giao trình vật liệu cơ khí

VÁÛT LIÃÛU KIM LOAÛI VAÌ NHIÃÛT LUYÃÛN Vật Liệu cơ khí Bài mở đầu TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển công nghiệp nặng.

Bài mở đầu : TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

* Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển

công nghiệp nặng , trong đó ngành chế tạo cơ khí là quan trọng nhất

- Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó kim loại làvật liêu chủ yếu Sở dĩ kim loại là vật liệu được sử dụng chủ yếu của ngành chế tạo cơkhí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu việt hơn hẳn so với các loại vậtliệu khác

- Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệukhác nhau như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , Với các tính năng ngày càng tốt và sản lượngngày càng cao , nhưng vẫn không thay thế hoàn toàn được cho kim loại và hợp kim

- Do đó , bên cạnh việc nghiên cứu thay thế các kim loại và hợp kim bằng các vậtliệu phi kim loại có tính năng thích ứng , người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để tìm ranhững kim loại và hợp kim có những tính năng ưu việt như : Nhẹ , bền , chịu ăn mòn ,chịu nhiệt , chịu va đập ,

* Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang , thép vẫn là trọng tâm của côngnghiệp vật liệu nói riêng và của nền kinh tế quốc dân nói chung đối với tất cả các nước cónền công nghiệp phát triển

PHẦN I VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI

VÀ HỢP KIM

I.1: CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI

I.1.1: Khái niệm về kim loại

Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn được , có tính dẫn điện , nhiệt cao Phươngdiện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường điện tử trong các phản ứng hóa học

I.1.2: Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại

Trạng thái (e) trong nguyên tử được xác định bởi 4 số lượng tử :

n - Số lượng tử chính

l - Số lượng tử quỹ đạo

m - Số lượng tử tử

ms - Số lượng tử Spin

Các (e) chuyển động trong nguyên tử giới hạn , trong những lớp xác định tươngứng với số lượng tử chính

n = 1 , 2 , 3 , K , L , M ,

Trong các lớp này được chia làm nhiều lớp con , tương ứng với số lượng tử quỹđạo

l = 0 , 1 , 2 , 3 , , (n-1) được ký hiệu bởi các lớp : s , p , d , f ,

Mỗi một trạng thái (e) trong nguyên tử tương ứng với một năng lượng xác định Theo cơ học lượng tử thì cấu hình (e) trong nguyên tử được cấu tạo như sau :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14

Phân lớp con : s - Tối đa 2(e)

p - Tối đa 6(e)

d - Tối đa 10(e)

f - Tối đa 14(e)

I.1.3: Liên kết kim loại

Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết ở trong kim loại được gọi là liên kếtkim loại

Liên kết kim loại được mô tả như sau : Ở các nút lưới là cá ion (+) , kim loại trongkhoảng không giữa nút lưới là các (e) tự do tao thành khí điện tử Liên kết kim loại tạothành do lực hút giữa màng các ion (+) với khí (e) Do vậy mà kim loại có tính dẻo

I.1.4: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại

a - Mạng tinh thể và ô cơ bản

- Trong kim loại các kim loại được sắp xếp một cách trật tự tuần hoàn trong khônggian

- Các nguyên tử trong kim loại được sắp xếp một cách có trật tự các nguyên tử đềunằm trên mặt phẳng song song cách đều gọi là mặt tinh thể , tập hợp vô số những mặt tinhthể như thế nó lập thành mạng tinh thể

- Toàn bộ mạng không gian có thể xem như được tạo thành những hình khối nhỏnhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện chung cho toàn mạngnhững ô như vậy gọi là ô cơ bản

b - Các kiều mạng tinh thể thường gặp

* Lập phương thể tâm

Cấu tạo : Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tửnằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hìnhlập phương có một nguyên tử

- Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bảnmạng tinh thể , gọi là thông số mạng Độ lớn đo bằng Ao( Ángtrong ) 1Ao = 10-8 cm

- Các kim loại có kiểu mạng này : Fe, Cr , Mo , W ,

* Lục phương dày đặc

Cấu tạo : Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm

ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng hai nguyên tử nằm ở trung tâmhai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụtam giác

- Các kim loại có kiểu mạng này : Zn, Cu , Mg ,

* Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại

Ở trạng thái rắn khi điều kiện ngoài trời thay đổi ( áp suất , nhiệt độ v.v ) tổ chứckim loại thay đổi theo Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trịthay đổi người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể

a

Ví dụ : Sự chuyển biến thù hình của sắt

* Pha : Là một tổ phần đồng nhất của hợp kim hệ thống chúng có thành phần đồng

nhất cùng trạng thái như : lỏng cùng lỏng , rắn cùng rắn , nhưng phải cùng kiểu mảng Chúng ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia

* Hệ thống (hệ) : Tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng

* Nguyên : Là những thành phần độc lập tạo nên các pha của (Hệ)

I.2.2: Cấu tạo của hợp kim

a - 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 thểtrong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần

a b c

a - Mạng tinh thể của sắt thay thế

b - Mạng tinh thể của dung dịch đặc thay thế

c - Mạng tinh thể của dung dịch đặc xen kẽ

Có hai loại dung dịch đặc :

* Dung dịch đặc thay thế : ( Hb )

Ví dụ : Cu và Ni : Nguyên tử Ni đẩy một số nguyên tử Cu ra khỏi nút mạng tinh thể vàthay thế vào vị trí đó

* Dung dịch đặc xen kẽ : ( Hc )

Nguyên tử của các nguyên tố hoà tan

Ví dụ : C , O2 , Bo , Nằm giữa xen kẽ vào những lỗ hổng của giữa các nút mạng tinhthể của nguyên tố kim loại cơ bản (dung môi)

b - Hợp chất hóa học

Hợp chất có cấu tạo là hợp chất hóa học , khi nguyên tử của các nguyên tố khácnhau , tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạngnhất định và có thành phần hóa học xác định biểu diễn bằng một công thức hóa học

a Vẻ sáng mặt ngoài : Chia ra làm 2 loại : Kim loại màu và kim loại đen

- Kim loại màu và hợp kim đen : Là Fe và hợp kim của Fe với C ( thép , gang )

- Kim loại màu và hợp kim màu : Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại

b Khối lượng riêng : Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích

của vật thể

)(Kg/mV

m

Trong đó : m - Khối lượng của vật thể ( Kg )

V - Thể tích của vật thể ( m3 )

c Trọng lượng riêng : Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể.

V

P

d= ( KG/mm3 hoặc N/mm3 )Trong đó : P - Trọng lượng của vật ( KG, 1KG ~ 10N )

d Tính nóng chảy : Là tính chất của kim loại sẽ chảy loãng khi nung nóng và khi

làm nguội

e Tính dẫn điện : Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim

f Tính truyền nhiệt : Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt

nóng và khi làn nguội

g Tính nhiệt nung : Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên

10C

I.3.2: Tính chất hóa học

a Khái niệm : Tính chất hoá học là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác

dụng hóa học của môi trường xung quanh

b Các đặc trưng :

Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau :

- Tính chống ăn mòn : Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O và O2 của khôngkhí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

- Tính chịu axít : Là khả năng chống lại tác dụng của môi trường axít

I.3.3: Tính cơ học

a Khái niệm : Tính cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống

lại tác dung của lực bên ngoài lên kim loại

b Các đặc trưng cơ bản của cơ tính :

- Độ dẻo : Là khả năng thay đổi được hình dáng của kim loại và hợp kim mà không

bị phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực

- Đô bền : Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi có ngoạilực tác dụng

- Độ cứng : Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục

bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó mộtvật cứng hơn

- Độ đàn hồi : Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dáng hoặctrạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng

I.3.4: Tính công nghệ

a Khái niệm : Tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có

thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm khác nhau

b Các đặc trưng : Tính đúc , tính hàn , tính gia công cắt gọt , gia công áp lực , tính

nhiệt luyện

Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng nhưngtính công nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành phẩm.

Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm cácmẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như : Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng

I.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỬ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

I.4.1: Thử kéo

Thử kéo là qúa trình thử quan trọng để xác định cơ tính của kim loại Khi thử kéo

ta có thể xác định được độ bền , độ đàn hồi , độ dẻo của kim loại và hợp kim

a - Độ bền

Là khả năng của kim loại chống lại lực tác dung của lực bên ngoài mà không bịphá hỏng

Dạng phá hỏng của kim loại là kéo đứt

- Mẩu thử : Có tiết diện tròn , chiều dài L = 10 x Φ

Vậy : Độ bền của vật liệu được xác địnhtheo công thức :

δ =

Fo

P

( N/mm2 )Trong đó :

P - Lực kéo lớn nhất ứng với mẫu bị thắt(N)

F0 - Diện tích tiết diện tại chỗ thắt (mm2 )

Xác định bằng cách : Gọi Pe là lực làm cho mẫu thử không hoàn toàn trở lại nhưchiều dài ban đầu ( Biến dạng này không lớn hơn 0.005% chiều dài , biến dạng dư ).

Độ dẻo được đánh giá bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối

- Độ dãn dài tương đối : δs = 1 100 0

lo

lol

×

−

Trong đó : l0 , F0 - Chiều dài và biến dạng của mẫu trước khi kéo

F1 - Tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt

I.4.2: Thử độ cứng

a - Khái niệm

Độ cứng của kim loại và hợp kim là khả năng chống lại sự lún của bề mặt tại chỗ

ấn vào đó một vật cứng hơn Khi kim loại càng khó lún thì độ cứng càng cao

* Việc thử độ cứng được áp dụng rộng rãi trong sản xuất vì nó đơn giản và nhanh , khi thử độ cứng bề mặt của kim loại phải nhẵn không có các vết nứt , xước , vẩy Nhưvậy kết quả thử độ cứng mới chính xác

b - Phương pháp Brinen

Người ta dùng tải trọng P của máy

ép thử độ cứng , ấn một viên bi bằng thép

đã tôi cứng có đường kính D = ( 2,5; 5;10mm) vào mặt vật liệu thử Giá trị của

P chọn theo vật liệu và giá trị đường kính

D Thép cacbon thấp và gang : P = 30D2 Đồng và hợp kim đồng : P = 10D2

Độ cứng được tính theo công thức :

HB = ( )

2

2 2

d D D D

P F

( Thường phương pháp này đo vật có độ cứng dưới 450 HB )

Trong đó : D - đường kính viên bi (mm)

và tải trọng P

HRC Kim cương : P = 150 kGHRA Kim cương : P = 60 kGHRB dùng viên bi 1,588 (mm) ,

P = 100 kG giá trị độ cứng của phương pháp Rocoen có tính quy ước Cứ mũi đâm sâu0,002 mm thì độ cứng giảm đi một đơn vị

HRC ( hoặc HRA ) =

0,002

hh0

130− − 0

Trong đó : h0 - tải trọng ban đầu

I.5: HIỆN TƯỢNG BIẾN CỨNG BỀ MẶT KIM LOẠI

I.5.1: Khái niệm.

Hiện tượng biến cứng bề mặt kim loại là hiện tượng mà ở bề mặt của chi tiết có độcứng cao hơn so với bên trong

I.5.2: Nguyên nhân.

- Khi đúc, do bề mặt có tốc độ nguội nhanh nên trong tổ chức kim loại các bon tồntại dưới dạng Xêmentít ( Fe3O )

120

P

- Do hiện tượng thoát các bon trên bề mặt phôi khi đúc hoặc rèn làm xuất hiện ứngsuất dư.

- Do khi rèn nhiệt độ rèn và phôi rèn còn thấp , quá nhiệt độ quy định làm mạng tinh thể bị xô lệch quá giới hạn cho phép, lúc đó tạo ứng suất dư

- Do qúa trình nấu luyện hợp kim, lượng tạp chất trong thép hoặc gang không đúng

tỷ lệ nhất định gây sự biến cứng thể tích trong vật liệu Do vậy suất hiện ứng suất dư

I.5.3: Hậu quả của biến cứng.

- Gây khó khăn trong quá trình cắt gọt, giảm năng suất và quá trình gia công

- Làm vỡ, mẻ dụng cụ cắt, gây rung động hệ thống công nghệ, làm giảm độ bềncủa máy, dao

I.5.4: Biện pháp ngăn ngừa và biện pháp khắc phục.

- Ngăn ngừa : Thưc hiện đúng quy trình công nghệ khi đúc hoặc rèn

- Khắc phục : Nếu kim loại và hợp kim bị biến cứng bề mặt, cần tiến hành thườnghóa hoặc ủ trước khi gia công cắt gọt

I.6: GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT VÀ CÁC BON ( Fe - C )

I.6.1: Giản đồ trạng thái ( Fe - C )

Trang 10

δ

A

H J

3 A

0,8 0,02

I.6.2: Tọa độ " nhiệt độ - thành phần C " của các điểm trên giản đồ

Điểm Nhiệt độ 0

C

Thành phần Cacbon % Điểm

Nhiệt độ

Thành phần Cacbon %

ES - đường giới hạn sự hòa tan của C vào Feγ

VQ - đường giới hạn sự hòa tan của C vào Feα

HJB - đường bao tinh : Những hợp kim chứa C ( 0,1 ÷ 0,5 % ) khi nguội đến

14490C thì xảy ta phản ứng bao tinh

ECF - đường cùng tinh : Những hợp kim chứa C ( 2,14 ÷ 6,67 % ) khi nguội đến

- Péc lít : ký hiệu P Đó là sản phẩm hỗn hợp cơ học của F và Xe , ký hiệu P =[F+Xe] tạo thành khi làm nguội đến nhiệt độ 7270C , lúc ấy Os có 0,8 % C và phản ứngcùng tích

Os ( 0,8 % ) 7270C [ F + Xe ]Như vậy , P có hàm lượng C là 0,8 % Trong thực tế , có những trường do ảnh hưởng củanhiều yếu tố khác nhau mà P có chứa C cao hoặc thấp hơn 0,8 % , ta gọi là P giả

- Lê đê bu rít : ký hiệu Le Đây là sản phẩm phản ứng cùng tinh xảy ra từ hợp kim

Fe - C lỏng có hàm lượng các bon là 4,3% ở nhiệt độ 11470C

L 11470C ( Os + Xe ) Le

Lêđêburít là hỗn hợp cơ học của hai pha Ostenít và Xêmentít hỗn hợp này tồn tại trongkhoảng nhiệt độ từ 7270C ÷ 11470C khi hạ thấp nhiệt độ xuống dưới 7270C thì

Os [ F + Xe ] , lúc ấy Lêđêburít là hỗn hợp của Péclít và Xêmentít Xét về pha ởnhiệt độ thường , hợp kim Fe - C chỉ tồn tại hai pha cơ bản là ferít và Xêmentít Khi thìchúng đứng riêng lẽ thành từng hạt tinh thể riêng biệt dể thấy , khi thì chúng tổ hợp vớinhau tạo nên Péclít và Xêmentít

- Những ký hiệu XeI , XeII , XeIII , thực chất đó là các tinh thể Xêmentít ( Fe3C )nhưng kích thước to nhỏ khác nhau , do nguồn gốc sinh ra chúng khác nhau Pha lỏngsinh ra XeI , Pha rắn Ostenít sinh ra XeII , Pha rắn ferít sinh ra XeIII

- Các điểm nhiệt độ A0 , A1 , A2 , A3 , A4 được gọi là các điểm tới hạn , vì qua cácnhiệt độ đó hợp kim thường có những chuyển biến rõ rệt ở bên trong kim loại

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Nêu khái niệm , đặc điểm , liên kết của kim loại ?

2 Nêu cấu tạo của mạng tinh thể kmi loại ?

3 Nêu khái niệm chung của hợp kim ?

4 Nêu cấu tạo của hợp kim ?

5 Nêu tính chất chung của kim loại và hợp kim ?

6 Trình bày phương pháp thử kéo của kim loại và hợp kim ?

7 Trình bày phương pháp thử độ cứng của kim loại và hợp kim ?

CHƯƠNG II GANG

II.1: KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM CHUNG

II.1.1: Khái niệm

Gang là hợp kim của Fe - C , hàm lượng cácbon lớn hơn 2,14% nhưng cao nhấtcũng nhỏ hơn 6,67%C Cũng như thép trong gang chứa tạp chất Si , Mn , S , P và cácnguyên tố khác

II.1.2: Đặc điểm chung

Do có hàm lượng các con cao hơn nên hợp chất của gang ở nhiệt độ thường cũngnhư ở nhiệt độ cao hơn đều tồn tại lượng Xêmen tít cao Đặc tính chung của gang là cứng

và giòn , có nhiệt độ nóng chảy thấp dể đúc

Thành phần hợp chất trong gang gây ảnh hưởng khác với so với thép cácbon Cùng với cacbon , nguyên tố Si thúc đẩy sự Graphít hóa , nghĩa là phân hủy Fe3C thành

Fe và cacbon tự do khi kết tinh Ngược lại Mn cản trở sự Graphít hóa nhằm tạo ra Fe3Ccủa gang trắng Lượng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5 ÷ 3,0% còn Mn thay đổitương ứng với Si ở giới hạn 0,5 ÷ 1,0%

Tạp chất S và P làm hại đến cơ tính của gang Nhưng nguyên tố P phần nào làmtăng tính chảy loãng , tăng tính chống mài mòn do đó có thể có hàm lượng đến 0,1

÷ 0,2% P

Cuối cùng là nguyên tố cacbon : Nguyên tố này tạo ra cùng với Fe các tổ chứctrong gang Cacbon càng nhiều thì Graphít hóa càng mạnh , nhiệt độ chảy càng giảm(nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn của gang thấp nhất khi C = 4,43% ở nhiệt độ 11470C làmtính đúc càng tốt ) Nhưng tăng hàm lượng cacbon sẽ làm giảm độ bền , tăng giòn Vìvậy trong gang xám chẳng hạn , hàm lượng cacbon giới hạn từ 2,8 ÷ 3,5%

II.2: PHÂN LOẠI GANG

II.2.1: Gang trắng

a - Khái niệm

Gang trắng là loại gang có màu trắng do có cacbon nằm ở dạng Xêmentít (Fe3C)

XeII

Có %C < 4,3 - Gang trắng trước cùng tinh P + Le + Xe

%C = 4,3 - Gang trắng cung tinh Le ( P + XeI )

%C > 4,3 - Gang trắng sau cùng tinh Le + XeI

Nhưng hầu hết người ta chỉ dùng gang trắng chứa khoảng 3,0 ÷ 3,5%C vì nhiều cacbongang sẽ giòn

GT là gang mà chứa ít các nguyên tố thúc đẩy sự Graphít hóa Trong thực tế gangchỉ chứa : 3,3 ÷ 3,4%C; 0,4 ÷ 1,2%Si; 0,25 ÷ 0,8%Mn; 0,06 ÷ 0,2%S; 0,05 ÷ 0,2%P

b - Tinh chất

Do cacbon ở dạng Xêmentít (Fe3C) nên gang trắng rất cứng và giòn Thành phần

C trong gang trắng càng lớn thì gang trắng càng lớn và giòn Gang trắng rất cứng nênkhông thể gia công cơ khí được nên chỉ sử dung chi tiết bằng gang trắng ở dạng đúc

c - Công dụng

Do gang trắng rất cứng nên nó được làm các chi tiết yêu cầu có độ cứng cao , làmviệc trong điều kiện chịu mài mòn như các bi nghiền ở trong các máy nghiền quả lô , máylưỡi cày , vành bánh xe

Trong thực tế người ta sản xuất gang trắng để luyện thép và một phần để làm gangdẻo

II.2.2: Gang xám

a - Tổ chức tế vi

Gang xám là gang mà Graphít ở dạng tấm , về tổ chức tế vi gồm có các tấmGraphít phân bố trên nền kim loại Tuỳ thuộc và mức độ Graphít hóa mà ta có mức độgang xám sau :

- Gang xám Ferít là gang gồm các tấm Graphít phân bố trên nền Ferít

- Gang xám Ferít Péclít là gang gồm các tấm Graphít phân bố trên nền Ferít Péclít

- Gang xám Péclít là gang gồm các tấm Graphít phân bố trên nền Péclít

b - Thành phần

3,0 ÷ 3,7%C ; 1,2 ÷ 2,5%Si ; 0,25 ÷ 1,0%Mn là nhân tố gây biến trắng Dễ tạo Xe

< 0,12%S ; 0,05 ÷ 1,0%P

c - Cơ tính

Cơ tính của gang xám được quyết định bởi số lượng kích thước và số lượng phân

bố các tấm Graphít trong gang

Graphít có độ bền δb ≈ 0 Chỗ nào có Graphít thì giống như khuyết tật , lỗ hổng ,vết cắt Sự có mặt của Graphít làm giảm đi rất nhiều sức bền của gang Trong thực tế

δk = ( 1/2 ÷ 1/4 ) δthép Gang xám có δb = 0

d - Các số liệu của gang xám

* TCVN : ký hiệu GX có hai chỉ tiêu δk + δu ( kG/ mm2 )

Gang xám dễ chế tạo , tính đúc tốt , được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp

Dùng đúc các chi tiết phức tạp chịu được va đập mạnh

* Quá trình ủ gang trắng Gang dẻo

II.3.2: Silíc (Si)

Si là nguyên tố ảnh hưởng rất nhiều đến cấu trúc tinh thể của gang , vì nó thúc đẩy

sự tạo thành Graphít hóa do đó trong gang xám thành phần Si cao khoảng 1 ÷ 4,25 %

II.3.5: Lưu huỳnh (S)

S là nguyên tố có hại trong gang , nó làm giảm tính đúc và cơ tính trong gang Slàm giảm độ bền và tăng độ giòn , do đó trong gang S < 0,15%

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Nêu khái niệm và đặc điểm chung của gang

2 Nêu công dụng của các loại gang

3 Nêu thành phần hóa học của các loại gang

4 Cho biết các nguyên tố ảnh hưởng đến tính chất của gang

5 Giải thích ký hiệu sau :

Cų 12 - 28 , Kų 33 - 6 , Bų 80 - 3 , GC 42 - 15 , GX 24 - 44 , GZ 37 - 12

CHƯƠNG III THÉP

III.1: KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI THÉP

III.1.1: Khái niệm

Thép cacbon là hợp kim của Fe - C với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% Ngoài

ra trong trong thép còn chứa một lượng tạp chất như : Si , Mn , S , P ,

III.1.2: Phân loại thép

Thép được phân thành hai loại chính đó là :

- Thép cacbon : Dùng trong các ngành chế tạo máy nói chung và ngành xây dựng

- Thép hợp kim : Dùng chế tạo các dụng cụ cắt gọt , dụng cụ đo , cácchi tiết máy yêu cầu

có độ bền , độ dẻo cao Trong nhóm thép hợp kim có thép hợp kim đặc biệt , là các thép

từ tính , thép không gỉ , thép chịu nhiệt Tuỳ theo lượng P , S chứa trong thép mà người

III.2.2: Phân loại thép cacbon

a - Phân loại theo chất lượng

Tuỳ theo mức độ chính xác thành phần hóa học , mức độ khử hóa chất , người taphân ra 4 loại theo chất lượng sau :

III.2.3: Các loại thép C và ký hiệu

a - Thép chất lượng thường : Gồm có 3 nhóm con

- Nhóm thứ nhất (nhóm A) : Ký hiệu CT + δb min (kG / mm2)

Ví dụ : CT 31 - Thép cacbon thường nhóm A , trị số bền giới hạn 31kG / mm2 hay310N/mm2 CT 33 ; CT 34 ; CT 38

Nhóm A chỉ quy định về cơ tính chứ không quy định về thành phần hóa học

- Nhóm thứ hai ( nhóm B) Ký hiệu có thêm chữ B đứng đầu

Ví dụ : BCT 31 ; BCT 33 ; BCT 34 ; BCT 38

Nhóm B quy định thành hóa học

- Nhóm thứ ba ( nhóm C) ký hiệu có thêm chữ C đứng đầu

Ví dụ : CCT 31 ; CCT 33 ; CCT 34 ; CCT 38

Nhóm C thép có cơ tính như nhóm A và thành phần hóa học thép như nhóm B

Thép cacbon thường , người ta dùng ở dạng đã qua cán nóng thành hình như :Dây , thanh , tấm , chữ U , I , V , So sánh với các loại thép khác thì thép cacbon có chấtlượng thất hơn cả , tạp chất có hại nhiều hơn S < 0,06% ; P < 0,07%

Thép các bon thường được dùng rất nhiều trong xây dựng như : Làm tấm đan , cốt

bê tông , làm các công trình thép khác Thép nhóm A vì không quy định rõ thành phầnhoá học nên không gia công nóng , còn hai nhóm B và C có thể dùng làm một số ít cácchi tiết máy quan trọng

b Thép các bon kết cấu chất lượng tốt , cao

Thép các bon chất lượng tốt , cao được nhiệt luyện rất kỹ do đó hàm lượng P , Scòn lại rất nhỏ ( P ≤ 0,035% ; S ≤ 0,04% ) Thép này chủ yếu dùng làm kết cấu máy vàthường phải nhiệt luyện để tăng độ bền chi tiết

Chú ý : Nếu khử P , S tốt thì ta được loại thép tốt hơn và ký hiệu thêm chữ A ở sau cùng

- Theo TCVN : Chữ CD là con số chỉ lượng C tính theo phần vạn, thêm chữ A chỉchất lượng tốt

VD : CD80 tương đương Y8 ; CD120A tương đương Y12A

Thép dễ cắt ( thép tự động ) : Thép có thành phần P và S nhiều hơn bình thường ,

thép giòn dễ gãy phoi khi cắt Ký hiệu : A18 ; A20 ; Con số chỉ phần vạn các bon

Thép đường ray : Thép này có hàm lượng các bon từ 0,55÷ 0,65 , dùng làm đườngray nhưng cũng có thể làm một số chi tiết máy Ký hiệu : P 28 ; P 33 ; Chữ số P là khốilượng ( kg ) của một mét đường ray

- TC Mỹ : Có nhiều hệ thống ký hiệu khác nhau để quản lý và tiêu chuẩn hóa cácvật liệu kim loại Cụ thể hóa các hệ thống sau : SAE ; AISI ; ASTM ; UNS ;

VD : Hệ thống SAE quy định số 1 là thép các bon và có ký hiệu 4 số 2 số sau chỉ phầnvạn các bon Ký hiệu : SAE 1038 ; SAE 1010 ; SAE 1015

SAE 1010 : Thép chất lượng tốt , cao có 0,1%C

- TC Nhật : Hệ thống quản lý là : IJS Ký hiệu : Sxx C

- Thép hợp kim là loại thép ngoài Fe , C và các tạp chất người ta cố ý đưa và các

nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để thay đổi tổ chức và tính chất của thép

Các nguyên tố , hợp kim thường dùng là : Cr , Ni , Mn , Si , W , V , Mo , Ti

- Tính chất hoá học và tính chất vật lý : Ít bị hoen gỉ và bị ăn mòn trong không khí,trong các môi trường axít, bazơ, muối Đặc biệt thép hợp kim có một số tính chất mà thép

C không có như : Từ tính, giãn nở nhiệt, điện trở cao

III.3.2 Phân loại thép hợp kim

a Phân loại tổ chức ở trạng thái cân bằng ( trang thái sau khi ủ )

b Phân theo tổ chức ở trạng tái thường hóa

- Thép Péclít chứa ít nguyên tố hợp kim

- Thép Máctanxít lượng nguyên tố hợp kim khá cao nên không cần tôi vẫn có tổchức Máctenxít sau khi tôi

- Thép Ostenít lượng nguyên tố hợp kim khá cao , vùng Ostenít mở rộng đến nhiệt

độ thường

c Phân loại theo nguyên tố hợp kim chủ yếu

Dựa vào nguyên tố chủ yếu để gọi tên thép như : Thép Mn , Si , Ni ,

d Phân theo tổng lượng nguyên tố hợp kim

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

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

- Thép hợp kim cao với tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim > 10%

e Phân loại theo công dụng của thép

Nếu gọi số đầu chỉ hàm lượng các bon là x thì :

b TC Nga : Γ0 CT

- Thép kết cấu : Số đầu chỉ hàm lượng các bon theo phần vạn

- Thép dụng cụ : Số đầu chỉ hàm lượng các bon theo phần nghìn

Còn tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng các chữ cái

- Chữ số đầu tiên chỉ loại thép , cụ thể là :

Số 3 - Thép Crôm - Niken Số 8 - Thép Crôm - Niken - Molípđen

Số 4 - Thép Molípđen Số 9 - Thép Silíc - Măngan

Số 5 - Thép Crôm

- Số thứ 2 hoặc cả số thứ 3 chỉ phần trăm nguyên tố hợp kim mang tên thép

- Hai hoặc ba số sau cùng chỉ phần vạn các bon

VD : SAE 1010 - Thép các bon chứa 0,1% C

SAE 1045 - Thép các bon chứa 0,45 % CSAE 52100 - Thép Crôm chứa 2% Cr và 1 % CSAE 71360 - Thép Vônfram chứa 13 % W và 0,6 % C

III.3.4 Công dụng

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

* Ứng dụng một số loại thép :

- Thép Cr - Ni : Được sử dụng rộng rãi nhất vì sau khi nhiệt luyện thép này có độ

cứng , độ bền cao , độ chịu đàn hồi và va đập tốt

VD : Thép 12 XH 3A , 15 XH 3A Dùng để chế tạo các chốt piston , trục cam , bánh răng

Và các chi làm việc chịu tải trọng lớn và tốc độ cao

- Thép Ni : Là thép có độ bền cao , tính đàn hồi và tính dẻo cao Thép Ni dễ hàn ,

rèn và thích hợp cho những công việc gia công khác nhau

- Thép Cr - Si : Có độ cứng và tính đàn hồi cao , sau khi nhiệt luyện dùng để chế

- Cr được đưa vào trong thép với thành phần khoảng 1,5 ÷ 2,5 %

- Cr có tác dụng làm tăng độ cứng và có phần nào làm giảm độ bền của thép

- Cr có tác dụng chống ăn mòn cao , thép chứa nhiều Cr có thể là thép không gỉ và

từ tính ổn định

III.4.2 Niken ( Ni )

- Ni làm tăng độ chịu ăn mòn , tăng độ bền , độ dẻo và làm tăng khả năng chịu vađập của thép

- Ni ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép Thép hợp kim ( inva ) có 35÷ 37 % Ni ,

có độ giãn dài gần như bằng không ở 80 ÷ 1000 C

- Khi thành phần Si > 1% thì ảnh hưởng nhiều đến tính chất của thép Thép chứa 1

÷ 1,5 % Si có độ bền tăng nhưng độ dai giảm

- Khi tăng thành phần Si trong thép sẽ làm tăng điện trở và độ thấm từ của thép Sicũng làm tăng độ đàn hồi và tính chống ôxi hóa của thép

Mo làm tăng tính chịu nhiệt , tính đàn hồi , giới hạn bền kéo , tính chông ăn mòn

và tính bị ôxi hóa ở nhiệt độ cao

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1 : Nêu thành phần hóa học và phân loại thép các bon

Câu 2 : Nêu các loại thép các bon và ký hiệu của chúng

Câu 3 : Nêu thành phần hóa học và đặc điểm của thép hợp kim

Câu 4 : Anh ( chị ) hãy phân loại thép hợp kim

Câu 5 : Nêu ký hiệu của thép hợp kim Giải thích ký hiệu sau : SAE 1015 , SAE 41100 Câu 6 : Nêu sự ảnh hương của các nguyên tố đến tính chất của thép

CHƯƠNG IV NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN

IV.1 NHIỆT LUYỆN

IV.1.1 Khái niệm về nhiệt luyện

a Định nghĩa nhiệt luyện

Nhiệt luyện là công nghệ để gia công kim loại Nọi dung cơ bản của qúa trình này

là biến đổi tổ chức bên trong của kim loại đến một trạng thái yêu cầu và do đó có đượcnhững tính chất của kim loại tương ứng theo ý muốn

Qua nghiên cứu người ta khẳng định rằng , tính chất của kim loại hoàn toàn phụthuộc vào cấu tạo và tổ chức bên trong của nó Do đó bằng bát kỳ cách nào , tạo ra một tổchức nhất định thì cũng thu được những tính chất nhất định tương ứng với tổ chức kimloại đó

Để đạt được tổ chức kim loại theo yêu cầu , công nghệ nhiệt luyện thực hiện 3 thaotác

- Nung nóng kim loại đén nhiệt độ nhất định

, ký hiệu : tn

- Giữ kim loại ở nhiệt độ đó một thời gian

cần thiết , ký hiệu : τgiữ

- Làm nguội kim loại với tốc độ quy định ,

ký hiệu : vnguội

tn , τgiư , vnguội gọi là 3 yếu tố đặc trưng cho

qúa trình nhiệt luyện

Vận tốc nguội tại một thời điểm được biểu

thị bằng giá trị tgα

Trong thực tế để đạt được 3 thông số đặc trưng của nhiệt luyện có thể có những thủthuật chi tiết hơn , nhằm mục đích đảm bảo cho chi tiết không bị biến dạng và thay đổikích thước khi nung nóng , đảm bảo cho sự đồng đều về thành phần và nhiệt độ yêu cầutrước khi làm nguội cũng như đảm bảo chi tiết không bị qúa nguội đột ngột gây ra nứt nẻ ,cong vênh

b Hiệu quả của nhiệt luyện

- Nhiệt luyện làm tăng độ bền cứng cho kim loại , đảm bảo độ dẻo dai cần thiết do

đó tăng tuổi thọ của máy hoặc làm nhỏ nhẹ được máy móc hay công trình mà vẫn đảmbảo được yêu cầu công suất

VD : Thử so sânh trước vă sau khi nhiệt luyện cơ tính của thĩp 30 XΓCA dùng chế tạoôtô mây kĩo , mây bay ,

Câc chỉ tiíu cơ tính Trước khi nhiệt luyện Sau khi nhiệt luyện

18005005

- Nhiệt luyện cải thiện được tính công nghệ kim loại để dễ gia công bảo đảm đượccâc chỉ tiíu kỹ thuật vă tăng năng suất lao động

Cả hai tâc dụng trín đều có mục đích chung lă nđng cao giâ trị sử dụng của mâymóc đồng thời giảm được giâ thănh sản phẩm Chính vì vậy nhiệt luyện lă khđu quantrọng có ý nghĩa to lớn trong ngănh sản xuất cơ khí

IV.1.2 Câc hình thức nhiệt luyện

Có 4 hình thức nhiệt luyện :

a Ủ

- Khâi niệm : Ủ lă phương phâp nhiệt luyện lăm mềm kim loại để dễ cắt gọt , dễdập định hình , khử bỏ ứng suất dư trong kim loại lăm đồng đều thănh phần hoặc lăm nhỏhạt để chuẩn bị cho khđu nhiệt luyện sau cùng Tuỳ theo mục đích cụ thể trong từngtrường hợp người ta có thể quy định thích hợp Nhưng nhìn chung taho tâc của ủ lă :Nung kim loại đến một nhiệt độ nhất định , giữ một thời gian cần thiết ở nhiệt độ đó rồisau đó lăm nguội chậm Thong thường người ta để kim loại nguội cùng với lò hoặc lămnguội trong môi trường dẫn nhiệt kĩm như : Vôi bột , cât nóng

- Câc phương phâp ủ : Có 6 phương phâp ủ

+ Ủ thấp ( Ủ non ) : Nhiệt độ nung tủ = 200 ÷ 300o C phương phâp năy nhằm khử

bỏ ứng suất trong , không lăm giảm độ cứng của chi tiết Ủ non thường ứng dụng cho câcchi tiết sau khi gia công nguội như : Lò xo uốn nguội

+ Ủ kết tinh lại : Thĩp sau gia công bằng âp lực bị biến cứng , hạt kim loại khôngđều người ta cho ủ kết tinh lại Nhiệt độ ủ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại , ủ như vậy khửđược biến cứng , hạt thĩp đồng đều hơn , dẻo dai hơn , phôi dễ gia công câc bước tiếptheo như : Cân , kĩo , cắt gọt ,

+ Ủ không hoăn toăn :

Nhiệt độ ủ đượcnung cao hơn nhiệt độtới hạn AC1 từ 20 ÷ 30o C Thường áp dụng chothép sau cùng tích Khinung đến nhiệt độ ủ

thì chỉ có hạt P OS các mạng XeII bị phá vỡ , khi làmnguội XeII biến thành dạng hạt Tác dụng của phương phápnày là khử ứng xuất trong , phá mạng XeII của thép sau cùngtích , tạo điều kiện dễ cắt gọt

+ Ủ hoàn toàn :

Nhiệt độ ủ được nung caohơn nhiệt độ tới hạn AC3 từ 20

÷ 30o C Thường âp dụngcho thĩp trước cùng tích tổchức ( P + F ) Khi đạt đượcnhiệt độ ủ thì câc pha trước

đó hoăn toăn chuyển thănh OS Khi lăm nguội chậm khửđược ứng suất dư , lăm nhỏhạt , tạo cho thĩp tính dẻo dai

+ Ủ khuếch tân : Nhiệt độ ủ từ 1100 ÷ 1150o C Thĩp hợp kim thường bị thiín tíchmạng , trước khi cân thường phải ủ để lăm đồng đều thănh phần Vì nhiệt độ ủ khâ caonín hạt phât triển to , sau khi ủ thường gia công bằng âp lực rồi ủ hoăn toăn

+ Ủ đẳng nhiệt : Nung chi tiết đến nhiệt độ cần thiết (AC3 + 20 ÷ 30o C ) vă saumột thời gian giữ nhiệt , chi tiết được chuyển sang lò khâc hoặc lăm nguội cùng lò tớinhiệt độ 680 ÷ 700o C Ở nhiệt độ To = 680 ÷ 700o C chi tiết được giữ nhiệt trong lòmột thời gian cần thiết để thănh phần của nó hoăn toăn chuyển sang Pĩclít

* Ủ khâc với thường hóa lă tốc độ lăm nguội của thường hóa gâp hai lần ủ

c Tôi

Có hai hình thức tôi : Tôi xuyín tđm vă tôi bề mặt

- Tôi xuyín tđm :

+ Khâi niệm : Tôi xuyín tđm lăm tăng độ cứng vă độ bền vă độ bền của câc vậtbằng thĩp cả ở mặt ngoăi cũng như ở trong lõi chi tiết

30-500C

t = 50-1000C

Ủ đẳng nhiệt

Vnguội ( Không khí )

Ac1

Ac3

oC

T ( Thời gian )

+ Phương pháp : Nung thép đến nhiệt cao hơn nhiệt độ tới hạn Ac3 hay Ac1 , thépchuyển biến thành OS , giữ nhiệt độ đó một thời gian và sau đó làm nguội thật nhanh trongmôi trường làm guội như : Nước , dầu , dung dịch muối , Sau khi tôi tổ chức của thépđạt đến Máctanxít tổ chức này có độ cứng cao nhất , khi tôi phải làm nguội rất nhanh nên

dễ gây ra nứt vỡ chi tiết

- Tôi bề mặt : Nguyên lý chung

Nung bề mặt chi tiết thật nhanh đến nhiệt độ tôi sao cho trong khi đó phần lớn tiếtdiện phía bên trong lõi chi tiết chưa kịp nóng thì đã làm nguội nhanh Như vậy mặt ngoàiđược tôi còn bên trong lõi chi tiết vẫn dẻo dai

Có nhiều phương pháp nung nóng nhanh như :

+ Dùng dòng cảm ứng với tần số cao , nó giao động từ 1000 Hz đến hàng triệu Hz + Dùng ngọn lửa khí cháy giữa O2 và C2H2 nhiệt độ ngọn lửa có thể lên tới 3200oC.+ Dùng điện trở tiếp xúc

+ Nung chi tiết trong chất điện phân

Nhưng hiện nay có hai phương pháp tôi bề mặt phổ biến nhất là : Dùng dòng cảm ứng với tần số cao và Dùng ngọn lửa khí cháy giữa O 2 và C 2 H 2

* Tôi bằng dòng cảm ứng với tần số cao :

- Nguyên lý nung nóng : Dựa vào đặc tính của dòng cảm ứng xoay chiều là phân

bố mật độ dòng ở mặt ngoài lớn hơn ở trong lõi vật dẫn, tần số dòng cảm ứng càng lớn thìdòng càng tập trung ở lớp mặt ngoài Người ta sữ dụng dòng điện tần số cao nung nóngthật nhanh bề mặt chi tiết

Thiết bị để phát dòng điện tần số cao có thể là máy phát điện, có thể là thiết bịdùng đèn điện tử Khi tôi chi tiết lớn, chiều sâu thấm tôi càng dày ( δ > 2 mm ) thì dùngmáy phát có tần số từ 500 ÷ 15000 Hz, với chi tiết nhỏ cần độ thấm tôi ( δ < 2 mm ) thìdùng hệ thống đèn điện tử có tần số f = 100.000 ÷ 10.000.000 Hz

- Đặc điểm chuyển biến khi tôi cao tần : Tốc độ nung rất lớn do đó tốc độ chuyển

biến pha rất nhanh, thời gian chuyển biến rất ngắn Nhưng nhiệt độ bắt đầu chuyển biếnlại cao hơn so với trường hợp nung bình thường từ 100 ÷ 200oC Khoảng nhiệt độ tôi chophép xê dịch rộng hơn bình thường

- Ưu khuyết điểm của phương pháp :

* Ưu điểm :

+ Thời gian nung rất ngắn, thường chỉ từ 2 ÷ 15 giây nên năng suất rất cao Hạtkim loại nhỏ, bền, ít giòn

+ Chất lượng tôi cao

+ Quá trình tôi dễ cơ khí hóa và tự động hóa

+ Giảm nhẹ được lao động

* Khuyết điểm :