Giáo trình vật liệu cơ khí (cao đẳng)

MỤC LUC 1 LỜI NÓI ĐẦU 2 PHẦN I: VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ NHIỆT LUYỆN 3 CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 3 1.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim. 3 1.2 Cấu tạo của kim loại và hợp kim. 4 1.3. Các tính chất chung của kim loại và hợp kim: 8 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỬ KIM LOẠI. 11 2.1. Thử kéo: 11 2.2 Thử độ cứng. 13 2.3 . Thử va đập. 15 2.4. Thử công nghệ 16 CHƯƠNG 3: GANG 17 3.1 . Sơ lược về quá trình luyện gang. 17 3.2. Các loại gang thường dùng. 19 CHƯƠNG IV: THÉP 24 4.1. Sơ lược về quá trình luyện thép. 24 4.2. Thép các bon. 26 4.3. Thép hợp kim. 31 CHƯƠNG V. HỢP KIM CỨNG 52 5.1 Thành phẩm, tính chất. 52 5.2. Phân loại hợp kim cứng. 52 CHƯƠNG VI. KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MẦU 55 6.1. Đặc điểm và tích chất của kim loại màu. 55 6.2. Đồng và hợp kim đồng. 55 63. Nhôm và hợp kim nhôm. 57 6.4.Thiếc, Chì, Kẽm. 59 6.5 Hợp kim đỡ trục 61 CHƯƠNG VII. ĂN MÒN KIM LOẠI 63 7.1. hiện tượng, nguyên nhân và tác hại của sự ăn mòn kim loại 63 7.2. Các phương pháp chống ăn mòn kim loại. 64 CHƯƠNG 8: NHIỆT LUYỆN VÀ HOÁ NHIỆT LUYỆN THÉP 66 8.1. Nhiệt luyện 66 8.2 . hoá nhiệt luyện 76 PHẦN II: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI 80 CHƯƠNG IX: CHẤT DẺO 80 9.1. Đặc điểm và tính chất của chất dẻo. 80 9.2. Phân loại chất dẻo.............................................................................................. .80 CHƯƠNG X . ĐÁ MÀI, CAO SU, AMI ĂNG, DA THUỘC, GỖ 82 10.1. Đá mài, Bột mài, Cao su. 82 10.2. Amiăng – Da thuộc gỗ. 84 CHƯƠNG XI:DẦU, MỠ, XĂNG, NHIÊN LIỆU ĐI Ê DEN VÀ DUNG DỊCH LÀM NGUỘI 87 11.1. Dầu mỡ bôi trơn. 87 11.2 . Xăng nhiên liệu Điêden – Dung dịch nhờn lạnh. 89

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Dùng cho sinh viên cao đẳng

(Tài liệu lưu hành nội bộ)

NĂM 2011

MỤC LUC

MỤC LUC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

PHẦN I: VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ NHIỆT LUYỆN 3

CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 3

1.1 Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim 3

1.2 Cấu tạo của kim loại và hợp kim 4

1.3 Các tính chất chung của kim loại và hợp kim: 8

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỬ KIM LOẠI 11

2.1 Thử kéo: 11

2.2 Thử độ cứng 13

2.3 Thử va đập 15

2.4 Thử công nghệ 16

CHƯƠNG 3: GANG 17

3.1 Sơ lược về quá trình luyện gang 17

3.2 Các loại gang thường dùng 19

CHƯƠNG IV: THÉP 24

4.1 Sơ lược về quá trình luyện thép 24

4.2 Thép các bon 26

4.3 Thép hợp kim 31

CHƯƠNG V HỢP KIM CỨNG 52

5.1 Thành phẩm, tính chất 52

5.2 Phân loại hợp kim cứng 52

CHƯƠNG VI KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MẦU 55

6.1 Đặc điểm và tích chất của kim loại màu 55

6.2 Đồng và hợp kim đồng 55

63 Nhôm và hợp kim nhôm 57

6.4.Thiếc, Chì, Kẽm 59

6.5 Hợp kim đỡ trục 61

CHƯƠNG VII ĂN MÒN KIM LOẠI 63

7.1 hiện tượng, nguyên nhân và tác hại của sự ăn mòn kim loại 63

7.2 Các phương pháp chống ăn mòn kim loại 64

CHƯƠNG 8: NHIỆT LUYỆN VÀ HOÁ NHIỆT LUYỆN THÉP 66

8.1 Nhiệt luyện 66

8.2 hoá nhiệt luyện 76

PHẦN II: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI 80

CHƯƠNG IX: CHẤT DẺO 80

9.1 Đặc điểm và tính chất của chất dẻo 80

9.2 Phân loại chất dẻo 80

CHƯƠNG X ĐÁ MÀI, CAO SU, AMI ĂNG, DA THUỘC, GỖ 82

10.1 Đá mài, Bột mài, Cao su 82

10.2 Amiăng – Da thuộc - gỗ 84

CHƯƠNG XI:DẦU, MỠ, XĂNG, NHIÊN LIỆU ĐI Ê DEN VÀ DUNG DỊCH LÀM NGUỘI 87

11.1 Dầu mỡ bôi trơn 87

11.2 Xăng - nhiên liệu Điêden – Dung dịch nhờn lạnh 89

LỜI NÓI ĐẦU

Loài người đã biết dùng kim loại từ hơn 7000 năm nay, bắt đầu là các kim loại

có sẵn ở trong tự nhiên như: Vàng, bạc, sau đó là Brông (Hợp kim của Đồng vàThiếc), rồi sắt sao băng Từ mấy nghìn năm nay con người đã biết gia công (Luyện,đúc, rèn ) kim loại Đáng chú ý là phương đông (Trung Quốc, ấn Độ, Việt Nam ) cólịch sử sử dụng kim loại lâu đời Sử sách đã ghi lại rằng ở Trung Quốc vào đời đường(1766 – 1122 TCN) đã có kỹ thuật đúc Đồng khá cao, đã biết pha chế các loại Brông,biết rèn và nhiệt luyện (thấm cacbon vào thép non sau đó đem tôi làm dao, kiếm) ở

Ấn độ người ta tìm được các thanh kiếm có từ trước công nguyên 3.000 năm đã quatôi

Lịch sử 4.000 năm của nước ta đã cho thấy chúng ta có nền văn minh từ rấtsớm Các cuộc khai quật trong những năm qua đã chứng tỏ cha ông ta cách đây mấynghìn năm đã sống ở thời kỳ đồ đồng (Brông) rất thịnh vượng, tiêu biểu là nền văn hoáBắc Sơn, Đông Sơn đỉnh cao kỹ thuật đồ đồng là cái trống đồng, điển hình hơn làtrống đồng Ngọc Lũ

Lịch sử khoa học và kim loại mới chỉ bắt đầu từ thế kỷ 18 khi công nghiệp vàgiao thông đường sắt ở các nước tư bản Châu Âu phát triển mạnh đòi hỏi phải có nhiềugang, thép, với chất lượng tốt Vào cuối thế kỷ XIX thúc đẩy phát triển nhiều ngànhkhoa học khác nhau: Trong đó có Hoá học, Vật lý, những ngành có ảnh hưởng trựctiếp đến phát triển vật liệu nhờ những kiến thức khoa học đó con người đã có khảnăng chế tạo ra các vật liệu theo ý muốn như hợp kim Đuyara (1930), Chất dẻoPolyme (1940), hợp kim Titan (1960), hợp kim nhớ hình (1975) và kim loại thuỷ tinh(1980)

Giáo trình được chia làm 2 phần:

Phần I: Kim loại và nhiệt luyện

- Trình bày khái niệm về kim loại và hợp kim gồm cấu tạo mạng tinh thể, cấutạo của hợp kim và giản đồ trạng thái Fe-C

- Trình bày bản chất và cách tiến hành các phương pháp nhiệt luyện thép

- Trình bày các loại vật liệu thường dùng trong chế tạo cơ khí và động lực như:gang, thép, các loại hợp kim mầu thông thường

Phần II: Vật liệu phi kim loại

Nghiên cứu tính chất, ký hiệu và công dụng của các vật liệu sau: Đá mài, cao

su, Amiăng, dầu mỡ, xăng, nhiên liệu, diêzen và dung dịch làm nguội

KHOA CƠ KHÍ

PHẦN I: VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ NHIỆT LUYỆN CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TÍNH CHẤT CHUNG

CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM.

Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phát triển côngnghiệp nặng, trong đó ngành chế tạo máy cơ khí là then chốt

Để chế tạo máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu, trong đó kim loại là vật liệuchủ yếu

Sở dĩ kim loại được sử dụng là vật liệu chủ yếu của ngành chế tạo cơ khí bởi nó

có nhiều tính chất tham số, đặc điểm quan trọng ưu việt hơn hẳn so với các loại vậtliệu khác

Không thể có máy móc thiết bị nếu không có kim loại và hợp kim

Lấy một máy tiện làm ví dụ, ta thấy: Bàn máy làm bằng gang, các trục chínhmáy tiện ,máy phay, máy bào bánh răng của máy đều làm bằng thép cacbon hoặcthép hợp kim, các ổ trượt băng hợp kim đồng, các ổ bi làm bằng thép hợp kim IIIX – 15

Qua ví dụ ta thấy hầu hết các chi tiết máy đều làm bằng kim loại hoặc hợp kimcủa chúng

Cho đến nay loài người đã biết được hơn 108 nguyên tố hoá học, trong đó kimloại chiếm 84 nguyên tố Kim loại chứa nhiều nhất trong vỏ quả đất là nhôm gồm 7%sau đó là sắt 5%

Ngày nay, ngành công nghiệp vật liệu phát triểm mạnh mẽ với nhiều loại tựnhiên và nhân tạo khác nhau như: gỗ, sứ, thuỷ tinh, chất dẻo với tính năng ngày càngtốt, sản lượng ngày càng cao nhưng không thể thay thế hoàn toàn kim loại và hợpkim Do vậy song song với việc nghiêm cứu các loại vật liệu phi kim loại mới để thaythế kim loại, người ta vẫn tiến hành nghiên cứu nhưng kim loại và hợp kim mới cónhiều tính năng ưu việt hơn như: nhẹ, bền, chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu va đập Việcnghiên cứu và sản xuất các loại gang thép vẫn được coi trọng trong công nghiệp vậtliệu nói riêng và trong nền kinh tế quốc dân nói chung, đối với tất cả các nước có côngnghiệp phát triển Bên cạnh gang và thép là hai vật liệu chính của công nghiệp chế tạo,thì nhôm và Titan cùng các hợp kim của nó cũng là những loại vật liệu được sử dụngngày càng nhiều và là những vật liệu của ngành công nghiệp hiện đại trong tương lai

1.2 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM.

1.2.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại

1.2.1.1- Định nghĩa kim loại: Kim loại là vật thể sáng có thể rèn được, có tính

dẫn nhiệt và dẫn điện cao

Bất cứ kim loại nào ở bề mặt nhẵn bóng khi chưa bị ôxy hoá cũng đều có ánhkim, phần lớn kim loại dẻo có thể gia công kim loại bằng áp lực Cá biệt có một sốkim loại không rèn được vì tính dòn của nó như: Ăngtimoan (Sb), Ce (Xeri) và Pr(Prafêôdin) có tính dẫn điện kém

1.2.1.2- Đặc điểm cấu tạo của nguyên tử kim loại

Kim loại cũng như các vật chất khác đều do các nguyên tử tạo thành Mỗinguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm: Hạt nhân mang điện tích dương nằm ởgiữa các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn vàtheo quỹ đạo hình Elip Sự phân bố điện tử theo các mức năng lượng:

1s2 2s2 2p6 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 thường điện tử ở lớp ngoài cùng từ 0 đến 8

Đối với các nguyên tử kim loại ở lớp ngoài cùng thường có tử 1 đến 2 điện tửcác điện tử này dễ bị bứt ra và trở thành điện tử tự do còn nguyên tử trở thành Iondương và đó chính là sự khác nhau chủ yếu giữa kim loại và chất phi kim loại

Ví dụ: Nguyên tử Cu có số điện tử Z = 29 sự phân bố điện tử sau:

1.2.2 – Cấu tạo tinh thể của kim loại.

1.2.2.1- Mạng tinh thể: Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo

mạng tinh thể Tức là các nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị tríhình học nhất định chứ không hỗn độn như các vật liệu khác (hình 1-1)

1.2.2.2- Ô cơ bản

là phần nhỏ bé nhất đặc trưng cho cho một kiểu mạng tinh thể nào đó gọi là ô

a Kiểu mạng Lập phương thể tâm

Ô cơ bản của mạng này là hình lập phương có 9

nguyên tử, 8 nguyên tử nằm ở 8 đỉnh, 1 nguyên tử nằm ở

tâm của hình Hình 1.3

Kim loại này thuộc kiểu mạng này gồm: Sắt , Crôm, Vônfram, Môlipđen,Vanađi

b Kiểu mạng Lập phương diện tâm.

Ô cơ bản của kiểu mạng này có 14 nguyên tử,

8 nguyên tử nằm ở 8 đỉnh còn 6 nguyên tử nằm ở trung

tâm

của 6 mặt của hình lập phương Các kim loại thuộc kiểu

mạng này là: Fe, Cu, Ni, Pb, Au, Al (hình 1- 4)

c Kiểu mạng Lục phương dày đặc

Ô cơ bản của kiểu mạng này là hình

lăng trụ đáy lục giác đều có 17 nguyên tử,

trong đó

12 nguyên tử nằm ở 12 đỉnh (nút mạng)

2 nguyên tử nằm ở tâm 2 mặt đáy trên và

dưới, 3 nguyên tử nằm ở trung tâm ở 3 khối

lăng trụ tam giác cách nhau (hình 1-5)

Các kim loại thuộc kiểu mạng này là:

Zn, Mg, Ti, Be

Hình 1- 4 Hình 1- 3

a

Hình 1- 5

1.2.2.5- Tính thù hình kim loại.

Khá nhiều kim loại có đặc tính là: ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau mộtnguyên tố có thể tồn tại với những kiểu mạng tinh thể hoặc thông số mạng khác nhau.Tính chất này được gọi là tính thù hình

Hình 1- 6Những kiểu mạng tinh thể khác nhau của cùng một kim loại được gọi là cácdạng hình thù

Sắt là kim loại có tính thù hình ở nhiệt độ dưới 9110C và từ 13920C đến 15390C(là nhiệt độ chảy) nó có mạng lập phương thể tâm, còn trong khoảng 9110C – 13920C

có mạng lập phương diện tâm (hình 1.6 )

Các dạng thù hình của cùng một nguyên tố được ký hiệu bằng các chữ cáiHylạp     trong đó  là dạng tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất, còn    lần lượt ởnhiệt độ cao hơn

Ví dụ: Nung sắt tới 9110C có sự chuyển biến Fe (Thể tâm có Mv=68%) sangFe (diện tâm có Mv=74%) thể tích giảm đi đột ngột Khi làm nguội quá trình ngượclại

1.2.3- Cấu tạo của hợp kim

1.2.3.1- Khái niệm về hợp kim.

a Định nghĩa: Nếu đem kim loại nóng chảy hay thiêu kết (nung nóng ở

trạng thái rắn để dính kết) với một hay nhiều nguyên tố khác ( là kim loại hay á kim)

để được vật liệu mới có tính chất kim loại thì vật liệu mới đó gọi là hợp kim

Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại

1.2.3.2- Các dạng cấu tạo của hợp kim.

a Dung dịch đặc: Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử

của nguyên tố thành phần có kích thước gần giống nhau Khi kết tinh các hợp kim nàytạo thành mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần

- Dung dịch đặc có 2 loại:

+ Dung dịch đặc thay thế: là một số nguyên tử của nguyên tố hoà tan đẩy

một số nguyên tử của nguyên tử cơ bản để chiếm chỗ

Hình 1- 7 Hình 1- 8

Ví dụ: Dung dịch đồng kẽm, nguyên tử của kẽm đẩy nguyên tử của đồng rakhởi nút mạng để chiếm chỗ (hình 1.7)

+ Dung dịch xen kẽ: Nguyên tử của nguyên tố hoà tan Nằm xen kẽ vào các

khoảng chống giữa các nút mạng tinh thể của nguyên tố dung môi (hình 1-8)

Đồng thanh, đồng thau đều có cấu tạo là dung dịch đặc:

b Hợp chất hoá học.

Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hoá học Khi nguyên tử của các nguyên tố khácnhau tác dụng hoá học với nhau theo tỷ lệ chính xác, Tạo nên một hợp chất mới cókiểu mạng và thành phần hoá học xác định, biểu diễn bằng một công thức hoá học

1.3 CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM:

Sắt có nhiệt độ nóng chảy 15390C, đồng 10830C

1.3.1.4 Tính giãn nở về nhiệt

Khi đốt nóng thì kim loại giãn nở ra, nguội lạnh nó co lại Sự giãn nở này cầnphải đặc biệt chú ý trong nhiều trường hợp cụ thể Ví dụ: Đối với cầu làm bằng thép, taphải tính đến sự giãn nở của vật liệu tuỳ theo nhiệt độ của các mùa Sự giãn nở của cácvật liệu không giống nhau

1.3.1.5 Tính dẫn nhiệt

Là tính chất truyền nhiệt của kim loại khi bị nung nóng hoặc làm lạnh Kim loại

có tính truyền nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ làmnguội nhanh

Ví dụ: Bạc là kim loại có tính dẫn nhiệt tốt nhất, lấy bạc là một đơn vị thì cáckim loại khác có thể so sánh như sau:

) /

V P

d 

Đồng: 0,9 Sắt : 0.15

1.3.1.6 Tính dẫn điện

Là khả năng dẫn điện của kim loại Các kim loại có tính dẫn điện khác nhau,kim loại có tính dẫn điện cao tức là kim loại ít cản trở dòng điện chạy qua hoặc ta nóiđiện trở của kim loại đó thấp

Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại

1.3.1.7 Tính nhiễm từ

Một số kim loại có tính nhiễm từ tức là nó bị từ hoá khi đặt trong một từ trường

- Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt có tính nhiễm từ

- Đồng, nhôm và hợp kim của đồng, nhôm không có tính nhiễm từ

Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay ôxy của không khí ở nhiệt

độ thường hay nhiệt độ cao

1.3.2.2 Tính chịu Axit

là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường Axít

1.3.3 Tính chất cơ học (hay còn gọi là tính cơ học)

Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại Cơ tính của kimloại bao gồm: Tính cứng, tính bền, tính dẻo, tính đàn hồi

Lực tác dụng lên chi tiết máy trong quá trính máy làm việc cũng có nhiều dạngkhác nhau Có lực làm cho chi tiết máy bị kéo, có lực làm cho nó bị uốn, bị xoắn, nén

Có lực tác dụng từ từ đều đặn gọi là lực tĩnh

Có lực tác dụng đột ngột gây ra va đập gọi là lực động

1.3.3.1 Tính bền: là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài như kéo,

nén, uốn, xoắn mà kim loại không bị phá hỏng

1.3.3.2 Tính cứng: là khả năng kim loại và hợp kim chống lại vật cứng hơn ấn

vào bề mặt của nó

1.3.3.3 Tính dẻo: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại và hợp kim

dưới tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng đồng thời vẫn giữ nguyênhình dạng mới sau khi bỏ lực tác dụng bên ngoài

1.3.3.4 Tính đàn hồi: là khả năng của kim loại và hợp kim có thể thay đổi hình

dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng

1.3.4 Tính chất công nghệ

Tính công nghệ là khả năng mà kim loạivà hợp kim có thể thực hiện cácphương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm có hình dáng kích thước theo yêucầu Tính công nghệ bao gốm: Tính gia công áp lực, tính đúc, tính cắt gọt, tính nhiệtluyện

1.1.4.1 Tính cắt gọt: là khả năng của kim loại ,hợp kim gia công cắt gọt khó

hay dễ được xác định băng tốc độ cắt, lực cắt gọt và độ nhám bề mặt của kim loại saukhi gia công cắt gọt

1.3.4.2 Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nung

nóng cục bộ chỗ nối đến trạng thái chảy hay dẻo

1.3.4.3 Tính gia công áp lực: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim

loại ,hợp kim khi chịu tác dụng của lực bên ngoài để tạo thành chi tiết mà không bịphá hỏng

1.3.4.4 Tính đúc: được xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy

để điền đầy khuôn đúc sau khi đông đặcta được vật đúc Tính đúc tốt khi độ congót

ít, thành phần hoá học đồng đều, tính chảy loảng cao

1.3.4.5 Tính nhiệt luyện: là khả năng thay đổi độ cứng, độ bền, độ deỏ dai

của kim loại bằng cách nung kim loại lên nhiệt độ cần thiết, giữ ở nhiệt độ đó một thờigian Sau đó làm nguội kim loại theo một chế độ nhất định

Sau khi nhiệt luyện mức độ thay đổi cơ tính của mỗi kim loại khác nhau, có kimloại thay đổi ít, có kim loại thay đổi nhiều

F 0

l l

0

1

l a)

của một vật liệu, ta tiến hành thử

trên máy thử kéo với mẫu thử

- Khi tăng lực kéo đạt tới giá trị Pe, nếu bỏ lực kéo đi thì mẫu thử không hoàntoàn co lại đúng chiều dài ban đầu mà dài hơn một ít (gọi là độ dãn dài dư) biến dạng

dư này không quá 0,005% chiều dài ban đầu của mẫu thử

Nếu lấy lực Fe này chia cho diện tích mặt cắt ban đầu mẫu thử, ta được giới hạnđàn hồi ký hiệu p.

p = (KG/mm2)

Pmax x Fo

Pe

F0

Hình2- 1

Vậy giới hạn đàn hồi là tỷ số giữa lực kéo gây biến dạng dư tới 0.005%lo) chiadiện tích mặt cắt ban đầucủa mẫu thử.

- Độ dẻo được đánh giá băng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối

- Độ dãn dài tương đối ( đen ta)

 = x 100%

Trong đó: - L0 là chiều dài tính toán ban đầu của mẫu thử

- L1 là chiều dài tính toán sau khi mẫu thử kéo đứt của mẫu thử

- Độ thắt tỷ đối  (đọc là si) được tính toán theo công thức:

 = F0-F1/F0 .100%

Trong đó: - F1 là diện tích tiết diện của mẫu tại chỗ đứt

- F0 là diện tích mặt cắt ban đầu của mẫu

Kim loại càng dẻo thì độ dãn dài và độ thắt tỷ đối càng lớn

Ví dụ: Sắt nguyên chất có thể kéo dài gấp 1,5 lần chiều dài ban đầu

- Gang thì có độ dãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối có thể coi là gần bằng không

- Biểu đồ thử kéo

Khi kéo mẩu thử trên máy

thử kéo, máy vẽ lên biểu đồ kéo

của vật liệu (hình 2-2)

Trục tung biểu thị lực kéo:P

(KG ).Trục hoành biểu thị đỗ giãn

dài của mẫu thử  (mm)

Đoạn OPP trên biểu đồ là

đoạn thẳng chứng tỏ trong giai

đoạn này độ dãn dài tỷ lệ thuận

với lực kéo, tức là lực kéo tăng bao nhiêu thì độ dãn dài tăng bấy nhiêu

Qua đoạn OPP’ nếu ta tăng lực kéo lên thì giá trị của độ dãn dài và lực kéokhông tỷ lệ thuận với nhau nữa, mà độ dãn dài tăng nhanh hơn lực kéo

Ứng suất tại điểm PP có thể coi gần đúng như là giới hạn đàn hồi của vật liệu

Tăng lực kéo tiếp tục , mẫu thử tiếp tục dãn dài, từ điểm S, kim loại có hiệntượng “ chảy” tức là lực kéo không tăng, nhưng mẫu thử vẫn dãn dài thêm ra đoạn skbiểu thị giai đoạn biến dạng chảy của vật liệu

ứng suất tại điểm S là:

L0

L0

Hình 2- 2

T = (KG/mm2)

T gọi là giới hạn chảy của vật liệu

Giới hạn chảy có ý nghĩa quan trọng đối với cơ tính của vật liệu Qua điểm S,nếu tiếp tục tăng lực kéo, mẫu thử tiếp tục dãn dài thêm rồi thắt nhỏ ở đoạn giữa vàđứt Tại điểm b lực kéo là lớn nhất, khi mẫu thử bị thắt nhỏ lại lực kéo sẽ giảm đinhưng mẫu thử vẫn bị đứt ứng suất tại điểm b là giới hạn bền kéo của vật liệu xác địnhđược

Như vậy trên biểu đồ kéo, ta có thể xác định được giới hạn bền, giới hạn chảy,giới hạn đàn hồi và độ dẻo của vật liệu

2.2 THỬ ĐỘ CỨNG.

2.2.1- Mục đích: Xác định độ cứng của vật liệu.

2.2.2- Phương pháp: Có nhiều phương pháp thử độ cứng, nhưng nói chung

đều trên nguyên tắc ấn vào bề mặt kim loại cần thử một vật cứng hơn và sau đó đokích thước vết lõm và xác định độ cứng của vật liệu

2.2.2.1- Thử độ cứng bằng phương pháp Brimen.

Dùng viên bi bằng thép được tôi cứng có đường kính 2,5, 5, 10 mm ấn vào bềmặt vật thử với một lực nhất định P (hình 2-3) Tỷ số giữa lực P và diện tích vết lõm(F) của vật gọi là độ cứng Brimen

- Phương pháp thử độ cứng Brimen áp dụng cho những kim loại mềm và thép chưa bịtôi cứng

2.2.2.2- Thử độ cứng theo phương pháp Rocven.

Dùng viên bi có đường kính 1,58mm hoặc mũi nhọn kim cương có góc ở đỉnh 1200

để ấn lên mặt vật cần thử

PS

F0

P F

Hình 2- 4

Lực ấn ban đầu 10KG sau đó tác dụng thêm tải trọng chính là P2

Kim đồng hồ trên máy chỉ kêt qủa đo được trên mặt số của thang chia

Dưới tác dụng của lực ấn thứ nhất mũi nhọn bị lún xuống là h1, dưới lực ấn thứ 2 nó

sẽ lún xuống với độ sâu h2 Hiệu số giữa h2 – h1 = h là sự chênh lệch về độ lún củahai lần ấn Đặc trưng cho độ cứng của phương pháp Rocven

Độ cứng Rocven được ký hiệu bằng HR, 1HR tương ứng với độ lún 0,002 mm

trên máy thử độ cứng Rocven có một mặt số với kim chỉ kết quả của độ cứng đođược Trên mặt số có 3 thang chia

- Thang C chữ đen khi thử bằng mũi nhọn kim cương với lực ấn P2 = 150KG Dùngthử các vật cứng như thép gang đơn vị :HRC

- Thang B chữ đỏ khi thử bằng viên bi với lực ấn P2 = 100KG dùng để thử thép chưatôi, hợp kim đồng đơn vị :HRB

-Thang A chữ đen thử bằng mũi nhọn kim cương với lực ấn P2 = 60KG dùng để thửhợp kim cứng đơn vị :HRA

- Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi, thao tác đơn giản, vết lõm nhỏ, khônglàm hỏng bề mặt chi tiết

2.3 THỬ VA ĐẬP.

2.3.1 Mục đích

Xác định độ dai của kim loại

2.3.2 Phương pháp Mẫu thử được làm theo kích thước nhất định là:

10 x10 x 55 mm (hình 2-5) Khi thử nâng đầu búa 3 lên độ cao H, đầu búa có trọnglượng P được thả rơi theo quỹ đạo vòng tròn, trên đường rơi búa đập vào mẫu thử, làmgẫy mẫu thử Sau đó nó còn đi tiếp đến vị trí cao h Năng lượng của đầu búa trước khirơi là PH,

năng lượng của đầu búa sau khi rơi là Ph

Như vậy trên đường rơi búa đập gẫy mẫu thử và đã mất đi một năng lượng

A = PH – Ph (KGm )

Năng lượng này chính là công cần thiết làm gẫy mẫu thử

Vậy công tiêu hao đập gẫy mẫu thử là A= P(H-h) KGm Xét đến công tiêu hao trênmột đơn vị diện tích tiết diện mẫu thử Nếu công càng lớn thì khả năng chịu va đậpcàng tốt Bởi vậy khả năng chịu va đập của kim loại được đo bằng tỉ số giữa côngtiêu hao đập gẫy mẫu thử và diện tích mặt cắt tại chỗ bị gẫy

Hình 2-5

I

b) a)

2

1- Th©n m¸y 2- §Üa ®o 3- Bóa thö 4- §Çu ®o 5- MÉu thö 3

- Vật liệu càng giòn thì độ dai va đập ah càng nhỏ khoảng: 0,1  0,2 KGm/cm2.

Câu hỏi ôn tập

1 Nêu mục đích, phân tích ba giai đoạn biểu đồ thử kéo kim loại?

2 So sánh sự khác nhau giữa hai phương pháp thử độ cứng HB và HR?

2

/ cm

KGm F A

a h 

CHƯƠNG 3: GANG 3.1 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH LUYỆN GANG.

3.1.1 Nguyên nhiên vật liệu dùng cho luyện gang.

3.1.1.1 Quặng sắt: Quặng sắt gồm nhiều loại: quặng sắt đỏ, quặng sắt nâu,

quặng sắt từ và quặng sắt cabonnát

- Quặng sắt đỏ chủ yếu là Fe2O3 có màu đỏ chứa 50% đến 60% là Fe Quặng sắt đỏ là quặng tốt nhất

- Quặng sắt nâu chủ yếu là sắt ôxít ngậm nước (Fe2O3 H2O và 2Fe2O3 3H2O) có màu vàng đến màu nâu thẫm chứa khoảng 40% đến 55% là Fe

- Quặng sắt từ: là quặng Manhetít tức là sắt từ Fe3O4 Quặng này có màu đen chứa tới 60% đến 65% đối khi tới 70% là Fe Đây là loại quặng giàu Fe nhất nhưng lại khó hoàn nguyên

- Quặng sắt Cácbonát là quặng Xiđêrít FeCO3 chứa khoảng 35% đến 48% là Fe Trong các loại quặng trên, quặng sắt đỏ được sử dụng nhiều nhất (gần 57% số lượng khai thác trên thế giới) Những quặng khác có ít hơn: Quặng sắt nâu 16%, quặng sắt

từ gần 10%

Trước khi đưa quặng vào lò ta phải nghiền nhỏ để có kích thước quặng đồng đều và thích hợp với quá trình luyện trong lò cao Sau đó tiến hành làm giàu quặng để khử bỏ các chất bẩn

3.1.1.2 Nhiên liệu

Để nấu chảy gang người ta thường dùng than cốc, ngoài ra còn dùng than củi nhưng ít hơn Than cốc có nhiệt lượng cao, bền, độ xốp cao và chứa ít lưu huỳnh (nó được dùngtới 99% cho nhiên liệu lò cao)

3.1.1.3 Chất trợ dung:

Trong các quặng sắt có chứa chất bẩn Al2O3, MgO bền và khó chảy Muốn cho các chất

đó dễ chảy ra ta thêm chất trợ dung thường là CaCO3 để tạo thành xỉ loãng

3.1.1.4 Quá trình phản ứng xảy ra ở lò luyện gang:

Quá trình tạo thành gang là một quá trình biến đối hoá học phức tạp nó gồm 3 giai đoạn chính:

- Giai đoạn hoàn nguyên sắt

- Giai đoạn tạo thành gang

- Giai đoạn tạo xỉ

Hai khí chủ yếu làm nhiệm vụ hoàn nguyên sắt là CO và H2

Sự hình thành khí CO như sau:

Than cốc cháy tạo thành khí CO2 theo phản ứng:

C + O = CO

ở nhiệt độ cao than cốc lại khử ôxi của khí CO2 tạo thành khí CO

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q calo

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + Q calo FeO + CO = Fe + CO2 + Q calocác phản ứng này đều kèm theo toả nhiệt

Hoàn nguyên sắt bằng khí H2 theo các phản ứng sau:

Phản ứng này hoàn nguyên tới 50% FeO ở lò cao

Sau khi Fe hoàn nguyên ở thân lò, thì phản ứng tiếp với C

3Fe + C = Fe3C (Xêmantít)

Cácbon hoà tan dần vào sắt đến 4% Đồng thời với sự hoàn nguyên sắt một số tạp chấtcũng được hoàn nguyên là Si, Mn, S, P là các chất chứa sẵn trong quặng Sự hoàn nguyên này tiến hành ở nhiệt độ 1000oC đến 1200oC kèm theo sự thu nhiệt

Mn được hoàn nguyên theo phản ứng sau: MnO + C = Mn + CO - Q calo

Si được hoàn nguyên theo phản ứng sau: SiO2 + C = Si + 2CO – Q calo

Do sự hoàn nguyên nguyên tố kim loại trên trong lò cao, sau khi hoàn nguyên ta có một hỗn hợp phức tạp của hợp kim sắt cacbon, Mg, Si, P, S hợp kim đó gọi là gang

Sự hình thành và chảy của xỉ ở phần dưới thân lò có nhiệt độ gần 90oC đá vôi phân hoá

ra CaO và khí CO2

CaCO3  CaO + CO2 – 4250 calo

Trong lò cao ở vùng bụng lò bắt đầu hình thành xỉ lỏng từ các chất bẩn của quặng và chất trợ dung (SiO2, Al2O3, CaO, MgO) và từ cả FeO và MnO chưa kịp khử ôxy Xỉ lỏng chảy xuống dưới, cuốn cả theo tro và chất bẩn còn lại tập trung ở nồi lò trên lớp gang lỏng

Thường thì nấu 1 tấn gang có 0,4 đến 1 tấn xỉ và phải tốn 2 tấn quặng, 0,7 đến 0,8 tấn

3.1.2 Các nguyên tố ảnh hưởng đến tính chất của gang.

3.1.2.1 Ảnh hưởng của cácbon.

Các bon ở trong gang nếu nằm ở dạng hợp chất hoá học xêmantit thì gọi là gang trắng,nếu nằm ở dạng gaaphit thì gang đó là gang xám Cacbon ở trong gang càng nhiều thì tính dòn càng cao, tính dẫn nhiệt càng kém

3.1.2.2 Ảnh hưởng của Mangan.

Mangan có trong gang thúc đẩy sự tạo thành xêmantít thúc đẩy sự tạo thành gang trắng.Trong gang trắng Mangan chứa nhiều khoảng (2 đến 2,5%) còn trong gang xám nhỏ hơn 1,3%

3.1.2.3 Ảnh hưởng của Silic.

Silic có ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc tinh thể gang vì nó thúc đẩy sự tạo thành

graphit, do đó trong gang xám lượng Silic cao khoảng (1 đến 4,25%)

3.1.2.4 Ảnh hưởng của Phôtpho

Phốtpho là nguyên tố có hại trong gang làm giảm tính bền, tăng tính giòn Tuy nhiên phốtpho có tác dụng làm tăng tính chảy loãng của gang do đó gang dễ đúc Những chi tiết không quan trọng và phức tạp có thể tăng thành phần phốtpho đến 1%

3.1.2.5 Ảnh hưởng của lưu huỳnh.

Nguyên tố lưu huỳnh là tạp chất có hại làm giảm độ bền của gang, tăng tính giòn, giảmtính đúc Do vậy gang chứa lưu huỳnh không quá 0,15%

3.2 CÁC LOẠI GANG THƯỜNG DÙNG.

Gang trắng mặt gẫy có màu trắng Do cacbon nằm ở dạng hợp chất hoá học

Fe3C nên gan trắng rất cứng 450  650HB và rất giòn, chịu ma sát mài mòn tốt, nhưngchịu va đập kém, độ dãn dài xấp xỉ băng không, gang trắng không thể gia công cắt gọt

và gia công áp lực được Chỉ sử dụng gang trắng ở dạng vật đúc

3.2.1.3 Công dụng.

Gang trắng thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy làm việc chịu ma sát

và mài mòn như: Bi nghiền, mép lưỡi cày, quả lô máy xát gạo các chi tiết máy

thường mặt ngoài la gang trắng còn bên trong là gang xám

Trong thực tế sản xuất gang trắng chủ yếu để luyện thép và một phần đúc để nhiệt luyện ra gang dẻo

3.2.2 Gang dẻo.

Để có gang dẻo, đúc các chi tiết máy từ gang trắng, đem nung lên nhiệt độ 900 đến 1000oC, giữ ở nhiệt độ đó từ 70 đến 100 giờ Sau đó cho nguội chậm cùng với lò

Ta được loại gang có độ bền, dẻo hơn gang trắng và gang xám, gọi là gang dẻo

3.2.2.1 Thành phần hoá học:

Sau khi ủ từ gang trắng các nguyên tố có trong gang dẻo gồm: C = 2 2,8%,

Si = 0,8 1,4%, Mn  1%, P  0,2%, S  0,1% còn lại là Fe và một ít tạp chất khác

3.2.2.2 Tính chất.

Do graphit ở dạng cum bông là dạng tương đối thu gọn nên có độ bền kéo cao

K= 300  660 MPa, độ dẻo khá cao  = 315%, khả năng chịu va đạp tốt

3.2.3 Gang Xám.

3.2.3.1 Thành phần hoá học.Thành phần hoá học của gang xám trong giới

hạn sau: cacbon 33,8%, Silic 0,53%, Mangan 0,50,8%, Phốtpho 0,10,2%, Lưu huỳnh 0,10,12%

3.2.3.2 Tính chất.

Do cấu trúc tinh thể các bon ở dạng tự do graphit hình tấm phiến nên gang xám

có độ bền cơ học kém, chịu kéo nhỏ K 120240 MPa, độ dẻo dai kém aK 100KJ/

m2, độ dãn dài xấp xỉ 0,5%, độ cứng thấp 150250 HB

Tuy nhiên gang xám có khả năng chịu ma sát, mài mòn tốt vì graphít có tác dụng như một chất bôi trơn, có tính cắt gọt dễ vì phoi vụn Chịu nén tốt, dập tắt dung động nhanh tính đúc dễ vì co ngót ít, tính chảy loãng cao, giá thành rẻ

3 2.3.3 Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam ; bằng 2 chữ GX (gang xám) tiếp theo sau là 2 cặp

số cách nhau bằng dấu gạch ngang (-) cặp số thứ nhất chỉ độ bền kéo giới hạn, cặp số thứ 2 chỉ độ bền uốn giới hạn Đơn vị: KG/mm2

Ví dụ: GX 15-32 GX chỉ gang xám có độ bền kéo giới hạn 15 KG/mm2, độ bền uốn giới hạn 32 KG/mm2

- Theo tiêu chuẩn Liên bang Nga: bằng 2 chữ Cì Còn các cặp số tương tự như tiêu chuẩn Việt Nam

ôtô, máy công cụ, động cơ đốt trong

GX21-40 210 400 750 170241 Dùng để chế tạo các chi tiết máy quan trọng

trong chế tạo máy như thân máy, các chi tiếtcủa tua bin

3.2.4 Gang biến tính.

Để có gang biến tính cho vào nước gang xám một số chát biến tính nhưPêrôsilíc, Pêrô silic can xi Các chất này tạo nên trung tâm kết tinh Graphít hoá, do đócác phiến Granphít càng nhỏ

hơn, tính chống ăn mòn và chịu ma sát mài mòn tốt hơn, có thể nhiệt luyện để nângcao cơ tính.

3.2.4.3 Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Liên bang Nga: bằng 3 chữ MCì chỉ gang biến tính, tiếp theo

là 2 cặp số: Cặp số thứ nhất chỉ độ bền kéo giới hạn, cặp số thứ 2 chỉ độ bền uốn giớihạn Đơn vị KG/mm2

Gang biến tính được sử dụng rộng rãi để chế tạo thân máy, mâm cặp máy tiện,

bánh răng chịu trọng tải nhỏ, xéc măng, ống lót xi lanh

3.2.5 Gang Cầu

3.2.5.1 Thành phần hoá học: Gồm có C = 33,8%; Mn = 0,50,8%; P 

0,1%; Si = 23%; S  0,03%, ngoài ra còn có Mg = 0,040,08%, còn lại là Fe vàmột lượng nhỏ tạp chất khác

3.2.5.2 Tính chất: Do có cácbon ở trong gang cầu nằm ở dạng granphít hình

cầu nên gang cầu có độ bền cao  = 400800 MPa, độ dẻo dai cao  = 215%, chịu

va đập tốt ak = 300600 KJ/m2 (gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chấtcủa thép) gang cầu có cơ tính cao hơn gang xám nhiều Gang cầu có thể làm việc vàbền vững ở nhiệt độ tới 400oC, gang xám chỉ có thể làm việc ở nhiệt độ 250oC

Độ cứng, độ bền của gang cầu có thể tăng cao hơn nữa nếu ta nhiệt luyện nó

3.2.5.3 Ký hiệu.

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): Bằng 2 chữ GC chỉ gang cầu, tiếp theosau là 2 cặp số cách nhau gạch nối (-) Cặp thứ nhất chỉ độ bền kéo giới hạn, cặp số 2chỉ độ dẫn dài tương đối tính theo phần trăm (%)

Ví dụ: GC 40-10 Gang cầu có độ bền kéo giới hạn 40KG/mm2 và độ dãn dài tương đối10% GC 50-2 Gang cầu có độ bền kéo giứo hạn 50KG/mm2 và độ dãn dài tương đối2%

- Theo tiêu chuẩn Liên bang Nga: Bắt đầu bằng 2 chữ Bì tiếp sau giống TCVN

Ví dụ: Bì 40-10; Bì 50-2

3.2.5.4 Công dụng.

Gang cầu ngày nay được sử dụng nhiều để thay thế thép trong một số trườnghợp như: Gang cầu có thể dùng để chế tạo các chi tiết máy của ôtô, động cơ đốt trongnhư trục khuỷu, pittông, biên, bánh răng và các chi tiết máy quan trọng khác nhưtrục chính máy cắt gọt, có thể làm đường ray loại nhỏ

Câu hỏi ôn tập

1 Gang xám có đặc điểm gì? Tại sao gang xám thường được dùng làm thân máy? 2

So sánh sự khác nhau tinh thể các bon trong gang xám và gang biến tính?Nêu thànhphần ,tính chất , ký hiệu và công dụng của gang xám ?

3 So sánh sự khác nhau tinh thể các bon trong gang zẻo và gang cầu? Nêu thànhphần ,tính chất ,ký hiệu và công dụng của gang cầu ?

4 Đọc tên giải thích các ký hiệu và nêu công dụng của vật liệu sau:

GX 12- 24 , GZ 37 –12 , GC 60 – 15 , MC ì 24- 44

CHƯƠNG IV: THÉP 4.1 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH LUYỆN THÉP.

4.1.1 Luyện thép bằng lò Máctanh.

4.1.1.1 Quá trình luyện thép bằng thép vụn.

Nguyên liệu chủ yếu của lò là thép vụn và gang thỏi trong đó thép vụn chiếm tỷ

lệ 80% Quá trình này được sử dụng cho các lò nấu tại các nhà máy chế tạo cơ khí, tạiđây cần phải tận dụng các thép vụn sẵn có

4.1.1.2 Quá trình luyện thép bằng quặng.

Nguyên liệu chủ yếu là quặng sắt và gang lỏng, lượng gang lỏng chiếm tới 80%đến 90% Quá trình này được sử dụng cho các nhà máy luyện kim

Nhiên liệu dùng cho lò Máctanh có thể là hỗn hợp khí lò cao và khí than cốc,đôi khi người ta còn dùng khí đốt thiên nhiên Ngoài ra cũng có thể dùng dầu lửa vàdầu mazút làm nhiên liệu

4.1.1.3 Quá trình phản ứng xảy ra trong lò Máctanh.

Yêu cầu quá trình luyện thép lò Máctanh là: Giảm lượng C, Mg, Si đến mứcyêu cầu và khử càng nhiều tạp chất có hại càng tốt Nếu cần luyện thép hợp kim, tapha vào kim loại lỏng những nguyên tố hợp kim tương ứng

Để giảm các nguyên tố có hại chứa trong thép người ta tiến hành oxy hoá chúngbằng không khí hoặc thổi oxy vào lò Sản phẩm của sự oxy hoá là khí và xỉ lỏng.Những ôxít ở dạng khí tạo thành trong kim loại lỏng nổi lên bề mặt kim loại ở dạngbọt, làm cho kim loại sôi lên, hoà lẫn với khí lò rồi thoát ra ngoài Những ôxít lỏngchia làm 2 thứ: Thứ hoà tan trong kim loại và thứ không hoà tan Những ôxít khônghoà tan nổi lên hình thành lớp xỉ phủ lên mặt lớp kim loại Còn đối với những ôxít hoàtan vào kim loại ta phải khử hoặc chuyển chúng thành xỉ Để cho các ôxít hoà tan vàokim loại được hoá thành xỉ người ta cho thêm chất trợ dung CaO vào lò, nó kết hợpvới ôxít hoà tan tạo thành các hợp chất phức tạp dễ chảy không hoà tan vào kim loại vàchuyển thành xỉ Do đó thành phần của xỉ phải thích hợp để cho những ôxít khi thoát

ly khỏi kim loại lỏng đi vào xỉ phải ở dạng những hợp chất bền vững và không trở vàokim loại nữa

Để hoàn nguyên một phần kim loại cơ bản đã bị ôxy hoá người ta pha vào nướckim loại những chất khử ôxy Đó là những nguyên tố mà áp lực của nó với ôxy mạnhhơn với Fe Sắt được hoàn nguyên ở lại trong kim loại, còn những nguyên tố khử ôxythì chuyển vào xỉ đi ra ngoài

4.1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến cơ tính của thép.

4.1.2.1 Cácbon: C ác bon là nguyên tố quan trọng nhất quyết định chủ yếu tổ

chức và cơ tính của thép cácbon, kể cả thép hợp kim

Khi lượng cácbon thay đổi thì lượng Xêmentít cũng tăng tương ứng làm cho cơtính của thép thay đổi rất nhiều Quy luật chung là khi thành phần cácbon tăng lên độbền, độ cứng cũng tăng lên còn độ deỏ, độ dai giảm đi Tuy nhiên riêng độ bền chỉtăng lên khi các bon trong giới hạn 0,8 – 1% C, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảmđi

4.1.2.2 Mangan: Mn cho vào mọi thép dưới dạng Pêro mangan để khử ôxy

lúc luyện thép tức loại trừ FeO rất có hại

FeO + Mn  MnO + FeMnO nổi lên đi vào xỉ và được cào ra khỏi lò Ngoài ra còn khử được tác dụng

có hại của lưu huỳnh (FeS) đối với thép Mặt khác Mn ít nên tác dụng này không lớnMn 0,8%

1.2.3 4 Silíc : Si được đưa vào thép cũng giống như Mn để khử ôxy một cách

triệt để:

2FeO + Si  SiO2 + 2Fe

SiO2 Nổi lên đi vào xỉ và được cào ra khỏi lò Mặt khác Si hoà tan vào Phaferitcũng nâng cao độ bền, độ cứng của pha này

Song lượng Si quá thấp 0,17 – 0,37% nên tác dụng hoá bền không rõ rệt

4.1.2.4 Phốtpho: P là nguyên tố có hại trong thép Nếu vượt quá giới hạn 0,1%

tạo nên Fe3P nâng độ bền và đặc biệt là độ dòn ở nhiệt độ thường Vì vậy P nâng caotính dòn nguội của thép Cơ tính của thép giảm Bởi vậy hàm lượng P trong thép 0,05%

Mặt khác P có ảnh hưởng tốt đến tính cắt gọt cho nên trong thép dễ cắt người tađưa vào lượng P đến 0,15% thép này gọi là thép tự động

4.1.2.5 Lưu huỳnh: S là tạp chất có hại nhất trong thép nó làm cho thép giòn

nóng, do đó khó cán, rèn hay dập S chỉ có lợi khi cần tăng tính giòn để dễ gia công cắtgọt, nó được đưa vào thép tự động với lượng 0,3%S

4.1.2.6 Các chất khí (O 2 , N 2 ).

Ngoài các nguyên tố có ảnh hưởng đến thép như: C, Si, Mn, P, S trong thép còn

có ôxy ,là các tạp chất có hại vì làm thép giòn, cứng ,còn N2 là tạp chất có lợi :làm nhỏhạt thép tăng cứng , tăng khả năng chịu mài mòn với lượng rất nhỏ nên ít tác dụng

4.1.3 Phân loại thép.

Tuỳ theo các thành phần, các nguyên tố trong thép mà người ta chia thép ra làm

2 nhóm: Thép cácbon và thép hợp kim

4.2 THÉP CÁC BON.

4.2.1 Khái niệm:

4.2.1.1 Định nghĩa: Thép là hợp kim của sắt và các bon Trong đó hàm lượng

các bon nhỏ hơn 2.14% Ngoài ra cón có các tạp chất khác như: Mangan, Silic,phôtpho, Lưu huỳnh trong giới hạn dưới đây:

C < 2%, Mn  0,8%, Si  0,5%, P và S  0,05% Đối với thép hợp kim ngoài nguyên

tố kể trên cón có một số nguyên tố hợp kim khác như : Crôm, Niken, Vônphôram

4.2.1.2 Cách phân loại thép các bon.

Có nhiều cách phân loại thép khác nhau nhưng thường gặp các cách sau:

a Theo chất lượng.

Theo chất lượng luyện kim, tức theo mức độ đồng nhất của thành phần hoá học đặtbiệt là mức độ chứa các tạp chất có hại P.S người ta phân ra các loại thép sau:

- Thép có chất lượng thường, có chứa tới 0,06%S và 0.07%P

- Thép có chất lượng tốt chưa tới không quá 0,04%S và 0,035%P

- Thép có chất lượng cao chứa không quá 0,025% P,S

- Thép có chất lượng đặc biệt cao, chưá không quá 0,015%S và 0,025%P

b Theo phương pháp khử ôxy.

Theo mức độ khử Ôxy phân ra: Thép sôi, thép lặng, thép nửa lặng

- Thép sôi: Là thép được khử Ôxy không triệt để, chỉ dùng ferô - Mn do vẫn cònFeO nên nó có thể tác dụng với C trong thép lỏng theo phản ứng:

- Thép nửa lặng: Là loại thép trung gian giữa thép sôi và thép lặng, chỉ được khử oxybằng Fero Mn và Al

c Theo công dụng.

Đây là cách phân loại thường dùng nhất, gồm có các loại thép:

- Thép các bon kết cấu chất lượng thường

- Thép các bon kết cấu chất lượng tốt

- Thép các bon dung cụ.

4.2.2 Thép các bon kết cấu.

Cho dến nay thép các bon kết cấu vẫn chiếm tới 80% khối lượng thép đem sử dụng

4.2.2.1 Thép các bon kết cấu chất lượng thường.

a Thành phần Các bon nhỏ hơn 0,7%, Phốtpho lớn hơn 0,04% và Lưu

huỳnh lớn hơn 0,03%.còn lại sắt và một ít tạp chất khác

c Kí hiệu: Theo TCVN 1765 – 75 nhóm thép này được ký hiệu bằng 2

chữ CT ( C là thép cácbon, T là thép thường) với con số tiếp theo chỉ giới hạn độ bềnkéo tối thiểu (KG/mm2) Nhóm thép này chia thành 3 phân nhóm nhỏ

- Phân nhóm A: Chỉ quy định về cơ tính, mà không quy định về thành phần hoá học

- Phân nhóm B Chỉ quy định về thành phần hoá học mà không quy định về cơ tính

thép thuộc phân nhóm này ký hiệu thêm chữ B ở phía trước CT (xem bảng 4.2)

B ng 4.2: Th nh ph n hoá h c c a các mác thép cácbon k t c u ch t ành phần hoá học của các mác thép cácbon kết cấu chất ần hoá học của các mác thép cácbon kết cấu chất ọc của các mác thép cácbon kết cấu chất ủa các mác thép cácbon kết cấu chất ết cấu chất ấu chất ấu chất

l ượng thường phân nhóm B ng th ường phân nhóm B ng phân nhóm B.

- Phân nhóm C Được quy định cả về cơ tính và thành phần hoá học, cơ tính giống

nhóm A, Còn thành phần hoá học giống nhóm B Ký hiệu thêm chữ C ở phía trướcchữ CT

Ví dụ: CCT31

+ Nếu là thép sôi thêm chữ S cuối ký hiệu là thép chưa khử Ôxy triệt để

+ Nếu thép nửa lặng thì thêm chữ n ở cuối ký hiệu

+ Nếu cuối ký hiệu không thêm chữ gì chỉ thép lặng đã được khử ôxy triệt để trước khirót

4.2.3.2 Thép cácbon kết cấu chất lượng tốt.

a Thành phần: Thép này có chất lượng cao hơn so với nhóm thép chất

lượng thường, lượng cácbon (0,05 – 0,90)%, các tạp chất có hại nhỏ:

s 0.035 % ,p  0.04%, còn lại là sắt và một ít tập chất khác

b Tính chất: Do thép được quy định cả về thành phần hoá học lẫn cơ tính nên

chịu được tải trọng lớn, chịu ma sát và mài mòn tốt

Tính công nghệ: Hàn, cắt gọt , gia công kim loại bằng áp lực khó hơn thép cácbon kết cấu chất lượng thường có thể nhiệt luyện để nâng cao cơ tính, giá thành cao.

c Ký hiệu:

Theo TCVN 1766-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ C (Thép cácbonchất lượng tốt ) với con số chỉ lượng cácbon trung bình tính theo phần vạn Nếu là thépsôi thì thêm chữ S, nếu là thép nửa lặng thêm chữ n ở cuối ký hiệu

V í dụ: C10S là thép sôi với lượng cácbon trung bình 0,10% còn lại là sắt và một íttạp chất khác

Bảng 4.3: Thành phần hoá học và cơ tính của thép cácbon kết cấu chất l ượng tốt ng t t ốt.

Thép

Cơ tính sau khi thường hoá Độ

cứng sau khi ủ HB

a k

KJ/

m 2

b , MPa

Được sử dụng rộng rãi để chế tạo chi tiết máy.

- Các loại thép C10, C15, C20 độ bền thấp, thường làm chi tiết máy không quantrọng như : Bulông, mũ ốc, vòng đệm chi tiết qua thấm than

- Các loại thép C30, C35, C45 có độ bền cao, chịu tải trọng lớn dùng để chế tạo cácchi tiết như: trục khuỷu, thanh truyền, bánh răng

- Các loại thép C50, C60, C65 có độ cứng cao, độ bền cao, chịu ma sát và mài mòntốt thường dùng làm trục cán, lò xo, vòng bi

4.2.3.3 thép cácbon dụng cụ.

a Thành phần.

Thành phần các nguyên tố có trong thép gồm : 0,7%  C < 1,4%, Si  0,15 0,35%, Mn 0,15 – 0,40%, P  0,035%, S  0,03% Nếu P,S < 0,025% biểu thị thépchất lượng cao còn lại sắt và một ít tạp chất khác

(Chi tiết xem bảng 4-4)

B ng 4.4: Th nh ph n hoá h c c a nhóm thép các bon d ng c ành phần hoá học của các mác thép cácbon kết cấu chất ần hoá học của các mác thép cácbon kết cấu chất ọc của các mác thép cácbon kết cấu chất ủa các mác thép cácbon kết cấu chất ụng cụ ụng cụ.

CD120 1,15 - 1,24 0,15 - 0,35 0,15 - 0,35 207

d Công dụng.

Phụ thuộc vào lượng cácbon có trong thép để chế tạo các loại dụng cụ cho phù hợp

- CD 70, CD80, CD 90 thường dùng làm đột, đục, búa, kìm, thước góc

- CD 100, CD 110, CD120, CD130 thường làm giũa, mũi khoan, bàn ren, ra tô

Mo, Ti

4.3.1.2 - Đặc điểm.

Thép hợp kim có những tính chất nổi bật hơn so với thép các bon như sau:

- Về cơ tính : Thép hợp kim nói chung có độ bền cao hơn hẳn thép cácbon Thể hiện

rõ nhất sau khi nhiệt luyện

- Về tính chịu nhiệt: Thép hợp kim giữ được cơ tính cao hơn 250oC Cá biệt chịuđược 600- 650oC

- Về các tính chất vật lý, hoáhọc, đặc biệt: Một số thép hợp kim không bị gỉ trongkhông khí, trong môi trường a xít, bazơ và muối Nhờ hợp kim hoá mà có thể tạo

ra thép không gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi đặc biệt, thép có từ tính cao vàthép không có từ tính

- Tính thấm tôi tốt cá biệt có loại thép thấm tôi hầu hiết các tiết diện (thép gió )

4.4.1.3- ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép.

a Crôm (Cr): Crôm đưa vào thép với hàm lượng khoảng 1,5-2,5% ngoài ra tuỳ

theo yêu cầu đặc biệt có thể tăng hàm lượng Cr tới 30% Crôm có tác dụng làm tăng

độ cứng và độ bền, phần nào làm giảm độ dẻo dai của thép Crôm có tác dụng chống

ăn mòn cao, thép chứa Cr lớn hơn 12% có thể làm thép không gỉ và có từ tính ổn định

b Niken (Ni): Làm tăng độ chịu ăn mòn, tăng độ bền, độ dẻo và tăng khả năng

chịu va đập của thép Niken có ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép, hợp kim “inva” có35-37% Ni, có độ giãn dài gần như bằng không ở nhiệt độ –80  100oC

c Vonfram (W): Vonfram tạo lên các bít Vonfram rất cứng trong thép, nó làm

cho thép rất cứng và làm việc ở nhiệt độ cao, giá thành rất đắt

d Vanađi (V): Làm nhỏ hạt thép, làm tăng độ cứng và độ bền của thép.

e Silic (Si): Khi lượng Silic lớn hơn 1% thì có ảnh hưởng nhiều đến tính chất

của thép Thép chứa 1-1,5% Si có độ bền tăng nhưng độ dẻo dai lại giảm

Khi tăng sílíc trong thép sẽ làm tăng điện trở và độ thấm từ của thép Silíc làmtăng tính đàn hồi và tính chống Oxy hoá

g Man gan (Mn): Nếu Mn chứa trong thép lớn hơn 1% nó làm tăng độ cứng,

độ chịu mài mòn, chịu va đập nhưng không làm giảm tính dẻo dai của thép

f Môlípđen (Mo): Làm tăng tính chịu nhiệt, tính đàn hồi, giới hạn bền cao, tính

chống ăn mòn và tính chống oxy hoá của thép ở nhiệt độ cao

4.3.1.4 Phân loại và ký hiệu thép hợp kim.

a-Phân loại: Có bốn cách phân loại.

- Phân loại theo tổ chức tế vi

+Thép trước cùng tích tổ chức F+P, ( các bon nhỏ hơn 0.8%) +Thép cùng tích tổ chức phecnít P (cácbon = 0.8%)

+ Thép sau cùng tích với tổ chức: P+XêII ( các bon lớn hơn 0.8% )

- Phân loại theo nguyên tố hợp kim.

Dựa vào tên các nguyên tố hợp kim chính của thép Ví dụ: Thép có chưa Crôm đượcgọi là thép Crôm

- Phân loại theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim.

Tuỳ thuộc vào tổng lượng các nguyên tố hợp kim có trong thép nhiều hay ít mà chiara:

+ Thép hợp kim thấp: là thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5%(gọi là thép Ferit)

+Thép hợp kim trung bình: là thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim từ 2,5%đến 10% (ứng với thép Máctenxit)

+ Thép hợp kim cao: Là thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim cao hơn 10%

- Phân loại theo công dụng

Đây là cách phân loại chủ yếu có thể phân chia các thép hợp kim ra làm ba nhóm sau:

+ Thép hợp kim kết cấu

+ Thép hợp kim dụng cụ

+ Thép hợp kim đặc biệt

b - Nguyên tắc chung ghi ký hiệu thép hợp kim.

Theo TCVN 1659-75 quy định Thép hợp kim được ký hiệu theo hệ thống chữ

và số Chữ ký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng chính ký hiệu hoá học của nó số đầuchỉ lượng cácbon trung bình tính theo phần vạn Số phía sau nguyên tố chỉ lượngtrung bình của nguyên tố đó theo phần trăm Nếu lượng nguyên tố hợp kim nào < 1%thì không ghi con số sau nó Nếu thép chất lượng tốt cuối ký hiệu thêm chữ A

Ví dụ: Mác thép 18CrMnTiA chứa 0,18% C, Cr, Mn, Ti 1%.còn lại Fe và một ít tạp

chất khác là thép chất lượng tốt Mỗi nước có cách ký hiệu riêng Để tiện cho việc tra

cứu, so sánh hoặc chuyển đổi tương đuơng xem phần phụ lục 1 ký hiệu của các nước:

Trung Quốc, Mỹ, Nhật , Đức, Tiệp , Pháp

4.3.2 Thép hợp kim kết cấu.

4.3.2.1 Thép hợp kim thấp.

a Thành phần.

Lượng cácbon có trong thép là 0,1-0,2% cá biệt lên đến 0,37%C, S  0,2-0,9%, Mn 

0,4-1,8% ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Cr, Ni, Cu

b Tính chất ;- Phụ thuộc vào các nguyên tố có trong thép mà có những tính

chất rất đặc biệt như:

Dẻo dai, có khẳ năng chống ăn mòn trong khí quyển, chịu được áp lực cao, giới

hạn chảy ( 340 - 400Mpa) độ cứng thấp

Tính công nghệ: Dễ hàn, dễ gia công kim loại bằng áp lực và cắt gọt, hiệu quả

kinh tế cao, giá thành rẻ

c Ký hiệu: Bảng 4-5 Trình bày một số mác thép hợp kim thấp

Thép hợp kim thấp thoả mãn yêu cầu xây dựng hiện đại như làm các đường

ống dẫn dầu và khí đốt, làm vỏ lò cao, làm dầm ô tô, đóng toa xe, dùng làm cốt thép bê

tông cường độ cao, làm dầm cầu

4.3.2.2 Thép hợp kim kết cầu thường (Thấm cácbon).

4 a Thành phần : Lượng cácbon trong thép khoảng 0,1- 0,25% cá biệt đến

0,3% Ngoài ra còn có một số nguyên tố hợp kim khác như: Cr, Mn, Mo,V, Ti.Thường là nguyên tố tạo ra các bít mạnh và không làm lớn hạt

5 b Tính chất: Cơ tính của thép sau khi thấm các bon tôi và ram thấp như

sau: Độ cứng mặt ngoài cao: 59-63HRC, độ dai va đập ak = 700-1200KJ/m2 ,

8 c Công dụng: Phụ thuộc vào thành phần hoá học có trong thép mà người

9 ta làm các chi tiết máy như sau :

Những chi tiết nhỏ yêu cầu chống mài mòn ở mặt ngoài cao và chịu trọng tải trungbình như chốt piston, trục cam ô tô, trục giữa xe đạp, bánh răng hộp số, bánh răng cầusau ôtô,

4.3.2.3 Thép hợp kim kết cấu hoá tốt.

a Thành phần: Là loại thép có lượng các bon trung bình ( 0,3-0,45%)C Cá

biệt có thể tới 0,55% Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác để tăng tính thấm tôinhư: Cr, Mn, Si, Ni khoảng trên dưới 1% còn lại là Fe và các tạp chất khác

b.Tính chất: Làm thép có độ bền, độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn tốt,

chịu tài trọng tĩnh và va đập lớn Thép có khả năng thấm tôi tốt đạt cơ tính cao, độ bềnnhiệt cao: 300-400oC

Tính công nghệ: Khó hàn, khó rèn so với thép các bon chất lượng tốt và dễ giacông kim loại bằng cắt gọt, dễ nhiệt luyện để nâng cao cơ tính, giá thành đắt

B ng 4-7: Th nh ph n hoá h c c a m t s thép h p kim k t c u hoá ảng 4-7: Thành phần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ành phần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ọc của một số thép hợp kim kết cấu hoá ủa một số thép hợp kim kết cấu hoá ột số thép hợp kim kết cấu hoá ốt ợng tốt ết cấu hoá ấu hoá

4.3.3- Thép hợp kim dụng cụ.

Theo cách phân loại theo công dụng thép hợp kim dụng cụ được chia làm banhóm chính: Dụng cụ cắt, dụng cụ biến dạng và dụng cụ đo lường

4.3.3.1 Thép hợp kim dụng cụ làm dao cắt.

+ Yêu cầu đối với thép làm dao cắt:

- Độ cứng cao không dưới 60 HRC

- Tính chống mài mòn cao

10 - Tính cứng nóng cao: Là khả năng duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao

11 Cá biệt thép gió có thể giữ được độ cứng ở nhiệt độ 600-650oC Ngoài ba yêu cầuchủ yếu trên thép làm dao phải có độ bề uốn cao (dao tiện) hoặc độ bền xoắn cao (mũikhoan) và độ dai va đập không quá thấp để tránh mẻ, gãy lưỡi cắt

a Thép hợp kim dụng cụ làm dao cắt năng suất thấp.

Là những loại dao cắt mà tốc độ cắt chỉ khoảng 10-14m/ph

-Thành phần: Các bon có trong thép khoảng 0,85-1,5%, Mn = 1-2%, Si~1%,

W = 4-5% còn lại Fe và một ít tạp chất khác

12 -Tính chất: So với thép các bon dụng cụ thì thép hợp kim dụng cụ làm dao

năng suất thấp có tính thấm tôi cao hơn, dùng làm các dao có tiết diện lớn, hình dạngphức tạp, độ bền , độ cứng cao, tính chịu mài mòn tốt

13 Độ bền nhiệt lớn (250oC – 400 o C), tốc độ cắt 10-14m/ph

14 Tính công nghệ: Khó hàn, khó cắt gọt nhưng dễ nhiệt luyện, giá thành đắt.

15 Một vài mác thép hợp kim dụng cụ làm dao cắt năng suất thấp được nêu ở bảng 4-8.

B ng 4-8: Th nh ph n hoá h c m t s thép h p kim l m dao n ng xu t th p ảng 4-7: Thành phần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ành phần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ọc của một số thép hợp kim kết cấu hoá ột số thép hợp kim kết cấu hoá ốt ợng tốt ành phần hoá học của một số thép hợp kim kết cấu hoá ăng xuất thấp ấu hoá ấu hoá

16 - Công dụng: Phụ thuộc vào thành phần hoá học có trong thép mà người ta

chọn chế tạo các dụng cụ cắt cho phú hợp như: Làm mũi khoan, tarô, bàn ren,

b :Thép hợp kim dụng cụ làm dao cắt năng suất cao (thép gió).

17 -Thành phần: Các bon của thép gió thay đổi trong phạm vi 0,7-1,5%, Crôm

với lượng khoảng 4%, Vonfram chứa 6-18%, Vanadi chưấ 1-2%, Côbanchứa 5-10%,Môlipđen nhỏ hơn hoặc bằng 1%.còn lại là fe và một ít tạp chất khác

18 -Tính chất: Có tính thấm thôi cao Thấm tôi hầu hết các thiết diện, độ bền, độ

cứng cao 64HRC Khả năng chịu mài mòn tốt, có tốc độ cắt cao gấp 2-4 thép hợp kimlàm dao cắt năng xuất thấp Tuổi thọ cao gấp 10 lần, tính cứng nóng đạt đến 600-

650oC do W nhiều là nguyên tố tạo các bít mạnh nằm ở dạng Me6C khi nung nóng ởnhiệt độ cao một phần Me6C bị phân hoá hoà tan vào austenit

19 Do vậy sau khi tôi mactenxit có chứa nhiều W khi Ram các bít Me6C chỉ tiết rakhỏi các Mactenxit ở nhiệt độ 560-570oC

20 Tính công nghệ: Dễ da công kim loại bằng cắt gọt nhưng khó hàn, rèn và nhiệt