GIÁO TRÌNH MÔN HỌCTên môn học: Vật liệu cơ khíMã môn học: MH08Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Được bố trí vào học kỳ 1 trước khi học sinh học các mô đunchuyê
Khái niệm về vật liệu kim loại
Kim loại là loại vật liệu có các tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn, độ dẻo và độ chống mỏi cao Nhờ đó mà kim loại được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và các ngành kĩ thuật khác Ở dạng nguyên chất, do cường độ và độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng rất hạn chế Chúng được sử dụng chủ yếu ở dạng hợp kim với kim loại và á kim khác, thí dụ như cacbon Sắt và hợp kim của nó (thép và gang) gọi là kim loại đen; những kim loại còn lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v ) và hợp kim của chúng gọi là kim loại màu Kim loại đen được sử dụng trong xây dựng nhiều hơn cả, giá kim loại đen thấp hơn kim loại màu Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả năng chống ăn mòn, tính trang trí cao Những điều đó đã mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu trong xây dựng, phổ biến là các chi tiết kiến trúc và các kết cấu nhôm
Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen là quặng sắt, mangan, crôm; các khoáng đại diện cho chúng là oxit như macnetit Quặng màu sử dụng boxit chứa hidroxit như hidracgilit và diasno Các loại quặng sunfua và cacbonat của đồng, niken, chì có khoáng đại diện là chancopirit, sfalêit, xeruxit, magiezit.
Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm vật liệu chính (hình 1.1) như sau:
Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng:
Vật liệu kim loại Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại, trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyên tử nào
Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại là:
- Dẫn nhiệt, dẫn điện cao,
- Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo dễ biến dạng dẻo.
- Trừ nhôm ra các kim loại thông dụng như sắt, đồng đều khá nặng,
- Nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật.
Ceramic (vật liệu vô cơ) Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh Các tính chất điển hình của vật liệu vô cơ - ceramic là:
- Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện).
- Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ.
Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ polyme là:
- Dẫn nhiệt, dẫn điện kém.
- Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao.
- Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp.
Compozit Vật liệu này được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần.
Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn. Ngoài ra có những nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên:
- Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn).
- Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn
Cấu tạo mạng tinh thể
Cấu tạo nguyên tử kim loại
Như đã học ở môn "Vật Lý", nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mang điện tích dương) và các điện tử bao quanh (mang điện tích âm) mà ở trạng thái bình thường được trung hòa về điện Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dương) và nơtron (không mang điện) Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao Cấu hình điện tử (electron configuration) chỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3 ), ký hiệu phân lớp (s, p, d ), số lượng điện tử thuộc phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp) Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình điện tử là 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 , qua đó biết được số điện tử ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1) Trong số kim loại có nhóm kim loại chuyển tiếp là loại có phân lớp ở sát phân lớp ngoài cùng bị thiếu điện tử Ví dụ: Fe có Z = 26 có cấu hình điện tử là1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (trong trờng hợp này phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6,nếu đủ phải là 10 như trường hợp của Cu).
Cấu tạo tinh thể kim loại
- Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân).
+ Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (hình 1.2b).
+ Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2c) Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng Ví dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A
Hình 1.2 Cấu tạo mạng tinh thể
- Các kiểu mạng tinh thể thường gặp:
+ Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα ,
Hình 1.3 Ô cơ sở mạng lập phương thể tâm
Cấu trúc lập phương tâm là kiểu mạng lưới tinh thể trong đó các nguyên tử hoặc ion nằm ở vị trí đỉnh và tâm các mặt của hình lập phương Các kim loại nguyên chất như sắt (Fe), đồng (Cu), niken (Ni), nhôm (Al) và chì (Pb) sở hữu cấu trúc lập phương tâm.
Hình 1.4 Ô cơ sở mạng lập phương diện tâm+ Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn…
Hình 1.5 Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt Như vậy có thể xem một khối kim loại nguyên chất là tập hợp vô số các mạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô số các ô cơ sở và dạng của từng ô cơ sở tùy thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó.
Hình 1.6 Cấu tạo của kim loại a, b Ô cơ sở; c mạng cơ sở; d Các hạt tinh thể sắp xếp trong kim loại; e Bề mặt kim loại khi được phóng đại
Các dạng ô cơ bản của mạng tinh thể kim loại
Như đã nói không thể biểu diễn cả mạng tinh thể với vô vàn nguyên tử. Trong cả mạng tinh thể với các chất điểm (ion, nguyên tử, phân tử) sắp xếp theo trật tự, có quy luật đó bao giờ ta cũng tìm đợc hình không gian nhỏ nhất đặc trư- ng cho quy luật sắp xếp đó đợc gọi là ô cơ sở Như mạng tinh thể lập phương(đơn giản) được biểu diễn ở hình 1.7 có thể được đặc trưng, biểu thị một cách đầy đủ bằng hình (khối) lập phương (được vẽ đậm trong hình b) Sau đây khi trình bày các kiểu mạng tinh thể ta chỉ cần đa ra ô cơ sở của nó là đủ Do tính đối xứng, từ một ô cơ sở tịnh tiến theo ba chiều đo trong không gian sẽ đợc mạng tinh thể.
Hình 1.7 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương Ô cơ sở được xây dựng trên ba vectơ đơn vị tương ứng với ba trục tọa độ Ox, Oy, Oz đặt trên ba cạnh của ô như biểu thị ở hình 1.7 Môđun của ba vectơ đó a, b, c là kích thước của ô cơ sở còn gọi hằng số mạng hay thông số mạng, vì chúng đặc trng cho từng nguyên tố hóa học hay đơn chất Các góc α , β , γ hợp bởi các véctơ đơn vị.
Ô cơ sở là đơn vị nhỏ nhất lặp lại của tinh thể, xác định hình dạng và đặc tính của tinh thể Có bảy hệ tinh thể chính, mỗi hệ có các cạnh và góc tương quan cụ thể Hệ tam tà có tất cả các cạnh và góc khác nhau, trong khi hệ trực giao có tất cả các góc bằng 90 độ Hệ mặt thoi có ba cạnh bằng nhau nhưng không có góc nào bằng 90 độ, còn hệ lục giác có hai cạnh bằng nhau và góc bằng 120 độ Hệ chính phương có tất cả các cạnh bằng nhau và các góc đều bằng 90 độ, trong khi hệ lập phương có tất cả các cạnh bằng nhau và tất cả các góc đều bằng 90 độ.
Nút mạng tương ứng với các tọa độ lần lượt trên các trục tọa độ Ox, Oy, Oz đã chọn được đặt trong dấu móc vuông [ x,y,z ], giá trị âm biểu thị bằng dấu " -
" trên chỉ số tương ứng, ví dụ: trên chỉ số tương ứng với trục Oy có giá trị âm là[ x, y ,z ].
Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được ký hiệu bằng [ u v w ]; như vậy chỉ cần biết hai nút mạng trên chúng sẽ xác định được phương đã cho.
Do nguyên tử được sắp xếp theo quy luật song song nên các phương này có tính chất giống hệt nhau, do đó sẽ có chung một chỉ số phương theo phương đi qua gốc tọa độ O Ba chỉ số u, v, w là ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của một nút mạng nằm trên phương đó và gần gốc tọa độ nhất Trên hình 1.9 giới thiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập phương.
Hình 1.9 Các phương điển hình của hệ lập phương
2.3.3 Chỉ số Miller của mặt tinh thể
Mặt tinh thể là mặt phẳng được tạo nên bởi các (ít nhất là ba) nút mạng Có thể coi mạng tinh thể như gồm bởi các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song với nhau và cách đều nhau Các mặt tinh thể song song với nhau do có tố như chất hoàn toàn giống nhau như vậy nên có cùng một ký hiệu Người ta ký hiệu mặt bằng chỉ số Miller (h k l) Các chỉ số h, k, l được xác định theo các bước như sau:
- Tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz, xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểm, rồi lấy các giá trị nghịch đảo.
- Quy đồng mẫu số chung, lấy các giá trị của tử số, đó chí như là các chỉ số h, k, l tương ứng cần tìm.
Đơn tinh thể và đa tinh thể
Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu và hằng số mạng cũng như phương không đổi hướng trong toàn bộ thể tích thì được gọi là đơn tinh thể (hình 1.10a) Trong thiên nhiên tìm thấy một số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể Chúng có bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặt nhất) Các đơn tinh thể kim loại không tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùng công nghệ "nuôi"đơn tinh thể Đơn tinh thể có tính chất rất đặc thù là dị hướng vì theo các phương mật độ xếp chặt nguyên tử khác nhau như đã trình bày ở trên Trong sản xuất cơ khí hầu như không sử dụng đơn tinh thể, nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn.
Hình 1.10 Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể: đường tối là biên hạt (c), cấu trúc của siêu hạt (d)
Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ àm) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt, chúng tuy có cùng cấu trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.10b.
Từ mô hình đó thấy rõ:
- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét về mặt này từng hạt đều thể hiện tính dị hướng.
- Các hạt tuy có mạng và thông số giống nhau nhưng có phương lệch nhau tức tính đồng nhất về phương mạng không giữ được trong toàn khối mạng vì thế lại thể hiện tính đẳng hướng (đôi khi còn gọi là đẳng hướng giả vì mỗi phần của nó hạt vẫn thể hiện tính dị hướng).
- Biên hạt chịu ảnh hưởng quy luật phương mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “hỗn hợp” và vì vậy không duy trì được cấu trúc quy luật (tinh thể) mà lại có sắp xếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, thường là kém xít chặt với tính chất khác với bản thân hạt.
Quan sát tổ chức vi mô là phương pháp giúp chúng ta xác định rõ cấu trúc đa tinh thể (hay cấu trúc hạt) Trong quá trình này, mẫu vật liệu kim loại sau khi mài phẳng, đánh bóng và ăn mòn nhẹ được đặt vào kính hiển vi để quan sát Khi chùm tia sáng vuông góc chiếu vào bề mặt mẫu vật, những vùng nhẵn (trừ phần lõm) sẽ phản xạ ánh sáng, tạo nên ảnh sáng Quá trình ăn mòn nhẹ khiến biên hạt bị ăn mòn nhiều hơn, lõm vào, làm cho tia sáng chiếu tới bị hắt đi, tạo nên vùng tối Những đường viền tối này giúp chúng ta dễ dàng nhận biết được vị trí của các hạt, thể hiện cấu trúc mặt cắt ngang qua hạt theo quy luật ngẫu nhiên.
Người ta có thể cảm nhận được độ lớn của hạt hay tinh thể khi quan sát chỗ vỡ của kim loại qua độ xù xì, gợn hạt của nó Như sau này sẽ biết hạt to hay nhỏ ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính nên rất cần đánh giá chúng về mặt định lượng.
Trong nghiên cứu kim loại thường dùng khái niệm độ hạt, biểu diễn bằng kích thước (khoảng cách giữa hai mép đối diện, đôi khi còn gọi là đường kính) trung bình các hạt trên tổ chức tế vi Để xác định độ hạt người ta hay dùng các cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00, 0, 1,2 , 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó tám cấp thư- ờng dùng là từ 1 đến 8 Gọi Z là số hạt có trong hình vuông của tổ chức tế vi với độ phóng đại x100, cạnh khoảng 2,5cm (đó chính là 1inch 2 ≈ 6,25cm 2 ) và N là cấp hạt, chúng có quan hệ Z = 2 N-1
Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh ở cùng độ phóng đại (thường là x100) giữa tổ chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn Với các cấp thông dụng từ 1 đến 8 kích thước (đường kính) hạt thay đổi từ cỡ trên dới 300àm đến trờn dới 25àm như biểu thị ở bảng 1.2.
Bảng 1.2 Các cấp chuẩn chính theo ASTM
Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kích thước hàng chục - hàng trăm àm) với phương mạng lệch nhau một gúc đỏng kể (hàng chục độ), đến lượt mỗi hạt nú cũng gồm nhiều thể tớch nhỏ hơn (kớch thước cỡ 0,1 ữ 10àm) với phương mạng lệch nhau một góc rất nhỏ (không quá 1-2 o ) chúng được gọi là siêu hạt hay block như biểu thị ở hình 1.10d Như vậy biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch như- ng với mức độ thấp hơn và có chiều dày nhỏ hơn.
Hình 1.12 Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100
Sự kết tinh của kim loại
Điều kiện xảy ra kết tinh
Trước tiên hãy xét xem sự kết tinh có thể xảy ra được trong các điều kiện nào? Để trả lời câu hỏi này hãy đi từ trạng thái xuất phát của nó - trạng thái lỏng.
3.1.1 Cấu trúc ở trạng thái lỏng
Chất lỏng chỉ có trật tự gần (mà không có trật tự xa) tức trong nó có những nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động tức là chỉ có khả năng tồn tại trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành ở chỗ khác Một dạng tồn tại như vậy cho thấy về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể hơn là trạng thái khí , điều này giúp nó kết tinh (tạo nên mạng tinh thể và hạt) một cách dễ dàng.
3.1.2 Biến đổi năng lượng khi kết tinh
Sự biến đổi năng lợng quyết định chiều hướng của mọi chuyển biến (như phản ứng hóa học, chuyển pha, kết tinh ) Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ Ví dụ, mọi vật đều có xu hướng tự giảm độ cao vì ở vị trí thấp có dự trữ năng lượng (thế năng) nhỏ hơn. Đối với chuyển trạng thái cũng vậy, động lực thúc đẩy nó cũng là năng lượng dự trữ - chuyển động của nguyên tử, phân tử, ion - được đặc trưng bằng đại lượng được gọi là năng lượng tự do F (vì không đo được giá trị tuyệt đối nên có thể biểu thị bằng ∆F) Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Hình 1.13 biểu thị sự biến đổi của F của trạng thái lỏng và rắn (tinh thể) theo nhiệt độ:
- Ở nhiệt độ To > Tso vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do của trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn, Fl < Fr, sự kết tinh cha xảy ra,
- Ở nhiệt độ To < Tso vật thể ở trạng thái tinh thể vì Fr < Fl.
Như thế, khi làm nguội qua Tso (tại đó Fl = Fr) sẽ có sự chuyển trạng thái từ lỏng sang tinh thể, tức xảy ra kết tinh, nên Tso được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy) nhưng chỉ có tính lý thuyết và đợc coi như một đặc trng cho nguyên tố hay đơn chất Sở dĩ nói có tí nh lý thuyết vì thật ra trong điều kiện thông thư- ờng, tại đúng nhiệt độ đó (To = Tso) khi làm nguội vẫn cha xảy ra kết tinh, khi nung nóng vẫn cha xảy ra nóng chảy do hai trạng thái lỏng - rắn cân bằng nhau, tức vẫn duy trì trạng thái ban đầu Vì thế sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh (lý thuyết) Ts kể trên một khoảng nhất định để tại đó
Fr < Fl một cách rõ rệt Đó là điều kiện để xảy ra kết tinh.
Hình 1.13 Sơ đồ biến đổi năng lượng tự do ∆F của các trạng thái rắn, lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Người ta gọi hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết Tso và nhiệt độ kết tinh thực tế là độ quá nguội ∆To:
∆To Vậy có thể phát biểu một cách khác điều kiện kể trên là: sự kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội Đa số kim loại nguyên chất kỹ thuật có thể kết tinh với độ quá nguội thay đổi từ rất nhỏ (chỉ 1 ÷ 2 o C) đến rất lớn (hàng chục, trăm đến nghìn o C) tùy theo tốc độ làm nguội khi kết tinh là chậm hay nhanh Ví dụ, với cùng một kim loại, nhiệt độ kết tinh thực tế trong khuôn cát cao hơn trong khuôn kim loại, do vậy không thể có nhiệt độ kết tinh thực tế nói chung (cho mọi tr- ường hợp) Khi làm nguội rất chậm một cách cố ý, kim loại nguyên chất kỹ thuật có nhiệt độ kết tinh thực tế rất gần với lý thuyết, trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua sự sai lệch đó.
Cũng với lý luận tương tự cho khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra ở nhiệt độ > , độ chênh lệch giữa chúng đợc gọi là độ quá nung.
Hai quá trình của sự kết tinh
Ở nhiệt độ T 50%) được gọi là nền hay nguyên tố chủ Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim(và trong ceramic) thường được biểu thị bằng phần trăm khối lượng (khi bằng phần trăm nguyên tử phải chỉ định rõ kèm theo),trong polyme được biểu thị bằng phần trăm thể tích.
Các tổ chức của hợp kim
Các tổ chức của hợp kim: gồm có dung dịch rắn và hợp chất hóa học
Dung dịch rắn là hợp kim được tạo thành khi hai hoặc nhiều nguyên tố hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn, hình thành nên một cấu trúc đồng nhất Có hai loại dung dịch rắn: dung dịch rắn thay thế, trong đó các nguyên tử thay thế nhau trong cùng một mạng tinh thể; và dung dịch rắn xen kẽ, trong đó các nguyên tử xen kẽ nhau giữa các khoảng trống mạng tinh thể.
Hình 2.1 Dung dịch rắn thay thế và xen kẽ.
Dung dịch rắn: ký hiệu: A(B), trong đó A là nguyên tố dung môi với nồng độ > 50% và B là nguyên tố hòa tan với nồng độ < 50%
• Dung dịch rắn có đặc điểm sau :
• Mạng tinh thể là mạng của dung môi
• Tính chất: mang tính chất dung môi
• Ví dụ: sắt hòa tan cacbon là một tổ chức có trong thép, gọi là Ferit Fe(C).
Tổ chức này có cấu trúc mạng tinh thể của sắt Do vậy nó mang tính chất của
Sắt (Fe) có độ bền thấp nhưng bù lại có độ dẻo và độ dai cao Hợp chất hóa học là một loại hợp kim được tạo thành từ hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng phản ứng với nhau ở trạng thái rắn, từ đó tạo nên một chất mới với các tính chất hoàn toàn khác biệt.
Hình 2.2 Kí hiệu công thức hóa học Hợp chất hóa học: ký hiệu: AmBn
• Hợp chất hóa học có những đặc điểm sau :
• Mạng tinh thể mới: khác mạng tinh thể A và mạng tinh thể B
• Tính chất: mạng tính chất mới, cứng nhưng giòn hơn các nguyên tố hợp kim (khác tính chất A và khác tính chất của B)
• Ví dụ: hợp chất cacbit sắt Fe3C chứa trong thép cacbon làm cho thép cứng & giòn hơn sắt (Fe) và cacbon (C) nguyên chất.
Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C (Fe- Fe 3 C)
Giản đồ pha Fe - C (chỉ xét hệ Fe - Fe3C) khá phức tạp, rất điển hình để minh họa các tương tác thường gặp và đợc sử dụng rất nhiều trong thực tế
Vì vậy hiểu rõ giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều điều bổ ích
Nói là giản đồ pha Fe - C song thực tế chỉ khảo sát một phần (phần giàu Fe) với lượng cacbon đến 6,67 % (tương ứng với hợp chất Fe3C) - tức hệ Fe -
Fe3C Ngoài ra còn có giản đồ Fe - grafit là hệ cân bằng ổn định nhất, song trongthực tế rất khó đạt tới, nên giản đồ Fe - Fe3C cũng được coi là cân bằng ổn định (đúng hơn là cân bằng ổn định giả).
2.1 Sự tương tác của Fe và C.
Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quả đất Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính như sau:
So với các kim loại khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sử dụng Khi đa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra cả hai tương tác (hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian), đều có tác dụng hóa bền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn (sắt) và đang đợc sử dụng một cách rộng rãi nhất.
2.1.1 Sự hòa tan của cacbon vào sắt
Như đã nói do quan hệ kích thước nguyên tử (cacbon nhỏ hơn sắt, rC 0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thể hòa tan có hạn vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kẽ Như đã biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm khối A2 (tồn tại ở < 911 o C - Feα và 1392 ÷1539 o C - Feδ) và lập phương tâm mặt A1 (911÷1392oC - Feγ) với các lỗ hổng có kích thước khác nhau và do đó khả năng hòa tan cacbon khác nhau.
Mặc dù cấu trúc lập phương tâm khối của Feα và Feδ có mật độ xếp thấp và nhiều lỗ hổng, song kích thước của chúng quá nhỏ (lỗ tám mặt có bán kính 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn hơn có bán kính 0,291rFe) Ngay cả lỗ hổng lớn nhất cũng chỉ bằng 30% kích thước của nguyên tử sắt hoặc gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon, chỉ có thể chứa một khối cầu có bán kính 0,0364nm Do đó, về nguyên lý, Feα và Feδ không có khả năng hòa tan cacbon hoặc độ hòa tan cacbon trong chúng là không đáng kể (có thể coi bằng không).
Khác với Feα và Feδ, Feγ với mạng lập phơng tâm mặt A1 tuy có mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhng lại có loại có kích thớc lớn hơn (lỗ bốn mặt r 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe) Ở lỗ hổng tám mặt này có thể chứa đợc khối cầu r = 0,052nm, nên có khả năng thu xếp để nguyên tử cacbon lọt vào bằng cách gi∙n các nguyên tử sắt ra xa Do vậy chỉ có FeO mới hòa tan được cacbon,tuy nhiên như đ∙ nói nguyên tử hòa tan không thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng tám mặt đó nên giới hạn hòa tan cacbon trong FeO chỉ là trên dới 10% nguyên tử.
2.1.2 Tương tác hóa học giữa Fe và C
Khi lượng cacbon đa vào sắt vợt quá giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn xen kẽ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành Fe3C gọi là xêmentit. Như đ∙ biết đó là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần 6,67%C + 93,33%Fe Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp kim thuần Fe - C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu không muốn nói là không thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và đợc coi là ổn định Trong thực tế sự tạo thành grafit có thể dễ dàng hơn nhiều khi có các yếu tố thuận lợi về thành phần và tốc độ nguội.
2.2 Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C.
Thép và gang là các vật liệu chủ yếu trong ngành cơ khí Cơ sở để nghiên cứu và nhiệt luyện chúng là giản đồ pha Fe – C Vì vậy cần phải nghiên cứu kỹ càng về giản đồ này.
Sắt là nguyên tố có khá nhiều trong tự nhiên, hiện tại người ta đã luyện được sắt có độ sạch 99,99999%Fe Trong thực tế sản xuất người ta thường nguyên cứu với sắt có lượng chứa 99,8 – 99,9% Sắt này gọi làsắt nguyên chất kỹ thuật (sắt am kô).
* Cơ tính: Sắt là nguyên tố có cơ tính khá cao, cụ thể như sau:
- Giới hạn bền kéo: = 250 MN/m 2 (MPa).
- Giới hạn chảy quy ước: δ0.2 = 120 MN/m 2
- Độ giản dài tương đối: δ = 50%
- Độ dai va đập: ak = 3000Kj/m 2
* Tính đa hình của sắt: Sắt là kim loại có tính đa hình, nó có hai kiểu mạng tinh thể ở các khoảng nhiệt độ khác nhau:
- Mạng lập phương tâm khối tồn tại ở nhiệt độ:
+ Nhỏ hơn 911 0 C gọi là sắt anpha có a = 2,68 Kx Dưới 768 0 C có từ tính, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính Tại nhiệt độ cao hơn 768 0 C gọi là sắt bêta, có a = 2,90Kx.
+ Từ 1392 0 C đến 1539 0 C gọi là sắt denta có a = 2,93 Kx.
- Mạng lập phương tâm mặt tồn tại ở nhiệt độ: 910 0 C < t 0 < 1392 0 C gọi là sắt gama, có a = 3,56 Kx.
* Khả năng hoà tan cacbon của sắt:
Hai loại mạng tinh thể của sắt có khả năng hoà tan cacbon dưới dạng xen kẻ khác nhau Đường kính nguyên tử cacbon là 1,54 Kx Trong khi đó lỗ hổng lớn nhất trong mạng tâm khối có d = 0,64Kx Mạng lập phương tâm mặt có lỗ hổng ít hơn nhưng có kích thước lớn hơn d = 1,02Kx Về nguyên tắc thì sắt không thể hoà tan cacbon được Tuy nhiên trong thực tế:
- Sắt anpha hòa tan được 0,02% C ở nhiệt độ 727 0 C,
- Sắt denta hòa tan 0,1% ở nhiệt độ 1499 0 C,
- Sắt gama hòa tan 2,14% ở nhiệt độ 1139 0 C.
Người ta cho rằng cacbon chui vào nơi có nhiều sai lệch mạng nhất Sắt gama có khả năng hòa tan tối đa khoảng 10% nguyên tử sắt.
- Các dạng tồn tại của cacbon: Trong tự nhiên cacbon tồn tại ba dạng: Than đá (vô định hình), kim cương và graphít (có cấu tạo mạng tinh thể) Trong hợp kim Fe-C cacbon chỉ tồn tại tự do ở dạng graphit (trong các loại gang có graphít).
-Tương tác hoá học giữa Fe và C: Khi lượng hòa tan của cacbon vào sắt vượt quá giới hạn của dung dịch rắn thì sẽ tạo nên hợp chất hoá học: Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C) Tuy nhiên trong hợp kim của sắt cacbon do chỉ sử dụng giới hạn khoảng 5% C nên chỉ có Fe3C và hợp chất này có tên là Xêmentit Xêmentit là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ nóng chảy khoảng 1250 0 C và có độ cứng khoảng 800HB Ở nhiệt độ nhỏ hơn
217 0 C có từ tính Lớn hơn nhiệt độ này mất từ tính Khi hoà tan thêm các nguyên tố hợp kim (Cr, Mn, W…) dưới dạng thay thế ta có xêmentit hợp kim (nguyên tố hợp kim thay thế vào vị trí của sắt).
2.2.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe – Fe3C)
2.2.3.1 Dạng tổng quát của giản đồ Fe-C
Chúng ta chỉ nghiên cứu giản đồ pha chứa 6,67% C nên còn gọi là giản đồ
NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 41 1 Nhiệt luyện
Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện
Nhiệt luyện là tập hợp các thao tác gồm nung nóng kim loại hay hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ lại tại đó một thời gian thích hợp (giữ nhiệt) rồi làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức do đó nhận được cơ tính và các tính chất khác theo ý muốn. Đặc điểm của nhiệt luyện:
- Không nung nóng đến chảy lỏng hay chảy lỏng bộ phận, trong quá trình nhiệt luyện kim loại vẫn ở trạng thái rắn.
- Trong quá trình nhiệt luyện hình dáng và kích thước chi tiết không thay đổi (chính xác là có thay đổi nhưng không đáng kể).
- Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi tế vi bên trong do đó dẫn đến thay đổi cơ tính của chi tiết.
1.1.2 Các thông số đặc trưng cho nhiệt luyện
Bất kỳ một quá trình nhiệt luyện nào cũng được đặc trưng bởi các thông số sau:
1-Nhiệt độ nung nóng (t 0 n): Là nhiệt độ cao nhất mà quá trình nhiệt luyện phải đạt tới, tính bằng 0 C.
2-Thời gian giữ nhiệt (tgn): Là thời gian duy trì chi tiết ở nhiệt độ nung nóng.
3-Tốc độ nguội (Vnguội): Là tốc độ giảm nhiệt sau thời gian giữ nhiệt.
Ngoài ba thông số trên, tốc độ làm nóng cũng ảnh hưởng đến kết quả nhiệt luyện nhưng không đáng kể nên ta bỏ qua nó Kết quả quá trình nhiệt luyện được đánh giá bằng các kết quả sau:
Độ cứng là yếu tố cốt lõi và dễ dàng đánh giá, ảnh hưởng đến các đặc tính khác như độ bền, độ dẻo, độ dai Trong quá trình nhiệt luyện, độ cứng phải đạt giá trị tiêu chuẩn và được kiểm tra theo quy định.
- Tổ chức tế vi: Cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền… Chỉ tiêu này thường được kiểm tra theo từng mẻ luyện.
Độ biến dạng và cong vênh sau khi tôi luyện thường không đáng kể và nằm trong phạm vi cho phép Tuy nhiên, đối với những trường hợp có yêu cầu cao hơn, cần phải kiểm tra các thông số này để đảm bảo chúng đáp ứng được các tiêu chuẩn nghiêm ngặt.
1.1.3 Sơ lược về nhiệt luyện thép
Trong thực tế có những phương pháp nhiệt luyện chủ yếu như sau:
1-Ủ: Là phương pháp nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội chậm để nhận được tổ chức gần với trạng thái cân bằng có độ cứng, độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất.
Hình 3.1- Các thông số đặc trưng quá trình nhiệt luyện
2-Thường hóa: Là nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, giữ nhiệt độ và làm nguội ngoài không khí tĩnh để nhận được tổ chức gần với trạng thái cân bằng.
3-Tôi: Là nung nóng đến cao hơn nhiệt độ tới hạn, làm xuất hiện tổ chức austenit giữ nhiệt và làm nguội nhanh để nhận được tổ chức không cân bằng có độ cứng cao nhất.
4-Ram: Là nung nóng thép đã tôi đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn, giữ nhiệt và làm nguội để điều chỉnh chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ cứng ) đạt yêu cầu làm việc.
5-Hóa nhiệt luyện: Là phương pháp bảo hòa vào bề mặt chi tiết các nguyên tố đã cho ở nhiệt độ xác định để làm biến đổi thành phần hóa học, tổ chức và cơ tính.
6-Cơ nhiệt luyện: Là phương pháp kết hợp quá trình hóa bền bằng nhiệt luyện và biến dạng dẻo đồng thời trong một nguyên công, do đó nhận được hóa bề mặt mạnh hơn rất nhiều khi luyện thông thường.
1.1.4 Phân loại nhiệt luyện thép
Người ta phân phương pháp nhiệt luyện chủ yếu của thép ra làm hai nhóm lớn là nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc.
1-Nhiệt luyện sơ bộ: Là phương pháp nhiệt luyện được tiến hành trước khi gia công cơ khí, khi chi tiết là bán sản phẩm Thuộc nhóm này có ủ và thường hóa.
2-Nhiệt luyện kết thúc: Là các phương pháp được thực hiện sau khi gia công cơ khí, khi chi tiết đã là sản phẩm Sau khi nhiệt luyện xong không còn gia công nữa (nếu có chỉ mài tinh) Thuộc nhóm này chỉ có tôi và ram Đối với thép cacbon thấp thì ủ và thường hóa là nhiệt luyện kết thúc.
1.1.5 Tác dụng của nhiệt luyện đối với ngành cơ khí
Nhiệt luyện là nguyên công quan trọng và không thể thiếu được trong sản xuất cơ khí do nó có tác dụng chủ yếu sau đây:
➢ Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép
Mục tiêu của ngành cơ khí là sản xuất ra cơ cấu, máy móc bền hơn, công xuất lớn hơn và có nhiều tính năng tốt hơn Do đó khi nhiệt luyện thích hợp nâng cao độ cứng, độ bền và tính chống mài mòn sẽ kéo dài tuổi thọ, tăng sức chịu tải, giảm kích thước chi tiết và kết cấu máy Đây là tác dụng chủ yếu và quan trọng nhất của nhiệt luyện, đến mức phải đưa ra chỉ tiêu đánh giá trình độ của ngành cơ khí Chất lượng máy móc thiết bị phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng.
➢ Cải thiện tính công nghệ Để tạo thành chi tiết máy, phôi thép phải qua các dạng gia công như rèn, dập, cán…Sau các dạng gia công này thép thường bị biến cứng khó gia công cơ khí hay biến dạng dẻo tiếp theo làm giảm năng xuất Vì vậy phải tiến hành nhiệt luyện thích hợp để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo dai giúp cho quá trình gia công tiếp theo dễ dàng hơn và năng xuất cao hơn.
Ví dụ: Sau khi rèn, dập phôi thép bị cứng không thể cắt gọt được, ta tiến hành ủ hay thường hóa để giảm độ cứng, tăng độ dẻo Do đó quá trình gia công tiếp theo dễ dàng hơn.
Các tổ chức của thép khi nung nóng và làm nguội
1.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến khi nung nóng
Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung nóng là giản đồ Fe-C, tùy theo thành phần cacbon và nhiệt độ nung nóng, trong thép xảy ra chuyển biến khác nhau Trong tất cả các loại thép ở nhiệt độ thường đều có tổ chức peclit Thép trước và sau cùng tích ngoài peclit còn có pherit và xêmentit thứ 2.
- Khi nung nóng thấp hơn Ac1 (727 0 C) sẽ có chuyển biến tổ chức peclit thành austenit theo phản ứng sau: [Feα + Fe3C]0,8%C → Feɣ(C)0,8%C
- Khi nung nóng cao hơn Ac1 một ít ta được tổ chức austenit đồng nhất.
- Khi nhiệt độ nung nóng đạt đến Ac1 sẽ có chuyển biến tổ chức peclit thành austenit theo phản ứng như trên
- Khi nung nóng từ Ac1 đến Ac3 sẽ có quá trình hòa tan của pherit vào austenit.
- Khi nung nóng cao hơn Ac3 ta sẽ được tổ chức austenit đồng nhất.
- Khi nhiệt độ nung nóng đạt đến Ac1 có chuyển biến tổ chức peclit thành austenit
- Khi nung nóng từ Ac1 đến Acm sẽ có quá trình hòa tan xêmentit thứ 2 vào austenit.
- Khi nung nóng cao hơn Acm ta sẽ được tổ chức austenit đồng nhất.
Khi nhiệt độ tăng cao hơn nhiệt độ nóng chảy của thép eutectoid trong giản đồ pha Fe-C, tất cả các loại thép đều tạo thành dung dịch rắn austenit Thành phần cacbon của austenit này sẽ thay đổi tùy thuộc vào thành phần cacbon của thép gốc.
1.2.2 Đặc điểm chuyển biến peclit thành austenit
Trên giản đồ Fe-C nhiệt độ chuyển biến peclit thành austenit là 727 0 C, điều này chỉ đúng khi nung nóng vô cùng chậm Trong thực tế khi nhiệt luyện tốc độ nung nóng tương đối lớn, do đó nhiệt độ chuyển biến sẽ luôn cao hơn 727
0C Tốc độ càng cao thì nhiệt độ chuyển biến càng cao Khảo sát giản đồ chuyểnbiến đẳng nhiệt peclit thành austenit của thép cùng tích ta thấy khi nhiệt nung càng cao thì thời gian chuyển biến càng ngắn.
Trong thực tế nhiệt luyện thép thường dùng cách nung nóng liên tục khi nung nóng với tốc độ V1 nhiệt độ bắt đầu chuyển biến là a1 và kết thúc là b1. Nếu nung nóng tốc độ V2 > V1 thì nhiệt độ ban đầu và kết thúc chuyển biến là a2 và b2 thời gian chuyển biến cũng ngắn đi Trong thực tế để hoàn thành chuyển biến khi theo quy định ta phải nung nóng cao hơn nhiệt độ tới hạn tương ứng từ 20 đến 30 0 C, có khi hàng trăm độ C.
Kết luận: Tốc độ nung nóng càng cao thì chuyển biến peclit thành austenit càng cao và thời gian càng ngắn.
Trong thực tế không sử dụng thép ở trạng thái tổ chức austenit, nhưng kích thước của nó ảnh hưởng đến kích thước hạt thép ở nhiệt độ thường.
Chuyển biến peclit thành austenit là một quá trình kết tinh và khếch tán.Mầm austenit được tạo ra giữa biên giới hạt của pherit và xêmentit của tổ chức peclit Biên giới hạt của hai pha này rất lớn nên số hạt tạo ra rất nhiều Vì vậy hạt austenit mới sinh ra bao giờ cũng rất nhỏ và mịn Do đó chuyển biến peclit thành austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt thép Hạt austenit sẽ càng nhỏ mịn nếu kích thước của pha xêmentit càng nhỏ và tốc độ nung càng lớn Sau khi tạo thành xong sẽ có quá trình khếch tán của các nguyên tử nơi giàu (vị trí xêmentit) sang nơi nghèo (vị trí của pherit) để làm đồng đều thành phần austenit.
Như vậy ta thấy rằng hạt austenit mới sinh ra rất nhỏ mịn, nhưng nếu tiếp tục nung nóng hay giữ nhiệt độ chúng sẽ lớn lên ngay Tùy theo đặc tính phát triển của hạt austenit khi nung nóng, thép được chia làm hai loại: Thép bản chất (thép di truyền) hạt nhỏ và thép bản chất hạt lớn.
Thép bản chất loại lớn là thép có hạt austenit phát triển nhanh và đều đặn ở mọi nhiệt độ, tức là sau khi hình thành xong nếu tiếp tục nung nóng hạt sẽ phát triển lên ngay Do vậy khi làm nguội hạt thép to và có tính giòn cao.
Hình 3.2 Ảnh hưởng tốc độ nung đến nhiệt độ chuyển biến
Hình 3.3 Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit tấmThép bản chất hạt nhỏ có hạt austenit ban đầu phát triển chậm, chỉ khi vượt quá 930 ÷ 950 0 C sẽ phát triển nhanh chóng và có thể lớn hơn thép hạt lớn Do vậy trong các nhiệt luyện thông dụng (nhiệt độ < 930 ÷ 950 0 C) với thép bản chất hạt nhỏ không sợ hạt lớn khi nung nóng Thép bản chất hạt nhỏ khử oxy triệt để bằng nhôm và các hợp kim hóa bằng các nguyên tố cạc bít mạnh: Ti, V,
Cacbua của các nguyên tố như Zr, W kết hợp với Al2O3, AlN tạo nên các hạt cacbua hợp kim khó tan, có kích thước nhỏ và mịn Các hạt này phân bố tại ranh giới hạt, ngăn cản sự nhập hạt giữa các hạt austenit thành các hạt lớn hơn.
1.2.3 Chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt
Khi giữ nhiệt không có chuyển biến nào khác với nung nóng Tiến hành giữ nhiệt với các mục đích sau:
- Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện để cho lõi cũng có chuyển biến như bề mặt.
- Có thời gian hoàn thành chuyển biến khi nung nóng.
- Làm đồng đều thành phần hóa học (cacbon và hợp kim) của austenit.
- Thời gian giữ nhiệt chỉ nên vừa đủ không nên kéo dài làm hạt lớn.
Hình 3.4 Giản đồ pha Fe-C (a) và sơ đồ phát triển hạt austenit của thép cùng tích 1-Thép bản chất hạt nhỏ; 2- Thép bản chất hạt lớn; 3- Hạt bản chất 4-Hạt khi nung nóng; 5- Hạt peclit ban đầu; 6- Hạt austenit ban đầu
1.2.4 Chuyển biến của austenit khi nguội chậm
Sau khi đã nhận được austenit có hạt nhỏ, mịn theo yêu cầu, ta sẽ xem xét chuyển biến của chúng khi làm nguội Quá trình này được phân ra làm 2 nhóm lớn: Làm nguội đẳng nhiệt và làm nguội liên tục Để đơn giản ta nghiên cứu chuyển biến đẳng nhiệt trong thép cacbon cùng tích từ đó suy rộng ra cho các thép khác.
1.2.4.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội của thép cùng tích
Từ giản đồ pha Fe-C ta biết rằng khi làm nguội austenit sẽ chuyển biến thành peclit tại nhiệt độ 727 0 C, với điều kiện làm nguội rất chậm không có trong thực tế Do vậy ta dùng phương pháp làm nguội đẳng nhiệt như sau: Làm nguội nhanh austenit xuống nhiệt độ Ar1 một khoảng nhỏ, sau đó giữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ này và đo thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến austenit.
➢ Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép cùng tích
Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội còn gọi là giản đồ T-T-T (tranformation – temperrature – time) ta tiến hành đo trên thép cùng tích tại các nhiệt độ chuyển biến khác nhau, ghi lại thời gian bắt đầu và kết thúc ở từng nhiệt độ một Cuối cùng đem biểu diễn lên trục tọa độ và thời gian sẽ có giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của thép cùng tích Giản đồ này có dạng chữ C, đường thứ 1 biểu thị sự bắt đầu, đường thứ 2 biểu thị sự kết thúc của chuyển biến của austenit thành peclit (còn gọi là giản đổ chữ C) Giản đồ này do hai nhà vật liệu học người Mỹ là E.C Bain và A.I Davenpo xây dựng năm 1930.
Hình 3.5 Giản đồ T-T-T của thép cùng tích
➢ Các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội ÷100 0 C
Từ giản đồ “C” ta thấy rằng austenit khi làm nguội xuống dưới 727 0 C nó chưa chuyển biến ngay mà còn tồn tại một thời gian nhất định trước khi chuyển biến, phân hóa được gọi là austenit quá nguội.
Các phương pháp nhiệt luyện thép
1.3.1 Định nghĩa Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt làm cho nguội chậm cùng với lò để nhận được tổ chức ổn định (gần với trạng thái cân bằng) có độ bền và độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao.
1.3.2 Mục đích Ủ nhằm các mục đích sau đây:
- Giảm độ cứng của thép để dễ gia công cắt gọt.
- Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng nguội.
- Làm giảm hay khữ bỏ hoàn toàn ứng xuất bên trong khi gia công cắt và biến dạng.
- Làm đồng đều thành phần hoá học vật đúc bị thiên tích.
- Là phương pháp ủ tiến hành nhiệt độ từ 200 – 600 0 C mục đích là làm giảm hay khử bỏ ứng xuất bên trong ở vật đúc hay gia công cơ khí (cắt, gọt, dập, nguội) Nếu nhiệt độ ủ 200 ÷ 300 0 C sẽ khử bỏ một phần ứng xuất bên trong (làm giảm bớt) Nếu nhiệt độ ủ 450 ÷ 600 0 C sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng xuất bên trong.
- Công dụng: Dùng cho các vật đúc lớn như thân máy cắt gọt, xắc măng sau khi mài, lò xo sau khi uốn nguội… Phương pháp này không làm thay đổi độ cứng của thép Đối với gang độ cứng có thể giảm một ít do quá trình graphít hoá.
- Là phương pháp ủ tiến hành ở nhiệt độ kết tinh lại (với thép cacbon nhiệt độ ủ là 600 ÷ 700 0 C).
- Phương pháp này làm giảm độ cứng và làm thay đổi kích thước hạt.
- Công dụng: Dùng cho thép có biến dạng nguội, bị biến cứng để khôi phục lại cơ tính trước khi biến dạng.
- Ngày nay phương pháp này hầu như không sử dụng nữa vì dễ làm hạt lớn do kết tinh lại lần thứ hai Để đạt mục đích này người ta dùng phương pháp ủ có chuyển biến pha.
- Là phương pháp ủ nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit, ở nhiệt độ cao hơn Ac3 Nhiệt độ được tính theo công thức:
Mục đích của ủ hoàn toàn là:
- Làm nhỏ hạt thép: Do nung cao hơn Ac3 từ 30 ÷ 50 0 C nên hạt austenit vẫn còn nhỏ do đó khi làm nguội sẽ nhận được tổ chức pherit – peclit có hạt nhỏ.
- Làm giảm độ cứng, làm tăng độ dẻo để dập nguội và cắt gọt.
- Công dụng: Làm cho thép trước cùng tích với lượng cacbon từ 0,3 ÷ 0,65% Sau khi ủ hoàn toàn ta nhận được tổ chức pherit - péclit, trong đó péclít ở dạng tấm.
- Là phương pháp ủ nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn Ac1 và nhỏ hơn Accm tức là trạng không hoàn toàn là austenit Nhiệt độ ủ tính theo công thức:
- Tổ chức tạo thành sau khi ủ không hoàn toàn là peclit hạt chứ không phải là peclit tấm Do nhiệt độ ủ thấp hơn Accm nên austenit chưa đồng đều hóa thành phần hay còn một ít xêmentit của peclit chưa chuyển biến hết hay các phần tử xêmentit hai nên dễ dàng tạo ra peclit hạt.
- Công dụng: Dùng cho thép có hàm lượng các bon > 0,70% mà chủ yếu là thép sau cùng tích,
1.3.3.5 Ủ cầu hóa Đây là một dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, nhiệt độ dao động một cách tuần hoàn quanh Acl, nung nóng lên đến nhiệt độ 750 ÷ 760°C giữ nhiệt khoảng năm phút, sau đó làm nguội xuống 650 ÷ 660°C giữ nhiệt khoảng năm phút Cứ lập đi lập lại như vậy nhiều lần tạo ra quá trình cầu hóa xêmentit nên nhận được hoàn toàn là peclit hạt Số lượng chu trình phụ thuộc vào kích thước chi tiết và mức độ cầu hóa.
- Đối với thép hợp kim cao do austenit quá nguội có tính ổn định quá lớn nên làm nguội chậm cùng lò không nhận được tổ chức peclit đồng nhất mà có thể là peclit - xoocbit, xoocbit, xoocbit-trôstit vì vậy độ cứng còn khá cao, không cắt gọt được Lúc này ta dùng phương pháp ủ đẳng nhiệt Sau khi giữ nhiệt xong làm nguội xuống thấp hơn Ac, khoảng 50°C và tiến hành làm nguội đẳng nhiệt tại đó trong một thời gian nhất định (xác định theo giản đồ T-T-T của thép) Phương pháp này nhận được tổ chức peclit đồng nhất.
- Công dụng: Dùng cho thép hợp kim để rút ngắn thời gian ủ.
Ủ thép hay còn gọi là ủ thường là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ rất cao từ 1100÷1150°C trong thời gian dài từ 10 đến 15 giờ Quá trình này giúp thành phần hóa học trong các vùng của hạt đồng đều hơn nhờ khả năng khuếch tán tăng lên.
Dùng cho vật đúc thép hợp kim cao bị thiên tích, sau ủ khuếch tán hạt rất to Nên phải tiến hành ủ thường hoặc cán nóng để làm nhỏ hạt thép.
Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép
Nhiệt luyện (đặc biệt là tôi và ram) là nguyên công gần như cuối cùng của việc chế tạo sản phẩm của ngành cơ khí, do vậy bất cứ sự sai hỏng nào của nó cũng dẫn tới sự lãng phí vật liệu và công sức của các công đoạn gia công trước đó Vì vậy ta phải tìm hiểu kỹ lưỡng các dạng hỏng thường gặp, nguyên nhân và biện pháp khắc phục, phòng tránh chúng.
- Nguyên nhân gây ra biến dạng và nứt là do ứng suất bên trong (ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức) chủ yếu do làm nguội nhanh khi tôi Lúc này cả hai loại ứng suất trên đều lớn.
- Nếu ứng suất bên trong lớn hơn giới hạn chảy sẽ gây ra biến dạng, cong vênh Nói chung không thểtránh được biến dạng khi nhiệt luyện, vấn đề là khống chế trong giới hạn cho phép Nếu ứng suất vượt quá giới hạn bền sẽ gây nứt, đây là dạng hỏng không sửa chữa được và chi tiết phải bỏ đi.
1.4.1.2 Khắc phục Để khắc phục dạng hỏng này phải tìm cách giảm ứng suất bên trong khi nhiệt luyện Có các biện pháp sau đây:
- Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độ hợp lý, đây là biện pháp cơ bản nhất.
- Nhúng chi tiết vào môi trường tôi phải đúng quy luật:
+ Chi tiết nhỏ và dài phải nhúng vuông góc mà không được nhúng xiên. + Chi tiết có phần dày mỏng khác nhau phải nhúng phần dày xuống trước.
+ Chi tiết phẳng và mỏng phải nhúng thẳng đứng không được nhúng ngang.
+ Chi tiết có phần lõm phải ngửa phần này lên khi tôi
- Các trục dài khi nung nóng phải treo thẳng đứng.
- Với các chi tiết mỏng và nhỏ phải tôi trong khuôn ép.
- Cố gắng sử dụng tôi phân cấp, hạ nhiệt trước khi tôi nếu có thể được.
1.4.2 Ôxy hóa và thoát các bon: Ôxy hóa là hiện tượng ở nhiệt độ cao ôxy tác dụng với sắt tạo ra các vảy ôxyt, làm thiếu hụt kích thước chi tiết Thoát các bon là hiện tượng các bon trên lớp bề mặt bị cháy hao đi khi nung làm xấu bề mặt, giảm cơ tính.
Do trong môi trường nung có chứa các chất gây ôxy hóa như ôxy, các bô níc và hơi nước Thoát các bon dễ dàng xảy ra hơn so với ôxy hóa Khi bị ôxy hóa thưòng kèm theo thoát các bon.
1.4.2.2 Khắc phục Để khắc phục dạng hỏng này tốt nhất là nung nóng trong khí quyển không có các thành phần nói trên.
Ta sử dụng các biện pháp sau:
Khí quyển bảo vệ là loại khí được tạo ra từ khí đốt tự nhiên và chứa các thành phần khí đối lập nhau, bao gồm oxy hóa (như CO2) và hoàn nguyên (như CO, H2, H2O, CH4) theo tỷ lệ xác định Sự đối lập này dẫn đến sự trung hòa lẫn nhau, tạo nên lớp khí bảo vệ hiệu quả cho bề mặt thép.
- Dùng khí quyển trung tính: Ni tơ tinh khiết hay khí trơ argông Tốt nhất là dùng khí trơ argông nhưng có nhược điểm là giá thành cao.
- Nung trong môi trường chân không có áp suất 10 -2 – 10 -4 mm Hg, được sử dụng khá rộng rãi vì giá thành không cao lắm.
- Nhúng chi tiết vào hàn the (Na2B407) trước khi nung.
- Rải than hoa (than gỗ) trên đáy lò hay phủ kín chiết bằng than hoa.
- Nếu dùng lò muối thì phải khử ô xy triệt để bằng than, hàn the hay ferô silic.
Là hiện tượng độ cứng có giá trị không đúng theo yêu cầu nhiệt luyện đã đặt ra, có thể cao hơn hay thấp hơn quy định.
- Sau khi nhiệt luyện xong độ cứng có giá trị cao hơn yêu cầu, thường xảy ra khi ủ và thường hóa thép hợp kim gây khó khăn cho gia công cắt gọt.
- Nguyên nhân do tốc độ nguội quá lớn.
- Khắc phục: Tiến hành nhiệt luyện lại với tốc độ nguội chậm hơn hay mang ủ đẳng nhiệt.
Thường xảy ra khi tôi độ cứng có giá trị thấp hơn quy định mà nó phải có với thành phần các bon tương ứng.
Có thể do các nguyên nhân sau đây:
-Thiếu nhiệt: Nhiệt độ nung chưa đủ, hay thời gian giữ nhiệt ngắn.
Khắc phục bằng cách thưòng hóa rồi tôi lại với nhiệt độ và thời gian đúng. -Làm nguội không đủ nhanh.
Khắc phục: Thường hóa và tôi lại với tốc độ nguội nhanh hơn.
-Thoát các bon ở bề mặt, có thể tiến hành thấm các bon lại.
-Nhầm thép, đổi lại cho đúng mác thép quy định.
Tuy nhiên việc khắc phục bằng thường hoá và tôi lại sẽ làm tăng biến dạng và chất lượng sản phẩm sẽ giảm đi.
- Là hiện tương sau khi tôi thép có tính giòn quá mức trong khi độ cứng vẫn ở giá trị cao bình thường.
- Nguyên nhân là do nhiệt độ nung tôi quá cao và thời gian giữ nhiệt quá dài làm cho hạt thép bị lớn Khắc phục bằng cách thường hóa rồi tôi lại với nhiệt độ và thời gian đúng Tuy nhiên sẽ làm tăng biến dạng cho sản phẩm.
Hóa nhiệt luyện thép
2.1 Khái niệm chung về hóa nhiệt luyện.
Hóa nhiệt luyện là phương pháp làm bão hòa các nguyên tố đã cho (C, N,
B, Cr, Al ) vào bề mặt thép để làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổ chức và đạt được tính chất theo quy định.
2.2 Các phương pháp hóa nhiệt luyện. Để tiến hành hóa nhiệt luyện người ta cho chi tiết thép vào môi trường giàu các nguyên tố cần khuếch tán và nung nóng đến nhiệt độ cần thiết Khi giữ tại nhiệt độ này sẽ xảy ra các quá trình sau đây:
2.2.1 Phân hóa: Là quá trình phân tích các phân tử của chất khuếch tán tạo nên các nguyên tử có tính hoạt động mạnh (gọi là nguyên tử hoạt).
2.2.2 Hấp thụ: Sau đó các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép có nồng độ cao tạo ra sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi (gradien nồng độ hướng vào lõi).
2.2.3 Khuếch tán: Nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch tán và tạo ra lớp thấm có chiều sâu nhất định.
Trong ba quá trình trên thì quá trình khuếch tán là quan trọng nhất vì nó quyết định kết quả của hóa nhiệt luyện.
➢ Các yếu tố ảnh hưởng:
Nhiệt độ và thời gian ảnh hưởng rất lớn đến khuếch tán và chiều dày lớp thẩm.
-Nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao chuyển động nhiệt của nguyên tử càng lớn, tốc độ khuếch tán càng mạnh nên lớp thấm càng chóng đạt chiều sâu quy định. Mối quan hệ như sau:
Từ đó ta thấy rằng nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất làm tăng chiều dày lớp thấm khi tiến hành hoá nhiệt luyện.
-Thời gian: Ở nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian sẽ nâng cao chiều sâu lớp thấm tuy nhiên hiệu quả không mạnh bằng nhiệt độ Quan hệ này như sau: a) = k.t 1/2 (k là hệ số phụ thuộc nhiệt độ, t là thời gian)
Hình 3.19 - Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều dày lớp thấm. ÔN TẬP
Câu 1: Trình bày phương pháp nhiệt luyện?
Câu 2: So sánh giữa ủ hoàn toàn và không hoàn toàn, ủ đẳng nhiệt và ủ khuếch tán?
Câu 3: Trình bày các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép?
VẬT LIỆU KIM LOẠI 66 1 Thép cacbon
Khái niệm
Thép cacbon là loại thép thông thường, ngoài Fe và C ra còn chứa các tạp chất thường có như: Mangan, silic, phốt pho…
Hình 4.1 Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép.
C < 2%, Mn £ 0,8%, Si £ 0,4 %, P £ 0,05%, S £ 0,05% Ngoài ra có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố Cr, Ni, Cu(£ 0,2 %),W, Mo, Ti (£ 0,1%).
1.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép
- Cacbon: là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định tổ chức, tính chất và công dụng của thép.
Theo hình 4.1 thì khi tăng %C sẽ làm giảm độ dẻo và độ dai va đập Khi
%C tăng trong khoảng 0,8 - 1% thì độ bền và độ cứng cao nhất nhưng khi vượt qua 1% thì độ bền và độ cứng bắt đầu giảm.
Theo %C có thể chia thép làm 4 nhóm có cơ tính và công dụng khác nhau: Thép cacbon thấp (%C ≤ 0,25%): dẻo, dai nhưng có độ bền và độ cứng thấp.
Thép cacbon trung bình (%C từ 0,3 - 0,5%): chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.
Thép cacbon tương đối cao (%C từ 0,55 - 0,65%): có tính đàn hồi cao, dùng làm lò xo.
Thép cacbon cao (%C ≥ 0,7%): có độ cứng cao nên được dùng làm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập.
- P, S: là các tạp chất có hại, làm giảm cơ tính của thép.
Có nhiều cách phân loại thép cacbon như:
- Theo tổ chức tế vi.
- Theo phương pháp luyện kim.
- Theo phương pháp khử ôxy.
Theo công dụng là một cách phân loại thép quan trọng trong ngành cơ khí Phân loại theo phương pháp này giúp chúng ta xác định cách sử dụng thép phù hợp để chế tạo các sản phẩm thép đạt hiệu quả tối ưu.
Phân loại và ký hiệu thép cacbon
1.2.1 Thép cacbon thông dụng (còn gọi là thép cacbon thường)
Loại này có cơ tính không cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông (cầu, nhà, khung, tháp…)
Hình 4.2 Các loại thép cacbon thườngThép cacbon thông dụng được chia ra làm ba nhóm A, B, C Nhóm A chỉ đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng…) Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hóa học và nhóm C đặc trưng bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hóa học.
Khi cần biết cơ tính thì ta sử dụng nhóm A, khi cần tính toán về hàn, nhiệt luyện thì sử dụng nhóm B hoặc C.
Theo TCVN 1765 - 75 qui định ký hiệu thép thông dụng là hai chữ CT, sau chữ CT chỉ giới hạn bền tối thiểu, theo đơn vị N/mm 2
Ví dụ: CT 38 có giới hạn bền là
Các nhóm B và C cũng có ký hiệu tương tự như nhóm A nhưng qui ước thêm vào đằng trước chữ CT chữ cái B hay C để phân biệt.
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): Ký hiệu CTx trong đó x là các con số từ 0, 1, 2 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng cao thì độ bền càng cao) cũng có các phân nhóm A, Б, B tương ứng với các phân nhóm A, B, C của Việt Nam.
- Mỹ (ASTM): Ký hiệu theo các số 42, 50, 60, 65 chỉ (min) theo đơn vị ksi.
- Nhật (JIS): Ký hiệu SSxxx; SMxxx hay xxx là các số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính bằng Mpa Ví dụ: SS400 là thép cacbon thường có.
Nhóm thép cacbon kết cấu có chất lượng cao hơn thép thường, thể hiện ở hàm lượng tạp chất có hại thấp (S ≤ 0,04%, P ≤ 0,035%), hàm lượng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng Trong các bảng chỉ dẫn thành phần và cơ tính của thép cacbon kết cấu được ghi rõ Nhờ vậy, thép cacbon kết cấu được sử dụng trong chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao như bánh răng, trục vít, cam và lò xo.
Theo TCVN ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép như: C20, C45, C65…
Ví dụ: C45 trong đó chữ C ký hiệu thép cacbon, 45 chỉ phần vạn cacbon trung bình ( tương đương với 0,45%C).
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): Ký hiệu xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C Ví dụ mác 40 có 0,4%C.
- Mỹ (AISI/SAE): Ký hiệu 10xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C Ví dụ mác 1045 có 0,45%C.
- Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC trong đó xx là các số chỉ phần vạn C Ví dụ mác S45C có 0,45%C.
Hình 4.3 Các chi tiết máy làm từ thép cacbon kết cấu.
Là loại thép có hàm lượng cacbon cao (0,7 - 1,4%) có hàm lượng tạp chất S và P thấp (< 0,025%) Thép cacbon dụng cụ tuy có độ cứng cao khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như: đục, dũa, dụng cụ đo hay các loại khuôn dập.
Theo TCVN ký hiệu thép cacbon dụng cụ là chữ CD, sau chữ CD ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép theo phần vạn như: CD70, CD80, CD100.
Ví dụ: CD100 - chữ CD ký hiệu thép cacbon dụng cụ, 100 chỉ phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 1%C).
Hình 4.4 Các sản phẩm từ thép cacbon dụng cụ
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): Ký hiệu Yxx trong đó xx là số chỉ phần nghìn C Ví dụ mác Y12 có 1,2%C.
- Mỹ (AISI): Ký hiệu Wxxx trong đó xxx là số thứ tự Ví dụ W110.
Thép hợp kim
Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu. Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như:
Về cơ tính, thép hợp kim có độ bền cao hơn thép cacbon, đặc biệt sau khi tôi và ram.
- Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200 0 C Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.
- Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn…
2.2 Phân loại và ký hiệu thép hợp kim.
2.2.1 Phân loại theo nồng độ hợp kim trong thép
- Thép hợp kim thấp: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào 10%.
2.2.2 Phân loại theo nguyên tố hợp kim
Cách phân loại này dựa vào tên của các nguyên tố hợp kim chính của thép.
Ví dụ như thép có chứa crôm gọi là thép crôm, thép manggan, thép niken …
2.2.3 Phân loại theo công dụng Đây là cách phân loại chủ yếu Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau:
- Thép hợp kim kết cấu: là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim Loại này có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 - 0,85% và lượng phần trăm của nguyên tố hợp kim thấp.
Loại thép này được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao…
Theo TCVN thì thép hợp kim được ký hiệu như sau: số đầu tiên chỉ hàm lượng C theo phần vạn, sau đó là ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim, ngay sau mỗi ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim là hàm lượng % của từng nguyên tố Trường hợp hàm lượng % của các nguyên tố hợp kim gần bằng 1% thì không cần ghi thêm chỉ số Chữ A nếu có, nằm ở cuối ký hiệu để chỉ thép hợp kim loại tốt.
Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lượng Cr, Ni thường nhỏ hơn 1%, hoặc các loại 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng nguyên tố đó còn chữ A để chỉ loại tốt.
Những loại có hàm lượng cacbon trung bình có ký hiệu như: 40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi.
Những loại có hàm lượng cacbon cao dùng làm thép lò xo như 50Si2, C65Mn, C65Si2.
Ngày nay trên thế giới đều có các nhóm thép hợp kim thấp với độ bền cao (so với thép cacbon) Thép này được hợp kim hóa với lượng hợp kim thấp và được gọi theo chữ viết tắt là HSLA (Hight Strength Low Alloy Steel) Nó được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp Đặc điểm chung của loại thép hợp kim này là có độ bền cao, có tính chống ăn mòn tốt, tính hàn tốt và giá thành rẻ.
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): tương tự như TCVN, ký hiệu của các nguyên tố: X = Cr, H
= Ni, B = W, M = Mo, T = Ti, K = Co, Г = Mn, C = Si, = V, Д = Cu, Ю = Al, P
= B Ví dụ 12XH3 tương đương với 12CrNi3.
- Mỹ (AISI/ SAE): Ký hiệu bằng 4 số xxxx, trong đó 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chính, 2 số cuối chỉ hàm lượng cacbon theo phần vạn như Bảng 4.1.
Bảng 4.1 Ký hiệu thép hợp kim kết cấu theo chuẩn AISI/SAE
Ví dụ: mác 5140 là thép crôm có 0,4%C tương ứng với mác 40Cr của Việt Nam.
- Nhật (JIS): Ký hiệu bắt đầu bằng chữ S, tiếp theo là các chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần vạn cacbon trung bình).
Ví dụ: SCr440 là thép crôm có 0,4%C tương đương với mác 40Cr của Việt Nam.
- Thép hợp kim dụng cụ: là thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao Hàm lượng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ 0,7 - 1,4%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si, Mn.
Thép hợp kim dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt Sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 - 62 HRC Những mác thép thường gặp là 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12 và OL100Cr1,5 (thép ổ lăn).
Thép hợp kim dụng cụ dùng làm các dụng cụ cắt gọt, khuôn dập nguội hoặc nóng.
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
- Mỹ (AISI): Ký hiệu một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự như Bảng 4.2.
Bảng 4.2 Kí hiệu thép hợp kim dụng cụ theo chuẩn AISI
H Thép làm khuôn dập nóng
A Thép làm khuôn dập nguội hợp kim trung bình tự tôi, trôi trong không khí
D Thép làm khuôn dập nguội, crôm và cacbon cao
O Thép làm khuôn dập nguội tôi dầu (oil - hardrening)
S Thép làm dụng cụ chịu va đập (shock-resisting)
L Thép dụng cụ có công dụng riêng hợp kim thấp (low-alloy)
P Thép làm khuôn ép (nhựa) có cacbon thấp
W Thép dụng cụ cacbon tôi nước (water-hardening)
Ví dụ: D3 là thép hợp kim dụng cụ làm khuôn dập nguội có hàm lượng crôm và cacbon cao, tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam.
- Nhật (JIS): Ký hiệu SKSx, SKDx, SKTx trong đó x là số thứ tự.
Ví dụ: SKD1 là thép hợp kim dụng cụ tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam.
- Thép gió: là một dạng thép hợp kim đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy có yêu cầu cao.
Trong tổ chức của thép gió có các nguyên tố sắt, cacbon, crom, vonfram, coban, vanadi.
Thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 650 0 C. Trong thép gió có hàm lượng các nguyên tố hợp kim như sau: 8,5 - 19% W, 0,7
- 1,4% C, 3,8 - 4,4% Cr, 1 - 2,6% V và một lượng nhỏ Mo hay Co.
Những mác thép gió thường dùng theo TCVN có 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2.
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
- Mỹ (AISI): Ký hiệu một chữ cái M (thép gió môlipđen) hoặc T (thép gió vonfram) và số thứ tự theo sau.
Ví dụ: T1 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.
- Nhật (JIS): Ký hiệu SKHx, trong đó x là số thứ tự.
Ví dụ: SKH2 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.
Hình 4.5 Các dụng cụ cắt gọt
Thép không rỉ: là loại thép có khả năng chống ăn mòn tốt Trong thép không rỉ, hàm lượng crom khá cao (>12%) Theo tổ chức tế vi, thép không rỉ được chia thành bốn loại là austenit, ferit, austenit-ferit, mactenxit Tùy theo mức độ chống rỉ mà chúng được sử dụng trong các môi trường khác nhau như nước biển, hóa chất.
Một số mác thép không rỉ ký hiệu theo TCVN 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9.
Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:
- Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.
- Mỹ (AISI): ký hiệu gồm 3 số xxx, trong đó 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit.
Ví dụ: 304 là thép không rỉ tương đương với mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.
- Nhật (JIS): ký hiệu SUSxxx, trong đó xxx lấy theo AISI.
Ví dụ: SUS304 là thép không rỉ tương đương với mác 304 của Mỹ hoặc mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.
Gang
Gang là hợp kim của sắt và cacbon cùng một số nguyên tố khác như: Si,
Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu hàm lượng cacbon trong gang lớn hơn 2,14%
Gang được chia làm 2 nhóm:
- Gang trắng: là hợp kim Fe - C trong đó cacbon có thành phần lớn hơn 2,14% và các tạp chất Mn, Si, P, S… Tổ chức của gang tương ứng với giản đồ trạng thái Fe - Fe3C Về mặt tổ chức gang trắng chia làm ba loại:
+ Gang trắng trước cùng tinh %C ≤ 4,3%.
+ Gang trắng sau cùng tinh %C ≥ 4,3%.
Gang graphit là hợp kim Fe - C, trong đó các đơn chất: cacbon chiếm hàm lượng trên 2,14%, còn các tạp chất gồm Mn, Si, P, S… Xuất hiện thành phần này làm cấu tạo của gang graphit khác biệt so với gang khác Cụ thể là carbon ở dạng tự do graphit, còn thành phần Fe3C sẽ rất ít hoặc không xuất hiện.
+ Gang xám: graphit dạng tấm là dạng tự nhiên của gang graphit.
+ Gang cầu: graphit dạng cầu là dạng được cầu hóa khi đúc.
+ Gang dẻo: graphit dạng cụm bông, đã được ủ “graphit hóa” từ gang trắng.
Hình 4.6 Hình dạng graphip trong gang a Gang xám; b Gang cầu; c Gang dẻo
Gang nói chung có tính đúc tốt và độ chảy loãng cao, độ co ngót ít, dễ điền đầy vào khuôn Gang là vật liệu chịu nén rất tốt, chịu tải trọng tĩnh khá tốt và chịu mài mòn tốt Tuy nhiên gang có tính dòn, chịu va đập kém Do vậy gang được sử dụng trong gia công đúc để làm các chi tiết có hình dáng phức tạp như: vỏ máy, thân máy, bánh đai, bánh đà, trục khu礃ऀu, trục cán, ổ trượt, bánh răng …
Hình 4.7 Công dụng của gang trong sản xuất các sản phẩm cơ khí. a Hộp giảm tốc; b Máy tiện
3.2.1.1 Ký hiệu và thành phần
Hầu hết chỉ dùng gang trắng chứa 3% - 3,5% cacbon vì nhiều C gang sẽ dòn, mặt gãy các chi tiết bằng gang trắng có màu sáng tắng nên gọi là gang trắng Gang trắng chỉ hình thành khi hàm lượng C và Mn thích hợp và với điều kiện làm nguội nhanh ở vật đúc thành mỏng, nhỏ.
Gang trắng không có ký hiệu.
Gang trắng cứng và giòn, tính cắt gọt kém nên chỉ dùng ở làm vật liệu đúc.
Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe3C (xementit).
Nó chỉ dùng để chế tạo gang rèn (gang dẻo) , luyện thép hoặc các chi tiết máy cần tính chống mài mòn cao như bi nghiền, trục cán.
3.2.2.1 Ký hiệu và thành phần
- Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 - 75 ký hiệu gang xám gồm 2 phần, các chữ cái chỉ loại gang: GX và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ bền uốn.
Ví dụ: GX12-28 (ký hiệu theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ là Cч 12-28) có các chỉ số độ bền là: σk = 12 Kg/mm 2 (σk = 120N/mm 2 ) và σu= 28 Kg/mm 2 (σu 280N/mm 2 ).
- Theo tiêu chuẩn của Mỹ:
+ Theo chuẩn SAE J431 có các mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000 trong đó các số chỉ Ví dụ G3000 là gang xám có hay 30ksi.
+ Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các mác: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55,
60 Trong đó các số chỉ có đơn vị là ksi Ví dụ: 20 là gang xám có
- Theo tiêu chuẩn của Nhật JIS có các mác: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị Mpa Ví dụ: FC100 là gang xám có
* Thành phần hóa học của gang xám nằm trong giới hạn sau: C: 2,8 - 3,5%; Si: 1,5 - 3%; Mn: 0,5 - 1%; P: 0,1 - 0,2%; S ≤ 0,08% với các vật đúc nhỏ và 0,1 - 0,12% đối với vật đúc lớn.
Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng graphit hình tấm Vì có graphit nên mặt gãy có màu xám.
Gang xám có cấu trúc tinh thể cacbon ở graphit dạng tấm, nền của gang xám có thể là: pherit, peclit - pherit, peclit.
Do hình dạng và tính chất cơ học của graphit (có độ bền cơ học kém) do đó gang xám có độ bền kéo, độ dẻo và độ dai thấp, độ bền 35 - 40 Kg/mm 2 , độ cứng 150 - 250 HB Tuy nhiên graphit có ưu điểm làm tăng độ chịu mòn của gang, có tác dụng như chất bôi trơn, làm cho phoi gang dễ bị vụn khi cắt gọt, khử rung động, làm giảm độ co ngót khi đúc.
Gang xám thường được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng nhỏ và ít bị va đập như: thân máy, bệ máy, ống nước,… do chịu ma sát tốt nên đôi khi gang xám dùng để chế tạo các ổ trượt và bánh răng.
Các mác GX12 - 28, GX15 -32 có độ bền không cao dùng để làm vỏ hộp, nắp che (không chịu lực).
Các mác GX21 - 40, GX28 - 48 có độ bền cao hơn, dùng làm bánh đà, thân máy.
Các mác GX36 - 56, GX40 - 60 có độ bền cao, dùng làm vỏ xi lanh, bánh răng chữ V, trục chính…
3.2.3.1 Ký hiệu và thành phần
Ký hiệu gang cầu theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 - 75 gồm hai phần: phần chữ cái đầu tiên chỉ loại gang (GC) và hai số tiếp theo thể hiện độ bền kéo và độ giãn dài tương đối của vật liệu.
Ký hiệu mác gang cầu là GC45-15 (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ là Bч 45-15) biểu thị các đặc tính cơ học của loại gang này: giới hạn bền kéo 45 kg/mm2 và độ giãn dài tương đối 15%.
- Theo tiêu chuẩn của Mỹ:
+ Theo chuẩn SAE có các mác: D4018, D4512, D5506, D7003 trong đó hai chữ số đầu chỉ theo đơn vị ksi, hai chữ số sau chỉ theo % Ví dụ D4018 là gang cầu có và
+ Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các mác: 60 - 40 - 18, 60 45 -12, 80 - 60
- 3, 100 - 70 - 3, 120 - 90 - 2 Trong đó các số lần lượt chỉ giá trị tối thiểu của
- Theo tiêu chuẩn của Nhật JIS có các mác: FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700, FCD800, trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị MPa
Thành phần hóa học của gang cầu sau khi biến cứng như sau: C: 3 - 3,6%C; Si: 2 - 3%; Mn: 0,5 - 1%; Ni < 2%; Mg: 0,04 - 0,08%; P £ 0,15%;
Gang cầu có tổ chức tế vi như gang xám (peclit - ferit, peclit), nhưng graphit có dạng thu nhỏ thành hình cầu.
Vì graphit trong gang ở dạng cầu nên gang cầu có độ bền cao hơn gang xám nhiều, đặc biệt có độ dẻo đảm bảo Gang cầu vừa có tính chất của thép (tương đương với các mác thép thông thường như C20 - C45) vừa có tính chất của gang Độ cứng và độ bền của gang cầu có thể tăng cao hơn nữa nếu được nhiệt luyện. Để có tổ chức gang cầu, phải nấu chảy gang xám và dùng phương pháp biến tính đặc biệt gọi là cầu hóa để tạo graphit hình cầu.
Do có nhiều ưu điểm về cơ tính nên gang cầu được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế cho thép trong trường hợp chi tiết có hình dáng phức tạp, đặc biệt là trục khu礃ऀu các động cơ nhẹ Do đó giảm được hao phí nguyên vật liệu mà vẫn đảm bảo được điều kiện làm việc.
Gang cầu được dùng để chế tạo các chi tiết máy có kích thước trung bình và lớn, có hình dạng phức tạp, phải chịu tải trọng cao, chịu kéo và chịu va đập tốt như các loại trục khuỷu, trục cán
Hình 4.8 Sản phẩm làm từ gang cầu
3.1.4.1 Ký hiệu và thành phần
HỢP KIM MÀU VÀ PHI KIM 83 1 Hợp kim màu
Nhôm và hợp kim nhôm
Nhôm là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 4,04 A 0 , có các tính chất như sau:
- Khối lượng riêng nhỏ (g = 2,7g/cm 3 ).
- Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ.
- Tính chống ăn mòn cao (vì có màng ôxit Al2O3 xít chặt bảo vệ).
- Nhiệt độ chảy thấp (660 0 C) có thể làm dễ ràng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao Tính đúc không cao do độ co ngót lớn (lên tới 6%).
- Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm 2 , HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp.
- TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của nhôm, ví dụ Al99, Al99,5.
Theo Tiêu chuẩn AA của Hiệp hội Nhôm Mỹ, nhôm được phân loại theo ký hiệu AA 1xxx Trong đó, ba chữ số xxx là mã có thể được sử dụng để tra cứu bảng và xác định tính chất cụ thể của nhôm Ví dụ, ký hiệu AA 1100 tương ứng với nhôm có hàm lượng nhôm là 99,00%.
- Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và số tiếp theo chỉ mức độ sạch Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có 99,995% Al.
Hợp kim nhôm được phân làm 2 nhóm chính là hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc.
Theo TCVN hợp kim của nhôm được ký hiệu bằng các ký hiệu hóa học của các nguyên tố và theo sau mỗi ký hiệu là số chỉ hàm lượng theo % Nếu là hợp kim nhôm đúc, ở cuối cùng ghi thêm chữ Đ.
Theo tiêu chuẩn AA của Mỹ Hợp kim nhôm được ký hiệu AA xxxx, số đầu tiên có nghĩa như bảng 5.1, ba số xxx tiếp theo sẽ dùng để tra bảng để biết cụ thể các tính chất
Bảng 5.1 Ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ
* Khái niệm: Là hợp kim nhôm biến dạng điển hình được dùng rộng rãi trong kỹ thuật hàng không.
- Thành phần: là hợp kim chủ yếu của 3 nguyên tố Al-Cu-Mg với Cu
