Giáo trình Vật liệu cơ khí cung cấp cho người đọc những kiến thức như: 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!
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 các sản phẩm kim loại hoặc hợp kim, việc chọn lựa nguyên liệu 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 nắm vững các tính chất của kim loại và hợp kim, đặc biệt là các tính chất cơ bản như độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống oxi hóa và khả năng xử lý gia công Hiểu rõ các đặc tính này giúp quá trình lựa chọn nguyên liệu phù hợp và tối ưu hóa quy trình chế tạo.
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 mức độ nhất định, gây ra sức căng vượt quá giới hạn bền kéo của vật liệu, làm cho thanh kim loại bị đứt Điều này cho thấy rằng giới hạn bền kéo là yếu tố quyết định khả năng chịu lực của vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật Hiểu rõ về giới hạn bền kéo giúp đảm bảo độ bền và an toàn trong quá trình thiết kế và sử dụng 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 phản ánh khả năng chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi chịu tác dụng của ngoại lực, thông qua phép đo vết lõm trên bề mặt Khi cùng một lực nén, vết lõm càng sâu và biến dạng lớn thì vật liệu đó càng kém cứng Phương pháp đo độ cứng là cách thử đơn giản, nhanh chóng giúp xác định đặc tính của vật liệu mà không gây phá hủy chi tiết Các phương pháp đo độ cứng thường sử dụng tải trọng nén từ viên bi thép cứng hoặc mũi kim cương, ép lên bề mặt mẫu vật 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 Brinen, sử dụng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu cần thử Phương pháp này giúp xác định chính xác độ cứng của vật liệu qua việc đo độ sâu của vết lõm Việc sử dụng tải trọng phù hợp và viên bi tiêu chuẩn đảm bảo kết quả đánh giá độ cứng chính xác, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.
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 ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật, giúp so sánh độ nặng nhẹ của các loại kim loại để lựa chọn vật liệu phù hợp, đồng thời giải quyết nhiều vấn đề thực tế trong quá trình thiết kế và xây dựng.
Ví dụ, những vật lớn như thép đường ray hoặc thép hình có khối lượng khó đo bằng cân thông thường Tuy nhiên, nhờ vào việc biết rõ khối lượng riêng của vật và đo đạc chính xác kích thước của chúng, ta có thể tính toán thể tích dễ dàng Từ đó, có thể xác định khối lượng của các vật này một cách chính xác mà không cần phải cân trực tiếp, chỉ bằng công thức tính khối lượng dựa trên khối lượng riêng và thể tích.
Nhiệt độ nung nóng kim loại sẽ biến đổi trạng thái từ rắn sang lỏng Sắt nguyên chất có điểm chảy ở nhiệt độ 1539°C, trong khi đó gang có điểm chảy dao động từ 1130-1350°C tùy thuộc vào hàm lượng carbon Thép có điểm chảy khoảng 1400-1500°C, cũng bị ảnh hưởng bởi lượng carbon trong hợp kim.
Tính chất kim loại có khả năng chảy loãng tốt đóng vai trò then chốt trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đặc biệt trong quy trình đúc các chi tiết máy Phương pháp đúc là phương pháp chế tạo các chi tiết máy tiết kiệm Do đó, kim loại phù hợp cho đúc phải có tính chảy loãng cao để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của quá trình sản xuất.
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 càng thấp thì khả năng chảy loãng khi ở dạng lỏng càng tốt Điều này cho thấy, nhiệt độ nóng chảy là yếu tố quyết định chính đến đặc tính chảy loãng của kim loại khi nung chảy.
Khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng là đặc điểm quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật Hệ số giãn nở theo chiều dài phản ánh mức độ biến dạng của kim loại khi bị nhiệt tác động, với các giá trị lớn hơn cho thấy kim loại có khả năng nở rộng nhiều hơn Ví dụ, hệ số giãn nở theo chiều dài 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 sắt nguyên chất khi nung nóng Việc hiểu rõ các hệ số này giúp lựa chọn vật liệu phù hợp trong thiết kế kỹ thuật, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu chịu nhiệt và biến dạng nhiệt.
Kim loại có khả năng dẫn nhiệt, hay còn gọi là độ dẫn nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt, ảnh hưởng đến khả năng nung nóng và làm nguội của vật thể Các kim loại và hợp kim có độ dẫn nhiệt khác nhau, giúp chúng nhanh hoặc chậm trong việc truyền nhiệt; kim loại dẫn nhiệt tốt sẽ nóng đều và nguội nhanh hơn, trong khi các vật có khả năng dẫn nhiệt kém cần nhiều thời gian để đốt nóng hoặc làm nguội Đơn vị đo độ dẫn nhiệt thường được biểu thị bằng kcalo/m/giờ độ, và trong thực tế, người ta thường so sánh độ dẫn nhiệt của các kim loại với một 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 ràng, thể hiện đặc tính từ tính mạnh mẽ và thường được gọi là kim loại từ tính Trong khi đó, hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ, không thể hồi tự hình thành từ tính mạnh như các kim loại từ tính kể trên Do đó, tính chất từ tính đóng vai trò quan trọng trong phân loại kim loại và hợp kim, ảnh hưởng đến nhiều 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 cao được đánh giá dựa trên khả năng chống lại sự phá hủy do môi trường xung quanh như hơi nước, oxy trong không khí ở nhiệt độ thường hoặc cao Tính chịu axít của kim loại thể hiện khả năng chịu đựng tốt trước tác động của các loại axít, giúp giữ vững đặc tính và độ bền của kim loại trong những điều kiện chứa axít Những đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn kim loại phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống ăn mòn và chịu hóa chất tốt.
Tính chịu nhiệt của kim loại là khả năng chống lại sự ăn mòn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao Đây còn gọi là độ bền của kim loại khi tiếp xúc với các tác nhân ăn mòn trong các môi trường nhiệt độ cao, bao gồm cả thể lỏng và khí Tính chịu nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu chịu nhiệt tốt.
Khả năng thay đổi trạng thái của kim loại và hợp kim bằng các phương pháp công nghiệp là yếu tố cốt lõi để sản xuất các sản phẩm đa dạng Tính công nghệ của quá trình này bao gồm các phương pháp chế biến, gia công và xử lý nhiệt giúp nâng cao chất lượng và độ bền của kim loại và hợp kim Áp dụng các công nghệ tiên tiến trong quá trình điều chỉnh trạng thái kim loại giúp tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp hiện đại.
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 trong khi vật liệu phi kim loại có cấu tạo định hình Trong một đơn vị tinh thể ở trạng thái rắn, các nguyên tử kim loại phân bố theo một quy luật nhất định tạo thành mạng tinh thể Tùy vào loại kim loại và các điều kiện bên ngoài, mỗi đơn tinh thể có các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự hình học xác định Mạng tinh thể chính là cấu trúc sắp xếp đặc trưng của các nguyên tử trong kim loại, phản ánh đặc điểm cấu trúc tinh thể của kim loại đó.
Một mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian, trong đó mỗi nút mạng được xem như là tâm của các nguyên tử Mạng tinh thể không gian này được gọi là đơn tinh thể, thể hiện cấu trúc sắp xếp đều đặn và liên tục 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:
Lập phương thể tâm (hình 1.4a), lập phương diện tâm (hình 1.4b), và lục phương dày đặc (hình 1.4c) là các dạng cấu trúc ô cơ bản trong chế tạo vật liệu Các thông số mạng được xác định dựa trên loại ô cơ bản, ví dụ như đối với ô lập phương diện tâm, các tham số mạng a = b = c thể hiện chiều dài các cạnh của ô cơ bản Đơn vị đo các tham số này là Angstrom (A0), trong đó 1A0 = 10^-8 cm, giúp định lượng chính xác kích thước của ô cấu trúc.
Các ô tinh thể cơ bản a Lập phương thể tâm
Trong kiểu mạng lập phương cơ bản, các nguyên tử nằm ở các đỉnh mạng và trung tâm của khối lập phương, tạo thành cấu trúc tinh thể đặc trưng Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực tiếp mà liên kết qua các nguyên tử ở trung tâm của hình lập phương, tạo nên mạng tinh thể bền vững Các kim loại có kiểu mạng này gồm: Fe, Cr, Vônfram, Molybden, Vanadi.
Trong cấu trúc ô cơ bản của mạng này, các nguyên tử nằm tại các nút (đỉnh) của hình lập phương, trong khi các nguyên tử khác 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 nằm tại các nút mạng của hình lục giác, tạo thành một mạng lưới đều đặn và vững chắc Hai nguyên tử được đặt ở trung tâm của hai mặt đáy, góp phần duy trì sự ổn định cấu trúc Ngoài ra, ba nguyên tử còn lại nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác, cách đều nhau, tạo nên sự phân bố đều và cân đối trong mạng lưới.
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 về sự biến đổi của nguyên tố Fe cho thấy rằng ở mỗi mức nhiệt độ khác nhau, Fe không chỉ thay đổi cấu trúc cơ bản mà còn ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý của nó, điều này rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng kim loại trong công nghiệp.
Khi nhiệt độ đạt 1539°C, sắt bắt đầu kết tinh và hình thành tổ chức lập phương thể tâm Đoạn thẳng nằm ngang đầu tiên xuất hiện sau quá trình nguội kim loại, biểu thị sự hình thành của sắt đenta với thông số mạng là 2,93 Å Quá trình này thể hiện rõ đặc điểm cấu trúc tinh thể của sắt ở nhiệt độ cao, đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều chế và ứng dụng 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 ổn định và chuyển thành sắt beta (Feβ) hoặc sắt alpha không từ tính có cấu trúc mạng lập phương tâm diện với thông số mạng 2,9 Å Quá trình này phản ánh sự biến đổi cấu trúc của sắt dưới nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến tính chất vật lý của kim loại Hiểu rõ các giai đoạn biến đổi này là quan trọng trong việc kiểm soát đặc tính của sắt và hợp kim sắt 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 nhiệt độ của chúng xuống một mức nhất định, bắt đầu hình thành các trung tâm kết tinh (tâm mầm), như minh họa trong hình 1.6a Các tâm mầm này có thể tồn tại sẵn từ các phân tử tạp chất không nóng chảy như bụi tường lò hoặc chất sơn khuôn, và đóng vai trò rất có lợi trong quá trình kết tinh.
Tâm mầm tự sinh có thể hình thành do sự biến đổi nội năng khi thay đổi nhiệt độ Số lượng tâm mầm tự sinh tăng lên đáng kể khi nhiệt độ giảm, đặc biệt khi độ nguội (hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết và nhiệt độ kết tinh thực tế) càng lớn Hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết tinh và hình thành cấu trúc tinh thể trong các quá trình vật lý và kỹ thuật.
Các tâm mầm bắt đầu phát sinh và cùng với quá trình phát triển, pha lỏng dần giảm đi cho đến khi chuyển hoàn toàn thành trạng thái rắn, như hình 1.6 b, c minh họa Trong quá trình này, các đơn tinh thể (hạt) kết tinh theo các hướng khác nhau, tạo nên đặc điểm riêng biệt của cấu trúc tinh thể Quá trình kết tinh này đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và phát triển của các vật liệu rắn, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và cấu trúc của sản phẩm cuối cùng.
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 sử dụng phổ biến hơn kim loại nguyên chất nhờ vào những tính chất đặc biệt phù hợp với các nhu cầu thực tế Những đặc điểm này bao gồm tính cơ học, lý hóa, cũng như tính công nghệ, giúp hợp kim đáp ứng tốt hơn yêu cầu sản xuất và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
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, tính chất cơ học của vật liệu kim loại và hợp kim luôn là yếu tố được quan tâm hàng đầu để đảm bảo độ bền và hiệu quả của sản phẩm Để xác định các tính chất này, các nhà kỹ thuật thường tiến hành kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm thông qua các mẫu vật liệu thí nghiệm Các phương pháp đánh giá tính chất cơ học của kim loại và hợp kim hiện nay gồm nhiều kỹ thuật khác nhau, giúp đo lường độ dẻo, độ cứng, độ bền kéo, và khả năng chịu nhiệt của vật liệu Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ nâng cao độ chính xác trong phân tích mà còn đảm bảo tính tin cậy của các sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo máy móc và cơ khí.
1.3.1 Đánh giá độ bền kéo của vật liệu kim loại và hợp kim
Thử kéo là bước quan trọng để xác định đặc tính cơ học của kim loại như độ bền kéo, độ đàn hồi và độ dẻo Để đo độ bền kéo của vật liệu, cần phải chế tạo mẫu thử đúng theo tiêu chuẩn của từng quốc gia Tại Việt Nam, mẫu thử thường có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật, được kẹp trên máy kéo hoặc máy kéo vạn năng truyền động bằng cơ khí hoặc thủy lực, giúp đánh giá chính xác các đặc tính cơ học của kim loại.
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 (hình 1.10) Quá trình kéo mẫu diễn ra với chiều dài mẫu tăng dần, trong khi chiều ngang của mẫu giảm dần cho đến điểm D, nơi mẫu bị thắt và chịu lực kéo lớn nhất Sau điểm D, lực trên máy không tăng nữa nhưng mẫu vẫn tiếp tục kéo dần đến điểm M thì bị 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 nâng cao khả năng chịu mài mòn và độ bền của vật liệu Để đảm bảo chất lượng và chính xác trong quá trình gia công, người ta sử dụng các phương pháp đo độ cứng khác nhau để đánh giá chính xác đặc tính của thép sau nhiệt luyện Các phương pháp này giúp xác định mức độ cứng của thép, đảm bảo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tế.
Trong quá trình thử cứng, người ta sử dụng tải trọng P của máy ép để ấn lên viên bi bằng thép đã qua xử lý cứng, có đường kính D (gồm các kích thước 2,5 mm, 5 mm, 10 mm), nhằm đánh giá độ cứng của vật liệu thử.
Giá trị của P chọn theo vật liệu và giá trị của đường kính D:
Thép cacbon thấp và gang thường được kiểm tra 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, như mô tả trong hình 1.11 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 Đối với đồng và hợp kim đồng, phương pháp đo độ cứng tương tự cũng được áp dụng, với tải trọng tiêu chuẩn là P = 10D², đảm bảo kết quả đo lường chính xác và phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Việc sử dụng phương pháp đo này giúp đánh giá chất lượng vật liệu một cách chính xác, hỗ trợ trong quá trình chọn lựa vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng kỹ thuật.
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 vết lõm là hth, dựa trên các giá trị này, chúng ta có thể áp dụng công thức tính độ cứng phù hợp Điều kiện đánh giá độ cứng bằng phương pháp Brinell dựa trên sự đo lường chính xác của các thông số D, d và hth để xác định khả năng chống trầy xước của vật liệu Phương pháp Brinell là một trong những tiêu chuẩn quan trọng trong đo độ cứng, cung cấp kết quả chính xác dựa trên kích thước của vết lõm và chiều sâu của nó Việc sử dụng công thức tính độ cứng theo phương pháp Brinell giúp đảm bảo kết quả đo lường phản ánh đúng đặc tính cơ học của vật liệu.
Đường kính vết lõm phải đảm bảo nằm trong khoảng từ 0,2D đến 0,6D để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật Độ cứng HB được sử dụng để đo các vật liệu có độ cứng thấp, chẳng hạn như gang, thép, đồng, nhôm, với giá trị dưới 4500 N/mm² Ngoài ra, phương pháp đo độ cứng Rocoen là một trong những kỹ thuật phổ biến để xác định độ cứng của các vật liệu này.
Phương pháp này sử dụng lực để tác động lên đầu mẫu, đầu thử có thể là viên bi thép đường kính 1,587 mm hoặc mũi côn kim cương góc đỉnh 120° Đồng hồ trên máy thử được chia thành 3 thang đo A, B, C, tương ứng với các lực P1 = 60kg, P2 = 100kg, P3 = 150kg, mỗi thang đo có ký hiệu hoặc đơn vị riêng biệt.
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 với lực 10 kG khiến mũi nhọn lún xuống khoảng h, trong khi lần thứ hai với các lực 60, 100 hoặc 150 kG làm mũi nhọn lún sâu hơn, tạo ra độ lún hiệu số h2 - h = h1 thể hiện sự chênh lệch về độ lún giữa hai lần nhấn Đặc tính độ cứng Rocoen, ký hiệu là HR, được định nghĩa dựa trên mức độ lún của mẫu vật, trong đó 1 HR tương đương với 0,002 mm.
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 thữ bằng mũi nhọn kim cương với lực nhấn 150kg, trong khi thang chia B dùng viên bi với lực nhấn 100kg Đối với lực nhấn 60kg, ký hiệu trên thân đo là chữ A Khi đo độ cứng Rocoen, cần ghi rõ đơn vị độ cứng như HRA, HRB, hoặc HRC để đảm bảo độ chính xác và rõ ràng trong kết quả.
Thang đo A được sử dụng để đo các vật liệu cứng và mỏng, chẳng hạn như 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 trong các khuôn dập Việc lựa chọn đúng thang đo giúp đảm bảo độ chính xác và độ bền trong quá trình kiểm tra vật liệu công nghiệp.
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 độ cứng, tác dụng tải trọng P từ 5 đến 120 kg, trong đó các giá trị thường gặp là 5, 10, 20, 30, 50, 100 và 120 kg Độ cứng Vickers (HV) được ký hiệu bằng đơn vị kG/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 được thử nghiệm bằng cách ngàm hai đầu trên máy để đánh giá khả năng chịu lực Trong khi đó, mẫu Izod có kích thước 10 x 10 x 75 mm, sở hữu rãnh chữ V sâu 2mm cách một đầu 28mm và cũng được cố định tại đầu này trên máy Quả búa con lắc của thiết bị đập vào mặt đối diện của mẫu tại vị trí rãnh, đồng hồ đo của máy ghi lại giá trị công phá hủy của mẫu Độ dai va đập của vật liệu được xác định dựa trên công thức tính cụ thể, giúp đánh giá chính xác khả năng chống va đập của mẫu.
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
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 trên kênh từ 2,14% đến 6,67%, mang lại tính chất nổi bật cho hợp kim này Trên giản đồ, điểm A 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 Nhờ những điểm nhiệt độ này, quá trình gia công và chế tạo các loại gang trở nên dễ dàng hơn, đảm bảo tính chất cơ lý phù hợp với ứng dụng.
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 nóng và nhiệt luyện Ferit là dung dịch đặc xen kẽ của carbon hòa tan trong α-Fe, với lượng carbon hòa tan nhỏ, chỉ khoảng 0,02% ở 727°C Khi nhiệt độ giảm, lượng carbon hòa tan trong ferit càng giảm, khiến ferit trở nên giống như sắt nguyên chất Ferit có tính dẻo, mềm và độ cứng thấp trong khoảng 80-100 HB, thể hiện giới hạn bền khá thấp.
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, chiếm số lượng lớn trong cấu trúc vật liệu Peclit nguyên chất chứa khoảng 0,8% C, và tính chất cơ học của nó phụ thuộc vào tỷ lệ của ferit và xêmentit cũng như hình dạng của xêmentit (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 mối liên hệ giữa cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của vật liệu.
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, như điểm A1, A3 và Acm, xác định các nhiệt độ bắt đầu hoặc kết thúc quá trình chuyển biến pha trong hợp kim Những điểm này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình nhiệt luyện, giúp đảm bảo các tính chất cơ học và cấu trúc của kim loại đạt yêu cầu Chỉ tập trung vào các điểm tới hạn liên quan đến quá trình nhiệt luyện, các điểm A1, A3 và Acm là những mốc quan trọng để xác định nhiệt độ xử lý thích hợp cho từng loại 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
Trong quá trình làm nguội hoặc nung nóng, hợp kim ACm bắt đầu tiết ra cementit thứ hai từ cấu trúc austenit hoặc kết thúc quá trình hòa tan cementit thứ hai trong austenit Cụ thể, nhiệt độ bắt đầu xuất hiện cementit thứ hai khi giảm xuống điểm còn gọi là điểm bắt đầu tiết ra cementit, và quá trình này kết thúc khi nhiệt độ giảm đến mức cementit hoàn tất hình thành hoặc hòa tan khi nung nóng.
Các loại thép đều có điểm A1, với giá trị chung là 727°C, thể hiện sự đồng nhất trong quá trình nung nóng Tuy nhiên, thép trước còn có thêm điểm A3, trong khi thép sau bổ sung thêm điểm Acm, phản ánh sự thay đổi của các điểm này theo thành phần carbon trong thép Sự biến đổi của các điểm A1, A3 và Acm phụ thuộc vào thành phần hợp kim, đặc biệt là lượng carbon, ảnh hưởng đến đặc tính và quá trình xử lý nhiệt của thép.
Khi nung nóng và làm nguội, các chuyển biến pha xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau tùy vào tốc độ thay đổi nhiệt Nhiệt độ chuyển biến pha sẽ cao hơn khi nung nóng và thấp hơn khi làm nguội, đặc biệt là khi tốc độ nung nóng hoặc làm nguội tăng, sự chênh lệch này càng lớn Để phân biệt nhiệt độ chuyển biến pha trong quá trình nung nóng, người ta thường sử dụng ký hiệu "C" (chauffage), thể hiện quá trình nung Hiểu rõ sự khác biệt về nhiệt độ chuyển biến pha theo phương pháp nung nóng và làm nguội giúp điều chỉnh quá trình xử lý vật liệu hiệu quả hơn.
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
Thành phần của thép luôn chứa một lượng nhất định các nguyên tố như Mn, Si để tăng cường độ và tính chất cơ lý của vật liệu Đồng thời, các tạp chất độc hại như P và S cũng xuất hiện trong thép, mặc dù khó có thể loại bỏ hoàn toàn Việc kiểm soát thành phần này rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và độ bền của thép trong các ứng dụng công nghiệp.
Ngoài nguyên tố chủ yếu là carbon, tất cả các loại thép đều chứa một lượng nhỏ các nguyên tố như mangan (Mn dưới 0,8%), silic (Si dưới 0,5%), phốt pho (P dưới 0,05%) và lưu huỳnh (S dưới 0,05%) Trong đó, ảnh hưởng của cacbon đóng vai trò quan trọng trong đặc tính cơ lý của thép, ảnh hưởng đến cường độ và độ dẻo của vật liệu.
Là nguyên tố ảnh hưởng lớn nhất trong thép cacbon
Chỉ cần thay đổi một lượng nhỏ cacbon trong thép cơ, lý, hoá tính của thép sẽ biến đổi đáng kể Điều này là do tổ chức của thép cacbon gồm hai pha chính là ferit và xêmentit, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính và ứng dụng của thép.
Trong thép, ferit là pha mềm dẻo, còn xêmentit là pha cứng giòn Khi lượng cacbon trong thép tăng lên, lượng xêmentit cũng tăng theo, gây cản trở sự di trượt của ferit và làm cho thép trở nên cứng và bền hơn Tuy nhiên, sự gia tăng xêmentit dẫn đến giảm độ dẻo dai của thép, ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn cong và chống gãy 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 sử dụng quá nhiều tạp chất như S và P trong nguyên liệu, vì chúng gây ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất công nghệ quan trọng như gia công cắt gọt và nhiệt luyện Việc kiểm soát hàm lượng S và P giúp đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm, đồng thời tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Lưu huỳnh và phốt pho là tạp chất đặc biệt có hại cho thép cacbon
Nguyên tố S gây ra hiện tượng giòn nóng trong thép khi chịu nhiệt độ cao Khi nhiệt độ tăng, tạp chất chứa lưu huỳnh mềm ra, làm giảm khả năng liên kết bền vững của thép Hiện tượng này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chất cơ lý của thép, gây mất độ dẻo dai và dễ vỡ khi chịu tải trọng lớn Đặc biệt, lưu huỳnh trong thép chính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng giòn nóng, cần kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm thép.
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 phốt pho đôi khi mang lại lợi ích khi cần tăng độ giòn để dễ gia công, cắt gọt trên các máy tự động Thép này là loại thép tự động có thành phần chứa 0,15% P và 0,3% S, ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và khả năng gia công của thép Ngoài ra, các chất khí trong quá trình sản xuất thép cũng ảnh hưởng đến chất lượng và đặc tính của sản phẩm cuối cùng.
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 theo hàm lượng cacbon, thép cacbon được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng nhỏ và vừa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp Tuy nhiên, theo đánh giá chung, cơ tính của thép cacbon không đạt mức cao, hạn chế trong các môi trường yêu cầu độ bền và khả năng chịu lực tốt hơn.
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, phù hợp với các tiêu chí đánh giá riêng biệt Nhóm A tập trung vào việc đánh giá các chỉ tiêu cơ tính như độ bền, độ dẻo và độ cứng của thép Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hoá học, giúp xác định thành phần kim loại trong thép để đảm bảo chất lượng Trong khi đó, nhóm C kết hợp cả hai yếu tố cơ tính và thành phần hoá học, mang lại sự đa dạng trong phân loại và ứng dụng của thép cacbon.
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 ứng dụng Chẳng hạn, nhóm A thích hợp để xác định cơ tính, còn nhóm B hoặc C phù hợp cho các công tác hàn và nhiệt luyện Thép cacbon thông dụng có cơ tính không cao, chủ yếu dùng để chế tạo các chi tiết máy và kết cấu chịu tải trọng nhỏ Loại thép này thường được sử dụng trong ngành xây dựng và giao thông, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu kết cấu nhẹ, dễ gia công.
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 S, P rất nhỏ, mang lại tính năng lý hóa vượt trội, đảm bảo độ chính xác trong hàm lượng cacbon và rõ ràng về các chỉ tiêu cơ tính, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao trong xây dựng công trình.
Thép cacbon kết cấu thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao, nhờ đặc tính chịu lực tốt và độ bền vượt trội Loại thép này thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm, tiện lợi cho quá trình gia công và lắp ráp Bên cạnh đó, thép cacbon dụng cụ cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các dụng cụ cắt, dao, và các thiết bị công nghiệp cần độ cứng cao để đảm bảo hiệu quả làm việc và tuổi thọ lâu dài.
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 có hàm lượng cacbon cao từ 0,7-1,3%, cùng với hàm lượng P, S thấp dưới 0,025%, giúp mang lại đặc tính cứng cao sau nhiệt luyện Tuy nhiên, loại thép này chịu nhiệt kém, chỉ phù hợp để sản xuất các dụng cụ như đục, giũa, khuôn hoặc các chi tiết yêu cầu độ cứng cao, đảm bảo độ bền và chính xác trong quá trình gia công.
GANG
Gang là hợp kim Fe - C có hàm lượng carbon lớn hơn 2,14% nhưng nhỏ hơn 6,67%, phù hợp với đặc điểm của gang Ngoài ra, gang chứa các tạp chất như Si, Mn, S, P cùng với các nguyên tố khác, ảnh hưởng đến tính chất vật lý và cơ học của vật liệu.
Gang chứa hàm lượng C cao hơn dẫn đến tổ chức của gang, dù ở nhiệt độ thường hay cao hơn, đều có lượng xementit cao Đặc điểm nổi bật của gang là độ cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ dàng đúc thành hình.
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 thì quá trình graphit hoá càng mạnh, làm giảm nhiệt độ chảy của hợp kim, 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 sẽ gây giảm độ bền cơ học và làm tăng tính giòn của gang, nên trong gang xám, hàm lượng cacbon được giới hạn trong khoảng từ 2,8% đến 3,5% Bên cạnh đó, lưu huỳnh (S) và silíc (Si) cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tích đặc tính của gang, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và khả năng gia công 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):
Trong quá trình sản xuất gang, Mn là nguyên tố cản trở quá trình graphit hóa nhằm hình thành Fe3C của gang trắng, do đó lượng Mn trong gang trắng thường dao động từ 2 đến 2,5%, còn trong gang xám, lượng Mn không quá 1,3% Phốt pho (P) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến tính chất và đặc điểm của các loại gang.
Phốt pho là nguyên tố có hại trong gang, làm giảm độ bền và tăng độ giòn của vật liệu Trong quá trình đúc, phốt pho được sử dụng để tạo các tượng, chi tiết trang trí mỹ thuật, tuy nhiên, thành phần phốt pho trong các chi tiết quan trọng không được vượt quá 0,1%, còn trong các chi tiết không quan trọng có thể lên đến 1,2% Lưu huỳnh (S) cũng đóng vai trò quan trọng trong thành phần hợp kim, ảnh hưởng đến tính chất của gang và các sản phẩm đúc.
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 sự hình thành của loại gang, với làm nguội nhanh sẽ tạo ra gang trắng, còn làm nguội chậm sẽ dẫn đến gang xám 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 có thành phần chính là cácbon liên kết với Fe3C (xi măngtit), tạo thành tổ chức xementit Nhờ chứa nhiều xementit, mặt gãy của gang trắng có màu sáng trắng, điều này giúp phân biệt với các loại gang khác.
Ký hiệu: gang trắng không có ký hiệu riêng
Gang trắng có đặc tính rất cứng và giòn do chứa các bon ở dạng xêmentit, khiến khả năng cắt gọt kém Chính vì tính chất cứng này, gang trắng không thích hợp cho gia công cơ khí, mà thường được sử dụng dưới dạng các chi tiết đúc sẵn để đảm bảo độ chính xác và độ bền.
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 nổi bật là rất cứng, phù hợp để chế tạo các chi tiết yêu cầu độ cứng cao và khả năng chống mài mòn, như bi nghiền trong các máy nghiền, quả lô trong máy xát gạo, mép lưỡi cày, vành bánh xe, trục cán Trong khi đó, gang xám cũng được sử dụng rộng rãi nhờ tính dẻo và khả năng chế tạo dễ dàng, phù hợp cho các ứng dụng chịu va đập và mài mòn nhẹ đến trung bình.
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 và khả năng chịu mài mòn tốt, giúp tăng tuổi thọ các chi tiết cơ bản và lớn Với tính đúc tốt, gang xám được sử dụng phổ biến để đúc các bộ phận 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 các đặc tính cơ lý, nâng cao hiệu quả 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 biểu diễn bằng chữ Cϕ, đi kèm hai con số Con số đầu tiên thể hiện giới hạn bền kéo của vật liệu, trong khi con số thứ hai phản ánh giới hạn bền Đây là quy ước giúp nhận biết chính xác tính chất cơ lý của gang xám theo tiêu chuẩn 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 có dạng hình cầu nhỏ hơn so với gang xám, giúp nâng cao cơ tính của hợp kim Chính vì vậy, hợp kim này có độ bền và độ dẻo cao hơn nhiều, với σk đạt từ 400 đến 1000 N/mm² và độ dẻo δ khoảng 5% Nhờ đặc điểm này, hợp kim graphit dạng cầu thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chịu lực tốt và tính đàn hồi cao.
Gang cầu có cơ tính gần như thép, có độ bền thấp phù hợp thay thế thép trong chế tạo các chi tiết trung bình và lớn với hình dạng phức tạp, chịu tải trọng trung bình đến cao và va đập, như trục khuỷu và trục cán Để chế tạo tổ chức gang cầu, quá trình nấu chảy gang xám sau đó biến đổi cấu trúc bằng phương pháp cầu hoá sử dụng chất biến tính như Mg, giúp chuyển đổi graphit thành dạng hình cầu, tăng khả năng chịu lực và độ bền của vật liệu.
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%
Liên xô, gang cầu được ký hiệu là Bϕ cùng với hai con số, trong đó con số đầu tiên thể hiện giới hạn bền kéo của vật liệu, còn con số thứ hai mô tả độ giãn dài tương đối Thông qua ký hiệu này, người kỹ thuật có thể dễ dàng xác định đặc tính cơ học của gang cầu để phù hợp với các ứng dụng xây dựng và cơ khí Việc hiểu rõ các ký hiệu như Bϕ giúp nâng cao tính chính xác trong thiết kế và đảm bảo độ bền của cấu trúc sử dụng gang cầu.
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 giúp phân huỷ Fe3C thành dạng graphit cụm, tạo ra vật liệu có độ bền cao và độ dẻo gần bằng thép Nhờ đặc tính này, loại gang này có thể thay thế thép trong một số ứng dụng công nghiệp, nâng cao tính chất kỹ thuật của sản phẩm Quá trình ủ giúp cải thiện khả năng gia công và tăng tuổi thọ của vật liệu, phù hợp cho các ngành yêu cầu độ bền và dẻo cao.
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, với hàm lượng đủ lớn không phải là tạp chất, giúp thay đổi tổ chức và tính chất của thép Nhờ đó, chúng tạo ra những đặc tính mới vượt trội mà thép cacbon không có, như tăng độ bền, chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt cao hơn Những nguyên tố hợp kim này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và ứng dụng của các loại thép đặc biệt, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong ngành công nghiệp.
Các vật liệu có cơ, lý, hoá tính cao, giúp nâng cao độ bền, độ bền nhiệt, khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn Chúng ít bị dãn nở nhiệt và có khả năng thấm từ nhờ các dung dịch đặc tạo độ dẻo, cùng với các hợp kim nâng cao độ cứng như Cr, W, Ti Ngoài ra, vỏ oxyt bền giúp chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt sản phẩm hiệu quả.
Tính công nghệ tốt: dễ gia công, dễ nhiệt luyện
Dù có giá thành cao hơn, vật liệu này vẫn được ưu tiên sử dụng nhiều nhờ đặc tính cơ học vượt trội, giúp giảm khối lượng và kích thước thiết bị máy móc Ngoài ra, tính chống ăn mòn của nó đảm bảo an toàn và tuổi thọ lâu dài cho các công trình và thiết bị.
2.4.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép: a Ảnh hưởng của Cr:
Cr được đưa vào thép với thành phần khoảng 1,5 - 2,5%, và trong các yêu cầu đặc biệt, tỷ lệ Cr có thể tăng đến 30%, giúp tăng độ cứng và độ bền của thép đồng thời giảm độ dẻo của thép Cr còn có tác dụng chống ăn mòn cao, làm cho thép trở thành thép không gỉ và giữ tính từ ổn định Ảnh hưởng của Niken trong thép cũng rất quan trọng, góp phần cải thiện tính chất cơ học và khả năng chống oxi hóa, nâng cao độ bền và độ dẻo của vật liệu.
Niklen giúp tăng khả năng chịu ăn mòn, nâng cao độ bền, độ dẻo và khả năng chống va đập của thép, làm cho vật liệu trở nên chắc chắn và bền bỉ hơn trong các ứng dụng công nghiệp Tác dụng của Nikken còn ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép, đặc biệt là thép hợp kim INVA chứa 35-37% Ni, có độ giãn dài gần như bằng không ở nhiệt độ từ -80°C đến 100°C, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao trong môi trường khắc nghiệt Ngoài ra, các yếu tố như ảnh hưởng của Wonfam cũng góp phần nâng cao khả năng chống chịu của thép trước các tác nhân gây ăn mòn và va đập.
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:
Nếu hàm lượng Mn trong thép vượt quá 1%, nó giúp tăng độ cứng, khả năng chống mài mòn và chịu va đập của thép mà không làm giảm độ dẻo, đảm bảo tính bền bỉ và đàn hồi của sản phẩm Tác dụng của coban trong thép là tăng khả năng chịu nhiệt và nâng cao độ bền, góp phần cải thiện hiệu suất làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt.
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 các số và chữ để biểu thị hàm lượng cacbon theo phần vạn, cùng với các ký hiệu thể hiện các nguyên tố hợp kim chứa trong thép Tên gọi của thép hợp kim phản ánh chính xác thành phần các nguyên tố hoá học trong hợp kim, giúp phân biệt các loại thép dựa trên thành phần hoá học và đặc tính kỹ thuật Việc hiểu rõ các ký hiệu này là rất quan trọng trong việc lựa chọn thép phù hợp cho các công trình xây dựng và ứng dụng công nghiệp.
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%, ký hiệu của hợp kim sẽ ghi rõ phần trăm của nguyên tố đó ngay sau tên của nguyên tố hợp kim Điều này giúp phân biệt rõ các loại hợp kim dựa trên thành phần hóa học của chúng, đảm bảo tính chính xác trong quá trình nhận diện và ứng dụng Việc ghi rõ phần trăm hợp kim đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất và đặc tính của vật liệu, giúp các kỹ sư và nhà sản xuất lựa chọn phù hợp cho từng mục đích sử dụng.
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
Thép hợp kim 12Cr2Ni3 là loại thép kết cấu chứa các thành phần chính như C = 0,12%, Cr = 2%, Ni = 3%, mang lại chất lượng tốt Chữ "A" trong mã thép thể hiện loại thép hợp kim có chất lượng cao, đảm bảo độ bền và độ chống ăn mòn tốt Loại thép này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chịu lực và độ bền cao trong ngành công nghiệp chế tạo.
Thép hợp kim dụng cụ được ký hiệu tương tự như thép cacbon kết cấu nhưng ký hiệu bắt đầu bằng số thể hiện hàm lượng cacbon theo phần nghìn, ví dụ thép 90CrSi chứa 0,9% C Hàm lượng crom và silit trong thép hợp kim dụng cụ thường không vượt quá 1% Đặc biệt, đối với thép hợp kim dụng cụ dùng làm ổ lăn, ký hiệu trước tên thép sẽ có thêm phần OL để phân biệt.
Ký hiệu của Liên xô được thể hiện bằng các chữ số và chữ cái liên tiếp, dùng để chỉ thành phần Carbon (C) trong hợp kim thép Đây là hệ thống ký hiệu giúp xác định chính xác thành phần của các loại thép hợp kim chứa các nguyên tố kim loại khác nhau Việc sử dụng ký hiệu này đóng vai trò quan trọng trong phân loại và kiểm soát chất lượng thép hợp kim sản xuất tại Liên xô.
Ký hiệu mác thép thường bắt đầu bằng hai con số thể hiện thành phần cacbon trong thép, phản ánh mức độ chế tạo của hợp kim Trong trường hợp thép hợp kim kết cấu, hai con số đầu tiên chính là chỉ số thể hiện tỷ lệ phần trăm của cácbon chứa trong thép, giúp xác định đặc tính và ứng dụng của từng loại thép hợp kim.
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 đầu tiên thể hiện phần nghìn của nguyên tố hợp kim có trong thép Nếu hàm lượng của nguyên tố hợp kim là 1% hoặc thấp hơn, không cần ghi con số sau các chữ để chỉ thành phần nguyên tố hợp kim trong thép Đây là quy tắc giúp xác định chính xác thành phần hợp kim và đảm bảo tiêu chuẩn sản xuất thép dụng cụ.
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