giáo trình Điện tử môn học vật liệu học: phần 2 trình bày về thép và gang; hợp kim màu và bột; vật liệu ceramit; vật liệu polyme; vật liệu compozit. mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm chi tiết nội dung.
164 Phần III Chương vật liệu kim loại thép gang Các hợp kim sở sắt chiếm tỷ lệ áp đảo vật liệu kim loại, cã tû lƯ lín vËt liƯu nãi chung vµ ®ỵc dïng rÊt phỉ biÕn kü tht cịng nh đời sống, làm chi tiết quan trọng với yêu cầu kỹ thuật cao Trong số hợp kim sắt chương đề cập đến hợp kim Fe-C tức thép gang, loại thường gặp với nhiều chủng loại đa dạng thích ứng với nhiều mục đích sử dụng khác Sẽ trình bày nhóm thép gang Thép loại vật liệu kim loại có tính tổng hợp cao, chịu tải trọng nặng phức tạp, vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu quan trọng Hầu thép áp dụng nhiệt luyện hóa - nhiệt luyện để thay đổi tính theo hướng mong muốn Do có khả biến dạng dẻo tốt, công nghiệp thép cung cấp dạng bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc, dạng hình khác tiện cho sử dụng Ngoài khả biến dạng dẻo số nhóm thép có tính hàn tốt, tiện sử dụng xây dựng Tính đúc thép nói chung không cao song số mác tiến hành đúc thành sản phẩm định hình tương đối phức tạp Do ưu điểm thép coi vật liệu xương sống công nghiệp Cần ý thép loại vật liệu kim loại với nhiều nhóm có tính chất, công dụng khác nhau, phải nắm vững tính chất, tác dụng cacbon nguyên tố, nhóm, phân nhóm, mác điển hình Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon hợp kim Trước tiên hy phân biệt, so sánh đặc tính hai loại thép 5.1 Khái niệm thép cacbon thép hợp kim 5.1.1 Thép cacbon Thép cacbon hay thép thường, dùng phổ biến đời sống còng nh kü thuËt, nã chiÕm tû träng rÊt lớn (tới 80 ữ 90%) tổng sản lượng thép a Thành phần hóa học Như đ nói thép hợp kim sắt - cacbon với lượng cacbon nhỏ 2,14% với đặc tính có tính dẻo nên cán nóng (do nung nóng lên nhiệt ®é cao cã tỉ chøc hoµn toµn austenit - dung dịch rắn với mạng A1, dẻo) Song thực tế thép không hợp kim sắt với cacbon mà với nhiều nguyên tố khác Do yêu cầu thông thường công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đ vào thành phần thép mà không cần phải khử bỏ có lợi không cần phải khử bỏ triệt để có hại tốn không cần thiết Thép cacbon thép thông thường (thép thường), cacbon chứa số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà thép có, chúng gọi tạp chất thường có hay chất lẫn cố ý đưa vào Trong số tạp chất có số có lợi số có hại Hy xem xét nguyên tố Tạp chất có lợi: mangan silic Bất kỳ thép dù đơn giản đến đâu có mangan silic với lượng không vượt 1%, chúng vào thành phần thép do: 165 - quặng sắt có lẫn hợp chất (khoáng vật) khác ôxyt mangan, ôxyt silic, trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO Mn, SiO2 Si) vào gang vào thép, - luyện thép phải dùng ferô mangan ferô silic để khử ôxy, phần không tác dụng hết với ôxy vào thành phần thép {ferô loại hợp kim trung gian, dễ luyện có nhiệt độ chảy tương đối thấp, nguyên liệu để pha chế, sử dụng trình luyện kim; chứa sắt, cacbon (> 1%) lượng lớn nguyên tố hợp kim tương ứng Ví dụ ferô mangan 80 loại có khoảng 80%Mn} Trong điều kiện thông thường trình luyện, thép có chứa 0,80%Mn, 0,40%Si Chúng nguyên tố có ích, có tác dụng tốt đến tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, độ dai), song với lượng ảnh hưởng đáng kể đến tính thép cacbon Tạp chất có hại: phôtpho lưu huỳnh Hai nguyên tố vào thành phần gang thép qua đường quặng sắt nhiên liệu (than coke luyện gang) Chúng làm thép giòn phải khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao không vượt 0,05% cho nguyên tố Vậy thép sắt có chứa: C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S 0,050% Đó thành phần hóa học thép cacbon hay thép thường Các tạp chất khác Ngoài phôtpho lưu huỳnh, thép chứa nguyên tố hyđrô, ôxy, nitơ chúng hòa tan vào thép lỏng từ khí lò luyện Chúng đặc biệt có hại làm thép không đồng tổ chức (gây tập trung ứng suất) giòn (riêng nitơ có tính hai mặt trình bày sau) song với lượng chứa nhỏ (ví dụ: 0,006 ữ 0,008% ôxy) nên khó phân tích, thường "dấu mặt" bảng thành phần nên gọi tạp chất ẩn náu Đặc trưng công nghiệp luyện kim đại sử dụng lại (tái chế) ngày nhiều với tỷ lệ cao thép, gang hợp kim phế liệu mà có phần loại chứa nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim) Do thép cacbon luyện chứa hàm lượng thấp nguyên tố sau: - crôm, niken, đồng 0,30% cho nguyên tố song tổng lượng chúng không vượt 0,50%, - vonfram, môlipđen, titan 0,05% cho nguyên tố Đáng ý xu ngày mạnh nên hàm lượng cho phép nguyên tố thép thường tăng lên Song dï nh vËy ngêi ta vÉn chØ coi chóng tạp chất (chất lẫn vào) vì: - không cố ý đưa vào, - với lượng vậy, chúng ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức tính hợp kim Fe - C, thép tạo thành có tổ chức phù hợp với giản đồ pha Fe - C Sau xét ảnh hưởng năm nguyên tố thường gặp thép cacbon b ảnh hưởng cacbon đến tổ chức, tính chất công dụng thép thường 166 Tuy nguyên tố hóa học bình thường song nói cacbon nguyên tố quan trọng nhất, định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thÊp) Tỉ chøc tÕ vi Nh thÊy râ tõ gi¶n đồ pha Fe-C, hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit pha giòn tổ chức tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C tăng thêm 1,50% xêmentit) làm thay đổi tổ chức tế vi trạng thái cân (ủ) - C 0,05% - thép có tổ chức ferit (hình 3.19a), coi sắt nguyên chất - C = 0,10 ữ 0,70% - thÐp cã tæ chøc ferit + peclit, %C tăng lên lượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), thép trước tích - C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), thÐp cïng tÝch - C ≥ 0,90% - thÐp cã tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), %C tăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, thép sau tích Chính thay ®ỉi tỉ chøc nh vËy c¬ tÝnh cđa thÐp cịng biến đổi theo Hình 5.1 ảnh hưởng cacbon đến tính thép thường (ở trạng thái ủ) Cơ tính ảnh hưởng cacbon đến tính thép thường trạng thái ủ trình bày hình 5.1 Cacbon cã ¶nh hëng bËc nhÊt (theo quan hƯ đường thẳng) đến độ cứng HB Về mặt định lượng thấy tăng 0,10%C độ cứng HB tăng thêm khoảng 25 đơn vị Thoạt tiên cacbon làm giảm mạnh độ dẻo (, ) độ dai va đập (aK) làm cho tiêu giảm nhanh chóng, song sau mức giảm nhỏ Ví dụ: tăng 0,10%C phạm vi cacbon thÊp (≤ 0,25%) δ gi¶m 6%, aK gi¶m 300kJ/m2, phạm vi cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) tương ứng 3% 200kJ/m2 Như hàm lượng cacbon cao thép cứng, dẻo dai giòn Có thể dễ dàng giải thích điều lượng pha xêmentit cứng giòn tăng lên ảnh hưởng cacbon đến giới hạn bền b không đơn giản độ cứng Thấy tăng 0,10%C khoảng 0,10 ữ 0,50%C b tăng khoảng 70 167 ữ 90MPa, khoảng 0,60 ữ 0,80%C b tăng chậm đạt đến giá trị cực đại khoảng 0,80 ữ 1,00%C, vượt giá trị b lại giảm Có thể giải thích sau: tiên tăng số phần tử xêmentit ferit làm tăng số chốt cản trượt cho pha b tăng lên có tổ chức hoàn toàn peclit, vượt 0,80 ữ 1,00%C peclit (tấm) bắt đầu xuất lưới xêmentit II (hình 3.23) giòn lại dạng liên tục (lưới) làm cho thép giòn mà làm giảm giới hạn bền Vai trò cacbon Công dụng thép theo thành phần cacbon Chính cacbon có ảnh hưởng lớn đến tính nên định phần lớn công dụng thép Muốn dùng thép vào việc điều cần xem xét trước tiên hàm lượng cacbon sau tới nguyên tố hợp kim Điều kỳ diệu cần thay đổi chút hàm lượng cacbon (chênh lệch không 0,50%) tạo nhóm thép có tính đối lập mà không nguyên tố có Theo hàm lượng cacbon chia thép thành ba - bốn nhóm với tính công dụng khác sau - Thép có cacbon thấp ( 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu nhiệt luyện + ram không cao, dùng làm kết cấu xây dựng, để dập nguội Muốn nâng cao hiệu nhiệt luyện + ram để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon - Thép có cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai cao cao nhất, có hiệu + ram tốt, tóm lại có tính tổng hợp cao nên dùng chủ yếu làm chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh va đập cao - Thép có cacbon tương đối cao (0,55 ữ 0,65%) với ưu điểm có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, dùng làm chi tiết đàn hồi - Thép có cacbon cao ( 0,70%) với ưu điểm có độ cứng tính chống mài mòn cao, dùng làm công cụ dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo Trong số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65% Thật giới hạn thành phần cacbon kể để định ranh giới nhóm không hoàn toàn cứng nhắc, xê dịch đôi chút Tính công nghệ Tính hàn khả dập nguội, dập sâu thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon Thép cacbon dễ hàn chảy dập Hàm lượng cacbon có ảnh hưởng đến tính gia công cắt thép Nói chung thép cứng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt Song thép mềm dẻo gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có cacbon thấp có tính gia công cắt Nói chung tính đúc thép không cao c ảnh hưởng tạp chất thường có Mangan Mangan cho vào thép dạng ferô mangan để khử ôxy thép trạng thái lỏng tức ®Ĩ lo¹i trõ FeO rÊt cã h¹i: Mn + FeO Fe + MnO (MnO lên vào xỉ bị cào khỏi lò) Ngoài mangan loại trừ tác hại lưu huỳnh Mangan có ảnh hưởng tốt đến tính, hòa tan vào ferit nâng cao độ 168 bền độ cứng pha (hình 5.2a), làm tăng tÝnh cđa thÐp, song lỵng mangan cao nhÊt thÐp cacbon nằm giới hạn 0,50 ữ 0,80% nên ảnh hưởng không quan trọng Mn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại lưu huỳnh Silic Silic cho vào nhiều loại thép dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép trạng th¸i láng: Si + FeO → Fe + SiO2 (SiO2 lên vào xỉ bị cào khỏi lò) Giống mangan, silic hòa tan vào ferit nâng cao độ bền độ cứng pha (hình 5.2a) nên làm tăng tính thép, song lỵng silic cao nhÊt thÐp cacbon cịng chØ giới hạn 0,20 ữ 0,40% nên tác dụng không rõ rệt Phôtpho Là nguyên tố có khả hòa tan vào ferit (tới 1,20% hợp kim Fe - C, thép giới hạn hòa tan giảm mạnh) làm xô lệch mạnh mạng tinh thể pha làm tăng mạnh tính giòn; lượng phôtpho vượt giới hạn hòa tan tạo nên Fe3P cứng giòn Do phôtpho nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường) Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đ trở nên giòn Song phôtpho nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho thép phải 0,050% (để nơi tập trung cao lượng phôpho vượt 0,10% giới hạn gây giòn) Phôpho có mặt lợi, nói mục 5.3.6b Lưu huỳnh Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan Fe (cả Fe lẫn Fe) mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ë nhiƯt ®é thÊp (988oC), kÕt tinh sau cïng nằm biên giới hạt; nung thép lên để cán, kéo (thường 1100 ữ 1200oC) biên giới bị chảy làm thép dễ bị đứt, gy thép giòn Người ta gọi tượng giòn nóng hay bở nóng Khi đưa mangan vào, có lực với lưu huỳnh mạnh sắt nên thay FeS tạo nên MnS Pha kết tinh nhiệt độ cao, 1620oC, dạng hạt nhỏ rời rạc nhiệt độ cao có tính dẻo định nên không bị chảy đứt, gy Sunfua mangan có lợi cho gia công cắt (mục 5.3.6b) d Phân loại thép cacbon Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà cách cho biết đặc trưng riêng biệt cần để ý để sử dụng thép tốt Theo độ tạp chất có hại phương pháp luyện Rõ ràng thép tạp chất có hại (P, S) khí (H, O, N) có độ dẻo, độ dai cao tức có tính tổng hợp cao, chất lượng cao Các phương pháp luyện thép khác có khả loại trừ tạp chất có hại khác mức cao thấp khác tạo cho thép chất lượng tốt, xấu khác Có nhiều phương pháp luyện thép song giới tồn ba phương pháp lò mactanh, lò điện hồ quang lò thổi ôxy từ đỉnh (lò LD) (nước ta lò điện hồ quang), phương pháp làm tạp chất lò Theo mức độ tạp chất từ thấp đến cao có mức chất lượng sau - Chất lượng thường, lượng P, S khử đến mức 0,050% (hay cao chút) cho nguyên tố Phương pháp luyện thép L-D thường đạt 169 cấp chất lượng cho suất cao giá thành thép rẻ Cấp chất lượng thường áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao số thép xây dựng thông dụng - Chất lượng tốt, lượng P, S khử đến mức 0,040% cho nguyên tố Phương pháp luyện thép lò mactanh lò điện hồ quang dễ dàng đạt cấp chất lượng Cấp chất lượng thường áp dụng cho nhóm thép dùng chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao - Chất lượng cao, lượng P, S khử cẩn thận, đến mức 0,030% cho nguyên tố Với biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào ) đạt cấp chất lượng phương pháp luyện thép lò điện hồ quang - Chất lượng cao, lượng P, S khử mức triệt để nhất: 0,020% cho nguyên tố Chỉ với lò điện hồ quang đạt giới hạn Thép sau luyện lò tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất lò xỉ tổng hợp, điện xỉ Ngoài để giảm tối đa lượng khí chứa thép người ta phải áp dụng đúc rót thép chân không Các thép cacbon cung cấp ba cấp chất lượng: thường, tốt cao (ít gặp) Các thép hợp kim cấp chất lượng thường, có cấp: tốt, cao cao Thép xây dựng thường yêu cầu chất lượng thường, thép chế tạo máy phải có chất lượng từ tốt trở lên Riêng thép làm ổ lăn phải đạt cấp chất lượng cao Theo phương pháp khử «xy Theo møc ®é khư «xy cã triƯt ®Ĩ hay không người ta chia hai loại thép sôi thép lặng Thép sôi loại không khử ôxy triệt để, tức chất khử không mạnh ferô mangan, nên thép lỏng FeO có phản ứng: FeO + C Fe + CO Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động thể bị "sôi" (nên có tên thép sôi) tạo bọt (rỗ) khí thỏi đúc Khi cán nóng phần lớn bọt khí hàn kín lại (chú ý vỏ bọc khí nằm thỏi đúc, không tiếp xúc với không khí không lưu kho lâu chưa bị ôxy hóa nên nguyên tử sắt dễ khuếch tán, hàn kín lại cán nóng) nên nói chung không ảnh hưởng xấu đến tính thép đ qua biến dạng nóng Các đặc điểm thép sôi là: - không khử ferô silic nên chứa silic, thường 0,05 ữ 0,07%, nên ferit thép mềm dẻo, dễ dập nguội, - không cho phép dùng thép sôi để chế tạo vật đúc định hình rỗ khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh hưởng xấu đến tính, - không cho phép dùng thép sôi để làm kết cấu hàn chảy, thép ôxy (FeO) nên chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chøa nhiỊu bät khÝ - kh«ng cho phÐp dïng thÐp sôi để làm chi tiết thấm cacbon không khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt chất lớn Thép lặng loại khử ôxy triệt để ferô mangan lẫn ferô silic chất khử mạnh nhôm, nên thép lỏng không xảy phản ứng trên, mặt thép lỏng "phẳng lặng" (nên có tên thép lặng) Các đặc điểm thép lặng là: - khử ferô silic nên chứa lượng định silic, thường khoảng 0,15 ữ 0,35%, ferit thép cứng bỊn h¬n, khã dËp ngi h¬n, 170 - tỉ chức rỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơn, có tính cao thép sôi, vật đúc thép phải chế tạo thép lặng, nhiên lõm co thép lặng lớn (phần phải cắt bỏ làm giảm hiệu kinh tế), - kết cấu hàn chảy phép dùng thép lặng, - chi tiết thấm cacbon làm thép lặng Do đặc tính trội thép sôi, thép lặng sử dụng rộng ri Nằm trung gian hai thép thép nửa lặng, khử ôxy ferô mangan nhôm Tính chất nằm trung gian thép sôi thép lặng Tuy xuất sau song thÐp nưa lỈng cã khuynh híng thay thÕ cho thép sôi Thép hợp kim có loại thép lặng, song thép cacbon ba loại: sôi, lặng nửa lặng Theo công dụng Theo mục ®Ých sư dơng hay theo c«ng dơng cã thĨ chia thÐp cacbon thµnh hai nhãm thÐp kÕt cÊu vµ thÐp dụng cụ Thép kết cấu loại dùng làm kết cấu, chi tiết chịu tải (lực) yêu cầu độ bền bảo đảm cần phải có đủ độ dẻo, độ dai yêu cầu tức tính tổng hợp Đây nhóm thép sử dụng thường xuyên với khối lượng lớn Trong nhóm phân tiếp thành hai nhóm nhỏ xây dựng chế tạo máy: - Thép xây dựng loại chủ yếu dùng xây dựng để làm kết cấu thép dạng dài, rộng ghép lại, chúng đòi hỏi tính tổng hợp song không cao Thép xây dựng có cần bền song phải có độ dẻo cao để dễ uốn lắp ghép độ dai cao để khó bị phá hủy giòn, có tính hàn tốt - Thép chế tạo máy đòi hỏi tính tổng hợp mức độ cao nên nói chung đòi hỏi chất lượng cao hơn, đặc biệt độ bền phải cao phải bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai Thép dụng cụ loại chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu cứng chống mài mòn Trong thực tế người ta sử dụng tất cách phân loại trªn e Tiªu chn thÐp cacbon Tiªu chn ViƯt Nam Tiêu chuẩn Việt Nam đ quy định loại thép cacbon TCVN 1765 - 75 quy định mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để làm kết cấu xây dựng, sử dụng trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện Do yêu cầu chất lượng không cao lượng nên lượng P, S cho phép lớn: P 0,040 ữ 0,070%, S 0,050 ữ 0,060% Thép ký hiệu CT (với ý nghĩa thép cacbon chất lượng thường) với chữ ë sau cïng: s chØ thÐp s«i, n chØ thÐp nửa lặng, chữ thép lặng Trong nhóm thép lại quy định có ba phân nhóm A, B C, phân nhóm thứ A chủ yếu Phân nhóm A phân loại mác theo giới hạn bền kéo tối thiểu đạt tính theo đơn vị kG/mm2 - CTxx Cách ký hiƯu theo σb (min) nh vËy kh¸ tiƯn cho viƯc tính toán sơ sức bền tiết diện thép Ví dụ CT38, CT38n, CT38s ba mác cã ¬b ≥ 38kG/mm2 hay 380MPa song víi ba ph¬ng pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng sôi nên tiêu tính khác có khác đôi chút Tiêu chuẩn quy định tỉ mỉ chặt chẽ tiêu khác 0,2, , , aK (xem bảng 5.1 mục 5.2.2b) Các phân nhóm B C giữ nguyên ký hiệu phân nhóm A song đầu ký hiệu tương ứng 171 có thêm chữ B C BCTxx CCTxx Phân nhóm B không quy định tính song lại quy định thành phần hóa học (phải tra bảng 5.2), phân nhóm C lại quy định hai: tính lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có tính CT38 thành phần BCT38 TCVN 1766-75 quy định mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chế tạo máy qua nhiệt luyện, phải bảo đảm (quy định) thành phần hóa học lẫn tính (phải tra bảng), mác ký hiệu chữ C số phần vạn cacbon trung bình - Cxx Ví dụ: C40 mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%) tạp chất giới hạn đ trình bày Do chất lượng tốt nên lượng P S 0,040% cho nguyên tố, mác có chất lượng cao (P, S 0,030% cho nguyên tố) ë ci ký hiƯu cã ch÷ A, vÝ dơ C40A TCVN 1822-76 quy định mác thép dụng cụ cacbon b»ng CD (C lµ cacbon, D lµ dơng cơ) víi số lượng cacbon trung bình tính theo phần vạn - CDxx CDxxx Ví dụ, CD80 CD80A hai mác có khoảng 0,80%C (0,75 ữ 0,84%) song với chất lượng tốt cao Tiêu chuẩn nước OCT quy định thép kết cacbon chất lượng thường CT với số từ 0, ®Õn chØ cÊp ®é bỊn (sè cµng to ®é bền cao) Cũng có phân nhóm theo thứ tự A, , B tương ứng với ph©n nhãm A, B, C cđa TCVN VỊ thÐp kÕt cấu cacbon chất lượng tốt OCT quy định mác ký hiệu theo số phần vạn cacbon trung bình, mác 40 có khoảng 0,40%C mác C40 TCVN Về thép cacbon dụng cụ OCT quy định mác b»ng У víi sè tiÕp theo chØ lỵng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bình 12 có khoảng 1,20%C Tuy có số khác biệt nhỏ TCVN thép cacbon theo nguyên tắc OCT, nên có trùng hợp hoàn toàn hai tiêu chuẩn Hoa Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon ASTM dùng cho thép xây dựng AISI SAE cho thép chế tạo máy dụng cụ JIS quy định thép kết cÊu chÊt lỵng thêng b»ng SS hay SM víi sè tiÕp theo chØ giíi h¹n bỊn kÐo tèi thiĨu tÝnh theo đơn vị MPa - SSxxx, SMxxx; thép kết cấu cacbon chất lượng tốt SxxC xx số lượng cacbon trung bình theo phần vạn, c¸c thÐp cacbon dơng b»ng SK víi c¸c sè thø tù tõ ®Õn - SKx f u nhược điểm thép cacbon ưu điểm Thép cacbon dïng rÊt réng r∙i kü thuËt nãi chung vµ chế tạo máy ba ưu điểm sau: 1) Rẻ, dễ kiếm dùng nguyên tố hợp kim đắt tiền 2) Có tính tổng hợp định phù hợp với điều kiện thông dụng 3) Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim) Nhược ®iĨm ThÐp cacbon cịng cã nhiỊu nhỵc ®iĨm, ®ã đáng ý là: 1) Độ thấm thấp nên hiệu hóa bền nhiệt luyện + ram không cao, ảnh hưởng xấu đến độ bền, đặc biệt tiết diện lớn 2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: nung nóng độ bền cao trạng thái giảm nhanh chóng mactenxit bị phân hóa 200oC, 570oC bị ôxy hóa mạnh 172 3) Không có tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn Các thép hợp kim tránh nhược điểm Do thực tế thép cacbon dùng làm chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ vừa phải, làm việc nhiệt độ thường; thép hợp kim dùng cho trường hợp ngược lại 5.1.2 Thép hợp kim Trong kỹ thuật dùng ngày nhiều thép hợp kim vào mục đích quan trọng a Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào (không phải yêu cầu thông thường công nghệ luyện kim) nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa) Các nguyên tố có lợi đưa vào cách đặc biệt với lượng đủ lớn gọi nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm nguyên tố với hàm lượng lớn giới hạn cho nguyên tố (không có giá trị chung cho nguyên tố) sau: Mn 0,80 ữ 1,00%, Si ≥ 0,50 ÷ 0,80%, Cr ≥ 0,50 ÷ 0,80%, Ni ≥ 0,50 ÷ 0,80%, W ≥ 0,10 ÷ 0,50%, Mo ≥ 0,05 ÷ 0,20%, Ti ≥ 0,10%, Cu 0,30, B 0,0005% Nhỏ giới hạn kể coi tạp chất Tuy nhiên giới hạn quy ước không cứng nhắc cách chặt chẽ Thép hợp kim loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa tạp chất có hại b Các đặc tính thép hợp kim nói kỹ đặc tính trội hẳn thép hợp kim so với thép cacbon (thép cacbon tương đương mang đối chứng phải loại có thành phần cacbon với thép hợp kim đ cho) Cơ tính Do số yếu tố mà chủ yếu tính thấm cao nên thép hợp kim có độ bền cao hẳn so với thép cacbon, điều thể đặc biệt rõ ràng thÐp sau t«i + ram Khi hÕt søc tËn dụng ưu điểm cần ý đến đến hệ sau đây: - trạng thái không + ram (ví dụ trạng thái ủ), độ bền thép hợp kim không cao thép cacbon Cho nên đ dùng thép hợp kim phải qua nhiệt luyện + ram Nếu dùng thép hợp kim trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần nh thêng hãa) hay đ lµ sù l∙ng phÝ lín vỊ ®é bỊn - u viƯt vỊ ®é bỊn cao thép hợp kim rõ tiết diện thép lớn lượng hợp kim đủ để bảo đảm thấu Khi tiết diện nhỏ ( 20mm) ưu việt thép hợp kim (v× víi tiÕt diƯn nhá nh vËy thÐp cacbon cịng thấu) - Do tính thấm tốt, dùng môi trường chậm (dầu) nên biến dạng nứt so với thép cacbon phải nước Do chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua (do đòi hỏi độ bền) phải làm thép hợp kim - Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng độ thấm làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết cần vừa đủ bảo đảm thấu tiết diện đ cho đủ, không nên dùng thừa (dùng thép 173 hợp kim cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy giòn hơn) Do có nguyên tắc chọn mác thép hợp kim cao hay thÊp lµ phơ thc kÝch thíc (tiÕt diện) - Tuy đạt độ bền cao thường có độ dẻo, độ dai thấp Do phải ý đến mối quan hệ ngược để có xử lý thích hợp (bằng ram) Mặc dầu có ưu ®iĨm vỊ ®é bỊn, nãi chung thÐp hỵp kim cã tính công nghệ thép cacbon (trừ tính thấm tôi) Tính chịu nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim cản trở khuếch tán cacbon làm mactenxit khó phân hóa cacbit khó kết tụ nhiệt độ cao 200oC, nhiệt độ thép hợp kim bền Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo thành nhiệt độ cao xít chặt, có tính bảo vệ tốt Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt Bằng cách đưa vào thép nguyên tố khác với lượng lớn quy định tạo cho thép tính chất đặc biệt: - không gỉ, chống ăn mòn axit, badơ, muối, - từ tính đặc biệt từ tính, - gin nở nhiệt đặc biệt Qua thấy thép hợp kim vật liệu cần thiết, thiếu cho ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi tính chất cao khác với thông thường c Tác dụng nguyên tố hợp kim đến tổ chức thép Một cách đơn giản xem thép hợp kim đơn giản (chỉ có nguyên tố hợp kim) đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C Vậy hy xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến hợp kim Fe - C mà ta đ nghiên cứu, cụ thể đến tổ chức chính: dung dịch rắn ferit, austenit, hợp chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit) Các nguyên tố đưa vào thép không hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn kết hợp với cacbon thành cacbit Cũng khó phân loại rạch ròi song tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan vào sắt dạng có lực mạnh với cabon tạo nên cacbit Hy xét khả Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn Đó trường hợp phần lớn nguyên tố mà điển hình thường gặp Mn, Si, Cr, Ni Với lượng nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng kể cấu hình giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit nhiệt độ thấp austenit nhiệt độ cao Khi hòa tan (tất nhiên dạng thay thế) vào ferit, nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng làm tăng độ cứng, độ bền thường làm giảm độ dẻo, độ dai ảnh hưởng bốn nguyên tố đến hai tiêu điển hình độ cứng độ dai trình bày hình 5.2 Qua thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn Si, Cr Ni Hai nguyên tố Mn Si làm tăng mạnh độ cứng (độ bền) song làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt thép chứa 2%Si 3,5%Mn ferit đ có độ dai thấp ( 500kJ/m2) làm thép giòn không cho phép sử dụng Do có lợi rẻ hơn, khả hóa bền cao Mn Si dùng với hàm lượng hạn chế ữ 2% Như dùng thép Mn, Si với độ thấm cao bị hạn chế lượng đưa vào Còn Ni Cr (cho tới hàm lượng 4%) làm tăng độ cứng không làm giảm làm tăng chút độ dai 338 Biểu thức biểu thức (9.1), giới hạn môđun đàn hồi compozit hạt mịn Như compozit cốt sợi liên tục (thẳng hàng) lực tác dụng cốt sỵi nh sau: V Ff = A f (σ b )f = f E f ε c Vc V Fm = A m σ m = m E m ε c Vc Ff V E = f f (9.12) nªn Fm Vm E m b Khi kÐo ngang Khi compozit bị kéo ngang tức theo phương vuông góc với trục sợi ứng suất tác dụng lên pha ứng suất tác dụng lên compozit c = f = m = nên độ biến dạng toàn thể compozit tổng biến dạng cđa c¸c pha εc = εf Vf + εm Vm = nên E = Vf + Vm Ec Ef Em Chia c¶ hai vÕ cho σ, cã V V = f + m Ec Ef Em hay Ec = E m E f E m E f = Vm E f + Vf E m (1 − Vf ).E f + Vf E m (9.13) biểu thức giống (9.2), giới hạn môđun đàn hồi compozit hạt thô c ảnh hưởng hàm lượng sợi Trong thực tế tỷ lệ thể tích Vf (hay gọi hàm lượng) sợi nhỏ, sợi tác dụng gia cường cho compozit Đối với compozit thông thường với dẻo cốt tồn giá trị Vfmin mà ứng với giá trị Vf < Vfmin phá hủy sợi cốt chưa dẫn tới phá hủy tức khắc compozit Khi cốt vậy, toàn tải tác dụng lên làm mẫu biến dạng Quá trình biến dạng đồng thời cốt sợi xảy cho tận đến độ gin dài mẫu độ gin dài phá hủy f sợi Lúc lực tiếp tục tác dụng toàn số cốt sợi ỏi bị đứt hết Ngay đến lúc mẫu tiếp tục biến 339 dạng phá hủy cuối xảy độ biến dạng mẫu đạt đến độ gin dài phá hủy m Như giới hạn bỊn cđa compozit øng víi Vf < Vfmin b»ng giíi hạn bền kéo (b)m nhân với tỷ lệ thĨ tÝch Vm cđa nã chiÕm, tøc lµ (σb)c = Vm (σb)m = (1 - Vf) (σb)m (9.14) biÓu thøc biểu diễn đường thẳng dốc xuống hình 9.8 Xác định giá trị vủa Vfmin ứng với giao điểm hai đường thẳng biểu diễn biểu thức (9.8) (9.14), nên ta có Vf (b)f + (1 - Vf) σm = (1 - Vf) (σb)m giá trị Vf tìm Vfmin, sau biến ®æi ta cã Vfmin = (σ b )m − σ m (σ b )f + (σ b )m − σ m Hình 9.9 Đường cong biến dạng Hình 9.10 Đường cong biến dạng kéo compozit cốt sợi liên tục nỊn dỴo víi Vf > Vf* kÐo cđa compozit cèt sợi liên tục giòn với Vf > Vf* Nếu hiƯu sè (σb)m - σm qu¸ nhá so víi (σb)f (trường hợp polyme có độ bền thấp) Vfmin = (σ b )m − σ m (σ b )f Song với hàm lượng cốt có giá trị Vfmin giới hạn bền compozit thấp giới hạn bền pha thấp pha nỊn T¸c dơng gia cêng cđa cèt chØ thùc bắt đầu Vf Vf* lúc giới hạn bền compozit cao giới hạn bền Có thể dễ dàng tính giá trị Vf* (b)c = (b)m nên Vf (b)f + (1 - Vf) m = (b)m giá trị Vf tìm Vf*, sau biến đổi ta có (σ ) − σ m Vf* = b m (σ b )f m 340 Trên hình 9.8 đường gẫy khúc tô đậm đường biểu diễn phụ thuộc giới hạn bền compozit vào hàm lượng thể tích cốt sợi liên tục thẳng hàng dẻo Như compozit cốt sợi liên tục phải thỏa mn hai điều kiện: sợi dài l > 15lc lượng sợi phải đủ lớn Vf > Vf* Sự phụ thuộc vào hàm lượng thể tích sợi giới hạn bền kéo compozit cốt sợi liên tục vật liệu dẻo trình bày hình 9.9; vật liệu giòn (chỉ bị biến dạng đàn hồi) trình bày hình 9.10 9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng Sơ đồ cấu trúc compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng trình bày hình 9.6b Tất nhiên chiều dài sợi ngắn (l < 15lc) hiệu gia cường sợi compozit cao loại cốt sợi liên tục thẳng hàng Với loại sợi ngắn môđun đàn hồi giới hạn bền tương ứng khoảng 90 50% so với loại cốt sợi liên tục (dài) Tuy nhiên loại compozit gián đoạn thẳng hàng ngày có vị trí quan trọng thị trường Cơ tính loại này, hàm lượng thể tích sợi phụ thuộc vào chiều dài hay yếu tố hình học sợi S = l / d, tính toán riêng rÏ cho hai trêng hỵp sau - Khi l > lc (nhưng nhỏ 15lc), giới hạn bền kéo (b)c theo phương dọc sợi compozit tính biểu thøc (σ b )c = (σ b )f Vf 1 − l c + σ m (1 − Vf ) 2l - Khi l < lc (σ b )c = τ c Vf + σ m (1 Vm ) d đó: ơm - ứng suất tác dụng vào compozit bị phá hỏng, c - giới hạn chảy cắt nền, l, d - chiều dài, đường kính sợi 9.3.4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn Bảng 9.1 Giá trị thông số k ứng với định hướng khác sợi ứng suất Định hướng sợi Tất sợi song song Phương ứng suất k dọc theo trục sợi ngang với trục sợi Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng theo phương mặt mặt chứa sợi Phân bố sợi ngẫu nhiên, đồng theo phương theo ba chiều không gian 341 Sơ đồ cấu trúc compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn trình bày hình 9.6c Lúc biểu thức quy tắc kết hợp môđun đàn hồi biểu thị sau Ec = k Ef Vf + Em Vm k - thông số biểu thị hiệu hóa bền mà độ lớn phụ thuộc vào hàm lượng thể tích Vf sợi tỷ lệ Ef/Em, k dao động khoảng 0,1 ữ 0,6 Bảng 9.1 trình bày giá trị thông số k compozit sợi gián đoạn cho trường hợp định hướng khác sợi ứng suất 9.3.5 Kích thước vật liệu làm cốt sợi a Kích thước sợi Bảng 9.2 Vật liệu Tính chất số loại cốt sợi Khối lượng riêng, g/cm3 Giới hạn bền, MPa Môđun đàn hồi, GPa Nhiệt độ làm việc, max, 0C Râu đơn tinh thÓ Grafit 2,20 20000 690 2500 SiC 3,20 20000 480 1600 Si3Ni4 3,20 14000 380 - Al2O3 3,90 14000-18000 415-550 - Sỵi Kelva 49 1,40 3500 124 200 Kelva 29 1,40 3700 60 200 Thñy tinh E 2,54 3500 72 550 Thñy tinh R 2,50 4400 80 650 Thñy tinh S 2,48 4800 84 650 Cacbon 1,80 1500-5500 150-500 2000-2500 Al2O3 3,20 2100 170 800 SiC 3,00 3900 425 900 B (bo) 2,65 3700 300-420 500-700 Dây (kim loại) Thép cacbon cao 7,80 4100 210 - Mo 10,2 1400 360 - W 19,3 4300 400 - 342 Tríc nãi vấn đề cần nhấn mạnh độ bền sợi cốt phụ thuộc vào chất vật liệu làm sợi mà phụ thuộc mạnh vào kích thước hình học mà cụ thể đường kính Với vật liệu, xác suất có mặt khuyết tật (ví dụ vết nứt nhỏ) bề mặt sợi nhỏ thấp sợi to, sợi nhỏ có độ bền cao Đây đặc điểm quan trọng để nhà công nghệ quan tâm trước hết lựa chọn sợi cốt Dựa vào đường kính đặc tính người ta phân cốt sợi thành ba loại: râu, sợi dây nhỏ Râu (râu đơn tinh thể) Râu (whiskers) sản phẩm có đường kính nhỏ (cỡ ữ 2àm), tỷ lệ chiều dài đường kính lớn (khoảng nghìn lần), nhận kỹ thuật nuôi đơn tinh thể Do kích thước nhỏ, đơn tinh thể (râu) có mức độ hoàn thiƯn tinh thĨ rÊt cao (hÇu nh chØ cã mét lệch xoắn) nứt, rỗng nên có độ bền cao (gần độ bền lý thuyết) Tuy nhiên râu chưa dùng rộng ri đắt khó gắn kết vào Vật liệu để chế tạo râu grafit, SiC, Si3N, Al2O3 (bảng 9.2) Sợi Sợi sản xuất công nghệ kéo, chuốt Chúng đa tinh thể vô định hình với đường kính tương đối nhỏ (khoảng vài chục đến vài trăm àm) tỷ lệ chiều dài/đường kính khác Vật liệu chế tạo cốt sợi polyme polyamit, ceramic thủy tinh, ôxyt nhôm, cacbit silic bo, cacbon (bảng 9.2) Dây Dây loại có đường kính nhỏ, thường kim loại: thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili, titan Loại cốt dùng để gia bền lốp ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao áp b Vật liệu làm sợi Trong loại kích thước kể loại đợc dùng phổ biến sợi, nên khảo sát loại này, không đề cập đến dạng nhỏ (râu) lớn (dây) Có nhóm vật liệu để làm sợi cho compozit thđy tinh, cacbon, polyme, bo vµ ceramic Thđy tinh Thµnh phần hóa học thủy tinh đ nghiên cứu chương (mục 7.3.2 7.3.3), chúng gồm «xyt SiO2, Al2O3, BO3 CaO, MgO Së dÜ sỵi thủy tinh sử dụng rộng ri làm cốt dễ chế tạo từ trạng thái mềm lỏng có độ bền cao Trong trình kéo, bề mặt sợi bị cọ sát với bề mặt cứng khác nhờ làm vết nứt bọc lớp áo mới, bám dính tốt với Cacbon Cấu trúc sợi cacbon đ trình bày hình 1.12c Chính nhờ định hướng chủ yếu mặt đáy lục giác (chỉ với liên kết đồng hóa trị) song song với trục sợi nên có độ bền cao Trong trình chế tạo sợi cacbon (đ trình bày mục 7.5.1), grafit hóa xảy không hoàn toàn nên vùng vô định hình (chỉ râu grafit đạt mức độ tinh thể hoàn toàn) nên độ bền thay đổi giới hạn (bảng 9.2) tùy thuộc vào tỷ kệ 343 Nếu sợi thủy tinh sử dụng tới 500 ữ 700oC sợi cacbon tới 2000oC Polyme Nói chung polyme có môđun đàn hồi nhỏ Hiện dùng loại polyamit thơm có công thức tổng qu¸t nh sau O O [ N H N C C ]n H dạng thương phẩm vật liệu có hai loại kelva 49 kelva 29 Nhược điểm chất nhiệt độ làm việc thấp (< 200oC) B, SiC, Al2O3 Bản chất cách chế tạo sợi đ trình bày mục 7.5.2 9.3.6 VËt liƯu lµm nỊn VËt liƯu lµm nỊn cho compozit cốt sợi thường polyme kim loại chúng có tính dẻo tốt Kim loại dùng làm pha thường nhôm đồng Tuy nhiên polyme pha dùng phổ biến với đủ chủng loại nhiệt rắn lẫn nhiệt dẻo: polyeste, nylon, epoxy, nhựa fenol, polyamit, melamin Hiện dùng ceramic trừ bêtông cốt thép loại phổ biến 9.3.7 Các loại compozit cốt sợi phổ biến a Compozit polyme - sợi thủy tinh Là loại sản xuất với khối lượng nhiều chúng rẻ, nhẹ, có độ bền riêng cao gắn kết tốt hai pha - cốt, với hai loại cốt sợi liên tục gián đoạn Loại phổ biến polyeste - sợi thủy tinh, tiếp đến nylon - sợi thủy tinh Tuy nhiên loại có nhược điểm không đủ độ cứng vững số trường hợp yêu cầu (như làm kết cấu máy bay, cầu ), nhiệt độ làm việc thấp, 200oC (trên polyme bị chảy hủy hoại) Hiện compozit polyme - sợi thủy tinh dùng ngày nhiều phương tiện vận tải đặc biệt vỏ (thân) xe hơi, tàu biển, ống dẫn, container chứa hàng, lát sàn công nghiệp Đặc biệt công nghiệp ôtô có sức cạnh tranh cao nhờ giảm khối lượng tiêu hao nhiên liệu b Compozit polyme - sợi khác Compozit polyme - sợi cacbon có môđun đàn hồi riêng cao hơn, tính chịu nhiệt độ bền hóa học cao đắt có loại sợi gián đoạn Loại compozit có sức cạnh tranh lớn máy bay giảm nhẹ khối lượng (giảm 20 ữ 30% so với dùng kim loại) Compozit epoxy - sợi bo dùng máy bay lên thẳng (làm cánh rôto), loại polyme - sợi aramit bắt đầu dùng hàng không, tàu biển đồ dùng thể thao c Compozit kim loại - sợi Trong loại kim loại là: nhôm, đồng (phổ biến nhất), magiê, titan với cốt sợi: cacbon, bo, cacbit silic, dây kim loại Tỷ lệ thể tích sợi khoảng 20 344 ữ 50% Một compozit có triển vọng loại nhôm - sợi bo có phủ cacbit silic để làm chậm phản ứng không mong muốn nhôm bo Compozit kim loại có nhiệt độ làm việc cao polyme Chịu nhiệt độ cao loại hợp kim sở Ni Co với cốt sợi dây vonfram dùng tuabin d Compozit cacbon - cacbon Trong loại tất cacbon: cốt sợi cacbon bao quanh hạt (tinh thể) cacbon nhiệt phân phân hóa tạo thành trạng thái nóng sợi cacbon Nền cacbon tạo thành nguyên lý dùng để chế tạo sợi cacbon: cacbon hóa chất hữu nhiệt độ cao (trong chất lỏng áp suất trung bình cao, chất khí áp suất nhỏ áp suất khí quyển), điều kiện tinh thể grafit hình thành phát triển e Compozit cốt sợi pha Đây loại compozit người ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợi nền, có kết hợp tính chất tốt loại có loại cốt sợi Trong loại phổ biến dùng hai loại cốt sợi cacbon thủy tinh polyme (trong sợi cacbon bền, cứng vững, nhẹ song đắt sợi thủy tinh) Khi compozit sợi pha bị ứng suất kéo, phá hủy xảy không tức thời: sợi cacbon bị đứt trước sau tải trọng truyền sang sợi thủy tinh, cuối compozit bị phá hủy hoàn toàn bị hỏng tải trọng tác dụng vào 9.4 Compozit cấu trúc Compozit cấu trúc loại bán thành phẩm dạng nhiều ( 3) lớp tạo thành cách kết hợp vật liệu đồng với compozit theo phương án cấu trúc khác Do tính chất phụ thuộc vào tính chất vật liệu thành phần mà vào thiÕt kÕ h×nh häc cđa chóng kÕt cÊu Thêng dùng hai loại: dạng lớp panel sandwich 9.4.1 Compozit cấu trúc dạng lớp Hình 9.11 Sơ đồ tạo compozit cấu trúc dạng lớp 345 Có thể dễ dàng hình dung dạng compozit qua gỗ dán, cót ép Chúng gồm lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng), xếp cho phương độ bền cao lớp, kề đổi hướng liên tục (trên hình 9.11 gồm năm lớp vuông góc với nhau) ép kết dính với Nhờ loại có độ bền cao theo phương song song với mặt tấm, theo phương vuông góc với 9.4.2 Panel sandwich Hình 9.12 Sơ đồ panel sandwich Loại gồm ba lớp (hình 9.12) hai lớp mặt chế tạo từ vật liệu có độ bền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, titan, thép compozit dạng lớp) có chức chịu toàn tải trọng tác dụng theo phương song song với mặt Lớp (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theo phương vuông góc tạo độ cứng vững tránh cong vênh Vật liệu làm lõi polyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ có cấu trúc tổ ong, vách mỏng liên kết định hướng ô lục giác vuông góc với mặt biểu diễn hình vẽ (vách thường làm vật liệu hai lớp mặt) Cấu trúc hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông ), khác với loại song song 346 Tài liệu tham khảo Lê công Dưỡng (chủ biên) Vật liệu học Nhà xb KH&KT, 1997 Nghiêm Hùng Kim loại học nhiệt luyện Nhà xb Đại học & THCN, 1979 Nghiêm Hùng Sách tra cứu thép, gang thông dụng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1997 Nghiêm Hùng Nhiệt luyện phụ tùng ôtô - máy kéo Nhà xb KH&KT, 1985 William D Callister, Jr Materials Science and Engineering An Introduction John Wiley & Sons, Inc (second edition) William F Smith Materials Science and Engineering (second edition) Jean-Marie Dorlot, Jean-Paul Bailon, Jaques Masounave Des MatÐiaux (deuxiÌme Ðdition revue et augmentÐe) Ðdition de L'Ðcole Polytechnique de MontrÐal Wilfried Kurz, Jean P Mercier, GÐrald Zambelli Introduction µ la science des matÐriaux (deuxiÌme Ðdition revue et augmentÐe) Presses Polytechniques et universitaires romandes Ю·М·Лахтин‚В·П·Леонтьева Машиностроение 1980 МАТЕРИАЛЛОВЕДЕНИЕ‚ Москва‚ 10 Sử Mỹ Đường (Đại Học Công Nghiệp Thượng Hải) chủ biên Vật Liệu Kim Loại Nhiệt Luyện Nhà xuất KH-KT Thượng Hải (in lần thứ 20 năm 1996) (bản tiếng Trung Quốc) 11 Học Viện Công Nghiệp Đại Liên Kim Loại Học Nhiệt Luyện Nhà xuất Khoa Häc, 1975 (b¶n tiÕng Trung Qc) 347 Mơc lơc Bảng kê ký hiệu viết tắt dùng sách Lời nói đầu Mở Đầu 0.1 Khái niệm vật liệu 0.2 Vai trò vật liệu 0.3 Đối tượng Vật Liệu Học cho ngành Cơ khí 0.4 Các tiêu chuẩn vật liệu Phần I cấu trúc c¬ tÝnh 3 CÊu tróc tinh thể hình thành Chương 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 1.2 Sắp xếp nguyên tư vËt chÊt 1.2.1 ChÊt khÝ 1.2.2 ChÊt r¾n tinh thể 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình vi tinh thể 1.3 Khái niệm mạng tinh thể 1.3.1 Tính đối xứng 1.3.2 ô sở- ký hiệu phương, mặt 1.3.3 Mật độ nguyên tử 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 1.4.1 Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) 1.4.2 Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 1.4.3 Chất rắn có liên kết ion 1.4.4 Cấu trúc polyme 1.4.5 Dạng thù hình 1.5 Sai lệch mạng tinh thĨ 1.5.1 Sai lƯch ®iĨm 1.5.2 Sai lƯch ®êng - Lệch 1.5.3 Sai lệch mặt 1.6 Đơn tinh thể đa tinh thể 1.6.1 Đơn tinh thể 1.6.2 Đa tinh thể 1.6.3 Textua 1.7 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1.7.1 Điều kiện xảy kết tinh 1.7.2 Hai trình kết tinh 1.7.3 Sự hình thành hạt 1.7.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ đúc 1.7.5 Cấu tạo tinh thể thái ®óc 8 8 11 12 12 12 14 14 14 18 18 19 22 24 25 25 26 26 27 29 29 29 29 31 32 32 33 35 36 38 Biến dạng dẻo Cơ tính Chương 2.1 Biến dạng dẻo phá hủy 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Trượt đơn tinh thể 2.1.3 Trượt đa tinh thể 2.1.4 Phá hủy 2.2 Các đặc trưng tính thông thường ý nghĩa 2.2.1 Độ bền (tĩnh) 2.2.2 Độ dẻo 2.2.3 Độ dai va đập 2.2.4 Độ dai phá hủy biến dạng phẳng 2.2.5 Độ cứng 31 31 31 42 46 49 54 52 55 58 61 63 348 2.3 Nung kim loại đ qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 2.3.1 Trạng thái kim loại đ qua biến dạng dẻo 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến nung nóng 2.3.3 Biến dạng nóng Phần II Hợp kim biến đổi tổ chức 66 66 67 68 71 Hợp kim Giản dồ pha Chương 3.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 3.1.1 Khái niệm hợp kim 3.1.2 Dung dịch rắn 3.1.3 Pha trung gian 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 3.2.1 Quy tắc pha ứng dụng 3.2.2 Giản đồ pha công dụng 3.2.3 Giản đồ loại I 3.2.4 Giản đồ loại II 3.2.5 Giản đồ loại III 3.2.6 Giản đồ loại IV 3.2.7 Các giản đồ pha với phản ứng khác 3.2.8 Quan hệ dạng giản đồ pha tính chất hợp kim 3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) 3.3.1 Tương tác Fe C 3.3.2 Giản đồ pha Fe -Fe3C tổ chức 3.3.3 Phân loại 71 71 71 74 77 79 79 80 82 84 86 88 88 89 92 92 93 98 Nhiệt luyện thép Chương 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ lược nhiệt luyện 4.1.2 Tác dụng nhiệt luyện sản xuất khí 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 4.2.1 Các chuyển biến xảy nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 4.2.2 Các chuyển biến xảy giữ nhiệt 4.2.3 Các chuyển biÕn cđa austenit lµm ngi chËm 4.2.4 Chun biÕn cđa austenit lµm ngi nhanh - Chun biÕn mactenxit 4.2.5 Chuyển biến nung nóng thép đ 4.3 ñ vµ thêng hãa thÐp 4.3.1 ñ thÐp 4.3.2 Thêng hóa thép 4.4 Tôi thép 4.4.1 Định nghĩa mục ®Ých 4.4.2 Chän nhiƯt ®é t«i thÐp 4.4.3 Tèc ®é tới hạn độ thấm 4.4.4 Các phương pháp thể tích công dụng Các môi trường 4.4.5 Cơ - nhiệt luyện thép 4.5 Ram thép 4.5.1 Mục đích định nghĩa 4.5.2 Các phương pháp ram 4.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép 4.6.1 Biến dạng nứt 4.6.2 ôxy hóa thoát cacbon 4.6.3 Độ cứng không đạt 4.6.4 Tính giòn cao 4.6.5 ảnh hưởng nhiệt độ tầm quan träng cđa kiĨm nhiƯt 4.7 Hãa bỊn bỊ mỈt 4.7.1 Tôi bề mặt nhờ nung nóng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) 4.7.2 Hóa nhiệt luyện 102 102 102 104 105 105 109 110 115 119 121 121 124 125 125 126 128 131 135 136 136 137 139 139 140 140 141 141 141 142 144 349 PhÇn III Vật liệu kim loại Thép gang Chương 5.1 Khái niệm thép cacbon thép hợp kim 5.1.1 Thép cacbon 5.1.2 Thép hợp kim 5.2 Thép xây dựng 5.2.1 Đặc điểm chung - phân loại 5.2.2 Thép thông dụng 5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA 5.2.4 Thép làm cốt bêtông 5.2.5 Các thép khác 5.3 Thép chế tạo máy 5.3.1 Các yêu cầu chung 5.3.2 ThÐp thÊm cacbon 5.3.3 ThÐp hãa tèt 5.3.4 C¸c chi tiết máy điển hình thép 5.3.5 Thép đàn hồi 5.3.6 Các thép kết cấu có công dụng riêng 5.4 Thép dụng cụ 5.4.1 Các yêu cầu chung 5.4.2 Thép làm dụng cụ cắt 5.4.3 Thép làm dụng cụ đo 5.4.4 Thép làm dụng cụ biến dạng nguội 5.4.5 Thép làm dụng cụ biến dạng nóng 5.5 Thép hợp kim đặc biệt 5.5.1 Đặc điểm chung phân loại 5.5.2 ThÐp kh«ng gØ 5.5.3 ThÐp bỊn nãng 5.5.4 ThÐp có tính chống mài mòn đặc biệt cao tải trọng va đập 5.5.5 Thép hợp kim sắt có từ tính 5.6 Gang 5.6.1 Đặc điểm chung loại gang chế tạo máy 5.6.2 Gang xám 5.6.3 Gang cầu 5.6.4 Gang dẻo Hợp kim màu bột Chương 6.1 Hợp kim nhôm 6.1.1 Nhôm nguyên chất phân loại hợp kim nhôm 6.1.2 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền nhiệt luyện 6.1.3 Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền nhiệt luyện 6.1.4 Hợp kim nhôm đúc 6.2 Hợp kim đồng 6.2.1 Đồng nguyên chất phân loại hợp kim đồng 6.2.2 Latông 6.2.3 Brông 6.2.4 Hợp kim Cu - Ni Cu - Zn - Ni 6.3 Hỵp kim ỉ trỵt 6.3.1 Yêu cầu hợp kim làm ổ trượt 6.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 6.3.3 Hợp kim nhôm 6.3.4 Các hợp kim khác 6.4 Hợp kim titan 6.4.1 Titan nguyên chất 6.4.2 Hợp kim titan 6.5 Hỵp kim bét 152 152 152 152 160 172 172 173 176 178 178 178 179 182 187 192 194 197 197 199 205 207 210 213 213 213 219 221 222 222 225 227 229 230 230 230 233 234 238 240 240 241 243 245 246 246 246 247 248 248 350 6.5.1 Kh¸i niƯm chung 6.5.2 Vật liệu cắt mài 6.5.3 Vật liệu kết cấu 6.5.4 Hợp kim xốp thấm 248 249 252 253 Phần IV Vật liệu phi kim loại 255 Ceramic Chương 7.1 Khái niệm chung 7.1.1 Bản chất phân loại 7.1.2 Liên kết nguyên tử 7.1.3 Trạng thái tinh thể 7.1.4 Trạng thái vô định hình 7.1.5 Cơ tính 7.2 Gốm vật liệu chịu lửa 7.2.1 Bản chất phân loại 7.2.2 Gốm silicat 7.2.3 Gốm ôxyt 7.3 Thủy tinh gốm thủy tinh 7.3.1 Bản chất phân loại 7.3.2 Thủy tinh thông dụng 7.3.3 Các thủy tinh khác 7.3.4 Gốm thủy tinh 7.4 Ximăng bêtông 7.4.1 Bản chất 7.4.2 Ximăng 7.4.3 Bêtông 7.4.4 Bêtông cèt thÐp 7.5 VËt liƯu cèt sỵi cho compozit 7.5.1 Vật liệu cacbon sợi cacbon 7.5.2 Sợi bo sợi khác 7.5.3 Râu đơn tinh thể 255 255 255 256 256 262 263 265 265 266 267 269 269 269 270 271 271 271 271 272 273 273 273 275 275 VËt liƯu polyme Ch¬ng 8.1 CÊu trúc phân tử polyme 8.1.1 Phân tử hyđrôcacbon 8.1.2 Phân tư polyme 8.1.3 CÊu tróc m¹ch cđa polyme 8.1.4 CÊu tróc tinh thĨ cđa polyme 8.2 TÝnh chÊt c¬ - lý - nhiƯt cđa polyme 8.2.1 Quan hƯ øng suất - biến dạng 8.2.2 Cơ chế biến dạng 8.2.3 Nóng chảy thủy tinh hóa 8.2.4 Trạng thái đàn hồi - nhớt 8.2.5 Phá hủy 8.2.6 Hóa già 8.3 ứng dụng gia công polyme 8.3.1 Phân loại 8.3.2 Các phương pháp tổng hợp polyme 8.3.3 Phối liệu polyme 8.3.4 Các loại vật liệu polyme ứng dụng 276 276 276 278 280 284 287 287 289 290 291 292 292 293 293 295 296 Compozit Ch¬ng 9.1 Khái niệm compozit 9.1.1 Quy luật kết hợp 9.1.2 Đặc điểm phân loại 9.1.3 Liên kết - cèt 9.2 Compozit h¹t 301 301 301 301 302 303 351 9.2.1 Compozit hạt thô 9.2.2 Compozit hạt mịn 9.3 Compozit cốt sợi 9.3.1 ảnh hưởng yếu tố hình học sợi 9.3.2 Compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng 9.3.3 Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng 9.3.4 Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn 9.3.5 Kích thước vật liệu làm cốt sợi 9.3.6 Vật liệu làm 9.3.7 Các compozit cốt sợi phổ biến 9.4 Compozit cÊu tróc 9.4.1 Compozit cÊu tróc d¹ng líp 9.4.2 Panel sandwich 303 304 305 305 308 311 311 312 314 314 315 315 316 Tài liệu tham khảo 317 352 Nghiêm Hùng Vật liệu học sở giá o trì nh cho cá c ngà nh khí củ a cá c trư ng Đạ i họ c Nhà xuất khoa học kỹ thuật ... 19 20 33 32 32 31 30 29 d=0 d=0 uốn gối tăng 37-47 38-49 24 25 23 24 22 23 20 21 27 26 26 25 24 23 d=0,5a d=0,5a lªn theo 38-50 41- 52 42- 54 25 26 27 24 25 26 23 24 25 21 23 24 26 25 24 25 24 23 ... CT42s CT42n, CT 42 CT51n, CT51 CT52nMn ? ?20 20 40 40100 >100 ? ?20 20 40 >40 ? ?20 >20 >31 - - - - 23 22 20 d=2a ®êng 31-40 32- 42 - - - - 35 34 34 33 32 31 d=0 d=0 kÝnh 33- 42 34-44 22 23 21 22 20 21 ... môlipđen OCT AISI/ SAE JIS 20 XH 12XH3A 20 X2H4A 20 XH2M 18X2H4MA 4 320 4 720 8115 8615 8 822 9310 94B17 SNC415 SNC815 SNCM415 SNCM815 0 ,20 0, 12 0 ,20 0 ,20 0,18 0 ,20 0 ,20 0,15 0,15 0 ,22 0,10 0,17 0,15 0,15