Gi¸o tr×nh: c«ng nghÖ kim lo¹i 2 l−u ®øc hßa Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - 2008 1 Kỹ thuật gia công biến dạng chương 1: Khái niệm chung 1.1. Thực chất và đặc điểm 1.1.1. Thực chất Gia công biến dạng là một trong những phương pháp cơ bản để chế tạo các chi tiết máy và các sản phẩm kim loại thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt. Gia công biến dạng thực hiện bằng cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm cho kim loại đạt đến quá giới hạn đàn hồi, kết quả sẽ làm thay đổi hình dạng c ủa vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng. 1.1.2. Đặc điểm Kim loại gia công ở thể rắn, sau khi gia công không những thay đổi hình dáng, kích thước mà còn thay đổi cả cơ, lý, hoá tính của kim loại như kim loại mịn chặt hơn, hạt đồng đều, khử các khuyết tật (rỗ khí, rỗ co v.v ) do đúc gây nên, nâng cao cơ tính và tuổi bền của chi tiết v.v GCBD là một quá trình sản xuất cao, nó cho phép ta nhận các chi tiế t có kích thước chính xác, mặt chi tiết tốt, lượng phế liệu thấp và chúng có tính cơ học cao so với các vật đúc. Gia công biến dạng cho năng suất cao vì có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá cao. 1.1.3. Công dụng: Sản phẩm của GCBD được dùng nhiều trong các xưởng cơ khí; chế tạo hoặc sửa chữa chi tiết máy; trong các ngành xây dựng, kiến trúc, cầu đường, đồ dùng hàng ngày, trong ngành chế tạo máy bay, ngành ôtô và ngành chế tạo máy điện. 1.2. Biến dạng dẻo của kim loại 1.2.1. Biến dạng dẻo của kim loại a/ Khái niệm về biến dạng của kim loại Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại sẽ biến dạng theo 3 giai đoạn nối tiếp nhau: Biến dạng đàn hồi: là biến dạng sau khi thôi lực tác dụng, vật trở về hình dáng ban đầu. Quan hệ giữa ứng suất và biến d ạng là tuyến tính tuân theo định luật Hooke. Trên đồ thị là đoạn OP. Biến dạng dẻo là biến dạng sau khi thôi lực tác dụng không bị mất đi, nó tương ứng với giai đoạn chảy của kim loại. Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất của lực tác dụng lớn hơn giới hạn đàn hồi. Đó là đoạn Pb. Biến dạng phá huỷ: Khi ứng suất của lực tác dụng lớn hơn độ bền của kim loại thì kim loại bị phá huỷ (điểm c). ∆L b o P P c H.1.1.  th quan h gia lc và bin dng Gi¸o tr×nh: c«ng nghÖ kim lo¹i 2 l−u ®øc hßa Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - 2008 2 b/ Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể Như chúng ta đã biết, dưới tác dụng của ngoại lực, kim loại biến dạng theo các giai đoạn: biến dạng đần hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá huỷ. Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra với các mức độ khác nhau. Trong đơn tinh thể kim loại, các nguyên tử sắp xếp theo một tr ật tự xác định, mỗi nguyên tử luôn dao động xung quanh một vị trí cân bằng của nó (a). Biến dạng đàn hồi: dưới tác dụng của ngoại lực, mạng tinh thể bị biến dạng. Khi ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng (b), nếu thôi tác dụng lực, mạng tinh thể lại trở về tr ạng thái ban đầu. Biến dạng dẻo: khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi, kim loại bị biến dạng dẻo do trượt và song tinh. Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt (c). Trên mặt trượt, các nguyên tử kim loại dịch chuyển tương đố i với nhau một khoảng đúng bằng số nguyên lần thông số mạng, sau dịch chuyển các nguyên tử kim loại ở vị trí cân bằng mới, bởi vậy sau khi thôi tác dụng lực kim loại không trở về trạng thái ban đầu. Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt vừa quay đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳ ng gọi là mặt song tinh (d). Các nguyên tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỉ lệ với khoảng cách đến mặt song tinh. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại, các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao a b c d τ τ τ τ τ H.1.2. S  bin dng trong n tinh th Gi¸o tr×nh: c«ng nghÖ kim lo¹i 2 l−u ®øc hßa Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - 2008 3 nhất. Biến dạng dẻo do song tinh gây ra rất bé, nhưng khi có song tinh trượt sẽ xẩy ra thuận lợi hơn. c/ Biến dạng dẻo của đa tinh thể Kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể (hạt tinh thể), cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể. Trong đa tinh thể, biến dạng dẻo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biế n dạng ở vùng tinh giới hạt. Sự biến dạng trong nội bộ hạt do trượt và song tinh. Đầu tiên sự trượt xẩy ra ở các hạt có mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 45 o , sau đó mới đến các mặt khác. Như vậy, biến dạng dẻo trong kim loại đa tinh thể xảy ra không đồng thời và không đồng đều. Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối với nhau. Do sự trượt và quay của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi m ới, giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển. 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại a/ Thành phần và tổ chức kim loại: Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể, lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau do đó tính dẻo của chúng cũng khác nhau, chẳng hạn đồng, nhôm dẻo hơn sắt. Thông thường kim loại sạch và hợp kim có cấu trúc một pha dẻo hơn h ợp kim có cấu trúc nhiều pha. b/ Nhiệt độ: Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, hầu hết kim loại khi tăng nhiệt độ, tính dẻo tăng. Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt của các nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng làm cho tổ chức đồng đều hơn. Khi ta nung thép từ 20÷100 0 C thì độ dẻo tăng chậm nhưng từ 100÷400 0 C độ dẻo giảm nhanh, quá nhiệt độ này thì độ dẻo tăng nhanh. c/ Ưng suất dư: Khi kim loại bị biến dạng nhiều, các hạt tinh thể bị vỡ vụn, xô lệch mạng tăng, ứng suất dư lớn làm cho tính dẻo kim loại giảm mạnh d/ Trạng thái ứng suất chính: Qua thực nghiệm người ta thấy rằng kim loại chịu ứng suất nén khối có tính dẻo cao hơn khi chị u ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất kéo. 1.3. bốn định luật cơ bản trong gia công biến dạng 1.3.1. Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại khi biến dạng dẻo "Khi biến dạng dẻo của kim loại xảy ra đồng thời đã có biến dạng đàn hồi tồn tại". Quan hệ giữa chúng qua định luật Hooke. Khi biến dạng kích thướ c của kim loại so với kích thước sau khi thôi tác dụng lực khác nhau, nên kích thước của chi tiết sau khi gia công xong khác với kích thước của lỗ hình trong khuôn (vì có đàn hồi). Gi¸o tr×nh: c«ng nghÖ kim lo¹i 2 l−u ®øc hßa Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - 2008 4 1.3.2. Định luật ứng suất dư "Bên trong bất cứ kim loại biến dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất dư cân bằng với nhau". Trong quá trình biến dạng dẻo kim lọai do nhiệt độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều v.v làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư, chung cân bằng với nhau. Sau khi thôi lực tác dụng, ứng suất dư này vẫn còn tồn t ại. Khi phân tích trạng thái ứng suất chính cần phải tính đến ứng suất dư. 1.3.3. Định luật thể tích không đổi " Thể tích của vật thể trước khi biến dạng bằng thể tích sau khi biến dạng". Như vậy: H.B.L = h.b.l → ln ln ln H h B b L l ++=0 → δ 1 + δ 2 + δ 3 = 0 với: δ 1 , δ 2 , δ 3 - biến dạng thẳng hoặc ứng biến chính. Vậy có kết luận: - Khi tồn tại cả 3 ứng biến chính thì dấu của 1 ứng biến chính phải khác dấu với dấu của 2 ứng biến chính kia, và trị số bằng tổng của 2 ứng biến chính kia. - Khi có 1 ứng biến chính bằng 0, hai ứng biến chính còn lại phải ngược dấu và giá trị tuyệt đối của chúng bằng nhau. ví dụ: Khi ch ồn 1 khối kim loại thì độ cao giảm đi (δ 1 < 0) do đó: δ 2 + δ 3 = δ 1 → δ δ δ δ 2 1 3 1 1+=; Nếu δ δ 2 1 06= , thì δ δ 3 1 04= , nghĩa là sau khi chồn có 60% chuyển theo chiều rộng và 40% chuyển theo chiều dài. 1.3.4. Định luật trở lực bé nhất "Trong quá trình biến dạng, các chất điểm của vật thể sẽ di chuyển theo hướng nào có trở lực bé nhất". Khi ma sát ngoài trên các hướng của mặt tiếp xúc đều nhau thì một chất điểm nào đó trong vật thể biến dạng sẽ di chuyển theo hướng có pháp tuyến nhỏ nhất. Khi l ượng biến dạng càng lớn tiết diện sẽ chuyển dần sang hình tròn làm cho chu vi của vật nhỏ nhất. Giáo trình: công nghệ kim loại 2 lu đức hòa Trờng đại học Bách khoa - 2008 5 Chng 2: Nung núng kim loi 2.1. Mc ớch nung núng Nung núng kim loi trc khi GCBD nhm nõng cao tớnh do v gim kh nng chng bin dng ca chỳng, to iu kin thun tin cho quỏ trỡnh bin dng. 2.2. mt s vn xy ra khi nung 2.2.1. Nt n Hin tng nt n xut hin bờn ngoi hoc bờn trong kim loi, nguờn nhõn l do ng sut nhit sinh ra vỡ s nung khụng u, tc nung khụng hp lý v.v ng sut nhi t ny cựng vi ng sut d sn cú ca phụi (cỏn, ỳc) khi vt qua gii hn bn ca kim loi s gõy ra nt n. (i vi thộp thng xy ra nt n t 0 < 800 0 C). 2.2.2. Hin tng ụxyhoỏ Kim loi khi nung trong lũ, do tip xỳc vi khụng khớ, khớ lũ nờn b mt nú d b ụxy hoỏ v to nờn lp vy st. S mt mỏt kim loi n 4 ữ 6%, cũn lm hao mũn thit b, gim cht lng chi tit v.v Quỏ trỡnh ụxy hoỏ xy ra do s khuyt tỏn ca nguyờn t ụxy vo lp kim loi v s khuyt tỏn ca nguyờn t kim loi qua lp ụxyt mt ngoi vt nung to thnh 3 lp vy st: FeO-Fe 3 O 4 -Fe 2 O 3 . Nhit nung trờn 570 0 c lp vy st tng mnh v trờn 1000 0 c lp vy st dy c ph kớn mt ngoi vt nung, nhit tip tc tng lp ụxyt ny b chỏy, ng thi to nờn lp ụxyt mi. ễxyt hoỏ cú th do ụxy a vo, hoc do khớ CO 2 , H 2 O tỏch ra. 2.2.3. Hin tng mt cỏcbon Hin tng mt cỏcbon ca mt ngoi vt nung lm thay i c tớnh ca chi tit, cú khi to nờn cong vờnh, nt n khi tụi. Khớ lm mt C l O 2 , CO 2 , H 2 O, H 2 Chỳng tỏc dng vi cỏcbớt st Fe 3 C ca thộp: 2Fe 3 C + O 2 = 6Fe + 2CO; Fe 3 C + CO 2 = 3Fe + 2CO Fe 3 C + H 2 O = 3Fe + CO + H 2 ; Fe 3 C + 2H 2 = 3Fe + CH 4 Lp mt cỏcbon bt u phỏt trin khi t 0 = 600ữ800 0 C v tng khi nhit tng. gim s mt C cú th dựng cht sn ph lờn b mt vt nung. Hin nay hay dựng cht Giáo trình: công nghệ kim loại 2 lu đức hòa Trờng đại học Bách khoa - 2008 6 sn sau õy ho vi nc hoc vi cn ờtyl: 60%SiO 2 + 15%Al 2 O 3 + 11,2%CaO + 4,4%MgO +5%(K 2 O+N 2 O) + 0,8%Fe 2 O 3 . 2.2.4. Hin tng quỏ nhit Nu nhit nung quỏ cao thỡ ht ụstenit cng ln lm cho tớnh do ca kim loi gim nhiu, cú th to nờn nt n khi gia cụng hoc gim tớnh do ca chi tit sau ny. i vi thộp cacbon nhit quỏ nhit di ng c khong 150 0 tr lờn (t 0 qn > t o c - 150 0 C). Hin tng ny c khc phc bng phng phỏp . Vớ d: Thộp cỏcbon 750 ữ 900 0 C, nhng vi thộp hp kim thỡ rt khú khn. 2.2.5. Hin tng chỏy Khi kim loi nung trờn nhit quỏ nhit (gn ng c) vt nung b phỏ hu tinh gii ca cỏc ht do vựng tinh gii b ụxy hoỏ mónh lit. Kt qu lm mt tớnh liờn tc ca kim loi, dn n phỏ hu hon ton bn v do ca kim loi. 2.3. Ch nung kim loi 2.3.1. Chn khong nhit nung i v i thộp cỏcbon da trờn gin Fe-C chn khong nhit GCBD. Trong sn xut xỏc nh khong nhit ca cỏc kim loi v hp kim thng dựng bng. i vi cụng nhõn trong iu kin thiu dng c o cú th xỏc nh nhit theo mu sc khi nung. Vớ d: i vi thộp khi nung mu s sỏng dn t mu xm (500 0 c) n sỏng trng (1250 0 c). 2.3.2. Thi gian nung Ch nung hp lý cn m bo nung kim loi n nhit cn thit trong mt thi gian cho phộp nh nht. Thi gian nung t nhit bỡnh thng n nhit ban u gia cụng cú th chia thnh 2 giai on: H.2.1.Khong nhit gia cụng bin dng i vi thộp cỏc bon a) Gin lý thuyt b) Gin thc t O t 0 C t max t min %c b) 0,8 2,1 %c t 0 C O a) 0,8 1,7 1350 1100 800 vựng gcal v.quỏ nhit vựn g chỏ y vựn g bin cn g Giáo trình: công nghệ kim loại 2 lu đức hòa Trờng đại học Bách khoa - 2008 7 a/ Giai on nhit thp (Tn < 850 0 C): Thi gian nung giai on ny cn di, tc nung chm, nu khụng kim loi d nt n hoc bin dng. b/ Giai on nhit cao (850 o c n nhit bt u gia cụng): Tc nung giai on ny khụng ph thuc nhiu vo h s dn nhit na, vỡ th cú th tng nhanh tc nung nhm tng nng sut nung, gim lng ụxy hoỏ v chỏy cỏcbon, hn ch s ln lờn ca cỏc ht kim loi, gim hao phớ nhiờn liu.vv 2.4. Thit b nung kim loi nung kim loi khi gia cụng ỏp lc ngi ta s dng nhiu lo i lũ nung khỏc nhau. Chỳng c phõn loi theo ngun cp nhit (nhiờn liu hoc in nng), tớnh cht hot ng (chu k hoc liờn tc) v kt cu lũ (lũ bung, lũ ging ). 2.4.1. Lũ rốn th cụng Lũ rốn th cụng cú kt cu n gin nhng nung núng khụng u, chỏy hao ln, khú khng ch nhit , nng sut v hiu sut nhit thp, ch yu dựng trong cỏc phõn xng nh. Khụng khớ thi theo c a giú 1 theo ng dn qua ghi lũ 5 t chỏy nhiờn liu 4 (than) trong bung lũ 3 (c cng lc nh v lũ bng thộp 2), bi v khúi theo nún 6 qua ng khúi 7 ra ngoi. Lũ ny n gin, r tin nhng khụng khng ch c nhit , nng sut nung thp, hao tn kim loi nhiu, nhit vt nung khụng u v.v ch dựng trong cỏc phõn xng sa cha nung vt nh. 2.4.2. Lũ bung (lũ phn x) L lũ cú nhi t khong khụng gian cụng tỏc ca lũ ng nht. Lũ bung l mt bung kớn, khng ch c nhit nung, cú th xp nhiu phụi, s hao phớ kim loi ớt, phụi khụng trc tip tip xỳc vi nhiờn liu. Lũ bung thuc loi lũ hot ng chu k, cú th dựng nhiờn liu (than ỏ, khớ t, du) hoc in tr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H.2.3. Lũ bung dựng nhiờn liu rn 1 2 5 4 3 6 7 H.2.2. Lũ rốn th cụng Formatted: Font: 11 pt, Bold Giáo trình: công nghệ kim loại 2 lu đức hòa Trờng đại học Bách khoa - 2008 8 Trờn hỡnh sau trỡnh by s mt lũ bung dựng nhiờn liu rn. Kim loi cht vo lũ v ly ra bng ca cụng tỏc 7. Nhiờn liu rn t trờn ghi lũ 2 sau khi t nhit lng nung núng bung t v vt nung 8. Khớ chỏy s theo kờnh khúi 9 v thoỏt qua cng khúi 10 ra ngoi. S iu chnh nhit bng cỏch iu chnh lng nhiờn liu v lng giú. u im ca lũ bung: nhit nung khỏ ng u, kim loi khụng tip xỳc trc tip vi ngn la nờn chỏy hao gim, thao tỏc vn hnh d. Nhc im ch yu l lũ lm vic theo chu k, tn tht nhit do tớch nhit cao. Lũ bung thớch hp vi cỏc phõn xng sn lng tng i ln. 2.4.3. Lũ dựng nng lng in Thng dựng nung vt nh, v t quan trng bng kim loi mu. Lũ in cú u im l khng ch nhit nung chớnh xỏc (sai s: 5 o c), cht lng vt nung cao, ớt hao tn kim loi, thi gian nung nhanh, nhng t tin do thit b phc tp v tn nng lng in. Vỡ th nờn ch dựng nhng vt nung yờu cu k thut cao, nht l cỏc kim loi quý. a/ Lũ in tr: Cú th thay dõy in tr bng cỏc cc than. b/ Lũ cm ng: Cho dũng in cao tn (c to nờn bi mỏy phỏt cao t n) thỡ trong vt nung s phỏt sinh dũng in cm ng v do hiu ng mt ngoi nờn dũng in cm ng ch yu phõn b trờn mt ngoi v lm vt núng lờn. Chiu dy c nung núng ca chi tit c tớnh: =5030 à f (mm). Trong ú: - b dy chi tit c nung; - in tr riờng ca vt nung (ụm.mm). à- h s t thm tng i; f- tn s dũng in (Hz). 1 2 3 4 5 6 7 H.2.5. Lũ in tr 1.u ni in; 2. dõy in tr; 3. nhit k; 4. np y; 5. phụi nung; 6. ghi lũ; 7. ca lũ Formatted: Bullets and Numbering Gi¸o tr×nh: c«ng nghÖ kim lo¹i 2 l−u ®øc hßa Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - 2008 9 c/ Nung trực tiếp: Cho dòng điện cường độ lớn trực tiếp chạy qua vật nung. Chủ yếu dùng nung vật để uốn lò xo. 2.5. Sự làm nguội sau khi gia công biến dạng Sau khi GCBD vật nguội dần và có sự thay đổi thể tích, thay đổi thành phần cấu trúc, thay đổi độ hạt v.v Vì vậy phải có chế độ làm nguội hợp lý. Có 3 phương pháp: 2.5.1. Làm nguội tự nhiên: Khi làm nguội ngoài không khí tĩnh, chổ đặt vật ph ải khô ráo, không có gió thổi. Tốc độ nguội tương đối nhanh nên thường dùng đối với thép các bon và hợp kim thấp có hình dáng đơn giản. 2.5.2. Làm nguội trong hòm chứa vôi, cát, xĩ, than vụnv.vv : Tốc độ làm nguội không cao, nhiệt độ vật trước khi đưa vào hòm khoảng 500÷750 o c. Dùng để nung các loại thép cácbon và hợp kim thấp có hình dáng phức tạp. 2.5.3. Làm nguội trong lò: Nhiệt độ lò được khống chế theo từng giai đoạn. Ví dụ: Từ 900 đến 800 o c cho nguội nhanh (25 o c/giờ) để tránh phát triển hạt, sau đó cho nguội chậm hơn (15 o c/giờ) đến nhiệt độ 100 o c cho nguội ngoài không khí. Chủ yếu dùng thép công cụ, thép hợp kim cao và thép đặc biệt có hình dáng phức tạp. Comment [TH1]: . 1.2. Biến dạng dẻo của kim loại 1.2.1. Biến dạng dẻo của kim loại a/ Khái niệm về biến dạng của kim loại Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại sẽ biến dạng theo 3 giai đoạn nối tiếp nhau: Biến. phẩm kim loại thay thế cho phương pháp đúc hoặc gia công cắt gọt. Gia công biến dạng thực hiện bằng cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội làm cho kim loại đạt. c«ng nghÖ kim lo¹i 2 l−u ®øc hßa Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - 2008 1 Kỹ thuật gia công biến dạng chương 1: Khái niệm chung 1.1. Thực chất và đặc điểm 1.1.1. Thực chất Gia công biến dạng là