Đề cương môn thí nghiệm sức bền vật liệu  - Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

SVật liệu kỹ thuật
(Materials science and engineering)
Đề cương ôn tập thi cuối kỳ 1 (2022-2023)
Giảng viên: Nguyễn Bá Kiên
Email: nbkien@dut.udn.vn
1. Cho các mác thép sau: 20Cr, 18CrMnTi, C20, thuộc nhóm thép gì, thành phần hóa học?.
Người ta muốn sử dụng chúng để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện tải trọng
tĩnh lẫn va đập, vừa chịu được mài mòn ở bề mặt, lập quy trình nhiệt luyện phù hợp thỏa
mãn cấc yêu cầu thiết kế trên.
- Trả lời: Các loại thép trên đều thuộc vào nhóm thép hợp kim, và để tạo các chi tiết
làm việc trong điều kiện tải trọng tĩnh lẫn va đập, vừa chịu được mài mòn ở bề mặt
thường sử dụng các loại thép thấm Cacbon. Quy tình nhiệt luyện phù hợp thõa mãn
các yêu cầu thiết kết trên với từng loại thép như sau:
+) Thép 20Cr thuộc nhóm thép Crom với các thành phần hóa học gồm:
%C=0.2 ,%Mn=0.7 ,%Cr=0.9 ,%P≤ 0.035 ,%S ≤ 0.035
Quy trình nhiệt luyện: Trước tiên tôi thép hợp kim 20Cr hai lần trong dầu để tăng độ bền
khi tải tĩnh. Tiếp theo thấm Cacbon ở nhiệt độ 900-920ᵒC để tăng độ bền cho bề mặt,
chống chịu sự mài mòn trong quá trình sử dụng. Ram thấp (150-250ᵒC) thép giảm ứng
suất bên trong để không gây nứt gãy khi va đập. Sau quá trình thấm casbon và nhiệt
luyện, chi tiết đã đạt yêu cầu với độ cứng khoảng 60-62 HRC và tính chống mài mòn cao khoảng 700−800 mm2
+)Thép C20 thuộc nhóm thép Cacbon, các thành phần hóa học gồm:
%C=0.2 ,%Mn=0.5 ,%P≤ 0.04 ,%S≤ 0.04
Quá trình nhiệt luyện: Thấm cacbon thép C20 ở nhiệt độ không quá 900 sau đó phải
thường hóa. Vì độ thấm tôi thấp nên cần phải tôi trong nước, tôi thép hai lần ở nhiệt độ
950 ᵒC. Ram thấp ở nhiệt độ 150-250C để khử ứng suất bên trong thanh. Sau khi thấm
và nhiệt luyện đạt độ cứng bề mặt 60-62HRC có lõi có độ cứng 30-40HRC độ dẻo dai tốt độ bền 500-600N/mm2
+)Thép 18CrMnTi thuộc nhóm thép Cr-Mn-Ti với các thành phần hóa học gồm: 1
%C=0.18 ,%Mn=1 ,%Cr=1 ,%P≤ 0.035 ,%S≤ 0.035 , %Ti=0.05
Quy trình nhiệt luyện: tương tụ với thép C20, tuy nhiên vì loại thép này không lớn nên có
thể nâng cao nhiệt độ thấm lên 930-950, tôi thép trực tiếp sau khi thấm.
2. Cho các mác thép: C40, C45, C50, 40Cr, 45Cr, 50Cr, thuộc nhóm thép gì, thành phần hóa
học?. Lập quy trình nhiệt luyện để nhận được lõi có cơ tính tổng hợp cao nhất, bề mặt vẫn có độ cứng khá cao. Trả lời:
+) Các mác thép C40, C45, C50 thuộc vào nhóm thép Cacbon với thành phần hóa học gồm: Mác thép %C %Mn %Pmax %Smax C40 0.4 0.7 0.04 0.04 C45 0.45 0.7 0.04 0.04 C50 0.5 0.7 0.04 0.04
+)Các mác thép 40Cr, 45Cr, 50Cr thuộc vào nhóm thép Crom: Mác thép %C %Mn %Cr %Pmax %Smax 40Cr 0.4 0.7 1 0.035 0.035 - 45Cr 0.45 0.7 1 0.035 0.035 Quy 50Cr 0.5 0.7 1 0.035 0.035 trình
nhiệt luyện: Các mác thép trên phải trải qua hai bước nhiệt luyện để đạt được lõi có cơ
tính tổng hợp cao nhát và bề mặt vẫn có độ cứng khá cao.
o B1: tạo cho lõi có cơ tính tổng hợp cao để chịu được tải trọng tĩnh và va đập
bằng tôi và ram cao, tổ chức nhận được là xoocbitram (độ cứng 25-30 HRC).
Tổ chức này còn có tác dụng tạo được độ bóng cao khi cắt gọt và giúp cho
chuyển biến xảy ra nhanh chóng, nhận được mactenxit nhỏ mịn.
o B2: tạo cho bề mặt độ cứng cao và tính chống mài mòn lớn abwfng tôi bề mặt
và ram thấp (độ cứng đạt 52-58 HRC). Ngoài ra có thể dùng thấm nito hay
thấm Cacbon – nito khi cần độ cứng cao hơn. 2
3. Người ta muốn sử dụng thép 1050(SAE) để chế tạo trục có tổ chức tế vi đồng đều trên
toàn tiết diện, độ cứng khoảng 23 HRC. (b)
Hình 1. Giản đồ chữ ‘C’ cho thép ( a) 1050 và (b) 10110
4. Một trục xoay truyền tải trọng từ một động cơ điện được làm bằng thép 1050. Giới hạn
chảy nhỏ nhất phải đạt được 145000 psi đồng thời độ giản dài tương đối của nó nhỏ nhất 3
phải là 15% để đat được độ dai cần thiết. Thiết kế quy trình nhiệt luyện để sản xuất trục này.
+) Yield strength: Giới hạn chảy
+)Tensile strength: Bền kéo +)Elongation: độ giòn +)Reduction: độ dẻo Gióng 145000 PSI ➔ T e n i s l e -> độ bền kéo
➔ Gióng xuống được 510C
➔ Gióng 15% qua elongation, gióng xuống => t = 480C ➔ Ram ở 460 – 510C 4
Hình3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới cơ tính của thép 1050
5. Chọn vật liệu và thiết kế quy trình nhiệt luyện phù hợp để sản xuất trục ô tô và bánh răng
truyền chuyển động (theo cơ cấu dưới đây):
Chọn bánh răng: 0.1 – 0.25%C (thép thấm Cacbon)
Chọn trục: Thép hóa đốt: 0.3 – 0.5%C
Hình 4. Mô hình lắp ráp giữa bánh răng và trục quay ô tô
Ghi chú: Yều cầu chọn loại thép phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đồng thời tiết kiệm giá thành sản phẩm *) Quy trình:
+) Đối với bánh răng: thường hóa để tăng độ cứng và dễ gia công cắt gọt. Tiếp theo tôi
thép để tăng độ cứng, tính chống mài mòn. Tiếp tục ram cao (600-650C) tăng độ cơ tính
tổng hợp, tăng khả năng chịu tải và độ bền cứng. Cuối cùng hóa nhiệt luyện (thấm
Cacbon) => Tăng độ cứng, chống mài mòn cho bề mặt bánh răng.
+) Đối với trục: ủ hoàn toàn -> tăng độ dẻo của trục -> tôi tăng độ cứng trục -> ram ->
tăng khả năng chịu tải, động tĩnh lớn, tăng độ dẻo, độ bền -> tôi cảm ứng -> tăng độ cứng bề mặt, lõi vẫn dẻo 5 6. Hoàn thành bảng sau: 1035 10115 Thép Nhiệt độ Nhiệt độ A1 727 727 Nhiệt độ A và A 3 cm 797 866 Nhiệt độ thường hóa Không thường hóa Không thường hóa s được được
7. Sử dụng giản đồ chữ ‘C’ cho thép cacbon cùng tích, xác định cấu trúc cuối cùng đạt được
của một mẫu nhỏ sau mỗi quá trình nhiệt luyện sau, giả sử rằng mẫu thép được nung tới
nhiệt độ 760 oC và giữ nhiệt vừa đủ để thu được cấu trúc hoàn toàn austenit:
a. Làm nguội nhanh tới 700 oC, giữ khoảng 10000s, sau đó làm nguội tới nhiệt độ môi trường
b. Làm nguội nhanh tới 600 oC, giữ khoảng 4s rồi làm nguội nhanh tới 450 oC, giữ
khoảng 10s sau đó làm nguội tới nhiệt độ môi trường. 6
Hình 5. Giản đồ chữ ‘C’ của thép cacbon cùng tích
8. Có thể sản xuất được thép cacbon cùng tích có độ cứng nhỏ nhất là 90 HRB và độ dẻo tối
thiểu là 35%?. Nếu có thể mô tả quá trình nhiệt luyện để đạt được các tính chất trên. 7
Hình 6. Ảnh hưởng %C đến cơ tính của thép
9. Thép 1080 được tôi bằng nước, xác định thời gian ram cần thiết để đạt được độ cứng là 58 HRC
a. Nhiệt độ ram là 425 oC
Không bao giờ đjai được độ cứng 58 HRC
b. Nhiệt độ ram là 315 oC
Đạt được độ cứng 58HRC sau khoảng 4 phút 8
Hình 7. Sự phụ thuộc giữa độ cứng và thời gian ram của thép 1080
10. Thép 4340 được chọn để sản xuất một chi tiết yêu cầu có độ bền thấp nhất là 1380 MPa
(200000 psi) và độ dẻo nhỏ nhất là 43%, chi tiết được tôi trong dầu rồi sau đó ram. Thiết
kế quá trình ram phù hợp.
Trả lời : Để thu được độ bền > 200000 psi nđo ram như hình vẽ phải < 460 o C, còn để
độ dẻo > 43% nhiệt độ ram > 380 o C như vậy để đạt được cả hai ĐK trên nđộ ram phải là 380 < Tram< 460 9
Hình 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới cơ tính của thép 4340
11. Người ta muốn sản xuất tấm thép để nghiền đá có độ dày khoảng 2 in. Để không phải
thay thế nhiều lần chiều dày của lớp có độ cứng > 38 HRC là khoảng 0.25 in. tính từ bề
mặt, đồng thời tại tâm của tấm thép phải có độ cứng nhỏ hơn 32 HRC để bảo đảm tính
dẻo và dai. Trong điều kiện này chỉ có thể tôi bằng nước, thiết kế tấm thép đó, giả thiết
rằng chỉ có thể dung một trong các loại thép dưới đây: 10 11 nx
Hình 9. Độ thấm tôi của các loại thép
12. Một mẫu thép hình tròn có đường kính 25mm (1.0 in.) được tôi trong môi trường dầSu
khuấy đều, bề mặt và tâm của mẫu thép phải có độ cứng nhỏ nhất lần lượt là 55 và 50
HRC. Mác thép nào sau đây thõa mãn các yêu cầu trên: 1040, 5140, 4340, 4140, 8640 ? 12 13 14
Hình 10. Độ thấm tôi cho các loại thép khác nhau
Hình 11. Tốc độ làm nguội là hàm số của bán kính mẫu đem tôi a) tôi trong nước, b) tôi trong dầu
13. Một mẫu thép đường kính 75 mm (3 in.) được austenit hóa sau đó tôi để thu được độ
cứng 40 HRC trên toàn tiết diện. Trong các loại thép 8660, 8640, 8630, 8620 thép nào sẽ
được chọn nếu môi trường tôi là: a. Nước b. Dầu
14. Một mẫu thép đường kính 90 mm được tôi trong môi trường nước khuấy đều. Bề mặt và
tâm mẫu phải có độ cứng ít nhất lần lượt là 55 và 40 HRC. Các loại thép nào sau đây
được chọn để thõa mãn các yêu cầu thiết kế trên: 8660, 8640, 8630, 8620, 5140, 4340, 4140. 15
Ghi chú: Sinh viên phải phân tích được các hình 1-11, sử dụng các từ khóa tiếng anh mà GV đã
cho và giải thích trên lớp đồng thời tìm hiểu các tài liệu khác. 16