Giáo trình vật liệu học trong cơ khí dùng cho đào tạo hệ cử nhân các trường kỹ thuật hoàng tùng, phạm minh phương, nguyễn ngọc thành pdf

Vật liệu cơ bản và xử lý nhiệt là môn học kỹ thuật cơ sở trình bảy về cấu tạo bên trong và các tính chất của vật liệu kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, về sự phụ thuộc giữa các tí

PGS.TS HOÀNG TÙNG - PGS.TS PHẠM MINH PHƯƠNG

TS NGUYÊN NGỌC THÀNH GIAO TRINH

PGS TS HOANG TUNG -— PGS TS PHAM MINH PHUONG

TS NGUYEN NGOC THANH

GIAO TRINH

VAT LIEU HOC TRONG

Cơ KHÍ (Dùng cho đào tạo hệ cử nhân các trường kỹ thuat)

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM

Loi abi dau

Ở Việt Nam các ngành công nghiệp, đặc biệt các ngành cơ khí, thường ngày đều gắn với vật liệu và cần đến các vật liệu có tính năng đa dạng với chất lượng ngày cảng, cao

Hiện nay, kim loại (sắt, nhôm, đồng) và hợp kim (thép, gang, các hợp kim của nhôm, đồng, titan) được dùng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp Các kim loại, đặc biệt là sắt và các hợp kim của nó đã và đang đóng vai trò quan trọng, trong sự phát triển các ngành công nghiệp, kể cả phát triển kinh tế, kỹ thuật

Các vật liệu kim loại được đùng rong rãi để chế tạo máy móc vả công, cụ là do

chúng có cơ tính tốt đảm bảo được các yêu cầu để ra Nói chung vật liệu kim loại

có độ bến và độ cứng cao, độ đẻo và độ dai tốt, vì vậy máy móc dùng được lâu, ít mòn Một số kim loại và hợp kim có những tính chất vật lý đặc biệt như: dẫn điện

và dân nhiệt tốt, có từ tính đặc biệt, chịu nhiệt tốt Song song với sự phát triển kim loại và hợp kim, các vật liệu khác (compozit, kim loại bột, chất dẻo, ) cũng phát triển và được sử dụng trong công nghiệp

Để sử dụng kim loại, hợp kim và các loại vật liệu khác trong sản xuất công, nghiệp một cách hợp lý, các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, kể cả công nhân cũng cần có những kiến thức cơ bản nhất về một số vật liệu thông dung nhất

Vật liệu cơ bản và xử lý nhiệt là môn học kỹ thuật cơ sở trình bảy về cấu tạo

bên trong và các tính chất của vật liệu kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, về sự phụ thuộc giữa các tính chất vào cấu tạo bên trong của chúng Dựa trên mối quan

hệ đó người ta tiến hành tìm tồi các hợp kim mới có tính chất mong muốn và các

phương pháp gia công nhiệt để cải thiện các tính chất của kim loại, hợp kim

Để nâng cao chất lượng vật liệu kim loại, cũng như các sản phẩm kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, người ta đã sử dụng công nghệ xử lý nhiệt Công nghệ xử lý nhiệt là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu kim loại bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong hoặc thay đổi thành phần hoá học lớp bể mặt kim loại

mà không làm thay đổi hình dáng và kích thước của chỉ tiết

Vì vậy trong chế tạo cơ khí, xử lý nhiệt đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chỉ tiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết như đệ

3

cứng, độ bền, độ dẻo đai, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, ma con lam tăng tính công nghệ của vật liệu Vì vậy có thể nói xử lý nhiệt là một trong những

yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm công nghiệp

nói chung

Các cán bộ kỹ thuật (kể cả công nhân) khi thiết kế và chế tạo các kết cấu máy

phải có hiểu biết đây đủ về các loại vật liệu thường dùng (gang, thép, các hợp kim nhôm, đồng, hợp kim ổ trục, vật liệu khác) và các phương pháp xử lý nhiệt thích hợp Trong hoàn cảnh cung ứng vật tư không đáp ứng đúng số hiệu, nếu nắm vững các tính chất của vật liệu, các cán bộ kỹ thuật, công nhân có thể chọn các số hiệu khác (loại khác) tương đương để thay thế

“Vật liệu học” là môn học cơ sở kỹ thuật rất thực tiễn Vì vay trong quá trình

học phải luôn luôn liên hệ với thực tế gia công và sử dụng, đồng thời giải thích các

hiện tượng vật lý bằng lý thuyết đã học Ngoài phần lý thuyết, học sinh cần thực

hiện các bài thí nghiệm và các bài tập nhằm củng cố kiến thức được học cũng như giúp làm quen với thực tế

Giáo trình nảy gồm 7 chương Trong chương 1 và chương 2 trình bày các lý thuyết cơ sở về kim loại và hợp kim (do PGS.TS Hoàng Tùng biên soạn) Chương

3, 4 và 6 trình bày các loại vật liệu kim loại thường dùng (thép, gang và kim loại

mau) (do PGS.TS Phạm Minh Phương biên soạn) Trong chương 5 trình bảy bản

chất cách tiến hành các phương pháp xử lý nhiệt kim loại và chương 7 trình bảy

một số vật liệu phi kim loại (chất dẻo, cao su, compozit) thường dùng trong công,

nghiệp chế tạo máy (do TS Nguyễn Ngọc Thành biên soạn)

Cuốn sách này được biên soạn theo nội dung của các giáo trình Công nghệ kim loại, Cơ khí đại cương, Kim loại học và Nhiệt luyện, Vật liệu học, Công nghệ

Nhiệt luyện, đã dạy nhiều năm tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như

các giáo trình tương tự trong và ngoài nước, dùng cho hệ đảo tạo cử hân kỹ thuật công nghiệp

Trong quá trình biên soạn, không tránh khỏi những thiếu sót, các tác gia rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Công ty cổ phần

Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội

Cac tac gia

Chuong 1

KHAI NIEM CO BAN VE KIM LOAI VA HOP KIM

Vật liệu dùng trong công nghiệp rất đa dạng, tuy nhiên kim loại và hợp kim của chúng vẫn được sử dụng nhiều nhất (70 - 80%) khối lượng, vì vậy cần phải hiểu biết những tính chất cơ bản và phạm vi sử dụng chúng

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CÔNG NGHIỆP

Vật liệu nói chung là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị và ngay cả để thay thế một số bộ phận của cơ

thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật

Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân ra 4 nhóm vật liệu chính:

— Vật liệu kim loại

— Ceramic (vat liéu v6 co)

~ Polyme (vật liệu hữu cơ)

~ Compozit (vật liệu kết hợp)

Ngoài ra có những nhóm phụ khó ghép vào bốn nhóm trên như: bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, silicon, vật liệu nanô

1.2 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI

Kim loại là vật thể sáng (có ánh kim), có thể rèn được (đo có tính dẻo),

có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có hệ số nhiệt điện trở dương

Hiện nay đã tìm dược hơn 100 nguyên tố, trong đó hơn 3/4 là kim loại:

trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, chúng nằm ở bên trái đường

đậm nét Ngoài ra một số nguyên tố có vị trí trung gian giữa kim loại và á

kim, đó là các nguyên tố bán dan (Ge, Si) Các nguyên tố còn lại là á kim: C,

ÓO,H,N,B ; khí tro: He, Ne, Ar, Kr và halôzen: F, Cl, Br, 1 (bén phai

dudng dam nét)

Thực tế chưa có tiêu chuẩn thật rõ rệt phân biệt kim loại và á kim

- Trong kim loại lại phân ra: kim loại đen và kim loại màu

~ Kim loại đen là sắt và các hợp kim trên cơ sở sắt, ví dụ: thép và gang

— Kim loại màu: bao gồm các kim loại còn lại trong bảng tuần hoàn và

hợp kim trên cơ sở của chúng

1.3 CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ

1.3.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại

~ Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại: Nguyên tử là một hệ thống

phức tạp gồm hạt nhân (chứa prôtôn + nơtrôn) mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm quay quanh hạt nhân Đặc điểm của kim loại là số điện tử hoá trị rất ít (thường là ] + 2e, e = electron), các điện tử liên kết rất yếu với hạt nhân, dễ bứt ra khỏi hạt nhân và trở thành điện tử tự do còn nguyên tử trở thành ion dương Đặc tính của các điện tử này quyết định

nhiều tính chất đặc trưng của kim loại

1.3.2 Cấu tạo tỉnh thể kim loại

1 Một số khái niệm cơ bản

Tất cả các kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn đều là vật thể có cấu tạo |

mạng tỉnh thể Các nguyên tử (ion) chiếm những vị trí nhất định trong không

gian tạo thành mạng tỉnh thể

— Mạng tỉnh thể gồm những mặt nguyên tử sắp xếp song song va cach đều nhau gọi là mặt tinh thé ;

— Đường thẳng đi qua 2 nguyên tử (ion) và tiếp tục đi qua các nguyên tử

(ion) khác gọi là phương tính thể

— Phần thể tích nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tỉnh thể nào đó được gọi là 6 cơ bản Nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản theo 3 chiều không gian

sẽ được toàn mang tinh thé (hinh 1.1)

— Thông số mạng

Thông số mạng là kích thước cơ bản của mạng tỉnh thể, từ đó có thể tính

ra các khoảng cách bất kỳ trong mạng Đơn vị thường dùng là ãngstrông (A°) hay kil6 inch (kx)

Hệ lập phương chỉ có một thông số mạng là cạnh a của khối co ban Hệ

lục giác có hai thông số mạng là a và c

6

a) mang tinh thổ, b) mat tinh thé: c) 6 co ban

7

1.3.3, Cac dang 6 co ban cua mang tinh thé kim loai

Ô cơ bản đặc trưng cho kiểu mạng tỉnh thé của kim loại Theo tính toán

của Bravais thì tất cả có 14 kiểu mạng tỉnh thể khác nhau thuộc 7 hệ Trong

các kim loại thường dùng trong công nghiệp cơ khí, thường gặp ba kiểu

mạng tỉnh thể là: lập phương thể tâm (còn gọi là lập phương tâm khối và ký

hiệu là A2 hoặc lptkJ; lập phương diện tâm (còn gọi lập phương tâm mặt và ký hiệu là A1 hoặc lptm); sáu phương xếp chặt (ký hiệu là A3 hoặc spxc)

4) Lập phương tâm khối (ký hiệu A2, Iptk): (có ở các kim loại: Fe„, Cr, Vu )

Hình 1.2 6 cơ sd mạng lập phương tâm khối (a, b, c)

Ô lập phương tâm khối với cạnh là a, các nguyên tử nằm ở đỉnh và trung tâm khối, loại ô này có thể được ký hiệu bằng [e].

oy

b) Lập phương tâm mặt (ký hiệu AI, lptm): (có ở các kim loại: Eey, Al,

Cu, Ni, Pb )

Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh là a, các nguyên tử nằm ở đỉnh và

trung tâm các mặt bên của khối Ô này đôi khi được ký hiệu bàng], hình 1.3

Hình 1.3 Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt c) Sáu phương xếp chặt (ký hiệu A3, spxc): (có ở các kim loại: Zn, Cd,

Mg ) Ô cơ sở là hình lục giác với các cạnh là a và c (gồm sáu lăng trụ tam

giác đều), các nguyên tử ở 12 đỉnh, giữa các mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở

tâm 3 khối lăng trụ tam giác cách đều nhau (hình 1.4), được ký hiệu bằng ©)

Hình 1.4 Ô cơ sỏ mạng sáu phương xếp chặt

* Tính biến đổi thù hình của kim loại: :

Kim loại ở các nhiệt độ, áp suất khác nhau có kiểu mạng khác nhau,

được gọi là tính thù hình của kim loại Ví dụ: Fe, Co, Mn, Sn, Te, Ce Các dạng thù hình khác nhau của cùng một nguyên tố được ký hiệu

bằng chữ cái Hy Lạp : a, B, y, 6 trong dé a chỉ dạng tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất còn ÿ, y, ồ lần lượt ở các nhiệt độ cao hơn Ví dụ: Feạ, Feg,

Fey (hình 1.5) Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ đạng thù hình này sang

dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình,

Đặc điểm khi chuyển biến thù hình:

— Toa hoặc thu nhiệt

— Thay đổi thể tích

— Thay đổi tính chất

Nhìn vào sự biến đối thù hình của sắt cho thấy : Fe„ mềm, có từ tính

nhưng Fey lại dẻo, nhưng không còn từ tính Nhờ vậy mà cải thiện được tính

công nghệ của sắt ,

Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định,

mà luôn có những nguyên tử nằm sai lệch khỏi vị trí quy định, gây nên sai

lệch mạng tỉnh thể (gọi là lệch mạng) Tuy số nguyên tử nằm sai lệch khỏi vị

trí quy định rất ít (chỉ 1 — 2%) nhưng cũng gây ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của kim loại

1.3.4 Đơn tỉnh thể và đa tỉnh thể

1 Đơn tính thể

Đơn tỉnh thể là vật thể có mạng thống nhất và phương mạng không thay đổi trong toàn bộ thể tích của nó Đơn tỉnh thể có hình dạng nhất định đặc trưng cho kiểu mạng của mình Đơn tỉnh thể có tính đị hướng Thực tế rất ít

gặp đơn tính thể vì chúng có kích thước rất bé (1-100um), do phải

"nuôi = công nghệ" bằng phương pháp công nghệ đặc biệt (hình 1.6a)

Tinh di hướng của đơn tỉnh thể: là sự khác nhau về tính chất (cơ, ly,

hoá ) theo những phương mạng khác nhau của tỉnh thể

9

Nguyên nhân: Theo phương khác nhau, mật độ nguyên tử khác nhau,

lực liên kết khác nhau, tính chất khác nhau Thường phương nào có mật độ lớn thì có độ bền cao

Khái niệm đơn tỉnh thể có thể liên hệ với khái niém don tinh thé Ge, Si (vật liệu bán dẫn)

2 Da tinh thé

a) Hat tinh thé’ (goi tat la tinh thể): Trong thực té hau như chỉ gap da tinh thể Đa tinh thể gồm rất nhiều đơn tỉnh thể nhỏ (cỡ km), mỗi don tinh

thé trong da tinh thé được gọi là hạt rỉnh thể Các hạt có phương mạng định

hướng khác nhau (ngẫu nhiên theo phương truyền nhiệt khi kết tinh) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới (gọi là biên hạt hoặc tỉnh giới hạt)

Đặc điểm:

~ Mang tinh thể trong mỗi hạt đều có trật tự

~ Cac hat trong da tinh thể có phương mạng sắp xếp bất kỳ nên da tinh

thé c6 tinh đẳng hướng

— Vùng biên giới hạt các nguyên tử sắp xếp không có trật tự và chịu ảnh

hưởng của các hạt xung quanh (hình 1.6b,c)

_Ðb) Độ hại: Hạt to, nhỏ có ảnh hưởng lớn tới cơ tính của kim loại Độ hạt

là biểu hiện kích thước trung bình của các hạt Có I6 cấp từ 00, 0, 1, 2, 14 theo thứ tự nhỏ dần Độ hạt càng nhỏ tính chất cơ học của kim loại càng cao,

8 cấp của kim loại thường dùng là từ cấp 1 đến 8

10

1.4 SU KET TINH CUA KIM LOAI

Sự kết tỉnh của kim loại là sự tạo thành mạng tỉnh thể của kim loại khi chuyển từ trạng thái lỗng sang trạng thái đặc Khi kết tỉnh có sự biến đổi từ 4rạng thái sắp xếp không hoàn toàn trật tự thành có trật tự (đó là cấu trúc tinh

thể), nó xảy ra ở mỗi nhiệt độ nhất định đối với mỗi kim loại

Phần lớn kim loại (hay hợp kim) được chế tạo ra ở trạng thái lỏng rồi làm

nguội trong các khuôn đúc, tức là qua kết tinh, s¿u đó mới qua các dạng gia

công khác nhau (ví dụ rèn, dập, cán ) để làm thành bán thành phẩm, sản phẩm

1.4.1 Điểu kiện xảy ra kết tỉnh

a) Biển đổi năng lượng khi kết tỉnh: Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do (theo chiều có năng lượng dự

trữ bé hơn) Trong hệ thống gồm nhiều chất điểm chuyển động (nguyên tử, phân tử), năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do F Hình

1.7 biểu thị sự biến đổi năng lượng tự do F của trạng thái rắn và trạng thái

lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ

Khi nhiệt độ T >T, vat thé 6

trạng thái lỏng vì năng lượng tự

đo của trạng thái lỏng nhỏ hơn ở

'

———— — 1 ————>————. - _ —

trạng thái rắn F,< Fạ, su két tinh Ts Nhiệt độ, K

chưa xảy ra Hình 1.7 Sơ đồ biến đổi năng lượng tự Khi nhiệt độ T < Tẹ vật thể ở _ do AF của các trạng thái rắn, lỗng phụ

trạng thái tỉnh thể vi F, > Eạ thuộc vào nhiệt độ

Khi nhiệt độ T = T§ tại đó F,= Eạ, kim loại ở trạng thái cân bằng dong:

có một lượng kim loại kết tỉnh thì lại có một lượng kim loại ran nhu vay nóng chảy Chỉ ở nhiệt độ T< Ts, khi đó F,> Fạ mới có sự kết tỉnh

Khi nguội qua T; sẽ xảy ra quá trình kết tỉnh nên T; được gọi là nhiệt độ

kết tỉnh (khi nguội) hay gọi là nhiệt độ chảy (khi nung nóng), điều này chỉ

có tính lý thuyết, vì tại đúng nhiệt độ đó khi làm nguội vẫn chưa xảy ra kết tinh; khi nung nóng vẫn chưa xảy ra nóng chảy

11

Sự kết tính thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tính lý

thuyết Ty một khoảng nhất định để tại đó Fạ < F,, một cách rõ rệt

b) Độ quá nguội

Hiệu số giữa nhiệt độ kết tỉnh lý thuyết Tạ và nhiệt độ kết tỉnh thực tế Tị,

AT =T;— Tạ, ; phần lớn kim loại kết tỉnh với AT = 2 z 5°C

Cũng tương tự như vậy cho khi nung nóng, sự nóng chảy thực tế xảy ra

ở nhiệt độ T, > Tạ Độ chênh lệch giữa chúng được gọi là độ quá nhiệt

1.4.2 Hai quá trình của sự kết tỉnh

Khi nhiệt độ T< Tạ xảy ra sự kết tỉnh Sự kết tỉnh được thực hiện nhờ

hai quá trình song song và nối tiếp nhau: Trong kim loại lỏng xuất hiện

những trung tâm kết tỉnh có kích thước rất nhỏ gọi là mầm và tiếp theo mầm phát triển thành tỉnh thể hạt

a)Tao mam

Có hai loại mầm là mnầm tự sinh và mầm ký sinh (mầm không tự sinh)

Mầm tự sinh là mầm tạo thành từ chính bản thân kim loại lỏng (do có sự thay đổi nội năng khi kim loại nguội) còn mầm ký sinh là mầm tạo thành trên

cơ sở các phần tử rắn có sẵn ở trong kim loại lỏng (đó là các tạp chất không tan, bụi than, bụi quặng, bụi tường lò, ôxýt, nitrit, goi 14 tap chat), ching

đóng vai trò như những mầm, giúp cho quá trình tạo mầm dé dang hon

b) Phát triển mâm

Sau khi mầm được tạo thành, chúng tiếp tục phát triển thành hạt tính

thể Đây là quá trình tự phát vì có sự giảm năng lượng của hệ thống Do

phương phát triển giữa các mầm định hướng ngẫu nhiên nên khi phát triển lên chúng gặp nhau tạo biên giới hạt -

1.4.3 Sự hình thành hạt tỉnh thể

a) Tiển trình kết tinh

Khi kết tỉnh, quá trình sinh mầm và phát triển mầm xảy ra song song và nối tiếp nhau: khi các mầm mới được sinh ra thì các mầm đã có tiếp tục phát

triển , cứ như vậy chúng lớn dân đến khi chúng gặp nhau, kim loại lỏng hết,

ta sẽ được đa tinh thể gồm các hạt tinh thể định hướng khác nhau

12

b) Hinh dang hat tinh thé

Hạt tỉnh thể (hoặc hạt kim loại)

kim loại đúc có nhiều dạng khác

nhau: tấm, tròn, kim, nhưng thường

là dạng nhánh cây Sự phát triển

tỉnh thể có tính dị hướng, theo mặt

và phương có mật độ lớn mầm phát

triển nhanh hơn, mặt khác cũng

phát triển theo phương tản nhiệt nên

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo nhánh cây

Ví dụ : Các thỏi kim loại đúc thường có tiết diện tròn, vuông, hoặc chữ nhật (hình 1.9), từ ngoài vào trong có ba vùng tỉnh thể lần lượt như sau:

Vùng ngoài cùng là lớp hại nhỏ mịn đẳng trục (1): do kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội nên được kết tỉnh với độ quá nguội AT lớn, mặt khác do tác dụng của bề mặt khuôn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn Vùng tiếp theo là vàng hạt tương đối lớn hình trụ (2) kéo dài vuông góc với thành

khuôn Sau khi vỏ ngoài đã kết tỉnh xong thành khuôn bắt đầu nóng lên, nên kim loại lỏng kết tỉnh với AT ngày càng nhỏ, hạt tạo thành có khuynh hướng ngày càng lớn hơn, đồng thời phát triển mạnh theo hướng ngược với chiều

tản nhiệt (vuông góc với thành khuôn) nên tạo thành vùng hạt lớn hình trụ vuông góc với thành khuôn

Vùng ở giữa là vàng hại lớn đẳng trục (3) Cuối cùng khi kim loại lỏng

ở giữa kết tỉnh thì thành khuôn đã nóng lên nhiều, kim loại kết tỉnh với AT

nhỏ hơn nên hạt trở nên lớn hơn, đồng thời phương tản nhiệt qua thành

khuôn không rõ ràng nên hạt phát triển đều theo mọi phương (đẳng trục)

Trong ba vùng trên, vùng ngoài cùng luôn là lớp vỏ mỏng, khi làm

nguội mãnh liệt thì vùng 2 lấn át vùng 3, có khi còn làm mất hẳn vùng 3 và

thỏi đúc như là chỉ có vùng tỉnh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn như

bó đữa (hình 1.9b), tổ chức này được gọi là xuyên rinh Tổ chức này có mật

độ cao nhưng khó biến dạng dẻo, không phù hợp với công nghệ cán Ngược

lại khi khuôn được làm nguội chậm thì vùng 3 lấn át vùng 2 (hình 1.9c), khi

13

đó hạt phát triển đều theo mọi phương nên tạo tỉnh thể hình cầu Cấu trúc

kim loại này trở nên dễ cán hơn

Hình 1.9 Sơ đồ tổ chức thô đại của thỏi đúc

Hạt tỉnh thể khác nhau làm cho cơ tính của kim loại rất khác nhau Khi

ở dạng tấm, dạng kim, kim loại sẽ rất giòn, ở dạng hình trụ thì khó cán, khi

ở dạng cầu kim loại có cơ tính tốt hơn cả

1.5 TINH CHAT CHUNG CUA KIM LOẠI VA HOP KIM

Tinh chat cha kim loại thể hiện qua các đặc trưng: cơ tính, lý tính, hoá tính, tính công nghệ

1.5.1 Cơ tính

Cơ tính là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại, hợp

kim chịu được tác dụng của các loại tải trọng Các đặc trưng đó bao gồm:

1 Độ bền

Độ bền là khả năng của kim loại chịu được tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hỏng Độ bền của kim loại được xác định bằng thử nghiệm

trong điều kiện tải trọng tĩnh và ngắn hạn (với các trạng thái lực tác động

như : kéo, nén, uốn, xoắn, ) Ví dụ: đối với trường hợp thí nghiệm với lực

tác động là lực kéo (hình 1.10)

Các chỉ tiêu phản ánh độ bền tĩnh là giới hạn đàn hỏi, giới hạn chảy và giới hạn bền Theo giá trị tăng dân ta lần lượt được các giới hạn sau:

14

Gidi han dan héi oy, (o doc 1A

mà khi bỏ lực mẫu khơng bị thay đổi

hình dáng, kích thước (khơng cĩ biến Fant

dạng dư) Thực tế rất khĩ xác định

chính xác nên dùng khái niệm biến

dạng quy ước: là ứng suất mà khi bỏ | i

1 1

1 1

† ( ) t

1 | ' 1 ) i ( '

1 1

a

tải trọng độ biến dạng dư khơng 0 1 a

đáng kể, bế hơn trị số cho trước: Độ dãn dài AL

Hình 1.10 Sơ đồ biểu đồ tải trọng kéo

0,01 + 0,05% và biến dạng của kim loại

= Fu/S, (MPa) hay ơou= ò/S, (MPa) hay Đou¿= Foss/S, (MPa)

Trong đĩ : Fm, Fo¿¡, Fù; là tải trọng kéo (N) ứng với độ biến dạng dư rất nhỏ nhưng cĩ thể nhận được và bằng 0,01%; 0,05%

S, 1a tiết diện ngang ban đầu của mẫu, tính theo mm”

Giới hạn chảy ơ, : là ứng suất tối thiểu mà ở đĩ xảy ra quá trình chảy

dẻo, thường được xác định ứng với đoạn nằm ngang trên biểu đồ kéo Đối

với đa số kim loại và hợp kim thường khơng cĩ đoạn nằm ngang này nên thường dùng giới hạn chảy quy ước

Giới hạn chảy quy ước ơạ; là ứng suất dưới tác dụng của nĩ sau khi bỏ

tải trọng mẫu bị biến dạng dư ư = 0,2%

G2 = Fo2/Sy [MPa/

Trong d6 : F,, 14 tai trong (luc) kéo ứng với độ biến dạng dư là 0,2% \N

Giới hạn bền kéo ơ, : là ứng suất tối đa mà mẫu chịu được trước khi bị phá huỷ đứt

6, = F,/S, (MPa)

Trong đĩ : F, là tải trọng (lực) kéo tối đa trên biểu đồ kéo, N

Tuỳ theo loại tải trọng tác động mà vật liệu cĩ được tất cả các loại độ

bền như: độ bền kéo, độ bền nén, độ bền uốn,

Các kim loại đều cĩ đặc trưng độ bển của mìnlrvã được xác định giá trị

cụ thể thơng qua thí nghiệm với các mẫu cĩ kích thước, hình đáng theo tiêu

chuẩn quốc gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế

15

2 Độ dẻo (độ dãn dài tương đối) ö%: là khả năng dễ biến dạng dẻo của

vật liệu Để đánh giá khả năng này của vật liệu kim loại, thường dùng các

lạ, S„ — chiều dài, tiết điện ngang ban đầu của mẫu thử [mm, mm”],

1,, S, - chiều dài, tiết diện ngang sau khi đứt của mẫu [mm, mm]

3 Độ dai va đập a: là công cần thiết làm gãy (phá huỷ) một đơn vị diện tích mẫu thử dưới tác dụng của tải trọng va đập

=—* (Nmi/cm’) hoac(kJ/m’) ; (kgm/cm’)

Trong đó: A, — là công phá huỷ tiết diện ngang S của mẫu thử (Nm)

S — tiết diện ngang ở chỗ có rãnh khía của mẫu thir (cm’)

4 Độ cứng HB ; HRC; HV: là khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ

của vật liệu đưới tác dụng của tải trọng nén và thông qua mũi dụng cụ nén Đặc trưng độ cứng của vật liệu là thông số thường cần biết trong công nghệ gia công vật liệu, vì vậy đo độ cứng là việc làm thường xuyên trong sản xuất cơ khí

Hình 1.11 Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phương pháp đo độ cứng

a) Brinen; b) Rockwell; c) Vicke

Độ cứng của vật liệu kim loại rất khác nhau; có loại rất mềm, có loại rất cứng, Vì vậy để xác định độ cứng, trong kỹ thuật thường dùng các phương pháp đo khác nhau Các phương pháp đo độ cứng thường dùng là: độ cứng

Brinen (HB); độ cứng Rockwell (HRA, HRB, HRC), độ cứng Vicke (HV)

Sơ đồ của các phương pháp đo độ cứng nêu trên hình 1.11

16

a) Độ cứng Brinen HB

Xác định độ cứng Brinen bằng cách ấn một tải trọng F lên bề mặt phẳng

của vật liệu qua viên bi có đường kính D Sau khi thôi tác dụng (tải trọng) để

lại trên bề mặt mẫu vết lõm với đường kính d (hình 1.11a) Số đo độ cứng được xác định bằng tỷ số của tải trọng F với diện tích mặt lõm có dạng chỏm cầu S Độ cứng có thứ nguyên của ứng suất

S nD[D-(D? -d?)"?] oom

Ưu điểm của giá trị HB là giữa nó với ơ, có quan hệ bậc nhất nên có thể

không cần thử kéo vẫn đoán được giới hạn bền, nhưng cũng có nhược điểm

là không thể đo các vật liệu có độ cứng cao hơn HB 450 (vì bí được làm

bằng thép được tôi cứng)

Điều kiện thử HB: bề mặt đo phải sạch, phẳng; chiều dày mẫu ö > 10h,

h là chiều sâu vết lõm; tâm vết lõm phải cách mép mẫu hơn 2 lần đường kính

viên bi D; đường kính vết lõm d phải thoả mãn 0,2D < d < 0,6D

b) Dé cing Rockwell HR (HRA, HRB, HRC)

Đo độ cứng Rockwell HR tiện lợi hơn, kết quả đo cho ngay trên máy và

đo được các vật liệu từ mềm đến cứng, vết lõm khá nhỏ, thường không ảnh

hưởng tới bể mặt làm việc

Độ cứng Rockwell là loại độ cứng quy ước (không có thứ nguyên), xác

định bằng chiều sâu gây ra bởi tác dụng của tải trọng chính đặt vào mũi kim

cương hình n6n có góc đỉnh 120° rồi bỏ lực đi

Giá trị độ cứng Rockwell được tính từ công thức: HR = k- e

Trong đó: k — chiều sâu quy ước, k = 100 đối với các thang A, C;

k= 130 đối với thang B

_ h-h, _ hị

e= =

0,002 0,002

Khi đo độ cứng Rôcwel bao giờ cũng có hai lần tác động tải trọng: đầu

tiên tác động tải trọng sơ bộ P„ (10 kG), chiều sâu vết lõm tính từ đây Sau

đó tác động tải trọng chính P, rồi bỏ tải trong nay Tinh chiều sâu do tác động này

h„ là chiều sâu mũi đâm dưới tác dụng của tải trọng Pụ

h, là chiều sâu mũi đâm dưới tác dụng của tai trong P,

17

Mũi đâm có hai loại: mũi kim cương có hình nón với góc ở đỉnh là 120

dùng để đo các vật liệu tương đối cứng, cứng và rất cứng Mũi bi thép có

dạng bị tròn có đường kính 1/16 inch hay 1,588mm, ding cho các loại vật

liệu mềm và cứng trung bình

HRB (ding bi thép với tải trọng P = 100kG) ap dụng cho các loại vật

liệu mềm và cứng vừa, thường dùng cho gang, thép, hợp kim đồng, nhôm

HRC (mũi kim cương và P = 150kG) áp dụng cho các vật liệu có độ cứng trung bình và cao như thép, gang sau khi tôi và ram

HRA (mũi kim cương và P = 60kG) thường chỉ sử dụng cho các vật liệu

rất cứng như hợp kim cứng, lớp thấm xyanua

Yêu cầu khi thử HR : Bề mặt thử phải sạch, phẳng: chiều dày mẫu thử

phải > 10h,, h, là chiều sâu vết thử; khoảng cách giữa 2 tâm vết thử phải

> 2,5mm với mũi đo là kim cương và > 4mm với viên bị thép; thời gian chịu

tải trọng là 5 — 7s

c) D6 cling Vicke HV -

Phương pháp đo này tương tự như Brinen, song cố những khác biệt sau:

~ Mũi nén bằng kim cương hình chóp bốn mặt đều với góc ở đỉnh giữa hai mặt đối diện là 136%,

— Tải trọng tác dụng nhỏ, từ I đến 100kG, trong đó mức 30kG với thời

gian giữ tải trọng là 10 — 15s được coi là diéu kiện tiêu chuẩn Khi thay đổi

tải trọng, tỷ lệ giữa tải trọng và bình phương đường chéo vết lõm luôn luôn

không đổi Điều này cho phép dùng tải trọng thay đổi mà không ảnh hưởng

đến kết quả đo

Vì vậy độ cứng Vicke được dùng để do độ cứng cho mọi vật liệu từ rất

mềm đến rất cứng, vật thử có thể mong dén 0,3mm, HV được coi là độ cứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học Số đo độ cứng Vicke được xác định theo công thức:

F_ 2Fsin(œ/2) _ 1,854F

HV = — 5 7 =————k 5: kG/mm 2

Trong đó: F — 1ai trong, kG

a = 136°

d ~ gid tri trung bình số học của hai đường chéo vết lõm, mm

Độ cứng Vickc ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết bằng HV với số do,

ví dụ V300 Nếu ở điều kiện phi tiêu chuẩn phải ghi thêm về tải trọng, thời

18

gian giữ, ví dụ HV;¿;,300 là độ cứng HV khi đo dudi tai trong 10kG, thoi

gian giữ 30s là 300kG/mm'

Yêu cầu khi thử HV : Bề mặt thử phải phẳng, nhãn; chiều dày mẫu thử

>1,5d (d là đường chéo vết lõm); tâm 2 vết phải > 2,5d; thời gian tác động

không nhỏ hơn 10s

1.5.2 Lý tính

Lý tính của kim loại là những tính chất thể hiện qua các hiện tượng vật

lý khi thành phần của kim loại không thay đổi

Lý tính 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 Icm° vật chất Nếu gọi P 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 tính khối lượng riêng của vật chất là:

P

=—(g/cm”

Y vie ) Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật của kim loại rất rộng rãi,

nó không những dùng để so sánh những kim loại nặng, nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể giải quyết một số vấn để khó khăn thực tế Ví dụ: những vật liệu kim loại lớn như các thanh thép đường ray, thép hình khó cân được khối lượng; nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo được kích thước để xác dịnh thể tích, do vậy xác định được khối lượng riêng mà

không cần cân

— Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ nung nóng kim loại đến đó sẽ làm cho kim loại chuyển từ thể rấn sang thể lỏng

Sất nguyên chất chảy ở nhiệt độ 1539°C Điểm chảy của gang là

1147 — 1350°C (do ham lượng cacbon trong gang quyết định) Điểm chảy

của thép là 1400 — 1500°C (do hàm lượng cacbon trong thép quyết định)

Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì

phương pháp chế tạo phôi cho các chỉ tiết máy rẻ tiền nhất là phương pháp đúc, nhưng khi sử dụng phương pháp này thì kim loại phải có tính chảy

loãng tốt Tính chảy loãng của kim loại hoặc hợp kim ở thể lông tốt hay xấu

cơ bản do điểm nóng chảy của kim loại quyết định Nhiệt độ nóng chảy càng thấp thì tính chảy loãng của kim loại, hợp kim càng tốt

19

~ Tinh dan né nhiét la kha nang dãn nở của kim loại hoặc hợp kim khi

nung nóng Độ dãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số dãn nở trên một

đơn vị chiều dài (1mm) gọi là hệ số dãn nở theo chiều dài Ví dụ : hệ số dãn

nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 0,118.10'': của thép là 0,12.10 Ý,

Tinh dan nở nhiệt rất quan trọng đối với thiết kế, chế tạo các lắp ghép cơ khí khi chúng làm việc

~ Tính dẫn nhiệt là khả năng dẫn nhiệt của kim loại Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau Ví dụ : gang, thép đều có tính dẫn nhiệt tốt nhưng kém xa so với đồng và nhôm Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt

của bạc (Ag) là 1 thì của đồng là 0,9; của nhôm là 0,5 và của sắt là 0,15

— Tính dân điện là khả năng truyền dòng điện của kim loại và hợp kim Nói chung kim loại đều là vật dẫn điện tốt: tốt nhất là bạc, sau đó là đồng và nhôm; nhưng do bạc đất tiền nên kim loại được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật để làm vật liệu dẫn điện là đồng và nhôm Nói chung kim loại nào có

tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn kim loại

~ Từ tính là khả năng dẫn từ của kim loại Sắt, niken, coban và hợp kim của chúng đều có từ tính tốt nên chúng được gọi là kim loại từ tính

1.5.3 Hoá tính

Hoá tính của kim loại là độ bền của kim loại đối với những tá dụng hoá

học của các chất khác như ôxy, nước, axít, mà không bị'phá huỷ Tính năng hoá học cơ bản của kim loại có thể chia thành mấy loại sau:

— Tỉính chịu ăn mòn: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mòn của các môi trường xung quanh (không khí, nước, .)

~ Tinh ổn định nóng: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mòn của Oxy trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của

một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt khi ở nhiệt độ cao

— Tính chịu axít: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mòn của axit

1.5.4 Tính công nghệ

Tính công nghệ là khả năng của kim loại và hợp kim có thể biến đổi

trạng thái hình dáng hình học của chúng bằng công nghệ gia công nóng

hoặc gia công nguội Tính công nghệ bao gồm các tính chất sau:

20

— Tính đúc: là khả năng tạo thành các sản phẩm đúc bằng quá trình nấu

chảy kim loại hoặc hợp kim, sau đó được rót và kết tỉnh trong lòng khuôn đúc Các kim loại và hợp kim có tính đúc khác nhau vì chúng phụ thuộc vào tính chảy loãng, độ co

~ Tính chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp

kim Nếu tính chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt

— Độ co: là mức độ giảm thể tích kim loại khi kim loại kết tỉnh ở trong khuôn Độ co gây ra khuyết tật lõm co và rỗ co trong vật đúc Độ co càng lớn, tính đúc càng kém

~ Tính rèn, dập: là khả năng biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh cửu) của kim loại, hợp kim khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dáng, kết cấu theo yêu cầu mà kim loại không bị phá huỷ

Thép có tính rèn, đập cao khi nung nóng ở nhiệt độ phù hợp Gang không có khả năng rèn vì gang giòn Đồng, chì có tính rèn cao ngay ở trạng thái nguội

~ Tinh han: 1a kha nang tao thành liên kết bên vững giữa hai hoặc nhiều phần tử kim loại khi được nung nóng cục bộ chỗ hàn đến trạng thái chảy hoặc dẻo Nhờ có tính hàn của kim loại mà ngày nay người ta có thể chế tạo được các kết cấu siêu trường, siêu trọng Tính hàn của các kim loại và hợp kim rất khác nhau; thông thường có ba loại: kim loại và hợp kim có tính hàn dễ; tính hàn hạn chế; tính hàn khó

Thép cacbon và thép hợp kim được đánh giá tính hàn theo 3 thông số:

lượng cacbon tương đương (cacbon đương lượng) C; hệ số khả năng nứt

nóng khi hàn Hs; hệ số khả năng nứt nguội P,

— Tính gia công cắt gọt : là khả năng của vật liệu kim loại có thể tạo ra các dạng bề mặt có độ chính xác cao bằng cách cat bỏ một lớp kim loại thông qua một dụng cụ cắt và chuyển động cắt của máy cắt gọt (máy công cụ)

1.6 NUNG KIM LOAI - HOP KIM VA GIA CONG BIEN

DANG DEO

1.6.1 Trạng thái của kim loại sau khi gia công biến dạng dẻo

Trong các công nghệ gia công biến dạng dẻo (như rèn, dập, cán, ) sau khi biến dạng dẻo, kim loại bị biến cứng, hod bén, mang tinh thé bị xô lệch,

21

nội ứng suất tăng, kim loại ở trạng thái không cân bằng và luôn có xu hướng

trở về trạng thái cân bằng ban đầu bằng cách tạo ra các hạt mới đều trục làm tăng độ dẻo, giảm độ cứng Đó là quá trình kết tỉnh lại (KTL), quá trình này xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường Khi nung quá trình này xảy ra nhanh hơn

Quá trình kết tinh lại xảy ra trong hai trường hợp:

Trong công nghệ gia công nguội (nhiệt độ khi gia công nhỏ hơn nhiệt

độ kết tỉnh lại của kim loại), ví dụ như cán nguội, đập nguội , để có sự kết

tỉnh lại, người ta phải ủ kim loại đã qua gia công Ngược lại trong công nghệ

gia công nóng (nhiệt độ khi gia công lớn hơn nhiệt độ kết tính lại của kim loại), ví dụ như cán nóng, rèn nóng, thì sự kết tỉnh lại đã xảy ra ngay khi biến dạng và sau khi biến dạng

1.6.2 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

Khi nung kim loại đã qua gia công nguội sẽ có các quá trình xảy ra: a) Hồi phục

Hồi phục xảy ra ở nhiệt độ thấp (0,1 — 0,2T, mà T, là nhiệt độ chảy của

kim loại) dẫn đến kết quả là giảm sai lệch mạng (chủ yếu là sai lệch điểm,

đặc biệt là nút trống), giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong Tuy nhiên tổ

chức tế vị chưa thay đổi

b) Kết tỉnh lại (KTL lần thứ nhất): khi nung nóng kim loại tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ xác định (gọi là nhiệt độ kết tỉnh lại), trong mạng tỉnh thể

xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới (không có các sai lệch do biến

dạng dẻo gây ra) theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như quá trình kết

tỉnh từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc, do đó mọi tính chất được phục

hồi: độ bền, độ cứng giảm mạnh; độ dẻo, độ dai tăng mạnh

Nhiệt độ mà tại đó xuất hiện những mầm kết tỉnh lại đầu tiên gọi là

nhiệt độ kết tinh lai (Tạ+) Vậy muốn phục hồi tính dẻo phải nung kim loại

đã qua gia công nguội đến nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tính lại Nhiệt độ kết tính lại phụ thuộc nhiệt độ chảy của chúng, có thể xác định theo công thức: Tự„= a T, (tính theo °K), Trong đó a là hệ số phụ thuộc vào độ sạch của kim loại và thường a = (0,4 — 0,6)

c) Kết tỉnh lại lần thứ hai

Sau khi kết tinh lại lần thứ nhất, nếu tiếp tục nâng nhiệt độ hay kéo dài

thời gian giữ nhiệt thì sẽ có quá trình các hạt lớn "nuốt" các hạt nhỏ bên cạnh làm hạt to thêm, đó là quá trình kết tỉnh lại lần thứ hai Quá trình này

22

xảy ra là tất nhiên vì hạt lớn có năng lượng thấp hơn hạt nhỏ Đây là quá

trình có hại, cần tránh vì làm giảm tính chất cơ học của vật liệu

1.6.3 Biến dạng nóng

a) Khái niệm

Biến dạng nóng là biến dạng dẻo kim loại ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ

kết tỉnh lại Như vậy đồng thời với quá trình biến dạng dẻo còn xảy ra quá

trình kết tinh lại; hiện tượng biến cứng có thể bị khử bỏ hoàn toàn

b) Các quá trình xảy ra

Quá trình biến dạng dẻo làm xô lệch mạng tinh thể nên kim loại bị biến

cứng và hoá bền Do biến dạng thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tỉnh

lại nên ngay lập tức xảy ra quá trình kết tỉnh lại Kết tinh lại làm mất xô lệch mạng, gây thải bền, giảm độ cứng; các hiệu quả do biến dạng dẻo Bây ra bị

khử bỏ

Khác với biến dạng nguội, khi biến dạng nóng kim loại không bị biến

cứng; các khuyết tật xảy ra khi đúc như rỗ xốp, rỗ khí sẽ mất di, làm cho co

tính tăng đồng thời tạo ra tổ chức thớ, sợi Hiện tượng này cần chú ý khi

dùng thép để chế tạo các chỉ tiết máy

1) Tinh thé kim loai là gì và đặc trưng cơ bản của cấu tạo tinh thể kim loại ?

2) Sự biến đổi thù hình của kim loại là gỉ? Cho ví dụ

3) Sự kết tinh của kim loại là gì, quá trình kết tinh như thế nào?

4)_ Phân biệt sự khác nhau giữa độ bền, giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi của kim loại? 5) Thế nào gọi là độ cứng HB, HRC, HV va pham vi sử dụng chúng?

6) Kim loại có những tính công nghệ nào, cho ví dự ?

23

Chuong 2

HỢP KIM VÃ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM

2.1 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM

2.1.1 Khái niệm về hợp kim

a) Định nghĩa và đặc điểm

Hợp kim là vật liệu mang tính kim loại, bao gồm hai hay nhiều nguyên

tố, trong đó nguyên tố chính là kim loại, nguyên tố phụ có thể là kim loại hay á kim Ví dụ: Thép là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó nguyên tố chính là Fe, nguyên tố phụ là C và các tạp chất lẫn

Kim loại nguyên chất thể hiện rõ ưu việt trong dẫn điện, dẫn nhiệt Tuy

nhiên trong chế tạo cơ khí, thiết bị, đồ dùng, các vật liệu được dùng thường là hợp kim vì so với kim loại nguyên chất nó có các đặc tính phù hợp

hơn về sử dụng, gia công và kinh tế, cụ thể:

— Cơ tính: độ bền cao mà độ dai vẫn bảo đảm

— Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: tính đúc, tính gia công cắt, tính hàn, gia công áp lực,

— Tính kinh tế: rẻ hơn

b) Một số khái niệm

Khi khảo sát hợp kim, việc khảo sát giản đồ trạng thái sẽ thấy được mối

tương quan chặt chẽ giữa tổ chức và tính chất, cho biết các thông tin về sự

nấu chảy, kết tinh, đúc, chuyển biến pha có quan hệ đến nhiệt luyện, hàn,

Bia công áp lực, Khi khảo sát giản đồ trạng thái, ta cần biết một số khái

— Cấu tử: là các nguyên tố (ví dụ, kim loại nguyên chất) hay hợp chất

hoá học bền vững cấu tạo nên hợp kim Ví dụ, latông— (đồng thau) có hai

cấu tử là Cụ và Zn

— Hệ: là từ để chỉ một tập hợp vật thé riêng biệt của vật liệu trong điều

kiện xác định hoặc là một loạt hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau 24

— Pha: là tổ phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và tính chất cơ

học, vật lý, hoá học nhất định Pha có thành phần đồng nhất ở cùng trạng thái và có bề mặt phân chia với các pha khác

Ví dụ: Nước ở 0°C là hệ một cấu tử (hợp chất hoá học bền vững H,O) và

có hai pha (pha rắn: nước đá; pha lỏng: nước)

€©) Các hình thức tương tác của hợp km

Ở trạng thái lỏng

nói chung các cấu tử

đều tương tác với

nhau tạo dung địch

lỏng (pha đồng nhất)

A(B)

Ở trạng thái rắn các

cấu tử tương tác theo

những quy luật riêng,

Khi hai cấu tử A và B có tương tác với nhau tạo nên một pha duy nhất

(hình 2.1b), nhưng có hai loại: :

— Chúng tương tác với nhau bằng cách hoà trộn vào nhau tạo thành dung

dịch rắn, không tạo nên cấu trúc mới, giữ lại một cấu trúc, làm mất di cấu trúc kia

— Chúng tương tác với nhau bằng cách tạo nên cấu trúc mới với tên gọi

là các pha trung gian với các tính chất khác với cấu tử thành phần

2.1.2 Các tổ chức của hợp kim

1 Dung dịch rắn (thường gặp nhất trong hợp kim)

— Đung dịch lỏng: là trạng thái lỏng của hai hay nhiều chất (có chất tan

và dung môi) mà ta không thể phân chia các nguyên của chúng với nhau

được Tỷ lệ các nguyên có thể thay đổi

25

— Dung dich rắn: là tổ chức tỉnh thể của hợp kim trong dé mang tinh thé

của dung môi có chứa các nguyên tử của nguyên tố chất tan với nồng độ thay đối trong phạm vi nào đó Mạng tinh thể là mạng của dung môi còn các nguyên tử chất tan sắp xếp ngẫu nhiên trong mạng của dung môi

Tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của nguyên tử chất tan vào dung môi, dung '

dịch rắn chia làm hai loại:

+ Dung dịch rắn thay thế: trong dung dịch rắn thay thế, các nguyên tử

của nguyên tố hoà tan thay thế vào vị trí của nguyên tử dung môi; kiểu mạng

và số nguyên tử trong một ô cơ bản là không đổi, nhưng với điều kiện đường

kính nguyên tử khác nhau không quá 15%

Theo mức độ hoà tan, có dung dịch rắn hoà tan vô hạn và dung dịch rắn hoà tan có hạn Thường gặp dung dịch rắn hoà tan có hạn, muốn gặp dung

dịch rắn hoà tan vô hạn phải thoả mãn các điều kiện sau: chúng có cùng kiểu mạng; đường kính nguyên tử xấp xỉ nhau (d, ~ dạ); các tính chất hoá lý gần

giống nhau và nồng độ điện tử không vượt quá một giá trị xác định cho mỗi

kiểu mạng (hình 2.2)

SP Te Be oe

`_Hình 2.2 Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn hoà tan vô hạn giữa hai kim

loại A và B khi lượng B tăng dần

8) nguyên tố A; b, c, d) dãy dung dịch rắn liên tục của A và B; e) nguyên tố B

+ Dung dịch rắn xen kế (hình 2.3): là dung dịch rắn mà trong đó các

nguyên tử của nguyên tố hoà tan xen kế vào lỗ hổng của mạng dung môi, do

đó số nguyên tử trong ô cơ bản tăng và thông số mạng tăng, nhưng với điều kiện đường kính nguyên tử của ngưyên tố hoà tan nhỏ hơn nguyên tử dung

môi Ví dụ: Các nguyên tố hoà tan như : CN, H, B; Các nguyên tố dung môi như: Fe, Ni, Co,

Tổ chức là dung dịch rắn thường có tính dẻo cao, độ bền, độ cứng cao

hơn kim loại nguyên chất Ví dụ: cacbon hoà tan xen kẽ vào mang Feg —

(AI- Iftk) với nồng độ hoà tan giới hạn 0,02% để tạo thành dung dịch rắn có

tên là Ferit, có từ tính cao, mềm và độ bền thấp

26

Hinh 2.3

a) hoa tan xen kẽ, b) hoà tan thay thế khi rụ > rạ„, c) hoà tan thay thé Khi tS Con

2 Hop chat hod hoc

Các hợp chất hoá học có trong hợp kim dôi khi được gọi là pha trung gian, chúng tạo thành theo quy luật hoá trị với đặc điểm:

— Có mạng tinh thể phức tạp khác hắn với nguyên tố thành phần

— Luôn có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố với công thức A,„B, với m,

n là các số nguyên

~ Tính chất khác hẳn với nguyên tố thành phần với đặc điểm là giòn Một số loại hợp chất hoá học có độ cứng rất cao, như pha xen kẽ có tác

dụng rất lớn để nâng cao độ bền, độ cứng, tính chống mài; mòn của vật liệu

Ví dụ : sắt tạo với cacbon thành hợp chất Fe;C, có tên gọi là Xêmentft, có độ

cứng, tính chống mài mòn rất cao

3 Hỗn hợp cơ học

Trong hệ hợp kim có những nguyên tố (hoặc các cấu tử) không hoà tan

vào nhau cũng không liên kết hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, tổ chức này được gọi là hỗn hợp cơ học Hỗn hợp cơ học có đặc điểm là mạng nguyên tử của các nguyên tố không bị thay đổi Ví dụ:

_ Ferit liên kết cơ học với Xêmentit để tạo tổ chức Peclit, có độ bén và độ

cứng cao

2.1.3 Các loại giản đồ trạng thái thông thường 2 nguyên

1 Định nghĩa và công dụng của giản đồ

Giản đồ trạng thái của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng (tỷ lệ) các pha (hoặc tổ chức) của hệ ở

27

trang thái cân bằng Các hệ khác nhau có giản đồ khác nhau và chúng được xây dựng bằng thực nghiệm

2 Các loại giản đồ

Dưới đây ta khảo sát một số giản đồ trạng thái hợp kim 2 nguyên sau: a) Giản đồ trạng thái loại ï

Đây là giản đồ của hệ hai nguyên không hoà tan vào nhau ở trạng thái

rắn, không tạo thành hợp chất hoá học (hình 2.4a), hệ điển hình loại này là

Pb+(Pb+Sb, 431 ' Ị I

%B

Hình 2.4 Dạng tổng quát của giản đồ loại | (a) va gian dé Pb ~ Sb (b)

Trên giản đồ (a), đường AEB là đường lỏng (cao hơn đường đó hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng), đường CED là đường đặc (thấp hơn đường đó hợp kim hoàn toàn ở trạng thái rắn) A là nhiệt độ kết tinh (nóng chảy) của

nguyên tử A; B là nhiệt độ kết tỉnh (nóng chảy) của nguyên tử B Hợp kim sẽ

kết tỉnh hay nóng chảy trong khoảng giữa hai đường này

“Ta xét sự kết tỉnh của hợp kim cụ thể (hình 2.4b) gồm 60%Pb+ 40%Sb

Đường thẳng đứng biểu thị hợp kim này cắt đường lỏng tại 1 va đường đặc

~ Ở cao hơn điểm 1 hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng (L)

— Ở thấp hơn điểm 2 hợp kim hoàn toàn ở trạng thái rắn, là hỗn hợp cơ

— Lam ngudi dén 1, hop kim long bat dau két tinh ra tinh thé B — (Sb) ting véi diém 1’ Làm nguội tiếp tục, tinh thé B ~ (Sb) tiét ra cang nhiéu lam

tỷ lệ B— (Sb) trong hợp kim lỏng còn lại giảm đi nên điểm biểu diễn thành phần của hợp kim lỏng dịch chuyển sang trái theo đường lỏng từ I đến E

~ Lầm nguội đến 2 (cũng là nhiệt độ của đường đặc CED), pha lỏng có thành phần L„; cùng kết tính ra hai cấu tử (A + B) - (Pb+Sb) Hỗn hợp của hai pha rắn được tạo thành cùng một lúc từ pha lỏng được gọi là cùng tỉnh (cùng kết tinh) Đó là phản ứng cùng tỉnh

Sự kết tỉnh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ thường không

có chuyển biến gì khác Tổ chức cuối cùng của hợp kim là B + (A + B) (tức

là Sb + [Pb + Sb]) trong đó B - (Sb) được tạo thành trước ở nhiệt độ cao hơn

nên kích thước lớn hơn còn cùng tỉnh (A + B) - (Pb + Sb) được tạo thành ở nhiệt dộ thấp hơn nên có kích thước nhỏ mịn hơn

Hợp kim có thành phần ứng với điểm E được gọi là hợp kim cùng tỉnh Các hợp kim có thành phần bên trái điểm E được gọi là hợp kim trước cùng tỉnh và các hợp kim có thành phần bên phải điểm E được gọi là hợp kim sau cling tinh

b) Giản đồ pha loại II

Đây là giản đồ của hệ hai nguyên, hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn, không tạo thành hợp chất hoá học (hình 2.5a) và hệ điển hình có kiểu mạng này là hệ đồng (Cu) ~ niken (ND) (hình 2.5b)

Giản đồ có dạng hai đường cong khép kín, trong đó đường trên là đường

lỏng, đường dưới là đường đặc, dưới đường đặc là vùng tồn tại của dung dịch

rắn a (dung dich rin hoà tan vô hạn của A(B) hay của B(A)) Phía trên

đường lỏng là vùng tồn tại của dung dịch lỏng (L), trong khoảng giữa hai đường lỏng và đặc là gồm cả hai pha: L + œ Đây là vùng ứng với sự kết tỉnh hay nóng chảy của hợp kim

29

Đây là giản đồ của hệ hai nguyên tử hoà tan có hạn vào nhau ở trạng

thái rắn, không tạo thành hợp chất hoá học œ là dung dịch rắn hoà tan có

hạn của B trong A và B là dung dịch ran hoa tan có hạn của A trong B, chúng chiếm hai vùng giáp trục tung ở hai đầu mút của giản đồ

Hình 2.6 Dang tổng quát của giẫn đổ pha loại III (a) và giản đồ pha Pb — Sn (b)

Dạng của giản đồ này được biểu diễn tổng quất trên hình 2.6a và hệ điển hình có kiểu mạng này là hệ chi (Pb) — thiéc (Sn) (hình 2.6b)

Trên giản đồ tổng quát, đường AEB là đường lỏng, đường ACEDB là

đường đặc; A là nhiệt độ kết tinh (nóng chảy) của cấu tử A, B là nhiệt độ kết

tinh (nóng chảy) của cấu tử B Các dung dich rắn œ và B chiếm hai vùng hẹp _ở hai đầu của giản đồ, bị giới hạn bởi các đường CF và DG là đường giới hạn

hoà tan của B trong A và A trong B, chúng chỉ ra rằng độ hoà tan của các

nguyên tố giảm khi nhiệt độ giảm

đ) Giản đồ loại IV

La giản đồ của hai nguyên tử, tương tác với nhau tạo pha trung gian

A,,B,, c6 dang tổng quát ở hình 2.7a và hệ điển hình có kiểu mạng này là hệ manhé (Mg) — Catmi (Cd) ở hình 2.7b

Do hai nguyên tử không hoà tan lẫn nhau ở trạng thái rấn nên không

thấy có ký hiệu của œ, mà chỉ có các nguyên tử nguyên chất A và B Do hai nguyên tử tạo hợp chất hoá học ổn định biểu thị bằng công thức A„B,, nó

ứng với một đường thẳng đứng vuông góc với trục hoành, có nhiệt độ nóng

chảy là H (đường lỏng có cực đại ở vị trí ứng với thành phần của hợp chất hoá học) Đường lỏng AE,HE;B gồm nhiều doạn cong nối tiếp nhau; còn đường đặc gồm hai đường nằm ngang SE,D và FE;G trong đó E; và E; là các

điểm cùng tỉnh của (A + A„B,) và (A„B, + Bì)

Hình 2.7 Dạng tổng quát của giản đổ loại !V (a) và gian dé manhé Mg — catmi Ca (b)

Hợp chất hoá học ổn định A„B, (ở đây được coi như một cấu tử độc

lập — H) chia giản đồ thành hai giản đồ hai cấu tử không hoà tan lẫn nhau ở trạng thái rắn, do đó có thể coi giản đồ loại này như gồm hai giản đồ ở hình 2.4; bên trái là giản đồ hai cấu tử (A + A„B,) và bên phải là giản đồ hai cấu

tử (A„B, + B) Do vậy việc khảo sát sự kết tỉnh của các hợp kim hệ này quy

về khảo sát các hợp kim có giản đồ pha hệ hai nguyên không hoà tan lẫn

nhau ở trạng thái rắn

31

2.1.4 Quan hệ giữa các giản đổ và tính chất của hợp kim

Trên hình 2.8 đưa ra các dạng giản đồ đã xét ở trên và sự thay đổi tính

chất theo thành phần của mỗi dạng giản đồ

Hình 2.8 Tính chất cdia hgp kim va gian d6, trong d6 P, va P, Ia tinh chất của các

cấu tử nguyên chất tương ứng

; Trong trường hợp hai nguyên tử hoà tan vô hạn vào nhau, tính chất biến

đổi theo thành phần với quan hệ đường cong có cực trị (hình 2.8a)

32

Trường hợp hai nguyên tử tạo nền hỗn hợp thì tuỳ theo dạng hỗn hợp có

ba kiểu sau đây:

— Hình 2.8b là giản đồ với hỗn hợp của hai nguyên tử nguyên chất Ở đây tính chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng chạy suốt trục hoành từ P„ đến Pạ

— Hình 2.8c là giản đồ với hỗn hợp của hai dung dịch ran có hạn Do vậy tính chất thay đổi theo thành phần với hai quy luật: phần dường cong Ở

hai đầu mút ứng với hai dung dịch rấn có hạn và đạt đến P„ và Pạ khi bão

hoà và phần đường thẳng nối P„ và Pp khi hợp kim là hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn ở nồng độ bão hoà này

- Hình 2.8d là giản đồ với hỗn hợp của hai dung dich rắn có hạn và pha

trung gian, do vậy tính chất thay đổi theo thành phần với hai quy luật: ở phần dung dịch rấn hoà tan có hạn theo quan hệ đường cong và đạt đến P„ khi nồng

độ đạt đến giới hạn bão hoà, ở phần hỗn hợp theo quan hệ đường thẳng PuP;

2.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỢP KIM SẮT-CACBON

2.2.1, Sự tương tác của Fe và C

Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính:

HB ~ 80; ơ, ~ 250MPa; Gạ; ~ 120MPa;

ö~ 20%; y © 85%; a, © 2500kJ/m?

Khi đưa cacbon vào sắt, giữa chúng tương tác với nhau tạo nên dung

dịch rắn và pha trung gian; chúng có tác dụhg hoá bên hợp kim Sự tương tác

ở các dạng sau:

a) Sự hoà tan của cacbon vào sắt

Do kích thước của cacbon nhé hon sat (r, = 0,077nm, fp, = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thé hoa tan có hạn vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kế:

giới hạn hoà tan lớn nhất của cacbon trong Fe, là.2,14% ~ đó là tổ chức

austenit và trong Fe„ là 0,02% đó là tổ chức Ferit

b) Tương tác hoá học giữa sốt và cacbon `

Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hoà tan, các nguyên tử cacbon thừa sẽ kết hợp với sắt tạo thành hop chat Fe,C (pha này được gọi là xémentit, là pha xen kẽ, có mạng phức tạp, có thành phân là 6,67%C +

93,33%Fe)

33

Hình 2.9 Giản đồ trạng thái hợp kim Fe ~ C — (Fe-Fe,C)

Giản đồ hình thành trên cơ sở các điểm tới hạn của nồng độ cacbon và

nhiệt độ, bảng 2.1 là các điểm cần xét của giản đồ

Bảng 2.1 Toa độ các điểm trên giản đổ Fe — €

Khi làm nguội hợp kim, đường ABCD - đường lỏng, đường AHJECF —

đường đặc, ECF - đường cùng tỉnh, PSK — đường cùng tích (được gọi là

đường A1), ES — đường giới hạn hoà tan của cacbon trong.Fey (gọi là đường

Acm), GS — đường chuyển biến phân hoá Austenit— gọi là đường À3, PQ -

đường giới hạn hoà tan của cacbon trong Feri

2.2.3 Các tổ chức của hợp kim Fe— C

~ Hợp kim lỏng (L): Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong

sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD

— Ferir (ký hiệu là œ, F, œ — Fe(C) hay Fea}: Ferit là dung dịch rắn xen kẽ

của cacbon trong sắt anpha (Feu), có mạng lập phương tâm khối (a = 2,86 A")

Trong mạng A; có hai loại lỗ hồng: lỗ hổng khối 8 mặt và lỗ hồng khối 4

mặt Khả năng hoà tan của cacbon trong Feu không đáng kể: lớn nhất ở

727°C 1a 0,02%C (điểm P) và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%C (diem Q)

nên có thể coi Eerit trong hợp kim Fe — C tỉnh khiết là sắt nguyên chất

Trên giản đồ Fe - C, Ferit nằm trong khu vực GPQ Tổ chức tế vi của

Eerit giống sắt nguyên chất, có dạng đa cạnh Ferit rất dẻo và dai nhưng khi

các nguyên tố khác (đặc biệt là Si, Mn) hoà tan vào nó thì độ cứng tăng lên

và độ dẻo, độ dai giảm đáng kể

— Austenit (ky hiéu la y, A, y-Fe(C) hay Fey): Austenit JA dung dich ran xen kẽ của cacbon trong sắt gama (Fey) Austenit có mạng AI, thông số mạng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon hoà tan trong nó

Trong hệ Fe — C, austenit chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727°C va ting

với nồng độ 2,14%C 6 727°C, austenit chi hoà tan được 0,80%C

Trên gian dé pha Fe — C, austenit chi nằm ở khu vực NJESG, do vậy nó

không tồn tại ở nhiệt độ thường Austenit rất đẻo và dai, và là tổ chức trung

gian không thể thiếu được khi nhiệt luyện

— Xêmemiit (ký hiệu là Xê, Fe;C)

Xêmentit là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, là hợp chất hoá học, có công thức là Fe;C và nồng độ 6,67%C, ứng với đường DFKL trên giản đồ, là

pha cứng và giòn Cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe — C Người ta phân biệt 4 loại xêmentit:

+ Xêmentit thứ nhất (Xé,) dugc tạo thành do giảm nồng độ C trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ

35

— Peclit (ký hiệu là P hay [F + Xê])

Pcclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xêmentit [F + Xê] được tạo thành từ austenit ở 727°C với 0,8%C

Peclit là hỗn hợp cơ học nên tính chất của nó là trung gian, kết hợp giữa

tính dẻo dai của ferit và cứng, đòn của xementit Tổ chức này có độ cứng, độ bền tương đối cao, tính dẻo, dai thấp Cơ tính của P có thể thay đổi trong

phạm vi khá rộng phụ thuộc vào dạng của peclit và độ nhỏ mịn của

Cuối cùng lêđêburit có hai pha là F và Xê trong đó Xê chiếm tỷ lệ gần 2/3

Do chứa nhiều Xê nên Lê rất cứng và giòn

~ Graphit : là cacbon ở dạng tự do Như đã lưu ý ở trên, vì giản đồ

Fe — C xây dựng theo hệ Fe — Fe; C (tức là khi thực nghiệm xây dựng giản

đồ trạng thái, đã cho các hợp kim nguội với tốc độ nhanh nên không xuất

hiện tổ chức graphit) Nhưng trong thực tế, tổ chức graphit vẫn tồn tại ở một

số kợp kim có cacbon và silic hàm lượng cao và tốc độ nguội chậm Graphjt

kém bền, giòn, nở thể tích khi kết tinh,

2.2.4 Các sản phẩm của hợp kim Fe — C

người ta chia giản đồ thành 2 khu Vực và tương ứng với 2 sản phẩm : đó là

thép cacbon và gang

Căn cứ vào tổ chức và lượng cacbon trên giản đồ trạng thái Fe — C,

— Thép là hợp kim của sắt và cacbon mà nồng độ cacbon có < 2,14%C

Giang cũng là hợp kim của sắt và cacbon mà nồng độ cacbon có > 2,14%C Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cacbon trên giản đồ ta có ba loại thép :

36

+ Thép trước cùng tích, có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,8% với tổ chức

la ferit va peclit: F + [F + Xé] hay F + P

+ Thép cùng tích, có hàm lượng cacbon là 0,8% với tổ chức là peclit

[F + Xê] hay P

+ Thép sau cùng tích, có hàm lượng cacbon lớn hơn 0,8% với tổ chức là peclit và xêmentit thứ hai [E + Xê] + Xên hay P + Xêu

— Gang là hợp kim Fe — C có hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14% Gang

có thành phần ứng với giản đồ Fe C được gọi là gang trắng

Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cacbon ta có ba loại gang:

+ Gang trắng trước cùng tỉnh, có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 4,3% với

tổ chức là peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit: P + Xêu + Lê

+ Gang trắng cùng tỉnh, có hàm lượng cacbon là 4,3% với tổ chức là

lêđêburit: Lê hay [P + Xê] ở < 727C

+ Gang trắng sau cùng tính, có hàm lượng cacbon lớn hơn 4,3% với tổ chức là lêđêburit + xêmentit thứ nhất: Lê + Xê:

CÂU HỎI ÔN TẬP 4) Hợp kim là gĩ? Cho ví dụ và giải thích

2) Hợp kim có các tổ chức nào ? Cho ví dụ và giải thích

3} Thế nào gọi là giản đồ trạng thái hợp kim ? Các loại giản đổ hợp kim 2 nguyên thường gặp

4) Hợp kim Fe-C có các tổ chức nào và cho ví dụ ?

5) Sự khác nhau giữa tổ chức austenit và ferit, peclit và lêđêburft?

6) Phân biệt sự khác nhau gữa thép và gang ?

37

Co, V, T¡ ) Các nguyên tố kể trên với lượng nhỏ hơn giới hạn quy định và ảnh hưởng không đáng kể đến tổ chức và tính chất của thép

Tạp chất thường có là những nguyên tố thường xuyên có mặt trong mọi loại thép, chúng đi vào thép từ quặng sắt, từ nhiên liệu sử dụng khi luyện gang hoặc do việc dùng ferô để khử oxy khi tỉnh luyện thép; trong đó Mn, Si

là những rạp chất có lợi, chúng nâng cao cơ tính của thép còn P, S là những tạp chất có hại, làm cho thép giòn và khó hàn, do vậy trong quá trình nấu luyện phải tìm cách khử bỏ chúng

Công nghệ luyện thép thường sử dụng sắt thép vụn, trong đó có nhiều loại

thép hợp kim, nên trong nhiều thép C thông thường vẫn có thể có một lượng

nhỏ các nguyên tố hợp kim như Cr, Cu, Ni, W, Mo, Ti chúng được coi là những rạp chất ngẫu nhiên, thường là có lợi vì nâng cao cơ tính của thép Trong thép cacbon thường có hoà tan các khí nito, hyđrô, ôxy với lượng chứa rất nhỏ mà việc xác dịnh chúng rất khó khăn nên được gọi là tạp chất

ẩn Nói chung, chúng là tạp chất có hại

Thành phần hoá học của thép thông thường, ngoài Fe ra được giới hạn

như sau:

C < 2,14%; Mn < 0,5 — 0,8%: Si < 0,3 - 0,6%; P < 0,03 — 0,06%;

5 <0,03 — 0,06% (tiêu chuẩn ISO : S, P< 0,03%)

38

a) Anh hưởng của cacbon tới tổ chức, tính chất và công dụng của thép

Tổ chức tế vi (trình bày trong phần giản đồ pha Fe — C)

Khi hàm lượng cacbon tăng, độ bền, độ cứng tăng còn độ dẻo, độ dai,

độ thất giảm Với độ bên: khi hàm lượng cacbon vượt quá 0,8% thì hàm

lượng cacbon tăng, độ bền lại giảm Đó là do hàm lượng cacbon tăng, lượng

xêmentit tăng và ở dạng mạng lưới bao quanh hạt peclit Xê„ ở dạng mạng,

là pha giòn nên làm thép dễ bi phá huỷ dọc theo'lưới Xê, làm cho độ bền

giảm khi hàm lượng cacbon tăng

b) Ảnh hưởng của các tạp chất

Mangan: Mn được cho vào thép dưới dạng fero~Mn để khử ôxy và lưu

huỳnh theo các phản ứng sau:

FeO + Mn > Fe +MnOT va FeS +Mn — Fe + MnSt

MnO và Mn§ nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò Mn khi hoà tan vào

ferit làm tăng độ bền, độ cứng của pha này, nhưng phải giới hạn < 0,8% nên

ảnh hưởng không quan trọng

39

Silic: SI được cho vào thép dưới dạng ferô-S¡ để khử ôxy triệt dé ở trạng

thái long: Si + FeO + Fe + SiO,

Cũng như Mn, Sỉ khi hoà tan vào ferit làm tăng độ bền, độ cứng của pha này, nhưng phải giới hạn < 0,2 ~ 0,4% nên ảnh hưởng không quan trọng

Phốtpho: do đường kính của nguyên tử phốtpho rất khác với đường kính

của nguyên tử sắt nên khi hoà tan vào ferit làm xô lệch mạng lớn, tăng mạnh tính giòn Khi vượt quá giới hạn hoà tan sé tao Fe,P cứng và giòn, là nguyên nhân gây giòn nguội

Lam huỳnh: Không hoà tan vào Ferit, tạo FeS Cùng tỉnh (Fe + FeS) có nhiệt

độ chảy thấp (988°C) nằm ở biên giới hạt Khi nung để cán (1100 ~ 1200°C)

cùng tỉnh này bị mềm và chảy ra, là nguyên nhân gây bở nóng

3.1.2 Phân loại và ký hiệu thép cacbon

4) Phân loại: Có nhiều cách để phân loại thép khác nhau, nhưng thường gặp các cách sau:

Theo chat long

Theo mức độ sạch tap chất có hại P, S, người ta phân ra các loại thép sau:

— Thép chất lượng thường, có thể chứa tới 0,06%S va 0,07%P

— Thép chất lượng tốt, chứa khong qué 0,04%S va 0,035%

— Thép chất lượng cao, chứa không quá 0,025% mỗi nguyên tố

— Thép chất lượng đặc biệt cao, chứa không quá 0,015%S và 0,025%P

Chất lượng của thép do phương pháp nấu luyện quyết định Phương pháp

Martin (phương pháp lò bằng) có thể luyện được thép chất lượng tốt và chất

lượng cao Phương pháp L - D (thổi ôxy từ đỉnh lò Besme, lò Tomát) luyện

được thép có chất lượng thường và chất lượng tốt Phương pháp lò điện (thường

là hồ quang) luyện được thép chất lượng cao, có khả năng khử P, S tốt

Theo phương pháp khử ôxy

Theo mức độ khử ôxy phân ra: thép sôi, thép lặng và thép nửa lặng

~ Thép sôi là loại không được khử ôxy triệt để: chỉ bằng chất khử không

triệt để là ferô-Mn nên trong thép lông vẫn còn FeO, do đó có phản ứng:

FeO + C-> Fe + COT

Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng “sôi” và tạo bọt khí trong thỏi đúc

40