Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 3) - Nguyễn Ngọc Hà

HK Al-Si theo nhiệt độ 3 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.1.1. Co của HK đúc ở trạng thái lỏng Xảy ra trong khoảng từ T rĩt đến TL Thể hiện bằng mức tụt xuống của bề mặt KL rĩt vào khuơn Quá trình co lỏng cũng xảy ra trong cả khoảng đơng Mức độ co lỏng tăng khi tăng T rĩt Độ co thể tích khi KLL giảm 1000C: - Gang lỏng: 1,1% - Thép cacbon: 1,3 – 1,7% 4 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.1.2. Co của HK đúc trong quá trình đơng đặc Hầu hết các hợp kim, khi chuyển từ lỏng sang rắn, thể tích của VĐ giảm Ngoại lệ: gang xám - Sự tiết ra graphite làm tăng thể tích - 1% graphite tiết ra làm tăng khoảng 2% thể tích 5 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.1.3. Co của HK đúc khi làm nguội ở trạng thái rắn Hầu hết KL, HK khi làm nguội ở trạng thái rắn đều giảm thể tích Hệ số co thể tích ở trạng thái rắn thường nhỏ hơn ở trạng thái lỏng và giảm dần theo T Trường hợp ngoại lệ: quá trình nguội cĩ kèm chuyển biến pha làm tăng thể tích (thường khơng đáng kể, xem hình trang bên) 6 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7 Độ co tổng V= VL  VK  VS V: độ co tổng VL: co ở trạng thái lỏng VK: co trong quá trình đơng đặc VS: co ở trạng thái rắn 8 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9 Minh họa quá trình co từ trạng thái lỏng đến khi vật đúc đơng đặc hồn tồn 6.1.4. Các khuyết tật gắn liền sự co Co ở trạng thái lỏng và đơng đặc: nguyên nhân của lõm co và xốp co Co ở trạng thái rắn: nguyên nhân của sự sai lệch kích thước, hình thành ứng suất, biến dạng, nứt 6.2. LÕM CO 6.2.1. Nguyên nhân hình thành  Là các lỗ rỗng tập trung được hình thành ở cuối giai đoạn đơng đặc do khơng cịn KLL để bù co Do lực trọng trường, lõm co thường nằm ở phần trên của VĐ Nếu cĩ biện pháp bù co thích hợp, lõm co sẽ nằm ở phần vật đúc mà sau này sẽ cắt bỏ đi: đậu ngĩt PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.2.2. Hình dạng lõm co Hình dạng lõm co phụ thuộc vào cường độ nguội theo các phương khác nhau của vật đúc 12 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.3. XỐP CO 6.3.1. Nguyên nhân hình thành Xốp co: tập hợp các lỗ rỗng nhỏ được hình thành do sự co của KL trong những vùng thể tích vơ cùng bé khơng được bù co trong quá trình đơng đặc Trong vùng 2 pha, trong vùng khĩ bù co, vào cuối giai đoạn đơng đặc: - Các kênh bù co giữa các nhánh cây thu hẹp - Độ sệt KLL cao  KLL khơng thể bù co cho phần KL giữa các nhánh cây  tạo nên các xốp co tế vi 13 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14 Vùng khĩ bù co Xét một VĐ đang đơng đặc, gĩc được hình thành bởi 2 mặt đơng đặc tiến từ thành khuơn được gọi là gĩc đơng đặc  Độ dài của vùng 2 pha theo tâm nhiệt của vật đúc gọi là vùng khĩ bù co  15 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Vùng khĩ bù co Vùng khĩ bù co  càng lớn nếu chiều rộng vùng 2 pha càng lớn và gĩc  càng nhỏ 6.3.2. Các dạng xốp co a. Xốp co phân tán Xốp co phân tán trong tồn thể tích vật đúc Thường quan sát khi đúc các HK đồng, HK nhơm b. Xốp co tập trung Ở các vị trí: - Các thành dày của vật đúc - Các vùng bị quá nhiệt - Xốp co đường tâm PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18 Sự hình thành xốp co đƣờng tâm Hình thành vùng 2 pha hẹp ở tâm VĐ Các tinh thể nhánh cây lớn lên từ các mặt kết tinh đối diện nhau  cách li vùng 2 pha thành nhiều phần Trong các vùng bị cách li, xốp co hình thành cĩ dạng tương tự lõm co trong VĐ hình trụ đơng đặc theo mặt bên 19 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Các biện pháp ngăn ngừa xốp co đƣờng tâm Tạo quá trình đơng đặc cĩ hướng Thu hẹp vùng 2 pha Tạo áp suất cao lên KLL trong quá trình đơng đặc Sử dụng tác động rung/siêu âm để làm liên thơng giữa đậu ngĩt với vùng cần bổ ngĩt Thay đổi kết cấu VĐ để giảm xốp co đường tâm 20 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN SỰ CO Nguyên lý chung: Chiều rộng vùng 2 pha càng lớn: thể tích lõm co càng nhỏ, xốp co đường tâm càng nhiều Giải thích: ??? 21 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.4.1.Ảnh hƣởng của thành phần HK Thép và gang  Cacbon: - Khi tăng hàm lượng C, độ co tăng cho đến 1%C - Sau đĩ độ co giảm dần đến cực tiểu khi hàm lượng cacbon đạt giá trị cùng tinh  Các nguyên tố khác: - Các nguyên tố cĩ tác dụng thúc đẩy quá trình graphit hố (Si) làm giảm độ co của gang - Các nguyên tố cacbit hố (Mn, Cr) lại làm tăng độ co của gang 22 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ nguội Tốc độ nguội càng nhỏ, lõm co tập trung càng tăng Tốc độ nguội được quy định bởi: - Vật liệu làm khuơn - Chiều dày thành khuơn - Việc nung nĩng hoặc làm nguội cưỡng bức khuơn - Chiều dày thành VĐ 23 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.4.3. Ảnh hƣởng của hình dạng VĐ Tìm một số thí dụ minh chứng  24 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.5. VƠ HIỆU HỐ LÕM CO VÀ HẠN CHẾ XỐP CO 6.5.1. Nút nhiệt a. Khái niệm Nút nhiệt: vùng của VĐ cĩ T cao nhất (cục bộ) trong quá trình đơng đặc và nĩ thường đơng đặc sau cùng Phần lớn các HK đúc khi đơng đặc giảm thể tích. Nút nhiệt đơng đặc sau cùng, do khơng cịn KLL bổ sung nên xuất hiện lỗ co (hoặc lõm co) trong VĐ 25 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 26 b. Phân loại nút nhiệt Theo vị trí đối với rãnh dẫn Nút nhiệt chảy Nút nhiệt nửa chảy Nút nhiệt khơng chảy PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Đối với vị trí đặt đậu ngĩt Nút nhiệt kề sát Nút nhiệt nửa kề sát Nút nhiệt cách xa 28 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ c. Đơng đặc cĩ hƣớng Để khắc phục các khuyết tật do co, phải thực hiện nguyên lý đơng đặc cĩ hướng Nguyên tắc xác định đơng đặc cĩ hƣớng: - Vẽ vịng trịn tiếp xúc với 2 thành bên của VĐ (vịng trịn nhiệt) thì theo hướng đơng đặc vịng trịn nhiệt phải tăng dần - Nếu theo hướng đơng đặc mà vịng trịn nhiệt cĩ đột biến thì nơi xảy ra độ biến chính là nút nhiệt 29 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ d. Nguyên lý khắc phục nút nhiệt Đặt đậu ngĩt trên/bên nút nhiệt 30 d. Nguyên lý khắc phục nút nhiệt Thay đổi kết cấu VĐ để tạo đơng đặc cĩ hướng và vùng đơng đặc sau cùng là đậu ngĩt (ĐN) 31 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ d. Nguyên lý khắc phục nút nhiệt Đặt vật làm nguội (VLN) bên trong hoặc bên ngồi VĐ VLN làm tăng tốc độ đơng đặc tại nút nhiệt và làm biến mất nút nhiệt 32 Một số thí dụ về đặt vật làm nguội 6.5.2. Lõm co & cách vơ hiệu Vị trí và kích thước lõm co phụ thuộc: - Kết cấu VĐ - Phương thức bố trí VĐ trong khuơn - Phương thức bố trí ĐN - Phương thức cấp KLL - Điều kiện nguội của vật đúc 34 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ a. VĐ cĩ thành dày đều Rĩt đứng trên xuống qua ĐN Sau khi rĩt xong: - KL nguội nhất ở phần dưới - Nĩng nhất ở đậu ngĩt Trong quá trình đơng đặc: - Vùng 2 pha đi từ mặt ngồi VĐ đến trục nhiệt tạo nên gĩc  mở ra về phía ĐN - Đỉnh gĩc  liên tục dịch chuyển từ dưới hướng lên ĐN  Đơng đặc định hướng (dương) 35 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Rĩt đứng từ dƣới lên Sau khi rĩt xong: - KL nguội nhất ở phần dưới ĐN - Nĩng nhất ở phần dưới VĐ Trong quá trình đơng đặc: gĩc  mở ra về phía dưới: đơng đặc định hướng âm Khoảng giữa đơng đặc sau cùng khơng cĩ KLL bổ sung  lõm co kín hoặc xốp co đường tâm 36 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Vật đúc nằm ngang 37 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. VĐ cĩ chiều dày thành thay đổi đều  Khi nút nhiệt kề sát ĐN - ĐN sẽ làm vơ hại các nút nhiệt - Nếu độ cơn của VĐ đủ lớn: đơng đặc sẽ định hướng dương ngay cả khi rãnh dẫn đối diện ĐN - Độ cơn khơng đạt giá trị tới hạn: đơng đặc định hướng âm - Tối ưu: dùng HTR kề sát nút nhiệt và ĐN 38 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. VĐ cĩ chiều dày thành thay đổi đều Nút nhiệt cách xa ĐN - KLL dưới ĐN đơng đặc đầu tiên  làm cách li ĐN khỏi nút nhiệt  hình thành lõm co hoặc xốp co - Tránh bố trí kiểu này 39 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ c. VĐ cĩ chiều dày thành thay đổi đột ngột VĐ chỉ cĩ 1 bậc ĐN kề sát; nút nhiệt chảy KLL trong ĐN cĩ T cao nhất Hiệu quả nhất do quá trình đơng đặc định hướng dương và phần đơng đặc cuối cùng là ĐN 40 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ VĐ chỉ cĩ 1 bậc ĐN kề sát; nút nhiệt khơng chảy Hiệu quả khơng cao do KLL trong ĐN chưa chắc cĩ T cao nhất Phần ĐN và nút nhiệt cĩ thể đơng đặc định hướng dương Phần rãnh dẫn đi vào: đơng đặc định hướng âm 41 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ VĐ chỉ cĩ 1 bậc ĐN cách xa; nút nhiệt khơng chảy Phần nửa trên VĐ: đơng đặc định hướng dương Phần nửa dưới VĐ: định hướng âm  để lại lỗ co gần tâm nút nhiệt Cĩ thể vơ hiệu nút nhiệt bằng cách đặt VLN 42 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ VĐ chỉ cĩ 1 bậc ĐN cách xa; nút nhiệt chảy Phần nửa trên VĐ: đơng đặc định hướng dương Phần nửa dưới VĐ: định hướng âm  để lại lỗ co gần tâm nút nhiệt 43 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ VĐ cĩ hơn 1 bậc Nút nhiệt cục bộ Cĩ thể làm vơ hại nút nhiệt bằng 2 cách: - Dùng ĐN trên và VLN ngồi: KLL đi theo thành mỏng bổ ngĩt cho phần dưới VĐ - Dùng ĐN trên và ĐN cạnh nút nhiệt 44 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ VĐ cĩ hơn 1 bậc Nút nhiệt xuyên thủng Khơng nên đặt VLN tại nút nhiệt Nên vơ hiệu hố nút nhiệt bằng ĐN 45 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.5.3. Thí dụ về đơng đặc của VĐ 46 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.5.3. Thí dụ về đơng đặc của VĐ 47 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Đậu ngĩt nằm trên hệ thống rĩt PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 48 6.5.3. Thí dụ về đơng đặc của VĐ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 49 6.6. ĐẬU NGĨT 6.6.1. Phân loại ĐN theo hình dạng a. ĐN hở Ngồi nhiệm vụ bổ sung KLL cho VĐ cịn đĩng vai trị của đậu hơi Hiệu quả bù ngĩt cao do lợi dụng được cột áp thuỷ tĩnh Dễ làm khuơn và ráp khuơn 50 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ a. ĐN hở Mẫu ĐN được rút ra từ phía trên Dễ kiểm tra khuơn trước khi rĩt và quan sát được KL chảy trong khuơn trong khi rĩt Chiều cao ĐN phụ thuộc vào hịm khuơn 51 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 52 b. Đậu ngĩt kín Khi hịm khuơn trên quá cao: dùng ĐN hở tốn nhiều KL Sử dụng khi làm khuơn trên máy bằng tấm mẫu: mẫu ĐN liền với mẫu VĐ Khi cần bổ ngĩt phần giữa hoặc phần dưới VĐ Phần trên của ĐN thường làm thành nửa mặt cầu để giảm bề mặt tiếp xúc giữa KL với khuơn, hạn chế thể tích ĐN 53 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Hình dạng ĐN kín 54 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 55 Bố trí đậu ngĩt (a): Đậu ngĩt kín đặt cạnh nút nhiệt (b): Đậu ngĩt hở đặt trên nút nhiệt PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 56 6.6.2. Phân loại theo áp lực a. ĐN giảm áp Khi đơng đặc, hình thành 1 lớp vỏ rắn xung quanh thành ĐN Mực KLL hạ xuống tạo áp lực âm tác động lên mực KLL đang hạ xuống  giảm tác dụng bù ngĩt 57 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. ĐN áp suất khí quyển Đặt một ruột thơng khí sâu vào gần trung tâm ĐN  áp lực tác động lên mực KLL trong ĐN cân bằng với áp suất khí quyển 58 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ c. ĐN áp lực cao Cho vào trong ĐN hộp sinh khí chứa: phấn chì + than cốc + bột than Ở nhiệt độ cao, các chất sinh khí bị phân huỷ và sinh ra khí  tạo áp lực cao tác động lên bề mặt KLL  tăng hiệu quả bù ngĩt 59 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.6.3. Theo sự bảo vệ nhiệt của ĐN a. ĐN cách nhiệt  Ngồi ĐN bình thường cịn cĩ ĐN cách nhiệt và tỏa nhiệt  ĐN cĩ ống cách nhiệt nhằm duy trì nhiệt độ cao của KLL trong ĐN  Vật liệu cách nhiệt thường dùng: Điatomit + chất dính (bentonit, xi măng, nhựa phenol ) 1 – HHLK 2 - Ống cách nhiệt 60 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. Đậu ngĩt toả nhiệt Vách ĐN được chế tạo bằng ống phát nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ KLL trong ĐN 1. HHLK 2. Ống phát nhiệt 61 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 62 Thành phần hỗn hợp phát nhiệt 1. Chất cháy: Al, Mg, Fe-Si 2. Chất cung cấp ơxy: Fe2O3, NaNO3, KNO3 3. Chất độn chịu nĩng và giảm tốc độ phản ứng: cát, samốt 4. Chất xúc tác thúc đẩy phản ứng: NaF, AlF 5. Chất dính kết: nước thuỷ tinh, xi măng 63 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 Patent về ĐN phát nhiệt PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 64 Minh họa hiệu quả của ĐN phát nhiệt 65 6.7. VẬT LÀM NGUỘI (VLN) Tác dụng của VLN Tạo sự đơng đặc cĩ hướng để tránh lõm co trong VĐ Thu hẹp vùng 2 pha để tránh xốp co Chống nứt trong VĐ Làm giảm cháy cát tại những vị trí khuơn, ruột bị tác dụng nhiệt lớn 66 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.7.1. VLN ngồi a. Tính tốn VLN ngồi được đặt vào vị trí xác định trong khuơn với nhiệm vụ hấp thụ và truyền nhiệt từ bề mặt tiếp xúc vào khuơn trong thời gian đủ ngắn Tổng nhiệt lượng được VLN hấp thụ và truyền đi: Q Q= Qqn + Qkt + Qng Qqn - nhiệt lượng quá nhiệt khi KLL nguội từ Tr đến TL Qkt - nhiệt kết tinh Qng - nhiệt toả ra trong quá trình nguội 67 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ a. Tính tốn Do Qng nhỏ (khuơn cát)  Q  Qqn + Qkt VLN phải cĩ khả năng hấp thụ nhiệt tương ứng Q  phương trình cân bằng nhiệt: Vvlnvlncvln(t1-t0)= Vvđvđcvđ (tr-tL)+ VvđvđL Vvln ,Vvđ - thể tích VLN & thể tích phần VĐ được hấp thụ nhiệt vln, vd - khối lượng riêng VLN & HK đúc cvln, cvđ - nhiệt dung riêng VLN & HK đúc t0, t1 - nhiệt độ ban đầu & cuối VLN L - ẩn nhiệt kết tinh của HK đúc 68 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ a. Tính tốn  Vvln Khi tính tốn thường chọn t1= 0,5 tr Lưu ý: - Khơng được phép tăng chiều dày VLN quá mức. Rvln=(0,3 – 0,5)Rvd - Nếu đặt VLN ở nút nhiệt nửa chảy  tvln tăng mạnh  làm giảm tác dụng làm nguội tăng Vvln 69 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. VLN ngồi cho VĐ bằng gang Thường dùng gang làm vật làm nguội ngồi (gang nguội) Tránh làm nguội quá mạnh: VĐ cĩ thể bị biến trắng hoặc nứt Tránh nhược điểm trên bằng cách sử dụng hỗn hợp cĩ độ dẫn nhiệt cao và khả năng tích nhiệt lớn: - Hỗn hợp chứa manhêzit - Hỗn hợp chứa mạt gang 70 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. VLN ngồi cho VĐ bằng gang Ưu điểm của hỗn hợp làm nguội: - Dễ sử dụng cho VĐ cĩ hình dạng phức tạp - Dễ điều chỉnh tốc độ nguội - Cĩ thể làm nguội cả mặt trong VĐ Cĩ thể dùng graphit làm VLN 71 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ c. VLN ngồi cho VĐ bằng thép VĐ đơn giản: dùng thép tấm, thép cây VĐ tương đối phức tạp: gang đúc VĐ phức tạp: hỗn hợp manhêzit 72 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Vật làm nguội ngồi 73 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Vật làm nguội ngồi 74 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.7.2. Vật làm nguội trong VLN ngồi chỉ cĩ tác dụng khi kích thước tương đối và tuyệt đối của nút nhiệt là khơng lớn Đối với nút nhiệt lớn cĩ thể làm vơ hại bằng VLN trong 75 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ a. Tính tốn VLN trong Kích thước VLN trong được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt: “Nhiệt lượng mà KLL truyền cho VLN đến khi nĩng mềm bề mặt (sao cho bề mặt VLN cĩ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ TS để tạo sự liên kết tốt giữa VLN và HK đúc) bằng nhiệt mất đi của KL trong nút nhiệt” Để tính tốn, giả thiết: nhiệt độ trung bình của VLN bằng TS 76 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ a. Tính tốn VLN trong Vvlnvlncvln(tS-t0)= (Vvd-Vvln)[vdcvd(tr-tS)] + (Vvd-Vvln) vdL  Vvln Lưu ý: - Phương trình trên đã giả định nút nhiệt là khơng chảy - Cần lưu ý tỉ số F/V (F: diện tích bề mặt; V: thể tích) của VLN để cĩ điều chỉnh cho thích hợp 77 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ b. VLN trong cho VĐ bằng gang Thơng thường đối với gang: khơng dùng VLN trong Tại sao ??? 78 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ c. VLN trong cho VĐ bằng thép Vật liệu làm VLN: - Thép cacbon thấp (0,1 – 0,2%C) - Vật liệu của chính HK đúc. Lưu ý: nếu HK sinh ra màng ơxit khi nĩng chảy thì khơng nên dùng làm VLN (VLN sẽ khơng liên kết với VĐ) 79 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ c. VLN trong cho VĐ bằng thép Phƣơng pháp đặt VLN trong: a. Ghim đinh b. Thép trịn đặt trên đinh c. Chốt 80 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Vài dạng VLN (a): VLN trong (b): VLN ngồi (c): VLN ngồi đặt sát nút nhiệt PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 81 7. ỨNG SUẤT TRONG VẬT ĐƯC 7.1. MỞ ĐẦU Quá trình nguội sau khi đơng đặc kèm theo những thay đổi vật lý bên trong VĐ  ảnh hưởng đến một số tính chất VĐ: 1. Kích thước VĐ giảm do quá trình co 2. Các phần khác nhau của VĐ nguội và co khơng đồng thời  xuất hiện ứng suất 3. Các chuyển biến pha xảy ra khơng đồng bộ  xuất hiện ứng suất 4. Độ bền của HK đúc thay đổi trong quá trình nguội 82 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.1. MỞ ĐẦU  VĐ thường cĩ kết cấu phức tạp (gồm nhiều thành dày mỏng khác nhau)  quá trình nguội và co khĩ xảy ra một cách đồng thời trên mọi phần của VĐ  hình thành ứng suất trong VĐ  Ứng suất tính theo ĐL Hook: =  (L/L)E (1)  - ứng suất kéo hoặc nén L - chiều dài L - độ co dài E - mơđun đàn hồi của HK đúc  Mặt khác: L/L = .t (2)  - hệ số dãn nở nhiệt  Thay (2) vào (1): = .E.t (3) 83 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.2. PHÂN LOẠI ỨNG SUẤT 7.2.1. Theo quy mơ 1. Ứng suất loại I: ứng suất vĩ mơ hình thành trong tất cả các phần VĐ 2. Ứng suất loại II: ứng suất vi mơ hình thành trong phạm vi một tinh thể 3. Ứng suất loại III: ứng suất siêu vi mơ làm biến dạng ơ cơ bản trong cấu trúc tinh thể của VĐ Chỉ xét ứng suất loại I 84 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.2.2. Theo nguyên nhân 1. Ứng suất nhiệt: - Thành mỏng nguội nhanh hơn thành dày - Thành dày co trong giai đoạn cuối nên dễ bị biến dạng sớm hơn so với thành mỏng đã đơng đặc  tạo nên ứng suất 2. Ứng suất pha: - Khi nguội ở trạng thái rắn, cĩ thể xảy ra chuyển biến pha làm thay đổi thể tích VĐ - Chuyển biến pha xảy ra khơng đồng bộ trên tồn VĐ  hình thành ứng suất 3. Ứng suất co: - Sự co trong quá trình nguội của VĐ cĩ thể bị cản (cản co) do khuơn hoặc ruột quá cứng  hình thành ứng suất 85 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.NHỮNG ỨNG SUẤT TRONG VĐ 7.3.1. Ứng suất nhiệt Khảo sát VĐ cĩ dạng chữ T gồm 2 phần: - Phần mỏng (1) cĩ tiết diện F1 - Phần dày (2) cĩ tiết diện F2 Gọi t0th - nhiệt độ tới hạn của hợp kim đúc khi chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn hồi 86 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.1. Ứng suất nhiệt Quá trình nguội: - Phần mỏng nguội theo đường 1 - Phần dày nguội theo đường 2 (nguội chậm hơn) Quá trình co: - Phần mỏng co theo đường 1 - Phần dày co theo đường 2 87 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.1. Ứng suất nhiệt Trước 0: cả VĐ cịn nằm trong vùng biến dạng dẻo  chưa hình thành ứng suất Từ 0 đến 2: phần 2 vẫn cịn ở trạng thái dẻo  ứng suất vẫn chưa hình thành Từ thời điểm 2 trở đi: cả 2 phần VĐ đều nằm trong vùng biến dạng đàn hồi 88 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.1. Ứng suất nhiệt  Giả sử 2 phần khơng liên kết nhau: - Phần 1 co tự do theo 1’ - Phần 2 co tự do theo 2’  Do 2 phần liên kết nhau  chúng khơng thể co tự do mà tương tác lẫn nhau trong quá trình co  VĐ sẽ co theo đường S: - Phần dày chịu ứng suất kéo (+) - Phần mỏng chịu ứng suất nén (-) 89 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.1. Ứng suất nhiệt Như vậy: - Ứng suất nhiệt hình thành khi quá trình nguội và co của các phần trong VĐ xảy ra khơng đồng thời - Độ lớn của ứng suất nhiệt phụ thuộc vào độ chênh lệch tiết diện của các phần trong VĐ 90 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.2. Ứng suất pha Các pha và tổ chức trong thép C  Fe3C  Peclit Mactenxit Khối lƣợng riêng, kg/dm3 7,864 7,670 7,843 7,778 7,633 Thể tích riêng, dm3/kg 0,1271 0,1304 0,1275 0,1268 0,1310 91 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.2. Ứng suất pha - Chuyển biến    khơng gây sự thay đổi thể tích đáng kể - Chuyển biến   : thể tích riêng giảm nhẹ - Chuyển biến   xê: thể tích riêng tăng - Chuyển biến   peclit: thể tích riêng tăng đáng kể Khi làm nguội nhanh: chuyển biến   mactenxit: thể tích riêng tăng khá mạnh 92 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.2. Ứng suất pha Xét VĐ hình trụ đặc: - Lớp ngồi: I; lớp trong II - Chỉ xem xét sự hình thành ứng suất do sự thay đổi thể tích lúc chuyển pha gây ra - Quá trình co: lớp ngồi: đường I; lớp trong: đường II 93 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6.3.2. Ứng suất pha  Lớp ngồi nguội nhanh hơn: - Sự co xảy ra đến 1 - Quá trình chuyển pha tại 1 và kết thúc ở 2 - 1-2: dãn nở do chuyển pha  0 - 2: khơng tạo nên ứng suất do lớp trong cịn ở trạng thái dẻo 94 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.2. Ứng suất pha Khi lớp trong nguội đến dưới t0th và đến T chuyển pha: thể tích lớp này sẽ tăng đến thời điểm 3 Do lớp ngồi đã ở trạng thái đàn hồi: hình thành ứng suất pha 95 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.2. Ứng suất pha Trạng thái ứng suất: - Lớp ngồi: ứng suất kéo (+) - Lớp trong: ứng suất nén (-) Ứng suất pha ngược chiều ứng suất nhiệt (thể tích pha tăng) 96 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.3.3. Ứng suất co Xảy ra khi khuơn/ruột quá cứng: cản sự co tự do của VĐ  tạo ứng suất kéo (+) Thành mỏng ở giữa VĐ cĩ thể bị nứt do giá trị của ứng suất co lớn hơn độ bền của HK đúc Thành dày 2 bên khơng bị nứt do ứng suất khơng đủ lớn 97 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.4. TÁC DỤNG TỔNG HỢP CỦA CÁC LOẠI ỨNG SUẤT Đối với các VĐ cĩ hình dạng phức tạp, thường tồn tại cả 3 loại ứng suất Giá trị ứng suất đúc đ: đ = N + P + C N - ứng suất nhiệt P - ứng suất pha C - ứng suất co Tác dụng tổng hợp của 3 loại ứng suất cĩ thể tạo ra những tổ hợp khác nhau 98 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Dấu của ứng suất trong VĐ Vị trí hình thành ứng suất Ứng suất nhiệt Ứng suất pha Ứng suất co Ứng suất sau cùng Thành mỏng/Lớp ngồi - + - 0 + Thành dày/Lớp trong + + - 0 + 99 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Dấu của ứng suất trong VĐ Tổng các ứng suất cùng dấu trong VĐ cĩ thể gây nguy hiểm Thành dày: tổng ứng suất nhiệt (+) và ứng suất co (+) cĩ thể vượt quá độ bền HK đúc Thành mỏng: tổng ứng suất nhiệt (-) và ứng suất co (+) cĩ thể bù trừ nhau 100 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Dấu của ứng suất trong VĐ Trong 3 loại ứng suất: ứng suất nhiệt quan trọng nhất  thơng thường, cuối cùng ứng suất kéo (+) hình thành trong thành dày; ứng suất nén (-) – trong thành mỏng Sau quá trình đơng đặc và nguội, nếu cịn tồn tại ứng suất: ứng suất dư 101 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.5. KHUYẾT TẬT HÌNH THÀNH DO ỨNG SUẤT 7.5.1. Cong vênh  Nếu VĐ khơng đối xứng, cĩ những thành cĩ độ dày khác nhau  ứng suất gây nên bởi biến dạng đàn hồi làm cong vênh VĐ  Nếu các thành dày, mỏng sắp xếp đối xứng qua trục  ứng suất khơng thể hiện ra ngồi mà cịn lại trong VĐ ở dạng ứng suất dư: - Nếu ứng suất dư > giới hạn biến dạng dẻo HK đúc  VĐ bị biến dạng - Nếu ứng suất dư > giới hạn bền HK đúc: VĐ bị phá huỷ 102 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.5.1. Cong vênh 103 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Thiết kế hợp lý để tránh cong vênh 104 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.5.2. Nứt trong VĐ Nếu VĐ cĩ kết cấu đối xứng hoặc đủ cứng vững để khơng bị biến dạng khi cĩ ứng suất dư  ứng suất dư sẽ lưu lại trong VĐ Ở vật liệu dẻo: Khi ứng suất dư > giới hạn đàn hồi: VĐ sẽ bị biến dạng dẻo (sẽ làm giảm ứng suất dư) Khi ứng suất dư > giới hạn bền: VĐ bị phá huỷ dẻo Ở vật liệu dịn: Khi ứng suất dư > giới hạn bền: VĐ bị phá huỷ dịn 105 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.5.2. Nứt trong VĐ 106 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.5.2. Nứt trong VĐ 107 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 108 7.6. BIỆN PHÁP PHÕNG TRÁNH 7.6.1. Điều chỉnh kết cấu VĐ Ứng suất nhiệt là nhân tố chính tạo ứng suất dư ở VĐ Đối với VĐ phức tạp cĩ nhiều thành cĩ độ dày khác nhau  điều chỉnh các phần VĐ cĩ bề dày đồng đều  VĐ nguội đồng đều  giảm ứng suất dư PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 110 7.6.1. Điều chỉnh kết cấu VĐ Chuyển từ trạng thái kéo sang trạng thái uốn PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 112 7.6.2. Hợp kim đúc phù hợp  Khi chế tạo VĐ bằng GX cĩ độ bền cao, trong quá trình đơng đặc, lượng graphit tiết ra ít  VĐ co nhiều hơn  Thành mỏng cĩ tốc độ nguội lớn  ít graphit hơn so với thành dày  thành mỏng co nhiều hơn thành dày  tồn tại ứng suất dư lớn  Nếu gang được biến tính trước khi rĩt  sự graphit hố của gang ở các thành dày mỏng được cân bằng  VĐ co đồng đều hơn  giảm ứng suất  P, S trong gang, thép làm giảm độ dẻo của gang  tăng ứng suất và khả năng nứt ở VĐ 113 7.6.3. Các điều kiện cơng nghệ Để giảm sự khác nhau về tốc độ nguội ở các phần VĐ cĩ thể làm khuơn bằng nhiều loại vật liệu: - Thành mỏng: VL cĩ độ truyền nhiệt nhỏ hơn - Thành dày: VL cĩ độ truyền nhiệt cao hơn 114 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.7. BIỆN PHÁP GIẢM ỨNG SUẤT DƢ Khi trong VĐ tồn tại ứng suất dư: mạng tinh thể bị biến dạng Nhờ “hiện tượng bị của vật liệu”: biến dạng dần được cân bằng 115 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.7.1. Hố già tự nhiên Ở VĐ cĩ ứng suất dư sau khi nguội xảy ra quá trình thải ứng suất ở cả nhiệt độ thường: “hố già tự nhiên” Quá trình thải ứng suất này xảy ra rất chậm: 2 năm ứng suất chỉ giảm 10 – 20% 116 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7.7.2. Hố già nhân tạo Để quá trình thải ứng suất dư trong VĐ xảy ra nhanh, tiến hành nung VĐ ở T xác định: “ủ khử ứng suất” hoặc “hố già nhân tạo” Quá trình ủ khử ứng suất chỉ cần vài giờ Mức độ khử ứng suất phụ thuộc: nhiệt độ ủ và độ bền của hợp kim đúc 117 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ Khử ứng suất cho VĐ bằng gang xám 118 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ