Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 4: Vật liệu kim loại - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu nhiệt lạnh - Chương 4: Vật liệu kim loại - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Chương 4: VẬT LIỆU KIM LOẠI 4.1 Cơ tính của Kim loại 4.2 Các loại kim loại thường sử dụng trong lãnh vực NHIỆT 4.3 TÍNH TỐN SỨC BỀN THIẾT BỊ p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4.1 Cơ tính của Kim loại ¾ Để xác định cơ tính của vật liệu Kim loại Ỉ thử kéo (VD cho Thép), nén (VD cho Gang) Ỉ Đồ thị Fc F Giới hạn đàn hồi σ = dh (N/m2) dh A Fc Giới hạn chảy σ = 2 c A (N/m ) F Giới hạn bền σ = b (N/m2) b A ( A (m2) là diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử ¾ Ngồi ra cịn xét: độ DẺO độ DAI VA ĐẬP độ BỀN MỎI p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4.2 Các loại kim loại thường sử dụng trong lãnh vực NHIỆT 4.2.1. THÉP 4.2.2. GANG 4.2.3. HỢP KIM MÀU p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4.2.1. THÉP ¾ Là hợp kim của SẮT và CÁCBON với %C ≤ 2,14 % THÉP GANG p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Thành phần hĩa học của Thép: Mn, Si Ỉ ảnh hưởng tốt Fe + C + Tạp chất P, S Ỉ ảnh hưởng xấu (Đi vào từ quá trình NHIỆT LUYỆN thép) * Thành phần thơng thường: %C ≤ 1,4 % %Mn ≤ 0,8 % %Si ≤ 0,5 % % P ≤ 0,05 % %S ≤ 0,05 % p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Ảnh hưởng của các nguyên tố đến cơ tính của THÉP a) Ảnh hưởng của C -Tăng độ cứng HB -Tăng độ bền σb khi %C < 1% -Giảm độ dẻo δ -Giảm độ dai va đập ak b) Ảnh hưởng của Mn, Si: nâng cao độ bền, độ cứng của Thép c) Ảnh hưởng của P, S : làm Thép bị giịn, dễ gãy vỡ. p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Thép cácbon ¾ Phân loại Thép: Thép hợp kim - Thép xây dựng: là vật liệu thường dùng trong ngành xây dựng: khung, tháp, vv THÉP CÁC - Thép kết cấu (thép chế tạo máy): là vật liệu thường dùng BON chế tạo các chi tiết máy - Thép dụng cụ: là vật liệu thường dùng chế tạo các loại dụng cụ trong ngành cơ khí THÉP HỢP - Thép cĩ tính chất đặcbiệt: như thép chống gỉ, thép làm KIM (cĩ pha thêm hợp kim) việc ở nhiệt độ cao, thép chống mài mịn, vv p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Ký hiệu thép theo TCVN 1. Ký hiệu các loại Thép Cácbon: a) Thép xây dựng cácbon: ký hiệu CT31 , CT42, CT61, vv 2 cĩ độ bền kéo σbk ≥ 31 kg/mm BCT31, BCT33, vv - Ngồi ra cịn 2 nhĩm khác với ký hiệu là: CCT31, CCT33, vv b) Thép kết cấu cácbon: ký hiệu C20 , C45, C65, vv cĩ 0,2% C c) Thép dụng cụ cácbon: ký hiệu CD70 , CD80, CD100, vv cĩ 0,7% C p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2. Ký hiệu các loại Thép Hợpkim: a) Hệ thống chữ: tuân theo ký hiệu hĩa học các nguyên tố a) Hệ thống số: dùng để chỉ thành phần C và các nguyên tố hợp kim Thành phần C: số đầu tiên chỉ Ỉ phần vạn Cácbon cĩ trong thép Thành phần nguyên tố hợpkim:tìm số sau tên nguyên tố -Nếu khơng cĩ số sau nguyên tố hợp kim Ỉ 1% -Nếu cĩ số sau nguyên tố hợp kim Ỉ chỉ % nguyên tốđĩ VD: 40CrMnSi, 60Si2, 90MnSiW vv . p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Một số loại THÉP và HỢP KIM cĩ tính chất đặc biệt a) Thép khơng gỉ Khả năng chống ăn mịn rất cao trong mơi trường khơng khí, nước biển, dung dịch kiềm và axít, vv - Thành phần hĩa học: + Thành phần C thấp: 0,1 – 0,4% (% C càng thấp Ỉ tính chống ăn mịn càng cao) + Đặc biệt cĩ thành phần Cr > 12% (% Cr càng lớn Ỉ tính chống ăn mịn càng cao) + Ngồi ra chứa thêm: Ni, Mn, Ti, Nb, vv -Ví dụ: + Thép 12Cr13 bền hơn thép 20Cr13 + Thép 15Cr25Ti, 15Cr28 sử dụng trong cơng nghiệp sx HNO3 p.10
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM b) Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao Cĩ chứa Cr, Al, Si, W, Mo, ¾ Yêu cầu đối với thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao: - Tính ổn định nĩng: là khả năng chống ơxy hĩa ở nhiệt độ cao - Tính bền nĩng: là khả năng hoạt động lâu dài, chịu được tải trọng yêu cầu mà khơng biến dạng ở nhiệt độ cao + Giới hạn bền dài hạn: là ứng suất gây ra phá hủy ở nhiệt độ qui VD: định sau một khoảng thời gian đã cho o VL sẽ bị phá hủy sau 100 giờ dưới tác dụng σ 550 C = 210 N / mm2 100 của ứng suất 210 N/mm2 ở nhiệt độ 550oC + Giới hạn dão: là ứng suất lớn nhất ở nhiệt độ đã cho làm gây ra VD: độ biến dạng cho trước. o σ 600 C =100 N / mm2 VL sẽ bị biến dạng với tốc độ 0,1% sau 0,1/1000 1000 giờ dưới ứng suất 100 N/mm2 ở 600oC p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Phân loại: 2 nhĩm - Nhĩm THÉP BỀN NHIỆT: Dùng chế tạo các chi tiết làm việc chịu tải trọng nặng và chịu nhiệt độ từ 350-700oC + Thép làm xupáp xả: như 40Cr9Si2, 40Cr10MoSi2, 30Cr13Ni7Si2, vv + Thép làm nồi hơivàtuabinhơi: như 12CrMo, C35, C45, vv + Ống dẫnhơi: như 12CrMo, 12CrMoV, vv - Nhĩm THÉP CHỊU NHIỆT CAO: Dùng chế tạo các chi tiết cĩ thể chống được sự ăn mịn của các khí ở nhiệt độ > 550oC Cĩ thành phần chủ yếu là Cr pha thêm Al, Si, Ti, Mo, vv p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4.2.2. GANG ¾ Là hợp kim của SẮT và CÁCBON với %C > 2,14 % GANG p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Một số tính chất cơ bản của gang: Do C > 2,14% -Nhiệt độ nĩng chảy của Cĩ tính ĐÚC và gia gang thấp hơn thép cơng cắt gọt tốt - Độ bền kéo thấp, độ giịn cao Chế tạo các TB chịu tải trọng tĩnh, ít chịu va đập như bệ máy, vv ¾ Thành phần hĩa học của gang: * Thành phần thơng thường: %C : 2 − 4 % %Si : 0,4 −3,5 % %Mn : 0,2 −1,5 % % P : 0,04− 0,65 % %S : 0,02− 0,15 % p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tổ chức tế vi của gang: - Gang trắng: là loại gang mà tất cả Carbon nằm trong Fe3C Ỉ cĩ màu trắng (Gang trắng hầu như khơng sử dụng trong thực tế) - Gang mà C ở dạng graphit: tùy theo hình dạng graphit chia thành: Gang xám: Gang dẻo: Gang cầu + C chủ yếu ở + C chủ yếu ở dạng + C chủ yếu ở dạng tự do graphit graphit cụm, bơng dạng graphit cầu Ỉ sử dụng nhiều nhất trong thực tế p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Các loại gang thơng dụng: 1. Gang XÁM: là loại gang sử dụng phổ biến nhất do giá rẻ - Ký hiệu: GX + 2 nhĩm số chỉ giới hạn bền kéo σbk và giới hạnbền uốn σbu (theo TCVN 1659-75) σ =15 kg / mm2 VD: GX15-32 là gang xám cĩ bk 2 σ bu = 32 kg / mm - Tổ chức tế vi: đa số C ở dạng graphit tấm - Cơ tính: do graphit dạng tấm nên: 1 1 + Độ bền kéo thấp ≈ ÷ σ của kim loại 5 3 bk + Độ dẻo kém: δ ≈ 0,5% + Độ nén tốt, cĩ khả năng dập tắt rung động nhanh Các bộ phận đỡ, hộp máy, thân máy, vv p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 2. Gang DẺO: 2 - Ký hiệu: GZ + 2 nhĩm số chỉ giới hạn bền kéo σbk (kg/mm ) và độ dãn dài δ (%) (theo TCVN 1659-75) σ = 60 kg / mm2 VD: GZ60-03 là gang dẻo cĩ bk δ = 3 % - Tổ chức tế vi: đa số C ở dạng graphit cụm + %C trong gang dẻo thấp: 2,2 – 2,8 % Làm tăng tính dẻo của gang - Cơ tính: do graphit dạng cụm nên: + Độ dẻo cao: δ = 2 – 10% + Độ bền kéo là trung gian giữa gang xám và gang cầu Dùng chế tạo các chi tiết cĩ hình dạng phức tạp, thành mỏng và chịu va đập (Giá thành cao hơn gang xám) p.17
18. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 3. Gang CẦU: là loại gang cĩ độ bền cao nhất 2 - Ký hiệu: GC + 2 nhĩm số chỉ giới hạn bền kéo σbk (kg/mm ) và độ dãn dài δ (%) (theo TCVN 1659-75) σ =100 kg / mm2 VD: GC100-4 là gang cầu cĩ bk δ = 4 % - Tổ chức tế vi: đa số C ở dạng thu gọn nhất: dạng cầu Ỉ Thêm vào lượng rất nhỏ các chất biến tính đặc biệt là Mg và Ce - Cơ tính: do graphit dạng cầu nên: + Độ bền kéo cao gần bằng thép Chủ yếu dùng thay thép trong một số chi tiết cĩ hình dáng phức tạp như: trục khuỷu, thân tuabin hơi, vv p.18
19. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4.2.3. HỢP KIM MÀU - Nhơm và Hợp kim nhơm - Đồng và Hợp kim đồng Xem thêm trong sách p.19
20. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM 4.3 TÍNH TỐN SỨC BỀN THIẾT BỊ (Tài liệu tham khảo: sách LỊ HƠI (Tập 2) của GS. TSKH Nguyễn Sỹ Mão) ¾ Sơ đồ tính bài tốn thiếtkế: Từ NHIỆT ĐỘ CHỌN LOẠI Bước 1: LÀM VIỆC VẬT LIỆU CỦA CHI TIẾT THÍCH HỢP Từ ỨNG SUẤT XÁC ĐỊNH BỀ Bước 2: LÀM VIỆC DÀY, KÍCH CỦA CHI TIẾT THỨỚC CHI TIẾT ¾ Sơ đồ tính bài tốn kiểmtra: biết nhiệt độ, ứng suất làm việc, loại vật liệu đang sử dụng Ỉ tính lại bề dày, kích thước xem cĩ đủ bền khơng ? p.20
21. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Ví dụ: lị hơi cơng nghiệp p.21
22. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Ỉ Mục đích: sinh hơi ở nhiệt độ cao, áp suất cao p.22
23. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Ỉ BÀI TỐN 1: TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH TRỤ Xét vách trụ cĩ chiều dài L, đường kính d1/d2. Mơi chất nĩng trong ống cĩ tf1, HSTN α1 Mơi chất lạnh bên ngồi cĩ tf2, HSTN α2 Ta cĩ: Q = α1(t f 1 − tw1 )πd1L t − t Q = w1 w2 1 ⎛ d2 ⎞ ln⎜ ⎟ 2πλL ⎝ d1 ⎠ = α 2 (tw2 − t f 2 )πd2 L Nhiệt lượng truyền cho 1m chiều dài ống là: t − t t − t t − t t − t q = f 1 w1 = w1 w2 = w2 f 2 = f 1 f 2 L 1 1 ⎛ d ⎞ 1 1 1 ⎛ d ⎞ 1 ln⎜ 2 ⎟ + ln⎜ 2 ⎟ + α πd ⎜ ⎟ α πd ⎜ ⎟ 1 1 2πλ ⎝ d1 ⎠ 2 2 α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd2 p.23
24. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ™ Hoặc tính theo pp nhiệt trở tương đương cho 1m dài ống: Δt qL = với: Rtđ = Rα1 + Rλ + Rα 2 (m.độ/W) Rtđ 1 1 ⎛ d2 ⎞ 1 = + ln⎜ ⎟ + α1πd1 2πλ ⎝ d1 ⎠ α 2πd2 Sau khi tính được qL Ỉ xác định tw1 và tw2 Nhiệt độ trung bình của ống trụ dùng để chọn vật liệu sẽ là: t + t t = w1 w2 (o C) tb 2 n 1 1 di+1 1 Đối với vách nhiều lớp: Rtđ = + ∑ ln + α1πd1 i=1 2πλi di α 2πdn+1 p.24
25.  VD: Ống dẫnNghơiười bsoằngạn:thép TS. Hàdtr/d anhng = Tùng 200 / 216 mm có λ1 = 47 W/(mK)2/2010được bọc ĐHBK tp HCM o một lớp cách nhiệt dày 120 mm, có λ2 = 0,8 W/(mK). Nhiệt độ hơi là t1 = 360 C ; hệ 2 o số TNĐL phía hơi α1 = 120 W/(m K) . Không khí bên ngoài có t2 = 25 C; α2 = 11 W/(m2K). - Hãy tính tổn thất nhiệt trên 1 m ống qL - Xác định nhiệt độ bề mặt trong và ngoài của lớp cách nhiệt. Giải: Nhiệttrở tương đương, tính theo 1m chiều dài ống 1 1 d i+1 1 RL = + ∑ ln + α1πd1 2πλi d i α 2πd 3 Tổn thất nhiệt, tính cho 1m ống: t f 1 − t f 2 qL = = 1485,3 kW / m RL Nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt: 1 q d 0 o t = t + L ln 3 = 340,2 C tw3 = t f 2 + qL = 119,3 C w 2 w3 α 2πd 3 2πλ2 d 2 p.25
26. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Ỉ BÀI TỐN 2: TRUYỀN NHIỆT QUA VÁCH PHẲNG Xét vách phẳng 1 lớp, dày δ, HSDN λ Mơi chất nĩng cĩ tf1, α1 ; Mơi chất lạnh cĩ tf2, α2 Q ™ Tương tự như tính Δt cho vách trụ: q = Rtđ với: Rtđ = Rα1 + Rλ + Rα 2 1 δ 1 = + + (m2.độ/W) Nhiệt độ bề mặt vách: α1 λ α2 q ⎛ 1 δ ⎞ 1 tw1 = t f 1 − và t = t − q⎜ + ⎟ = t + q α w2 f 1 ⎜ ⎟ f 2 1 ⎝α1 λ ⎠ α2 p.26
27. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM Nhiệt độ trung bình của vách phẳng dùng để chọn vật liệu sẽ là: t + t t = w1 w2 (o C) tb 2 ¾ Trường hợp vách phẳng nhiều lớp: Δt q = Rtđ tf1, α1 n Q với: R = R + R + R tđ α1 ∑ λi α 2 i=1 tf2, α2 1 n δ 1 = + ∑ i + α1 i=1 λi α2 p.27
28. Ví dụVách: lò hơi bằng thép dày 20 mm, λ = 58 W/mK; nhiệt độ khí lò tf1 = 1000 o 2 C ; áp suất hơi p = 33,5 bar. HSTN của khí lò tới vách α1 = 116 W/m K ; từ vách lò đến 2 nước α2 = 2320 W/m K. Xác định q , nhiệt độ bề mặt trong và ngoài vách lò. o Giải: Nhiệt độ nước sôi: tf2 = 240 C t − t q = f 1 f 2 = 80864 W / m 2 1 δ 1 + + α1 λ α 2 Nhiệt độ bề mặt trong và ngoài vách lò: 1 1 t w = t f1 − q 1 tw 2 = t f 2 + q α1 α 2 303 oC ; 275 oC NHẬN XÉT: - Gía trị HSTN k so với Hệ số toả nhiệt -Nhiệt độ vách và chênh lệch nhiệt độ vách p.28
29. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ TÍNH TỐN SỨC BỀN THIẾT BỊ (Tài liệu tham khảo: sách LỊ HƠI (Tập 2) của GS. TSKH Nguyễn Sỹ Mão) ¾ Sơ đồ tính bài tốn thiếtkế: Từ NHIỆT ĐỘ CHỌN LOẠI Bước 1: LÀM VIỆC VẬT LIỆU CỦA CHI TIẾT THÍCH HỢP Từ ỨNG SUẤT XÁC ĐỊNH BỀ Bước 2: LÀM VIỆC DÀY, KÍCH CỦA CHI TIẾT THỨỚC CHI TIẾT ¾ Sơ đồ tính bài tốn kiểmtra: biết nhiệt độ, ứng suất làm việc, loại vật liệu đang sử dụng Ỉ tính lại bề dày, kích thước xem cĩ đủ bền khơng ? p.29
30. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM ¾ Tính sức bền một số bộ phận của lị hơi a) Bề dày của chi tiết hình trụ chịu áp lực bên trong (bao hơi, ống gĩp, vv ) -Từ nhiệt độ làm việc trung bình của vách trụ Ỉ chọn loại thép thích 2 2 hợp Ỉ tra ứng suất cho phép σcp (Mpa hay MN/m hay N/mm ) -Xác định bề dày δ củachi tiết: pDt + Nếu tính theo đường kính trong: δ = + C (m) 2,3ϕσ cp − p + Nếu tính theo đường kính ngồi: pD δ = n + C (m) 2,3ϕ σ cp + p với: + p là áp suất làm việc bên trong của chi tiết (Mpa) + Dt, Dn là đường kính trong và ngồi (m) +ϕ là hệ số bền của chi tiết do các mối hàn, các lỗ nối ống, vv +C là hệ số hiệu chỉnh về bề dày C = 1 khi δ 20 mm
31. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 2/2010 ĐHBK tp HCM b) Bề dày các ống dẫn (như ống quá nhiệt, ống sinh hơi, vv ) pDt + Nếu tính theo đường kính trong: δ = + C1 (m) 2,3 σ cp − p + Nếu tính theo đường kính ngồi: pDn δ = + C1 (m) 2,3 σ cp + p Trong đĩ: + C1 là hệ số bổ sung bề dày, thường lấyC1 = 0,5 mm = 0,0005 m p.31