Kim loại học và nhiệt luyện (Vật liệu kim loại) Trục khuỷu cho ôtô tải nhẹ; có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng xe, chịu va đập và lực đổi chiều
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
BÀI TẬP LỚN VẬT LIỆU HỌC
I.Nội dung
Cho một chi tiết có các yêu cầu cơ bản:
Trục khuỷu cho ôtô tải nhẹ; có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng xe, chịu va đập và lực đổi chiều
II.Nhiệm vụ
Câu 1: Điều kiện làm việc của chi tiết
Trục khuỷu là phần quay tròn của cơ cấu tay quay, bao gồm một số ngõng trục chính đồng trục tựa trên các gối đỡ và một hoặc một số khuỷu, mỗi khuỷu gồm hai má bích và một ngõng (gọi là ngõng biên) lắp nối với thanh truyền (biên).
Trục khuỷu làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt: chịu mômen xoắn, mômen uốn lớn, chịu lực tập trung lớn và đổi chiều, chịu va đập mạnh; chịu ma sát, chịu mài mòn, đồng thời làm việc trong môi trường nhiệt độ cao nhưng khả năng bôi trơn và làm mát hạn chế.
Do đó trục khuỷu cần có những đặc điểm sau
Độ cứng vững lớn
Độ bền cao
Độ cứng bề mặt lớn
Độ dai va đập lớn
Trọng lượng nhỏ, độ chính xác và tính cân bằng cao
Và đặc biệt do trục khuỷu có hình dáng phức tạp, nên vật liệu phải có tính công nghệ cao.
Câu 2: Chọn vật liệu
Với những cơ tính cũng như những đặc điểm về chế tạo như trên, nhận thấy thép C45 đáp ứng được yêu cầu.
Cơ tính của thép C45 ở các dạng nhiệt luyện khác nhau
|
Dạng nhiệt luyện |
Cơ tính |
||||
|
sb, MPa |
s0,2, MPa |
d, % |
y, % |
ak, kJ/m2 |
|
|
Ủ hoàn toàn 840oC |
530 |
280 |
32,5 |
50 |
900 |
|
Thường hoá 850oC |
650 |
320 |
15 |
40 |
500 |
|
Tôi 850oC + ram 200oC |
1100 |
720 |
8 |
12 |
300 |
|
Tôi 850oC + ram 650oC |
720 |
450 |
22 |
55 |
1400 |
Cùng loại như mác thép C45 của Việt Nam trên thế giới còn có :
Bảng so sánh thành phần hoá hóa học của các mác thép tương đương với C45
|
Tiêu chuẩn |
Mác thép |
C |
Si |
Mn |
<P |
<S |
Cr |
Ni |
Cu |
|
TCVN |
C45 |
0,42-0,45 |
0,17- 0,37 |
0,50-0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
|
GOCT |
45 |
0,42-0,45 |
0,17- 0,37 |
0,50-0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
|
Trung Quốc |
45 |
0,42-0,50 |
0,17- 0,37 |
0,50-0,80 |
0,035 |
0,035 |
0,25 |
0,25 |
0,25 |
|
AISI/ SAE |
1045 |
0,43-0,50 |
|
0,60-0,90 |
0,040 |
0,050 |
|
|
|
|
JIS |
S45C |
0,42-0,48 |
0,15-0,35 |
0,60-0,90 |
0,030 |
0,035 |
0,20 |
0,20 |
0,3 |
Thông qua bảng so sánh các thành phần hoá học của các mác thép tương đương ta có thể rút ra một số nhận xét như sau:
Hàm lượng Cácbon (C) không có sự khác biệt lắm, nhưng thành phần các nguyên tố hợp kim và tạp chất có đôi chút khác biệt, dẫn đến quá trình gia công nhiệt và gia công cơ cần phải lưu ý. Thông thường các mác thép của Nhật có chất lượng cao hơn, vì hàm lượng tạp chất có hại như P, S khá thấp.
Câu 3: Vai trò của các nguyên tố hợp kim chính trong thép C45 đối với cơ tính và chế độ nhiệt luyện
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). Cỏc pha dung dịch rắn có độ dẻo cao, độ bền thấp trong khi pha xêmentit là pha cứng và giũn. Sự kết hợp pha này sẽ cho cỏc tổ chức khỏc nhau của thộp ứng với từng thành phần và trạng thỏi 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 dón 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 tỷ lệ các nguyên tố hợp kim trong thép C45 là rất nhỏ nên chúng được coi là những tạp chất.
Tạp chất cú 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 quỏ trỡnh luyện gang chỳng bị hoàn nguyờn (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 lũ
Mn + FeO => MnO + Fe
Mn có thể làm giảm tác hại của lưu huỳnh ( làm cho thép bị giũn)
Mn trong thép có ảnh hưởng tốt đến cơ tính của thép, khi hũa tan vào Ferit nú nõng cao độ bền và độ cứng của pha này vỡ 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 nú làm lớn hạt rất nhanh khi nung ở nhiệt độ cao dẫn đến vật liệu bị giũn ( do hạt lớn), nờn khi nung phải chỳ ý đến tốc độ và nhiệt độ phù hợp.
Ngoài nguyên tố Mn còn có Cr, Ni, Si ... nhưng hàm lượng của nó còn quá nhỏ để ảnh hưởng đến cơ tính, tuy nhiên các nguyên tố hợp kim này có tác dụng làm giảm vnguội tới hạn , tăng cường độ thấm tôi.
Tạp chất cú 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 hũa tan vào Ferit và làm xụ lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giũn. Nú gây ra hiện tượng giũn nguội hay bở nguội ( ở nhiệt độ thường).
Do Photpho là nguyên tố thiên tích rất mạnh nên lượng photpho trong thép phải nhỏ hơn 0.05% để tránh giũn
Khác với Photpho, Lưu huỳnh hoàn toàn không hũa tan trong Fe ( cả Fe-ỏ Fe-ó) 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 thộp để gia cụng biờn dạng (cỏn, ren, dập) biên giới hạt bị chảy ra, làm thép dễ bị đứt, góy => gõy giũn thộp. Người ta gọi đây là hiện tượng giũn núng hay bở núng.
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 góy):
Mn + S => MnS
Cỏc tạp chất khớ : H2, O2, N2,… Chúng có mặt trong thép với lượng chứa rất nhỏ mà các phương pháp phân tích thông thường không thể phỏt hiện ra.Cỏc tạp chất này núi chung là cú hại.
