1. Trang Chủ
  2. Cơ khí - Chế tạo máy
  3. Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

(NB) Giáo trình Tính toán kết cấu hàn cung cấp cho người học những kiến thức như: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn; Tính độ bền của mối hàn; Tính ứng suất và biến dạng khi hàn; Tính toán kết cấu dầm trụ; Tính toán kết cấu dàn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây. ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN VĂN NINH (Chủ biên) LÊ TRỌNG HÙNG - VŨ TRUNG THƯỞNG GIÁO TRÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN Nghề: Hàn Trình độ: Cao đẳng (

Thể loại Tài liệu miễn phí Cơ khí - Chế tạo máy

Số trang 33

Ngày tạo 4/7/2023 7:55:16 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.01 M

Tên tệp

Tải Giáo trình Tính toán kết cấu hàn (Nghề: Hàn - Cao ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN VĂN NINH (Chủ biên) LÊ TRỌNG HÙNG - VŨ TRUNG THƯỞNG GIÁO TRÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU HÀN Nghề: Hàn Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019
  2. LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua, chính sách đổi mới và mở cửa, chủ động hội nhập kinh tế của Đảng và Nhà nước đã mang lại những thành tựu to lớn trong sự phát triển kinh tế - xã hội Nước ta, làm thay đổi căn bản hình ảnh Việt Nam trên Trường quốc tế. Toàn cầu hoá kinh tế là một xu hướng khách quan tạo nhiều cơ hội phát triển cho quốc gia, cho các ngành công nghiệp, trong đó có ngành Công nghệ cơ khí chế tạo nói chung và ngành Công nghệ hàn nói riêng. Xuất phát từ nhu cầu đó, Trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc – TP Hà Nội luôn luôn đi đầu trong việc đổi mới nội dung, phương pháp dạy học, tổ chức biên soạn giáo trình, thiết kế mô hình đồ dùng dạy học, đầu tư thiết bị, công nghệ mới nhằm trang bị cho người học những kiến thức, kỹ năng cơ bản nhất ứng dụng vào cuộc sống. Cuốn giáo trình kết cấu hàn được biên soạn dựa trên những luận cứ khoa học, những kinh nghiệm thực tiễn do các nhà khoa học chuyên ngành hàn cung cấp và nằm trong chương trình đào tạo của nhà trường cũng như chương trình khung của Bộ lao động Thương binh và Xã hội ban hành. Nội dung của giáo trình là tài liệu hữu ích nhất đối với cán bộ quản lý, thiết kế và sản xuất; đặc biệt là được sử dụng cho giáo viên, học sinh - sinh viên Nhà trường trong lĩnh vực Công nghệ hàn. Tuy nhiên cuốn sách này sẽ không thể tránh khỏi những hạn chế, chúng tôi rất được sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày tháng 09 năm 2019 Chủ biên 1
  3. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................. 1 MỤC LỤC .................................................................................................... 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN................................................................... 3 Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn............................................................ 5 1.1 Thép định hình .................................................................................. 5 1.2 Thép tấm......................................................................................... 11 1.3 Các loại vật liệu thường dùng chế tạo kết cấu hàn ............................. 12 Bài 2: Tính toán độ bền mối hàn............................................................. 21 2.1 Tính toán kết cấu theo ứng suất cho phép ......................................... 22 2.2 Tính toán kết cấu theo phương pháp trạng thái tới hạn ...................... 23 2.3. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối ..................................... 24 2.4 Tính độ bền kéo (nén) của mối hàn góc ............................................ 27 2.5 Tính độ bền uốn của mối hàn ........................................................... 28 2.6 Các ví dụ tính toán .......................................................................... 30 Bài 3: Tính ứng suất và biến dạng khi hàn ............................................. 33 3.1 Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn .............................. 33 3.2 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối .................................... 34 3.3 Tính ứng suất và biến dạng khi hàn góc ............................................ 39 3.4 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn ........................... 42 Bài 4: Tính toán kết cấu dầm và trụ ....................................................... 44 4.1 Kết cấu dầm .................................................................................... 44 4.2 Kết cấu trụ ...................................................................................... 62 Bài 5: Tính toán kết cấu dàn................................................................... 80 5.1 Khái niệm, đặc điểm và phân loại dàn .............................................. 80 5.2 Tính toán dàn .................................................................................. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 108 2
  4. CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Tính toán kết cấu hàn Mã số của mô đun: MĐ 21 Thời gian thực hiện của mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 42 giờ; Kiểm tra: 3 giờ) I. Vị trí, tính chất mô đun: - Vị trí: Mô đun tính toán kết cấu hànđược bố trí sau khi học sinh đã học xong tất cả các môn học: MH07 - MH13 hoặc học song song với các mô đun MĐ14 – MĐ 20. - Tính chất: Là mô đun chuyên ngành bắt buộc. II. Mục tiêu mô đun: - Kiến thức: + Nhận biết chính xác các loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn. + Giải thích rõ công dụng của từng loại vật liệu chế tạo kết cấu hàn. Tính toán đúng vật liệu hàn, vật liệu chế tạo kết cấu hàn khi gia công các kết cấu hàn. + Trình bày đầy đủ các bước tính ứng suất và biến dạng khi hàn. - Kỹ năng: + Tính toán nghiệm bền cho các mối hàn đơn giản như: Mối hàn giáp mối, mối hàn góc, mối hàn hỗn hợp phù hợp với tải trọng của kết cấu hàn. + Vận dụng linh hoạt kiến thức tình toán kết cấu hàn vào thực tế sản xuất. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Tuân thủ quy định, quy phạm trong tính toán + Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác, trung thực trong sinh viên. 3
  5. III. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Số Thời gian (giờ) TT Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành/thực tra Tên các bài trong mô đun tập/thí nghiệm/bài tập/thảo luận 1 Vật liệu chế tạo kết cấu hàn 5 3 2 2 Tính độ bền của mối hàn 15 4 10 1 Tính ứng suất và biến dạng 3 15 3 12 khi hàn 4 Tính toán kết cấu dầm trụ 15 3 12 5 Tính toán kết cấu dàn 9 2 6 1 6 Kiểm tra kết thúc Mô đun 1 1 Cộng 60 15 42 3 4
  6. Bài 1: Vật liệu chế tạo kết cấu hàn Mục tiêu: Sau khi học xong bài này, người học sẽ có khả năng: - Nhận biết các loại thép định hình U, I, V..., thép tấm, và các loại vật liệu khác như nhôm, hợp kim nhôm, đồng hợp kim đồng, thép hợp kim thường dùng để chế tạo kết cấu hàn. - Giải thích đúng công dụng của từng loại vật liệu khi chế tạo kết cấu hàn. - Tính toán vật liệu gia công kết cấu hàn chính xác, đạt hiệu suất sử dụng vật liệu cao. - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng. - Tuân thủ quy định, quy phạm trong phân loại vật liệu. - Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỷ, chính xác trong công việc. Nội dung 1.1 Thép định hình 1.1.1 Thép các bon a. Phân loại - Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe), cacbon (C) và một lượng rất nhỏ các chất như oxy (O), phốtpho (P), silic (Si) ... - Quá trình luyện thép như sau: Quặng sắt (Fe2O3, Fe3O4) luyện trong lò cao, được gang (được hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon lớn hơn 1,7%), đưa gang vào luyện trong lò luyện thép để khử bớt cacbon ta được thép. b. Phân loại theo thành phần hoá học của thép Thép cacbon: Hàm lượng cacbon dưới 1,7% không có các thành phần hợp kim khác. Tuỳ theo hàm lượng cacbon chia ra: - Thép cacbon thấp: Lượng cacbon dưới 0,22%. Đây là loại thép mềm, dẻo, dễ gia công, được sử dụng trong ngành xây dựng. - Thép cacbon vừa: Lượng cacbon từ 0,22% đến 0,6%. - Thép cacbon cao: Lượng cacbon từ 0,6% đến 1,7%. - Thép cacbon vừa và cao được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. 5
  7. - Thép hợp kim: Thêm các thành phần kim loại khác như Crôm (Cr), kền (Ni), mănggan (Mn)... có tác dụng nâng cao chất lượng thép (tăng độ bền, tăng tính chống gỉ...). Tuỳ theo hàm lượng các kim loại khác chia ra: - Thép hợp kim thấp: Lượng kim loại thêm vào dưới 2,5%. Được sử dụng trong ngành kết cấu xây dựng. - Thép hợp kim vừa và cao: Lượng kim loại thêm vào trên 2,5%. c. Theo phương pháp luyện thép - Luyện bằng lò bằng (Lò Martin): Thép luyện bằng phương pháp này có chất lượng tốt do có cấu trúc thuần nhất, nhưng nhược điểm của phương pháp này là năng suất thấp (thời gian luyện một mẻ từ 8 đến 12 giờ), do vậy giá thành thép cao. - Luyện bằng lò quay (lò Bessmer, lò Thomas): Phương pháp này có năng suất cao, nhưng chất lượng không tốt do lẫn tạp chất, bọt khí (thời gian luyện một mẻ chỉ khoảng 30 phút) nên giá thành thép giảm. Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên, hiện nay người ta sử dụng lò quay tiên tiến, vừa cho thép chất lượng tốt, vừa cho năng suất cao. d. Theo phương pháp để lắng thép - Thép sôi: Chất lượng thép không tốt do có nhiều bọt khí làm thép dễ bị phá hoại giòn, lão hoá. - Thép tĩnh: Chất lượng thép tốt hơn do có thêm các chất khử oxy (như silic, mănggan, nhôm) nhưng giá thành thép cao hơn. - Thép nửa tĩnh: là loại thép trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi. 1.1.2. Cấu trúc và thành phần hoá học của thép a. Cấu trúc - Thép xây dựng có cấu trúc tinh thể, do các hợp chất sau tạo thành: - Ferit (Chiếm 99% thể tích): Là sắt nguyên chất, mềm và dẻo. - Xementit: Là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), cứng và giòn. - Peclit: Là hợp chất của Ferit và Xementit. - Màng Peclit nằm giữa hạt ferit quyết định sự làm việc, tính dẻo của thép. Thép càng nhiều cacbon thì màng pelit càng dày và thép càng cứng. b. Thành phần hoá học của thép - Thép cacbon: Ngoài sắt và cacbon, thép xây dựng còn có thêm các thành phần: Mănggan (Mn): Mănggan có tác dụng tăng cường độ và độ dai của thép. 6
  8. Thông thường lượng mănggan chiếm 0,4 – 0,65%, nên không lớn quá 1,5% vì khi đó thép trở nên giòn. - Silic (Si): Silic có tác dụng tăng cường độ của thép nhưng có nhược điểm là làm giảm khả năng chống ăn mòn và tính dễ hàn của thép. Vì vậy, nên khống chế lượng silic trong khoảng 0,12 – 0,3%. - Lưu huỳnh (S): Chất này làm cho thép giòn nóng nên khi ở nhiệt độ cao thép chịu tải trọng kém, đồng thời dễ bị nứt khi hàn. - Phốtpho (P): Phốtpho làm cho thép giòn, làm giảm tính dẻo của thép. - Lưu huỳnh và phốtpho là hai tạp chất có hại, vì vậy phải đảm bảo hàm lượng của chúng theo quy định: không quá 0,07% đối với kết cấu thông thường, và không quá 0,05% đối với kết cấu quan trọng. - Ngoài ra còn có các chất khí như nitơ (N), oxy (O) trong không khí hoà vào kim loại lỏng làm thép giòn, giảm cường độ của thép, do đó cần khử hết các chất này. c. Ký hiệu * Thép cacbon thấp, cường độ thường - Thép cacbon thấp được chia làm các loại: CT0, CT1, CT2, CT3, CT4, CT5. Thép CT3 là loại thép mềm, có cường độ khá cao, có độ dẻo và độ dai, nên hợp lý khi dùng làm thép xây dựng. Thép CT1, CT2 là loại thép mềm, độ dẻo lớn nên trong xây dựng chỉ dùng làm thân đinh tán, bulông. Thép CT4, CT5 rất cứng, chắc nên dùng chủ yếu trong công nghiệp đóng tàu, ít dùng trong xây dựng. - Thép cacbon thấp có giới hạn chảy: 2200 – 2500 daN/cm2, giới hạn bền: 3700 – 4200 daN/cm2. * Thép cường độ khá cao - Thép cường độ khá cao là thép hợp kim thấp, ký hiệu: 09∋2C, 10∋2C1, 15XCH)... - Ý nghĩa ký hiệu: Đầu tiên là con số chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon, tiếp theo là tên các thành phần hợp kim: ∋ là mănggan, C là silic, X là crôm, H là niken... - Thép cường độ khá cao có giới hạn chảy: 2900 – 3900 daN/cm2, giới hạn bền: 4300 – 5400 daN/cm2. * Thép cường độ cao 7
  9. Thép cường độ cao là loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy trên 4400 daN/cm2, giới hạn bền trên 5900 daN/cm2. 1.1.3 Thép hình a. Khái niệm Thép hình là loại thép công nghiệp được sử dụng chủ yếu trên thị trường xây dựng các công trình. Được sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại theo tiêu chuẩn chất lượng JIS3101 – Ss400 qua nhiều công đoạn xử lý như: Xử lý quặng, tạo quặng, tạo dòng thép nóng chảy, đúc trực tiếp nguyên liệu, cán và tạo thành phẩm. Chính vì vậy, chất lượng của các sản phẩm thép hình luôn được đảm bảo trong mọi điều kiện thiết kế cũng như thời gian sử dụng. Thêm vào đó, điểm đặc biệt của sản phẩm này so với các sản phẩm thép khác, đó là sản phẩm thép hình có khả năng chịu lực rất tốt nhờ bề mặt rộng và kết cấu vững chắc b. Phân loại - Thép chữ L (thép góc): Đây là loại thép hình được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn, thép chữ L thường dùng để chế tạo các loại khung, dàn, hoặc các liên kết khác trong các kết cấu. Từ thép góc ta có thể chế tạo ra các loại hình khác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau, ví dụ ghép hai thanh thép góc lại ta sẽ có kết cấu chữ C, hoặc chữ T, nếu ghép 4 thanh góc ta sẽ có kết vấu chữ , do vậy đây là loại thép hình có phạm vi sử dụng rất lớn trong thực tế. Thép hình chữ L có 2 loại là L cánh đều và L cánh lệch. Hình 1.1: Thép chữ L + Thép chữ L cạnh đều: Gồm có 67 loại được qui định trong TCVN 1656-75. Loại nhỏ nhất có kích thước L20  3, nghĩa là mỗi cạnh có kích thước là 20mm, chiều dày có kích thước là 3mm. Loại lớn nhất có kích thước L250  20. Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo kết cấu rất nhiều do tính công nghệ của nó rất cao, trong quá trình gia công người thợ không cần chú ý 8
  10. đến các cạnh của thanh thép (do cạnh của các thanh đều bằng nhau, chính đây là dặc tính rất ưu việt của loại thép góc này. + Thép chữ L cạnh không đều: Gồm có 47 loại được qui định trong tiêu chuẩn TCVN 1657-75. Loại nhỏ nhất là L25163, có nghĩa là cạnh thứ nhất 25mm, cạnh thứ hai 16mm, chiều dày 3mm. Loại lớn nhất có kích thước 250  160  20. Đây là loại thép góc mà hiện nay phạm vi ứng dụng không lớn, do tính công nghệ của thép không cao vì trong quá trình gia công người thợ cần phải chú ý đến các cạnh của thanh thép (do các cạnh không đều nhau) do vậy sẽ ảnh hưởng đến năng suất lao động. Vì vậy khi thiết kế kết cấu cần chú ý đến đặc điểm này để lựa chọn thép góc cho hợp lý. - Thép chữ : Đây là loại thép được sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu chịu uốn, nén. Theo TCVN 1655-75 thép chữ  có 23 loại, chiều cao loại nhỏ nhất là 100mm, loại lớn nhất là 600mm. Ngoài ra còn có thêm một số loại đặc biệt ký hiệu có thêm chữ "a" ở phía dưới. Thép chữ  là loại thép rất khó liên kết với nhau để tạo ra một loại mới. Hình 1.2: Thép chữ I - Thép chữ U: Theo TCVN 1654-75 thép chữ C có 22 loại, chiều cao loại nhỏ nhất là 50, loại lớn nhất là 400mm (đây là chiều cao của tiết diện), ví dụ U22 chỉ loại này có chiều cao là h= 220mm. Chiều dài của thép chữ U từ 4 - 13m. Ngoài ra còn có một số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ "a" phia dưới, ví dụ thép U22 a . + Thép hình chữ U có đặc tính cứng vững, chắc chắn và bền bỉ vì vậy có cường độ chịu lực cao và chịu được những rung động mạnh. Thép hình chữ U có thể tồn tại trong điều kiện môi trường khắc nghiệt với những tác động của hóa chất hoặc nhiệt độ. Vì lẽ đó, thép hình chữ U được ứng dụng phổ biến trong các công trình xây dựng, sản xuất các thiết bị máy móc sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp hoặc dân dụng. + Thép hình chữ U có nhiều loại với kích thước và khối lượng khác nhau, mỗi loại có đặc tính kỹ thuật riêng biệt sử dụng chuyên biệt cho những công 9
  11. trình, dự án, những cấu trúc máy móc trong nhiều lĩnh vực khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật của mỗi công trình, dự án, thiết bị. Thép hình chữ U sẽ phát huy được những ưu điểm của mình khi được sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng, kết cấu nhà tiền chế, thùng xe, khung sườn xe, bàn ghế nội thất, tháp ăng ten, cột điện cao thế và các loại hàng gia dụng khác. Hình 1.3: Thép chữ U - Thép ống: Thép ống là loại thép được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều công trình xây dựng, thép ống cũng có rất nhiều loại để phù hợp với từng nhu cầu sử dụng cũng như từng công trình khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến nhất của thép ống là sử dụng để làm khung nhà tiền chế, làm giàn giáo, làm đường ống dẫn nước trong các tòa nhà cao tầng, làm cột đèn chiếu sáng, và một số những ứng dụng khác trong các nhà máy cơ khí. Kích thước từ 42 x 2,5 đến 500 x 15mm (ống không hàn, ống đúc). Thép ống có tiết diện đối xứng, bán kính quán tính của tiết diện tương đối lớn nên chịu lực hợp lý đặc biệt được dùng trong kết cấu chịu nén. Ngoài ra, thép ống có ưu điểm là chống gỉ tốt. Hình 1.4: Thép ống - Các loại thép ống đúc: + Ống thép đúc kết cấu: Loại ống thép này chủ yếu sử dụng trong cơ khí chế tạo máy, kết cấu máy. Các mác thép lựa chọn để sử dụng thường là thép các bon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr, 20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo,…. 10
  12. + Ống thép đúc dùng trong lò áp: Loại ống thép này thường dùng trong ngành công nghiệp luyện, làm đường ống dẫn áp lực như dẫn khí, dẫn dầu.....Nguyên liệu sử dụng thường là thép 10 và thép 20. + Ống thép đúc trong lò cao áp: Loại ống thép này thường được sử dụng để làm đường ống dẫn chất lỏng như nước, sử dụng ở các nhà máy cáp thoát nước, nhà máy thủy điện, lò hạt nhân... + Ống thép đúc chịu áp cấp I và II: Loại ống thép đúc này chủ yếu trong ngành công nghiệp đóng tàu, loại mác thép sử dụng thường là 360, 410, 460. + Ống thép đúc dẫn hóa chất: Là loại thép chuyên dùng để dẫn hóa chất, các rác thải công nghiệp.... + Ống thép đúc dẫn dầu: Loại ống thép này được hiệp hội dầu mỏ quốc tế tại mỹ sử dụng để làm thành ống và giếng chứa và dẫn dầu. Nguyên liệu thép thường được sử dụng là J55, N80, P110. 1.2 Thép tấm Thép tấm được dùng rộng rãi vì có tính vạn năng cao, có thể chế tạo ra các loại hình dáng, kích thước bất kỳ, thép tấm được dùng nhiều trong các loại kết cấu như vỏ tàu thuỷ, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chứa khí, các loại bồn chứa, bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng, chất khí. Ngoài ra thép tấm còn được dùng để chế tạo các loại chi tiết máy v.v. Trong thực tế thép tấm có qui cách như sau. - Thép tấm phổ thông: Có chiều dày S = 4  60 mm; chiều rộng từ 160  1050 mm chiều dài từ 6000  12000 mm. - Thép tấm dày có chiều dày S= 4  160mm; chiều rộng từ 600  3000 mm; chiều dài từ 4000  6000mm. - Thép tấm mỏng có chiều dày S= 0,2  4mm rộng từ 600  1400 mm * Phân loại: - Thép tấm cán nóng: Thép tấm cán nóng là loại phôi thép thành phẩm, được đưa vào máy cán nóng ở nhiệt độ cao, nhiệt độ tầm khoảng trên 1000 độ C. Lúc này tính chất vật lý và hóa học của thép đều có sự thay đổi. Thành phẩm thép tấm cán nóng sau khi được tạo ra thường có màu xanh đen đặc trưng, các góc cạnh của thép tấm thường không sắc cạnh. - Sản phẩm thép tấm này rất dễ bảo quản, quý khách hàng có thể bảo quản ở ngoài kho bãi mà không lo ảnh hưởng đến chất lượng của thép. Ứng dụng của thép tấm cán nóng là sử dụng trong gia công cơ khí, sử dụng trong ngành công 11
  13. nghiệp xe hơi và tôn lợp, đóng tàu, cán xà gồ và các công trình xây dựng dân dụng khác. - Thép tấm cán nguội: Sau khi phôi thép được tạo thành sẽ được đưa đến nhà máy cán nguội, nhiệt độ để cán thường là nhiệt độ phòng hoặc chênh lệch cao thấp không đáng kể. Với phương pháp cán nóng thì chỉ làm thay đổi tính chất vật lý của thép chứ không làm thay đổi tính chất hóa học của sản phẩm. Sản phẩm thép tấm sau khi hoàn thành sẽ có màu sáng, độ bóng cao, các mép biên rất gọn gàng và không bị xù xì. 1.3 Các loại vật liệu thường dùng chế tạo kết cấu hàn 1.3.1 Thép hợp kim a. Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta đưa thêm vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất cơ lý hoá. Các nguyên tố có lợi được đưa vào với lượng đủ lớn gọi là các nguyên tố hợp kim. Chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố như sau Mn≥0,8÷ 1% Ni ≥ 0,5÷ 0,8% Ti ≥ 0,1% Si:0,5-0,8 W: 0,1-0,5 Cu ≥ 0,3 Cr ≥ 0,5-0,8 Mo ÷ 0,05 ÷ 0,2 B ≥ 0,002% b. Đặc tính thép hợp kim * Cơ tính: Do một số yếu tố mà chủ yếu là tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt ở thép sau khi tôi + ram - Ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ) độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đã dùng thép hợp kim thì 12
  14. phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền. - Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm dầu nên khi tôi ít bị biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim. - Khi tăng mức độ hợp kim hoá làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần đảm bảo tôi thấu tiết diện đã cho là đủ, không nên dùng thừa. Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc tiết diện và kích thước. - Tuy có độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ này để có xử lý thích hợp (bằng ram) Tuy có ưu điểm về độ bền nhưng nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn so với thép cacbon (trừ tính thấm tôi). * Tính chịu nhiệt: Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuyếch tán của cacbon do đó làm mactenxit khó phân hoá và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200oC, do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy oxyt tạo thành ở nhiẹt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt. * Tính chất vật lý, hoá học đặc biệt: Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt: như không gỉ, chống ăn mòn trong axit, muối, có từ tính hoặc không có từ tính, giãn nở nhiệt đặc biệt c. Phân loại thép hợp kim * Theo tổ chức cân bằng: Theo tổ chức cân bằng với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau: - Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do - Thép cùng tích peclit - Thép sau cùng tích peclit + cacbit tự do - Thép lêđêburit (cacbit) có lêđêburit Riêng với thép hợp kim cao chủ yếu bằng 1 trong 2 nguyên tố Cr, Mn hay Cr-Ni sẽ có: 13
  15. - Thép ferit loại có Cr rất cao (>17%) và thường rất ít cacbon - Thép austenit có Mn rất cao (>13%) và thường có C cao loại có Cr (>18%) và Ni (>8%) * Theo tổ chức thường hoá: - Thép họ peclit: loại hợp kim thấp - Thép họ mactenxit: loại hợp kim trung bình ( >4-6 )% và cao - Thép họ austenit: loại có chứa Ni >8% hoặc Mn >13% cao * Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim: - Theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao - Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng 10% ( thường là họ mactenxit và austenit ) * Theo công dụng: - Thép hợp kim kết cấu - Thép hợp kim dụng cụ - Thép hợp kim đặc biệt Trong đó hai nhóm đầu cũng có trong loại thép cacbon, còn nhóm thứ 3 không có. Đây là nhóm với tính chất vật lý - hoá học đặc biệt, thường chứa tổng lượng hợp kim cao và rất cao > 20%. Cách phân loại trên thường có quan hệ với nhau và có biết một số đặc trưng của thép. Thép austenit, ferit bao giờ cũng có loại thép đặc biệt, hợp kim cao hoặc rất cao, đắt và khó gia công. Thép mactenxit là loại thép rất dễ tôi song rất khó gia công cắt phôi ở trạng thái cung cấp. Thép ledeburit bao giờ cũng thuộc nhóm hợp kim cao- cacbon cao, rất cứng để làm dụng cụ. Thép Cr - Ni bao giờ cũng là thép kết cấu quý vì có độ thấm tôi cao và độ dai tốt. d. Tiêu chuẩn thép hợp kim TCVN 1759-75 quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau: - Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu ≥1% thì có thể không cần biểu thị. 14
  16. - Các nguyên tố hợp kim theo ký hiệu hoá học và ngay sau đó là hàm lượng theo phần trăm trung bình (thường được quy tròn thành số nguyên) xếp theo trật tự từ cao đến thấp. - Khi lượng chứa của nguyên tố khoảng 1% thì không cần biểu thị bằng số: VD: 40Cr: thép có 0,36÷ 0,44%C, 0,8÷ 1%Cr 90CrSi thép có 0,85-0,95%C, 1,2÷ 1,6%Si, 0,95÷ 1,25%Cr 1.3.2 Thép không gỉ - Inox thực chất là thép hợp kim không gỉ (Thép không gỉ), thành phần của thép chủ yếu là crôm (Cr) và Niken (Ni). Vì Cr và Ni có trong thép kết hợp với oxy tạo thành một lớp màng oxít mỏng trên bề mặt nên có tác dụng ngăn cản sự ăn mòn của nước, muối, Bazơ và Axít. Inox nói chung có tính chịu mài mòn, va chạm tốt, được sử dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp như: Điện khí, máy vận tải, y tế, ôtô và xây dựng. - Trong ngành luyện kim, thuật ngữ thép không gỉ (inox) được dùng để chỉ một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm. Tên gọi là “thép không gỉ” nhưng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt không bị biến màu hay bị ăn mòn dễ dàng như là các loại thép thông thường khác. Vật liệu này cũng có thể gọi là thép chống ăn mòn. Thông thường, có nhiều cách khác nhau để ứng dụng inox cho những bề mặt khác nhau để tăng tuổi thọ của vật dụng. Trong đời sống, chúng xuất hiện ở khắp nơi như những lưỡi dao cắt hoặc dây đeo đồng hồ… - Được sử dụng để chế tạo các loại kết cấu hàn làm việc trong những điều kiện đặc biệt, như làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao, làm việc trong điều kiện tiếp xúc với hoá chất, hoặc các thiết bị bảo quản, chế biến thực phẩm, thiết bị dụng cụ y tế .v.v. Phần lớn các loại thiết bị thuộc các loại này thuộc dạng tấm, hiện nay do nhu cầu sử dụng các loại kết cấu được chế tạo từ thép không gỉ đang rất lớn cho nên rất nhiều các công nghệ gia công kết cấu thếp không gỉ hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép không gỉ được sử dụng nhiều hiện nay đó là Crôm - Ni ken; Crôm - Ni ken - Bo; Niken – Mô líp đen - Crôm. Và một số loại thép chịu ăn mòn hoá học, chịu nhiệt, bền nhiệt. - Khả năng chống lại sự oxy hoá từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crôm có trong hợp kim (nhỏ nhất là 13% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường làm việc khắc nghiệt). Trạng thái bị oxy hoá của crôm thường là crôm ôxit III. Khi crôm trong hợp kim thép tiếp xúc với không khí thì một lớp chrom III oxit rất mỏng xuất hiện trên bề mặt vật liệu; lớp này mỏng đến mức không thể thấy bằng mắt thường, có nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng. Tuy nhiên, chúng 15
  17. lại hoàn toàn không tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ được lớp thép bên dưới. Hiện tượng này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu. Có thể thấy hiện tượng này đối với một số kim loại khác như ở nhôm và kẽm. - Niken cũng như mô-lip-đen và vanađi cũng có tính năng oxy hoá chống gỉ tương tự nhưng không được sử dụng rộng rãi. Bên cạnh crôm, niken cũng như mô-lip-đen và ni tơ cũng có tính năng oxi hoá chống gỉ tương tự. - Niken (Ni) là thành phần thông dụng để tăng cường độ dẻo, dễ uốn, tính tạo hình của thép không gỉ. Mô-lip-đen (Mo) làm cho thép không gỉ có khả năng chịu ăn mòn cao trong môi trường axit. Ni tơ (N) tạo ra sự ổn định cho thép không gỉ ở nhiệt độ âm (môi trường lạnh). - Sự tham gia khác nhau của các thành phần crôm, niken, mô-lip-đen, ni tơ dẫn đến các cấu trúc tinh thể khác nhau tạo ra tính chất cơ lý khác nhau của thép không gỉ. Phân loại thép không gỉ theo cấu tạo kim loại: Có 3 loại thép không gỉ. * Thép không gỉ Mactenitic (Loại thép Fe-Cr) - Hàm lượng Cr có trong thép từ (11,5 18)%, hàn lượng Cacbon từ (0,060,75)% Sau khi được nhiệt luyện có độ cứng cao và độ chịu mài mòn tốt - Ký hiệu theo tiêu chuẩn của Nhật bản (JIS) Ta có: - Thép không gỉ: Mactensitic SUS 410 Mactensitic SUS 630 - Tính chất của thép không gỉ Máctensitic: + Là thép có từ tính, có khả năng biến cứng nên cứng dòn dễ gẫy, khó uốn cong. + Khi hàn nên hàn với cường độ dòng điện hàn nhỏ. * Thép không gỉ Feritic (Loại thép Fe-Cr) - So với thép Mactensitic thì hàm lượng cacbon nhỏ hơn. Thép này không có sự chuyển biến về trạng thái nên sau khi được làm nguội nó hầu như không bị cứng hoá. - Sau khi bị nung nóng trong một khoảng thời gian dài ở nhiệt độ từ 4255250C thì ở nhiệt độ 4750C sẽ xuất hiện tính giòn. - Với thép có hàm lượng Cr cao hơn 16% thì sau khi bị nung nóng trong một thời gian dài ở nhiệt độ từ 5408150C tính bền sẽ bị giảm. - Tính chất của thép không gỉ Feritic: 16
  18. + Là loại thép có từ tính, không có khả năng làm cứng, tính hàn tốt hơn so với thép Mactensitic. VD: Thép không gỉ Feritic SUS 430 * Thép không gỉ Austenitic (Loại thép Fe-Cr-Ni) - Thép không gỉ Austenitic có tính chống chịu ăn mòn, tính gia công, tính hàn rất tốt do đó ngày nay được sử dụng rất rộng rãi. - Do không có sự chuyển biến về tính chất nên cho dù vận tốc nguội nhanh cũng không làm chúng bị biến cứng (cứng hoá). Do thép này có hàm lượng Crôm và Niken (18% là Cr; 8% là Ni) nên rất nhậy với nhiệt độ. - Khi nung nóng ở nhiệt độ 55008000C nó sẽ xuất hiện kết tủa cacbon và độ bền sẽ giảm. - Tính chất của thép không gỉ Austenitic: + Là loại thép không có từ tính, không có khả năng biến cứng nên hàn rất tốt. + Loại thép này dễ bóp méo, uốn cong nên có thể hàn điểm VD: Thép không gỉ Austenitic SUS 304 1.3.3 Nhôm và hợp kim nhôm a. Nhôm Nhôm là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 4,04 A0, có các tính chất như sau: - Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3). - Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ. - Tính chống ăn mòn cao (vì có màng ôxit Al2O3 xít chặt bảo vệ). - Nhiệt độ chảy thấp (6600C) có thể làm dễ ràng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao. Tính đúc không cao do độ co ngót lớn (lên tới 6%). - Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm2, HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp. - TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của nhôm, ví dụ Al99, Al99,5. - Theo tiêu chuẩn AA (Aluminium Association) của Mỹ. Nhôm được ký hiệu AA 1xxx, ba số xxx khi biết sẽ dùng để tra bảng để biết tính chất cụ thể. Ví dụ AA 1100 có 99,00% Al. 17
  19. - Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch. Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có 99,995% Al. b. Hợp kim nhôm - Hợp kim nhôm được phân làm 2 nhóm chính là hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc. - Theo TCVN hợp kim của nhôm được ký hiệu bằng các ký hiệu hóa học của các nguyên tố và theo sau mỗi ký hiệu là số chỉ hàm lượng theo %. Nếu là hợp kim nhôm đúc, ở cuối cùng ghi thêm chữ Đ. - Theo tiêu chuẩn AA của Mỹ. Hợp kim nhôm được ký hiệu AA xxxx, số đầu tiên có nghĩa như bảng, ba số xxx tiếp theo sẽ dùng để tra bảng để biết cụ thể các tính chất. Bảng 1.1: Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ Loại biến dạng Loại đúc 1xxx Al sạch (>99%) 1xx.x Al thỏi 2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu 3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg hoặc Al-Si-Cu 4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si 5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg 6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Không có 7xxx Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn- 7xx.x Al-Zn Mg-Cu 8xxx Al-các nguyên tố khác 8xx.x Al-Sn * Đura - Khái niệm: Là hợp kim nhôm biến dạng điển hình được dùng rộng rãi trong kỹ thuật hàng không. * Thành phần, tính chất - Thành phần: là hợp kim chủ yếu của 3 nguyên tố Al-Cu-Mg với Cu < 5%, Mg < 2%. Ngoài ra trong thành phần còn có thêm Fe, Si, Mn. - Tính chất + Nói chung đura có độ bền khá cao nhất là sau khi nhiệt luyện σb=42 - 47 Kg/mm2. 18
  20. + Do có độ bền cao và nhẹ (2,8g/cm3) nên đura có độ bền riêng lớn nhất. Độ bền riêng là tỷ số σb/2,8, trong khi độ bền riêng của đura là 15 - 16 thì của thép CT51 là 6 - 6,5 và của gang là 1,5 - 6. - Ký hiệu, công dụng + Ký hiệu: AlCu4Mg (có 95% Al, 4% Cu và 1% Mg) hoặc AA 2014. + Công dụng: do có độ bền riêng cao nên đura được sử dụng phổ biễn trong kỹ thuật hàng không (kết cấu máy bay, tàu vũ trụ…), giao thông vận tải (dầm chịu lực xe tải, sườn tàu biển…) hoặc làm dụng cụ thể thao… * Silumin - Khái niệm: Là hợp kim nhôm đúc được dùng rộng rãi nhất. Nó là hợp kim được tạo nên từ cơ sở hệ hợp kim Al - Si. Ngoài ra trong thành phần còn có thể có thêm Mg, Mn, Cu, Zn… - Phân loại: theo thành phần hóa học người ta chia silumin ra làm 2 nhóm: + Silumin đơn giản: Là hợp kim nhôm đúc mà thành phần chính của nó là nhôm và silic (Ví dụ: AlSi13 có 87% Al và 13% Si, theo tiêu chuẩn của Liên Xô là AЛ2 hay theo tiêu chuẩn của Mỹ là AA 423.0 ). Silumin đơn giản có tính đúc rất tốt (độ chảy loãng cao, khả năng điền đầy khuôn lớn, độ nhẵn bề mặt rất cao) nên được dùng để đúc định hình các chi tiết có hình dạng phức tạp. Nhược điểm của nó là có rỗ khí, cơ tính thấp,không có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Dạng nhiệt luyện duy nhất đối với nó là ủ ở khoảng 3000C, làm nguội trong không khí. Thường dùng làm vật liệu để đúc các chi tiết máy có hình dáng phức tạp, chịu tải trọng nhẹ. + Silumin phức tạp: Là hợp kim nhôm với 4 - 10% Si và có thêm các nguyên tố hợp kim đặc biệt như Cu, Mg, Zn, Mn… Ví dụ: AlSi8Mg, AlSi6MgMnCu7, AlSi5MnCu3…). Do có thêm các nguyên tố hợp kim mà độ bền của silumin phức tạp cao hơn hẳn nhất là sau khi nhiệt luyện. Thường dùng làm các chi tiết máy quan trọng như: thân máy nén, thân nắp động cơ ô tô. Nhôm và hợp kim nhôm cũng được ứng dụng nhiều để chế tạo kết cấu hàn. Đặc biệt là hợp kim nhôm được dùng trong để chế tạo các kết cấu yêu cầu có trọng lượng nhỏ, hoặc các kết cấu yêu cầu chống gỉ. Thông thường hợp kim nhôm hay được dùng nhất là Duya-ra dùng cho các kết cấu đòi hỏi có độ bền 19
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học