Cơ sở kỹ thuật cơ khí đỗ xuân đinh, bùi lê gôn, phạm đình sùng

c s K T H U T C KHI XUN NH (ch biờn) BI Lấ GễN - PHM èNH SNG c S K T H U T C KH NH XUT BN XY DNG H NI - 2001 LI NểI U Giỏo trỡnh "C s k thut c khớ " dựng ging dy vự hc cho sinh viờn thuc cỏc chuyờn ngnh phi c khớ ti trng i hc Xy dng Hin ti, õy l giỏo trỡnh chớnh cung cp nhng kiờh thc c bn nht v k thut c khớ cho cỏc sinh viờn chớnh quy v ti chc chuyờn ngnh Vt liu xõy dng, K thut mụi trng Giỏo trỡnh cú phn, bao gm 16 chng : Sỏu chng u cung cp nhng kin thc c bn v vt liu c khớ, nhng khỏi nim v nhit luyn, cỏc phng phỏp gia cụng kim loi Nm chng tip theo l nhng khỏi nim v c cu v mỏy, ng hc v ng lc hc ca c cõu v mỏy c trng Nm chng cui l nhng khỏi nim c bn v tớnh toỏn thit k nhng chi tit mỏy cú cụng dng chung Giỏo trỡnh "C s k thut c khớdo nhúm cỏn b ging dy b mụn C s c khớ biờn son vi s phõn cụng nh sau: - ThS Phm ỡnh Sựng vit cỏc chng ,2 ,3 , 4, 5, - ThS Bựi Lờ Gụn vit cỏc chng 7, 8, ,1 ,1 - PGS.TS Xuõn inh ch biờn v vit cỏc chng 12,13,14,15,16 Vi giỏo trỡnh ny, nhng ngi biờn son chỳng tụi mong mun cung cp cho bn c nhng khỏi nim c bn nht, ti thiu nht v d hiu nht v k thut c khớ, to thun li cho ngi c quỏ trỡnh hc tp, tỡm hiu v khai thỏc hp lý cỏc thit bi v mỏy chuyờn ngnh Trong quỏ trỡnh biờn son s khụng trỏnh nhng khim khuyt, vy chỳng tụi rt mong nhn c cỏc ý kin úng gúp b sung cun sỏch c hon thin hn Mi kin úng gúp xin gi v: - B mụn C s c khớ, khoa C khớ xõy dng, trng i hc Xõy dng, s 55 ng Gii Phúng, H Ni - Nh xut bn Xõy dng - 37 Lờ i Hnh - H Ni Cỏc tỏc gi PHN I KIM LOI HC, NHIT LUYN V CễNG NGH GIA CễNG KIM LOI Chng NHNG KHI NIM c BN V KIM LOI V HP KIM 1.1 KIM LOI V NHNG TNH CHT QUAN TRNG CA Nể 1.1.1 Kim loi Theo cỏc nh hoỏ hc, kim loi c nh ngha l nhng nguyờn t m quỏ trỡnh tham gia cỏc phn ng hoỏ hc chỳng cú xu hng nhng in t lp ngoi cựng (cỏc in t hoỏ tr) Theo cỏc nh k thut, kim loi c quan nim l cỏc vt th cú nhng du hiu chung c trng nh: kh nng dón in, dón nhit cao, cú bn tng i cao, c khỏ nng bin dng b ngoi lc tỏc dng, cú ỏnh kim (nu khụng b che ph bi mt lp l sn phm ca phn ng hoỏ hc, vớ d lp oxit) Trthu ngõn, tt c cỏc kim loi nhit bỡnh thng u cú cu trỳc tinh th Khong 3/4 cỏc nguyờn t bng h thng tun hon l kim loi, cũn li khong 1/4 cỏc nguyờn t l ỏ kim, song gia kim loi v ỏ kim khụng cú ranh gii rừ rt Liờn kt ion l kt qu ca cỏc lc hỳt tnh in gia cỏc ion trỏi du, vớ d NaCl Liờn kt ng hoỏ tr c hỡnh thnh s gúp chung cỏc in t gia hai hay nhiu nguyờn t Liờn kt kim loi c hỡnh thnh lc hỳt gia cỏc ion dng v cỏc in t khụng b rng buc vo mt nguyờn t c th no Cú th hỡnh dung liờn kt kim loi nh sau (hỡnh 1.1): cỏc ion dng to thnh mng xỏc nh, ú cỏc in t hoỏ tr t chuyn ng nh cht khớ lý tng Hỡnh 1.1: Liờn kt kim loi Nng lng liờn kt l tng hp lc y v hỳt tnh in gia cỏc ion dng v mõy in t t Chớnh iu ú dn ti vic xut hin cỏc cu trỳc hn hp v to s dch chuyờn cỏc nguyờn t m liờn kt khụng b phỏ hu (liờn quan n bin dng do) Trong liờn kt ion v ng hoỏ tr, cỏc in t hoỏ tr b hỳt cht v khng th tham gia quỏ trỡnh to dũng in, liờn kt kim loi, cỏc in t húa tr t l nguyờn nhõn gõy dn in ca kim loi 1.1.2 Hp kim Khi em mt kim loi nu chy vi mt hay nhiu nguyờn t khỏc ta c vt th mi cú tớnh cht kim loi, thỡ vt th ú l hp kim Nguyờn t ch yu hp kim l nguyờn t kim loi Thụng thũng hm lng cỏc nguyờn t hp kim c biu th bng s phn trm (%) lng Hp kim c s dng rng rói vỡ cỏc lớ sau: - D ch to, giỏ thnh 1' hn kim loi nguyờn cht - Cú tớnh tng hp tt hn kim loi nguyờn cht - Mt s hp kim cú tớnh cht c bit m kim loi nguyờn cht khụng cú nh bn cao, lng riờng nh, khụng gi, chu nhit - Tớnh cụng ngh tt (tớnh ỳc, tớnh gia cụng ct gt ) 1.1.3 Nhng tớnh cht quan trng ca kim loi v hp kim a) Lớ tớnh: Tớnh dn in, dn nhit, lng riờng, t tớnh, nhit núng chy Cỏc tớnh cht ny c nghiờn cu s dng kim loi v hp kim mt cỏch ti u vón m bo cỏc yờu cu v kinh t v k thut Vớ d: cỏc hp kim cú lng riờng nh, cú bn cao (vớ d uyra) c s dng lnh vc hng khụng v v tr ng v nhụm cú dn in cao c s dng lnh vc in, in t h) Hoỳ tớnh: Tớnh chng n mũn cỏc mụi trng khỏc c) C tớnh: C tớnh ca vt liu c xỏc nh bng cỏc phng phỏp th khỏc tu theo bn cht ti Hỡnh 1.2: ng cong (chng loi, ln, tc ) v mụi trng ti (nhit ng sut hin dng (lc tỳc , thi gian, hot tớnh) n gin v thụng dng l dng - hin dng) phng phỏp th kộo, trone ú mu th kộo chu lc kộo mt chiu trựng vi trc mu, tng dn cho ti mu t Kt qu th c ghi trờn gin kộo biu th quan h gia lc kộo v gión di (hoc ng sut v bin dng, ú phõn bit giai on) (hỡnh 1.2): - Bin dng thun nghch, mt sau b ti hoc sau mt thi gian xỏc nh a c - Bin dng khụng thun nghch, cũn gi li sau b ti - Phỏ hu vt liu tỏch t hoc v Mt s ch liờu c tớnh quan trng ca kim loi v hp kim c xỏc nh nh trờn hỡnh 1.2 cng: cng c nh ngha l kh nng chng li s xõm nhp ca vt khỏc vo vt liu cng c xỏc nh bng cỏch ộp mt vt cú hỡnh dng nht nh (viờn bi, hỡnh nún, hỡnh t din) cú cng ỳ cao lcn b mt vt liu T cỏc s liu v hỡnh dng vt ộp v kớch thc vt in li trờn b mt vt liu ngi ta tớnh c cng theo cỏc thang khỏc (hỡnh 1.3) r 172 30 * ' Hỡnh 1.3 : Hỡnh diu cỏc du d cn Vớt vt in trờn vt liu trorii cỏc plnớn { phỏp cint a- Phit/Uphỏp Brinell ; h - Phnphỏp Rockw ell; c- Phtv phỏp Vicker ; d- Phiii phỏp Knoop Tu theo phng phỏp o ta cú cng theo thang Brinell(HB), Rockw ell (HRC,HRB), Vicker (HV), Knoop (HK) Phng phỏp o cng Brrinell s dng viờn bi thộp tụi, mi o ca phng phỏp Rokwell thng l mi kim cng hỡnh nún; hai phng phỏp sau l mi kim cng hỡnh thỏp u v hỡnh thỏp cho vt o hỡnh thoi Gia cng v gii hn bn kộo ca mt s vt liu (c bit l i vi thộp cacbon thp v thộp hp kim thp) cú mi quan h: b = (3,1^4,l)H B ( 1.1) i vi thộp cacbon thp sau thng hoỏ, ngi ta s dng giỏ tr 3,6; nh vy cú thờ t vic o n gin cng ta cú th xỏc nh tng i giỏ tr bn kộo ca vt li u d) Tớnh cụng ngh Tng hp cỏc tớnh cht c hc v vt lớ ca vt liu cho phộp nhng iu kin nht nh v vi phng phỏp x lớ nht nh ch to bỏn thnh phm hoc thnh phm c gi l tớnh cụng ngh ca vt liu Nhng tớnh cht cụng ngh quan trng ca vt liu nh: tớnh hn, tớnh ỳc, tớnh gia cụng bng ỏp lc, tớnh ct gt Vớ d: Thộp cú tớnh hn tt hn gang vỡ nhng iu kin nh nhau, thộp cú th to nờn liờn kt hn tt hn v d dng hn so vi liờn kt hn gia hai chi tit bng gang; tớnh ỳc ca gang tt hn ca thộp vỡ nhit núng chy ca nú thp, chy loóng cao 1.2 CU TO TINH TH CA KIM LOI 1.2.1 Mng tinh th Trong cỏc cht cú cu to tinh th, ú cú kim loi, cỏc nguyờn t c sp xp khụng gian theo mt trt t hỡnh hc nht nh v to thnh mng tinh th Phn khụng gian nh nht mang mi quy lut c trng cho kiu mng gi l ụ c hn Nh vy cú th coi vụ s cỏc ụ c bn xp liờn tip to thnh mng tinh th Kớch thc ca ụ c bn gi l thụng s mng 1.2.2 Cỏc kiu mng tinh th thng gp a) Mng tinh th lp phng tõm (Body Centered Cuhic - BCC) ễ c bn l mt lp phng cú cnh l a Cỏc nguyờn t nm ti nh v tõm ca hỡnh lp phng (hỡnh.4b) Mt s kim loi cú kiu mng ny nh Fe- a , Cr, w, Mo b) Mng tinh th lp phng tõm mt Face Centeved Cuhic-FCC)' ễ c bn l mt lp phng cnh l a Cỏc nguyờn t nm ti nh Hỡnh 1.4 : Cỏc kiu ụ c bn thng gp ca kim loi a- c bn mng lp phng tõm mt b- o c bn mng lp phng tm khụi c - c bõn mng sỏu phng xp cht ca lp phng v tõm ca cỏc mt (hỡnh 1.4a) Mt s kim loi cú kiu mng ny nh Fe-y, Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag c) Mng tinh th sỏu phng xp cht (Hexagonal Close-Packed - HCP) ễ c s ca mng sỏu phng xp cht l lng tr lc giỏc vi hng s mng l a v c, cỏc nguyờn t nm 12 gúc, tõm ca mt ỏy v tõm ca lỏng tr tam giỏc u, cỏch (hỡnh 1,4c) Mt s kim loi cú kiu mng ny nh Zn, Mg, Ti, Co 1.2.3 Mt sụ c trung ca mng tinh th a) Thụng s mng (hng sụ'mng), l kớch thc c bn ca ụ cbn H BCC: Thụng s mng l a, ng chộo ca hỡnh lp phng l d, bỏn kớnh nguyờn t l r, cỏc nguyờn t tip xỳc theo ng chộo ca hỡnh lp phng, ta cú: 4r = d = a-\/3 => r = aV 3/4 H FCC: Tng t trờn ta cú 4r = aV2 => r = aV 2/4(cỏc nguyờn t tip xỳc trờn ng chộo ca hỡnh vuụng mt ca hỡnh lp phng) H HCP: Thụng s mng l a v c, ta cú c/a = 1,633 b) Mt nguyờn t ca mng tinh th Mt nguyờn t ca mng tinh th M l t s gia th tớch cỏc nguyờn t nm trn ụ c bn v th tớch ca ụ c bn tớnh phn trm : M = 100% V (1.2) Trong ú: n - S nguyờn t nm trn ụ c bn V - Th tớch ca nguyờn t V - Th tớch ca ụ c bn Vớ d: Mng lp phng (BCC): n = x - + l =2 V = _3 7ir V = a3 aV3 r = : o2, _7 (/a^- )\ M= - X100% = 68% a Tng t ta cú i vi mng lp phng tõm mt M = 74% v mng sỏu phng xp cht M = 74% 1.2.4 Chuyn bin pha ca kim loi Thụng thng mi kim loi cú mt kiu mng nht nh Mt sụ kim loi cỏc khong nhit khỏc cú cỏc kiu mng khỏc v quỏ trỡnh chuyn bin t kiu mng ny sang kiu mng khỏc ph thuc vo nhit gi l chuyn bin pha (chuyn bin thự hỡnh) Tớnh cht ny ca kim loi c gi l tớnh thự hỡnh Ngi ta kớ hiu cỏc dng thự hỡnh ca nguyờn t bng cỏc ch Hi Lp a , p, Vớ d: St nhit di 91 lc st cú mng tinh th l lp phomg tõm (a ô 2,88KX) Ti nhit 768c l nhit chuyn bin t (nhit Curie): di nhit 768c st cú t tớnh, trờn nhit 768c st mt t tớnh Nh vy nhit 768c ch cú chuyn bin t ch khụng cú chuyn bin v cu trỳc mng tinh th, chuyn bin ti nhit ny cũn c gi l chuyn pha loi II theo Landao ể khong nhit t 911c n 1392c st cú mng tinh th lp phng tõm mt (a = 3,64KX) c kớ hiu l Fe - Trong khong nhit 1392c n 1539c (nhit núng chy ca st nguyờn cht), st cú mng lp phng tõm (a =2,93 KX) nhit trờn 1539c, st tn ti trng thỏi lng 1.3 SAI LCH MNG TINH TH Cu trỳc mng tinh th ó nờu trờn l cu trỳc ca tinh th lớ tng vỡ ó xột b qua dao ng nhit v cỏc sai hng trt t sp xp cỏc nguyờn t Sau õy ta xột mt s sai lch mng tinh th (khuyt tt mng) cú nhng nh hng rừ rng n mt s tớnh cht ca kim loi nh ng x ca kim loi cú ngoi lc tỏc dng (bin cng, biờh dng do), dn in, 1.3.1 Sai lch im ú l loi sai lch cú kớch thc rt nh (c kớch thc nguyờn t) (hỡnh 1.6) cỏc sai lch im c bn l nỳt trng (khụng cú nguyờn t ti v trớ nỳt mng), nguyờn t xen k Ngoi cũn cú sai lch nguyờn t ca cht, cú th nm xen k gia cỏc nỳt mng hoc thay th v trớ ca nguyờn t ca kim loi c bn 10 H ỡnh 1.6: S sai ỡch im a- Nỳt trng ; h- Xen k (nguyờn t ca kim loi c hem); c- Xen k (tp cht); d- Nguyờn t thay th (tp cht) Nỳt trng cú nh hng ln n c ch v tc khuych tỏn ca kim loi v hp kim (vớ d ng u húa thnh phn hp kim) Nguyờn t xen k d khuych tỏn hn so vi nguyờn t thay th vỡ khụng cn nỳt trng lm trung gian Cỏc nguyờn t cú th tng tỏc v cn tr chuyn ng ca lch, vỡ vy chỳng cú nh hng n c ch, hỡnh thỏi bin dng 1.3.2 Sai lch ng - lch Sai lch ng - gi l lch (dislocation) l loi sai lch cú kớch thc nh (c nguyờn t) theo hai chiu v rt ln theo chiu th tinh th a) Lch hiờn Cú th hỡnh dung lch biờn bng cỏch chốn thờm mt na mt phng nguyờn t ABCD vo na phn trờn ca tinh th lớ tng (hỡnh 1.7a) s xut hin thờm na mt lm cho cc mt phng nguyờn t khỏc nm v hai phớa tr nờn khụng hon ton song song vi Na tinh th phớa trờn ng AB chu ng sut nộn, na di chu ng sut kộo ng AB cú chiu di hng hng s mng gi l trc lch, l biờn gii phớa ca na mt ABCD, vỡ vy gi l lch biờn 11 d> 7p ỡU iH vi J: hờ s tit diờn inh chiu ct Giỏ tr ca cỏc ng sut cho phộp tỡm cỏc s tay ch to mỏy tu thuc vo cỏch gia cụng l lp inh tỏn Trong trng hp mi ghộp chu ti trng thay i, chn ng sut cho phộp cn phi ly gim i mt lng bng cỏch nhõn thờm vi h s \p, l h s gim i vi thộp ớt cacbon: l - ,3 Qmin Q max i vi thộp cacbon trung bỡnh: xv = - 1,2 - 0,8 1min Q max ú Qminl ti trng nh nht v Qmax l ti trng ln nht cú mang du ca nú 16.4.3 Tớnh mi ghộp chc kớn Trong mi ghộp chc kớn khụng nhng mi ghộp phi cú sc bn m cũn phi m bo kớn Chỳng ta phi kt cu cho di tỏc dng ca ti trng, mi ghộp khụng b trt Mun c nh vy, ti trng tỏc dng phi nh hn lc ma sỏt sinh gia cỏc tm ghộp Trong thc t, khú xỏc nh lc ma sỏt mt cỏch chớnh xỏc bng lý thuyt, ngi ta da vo thc nghim d xỏc nh gii hn cn trt ca mi ghộp Gii hn cn trt chớnh l sc cn khụng cho cỏc tm ghộp trt i vi Nh vy m bo mi ghộp c kớn, lc kộo ngang tỏc dng lờn mi n v din tớch thõn inh tỏn Ê, khụng c vt quỏ gii hn cn trt [Ê] Gi Pz l lc mt inh tỏn truyn i mi ghộp, ta s cú: 4.P 7.(d)- [d Mi ghộp chc kớn c dựng nhiu kt cu cỏc ni hi Vic tớnh toỏn mi ghộp ny c trỡnh by c th cỏc s tay chuyờn dựng Cỏc c trng ch yu ca mi ghộp inh tỏn chc kớn c th hrn bng 307 Bng Tr sụ ng sut cho phộp dựng cho tớnh toỏn mi ghộp bng nh tỏn T r s n g su t ch o p h ộ p N /m m C ỏ c h g ia c ụ n g l L o i n g su t - - T h ộ p C TO , C T T h ộ p C T K h o a n 140 140 t 0 0 K h o a n t H ld [ ] d [ ]k, K h o a n h o c t 140 160 H I, K h o an h o c t 0 16.5 MI GHẫP HN 16.5.1 Khỏi nim chung Mi ghộp bng hn l mi ghộp khụng thỏo c Hin nay, cú nhiu u im nờn c s dng mt cỏch rng rói v ph bin vúi cỏc kt cu tt c cỏc ngnh cụng nghip Mi ghộp hn c tin hnh bi nhiu phng phỏp, nhimg thụng dng nht l phng phỏp hn h quang in bng tay hoc t ng Khi hn, nhit lng h quang gõy nờn lm núng chy ming vt hn, to thnh rónh kim loi lng, ng thi kim loi ca que hn cng núng chy v lp y rónh gi cho kim loi khụng b ụ xy hoỏ v h quang c n nh, phớa ngoi que hn c quột mt lúp thuc hn mng (que hn 334) hoc dy (que hn 342, 342A ) Mi ghộp bng hn c phõn loi theo cụng dng v hỡnh dng kt cu mi hn Tng t nh mi ghộp inh tỏn, theo cụng dng cú th chia mi ghộp bng hn lm loi: + Mi hn chc, cú nhim v truyn ti trng t tit mỏy ghộp ny sang tit mỏy khỏc + Mi hn chc kớn, ngoi nhim v truyn ti trng cũn luụn bo m mi ghộp kớn khụng cho cht lng hoc cht khớ lt qua Theo hỡnh dng kt cu mi hn, ta cú cỏc kt cu sau: mi hn giỏp mi, mi hn chng v mi hn gúc (cỏc hỡnh 16.15) So vi mi ghộp inh tỏn, cựng mt loi mi ghộp khụng thỏo c, mi ghộp hn cú nhng u khuyt im sau õy: + Cỏc kt cu c ghộp bng hn cú lng nh, cú th tit kim c 15% kim loi khụng cú m inh v khụng phi dựng cỏc tm m, kim loi c tn dng vỡ khụng b l inh tỏn lm suy yờu Tiờt kim c cụng sc, gim giỏ thnh vỡ khụng phi to lụ v tỏn inh bng nhng thit b chuyờn dựng 308 Quỏ trỡnh hn d t ng hoỏ nờn nóng sut cao + Cht lng mi hn ph thuc nhiu vo trỡnh k thut v tay ngh ca cụng nhõn hn Khú kim tra nhng khuyt tt bờn mi hn, mun kim tra phi dựng nhng thit b chuyờn dựng, khỏ hin i 16.5.2 Kt cu mi hn v tớnh sc bn ca chỳng i vi mi hn, tớnh toỏn thit k ngi ta s dng cỏch: Cn c theo ti trng ngoi d tỡm chiu di ng hn cn thit, t ú thit k kt cu mi hn Khi thit k phi xut phỏt tỡr iu kin bn u gia mi hn v cỏc tit mỏy ghộp Cn c theo kt cu thớch ng vi yờu cu ó cho, ta dnh kớch thc ca mi ghộp hn, sau ú dựng cỏc cụng thc ó bit kim nghim li ng sut sinh mi hn v so sỏnh chỳng vi giỏ tr ca ng sut cho phộp ca cỏc trng hp tcmg ng Ta gi thit rng cht lng ca mi hn t c nhng yờu cu v k thut Mụi hn giỏp mụi Mi hn giỏp mi c s dng rng rói mi ghộp ofn gin v bo m hn cỏc loi khỏc Tu theo dy ca cỏc tm ghộp cú th hn theo cỏc phng ỏn trỡnh by trờn hỡnh 16.17 Vi cỏc tm ghộp cú chiu dy ln v trung bỡnh, cn phi vỏt mộp m bo hn ngu i vi mi hn giỏp mi, sau hn, cỏc tm ghộp li thnh mt tm nguyờn, nờn tớnh toỏn c ỏp dng cỏc cụng thc dựng cho cỏc chi tit mỏy bỡnh thng Tt nhiờn chu tỏc ng ca ngoi lc, mi ghộp cú th b phỏ hng theo mi hn, ti tit din ch ming hn hoc gn k ming hn Ta tớnh toỏn bn trờn tit din ny < Smrn Nu mi hn ch chu lc kộo (hỡnh 16.17) Vi gi thit, lc phõn b u trờn sut chiu di ng hn v ng sut phõn b u trờn tit din nguy him ta s cú: = < l* b.s L J Trong cụng thc ny, b v s l chiu rng v chiu dy ca tm ghộp, []* l ng sut kộo hoc nộn cho phộp ca mi hn Nu mi hn ch chu mụ men mt phng ca mi ghộp, ta cú: Mu ^ 6.MU w Hỡnh 16.17