bài tập lớn vật liệu học

Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 I. Nội dung và yêu cầu: - Chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện và gia công cơ khí chi tiết chốt nhíp ôtô, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn. Câu 1: a. Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết: - Nhíp ôtô là bộ phận giảm xóc cho ôtô, gồm các tấm thép được ghép lại. Toàn bộ tải trọng phần trên của xe được đặt lên khung nhờ các nhíp này. Bộ phận nhíp ,nhờ có tính đàn hồi tốt nên giảm được chấn động lên phần trên của xe (nhất là khi đi trên đoạn đường gồ ghề). Đồng thời, nhíp cũng phải chịu ứng Hình 1. Nhíp ôtô suất chu kì (ứng suất nén và kéo thay đổi theo chu kì ). Chốt nhíp có tác dụng đỡ một đầu nhíp trượt qua lại. Hai đầu chốt được gắn trên giá và xoay được. b. Yêu cầu về cơ tính: - Từ điều kiện làm việc như trên ta thấy chi tiết chốt nhíp chủ yếu chịu mài mòn đồng thời cũng chịu uốn ( do phải đỡ một đầu của nhíp ) cần chọn loại vật liệu có cơ tính tổng hợp tốt, chịu được mài mòn đảm bảo kết hợp đượccác chỉ 1 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 tiêu về độ cứng, độ dai va đập… Hình 2. Chốt nhíp ôtô Câu 2 a. Chọn mác thép và cơ sơ cho việc chọn mác thép: - Ta thấy trong các loại thép thì có thép C45 hóa tốt (không hợp kim) là phù hợp nhất bởi lẽ: +) Thép C45 hóa tốt thuộc nhóm thép cacbon trung bình ( 0,30÷0,50%C ) như vậy sẽ đảm bảo sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính tổng hợp : độ bền, độ dẻo, độ dai. Hơn nữa, bằng các phương pháp nhiệt luyện như tôi + ram cao, độ cứng và tính chống mài mòn tương đối cao và sau khi tôi bề mặt, thỏa mãn được các yêu cầu trên. Nếu dùng lượng cacbon khác đi sẽ không đạt được cơ tính tổng hợp tốt như vậy (tuy rằng dùng lượng cacbon cao hơn sẽ đạt được độ cứng bề mặt và tính chống mài mòn cao hơn nhưng lại giảm độ dẻo, độ dai ). +) Thép cacbon là nhóm thép thông dụng, dễ kiếm, giá thành tương đối rẻ so với các loại thép khác (như thép hợp kim), khi sử dụng vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu yêu cầu. 2 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 Hình 3. Giản đồ Fe-C 3 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 b. Thành phần hóa học của thép C45: - Theo TCVN thành phần của thép C45 (ngoài Fe) bao gồm : +) %C = 0,45%. +) %Mn = 0,70%. +) %P ≤ 0,04%. +) %S ≤ 0,04%. c. Lập bảng các ký hiệu và thành phần của mác thép tương đương với mác thép trên theo các tiêu chuẩn các nước: Tiêu chuẩn Mác thép %C %Mn %P max %S max Nguyên tố khác max TCVN (Việt Nam) C45 0,45 0,70 0,040 0,040 - ANTM (Mỹ) 45 0,45 0,80 0,040 0,040 - ҐOCT (Nga) 1045 0,45 0,70 0,035 0,050 Si≤0,15 JIS (Nhật) S45C 0,45 0,80 0,030 0,035 - *Nhận xét: - Thành phần Mn trong thép C45 theo các tiêu chuẩn có khác nhau đôi chút, theo tiêu chuẩn ANTM ( Mỹ) và JIS (Nhật) thì hàm lượng Mn cao hơn thao tiêu chuẩn ҐOCT (Nga) và TCVN (Việt Nam). - Tiêu chuẩn JIS quy định khống chế hàm lượng P và S ở mức thấp nhất. Còn theo ҐOCT quy định khống chế hàm lượng P có thấp hơn và hàm lượng 4 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 S cao hơn các tiêu chuẩn khác một chút (0,005%), đồng thời cũng quy định hàm lượng Si ≤ 0,15%. Câu 3: Ảnh hưởng của các nguyên tố thành phần trong thép C45 đến cơ tính và công nghệ nhiệt luyện.: • .Tổ chức tế vi và các pha thành phần: -Thép C45 có hàm lượng cacbon là 0,45% thuộc nhóm thép trước cùng tích ( %C = 0,10÷0,70 ) có tổ chức Ferit + Peclit ở nhiệt độ thường (≤727 0 C): +) Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe α với mạng lập phương tâm khối ( a = 0,286÷0,291mm ) song do lượng hòa tan quá nhỏ ( lớn nhất là 0,02%C ở 727 0 C còn ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006%C ) nên có thể coi là Fe α ( tr139) .Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ ( tiếp giáp vói Fe α trên trục sắt ). Do gần như không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất : dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hòa tan Si, Mn, P, Cr… nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường khi sử dụng ( <727 0 C ), có tỷ lệ cao nhất nên nó đóng góp một tỷ lệ quan trọng trong cơ tính của thép.Tổ chức tế vi của ferit có dạng các hạt sáng, đa cạnh. +) Peclit ( P,[Fe α +Fe 3 C] ) là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit (γ) với 0,80%C và ở 727 0 C theo phản ứng: γ s  [α P + Fe 3 C] . Trong Peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau; nhờ kết hợp giữa lượng lớn pha dẻo vơi lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ 5 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu ủa vật liệu. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, troxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe-C. • Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính và công nghệ nhiệt luyện: Từ giản đồ pha Fe-C ta thấy khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ Xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng ( cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit ) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng ( ủ). Tức là hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai vàcàng giòn. Thép C45 thuộc nhóm thép có hàm lượng cacbon trung bình (0,30÷0,50%C) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao ( tuy chưa phải cao nhất) , có hiệu quả tôi + ram tốt. ● Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất : Trong thép cacbon thông thường ngoài cacbon ra còn có chứa một số nguyên tố với hàm lượng giới hạn là các nguyên tố tạp chất (vì không phải cố ý đưa vào). Trong số các tạp chất có một số có lợi và một số có hại. +) Tạp chất có lợi: mangan và silic Mangan và silic đi vào thành phần của thép là từ quặng sắt và do quá trình công nghệ ( khi luyện thép phải dung fero mangan và fero silic để khử ôxy trong ôxit sắt, phần không tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép). 6 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 -Mangan ,silic có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó làm tăng cao độ bền và độ cứng của pha này ( hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng trong thép C45 hàm lượng mangan chỉ là khoảng 0,70% và silic khoảng 0,20÷0,40% nên ảnh hưởng này không lớn. Ngoài ra mangan còn có tác dụng làm giảm tác hại của lưu huỳnh. Silic không tạo cacbit và có xu hướng làm thoát cacbon trong thép. Silic có tác dụng làm tăng độ thấm tôi ở mức độ trung bình với hệ số tăng độ thấm tôi là 1,7. Silic có tác dụng làm tăng tính ổn định ram, chống ôxy hoá cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão cho thép crôm. Si còn có tác dụng tăng tính đàn hồi cho thép (cho nên Si thường có mặt trong các mác thép đàn hồi ). - Tuy vậy, Mn cũng đặc điểm công nghệ cần chú ý là làm lớn hạt trong quá trình nhiệt luyện làm vật liệu bị giòn, vi vậy khi nung phải chú ý đến tốc độ và nhiệt độ cho phù hợp. +) Tạp chất có hại: photpho và lưu huỳnh. Photpho (P) là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe-C, còn trong thép giới hạn này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thểpha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng photpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe 3 P cứng và giòn. Do đó photpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội ( ở nhiệt độ thường ). Chỉ cần có 0,10% P hòa tan, ferit đã trở nên giòn. Song photpho là nguyên tố thiên tích ( phân bố không đều ) rất mạnh nên để tránh giòn lượng photpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng photpho cũng không vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn ). Lưu huỳnh (S), khác với photpho lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe ( cả Fe α lẫn Fe γ )mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988 0 C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung nóng lên để cán, kéo (thường ở 1100 0 C÷1200 0 C) biên giới hạt bị chảy ra làm 7 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 thép dễ bị đứt gãy như là thép rất giòn. Hiện tượng này được gọi là giòn nóng hay bở nóng. Tuy vậy photpho và lưu huỳnh cũng có mặt lợi, đó là làm tăng khả năng gia công cắt cho vật liệu vì tổ chức của thép để dễ cắt là phải tạo ra các pha có tính giòn nhất định làm cho phoi dễ gãy và cũng nhờ đó mà bề mặt gia công nhẵn, bóng hơn. Muốn vậy ta cho hàm lượng P trong khoảng 0,08÷0,15%, còn lưu huỳnh trong khoảng 0,15÷0,35%.Song để tránh ảnh hưởng có hại của lưu huỳnh, lượng Mn trong thưp phải ở giới hạn trên, 0.80÷1,00%. Khi đưa Mn vào, do ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn Fe nên thay vì tạo FeS mà tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (1620 0 C), dứới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy. MnS có lợi cho gia công cắt vì pha này tương đối dẻo khi nung nóng và bị kéo dài ra theo phương biến dạng khi cán, nhờ đó làm giảm tính liên tục và độ bền theo phương vuông goc với thớ, làm phoi dễ bị gãy vụn. Còn P hòa tan vào ferit nâng cao độ giòn của pha này nhờ đó dễ tách và làm vụn phoi. Cả MnS lẫn dung dịch rắn của P trong ferit đều tránh được hiện tượng dính kim loại lên dao cắt, nhờ đó tạo bề mặt nhẵn bóng. Sự tạo phoi nhu vậy sẽ làm giảm ma sát nâng cao tuổi bền của dụng cụ. Thép dễ cắt thường có chứa P,S có tính gia công cắt cao gấp đôi so với thép cacbon cùng loại hay tương đương. Tóm lại, hai nguyên tố P và S vừa cải thiện tính gia công cắt vừa làm xấu chất lượng thép: giảm độ dai, dộ dẻo, độ bền theo phương ngang thớ cũng như tình chống ăn mòncủa thép. Do vậy, cần rất quan tâm đến hàm lượng của hai nguyên tố này nhằm đạt được cơ tính cũng như tính cắt gọt tốt nhất. +) Tạp chất ngẫu nhiên: Các tạp chất này đi vào thép qua con đường tái chế sắt thép, gang, hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố 8 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 hợp kim). Do vậy ngay trong thép cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau: - Crôm, niken, đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng không vượt quá 0,50%. - Vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố. Đáng chú ý là xu hướng này ngày một mạnh lên nên hàm lượng của các nguyên tố trên cũng tăng lên. Song dù vậy chúng vẫn chỉ đuợc coi là tạp chất vì: - Không cố ý đưa vào. - Với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của thép. +) Tạp chất ẩn: Đó là các tạp chất khí : H 2 , O 2 , N 2 ,… Chúng hòa tan vào trong thép lỏng từ khí quyển của lò luyện . Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức ( gây tập trung ứng suất ) và giòn song do có mặt trong thép với lượng chứa rất nhỏ ( ví dụ như 0,006÷0,008% đối với ôxy ) nên rất khó phân tích Câu 4: a.Xác định nhiệt độ chảy hoàn toàn và các nhiệt độ quan trọng đối với thép (nhiệt độ ủ, thường hóa, tôi): Khảo sát sự chuyển biến của C45 từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ hóa lỏng hoàn toàn: +) Ở nhiệt độ thường (<727 0 C), tổ chức của thép là ferit + peclit (Fe α + P) +) Ở nhiệt độ 727 0 C bắt đầu có sự hòa tan ferit (Fe α ) vào austenit (γ) . +) Ở nhiệt độ ≥ 727 0 C tiếp tục sự hòa tan cho đến 805 0 C thì quá trình hòa tan kết thúc. 9 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 +) Ở nhiệt độ ≥ 805 0 C : chỉ còn lại một dung dịch rắn duy nhất là austenit (γ). Tiếp tục tăng nhiệt độ đến 1430 0 C dung dịch rắn bắt đầu hòa tan. +)Ở nhiệt độ từ 1430÷1516 0 C tổ chức là pha lỏng + austenit (L+γ). +) Ở ≥1516 0 C, thép hóa lỏng hoàn toàn. • Trên giản đồ Fe-C, nhiệt độ chảy hoàn toàn của thép C45 là tung độ (trên trục nhiệt độ) của giao điểm của đường thẳng %C = 0,45 với đường lỏng, ta xác định được T cht =1516 0 C. • Xác định nhiệt độ T Ac3 được tính gần đúng dựa vào tam giác MNP và MQR: 3 912 0,45 0,56 912 727 0,80 Ac T− = − ; . Suy ra T Ac3 ; 805 0 C. • Thép C45 thuộc nhóm thép trước cùng tích nên nhiệt độ ủ hoàn toàn (nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn là austenit, tức là cao hơn Ac 3 : T 0 ủ = Ac 3 + (20÷30) 0 C = (825 ÷ 835) 0 C Mục đích của ủ hoàn toàn là: +) Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung nóng quá Ac 3 khoảng 20÷30 0 C thì hạt austenit thu được vẫn nhỏ, nên khi làm nguội tiếp theo tổ chức ferit + peclit nhận được cũng có hạt nhỏ. +) Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội với độ cứng đạt được là HB = 160÷200. +) Khi nung nóng để ủ hoàn toàn ta được austenit đồng nhất nên khi làm nguội sẽ phân hóa ra tổ chức ferit + peclit, trong đó peclit ở dạng tấm. Nhiệt độ tôi của thép C45 được xác định như sau: T t 0 = Ac 3 + (30÷50) 0 C 10 [...]... khi tôi bề mặt dễ dàng đạt được độ cứng HRC = 52÷58, cùng với độ cứng lõi HRC = 25÷30 đạt được yêu cầu đề ra d Chọn vật liệu thay thế: 16 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 - Do những yêu cầu về cơ tính như đã phân tích ở trên, ta có thể chọn thép C50 làm vật liệu thay thế do thép C50 có nhưng đặc điểm về cơ tính cũng như nhiệt luyện tương tự như thép C45 mà vẫn đảm bảo được... và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau, mục đích của tôi + ram là tạo cơ tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể 14 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 +) Hóa nhiệt luyện : dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần hóa học ở lớp bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn Thường tiến hành bằng cách thấm, khuyếch tán một hay nhiều nguyên... có công thức Fe 3C và thành phần 6,67% C ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C 12 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 Tỷ lệ % của hai pha ferit và xêmentit là: α 6, 67 − 0, 45 6, 22 = = Xe 0, 45 − 0, 006 0, 428 6, 22 Suy ra : %( α) = 6, 22 + 0, 428 x100% = 93, 6% %(Xe)... do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước Nhiệt luyện là phương pháp gia công có những đặc điểm riêng phân biệt với các nguyên công gia công cơ khí khác: 13 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 +) Khác với đúc, hàn là nó không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn chỉ ở trạng thái rắn (nhiệt độ nung nong phải thấp hơn đường rắn) +) Khác với.. .Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 = (835 ÷ 855) 0C Với quá trình tôi ở nhiệt độ như trên sẽ làm xuất hiện austenit, sau đó làm nguội nhanh để đạt được tổ chức mactenxit hay các tổ chức... độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội với độ cứng đạt được là HB = 160÷200 - Sau khi ủ hoàn toàn thép ta tiến hành các biện pháp gia công cơ khí để đạt được hình dạng yêu cầu 15 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 c Nhiệt luyện kết thúc thép hóa tốt được chia làm hai bước: - Bước đầu tiên là tạo cho lõi có cơ tính tổng hợp cao để chịu được tải trọng tĩnh và va đập... song song) cắt ngang hạt ( thể hiện tính dẻo cao) Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A 1 ) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng ( dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) 11 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 thép bao giờ cũng thực được hiện ở trạng thái austenit đồng nhất ( thường ở trên dưới 10000C ) Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn . cầu. 2 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 Hình 3. Giản đồ Fe-C 3 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 b. Thành phần hóa học của thép. ra. d. Chọn vật liệu thay thế: 16 Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 - Do những yêu cầu về cơ tính như đã phân tích ở trên, ta có thể chọn thép C50 làm vật liệu thay. Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49 I. Nội dung và yêu cầu: - Chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện và gia công cơ khí