Giáo trình Vật liệu cơ khí được biên soạn với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim để xác định cơ tính vật liệu; Trình bày được thành phần, cấu tạo, tổ chức và tính chất của một số mác thép và gang; trình bày được các phương pháp nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện kim loại và hợp kim từ đó áp dụng cho từng trường hợp cụ thể. Mời các bạn cùng tham khảo!
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc
Khi chế tạo sản phẩm, việc lựa chọn kim loại và hợp kim phù hợp dựa trên các yêu cầu kỹ thuật là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm Để đạt được điều này, cần hiểu rõ các tính chất của kim loại và hợp kim, được đánh giá dựa trên các đặc điểm cơ bản như tính chất cơ học và cơ lý Việc nắm vững các đặc tính này giúp lựa chọn nguyên liệu phù hợp, đảm bảo hiệu quả và độ bền của sản phẩm cuối cùng.
Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu được tác động của các loại tải trọng
Các đặc trưng đó bao gồm: Độ bền:
Là khả năng của kim loại chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá hủy Độ bền được ký hiệu bằng chữ (xích ma)
Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền sau: độ bền kéo (k), độ bền nén (n), độ bền uốn (u)
Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phòng thí nghiệm theo các mẫu ứng với các tải trọng tác động
Trên hình 1.1 giới thiệu sơ đồ mẫu đo độ bền kéo khi đặt ngoại lực P (N) lên một thanh kim loại có tiết diện mặt cắt ngang Fo (mm 2 )
Lực P tăng dần đến khi mẫu đứt, khi đó
Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo Giá trị độ bền được tính theo công thức
Khi lực P tác dụng lên thanh kim loại đạt đến một giá trị nhất định, gây ra lực kéo đủ để làm đứt thanh, điều này chính là giới hạn bền kéo của vật liệu đó Giới hạn bền kéo thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu trước khi thất hại do kéo gãy Hiểu rõ giới hạn bền kéo giúp xác định điều kiện làm việc an toàn và tối ưu hóa thiết kế kỹ thuật của các cấu kiện kim loại.
Tương tự ta có thể đo được độ bền nén và độ bền uốn Đơn vị đo độ bền được tính bằng: N/mm 2 ; KN/m 2 ; MN/m 2 Độ cứng:
Độ cứng của vật liệu thể hiện khả năng chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng, đo bằng phương pháp nén trực tiếp qua các viên bi thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón, hình chóp Khi cùng một lực nén, vết lõm biến dạng càng lớn và sâu cho thấy độ cứng của mẫu kim loại đó càng thấp Đo độ cứng là phương pháp nhanh chóng, đơn giản, giúp xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết Các phương pháp đo độ cứng đều dựa trên việc xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu sau khi chịu tác dụng của tải trọng nén.
Phương pháp đo độ cứng bằng viên bi, còn gọi là phương pháp Brinell, sử dụng tải trọng P để ấn một viên bi bằng thép đã nhiệt luyện, có đường kính D, lên bề mặt vật liệu muốn thử Phương pháp này giúp đánh giá chính xác độ cứng của vật liệu, phù hợp cho các vật liệu có kết cấu dày và không đều Trong quá trình đo, lực tác dụng và kích thước của viên bi được điều chỉnh để thu được kết quả độ cứng chính xác và tin cậy.
Sơ đồ phương pháp đo độ cứng Brinen Độ cứng Brinen được tính theo công thức:
Trong đó: F - diện tích mặt cầu của vết lõm (mm 2)
P - tải trọng nén vào viên bi (N)
HB - Độ cứng Brinen (N/mm 2 ) Độ cứng HB dùng kiểm tra các vật liệu có độ cứng không lớn hơn 450 (kN/m 2 ) Độ giãn dài tương đối (δ%):
Là tỷ lệ tính theo phần trăn giữa lượng giãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu
- lo là chiều dài ban đầu (mm)
- l1 chiều dài tính toán sau của mẫu thử (mm) Vật liệu có độ giãn dài càng lớn thì càng dẻo và ngược lại Độ dai va chạm (ak)
Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng thay đổi đột ngột (hay gọi là tải trọng va đập)
Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đó mà không bị phá hủy gọi là độ dai va chạm
Ký hiệu là ak đơn vị là (J/mm2) hay (kJ/m2)
Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi
Lý tính cơ bản của kim loại gồm có : khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính
Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm 3 vật chất
Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất, là khối lượng riêng của vật chất, thì ta có công thức:
Khối lượng riêng (g/cm³) có vai trò quan trọng trong kỹ thuật, giúp so sánh độ nhẹ của các loại kim loại để lựa chọn vật liệu phù hợp Ngoài ra, ứng dụng của khối lượng riêng còn giải quyết nhiều vấn đề thực tế liên quan đến tính chất vật liệu trong các lĩnh vực công nghiệp và xây dựng.
Ví dụ, những vật lớn như thép đường ray và thép hình khó có thể cân trực tiếp do khối lượng lớn Tuy nhiên, nhờ biết được khối lượng riêng và đo kích thước chính xác, ta có thể tính thể tích của chúng dễ dàng Từ thể tích, chỉ cần áp dụng công thức để tính khối lượng một cách chính xác mà không cần cân trực tiếp các vật này.
Nhiệt độ nung nóng kim loại làm cho nó chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, điều này phụ thuộc vào điểm nóng chảy của từng loại kim loại Sắt nguyên chất có điểm chảy là 1539°C, trong khi gang có điểm chảy từ 1130-1350°C, phụ thuộc vào hàm lượng Carbon trong hợp kim Thép có điểm chảy nằm trong khoảng 1400-1500°C, cũng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng Carbon trong cấu trúc kim loại.
Trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí, tính chất kim loại có vai trò rất quan trọng, đặc biệt đối với phương pháp đúc – phương pháp chế tạo các chi tiết máy tiết kiệm nhất về chi phí Để đạt hiệu quả cao trong quá trình đúc, kim loại cần có khả năng chảy loãng tốt, giúp quá trình đúc diễn ra dễ dàng và chính xác hơn.
Tính chảy loãng của kim loại ở thể lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn sẽ có khả năng chảy loãng tốt hơn khi làm lỏng Do đó, nhiệt độ nóng chảy của kim loại chính là yếu tố quyết định để đánh giá độ chảy loãng của kim loại trong trạng thái lỏng.
Khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng được đo bằng hệ số giãn nở theo chiều dài, phản ánh mức độ mở rộng của kim loại trên mỗi millimeter Hệ số giãn nở của sắt nguyên chất là 0,0000118, trong khi đó của thép là 0,0000120, cho thấy thép có khả năng giãn nở lớn hơn khi nhiệt độ tăng Việc hiểu rõ hệ số giãn nở giúp xác định đặc tính nhiệt của các kim loại, hỗ trợ trong thiết kế và ứng dụng kỹ thuật liên quan đến nhiệt độ cao.
Kim loại có khả năng dẫn nhiệt khác nhau, ảnh hưởng đến tốc độ làm nóng và làm nguội của vật thể Những kim loại dẫn nhiệt tốt sẽ dễ đốt nóng đều và nhanh hơn, đồng thời làm nguội cũng nhanh hơn so với các kim loại dẫn nhiệt kém Các vật có tính dẫn nhiệt thấp đòi hỏi thời gian lâu hơn để làm nóng hoặc nguội hoàn toàn, và quá trình làm nguội nhanh có thể gây ra nứt vỡ Đơn vị đo dẫn nhiệt thường được biểu thị bằng kcalo/m/giờ độ, và trong thực tế, người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của các kim loại dựa trên kim loại tiêu chuẩn để đánh giá chính xác.
Ví dụ : Bạc là kim loại có tính dẫn nhiệt tốt nhất lấy là 1 đơn vị, thì các kim loại khác có
Ag Cu Al Fe Hg
Al, Cu có tính dẫn nhiệt gần băng nhau, gấp 2 lần nhôm, gấp 6 lần sắt
Tính dẫn điện là khả năng truyền dòng điện của kim loại
Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc sau đó đến đồng và nhôm
Nhưng do bạc là nguyên tố đắt tiền nên trong kỹ thuật kim loại được dùng nhiều nhất để làm dây dẫn điện là đồng và nhôm
Các kim loại có tính dẫn điện nhiệt tốt thì dẫn điện cũng tốt
Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại
Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên một độ C
Nhiệt dung của kim loại càng lớn tức là tốn nhiệt lượng cần nhiều mới đốt nóng vật đó lên được
Tính nhiễm từ: là khả năng dẫn từ của kim loại
Chỉ có một số kim loại có từ tính, tức là nó bị từ hóa sau khi đặt trong một từ trường
Fe, Ni và Co là những kim loại từ tính rõ rệt, thể hiện khả năng hút từ mạnh mẽ, khiến chúng được gọi là kim loại từ tính Trong khi đó, hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ, không thể bị ảnh hưởng bởi từ trường Tính chất từ tính của các kim loại này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và công nghệ.
Là độ bền của kim loại và hợp kim đối vói những tác dụng hóa học của các chất khác như: oxi, nước, axit v.v mà không bị phá hủy
Tính chất hóa học cơ bản của kim loại và hợp kim được biểu thị ở 3 dạng chủ yếu sau
Kim loại có tính chịu ăn mòn thể hiện độ bền của vật liệu trước tác động của môi trường như hơi nước và oxy không khí ở nhiệt độ thường hoặc cao Ngoài ra, tính chịu axít mô tả khả năng của kim loại chống lại sự ăn mòn khi tiếp xúc với các loại axít khác nhau Những đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.
Tính chịu nhiệt là khả năng của kim loại duy trì độ bền trước sự ăn mòn của ôxi trong không khí ở nhiệt độ cao Đây cũng đề cập đến khả năng chống lại tác động ăn mòn của các thể lỏng hoặc khí ở nhiệt độ cao, đảm bảo độ bền và độ ổn định của kim loại trong điều kiện khắc nghiệt Khả năng chịu nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn nguyên liệu cho các ứng dụng sử dụng ở môi trường nhiệt độ cao.
Khả năng thay đổi trạng thái của kim loại và hợp kim bằng các phương pháp công nghệ là yếu tố then chốt trong quá trình sản xuất các sản phẩm chất lượng cao Tính công nghệ của quá trình này bao gồm việc ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao tính năng và độ bền của kim loại và hợp kim Việc sử dụng các phương pháp như gia nhiệt, ủ, rèn, cán, hàn và gia công nguội giúp kiểm soát chính xác trạng thái của vật liệu, từ đó tạo ra các sản phẩm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc tế Đổi mới trong công nghệ gia công kim loại góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu lãng phí và thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp chế tạo.
CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
1.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyên chất
Kim loại có cấu tạo tinh thể, với các nguyên tử phân bố theo một quy luật nhất định trong một đơn vị tinh thể ở trạng thái rắn Mỗi loại kim loại có mạng tinh thể riêng biệt, với các nguyên tử sắp xếp theo trật tự hình học xác định, phụ thuộc vào đặc điểm của kim loại và điều kiện bên ngoài Khác với vật liệu phi kim loại có cấu tạo định hình, cấu trúc tinh thể của kim loại mang đặc điểm đặc trưng và góp phần quan trọng vào tính chất vật lý của kim loại đó.
Nhiều mạng tinh thể được sắp xếp thành mạng không gian đồng nhất, trong đó mỗi nút mạng đại diện cho tâm của các nguyên tử Mạng tinh thể không gian này được gọi là đơn tinh thể, phản ánh cấu trúc tổ chức đều đặn và có trật tự của các nguyên tử trong vật chất.
Mỗi mạng tinh thể có đặc trưng riêng Để phân biệt người ta lấy ra phần không giân nhỏ nhất của mạng và gọi là ô cơ bản
Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử của kim loại
Các kiểu mạng tinh thể thường gặp tương ứng có các ô cơ bản như:
Trong bài viết, chúng tôi đề cập đến quá trình lập phương thể tâm (hình 1.4a), lập phương diện tâm (hình 1.4b), và lục phương dày đặc (hình 1.4c) Các loại ô cơ bản này quyết định các thông số mạng, ví dụ như ô lập phương diện tâm có hệ số mạng a = b = c, được đo bằng đơn vị Angstrom (Å), trong đó 1 Å bằng 10^{-8} cm.
Các ô tinh thể cơ bản a Lập phương thể tâm
Trong mạng tinh thể kiểu lập phương cơ bản, các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lập phương và tại trung tâm của khối lập phương, tạo thành cấu trúc đặc trưng Các nguyên tử ở các đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà liên kết qua các nguyên tử trung tâm của khối lập phương, giúp duy trì tính ổn định của mạng tinh thể Các kim loại mang kiểu mạng tinh thể này gồm có sắt α (Feα), crôm (Cr), vonfram, molipđen, và vanadi Ngoài ra, mạng lập phương diện tâm là một dạng cấu trúc khác của mạng tinh thể, góp phần vào tính chất đặc trưng của các kim loại này.
Trong cấu trúc ô cơ bản kiểu mạng này, các nguyên tử được sắp xếp tại các nút (đỉnh) của hình lập phương, đồng thời còn có các nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên của hình lập phương, tạo thành một mạng tinh thể ổn định và đều đặn.
Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà tiếp xúc với nhau qua các nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên
Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe , đồng, côban, niken, chì , bạc c Lục phương dày đặc
Trong cấu trúc mạng này, các nguyên tử được sắp xếp tại các nút mạng của hình lục giác, tạo thành một hệ thống dễ dàng nhận diện và phân tích Hai nguyên tử nằm ở trung tâm của hai mặt đáy, góp phần ổn định cấu trúc và tăng tính liên kết của mạng Đồng thời, ba nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách đều nhau, đảm bảo tính đối xứng và đều đặn của mạng, phù hợp với các tiêu chuẩn về cấu trúc tinh thể và vật lý của vật liệu.
Các kim loại này gồm: kẽm, coban, magiê
Ngoài 3 mạng tinh thể thường gặp trên ta còn gặp nhiều kiểu mạng như chính phương thể tâm, nó chỉ khác lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng hai cạnh kia
1.2.2 Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại Ở trạng thái rắn, khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ v.v) tổ chức kim loại sẽ thay đổi theo Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trị thay đổi Người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể
Ví dụ điển hình về sự biến đổi của nguyên tố Fe thể hiện rõ ràng qua sơ đồ hình 1.5, cho thấy ở mỗi mức nhiệt độ khác nhau, sắt không chỉ thay đổi về cấu trúc (ô cơ bản) mà còn có sự biến đổi về tính chất vật lý Quá trình này phản ánh rõ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến cấu tạo và đặc tính vật lý của kim loại sắt, góp phần nâng cao hiểu biết về quá trình biến đổi khi nhiệt độ thay đổi.
Khi nhiệt độ đạt 1539°C, sắt bắt đầu kết tinh, hình thành tổ chức lập phương thể tâm Đoạn thẳng nằm ngang đầu tiên trên đồ thị thể hiện quá trình này sau khi kim loại nguội đi Sắt đenta có cấu trúc đặc trưng với thông số mạng là 2,93 Å, phản ánh rõ tính chất tinh thể của hợp kim sắt ở giai đoạn kết tinh này.
Tổ chức tinh thể này giữ đến nhiệt độ 1392 o C sau đó có tổ chức là gama có dạng lập phương diện tâm với thông số mạng là: 3,26 A o
Dưới nhiệt độ 911°C, tổ chức sắt gamma (Feγ) không ổn định và chuyển thành sắt beta (Feβ) hoặc sắt alpha không từ tính có cấu trúc mạng lập phương diện tâm với thông số mạng là 2,9 Å Quá trình chuyển biến này đóng vai trò quan trọng trong sự thay đổi cấu trúc và tính chất của sắt khi nhiệt độ thay đổi Hiểu rõ về sự chuyển đổi các dạng cấu trúc của sắt giúp tối ưu hóa ứng dụng của kim loại trong công nghiệp.
Dưới nhiệt độ 768 o C sắt bêta chuyển thành sắt anpha có từ tính Mạng tinh thể của sắt anpha(Fe ) và Fekhác nhau ở thông số mạng
Sơ đồ biểu thị sự biến đổi mạng tinh thể của Fe
1.2.3 Sự kết tinh của kim loại
Khi kim loại lỏng chuyển sang kim loại rắn được gọi là sự kết tinh
Kim loại nguyên chất kết tinh theo một quá trình gồm nhiều giai đoạn
Khi hạ dần nhiệt độ của vật thể xuống đến một mức nhất định, các trung tâm kết tinh (tâm mầm) bắt đầu hình thành, ảnh hưởng quan trọng đến quá trình lưu huỳnh Các tâm mầm này có thể xuất phát từ các phân tử tạp chất không nóng chảy như bụi tường lò hoặc chất sơn khuôn, góp phần thúc đẩy quá trình kết tinh Tâm mầm có vai trò rất có lợi trong việc kiểm soát quá trình kết tinh và ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.
Tâm mầm tự sinh hình thành do sự biến đổi nội năng khi nhiệt độ thay đổi, đặc biệt trong quá trình kết tinh Số lượng tâm mầm tự sinh tăng lên đáng kể khi độ nguội càng lớn, trong đó độ nguội được xác định là hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết và nhiệt độ kết tinh thực tế Hiểu rõ quá trình tự sinh của tâm mầm giúp tối ưu hóa quá trình kết tinh và kiểm soát chất lượng sản phẩm.
Các tâm mầm phát sinh trong quá trình phát triển và làm giảm dần pha lỏng cho đến khi hoàn toàn chuyển thành rắn, như minh họa trong hình 1.6 b, c Các đơn tinh thể (hạt) kết tinh theo các hướng khác nhau, tạo thành cấu trúc tinh thể đa dạng và đồng nhất trong quá trình hình thành vật liệu.
Ranh giới giữa chúng gọi là tinh giới Tại tinh giới, đơn tinh thể chứa tạp chất và có mạng bị xô lệch a b c
Quá trình kết tinh của kim loại Đối với mỗi kim loại nguyên chất, bằng thí nghiệm người ta xác định được bằng một đường nguội nhất định
Chúng có dạng chung như hình 1.7 Mỗi kim loại có giá trị nhiệt độ kết tinh (t 0 kt) xác định
Hình 1.7: Đường nguội của kim loại nguyên chất
1.2.4 Tổ chức của hợp kim a Khái niệm về hợp kim
Hợp kim được ứng dụng rộng rãi trong thực tế do sở hữu các tính chất đặc biệt phù hợp với các nhu cầu đa dạng như cơ tính, lý tính, hóa tính và tính công nghệ Trong khi đó, kim loại nguyên chất thường không đáp ứng được các yêu cầu này, khiến hợp kim trở thành lựa chọn ưu việt trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và sản xuất.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP
Tính chất của kim loại và hợp kim được biểu thị bởi các tính chất: cơ học, lý học, hóa học và tính công nghệ
Trong công nghệ cơ khí, việc đánh giá tính chất cơ học của vật liệu kim loại và hợp kim là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực của sản phẩm Để xác định các đặc tính này, các nhà khoa học tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm dựa trên các mẫu vật liệu thí nghiệm Một số phương pháp đánh giá tính chất cơ học phổ biến bao gồm thử kéo, thử nén, thử uốn và thử va đập, giúp phân tích độ dẻo, độ cứng và khả năng chịu tải của vật liệu một cách chính xác.
1.3.1 Đánh giá độ bền kéo của vật liệu kim loại và hợp kim
Thử kéo là quá trình quan trọng giúp xác định các đặc tính cơ học của kim loại như độ bền kéo, độ đàn hồi và độ dẻo Để xác định giá trị độ bền kéo của vật liệu kim loại, cần phải chế tạo mẫu thử theo các tiêu chuẩn quy định của từng quốc gia Mẫu thử tại Việt Nam thường có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật, sau đó được kẹp trên máy kéo hoặc máy kéo vạn năng hoạt động bằng cơ khí hoặc thủy lực để tiến hành kiểm tra.
Mẫu thử kéo và sơ đồ nguyên lý máy kéo
Nhờ áp lực dầu thủy lực được hiển thị trên đồng hồ C, pittông A kéo mẫu B đồng thời máy vẽ biểu đồ mô tả quá trình kéo Khi kéo, chiều dài mẫu tăng dần, trong khi chiều ngang giảm dần, đến điểm D mẫu bị thắt lại và chịu lực kéo lớn nhất Sau điểm D, lực không tăng thêm nữa, nhưng mẫu vẫn tiếp tục giãn đến điểm M rồi đứt.
Biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu Như vậy độ bền của vật liệu được xác định theo công thức
Trong đó: - P: lực kéo lớn nhất ứng với lúc mẫu bị thắt (N)
- F0: diện tích tiết diện tại chỗ thắt (mm 2 )
- TL: giới hạn tỷ lệ
- ĐH : giới hạn đàn hồi
1.3.2 Đánh giá độ cứng của vật liệu kim loại và hợp kim
Kim loại và hợp kim khác nhau sẽ có độ cứng khác nhau: như kim loại màu và hợp kim màu, thép cacbon thấp… Có độ cứng thấp
Thép sau khi nhiệt luyện hoặc thấm cacbon có độ cứng cao, giúp tăng khả năng chịu lực và chống mài mòn Để đánh giá chính xác độ cứng của các loại thép này, người ta thường sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau nhằm đảm bảo kết quả chính xác và phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Các phương pháp đo độ cứng phổ biến bao gồm thử đo theo tiêu chuẩn Rockwell, Vickers và Brinell, giúp xác định khả năng chống biến dạng và mài mòn của thép sau quá trình gia công nhiệt Việc lựa chọn phương pháp đo phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm thép sau nhiệt luyện hoặc thấm cacbon.
Máy ép thử độ cứng sử dụng tải trọng P để ấn vào viên bi thép đã được tôi cứng với đường kính D (2,5; 5; 10 mm) nhằm đo lường độ cứng của vật liệu thử Quá trình này giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của vật liệu trong các ứng dụng thực tế Các viên bi thép cứng đảm bảo độ chính xác của kết quả đo, đồng thời giảm thiểu tác động của yếu tố ngoại lai trong quá trình kiểm tra độ cứng vật liệu.
Giá trị của P chọn theo vật liệu và giá trị của đường kính D:
Thép cacbon thấp và gang thường được đo độ cứng bằng phương pháp Brinell, trong đó sử dụng tải trọng của máy thử để ấn viên bi thép lên bề mặt mẫu, như được minh họa trong hình 1.11 Độ cứng Brinell được tính dựa trên công thức cụ thể, phản ánh chính xác khả năng chống trầy xước và độ cứng của vật liệu Đặc biệt, các hợp kim đồng và đồng có trị số độ cứng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ dẻo dai cao, và phương pháp đo này giúp đánh giá chính xác đặc tính cơ học của chúng Thứ tự tính toán dựa trên công thức P = 30D² cho thép cacbon thấp, P = 10D² cho gang, giúp phân loại và kiểm tra chất lượng vật liệu hiệu quả.
Trong đó: - P là lực đặt vào viên bi
- F là diện tích của mặt lõm có hình cầu vết lõm có đường kính d
Sơ đồ đo độ cứng Brinen
Để tính độ cứng của viên bi, ta gọi đường kính viên bi là D, đường kính vết lõm là d và chiều sâu của vết lõm là hth Công thức tính độ cứng dựa trên phương pháp Brinell được xác định dựa trên các kích thước này, phù hợp để đánh giá chất lượng vật liệu chính xác và tin cậy Phương pháp Brinell là tiêu chuẩn phổ biến trong đo độ cứng, dựa trên việc tạo vết lõm trên bề mặt mẫu vật bằng một viên bi có đường kính nhất định Đánh giá độ cứng theo phương pháp này dựa trên kích thước của vết lõm và chiều sâu của nó, giúp xác định chính xác đặc tính cơ học của vật liệu.
Đường kính vết lõm, d, cần thoả mãn điều kiện 0,2D < d < 0,6D để đảm bảo độ chính xác trong đo Độ cứng HB được sử dụng để đo các vật liệu có độ cứng thấp, dưới 4500N/mm², như gang, thép, đồng, nhôm Phương pháp đo độ cứng Rocoen là một trong những phương pháp phổ biến trong thực hành kiểm tra vật liệu.
Phương pháp này sử dụng lực để ép đầu thử lên mẫu, trong đó đầu thử có thể là viên bi thép đường kính 1,587 mm hoặc mũi côn kim cương góc đỉnh 120 độ Đồng hồ đo trên máy thử có 3 thang đo A, B, C, tương ứng với các lực P1 = 60kg, P2 = 100kg, P3 = 150kg, mỗi thang đo được ký hiệu hoặc đơn vị lần lượt thể hiện mức độ lực áp dụng.
Thang A lực thử P1, mũi kim cương Ký hiệu (đơn vị): HRA
Thang B lực thử P2, mũi thử là viên bi bằng thép Ký hiệu (đơn vị): HRB
Thang C lực thử P3, mũi kim cương Ký hiệu (đơn vị): HRC
Trong khi thử độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ Số đo độ cứng Rocoen được biểu thị bằng đơn vị quy ước
Sơ đồ đo độ cứng Rocoen
Dưới tác dụng của hai lần lực nhấn, lần đầu là 10 kG giúp mũi nhọn lún xuống độ h, trong khi lần thứ hai với lực 60, 100 hoặc 150 kG khiến mũi nhọn lún sâu hơn, tạo ra độ chênh lệch h₂ - h = h₁ thể hiện sự khác biệt về độ lún giữa hai lần nhấn Độ cứng của vật liệu được đặc trưng bởi chỉ số Rocoen (kí hiệu HR), với 1 HR tương đương với độ lún 0,002mm.
Máy thử độ cứng Rocoen có một mặt số với kim chỉ kết quả của độ cứng đo được trên mặt số đó có 2 thang chia
Thang chia C chữ đen dùng mũi nhọn kim cương với lực nhấn 150kG, trong khi thang chia B sử dụng viên bi với lực nhấn 100kG Đối với lực nhấn 60kG, ký hiệu trên thân chia là chữ A Khi đo độ cứng Rocoen, cần ghi rõ đơn vị độ cứng như HRA, HRB hoặc HRC để bảo đảm tính chính xác và rõ ràng trong kết quả đo lường.
Thang đo A được sử dụng để đo các vật liệu cứng và mỏng, thường là hợp kim cứng hoặc thép đã tôi Trong khi đó, thang đo C phù hợp để đo các vật liệu cứng và dày hơn, thường là thép đã tôi như dùng trong khuôn dập Việc chọn đúng thang đo giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình kiểm tra vật liệu.
Thang B dùng để đo các vật liệu mềm, kích thước nhỏ và trung bình và thường là các thành phẩm (kim loại màu hoặc thép đã ủ hoặc thường hóa)
Bảng 1 Chọn thang đo độ cứng Rocoen và Brinen Độ cứng
Ký hiệu độ cứng Rocoen
Giới hạn cho phép của thang Rocoen
Viên bi thép Mũi kim cương Mũi kim cương
> 70 c Phương pháp đo độ cứng Vicke
Dùng mũi kim cương hình chóp đáy vuông với góc giữa hai mặt đối xứng là 136 độ để thử nghiệm, áp dụng lực tải trọng từ 5 đến 120 kg, thường là các mức 5, 10, 20, 30, 50, 100 và 120 kg Độ cứng Vickers (HV) được ký hiệu bằng đơn vị kG/mm² và dùng để đo độ cứng của vật liệu.
Sơ đồ đo độ cứng Vicke
1.3.3 Đánh giá độ dai va đập của vật liệu Để thử độ dai va đập người ta thực hiện trên máy thử va đập bằng lực đập của búa với tốc độ cao để phá hủy mẫu kim loại có hai loại mẫu để thử độ dai va đập
Mẫu charpi có kích thước 10 x 10 x 55 mm và được thử nghiệm bằng cách ngàm hai đầu trên máy Mẫu Izod có kích thước 10 x 10 x 75 mm, có sẻ rãnh chữ V sâu 2mm cách một đầu 28mm và cũng được ngàm tại đầu này trên máy Quả búa con lắc của thiết bị đập vào mặt đối diện tại chỗ sẻ rãnh, với đồng hồ đo hiển thị giá trị công phá hủy mẫu vật Độ dai va đập aK được xác định chính xác dựa trên công thức chuẩn.
F a k = A (Nm/m 2) Trong đó: - A là công để phá hỏng mẫu (N.m)
- F là tiết diện mặt cắt ngang của mẫu tại chỗ xẻ rãnh (m 2 )
Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập
Trong chương này, một số nội dung chính được giới thiệu:
- Tính chất chung của kim loại và hơp kim
- Cấu tạo của kim loại và hợp kim
- Các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim
❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG 1
Câu hỏi 1 Tính chất chung của kim loại gồm những tính chất nào?
Câu hỏi 2 Tính công nghệ của kim loại là gì? Cho một ví dụ về tính công nghệ của kim loại
CHƯƠNG 2: HỢP KIM SẮT - CÁC BON
GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT- CACBON (Fe + C)
Thép và gang là hợp kim của Fe + C muốn nghiên cứu cấu tạo của thép và gang ta phải xây dựng giản đồ trạng thái Fe + C
Qua giản đồ này ta thấy qui luật về sự kết tinh và chuyển biến của kim loại xảy ra trong quá trình nung nóng và làm nguội
Trục hoành biểu diễn lượng C có trong thép tính theo phần trăm còn trục tung biểu diễn nhiệt độ của thép
Mỗi điểm trên giản đồ đặc trưng cho thành phần của thép ứng với một nhiệt độ nhất định
Các hợp kim Fe + C có thành phần Cacbon đến 2,14% được gọi là thép
Gang được xác định khi thành phần Cacbon từ 2,14% đến 6,67% Điểm A trên giản đồ thể hiện nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất là 1539°C, trong khi điểm D tương ứng với nhiệt độ nóng chảy của xêmentit là 1600°C.
Sự chuyển biến của các hợp kim trên không những chỉ xảy ra khi làm nguội kim loại
2.1.1 Các đường trên giản đồ: Đường cong ABCD được gọi là đường lỏng nghĩa là phía trên đường lỏng thì kim loại ở trạng thái lỏng Đường AHJEF là đường rắn nghĩa là tất cả các kim loại ở trên đường này ở pha rắn Đường ECF là đường có phản ứng cùng tinh nghĩa là mọi hợp kim xuống đường này thì pha lỏng có thành phần ứng với điểm C sẽ đồng thời kết tinh ra 2 pha ( + Xe) Đường ES là đường giới hạn sự hòa tan của C vào Fe khi làm nguội Đường DQ là đường giới hạn sự hòa tan của C vào Fe khi làm nguội Đường GS là đường kết thúc sự hòa tan của Ferit vào Ostenit khi nung nóng và bắt đầu Ostenit tiết ra Ferit khi làm nguội Đường PSK là đường có phản ứng cùng tích, là đường 727 0 C Khi làm nguội hợp kim xuống đường này thì Ostenit tiết ra 2 pha (P + Xe)
Giản đồ trạng thái Fe - C
2.1.2 Các tổ chức cơ bản:
Xêmentit: Là hợp chất hóa học của Fe và C gọi là cacbit Fe có công thức hóa học là:
Fe3C, xêmentit có chứa tới 6,67%C, có độ cứng cao (760 - 800) HB, tính công nghệ kém, độ giòn lớn nhưng chịu mài mòn tốt
Ostenit: Là dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe Lượng hoà tan C tối đa là 2,14% ở
1147 0 C Tại 727 0 C lượng hoà tan C là 0,8% Ostennit là pha dẻo và dai, rất dễ biến dạng
Ferit là dung dịch đặc xen kẽ của C hòa tan trong Feα, với lượng C hòa tan nhỏ, chỉ khoảng 0,02% tại 727°C, và giảm khi nhiệt độ giảm, khiến Ferit có thể coi như Fe nguyên chất Đây là kim loại dẻo, mềm, có độ cứng thấp từ 80-100 HB, nhưng không quyết định tính chất cơ học khi kim loại chịu tải trong điều kiện thường, mà chỉ có ý nghĩa trong quá trình gia công áp lực ở trạng thái nóng và nhiệt luyện.
B = 25kG/mm 2 và giữ được từ tính tới 768 o C
Peclit là một tổ chức gồm hai pha, là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit Khi hạ nhiệt độ xuống dưới 727°C, cả ferit và xêmentit cùng kết tinh ở thể rắn tạo thành peclit, có số lượng lớn nhất trong thép Peclit nguyên chất chứa khoảng 0,8% C và đặc trưng bởi tính chất cơ học phụ thuộc vào tỷ lệ của ferit và xêmentit cũng như hình dạng của xêmentit, ví dụ như dạng hạt hoặc tấm Độ cứng của peclit tấm dao động từ 200 đến 250 HB, trong khi độ cứng của peclit hạt khoảng 160 HB, phản ánh sự biến đổi về đặc tính cơ học dựa trên cấu trúc của tổ chức microstructure này.
Leđeburit : Là hỗn hợp cơ học cùng tinh của ostenit và xêmentit Tại 1147 0 C và 4,43%
C cùng tinh leđeburit hình thành, leđeburit có độ cứng cao, độ cứng của nó là 700 HB
2.1.3 Các điểm tới hạn quan trọng :
Điểm tới hạn trong nhiệt luyện kim loại và hợp kim là những nhiệt độ xác định khi bắt đầu hoặc kết thúc quá trình chuyển đổi pha Các điểm tới hạn quan trọng liên quan đến nhiệt luyện bao gồm điểm A1, A3 và Acm Những điểm này đóng vai trò chủ chốt trong việc xác định điều kiện nhiệt độ phù hợp để thực hiện các quá trình xử lý nhiệt, giúp tối ưu hóa tính chất cơ lý của kim loại và hợp kim Hiểu rõ các điểm tới hạn này không những nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
A1 = 727 o C đường PSK, nhiệt độ chuyển biến cùng tích, biểu thị sự chuyển biến của ostenit sang peclit khi làm nguội và peclit chuyển sang ostenit khi nung nóng
A3= (911 - 727) o C đường GS là điểm bắt đầu của ostenit chuyển biến thành Ferit khi làm nguội và của ferit vào hòa tan ostenit khi nung nóng
Trong quá trình làm nguội hoặc nung nóng, tỷ lệ cân bằng của hợp kim ACm được xác định bởi sự biến đổi của các pha như ostenit và xêmentit Cụ thể, khi nhiệt độ giảm xuống mức bắt đầu tiết ra xêmentit thứ hai từ ostenit hoặc kết thúc hòa tan xêmentit thứ hai, điều này phản ánh sự thay đổi của cấu trúc kim loại Hiểu rõ quá trình này giúp tối ưu hóa các quá trình nhiệt luyện để đạt được đặc tính cơ học mong muốn của vật liệu.
Các thép đều có điểm A1, với giá trị chung là 727°C, thể hiện điểm bắt đầu quá trình chuyển đổi của thép Thép ban đầu chỉ có điểm A1, trong khi thép sau cùng còn thêm điểm A3 và Acm, giúp phản ánh sự thay đổi của thành phần hợp kim, đặc biệt là hàm lượng carbon Điểm A3 và Acm không cố định mà thay đổi theo thành phần carbon trong thép, ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý và khả năng xử lý nhiệt của hợp kim Hiểu rõ sự biến đổi của các điểm này giúp tối ưu hóa quá trình nhiệt luyện và nâng cao chất lượng sản phẩm thép.
Khi nung nóng hoặc làm nguội vật liệu với tốc độ cao, các chuyển biến pha xảy ra ở nhiệt độ khác nhau, gây ra sự chênh lệch đáng kể Nhiệt độ chuyển biến pha khi nung nóng cao hơn so với khi làm nguội và tốc độ thay đổi nhiệt càng lớn, sự sai lệch càng rõ rệt Để phân biệt, nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng thường được ký hiệu bằng chữ "C" (chauffage), giúp nhận biết rõ hơn quá trình chuyển đổi pha trong các điều kiện khác nhau.
THÉP
2.2.1 Khái niệm về thép cacbon
Thép cacbon là hợp kim của Fe – C vời hàm lượng C nhỏ hơn 2,14% Ngoài ra trong thép C còn chứa một lượng tạp chất như: Si, Mn, P, S
2.2.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép
Thép là hợp kim của 2 nguyên tố Fe + C nhưng thực tế do việc nấu luyện, người ta phải cho thêm frosilic và fromangan vào thép để khử xỉ
Trong thành phần của thép, luôn có một lượng nhất định các nguyên tố như Mn (mangan) và Si (silic), đồng thời tồn tại các tạp chất có hại như P (photpho) và S (lưu huỳnh), không thể loại bỏ hoàn toàn những thành phần này trong quá trình sản xuất thép.
Trong thép, ngoài C là nguyên tố chủ yếu, các loại thép đều chứa một lượng nhất định các nguyên tố như Mn (dưới 0,8%), Si (dưới 0,5%), P (dưới 0,05%) và S (dưới 0,05%) Trong đó, ảnh hưởng của các nguyên tố này, đặc biệt là carbon, đóng vai trò quan trọng đến tính chất cơ học và khả năng gia công của thép Carbon ảnh hưởng đến độ cứng, độ bền và khả năng rèn luyện của thép, do đó việc kiểm soát hàm lượng carbon là yếu tố thiết yếu trong sản xuất và chế tạo các loại thép phù hợp với từng ứng dụng.
Là nguyên tố ảnh hưởng lớn nhất trong thép cacbon
Chỉ cần thay đổi một lượng nhỏ carbon trong thép cơ, lý, hoá tính của thép cũng có thể biến đổi đáng kể Điều này là do tổ chức của thép cacbon bao gồm sự kết hợp của hai pha chính là ferit và xêmentit Sự điều chỉnh lượng carbon ảnh hưởng lớn đến cấu trúc của thép, từ đó tác động đến đặc tính cơ và lý của vật liệu.
Ferit là pha mềm dẻo trong khi xêmentit là pha cứng giòn, việc tăng hàm lượng cacbon trong thép dẫn đến lượng xêmentit cao hơn, làm cản trở sự di trượt của ferit Nhờ đó, độ bền và độ cứng của thép tăng lên, nhưng đồng thời độ dẻo dai lại giảm sút, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của vật liệu.
Sự thay đổi hàm lượng C đồng thời làm thay đổi cả tính công nghệ, tính đúc, tính hàn và tính rèn dập
Giới hạn bền của thép đạt cao nhất ứng với thành phần cacbon (0,8 -1) %
Bởi vậy người ta không dùng thép cacbon với thành phần cacabon không quá 1,4% vì như thế thép quá giòn b Ảnh hưởng của Si, Mn:
Si, Mn là những tạp chất có lợi
Khi hàm lượng của chúng thích hợp (Mn 0,75% và Si 0,35%) có khả năng khử ôxi khỏi các ôxit sắt làm tăng độ bền, độ cứng của thép
Không nên bổ sung quá nhiều tạp chất như lưu huỳnh (S) và phospho (P) vào vật liệu, vì chúng gây ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất công nghệ quan trọng như quá trình gia công cắt gọt và nhiệt luyện Việc kiểm soát hàm lượng các tạp chất này là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng và tính chất cơ học của sản phẩm cuối cùng.
Lưu huỳnh và phốt pho là tạp chất đặc biệt có hại cho thép cacbon
Nguyên tố S (lưu huỳnh) trong thép gây ra hiện tượng giòn nóng khi ở nhiệt độ cao Tại nhiệt độ cao, các tạp chất chứa lưu huỳnh sẽ mềm ra, gây ảnh hưởng tiêu cực đến liên kết bền vững của thép Hiện tượng này được gọi là giòn nóng, làm giảm khả năng chịu tải và độ bền của kết cấu thép trong điều kiện nhiệt độ cao.
Ngược lại phôtpho lại làm thép bị phá huỷ ở trạng thái nguội và gọi là giòn nguội Vì thế cần hạn chế S, P dưới mức 0,03%
Lưu huỳnh và phôtpho đôi khi có lợi trong việc tăng độ giòn của thép, giúp quá trình gia công cắt gọt trên các máy tự động dễ dàng hơn Thép này có chứa thành phần 0,15% P và 0,3% S, đặc điểm ảnh hưởng đến khả năng gia công và đặc tính cơ học của vật liệu Bên cạnh đó, các yếu tố khí trong môi trường cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình xử lý và chất lượng của thép tự động.
Ngoài các nguyên tố C, Si, Mn, P, S, trong thép còn có N2, O2 là các tạp chất có hại vì làm thép giòn cứng
Riêng N tác dụng tốt một phần làm nhỏ hạt Nhưng chỉ có trong thép rất ít
Thép các bon là vật liệu phổ biến nhờ giá thành hợp lý, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng Tùy theo hàm lượng cacbon, thép các bon được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ chi tiết máy chịu tải trọng nhỏ đến trung bình Tuy nhiên, thép cacbon có khả năng cơ tính tổng hợp không cao, chỉ thích hợp cho các ứng dụng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp.
2.2.3 Phân loại thép cacbon a Theo tổ chức tế vi thép cacbon được phân loại theo:
Thép trước cùng tích với tổ chức Ferit + peclit với thành phần C < 0,8%
Thép cùng tích có tổ chức là peclit với thành phần C = 0,8%
Thép sau cùng tích có tổ chức là peclit và xementit với thành phần C > 0,8% b Theo hàm lượng cacbon thường dùng
Thép cacbon cao C > 0,5% c Theo phương pháp luyện kim
Thép luyện trong lò chuyển thường có chất lượng không cao, hàm lượng các nguyên
Thép luyện trong lò Máctanh có chất lượng cao hơn trong lò chuyển
Thép luyện trong lò điện có chất lượng cao hơn nhiều, khử hết tạp chất tới mức thấp nhất d Theo công dụng
Thép cacbon thông dụng hay còn gọi là thép thường
2.2.4 Các loại thép thường dùng a Thép cacbon thông dụng
Theo TCVN 1765-75 quy định ký hiệu thép cacbon thông dụng là CT, sau chữ CT ghi chỉ số giới hạn bền (b N/mm 2 ) thấp nhất ứng với mỗi ký hiệu
Ví dụ: CT38 có giới hạn bền b = 380 - 390 N/mm 2
Thép cacbon thông dụng được phân chia thành ba nhóm chính là A, B và C, nhằm phục vụ các mục đích khác nhau trong ngành công nghiệp Nhóm A chủ yếu tập trung đánh giá các chỉ tiêu cơ tính như độ bền, độ dẻo và độ cứng, đảm bảo thép đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về khả năng chịu lực Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hoá học, giúp xác định đúng loại thép phù hợp với ứng dụng cụ thể Trong khi đó, nhóm C kết hợp cả hai tiêu chí về chỉ tiêu cơ tính và thành phần hoá học, mang lại tính đa dạng và linh hoạt trong việc lựa chọn thép phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và chất lượng cao.
Các nhóm B và C có cùng kí hiệu trên cơ sở nhóm A nhưng thêm vào phía trước chữ cái B, C để phân biệt Ví dụ: CT31, BCT31, CCT31
Việc phân nhóm thép giúp lựa chọn loại thép phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như sử dụng nhóm A để đánh giá tính chất cơ học, còn nhóm B hoặc C phù hợp cho các công đoạn hàn và nhiệt luyện Thép cacbon thông dụng có đặc tính cơ học không cao, thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy và kết cấu chịu tải trọng nhỏ, phổ biến trong ngành xây dựng và giao thông.
Theo TCVN 1765-75 quy định ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C ghi chỉ số chỉ hàm lượng cacbon của thép tính theo phần vạn như: C08, C10, C15, C20, … C85
Ví dụ: C45 – chữ C là kí hiệu của thép cacbon, 45 chỉ hàm lượng cacbon trung bình là 0,45%C
Thép cacbon kết cấu là loại thép có hàm lượng tạp chất như S và P rất thấp, đảm bảo tính năng lý hoá vượt trội Với hàm lượng cacbon chính xác và các chỉ tiêu cơ tính rõ ràng, loại thép này phù hợp cho các ứng dụng kết cấu yêu cầu độ bền và độ chịu lực cao.
Thép cacbon kết cấu dùng trong chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao hơn, thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm để đảm bảo độ bền và độ chính xác cao trong các ứng dụng kỹ thuật Ngoài ra, thép cacbon dụng cụ cũng là loại thép quan trọng, được sử dụng để sản xuất dụng cụ cắt và các bộ phận chịu lực trong các quá trình gia công cơ khí Việc lựa chọn loại thép phù hợp giúp nâng cao hiệu suất làm việc và tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí.
Theo TCVN 1765-75 quy định ký hiệu thép cacbon dụng cụ ký hiệu: CD70, CD80, CD80A, CD90… CD130
Ví dụ: CD80A (ký hiệu của Liên xô cũ là Y8A) CD chỉ thép cacbon dụng cụ, 80 chỉ hàm lượng cacbon là 0,8%, chữ A biểu thị thép có chất lượng tốt
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
GANG
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.3.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của gang a Cácbon (C):
Nguyên tố này tạo ra cùng với sắt các tổ chức trong gang
Các bon càng nhiều sẽ càng thúc đẩy quá trình graphit hoá, làm giảm nhiệt độ chảy của gang, đặc biệt nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn đạt thấp nhất khi hàm lượng C là 4,43% (ở 1147°C), giúp quy trình đúc thuận lợi hơn Tuy nhiên, việc tăng hàm lượng cacbon cũng dẫn đến giảm độ bền và làm tăng độ giòn của gang, do đó trong sản phẩm gang xám, hàm lượng cacbon thường giới hạn ở mức từ 2,8% đến 3,5% Bên cạnh đó, silicon (Si) cũng đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và tính chất của gang, ảnh hưởng đến khả năng khử khí và cải thiện đặc tính cơ học của hợp kim.
Cùng với cacbon, nguyên tố Si thúc đẩy sự graphit hoá, nghĩa là phân huỷ Fe3C thành
Fe và cacbon tự do khi kết tinh Lượng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5 - 3% c Mangan (Mn):
Mangan (Mn) là nguyên tố cản trở quá trình graphit hóa nhằm hình thành Fe3C trong gang trắng, dẫn đến việc gang trắng thường chứa từ 2-2,5% Mn Ngược lại, trong gang xám, hàm lượng Mn không vượt quá 1,3%, giúp đảm bảo đặc tính cơ lý của loại gang này Phốt pho (P) cũng đóng vai trò quan trọng trong thành phần hợp kim, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và khả năng gia công của gang, đòi hỏi kiểm soát hàm lượng phù hợp để tối ưu hóa chất lượng.
Phốt pho là nguyên tố có hại trong gang, gây giảm độ bền và tăng độ giòn của gang Trong quá trình đúc, phốt pho được sử dụng để tạo các tượng và chi tiết trang trí mỹ thuật; tuy nhiên, thành phần phốt pho trong các chi tiết quan trọng không vượt quá 0,1%, còn trong các chi tiết không quan trọng có thể lên tới 1,2% Lưu huỳnh (S) cũng là yếu tố cần lưu ý trong việc kiểm soát thành phần hợp kim gang để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Là một 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 của gang quyết định đến loại gang thu được, với làm nguội nhanh cho ra gang trắng và làm nguội chậm tạo ra gang xám Trong thực tế, tốc độ làm nguội phụ thuộc vào loại khuôn đúc, chẳng hạn như khuôn cát hoặc khuôn kim loại, cùng với chiều dày của vật đúc.
2.3.3 Phân loại gang Gang được phân loại theo: a Giản đồ trạng thái: chia gang ra 3 loại
Gang trước cùng tinh (C < 4,43%) chứa tổ chức peclit, xementit và lêđêburit
Gang cùng tinh (C = 4,43%) chỉ có tổ chức lêđêburit
Gang sau cùng tinh (C > 4,3%) tồn tại hai tổ chức xementit và lêđêburit b Tổ chức và cấu tạo: người ta chia ra:
2.3.4 Các loại gang thường dùng a Gang trắng thành phần và ký hiệu
Gang trắng là loại gang chứa phần lớn cacbon ở dạng liên kết Fe3C (xêmentit), tạo thành tổ chức xementit chủ yếu trong cấu trúc Nhờ thành phần này, mặt gãy của gang trắng có màu sáng trắng, giúp phân biệt dễ dàng với các loại gang khác Thành phần hóa học và cấu trúc của gang trắng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất và ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp.
Ký hiệu: gang trắng không có ký hiệu riêng
Gang trắng có đặc điểm chính là chứa các carbon ở dạng xêmentit, khiến nó rất cứng và giòn, có tính cắt gọt kém Vì tính chất cứng và giòn, gang trắng không thích hợp để gia công cơ khí và thường được sử dụng dưới dạng chi tiết đúc sẵn.
Gang trắng chỉ hình thành khi hàm lượng C, Mn thích hợp và với điều kiện nguội nhanh ở các vật đúc thành mỏng, nhỏ
Gang trắng có đặc điểm cứng và bền, phù hợp để sản xuất các chi tiết chịu mài mòn cao như bi nghiền trong máy nghiền, quả lô trong máy xát gạo, mép lưỡi cày, vành bánh xe, trục cán Trong khi đó, gang xám được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ bền, khả năng xử lý tốt và khả năng đúc dễ dàng.
Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng tự do (graphit) và mặt gãy có màu xám
Tổ chức tế vi của gang xám gồm nền cơ cở (pherit, pherit - peclit, peclit) và graphit dạng tấm
Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào tổ chức nền, số lượng và hình dáng của graphit Độ bền của nền tăng từ nền pherit đến nền peclit
Gang xám sở hữu độ bền nén cao, khả năng chịu mài mòn tốt và tính đúc vượt trội, góp phần giảm rung động hiệu quả Nhờ những đặc tính này, gang xám thường được sử dụng để đúc các chi tiết cơ bản, lớn và phức tạp như thân máy, bệ máy, vỏ động cơ và hộp tốc độ Trong thực tế, người ta thường biến tính gang xám để nâng cao cơ tính, nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp chế tạo.
Thành phần hoá học trong gang xám thường gồm: C (2,8 - 3,5) %, Si (1,5 - 3)%, Mn(0,5 - 0,8)%
Theo TCVN gang xám được ký hiệu GX kèm theo hai con số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn
Ví dụ: GX15-32 là gang xám có k = 150 N/mm 2 , u = 320 N/mm 2
Theo ký hiệu của Liên Xô, gang xám được ký hiệu bằng chữ Cφ, theo sau là hai con số Trong đó, con số đầu tiên thể hiện giới hạn bền kéo của vật liệu, còn con số thứ hai biểu thị giới hạn bền của gang xám.
Ví dụ : GX24 - 44 có nghĩa là :
Gang xám có giới hạn bền kéo là: k = 24 kG/mm 2
Giới hạn bền uốn là: u = 44 kG/mm 2
GX12-28, GX15-32, GX18-36 có nền peclit-pherit, graphit thô, độ bền không cao, dùng chế tạo vỏ hộp, nắp che
GX21-40, GX28-48 Có graphit nhỏ mịn, cơ tính cao hơn, dùng để chế tạo thân máy, bánh đà
GX36-56, GX40-60 có nền peclit, graphit được biến tính, độ bền cao dùng để chế tạo xylanh, sơmi xylanh
Gang xám thường được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng kéo nhỏ và ít bị va đập như thân máy, bệ máy, ống nước
Do tính chất chịu ma sát tốt đôi khi gang xám được dùng làm các ổ trục, các pully
Ký hiệu gang giới hạn bền MN/m 2 không nhỏ hơn Độ cứng
Công dụng khi kéo khi uốn khi nén
GX 12 - 28 120 280 500 143 ÷229 Làm các đế máy, khung cột , vỏ, nắp máy
Dùng chế tạo các chi tiết chịu tải trọng nhẹ như vỏ hộp giảm tốc, bích
Dùng làm các chi tiết chịu tải trọng cao như bánh răng, bánh đà
Dùng làm các chi tiết quan trọng, chế tạo máy như: thân máy các chi tiết của tua bin c Gang cầu
Graphit có cấu trúc dạng hình cầu thu nhỏ giúp nâng cao tính chất cơ học so với gang xám, đặc biệt về độ bền và độ dẻo Do đó, hợp kim này có khả năng chịu tải tốt hơn, với giới hạn bền từ 400 đến 1000 N/mm² và độ dẻo đạt khoảng 5%.
Gang cầu, chiếm khoảng 15%, có cơ tính gần như thép nhưng độ bền thấp hơn, phù hợp để thay thế thép trong việc chế tạo các chi tiết trung bình và lớn với hình dạng phức tạp Nó thường được sử dụng trong các bộ phận chịu tải trọng trung bình đến cao và va đập như trục khuỷu, trục cán Để hình thành tổ chức gang cầu, cần nấu chảy gang xám và sử dụng phương pháp biến tính đặc biệt gọi là cầu hoá, trong đó chất biến tính như Mg được thêm vào để chuyển đổi graphit thành dạng hình cầu, tăng cường tính chất cơ học của gang.
Ký hiệu gang cầu theo TCVN: GC45-15, GC50-2, GC60-2
Chữ GC: viết tắt chữ gang cầu; Con số thứ nhất chỉ độ bền kéo: k = 450 N/mm 2 ; Con số thứ hai chỉ độ dãn dài tương đối = 12%
Theo Liên Xô, gang cầu được ký hiệu là Bϕ kết hợp với hai con số, trong đó con số đầu tiên thể hiện giới hạn bền kéo của vật liệu, còn con số thứ hai chỉ mức độ giãn dài tương đối Việc hiểu rõ các ký hiệu này giúp người dùng dễ dàng xác định đặc tính kỹ thuật của gang cầu phù hợp với các ứng dụng xây dựng và cầu đường Ký hiệu Bϕ cung cấp thông tin về khả năng chịu lực và độ dẻo của vật liệu, đảm bảo tính an toàn và độ bền của kết cấu Do đó, nắm bắt ý nghĩa của ký hiệu gang cầu là yếu tố quan trọng để chọn lựa vật liệu phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
Ví dụ: B40-10 có nghĩa là gang cầu có giới hạn bền kéo 40 kG/mm 2 và độ giãn dài tương đối là 10% d Gang dẻo
Gang được ủ từ gang trắng để phân huỷ Fe3C thành graphit dạng cụm, giúp tăng độ bền và độ dẻo của vật liệu Nhờ cấu trúc này, gang có đặc tính gần giống thép, có thể thay thế thép trong một số ứng dụng Quy trình ủ giúp cải thiện tính chất cơ học của gang, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo.
Quy trình ủ khá dài và đặc biệt khó khăn là phải tạo được gang trắng 100% trước khi ủ
Theo TCVN ký hiệu GZ33-8, GZ37-12 là gang dẻo nền pherit GZ45-6, GZ60-3 Là gang dẻo nền peclit, độ cứng cao hơn
Ví dụ: GZ33-8 là gang dẻo có k = 330 N/mm 2 ; = 8%
THÉP HỢP KIM
2.4.1 Khái niệm về thép hợp kim
Thép hợp kim là loại thép mà ngoài Fe và C còn có các nguyên tố hợp kim như: Mn,
Cr, Si, Ni, Ti, W, Cu, Co, Mo là những hợp kim có hàm lượng lớn, không phải là tạp chất, nhằm mục đích thay đổi tổ chức và tính chất của thép Nhờ các hợp kim này, thép chịu ảnh hưởng tích cực, mang lại những tính năng mới đặc biệt mà thép cacbon không thể có, như độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt và nhiệt độ làm việc vượt trội.
Các yếu tố như cơ, lý, hoá tính cao đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao độ bền và khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn của sản phẩm Nhờ vào các dung dịch đặc tạo độ dẻo và các bít hợp kim chứa các nguyên tố nâng cao độ cứng như Cr, W, Ti, các vật liệu này còn ít dãn nở nhiệt và có khả năng thấm từ tốt Vỏ oxit bền đóng vai trò bảo vệ bề mặt sản phẩm, giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn và đảm bảo độ bền lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt.
Tính công nghệ tốt: dễ gia công, dễ nhiệt luyện
Mặc dù có giá thành cao hơn, nhưng vật liệu này vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ vào đặc tính cơ học vượt trội, giúp giảm khối lượng và kích thước của thiết bị, đồng thời đảm bảo an toàn nhờ khả năng chống ăn mòn hiệu quả.
2.4.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép: a Ảnh hưởng của Cr:
Cr được thêm vào thép với hàm lượng khoảng 1,5 - 2,5%, và có thể tăng lên tới 30% để nâng cao độ cứng và độ bền của thép, mặc dù điều này cũng làm giảm tính dẻo của vật liệu Niken đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép, đồng thời giúp thép trở nên không gỉ và giữ ổn định từ tính, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ bền cao và khả năng chống oxy hóa.
Niklen giúp nâng cao khả năng chống ăn mòn, tăng độ bền, độ dẻo và khả năng chống va đập của thép, góp phần cải thiện tính năng kỹ thuật của các loại thép hợp kim như INVA, chứa 35-37% Ni, có độ giãn dài gần như bằng không ở nhiệt độ từ -80°C đến 100°C Nikken ảnh hưởng tích cực đến độ giãn dài của thép, giúp nâng cao khả năng chịu tác động môi trường khắc nghiệt Đồng thời, ảnh hưởng của Wonfam cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện đặc tính cơ học của thép, tạo ra sản phẩm có độ bền và hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng công nghiệp.
W tạo nên cacbit W nó làm cho thép rất cứng và làm việc được ở nhiệt độ cao dùng để chế tạo dụng cụ cắt d Ảnh hưởng của vanadi:
Làm nhỏ hạt làm tăng độ cứng và độ bền của thép e Ảnh hưởng của Si:
Khi thành phần của Si lớn 1% thì ảnh hưởng nhiều tới 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 Si g Ảnh hưởng của Mn:
Chứa hơn 1% hợp kim coban trong thép giúp tăng cường độ cứng, khả năng chống mài mòn và sức chịu va đập của vật liệu mà không làm giảm độ dẻo của thép Điều này giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của thép trong các ứng dụng công nghiệp Việc sử dụng hợp kim coban phù hợp góp phần tối ưu hóa đặc tính kỹ thuật của thép, phù hợp với các yêu cầu khắt khe về độ bền và độ đàn hồi.
Làm tăng tính chịu nhiệt, từ tính và tính chịu va đập của thép i Ảnh hưởng của Mo:
Làm tăng tính chịu nhiệt tính đàn hồi, giới hạn bền kéo tính chống ăn mòn và tính chống bị oxy hóa của thép ở nhiệt độ cao
2.4.3 Phân loại và ký hiệu a Phân loại
❖ Theo tổng lượng hợp kim
Thép hợp kim thấp có tổng lượng hợp kim < 2,5%
Thép hợp kim trung bình có tổng lượng hợp kim từ 2,5 - 10%
Thép hợp kim cao có tổng lượng hợp kim > 10%
❖ Theo các nguyên tố hợp kim chủ yếu như:
Thép Ni, thép Cr-Mn
Thép hợp kim kết cấu
Thép hợp kim dụng cụ
Thép hợp kim làm khuôn
Thép hợp kim đặc biệt b Ký hiệu
Theo TCVN các loại thép hợp kim được ký hiệu như sau :
Thép hợp kim kết cấu được đặt tên dựa trên hàm lượng cacbon theo phần vạn và ký hiệu các nguyên tố hợp kim đi kèm Tên gọi của thép hợp kim thể hiện rõ thành phần các nguyên tố hoá học chứa trong đó, giúp nhận biết nhanh chóng về thành phần hóa học của loại thép này Việc hiểu rõ ký hiệu và thành phần nguyên tố hợp kim rất quan trọng để lựa chọn loại thép phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật và cấu trúc quan trọng.
Ví dụ : 15Cr - là thép hợp kim kết cấu Crôm có thành phần cacbon là 0,15%
Nếu thành phần của nguyên tố hợp kim nhỏ hơn hoặc bằng 1% thì trong kí hiệu người ta không cần ghi thành phần của nguyên tố hợp kim
Ví dụ : 15Cr - là thép hợp kim kết cấu Crôm có thành phần cacbon là 0,15%, thành phần của nguyên tố hợp kim Crôm là nhỏ hơn hoặc bằng 1%
Trong ký hiệu hợp kim, nếu thành phần của nguyên tố hợp kim vượt quá 1%, người ta sẽ ghi rõ phần trăm của nguyên tố đó ngay sau tên của hợp kim Điều này giúp dễ dàng xác định tỷ lệ phần trăm của nguyên tố hợp kim trong thành phần của vật liệu, đảm bảo tính chính xác và minh bạch trong phạm vi kỹ thuật Việc ghi chú này là tiêu chuẩn trong công nghệ chế tạo và phân loại hợp kim, hỗ trợ các nhà kỹ thuật và sản xuất trong việc kiểm tra và lựa chọn vật liệu phù hợp.
Ví dụ 12Cr2Ni3 – là thép hợp kim kết cấu Crôm – Niken có hàm lượng C = 0,12%, hàm lượng Cr = 2% và hàm lượng Ni = 3%
Nếu có thêm chữ A Sau ký hiệu của thép hợp kim thì đó là loại thép hợp kim có chất lượng tốt
Ví dụ điển hình là thép hợp kim 12Cr2Ni3, chứa hàm lượng C = 0,12%, Cr = 2% và Ni = 3%, thể hiện chất lượng tốt trong ngành thép hợp kim kết cấu Chữ "A" trong mã thép thể hiện loại thép hợp kim có chất lượng cao, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe Thép 12Cr2Ni3 có đặc tính nổi bật về độ bền và chịu lực, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kết cấu chịu tải tốt Sử dụng thép hợp kim chất lượng cao như 12Cr2Ni3 giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ của các kết cấu thép trong công nghiệp.
Thép hợp kim dụng cụ được ký hiệu tương tự như thép cacbon kết cấu, nhưng số đầu tiên thể hiện hàm lượng cacbon theo phần nghìn, ví dụ như thép 90CrSi chứa C = 0,9% và hàm lượng Cr, Si đều không vượt quá 1% Đặc biệt, đối với thép hợp kim dụng cụ dùng làm ổ lăn, trước ký hiệu của thép hợp kim còn có ký hiệu là OL để phân biệt.
Ký hiệu của thép hợp kim theo Liên xô được thể hiện bằng các con số và chữ cái liên tiếp để chỉ thành phần C (cacbon) và tên của các nguyên tố kim loại có trong hợp kim thép Những ký hiệu này giúp nhận biết chính xác thành phần hóa học của thép, từ đó đảm bảo chất lượng và đặc tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu sử dụng Việc hiểu rõ các ký hiệu này là phần quan trọng trong việc lựa chọn và kiểm tra vật liệu thép hợp kim trong các ngành công nghiệp chế tạo.
Chỉ số đầu tiên của ký hiệu mác thép thể hiện thành phần của các bon trong thép Đối với thép hợp kim kết cấu, hai con số đầu tiên thể hiện thành phần vạn của các bon chứa trong thép đó.
Ví dụ : 40X là thép hợp kim kết cấu có chứa 40/000 C tức 0,4% C
Trong thép hợp kim dụng cụ, số đầu tiên chỉ phần nghìn chứa trong thép, phản ánh hàm lượng nguyên tố hợp kim có trong thép Nếu thành phần của nguyên tố hợp kim trong thép bằng 1% hoặc nhỏ hơn, thì không cần ghi số đứng sau các ký hiệu nguyên tố hợp kim Đây là quy định quan trọng giúp định lượng chính xác hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong thép dụng cụ theo tiêu chuẩn.
Ví dụ 25XM là thép kết cấu Cr - Molipđen có chứa 25/0000 C tương ứng 0,25% C phần trăm, Cr nhỏ hơn 1% và molipđen