CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU KỸ THUẬT

2.1. THUỘC TÍNH CỦA VẬT LIỆU PHI KIM VÀ TIÊU CHUẨN LỰA CHỌN:

2.1.1. Thuộc tính của vật liệu phi kim:

Vật liệu phi kim được sử dụng ngày càng phổ biến vì thuộc tính bền dẻo và chi phí thấp của nó. Ngày nay người ta sử dụng  các vật liệu hỗn hợp vào sản xuất hoặc chế tạo thay vì chỉ chủ yếu sử dụng các vật liệu kim loại.

2.1.2. Polymeric materials Nhựa dẻo:

Loại vật liệu này được sử dụng trong chế tạo gồm hai nhóm: nhựa nhiệt dẻo và nhựa phản ứng nhiệt.

Sự khác biệt giữa hai nhóm này tạo nên thuộc tính đặc thù cho vật liệu. Nhựa nhiệt dẻo có thuộc tính mềm, nhẹ, dẻo và dễ uốn khi kết hợp hài hòa giữa nhiệt độ và áp suất. Nhựa phản ứng nhiệt có thuộc tính khô cứng và rắn khi có nhiệt.

2.1.3. Ceramic materials – Gốm, sứ.

Vật liệu này có thuộc tính cô đặc, cứng và tương đối chịu được nhiệt độ nóng chảy cao, và sức bền tương đối tốt.

2.1.4. Natural materials  -Vật liệu tự nhiên

Loại vật liệu này bao gồm gỗ, cao su, than chì.

Thỉnh thoảng vật liệu tự nhiên cũng được sử dụng trong kỹ thuật ví dụ như chế tạo sản phẩm mẫu tuy nhiên thường được thay thế bằng hợp kim, nhựa dẻo và vật liệu hỗn hợp.

Gỗ có thuộc tính cứng và sức chịu bền tốt trong khi cao su thì mềm dẻo và dễ cán.

2.1.5. Composite materials – Hợp chất

Trong sản xuất kỹ thuật có một số trường hợp một loại vật liệu không thể đáp ứng được yêu cầu thiết kế, do đó cần phải sử dụng hai hay nhiều vật liệu khác nhau kết hợp lại để tạo nên các thuộc tính đặc thù cho mỗi một phần linh kiện.

Các vật liệu cứng và rắn thường giòn, dễ gãy trong khi các vật liệu mềm dai thường có giới hạn chảy thấp.

*Summary of material properties :Tóm lại các loại vật liệu phi kim khác nhau có các thuộc tính khác nhau và khác với thuộc tính của các vật liệu kim. Có một số loại vật liệu thì tốt hơn trong điều kiện này nhưng lại kém hơn trong điều kiện khác.

Lưu ý: Mối tương quan thuộc về tính chất nhưng không so sánh được về số lượng

Fig 1

*Lựa chọn vật liệu và quy trình:

Khi đưa ý tưởng thiết kế vào sản phẩm, đầu tiên phải xem xét đến việc lựa chọn vật liệu và quy trình sản xuất.

Trong một vài trường hợp vật liệu được lựa chọn phải hoàn toàn đáp ứng yêu cầu dịch vụ chẳng hạn như độ dẫn điện, thuộc tính nhiệt trở. Dưới đây là một số điểm lưu ý khi lựa chọn vật liệu:

-         Hình dáng

-         Kích cỡ

-         Dung sai đường kính

-         Thuộc tính cơ học

-         Thuộc tính vật lý

-         Chi phí vật liệu

-         Chi phí quy trình

Việc lựa chọn quy trình phần lớn phụ thuộc vào vật liệu mà sản phẩn đó yêu cầu, như được thể hiện trong Hình 2.

				VẬT LIỆU PHI KIM        Hữu cơ                         Vô cơ   Nhựa                                 Gốm sứ                              Cao su                               Thủy tinh Gỗ                                      Than chì   Da                                      Khoáng                Giấy                                  Xi măng                                                    Hợp tử
	VẬT LIỆU KIM LOẠI     Hợp kim đen                Hợp kim màu   Gang                                 Nhôm & hợp kim Hợp kim thép các bon   Đồng & Hợp kim Thép không gỉ                 Hợp kim Ni ken Thép tinh luyện              Hợp kim titan Thép rèn                          Kẽm

Hình 2

Khi quyết định lựa chọn một vật liệu nhà thiết kế phải xem xét đến các thuộc tính và năng lực chế biến của vật liệu đó để có những giải pháp hiệu quả.

Sơ đồ ở Hình 3 cho thấy mối tương quan bên trong của các vật liệu tương đối rõ ràng đồng thời nêu rõ các yêu cầu khi lựa chọn vật liệu và quy trình như kích cỡ, hình dáng, độ chính xác và hoàn thành của vật liệu.

Đồng thời nó nêu lên các thông số mà nhà thiết kế phải xem xét nếu muốn thay thế để thích nghi với từng yêu cầu sản xuất.

Fig 3

2.2. ẢNH HƯỞNG CÁC YẾU TỐ CÁC BON VÀ GIA NHIỆT LÊN THUỘC TÍNH THÉP ĐẶC CÁC BON:

Xét về góc độ kỹ thuật một trong những hợp kim quan trọng nhất là sắt và các bon tạo nên một loại thép hợp kim thấp.

Ngoài vấn đề về chi phí thì thép các bon có nhiều thuộc tính cơ học thông qua sự thay đổi về kết cấu và áp dụng phương pháp gia công nhiệt.

Mặc dù khi thêm các bon vào vật liệu thép sẽ gây ảnh hưởng đến thuộc tính của nó nhưng một số vẫn thuộc tính vẫn còn giữ lại đặc biệt là thuộc tính cơ học. Thuôc tính cơ học thường bền, dẻo và chắc.

Tuy nhiên, phụ thuộc vào yếu tố các bon mà việc lựa chọn và ứng dụng hợp chất thép các bon khác nhau, thường thì tất cả các hợp chất đều có tỷ lệ xấp xỉ từ 0.05 đến 1.15% Cacbon.

Khi xem xét vấn đề này, người ta cho rằng ba thuộc tính cơ học của hợp chất khác nhau khi yếu tố các bon tăng đến cực đại gần 1.2%C,  như được biểu thị trong hình 1. Chính tỷ lệ phần trăm của các bon cho thấy sức bền, độ rắn chắc, độ mềm dẻo của hợp chất.

Fig 1

*Ảnh hưởng của các yếu tố hợp kim lên các thuộc tính các bon và thép hợp kim thấp:

Thép hợp kim được phân thành hai loại chính: thép hợp kim cao và thép hợp kim thấp. Thép hợp kim thấp có vi cấu trúc tương tự với thép đặc các bon do đó phản ứng gia công nhiệt cũng giống nhau. Tuy nhiên, khi thêm một số thành phần khác như crôm, niken hay magiê để chống lại việc gia tăng yếu tố các bon thì sức bền của vật liệu này tăng đáng kể mà không làm giảm độ dẻo của nó, được biểu thị như hình 1.

*Gia công nhiệt của thép các bon và thép hợp kim thấp:

Để hiểu về quy trình gia công nhiệt, trước hết chúng ta phải hiểu được định nghĩa của hợp kim là gì. Hợp kim là một chất gồm hai hay nhiều thành phần tạo nên trong đó có ít nhất một thành phần là kim loại.

Ví dụ,thép các bon là một hợp kim thép và các bon, trong trường hợp đầu tiên, sắt có thể xuất hiện dưới nhiều dạng phụ thuộc vào nhiệt độ. Giữa nhiệt độ phòng và 1535°C nó có thể xuất hiện ở 04 cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ cac bon được thêm vào thép.

Hình  2

Sơ đồ trên cho thấy ở nhiệt độ 900°C tỷ lệ phần trăm các bon hòa than trong thép cao hơn ở nhiệt độ phòng. Cấu trúc của nó trong giống như kim loại thuần (tất cả các hạt đều giống nhau). Nguyên nhân là do thay đổi trong cấu trúc nguyên tố khi nhiệt độ thép tăng đến điểm tan chảy.

*Gia nhiệt thép: (The heat treatment of steels)

Giai đoạn đầu tiên, dù mục đích là làm mềm hay làm cứng thép thì vẫn phải làm nóng nó ở nhiệt độ mà tất cả các bon đều được giữ trong dung dịch rắn (đặc) “y” (trên 910°C)

Chính vì tỷ lệ làm nguội và việc gia công nhiệt/ nguội làm thay đổi thuộc tính cơ học của thép.

Nếu thép được làm nguội đột ngột với nhiệt độ này thì nó sẽ đạt được điều kiện rắn chắc nhất và độ rắn chắc phụ thuộc vào tỷ lệ phần trăm của các bon trong thép, ta gọi là hiện tượng “cô đặc”.

Nếu thép được làm nguội đến mức chậm nhất hay còn gọi là hiện tượng “tôi luyện” thì nó sẽ đạt được độ mềm dẻo nhất.

Thép rắn có thuộc tính dễ gãy nên hạn chế khi sử dụng. Tuy nhiên nếu đem gia nhiệt lại ở nhiệt độ 400 đến 550°C và tùy vào môi trường làm nguội, ta gọi quy trình này là “ram” thì độ cứng của thép có thể giảm và tăng độ bền dai của thép lên.

Bảng 1 bên dưới tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ làm lạnh và độ thấm tôi của thuộc tính cơ học của thép.

Bảng 1

2.3. GIA CÔNG NHIỆT  (HEAT TREATMENT):

Ở nhiệt độ phòng vi cấu trúc của thép thông thường bao gồm các hạt thép, phụ thuộc vào thành phần các bon, các hạt này có thể xuất hiện dưới dạng sọc kẻ thông qua các lớp thép và Cacbua thép bởi vì ở nhiệt độ phòng các bon không hòa tan được trong thép.

Khi nhiệt độ của thép tăng lên thì cấu trúc của nó bắt đầu vỡ ra và các bon bắt đầu hòa tan vào thép giống như đường hòa tan vào ly trà nóng nhưng khác ở chỗ là thép vẫn còn ở dạng rắn.

Nhiệt độ chuyển đổi này phải đạt được trước khi chúng ta thay đổi thuộc tính của thép bằng phương pháp gia nhiệt.

Nhiệt độ chuyển đổi phụ thuộc vào lượng các bon có mặt. Đối với thép chứa 0. 1% carbon thì nhiệt độ ở khoảng 950⁰ C, còn đối với thép chứa a 0.83% carbon thì nhiệt độ khoảng 750⁰ C.

-         Nhiệt độ hóa rắn, nhiệt độ bình thường và nhiệt độ tôi là giống nhau.

-         Chỉ có duy nhất sự khác biệt là tỷ lệ làm nguội – tôi luyện

*Môi trường làm nguội

Môi trường làm nguội tạo ra tỷ lệ làm nguội khác nhau

-         Không khí: Kim loại còn sót lại sẽ được làm nguội bởi không khí xung quanh

-         Dầu

-         Nước

-         Nước muối làm lạnh

*Quy trình tôi luyện

-         Tôi luyện là quy trình làm mềm thép

-         Thép được tôi luyện hoàn toàn tạo ra độ bóng bề mặt kém khi gia công

-         Để tôi luyện thép cần phải làm nóng nhiệt độ chuyển đổi của nó

-         Làm nguội từ từ

-         Các chi tiết nhỏ có thể bọc trong một lớp cát đệm

-         Chi tiết lớn hơn tôi ở trong lò cho đến khi nó nguội

*Quy trình tôi luyện lại

Tôi luyện lại là quy trình làm mềm tuy nhiên nó không tạo ra cấu trúc mềm như quy trình làm nguội. Làm nóng đến nhiệt độ chuyển đổi khi mà vật thể được làm nguội trong không khí.

Đây là quy trình trả lại thép ở trạng thái “bình thường” như khi nhà cung cấp chuyển giao.

*Quy trình làm rắn

Thép chứa ít hơn 0.3% carbon không thể hóa rắn bằng gia công nhiệt.

Thành phần các bon càng nhiều thì thép sẽ càng hóa rắn hơn.

Làm lạnh càng nhanh thì thép càng rắn chắc hơn.

*Tỷ lệ làm nguội

Dung dịch muối làm nguội – nguội nhanh nhất – tạo ra trạng thái rắn tốt  nhất Nước

Dầu – nguội chậm nhất – tạo ra trạng thái rắn tệ nhất

Làm nguội tạo ra sức căng bên trong vật thể

Quy trình hóa rắn tạo ra thép cứng, rắn và có thuộc tính điện trở tốt nhưng lại dễ gãy. Vì vậy, để hạn chế tính dễ gãy của thép các bon và tăng tính bền dai của thép thì phải tôi luyện lại. 

*Tôi luyện lại

Quy trình này làm giảm bớt ứng suất do tôi luyện. Phương pháp tôi luyện lại phổ biến là tận dụng lớp o xít tạo nên bề mặt bóng trên thép khi làm nóng trong lò.

Tùy thuộc vào từng màu sắc khác nhau tương ứng với nhiệt độ khác nhau.