Giới thiệu về kim loại và hợp kim

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU IMSTRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU COMFACác loại gang thương mại thường có ít hơn 4.5wt% C Phân loại hợp kim sắt • Dựa trên hàm lượng cacbon – Sắt sạch < 0.00

Trang 1

GIỚI THIỆU VỀ KIM LOẠI VÀ

HỢP KIM

KSC Phan Anh Tú

Trang 2

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

• Hợp kim sắt: HK có chứa trên 50 % tr lượng Fe

Trang 3

Thông thường

Dụng cụ

Thông thường

Không gỉ

Gang xám

Gang trắng

Gang rèn

Gang cầu

Phân loại HK sắt

Trang 4

Các loại gang thương mại thường có ít hơn 4.5wt% C

Phân loại hợp kim sắt

• Dựa trên hàm lượng

cacbon

– Sắt sạch (< 0.008wt% C)

Theo giản đồ pha nó chỉ

có pha ferit

Trang 5

• Hàm lượng cacbon thường nhỏ hơn 1.0 wt%

• Thép cacbon thường: chỉ chứa nồng độ còn lại của tạp chất không phải C và một ít Mn.

• Khoảng 90% các loại thép là thép cacbon

• Thép hợp kim: thêm các nguyên tố hợp kim ở những nồng độ quy định.

• Thép không gỉ

Hợp kim sắt-thép

Trang 6

Trang 7

Cách ký hiệu mác thép

Trang 8

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)

TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Trang 9

Trang 10

Trang 11

• Ký hiệu 4 chữ số theo AISI/SAE :

– Hai chữ số đầu để chỉ hàm lượng nguyên tố

hợp kim;

– Hai chữ số cuối, hàm lượng cacbon

• Với thép cacbon thường, hai chữ số đầu là 1 và 0;

thép hợp kim được ký hiệu bằng hai chữ số đầu (v.d., 13, 41, 43)

• Chữ số thứ 3 và 4 đại diện cho % trọng lượng của

cacbon nhân với 100

Ví dụ, thép 1040 là thép cacbon thường có 0.40 wt% C

Trang 12

• Ký hiệu 4 chữ số : hai chữ số đầu cho biết hàm

lượng ng tố hợp kim; hai chữ số cuối, hàm lượng cacbon

41 40

Xác nhận (các) nguyên

tố hợp kim chính

Phần trăm cacbon

Ký hiệu thép

Trang 13

• AISI: A merican I ron and S teel I nstitute

• SAE: S ociety of A utomotive E ngineers

• UNS: U niform N umbering S ystem

Bảng 1 Hệ thống ký hiệu AISI/SAE và UNS

Trang 14

Trang 15

• Nhỏ hơn 0.25 wt%C

• Không dễ nhiệt luyện để tạo martensite; bền hóa do gia công (biến dạng) nguội

• Tổ chức tế vi: ferrite và pearlite

• Tương đối mềm và yếu, nhưng có độ dẻo (ductility)

và tính dai (toughness) cao

• Đặc trưng, s y = 275 MPa, s UT = 415~550 MPa, và độ dẻo = 25%EL

• Có khả năng gia công cắt gọt, hàn, và là loại rẻ nhất trong tất cả các loại thép

• Ứng dụng: Chi tiết thân ô tô, thép kết cấu hình, và thép lá/tấm dùng cho đường ống, xây dựng, cầu…

Thép cacbon thấp

Trang 16

Giản đồ TTT của thép trước cùng tích

Trang 17

Bảng 2.

Thành phần hóa học của 5 mác thép cacbon thấp

thường (plain)

Trang 18

Bảng 3 Đặc tính cơ học của thép cán nóng và ứng dụng của chúng

Trang 19

• 0.25 ~ 0.60 wt%C

• Có thể nhiệt luyện bằng austenite hóa, tôi và ram để cải thiện cơ tính

• Bền hơn thép cacbon thấp và yếu hơn thép cacbon cao

a Được phân loại như thép cacbon cao

Tính chất (bền) kéo của thép cacbon thông thường tôi dầu và ram

Thép cacbon trung bình

Trang 20

• 0.60 ~ 1.4 wt%C

• Được sử dụng trong trạng thái cứng hóa và ram

• Cứng nhất, bền nhất nhưng ít dẻo nhất; đặc biệt có

độ bền mài mòn cao và có khả năng giữ cạnh sắc (lưỡi dao)

• Khi chứa Cr, V, W, và Mo; các ng tố hợp kim này kết hợp với cacbon tạo ra các hợp chất cacbit rất cứng

và chịu mài mòn tốt (v.d., Cr 23 C 6 , V 4 C 3 , và WC)

• Ứng dụng: dụng cụ cắt gọt và khuôn đột dập, dao, lưỡi dao cạo, lưỡi cưa, lò xo, và dây thép cường độ cao

Thép cacbon cao

Trang 21

Bảng 4 Ký hiệu, thành phần HH,

Và ứng dụng của 6 loại thép công cụ

Trang 22

 Có tính năng riêng ở T o cao

 Khả năng chịu ăn mòn tốt hơn

Trang 23

Cái gì làm cho thép không gỉ

“không gỉ”?

Trang 24

• Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn vượt trội.

• Thép không gỉ chia làm ba họ: martensitic, ferritic,

và austenitic.

• Nguyên tố hợp kim chủ đạo là crôm ; hàm lượng Cr yêu cầu ít nhất là 11 wt%.

– Cr tạo nên một lớp bề mặt từ oxyt mỏng, có tính

năng bảo vệ khi thép gặp oxy.

Thép không gỉ

Trang 25

Thép không gỉ

Liên hệ về thành phần và tính chất của thép không gỉ theo ng tố hợp kim.

Trang 26

Một số chú ý đối với thép không gỉ

Thép không gỉ ferit

Trang 27

Thép không gỉ austenit

Giống như họ Ferit, thép không gỉ

austenite không thể bền hóa bằng

cách tôi để tạo pha mactenxit,

không thể kiểm soát được cỡ hạt

của chúng.

Nhạy hóa (sensitization)

Vấn đề chính của thép không gỉ

austenite là nhạy hóa (ăn mòn biên

hạt và Weld decay - kết quả nhạy

hóa đầu tiên phát hiện ở HAZ mối

hàn.

Sơ đồ tiết pha cacbit Cr trên biên hạt trong quá trình nhạy hóa của thép

không gỉ

Trang 28

Giản đồ nhiệt-thời gian tạo “Weld Decay” khi hàn thép không

gỉ austenite Nhiệt độ nguy hiểm nhất là ở khoảng 650°C

Trang 29

• Nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi nhất trong số hợp kim mầu.

(Cu, Mg, Si, Mn, and Zn)

– Loại không thể NL: pha đơn, bền hóa dung dịch rắn

– Loại có thể nhiệt luyện: bền hóa bằng tiết pha (MgZn 2 )

• Tính chất

– Tỷ trọng thấp (2.7 g/cm 3 , so với 7.9 g/cm 3 của thép)

– Có độ dẫn điện, nhiệt cao

– Bền ăn mòn trong các môi trường thông thường

– Dễ gia công và có thể cán màng nhôm mỏng

– Al có cấu trúc tinh thể FCC; độ dẻo có thể giữ được ngay cả ở nhiệt độ rất thấp

– Hạn chế: nhiệt độ nóng chảy thấp (660°C)

Nhôm và HK nhôm

Trang 30

Ký hiệu của HK nhôm

Trang 31

HK nhôm được sử dụng ngày càng nhiều trong chế tạo ô tô

do nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường

• HK Al có thể giảm đến 55%

khối lượng của xe so với kết

cấu thép tương đương

Trang 32

Nhôm tấm được dùng trong chế tạo máy bay và thùng

nhiên liệu của tàu vũ trụ

• Các nhà chế tạo máy bay dùng HK nhôm độ bền cao (chủ yếu

• HK 7075 có cho thêm kẽm và đồng để tăng độ bền kéo, nhưng đồng làm cho Hk rất khó hàn

• HK 7075 có khả năng gia công cơ khí tốt nhất.

Trang 33

Nhôm có trọng lượng nhệ là vật liệu tốt để làm

dây dẫn điện

Trang 34

Đồng và hợp kim đồng

• Đồng không HK:

– Mềm và dẻo đến nỗi khó gia công cơ khí

– Có thể gia công nguội không hạn chế

– Bền ăn mòn trong các môi trường đa dạng

• HK đồng: bền hóa bằng gia công nguội và/hay hợp kim hóa dung dịch rắn.

• Brông và latông là hai HK đồng thông dụng nhất.

• Ứng dụng: trang trí quần áo, vỏ ống phóng (đạn),

radiator ô tô, nhạc cụ, công nghiệp điện, điện tử, tiền

xu và nhiều ứng dụng khác.

Trang 35

Brông (bronze) và Latông (brass)

• Brông hợp kim của đồng

và thiếc

– Là kim loại đầu tiên

được hợp kim hóa có mục đích

Trang 36

Latông — một hợp kim của đồng với kẽm

Giản đồ pha của hợp kim Cu-Zn.

Trang 37

Titan và hợp kim titan

• Là vật liệu kỹ thuật khá mới với một sự kết hợp của các tính chất phi thường

– Tỷ trọng thấp (4.5 g/cm 3 )

– Nhiệt độ nóng chảy cao (1668°C), modul đàn hồi cao

(107 GPa)

– Siêu bền: bền kéo ở nhiệt độ phòng là 1400 MPa, độ

dẻo cao có thể dễ dàng rèn hay gia công cơ khí

 Khả năng phản ứng hóa với vật liệu khác và vấn đề oxy hóa ở nhiệt độ cao

 Giá thành

• Ứng dụng: kết cấu máy bay, tầu vũ trụ, và trong công nghiệp dầu khí và hóa chất

Trang 38

A l lo y

T yp e

Common Name (UNS Numbser)

Composition (wt%) Condition

Tensile Strength (MPa)

Yield Strength (MPa)

Ductility (%EL)

a Ti-6Al-4V

(R564000)

6Al, 4V, balance Ti Annealed 947 877 14

94XX Ni-

Một ví dụ về hợp kim titan

• Ứng dụng đặc trưng: các bộ

phận thay thế (implant) trong y

tế, thiết bị hóa cơ, cấu kiện

khung máy bay

Trang 39

– Cánh tua bin và đĩa, có độ bền ăn

mòn và dão tốt ở nhiệt độ cao

(1000°C)

– Tỷ trọng là mối quan tâm quan

trọng vì ứng suất ly tâm giảm đi ở

các chi tiết chuyển động quay khi

tỷ trọng chi tiết giảm

Trang 40

Titanium Alloy

Steel Aluminum Alloy

Nickel Alloy

Độ bền của vật liệu khi tăng nhiệt độ

Trang 41

• Thiết kế động cơ hàng không hiện đại luôn tìm cách nâng cao nhiệt

độ làm việc của động cơ để tăng hiệu quả nói chung.

• Vật liệu chế tạo cánh tua bin phải đáp ứng yêu cầu làm việc ở nhiệt

độ cao và ngày càng cao hơn nữa.

• Sử dụng các hợp kim nền Ni tiên tiến cùng với thiết kế làm mát mới.

Siêu HK nền niken dùng cho cánh tua bin

Trang 42

Độ bền dão được tiếp tục cải thiện với các cánh tua bin đơn tinh thể.

Trang 43

Lớp phủ Barrier nhiệt (TBCs)

• Nhu cầu có hiệu suất cao hơn và khí thải ít hơn đòi hỏi

nhiệt độ làm việc cao hơn trong động cơ máy bay

• Nhiệt độ nóng chảy của superalloys dùng cho cấu kiện

tua bin nằm trong khoảng từ 1230-1315 ° C

• Nhiệt độ trong môi trường khí đốt (cháy) là > 1370 ° C

Thermally Grown Oxide (TGO) (1-10  m)

Ceramic Top Coat (100-400  m) (Y2O3-Stabilized ZrO2)

Trang 44

Kim loại chịu lửa

• Nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 2468°C đối với niobium (Nb) và 3410°C đối với vonfram (W)

– Liên kết nguyên tử cực mạnh.

– Modul đàn hồi rộng và độ bền và độ cứng cao ở nhiệt

độ thường và nhiệt độ cao

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	1,56 MB