lựa chọn vật liệu làm phần đầu của cánh tuabin động cơ phản lực trong máy bay

Nhằm tìm ravật liệu có thể đáp ứng được các yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, tiết kiệmchi phí sản xuất,…Chúng em nghĩ đây là đề tài có tính thực tiễn cao và hi vọng sẽ đóng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Bùi Đình Quang

(quang.bd196189@sis.hust.edu.vn)

Nguyễn Sinh Tơn

(ton.ns196249@sis.hust.edu.vn)

Đinh Hoàng Thao

02-K64 01-K64 05-K64

Kĩ thuật Gang Thép

Kĩ thuật Gang Thép

Kỹ thuật Gang thép

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thu Hiền

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày… tháng… năm….

Giáo viên hướng dẫn

1

M c l c ụ ụ

PHẦẦN 1: T NG QUANỔ 5

1.1 S phát tri n c a v t li u kỹỹ thu tự ể ủ ậ ệ ậ 5

1.2 Tính chấất c a các lo i v t li uủ ạ ậ ệ 7

1.2.1 Tính chấất chung c a kim lo iủ ạ 7

1.2.2 Tính chấất chung c a Ceramicsủ 7

1.2.3 Tính chấất chung c a Polỹmersủ 7

1.2.4 Tính chấất chung c a Compositesủ 8

1.3 Tấầm quan tr ng c a vi c l a ch n v t li uọ ủ ệ ự ọ ậ ệ 8

1.4 Các nguỹên tắấc l a ch n v t li uự ọ ậ ệ 9

1.5 Quỹ trình l a ch n v t li uự ọ ậ ệ 10

PHẦẦN 2: C S LÝ THUYẾẾTƠ Ở 12

2.1 nh hẢ ưởng c a các nguỹên tốấ h p kim đêấn c tính, t ch c c a thépủ ợ ơ ổ ứ ủ 12

2.1.1 nh hẢ ưởng c a Cácbonủ 12

2.1.1.1 T ch c têấ viổ ứ 12

2.1.1.2 C tínhơ 13

2.1.2 nh hẢ ưởng c a Manganủ 14

2.1.2.1 nh hẢ ưởng c a Mangan đêấn t ch c thépủ ổ ứ 14

2.1.2.2 nh hẢ ưởng c a Mangan đêấn quá trình nhi t luỹ nủ ệ ệ 16

2.1.3 nh hẢ ưởng c a Silicủ 17

2.1.4 nh hẢ ưởng c a Crốmủ 18

2.1.5 nh hẢ ưởng c a Nikenủ 18

2.1.6 nh hẢ ưởng c a Molỹpđenủ 19

2.1.7 nh hẢ ưởng c a Đốầngủ 19

2.1.8 nh hẢ ưởng c a Nitủ ơ 19

2.2 nh hẢ ng c a m t sốấ t p chấất đêấn thép h p kim và cách kh bưở ủ ộ ạ ợ ử ỏ 19

2.2.1 Phốất pho 19

2.2.2 L u huỳnhư 20

2.2.3 Ôxỹ 21

2.3 Lý thuỹêất vêầ nhi t luỹ n thépệ ệ 23

2.3.1 Ủ 24

2.3.2 Thường hóa 25

2

2.3.3 Tối thép 25

2.3.4 Ram thép 26

PHẦẦN 3: L A CH N V T LI UỰ Ọ Ậ Ệ 27

3.1 Gi i thi u chung vêầ lò xoớ ệ 27

3.2 Yêu cấầu 28

3.2.1 Điêầu ki n làm vi cệ ệ 28

3.2.2 Yêu cấầu c tínhơ 28

3.3 S d ng phấần mêầm ces đ ch n v t li uử ụ ể ọ ậ ệ 28

3.3.1 D a vào ỹêu cấầu c tính vêầ gi i h n đàn hốầiự ơ ớ ạ 28

3.2.2 D a theo ỹêu cấầu vêầ đ c ngự ộ ứ 32

3.2.3 D a theo ỹêu cấầu vêầ gi i h n bêầnự ớ ạ 33

3.2.4 D a theo ỹêu cấầu vêầ đ bêần kéoự ộ 35

PHẦẦN 4: QUY TRÌNH CHẾẾ T O THÉP LÒ XOẠ 36

Quỹ trình nhi t luỹ n (s d ng lò đi n):ệ ệ ử ụ ệ 36

4.1 Nấấu luỹ n ệ 36

4.2 Tinh luỹ n thép lò xoệ 37

4.3 Đúc thép lò xo 37

4.4 Cán thép lò xo 38

4.5 Gia cống 38

4.6 Nhi t luỹ nệ ệ 39

4.7 Thành ph m ẩ 39

PHẦẦN 5: KẾẾT LU N Ậ 40

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 40

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS.Đào Hồng Bách – người trực tiếp hướng dẫn, đã tận tình chỉ bảo, động viên, khích lệ chúng em trong suốt thời gian thực hiện đồ án môn học lựa chọn vật liệu tại Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Chúng

em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Liệu và Công Nghệ Đúc cùng toàn thể các thầy cô trong viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu đã nhiệt tình giảng dạy tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiện đồ án môn học lựa chọn vật liệu

Lời nói đầu

3

Ngành hàng không là một lĩnh vực quan trọng của khoa học kỹ thuật và đã trải qua mộtlịch sử phát triển dài và đa dạng.

Tháng 12 năm 1903, những anh em nhà Wright đã thực hiện chuyến bay đầu tiên củamáy bay cánh quạt tại Mã Lực Địa, Bắc Carolina, Hoa Kỳ Đây được coi là sự kiện quantrọng nhất trong lịch sử của ngành hàng không, đánh dấu sự ra đời của máy bay và khai

mở ra một kỷ nguyên mới cho việc di chuyển

Sau đó, các nước trên thế giới đã bắt đầu phát triển ngành hàng không, với việc sản xuấtcác loại máy bay mới và cải tiến công nghệ, đưa ngành này phát triển nhanh chóng.Trong Chiến tranh thế giới thứ nhất, máy bay được sử dụng rộng rãi trong việc giám sát

và chiến đấu Trong Thế chiến II, máy bay đã trở thành một phần quan trọng trong chiếntranh, với sự phát triển của máy bay ném bom và máy bay tiêm kích

Sau Thế chiến II, ngành hàng không tiếp tục phát triển mạnh mẽ, với việc sản xuất cácloại máy bay mới và cải tiến công nghệ Các công nghệ mới như động cơ phản lực, máybay vũ trụ và máy bay không người lái được ra đời, giúp tăng tốc độ và sự an toàn khibay

Cánh tuabin máy bay là một chi tiết quan trọng trong tuabin phản lực của máy bay nhằmtạo ra lực đẩy để đưa máy bay lên cao và giữ cho nó ở độ cao ổn định Ngoài ra, tuabincòn được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác để tạo ra luồng không khí hoặc động

cơ để sản xuất năng lượng Vì vậy nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài: “ Lựa chọn vật liệu làm phần đầu của cánh tuabin động cơ phản lực trong máy bay”, Nhằm tìm ra

vật liệu có thể đáp ứng được các yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, tiết kiệmchi phí sản xuất,…

Chúng em nghĩ đây là đề tài có tính thực tiễn cao và hi vọng sẽ đóng góp cho các dự ánphát triển tuabin máy bay nhằm cải thiện tính năng và công dụng của động cơ phản lựctrong ngành hang không Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi sai sót,rất mong quý thầy cô và các bạn góp ý

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng 3 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Bùi Đình Quang

Nguyễn Sinh Tơn

4

Đinh Hoàng Thao

5

PHẦẦN 1: T NG QUAN Ổ

1.1 S phát tri n c a v t li u kỹỹ thu tự ể ủ ậ ệ ậ

Sự phát triển về số lượng và chủng loại vật liệu trong suốt lịch sử đã giúp cho việc lựachọn vật liệu được cải thiện hơn

Trong thời tiền sử, vũ khí là đại diện cho đỉnh cao của công nghệ, nó được làm bằng

gỗ và đá lửa Sự phát minh của gang đã lấy lại sự thống trị của kim loại trong kỹ thuật.Vào giữa thế kỷ XX, kim loại được coi là “vật liệu kỹ thuật” Từ năm 1950, mặc dùgốm sứ và polymer đã phát triển mạnh nhưng thép là vật liệu kết cấu được sử dụng rộngrãi nhất trên thế giới hiện nay Hình 1.1 thể hiện sự phát triển của vật liệu qua các thời kỳ

và cụ thể hơn được trình bày ở Hình 1.2

Hình 1.1 Quá trình phát triển của vật liệu

Trong việc thiết kế cần đòi hỏi phải sử dụng sáng tạo, khai thác thông minh các tínhchất đặc biệt các vật liệu mới cùng với nó là các đặc tính về kỹ thuật và thẩm mỹ Ngàytrước, con người sử dụng vật liệu chỉ là tương đối chủ yếu dựa vào kinh nghiệm củangười thiết kế

6

Hình 1.2 Thể hiện sự phát triển cụ thể hơn của vật liệu đến năm 2000

Trong thời đại hiện nay khi tốc độ phát triển của vật liệu mới rất cao, một quy trìnhhiện đại có hệ thống được sử dụng, cho phép ứng dụng công nghệ thông tin và các công

cụ kỹ thuật thiết kế Quy trình này sẽ được đề cập trong việc lựa chọn và thiết kế sử dụngvật liệu Các mối liên hệ giữa tính chất, hình dạng… của vật liệu được thể hiện ở Hình1.3

Điều quan trọng trong giai đoạn đầu của thiết kế là tìm hiểu và khảo sát các loại vậtliệu một cách đầy đủ (không bỏ sót bất kỳ loại vật liệu nào)

7

Hình 1.3 Việc lựa chọn vật liệu gắn với chức năng, quá trình, hình dạng

1.2 Tính chấất c a các lo i v t li uủ ạ ậ ệ

1.2.1 Tính chất chung của kim loại

Thép, nhôm, magiê, kẽm, gang, đồng, chì, v.v

- Độ dẫn điện cao

- Độ dẫn nhiệt cao

- Dễ biến dạng

- Chịu sốc nhiệt cao

- Thích hợp để chế tạo các chi tiết kết cấu và chịu tải

- Hợp kim có thể sử dụng thay thế cho kim loại

1.2.2 Tính chất chung của Ceramics

Gạch, thủy tinh, gốm chịu lửa và mài mòn

- Độ dẫn điện thấp

- Độ dẫn nhiệt thấp

- Chịu mài mòn khi làm việc ở nhiệt độ cao

- Chịu ăn mòn

- Thường được sử dụng làm vật liệu cách điện và kết cấu chịu lực

- Gốm tiên tiến có thể được sử dụng trong các ngành điện, điện tử và quang học do những cải tiến về quang học và tính chất điện

- Vật liệu y sinh

8

Chức năng

Vật liệu

Hình dạng

Chế tạo

1.2.3 Tính chất chung của Polymers

1.2.4 Tính chất chung của Composites

Lă sự kết hợp của hai hoặc câc loại vật liệu trín, nó mang hầu hết câc đặc tínhtốt của câc vật liệu thănh phần, ví dụ như:

số loại hợp kim độ bền cao (ví dụ thĩp lò xo) vă câc vật liệu thiíu kết từ bột kim loại, độdẻo chỉ đạt dưới 2% Nhưng cả khi độ dẻo nhỏ như vậy cũng đủ chắc chắn rằng chi tiết sẽ

có phâ hủy dẻo khi quâ tải (điều năy rất quan trọng vì phâ hủy dẻo an toăn hơn phâ hủygiòn) Nhưng bín cạnh đó, phần lớn câc kim loại vă hợp kim lại nhạy cmar với tải trọngmỏi Cộng thím một nhược điểm của nhóm vật liệu năy lă khả năng chống ăn mòn vẵxy hóa của chúng rất kĩm

Xĩt về khía cạnh lịch sử, gốm lă loại vật liệu lđu đời nhất mă con người dung để thiếtkết câc sản phẩm của mình

1.3 Tấầm quan tr ng c a vi c l a ch n v t li uọ ủ ệ ự ọ ậ ệ

Một vật liệu có câc thuộc tính: tỷ trọng, độ bền, giâ thănh, khả năng chống ăn mòn,v.v thiết kế đòi hỏi một số thuộc tính nhất định Điều quan trọng lă phải bắt đầu với danhsâch đầy đủ câc vật liệu trong ý tưởng; Không lăm như vậy thì khả năng thất bại lă rấtcao Một yíu cầu chính được đưa ra từ đầu Sau đó, nhiều nhiều yíu cầu khâc được đưavăo vă thực hiện câc thay đổi được cho phĩp Hai việc cần lăm để lựa chọn được vật liệuphù hợp lă:

(1) Xâc định cấu hình thuộc tính mong muốn

(2) So sânh nó với những vật liệu kỹ thuật thực sự để tìm ra vật liệu phù hợp nhất

9

Bước đầu tiên để giải quyết vấn đề này là phân tích, kiểm tra các điều kiện làm việc

từ đó đưa ra các yêu cầu cơ tính Sự lựa chọn vô cùng rộng rãi được thu hẹp, trước tiên,bằng cách sàng lọc ra những vật liệu không thể đáp ứng được yêu cầu Thu hẹp hơn nữađược thực hiện bằng cách xếp hạng các vật liệu theo khả năng tối đa hóa công năng của

nó Các tiêu chí để sàng lọc và xếp hạng được bắt nguồn từ các yêu cầu thiết kế cho mộtthành phần bằng cách phân tích chức năng, các ràng buộc, yêu cầu

Vật liệu được chọn sau khi áp dụng các quy trình công nghệ thích hợp sẽ đáp ứngđược đầy đủ các yêu cầu làm việc của chi tiết Ngoài ra vật liệu đó còn phải phổ biếnkhông quá đắt tiền, có khả năng gia công cơ khí tốt và không yêu cầu phải áp dụng cácquy trình công nghệ quá đặc biệt

Nguyên tắc lựa chọn dựa trên công nghệ: Công nghệ phải làm cho vật liệu đạt đượccác chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra, không quá phức tạp, đắt đỏ; có thể thay đổi, cải tiến trongtương lai và phải thực hiện được trên nhiều loại thiết bị Ngoài ra trong điều kiện hiệnnay, đó phải là công nghệ sạch Khả năng lựa chọn vật liệu và công nghệ do vậy rấtphong phú và có thể có nhiều phương án cho các yêu cầu trên

Nghiên cứu điều kiện làm việc của chi tiết: là bước xuất phát của bất kì quy trình lựachọn vật liệu nào Điều kiện làm việc của vật liệu sẽ quyết định đến lựa chọn vật liệu nào(và xử lý theo công nghệ) Nếu phân tích sai điều kiện làm việc sẽ dẫn đến lựa chọn saivật liệu và công nghệ, dẫn đến sai hỏng chi tiết khi làm việc, gây thiệt hại về mặt kinh tế.Phân tích về điều kiện làm việc cần đầy đủ chính xác, không thiếu không thừa Thiếu

sẽ dẫn đến chi tiết không đáp ứng yêu cầu vật liệu như trên, thừa sẽ gây lãng phí.Chọn vật liệu: Trên cơ sở hiều biết của mình về các vật liệu kỹ thuật, nhà thiết kế tiếnhành khoanh vùng các vật liệu có thể đáp ứng các yêu cầu làm việc trên Từ lựa chọn sơ

bộ này, nhà thiết kế tiến hành phân tích ưu nhược điểm của các vật liệu trong các phương

án đưa ra Từ phân tích này, nhà thiết kế sẽ chọn được vật liệu hợp lý về mặt kinh tế kỹthuật

Đối với thông số yêu cầu cơ tính và thành phần hóa học có thể tra trong các tiêuchuẩn nước ngoài hoặc trong tài liệu sổ tay tra cứu thép thế giới

Sau đây sẽ phân tích sâu hơn về nguyên tắc lựa chọn

Khi thiết kế cần có những yêu cầu nhất định về tính chất như: tỷ trọng thấp, độ bềncao, khả năng chịu ăn mòn

• Điều quan trọng đầu tiên là phải lập một danh sách gồm đầy đủ các loại vật liệu

• Sau khi có danh sách ta tiến hành lựa chọn:

- Xác định những tính chất mong muốn

10

- So sánh các tính chất đó với những vật liệu kỹ thuật khác để tìm ra loại thíchhợp nhất.

Để làm được điều trên cần tiến hành tìm hiểu, giải thích, kiểm tra các yêu cầu thiết kế

mà họ áp đặt cho vật liệu lựa chọn Sàng lọc các các vật liệu không đáp ứng được các yêucầu đó Tiêu chí sàng lọc và xếp thứ tự ưu tiên được bắt nguồn từ những yêu cầu của bảnthiết kế theo những phân tích về chức năng, mục tiêu

Ngoài chức năng thì hình dạng đôi khi cũng ảnh hưởng đến sự lựa chọn vật liệu,Hình 1.4 thể hiện mối quan hệ này

Hình 1.4 Chức năng, hình dạng, chế tạo ảnh hưởng đến sự lựa chọn vật liệu

1.5 Quỹ trình l a ch n v t li uự ọ ậ ệ

Sự lựa chọn cho một chi tiết nào đó phụ thuộc vào vật liệu làm ra nó, kích thước, hìnhdạng, độ chính xác và số lượng Sau đó, phải có yêu cầu thiết kế trong thời gian ngắn.Khi yêu cầu thiết kế thay đổi có thể phải thay đổi quy trình gia công Mỗi quy trìnhđược đặc trưng bởi nhiều các thuộc tính kể trên

Quy trình lựa chọn là tìm sự phù hợp nhất giữa các thuộc tính của quy tình và yêu cầuthiết kế Trong quá trình đó, người ta phải chú ý đến vật liệu, hình dạng và kết hợp giacông

Tóm lại gồm có 4 bước chính: Chuyển đổi (Translation), sàng lọc (Screening), xếp hạng (Ranking) thông tin hỗ trợ (Supporting information)và (Hình 1.5)

11

V t li u ậ ệ

Họ vật liệu, các mác

vật liệu Tính chất của vật liệu

Tìm kiếm thông tin

hỗ trợ

Hình 1.5 Bốn bước chính để lựa chọn vật liệu

Quá trình lựa chọn vật liệu được thu hẹp bởi hình dạng và tính chất của nó

- Vật liệu dễ gia công có thể được được rèn, cán, kéo; còn vật liệu giòn thì phải đượctạo hình theo những phương pháp khác

- Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy vừa phải (độ nhớt thấp) thì có thể được chế tạo bằngphương pháp

- Hình dạng cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình lựa chọn Hình dạng mỏng nhỏ cóthể được chế tạo dễ dàng bằng phương pháp cán hoặc kéo nhưng không sử dụngphương pháp đúc Đối với chi tiết rỗng thì không thể chế tạo được bằng phương pháorèn nhưng có thể được chế tạo bằng phương pháp đúc

- Mặt khác, quá trình gia công tác động đến các tính chất Cán và rèn làm thay đổi độcứng, cấu trúc và sắp xếp các tạp chất trong kim loại, tăng độ cứng và độ bền Tương tự với quá trình thiết kế, quy trình lựa chọn là một quy trình lặp Đầu tiên cungcấp một hoặc nhiều quy trình có thể thực hiện Sau đó được xem xét lại để điều chỉnh chophù hợp để dễ dàng sản xuất Sự lựa chọn cuối cùng dựa trên việc so sánh chi phí giacông

Công đoạn gia công có thể làm ảnh hưởng đến các tính chất: mong muốn (ví dụ: xử lýnhiệt), hoặc không mong muốn (ví dụ: khuyết tật đúc không được kiểm soát)

Điều này không thể mô tả được bởi các quá trình đơn giản mà phải yêu cầu phân tíchhoặc các quá trình mô phỏng

12

PHẦẦN 2: C S LÝ THUYẾẾT Ơ Ở

Hiệu ứng của các nguyên tố hợp kim trong thép

Các nguyên tố hợp kim được đưa vào trong thép mang đến các hiệu ứng sau

- Hóa bền dung dịch rắn Ferit hoặc Austenit

- Tạo ra cácbít hợp kim

- Nâng cao độ thấm tôi cho thép, làm ảnh hưởng đến hình dạng của giản đồ pha vàgiản độ nguội đăng nhiệt TTT và nguội liên tục CCT

- Ảnh hưởng đến quá trình ram

- Tạo ra các tính chất đặc biệt như chịu nhiệt, chịu ăn mòn, chịu mài mòn,…Chúng ta sẽ lần lượt đề cập đến các tác dụng này của các nguyên tố hợp kim

2.1.1 Ảnh hưởng của Cácbon

Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cácbon là nguyên tố quantrọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép (cảthép cácbon lẫn thép hợp kim thấp)

2.1.1.1 Tổ chức tế vi

Hình 2.2 Giản đồ Fe-C

13

Hình 2.2 là hình ảnh của giản đổ pha Fe-C Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cácbon tăng lên tỷ lệ Xementit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,1% C sẽ tăng thêm 1,5% Xementit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ).

- C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần Ferit, coi như sắt nguyên chất

- C = 0,1 - 0,7% - thép có tổ chức Ferit + Peclit, khi %C tăng lên lượng Peclit tăng lên đó là các thép trước cùng tích

- C = 0,8% - thép có tổ chức Peclit, đó là thép cùng tích

- C ≥ 0,9% - thép có tổ chức Peclit + Xementit II khi %C tăng lên lượng Xementit

II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích

Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo

2.1.1.2 Cơ tính

Hình 2.3 Ảnh hưởng của cácbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ)

Ảnh hưởng của cácbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình bày trênHình 2.3

Cácbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB Về mặtđịnh lượng cứ tăng 0,1%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 đơn vị

chỉ tiêu này giảm đi nhanh, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi Như vậy hàm

14

lượng cácbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn Có thể dễ dànggiải thích điều này là do lượng pha Xementit cứng và giòn tăng lên.

cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là Peclit, khi vượt quá 0,8 - 1,%C ngoài Peclit (tấm) rabắt đầu xuất hiện lưới Xementit II Giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép khôngnhững giòn mà còn làm giảm giới hạn bền

2.1.2 Ảnh hưởng của Mangan

2.1.2.1 Ảnh hưởng của Mangan đến tổ chức thép

a) Hóa bền dung dịch rắn Ferit và Austenit

Với lượng ít mangan (khoảng vài %) không làm thay đổi đáng kể cấu hình của giản

đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức Ferit ở nhiệt độ thấp và Austenit ở nhiệt độ cao.Khi hòa tan (dạng thay thế) vào Ferit, mangan làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng,

độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai

Hình 2.4 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim hòa tan trong dung dịch rắn Ferit tới độ

cứng (a) và độ dai va đập (b)

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến hai chỉ tiêu cơ tính điển hình là độ cứng và

độ dai va đập được đưa ra ở Hình 2.4 Từ biểu đồ ta thấy mangan làm tăng mạnh độ cứng(độ bền), đồng thời làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo) Chỉ với 3.5% mangan thì độ dai va

15

giòn Vì vậy, dù giá thành rẻ, trong các thép hợp kim thông thường, lượng mangan chỉđược dùng khoảng 1-2%.

Với lượng nhiều (>10%) mangan sẽ làm thay đổi hẳn cấu hình của giản đồ pha Fe-C,đặc biệt rõ là làm thay đổi các khu vực của Ferit và Austenit Do mangan là nguyên tố mởrộng khu vực γ nên với lượng lớn mangan như vậy thép thuộc loại Austenit (tức có tổchức ổn định ở nhiệt độ thường) Với tổ chức Austenit thép có độ dai cao, độ cứng thấp,song khi làm việc dưới áp lực cao và bị va đập Austenit (với mạng A1 rất nhạy cảm vớihóa bền biến dạng ) bị biến dạng dẻo và biến cứng mạnh, làm tăng mạnh độ cứng và tínhchống mài mòn của lớp mặt

Hình 2.5 Giản đồ Fe-Mn

Hình 2.5 thể hiện giản đồ Fe-Mn có vùng Austenit được mở rộng hơn rất nhiều so vớivùng Austenit của giản đồ Fe-C do ảnh hưởng của nguyên tố mangan

16

Hình 2.6 Ảnh hưởng của mangan đến các vùng α và γ trên giản đồ Fe-C

Hình 2.6 trình bày sự ảnh hưởng của hàm lượng mangan đến mở rộng vùng γ(Austenit) của giản đồ Fe-C Thấy rất rõ mangan mở rộng (nhiệt độ tồn tại) của vùng γ(tương ứng thu hẹp vùng α (Ferit)) Với hàm lượng lớn trong khoảng 10-20% tổ chứcAustenit tồn tại ở cả nhiệt độ thường tức là khi nung nóng hay làm nguội đều không cóchuyển biến pha như thường gặp, thép được gọi là thép Austenit

b) Tạo ra cácbít hợp kim

Mangan là nguyên tố tạo cácbít hợp kim trung bình Mangan không tạo cácbít

biên giới hạt, như hàng rào giữ cho hạt nhỏ Do có mangan nên bề mặt thép không bị quábão hòa cácbon Tuy có mangan là nguyên tố làm hạt lớn, song nhờ có titan (dù với lượngnhỏ) nên tạo ra được các phần tử cácbít titan TiC rất nhỏ nằm ở biên hạt Austenit, ngăntrở hạt lớn lên, nên thép có hạt nhỏ Chính do điều này sẽ dẫn tới ba ưu điểm sau:

- Có thể tôi trực tiếp ngay sau khi thấm vì không cần các nguyên công làm nhỏ hạtnhư thường hóa, tôi lần thứ nhất

- Nhiệt luyện sau thấm là đơn giản nhất: tôi trực tiếp với hạ nhiệt còn khoảng 850 –

2.1.2.2 Ảnh hưởng của Mangan đến quá trình nhiệt luyện

a) Làm ảnh hưởng đến giản đồ pha

Khi hòa tan vào Austenit, mangan làm chậm tốc độ phân hóa đường đẳng nhiệt củaAustenit, tức là làm đường cong chữ “C” dịch sang phải Nguyên nhân của ảnh hưởngnày là do mangan làm chậm sự khuếch tán, làm cho chuyển biến khuếch tán Austenitthành hỗn hợp Ferit – cácbít cần thời gian dài hơn Với lượng trong Austenit càng nhiều,

17

tính ổn định của Austenit quá nguội càng cao Mangan là nguyên tố tạo cácbít yếu nên chỉlàm dịch chuyển vị trí đường cong chữ “C” sang phải mà không làm thay đổi hình dạngcủa đường cong (Hình 2.7)

Hình 2.7 Sự dịch chuyển của đường cong chữ “C”

b) Ảnh hưởng đến quá trình xử lý nhiệt

Nâng cao độ thấm tôi

Do khi hòa tan vào Austenit, mangan làm dịch chuyển đường cong chữ C sang bênphải (thời gian lâu hơn), nên làm giảm tốc độ tôi tới hạn do đó làm cho độ thấm tôi tănglên Với 1% mangan đường kính tới hạn lý thuyết lớn gấp 4 lần so với thép không cócácbon và do đó hệ số tăng độ thấm tôi của mangan là 4 Do tốc độ tôi tới hạn giảm đi,khi tôi thép có thể dùng trong môi trường nguội chậm trong dầu hoặc áp dụng cách tôiphân cấp, tôi đẳng nhiệt nên có thể giảm được biến dạng cong vênh do ứng suất khi tôi

Chuyển biến Mactenxit

Mangan tuy không ảnh hương đến động học của chuyển biến Mactenxit nhưng lại làmảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ chuyển biến Austenit thành Mactenxit và do đó ảnh hưởngđến cả lượng Austenit dư khi tôi Khi thêm nguyên tố mangan sẽ làm giảm điểm bắt đầu

độ cứng không đạt yêu cầu Muốn khử bỏ Austenit dư có thể thực hiện gia công lạnhhoặc ram ở nhiệt độ thích hợp một vài lần để Austenit dư tiếp tục chuyển biến thànhMactenxit, lúc đó sẽ đạt được độ cứng sẽ đạt giá trị cao nhất

Chuyển biến khi ram

18

Các nguyên tố hợp kim, với mức độ khác nhau đều cản trở chuyển biến xảy ra khiram thép, mà cụ thể là ba quá trình: phân hóa Mactenxit (tức là tiết ra Cácbon từMactenxit), chuyển biến Austenit dư thành Mactenxit ram, sự kết tụ cácbít.

Do mangan là nguyên tố tạo cácbít yếu nên tác dụng cản trở quá trình ram là khôngđáng kể

2.1.3 Ảnh hưởng của Silic

Nguyên tố Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai

giòn không cho phép sử dụng Do vậy mặc dầu có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hóa bền cao

Si chỉ được dùng với hàm lượng hạn chế 1 - 2% Như thế không thể dùng thép Si với độthấm tôi cao vì bị hạn chế bởi lượng đưa vào

Silic không tạo cácbít và có xu hướng làm thoát cácbon có trong thép Khi nung thép

có chứa Si, cần chú ý các biện pháp bảo vệ tránh thoát cácbon Si có tác dụng làm tăng độthấm tôi là 1,7 Si có tác dụng làm tính ổn định ram Si còn có tác dụng chống ôxi hóacho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão cho thép crôm Si có tác dụng tăng tínhđàn hồi cho thép Vì vậy, Si thường có mặt trong các mác thép đàn hồi

Thép silic còn có tên gọi khác là tôn silic, thép kỹ thuật điện, thép điện từ, là thépchuyên dụng có tính năng từ tính cao, có tính trễ từ thấp và tính thấm từ rất cao Thép silic thuộc loại hợp kim từ mềm (phân biệt với hợp kim từ cứng dùng chế tạo cácnam châm vĩnh cửu)

19

Hình 2.8 Giản đồ pha Fe-Si

❖ Tác dụng của Silic khi nấu luyện thép

Cácbít hợp kim do khó hòa tan vào Austenit, nằm ở biên giới hạt, như hàng rào giữcho hạt nhỏ Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, tương đối mạnh với W,

Mo Riêng thép có Mn lại có khuynh hướng làm to hạt Austenit Các nguyên tố hợp kimcòn lại Cr, Ni, Si, Al được coi là trung tính Chính vì vậy thép hợp kim thường giữ đượchạt nhỏ hơn thép Cácbon khi cả hai cùng bị nung nóng ở cùng nhiệt độ (ví dụ khi thấmcácbon)

2.1.4 Ảnh hưởng của Crôm

Bản chất “trơ” của thép không gỉ giải thích được là nhờ crôm Nhờ có crôm, tạo mộtlớp ô xít trên bề mặt, nên thép không gỉ chịu được tác dụng mòn hoá học Trong khi thépcác bon không có lớp chống ăn mòn này Một khi hàm lượng crôm tối thiểu ở mức 10,5%thì có một lớp ô xít trên bề mặt ngăn chặn sự khuyếch tán của ôxi vào bên trong (ngănchặn ô xít sắt) Mức crôm càng cao thì mức chống gỉ càng cao

2.1.5 Ảnh hưởng của Niken

Niken là nguyên tố hợp kim chính của mác thép không gỉ Sự có mặt của niken hìnhthành cấu trúc “Austenite” làm cho mác thép này có độ bền, tính dẻo và dai, ngay cả ởnhiệt độ cao Niken cũng là chất không từ tính Trong khi vai trò của niken không có ảnhhưởng trực tiếp lên sự phát triển của lớp “trơ” trên bề mặt, niken cải thiện đáng kể việcchịu được axít tấn công, đặc biệt là với axít sunfuric

20

2.1.6 Ảnh hưởng của Molypđen

Molybden thêm vào mác thép “Cr-Fe-Ni” sẽ tăng tính chống mòn cục bộ và chốngmòn kẻ nứt tốt hơn (đặc biệt là với mác thép Cr-Fe) Molybden giúp chống tác động củanước biển Lượng molybden càng cao (đôi khi có mác thép có 6% molybden), thì mức độchống ăn mòn càng cao

2.1.7 Ảnh hưởng của Đồng

Với hàm lượng nhỏ (0,3 – 0,8% Cu) có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo, độ dai vađập và tính chống ăn mòn của thép nhưng ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép

2.1.8 Ảnh hưởng của Nitơ

Các mác thép không gỉ Ferit, Austenit và song pha Duplex, nitơ giúp chống lại sự ănmòn cục bộ và giữa các hạt Trong việc hàn đề cần dùng với thép “Austenitic” cácbonthấp (nhỏ hơn 0,03%) Tuy nhiên, hàm lượng cácbon thấp có xu hướng giảm độ bền Nitơgiúp tăng độ bền như thép cácbon cao

2.2.1 Phốt pho

2.2.1.1.Ảnh hưởng của phốt pho

Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào Ferit (tới 1,2% ở hợp kim thuần Fe - C, còntrong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể phanày làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên

thường) Chỉ cần có 0,1%P hòa tan, Ferit đã trở nên giòn Song phốt pho là nguyên tốthiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phốt pho trong thép phải

ít hơn 0,05% (để nơi tập trung cao nhất lượng phốt pho cũng không thể vượt quá 0,1% làgiới hạn gây ra giòn)

2.2.1.2 Phương pháp khử

Việc xử lý làm giảm hàm lượng P trong gang, thép là một vấn đề rất được quan tâm Pkhông thể khử bỏ được trong lò cao do môi trường lò cao là môi trường hoàn nguyên.Nên P có trong nguyên liệu sẽ chuyển hoàn toàn vào gang lỏng P trong gang lỏng có thểkhử được trong lò cơ sở như lò điện, lò thổi Tuy nhiên, hạn chế là trong các lò cơ sở chủyếu có nhiệm vụ nấu chảy nhanh và đảm bảo nhiệt độ cho giai đoạn tinh luyện ngoài lònên nhiệt độ tăng nhanh Kết quả là làm cản trở quá trình khử P, dẫn đến khó xử lý triệt

để hoặc phải kéo dài thời gian nấu luyện và vận hành

Trong công nghệ tiền xử lý gang lỏng, việc khử bỏ P có thể được tiến hành bằng việcđưa vào gang lỏng các chất, hỗn hợp chất phản ứng hoặc kết hợp với khí dẫn hỗn hợp

21

chất phản ứng mang tính chất kiềm như vôi luyện kim, ôxit sắt, huỳnh thạch,…Hình 2.9thể hiện một quy trình xử lí có khử P.

Hình 2.9 Sơ đồ quy trình khử phốt pho

trình thực nghiệm được tiến hành theo quy trình như sau:

(1) Gang thỏi được nấu chảy trong lò cảm ứng trung tần 10kg/mẻ và 50kg/mẻ để thuđược gang lỏng có thành phần 0,12% P

(2) Tiến hành quá trình xử lí bằng hỗn hợp chất phản ứng đã được tính toán theo phươngpháp:

- Rải bề mặt kết hợp khuấy trộn

- Nhúng sâu kết hợp khuấy trộn

(3) Lấy mẫu và kiểm tra thành phần hóa học

2.2.2 Lưu huỳnh

2.2.2.1 Ảnh hưởng của lưu huỳnh

Khác với phốt pho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) màtạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988°C), kết tinhsau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 –1200°C) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn Người ta gọihiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng

22