Giáo trình Vật liệu học (Nghề Công nghệ ô tô Trung cấp)

NHÔM VÀ HỢP KIM CỦA NHÔM

Đặc điểm của nhôm và hợp kim nhôm

quan sát tổ chức tế vi của hợp kim nhôm

2.1 Giản đồ sắt - các bon 4 3 1 0

2.2 Đặc điểm của sắt và thép 3 3 0 0

2.6 Quan sát tổ chức tế vi của gang và thép 5 0 5 0

III Vật liệu phi kim loại 9 8 0 1

3.3 Vật liệu bôi trơn và làm mát 2 2 0 0

3 Điều kiện thực hiện môn học:

3.1 Phòng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn

3.2 Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ

3.3 Học liệu, dụng cụ, mô hình, phương tiện: Giáo trình, vật liệu

3.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu quy ước ký hiệu trên thép, dầu

4 Nội dung và phương pháp đánh giá:

- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng.

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp.

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.

Người học được đánh giá tích lũy môn học như sau:

Áp dụng quy chế đào tạo Trung cấp hệ chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ban hành ngày 13/3/2017 của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.

- Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Cơ giới như sau: Điểm đánh giá Trọng số

+ Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40%

+ Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2)

+ Điểm thi kết thúc môn học 60%

Chuẩn đầu ra đánh giá

A1, C1, C2 1 Sau 10 giờ. Định kỳ Viết và thực hành

Vấn đáp và thực hành

Vấn đáp và thực hành trên mô hình

4.2.3 Cách tính điểm Điểm đánh giá thành phần và điểm thi kết thúc môn học được chấm theo thang điểm 10 (từ 0 đến 10), làm tròn đến một chữ số thập phân Điểm môn học là tổng điểm của tất cả điểm đánh giá thành phần của môn học nhân với trọng số tương ứng Điểm môn học theo thang điểm 10 làm tròn đến một chữ số thập phân, sau đó được quy đổi sang điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4 theo quy định của Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ.

5 Hướng dẫn thực hiện môn học

5.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Trung cấp Công nghệ Ôtô

5.2 Phương pháp giảng dạy, học tập môn học

Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm nhiều hình thức như trình chiếu, thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập cụ thể và câu hỏi thảo luận nhóm Những phương pháp này giúp tăng cường sự tham gia của học viên và phát triển kỹ năng tư duy phản biện.

- Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập thực hành theo nội dung đề ra.

- Khi giải bài tập, làm các bài Thực hành, thí nghiệm, bài tập: Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu và sửa sai tại chỗ cho nguời học.

- Sử dụng các mô hình, học cụ mô phỏng để minh họa các bài tập ứng dụng.

* Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra.

Hướng dẫn tự học theo nhóm hiệu quả bao gồm việc nhóm trưởng phân công nhiệm vụ cho các thành viên tìm hiểu và nghiên cứu nội dung bài học Các thành viên trong nhóm sẽ thảo luận, trình bày nội dung đã nghiên cứu, ghi chép lại thông tin quan trọng và cuối cùng là viết báo cáo nhóm.

5.2.2 Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

Nghiên cứu kỹ lưỡng bài học tại nhà trước khi đến lớp là rất quan trọng Các tài liệu tham khảo như trang web, thư viện và tài liệu sẽ được cung cấp để hỗ trợ người học trong quá trình chuẩn bị cho môn học này.

- Sinh viên trao đổi với nhau, thực hiện bài thực hành và báo cáo kết quả

Người học cần tham dự ít nhất 70% các giờ giảng tích hợp Nếu vắng mặt trên 30% số giờ tích hợp, người học sẽ phải học lại mô đun trước khi được tham gia kỳ thi lần sau.

Tự học và thảo luận nhóm là phương pháp học tập hiệu quả, kết hợp giữa làm việc cá nhân và làm việc nhóm Trong mô hình này, một nhóm 2-3 người sẽ được giao một chủ đề thảo luận trước khi tiến hành học lý thuyết và thực hành Mỗi thành viên trong nhóm sẽ đảm nhận trách nhiệm cho một hoặc một số nội dung trong chủ đề đã phân công, nhằm phát triển và hoàn thiện tốt nhất cho toàn bộ nội dung thảo luận của nhóm.

- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ.

- Tham dự thi kết thúc môn học.

- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học.

- Giáo trình môn học Vật liệu học do Tổng cục dạy nghề ban hành

- Nguyễn Hoành Sơn - Vật liệu học - NXB GD - 2000

- Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất - Công nghệ nhiệt luyện - NXB GD - 2000.

CHƯƠNG 1 NHÔM VÀ HỢP KIM CỦA NHÔM

Mã số của chương 2: MH 09 – 01

1.1.1 Giản đồ nhôm – nguyên tố hợp kim Để có độ bền cao người ta phải hợp kim hóa nhôm và tiến hành nhiệt luyện, vì thế hợp kim nhôm có vị trí khá quan trọng trong chế tạo cơ khí và xây dựng.

Khi thêm nguyên tố hợp kim vào nhôm lỏng, sẽ hình thành giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim Ban đầu, nguyên tố hợp kim hòa tan vào nhôm, tạo thành dung dịch rắn thay thế α Khi vượt quá giới hạn hòa tan, sẽ xuất hiện pha thứ hai, thường là hợp chất hóa học giữa hai nguyên tố Khi tiếp tục vượt quá giới hạn hòa tan cao nhất, sẽ có sự xuất hiện của cả dung dịch rắn và pha thứ hai Dựa vào giản đồ pha này, các hệ hợp kim nhôm có thể được phân thành hai nhóm lớn: biến dạng và đúc.

Hình 1.1 Góc nhôm của giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim

Hợp kim nhôm biến dạng là loại hợp kim có hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp, với cấu trúc hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm, mang lại tính dẻo tốt và khả năng biến dạng dễ dàng cả ở nhiệt độ cao và thấp Hợp kim này được chia thành hai phân nhóm: một là không hóa bền được bằng nhiệt luyện, chứa ít hợp kim hơn và chỉ có cấu trúc dung dịch rắn ở mọi nhiệt độ, không có chuyển biến pha; loại này chỉ có thể được hóa bền bằng biến dạng nguội.

Phân nhóm hóa bền được bằng nhiệt luyện là loại hợp kim chứa nhiều thành phần hơn, có tổ chức hai pha ở nhiệt độ thường Khi nâng nhiệt độ cao, pha thứ hai sẽ hòa tan hoàn toàn vào dung dịch rắn, dẫn đến hiện tượng chuyển pha Do đó, bên cạnh biến dạng nguội, quá trình nhiệt luyện cũng có thể tăng cường tính chất của hợp kim Chỉ những hệ hợp kim có độ hòa tan trong nhôm thay đổi mạnh theo nhiệt độ mới sở hữu đặc tính này.

Hợp kim nhôm đúc là loại hợp kim có chứa nhiều thành phần hơn, dẫn đến nhiệt độ chảy thấp hơn và tổ chức tinh thể đồng nhất, giúp tăng tính đúc Tuy nhiên, do sự hiện diện của nhiều pha thứ hai, thường là hợp chất hóa học, hợp kim này trở nên giòn và không thể biến dạng dẻo Khả năng tăng cường độ bền thông qua nhiệt luyện của nhóm hợp kim này là hạn chế, vì không có sự biến đổi mạnh trong cấu trúc khi được nung nóng.

Ngoài các hợp kim nhôm sản xuất theo phương pháp truyền thống, còn có các loại hợp kim nhôm được chế tạo bằng phương pháp không truyền thống như hợp kim bột (thiêu kết) và hợp kim nguội nhanh.

1.1.2 Giản đồ hợp kim nhôm - mangan

Theo giản đồ pha Al - Mn, giới hạn hòa tan cao nhất của Mn trong Al (dung dịch rắn α) là 1,8% tại 659°C và giảm nhanh khi nhiệt độ giảm Khi vượt quá giới hạn hòa tan, Mn và Al kết hợp thành Al6Mn Mặc dù với thành phần α và hàm lượng Mn từ 1,0 đến 1,6% có thể thuộc hệ hóa bền bằng nhiệt luyện, nhưng thực tế do tạp chất như Fe và Si, độ hòa tan của Mn trong α giảm nhanh chóng Chẳng hạn, với 0,1% Fe và 0,65% Si ở 500°C, nhôm chỉ hòa tan được 0,05% Mn Điều này dẫn đến việc hệ này chỉ có thể hóa bền thông qua biến dạng nguội.

Hợp kim Al - Mn có tính nhạy cảm cao với biến dạng nguội, với giới hạn chảy tăng từ 2 đến 4 lần và nhiệt độ kết tinh lại cũng cao hơn do sự hình thành pha α nhỏ mịn và phân tán Chúng dễ dàng biến dạng dẻo và được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm như lá mỏng, thanh, dây, hình, ống, có khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn, thường được sử dụng để thay thế các mác khác.

AA 1xxx khi yêu cầu cơ tính cao hơn.

1.1.3 Giản đồ hợp kim nhôm – magiê

GANG VÀ THÉP

Gang

2.6 Quan sát tổ chức tế vi của gang và thép 5 0 5 0

III Vật liệu phi kim loại 9 8 0 1

Áp dụng quy chế đào tạo Trung cấp hệ chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ban hành ngày 13/3/2017 của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội nhằm nâng cao chất lượng giáo dục nghề nghiệp.

Áp dụng phương pháp dạy học tích cực là một cách tiếp cận hiệu quả trong giáo dục, bao gồm các hoạt động như trình chiếu, thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, thực hiện bài tập cụ thể và tổ chức câu hỏi thảo luận nhóm Những phương pháp này không chỉ kích thích sự tham gia của học sinh mà còn giúp họ phát triển tư duy phản biện và khả năng làm việc nhóm.

Hướng dẫn tự học theo nhóm hiệu quả bao gồm việc nhóm trưởng phân công nhiệm vụ cho từng thành viên, yêu cầu họ tìm hiểu và nghiên cứu nội dung bài học Sau khi hoàn thành, cả nhóm sẽ thảo luận, trình bày nội dung đã nghiên cứu, ghi chép và viết báo cáo nhóm để tổng hợp kiến thức.

Nghiên cứu kỹ lưỡng bài học tại nhà trước khi đến lớp là rất quan trọng Người học sẽ được cung cấp các tài liệu tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau như trang web, thư viện và tài liệu để chuẩn bị tốt cho môn học này.

Để đủ điều kiện tham gia kỳ thi, người học cần tham dự ít nhất 70% các giờ giảng tích hợp Nếu vắng mặt quá 30% số giờ tích hợp, người học sẽ phải học lại mô đun trước khi được phép tham gia kỳ thi lần tiếp theo.

Tự học và thảo luận nhóm là phương pháp học tập hiệu quả, kết hợp giữa làm việc cá nhân và làm việc nhóm Trong mô hình này, một nhóm từ 2-3 người sẽ được giao chủ đề thảo luận trước khi bắt đầu học lý thuyết và thực hành Mỗi thành viên trong nhóm sẽ đảm nhận trách nhiệm về một hoặc một số nội dung trong chủ đề đã phân công, nhằm phát triển và hoàn thiện toàn bộ nội dung thảo luận của nhóm một cách tốt nhất.

Khi thêm nguyên tố hợp kim vào nhôm lỏng, sẽ hình thành giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim, trong đó, ở mức thấp, nguyên tố hợp kim hòa tan vào nhôm tạo ra dung dịch rắn thay thế α Khi vượt quá giới hạn hòa tan, sẽ xuất hiện pha thứ hai, thường là hợp chất hóa học của hai nguyên tố Khi tiếp tục vượt quá giới hạn hòa tan cao nhất, cả dung dịch rắn và pha thứ hai sẽ đồng tồn tại Từ giản đồ pha này, các hệ hợp kim nhôm có thể được phân loại thành hai nhóm chính: biến dạng và đúc.

Hợp kim nhôm biến dạng là loại hợp kim có hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp, với cấu trúc hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm, mang lại tính dẻo tốt và khả năng dễ dàng biến dạng ở cả nhiệt độ cao và thấp Loại hợp kim này được chia thành hai phân nhóm: phân nhóm không hóa bền được bằng nhiệt luyện, chứa ít hợp kim, chỉ có cấu trúc dung dịch rắn ở mọi nhiệt độ và không có chuyển biến pha, do đó chỉ có thể hóa bền bằng biến dạng nguội.

Phân nhóm hóa bền bằng nhiệt luyện là quá trình tạo ra hợp kim với nhiều thành phần hơn, từ điểm F đến C hay C’, mà tại nhiệt độ thường có cấu trúc hai pha (dung dịch rắn và pha thứ hai) Khi nâng nhiệt độ, pha thứ hai sẽ hòa tan hoàn toàn vào dung dịch rắn, dẫn đến hiện tượng chuyển pha Do đó, bên cạnh biến dạng nguội, quá trình nhiệt luyện có thể tăng cường tính bền cho hợp kim Chỉ những hệ hợp kim có độ hòa tan trong nhôm thay đổi mạnh theo nhiệt độ mới sở hữu đặc tính này.

Hợp kim nhôm đúc là loại hợp kim chứa nhiều thành phần hơn, với nhiệt độ chảy thấp và cấu trúc tinh thể đồng nhất, giúp nâng cao tính đúc Tuy nhiên, do sự hiện diện của nhiều pha thứ hai, thường là hợp chất hóa học, hợp kim này trở nên giòn và không thể biến dạng dẻo Khả năng hóa bền thông qua nhiệt luyện của nhóm hợp kim này cũng hạn chế, vì không có sự biến đổi đáng kể trong cấu trúc khi được nung nóng.

Ngoài các hợp kim nhôm được sản xuất theo phương pháp truyền thống, còn có các loại hợp kim nhôm chế tạo bằng phương pháp không truyền thống như hợp kim bột (thiêu kết) và hợp kim nguội nhanh Những phương pháp này mang lại những đặc tính vượt trội cho hợp kim, mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp.

Giới hạn hòa tan cao nhất của mangan (Mn) trong nhôm (Al) ở dạng dung dịch rắn α là 1,8% tại 659°C, và giảm nhanh khi nhiệt độ giảm Khi vượt quá giới hạn này, Mn và Al kết hợp thành Al6Mn Mặc dù với thành phần α từ 1,0 đến 1,6% Mn, hệ này lẽ ra có thể được hóa bền bằng nhiệt luyện, nhưng thực tế cho thấy độ hòa tan của Mn trong α giảm mạnh do sự hiện diện của tạp chất như sắt (Fe) và silic (Si) Chẳng hạn, với 0,1% Fe và 0,65% Si ở 500°C, nhôm chỉ hòa tan được 0,05% Mn Do đó, giới hạn hòa tan mangan gần như không thay đổi theo nhiệt độ, khiến hệ này chỉ có thể được hóa bền bằng biến dạng nguội.

Hợp kim biến dạng hệ Al - Mn có tính nhạy cảm cao với biến dạng nguội, dẫn đến giới hạn chảy tăng từ 2 đến 4 lần và nhiệt độ kết tinh lại cũng cao hơn Sự hình thành pha α ở dạng nhỏ mịn và phân tán là nguyên nhân chính cho hiện tượng này Hợp kim Al - Mn có khả năng biến dạng dẻo tốt, được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm như lá mỏng, thanh, dây, hình ống, và đặc biệt chống ăn mòn hiệu quả trong khí quyển, đồng thời dễ hàn, do đó thường được sử dụng để thay thế các mác khác.

Phân loại và ký hiệu

2.3.1.1 Thành phần hóa học và cách chế tạo Để có được grafit và grafit với các dạng khác nhau, mỗi gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hóa học và cách chế tạo.

Trong gang cacbon có thể tồn tại ở cả hai dạng: tự do và liên kết, vậy điều kiện tạo thành chúng ra sao.

Grafit là pha ổn định nhất trong khi xêmentit kém ổn định hơn, nhưng việc hình thành grafit lại khó khăn hơn do sự khác biệt lớn về thành phần carbon (%C) và cấu trúc so với xêmentit Cụ thể, %C của xêmentit, grafit, γ và pha lỏng lần lượt là 6,67; 100; 2,14 và 3,0 ÷ 4,0 trong austenit Tuy nhiên, nhờ vào ảnh hưởng của thành phần hóa học và chế độ làm nguội khi đúc, quá trình hình thành grafit trong gang có thể trở nên dễ dàng hơn.

Cacbon là yếu tố chính thúc đẩy sự hình thành grafit, trong khi silic là nguyên tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến quá trình grafit hóa trong gang Sự grafit hóa càng mạnh và hoàn toàn khi tổng lượng phần trăm (C+Si) càng cao, dẫn đến việc giảm thiểu cacbon liên kết (xêmentit) Do đó, gang thường được xem như là một hợp kim ba cấu tử gồm Fe-C-Si.

Hình 2.5 Các dạng grafit trên tổ chức tế vi gang xám (a),gang cầu (b), gang dẻo

Sự tạo thành grafit hay grafit hóa

Trong các điều kiện khác như nhau, khi giảm %(C + Si) sự grafit hóa giảm dần.

(C + Si) lớn, khoảng ≥ 6%, sự tạo thành grafit là mạnh nhất với nền ferit (không có cacbon liên kết).

Hợp kim gang có hàm lượng carbon và silicon tương đối cao, dao động từ 5,0% đến 6,0%, với nền ferit - peclit chứa 0,1% đến 0,50% carbon liên kết Để sản xuất grafit và các dạng grafit khác nhau, mỗi loại gang cần có những đặc điểm riêng biệt về thành phần hóa học và quy trình chế tạo.

2.3.1.2 Tổ chức tế vi Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ cacbon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay grafit (như vậy rất ít hay không có cacbon ở dạng liên kết hay cacbit) Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là grafit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:

Khi ferit tồn tại hoàn toàn dưới dạng tự do, sẽ không còn cacbon để kết hợp với sắt (Fe) hay các kim loại khác, do đó không hình thành xêmentit hay cacbit, và không có cacbon liên kết trong cấu trúc.

Ferit là một dạng thép có chứa phần lớn carbon ở dạng tự do, với lượng carbon liên kết rất thấp (< 0,80%) Sự khác biệt giữa các loại gang chủ yếu nằm ở hình thức của grafit, được phân biệt qua cấu trúc vi mô của các mẫu chưa được tẩm thực Grafit trong gang không phản xạ ánh sáng và có màu tối, cho thấy nền kim loại chưa được xác định.

+ Gang xám: grafit có dạng tấm (phiến, lá, ), là dạng tự nhiên khi đúc. + Gang cầu: grafit có dạng quả cầu tròn, phải qua biến tính đặc biệt.

+ Gang dẻo: grafit có dạng cụm (tụ tập thành đám), qua phân hóa từ xêmentit.

Gang chế tạo máy là một loại thép (bao gồm ferit, ferit-peclit, và peclit) có chứa grafit Sự khác biệt trong hình dạng grafit quyết định cơ tính và ứng dụng đa dạng của gang.

2.3.2 Gang xám (hình 2.6) a Cơ tính

Tuy dễ chế tạo, rẻ nhưng cơ tính kém

- Độ bền thấp, giới hạn bền kéo < (350 ÷400)MPa (thường trong khoảng

(150 ÷ 350)MPa), chỉ bằng nửa của thép thông dụng, (1/3 ÷ 1/5) của thép hợp kim.

- Độ dẻo và độ dai thấp (δ ≈ 0,5%; aK < 100kJ/m 2 ), có thể xem như vật liệu giòn.

Nguyên nhân cơ tính thấp của gang xám là do tổ chức grafit tấm có độ bền rất thấp, gần như bằng không, với bề mặt lớn giống như vết nứt, tạo ra sự phân chia mạnh mẽ trong nền kim loại (thép) Sự tập trung ứng suất ở các đầu nhọn của tấm grafit làm giảm đáng kể độ bền kéo Tuy nhiên, cấu trúc này ít ảnh hưởng đến độ bền nén, với giới hạn bền nén của gang xám không thua kém thép.

Grafit, đặc biệt là grafit tấm, mang lại nhiều lợi ích trong ngành công nghiệp Grafit mềm (HB 2) và giòn, giúp tạo ra gang với độ cứng thấp, dễ gia công cắt nhờ vào khả năng tạo phoi dễ gãy.

Grafit có khả năng bôi trơn, giúp tăng cường tính chống mài mòn của vật liệu Với độ cứng tương đương hoặc thấp hơn một chút, gang lại có khả năng chống mài mòn cao hơn thép nhờ vào đặc tính này.

Grafit có khả năng làm giảm dao động, vì vậy gang xám thường được sử dụng làm đế và bệ máy, tận dụng khả năng chịu nén tốt Để nâng cao cơ tính của gang xám, cải thiện tổ chức cấu trúc sẽ dẫn đến việc tăng cường giới hạn bền kéo.

Để giảm lượng grafit và số lượng vết nứt, rỗng trong gang, cần phải giảm tổng lượng cacbon của gang, vì tổng cacbon bao gồm cacbon tự do và cacbon liên kết Để đạt được điều này, gang cacbon thấp dưới 3% cần được nấu chảy bằng lò điện thay vì lò đứng chạy than, hoặc có thể pha thép vào gang để cải thiện tính chất của vật liệu.

Để làm nhỏ mịn grafit và giảm kích thước vết nứt rỗng, cần biến tính gang lỏng bằng ferô mangan và ferô silic Grafit trong gang được phân loại thành tám cấp theo tiêu chuẩn ASTM, từ 1 đến 8 Trong đó, chiều dài trung bình của grafit cấp 8 nhỏ hơn 0,015mm, trong khi cấp 1 có chiều dài lớn hơn 1mm.

Bảng 2.1 Cơ tính của các loại gang xám.

Nền kim loại có độ bền cao đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện cơ tính của gang Cơ tính của gang là sự kết hợp giữa tính chất của nền kim loại và grafit, vì vậy nền kim loại bền vững không chỉ nâng cao độ bền của gang mà còn tăng cường độ cứng Theo bảng 2.1, lượng cacbon liên kết có tác động tích cực đến độ bền và độ cứng của vật liệu.

Tổ chức tế vi của ba loại gang xám trên được biểu thị ở hình 2.7. a) b)

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của các loại gang xám. c) a ferit, b ferit - peclit, c peclit

Thép kết cấu

4.1 Phân loại và ký hiệu

2.4.1 Thép lá để dập nguội sâu

Dập nguội là một phương pháp gia công cơ khí hiệu quả, không tạo ra phoi và giúp tiết kiệm kim loại Để thực hiện dập nguội, thép cần được cung cấp ở dạng lá mỏng hoặc tấm, với yêu cầu cơ tính cao, đặc biệt là tính dẻo, nhất là khi dập sâu Để đảm bảo tính dẻo này, thép cần có thành phần hóa học và tổ chức tế vi phù hợp.

Thép có hàm lượng cacbon thấp, thường ≤ 0,20% và thường dùng ≤ 0,10%, chủ yếu cấu trúc là ferit, có thể chứa một lượng nhỏ peclit Do đó, ferit đóng vai trò quyết định trong việc xác định các đặc tính của thép.

Silic trong thép có hàm lượng rất thấp, vì nó chỉ hòa tan vào ferit, dẫn đến việc tăng cường độ cứng nhưng cũng làm tăng tính giòn Để đảm bảo tính dẻo cao, lượng silic cần phải giữ ở mức ≤ (0,05 ÷ 0,07)% Do đó, thép cần phải được xử lý bằng phương pháp sôi.

Hạt thép nhỏ và đều, thường yêu cầu cấp 6 ÷ 8, mang lại độ dẻo và độ dai cao hơn so với hạt lớn, nơi thường xuất hiện nứt Các mác thép phổ biến cho dập sâu và các chi tiết phức tạp bao gồm C5s, C8s, C10s, C15s, trong đó C8S (mác 08K Π của ΓOCT) được sử dụng rộng rãi nhất Đối với dập nguội, tùy thuộc vào yêu cầu cơ tính và hình dạng sản phẩm, có thể sử dụng thép cacbon và hợp kim thấp với lượng cacbon không vượt quá 0,20%.

Thép lá mỏng trong công nghiệp, bao gồm thép tráng thiếc (sắt tây) dùng cho ngành thực phẩm và thép tráng kẽm hoặc kẽm - nhôm (tôn lợp), được ứng dụng để tăng cường khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển.

2.4.2.1 Khái niệm về tính dễ cắt

Tính gia công cắt của vật liệu được xác định bởi nhiều yếu tố như tốc độ cắt, lực cắt, độ bóng bề mặt và tuổi bền của dao Đối với thép, khả năng chịu gia công cắt phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như thành phần hóa học, cấu trúc vi mô và độ cứng của thép Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng trong quá trình gia công.

Độ cứng và độ bền của vật liệu ảnh hưởng lớn đến tính gia công cắt Khi độ bền và độ cứng cao, khả năng gia công cắt sẽ giảm do lực và công cần thiết để tách phoi tăng lên, dẫn đến dao bị mòn nhanh Ngược lại, độ cứng quá thấp kết hợp với độ dẻo cao cũng gây ra vấn đề, vì phoi sẽ dẻo, khó gãy và có thể quấn quanh dao, làm cho bề mặt gia công trở nên sần sùi Đối với thép peclit, độ cứng lý tưởng để gia công cắt nằm trong khoảng HB 150 ÷ 200 Mặc dù thép austenit có độ cứng thấp hơn (HB < 200 ÷ 250), nhưng khả năng gia công cắt kém do độ bền cao và dễ bị biến cứng trong quá trình cắt.

Tính dẫn nhiệt của vật liệu là yếu tố quan trọng trong quá trình cắt Nhiệt sinh ra do ma sát chủ yếu tập trung ở phần lưỡi cắt, dẫn đến việc làm nóng và giảm độ cứng của dao, khiến dao nhanh chóng mất khả năng cắt Nếu phôi thép có tính dẫn nhiệt kém, nhiệt sẽ tập trung tại vùng lưỡi cắt, làm giảm độ cứng và gây ra tình trạng "cùn" dao So với thép hợp kim, thép cacbon có tính dẫn nhiệt cao hơn, giúp cải thiện hiệu suất cắt.

Trong lĩnh vực chế tạo máy, thép dễ cắt là loại thép có tính gia công cắt vượt trội, gấp hơn hai lần so với các loại thép cacbon thông thường.

Thành phần hóa học và tổ chức tế vi của thép dễ cắt

Lượng cacbon trong thép cần duy trì trong khoảng (0,10 ÷ 0,40)% để đảm bảo độ cứng vừa phải và khả năng cắt gọt dễ dàng, với cấu trúc chủ yếu là ferit và một phần peclit Một đặc điểm quan trọng của thép dễ cắt là khả năng tạo ra các pha giòn, giúp phoi dễ gãy và mang lại bề mặt gia công nhẵn bóng hơn Để đạt được điều này, cần bổ sung thêm các thành phần khác.

Trong sản xuất thép, hàm lượng photpho (P) và lưu huỳnh (S) cần phải cao hơn mức bình thường, với P trong khoảng (0,08 ÷ 0,15)% và S trong khoảng (0,15 ÷ 0,35)% Để giảm thiểu tác động tiêu cực của lưu huỳnh, lượng mangan (Mn) trong thép phải đạt giới hạn trên từ (0,80 ÷ 1,00)% Lưu huỳnh kết hợp với mangan tạo thành pha MnS, giúp làm giảm tính liên tục và độ bền theo phương vuông góc với thớ, đồng thời tạo ra phoi dễ gãy Photpho hòa tan vào ferit làm tăng độ giòn, dễ tách và làm vụn phoi Cả MnS và dung dịch rắn của P trong ferit giúp tránh hiện tượng dính kim loại lên dao cắt, tạo ra bề mặt nhẵn bóng, đặc biệt quan trọng cho chi tiết có ren nhỏ Sự hình thành phoi vụn giảm ma sát và nâng cao tuổi bền của dụng cụ Thép dễ cắt thường chứa P và S có tính gia công cắt cao gấp đôi so với thép cacbon tương đương, nhưng đồng thời cũng làm giảm độ dai, độ dẻo, độ bền theo phương ngang thớ và tính chống ăn mòn của thép.

Để cải thiện tính gia công cắt, người ta thêm vào thép dễ cắt một lượng nhỏ từ 0,15 đến 0,30% chì (Pb) Thép dễ cắt đặc biệt chứa đồng thời P, S và Pb có khả năng gia công cắt cao gấp đôi so với thép chỉ chứa P và S Pb không hòa tan vào ferit mà tồn tại dưới dạng các phần tử nhỏ, phân tán, do đó ít ảnh hưởng đến độ bền của thép ở nhiệt độ thường Trong quá trình cắt với năng suất cao, dao và phoi nóng lên đến 400 đến 600 độ C, khiến các phần tử Pb chảy ra (với nhiệt độ chảy là 327 độ C), làm cho phoi dễ gãy vụn, giảm lực ma sát và giữ cho dao không bị nóng quá mức.

Pb là loại thép dễ cắt tốt nhất và có thể được hợp kim hóa để tăng độ bền.

Tính gia công cắt của các mác thép được đánh giá thông qua việc so sánh tốc độ cắt lớn nhất cho phép trong các điều kiện gia công tương đồng về vật liệu, hình dạng và tuổi bền của dao (khoảng 1 giờ) với thép chuẩn quy định, cụ thể là mác 45 theo tiêu chuẩn ΓOCT và mác 1212 theo tiêu chuẩn AISI.

2.4.2.2 Các mác thép và công dụng

TCVN chưa quy định các mác thép dễ cắt, nhưng đã có ký hiệu bằng xxS, trong đó xx là số chỉ phần vạn cacbon trung bình và S biểu thị thép chứa S và P cao (ví dụ 12S) Trong khi đó, ΓOCT quy định ký hiệu thép dễ cắt bắt đầu bằng chữ A hoặc AC, theo sau là số chỉ phần vạn cacbon trung bình.

- Loại thường chứa P, S gồm các mác điển hình như A12, A20, A30 và A40Γ.

Các loại thép đặc biệt chứa P, S và Pb bao gồm các mác điển hình như AC11, AC12HX, AC40 và AC20XΓHM.SI Các mác thép dễ cắt chứa P, S được ký hiệu bằng 11xx hoặc 12xx, trong đó xx biểu thị lượng cacbon trung bình theo phần vạn, ví dụ như 1110.

1118, 1140, 1151, 1212, 1214; nếu có chứa thêm Pb thì bằng 12Lxx, ví dụ 12L14 có thành phần hệt như 1214 chỉ khác có thêm (0,15 ÷ 0,30)%Pb.

JIS ký hiệu các mác thép dễ cắt thường bằng SUMxx, trong đó xx là số thứ tự (11,

VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI

Cao su – amiăng

Áp dụng quy chế đào tạo Trung cấp hệ chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ban hành ngày 13/3/2017 của Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội.

Phương pháp dạy học tích cực bao gồm nhiều hình thức như trình chiếu, thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập cụ thể và câu hỏi thảo luận nhóm Những phương pháp này giúp kích thích sự tham gia của học sinh, nâng cao khả năng tư duy và tạo cơ hội cho việc trao đổi ý kiến trong lớp học.

Hướng dẫn tự học theo nhóm bao gồm việc nhóm trưởng phân công nhiệm vụ cho từng thành viên để nghiên cứu nội dung bài học Các thành viên trong nhóm sẽ thảo luận, trình bày nội dung đã tìm hiểu, ghi chép và cùng nhau viết báo cáo nhóm.

Nghiên cứu kỹ lưỡng bài học tại nhà trước khi đến lớp là rất quan trọng Người học sẽ được cung cấp các tài liệu tham khảo từ nhiều nguồn như trang web, thư viện và tài liệu khác trước khi bắt đầu môn học này.

Người học cần tham dự ít nhất 70% số giờ giảng tích hợp Nếu vắng mặt hơn 30% số giờ, họ sẽ phải học lại mô đun trước khi được tham dự kỳ thi lần sau.

Tự học và thảo luận nhóm là phương pháp học tập hiệu quả, kết hợp giữa làm việc nhóm và cá nhân Trong một nhóm từ 2-3 người, các thành viên sẽ được giao chủ đề thảo luận trước khi bắt đầu học lý thuyết và thực hành Mỗi người sẽ chịu trách nhiệm cho một hoặc một số nội dung trong chủ đề đã phân công, nhằm phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ nội dung thảo luận của nhóm.

Khi thêm nguyên tố hợp kim vào nhôm lỏng, sẽ hình thành giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim, trong đó nguyên tố hợp kim hòa tan vào nhôm, tạo thành dung dịch rắn thay thế α Khi vượt quá giới hạn hòa tan, sẽ xuất hiện pha thứ hai, thường là hợp chất hóa học giữa hai nguyên tố Khi tiếp tục vượt quá giới hạn hòa tan cao nhất, sẽ có sự xuất hiện của cả dung dịch rắn và pha thứ hai Dựa vào giản đồ pha này, các hệ hợp kim nhôm có thể được phân thành hai nhóm chính: biến dạng và đúc.

Hợp kim nhôm biến dạng là loại hợp kim với hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp, có cấu trúc hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm, mang lại tính dẻo tốt và dễ dàng biến dạng ở cả nhiệt độ cao và thấp Chúng được chia thành hai phân nhóm: một là không có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện, chứa ít hợp kim và chỉ có cấu trúc dung dịch rắn ở mọi nhiệt độ, không có chuyển biến pha; hai là có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện Phân nhóm không hóa bền chỉ có thể được cải thiện tính chất thông qua biến dạng nguội.

Phân nhóm hóa bền bằng nhiệt luyện là quá trình có sự tham gia của nhiều hợp kim, từ điểm F đến C hay C’, tạo ra cấu trúc hai pha (dung dịch rắn và pha thứ hai) ở nhiệt độ thường Khi nhiệt độ tăng cao, pha thứ hai sẽ hòa tan hoàn toàn vào dung dịch rắn, dẫn đến hiện tượng chuyển pha Do đó, bên cạnh biến dạng nguội, việc hóa bền bằng nhiệt luyện cũng có thể được áp dụng Chỉ những hệ hợp kim có độ hòa tan trong nhôm biến đổi mạnh theo nhiệt độ mới sở hữu đặc tính này.

Hợp kim nhôm đúc là loại hợp kim có chứa nhiều thành phần hơn, với nhiệt độ chảy thấp và cấu trúc tinh thể đồng nhất, giúp tăng cường tính đúc Tuy nhiên, do sự hiện diện của nhiều pha thứ hai, thường là hợp chất hóa học, hợp kim này trở nên giòn và không thể biến dạng dẻo Khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện của nhóm hợp kim này cũng hạn chế, vì không có sự biến đổi mạnh trong cấu trúc khi nung nóng.

Ngoài các hợp kim nhôm sản xuất theo phương pháp truyền thống, còn tồn tại các loại hợp kim được chế tạo bằng phương pháp không truyền thống như hợp kim bột (thiêu kết) và hợp kim nguội nhanh.

Theo giản đồ pha Al - Mn, giới hạn hòa tan cao nhất của Mn trong Al (dung dịch rắn α) đạt 1,8% ở 659 °C và giảm nhanh khi nhiệt độ giảm Khi vượt quá giới hạn hòa tan, Al và Mn kết hợp thành Al6Mn Mặc dù với thành phần α và tỷ lệ Mn từ 1,0 đến 1,6%, hệ này đáng lẽ phải ổn định qua nhiệt luyện, nhưng thực tế cho thấy độ hòa tan của Mn giảm nhanh do tạp chất như Fe và Si Chẳng hạn, với 0,1% Fe và 0,65% Si ở 500 °C, nhôm chỉ hòa tan được 0,05% Mn Do đó, giới hạn hòa tan mangan không thay đổi nhiều theo nhiệt độ, khiến hệ này chỉ có thể ổn định qua biến dạng nguội.

Hợp kim biến dạng hệ Al - Mn rất nhạy cảm với biến dạng nguội, với giới hạn chảy tăng từ 2 đến 4 lần và nhiệt độ kết tinh lại cũng tăng lên do sự hình thành pha α ở dạng nhỏ mịn và phân tán Loại hợp kim này có khả năng biến dạng dẻo tốt, thường được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm như lá mỏng, thanh, dây, hình, ống, và nổi bật với khả năng chống ăn mòn tốt trong khí quyển cũng như dễ hàn, thường được sử dụng để thay thế các mác khác.

Tiêu đề	Vật Liệu Học
Tác giả	Nguyễn Đình Kiên
Trường học	Trường Cao Đẳng Cơ Giới
Chuyên ngành	Công Nghệ Ô Tô
Thể loại	Giáo Trình
Thành phố	Quảng Ngãi

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	2,95 MB