Bài giảng Vật liệu học: Chương 5 - Thép và gang

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; Nhóm thép xây dựng; Nhóm thép chế tạo máy; Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy; Hợp kim màu và bột. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng dưới đây để nắm được nội dung chi tiết nhé!

- tăng độ cứng khi %C tăng (0,1%C/25HB)

- làm giảm độ dẻo, độ dai va đập

- làm tăng độ bền và đạt cực đại trong khoảng 0,8-1,0%C sau

………… đó giảm

Thép C (…… )

Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất

• Mangan: Mn có trong thép là do dùng fero Mn khử O2 + quặng

Mn + FeO  Fe + MnO (nhẹ  nổi đi vào xỉ)Tác dụng: hoá bền Ferit (%Mn: 0,5-0,8%)

• Silic: Si có trong thép là do dùng fero Si khử O2 + quặng

Si + FeO  Fe + SiO (nhẹ  nổi đi vào xỉ)Tác dụng: hoá bền Ferit (%Mn: 0,2-0,4%)

• Phốtpho: P có trong thép là do lẫn trong quặng, kết hợp với Fe tạo

……….Fe3P cứng và giòn

Ảnh hưởng: gây hiện tượng bở nguội (%P < 0,05%)

• Lưu huỳnh: S có trong thép là do lẫn trong quặng, kết hợp với Fe

……….tạo cùng tinh (Fe3S + Fe) có nhiệt độ nóng chảy thấpẢnh hưởng: gây hiện tượng bở nóng (%S < 0,05%)

Thép C (…… )

Phân loại thép C

• Phân loại theo độ sách tạp chất có hại (P, S)

- Chất lượng thường: %P < 0,05% và %S < 0,05%

- Chất lượng tốt: %P < 0,04% và %S < 0,04% (lò hồ quang điện)

- Chất lượng cao: %P < 0,03% và %S < 0,03% (lò hồ quang điện)

- Chất lượng rất cao: %P < 0,02% và %S < 0,02% (lò hồ quang điện + điện xỉ )

• Phân loại theo phương pháp khử Oxy

- Thép sôi (khử Oxy chưa triệt để): có nhiều rỗ khí bên trong do chỉ sử dụng FeMn

- Thép lặng (khử Oxy triệt để): thường khử bằng FeMn, FeSi và Al

- Thép nửa lặng (là dạng trung gian của 2 loại thép trên): thường khử bằng Al, FeMn

Thép C (…… )

Phân loại thép C (… )

• Phân loại theo công dụng

- Thép kết cấu: các kết cấu, chi tiết máy chịu tải…

- Thép xây dựng: dùng trong xây dựng, các kết cấu thép…

- Thép chế tạo máy: đòi hỏi chất lượng cao hơn thép xây dựng…

- Thép dụng cụ: dùng chế tạo các công cụ chuyên dùng có yêu cầu độ cứng

và ……….chống mài mòn cao

Thép C (…… )

Ưu điểm của thép C

• Rẻ, dễ kiếm do không đòi hỏi thành phần phức tạp

• Có cơ tính phù hợp với một số trường hợp nhất định

• Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn………so với thép hợp kim

Nhược điểm của thép C

• Độ thấm tôi thấp nền hiệu quả hoá bền nhiệt luyện không cao

• Tính chịu nhiệt độ cao kém

• Không có các tính chất lý, hoá đặc biêt: chống ăn mòn, tính cứng nóng…

Làm thế nào để khắc phục được các nhược điểm trên?

- Độ thấm tôi lớn  chiều sâu lớp hoá bền lớn hơn so với thép C

- Tốc độ nguội tới hạn nhỏ  giảm cong vênh chi tiết

- Độ bền cao hơn hẳn thép C sau khi nhiệt luyện

- Tính công nghệ kém hơn thép C

- Tính chịu nhiệt độ cao:

- Cácbit của nhiều nguyên tố HK có tác dụng ngăn cản sự kết tụ cácbit, phân hoá M

- Tính chất đặc biệt:

- Bền ăn mòn trong nhiều môi trường

- Có từ tình đặc biệt, có sự giãn nở nhiệt đặc biệt…

Thép hợp kim (…)

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

* Hoà tan vào Fe tạo dung dịch rắn

- Với hàm lượng nhỏ (~ vài %): không làm thay đổi cấu hình GĐP Fe-C

- ảnh hướng đến độ cứng của vật liệu

- ảnh hưởng đến độ dai a k

% ng.tố hợp kim 

4100

Thép hợp kim (…)

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

* Hoà tan vào Fe tạo dung dịch rắn

- Với hàm lượng lớn (> 10 %): làm thay đổi cấu hình GĐP Fe-C

 tuỳ thuộc vào nguyên tố HK mà các vùng tổ chức bị thay đổi (10-20% Mn, Ni)

Tạo cácbit mức độ TB

Tạo cácbit mức

độ khá mạnhTạo cácbit mức độ mạnh

Tạo cácbit mức

độ rất mạnh

- Cácbit kiểu Me 6 C: Cr, W, Mo, Fe

- Cácbit kiểu mạng đơn giản MeC (Me 2 C): V, Ti, Zr, Nb

Thép hợp kim (…)

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến nhiệt luyện

Chuyển biến nung nóng khi tôi

Peclít  Austenit, sau đó các loại cácbit hoà tan vào Austenit

Sự phân hoá đẳng nhiệt của Austenit quá nguội

Thép hợp kim (…)

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến nhiệt luyện

Chuyển biến khi ram

Đa số các ng.tố HK có xu hướng cản trở sự phân hoá C ra khỏi M  giữ độ cứng cho thép ở nhiệt độ cạo

Thép hợp kim (…)

 Tác dụng của các nguyên tố HK:

• Khi các nguyên tố HK hoà tan vào dung dịch rắn:

- gây xô lệch mạng trong Fe  cản trở chuyển động của lệch  hoá bền

- tăng tính ổn định của A quá nguội, giảm Vth  chi tiết ít bị cong vênh, biến dạng

• Khi các nguyên tố HK tạo

cácbít:

- khó hoà tan  giữ cho hạt

nhỏ khi nung

- ở nhiệt độ cao nhất định

mới bị tiết ra khỏi M  có

tính cứng nóng cho chi tiết

- sau ram được phân bố dưới

dạng hạt nhỏ mịn, phân tán

 hoá bền

Thép hợp kim (…)

Các khuyết tật của thép HK

Thiên tích

Đốm trắng

Giòn ram loại I (280-350 0 C)

Giòn ram loại II (500-600 0 C)

Thép nửa lặngThép sôi

Theo TC của Nga (ΓOCT)

Thép kết cấu chất lượng thường để làm các kết cấu xây dựng

Thép để làm các kết cấu xây dựng: hệ ASTM

Thép để làm chi tiết máy và dụng cụ: hệ AISI và SAE

Theo TC của US:

xx xx

Loại thép HK %C theo phần vạn

trung bìnhMột số loại thép HK quy ước theo con số:

• Giới hạn mỏi cao

• Tính công nghệ tốt: dễ tạo hình, cắt gọt, gia công tinh…

• Giá thành thấp, phù hợp với yêu cầu sử dụng

• Thành phần hóa học chính xác đảm bảo hiệu quả nhiệt luyện: một số nguyên

tố thường gặp trong thép hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V…

- Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo: 12CrNi3A, 20Cr2Ni4A, 20CrNi2Mo, 18Cr2Ni4Mo

- Thép Cr-Mn-Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi

Đặc điểm: đi từ trên xuống dưới: độ thấm tôi tăng lên, độ bền tăng, độ dẻo dai trong lõi tăng lên

-> hình dáng chi tiết sẽ được chế tạo phức tạp dần lên theo

-> khả năng chịu tải của chi tiết tăng lên

Đặc điểm: đi từ trên xuống dưới: độ thấm tôi tăng lên, độ bền tăng, độ cứng

trong lõi sau nhiệt luyện hóa tốt tăng

-> hình dáng chi tiết sẽ được chế tạo phức tạp dần lên theo

-> khả năng chịu tải của chi tiết tăng lên

Thép đàn hồi

• Nhóm thép C: 0,55% < %C < 0,65

Một số mác điển hình: C65, C70………

- Độ thấm tôi thấp, độ cứng sau nhiệt luyện 35-45HRC

-Các chi tiết có hình dáng đơn giản, chiều dày chi tiết thấp (0,15-8mm)

• Nhóm thép hợp kim:

- Thép Mn: 65Mn

- Thép Si: 60Si2, 60Si2Ni2A……

Đặc điểm: đi từ trên xuống dưới: độ thấm tôi tăng lên, độ bền tăng, độ cứng trong lõi sau nhiệt luyện

-> hình dáng chi tiết sẽ được chế tạo phức tạp dần lên theo

-> khả năng chịu tải của chi tiết tăng lên

Thép kết cấu có công dụng riêng

• Nhóm thép lá giập nguội sâu:

- Tính công nghệ tốt để có thể gia công tạo hình

• Thép làm dao cắt năng suất thấp:

• Thép làm dao cắt năng suất cao (thép gió):

- Đặc điểm: + Có độ cứng rất cao sau nhiệt luyện (65-68HRC)

+ Tính cứng nóng cao (500-650 0 C) -> dùng làm dụng cụ cắt năng

suất rất cao (35-80m/phút) + Có thể tôi thấu chi tiết có tiết diện bất kỳ.

- Ảnh hưởng của các nguyên tố thường gặp:

+ C (0,7-1,5%): hình thành mactenxit và cacbit hợp kim + Cr (~4%): tăng độ thấm tôi

+ W (6-18%): tạo các bit làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn và

tính cứng nóng + Mo: tạo cacbit làm tăng độ cứng……(giống W) -> thay thế cho W + V: tạo cacbit làm tăng độ cứng… (giống W), hạn chế số lượng vì

làm giảm tính mài + Co: cải thiện tính cứng nóng cho thép, hạn chế số lượng do gây

thoát C khi tôi

- Quy trình nhiệt luyện: tôi + ram (3 lần)

- Thép gió với năng suất thường (615-620 0 C): 80W18Cr4V, 85W6Mo5Cr4V

- Thép gió với năng suất cao (630-650 0 C): 85W18Co5Cr4V, 155W12Co5V5Cr4

• Thép làm dụng cụ đo:

- Đặc điểm: + Có độ cứng cao sau nhiệt luyện (63-65HRC)

+ Tính ổn định kích thước cao + Độ nhẵn bóng bề mặt cao.

• Thép làm dụng cụ biến dạng nguội:

- Đặc điểm: + Có độ cứng cao sau nhiệt luyện (58-62HRC)

+ Tính chống mài mòn cao + Độ bền và độ dai cao.

- Thép làm khuôn bé: CD100, CD120

- Thép làm khuôn trung bình: 110Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn

- Thép làm khuôn lớn và cần chống mài mòn cao: 210Cr12, 160Cr12Mo, 130Cr12V

- Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si…

• Thép làm dụng cụ biến dạng nóng:

- Đặc điểm: + Có độ cứng vừa phải, độ bền độ dai cao

+ Tính chống mài mòn cao + Tính chịu nhiệt độ cao.

+ Quy trình nhiệt luyện: tôi + ram cao  tổ chức trôxtit

- Thép làm khuôn rèn: 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo

- Thép làm khuôn ép chảy: 30Cr2W8V, 40Cr5W2VSi

Thép hợp kim đặc biệt

Hàm lượng C: rất thấp 0,1-0,15%C hoặc rất cao > 1,0%C

Thành phần hợp kim: thuộc nhóm hợp kim cao (>10%), thường là hợp kim hoá đơn giản

• Ảnh hưởng đến cơ tính

- tính chống mài mòn cao

- tính chất điện - từ đặc biệt

- làm việc được ở nhiệt độ cao

- có tính giãn nở nhiệt, đàn hồi đặc biệt

Tổ chức tế vi: Austentit, Ferit và Mactenxit ở trạng thái cung cấp

Thép không gỉ

Đặc điểm: là loại thép có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường có tính

ăn mòn mạnh như: axit, bazơ………

Sự ăn mòn kim loại

Thép không gỉ (…)

 là sự phá huỷ kim loại do tác dụng điện hoá hay hoá học

Sự phá huỷ do tác dụng của hoá học  ăn mòn hoá học (ăn mòn khô) do kim loại phản ứng hoá học với môi trường xung quanh

Sự phá huỷ do tác dụng điện hoá do cố sự chênh lệch về điện thế điện cực giữa các vùng  tạo nên các cặp pin ăn mòn

3 quá trình cơ bản của ăn mòn điện hoá:

1 Quá trình anod: kim loại có điện thế điện cực âm hơn bị hoà tan theo

Thép không gỉ (…)

Đánh giá mức độ ăn mòn của kim loại? Dựa vào một trong hai chỉ tiêu đánh giá:

tổn thất khối lượng kim loại (mg/dm2) và tốc độ thâm nhập (mm/năm)

Mức độ bền ăn mòn của các loại vật liệu

1 Độ bền ăn mòn cao: tốc độ thâm nhập < 0,125 mm/năm

2 Độ bền ăn mòn trung bình: tốc độ thâm nhập ~ 0,125-1,25mm/năm

3 Độ bền ăn mòn kém: tốc độ thâm nhập > 1,125mm/năm

Các dạng ăn mòn

- Ăn mòn đều: xảy ra đều trên bề mặt vật liệu  có thể dự đoán tuổi thọ chi tiết

- Ăn mòn lỗ: xảy ra tại các vị trí cục bộ trên bề mặt  khó phát hiện

- Ăn mòn tinh giới: xảy ra tại biên giới hạt  nguy hiểm do có tốc độ ăn mòn thâm nhập lớn

Thép không gỉ (…)

Nguyên nhân ăn mòn của thép?

 Do tổ chức của thép gồm 2 pha (F và Xe)  có sự chênh lệch về điện thế tạo ra các vi pin  ăn mòn điện hoá

 biện pháp nâng cao tính chống ăn mòn cho thép:

• Nâng cao điện thế (F) lên mức gần với Cácbit

• Làm cho thép có tổ chức một pha đồng nhất (F, A)

 biện pháp: hợp kim hoá (Cr, Ni, Mn…)

Thép không gỉ (…)

Thép không gỉ 2 pha (F và cácbit Cr): 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13

12Cr13, 20Cr13: trục bơm, ốc vít không gỉ…

30Cr13 và 40Cr13: lò xo, ổ lăn, dụng cụ phẫu thuật…

Thép không gỉ 1 pha (F): %C ít hơn (0,1-0,2%), %Cr nhiều hơn (17-25%):

08Cr13: dùng trong hoá dầu

12Cr17: thay thế cho thép không gỉ Cr-Ni

15Cr25Ti: thép chịu nhiệt

Thép không gỉ 1 pha (A): %C rất thấp (< 0,08%), %Cr ~ (16-18%) %Ni ~ (6-8%) Ngoài ra còn có thêm một số nguyên tố HK: Ti, Nb, Ta, Mo…để tạo cácbit nhằm ngăn cản tạo cácbit Cr

 chịu được ăn mòn trong môi trường axit HNO3, H2SO4…

Thép không gỉ hoá bền tiết pha:

• Thép bền nóng:

- Đặc điểm: + Làm việc ở nhiệt độ cao nên cần độ bền dão lớn

+ Dễ bị Oxy hóa ở nhiệt độ cao -> thêm các nguyên tố chống ăn cải

thiện bền ăn mòn (Cr) hoặc tạo lớp vảy oxit trên bề mặt (Cr, Si)

- Thép làm xupap xả: 40Cr9Si2 (sau tôi + ram thấp 45-50HRC), 40Cr10Si2Mo,

45Cr14Ni14WMo

- Thép làm xupap nạp: 40CrNi

* Thép có tính chống mài mòn đặc biệt: 130Mn13Đ

+ Thành phần hóa học: Fe, C, Si, Mn, S, P….

(C+Si) ≥ 6% -> C hầu như ở dạng không liên kết (C+Si) ~ 5-6% C nền F-P, một phần C ở dạng LK (C+Si) ~ 4.2-5% C nền P, một phần C ở dạng LK (C+Si) ≤ 4-4,3% C toàn bộ C ở dạng LK

+ Tốc độ nguội : nguội chậm dễ tạo ra graphit dạng tự do -> dễ

tạo thành gang chế tạo máy

Thành phần hóa học của các loại gang

• Gang xám:

- Đặc điểm: + Có độ bền thấp

+ Độ dẻo, độ dai thấp

- Biện pháp nâng cao cơ tính:

+ Làm giảm lượng graphit + Làm nhỏ mịn Graphit + Tạo nền kim loại độ bền cao hơn (hợp kim hóa cho pha nền,

nhiệt luyện tôi + ram)

- Ký hiệu: GX xx -xx:

+ xx giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm 2 ) + xx giới hạn bền uốn tối thiểu (kG/mm 2 )

• Gang cầu:

- Đặc điểm: + Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khác cao (so với gang xám)

+ Độ dẻo, độ dai thấp so với thép nhưng tốt hơn gang xám

- Biện pháp chế tạo bằng biến tính:

+ Dùng chất biến tính: Mg, Ce + Sử dụng thêm FeSi, FeCa để C khó ở dạng liên kết với Fe

- Ký hiệu: GC xx -xx:

+ xx giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm 2 ) + xx độ dãn dài (%)

• Gang dẻo:

- Đặc điểm: + Có độ bền tương đương gang cầu

+ Độ dẻo, độ dai khá cao

GC: Gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu lực lớn và chịu tải trọng

va đập, mài mòn như trục khuỷu, cam, bánh răng… Do rẻ gang cầu được dùng nhiều để thay thế thép và gang dẻo.

GZ: Đây là vật liệu có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang, thậm chí có thể thay thế cho thép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại

gang khác không có khả năng.

Hợp kim màu và bột

Hợp kim màu:………

Hợp kim bột:………

Nhôm (Al)

Đặc tính:

- Khối lượng riêng nhỏ ( ~ 2,7g/cm3)

- Có độ bền chống ăn mòn khá tốt trong

điều kiện thường (khí quyển)

- Độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao

- Tính dẻo rất tốt (aluminium foil)

Nhược điểm:

- Nhiệt độ nóng chảy thấp (6600C)

- Độ bền, độ cứng thấp

 Cải thiện độ bền, độ cứng: hợp kim

hóa., biến dạng, nhiệt luyện…

Nhôm và HK nhôm

Hợp kim nhôm biến dạng:

Nhôm sạch kỹ thuật (>99%)

- Độ bền thấp, độ dẻo cao, dễ biến dạng

- Chống ăn mòn trong điều kiện khí quyển khá tốt

- Có khả năng biến dạng nguội, nóng và tính hàn đều tốt

- Tính chống ăn mòn tốt (anot hóa làm tăng khả năng chống ăn mòn)

Hợp kim nhôm biến dạng:

Hợp kim Al-Cu, Al-Cu-Mg

- Hóa bền được bằng nhiệt luyện (tôi + hóa già)  tăng cơ tính cho vật liệu

- Cơ chế hóa bền Al-Cu (do có sự tiết ra Cu tập trung dưới dạng CuAl2):

+ giai đoạn I: sự bão hòa các nguyên tố hợp kim (Cu) tạo nên các vùng hình đĩa (d ~ 5nm)  xô lệch mạng  hóa bền

+ giai đoạn II: hàm lượng Cu tăng đạt Cu:Al=1:2, các vùng hình đĩa lớn dần lên hình thành pha ’’ (b đạt max) sau đó hình thành tiếp ’ với kích thước lớn hơn (b giảm đi)

+ giai đoạn III: nếu nhiệt độ cao hơn, pha  chuyển dần về cấu trúc của CuAl2 và làm độ bền giảm nhanh chóng

Để xuất hiện CuAl2 làm tăng bền cho hợp kim  tôi + hóa già tự nhiên hoặc hóa giá nhân tạo

- Đặc điểm:

+ Độ bền cao, khối lượng riêng nhỏ  độ bền riêng cao+ Ứng dụng nhiều trong công nghiệp hàng không

Hợp kim nhôm biến dạng:

Hợp kim Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg

- Các pha hóa bền: Mg2Si , MgZn2, Al2Mg3Zn3

- Đặc điểm:

+ Độ bền thấp hơn hệ Al-Cu-Mg+ Độ dẻo cao

+ Tính hàn tốt

Dùng chế tạo các khung nhôm định hình, cánh cửa, tường, vách ngăn……

Hợp kim Al-Si-Mg (Cu):

- Đặc điểm:

+ Hàm lượng Si cao hơn(5-20%)+ Sử dụng thềm Mg tạo thêm pha hóa bền làm tăng cơ tính, Cu làm

tăng tính đúc+ Chất biến tính thường sử dụng: 2/3 NaF + 1/3 NaCl

 Chế tạo piston, nắp máy…………

Đồng và HK đồng

Đồng (Cu)

Đặc tính:

- Có độ bền chống ăn mòn khá tốt trong

điều kiện thường (khí quyển)

- Độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao

- Tính dẻo rất tốt

- Tính hàn khá tốt trong điều kiện ít oxy

Nhược điểm:

- Khối lượng riêng khá lớn ( ~ 8,94g/cm3)

- Khó gia công cắt gọt (rất dẻo)

- Latông 2 pha ( + )

+ Zn (40%): làm các chi tiết cần độ bền cao hơn so với latông 1 pha:

van hơi, bulông đai ốc……

Với Latông 2 pha có thể thêm Pb cải thiện tính gia công cơ khí

b) Brông nhôm (Cu-Al)

trong hệ thống trao đổi nhiệt, ngưng tụ hơi……

- Brông hai pha:

+ %Al > 9,4%

+ Ứng dụng làm các chi tiết trong hệ thống kết cấu máy bay, dụng cụ thể thao…

c) Brông Berili (Cu-Be)

+ %Be ~ 2%  có độ đàn hồi cao sau tôi + hóa già

+ Ứng dụng làm các chi tiết trong hệ thống đàn hồi

môi trường nhiệt độ cao: sử dụng HK nhôm: Al-Sn

HK bột

Phương pháp chế tạo:

- Tạo bột kim loại (hợp kim)

- Tạo hình chi tiết từ bột vật liệu được chế tạo từ trên

- Thiêu kết

Ưu điểm:

- Hiệu quả sử dụng vật liệu trong chế tạo rất cao

- Đảm bảo đồng nhất về chất lượng, tổ chức, kích thước hạt…Nhược điểm:

- Cấu trúc không xít chặt  cơ tính không cao