Nghiên ứu hế tạo vật liệu làm bánh răng ôn xoắn má 20crni3a

Để chế tạo bánh răng côn xoắn ta phải chọn mác thép hợp kim vì hình dạng của bánh răng côn xoắn phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột nên không sử dụng đợc thép cacbon kết cấu chế tạo m

Trờng đại học bách khoa hà nội

2.3.3 ảnh hởng của nguyên tố hợp kim tới độ thấm tôi của thép 30 2.4 Cơ sở để lựa chọn các nguyên tố hoá học trong thép 37

Chơng – 3 Thiết bị thí nghiệm và phơng pháp

nghiên cứu

ThiÕt bÞ gia c«ng biÕn d¹ng, t¹o h×nh

ThiÕt bÞ nhiÖt luyÖn

ThiÕt bÞ kiÓm tra c¬ tÝnh

Mở Đầu

Trong hầu hết các loại động cơ, đặc biệt là các loại động cơ dùng trong ngành giao thông vận tải có các chi tiết chính là bánh răng và trục Có hai phơng truyền động trong động cơ là truyền động giữa các trục song song và truyền động giữa các trục cắt nhau Bánh răng côn là dạng bánh răng sử dụng

để truyền động giữa các trục cắt nhau dới một góc ε nào đó và trong thực tế εthờng là góc vuông Sở dĩ ngời ta ít dùng truyền động bánh răng côn có trục không vuông góc vì công nghệ chế tạo và lắp ghép phức tạp

Trong thép làm bánh răng côn xoắn hai tính chất đặc biệt quan trọng là cơ tính và tính công nghệ Bánh răng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa chịu mài mòn, va đập lại vừa chịu uốn nên thép để chế tạo bánh răng phải là loại thép có cơ tính tốt có độ bền cao, độ dẻo, độ dai cao đồng thời ( ), có tính công nghệ tốt

Trong các mác thép thoả mãn những yêu cầu trên có thép 20CrNi3A theo ГOCT5781 của Cộng hoà Liờn Bang Nga là thép đợc sử dụng rộng rãi ở nhiều nớc trên thế giới, đặc biệt rất quan trọng ở nớc talà Vì thế chúng tôi

đã tiến hành nghiên cứu đề tài là:“Nghiên cứu chế tạo vật liệu làm bánh răng côn xoắn là thép mác 20CrNi3A”

Mục tiêu chủ yếu của đề tài này là nghiên cứu sản xuất mác thép 20CrNi3A đảm bảo các thành phần hoá học, cơ tính, cấu trúc dựa trên cơ sở lý thuyết luyện kim và các tiêu chuẩn đã có của thế giới Sau đó sẽ tiến hành chế tạo bánh răng côn xoắn dùng trong xe ôtô tải belaz loại 30 - 32 tấn để đánh giá chất lợng của bánh răng cũng nh chất lợng của thép.,

Theo các số liệu điều tra của Viện Luyện kim Đen thuộc Tổng công ty Thép Việt Nam, nhu cầu thép làm bánh răng côn xoắn ở nớc ta trong giai

đoạn hiện nay khoảng 1500 tấn/năm Trong số đó nhu cầu phục vụ quốc phòng khoảng 500 tấn/năm

Từ trớc đến nay thép để chế tạo bánh răng côn xoắn nớc ta đều phải nhập ngoại, chủ yếu là thép của Liên Xô cũ Các mác thép nhập về để làm bánh răng nói chung và bánh răng côn xoắn thờng là: 12XH3A, 20XH3A, 24XH3A, 18XГГ, … Ngoài thép của Liên Xô, nớc ta còn nhập thêm thép chế tạo bánh răng của một số nớc khác nh Trung Quốc, Pháp, Hàn Quốc, Công hoà Liên Bang Đức, Đài Loan… Thép chế tạo bánh răng côn xoắn đợc nhập từ Nga theo tiêu chuẩn OCT 5781, từ Trung Quốc theo tiêu chuẩn GB Г

3077 – 88, từ Pháp theo tiêu chuẩn NF A 35 – 556

Mặc dù nhu cầu thép để chế tạo bánh răng côn xoắn của nớc ta là rất lớn, việc nhập khẩu đòi hỏi phải có thời gian và ngoại tệ đã gây không ít khó khăn cho các nhà sản xuất, nhng chúng ta vẫn cha có các kết quả nghiên cứu đầy đủ cũng nh cha có một nhà máy nào sản xuất các loại thép trên Sản xuất thành công mác thép 20CrNi3A sẽ giúp ngành công nghiệp chế tạo máy có nguồn thép mới trong nớc để sản xuất các loại bánh răng, thay thế dần dần thép nhập ngoại, chủ động hơn trong điều kiện sản xuất, giá thành rẻ và không phải dùng đến ngoại tệ, góp phần thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nớc

Trong giai đoạn 2006 – 2010 thực hiện nghị quyết Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ X Đảng Cộng sản Việt Nam là “Đẩy mạnh toàn diện công cuộc đổi mới, sớm đa nớc ta ra khỏi tình trạng kém phát triển, thực hiện dân giầu, nớc mạnh, xã hội công bằng, dân chủ, văn minh”, các ngành công nghiệp nớc ta sẽ có những bớc tăng trởng, đặc biệt ngành giao thông vận tải huyết mạch của nền kinh tế quốc gia sẽ càng có điều kiện phát triển lớn hơn Do đó việc sản xuất động cơ, trong đó có các loại bánh răng côn xoắn sẽ càng cần rất nhiều Chúng ta cần phải tự sản xuất các loại thép chất lợng

phục vụ ngành chế tạo máy, xây dựng, hoá chất, điện lực, giao thông vận tải

Vì thế việc nghiên cứu chế tạo thép làm bánh răng côn xoắn là hết sức cần thiết, vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa thực tiễn cao

Luận văn này đợc hoàn thành tại Viện Luyện kim Đen và Trờng Đại học Bách khoa với sự hớng dẫn khoa học của TS Ngô Quốc Long Trong quá trình thực hiện, tác giả đã đợc sự giúp đỡ tận tình của các GS, PGS trong Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu và bộ môn Kỹ thuật gang thép –

Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội và KS Lê Văn Nguyên, TS Nguyễn Văn Sa, các cán bộ ở Viện Luyện kim Đen Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Ngô Quốc Long và các thầy cô, các đồng nghiệp đã tận tình giúp

đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Chơng : Tổng Quan 1 1.1 Vật liệu thép

Thép là loại vật liệu quan trọng nhất của các ngành chế tạo máy, xây dựng, giao thông vận tải, điện lực, dầu khí, vũ khí khí tài quân sự … Những năm gần đây các vật liệu mới đã đợc nghiên cứu sản xuất nh chất dẻo, vật liệu composit …, song với nhiều lí do mà cho đến nay cha có loại vật liệu nào có thể hoàn toàn thay thế đợc thép

Vật liệu kim loại nói chung và thép nói riêng đã có tốc độ phát triển rất nhanh Về sản lợng thép, tốc độ tăng trởng nhanh rõ rệt và tăng nhanh nhất

ở các nớc khu vực ASEAN cũng nh Trung Quốc, Hàn Quốc … Sản lợng thép trên toàn thế giới giai đoạn 2000 - 2005 đợc nêu trong bảng 1.1 Các công nghệ sản xuất thép chủ yếu gồm: luyện thép bằng lò thổi ôxy (BOF) và bằng lò điện hồ quang (EAF)

Bảng 1.1 - Sản lợng thép trên thế giới giai đoạn 2000-200 triệu tấn 5,

Nguồn nguyên liệu kim loại dùng cho luyện thép có nhiều sự biến đổi Lúc đầu, khi mới phát triển nguyên liệu kim loại chính dùng cho luyện thép là gang (luyện từ lò cao) Gang đợc sử dụng dới dạng lỏng hoặc thỏi tuỳ thuộc vào qui mô và trình độ công nghệ của từng nhà máy Khi các ngành công nghiệp phát triển nhiều chủng loại sản phẩm hàng hóa, đồ dùng sinh hoạt, công trình xây dựng, cầu cống, phơng tiện vận tải…ra đời Trong quá trình gia công chế tạo sản phẩm, cũng nh sau một thời gian sử dụng, lợng sắt thép phế thu hồi

đợc ngày càng nhiều và việc sử dụng sắt thép phế bắt đầu làm nguyên liệu luyện thép thay thế cho gang

Gần đây để tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có ở một số vùng lãnh

thổ và các quốc gia giàu quặng sắt, có khí thiên nhiên nhng không có nguồn than mỡ luyện than cốc phục vụ công nghệ lò cao sản xuất gang, công nghệ sản xuất sắt xốp không dùng than cốc đã ra đời Các công nghệ sản xuất này phải kể đến là: Công nghệ Midrex, Hill, lò quay SL/RL sản xuất sắt xốp, công nghệ Corex, Romelt sản xuất gang lỏng Tuy mới ra đời nhng các sản phẩm thuộc công nghệ luyện kim phi cốc cũng đã đóng góp đáng kể vào sự nghiệp phát triển của ngành thép

Theo A.CHATTERJEE chuyên gia luyện kim của Viện nghiên cứu Gang thép thế giới (IISI), sản lợng của ba loại nguyên liệu này trong những năm gần đây đợc nêu trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Sản lợng các loại nguyên liệu kim loại dùng cho luyện thép

- Đồng đều hoá nhiệt độ và thành phần hoá học của bể kim loại lỏng

- Hợp kim hoá và điều chỉnh chính xác thành phần của thép theo yêu cầu

- Khử khí (ôxy, hyđrô, nitơ) và tạp chất đợc triệt để hơn

- Tận thu đợc các nguyên tố hợp kim và khử triệt để cacbon

- Khống chế, điều chỉnh đ ợc nhiệt độ.

Hiện nay lu trình công nghệ trong một nhà máy luyện kim tuy có khác nhau, song sau luyện thép đều có khâu tinh luyện và đúc thỏi

Dới đây là hai dây chuyền điển hình dây chuyền công n: ghệ của nhà máy Georgsmarienhutte của Cộng hoà Liên bang Đức (hình 1.1) và dây chuyền công nghệ của nhà máy Sollac-Fos của Pháp (hình 1.2.)

6: Máy đúc liên tục

Hình 1.2: Sơ đồ lu trình công nghệ nhà máy Sollac Fos Pháp

-1: Thùng chứa nớc gang ổn định nhiệt và khử sơ bộ lu huỳnh

4

5

Từ các dây chuyền công nghệ hiện đại với kinh nghiệm sản xuất

lâu đời đã chế tạo rất nhiều chủng loại thép có tính chất khác nhau cung cấp cho các hộ tiêu dùng với các yêu cầu rất đa dạng

Để tăng cờng sự quản lý đối với mặt hàng thép, trong xu thế hội nhập bên cạnh các tiêu chuẩn của mỗi quốc gia cần có tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) Nếu nh trớc đây Việt Nam chỉ quen sử dụng thép theo tiêu chuẩn của  Liên Xô (nay là Cộng Hoà Liên bang Nga) thì gần đây chúng ta đã làm quen với nhiều tiêu chuẩn khác nh : Trung Quốc, Nhật Bản, Cộng hoà Liên bang 

Đức, Pháp, Thuỵ Điển, Anh, Mỹ và tiêu chuẩn Quốc tế ISO

1.2 Bánh răng côn và các yêu cầu kỹ thuật

Trong các loại bánh răng côn, tuỳ thuộc kết cấu và hình dáng của răng ngời ta chia thành bánh răng côn thẳng, bánh răng côn nghiêng và bánh răng côn xoắn

Mặc dù bánh răng côn xoắn rất nhạy cảm với những sai số chế tạo và lắp ghép nhng cùng với một tải trọng động khả năng chuyển tải của bánh răng côn xoắn cao hơn bánh răng côn thẳng do sai số ăn khớp và tiếng ồn cũng ít hơn Do đó vận tốc vòng giới hạn của bộ truyền bánh răng côn xoắn cao hơn so với bộ truyền bánh răng côn thẳng

ở các nớc phát triển nh Mỹ, Anh, Pháp, ý, Đức, Nga… và kể cả các nớc cha phát triển hiện nay nh nớc ta, bánh răng côn xoắn đợc sử dụng

ở rất nhiều nơi: trong xe taxi, xe chở khách các loại, xe buýt trong thành phố,

xe chở hàng từ loại nhỏ đến vài chục tấn, thậm chí hàng trăm tấn nh xe chở quặng cho các nhà máy luyện kim, chở than ở mỏ, dùng trong nông nghiệp nh máy kéo, máy cày… Ngoài các loại xe vận tải, phục vụ dân sinh, các loại

xe phục vụ quốc phòng nh xe kéo pháo, xe thiết giáp, xe tăng… và các loại

xe có công dụng đặc biệt khác cũng dùng loại động cơ có bánh răng côn xoắn

Để chế tạo bánh răng côn xoắn dùng trong công nghiệp quốc phòng và dân sinh, chúng tôi đã nghiên cứu, lựa chọn mác thép theo tiêu chuẩn của Nga

20XH3A Đây là thép hợp kim thấp để chế tạo các chi tiết máy nên đảm bảo

đợc các yêu cầu chung về cơ tính, chính xác về hình dạng, kích thớc cũng nh độ bóng bề mặt để lắp ráp

Về cơ tính: Tính chất cơ bản của chi tiết máy là khả năng chịu tải trọng tĩnh và

động nên yêu cầu cơ bản là có độ bền cao và độ dai tốt phù hợp

với điều kiện của tải trọng

Trong chế tạo máy phải chú ý đến giới hạn chảy vì chi tiết máy ở dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc Đối với chi tiết chịu tải trọng động cần phải tăng tải trọng một cách đột ngột nên độ dai va đập rất quan trọng Chính chỉ tiêu ộ dai va đập quyết định độ tin cậy khi làm việcđcủa chi tiết đảm bảo không khi phá huỷ dòn, yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với các phơng tiện giao thông Ngoài ra độ cứng bề mặt chi tiết cao bảo đảm tính chống mài mòn bị ma sát hay cọ sát Bánh răng là một trong các chi tiết làm việc dới tải trọng thay đổi theo chu kỳ nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao

Về tính công nghệ: Để chế tạo chi tiết thành phẩm thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công, biến dạng nóng nh rèn để tạo phôi và tạo ra tổ chức tốt hơn (làm mịn hạt, tạo cấu trúc thích hợp…) Sau đó phải qua cắt gọt phôi thép để tạo hình dạng kích thớc chính xác, độ bóng đúng yêu cầu

Để chế tạo bánh răng côn xoắn ta phải chọn mác thép hợp kim vì hình dạng của bánh răng côn xoắn phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột nên không

sử dụng đợc thép cacbon kết cấu chế tạo máy So với thép cacbon, thép hợp kim tuy có đắt hơn, tính công nghệ kém hơn, song có độ bền cao hơn, đây là

u điểm quan tr ng Do nâng độ thấm tôi, ngoài ra còn hoá bền ferrit, tạo ra ọcacbit phân tán, giữ cho hạt nhỏ

1.3 Thép kết cấu hợp kim

Thép kết cấu hợp kim đợc sử dụng để chế tạo chi tiết máy trong hầu hết các ngành công nghiệp, ngoài ra cò đợc dùng để làm các khung, dầm n cầu,

trong các công trình kiến trúc đặc biệt ở những vùng có môi trờng ăn mòn nh không khí ẩm, nớc, hơi nớc, nớc biển…

Thép hợp kim kết cấu phân làm nhiều nhóm, tên nhóm biểu thị tên của nguyên tố hợp kim tham gia Ví dụ: Nhóm thép rôm, thép Mangan nhóm Cthép crôm mangan, crôm- -silic, crôm-môlipđen, crôm môlipđen- -vanadi, niken-môlipđen, crôm-niken, …

Thép chế tạo bánh răng 20CrNi3A thuộc loại thép hợp kim kết cấu nhóm thép crôm–niken Tại Cộng hoà Liên Bang Nga thép 20CrNi3A đợc sản xuất theo ГOCT 5781, tơng đơng mác thép 20CrNi3 theo tiêu chuẩn GB 3077-88 của Trung Quốc, 20NC11 theo tiêu chuẩn NF A35 – 556 của Pháp

Thành phần hoá học, cơ lý tính củ các mác thép trên đợc nêu trong bảng 1.3 a

và 1.4

Bảng 1.3 - Thành phần hoá học các mác thép làm bánh răng côn xoắn theo

tiêu chuẩn Nga, Trung Quốc, Pháp

Tôi

Làm nguội

Nhiệt độ ram và làm nguội,

0 C

σ b , MPa

σ s , MPa

I II 20CrNi3A

Nga 1150-850 820 - Dầu

500, nớc hoặc dầu 932 735 12 55 98 241 20CrNi3

400 - 500 dầu, nớc 980 835 10 55 - -

Trong tiêu chuẩn NF A35 556 của Pháp không đa ra điều kiện nhiệt luyện và các trị số cơ tính của mác thép này

ảnh hởng của nhiệt độ ram đến cơ tính của thép đợc trình bày trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Cơ tính của thép (thành phần,%: 0,17C; 0,16Si; 0,37Mn; 0,73Cr; 2,85Ni( thép 1) và 0,24C; 0,28Si; 0,35Mn; 0,69Cr; 3,30Ni ( thép 2) sau khi tôi

từ 820oC trong dầu các mẫu đờng kính 10 mm, dài 55 mm tùy thuộc vào nhiệt độ ram với làm nguội sau đó trong dầu

-

1,27 1,25 0,85

Các cơ tính của thép phụ thuộc vào tiết diện khi gia công nhiệt luyện:

Cơ tính của thép 20XH3A sau khi thờng hóa ở 910oC (9giờ) + tôi trong dầu từ 810oC + ram 200oC trong 1 giờ phụ thuộc vào đờng kính phôi nh sau:

* Cơ tính tùy thuộc vào nhiệt độ tôi

Bảng 1.7 ảnh hởng nhiệt độ tôi đến cơ tính của thép có thành phần,%: 0,17C; 0,16Si; 0,37Mn; 0,73Cr; 2,85Ni (thép 1) và 0,24C; 0,28Si; 0,35Mn; 0,69Cr; 3,30Ni ( thép 2) Tôi mẫu phôi đờng kính 10 mm Thép thử nghiệm không ram

1050 1323 1081 11,4 57,9 1,05 1569 1351 12,2 54,4 1,20

Từ các số liệu trong bảng 1.3 - 1.7 ta thấy việc nghiên cứu thép làm bánh răng côn xoắn các nớc phát triển đã nghiên cứu từ lâu và đã sản xuất ổn

định từ trớc chiến tranh thế giới lần thứ hai (1945)

Những tác giả đã có nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực nghiên cứu này phải kể đến là các nhà khoa học Liên Xô cũ [15,16,17], các nhà khoa học của Trung Quốc [18,19]

Nói chung các vấn đề nghiên cứu, cũng nh sản xuất của hầu hết các nớc đều dựa trên công nghệ luyện thép trong lò điện hồ quang kết hợp với công nghệ tinh luyện ngoài lò nên thép vừa đúng thành phần hoá học dự kiến, vừa ít tạp chất Sau tinh luyện thép đợc đúc trong hệ thống máy đúc liên tục có

đầy đủ các thông số u việt nh tốc độ rót, lu lợng rót, tốc độ kéo thỏi, đặc biệt là chế độ làm nguội theo vùng Trên máy đúc liên tục còn thiết kế và lắp

đặt các máy rung điện từ tạo cho thỏi đúc không bị rỗ xốp, thiên tích, cấu trúc

đồng đều và hạt mịn

Quá trình luyện thép của các nớc thực hiện các bớc công nghệ trên đã

đảm bảo cho thỏi thép có đủ yêu cầu đề ra từ thành phần hoá học, cơ lí tính, tính công nghệ Với các công đoạn gia công tiếp theo cũng có những qui trình nghiêm ngặt và hệ thống thiết bị tiên tiến nên nhiều bánh răng trong các động cơ của các nớc tiên tiến chế tạo có tuổi thọ rất cao, ít bị mài mòn, rỗ khi sử dụng Các nớc Pháp, Nhật, Đức, Nga có sản phẩm bánh răng côn xoắn có chất lợng nổi tiếng trên thế giới

Nớc ta hiện nay ngành công nghiệp luyện kim cha đợc hát triển, pcác thiết bị chuyên dùng cha đồng bộ Mặc dù Tổng ông ty C thép Việt Nam

đã có lò điện siêu công suất 30 tấn/mẻ, kết hợp với thiết bị tinh luyện ngoài lò

40 tấn/mẻ nhng mới tập trung sản xuất ra thép cacbon thông dụng, phục vụ cho ngành xây dựng, dân dụng Do đó cha thể sản xuất thép chất lợng và trớc mắt tận dụng các điều kiện kỹ thuật, thiết bị sẵn có ở Viện nghiên cứu,

các trờng Đại học để sản xuất thép kết cấu chất lợng cao và quy mô nhỏphục vụ nhu cầu sản xuất, sửa chữa trong nớc

Trong những năm gần đây Viện Luyện kim Đen đã nghiên cứu nhiều đề tài về thép hợp kim thấp, về thép kết cấu

Các loại thép này đợc chế tạo từ nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nớc, theo qui mô nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam

Theo công nghệ đơn giản, chuẩn bị nguyên liệu hợp cách, nấu luyện trong lò tần số, tinh luyện bằng phơng pháp điện xỉ, gia công biến dạng, nhiệt luyện

Để đảm bảo mác thép sau nấu luyện có đợc thành phần hoá học đúng, cơ tính và tính công nghệ tốt phải có lu trình công nghệ nấu luyện đúng đắn Lu trình công nghệ nấu luyện đúng cần có các bớc tính toán, chuẩn bị cấu tử phối liệu phải chính xác; quá trình nạp liệu phải đúng thời điểm, đảm bảo các nguyên tố hợp kim nóng chảy nhanh, khuếch tán đều trong toàn bộ khối thép lỏng và đồng thời tỷ lệ mất mát do cháy hao và do khuếch tán vào lớp xỉ là ít nhất

Trong nhóm thép kết cấu hợp kim thấp để chế tạo bánh răng cacbon giữ vai trò làm dẻo lõi thép và làm tăng độ bền, độ chịu mài mòn lớp bề mặt sau nhiệt luyện nên hàm lợng cacbon trong thép phải không đợc cao Cacbon mặc dù không phải là nguyên tố hợp kim nhng có khả năng tăng độ cứng của thép mạnh hơn các nguyên tố hợp kim khác và việc khống chế hàm lợng cacbon là rất quan trọng

Crôm và niken đều là các nguyên tố hợp kim tăng bền, đặc biệt là độ dai của thép Các nguyên tố này làm tăng độ thấm tôi của thép và độ thấm tôi lớn nhất đạt đợc khi lợng niken trong thép nhiều gấp ba lần lợng crôm Niken đợc sử dụng làm phối liệu hợp kim thờng là niken kim loại nên

ít tạp chất lẫn vào thép khi thêm niken Niken cháy hao ít (0,5 – 1%) và hoà

tan vào xỉ không đáng kể Do đó chỉ cần tính toán phối liệu đúng là đảm bảo

Chơng 2 : Lý thuyết 2.1 Đ ộ bền và tính dòn của thép kết cấu

2.1.1 Cơ tính của thép và những vấn đề cần giải quyết:

Việc quy định tính chất cần có cho vật liệu thép chế tạo chi tiết máy cần xuất phát từ trạng thái phá hủy chi tiết trong điều kiện làm việc Ví dụ nh sự biến dạng do quá tải, sự phá huỷ giòn, sự phá mỏi hoặc sự phá huỷ kết hợp của mỏi và ăn mòn, sự mài mòn, hoặc sự ăn mòn và ăn mòn xung đập Đó là những dạng phá hỏng thờng gặp đối với chi tiết sử dụng ở nhiệt độ thờng Nếu cha thảo luận vấn đề ăn mòn thép thì sự phá hỏng chi tiết có thể quy về

do biến dạng và phá huỷ Khi chi tiết chịu ứng suất vợt quá giới hạn chảy của thép, chúng sẽ xảy ra biến dạng dẻo Khi bị biến dạng dẻo đạt tới mức độ nhất

định chi tiết bị phá huỷ Đôi khi chi tiết chịu ứng lực tuy nhỏ hơn giới hạn chảy của thép song do ứng lực này đã vợt quá giới hạn bền tách đứt, chúng sẽ

bị phá huỷ mà không hề phát hiện thấy có biến dạng dẻo vĩ mô

Sự phá huỷ vật liệu không có biến dạng dẻo hoặc chỉ có biến dạng dẻo chút ít (ví dụ < 5%) đợc gọi là phá huỷ giòn dạng phá huỷ sau khi đã có biến ; dạng dẻo lớn gọi là phá huỷ dẻo

Vật liệu xảy ra phá huỷ giòn hay phá huỷ dẻo không chỉ do bản chất vật liệu quyết định mà còn chịu ảnh hởng bởi hình dạng, kích thớc của chi tiết, , trạng thái bề mặt, ứng suất, tốc độ đặt tải, điều kiện xung quanh (nh nhiệt độ, môi trờng)

Một vật liệu dẻo trong điều kiện bất lợi cũng có thể xảy ra phá huỷ giòn Trong sử dụng ngời ta mong muốn vật liệu đạt đợc giới hạn chảy càng cao càng tốt nhng đồng thời phải giữ đợc đủ độ dẻo và độ dai Cho nên chỉ giữ đợc đủ độ dẻo và độ dai, độ bền của thép mới có thể sử dụng mà không gây nên sự cố bất ngờ do phá huỷ giòn Mặc dù trong sử dụng thép ngời ta chỉ lợi dụng độ bền của nó, song trong nhiều trờng hợp tính giòn của thép đã

hạn chế không cho phép phát huy hết độ bền của thép trong sử dụng và tính giòn của thép trở nên vấn đề chủ yếu cần phải quan tâm

Nhiệm vụ của các nhà luyện kim là phải khống chế thành phần hoá học của thép, công nghệ nấu luyện và gia công thép, công nghệ nhiệt luyện sao cho làm tăng độ bền cho thép nhng không làm thép biến giòn Các nhà thiết kế và gia công chế tạo phải khống chế hình dạng, kích thớc chi tiết, hình thái chịu lực, trạng thái bề mặt, điều kiện môi trờng để không xảy ra sự biến dạng hoặc phá huỷ chi tiết Do đó nhiệm vụ quan trọng đối với ngời thiết kế, ngời gia công chế tạo và sử dụng thép là giải quyết mối quan hệ giữa độ bền và độ dai của thép

Thép kết cấu chế tạo máy làm việc trên mặt đất hầu hết thuộc loại thép

độ bền trung bình, có giới hạn chảy σch trong khoảng 686 1372MP Thờng - a

là thép cacbon thấp hoặc trung bình và thép hợp kim thấp Thép này sử dụng ởtrạng thái tôi thành mactenxit sau đó qua ram hoặc trạng thái bainit

Độ bền và tính giòn của thép đợc quyết định bởi yếu tố nội tại trong bản thân thép là tổ chức thép Tổ chức thép lại phụ thuộc vào thành phần hoá học mác thép, công nghệ luyện kim và quá trình nhiệt luyện Để nâng cao độ bền thép thờng dựa vào sự hợp kim hoá và các công nghệ hoá bền Song khi giới hạn chảy của thép tăng thì khả năng biến dạng dẻo lại giảm, do đó khuynh hớng phá huỷ giòn tăng rong quá trình sản xuất hoặc gia công kim Tloại thờng làm sản sinh một số khuyết tật đối với thép, trong đó có những khuyết tật tuy không ảnh hởng đến giới hạn chảy song lại làm giảm độ bền tách đứt, tức là làm giảm độ dẻo, làm tăng tính giòn Cho nên rất có thể do sự hoá bền thép mà dẫn tới làm thép biến giòn

2.1.2 Vấn đề phá huỷ giòn của thép kết cấu

Giới hạn chảy (σch) và độ bền tách đứt (SOT) là hai chỉ tiêu cơ tính cơ bản Khi giới hạn chảy thấp hơn giới hạn phá huỷ tách đứt, ứng suất trên mặt cắt vuông góc với phơng ngoại lực sẽ đạt tới giá trị giới hạn chảy trớc kim loại xảy ra biến dạng dẻo Nếu nh giới hạn chảy bằng hoặc cao hơn giới hạn

bền tách đứt, khi đó ứng suất trên mặt cắt vuông góc sẽ đạt tới giá trị độ bền tách nứt trớc và kim loại bị phá huỷ giòn

Khi nhiệt độ thay đổi, giới hạn chảy và độ bền tách đứt đều thay đổi (hình 2.1)Nếu nhiệt độ giảm giới hạn chảy tăng nhanh trong khi giới hạn phá hủy tách đứt chỉ giảm chút ít ở nhiệt độ thấp nhất định σch > S OT khi đó ứngsuất sẽ đạt tới giá trị SOT trớc, thép bị phá hủy giòn ở nhiệt độ cao tới mức nào đó SOT > σchứng suất chảy sẽ đạt trớc và thép xảy ra biến dạng dẻo

Thép độ bền trung bình khi sử dụng ở nhiệt độ thờng có đủ độ daikhông bị phá huỷ giòn, song cần tránh không sử dụng thép ở nhiệt độ thấp dới nhiệt độ chuyển hoá dẻo giòn và phải đề phòng hiện tợng thép hoá - giòn (ví dụ hiện tợng giòn ram) làm cho nhiệt độ chuyển hoá

dẻo - giòn của thép tăng

Đối với thép độ bền trung bình, khi độ bền của thép càng tăng thì giới hạn bền có rãnh cắt cũng tăng tuyến tính, song ở giới hạn độ bền cao thì độ bền càng tăng, độ bền rãnh cắt càng giảm Cho nên khi độ bền của thép càng cao thì độ nhạy cảm đối với khuyết tật bề mặt càng tăng và ảnh hởng này đặc biệt chú ý khi sử dụng thép độ bền cao

2.1.3 Vấn đề phá huỷ mỏi của thép kết cấu

Thông thờng trong thép luôn luôn tồn tại vết nứt kích thớc to nhỏ khác nhau Khi độ lớn vết nứt đạt tới giá trị nhất định thì có thể đợc phát hiện bằng phơng pháp vật lý Những vết nứt có kích thớc nhỏ hơn độ nhạy cảm của phơng pháp kiểm tra có thể vẫn tiềm ẩn bên trong chi tiết, tuy không gây phá huỷ chi tiết một cách đột nhiên song nếu chịu ứng lực đổi chiều biến đổi chu kỳ tác dụng trong thời gian dài, kích thớc vết nứt có thể dần dần mởrộng Khi kích thớc vết nứt mở rộng tới giá trị nào đó, tiết diện chi tiết còn lại không chịu nổi ngoại lực khi đó chi tiết sẽ bị phá huỷ dẻo hoặc phá huỷ giòn Cơ chế phá huỷ này rất thờng gặp đối với chi tiết máy gọi là phá huỷ - mỏi

Phá huỷ mỏi chỉ xảy ra dới tác dụng của ứng suất kéo, vết nứt mỏi luôn luôn đợc bắt đầu từ bề mặt chi tiết vì bề mặt chi tiết thờng là vị trí có ứng suất kéo lớn nhất, đồng thời cũng là nơi thờng dễ có khuyết tật nghiêm trọng

Nhiều thực nghiệm chứng tỏ rằng, các mẫu thử nghiệm chế tạo bằng thép

độ bền trung bình có bề mặt đợc đánh bóng không có vết nứt, vết xớc, khi thử uốn đổi chiều có ứng suất kéo lớn nhất trên bề mặt mẫu nhỏ hơn giới hạn chảy của thép, trải qua số chu kỳ nhất định trên bề mặt mẫu thử sẽ xuất hiện vệt trợt tại nơi chịu ứng suất cắt lớn nhất Các vệt trợt phát triển thành bậc trợt chỗ lồi, chỗ lõm Những vết lõm trở thành nơi phát sinh của vết nứt Những vết nứt lúc đầu đợc phát triển mở rộng theo hớng ứng suất cắt lớn nhất giai đoạn cuối cùng vết nứt phát triển mở rộng theo phơng vuông góc với phơng ứng suất kéo Căn cứ vào sự đổi hớng phát triển của vết nứt có thể phân phá huỷ mỏi thành 2 giai đoạn: giai đoạn 1 là giai đoạn nứt vi mô hay giai đoạn khởi nguồn của vết nứt mỏi, giai đoạn 2 là giai đoạn nứt vĩ mô hay giai đoạn mở rộng vết nứt

Đối với vật liệu độ bền trung bình, giai đoạn khởi nguồn vết nứt chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong toàn bộ quá trình phá huỷ mỏi guyên nhân Ntạo điều kiện xuất hiện vết nứt tế vi bao gồm lợng tạp chất rắn và chủng loại của chúng, hợp chất liên kim trong thép hợp kim cao, sự biến giòn tinh giới,

sự biến dạng không hiệp đồng của tinh giới và các khuyết tật bề mặt, sự không

đồng đều của tổ chức kim tơng

Giai đoạn 2 vết nứt vĩ mô phát triển vuông góc với phơng tác dụng của ứng suất kéo T chức tế vi của vật liệu rất ít ảnh hởng tới tốc độ phát triểổ n của vết nứt vĩ mô Tốc độ phát triển vết nứt vĩ mô có quan hệ với giá trị chênh lệch của hệ số tập trung ứng suất Kmax và Kminở mũi nhọn của vết nứt, tức:

Giới hạn bền mỏi uốn xoắn của mẫu thép độ bền trung bình có bề mặt

đánh bóng ớc khoảng bằng 1/2 giới hạn bền kéo σb Khi thép sử dụng trong môi trờng ăn mòn, độ bền mỏi của thép giảm mạnh, đặc biệt đối với thép độ bền cao Trong điều kiện có ứng suất sự phá huỷ do ăn mòn thờng phát triển rất nhanh nên sự ăn mòn ứng lực và hiện tợng mỏi ảnh hởng xúc tiến lẫn nhau làm tăng tốc độ phá huỷ chi tiết máy

2.2 Phơng pháp hoá bền thép kết cấu

Qua nhiều năm nghiên cứu con ngời đã nâng cao độ bền thép Trớc

đây thép sau khi tôi có độ bền cao nhất là 1200 MPa thì ngày nay độ bền của các loại thép đã đạt đợc là: Sợi thép cacbon cao vuốt nguội có σb = 2950 -

3900 MPa; thép hợp kim trung bình sau cơ nhiệt luyện có σb = 1850 2250 - MPa; thép mactenxit hợp kim thấp cacbon trung bình σb = 1350 1950 MPa; - thép xoocbit ram cacbon trung bình có σb ≈1350 MPa

Để nâng cao độ bền thép, trong sản xuất ngời ta áp dụng các biện pháp tổng hợp nh hợp kim hoá, biến dạng dẻo nóng và nguội, nhiệt luyện Ví dụ: Sợi thép vuốt nguội từ thép cacbon cao đợc chế tạo: Thép cùng tích đợc nhiệt luyện để có đợc tổ chức peclit nhỏ mịn rồi tiến hành kéo chuốt nguội thành sợi Trong gia công biến dạng dẻo nguội, lợng biến dạng càng lớn độ bền của thép tăng càng mạnh vàđộ bền cao nhất có thể đạt 2950 - 3900 MPa Nhiệt luyện thép hợp kim tiến hành nh sau: đầu tiên thép đợc nung tới trạng thái austenit, rồi nguội nhanh xuống dới nhiệt độ tới hạn đến vùng austenit quá nguội ổn định cao tiến hành biến dạng dẻo với độ biến dạng lớn, sau đó tôi kịp thời thành mactenxit …

Các phơng pháp hoá bền thép về bản chất có thể quy về 4 loại sau: hoá bền bằng biến dạng dẻo, hoá bền bằng làm nhỏ hạt tinh thể, hoá bền bằng dung dịch rắn và hoá bền bằng pha phân tán

2.2.1 Hoá bền bằng biến dạng dẻo

Thực chất sự hoá bền bằng biến dạng dẻo là tiến hành biến dạng dẻo kim loại ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại, khi độ biến dạng tăng sẽ làm sản sinh trong tinh thể lệch mạng mật độ cao phân bố đồng đều hoặc lệch mạng dạng phân bố không đồng đều dạng các “cấu trúc tổ ong” (tức các búi lệch với mật độ lệch cao tạo thành những bức tờng vây quanh vùng có mật độ lệch thấp) Mật độ lệch trong tinh thể càng cao, hoặc “cấu trúc tổ ong” có kích thớc càng nhỏ, mức độ hoá bền càng lớn

ứng suất trợt (ứng suất cắt) tới hạn gây biến dạng dẻo τ và mật độ lệch trong kim loại ρ có quan hệ với nhau nh sau:

τ = τ0 a+ Gb ρTrong đó: là ứng suất trợt tới hạn gây biến dạng dẻo; τ

τ0 là ứng suất trợt tới hạn gây biến dạng dẻo ở trạng thái ủ;

a là hệ số (0,5);

G là mô đun đàn hồi trợt;

b là vectơ Burgers;

ρ là mật độ lệch mạng

Dây thép kéo vuốt nguội sở dĩ đạt độ bền rất cao là do trong quá trình kéo chuốt nguội mật độ lệch mạng tăng lên rất nhiều Hiệu ứng hoá bền bằng biến dạng dẻo xảy ra trong quá trình chuyển biến pha cũng có cùng bản chất nh vậy

2.2.2 Hoá bền bằng hiệu ứng làm nhỏ hạt tinh thể

Độ bền của thép chịu ảnh hởng bởi kích thớc hạt tinh thể của tổ chức nền Ví dụ: đối với thép kết cấu xây dựng có tổ chức nền là pherit thì khi nói kích thớc hạt tinh thể là ám chỉ hạt tinh thể pherit; thép tôi và ram thì kích thớc hạt tinh thể là ám chỉ hạt tinh thể austenit trớc khi tôi Hạt tinh thể nhỏ làm tăng bền là do bề mặt biên giới hạt tăng làm tăng sự cản trở lệch chuyển

động Thực nghiệm đã chứng minh khi hạt austenit đợc làm nhỏ từ cấp hạt 8 lên cấp hạt 15, sau khi tôi ram, giới hạn chảy của thép tăng thêm 200 - 290

MPa

Việc tăng độ bền cho thép bằng cách làm nhỏ hạt đồng thời cải thiện

đợc độ dai của thép ở nhiệt độ thấp Ưu điểm nổi bật của biện pháp hoá bền này là khi làm nhỏ hạt tinh thể một mặt làm tăng giới hạn chảy, một mặt cũng làm tăng độ bền tách đứt của thép một cách rõ rệt (hình 2) Từ hình 2.2 thấy 2 rằng khi hạt tinh thể không ngừng đợc biến nhỏ thì sự phá huỷ giòn của thép dần dần quá độ sang phá huỷ dẻo Lợi dụng các hợp chất NbC, VC, AIN dạng nhỏ li ti phân tán để ngăn trở hạt pherit lớn lên ngời ta có thể làm hạt pherit trong thép kết cấu xây dựng nhỏ t i ớ cấp 10 cấp 11 và nâng cao giới hạn chảy của thép Phơng pháp này đã đợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất Cũng có thể dùng phơng pháp nung tôi nhiều lần để làm nhỏ hạt tinh thể thép tới mức

< 10 àm, song phơng pháp này hiện còn đang dừng ở phạm vi phòng thí nghiệm

Hình 2.2: nh hởng của độ lớn hạt tinh thể đối với ả

2.2.3 Hoá bền bằng hiệu quả dung dịch rắn

Phơng pháp hoá bền thép hay dùng là thông qua sự hoà tan của nguyên

tố hợp kim vào dung dịch rắn dạng thay thế hoặc dạng xen kẽ để nâng cao giới hạn chảy của pha nền Nguyên tử hoà tan làm mạng tinh thể của pha nền

bị xô lệch, cản trở sự chuyển động của lệch, làm độ bền của hợp kim tăng Trong phơng pháp hoá bền bằng dung dịch rắn gặp phải 2 yếu tố ngợc nhau giữa hiệu quả hoá bền và khả năng hoà tan của nguyên tố hợp kim Để có

đợc hiệu quả hoá bền dung dịch rắn mạnh cần chọn nguyên tố hợp kim có sự khác biệt lớn so với nguyên tố kim loại nền về kích thớc nguyên tử, về tính

điện hoá… Vì thế làm giảm khả năng hoà tan của nguyên tố đó trong dung dịch rắn và hiệu quả hoá bền lợi dụng đợc trở nên có hạn

Ví dụ: Nguyên tử C hoà tan dạng xen kẽ trong α - Fe có tác dụng hoá bền rất mạnh, theo tính toán 1%C có thể tăng giới hạn chảy 5550 MPa, song

độ hoà tan lớn nhất của C trong α - Fe chỉ có 0,025% Cho nên hiệu quả hoá bền dung dịch rắn bằng C chỉ lợi dụng đợc ở mức rất hạn chế; trong khi đó

Ni có hệ số hoá bền dung dịch rắn nhỏ ≈ 11 MPa/%, song độ hoà tan lớn nhất

của Ni trong α - Fe lên tới 30% nên hiệu quả hoá bền dung dịch rắn của Ni vẫn rất lớn

Ngời ta có thể lợi dụng sự chuyển biến thù hình của sắt để tăng độ hoà tan của nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn Ví dụ: nung Fe ở trạng thái γ-

Fe thì sắt có thể hoà tan lợng C lớn hơn nhiều, sau đó dùng phơng pháp tôi để γ–Fe chuyển thành mactenxit, khi đó toàn bộ hàm lợng C trong pha γ đợc chuyển thành pha , tạo thành dung dịch rắn có độ quá bão hoà rất lớnα nên hiệu quả hoá bền cũng rất lớn Biện pháp hoá bền này thờng dùng trong thép kết cấu chế tạo máy và thép dụng cụ

Các nguyên tử hoà tan làm mạng tinh thể nền xô lệch gây hiệu ứng hoá bền đồng thời cũng làm kim loại nền trở nên giòn hơn Chẳng hạn khi hàm lợng cacbon trong mactenxit vợt quá một giới hạn nhất định, chúng trở nên rất giòn phải qua ram mới sử dụng đợc

2.2.4 Hoá bền bằng pha phân tán

Bằng cách cho nhiều nguyên tố hợp kim hoà tan vào α-Fe để tạo thành dung dịch rắn quá bão hoà sau đó tiến hành hoá già hoặc ram làm cho các nguyên tố quá bão hoà đợc tiết ra dới dạng các pha mới kích thớc nhỏ li ti phân tán gây hiệu quả hoá bền đối với thép Phơng pháp hoá bền này rất thờng gặp trong sản xuất thép kết cấu Ví dụ, trong thép mactenxit hoá già ngời ta sử dụng các nguyên tố hợp kim Ni, Mo, Ti hoà tan dạng thay thế trong mactenxit, khi xử lý hoá già, các pha hợp chất liên kim Ni2Mo, η - Ni3Ti

và Fe2Mo đợc tiết ra có tác dụng hoá bền đối với pha nền , nhờ vậy độ bền αcủa thép có thể tăng tới 690 - 1370 MPa Đối với thép hợp kim chứa cacbon, lợi dụng sự quá bão hoà của C, V, Nb, Mo, W và Cr trong mactenxit khi ram

sẽ tiết ra dới dạng cacbit có kích thớc nhỏ, phân tán để hoá bền thép Pha phân tán có tác dụng tăng bền cho thép thông qua hiệu ứng cản trở sự chuyển

động của lệch Sự cản trở lệch chuyển động có thể dới hình thức lệch phải chuyển động cắt ngang qua các hạt pha thứ hai có độ cứng cao nên đặc tính

của bản thân các hạt pha phân tán rất quan trọng hoặc lệch chuyển động uốn ; lợn qua các hạt cứng mà kích thớc và độ phân tán của pha thứ hai lại quan trọng hơn Trong cả hai trờng hợp tỷ lệ thể tích của pha phân tán trong thép

Hiện tợng hoá bền pherit bằng pha phân tán đã đợc áp dụng trong thép xây dựng cacbon thấp Ví dụ cho vào thép vi lợng Nb, V (≈ 0,05%), thông qua điều khiển công nghệ cán nóng thu đợc pha thứ hai tiết ra dới dạng hạt li ti phân tán NbC, VC, Nb(C, N), V(C,N) sẽ có thể tăng độ bền của thép một cách rõ rệt Dù pha kết tủa có quan hệ liền mạng hay không liền mạng thì bên cạnh sự hoá bền thép đều làm thép giảm tính dẻo, tăng tính giòn

Đặc biệt nếu sự tiết pha u tiên theo biên giới có số lợng pha tiết ra tha thớt, thông thờng khi đó mặt phá huỷ của thép sẽ phát triển dọc theo biên giới hạt

2.2.5 Hoá bền bằng chuyển biến mactenxit

Tổ chức mactenxit có độ bền cao nhờ hiệu quả hoá bền dung dịch rắn, hoá bền bằng pha phân tán và hoá bền do chuyển biến pha gây nên biến dạng dẻo nguội Chuyển biến γ→ M xảy ra khi thép nung đợc làm nguội xuống dới điểm chuyển biến mactenxit MS Nhiệt độ hình thành mactenxit có ảnh hởng rất lớn tới hình thái và cấu trúc của mactenxit ở nhiệt độ tơng đối cao, mactenxit có dạng tấm, thậm chí có khi một khóm gồm nhiều tấm song song với nhau tạo thành dạng hạt lớn đa cạnh Mật độ lệch trong mactenxit rất cao (tơng tự nh kim loại sau khi biến dạng dẻo nguội), có tác dụng hoá bền Khi mactenxit hình thành ở nhiệt độ thấp có xảy ra trợt mạng theo cơ chế song tinh

và trong mactenxit hình kim có vô số song tinh cũng gây hiệu ứng hoá bền tơng tự biến dạng dẻo nguội

Trong thép hợp kim Fe Ni chứa cacbon thấp, Ni < 28% khi tôi- hình thành mactenxit dạng tấm khi hàm lợng Ni, > 30% hình thành mactenxit dạng kim Đối với thép cacbon, ảnh hởng của nhiệt độ chuyển biến mactenxit tới hình thái tổ chức mactenxit trên hình 2.3

đến hình thái mactenxit

Các vùng nhiệt độ hình thành mactenxit dạng tấm và dạng kim sẽ có sự thay đổi trong các hệ thép hợp kim khác nhau Ví dụ, hệ hợp kim Fe C ở - +2000C hình thành kim mactenxit song tinh, trong khi hệ hợp kim Fe- Cr- C ở

- 1960C, hệ hợp kim Fe Ni ở - - 500C

Các nguyên tố hợp kim hoà tan trong mactenxit có tác dụng hoá bền dung dịch rắn, tức là khi nguyên tử các nguyên tố này chui vào mạng tinh thể pha cơ sở làm xô lệch mạng, sự xô lệch mạng càng lớn, tác dụng hoá bền càng

rõ rệt Các nguyên tử hoà tan dạng thay thế có tác dụng hoá bền nhỏ hơn nhiều so với các nguyên tử hoà tan dạng xen kẽ Nguyên tử hoà tan dạng xen

kẽ C và N có tác dụng hoá bền rất mạnh Thực nghiệm cho biết độ bền của mactenxit tỷ lệ với căn bậc hai của hàm lợng cacbon biểu diễn theo tỷ số nguyên tử

Mactenxit chứa cacbon là dung dịch rắn quá bão hoà Nếu mactenxit hình thành ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thờng thì ngay trong quá trình làm nguội tiếp sau đó có thể xảy ra hiện tợng nguyên tử cacbon tụ tập về xung quanh đờng lệch, thậm chí tiết pha cacbit Quá trình này cũng có thể xảy ra khi giữ thép tôi ở nhiệt độ phòng trong thời gian lâu Hiện tợng này gây nên hiệu ứng hoá bền pha phân tán Hiệu ứng hoá bền pha phân tán cũng góp phần quan trọng trong sự hoá bền mactenxit

Tác dụng hoá bền do quá bão hoà cacbon và do pha phân tán chiếm tới

85 - 90% lợng hoá bền của mactenxit Do đó, độ cứng của thép sau khi tôi chủ yếu phụ thuộc vào hàm lợng cacbon Vì thế khi thiết kế thành phần thép kết cấu thờng điều chỉnh hàm lợng cacbon để đạt đợc độ bền theo ý muốn

Hình thái mactenxit ảnh hởng không nhiều tới độ bền, song lại ảnh hởng rất lớn tới độ dai Mactenxit dạng tấm với mật độ lệch cao có tính dẻo tơng đối tốt, còn mactenxit dạng kim có song tinh, có độ dẻo rất thấp vì nơi các kim mactenxit giao nhau thờng tạo thành vết nứt tế vi

Độ quá bão hoà cacbon trong mactenxit càng lớn thì giới hạn chảy của mactenxit càng cao song tính giòn càng tăng Khi cacbon đợc tiết bớt khỏi mactenxit, xô lệch mạng giảm làm độ bền giảm, độ dai tăng

Bằng phơng pháp cơ nhiệt luyện có thể nâng độ bền của thép (σb) lên tới 2950 MPa mà vẫn giữ đợc độ dẻo và độ dai tốt Trong quá trình cơ nhiệt luyện, ngời ta tiến hành biến dạng dẻo 60 90% đối với austenit quá - nguội sau biến dạng xong lập tức tôi thành mactenxit Công nghệ cơ nhiệt luyện này đã tổng hợp đợc nhiều phơng thức hoá bền: đầu tiên do biến dạng dẻo lớn ở vùng nhiệt độ trung gian, mật độ lệch trong austenit tăng rất cao,

đồng thời biến dạng dẻo hỗ trợ cacbit tiết ra theo các đờng lệch Tất cả những siêu tổ chức này đợc bảo lu lại trong mactenxit hình thành khi tôi làm tăng

độ bền của thép iện pháp hoá bền ở đây bao gồm: hoá bền do biến dạng dẻo, Bhoá bền do pha phân tán và hoá bền do chuyển biến mactenxit

2 .3 Độ thấm tôi của thép kết cấu

2.3.1 ý nghĩa của độ thấm tôi

Thép chế tạo máy bao gồm thép cacbon trớc cùng tích và thép hợp kim thấp ở trạng thái ủ, độ cứng của thép thờng không quá HB240 Khi độ cứng không quá HB500 thì giữa độ bền σb và độ cứng HB có mối quan hệ sau:

σb ≈10/3HB, MPa (tức MN/m2)

Độ bền của thép ở trạng thái ủ σb có thể đạt 690 MPa, sau tôi và ram có thể đạt 1570 MPa Quan hệ giữa độ bền và độ cứng của thép, nh trình bày trên hình 2.4

Hình 2.4 là kết quả đo đợc đối với 4 loại thép: thép cacbon, thép crôm, thép crôm niken và thép crôm mangan silic với các thành phần khác nhau.- - -

Từ hình 2.4 ta thấy rằng mặc dù thép khác nhau, sau nhiệt luyện để có độ cứng nh nhau thì giới hạn bền kéo σb xấp xỉ nh nhau

Tỷ số giới hạn chảy σch so với giới hạn bền σ b ở trạng thái ủ là 0,5 0,6; -

ở trạng thái sau tôi và ram là 0,8 - 0,9 Vì thếmặc dù đều có giới hạn bền σbnh nhau, thép ở trạng thái tôi ram có giới hạn chảy - σch cao hơn thép ở trạng

thái ủ tới 50%

Đối với mẫu thép bề mặt nhẵn bóng có giới hạn bền mỏi (khi mẫu chịu tải uốn và quay tròn) bằng khoảng 1/2 σb (khi σb ≤ 1370 MPa) Đối với mẫu

không tôi thấu hoàn toàn thành mactenxit, sau khi ram đạt độ cứng nh nhau thì giới hạn bền mỏi sẽ thấp hơn và cũng xảy ra đối với chỉ tiêu độ dai va đập (xem hình 2 ) 5

Từ những kết quả trình bày trên có thể rút ra 3 nhận xét sau:

* Sản phẩm thu đợc sau khi ram mactenxit cho cơ tính tổng hợp ở

nhiệt độ thờng cao hơn tổ chức pherit + peclit tấm

* Chi tiết đợc tôi thấu cho cơ tính tổng hợp tốt hơn chi tiết không

đợc tôi thấu

* Dù thép cacbon hay thép hợp kim nếu đạt đợc điều kiện

tôi thành mactenxit thì sau khi ram đều cho cơ tính tổng hợp tốt

Trong thực tế khả năng thấm tôi của thép cacbon nhỏ hơn thép hợp kim, cho nên khi chế tạo chi tiết kích thớc lớn bằng thép cacbon chiều sâu lớp mactenxit thu đợc khi tôi có thể không đạt yêu cầu Do đó trong chế tạo chi tiết máy ngời sử dụng nhiều thép kết cấu hợp kim.ta

Vấn đề cần đợc xem xét là đối với chi tiết máy cụ thể, chiều sâu lớp mactenxit cần có là bao nhiêu? Điều này hoàn toàn do trạng thái chịu tải của chi tiết quyết định Ví dụ chi tiết dạng trục khi làm việc chịu lực dạng uốn,

dạng xoắn tác dụng phản hồi có ứng suất lớp bề mặt lớn nhất còn ở trung tâm ứng suất nhỏ nhất Cho nên chỉ yêu cầu một lớp bề mặt với độ sâu nhất định

đợc tôi thành mactenxit hoàn toàn, vợt quá độ sâu này lợng mactenxit có thể giảm dần, ở trung tâm lợng mactenxit giảm tới khoảng 50% Song đối với bulon quan trọng khi làm việc chịu tải trọng kéo hoặc cắt với ứng suất nh nhau trên toàn bộ tiết diện nên cần chọn thép sao cho khi tôi thu đợc tổ chức mactenxit trên toàn bộ tiết diện

2.3.2 ứ ng dụng đờng cong thử độ thấm tôi đầu mút

Khi cung cấp hàng hoá, mỗi mác thép nên kèm theo đờng cong thử độ thấm tôi đầu mút Trên mẫu thử độ thấm tôi đầu mút có thể xác định độ cứng, tốc độ nguội và tổ chức tế vi ở các điểm và lập mối quan hệ “Tốc độ nguội - Tổ chức kim tơng - Độ cứng” Có thể căn cứ vào đờng cong thử độ thấm tôi đầu mút để tiến hành chọn thép trong chế tạo máy

Trên đờng cong tôi đầu mút có các điểm đặc biệt cần chú ý là:

* Độ cứng đo đợc ở gần đầu mút khoảng 1,5 mm, biểu hiện khả năng tôi cứng (tính tôi cứng) của thép, chủ yếu đợc quyết định bởi hàm lợng cacbon trong mactenxit

* Độ cứng ở điểm uốn của đờng cong, biểuhiệnđộ cứng của tổ chức 50% mactenxit và khoảng cách từ điểm này tới đầu mút đặc trng

cho độ thấm tôi của thép

* Điểm cách đầu mút xa nhất có tổ chức mactenxit (99,9%M) sẽ xác định bằng kính hiển vi kim tơng hoặc bằng thử độ cứng và khoảng cách này cũng đặc trng độ thấm tôi của thép

* Nếu đờng cong độ cứng thay đổi từ từ chứng tỏ thép có độ thấm tôi lớn, nếu đờng cong độ cứng thay đổi gấp (nhất là vùng gần điểm

uốn) chứng tỏ thép có độ thấm tôi nhỏ

Ví dụ : Lựa chọn thép cần chế tạo bánh răng với yêu cầu trung tâm phần chân răng sau khi tôi dầu đạt độ cứng HRC40 Đầu tiên cần xác định

tốc độ nguội ở trung tâm chân răng khi tôi dầu Thực hiện nh sau: chế tạo bánh răng bằng loại thép đã có đờng cong độ thấm tôi đầu mút Bánh răng sau khi tôi đợc cắt bổ để đo độ cứng phần chân răng Từ giá trị độ cứng đo

đợc, đối chiếu trên đờng cong thử độ thấm tôi đầu mút của của thép đó để tìm tốc độ nguội tơng ứng Bớc hai, sau khi biết đợc tốc độ nguội phần trung tâm chân răng, tiếp tục đi tìm trên các đờng cong thử thấm tôi đầu mút của các mác thép kết cấu có loại thép cho độ cứng HRC40 ở tốc nguội tơng ứng tốc độ nguội trung tâm chân răng đã đo đợc Cuối cùng dùng loại thép đợc lựa chọn đa chế tạo bánh răng, tôi thử trong dầu lại cắt bổ kiểm tra nếu độ cứng đạt đợc nh yêu cầu thì mác thép này đợc chấp nhận, nếu

độ cứng không đạt phải tiến hành chọn lại

Đờng cong thấm tôi đầu mút của một loại mác thép thờng là một dải,

có nghĩa là độ thấm tôi của thép có đờng giới hạn trên và đờng giới hạn dới Nguyên nhân có sự ba động này là vì:

* Tuy cùng mác thép, cùng phơng pháp nấu luyện song thành phần hoá học thép ở các mẻ nấu khác nhau cũng sẽ có ba động;

* Ngay cả thép trong một mẻ nấu, các thỏi đúc khác nhau hoặc cùng thỏi

đúc song vị trí lấy mẫu khác nhau thì thành phần hoá học cũng

có sự khác biệt nhất định;

* Phôi thép trong quá trình rèn, cán và nhiệt luyện cũng không tránh khỏi

có sự khác biệt chút ít về công nghệ

Cho nên khi sử dụng đờng cong độ thấm tôi đầu mút nên sử dụng

đờng cong giới hạn dới và chú ý tới điều kiện nung thép khi thử nghiệm

2.3.3 ả nh hởng của nguyên tố hợp kim tới độ thấm tôi của thép

Cacbon là nguyên tố chủ yếu nhất trong thành phần hoá học của thép kết cấu Độ cứng của mactenxit đợc quyết định chủ yếu bởi hàm lợng cacbon (xem hình 2 ) Độ cứng của thép sau khi tôi có thể đạt đợc gọi là 6

“tính tôi cứng”

Hình 2.6: Mối quan hệ độ cứng thép sau tôi với hàm lợng cacbon

trong thép và hàm lợng mactenxit trong tổ chức.

Hình 2.7 trình bày hai đờng cong tôi đầu mút của hai mác thép 0,35C - 0,75Cr - 0,15Mo và 0,53C - 0,20Mo So sánh hai đờng cong ta thấy mác thép thứ nhất có hàm lợng cacbon thấp hơn có độ cứng ở phần đầu mút thấp hơn, tức tính tôi cứng của thép thấp hơn Mác thép thứ hai có hàm lợng cacbon cao hơn có độ cứng phần đầu mút cũng cao hơn, tức tôi cứng của thép lớn hơn Song mác thép thứ nhất có hàm lợng nguyên tố hợp kim nhiều hơn, có vị trí 50% mactenxit cách đầu mút xa hơn, đờng cong độ cứng thay đổi thoai thoải, tức độ thấm tôi lớn hơn mác thép thứ hai có hàm lợng nguyên tố hợp kim thấp hơn vị trí 50% mactenxit gần đầu mút hơn, đờng cong độ cứng biến

đổi gấp hơn, tức thép có độ thấm tôi nhỏ hơn

Các nguyên tố hợp kim thờng dùng trong thép có khả năng làm tăng độ thấm tôi của thép theo thứ tự tăng dần sau: Ni, Si, Cr, Mo, Mn, B Chỉ khi nào các nguyên tố hợp kim đợc hoà tan trong austenit mới có tác dụng làm tăng độ thấm tôi của thép, những hạt cacbit cha hoà tan vào austenit sẽ không làm tăng

độ thấm tôi của thép mà còn làm giảm độ thấm tôi của thép do các hạt cacbit d trở thành mầm ký sinh cho chuyển biến peclit và làm giảm nồng độ cácbon, nguyên tố hợp kim hoà tan vào austenit

Hình 2 7 Đờng cong thấm tôi của hai mác thép 0,53C - 0,20Mo

Trong thép kết cấu chế tạo máy thờng hợp kim hoá bởi một hoặc vài nguyên tố hợp kim sau: Mn (1-2%), Cr (0,8-1,8%), Si (0,9 1,2%),- Mo (0,15 - 0,30%), Ni (0,5 45- %), V (0,10- 0,20%), B (0,001- 0,003%) để tăng độ thấm tôi Nguyên tố C là nguyên tố tăng độ thấm tôi hiệu quả nhất Ví dụ trong thép

có chứa Mn(1,47 1,72%) nếu tăng- hàm lợng cacbon từ 0,25 lên 0,45% thì

độ thấm tôi của thép tăng lên rất nhiều

Chỉ có thép yêu cầu độ thấm tôi không cao mới sử dụng một nguyên tố hợp kim nh thép 40Cr, 45Mn2 Đối với thép yêu cầu độ thấm tôi cao đều

đợc hợp kim hoá ph c hợp bởi nhiều nguyên tố hợp kim Nguyên do là nứ hiều nguyên tố hợp kim c ng tồn tại trong thép sẽ tăng độ thấm tôi lớn gấp bội Ví ù

dụ, V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, cacbit vanadi khi nung tôi khó hoà tan vào austenit Những hạt cacbit cha hoà tan không chỉ làm giảm nồng độ cacbon trong austenit mà còn làm giảm độ thấm tôi của thép Song nếu nh

đồng thời cho Mn và V vào thép, nhờ sự có mặt của Mn, cacbit vanadi dễ hoà tan hơn khi nung, làm cho nồng độ C trong γ tăng, V hoà tan vào γ làm độ thấm tôi của thép tăng rất mạnh, ví dụ, thép 42Mn2V có độ thấm tôi lớn hơn nhiều so với thép 40Mn2 và 42SiMn Cũng với lý do tơng tự, khi nguyên tố

Ni sử dụng đơn độc, tác dụng tăng độ thấm tôi tơng đơng Si, song Ni cho vào thép có chứa Cr hoặc Cr - Mo thì hiệu ứng tăng độ thấm tôi rất mạnh

Ngày nay thép yêu cầu có độ thấm tôi lớn đều thiết kế thành phần theo nguyên tắc phối nhiều loại nguyên tố hợp kim với hàm lợng nhỏ, ví dụ 35CrMnSi, 40CrMnMo, 40CrNiMc, 35SiMnMoV Nh vậy vừa phát huy đợc tác dụng của các nguyên tố vừa có thể tận dụng đợc nguyên tố hợp kim trong thép phế thải Về cơ chế tác dụng đồng thời của nhiều nguyên tố hợp kim cho

đến nay cha đợc làm sáng tỏ hoàn toàn

Trong thép kết cấu, tổ chức ban đầu của thép là pherit - peclit với dạng cacbit thờng gặp nhất à xêmentit Trong xêmentit có thể hoà tan các nguyên l

tố Mn, Cr, Mo,W, V… Những nguyên tố hợp kim có khuynh hớng tạo cacbit riêng càng mạnh, khả năng hoà tan nó trong xêmentit càng nhỏ Tỷ lệ nồng độ nguyên tử giữa cacbon với nguyên tố hợp kim trong thép càng nhỏ thì khả năng xuất hiện cacbit đặc biệt càng tăng với thứ tự (Cr, M)7C3, (Cr,M)22C6, M6C và thậm chí có thể xuất hiện dạng cacbit MC Khi nung, cacbit đặc biệt tơng đối khó hoà tan vào austenit, ngay cả xêmentit khi có hoà tan nguyên tố tạo cacbit mạnh cũng trở nên khó hoà tan Sau khi những cacbit đã hoà tan, những nguyên tố tạo cacbit mạnh này còn gây cản tr sự khuếch tán của ở nguyên tử C trong austenit làm quá trình đồng đều hoá thành phần chậm Do

đó khi nung những thép có chứa nguyên tố hợp kim tạo cacbit mạnh (W, Mo,

V, Nb…) cần nâng cao nhiệt độ nung và kéo dài thời gian nung hơn

Việc nâng cao nhiệt độ nung và kéo dài thời gian nung làm độ thấm tôi của thép kết cấu tăng do cacbit hoà tan triệt để, độ đồng đều thành phần trong γ cao hơn Ngoài ra hạt austenit lớn cũng làm tăng độ thấm tôi phần nào, song hạt tinh thể austenit lớn lại làm giảm độ dai va đập của thép và tăng nguy cơ bị nứt khi tôi, cho nên việc nâng cao nhiệt độ khi nung cần có giới hạn, tránh xảy ra hiện tợng hạt austenit lớn lên quá mức

Riêng thép có chứa nguyên tố hợp kim B khi tăng nhiệt độ nung cần chú ý hiện tợng sau Ví dụ thép mangan cacbon trung bình chứa B thoạt đầu khi tăng nhiệt độ nung, nguyên tố B hoà tan vào γ càng nhiều khiến độ thấm tôi của thép tăng mạnh ở nhiệt độ nung 845: 0C độ thấm tôi đạt giá trị lớn nhất song nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nung độ thấm tôi lại giảm nhanh, khi nhiệt độ nung vợt quá 9800C độ thấm tôi thậm chí thấp hơn cả thép không chứa B Cho nên khi tôi thép chứa B cần tiến hành thí nghiệm để chọn nhiệt độ nung tôi sao cho hợp lý

Trong thời gian chục năm gần đây, trên cơ sở số liệu phong phú về các

đờng cong độ thấm tôi đầu mút, ngời ta đã xây dựng đợc các phơng trình hồi quy phản ảnh mối quan hệ giữa độ cứng tôi đầu mút với thành phần hoá học của thép và độ lớn của hạt Phơng trình hồi quy đó nh sau thích hợp γvới phạm vi thành phần thép là: C < 0,6%, Cr < 2%, Mn < 2%, Ni < 4%, Mo < 0,5%, V < 0,2%

J4-40 (HRC) = 88 C- 0,0135E2 C+19Cr+ 6,3Ni+16Mn - 35Mo +

5 Si – 0,82K 20- C + 2,11E 2HRC-

Trong đó:

J4-40 chỉ độ cứng ở khoảng cách đầu mút từ 4 đến 40 đơn vị 1/16 inse (inse ≈25,4 mm) tức công thức tính có hiệu lực ở khoảng cách này

E - khoảng cách nơi khảo sát tới đầu mút tính theo đơn vị 1/16 inse;

K là cấp độ hạt của austenit (ASTM)

Trong khoảng cách đầu mút nhỏ hơn 4 x 1/16 độ cứng sau khi tôi đợc quyết định bởi hàm lợng cacbon trong thép, ảnh hởng của nguyên tố hợp kim tới độ cứng vùng này có thể bỏ qua Kết quả tính toán theo công thức thực nghiệm trên cho kết quả khá phù hợp với kết quả thực nghiệm

Những năm gần đây M.Grossman có ý tởng lập công thức tính toán

đờng kính tôi tới hạn với tổ chức tâm là 50% mactenxit trên có sở

thành phần hoá học đã biết của thép: