CHƢƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
5.3. Tìm hiểu về độ bền kéo thépC45 qua các chế độ nhiệt luyện
5.3.1. Tính chất cơ học.
- Tính chất cơ học ( hay cịn đƣợc gọi là cơ tính ) của vật liệu là những đặc trƣng
cơ học biểu thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng.
- Các đặc trƣng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai va đập, độ bền mỏi và tính chống mài mịn.
Ðộ bền.
Ðộ bền: là khả năng cơ học của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị
phá hủy và đƣợc ký hiệu bằng (xích ma). Ðơn vị đo độ bền đƣợc tính bằng
N/mm2, kN/m2, hay MPa.
Nhóm các đặc trƣng cho độ bền bao gồm:
Giới hạn đàn hồi dh (còn đƣợc ký hiệu là Re).
Giới hạn đàn hồi: là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu đo mà sau khi bỏ nó đi mẫu
khơng bị biến dạng dẻo hoặc chỉ bị biến dạng dẻo rất ít (độ biến dạng dƣ vào khoảng 0,001 – 0,005% so với chiều dài ban đầu của mẫu).
Giới hạn đàn hồi đƣợc tính theo cơng thức:
0 F Pdh dh , (N/mm2 hay MPa). Trong đó:
F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu. Pdh (N) là lực tác dụng.
Trong giai đoạn đàn hồi, nếu là đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất và
biến dạng tuân theo định luật Hook, và nó có thể biểu diễn dƣới dạng công thức
đơn giản.
= E. , (MPa).
Với E (N/m2) là mô đun đàn hồi khi kéo, nén.
Ngƣời ta qui định gọi 0,002 là giới hạn đàn hồi qui ước.
Giới hạn chảy : Là ứng suất mà tại đó vật liệu bị "chảy", tức là tiếp tục bị biến dạng
với ứng suất không đổi .
0
F Pc
c
, (N/mm2 hay MPa). Trong đó : Pc (N) là lực tác dụng bắt đầu biến dạng dẻo.
F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.
Thực tế rất khó xác định giá trị Pc ứng với lúc vật liệu bắt đầu chảy, cho nên khi vật liệu có tính dẻo kém, khơng có thềm chảy rõ, ngƣời ta thƣờng qui ƣớc tải trọng ứng với khi mẫu bị biến dạng 0,2% là tải trọng chảy, vì thế giá trị
0 2 , 0 2 , 0 F P đƣợc
gọi là giới hạn chảy qui ước.
Giới hạn bền b (còn đƣợc ký hiệu là Rm).
Giới hạn bền : là ứng suất ứng với tải trọng tác dụng lớn nhất Pb hay Pmax làm cho
thanh vật liệu bị đứt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 197-85 giới hạn bền còn đƣợc gọi là giá trị độ bền tức thời.
Giới hạn bền đƣợc tính theo cơng thức:
0 F Pb b , ( N/mm2 hay MPa). Trong đó :
F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu. Pb (N) là lực tác dụng lớn nhất.
Trong hệ SI giới hạn bền đƣợc đo bằng N/mm2. Giới hạn bền càng lớn, khả năng chịu tải mà không gây phá hủy của kết cấu càng lớn.
Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các độ bền nhƣ độ bền kéo k, độ bền uốn u và độ bền nén n v.v.
Giới hạn bền kéo : có thể đƣợc hiểu nhƣ là khi một lực tác động tăng dần đến
khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị đứt là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét.
Độ bền kéo phụ thuộc vào những yếu tố vật liệu kiểm tra , điều kiện kiểm tra nhƣ: nhiệt độ, tốc độ kéo, độ ẩm, điều kiện mẫu trƣớc kiểm tra. Nhiệt độ và tốc độ
kéo ảnh hƣởng quan trọng đến độ bền kéo vì thế cần kiểm sốt trong q trình kiểm tra.
Dƣới đây là các giá trị độ bền kéo của thép C45 ở các chế độ nhiệt luyện khác nhau :
Bảng 5.6 : Giới hạn bền kéo của thép C45 qua các phƣơng pháp nhiệt luyện Nhiệt độ tôi (oC ) Nhiệt độ ram (oC ) Độ bền kéo ( 107 N/m2 ) Nhiệt độ tôi (oC ) Nhiệt độ ram (oC ) Độ bền kéo ( 107 N/m2 )
820 – 840 (oC ) 250 (oC ) 109 300 (oC ) 105 400 (oC ) 100 500 (oC ) 85 550 (oC ) 72,9 600 (oC ) 69,5 650 (oC ) 63,4 Đồ thị.
Hình 5.3: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa độ bền kéo thép C45 và nhiệt độ ram.
k (107 N/m2) T0 ram 20 40 60 80 100 120 300 400 500 550 600 109 63,4 650 250 o
Đồ thị đƣợc vẽ dựa trên các số liệu tham khảo từ sổ tay tra cứu gang, thép thông dụng và sách tra cứu về nhiệt luyện giành cho giảng viên kỹ thuật. Quan sát đồ thị ta thấy rằng độ bền kéo k của thép C45 có sự thay đổi rõ rệt khi đƣợc nhiệt luyện ở các chế độ khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ ram mà ta nhận đƣợc các giá trị độ bền kéo khác nhau.
Nhìn chung độ bền kéo của thép C45 có xu hƣớng giảm khi tăng nhiệt độ ram, cụ thể: tại nhiệt độ ram 250( 0C ) ta nhận đƣợc giá trị độ bền kéo lớn nhất là k = 109 .107 ( N/m2) và k = 63,4 .107 ( N/m2) khi ram ở nhiệt độ 650( 0C ). Mức độ giảm của độ bền kéo thép C45 còn tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ ram. Ta nhận thấy trong khoảng nhiệt độ từ 400( 0C) – 550( 0C ) độ dốc đồ thị là lớn nhất vì vậy độ bền kéo có tốc độ giảm là nhanh hơn cả. Nhƣ vậy độ bền của thép C45 thay đổi theo quy luật và chịu ảnh hƣởng bởi các chế độ nhiệt luyện khác nhau, quy luật thay đổi độ bền kéo và độ cứng thép C45 có nét tƣơng đồng, đó là: độ bền và độ cứng thép C45 giảm dần khi tăng nhiệt độ ram.
Giá trị độ bền kéo thép C45 thay đổi theo hƣớng tích cực, làm tăng cơ tính tổng hợp và nâng cao khả năng chịu tải chi tiết.
Độ bền là một trong những chi tiêu cơ tính quan trọng của vật liệu, thể hiện khả năng chịu tải và sự chống lại biến dạng gây nứt hoặc phá hủy chi tiết. Nó có ý nghĩa rất lớn trong việc đánh giá chất lƣợng cũng khả năng làm việc của chi tiết trong bộ phận máy.
Thực tế hiện nay với sự phát triển không ngừng của ngành công nghệ chế tạo máy. Số lƣợng máy móc ngày càng đa dạng với nhiều chi tiết hơn, các chi tiết yêu cầu chất lƣợng ngày càng cao và làm việc trong điều kiện khắc nghiệt hơn. Để làm đƣợc điều này ta cần nghiên cứu và lựa chọn một phƣơng pháp nhiệt luyện. hợp lý để cải thiện cơ tính và nâng cao độ bền cho chi tiết trong quá trình làm việc. Một số chi tiết phức tạp nhƣ các loại trục: trục cam, trục khủy, trục chính, trục truyền động…Do yêu cầu trong quá trình làm việc chịu uốn, chịu nén, chịu va đập tốt nên phải tiến hành nhiệt luyện để nâng cao cơ tính. Rõ ràng chi tiết sau khi nhiệt luyện có độ cứng, độ bền, giá trị độ dai đập khác hẳn so với trạng thái khi chƣa nhiệt luyện. Mặc khác, tùy thuộc vào nhiệt độ nhiệt luyện mà ta cũng nhận đƣợc các giá trị cơ tính khác nhau từ các chế độ nhiệt luyện khác nhau.
Bảng 5.7: Các chỉ tiêu cơ tính của thép ở hai trạng thái trƣớc và sau khi nhiệt luyện. Chế độ nhiệt luyện Độ cứng (HRB/HRC) Độ bền (107N/m2) Độ dai va đập (KG.m/cm2) Tôi + ram thấp 53,5 ~ 47,5 109 2.06 ~ 2,63
Tơi + ram trung bình 45,5 ~ 38,25 105 ~100 3,38 ~ 5,06 Tôi + ram cao 33 ~ 24 72,9 ~ 63,4 6.38 ~ 9,00
Thép chƣa qua nhiệt luyện 100 61 5,63
So sánh các chỉ tiêu cơ tính sau khi nhiệt luyện tơi + ram:
Qua bảng số liệu trên ta thấy cơ tính thép C45 (độ cứng, độ bền, độ dai va đập) có sự thay đổi qua các trạng thái nhiệt luyện tôi + ram khác nhau và đáng chú ý là sự thay đổi cơ tính ở trạng thái nhiệt luyện tơi + ram trung bình và tơi + ram cao. Chế độ nhiệt luyện tơi +ram trung bình có độ bền cao hơn và giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất, song lại có độ dai va đập lại nhỏ hơn so với chế độ nhiệt luyện tơi + ram cao. Điều này có thể hiểu nhƣ sau: tổ chức nhận đƣợc sau khi tôi + ram trung bình là Tram vì trong tổ chức này khơng có ứng suất dƣ và hạt Xe ở dạng hạt nhỏ nên Tram đáp ứng tốt nhất yêu cầu làm việc của các chi tiết đàn hồi. Trong khi đó chế độ nhiệt luyện tơi + ram cao tổ chức nhận đƣợc là Xram có độ dẻo tốt vì do Xe ở dạng hạt nên tổ chức này có độ dai cao do vậy chỉ tiêu cơ tính nhƣ độ dai va đập (ak) cao, Xram đáp ứng tốt các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập.
So sánh chỉ tiêu cơ tính của thép C45 ở trạng thái đã qua nhiệt luyện ( tôi + ram)
và chƣa nhiệt luyện:
Từ số liệu trên ta thấy độ bền kéo thép C45 có sự thay đổi rất lớn giữa trạng thái đã qua nhiệt luyện và chƣa qua nhiệt luyện. Nhìn chung cơ tính của thép C45 khi qua nhiệt luyện thay đổi và tốt hơn rất nhiều so với cơ tính của thép chƣa qua trạng thái nhiệt luyện. Tất cả các chi tiêu cơ tính : độ cứng, độ bền, độ dai va đập của thép đều tăng.
Thứ nhất ta xét chỉ tiêu về độ bền: phân tích bảng số liệu ( Bảng5.7 ) ta thấy
rằng giữa độ bền của thép C45 ở hai trạng thái chƣa qua nhiệt luyện và đã qua nhiệt luyện có sự khác biệt rõ rệt. Độ bền thép C45 chƣa qua nhiệt luyện có giá trị khoảng 61(107N/m2) , nhƣng sau khi kết thúc quá trình nhiệt luyện độ bền của thép tăng lên và đạt giá trị cao hơn hẳn: chế độ tơi + ram thấp có độ bền là 109 (107N/m2), chế độ tơi + ram trung bình độ bền nằm trong khoảng 105~100(107N/m2) và chế độ tôi +
ram cao độ bền có giá trị khoảng 72,9 ~ 63,4 (107N/m2) vẫn còn cao hơn độ bền của thép khi chƣa nhiệt luyện.
Thứ hai ta xét tiêu chí về độ cứng: ta nhận thấy độ cứng của thép C45 khi chƣa
nhiệt luyện là tƣơng đối thấp chỉ với 100 (HRB). Nhƣng sau khi qua gia công nhiệt độ cứng của thép C45 đƣợc cải thiện và tăng lên đáng kể, từ 100 HRB ( khoảng 20,6 HRC) tăng lên đạt giá trị cao nhất là 53,5 HRC qua tôi + ram thấp, ở chế độ tơi + ram trung bình giá trị độ cứng đạt Max 45,5 HRC và chế độ tôi + ram cao độ cứng tƣơng đối thấp nhƣng vẫn cao hơn trạng thái chƣa qua nhiệt luyện.
Ta xét chỉ tiêu cơ tính cuối cùng là độ dai va đập: quan sát bảng số liệu ta thấy
độ dai va đập của thép C45 ở hai trạng thái trƣớc và sau khi nhiệt luyện có sự thay đổi. Khác với độ cứng và độ bền thì độ dai va đập thép C45 ở trạng thái chƣa qua nhiệt luyện có giá trị cao hơn trạng thái đã qua nhiệt luyện tơi+ram thấp và tơi + ram trung bình nhƣng vẫn còn thấp hơn chế độ nhiệt luyện tơi + ram cao. Chính điều này một lần nữa khẳng định đƣợc vị trí và tầm quan trọng của nhiệt luyện nói chung và nhiệt luyện hóa tốt nói riêng trong ngành cơ khí chế tạo.
Tuy rằng, độ dai va đập của thép C45 khi qua nhiệt luyện (tơi +ram thấp và tơi + ram trung bình) có phần thấp hơn trạng thái chƣa qua nhiệt luyện, nhƣng độ cứng và độ bền của thép đã qua nhiệt luyện lại cao hơn rất nhiều so với độ bền và độ cứng thép C45 chƣa qua nhiệt luyện. Độ bền, độ cứng tăng không những làm tăng tuổi thọ, tăng khả chịu tải của chi tiết mà còn tăng khả năng chống mài mịn và giữ đƣợc độ chính xác của cơ cấu máy.
Vấn đề này có ý nghĩa rất quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo, trên thực tế rất nhiều chi tiết u cầu cơ tính tổng hợp cao, trong q trình hoạt động chịu lực phức tạp ( lò xo, các loại trục và bánh răng làm việc trong điều kiện thấp) nên yêu cầu phải có độ bền, độ cứng và độ dẻo dai tốt…Để đáp ứng đƣợc các yêu cầu trên thì chi tiết sau khi đƣợc chế tạo bắt buộc phải qua nhiệt luyện và nhiệt luyện hóa tốt là một trong những phƣơng pháp đƣợc lựa chọn để tạo cơ tính tổng hợp cao cho những chi tiết máy sử dụng vật liệu là thép C45.