giao trinh vat lieu dai cuong

Trong những năm gần đây, công nghệ vật liệu đang đi vào nghiên cứu và sử dụng các loại thép có chất lượng cao như thép hợp kim thấp độ bền cao, thép hợp kim hoá vi lượng, thép nitơ, thép

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG

(Dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học)

Đà Nẵng, 2015

MỤC LỤC

Mục lục

CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU 1

1.1 Phân loại vật liệu 1

1.2 Công nghệ vật liệu 4

1.3 Vật liệu học 4

CHƯƠNG 2 : NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU 6

2.1 Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu 6

2.2 Tính chất vật lý có liên quan đến nước 7

2.3 Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt 8

2.4 Tính chất cơ học 9

CHƯƠNG 3 : SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG) 13

3.1 Giản đồ pha của hệ một cấu tử sắt 13

3.2 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 14

3.3 Thép và gang 19

CHƯƠNG 4 : SẢN XUẤT VẬT LIỆU KIM LOẠI 22

4.1 Các phương pháp luyện kim 22

4.2 Các phương pháp tạo hình 23

4.3 Hàn kim loại 34

4.4 Luyện kim bột 35

CHƯƠNG 5 : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYMER 37

5.1 Khái niệm 37

5.2 Cấu trúc phân tử polymer 38

CHƯƠNG 6 : VẬT LIỆU VÔ CƠ KHÔNG KIM LOẠI (CERAMICS) 46

6.1 Gốm 46

6.2 Thủy tinh 48

6.3 Xi măng và bê tông 50

CHƯƠNG 7 : VẬT LIỆU COMPOSITE 52

7.1 Khái niệm và tính chất 52

7.2 Vật liệu và thành phần của composite 53

7.3 Composite nền nhựa 54

7.4 Composite nền kim loại 55

7.3 Composite nền gốm 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế

tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho

dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học

Đối tượng nghiên cứu của khoa học vật liệu là nghiên cứu bản chất, cấu trúc vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra công nghệ chế tạo và việc sử dụng cho thích hợp Khái niệm về cấu trúc vật liệu bao gồm cấu tạo, liên kết nguyên tử, cấu trúc tinh thể, tổ chức vi mô và vĩ mô Tính chất của vật liệu bao gồm tính chất cơ học, lý học, hoá học, tính công nghệ và tính

sử dụng Cơ tính là nhóm tính chất được coi là quan trọng nhất đối với phần lớn các vật liệu đang được sử dụng hiện nay trong công nghiệp

Vật liệu học bao gồm các lĩnh vực sau đây:

- Sản xuất vật liệu: luyện kim, sản xuất vật liệu pôlymer, gốm, thuỷ tinh và chất kết dính

- Gia công vật liệu: thí dụ đúc, biến dạng (rèn, dập), hàn, xử lý bề mặt vật liệu

- Sử dụng vật liệu: vật liệu cho các lĩnh vực phản ứng hạt nhân, chế tạo máy, kỹ thuật điện, điện tử, xây dựng, y học…

- Nghiên cứu và phương pháp kiểm tra: thí dụ kiểm tra cơ tính không phá huỷ, tổ chức, kiểm tra thống kê chất lượng, phân tích sự phá huỷ (hỏng)

- Định tiêu chuẩn và ký hiệu: thí dụ tiêu chuẩn thành phần hoá học, kích thước, tính chất và phương pháp thử

- Khoa học vật liệu: khoa học về mối quan hệ giữa cấu tạo tinh thể với tính chất của tất cả các nhóm vật liệu

1.1 Phân loại vật liệu

1.1.1 Vật liệu kim loại: là vật liệu phổ biến nhất Đặc điểm có liên kết kim loại

(dạng liên kết tinh thể), dẫn điện tốt, có ánh kim, có thể biến dạng dẻo ngay cả ở nhiệt độ thấp, phần lớn chịu ăn mòn kém Chúng có các loại:

Kim loại đen: sắt và hợp kim của sắt, điển hình là gang và thép Chúng có nhu cầu rất lớn

Kim loại màu: là các kim loại khác trừ sắt, bao gồm các nhóm sau:

- Kim loại màu nặng: như Cu, Pb, Ni, Sn… có tỉ trọng 7,1-11,3 g/cm3

- Kim loại màu nhẹ: Al, Mg, Ti có tỷ trọng 1,7-4,5 g/cm3

- Kim loại màu quý: Au, Ag, Mo, W, Sb, As, Bi

- Kim loại màu hiếm: Ce, La…

Vật liệu kim loại, trước hết là thép, vẫn giữ vai trò then chốt trong quá trình phát triển công nghiệp Trong những năm gần đây, công nghệ vật liệu đang đi vào nghiên cứu và sử dụng các loại thép có chất lượng cao như thép hợp kim thấp độ bền cao, thép hợp kim hoá vi lượng, thép nitơ, thép kết cấu siêu bền… Bên cạnh

đó, vai trò của nhôm trong kỹ thuật cũng ngày càng tăng, dần dần chiếm ưu thế trong xây dựng nhà cửa, phương tiện giao thông, dụng cụ điện tử, đo lường… Hợp kim nhôm nhờ có độ bền riêng cao, chống ăn mòn tốt đã trở thành loại vật liệu rất thích hợp trong công nghiệp ôtô, máy bay, tàu thuỷ Do những tính chất ưu việt của hợp kim nhôm mà các phương tiện giao thông có khả năng tăng hệ số tải trọng

có ích, tăng tốc độ, giảm tiêu hao nhiên liệu, đem lại hiệu quả kinh tế to lớn

1.1.2 Vật liệu vô cơ ceramic

Nhờ những thành tựu mới trong khoa học và công nghệ mà vật liệu gốm sử dụng trong công nghiệp không chỉ sử dụng trong nhóm vật liệu chịu lửa, vật liệu cắt gọt… mà đã phát triển sang vật liệu gốm kết cấu Các loại động cơ máy nổ chế

tạo từ gốm kết cấu hệ cacbid đã được nghiên cứu chế thử và đã mở ra kỷ nguyên mới cho việc sử dụng động cơ chạy bằng nhiên liệu hyđrô có hiệu quả cao, không gây ô nhiễm môi trường Gốm thuỷ tinh (sital) cũng là một loại gốm kết cấu đầy tiềm năng

1.1.3 Vật liệu pôlymer

Có liên kết các phân tử theo mắc xích cũng như dạng sợi thẳng (xem hình),

có thể nối các mạng nhờ nguyên tử S trong cao su (xem hình)

1.1.4 Vật liệu composite

Được phối hợp tối thiểu từ hai vật liệu khác nhau và có tính chất rất khác so với vật liệu ban đầu Thí dụ: composite cốt sợi gồm các sợi mảnh rất bền trong nền mềm, chắc như bê tông cốt thép Trong bê tông cốt thép, thép chịu ứng suất kéo còn bê tông chịu ứng suất nén và bao phủ cho thép không bị ăn mòn

Vật liệu composite về thực chất là một kiểu lai tạo vật liệu (a hybrid creation) giữa hai hoặc nhiều loại vật liệu, sao cho tính chất của chúng bổ sung cho nhau Đối với composite kết cấu thì yêu cầu về độ bền riêng cao, tính dẻo tốt

là yêu cầu hàng đầu Hiểu và kiểm soát được quá trình xảy ra khi chế tạo composite có tầm quan trọng đặc biệt để phát triển loại vật liệu này

Nằm giữa các vật liệu kim loại và polymer còn có polymer dẫn điện, giữa kim loại và ceramics có vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, giữa ceramics và polymer có vật liệu silicon Các vật liệu bán dẫn và silicon được sắp xếp không rõ rệt trong nhóm này

1.2 Công nghệ vật liệu

Công nghệ vật liệu bao gồm những biện pháp, giải pháp và công nghệ để chế tạo ra vật liệu hoặc các chi tiết cụ thể trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của khoa học vật liệu Công nghệ vật liệu bao gồm hai lĩnh vực:

- Cơ tính: cần xác định chế độ làm việc và khả năng chịu tải của sản phẩm như cường độ và hướng tác dụng của lực, độ bền cực đại mà chi tiết phải chịu, tính chịu mài mòn, khả năng chịu ăn mòn…

- Điều kiện làm việc: nhiệt độ và môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của chi tiết

- Khả năng chế tạo và lắp ráp chi tiết: đây là hướng lựa chọn công nghệ chế tạo Một chi tiết có thể được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau Mỗi công nghệ đều có ưu và nhược điểm

- Hiệu quả kinh tế: tổng hợp các yếu tố nêu trên để quyết định sử dụng loại vật liệu nào và công nghệ chế tạo cho phù hợp Cũng không nên sử dụng loại vật liệu có tính chất quá cao so với nhu cầu, gây lãng phí, tốn kém Vật liệu có thể tái sinh, sử dụng nhiều lần hoặc chế tạo chi tiết từ sản phẩm tái sinh đều làm giảm giá thành chi tiết

- Bảo vệ môi trường và an toàn lao động: vật liệu được sử dụng không được thải chất độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, quá trình sử dụng và vận hành công nghệ chế tạo phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng

1.2.2 Phương pháp gia công

Một chi tiết hay sản phẩm có thể dùng nhiều phương pháp để gia công chế tạo

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô (macrostructure) là hình thái sắp xếp

của các phần tử lớn với kích thước quan sát được bằng mắt thường (đến giới hạn khoảng 0,3 mm) hay bằng kính lúp (0,01 mm)

Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát

được bằng mắt thường hay kính lúp Nó bao gồm:

- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên

tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp

đỡ của kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử Thường gặp hơn cả là tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly được tới giới hạn cỡ 0,15 micromet (m) Trong nghiên cứu cũng thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly được tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chục nanomet (nm)

Cơ tính của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức, tức không những vào thành phần hoá học mà cả vào các nhóm nguyên tử, phân tử kể trên mà ta gọi là pha theo số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của chúng Trong thực tế người ta thường xuyên sử dụng phương pháp phân tích tổ chức tế vi quang học mà trong các tài liệu kỹ thuật chỉ được gọi đơn giản là tổ chức tế vi

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử

trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể Để làm được việc này phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ Rơnghen cũng như một số kỹ thuật khác, điều này chỉ thực sự cần thiết khi nghiên cứu các vật liệu mới

1.3.2 Tính chất

Bao gồm các tính chất cơ học (cơ tính), vật lý (lý tính), hoá học (hoá tính), công nghệ và sử dụng

Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt là vật liệu cơ khí, cơ tính có ý nghĩa quan

trọng hàng đầu Vì thế mối quan hệ tổ chức – cơ tính được khảo sát khá kỹ càng

và sẽ là tiền đề cho việc xác định thành phần hoá học của vật liệu cũng như chế độ gia công thích hợp Ngoài cơ tính ra, các vật liệu cơ khí cũng được quan tâm dưới khía cạnh ổn định hoá học trong khí quyển hay trong một số môi trường ăn mòn (axit, badơ, muối,…) Thoả mãn cơ – lý – hoá tính đề ra nhưng chưa đủ để có thể chuyển hoá vật liệu thành sản phẩm phục vụ mục đích đề ra, mà còn phải tính đến khả năng gia công, chế biến thành các hình dạng nhất định được gọi tổng quát là

tính công nghệ Nếu không có tính công nghệ thì dù vật liệu có ưu việt đến đâu

cũng khó đưa vào sử dụng Ví dụ: người ta đã tìm được một số chất siêu dẫn nhưng đều bị hạn chế bởi tính dòn quá cao không thể kéo thành dây dẫn được Cuối cùng, tính sử dụng là tổng hợp của các chỉ tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả năng không gây ra sự cố) và giá thành cũng quyết định khả năng áp dụng của vật liệu cho mục đích đã chọn

CHƯƠNG 3 NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU

3.1 Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu

trong đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g

Va- thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, cm3

trong đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g

V0- thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, cm3

Thông thường ở một loại vật liệu, trọng lượng thể tích có thể biến động trong phạm vi rộng hơn nhiều so với trọng lượng riêng vì nó phụ thuộc vào cấu trúc chính của vật liệu Đối với một vật liệu, trọng lượng thể tích luôn có trị số nhỏ hơn trọng lượng riêng Chỉ với vật liệu được xem là tuyệt đối đặc thì hai trị số này mới bằng nhau

Trọng lượng thể tích của vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật Thông qua trọng lượng thể tích của vật có thể đánh giá sơ bộ một số tính chất khác của nó như: độ xốp, độ hút nước, tính truyền nhiệt, cường độ…

V0- thể tích tự nhiên của vật liệu

Độ xốp thường được tính theo % theo công thức

x100V

V1V

VV

r

0 a 0

a

ρ

γ1

r   (%) trong đó: -trọng lượng thể tích của vật liệu, g/cm3,

-trọng lượng riêng của vật liệu, g/cm3

Độ xốp là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng của vật liệu vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất khác của chính vật liệu đó như: cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính truyền nhiệt, khả năng chống ăn mòn… Ngoài ra, đặc trưng cấu trúc của các lỗ xốp trong vật liệu cũng đóng vai trò rất quan trọng

3.2 Tính chất vật lý có liên quan đến nước

Độ hút nước theo trọng lượng Hp là tỉ số phần trăm giữa trọng lượng nước

mà vật liệu hút được với trọng lượng của vật liệu ở trạng thái khô Hp được tính toán theo công thức sau

.100 G

G G 100 G

trong đó: Gn-trọng lượng nước mà mẫu vật liệu hút được, g,

Gu-trọng lượng mẫu vật liệu ướt sau khi đã hút nước, g,

G-trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g

3.2.3 Tính thấm nước

Tính thấm nước là tính chất để cho nước thấm qua chiều dày của nó khi giữa hai bề mặt vật liệu có chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh

3.2.4 Độ co dãn ẩm

Một số vật liệu rỗng có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ như gỗ, bê tông khi

độ ẩm thay đổi thì thể tích và kích thước của chúng cũng thay đổi: co khi độ ẩm giảm, nở khi độ ẩm tăng lên

3.3 Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt

3.3.1.Tính truyền nhiệt

Tính truyền nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệt truyền qua chiều dày của khối vật liệu, từ phía mặt giới hạn có nhiệt độ cao sang phía mặt giới hạn có nhiệt độ thấp

Tính truyền nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng đối với những vật liệu dùng trong các bộ phận công trình xây dựng dân dụng (như tường bao che, mái, trần…)

và đặc biệt là đối với những vật liệu cách nhiệt chuyên dùng để giữ nhiệt cho các buồng và thiết bị nhiệt

3.3.2.Tính chống cháy và tính chịu lửa

Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một thời gian nhất định

Vật liệu dễ cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao sẽ bắt lửa và

tiếp tục cháy sau khi đã bỏ nguồn cháy

Vật liệu khó cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao có thể bị bắt

lửa, cháy âm ỉ hay bị cacbon hoá một cách khó khăn

Vật liệu không cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao

cũng không bị bắt lửa, không cháy âm ỉ và cũng không bị cacbon hoá Nó có thể

có biến dạng nhỏ không đáng kể như gạch ngói, bê tông, amiăng hay những vật liệu có biến dạng lớn như thép

Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt

độ cao mà không bị chảy và biến hình

Vật liệu dễ chảy chịu được nhiệt độ thấp hơn 1350 0 C như gạch đất sét nung

thông thường

Vật liệu khó chảy chịu được nhiệt độ từ 1350 0 C đến 1580 0 C gồm những

loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói

Vật liệu chịu lửa có khả năng chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao hơn 1580 0

C như gạch chịu lửa samôt, dinas… Các vật liệu này dùng để lót bên

trong các lò công nghiệp

3.4 Tính chất cơ học

3.4.1 Tính biến dạng của vật liệu

Tính biến dạng là tính chất thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu

khi chịu tác dụng của ngoại lực

Thực chất của biến dạng là ngoại lực tác dụng lên vật đã làm thay đổi hay phá vỡ vị trí cân bằng của chất điểm trong vật liệu và làm cho các chất điểm này

có chuyển vị tương đối

Biến dạng của vật liệu được xác định bằng biến dạng tuyệt đối và biến dạng

tương đối

Biến dạng tuyệt đối l (mm) tính theo công thức l = l1 – l0, trong đó l0 và

l1 là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi biến dạng của mẫu thử

Biến dạng tương đối  tính bằng công thức

x100 l

Δl

ε

0

Biến dạng đàn hồi: biến dạng sẽ mất đi hoàn toàn sau khi dỡ bỏ ngoại lực

Tính đàn hồi là tính chất hồi phục hình dạng và kích thước ban đầu của vật liệu

sau khi dỡ bỏ ngoại lực

Điều kiện để xuất hiện biến dạng đàn hồi là khi ngoại lực tác dụng chưa

vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm của vật liệu Công cả ngoại lực sẽ

chuyển hoá thành nội năng – năng lượng đàn hồi Nếu bỏ ngoại lực đi, tức là năng lượng đàn hồi sẽ sinh công để khôi phục vị trí cân bằng ban đầu cho các chất điểm Khi đó biến dạng của vật liệu sẽ triệt tiêu

Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi tải trọng nhỏ và tác dụng ngắn hạn

Tính đàn hồi của vật liệu được đặc trưng bằng môđun đàn hồi Eđh

ε

σ

Edh  (daN/cm2 hay MPa)

trong đó - ứng suất ở giai đoạn đàn hồi, daN/cm2 hay MPa

- biến dạng đàn hồi tương đối, %

Khi ngoại lực tác dụng lên vật liệu lớn hơn lực tương hỗ giữa các chất điểm của vật liệu sẽ gây nên sự phá hoại cục bộ hay toàn bộ đối với cấu trúc của vật liệu Lúc này công do ngoại lực gây ra không chuyển hoá thành nội năng mà gây phá hoại cấu trúc nội bộ vật liệu và do đó biến dạng không thể bị triệt tiêu

Vật liệu dòn: cho tới trước khi phá hoại vẫn không có hiện tượng biến dạng

dẻo rõ rệt (gang, đá thiên nhiên, bê tông…)

Biến dạng dẻo: là biến dạng mà sau khi dỡ bỏ ngoại lực vật liệu không trở

lại hình dạng và kích thước ban đầu

Tính chất này gọi là tính dẻo

Vật liệu dẻo: vật liệu trước khi phá hoại có biến dạng dẻo rất rõ rệt, ví dụ

thép ít cacbon, bitum…

Như trên đã nói, điều kiện của biến dạng đàn hồi là ngoại lực tác dụng lên vật liệu chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm (phần tử) của vật liệu Khi

lực đủ lớn và dài hạn thì ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến dạng dẻo

Vật liệu đàn hồi lý tưởng có biến dạng đàn hồi của tuân theo định luật Hooke

Vật liệu dẻo lý tưởng (như chất lỏng lý tưởng) có biến dạng tương đối tuân theo định luật Newton:

- độ nhớt, daN.s/cm2 hay MPa.s

Khi vật liệu có cả tính đàn hồi và tính dẻo (bê tông asphalt hay chất dẻo), biến dạng tổng hợp  bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi đh và biến dạng dẻo d

 = đh + d

η

σ.tE

σ

ε  hay εσE1 ηt

Khi một ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu có thể làm cho

biến dạng của vật liệu tăng theo thời gian và hiện tượng này được gọi là từ biến

Nguyên nhân gây ra từ biến là do bộ phận phi tinh thể trong vật liệu có tính chất gần giống với chất lỏng và mặt khác, bản thân mạng lưới tinh thể cũng có những khuyết tật (hiện tượng sai lệch cấu trúc)

Hiện tượng biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực không thay đổi theo thời gian, mà ứng suất trong vật liệu giảm dần theo thời gian, được gọi là

hiện tượng chùng ứng suất Nguyên nhân của hiện tượng chùng ứng suất là do

một bộ phận vật liệu có biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng dẻo, năng lượng đàn hồi chuyển dần thành nhiệt năng và mất đi

2.4.2 Cường độ

Cường độ là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng hoặc tác động môi trường gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hoại

Vật liệu phải chịu các tải trọng khác nhau như: kéo, nén, uốn, cắt… tương ứng với mỗi dạng chịu tải này sẽ có các loại cường độ: cường độ chịu kéo, cường

độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu cắt…

Cường độ là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng tối thiểu để đánh giá chất lượng của những vật liệu dùng cho các bộ phận chịu lực của công trình Bởi vậy cường

độ được dùng làm căn cứ chủ yếu để định ra mác của các vật liệu

Đối với các vật liệu có khả năng chịu nén cao (đá thiên nhiên, bê tông xi măng, cường độ chịu nén thường cao hơn cường độ chịu kéo từ 8 đến 15 lần) thường được dùng làm các bộ phận chịu nén của công trình: cường độ chịu nén dùng để định ra mác

Đối với vật liệu có khả năng chịu kéo cao (thép xây dựng): căn cứ vào cường độ chịu kéo để định ra mác

Cường độ của vật liệu thường được xác định bằng phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu: đặt các mẫu vật liệu đã được gia công thích hợp lên máy gia tải tăng tải cho đến khi mẫu bị phá hoại Cường độ của vật liệu được tính toán từ các kết quả xác định trong thí nghiệm theo các công thức tương ứng với dạng chịu lực đã được nghiên cứu trong môn sức bền vật liệu Chẳng hạn như cường độ chịu nén Rn

và cường độ chịu kéo Rk của vật liệu được tính bằng công thức

k  (daN/cm2 hay MPa)

trong đó: Pmax- tải trọng nén hoặc kéo phá hoại mẫu, daN hay N,

F- tiết diện chịu lực của mẫu, m2 hay mm2

Cường độ chịu uốn Ru của vật liệu được tính bằng công thức

W

M

Ru  (daN/cm2 hay MPa)

trong đó: M-mômen uốn phá hoại, daN.cm hay N.mm,

W-mômen chống uốn của tiết diện chịu uốn, cm3 hay mm3

2.4.3 Độ cứng

Độ cứng là tính chất của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệu khác cứng hơn nó

Độ cứng: khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ thông qua tải trọng lên

mũi đâm, độ bền: chống lại biến dạng dẻo toàn bộ

Với vật liệu khoáng, độ cứng được đánh giá bằng thang Mohs Thang Mohs

gồm có 10 khoáng vật mẫu được sắp xếp theo mức độ cứng tăng dần từ 1đến 10

(xem bảng)

2.4.4 Độ mài mòn

Độ mài mòn là độ mòn trọng lượng trên một đơn vị diện tích mẫu bị mài

mòn trên máy thí nghiệm

Độ mài mòn của vật liệu phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo bên

trong của vật liệu

2.4.5 Tính chống va đập

Tính chống va đập là khả năng của vật liệu chống lại sự phá huỷ do tác

dụng của tải trọng va đập gây ra và được biểu thị bằng công cần thiết để đập vỡ

một đơn vị thể tích mẫu vật liệu

CHƯƠNG 4 SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG)

4.1 Giản đồ pha của hệ một cấu tử sắt

Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ

có một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ biến đổi thù hình như trong trường hợp của sắt

So với các kim loại khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn thấp so với yêu cầu sử dụng

Sắt có hai kiểu mạng tinh thể :

- Lập phương tâm mặt A1, tồn tại ở dạng thù hình Fe, trong khoảng nhiệt

độ 911 – 13920C

Kiểu lập phương tâm mặt có ít lổ hổng, lổ hổng có kích thước lớn hơn (lổ bốn mặt r = 0,225 rFe, lổ tám mặt r = 0,414 rFe, chưa khối cầu kích thước tối đa r = 0,052 nm), mật độ sắp xếp cao hơn

4.2 Giản đồ pha Fe–C (Fe – Fe 3 C)

4.2.1.Tương tác giữa sắt và cacbon

- Khi đưa cacbon vào sắt, nếu lượng cacbon còn trong giới hạn hoà tan (phụ thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), cacbon sẽ bị hoà tan vào trong sắt thành dung dịch rắn xen kẻ Nguyên tử cacbon có kích thước rC = 0,077 nm sẽ đi vào các

lổ hổng trong cấu trúc tinh thể sắt, kích thước nguyên tử sắt rFe = 0,1241 nm

Fe với mạng lập phương tâm mặt A1, lổ rỗng tám mặt lớn (0,052 nm), có thể thu xếp để nguyên tử cacbon (0,077 nm) lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt ra xa Tuy nhiên nguyên tử hoà tan không thể xen kẻ vào mọi lổ hổng tám mặt

đó nên giới hạn hoà tan cacbon trong Fe chỉ là trên dưới 10% nguyên tử Như vậy chỉ có Fe mới hoà tan được cacbon

Fe, Fe không có khả năng hoà tan cacbon hay độ hoà tan cacbon trong chúng là không đáng kể (có thể coi bằng không)

- Nếu lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hoà tan, sau khi đi vào các lổ hổng để tạo dung dịch rắn xen kẻ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành pha trung gian xêmentit Fe3C (thành phần 6,67% cacbon và 93,33% sắt)

- Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp kim thuần Fe – C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu không muốn nói là không thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là ổn định

Hai tương tác nêu đầu tiên đều có tác dụng hoá bền, nhờ đó hợp kim Fe –

C trở nên bền cứng hơn (so với sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất

4.2.2 Giản đồ pha Fe – Fe 3 C

Giản đồ pha Fe – C (chỉ xét hệ Fe – Fe3C) khá phức tạp, rất điển hình để minh hoạ các tương tác thường gặp và được sử dụng rất nhiều trong thực tế Vì vậy hiểu rõ giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều điều bổ ích

Ký hiệu các toạ độ đã được quốc tế hoá, trong ngoặc đơn là nhiệt độ theo

0C và thành phần cacbon theo %

- ECF (11470C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic)

- PSK (7270C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid)

- ES là giới hạn hoà tan cacbon trong Fe

- PQ là giới hạn hoà tan cacbon trong Fe

a) Các chuyển biến khi làm nguội chậm

- Chuyển biến bao tinh xảy ra ở nhiệt độ 14990C trong các hợp kim có 0,50% C (đường HJB)

Ở trạng thái rắn có thể gặp 4 pha sau:

Ferit (có thể ký hiệu bằng  hay F hay Fe) là dung dịch rắn xen kẻ của cacbon trong sắt Fe với mạng lập phương tâm khối, song do lượng hoà tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02% C ở 7270C - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006% C - điểm Q) nên có thể coi nó là Fe (theo tính toán lý thuyết cacbon không thể chui vào lổ hổng của Fe, lượng hoà tan C không đáng kể này nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu là vùng biên giới hạt) Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 7680C Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Fetrên trục sắt) Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền Trong thực tế ferit có thể hoà tan Si, Mn, P, Cr nên sẽ cứng

và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 7270C), song với tỉ lệ cao nhất (trên dưới 90%) nên nó đóng góp một tỉ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe – C Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình có dạng các hạt sáng, đa cạnh

Austenit [có thể ký hiệu bằng , A, Fe(C)] là dung dịch rắn xen kẻ của cacbon trong Fe với mạng lập phương tâm mặt với lượng hoà tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 11470C - điểm E, tức tối

đa bình quân cứ ba đến bốn ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lổ hổng tám mặt trong chúng, ở 7270C chỉ còn 0,80% C - điểm S) Khác với ferit, austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 7270C) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Fe trên trục sắt) nên không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện

Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên dưới 10000C).

Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe – C với C < 2,14% dù cho

ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính dòn khá cao Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hổn hợp ferit – xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở trên hình có các hạt sáng,

có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao)

Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là pha xen kẻ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67% C, ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ Đặc tính của xêmentit là cứng và dòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe – C Xêmentit có tính sắt từ yếu nhưng chỉ đến

2100C Người ta phân biệt bốn loại xêmentit:

- Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3% C Do tạo thành ở nhiệt độ cao (> 11470C) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thô to,

đôi khi có thể thấy được bằng mắt thường

- Xêmentit thứ hai (XeII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80% cho tới 2,14% C Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (>7270C) tạo điều kiện cho sự tập trung ở biên giới hạt, nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt austenit (peclit), tức tạo khung dòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim

- Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỉ lệ) rất nhỏ (nhiều nhất cũng chỉ là

20/00) nên rất khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua

- Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit thành

peclit Loại xêmentit này có vai trò rất quan trọng

Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe –C cao và chứa lượng đáng kể

silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang

c) Các tổ chức hai pha

Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [Fe + Fe3C])

Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit

với 0,80% C và ở 7270C Trong peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, trôxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe – C Người ta phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt.

Peclit tấm thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), tức là hai

pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau, nên trên mặt cắt ngang để lại các vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng (với lượng ít hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng thể có dạng vân

Peclit hạt ít gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit ở dạng thu gọn nhất (bề

mặt ít nhất) - hạt xêmentit phân bố đều trên nền ferit Giữa hai loại này có sự khác biệt nhỏ về cơ tính: so với peclit hạt, peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút Austenit đồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt Peclit hạt ổn định hơn peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ tương đối cao (ví dụ 600 – 7000C) peclit tấm có xu hướng chuyển thành peclit hạt

Lêđêburit, có thể ký hiệu bằng Le, hay ( + Xe) hay (P + Xe)

Lêđêburit là hổn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha lỏng với 4,3% C ở 11470C, tuy nhiên khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng cùng tích để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối cùng quan sát được

là hổn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng Lêđêburit cứng

và dòn (vì có quá nhiều, tới 2/3 xêmentit) và chỉ có trong hợp kim Fe – C ở dạng gang trắng, ít gặp

Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: Robert Austen (người Anh), Lebedur (người Đức), ferum (sắt, tiếng La tinh, dùng với nghĩa bản chất hay đặc trưng tính chất cho ferit), pearl (vân) cho peclit, cement (xi măng, có tính chất cứng) cho xêmentit

Vi cấu trúc của hợp kim sắt - cacbon ở trạng thái cân bằng:

Góc trái của giản đồ: Fe - Fe3C (6,67% C), nếu hàm lượng C > 6,67%: hợp kim rất cứng và dòn, không dùng được trên thực tế

Biến dạng dẻo (hoá bền, điều kiện nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại Nếu biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại - gia công nóng - thì không có hiệu ứng hoá bền): biến dạng còn lại sau khi bỏ tải trọng tác dụng  mạng tinh thể bị xô lệch, hạt bị kéo dài ra và nhỏ  độ bền và độ cứng tăng, độ dẻo, dai giảm Năng lượng gây biến dạng còn dư dưới dạng áp suất dư, không ổn định nhiệt động học  thải ứng suất, thải bền, kết tinh lại : quá trình trở về trạng thái cân bằng ban đầu, độ cứng độ bền giảm, độ dẻo, độ dai tăng lên (xảy ra ở nhiệt độ thường) Nếu ở nhiệt độ cao: nung kim loại đã qua biến dạng dẻo ở nhiệt thấp làm một phần độ dẻo được phục hồi, sự hoá bền giảm 20-30% gọi là quá trình phục hồi Nung ở nhiệt độ cao hơn nữa : xảy ra sự kết tinh lại (sắt 4500C, đồng

2700C, nhôm 1500C), các hạt tinh thể mới lớn lên, không có khuyết tật, hạt đều trục, tính chất cơ lý trở về như trước khi biến dạng

Tẩm thực: dùng các dung dịch hoá học thích hợp để ăn mòn bề mặt mẫu Khi tẩm thực, biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn với tốc độ khác nhau  dùng để nhận biết hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha

4.3 Thép và gang

4.3.1 Khái niệm chung

Thép và gang đều là hợp kim Fe – C (ngoài ra có thể có ít nhiều các nguyên

tố khác), trong đó phân biệt ít hơn 2,14% C là thép, nhiều hơn 2,14% C là gang.

Một cách gần đúng có thể thấy điểm E trên giản đồ pha phân biệt hai loại vật liệu này: bên trái E là thép, bên phải E là gang. Chính điều này đã giải thích được các đặc điểm cơ bản khác nhau giữa chúng

Như vậy tất cả các thép dù với lượng cacbon, tổ chức và cơ tính rất khác nhau ở nhiệt độ thường và tương đối cao (< 7270C), nhưng một khi đã được nung nóng cao hơn đường GSE tương ứng, đều chỉ có một pha duy nhất là austenit với

độ dẻo rất cao nên rất dễ biến dạng Chính vì vậy thép được coi là vật liệu dẻo,

được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm cán nóng (dây, thanh, ống, tấm, hình…) rất tiện lợi cho sử dụng Các thép ít cacbon mềm và dẻo cũng có khả năng biến dạng nguội Tính đúc của thép nói chung là thấp (do nhiệt độ chảy cao, không có

tổ chức cùng tinh) và ít được sử dụng để chế tạo vật đúc

Ngược lại với thép, khi nung nóng gang không thể đạt được tổ chức một pha austenit mà bao giờ cũng còn xêmentit (hay grafit) nên không thể đem biến dạng nguội lẫn nóng, song bù lại nó có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh với khả năng điền đầy khuôn cao Chính vì vậy gang là vật liệu đúc, chỉ được cung cấp dưới dạng vật đúc (các sản phẩm định hình như chi tiết máy phức tạp: thân, bệ, hộp, vỏ hay đơn giản như ống…) Gang có thành phần càng gần cùng tinh tính đúc càng cao Nói chung tính dẻo của gang rất thấp, mặc dù một số loại có tính dẻo nhất định song không bao giờ được đem biến dạng dẻo

Khi lượng cacbon nằm trong vùng giáp ranh giữa thép và gang (1,80 – 2,20%) cả tính đúc lẫn tính chịu biến dạng dẻo đều kém và lúc đó xếp hợp kim Fe – C đó vào loại nào là tuỳ thuộc vào các thành phần khác, cách tạo hình và công dụng Như vậy cũng không loại trừ một số rất ít trường hợp gang có 1,80 – 2,00%

C, thép lại có 2,20 – 2,40% C

4.3.2 Các loại thép và gang trên giản đồ pha Fe – C

Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại thép và ba loại gang khác nhau

Thép tương ứng với giản đồ pha Fe – C là loại hợp kim ngoài Fe với C <

2,14% ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây:

- Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức

ứng với bên trái điểm Scó tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ song tập trung hơn cả vào loại  0,20% C rồi tiếp đến 0,30 – 0,40% C Theo tính toán từ quy tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỉ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) sẽ giảm đi Nếu không chứa cacbon (hay quá ít, 0,02 – 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit, tức chỉ có các hạt sáng Với 0,10% C phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40% C là ½ và với 0,60% C là ¾, cuối cùng là 0,80% C thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm) Vậy đối với loại thép này lượng cacbon của nó được tính bằng tỉ lệ phần tối nhân với 0,80%

- Thép cùng tích với thành phần 0,80% C (có thể xê dịch một chút) tức ứng

với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit

- Thép sau cùng tích với thành phần  0,90% C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2,0 – 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai thường ở dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit tấm

Gang tương ứng với giản đồ pha Fe – C (Fe – Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá cứng, dòn, không thể gia công cắt được Theo sự khác nhau

về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau

- Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3% ở bên trái

điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit

- Gang trắng cùng tinh có 4,3% C ứng đúng điểm C hay lân cận, với tổ chức chỉ là lêđêburit

- Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3% C ở bên phải điểm C, có

tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất

Hình 4.10 Tổ chức tế vi của

thép sau cùng tích 1,20% C, gang trắng trước cùng tinh và sau cùng tinh

Fe3C  Fe() + G

Tuỳ thuộc vào hình dạng graphit mà người ta chia ra gang xám, gang dẻo

và gang cầu

Gang xám :

Hình 4.9 Gang xám ferit, gang xám

ferit – peclit và gang xám peclit

Là gang có graphit dạng tấm (phiến) cong, có hai đầu nhọn, là nơi để tập trung ứng suất, cũng tuỳ vào mức độ graphit hoá mạnh hay yếu mà nền gang sẽ có các tổ chức khác nhau và được chia ra : gang xám pherit, gang xám ferit – peclit,

gang xám peclit

Gang dẻo (gang rèn) :

Hình 4.11 Gang dẻo ferit x

200 và gang dẻo ferit-peclit x

200

Hình 4.12 Gang dẻo peclit x 200

Là gang có graphit dạng cụm (hoa bông)

Gang dẻo nhận được bằng cách ủ từ gang trắng có nhiệt độ cao (10000C) và thời gian dài (15-20h)

Do graphit có dạng thu gọn, ít tập trung ứng suất nên gang dẻo có cơ tính cao hơn gang xám Phụ thuộc vào sự graphit hoá được chia ra : gang dẻo pherit, gang dẻo ferit – peclit, gang dẻo peclit

Gang cầu (gang có độ bền cao) :

Hình 4.12 Gang cầu peclit x 200

Hình 4.13 Gang cầu ferit x 200 và gang

cầu peclit – ferit x200

Là gang có graphit dạng cầu, là dạng thu gọn nhất nên gang cầu có cơ tính rất cao, chịu va đập và mài mòn, chịu được uốn

Phụ thuộc vào sự graphit hoá được chia ra : gang cầu pherit, gang cầu ferit – peclit, gang cầu peclit

Như vậy trong gang graphit, hình dạng graphit có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang, đặc biệt là độ bền kéo và uốn Graphit dạng tấm có ảnh hưởng xấu nhất đến độ bền kéo, do có sự tập trung mạnh ứng suất

Graphit dạng cụm có ảnh hưởng ít hơn, còn graphit cầu ít ảnh hưởng nhất, ứng suất phân bố đều theo mọi hướng Vì vậy gang cầu có cơ tính cao nhất, rồi đến gang dẻo và cuối cùng là gang xám

Cùng một loại gang, thì gang có nền pherit có độ dẻo co nhất và kém dẻo nhất là gang nền peclit

Ngoài ra, cùng một nền gang, gang nào có grạpit càng nhỏ mịn và phân bố đều thì cơ tính cao hơn

Graphit có thể quan sát ngay sau khi đánh bóng mà không cần tẩm thực

4.4 Xác định thành phần tổ chức của hợp kim sắt – cacbon

4.5 Tổ chức sau nhiệt luyện là tổ chức không cân bằng, hình thành trong điều

kiện làm nguội nhanh :

- Austenit dư : điều kiện làm nguội chậm không có;

- Mactenxit : dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong sắt alpha, do làm

nguội austenit với vận tốc lớn hơn vận tốc nguội tới hạn;

- Trustit : sản phẩm phân hoá của austenit quá nguội trong khoảng

500-6000C Là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit

- Xoocbit : sản phẩm phân hoá của austenit quá nguội ở nhiệt độ

600-7000C Cũng là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit

- Peclit : sản phẩm phân hoá của austenit trong khoảng nhiệt độ đến 6500C

- Bainit : giữ đẳng nhiệt austenit ở nhiệt độ thấp hơn mũi đường cong chữ

Hình 5.2 Thép 0,5%C

Tôi là nguyên công nhiệt luyện rất thông dụng gồm : nung nóng thép lên nhiệt độ xác định + giữ ở nhiệt độ đó một thời gian cần thiết + làm nguội nhanh trong môi trường thích hợp

Tôi thép sẽ làm thép cứng và chịu mài mòn cao Tổ chức sau khi tôi là mactenxit Các môi trường tôi : nước, dung dịch muối, xút, dầu khoáng và polymer

4.5.2 Ram thép sau khi tôi

Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi có tổ chức mactenxit quá bão hoà và austenit dư chuyển thành các tổ chức ổn định hơn phù hợp với yêu cầu đặt ra

Ram còn làm giảm hay khử hoàn toàn ứng suất, cũng như tăng độ dẻo dai của chi tiết sau tôi

Khi ram thép cacbon, sẽ chuyển biến mactenxit tôi thành mactenxit ram, nghĩa là cacbon quá bão hoà được tiết ra khỏi mạng dưới dạng cacbit , độ chính phương c/a giảm dần và cacbit  chuyển dần thành Fe3C, còn austenit dư lại phân huỷ thành mactenxit ram

Các loại ram : ram thấp (150-2500

C), ram trung bình (300-4500C), ram cao

(500-6500C)

4.5.3 Hoá nhiệt luyện thép

Là phương pháp nhiệt làm bão hoà bề mặt của thép bằng một hay nhiều nguyên tố

để làm thay đổi thành phần hoá học, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích nhất định

Ví dụ : Thấm cacbon (thể rắn, thể lỏng và thể khí)

4.6 BÀI TẬP

Xác định thành phần tổ chức của hợp kim sắt – cacbon

Xác định theo giản đồ :

Giả sử cần phải tính thành phần tổ chức của hợp kim I ở nhiệt độ thường Hợp kim I là thép trước cùng tích, tổ chức gồm ferit và peclit Theo qui tắc đòn bẩy ta có :

Theo qui tắc đòn bẩy, ta có :

%XeII = (P II/PL).100; %P = (II L/PL).100

Giả sử II có thành phần C = 1,2%, ta có

%XeII = 100 5,8%

8,067,6

8,02,

2,167,

33,

14,2

2,14 6,67 Xe

0,82,14Xe

CHƯƠNG 5 SẢN XUẤT VẬT LIỆU KIM LOẠI

5.1 Các phương pháp luyện kim

Quá trình luyện kim là quá trình chế tạo ra kim loại từ quặng có sẵn trong

tự nhiên, chúng bao gồm ba bước:

- Chuẩn bị xử lý quặng làm cho quặng giàu, đáp ứng tốt các quá trình sản xuất tiếp theo,

- Chế tạo vật liệu thô bằng cách tách các kim loại khỏi các hợp chất trong các khoáng của quặng và loại bỏ các hợp chất của các kim loại khác,

- Tinh luyện vật liệu thô để đạt kim loại có độ sạch mong muốn và tách các tạp chất khác ra khỏi kim loại

Việc chọn các phương pháp chế tạo ra vật liệu thô và tinh luyện chúng tuỳ thuộc vào loại quặng, thành phần và hàm lượng của kim loại chứa trong quặng, cũng như các kim loại quí, có giá trị trong nó, như thu Au, Ag… trong quặng đồng, Co trong quặng niken

Về cơ bản, có ba phương pháp chế tạo kim loại từ quặng là: hoả luyện, thuỷ luyện và điện luyện Ngoài ra, có sự khác biệt trong công nghệ tách kim loại khỏi quặng: các nguyên tố có ái lực với ôxy thấp như Fe, Ni, Cu, Co có thể hoàn nguyên bằng C hoặc H, còn các kim loại có ái lực hoá học cao với ôxy như Al, Ti,

Mg thì công nghệ sản xuất trở nên phức tạp hơn nhiều Phương pháp hoả luyện đã tồn tại từ rất lâu và luôn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất Các kim loại quan trọng như Pb, Co, Fe, Cu, Ni, Ti chủ yếu hoặc hoàn toàn được sản xuất bằng phương pháp hoả luyện Chúng ta chỉ đề cập đến công nghệ sản xuất gang, thép và nhôm, đồng

5.1.1 Sản xuất gang lò cao

Nguyên lý chung các công đoạn sản xuất gang và thép như sau:

- Sản xuất gang thép dùng công nghệ luyện gang lò cao, đây là công nghệ

cơ bản, ngày càng được hoàn thiện và đạt được tính ổn định rất cao Hiện tại, lò cao vẫn là thiết bị cung cấp gang (dạng thỏi hay lỏng) cho các công nghệ luyện thép và là phối liệu chủ yếu để sản xuất các mác gang đúc khác nhau

- Sản xuất thép từ quặng sắt theo phương pháp hoàn nguyên lỏng

- Sản xuất thép từ quặng sắt theo phương pháp hoàn nguyên trực tiếp

Dây chuyền công nghệ luyện – đúc – cán là dây chuyền công nghệ luyện gang lò cao, sản xuất thép (bằng phương pháp lò thổi đỉnh ôxy và lò điện hồ quang) và cán theo sơ đồ sau:

5.1.2 Luyện thép

Thép là hợp kim trên cơ sở sắt có chứa  2% C, ngoài ra còn chứa lượng nhỏ các nguyên tố như Si, Mn, P và S Như vậy, so với gang, thép chứa các nguyên tố Si, Mn, P và S thấp hơn nhiều Vì thế thép có độ bền, tính dẻo dai, khả năng biến dạng tốt nhưng lại có nhiệt độ chảy cao hơn

Thành phần (%) của gang lò cao và thép thường dao động như sau

Quá trình hoá lý trong luyện thép. Trong quá trình chế tạo thép, trong phối liệu thường có gang lò cao (70 – 100% gang lỏng lò cao trong quá trình luyện thép lò thổi LD, tới 30 – 40% gang lỏng trong quá trình luyện thép lò điện hồ quang… trừ trường hợp nấu lại các mác thép từ các phối liệu thép cùng loại) Do

đó, có thể nói: quá trình luyện thép là quá trình chuyển biến hợp kim trên cơ sở sắt

có chứa các nguyên tố C, Si, Mn, P và S từ giới hạn cao đến giới hạn thấp Muốn thực hiện quá trình này, phải đốt cháy các nguyên tố đã nêu nhờ các phản ứng ôxy hoá Nguồn cung cấp ôxy chủ yếu cho lò Mactanh là khí lò, cho lò LD là ôxy, cho

lò điện hồ quang là quặng sắt Sản phẩm trung gian của các chất ôxy hoá là FeO Quá trình ôxy hoá các nguyên tố đã nêu được diễn tả bằng các phương trình sau:

Si + 2 FeO = 2 Fe + SiO2 + Q1

Mn + FeO = Fe + MnO + Q2

Các ôxyt SiO2 và MnO tạo ra sẽ liên kết với nhau trong xỉ

C + FeO = Fe + CO – Q3

Khí CO sẽ thoát ra ngoài khí quyển

2 P + 5 FeO + 4 CaO = 5 Fe + 4CaO.P2O5 + Q4

Lượng CaO.P2O5 tạo ra được giữ trong xỉ

Quá trình khử P theo phương trình đã nêu được thực hiện trong xỉ với điều kiện là :

- Lượng FeO trong xỉ nhiều,

- Độ bazơ R của xỉ cao,