.90 0.9 01. 2 0.200.30 0 .15 0.30 22 0.360.44 SNCM 0.36JIS G 410 3 439/SNCM8 0.43 BS 970 EN24/ 817 M40 0.450.70 0.600.90 0.035 0.040 0.030 0.030 0 .10 .40 0 .15 0.35 1. 3 -1. 7 1. 602.00 1. 0 01. 40... Do đó, giáo trình sử dụng số liệu 1? ? tính mác vật liệu sản xuất Liên Xơ để làm tính tốn 11 Chương Lựa chọn vật liệu 2 .1 Các bước thực lựa chọn vật liệu Để lựa chọn vật liệu thích hợp cho chi tiết,