ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA ĐỘ XOẮN CỦA VẬT LIỆU NHÔM
MỤC LỤC
--------------------
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................10
CHƯƠNG 1: ................................................................................................................11
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KHẢ NĂNG CHỊU XOẮN CỦA KIM LOẠI. ........................................................................................................11
1.1. Tổng quan về tình hình ngành đo lường ở Việt Nam: .....................11
1.2. Thí nghiệm mẫu thử dẻo...................................................................11
1.3. Lý thuyết chung về nhôm và hợp kim nhôm....................................12
1.3.1. Khái niệm chung :..........................................................................12
1.3.2. Tính chất của nhôm .......................................................................12
1.3.2.2. Tính chất của nhôm ..........................................................................13
1.3.3. Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm trong trạng thái đúc .......15
1.3.3.1. Vai trò của tổ chức khi đúc đối với tính chất của bán thành phẩm ..15
1.3.3.2. Đặc điểm của tổ chức hợp kim sau đúc............................................16
1.3.4. Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau khi gia công áp lực .17
1.3.5. Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm ............................................18
1.3.5.1. Ủ .......................................................................................................18
1.3.5.2. Tôi.....................................................................................................19
1.4. Kiểm tra độ bền xoắn là gì? Khi nào? ..............................................20
1.5. Làm thế nào để đo Mô-men xoắn? ...................................................20
1.6. Ứng dụng cụ thể Mô-men xoắn:.......................................................21
1.7. Phương pháp thử xoắn kim loại .......................................................22
1.7.1. Các vấn đề chung ...........................................................................22
1.7.2. Thiết bị thử ....................................................................................25
1.7.3. Mẫu thử..........................................................................................25
1.7.4. Thử và xử lý kết quả ......................................................................27
1.7.4.2. Xác định giới hạn tỉ lệ khi xoắn .......................................................28
1.7.4.3. Xác định giới hạn chảy khi xoắn ......................................................29
1.7.4.4. Xác định giới hạn bền thực khi xoắn................................................3
1.7.4.1. Xác dịnh giới hạn bền qui ước khi xoắn ..........................................31
1.8. Dạng phá hũy của thanh tròn chịu xoắn ...........................................31
1.9. Kết luận ............................................................................................33
CHƯƠNG 2: ................................................................................................................33
GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG................................33
2.1. Các loại máy kiểm tra xoắn: .............................................................33
2.1.1. Máy kiểm tra Mô-men xoắn NJS – 200 ........................................33
2.1.2. Máy kiểm tra xoắn vi mạch NDW Series (500Nm, 1000Nm,
2000Nm) ....................................................................................................34
2.1.3. Máy đo độ xoắn dây thép - Cometech QC-310A ..........................35
2.1.4. Thiết bị kiểm tra độ soắn theo phương đứng Cometech QT-050B1
2.1.5. Cometech QC-902 - Máy đo độ xoắn lò xo ..................................37
2.2. Nguyên lý hoạt động của máy: .........................................................38
CHƯƠNG 3: ................................................................................................................40
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY. ...................40
3.1 Yêu cầu kỹ thuật chung của máy......................................................40
3.2 Cấu tạo của máy kiểm tra độ xoắn: ..................................................40
3.2.1 Bộ truyền bánh trụ răng thẳng: .......................................................40
3.2.2 Bộ truyền trục vít - bánh vít: ..........................................................41
Nguyên lý làm việc của bộ truyền trục vít – bánh vít: ...............................41
3.2.3 Bộ cảm biến lực ( Loadcells) ..........................................................44
3.2.4 Encoder ...........................................................................................51
3.3 Tính toán:..........................................................................................53
3.3.1 Bộ truyền bánh răng .......................................................................53
3.3.1.1 Tải trọng trong truyền động bánh răng.............................................53
3.3.1.2 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán .................................................54
3.3.1.3 Vật liệu và ứng suất cho phép. .........................................................57
3.3.1.4 Sức bền bộ truyền bánh trụ răng thẳng.............................................58
3.3.2 Bộ truyền trục vít - bánh vít............................................................60
3.3.2.1 Tải trọng trong truyền động trục vít – bánh vít ................................61
3.3.2.2 Tải trọng riêng và hệ số tải trọng .....................................................62
3.3.2.3 Tải trọng động khi ăn khớp ..............................................................62
3.3.2.4 Các dạng hỏng ..................................................................................62
3.3.2.5 Vật liệu và ứng suất cho phép ..........................................................64
3.3.2.6 Tính độ bền bộ truyền trục vít: .........................................................65
3.4 Kết quả thực nghiệm ........................................................................68
3.4.1 Bù trừ giá trị đo: .............................................................................68
3.4.1 Kết quả đo .......................................................................................68
CHƯƠNG 4: ................................................................................................................70
THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY.......................................................................................70
CHƯƠNG 5: ................................................................................................................81
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .....................................81
5.1 Kết luận chung..................................................................................81
5.2 Hướng phát triển đề tài .....................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................83
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ dẫn nhiệt của Al ........................ 14
Hình 2. Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ dẫn điện của Al. ........................ 15
Hình 3. Xét kết tinh hợp kim hệ cùng tinh............................................................... 17
Hình 4. Xét kết tinh hợp kim hệ bao tinh................................................................. 17
Hình 5. Chọn nhiệt độ tôi hợp kim nhôm ................................................................ 19
Hình 6. Giản đồ phân huỷ đẳng nhiệt ...................................................................... 20
Hình 7. Dùng phanh thử công suất để đo mô-men xoắn của động cơ điện. ............ 21
Hình 8. Đo mô-men xoắn của động cơ đốt trong..................................................... 21
Hình 9. Cảm biến đo mô-men xoắn trên trục nối..................................................... 22
Hình 10. Máy kiểm tra Mô-men xoắn NJS – 200 ...................................................... 33
Hình 11. Máy kiểm tra xoắn vi mạch NDW Series ................................................... 34
Hình 12. Máy đo độ độ xoắn dây thép - Cometech QC-310A .................................. 35
Hình 13. Thiết bị kiểm tra độ soắn theo phương đứng Cometech QT-050B1 .......... 36
Hình 14. Cometech QC-902 - Máy đo độ xoắn lò xo ................................................ 37
Hình 15. Sơ đồ phân tích lực bộ truyền bánh răng .................................................... 41
Hình 16. Bộ truyền trục vít - bánh vít ........................................................................ 42
Hình 17. Bản vẽ thông số bộ truyền trục vít, bánh vít ............................................... 43
Hình 18. Cấu tạo Encoder .......................................................................................... 52
Hình 19. Lực tác dụng trong bộ truyền bánh trụ răng thẳng...................................... 54
Hình 20. Hiện tượng tróc răng. .................................................................................. 56
Hình 21. Sơ đồ tính độ bền tiếp xúc........................................................................... 59
Hình 22. Sơ đồ tính độ bền uốn ................................................................................. 60
Hình 23. Sơ đồ xác định lực tác dụng khi ăn khớp .................................................... 61
Hình 24. Vị trí đường tiếp xúc giữa ren trục vít và răng bánh vít. ............................ 63
Hình 25. Sơ đồ tính độ bền tiếp xúc........................................................................... 66
Hình 26. Biểu đồ biểu thị kết quả đo mẫu xoắn có đường kính 6mm. ...................... 68
Hình 27. Bảng tra thông số mẫu thử nhôm Al6061 ................................................... 69
CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KHẢ NĂNG CHỊU XOẮN CỦA KIM LOẠI.
1.1. Tổng quan về tình hình ngành đo lường ở Việt Nam:
Hiện nay, nước chúng ta có một hệ thống tổ chức đo lường quy mô từ Trung ương đến 63 tỉnh, thành… Việc quy hoạch hệ thống tổ chức đo lường, hệ thống chuẩn được thực hiện bài bản có tầm nhìn xa, đảm bảo phát huy được tối đa các nguồn lực. Không chỉ ở Trung ương mà các Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng ở các tỉnh, thành phố cũng được đầu tư, trang bị các chuẩn đo lường hiện đại phù hợp để thực hiện nhiệm vụ kiểm định, hiệu chuẩn phương tiện đo lường và đáp ứng phần lớn yêu cầu quản lý đo lường tại địa phương. Các công cụ và các phương thức của quản lý chất lượng, của hoạt động công nhận, chứng nhận đang được sử dụng rất có hiệu quả để tổ chức và quản lý hoạt động kiểm định, hiệu chuẩn phương tiện đo.
Đo lường thống nhất và chính xác đã góp phần đảm bảo công bằng xã hội, bảo vệ quyền lợi và lợi ích hợp pháp của mọi tổ chức, cá nhân trong các giao dịch kinh tế, dân sự; sử dụng tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, vật tư, năng lượng; đẩy mạnh phát triển khoa học và công nghệ; là công cụ đắc lực góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, phát triển kinh tế - xã hội và hội nhập kinh tế quốc tế.
1.2. Thí nghiệm mẫu thử dẻo
Vật liệu thí nghiệm là nhôm
Để có thể so sánh các kết quả thí nghiệm với nhau.mẫu thí nghiệm hình dạng và kích thước quy định(xem TCVN 197-66). Mẫu thí nghiệm có hình dạng hình trụ. Đoạn xét nghiệm có đường kính ban đầulà và chiều dàilà . Theo tiêu chuẩn Việt
Nam đường kính có thể lấy từ 3÷25mm và chiều dài lấy từ 5÷ 10 lần đường kính.Đề phòng mẫu thử có thể phá hại ngay tại các chỗ cặp giữa mẫu và máy thí nghiệm ta thường gia công hai đầu mẫu có đường kính lớn hơn đường kínhđoạn thí nghiệm.
1.3. Lý thuyết chung về nhôm và hợp kim nhôm
1.3.1. Khái niệm chung :
Ngày nay nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống con người. Tuy vậy, về mặt lịch sử nhôm thuộc loại các nguyên tố “trẻ”.Nhôm được tìm ra năm 1808. Công lao ấy thuộc về Davy. Nhờ các phản ứng hoá học ông đã tách được nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng và gọi tên là alumin.
Bắt đầu từ những năm 30 của thứ kỷ 19 người ta đã sản xuất nhôm trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp hoá học.Tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ.
Tính từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấn nhôm. Vào những năm cuối cùng của thế kỷ 19 tức là từ năm 1890 nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm ( ) nóng chảy trong criolit
( ). Nhờ phương pháp mới này sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng. Chỉ trong vòng 9 năm từ 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 28.000 tấn nhôm. Riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt tới 270.000 tấn.Năm 1968 sản lượng nhôm là
8.386.200 tấn.Từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15%, những năm gần đây chỉ tăng 5%/năm.
Ngày nay, khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại
này được lên hàng thứ hai sau thép.
Hợp kim Al đầu tiên ra đời vào năm 1906. Đó là hợp kim do Alfred Wienmer tìm ra; hiện nay được phát triển thành các đura trên cơ sở hệ Al-Cu-Mg đang dược sử dụng rộng rãi.
Sản lượng và nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên không
ngừng.
Những ưu điểm chính của nhôm là trọng lượng riêng nhỏ; độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt
Độ bền riêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5, trong khi đó của thép là 15,4.
Vì vậy, khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu, nó tỏ ra có những ưu điểm lớn.
Về mặt trữ lượng, nhôm nhiều hơn sắt. Theo tính toán, nhôm chiếm 8,8% còn sắt chỉ
chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất.
1.3.2. Tính chất của nhôm
1.3.2.1. Đặc điểm về tổ chứ
Nhôm có số thứ tự 13, thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn Mendeleev. Cấu hình điện tử của nhôm có dạng sau: .
Thế oxi hoá của điện tử lớp 3p bằng 5,98 eV, của điện tử 3s bằng 18,82 và 28,44 eV.
Tương ứng vớicác thế ion hoáấy, có thể xuát hiện các ion . Bên cạnh oxyt rất bền có thể xuất hiện các hợp chất , AlF, AlCl rất kém ổn định.
Độ lớn của hạt nhôm khi kết tinh phụ thuộc vào lượng tạp chất. Với điều kiện kết tinh như nhau, nhôm sạch 99,8% có độ hạt từ 1 – 2mm, còn nhôm sạch 99,99% có thể nhận được hạt với kích thước tới 10mm.
Nhôm kết tinh ở dạng mạng lập phương tâm mặt ( ),chy kỳ mạng a=0,40413mm.
1.3.2.2. Tính chất của nhôm
a) Tính chất vật lý
Một số tính chất vật lý quan trọng của nhôm trình bày trong bảng 1.1
Thiết diện ngang hấp thụ nơtron nhiệt của nhôm khá nhỏ, bằng 0,23 barn/nguyên tử
|
Tính chất |
Al |
|
Số thứ tự |
13 |
|
Nguyên tử lượng |
26,981 |
|
Khôi lượng riêng ở , g/ |
2,698 |
|
Nhiệt độ chảy lỏng, ºC |
660,24 |
|
Nhiệt độ sôi,ºC |
2520 |
|
Đường kính nguyên tử, nm |
0,286 |
|
Nhiệt ẩn chảy lòng, KJ/kg |
389,37 |
|
Nhiệt ẩn hoá hơi, kJ/kg |
10885 |
|
Tỷ nhiệt ở , J/(kg.K) |
961,7 |
|
Độ dẫn nhiệt ở , W/(m.K) |
221,5 |
|
Hệ số dãn nở nhiệt ở , . |
23,3 |
|
Điện trở suất ở , μΩ.m |
0,02767 |
|
Mođun đàn hồi E.Gpa |
70,6 |
|
Mođun trượt, GPa |
27 |
Nhôm là kim loại có nhiệt độ chảy thấp. Nhiệt độ nóng chảy củua nó phụ thuộc vào
độ sạcH
Nhôm 99,99% nóng chảy ở 660,24ºC nhưng nhôm 99,5% sẽ nóng chảy thấp hơn ở
658ºC.
Nhôm rất nhẹ, mật độ của nó là 2,7g/
Độ dẫn nhiệt, dẫn điện của nhôm phụ thuộc vào lượng tạp chất ( Hình 1.1 và 1.2) Nhôm sạch 99,07% dẫn điện bằng khoảng 65,5% so với CU, còn nhôm sạch 99,5% dẫn điện kém hơn. chỉ bằng 61,6%
Ở 200ºC, nhôm sạch 99,49% có độ dẫn nhiệt là 0,500 kcal/cm.s.độ; khi độ sạch tăng lên 99,9%, nhôm có độ dẫn nhiệt là 0,82 kcal/cm.s.độ.
Hình 1. Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ dẫn nhiệt của Al
Hình 2. Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ dẫn điện của Al.
b) Cơ tính
Độ bền, cứng của nhôm phụ thuộc lượng tạp chất và trạng thái gia công biến dạng. Nhôm sạch 99,996% sau cán nguội có độ bền nhỏ, =114,1Mpa; sau khi ủ độ bền càng nhỏ hơn, =48,1Mpa. Độ dãn dài tương ứng với hai trạng thái làδ=5,5% và
48,8%.
Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm tương đối thấp và cũng phụ thuộc vào độ sạch.
Sau khi biến dạng nguội, nhôm sạch 99,994% bắt đầu kết tinh lại ở 150ºC vàở 270ºC
quá trình kết tinh lại kết thúc.
Đối với nhôm siêu sạch 99,999% quá trình kết tinh lại xảy ra ngay ở -37ºC và hoàn thành sau một vài ngày đêm.
1.3.3 Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm trong trạng thái đúc
1.3.3.1. Vai trò của tổ chức khi đúc đối với tính chất của bán thành phẩm
Tổ chức và tính chất các bán thành phẩm biến dạng phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức thỏi đúc. Chất lượng thỏi đúc bên trong quyết định bởi hình dáng, kích thước hạt và tổ chức bên trong. Hạt trong thỏi đúc có thể thô to hoặc nhỏ mịn. Hình dạng của chún
có thể đều trục, kéo dài... Cấu trúc bên trong hạt được quyết định bởi hình dáng và kích thước nhanh cây kết tinh trước, cũng như bởi kích thước, sự phân bố của các hợp chất hoáhọc( pha liên kim loại).
Cơ tính của vật liệu chịu ảnh hượng chủ yếu bởi cấu trúc bên trong hạt ở trạng thái đúc, cũng như sau khi nhiệt luyện.Cấu trúc bên trong hạt càng hoàn hảo, độ bền, độ dèo càng cao.
Kích thước hạt của thỏi đúc nhỏ, sẽ càng nhỏ hơn do qúa trình biến dạng. Nếu tiến hành ủ kiết tinh lại, số lượng tâm mầm sẽ càng nhiều.Đó chính là bản chất của tính di truyền tổ chức đúc, yếu tốảnh hưởng quyết định đến tổ chức, tính chất bán thành phẩm khi biến dạng.
1.3.3.2. Đặc điểm của tổ chức hợp kim sau đúc
Có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến độ lớn của hạt trong thỏi đúc
Tốc độ nguội lớn .nhiệt độ rót khuôn thấp, vật lẫn phi kim loại không tan, tác dụng của biến tính, của siêu âm... Các yếu tốấy sẽ làm nhỏ hạt khi kết tinh.
Nếu nhưảnh hưởng đến độ lớn của hạt có nhiều yếu tố khác nhau thìảnh hưởng đến sự
hoàn hảo của cấu trúc bên trong, đến kích thước( siêu hạt) chủ yếu là tốc độ nguội.
Để tăng cơ tính của hợp kim nhôm đúc, cần tạo ra tổ chức hạt nhỏ và siêu hạt mịn. Ngiên cứu đặc điểm phân bố tạp chất và thành phần pha khi đúc hợp kim nhôm, cần dựa vào giản đồ pha. Như đã trình bày ở trên, các hợp kim nhôm thông thường khi kết tinh tuân theo hai dạng giản đồ: cùng tinh và bao tinh
Phụ thuộc vào tốc độ nguội khi kết tinh, khả năng khuếch tán trong trạng thái rắn và lỏng cũng như giản đồ pha, tổ chức sau khi đúc có các đặc điểm khác nhau
Để rút ra đặc điểm chung về tổ chức của hợp kim nhôm khi kết tinh theo giản đồ dạng cùng tinh, ta xét hợp kim I hình 1.3
Hình 3. Xét kết tinh hợp kim hệ cùng tinh
Hình 4. Xét kết tinh hợp kim hệ bao tinh.
1.3.4. Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau khi gia công áp lực
Nhôm và đa số các hợp kim của nó có độ dẻo cao. Bằng phương pháp gia công áp lực, trong thực tế người ta chế tạo hầu hết các bán thành phẩm biến dạng tấm, ống, thanh...
Gia công áp lực có thể là gia công nóng ở nhiệt độ 350-450ºC, cũng có thể là gia công nguội
1.3.5. Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm
Mục đích của gia công nhiệt luyện là làm thay đổi tổ chức bên trong của chi tiết, do vậy dẫn đến thay đổi tính chất của nó.
Biết rằng nhôm không có chuyển biến thù hình, cho nên nhiệt luyện hoá bền hợp kim nhôm dựa trên đặc tính hình thành dung dịch rắn quá bão hoà và quá trình phân hoá nó tiếp theo để tạo ra các pha phấn tán hoá bền.
Các dạng nhiệt luyện hợp kim nhôm chủ yếu gồm ủ, tôi và hoá già.
1.3.5.1. Ủ
Ủ nhôm là nguyên công nhiệt luyện gồm nung nóng hợp kim lên nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt, làm nguội chậm để nhận được tổ chức cân bằng. Các dạng tổ chức không cân bằng thường gặp trong nhôm và hợp kim nhôm là:
- Tổ chức không cân bằng sau đúc gồm thiên tích, các tổ chức cùng tinh hoặc bao tinh thừa...
- Tổ chức không cân bằng sau biến dạng dẻo.
- Tổ chức không cần bằng sau nhiệt luyện. a) Ủ đồng đều hoá
Đồng đều hoá là nguyên công nhiệt luyện đầu tiên sau khi đúc.Chế độ dồng đều hoá bao gồm nung nóng chi tiết lên nhiệt độ đồng đều hoá, giữ nhiệt một thời gian, sau đó là nguội.
Nguyên tắc chọn nhiệt độủ đồng đều hoá, cần đảm bảo năng suất cao, chất lượng tổ
chức nhận được tốt.
Đồng đều hoáở nhiệt độ cao ngoài tác dụng rút ngắn thời gian còn cải thiện cơ tính
thỏi đúc theo thiết diện ngang.
Nhiệt độủ đồng đều hoá các hợp kim nhôm thông dụng thường được chọn khoảng
450-520ºC.
Thời gian giữ nhiệt khi ủ đồng đều hoá phụ thuộc kích thước chi tiết và độ lớn phần tửpha thứ hai. Thông thường thời gian này kéo dài từ 4 đến 10 giờ.
b) Ủ kết tinh lại
Ủ kết tinh áp dụng cho các chi tiết sau khi bị biến dạng nguội.Mụcđích của ủ kết tinh lại là làm cho quá trình kết tinh lại xảy ra hoàn toàn nhưng độ hạt phải nhỏ.
Trong thực tế đối với các hợp kim nhôm, người ta thường chọn nhiệt độủ kết tinh lại khoảng 50-150ºC, cao hơn nhiệt độủ kết tinh lại lần thứ nhất.
c) Ủ các hợp kim đã hoá bền bằng nhiệt luyện
Mục đích của dạng ủ này là thải bền. Tốc độ nguội khi ủ phải nhỏ, thường chọn
30ºC/h. Mặt khác để rút ngắn thời gian, tăng năng suất, người ta phải chon nhiệt độủ hợp lý. Nhiệt độủ chọn quá cao, thời gian nguội khi ủ sẽ lớn.Ngược lại nếu chọn thấp, thời gian giữ khi ủ sẽ phải dài.
1.3.5.2. Tôi
Tôi hợp kim nhằm tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà. Đối với thép khi tôi có chuyển biến mactenxit là chuyển biến không khuyếch đại và đổi dạng thù hình Feγ →Feα. Nhưng đối với hợp kim nhôm thì khác hẳn, khi tôi không có chuyển biến thù hình. Dung dịch rắn quá bão hoà nhận được do khuyếch tán tiết pha thứ hai bị ngăn cản khi làm nguội với tốc độ lớn.
Như vậy chỉ những hợp kim nhôm mà độ hoà tan của các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn giảm dần khi hạ nhiệt độ thì mới có thể tôi.
Hình 5. Chọn nhiệt độ tôi hợp kim nhôm
Tốc độ nguội khi tôi nhôm
Để đảm bảo được dung dịch rắn quá bão hoà, tốc độ nguội khi tôi nhôm phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. Tốc độ nguội tới hạn xác định theo giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của dung dịch rắn quá nguội hình 1.6
Hình 6. Giản đồ phân huỷ đẳng nhiệt
Tốc độ nguội tới hạn của hầu hết hợp kim nhôm nhỏ hơn tốc độ nguội trong nước. Vì vậy các hợp kim nhôm công nghiệp đều có thể dùng nước làm môi trường tôi.
1.4. Kiểm tra độ bền xoắn là gì? Khi nào?
Mô-men xoắn là lực góc cần thiết để xoay một vật. Ví dụ, lực cần thiết để xoay vô lăng tròn một góc, hoặc lực được cung cấp bởi một động cơ máy bay để quay cánh quạt, đó là 2 ví dụ đơn giản của mô men xoắn. Kiểm tra độ bền xoắn liên quan đến việc đo mô-men xoắn được áp dụng cho một đối tượng.
Hai trong các ứng dụng phổ biến để đo độ bền xoắn là các sản phẩm nút vặn, nắp chai hoặc các bộ phận quay như động và hộp số. Bằng cách đo lường và phân tích các đặc tính mô-men xoắn trong các ứng dụng như vậy có thể xác định chính xác không chỉ chất lượng của sản phẩm mà còn tìm ra nguyên nhân gốc rễ của nhiều loại khuyết tật.
1.5. Làm thế nào để đo Mô-men xoắn?
Kiểm tra đo độ bền xoắn được thực hiện bằng cách chèn một bộ chuyển đổi mô- men xoắn giữa bộ tạo lực và vật kiểm tra. Có hai hình thức khác nhau để kiểm tra độ bền xoắn: Reaction và In-line. Kiểm tra In-line đo mô-men xoắn cần thiết để xoay bộ
tạo lực quay; Reaction đo lực cần thiết để chống lại từ bộ tạo lực quay. Cần có cảm biến chuyên dụng dành cho mỗi phương pháp. Thông thường để kiểm tra ta cần vặn, xoắn vật cho đến khi giá trị mô-men xoắn tối đa đạt được giá trị xác định.
1.6. Ứng dụng cụ thể Mô-men xoắn:
Hình 7. Dùng phanh thử công suất để đo mô-men xoắn của động cơ điện.
- Dùng phanh thử công suất để đo mô-men xoắn của động cơ điện
- Đo mô-men xoắn của động cơ đốt trong
Hình 9. Cảm biến đo mô-men xoắn trên trục nối
Ngày nay, bằng sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phương pháp đo mô men xoắn để tính ra công suất của trục động cơ cũng thay đổi rất nhiều. Vẫn bằng cách sử dụng straingage, nhưng các bộ đo mô men có thể đo bằng cách kẹp – dán cảm biến lên trục, và không cần phải sửa hay tác động vào kết cấu cơ khí của hệ trục đã có sẵn (các tác động như chèn cảm biến mô men xoắn vào giữa, gắn thêm khớp nối, hệ trục phụ,… làm tốn chi phí và làm giảm độ chính xác khi đo mô men hoặc công suất trục).
1.7. Phương pháp thử xoắn kim loại
Tiêu chuẩn này thay thế cho TCVN 313-69. Tiêu chuẩn qui định phương pháp thử
xoắn để xác định các đặc trưng cơ học và đặc trưng phá hủy của vật liệu trong điều
kiện lực tĩnh ở nhiệt độ
và môi trường khí quyển bình thường, cho kim loại
đen, kim loại màu các hợp kim và các sản phẩm của chúng.
1.7.1. Các vấn đề chung
Thử xoắn nhằm mục đích xác định các đặc trưng cơ học sau:
- Mô-đun trượt;
- Giới hạn tỉ lệ
- Giới hạn chảy;
- Giới hạn bền qui ước;
- Giới hạn bền thực tế;
- Biến dạng trượt tương đối dư lớn nhất;
- Đặc trưng phá hủy cắt đứt hoặc kéo đứt.
Các thuật ngữ, định nghĩa và ký hiệu
Các thuật ngữ, định nghĩa và ký hiệu áp dụng trong tiêu chuẩn này được trình bày theo bảng:
|
STT |
Thuật ngữ |
Định nghĩa |
Ký hiệu |
Đơn vị |
|
1 |
Môđun trượt |
Tỉ số giữa ứng xuất tiếp và biến dạng
góc đàn hồi tuyến tính tại một điểm. |
c |
MPa
(KG/mm2) |
|
2 |
Giới hạn tỉ lệ
khi xoắn |
Ứng suất tiếp tĩnh theo công thứcxoắn đàn hồi ở một điểm trên chu tuyến ngoài của mặt cắt ngang, tương ứng với một điểm nào đó trên đường cong biến dạng có tang của góc hợp bởi tiếp tuyến đường với trục tải trọng tăng lên 50% so với tang của góc đồ trên phần biến dạng đàn hồi tuyến tính.
Chú thích. Đối với các sản phẩm kim loại có các chỉ dẫn đặc biệt cho phép xác định giới hạn tỉ lệ vớinhững giải thiết khác về lượng tăng của tang góc nghiêng của tiếp tuyến với đường cong. Trong trường hợp đó phải có chỉ dẫn trong ký hiệu. Ví dụ: Tt125 |
Ttl |
MPa
(KG/mm2) |
|
3 |
Giới hạn chảy khi xoắn |
Ứng suất tiếp, tính theo công thức xoắn
đàn hồi, khi mẫu có biến dạng dư 0,3%. |
T0,3 |
MPa
(KG/mm2) |
|
4 |
Giới hạn bền khi xoắn (qui ước) |
Ứng suất tiếp tính bằng tỉ số giữa mômen xoắn lớn nhất khi mẫu đứt với mômen chống xoắn của mẫu thử. |
Tb |
MPa
(KG/mm2) |
|
5 |
Giới hạn bền thực khi xoắn |
Ứng suất tiếp thực tế lớn nhấtkhi mẫu bị phá hủy được tínhtoán có kể đến sự phân bố lại ứng suất trong miền biến dạngdẻo của mẫu |
Tp |
MPa
(KG/mm2) |
|
6 |
Biến dạng trượt khi xoắn |
Biến dạng góc tại một điểm trên bề mặt của mẫu thử.
- Biến dạng trượt cực đại. Biến dạng trượt trong ứng với thời điểm mẫu bị phá hỏng.
- Biến dạng trượt đàn hồi. Phần biến dạng sau khi bỏ tải sẽ mất đi.
- Biến dạng trượt dư: Phần biến dạng còn giữ lại sau khi bỏ tải |
|
độ Rad |
|
7 |
Biến dạng trượt dưcực đại |
Biến dạng trượt dư sau khi mẫu đứt. |
Max |
độ Rad |
|
8 |
Góc xoắn
tương đối |
Góc xoắn của đoạn thanh có độ dài bằng một đơn vị |
|
Rad/mm |
|
9 |
Cắt đứt hoặc |
Đặc trưng phá hủy của vật liệu khi xoắn. |
|
|
|
|
kéo đứt. |
Chú thích.
Đặc trưng phá hủy được xác định bằng màng phá hủy
- Nếu sự phá hủy do ứng suất tiếp gây nên (cắt đứt) thì vết gẫy nằm trên bề mặt vuông góc với trục mẫu.
- Nếu sự phá hủy do ứng suất phép gây nên (kéo đứt) thì vết gãy xảy ra theo đường xoắn ốc tạo thành góc 45o với đường trục của mẫu. |
|
|
1.7.2. Thiết bị thử
Khi thử xoắn có thể dùng các máy thử khác nhau nhưng phải bảo đảm các yêu cầu sau:
- Mẫu được xoắn tự do, không có tải trọng phụ khác tác dụng lên mẫu trong suốt quá trình thử.
- Độ lệch tâm của hai ngàm cặp mẫu không vượt quá 0,01 mm trên mỗi khoảng chiều dài của mẫu là 100 mm.
- Một đầu ngàm của máy có thể tự do di chuyển dọc trục.
- Có khả năng tăng lực chính xác đến một vạch chia nhỏ nhất của lực kế.
- Đo tải trọng với sai số không được vượt quá 1%.
- Khi có một tải trọng nhất định tác dụng lặp lại thì độ lệch không được vượt quá sai số cho phép của lực kế.
- Mô đun xoắn khi thử được chọn từ 10 đến 80% mô men xoắn lớn nhất của máy.
- Đo góc xoắn với sai số không vượt quá 0,5o.
- Máy đo lực phải được kiểm tra trước khi thử.
1.7.3. Mẫu thử
a) Mẫu xoắn thử nhôm:
Theo TCVN 197 – 1985: mẫu thí nghiệm có thể có tiết diện tròn hoặc chữ nhật
Mẫu tiết diện tròn:
Mẫu xoắn thử nhôm :
- Trong trường hợp đo sức bền uống, cần chuẩn bị mẫu xoắn ngắn.
Mẫu ngắn: h=0,9d; mẫu trung bình: h=3d; mẫu dài: h=10d; với d là đường kính mẫu thử.
- Với kim loại và bê tông thường dùng mẫu hình chữ nhật, với gỗ và các vật liệu gốc đá thì dùng mẫu hình vuông
- Trong trường hợp này dùng loại mẫu ngắn, phải đảm bảo hai bề mặt song song và có diện tích bằng nhau để không gây ảnh hưởng trong quá trình kiểm tra và sau khi kiểm tra
1.7.4. Thử và xử lý kết quả
1.7.4.1. Xác định mô-đun trượt khi xoắn
Cặp mẫu vào máy, tác dụng lên mẫu một mômen xoắn tương ứng với suất tiếp ban đầu T0 bằng 10% giới hạn tỉ lệ theo dự tính. Hiệu chỉnh giá trị về không hoặc ghi giá trị ban đầu và coi đó là mốc 0.
Tăng lực theo từng cấp đều nhau (không ít hơn ba cấp) sao cho ứng suất trong mẫu không vượt quá giới hạn tỉ lệ. Ứng với mỗi cấp lực, ghi lại kết quả của góc xoắn trên chiều dài tính toán của mẫu. Thời gian ghi góc xoắn không quá 10 giây.
Mô-đun trượt khi xoắn G tính bằng MPa (KG/mm2) theo công thức:
Giá trị trung bình của góc xoắn trên chiều tính toán của mẫu (rad).
Môđun trượt khi xoắn cũng có thể xác định theo tang góc nghiêng của phần đoạn thẳng trên đoạn biến dạng đàn hồi của biểu đồ sau: 1 mm chiều dài trên trục hoàn
tương ứng bảo đảm cho 1 góc trượt tương đối không lớn hơn 0,01% và 1 min chiều dài trên trục tung tương ứng bảo đảm cho một ứng suất tiếp không vượt quá 1MPa (0,102 KG/mm2).
1.7.4.2. Xác định giới hạn tỉ lệ khi xoắn
Tiến hành như xác định Mô- đun trượt khi xoắn.
Tăng lực tác dụng lên mẫu theo từng cấp một, lúc đầu tăng theo cấp lực lớn, sau tăng theo cấp lực bé. Sau mỗi cấp lực ghi giá trị của góc xoắn. Khi tăng cấp lực lớn, giá trị cuối cùng phải chọn sao cho ứng suất tiếp tương ứng gần bằng 30% giới hạn tỉ lệ dự tính. Cấp lực nhỏ phải chọn sao cho đến khi ứng suất trong mẫu đạt đến giới hạn tỉ lệ thì ít nhất đã tiến hành tăng được 5 cấp lực nhỏ. Khi tăng một cấp lực nhỏ thì ứng suất tiếp tương ứng không được tăng quá 10 MPa (1,02 KG/mm2).
Chỉ ngừng thử khi góc xoắn tương ứng của cấp lực nhỏ nào đó tăng ít nhất là 2 lần so với góc xoắn trung bình trên một cấp lực đó trong giai đoạn biến dạng đàn hồi tuyến tính.
Trong giai đoạn biến dạng đàn hồi tuyến tính của mẫu, xác định số gia góc xoắn trung bình trên một cấp lực nhỏ; tăng trị số trên được lên 50%. Dựa vào bảng ghi kết quả thử tìm Mtl tương ứng với đại lượng vừa tìm được. Nếu số gia góc xoắn không trùng với số gia góc xoắn ghi được trong bảng thì chọn gần đúng Mtl tương ứng với số gia góc xoắn gần nhất (nhưng nhỏ hơn).
Giới hạn tỉ lệ Mtl có thể xác định theo biểu đồ biến dạng; nếu tỉ lệ xích của biểu đồ được chọn sao cho 1 mm chiều dài trên trục hoành tương ứng bảo đảm cho một góc trượt không vượt quá 0,05 %; 1 mm chiều dài trên trục tung tương ứng bảo đảm cho một giá trị ứng suất tiếp không vượt quá 5 MPa (0,51 KG/mm2).
Giới hạn tỉ lệ qui ước ( tl ) tính bằng N/m2 theo công thức:
