Bài tập lớn vật liệu kỹ thuật

Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Đề số 138 I/ Nội dung: Cho chi tiết với yêu cầu bản; Chốt xích máy kéo( Ø22 x 418), làm việc điều kiện chống mài mòn, lõi cần độ dẻo dai, bền để chịu va đập II/ Thực hiện: Câu 1: Bản vẽ chi tiết hình Điều kiện làm việc chi tiết: - Chi tiết làm việc điều kiện chịu mài mòn cao, chịu va đập lớn - Chịu tải trọng rung động Để đáp ứng điều kiện làm việc trên, chi tiết phải đáp ưng yêu cầu tính: - Độ cứng: HB ≤ 197 - Độ bền: бb ≥ 800 N/mm2 - Giới hạn chảy : бc ≥ 600 N/mm2 - Độ dãn dài: δ ≥ 12 % - Độ thắt: Ψ ≥ 50% - Độ dai va đập: ak ≥ 80 J/cm2 Câu 2: Để gia cơng chi tiết chốt xích máy kéo, ta dùng vật liệu có mác thép sau ( theo tiêu chuẩn Nga ГOCT): 15, 20, 45, 60, 15X, 20X, 12XH3A, 15XΦ, 20XΦ….Theo điều kiện đề đưa ra: chi tiết làm việc điều kiện chịu mài mòn,chịu va đập chịu tải trọng rung động, chi tiết địi hỏi bề mặt có độ bền, độ cứng cao để chịu va đập, lõi có độ dẻo dai tương đối lớn để chống gẫy hỏng chốt làm việc Do ta chọn mác thép 20XΦ Thành phần hóa học thép 20XΦ: - % C = ( 0,17 ÷ 0,23) % - % Si = (0,17 ÷ 0,37) % - % Mn = (0,5 ÷ 0,8) % - % Cr = (0,8 ÷ 1,1) % - % P ≤ 0,035 % - % S ≤ 0,035 % - % Ni ≤ 0,30 % Hỗ trợ ơn tập - % V = ( 0,1 ÷ 0,2) % [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Hình 2: Bảng so sánh thành phần hóa học thép 20XΦ với mác thép tương đương theo tiêu chuẩn: Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), Mỹ (ASTM), Nga (ГOCT), Nhật (JIS), Trung Quốc (GB): Thành phần hóa học Tiêu chuẩn Mác thép TCVN 15CrV ASTM %C % Si % Mn % Cr %P %S % Ni %V 0,17 ÷ 0,23 0,17 ÷ 0,37 0,5 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,1 ≤ 0,035 ≤ 0,035 ≤ 0,30 0,1 ÷ 0,2 6120 0,17 ÷ 0,22 0,20 ÷ 0,35 0,70 ÷ 0,90 0,70 ÷ 0,90 ≤ 0,040 ≤ 0,040 - ≥ 0,10 ГOCT 20XΦ 0,17 ÷ 0,23 0,17 ÷ 0,37 0,5 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,1 ≤ 0,035 ≤ 0,035 ≤ 0,30 0,1 ÷ 0,2 JIS SCr420 0,18 ÷ 0,23 0,15 ÷ 0,35 0,60 ÷ 0,85 0,9 ÷ 1,2 ≤ 0,030 ≤ 0,030 ≤ 0,25 - GB 20CrV 0,17 ÷ 0,23 0,17 ÷ 0,37 0,5 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,1 - - ≤ 0,30 0,1 ÷ 0,2 Nhận xét: Thành phần hóa học mác thép tương đương có khác biệt nhỏ khơng ảnh hưởng đến tính thép sử dụng mác thép nước Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Câu 3: Vai trò nguyên tố hợp kim thép 20XΦ: * Đối với tính: - Các bon: thành phần Các bon thép chiếm ( 0,17 ÷ 0,23) % nên tổ chức tế vi thép pherit peclit nên thép có tính dẻo, dai bền - Mangan, Silic: thành phần mangan chiếm khoảng (0,5 ÷ 0,8) %, Silic khoảng (0,17 ÷ 0,37) % có tác dụng loại bỏ tác hại lưu huỳnh thép, hòa tan vào pherit nâng cao độ bền, độ cứng, tăng độ thấm lại làm giảm đáng kể độ dẻo độ dai làm cho thép dòn Tuy nhiên tác dụng khơng lớn lượng chứa nhỏ - Phốt lưu huỳnh: mác thép chọn, phốt lưu huỳnh đóng vai trị tạp chất lượng chứa thép nhỏ (% P ≤ 0,035 %; % S ≤ 0,035 %), không ảnh hưởng tới tính thép - Crơm Niken: làm tăng độ bền độ cứng cho thép không mạnh Si Mn lại không làm giảm nhiều độ dẻo độ dai Thép hợp kim hóa Crơm Niken nâng cao độ bền, độ cứng, tăng mạnh độ thấm mà trì độ dẻo độ dai - Vanadi: với mác thép chọn, thành phần Vanadi chiếm ( 0,1 ÷ 0,2) % có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo độ dai cho thép Vanadi có khả tạo bít mạnh nên cho vào thép tạo bít có kiểu mạng đơn giản làm tăng độ cứng, tính chống mài mịn, nâng cao nhiệt độ tơi mà giữ kích thước hạt nhỏ,nâng cao tính cứng nóng nâng cao độ dai tính Ngồi ra, Vanadi cịn có tác dụng tăng nhiệt độ thường hóa, nhiệt độ ủ tăng nhiệt độ tơi * Đối với q trình nhiệt luyện: - Chuyển biến nung nóng để tơi: Các thép thơng thường có tổ chức peclit ( trừ số thép đặc biệt), nung nóng có chuyển biến từ peclit thành austenit, bít hịa tan vào austenit hạt austenit phát triển lên Tuy nhiên có số dặc điểm sau: + Sự hịa tan bít hợp kim khó khăn nên cần nhiệt độ cao thời gian giữ nhiệt lâu + Các bít khó hịa tan vào austenit nằm biên giới hạt hàng rào giữ cho kích thước hạt nhỏ Tác dụng mạnh với V.Do thép hợp kim giữ hạt thép nhỏ so với thép bon nung nhiệt độ - Sự phân hóa đẳng nhiệt austenit nguội độ thấm tôi: Đây tác dụng quan trọng điển hình nguyên tố hợp kim + Khi hòa tan vào austenit tất nguyên tố hợp kim (trừ Co) với mức độ khác làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt austenit nguội ( làm đường cong chữ C chạy sang phải) làm giảm tốc độ Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] tơi tới hạn Nếu khơng hịa tan vào austenit mà dạng bít có tác dụng ngược lại + Độ thấm tôi: Do làm giảm tốc độ tới hạn nên nguyên tố hợp kim ( trừ Co) hòa tan vào austenit làm tăng độ thấm Nhờ tác dụng mà thép hợp kim tơi thấu hay tự tơi ( làm nguội khơng khí tạo thành mactenxit - thép gió) mà thép bon khơng thể có Hình 3: Thép C thép hợp kim hóa Cr, W, Mo V Hình 4: Sơ đồ biểu diễn giảm tốc độ giới hạn (a) tăng độ thấm thép hợp kim so với thép C Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] - Chuyển biến mactencit: Khi hòa tan vào austenit, nguyên tố hợp kim (trừ Co, Si, Al) hạ thấp nhiệt độ chuyển biến mactenxit làm tăng lượng austenit dư sau tơi Do làm giảm độ cứng sau tơi từ 1÷10 HRC Tuy nhiên hồn tồn khắc phục nhược điểm cách gia công lạnh - Chuyển biến ram: Nói chung nguyên tố hợp kim hịa tan vào mactenxit cản trở phân hóa ram có nghĩa làm tăng nhiệt độ chuyển biến ram Có tượng nguyên tố hợp kim cản trở mạnh khuếch tán bon Do dẫn tới kết sau: + Các bít tạo nhỏ mịn phân tán làm tăng độ cứng tính chống mài mịn Hiện tượng gọi biến tính phân tán Trong số thép hợp kim cao ram nhiệt độ thích hợp austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram bít tiết nhỏ mịn, phân tán làm độ cứng tăng lên so với sau gọi độ cứng thứ hai + Khi ram hay làm việc nhiệt độ, thép hợp kim có độ bền, độ cứng độ dai cao (do ram cao khử bỏ ứng suất dư nhiều hơn) Câu 4: Để đảm bảo tính để đáp ứng yêu cầu làm việc chi tiết, phôi thép phải trải qua trình nhiệt luyện Các chế độ nhiệt luyện sau: - Ủ: Ủ phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ định làm nguội chậm để đạt tổ chức ổn định (gần với tổ chức cân bằng) có độ bền, độ cứng thấp độ dẻo cao Ủ nhằm mục đích: + Giảm độ cứng thép để dễ gia công cắt gọt + Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng nguội + Làm giảm hay khử bỏ hồn tồn ứng suất bên gia cơng cắt gọt biến dạng + Làm đồng thành phần hóa học vật đúc bị thiên tích + Làm nhỏ hạt thép Các phương pháp ủ gồm có: Ủ thấp (Tủ = 200 ÷ 600oC), ủ kết tinh lại (Tủ = 600 ÷ 700oC), ủ hồn tồn (Tủ = Ac3 + (30 ÷ 50)oC), ủ khơng hồn tồn (Tủ = Ac1 + (30 ÷ 50)oC), ủ cầu hóa (Tủ dao động tuần hoàn quanh nhiệt độ Ac1, số lượng chu trình phụ thuộc vào kích thước chi tiết mức độ cầu hóa) ủ khuếch tán (Tủ = 1100 ÷ 1150oC, giữ nhiệt khoảng 10 ÷ 15h) Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Đối với chi tiết chốt xích máy kéo đề cho ta dùng phương pháp nhiệt luyện ủ đẳng nhiệt Phương pháp giúp thép nhận tổ chức tế vi tổ chức peclit đồng rut ngắn thời gian ủ - Thường hóa: Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn austenit, giữ nhiệt làm nguội ngồi khơng khí tĩnh Thường hóa có tác dụng ủ có số đặc điểm khác: + Với thép C có thành phần ≤ 0,25% ủ độ cứng thấp, phoi dẻo khó cắt gọt Thường hóa giúp khắc phục vấn đề + Làm nhỏ xementit chuẩn bị cho trình gia cơng kết thúc Mục đích thường áp dụng + Phá lưới xementit II thép sau tích Nhiệt độ thường hóa tính theo cơng thức: Tth = Ac3 + (30 ÷ 50)oC Với mác thép 20XΦ Ac3 = 840oC nhiệt độ thường hóa Tth = (870 ÷ 890)oC - Tơi: Trong ngun cơng nhiệt luyện tơi ngun cơng quan trọng tạo chi thép độ cứng tính chống mài mịn cao Đối với thép 20XΦ ta cần lần Tôi lần với nhiệt độ T t = 880oC, làm nguội dầu Tôi lần với nhiệt độ T t = (770 ÷ 820)oC, mơi trường làm nguội dầu nước - Ram: Là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép tơi đến nhiệt độ thấp Ac1, giữ nhiệt làm nguội để biến đổi tổ chức sau tơi thành tổ chức có tính chất phù hợp với điều kiện làm việc qui định Ram nguyên công bắt buộc thép sau Nhiệt độ ram thép 20XΦ Tr = 180oC, mơi trường làm nguội khơng khí dầu Hỗ trợ ơn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] Hình 5: Giản đồ pha Fe - C: Dựa vài giản đồ pha Fe - C ta thấy thép C có thành phần C với thép 20XΦ thép C20 (%C = 0,2%) Từ ta có: Ac  0,8  0,2 x911  727   727  865 o C 0,8 Tth  Ac  30  50 C  865  30  50 C  895  915 o C o o Tt  Tth  895  915 o C Tr  180 o C Nhận xét: nhiệt độ tới hạn Ac3 nhiệt độ thường hóa Tth theo tính tốn thép C cao so với thép hợp kim chọn Khi làm nguội chậm qua điểm tới hạn Ac tổ chức tế vi thép đật sau: + Khi nhiệt độ làm nguội Tng = T* > Ac3, tổ chức tế vi thép austenit hoàn toàn %C = 0,2% + Khi nhiệt độ làm nguội Tng ≤ Ac3 , tổ chức austenit bị phân hóa thành tổ chức ferit I + austenit (ferit tiết từ pha austenit) + Khi nhiệt độ làm nguội Tng ≥ Ac1 = 727oC tổ chức tế vi ferit I + austenit + Khi nhiệt độ làm nguội Tng ≤ Ac1 tổ chức tế vi đạt ferit I + peclit Hỗ trợ ôn tập [ĐỀ CƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐẠI HỌC] 0,8  0,2 x100%  76,923% 0,8  0,02 % Peclit  100%  76,923%  23,077% % I  Cơ tính pha αI mềm, dẻo tính tổ chức peclit (là tổ chức pha ferit + xementit) có tính tổng hợp cao, nghiêng nhiều tính pha ferit Câu 5: Đối với chi tiết chốt xích máy kéo, chi tiết có dạng trụ nên phương pháp gia công thường dùng phương pháp tiện Khi gia cơng chi tiết chốt xích với mác thép chọn phương pháp tiện, q trình gia cơng, bề mặt chi tiết tiếp xúc với lưỡi dao cắt sinh nhiệt lớn Vì vậy, trước gia cơng ta xử lí nhiệt phương pháp ủ thường hóa với Tủ Tth phân tích câu Sau gia cơng khí, q trình nhiệt luyện kết thúc bao gồm: lần ram thấp, môi trường làm nguội dầu nước với mục đích làm tăng độ bền, độ cứng cho lõi chi tiết, tăng khả chịu mài mòn, chịu va đập cho bề mặt chi tiết Sau bề mặt tổ chức tế vi đạt mactenxit austenit dư Hai tổ chức có tính cứng có độ bền cao nên giúp cho chi tiết đạt độ bền độ cứng tốt Sau ram thấp bề mặt, tổ chức nhận mactenxit ram có độ cứng khơng sau tơi có tính chống mài mịn lớn Khi khơng tìm mác thép phù hợp với mác thép chọn, ta thay mác thép tương đương Ví dụ như: 20X, 15XΦ, 25XΦ, 20XH Ta thay mác thép 20X hay 15XΦ Nếu thay hai mác thép giảm giá thành sản phẩm chất lượng thép không tốt mác thép chọn mà chất lượng sản phẩm giảm xuống (do khơng có thành phần hợp kim thép 20X thành phần C giảm xuống thép 15XΦ làm cho tính thép giảm) Phương pháp thay tốt thay thép 25XΦ 20XH Hai mác thép có tính tốt mác thép chọn 20XΦ (vì có thành phần C cao thép 25XΦ ảnh hưởng nguyên tố Ni tới tính thép tốt so với ảnh hưởng nguyên tố V) Tuy nhiên, giá thành hai mác thép cao giá thành mác thép 20XΦ