Tiểu luận môn học vật liệu hàng không thép hợp kim thép

1.2 Đặc tính của Thép – Hợp kim Thép Thép và Hợp kim Thép thường có nhiều đặc tính vật lý, hóa học khác nhau tùy thuộc vào thành phần của chúng, tuy nhiên nhìn chung Thép – Hợp kim Thép

1

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG

“THÉP – HỢP KIM THÉP”

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Thầy Cao Thanh Bình

SINH VIÊN THỰC HIỆN: Lê Huỳnh Đức

MÃ SỐ SINH VIÊN: 2051200037

LỚP: 20ĐHKT01

Thành phố Hồ Chí Minh – 03/2023

2

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC VẬT LIỆU HÀNG KHÔNG

“THÉP – HỢP KIM THÉP”

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Thầy Cao Thanh Bình

SINH VIÊN THỰC HIỆN: Lê Huỳnh Đức

MÃ SỐ SINH VIÊN: 2051200037

LỚP: 20ĐHKT01

Thành phố Hồ Chí Minh – 03/2023

LỜI CAM ĐOAN VÀ CẢM ƠN

Tôi xin cam đoan bài tiểu luận này là công trình nghiên cứu của bản thân, được đúc kết từ quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua Các thông tin và số liệu được sử dụng trong bài viết này là hoàn toàn trung thực

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy Cao Thành Bình, người đã đồng hành cùng tôi trong suốt khóa học đã hỗ trợ truyền đạt kiến thức, giải đáp những

thắc mắc của tôi và tác giả của bài báo “Enhancement of the ductility of

Hot Rolled Skin Pass (HRSP) SPFH590 steel by annealing” và còn có các

nhà nghiên cứu, các nhà luyện kim

Thành phố Hồ Chí Minh năm 2023

Người cam đoan

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Tiêu chí Điểm số Điểm Chữ Trình bày Nội dung Phản biện Tổng điểm TpHCM, ngày … tháng …… năm ……

Giáo viên hướng dẫn

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

PHẦN 1: THÉP VÀ HỢP KIM THÉP 1

1.1 Định nghĩa Thép – Hợp kim Thép 1

1.2 Đặc tính của Thép – Hợp kim Thép 1

1.2.1 Độ cứng của Thép – Hợp kim Thép: 1

1.2.2 Độ dai: 2

1.2.3 Độ bền chảy dẻo 2

1.2.4 Độ bền kéo 2

1.2.5 Độ dẻo 2

1.3 Phân loại Thép – hợp kim Thép 2

1.4 Nhiệt luyện Thép – Hợp kim Thép 4

1.4.1 Ủ (Annealing) 5

1.4.2 Thường hóa (Normalizing) 5

1.4.3 Tôi (Quenching) 6

1.4.4 Ram (Tempering) 6

1.5 Ứng dụng của Thép – Hợp kim Thép 7

PHẦN 2: PHÂN TÍCH + TÓM TẮT BÀI BÁO “Enhancement of the ductility of Hot Rolled Skin Pass (HRSP) SPFH590 steel by annealing” [10] 9

1 Giới thiệu 9

2 Quy trình thí nghiệm 9

3 Đặc tính của cấu trúc tế vi 10

4 Kết quả và thảo luận 10

5 Kết luận 14

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 1: Thành phần nguyên tố trong hợp kim 9

Bảng 2: Tính chất cơ học của Thép cuộn nóng SPFH 590 11

Bảng 3: Tính chất cơ học của thép cuộn nóng SPFH 590 đã ủ trong 1 giờ 11 Bảng 4: Tính chất cơ học của thép cuộn nóng SPFH 590 trong 2 giờ 12

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Đường cong ứng suất - biến dạng của một vài loại Thép – Hợp kim Thép [1] 1

Hình 2: Phân loại Thép - Hợp kim Thép 3

Hình 3: Quy trình nhiệt luyện thép tông quát [4] 4

Hình 5: Ứng dụng hợp kim thép vào xe ô tô 7

Hình 6: Bảo tàng Montreal Biosphere 7

Hình 7: Ứng dụng hợp kim thép vào càng đáp 7

Hình 4: Ứng dụng vào phụ kiện y tế 7

Hình 8: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của cơ tính tùy thuộc vào nhiệt độ ủ, (a) Độ bền chảy dẻo, (b) Độ bền kéo tới hạn, (c) Độ dãn đồng đều, (d) Độ dãn tổng, (e) Hệ số Work hardening exponent ‘n’ 13

Hình 9: Hình ảnh thể hiện cấu trúc tế vi cho (a) HRSP, (b) HRSP ủ 500 độ C trong 1 giờ ở đầu cuộn dây, (c) HRSP ủ 500 độ C trong 1 giờ ở giữa cuộn dây, (d) HRSP ủ ở 500 độ c cho 1 giờ ở cuối đoạn dây, (e) HRSP ủ ở 500 độ C trong 2 giờ ở đầu cuộn dây, (f) HRSP ủ ở 500 độ C trong 2 giờ ở giữa cuộn dây, (g) HRSP ủ ở 500 độ C trong 2 giờ ở cuối đoạn dây 14

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HRSP: Hot Roll Skin Pass

ASTM: American Society for Testing and Materials

YS: Yield Strength

UTS: Ultimate Tensile Strength

Hợp kim Thép: Là một hợp kim của thép với một vài nguyên tố khác

(mangan, niken, crom, vanadi, silic, bo, ), mà những nguyên tố này là do chúng ta cố tình thêm vào với một lượng nhất định nhầm thay đổi tổ chức, tính chất của thép sao cho nó phù hợp với nhu cầu mà mình mong muốn

1.2 Đặc tính của Thép – Hợp kim Thép

Thép và Hợp kim Thép thường có nhiều đặc tính vật lý, hóa học khác nhau tùy thuộc vào thành phần của chúng, tuy nhiên nhìn chung Thép – Hợp kim Thép có một số đặc tính phổ biến như sau:

- Độ bền, tuổi thọ cao (độ bền chảy dẻo khoảng 2 GPa, tuy nhiên Thép – Hợp kim thép thường có khối lượng nặng)

- Chịu nhiệt tốt

- Chống ăn mòn tốt

1.2.1 Độ cứng của Thép – Hợp kim Thép:

Đây là khả năng thép chống lại ma sát và mài mòn

Hình 1: Đường cong ứng suất - biến dạng của một vài loại Thép – Hợp kim Thép [1]

2

Đối với thép thì lượng carbon sẽ ảnh hưởng nhiều tới tính chất của thép, ta biết là nếu như thêm càng nhiều carbon vào thép thì thép sẽ càng cứng, càng bền tuy nhiên nó cũng sẽ rất giòn Nên chúng ta chỉ nên giới hạn carbon trong khoảng dưới 2.14% tổng trọng lượng

1.2.2 Độ dai:

Nhìn chung thì đây là khả năng hấp thụ năng lượng mà không bị nứt/vỡ Thép – Hợp kim Thép có thể có các mức độ dẻo dai khác nhau tùy thuộc vào thành phần, cấu trúc tế vi và xử lý nhiệt của nó

1.2.3 Độ bền chảy dẻo

Đây là một thông số phổ biến mà các nhà thiết kế cần biết vì nó sẽ thể hiện khả năng chịu đựng của vật liệu trước khi bị biến dạng vĩnh viễn (khi biến dạng mà ứng suất vẫn còn trong vùng đàn hồi thì có nghĩa là vật liệu vẫn còn tính đàn hồi còn nếu vượt khoảng đàn hồi thì vật liệu sẽ không dàn hồi được nữa mà bị biến dạng vĩnh viễn)

1.3 Phân loại Thép – hợp kim Thép

Nhìn chung thép thường được phân loại theo nồng độ Carbon:

Carbon thấp, trung bình được biểu diễn ở Hình 2:

3

Thép Cacbon thấp: Đây là loại thép thường được sản xuất và được sử

dụng có thể là nhiều nhất, chứa ít hơn 0.25% C và nó không có khả năng nhiệt luyện, tuy nhiên chúng ta vẫn có thể tăng bền cho loại thép này bằng cách gia công nguội

Cấu trúc tế vi của loại thép này thường là Ferit và Peclit [3] nên loại thép này có cơ tính không quá tốt, tuy nhiên nó có độ dẻo và độ dai lớn do nồng

độ Carbon thấp

Độ bền chảy dẻo khoảng 180-552 MPa, và độ bền kéo của nó khoảng

415-550 MPa và độ biến dạng khoảng 25% chiều dài gốc

Thép Cacbon trung bình: Thép Carbon trung bình có nồng độ carbon từ

0.25-0.6% trọng lượng, nhờ đó nên loại thép này có thể cân bằng độ dẻo, độ bền và khả năng chống mài mòn tốt Loại thép này có thể áp dụng nhiệt luyện để cải thiện tính chất cơ học, ngoài ra Chúng ta có thể bổ sung Cr, Ni, Mo, để nhiệt luyện hợp kim này để cải thiện độ bền và độ dẻo Những loại thép này mạnh hơn thép carbon thấp tuy nhiên độ dẻo, dai lại không bằng Thép Carbon thấp

Hình 2: Phân loại Thép - Hợp kim Thép

4

Thép Cacbon cao: Thép Carbon cao thường chứa từ 0.6-1.4% khối lượng

Carbon, đây là loại thép cứng nhất, bền nhất, ít dẻo nhất trong các loại thép Carbon Những loại này thường được sử dụng trong các điều kiện đã được làm cứng và tôi luyện, do đó những loại thép này có khả năng chống mài mòn tốt Chúng ta có thể thêm các nguyên tố như: Chromium, Vanadium, Tungsten, Molydbenium để nó kết hợp cùng với carbon tạo nên các Carbide

mà những phân tử Carbide này có đặc tính là rất cứng và chống mòn rất tốt Đối với hợp kim Thép thì chúng ta có: thép hợp kim thấp, thép hợp kim trung bình và thép hợp kim cao

Thép hợp kim thấp: tổng hàm lượng các nguyên tố khác ≤ 2,5%

Thép hợp kim vừa: tổng hàm lượng các nguyên tố khác 2,5-10%

Thép hợp kim cao: tổng hàm lượng các nguyên tố khác > 10%

Thép không gỉ: Thép không gỉ là loại thép chống ăn mòn (chống gỉ) tốt

nhất trong các loại thép trong nhiều môi trường khác nhau đặc biệt là trong môi trường khí quyển do nguyên tố hợp kim chính của loại thép này là Chromiun (với hàm lượng ít nhất là 11%) và chúng ta vẫn có thể tăng khả năng chống gỉ của nó bằng cách thêm các nguyên tố Niken, Molybenium

1.4 Nhiệt luyện Thép – Hợp kim Thép

Nhiệt luyện là một quá trình bao gồm ba giai đoạn: nung nóng hợp kim đến một nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt ở đó một thời gian cần thiết rồi sau đó làm nguội với các tốc độ khác nhau, mô tả như hình Hình 3 Để làm thay đổi tổ chức từ đó thay đổi tính chất của hợp kim theo nhu cầu sử dụng

Hình 3: Quy trình nhiệt luyện thép tông quát [4]

5

1.4.1 Ủ (Annealing)

Ủ là phương pháp nung nóng thép đến một nhiệt độ xác định và sau đó giữ

1 khoảng thời gian rồi làm nguội chậm cùng với lò

Mục đích: Giảm độ cứng để tiến hành gia công, làm giảm/mất ứng suất dư, làm đồng đều thành phần hóa học,

Ủ thấp (ủ non): Là phương pháp ủ tiến hành ở nhiệt độ từ 200 – 600° C với

mục đích là giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở vật đúc hay sản phẩm qua gia công cơ khí

Nếu nhiệt độ ủ chỉ từ 200 - 300° C sẽ khử bỏ một phần ứng suất bên trong, nếu từ 450 - 600° C thì có thể sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong

Để ở nhiệt độ thường 9-12 tháng thì cũng sẽ giúp làm giảm ứng suất dư (phương pháp này còn được gọi là hóa già tự nhiên)

Ủ kết tinh lại: Là phương pháp ủ tiến hành ở nhiệt độ kết tinh lại (với thép

cacbon nhiệt độ ủ là 600 - 700° C) Công dụng: dùng cho các thép qua biến

dạng nguội, bị biến cứng để khôi phục lại cơ tính như trước khi biến dạng

Ủ khuếch tán: Là phương pháp ủ nung nóng thép đến nhiệt độ rất cao từ

1100 - 1150° C với thời gian giữ nhiệt rất dài từ 10 – 15 tiếng để tăng khả năng khuếch tán làm đồng đều thành phần hoá học trong các vùng của hạt Công dụng: dùng cho vật đúc thép hợp kim cao bị thiên tích (hợp kim phân

bố không đồng đều) Sau ủ khuếch tán hạt rất to nên phải tiến hành ủ

thường hay cán nóng để làm nhỏ hạt thép

1.4.2 Thường hóa (Normalizing)

Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit giữ nhiệt và làm nguội ngoài không khí (kinh tế hơn ủ do để nguội trên nền sân)

Tổ chức nhận được khi thường hoá tương tự như khi ủ nhưng độ cứng cao hơn một ít và hạt nhỏ mịn hơn do tốc độc nguội lớn hơn

Mục đích của tôi: Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép

Tuy nhiên do phương pháp tôi khi nguội nhanh thì nó sẽ gây ra chênh lệch nhiệt độ lớn làm sinh ra ứng suất dư lớn, điều này có khả năng làm biến đổi hình dạng của sản phẩm Như vậy chúng ta phải kiểm soát lượng ứng suất

dư tạo ra trong sản phẩm sao cho nó nhỏ hơn giới hạn đàn hồi là được Tuy nhiên là để kiểm soát lượng ứng suất dư tạo ra này không hề dễ dàng!

Có 2 hình thức tôi: Tôi xuyên tâm và tôi mặt ngoài:

Tôi xuyên tâm: Giữ nhiệt và làm nguội nhanh hợp lý để cho chi tiết có

cùng độ cứng cả trong lẫn ngoài

Tôi mặt ngoài: Tôi mặt ngoài thực hiện bằng cách nung nhanh và làm

nguội lớp mặt ngoài của chi tiết Bề mặt chi tiết sau khi tôi có độ cứng cao còn phần lõi vẫn mềm và dẻo

Có 3 cách ram:

7

Ram thấp là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150 – 250

độ C tuy nhiên sau khi ram thì độ cứng không thay đổi (có thay đổi thì rất ít:

từ 1-3 HRC)

Ram trung bình là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300 –

450 độ C Tổ chức sau ram có độ cứng giảm nhưng vẫn còn khá cao

(khoảng 40-45 HRC), ứng suất bên trong giảm mạnh, giới hạn đàn hồi đạt được giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên

Ram cao là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 500 – 650 độ

C Tổ chức sau ram có độ cứng giảm mạnh (giảm khoảng 15-25 HRC), ứng suất dư bị khử bỏ, độ bền giảm, còn độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh

1.5 Ứng dụng của Thép – Hợp kim Thép

Thép và hợp kim thép được sử dụng rất nhiều trong gần như là mọi ngành

Hình 5: Bảo tàng Montreal Biosphere

[6]

Hình 4: Ứng dụng hợp kim thép vào xe ô tô [7]

Hình 6: Ứng dụng hợp kim thép vào càng đáp [8] Hình 7: Ứng dụng vào phụ

kiện y tế [9]

8

- Xây dựng: Hơn một nửa lượng thép sản xuất hàng năm được sử dụng

để xây dựng các tòa nhà và cơ sở hạ tầng như cầu, dầm, tấm, trần nhà, kết cấu, nhà ga, bến cảng (như Hình 5)… [5]

- Công cụ cơ khí: Dùng để chế tạo các loại máy móc gia công (máy ủi, máy kéo, máy cán,…) [5]

- Ô tô: Được sử dụng trong cấu trúc thân xe, ngoại thất, vỏ xe, cửa xe (như Hình 4)

- Các phương tiện giao thông khác: Thép được sử dụng trong tàu thủy,

xe lửa và các bộ phận của máy bay Thép có thể làm các bánh xe, trục, vòng bi và động cơ trong xe lửa Ngoài ra trong máy bay, thép còn được sử dụng để làm động cơ và càng đáp của máy bay (như

Hình 6)

- Điện: Thép thường sử dụng để làm các thiết bị cung cấp/phân phối điện năng như: máy biến áp, máy phát điện, xe máy điện, giá treo, và cáp thép gia cố,

- Y tế: Làm bộ phận giả thay thế, công cụ y tế (ví dụ như Hình 7)…

9

PHẦN 2: PHÂN TÍCH + TÓM TẮT BÀI BÁO “ENHANCEMENT OF THE DUCTILITY OF HOT ROLLED SKIN PASS (HRSP) SPFH590 STEEL BY ANNEALING” [10]

TÓM TẮT TOÀN BÀI BÁO:

Bài viết này giải quyết vấn đề cải thiện độ dẻo của thép cuộn cán nóng

SPFH 590 bằng cách ủ với nhiệt độ khoảng 500 độ C trong 1 tiếng hoặc 2 tiếng

Kết quả: Cơ tính của vật liệu thép cán nóng SPFH 590 đã được cải thiện đáng kể như độ bền chảy dẻo, độ giãn, độ dẻo dai và hệ số work hardening exponent n (giá trị n của vật liệu là thước đo tốc độ vật liệu tăng cường độ khi bị biến dạng, điều này nghĩa là để kéo dài vật liệu thêm một chút nữa, chúng ta phải áp dụng một lực lớn hơn)

1 Giới thiệu

Việc cải thiện, tăng cơ tính của vật liệu luôn là một chủ đề mà các nhà

nghiên cứu vật liệu học rất quan tâm Chúng ta biết là để biến đổi cơ tính của một vật liệu thì có nhiều cách như: Nhiệt luyện (thường hóa, ủ, tôi, ram, ) và thêm các nguyên tố hợp kim (tuy nhiên phương pháp này hạn chế hơn vì nó tốn kém và vật liệu sản xuất ra có giá cao) Trước đây đã có nhiều người nghiên cứu về việc cải thiện cơ tính vật liệu và họ đã rút ra được một kết luận như sau: “quá trình rèn nóng – ủ, tiếp theo là xử lý cán nóng cho thấy sự kết hợp kém của độ bền và độ dẻo, tuy nhiên xử lý cán nguội hoặc cán nóng rồi ủ giúp cải thiện đáng kể mối quan hệ độ bền – độ dẻo” Trong bài báo này mục tiêu của tác giả là cải thiện độ dẻo của thép SPFH 590 bằng cách ủ và để điều tra xem liệu các tính chất cơ học có thể đạt được bằng cách ủ ở nhiệt độ khác nhau hay không

vi thì tác giả đã sử dụng kính hiển vi quan học

3 Đặc tính của cấu trúc tế vi

Các mẫu được cắt ngang vuông góc với phương cán, đã được đánh bóng và được khắc trong dung dịch Nital 5% trong 15-20s Và sau đó tác giả đã sử dụng kính hiển vi quang học để phân tích cấu trúc tế vi của mẫu

4 Kết quả và thảo luận

Các thử nghiệm độ bền kéo đã được thực hiện cho các mẫu của cuộn dây đối với thép cuộn cán nóng SPFH 590 và thép cuộn cán nóng SPFH 590 đã qua ủ

Bảng 2 cho biết các tính chất của thép cán nóng SPFH 590 chưa ủ

Tác giả đã chỉ ra rằng có một số điểm khác biệt về cơ tính giữa các mẫu thử,

cụ thể: Đối với độ bền chảy dẻo dao động trong khoảng 498 – 505 MPa, độ bền kéo tới hạn khoảng 582 – 599 MPa, tổng độ biến dạng khoảng 13.8 – 16.3%

Chỉ có độ dãn đồng đều (10 – 11%) và hệ số n (0.1-0.11) không thay đổi quá nhiều

Độ dãn tổng: là độ biến dạng mà tại đó vật kéo bị đứt, thể hiện khả năng chịu kéo của vật liệu cho đến khi bị gãy

Độ dãn đồng đều: là độ biến dạng mà tại đó bị dãn do lực tác động lớn nhất, thể hiện khả năng chịu dẻo của vật liệu

Bảng 3 cho biết các tính chất cơ học của thép cán nóng SPFH 590 đã ủ ở nhiệt độ 500 độ C trong 1 giờ

Total elongation (%)

Uniform elongation (%)

n' value

Total elongation (%)

Uniform elongation (%)

n' value

Từ kết quả của bài kiểm tra kéo thì tác giả đã thấy được: Độ bền chảy dẻo là

551 MPa, độ bền kéo tới hạn là 591-614 MPa và cả 2 đều không thay đổi quá nhiều giữa các mẫu Nhìn nhanh thì chúng ta có thể thấy rõ độ bền chảy