Đánh gia và lựa chọn vật liệu cho công nghiệpTiểu luận Vật Liệu Học

MỤC LỤC Trang Lời mở đầu 02 I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG 03 1.1-Khái niệm .03 1.2-Tổ chức tế vi 03 II GANG XÁM .03        Khái niệm .03 Thành phần hóa học 04 Đặc tính gang xám 04 Tổ chức tế vi gang xám 05 Cơ tính, yếu tố ảnh hưởng biện pháp nâng cao tính gang xám 05 Kí hiệu công dụng 08 Gang xám biến trắng .08 III VẬT LIỆU LÀM BULÔNG, ĐAI ỐC, ỐC VÍT 09 3.1 Khái niệm, chức bulông, đai ốc, ốc vít 09 3.1.1 Bulông ốc vít .09 3.1.2 Đai ốc .10 3.2 Những yêu cầu đặc tính vật liệu chọn làm bulông, đai ốc, ốc vít 11 3.3 Chọn nhóm đặc tính vật liệu làm bulông, đai ốc, ốc vít 11 3.3.1 Thép 11 3.3.2 Hợp kim màu: Đồng Al 16 3.3.3 Vật liệu hữu : PA 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO .17 LỜI MỞ ĐẦU Hiện vật liệu kim loại chiếm địa vị chủ chốt quan trọng ngành sản xuất Trong moị công việc kĩ sư khí, từ việc định phương án thiết kế, tính toán kết cấu gia công, chế tạo, lắp ráp, vận hành máy, thiết bị, tất có liên quan mật thiết đến lựa chọn sử dụng vật liệu Trong thực tế sử dụng vật liệu, đặc biệt vật liệu kim loại, lựa chọn cách chung chung mà phải thật cụ thể theo quy định nghiêm ngặt điều kiện kĩ thuật tiêu chuẩn tương ứng quy định Trong ngành Vật Liêu có nhiều loại vật liêu phân theo nhóm:  Thép Gang  Hợp kim màu bột  Vật liệu ceramic  Vật liệu polyme  Vật liệu compozit Trong phạm vi tiểu luận này, trình bày khái quát nội dung :  ‘Gang Xám’_Để người biết cách sơ đặc điểm, tính chất phạm vi ứng dụng loại vật liệu  Giới thiệu sơ Bulông, đai ốc, ốc vít_ Đặc điểm, cách chọn vật liệu phù hợp để làm Sách biên soạn dựa sở tham khảo tài liệu Vật liệu học sở Nghiêm Hùng, tài liệu mạng Internet hiểu biết thực tế thân Do kinh nghiệm người viết có hạn lần trình bày tiểu luận nên khó tránh khỏi hạn chế Rất mong bạn đọc thông cảm mong đóng góp ý kiến bạn đọc hoàn thiện kiến thức kỹ Chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 19/05/2013 Người thực Trần Đình Linh  KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG 1.1-Khái niệm Gang hợp kim Fe cácbon với hàm lượng cácbon lớn 2,14% Trong thực tế gang có nguyên tố Mn, Si, P, S Các loại gang thông dụng thường chứa : 2÷1,5%C; 0,4÷3,5%Si; 0,2÷1,5%Mn; 0,04÷0,65%P; 0,02÷ 0,15%S 1.2-Tổ chức tế vi: a-Gang trắng : loại gang có tổ chức tế vi tương ứng với giản đồ pha FeC, toàn cácbon nằm dạng liên kết với Fe tổ chức xêmentít Mặt gãy có màu trắng màu xêmentít Gang trắng không sử dụng sản xuất khí,chủ yếu dùng để luyện thép b-Các loại gang xám có graphit: loại gang mà phần lớn hay toàn cácbon chúng nằm dạng tự graphit nên mặt gãy có màu xám (màu graphit ) Tùy thuộc hình dáng graphit graphit người ta chia làm loại gang: gang xám, gang dẻo, gang cầu.Tổ chức graphit phân bố kim loại pherit, pherit-peclit, peclit Các loại gang có graphit sử dụng rộng rãi khí  GANG XÁM  Khái niệm - Gang xám loại gang mà phần lớn hay toàn cácbon tồn dạng tựdo graphit Graphit tồn dạng tấm, phiến, chuỗi Mặt gãy có màu xám màu graphit tự ferit Đây loại gang phổ biến sử dụng rộng rãi kỹ thuật, thông thường nói gang người ta hiểu gang xám - Trong trình đông đặc, tốc độ tản nhiệt chậm khuôn đúc cát, dân đến lượng graphít hòa tan sắt lỏng có đủ thời gian để giải phóng thành phiến nhỏ, có hình thù tự (thường dạng tấm) a) b) Hình1: a Vật liệu làm từ gang xám b Dạng graphit gang xám  Thành phần hóa học + Cacbon - Lượng cabon nhiều khả graphit hóa mạnh, nhiệt độ nóng chảy thấp nên dễ đúc, tính -Xu hướng người ta sử dụng cácbon thấp để có độ bền cao lượng cacbon khống chế vào khoảng 2.8 ÷ 3.5% +Silic - Silic nguyên tố hợp kim quan trọng gang xám, thúc đẩy tạo thành graphit gang.Silíc nhiều việc tạo thành graphit dễ dàng - Hàm lượng khống chế vào khoảng 1.5 ÷ 3% + Mangan - Là nguyên tố cản trở tạo thành graphit - Nhưng có tác dụng nâng cao tính gang: tăng độ cứng, độ bền gang (Nếu gang xám lượng Mn mà tăng lên Si phải tăng lên tương ứng) - Hàm lượng khống chế vào 0.5 ÷ 1.0% + Phốt - Không ảnh hưởng tới việc tạo thành graphit - Làm tăng độ chảy loãng - Làm tăng tính chống mài mòn (tạo tinh Fe + Fe3P Fe + Fe3P + Fe3C) - Hàm lượng không chế 0.1 ÷ 0.2%, cần tính chống mài mòn cao đên 0.5%.Không sử dụng tỷ lệ cao làm gang bị giòn + Lưu huỳnh - Làm cản trở tạo thành graphit - Làm xấu tính đúc, giảm độ chảy loãng - Là nguyên tố có hại, khống chế 0.08 ÷ 0.12% 2.3 Đặc tính gang xám - Mặt gãy gang có màu xám - Dẫn nhiệt, dẫn điện so với thép -Gang xám có giá thành rẻ dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng chảy thấp (1350°C) không đòi hỏi khắt khe tạp chất Gang xám có tính đúc tốt khả tắt âm cao, tổ chức xốp nên ưu điểm cho vật liệu cần bôi trơn có chứa dầu nhớt -Tuy vậy, gang xám giòn, khả chống uốn kém, rèn Khi làm nguội nhanh khuôn, gang bị biến trắng khó gia công khí 2.4 Tổ chức tế vi gang xám Tổ chức tế vi gang xám phân làm hai phần: kim loại (cơ bản) graphit Tùy theo mức độ graphit hóa gang xám có ba loại:  Gang xám pherit : Tổ chức gồm kim loại sắt nguyên chất kỹ thuật (pherit) graphit Loại có độ bền thấp  Gang xám pherit-peclit : Gồm có kim loại thép trước tích graphit, lượng cacbon kim loại < 0.8%  Gang xám peclit : Gồm có kim loại thép trước tích graphit, lượng cacbon kim loại ≈ 0.8%, loại gang có độ bền cao Hình 2: Tô chức tế vi gang xám a)Gang xám pherit b)Gang xám pherit- peclit c)Gang xám peclit 2.5 Cơ tính, yếu tố ảnh hưởng biện pháp nâng cao tính gang xám a,Cơ tính -Do có graphit dạng nên làm giảm mạnh độ bền kéo gang, khoảng 1/3÷1/5 so với thép tương ứng.Do graphit tấm, bề mặt lớn chia cắt mạnh kim loại có hai đầu nhọn nơi tập trung ứng suất Giới hạn bền kéo khoảng từ 150÷350MN/m2 -Độ cứng thấp: 150 ÷250 HB, phoi dễ gãy, cắt gọt tốt -Độ dẻo ( δ=0,5%), coi không biến dạng dẻo -Độ dai thấp ak < 100kJ/m2 -Graphit có tính bôi trơn tốt, làm giảm ma sát, tăng tính chống mài mòn, có tác dụng làm tắt rung dao động dao động cộng hưởng b.Các yếu tố ảnh hưởng tới tính +Graphit -Số lượng, độ lớn, hình dạng phân bố graphit tổ chức Sự phân bố graphít phụ thuộc vào thành phần hoá học nguyên tố, chủ yếu cácbon silíc, phụ thuộc vào quy trình công nghệ chế tạo : phương pháp nấu luyện, biến tính gang tốc độ nguội vật đúc +Nền kim loại -Là yếu tố định đến tính gang xám, kim loại bền gang xám có tính cao c Các biện pháp nâng cao tính Cải thiện tổ chức dẫn đến nâng cao tính chủ yếu giới hạn bền kéo - Làm giảm lượng grafit tức giảm số lượng vết nứt, rỗng Muốn trước hết phải làm giảm lượng cacbon (tổng) gang (vì Ctổng = Ctự + Clk) Để nấu chảy gang cacbon thấp (< 3%) nhiệt độ chảy tăng phải dùng lò điện (thay cho lò đứng chạy than) hay pha thép vào gang - Làm nhỏ mịn (làm ngắn) grafit, tức giảm kích thước vết nứt rỗng Muốn phải biến tính gang lỏng ferô mangan, ferô silic, ferô nhôm Grafit gang chia thành tám cấp (theo ASTM) từ đến 8, chiều dài trung bình cấp < 0,015mm, cấp > 1mm - Tạo kim loại có độ bền cao Có thể coi tính gang kết hợp tính kim loại grafit, có độ bền cao giúp gang có độ bền cao ngược lại Như thấy bảng 1, lượng cacbon liên kết có ảnh hưởng tốt đến độ bền, độ cứng Bảng 1: Cơ tính loại gang xám sau tạo nền: Hình 3: Sự phân bố graphít gang xám đúc  Graphít loại A : nghĩa phân bố ngẫu nhiên graphít kích cỡ giống Để đạt cấu trúc graphít loại A mật độ mầm kết tinh gang lỏng phải nhiều, đó, trình nguội, mầm thúc đẩy phát triển graphít tương ứng với graphít điểm tinh  Hình dạng Graphít loại B : giống hoa hồng Tại trung tâm hoa hồng tập trung graphít mảnh, hình thành trình làm nguội nhanh  Cấu trúc loại C : tồn sau tinh Graphít phát triển dạng bọt xốp graphít, làm giảm tính gang nguyên nhân xuất vết rỗ bề mặt trình làm việc  Loại D loại E : tính tốt Cấu trúc graphít hình trình nguội nhanh, mầm garphít hình thành không đủ Mặc dù, graphít loại có làm tăng tính gang, phân bố graphít dạng không mong đợi chúng ngăn hình thành tổ chức péclít Như sau đúc, gang xám tốt loại có grafit nhỏ mịn kim loại peclit Để làm tăng độ bền, độ cứng, gang xám hợp kim hóa tiến hành + ram : - Hợp kim hóa học có tác dụng chủ yếu hóa bền kim loại (tạo peclit phân tán nhỏ mịn dạng xoocbit), nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, tính chịu nhiệt hiệu nhiệt luyện +Phương pháp hợp kim hóa học (HKHCH):  Hợp kim hóa học trình nghiền bi hỗn hợp bột tác động lượng học từ va chạm bi-bi, bi-tang nghiền  Quá trình thường thực môi trường khí trơ HKHCH kỹ thuật thay cho trình sản xuất bột kim loại gốm trạng thái rắn  Có trình quan trọng trình HKHCH trình lặp lại hàn phá hủy hạt bột Quá trình hợp kim hóa xảy có cân tốc độ hàn tốc độ phá hủy, kích thước hạt trung bình đượcduy trìở trạng thái tương đối thô  Các hợp kim với kết hợp khác nguyên tố tổng hợp thành công nhờ tính trình tổng hợp vật liệu từ đáy giản đồ pha - Tôi + ram: Khi + ram, grafit pha ổn định nên biến đổi tỷ lệ, hình dạng, kích thước phân bố Khi nung nóng (ở cao 850oC) để tôi, kim loại chuyển biến thép đứng riêng rẽ: ferit thành Feγ, ferit – peclit thành austenit cacbon, peclit thành austenit với 0,6 - 0,8%C, làm nguội nhanh austenit chuyển biến thành mactenxit (với độ cứng cao khác nhau) + grafit tùy thuộc vào nhiệt độ ram có mactenxit ram hay trôxtit ram hay xoocbit ram + grafit 2.6 Kí hiệu công dụng a Kí hiệu Các nước đánh số mác gang theo giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 (xx) MPa (xxx), riêng Mỹ theo ksi (xxx) TCVN 1659-75 quy định ký hiệu mác gang GX xx-xx, hai nhóm số giới hạn bền kéo giới hạn bền uốn tối thiểu tính theo kG/mm2 giống ΓOCT 1412-70 CЧxx-xx Nhưng theo ΓOCT 1412-85 mác gang xám gồm có: CЧ10, CЧ15, CЧ20, CЧ25, CЧ30 CЧ35 (chỉ ký hiệu giới hạn bền) - Ở Hoa Kỳ thường dùng hai tiêu chuẩn SAE ASTM Tiêu chuẩn SAE J431 có mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000, số giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị 10psi, ví dụ G3000 có σb ≥ 30000psi hay 30ksi Tiêu chuẩn ASTM có class: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 giới hạn bền theo đơn vị ksi - JIS có mác gang xám sau: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, số giới hạn bền tối thiểu tinh theo đơn vị MPa b Công dụng gang xám - Các mác gang có độ bền thấp, σb ≤ 150MPa, với ferit + grafit thô như: CЧ10, CЧ15 dùng làm vỏ, nắp không chịu lực (chỉ để che chắn) - Các mác gang có độ bền trung bình, σb = 150 - 200MPa, với ferit peclit tương đối thô CЧ 20, CЧ25 dùng làm chi tiết chịu tải trọng nhẹ, chịu mài mòn vỏ hộp giảm tốc, thân máy, bích, cacte, ống nước - Các mác gang có độ bền tương đối cao, σb = 200 - 300MPa, với peclit + grafit nhỏ mịn qua biến tính CЧ25, CЧ30 dùng làm chi tiết chịu tải trọng tương đối cao bánh (bị động, tốc độ chậm), bánh đà, sơmi, xecmăng, thân máy quan trọng - Các mác gang có độ bền cao, σb ≥ 300MPa, với peclit nhỏ mịn grafit nhỏ mịn qua biến tính cẩn thận CЧ30, CЧ35 dùng làm chi tiết chịu tải cao, chịu mài mòn bánh chữ V, trục chính, vỏ bơm thủy lực 2.7 Gang xám biến trắng - Trong sản xuất khí không dùng gang trắng cứng, gia công cắt được, giòn, song có sử dụng gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tính chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400 600), để làm bi, trục nghiền, trục xay sát Muốn đúc gang xám thay cho làm nguội thong thường người ta làm nguội nhanh phần, bề mặt cần cứng (như đúc khuôn kim loại hay cách đặt kim loại dẫn nhiệt nhanh phần khuôn cát tiếp giáp để tạo gang trắng) - Đôi dù không mong muốn, đúc nhận gang xám biến 10 trắng (do đúc khuôn kim loại, ly tâm, áp lực, thành mỏng ) Để dễ gia công cắt phải đem ủ 700 – 750oC, xêmentit bị phân hóa thành ferit grafit nhờ độ cứng giảm Nếu ủ 600 – 650oC có khả làm ứng suất bên làm nguội không đúc gây  VẬT LIỆU LÀM BU- LÔNG, ĐAI ỐC, ỐC VÍT 3.1.Khái niệm, chức bulông, đai ốc, vít Bulông, đai ốc ốc vít vật liêu: “Gắn Kết Mọi Thứ” 3.1.1 Bulông Ốc vít  Bulong trụ tròn, đầu có mũ, thường có cạnh, đầu có vít ren vặn với Đai ốc  Bulong thô chế tạo từ thép tròn, đầu dập nguội, dập nóng, rèn, cán  Bulong nửa tinh gia công bulong thô, thêm gia công mặt tựa đầu Bulong mặt mút Bulong  Bulong tinh chế tạo từ thép cạnh, tất phần gia công khí  Bulong mối ghép ren + Ưu điểm bulông, vít ốc - Mối lắp ghép bu lông chịu tải trọng kéo uốn tốt, lại có độ bền, độ ổn định lâu dài - Cấu tạo đơn giản; - Có thể cố định chi tiết máy vị trí nhờ khả tự hãm ren - Dễ tháo lắp, giá thành hạ (vì ren tiêu chuẩn hoá chế tạo phương pháp đạt suất cao) Do có nhiều ưu điểm nên bu lông sử dụng rộng rãi máy móc, thiết bị công nghiệp, công trình xây dựng, công trình giao thông, cầu cống khắp nơi giới + Nhược điểm: Có tập trung ứng suất chân ren dó làm giảm sức bền mỏi mối ghép 11 Hình 4: Hình ảnh mặt cắt ngang bulông  Ốc vít bu lông loại dụng cụ gắn kết nhờ ma sát tạo vòng xoắn Thực tế, người ta phân biệt đinh ốc với bu lông Chiều xoắn ốc xác định qua quy tắc bàn tay phải, ngược lại quy tắc đinh ốc tương đương với quy tắc bàn tay phải việc xác định chiều cảm ứng từ chiều dòng điện 3.1.2 Đai ốc - Đai ốc hay ê-cu (tiếng Pháp: écrou) chi tiết liên kết khí có lỗ tạo ren Đai ốc dùng bu lông để kẹp chặt hai nhiều chi tiết với Hai phận kết hợp với ma sát ren, sức căng vừa bu lông, sức nén chi tiết - Trong môi trường rung động xoay tròn sử dụng đai ốc chống xoay, dùng chất dính, chốt an toàn hay biện pháp khác để giữ chặt mối ghép - Đai ốc thông dụng đai ốc cạnh với góc nhọn làm tròn Các dạng đai ốc khác dùng trường hợp định đai ốc tai hồng (đai ốc cánh) dùng điều chỉnh ngón tay hay đai ốc liên kết nơi rãnh vặn đai ốc 12 Hình 5: Một số bulông, đai ốc, ốc vít thị trường 3.2 Những yêu cầu đặc tính vật liệu chọn làm bulông, đai ốc, ốc vít - Bulông, ốc vít sử dụng nhiều ứng dụng khác Nhưng thực thể giá trị chúng môi trường mà tính ăn mòn quan tâm hàng đầu Thuộc tính kháng cự (chống oxy hóa), chúng chịu đựng điều kiện khắc nghiệt nhiều năm  Bulông dung để ghép chi tiết máy, chiều dày không lớn lắm, làm bang vật liệu có độ bền thấp  Độ dai va đập quan trọng chi tiết chịu tải trọng va đập phải tăng tải cách đột ngột đảm bảo khỏi phá hủy giòn  Chịu ứng suất kéo ngang  Xảy tượng mòn Oxy hóa chân  Hiện tượng cong vênh rung động  Biện pháp: chọn vật liệu, chọn điều kiện nhiệt luyện thích hợp 3.3 Chọn nhóm đặc tính vật liệu để làm bulông, đai ốc, ốc vít 3.3.1 Thép a Thép Cacbon  Có hàm lượng Các bon thấp trung bình (C =< 13 0,65%)  Nguyên tố hợp kim dùng với lượng (1-3%)  Nhiệt độ bắt đầu cán (1170- 12200C) kết thúc (9009500C)  Giới hạn đàn hồi giới hạn chảy thấp( hạt nhỏ, tính tốt, tính kỹ thuật cao b Thép Dụng Cụ  Chế tạo: Dụng cụ cắt, thép làm khuôn dập nguội, làm khuôn dập nóng, thép làm dụng cụ đo  Hàm lượng Các bon cao( C>0,7%)  Có hàm lượng nguyên tố hợp kim cao  Độ cung cao(>60HRC) , tính chống mài mòn cao, tinh cứng nóng(600- 6500C)  Thời gian nung phôi dài, nhiệt độ nung cao lượng Các bon thoát nhiều  Nhiệt độ cán bắt đầu( 1050- 11000C) kết thúc ( 8008500C) c Thép hợp kim Có hai loại: Nhóm hợp kim vi lượng 2.Nhóm hợp kim thấp  Hàm lượng Các bon Thấp trung bình 14  Nguyên tố hợp kim cao Bảng 2: Quy định thành phần thép hợp kim STT Tên nguyên tố Mn 0,8 – 1% Si 0,5 – 0,8% Cr 0,2 – 0,8% Ni 0,2 – 0,6% W 0,2 – 0,6% Mo 0,05 – 0,2% Ti, V, Nb, Zr, Cu 0,1% B s0.002% Thành phần Cu 0.2-0.55%  Đặc Điểm Chung Của Thép Hợp Kim  Nhiệt độ bắt đầu cán (1100- 11600C) kết thúc ( 870 – 9500C)  Chưa Tôi – Ram tính không cao thép Các bon  Sau Tôi – Ram độ bền cao, tăng bền, độ dẻo- độ dai lại giảm  Khi làm việc nhiệt độ cao 2000C, nguyên tố 15 hợp kim cản trở khả khuếch tán C, làm mactenxit phân hóa cacbit kết tụ,  Tính chống dão 6000C  Tính chống Oxy hóa tới 800 – 10000C  Tính chất vật lý: tạo thép không gỉ, tính giãn nở đàn hồi, thép có từ tính từ tính  Các nguyên tố có thép hợp kim tác dụng cải thiện tính để ứng dụng vào làm bulông, đai ốc, ốc vít:  Cacbon  Là nguyên tố phổ biến tất loại thép  Làm tăng độ cứng, chống ăn mòn, thấm chi tiết  Có tinh tổng hợp , phù hợp với nhu câu sử dụng  Crom  Nguyên tố cacbit mạnh, hòa tan vào Austenit (9000C)  Nâng cao nhiệt độ tới hạn Ac1 hạ thấp Ac3 ngăn cản lớn lên Tinh thể  Cải thiện tính chống ram, độ bền nhiệt độ cao, tạo cacbit nhỏ mịn ram, hóa bền tiết pha, mềm mactenxit nhiệt độ  Tăng độ chống mài mòn Oxy hóa chi tiết  Cu 16  Cải thiện khả chống mòn cho thép khí quyển( độ bền chống ăn mòn tăng lần)  Nó tạo lớp oxyt bảo vệ( oxyt sắt oxyt đồng oC 1200 1000 10% Cr 15% C r 800 600 0% C r 0.4 %C  Dùng làm chi tiết D