Bài giảng Vật liệu học: Chương 5 - ThS. Hoàng Văn Vương

Bài giảng Vật liệu học: Chương 5 Thép và gang, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Khái niệm về thép C và thép hợp kim; Thép xây dựng; Thép chế tạo máy; Thép dụng cụ; Thép và hợp kim đặc biệt; Gang. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Chương 5 Thép và gang

20-June-12

Chương 5 Thép và gang

5.1 Khái niệm về thép C và thép hợp kim

5.2 Thép xây dựng

5.3 Thép chế tạo máy

5.4 Thép dụng cụ

5.5 Thép và hợp kim đặc biệt

5.6 Gang

20-June-12

5.1.1 Thép cacbon

a) Thành phần hóa học

- Hợp kim của Fe-C: C (< 2,14%),

Mn (< 0,8%), Si (< 0,4%) tạp chất có lợi;

P, S (< 0,05%) tạp chất có hại

b) Ảnh hưởng của nguyên tố C

- Ảnh hưởng đến tổ chức:

+ %C < 0,02%: thuần F

+ 0,02% < %C < 0,8%: F + P

+ %C = 0,8%: 100% P

+ %C > 0,8%: P + XeII

- Ảnh hưởng đến cơ tính:

+ Tăng %C, độ cứng tăng

giảm độ dẻo, độ dai va đập

+ Tăng độ bền,

đạt cực đại %C = 0,8-1,0%

20-June-12

Trang 2

b) Ảnh hưởng của nguyên tố C

- Công dụng của thép theo %C:

+ Thép C thấp (%C < 0,25%): độ dẻo, độ

dai cao; độ bền, độ cứng thấp

Kết cấu xây dựng, tấm dập sâu

+ Thép C trung bình (0,3-0,5%C): cơ tính

tổng hợp cao, làm chi tiết máy chịu tải

trọng tĩnh và va đập cao

+ Thép C khá cao (0,55-0,65%C): giới

hạn đàn hồi cao nhất, chi tiết đàn hồi

+ Thép C cao (%C > 0,7%): độ cứng

cao, chịu mài mòn tốt; làm dụng cụ cắt,

khuôn dập, dụng cụ đo

20-June-12

c) Ảnh hưởng của nguyên tố tạp chất

- Mn (0,5-0,8%): khử oxy, hòa tan vào F hóa bền pha F:

Mn + FeO  Fe + MnO

- Si (0,2-0,4%): khử oxy triệt để và nâng cao độ bền của F:

Si + FeO  Fe + SiO2

- P (< 0,05%): kết hợp với Fe tạo Fe3P cứng giòn, gây bở nguôi

- S (0,05%): kết hợp với Fe tạo hỗn hợp cùng tinh (Fe2S + Fe) có nhiệt

độ nóng chảy thấp, bở nóng

- Phân loại theo độ sạch của tạp chất:

+ Chất lượng thường: %(P,S) < 0,05%

+ Chất lượng tốt: %(P,S) < 0,04%

+ Chất lượng cao: %(P,S) < 0,03%

+ Chất lượng rất cao: %(P,S) < 0,02%

20-June-12

c) Ảnh hưởng của nguyên tố tạp chất

- Phân loại theo phương pháp khử oxy:

+ Thép sôi (khử oxy không triệt để), sử dụng FeMn

+ Thép lặng (khử oxy triệt để), sử dụng cả FeMn, FeSi, Al

+ Thép nửa lặng khử bằng FeMn và Al

- Theo công dụng:

+ Thép kết cấu: gồm thép xây dựng và thép chế tạo máy

+ Thép dụng cụ: dùng chế tạo các công cụ chuyên dùng

20-June-12

Trang 3

e) Tiêu chuẩn thép (TCVN)

- Thép kết cấu chất lượng thường để làm kết cấu xây dựng %P

(0,04-0,07%), %S (0,05-0,06%):

+ Phân nhóm A: CTxx

+ Phân nhóm B: BCTxx, quy định thành phần hóa học

+ Phân nhóm C: CCTxx, quy định cả thành phần và cơ tính

- Thép kết cấu chất lượng tốt để chế tạo chi tiết máy P, S < 0,04%

Cxx (A): xx = C trung bình phần vạn, A - chất lượng tốt

- Thép dụng cụ: CDxx (A): xx = C trung bình phần vạn

- Các tiêu chuẩn khác: Nga (OCT), Mỹ (ASTM, AISI, SAE), Nhật (JIS)

20-June-12

f) Ưu, nhược điểm của thép C:

- Ưu điểm:

+ Rẻ, dễ kiếm do không dùng nguyên tố hợp kim đắt tiền

+ Có cơ tính phù hợp với điều kiện thông dụng

+ Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, cắt hơn thép

hợp kim

- Nhược điểm:

+ Độ thấm tối thấm nên hiệu quả hóa bền không cao

+ Tính chịu nhiệt độ cao kém

+ Không có tính chất hóa lý đặc biệt: tính cứng nóng,

chống ăn mòn

20-June-12

5.1.2 Thép hợp kim

Mn  0,8-1,0% Si  0,5-0,8% Cr  0,5-0,8%

Ni  0,5-0,8% W  0,1-0,5% Mo  0,05-0,2%

a) K/n: Thép có chất lượng tốt trở lên

(%P, S < 0,04%) và một số nguyên

tố khác (Cr, Ni, W, Mo, Ti…) với hàm

lượng đủ lớn làm thay đổi tổ chức,

cải thiện tính chất của thép

b) Quy định hàm lượng của các

nguyên tố hợp kim

20-June-12

Trang 4

c) Đặc tính của thép hợp kim

- Cơ tính và tính công nghệ:

+ Độ bền cao hơn hẳn thép C tương đương sau nhiệt luyện

+ Trạng thái không nhiệt, độ bền khác không nhiều so với thép C

+ Độ thấm tôi lớn, tốc độ tôi tới hạn nhỏ

+ Tăng %hợp kim: tăng hiệu quả hóa bền, giảm dẻo dai

+ Tính công nghệ kém hơn thép C

- Tính chịu nhiệt độ cao:

+ Cacbit của nhiều nguyên tố hợp kim có tác dụng ngăn chặn sự phân

hóa M, kết tụ cacbit giữ được độ bền, độ cứng ở nhiệt độ cao

+ Có lớp oxyt đặc biệt, sít chặt chống oxy hóa ở nhiệt độ cao

- Tính chất đặc biệt:

+ Bền ăn mòn trong nhiều môi trường

+ Từ tính đặc biệt, tính giãn nở nhiệt đặc biệt

20-June-12

d) Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tổ

chức của thép

- Hòa tan vào vào Fe tạo dung dịch rắn: Mn, Si,

Cr, Ni, Co

+ Với hàm lượng nhỏ:

+ Với hàm lượng lớn (> 10%): Cr mở rộng vùng

; Mn, Ni mở rộng 

20-June-12

d) Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

- Tạo thành cacbit: kết hợp với C tạo thành cacbit: Mn, Cr, Mo, W, Ti

(khả năng tạo cacbit của nguyên tố HK tăng)

Fe(3d 5 ), Mn(3d 5 ), Cr(3d 5 ), Mo(5d 5 ), W(5d 5 ), V(3d 3 ), Ti(3d 2 ), Zr(4d 2 ), Nb(4d 4 )

Tạo cacbit TB Tạo cacbit khá mạnh Tạo cacbit

mạnh Tạo cacbit rất mạnh + Phân loại cacbit:

Xemantit HK: Mn, Cr, Mo, W (1-2%): (Fe,Me) 3 C ổn định hơn, ↑ T tôi

Cacbit phức tạp: Cr, Mn > 10%: Cr7C3, Cr23C6, Mn3C, Ttôi> 1000 0 C

Cacbit kiểu Me 6 C: Cr, W, Mo, khó hòa tan vào , T tôi ~ 1200-1300 0 C

Cacbit kiểu mạng đơn giản MeC (Me 2 C): V, Ti, Zr, Nb (0,1%) rất cứng, ít giòn, không

hòa tan giữ nhỏ hạt, tăng mạnh tính chống mài mòn

20-June-12

Trang 5

e) Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt

luyện

- Chuyển biến nung nóng khi tôi

+ Cacbit HK khó hòa tan vào austenit hơn Xe: ↑ Ttôivà gn

Thép C 1,00%C: Fe3C, Ttôi= 7800C

Thép HK thấp 1,00%C + 1,5%Cr: (Fe, Cr)3C, Ttôi= 8300C

Thép HK cao 1,00%C + 12%Cr: Cr23C6, Ttôi> 10000C

+ Giữ nhỏ hạt: TiC, ZrC, NbC, VC tác dụng mạnh; WC,

MoC: trung bình; Cr, Si, Al: trung tính Riêng Mn làm to hạt

20-June-12

e) Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện

- Tăng tính ổn định của austenit quá nguội và tăng độ thấm tôi

+ Các nguyên tố HK (trừ Co) tăng ổn định  quá nguội, ↓ Vth, ↑ độ thấm

tôi, ↑ hiệu quả hóa bền, ↓ cong vênh

- Tăng lượng austenit dư: Các nguyên tố HK (trừ Co, Al, Si) giảm MS, ↑

 dư

 Thép HK cao phải gia công lạnh, ram nhiều lần

20-June-12

Nhiệt độ tiết ra cacbit ra khỏi M

Cacbít crôm Cr7C3, Cr23C6 ~ 400-4500C

e) Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện

- Chuyến biến khi ram thép

+ Nguyên tố HK, đặc biệt W, Mo, Cr giữ C không tiết ra khỏi M, duy trì

độ cứng ở nhiệt độ cao

 Cacbit không hòa tan:

Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, cứng nóng

Tăng cứng, tính chống mài mòn (hóa cứng phân tán)

Ram nhiệt độ cao hơn (khử bỏ ứng suất, độ dai tốt)

20-June-12

Trang 6

f) Các khuyết tật của thép HK

- Thiên tích: thép HK cao sau khi kết tinh có tổ chức không đồng nhất,

khi cán tạo tổ chức thớ có cơ tính không đồng đều

- Đốm trắng: vết nứt nhỏ dạng đốm trắng trên bề mặt do H2hòa tan vào

thép lỏng, khi nguội nhanh xuống 2000C H2 thoát ra mạnh, gây nứt

- Giòn ram loại I (280-3500C): do M

phân hủy không đồng nhất, tiết ra

cacbit  dạng tấm làm thép bị giòn

(tránh ram nhiệt độ này)

- Giòn loại II (500-6000C): Thép HK

Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn khi ram ở

nhiệt 500-6000C và nguội chậm

thúc đẩy tiết ra các pha giòn ở biên

giới hạt

 Nguội nhanh, hoặc thêm

0,2-0,5%Mo hay 0,5-1%W

20-June-12

g) Phân loại thép HK

- Theo tổ chức cân bằng:

+ Thép trước cùng tích

+ Thép cùng tích

+ Thép sau cùng tích

+ Thép Ledeburit

+ Thép Ferit

+ Thép austenit

- Theo tổ chức khi thường hóa:

+ Thép Peclit

+ Austenit

+ Mactenxit

- Theo tổng lượng ntHK:

+ HK thấp: HK < 2,5%

+ HK TB: 2,5% < HK < 10%

+ HK cao: HK > 10%

- Theo ntHK chính:

+ Thép Cr, Mn, Si + Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo

- Theo công dụng:

+ Thép HK kết cấu + Thép HK dụng cụ + Thép HK đặc biệt

20-June-12

h) Tiêu chuẩn thép HK

- Tiêu chuẩn VN (TCVN 1759-75):

- Tiêu chuẩn Nga (OCT): giống kí hiệu VN, sử dụng kí hiệu riêng cho

các nguyên tố HK, < 1% không hiển thị

20-June-12

Trang 7

- Tiêu chuẩn Hoa Kỳ: AISI, SAE (Society of Automotive Engineers

+ Thép kết cấu: AISI/SAE

Một số loại thép HK quy ước theo con số:

10xx – thép C 40xx, 44xx – thép Mo

15xx – thép C có Mn cao 92xx – thép Si-Mn

61xx – thép Cr-V 50xx, 51xx – thép Cr

72xx – thép W-Cr 3xxx – thép Ni-Cr

+ Thép dụng cụ AISI (American Iron and Steel Institute)

S - thép DC chịu va đập (shock) D - thép DC biến dạng nguội (cold)

T - thép gió W (tungsten) A - thép DC biến dạng nguội,

tôi trong không khí (air) 20-June-12

- Tiêu chuẩn Nhật JIS (Japan Industrial Standards)

SCr - thép kết cấu Cr SNC - thép kết cấu Ni-Cr

SACM - thép Al-Cr-Mo SNCM - thép kết cấu Ni-Cr-Mo

SUJ - thép ổ lăn SUM - thép dễ căt

SUP - thép đàn hồi SUS - thép không gỉ

SUH - thép bền nóng SK - thép dụng cacbon

SKH - thép gió SKS, SKD, SKT – thép dụng cụ HK

20-June-12

5.2.1 Đặc điểm chung – phân loại

Đặc điểm chung

- Đủ độ bền, độ dẻo cao ( ~ 15-30%), độ dai tốt (a k ~ 500kJ/m 2 )

- Dễ uốn, dễ cắt (%C < 0,22%), tính hàn tốt (Cđl< 0,55%)

Phân loại

- Theo thành phần hóa học hay độ bền: thép cacbon thông dụng, thép HK thấp độ bền cao

- Theo công dụng: thép công dụng chung và thép công dụng riêng

5.2.2 Thép thông dụng

- Độ bền không cao (0,2< 300-320MPa), rẻ, đa dạng bán thành phẩm cán nóng (thanh,

ống, góc, hình, lá, tấm, sơi, dây…)

- Theo TCVN 1765-75 chia thép XD thành ba nhóm: ACT(CT), BCT, CCT CT quy định cơ

tính, BCT quy định thành phần, CCT cả hai

20-June-12

Trang 8

5.2.3 Thép HK thấp độ bền cao (HSLA)

- Hợp kim (HK < 2,0-2,5%): ít làm hại tính hàn như: Mn, Si, Cr, Cu (Ni,

B, N), V, Nb làm nhỏ hạt; 0,2-0,3%Cu bền ăn mòn khí quyển

Cu+Ni+V+Mo ~ 1,00% (Mn lên tới 1,00%)

- Độ bền cao hơn (0,2> 300-320MPa)

- Hiệu quả kinh tế cao

- Nhược điểm: tính hàn kém, dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ âm

- Một số mác thép: 14Mn, 60Mn, 15CrSiNiCu (TCVN)

14 Γ, 15XCHД (OCT)

20-June-12

5.3.1 Yêu cầu chung

- Cơ tính: độ bền cao (giới hạn chảy), độ dai va đập lớn, giới hạn mỏi

cao, chịu mài mòn

- Tính công nghệ: dễ biến dạng nóng, dễ gia công cơ, có thể nhiệt

luyện cải thiện cơ tính, tăng độ bền

- Tính kinh tế

- Thành phần hóa học:

+ C và các nguyên tố HK chính: Cr, Mn, Si, Ni;

+ Các nguyên tố HK phụ: Ti, Zr, Nb, V, Mo

+ Hợp kim hóa phúc tạp nhiều nguyên tố có hiệu quả hơn hợp kim hóa

đơn giản

20-June-12

5.3.2 Thép thấm C

Đặc điểm:

- %C thấp (0,10-0,25%) (0,3%), chi tiết chịu tải trọng tĩnh

va đập cao; bề mặt thấm C + tôi va ram thấp chịu mài

mòn mạnh

- Thép C: C10, C15, C20, C25 cho chi tiết

đơn giản d < (10-20), chịu mài mòn

thấp, nhiệt độ thấm thấp (900-9200C),

không tôi trực tiếp (sau thấm thường

hóa + tôi và ram thấp)

- Thép HK: d > (30-50) hình dạng phức

tạp, chịu mài mòn cao; HK hóa bằng Cr

hoặc kết hợp với Ni, Mn, Ti; không HK

riêng Si hay Mn

20-June-12

Trang 9

Các mác thép điển hình:

- Thép Cr: 15Cr, 15CrV, 20Cr, 20CrV Chi tiết nhỏ d = (20-40)mm, nhiệt

độ thấm 900-9200C, do tạo cacbit Cr nên dễ bão hòa C

- Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo: độ thấm tôi tốt hơn, độ bền và độ dai cao

+ Thép Cr-Ni thường: 20CrNi, chi tiết phức tạp (d = 50-75mm) chịu tải

trọng va đập cao

+ Thép Cr-Ni cao: %Ni ~ 2-4%, Cr = 1%; 20CrNi3A, 20Cr2Ni4A, chi tiết

quan trọng d > 100mm, chịu tải trọng nặng, chịu; mài mòn mạnh; đắt

tiền, khó gia công cơ, nhiệt luyện phức tạp

+ Thép Cr-Ni-Mo: thêm 0,1-0,4%Mo tăng độ thấm tôi, 20CrNi2Mo,

18Cr2Ni4MoA thép thấm C tốt nhất, dùng cho chi tiết quan trọng có

tiết diện lớn

20-June-12

Các mác thép điển hình:

- Thép Cr-Mn-Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi, 25CrMnMo, chi tiết

bánh răng ô tô tải trọng nhẹ, cơ tính tương đương thép Cr-Ni dễ cắt

gọt, rẻ tiền hơn, có Mn nên bề mặt thép không bị quá bão hòa C, Ti

giữ cho nhỏ hạt nên nhiệt độ thấm 930-9500C, sau thấm tôi trực tiếp

nên ít biến dạng

20-June-12

5.3.3 Thép hóa tốt

Đặc điểm:

- %C trung bình (0,3-0,5%), chi tiết chịu tải trọng tĩnh

tương đối cao, bề mặt có thể bị mài mòn mạnh

- Cơ tính tổng hợp cao nhất sau khi nhiệt luyện hóa tốt

(tôi và ram cao)

- Nguyên tố HK chính: Cr, Mn (1-2%), Ni (1-4%), Si < 1%

- Nguyên tố HK phụ: Mo, W tránh giòn ram loại II

- Nhiệt luyện:

+ Ủ hoàn toàn cải thiện tính cắt gọt (180-220HB)

+ Tôi + ram cao đạt tổ chức X ram, cơ tính tổng hợp cao,

độ cứng 25-30HRC; gia công tinh đạt kích thước và độ

bóng bề mặt

+ Tôi bề mặt + ram thấp đạt tổ chức M ram độ cứng

(52-58HRC) ở lớp bề mặt, lõi vẫn giữ tổ chức X ram có độ

dẻo dai cao

20-June-12

Trang 10

Các mác thép:

- Thép C: C30, C35, C40, C45, C50, chi tiết

nhỏ d < (20-30mm) hình dạng đơn giản, độ

bền tương đối thấp b= 750-850MPa

- Thép Cr: %Cr = (0,5-1%) 40Cr, 40CrVA, cải

thiện tính tôi (tôi trong dầu, tăng độ thấm tôi),

chi tiết nhỏ tương đối phức tạp

- Thép Cr-Mo: thêm 0,25%Mo chống giòn ram

loại II, tăng độ thấm tôi, 38CrMoA, chi tiết

trung bình d > 50mm tương đối phức tạp

- Thép Cr-Mn, Cr-Mn-Si: Cr, Mn, Si ~ 1,00%,

40CrMn, 40CrMnSi, chi tiết trung bình d =

(50-60); cứng giòn, ít phổ biến

20-June-12

Các mác thép:

- Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo: độ thấm tôi cao, độ dẻo dai tốt

+ Thép Cr-Ni thấp: %Cr, Ni ~ 1%, 40CrNi, chi tiết phức

tạp d = (50-60) bị giòn ram loại II, gia công cắt kém,

ít dùng

+ Thép Cr-Ni cao: 1-2%Cr, 3-4%Ni, (Ni/Cr = 3-4),

30CrNi3A chi tiết quan trọng, d > 100mm (tôi thấu chi

tiết bất kỳ), cơ tính tổng hợp cao, dễ giòn ram II, tính

gia công cắt kém

+ Thép Cr-Ni cao có thêm 0,15-0,4%Mo, tăng độ thấm

tôi, tránh giòn ram II: 38Cr1Ni3MoA, 38Cr2Ni2MoA,

thép chế tạo máy tốt nhất, cơ tính tổng hợp cao nhất

- Thép chuyên dùng thấm N: 1,6%Cr, 0,3%Mo, 1%Al,

38CrMoAlA; nhiệt luyện hóa tốt đạt cơ tính tổng hợp

cao, thấm N tạo nitrit phân tán độ cứng cao

63-72HRC

20-June-12

5.3.4 Thép đàn hồi

Đặc điểm làm việc và yêu cầu cơ tính:

- Chịu tải trọng chu kỳ, chịu va đập cao, không cho phép biến dạng dẻo

- Giới hạn đàn hồi cao: đh/b= 0,85-0,95

- Giới hạn mỏi cao

- Độ cứng khá cao: 35-45HRC, độ dẻo dai thấp vừa phải Thép Cr-Ni,

Cr-Ni-Mo: độ thấm tôi cao, độ dẻo dai tốt

Đặc điểm thành phần hóa học và nhiệt luyện:

- %C = 0,5-0,7%, khi tăng %HK lượng C có thể giảm chút ít 0,55-0,65%

- Nguyên tố HK: Mn, Si ↑đhvà độ cứng, Cr, Ni ↑độ thấm tôi; thường

dùng: 1%Mn, 2%Si, 2%(Cr+Ni)

- Nhiệt luyện: tôi + ram trung bình đạt tổ chức T ram có đhcao nhất

- Cần chống thoát C khi nhiệt luyện, tăng giới hạn bền mỏi bằng phun

bi, cán, ép, kéo nguội sau nhiệt luyện nhằm nâng cao độ nhẵn bóng

bề mặt

20-June-12

Tiêu đề	Chương 5 - Thép Và Gang
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Vật liệu học
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	17
Dung lượng	1,09 MB