Bài Tập Lớn Vật Liệu Học pptx

Bài Tập Lớn Vật Liệu Học
I. Nội dung.
Cho chi tiết có yêu cầu cơ bản :
Trục cam động cơ ô tô. Đường kính Ø40mm, hình dạng phức tạp,chịu ứng
suất uốn và ứng suất tiếp xúc và mài mòn bề mặt.
Trục cam động cơ ô tô.
Câu 1: Điều kiện làm việc của chi tiết.
Trục cam làm việc trong động cơ ô tô, trong cơ cấu điều phối xupap nạp và
xupap xả. Trong quá trình làm việc, bề mặt cam luôn luôn tiếp xúc với các
xupap trong quá trình pittong làm việc.Vì động cơ hoạt động nhiều, khi chạy
với tốc độ cao thì pittong phải hoạt động liên tục với tộc độ rất lớn.Điều đó
cũng đồng nghĩa các cơ cấu cung cấp cho nó cũng phải hoạt động với tốc độ
lớn. Trục cam động cơ được chế tạo và làm việc phải luôn tiếp xúc với
xupap. Từ điều kiện làm việc ta có thể thấy ngay được chi tiết:
+ Làm việc ở tốc độ cao.
+Chịu tải trọng va đập
+Chịu mài mòn bề mặt
+ Ứng suất bề mặt tiếp xúc lớn
Vậy yêu cầu cơ tính của trục cam là :
+ Độ bền cao: để đảm bảo chi tiết làm việc lâu dài và chính xác vì đây là
một chi tiết quan trọng.
+ Độ dai va đập: đảm bảo độ tin cậy trong quá trình làm việc,chịu va đập.
+ Độ cứng bề mặt cao : để đảm bảo cho bề mặt cam chống được mài mòn
trong quá trình tiếp xúc liên tục với các xupap.
Ngoài ra, trục cam có hình dạng phức tạp nên yêu cầu tính công nghệ cao.Để
đảm bảo sản xuất hàng loạt thì yêu cầu phải chọn vật liệu phù hợp,giá thành
chi phí rẻ.
Câu 2
a) Dựa vào yêu cầu về cơ tính, hình dáng phức tạp, đường kính của chi tiết
trục cam Ø40, ta chọn vật liệu chế tạo trục cam là thép hoá tốt có mác:
40XHM theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga

Em chọn mác thép này vì: chi tiết trục cam làm việc trong điều khiện chịu
tải trọng động cũng như tải trọng va đập liên tục, ngoài ra do làm việc ở tốc
độ cao nên bề mặt cam cần có khả năng chịu mài mòn cao. Hình dạng của
trục cam phức tạp nên ta phải chọn thép thấm Cacbon hoặc là thép hoá tốt.
Trục cam là một chi tiết quan trọng, liên quan đến sự hoạt động của xe cũng
như người điều khiển xe nên ta chọn vật liệu chế tạo trục cam là thép hoá
tốt. Đường kính trục trung bình nên ta chọn thép hoá tốt: crôm- niken
thường. Ta chọn mác thép 40XHM còn loại trừ được hiện tượng giòn ram
loại II.
Bảng thành phần hoá học(%) của thép 40XHM và một số thép tương đương
T.chuẩn Mác thép C Mn Cr Ni Mo P
max
S
max
Khác
max
ГOCT 40XHM 0,36-
0,40
0,5-
0,80
0,45-
0,75
1-1,4 0,20 0,035 0,025
0,17-0,37
Si
Cu<0,3
AISI/SA
E
8640 0,38-
0,43

0,75-
1,00
0,4-
0,6
0,4-
0,7
0,15-
0,25
0,035 0,04
0,15-
0,30 Si
JIS SNCM43
9
0,39 0,8 1,00 2,00 0,25 0,03 0,03 -
TCVN
Câu 3:
Thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào trong thép các
nguyên tố hợp kim một lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện
tính chất( cơ, lý, hóa).
Lượng hợp kim đưa vào phải có hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho
từng nguyên tố hợp kim( không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) như
sau:
Mn ≥ 0,80-1,00% Si ≥ 0,50-0,80% Cr ≥ 0,50-0,80%,
Ni ≥ 0,50-0,80% W ≥ 0,10-0,50% Mo ≥ 0,05-0,20%,
Ti ≥ 0,10% Cu ≥ 0,30% B ≥0,0005%.
Nhỏ hơn giới hạn trên các nguyên tố hợp kim được coi là tạp chất. Tuy
nhiên các giới hạn trên cũng chỉ là quy ước và không cứng nhắc một cách
quá chặt chẽ.
Lượng hợp kim đưa vào ảnh hưởng mạnh đến thép làm cho thép hợp kim
có các đặc tính vượt trội so với thép cacbon có cùng thành phần cacbon.

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cơ tính:
Thép hợp kim có tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có độ bền cao
hơn so với thép cácbon:
- Độ bền của thép hợp kim chỉ được phát huy khi qua nhiệt luyên tôi+
ram: khi không qua nhiệt luyện tôi+ ram độ bền của thép hợp kim
không cao hơn thép cácbon bao nhiêu.
- Ưu việt của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và
lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ(≤20mm)
ưu viêt này không thể hiện được do thép cácbon cũng tôi thấu được
với tiết diện như vậy.
- Do tính thấm tôi tốt nên thép hợp kim dùng môi trường tôi chậm (
dầu) nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cácbon luôn phải
tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi( do
đòi hỏi về độ bền) đều phải dùng thép hợp kim.
- Khi tăng mức độ hợp kim hoá làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ
cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp
kim cần thiết chỉ vừa đủ, không nên dùng thừa. Do vậy nguyên tắc
chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc vào kích
thước( tiết diện).
Ảnh hưởng của nguyển tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện:
Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến quá trình nhiệt luyện, đặc
biệt là tôi và ram.
- Chuyển biến khi nung nóng để tôi:
Các thép hợp kim thông thường vẫn có tổ chức peclit, nên khi nung nóng
để tôi vẫn có các chuyển biến pha: peclit -> austenit, cácbit hoà tan vào
austenit, hạt austenit phát triển song có các điểm đặc trưng sau:
+ sự hoà tan cacbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn thỏi gian giữ
nhiệt lâu hơn so với xêmetit trong thép cácbon.
+ Cacbit hợp kim do khó hoà tan vào austenit, nằm ở biên giới hạt, như
hàng rào giữ cho hạt nhỏ. Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh

với V, tượng đối mạnh với W, Mo. Riêng thép có Mn lại có khuynh
hướng làm to hạt austenit. Các nguyên tố hợp kim còn lại Cr, Ni, Si, Al
được coi là trung tính. Chính vì vậy thép hợp kim thường giữ được hạt
nhỏ hơn thép cácbon khi cả hai cùng bị nung nóng ở cùng nhiệt độ.
- Sự phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội: Khi toà tan vào
austenit, tất vả các nguyên tố hợp kim( trừ Co) với các mức độ khác
nhau đểu là chậm tốc độ phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội
tức là làm đường cong chữ “C” dịch sang phải do đó làm giảm tốc
độ tôi tới hạn V
th
.
- Độ thẩm tôi: Do làm giảm V
th
, các nguyên tố hợp kim( trừ Co) khi
hoà tan vào austenit để làm tăng độ thắm tôi.
Như thấy rõ từ hình vẽ, do đường cong chữ “C” trong thép hợp kim dịnh
sang phải nên có V
th2
< V
th1
của thép cácbon, tương ứng ta luôn có độ
thấm tôi của thép hợp kim luôn cao hơn thép cácbon.
Nhờ hiệu quả này trong thép hợp kim có thể xảy ra các trường hợp sau
mà ta không thể gặp ở thép cacbon:
+ V
th
bé đến mức nhỏ hơn cả V
nguôi
của lõi, do đó sau khi tôi lõi cũng có
tổ chức mactenxit, đây là trường hợp tôi thấu.

+ V
nguôi
trong không khi cũng lớn hơn V
th
, do đó thường hoá cũng đạt
được tổ chức mactenxit, đó là hiện tượng tự tôi.
độ thấm tôi tăng lên sẽ có hai hiệu quả chính sau đây:
1, Hiệu quả hoá bền bề mặt, đặc biệt khi tôi thấu sẽ đạt tới cơ tính cao và
đồng nhật trên toàn tiết diện, nâng cao mạnh sức chịu tải của chi tiêt.
2, Khi tôi có thể dùng cả môi trường nguội chậm mà vẫn đạt được
mactenxit như tôi trong dầu, trong muối nóng chảy( phân cấp hay đẳng
nhiệt).
- Chuyển biến mactenxit: khi hoà tan vào austenit, các nguyên tố hợp
kim( trừ Co, Al, Si) đều hà thấp nhiệt độ chuyển biến austenit thành
mactenxit, do đó làm tăng austenit dư khi tôi.
- Chuyển biến khi ram:
Nói chung các nguyên tố hợp kim hoà tan trong mactenxit đều có sự phân
hóa của các pha này khi ram hay nói cụ thê là làm tăng các nhiệt độ
chuyển biến khi ram. Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng như sau:
+ Năng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng.
+ Do khuyếch tán khó khăn cacbit tạo thành rất phân tán và nhỏ mịn, làm
tăng tính cứng và tính chống mài mòn, được gọi là hoá cùng phân tán. Sự
tăng cứng khi ram thép hợp kim ở nhiệt độ thích hợp làm cho austenit dư
-> mactenxit và cacbit tiết ra ở dạng phân tán, nhỏ mịn được gọi là độ
cứng thứ hai.
+ Cùng ram hay làm việc ở một nhiệt độ, thép hợp kim bao giờ cững có
độ cứng, độ bền cao hơn. Điều này cũng có nghĩa để cùng đạt độ cứng độ
bền như nhau, phải ram thép hợp kim ở nhiệt độ bao hơn nên khử bỏ
được ứng suất bên trong nhiều hơn vì thế thép có thể đảm bảo độ dai tốt.
Câu 4:

a) Xác định các nhiệt độ quan trọng của thép 40XHM:
- Nhiệt độ chảy hoàn toàn:
- Nhiệt độ ủ:
- Nhiệt độ thường hoá:
- Nhiệt độ tôi:
b) Dùng giản đô Fe-C, xác định thép cacbon có cùng thành phần cacbon:
Giản đồ Fe-C
c) Đối với thép cacbon vừa xác định được ta xác định nhiệt độ ủ, nhiệt
độ thường hoá, nhiệu độ tội:
- Thép có 0,40% cacbon là thép trước cùng tích nên chọn phương pháp ủ
hoàn toàn có nhiệt độ ủ là:
T
ủ
=Ac
3
+(20÷30°C)= 770+(20÷30°C)=790÷800°C.
Với việc ủ hoàn toàn ở nhiệt độ trên thi sẽ đảm bảo cơ tính cho chi tiết.
- Nhiệt độ tôi: T
T
=A
c3
+ (20÷30°C)
-> T
T
=800÷820°C
Với quá trình tôi ở nhiệt độ như vậy sẽ làm xuất hiện austenit, sau đó làm
nguội nhanh để đạt được tổ chức mactenxit hay các tổ chức không ổn định
khác với độ cứng cao. Sau đó là nguyên công ram với nhiệt độ khoảng
500÷600°cacbon để giảm giòn thép, giảm ứng suất bên trong đạt tổ chức
mactenxit ram. Tuy độ cứng bị giảm đi song lại đạt được sự kết hợp tốt nhất

của các chỉ tiêu cơ tính: độ bền, độ dẻo, độ dai…
- Thường hoá: vật liệu thép có 0,40% C có nhiệt độ thường hoá trên nhiệt
độ 775°C( khoảng 800÷830) để đảm bảo tổ chức đểu là tổ chức austenit, sau
đó làm nguội trong không khí.
d) Tổ chức tế vi đạt được khi làm nguội chậm qua các điểm tới hạn và
phần % các pha thành phần có trong tổ chức tế vi:
- Dựa vào giảm đồ pha Fe-C, ta nhận thấy khi làm nguội chậm vật lệu
thép có 0,40% C qua các điểm tới hạn ta nhận được các tổ chức:
+ ở nhiệt độ trên 1500°cacbon, tổ chức hoàn toàn là lỏng;
+ làm nguội qua nhiệt độ 1500°C đến 1430°C, từ pha lỏng xuất hiện
austenit, tổ chức nhận được là (L+ γ).
γ: là dung dịch ráng xen kẽ của cacbon trong Fe
γ
với mạng lập phương
tâm mặt với lượng hoà tan đáng kể cacbon. γ có tính dẻo rất cao và rất mềm.
+ làm nguội qua nhiệt độ 1430°C đến 770°C ta thu được hoàn toàn là
austenit.
+ làm nguội qua nhiệt độ 770°C đến 727°C, Ferit(α) bắt đầu được tiết ra
khôi austenit, hỗn hợp thu được gồm (α+ γ)
α: là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe
α
với mạng lập phương
tâm khối. α chính là sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền.
+ làm nguội xuống dưới 727°C, tổ chức của thép có 0,40% C có tổ chức
là F+P.
- Xác định thành phần trăm các pha:
+ ở nhiệt độ dưới 727°C: lúc này vật liệu gồm hai pha F và P(F+Xe).
Từ giản đồ pha ta có:
1
1

40,0
40,0
40,0
40,08,0
==
−
=
P
F
%50%%
==→
FP
Ta lại có:
1
675,15
40,0
27,6
40,0
40,067,6
==
−
=
Xe
F
→
%94100*
675.16
675.15
% ==F
→

%6100*
675.16
1
% ==Xe
+ ở nhiệt độ trên 727°C, tổ chức thu được gồm 2 pha α+ γ:
xét tại t=750°C.
từ giảm đồ pha ta có: ở nhiệt độ 750°C cánh tay đòn cách đường γ ở điểm
có %C là 0,65%.
8
5
40,0
25,0
40,0
40,065,0
==
−
=
γ
α
→
%46,38100*
13
5
% ==
α
→
%54,61100*
13
8
% ==

γ
+ ở nhiệt độ 775 đến 1430°C thì tất cả pha chuyển thành γ.
+ ở nhiệt độ trên 1430°C hơn hợp thu được gồm γ+L:
xét tại nhiệt độ t=1450°C
Từ giảm đồ pha ta có: đường t=1450°C cắt đường L ở điểm có %C=1,0
và cắt đường γ ở điểm có %C=0,3
1
7
10,0
70,0
30,040,0
40,01,1
==
−
−
=
L
γ
→
%5,87100*
8
7
% ==
γ
→
%5,12100*
8
1
% ==L
xét tại nhiệt độ t=1460°C

Từ giảm đồ pha ta có: đường t=1460°C cắt đường L ở điểm có %C=0,9
và cắt đường γ ở điểm có %C=0,2
3
5
30,0
50,0
20,040,0
40,090,0
==
−
−
=
L
γ
→
%5,62100*
8
5
% ==
γ
→
%5,37100*
8
3
% ==L
Theo chiều tăng của nhiệt độ lượng pha L tăng lên, lượng pha γ giảm đi.
Khi đến nhiệt độ 1500 thì pha γ bị hoá lỏng hết nghĩa là vật liêu thép có chứa
0,40%C bị hoá lỏng hoàn toàn( chỉ còn một pha).
Câu 5:
a) Trục cam được chế tạo trên máy phay.

b) Để già công được trục cam bằng vật liệu 40XHM ta tiến hành các
bước nhứ sau:
- Từ phội thép ban đầu ta tiến hành cắt, ren dập nóng để tạo ra phôi.
- ủ hoàn toàn với mục đính:
+ làm nhỏ hạt.
+ làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt.
Khi nung nóng để ủ hoàn toàn ta được austenit đồng nhất nên khi làm
nguội sẽ phân hoá ra tổ chức ferit –peclit, trong đó peclit ở dạng tắm.
Nguyên công này là nguyên công chuẩn bị để tiến hành gia công cắt tạo
hình cho chi tiết.
- Sử dụng máy phay tiến hành gia công cắt thô gần đạt kích thước trục
cam Ø40.
- Tôi trục để đạt được các mục đính:
+ năng cao độ cứng và tính chống mài mòn.
+ năng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết cam.
Khi tôi, austenit chuyển biến thành mactenxit đây là dung dịch răng xen
kẽ quá bão hoà cacbon trong Fe
α
với nồng độ cacbon như của austenit, có
kiểu mạng chính phương tâm khối và có độ cúng cao. Mactenxti có độ cứng
cao( do cacbon hoà tan xen kẽ làm xô lệch mạng tinh thể của săt) dẫn đến
năng cao tính chống mài mòn, song mactenxit lại có tính giòn cao. Để đảm
bảo cơ tính tổng hợp ta tiến hành ram cao.
- Ram cao:
Nhiệt độ khi ram cao là 5004650, tổ chức đạt được là xoocbit ram.
- Gia công tinh trục cam đạt kích thước yêu cầu.
- Tôi bề mặt băng phương pháp tôi cao tần:
Độ quá nhiệt cao nên tốc độ chuyển biến pha khi nung rất nhanh, thời
gian chuyển biến ngắn, hạt austenit rất nhỏ mịn nê khi tôi được kim
mactenxit rất nhỏ.

Vậy cuối cùng tổ chức của thép là: bề mặt- mactenxit hình kim nhỏ min,
lõi- xoocbit ram.
- Ram thấp: là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150-
250°C, tổ chức đạt được là mactenxit ram là tổ chức không kém mactenxit
tôi song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong.
- Mài sủa là nguyên công cuối cùng để hoàn thiện sản phẩm.
Qua 9 nguyên công nhiệt luyên, gia công cơ khi ta sẽ thu được trục cam
với cơ tính thoả mãn các yêu cầu đặt ra.
d) Khi cần thay thế ta có thể sự dụng các loại thép 40XH, C40,40X hay
40XΦA. Ta chọn những loại thép này vì chúng có cùng hàm lượng C nên
công nghệ nhiệt luyên tương tự. Do vậy khi cần thay thế vật liệu thi không
cần thay đổi quá nhiểu công nghệ nhiệt luyện, quy trình gia công, không đỏi
hỏi phải thay thế các trang thiệt bị sản xuất.