Kim loại học c6 (2)

Theo công dụng PHỔ BIẾN •Thép cán nóng thông dụng dùng trong xây dựng, thường không qua nhiệt luyện •Thép kết cấu: làm chi tiết máy, thường qua nhiệt luyện •Thép dụng cụ: làm dụng cụ cắ

6.1.1 Phân lo i thép ạ

6.1.1 Phân lo i thép ạ

carbon

3 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

THÉP

L NG Ặ

THÉP SÔI

THÉP

N A Ử

L NG Ặ

THÉP CÁN NÓNG THÔNG

THÉP CÓ CÔNG

D NG Ụ RIÊNG

Theo phương pháp khử oxy

•Thép sôi: khử oxy không triệt để, chỉ dùng fero – Mn

•Thép lặng: được khử oxy triệt để hơn, dùng fero –

Mn + fero – Si và Al

•Thép nửa lặng: loại trung gian, khử bằng fero –

Mn và Al

5 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

Theo công dụng (PHỔ BIẾN)

•Thép cán nóng thông dụng dùng trong xây dựng, thường không qua nhiệt luyện

•Thép kết cấu: làm chi tiết máy, thường qua nhiệt luyện

•Thép dụng cụ: làm dụng cụ (cắt gọt, biến dạng,

đo lường), bắt buộc qua nhiệt luyện

•Thép có công dụng riêng: thép đường ray, dây thép các loại, thép lá để dập nguội

6 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

(C = 0,8% )

P

THÉP SAU CÙNG TÍCH (C > 0,8% )

P + Xê II

• C tăng  độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo và độ dai giảm

• Cứ tăng 0,1%C làm

 độ cứng tăng 20 – 25HB,

 giới hạn bền tăng 60 – 80 MPa,

 độ giãn dài giảm 2 – 4 %,

 độ thắt tỷ đối giảm 1 – 5%,

 độ dai va đập giảm 200kJ/m2

8 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

9 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

Thép C th p ấ (<0,25%C): m m, ề

t ng h p cao (hài hòa ổ ợ

Lò xo, nhíp

• MnO và MnS nổi lên đi vào xỉ

• Mn dư hòa tan vào ferit sẽ nâng cao độ bền, độ

cứng  tăng cơ tính

10 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

MANGAN (Mn)

Dùng để khử O một cách triệt để (kết hợp với Al)

theo phản ứng:

2FeO + Si  2Fe + SiO2(3FeO + 2Al  3Fe + Al2O3)

•SiO2 và Al2O3 nổi lên đi vào xỉ

•Si dư hòa tan vào ferit  nâng cao độ bền, độ cứng

11 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

SILIC (Si)

• Thường có mặt từ quặng hoặc than (khi luyện gang)

• Hòa tan trong ferit hoặc liên kết dưới dạng Fe3P  làm thép bị giòn, khi ở trạng thái nguội  giòn nguội (bở nguội)

• Riêng thép dễ cắt thì có thể tồn tại lượng P từ 0,08 – 0,15% để nâng cao khả năng gẫy phoi

12 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

PHOTPHO (P)

• Có từ quặng hoặc than

•Tạo cùng tinh (Fe + FeS) ở nhiệt độ nóng chảy thấp (9880C) nằm ở biên giới hạt

•Khi nung nóng thép để gia công, cùng tinh bị mềm

và chảy ra, làm thép bị đứt ở biên hạt (bở nóng)

•Riêng thép dễ cắt để nâng cao khả năng gãy phoi, lượng S có thể 0,08 – 0,3%

13 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

LƯU HUỲNH (S)

ThS Lương Thị Quỳnh Anh

Phân nhóm B: chi tiết, kết cấu có qua gia công nóng

15

Mác

thép C, % Mn, % sôi Si trong thép, %N a ử S, % P, %

l ng ặ L ngặ Không quáBCT31  0,23 - - - - 0,06 0,06 BCT33 0,06 –

0,12 0,25 – 0,50 0,05 0,05 – 0,07 0,12 – 0,30 0,05 0,04BCT34 0,09 –

0,15 0,25 – 0,50 0,05 0,05 – 0,07 0,12 – 0,30 0,05 0,04BCT38 0,14 –

0,22 0,30 – 0,65 0,07 0,05 – 0,07 0,12 – 0,30 0,05 0,04BCT42 0,18 –

0,27 0,40 – 0,70 0,07 0,05 – 0,07 0,12 – 0,30 0,05 0,04BCT51 0,28 –

0,37 0,50 – 0,80 - 0,05 – 0,07 0,15 – 0,35 0,05 0,04BCT61 0,38 –

0,49 0,50 – 0,80 - 0,05 – 0,07 0,15 – 0,35 0,05 0,04

ThS Lương Thị Quỳnh Anh

= 0,15 – 0,3%; Al < 0,02%; P < 0,05%; S < 0,05%

16 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

2 Thép carbon k t c u ế ấ

2 Thép carbon k t c u ế ấ

• Nhóm thép chất lượng tốt

• P  0,035%; S < 0,04%; Si = 0,17 – 0,37%

• Quy định về thành phần hóa học và cơ tính

• Chủ yếu dùng làm chi tiết máy

• Mác thép: C8, C10, C15,…C85

Lượng Cacbon trung bình trên phần

vạn

17 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

và độ dai giảm đi rất mạnh

•Độ thấm tôi của thép C thấp, nếu môi trường tôi mạnh

dễ làm chi tiết biến dạng và gây nứt

•Độ bền, nhất là độ cứng ở nhiệt độ cao (>300 0 C) rất thấp một phần do ko còn mactenxit nữa, một phần do hiện tượng dão

•Độ bền, tính chống mài mòn kém

•Độ bền chống ăn mòn thấp  thép bị gỉ

20 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

• Ngoài Fe, C, tạp chất còn có nguyên tố hợp kim (Cr, Ni,

Mn, Si, W, V, Mo, Ti,…)

Tính chất

• Cơ tính:

+ Trạng thái không nhiệt luyện (VD trạng thái ủ) độ bền của thép hợp kim không cao hơn nhiều so với thép carbon

+ Sau nhiệt luyện, độ bền rất cao, độ dẻo, độ dai giảm

+ Tính công nghệ giảm khi tăng lượng hợp kim hóa

• Tính chịu nhiệt (tính cứng nóng và tính bền

nóng) cao, giữ độ cứng cao ở trạng thái tôi và tính chống dão tới 6000C, tính chống oxy hóa tới 800 – 10000C

• Tính chất vật lý và hóa học đặc biệt

Tính chống ăn mòn hóa học (thép ko gỉ, thép giản nở, đàn hồi đặc biệt, thép từ tính, …)

22 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

6.2.2 nh h ng c a nguyên t h p kim Ả ưở ủ ố ợ

6.2.2 nh h ng c a nguyên t h p kim Ả ưở ủ ố ợ

a/ Sự hòa tan của nguyên tố hợp kim trong sắt

• Nguyên tố hợp kim có thể thay thế Fe trong mạng

 - Fe (ferit hợp kim), hay mạng  - Fe (austenit hợp kim)

b/ Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến giản

•Cr, V, Ti, Mo, W, Nb, Si,…

thu hẹp vùng ổn định của  và

nâng cao nhiệt độ chuyển pha  (Cr có thể hòa tan vô hạn trong  - Fe)

23 ThS Lương Thị Quỳnh Anh

ThS Lương Thị Quỳnh Anh 24

c/ Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến sự

tạo thành carbit trong thép hợp kim

•Các nguyên tố tạo cacbit là các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp

•Nguyên tố nào có số điện tử ở phân lớp d của lớp ngoài cùng lớn hơn 6 sẽ không có khả năng tạo cacbit (Ni, Co, Al , Si, Cu, Zn – chỉ tạo thành dung dịch rắn với Fe)

•Nguyên tố có số điện tử ở phân lớp d nhỏ hơn 6 và càng nhỏ thì khả năng tạo cacbit càng mạnh

d/ Tác dụng riêng biệt của các nguyên tố hợp kim chủ yếu

Các nguyên tố mở rộng vùng 

Mangan

• Hòa tan vào ferit  hóa bền ferit

• Làm tăng độ thấm tôi 4 lần (1% Mn đk tới hạn tăng 4 lần)

• Nhược điểm: làm hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính giòn ram, giảm độ dẻo và độ bền

Niken

• Không tạo cacbit, làm tăng độ bền và độ dai va đập cho ferit

• Tác dụng làm nhỏ hạt cho thép thấm C

• Hệ số tăng độ thấm tôi là 1.4 (trung bình)

Các nguyên tố mở rộng vùng α

Silic

•Không tạo cacbit

•Tăng tính ổn định ram, không tăng tính giòn

•Tăng tính chống oxy hóa cho thép ở nhiệt độ cao, tăng độ bền chống dão (thép Cr)

•Tăng độ đàn hồi (1.5 – 2%Si, 0.5 – 0.9 Mn  lò xo, nhíp,…

•Hệ số tăng độ thấm tôi là 1.7 (trung bình)

•Tăng tính chống ram, tăng khả năng chống mài mòn

•Khó hòa tan vào thép nên giảm độ thấm tôi + độ cứng

Bo

•Tăng độ thấm tôi lên gấp 2 lần (0.001%B)  thép C thấp + tb

•B tiết ra ở biên hạt austenit, ngăn cản sinh mầm P (C>0.7%)

Tóm lại

Tăng độ thấm tôi Sử dụng Mn, Cr hay Ni

Cải thiện tính chống ram

(giữ độ cứng ở nhiệt độ cao khi

ram)

Sử dụng Cr, Mo, V và W

Nâng cao độ bền, chống mài

mòn Sử dụng các nguyên tố tạo cacbit

ThS Lương Thị Quỳnh Anh 29

Nguyên

tố Nâng cao độ thấm tôi Hóa bền ferit Làm nhỏ hạt Hình thành cacbit Cản trở sự ram Công dụng nổi bật

Cr Mạnh Trung bình Yếu Trung bình Trung bình Nâng cao độ thấm

tôi, chống ăn mòn,chịu nhiệt

Mn Mạnh Mạnh Làm hạt to

nhanh Yếu Yếu Thay cho Ni trong thép ostenit

Si Yếu Mạnh Không Không, thúc đẩy

sự graphit hóa, thoát C

Trung bình, dưới 250 0 C mạnh

Chống oxy hóa, chế tạo thép kỹ thuật điện, thép đàn hồi

Ni Trung bình Trung bình Không Không Không Nâng cao độ dai ak,

tạo thép ostenit

Mo Rất mạnh Yếu Trung bình Mạnh Mạnh Chống giòn ram loại

II và nâng cao độ bền ở nhiệt độ cao

W Trung bình Yếu Trung bình Mạnh Mạnh

V Mạnh nhưng

VC khó hòa tan vào γ

Làm nhỏ hạt mạnh hơn cả V

e/ Khuy t t t trong thép h p kim ế ậ ợ

e/ Khuy t t t trong thép h p kim ế ậ ợ

Thiên tích nhánh cây

Đ m tr ng ố ắ Giòn ram

Thiên tích nhánh cây

• Khi nguội từ lỏng:

 DDR ít C + NTHK kết tinh trước  nhánh cây

 DDR giàu C + NTHK kết tinh sau  vùng giữa các nhánh cây

 Sự khác về tphh giữa các nhánh cây  thiên tích nhánh cây

 Nhiều NTHK  nhiều nhánh cây

Đ m tr ng ố ắ

Đ m tr ng ố ắ

• Vết nứt nhỏ dạng lốm đốm trắng trên bề mặt vật, thỏi cán

• Nguồn gốc để phát sinh phá hủy giòn

• Chỉ xảy ra ở thỏi cán của thép HK có độ thấm tôi cao: thép Cr-Ni, Cr-Ni-W (Mo), ko xảy ra thỏi đúc

• Nguyên nhân:

1/ Do Hydro

• Hydro có khi luyện thép

• Độ hòa tan H2 trong thép rắn giảm dần khi < 200 o C

• Trong thép cán, rèn với mật độ lớn, ko còn lỗ xốp, H2 bị tích tụ dưới p lớn gây vết nứt chân chim

2/ Do chuyển biến  và M ko đều th/gian và

nhiệt độ giữa vùng nhánh cây & vùng giữa nhánh cây  Ứng suất  Đốm trắng (chỉ thép HK tb và cao)

Đ m tr ng ố ắ

Đ m tr ng ố ắ

• Biện pháp:

 Sấy khô phế liệu (sắt, thép vụn), nhiên liệu, trợ

dung trước khi luyện

 Nguội thép xuống dưới A1 từ 50 – 100oC (sau biến dạng nóng) giữ nhiệt dài (có thể hơn 10h) để

hydro kịp khuếch tán khỏi ferit

Giòn ram

•Giòn ram loại I (280 – 350 o C) do:

Cacbit dạng tấm tiết ra khỏi mactenxit trên biên giới pha

dư  Mram

• Giòn ram loại II (500 – 600oC)

 Nguội ngoài không khí sau ram

 Nguội nhanh  ram lại 500 – 600oC (thời gian lâu)

• b Phân loại theo nguyên tố hợp kim:

dựa vào nguyên tố hợp kim chính của thép

• c Phân loại theo tổng lượng các

Thép cán nóng thông d ng Thép cán nóng thông d ng ụ ụ

• Thành phần hóa học: C không quá 0.2%,

nguyên tố HK: ở mức vi lượng (thấp) thường ≤ 2%

• Tính chất

• Độ bền cao,đặc biệt giới hạn chảy

• Tính dẻo đảm bảo từ 18 – 20%

• Tính hàn tốt

• Tính chống ăn mòn trong khí quyển

•Sử dụng làm chi tiết đòi hỏi có giới hạn đàn hồi

cao, độ dai va đập ở nhiệt độ thấp đảm bảo (ống

dẫn khí, dẫn dầu, kết cấu ở vùng băng giá, chi tiết trong ôtô, )

• Giới hạn đàn hồi: 300 – 350MPa sau tạo hình

bằng rèn, dập tăng lên không thấp hơn 500MPa

• Độ bền kéo: 650 – 700 MPa

• Độ dẻo: 25 – 30%

• Có hai cách chế tạo:

 Cách 1: nung lên trên nhiệt độ nằm giữa AC1

và AC3 và làm nguội nhanh (tôi)

 Cách 2: tôi trực tiếp sau cán nóng

• Cải thiện khả năng tôi: thêm 0.5% Cr, 0.4% Mo

3 Nhóm thép HK th p ấ

3 Nhóm thép HK th p ấ

• Giới hạn chảy cao, tính chống ăn mòn tốt, rẻ

• Cu: 0.2 – 0.55% (cải thiện tính chống ăn mòn – tạo oxit đồng xen kẽ với oxit sắt, cấu trúc sít chặt)

• Ni, Cr: 0.5%, P≤ 0.15% (tăng tác dụng của Cu,

tăng độ bền kéo) vỏ lò cao thiết bị thu

bụi

• 19Mn, 09Mn2, 14Mn2 : tính hàn cao (làm ống dẫn dầu, khí đốt dưới áp lực cao

• 17MnSi, 14CrMnSi: cơ tính cao, làm kết cấu chịu lực trong vận tải (dầm ôtô, đóng toa xe,…)

• 35CrSi, 25Mn2Si: làm cốt cho bê tông cường độ

cao

• 15CrSiNiCu: kết cấu tại vùng khí hậu biển

Thép HK k t c u ế ấ

Thép HK k t c u ế ấ

• Chế tạo chi tiết máy (các loại trục, bánh răng,

thanh truyền lực, lò xo, vòng bi,…)

• Thép HK: 15Cr, 20Cr, 20CrNi, 15CrV  chi tiết cho máy móc, ô tô

• Thép HK chất lượng cao: 18CrMnTi, 20CrMnTi (thép di truyền hạt nhỏ) Nhóm này có Ti  cacbit TiC tạo lớp bền trên lớp bề mặt  độ bền cao

• Thép HK chất lượng đặc biệt cao: 12CrNi4WA, 18CrNi4WA  chế tạo trục cán, vòng bi xe tải (y/c P,S rất thấp)

• NL: Thấm C, tôi + ram thấp

2 Thép hóa t t ố

2 Thép hóa t t ố

• Lượng C trung bình (0.3 – 0.5%) – chịu tải trọng tĩnh

và va đập cao, độ bền độ dai cao tăng bền

tăng dẻo

• Nguyên tố HK: tăng độ thấm tôi (Cr, Mn, Si, Ni <1%,

B <0.005%), làm nhỏ hạt và tránh giòn ram (Ti < 0.1%, Mo <0.3%)

• Có 2 nhóm:

• Nhóm thép C: C35, C40, C45, C50

• Nhóm thép HK: 40Cr, 40CrNi, 30CrMnSi, 38CrNi3Mo, 38CrNi3MoV

• Dùng cho chi tiết chịu tải dưới dạng trục,

bánh răng

• NL: Tôi + ram cao + tôi TSC

3 Nhóm thép đàn h i ồ

3 Nhóm thép đàn h i ồ

• Lượng C cao (0.5 – 0.7%) – không bị biến

dạng dẻo khi làm việc

• NL: Tôi + ram trung bình (trustit ram)

4 Nhóm thép công d ng riêng ụ

4 Nhóm thép công d ng riêng ụ

a Thép dễ cắt

• Yêu cầu độ cứng vừa phải, phoi thép dễ gãy,

không bám dính vào dao cắt, đảm bảo tốc độ cắt cao, bề mặt nhẵn bóng (Bulong, ốc, vít, bạc, bánh răng,…)

• Dùng chế tạo chi tiết máy không quan trọng

• b Thép ổ lăn (ổ bi, ổ đũa)

• Chịu ứng suất tiếp xúc cao với số lượng chu

kì ứng suất lớn  yêu cầu độ bền mỏi tiếp

xúc và chống mài mòn cao

• Thành phần hóa học:

• Lượng C cao (khoảng 1%)  độ cứng cao

• S < 0.02%, P < 0.027%  không có rỗ xốp

• Cr: 0.6 – 1.5%; Mn, Si, Mo  tăng độ thấm tôi

• Tổ chức: đồng nhất,không thiên tích cacbit,

cacbit dư nhỏ mịn và phân bố đều  thép

chất lượng cao

• Mác thép: OL100Cr2 OL100Cr2SiMn

• a Thép HK dụng cụ cắt năng suất thấp

• Tốc độ cắt chỉ 5 – 10m/phút

• Tăng độ thấm tôi: Cr (1%), Mn (1 – 2%)

• Tăng độ cứng, tính chống mài mòn: Si (1%), W (4 – 5%)

• Mác thép: 100Cr2, 90CrSi, 90Mn2, 140CrW5

b Thép dụng cụ cắt năng suất cao (thép gió)

o Oxh bong tróc kim loại, cần HK hóa bằng Cr, Si

o Phá hủy trên biên giới hạt, cần HK hóa nâng cao kết tinh lại bằng Co

Cr (4%): tăng độ thấm tôi

•W (9 – 18%): tạo tính cứng nóng cao

•V (1 – 2%): tăng mạnh tính chống mài mòn

•Co (5 – 10%): cải thiện tính cứng nóng

•Mo (1%): 1% Mo thay thế được 2% W theo trọng

• Cac mark thep:

• 1 100CrWMo, 90CrSi, 100Cr2, 80W18Cr4MoV,

90W9Cr4VMo

• 2 210Cr12, 160Cr12, 130Cr12V

• 3 40CrSi, 40CrMnSi

• NL:

• Nhóm 1: Tôi + ram thấp (trừ thép gió)

• Nhóm 2: Tôi + ram thấp hoặc tôi + ram cao

• Nhóm 3: Tôi + ram cao

• Có 2 loại:

• Thép làm khuôn rèn: kích thước lớn, chịu va đập mạnh, bề mặt nóng 500 – 5500C (50CrNiMo,

50CrNiW, 50CrMnMo)

• Thép làm khuôn chèn, ép: kích thước bé, chịu

nhiệt cao, tính chống ram tốt (30Cr2W8V,

40Cr2W5MoV, 40Cr5W2VSi)

• NL: Tôi + ram cao

• Công dụng: thước panme, thước kẹp, elip

• Có 3 loại cho cấp đo thấp

• Thép thấm C: C15, C20, 15Cr, 20Cr, 12CrNi3A,…

• Thép hóa tốt: C50, C55

• Thép 38CrMoAlA

• NL: Tôi + gia công lạnh + ram thấp + hóa già

6.2.5 Thép HK có tính ch t lý, hóa đ c bi t ấ ặ ệ

6.2.5 Thép HK có tính ch t lý, hóa đ c bi t ấ ặ ệ

• 1 Thép không gỉ

• a Khái niệm: họ hợp kim, chống ăn mòn trong

các môi trường khác nhau

• Dựa vào tốc độ ăn mòn để đánh giá tính “không gỉ”:

• - Trong môi trường ăn mòn yếu (kk, nước ngọt,

• Cr có vai trò quyết định tính không gỉ

• b Thép không gỉ mactenxit

• Các mác thép:

• + 12Cr13, 20Cr13: có tính mềm dẻo  đồ trang sức, ốc vít, chi tiết chịu nhiệt

• Nhiệt luyện: tôi và ram cao

• Tóm lại: chống ăn mòn kém nhất trong

các loại thép không gỉ

•- 20 – 30%Cr (15Cr25Ti): tính chống oxy hóa cao

•Tóm lại: giới hạn đàn hồi cao hơn thép γ, dễ gia

công biến dạng dẻo nguội

SX axit, hóa dầu, thực phẩm)

•- Tính dẻo cao (δ = 45 – 60%): dễ cán nguội,

sử dụng được ở nhiệt độ rất thấp (vùng băng

giá, kỹ thuật lạnh,…)

•- Cơ tính đảm bảo: sau biến cứng bằng bd

nguội thì độ bền rất cao (thiết bị hóa học chịu tải)

• - Dễ bị ăn mòn theo biên hạt  giảm lượng

C, thêm nguyên tố tạo cacbit mạnh hơn Cr

e Thép không gỉ γ – α

•Cr: 18 – 28%, Ni: 5 – 9%  tổ chức là hỗn hợp γ và

α (12Cr21Ni5Ti)

• Cơ tính:

•- Không bị giòn như thép ferit

•- giới hạn đàn hồi cao gấp 3 lần thép γ

•- Độ chống ăn mòn đảm bảo, đặc biệt trong điều

kiện chịu áp lực, chịu ăn mòn tập trung, ăn mòn

dạng hốc trong khí quyển có tính xâm thực mạnh

(ống xả, lỗ van xả, ống dẫn hơi hóa chất,…)

f Thép hóa cứng tiết pha (thép không gỉ γ – M)

•Có thể hóa bền bằng hóa già

•Ưu điểm:

•- Dễ gia công bằng biến dạng nguội và cắt gọt ở

trạng thái tương đối mềm

•- Hóa bền bằng hóa già ở vùng nhiệt độ tương đối thấp để tránh biến dạng hoặc oxy hóa

•Mác thép: 361 (17 – 7 PH) theo tiêu chuẩn Mỹ

2 Thép và HK có tính ch ng mài mòn cao ố

• Có 4 loại:

• - Thép có độ cứng cao, không có điểm mềm sau

khi tôi (thép ổ bi, thép khuôn dập nguội –

210Cr12, thép có độ cứng bề mặt cao bằng tôi bề mặt, hóa nhiệt luyện,…

• - Thép mangan cao (Hadfield)

• - Thép graphit hóa

• - Hợp kim cacbit đúc

• a Thép Hadfield

• Thành phần: 1,3%C, 13%Mn (130Mn13Đ)

• Tổ chức: γ  độ cứng thấp, độ dẻo dai cao

• Khi làm việc dưới áp lực lớn, chịu tải va

đập, lớp bề mặt bị bd dẻo

• Ứng dụng: răng gàu xúc, xích xe tăng,

xích máy kéo, cổ biên máy đập đá, bi

nghiền, vỏ máy nghiền, cối nghiền đá,…