Bé lao ®éng th­¬ng binh vµ x• héi

Bé lao ®éng th­¬ng binh vµ x• héi 1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN TÀI LIỆU NÀY THUỘC LOẠI SÁCH GIÁO TRÌNH NÊN CÁC NGUỒN THÔNG TIN CÓ THỂ ĐƯỢC PHÉP DÙNG NGUYÊN BẢN HOẶC TRÍCH DÙNG CHO CÁC MỤC ĐÍCH VỀ ĐÀO TẠO VÀ T[.]

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

TÀI LIỆU NÀY THUỘC LOẠI SÁCH GIÁO TRÌNH NÊN CÁC NGUỒN THÔNG TIN CÓ THỂ ĐƯỢC PHÉP DÙNG NGUYÊN BẢN HOẶC TRÍCH DÙNG CHO CÁC MỤC ĐÍCH VỀ ĐÀO TẠO VÀ THAM KHẢO

MỌI MỤC ĐÍCH KHÁC CÓ Ý ĐỒ LỆCH LẠC HOẶC SỬ DỤNG VỚI MỤC ĐÍCH KINH DOANH THIẾU LÀNH MẠNH SẼ BỊ NGHIÊM CẤM

MÃ TÀI LIỆU: MH 11

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển như vũ bão của cuộc cách mạng khoa học- công nghệ Song cũng có thể nói rằng cuộc cách mạng máy gắn liền với những thành tựu của ngành khoa học vật liệu

Trong những năm cuối của thế kỷ 20 những thành tựu rực rỡ trong lĩnh vực tin học đã làm thay đổi bộ mặt của thế giới Song những thành tựu đó gắn liền với những khám phá của ngành Khoa học vật liệu

Các thành tựu trong lĩnh vực chinh phục vũ trụ cũng gắn liền với những thành tựu của Khoa học vật liệu Ví dụ, nhiệt độ trong buồng đốt của động cơ Hyđro- oxy dùng trong các tên lửa đẩy phóng vệ tinh lên tớib3000-35000C để tránh cho vật liệu làm vách trong của buồng đốt không bị nóng chảy người ta phải dùng Hyđro lỏng (- 1500C) làm lạnh Sự chênh lệch nhiệt độ lớn như vậy làm cho vật liệu chịu tác dụng của ứng suất nhiệt rất lớn Do vậy người ta phải dùng vật liệu có chức năng thay đổi

Vật liệu cơ khí là một phần thuộc ngành vật liệu cũng có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây Từ các vật liệu truyền thống như Sắt, thép, gang, kim lọai màu, ngày nay các chi tiết máy bằng các vật liệu mới như Composite, Polymer… với những tính năng ưu việt trong lĩnh vực cơ khí ngày càng nhiều Cuốn giáo trình vật liệu cơ khí nhằm mục đích trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản về bản chất, các tính chất của vật liệu cơ khí truyền thống, những quy trình công nghệ nhằm biến đổi những tính chất của vật liệu theo chiều hướng mong muốn Bên cạnh đó giáo trình cũng đề cập đến các vật liệu mới như Composite, Polymer…

Trong quá trình biên soạn do kinh nghiệm còn hạn chế chắc chắn không tránh khỏi khiếm khuyết các tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các nhà chuyên môn,các bạn đồng nghiệp và đông đảo bạn đọc

CÁC TÁC GIẢ

MỤC LỤC

1 Chương 1 Khái niệm cơ bản, tính chất chung của kim loại và hợp kim Trang 5

2 Chương 2 Gang………… ……… 8

3 Chương 3 Thép……… ……… 26

4 Chương 4 Kim loại màu và hợp kim màu… ……….… 48

5 Chương 5 Ăn mòn kim loại… ……… 58

6 Chương 6 Vật liệu phi kim loại……… ……… 63

7 Chương 7 Nhiên liệu 69

8 Chương 8 Dầu và mỡ 99

GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC

I VỊ TRÍ , TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC

- Vị trí môn học nằm trong chương trình hệ Cao đẳng nghề sửa chữa

máy thi công xây dựng, được bố trí học ở học kỳ 1 cùng với các môn kỹ thuật

cơ sở khác và các môn chung

- Tính chất Là cơ sở để học sinh tiếp thu các kiến thức phục vụ các môn học/Môdun sửa chữa ,bảo dưỡng máy thi công

Nội dung môn học có tính tư duy trìu tượng thông qua các kiến thức được học trong môn học này, sẽ phát huy các kiến thức cơ sở để học tập các kiến thức chuyên môn mà người học có thể vận dụng vào thực tế sản xuất sau này

II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC

Sau khi học xong môn học này người học có khả năng:

- Trình bày được khái niệm, đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng: gang, thép các bon, thép hợp kim, kim loại màu và các vật liệu phi kim loại

- Nhận biết được vật liệu bằng các giác quan, màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn…

- Lựa chọn đúng vật liệu phù hợp cho từng công việc sửa chữa

III NỘI DUNG CỦA MÔN HỌC

+ Nội dung tổng quát

Thời gian Tống

số

Lý thuyết

Thực hành

Kiểm tra

1 Chương 1: Khái niệm cơ bản, tính

chất chung của kim loại và hợp kim

6 Chương 6: Ăn mòn kim loại 4 4

Phần 2: Vật liệu phi kim loại

7 Chương 7: Vật liệu phi kim loại 10 9 1

Cộng 60 56 4

CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI

VÀ HỢP KIM

1 KHÁI NIỆM VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Người ta có thể phân chia vật liệu làm năm nhóm sau đây:

Trong đời sống và trong các ngành kỹ thuật ,đặc biệt là kỹ thuật cơ khí

và kỹ thuật xây dựng các công trình thì kim loại được sử dụng rất nhiều và có vai trò quan trọng hàng đầu Đó là kim loại có nhiều ưu việt về cơ,lý,hóa tính cũng như về khả năng khai thác và gia công chúng thành sản phảm đa dạng

Những nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn Men-đê-lê-ép phần lớn

là kim loại Tuy nhiên không có một mệnh đề định nghĩa duy nhất cho kim loại, dựa trên những phương diện khác nhau người ta nêu ra những đặc tính

để nhận biết kim loại

Trong hóa học,kim loại là những nguyên tố khi tham gia phản ứng hóa học thì nhường đI các điện tử hóa trị Trong kỹ thuật, kim loại là những vật thể có ánh kim, dẫn điện,dẫn nhiệt tốt có thể gia công được bằng áp lực, có hệ

số nhiệt độ điện trở dương Tuy nhiên vẫn có một số trường hợp ngoại lệ:

- Nhôm AL Là nguyên tố lưỡng tính

- Ăng-ti-moan Sb Không rèn được

- Xe-ri Ce Dẫn điện kém

- Si-líc (Si) và giéc-ma-ni (Ge) đều có hệ số nhiệt độ điện trở âm

Tính chất của một nguyên tố còn thay đổi phụ thuộc điều kiện tồn tại của chúng là nhiệt độ và áp suất Chính vì vậy người ta có xu hướng nói đến

“trạng thái kim loại ” hơn là định nghĩa kim loại

So sánh với nguyên tố á kim thì nguyên tố kim loại có cấu tạo đặc điểm sau:

- Vòng điện tử ngoài cùng hoặc sát ngoài cùng có số điện tử rất ít, chúng được gọi là những điện tử hóa trị

- Các điện tử hóa trị liên kết với hạt nhân rất yếu, chúng thường dễ bứt khỏi hạt nhân thành các điện tử tự do để lại phần nguyên tử mang điện tích dương gọi là ion dương

Điện tử tự do tồn tại trong kim loại là đặc trưng nổi bật quyết định nhiều tính chất của kim loại Các điện tử tự do trong kim loại không thuộc về một ion dương nào mà nó có thể di chuyển tự do trong cả khối vật thể Người

ta quan niệm kim loại như một cấu trúc của những ion dương phân bố có quy luật trong không gian chứa đầy các điện tử hóa trị

Sự hút nhau giữa ion dương và điện tử tự do đã liên kết các nguyên tử kim loại thành vật thể Người ta gọi kiểu liên kết dựa trên cơ sở đó là liên kết kim loại

Nhờ liên kết kim loại mà các vật thể kim loại và hợp kim có tính dẻo cao có thể gia công thành sản phẩm bằng áp lực

2 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

2.1 Một số khái niệm về cấu tạo tinh thể

Mọi kim loại từ trạng thái lỏng đông đặc lại thành vật thể rắn đều có cấu tạo tinh thể Đặc điểm cấu tạo tinh thể là các nguyên tử hay ion được sắp xếp có quy luật trong không gian Điều này khác hẳn các chất vô định hình

Để mô tả cấu tạo tinh thể người ta đưa ra khái niệm về mạng không gian Đó

là một tập hợp các điểm trong không gian chúng phân bố thỏa mãn quy luật, xung quanh những điểm bất kỳ của tập hợp ấy đều có cùng một số lượng các điểm lân cận gần nhất và cách đều Mỗi điểm của mạng không gian gọi là một nút mạng Số lượng các điểm lân cận bao quanh một nút mạng gần nhất và cách đều được gọi là số sắp xếp Để khảo sát mạng không gian người ta tách một phần nhỏ nhất của mạng mà vẫn đặc trưng cho quy luật của mạng, phần tách ra đó gọi là ô mạng cơ sở (còn gọi là ô cơ bản) Nếu tưởng tượng ô cơ bản là một hình khối thì kích thước hình học đặc trưng của ô cơ bản gọi là thông số mạng Đơn vị của thông số mạng thường dùng là Ăng-trôn (A0) 1A0

= 0,00000001cm (1.10-8 cm) hoặc kilôich (KX) 1KX = 1,00202 A0

Các kim loại tồn tại nhiều kiểu mạng tinh thể Những kim loại khác nhau có thể có cùng kiểu mạng nhưng thông số mạng có giá trị kích thước khác nhau

Hình 1-1 a Mạng tinh thể lập phương đơn giản

b Ô cơ bản

2.1.1 Lập phương thể tâm

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi là thông số mạng

Các kim loại có kiểu mạng này là Sắt, Crôm, Vonfram, Môlipđen, Vanađi

Hình 1-2 Kiểu lập phương thể tâm Hình 1-3 Kiểu lập phương diện tâm

2.1.2 Lập phương diện tâm

Mạng lập phương diện tâm ô cơ sở là một hình lập phương Các nguyên tử phân bố tại các nút đỉnh hình hộp và tại tâm của 6 mặt hình hộp

Các kim loại có mạng kiểu này là ; Sắt, Niken, Côban, Chì, Bạc, Vàng

2.1.3 Lục phương dày đặc

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng , hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên

tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách đều nhau

Các kim loại có kiểu mạng này là: Kẽm, Côban, Magiê, Cađimi

Ngoài 3 loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta còn gặp kiểu mạng chính phương thể tâm, nó chỉ khác lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng 2 cạnh kia

Hình 1-4 Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-5 Ô cơ bản chính phương thể tâm

a, Ô cơ bản

b, Hình chiếu bằng

2.1.4 Tính thù hình của kim loại

Tổ chức mạng tinh thể của kim loại không phảI bao giờ cũng như nhau,

mà nó thay đổi theo nhiệt độ của kim loại Khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng của mạng tinh thể gọi là tính thù hình của kim loại

2.2 Hợp kim

2.2.1 Định nghĩa

Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim

2.2.2 Dung dịch đặc

Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần có kích thước gần giống nhau Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần

Người ta phân biệt hai loại dung dịch đặc: Dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ Trong dung dịch đặc thay thế như đồng và niken nguyên tử niken đẩy một số nguyên tử đồng ra khỏi nút mạng tinh thể và thay thế vào các vị trí ấy

Trong dung dịch đặc xen kẽ, nguyên tử của các nguywn tố hòa tan nằm giữa xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút mạng tinh thể của nguyên tố kim loại cơ bản

3 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

3.1.2 Tính nóng chảy

Kim loại có tính nóng chảy, kim loại bị chảy loãng khi đót nóng và đông đặc lại khi làm nguội Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (hoặc ngược lại)

Điểm nóng chảy có ý nghĩa rrất quan trọng trong công nghệ đúc Điểm nóng chảy của hợp kim lại khác điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau ta có thể tạo được một hợp kim mới có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của từng kim loại riêng rẽ Trong thực tế ta có thể pha chế hợp kim có điểm nóng chảy thấp khoảng 60÷700C trong khi đó điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần lại lớn hơn 2000C Ngược lại cũng có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy cao hơn điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần

3.1.3 Tính dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hay làm lạnh Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ bị đốt nóng nhanh và đồng đều cũng như càng dễ nguội nhanh

Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nóng phải cần nhiều thời

gian,nếu bị làm nguội nhanh dễ gây ra nứt vỡ

Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng Kcalo/m giờ độ

Trong thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của kim loại này với một kim loại khác lấy làm tiêu chuẩn

Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng (hoặc ngược lại)

Hệ số giãn nở nhiệt thường rất nhỏ, nhưng với các vật có kích thước lớn, có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, thì sự giãn nở là rrất lớn

Sự giãn nở theo thể tích được tính bằng 3 lần sự giãn nở theo chiều dài

Để đo lường chiều dài một cách chính xác người ta làm các dụng cụ đo bằng thép hợp kim có độ giãn nở nhiệt gần bằng không ở khoảng nhiệt độ từ (-80 đến 1000C)

độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ chịu va chạm, độ chịu mỏi

Để xác định cơ tính của các loại vật liệu, ta phải tiến hành các quá trình thử trên các thiết bị đặc biệt, trong đó thử kéo là quan trọng nhất vì qua đó ta

có thể xác định được các cơ tính chủ yếu của kim loại như độ bền, độ đàn hồi,

độ dẻo

3.4 Tính chất công nghệ

Tính công nghệ của kim loại là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm Tính công nghệ bao gồm tính cắt got, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện

3.4.1 Tính cắt gọt

Tính cắt gọt là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt, độ bóng bề mặt của kim loại sau khi cắt gọt

đó một thời gian, rồi sau đó làm nguội kim loại theo một nhiệt độ nhất định

4 KHÁI NIỆM VỀ THỬ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Trong công nghệ cơ khí, người ta thường quan tâm đến tính chất cơ học của vật liệu kim loại và hợp kim Để xác định được cơ tính của các loại vật liệu, ta phải tiến hành các quá trình thử trên các thiết bị thử đặc biệt gồm: thử kéo, thử độ cứng, thử va đập…

4.1 Thử kéo

Để xác định được giá trị độ bền kéo của vật liệu kim loại trược tiên ta phải xác định mẫu của vật liệu đó Mộu thí nghiệm được chế tạo theo tiêu chuẩn, mẫu thử thường có tiết diện tròn hay chữ nhật, sau đó mẫu thử được kẹp chặt trên máy kéo truyền động bằng cơ khí hoặc thủy lực theo nguyên lý sau:

Nhờ áp lực dầu thủy lực píttông của máy kéo mẫu và đồng thời máy cũng vẽ được biểu đồ Khi kéo chiều dài mẫu tăng dần, tiết diện ngang giảm

dần, đến điểm D mẫu bị thắt và cũng ứng với lực kéo lớn nhất, từ đây lực trên máy không tăng, nhưng mẫu vẫn dài thêm đến điểm M thì mẫu bị đứt

Như vậy ,độ bền của vật liệu được xác định theo công thức d = P/F0 (N/mm2)

Người ta dùng tải trọng P của may ép thử độ cứng, ấn viên bi bằng thép

đã tôi cứng với đường kính D (2,5; 5; 10 mm) vào mặt vật liệu thử Giá trị P chọn theo vật liệu và giá trị đường kính D:

Thép các bon thấp và gang: P=30D2

Đồng và hợp kim đồng P= 10D2

4.2.1 Độ cứng Brinen

Được tính theo công thức HB = P/F

Trong đó : F là diện tích mặt chỏm cầu vết lõm có đường kính d

D d

Trong đó:

D: Đường kính viên bi (mm) D: Đường kính vết lõm (mm)

Độ cứng HB của vật liệu được kiểm tra không lớn hơn 450 (Kg/mm2)

Hình 1-7: Sơ đồ đo độ cứng Brinen Hình 1-8 Sơ đồ đo độ cứng Rocoen

4.2.2 Độ cứng Rocoen

Khác với phương pháp thử độ cứng Brinen phương pháp này không đo diện tích của vết lõm để lại trên mặt vật thử mà bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng thép đã tôi có đường kính 1,587 mm tức là 1/16” (thang B) của máy đo hoặc mũi nhọn kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử (hình 1-12) Trong khi thử số độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ Số đo độ cứng Rocoen được biểu thị bằng đơn vị quy ước

Bảng chọn thang độ cứng Rocoen và Brinen

Độ cứng

Brinen HB

Ký hiệu thang Rocoen

chính P,Kg

Ký hiệu độ cứng Rocoen

Giới hạn cho phép của thang Rocoen

60-230 B (đỏ) Viên bi thép 100 HRB 25-100 250-700 C (đen) Mũi kim cương 150 HRC 20-670 Lớn hơn 700 A (đen) Mũi kim cương 60 HRA Lớn hơn 70

Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng, còn mũi nhọn vật liệu kim cương dùng để thử những vật liệu có độ cứng cao như thép đã nhiệt luyện

Tải trọng tác dụng 2 lần:

Tải trọng sơ bộ P0 = 10 Kg, sau đó đến tải trọng chính P, đối với viên bi thép P = 100 Kg (xem bảng thang B ở trên đồng hồ,màu đỏ), đối với mũi nhọn kim cương P = 150 Kg (xem bảng thang C ở trên đồng hồ, màu đen) hoặc P = 60 Kg (xem bảng, thang A ở trên đồng hồ, màu đen)

Do đó khi ghi độ cứng Rocoen ,ta phải ghi rõ đơn vị độ cứng, thí dụ HRC,HRA,HRB Phương pháp thử độ cứng Rocoen rất đơn giản về thao tác,

nhanh và ít để lại dấu vết trên bề mặt vật thử nên thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

4.3 Thử va đập

Các chi tiết máy mặc dù đã có độ cứng cao, độ bền cao nhưng vẫn có thể bị phá hỏng do các lực va đập

Hình 1-9 Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập

Bởi vậy để xem xét các tính chất cơ học của vật liệu một cách toàn diện, ngoài việc xét các tính năng của nó ở trạng thái tĩnh, ta còn phải xét đến tính năng của nó trong trạng thái tải trọng động Để thử khả năng chịu va đập của vật liệu, ta dùng máy thử va đập

Mẫu thử va đập được làm theo một kích thước nhất định 10x10x55 (mm) tại khoảng giữa của mẫu có một rãnh chữ V rộng 2mm, sâu 2mm Mẫu thử được đặt trên máy thử và nằm trên đường rơi xuống của đầu búa Khi thử

ta nâng đầu búa lên độ cao H, đầu búa có trọng lượng P được thả cho rơi xuống theo quỹ đạo vòng tròn, trên đường đi nó đập vào mẫu thử, làm gãy mẫu thử, sau đó nó còn đi tiếp sang bên kia đến vị trí ứng với độ cao h

Năng lượng của đầu búa tại vị trí ban đầu trước khi rơI là P.H, năng lượng của đầu búa tại vị trí sau khi rơI là P.h Như vậy trên đường rơi, búa đã mất đi năng lượng A = (P.H – P.h) Kg.m (KJ) ,năng lượng này chính là công cần thiết để làm gãy mẫu thử trên đường rơi của đầu búa

Vậy công tiêu hao để đập gãy mẫu thử là:

A = P.(H-h) Kg.m (KJ) Nhưng muốn so sánh tính chịu va đập của các kim loại ngoài công gây

va đập còn phải xét đến công tiêu hao trên một đơn vị diện tích của tiết diện mẫu thử Nếu công đó càng lớn thì vật liệu có khả năng chịu va đập càng lớn Vậy khả năng chịu va đập của kim loại được đo bằng tỷ số giữa công tiêu hao

để đập gãy mẫu thử và diện tích của tiết diện tại chỗ bị đập gãy Tỷ số đó gọi

là độ dai va đập, ký hiệu là AH (hay Ak)

AH =

F

A

Kg.m/ cm2 (KJ/ m2; Nm/ m2) Trong đó:

A: là công để đập gãy mẫu thử

F: là diện tích mặt cắt ngang của mẫu tại chỗ xẻ rãnh

Đối với vật liệu càng giòn thì AH càng nhỏ khoảng 0,1÷0,2 Kgm/cm2

Với thép AH=2÷12Kgm/cm2(200÷1200 KJ/m2) Với đồng AH=5÷5,5,Kgm/cm2(500÷550 KJ/m2)

Việc thử độ dai va đập có ý nghĩa rất lớn khi các vật liệu được dùng để sản xuất các chi tiết máy có chịu lực va đập

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Kim loại và hợp kim có tầm quan trọng như thế nào trong công nghiệp?

2 Cho biết cấu tạo của kim loại?

3 Thế nào là hợp kim?

4 Trình bày các tính chất chung của kim loại và hợp kim?

5 Trình bày các phương pháp thử cơ tính của kim loại và hợp kim?

Chương 2 GANG

1 ĐẶC ĐIỂM CỦA GANG

1.1 Khái niệm về gang

Gang là hợp kim của sắt - Cácbon ,trong đó hàm lượng C ≥ 2,14% Trong giản đồ trạng thái Fe - C có ứng dụng trong thực tế thì gang có

từ 2,14 ÷ 6,67% các bon Nhưng thông thường thành phần các bon thường trên dưới 4% Nguyên liệu để luyện gang trong lò cao là quặng sắt, than và các chất trợ dung như đá vôi, huỳnh thạch, đôlômít…Do đó không thể loại trừ hết các tạp chất lẫn vào gang, cho nên thành phần hóa học của gang ngoài sắt

và các bon còn có những tạp chất như: Si, Mn, P, S, O2 , N2 , H2 Tùy từng loại gang cụ thể mà thành phần hóa học của nó có khác nhau về hàm lượng các nguyên tố cũng như về tổ chức tế vi Nhưng có thể kháI quát thấy có hai loại khác hẳn nhau: gang trắng trong tổ chức khong có graphít, các loại gang khác luôn luôn có graphít Về hình thức graphít có thể tồn tại những dạng khác nhau

1.2 Nguyên lý quá trình luyện gang

Để luyện gang, ta cần có quặng sắt, nhiên liệu và chất trợ dung Tất cả các thành phần đó gọi là nguyên liệu lò cao

+ Quặng sắt

- Quặng sắt gồm nhiều loại: Quặng sắt đỏ, quặng sắt nâu, quặng sắt từ

và quặng sắt Cacbônát

- Quặng sắt đỏ: Chủ yếu là sắt oxit Fe2O3 có màu đỏ

- Quặng sắt nâu: Chủ yếu là sắt oxit ngậm nước (Fe2O3H2O, 2Fe2O3

3H2O) có màu nâu vàng

- Quặng sắt từ: Là quặng manhêtít, tức là sắt từ ôxit Fe3O4, quặng này

có màu đen

- Quặng sắt cacbônát: Là quặng xiđếit FeCO3

Trong các loại quặng trên, quặng sắt đỏ được sử dụng nhiều nhất, chiếm 57% tổng lượng quặng khai thác

+ Nhiên liệu

Để nấu chảy gang, người ta thường dùng than cốc, than cốc có nhiệt lượng cao, bền, độ xốp cao và chứa ít lưu huỳnh

+ Chất trợ dung

Trong các quặng sắt có chứa các chất bẩn gồm nhôm ôxit Al2O3, Magiê ôxit MgO, bền và khó chảy Muốn cho các chất đó dễ chảy người ta thường thêm chất trợ dung thường là CaCO3, để tạo thành xỉ loãng

1.3 Khái niệm về lò cao

Lò cao dùng để luyện gang Vỏ ngoài lò cao bọc bằng thép có chiều dày 25ữ40mm hàn với nhau hoặc tán rivê Phía trong lò cao xây bằng gạch Samốt

Các bộ phận chính của lò cao là: đỉnh lò, bụng lò, hông lò,nồi lò Đỉnh

lò là phần trên của lò cao, có phễu hình nón làm nhiệm vụ phân phối và cấp liệu vào thân lò

Hình 1-9 Lò cao

+ Những sản phẩm của lò cao

Các sản phẩm của lò cao là: gang, xỉ, khí lò cao

Gang: Là sản phẩm chính của lò cao, gang được dùng để đúc các sản phẩm bằng gang hoặc đưa vào lò luyện thép

Xỉ: Lượng xỉ trong lò cao rất lớn, chiếm khoảng 60% trọng lượng của gang nấu ra Xỉ lò cao được dùng làm vật liệu xây dựng

Khí lò cao: Là lượng khí khá lớn, có nhiệt dung cao, khí lò cao dùng để đốt tháp nung, lò luyện cốc, động cơ ga

2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TẠP CHẤT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA GANG

Gang là hợp kim của sắt và các bon cùng một số nguyên tố khác, thành phần các bon trong gang lớn hơn 2% và thường là 3÷4,5% Ngoài ra trong gang còn chứa Silíc, Mangan, Phốtpho, Lưu huỳnh

2.2 Silíc (Si)

Silíc là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang,

vì nó thúc đẩy sự tạo thành Graphít, do đó trong gang xám có thành phần Silíc cao khoảng 1ữ 4,25%

2.5 Lưu huỳnh (S)

Lưu huỳnh là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc và cơ tính của gang Lưu huỳnh làm giảm độ bền, làm cho gang giòn Do đó thành phần lưu huỳnh trong gang không quá 0,15%

Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến cấu trúc tinh thể của gang là điều kiện đông đặc và làm nguội của vật đúc Tốc độ làm nguội nhanh thì được gang trắng, làm nguội chậm thì được gang xám

3 CÁC LOẠI GANG THƯỜNG DÙNG

3.1 Gang xám

3.1.1 Thành phần, ký hiệu

Gang xám là gang mà mặt gãy của nó có màu xám Tổ chức gang xám

có hai phần rõ rệt, phần kim loại gọi là nền cơ bản, phần còn lại gọi là graphít Trong gang xám không có lêđêburit Khi sự graphít hóa rất mạnh thì nền cơ bản chỉ có pha duy nhất là ferit, lúc đó ta quy ước goi là gang xám ferit Sự graphít hóa mạnh nhưng nền cơ bản vẫn còn peclít thì ta có gang xám ferit-peclít Nếu sự graphit hóa yếu, tổ chức cơ bản có P+XeII ta có gang xám peclít-xêmentit và mức độ trung gian nền cơ bản chỉ có péclít thì ta có gang xám péclít

Graphít tồn tại trong gang xám ở dạng tấm hoặc phiến Kích thước những tấm và phiến có liên quan đến độ bền của gang Tấm graphít càng nhỏ càng mỏng thì gang càng bền hơn

Thành phần của gang xám:

C = 3÷3,8% Si = 0,5÷3% Mn = 0,5÷0,8%

P = 0,15÷0,4% S =0,12÷0,2%

Theo TCVN 1659-75 gang xám được ký hiệu là GX với hai con số sau

đó Số thứ nhất chỉ giới hạn bền kéo, số thứ hai chỉ giới hạn bền uốn tính theo Kg/mm2

Ví dụ: GX 32-52 là gang xám có giới hạn bền kéo là 32 Kg/mm2 (320 MN/m2) và giới hạn bền uốn là 52 Kg/mm2 (520 MN/m2)

3.1.2 Tính chất

Gang xám có cấu trúc tinh thể có các bon ở dạng tự do (graphit) Graphít có ưu điểm là làm tăng độ chịu mòn của gang Graphít còn làm cho phoi gang dễ bị vụn khi cắt gọt, ngoài ra graphít còn có tác dụng dập tắt rung động của máy khi gang xán được dùng để đúc các chi tiết máy làm việc có rung động Graphít có tác dụng làm giảm sự co ngót khi đúc

Nhược điểm: Graphít làm cho gang xám có giới hạn bền kéo nhỏ, độ dẻo dai kém

3.1.3 Công dụng

Gang xám có nhiều tính chất tốt, chế tạo dễ và giá thành rẻ nên được dùng nhiều trong chế tạo máy Gang xám được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tảI trọng kéo nhỏ và ít bị va đập Do tính chất chịu ma sát tốt đôi khi gang xám được dùng làm các ổ trục

3.2 Gang trắng

Gang trắng là gang mặt gãy của nó có màu trắng Các bon hòa tan vào sắt và liên kết với sắt thành Xêmentít (Fe3C) không tồn tại graphít, hàm lượng các bon chứa 3÷3,5%

Gang trắng có đặc điểm :

- Thành phần chứa ít Si

- Cơ tính rất cứng và giòn không gia công cắt gọt được

Công dụng: Do gang trắng rất cứng nên được làm các chi tiết yêu cầu

độ cứng cao, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, mép lưỡi cày, trục cán, vành ngoài bánh xe lửa, xe gòong Trong thực tế người ta sản xuất gang trắng để luyện thép

Ví dụ: Gang GZ 50-4 có nghĩa là gang dẻo có giới hạn bền kéo 50Kg/mm2 (500MN/m2) độ giãn dài tương đối là 4%

3.3.2 Tính chất

So với gang xám, gang dẻo có độ bền, độ dẻo và độ dai cao hơn Thành phần cácbon trong gang dẻo thấp, nên lượng graphít ít, hơn nữa graphit lại tập trung nên những ảnh hưởng xấu của nó đến cơ tính của gang rất ít

3.3.3 Công dụng

Gang dẻo được sử dụng nhiều trong công nghiệp, để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng lớn và có hình dạng phức tạp như các loại van, con lăn, cần gạt, bánh xe, hộp máy, bánh răng, bánh vít…

Trong trường hợp các chi tiết có hình dạng và cấu tạo không thể đúc bằng thép được thì người ta có thể thay thế bằng gang dẻo

3.4 Gang biến tính

Cơ tính của gang có thể nâng cao lên bằng cách phân bố đều đặn Graphít ở dạng các phiến mỏng Muốn thế, ta phải gia công gang theo một công nghệ đặc biệt gọi là làm biến tính gang và gang nhận được gọi là gang biến tính

Thành phần hóa học của gang biến tính giống như gang xám, chỉ khác

là trước khi rót gang lỏng vào khuôn, ta cho một lượng nhỏ chất biến tính gồm Ferôsilic canxi hoặc Ferôsilic, các chất này tạo lên những trung tâm kết tinh Graphít hóa, do đó các phiến Graphít càng nhỏ

Theo TCVN gang biến tính được ký hiệu MGX và hai chữ số sau đó

Số thứ nhất chỉ giới hạn bền kéo, số thứ hai chỉ giới hạn bền uốn tính theo Kg/mm2

Ví dụ: MGX 32-52 là gang biến tính có giới hạn bền kéo là 32 Kg/mm2

(320 MN/m2) và giới hạn bền uốn là 52 Kg/mm2 (520 MN/m2)

So với gang xám gang biến tính có những tính chất tốt hơn như:

- Độ bền,độ dẻo dai cao hơn

- Kết cấu vật đúc đồng đèu và nhỏ hạt hơn

- Tính chống ăn mòn, chống mài mòn tốt hơn

- Có thể nhiệt luyện để nâng cao cơ tính

- Giá thành chế tạo rẻ

Gang biến tính được sử dụng rộng rãi để chế tạo thân máy, mâm cặp máy tiện, bánh răng chịu tải trọng nhỏ, ống lót xilanh…

3.5 Gang cầu

Gang cầu còn gọi là gang có độ bền cao Theo TCVN gang cầu được

ký hiệu bằng hai chữ GC kèm theo hai con số, con số thứ nhất chỉ giới hạn bền kéo, đơn vị là Kg/mm2 (MN/m2) con số thứ hai chỉ độ giãn dài tương đối tính theo %

Ví dụ: Gang GC 45-5 có nghĩa là gang cầu có giới hạn bền kéo là 45 Kg/mm2 (450 MN/m2), độ giãn dài tương đối 5%

Do Graphít trong gang có dạng hình cầu nên làm cho gang có tính dẻo, dai cao và không làm ảnh hưởng đến sự bền chặtcủa cấu trúc gang Để tạo thành graphít cầu người ta cho thêm vào nước gang lỏng, ngay trước khi rót vào khuôn một lượng nhỏ Magiê và tiếp đó là Ferôsilic

Gang cầu vừa có tính chất của thép vừa có tính chất của gang nó có độ bền cao nhưng độ dẻo và độ dai cũng cao Gang cầu có độ bền cao ngay ở nhiệt độ cao Các chi tiết máy được làm bằng gang cầu có thẻ làm việc bền vững ở nhiệt độ tới 4000C

Độ cứng của gang cầu có thể được nâng cao hơn nữa nếu ta nhiệt luyện

nó

Do có nhiều ưu điểm về cơ tính, nên gang cầu được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế cho thép trong một số trường hợp Gang cầu có thể dùng để chế tạo các chi tiết của ôtô, động cơ đốt trong, các chi tiết của máy công cụ…

3.6 Gang hợp kim

Trên cơ sở các loại gang người ta đưa thêm vào nhiều nguyên tố hợp kim để cải thiện cơ tính của gang Những nguyên tố hợp kim ở đây có tác dụng:

- Hòa tan vào nền cơ bản của gang làm tăng độ bền , độ cứng và tính chống mài mòn của pha cơ sở, với mục đích này người ta dùng các nguyên tố như: Crôm, măngan

- Làm tăng hiệu quả nhiệt luyện như các nguyên tố vanađi, môlípđen, titan

- Làm nhỏ hạt như các nguyên tố titan, nhôm, vanađi…

Gang hợp kim chế tạo phức tạp hơn, giá thành cao nên thường được dùng làm các chi tiết máy quan trọng

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Cho biết các nguyên nhiên vật liệu để luyện gang?

2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến tính chất của gang như thế nào?

3 Trình bày tính chất, ký hiệu, công dụng của các loại gang thường dùng?

Chương 3 THÉP

1 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT–CÁCBON VÀ CÁC TỔ CHỨC CƠ BẢN

Về mặt cấu trúc sắt có hai kiểu mạng tinh thể tồn tại ở những khoảng nhiệt độ phù hợp với mức năng lượng tự do thấp hơn

Dưới 9110C sắt tồn tại mạng lập phương thể tâm ở nhiệt độ thường, thông số mạng a = 2,88 KX, sắt có từ tính, quy ước gọi Fea Đến 7680C sắt mất từ tính a = 2,90kX quy ước gọi là Fea Cả hai loại trên đều có kiểu mạng

là lập phương thể tâm

Từ 9110C đến 13920C chuyển thành mạng lập phương diện tâm ký hiệu Fea a=3,56kX Trên 13920C÷15390C sắt lại chuyển mạng thành lập phương thể tâm nhưng có thông số mạng lớn hơn a = 2,93 kX Trên 15390C sắt chảy

ra tồn tại ở trạng thái lỏng

Các bon chỉ tồn tại ở ba dạng: dạng vô định hình, dạng kim cương và dạng graphít Trong hợp kim sắt – cácbon thì các bon tự do tồn tại dạng graphít, một phần cácbon kết hợp với sắt thành hợp chất hóa học có công thức

Fe3C và gọi là xêmentít

Khi tương tác với sắt các nguyên tử cácbon có thể hòa tan vào sắt, nó nằm xen kẽ ở các lỗ hổng trong mạng tinh thể sắt Số lỗ hổng có hạn nên sự hòa tan của các bon vào sắt chỉ là hòa tan có hạn Kết quả sự hòa tan là tạo thành các dung dịch rắn xen kẽ Nếu sự hòa tan đã bão hòa thì cácbon nằm dưới dạng xementít Hàm lượng cácbon trong xêmentít là 6,67%

1.1 Giản đồ trạng thái Fe-C và chú thích

I 1 I 2

K

R 6,67% 4,3

2,14 0,8

0,02 Q

1.2 Tọa độ “ nhiệt độ- thành phần C “ của các điểm trên giản đồ

Bảng 3-1

0 C

Thành phần cácbon (%)

0 C

Thành phần cácbon (%)

ES: đường giới hạn sự hòa tan của các bon vào Fe?

VQ: đường giới hạn sự hòa tan của cácbon vào Fea

HJB: đường bao tinh: những hợp kim chứa cácbon từ 0,1÷0,5 % khi nguội đến 14490C thì xảy ra phản ứng bao tinh

ECF: đường cùng tinh: những hợp kim chứa cácbon từ 2,14÷6,67% khi nguội đến 11470C thì xảy ra phản ứng cùng tinh

VSK: đường cùng tích: những hợp kim chứa cácbon từ 0,02÷6,67% khi nguội đến 7270C thì xảy ra phản ứng cùng tích

- Pha ferit, ký hiệu F Đó là dung dịch rắn xen kẽ của cácbon trong Fea

Nó tồn tại ở dưới nhiệt độ ứng với đường GSK

- Pha rắn xêmentít, ký hiệu Xe, là hợp chất hóa học của sắt và cácbon, công thức hóa học là Fe3C

1.4.2 Loại hai pha gồm có

- Peclít, ký hiệu P Đó là sản phẩm hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentít, ký hiệu P = (F + Xe) tạo thành khi làm nguội đến nhiệt độ 7270C, lúc ấy Os có 0,8 %C và phản ứng cùng tích

Os ( 0,8% ) 727 0 C ( F + Xe ) Như vậy péclít có hàm lượng cácbon là 0,8% Trong thực tế, có những trường hợp do ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau mà péclít có chứa cácbon cao hoặc thấp hơn 0,8%, ta gọi đó là những péclít giả

- Lêđêburit, ký hiệu Le Đây là sản phẩm của phản ứng cùng tinh xảy ra từ hợp kim Fe-C lỏng có hàm lượng cácbon là 4,3% ở nhiệt độ 11470C

L 1147 0 C ( Os + Xe )

Le Lêđêburit là hỗn hợp cơ học của hai pha ostenit và xêmentít Hỗn hợp này tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ 7270÷11470C Khi hạ thấp nhiệt độ xuống dưới 7270C thì Os ( P + Xe ), lúc ấy lêđêburit là hỗn hợp của péclit và xêmentít Xét vê pha, ở nhiệt độ thường, hợp kim Fe-C chỉ tồn tại hai pha cơ bản là ferit và xêmentit Khi thì chúng đứng riêng lẻ thành từng hạt tinh thể riêng biệt dễ thấy, khi thì chúng tổ hợp với nhau tạo nên péclít và xêmentít

2 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH LUYỆN THÉP

Thép được luyện bằng ba phương pháp:

Lò Mác tanh dùng để luyện thép có chất lượng cao, chứa ít tạp chất có hại và có thể luyện thép hợp kim các loại Lò Mác tanh dùng luyện thép các bon kết cấu để chế tạo những chi tiết có chất lượng bình thường hoặc chất lượng cao và dùng để luyện thép hợp kim các loại Thép lò Mác tanh có chất lượng cao hơn thép lò chuyển, có thể sử dụng một số lượng thép vụn để nấu lại, không đòi hỏi về thành phần hóa học, có thể luyện được thép hợp kim các loại

Luyện thép bằng lò điện là phương pháp sản xuất thép tốt nhất, vì nó không cần dùng ngọn lửa ôxy hóa và không khí ít có khả năng chui vào lò, nên có thể tạo trong lò một môI trường khí trung tính Ở lò điện việc khử ôxy, phốtpho, lưu huỳnh được tiến hành triệt để Lò điện được sử dụng để luyện các loại thép hợp kim, thép gió, thép dụng cụ và các loại thép có yêu cầu đặc biệt, chất lượng cao

3 THÉP CÁC BON

3.1 Khái niệm

Thép cácbon là hợp kim Fe-C với hàm lượng C< 2,14% Như vậy thành phần cơ bản là sắt và cácbon Người ta còn gọi là thép thường để phân biệt với loại thép được gia công kỹ hơn với sự pha chế nhiều nguyên tố khác gọi

là thép hợp kim So với thép hợp kim thì thép cácbon có chất lượng thập hơn Tuy nhiên nó vẫn đáp ứng được nhiều yêu cầu trong kỹ thuật giá thành lại thấp hơn

Thép các bon được sản xuất ra từ các loại lò luyện thép

3.2 Thành phần và ảnh hưởng của các nguyên tố trong thép các bon đến

cơ tính

Như ta đã biết thành phần của thép cácbon là sắt và cácbon Tuy nhiên

do nguyên vật liệu có thành phần phức tạp, do công nghệ sản xuất mà trong thép luôn có một lượng tạp chất Nói chung thành phần thép cácbon nằm trong giới hạn như sau: C< 2,14%; Mn≤ 0,8%; Si ≤ 0,5%; P≤ 0,05%; S ≤ 0,05%; H2

≤ 0.0001÷0,0007%; N2 ≤ 0,01÷0,014%; O2 ≤ 0,01÷0,1% Thép cácbon còn chia thành nhiều nhóm, trong mỗi nhóm lại có nhiều số hiệu, ứng với những thành phần cụ thể hơn Từng nguyên tố sẽ ảnh hưởng khác nhau đến cơ tính của thép

- Ảnh hưởng của Các bon:

Khi thay đổi lượng cácbon trong thép, cơ tính của thép thay đổi rất nhiều, nếu cácbon tăng thì độ bền, độ cứng của thép tăng lên, nhưng làm cho

độ dẻo dai của thép giảm đi

Giới hạn bền cao nhất của thép, ứng với thành phần cácbon vào khoảng 0,8÷1% ,không dùng thép với thành phần cácbon quá 1,4%

-Ảnh hưởng của Mangan, Silíc:

Hai nguyên tố Mangan và Silíc có khả năng hòa tan vào ferit vì vậy làm tăng độ bền cho thép, chúng được coi là những tạp chất có lợi

- Ảnh hưởng của Phốt pho:

Phốt pho là tạp chất có hại, nó chứa sẵn trong quặng sắt và chỉ khử được đến một giới hạn nhất định tùy theo phương pháp luyện, phốt pho ở trong thép làm giảm độ dẻo và làm cho thép giòn

Tuy nhiên có trường hợp phốt pho lại có lợi, khi ta dùng nó để làm tăng

độ giòn, để gia công trên các máy cắt gọt tự động

- Ảnh hưởng của lưu huỳnh:

Lưu huỳnh là tạp chất có hại, nó làm cho thép bị giòn nóng, do đó khó cán ,rèn, dập Lưu huỳnh chỉ có lợi khi ta dùng nó để làm tăng độ giòn, dễ gia công cắt gọt

- Ảnh hưởng của các chất khí:

Ngoài các nguyên tố ảnh hưởng nhiều đến thép như C,Si, Mn, P, S trong thép còn có Ôxy, Nitơ, Hyđrô là các tạp chất có hại, chúng làm thép giòn, cứng

3.3 Phân loại thép cácbon

Trong mỗi lĩnh vực sản xuất hay tiêu dùng , để thuận tiện và đảm bảo những yêu cầu nhất định người ta dựa vào một số đặc trưng của thép để phân

3.3.2 Phân theo mức độ khử Ôxy

FeO + C Fe + CO

Khí CO thoát ra gây sự “sôi” cho thép lỏng Khi dùng cả Fe-Si và bột nhôm làm thuốc khử thì loại bỏ triệt đẻ lượng FeO nên trong thép lỏng không có phản ứng “sôi” mặt thép lỏng yên tĩnh, phẳng lặng nên gọi là thép lắng

3.3.3 Phân loại theo tổ chức thép ở nhiệt độ thường

- Thép cùng tích, hàm lượng C= 0,8%, tổ chức: P

- Thép trước cùng tích, hàm lượng C< 0,8%, tổ chức F + P

- Thép sau cùng tích, hàm lượng C > 0,8%, tổ chức P + XeII

3.3.4 Phân loại theo công dụng

- Thép xây dựng: dùng nhiều trong các công trình xây dựng, không qua nhiệt luyện

- Thép kết cấu: dùng nhiều trong sản xuất cơ khí để chế tạo các chi tiết máy

- Thép dụng cụ: thường là loại thép có hàm lượng cácbon cao, ứng với

tổ chức sau cùng tích, để làm các dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo lường, dụng cụ làm khuôn gia công kim loại bằng áp lực: rèn, dập, kéo

- Thép có công dụng riêng: như thép đường ray, thép lòxo…

Ký hiệu gồm hai chữ CT và sau đó là trị số độ bền giới hạn (KG/mm2)

Ví dụ: CT 38 – Thép cácbon thường nhóm A, trị số độ bền giới hạn 38 KG/mm2 hay 380 MN/m2

Loại này chỉ quy định về cơ tính

cácbon thường có chất lượng thấp hơn cả, tạp chất có hại nhiều hơn, S< 0,06%,

P < 0,07%

Thép cácbon thường được dùng nhiều trong xây dựng làm tấm đan, cốt bêtông, làm cầu và các công trình thép khác Thép nhóm A không quy định rõ thành phần nên không gia công nóng, còn hai nhóm B và C có thể gia công nóng như hàn, rèn… Nhóm B và C có thể dùng làm một số chi tiết máy ít quan trọng

3.4.2 Thép cácbon tốt

Loại thép này được luyện kỹ hơn hàm lượng lưu huỳnh, phốt pho còn lại rất nhỏ: P ≤ 0,035%, S ≤ 0,04% Thép này chủ yếu dùng để kết cấu máy và thường phải qua nhiệt luyện để tăng bền cho chi tiết

Ký hiệu bắt đầu từ C5, C8, C10, C15, C20… C85 Con số sau chữ C chỉ phần vạn cácbon trung bình trong thép

Hiện nay nước ta còn nhập khẩu nhiều loại thép Khi sử dụng thép của nước nào cần tìm hiểu hệ thống ký hiệu và tiêu chuẩn của nước đó Sau đây là

hệ thống ký hiệu của một số nước:

a Hệ thống ký hiệu của Liên Xô cũ

+ Thép cácbon thông dụng có ba nhóm, mỗi nhóm có tám số hiệu:

- Nhóm thứ nhất (tương đương nhóm A của Việt nam) ký hiệu từ CT0 đến CT7 Nhóm này chỉ quy chuẩn về cường độ

- Nhóm thứ hai (tương đương với nhóm B của Việt Nam) Trong ký hiệu có chữ đứng đầu chỉ phương pháp luyện và cũng có tám số hiệu từ 0 đến

7 như:

MCT0, MCT1… MCT7 (thép lò Mác tanh)

БCT0, БCT1…… БCT7 (thép lò Betxơme) KCT0, KCT1,……KCT7 (thép lò chuyển) Nhóm này quy định rõ thành phần hóa học của mỗi số hiệu, nhưng lại không quy định về cường độ

- Nhóm thứ ba: ký hiệu từ BCT0 đến BCT7 Trong nhóm này thép được quy chuẩn đầy đủ cả cường độ và thành phần

+ Thép cácbon tốt: ký hiệu bằng hai con số, bắt đầu từ 05, 08, 10, 15, 20,… 85 Đó là những con số chỉ phần vạn cácbon trung bình trong mác thép Tiếp theo có chữ Л là thép để đúc

+ Thép cácbon làm dụng cụ

Có bảy số hiệu bắt đầu là chữ Y, sau đó là các chỉ số từ 7÷13: Y7, Y8…Y13 Những chỉ số trên chỉ rõ phần nghìn cácbon trong thép Ví dụ Y12

sẽ có 1,2% C Nếu khử tốt được phốt pho và lưu huỳnh thì là loại thép tốt hơn

sẽ ký hiệu thêm chữ A ở cuối cùng Ví dụ Y12A

+ Thép dễ cắt (đôi khi còn gọi là thép tự động) đặc điểm là có thành phần P và S nhiều hơn bình thường, thép giòn dễ gãy phoi khi cắt Ký hiệu có dạng chung như A18, A20,… Con số chỉ phần vạn cácbon

+ Thép đường ray: Thép này có hàm lượng cácbon từ 0,55÷0,65 dùng làm đường ray, nhưng cũng có thể làm một số chi tiết máy

Ký hiệu: P28, P33 v.v chữ số sau chữ P là khối lượng (kg) của một mét đường ray

b Hệ thống ký hiệu của Mỹ

Ở Mỹ có nhiều hệ thống ký hiệu khác nhau để quản lý và tiêu chuẩn hóa các vật liệu kim loại Cụ thể có các hệ thống sau: SAE, AISI, ASTM, UNS, AA, CM

Ví dụ: Hệ thống SAE quy định số 1 là thép cácbon, hai chữ số sau cùng chỉ phần vạn cácbon SAE 1030 thì có 0,30%C

4 THÉP HỢP KIM

4.1 Khái niệm về thép hợp kim

Trong kỹ thuật nhiều trường hợp thép cácbon không đáp ứng được yêu cầu về độ bền hoặc về khả năng chiuj đựng trong những môi trường đặc biệt hoặc cần phải có những tính chất lý hóa đặc biệt v.v Người ta sáng tạo ra thép hợp kim để khắc phục các nhược điểm ấy Trên cơ sở của hợp kim sắt-cácbon người ta tinh luyện cẩn thận để loại bỏ tối đa những tạp chất có hại như: P, S, O2, N2, H2 Đồng thời bổ xung vào một hay nhiều nguyên tố có ích với hàm lượng xác định để nâng cao cơ tính và các tính chất khác theo mong muốn, sản phẩm ta thu được gọi là thép hợp kim Những nguyên tố đưa vào như vậy gọi là nguyên tố hợp kim Những nguyên tố hợp kim thường thấy là:

4.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố kim loại đến tính chất của thép

- Crôm (Cr) được đưa vào thép với thành phần khoảng 1,5÷2,5% ngoài

ra tùy theo các yêu cầu đặc biệt người ta tăng thành phần Cr tới 30%, có tác dụng làm tăng độ cứng và độ bền của thép, Crôm có tác dụng chống ăn mòn cao Thép chứa nhiều Crôm có thể làm thép không gỉ và có từ tính ổn định

- Niken (Ni): Niken làm tăng độ chịu ăn mòn, tăng độ bền, độ dẻo và làm tăng độ chịu va đập của thép Niken có ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép Thép hợp kim (Niva) có 35÷37% Ni có độ giãn dài gần bằng không ở 80÷1000C

- Vonfram (W): Vonfram tạo nên cácbít vonfram rất cứng trong thép, làm cho thép làm việc được ở nhiệt độ cao

- VanađI (V): Làm nhỏ hạt, làm tăng độ cứng và độ bền của thép

- Silic (Si): Khi thành phần Si > 1% làm cho thép có độ bền tăng, nhưng độ dai giảm Khi làm tăng thành phần Si trong thép sẽ làm tăng điện trở và độ thấm từ của thép Silic cũng làm tăng độ đàn hồi và tính chống ôxy hóa của thép

- Mangan (Mn): Nếu Mangan chứa trong thép lớn hơn 1%, nó làm tăng

độ cứng, độ chịu mòn, sức chịu va đập chạm thép

- Môlipđen (Mo): Làm tăng tính chịu nhiệt, tính đàn hồi, giới hạn bền kéo, tính chống ăn mòn và khả năng chống bị ôxy hóa của thép ở nhiệt độ cao

- Côban (Co): Làm tăng tính chịu nhiệt, từ tính và sức chịu va chạm của thép

4.3 Phân loại thép hợp kim

4.3.1 Phân loại theo tổ chức thép sau khi ủ

4.3.2 Phân loại theo tổ chức sau thường hóa của mẫu thử

Quy định của thép sau gia công nóng bằng áp lực (mẫu Ф25mm) gồm có:

- Thép péclit, chứa ít nguyên tố hợp kim

- Thép máctenxit, lượng nguyên tố hợp kim khá cao nên không cần tôi vẫncó tổ chức máctenxit như sau khi tôi

- Thép ostenit, lượng nguyên tố hợp kim rất cao, vùng ostenit mở rộng đến nhiệt độ thường

4.3.3 Phân loại theo nguyên tố hợp kim chủ yếu

Gọi tên thép theo nguyên tố hợp kim chính, ví dụ: thép Crôm, thì nguyên tố crôm là chính, ngoài ra có thể còn nhiều nguyên tố hợp kim khác nữa

4.3.4 Căn cứ tổng lượng các nguyên tố hợp kim trong thép

- Thép hợp kim thấp với tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5%

- Thép hợp kim trung bình với tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim từ 2,5÷10%

ta vẫn sử dụng hệ thống ký hiệu của Nga Gần đây ta cũng nhập ngoại thép của nhiều nước trong khu vực Ở đây chỉ giới thiệu phương pháp ký hiệu của một vài nước

4.4.1 Ký hiệu thép hợp kim của Nga

Hệ thống thép hợp kim gồm những chữ số và chữ caí của Nga với quy định như sau:

+ Mỗi chữ cái đại diện cho một nguyên tố hợp min với quy ước:

+ Chữ số đầu tiên chỉ phần vạn cácbon trung bình Nếu không ghi chữ

số thì có nghĩa là lượng các bon trên dưới 1%

+ Chữ số sau mỗi chữ cái chỉ phần trăm trung bình của nguyên tố hợp kim ấy Nếu không ghi chữ số có nghĩa là hàm lượng xấp xỉ 1%

Khi cung cấp thép kết cấu hợp kim, ở đầu và cuối thỏi hoặc thanh thép

đó được ký hiệu bằng màu sơn để dễ nhận dạng tùy thuộc vào nhóm thép

Thép Mangan Nâu + xanh da trời

Thép crôm- mangan Xanh da trời + đen

Thép crôm – silic Xanh da trời + đỏ

Thép silic – mangan Đỏ + đen

Thép crôm – môlípđen Xanh lá cây + tím

Thép crôm – vanađi Xanh lá cây + đen

Thép niken – molípđen Vàng + tím

Thép crôm – niken Vàng + đen

Thép crôm – niken – vonfram Vàng + đỏ

SAE 1010: Thép cácbon có chứa 0,1%C

SAE 1045: Thép cácbon có chứa 0,45%C

SAE 52100: Thép crôm có chứa 2%Cr, 1%C

SAE 71360: Thép vofram có chứa 13%W và 0,6%C

4.1.3 Công dụng của thép hợp kim

Thép hợp kim là loại vật liệu quí và có vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực sản xuất Thép hợp kim thấp dùng nhiều trong xây dựng hoặc để chế tạo các chi tiết bình thường Thép hợp kim trung bình và cao dùng làm kết cấu máy, chế tạo các chi tiết quan trọng hoặc phải làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt như: Nhiệt độ cao,ăn mòn mạnh, chịu tải lớn…v.v Thép hợp kim còn dùng làm các dụng cụ có độ bền cao, dùng làm dao cắt với tốc độ lớn Thép có điện trở lớn dùng làm dây đốt, thép có độ từ thẩm đặc biệt dùng nhiều trong kỹ thuật điện

5 CHỌN THÉP ĐỂ SỬ DỤNG

Mọi nhiệm vụ thiết kế máy móc và công trình đều dẫn đến việc lựa chọn vật liệu để sử dụng Dùng đúng chủng loại thép có ý nghĩa quan trọng vè kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất Người ta có thể khai thác triệt để các tính năng vật liệu để tiết kiệm trong khi đó vẫn đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của

thiết bị, công trình Trong phạm vi rộng nó còn mang ý nghĩa tiêu chuẩn hóa được sản phẩm có lợi cho việc quản lý kinh tế chung Tuy nhiên ở đây chỉ nêu khái quát những yêu cầu của một số nhóm vật liệu có nhiệm vụ khác nhau rõ rệt, giới thiệu một số mác thường dùng để minh họa Khi thiết kế một chi tiết

cụ thể cần vận dụng những yêu cầu này, với những điều kiện làm việc cụ thể

để chọn ra vật liệu sử dụng thích hợp

5.1 Thép kết cấu

Thép kết cấu được dùng để chế tạo nhiều loại chi tiết máy khác nhau, để sản xuất các cấu kiện cho lắp đặt công trình Để đáp ứng nhiều nhiệm vụ khác nhau, nên thép kết cấu có nhiều loại Tuy nhiên chúng đều có những yêu cầu

cơ bản sau:

- Có độ bền cao để chịu tải trọng tác dụng

- Có độ dẻo dai cần thiết để chịu những tải trọng đột ngột

- Có đủ độ cứng để chống mài mòn

- Nếu tải trọng tác động theo chu kỳ cần có giới hạn mỏi cao

Những yêu cầu tổng hợp trên sẽ được đáp ứng bằng cách hợp kim hóa

và chế độ nhiệt luyện thích hợp Vì vậy thành phần thép kết cấu cũng cần lựa chọn hợp lý Những nguyên tố hợp kim thường có hai loại:

- Loại có tác dụng chủ yếu làm tăng độ bền, thường là các nguyên tố như Crôm, Mangan, Niken, Silic, Molípđen, Vonfram v.v Những nguyên tố này làm tăng độ thấm tôi cho thép, làm bền pha cơ sở Vì vậy hàm lượng của

nó trong thép thường lớn Người ta cũng có xu hướng phối hợp tác dụng của nhiều nguyên tố hợp kim Giới hạn cho phép của các nguyên tố trong thép kết cấu như sau:

5.1.1 Thép xây dựng công trình