Nghiên cứu các tính chất cơ học cho mối hàn hợp kim thấp độ bền cao, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập môn hàn

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHBÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHO MỐI HÀN HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘ DAI VA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM

NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CHO MỐI HÀN HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ

NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘ DAI VA ĐẬP MỐI HÀN DÙNG CHO

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Chủ nhiệm đề tài: GV NGUYỄN MINH CHÍNH

Mã số: T2013 - 092

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-092

Chủ nhiệm đề tài: GV.Nguyễn Minh Chính

TP HCM, Tháng 12 năm 2013

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-092

Chủ nhiệm đề tài: GV.Nguyễn Minh Chính

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài:

Nghiên cứu các tính chất cơ học cho mối hàn hợp kim thấp độ bền cao, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

- Mã số: T2013 - 92

- Chủ nhiệm: GV.Nguyễn Minh Chính

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013

2 Mục tiêu:

- Xây dựng thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học công

nghệ kim loại

3 Tính mới và sáng tạo:

- Phục vụ chương trình đào tạo mới

4 Kết quả nghiên cứu:

- Qui trình kiểm tra độ dai va đập mối hàn hợp kim thấp độ bền cao

5 Sản phẩm:

- Bản thuyết minh

- Bài học xây dựng thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học

công nghệ kim loại

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Tận dụng trang thiết bị hiện có với cụm thiết bị được xây dựng phục vụ sản xuất thực tế

- Chuyển giao kết quả nghiên cứu thiết kế, hợp tác chế tạo ứng dụng vào thực tiễ n sản xuất

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC HÌNH iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nước 1

2 Tính cấp thiết : 1

3 Mục tiêu: 1

4 Cách tiếp cận: 1

5 Phương pháp nghiên cứu 1

6 Đối tượng nghiên cứu: 1

7 Phạm vi nghiên cứu: 1

8 Nội dung nghiên cứu : 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng q uan về thép hợp kim thấp độ bền cao 3

1.2 Các chỉ tiêu cơ tính dưới tải trọng tĩnh 6

1.3 Biến dạng và cơ tính của vật liệu 8

1.4 Chỉ tiêu cơ tính dưới tải trọng động - Độ dai va đập ak 23

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA ĐỘ DAI VA ĐẬP MỐI HÀN 31 2.1 Mục đích yêu cầu 31

2.2 Cơ sở lý thuyết 31

2.3 Trình tự thí nghiệm 35

2.4 Báo cáo kết quả 39

KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

Bảng 1.1: Ký hiệu nguyên tố hợp kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN và tiêu chuẩn ΓΟCT Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn TCVN3104-79

Bảng 1.3 Một số mác thép hợp kim thấp có độ bền cao theo tiêu chuẩn Nga

Bảng 3.4 thành phần hóa học của mác thép A558 theo tiêu chuẩn ASTM

Bảng 1.5: Thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép HSLA theo SAE

Bảng 1.6: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C Bảng 1.7: Cơ tính của các mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572-88C

Bảng 1.8: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573 -89 Bảng 1.9: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573-89

Bảng 1.10: Thành phần hóa họccủa một số mác thép ASTM A633-90

Bảng 3.11: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A633-90

Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G319-88

Bảng 1.13: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319-88

Bảng 1.14: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G3128-87

Bảng 1.15: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn GB 1591- 94 Bảng 1.16: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn GB1591- 94

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở trạng thái cơ bản và ở vùng hàn

Hình 1.2 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép HSLA a.As-rolled; b tempered at 200°C; c

tempered at 400°C; d tempered at 600°C; e tempered at 700°C.

Hình 1.4 Tổ chức tế vi của thép HSLA-340 đã ram

Hình 1.5 Tổ chức tế vi của thép HSLA cán nguội, tôi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SMAW : Shielded metal arc welding

GTAW : Gas–tungsten arc welding

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nước

Phá hủy kết cấu hàn đã được quan tâm từ lâu Đánh giá độ bền và độ ổn định của kết cấu hàn định kỳ sau một thời gian sử dụng là một yêu cầu rất quan trọng, nhằm phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn Thực tế Việt Nam, tại các Công

ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Công ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Công ty Rượu, bia và nước giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện bằng tuabin khí,… quá trình phá hủy của các chi tiết, cụm chi tiết có mối ghép hàn là điều đáng lo ngại

2 Tính cấp thiết :

- Xây dựng bài Thí nghiệm phục vụ cho công tác đào tạo của Bộ môn Công nghệ Kim loại, Khoa Cơ Khí Máy, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM tương lai gần

3 Mục tiêu:

- Nghiên cứu các tính chất cơ học của mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học

công nghệ kim loại

4 Cách tiếp cận:

- Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài

5 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thực tế

- Nghiên cứu tài liệu

- Thực nghiệm

6 Đối tượng nghiên cứu:

- Mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

- Chỉ tiêu cơ tính độ dai va đập

7 Phạm vi nghiên cứu:

- Một số tính chất cơ học của mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

8 Nội dung nghiên cứu :

- Khái niệm chung về thép hợp kim thấp độ bền cao

- Các chỉ tiêu cơ tính dưới tải trọng tĩnh và tải trọng động

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra độ dai va đập mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng q uan về thép hợp kim thấp độ bền cao

1.1.1 Khái niệm chung

Thép hợp kim thấp có độ bền cao (Thép HSLA: High Strength Low Alloy Steel)

là nhóm thép hợp kim có hàm lượng cacbon thấp và hàm lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim chẳng hạn như: Mangan, Silic, nhôm, vanadi, titan, molipden, đồng, … Do các đặt điểm như vậy nên chúng có các đặc tính chất như: độ bền và độ dai va đập cao, có tính hàn tốt Độ bền cao được sinh ra do chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên

tố hợp kim có hàm lượng nhỏ hơn 0.1% Giới hạn chảy của chúng lớn Nhờ vậy nhóm thép này có các thông số yêu cầu về độ dẻo, độ dai, tính hàn và tính chống ăn mòn rất tốt Hàm lượng các thành phần nguyên tố hợp kim được điều chình tùy vào yêu cầu làm việc của từng loại thép

Thép HSLA có thể được chia thành sáu loại sau:

- Thép hợp kim thấp Ferite – Pearlite: có chứa bổ sung rất nhỏ (bé hơn 0,1%) cacbite mạnh hay carbonitride hình thành như Nb, V, Ti, để tăng cường độ bền, làm mịn hạt

- Thép cán Pearlite: bao gồm thép C - Mn nhưng cũng có thể bổ sung lượng nhỏ nguyên tố hợp kim khác để tăng cường độ bền, dẻo dai và tính hàn

- Thép Ferrite hình kim: (cacbon thấp bainite) cacbon thấp (ít hơn 0,05% C) đ ộ bền cao, (690 MPa) khả năng hàn và tính dẻo dai tốt

- Thép song pha:trong đó có một cấu trúc tinh thể của mactenxit phân tán trong

ma trận Ferite và tạo một hợp chất có độ dẻo và độ bền kéo cao

- Thép tạo hình: bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim Ca, Zr, Ti để cải thiện tính dẻo dai của thép

1.1.2 Thành phần hóa học và Cơ tính theo tiên chuẩn của một số Quốc gia

 Tiêu chuẩn Viê ̣t Nam

TCVN 1659 – 75 quy định phương pháp biểu thi ̣ mác thép Ký hiệu mác thép HSLA gồm hai phần : 2 chữ số đứng đ ầu biểu thị hàm lượng cacbon trung bình theo phần va ̣n và ký hiê ̣u chỉ nguyên tố hợp kim đứng sau thường là Mn , Cr, Si, Ni,… Nếu hàm lượng hợp kim khoảng 1% thì sau nguyên tố hợp kim không có chữ số , nếu vươ ̣t quá 1.5% thì thêm số 2

Ví dụ: thép 12MnSi – thép chứa cacbon trung bình 0.12%, hàm lượng Mn khoảng 1% và hàm lượng Si khoảng 1%

 Tiêu chuẩn Nga (Liên Xô cũ)

Tiêu chuẩn Viê ̣t Nam biểu thi ̣ mác thép gần giống tiêu chuẩn của Nga (tiêu chuẩn ΓΟCT) Sau đây là bảng biểu thi ̣ tên nguyên tố hợp kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN và tiêu chuẩn ΓΟCT (Trang 130 Sổ tay mác thép thế giới)

Bảng 1.1: Ký hiệu nguyên tố hợp kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN và tiêu chuẩn ΓΟCT

Ký hiệu theo tiêu chuẩn ΓΟCT

Tên nguyên tố hơ ̣p kim

Ký hiệu theo tiêu chuẩn TCVN

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn TCVN3104-79

Mác thép

Hàm lƣợng (%)

C Si Mn Crmax Nimax Cumax Pmax Smax Nguyên tố

khác Thép kết cấu hợp kim

≤0,12 0,12÷0,18 0,11÷0,16 0,12÷0,18

0,17÷0,37 0,17÷0,37 0,25÷0,55 0,50÷0,80 0,50÷0,80 0,17÷0,37 0,40÷0,70 0,40÷0,70

0,7÷1,0 1,4÷1,5 1,2÷1,6 0,5÷1,2 1,3÷1,7 0,9÷1,2 0,9÷1,2 0,4÷0,7

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,5÷0,8 0,6÷0,9

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3÷0,6

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2÷0,4

0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

V: 0,05÷0,1

Thép làm cốt bêtông 33MnSi

20CrMn2Z

0,30÷0,37 0,19÷0,26

0,6÷0,9 0,4÷0,7

0,8÷1,2 1,5÷1,7

0,3 0,9÷1,2

0,3 0,3

0,3 0,3

0,04 0,04

0,045 0,045

Zr:

0,07÷0,14

Bảng 1.3 Một số mác thép hợp kim thấp có độ bền cao theo tiêu chuẩn Nga

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025

 Theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ

Theo tiêu chuẩn SAE qu y đi ̣nh về phương pháp biểu thi ̣ mác thép , trong đó thép HSLA đươ ̣c ký hiê ̣u như sau :

- Chữ số thứ nhất là số

- Hai chữ số tiếp theo là giới ha ̣n chảy tối thiểu theo đơn vi ̣ K

- Tiếp theo là chữ cái A , B, C, D hoă ̣c X để phân biê ̣t các thành phần khác nhau

trong nhóm mác có cùng giới ha ̣n chảy

Theo tiêu chuẩn ASTM thì biểu thi ̣ thép HSLA như sau

- Chữ thứ nhất là Grade

- Hai chữ số tiếp theo chỉ giới ha ̣n chảy tối thiểu theo đơn vi ̣ Ksi hoă ̣c các chữ cái

A, C, D, E

- Theo tiêu chuẩn ASTM có các mác thép như A656, A690, A709, A715, A808, A812, A841, A871, A242, A440, A441, A529, A588, A606, A607, A618… (trang 512 sổ tay mác thép thế giới)

Bảng 1.4 thành phần hóa học của mác thép A558 theo tiêu chuẩn ASTM

Ni 0.5÷0.7 Ti0.03 ÷0.05 Cr0.4 ÷0.7

Ni 0.4

Mo 0.1 Nb0.005÷0.05

Bảng 1.5: Thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép HSLA theo SAE

Bảng 1.6: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C

>630 Kg/m

1,35 1,35 1,35 1,65 1,35

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

0,15÷0,40 0,15÷0,40 _ _ _

Mác thép

Hàm lƣợng (%)

R0,2 (min, Ksi)

1,35 1,00 1,40 1,35 1,30 1,30 1,60 1,60 1,35 1,35 1,45 1,45 1,65 1,65

0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90

0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040

0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050

Bảng 1.7: Cơ tính của các mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572-88C

Grade

(mm)

Mẫu 50 (mm)

Grade 65

Grade 70

0,23 0,24 0,27

0,23 0,26 0,28

0,60÷0,90 0,85÷1,20 0,85÷1,00

0,04 0,04 0,04

0,050 0,050 0,050

0,10÷0,35 0,15÷0,40 0,15÷0,40

Bảng 3.9: Cơ tính của một số má c thép theo tiêu chuẩn ASTM A573-89

ASTM

(mm)

Mẫu 50 (mm) Grade 58

58÷71 65÷77 70÷79

Bảng 1.10: Thành phần hóa họccủa một số mác thép ASTM A633-90

100÷150 (mm)

1,0÷1,35 1,0÷1,6 1,15÷1,5

-

- 1,15÷1,5

0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05

0,15÷0,5 0,15÷0,5 0,15÷0,5

0,05

- 0,01÷0,0

5

-

- 0,04÷0,11

- 0,35

-

- 0,25

-

- 0,25

-

- 0,08

-

Bảng 3.11: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A633-90

ASTM

R0,2 (min) MPa

Rm (min) MPa

A (min)

% dày ≤

(mm)

dày ≤ 65 (mm) ≤ 100 (mm) ≤ 160 (mm) Mẫu 200

(mm)

Mẫu 50 (mm) Grade A

430÷570 450÷590 550÷690

-

- 515÷655

 Tiêu chuẩn Nhật Bản

Tiêu chuẩn Nh ật JIS quy đi ̣nh phương pháp biểu thi ̣ mác thép gồm ba phần :

- Chữ cái thứ nhất biểu thi ̣ thép S (Steel)

- Chữ cái thứ hai biểu thi ̣ công dụng H (Hot rolling) cán nóng

- Ba chữ số tiếp theo biểu thi ̣ giá tri ̣ thấp nhất của đô ̣ bền Ngoài ra các mác thép đôi khi có thể có thêm ký hiê ̣u biểu thi ̣ hình da ̣ng vâ ̣t liê ̣u thép , phương pháp

chế ta ̣o và nhiê ̣t luyê ̣n P (Plate) thép tấm, S thép băng

Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G319-88

2,0 1,8

0,030 0,035

0,03 0,03

0,4 0,4

0,15 0,15

Bảng 1.13: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319-88

(MPa)

Rm (min) (MPa)

A (%) SH590P

Bảng 1.14: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G3128-87

0,55 0,55 0,55

0,030 0,030 0,015

0,025 0,025 0,015

0,50 0,50 0,50

- 0,70÷1,50 0,70÷1,50

1,20 0,80 0,80

0,60 0,60 0,60

0,10 0,10 0,10

0,005 0,005 0,005

Cơ tính của cả 3 mác thép SHY-685, SHY685N, SHY685NS đều đảm bảo:

R0.2 ≥ 685 Mpa

Rm ≥ 785 MPa(Trích từ sổ tay mác thép thế giới trang 294)

 Tiêu chuẩn Trung Quốc

Bảng 1.15: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn GB 1591- 94

0.80 ÷ 1.50 0.80 ÷1.50

0.55 0.55

0.045 0.040

0.045 0.040

0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02

0.20 0.20 0.20 0.18 0.18

1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60

0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

-

-

0.015 0.015 0.015

0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00÷1.60 1.00÷1.60 1.00 ÷1.60

0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

-

-

0.015 0.015 0.015

0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

1.00 ÷ 1.70 1.00 ÷ 1.70 1.00÷1.70 1.00÷1.70 1.00 ÷ 1.70

0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

-

-

0.015 0.015 0.015

Q460

C

D F

0.20 0.20 0.20

1.00 ÷ 1.70 1.00 ÷ 1.70 1.00 ÷ 1.70

0.55 0.55 0.55

0.035 0.030 0.025

0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.02 0.02 0.02

0.015 0.015 0.015

Bảng 1.16: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn GB1591- 94

Độ giãn dài δ (%)

Độ dai va đập Uốn cong 108o

C

≤ Akv/J ≤ 16 >16÷10

0

B

295 295

275 275

255 255

235 235

390 ÷ 570

390 ÷ 570

23 23

- +20

- 34

295

295

295

295 295

275

275

275

275 275

- +20

0 -20 -40

-

34

34

34 27

390

390

390

390 390

370

370

370

370 370

350

350

350

350 350

0 -20 -40

0 -20 -40

Theo tiêu chuẩn GB 1591 – 94 thì mác thép HSLA được biểu thị như sau : Chữ cái đứng đầu mác thép là chữ cái “Q” , chữ số đứng sau chỉ giá trị giới hạn chảy thấp nhất( Trang 179 Sổ tay sử dụng mác thép thế giới)

 Theo tiêu chuẩn Đức

Tiêu chuẩn DIN 17006 quy đi ̣nh phương pháp biểu thi ̣ mác thép theo đô ̣ bền của

vâ ̣t liê ̣u như sau : (trang 340 sổ tay mác thép thế giới)

- Chữ cái đầu tiên biểu thi ̣ phương pháp luyê ̣n hoă ̣c đă ̣c tính ban đầu :

Q: có thể dập nguội (có thể ép, có thể biến dạng nguội )

Z: có thể kéo chuốt

- Hai chữ cái tiếp theo là St (Stahl) và theo sau là giá trị độ bền kéo (MPa)

Bảng 1.16: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn DIN

0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

1.3 1.5 1.4 1.6 1.6 1.7 1.8 2.1 1.2 1.4 1.5 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7

~ 1.55

0.03 0.025 0.03 0.25 0.25 0.25 0.25 0.025 0.025 0.025 0.03 0.025 0.03 0.025 0.03 0.03 0.035

0.03 0.02 0.03 0.015 0.015 0.015 0.015 0.02 0.02 0.02 0.03 0.015 0.03 0.015 0.03 0.03 0.035

0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015

- 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.025

0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.06 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09

-

0.22 0.15 0.22 0.15 0.15 0.15 0.15 0.22 0.15 0.15 0.22 0.15 0.22 0.15 0.22 0.22 0.2

- 0.2

- 0.2 0.2 0.2 0.2

- 0.1 0.1

- 0.1

- 0.1

-

-

-

1.1.3 Tổ chức tế vi điển hình

Hình 1.1 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở trạng thái cơ bản và ở vùng hàn

Hình 1.2 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép HSLA a.As-rolled; b tempered at 200°C; c tempered

at 400°C; d tempered at 600°C; e tempered at 700°C

Hình 1.4 Tổ chức tế vi của thép HSLA-340 đã ram

 Những năm gần đây, Tổng Công Ty Thép Việt Nam ở phía nam đã sản xuất và cung cấp cho thị trường một số mác thép cốt bê tông HSLA như :SD390 theo tiêu chuẩn JIS G 3112-1987.Gr60 theo tiêu chuẩn ASTM A615/A615M-96

 Một số chi tiết trong ô tô

Hình 1.6 Một số bộ phận của một chiếc xe CADILLAC sử dụng thép HSLA

(4) Đoạn ray ở khoan trước của xe,(11) Nút dự phòng trong khung điều khiển, (17) Ray thay thế bên dưới thân xe, (18) Đoạn ray bên dưới phía sau xe, (20) Ray thay thế

Hình 1.7 (a) bánh xe,(b) hệ thồng giá đỡ với cấp độ cao, (c) các biên dạng khác nhau dùng trong ôtô, (d) trục khuỷu, (e) khung xe tải, (f) cột buồm cung cấp cho máy phát điện gió

1.2 Các chỉ tiêu cơ tính dưới tải trọng tĩnh

Các chi tiết máy, các kết cấu trong xây dựng đa phần được làm từ kim loại hoặc hợp kim như thép, nhôm, gang, kẽm, titan, đồng… Trong phần này mô tả các đặc trưng quan trọng của vật liệu có ảnh hưởng đến việc thiết kế ban đầu

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 đổi tương ứng về chiều dài (biến dạng) được theo dõi và ghi lại liên tục trong suốt quá trình thí nghiệm 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 của các kim loại được xác định

1.2.1 Giới hạn bền kéo

Điểm cao nhất của đường cong ứng suất-biến dạng được gọi là giới hạn bền

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 đ ầu 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 dụng điểm cao nhất của đường cong như là giới hạn bề n kéo, mặc dù nó là giá trị nhỏ hơn

1.2 2 Giới hạ n chảy,

Một 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 ( ) Thuộc tính này chứng

tỏ rằng thực tế vật liệu bị chảy hay 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 giới hạn chảy Đây là đặc thù của thép cacbon thông thường

Hình 2.2 chỉ ra dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu như nhôm hoặc titan hoặc thép có độ bền cao Chú ý rằng nó không có điểm giới hạn chảy,

nhưng vật liệu thực tế có giới hạn chảy tại hoặc gần mức ứng suất Điểm

đó được xác định bởi phương pháp offset, theo đó một đường thẳng được vẽ song song với phần đoạn thẳng của đường cong và lệch sang phải một đoạn bằng biến dạng dư, thường là 0.20% biến dạng Giao điểm của đường thẳng đó

và đường cong ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy của vật liệu

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 giới hạn chảy

1.2.3 Giới hạ n 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 giá trị giới hạn tỉ lệ, có thể áp dụng định luật

Húc: ứng suất tỉ lệ bậc nhất với biến dạng Trong thiết kế cơ khí, vật liệu rất ít

khi được sử dụng ở mức ứng suất trên giới hạn tỉ lệ

1.2.4 Giới hạ n 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 thôi tác dụng 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 ít khi được đưa

ra

1.2.5 Môđun đàn hồi kéo, E

Với phần đoạn thẳng của giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ bậc

nhất với biến dạng, và giá trị của môđun đàn hồi E là một hằng số tỉ lệ

Đây là độ dốc của phần đoạn thẳng trên giản đồ Môđun đàn hồi thể hiện độ cứng của vật liệu, hay là khả năng chống lại biến dạng

1.3.1 Biến dạng đàn hồi

Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị mất đi sau khi bỏ lực tác dụng bên ngoài Đặt tải trọng vào sẽ gây ra sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử của mạng tinh thể, như đơn tinh thể kim loại có mạng lập phương ở trạng thái biến dạng đàn hồi-dẻo có kiểu mạng chính phương (lập phương kéo dài)

Hình 2.3 Biến dạng dẻo của mạng tinh thể

a) Mạng tinh thể ban đầu,

b) Mạng tinh thể khi chịu tải trọng P

c) Mạng tinh thể sau khi bỏ tải trọng

Đối với kim loại và hợp kim trong vùng đàn hồi, giữa ứng suất và biến dạng có quan hệ tuyến tính tương ứng với quy luật tỉ lệ thuận theo công thức 2.1

Gọi hệ số tỉ lệ E là môđun đàn hồi pháp tuyến, nó bằng tang góc nghiêng của đường

thẳng biểu diễn biến dạng đàn hồi trong hệ tọa độ ứng suất pháp – độ giãn dài

Hình 2.4 Giản đồ biến dạng đàn hồi

Giá trị môđun đàn hồi của các kim loại khác nhau là khác nhau và phụ thuộc vào bản chất kim loại, kiểu mạng và thông số mạng tinh thể

1.3.2 Biến dạng dẻo

Tải trọng đặt lên vật liệu lớn hơn giới hạn đàn hồi sẽ làm cho vật liệu biến dạng dẻo, biến dạng dẻo đặc trưng ở chỗ là sau khi bỏ tải trọng vật liệu có độ biến dạng dư

E = tg

Trong quá trình biến dạng dẻo, sức cản biến dạng của kim loại luôn tăng lên còn khả

năng biến dạng dẻo thì càng giảm đi, hiện tượng này được gọi là “biến cứng”

Biến dạng dẻo thực hiện bằng cách trượt

những lớp mỏng kim loại theo những mặt tinh

Hình 2.5 Các mặt trượt (tô đen) và các phương trượt (chỉ bằng các mũi tên)

Ví dụ: mạng lập phương thể tâm có 2 phương trượt là 2 đường chéo của hình chữ nhật ABCD, còn lập phương diện tâm có 3 phương trượt là ba cạnh của tam giác ABC

Hệ số trượt: dùng để đánh giá khả năng trượt của mạng tinh thể, ký hiệu là H,

được tính như sau:

H = (số mặt trượt x số phương trượt)/ 1 mặt trượt

Ví dụ: Mạng lập phương thể tâm: H = 6 x 2 = 12 (Fe…)

Mạng lập phương diện tâm: H = 4 x 3 = 12 (Cu, Al…)

Mạng lục giác: H = 1 x 3 = 3 (có tính dòn: Zn)

Hệ số trượt càng nhiều thì tính dẻo càng cao Khi có cùng hệ số trượt thì loại mạng nào

có số phương trượt trên một mặt trượt nhiều hơn thì dẻo hơn

Ứng suất trượt: Ứng suất tiếp trên mặt trượt và theo phương trượt mới gây ra

quá trình trượt Giả sử tiến hành kéo đúng tâm một phân tố đơn tinh thể hình trụ bằng lực P Lực kéo P tạo với pháp tuyến mặt trượt đã cho góc và phương trượt một góc Ứng suất tiếp trên phương trượt là: