Đồ án lựa chọn vật liệu bánh xe ô tô

Lí do chọn mác thép SCM440:Bởi điều kiện làm việc của bánh răng thường xuyên tiếp xúc với môi trường ngoại cảnh như nắng, mưa, bùn đất và môi trường nội cảnh như trọng lực, lực uốn cong, lực ma sát, ... Do vậy làm bánh răng bằng thép SCM440 là sự lựa chọn phù hợp bởi những lý do sau đây:•Chống chịu được các loại lực và chịu được sự mài mòn trong quá trình hoạt động mà vẫn đảm bảo lõi vẫn giữ nguyên độ bền dẻo dai và chịu được những va đập.•Thép tròn đặc SCM440 có hàm lượng Crom từ 0,9% đến 1,2% giúp cải thiện tính tôi (tôi được trong dầu) và nâng cao độ thấm tôi.•Thép SCM440 còn cho thêm khoảng 0,25% Molipden sẽ làm cải thiện độ thấm tôi và chống được giòn ram, dùng cho các chi tiết có đường kính trung bình trên 50mm và hình dạng tương đối phức tạp như bánh răng, ...•Thép tròn đặc SCM440 có hàm lượng cacbon trung bình có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá tốt. Ngoài ra, SCM440 còn sở hữu thêm hàm lượng Cr Mo có khả năng chống biến dạng và chống mài mòn cao. Qua những tính chất trên ta có thể thấy làm bánh răng bằng thép SCM 440 là sự lựa chọn tối ưu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ KĨ THUẬT VẬT LIỆU ĐỒ ÁN LỰA CHỌN VẬT LIỆU BÁNH RĂNG Ô TÔ Hà Nội, tháng / 2021 Chương Giới thiệu nguyên tắc lựa chọn vật liệu công nghệ 1.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu 1.2 Nguyên tắc lựa chọn nhóm vật liệu Chương Lựa chọn vật liệu 2.1 Các bước thực lựa chọn vật liệu (Sử dụng phần mềm để lựa chọn vật liệu phù hợp) 2.2 Lựa chọn mác thép 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mác thép Chương Xây dựng quy trình cơng nghệ nấu luyện chế tạo 3.1 Quy trình cơng nghệ nấu luyện 3.1.1 Thiết bị 3.1.2 Quy trình cơng nghệ nấu luyện 3.2 Quy trình cơng nghệ tinh luyện 3.2.1 Thiết bị 3.2.2 Quy trình cơng nghệ 3.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo 3.2.1 Thiết bị 3.2.2 Quy trình cơng nghệ Chương Xây dựng quy trình cơng nghệ xử lý nâng cao tính kiểm tra 4.1 Quy trình cơng nghệ xử lý nhiệt 4.1.1 Thường hóa 4.1.2 Thấm 4.1.3 Tôi cảm ứng 4.1.4 Ram 4.2 Các phương pháp kiểm tra vật liệu 4.2.1 Phân tích thành phần hóa học 4.2.2 Kiểm tra lý tính 4.2.3 Kiểm tra tổ chức tế vi Chương Tối ưu hoá lựa chọn vật liệu Chương Kết luận Tài liệu tham khảo Chương Giới thiệu nguyên tắc lựa chọn vật liệu công nghệ 1.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu 1.1.1 Nghiên cứu điều kiện làm việc chi tiết Tìm hiểu điều kiện làm việc chi tiết bước xuất phát quy trình lựa chọn vật liệu Dựa vào điều kiện làm việc vật liệu, người ta định việc lựa chọn vật liệu xử lý vật liệu theo cơng nghệ phù hợp Phân tích điều kiện làm việc cần đầy đủ, xác, không thiếu, không thừa Thiếu dẫn đến chi tiết không đáp ứng yêu cầu làm việc trên, thừa gây lãng phí 1.1.2 Chọn vật liệu theo thành phần hố học Trên sở hiểu biết vật liệu kỹ thuật, nhà thiết kế tiến hành khoanh vùng vật liệu đáp ứng yêu cầu làm việc Từ lựa chọn sơ này, nhà thiết kế tiến hành phân tích ưu, nhược điểm vật liệu phương án đưa Từ phân tich này, nhà thiết kế chọn vật liệu hợp lý mặt kinh tế - kỹ thuật Đưa thông tin thành phần hoá học vật liệu chọn Các vật liệu theo tiêu chuẩn khác sai khác đơi chút thành phần Điều công nghệ chế tạo vật liệu, nguồn nguyên liệu hay truyền thống sử dụng vật liệu 1.1.3 Chọn vật liệu theo độ cứng vững a) Đặt vấn đề Điều phải quan tâm thiết kế kết cấu phải có đủ độ cứng vững sử dụng Độ cứng vững mà đảm bảo kết cấu khơng bị sụp đổ thiết kế người ta tính đủ độ bền an toàn Điều xác định ứng suất vật liệu mục tiêu mà lựa chọn cần hướng tới Chúng ta thực bước lựa chọn vật liệu bao gồm: - Thiết lập yêu cầu - Lựa chọn vật liệu (dựa vào ràng buộc) - Tối ưu hoá Tối ưu hoá phải dựa mục tiêu gọi tiêu hiệu Một loại mục tiêu mà hay đề cập tới tốt nhất, cần hướng tới cực tiểu cực đại b) Thực hành lựa chọn vật liệu tối ưu hoá Lựa chọn theo yêu cầu kỹ thuật: - Tối ưu hoá để chọn vật vật liệu có tiêu hiệu cao Mỗi loại chi tiết với hình dạng đặc điểm tải trọng, ta có hàm tiêu hiệu riêng - Lựa chọn vật liệu có ưu tiên => Hai tiêu chí hay dùng để tối ưu hoá lựa chọn vật liệu nhẹ rẻ - Khơng có ưu tiên–hai tiêu có ảnh hưởng tương đương nhau: số lượng vật liệu chọn qua hai bước nhẹ rẻ phải tương đương - Có ưu tiên: tiêu ưu tiên đường đồng mức phải nâng cao số lượng vật liệu chọn qua bước phải nhỏ c) Kết luận Độ cứng vững thích hợp trọng tâm thiết kế kết cấu, thể qua độ võng cho phép Độ cứng vững kích thước, hình dạng tiết diện chất vật liệu định Đặc trưng cho độ cứng vững mô đun đàn hồi Khi chọn vật liệu người ta thường chọn phải có độ cứng vững đủ lớn tương ứng mô đun đàn hổi đủ cao Độ cứng vững giúp tối ưu hoá nhiều mặt: cực tiểu khối lượng thể tích, cực tiểu giá mua vật liệu Chỉ tiêu hiệu tiêu đánh giá hiệu sử dụng vật liệu cho mục đích xác định Đối với mục đích sử dụng định, vật liệu có tiêu hiệu cao có lợi 1.1.4 Chọn vật liệu theo độ bền a) Đặt vấn đề Độ bền vật liệu tiêu tính quan trọng đảm bảo cho kết cấu chịu tải trọng, thực có kết chức Khi chọn vật liệu theo giới hạn đàn hồi khơng đảm bảo vật liệu có đủ độ bền mà cịn khơng bị cong oằn Tuy nhiên, thiết kế, số trường hợp, người ta lợi dụng biến dạng để để tránh phá huỷ phần khác kết cấu Khi đó, phải điều khiển biến dạng dẻo nơi mong muốn Biến dạng dẻo để hấp thụ lượng hướng hay dùng Khi đó: -Nơi khơng xảy biến dạng dẻo: phải hồn tồn khơng bị biến dạng dẻo -Nơi xảy biến dạng dẻo: phải xảy hoàn tồn, nghĩa địi hỏi tất phải vượt giới hạn chảy Khi chế chảy dẻo phải xác định tải trọng tương ứng phải tính toán để biến dạng xảy nơi cần thiết Chỉ tiêu hiệu thiết kế theo giới hạn chảy - Cực tiểu khối lượng – nhẹ nhất: cho dây bền, nhẹ - Cực tiểu khối lượng tấm: bền, nhẹ - Dầm nhẹ, bền: hiệu hình dạng tiết diện - Cực tiểu giá thể tích vật liệu b) Kết luận Thiết kế đàn hồi thiết kế để tránh biến dạng dẻo, nghĩa tính tốn ứng suất cực đại chi tiết chịu lực để khẳng định ứng suất nhỏ giới hạn chảy vật liệu Chỉ tiêu hiệu phụ thuộc vào mục tiêu việc sử dụng vật liệu cần hướng tới như: cực tiểu tối lượng, cực tiểu giá sở làm việc khác Trong trường hợp cần biến dạng dẻo ứng suất phải vượt qua giới hạn chảy vật liệu Lực vào công suất thiết bị tỷ lệ với giới hạn chảy dẻo vật liệu 1.1.5 Lựa chọn vật liệu theo tiêu chí an tồn vận hành chi tiết a) Đặt vấn đề Dự báo phá huỷ chi tiết hay kết cấu việc khó phức tạp Phân biệt độ bền độ dai Độ dai khả chống lại phá huỷ b) Độ bền độ dai Độ bền vật liệu khả chống lại biến dạng dẻo phá huỷ tác dụng ngoại lực, bao gồm giới hạn đàn hổi, giới hạn chảy giới hạn bền Độ dai khả chống lại xuất phát triển vết nứt tác dụng tải trọng Ta thấy vật liệu kim loại vừa có độ bền độ dai cao, chúng giữ vai trò chủ đạo kỹ thuật Các hợp kim có độ bền cao cứng giòn c) Kết luận Độ dai sức bền vật liệu chống lại phát triển vết nứt Các kim loại có độ dai lớn cho phép có mặt vết nứt, hấp thụ va đập không gây cố Nếu có q tải, chúng biến dạng mà khơng phá huỷ Vật liệu có độ dai cao nghĩa vết nứt phát triển hấp thụ nhiều lượng vùng biến dạng dẻo đầu vết nứt Vùng biến dạng dẻo đầu vết nứt lớn dộ dai phá huỷ vật liệu cao Những vật liệu mà vùng biến dạng dẻo có hình thành mầm xốp tạp chất vết nứt kết nối với tạo thành vết nứt lớn làm tạp chất cải thiện độ dai 1.1.6 Lựa chọn vật liệu theo độ bền mỏi a) Đặt vấn đề Ứng suất lặp lại nhiều lần gây mỏi Vật liệu bị mỏi chịu ứng suất lặp lặp lại nhiều lần cuối phá huỷ Ngay biên độ chu kỳ tải trọng nhỏ có phần nhỏ lượng bị bị tiêu hao Nếu biên độ tải trọng mà lớn bắt đầu gây tích tụ tổn hại Lúc đầu gây tổn hại nhỏ chu kỳ, sau tăng dần tới đạt mức tới hạn vết nứt bắt đầu hình thành Chu kỳ tải trọng liên tục làm cho vết nứt phát triển phá huỷ đột ngột xảy Phá huỷ mỏi xảy âm ỉ, dấu hiệu nhỏ chẳng có xảy phá huỷ b) Phá huỷ mỏi Tải trọng rung với biên độ thấp khơng đủ gây thiệt hại cho vật liệu, tăng biên độ vật liệu bắt đầu có tượng mỏi Ứng suất theo chu kỳ làm biến cứng vật liệu Các lệch có xu hướng tích tụ lại thành vết nứt Vết nứt phát triển lên tới kích thước tới hạn gây phá huỷ c) Nguyên nhân giảm chấn mỏi Giảm chấn vật liệu: hệ số tổn thất học Có nhiều chế giảm chấn vật liệu Một vài nguyên nhân gắn liền với số thời gian riêng, tổn thất lượng tần số đặc trưng Nguyên nhân khác hấp thụ lượng tần số Phá huỷ mỏi nứt: Trong vật liệu có khuyết tật, nhược điểm dù nhỏ xuất làm mầm mống cho phá huỷ Khi ứng suất thấp giới hạn chảy, tập trung ứng suất, mà vùng vật liệu bị biến dạng dẻo Chuyển động lệch nị cản trở vùng nhỏ gần nơi tập trung ứng suất đủ để gây hư hại Những hư hại phát triển thành vết nứt bé tẹo Mỏi với số chu kỳ cao: Ở chu kỳ kéo, vùng biến dạng dẻo bé tẹo tạo thành đầu vết nứt mở làm xuất bề mặt Ở chu kỳ nén, vết nứt bị đóng trở lại tạo thành dạng – bị oằn phát triển Sang chu kỳ tiếp theo, vết nứt tí tạo thành dạng loăn quăn đánh dấu chu kỳ chịu lực tương ứng với bước phát triển vết nứt Những vết nhăn mặt vết nứt dạng đặc trưng phá huỷ mỏi với số chu kỳ cao, sử dụng để xác định vết nứt xuất từ đâu, tốc độ phát triển trường hợp có tranh chấp Mỏi với số chu kỳ thấp: Ứng suất cao vùng biến dạng dẻo rộng Vùng biến dạng dẻo lan rộng tồn mẫu trường hợp ta gấp gấp lại nhiều lần để bẻ gãy kim loại Ứng suất lớn đầu vết nứt, vùng biến dạng dẻo nơi xuất lỗ hổng, hợp lại thành vết nứt d) Biểu đồ lựa chọn vật liệu theo độ bền mỏi Tuổi bền mỏi nâng cao nhờ chọn vật liệu bền, chứa khuyết tật, tạo ứng suất nén dư bề mặt Hợp kim siêu sạch: Hiện nay, người ta chế tạo hợp kim có độ cao loại hết tạp chất sinh mầm mỏi Các phân tích không phá huỷ cho phép phát khuyết tật nguy hiểm để loại bỏ Tạo ứng suất nén dư bề mặt Vết nứt phát triển chủ yếu chu kỳ ứng suất kéo Ở chu kỳ nén làm khép vết nứt lại Phá huỷ mỏi thường khởi đầu từ bề mặt Vì lớp mỏng bề mặt ta tạo ứng suất nén dư vết nứt khởi đầu từ bề mặt bị khép lại cho dù tổng thể chi tiết chịu ứng suất kéo Ứng suất nén bề mặt thực phun bi gây biến dạng dẻo lớp bề mặt: nhíp tơ, máy kéo tạo ứng suất nén dư bề mặt trên, nghĩa làm việc tốt phun biến cứng, hiệu tăng tuổi thọ lên năm lần d) Kết luận Các định luật xây dựng từ thực nghiệm để mô tả nghiên cứu chế phá huỷ mỏi khơng hồn tồn đủ cho thiết kế nhằm giảm thiểu chế ngự mỏi Ngày ta khẳng định tải trọng chu kỳ nguyên nhân gây phá huỷ mỏi Tải trọng chu kỳ làm tích luỹ dần bất thường cấu trúc vật liệu tạo mầm vết nứt, phát triển dần lên, cuối gây phá huỷ đột ngột Mỏi hiểm hoạ bình thường ta khơng nhận ra, vết nứt bé tẹo, số lượng nhỏ khơng quan trọng gì, âm ỉ phát triển, bề ngồi khơng có tượng cuối phá huỷ xảy đột ngột Về mặt vật liệu, áp dụng công nghệ tiên tiến để nâng cao giới hạn mỏi cần thiết 1.1.7 Chọn vật liệu chịu ma sát mài mịn a) Đặt vấn đề Các tính chất ma sát thường liên quan đến vật liệu khác Ví dụ, vật liệu trượt bề mặt vật liệu khác, thân vật liệu lại trượt lên vật liệu thứ ba Khi số lượng mối ràng buộc lớn, không đơn giản với vật liệu b) Vật lý ma sát mài mòn Ma sát: Vật liệu dù mài đánh bóng tới mức khơng thể hồn tồn nhẵn mà có độ nhàm định Độ nhám phụ thuộc công nghệ chế tạo: đúc khuôn cát bề mặt nhàm, gia cơng khí máy xác nhận bề mặt có độ nhẵn cao nhiều khơng thể hồn tồn nhẵn Mài mịn: Mài mịn dính - đặc trưng mài mòn hai vật liệu tương tự tiếp túc trượt lên Các nhấp nhô hai bề mặt móc vào bong dính lên mặt đối diện Khi lực gây trượt đủ lớn, chúng lại bị cắt rời gây nên mài mòn c) Thiết kế lựa chọn vật liệu chịu ma sát, mài mịn Bơi trơn: chất bơi trơn chủ yếu dầu nhờn có bổ sung nhóm phân cực, chúng bị giữ lại bề mặt kim loại dạng lớp hấp thụ Ổ trượt: loại vật liệu cặp trượt làm việc: thép, gang, latông, brông Các vật liệu phải đủ bền để chịu tải làm việc, phải bền ăn mòn đảm bảo yêu cầu mỹ quan cho trường hợp sử dụng cụ thể Ngồi ra, chúng phải có tính bơi trơn động lực học đầy đủ chuyển động chậm tải trọng ổn định Ổ lăn: gồm viên bi hình cầu hình trụ định vị quay bên vịng lót Ứng suất tiếp xúc lớn nên u cầu vật liệu phải đủ cứng giới hạn mỏi tiếp xúc cao Ma sát cao: vật liệu làm má phanh khớp ly hợp: hầu hết phanh tơ có lớp vỏ phanh amiawng đặc trộn với hạt sợi latông đồng để tăng bền dẫn nhiệt Ngày nay, người ta sử dung compozit thay cho vật liệu Chống mài mòn: vật liệu cứng tốc độ mài mịn nhỏ thường bị giòn Vật liệu mềm, trái lại, dẻo mài mòn nhanh Để giảm mài mòn ta chọn vật liệu dai tạo lớp phủ cứng bề mặt công nghệ xử lý bề mặt d) Kết luận Khi hai bề mặt trượt lên sinh lực ma sát có mài mịn: khơng có ma sát chuyển động vĩnh cửu Khơng có tượng mài mịn tuổi thọ nhiều loại thiết bị trở nên vĩnh cửu Thực tế phải biết cách lợi dụng mặt có ích hạn chế hậu xấu chúng gây Khi đẩy trượt bề mặt lên bề mặt khác lực ma sát phụ thuộc vào độ lớn lực pháp tuyến với phương chuyển động mà không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc hai bề mặt Nguyên nhân sinh lực ma sát bề mặt khơng hồn tồn nhẵn, chúng tiết xúc số điểm định Ma sát, mài mòn ăn mòn gây thiệt hại cho kết cấu nguyên nhân khác Chúng sở để xác định tuổi thọ kết cấu, chúng tồn kết cấu sử dụng Ngày nay, nhiều công ty cho đời nhiều sản phẩm dựa vào khai thác mặt có lợi chúng 1.1.8 Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện vật liệu, biến đổi tổ chức nhiệt luyện Ba thông số quan trọng nhiệt luyện: - Nhiệt độ nung nóng - Thời gian giữ nhiệt - Tốc độ nguội sau giữ nhiệt - Các tiêu đánh giá kết quả: - Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền… tiêu gốc, - Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai - Độ cong vênh, biến dạng 1.1.9 Cơng nghệ áp dụng phương án thay Phương pháp nấu luyện vật liệu: Tuỳ thuộc vào loại vật liệu lựa chọn, cơng nghệ có mà lựa chọn phương án nấu luyện phù hợp, kinh tế Phương pháp chế tạo chi tiết: Tuỳ thuộc vật liệu hình dạng chi tiết mà có cơng nghệ chế tạo khác Thông thường trước gia công khí, chi tiết thường qua nhiệt luyện sơ (ủ, thường hoá) để giảm độ cứng, tăng khả gia cơng Sau gia cơng, nhiệt luyện kết thúc (tơi ram) để đạt tính u cầu Một số trường hợp cần gia cơng tinh để đạt độ xác kích thước Phương án thay cần thiết, phương án dùng có khan vật liệu hay ưu điểm cần khai thác 1.2 Nguyên tắc lựa chọn nhóm vật liệu Sau phân tích, lựa chọn vật liệu cho sản phẩm số nhóm vật liệu phổ biến: kim loại, ceramic, polymer compozit Mỗi nhóm vật liệu lại có ưu nhược điểm riêng, điều người thiết kế phải cân nhắc thật kỹ lưỡng Bảng 1.1: Ưu nhược điểm nhóm vật liệu Vật liệu Ưu điểm Độ cứng (E = 100Gpa) Dễ uốn (= 20%)-có thể hình thành Độ biến dạng (> 50Mpa.) Độ dẫn nhiệt cao (= C) Chống sốc (C) Độ cứng (E=200Gpa) Năng suất, độ cứng cao (> 3Gpa) Độ dẫn nhiệt cao (=C) Chống ăn mòn Mật độ vừa phải Nhược điểm Năng suất (nguyên chất, =1Mpa), hợp kim Độ cứng(H=3), hợp kim Độ bền mỏi (=1/2) Độ ăn mịn, lớp phủ Polymers , trung bình E thấp Dẻo định hình Chống ăn mịn Mật độ thấp Độ cứng thấp (E=2Gpa) Năng suất (=2-100Mpa) Độ dẻo dai thấp (1Mpa.) Composites , , E cao chi phí cao Độ cứng (E> 50Gpa) Độ biến dạng (> 20Mpa.m^ (1/2) Chống bền mỏi Chống ăn mòn Mật độ thấp Kim loại E, cao thấp Ceramics E, cao thấp Độ dẻo dai thấp (=2Mpa.) Chống sốc (=C) Khả hình thành, tạo bột Khả hình thành Chi phí Ta lựa chọn vật liệu theo nguyên tắc: Vật liệu chọn sau áp dụng quy trình cơng nghệ thích hợp đáp ứng đầy đủ yêu cầu làm việc chi tiết Ngoài ra, vật liệu cịn phải phổ biến, khơng q đắt tiền, có khả gia cơng khí tốt khơng u cầu phải áp dụng quy trình cơng nghệ đặc biệt Công nghệ lựa chọn nguyên tắc: Công nghệ phải làm cho vật liệu đạt tiêu kỹ thuật đặt ra, không phức tạp, đắt đỏ; thay đổi, cải tiến tương lai phải thực nhiều loại thiết bị Ngoài ... tắc lựa chọn vật liệu công nghệ 1.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu 1.2 Nguyên tắc lựa chọn nhóm vật liệu Chương Lựa chọn vật liệu 2.1 Các bước thực lựa chọn vật liệu (Sử dụng phần mềm để lựa chọn vật liệu. .. hạng vật liệu lựa chọn đáp ứng ràng buộc Ta cần tìm hiểu thêm hồ sơ chi tiết thứ, thông tin hỗ trợ chúng Chương 2: Lựa chọn vật liệu (Bánh hộp số ô tô) 2.1 Các bước thực lựa chọn vật liệu Bước 1:... vật liệu trượt bề mặt vật liệu khác, thân vật liệu lại trượt lên vật liệu thứ ba Khi số lượng mối ràng buộc lớn, không đơn giản với vật liệu b) Vật lý ma sát mài mòn Ma sát: Vật liệu dù mài đánh