Bài tập chi tiết máy có lời giải

22 2 1 HRA; dùng cho kiểm tra vật liệu cacbua như là volfam cacbua HRC: dùng để kiểm tra thép, nhưng độ cứng thấp hơn cacbua, HRC đôi khi cũng sử dụng để kiểm tra sản phẩm nhiệt luyện s

PHẦN 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN 1.1 Bài tập phần Vật liệu (10 bài)

Bài 1 Giải thích ký hiệu mác vật liệu: C40; xác định giới hạn bền, giới hạn chảy của

vật liệu này

Đáp số:

Thép C40 hay 40 là thép các bon kết cấu chất lượng tốt, thường được dùng chế tạo

các chi tiết máy có độ bền cao như: bánh răng, trục truyền, tay biên

Chỉ số 40 – thể hiện hàm lượng các bon là 40 phần vạn, hay 0,4%

Tra bảng 2.4 – Chương 2 – Sổ tay công nghệ Chế tạo máy Tập 1

Bài 2 Xác định cơ tính của vật liệu thép 35XM

Bài 3 Cho hai mác thép 40X và 50Mn So sánh về cơ tính của chúng: giới hạn bền,

giới hạn chảy, độ cứng, độ dãn dài tương đối

Bài 4 Hệ số Poát xông u là một trong những đặc tính cơ học của vật liệu Giả sử sử

vật liệu đồng nhất, đẳng hướng ta có thể xác định hệ số m qua công thức:

2.(1 )

E G

m

= +

Trong đó: G – Mô đun đàn hồi trượt (MPa)

E – Mô đun đàn hồi kéo (nén) (MPa)

Dựa vào giá trị G, E (tự tìm tài liệu hoặc tìm trên internet) hãy xác định hệ số Poát

xông m cho các vật liệu sau: Thép các bon, nhôm, đồng thau, gang xám

Đáp số:

Dựa vào bảng tra, xác định được các thông số G, E của các vật lieu:

Hệ số Poat xông

1 2.

E G

Trong đó: HB – độ cứng Brixnen của thép

бb – Giới hạn bền của vật liệu thép

[Tham khảo công thức 2 – 17, Shigley's Mechanical Engineering Design 8 th ]

Suy ra: b =3, 41.250=852, 5 MPa

Trong đó: HB – độ cứng Brixnen của thép

бb – Giới hạn bền của vật liệu thép

[Tham khảo công thức 2 – 17, Shigley's Mechanical Engineering Design 8 th ]

Suy ra:

610 179

1, 58 86 ( )

-Trong đó: HB – độ cứng Brixnen của Gang

бb – Giới hạn bền của vật liệu Gang

[Tham khảo công thức 2 – 22, Shigley's Mechanical Engineering Design 8 th ]

Từ kết quả thí nghiệm, ta xác định được bảng độ cứng tương ứng như sau:

( )2

2

2 1

HRA; dùng cho kiểm tra vật liệu cacbua như là volfam cacbua

HRC: dùng để kiểm tra thép, nhưng độ cứng thấp hơn cacbua, HRC đôi khi cũng sử dụng để kiểm tra sản phẩm nhiệt luyện sau khi đã làm mát nếu nó

đủ dày còn nếu không bạn có thể sử dụng thang đo độ cứng bề mặt như HR15N, 30N, 45N tùy thuộc độ dày của vật liệu, bạn cần xem bảng qui đổi convert chart để biết mình nên dùng lực nào cho phù hợp

HRB: Dùng để kiểm tra thép mềm, như đồng đỏ … Những vật liệu với kích thước vừa và nhỏ Bởi vậy HRA, HRB, HRC (regular rockwell) là chiếm 90% trong công nghiệp, đôi khi một vài vật liệu sử dụng HRF hoặc HRD.- Nếu độ dày vật liệu không phù hợp với HRA, HRC bạn cần chọn HR15N, 30, 40N- nếu độ dày ko phù hợp với HRB bạn cần chọn HR15T, HR30T, HR45T.- HR15N

và HR30T thường được sử dụng trong công nghiệp.- HRL tới HRV là để kiểm tra nhựa cứng theo chuẩn ASTM D 785 Thông thường HRR và HRM hay được

sử Giống như nguyên tắc đã nói ở trên nếu độ dày là không đủ từ HRL tới HRV bạn có thể sử dụng HR15X tới HR45Y

Brinell:- Đề nghị nghiên cứu thêm về nguyên lý Brinell trong một bài viết khác của tôi.- Thông thường 3000kgs với ball 10mm là chuẩn để sử dụng cho test độ cứng Brinell Thông thường để kiểm tra vật liệu có kích thước lớn bề mặt nhám như sắt, đồng, khuôn đúc, kim loại ép,

Microvickers:- Dùng để test vật liệu rất mỏng và cứng như là độ cứng lá kim loại mảnh, bo mạch IC, sơn … - Thường sử dụng lực tải 1kg, 500g, 100g, 10g

Vickers:- Tương tự như microvickers tuy nhiên ứng dụng cho vật liệu dày hơn, thông thường nếu sử dụng tải microvickers mà vết lõm quá mảnh thì sử dụng Vickers load 5kg, 10kg, 30kg….

1/ Giới Thiệu:

Đây là phương pháp kiểm tra độ cứng lâu đời nhất được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật cơ khí ngày nay Được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Điển tên là Johan August Brinell vào tháng 8 năm 1900 Phương pháp này được sử dụng rộng rải và tiêu chuẩn hóa

về kiểm tra độ cứng trong kỹ thuật và luyện kim

2/ Phương Pháp Thử:

Mũi thử trong phương pháp đo này là bi thép có đường kính 10mm với lực ấn 3000kg ấn lõm vào bề mặt kim loại Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ được giảm xuống 500kg, và đối với các kim loại cực cứng, sẽ sử dụng đến bi thử Cardbide Tungsten

để giám thiếu biến dạng đầu thử

Độ cứng Brinell được xác định bằng cách nhấn một khối cầu bằng thép cứng hoặc cacbit có đường kính D xác định dưới một tải trọng P cho trước, trong khoảng thời gian nhất định, bi thép sẽ lún sâu vào mẫu thử

Trong phương pháp này, trị số độ cứng gọi là HB đươc xác định bằng áp lực trung bình, biểu thị bằng Newton trên 1 mm2 diện tích mặt cầu do vết lõm để lại, độ cứng được tính theo công thức:

Như vậy: Người ta đo đường kính vết lõm bằng những dụng cụ chuyên dùng, với đường kính viên bi và áp lực ấn xuống cho trước mà ta biết được độ cứng HB

Hiện nay chủ yếu dùng đơn vị đo là Mpa với giá trị 1Mpa = 0,10196 KG/mm2

Nếu dùng máy hiển thị số thì kết quả cho ngay trên màn hình Đường kính viên bi phụ thuộc vào chiều dày vật đo Vật đo càng mỏng thì đường kính viên bi càng nhỏ Đường kính bi đo được tiêu chuẩn hóa, theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) : 10mm; 5mm; 2,5mm; và 1mm Tải trọng P cũng có một số xác định

Tải trọng đo phụ thuộc vào vật liệu đo, nó tỉ lệ thuận với tỷ số F/D2 Thực tế được quy định như sau :

+ Với kim loại đen và hợp kim đen :

Sau khi đo kết quả đo được ghi lại như sau :

+ Nếu đo độ cứng ở điều kiện tiêu chuẩn ( F = 3000kG, D = 10mm, thời gian đặt tải 30s) thì ghi đơn giản bởi HB và số đo VD : HB350

+ Nếu đo ở các điều kiện khác thì phải ghi đầy đủ các thông số của phép đo

VD : HB10/750/30150 có nghĩa là mẫu đo có độ cứng Brinell là 150 được đo với bi đường kính 10mm, tải trọng là 750kG và thời gian đặt tải là 30s

Từ độ cứng Brinell có thể suy ra giới hạn bền kéo của vật liệu như sau :

Phương pháp này chỉ dùng khi độ cứng vật liệu dưới 450HB, với vật liệu cứng hơn sai số sẽ lớn hơn So với các phương pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm sâu và rộng nhất, do đó phép thử sẽ bình quân được độ cứng trên một phạm vi rộng hơn của vật đo Đây là phương pháp tối ưu để đo độ cứng khối hoặc hoặc độ cứng tổng thể của một loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu có cấu trúc không đồng đều Các vết xước và độ nhám bề mặt hầu như không ảnh hưởng tới phép thử Brinell Tuy nhiên phương pháp thử này không phù hợp với đo các vật thể nhỏ

Sau đây là bảng tra để xác định đường kính bi và tải trọng đặt vào:

của mẫu thử (mm)

giữa tải trọng và đừờng kính

bi

Đường kính bi (mm)

Tải trọng (kG)

Thời gian chịu tải (s)

F = 30 D 2

10,0 5,0 2,5

3000

750 187,5

F = 10 D 2

10,0 5,0 2,5

1000

250 62.5

10

F = 30 D 2

10,0 5,0 2,5

3000

750 187.6

30

25 – 130

Lớn hơn 6

Từ 6 đến 3 Nhỏ hơn 3

F = 10 D 2

10,0 5,0 2,5

1000

250 62.5

30

8-35

Lớn hơn 6

Từ 6 đến 3 Nhỏ hơn 3

F = 2.5 D 2

10,0 5,0 2,5

250 62.5 15.6

Vết lõm khi thử nhỏ, vì vậy không làm hư hỏng chi tiết sau khi thử

Giá thành mũi thử tương đối rẻ

b/Nhược điểm: Do mũi thử bằng bi, nên chỉ dùng khi độ cứng vật liệu dưới 450HB, vật liệu cứng hơn thì sai số đo sẽ lớn

Phương pháp này được coi là độ cứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học Chủ yếu

sử dụng tại các phòng thí nghiệm và nghiên cứu

2/ Phương Pháp Đo:

Các tính toán của phương pháp thử Vicker không phụ thuộc kích cỡ của đầu thử Đầu thử

có thể sử dụng cho mọi loại vật liệu Phép thử sử dụng một mũi thử kim cương hình chóp

4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136o(±3o)

Mũi thử được ấn vào vật liệu dưới tác dụng của các tải trọng 50N,100N, 200N, 300N, 500N, 1000N

Sau khi cắt tải trọng, tiến hành đo đường chéo d của vết lõm, và tra theo bảng sẽ có trị số độ cứng Vickers (hoặc giá trị cho trên màn hình nếu dùng máy hiển thị số)

Độ cứng vickers tính bằng F/S Lấy lực thử F chia cho diện tích bề mặt lõm S Bề mặt lõm S được tính theo độ dài trung bình hai đường chéo d Bề mặt lõm được tạo thành khi tác dụng một lực vào mẫu thử với mũi đột kim cương, hình chóp Góc tạo giữa hai mặt đối nhau cùng đỉnh là 172,50 và 1300

* Công thức tính độ cứng vicker:

+ ISO 6507 - 1,2,3 – dải micro and macro

- Độ cứng Rocoen (HR)

1/ Giới Thiệu:

Vào những năm 1908 giáo sư người Viennese tên là Ludwig đã đưa ra khái niệm cơ bản

về phép đo độ cứng thông qua chiều sâu vi phân trong cuốn sách có tên là Die Keglprole

Dựa vào những khái niệm cơ bản trên 2 ông Hugh M Rockwell (1890-1957) và Stanley

P Rockwell (1886-1940) tìm ra phương pháp thử độ cứng Rockwell , hai ông này nhận được bằng sáng chế vào 15/7/1914 Phương pháp này giúp xác định nhanh hiệu ứng của nhiệt luyện trong kỹ thuật

2/ Phương Pháp Thử:

Dùng một mũi nhọn kim cương có góc ở đỉnh là 1200 và bán kính cong R = 0,2mm hay viên bi thép tôi cứng có đường kính 1/16,1/8,1/4,1/2 inchs để ấn lên bề mặt thử

Độ cứng được xác định bằng cách ta lần lượt tác dụng lên viên bi hoặc mũi kim cương hai lực ấn nối tiếp, lực ban đầu là 100N, tiếp theo là 600N hoặc 1000N hoặc 1500N tùy theo thang chia

Quy trình đo cơ bản như sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với một lực tối thiểu, thường là 10kG hoặc 30kG nếu đo mềm Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định Tiếp đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, người ta tác động thêm một lực tối đa Khi đạt được độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhưng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban đầu Khi lực tối đa được thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử

sẽ được phục hồi một phần Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell

Độ cứng Rockell được xác định theo một đại lượng quy ước, không có thứ nguyên, phụ thuộc vào chiều sâu vết lõm Chiều sâu càng lớn thì độ cứng càng nhỏ và ngược lại

Lực tác dụng ban đầu P1, mũi thử lún sâu vào vật liệu 1 đoạn h1 Tiếp ta tác dụng

1 lực tăng lên P2 , mũi thử lún sâu vào vật liệu đoạn h2.Chênh lệch hai lần thử là h - đặc trưng cho độ cứng vật liệu thử

Đơn vị đo độ cứng Rocwell có kí hiệu: HR; một đơn vị HR tương ứng với độ lún bằng 0,002mm

Độ cứng Rockwell được biểu diễn bởi một đại lượng qui ước phụ thuộc vào chiều sâu

h của vết lõm và xác định theo công thức:

HR = k- h/e

Trong đó :

- k: là hằng số (dùng bi k= 130,dùng mũi kim cương thì k = 100.)

- e: là giá trị một độ chia của e Đối với đo cứng e = 0,002mm Đối với đo mềm hay còn gọi là đo cứng bế mặt e = 0,001mm

- 0,002 hay 0,001là giá trị của vạch chia đồng hồ hay khi mũi thử ấn sâu thêm 0,002mm hay 0.001mm thì kim dịch đi một vạch

- h: là hiệu độ sâu hai lần ấn (mm)

h = h2-h1

Tùy theo lực tác dụng mà người ta phân độ cứng Rockwell ra 3 thang A,B,C tương ứng

Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, tuỳ thuộc vào loại

và kích thước đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng

Trên máy thử độ cứng Rockwell có hai thang chia Thang chia C (chữ đen) khi thử bằng mũi nhọn kim cương với lực ấn 150KG và thang chia B( chữ đỏ) khi dùng viên bi với lực ấn 100KG Viên bi(ứng với thang chia B) được dùng để thử độ cứng của thép chưa tôi, đồng, đồng thau,…còn các vật liệu thật cứng thì phải thử bằng mũi kim kim cương như ở thang chia C, nhưng với lực ấn bằng 60KG, đọc trên thang chia kí hiệu bằng chữ A

Do đó, khi ghi độ cứng Rockwell ta phải rõ đơn vị của độ cứng: HRC, HRB, HRA

Khi đo theo thang B (HRB) dùng mũi đo bằng viên bi thép tôi cứng và tải trọng tác dụng tổng cộng là 100kG Do dùng viên bi nên thang B sử dụng để đo các vật liệu mềm,

độ cứng trung bình trong khoảng HV60÷240 hay HRB25÷100 (thép, gang sau khi ủ và thường hóa, hợp kim nhôm, đồng, )

Khi đo theo thang A và C (HRA, HRC) dùng mũi đo kim cương hình nón Tải trọng tác dụng tổng cộng là 60kG với thang A, 150kG với thang C Thang A dùng để đo các vật liệu rất cứng như hợp kim cứng, lớp thấm Cacbon-nitơ có độ cứng cao hơn HV700 Thang A có phạm vi đo từ HV360÷900 hay từ HRA70÷85 Thang C dùng để đo các vật liệu có độ cứng trung bình và cao (thép, gang sau khi tôi và ram) với độ cứng trong khoảng HV240÷700 hay HRC20÷670

Để đo các lớp có chiều dày nhỏ hơn 0,3mm phải dùng các thang đo mềm

Để thuận lợi cho việc lựa chọn phương pháp xác định độ cứng ta sơ bộ phân loại như sau :

+ Loại có độ cứng thấp : gồm các loại vật liệu có độ cứng nhỏ hơn HB220, HRC20, HRB100

+ Loại có độ cứng trung bình : có giá trị độ cứng trong khoảng HB250÷450

Các thiết bị đo độ cứng Rockwell có công suất phát lực thử tới 103N (100kg) có khả năng tạo một điểm lõm trên các vật liệu thử Các thiết bị đo hiện đại có thể sử dụng các công nghệ điện tử và tự động để tối ưu tính năng Người sử dụng cũng có thể sử dụng kính hiển vi để định vị đầu đo kim cương cực nhỏ để xung lực chỉ vài N để đo độ cứng của một hạt kim loại Đây còn được biết đến như các phép thử độ cứng tế vi (micro harness)

Ngoài ra còn một số phương pháp xác định độ cứng vật liệu khác: Knoop, Mohs, shore…

Bài 9 Nêu nguyên lý của phương pháp đo độ cứng Rockwell Phân biệt độ cứng HRA, HRB và HRC

Bài 10 Tự tìm website tra cứu vật liệu hiệu quả Giải thích tại sao chọn website này

Sử dụng website này để tra thành phần hóa học của các mác vật liệu: AISI 4340; 2024-T4;

Bài 1 Đoạn trục có đường kính D = 60 có lỗ ngang thông suốt d = 10 như hình 1

và chịu momen uốn không đổi Số lần đặt tải trong thời gian phục vụ N = 5.106 Vật liệu thép 40X Độ nhám bề mặt Ra =1.25 Giới hạn bền của thép b = 1000 Mpa; giới hạn mỏi khi uốn -1F = 360Mpa Hệ số an toàn cho phép [S] = 1,75 Xác định ứng suất cho phép

Đáp số:

Trục làm việc với mô men uốn không đổi, nhưng có quá trình đặt tải và thôi tải nên chu trình ứng suất trên trục dạng mạch động gián đoạn Ứng suất cho phép về uốn xác định theo công thức:

- K : Hệ số tập trung ứng suất do hình dáng kết cấu Tại vị trí có lỗ xuyên tâm là

vị trí có sự tập trung ứng suất lớn nhất Căn cứ vào tỷ số

0 8

0, 2 40

d

d = = tra bảng 10.13[2]có K=2,0;

- KL : Hệ số tuổi thọ

0

m L

LE

N K

với sơ đồ như hình 2 Vật liệu trục là thép 45Cr có giới hạn bền b=1000 Mpa Bề

mặt trục được mài tinh Hệ số an toàn cho phép [s]=1,75 Bậc của đường cong mỏi m=6 Yêu cầu trục làm việc 10 năm, tỷ số số ngày làm việc trong năm là 0,85; tỷ

số số giờ làm việc trong ngày là 1/3 Hãy xác định ứng suất cho phép của trục Đáp số:

Với ứng suất thay đổi ứng suất cho phép được xác định theo công thức 2-12a,b [Cơ

sở thiết kế máy – BK TP Hồ Chí Minh – Nguyễn Hữu Lộc]:

Với dạng chu trình ứng suất đối xứng:  lim = -1F = (0, 4  0, 5) b = 400  500 Mpa

(Tham khảo công thức

[Cơ sở thiết kế máy – BK TP Hồ Chí Minh – Nguyễn Hữu Lộc/42]:

- K : Hệ số tập trung ứng suất do hình dáng kết cấu Tại vị trí có lỗ xuyên tâm là

vị trí có sự tập trung ứng suất lớn nhất Căn cứ vào tỷ số

0 8

0, 2 40

d

d = = tra bảng 10.13[2]có K=2,0

- KL : Hệ số tuổi thọ

0

m L

LE

N K