Từ vật liệu đến chi tiết: tính chất, vật liệu, phương pháp, kiểm tra | LUKATO AI
Công nghệ 10: bốn trạm từ vật liệu đến chi tiết (tính chất, vật liệu, phương pháp, kiểm tra) cùng lớp an toàn, với phép thử kéo, thép và hợp kim, nhiệt…
LUKATO AI · CÔNG NGHỆ 10 · VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
TÍNH CHẤT · VẬT LIỆU · PHƯƠNG PHÁP · KIỂM TRA
Từ vật liệu đến chi tiết:
tính chất, vật liệu,
phương pháp, kiểm tra
Một chiếc cờ lê tốt phải cứng ở miệng để không bị toè, đủ dai ở cán để không gãy khi vặn mạnh, và được làm ra bằng những bước nối nhau: chọn thép, tạo phôi, nhiệt luyện, gia công, đo kiểm. Bài giảng này xâu các việc ấy thành một khung bốn mắt xích: tính chất cần có, vật liệu được chọn, phương pháp chế tạo, và bước kiểm tra đối chiếu với yêu cầu, cộng một lớp an toàn bao quanh. Đúc, rèn, hàn, tiện, phay, khoan, mài, kim loại, hợp kim, chất dẻo, composite đều được đặt vào đúng một ô của khung. Khái niệm mở rộng được gắn nhãn kiến thức bổ sung ngay chỗ nó xuất hiện.
- ① Vì sao cùng là thép mà có loại uốn cong được, có loại dễ gãy, và ta đọc điều ấy từ những con số nào?
- ② Khi một chi tiết cần nhẹ, bền, chịu nhiệt và rẻ cùng lúc, nên đối chiếu các yêu cầu theo thứ tự nào?
- ③ Cùng một chi tiết, vì sao có cái được đúc, cái được rèn, cái được hàn hay cắt gọt, và trước khi xong phải kiểm tra gì?
4 mắt xích
tính chất, vật liệu, phương pháp, kiểm tra, cùng một lớp an toàn bao quanh
12 lab
phòng lab: xếp mắt xích, thử kéo, ghép tính chất, hàm lượng carbon, tôi và ram, nhựa nhiệt, chọn vật liệu, đúc, hàn, cắt gọt, quy trình, an toàn
14 bẫy
mỗi bẫy có mục và phòng lab để quay lại luyện; 12 bẫy còn có bài ở mục 10
12 bài
10 chọn đáp án, 1 đúng sai, 1 trả lời ngắn
01
Bản đồ chung
Bốn mắt xích từ yêu cầu làm việc đến chi tiết đã kiểm tra
Hãy theo dõi một chiếc cờ lê vòng. Người dùng cần miệng cờ lê không bị toè khi siết đai ốc chặt và cán cờ lê không gãy khi tay tì mạnh. Hai yêu cầu ấy đã là hai tính chất khác nhau. Từ chúng ta chọn vật liệu (một loại thép hợp kim), chọn phương pháp làm ra hình dạng và tính chất cần có (rèn khuôn, nhiệt luyện, cắt gọt), rồi kiểm tra xem sản phẩm có đạt các yêu cầu ban đầu không. Bốn việc nối nhau theo hướng mũi tên, và các thao tác trong xưởng đều đặt trong một lớp an toàn . Bài giảng dùng bốn việc ấy làm bộ khung chung; các mục sau là từng ô của bộ khung.
Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Bản đồ bốn mắt xích: tính chất cần có dẫn tới vật liệu được chọn, vật liệu dẫn tới phương pháp chế tạo, phương pháp dẫn tới bước kiểm tra, và kết quả kiểm tra quay về đối chiếu với tính chất ban đầu. Lớp an toàn bao quanh cả bốn mắt xích. Bấm vào một khối để đọc mô tả và số mục.
Bốn mắt xích không phải là bốn loại đồ vật cố định. Cùng một việc «nhiệt luyện» có thể nằm ở mắt xích PHƯƠNG PHÁP khi ta bàn cách làm, và nằm ở mắt xích TÍNH CHẤT khi ta bàn kết quả của nó: độ cứng sau khi tôi. Vì vậy, muốn xếp một thông tin vào mắt xích nào, hãy hỏi nó đóng vai gì trong chuỗi : yêu cầu hay đặc trưng cần có, thứ được chọn, việc được làm, hay phép đối chiếu kết quả. Đừng hỏi nó thuộc ngành nào.
Bốn mắt xích và lớp nền
Mắt xích
Việc làm
Thường gặp
Mục
TÍNH CHẤT
Cho biết vật liệu chịu được gì và xử sự ra sao khi làm việc và khi gia công
độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, tính đúc, tính hàn, tính rèn, tính gia công cắt gọt
VẬT LIỆU
Chọn nhóm và loại vật liệu đáp ứng các tính chất cần có
thép, gang, hợp kim nhôm, đồng, chất dẻo, cao su, composite, gốm
3, 4
PHƯƠNG PHÁP
Biến vật liệu thành phôi rồi thành chi tiết, đồng thời đặt tính chất vào vị trí cần
đúc, rèn, cán, hàn, tiện, phay, bào, khoan, mài, nhiệt luyện
3, 5, 6, 7
KIỂM TRA
Đối chiếu kích thước, độ nhám và tính chất của sản phẩm với yêu cầu
đo kích thước, thử độ cứng, kiểm tra mối hàn, kiểm tra nhìn bằng mắt
AN TOÀN
Giữ người và máy không bị hại trong các thao tác
kính bảo hộ, che chắn, ngắt điện, thông gió, kẹp chặt phôi
Cách chia thành bốn mắt xích cộng một lớp an toàn là cách phân loại của LUKATO để xâu chuỗi các bài. Việc xếp nhiệt luyện vào mắt xích PHƯƠNG PHÁP (còn độ cứng nhận được sau nhiệt luyện thuộc mắt xích TÍNH CHẤT) cũng là cách phân loại của LUKATO.
Từ điển một dòng: đưa chuột hoặc chạm vào chữ gạch chân
Những thuật ngữ dưới đây xuất hiện suốt bài giảng. Mỗi từ có một định nghĩa ngắn và mục để quay lại.
Thuật ngữ
Nghĩa ngắn
Mục
độ bền
Khả năng chịu lực mà không bị phá hủy hay biến dạng dư quá mức
độ dẻo
Khả năng biến dạng dư (không trở về hình cũ) trước khi đứt
độ cứng
Khả năng chống lại biến dạng cục bộ ở bề mặt khi bị vật cứng ấn vào
độ dai va đập
Khả năng hấp thụ năng lượng của tải trọng đột ngột trước khi gãy
hợp kim sắt – carbon
Thép và gang là hai họ chính của nhóm này; hàm lượng carbon quyết định họ nào
nhiệt luyện
Chu trình nung và làm nguội để thay đổi tổ chức bên trong và tính chất của kim loại
composite
Vật liệu gồm hai pha trở lên, nền giữ hình và cốt chịu lực
phôi
Vật thể gần giống chi tiết, còn lượng dư để gia công tiếp
đúc
Rót kim loại lỏng vào khuôn để có phôi hay chi tiết
hàn
Nối kim loại bằng cách nung chảy cục bộ rồi để đông đặc thành mối ghép cố định
cắt gọt
Lấy bớt vật liệu khỏi phôi bằng dụng cụ cắt để có chi tiết đúng hình và kích thước
Đoán trước, rồi thử tay
Đoán trước: một xưởng tôi và ram lưỡi cưa để lưỡi cưa cứng mà không giòn. Theo vai trò của việc ấy trong chuỗi, «tôi và ram» thuộc mắt xích nào? Hãy chọn trước, rồi mở phòng lab.
Việc «tôi và ram» lưỡi cưa thuộc mắt xích nào của khung bốn mắt xích?
Cách dùng phòng lab
Xếp từng thẻ bằng cách chạm thẻ rồi chạm ô, hoặc kéo thẻ thả vào ô. Sau khi bấm «Chấm các thẻ đã xếp», thẻ đúng viền xanh và thẻ sai viền đỏ; dòng kết luận giải thích ba thẻ sai đầu tiên. Phòng lab này luyện bẫy 1.
Thử tay: gọi tên mắt xích cho từng việc trong câu chuyện chiếc cờ lê
Một nhà máy đặt yêu cầu: miệng cờ lê phải cứng, cán phải dai. Họ chọn một loại thép chứa crom và vanađi, rèn khuôn từ phôi đã nung nóng, rồi nung, làm nguội và nung lại ở nhiệt độ thấp hơn. Sau đó họ đo độ cứng ở miệng cờ lê và so với bảng yêu cầu. Suốt quá trình, công nhân đeo kính bảo hộ và găng tay chịu nhiệt. Hãy gọi tên mắt xích cho từng việc.
Gợi ý 1 · Yêu cầu và thứ được chọn
«Miệng cứng, cán dai» là các đặc trưng cần có: TÍNH CHẤT. Loại thép chứa crom và vanađi là thứ được chọn: VẬT LIỆU.
Gợi ý 2 · Việc làm, đối chiếu và bảo vệ
Rèn khuôn và chu trình nung, làm nguội, nung lại là việc làm ra hình dạng và tính chất: PHƯƠNG PHÁP. Đo độ cứng rồi so với bảng yêu cầu là KIỂM TRA. Kính bảo hộ và găng tay thuộc lớp AN TOÀN.
Đáp án · cả chuỗi
TÍNH CHẤT (cứng ở miệng, dai ở cán) rồi VẬT LIỆU (thép chứa crom và vanađi) rồi PHƯƠNG PHÁP (rèn khuôn, nhiệt luyện) rồi KIỂM TRA (đo độ cứng, so với yêu cầu), cả bốn nằm trong lớp AN TOÀN. Kết quả kiểm tra không đạt thì quay về chỉnh phương pháp, vật liệu hoặc chính yêu cầu.
Chỗ hay trượt ở bản đồ chung
Bẫy 1: gộp «độ cứng», «nhiệt luyện», «đúc» vào cùng một nhóm vì cùng nghe thuộc về vật liệu. Độ cứng là đặc trưng cần có hoặc cần đo, nhiệt luyện và đúc là việc ta làm. Phòng lab 1 ở trên luyện chính việc phân biệt này.
Mục 2 đi vào mắt xích đầu tiên: bốn tính chất cơ học, phép thử kéo và những tính chất công nghệ.
02
Mắt xích ① TÍNH CHẤT
Bốn tính chất cơ học, một phép thử kéo và những tính chất công nghệ
Hai thanh thép nằm cạnh nhau trong kho nhìn giống hệt nhau, nhưng một thanh uốn cong được bằng tay còn thanh kia gãy giòn khi bị búa gõ mạnh. Muốn nói về khác biệt ấy cho chính xác, kĩ thuật không dùng chữ «tốt» hay «xấu» mà dùng tính chất : mỗi tính chất trả lời một câu hỏi và có một phép thử riêng. Mục này đi qua bốn tính chất cơ học, đọc đường cong của phép thử kéo, rồi đến nhóm tính chất cho biết vật liệu dễ hay khó gia công.
Bốn tính chất cơ học, bốn câu hỏi khác nhau
Tính chất
Câu hỏi nó trả lời
Đo bằng
Đơn vị
Độ bền
Chịu được lực bao nhiêu thì vật liệu bắt đầu biến dạng dư và bao nhiêu thì bị phá hủy?
giới hạn chảy \sigma_{ch} và giới hạn bền \sigma_b trong phép thử kéo
MPa, tức N/mm^{2}
Độ dẻo
Vật liệu biến dạng dư được bao nhiêu trước khi đứt?
độ giãn dài tương đối \delta sau khi đứt
phần trăm
Độ cứng
Bề mặt chống lại vết lõm hay vết xước bao nhiêu khi vật cứng hơn ấn vào?
thử ấn viên bi hoặc mũi kim cương (HB, HRC, HV)
HB, HRC, HV
Độ dai va đập
Hấp thụ được bao nhiêu năng lượng của một cú va đột ngột trước khi gãy?
thử va đập con lắc trên mẫu có khía
J hoặc J/cm^{2}
Thử độ cứng và thử va đập là kiến thức ở mức khái niệm; các thang HB, HRC, HV và đơn vị J/cm^{2} ở bảng là kiến thức bổ sung.
Mỗi câu hỏi cần một phép thử riêng vì bốn tính chất không suy ra được từ nhau một cách chắc chắn. Một cái đục thép tôi cứng có độ cứng cao nhưng độ dai va đập kém nếu tôi quá mức; một dây thép non rất dẻo nhưng độ cứng thấp. Đó là lí do trong bản vẽ hay phiếu vật liệu, mỗi tính chất có một con số riêng.
Phép thử kéo: một thanh thử, một đường cong
Ta kẹp một thanh thử tiết diện tròn, đường kính d_0 và chiều dài đo L_0, rồi kéo dần. Ở mỗi lúc, máy đo lực F và độ dãn \Delta L. Để không phụ thuộc kích thước thanh, ta chia lực cho diện tích tiết diện ban đầu và chia độ dãn cho chiều dài ban đầu:
\sigma=\dfrac{F}{A_0},\qquad \varepsilon=\dfrac{\Delta L}{L_0},\qquad A_0=\dfrac{\pi d_0^{2}}{4}.
\sigma là ứng suất (MPa khi F tính bằng N và A_0 bằng mm^{2}), \varepsilon là biến dạng tương đối. Vẽ \sigma theo \varepsilon ta có đường cong của vật liệu.
Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Đường cong thử kéo của một thép carbon thấp (số liệu minh họa): đoạn thẳng đàn hồi, đoạn chảy, đoạn hóa bền, điểm có \sigma_b rồi thắt cổ và đứt. Đường chấm gạch là đường bỏ tải từ một điểm trong vùng dẻo.
- Vùng đàn hồi: \sigma tăng theo \varepsilon theo đường thẳng, \sigma=E\,\varepsilon; bỏ tải thì thanh trở về chiều dài cũ. Độ dốc E là mô đun đàn hồi.
- Giới hạn chảy \sigma_{ch}: từ đây thanh bắt đầu biến dạng dư; ở thép carbon thấp đường cong gần như nằm ngang một đoạn.
- Hóa bền: tiếp tục kéo thì ứng suất cần thiết tăng lên đến giá trị lớn nhất \sigma_b, giới hạn bền.
- Thắt cổ và đứt: sau \sigma_b biến dạng dồn vào một chỗ, thanh thắt lại rồi đứt.
Ví dụ với số liệu minh họa: thanh tròn d_0=10 mm có A_0\approx 78{,}54 mm^{2} và L_0=50 mm. Khi \sigma=\sigma_b=400 MPa, lực kéo lớn nhất là 400\cdot 78{,}54\approx 31{,}4 kN. Nếu sau khi đứt hai mảnh ghép lại dài 63{,}5 mm thì độ giãn dài tương đối \delta=\dfrac{63{,}5-50}{50}\cdot 100\%=27\%.
Độ dốc của đoạn thẳng cho biết độ cứng vững đàn hồi
Mô đun đàn hồi E là độ dốc của đoạn thẳng ban đầu: thép khoảng 200 GPa, hợp kim nhôm khoảng 70 GPa, gang xám cỡ 100 GPa (số liệu minh họa gần đúng). E nói vật liệu khó co dãn đàn hồi đến mức nào. Một thanh đặt trên hai gối và chịu tải ở giữa sẽ võng, độ võng tỉ lệ nghịch với tích E\,I (kiến thức bổ sung; I là mômen quán tính của tiết diện, do hình học quyết định). Hai thanh cùng hình dạng, cùng tải, một bằng thép và một bằng hợp kim nhôm: thanh gang xám võng gấp \dfrac{200}{100}=2 lần thanh thép, kể cả khi cả hai còn rất xa tải làm hỏng. Muốn bớt võng ta có hai cách: đổi sang vật liệu có E lớn hơn hoặc tăng I bằng hình dạng tiết diện, ví dụ dùng ống rỗng hay thép chữ I thay cho thanh đặc.
Hai thép cường độ khác hẳn nhau vẫn có E gần như nhau: phần đàn hồi của chúng gần chồng lên nhau trên đồ thị, chỉ khác ở chỗ đường cong tách ra khỏi đường thẳng sớm hay muộn. Vì thế muốn ít võng thì giới hạn bền cao không giúp gì thêm.
Chỗ hay trượt ở đường cong thử kéo
Bẫy 3: coi độ giãn dài lớn là bền hơn. Độ giãn dài đo độ dẻo, không đo độ bền; mẫu số của \delta là chiều dài ban đầu L_0. Bẫy 4: chọn vật liệu theo giới hạn bền cao nhất để thanh ít võng; độ võng do E\,I quyết định, không do \sigma_b. Phòng lab 2 cho phép kéo từng vật liệu và so các độ dốc.
Đoán trước, rồi kéo thanh thử
Đoán trước: một thanh thép carbon thấp được kéo qua giới hạn chảy rồi người ta bỏ tải. Thanh có trở về đúng chiều dài ban đầu không?
Kéo thanh thép carbon thấp qua giới hạn chảy rồi bỏ hết tải. Sau đó chiều dài của thanh:
Cách dùng phòng lab
Chọn vật liệu, kéo thanh trượt «Biến dạng tương đối» và đọc ứng suất, lực, độ dài và vùng đang ở. Bấm «Bỏ tải tại điểm này» để thấy đường bỏ tải và biến dạng dư. Thử thách của phòng lab nằm ngay dưới biểu đồ. Phòng lab này luyện bẫy 2, 3 và 4.
Độ cứng, độ dai va đập và mỏi
Độ cứng đo bằng cách ấn một viên bi thép cứng (thang HB) hay một mũi côn kim cương (thang HRC) lên bề mặt với lực xác định rồi đo dấu lõm; dấu càng nhỏ thì vật liệu càng cứng. Phép thử nhanh và để lại vết nhỏ nên thường dùng để kiểm tra từng chi tiết sau nhiệt luyện. Với thép carbon, giới hạn bền gần đúng bằng khoảng 3{,}4 lần độ cứng HB (kiến thức bổ sung, chỉ dùng như ước lượng): cứng và bền thường đi cùng chiều ở thép, nhưng đó là hai đại lượng đo bằng hai phép thử.