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

Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
- Trong nghành cơ khí: Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy
cắt kim loại, vỏ hộp giảm tốc bằng kết cấu hàn, khung, sườn xe, máy,...

Đường ống thủy điện. Vỏ máy ép bemco.
Hình 1.3. Sản phẩm thép tấm trong cơ khí.
- Trong nghành cơ khí ôtô:
Việc sử dụng thép tấm
không thể thiếu được. Nó
được sử dung làm khung,
sườn, gầm ôtô, lót sàn ôtô,
che kín thùng xe, và các bộ
phận che chắn khác.
- Trong chế biến thực
phẩm: Thép tấm được sử
dung rộng rãi không kém,
nó được dùng để chế tạo
các thùng chứa, bể chứa,
hộp đóng gói,... -
Trong các nghành nghề khác: Thép tấm dùng để chế tạo ra các thùng đồ dùng dân
dụng phục vụ đời sống hay trong nghành hàng không thép tấm được dùng để che chắn,
làm cửa máy bay, nắp đậy thân máy bay, tên lửa,...
Với nhu cầu sử dụng thép tấm rộng lớn như vậy, cần thiết phải có những máy cắt
thép tấm với năng suất cao, với độ chính xác cao, được điều khiển tự động hoặc bán tự
động đủ khả năng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền công nghiệp nói riêng
cũng như nền kinh tế nói chung, góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hóa
đất nước.
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 6
Hình 1.4. Vỏ ôtô được làm từ thép tấm
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẮT KIM LOẠI

Cắt kim loại là phương pháp gia công bằng áp lực bằng cách dùng ngoại lực tác
dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, làm cho kim loại đạt quá giới hạn đàn
hồi, kết quả làm thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên
tục và độ bền của chúng. Cắt kim loại là chia phôi ra thành tấm, dải, mảnh...theo biên
dạng đã được định sẵn. Quá trình cắt xảy ra từ biến dạng đàn hồi khi có lực tác dụng,
sau đó biến dạng dẻo cùng với sự tăng lực tác dụng và các vết nứt xuất hiện và gặp
nhau theo hướng cắt và tách rời tấm phôi.
2.1. LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG DẺO KIM LOẠI
Dưới tác dụng của ngoại lực, kim loại biến dạng theo các giai đoạn sau: Biến dạng
đàn hồi, biến đạng dẻo và phá huỷ.
Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở các
mức độ khác nhau dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng
Biểu đồ biến dạng khi thí nghiệm kéo đứt kim loại như sau:
Hình 2.1.
Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và độ biến dạng dài tuyệt đối
∆
l.
Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn P
đh
thì độ biến dạng tăng theo đường bậc nhất, đây
là giai đoạn biến dạng đàn hồi: Biến dạng sẽ bị mất đi nếu ta bỏ tải trọng tác dụng.
Khi tải trọng tăng từ P
đh
→ P
đ
thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây là giai
đoạn biến dạng dẻo, kim loại sẽ bị biến đổi hình dạng và kích thướt sau khi bỏ tải
trọng tác dụng lên nó.
Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất P
đ

thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết
nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thướt vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị
phá huỷ. Đó là giai đoạn phá huỷ: Tinh thể kim loại bị đứt rời.
2.1.1. Biến dạng đàn hồi
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 7
Âäü biãún daûng
âh
â
P
P
P
âh
â
Taíi
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị biến
dạng. Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn
đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng, nếu thôi
tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu .
Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực, ứng suất là
phản lực tính trên một đơn vị diện tích. Ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là
ứng suất pháp σ, gây biến dạng ε. Ứng suất tiếp τ sinh ra xê dịch góc γ. Ứng suất pháp
3 chiều (ứng suất khối) làm biến dạng thể tích
v
v
∆
.
Biến dạng đàn hồi có thể do ứng suất pháp hoặc do ứng suất tiếp sinh ra như sơ đồ
sau :
Hình 2.2. Biến dạng đàn hồi

Đối với nhiều vật liệu, quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi
được mô tả bằng định luật Hooke :
Phương trình cơ sở của lý thuyết đàn hồi:

εσ
.E
=
( cho kéo và nén ) ( 2.1 )

γτ
.G
=
( cho xê dịch ) (2.2 )
Trong đó : E : modun đàn hồi của vật liệu
G : modun đàn hồi trượt
Và P = - k.
v
v
∆
(đối với ép 3 chiều ) ( 2.3 )
Với k =
[ ]
)21(3
µ
−
E
( 2.4 )
Với G =
[ ]
)21(2

µ
+
E
( 2.5 )
Vậy biến dạng đàn hồi của kim loại có nghĩa là các nguyên tử trong mạng tinh thể
tác động qua lại với nhau bằng lực hút và lực đẩy. Nếu lực tác dụng chưa đủ để sinh ra
ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu thì kim loại trở lại trạng thái cân bằng,
hay ở giai đoạn này quá trình cắt kim loại chưa xảy ra.
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 8
σ
σ
τ
τ
σ
1
σ
σ
σ
3
σ
1
σ
2
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
2.1.2. Biến dạng dẻo
Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị biến
dạng dẻo do trượt và song tinh.
Hình 2.3. Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể
Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn
lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt.

Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt, vừa quay đến một vị trí
mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh. Các nguyên tử
kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỷ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh .
Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng
dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi
nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu. Các mặt
trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất. Biến dạng dẽo do song tinh gây
ra rất bé nhưng khi có song tinh, trượt xẩy ra thuận lợi hơn.
Biến dạng dẽo của đa tinh thể: Kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh
thể, cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể. Ở đây biến dạng dẽo có hai
dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng biên giới hạt. Sự biến dạng trong
nội bộ hạt do trượt và song tinh. Đầu tiên sự trượt xẩy ra ở các hạt có mặt trượt tạo
với hướng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 45
0
, sau dó mới đến các mặt
khác. Như vậy biến dạng dẽo trong kim loại đa tinh thể xẩy ra không đồng thời và
không đều. Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến
dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối nhau. Do sự trượt và quay của các hạt,
trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới, giúp cho biến dạng trong kim
loại tiếp tục phát triển.
Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá
trình kim loại bị phá huỷ (hay quá trình kim loại bị cắt đứt).
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 9
a
b
c
d
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại, vì ảnh hưởng của các nhân tố như: nhiệt
độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát

ngoài, vv... nên làm cho bên trong kim loại sinh ra ứng suất dư, ngay cả sau khi thôi
tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại.
2.1.1.3. Phá hủy
Quá trình biến dạng tăng dần với một mứt độ nào đó kim loại sẽ bị phá huỷ, đây
là dạng hỏng nghiêm trọng và không thể phục hồi được.
Cơ chế của quá trình phá huỷ: đầu tiên hình thành và phát triển các vết nứt từ kích
thướt siêu vi mô đến vi mô, đến vĩ mô (bị phá huỷ).
a. Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh
+ Phá huỷ dẻo: Là phá huỷ có kèm theo sự biến dạng dẻo với mứt độ tương đối
Phá huỷ dẻo xảy ra với tốc độ nhỏ và cần nhiều năng lượng nên ít nguy hiểm. Điều
kiện cần thiết cho phá huỷ dẻo xảy ra là biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất kéo ba
chiều trong vùng co thắt cục bộ .
+ Phá huỷ giòn: Hầu như không có biến dạng dẻo vĩ mô kèm theo, xảy ra tức thời
nên khá nguy hiểm. Bề ngoài mặt khi phá huỷ thường vuông góc với ứng suất pháp
lớn nhất nhưng bề mặt vi mô thì có thể là theo các mặt phẳng tinh thể xác định (mặt vỏ
giòn) ở bên trong mỗi hạt.
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá huỷ là: nhiệt đô, tốc độ biến dạng và sự tập
trung ứng suất.
Ứng suất cần thiết để phát triển vết nứt:






=
C
E
s
c

.
2
π
γ
σ
( 2.6 )
Trong đó :
E : mođun đàn hồi của vật liệu.

s
γ
: Sức căng bề mặt.
C : Kích thước đặc trưng của vết nứt ban đầu.
b. Phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ (phá huỷ mỏi)
Cơ chế của phá huỷ mỏi cũng xảy ra bằng cách tạo thành và phát triển vết nứt. Sự
phá huỷ mỏi phụ thuộc vào yếu tố: ứng suất tác động, số chu kỳ tác động của tải trọng,
yếu tố tập trung ứng suất.
c. Phá huỷ ở nhiệt độ cao
Sự tạo nên vết nứt có thể theo cơ chế sau: các hạt trượt lên nhau theo biên giới
hạt, có tập trung ứng suất tạo nên vết nứt. Thực chất quá trình biến dạng dẻo của kim
loại nó ảnh hưởng lớn đến lực cắt do vậy ta nguyên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến
nó.
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 10