lựa chọn đánh giá về các loại toa xe giường ngủ đang vận hành trên đường sắt Việt Nam - phần 2

Tài liệu tham khảo lựa chọn đánh giá về các loại toa xe giường ngủ đang vận hành trên đường sắt Việt Nam

- Trong nghành cơ khí: Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy

cắt kim loại, vỏ hộp giảm tốc bằng kết cấu hàn, khung, sườn xe, máy,

Đường ống thủy điện Vỏ máy ép bemco.

Hình 1.3 Sản phẩm thép tấm trong cơ khí.

- Trong nghành cơ khí ôtô:

Việc sử dụng thép tấm

không thể thiếu được Nó

được sử dung làm khung,

sườn, gầm ôtô, lót sàn ôtô,

che kín thùng xe, và các bộ

phận che chắn khác

- Trong chế biến thực phẩm: Thép tấm được sử dung rộng rãi không kém, nó được dùng để chế tạo các thùng chứa, bể chứa, hộp đóng gói, - Trong các nghành nghề khác: Thép tấm dùng để chế tạo ra các thùng đồ dùng dân dụng phục

vụ đời sống hay trong nghành hàng không thép tấm được dùng để che chắn, làm cửa máy bay, nắp đậy thân máy bay, tên

lửa,

Với nhu cầu sử dụng thép tấm rộng lớn như vậy, cần thiết phải có những máy cắt thép tấm với năng suất cao, với độ chính xác cao, được điều khiển tự động hoặc bán

tự động đủ khả năng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền công nghiệp nói riêng cũng như nền kinh tế nói chung, góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hóa đất nước

Hình 1.4 Vỏ ôtô được làm từ thép tấm

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẮT KIM LOẠI

Cắt kim loại lă phương phâp gia công bằng âp lực bằng câch dùng ngoại lực tâc dụng lín kim loại ở trạng thâi nóng hoặc nguội, lăm cho kim loại đạt quâ giới hạn đăn hồi, kết quả lăm thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mă không phâ huỷ tính liín tục vă độ bền của chúng Cắt kim loại lă chia phôi ra thănh tấm, dải, mảnh theo biín dạng đê được định sẵn Quâ trình cắt xảy ra từ biến dạng đăn hồi khi có lực tâc dụng, sau đó biến dạng dẻo cùng với sự tăng lực tâc dụng vă câc vết nứt xuất hiện vă gặp nhau theo hướng cắt vă tâch rời tấm phôi

2.1 LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI

Dưới tâc dụng của ngoại lực, kim loại biến dạng theo câc giai đoạn sau: Biến dạng đăn hồi, biến đạng dẻo vă phâ huỷ

Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, câc giai đoạn trín có thể xảy ra ở câc mức độ khâc nhau dưới tâc dụng của ngoại lực vă tải trọng

Biểu đồ biến dạng khi thí nghiệm kĩo đứt kim loại như sau:

Hình 2.1.

Biểu đồ quan hệ giữa lực kĩo P vă độ biến dạng dăi tuyệt đối l.

Khi tải trọng tâc dụng nhỏ hơn Pđh thì độ biến dạng tăng theo đường bậc nhất, đđy lă giai đoạn biến dạng đăn hồi: Biến dạng sẽ bị mất đi nếu ta bỏ tải trọng tâc dụng

Khi tải trọng tăng từ Pđh → Pđ thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đđy lă giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại sẽ bị biến đổi hình dạng vă kích thướt sau khi bỏ tải trọng tâc dụng lín nó

Khi tải trọng đạt đến giâ trị lớn nhất Pđ thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh vă kích thướt vết nứt tăng lín, cuối cùng kim loại bị phâ huỷ Đó lă giai đoạn phâ huỷ: Tinh thể kim loại bị đứt rời

Độ biế n dạ ng

P

P P

đh đ

Tải

2.1.1 Biến dạng đàn hồi

Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị biến dạng Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng, nếu thôi tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu

Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực, ứng suất là phản lực tính trên một đơn vị diện tích Ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là ứng suất pháp , gây biến dạng  Ứng suất tiếp  sinh ra xê dịch góc  Ứng suất pháp 3 chiều (ứng suất khối) làm biến dạng thể tích

v

v



Biến dạng đàn hồi có thể do ứng suất pháp hoặc do ứng suất tiếp sinh ra như sơ

đồ sau :

Hình 2.2 Biến dạng đàn hồi

Đối với nhiều vật liệu, quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi được mô tả bằng định luật Hooke :

Phương trình cơ sở của lý thuyết đàn hồi:

 E. ( cho kéo và nén ) ( 2.1 )  G  ( cho xê dịch ) (2.2 ) Trong đó : E : modun đàn hồi của vật liệu

G : modun đàn hồi trượt

Và P = - k.v v (đối với ép 3 chiều ) ( 2.3 )

Với k = 3(1 2 )





E

( 2.4 ) Với G = 2(1 2 )





E

( 2.5 ) Vậy biến dạng đàn hồi của kim loại có nghĩa là các nguyên tử trong mạng tinh thể tác động qua lại với nhau bằng lực hút và lực đẩy Nếu lực tác dụng chưa đủ để









 











sinh ra ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu thì kim loại trở lại trạng thái cân bằng, hay ở giai đoạn này quá trình cắt kim loại chưa xảy ra

2.1.2 Biến dạng dẻo

Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị biến dạng dẻo do trượt và song tinh

Hình 2.3 Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể

Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt

Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt, vừa quay đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh Các nguyên

tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỷ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh

Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu Các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất Biến dạng dẽo do song tinh gây ra rất bé nhưng khi có song tinh, trượt xẩy ra thuận lợi hơn

Biến dạng dẽo của đa tinh thể: Kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể, cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể Ở đây biến dạng dẽo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng biên giới hạt Sự biến dạng trong nội bộ hạt do trượt và song tinh Đầu tiên sự trượt xẩy ra ở các hạt có mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 450, sau dó mới đến các mặt khác Như vậy biến dạng dẽo trong kim loại đa tinh thể xẩy ra không đồng thời

và không đều Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối nhau Do sự trượt và quay của các

hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới, giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển

Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá trình kim loại bị phá huỷ (hay quá trình kim loại bị cắt đứt)

Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại, vì ảnh hưởng của các nhân tố như: nhiệt

độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát ngoài, vv nên làm cho bên trong kim loại sinh ra ứng suất dư, ngay cả sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại

2.1.1.3 Phá hủy

Quá trình biến dạng tăng dần với một mứt độ nào đó kim loại sẽ bị phá huỷ, đây

là dạng hỏng nghiêm trọng và không thể phục hồi được

Cơ chế của quá trình phá huỷ: đầu tiên hình thành và phát triển các vết nứt từ kích thướt siêu vi mô đến vi mô, đến vĩ mô (bị phá huỷ)

a Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh

+ Phá huỷ dẻo: Là phá huỷ có kèm theo sự biến dạng dẻo với mứt độ tương đối Phá huỷ dẻo xảy ra với tốc độ nhỏ và cần nhiều năng lượng nên ít nguy hiểm Điều kiện cần thiết cho phá huỷ dẻo xảy ra là biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất kéo ba chiều trong vùng co thắt cục bộ

+ Phá huỷ giòn: Hầu như không có biến dạng dẻo vĩ mô kèm theo, xảy ra tức thời nên khá nguy hiểm Bề ngoài mặt khi phá huỷ thường vuông góc với ứng suất pháp lớn nhất nhưng bề mặt vi mô thì có thể là theo các mặt phẳng tinh thể xác định (mặt vỏ giòn) ở bên trong mỗi hạt

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá huỷ là: nhiệt đô, tốc độ biến dạng và sự tập trung ứng suất

Ứng suất cần thiết để phát triển vết nứt:















C

E s

c

2





 ( 2.6 )

Trong đó :

E : mođun đàn hồi của vật liệu

s: Sức căng bề mặt

C : Kích thước đặc trưng của vết nứt ban đầu

b Phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ (phá huỷ mỏi)

Cơ chế của phá huỷ mỏi cũng xảy ra bằng cách tạo thành và phát triển vết nứt

Sự phá huỷ mỏi phụ thuộc vào yếu tố: ứng suất tác động, số chu kỳ tác động của tải trọng, yếu tố tập trung ứng suất

c Phá huỷ ở nhiệt độ cao

Sự tạo nên vết nứt có thể theo cơ chế sau: các hạt trượt lên nhau theo biên giới hạt, có tập trung ứng suất tạo nên vết nứt Thực chất quá trình biến dạng dẻo của kim loại nó ảnh hưởng lớn đến lực cắt do vậy ta nguyên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến nó

2.2 NHỮNG NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI

Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào rất nhiều nhân

tố khác nhau: Thành phần và tổ chức của kim loại, nhiệt độ, trạng thái ứng suất chính, ứng suất dư, ma sát ngoài, lực quán tính, tốc độ biến dạng,

2.2.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học và tổ chức kim loại

Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể khác nhau, lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau, do đó tính dẻo của chúng cũng khác nhau, chẳng hạn đồng, nhôm dẻo hơn sắt Đối với hợp kim, kiểu mạng thường phức tạp, xô lệch mạng lớn, một số nguyên tố tạo các hạt cứng trong tổ chức, cản trở sự biến dạng do đó tính dẻo giảm Thông thường kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc một pha dẻo hơn hợp kim

có cấu trúc nhiều pha Các tạp chất thường tập trung ở biên giới hạt, làm tăng xô lệch mạng cũng làm giảm tính dẻo của kim loại

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, hầu hết các kim loại khi tăng nhiệt độ thì tính dẻo tăng Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của các nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng làm cho tổ chức đồng đều hơn Một số kim loại và hợp kim ở nhiệt độ thường tồn tại ở pha kém dẻo, khi ở nhiệt độ cao chuyển biến thì hình thành pha có độ dẻo cao

2.2.3 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 2.4 Các trạng thái ứng suất

a) Ứng suất đường b) Ứng suất mặt c) Ứng suất khối.

Trạng thâi ứng suất chính cũng ảnh hưởng đâng kể đến tính dẻo của kim loại Qua thực nghiệm người ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nĩn khối có tính dẻo cao hơn khi chịu ứng suất nĩn mặt, nĩn đường hoặc chịu ứng suất kĩo.Ứng suất chính lă ứng suất phâp tuyến sinh ra bín trong vật thể khi có ngoại lực tâc dụng

Trong gia công âp lực thường gặp trạng thâi ứng suất khối

+ Trạng thâi ứng suất khối : max =

2

min max  σ



+ Trạng thâi ứng suất mặt : max =

2

2

1  σ



+ Trạng thâi ứng suất đường :  =

2



Nếu  1   2   3 thì =0 nghĩa lă không gđy ra biến dạng

- Điều kiện để kim loại biến dạng dẻo bị phâ huỷ: max  giới hạn

+ Khi kim loại chịu trạng thâi ứng suất đường thì điều kiện biến dạng dẻo lă:

 = ch

+ Khi kim loại chịu trạng thâi ứng suất mặt thì điều kiện biến dạng dẻo lă :

2

  = ch , tức max = ch/2

+ Khi kim loại chịu trạng thâi ứng suất khối thì điều kiện biến dạng dẻo lă:

min max 

  = ch, max = ch/2

2.2.4 Ảnh hưởng của ứng suất dư

Sự tồn tại của ứng suất dư bín trong kim loại sẽ lăm cho tính dẻo của kim loại giảm Nếu ứng suất dư lớn có thể lăm cho vật biến dạng hoặc phâ huỷ

2.2.5 Ảnh hưởng của ma sât ngoăi

Ma sât ngoăi lăm thay đổi hình thức tâc dụng lực, do đó lăm thay đổi trạng thâi ứng suất chính của vật thể Ngoăi ra ma sât ngoăi còn cản trở biến dạng tự do của vật thể, lăm cho vật thể biến dạng không đồng đều, tăng lực vă công biến dạng, cản trở

sự biến dạng hay cắt đứt của kim loại dưới tâc dụng của lực cắt thĩp

2.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Tăng tốc độ biến dạng sẽ lăm giảm tính dẻo của kim loại Ngoăi ra, tốc độ biến dạng tăng còn lăm sinh nhiệt nhiều, hiệu ứng nhiệt còn lăm kim loại đạt đến nhiệt độ

mă tại đó tính dẻo thấp hoặc do hiệu ứng nhiệt mă nhiệt độ của kim loại tăng dần lín lăm cho kim loại chuyển từ vùng giòn sang vùng dẻo, điều năy cũng ảnh hưởng đến tốc độ tâc dụng lực để cắt thĩp, đó lă chu kỳ cắt hay cũng chính lă năng suất cắt thĩp

Vậy để cắt được thép tấm thì lực cần thiết tác dụng phải tạo ra trong kim loại ứng suất lực lớn, đồng thời tốc độ biến dạng phải đạt một trị số nhất định để kim loại

dễ dàng bị đứt rời ra khỏi tấm cắt