Chương 1 : NHU CẦU SẢN XUẤT THÉP TẤM VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT KIM LOẠI. Nhu cầu sản xuất thép tấm. Trong sự phát triển của các lĩnh vực cơ khí như: Chế tạo máy, giao thông vận tải, điện lực, xây dựng, đóng tàu., thì nhu cầu về sử dụng thép tấm ngày một tăng; nhằm trang bị cho sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước. Do đó đòi hỏi phải tìm ra các biện pháp gia công thép tấm năng suất cao nhằm tạo ra thành phẩm hoặc bán thành phẩm phục vụ cho một quá trình công nghệ.
Nhu cầu về thép tấm cũng hết sức đa dạng: -Trong ngành chế tạo máy : Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy cắt kim loại, vỏ máy, khung sườn xe máy,. -Trong ngành cơ khí ô tô, việc sử dụng thép tấm không thể thiếu được, các thép tấm được dùng làm các khung sườn gầm, lót sàn xe ô tô, che kín thùng xe, các bộ phận che kín khác. -Trong ngành điện : Thép tấm được dùng làm kết cấu các cột điện cao thế, các sản phẩm trong lĩnh vực điện như các lá thép trong stato của động cơ điện, các cánh quạt cỡ lớn, các tấm thép mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong chấn lưu đèn ống , máy biến thế, các hộp công tơ điện.1- Sản phẩm làm từ thép tấm Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Tú. Hướng dẫn: Th.
4 kế máy cắt thép tấm bằng thủy lực. -Trong xây dựng, các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ các tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau để tạo nên các kết cấu thép bền vững hơn như nó liên kết với nhau có thể bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán.2- Kết cấu hàn từ thép tấm -Trong ngành chế biến, thép tấm được sử dụng rộng rãi không kém, nó được dùng để chế tạo các thùng chứa, bể chứa, các chai, hộp để đóng gói,. -Trong ngành đóng tàu thép tấm dùng làm vỏ, kết cấu khung tàu thuyền. Ngoài ra thép tấm còn được dùng để dập ra các đồ dùng dân dụng phục vụ đời sống hay trong ngành công nghiệp hàng không dùng để che chắn, nắp đậy thân, cửa của máy bay, tên lửa,.
Với nhu cầu sử dụng hiện tại của thép tấm, cần thiết phải có các máy móc, thiết bị để cắt các loại thép tấm phục vụ công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chế tạo. Cơ sở lý thuyết về cắt kim loại. Cắt kim loại là phương pháp gia công bằng áp lực bằng cách dùng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở trạng thái nóng hoặc nguội, làm cho kim loại đạt quá giới hạn đàn hồi, kết quả làm thay đổi hình dạng của vật thể kim loại mà không phá huỷ tính liên tục và độ bền của chúng. Cắt kim loại là chia phôi ra thành tấm, dải, mảnh.theo biên dạng đã được định sẵn.
Quá trình cắt xảy ra từ biến dạng đàn hồi khi có lực tác dụng, sau đó biến dạng dẻo cùng với sự tăng lực tác dụng và các vết nứt xuất hiện và gặp nhau theo hướng cắt và tách rời tấm phôi. Lý thuyết về biến dạng kim loại. Dưới tác dụng của ngoại lực, kim loại biến dạng theo các giai đoạn sau: Biến dạng đàn hồi, biến đạng dẻo và phá huỷ. Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Tú.
Hướng dẫn: Th. 5 kế máy cắt thép tấm bằng thủy lực. Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng. Biểu đồ biến dạng khi thí nghiệm kéo đứt kim loại như sau: Hình 1.
Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và độ biến dạng dài tuyệt đối l Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn Pđh thì độ biến dạng tăng theo đường bậc nhất, đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi: Biến dạng sẽ bị mất đi nếu ta bỏ tải trọng tác dụng. Khi tải trọng tăng từ Pđh → Pđ thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây là giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại sẽ bị biến đổi hình dạng và kích thướt sau khi bỏ tải trọng tác dụng lên nó. Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất Pđ thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thước vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị phá huỷ. Đó là giai đoạn phá huỷ: Tinh thể kim loại bị đứt rời.
a) Biến dạng đàn hồi. Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị biến dạng. Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Tú. Hướng dẫn: Th.
6 kế máy cắt thép tấm bằng thủy lực. hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng, nếu thôi tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu. Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực, ứng suất là phản lực tính trên một đơn vị diện tích. Ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là ứng suất pháp , gây biến dạng .
Ứng suất tiếp sinh ra xê dịch góc . Ứng suất pháp 3 chiều v (ứng suất khối) làm biến dạng thể tích. v Biến dạng đàn hồi có thể do ứng suất pháp hoặc do ứng suất tiếp sinh ra như sơ đồ sau : Hình 2. Biến dạng đàn hồi Đối d hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi được mô tả bằng định luật Hooke : Phương trình cơ sở của lý thuyết đàn hồi: E.2 ) Trong đó : E : modun đàn hồi của vật liệu G : modun đàn hồi trượt v Và P = - k.5 ) 2(1 2 ) Vậy biến dạng đàn hồi của kim loại có nghĩa là các nguyên tử trong mạng tinh thể tác động qua lại với nhau bằng lực hút và lực đẩy.
Nếu lực tác dụng chưa đủ để sinh ra ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu thì kim loại trở lại trạng thái cân bằng, hay ở giai đoạn này quá trình cắt kim loại chưa xảy ra. Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Tú. Hướng dẫn: Th. 7 kế máy cắt thép tấm bằng thủy lực.
a) Mạng tinh thể; b)Biến dạng đàn hồi b) Biến dạng dẻo. Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị biến dạng dẻo. Trong đơn tinh thể, biến dạng dẻo xảy ra dưới hai hình thức: trượt và song tinh. - Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng gọi là mặt trượt, trên mặt trượt các nguyên tử dịch chuyển tương đối với nhau một khoảng đúng bằng số nguyên lần thông số mạng, sau dịch chuyển các nguyên tử kim loại ở vị trí cân bằng mới, bởi vậy sau khi thôi tác dụng lực biến dạng không mất đi.
- Song tinh, các phần đơn tinh thể xoay đi một góc và đối xứng với nhau qua một mặt phẳng gọi là mặt phẳng song sinh, các nguyên tử trên mỗi mặt tinh thể dịch chuyển đi một khoảng tỉ lệ với khoảng cách từ mặt tinh thể đến mặt song tinh.5 a) Biến dạng dẻo theo hình thức trượt. b) biến dạng dẻo theo hình thức song tinh. Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu. Các mặt trượt là các mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao nhất.
Biến dạng dẽo do song tinh gây ra rất bé nhưng khi có song tinh, trượt xẩy ra thuận lợi hơn. Biến dạng dẽo của đa tinh thể: Kim loại và hợp kim là tập hợp của nhiều đơn tinh thể, cấu trúc của chúng được gọi là cấu trúc đa tinh thể. Ở đây biến dạng dẽo có hai dạng: biến dạng trong nội bộ hạt và biến dạng ở vùng biên giới hạt. Sự biến dạng trong Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Tú.
Hướng dẫn: Th. 8 kế máy cắt thép tấm bằng thủy lực. nội bộ hạt do trượt và song tinh. Đầu tiên sự trượt xẩy ra ở các hạt có mặt trượt tạo với hướng của ứng suất chính một góc bằng hoặc xấp xỉ 450, sau dó mới đến các mặt khác.
Như vậy biến dạng dẽo trong kim loại đa tinh thể xẩy ra không đồng thời và không đều. Dưới tác dụng của ngoại lực, biên giới hạt của các tinh thể cũng bị biến dạng, khi đó các hạt trượt và quay tương đối nhau. Do sự trượt và quay của các hạt, trong các hạt lại xuất hiện các mặt trượt thuận lợi mới, giúp cho biến dạng trong kim loại tiếp tục phát triển. Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá trình kim loại bị phá huỷ (hay quá trình kim loại bị cắt đứt).
Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại, vì ảnh hưởng của các nhân tố như: nhiệt độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát ngoài, vv. nên làm cho bên trong kim loại sinh ra ứng suất dư, ngay cả sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại. Quá trình biến dạng tăng dần với một mức độ nào đó kim loại sẽ bị phá huỷ, đây là dạng hỏng nghiêm trọng và không thể phục hồi được. Cơ chế của quá trình phá huỷ: đầu tiên hình thành và phát triển các vết nứt từ kích thướt siêu vi mô đến vi mô, đến vĩ mô (bị phá huỷ).
- Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh. Phá huỷ dẻo: Là phá huỷ có kèm theo sự biến dạng dẻo với mức độ tương đối Phá huỷ dẻo xảy ra với tốc độ nhỏ và cần nhiều năng lượng nên ít nguy hiểm. Điều kiện cần thiết cho phá huỷ dẻo xảy ra là biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất kéo ba chiều trong vùng co thắt cục bộ. Phá huỷ giòn: Hầu như không có biến dạng dẻo vĩ mô kèm theo, xảy ra tức thời nên khá nguy hiểm.
Bề ngoài mặt khi phá huỷ thường vuông góc với ứng suất pháp lớn nhất nhưng bề mặt vi mô thì có thể làtheo các mặt phẳng tinh thể xác định (mặt vỏ giòn) ở bên trong mỗi hạt. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá huỷ là: nhiệt đô, tốc độ biến dạng và sự tập trung ứng suất.