Giáo án thiết kế cơ khí - Chương 2 pot

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
2.5 Thép cácbon và thép hợp kim
2.6 Các chế độ nhiệt luyện thép
2.7 Thép không gỉ
2.8 Thép kết cấu
2.9 Thép dụng cụ
2.10 Gang
2.11 Kim loại bột
2.12 Nhôm
2.13 Hợp kim kẽm
2.14 Titan
2.15 Đồng, đồng thau, đồng thanh
2.16 Hợp kim niken
2.17 Nhựa
2.18 Vật liệu compozit
2.19 Lựa chọn vật liệu
Tài liệu tham khảo
Địa chỉ internet
Bài tập
39
Tổng quan
Nội dung thảo luận
 Bạn cần nắm
được tính chất
của các vật liệu

để có thể đưa ra
các giải pháp
thiết kế hiệu quả
và để trao đổi
với những người
cung cấp vật
liệu, nhân viên
chế tạo.
Tìm hiểu
Quan sát các sản phẩm tiêu dùng, máy công nghiệp, ô tô, và máy xây
dựng
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 sử
dụng loại vật liệu đó?
Xem các bảng phụ lục, và tham khảo sau khi bạn học về các loại vật
liệu điển hình.
Chương này tổng kết đặc điểm thiết kế của các loại vật liệu khác
nhau. 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 rõ
được chức năng của các bộ phận, loại và độ lớn của các tải trọng tác dụng, và môi trường làm
việc. Khi lựa chọn vật liệu cần chú ý đến các đặc trưng vật lí và cơ học và chọn cho phù hợp với
yêu cầu. Đầu tiên cần lưu ý đến các nhóm vật liệu sau:
Kim loại và hợp kim của chúng Chất dẻo Compozit
Vật liệu đàn hồi Gỗ Gốm và thuỷ tinh
Mỗi nhóm trên bao gồm một số lượng lớn các loại vật liệu cụ thể với các đặc trưng thay đổi trong

một phạm vi rộng. Tuy nhiên, với kinh nghiệm của mình bạn có lẽ cũng biết về tính chất chung và
ứng dụng điển hình của từng loại . Hầu hết các ứng dụng được nhắc đến khi thiết kế các chi tiết
máy 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 vật
liệu mà người thiết kế đã chọn. Khi là một người thiết kế, bạn cần phải hiểu vật liệu sẽ làm việc
thế nào, những tính chất nào của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết và bạn sẽ
giải thích thế nào với một số lượng lớn các thông số có được về các tính chất của vật liệu. Năng
lực 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, người
dùng máy, và các chuyên gia đảm bảo chất lượng, thường có tác động lớn đến sự thành công của
thiết 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 các
phán 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
40
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 sản
phẩm trên?
Đưa ra một vài ứng dụng của chất dẻo, mô tả các dạng sẵn có và các dạng được làm ra bởi
các quá trình sản xuất khác nhau. Những sản phẩm nào được tạo ra bởi quá trình ép chất dẻo, tạo
chân không, đúc thổi, và các phương pháp khác? Bạn có thể chỉ ra các chi tiết được làm từ vật liệu
compozit, 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 đặc
trưng 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 liệu
trong các giải pháp thiết kế hơn là tập trung vào quá trình luyện kim hay thành phần hoá học của

vật liệu. Một điều cần lưu ý khi sử dụng các thông tin trong chương này là chú giải của các thuật
ngữ; các thuật ngữ quan trọng được in nghiêng. Ngoài ra có nhiều phần tham khảo từ phụ lục 3
đến 13, ở đó có các bảng thông số về những đặc trưng của vật liệu. Giở đến đó ngay bây giờ để
thấy được các loại thông số được cung cấp. Khi đó bạn có thể nghiên cứu các bảng chi tiết hơn so
với chỉ đọc phần chữ. Lưu ý rằng nhiều bài tập trong sách và các dự án thiết kế mà bạn hoàn
thành 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 cỏ
phẳng hoặc nghiêng.
Điều kiện làm việc: Hầu hết là trên cỏ, mặt
cứng, và đất mềm. Có thể tưới nước, bón phân

cho cỏ, và các điều kiện làm việc ngoài trời
nói chung. Mang tải trọng trung bình. Cần có
một 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 mòn
tốt.
Phương pháp chế tạo: đúc ép phun chất
dẻo
Trục bánh xe
41
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
với đoạn dự trữ để lắp ráp các bánh xe và vỏ.
Yêu cầu độ bền, độ cứng, khả năng chống ăn
mòn trung bình.
Phương pháp chế tạo: gia công cắt gọt ttừ
các thanh hình trụ.
Vỏ
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, độ
dai, 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. Làm
việc an toàn khi va phải các đối tượng bên
ngoài 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 có
khả năng mài sắc một phần của lưỡi cắt để
đảm bảo cắt sạch cỏ. Duy trì được độ sắc bảo
đảm 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 khả
năng 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 của
các 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.
42
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 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.
Giới hạn bền kéo s
u
Điểm cao nhất của đường cong ứng suất-biến dạng được gọi là giới hạn bền kéo (s
u
), 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 dụng
điểm cao nhất của đường cong như là giới hạn bền kéo, mặc dù nó là giá trị nhỏ hơn (thận trọng
hơn).
43
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 (s
y
). 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 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 titan
hoặc thép có độ bền cao. Chú ý rằng nó không có điểm rão, nhưng vật liệu thực tế có giới hạn

chảy tại hoặc gần mức ứng suất s
y
. 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 (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 s
y
, dù rằng vật liệu có điểm rão thực sự hay là sử dụng phương
pháp offset.
Hình 2-1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép
44
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 liệu
rất 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 ít
khi 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 =
ε
σ
(2-1)

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.
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 dễ
dàng, và hư hỏng đột ngột là hiếm khi xảy ra. Và các vật liệu dẻo thường chịu được tải trọng tuần
hoàn trên các chi tiết máy tốt hơn là các vật liệu giòn.
45
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 thí
nghiệm. Trước thí nghiệm các điểm đo được đặt lên thanh, thường cách nhau 2.00 in. Sau khi
thanh bị đứt, hai phần được nối lại với nhau như cũ, và chiều dài cuối cùng giữa hai điểm đo được
xác định. Độ giãn dài tỉ đối là sự khác nhau giữa chiều dài sau cùng và chiều dài ban đầu chia cho
chiều dài ban đầu, tính theo %. Tức là:
Độ giãn dài tỉ đối: độ giãn dài tỉ đối =
%100
0
0
×
−
L
LL
f
(2-2)
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% hoặc
cao 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 s
ys
và s
us
) đều là đặc trưng
quan trọng của vật liệu. Tuy nhiên các giá trị này lại rất ít khi được đưa ra. Chúng ta sẽ sử dụng
các ước lượng sau đây:
Ước lượng cho s
ys
và s
us
: s
ys
= s
y
/2 = 0.50 s
y
= giới hạn chảy khi cắt (2-3)
s
us
= 0.75 s
u
= giới hạn bền khi cắt (2-4)
Hệ số poatxông

ν
Khi vật liệu chịu tác dụng dẫn đến biến dạng kéo có sự co ngắn tương ứng của kích thước
mặt 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 ν, kí tự Hi Lạp nuy (kí tự Hi Lạp muy, µ, đôi khi cũng
được dùng cho hệ số này). Hệ số poatxông được minh hoạ trong hình 2-4. Khoảng giá trị phổ biến
của 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. Có
một liên hệ rất đơn giản giữa E, G, và hệ số poatxông:
Môđun đàn hồi trượt
( )
ν
+
=
12
E
G
(2-5)
Công thức này phù hợp trong miền đàn hồi của vật liệu.
46
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 từ
những thông số hình học đã biết của mẫu, có thể tính được ứng suất và biến dạng. Tỉ lệ của ứng
suất với biến dạng cho ta môđun đàn hồi uốn. Tiêu chuẩn ASTM D 790
1
đưa ra một phương pháp

hoàn chỉnh. Chú ý rằng các giá trị này khác một cách đáng kể so với môđun đàn hồi kéo vì ứng
suất trong mẫu là tổ hợp của ứng suất kéo và nén. Thông số này dùng để so sánh độ cứng của các
loại 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 cứng
Rockwell thường được dùng cho các chi tiết máy. Với thép, máy thử độ cứng Brinell dùng một
viên 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 chia
47
cho diện tích mặt lõm. Giá trị của HB trong phạm vi xấp xỉ 100 với thép cácbon thấp, ủ và lên đến
hơn 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 tải
trọng là 500 kg.
Máy thử độ cứng Rockwell dùng bi thép tôi đường kính 1/16in, tải trọng là 100 kg lực với
kim loại mềm, và kết quả độ cứng thu được dưới dạng Rockwell B, R
B
, hoặc HRB. Với kim loại
cứng hơn, ví dụ như thép hợp kim đã xử lí nhiệt, sử dụng thang đo Rockwell C. Tải trọng 150 kg
lực được đặt lên mũi thử kim cương (mũi kim hình côn) tạo ra vết lõm dạng nón cầu. Độ cứng
Rockwell C thường kí hiệu dưới dạng R
C
hoặc HRC. Ngoài ra còn nhiều thang đo Rockwell khác
được sử dụng.
Thang đo Brinell và Rockwell dựa trên các tham số khác nhau dẫn đến các con số hoàn
toàn khác nhau. Tuy nhiên, khi sử dụng cả hai cách đo độ cứng, có một sự liên hệ giữa chúng, như
chú ý trong phụ lục 19. Một chú ý nữa cũng rất quan trọng, đặc biệt cho thép hợp kim có độ cứng
cao, có một liên hệ gần như tuyến tính giữa độ cứng Brinell và giới hạn bền kéo của thép, theo
công 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 vài
giá trị có cả hai thang đo HRB và HRC. Thông thường, HRB được dùng cho kim loại mềm và
phạm vi từ xấp xỉ 60 đến 100, trong khi HRC được dùng cho kim loại cứng hơn và phạm vi từ 20
đến 65. Sử dụng HRB trên 100 hoặc HRC dưới 20 là không được khuyến khích. Như trong bảng
2-1 chỉ là để so sánh.
Độ cứng của thép thể hiện độ bền mòn cũng như độ bền. Độ bền mòn sẽ được thảo luận
trong chương sau, đặc biệt chú ý đến răng của bánh răng.
Hình 2-5 Chuyển đổi độ cứng
48
Bảng 2-1 So sánh các thang độ cứng với giới hạn bền
Vật liệu và chế độ
Độ cứng Giới hạn bền
HB HRB HRC ksi MPa
1020 ủ 121 70 60 414
1040 cán nóng 144 79 72 496
4140 ủ 197 93 13 95 655
4140 OQT 1000
(tôi trong dầu)
341 109 37 168 1160
4140 OQT 700 461 49 231 1590
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 gia
công. Sẽ rất khó để xác định đặc trưng có thể đo được liên quan đến khả năng gia công, vì vậy khả
năng gia công thường được đưa ra dưới dạng các thuật ngữ so sánh, liên hệ giữa đặc tính của vật
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 vài
phương 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 ta
không 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 thể
được so sánh một cách định tính với nhau. Thiết kế cuối cùng sẽ được kiểm tra dưới các điều kiện
làm 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 vẽ
phác của mẫu tiêu chuẩn và phương thức đặt tải. Trong mỗi phương pháp, một quả lắc với khối
lượng lớn có đầu búa được thiết kế đặc biệt cho phép nó rơi xuống từ một độ cao đã biết. Búa tiếp
xúc với mẫu với một vận tốc cao tại điểm thấp nhất của cung quả lắc; vì vậy quả lắc có một động
năng đã biết. Trong thí nghiệm mẫu thường bị gãy do nhận một phần năng lượng từ quả lắc và
cho phép nó vượt qua vùng thử. Máy thí nghiệm được thiết kế để đo chiều cao cuối mà quả lắc đạt
được 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 đập
49
được chia cho chiều rộng thực tế của mẫu, và kết quả được đưa ra theo đơn vị N.m/m hoặc
ft.lb/in. Hơn nữa, một số nhà cung cấp và khách hàng có thể đồng ý kiểm tra vật liệu với bề mặt
vết khía cách búa xa hơn khoảng chỉ ra trong hình 2-6. Đó là một cách đo lường năng lượng va

đập 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. Tham
khảo tiêu chuẩn ASTM A 370 để có các thông số hình học của mẫu và phương pháp kiểm tra. Vết
khía ở phía đối diện vị trí tiếp xúc với búa. Mẫu như một dầm tựa đơn giản chịu uốn. Thí nghiệm
Charpy 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 đường
kính 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 về
việc vật liệu bị ảnh hưởng thế nào khi chịu va đập. Các thông số tổng hợp đưa ra thường là tải
trọng lớn nhất, độ võng của mẫu tại điểm có tải trọng lớn nhất, và năng lượng tán xạ đến điểm có
tải 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 phá
huỷ giòn hay phá huỷ dẻo.
Hình 2-6 Kiểm tra va đập sử dụng phương pháp Charpy và Izod.
50
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 (T
m
)
trong đó T
m
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 phản
ứng 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 đường
cong biến dạng từ biến - thời gian, tốc độ tăng biến dạng ban đầu tiến gần như theo đường thẳng
đứng 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 không
đổi, mẫu được nung nóng và giữ ở một nhiệt độ ổn định. Các số liệu về biến dạng ứng với thời
gian chỉ nhận được sớm nhất là từ giai đoạn từ biến thứ 2, và có thể phá huỷ mẫu hoàn toàn để xác
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 8). Đó là đồ thị của ứng suất và biến
51
dạng ứng với nhiệt độ xác định của mẫu. Các đường cong cho thấy biến dạng sẽ tăng lên trong
những khoảng thời gian xác định ứng với từng mức tăng ứng suất. Ví dụ, nếu vật liệu chịu ứng
suất không đổi là 5.0 Mpa trong 5000 giờ, biến dạng tổng sẽ là 1.0 %. Tức là mẫu sẽ giãn ra một
lượng là 0.01 lần chiều dài ban đầu. Nếu ứng suất là 10.0 Mpa trong 5000 giờ, biến dạng tổng sẽ
xấp xỉ là 2.25 %. Người thiết kế cần tính đến biến dạng từ biến này trong thiết kế để bảo đảm sản
phẩm 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 23

0
C (73
0
F) (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:
σ = F/A và δ = F.l/E.A
Xem 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:
Ứng suất
Diện tích mặt cắt ngang của thanh là
A = πD
2
/4 = π(5.0 mm)
2
/4 = 19.63 mm
2
===
mm
N
A
F
2
63.19
240
σ
12.2 N/mm

2
= 12.2 Mpa
52
Phụ lục 13 đưa ra giới hạn bền kéo của nylon 66 là 83 Mpa. Vì vậy thanh làm việc an
toàn.
Độ giãn:
Môđun đàn hồi kéo của nylon 66 trong phụ lục 13 là E = 2900 Mpa. Khi đó độ giãn ban
đầu sẽ là:
)63.19)(/2900(
)250)(240(
22
mmmm
N
mmN
EA
FL
==
δ
= 1.054 mm
Từ biến:
Nhìn hình 2-8 ta thấy rằng khi nylon 66 chịu ứng suất kéo là 12.2 Mpa trong 5000 giờ,
biến dạng tổng sẽ là 2.95 %. Điều đó tương ứng
ε = 2.95% = 0.0295 mm/mm = δ/L
Khi đó:
δ = ε.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 tục
trong một thời gian dài. Lúc đó chúng ta có thể tính mô đun đàn hồi qui ước, E
app
, cho vật liệu có

làm việc được 5000 giờ
E
app
= σ/ε = 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 2-9
chỉ ra so sánh giữa hiện tượng từ biến và nới lỏng. Với các ứng suất nhỏ hơn 1/3 giới hạn bền kéo
của vật liệu ở mọi nhiệt độ, môđun đàn hồi qui ước cho trường hợp từ biến hoặc nới lỏng với cùng
thời 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 kiểm
tra 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 điện
trở 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/m
3
theo SI và lb/in
3
theo Hệ Mĩ, trong đó đơn vị pound là đo
khối lượng. Kí tự Hi Lạp rô (ρ) là kí hiệu của khối lượng riêng.
53
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/m

3
theo SI và lb/in
3
theo hệ Mĩ, trong đó pound là đơn vị lực. Kí tự Hi Lạp gamma (γ) là kí hiệu cho trọng lượng
riêng.
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 α = Biến thiên chiều dài/(L
0
.∆T) = Biến dạng/(∆T) = ε/(∆T) (2-7)
Trong đó L
0
= chiều dài ban đầu
∆T = khoảng thay đổi nhiệt độ
Gần như tất cả các kim loại và chất dẻo đều giãn khi tăng nhiệt độ, nhưng các vật liệu
khác nhau sẽ có mức giãn khác nhau. Với các máy và kết cấu chứa các bộ phận với nhiều hơn một
loại vật liệu, sự khác nhau này có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lắp ráp và đến các ứng
suất 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 bên
trong phát ra, khả năng truyền nhiệt của các chi tiết hoặc của vỏ máy ảnh hưởng đến khả năng vận
hành của máy. Ví dụ, bộ giảm tốc trục vít bánh vít là trường hợp điển hình sinh nhiệt do ma sát
tạo ra bởi sự trượt của bề mặt tiếp xúc giữa trục vít và răng bánh vít. Nếu không được thoát đi một
cách đầy đủ, nhiệt có thể làm cho chất bôi trơn mất đi hiệu quả của nó, dẫn đến răng bánh vít bị
mòn nhanh.
54
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 (Ω.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 dẫn

điện 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 loại
kim loại và hợp kim. Mỗi hiệp hội có hệ đánh số riêng, phù hợp cho từng kim loại trong tiêu
chuẩn. Điều này dẫn đến sự nhầm lẫn ở một số thời điểm khi có sự trùng lặp giữa hai hoặc nhiều
tiêu 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 hợp
các 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
Nhóm số Các kim loại và hợp kim Tổ chức chịu
trách nhiệm
Kim loại và hợp kim màu
A0000l-A99999 Các loại nhôm và hợp kim nhôm AA
C00001-C99999 Các loại đồng và hợp kim đồng CDA
E00001-E99999 Các kim loại và hợp kim đất hiếm ASTM
L00001-L99999 Kim loại và hợp kim dễ nóng chảy ASTM
M00001-M99999 Kim loại và hợp kim màu hỗn hợp ASTM
N00001-N99999 Niken và hợp kim niken SAE
P00001-P99999 Kim loại quí và các hợp kim ASTM
R00001-R99999 Các kim loại và hợp kim chống và chịu lửa SAE
Z00001-Z99999 Kẽm và các hợp kim kẽm ASTM
Kim loại và hợp kim đen
D00001-D99999 Các loại thép; các đặc trưng cơ học được ghi rõ SAE
F00001-F99999 Gang và thép đúc ASTM
G00001-G99999 Thép cácbon và thép hợp kim (bao gồm cả thép cácbon
và thép hợp kim SAE)

AISI
H00001-H99999 Thép H; độ thấm tôi được ghi rõ AISI
J00001-J99999 Thép đúc (trừ thép dụng cụ) ASTM
K00001-K99999 Thép hỗn hợp và hợp kim sắt (II) ASTM
S00001-S99999 Thép chống nhiệt và ăn mòn (thép không gỉ) ASTM
T00001-T99999 Thép dụng cụ AISI
Các nhóm số cơ bản trong UNS được liệt kê trong bảng 2-2, cùng với đó là tổ chức chịu
trách nhiệm cho các số được kí hiệu trong mỗi nhóm.
55
Nhiều hợp kim trong UNS giữ lại các số quen thuộc từ các hệ thống đã sử dụng trong
nhiều năm bởi các hiệp hội khác nhau như là một bộ phận của UNS. Mục 2-5 đưa ra các ví dụ về
thép 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 hầu
hết các thép chế tạo máy. Nhiều kí hiệu của SAE sử dụng 4 số tương tự. Chúng tôi cũng sẽ sử
dụng 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, môđun
đàn hồi (độ cứng), hoặc độ giãn dài tỉ dối (độ dẻo) của một loại vật liệu với một chế độ nhiệt
luyện 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 của
những 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 cung
cấp riêng lẻ. Với những thông số như vậy, bạn sẽ thấy yên tâm rằng vật liệu thực tế được dùng
cho 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 lựa
chọn những vật liệu thực tế để kiểm tra nhằm xác định độ bền tối thiểu của chúng. Những kiểm
tra 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. Tuy

nhiên, khoảng 50% sẽ có giá trị nhỏ hơn, và trên thực tế sẽ ảnh hưởng đến sự tin tưởng của bạn
trong 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 trong
các 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 an
toàn nhất. Tuy nhiên, cần rất thận trọng vì trên thực tế hầu hết các vật liệu có độ bền lớn hơn đáng
kể.
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 các
giá trị tần suất mẫu thường được giả thiết là phân phối chuẩn. Nếu bạn sử dụng giá trị độ bền ở
mức một độ lệch chuẩn (1σ) 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 lệch
chuẩn là trên 99.99%.
Là người thiết kế, bạn cần xem xét cẩn thận độ tin cậy của các thông số được sử dụng. Sau
cùng, bạn nên đánh giá độ tin cậy của sản phẩm thu được bằng cách xét đến các thay đổi về đặc
trưng 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
56
Hình 2-10 Phân phối chuẩn của độ bền của vật liệu
Giả thiết phân phối độ bền
là chuẩn
Mức lệch
chuẩn
% còn lại
Trung bình 50%
-1σ 84%
-2σ 97%
-3σ 99.8%
-4σ 99.99%

2-5 Thép cácbon và thép hợp kim
Thép có lẽ là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong các chi tiết máy bởi vì các tính
chất của nó như độ bền cao, độ cứng cao, độ dẻo, và tương đối dễ chế tạo. Có nhiều loại thép
được sử dụng. Mục này sẽ thảo luận về cách sử dụng các kí hiệu thép và mô tả hầu hết các dạng kí
hiệu thường dùng.
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 kim
thép. Các tính chất khác chịu tác động là độ thấm tôi, độ dai, khả năng chống ăn mòn, khả năng
cắt gọt, và khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao. Các nguyên tố hợp kim quan trọng khác là lưu
huỳnh, phốt pho, silíc, niken, crôm, môlípđen, và vanadi.
Hệ thống kí hiệu
Hình 2-11 Hệ thống kí hiệu thép
57
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 những
ảnh hưởng đến đặc trưng của thép. Trên hình 2-11, hai số cuối chỉ hàm lượng cácbon tính theo
phần 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 cũng
tăng, 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 dụng
không đòi hỏi độ bền cao, thép cácbon thấp thường được lựa chọn. Nếu mòn xảy ra mạnh, thép
cácbon thấp có thể được thấm cácbon (như đã thảo luận trong mục 2-6) để tăng hàm lượng cácbon
trên 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 bề
mặt chịu sự mài mòn liên tục. Các dụng cụ, dao, mũi khoan, và nhiều bộ phận trong thiết bị nông
nghiệp 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 của
thép và chúng được thêm một lượng đáng kể vào các loại 11xx, 12xx, và 12Lxx. Những loại này
được sử dụng làm các chi tiết máy có ren yêu cầu số lượng sản xuất lớn, nhưng không phải chịu
ứng suất cao hoặc mài mòn. Trong một số hợp kim khác, các nguyên tố này được điều chỉnh
xuống 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 hầu
hết các thép hợp kim. Crôm cải thiện độ thấm tôi, khả năng chống mòn, độ bền nhiệt. Với hàm
lượng 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, độ
dẻo, 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 điển
hình của các hợp kim. Khi chọn vật liệu bạn nên tham khảo quyết định của các nhà thiết kế có
kinh nghiệm.
58
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
40xx Thép môlipđen: 0.25% Mo
41xx Thép crôm-môlipđen: 0.95% Cr; 0.2% Mo
43xx Thép niken-crôm-môlipđen: 1.8% Ni; 0.5% hoặc 0.8% Cr; 0.25% Mo
44xx Thép môlipđen: 0.5% Mo
46xx Thép niken-môlipđen: 1.8% Ni; 0.25% Mo
48xx Thép niken-môlipđen: 3.5% Ni; 0.25% Mo
5xxx Thép crôm: 0.4% 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
61xx Thép crôm-vanađi: 0.50%-1.10% Cr; 0.15% V
86xx Thép niken-crôm-môlipđen: 0.55% Ni; 0.5% Cr; 0.20% Mo
87xx Thép niken-crôm-môlipđen: 0.55% Ni; 0.5% Cr; 0.25% Mo
92xx Thép silíc: 2.0% Si
93xx Thép niken-crôm-môlipđen: 3.25% Ni; 1.2% Cr; 0.12% Mo
Bảng 2-4 Ứng dụng của một số loại thép
Số UNS Số AISI Các ứng dụng
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
G92600 9260 Lò xo
59
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 số
thép cácbon và thép hợp kim, bốn số của AISI là bốn số đầu trong kí hiệu của UNS. Số cuối cùng
trong 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 lò
điện, như AISI E52100, UNS kí hiệu là G52986. Thép có bổ xung chì để cải thiện khả năng cắt
gọt, và loại này có chữ cái L thêm vào giữa số thứ hai và thứ 3 của AISI ví dụ như AISI 12L14, và
theo UNS là G12144. Bổ xung nguyên tố bo cho ta một số loại hợp kim đặc biệt có độ thấm tôi
nâng cao. Ví dụ, hợp kim AISI 5160 là thép crôm và có kí hiệu UNS là G51600. Nhưng một loại
hợp kim tương tự là AISI 51B60, kí hiệu UNS là G51601, với nguyên tố bo được thêm vào
2-6 Các chế độ nhiệt luyện thép
Những tính chất cuối cùng của thép chịu ảnh hưởng mạnh bởi cách thức sản xuất. Một số
phương pháp đòi hỏi phải gia công cơ, ví dụ như cán hoặc kéo qua khuôn để được một hình dạng
cụ thể. Trong thiết kế cơ khí, nhiều chi tiết như thanh định hình, trục, dây, và các cấu kiện được
tạo ra theo cách này. Nhưng hầu hết các bộ phận máy đặc biệt hoặc bộ phận mang tải nặng đều
được nhiệt luyện để tạo ra độ bền cao với độ dai và độ dẻo chấp nhận được.
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 độ
thấp để tăng độ bền và chất lượng bề mặt. Thanh và dây kéo nguội có độ bền cao nhất trong các

dạng 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 gia
nhiệt), 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 RT
chỉ 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 cao
hơn 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 1500
0
F (822
0
C). Xem các
thông 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 xuống
dưới 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 cách
đáng 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
1000
0
F đến 1200
0
F (540
0
C-650

0
C), giữ nhiệt để đạt được sự đồng đều, và sau đó làm nguội chậm
trong không khí tĩnh xuống nhiệt độ phòng.
60
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 1600
0
F (870
0
C). Kết quả
làm 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 chức
của hợp kim. Một hợp kim chứa ít nhất 80% tổ chức là mactenxit tạo thành trên mặt cắt ngang là
loại 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 thép
chế 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
400
0
F đến 1300
0
F (200
0
C-700
0

C) và sau đó làm nguội chậm trong không khí xuống nhiệt độ
phòng. Quá trình này điều chỉnh các tính chất của thép: độ bền kéo và giới hạn chảy giảm với sự
tăng nhiệt độ ram, trong khi độ dẻo tăng lên, thể hiện bằng sự tăng độ giãn tỉ đối. Vì vậy người
thiết kế có thể điều chỉnh các tính chất của thép để đạt được các yêu cầu đã định. Hơn nữa, thép
sau khi tôi có ứng suất bên trong lớn và thường là rất giòn. Sau khi tôi các chi tiết máy thường
được ram ở 700
0
F (370
0
C) hoặc cao hơn.
61
Để minh hoạ cho tác động của ram đến tính chất của thép, một vài biểu đồ trong phụ lục 4
chỉ ra đồ thị độ bền và nhiệt độ ram. Trong các biểu đồ đó là giới hạn bền kéo, điểm chảy, độ giãn
dài tỉ đối, độ thắt tỉ đối, và độ cứng HB, tất cả được vẽ ra theo quan hệ với nhiệt độ ram. Chú ý sự
khác nhau về dạng của các đường cong và giá trị tuyệt đối của độ bền và độ cứng khi so sánh thép
cácbon thường AISI 1040 với thép hợp kim AISI 4340. Mặc dù cả hai đều có cùng một hàm
lượng 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 sử
dụng, 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 4340
OQT 1000 thể hiện rằng hợp kim được tôi trong dầu ở nhiệt độ 1000
0
F. Ở nhiệt độ ram 400
0
F

và
1300

0
F thể hiện các điểm giới hạn của các đặc trưng của hợp kim. Để xác định một độ bền giữa
các giới hạn đó, bạn có thể tham khảo đồ thị trong phụ lục 4, hoặc bạn có thể xác định quá trình
nhiệt luyện cần thiết từ các chuyên gia. Trong giáo trình này các thông số của vật liệu được nội
suy thô theo các giá trị đã có. Như đã lưu ý ở phần trước, bạn phải tìm kiếm số liệu cụ thể hơn cho
những 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 mặt
cao để chống lại mòn vì răng sẽ ăn khớp vài triệu lần trong suốt tuổi thọ mong muốn. Ở mỗi lần
tiếp 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 tiết
thì vẫn như cũ, có độ dẻo lớn hơn vỏ, chống lại va đập và mỏi. Các phương pháp thường sử dụng
nhất để tăng bền bề mặt là: tôi bằng ngọn lửa, tôi cao tần, thấm cácbon, thấm nitơ, xyanua hoá, và
thấm 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 bao
quanh 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 dây
cáp, và trục chịu tải trọng lớn)
Hầu hết các phương pháp thường dùng cho tăng bền bề mặt được liệt kê dưới đây
62
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 phần
bên 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 vật
liệu 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 độ
thấm tôi tốt. Thường thì kết quả của tôi cứng bề mặt là tạo ra một lớp vỏ cứng với HRC
trong khoảng 55 đến 60HRC (xấp xỉ 550 đến 650 HB). Thép cácbon và thép hợp kim có ít
hơn 0.30%C thường không đạt yêu cầu. Vì vậy, những thép có 0.40%C hoặc nhiều hơn
thường 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 chí
làm biến đổi thành phần của bề mặt vật liệu bằng cách đưa vào môi trường cácbon thể
khí, thể lỏng, hoặc thể rắn ở nhiệt độ cao làm cho cácbon khuếch tán vào bề mặt chi
tiết. Nồng độ và chiều sâu thấm của cácbon tuỳ thuộc vào bản chất của cácbon đem
thấm 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 năng
chống 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 thấm
cácbon. Chú ý khi đánh giá một vật liệu, các đặc trưng của lõi quyết định khả năng chống
lại các ứng suất chính, và độ cứng của vỏ thể hiện khả năng chống mòn của nó. Thấm
cácbon được dùng hợp lí sẽ tạo ra lớp vỏ có độ cứng từ 55 đến 64 HRC hoặc 550 đến 700
HB.
Có một vài kiểu thấm cácbon cho phép người thiết kế điều chỉnh các đặc trưng để đạt
được các yêu cầu định trước. Đưa môi trường cácbon đến nhiệt độ xấp xỉ 1700
0
F (920
0
C)

và thường giữ trong 8 giờ. Tôi ngay lập tức đạt được độ bền cao nhất, mặc dù lớp vỏ hơi
giòn. Chi tiết thường được làm nguội chậm sau khi thấm cácbon. Sau đó nung nóng lại chi
tiết đến nhiệt độ 1500
0
F (815
0
C) để tôi. Tiếp theo ram ở nhiệt độ khá thấp 300
0
F hoặc
450
0
F (150
0
C hoặc 230
0
C), để giảm ứng suất trong xuất hiện do tôi. Như đã nêu trong phụ
lục 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 450
0
F, 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.
63