(NB) Giáo trình Vật liệu cơ khí với mục tiêu giúp các bạn có thể giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện; Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đập búa, xem tia lửa khi mài. 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 KHANH (Chủ biên) NGUYỄN VĂN NINH - VŨ TRUNG THƯỞNG GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU CƠ KHÍ Nghề: Hàn Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh-sinh viên tài liệu cho giảng viên giảng dạy Khoa khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam-Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình ‘’VẬT LIỆU CƠ KHÍ’’ dành riêng cho học sinh-sinh viên nghề Hàn Đây mơn học chun mơn nghề chương trình đào tạo nghề Hàn trình độ Cao đẳng Nhóm biên soạn tham khảo nhiều tài liệu công tác ‘’tổ chức quản lý sản xuất’’ doanh nghiệp nước, kết hợp với kinh nghiệm thực tế quản lý sản xuất Mặc dù nhóm biên soạn có nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp, độc giả để giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2019 Chủ biên MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Kim loại 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 1.3 Khái niệm mạng tinh thể 10 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình vật rắn 16 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể 24 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 26 Chương 2: Hợp kim biến đổi tổ chức 30 2.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 30 2.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 36 2.3 Giản đồ pha Fe - C(Fe – Fe3C) 48 Chương 3: Nhiệt luyện 53 3.1 Khái niệm nhiệt luyện 53 3.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 55 3.3 Ủ thường hóa thép 61 3.4 Tôi thép 64 3.5 Ram thép 69 3.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện 71 Chương 4: Vật liệu kim loại 75 4.1 Thép cacbon 75 4.2 Thép hợp kim 81 4.3 Gang 103 Chương 5: Hợp kim màu phi kim 113 5.1 Hợp kim màu 113 5.2 Gỗ 124 5.3 Chất dẻo 127 5.4 Vật liệu compozit 133 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu khí Mã số môn học: MH 12 Thời gian môn học: 45giờ (LT: 41giờ; TH: 2giờ; KT: 2giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MƠN HỌC - Vị trí: + Mơn học bố trí trước, đồng thời sau sinh viên học xong môn học chung bắt buộc + Mơn học bố trí trước mơn học, mơ-đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: + Là môn học kỹ thuật sở thuộc môn học, mô đun đào tạo nghề bắt buộc II MỤC TIÊU MƠN HỌC - Kiến thức: + Trình bày đặc điểm, tính chất lý, ký hiệu phạm vi ứng dụng số vật liệu thường dùng ngành khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội + Giải thích số khái niệm nhiệt luyện hoá nhiệt luyện + Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm gõ, đập búa, xem tia lửa mài + Xác định tính chất, cơng dụng loại vật liệu thường dùng cho nghề - Kỹ năng: + Có khả tự mua loại vật liệu theo yêu cầu sản xuất + Đo độ cứng HB, HRC + Nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện thép gió, đục - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập III NỘI DUNG MÔN HỌC: Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Thời gian Số TT I Thực hành, Tổng Lý thảo số thuyết luận, thí nghiệm, tập Tên chương, mục Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Kiểm tra* 0 10 Cấu tạo liên kết nguyên tử Sắp xếp nguyên tử vật chất Khái niệm mạng tinh thể Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn Đơn tinh thể đa tinh thể Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại II Chương 2: Hợp kim biến đổi tổ chức Cấu trúc tinh thể hợp kim Giản đồ pha hệ hai cấu tử Giản đồ pha Fe - C (Fe- Fe3C) III Chương 3: Nhiệt luyện Khái niệm nhiệt luyện thép Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép Ủ thường hố thép Tơi thép Ram thép Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép IV Chương 4: Vật liệu kim loại Thép Cácbon 6 0 Chương 5: Hợp kim màu phi kim Hợp kim màu Thép hợp kim Gang V Gỗ Chất dẻo Vật liệu Compozit Cộng 30 Nội dung chi tiết 26 2 Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Kim loại Giới thiệu chương Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) tương tác phần tử cấu thành (lực liên kết phân tử, nguyên tử), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng, khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào cách xếp phần tử cấu thành lực liên kết chúng Trong chương khái niệm đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, dạng liên kết cấu trúc tinh thể, khơng tinh thể (vơ định hình) vật rắn Mục tiêu - Trình bày đặc điểm, cấu tạo kim loại hợp kim - Phân biệt kim loại hợp kim thường dùng ngành khí chế tạo - Trình bày tính chất lý hố, tính cơng nghệ kim loại hợp kim - Mô tả phương pháp đo độ cứng đơn giản, có khả đo trực tiếp sản phẩm mà không phá hỏng chúng - Đo độ cứng HB, HRC vật liệu - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử Nguyên tử hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương điện tử (electron) mang điện âm chuyển động xung quanh Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ proton nơtron Hạt nơtron khơng mang điện cịn hạt proton mang điện dương, có điện tích điện tích ngun tử Ở trạng thái thường, ngun tử chung hịa điện số lượng proton số lượng điện tử Số đặc trưng số thứ tự nguyên tử(Z) bảng tuần hồn Menđeleev Vì khối lượng proton nơtron lớn nhiều so với điện tử (khoảng 1830 lần) khối lượng nguyên tử xác định khối lượng hạt nhân Với khối lượng điện tử proton, hạt nhân chứa số lượng nơtron khác tạo thành đồng vị nguyên tố hóa học 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết tạo hai(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử lớp ngồi Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 1.1.2.2 Liên kết ion Đây loại liên kết mạnh dễ xẩy ngun tử có điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử để tạo thành ion dương nguyên tố nhóm IB(Cu, Ag, Au), IIB(Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm nguyên tố nhóm VIB (O, S ) Hình 1.2 biểu diễn liên kết ion phân tử LiF Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết phân tử LiF Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại 1.1.2.3 Liên kết kim loại Đây loại liên kết đặc trưng cho vật liệu kim loại, định tính chất đặc trưng loại vật liệu Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại Có thể hình dung liên kết sau: ion dương tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự "chung" Năng lượng liên kết tổng hợp (cân bằng) lực hút (giữa ion dương điện tử tự bao quanh) lực đẩy (giữa ion dương) Chính nhờ cân nguyên tử, ion kim loại ln ln có vị trí cân xác định đám mây điện tử Liên kết kim loại thường tạo kim loại nguyên tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt khỏi nguyên tử trở nên tự (không bị ràng buộc nguyên tử nào) tạo nên "mây" hay "biển" điện tử 1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp Thực ra, liên kết đồng hóa trị túy có trường hợp liên kết đồng cực (giữa nguyên tử nguyên tố hóa học) Trong trường hợp liên kết dị cực (giữa nguyên tử nguyên tố khác nhau) Điện hóa trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược : - Bị hút hạt nhân “của mình” - Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung” Khả hạt nhân hút điện tử hóa trị gọi tính âm điện ngun tử Sự khác tính âm điện nguyên tử liên kết đồng hóa trị làm cho đám mây điện tử “chung” bị biến dạng tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố liên kết ion Tính ion liên kết lớn khác tính âm điện nguyên tử lớn Ví dụ Na có tính âm điện 0,9 Cl 3,0 Do liên kết Na Cl hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion 48% liên kết đồng hóa trị Tất liên kết dị cực mang tính chất hỗn hợp liên kết ion đồng hóa trị 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Van der Waals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải tạo thành phân tử nước ( O) polyetylen ( )n Nhưng không cho phép lý giải tạo thành số vật rắn từ phân tử trung hòa nước đá polyme… Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, khác tính âm điện nguyên tử, trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, ngẫu cực điện tạo thành, phân tử bị phân cực Liên kết van der waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực trạng thái rắn Liên kết loại liên kết yếu, rễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ) Vì chất rắn sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 1.2.1 Không trật tự hồn tồn, chất khí Chất khí chiếm tồn thể tích chứa nén Các ngun tử (phân tử) chất khí ln ln chuyển động ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) đơn vị thể tích thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Vị trí tương ứng chúng ln thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên Trung bình nguyên tử (phân tử) chiếm thể tích tương ứng hình cầu Đường kính trung bình nm 1.2.2 Chất rắn tinh thể Trong vật rắn tinh thể ngun tử có vị trí hồn tồn xác định không so với nguyên tử gần mà nguyên tử khác xa Không gian xung quanh ngun tử có cấu tạo hồn tồn đồng Nói cách khác tinh thể có trật tự xa Hình 1.4 cấu trúc tinh thể muối ăn, hình 1.5 cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể muối ăn 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vơ định hình vi tinh thể Một cách gần đúng, thể tích khối lượng chất lỏng đại lượng không đổi Giống vật rắn nguyên tử có xu tiếp xúc với chiếm khơng gian hình cầu kích thước khoảng 0,25 mm Nên chất lỏng khơng có tính chịu nén - Chất rắn vơ định hình vi tinh thể: Theo xếp có trật tự không gian nguyên tử, ion hay phân tử(gọi tắt chất điểm) người ta chia chất rắn làm hai nhóm vật tinh thể vật vơ định hình Trong vật rắn tinh thể chất điểm xếp theo quy luật(trật tự) hình học định, cịn vật vơ định hình chất điểm xếp hỗn loạn Tất kim loại hợp chất chúng trạng thái rắn vật tinh thể hay nói khác có cấu tạo tinh thể Điển hình vật vơ định hình thủy tinh, nhựa, hai trạng thái lỏng rắn chất điểm xếp không trật tự Sự khác chất lỏng vật rắn thể sau: Các nguyên tử luôn chuyển động ba động nhiệt Nhận thấy rằng, vùng khơng gian nhỏ (cỡ kích thước ngun tử), số nguyên tử xếp có trật tự, không ổn định luôn bị phá vỡ ba động nhiệt Như chất lỏng có trật tự gần Ngược với tính dị hướng chất rắn vật rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng chất lỏng số lượng nguyên tử, phân tử - Tính giịn mactenxit: nhược điểm mactenxit tính giịn cao, đặc điểm có liên quan đến độ cứng tồn ứng suất dư Tuy nhiên tính giịn mactenxit giao động phạm vi rộng d Chuyển biến xảy ram Để phân tích pha tạo thành trình ram dùng phương pháp phân tích tổ chức tia rơngen hay phương pháp đo giãn nở Đo giãn nở phương pháp thường dùng để xác định chuyển biến ram, dựa khác thể tích riêng peclit, mactenxit austenit Có thể phân tích chuyển biến ram làm bốn giai đoạn * Giai đoạn 1(< 2000C) Khi nung nhiệt độ(80 ÷ 200) 0C mẫu thép giảm chiều dài, chứng tỏ mactenxit chuyển biến Trong khoảng nhiệt độ này, phần cacbon mactenxit tiết dạng cacbit với kiểu mạng lục giác có thành phần hóa học gần giống Fe3C dạng mỏng, mactenxit cịn lại trở lên nghèo cacbon khoảng (0,25 ÷ 0,4)% 2000C Kết thúc giai đoạn mactenxit chuyển biến thành hỗn hợp cacbit liên kết mạng với Feα, hỗn hợp gọi mactenxit ram có độ cứng gần mactenxit tơi ứng suất bên nhỏ tiết cacbon làm giảm xô lệch mạng * Giai đoạn 2(200 ÷ 260)0C Khi nung thép nhiệt độ (200 ÷ 260)0C, tiết cacbon khỏi mactenxit dạng cacbit giai đoạn tiếp tục, cuối giai đoạn lượng cacbon mactenxit cịn (0,15 ÷ 0,2)% Đến độ cứng tăng lên giảm chút tùy thuộc vào lượng ostenit dư sau tơi * Giai đoạn 3(260 ÷ 400)0C Khi nung nóng (260 ÷ 400)0C có q trình xẩy ra: - Tất cacbon tiết khỏi mactenxit dạng cacbit, mactenxit nghèo cacbon biến thành ferit - Cacbit tạo thành tử mactenxit liên kết mạng với Feα chuyển thành Fe3C có dạng hạt Vậy đến cuối giai đoạn tổ chức hỗn hợp Ferit - xêmentit dạng hạt nhỏ mịn phân tán gọi trơxtit ram, có độ cứng giảm, ứng suất bên hồn tồn, có tính đàn hồi tốt * Giai đoạn 4(>400 0C) Trong giai đoạn thép không xẩy chuyển biến pha, lúc thay đổi hình dạng kích thước ferit xêmentit Hỗn hợp ferit 60 xêmentit dạng hạt tạo nên khoảng nhiệt độ (500 ÷ 600) 0C gọi xoocbitram có tính tổng hợp tốt 3.3 Ủ thường hóa thép 3.3.1 Ủ thép 3.3.1.1 Định nghĩa Ủ thép là phương pháp nung thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt thời gian hợp lý làm nguội chậm với lò, để đạt tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp độ dẻo cao 3.3.1.2 Mục đích ủ thép - Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để tiến hành gia công cắt; - Làm tăng độ dẻo để tiến hành dập, cán, kéo thép trạng thái nguội; - Làm giảm hay làm ứng suất bên sau nguyên công gia cơng khí (mài, uốn nguội, cắt gọt…) đúc, hàn; - Làm đồng thành phần hoá học toàn tiết diện vật đúc thép bị thiên tích; - Làm nhỏ hạt thép ngun cơng trước làm hạt lớn; Thông thường phương pháp ủ đạt vài số mục tiêu kể 3.3.1.3 Các phương pháp ủ a Ủ khơng có chuyển biến pha * Ủ thấp (ủ non) Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên vật đúc hay sản phẩm thép qua gia cơng khí Nếu ủ nhiệt độ thấp (200 – 300)0C có tác dụng làm giảm phần ứng suất bên trong, nhiệt độ cao (450 – 600)0C tác dụng khử bỏ ứng suất bên hồn toàn * Ủ kết tinh lại Ủ kết tinh lại tiến hành cho thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trước biến dạng Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là(600 – 700)0C tức thấp AC1 Loại ủ làm thay đổi kích thước hạt giảm độ cứng b Ủ có chuyển biến pha Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao AC 1, có xảy chuyển biến pha peclit auxtenit 61 * Ủ hoàn toàn Ủ hoàn toàn phương pháp gồm nung nóng thép tới trạng thái hồn tồn auxtenit, tức phải nung cao AC3 Loại ủ áp dụng cho thép trước tích có thành phần cacbon > 0,3% với hai mục đích sau đây: - Làm nhỏ hạt cho thép - Làm giảm độ cứng tăng độ dẻo để dễ cắt gọt dập nguội Như nhiệt độ ủ hoàn toàn lấy là: AC3+ (20 ÷ 30)0C *Ủ khơng hồn tồn ủ cầu hóa Ủ khơng hồn tồn phương pháp ủ gồm nung thép đến trạng thái chưa hoàn toàn auxtenit, tức cao AC1, thấp AC3 hay ACm, chuyển biến nung nóng khơng hồn tồn có peclitauxtenit, cịn ferit hay xêmentitII cịn Ủ khơng hồn tồn áp dụng cho thép tích thép sau tích áp dụng cho thép trước tích với hàm lượng cacbon > 0,7% với mục đích giảm độ cứng đến mức cắt gọt Ngồi ủ khơng hồn tồn cịn để chuẩn bị tổ chức cho tơi thép sau tích Nhiệt độ ủ khơng hồn tồn cho thép cacbon AC + (20 ÷ 30)0C tức khoảng (750 ÷ 770)0C Dạng ủ đặc biệt ủ khơng hồn tồn ủ cầu hố Trong nhiệt độ nung dao động tuần hồn A1: nung lên (750 ÷ 770)0C lại làm nguội xuống (650 ÷ 680)0C, nhiều lần Với cách làm làm khơng cầu hố xêmentit peclit mà xêmentitII dạng lưới thép sau tích * Ủ khuyếch tán Ủ khuyếch tán phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ cao (1100 ÷ 1150)0C giữ nhiệt nhiều giờ(khoảng 10 ÷15) h Cách ủ áp dụng cho thỏi đúc thép hợp kim cao, thường có tượng khơng đồng thành phần hố học(thiên tích) Trong điều kiện nhiệt độ cao thời gian dài, nguyên tố hợp kim khuếch tán đủ mạnh làm thành phần *Ủ đẳng nhiệt Tiến hành ủ đẳng nhiệt cách: nung thép đến nhiệt độ ủ (xác định theo ủ hồn tồn hay khơng hồn tồn), giữ nhiệt làm nguội nhanh xuống A Khoảng (50 ÷ 100)0C tuỳ theo yêu cầu tổ chức nhận được, giữ nhiệt lâu lò nhiệt độ để auxtenit phân hố thành hỗn hợp ferit – Xêmentit Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định auxtenit nguội thép ủ nhiệt độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ) 62 3.3.2 Thường hoá 3.3.2.1 Định nghĩa Thường hoá phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn auxtenit (cao A3 Am), giữ nhiệt làm nguội tiếp khơng khí tĩnh (thường đưa để nguội sàn xưởng) để auxtenit phân hoá thành peclit phân tán hay xoocbit với độ cứng tương đối thấp Nhiệt độ thường hóa là: AC3 ACm + (20 ÷ 40)0C So với ủ thường hố kinh tế khơng phải làm nguội lị, thường áp dụng đạt mục đích 3.3.2.2 Mục đích Về đại thể mục đích thường hố giống ủ, thường áp dụng cho trường hợp sau: - Đạt độ cứng thích hợp để gia cơng cắt thép cacbon C < 0,25%; - Làm nhỏ xêmentit để chuẩn bị cho nhiệt luyện cuối cùng; - Làm xêmentitII dạng lưới thép sau tích; Nhiệt độ ủ thường hoá thép giản đồ trạng thái Fe – C(hình 3.7) Như để đảm bảo tính gia cơng cắt gọt, thép < 0,25 % C phải thường hóa, (0,3 ÷ 0,65)% C phải ủ hồn tồn, > 0,7% C phải ủ khơng hồn tồn (ủ cầu hóa) 63 3.4 Tơi thép 3.4.1 Định nghĩa Tơi thép phương pháp nhiệt luyện: nung thép đến nhiệt độ cao nhiệt độ tới hạn A1, giữ nhiệt làm nguội nhanh thích hợp để auxtenit chuyển thành mactenxit hay tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao(như bainit, trơxtit) 3.4.2 Mục đích Tơi thép nhằm mục đích sau đây: - Nâng cao độ cứng tính chống mài mịn thép, kéo dài thời hạn làm việc chi tiết chịu mài mòn - Nâng cao độ bền, nâng cao sức chịu tải chi tiết máy 3.4.3 Chọn nhiệt độ thép Như trình bày, tơi thép phải nung nhiệt độ AC 1, nhiên thép với hàm lượng cacbon khác nhau, cách xác định nhiệt độ khác Đối với thép có tổ chức tế vi phù hợp với giản đồ trạng thái Fe- C, xác định nhiệt độ theo điểm tới hạn nó(Hình 3.8) 64 Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng nguyên tố hợp kim từ (1 ÷ 2)% có tổ chức tế vi phù hợp với giản đồ trạng thái săt - cacbon, nên xác định nhiệt độ giống thép cacbon Đối với thép hợp kim trung bình hợp kim cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim > 5%) có tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái sắt - cacbon, nên nhiệt độ lấy thép cacbon tương đương, mà nhiệt độ tơi thép phải tra sổ tay nhiệt luyện 3.4.3.1 Đối với thép tích thép trước tích (C ≤ 0,8%) Nhiệt độ tơi lấy cao AC3, tức nung thép đến trạng thái hồn tồn auxtenit Cách tơi gọi tơi hồn tồn t0 = AC3 + (30 ÷ 50)0C 3.4.3.2 Với thép sau tích (C >0,8%) Nhiệt độ lấy cao AC1 thấp ACm, tức nung tới trạng thái khơng hồn tồn auxtenit: (auxtenit + Xêmentit II), cách gọi khơng hồn tồn t0 = AC1+ (30 ÷ 50) 0C Do chúng có nhiệt độ tơi giống (760 ÷ 780) 0C, khơng phụ thuộc vào thành phần cacbon Nhiệt độ ảnh hưởng nhạy đến chất lượng thép tơi Ví dụ nhiệt độ tơi thấp làm thép không đạt độ cứng (như thép trước tích tơi nhiệt độ AC3), nhiệt độ tơi q cao làm hạt lớn thép giịn cacbon bề mặt Vì phải kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ nung nóng tơi; Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng từ (1% ÷ 2%) có tổ chức tế vi phù hợp với giản đồ trạng thái Fe- C, nên cách xác định nhiệt độ thép cacbon tương đương; Đối với thép hợp kim trung bình cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim > 5%) có tổ chức tế vi khơng phù hợp với giản đồ trạng thái Fe – C, điểm tới hạn, đường giản đồ thay đổi nhiều tác dụng nguyên tố hợp kim, nên nhiệt độ lấy thép cacbon Nhiệt độ tơi loại thép phải tra sổ tay nhiệt luyện 3.4.4 Độ thấm Độ thấm chiều sâu lớp kim loại cứng Nếu độ thấm đạt tới tâm, lõi chi tiết gọi tơi thấu Độ thấm tơi phụ thuộc vào: 65 + Tốc độ tới hạn:Vth nhỏ độ thấm tơi lớn; + Tốc độ làm nguội: tốc độ nguội cao độ thấm lớn Tuy nhiên lạm dụng yếu tố để tăng độ thấm tơi Bởi làm nguội nhanh, dẫn tới tăng mạnh ứng suất bên gây nứt, cong vênh + Thành phần hoá học: nguyên tố hợp kim (trừ coban) nâng cao tính thấm tơi thép Vì thép hợp kim có độ thấm tơi lớn thép cacbon Hình 3.9 biểu diễn độ thấm tơi mối quan hệ với tốc độ tơi tới hạn 3.4.5 Môi trường 3.4.5.1.Yêu cầu môi trường nguội - Phải làm nguội nhanh thép t0 > 3000C, đặc biệt t0 (500÷ 600)0C; - Phải làm nguội chậm thép nhiệt độ < 3000C 3.4.5.2 Các môi trường làm nguội thường dùng - Nước môi trường làm nguội rẻ tiền, làm nguội nhanh, không độc hại Làm nguội nhanh thép t0 > 3000C, làm nguội nhanh t0 < 3000C, nên dễ gây ứng suất tạo biến dạng Áp dụng để cho thép C < 0,65% - Dung dịch nước hòa tan muối ăn: pha thêm vào nước khoảng 15% NaCl có tác dụng làm nguội nhanh thép nhiệt độ = (500 ÷ 600)0C - Dầu cơng nghiệp: làm nguội chậm thép nhiệt độ > 300 0C, làm nguội chậm thép nhiệt độ < 3000C, nên đạt độ cứng không cao Áp dụng để thép hợp kim, thép C > 0,6% 66 - Dung dịch chất dẻo: dung dịch chất dẻo thường dùng vinylalcohol polimeire (C2H40)x nước với nồng độ cao, tốc độ nguội gần dầu Do dung dịch chất dẻo có nồng độ xác định mơi trường tơi thích hợp cho số hiệu thép Dung dịch chất dẻo mơi trường tơi đại có khả điều chỉnh tốc độ nguội Ngoài số trường hợp cụ thể người ta dùng số mơi trường khơng phải chất lỏng: khơng khí nén với áp suất (4 ÷6)at sẵn có nhiều nhà máy khí, có khả làm ngội chậm thép, đơi dùng để tơi thép gió có vth nhỏ 3.4.6 Các phương pháp tơi thể tích cơng dụng Tơi thể tích phương pháp mà tồn thể tích mà vật cần tơi cứng (có tổ chức M) Tuỳ theo cách làm nguội mà có phương pháp tơi thể tích sau: 3.4.6.1 Tơi mơt trường (đường a, hình 3.10) Sau nung thép đạt đến nhiệt độ tôi, nhúng chi tiết môi trường nước Ưu điểm: thao tác đơn giản, dễ khí hố, khơng cần thợ bậc cao; Nhược điểm: dễ gây ứng suất sinh biến dạng; 3.4.6.2 Tôi hai mơi trường(đường b hình 3.10) Sau nung nóng giữ nhiệt, nhúng chi tiết vào môi trường nguội nhanh (nước) Khi nhiệt độ chi tiết khoảng 3000C, nhấc nhúng vào môi trường nguội chậm (dầu), để nguội đến nhiệt độ thường Ưu điểm: làm nguội nhanh thép nhiệt độ >3000C, làm nguội chậm thép nhiệt độ < 3000C Chuyển biến mactenxit xẩy mơi trường nguội chậm, giảm bớt ứng suất bên trong, nứt Đây cách tơi thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt thép cacbon cao), vừa đảm bảo đạt độ cứng cao, vừa xẩy biến dạng, nứt.; Nhược điểm: khó xác định thời điểm chuyển từ nước qua dầu Nếu chuyển sớm, thép bị nguội môi trường dầu chủ yếu dễ không đạt độ cứng Nếu chuyển muộn, chuyển biến mactenxit xảy môi trường nước, 67 ứng suất bên lớn, gây biến dạng nứt Kinh nghiệm cho hay, thời gian làm nguội môi trường nước lấy theo mức (2 ÷ 3)s cho 10mm đường kính, chiều dày Ví dụ dụng cụ có đường kính 15mm làm nguội nước khoảng (3 ÷ 4)s, sau nhấc cho sang dầu.Tơi hai mơi trường địi hỏi cơng nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển mơi trường), khó khí hố, thường áp dụng cho sản xuất loạt nhỏ hay đơn 3.4.6.3 Tôi phân cấp (đường c hình 3.10) Sau nung thép đạt đến nhiệt độ tôi, giữ nhiệt, nhúng chi tiết vào môi trường muối nóng chảy có t0 = 3000C thời gian ngắn để nhiệt độ lõi bề mặt chi tiết nhiệt độ môi trường muối, nhấc làm nguội ngồi khơng khí, chuyển biến mactenxit xẩy mơi khơng khí Các ưu điểm tơi phân cấp: - Phương pháp khắc phục thiếu sót xác định nhiệt độ chuyển môi trường hai môi trường Ở môi trường làm nguội môi trường muối nóng chảy; - Ứng suất bên thấp trình làm nguội ngắt hai cấp, chênh lệch nhiệt độ lõi bề mặt thấp, chuyển biến mactenxit xẩy với tốc độ nguội chậm; - Có thể tiến hành nắn (sửa cong vênh) đồ gá đặc biệt làm nguội thép khơng khí từ nhiệt độ (phân cấp), lúc chi tiết cịn dẻo chưa hay bắt đầu chuyển biến mactenxit Các nhược điểm phân cấp: - Không áp dụng cho chi tiết có tiết diện lớn, mơi trường làm nguội có nhiệt độ cao (300 ÷ 500)0C, khả làm nguội chậm, nên với tiết diện lớn khó đạt đến vth Phạm vi áp dụng phân cấp dụng cụ thép hợp kim với tính ổn định auxtenit nguội lớn (vt.h nhỏ), có tiết diện bé (đường kính hay chiều dày khoảng 10 ÷ 30 mm) Thành phần muối để tơi phân cấp trình bày bảng 3.1 68 Bảng 3.1 Các muối để phân cấp đẳng nhiệt Thành phần muối Nhiệt độ chảy hoàn toàn 0C Nhiệt độ sử dụng 0C 50% NaN03 + 50% KN03 310 400 ÷ 550 50% NaN03 + 50% KN02 220 300 ÷ 400 20% Na0H + 80% K0H 150 160 ÷ 300 3.4.6.4 Tơi đẳng nhiệt (đường d hình 3.10) Nung thép đạt đến nhiệt độ tôi, giữ nhiệt, làm nguội muối nóng chảy với thời gian đủ lâu để auxtenit phân hố hỗn hợp ferit + Xêmentit có độ cứng tương đối cao (nhưng thấp mactenxit) độ dai tốt Thường giữ đẳng nhiệt (250 ÷ 400)0C để đạt bainit, đơi nhiệt độ cao (500 ÷ 600)0C để đạt trơxtit, sau làm nguội tiếp ngồi khơng khí Sau đẳng nhiệt không cần ram Tôi đẳng nhiệt áp dụng cho thép hợp kim, có tính ổn định auxtenit nguội lớn với tiết diện nhỏ 3.4.6.5 Tôi tự ram Tôi tự ram phương pháp cần nung lần chi tiết thực hai cơng nghệ nhiệt luyện tơi ram Cách tiến hành: nung tồn chi tiết đến nhiệt độ tôi, giữ nhiệt thời gian cần thiết nhúng phần cần vào môi trường thời gian định đủ để chuyển biến thành mactenxit Khi nhiệt độ phần khơng tơi cịn khoảng (300 ÷ 400)0C nhấc chi tiết ngồi khơng khí để nhiệt phần khơng tơi chuyền xuống nung nóng phần tơi, chi tiết ram Việc xác định nhiệt độ ram để đạt độ cứng theo yêu cầu thường dùng cách nhìn màu gọi ram màu Tôi tự ram áp dụng cho dụng cụ cầm tay: đục , búa… Ưu điểm tơi tự ram giảm nứt tơi ram kịp thời, khơng tốn lị, nhiệt rút ngắn q trình chế tạo, khơng thời gian ram Q trình tự ram khơng áp dụng cho sản xuất đơn mà sản xuất hàng loạt, đặc biệt bề mặt dịng điện cảm ứng có tần số cao 3.5 Ram thép 3.5.1 Định nghĩa mục đích 3.5.1.1 Định nghĩa 69 Ram phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép lên đến nhiệt độ thấp AC1 để mactenxit auxtenit dư phân hoá thành tổ chức thích hợp, phù hợp với điều kiện làm việc quy định 3.5.1.2 Mục đích - Làm giảm làm ứng suất bên sản phẩm khí sau tôi; - Biến tổ chức mactenxit + auxtenit dư thành tổ chức khác có độ dẻo độ dai cao hơn, có độ cứng độ bền phù hợp với điều kiện làm việc chi tiết, dụng cụ 3.5.2 Các phương pháp ram Đối với thép cacbon thép hợp kim thấp, theo nhiệt độ ram tổ chức tạo thành người ta phân chia thành loại ram: ram thấp, ram trung bình, ram cao; 3.5.2.1 Ram thấp Ram thấp phương pháp nung thép tơi khoảng (150 ÷ 250) 0C, tổ chức nhận mactenxit ram Khi ram thấp độ cứng khơng thay đổi, hay có giảm giảm khoảng (1 ÷ 2) HRC Ứng suất bên giảm chút Các sản phẩm chịu ram thấp sau chi tiết dụng cụ cần độ cứng tính chống mài mịn cao: dao cắt kim loại, khuôn dập nguội, dụng cụ đo, vịng bi, chi tiết thấm cacbon, tơi bề mặt có u cầu độ cứng (56 ÷ 64) HRC 3.5.2.2 Ram trung bình Ram trung bình phương pháp nung nóng thép tơi khoảng (300 ÷ 450)0C, tổ chức đạt trôxtit ram Khi ram trung bình, độ cứng thép có giảm, cịn cao khoảng (40÷45) HRC, ứng suất bên giảm mạnh, giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên Các sản phẩm cần ram trung bình sau tơi thường chi tiết yêu cầu tính đàn hồi cao lị xo, nhíp, dụng cụ cần độ dai cao khn dập nóng, khn rèn 3.5.2.3 Ram cao Ram cao phương pháp nung nóng thép tơi khoảng (500÷650)0C, tổ chức đạt xoocbit ram Khi ram cao, độ cứng thép tơi giảm mạnh đạt (20÷30) HRC khoảng (200 ÷300) HB, ứng suất bên bị thủ tiêu, độ bền giảm độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh 70 3.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện 3.6.1 Biến dạng, nứt 3.6.1.1 Nguyên nhân Biến dạng nứt ứng suất bên gây Khuyết tật xẩy nung nóng làm nguội Nung nóng nhanh đặc biệt thép dẫn nhiệt (thép hợp kim cao) gây ứng suất nhiệt lớn, xong dạng khuyết tật thường xẩy làm nguội Làm nguội nhanh q trình tơi, ứng suất nhiệt ứng suất tổ chức lớn Nếu ứng suấtt bên vượt giới hạn bền, thép bị nứt, dạng khuyết tật sửa chữa Nếu ứng suất bên vượt giới hạn chảy, thép bị biến dạng 3.6.1.2 Cách ngăn ngừa - khắc phục Ngăn ngừa xảy biến dạng nứt cách giảm ứng suất bên a Ngăn ngừa biến dạng, nứt trình nung biện pháp sau: - Xác định tốc độ nung nóng nhanh hợp lý để tránh nứt Đối với thép hợp kim cao có tính dẫn nhiệt kém, nung nóng khơng đưa đột ngột vào lị có nhiệt độ tơi cao ngay, mà trước cần nung trước lị có nhiệt độ thấp hơn; - Đối với trục dài nung nóng lị khơng nên đặt nằm ngang sàn lò, mà nên treo thẳng đứng; b Ngăn ngừa biến dạng, nứt q trình nguội tơi biện pháp sau: - Tận lượng làm nguội chậm khoảng nhiệt độ chuyển biến mactenxit cách chọn mơi trường phương pháp tơi thích hợp; - Chọn phương pháp thích hợp nhúng chi tiết, dụng cụ vào môi trường Khi nhúng chi tiết nung nóng vào mơi trường tơi phải tn theo quy tắc sau đây: + Chi tiết gồm nhiều phận dầy, mỏng khác phải để phần dầy xuống để nhúng vào môi trường trước; + Các chi tiết dài, nhỏ (mũi khoan, ta rô, trục…) lò xo phải nhúng thật thẳng đứng, nghiêng bị cong; + Các chi tiết phẳng mỏng (đĩa, lưỡi phay trịn) phải nhúng theo mặt phẳng đứng, khơng nhúng nằm ngang; + Chi tiết hình ống, nhúng phải đảm bảo vng góc với mặt chất lỏng; 71 + Chi tiết có mặt lõm, khơng hướng mặt xuống chất lỏng, lớp màng hình thành khơng được, làm giảm độ cứng - Đối với chi tiết dễ cong vênh mỏng, bánh lớn (nhưng chiều dầy mỏng), biện pháp chống biến dạng làm nguội khuôn ép Khi chi tiết bị nứt khơng dùng đuợc khơng có cách khắc phục Khi chi tiết bị biến dạng cong vênh khắc phục lại cách nắn ép trước ram Ở áp dụng cách phân cấp tiện cho cách nắn ép 3.6.2 Ơxy hóa cacbon Ơxy hóa tượng tạo nên lớp vẩy ơxit bề mặt thép, lớp ơxít sắt khơng bền, dễ bị bong ra, làm sai kích thước làm xấu bề mặt sản phẩm Thoát cacbon tượng hàm lượng cacbon bề mặt thép bị giảm bị cháy, làm tính lớp bề mặt bị giảm thấp 3.6.2.1 Nguyên nhân Do nung nóng nhiệt độ cao, sắt cacbon kết hợp với thành phần môi trường nung gây tượng ơxy hố, cacbon Các khí gây khuyết tật 02, C02 nước, chúng ln có khơng khí vào khí lị nung Ơxy hố, cacbon thường xảy đồng thời Khuyết tật thường xẩy ngun cơng nhiệt luyện ủ, thường hố, 3.6.2.2 Cách ngăn ngừa khắc phục Đối với ngun cơng nhiệt luyện sơ bộ, sau cịn tiến hành gia cơng nên chiều sâu lớp khuyết tật nhỏ lượng dư gia cơng khơng cần ý, lớp vẩy ơxit bị bóc đi, khơng cịn để lại sản phẩm Người ta thường ý ngăn ngừa khắc phục khuyết tật nguyên công Biện pháp ngăn ngừa tốt tạo môi trường nung không gây tác dụng ơxy hố sắt cacbon Trong kỹ thuật thường dùng môi trường nung sau đây: - Khí bảo vệ (hay cịn gọi khí khống chế) Đó loại mơi trường khí với tỷ lệ ơxy thấp gồm khí C02, C0, H20, H2, CH4 N2 chiếm tỷ lệ chủ yếu (50 ÷75)% với tỷ lệ định thành phần khí ơxy hóa hồn ngun, khí làm cacbon thấm cacbon; 72 - Khí trung tính: với thép crơm cao hợp kim bền nóng, Crơm lực mạnh với ơxy khơng sử dụng khí bảo vệ Trong trường hợp phải dùng khí trung tính H2, N2, NH3 Hyđrơ khơng gây oxy hố làm cacbon, dùng cho thép cần bảo vệ khỏi ơxy hố, khơng cần bảo vệ khỏi thoát cacbon loại thép biến silic Trong điều kiện khơng có biện pháp bảo vệ kể trên, phải dùng biện pháp khác như: rải than lên sàn lò, cho chi tiết vào hộp có phủ than, khử ơxy triệt để lị muối … Khi thép bị cacbon bề mặt, khơi phục lại lớp thấm cacbon, xong biện pháp dùng làm cong vênh chi tiết (do nung nóng, làm nguội nhiều lần) khó đạt thành phần cacbon cũ 3.6.3 Độ cứng không đạt Độ cứng không đạt dạng khuyết tật: độ cứng cao thấp so với độ cứng mà thép đạt tương ứng với loại thép phương pháp nhiệt luyện cho 3.6.3.1 Độ cứng cao Khi ủ thường hoá xẩy tượng làm khó khăn cho cắt gọt biến dạng dẻo Nguyên nhân tốc độ làm nguội lớn Khắc phục tượng cách ủ thường hố lại 3.6.3.2 Độ cứng thấp Khi tơi xẩy tượng làm cho thép không đủ tính để làm việc Ngun nhân là: - Thiếu nhiệt: nung chưa đến nhiệt độ yêu cầu, thời gian giữ nhiệt chưa đủ - Làm nguội không đủ nhanh nên để xẩy chuyển biến auxtenit thành hỗn hợp ferit + Xêmentit trước chuyển biến mactenxit 3.6.4 Tính giịn cao Tính giịn cao tượng sau tơi, thép bị giịn q mức Ngun nhân nung thép nhiệt độ cao quy định (quá nhiệt) làm hạt auxtenit lớn Do tơi tổ chức mactenxit hình kim lớn, tính giịn cao Chữa dạng hỏng cách thường hoá lại nhiệt độ 73 Câu hỏi ôn tập Nêu định nghĩa, mục đích nhiệt luyện? Trình bày ảnh hưởng nhân tố đến trình nhiệt luyện Nêu định nghĩa, mục đích ủ thép? Trình bày phương pháp ủ thép Nêu định nghĩa, mục đích thường hố Hãy chọn nhiệt độ nung thường hoá cho thép C = 0,5% thép C = 1,2% Nêu định nghĩa, mục đích tơi thép? Trình bày phương pháp tơi xuyên tâm môi trường hai môi trường Chọn nhiệt độ nung môi trường nguội xuyên tâm cho thép C = 0,6%, C = 1% Nêu định nghĩa, mục đích ram thép? Trình bày phương pháp ram thép Trình bày dạng sai hỏng xẩy nhiệt luyện – nguyên nhân biện pháp khắc phục Sản phẩm khí chế tạo thép 0L0,9 Hãy nhiệt luyện để đạt độ cứng làm việc (60 – 62) HRC Một bánh chế tạo thép C30 Hãy nhiệt luyện để đạt độ cứng bề mặt bánh (50 -55) HRC, Trong lõi đạt (25 – 30) HRC để vừa chịu mài mòn, vừa chịu xoắn tốt 74 ... cấp tài liệu học tập cho học sinh-sinh viên tài liệu cho giảng viên giảng dạy Khoa khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam -Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình ‘’VẬT LIỆU CƠ KHÍ’’... 14 99 0, 51 H 14 99 0 ,1 J 14 99 0 ,16 N 13 92 E 11 47 2 ,14 C 11 47 4,3 Q 200 F 11 47 6,67 - Khu vực VII: xêmentitI + lêđêburit( xêi+lê) D 16 00 6,67 - Khu vực VIII: ôstenit +Ferit( ô +F) G 911 - Khu vực... quát(a), hệ Mg-Cu(b) 2.2.7 Quan hệ dạng giản đồ pha tính chất hợp kim 2.2.7 .1 Tính chất pha thành phần Pha thành phần pha tạo nên tổ chức hợp kim Khi hợp kim có tổ chức pha pha thành phần đồng (đồng