Đồ án lựa chọn vật liệu bánh xe ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ KĨ THUẬT VẬT LIỆU

ĐỒ ÁN LỰA CHỌN VẬT LIỆU
BÁNH RĂNG Ô TÔ

Hà Nội, tháng 6 / 2021.


Chương 1. Giới thiệu về nguyên tắc lựa chọn vật liệu và công nghệ
1.1. Cơ sở lựa chọn vật liệu
1.2. Nguyên tắc lựa chọn các nhóm vật liệu
Chương 2. Lựa chọn vật liệu
2.1. Các bước thực hiện lựa chọn vật liệu
(Sử dụng phần mềm để lựa chọn vật liệu phù hợp)
2.2. Lựa chọn mác thép
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến mác thép
Chương 3. Xây dựng quy trình cơng nghệ nấu luyện và chế tạo
3.1. Quy trình cơng nghệ nấu luyện
3.1.1. Thiết bị
3.1.2. Quy trình cơng nghệ nấu luyện
3.2. Quy trình cơng nghệ tinh luyện
3.2.1. Thiết bị
3.2.2. Quy trình cơng nghệ
3.2. Quy trình cơng nghệ chế tạo
3.2.1. Thiết bị
3.2.2. Quy trình cơng nghệ
Chương 4. Xây dựng quy trình cơng nghệ xử lý nâng cao cơ tính và kiểm tra
4.1. Quy trình cơng nghệ xử lý nhiệt
4.1.1. Thường hóa
4.1.2. Thấm

4.1.3. Tơi cảm ứng
4.1.4. Ram
4.2. Các phương pháp kiểm tra vật liệu
4.2.1. Phân tích thành phần hóa học
4.2.2. Kiểm tra cơ lý tính
4.2.3. Kiểm tra tổ chức tế vi
Chương 5. Tối ưu hoá trong lựa chọn vật liệu
Chương 6. Kết luận
Tài liệu tham khảo
Chương 1. Giới thiệu về nguyên tắc lựa chọn vật liệu và công nghệ
1.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu
1.1.1. Nghiên cứu điều kiện làm việc của chi tiết


Tìm hiểu về điều kiện làm việc của chi tiết là bước xuất phát của bất cứ quy
trình lựa chọn vật liệu nào. Dựa vào điều kiện làm việc của vật liệu, người ta sẽ
quyết định việc lựa chọn vật liệu và xử lý vật liệu theo công nghệ phù hợp.
Phân tích về điều kiện làm việc cần đầy đủ, chính xác, khơng thiếu, khơng
thừa. Thiếu sẽ dẫn đến chi tiết không đáp ứng yêu cầu làm việc như trên, thừa sẽ
gây lãng phí.
1.1.2. Chọn vật liệu theo thành phần hố học
Trên cơ sở hiểu biết của mình về các vật liệu kỹ thuật, nhà thiết kế tiến hành
khoanh vùng các vật liệu có thể đáp ứng các yêu cầu làm việc trên. Từ lựa chọn sơ
bộ này, nhà thiết kế tiến hành phân tích ưu, nhược điểm của các vật liệu trong các
phương án đưa ra. Từ phân tich này, nhà thiết kế sẽ chọn được vật liệu hợp lý về
mặt kinh tế - kỹ thuật.
Đưa ra các thông tin cơ bản về thành phần hoá học của vật liệu chọn. Các
vật liệu theo tiêu chuẩn khác nhau có thể sai khác đơi chút về thành phần. Điều này
có thể do công nghệ chế tạo vật liệu, nguồn nguyên liệu hay do truyền thống sử
dụng vật liệu.

1.1.3. Chọn vật liệu theo độ cứng vững
a) Đặt vấn đề
Điều đầu tiên chúng ta phải quan tâm khi thiết kế một kết cấu là phải có đủ độ
cứng vững khi sử dụng. Độ cứng vững mà đảm bảo thì kết cấu sẽ khơng bị sụp đổ
vì khi thiết kế người ta đã tính đủ độ bền an tồn. Điều căn bản là xác định được
ứng suất trong vật liệu và mục tiêu mà lựa chọn cần hướng tới.
Chúng ta sẽ thực hiện các bước lựa chọn vật liệu bao gồm:
- Thiết lập các yêu cầu
- Lựa chọn vật liệu (dựa vào các ràng buộc)
- Tối ưu hoá

Tối ưu hoá phải dựa trên mục tiêu gọi là các chỉ tiêu hiệu năng. Một loại mục
tiêu mà chúng ta hay đề cập tới là cái tốt nhất, cái cần hướng tới có thể là cực tiểu
hoặc cực đại.
b)

Thực hành lựa chọn vật liệu và tối ưu hoá
Lựa chọn theo các yêu cầu kỹ thuật:


- Tối ưu hoá để chọn được vật các vật liệu có chỉ tiêu hiệu năng cao hơn. Mỗi loại
chi tiết với hình dạng và đặc điểm của tải trọng, ta có một hàm chỉ tiêu hiệu năng
riêng.
- Lựa chọn vật liệu có sự ưu tiên
=> Hai tiêu chí hay được dùng để tối ưu hoá khi lựa chọn vật liệu là nhẹ nhất và
rẻ nhất.
- Khơng có sự ưu tiên–hai chỉ tiêu có ảnh hưởng tương đương nhau: số lượng vật
liệu được chọn qua hai bước nhẹ nhất và rẻ phải tương đương nhau.
- Có sự ưu tiên: chỉ tiêu nào được ưu tiên thì đường đồng mức phải được nâng cao
hơn và do đó số lượng vật liệu được chọn qua bước đó phải nhỏ hơn.

c)
Kết luận
Độ cứng vững thích hợp là trọng tâm của thiết kế kết cấu, nó được thể hiện
qua độ võng cho phép. Độ cứng vững do kích thước, hình dạng tiết diện và bản
chất của vật liệu quyết định. Đặc trưng cho độ cứng vững là mô đun đàn hồi. Khi
chọn vật liệu người ta thường chọn phải có độ cứng vững đủ lớn tương ứng mô
đun đàn hổi đủ cao.
Độ cứng vững giúp tối ưu hoá nhiều mặt: cực tiểu khối lượng hoặc thể tích,
cực tiểu giá mua vật liệu. Chỉ tiêu hiệu năng là chỉ tiêu đánh giá hiệu quả sử dụng
vật liệu cho một mục đích xác định. Đối với mỗi mục đích sử dụng nhất định, vật
liệu có chỉ tiêu hiệu năng càng cao thì càng có lợi.
1.1.4. Chọn vật liệu theo độ bền
a)
Đặt vấn đề
Độ bền của vật liệu là chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất đảm bảo cho kết cấu
chịu được tải trọng, do đó thực hiện có kết quả chức năng của nó. Khi chọn vật liệu
theo giới hạn đàn hồi thì khơng những đảm bảo vật liệu có đủ độ bền mà cịn
khơng bị cong oằn. Tuy nhiên, trong thiết kế, trong một số trường hợp, người ta có
thể lợi dụng biến dạng để để tránh phá huỷ các phần khác của kết cấu. Khi đó, phải
điều khiển được biến dạng dẻo tại nơi mong muốn. Biến dạng dẻo để hấp thụ năng
lượng là một trong các hướng hay được dùng. Khi đó:
-Nơi khơng xảy ra biến dạng dẻo: phải hồn tồn khơng bị biến dạng dẻo


-Nơi xảy ra biến dạng dẻo: phải xảy ra hoàn tồn, nghĩa là địi hỏi tất cả đều phải
vượt giới hạn chảy. Khi đó cơ chế chảy dẻo phải được xác định và tải trọng tương
ứng phải tính tốn để biến dạng xảy ra đúng nơi cần thiết
Chỉ tiêu hiệu năng khi thiết kế theo giới hạn chảy
- Cực tiểu khối lượng – nhẹ nhất: cho dây hoặc thanh bền, nhẹ.
- Cực tiểu khối lượng của tấm: bền, nhẹ.

- Dầm nhẹ, bền: hiệu quả của hình dạng tiết diện.
- Cực tiểu giá hoặc thể tích vật liệu.
b)
Kết luận
Thiết kế đàn hồi là thiết kế để tránh biến dạng dẻo, nghĩa là tính tốn ứng suất
cực đại trong chi tiết chịu lực để khẳng định rằng ứng suất vẫn nhỏ hơn giới hạn
chảy của vật liệu.
Chỉ tiêu hiệu năng phụ thuộc vào mục tiêu của việc sử dụng vật liệu cần
hướng tới như: cực tiểu tối lượng, cực tiểu về giá trên cơ sở làm việc khác nhau.
Trong trường hợp cần biến dạng dẻo thì ứng suất phải vượt qua giới hạn chảy của
vật liệu. Lực vào công suất thiết bị tỷ lệ với giới hạn chảy dẻo của vật liệu.
1.1.5. Lựa chọn vật liệu theo tiêu chí an tồn khi vận hành chi tiết
a)

Đặt vấn đề
Dự báo phá huỷ đối với chi tiết hay kết cấu là việc khó và rất phức tạp. Phân
biệt độ bền và độ dai. Độ dai là khả năng chống lại phá huỷ.
b)

Độ bền và độ dai
Độ bền của vật liệu là khả năng chống lại biến dạng dẻo và phá huỷ dưới tác
dụng của ngoại lực, bao gồm giới hạn đàn hổi, giới hạn chảy và giới hạn bền.
Độ dai là khả năng chống lại sự xuất hiện và phát triển vết nứt dưới tác dụng
của tải trọng. Ta thấy vật liệu kim loại vừa có độ bền và độ dai cao, chúng giữ vai
trị chủ đạo trong kỹ thuật. Các hợp kim có độ bền cao nhưng cứng và giòn hơn.
c)

Kết luận
Độ dai là sức bền của vật liệu chống lại sự phát triển của vết nứt. Các kim loại
có độ dai lớn cho phép có mặt các vết nứt, hấp thụ và va đập và khơng gây sự cố.

Nếu có sự q tải, chúng sẽ biến dạng mà không phá huỷ.
Vật liệu có độ dai cao nghĩa là vết nứt phát triển hấp thụ nhiều năng lượng
trong vùng biến dạng dẻo ở đầu vết nứt. Vùng biến dạng dẻo ở đầu vết nứt càng


lớn thì dộ dai phá huỷ của vật liệu càng cao. Những vật liệu mà trong vùng biến
dạng dẻo có hình thành mầm xốp do tạp chất và các vết nứt kết nối với nhau tạo
thành vết nứt lớn thì làm sạch tạp chất sẽ cải thiện độ dai
1.1.6. Lựa chọn vật liệu theo độ bền mỏi
a)

Đặt vấn đề
Ứng suất lặp lại nhiều lần gây ra mỏi. Vật liệu bị mỏi nếu chịu ứng suất lặp đi
lặp lại nhiều lần và cuối cùng là phá huỷ. Ngay cả khi biên độ của các chu kỳ tải
trọng rất nhỏ thì vẫn có một phần nhỏ năng lượng bị mất hoặc bị tiêu hao đi. Nếu
biên độ của tải trọng mà lớn hơn thì đã bắt đầu gây ra sự tích tụ các tổn hại. Lúc
đầu chỉ gây ra tổn hại nhỏ ở mỗi chu kỳ, sau tăng dần tới khi đạt mức tới hạn và
vết nứt bắt đầu hình thành. Chu kỳ tải trọng liên tục làm cho vết nứt phát triển cho
tới khi phá huỷ đột ngột xảy ra. Phá huỷ mỏi xảy ra âm ỉ, dấu hiệu rất nhỏ như
chẳng có gì xảy ra rồi bất thình lình phá huỷ.
b)

Phá huỷ mỏi
Tải trọng rung với biên độ thấp thì không đủ gây thiệt hại cho vật liệu, nhưng
khi tăng biên độ thì vật liệu bắt đầu có hiện tượng mỏi. Ứng suất theo chu kỳ làm
biến cứng vật liệu. Các lệch có xu hướng tích tụ lại thành vết nứt. Vết nứt này phát
triển lên tới kích thước tới hạn thì gây phá huỷ.
c)

Nguyên nhân giảm chấn và mỏi

Giảm chấn của vật liệu: hệ số tổn thất cơ học
Có nhiều cơ chế giảm chấn trong vật liệu. Một vài nguyên nhân gắn liền với
hằng số thời gian riêng, tổn thất năng lượng do tần số đặc trưng. Nguyên nhân khác
là do sự hấp thụ năng lượng ở mọi tần số.
Phá huỷ mỏi và nứt: Trong vật liệu có các khuyết tật, các nhược điểm dù là
nhỏ nhất cũng có thể xuất hiện làm mầm mống cho phá huỷ. Khi ứng suất cơ bản
vẫn còn thấp hơn giới hạn chảy, nhưng do tập trung ứng suất, mà ở một vùng nào
đó vật liệu đã bị biến dạng dẻo. Chuyển động của lệch nị cản trở bởi những vùng
nhỏ gần nơi tập trung ứng suất đã đủ để gây hư hại. Những hư hại này phát triển
thành các vết nứt bé tẹo.
Mỏi với số chu kỳ cao: Ở chu kỳ kéo, một vùng biến dạng dẻo bé tẹo tạo
thành ở đầu vết nứt mở ra và do đó làm xuất hiện bề mặt mới. Ở chu kỳ nén, vết
nứt bị đóng trở lại và tạo thành dạng mới – bị oằn khi phát triển. Sang chu kỳ tiếp


theo, vết nứt cứ tí một tạo thành dạng loăn quăn đánh dấu mỗi chu kỳ chịu lực
tương ứng với một bước phát triển vết nứt. Những vết nhăn ở mặt vết nứt là dạng
đặc trưng của phá huỷ mỏi với số chu kỳ cao, được sử dụng để xác định vết nứt
xuất hiện từ đâu, tốc độ phát triển của nó như thế nào trong trường hợp có sự tranh
chấp.
Mỏi với số chu kỳ thấp: Ứng suất cao hơn và vùng biến dạng dẻo rộng hơn.
Vùng biến dạng dẻo có thể lan rộng ra tồn bộ mẫu như trường hợp ta gấp đi gấp
lại nhiều lần để bẻ gãy một thanh kim loại. Ứng suất lớn nhất ở đầu vết nứt, vùng
biến dạng dẻo là nơi sẽ xuất hiện các lỗ hổng, hợp lại thành các vết nứt.
d)

Biểu đồ lựa chọn vật liệu theo độ bền mỏi
Tuổi bền mỏi được nâng cao nhờ chọn vật liệu bền, chứa ít khuyết tật, tạo ứng
suất nén dư bề mặt.
Hợp kim siêu sạch:

Hiện nay, người ta đã chế tạo được các hợp kim có độ sạch cao loại hết các
tạp chất có thể sinh mầm mỏi. Các phân tích khơng phá huỷ cho phép phát hiện ra
các khuyết tật nguy hiểm để loại bỏ.
Tạo ứng suất nén dư bề mặt
Vết nứt phát triển chủ yếu ở chu kỳ ứng suất kéo. Ở chu kỳ nén làm khép vết
nứt lại. Phá huỷ mỏi thường khởi đầu từ bề mặt. Vì thế nếu trên lớp mỏng bề mặt
ta tạo ứng suất nén dư thì vết nứt khởi đầu từ bề mặt sẽ bị khép lại cho dù về tổng
thể chi tiết chịu ứng suất kéo. Ứng suất nén bề mặt có thể thực hiện bằng phun bi
gây biến dạng dẻo lớp bề mặt: tấm nhíp ơ tơ, máy kéo được tạo ứng suất nén dư
như bề mặt trên, nghĩa là làm việc tốt hơn khi được phun biến cứng, hiệu quả tăng
tuổi thọ lên năm lần.
d)

Kết luận
Các định luật xây dựng từ thực nghiệm để mô tả và nghiên cứu cơ chế phá
huỷ mỏi tuy khơng hồn tồn đúng nhưng đã đủ cho thiết kế nhằm giảm thiểu và
chế ngự được mỏi. Ngày nay ta đã khẳng định được rằng tải trọng chu kỳ là
nguyên nhân gây phá huỷ mỏi. Tải trọng chu kỳ làm tích luỹ dần các bất thường
trong cấu trúc vật liệu tạo ra mầm vết nứt, phát triển dần lên, cuối cùng gây phá
huỷ đột ngột. Mỏi là hiểm hoạ vì bình thường ta khơng nhận ra, vết nứt thì bé tẹo,
số lượng rất nhỏ khơng quan trọng gì, nhưng cứ âm ỉ phát triển, bề ngồi khơng có


hiện tượng gì nhưng cuối cùng phá huỷ xảy ra đột ngột. Về mặt vật liệu, áp dụng
các công nghệ tiên tiến để nâng cao giới hạn mỏi là rất cần thiết.
1.1.7. Chọn vật liệu chịu ma sát và mài mịn
a)
Đặt vấn đề
Các tính chất của ma sát thường liên quan đến các vật liệu khác nhau. Ví dụ,
một vật liệu trượt trên bề mặt của một vật liệu khác, bản thân vật liệu này lại trượt

lên vật liệu thứ ba. Khi đó số lượng các mối ràng buộc rất lớn, không đơn giản như
với một vật liệu.
b)

Vật lý ma sát và mài mòn
Ma sát: Vật liệu dù được mài và đánh bóng tới mức nào cũng khơng thể hồn
tồn nhẵn mà có độ nhàm nhất định. Độ nhám phụ thuộc cơng nghệ chế tạo: đúc
trong khn cát thì bề mặt rất nhàm, gia cơng cơ khí trên máy chính xác thì nhận
được bề mặt có độ nhẵn cao hơn nhiều nhưng khơng thể hồn tồn nhẵn.
Mài mịn: Mài mịn dính - là đặc trưng của mài mịn khi hai vật liệu tương tự
nhau tiếp túc và trượt lên nhau. Các nhấp nhơ trên cả hai bề mặt móc vào nhau
bong ra và dính lên mặt đối diện. Khi lực gây trượt đủ lớn, chúng lại bị cắt rời ra
gây nên mài mòn.
c)

Thiết kế và lựa chọn vật liệu chịu ma sát, mài mịn
Bơi trơn: chất bơi trơn chủ yếu là dầu nhờn có bổ sung các nhóm phân cực,
chúng bị giữ lại trên bề mặt kim loại dưới dạng lớp hấp thụ.
Ổ trượt: các loại vật liệu trong cặp trượt làm việc: thép, gang, latông, brông.
Các vật liệu này phải đủ bền để chịu được tải trong khi làm việc, phải bền ăn mịn
và đơi khi đảm bảo u cầu mỹ quan cho trường hợp sử dụng cụ thể. Ngồi ra,
chúng phải có tính bơi trơn động lực học đầy đủ cả khi chuyển động chậm cũng
như khi tải trọng ổn định.
Ổ lăn: gồm các viên bi hình cầu hoặc hình trụ được định vị và quay bên trong
hoặc ngồi vịng lót. Ứng suất tiếp xúc lớn nên u cầu vật liệu phải đủ cứng và
giới hạn mỏi tiếp xúc cao
Ma sát cao: vật liệu làm má phanh và khớp ly hợp: hầu hết phanh ơ tơ có lớp
vỏ phanh bằng amiawng đặc trộn với hạt hoặc sợi latông hoặc đồng để tăng bền và
dẫn nhiệt. Ngày nay, người ta sử dung compozit thay thế cho các vật liệu trên.

Chống mài mịn: vật liệu cứng thì tốc độ mài mòn nhỏ nhưng thường bị giòn.
Vật liệu mềm, trái lại, dẻo nhưng mài mòn nhanh. Để giảm mài mòn ta chọn vật
liệu dai và tạo lớp phủ cứng bề mặt bằng các công nghệ xử lý bề mặt.
d)

Kết luận
Khi hai bề mặt trượt lên nhau sẽ sinh lực ma sát và có sự mài mịn: khơng có
ma sát thì mọi chuyển động sẽ vĩnh cửu. Khơng có hiện tượng mài mịn thì tuổi thọ
của nhiều loại thiết bị cũng sẽ trở nên vĩnh cửu. Thực tế chúng ta phải biết cách lợi
dụng những mặt có ích và hạn chế những hậu quả xấu do chúng gây ra.
Khi đẩy trượt một bề mặt lên bề mặt khác thì lực ma sát chỉ phụ thuộc vào độ
lớn của lực pháp tuyến với phương chuyển động mà khơng phụ thuộc vào diện tích
tiếp xúc giữa hai bề mặt. Nguyên nhân sinh ra lực ma sát là do các bề mặt khơng
hồn tồn nhẵn, chúng chỉ tiết xúc mới nhau ở một số điểm nhất định.
Ma sát, mài mòn và ăn mòn gây thiệt hại cho kết cấu hơn bất kỳ nguyên nhân
nào khác. Chúng là cơ sở để xác định tuổi thọ của kết cấu, chúng sẽ còn tồn tại khi
kết cấu còn được sử dụng. Ngày nay, rất nhiều công ty cho ra đời nhiều sản phẩm
dựa vào khai thác mặt có lợi của chúng.
1.1.8. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện của vật liệu, sự biến đổi tổ chức
khi nhiệt luyện
Ba thông số quan trọng nhất của nhiệt luyện:
- Nhiệt độ nung nóng.
- Thời gian giữ nhiệt.
- Tốc độ nguội sau khi giữ nhiệt.
- Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:
- Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hố bền… là chỉ
tiêu gốc, cơ bản nhất.
- Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai.
- Độ cong vênh, biến dạng.

1.1.9. Cơng nghệ có thể áp dụng và phương án thay thế.
Phương pháp nấu luyện vật liệu: Tuỳ thuộc vào loại vật liệu lựa chọn, cơng
nghệ hiện có mà lựa chọn phương án nấu luyện phù hợp, kinh tế.
Phương pháp chế tạo chi tiết: Tuỳ thuộc vật liệu và hình dạng của chi tiết mà
có cơng nghệ chế tạo khác nhau.
Thơng thường trước khi gia cơng cơ khí, chi tiết thường qua nhiệt luyện sơ bộ
(ủ, thường hoá) để giảm độ cứng, tăng khả năng gia cơng. Sau khi gia cơng, có thể


nhiệt luyện kết thúc (tôi và ram) để đạt cơ tính u cầu. Một số trường hợp có thể
cần gia cơng tinh để đạt độ chính xác kích thước.
Phương án thay thế là rất cần thiết, phương án này sẽ dùng khi có sự khan
hiếm về vật liệu hay khi các ưu điểm của nó cần được khai thác.
1.2 Nguyên tắc lựa chọn nhóm vật liệu
Sau khi phân tích, có thể lựa chọn vật liệu cho sản phẩm của mình trong số 4
nhóm vật liệu phổ biến: kim loại, ceramic, polymer và compozit. Mỗi nhóm vật
liệu lại có ưu và nhược điểm riêng, điều này người thiết kế phải cân nhắc thật kỹ
lưỡng.
Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của các nhóm vật liệu
Vật liệu

Ưu điểm
Độ cứng (E = 100Gpa)
Dễ uốn (= 20%)-có thể hình thành
Độ biến dạng (> 50Mpa.)
Độ dẫn nhiệt cao (= C)
Chống sốc (C)
Độ cứng (E=200Gpa)
Năng suất, độ cứng cao (> 3Gpa)
Độ dẫn nhiệt cao (=C)

Chống ăn mòn
Mật độ vừa phải

Nhược điểm
Năng suất (nguyên chất, =1Mpa),
hợp kim
Độ cứng(H=3), hợp kim
Độ bền mỏi (=1/2)
Độ ăn mịn, lớp phủ

Polymers
, trung bình
E thấp

Dẻo và có thể định hình
Chống ăn mịn
Mật độ thấp

Độ cứng thấp (E=2Gpa)
Năng suất (=2-100Mpa)
Độ dẻo dai thấp (1Mpa.)

Composites
, , E cao
nhưng chi phí cao

Độ cứng (E> 50Gpa)
Độ biến dạng (> 20Mpa.m^ (1/2)
Chống bền mỏi
Chống ăn mòn

Mật độ thấp

Kim loại
E, cao
thấp

Ceramics
E, cao
thấp

Độ dẻo dai thấp (=2Mpa.)
Chống sốc (=C)
Khả năng hình thành, tạo bột

Khả năng hình thành
Chi phí

Ta lựa chọn vật liệu theo nguyên tắc: Vật liệu được chọn sau khi áp dụng các
quy trình cơng nghệ thích hợp sẽ đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu làm việc của
chi tiết. Ngồi ra, vật liệu đó cịn phải phổ biến, khơng q đắt tiền, có khả năng
gia cơng cơ khí tốt và không yêu cầu phải áp dụng các quy trình cơng nghệ q đặc
biệt.
Cơng nghệ được lựa chọn trên nguyên tắc: Công nghệ phải làm cho vật liệu
đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra, không quá phức tạp, đắt đỏ; có thể thay
đổi, cải tiến trong tương lai và phải thực hiện được trên nhiều loại thiết bị. Ngoài


ra, trong điều kiện hiện nay, đó phải là cơng nghệ sạch. Khả năng lựa chọn vật liệu
và công nghệ do vậy rất phong phú và có thể có nhiều phương án cho các yêu cầu
trên.

Cụ thể phải đáp ứng các yêu cầu:
1.2.1. Yêu cầu về tính năng sử dụng.
Tính năng của vật liệu được hiểu là các tính chất cơ, lý, hoá đảm bảo cho sự
ứng xử của chúng trong những điều kiện xác định được tìm ra từ phịng thí nghiệm
và các tính chất tổng hợp liên quan đến q trình sử dụng của nó khi làm chi tiết
máy thực như tuổi thọ và độ tin cậy.
1.2.2. Độ bền cơ học cao:
Khi chịu lực, ở các điều kiện nhiệt độ thấp; nhiệt độ cao; có yếu tố ăn mòn…
yêu cầu giới hạn chảy, giới hạn bền, giới hạn mỏi, độ dai phá huỷ, độ dai va đập,
độ cứng đều phải có giá trị phù hợp.
1.2.3. Tuổi thọ lớn
Tuổi thọ là một đặc tính tổng hợp, nhưng phụ thuộc trước hết vào chất lượng
vật liệu. Nó là hàm số của tất cả các yếu tố liên quan đến quá trình chế tạo và sử
dụng, khai thác chi tiết.
Tuổi thọ của chi tiết khó có thể xác định chính xác. Người ta có thể đánh giá
tuổi thọ chi tiết trên cơ sở các kết quả thử nghiệm, kết hợp với kinh nghiệm tích
luỹ, thống kê.
1.2.4. u cầu về tính cơng nghệ
Tính cơng nghệ của vật liệu là khả năng của nó cho phép thực hiện một
phương pháp cơng nghệ nào đó để đạt được những tính chất (cơ, lý, hố…) mong
muốn. Các tính cơng nghệ thơng dụng:
- Tính đúc
- Tính cắt gọt
- Tính hàn
- Khả năng biến dạng nguội, nóng và dập sâu
- Khả năng xử lý nhiệt, lý-hoá-nhiệt luyện
1.2.5. Yêu cầu về kinh tế
Khi có khả năng chọn nhiều loại vật liệu để thoả mãn yêu cầu về các tính
năng, u cầu về tính cơng nghệ thì tính kinh tế sẽ quyết định vật liệu nào được ưu
tiên lựa chọn làm chi tiết máy. Tính kinh tế thể hiện ở giá thanh nguyên liệu đầu

vào và giá thành chế tạo.
1.2.6. Yêu cầu về bảo vệ môi trường và an toàn xã hội
Việc lựa chọn vật liệu chế tạo chi tiết phải tuân theo luật bảo vệ môi trường
của nhà nước và đảm bảo an toàn xã hội cao. Điều này thể hiện ở chỗ:


- Q trình cơng nghệ khơng làm ơ nhiễm mơi trường khơng khí; nguồn nước; các
thảm thực vật; động vật; đất đai;…
- Không được gây ra tiếng ồn quá giới hạn quy định trong quy trình cơng nghệ và
q trình vận hành máy được thiết kế ra.
1.3. Các bước chính để lựa chọn vật liệu
T ấ t

C h u y ể n

đ ổ i

S à n g

lọ c

c ả

v ậ t

c á c

T ìm
V ậ t

k ế m

liệ u

y ê u

b ằ n g
X ế p

liệ u

r à n g

t h iế t

k ế

b u ộ c

h ạ n g

t h ô n g

c u ố i

c ầ u

c ù n g

ti n

h ỗ

đ ư ợ c

Hình 1.1: Sơ đồ các bước lựa chọn vật liệu

t r ợ
c h ọ n

1.3.1. Sự chuyển đổi
Bất kỳ thành phần kỹ thuật nào cũng có một hoặc nhiều chức năng: chịu tải
trọng, cản lại áp lực, truyền nhiệt,.. Điều này phải đạt được theo các ràng buộc, các
kích thước nào đó được cố định, thành phần đó phải chịu tải trọng thiết kế hoặc
những áp lực mà khơng bị hỏng, nó các điện hoặc dẫn điện, nó có thể hoạt động
trong một phạm vi nhiệt độ nhất định và trong một môi trường nhất định, và nhiều
hơn nữa.
Trong việc thiết kế thành phần, nhà thiết kế có một mục tiêu: làm cho nó rẻ
nhất có thể, nhẹ, an tồn hoặc kết hợp của những điều này. Một số thơng số có thể
được điều chỉnh để tối ưu hóa mục tiêu. Nhà thiết kế có thể tự do thay đổi kích
thước mà khơng bị ràng buộc bởi các yêu cầu thiết kế và quan trọng nhất là tự do
chọn vật liệu cho thành phần.
1.3.2. Sàng lọc: giới hạn thuộc tính
Lựa chọn khơng thiên vị cho tất cả các vật liệu được coi là ứng cử viên.
Sàng lọc, loại bỏ các ứng cử viên không thể giải quyết được cơng việc một
cách hồn tồn vì một hoặc nhiều thuộc tính của chúng nằm ngồi giới hạn được
đặt ra bởi những ràng buộc.


1.3.3. Xếp hạng: chỉ số vật liệu

- Sàng lọc và tách ra những vật liệu được lựa chọn có khả năng thực hiện được
công việc.
- Nhận biết và xếp hạng những vật liệu trong số chúng có thể đáp ứng tốt nhất công
việc.
1.3.4. Thông tin hỗ trợ
Kết quả của các bước cho đến lúc này là một danh sách ngắn xếp hạng các
vật liệu lựa chọn đáp ứng được những ràng buộc. Ta cần tìm hiểu thêm về hồ sơ
chi tiết của từng thứ, thông tin hỗ trợ của chúng.

Chương 2: Lựa chọn vật liệu (Bánh răng hộp số ô tô)
2.1. Các bước thực hiện lựa chọn vật liệu
Bước 1: Nghiên cứu điều kiện làm việc của chi tiết
Nghiên cứu điều kiện làm việc của chi tiết là bước xuất phát của bất cứ quy
trình lựa chọn vật liệu nào. Điều kiện làm việc của chi tiết, chế độ làm việc và
phạm vi làm việc sẽ quyết định việc vật liệu nào(xử lý theo công nghệ nào) sẽ
được lựa chọn.Nếu phân tích sai điều kiện làm việc sẽ dẫn đến lựa chọn sai vật liệu
và công nghệ, dẫn đến sai hỏng chi tiết khi làm việc, gây thiệt hại về mặt kinh tế.
Phân tích về điều kiện làm việc cần đầy đủ, chính xác, khơng thiếu, khơng
thừa. Thiếu sẽ dẫn đến chi tiết không đáp ứng yêu cầu làm việc như trên, thừa sẽ
gây lãng phí.
Bước 2: Từ điều kiện làm việc xác định tiêu chuẩn cơ lý tính của chi tiết


Bước 2 là bước rất quan trọng, xác định khoảng độ cứng cần thiết, giới hạn
bền chảy, giới hạn bền kéo, ... của chi tiết mà tại đó chi tiết có thể hoạt động phù
hợp với chế độ làm việc và phạm vi làm việc.
Bước 3: Chọn vật liệu
Trên cơ sở hiểu biết của mình về các vật liệu kỹ thuật, nhà thiết kế tiến hành
khoanh vùng các vật liệu có thể đáp ứng các tiêu chí, u cầu làm việc trên. Từ lựa
chọn sơ bộ này, nhà thiết kế tiến hành phân tích ưu, nhược điểm của các vật liệu

trong các phương án đưa ra. Từ phân tích này, nhà thiết kế sẽ chọn được vật liệu
hợp lý về mặt kinh tế - kỹ thuật.
Bước 4: Thành phần hoá học
Các thơng tin cơ bản về thành phần hố học của vật liệu chọn được đưa ra, có
thể kể thêm các vật liệu tương tự trong tiêu chuẩn Mỹ, Nga, Đức… Các vật liệu
theo tiêu chuẩn khác nhau có thể sai khác đơi chút về thành phần. Điều này có thể
do công nghệ chế tạo vật liệu, nguồn nguyên liệu hay do truyền thống sử dụng vật
liệu.
Bước 5: Vai trò của các nguyên tố trong thép:
- Phân tích nhằm làm rõ ảnh hưởng của các nguyên tố tới tổ chức tế vi, cơ tính và
chế độ xử lý nhiệt:
- Ảnh hưởng của C đến tổ chức, tính chất.
- Ảnh hưởng của các tạp chất thường có: S, P…
- Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim: Cr, Mn, Si, Ni, Mo,…
Bước 6: Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện của vật liệu, sự biến đổi tổ chức khi
nhiệt luyện:
Các thông số quan trọng nhất của nhiệt luyện:
- Nhiệt độ nung nóng.
- Thời gian giữ nhiệt.
- Tốc độ nguội sau khi giữ nhiệt.
- Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:
- Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền… là chỉ
tiêu gốc, cơ bản nhất.
- Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai.
- Độ cong vênh, biến dạng.
2.2. Lựa chọn mác thép:
2.2.1. Điều kiện làm việc: (Bánh răng hộp số ô tô)
- Làm việc trong môi trường chịu tải trọng tĩnh khá lớn và va đập mạnh.

- Bề mặt bị mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát, chịu ứng suất lớn, lõi chịu
ứng suất uốn.
-Vùng chân răng dễ bị phá huỷ.
-Bề mặt răng phải có độ bền tiếp xúc cao.
-Bánh răng số lùi làm việc với tải trọng thay đổi bắt đầu từ không rồi tăng dần.
=> Bề mặt răng cần phải có độ bền tiếp xúc cao. Răng có độ bền mỏi cao, kết
hợp với các chỉ tiêu độ bền, độ dẻo và độ dai va đập.
2.2.2. Cơ lý tính cần thiết chế tạo bánh răng
Bảng 2.1: Lựa chọn cơ lí tính chế tạo bánh răng
2.2
Sử

Giới hạn bền kéo

≥700

Mpa

Giới hạn chảy dẻo

≥600

Mpa

Độ cứng

58-64

HRC

Hệ số giãn nở nhiệt

11.5

10^6/K

Khả năng chịu mỏi trong mơi trường ăn mịn
dụng phần mềm CES

Very good

Hình 2.1: Tổng hợp kết quả chạy phần mềm CES

.3.


Hình 2.2: Sự phụ thuộc của độ bền kéo vào mật độ

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của giới hạn chảy dẻo vào mật độ


Hình 2.4: Sự phụ thuộc của độ cứng vào mật độ

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của hệ số giãn nở nhiệt vào mật độ


Hình 2.6: Sự phụ thuộc của khả năng chịu mỏi vào mật độ
Results:

Hình 2.7: Kết quả chạy phần mềm CES

Thơng qua các thông số thông tin ta chọn vật liệu tối ưu nhất, ở đây có thành
phần phần trăm, mức độ ăn mòn, ... và đặc biệt là giá VNĐ


Hình 2.8: Cơ tính mác thép AISI 4140
Thép AISI 4140 : tiêu chuẩn ASTM của Mỹ
Thép SCM 440: mác thép tương đương theo tiêu chuẩn JIS của Nhật Bản
(có thành phần hóa học tương đương với dịng AISI 4140)
=> Vật liệu lựa chọn : thép hợp kim SCM440
2.2.3 Lý do chọn mác thép SCM440
a)Thành phần hóa học và kí hiệu các mác thép tương đương
Bảng 2.2: Thành phần hóa học của mác thép SCM440


Bảng 2.3: Thành phần hóa học của mác thép tương đương thép SCM440

b) Lí do chọn mác thép SCM440:
Bởi điều kiện làm việc của bánh răng thường xuyên tiếp xúc với môi
trường ngoại cảnh như nắng, mưa, bùn đất và môi trường nội cảnh như trọng
lực, lực uốn cong, lực ma sát, ... Do vậy làm bánh răng bằng thép SCM440 là
sự lựa chọn phù hợp bởi những lý do sau đây:
 Chống chịu được các loại lực và chịu được sự mài mịn trong q trình hoạt
động mà vẫn đảm bảo lõi vẫn giữ nguyên độ bền dẻo dai và chịu được những
va đập.
 Thép trịn đặc SCM440 có hàm lượng Crom từ 0,9% đến 1,2% giúp cải thiện
tính tôi (tôi được trong dầu) và nâng cao độ thấm tơi.
 Thép SCM440 cịn cho thêm khoảng 0,25% Molipden sẽ làm cải thiện độ thấm
tơi và chống được giịn ram, dùng cho các chi tiết có đường kính trung bình
trên 50mm và hình dạng tương đối phức tạp như bánh răng, ...
 Thép trịn đặc SCM440 có hàm lượng cacbon trung bình có độ bền, độ cứng,

độ dẻo, độ dai đều khá tốt. Ngồi ra, SCM440 cịn sở hữu thêm hàm lượng CrMo có khả năng chống biến dạng và chống mài mịn cao.
 Qua những tính chất trên ta có thể thấy làm bánh răng bằng thép SCM440 là
sự lựa chọn tối ưu.
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới mác thép
2.3.1. Ảnh hưởng của Cacbon


Hình 2.9: Giản đồ pha sắt- cacbon.
Cacbon là nguyên tố ảnh hưởng lớn nhất. Tăng 0,1%C thì độ cứng tăng thêm
25HB, giới hạn bền tăng thêm khoảng 60 -80MPa, độ dãn dài giầm đi khoảng 2 +
4%, độ thắt giảm di 1- 5%, độ dai va đập giảm khoảng 200kJ/ m2. Cacbon làm
giảm rất mạnh độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK), càng về sau mức giảm này càng
nhỏ đi. Cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δ giảm 6%, aK giảm
300kJ/m2. Hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng
giòn.
Ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb không đơn giản như đối với độ
cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10-0,50% C σb tăng khoảng 70 90Mpa. Do ảnh hưởng đến cơ tính mà C quyết định phần lớn cơng dụng của thép.
Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm
lượng cacbon, càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập. Hàm lượng cacbon cũng có
ảnh hưởng đến tính gia cơng cắt của thép. Nói chung thép càng cứng càng khó cắt
nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt kém. Song thép quá mềm và
dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có cacbon thấp cũng có tính gia cơng
cắt kém.
2.3.2. Ảnh hưởng của Silic


Hình 2.12: Giản đồ pha sắt-silic
Si giúp nâng cao độ bền và độ cứng của thép, cải thiện tính chống mịn. Silic
làm tăng khả năng chống ơxy hóa của thép ở nhiệt độ cao và tăng dộ bền chống
dão.

Ngoài ra, Si còn ngăn cản việc thấm C ở nhiệt độ cao. Giống như mangan,
silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này. Lượng silic
cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 – 0,40%. Khi khơng có
mặt cacbon, với khoảng 2% Si thì chuyển biến a 5=^7 bi ức chế. Hệ số tãng độ
thấm tôi của Si là 1,7.
Silic được cho vào thép để khử triệt để Oxi. Và silic có tác dụng tăng tính ổn
định ram, nhưng khơng làm tăng tính giịn ram của thép. Cùng vớí Mn, Si có tác
dụng tăng giới hạn đàn hồi.
2.3.3. Ảnh hưởng của Mangan


Hình 2.11: Giản đồ pha sắt-mangan
Tác dụng giảm thiểu tác hại của S lên thép (tạo MnS). Dùng để khử Oxy trong
thép. Lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50
– 0,80%.
Mn kết hợp với C tạo thành cacbit dạng(Fe,Mn) 3C có độ cứng cao, giúp tăng
tính chảy lỗng và khả năng điền đầy khn. Giảm bớt hàm lượng Fe hòa tan trong
ferit, do vậy nâng cao tính dẻo. Mn thường hịa tan vào Ferit, các ngun tố hợp
kim làm xơ lệch mạng do đó tăng độ cứng, độ bền, thường làm giảm độ dẻo dai va
đập. Mn có giá thành rẻ và làm tăng độ thấm tôi.
Nhược điểm Mn là thúc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính giịn
ram, giảm độ dẻo, độ bền theo hướng vng góc phương cán.
2.3.4. Ảnh hưởng của Lưu Huỳnh


Hình 2.15: Giản đồ pha sắt-lưu huỳnh.
Lưu huỳnh đi vào trong thép từ quặng và nhất là từ than (khi luyện gang).
Cùng tinh (Fe + FeS) có nhiệt độ nóng chảy thấp (988°C), nằm ở biên giới
hạt.
Khi nung nóng thép để gia công áp lực, cùng tinh này bị mềm và chảy ra, làm

thép bị phá hủy ở biên hạt, đó là hiện tượng giịn nóng.
Sự có mặt của s ở dưới mức cho phép. Đối với thép cacbon thông thường,
lượng S nhỏ hơn 0,06%. Riêng dối với thép dễ cắt, để nâng cao khả nãng gẫy phoi,
lượng s có thể cao tới 0,08 0,30%. Nguyên tố lưu huỳnh S khơng hịa tan trong Fe,
khiến khi gia cơng dễ bị nứt, gãy, hiện tượng này gọi là giịn nóng hay bở nóng.
2.3.5. Ảnh hưởng của Crom

Hình 2.10: Giản đồ pha sắt-crom.
Bản chất “Trơ” của thép khơng gỉ giải thích được là nhờ Crom là nguyên tố
phản ứng cao. Một khi hàm lượng crom tối thiểu ở mức 10.5% thì có một lớp mặt
khơng tan bám chặt hình thành ngay ngăn chặn sự khuyếch tán oxid hoá trên mặt
và ngăn oxid hố sắt. Mức Crom càng cao thì mức chống gỉ càng cao.
Hệ số tăng độ thấm tôi của crôm khá cao: 3,2. Xúc tiến q trình thấm
cacbon. Crơm có tác dụng cải thiện tính chống ram.
Giữ độ bền ỏ nhiệt dộ cao do nó tạo ra cacbit nhỏ mịn li ti ram có tác dụng
hóa bền tiết pha, bù lại sự giảm độ cứng của mactexit do giảm độ chính phương
crơm đóng vai trị hàng dầu đối với độ bền chống mài mòn.
2.3.6. Ảnh hưởng của Molypden


Hình 2.13: Giản đồ pha sắt-molydden.
Mo là nguyên tố tạo cacbit mạnh, khó hịa tan vào ơstenit khi nung, cho nên
trong thép kết cấu lượng Mo không vượt quá 1%, trong thép dụng cụ và thép
khơng gỉ, lượng Mo có thể cao hơn nhiều. Hệ số tăng độ thấm tôi của Mo cao: 3,8.
Mo cải thiện tính chống ram do tạo ra dộ cứng thử hai khi ram và làm giảm sự
nhạy cảm đối với gion ram.
Nguyên tố molybden thêm vào mác thép sẽ tăng tính chống mịn lỗ chỗ cục
bộ và chống mòn kẻ nứt tốt hơn.
2.3.7. Ảnh hưởng của Oxi
Oxy vào thép lỏng tác dụng với C => khí CO , CO khơng thốt hết, ở lại dạng

bọt khí, tạo rỗ khí khi làm nguội sẽ để lại ứng suất. Trong thép thường ở dạng oxit
làm giảm cơ tính và làm xấu tính hàn của thép.