Giáo trình Vật liệu cơ khí được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Tính chất cơ bản của kim loại và hợp kim; Hợp kim sắt các bon; Kim loại màu và hợp kim màu; Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện; Vật liệu phi kim loại. Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung giáo trình dưới đây.
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 loại kim loại và hợp kim phù hợp dựa trên các yêu cầu kỹ thuật là điều cần thiết để đảm bảo chất lượng và tính kinh tế Để làm được điều này, người thiết kế cần nắm vững các tính chất của kim loại và hợp kim, trong đó các đặc tính cơ bản như tính chất vật lý và hóa học đóng vai trò quan trọng trong quá trình đánh giá và lựa chọn vật liệu phù hợp.
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 đạt đến một giá trị nhất định, làm đứt thanh kim loại, điều này thể hiện rằng lực này đã vượt quá giới hạn bền kéo của vật liệu Giới hạn bền kéo là mức lực tối đa mà vật liệu có thể chịu đựng trước khi bị đứt hoặc biến dạng permanent Hiểu rõ giới hạn bền kéo giúp chúng ta xác định khả năng chịu lực của vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật, đảm bảo tính an toàn và độ bền của kết cấu.
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 phản ánh khả năng chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có lực tác dụng lên kim loại qua vật nén Khi đo cùng một lực nén, vết lõm biến dạng càng lớn và sâu trên mẫu, chứng tỏ vật liệu đó càng kém cứng Đo độ cứng là phương pháp đơn giản và nhanh chóng để xác định đặc tính của vật liệu mà không gây hỏng chi tiết Các phương pháp đo độ cứng phổ biến đều sử dụng tải trọng nén qua viên bi thép cứng hoặc mũi kim cương hình nón, hình chóp ép lên bề mặt vật liệu và dựa trên kích thước vết lõm để đánh giá độ cứng của vật liệu.
Phương pháp đo độ cứng bằng viên bi, còn gọi là phương pháp Brinell, sử dụng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã được nhiệt luyện có đường kính D vào bề mặt vật liệu cần kiểm tra Quá trình này giúp xác định độ cứng của vật liệu một cách chính xác dựa trên dấu lún tạo ra trên bề mặt Phương pháp Brinell được áp dụng rộng rãi trong đo độ cứng các loại thép và kim loại khác, cung cấp kết quả đáng tin cậy để đánh giá chất lượng vật liệu.
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 đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật nhờ ứng dụng rộng rãi trong việc so sánh độ nặng nhẹ của các vật liệu kim loại, giúp chọn lựa phù hợp cho các dự án kỹ thuật Ngoài ra, nó còn là công cụ hữu ích trong việc giải quyết các vấn đề thực tế liên quan đến tính chất vật liệu, đảm bảo hiệu quả và độ bền của sản phẩm.
Ví dụ, các vật lớn như thép đường ray và thép hình khó xác định khối lượng trực tiếp Tuy nhiên, nhờ biết được khối lượng riêng và đo kích thước chính xác, chúng ta có thể tính toán thể tích của chúng Từ đó, áp dụng công thức tính khối lượng dựa trên thể tích và khối lượng riêng, giúp đo khối lượng một cách chính xác mà không cần phải cân trực tiếp.
Nhiệt độ nung nóng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chuyển đổi của kim loại từ thể rắn sang thể lỏng, trong đó sắt nguyên chất có điểm chảy là 1539°C Đối với gang, điểm chảy nằm trong khoảng 1130-1350°C, phụ thuộc vào hàm lượng carbon trong gang Còn thép có điểm chảy từ 1400-1500°C, với mức này được xác định bởi hàm lượng carbon trong thép, ảnh hưởng đến khả năng gia công và quá trình nung nhiệt của các loại kim loại này.
Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, tính chất kim loại có vai trò rất quan trọng vì phương pháp đúc là phương pháp chế tạo các chi tiết máy rẻ nhất Tuy nhiên, để đạt hiệu quả cao, kim loại sử dụng trong đúc cần có đặc tính chảy loãng tốt, giúp quá trình đúc diễn ra thuận lợi và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Tính chảy loãng của kim loại ở thể lỏng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng thấp thì khả năng chảy loãng trong trạng thái lỏng càng tốt, giúp quá trình gia công và xử lý kim loại trở nên dễ dàng hơn Việc hiểu rõ đặc tính này giúp chọn lựa kim loại phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính chảy loãng cao.
Khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng được đo bằng hệ số giãn nở theo chiều dài, thể hiện mức độ mở rộng của kim loại trên mỗi đơn vị chiều dài (1mm) Ví dụ, 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 heated Hiểu rõ về hệ số giãn nở giúp lựa chọn vật liệu phù hợp trong các ứng dụng kỹ thuật yêu cầu tính chịu nhiệt và độ giãn nở kim loại.
Kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao, giúp đốt nóng nhanh và đều, đồng thời làm nguội dễ dàng hơn Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung và làm nguội vật liệu Những vật liệu dẫn nhiệt kém cần nhiều thời gian để đốt nóng hoàn toàn và dễ bị nứt vỡ nếu làm nguội quá nhanh Đơn vị đo độ dẫn nhiệt thường được biểu thị bằng kcalo/m/giờ độ, và người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của các kim loại dựa trên một kim loại tiêu chuẩn để đánh giá.
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 các kim loại từ tính nổi bật, thể hiện rõ đặc điểm từ tính mạnh mẽ, khiến chúng thường được gọi là kim loại từ tính Trong khi đó, hầu hết các kim loại khác lại không có tính nhiễm từ, không thể xác định bằng đặc điểm từ tính rõ ràng.
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 khả năng chịu ăn mòn cao thể hiện độ bền vững trước các tác nhân môi trường như hơi nước và oxy trong không khí, dù ở nhiệt độ thường hay cao Tính chịu axít của kim loại phản ánh khả năng chống lại sự ăn mòn khi tiếp xúc với các loại axít khác nhau, đảm bảo độ bền và tuổi thọ của kim loại trong các điều kiện sử dụng đa dạng.
Tính chịu nhiệt là khả năng của kim loại chống lại sự ăn mòn của oxi trong không khí ở nhiệt độ cao Đây còn là khả năng của kim loại chống lại tác động ăn mòn của các thể lỏng hoặc khí ở nhiệt độ cao Tính chịu nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc chọn lựa vật liệu cho các ứng dụng yêu cầu hoạt động ở điều kiện nhiệt độ cao Kim loại có đặc tính chịu nhiệt tốt sẽ đảm bảo độ bền và hiệu suất của thiết bị trong môi trường khắc nghiệt.
Tính công nghệ là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại và hợp kim thông qua các phương pháp công nghệ, nhằm sản xuất các sản phẩm đa dạng và chất lượng cao Quá trình này bao gồm những bước như gia công, xử lý nhiệt, hàn, và luyện kim, giúp điều chỉnh đặc tính vật lý và cơ học của kim loại để phù hợp với yêu cầu sử dụng Áp dụng các phương pháp công nghệ hiện đại giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu lãng phí và tối ưu hóa chi phí Tính công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm kim loại có độ bền cao, chiều chính xác và tính thẩm mỹ cao.
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, khác với vật liệu phi kim loại có cấu tạo định hình Trong một đơn vị tinh thể ở trạng thái rắn, các nguyên tố kim loại phân bố theo một quy luật nhất định và sắp xếp theo trật tự hình học xác định Mỗi đơn tinh thể đặc trưng cho kim loại đó có mạng tinh thể riêng, phản ánh cấu trúc nguyên tử theo cách sắp xếp có trật tự và ổn định.
Trong các cấu trúc tinh thể, nhiều mạng tinh thể được sắp xếp thành mạng không gian liên tục, tạo thành một hệ thống thống nhất Mỗi nút mạng đóng vai trò như là trung tâm của các nguyên tử, góp phần duy trì cấu trúc của tinh thể (hình 1.3) Mạng tinh thể không gian này được gọi là đơn tinh thể, thể hiện rõ cấu trúc đều đặn và rõ ràng của các nguyên tử trong vật thể.
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, các khái niệm về lập phương thể tâm, lập phương diện tâm và lục phương dày đặc được trình bày rõ ràng Các đặc điểm của ô cơ bản như ô lập phương diện tâm có thông số mạng a = b = c được xác định dựa trên chiều dài các cạnh của ô, đo bằng đơn vị Angstrom (A0), trong đó 1A0 bằng 10^-8 cm.
Các ô tinh thể cơ bản a Lập phương thể tâm
Trong cấu trúc mạng tinh thể, ô cơ bản của kiểu mạng lập phương gồm các nguyên tử nằm tại các nút mạng và trung tâm của khối lập phương Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà liên kết thông qua các nguyên tử ở trung tâm của hình lập phương, tạo thành mạng kim loại vững chắc Các kim loại mang kiểu mạng lập phương này gồm có Fe, Cr, Vônfram, Môlipđen và Vanadi Ngoài ra, còn có kiểu mạng lập phương diện tâm, góp phần đáng kể vào tính chất của kim loại.
Trong cấu trúc ô cơ bản kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và bổ sung bởi các nguyên tử đặt tại trung tâm các mặt bên của hình lập phương, tạo thành một mạng tinh thể ổn định.
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 cấu trúc ổn định và vững chắc Cụ thể, hai nguyên tử nằm ở trung tâm của hai mặt đáy, còn ba nguyên tử khác nằm đều đặn tại trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách đều nhau, góp phần đảm bảo tính đối xứng và tính chất vật lý của mạng Đặc điểm này làm cho cấu trúc mạng trở nên độc đáo và phù hợp trong nhiều ứng dụng vật lý và hóa học.
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 minh họa cho sự biến đổi của nguyên tố Fe (hình 1.5) cho thấy rằng, ở mỗi thang nhiệt độ, Fe không chỉ thay đổi về cấu tạo (ô cơ bản) mà còn có sự thay đổi rõ rệt về tính chất vật lý, phản ánh quá trình biến đổi cấu trúc và tính chất của nguyên tố này theo nhiệt độ.
Ở nhiệt độ 1539°C, sắt bắt đầu kết tinh, hình thành tổ chức lập phương thể tâm Quá trình nguội giúp tạo ra đoạn thẳng nằm ngang đầu tiên trên đồ thị pha, đặc trưng cho sự chuyển đổi cấu trúc của kim loại thành sắt đenta Sắt đenta có thông số mạng là 2,93 Å, phản ánh cấu trúc tinh thể lập phương thể tâm của nó, điều này rất quan trọng trong việc hiểu đặc tính vật lý và cơ học của kim loại sắt.
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 bền vững và dễ dàng chuyển thành sắt beta (Feβ) hoặc sắt alpha không từ tính Sắt alpha có cấu trúc mạng lập phương diện tâm với thông số mạng khoảng 2,9 Å, giúp tăng tính ổn định của vật liệu ở nhiệt độ cao Quá trình chuyển đổi này ảnh hưởng đến tính chất cơ học và từ tính của sắt, rất quan trọng trong các ứng dụng 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 chúng xuống một mức nhất định, các trung tâm kết tinh (tâm mầm) bắt đầu xuất hiện, như hình 1.6a Các tâm mầm này, có thể đến từ các phân tử tạp chất không nóng chảy như bụi tường lò hoặc chất sơn khuôn, đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình kết tinh.
Tâm mầm tự sinh hình thành do sự biến đổi nội năng khi nhiệt độ thay đổi, đặc biệt khi nhiệt độ giảm xuống 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 Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết tinh và hình thành cấu trúc tinh thể.
Các tâm mầm hình thành song song với quá trình phát triển của chúng, dẫn đến sự giảm dần của pha lỏng cho đến khi hoàn toàn chuyển thành thể rắn Trong quá trình này, các đơn tinh thể (hạt) kết tinh theo các hướng khác nhau, tạo thành cấu trúc tinh thể đa dạng và phức tạp (Hình 1.6 b, c)
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
Trong thực tế, hợp kim được sử dụng phổ biến hơn kim loại nguyên chất nhờ vào những tính chất đặc biệt phù hợp với các nhu cầu thực tế như cơ tính, lý tính, hóa tính và tính công nghệ, những yếu tố mà kim loại nguyên chất khó có thể đáp ứng.
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 đóng vai trò quan trọng để đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải của các thiết bị Để xác định các đặc tính này, các nhà kỹ thuật cần thực hiện các phép thử trong phòng thí nghiệm trên các mẫu vật liệu mẫu Các phương pháp đánh giá tính chất cơ học phổ biến gồm có thử kéo, thử nén, thử uốn và thử va đập, giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực và độ bền của vật liệu trong các điều kiện thực tế.
1.3.1 Đánh giá độ bền kéo của vật liệu kim loại và hợp kim
Thử kéo là quá trình quan trọng để xác định cơ tính của kim loại, bao gồm độ bền kéo, độ đàn hồi và độ dẻo Để xác định giá trị độ bền kéo, cần chế tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn của từng quốc gia, trong đó mẫu thử tại Việt Nam có thể có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật Sau khi chế tạo, mẫu được kẹp trên máy kéo hoặc máy kéo vạn năng truyền động bằng cơ khí hoặc thủy lực để tiến hành thử nghiệm.
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 và máy đồng thời vẽ biểu đồ thể hiện quá trình thử nghiệm (hình 1.10) Khi kéo, chiều dài mẫu tăng dần trong khi chiều ngang giảm dần, đến điểm D mẫu bị thắt lại và xuất hiện lực kéo lớn nhất Từ đó, lực trên máy không tăng thêm mặc dù mẫu vẫn kéo dài tới điểm M trước khi đứt, phản ánh quá trình kéo đứt vật liệu một cách chính xác.
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, làm tăng khả năng chịu tải và chống mài mòn Để đánh giá chính xác độ cứng của loại thép này, người ta thường sử dụng các phương pháp đo cứng khác nhau như thử nghiệm Brinell, Rockwell hoặc Vickers Các phương pháp này giúp xác định mức độ cứng của thép, từ đó đảm bảo chất lượng và phù hợp với mục đích sử dụng Việc kiểm tra độ cứng là bước quan trọng trong quá trình xử lý và chế tạo, nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm thép.
Người ta sử dụng tải trọng P của máy ép thử độ cứng để ấn vào viên bi thép đã được tôi cứng với các đường kính D (2,5; 5; 10 mm) nhằm đánh giá độ cứng của vật liệu thử Quá trình này giúp xác định chính xác khả năng chịu lực của vật liệu và đảm bảo độ chính xác trong các kiểm định chất lượng Phương pháp đo độ cứng bằng viên bi thép là một trong những kỹ thuật phổ biến để đánh giá độ cứng của các loại vật liệu kim loại và hợp kim.
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 ép thử để ấn viên bi thép lên bề mặt mẫu, giúp xác định độ cứng chính xác Đồng và hợp kim đồng có quy trình đo độ cứng tương tự, với tải trọng P = 10D², phù hợp để đánh giá độ cứng của các vật liệu này Trị số độ cứng Brinell được tính dựa trên công thức cụ thể, phản ánh chính xác khả năng chống trầy xước và biến dạng của vật liệu Phương pháp này thích hợp cho các mẫu có độ mài mòn cao và kích thước lớn, đảm bảo độ chính xác trong kiểm tra chất lượng vật liệu kim loại.
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 đặt tên đường kính viên bi là D, đường kính vết lõm là d và chiều sâu vết lõm là hth Công thức tính độ cứng dựa trên phương pháp Brinell giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của vật liệu Việc áp dụng công thức này phù hợp trong các đánh giá độ cứng của các mẫu vật liệu có hình dạng và kích thước phù hợp Phương pháp Brinell là một trong những tiêu chuẩn phổ biến để xác định độ cứng thông qua các chỉ tiêu như D, d và hth Khi áp dụng phương pháp này, các yếu tố quan trọng như độ chính xác của các số đo và điều kiện thử nghiệm cần được đảm bảo để đưa ra kết luận chính xác về độ cứng của vật liệu.
Đường kính vết lõm cần thoả mãn điều kiện 0,2D < d < 0,6D để đảm bảo độ chính xác trong đo Độ cứng HB phù hợp để đo các vật liệu có độ cứng thấp, như gang, thép, đồng, nhôm, với giới hạn dưới là 4500N/mm² Phương pháp đo độ cứng Rocoen là một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến để đánh giá độ cứng của các vật liệu này.
Phương pháp này sử dụng lực để ép đầu thử lên mẫu, với đầu thử có thể là viên bi thép đường kính 1,587 mm hoặc mũi côn kim cương góc đỉnh 120 độ Đồng hồ trên máy thử có 3 thang đo A, B, C, tương ứng với các lực P1 = 60kg, P2 = 100kg, P3 = 150kg, giúp đo lường chính xác lực tác dụng trong quá trình thử nghiệm.
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 và mũi nhọn lún xuống khoảng h, còn lần thứ hai là 60, 100 hoặc 150 kG khiến mũi nhọn lún xuống một đoạn h2, trong đó hiệu số h2 - h là h1 phản ánh sự chênh lệch độ lún giữa hai lần nhấn với các lực khác nhau Độ cứng của vật liệu được đặc trưng bằng chỉ số Rocoen (HR), trong đó 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, được sử dụng khi đo bằng mũi nhọn kim cương với lực nhấn 150kg, thể hiện độ cứng theo tiêu chuẩn HRC Thang chia B dùng viên bi, với lực nhấn 100kg, phù hợp để đo độ cứng theo HRB Đối với lực nhấn 60kg, ký hiệu trên thân thang là chữ A, thể hiện độ cứng theo HRA Khi đo độ cứng Rocoen, cần ghi rõ đơn vị độ cứng như HRA, HRB hoặc HRC để đảm bảo tính chính xác và rõ ràng trong kết quả kiểm tra.
Thang đo A phù hợp để đo các vật liệu cứng và mỏng, như hợp kim cứng hoặc thép đã tôi Trong khi đó, thang đo C được thiết kế để đo các vật liệu cứng và dày hơn, thường là thép đã tôi dùng trong các khuôn dập.
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 ấn lên bề mặt mẫu thử hoặc chi tiết dưới tải trọng P từ 5 đến 120 kg, phổ biến nhất là các giá trị 5, 10, 20, 30, 50, 100 và 120 kg Độ cứng Vickers (HV) được sử dụng để đánh giá độ cứng của vật liệu, ký hiệu bằng HV (kgf/mm²).
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 cố định hai đầu trên máy trong quá trình thử nghiệm Mẫu Izod có kích thước 10 x 10 x 75 mm, thiết kế với sẻ rãnh chữ V sâu 2mm cách một đầu 28mm và được cố định tại đầu này trên máy Quả búa con lắc của máy đập vào mặt đối diện tại vị trí có sẻ rãnh, trong khi đồng hồ đo thể hiện giá trị công phá hủy của mẫu Độ dai va đập aK được xác định dựa trên công thức riêng, phản ánh khả năng chịu lực của vật liệu trong thử nghiệm.
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 đặc trưng bởi thành phần Cacbon từ 2,14% đến 6,67% Điểm A trên giản đồ ứng với 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
Vì ferit tồn tại riêng biệt chỉ ở nhiệt độ trên 727°C nên không ảnh hưởng đến tính chất cơ học của kim loại khi chịu tải, mà chủ yếu liên quan đến quá trình gia công áp lực trong trạng thái nóng và nhiệt luyện Ferit là dung dịch đặc xen kẽ của cacbon (C) hoà tan trong Feα, với lượng cacbon hoà tan nhỏ, chỉ khoảng 0,02% tại 727°C Khi nhiệt độ giảm, lượng cacbon hoà tan trong ferit giảm theo, khiến ferit gần như là sắt nguyên chất Ferit có tính dẻo, mềm và có độ cứng thấp, dao động trong khoảng 80-100 HB, phù hợp với các quy trình nhiệt luyện và gia công kim loại.
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 kết tinh ở thể rắn tạo thành peclit có số lượng lớn nhất, chứa khoảng 0,8% C Tính chất cơ học của peclit phụ thuộc vào tỷ lệ của ferit và xêmentit cũng như dạng hình của xêmentit (dạng hạt hoặc tấm) Độ cứng của peclit dạng tấm dao động từ 200 đến 250 HB, còn độ cứng của peclit dạng hạt thấp hơn, khoảng 160 HB.
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 quá trình nhiệt luyện kim loại và hợp kim là nơi bắt đầu hoặc kết thúc sự chuyển biến pha Các điểm tới hạn chính liên quan đến nhiệt luyện gồm điểm A1, A3 và Acm, đóng vai trò quan trọng trong quá trình kiểm soát nhiệt độ và kỹ thuật xử lý để đảm bảo tính chất lý hóa của vật liệu Hiểu rõ các điểm tới hạn này giúp optim hóa quy trình nhiệt luyện, nâng cao chất lượng và độ bền của kim loại và hợp kim.
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
và ostenit khi nung nóng Quá trình này liên quan đến các biến đổi nhiệt độ trong hợp kim thép, đặc biệt là sự chuyển đổi giữa các pha rắn như ostenit và xi măngit, góp phần ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng gia công của vật liệu Hiểu rõ quá trình này giúp tối ưu quá trình xử lý nhiệt và nâng cao chất lượng sản phẩm thép.
Các loại thép đều có điểm A1, với giá trị chung là 727°C, thể hiện điểm chuyển tiếp của quá trình nung nóng Thép trước khi tôi luyện chỉ có điểm A1, trong khi thép sau quá trình tôi luyện bổ sung thêm điểm A3, còn thép cuối cùng có thêm điểm Acm Hai điểm A1 và A3 không cố định mà thay đổi tùy thuộc vào thành phần cacbon trong thép, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xử lý nhiệt và tính chất cơ lý của vật liệu.
Khi nung nóng và làm nguội với tốc độ cao, các chuyển biến pha xảy ra ở nhiệt độ khác nhau, gây ra sự khác biệt đáng kể trong quá trình chuyển đổi Nhiệt độ chuyển biến pha khi nung nóng thường cao hơn so với khi làm nguội, và tốc độ thay đổi nhiệt càng lớn, sự sai khác về nhiệt độ chuyển biến càng tăng Để phân biệt rõ ràng các nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng, người ta thường thêm ký hiệu chữ C (chauffage), thể hiện quá trình nung để xác định chính xác điểm chuyển đổi pha.
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 tồn tại một lượng nhất định của các hợp kim như mangan (Mn) và silic (Si), nhằm cải thiện tính chất cơ học của thép Tuy nhiên, các tạp chất có hại như phospho (P) và lưu huỳnh (S) cũng không thể loại bỏ hoàn toàn, ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của sản phẩm thép Việc kiểm soát hàm lượng các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo tiêu chuẩn và độ tin cậy của thép trong các ứng dụng công nghiệp.
Ngoài nguyên tố C là thành phần chính trong thép, hầu hết các loại thép đều chứa một lượng nhỏ các nguyên tố phụ như Mn dưới 0,8%, Si dưới 0,5%, P dưới 0,05% và S dưới 0,05% Trong đó, carbon có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ lý của thép, ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, độ dẻo và khả năng gia công của sản phẩm Việc kiểm soát hàm lượng carbon và các nguyên tố hợp kim khác là yếu tố then chốt để nâng cao chất lượng và độ bền của thép trong các ứng dụng công nghiệp.
Là nguyên tố ảnh hưởng lớn nhất trong thép cacbon
Chỉ cần điều chỉnh một lượng nhỏ carbon trong thép cơ, lý, hóa tính của thép sẽ thay đổi đáng kể Tổ chức của thép cacbon chủ yếu bao gồm sự kết hợp của hai pha ferit và cementit, ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và khả năng chế tạo của thép.
Trong thép, pha ferit là phần mềm dẻo, còn pha xêmentit là phần cứng giòn Khi lượng cacbon trong thép tăng lên, lượng xêmentit cũng tăng theo, gây cản trở quá trình di trượt của ferit Điều này dẫn đến việc độ bền và độ cứng của thép tăng, nhưng đồng thời làm giảm khả năng dẻo dai 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
Việc sử dụng tạp chất như S và P trong hợp kim cần cẩn trọng vì chúng ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất công nghệ như gia công cắt gọt và nhiệt luyện Tăng hàm lượng S và P có thể làm giảm khả năng gia công và tăng khả năng gây nứt trong quá trình nhiệt luyện, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cuối cùng Do đó, không nên bổ sung quá nhiều tạp chất này để duy trì các đặc tính cơ học và công nghệ của vật liệu một cách tối ưu.
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 thép chịu nhiệt độ cao Tại nhiệt độ cao, các tạp chất chứa lưu huỳnh sẽ mềm ra, làm giảm liên kết bền vững của thép và gây ra hiện tượng giòn nóng, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chịu lực và độ bền của vật liệu.
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 dễ gia công cắt gọt trên các máy tự động Thép này, với thành phần chứa 0,15% P và 0,3% S, phù hợp cho các ứng dụng cần độ cứng và độ giòn cao Ngoài ra, ảnh hưởng của các chất khí cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của thép, cần được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình sản xuất để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
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 với mức giá phải chăng, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Tùy vào hàm lượng cacbon, thép cacbon được sử dụng cho các mục đích cụ thể như làm các chi tiết máy chịu tải trọng nhỏ và vừa Tuy nhiên, thép cacbon có cơ tính tổng hợp không cao, 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 thành ba nhóm chính là A, B và C Nhóm A tập trung đánh giá các chỉ tiêu cơ lý như độ bền, độ dẻo, độ cứng để xác định đặc tính kỹ thuật của thép Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hóa học, giúp phân loại và kiểm soát chất lượng thép dựa trên hàm lượng các nguyên tố chính Nhóm C gồm các loại thép được đánh giá dựa trên cả hai tiêu chí: tính chất cơ lý và thành phần hóa học, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn sản xuất.
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 chúng ta lựa chọn loại thép phù hợp với từng mục đích sử dụng, như nhóm A để kiểm tra cơ tính, nhóm B và C để tính toán về hàn và nhiệt luyện Thép cacbon thông dụng có độ cơ tính không cao, chủ yếu dùng để chế tạo chi tiết máy và kết cấu chịu tải trọng nhỏ, phổ biến trong ngành xây dựng và giao thông Thép cacbon kết cấu là loại thép được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xây dựng và cơ khí nhẹ.
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 chứa hàm lượng tạp chất S và P cực kỳ thấp, đảm bảo tính năng lý hóa vượt trội Với hàm lượng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng, loại thép này phù hợp cho các ứng dụng công trình xây dựng và kết cấu chịu tải cao Sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng, góp phần nâng cao độ bền và độ an toàn của công trình.
Thép cacbon kết cấu được sử dụng trong chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao, thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm để dễ dàng gia công và chế tạo Ngoài ra, thép cacbon dụng cụ là loại thép đặc biệt, phù hợp cho sản xuất dụng cụ cắt, dao, mũi khoan, mang lại độ cứng và bền cao cho từng ứng dụng.
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
Thép cacbon dụng cụ là loại thép có hàm lượng cacbon cao từ 0,7-1,3%, cùng với hàm lượng P, S thấp dưới 0,025%, đảm bảo tính chất lý hóa phù hợp Với đặc tính độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, thép này phù hợp để chế tạo các dụng cụ như đục, giũa, và các loại khuôn, chi tiết cần đạt độ cứng chính xác Tuy nhiên, do chịu nhiệt thấp, thép cacbon dụng cụ không thích hợp cho các ứng dụng cần khả năng chịu nhiệt cao hoặc mất ổn định dưới nhiệt độ cao.
GANG
Gang là hợp kim Fe - C có hàm lượng carbon lớn hơn 2,14% nhưng thấp hơn 6,67%, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ cứng cao Ngoài ra, gang chứa một số tạp chất như Si, Mn, S, P cùng các nguyên tố khác để cải thiện tính chất cơ học và chế tạo.
Gang có hàm lượng C cao hơn nên luôn tồn tại lượng xementit cao cả ở nhiệt độ thường lẫn ở nhiệt độ cao Đặc điểm nổi bật của gang là tính cứng và giòn, cùng với nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc và gia công.
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 trong gang, quá trình graphit hoá càng mạnh, dẫn đến nhiệt độ chảy giảm, với nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn của gang thấp nhất khi hàm lượng C là 4,43% ở 1147°C, giúp quá trình đúc thuận lợi hơn Tuy nhiên, việc tăng hàm lượng C còn khiến giảm độ bền và gia tăng độ giòn của gang, do đó hàm lượng cacbon trong gang xám thường được hạn chế trong khoảng từ 2,8% đến 3,5% Bên cạnh đó, nguyên tố Si (Silic) cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của gang, góp phần cải thiện độ co cứng và nâng cao cơ lý tính 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):
Mn là nguyên tố cản trở quá trình graphit hóa để hình thành Fe3C trong gang trắng, do đó gang trắng thường chứa từ 2-2,5% Mn, trong khi trong gang xám lượng Mn không vượt quá 1,3% Ngược lại, Si góp phần thúc đẩy quá trình graphit hóa, giúp hình thành các phần tử cacbua trong thép và gang, làm tăng độ dẻo dai và chống nứt nẻ Phốt pho (P) thường là nguyên tố gây cứng, giảm tính dẻo của kim loại, do đó hàm lượng P trong gang và thép cần kiểm soát ở mức thấp để đảm bảo tính chất cơ học tốt.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
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
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
2.3.3 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
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Ký hiệu: gang trắng không có ký hiệu riêng
Gang trắng có tính chất đặc trưng bởi các bon ở dạng xêmentit, khiến cho vật liệu trở nên rất cứng và giòn Do đặc điểm này, gang trắng có khả năng gia công cơ khí kém và thường không thể gia công bằng phương pháp cơ khí truyền thống Thay vào đó, các chi tiết bằng gang trắng thường được sử dụng chủ yếu dưới dạng đúc, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ cứng cao và khả năng chịu lực tốt.
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 chịu mài mòn cao, thích hợp để chế tạo các chi tiết yêu cầu độ cứng vượt trội 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 phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn và độ bền, phù hợp với các bộ phận máy móc và kết cấu xây dựng.
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 có độ bền nén cao, khả năng chịu mài mòn tốt và tính đúc vượt trội, giúp giảm rung động hiệu quả Chính 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 cải thiện cơ tính, nâng cao chất lượng và độ bền của sản phẩm.
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, đi kèm với hai con số mô tả đặc tính kỹ thuật Trong đó, số thứ nhất biểu thị giới hạn kéo của gang xám, còn số thứ hai thể hiện giới hạn bền của vật liệu Hệ thống ký hiệu này giúp xác định chính xác các đặc tính cơ lý của gang xám theo tiêu chuẩn của Liên xô.
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 dạng cầu có kích thước nhỏ hơn so với gang xám, giúp cải thiện đáng kể cơ tính của hợp kim Nhờ cấu trúc này, hợp kim có độ bền và độ dẻo cao hơn, thường đạt lực kéo kéo k từ 400 đến 1000 N/mm² và độ dẻo khoảng 5% trở lên Tổ chức này mang lại đặc tính cơ học vượt trội so với gang xám truyền thống, phù hợp cho các ứng dụng cần độ bền cao và khả năng chịu uốn tốt.
Gang cầu có chứa khoảng 15% hợp kim và có cơ tính gần giống thép nhưng độ bền thấp, cho phép thay thế thép trong sản xuất các chi tiết trung bình và lớn có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng trung bình và cao cùng va đập như trục khuỷu và trục cán Để tạo tổ chức gang cầu, cần nấu chảy gang xám và tiến hành quá trình biến tính đặc biệt gọi là cầu hoá bằng chất biến tính như Mg để chuyển đổi graphit thành dạng hình cầu, giúp 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, đi kèm với hai con số quan trọng, trong đó con số đầu tiên thể hiện giới hạn bền kéo của gang cầu, còn con số thứ hai biểu thị độ giãn dài tương đối của vật liệu Việc hiểu rõ các ký hiệu này giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực và tính đàn hồi của gang cầu trong các ứng dụng kỹ thuật Đặc biệt, ký hiệu Bϕ kèm theo các con số góp phần nâng cao hiệu quả trong việc chọn vật liệu phù hợp cho các kết cấu chịu lực cao.
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 đúc được ủ từ gang trắng giúp phân huỷ Fe3C thành phân tử graphit dạng cụm, tạo ra vật liệu có độ bền và độ dẻo cao gần bằng thép Nhờ đặc tính này, loại gang này có thể thay thế thép trong một số ứng dụng công nghiệp, mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật vượt trội.
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,
Các hợp kim như Cr, Si, Ni, Ti, W, Cu, Co, Mo đều có hàm lượng đủ lớn để thay đổi tổ chức và tính chất của thép Những hợp kim này không đơn thuần là tạp chất mà mang lại những đặc tính mới, vượt trội so với thép cacbon thông thường Nhờ đó, chúng tạo ra những tính chất đặc biệt như độ bền cao, khả năng chống ăn mòn, chịu nhiệt tốt và khả năng chịu lực vượt trội, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Cơ, lý, hoá tính cao hơn giúp tăng độ bền, khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn và mài mòn hiệu quả Các dung dịch đặc tạo độ dẻo, cùng với các hợp kim nâng cao độ cứng như Cr, W, Ti, góp phần cải thiện tính chất vật lý của sản phẩm Vỏ oxyt bền chắc có tác dụng chống ăn mòn, bảo vệ bề mặt sản phẩm khỏi các tác nhân gây hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Tính công nghệ tốt: dễ gia công, dễ nhiệt luyện
Dù có giá thành cao hơn, vật liệu này vẫn được sử dụng phổ biến nhờ vào đặc tính cơ học đặc biệt, giúp giảm khối lượng và kích thước của trang thiết bị máy móc, đồng thời đảm bảo an toàn nhờ khả năng chống ăn mòn vượt trội.
2.4.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép: a Ảnh hưởng của Cr:
Cr (Chrome) được thêm vào thép với hàm lượng khoảng 1,5 - 2,5%, và có thể tăng đến 30% để đáp ứng các yêu cầu đặc biệt Chrome giúp tăng độ cứng và độ bền của thép, đồng thời giảm khả năng dẻo, bên cạnh đó còn có tác dụng chống ăn mòn cao; thép chứa nhiều Cr có thể trở thành thép không gỉ và duy trì tính từ ổn định Ảnh hưởng của Niken trong hợp kim thép cũng mang lại những đặc tính quan trọng như tăng khả năng chống oxi hóa và duy trì độ bền trong điều kiện khắc nghiệt.
Niklen giúp tăng khả năng chống ăn mòn, nâng cao độ bền, độ dẻo và khả năng chống va đập của thép, góp phần cải thiện hiệu suất sử dụng trong các ứng dụng khắc nghiệt Thép hợp kim INVA chứa khoảng 35-37% Nickel (Ni) có độ giãn dài gần như bằng không ở nhiệt độ từ -80°C đến 100°C, cho thấy khả năng chịu tải cao nhưng giảm tính dãn dài trong điều kiện lạnh Ngoài ra, ảnh hưởng của Wonfam cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính chất của thép, thúc đẩy sự phát triển các loại thép có độ chịu ăn mòn và độ bền vượt trội.
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% crom trong thép giúp tăng cường độ cứng, khả năng chống mài mòn và sức chịu va đập mà không làm giảm độ dẻo của thép Ảnh hưởng của coban trong hợp kim thép cũng đóng vai trò quan trọng, cải thiện tính chất cơ lý và độ bền của vật liệu.
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 ký hiệu bằng số và chữ phản ánh hàm lượng carbon theo phần vạn cùng với các ký hiệu biểu thị các nguyên tố hợp kim trong thép Tên gọi của thép hợp kim dựa trên các nguyên tố hóa học chứa trong hợp kim, giúp phân biệt và xác định đặc tính của từng loại thép hợp kim kết cấu.
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%
Khi thành phần của nguyên tố hợp kim vượt quá 1%, trong ký hiệu người ta ghi rõ phần trăm của nguyên tố hợp kim ngay sau tên của nó Điều này giúp xác định chính xác tỷ lệ của nguyên tố hợp kim trong hợp kim, phục vụ cho mục đích phân tích và ứng dụng kỹ thuật Việc ghi rõ phần trăm nguyên tố hợp kim là yếu tố quan trọng trong việc nhận biết thành phần cấu tạo và đặc tính của hợp kim SEO keywords như "nguyên tố hợp kim", "phần trăm hợp kim", "ký hiệu hợp kim" giúp tăng khả năng tìm thấy nội dung này trên các công cụ tìm kiếm.
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 về loại thép hợp kim kết cấu là 12Cr2Ni3, trong đó chứa hàm lượng C = 0,12%, Cr = 2%, và Ni = 3%, thể hiện chất lượng tốt Chữ "A" được sử dụng để biểu thị loại thép hợp kim có chất lượng cao, đảm bảo độ bền và độ dẻo tốt cho các ứng dụng công nghiệp Thép 12Cr2Ni3 nổi bật về khả năng chịu lực và chống ăn mòn, phù hợp cho các chi tiết máy móc yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật cao.
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 có hàm lượng C là 0,9% Hàm lượng Cr và Si trong thép hợp kim dụng cụ đều nhỏ hơn hoặc bằng 1% Đặc biệt, đối với thép hợp kim dùng để làm ổ lăn, ký hiệu trước thép hợp kim là OL nhằm phân biệt chuyên dụng này.
Ký hiệu của thép hợp kim theo tiêu chuẩn của Liên Xô bao gồm các con số và chữ cái liên tiếp để phản ánh thành phần Carbon (C) trong hợp kim Các ký hiệu này còn thể hiện tên của các nguyên tố kim loại có trong hợp kim thép, giúp dễ dàng nhận biết thành phần cấu tạo và đặc tính của từng loại thép Việc hiểu rõ các ký hiệu này là quan trọng để lựa chọn thép phù hợp với nhu cầu kỹ thuật và tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Ký hiệu mác thép bắt đầu bằng con số thể hiện thành phần các bon chứa trong thép, giúp xác định đặc tính của loại thép đó Trong các loại thép hợp kim kết cấu, hai con số đầu tiên của ký hiệu mác thép thể hiện tỷ lệ phần trăm thành phần cacbon chứa trong thép, cung cấp thông tin quan trọng để chọn loại thép phù hợp với ứng dụng kỹ thuật và cơ học.
Ví dụ : 40X là thép hợp kim kết cấu có chứa 40/000 C tức 0,4% C
Trong thép hợp kim dụng cụ, chỉ số phần nghìn (‰) được sử dụng để thể hiện lượng chứa trong thép Khi hợp kim chứa thành phần của nguyên tố hợp kim bằng hoặc thấp hơn 1%, không cần ghi số phần nghìn sau tên nguyên tố hợp kim trong tài liệu hoặc bảng thành phần Điều này giúp đơn giản hóa cách diễn đạt và thể hiện rõ ràng thành phần hợp kim trong thép dụng cụ, phù hợp với các quy chuẩn kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc tế.
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