Giáo án thiết kế cơ khí - Chương 2 pot

Khi là một người thiết kế, bạn cần phải hiểu vật liệu sẽ làm việcthế nào, những tính chất nào của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết và bạn sẽgiải thích thế nào với mộ

Chương 2 Vật liệu trong thiết kế cơ khí

Tổng quan

Bạn là nhà thiết kế

2.1 Nội dung của chương

2.2 Các đặc trưng của vật liệu

2.3 Phân loại kim loại và hợp kim

2.4 Sự thay đổi của các thông số đặc trưng của vật liệu

Các vật liệu được dùng cho những chi tiết khác nhau là gì?

Giải thích tại sao những vật liệu đó được sử dụng?

Chúng đã được xử lí (nhiệt luyện) như thế nào?

Những đặc trưng nào của vật liệu là quan trọng để quyết định chỉ sửdụng loại vật liệu đó?

Xem các bảng phụ lục, và tham khảo sau khi bạn học về các loại vậtliệu điển hình

Chương này tổng kết đặc điểm thiết kế của các loại vật liệu khácnhau Các phụ lục bao gồm thông số của các loại vật liệu ở nhiều chế

độ nhiệt luyện

Trách nhiệm của người thiết kế là xác định loại vật liệu phù hợp cho từng bộ phận của các thiết bị

cơ khí Những nỗ lực ban đầu của bạn trong xác định vật liệu cho một bộ phận cụ thể trong thiết

kế cơ khí nên hướng đến các loại vật liệu thông dụng Giữ một tư duy mở cho đến khi bạn định rõđược chức năng của các bộ phận, loại và độ lớn của các tải trọng tác dụng, và môi trường làmviệc Khi lựa chọn vật liệu cần chú ý đến các đặc trưng vật lí và cơ học và chọn cho phù hợp vớiyêu cầu Đầu tiên cần lưu ý đến các nhóm vật liệu sau:

Mỗi nhóm trên bao gồm một số lượng lớn các loại vật liệu cụ thể với các đặc trưng thay đổi trongmột phạm vi rộng Tuy nhiên, với kinh nghiệm của mình bạn có lẽ cũng biết về tính chất chung vàứng dụng điển hình của từng loại Hầu hết các ứng dụng được nhắc đến khi thiết kế các chi tiếtmáy trong quyển sách này sử dụng kim loại, hợp kim, chất dẻo và compozit

Khả năng vận hành tốt của các bộ phận và hệ thống máy phụ thuộc rất lớn vào loại vậtliệu mà người thiết kế đã chọn Khi là một người thiết kế, bạn cần phải hiểu vật liệu sẽ làm việcthế nào, những tính chất nào của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết và bạn sẽgiải thích thế nào với một số lượng lớn các thông số có được về các tính chất của vật liệu Nănglực của bạn trong việc truyền đạt hiệu quả các thông số về vật liệu của mình cho người cung cấp,người mua, nhà luyện kim, nhân viên chế tạo, nhân viên nhiệt luyện, tạo hình chất dẻo, ngườidùng máy, và các chuyên gia đảm bảo chất lượng, thường có tác động lớn đến sự thành công củathiết kế

Khảo sát các loại vật liệu được sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng, máy công nghiệp, ô

tô, máy xây dựng, và các hệ thống, thiết bị khác mà bạn tiếp xúc với chúng hàng ngày Đưa ra cácphán đoán tại sao mỗi loại vật liệu lại được định rõ cho một sản phẩm riêng Bạn thấy thép được

sử dụng ở đâu? Khác với những ứng dụng đó, hợp kim hoặc kim loại màu được dùng ở đâu Các

sản phẩm được chế tạo như thế nào? Bạn hãy tìm các chi tiết khác nhau được gia công cắt gọt,đúc, rèn, lốc, và hàn? Tại sao bạn cho rằng những phương pháp đó được sử dụng cho các sảnphẩm trên?

Đưa ra một vài ứng dụng của chất dẻo, mô tả các dạng sẵn có và các dạng được làm ra bởicác quá trình sản xuất khác nhau Những sản phẩm nào được tạo ra bởi quá trình ép chất dẻo, tạochân không, đúc thổi, và các phương pháp khác? Bạn có thể chỉ ra các chi tiết được làm từ vật liệucompozit, loại vật liệu có một lượng đáng kể sợi độ bền cao gắn trên nền nhựa? Xem xét các dụng

cụ thể thao, các bộ phận của ôtô, máy kéo và máy bay

Với các sản phẩm mà bạn đã thấy từ sự khám phá theo hướng dẫn trên, chỉ ra những đặctrưng cơ bản của vật liệu có vai trò quan trọng với người thiết kế như: độ bền, độ rắn (độ cứng),trọng lượng (khối lượng riêng), tính chống mòn, khả năng tạo hình, khả năng gia công, tính hàn,tính đúc, giá thành, và các đặc trưng khác nữa

Chương này tập trung vào lựa chọn vật liệu và sử dụng các thông số đặc trưng của vật liệutrong các giải pháp thiết kế hơn là tập trung vào quá trình luyện kim hay thành phần hoá học củavật liệu Một điều cần lưu ý khi sử dụng các thông tin trong chương này là chú giải của các thuậtngữ; các thuật ngữ quan trọng được in nghiêng Ngoài ra có nhiều phần tham khảo từ phụ lục 3đến 13, ở đó có các bảng thông số về những đặc trưng của vật liệu Giở đến đó ngay bây giờ đểthấy được các loại thông số được cung cấp Khi đó bạn có thể nghiên cứu các bảng chi tiết hơn sovới chỉ đọc phần chữ Lưu ý rằng nhiều bài tập trong sách và các dự án thiết kế mà bạn hoànthành sẽ sử dụng các dữ liệu từ những bảng này

Bây giờ áp dụng những kiến thức mà bạn thu được từ phần Tổng quan để xác định vấn đề thiết kế như phác thảo trong ‘Bạn là nhà thiết kế’, như sau:

Bạn là nhà thiết kế

Bạn là một thành viên của nhóm chịu trách

nhiệm thiết kế máy xén cỏ điện cho dùng

trong gia đình Một trong những công việc của

bạn là xác định vật liệu phù hợp cho các bộ

phận khác nhau Chú ý đến kinh nghiệm của

bản thân về máy xén cỏ và suy nghĩ xem

những vật liệu nào sẽ được sử dụng cho những

bộ phận chính: bánh xe, trục bánh xe, vỏ, và

lưỡi dao Công dụng của chúng là gì? Điều

kiện làm việc của chúng? Chỉ ra một loại vật

liệu thích hợp cho từng bộ phận, và các tính

chất chung mà chúng phải có? Chúng có thể

được chế tạo như thế nào? Sau đây là các câu

trả lời có thể cho những câu hỏi trên

Bánh xe

Công dụng: Đỡ trọng lượng của máy Cho

phép lăn dễ dàng Lắp vào giá trên trục bánh

xe Bảo đảm làm việc an toàn trên mặt cỏphẳng hoặc nghiêng

Điều kiện làm việc: Hầu hết là trên cỏ, mặt

cứng, và đất mềm Có thể tưới nước, bón phâncho cỏ, và các điều kiện làm việc ngoài trờinói chung Mang tải trọng trung bình Cần cómột hình thức bắt mắt

Một loại vật liệu phù hợp: chất dẻo nguyên

khối, bánh xe hợp nhất lốp, vành và mayơ.Cần có độ bền, độ cứng, độ dai và độ bền mòntốt

Phương pháp chế tạo: đúc ép phun chất

dẻo

Trục bánh xe

Công dụng: Truyền trọng lượng của máy từ

vỏ đến các bánh xe Cho phép các bánh xe

quay Giữ các bánh xe liên kết với vỏ

Điều kiện làm việc: Làm việc trong điều

kiện ngoài trời Tải trọng trung bình

Một loại vật liệu phù hợp: Thép thanh tròn

Công dụng: đỡ, che chắn an toàn, và bảo

vệ các chi tiết làm việc, bao gồm lưỡi dao và

động cơ Tạo liên kết của hai trục và cần lái

Cho phép lưỡi cắt thoát khỏi khu vực cắt

Điều kiện làm việc: Tải trọng trung bình và

rung động do động cơ Có thể có tải trọng va

đập từ các bánh xe Nhiều điểm liên kết gắn

với trục, cần lái, và động cơ Làm hở để tưới

cỏ, và các điều kiện làm việc ngoài trời nói

chung Cần có bề ngoài thu hút

Một loại vật liệu phù hợp: chất dẻo gia

cường với độ bền, độ cứng, độ dai va đập, độdai, và độ bền với thời tiết tốt

Phương pháp chế tạo: đúc ép phun chất

dẻo Đòi hỏi phải có lỗ và giá để lắp động cơ

Lưỡi cắt

Chức năng: cắt cỏ và cây dại khi quay ở

tốc độ cao Dễ dàng nối với trục động cơ Làmviệc an toàn khi va phải các đối tượng bênngoài như đá, cành cây, hoặc mảnh kim loại

Điều kiện làm việc: Tải trọng trung bình.

Va đập ngẫu nhiên và tải trọng xung Cần cókhả năng mài sắc một phần của lưỡi cắt đểđảm bảo cắt sạch cỏ Duy trì được độ sắc bảođảm trong suốt thời gian sử dụng

Một loại vật liệu phù hợp: Thép với độ

bền, độ cứng, độ dai va đập, độ dai, và khảnăng chống ăn mòn cao

Phương pháp chế tạo: Dập từ tôn phẳng.

Gia công và/hoặc mài lưỡi cắt

Đây là ví dụ đơn giản về quá trình lựa chọn vật liệu, nó giúp bạn hiểu được tầm quan trọng củacác kiến thức trong chương này về tính chất của các vật liệu thường dùng trong thiết kế cơ khí.Cuối chương trình bày hướng dẫn toàn diện hơn về lựa chọn vật liệu

2-1 Nội dung của chương

Sau khi hoàn thành chương này, bạn sẽ nắm được:

1 Các đặc trưng của vật liệu, rất quan trọng trong thiết kế các thiết bị và hệ thống máy

móc

2 Khái niệm các thuật ngữ: giới hạn bền kéo, giới hạn chảy, giới hạn tỉ lệ, giới hạn đàn

hồi, môđun đàn hồi kéo, độ dẻo và độ giãn dài tỉ đối, độ bền cắt, hệ số poatxông, môđun đàn hồi trượt, độ cứng, khả năng cắt gọt, độ bền va đập, khối lượng riêng, hệ

số giãn nở nhiệt, hệ số dẫn nhiệt, điện trở suất.

3 Mô tả bản chất của thép cácbon và thép hợp kim, hệ thống kí hiệu của thép, và ảnh

hưởng của một vài nguyên tố hợp kim hoá đến tính chất của thép

4 Mô tả cách kí hiệu các điều kiện và chế độ nhiệt luyện thép, bao gồm cán nóng, gia

công nguội, ủ, thường hoá, tôi thể tích, ram,tăng cứng bề mặt bằng ngọn lửa, tôi cao tần, và thấm cácbon.

5 Mô tả thép không gỉ và nhận biết nhiều loại có sẵn trên thị trường.

6 Mô tả thép kết cấu (thép ít C), nhận biết các kí hiệu và ứng dụng của chúng.

7 Mô tả gang và một số loại như gang xám, gang cầu, và gang dẻo.

8 Mô tả kim loại bột, các đặc trưng cùng ứng dụng

9 Mô tả một vài loại thép dụng cụ và cácbit cùng các ứng dụng điển hình của chúng.

10 Mô tả các hợp kim nhôm và trạng thái của chúng, như sự cứng nguội và nhiệt luyện.

11 Mô tả bản chất và các đặc trưng điển hình của kẽm, titan, và đồng.

12 Mô tả một vài loại chất dẻo, bao gồm cả nhiệt rắn và nhiệt dẻo, các đặc trưng cùng

ứng dụng của chúng

13 Mô tả một vài loại vật liệu compozit, các đặc trưng cùng ứng dụng của chúng

14 Thực hiện quá trình chọn vật liệu một cách hợp lí.

2-2 Các đặc trưng của vật liệu

Các chi tiết máy đa phần được làm từ kim loại hoặc hợp kim kim như thép, nhôm, gang,kẽm, titan, và đồng Mục này mô tả các đặc trưng quan trọng của vật liệu có ảnh hưởng đến thiết

kế cơ khí

Độ bền, độ đàn hồi, và tính dẻo của kim loại, chất dẻo, và một số vật liệu thường dùng

khác thường được xác định từ thí nghiệm kéo một mẫu vật liệu, mẫu thường là tròn hoặc thanh

dẹt, được kẹp giữa các vấu cặp và kéo chậm đến khi đứt Độ lớn của lực trên mẫu và sự thay đổitương ứng về chiều dài (biến dạng) được theo dõi và ghi lại liên tục trong suốt quá trình thínghiệm Vì ứng suất trong thanh bằng lực tác dụng chia cho diện tích, nên ứng suất tỉ lệ với lực

tác dụng Các thông số từ thí nghiệm kéo thường được vẽ ra trên giản đồ ứng suất - biến dạng như

trong hình 2-1 và 2-2 Từ các giản đồ đó một vài thông số như độ bền, độ đàn hồi và độ dẻo củacác kim loại được xác định

Giới hạn bền kéo s u

Điểm cao nhất của đường cong ứng suất-biến dạng được gọi là giới hạn bền kéo (su), đôi

khi được gọi là giới hạn bền hoặc đơn giản là độ bền kéo Tại điểm này, trên mẫu thử đo được

ứng suất qui ước lớn nhất Như trong hình 2-1 và 2-2, đường cong đi xuống sau điểm cao nhất.

Tuy nhiên, chú ý rằng thiết bị đo dùng để tạo ra giản đồ này trên thực tế vẽ ra đường cong tải

trọng ứng với biến dạng chứ không phải ứng suất thực ứng với biến dạng Ứng suất qui ước được

tính bằng cách chia tải trọng cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử Sau điểm cao nhất

của đường cong là đoạn thẳng, có sự giảm rõ rệt đường kính của mẫu, gọi là sự co thắt Vì vậy, tải trọng tác dụng trên một diện tích nhỏ hơn, và ứng suất thực tiếp tục tăng cho đến khi thanh bị đứt.

Rất khó để theo dõi sự giảm đường kính trong quá trình co thắt, vì vậy thông thường là sử dụngđiểm cao nhất của đường cong như là giới hạn bền kéo, mặc dù nó là giá trị nhỏ hơn (thận trọnghơn)

Giới hạn chảy,s y

Phần của giản đồ ứng suất - biến dạng có biến dạng tăng lớn nhưng ứng suất không tăng

hoặc tăng rất ít, gọi là giới hạn chảy (sy) Thuộc tính này chứng tỏ rằng thực tế vật liệu bị chảyhay biến dạng dẻo một cách lâu dài và có mức độ lớn Nếu điểm chảy dẻo là rõ ràng như trong

hình 2-1, nó được gọi là điểm rão đúng hơn là giới hạn chảy Đây là đặc thù của thép cácbon cán

nóng thông thường

Hình 2-2 chỉ ra dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu như nhôm hoặc titanhoặc thép có độ bền cao Chú ý rằng nó không có điểm rão, nhưng vật liệu thực tế có giới hạnchảy tại hoặc gần mức ứng suất sy Điểm đó được xác định bởi phương pháp offset, theo đó mộtđường thẳng được vẽ song song với phần đoạn thẳng của đường cong và lệch sang phải một đoạnbằng biến dạng dư, thường là 0.20% biến dạng (0.002 in/in) Giao điểm của đường thẳng đó và

đường cong ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy của vật liệu Trong sách này, thuật ngữ giới

hạn chảy sẽ được sử dụng cho sy, dù rằng vật liệu có điểm rão thực sự hay là sử dụng phươngpháp offset

Hình 2-1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép

Hình 2-2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhôm và các kim loại không có điểm rão

Giới hạn tỉ lệ

Điểm trên đường cong ứng suất - biến dạng mà tại đó nó kết thúc phần đường thẳng gọi là

giới hạn tỉ lệ Tại giá trị đó hoặc lớn hơn, ứng suất không còn tăng tỉ lệ với biến dạng Dưới giới

hạn tỉ lệ, có thể áp dụng định luật Húc: ứng suất tỉ lệ với biến dạng Trong thiết kế cơ khí, vật liệurất ít khi được sử dụng ở mức ứng suất trên giới hạn tỉ lệ

Giới hạn đàn hồi

Ở một điểm nào đó, vật liệu bị biến dạng dẻo và vì vậy nó không thể trở lại hình dạng ban

đầu sau khi dỡ tải, gọi là giới hạn đàn hồi Dưới mức này, vật liệu làm việc hoàn toàn đàn hồi.

Giới hạn tỉ lệ và giới hạn đàn hồi nằm dưới giới hạn chảy Vì rất khó để xác định, nên chúng rất ítkhi được đưa ra

Môđun đàn hồi kéo, E

Với phần đoạn thẳng của giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ với biến dạng, và giá

trị của môđun đàn hồi E là một hằng số tỉ lệ Theo đó

Môđun đàn hồi kéo: E = ứng suất/biến dạng =

Độ dẻo và độ giãn dài tỉ đối

Độ dẻo là mức độ biến dạng của vật liệu trước khi đứt Ngược với độ dẻo là độ giòn Khi

vật liệu dẻo được sử dụng trong các bộ phận máy, các hỏng hóc sắp xảy ra được phát hiện rất dễdàng, và hư hỏng đột ngột là hiếm khi xảy ra Và các vật liệu dẻo thường chịu được tải trọng tuầnhoàn trên các chi tiết máy tốt hơn là các vật liệu giòn

Hình 2-3 Đo độ giãn tỉ đối

Cách đo độ dẻo thông thường là qua độ giãn dài tỉ đối của vật liệu sau khi bị phá hủy

trong thí nghiệm kéo tiêu chuẩn Hình 2-3 chỉ ra mẫu kéo tiêu chuẩn điển hình trước và sau thínghiệm Trước thí nghiệm các điểm đo được đặt lên thanh, thường cách nhau 2.00 in Sau khithanh bị đứt, hai phần được nối lại với nhau như cũ, và chiều dài cuối cùng giữa hai điểm đo đượcxác định Độ giãn dài tỉ đối là sự khác nhau giữa chiều dài sau cùng và chiều dài ban đầu chia chochiều dài ban đầu, tính theo % Tức là:

Độ giãn dài tỉ đối: độ giãn dài tỉ đối = 100 %

Độ giãn dài tỉ đối được tính trên cơ sở chiều dài đo là 2.00 in, trừ một số chiều dài đo khác

là theo chỉ thị riêng Thí nghiệm với thép kết cấu thường sử dụng chiều dài đo là 8.00 in

Về mặt lí thuyết, một vật liệu được coi là dẻo nếu độ giãn dài tỉ đối của nó lớn hơn 5%(các giá trị thấp hơn là giòn) Trên thực tế nên sử dụng vật liệu có độ giãn dài tỉ đối là 12% hoặccao hơn cho các chi tiết máy chịu tải trọng tuần hoàn, va đập hoặc tải trọng xung

Độ thắt tỉ đối là một cách thể hiện khác của độ dẻo Để tìm giá trị này, so sánh diện tích

mặt cắt ngang ban đầu với mặt cắt ngang cuối cùng khi mẫu thử kéo bị đứt

Độ bền cắt, s ys , s us

Cả giới hạn chảy khi cắt và giới bạn bền khi cắt (tương ứng là sys và sus) đều là đặc trưngquan trọng của vật liệu Tuy nhiên các giá trị này lại rất ít khi được đưa ra Chúng ta sẽ sử dụngcác ước lượng sau đây:

Ước lượng cho s ys và s us : sys = sy/2 = 0.50 sy = giới hạn chảy khi cắt (2-3)

sus = 0.75 su = giới hạn bền khi cắt (2-4)

Hệ số poatxông 

Khi vật liệu chịu tác dụng dẫn đến biến dạng kéo có sự co ngắn tương ứng của kích thướcmặt cắt ngang vuông góc với phương biến dạng kéo Tỉ lệ giữa biến dạng co và biến dạng kéo gọi

là hệ số poatxông, thường kí hiệu bằng , kí tự Hi Lạp nuy (kí tự Hi Lạp muy, , đôi khi cũng

được dùng cho hệ số này) Hệ số poatxông được minh hoạ trong hình 2-4 Khoảng giá trị phổ biếncủa hệ số poatxông là 0.25-0.27 cho gang, 0.27-0.30 cho thép, và 0.30-0.33 cho nhôm và titan

Môđun đàn hồi trượt, G

Môđun đàn hồi trượt (G) là tỷ số giữa ứng suất cắt và biến dạng trượt Đặc trưng này thể

hiện độ cứng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng cắt - khả năng chống lại biến dạng trượt Cómột liên hệ rất đơn giản giữa E, G, và hệ số poatxông:

Môđun đàn hồi trượt

 

12

E

Công thức này phù hợp trong miền đàn hồi của vật liệu.

Hình 2-4 Minh hoạ về hệ số poatxong cho phân tố chịu kéo

Môđun đàn hồi uốn

Một đại lượng đo lường độ cứng khác thường được đưa ra, đặc biệt là cho chất dẻo, gọi là

môđun uốn hay môđun đàn hồi uốn Tên của nó ngụ ý rằng, mẫu thử của vật liệu được đặt tải như

một dầm bị võng (uốn) và vẽ ra đồ thị tải trọng ứng với độ võng Từ những dữ kiện trên và từnhững thông số hình học đã biết của mẫu, có thể tính được ứng suất và biến dạng Tỉ lệ của ứngsuất với biến dạng cho ta môđun đàn hồi uốn Tiêu chuẩn ASTM D 7901 đưa ra một phương pháphoàn chỉnh Chú ý rằng các giá trị này khác một cách đáng kể so với môđun đàn hồi kéo vì ứngsuất trong mẫu là tổ hợp của ứng suất kéo và nén Thông số này dùng để so sánh độ cứng của cácloại vật liệu khác nhau khi bộ phận mang tải chịu uốn khi làm việc

Độ cứng (độ rắn bề mặt)

Khả năng của vật liệu chống lại sự lõm vào do một mũi thử được gọi là độ cứng Có một

vài thiết bị, phương pháp, và mũi thử độ cứng; máy thử độ cứng Brinell và máy thử độ cứngRockwell thường được dùng cho các chi tiết máy Với thép, máy thử độ cứng Brinell dùng mộtviên bi thép tôi có đường kính 10 mm làm mũi thử và tải tác dụng là 3000 kg lực Đặt tải lên viên

bi tạo ra một vết lõm nhất định trên vật liệu thử, và đường kính của vết lõm tương ứng với số độ

cứng Brinell, được rút gọn lại là BHN hoặc HB Đại lượng thực tế được xác định là tải trọng chiacho diện tích mặt lõm Giá trị của HB trong phạm vi xấp xỉ 100 với thép cácbon thấp, ủ và lên đếnhơn 700 với thép hợp kim cao, độ bền cao trong điều kiện đã tôi Trong phạm vi lớn, HB trên 500,mũi thử đôi khi được làm từ cácbít wonfram thay cho thép Với kim loại mềm hơn sử dụng tảitrọng là 500 kg.

Máy thử độ cứng Rockwell dùng bi thép tôi đường kính 1/16in, tải trọng là 100 kg lực vớikim loại mềm, và kết quả độ cứng thu được dưới dạng Rockwell B, RB, hoặc HRB Với kim loạicứng hơn, ví dụ như thép hợp kim đã xử lí nhiệt, sử dụng thang đo Rockwell C Tải trọng 150 kglực được đặt lên mũi thử kim cương (mũi kim hình côn) tạo ra vết lõm dạng nón cầu Độ cứngRockwell C thường kí hiệu dưới dạng RC hoặc HRC Ngoài ra còn nhiều thang đo Rockwell khácđược sử dụng

Thang đo Brinell và Rockwell dựa trên các tham số khác nhau dẫn đến các con số hoàntoàn khác nhau Tuy nhiên, khi sử dụng cả hai cách đo độ cứng, có một sự liên hệ giữa chúng, nhưchú ý trong phụ lục 19 Một chú ý nữa cũng rất quan trọng, đặc biệt cho thép hợp kim có độ cứngcao, có một liên hệ gần như tuyến tính giữa độ cứng Brinell và giới hạn bền kéo của thép, theocông thức sau

Liên hệ gần đúng giữa độ cứng và độ bền của thép:

0.05 (HB) = giới hạn bền kéo (ksi) (2-6)

Liên hệ này được chỉ ra trong hình 2-5

Để so sánh các thang đo độ cứng với giới hạn bền xem bảng 2-1 Lưu ý rằng có một vàigiá trị có cả hai thang đo HRB và HRC Thông thường, HRB được dùng cho kim loại mềm vàphạm vi từ xấp xỉ 60 đến 100, trong khi HRC được dùng cho kim loại cứng hơn và phạm vi từ 20đến 65 Sử dụng HRB trên 100 hoặc HRC dưới 20 là không được khuyến khích Như trong bảng2-1 chỉ là để so sánh

Độ cứng của thép thể hiện độ bền mòn cũng như độ bền Độ bền mòn sẽ được thảoluận trong chương sau, đặc biệt chú ý đến răng của bánh răng

Khả năng gia công

Khả năng gia công của vật liệu là sự dễ dàng khi cắt gọt để đạt được chất lượng bề mặt tốt

với tuổi thọ của dụng cụ hợp lí Tốc độ tạo ra sản phẩm chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi khả năng giacông Sẽ rất khó để xác định đặc trưng có thể đo được liên quan đến khả năng gia công, vì vậykhả năng gia công thường được đưa ra dưới dạng các thuật ngữ so sánh, liên hệ giữa đặc tính củavật liệu đưa ra với một số vật liệu khác

Độ dai, năng lượng va đập

Độ dai là khả năng của vật liệu hấp thụ các năng lượng tác dụng mà không gây hư hỏng.

Các chi tiết chịu tải tác dụng đột ngột, va đập, hoặc dạng xung cần có độ dai cao Có một vàiphương pháp được dùng để đo lường năng lượng cần thiết để làm gãy một mẫu thử đặc biệt làm

từ vật liệu đang xét Giá trị năng lượng hấp thụ thu được từ những thí nghiệm như vậy thường

được gọi là năng lượng va đập hoặc độ dai va đập Tuy nhiên, một vấn đề quan trọng cần lưu ý là

giá trị thực sẽ cao hơn tuỳ thuộc loại mẫu thí nghiệm và các đặc trưng hình học của nó Chúng takhông thể sử dụng những kết quả thí nghiệm này một cách định lượng trong các tính toán thiết kế

Dĩ nhiên, năng lượng va đập của một vài vật liệu dự định dùng cho một ứng dụng cụ thể có thểđược so sánh một cách định tính với nhau Thiết kế cuối cùng sẽ được kiểm tra dưới các điều kiệnlàm việc thực để kiểm nghiệm khả năng làm việc an toàn trong suốt quá trình sử dụng mong đợi

Hai phương pháp xác định năng lượng va đập, Izod và Charpy thường dùng cho kim loại

và chất dẻo, với thông số thường được các nhà cung cấp vật liệu đưa ra Hình 2-6 chỉ ra bản vẽphác của mẫu tiêu chuẩn và phương thức đặt tải Trong mỗi phương pháp, một quả lắc với khốilượng lớn có đầu búa được thiết kế đặc biệt cho phép nó rơi xuống từ một độ cao đã biết Búa tiếpxúc với mẫu với một vận tốc cao tại điểm thấp nhất của cung quả lắc; vì vậy quả lắc có một độngnăng đã biết Trong thí nghiệm mẫu thường bị gãy do nhận một phần năng lượng từ quả lắc vàcho phép nó vượt qua vùng thử Máy thí nghiệm được thiết kế để đo chiều cao cuối mà quả lắc đạtđược và đưa ra độ lớn của năng lượng phá huỷ Giá trị đó được đưa ra theo đơn vị của năng lượng

J (Jun hoặc N.m) hoặc ft.lb Một số kim loại có độ dẻo cao và nhiều chất dẻo không bị gãy trong

thí nghiệm, khi đó kết quả được hiển thị là không gãy.

Thí nghiệm Izod tiêu chuẩn dùng một mẫu vuông với vết khía dạng chữ V được gia công

cẩn thận, sâu 2.0 mm (0.079 in) tuỳ thuộc các thông số kĩ thuật trong tiêu chuẩn ASTM D 256.Mẫu được kẹp trong một bàn kẹp đặc biệt với vết khía được căn thẳng với cạnh trên của bàn kẹp.Búa chạm vào mẫu ở độ cao 22 mm phía trên vết khía, mẫu như một dầm công xôn chịu uốn Khi

sử dụng cho chất dẻo, kích thước chiều rộng có thể khác với trong hình 2-6 Dĩ nhiên sẽ dẫn đến

thay đổi tổng năng lượng mà mẫu sẽ hấp thụ trong lúc gãy Vì vậy, thông số năng lượng va đậpđược chia cho chiều rộng thực tế của mẫu, và kết quả được đưa ra theo đơn vị N.m/m hoặcft.lb/in Hơn nữa, một số nhà cung cấp và khách hàng có thể đồng ý kiểm tra vật liệu với bề mặtvết khía cách búa xa hơn khoảng chỉ ra trong hình 2-6 Đó là một cách đo lường năng lượng vađập của vật liệu ít bị ảnh hưởng từ vết khía.

Thí nghiệm Charpy cũng sử dụng một mẫu vuông với vết khía sâu 2.0 mm (0.079 in),

nhưng ở giữa cạnh dài Mẫu được đặt tựa vào một chiếc đe cứng vững mà không cần kẹp Thamkhảo tiêu chuẩn ASTM A 370 để có các thông số hình học của mẫu và phương pháp kiểm tra Vếtkhía ở phía đối diện vị trí tiếp xúc với búa Mẫu như một dầm tựa đơn giản chịu uốn Thí nghiệmCharpy thường được sử dụng để kiểm tra kim loại

Một phương pháp khác nữa kiểm tra va đập dùng cho các chất dẻo, compozit, và các sản

phẩm đã hoàn hiện là dùng máy búa rơi Ở đây một khối lượng đã biết được đưa thẳng đứng lên

trên mẫu thử một chiều cao qui ước Khi đó nó có một thế năng đã biết Khối lượng đó rơi tự do,truyền một động năng xác định cho mẫu đã cố định trên nền cứng Năng lượng ban đầu, phương

pháp đặt, các thông số hình học của mẫu, và hình dạng của đầu búa (còn gọi là tup) quyết định

đến kết quả thu được Phương pháp tiêu chuẩn, trong ASTM D 3763, dùng búa cầu với đườngkính 12.7 mm (0.50 in) Búa thường đục thủng mẫu Máy được trang bị các bộ cảm biến cho phép

đo và vẽ đường đặc tính tải trọng ứng với độ võng, cung cấp cho người thiết kế nhiều thông tin vềviệc vật liệu bị ảnh hưởng thế nào khi chịu va đập Các thông số tổng hợp đưa ra thường là tảitrọng lớn nhất, độ võng của mẫu tại điểm có tải trọng lớn nhất, và năng lượng tán xạ đến điểm cótải trọng lớn nhất Năng lượng được tính bằng cách xác định diện tích bên dưới đồ thị tải trọng -

độ võng Hình dạng bên ngoài của mẫu thí nghiệm cũng được mô tả, và vết gãy xuất hiện là pháhuỷ giòn hay phá huỷ dẻo

Hình 2-6 Kiểm tra va đập sử dụng phương pháp Charpy và Izod

Hình 2-7 Các dạng từ biến điển hình

Giới hạn mỏi hay giới hạn bền lâu

Các chi tiết chịu tác dụng của tải trọng lặp hoặc các trạng thái ứng suất thay đổi theo thời

gian qua một vài ngàn hoặc một vài triệu chu kì sẽ hỏng bởi hiện tượng mỏi Vật liệu được kiểm

tra dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn để xác định khả năng chịu được tải trọng như vậy Thông

số thu được gọi là giới hạn mỏi, cũng được gọi là giới hạn bền lâu của vật liệu (xem chương 5)

Hiện tượng từ biến

Khi các vật liệu chịu tải trọng cao một cách liên tục, chúng có thể xảy ra hiện tượng giãn

thêm Hiện tượng đó gọi là từ biến (sau tác dụng), nó càng rõ khi kim loại làm việc ở nhiệt độ

cao Bạn nên kiểm tra từ biến khi nhiệt độ làm việc của chi tiết kim loại chịu tải vượt quá 0.3 (Tm)trong đó Tm là nhiệt độ chảy biểu thị như một nhiệt độ tuyệt đối (xem tham khảo 22) Từ biến rất

hệ trọng với các bộ phận chính trong động cơ đốt trong, buồng đốt, tuabin hơi, tuabin khí, lò phảnứng hạt nhân, hoặc động cơ tên lửa Ứng suất có thể là kéo, nén, uốn, hoặc cắt (xem tham khảo 8)

Hình 2-7 chỉ ra ảnh hưởng của từ biến đến vật liệu Trục thẳng đứng là biến dạng từ biến,theo đơn vị in/in hoặc mm/mm, xuất hiện vào lúc đầu khi đặt tải Trục nằm ngang là thời gian,thường đo theo giờ bởi vì từ biến xảy ra rất chậm qua một thời gian rất lâu Ở phần đầu của đườngcong biến dạng từ biến - thời gian, tốc độ tăng biến dạng ban đầu tiến gần như theo đường thẳngđứng và sau đó giảm dần Trong phần hai của biểu đồ, độ dốc là hằng số (đường thẳng) Sau đó

độ dốc tăng lên trong giai đoạn từ biến thứ 3 và tiến đến giới hạn phá huỷ cuối cùng của vật liệu

Từ biến được đo từ mẫu chịu tải trọng tĩnh đã biết, có thể sử dụng một trọng lượng khôngđổi, mẫu được nung nóng và giữ ở một nhiệt độ ổn định Các số liệu về biến dạng ứng với thờigian chỉ nhận được sớm nhất là từ giai đoạn từ biến thứ 2, và có thể phá huỷ mẫu hoàn toàn đểxác định từ biến tại biến dạng xảy ra phá huỷ Thí nghiệm được tiến hành trong một khoảng nhiệt

độ thu được một họ đường cong hữu ích trong thiết kế

Từ biến có thể xảy ra với nhiều chất dẻo ngay cả tại hoặc gần với nhiệt độ phòng Hình

2-8 chỉ ra các thông số từ biến của chất dẻo (xem tham khảo 2-8) Đó là đồ thị của ứng suất và biến

dạng ứng với nhiệt độ xác định của mẫu Các đường cong cho thấy biến dạng sẽ tăng lên trongnhững khoảng thời gian xác định ứng với từng mức tăng ứng suất Ví dụ, nếu vật liệu chịu ứngsuất không đổi là 5.0 Mpa trong 5000 giờ, biến dạng tổng sẽ là 1.0 % Tức là mẫu sẽ giãn ra mộtlượng là 0.01 lần chiều dài ban đầu Nếu ứng suất là 10.0 Mpa trong 5000 giờ, biến dạng tổng sẽxấp xỉ là 2.25 % Người thiết kế cần tính đến biến dạng từ biến này trong thiết kế để bảo đảm sảnphẩm làm việc tốt trong toàn bộ thời gian sử dụng.

Hình 2-8 Ví dụ về quan hệ ứng suất và biến dạng như là một hàm của thời gian của

Nylon 66 ở nhiệt độ 230C (730F) (DuPont Polymers, Wilmington, DE)

Ví dụ 2-1: Một thanh tròn đặc đường kính 5.0 mm dài 250 mm được làm từ nylon 66, dùng để

chịu tải trọng kéo là 240 N Tính lượng giãn ra của thanh ngay sau khi tải trọng tác dụng và sau đó

5000 giờ (xấp xỉ 7 tháng) Xem phụ lục 13 và hình 2-8 để biết các tính chất của nylon

Lời giải: Ứng suất và biến dạng ngay sau khi đặt tải được tính theo công thức sức bền vật liệu:

 = F/A và  = F.l/E.AXem phần sức bền vật liệu trong chương 3

Sử dụng các thông số về từ biến trong hình 2-8 để xác định biến dạng sau 5000 giờ.Kết quả:

F

263 19 240

Phụ lục 13 đưa ra giới hạn bền kéo của nylon 66 là 83 Mpa Vì vậy thanh làm việc antoàn.

Độ giãn:

Môđun đàn hồi kéo của nylon 66 trong phụ lục 13 là E = 2900 Mpa Khi đó độ giãn banđầu sẽ là:

) 63

19 )(

/ 2900 (

) 250 )(

240 (

2 2

mm mm

N

mm N

 = .L = (0.0295 mm/mm) (250mm) = 7.375 mm

Nhận xét: Độ giãn này bằng khoảng 7 lần độ giãn đầu tiên khi mới đặt tải Vì thế thiết kế

với giá trị của môđun đàn hồi kéo được đưa ra là không phù hợp khi ứng suất tác dụng liên tụctrong một thời gian dài Lúc đó chúng ta có thể tính mô đun đàn hồi qui ước, Eapp, cho vật liệu cólàm việc được 5000 giờ

Eapp = / = 12.2 (MPa)/(0.0295 mm/mm) = 414 Mpa

Sự nới lỏng

Một hiện tượng liên quan đến từ biến xuất hiện khi chi tiết giữ một mức ứng suất, làm cho

nó có chiều dài cố định và biến dạng không đổi đã biết Trải qua một thời gian, ứng suất trong chi

tiết sẽ giảm, hiện tượng đó được gọi là sự nới lỏng Đây là vấn đề quan trọng với những ứng dụng

như các ngàm khớp, các chi tiết ghép có độ dôi, và các lò xo yêu cầu biến dạng cố định Hình 2-9chỉ ra so sánh giữa hiện tượng từ biến và nới lỏng Với các ứng suất nhỏ hơn 1/3 giới hạn bền kéocủa vật liệu ở mọi nhiệt độ, môđun đàn hồi qui ước cho trường hợp từ biến hoặc nới lỏng với cùngthời gian đặt tải bất kì có thể coi là tương tự nhau Ngoài ra, các giá trị của môđun đàn hồi qui ước

là giống nhau cho kéo, nén, hay uốn (xem tham khảo 8) Các tính toán về sự nới lỏng rất phức tạp

do thực tế là ứng suất giảm thì tốc độ từ biến cũng giảm Cần có các thông số bổ sung chi tiết hơn

về vật liệu để dự báo chính xác lượng nới lỏng tại một thời điểm bất kì Khuyến cáo là nên kiểmtra dưới các điều kiện thực

Tính chất vật lí

Ở đây chúng ta sẽ thảo luận về khối lượng riêng, hệ số giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt, và điệntrở suất

Khối lượng riêng Khối lượng riêng được định nghĩa là khối lượng trên một đơn vị thể tích của

vật liệu Đơn vị của nó thường là kg/m3 theo SI và lb/in3 theo Hệ Mĩ, trong đó đơn vị pound là đokhối lượng Kí tự Hi Lạp rô () là kí hiệu của khối lượng riêng

Hình 2-9 So sánh từ biến và nới lỏng (DuPont Polymers, Wilmington, DE)

Trong một số ứng dụng, thuật ngữ trọng lượng riêng hoặc tỉ trọng được sử dụng để chỉ

trọng lượng trên một đơn vị thể tích của vật liệu Các đơn vị điển hình là N/m3 theo SI và lb/in3theo hệ Mĩ, trong đó pound là đơn vị lực Kí tự Hi Lạp gamma ( ) là kí hiệu cho trọng lượngriêng

Hệ số giãn nở nhiệt Hệ số giãn nở nhiệt là số đo thay đổi chiều dài của vật liệu chịu sự thay đổi

nhiệt độ Điều đó được xác định bởi quan hệ

Hệ số giãn nở nhiệt  = Biến thiên chiều dài/(L0.T) = Biến dạng/(T) = /(T) (2-7)

Trong đó L0 = chiều dài ban đầu

T = khoảng thay đổi nhiệt độGần như tất cả các kim loại và chất dẻo đều giãn khi tăng nhiệt độ, nhưng các vật liệukhác nhau sẽ có mức giãn khác nhau Với các máy và kết cấu chứa các bộ phận với nhiều hơn mộtloại vật liệu, sự khác nhau này có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lắp ráp và đến các ứngsuất sinh ra

Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt là đặc trưng của vật liệu thể hiện khả năng truyền nhiệt của nó Với

các chi tiết máy làm việc trong môi trường nhiệt độ cao hoặc có một lượng nhiệt đáng kể từ bêntrong phát ra, khả năng truyền nhiệt của các chi tiết hoặc của vỏ máy ảnh hưởng đến khả năng vậnhành của máy Ví dụ, bộ giảm tốc trục vít bánh vít là trường hợp điển hình sinh nhiệt do ma sáttạo ra bởi sự trượt của bề mặt tiếp xúc giữa trục vít và răng bánh vít Nếu không được thoát đi mộtcách đầy đủ, nhiệt có thể làm cho chất bôi trơn mất đi hiệu quả của nó, dẫn đến răng bánh vít bịmòn nhanh

Điện trở suất Với các chi tiết máy dẫn điện trong khi mang tải, điện trở suất của vật liệu quan

trọng như độ bền của nó Điện trở suất là số đo điện trở của vật liệu với chiều dày đã cho; nó được đo theo ôm.cm (.cm) Độ dẫn điện là số đo khả năng dẫn dòng điện của vật liệu, đôi khi

được dùng thay cho điện trở suất Nó thường được đưa ra ở dạng tỉ lệ phần trăm so với độ dẫnđiện của vật liệu qui chiếu, thường dùng chuẩn Intemational Annealed Copper

2-3 Phân loại kim loại và hợp kim

Những hiệp hội công nghiệp khác nhau nhận trách nhiệm thiết lập các chuẩn phân loạikim loại và hợp kim Mỗi hiệp hội có hệ đánh số riêng, phù hợp cho từng kim loại trong tiêuchuẩn Điều này dẫn đến sự nhầm lẫn ở một số thời điểm khi có sự trùng lặp giữa hai hoặc nhiềutiêu chuẩn, và khi nhiều hệ thống khác nhau được sử dụng để kí hiệu các kim loại Chỉ dẫn phân

loại các kim loại bằng UNS được đưa ra trong Tiêu chuẩn E 527-83 (Reapproved 1997), Tiêu

chuẩn sử dụng cho đánh số các kim loại và hợp kim (UNS) được lập ra bởi ASTM (Hiệp hội kiểm

định và vật liệu Hoa Kì) (xem tham khảo 12, 13) Bên cạnh kí hiệu của ASTM, hệ UNS kết hợpcác kí hiệu sau đây:

Hiệp hội nhôm (AA) Viện gang và thép Hoa Kì (AISI)Hiệp hội phát triển đồng (CDA) Hội kĩ sư ôtô (SAE)

Bảng 2-2 Hệ thống đánh số

trách nhiệmKim loại và hợp kim màu

R00001-R99999 Các kim loại và hợp kim chống và chịu lửa SAE

Kim loại và hợp kim đen

D00001-D99999 Các loại thép; các đặc trưng cơ học được ghi rõ SAE

S00001-S99999 Thép chống nhiệt và ăn mòn (thép không gỉ) ASTM

Các nhóm số cơ bản trong UNS được liệt kê trong bảng 2-2, cùng với đó là tổ chức chịutrách nhiệm cho các số được kí hiệu trong mỗi nhóm

Nhiều hợp kim trong UNS giữ lại các số quen thuộc từ các hệ thống đã sử dụng trongnhiều năm bởi các hiệp hội khác nhau như là một bộ phận của UNS Mục 2-5 đưa ra các ví dụ vềthép cácbon và thép hợp kim, cùng với đó các kí hiệu cũ cũng được sử dụng rộng rãi Vì những lí

do đó, giáo trình này sẽ sử dụng hệ thống kí hiệu 4 số của AISI như mô tả trong mục 2-5 cho hầuhết các thép chế tạo máy Nhiều kí hiệu của SAE sử dụng 4 số tương tự Chúng tôi cũng sẽ sửdụng hệ thống kí hiệu của ASTM khi nhắc đến các loại thép kết cấu và gang

2-4 Sự thay đổi của các thông số đặc trưng của vật liệu

Bảng số liệu trong phụ lục từ 3 đến 13 thường chỉ đưa ra một giá trị cho độ bền, môđunđàn hồi (độ cứng), hoặc độ giãn dài tỉ dối (độ dẻo) của một loại vật liệu với một chế độ nhiệtluyện hoặc phương pháp tạo ra vật liệu nhất định Việc hiểu được những thiếu sót của các số liệu

đó để đưa ra các giải pháp thiết kế là rất quan trọng Bạn nên tìm kiếm thông tin về bản chất củanhững thông số đã đưa ra

Một số bảng số liệu đưa ra giá trị tối thiểu cho giới hạn bền kéo, giới hạn chảy, và các giá

trị khác nữa Đó sẽ là cơ sở cho bạn khi đang sử dụng các số liệu nhận được từ những người cungcấp riêng lẻ Với những thông số như vậy, bạn sẽ thấy yên tâm rằng vật liệu thực tế được dùngcho sản phẩm của mình chí ít cũng có độ bền như đã đưa ra Người bán có thể cung cấp các thông

số kiểm tra thực và phân tích thống kê đã sử dụng để xác định độ bền tối thiểu Bạn có thể lựachọn những vật liệu thực tế để kiểm tra nhằm xác định độ bền tối thiểu của chúng Những kiểmtra như vậy rất tốn kém, nhưng chúng có thể bảo đảm cho các thiết kế quan trọng

Một số bảng khác đưa ra các giá trị điển hình cho các đặc trưng của vật liệu Vì vậy, hầu

hết các nhóm vật liệu (lớn hơn 50%) sẽ có các giá trị lớn hơn hoặc bằng các thông số đã nêu Tuynhiên, khoảng 50% sẽ có giá trị nhỏ hơn, và trên thực tế sẽ ảnh hưởng đến sự tin tưởng của bạntrong việc xác định một vật liệu cụ thể và chế độ nhiệt luyện nếu giá trị độ bền có tính quyết định.Trong những trường hợp như vậy, bạn nên sử dụng hệ số an toàn cao hơn mức trung bình trongcác tính toán độ bền cho phép (độ bền thiết kế) (xem chương 5.)

Sử dụng các giá trị tối thiểu của độ bền trong các giải pháp thiết kế sẽ tiến đến mức antoàn nhất Tuy nhiên, cần rất thận trọng vì trên thực tế hầu hết các vật liệu có độ bền lớn hơn đángkể

Để thuận lợi trong thiết kế cần có được số liệu phân phối của độ bền với nhiều mẫu thử.Sau đó ứng dụng lí thuyết xác suất để định rõ các điều kiện sao cho chi tiết làm việc theo yêu cầu.Hình 2-10 minh hoạ khái niệm cơ bản của phân phối thống kê Sự phân bố của độ bền theo cácgiá trị tần suất mẫu thường được giả thiết là phân phối chuẩn Nếu bạn sử dụng giá trị độ bền ởmức một độ lệch chuẩn (1) nhỏ hơn giá trị trung bình, 84% sản phẩm sẽ tiếp tục làm việc Ở hai

độ lệch chuẩn, trên 97% sẽ tiếp tục làm việc; ở ba độ lệch chuẩn là trên 99.8%; và ở 4 độ lệchchuẩn là trên 99.99%

Là người thiết kế, bạn cần xem xét cẩn thận độ tin cậy của các thông số được sử dụng Saucùng, bạn nên đánh giá độ tin cậy của sản phẩm thu được bằng cách xét đến các thay đổi về đặctrưng của vật liệu, đến quá trình sản xuất , và sự tác động qua lại của các bộ phận khác nhau.Trong chương 5 có rất nhiều thảo luận về vấn đề này

Hình 2-10 Phân phối chuẩn của độ bền của vật liệu

Giả thiết phân phối độ bền

là chuẩnMức lệchchuẩn

Thuật ngữ thép nhắc đến một hỗn hợp của sắt, cácbon, mangan, và một hoặc nhiều thành

phần đáng kể khác Cácbon có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, độ cứng, và độ dẻo của mọi hợp kimthép Các tính chất khác chịu tác động là độ thấm tôi, độ dai, khả năng chống ăn mòn, khả năngcắt gọt, và khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim quan trọng khác là lưuhuỳnh, phốt pho, silíc, niken, crôm, môlípđen, và vanadi

Hệ thống kí hiệu

Hình 2-11 Hệ thống kí hiệu thép

AISI sử dụng hệ kí hiệu bốn số cho thép cácbon và thép hợp kim như trong hình 2-11 Hai

số đầu thể hiện nhóm hợp kim cụ thể để xác định các nguyên tố hợp kim quan trọng trừ cácbon.(xem bảng 2-3.) Hai số cuối chỉ hàm lượng cácbon trong thép

Tầm quan trọng của cácbon

Dù hầu hết các hợp kim thép chứa ít hơn 1.0% C, nó vẫn có trong kí hiệu bởi vì nhữngảnh hưởng đến đặc trưng của thép Trên hình 2-11, hai số cuối chỉ hàm lượng cácbon tính theophần 10 000 Ví dụ, khi hai số cuối là 20, hợp kim có xấp xỉ là 0.20% cácbon Cho phép có một số

xê dịch Hàm lượng cácbon trong thép 0.20%C trong phạm vi từ 0.18% đến 0.23%

Với cùng chế độ xử lí và nhiệt luyện, khi hàm lượng cácbon tăng độ bền và độ cứng cũngtăng, còn độ dẻo giảm Khi chọn thép đòi hỏi sự cân nhắc giữa độ bền và độ dẻo

Khi phân loại thô theo thành phần, chúng ta có thép cácbon thấp là loại ít hơn 0.30 %

cácbon Những thép này có độ bền tương đối thấp nhưng dễ biến dạng Trong các ứng dụngkhông đòi hỏi độ bền cao, thép cácbon thấp thường được lựa chọn Nếu mòn xảy ra mạnh, thépcácbon thấp có thể được thấm cácbon (như đã thảo luận trong mục 2-6) để tăng hàm lượng cácbontrên mặt ngoài của chi tiết và nâng cao các tính chất tổng hợp

Thép cácbon trung bình chứa từ 0.30% đến 0.50% cácbon Hầu hết các chi tiết máy yêu

cầu độ bền trung bình, với độ dẻo khá cao và độ cứng trung bình đều được làm từ loại thép này

Thép cácbon cao có từ 0.50% đến 0.95% cácbon Hàm lượng cácbon cao làm cho tính

chống mòn tốt hơn phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi bền lâu như lưỡi cắt và các ứng dụng mà bềmặt chịu sự mài mòn liên tục Các dụng cụ, dao, mũi khoan, và nhiều bộ phận trong thiết bị nôngnghiệp dùng loại này

Thép ổ trục thường chứa 1.0% C Các loại phổ biến là 50100, 51100, và 52100; kí hiệu

bốn số thường dùng được thay bằng 5 số, với cácbon chiếm 100 phần vạn

Các nhóm hợp kim

Như đã chỉ ra trong bảng 2-3, lưu huỳnh, phốtpho, và chì cải thiện khả năng cắt gọt củathép và chúng được thêm một lượng đáng kể vào các loại 11xx, 12xx, và 12Lxx Những loại nàyđược sử dụng làm các chi tiết máy có ren yêu cầu số lượng sản xuất lớn, nhưng không phải chịuứng suất cao hoặc mài mòn Trong một số hợp kim khác, các nguyên tố này được điều chỉnhxuống mức rất thấp vì ảnh hưởng có hại của chúng, như làm tăng độ giòn

Niken cải thiện độ dai, độ thấm tôi, và khả năng chống ăn mòn của thép và có trong hầuhết các thép hợp kim Crôm cải thiện độ thấm tôi, khả năng chống mòn, độ bền nhiệt Với hàmlượng cao, crôm làm khả năng chống ăn mòn tăng đáng kể, được thảo luận trong mục thép không

gỉ Môlipđen cũng cải thiện độ thấm tôi và tính bền nhiệt

Chọn thép cho một ứng dụng cụ thể phải thoả mãn tính kinh tế và sự tối ưu về độ bền, độdẻo, độ dai, khả năng gia công, và khả năng tạo hình Nên tham khảo ý kiến các nhà luyện kim,

kĩ sư chế tạo, các chuyên gia nhiệt luyện (xem tham khảo 4, 14, 16, và 24.)

Bảng 2-4 liệt kê một số thép thông dụng cho các chi tiết máy cùng những ứng dụng điểnhình của các hợp kim Khi chọn vật liệu bạn nên tham khảo quyết định của các nhà thiết kế cókinh nghiệm

Bảng 2-3 Các nhóm hợp kim trong hệ thống đánh số của AISI

10xx Thép cácbon thường: lượng hợp kim không đáng kể trừ cácbon và măng gan; ít

hơn 1.0% măng gan Còn được gọi là nonresulfurized (không thêm lưu huỳnh)

11xx Thép dễ cắt: Có lưu huỳnh (thường là 0.10%) để cải thiện khả năng gia công

12xx Thép dễ cắt: Có lưu huỳnh và phốtpho Lượng lưu huỳnh và phốt pho tăng lên cải

thiện khả năng gia công và hoàn thiện bề mặt

12Lxx Thép dễ cắt: Chì được thêm vào thép 12xx cải thiện thêm nữa khả năng gia công

13xx Thép mănggan: Không thêm lưu huỳnh Lượng mănggan xấp xỉ 1.75% làm tăng

độ thấm tôi

15xx Thép cácbon: Không thêm lưu huỳnh; có nhiều hơn 1.0% mănggan

23xx Thép niken: Trên danh nghĩa là 3.5% Ni

25xx Thép niken: Trên danh nghĩa là 5.0% Ni

31xx Thép niken-crôm: Trên danh nghĩa là 1.25% Ni; 0.65% Cr

33xx Thép niken-crôm: Trên danh nghĩa là 3.5% Ni; 1.5% Cr

51xx Thép crôm: Trên danh nghĩa là 0.8% Cr

51100 Thép crôm: Trên danh nghĩa là 1.0% Cr; thép ổ trục, 1.0%C

52100 Thép crôm: Trên danh nghĩa là 1.45% Cr; thép ổ trục, 1.0%C

G10150 1015 Các chi tiết tấm định hình; các bộ phận máy (có thể thấm cácbon)

G10300 1030 Đa năng; các chi tiết dạng thanh, cần gạt, các chi tiết nối, then

G10400 1040 Trục, bánh răng

G10800 1080 Lò xo; các bộ phận máy nông nghiệp chịu mài mòn (răng cào, đĩa,

lưỡi cày, răng máy gặt)G11120 1112 Các chi tiết có ren

G12144 12L14 Các chi tiết đòi hỏi khả năng gia công tốt

G41400 4140 Bánh răng, trục, chi tiết rèn

G43400 4340 Bánh răng, trục, các chi tiết đòi hỏi độ thấm tôi cao

G46400 4640 Bánh răng, trục, cam

G51500 5150 Các trục cỡ lớn, lò xo, bánh răng

G51601 51B60 Trục, lò xo, bánh răng với độ thấm tôi được nâng cao

G52986 E52100 Vòng ổ, bi, bi đũa (thép ổ lăn)

G61500 6150 Bánh răng, chi tiết rèn, trục, lò xo

G86500 8650 Bánh răng, trục

Ví dụ về liên hệ giữa AISI và hệ thống đánh số UNS

Bảng 2-4 trình bày kí hiệu của cả AISI và UNS cho các loại thép Lưu ý rằng với đa sốthép cácbon và thép hợp kim, bốn số của AISI là bốn số đầu trong kí hiệu của UNS Số cuối cùngtrong kí hiệu của UNS thường là số không

Tuy nhiên có một số ngoại lệ Với thép ổ lăn có hàm lượng cácbon cao tạo ra trong lòđiện, như AISI E52100, UNS kí hiệu là G52986 Thép có bổ xung chì để cải thiện khả năng cắtgọt, và loại này có chữ cái L thêm vào giữa số thứ hai và thứ 3 của AISI ví dụ như AISI 12L14, vàtheo UNS là G12144 Bổ xung nguyên tố bo cho ta một số loại hợp kim đặc biệt có độ thấm tôinâng cao Ví dụ, hợp kim AISI 5160 là thép crôm và có kí hiệu UNS là G51600 Nhưng một loạihợp kim tương tự là AISI 51B60, kí hiệu UNS là G51601, với nguyên tố bo được thêm vào

Thép cácbon dạng thanh và tấm thường được bán dưới dạng cán thành phẩm, tức là chúng

được cán ở một nhiệt độ cao - thuận tiện cho quá trình cán Cán cũng được tiến hành ở nhiệt độthấp để tăng độ bền và chất lượng bề mặt Thanh và dây kéo nguội có độ bền cao nhất trong cácdạng tạo hình, cùng với đó là chất lượng bề mặt rất tốt Tuy nhiên khi nói vật liệu được cán, người

ta coi là cán nóng

Nhiệt luyện

Nhiệt luyện là một quá trình mà thép chịu tác động bởi nhiệt độ cao để thay đổi tính chất.

Một vài quá trình thường dùng cho thép chế tạo máy là ủ, thường hoá, tôi (làm nguội và gianhiệt), và thấm cácbon (xem tham khảo 3 và 15.)

Hình 2-12 chỉ ra chu trình nhiệt độ - thời gian cho các quá trình nhiệt luyện Kí hiệu RTchỉ nhiệt độ bình thường trong phòng, và LC là nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn - nhiệt độ tại đó

sự biến đổi của ferit thành austenit bắt đầu diễn ra trong quá trình nhiệt luyện thép Ở nhiệt độ caohơn nhiệt độ tới hạn (UC) sự biến đổi hoàn thành Các nhiệt độ này khác nhau với từng loại thép.Với hầu hết thép cácbon trung bình (0.30% - 0.50%C), UC là xấp xỉ 15000F (8220C) Xem cácthông số chi tiết của quá trình nhiệt luyện trong phần tham khảo

Ủ Ủ hoàn toàn [hình 2-12(a)] thực hiện bằng cách nung thép lên trên UC và giữ nhiệt

cho đến khi đạt được tổ chức đồng nhất Sau đó thép được làm nguội rất chậm trong lò xuốngdưới mức thấp hơn nhiệt độ tới hạn (LC) Quá trình hoàn thành khi làm nguội chậm xuống nhiệt

độ phòng bên ngoài lò Quá trình xử lí này làm mềm và giảm độ bền của vật liệu, giảm một cáchđáng kể ứng suất bên trong Các bộ phận thường được tạo hình nguội hoặc gia công cắt sau khi ủ

Ủ thấp (ủ non) [hình 2-12(b)] thường được sử dụng sau khi hàn, cắt gọt, hoặc tạo hình

nguội để giảm ứng suất dư và do đó giảm thiểu các biến dạng xảy ra Thép được nung xấp xỉ từ

10000F đến 12000F (5400C-6500C), giữ nhiệt để đạt được sự đồng đều, và sau đó làm nguội chậmtrong không khí tĩnh xuống nhiệt độ phòng

Thường hoá Thường hoá [hình 2-12(c)] sử dụng phương pháp giống như ủ, nhưng ở

nhiệt độ cao hơn, trên khoảng biến đổi mà austenit tạo thành, khoảng 16000F (8700C) Kết quảlàm đồng đều tổ chức bên trong của thép và một mức độ nào đó có độ bền cao hơn phương pháp

ủ Khả năng gia công và độ dai thường được cải thiện hơn cán nóng

Tôi thể tích và ram Tôi thể tích [hình 2-12(d)] thực hiện bằng cách nung thép lên trên

khoảng biến đổi mà austenit tạo thành và làm nguội rất nhanh trong bể tôi Làm nguội nhanh tạo

thành mactenxit có độ cứng và độ bền cao Nhiệt độ mà mactenxit tạo thành tuỳ thuộc vào tổ chứccủa hợp kim Một hợp kim chứa ít nhất 80% tổ chức là mactenxit tạo thành trên mặt cắt ngang làloại có độ thấm tôi cao Đây là một tính chất rất quan trọng cần có khi chọn thép yêu cầu độ bền

và độ cứng cao Môi trường làm nguội thường là nước, nước muối, và các dầu khoáng đặc biệt.Việc lựa chọn môi trường làm nguội tuỳ thuộc vào tốc độ làm nguội tiến hành Hầu hết các thépchế tạo máy sử dụng dầu hoặc nước làm nguội

Hình 2-12 Nhiệt luyện thép

Ram thường được sử sử dụng ngay sau khi tôi, gồm nung nóng lại thép lên nhiệt độ từ

4000F đến 13000F (2000C-7000C) và sau đó làm nguội chậm trong không khí xuống nhiệt độphòng Quá trình này điều chỉnh các tính chất của thép: độ bền kéo và giới hạn chảy giảm với sựtăng nhiệt độ ram, trong khi độ dẻo tăng lên, thể hiện bằng sự tăng độ giãn tỉ đối Vì vậy ngườithiết kế có thể điều chỉnh các tính chất của thép để đạt được các yêu cầu đã định Hơn nữa, thépsau khi tôi có ứng suất bên trong lớn và thường là rất giòn Sau khi tôi các chi tiết máy thườngđược ram ở 7000F (3700C) hoặc cao hơn

Để minh hoạ cho tác động của ram đến tính chất của thép, một vài biểu đồ trong phụ lục 4chỉ ra đồ thị độ bền và nhiệt độ ram Trong các biểu đồ đó là giới hạn bền kéo, điểm chảy, độ giãndài tỉ đối, độ thắt tỉ đối, và độ cứng HB, tất cả được vẽ ra theo quan hệ với nhiệt độ ram Chú ý sựkhác nhau về dạng của các đường cong và giá trị tuyệt đối của độ bền và độ cứng khi so sánh thépcácbon thường AISI 1040 với thép hợp kim AISI 4340 Mặc dù cả hai đều có cùng một hàmlượng cácbon (0.40%), thép hợp kim 4340 đạt được độ bền và độ cứng cao hơn nhiều thép cácbon

1040 Cũng cần lưu ý độ cứng tôi trong phần trên bên phải ở phụ lục của biểu đồ; nó thể hiện mức

độ mà hợp kim đã cho có thể đạt được Khi quá trình thấm cácbon (mô tả ở phần tới) được sửdụng, độ cứng tôi là rất quan trọng

Phụ lục 3 liệt kê phạm vi mong muốn của các đặc trưng đối với một vài loại thép cácbon

và thép hợp kim Các hợp kim được liệt kê với kí hiệu AISI và cách xử lí Kí hiệu như AISI 4340OQT 1000 thể hiện rằng hợp kim được tôi trong dầu ở nhiệt độ 10000F Ở nhiệt độ ram 4000Fvà

13000F thể hiện các điểm giới hạn của các đặc trưng của hợp kim Để xác định một độ bền giữacác giới hạn đó, bạn có thể tham khảo đồ thị trong phụ lục 4, hoặc bạn có thể xác định quá trìnhnhiệt luyện cần thiết từ các chuyên gia Trong giáo trình này các thông số của vật liệu được nộisuy thô theo các giá trị đã có Như đã lưu ý ở phần trước, bạn phải tìm kiếm số liệu cụ thể hơn chonhững thiết kế quan trọng

Tăng cứng bề mặt Trong nhiều trường hợp, yêu cầu của toàn bộ chi tiết chỉ là độ bền

trung bình trong khi bề mặt cần có độ cứng rất cao Ví dụ như bánh răng, cần có độ cứng bề mặtcao để chống lại mòn vì răng sẽ ăn khớp vài triệu lần trong suốt tuổi thọ mong muốn Ở mỗi lầntiếp xúc, một ứng suất lớn sẽ xuất hiện trên bề mặt răng Để giải quyết vấn đề này sử dụng thấm

cácbon; bề mặt (hay vỏ) của chi tiết đạt được độ cứng cao với chiều sâu khoảng 0.010 đến 0.040

in (0.25-1.00 mm), trong khi bên trong của chi tiết (lõi) chỉ chịu ảnh hưởng rất nhỏ Lợi thế của

tăng bền bề mặt là trong khi bề mặt đạt được độ cứng và khả năng chống mòn, thì lõi của chi tiếtthì vẫn như cũ, có độ dẻo lớn hơn vỏ, chống lại va đập và mỏi Các phương pháp thường sử dụngnhất để tăng bền bề mặt là: tôi bằng ngọn lửa, tôi cao tần, thấm cácbon, thấm nitơ, xyanua hoá, vàthấm cácbon-nitơ (xem tham khảo 17.)

Hình 2-13 Mặt cắt bánh răng thấm cácbon điển hình

Hình 2-13 là bản vẽ mặt cắt của bánh răng thấm cácbon điển hình, nó có vỏ cứng baoquanh lõi mềm và dẻo hơn Thấm cácbon được dùng trong ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mòn

và mài mòn cao trong điều kiện làm việc bình thường (răng bánh răng, bánh xe cầu trục, puli dâycáp, và trục chịu tải trọng lớn)

Hầu hết các phương pháp thường dùng cho tăng bền bề mặt được liệt kê dưới đây

1 Tôi bằng ngọn lửa và tôi cao tần: qui trình của tôi bằng ngọn lửa và tôi cao tần bao

gồm nung nóng nhanh bề mặt của chi tiết trong một khoảng thời gian giới hạn rất nhỏ,

để một lớp vật liệu rất mỏng được biến đổi Quá trình tôi rất nhanh nên chỉ có phầnbên trên khoảng biến đổi tạo ra mactenxit cường độ cao cho ta độ cứng cao

Tôi bằng ngọn lửa sử dụng một ngọn lửa tập trung tác động lên vùng đã định trong

khoảng thời gian được điều chỉnh, sau đó tôi trong bể bằng dòng nước hoặc dầu Tôi cao

tần là phương pháp mà chi tiết được bao quanh bởi vòng cảm ứng có dòng điện tần số cao

chạy qua Do độ dẫn điện của thép, một dòng điện cảm ứng xuất hiện gần lớp bề mặt chi

tiết Điện trở của vật liệu cản dòng điện chạy qua dẫn đến hiệu ứng nung nóng vật liệu.Điều chỉnh công suất điện, tần số của hệ cảm ứng, và thời gian, cho chúng ta chiều sâu vậtliệu xác định đạt tới nhiệt độ chuyển hoá Ngắt dòng điện ngay sau khi tôi cứng bề mặt.(xem tham khảo 26.)

Chú ý để có được hiệu quả khi dùng ngọn lửa hoặc tôi cao tần thì vật liệu cần có độthấm tôi tốt Thường thì kết quả của tôi cứng bề mặt là tạo ra một lớp vỏ cứng với HRCtrong khoảng 55 đến 60HRC (xấp xỉ 550 đến 650 HB) Thép cácbon và thép hợp kim có íthơn 0.30%C thường không đạt yêu cầu Vì vậy, những thép có 0.40%C hoặc nhiều hơnthường được sử dụng để tôi bằng ngọn lửa hoặc dòng cao tần

2 Thấm cácbon, thấm nitơ, thấm xyanua, và thấm cácbon-nitơ: các phương pháp tăng

bền bề mặt còn lại - thấm cácbon, thấm nitơ, thấm xyanua, thấm cácbon-nitơ thậm chílàm biến đổi thành phần của bề mặt vật liệu bằng cách đưa vào môi trường cácbon thểkhí, thể lỏng, hoặc thể rắn ở nhiệt độ cao làm cho cácbon khuếch tán vào bề mặt chitiết Nồng độ và chiều sâu thấm của cácbon tuỳ thuộc vào bản chất của cácbon đemthấm và thời gian khuyếch tán Thấm nitơ và thấm xyanua cho lớp vỏ mỏng rất cứng,phù hợp cho chống mòn Với những chi tiết chịu tải trọng lớn và yêu cầu khả năngchống mòn như bánh răng thì thấm cácbon được dùng vì nó tạo ra lớp vỏ dầy hơn.Một số loại thép dùng để thấm cácbon là 1015, 1020, 1022, 1117, 1118, 4118, 4320,

4620, 4820, và 8620 Phụ lục 5 liệt kê các đặc trưng có thể đạt được với thép thấmcácbon Chú ý khi đánh giá một vật liệu, các đặc trưng của lõi quyết định khả năng chốnglại các ứng suất chính, và độ cứng của vỏ thể hiện khả năng chống mòn của nó Thấmcácbon được dùng hợp lí sẽ tạo ra lớp vỏ có độ cứng từ 55 đến 64 HRC hoặc 550 đến 700HB

Có một vài kiểu thấm cácbon cho phép người thiết kế điều chỉnh các đặc trưng để đạtđược các yêu cầu định trước Đưa môi trường cácbon đến nhiệt độ xấp xỉ 17000F (9200C)

và thường giữ trong 8 giờ Tôi ngay lập tức đạt được độ bền cao nhất, mặc dù lớp vỏ hơigiòn Chi tiết thường được làm nguội chậm sau khi thấm cácbon Sau đó nung nóng lại chitiết đến nhiệt độ 15000F (8150C) để tôi Tiếp theo ram ở nhiệt độ khá thấp 3000F hoặc

4500F (1500C hoặc 2300C), để giảm ứng suất trong xuất hiện do tôi Như đã nêu trong phụlục 5, nhiệt độ ram cao hơn làm giảm độ bền của lõi, độ cứng của vỏ một lượng nhỏ,

nhưng một nó cải thiện độ dai của chi tiết Qui trình này chính là cách tôi và ram thống

nhất.

Ví dụ khi một chi tiết được tôi trong dầu và ram ở 4500F, chế độ xử lí này là tăng bền

bề mặt bằng thấm cácbon, kí hiệu SOQT 450 Gia nhiệt lại sau khi tôi lần đầu và tôi một

lần nữa làm đồng đều hơn các đặc trưng của vỏ và lõi, quá trình này gọi là tăng bền bề

mặt bằng thấm cácbon, DOQT 450 Các quá trình này được liệt kê trong phụ lục 5.

2-7 Thép không gỉ

Thuật ngữ thép không gỉ mô tả khả năng chống ăn mòn cao tạo ra bởi các hợp kim trong

nhóm này Để được xếp loại là thép không gỉ, cần có crôm với hàm lượng ít nhất là 10% Hầu hết

là 12% đến 18% crôm (xem tham khảo 5.)

AISI kí hiệu hầu hết thép không gỉ theo các nhóm 200, 300, và 400 Như đã đề cập trướcđây (mục 2-3), một số hệ thống kí hiệu khác là hệ thống số UNS phát triển bởi SAE và ASTM.Phụ lục 6 đưa ra các tính chất của một vài nhóm, và cả hai cách kí hiệu

Ba nhóm thép không gỉ chính là austenit, ferit, và mactenxit Thép không gỉ austenit là

nhóm AISI 200 và 300 Chúng là nhóm phổ biến với độ bền trung bình Hầu hết không thể xử línhiệt, và những đặc trưng cuối cùng của chúng được quyết định bởi giá trị khi làm việc, với độcứng là ¼ độ cứng, ½ độ cứng, ¾ độ cứng, và cứng hoàn toàn Những hợp kim này không có từtính và thường sử dụng trong các thiết bị thực phẩm

Thép không gỉ ferit thuộc nhóm AISI 400, kí hiệu là 405, 409, 430 , 446 … Chúng có từ

tính và sử dụng tốt ở nhiệt độ cao, từ 13000F đến 19000F (7000C-10400C) tuỳ từng loại Chúngkhông có khả năng xử lí nhiệt, nhưng có thể gia công nguội để cải thiện tính chất Những ứngdụng điển hình bao gồm ống trao đổi nhiệt, thiết bị lọc dầu, trang trí ôtô, các bộ phận lò, và cácthiết bị hoá học

Thép không gỉ mactenxit cũng nằm trong nhóm AISI 400, bao gồm 403, 410, 414, 416,

420, 431, và 440 Chúng có từ tính, có thể xử lí nhiệt, và có độ bền cao hơn nhóm 200 và 300,trong khi vẫn giữ được độ dai tốt Những sử dụng điển hình bao gồm các bộ phận của động cơtuabin, dụng cụ y học, các bộ phận bơm, van, ống nối máy bay, và các thiết bị hàng hải

Ngoài ra có nhiều loại thép không gỉ khác nữa, và đa phần là độc quyền của riêng các nhàsản suất Nhóm có độ bền cao dùng trong máy bay, tàu biển, và xe cộ là loại biến cứng Chúng có

độ bền tăng rất cao nhờ nhiệt luyện ở nhiệt độ tương đối thấp từ 9000F đến 11500F (4800C-6200C),làm giảm thiểu các biến dạng khi xử lí Một số loại là 17- 4PH, 15-5PH, 17-7PH, PH15-7Mo, vàAMS362

2-8 Thép kết cấu

Hầu hết các thép kết cấu được kí hiệu bởi ASTM Loại phổ biến ASTM A36, có giới hạnchảy nhỏ nhất là 36 000 psi (248 Mpa) và rất dẻo Về cơ bản đó là loại thép cácbon thấp cán nóng

có ở dạng tấm, lá, thanh, và các dạng kết cấu như dần rộng bản, dầm tiêu chuẩn Mĩ, dạng chữ C,

và dạng góc Các đặc trưng hình học của mặt cắt mỗi loại được liệt kê trong phụ lục 16

Hầu hết dầm rộng bản (dạng W) hiện thời đều đưọc chế tạo từ ASTM A992, có giới hạnchảy 50 đến 65 ksi (345 đến 448 Mpa) và giới hạn bền kéo nhỏ nhất là 65 ksi (448 Mpa) Một yêucầu bổ sung là tỉ lệ lớn nhất giữa giới hạn chảy và giới hạn bền là 0.85 Đây là thép có độ dẻo cao,

có độ giãn dài tỉ đối nhỏ nhất là 21% với chiều dài đo là 2.00 in Sử dụng thép này thay cho thép

có độ bền thấp ASTM A36 cho phép các cấu kiện nhỏ hơn, nhẹ hơn với giá thành rẻ hơn hoặcbằng

Thép định hình rỗng (HSS) thường được làm từ ASTM A500 bằng cán nguội có thể hànhoặc liền mảnh Loại này bao gồm cả các ống tròn, vuông, hình chữ nhật Chú ý trong phụ lục 7

có sự khác nhau về độ bền của ống dạng tròn và các dạng ống khác Một số sản phẩm HSS được

chế tạo từ thép cán nóng ASTM A501 có tính chất tương tự như thép cán nóng định hình ASTMA36.

Nhiều loại thép kết cấu có độ bền cao hơn sử dụng trong các công trình, xe cộ, các ứngdụng trong máy móc Chúng có giới hạn chảy trong phạm vi từ 42 000 đến 100 000 psi (290-700Mpa) Một số loại trong đó là thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA), như ASTM A242, A440,A514, A572, và A588

Phụ lục 7 đưa ra các tính chất của một vài loại thép kết cấu

2-9 Thép dụng cụ

Thuật ngữ thép dụng cụ nhắc đến một nhóm thép thường dùng làm dụng cụ cắt gọt, các

loại chày, khuôn, lưỡi cắt, đột, và các ứng dụng tương tự Các loại thép dụng cụ rất đa dạng, đượcphân thành 7 loại chính như trong bảng 2-5 Trong khi hầu hết các ứng dụng của thép dụng cụ liênquan đến lĩnh vực kĩ thuật chế tạo, chúng cũng được dùng trong thiết kế máy, lĩnh vực đòi hỏiphải bảo dưỡng các lưỡi cắt chịu mài mòn (loại H và F) Một số loại thép dụng cụ có khả năngchống va đập cao hơn, rất cần thiết trong các chi tiết máy như bộ li hợp cơ khí, con cóc, gàu xúc,

bộ dẫn hướng chuyển động, và các bàn kẹp (loại S, L, F, và W) (xem tham khảo 6 để biết chi tiếthơn)

2-10 Gang

Các bánh răng lớn, khung máy, chân đế, bộ phận liên kết, và nhiều chi tiết máy quan trọngkhác nữa được làm từ gang Một vài loại gang có các giá trị độ bền, độ dẻo, khả năng gia công,khả năng chống mòn, và giá thành thay đổi trong phạm vi rộng Do đó gang được ứng dụng rấtrộng rãi Có ba loại gang thông dụng là gang xám, gang dẻo, và gang cầu Phụ lục 8 đưa ra cácđặc trưng của một vài loại gang (xem thêm tham khảo 9)

Gang xám là loại có giới hạn bền kéo trong khoảng 20 000 đến 60 000 psi (138-414 Mpa).

Giới hạn bền nén của nó thì cao hơn nhiều, từ 3 đến 5 lần giới hạn bền kéo Nhược điểm của gangxám là giòn nên không sử dụng được trong những ứng dụng chịu tải trọng va đập Nhưng nó cókhả năng chống mòn tuyệt vời, tương đối dễ gia công, có khả năng giảm dao động tốt, và có thểtôi mặt ngoài Các chi tiết được làm từ gang xám bao gồm block động cơ, bánh răng, các bộ phậnhãm, và các bệ máy Gang xám được đánh số theo tiêu chuẩn ASTM A48-94a theo các loại 20,

25, 30, 40, 50, và 60 trong đó chữ số thể hiện giới hạn bền kéo nhỏ nhất theo kips/in2 (ksi) Ví dụ,loại gang xám 40 có giới hạn bền kéo nhỏ nhất là 40 ksi hoặc 40 000 psi (276 Mpa) Vì gang xámgiòn nên không đưa ra giới hạn chảy

Gang dẻo là nhóm gang có thể nhiệt luyện để đạt độ bền cao, môđun đàn hồi cao (độ

cứng), khả năng gia công và chống mòn tốt Kí hiệu 5 chữ số thể hiện giới hạn chảy và độ giãndài tỉ đối mong muốn của gang Ví dụ loại 40010 có giới hạn chảy là 40 ksi (276 Mpa) và độ giãndài tỉ đối 10% Các đặc trưng liệt kê trong phụ lục 8 ở chế độ chưa xử lí nhiệt Sau khi nhiệt luyện

sẽ nhận được độ bền cao hơn Xem tiêu chuẩn ASTM A 47-99 và A 220-99

SốAISI Số UNSThép M Môlipđen M2 T11302 Dùng làm dụng cụ cắt và khuôn rèn, ép,

uốn, kéo, và đột (M1, M3, M4-M7,M30, M34, M36, M41-M47)

Khuôn tán nguội mũ đinh, dao cắt, các

bộ phận máy bay, khuôn ép đùn ở nhiệt

độ thấp, và khuôn đúc áp lực (H1-H19)Wonfam H21 T20821 Khuôn dập nóng, dao cắt ở nhiệt độ cao

(H20-H39)Môlipđen H42 T20842 Ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu mòn

A

Hợp kim trung bình, tôi trong không khí

A2 T30102 Đột, bàn cán ren, khuôn đúc áp lực

(A3-A10)

Tarô, mũi khoét, doa, dao chuốt, dụng

cụ đo, đồ gá và dụng cụ kẹp, bạc lót,trục tâm của máy công cụ, thân dao(O2, O6, O7)

Chịu

Đục, dụng cụ khí nén, đột tải trọng lớn,các chi tiết máy chịu va đập (S2, S4-S7)Thép

làm

khuôn

kẽm (P3-P6, P20, P21)Mục

Hình 2-14 Chu trình nhiệt luyện cho gang hợp kim (ADI)

Gang cầu có độ bền cao hơn gang xám và tên của nó đã cho thấy nó dẻo hơn Tuy nhiên,

độ dẻo của nó vẫn thấp hơn nhiều so với các loại thép thông dụng Loại kí hiệu 3 số được sử dụngcho gang cầu theo tiêu chuẩn ASTM A536-84 Số đầu tiên thể hiện giới hạn bền kéo theo ksi, sốthứ hai thể hiện giới hạn chảy theo ksi, và số thứ ba thể hiện độ giãn dài tỉ đối Ví dụ loại 80-55-

06 có gới hạn bền kéo là 80 ksi (552Mpa), giới hạn chảy là 55 ksi (379 Mpa) và độ giãn dài tỉ đối

là 6% đo trong 2 in Những vật đúc có độ bền cao như trục khuỷu và bánh răng được làm từ gangcầu

Gang cầu austempered (ADI) là một loại gang cầu hợp kim hoá được xử lí nhiệt (xem

tham khảo 9.) Nó có những đặc trưng rất hấp dẫn nên được dùng trong các thiết bị vận tải, máycông nghiệp, và một số ứng dụng khác có giá thành thấp, khả năng gia công tốt, giảm chấn cao,chống mòn tốt, và dễ đúc Ví dụ các bánh răng truyền động, các bộ phận của khớp nối đồng tốc,

và các bộ phận treo Tiêu chuẩn ASTM A897-90 đưa ra 5 loại ADI với giới hạn bền kéo từ 80 ksi(550 Mpa) đến 185 ksi (1300 Mpa) Độ dẻo giảm khi tăng độ bền và độ cứng, với độ giãn dài tỉđối từ xấp xỉ 10% xuống nhỏ hơn 1% Lúc mới xuất hiện ADI là một loại gang cầu thông thườngvới sự điều chỉnh cẩn thận thành phần và phương pháp đúc để tạo ra chất lượng tốt, vật đúc đặc.Thêm vào một lượng nhỏ đồng, niken, và môlipđen để nâng cao khả năng đáp ứng chu trình nhiệtluyện đặc biệt như trong hình 2-14 Nung nóng đến nhiệt độ austenit hoá (15500 đến 17500F, hoặc

8430 đến 9540C) tuỳ thuộc vào thành phần Giữ ở nhiệt độ đó trong 1 đến 3 giờ để vật liệu hoàntoàn là austenit Sau đó tôi nhanh ở nhiệt độ 4600 đến 7500F (2380 đến 4000C), và giữ ở nhiệt độ

này trong 1/2 đến 4 giờ Đây là phần austempering của chu trình mà ở đó vật liệu được chuyển

thành hỗn hợp của hầu hết là austenit và ferit, đôi khi được gọi là ausferrite Một vấn đềrất quantrọng là trong chu trình này không có peclít và banit Vật đúc sau đó được làm nguội xuống nhiệt

độ phòng

2-11 Kim loại bột

Luyện kim bột tạo ra các chi tiết với hình dạng phức tạp mà không phải gia công cắt gọtnhiều Bột kim loại có ở nhiều dạng với đặc trưng gần như kim loại làm ra nó Qui trình bao gồmchuẩn bị khuôn để ép dưới áp suất cao Tiếp theo thiêu kết ở nhiệt độ cao bằng cách đốt nóng bộtthành một khối đồng nhất Đôi khi được ép lại để cải thiện tính chất hoặc độ chính xác kích thướccủa chi tiết Các chi tiết điển hình được làm từ phương pháp luyện kim bột (PM) là bánh răng,bánh răng quạt, cam, bánh lệch tâm, và nhiều chi tiết máy khác có lỗ hoặc phần nhô ra phức tạp.Dung sai kích thước thường là 0.001 đến 0.005 in (0.025-0.125 mm)

Một nhược điểm của các chi tiết tạo ra bởi luyện kim bột là giòn và không dùng đượctrong những ứng dụng có tải trọng va đập lớn Một ứng dụng quan trọng nữa là các bạc lót thiêukết, chúng có khối lượng riêng tương đối thấp và độ xốp cao Bạc được ngâm trong chất bôi trơn

đủ để đáp ứng trong suốt quá trình làm việc của nó Loại vật liệu này được thảo luận kĩ hơn trongchương 16

Các nhà sản xuất kim loại bột có rất nhiều mác và loại khác nhau Tuy nhiên MetalPowder Industries Federation (MPIF) đang xúc tiến chuẩn hoá vật liệu này Hình 2-15 chỉ ra hìnhảnh của một số chi tiết làm từ kim loại bột (xem tham khảo 3.)