Truc Khuyu

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

Bµi TËp Lín VËt LiÖu Häc I.Néi dung Cho mét chi tiÕt cã c¸c yªu cÇu c¬ b¶n: Trôc khuûu cho «t« t¶i nhÑ; cã h×nh d¸ng phøc t¹p, chÞu t¶i träng xe, chÞu va ®Ëp vµ lùc ®æi chiÒu

II.NhiÖm vô C©u 1: §iÒu kiÖn lµm viÖc cña chi tiÕt Trôc khuûu lµ phÇn quay trßn cña c¬ cÊu tay quay, bao gåm mét sè ngâng trôc chÝnh ®ång trôc tùa trªn c¸c gèi ®ì vµ mét hoÆc mét sè khuûu, mçi khuûu gåm hai m¸ bÝch vµ mét ngâng (gäi lµ ngâng biªn) l¾p nèi víi thanh truyÒn (biªn). Trôc khuûu lµm viÖc trong m«i trêng rÊt kh¾c nghiÖt: chÞu m«men xo¾n, m«men uèn lín, chÞu lùc tËp trung lín vµ ®æi chiÒu, chÞu va ®Ëp m¹nh; chÞu ma s¸t, chÞu mµi mßn, ®ång thêi lµm viÖc trong m«i trêng nhiÖt ®é cao nhng kh¶ n¨ng b«i tr¬n vµ lµm m¸t h¹n chÕ. Do ®ã trôc khuûu cÇn cã nh÷ng ®Æc ®iÓm sau §é cøng v÷ng lín §é bÒn cao §é cøng bÒ mÆt lín §é dai va ®Ëp lín Träng lîng nhá, ®é chÝnh x¸c vµ tÝnh c©n b»ng cao Vµ ®Æc biÖt do trôc khuûu cã h×nh d¸ng phøc t¹p, nªn vËt liÖu ph¶i cã tÝnh c«ng nghÖ cao.

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

C©u 2: Chän vËt liÖu Víi nh÷ng c¬ tÝnh còng nh nh÷ng ®Æc ®iÓm vÒ chÕ t¹o nh trªn, nhËn thÊy thÐp C45 ®¸p øng ®îc yªu cÇu. C¬ tÝnh cña thÐp C45 ë c¸c d¹ng nhiÖt luyÖn kh¸c nhau D¹ng nhiÖt luyÖn sb, MPa s0,2, MPa 530 280 650 320 1100 720

ñ hoµn toµn 840oC Thêng ho¸ 850oC T«i 850oC + ram 200oC T«i 850oC + ram 650oC

720

450

C¬ tÝnh d, % y, % 32,5 50 15 40 8 12

a k, kJ/m2 900 500 300

22

1400

55

Cïng lo¹i nh m¸c thÐp C45 cña ViÖt Nam trªn thÕ giíi cßn cã : B¶ng so s¸nh thµnh phÇn ho¸ hãa häc cña c¸c m¸c thÐp t¬ng ®¬ng víi C45 Tiªu M¸c chuÈ thÐ n p

C

0,42 C45 0,45 0,42 GOC 45 T 0,45 Trun 0,42 g 45 Quèc 0,50 AISI/ 104 0,43 SAE 5 TCV N

Si

Mn


0,17- 0,50 0,04 0,37 0 0,80 0,17- 0,50 0,04 0,37 0 0,80 0,17- 0,50 0,03 0,37 5 0,80 0,60 0,04 0

<S

Cr

Ni

Cu

0,04 0,25 0,25 0,25 0 0,04 0,25 0,25 0,25 0 0,03 0,25 0,25 0,25 5 0,05 0

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

JIS

GiÇn

0,50 0,90 0,42 0,15- 0,60 0,03 0,03 0,20 0,20 0,3 S45 0,35 0 5 C 0,48 0,90

Th«ng qua b¶ng so s¸nh c¸c thµnh phÇn ho¸ häc cña c¸c m¸c thÐp t¬ng ®¬ng ta cã thÓ rót ra mét sè nhËn xÐt nh sau: Hµm lîng C¸cbon (C) kh«ng cã sù kh¸c biÖt l¾m, nhng thµnh phÇn c¸c nguyªn tè hîp kim vµ t¹p chÊt cã ®«i chót kh¸c biÖt, dÉn ®Õn qu¸ tr×nh gia c«ng nhiÖt vµ gia c«ng c¬ cÇn ph¶i lu ý. Th«ng thêng c¸c m¸c thÐp cña NhËt cã chÊt lîng cao h¬n, v× hµm lîng t¹p chÊt cã h¹i nh P, S kh¸ thÊp.

C©u 3: Vai trß cña c¸c nguyªn tè hîp kim chÝnh trong thÐp C45 ®èi víi c¬ tÝnh vµ chÕ ®é nhiÖt luyÖn Cacbon: Trong thép, Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất (Không kể sắt!) Tổ chức và tính chất của thép chủ yếu do Cac bon quyết định. Cacbon tồn tại trong thép dưới hai dạng: dung dịch rắn xen kẽ trong mạng tinh thể sắt và dạng liên kết trong hợp chất Fe3C (Xêmentit). Các

¶nh cña Cacbon ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp ë tr¹ng th¸i ñ

¶nh h­ëng cña c¸c nguyªn tè hîp kim ®Õn ®é cøng

¶nh h­ëng cña c¸c nguyªn tè hîp kim ®Õn ®é dai va ®Ëp

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

pha dung dịch rắn có độ dẻo cao, độ bền thấp trong khi pha xêmentit là pha cứng và giòn. Sự kết hợp pha này sẽ cho các tổ chức khác nhau của thép ứng với từng thành phần và trạng thái cụ thể. Khi hàm lượng cacbon tăng lên, độ bền độ cứng tăng theo,độ dẻo, độ dai giảm đi. Độ bền tăng có cực đại vào khoảng 0.9%C. Một cách định lượng, cứ tăng 0.1% C, độ cứng tăng khoảng 20-25 HB, độ bền tăng khoảng 60-80 Mpa, độ dãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối giảm lần lượt là 2-4% và 1-5%, độ dai va đập giảm 200kj/m2. Do tû lÖ c¸c nguyªn tè hîp kim trong thÐp C45 lµ rÊt nhá nªn chóng ®îc coi lµ nh÷ng t¹p chÊt. Tạp chất có lợi: Mn, Cr, Ni, Si,... Mn: Mangan đi vào thành phần của thép là do quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như Oxyt Mangan (MnO), trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO = > Mn) đi vào gang rồi đi vào thép. Mn trong thép C45 có thể khử oxi trong thép ở trạng thái lỏng (Tức là để loại trừ oxi trong oxit sắt, rất có hại cho thép) Oxit MnO sẽ nổi lên trong dung dịch lỏng và đi vào xỉ được loại ra khỏi lò Mn + FeO => MnO + Fe Mn có thể làm giảm tác hại của lưu huỳnh ( làm cho thép bị giòn) Mn trong thép có ảnh hưởng tốt đến cơ tính của thép, khi hòa tan vào Ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này vì vậy làm tăng cơ tính của thép. Tuy nhiên lượng Mn cao nhất trong thép chỉ khoảng 0.7% nên ảnh hưởng của nó đến cơ tính của thép là không đáng kể. Chủ yếu là giảm lượng FeO và tác hại của S. Mn có đặc điểm công nghệ cần chú ý là nó làm lớn hạt rất nhanh khi nung ở nhiệt độ cao dẫn đến vật liệu bị giòn ( do hạt lớn), nên khi nung phải chú ý đến tốc độ và nhiệt độ phù hợp. Ngoµi nguyªn tè Mn cßn cã Cr, Ni, Si ... nhng hµm lîng cña nã cßn qu¸ nhá ®Ó ¶nh hëng ®Õn c¬ tÝnh, tuy nhiªn c¸c nguyªn tè hîp kim nµy cã t¸c dông lµm gi¶m vnguéi tíi h¹n , t¨ng cêng ®é thÊm t«i. Tạp chất có hại: P, S, H2, O2, N2 ... P&S -Phốt Pho và Lưu Huỳnh Hai nguyên tố này đi vào thành phần của thép qua con đường quặng sắt và nhiên liệu ( than coke khi luyện gang). Photpho là nguyên tố có khả năng hòa tan vào Ferit và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn. Nó gây ra hiện tượng giòn nguội hay bở nguội ( ở nhiệt độ thường).

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

Do Photpho là nguyên tố thiên tích rất mạnh nên lượng photpho trong thép phải nhỏ hơn 0.05% để tránh giòn Khác với Photpho, Lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe ( cả Fe-α Fe-γ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh ( Fe+ FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (998oC), kết tinh lại sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt, khi nung thép để gia công biên dạng (cán, ren, dập) biên giới hạt bị chảy ra, làm thép dễ bị đứt, gãy => gây giòn thép. Người ta gọi đây là hiện tượng giòn nóng hay bở nóng. Để khắc phục hiện tương này người ta đưa thêm Mn vào để tạo nên hợp chất MnS để tạo nên hợp chất MnS( Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao , có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt gãy): Mn + S => MnS Các tạp chất khí : H2, O2, N2,… Chúng có mặt trong thép với lượng chứa rất nhỏ mà các phương pháp phân tích thông thường không thể phát hiện ra.Các tạp chất này nói chung là có hại.

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

C©u 4a: Gi¶n ®å pha vµ tæ chøc tÕ vi cña thÐp C45

Gi¶n §å Pha Fe-C A(1539-0) B(14990,5) C(11474,3) D(12506,67) E(11472,14) ABCD ®Æc

F(11476,67) G(911-0) H(14990,10) J(14990,16) K(7276,67)

: ®êng láng

N(1392-0)

§1(15030,45) P(727§2(14990,02) 0,45) Q(0-0,006) §3(14470,45) S(727§4 (8070,80) 0,45) §5 (7270,45) AHJECF : ®êng

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

ECF : ®êng cïng tinh PSK : ®êng cïng tÝch ES : ®êng giíi h¹n kh¶ n¨ng hoµ tan Cacbon trong Feγ PQ: ®êng giíi h¹n kh¶ n¨ng hoµ tan Cacbon trong Feα §1, §2, §3, §4, §5 : lµ c¸c ®iÓm chuyÓn pha cña thÐp C45 C¸c nhiÖt ®é quan träng cña nhiÖt luyÖn thÐp C45 Tthêng ho¸ = 837OC - 857OC Tt«i = 837OC - 857OC Tñ hoµn toµn = 827OC - 837OC Tram cao = O O 500 C - 650 C Tram trung b×nh = 300OC - 450OC Tram thÊp = O O 150 C - 250 C C©u 4b: Tæ chøc tÕ vi cña thÐp Cacbon (C45) ®¹t ®îc khi lµm nguéi chËm qua c¸c ®iÓm tíi h¹n lµ hçn hîp cña c¸c pha Austenit(A,γ ) lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña Cacbon trong Feγ víi m¹ng lËp ph¬ng t©m mÆt A1. Austenit chØ tån t¹i ë nhiÖt ®é cao, nã lµ pha rÊt dÎo dai, rÊt mÒm. §ã chÝnh c¬ së ®Ó thùc hiÖn ph¬ng ph¸p gia c«ng biÕn d¹ng nãng. Ferit(F,α ) lµ dung dÞch xen kÏ cña Cacbon trong Feα víi m¹ng lËp ph¬ng t©m khèi A2. Ferit lµ pha mÒm, dÎo, ®é cøng HB kho¶ng 80, cã tÝnh s¾t tõ. Khi quan s¸t trªn kÝnh hiÓn vi, Ferit cã mÇu tr¾ng. Xementit(Xe) lµ hîp chÊt ho¸ häc cña S¾t vµ Cacbon (Fe3C). Xementit lµ pha rÊt cøng vµ gißn. §é cøng HB kho¶ng 800. Khi quan s¸t trªn kÝnh hiÓn vi, ta thÊy chóng cã mÇu tr¾ng s¸ng. Peclit(P) lµ hçn hîp c¬ häc cña Ferit vµ Xementit. Lîng Xementit cã trong Peclit lµ 12%. Cã hai lo¹i Peclit lµ Peclit tÊm (Xe d¹ng tÊm) vµ Peclit h¹t (Xe d¹ng h¹t). Hµm lîng Cacbon trong Peclit lµ 0,8%. C¬ tÝnh cña Peclit phô thuéc vµo ®é ph©n t¸n vµ ®é nhá mÞn cña Xementit. Xementit cµng bÐ, cµng ph©n t¸n th× ®é bÒn ®é cøng cµng cao. Khi quan s¸t tæ chøc tÕ vi ta thÊy Pecilt cã mÇu tèi.

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

C«ng thøc x¸c ®Þnh hµm lîng Cacbon trong thÐp tríc cïng tÝch: %C= %P . 0,8 + %F . 0,006

Tæ chøc tÕ vi cña Peclit h¹t vi cña Peclit tÊm

Tæ chøc tÕ

C©u 4c: X¸c ®Þnh phÇn tr¨m c¸c pha cã trong thÐp C45 khi lµm nguéi chËm qua c¸c ®iÓm tíi h¹n §èi víi tÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu viÖc t×m ra thµnh phÇn c¸c pha cã trong tæ chøc ë tõng vïng nhiÖt ®é lµ rÊt cÇn thiÕt. ViÖc quyÕt ®Þnh ph¬ng ph¸p còng nh chÕ ®é chÕ ®é gia c«ng phô thuéc chÆt chÏ vµo ®iÒu nµy. ThÐp C45 lµ thÐp tríc cïng tÝch nªn viÖc xem xÐt tû lÖ c¸c pha ®îc b¾t ®Çu tõ tæ chøc mét pha Austenit. Víi thÐp C45 tæ chøc mét pha hoµn toµn Austenit n»m trong vïng: 808OC-1476OC. Trong kho¶ng nhiÖt ®é nµy Austenit chøa 0,45%C ( γ (0,45%C)) Khi nhiÖt ®é gi¶m xuèng díi AC3( ~807OC) b¾t ®Çu x¶y ra chuyÓn biÕn

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

γ

α

+

(x1%C)

γ

d (x2%C)

T¹i nhiÖt ®é t = 767OC Tû lÖ Cacbon trong α : x1 =

911 − 767 .0, 02 = 0, 0156%C 911 − 727

Tû lÖ Cacbon trong γ : x2 =

911 − 767 .0,8 = 0, 626%C 911 − 727

Thµnh phÇn α % α (0,0156%C) =

:

0, 6261 − 0, 45 = 0, 2884% 0, 6261 − 0, 0156

Thµnh phÇn γ % γ (0,6261%C)

(0.0156%C)

(0.6261%C)

:

0, 45 − 0, 0156 = = 0, 7115% 0, 6261 − 0, 0156

Khi nhiÖt ®é gi¶m xuèng díi AC1 ( ~727OC) b¾t ®Çu x¶y ra chuyÓn biÕn α

α

(0.0156%C)

γ

(x3%C)

P (α

(x3%C)

+

Xe (6,67%C))

T¹i nhiÖt ®é t = 727OC Tû lÖ Cacbon trong F(α ) lµ 0,02%C Tû lÖ Cacbon trong P lµ 0,8%C Thµnh phÇn F(α

0,8 − 0, 45

(0.02%C)

) : % α (0,02%C) = 0,8 − 0, 02 = 0, 4487%

Thµnh phÇn P

%P=

:

T¹i nhiÖt ®é t = 527OC Tû lÖ Cacbon trong α : Tû lÖ Cacbon trong P :

0, 45 − 0, 02 = 0,5513% 0,8 − 0, 02

527 − 27 .(0, 02 − 0, 006) + 0, 006 = 0, 016%C 727 − 27 x2 = .0,8%C x1 =

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

Thµnh phÇn F(α

GiÇn 0,8 − 0, 45

(0.016%C)

) : % α (0,016%C) = 0,8 − 0, 016 = 0, 4464% %P=

Thµnh phÇn P :

0, 45 − 0, 016 = 0,5536% 0,8 − 0, 016

T¹i nhiÖt ®é t = 27OC Tû lÖ Cacbon trong α : x1 = 0, 006%C Tû lÖ Cacbon trong P : x2 = .0,8%C Thµnh phÇn F(α Thµnh phÇn P :

0,8 − 0, 45

(0.016%C)

) : % α (0,016%C) = 0,8 − 0, 006 = 0, 4408% %P=

0, 45 − 0, 006 = 0,5592% 0,8 − 0, 006

Tæ chøc tÕ vi cña thÐp C45 C©u 5: Xö lý nhiÖt víi chi tiÕt trôc khuûu

C¸c nguyªn c«ng chÝnh ®Ó gia c«ng trôc khuûu Ph«i – ñ hoµn toµn – DËp nãng – Thêng ho¸ – Gia c«ng c¾t gät – T«i vµ ram cao – Gia c«ng tinh – T«i bÒ mÆt c¸c cæ trôc – Ram thÊp – Mµi rµ – §ãng gãi Các biện pháp xử lý nhiệt trước và sau gia công cơ khí

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

Nhiệt luyện là quá trình công nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức ( cấu trúc) và tính chất của chúng. Sau nhiệt luyện vật phẩm kimloại có Cơ tính: Nhiệt luyện làm thay đổi rõ rệt cơ tính của kim loại và hợp kim. Qua nhiệt luyện thích hợp, độ bền và độ cứng của kim loại và hợp kim có thể tăng lên từ 3 cho đến 6 lần. Tính công nghệ: Việc áp dụng các nguyên công nhiệt luyện sơ bộ trước khi gia công làm cho kim loại và hợp kim co độ mềm dẻo cao, thuận tiện cho gia công cơ khí, cải thiện đáng kể tính công nghệ của vật liệu. Tính chất lý hóa đặc biệt: Nhờ có nhiệt luyện mà hợp kim có thể phát huy được những tính chất lý hóa đặc biệt mà ở điều kiện bình thường không thể có được. C«ng nghÖ nhiÖt luyÖn ®îc chia thµnh : nhiÖt luyÖn s¬ bé vµ nhiÖt luyÖn kÕt thóc. NhiÖt luyÖn s¬ bé: lµ c«ng nghÖ ®îc thùc hiÖn tríc c«ng ®o¹n gia c«ng c¬ khÝ nh»m t¹o cho vËt liÖu cã c¬ tÝnh phï hîp víi chÕ ®é gia c«ng, nã bao gåm ñ vµ thêng ho¸

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

NhiÖt luyÖn kÕt thóc (hay cßn gäi lµ nhiÖt luyÖn ho¸ bÒn): lµ c«ng nghÖ cuèi cïng ¸p dông cho mçi chi tiÕt nh»m n©ng cao ®é cøng, ®é bÒn, nã gåm cã t«i vµ ram. §èi víi chi tiÕt trôc khuûu sau khi gia c«ng c¬ khÝ cã hai nguyªn c«ng ®îc sö dông ®Ó ho¸ bÒn chi tiÕt ®ã lµ t«i + ram cao vµ t«i cao tÇn + ram thÊp. Së dÜ ph¶i thùc hiÖn nhiÖt luyÖn thµnh hai bíc v× trôc khuûu lµ chi tiÕt lµm viÖc rÊt kh¾c nghiÖt: chÞu m«men xo¾n, m«men uèn lín, chÞu lùc tËp trung lín vµ ®æi chiÒu, chÞu va ®Ëp m¹nh; chÞu ma s¸t, chÞu mµi mßn. Nªn trôc khuûu yªu cÇu lâi ph¶i dÎo dai, bÒ mÆt cøng Khi T«i + Ram cao sÏ cho tæ chøc hoµn toµn xoocbit ram. §©y lµ tæ chøc t¬ng ®èi mÒm ®é cøng chØ kho¶ng 25 HRC, ®é bÒn gi¶m ®i chót Ýt nhng, l¹i ®¹t ®îc sù kÕt hîp tèt nhÊt cña c¸c chØ tiªu c¬ tÝnh: ®é bÒn, ®é dÎo, ®é dai. §©y lµ tæ chøc rÊt phï hîp ®Ó lµm lâi cña chi tiÕt. D¹ng nhiÖt luyÖn

T«i 850oC + ram

C¬ tÝnh sb, MPa s0,2, 720

MPa 450

d, % y, %

a k,

22

kJ/m2 1400

55

650oC §Ó bÒ mÆt cã ®é thÊm t«i s©u 2,5 – 4,5 mm mµ kh«ng lµm biÕn ®æi tæ chøc cña lâi ta cÇn ph¶i t«i cao tÇn víi nguån ®iÖn cã tÇn sè trong kho¶ng 2500 – 8000Hz.

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

GiÇn

Nung nãng vµ t«i c¶m øng Khi T«i cao tÇn + Ram thÊp sÏ cho tæ chøc mactenxit ram. §©y lµ tæ chøc cã ®é cøng rÊt cao kho¶ng 56 – 58 HRC, ®ång thêi øng suÊt sau khi t«i ®îc gi¶m ®i ®¸ng kÓ do cã tÝnh dÎo, dai tèt h¬n, khã bÞ ph¸ huû gißn h¬n. NÕu v× lý do nµo ®ã cÇn thay thÕ, vËt liÖu kh¸c C45 ta cã thÓ sö dông thÐp 40X v× chóng c¬ tÝnh còng nh c¸c chÕ ®é nhiÖt luyÖn t¬ng tù nhau. Tiªu M¸c chuÈ thÐ n p GOC T

C

Si

Mn


<S

Cr

Ni

Cu

0,36 0,17- 0,50 0,03 0,03 0,80 0,30 0,25 40X 0,37 5 5 0,44 0,80 1,10

ThÐp 40X cã tGia c«ng nãng = 800 – 1200OC tT«i = 860OC , m«i trêng t«i lµ dÇu tRam = 500OC, m«i trêng ram lµ dÇu hoÆc níc C¬ tÝnh 40X

Bµi tËp VËt LiÖu Häc H¶i Anh CTM1-K49

sb, MPa 980

s0,2, MPa 785

GiÇn

d, % 10

y, % 45

ak, kJ/cm2 59