Chương 20: Hướng dẫn chung về lựa chọn vật liệu tối ưu

Chia sẻ: Nguyễn Sỹ Tiến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

375
lượt xem 183
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 20: Hướng dẫn chung về lựa chọn vật liệu tối ưu

Ch¬ng 20 H¬ng dÉn chung vÒ lùa chän vËt liÖu tèi u 20.1. Yªu cÇu vÒ tÝnh n¨ng sö dông. TÝnh n¨ng cña vËt liÖu ®îc hiÓu lµ c¸c tÝnh chÊt c¬, lý, hãa ®¶m b¶o cho sù øng xö cña chóng trong nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh ®îc t×m ra tõ phßng thÝ nghiÖm vµ c¸c tÝnh chÊt tæng hîp liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh sö dông cña nã khi lµm tiÕt m¸y thùc nh tuæi thä vµ ®é tin cËy. Trong ngµnh chÕ t¹o m¸y, yªu cÇu nµy thÓ hiÖn ë chç: 20.1.1 §é bÒn c¬ häc cao: Khi chÞu lùc, ë c¸c ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é thÊp; nhiÖt ®é cao; cã yÕu tè ¨n mßn v.v... yªu cÇu giíi h¹n ch¶y (c = y = 0,2); giíi h¹n bÒn (b = T); giíi h¹n mái (-1 ; -1 ; o ; o...); ®é dai ph¸ hñy (KIC ; KIIC ; KIIIC); ®é dai va ®Ëp (ak , A); ®é r¾n (HB ; HRC...) ®Òu ph¶i cã gi¸ trÞ cao. VÝ dô trong B¶ng 20.1, giíi thiÖu sù thay ®æi c¬ tÝnh cña thÐp CrNi7TiAlB ë nhiÖt ®é thêng vµ nhiÖt ®é cao [5]. B¶ng 20.1 Sù phô thuéc c¬ tÝnh cña thÐp CrNi7TiAlB vµo nhiÖt ®é E, MPa c b Sk ak -1 Nhii % % (y) (T) MPa MPa (bF) Öt ®é MPa MPa MPa,(ë ToC No = 108) 20 198000 1020 660 1300 20 21 0,5 370 800 130000 560 460 610 16 41 - 260 - Trêng hîp nhiÖt ®é cao (T > 250oC), sù biÕn ®æi c¸c øng suÊt giíi h¹n cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc [ 8 ]: 1
S Lim . S .  tb . K T S Limc  , (20.1); KS Trong ®ã: SLimc - øng suÊt giíi h¹n cña tiÕt m¸y; SLim - øng suÊt giíi h¹n cña vËt liÖu lµm mÉu chuÈn; S - HÖ sè ¶nh hëng cña kÝch thíc tuyÖt ®èi; tb - HÖ sè t¨ng bÒn; KT - HÖ sè kÓ tíi ¶nh hëng cña nhiÖt ®é ®Õn c¸c giíi h¹n bÒn; KS - HÖ sè tËp trung øng suÊt lý thuyÕt (cßn ký hiÖu lµ S ); HÖ sè KT cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc: KT = 1 - kt (T - 250). 102 ; víi T > 250oC , (20.2); 2 o KT = 1 - kt (T - 20). 10 ; víi T = (50...100) C , (20.3) dïng cho kim lo¹i mµu vµ chÊt dÎo. kt - lµ hÖ sè tÝnh to¸n [4,8], B¶ng 20.2 HÖ sè tÝnh to¸n hiÖu chØnh ¶nh hëng nhiÖt ®é tíi ®é bÒn VËt liÖu HÖ sè kt ThÐp c¸c bon; thÐp hîp kim thÊp; gang 0,15 ... 0,20 ThÐp austenit hîp kim cao 0,05 ... 0,10 Hîp kim ®ång 0,10 ... 0,15 Hîp kim nh«m vµ hîp kim manhedi 0,25 ... 0,35 - Trêng hîp nhiÖt ®é thÊp, sù biÕn ®æi c¸c giíi h¹n bÒn theo nhiÖt ®é cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc giíi thiÖu trong tµi liÖu [8]. mF T 1 1 S F  CF    , (20.4)  T To  Trong ®ã: T - S F - Giíi h¹n mái cña vËt liÖu ë nhiÖt ®é T ; - To - 293oK ;
- T - NhiÖt ®é Kenvin ; - CF ; mF : C¸c h»ng sè cña vËt liÖu. 20.1.2 Tuæi thä lín: Tuæi thä lµ mét ®Æc tÝnh tæng hîp, nhng phô thuéc tríc hÕt vµo chÊt lîng cña vËt liÖu. Nã lµ hµm sè cña tÊt c¶ c¸c yÕu tè liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh chÕ t¹o tiÕt m¸y vµ sö dông, khai th¸c tiÕt m¸y. Tuæi thä cña tiÕt m¸y khã cã thÓ x¸c ®Þnh chÝnh x¸c. Ngêi ta cã thÓ ®¸nh gi¸ tuæi thä tiÕt m¸y trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ thö nghiÖm, kÕt hîp víi kinh nghiÖm tÝch lòy, thèng kª nhiÒu n¨m ®Ó ®a ra mét c«ng thøc kinh nghiÖm. Tuæi thä cña tiÕt m¸y cã thÓ tÝnh theo thêi gian (T, h); sè chu kú øng suÊt (N, chu kú); sè lîng c©y sè, (TÊn hµng / c©y sè, dïng trong ngµnh « t«; m¸y n©ng chuyÓn). Trong mét sè trêng hîp, cã thÓ tÝnh tuæi thä theo tèc ®é ph¸t triÓn vÕt nøt [8].   2  1  1 , N= (20.5) m  2Co M o / 2   m m   m2 2    m 2    lo  lp 2   Trong ®ã: Co , Mo - lµ h»ng sè trong ph¬ng tr×nh ph¸t triÓn vÕt nøt cña Paris; m - lµ sè mò cña ph¬ng tr×nh ph¸t triÓn vÕt nøt cña Paris;   - lµ gia sè cña øng suÊt t¹i ®Çu vÕt nøt; lo - lµ chiÒu dµi vÕt nøt ban ®Çu (d¹ng khuyÕt tËt kü thuËt); lp - lµ chiÒu dµi vÕt nøt øng víi lóc ph¸ hñy. 20.1.3 §é tin cËy lín: ThÓ hiÖn ë c¸c chØ tiªu [9] - X¸c suÊt lµm viÖc kh«ng háng R (t): N N  Nh N R(t )  k  c  1  h  1  F (t ) , (20.6) Nt Nt Nt Nt - Tæng sè tiÕt m¸y gièng nhau lµm viÖc trong cïng kho¶ng thêi gian T, h; 3
Nh - Sè lîng tiÕt m¸y trong Nt bÞ háng trong kho¶ng thêi gian ®ã; Nk - Sè lîng tiÕt m¸y trong Nt kh«ng bÞ háng; F(t) - X¸c suÊt ph¸ háng cña tiÕt m¸y. - Cêng ®é háng (t). ' Nh ( t )  , (20.7); N t' .  t Trong ®ã: N t' - Tæng sè tiÕt m¸y cïng lo¹i, còng lµm viÖc trong kho¶ng thêi gian nhá t ; N h - Sè tiÕt m¸y cïng lo¹i trong tæng N t' bÞ háng. ' Cã thÓ viÕt l¹i c«ng thøc tÝnh x¸c suÊt kh«ng háng R(t) tõ c¸c biÓu thøc trªn:  t  R(t )  exp    (t ). dt  , (20.8)  o  X¸c suÊt kh«ng ph¸ háng nµy ®îc gäi lµ ®é tin cËy [9]. - Thêi gian lµm viÖc trung b×nh: * Tuæi thä h÷u Ých; * Tuæi thä gamma phÇn tr¨m; * HÖ sè sö dông: t K Sd  lv , (20.9); T Trong ®ã: tlv - Thêi gian lµm viÖc ; T = tlv + tc + tp . tc - thêi gian ch¨m sãc, b¶o dìng; tp - thêi gian phôc håi. 20.2 Yªu cÇu vÒ tÝnh c«ng nghÖ. TÝnh c«ng nghÖ cña vËt liÖu lµ kh¶ n¨ng cña nã cho phÐp thùc hiÖn mét ph¬ng ph¸p c«ng nghÖ nµo ®ã ®Ó ®¹t ®îc nh÷ng tÝnh chÊt (c¬, lý, hãa...) mong muèn. C¸c tÝnh c«ng nghÖ th«ng dông: - TÝnh ®óc ; - Kh¶ n¨ng biÕn d¹ng nguéi, nãng vµ dËp s©u ;
- TÝnh c¾t gät ; - TÝnh hµn ; - Kh¶ n¨ng xö lý nhiÖt; lý-hãa-nhiÖt luyÖn. Nh÷ng tÝnh chÊt c«ng nghÖ kÓ trªn ®îc tr×nh bµy râ trong m«n häc C«ng nghÖ VËt liÖu (VËt liÖu häc; C«ng nghÖ kim lo¹i...). 20.3 Yªu cÇu vÒ tÝnh kinh tÕ. Khi cã kh¶ n¨ng chän nhiÒu lo¹i vËt liÖu ®Ó tháa m·n yªu cÇu vÒ c¸c tÝnh n¨ng; yªu cÇu vÒ tÝnh c«ng nghÖ th× tÝnh kinh tÕ sÏ quyÕt ®Þnh vËt liÖu nµo ®îc u tiªn lùa chän lµm tiÕt m¸y. TÝnh kinh tÕ thÓ hiÖn ë gi¸ thµnh nguyªn liÖu ®Çu vµo vµ gi¸ thµnh chÕ t¹o. Yªu cÇu cña thiÕt kÕ m¸y lµ ®é bÒn - tuæi thä cao; gi¸ thµnh h¹; träng lîng nhá. Gäi: * P : (Price) lµ gi¸ thµnh tÝnh cho mét ®¬n vÞ träng lîng vËt liÖu; * CRE: ChØ tiªu vÒ kinh tÕ (CRiteria of Economy). - NÕu yªu cÇu ®é bÒn tuæi thä cao - gi¸ thµnh h¹, th×: Se/2 1 (CRE ) S   max , (20.10); .P - NÕu yªu cÇu chèng biÕn d¹ng lín - gi¸ thµnh h¹, th×: E 1/ 3 (CRE ) E   max , (20.11); .P Trong ®ã: Se - Giíi h¹n ®µn håi, MPa; E - M«®un ®µn håi, MPa;  - Träng lîng riªng, kg/m3. Râ rµng lµ, nÕu hai lo¹i vËt liÖu cã cïng (hoÆc xÊp xØ b»ng nhau) c¸c trÞ sè Se, E vµ  , th× vËt liÖu nµo cã (CRE) lín h¬n sÏ ®îc u tiªn lùa chän. Trong tµi liÖu [12] cßn ®a ra c¸c ®¹i lîng sau ®Ó gióp nhµ thiÕt kÕ lùa chän vËt liÖu cho hîp lý: b - ®é bÒn riªng;  5
 bF - ®é bÒn mái riªng;  E - ®é cøng riªng;  2 tl - ®é bÒn va ®Ëp riªng (tl - giíi h¹n tû lÖ cña vËt E. liÖu). NÕu hai lo¹i vËt liÖu cã c¸c ®¹i lîng riªng trªn nh nhau, th× vËt liÖu nµo cã Pmin (gi¸ thµnh nhá nhÊt) sÏ ®îc lùa chän. Trong B¶ng 20.3 cã giíi thiÖu chØ tiªu ®é bÒn riªng cña mét sè nhãm vËt liÖu ®Ó lµm c¨n cø lùa chän cho s¸t hîp víi yªu cÇu thiÕt kÕ. B¶ng 20.3 C¬ tÝnh cña mét sè nhãm vËt liÖu thêng dïng M« ®un §é bÒn kÐo Träng lîng §é bÒn VËt liÖu ®µn håi b , MPa riªng  , riªng E, MPa 3 kg/m b /  ThÐp hîp kim 210000 1200 7850 0,15 chÊt lîng cao ThÐp siªu bÒn 210000 3000 7850 0,38 Hîp kim titan 120000 1100 4500 0,24 BT3 §ura Ä16 71000 460 2800 0,16 Silumin A A-4 71000 260 2650 0,09 VËt liÖu compozit 240000 1150 2650 0,43 sîi hçn hîp Trong tµi liÖu [12] cã ®a ra c¸c c«ng thøc tÝnh to¸n møc ®é sinh lîi"bear fruit" hµng n¨m, hµng th¸ng v.v... ®Ó gióp cho viÖc quyÕt s¸ch kinh tÕ (Economic Decisious), khi thiÕt kÕ m¸y cÇn tham kh¶o.
20.4 Yªu cÇu vÒ b¶o vÖ m«i trêng vµ an toµn x· héi. ViÖc lùa chän vËt liÖu chÕ t¹o tiÕt m¸y ph¶i tu©n theo luËt b¶o vÖ m«i trêng cña nhµ níc vµ ®¶m b¶o an toµn x· héi cao. §iÒu nµy thÓ hiÖn ë chç: - Qu¸ tr×nh c«ng nghÖ tiÕt m¸y kh«ng lµm « nhiÔm m«i trêng kh«ng khÝ; nguån níc; c¸c th¶m thùc vËt; sinh - ®éng vËt; ®Êt ®ai, v.v... - Kh«ng ®îc g©y ra tiÕng ån qu¸ giíi h¹n quy ®Þnh trong qu¸ tr×nh c«ng nghÖ chi tiÕt vµ qu¸ tr×nh vËn hµnh cña m¸y ®îc thiÕt kÕ ra. Tãm l¹i: 1/ ViÖc chän lùa vËt liÖu cho mét tiÕt m¸y cÇn tu©n thñ c¸c nguyªn t¾c nh chØ ra trong s¬ ®å díi ®©y: 2/ Thùc chÊt cña bµi to¸n chän vËt liÖu lµ bµi to¸n tèi u hµm môc tiªu ®a biÕn. ViÖc lùa chän vËt liÖu mét c¸ch khoa häc , chÝnh x¸c cã ý nghÜa to lín vÒ mÆt kinh tÕ - x· héi vµ kü thuËt. Nã lµ c«ng viÖc khã kh¨n, phøc t¹p, ®ßi hái sù cè g¾ng cña c¶ mét tËp thÓ nhiÒu ngµnh nghÒ vµ thuéc nhiÒu bé phËn kh¸c nhau: kh¶o s¸t nghiªn cøu, thiÕt kÕ, c«ng nghÖ; kiÓm tra chÊt lîng, kÕ ho¹ch, tiÕp thÞ v.v...[12]. C«ng viÖc nµy ®ßi hái tr×nh ®é trÝ tuÖ; tinh thÇn ®Çy tr¸ch nhiÖm tríc x· héi cña c¸c nhµ thiÕt kÕ. 7
Nguyªn t¾c chän vËt liÖu Yªu cÇu Yªu cÇu Yªu cÇu Yªu cÇu b¶o tÝnh n¨ng tÝnh vÖ tÝnh sö dông kinh tÕ m«i trêng c«ng nghÖ an toµn x· §é bÒn chi tiÕt C¬ tÝnh Lý - hãa - tÝnh