Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
I. Nội dung và yêu cầu:
- Chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện và gia công cơ khí chi tiết chốt
nhíp ôtô, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn.
Câu 1:
a. Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết:
- Nhíp ôtô là bộ phận giảm xóc cho ôtô,
gồm các tấm thép được ghép lại. Toàn
bộ tải trọng phần trên của xe được đặt
lên khung nhờ các nhíp này. Bộ phận
nhíp ,nhờ có tính đàn hồi tốt nên giảm
được chấn động lên phần trên của xe
(nhất là khi đi trên đoạn đường gồ ghề).
Đồng thời, nhíp cũng phải chịu ứng Hình 1. Nhíp ôtô
suất chu kì (ứng suất nén và kéo thay
đổi theo chu kì ). Chốt nhíp có tác dụng
đỡ một đầu nhíp trượt qua lại. Hai đầu
chốt được gắn trên giá và xoay được.

b. Yêu cầu về cơ tính:
- Từ điều kiện làm việc như trên ta
thấy chi tiết chốt nhíp chủ yếu chịu mài
mòn đồng thời cũng chịu uốn ( do phải
đỡ một đầu của nhíp ) cần chọn loại vật
liệu có cơ tính tổng hợp tốt, chịu được
mài mòn đảm bảo kết hợp đượccác chỉ
1
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
tiêu về độ cứng, độ dai va đập… Hình 2. Chốt nhíp
ôtô
Câu 2

c. Lập bảng các ký hiệu và thành phần của mác thép tương đương với mác
thép trên theo các tiêu chuẩn các nước:

Tiêu chuẩn Mác
thép
%C %Mn %P
max
%S
max
Nguyên
tố
khác
max
TCVN (Việt
Nam)
C45 0,45 0,70 0,040 0,040 -
ANTM (Mỹ) 45 0,45 0,80 0,040 0,040 -
ҐOCT (Nga) 1045 0,45 0,70 0,035 0,050 Si≤0,15
JIS (Nhật) S45C 0,45 0,80 0,030 0,035 -
*Nhận xét:
- Thành phần Mn trong thép C45 theo các tiêu chuẩn có khác nhau đôi chút,
theo tiêu chuẩn ANTM ( Mỹ) và JIS (Nhật) thì hàm lượng Mn cao hơn thao
tiêu chuẩn ҐOCT (Nga) và TCVN (Việt Nam).
- Tiêu chuẩn JIS quy định khống chế hàm lượng P và S ở mức thấp nhất.
Còn theo ҐOCT quy định khống chế hàm lượng P có thấp hơn và hàm lượng
4
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
S cao hơn các tiêu chuẩn khác một chút (0,005%), đồng thời cũng quy định
hàm lượng Si ≤ 0,15%.
Câu 3: Ảnh hưởng của các nguyên tố thành phần trong thép C45 đến cơ tính

C] ) là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit
được tạo thành từ austenit (γ) với 0,80%C và ở 727
0
C theo phản ứng: γ
s

[α
P
+ Fe
3
C] . Trong Peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong
nhau; nhờ kết hợp giữa lượng lớn pha dẻo vơi lượng nhất định pha cứng,
peclit là tổ
chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ
5
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu
ủa vật liệu. Peclit và các biến thể của
nó (xoocbit, troxtit, bainit) có mặt
trong hầu hết các hợp kim Fe-C.

• Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon
đến cơ tính và công nghệ nhiệt luyện:
Từ giản đồ pha Fe-C ta thấy khi hàm
lượng cacbon tăng lên tỷ lệ Xêmentit
là pha giòn trong tổ chức cũng tăng
lên tương ứng ( cứ thêm 0,10%C sẽ
tăng thêm 1,50% xêmentit ) do đó làm
thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng ( ủ). Tức là hàm lượng cacbon
càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai vàcàng giòn. Thép C45 thuộc

mạnh mạng tinh thểpha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng photpho vượt
quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe
3
P cứng và giòn. Do đó photpho là
nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội ( ở nhiệt độ thường ). Chỉ cần có
0,10% P hòa tan, ferit đã trở nên giòn. Song photpho là nguyên tố thiên tích
( phân bố không đều ) rất mạnh nên để tránh giòn lượng photpho trong thép
phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng photpho cũng không vượt
quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn ).
Lưu huỳnh (S), khác với photpho lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong
Fe ( cả Fe
α
lẫn Fe
γ
)mà

tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở
nhiệt độ thấp (988
0
C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung
nóng lên để cán, kéo (thường ở 1100
0
C÷1200
0
C) biên giới hạt bị chảy ra làm
7
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
thép dễ bị đứt gãy như là thép rất giòn. Hiện tượng này được gọi là giòn nóng
hay bở nóng.
Tuy vậy photpho và lưu huỳnh cũng có mặt lợi, đó là làm tăng khả năng

chúng không vượt quá 0,50%.
- Vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố.
Đáng chú ý là xu hướng này ngày một mạnh lên nên hàm lượng của các
nguyên tố trên cũng tăng lên. Song dù vậy chúng vẫn chỉ đuợc coi là tạp
chất vì:
- Không cố ý đưa vào.
- Với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức
và cơ tính của thép.
+) Tạp chất ẩn:
Đó là các tạp chất khí : H
2
, O
2
, N
2
,… Chúng hòa tan vào trong thép lỏng từ
khí quyển của lò luyện . Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về
tổ chức ( gây tập trung ứng suất ) và giòn song do có mặt trong thép với lượng
chứa rất nhỏ ( ví dụ như 0,006÷0,008% đối với ôxy ) nên rất khó phân tích
Câu 4:
a.Xác định nhiệt độ chảy hoàn toàn và các nhiệt độ quan trọng đối với thép
(nhiệt độ ủ, thường hóa, tôi):
Khảo sát sự chuyển biến của C45 từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ hóa lỏng
hoàn toàn:
+) Ở nhiệt độ thường (<727
0
C), tổ chức của thép là ferit + peclit (Fe
α
+ P)
+) Ở nhiệt độ 727

C.
• Xác định nhiệt độ T
Ac3
được tính gần đúng dựa vào tam giác MNP và
MQR:

3
912
0,45
0,56
912 727 0,80
Ac
T−
=
−
;
.
Suy ra T
Ac3

;
805
0
C.

• Thép C45 thuộc nhóm thép trước cùng tích nên nhiệt độ ủ hoàn toàn
(nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn là austenit, tức là cao hơn Ac
3
:
T

C
10
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
= (835 ÷ 855)
0
C.
Với quá trình tôi ở nhiệt độ như trên sẽ làm xuất hiện austenit, sau đó làm
nguội nhanh để đạt được tổ chức mactenxit hay các tổ chức không ổn định
khác có độ cứng cao. Sau đó là nguyên công ram (cao) với nhiệt độ khoảng
500÷650
0
C để giảm giòn thép và giảm ứng suất dư bên trong nhằm đạt được
tổ chức mactenxit ram ( tuy độ cứng có bị giảm đi song lại đạt được sự kết
hợp tốt của các chỉ tiêu cơ tính : độ bền, độ dẻo, độ dai…
• Thường hóa thép C45 ở trên nhiệt độ 805
0
C (khoảng 835÷855
0
C) để đảm
bảo tổ chức hoàn toàn là austenit, sau đó làm nguội trong không khí. Tuy
nhiên, quá trình này làm mềm thép.
b.Tổ chức tế vi đạt được khi làm nguội chậm qua các điểm tới hạn, tính % các
pha trong tổ chức tế vi đó, nêu đặc điểm cơ tính của các tổ chức nhận được:
• Xét quá trình nguội từ 1500
0
C đến nhiệt độ thường:
+) Nguội từ 1500
0
C (đường lỏng) đến 1430
0

0
C ). Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được
hỗn hợp ferit+xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hoặc cũng có thể đạt được
mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và
gia công.
+) Từ 805
0
C đến 727
0
C : một phần austenit chuyển thành ferit nên hỗn hợp
thu được gồm hai pha ferit + austenit ( α+γ ). Như đã nói ở trên tổ chức tế vi
của ferit có dạng các hạt sáng đa cạnh. Cơ tính của ferit chính là của sắt
nguyên chất : dẻo, dai, mềm và kém bền. Như vậy tổ chức nhận được gồm hai
pha đều dẻo và mền. Tỷ lệ % của hai pha ferit và austenit tại điểm tới hạn
(nằm trên đường A
1
) được tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) :

0,80 0,45 0,35
.
0,45 0,022 0,428
α
γ
−
= =
−
Suy ra : %(α) =
0,35
0,35 0,428+
x100% = 45,0 %.

6,67 0,45 6,22
0,45 0,006 0,428Xe
α
−
= =
−
.
Suy ra : %( α) =
6,22
100% 93,6%
6,22 0,428
x =
+
.
%(Xe) = 100 – 93,6 = 6,4 %.
Như vậy tổ chức nhận được gồm có 93,6 % ferit và 6,4 % Xe nên đặc tính
chung của hỗn hợp là đặc tính của ferit (chiếm tỷ lệ rất cao) : dẻo, dai, mềm,
kém bền.
Câu 5:
a.Trình bày phương pháp gia công cơ khí thường được dùng để chế tạo chi
tiết:
- Với chi tiết có hình dáng tròn và đường kính nhỏ như chốt nhíp, phương
pháp gia công cơ khí thích hợp nhất là tiện. Tùy vào yêu cầu kỹ thuật mà có
thể áp dụng phương pháp tiện cho phù hợp;ta có thể tiến hành tiện tinh một
lần hoặc tiện xong đem mài thì sẽ đạt được độ bóng bề mặt cao hơn, sau đó
đem xử lý nhiệt để đạt được các chỉ tiêu cơ tính yêu cầu.
b.Các biện pháp xử lý nhiệt áp dụng trước và sau khi gia công cơ khí :
• Sơ lược về nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện:
- Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kím đến nhiệt độ xác
định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp sau đó làm nguội với tốc độ nhất

• Tôi : nung nóng làm xuất hiện austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ
chức không cân bằng với độ cứng cao nhất ( nhưng cũng đi kềm với độ giòn
cao ). Nếu hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt thì được gọi là tôi bề mặt.
• Ram : nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép tôi để điều
chỉnh lại độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc.
Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau,
mục đích của tôi + ram là tạo cơ tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể.
14
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
+) Hóa nhiệt luyện : dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần
hóa học ở lớp bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn.
Thường tiến hành bằng cách thấm, khuyếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất
định.
- Thấm đơn nguyên tố có : thấm cacbon, thấm nitơ…
- Thấm đa nguyên tố có : thấm cacbon-nitơ, thấm cacbon-nitơ-lưu
huỳnh…
b. Các biện pháp xủ lý nhiệt thép hóa tốt C45 trước hay sau khi gia công cơ
khí :
- Sau khi rèn, dập nóng để tạo phôi, cần tiến hành ủ hoàn toàn ( áp dụng cho
thép trước cùng tích ) với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái hoàn
toàn là austenit, với nhiệt độ ủ là :
T
ủ
0
= Ac
3
+ (20÷30
0
C)
=( 825 ÷835)

phá hủy cơ tính tổng hợp vừa đạt được trên toàn tiết diện, chi tiết thành
phẩm được tôi qua bề mặt và ram thấp. Với hàm lượng cacbon của thép
như trên sau khi tôi bề mặt dễ dàng đạt được độ cứng HRC = 52÷58, cùng
với độ cứng lõi HRC = 25÷30 đạt được yêu cầu đề ra.
d. Chọn vật liệu thay thế:
16
Bài tập lớn Vật liệu học Nguyễn Tuấn Khoa_ Cơ Điện Tử 2-K49
- Do những yêu cầu về cơ tính như đã phân tích ở trên, ta có thể chọn thép
C50 làm vật liệu thay thế do thép C50 có nhưng đặc điểm về cơ tính cũng
như nhiệt luyện tương tự như thép C45 mà vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ
thuật (độ cứng cao hơn thép C45 do đó chịu mài mòn tốt hơn tuy độ dẻo và
độ dai kém đi) và tính kinh tế. Ta cũng có thể thay thế bởi một số mác thép có
thành phần cacbon thấp ( %C =20 đến <30%) nhưng phải trải qua quá trình
thấm cacbon để tăng độ cứng bề mặt.
- Ngoài ra cải thiện cơ tính và tính nhiệt luyện của chi tiết cũng có thể dùng
thép 45Cr. Ưu điểm của thép 45Cr :
+) Tính chống mài mòn cao hơn.
+) Nâng cao độ thấm tôi.
+) Độ bền cao hơn.
+) Cr là nguyên tố tương đối rẻ. 17