Giáo trình Công nghệ chế tạo máy - Chương 20: Hướng dẫn chung về lựa chọn vật liệu tối ưu

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ chế tạo máy - Chương 20: Hướng dẫn chung về lựa chọn vật liệu tối ưu

1. Chương 20 Hương dẫn chung về lựa chọn vật liệu tối ưu 20.1. Yêu cầu về tính năng sử dụng. Tính năng của vật liệu được hiểu là các tính chất cơ, lý, hóa đảm bảo cho sự ứng xử của chúng trong những điều kiện xác định được tìm ra từ phòng thí nghiệm và các tính chất tổng hợp liên quan đến quá trình sử dụng của nó khi làm tiết máy thực như tuổi thọ và độ tin cậy. Trong ngành chế tạo máy, yêu cầu này thể hiện ở chỗ: 20.1.1 Độ bền cơ học cao: Khi chịu lực, ở các điều kiện nhiệt độ thấp; nhiệt độ cao; có yếu tố ăn mòn v.v yêu cầu giới hạn chảy (c = y = 0,2); giới hạn bền (b = T); giới hạn mỏi (-1 ; -1 ; o ; o ); độ dai phá hủy (KIC ; KIIC ; KIIIC); độ dai va đập (ak , A); độ rắn (HB ; HRC ) đều phải có giá trị cao. Ví dụ trong Bảng 20.1, giới thiệu sự thay đổi cơ tính của thép CrNi7TiAlB ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao [5]. Bảng 20.1 Sự phụ thuộc cơ tính của thép CrNi7TiAlB vào nhiệt độ E, MPa c b Sk ak -1 Nhii  %  % (y) (T) MPa MPa (bF) ệt độ MPa MPa MPa,(ở 8 ToC No = 10 ) 20 198000 1020 660 1300 20 21 0,5 370 800 130000 560 460 610 16 41 - 260 - Trường hợp nhiệt độ cao (T > 250oC), sự biến đổi các ứng suất giới hạn có thể tính theo công thức [ 8 ]: 1
2. S Lim . S . tb .KT S Limc , (20.1); KS Trong đó: SLimc - ứng suất giới hạn của tiết máy; SLim - ứng suất giới hạn của vật liệu làm mẫu chuẩn; S - Hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối; tb - Hệ số tăng bền; KT - Hệ số kể tới ảnh hưởng của nhiệt độ đến các giới hạn bền; KS - Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết (còn ký hiệu là S ); Hệ số KT có thể tính theo công thức: 2 o KT = 1 - kt (T - 250). 10 ; với T > 250 C , (20.2); 2 o KT = 1 - kt (T - 20). 10 ; với T = (50 100) C , (20.3) dùng cho kim loại màu và chất dẻo. kt - là hệ số tính toán [4,8], Bảng 20.2 Hệ số tính toán hiệu chỉnh ảnh hưởng nhiệt độ tới độ bền Vật liệu Hệ số kt Thép các bon; thép hợp kim thấp; gang 0,15 0,20 Thép austenit hợp kim cao 0,05 0,10 Hợp kim đồng 0,10 0,15 Hợp kim nhôm và hợp kim manhedi 0,25 0,35 - Trường hợp nhiệt độ thấp, sự biến đổi các giới hạn bền theo nhiệt độ có thể tính theo công thức giới thiệu trong tài liệu [8]. mF T 1 1 S F CF , (20.4) T To Trong đó: T - S F - Giới hạn mỏi của vật liệu ở nhiệt độ T ; o - To - 293 K ;
3. - T - Nhiệt độ Kenvin ; - CF ; mF : Các hằng số của vật liệu. 20.1.2 Tuổi thọ lớn: Tuổi thọ là một đặc tính tổng hợp, nhưng phụ thuộc trước hết vào chất lượng của vật liệu. Nó là hàm số của tất cả các yếu tố liên quan đến quá trình chế tạo tiết máy và sử dụng, khai thác tiết máy. Tuổi thọ của tiết máy khó có thể xác định chính xác. Người ta có thể đánh giá tuổi thọ tiết máy trên cơ sở các kết quả thử nghiệm, kết hợp với kinh nghiệm tích lũy, thống kê nhiều năm để đưa ra một công thức kinh nghiệm. Tuổi thọ của tiết máy có thể tính theo thời gian (T, h); số chu kỳ ứng suất (N, chu kỳ); số lượng cây số, (Tấn hàng / cây số, dùng trong ngành ô tô; máy nâng chuyển). Trong một số trường hợp, có thể tính tuổi thọ theo tốc độ phát triển vết nứt [8]. 2 1 1 N = , (20.5) m/ 2 m m 2 m 2 m 2 Co Mo  2 2 lo l p Trong đó: Co , Mo - là hằng số trong phương trình phát triển vết nứt của Paris; m - là số mũ của phương trình phát triển vết nứt của Paris;  - là gia số của ứng suất tại đầu vết nứt; lo - là chiều dài vết nứt ban đầu (dạng khuyết tật kỹ thuật); lp - là chiều dài vết nứt ứng với lúc phá hủy. 20.1.3 Độ tin cậy lớn: Thể hiện ở các chỉ tiêu [9] - Xác suất làm việc không hỏng R (t): N N N N R(t) k c h 1 h 1 F(t) , (20.6) Nt Nt Nt Nt - Tổng số tiết máy giống nhau làm việc trong cùng khoảng thời gian T, h; 3
4. Nh - Số lượng tiết máy trong Nt bị hỏng trong khoảng thời gian đó; Nk - Số lượng tiết máy trong Nt không bị hỏng; F(t) - Xác suất phá hỏng của tiết máy. - Cường độ hỏng (t). N ' (t ) h , (20.7); ' Nt . t Trong đó: ' Nt - Tổng số tiết máy cùng loại, cũng làm việc trong khoảng thời gian nhỏ t ; ' ' Nh - Số tiết máy cùng loại trong tổng Nt bị hỏng. Có thể viết lại công thức tính xác suất không hỏng R(t) từ các biểu thức trên: t R(t) exp (t).dt , (20.8) o Xác suất không phá hỏng này được gọi là độ tin cậy [9]. - Thời gian làm việc trung bình: * Tuổi thọ hữu ích; * Tuổi thọ gamma phần trăm; * Hệ số sử dụng: t K lv , (20.9); Sd T Trong đó: tlv - Thời gian làm việc ; T = tlv + tc + tp . tc - thời gian chăm sóc, bảo dưỡng; tp - thời gian phục hồi. 20.2 Yêu cầu về tính công nghệ. Tính công nghệ của vật liệu là khả năng của nó cho phép thực hiện một phương pháp công nghệ nào đó để đạt được những tính chất (cơ, lý, hóa ) mong muốn. Các tính công nghệ thông dụng: - Tính đúc ; - Khả năng biến dạng nguội, nóng và dập sâu ;
5. - Tính cắt gọt ; - Tính hàn ; - Khả năng xử lý nhiệt; lý-hóa-nhiệt luyện. Những tính chất công nghệ kể trên được trình bày rõ trong môn học Công nghệ Vật liệu (Vật liệu học; Công nghệ kim loại ). 20.3 Yêu cầu về tính kinh tế. Khi có khả năng chọn nhiều loại vật liệu để thỏa mãn yêu cầu về các tính năng; yêu cầu về tính công nghệ thì tính kinh tế sẽ quyết định vật liệu nào được ưu tiên lựa chọn làm tiết máy. Tính kinh tế thể hiện ở giá thành nguyên liệu đầu vào và giá thành chế tạo. Yêu cầu của thiết kế máy là độ bền - tuổi thọ cao; giá thành hạ; trọng lượng nhỏ. Gọi: * P : (Price) là giá thành tính cho một đơn vị trọng lượng vật liệu; * CRE: Chỉ tiêu về kinh tế (CRiteria of Economy). - Nếu yêu cầu độ bền tuổi thọ cao - giá thành hạ, thì: S1/2 (CRE) e max , (20.10); S . P - Nếu yêu cầu chống biến dạng lớn - giá thành hạ, thì: E1/3 (CRE) max , (20.11); E . P Trong đó: Se - Giới hạn đàn hồi, MPa; E - Môđun đàn hồi, MPa; - Trọng lượng riêng, kg/m3. Rõ ràng là, nếu hai loại vật liệu có cùng (hoặc xấp xỉ bằng nhau) các trị số Se, E và , thì vật liệu nào có (CRE) lớn hơn sẽ được ưu tiên lựa chọn. Trong tài liệu [12] còn đưa ra các đại lượng sau để giúp nhà thiết kế lựa chọn vật liệu cho hợp lý:  b - độ bền riêng; 5
6.  bF - độ bền mỏi riêng; E - độ cứng riêng;  2 tl - độ bền va đập riêng ( - giới hạn tỷ lệ của vật E. tl liệu). Nếu hai loại vật liệu có các đại lượng riêng trên như nhau, thì vật liệu nào có Pmin (giá thành nhỏ nhất) sẽ được lựa chọn. Trong Bảng 20.3 có giới thiệu chỉ tiêu độ bền riêng của một số nhóm vật liệu để làm căn cứ lựa chọn cho sát hợp với yêu cầu thiết kế. Bảng 20.3 Cơ tính của một số nhóm vật liệu thường dùng Mô đun Độ bền kéo Trọng lượng Độ bền Vật liệu đàn hồi b , MPa riêng , riêng E, MPa 3 kg/m b / Thép hợp kim 210000 1200 7850 0,15 chất lượng cao Thép siêu bền 210000 3000 7850 0,38 Hợp kim titan 120000 1100 4500 0,24 BT3 Đura Ä16 71000 460 2800 0,16 Silumin A A-4 71000 260 2650 0,09 Vật liệu compozit 240000 1150 2650 0,43 sợi hỗn hợp Trong tài liệu [12] có đưa ra các công thức tính toán mức độ sinh lợi"bear fruit" hàng năm, hàng tháng v.v để giúp cho việc quyết sách kinh tế (Economic Decisious), khi thiết kế máy cần tham khảo.
7. 20.4 Yêu cầu về bảo vệ môi trường và an toàn xã hội. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo tiết máy 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: - Quá trình công nghệ tiết máy không làm ô nhiễm môi trường không khí; nguồn nước; các thảm thực vật; sinh - động vật; đất đai, v.v - Không được gây ra tiếng ồn quá giới hạn quy định trong quá trình công nghệ chi tiết và quá trình vận hành của máy được thiết kế ra. Tóm lại: 1/ Việc chọn lựa vật liệu cho một tiết máy cần tuân thủ các nguyên tắc như chỉ ra trong sơ đồ dưới đây: 2/ Thực chất của bài toán chọn vật liệu là bài toán tối ưu hàm mục tiêu đa biến. Việc lựa chọn vật liệu một cách khoa học , chính xác có ý nghĩa to lớn về mặt kinh tế - xã hội và kỹ thuật. Nó là công việc khó khăn, phức tạp, đòi hỏi sự cố gắng của cả một tập thể nhiều ngành nghề và thuộc nhiều bộ phận khác nhau: khảo sát nghiên cứu, thiết kế, công nghệ; kiểm tra chất lượng, kế hoạch, tiếp thị v.v [12]. Công việc này đòi hỏi trình độ trí tuệ; tinh thần đầy trách nhiệm trước xã hội của các nhà thiết kế. 7
8. Nguyên tắc chọn vật liệu Yêu cầu Yêu cầu Yêu cầu Yêu cầu bảo tính năng tính vệ tính kinh tế sử dụng môi trường công nghệ an toàn xã Độ bền chi tiết Cơ tính Lý - hóa - tính