PGS.TS HỒNG TÙNG - PGS.TS PHẠM MINH PHƯƠNG TS NGUYÊN NGỌC THÀNH
GIAO TRINH
Trang 2PGS TS HOANG TUNG -— PGS TS PHAM MINH PHUONG
TS NGUYEN NGOC THANH
GIAO TRINH
VAT LIEU HOC TRONG
Cơ KHÍ
(Dùng cho đào tạo hệ cử nhân các trường kỹ thuat)
Trang 3Loi abi dau
Ở Việt Nam các ngành cơng nghiệp, đặc biệt các ngành cơ khí, thường ngày đều gắn với vật liệu và cần đến các vật liệu cĩ tính năng đa dạng với chất lượng ngày cảng, cao
Hiện nay, kim loại (sắt, nhơm, đồng) và hợp kim (thép, gang, các hợp kim của nhơm, đồng, titan) được dùng rất rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp Các kim loại, đặc biệt là sắt và các hợp kim của nĩ đã và đang đĩng vai trị quan trọng, trong sự phát triển các ngành cơng nghiệp, kể cả phát triển kinh tế, kỹ thuật
Các vật liệu kim loại được đùng rong rãi để chế tạo máy mĩc vả cơng, cụ là do
chúng cĩ cơ tính tốt đảm bảo được các yêu cầu để ra Nĩi chung vật liệu kim loại
cĩ độ bến và độ cứng cao, độ đẻo và độ dai tốt, vì vậy máy mĩc dùng được lâu, ít mịn Một số kim loại và hợp kim cĩ những tính chất vật lý đặc biệt như: dẫn điện và dân nhiệt tốt, cĩ từ tính đặc biệt, chịu nhiệt tốt Song song với sự phát triển kim loại và hợp kim, các vật liệu khác (compozit, kim loại bột, chất dẻo, ) cũng phát triển và được sử dụng trong cơng nghiệp
Để sử dụng kim loại, hợp kim và các loại vật liệu khác trong sản xuất cơng, nghiệp một cách hợp lý, các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, kể cả cơng nhân cũng cần cĩ những kiến thức cơ bản nhất về một số vật liệu thơng dung nhất
Vật liệu cơ bản và xử lý nhiệt là mơn học kỹ thuật cơ sở trình bảy về cấu tạo
bên trong và các tính chất của vật liệu kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, về sự phụ thuộc giữa các tính chất vào cấu tạo bên trong của chúng Dựa trên mối quan
hệ đĩ người ta tiến hành tìm tồi các hợp kim mới cĩ tính chất mong muốn và các
phương pháp gia cơng nhiệt để cải thiện các tính chất của kim loại, hợp kim Để nâng cao chất lượng vật liệu kim loại, cũng như các sản phẩm kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, người ta đã sử dụng cơng nghệ xử lý nhiệt Cơng nghệ xử lý nhiệt là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu kim loại bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong hoặc thay đổi thành phần hố học lớp bể mặt kim loại mà khơng làm thay đổi hình dáng và kích thước của chỉ tiết
Vì vậy trong chế tạo cơ khí, xử lý nhiệt đĩng vai trị quan trọng vì khơng những nĩ tạo cho chỉ tiết sau khi gia cơng cơ những tính chất cần thiết như đệ
Trang 4cứng, độ bền, độ dẻo đai, khả năng chống mài mịn, chống ăn mịn, ma con lam tăng tính cơng nghệ của vật liệu Vì vậy cĩ thể nĩi xử lý nhiệt là một trong những
yếu tố cơng nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơng nghiệp
nĩi chung
Các cán bộ kỹ thuật (kể cả cơng nhân) khi thiết kế và chế tạo các kết cấu máy
phải cĩ hiểu biết đây đủ về các loại vật liệu thường dùng (gang, thép, các hợp kim nhơm, đồng, hợp kim ổ trục, vật liệu khác) và các phương pháp xử lý nhiệt thích hợp Trong hồn cảnh cung ứng vật tư khơng đáp ứng đúng số hiệu, nếu nắm vững các tính chất của vật liệu, các cán bộ kỹ thuật, cơng nhân cĩ thể chọn các số hiệu khác (loại khác) tương đương để thay thế
“Vật liệu học” là mơn học cơ sở kỹ thuật rất thực tiễn Vì vay trong quá trình
học phải luơn luơn liên hệ với thực tế gia cơng và sử dụng, đồng thời giải thích các
hiện tượng vật lý bằng lý thuyết đã học Ngồi phần lý thuyết, học sinh cần thực
hiện các bài thí nghiệm và các bài tập nhằm củng cố kiến thức được học cũng như giúp làm quen với thực tế
Giáo trình nảy gồm 7 chương Trong chương 1 và chương 2 trình bày các lý thuyết cơ sở về kim loại và hợp kim (do PGS.TS Hồng Tùng biên soạn) Chương 3, 4 và 6 trình bày các loại vật liệu kim loại thường dùng (thép, gang và kim loại
mau) (do PGS.TS Phạm Minh Phương biên soạn) Trong chương 5 trình bảy bản
chất cách tiến hành các phương pháp xử lý nhiệt kim loại và chương 7 trình bảy
một số vật liệu phi kim loại (chất dẻo, cao su, compozit) thường dùng trong cơng,
nghiệp chế tạo máy (do TS Nguyễn Ngọc Thành biên soạn)
Cuốn sách này được biên soạn theo nội dung của các giáo trình Cơng nghệ kim loại, Cơ khí đại cương, Kim loại học và Nhiệt luyện, Vật liệu học, Cơng nghệ
Nhiệt luyện, đã dạy nhiều năm tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như
các giáo trình tương tự trong và ngồi nước, dùng cho hệ đảo tạo cử hân kỹ thuật cơng nghiệp
Trong quá trình biên soạn, khơng tránh khỏi những thiếu sĩt, các tác gia rất mong nhận được sự gĩp ý của bạn đọc Mọi ý kiến đĩng gĩp xin gửi về: Cơng ty cổ phần
Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội
Trang 5Chuong 1
KHAI NIEM CO BAN VE KIM LOAI VA HOP KIM
Vật liệu dùng trong cơng nghiệp rất đa dạng, tuy nhiên kim loại và hợp kim của chúng vẫn được sử dụng nhiều nhất (70 - 80%) khối lượng, vì vậy cần phải hiểu biết những tính chất cơ bản và phạm vi sử dụng chúng
1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CƠNG NGHIỆP
Vật liệu nĩi chung là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy mĩc, thiết bị và ngay cả để thay thế một số bộ phận của cơ
thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật
Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân ra 4 nhĩm vật liệu chính:
— Vật liệu kim loại
— Ceramic (vat liéu v6 co)
~ Polyme (vật liệu hữu cơ) ~ Compozit (vật liệu kết hợp)
Ngồi ra cĩ những nhĩm phụ khĩ ghép vào bốn nhĩm trên như: bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, silicon, vật liệu nanơ
1.2 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI
Kim loại là vật thể sáng (cĩ ánh kim), cĩ thể rèn được (đo cĩ tính dẻo), cĩ tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cĩ hệ số nhiệt điện trở dương
Hiện nay đã tìm dược hơn 100 nguyên tố, trong đĩ hơn 3/4 là kim loại:
trong bảng tuần hồn các nguyên tố hố học, chúng nằm ở bên trái đường
đậm nét Ngồi ra một số nguyên tố cĩ vị trí trung gian giữa kim loại và á
kim, đĩ là các nguyên tố bán dan (Ge, Si) Các nguyên tố cịn lại là á kim: C,
ĨO,H,N,B ; khí tro: He, Ne, Ar, Kr và halơzen: F, Cl, Br, 1 (bén phai
dudng dam nét)
Thực tế chưa cĩ tiêu chuẩn thật rõ rệt phân biệt kim loại và á kim
Trang 6~ Kim loại đen là sắt và các hợp kim trên cơ sở sắt, ví dụ: thép và gang
— Kim loại màu: bao gồm các kim loại cịn lại trong bảng tuần hồn và
hợp kim trên cơ sở của chúng
1.3 CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ
1.3.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại
~ Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại: Nguyên tử là một hệ thống
phức tạp gồm hạt nhân (chứa prơtơn + nơtrơn) mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm quay quanh hạt nhân Đặc điểm của kim loại là số điện tử hố trị rất ít (thường là ] + 2e, e = electron), các điện tử liên kết rất yếu với hạt nhân, dễ bứt ra khỏi hạt nhân và trở thành điện tử tự do cịn nguyên tử trở thành ion dương Đặc tính của các điện tử này quyết định
nhiều tính chất đặc trưng của kim loại
1.3.2 Cấu tạo tỉnh thể kim loại
1 Một số khái niệm cơ bản
Tất cả các kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn đều là vật thể cĩ cấu tạo |
mạng tỉnh thể Các nguyên tử (ion) chiếm những vị trí nhất định trong khơng
gian tạo thành mạng tỉnh thể
— Mạng tỉnh thể gồm những mặt nguyên tử sắp xếp song song va cach đều nhau gọi là mặt tinh thé ;
— Đường thẳng đi qua 2 nguyên tử (ion) và tiếp tục đi qua các nguyên tử
(ion) khác gọi là phương tính thể
— Phần thể tích nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tỉnh thể nào đĩ được gọi là 6 cơ bản Nếu xếp liên tiếp các ơ cơ bản theo 3 chiều khơng gian sẽ được tồn mang tinh thé (hinh 1.1)
— Thơng số mạng
Thơng số mạng là kích thước cơ bản của mạng tỉnh thể, từ đĩ cĩ thể tính
ra các khoảng cách bất kỳ trong mạng Đơn vị thường dùng là ãngstrơng (A°) hay kil6 inch (kx)
Hệ lập phương chỉ cĩ một thơng số mạng là cạnh a của khối co ban Hệ
lục giác cĩ hai thơng số mạng là a và c
Trang 7` v~ = N IN TEN mà Id ;4 we 1 b) ©)
Hình 1.1 Mạng lập phương đơn giản
a) mang tinh thổ, b) mat tinh thé: c) 6 co ban
7
1.3.3, Cac dang 6 co ban cua mang tinh thé kim loai
Ơ cơ bản đặc trưng cho kiểu mạng tỉnh thé của kim loại Theo tính tốn
của Bravais thì tất cả cĩ 14 kiểu mạng tỉnh thể khác nhau thuộc 7 hệ Trong
các kim loại thường dùng trong cơng nghiệp cơ khí, thường gặp ba kiểu
mạng tỉnh thể là: lập phương thể tâm (cịn gọi là lập phương tâm khối và ký
hiệu là A2 hoặc lptkJ; lập phương diện tâm (cịn gọi lập phương tâm mặt và ký hiệu là A1 hoặc lptm); sáu phương xếp chặt (ký hiệu là A3 hoặc spxc)
4) Lập phương tâm khối (ký hiệu A2, Iptk): (cĩ ở các kim loại: Fe„, Cr, Vu ) 1 i pc
Hình 1.2 6 cơ sd mạng lập phương tâm khối (a, b, c)
Trang 8oy
b) Lập phương tâm mặt (ký hiệu AI, lptm): (cĩ ở các kim loại: Eey, Al,
Cu, Ni, Pb )
Ơ cơ sở là hình lập phương với cạnh là a, các nguyên tử nằm ở đỉnh và
trung tâm các mặt bên của khối Ơ này đơi khi được ký hiệu bàng], hình 1.3
Hình 1.3 Ơ cơ sở mạng lập phương tâm mặt
c) Sáu phương xếp chặt (ký hiệu A3, spxc): (cĩ ở các kim loại: Zn, Cd,
Mg ) Ơ cơ sở là hình lục giác với các cạnh là a và c (gồm sáu lăng trụ tam
giác đều), các nguyên tử ở 12 đỉnh, giữa các mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở
tâm 3 khối lăng trụ tam giác cách đều nhau (hình 1.4), được ký hiệu bằng ©)
Hình 1.4 Ơ cơ sỏ mạng sáu phương xếp chặt
* Tính biến đổi thù hình của kim loại: :
Kim loại ở các nhiệt độ, áp suất khác nhau cĩ kiểu mạng khác nhau,
được gọi là tính thù hình của kim loại Ví dụ: Fe, Co, Mn, Sn, Te, Ce Các dạng thù hình khác nhau của cùng một nguyên tố được ký hiệu
bằng chữ cái Hy Lạp : a, B, y, 6 trong dé a chỉ dạng tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất cịn ÿ, y, ồ lần lượt ở các nhiệt độ cao hơn Ví dụ: Feạ, Feg,
Fey (hình 1.5) Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ đạng thù hình này sang
Trang 911539 |1392_ ay Nhiét d6,°C e Thời gian Hình 1.5 Tỉnh thù hình của sắt
Đặc điểm khi chuyển biến thù hình:
— Toa hoặc thu nhiệt
— Thay đổi thể tích
— Thay đổi tính chất
Nhìn vào sự biến đối thù hình của sắt cho thấy : Fe„ mềm, cĩ từ tính
nhưng Fey lại dẻo, nhưng khơng cịn từ tính Nhờ vậy mà cải thiện được tính
cơng nghệ của sắt ,
Trong thực tế khơng phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định,
mà luơn cĩ những nguyên tử nằm sai lệch khỏi vị trí quy định, gây nên sai
lệch mạng tỉnh thể (gọi là lệch mạng) Tuy số nguyên tử nằm sai lệch khỏi vị
trí quy định rất ít (chỉ 1 — 2%) nhưng cũng gây ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của kim loại
1.3.4 Đơn tỉnh thể và đa tỉnh thể
1 Đơn tính thể
Đơn tỉnh thể là vật thể cĩ mạng thống nhất và phương mạng khơng thay đổi trong tồn bộ thể tích của nĩ Đơn tỉnh thể cĩ hình dạng nhất định đặc trưng cho kiểu mạng của mình Đơn tỉnh thể cĩ tính đị hướng Thực tế rất ít
gặp đơn tính thể vì chúng cĩ kích thước rất bé (1-100um), do phải
"nuơi = cơng nghệ" bằng phương pháp cơng nghệ đặc biệt (hình 1.6a)
Tinh di hướng của đơn tỉnh thể: là sự khác nhau về tính chất (cơ, ly,
hố ) theo những phương mạng khác nhau của tỉnh thể
Trang 10
Nguyên nhân: Theo phương khác nhau, mật độ nguyên tử khác nhau,
lực liên kết khác nhau, tính chất khác nhau Thường phương nào cĩ mật độ lớn thì cĩ độ bền cao
Khái niệm đơn tỉnh thể cĩ thể liên hệ với khái niém don tinh thé Ge, Si (vật liệu bán dẫn)
2 Da tinh thé
a) Hat tinh thé’ (goi tat la tinh thể): Trong thực té hau như chỉ gap da tinh thể Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tỉnh thể nhỏ (cỡ km), mỗi don tinh
thé trong da tinh thé được gọi là hạt rỉnh thể Các hạt cĩ phương mạng định
hướng khác nhau (ngẫu nhiên theo phương truyền nhiệt khi kết tinh) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới (gọi là biên hạt hoặc tỉnh giới hạt)
Đặc điểm:
~ Mang tinh thể trong mỗi hạt đều cĩ trật tự
~ Cac hat trong da tinh thể cĩ phương mạng sắp xếp bất kỳ nên da tinh
thé c6 tinh đẳng hướng
— Vùng biên giới hạt các nguyên tử sắp xếp khơng cĩ trật tự và chịu ảnh
hưởng của các hạt xung quanh (hình 1.6b,c) vi ` a act: oar ve a b) c)
Hình 1.6 Mơ hình don tinh thé (a), da tinh thé (b) va anh hién vi quang hoc mau da tinh thé sau tẩm thực (c)
_Ðb) Độ hại: Hạt to, nhỏ cĩ ảnh hưởng lớn tới cơ tính của kim loại Độ hạt
là biểu hiện kích thước trung bình của các hạt Cĩ I6 cấp từ 00, 0, 1, 2, 14 theo thứ tự nhỏ dần Độ hạt càng nhỏ tính chất cơ học của kim loại càng cao,
8 cấp của kim loại thường dùng là từ cấp 1 đến 8
Trang 111.4 SU KET TINH CUA KIM LOAI
Sự kết tỉnh của kim loại là sự tạo thành mạng tỉnh thể của kim loại khi chuyển từ trạng thái lỗng sang trạng thái đặc Khi kết tỉnh cĩ sự biến đổi từ 4rạng thái sắp xếp khơng hồn tồn trật tự thành cĩ trật tự (đĩ là cấu trúc tinh
thể), nĩ xảy ra ở mỗi nhiệt độ nhất định đối với mỗi kim loại
Phần lớn kim loại (hay hợp kim) được chế tạo ra ở trạng thái lỏng rồi làm
nguội trong các khuơn đúc, tức là qua kết tinh, s¿u đĩ mới qua các dạng gia
cơng khác nhau (ví dụ rèn, dập, cán ) để làm thành bán thành phẩm, sản phẩm
1.4.1 Điểu kiện xảy ra kết tỉnh
a) Biển đổi năng lượng khi kết tỉnh: Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do (theo chiều cĩ năng lượng dự
trữ bé hơn) Trong hệ thống gồm nhiều chất điểm chuyển động (nguyên tử, phân tử), năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do F Hình
1.7 biểu thị sự biến đổi năng lượng tự do F của trạng thái rắn và trạng thái
lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ F=U-TS AF Trong đĩ: U ~ nội nang của hệ thống; S— entr6pi; T —nhiét dé K
Khi nhiệt độ T >T, vat thé 6
trạng thái lỏng vì năng lượng tự
đo của trạng thái lỏng nhỏ hơn ở
'
———— — 1 ————>————. - _ —
trạng thái rắn F,< Fạ, su két tinh Ts Nhiệt độ, K
chưa xảy ra Hình 1.7 Sơ đồ biến đổi năng lượng tự Khi nhiệt độ T < Tẹ vật thể ở _ do AF của các trạng thái rắn, lỗng phụ
trạng thái tỉnh thể vi F, > Eạ thuộc vào nhiệt độ
Khi nhiệt độ T = T§ tại đĩ F,= Eạ, kim loại ở trạng thái cân bằng dong:
cĩ một lượng kim loại kết tỉnh thì lại cĩ một lượng kim loại ran nhu vay nĩng chảy Chỉ ở nhiệt độ T< Ts, khi đĩ F,> Fạ mới cĩ sự kết tỉnh
Khi nguội qua T; sẽ xảy ra quá trình kết tỉnh nên T; được gọi là nhiệt độ
kết tỉnh (khi nguội) hay gọi là nhiệt độ chảy (khi nung nĩng), điều này chỉ
cĩ tính lý thuyết, vì tại đúng nhiệt độ đĩ khi làm nguội vẫn chưa xảy ra kết tinh; khi nung nĩng vẫn chưa xảy ra nĩng chảy
Trang 12Sự kết tính thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tính lý
thuyết Ty một khoảng nhất định để tại đĩ Fạ < F,, một cách rõ rệt
b) Độ quá nguội
Hiệu số giữa nhiệt độ kết tỉnh lý thuyết Tạ và nhiệt độ kết tỉnh thực tế Tị,
là độ quá nguội AT: ,
AT =T;— Tạ, ; phần lớn kim loại kết tỉnh với AT = 2 z 5°C
Cũng tương tự như vậy cho khi nung nĩng, sự nĩng chảy thực tế xảy ra ở nhiệt độ T, > Tạ Độ chênh lệch giữa chúng được gọi là độ quá nhiệt
1.4.2 Hai quá trình của sự kết tỉnh
Khi nhiệt độ T< Tạ xảy ra sự kết tỉnh Sự kết tỉnh được thực hiện nhờ
hai quá trình song song và nối tiếp nhau: Trong kim loại lỏng xuất hiện
những trung tâm kết tỉnh cĩ kích thước rất nhỏ gọi là mầm và tiếp theo mầm phát triển thành tỉnh thể hạt
a)Tao mam
Cĩ hai loại mầm là mnầm tự sinh và mầm ký sinh (mầm khơng tự sinh)
Mầm tự sinh là mầm tạo thành từ chính bản thân kim loại lỏng (do cĩ sự thay đổi nội năng khi kim loại nguội) cịn mầm ký sinh là mầm tạo thành trên
cơ sở các phần tử rắn cĩ sẵn ở trong kim loại lỏng (đĩ là các tạp chất khơng tan, bụi than, bụi quặng, bụi tường lị, ơxýt, nitrit, goi 14 tap chat), ching
đĩng vai trị như những mầm, giúp cho quá trình tạo mầm dé dang hon
b) Phát triển mâm
Sau khi mầm được tạo thành, chúng tiếp tục phát triển thành hạt tính
thể Đây là quá trình tự phát vì cĩ sự giảm năng lượng của hệ thống Do
phương phát triển giữa các mầm định hướng ngẫu nhiên nên khi phát triển lên chúng gặp nhau tạo biên giới hạt -
1.4.3 Sự hình thành hạt tỉnh thể
a) Tiển trình kết tinh
Khi kết tỉnh, quá trình sinh mầm và phát triển mầm xảy ra song song và nối tiếp nhau: khi các mầm mới được sinh ra thì các mầm đã cĩ tiếp tục phát
triển , cứ như vậy chúng lớn dân đến khi chúng gặp nhau, kim loại lỏng hết,
ta sẽ được đa tinh thể gồm các hạt tinh thể định hướng khác nhau
Trang 13b) Hinh dang hat tinh thé Hạt tỉnh thể (hoặc hạt kim loại) kim loại đúc cĩ nhiều dạng khác
nhau: tấm, trịn, kim, nhưng thường
là dạng nhánh cây Sự phát triển
tỉnh thể cĩ tính dị hướng, theo mặt
và phương cĩ mật độ lớn mầm phát
triển nhanh hơn, mặt khác cũng phát triển theo phương tản nhiệt nên lúc đầu cĩ dạng nhánh cây (hình 1.8), sau đĩ kim loại giữa các nhánh cây mới kết tỉnh tạo nên hạt (tỉnh thể) đặc kín
Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo nhánh cây
Ví dụ : Các thỏi kim loại đúc thường cĩ tiết diện trịn, vuơng, hoặc chữ nhật (hình 1.9), từ ngồi vào trong cĩ ba vùng tỉnh thể lần lượt như sau:
Vùng ngồi cùng là lớp hại nhỏ mịn đẳng trục (1): do kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuơn nguội nên được kết tỉnh với độ quá nguội AT lớn, mặt khác do tác dụng của bề mặt khuơn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn Vùng tiếp theo là vàng hạt tương đối lớn hình trụ (2) kéo dài vuơng gĩc với thành
khuơn Sau khi vỏ ngồi đã kết tỉnh xong thành khuơn bắt đầu nĩng lên, nên kim loại lỏng kết tỉnh với AT ngày càng nhỏ, hạt tạo thành cĩ khuynh hướng ngày càng lớn hơn, đồng thời phát triển mạnh theo hướng ngược với chiều
tản nhiệt (vuơng gĩc với thành khuơn) nên tạo thành vùng hạt lớn hình trụ vuơng gĩc với thành khuơn
Vùng ở giữa là vàng hại lớn đẳng trục (3) Cuối cùng khi kim loại lỏng ở giữa kết tỉnh thì thành khuơn đã nĩng lên nhiều, kim loại kết tỉnh với AT
nhỏ hơn nên hạt trở nên lớn hơn, đồng thời phương tản nhiệt qua thành
khuơn khơng rõ ràng nên hạt phát triển đều theo mọi phương (đẳng trục)
Trong ba vùng trên, vùng ngồi cùng luơn là lớp vỏ mỏng, khi làm
nguội mãnh liệt thì vùng 2 lấn át vùng 3, cĩ khi cịn làm mất hẳn vùng 3 và
thỏi đúc như là chỉ cĩ vùng tỉnh thể hình trụ vuơng gĩc với thành khuơn như
bĩ đữa (hình 1.9b), tổ chức này được gọi là xuyên rinh Tổ chức này cĩ mật
độ cao nhưng khĩ biến dạng dẻo, khơng phù hợp với cơng nghệ cán Ngược
Trang 14đĩ hạt phát triển đều theo mọi phương nên tạo tỉnh thể hình cầu Cấu trúc
kim loại này trở nên dễ cán hơn = = ee” c> ` SS 2° a x <= » i v 5 i\ WI) PHO
Hình 1.9 Sơ đồ tổ chức thơ đại của thỏi đúc
Hạt tỉnh thể khác nhau làm cho cơ tính của kim loại rất khác nhau Khi ở dạng tấm, dạng kim, kim loại sẽ rất giịn, ở dạng hình trụ thì khĩ cán, khi ở dạng cầu kim loại cĩ cơ tính tốt hơn cả
1.5 TINH CHAT CHUNG CUA KIM LOẠI VA HOP KIM
Tinh chat cha kim loại thể hiện qua các đặc trưng: cơ tính, lý tính, hố tính, tính cơng nghệ
1.5.1 Cơ tính
Cơ tính là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại, hợp
kim chịu được tác dụng của các loại tải trọng Các đặc trưng đĩ bao gồm:
1 Độ bền
Độ bền là khả năng của kim loại chịu được tác dụng của ngoại lực mà khơng bị phá hỏng Độ bền của kim loại được xác định bằng thử nghiệm
trong điều kiện tải trọng tĩnh và ngắn hạn (với các trạng thái lực tác động
như : kéo, nén, uốn, xoắn, ) Ví dụ: đối với trường hợp thí nghiệm với lực
tác động là lực kéo (hình 1.10)
Các chỉ tiêu phản ánh độ bền tĩnh là giới hạn đàn hỏi, giới hạn chảy và giới hạn bền Theo giá trị tăng dân ta lần lượt được các giới hạn sau:
Trang 15Gidi han dan héi oy, (o doc 1A xích ma): là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu do tác động của luc F,,, Tai Fy p -5 trong F 1
mà khi bỏ lực mẫu khơng bị thay đổi
hình dáng, kích thước (khơng cĩ biến Fant
dạng dư) Thực tế rất khĩ xác định
chính xác nên dùng khái niệm biến
dạng quy ước: là ứng suất mà khi bỏ | i 1 1 1 1 † ( ) t 1 | ' 1 ) i ( ' 1 1 a
tải trọng độ biến dạng dư khơng 0 1 a
đáng kể, bế hơn trị số cho trước: Độ dãn dài AL
Hình 1.10 Sơ đồ biểu đồ tải trọng kéo
0,01 + 0,05% và biến dạng của kim loại
= Fu/S, (MPa) hay ơou= ò/S, (MPa) hay Đou¿= Foss/S, (MPa)
Trong đĩ : Fm, Fo¿¡, Fù; là tải trọng kéo (N) ứng với độ biến dạng dư rất nhỏ nhưng cĩ thể nhận được và bằng 0,01%; 0,05%
S, 1a tiết diện ngang ban đầu của mẫu, tính theo mm”
Giới hạn chảy ơ, : là ứng suất tối thiểu mà ở đĩ xảy ra quá trình chảy
dẻo, thường được xác định ứng với đoạn nằm ngang trên biểu đồ kéo Đối
với đa số kim loại và hợp kim thường khơng cĩ đoạn nằm ngang này nên thường dùng giới hạn chảy quy ước
Giới hạn chảy quy ước ơạ; là ứng suất dưới tác dụng của nĩ sau khi bỏ
tải trọng mẫu bị biến dạng dư ư = 0,2%
G2 = Fo2/Sy [MPa/
Trong d6 : F,, 14 tai trong (luc) kéo ứng với độ biến dạng dư là 0,2% \N
Giới hạn bền kéo ơ, : là ứng suất tối đa mà mẫu chịu được trước khi bị phá huỷ đứt
6, = F,/S, (MPa)
Trong đĩ : F, là tải trọng (lực) kéo tối đa trên biểu đồ kéo, N
Tuỳ theo loại tải trọng tác động mà vật liệu cĩ được tất cả các loại độ
bền như: độ bền kéo, độ bền nén, độ bền uốn,
Các kim loại đều cĩ đặc trưng độ bển của mìnlrvã được xác định giá trị
cụ thể thơng qua thí nghiệm với các mẫu cĩ kích thước, hình đáng theo tiêu
chuẩn quốc gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế
Trang 162 Độ dẻo (độ dãn dài tương đối) ư%: là khả năng dễ biến dạng dẻo của
vật liệu Để đánh giá khả năng này của vật liệu kim loại, thường dùng các chỉ tiêu sau: Độ dãn dài tương đối: ư% = h =Ì, 100 -S So Độ thất tỷ đối: W% = Š: “ŠÌ „100% Trong đĩ:
lạ, S„ — chiều dài, tiết điện ngang ban đầu của mẫu thử [mm, mm”],
1,, S, - chiều dài, tiết diện ngang sau khi đứt của mẫu [mm, mm]
3 Độ dai va đập a: là cơng cần thiết làm gãy (phá huỷ) một đơn vị diện tích mẫu thử dưới tác dụng của tải trọng va đập
=—* (Nmi/cm’) hoac(kJ/m’) ; (kgm/cm’)
Trong đĩ: A, — là cơng phá huỷ tiết diện ngang S của mẫu thử (Nm)
S — tiết diện ngang ở chỗ cĩ rãnh khía của mẫu thir (cm’)
4 Độ cứng HB ; HRC; HV: là khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ
của vật liệu đưới tác dụng của tải trọng nén và thơng qua mũi dụng cụ nén Đặc trưng độ cứng của vật liệu là thơng số thường cần biết trong cơng nghệ gia cơng vật liệu, vì vậy đo độ cứng là việc làm thường xuyên trong sản xuất cơ khí
Hình 1.11 Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phương pháp đo độ cứng
a) Brinen; b) Rockwell; c) Vicke
Độ cứng của vật liệu kim loại rất khác nhau; cĩ loại rất mềm, cĩ loại rất cứng, Vì vậy để xác định độ cứng, trong kỹ thuật thường dùng các phương pháp đo khác nhau Các phương pháp đo độ cứng thường dùng là: độ cứng
Brinen (HB); độ cứng Rockwell (HRA, HRB, HRC), độ cứng Vicke (HV)
Sơ đồ của các phương pháp đo độ cứng nêu trên hình 1.11
Trang 17
a) Độ cứng Brinen HB
Xác định độ cứng Brinen bằng cách ấn một tải trọng F lên bề mặt phẳng
của vật liệu qua viên bi cĩ đường kính D Sau khi thơi tác dụng (tải trọng) để
lại trên bề mặt mẫu vết lõm với đường kính d (hình 1.11a) Số đo độ cứng được xác định bằng tỷ số của tải trọng F với diện tích mặt lõm cĩ dạng chỏm cầu S Độ cứng cĩ thứ nguyên của ứng suất
F 2F
B=—= =>———z-kg/mmÏ
S nD[D-(D? -d?)"?] oom
Ưu điểm của giá trị HB là giữa nĩ với ơ, cĩ quan hệ bậc nhất nên cĩ thể
khơng cần thử kéo vẫn đốn được giới hạn bền, nhưng cũng cĩ nhược điểm là khơng thể đo các vật liệu cĩ độ cứng cao hơn HB 450 (vì bí được làm
bằng thép được tơi cứng)
Điều kiện thử HB: bề mặt đo phải sạch, phẳng; chiều dày mẫu ư > 10h, h là chiều sâu vết lõm; tâm vết lõm phải cách mép mẫu hơn 2 lần đường kính
viên bi D; đường kính vết lõm d phải thoả mãn 0,2D < d < 0,6D b) Dé cing Rockwell HR (HRA, HRB, HRC)
Đo độ cứng Rockwell HR tiện lợi hơn, kết quả đo cho ngay trên máy và đo được các vật liệu từ mềm đến cứng, vết lõm khá nhỏ, thường khơng ảnh
hưởng tới bể mặt làm việc
Độ cứng Rockwell là loại độ cứng quy ước (khơng cĩ thứ nguyên), xác
định bằng chiều sâu gây ra bởi tác dụng của tải trọng chính đặt vào mũi kim
cương hình n6n cĩ gĩc đỉnh 120° rồi bỏ lực đi
Giá trị độ cứng Rockwell được tính từ cơng thức: HR = k- e
Trong đĩ: k — chiều sâu quy ước, k = 100 đối với các thang A, C;
k= 130 đối với thang B
_ h-h, _ hị
e= =
0,002 0,002
Khi đo độ cứng Rơcwel bao giờ cũng cĩ hai lần tác động tải trọng: đầu
tiên tác động tải trọng sơ bộ P„ (10 kG), chiều sâu vết lõm tính từ đây Sau
đĩ tác động tải trọng chính P, rồi bỏ tải trong nay Tinh chiều sâu do tác động này
h„ là chiều sâu mũi đâm dưới tác dụng của tải trọng Pụ h, là chiều sâu mũi đâm dưới tác dụng của tai trong P,
Trang 18Mũi đâm cĩ hai loại: mũi kim cương cĩ hình nĩn với gĩc ở đỉnh là 120
dùng để đo các vật liệu tương đối cứng, cứng và rất cứng Mũi bi thép cĩ
dạng bị trịn cĩ đường kính 1/16 inch hay 1,588mm, ding cho các loại vật
liệu mềm và cứng trung bình
HRB (ding bi thép với tải trọng P = 100kG) ap dụng cho các loại vật
liệu mềm và cứng vừa, thường dùng cho gang, thép, hợp kim đồng, nhơm
HRC (mũi kim cương và P = 150kG) áp dụng cho các vật liệu cĩ độ cứng trung bình và cao như thép, gang sau khi tơi và ram
HRA (mũi kim cương và P = 60kG) thường chỉ sử dụng cho các vật liệu
rất cứng như hợp kim cứng, lớp thấm xyanua
Yêu cầu khi thử HR : Bề mặt thử phải sạch, phẳng: chiều dày mẫu thử
phải > 10h,, h, là chiều sâu vết thử; khoảng cách giữa 2 tâm vết thử phải > 2,5mm với mũi đo là kim cương và > 4mm với viên bị thép; thời gian chịu
tải trọng là 5 — 7s
c) D6 cling Vicke HV -
Phương pháp đo này tương tự như Brinen, song cố những khác biệt sau:
~ Mũi nén bằng kim cương hình chĩp bốn mặt đều với gĩc ở đỉnh giữa hai mặt đối diện là 136%,
— Tải trọng tác dụng nhỏ, từ I đến 100kG, trong đĩ mức 30kG với thời
gian giữ tải trọng là 10 — 15s được coi là diéu kiện tiêu chuẩn Khi thay đổi
tải trọng, tỷ lệ giữa tải trọng và bình phương đường chéo vết lõm luơn luơn
khơng đổi Điều này cho phép dùng tải trọng thay đổi mà khơng ảnh hưởng
đến kết quả đo
Vì vậy độ cứng Vicke được dùng để do độ cứng cho mọi vật liệu từ rất
mềm đến rất cứng, vật thử cĩ thể mong dén 0,3mm, HV được coi là độ cứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học Số đo độ cứng Vicke được xác định theo cơng thức: F_ 2Fsin(œ/2) _ 1,854F HV = — 5 7 =————k 5: kG/mm 2 Trong đĩ: F — 1ai trong, kG a = 136°
d ~ gid tri trung bình số học của hai đường chéo vết lõm, mm Độ cứng Vickc ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết bằng HV với số do,
ví dụ V300 Nếu ở điều kiện phi tiêu chuẩn phải ghi thêm về tải trọng, thời
Trang 19gian giữ, ví dụ HV;¿;,300 là độ cứng HV khi đo dudi tai trong 10kG, thoi
gian giữ 30s là 300kG/mm'
Yêu cầu khi thử HV : Bề mặt thử phải phẳng, nhãn; chiều dày mẫu thử
>1,5d (d là đường chéo vết lõm); tâm 2 vết phải > 2,5d; thời gian tác động
khơng nhỏ hơn 10s
1.5.2 Lý tính
Lý tính của kim loại là những tính chất thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần của kim loại khơng thay đổi
Lý tính của kim loại gồm cĩ: khối lượng riêng, nhiệt độ nĩng chảy, tính
dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính
— Khối lượng riêng là khối lượng của Icm° vật chất Nếu gọi P là khối
lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất, là khối lượng riêng của vật
chất thì ta cĩ cơng thức tính khối lượng riêng của vật chất là:
P
=—(g/cm” Y vie )
Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật của kim loại rất rộng rãi,
nĩ khơng những dùng để so sánh những kim loại nặng, nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà cịn cĩ thể giải quyết một số vấn để khĩ khăn thực tế Ví dụ: những vật liệu kim loại lớn như các thanh thép đường ray, thép hình khĩ cân được khối lượng; nhưng vì biết được khối lượng riêng và cĩ thể đo được kích thước để xác dịnh thể tích, do vậy xác định được khối lượng riêng mà
khơng cần cân
— Nhiệt độ nĩng chảy là nhiệt độ nung nĩng kim loại đến đĩ sẽ làm cho kim loại chuyển từ thể rấn sang thể lỏng
Sất nguyên chất chảy ở nhiệt độ 1539°C Điểm chảy của gang là
1147 — 1350°C (do ham lượng cacbon trong gang quyết định) Điểm chảy
của thép là 1400 — 1500°C (do hàm lượng cacbon trong thép quyết định)
Tính chất này rất quan trọng đối với cơng nghiệp chế tạo cơ khí, vì
phương pháp chế tạo phơi cho các chỉ tiết máy rẻ tiền nhất là phương pháp đúc, nhưng khi sử dụng phương pháp này thì kim loại phải cĩ tính chảy
lỗng tốt Tính chảy lỗng của kim loại hoặc hợp kim ở thể lơng tốt hay xấu
cơ bản do điểm nĩng chảy của kim loại quyết định Nhiệt độ nĩng chảy càng thấp thì tính chảy lỗng của kim loại, hợp kim càng tốt
Trang 20~ Tinh dan né nhiét la kha nang dãn nở của kim loại hoặc hợp kim khi
nung nĩng Độ dãn nở lớn hay bé cĩ thể biểu thị bằng hệ số dãn nở trên một
đơn vị chiều dài (1mm) gọi là hệ số dãn nở theo chiều dài Ví dụ : hệ số dãn
nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 0,118.10'': của thép là 0,12.10 Ý,
Tinh dan nở nhiệt rất quan trọng đối với thiết kế, chế tạo các lắp ghép cơ khí khi chúng làm việc
~ Tính dẫn nhiệt là khả năng dẫn nhiệt của kim loại Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim khơng giống nhau Ví dụ : gang, thép đều cĩ tính dẫn nhiệt tốt nhưng kém xa so với đồng và nhơm Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt
của bạc (Ag) là 1 thì của đồng là 0,9; của nhơm là 0,5 và của sắt là 0,15 — Tính dân điện là khả năng truyền dịng điện của kim loại và hợp kim Nĩi chung kim loại đều là vật dẫn điện tốt: tốt nhất là bạc, sau đĩ là đồng và nhơm; nhưng do bạc đất tiền nên kim loại được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật để làm vật liệu dẫn điện là đồng và nhơm Nĩi chung kim loại nào cĩ
tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt Hợp kim nĩi chung cĩ tính dẫn điện kém hơn kim loại
~ Từ tính là khả năng dẫn từ của kim loại Sắt, niken, coban và hợp kim của chúng đều cĩ từ tính tốt nên chúng được gọi là kim loại từ tính
1.5.3 Hố tính
Hố tính của kim loại là độ bền của kim loại đối với những tá dụng hố
học của các chất khác như ơxy, nước, axít, mà khơng bị'phá huỷ Tính năng hố học cơ bản của kim loại cĩ thể chia thành mấy loại sau:
— Tỉính chịu ăn mịn: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mịn của các mơi trường xung quanh (khơng khí, nước, .)
~ Tinh ổn định nĩng: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mịn của Oxy trong mơi trường khơng khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mịn của
một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt khi ở nhiệt độ cao
— Tính chịu axít: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mịn của axit
1.5.4 Tính cơng nghệ
Tính cơng nghệ là khả năng của kim loại và hợp kim cĩ thể biến đổi
trạng thái hình dáng hình học của chúng bằng cơng nghệ gia cơng nĩng
Trang 21— Tính đúc: là khả năng tạo thành các sản phẩm đúc bằng quá trình nấu
chảy kim loại hoặc hợp kim, sau đĩ được rĩt và kết tỉnh trong lịng khuơn đúc Các kim loại và hợp kim cĩ tính đúc khác nhau vì chúng phụ thuộc vào tính chảy lỗng, độ co
~ Tính chảy lỗng biểu thị khả năng điền đầy khuơn của kim loại và hợp
kim Nếu tính chảy lỗng càng cao thì tính đúc càng tốt
— Độ co: là mức độ giảm thể tích kim loại khi kim loại kết tỉnh ở trong khuơn Độ co gây ra khuyết tật lõm co và rỗ co trong vật đúc Độ co càng lớn, tính đúc càng kém
~ Tính rèn, dập: là khả năng biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh cửu) của kim loại, hợp kim khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dáng, kết cấu theo yêu cầu mà kim loại khơng bị phá huỷ
Thép cĩ tính rèn, đập cao khi nung nĩng ở nhiệt độ phù hợp Gang khơng cĩ khả năng rèn vì gang giịn Đồng, chì cĩ tính rèn cao ngay ở trạng thái nguội
~ Tinh han: 1a kha nang tao thành liên kết bên vững giữa hai hoặc nhiều phần tử kim loại khi được nung nĩng cục bộ chỗ hàn đến trạng thái chảy hoặc dẻo Nhờ cĩ tính hàn của kim loại mà ngày nay người ta cĩ thể chế tạo được các kết cấu siêu trường, siêu trọng Tính hàn của các kim loại và hợp kim rất khác nhau; thơng thường cĩ ba loại: kim loại và hợp kim cĩ tính hàn dễ; tính hàn hạn chế; tính hàn khĩ
Thép cacbon và thép hợp kim được đánh giá tính hàn theo 3 thơng số:
lượng cacbon tương đương (cacbon đương lượng) C; hệ số khả năng nứt
nĩng khi hàn Hs; hệ số khả năng nứt nguội P,
— Tính gia cơng cắt gọt : là khả năng của vật liệu kim loại cĩ thể tạo ra các dạng bề mặt cĩ độ chính xác cao bằng cách cat bỏ một lớp kim loại thơng qua một dụng cụ cắt và chuyển động cắt của máy cắt gọt (máy cơng cụ)
1.6 NUNG KIM LOAI - HOP KIM VA GIA CONG BIEN
DANG DEO
1.6.1 Trạng thái của kim loại sau khi gia cơng biến dạng dẻo
Trang 22nội ứng suất tăng, kim loại ở trạng thái khơng cân bằng và luơn cĩ xu hướng
trở về trạng thái cân bằng ban đầu bằng cách tạo ra các hạt mới đều trục làm tăng độ dẻo, giảm độ cứng Đĩ là quá trình kết tỉnh lại (KTL), quá trình này xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường Khi nung quá trình này xảy ra nhanh hơn
Quá trình kết tinh lại xảy ra trong hai trường hợp:
Trong cơng nghệ gia cơng nguội (nhiệt độ khi gia cơng nhỏ hơn nhiệt độ kết tỉnh lại của kim loại), ví dụ như cán nguội, đập nguội , để cĩ sự kết
tỉnh lại, người ta phải ủ kim loại đã qua gia cơng Ngược lại trong cơng nghệ
gia cơng nĩng (nhiệt độ khi gia cơng lớn hơn nhiệt độ kết tính lại của kim loại), ví dụ như cán nĩng, rèn nĩng, thì sự kết tỉnh lại đã xảy ra ngay khi biến dạng và sau khi biến dạng
1.6.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nĩng
Khi nung kim loại đã qua gia cơng nguội sẽ cĩ các quá trình xảy ra: a) Hồi phục
Hồi phục xảy ra ở nhiệt độ thấp (0,1 — 0,2T, mà T, là nhiệt độ chảy của
kim loại) dẫn đến kết quả là giảm sai lệch mạng (chủ yếu là sai lệch điểm,
đặc biệt là nút trống), giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong Tuy nhiên tổ
chức tế vị chưa thay đổi
b) Kết tỉnh lại (KTL lần thứ nhất): khi nung nĩng kim loại tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ xác định (gọi là nhiệt độ kết tỉnh lại), trong mạng tỉnh thể
xơ lệch cĩ quá trình hình thành các hạt mới (khơng cĩ các sai lệch do biến
dạng dẻo gây ra) theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như quá trình kết
tỉnh từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc, do đĩ mọi tính chất được phục
hồi: độ bền, độ cứng giảm mạnh; độ dẻo, độ dai tăng mạnh
Nhiệt độ mà tại đĩ xuất hiện những mầm kết tỉnh lại đầu tiên gọi là
nhiệt độ kết tinh lai (Tạ+) Vậy muốn phục hồi tính dẻo phải nung kim loại đã qua gia cơng nguội đến nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tính lại Nhiệt độ kết tính lại phụ thuộc nhiệt độ chảy của chúng, cĩ thể xác định theo cơng thức: Tự„= a T, (tính theo °K), Trong đĩ a là hệ số phụ thuộc vào độ sạch của kim loại và thường a = (0,4 — 0,6)
c) Kết tỉnh lại lần thứ hai
Sau khi kết tinh lại lần thứ nhất, nếu tiếp tục nâng nhiệt độ hay kéo dài
thời gian giữ nhiệt thì sẽ cĩ quá trình các hạt lớn "nuốt" các hạt nhỏ bên cạnh làm hạt to thêm, đĩ là quá trình kết tỉnh lại lần thứ hai Quá trình này
Trang 23xảy ra là tất nhiên vì hạt lớn cĩ năng lượng thấp hơn hạt nhỏ Đây là quá
trình cĩ hại, cần tránh vì làm giảm tính chất cơ học của vật liệu
1.6.3 Biến dạng nĩng
a) Khái niệm
Biến dạng nĩng là biến dạng dẻo kim loại ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ
kết tỉnh lại Như vậy đồng thời với quá trình biến dạng dẻo cịn xảy ra quá
trình kết tinh lại; hiện tượng biến cứng cĩ thể bị khử bỏ hồn tồn
b) Các quá trình xảy ra
Quá trình biến dạng dẻo làm xơ lệch mạng tinh thể nên kim loại bị biến
cứng và hố bền Do biến dạng thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tỉnh
lại nên ngay lập tức xảy ra quá trình kết tỉnh lại Kết tinh lại làm mất xơ lệch mạng, gây thải bền, giảm độ cứng; các hiệu quả do biến dạng dẻo Bây ra bị
khử bỏ
Khác với biến dạng nguội, khi biến dạng nĩng kim loại khơng bị biến
cứng; các khuyết tật xảy ra khi đúc như rỗ xốp, rỗ khí sẽ mất di, làm cho co
tính tăng đồng thời tạo ra tổ chức thớ, sợi Hiện tượng này cần chú ý khi
dùng thép để chế tạo các chỉ tiết máy
l CÂU HỎI ƠN TẬP
1) Tinh thé kim loai là gì và đặc trưng cơ bản của cấu tạo tinh thể kim loại ? 2) Sự biến đổi thù hình của kim loại là gỉ? Cho ví dụ
3) Sự kết tinh của kim loại là gì, quá trình kết tinh như thế nào?
4)_ Phân biệt sự khác nhau giữa độ bền, giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi của kim loại? 5) Thế nào gọi là độ cứng HB, HRC, HV va pham vi sử dụng chúng?
6) Kim loại cĩ những tính cơng nghệ nào, cho ví dự ?
Trang 24Chuong 2
HỢP KIM VÃ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM
2.1 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM
2.1.1 Khái niệm về hợp kim
a) Định nghĩa và đặc điểm
Hợp kim là vật liệu mang tính kim loại, bao gồm hai hay nhiều nguyên
tố, trong đĩ nguyên tố chính là kim loại, nguyên tố phụ cĩ thể là kim loại hay á kim Ví dụ: Thép là hợp kim của sắt với cacbon, trong đĩ nguyên tố chính là Fe, nguyên tố phụ là C và các tạp chất lẫn
Kim loại nguyên chất thể hiện rõ ưu việt trong dẫn điện, dẫn nhiệt Tuy
nhiên trong chế tạo cơ khí, thiết bị, đồ dùng, các vật liệu được dùng thường là hợp kim vì so với kim loại nguyên chất nĩ cĩ các đặc tính phù hợp
hơn về sử dụng, gia cơng và kinh tế, cụ thể: — Cơ tính: độ bền cao mà độ dai vẫn bảo đảm
— Tính cơng nghệ đa dạng và thích hợp: tính đúc, tính gia cơng cắt, tính hàn, gia cơng áp lực,
— Tính kinh tế: rẻ hơn
b) Một số khái niệm
Khi khảo sát hợp kim, việc khảo sát giản đồ trạng thái sẽ thấy được mối
tương quan chặt chẽ giữa tổ chức và tính chất, cho biết các thơng tin về sự
nấu chảy, kết tinh, đúc, chuyển biến pha cĩ quan hệ đến nhiệt luyện, hàn,
Bia cơng áp lực, Khi khảo sát giản đồ trạng thái, ta cần biết một số khái
niệm sau : ,
— Cấu tử: là các nguyên tố (ví dụ, kim loại nguyên chất) hay hợp chất
hố học bền vững cấu tạo nên hợp kim Ví dụ, latơng— (đồng thau) cĩ hai
cấu tử là Cụ và Zn
— Hệ: là từ để chỉ một tập hợp vật thé riêng biệt của vật liệu trong điều
Trang 25— Pha: là tổ phần đồng nhất của hệ (hợp kim) cĩ cấu trúc và tính chất cơ
học, vật lý, hố học nhất định Pha cĩ thành phần đồng nhất ở cùng trạng thái và cĩ bề mặt phân chia với các pha khác
Ví dụ: Nước ở 0°C là hệ một cấu tử (hợp chất hố học bền vững H,O) và cĩ hai pha (pha rắn: nước đá; pha lỏng: nước)
€©) Các hình thức tương tác của hợp km Ở trạng thái lỏng
nĩi chung các cấu tử
đều tương tác với
nhau tạo dung địch
lỏng (pha đồng nhất)
A(B)
Ở trạng thái rắn các cấu tử tương tác theo
những quy luật riêng,
do đĩ ảnh hưởng tới
cấu trúc và tính chất Hình 2.1 Tổ chức tế vi của hợp kim của hai loại của hợp kim Cĩ hai a) khơng tương tác với nhau; b) hồ tan vào nhau tạo thành
hình thức xảy ra: dung dịch rắn
b)
Khi hai cấu tử A và B khơng tương tác với nhau; các nguyên tử, ion của chúng khơng đan xen vào nhau và giữ nguyên kiểu mạng của hai cấu tử thành phần, dưới dạng các hạt riêng rẽ của hai pha nằm cạnh nhau, là hỗn hợp của A va B (hình 2.1a)
Khi hai cấu tử A và B cĩ tương tác với nhau tạo nên một pha duy nhất
(hình 2.1b), nhưng cĩ hai loại: :
— Chúng tương tác với nhau bằng cách hồ trộn vào nhau tạo thành dung
dịch rắn, khơng tạo nên cấu trúc mới, giữ lại một cấu trúc, làm mất di cấu trúc kia
— Chúng tương tác với nhau bằng cách tạo nên cấu trúc mới với tên gọi
là các pha trung gian với các tính chất khác với cấu tử thành phần
2.1.2 Các tổ chức của hợp kim
1 Dung dịch rắn (thường gặp nhất trong hợp kim)
— Đung dịch lỏng: là trạng thái lỏng của hai hay nhiều chất (cĩ chất tan và dung mơi) mà ta khơng thể phân chia các nguyên của chúng với nhau
được Tỷ lệ các nguyên cĩ thể thay đổi
Trang 26— Dung dich rắn: là tổ chức tỉnh thể của hợp kim trong dé mang tinh thé
của dung mơi cĩ chứa các nguyên tử của nguyên tố chất tan với nồng độ thay đối trong phạm vi nào đĩ Mạng tinh thể là mạng của dung mơi cịn các nguyên tử chất tan sắp xếp ngẫu nhiên trong mạng của dung mơi
Tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của nguyên tử chất tan vào dung mơi, dung '
dịch rắn chia làm hai loại:
+ Dung dịch rắn thay thế: trong dung dịch rắn thay thế, các nguyên tử
của nguyên tố hồ tan thay thế vào vị trí của nguyên tử dung mơi; kiểu mạng và số nguyên tử trong một ơ cơ bản là khơng đổi, nhưng với điều kiện đường
kính nguyên tử khác nhau khơng quá 15%
Theo mức độ hồ tan, cĩ dung dịch rắn hồ tan vơ hạn và dung dịch rắn hồ tan cĩ hạn Thường gặp dung dịch rắn hồ tan cĩ hạn, muốn gặp dung
dịch rắn hồ tan vơ hạn phải thoả mãn các điều kiện sau: chúng cĩ cùng kiểu mạng; đường kính nguyên tử xấp xỉ nhau (d, ~ dạ); các tính chất hố lý gần
giống nhau và nồng độ điện tử khơng vượt quá một giá trị xác định cho mỗi
kiểu mạng (hình 2.2)
SP Te Be oe
`_Hình 2.2 Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn hồ tan vơ hạn giữa hai kim
loại A và B khi lượng B tăng dần
8) nguyên tố A; b, c, d) dãy dung dịch rắn liên tục của A và B; e) nguyên tố B
+ Dung dịch rắn xen kế (hình 2.3): là dung dịch rắn mà trong đĩ các
nguyên tử của nguyên tố hồ tan xen kế vào lỗ hổng của mạng dung mơi, do
đĩ số nguyên tử trong ơ cơ bản tăng và thơng số mạng tăng, nhưng với điều kiện đường kính nguyên tử của ngưyên tố hồ tan nhỏ hơn nguyên tử dung
mơi Ví dụ: Các nguyên tố hồ tan như : CN, H, B; Các nguyên tố dung mơi như: Fe, Ni, Co,
Tổ chức là dung dịch rắn thường cĩ tính dẻo cao, độ bền, độ cứng cao
hơn kim loại nguyên chất Ví dụ: cacbon hồ tan xen kẽ vào mang Feg —
(AI- Iftk) với nồng độ hồ tan giới hạn 0,02% để tạo thành dung dịch rắn cĩ
tên là Ferit, cĩ từ tính cao, mềm và độ bền thấp
Trang 27Hinh 2.3
a) hoa tan xen kẽ, b) hồ tan thay thế khi rụ > rạ„, c) hồ tan thay thé Khi tS Con
2 Hop chat hod hoc
Các hợp chất hố học cĩ trong hợp kim dơi khi được gọi là pha trung gian, chúng tạo thành theo quy luật hố trị với đặc điểm:
— Cĩ mạng tinh thể phức tạp khác hắn với nguyên tố thành phần
— Luơn cĩ tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố với cơng thức A,„B, với m,
n là các số nguyên
~ Tính chất khác hẳn với nguyên tố thành phần với đặc điểm là giịn Một số loại hợp chất hố học cĩ độ cứng rất cao, như pha xen kẽ cĩ tác
dụng rất lớn để nâng cao độ bền, độ cứng, tính chống mài; mịn của vật liệu
Ví dụ : sắt tạo với cacbon thành hợp chất Fe;C, cĩ tên gọi là Xêmentft, cĩ độ
cứng, tính chống mài mịn rất cao 3 Hỗn hợp cơ học
Trong hệ hợp kim cĩ những nguyên tố (hoặc các cấu tử) khơng hồ tan
vào nhau cũng khơng liên kết hố học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, tổ chức này được gọi là hỗn hợp cơ học Hỗn hợp cơ học cĩ đặc điểm là mạng nguyên tử của các nguyên tố khơng bị thay đổi Ví dụ:
_ Ferit liên kết cơ học với Xêmentit để tạo tổ chức Peclit, cĩ độ bén và độ
cứng cao
2.1.3 Các loại giản đồ trạng thái thơng thường 2 nguyên
1 Định nghĩa và cơng dụng của giản đồ
Giản đồ trạng thái của một hệ là cơng cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (tỷ lệ) các pha (hoặc tổ chức) của hệ ở
Trang 28trang thái cân bằng Các hệ khác nhau cĩ giản đồ khác nhau và chúng được xây dựng bằng thực nghiệm
2 Các loại giản đồ
Dưới đây ta khảo sát một số giản đồ trạng thái hợp kim 2 nguyên sau: a) Giản đồ trạng thái loại ï
Đây là giản đồ của hệ hai nguyên khơng hồ tan vào nhau ở trạng thái
rắn, khơng tạo thành hợp chất hố học (hình 2.4a), hệ điển hình loại này là hé chi Pb ~ Angtimoan Sb (hình 2.4b) 631 e L ° @ 800Ƒ 8 B8 5 soo} + oo 1 ø z " : 5 400L a ‹ a { ktSb eee a 327 300 ĐÙA, 245 Đ 200} L qc B 2 D “ B+(A+B) 100L 2 Sb+(Pb+Sb) Pb+(Pb+Sb, 431 ' Ị I 100%A 100%B Pb 20 40 60 80 Sb %B a) b)
Hình 2.4 Dạng tổng quát của giản đồ loại | (a) va gian dé Pb ~ Sb (b)
Trên giản đồ (a), đường AEB là đường lỏng (cao hơn đường đĩ hợp kim hồn tồn ở trạng thái lỏng), đường CED là đường đặc (thấp hơn đường đĩ hợp kim hồn tồn ở trạng thái rắn) A là nhiệt độ kết tinh (nĩng chảy) của
nguyên tử A; B là nhiệt độ kết tỉnh (nĩng chảy) của nguyên tử B Hợp kim sẽ
kết tỉnh hay nĩng chảy trong khoảng giữa hai đường này
“Ta xét sự kết tỉnh của hợp kim cụ thể (hình 2.4b) gồm 60%Pb+ 40%Sb
Đường thẳng đứng biểu thị hợp kim này cắt đường lỏng tại 1 va đường đặc
tại 2
~ Ở cao hơn điểm 1 hợp kim hồn tồn ở trạng thái lỏng (L)
Trang 29— Lam ngudi dén 1, hop kim long bat dau két tinh ra tinh thé B — (Sb) ting véi diém 1’ Làm nguội tiếp tục, tinh thé B ~ (Sb) tiét ra cang nhiéu lam tỷ lệ B— (Sb) trong hợp kim lỏng cịn lại giảm đi nên điểm biểu diễn thành phần của hợp kim lỏng dịch chuyển sang trái theo đường lỏng từ I đến E
~ Lầm nguội đến 2 (cũng là nhiệt độ của đường đặc CED), pha lỏng cĩ thành phần L„; cùng kết tính ra hai cấu tử (A + B) - (Pb+Sb) Hỗn hợp của hai pha rắn được tạo thành cùng một lúc từ pha lỏng được gọi là cùng tỉnh (cùng kết tinh) Đĩ là phản ứng cùng tỉnh
Sự kết tỉnh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ thường khơng
cĩ chuyển biến gì khác Tổ chức cuối cùng của hợp kim là B + (A + B) (tức
là Sb + [Pb + Sb]) trong đĩ B - (Sb) được tạo thành trước ở nhiệt độ cao hơn
nên kích thước lớn hơn cịn cùng tỉnh (A + B) - (Pb + Sb) được tạo thành ở nhiệt dộ thấp hơn nên cĩ kích thước nhỏ mịn hơn
Hợp kim cĩ thành phần ứng với điểm E được gọi là hợp kim cùng tỉnh Các hợp kim cĩ thành phần bên trái điểm E được gọi là hợp kim trước cùng tỉnh và các hợp kim cĩ thành phần bên phải điểm E được gọi là hợp kim sau cling tinh
b) Giản đồ pha loại II
Đây là giản đồ của hệ hai nguyên, hồ tan vơ hạn vào nhau ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn, khơng tạo thành hợp chất hố học (hình 2.5a) và hệ điển hình cĩ kiểu mạng này là hệ đồng (Cu) ~ niken (ND) (hình 2.5b)
Giản đồ cĩ dạng hai đường cong khép kín, trong đĩ đường trên là đường
lỏng, đường dưới là đường đặc, dưới đường đặc là vùng tồn tại của dung dịch
rắn a (dung dich rin hồ tan vơ hạn của A(B) hay của B(A)) Phía trên
đường lỏng là vùng tồn tại của dung dịch lỏng (L), trong khoảng giữa hai đường lỏng và đặc là gồm cả hai pha: L + œ Đây là vùng ứng với sự kết tỉnh hay nĩng chảy của hợp kim
Trang 30Nhiat d6,°C ˆ 1500 8 L xo 2 1000 a 500 r (Dung dịch rắn hồ tan vơ hạn của Cu va Ni) 1 1 1 —L 100%A %B 100%8 Cu 20 40 60 80 Ni %Ni „_ a) b) Hình 2.5 Dạng tổng quát của giản đồ loại II (a) và giản đồ Cu — Ni (b) €) Giản đồ loại IH
Đây là giản đồ của hệ hai nguyên tử hồ tan cĩ hạn vào nhau ở trạng
thái rắn, khơng tạo thành hợp chất hố học œ là dung dịch rắn hồ tan cĩ
hạn của B trong A và B là dung dịch ran hoa tan cĩ hạn của A trong B, chúng chiếm hai vùng giáp trục tung ở hai đầu mút của giản đồ L s ki B aS ø.300 r 1 L Q £ 2 = Zz L Z 245| -_À< 2 we HÀNG B Ễ 200 |— -V ——- NG 183 D SE ip Ang, 4 1619 97.5 B { akot ' D 100} / Ì ! ; ! a+Sn ; OB | thes iv | FC 9 DG 100%B 40 80 80 Sn 100%A %B 6 sen a) b)
Hình 2.6 Dang tổng quát của giẫn đổ pha loại III (a) và giản đồ pha Pb — Sn (b)
Dạng của giản đồ này được biểu diễn tổng quất trên hình 2.6a và hệ điển hình cĩ kiểu mạng này là hệ chi (Pb) — thiéc (Sn) (hình 2.6b)
Trên giản đồ tổng quát, đường AEB là đường lỏng, đường ACEDB là
đường đặc; A là nhiệt độ kết tinh (nĩng chảy) của cấu tử A, B là nhiệt độ kết
tinh (nĩng chảy) của cấu tử B Các dung dich rắn œ và B chiếm hai vùng hẹp _ở hai đầu của giản đồ, bị giới hạn bởi các đường CF và DG là đường giới hạn
Trang 31hồ tan của B trong A và A trong B, chúng chỉ ra rằng độ hồ tan của các
nguyên tố giảm khi nhiệt độ giảm đ) Giản đồ loại IV
La giản đồ của hai nguyên tử, tương tác với nhau tạo pha trung gian
A,,B,, c6 dang tổng quát ở hình 2.7a và hệ điển hình cĩ kiểu mạng này là hệ manhé (Mg) — Catmi (Cd) ở hình 2.7b
Do hai nguyên tử khơng hồ tan lẫn nhau ở trạng thái rấn nên khơng
thấy cĩ ký hiệu của œ, mà chỉ cĩ các nguyên tử nguyên chất A và B Do hai nguyên tử tạo hợp chất hố học ổn định biểu thị bằng cơng thức A„B,, nĩ
ứng với một đường thẳng đứng vuơng gĩc với trục hồnh, cĩ nhiệt độ nĩng
chảy là H (đường lỏng cĩ cực đại ở vị trí ứng với thành phần của hợp chất hố học) Đường lỏng AE,HE;B gồm nhiều doạn cong nối tiếp nhau; cịn đường đặc gồm hai đường nằm ngang SE,D và FE;G trong đĩ E; và E; là các
điểm cùng tỉnh của (A + A„B,) và (A„B, + Bì) QC, ‘o L ° 2 & = H Š eoo z 2 Mg+L z 8 600 | L+Mg,Cd, |ụ 473 |Mg,Cd A 4 ’ +” 3 '516 E L+H +L o/s 45 : 1445 Lia \) F h 6 'Mg+Mg Cd : s \ Di: 400 k iMg+Mg,Cd, Mg,Cd,+Cd lA+H ¡ttB 100%A AmBn(H) 100%B Mg 20 40 60 80 Ca %Cd a) ») %
Hình 2.7 Dạng tổng quát của giản đổ loại !V (a) và gian dé manhé Mg — catmi Ca (b)
Hợp chất hố học ổn định A„B, (ở đây được coi như một cấu tử độc
lập — H) chia giản đồ thành hai giản đồ hai cấu tử khơng hồ tan lẫn nhau ở trạng thái rắn, do đĩ cĩ thể coi giản đồ loại này như gồm hai giản đồ ở hình 2.4; bên trái là giản đồ hai cấu tử (A + A„B,) và bên phải là giản đồ hai cấu tử (A„B, + B) Do vậy việc khảo sát sự kết tỉnh của các hợp kim hệ này quy về khảo sát các hợp kim cĩ giản đồ pha hệ hai nguyên khơng hồ tan lẫn
nhau ở trạng thái rắn
Trang 322.1.4 Quan hệ giữa các giản đổ và tính chất của hợp kim
Trên hình 2.8 đưa ra các dạng giản đồ đã xét ở trên và sự thay đổi tính
chất theo thành phần của mỗi dạng giản đồ Ê Â Â L ~ â # % L+B = Ễ AC, i A+B ——— _ B %B A %B % : œ Pa 5 | Ps £ o = © E PA r Py A+B At] 8 A = B ye b) %B a) L g| L & x +L tạ B $s a œ+B A B B %B Pạ p % 1] Pp kẻ 8 c Po ; 5 ° { ‡ <= Pp € : Ễ rept | œ+B iB PY Ì œ+B ait ! a ' A————— itp AL— B %B ~%B c) d)
Hình 2.8 Tính chất cdia hgp kim va gian d6, trong d6 P, va P, Ia tinh chất của các cấu tử nguyên chất tương ứng
; Trong trường hợp hai nguyên tử hồ tan vơ hạn vào nhau, tính chất biến
Trang 33Trường hợp hai nguyên tử tạo nền hỗn hợp thì tuỳ theo dạng hỗn hợp cĩ ba kiểu sau đây:
— Hình 2.8b là giản đồ với hỗn hợp của hai nguyên tử nguyên chất Ở đây tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng chạy suốt trục hồnh từ P„ đến Pạ
— Hình 2.8c là giản đồ với hỗn hợp của hai dung dịch ran cĩ hạn Do vậy tính chất thay đổi theo thành phần với hai quy luật: phần dường cong Ở
hai đầu mút ứng với hai dung dịch rấn cĩ hạn và đạt đến P„ và Pạ khi bão
hồ và phần đường thẳng nối P„ và Pp khi hợp kim là hỗn hợp của hai dung dịch rắn cĩ hạn ở nồng độ bão hồ này
- Hình 2.8d là giản đồ với hỗn hợp của hai dung dich rắn cĩ hạn và pha
trung gian, do vậy tính chất thay đổi theo thành phần với hai quy luật: ở phần dung dịch rấn hồ tan cĩ hạn theo quan hệ đường cong và đạt đến P„ khi nồng
độ đạt đến giới hạn bão hồ, ở phần hỗn hợp theo quan hệ đường thẳng PuP;
2.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỢP KIM SẮT-CACBON
2.2.1, Sự tương tác của Fe và C
Sắt nguyên chất kỹ thuật cĩ cơ tính:
HB ~ 80; ơ, ~ 250MPa; Gạ; ~ 120MPa;
ư~ 20%; y © 85%; a, © 2500kJ/m?
Khi đưa cacbon vào sắt, giữa chúng tương tác với nhau tạo nên dung
dịch rắn và pha trung gian; chúng cĩ tác dụhg hố bên hợp kim Sự tương tác ở các dạng sau:
a) Sự hồ tan của cacbon vào sắt
Do kích thước của cacbon nhé hon sat (r, = 0,077nm, fp, = 0,1241nm) nên cacbon chỉ cĩ thé hoa tan cĩ hạn vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kế:
giới hạn hồ tan lớn nhất của cacbon trong Fe, là.2,14% ~ đĩ là tổ chức
austenit và trong Fe„ là 0,02% đĩ là tổ chức Ferit
b) Tương tác hố học giữa sốt và cacbon `
Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hồ tan, các nguyên tử cacbon thừa sẽ kết hợp với sắt tạo thành hop chat Fe,C (pha này được gọi là xémentit, là pha xen kẽ, cĩ mạng phức tạp, cĩ thành phân là 6,67%C +
93,33%Fe)
Trang 342.2.2 Gian dé-trang thai hop kim Fe —C 1, Vẽ giản đồ (hình 2.9) Nhiệt độ°C 1539 A|_ ơ+L 1499 H | 3 1392 N L D 1200 c Fes] - # G | y#Fe.C +(y+Fe,C) S (y#Fe,C)+Fe,c ! š iL i s 727 K F,a, ferit | |P S| Ay Ị 3 | 3 600 a = &œ ị 1 $ t | } 2 F+P a Pre, | PaFeCjPerFeC) đ (P+Fe,C)+Fe.C, @ ! 1 + ị ị 200 3 Q i 0006 0,8 2,14 43 (Fe) 1 2 3 %C 4 5 6 6,67%C-(Fe,C)
Hình 2.9 Giản đồ trạng thái hợp kim Fe ~ C — (Fe-Fe,C)
Giản đồ hình thành trên cơ sở các điểm tới hạn của nồng độ cacbon và
nhiệt độ, bảng 2.1 là các điểm cần xét của giản đồ
Trang 35Khi làm nguội hợp kim, đường ABCD - đường lỏng, đường AHJECF — đường đặc, ECF - đường cùng tỉnh, PSK — đường cùng tích (được gọi là đường A1), ES — đường giới hạn hồ tan của cacbon trong.Fey (gọi là đường Acm), GS — đường chuyển biến phân hố Austenit— gọi là đường À3, PQ - đường giới hạn hồ tan của cacbon trong Feri
2.2.3 Các tổ chức của hợp kim Fe— C
~ Hợp kim lỏng (L): Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong
sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD
— Ferir (ký hiệu là œ, F, œ — Fe(C) hay Fea}: Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong sắt anpha (Feu), cĩ mạng lập phương tâm khối (a = 2,86 A") Trong mạng A; cĩ hai loại lỗ hồng: lỗ hổng khối 8 mặt và lỗ hồng khối 4 mặt Khả năng hồ tan của cacbon trong Feu khơng đáng kể: lớn nhất ở
727°C 1a 0,02%C (điểm P) và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%C (diem Q)
nên cĩ thể coi Eerit trong hợp kim Fe — C tỉnh khiết là sắt nguyên chất
Trên giản đồ Fe - C, Ferit nằm trong khu vực GPQ Tổ chức tế vi của Eerit giống sắt nguyên chất, cĩ dạng đa cạnh Ferit rất dẻo và dai nhưng khi
các nguyên tố khác (đặc biệt là Si, Mn) hồ tan vào nĩ thì độ cứng tăng lên và độ dẻo, độ dai giảm đáng kể
— Austenit (ky hiéu la y, A, y-Fe(C) hay Fey): Austenit JA dung dich ran xen kẽ của cacbon trong sắt gama (Fey) Austenit cĩ mạng AI, thơng số mạng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon hồ tan trong nĩ
Trong hệ Fe — C, austenit chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727°C va ting
với nồng độ 2,14%C 6 727°C, austenit chi hồ tan được 0,80%C
Trên gian dé pha Fe — C, austenit chi nằm ở khu vực NJESG, do vậy nĩ
khơng tồn tại ở nhiệt độ thường Austenit rất đẻo và dai, và là tổ chức trung
gian khơng thể thiếu được khi nhiệt luyện
— Xêmemiit (ký hiệu là Xê, Fe;C)
Xêmentit là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, là hợp chất hố học, cĩ cơng thức là Fe;C và nồng độ 6,67%C, ứng với đường DFKL trên giản đồ, là
pha cứng và giịn Cùng với ferit nĩ tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe — C Người ta phân biệt 4 loại xêmentit:
+ Xêmentit thứ nhất (Xé,) dugc tạo thành do giảm nồng độ C trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ
35
Trang 36Thy,
+ Xémentit thit hai (Xé,) được tạo thành do giảm nồng độ C trong austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ
+ Xêmemtit thứ ba (Xêu) được tạo thành do giảm nồng độ C trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ
+ Xémentit cting tích (hay cùng tỉnh) được tạo thành do chuyển biến cùng tích (hay cùng tỉnh)
— Peclit (ký hiệu là P hay [F + Xê])
Pcclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xêmentit [F + Xê] được tạo thành từ austenit ở 727°C với 0,8%C
Peclit là hỗn hợp cơ học nên tính chất của nĩ là trung gian, kết hợp giữa
tính dẻo dai của ferit và cứng, địn của xementit Tổ chức này cĩ độ cứng, độ bền tương đối cao, tính dẻo, dai thấp Cơ tính của P cĩ thể thay đổi trong
phạm vi khá rộng phụ thuộc vào dạng của peclit và độ nhỏ mịn của
xémentit ,
~ Lédéburit 14 hén hop co hoc cùng tỉnh kết tỉnh từ pha lỏng cĩ 4,3%C ở 1147C Khi tạo thành từ pha lỏng và trong khoảng 1147°C — 727C, nĩ là
hỗn hợp của austenit và xementit [y + Xe] Khi nguội qua 727°C austenit chuyển biến thành peclit do vậy Lê là hỗn hợp của peclit va xementit [P + Xé]
Cuối cùng lêđêburit cĩ hai pha là F và Xê trong đĩ Xê chiếm tỷ lệ gần 2/3 Do chứa nhiều Xê nên Lê rất cứng và giịn
~ Graphit : là cacbon ở dạng tự do Như đã lưu ý ở trên, vì giản đồ Fe — C xây dựng theo hệ Fe — Fe; C (tức là khi thực nghiệm xây dựng giản đồ trạng thái, đã cho các hợp kim nguội với tốc độ nhanh nên khơng xuất
hiện tổ chức graphit) Nhưng trong thực tế, tổ chức graphit vẫn tồn tại ở một số kợp kim cĩ cacbon và silic hàm lượng cao và tốc độ nguội chậm Graphjt
kém bền, giịn, nở thể tích khi kết tinh,
2.2.4 Các sản phẩm của hợp kim Fe — C
người ta chia giản đồ thành 2 khu Vực và tương ứng với 2 sản phẩm : đĩ là
thép cacbon và gang
Căn cứ vào tổ chức và lượng cacbon trên giản đồ trạng thái Fe — C,
— Thép là hợp kim của sắt và cacbon mà nồng độ cacbon cĩ < 2,14%C
Trang 37+ Thép trước cùng tích, cĩ hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,8% với tổ chức
la ferit va peclit: F + [F + Xé] hay F + P
+ Thép cùng tích, cĩ hàm lượng cacbon là 0,8% với tổ chức là peclit
[F + Xê] hay P
+ Thép sau cùng tích, cĩ hàm lượng cacbon lớn hơn 0,8% với tổ chức là peclit và xêmentit thứ hai [E + Xê] + Xên hay P + Xêu
— Gang là hợp kim Fe — C cĩ hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14% Gang cĩ thành phần ứng với giản đồ Fe C được gọi là gang trắng
Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cacbon ta cĩ ba loại gang:
+ Gang trắng trước cùng tỉnh, cĩ hàm lượng cacbon nhỏ hơn 4,3% với tổ chức là peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit: P + Xêu + Lê
+ Gang trắng cùng tỉnh, cĩ hàm lượng cacbon là 4,3% với tổ chức là
lêđêburit: Lê hay [P + Xê] ở < 727C
+ Gang trắng sau cùng tính, cĩ hàm lượng cacbon lớn hơn 4,3% với tổ chức là lêđêburit + xêmentit thứ nhất: Lê + Xê:
CÂU HỎI ƠN TẬP 4) Hợp kim là gĩ? Cho ví dụ và giải thích
2) Hợp kim cĩ các tổ chức nào ? Cho ví dụ và giải thích
3} Thế nào gọi là giản đồ trạng thái hợp kim ? Các loại giản đổ hợp kim 2 nguyên thường gặp
4) Hợp kim Fe-C cĩ các tổ chức nào và cho ví dụ ?
5) Sự khác nhau giữa tổ chức austenit và ferit, peclit và lêđêburft? 6) Phân biệt sự khác nhau gữa thép và gang ?
Trang 38by Chuong 3 THEP CACBON VA THEP HOP KIM 3.1 THEP CACBON 3.1.1 Khái niệm
Thép là hợp kim của Fe — C với lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% Do điều kiện nấu luyện từ quặng sắt, nên ngồi hai nguyên tố chính là Fe và C, trong thép cịn cĩ các nguyên tố khác, đĩ là các tạp chất thường cĩ (Mn, Sĩ, P, S), các tạp chất ẩn (H, N, O ) và các tạp chất ngẫu nhiên (Cr, Ni, Cu, Mo, Mn, Co, V, T¡ ) Các nguyên tố kể trên với lượng nhỏ hơn giới hạn quy định và ảnh hưởng khơng đáng kể đến tổ chức và tính chất của thép
Tạp chất thường cĩ là những nguyên tố thường xuyên cĩ mặt trong mọi loại thép, chúng đi vào thép từ quặng sắt, từ nhiên liệu sử dụng khi luyện gang hoặc do việc dùng ferơ để khử oxy khi tỉnh luyện thép; trong đĩ Mn, Si là những rạp chất cĩ lợi, chúng nâng cao cơ tính của thép cịn P, S là những tạp chất cĩ hại, làm cho thép giịn và khĩ hàn, do vậy trong quá trình nấu luyện phải tìm cách khử bỏ chúng
Cơng nghệ luyện thép thường sử dụng sắt thép vụn, trong đĩ cĩ nhiều loại
thép hợp kim, nên trong nhiều thép C thơng thường vẫn cĩ thể cĩ một lượng
nhỏ các nguyên tố hợp kim như Cr, Cu, Ni, W, Mo, Ti chúng được coi là những rạp chất ngẫu nhiên, thường là cĩ lợi vì nâng cao cơ tính của thép
Trong thép cacbon thường cĩ hồ tan các khí nito, hyđrơ, ơxy với lượng chứa rất nhỏ mà việc xác dịnh chúng rất khĩ khăn nên được gọi là tạp chất
ẩn Nĩi chung, chúng là tạp chất cĩ hại
Thành phần hố học của thép thơng thường, ngồi Fe ra được giới hạn
như sau:
C < 2,14%; Mn < 0,5 — 0,8%: Si < 0,3 - 0,6%; P < 0,03 — 0,06%; 5 <0,03 — 0,06% (tiêu chuẩn ISO : S, P< 0,03%)
Trang 39a) Anh hưởng của cacbon tới tổ chức, tính chất và cơng dụng của thép
Tổ chức tế vi (trình bày trong phần giản đồ pha Fe — C) @ e s n_ BS “Qo = Ẹ tS Y > o 300 | 1200 ⁄ 80 2400 HB 4 1000 ` 2 ’ 50 2000 200 +1 800 Jt N 40 1600 Le + 600 N A 30 1200 ~~] 100 + 400 ⁄ ` 20 - 200 NOES 10 400 N a, ‘ Pp Ầ— 800 —— 0 0,2 04 06 08 1,0 1,2 1,4 %C Hình 3.1 Ảnh hưởng của cacbon tới cơ tính của thép thường Cơ tính (hình 3.1):
Khi hàm lượng cacbon tăng, độ bền, độ cứng tăng cịn độ dẻo, độ dai, độ thất giảm Với độ bên: khi hàm lượng cacbon vượt quá 0,8% thì hàm
lượng cacbon tăng, độ bền lại giảm Đĩ là do hàm lượng cacbon tăng, lượng
xêmentit tăng và ở dạng mạng lưới bao quanh hạt peclit Xê„ ở dạng mạng,
là pha giịn nên làm thép dễ bi phá huỷ dọc theo'lưới Xê, làm cho độ bền giảm khi hàm lượng cacbon tăng
b) Ảnh hưởng của các tạp chất
Mangan: Mn được cho vào thép dưới dạng fero~Mn để khử ơxy và lưu
huỳnh theo các phản ứng sau:
FeO + Mn > Fe +MnOT va FeS +Mn — Fe + MnSt
MnO và Mn§ nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lị Mn khi hồ tan vào
ferit làm tăng độ bền, độ cứng của pha này, nhưng phải giới hạn < 0,8% nên
ảnh hưởng khơng quan trọng
Trang 40Silic: SI được cho vào thép dưới dạng ferơ-S¡ để khử ơxy triệt dé ở trạng
thái long: Si + FeO + Fe + SiO,
Cũng như Mn, Sỉ khi hồ tan vào ferit làm tăng độ bền, độ cứng của pha này, nhưng phải giới hạn < 0,2 ~ 0,4% nên ảnh hưởng khơng quan trọng
Phốtpho: do đường kính của nguyên tử phốtpho rất khác với đường kính
của nguyên tử sắt nên khi hồ tan vào ferit làm xơ lệch mạng lớn, tăng mạnh tính giịn Khi vượt quá giới hạn hồ tan sé tao Fe,P cứng và giịn, là nguyên nhân gây giịn nguội
Lam huỳnh: Khơng hồ tan vào Ferit, tạo FeS Cùng tỉnh (Fe + FeS) cĩ nhiệt
độ chảy thấp (988°C) nằm ở biên giới hạt Khi nung để cán (1100 ~ 1200°C)
cùng tỉnh này bị mềm và chảy ra, là nguyên nhân gây bở nĩng
3.1.2 Phân loại và ký hiệu thép cacbon
4) Phân loại: Cĩ nhiều cách để phân loại thép khác nhau, nhưng thường gặp các cách sau:
Theo chat long
Theo mức độ sạch tap chất cĩ hại P, S, người ta phân ra các loại thép sau: — Thép chất lượng thường, cĩ thể chứa tới 0,06%S va 0,07%P
— Thép chất lượng tốt, chứa khong qué 0,04%S va 0,035% — Thép chất lượng cao, chứa khơng quá 0,025% mỗi nguyên tố
— Thép chất lượng đặc biệt cao, chứa khơng quá 0,015%S và 0,025%P Chất lượng của thép do phương pháp nấu luyện quyết định Phương pháp
Martin (phương pháp lị bằng) cĩ thể luyện được thép chất lượng tốt và chất
lượng cao Phương pháp L - D (thổi ơxy từ đỉnh lị Besme, lị Tomát) luyện
được thép cĩ chất lượng thường và chất lượng tốt Phương pháp lị điện (thường
là hồ quang) luyện được thép chất lượng cao, cĩ khả năng khử P, S tốt Theo phương pháp khử ơxy
Theo mức độ khử ơxy phân ra: thép sơi, thép lặng và thép nửa lặng
~ Thép sơi là loại khơng được khử ơxy triệt để: chỉ bằng chất khử khơng triệt để là ferơ-Mn nên trong thép lơng vẫn cịn FeO, do đĩ cĩ phản ứng:
FeO + C-> Fe + COT