Kim loại học - Phần 2: Các đặc trưng cơ tính thông thường

Phần II Các đặc trưng cơ tính thông thường Cơ tính của KL được biểu thị bằng các đặc trưng cơ học , chúng cho biết khả năng chịu tải trọng của kim loại trong các điều kiện khác nhau . phần lớn các đặc trưng cơ học được xác định trên các mẫu nhỏ đã được tiêu chuẩn hóa , tuy nó không phản ánh được hoàn toàn khả năng chịu lực của chi tiết song vẫn là cơ sở tin cậy của những suy doán tính toán khi thiết kế . cần nắm vững bản chất và ý nghĩa của đặc trưng cơ học thường gặp là độ bền, độ cứng , độ dài. 2.1 Độ bền tĩnh Độ bền là tập hợp các đăch trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải trọng cơ học tĩnh của vật liệu. chúng được xác định bằng úng suất của tải trọng gây ra cách đột biến về cơ học. tùy theo dạng của tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo ,nén ,uốn và xoắn. 2.2 độ dẻo Độ dẻo là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của vaath liêu khi bị phá hủy bằng tải trọng tĩnh , nó quyết định khả năng biến dạng dẻo , gia công áp lực. Người ta cũng xác định độ dẻo bằng hai chỉ tiêu trên mẫu khi thử độ biến tính Độ dài tương đối khi kéo đứt δ%=((L1-L0)/L0)100 trong đó L1 là chiều dài (quy ước ) của mẫu sau khi đứt L0 là chiều dài (quy ước ) ban đầu của mẫu . Độ thắt tương đối về tiết diện khi kéo đứt Ψ%=((F1-F0)/F0)100 F0 là tiết điện ban đầ của mẫu F1 là tiết diện ở phần cổ thắt của mẫu sau khi phá hủy 2.3 độ dai va đập Rất nhiều chi tiết làm việc bằng tỉa trọng đặt vào với tốc độ lớn , đột ngột hay nói cách khác là chịu va đập . như oto gặp phải trướng ngại vật , bị xóc hay bị thắng đột ngột . đành giá khả năng làm việc của chịu tải trọng động , như vậy với các thử va đập bằng cách uốn , tức độ dai va đập. Độ dai va đập là công tiêu phí để phá hủy một đơn vi diện tích tiết điện ngang được đo theo đơn vị kg.m/cm2 hay kj/m2. 2.4 độ bền mỏi Giới hạn của bền mỏi là chi tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết dưới tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo … Biện pháp nâng cao khả nâng cao giới hạn mỏi tạo lên trên bề mặt lướp ứng suất nén dư . vết nứt mỏi thường suất hiện trên bề mặt do ứng suất kéo tại đó là lớn nhất . nếu ỏ đó có ứng suất nén dư (có sẵn ) thì ứng suất kéo tác duungj thực tế xẽ giảm đi , nhờ đó xẽ hạn trế được vêt nứt nâng cao độ bền tức là tăng khả năng cản trượt do dó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên , nhờ đó cũng nâng cao được giới hạn mỏi. tạo cho bề mặt độ bóng cao , không có rãnh ,lỗ ,tránh tiết điện thay đổi độ ngột. 2.4 độ cứng Các chỉ tiêu cơ tính kể trên tuy là cơ sở để tính toán , thiết kế chi tiết máy và công cụ ,nhưng co nhược điểm phải chế tạo mẫu mã phức tạp , tốn nhiều thời gian , không thể thử ngay trên sản phẩm. cách thử độ cứng xẽ tránh được các nhược điểm này. a , khái niệm về độ cứng nguyên lý trung của phương pháp thử độ cứng là ép , ấn một tải trọng nhất đị lên bề mặt kim loại thông qua mũi đâm, nhườ đó xẽ để lại một vết lõm càng lớn , càng sâu, độ cứng càng thấp . “ vậy độ cừng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ bên ngoiaf thông qua moi đâm” Trong thực tế thử cơ tính kim loại , độ cứng là phương pháp có ý nghĩa thực tế và đươc áp dụng rộng rãi nhất và các lý do sau đây: nhanh chóng, chỉ cần vài giây đến môt phút không pha hủy mẫu va có thể tieena hành ngay trên sản phẩm đặc trưng được rất nhiều tính chát làm việc và công nghe của vật liệu như + tính chống mài mòn : độ cứng càng cao các tính chống mài mòn càng cao. Co thẻ nói tính chống mài mòn phu thuộc và độ cứng . dao cắt vòng bi và các chi tiết khác chịu mài mòn cần độ cứng (>60HRC) +khả năn gia công cắt của phôi : thông thường phôi có độ cứng thấp thig dễ cắt gọt , nhưng khi quá thấp thương khó vì quá dẻo ,phoi khó gẫy . +Khả năng chiu áp lực lượng cục bộ + khả năng mài bóng , độ cứng càng cao càng dễ mài bóng +trong phạm vi nhất định giới hạn bền tỉ lệ bậc nhất đối với độ cứng . 2.4.1 dộ cứng brinen HB - Xác định độ cứng Brinen bằng cách ấn một tải trọng F xác định lên bề mặt phẳng vật liệu qua viên bi cứng có đường kính D, sau khi thôi tác dụng, tải trọng để lại trên bề mặt vết lõm với đường kính d . Số đo độ cứng Brinen được xác định bằng tỷ số của tải trọng F với diện tích mặt lõm có dạng chỏm cầu S, có thứ nguyên như của ứng suất, kG/mm2. Đối với thép, gang dùng bi có D = 10mm, F = 3000kG, thời gian giữ tải trọng 15s (với các vật liệu khác có quy định khác) được coi là điều kiện tiêu chuẩn, ký hiệu bằng HB (ví dụ HB 229). Khi đo ở các điều kiện khác bắt buộc phải ghi rõ các số chỉ lần lượt các điều kiện trên, ví dụ HB5/750/20 229 là giá trị độ cứng 229kG/mm2 đo bằng bi 5mm, tải 750kG, giữ lâu 20s. Hiện vẫn chưa có quy định dùng đơn vị MPa cho HB, nếu muốn dùng đơn vị này phải ghi rõ, ví dụ HB 2290 MPa. - Ưu điểm lớn nhất của giá trị HB là giữa nó với có quan hệ bậc nhất với nhau nên có thể không cần thử kéo vẫn có thể đoán được giới hạn bền, mối quan hệ đó ở một số kim loại như sau: + Thép cán (trừ không gỉ, bền nóng) ≈ 0,34 HB, + Thép đúc ≈ (0,3 - 0,4) HB, + Gang xám ≈ (HB-60)/6 , + Đồng, latong, brong ở trạng thái biến cứng ≈ 0,40 HB, ....- Nhược điểm: + Không thể đo các vật liệu có độ cứng > HB 450 (vì bi chỉ làm bằng thép được tôi cứng, lúc đó chính bi cũng bị méo, làm sai kết quả đo, chỉ dùng để đo độ cứng các vật liệu có độ cứng thấp và trung bình, + Mẫu đo phải có mặt bằng phẳng và đủ dày, do vết lõm khá to nên thường không đo trên thành phẩm, + Không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong),+ Tương đối chậm vì quy trình hơi dài : phải giữ tải trọng vài chục giây, đo đường kính vết lõm bằng lúp sau đó tra bảng tính mới ra kết quả. 2.4.2 Độ cứng Rôcoen: được xác định bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng ép đã nhiệt luyện, có đường kính D = 1,587 mm tức là 1/16” (thang B) hoặc mủi côn bằng kim ương có góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử. Trong khi thử, số độ cứng ược chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Độ cứng Rôcoen được ký hiệu HRB khi dùng bi thép để thử vật liệu ít cứng; HRC và HRA khi dùng mủi côn kim cương thử vật liệu có độ cứng cao (>4500 N/mm2) 2.4.3 Độ cứng Vicke (HV) : dùng mũi đo 1 (hình chóp góc vát α = 1360) bằng kim cương dùng đo cho vật liệu mềm, vật liệu cứng và vật liệu có độ cứng nhờ lớp mỏng của bề mặt đã được thấm than, thấm nitơ.v.v... HV=1,8544p/d^2 , . Trong đó d - đường chéo của vết lõm (mm); P- tải trọng (kg). 2.4.4 Phương pháp đo độ cứng Rockwell: là phương pháp đo độ cứng bằng cách tác động làm lõm vật thử với một đầu thử kim cương hình nón hoặc bi thép cứng. Quy trình đo cơ bản như sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với một lực tối thiểu, thường là 10kgf. Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định. Tiếp đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, người ta tác động thêm một lực tối đa. Khi đạt được độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhưng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban đầu. Khi lực tối đa được thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử sẽ được phục hồi một phần. Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell.Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, ... tuỳ thuộc vào loại và kích thước đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng.* HRA . . . . carbides, thép tôi cứng bề mặt* HRB . . . . Phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm...* HRC . . . . Thép, gang cứng , thép tôi hoặc các vật liệu cứng hơn 100 HRB* HRD . . . . Thép mỏng, gang mềm* HRE . . . . Gang, nhôm , kim loại ổ bi* HRF . . . . Kim loại tấm có chiều dầy mỏng* HRG . . . . Đồng phốtpho, beryllium copper,Thiếc, chì ...* HRK . . . . }* HRL . . . . }* HRM . . . .} . . . . Kim loại ổ bi mềm, nhựa, các vật liệu cực mỏng* HRP . . . . }* HRR . . . . }* HRS . . . . }* HRV . . . . }Ví dụ như thép tôi được thử ở thang đo C với đầu thử kim cương và lực tác động tối đa 150kg sẽ nẵm trong khoảng RC 20 tới RC 70. Với các vật liệu mềm hơn được thử ở thang đo B bi thử đk 1/16 inch và lực thử tối đa 100 kg, kết quả đo trong phạm vi RB 0 tới RB100. Thang đo A (với đầu thử kim cương và lực thử tối đa 60kg) thường dùng dải phạm vi vật liệu đồng nhiệt luyện tới carbide.Kiểm tra độ cứng theo phương pháp Rockwell cho kết quả nhanh và chính xác. Vết lõm bằng phương pháp thử này thương nhỏ, do đó chi tiết sau nhiệt luyện có thể thử độ cứng bằng phương pháp này mà không bị hư hại.Các thiết bị đo độ cứng Rockwell có công suất phát lực thử tới 103N (100kg) có khả năng tạo một điểm lõm trên các vật liệu thử. Các thiết bị đo hiện đại có thể sử dụng các công nghệ điện tự và tự động để tối ưu tính năng. Người sử dụng cũng có thể sử dụng kính hiển vi để định vị đầu đo kim cương cực nhỏ để xung lực chỉ vài N để đo độ cứng của một hạt kim loại. Đây còn được biết đến như các phép thử độ cứng tế vi (micro harness). HR= N- h/s N: hằng số phụ thuộc vào các pp đo rockwell khác nhauh: độ sâu vết lõm tính theo mms: giá trị độ chia tính theo mm ( Rockwell thông thường là 0,002. rockell bề mặt là 0,001)