1.2 .Phân loại các hệ thống kẹp chặt đường ray
2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu tạo kim loại trong rèn và dập nóng
2.4.1 Ảnh hưởng các trạng thái ứng suất
Khi kim loại bị nén, các hạt trong khối kim loại bị ép vào với nhau. Do đó, mỗi hạt bị ép về mọi phía. Người ta biểu hiện hạt thép bằng một khối vng (hình 2.5) với 3 cặp lực (F1, F2, F3).
- F1, F2, F3 là ngoại lực biến dạng khối thép trên tiết diện.
Chương 2: Đại cương về rèn dập
σ1 = F1/S (N/mm2 ) σ2 = F1/S (N/mm2 ) σ3 = F3/S (N/mm2 )
Trị số σ cho ta biết mức độ hạt bị nén là bao nhiêu. Trạng thái ứng suất bị nén mọi phía là tốt nhất đối với cấu tạo của kim loại. Nhưng không phải khi kim loại bị nén, tất cả các hạt thép đều có trị số ứng suất như nhau.
Khi biến dạng khơng đồng đều thì các hạt ở lớp biến dạng nhiều sẽ kéo các hạt ở vùng biến dạng ít, do đó sinh ra lực kéo dư bên trong khối kim loại (nội lực) làm cho một số hạt kim loại bị ứng suất kéo. Trạng thái ứng suất này làm cho kim loại bị giịn và có thể bị nứt. Muốn cho kim loại được tốt phải tạo điều kiện cho kim loại bị nén ở mọi hướng tức là phải ép hoặc dập trong khn kín.
2.4.2 Ảnh hưởng của độ biến dạng
a) Tính chất của thép sau khi rèn dập
Khi vuốt thép theo chiều dọc, nếu độ dài Y tăng lên từ 2 đến 10 thì độ dẻo của thép tăng 10-20% và gần như giữ ở đó nếu độ rèn tăng thêm nữa.
Nếu vuốt hoặc dàn mỏng thép theo chiều ngang thì độ rèn Y tăng đến 10 thì tính chất cơ học của thép có thể giảm 40-50%, riêng độ bền giảm 15%.
Vì vậy khi rèn dập cần xác định độ rèn cho phép đối với từng loại thép, nhất là rèn tự do và tốt nhất nên rèn theo chiều dọc thớ thép để đảm bảo chất lượng vật rèn.
Hình 2. 5 Biểu diễn của hạt thép khi bị ngoại lực tác dụng [18]
Khi vuốt dài, người ta lấy tiết diện ban đầu bằng 1.3-2 tiết diện vật rèn
b) Ảnh hưởng độ biến dạng đến kích thước hạt của kim loại
Như đã biết, kích thước của hạt kim loại càng bé thì cơ tính càng tốt, các yếu tố phụ thuộc vào độ biến dạng và nhiệt biến dạng.
Sau đây, ta xét kích thước độ hạt thép 40 trong quá trình biến dạng
Trên hình 2.6a cho ta thấy ảnh hưởng độ biến dạng đến kích thước của hạt thép ở nhiệt độ 850°C.
Nếu rèn thép ở nhiệt độ biến dạng dưới 6% thì hạt thép bé nhất.
Rèn thép ở độ biến dạng 6-20% thì kích thước của hạt thép lớn và rất lớn ở độ biến dạng 10-13%. Với độ biến dạng như thế đủ để các hạt thép liên kết với nhau thành hạt lớn. Cho nên khoảng độ biến dạng 6-20% là khoảng cấm không được rèn.
Rèn thép với độ biến dạng lớn hơn 20% thì hạt bé.
Trên hình 2.6b cho thấy kích thước của hạt phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ biến dạng. Nghiên cứu biểu đồ cho thấy:
Nhiệt độ càng cao thì kích thước của hạt thép càng lớn và đỉnh đường biểu diễn càng tiến sát trục đứng. Ở nhiệt độ cao phải rèn thép với độ biến dạng lớn hơn 25%. Nói chung khoảng nhiệt độ rèn thép với độ biến dạng lớn hơn 25% thì hạt thép tương đối nhỏ.
Với nhiệt độ dưới 900°C, có thể rèn thép với độ biến dạng nhỏ hơn 6%. Trường hợp này ứng dụng để sửa vật rèn.
Chương 2: Đại cương về rèn dập
Hình 2. 6 Sự phụ thuộc của kích thước hạt thép vào độ biến dạng và nhiệt độ biến dạng của thép 40
2.4.3 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng
Khi rèn dập nóng, các hạt kim loại bị biến dạng do chịu tác dụng mọi phía, nên chai cứng hơn, sức chống lại sự biến dạng của kim loại sẽ lớn hơn, đồng thời khi kim loại nguội lại sẽ kết tinh lại như cũ. Nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh lại thì các hạt kim loại sẽ bị chai chưa kịp trở lại trạng thái ban đầu mà tiếp tục biến dạng, do đó ứng suất trong khối kim loại sẽ lớn, hạt kim loại bị giịn và có thể nứt.
Nếu lấy hai khối kim loại như nhau rồi nung đến nhiệt độ nhất định rồi rèn trên máy búa, máy ép với một công như nhau, ta thấy tốc độ biến dạng trên máy búa lớn hơn nhưng độ biến dạng tổng cộng trên máy ép lớn hơn.
Nếu tăng tốc độ biến dạng thì nhiệt lượng sinh ra do ma sát bên trong khối kim loại, nhiệt trong khi biến dạng khơng kịp tỏa ra ngồi làm kim loại tăng nhiệt, nhưng rèn như vậy khơng có lợi nhiệt độ 800-900°C, người ta thường rèn thép và dập thép với tốc độ biến dạng từ 0.1m/s đến 8m/s.
2.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng
Nếu rèn dập kim loại đồng nhất về kích thước, về tính chất thì kim loại sẽ biến dạng như nhau tại các vùng và giảm được ứng suất bên
trong.
Theo đồ thị trạng thái hợp kim sắt cacbon (hình 2.7), ta biết các hạt thép đồng nhất về tính chất cũng như kích thước là trạng thái austenit, nghĩa là khu vực phía trên đường GSE.
Đồng thời rèn dưới nhiệt độ tới hạn bắt đầu nóng chảy (đường IE) khoảng 150-200°C vì q nhiệt độ này hạt thép sẽ rất lớn (quá lửa).
Chọn nhiệt độ biến dạng tốt nhất cho rèn và dập khơng chỉ căn cứ vào hai điểm chính ở trên à còn phải chú ý nới rộng khoảng nhiệt độ ấy để khoảng thời gian từ lúc bắt đầu rèn đến thơi rèn tương đối lớn, có thể làm việc trong thời gian nhất định để thực hiện quy trình rèn.
Các loại thép cacbon với hàm lượng cacbon < 0.3% thì hạt ferit và austenit ít chênh lệch về tính chất cho nên có thể rèn dưới đường GS. Nhiệt độ thôi rèn là 800°C
Các loại thép cacbon với hàm lượng cacbon > 0.83% nếu rèn trên đường SE thì khoảng nhiệt độ rèn rất bé vì nhiệt độ tới hạn (Act) tăng khi hàm lượng cacbon tăng. Trong thực tế, rèn các loại thép này đường SE khơng có tác hại vì tùy các hạt thép có trạng thái khơng đồng nhất nhưng hạt xementit rất bé so với hạt austenit và lại phân phối đồng đều nên ứng suất bên trong nhỏ, thép khơng bị giịn và nứt. Do đó thơi rèn ở nhiệt độ 825-850°C.
Trên hình 2.7 khu vực nghiêng là khoảng nhiệt độ rèn cho các loại thép cacbon. Khi ta nung nóng thép từ 20-100 °C thì độ dẻo tăng chậm nhưng từ 100-400°C độ dẻo giảm nhanh, độ giòn tăng (đối với thép hợp kim có thể độ dẻo giảm đến 600°C), quá nhiệt
Hình 2. 7 Khoảng nhiệt độ
Chương 2: Đại cương về rèn dập
độ này thì độ dẻo tăng rất nhanh. Cịn độ cứng thì giảm từ từ khi nung thép từ 20-40°C, quá nhiệt độ 400°C độ rèn giảm rất nhanh. Ở nhiệt độ rèn nếu hàm lượng Cacbon trong thép càng cao thì sức chống biến dạng càng lớn.