Bài tập lớn vật liệu kim loại

Nhíp ô tô làm việc trong điều kiện: chịu tải trọng tĩnh của xe và chịu va đập mạnh nhưng không cho phép biến dạng dẻo.Khi xe chuyển động còn xuất hiện lực đổi dấu

BÀI TẬP LỚN VẬT LIỆU KIM LOẠI

NỘI DUNG:

Nhíp ô tô tải nặng ,là hệ thống giảm sóc , chịu tải trọng

xe , chịu va dập mạnh , lực đổi đấu(ít chịu va đập).

TRÊN ,YÊU CẦU VỀ CƠ TÍNH ĐỂ ĐÁP ỨNG YÊU CẦU LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT

1)Bản vẽ chi tiết:

Hình1 Chốt nhíp ôtô tải nặng

2)Điều kiện làm việc và yêu cầu cơ tính :

Nhíp ô tô làm việc trong điều kiện: chịu tải trọng tĩnh của xe và chịu

va đập mạnh nhưng không cho phép biến dạng dẻo.Khi xe chuyển động còn xuất hiện lực đổi dấu.Vi vậy thép cần phải đạt được các yêu cầu như sau:

- Giới hạn đàn hồi cao,tức khả năng chống biến dạng dẻo cao(ở đây giới hạn bền là không có ý nghĩa vì không cho phép biến dạng dẻo),do vậy ta cần quan tâm chủ yếu tới tỉ lệ  dh/ b càng gần tới 1 càng tốt , thường đạt trong giới hạn 0,850,95

- Độ cứng khá cao trong khoảng HRC:35 45 là thích hợp ; độ dẻo ,độ dai thấp dể không xảy ra biến dạng dư trong quá trình làm việc,nhưng nếu quá thấp thì chi tiết dễ bị phá hỏng do quá giòn

- Giới hạn mỏi phải cao để thích ứng với điều kiện làm việc có tải trọng thay đổi theo chu kỳ

60Si2Ni2A

1) Thành phần hoá học và cơ sở dể chọn mác thép với thành phần như trên

- Chi tiết chúng ta cần gia công la nhíp ô tô thuộc loại vật liệu đàn hồi

do vậy hàm lượng C= (0,550,65)% Ta cần phải chọn ở khoảng này bởi nếu:

Hàm lượng các bon mà có %C<0,55 thì nêú ta có gia công và nhiệt luyện thì cũng không cho ra được độ cứng , giới hạn đàn hồi đạt yêu cầu Lúc này độ cứng sẽ thấp,độ dẻo dai lớn do vậy không phù hợp với yêu cầu làm việc của tiết máy

Hàm lượng các bon mà cao tức %C>0,7 thì sau khi tôi va ram cững không cho giới hạn dàn hồi là lớn mà sẽ cứng ,giòn ,tính đàn hồi không cao nên cũng không phù hợp

- Chi tiết cần gia công, chế tạo phải có độ đàn hồi,độ cứng cao với yêu cầu này nên chọn Mn ,Si Hai nguyên tố này làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai(độ dẻo) chúng ta cũng không được chọn hàm lượng chúng quá lớn vì nếu quá lớn sẽ gây ra cho chi tiết quá cứng và giòn Hàm lượng Si và Mn trong thép đàn hồi chỉ nên dùng 1%Mn,2%Si, với mác thép ở trên thì hàm lượng 2 nguyên tố trên sau sẽ như sau:Mn=( 0,40,7);Si=(1,41,8)

Nhưng nếu hàm lượng của Si quá thấp thì chi tiết sẽ có độ dẻo dai cao

 dễ bị biến dạng dẻo

-Nâng cao độ thấm tôi để đảm bảo giới hạn đàn hồi cao và đồng nhất trên toàn tiết diện Cr- Ni là tốt nhất ,nhưng Si và Mn cũng có tác dụng

này,Cr- Ni cũng có giới hạn (hàm lượng <4%),với chi tiết trên ta chọn hàm lượng Ni=(1.41.7)%

2) Bảng các ký hiệu và thành phần của mác thép tương đương với thép trên theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), Mỹ (ASTM) , Nga (OCT) ,

Nhật (JIS) ,Trung Quốc(GB)

Bảng các ký hiệu và thành phần của mác thép:

Tiêu

chuẩn



S



Cr Ni



chất khác

Việt

Nam

(TCVN)

60Si2Ni2A 0,56

 0,64

1,5

 2,0

0,7

 1,0

0.03 0,03 0,3 1,4

 1,8

Nga

(OCT)

60C2H2A 0,56

 0,64

1,4

 1,7

0,4

 0,7

0,02 5

0.02 5

 0.3 1,4 1,7

Cu 0,2

Mỹ

(ASTM)

 0,59

1,2

 1,6

0,6

 0,8

Nhật

(JIS)

 0,64

1,5

 1,8

0,7

 1,0

0,03 5

0,03 5

Đức

(DIN)

60SiCr7 0,57

 0,65

1,5

 1,8

0,7

 1,0

0,03 5

0,03 5

0,2

 0,4

Mo= 0,12

Trung

Quốc

(GB)

60Si2CrVA 0,56

 0,64

1,4

 1,8

0,4

 0,7

0,03 0,03 0,9

 1,2

 0,35 V=0,1

0,2

 0,64

1,6

 2,2

0,7

 1,0

0,03 5

0,03 5

 0,4

Nhận xét về sự khác nhau về thành phần của các mác thép của các

nước:

Sự khác nhau giữa thành phần của các mác thép là do nguyên tố hợp kim được sử dụng ở các nước là khác nhau Như ở Mỹ thì không sử dụng

nguyên tố hợp kim Ni mà sử dụng thay vào đó là nguyên tố Mo , ở một

số nước cũng như vậy

 III.VAI TRÒ CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HỢP KIM CHÍNH TRONG THÉP TRÊN ĐỐI VỚI CƠ TÍNH VÀ VỚI CÔNG NGHỆ NHIỆT

LUYỆN

1) Vai trò của nguyên tố trong thép trên đối với Cơ Tính :

 Tác dụng của nguyên tố C :

Hàm lượng các bon là rất quan trọng bởi nó quyết định tới độ cứng ,độ bền ,độ dẻo dai , giới hạn đàn hồi của chi tiết Với chi tiết như trên thì hàm lượng các bon C=(0,560,64)% có tác dụng chủ yếu là đạt được độ cứng vào khoảng HRC=3545,và ở hàm lượng các bon này nếu chọn phương pháp nhiệt luyện thích hợp sẽ cho giới hạn đàn hồi là lớn nhất

 Với các nguyên tố hợp kim:

Các nguyên tố hợp kim có thể làm thay đổi được các đặc tính của vật

liệu Tuỳ theo nguyên tố hợp kim ảnh hưởng dến các tổ chức chính: dung dịch ferit , austenit , hợp chất xêmentit …và chúng hoà tan vào sắt thành dung dịch rắn hay kết hợp với các bon thành các bít

-Nguyên tốMn, Si: hoà tan vào ferit ở nhiệt độ thấp và vào austenit ở nhiệt độ cao.Khi hoà tan vào ferit (ở dạng thay thế ) làm xô lệch mạng do

đó làm tăng rất mạnh độ cứng(độ bền) song làm giảm mạnh độ dai(độ dẻo)

-Nguyên tố Cr,Ni:hoà tan ở dạng thay thế làm tăng độ cứng , mà lại có thể cho độ thấm tôi cao hơn so với Si và Mn Mặc dù giá thành cao nhưng ở nước ta và một số nước vẫn sử dụng Ni với những chi tiết đòi hỏi độ tin cậy cao

- Nguyên tố P : Là nguyên tố có khả năng hoà tan vào ferit và làm xô lệch mạng rất mạnh mạng tinh thể của pha này làm tăng mạnh tính giòn ; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hoà tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn Do đó P là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường ) Chỉ cần 0,1 % P hoà tan ,ferit trở nên giòn Phôtpho là nguyên

tố thiên tích rất mạnh nên đẻ tránh giòn thì phôtpho phải nhỏ hơn 0,05%

- Nguyên tố S :Lưu huỳnh không hoà tan trong Fe mà tạo nên hợp chất FeS , cùng tinh (Fe + FeS ) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988 C) , kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt , khi nung thép nên để cán ,kéo

( thường ở nhiệt độ 11001200 C ) biên giới hạt bị chảy ra làm thép dễ bị

đứt ,gãy như là rất giòn Người ta gọi đây là hiện tượng giòn nóng hay

bở nóng

Khi có Mn vào , do ái lực với S mạnh hơn Fe nên thay vì tạo nên FeS thì tạo nên MnS pha này kết tinh ở 1620 C dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và

ở nhiệt độ cao có độ dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt ,gãy Như vậy nguyên tố P và S gây giòn nguội và giòn nóng cho thép do vậy hàm lượng của chúng phải rất nhỏ Với những mác thép chất lượng

cao ( hàm lượng P , S  0,03% ) ở cuối có kí hiệu chữ A như mác thép của ta “60Si2Ni2A”

Bảng cơ tính các vật liệu :

Tiêu chuẩn Mác thép Độ

cứng

 b

Mpa

s

Mpa 

s

(%)

 (%) ak

b

/Mpa

Việt Nam

(TCVN)

60Si2Ni2A 42

48 HRC



1660 1500

Nga

(OCT)

60C2H2A 1471 1324 8 30 24,5 1225

Mỹ

(ASTM)

55 HRC

1620

 2070 Nhật

(JIS)

429 HB

1230 1080 9 20

Trung Quốc

(GB)

60Si2CrVA 1860 1665 6 20

Đức

(DIN)

 1570

1130 6 30 21

2) Vai trò của các nguyên tố trong Nhiệt Luyện:

Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình nhiệt luyện , đặc biệt là :Tôi +Ram ,do vậy ảnh hưởng tới cơ tính và đây là đặc tính nổi bật của thép hợp kim

Trừ các thép hợp kim đặc biệt , các thép hợp kim thông thường vẫn có

tổ chức pecnit , các bít hoà tan vào autenit ,hạt austenit phát triển (giống như thép các bon với các bít là xêmantit ) song có các đặc điểm sau: -Sự hoà tan cacbit hợp kim khó hơn ,đòi hỏi nhiệt độ tôi cao và thời gian giữ nhiệt dài hơn so với xêmantit trong thép cacbon

-Cacbit hợp kim do khó hoà tan vào autenit, nằm ở biên giới hạt,như hàng rào giữ cho hạt nhỏ Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb , mạnh

V , và tương đối mạnh W, Mo Riêng thép có Mn lại có khuynh hướng làm to hạt austenit Các nguyên tố Cr, Ni, Si, Al được coi là trung tính chính vì vậy mà thép hợp kim thường giữ được hạt nhỏ hơn thép cacbon khi cả hai cùng nung nóng ở mọt nhiệt độ

-Sự phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội :Khi hoà tan vào autenit tất cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) với các mức độ khác nhau dều làm chậm tốc độ phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội tức làm đường cong chữ “C” dịch sang phải do đó làm giảm tốc độ tôi tới hạn Vth ,tác

dụng rất mạnh là Mo( riêng rẽ) và Cr-Ni (khi kết hợp) , mạnh là Cr, Mn, B

-Độ thấm tôi: Do làm giảm Vth các nguyên tố hợp kim( trừ Co) khi hoà tan vào austenit sẽ làm tăng độ thấm tôi Nhờ hiệu quả này trong thép hợp kim xảy ra các trường hợp mà thép cacbon không có được :

+ Vth bé tới mức nhỏ hơn vận tốc nguội của lõi ,do đó sau khi tôi lõi cũng có tổ chức mactẽnit, đây là trường hợp tôi thấu

+Vnguội trong không khí cũng có thể lớn hơn vận tốc tới hạn Vth do đó thường hoá cũng đạt được tổ chức mactenxit ,đó là hiện tượng tự tôi ( nếu là thép cacbon thì thường hoá chỉ cho xoocbit là cùng )

-Chuyển biến Mactenxit: Khi hoà tan vào austenit ,các nguyên tố ( trừ

Co, Al ,Si ) đều hạ thấp nhiệt độ chuyển biến austenit, do đó làm tăng lượng austenit dư sau khi tôi

Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm Ms như sau: Mn -45C , Cr -35

C ,Ni -26C ,Mo -25C, còn Co làm tăng 12C, Al làm tăng 18C , Si không ảnh hưởng gì Do austenit dư tăng mạnh ở các thép có cacbon cao -hợp kim cao , độ cứng sau khi tôi có thể bị giảm khoảng 110 đơn vị HRC so với mức cao nhất có thể đạt được Tuy đây là nhược điểm song hoàn toàn có thể khắc phục được bằng gia công lạnh hay ram nhiều lần ở nhiệt độ thích hợp để austenit dư  mactenxit , độ cứng lại đạt mức cao nhất

Các vai trò ở trên là chung cho tất cả các nguyên tố hợp kim ,như vậy các nguyên tố hợp kim trong thành phần của thép trên cũng thể hiện các vai trò đó

 IV ĐỐI VỚI THÉP ĐÃ CHỌN : 60Si2Ni2A

1) Nhiệt độ chảy hoàn toàn và các nhiệt độ quan trọng như: nhiệt độ ủ,thường hoá và tôi.

Nhiệt độ chảy hoàn toàn :

Do khi mua về thép này chỉ cần phải tiến hành tôi và ram hoặc đã được tôi và ram ,nên ta quan tâm tới nhiệt độ tôi và ram

Nhiệt độ tôi :880 C

Nhiệt độ ram:420 C

Nhiệt luyện và cơ tính của các thép tương đương :

Tiêu chuẩn Mác thép Nhiệt độ

Tôi( C)

Môi trường Tôi( C)

Nhiệt độ Ram( C) Việt Nam

(TCVN)

Nga

(OCT)

Mỹ

(ASTM)

A877

Nhật

(JIS)

Trung Quốc

(GB)

Đức(DIN) 60SiCr7 830860 dầu 350550

2) Theo giản đồ pha Fe-C thì thép C có cùng thành phần C như mác thép trên sẽ là : C60

Hình 2 Giản đồ Fe-C

3) Với thép C60 có được các nhiệt độ quan trọng :

Với hàm lương C=(0,560,64)% dựa vào giản đồ Fe-C (hình 2):

Có điểm G (911 C_0%C) và điểm S(727 C_0,8%C) đường A3 gần như đường thẳng do đó với C=0,6% thì A3 =773 C ;

Ta có được :A3(0,6%C) =911-0,6(911-727)/0,8=773;

Điểm E(1147 C_2,14%C) ; S(727 C_0,8%C) ; Đường Acm gần như tuyến tính bậc nhất nên với nhiệt độ t = 773 C ta có được thành phần các bon là C =0,95% ;

- Nhiệt độ ủ :Đây là thép cacbon trước cùng tích với lượng cacbon khoảng 0,560,64 sử dụng phương pháp ủ hoàn toàn ,đặc điểm là nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn austenit ,tức cao hơn Ac3 :

T ủ =A3 +(2030 C) =793803 C;

Mục đích ủ hoàn toàn là:Làm nhỏ hạt , nung quá Ac3 khoảng 2030 C thì austenit nhận được là nhỏ hạt ,nên làm nguội tiếp theo tổ chức ferit-peclit nhận được cũng có nhỏ hạt

- Nhiệt độ thường hoá :Đây là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn austenit ,giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khi tĩnh để austenit phân hoá thành tổ chức gần ổn định:peclit phân tán hay xoocbit

T th =A3 +(3050 C)=803823 C ;

- Nhiệt độ tôi : Tt =A3 +(3050 C)=803823 C ;

tổ chức đạt được là mactenxit +austenit dư

Chọn nhiệt độ tôi như vậy :Đối với thép trước cùng tích ,khi tôi không hoàn toàn (dưới A3) ngoài mctenxit ra vẫn còn ferit ( +  M + ) đây là pha mềm ngoài việc làm thấp độ cứng của thép tôi nó con gây ra điểm mềm ảnh hưởng xấu tới độ bền ,độ bền mỏi và tính chống mài mòn.Khi tôi hoàn toàn ( cao hơn A3) tất cả ferit hoà tan hết vào

austenit ,do vậy sau khi tôi thép có tổ chức chủ yếu là mactenxit , không

có ferit nên độ cứng đạt được là cao nhất

4) Tổ chức tế vi nhận được qua các điểm tới hạn và thành phần có trong tổ chức tế vi :

- Tổ chức tế vi nhận được khi qua đường JE hoàn toàn là austenit ; khi qua đường A3 và vẫn ở trên đường A1 sẽ là  + ; và khi ở dưới đường

A1 tổ chức nhận được là F + P;

- Thành phần của các tổ chức tế vi đó là:

Khi qua đường A3 tổ chức gồm : / =(0,8-0,6)/(0,6-0,006) =0,337;

Do vậy thành phần sẽ là : % =25,2% ; % =74,8% ;

Khi qua đường A1 thì  chuyển biến thành F và  chuyển biến thành

P , nên thành phần tổ chức sẽ như sau :

%F =25,2 ; % P =74,8 % ;

Ở đây khi qua đường A1 thì lượng F mà  chuyển biến được mở rộng nhưng không nhiều do vậy thành phần % của F và P cũng không khác là mấy so với  và  nên ta có được thành phần % như trên

Ferit có thể hoà tan Si , Mn , P , Cr … nên cứng vừ bền hơn song cũng kém dẻo dai ;tổ chức của nó có dạng các hạt sáng và đa cạnh

Peclit ( Fe + Fe3C ) nhờ kết hợp một lượng lớn pha dẻo với 1 lượng nhất định pha cứng nên tổ chức peclit khá bền , cứng nhưng cũng đủ dẻo dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật két cấu

Peclit có 2 loại :

- Peclit tấm : thường gặp hơn cả ,có cấu trúc tấm tức là 2 pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau nên trên mặt cắt ngang để lại các vệt tối mỏng ,là xêmentit ,vệt sáng dày là ferit nên tổng thể có dạng vân

-ít gặp hơn xêmentit ở dạng thu gọn nhất -hạt xeementit phân bố đều trên nền ferit , so với peclit tấm peclit hạt có độ bền ,độ cứng cao hơn,

độ dẻo ,dai nhỏ hơn đôi chút

VI SAU MỖI NGUYÊN CÔNG NHIỆT LUYỆN VÀ VẬT LIỆU CÓ THỂ THAY THẾ

1) Phương pháp gia công thường được dùng để chế tạo chi tiết trên:

Thép này thường được cung cấp dưới dạng thanh ,băng Khi đi mua ta phải tiên hành kiểm tra chất lượng :Trên bề mặt của thanh phải không có vết nứt , nhăn ,sẹo đúc ,rạn ,bọt khí và các khuyết tật cục bộ trên bề mặt của chi tiết

Sau khi mua về ta dùng phương pháp gia công để tạo hình là rèn ,dập

2) Các biện pháp sử lý nhiệt :

Sau khi gia công cơ khí cần áp dụng biện pháp sử lý nhiệt :

a) Tiến hành Tôi để nâng cao độ cứng và tính chống mòn:Với chi tiết

trên ta tiến hành tôi ở nhiệt độ khoảng 880 C Khi tôi ta phải chú ý dể tránh xảy ra các khuyết tật :

- Nứt và biến dạng do ứng suất bên trong (ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức ) mà chủ yếu là do nguội nhanh khi tôi Nếu ứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền của vật liệu ,thép sẽ bị nứt và không thể chữa được

-Biện pháp:

Để ngăn ngừa các khuyết tật này ta phải làm giảm các ứng suất bên trong :

+Nung nóng và đặc biệt làm nguội với tốc độ hợp lý để đạt độ cứng theo yêu cầu,không nên dùng tốc độ nguội quá cao không cần thiết +Nên dùng tôi phân cấp ,hạ nhiệt trước khi tôi

- Oxy hoá và thoát cacbon: Hiện tượng này sẽ tạo nên vảy ôxyt sắt và thoát cacbon làm mất cacbon ở bề mặt

Nguyên nhân:Là do môi trường tôi có các thành phần gây ôxy hoá Fe và

C,đó là :ôxy ,CO2 ,hơi nước.Thoát cacbon là do thành phần hoá học và

phương pháp tôi.Với thép “ 60Si2Ni2A” rất dễ bị mất cacbon khi tôi do

vậy cần phải chú ý chọn phương pháp tôi và môi trường tôi phù hợp

Biện pháp:

Nung trong không khí không có tác dụng OXH và thoát cacbon,người ta

sử dụng các lò bằng điện có khí quyển đặc biệt như sau:

+ Khí bảo vệ :chế biến từ khí (hơi) đốt thiên nhiên ,có thành phần đối lập (OXH và hoàn nguyên) :CO2/CO ;H2O/H2 ;H2/CH4 với tỉ lệ hợp lý để

đi đến trung hoà tác dụng của nhau Loại khí này dùng khá phổ biến + Khí quyển trung tính :như Nitơ tinh khiết ,tốt nhất là acgông Loại này chỉ dùng cho phòng thí nghiệm vì rất đắt

+ Nung trong lò chân không 10 210 4 mmHg có khả năng chống ôxy hoá và thoát cacbon tuyệt đối cho mọi thép và hợp kim Hiện đang được áp dụng rộng rãi ở các nước có công nghiệp phát triển

+ Nếu không có các loại khí trên có thể áp dụng :Rải than hoa nên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than ,nhưng cách này làm giảm tuổi thọ lò

và tăng thời gian nung

b) Sau khi tôi tiến hành RAM ,nhiệt độ ram vào khoảng 420 C :Ở dây

ta tiến hành ram trung bình , khi ram phải chú ý tới nhiệt độ ram và tốc

độ nguội để tránh xảy ra giòn ram :

- Với nhiệt độ ram là 420 C thì không xảy ra gion ram loai 1 Loại 1 chỉ xảy ra khi tiến hành ram ở nhiệt độ 280350C, nguyên nhân là do ở nhiệt độ này cacbit  được tiết ra khỏi mactenxit có dạng tấm hay dư

M, làm thép trở nên giòn

- Giòn ram loại 2 xảy ra ở khoảng nhiệt độ 500600 C và làm nguội chậm nên với nhiệt độ ram của ta thì cũng cần phải chú ý Như vậy ta cần phải làm nguội nhanh để tránh giòn ram loại 2

Sau khi ram độ cứng sẽ giảm đi rõ rệt, song đánh đổi lại là ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàn ,giá trị đàn hồi đạt lớn nhất

Bảng các nhiệt độ quan trọng của 1 mác thép tương đương với thép trên:

Theo tiêu chuẩn DIN của Đức :

Mác thép Nhiệt

độ tạo hình ( C)

ủ(C ) Thường

hoá ( C )

Tôi ( C )

Ram ( C )

Gia công nóng ( C )

Độ cứng sau ủ ( C )

60SiCr7 830

 900

640

 680

850

 880

830

 860

350

 550

850

 1050

255HB

3) Những nguyên công sau khi gia công và nhiệt luyện kết thúc ,tổ chức

tế vi và cơ tính sau mỗi nguyên công nhiệt luyện.

a) Các nguyên công sau khi gia công và nhiệt luyện :