Giáo trình Vật liệu cơ khí Nghề: Hàn Trình độ: Cao đẳng nghề CĐ Nghề Giao Thông Vận Tải Trung Ương II

(NB) Nội dung Giáo trình Vật liệu cơ khí gồm có 2 phần được trình bày như sau: Phần 1 Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu,...Phần 2 Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của những vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành chế tạo cơ khí,...

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRUNG ƯƠNG II

Lời Nói đầu

Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện thuận

lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học “Vật liệu cơ khí” Tổ môn vật liệu thuộc

khoa kỹ thuật cơ sở đã biên soạn giáo trình “Vật liệu cơ khí” Giáo trình đ-ợc

biên soạn theo ch-ơng trình khung Quốc gia nghề Hàn, trình độ Cao đẳng nghề

Nội dung gồm hai phần:

Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung

của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của

kim loại khi nhiệt luyện và các ph-ơng pháp nhiệt luyện

Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của

những vật liệu phi kim loại th-ờng dùng trong ngành chế tạo cơ khí nh- polyme,

caosu, chất dẻo, dầu mỡ bôi trơn

Trong quá trình biên soạn, tổ môn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí

của các tr-ờng dạy nghề, giáo trình của tr-ờng đại học Bách khoa Hà Nội và nhiều

tài liệu khác

Mặc dù đă có nhiều cố gắng, song không tránh khỏi những thiếu sót Rất

mong đ-ợc đồng nghiệp và bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu này ngày càng hoàn

chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Tháng 5 năm 2011

Tổ môn

Phần 1 - Vật liệu kim loại và nhiệt luyện

VD: latông : Cu và Zn ( 2 kim loại )

Trong thành phần của hợp kim cũng có thể có một l-ợng nhỏ các nguyên tố á kim

VD : Thép và gang : Fe và C ( 1 kim loại và 1 á kim)

1.1.2 Ưu và nh-ợc điểm

Các kim loại nguyên chất thể hiện rõ -u việt trong dẫn nhiệt, dẫn điện vì chúng

có các chỉ tiêu này cao nhất nh- các dây dẫn điện đều đ-ợc làm bằng nhôm, đồng nguyên chất Tuy nhiên trong chế tạo cơ khí, thiết bị, đồ dùng các vật liệu đem dùng th-ờng là hợp kim vì so với các kim loại nguyên nhân nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế

1 Tr-ớc hết các vật liệu cơ khí phải có độ bền cao để chịu đ-ợc tải cao khi làm

việc nh-ng đồng thời cũng không đ-ợc giòn để dẫn đến phá huỷ Các kim loại nguyên chất nói chung rất dẻo (rất dễ dát mỏng, kéo sợi ngay ở trạng thá i nguội - nhiệt độ th-ờng) nh-ng có độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn kém xa hợp kim (từ vài ba đến hàng chục lần) Nhờ vậy khi dùng hợp kim tuổi bền của máy, kết cấu tăng lên gấp bội Tuy nhiên độ bền, độ cứng tăng lên th-ờng dẫn đến làm giảm

độ dẻo, độ dai gây ra giòn song vẫn phải còn đủ, tốt khi sử dụng Quyết định chọn

độ bền, độ cứng cao đến mức nào bị hạn chế bởi độ dẻo và độ dai cho phép cho mỗi tr-ờng hợp cụ thể để vừa có thể chịu tải tốt nhất vừa không bị phá huỷ giòn Nhờ vậy cho đến hiện nay hợp kim vẫn là loại vật liệu có sự kết hợp tốt nhất các

đặc tính cơ học kể trên với tỷ lệ áp đảo trong máy móc và thiết bị

2 Tính công nghệ đa dạng và thích hợp Để tạo thành bán thành phẩm và sản

phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp và đ-ợc gọi là tính công nghệ Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nh-ng khó cắt gọt, đúc và không hoá bền đ-ợc bằng nhiệt luyện Trái lại, hợp kim với nhiều chủng loại khác nhau có thể

có các tính công nghệ đa dạng phù hợp với điều kiện riêng khi gia công, chế tạo sản phẩm cụ thể:

- Hầu nh- mọi hợp kim đều có thể tạo hình đ-ợc bằng một trong hai ph-ơng

pháp: biến dạng dẻo: cán, kéo, ép chảy (chủ yếu cho các bán thành phẩm dài), rèn (tạo phôi cho cắt gọt), dập (thành sản phẩm) và đúc (chủ yếu cho các sản phẩm có

hình dạng phức tạp)

- Nói chung hợp kim có tính gia công cắt nhất định để bảo đảm sản phẩm có kích th-ớc, hình dạng chính xác, bề mặt nhẵn bóng, điều này đặc biệt quan trọng khi lắp ghép với nhau trong máy móc, thiết bị

- Nhiều hợp kim, đặc biệt là thép (chiếm tới 90% tổng sản l-ợng vật liệu kim loại) rất nhạy cảm với nhiệt luyện để tạo ra cơ tính đa dạng phù hợp với điều kiện làm việc và gia công)

3 Trong nhiều tr-ờng hợp, luyện hợp kim Fe - C (Thép và gang đơn giản hơn

do nhiệt độ chảy thấp hơn (xem hình 3.18) và không phải hay ít phải khử bỏ cacbon trong sản phẩm của lò cao Xét về mặt đòi hỏi độ bền cao, việc luyện sắt

đòi hỏi khử bỏ cacbon và các tạp chất khác một cách triệt để không những không cần thiết mà còn có hại

- Khi pha Zn vào kim loại chủ Cu ta đ-ợc latông vừa để bền lại vừa rẻ hơn (do kẽm rẻ hơn đồng khá nhiều)

1.2 Cấu Trúc tinh thể của hợp kim

1.2.1 Các dạng cấu tạo của hợp kim

1.2.1.1 Dung dịch đặc

Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần có kích th-ớc gần giống nhau Khi kết tinh, các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có các nguyên tử của các nguyên tố thành phần

Ví dụ: Đồng thanh, đồng thau đều là các hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc

1.2.1.2 Hợp chất hoá học

Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hoá học khi các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hoá học với nhau theo tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tử có các kiểu mạng xác định và có thành phần hoá học xác định biểu diễn bằng một công thức hoá học

Ví dụ: Hợp chất hoá học của sắt và cacbon (là cacbit sắt hoặc xêmentít có công thức hoá học là: Fe3C)

Đặc điểm chung của hợp chất hoá học là có độ cứng và độ giòn cao do mạng tinh thể của nó phức tạp hơn mạng tinh thể của kim loại

1.2.1.3 Hỗn hợp cơ học

Hợp kim có những nguyên tố không hoà tan vào nhau cũng không liên kết

thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, thì gọi

hợp kim đó là hỗn hợp cơ học Nh- vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng

nguyên tử của các nguyên tố thành phần

1.2.2 Giản đồ pha của hợp kim

Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là

công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số l-ợng (tỷ lệ) các

pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái cân bằng Các hệ có giản đồ pha khác

nhau và chúng đ-ợc xây dựng chỉ bằng thực nghiệm Trong thực tế không có hai

giản đồ pha nào giống nhau hoàn toàn vì t-ơng tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức

tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành Hiện nay ng-ời ta đã xây

dựng đ-ợc hầu hết các hệ hai cấu tử giữa các kim loại, kim loại với á kim và các hệ

ba cấu tử th-ờng gặp thuận tiện cho việc tra cứu

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 chuyển biến thù

hình (nếu có) nh- ở hình 3.6 cho tr-ờng hợp của sắt

Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành

biểu thị thành phần (th-ờng theo % khối l-ợng) với những đ-ờng phân chia các

khu vực pha theo các nguyên tắc sau:

- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha t-ơng ứng

- Mỗi điểm trên trục hoành biểu thị một thành phần xác định của hệ Theo chiều

từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng lên, còn từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử A tăng

lên, hai đầu mút t-ơng ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải) Ví dụ

trên hình 1.1 điểm C ứng với thành phần có 30%B (tỷ lệ cấu tử thứ hai là phần còn

lại, tức 70%A), điểm D: 80%B + 20%A

Hình 1.1 Giản đồ pha của sắt Hình 1.2 Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử

- Đ-ờng thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nh-ng ở các nhiệt

độ khác nhau Ví dụ đ-ờng thẳng đứng qua D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của thành phần này (80%B + 20%A)

- Hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử t-ơng ứng (trái cho A, phải cho B)

Do đ-ợc biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác từ giản đồ pha củ a hai hệ cấu tử dễ dàng xác định đ-ợc các thông số sau đây cho một thành phần xác định ở nhiệt độ nào đó

 Các pha tồn tại: Căn cứ vào điểm nhiệt độ - thành phần đã cho (tạm gọi là tọa

độ) nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha t-ơng ứng với vùng đó: nằm ở vùng một pha, hợp kim có tổ chức một pha; nằm trong vùng hai pha - có tổ chức hai pha

 Thành phần pha: Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha

cấu tạo nên hợp kim bằng chính thành phần của hợp kim đã chọn

Khi tọa độ nằm trong vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn: kẻ đ-ờng nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, giao điểm của nó với hai đ-ờng biên giới với hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha t-ơng ứng

 Tỷ lệ (về số l-ợng) giữa các pha hoặc tổ chức: Tiếp theo có thể xác định đ-ợc

tỷ lệ giữa chúng nhờ quy tắc đòn bẩy hay cánh tay đòn theo nguyên tắc sau: ba

điểm trên (tọa độ và hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng mà độ dài của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ t-ơng đối của pha đối diện trong hợp kim, hay mộ t cách đơn giản:

l-ợng pha trái

= độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải) l-ợng pha phải độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái)

giống nh- sự cân bằng của đòn bẩy

l-ợng pha trái x đòn trái = l-ợng pha phải x đòn phải (hình 1.3)

Hình 1.3: Sự cân bằng của đòn bẩy

 Suy đoán tính chất của hợp kim:

Theo quy tắc kết hợp thì tính chất của hợp kim Phk là tổng hợp tính chất của từng pha Ppha theo tỷ lệ bậc nhất



hk pha P p

1

.

%

Ngoài ra từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử cũng biết đ-ợc:

 Nhiệt độ chảy (kết tinh): Th-ờng hợp kim nóng chảy (kết tinh) trong một

khoảng nhiệt độ (bắt đầu và kết thúc) t-ơng ứng với hai đ-ờng chạy ngang suốt

giản đồ, đ-ờng chạy ngay trên đ-ợc gọi là đ-ờng lỏng - liquidus (ở cao hơn đ-ờng

này hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng), đ-ờng ngang sát ở d-ới đ-ợc gọi là

đ-ờng rắn (hay đ-ờng đặc) - solidus (ở thấp hơn đ-ờng này hợp kim hoàn toàn ở

trạng thái rắn)

 Các chuyển biến pha: Sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha (khi nung và

khi nguội chậm) cũng nh- nhiệt độ xảy ra, t-ơng ứng với các đ-ờng ở d-ới đ-ờng

đặc

 Dự đoán các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội nhanh)

Vì vậy giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu khi nghiên cứu các hệ hợp kim Giản đồ pha hai cấu tử của hệ thực tế có loại rất phức tạp, song dù phức tạp đến bao nhiêu cũng có thể coi nh- gồm nhiều giản đồ cơ bản gộp lại D-ới đây khảo sát một số dạng th-ờng gặp trong các giản đồ đó mà các cấu tử đều hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, song khác nhau về t-ơng tác ở trạng thái rắn với vận dụng xác định các thông tin trên cho các tr-ờng hợp cụ thể

Ví dụ : Giản đồ pha loại 1

Hình 1.4 Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I(a) và giản đồ pha Pb -Sb(b)

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử không có bất kỳ t-ơng tác nào, chúng tạo nên hỗn hợp riêng rẽ của hai cấu tử, có dạng tổng quát trình bày ở hình 1.4a và hệ điển hình có kiểu này là hệ chì - antimoan (Pb - Sb) ở hình 1.4.b Giản đồ chỉ gồm cặp

đ-ờng lỏng - rắn, trong đó đ-ờng trên AEB là đ-ờng lỏng, đ-ờng nằm ngang d -ới CED (2450C) là đ-ờng rắn A là nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử A (Pb với

3270C), B - nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử B (Sb - 6310C) Hợp kim sẽ nóng chảy hay kết tinh trong khoảng giữa hai đ-ờng này với sự tồn tại của hai hay ba pha (pha lỏng với một hoặc cả hai pha rắn A, B)

Hãy xét sự kết kinh của một hợp kim cụ thể gồm 60%B (Sb) + 40%A (Pb)

Đ-ờng thẳng đứng biểu thị hợp kim này cắt các đ-ờng lỏng, rắn t-ơng ứng ở 1 (5000C), 2 (2450C), đó là hai mốc nhiệt độ đáng chú ý:

+ ở cao hơn (5000C) hợp kim ở trạng thái lỏng hoàn toàn L,

+ ở thấp hơn 2 (2450C) hợp kim ở trạng thái rắn A + B (Pb + Sb),

+ ở trong khoảng 1  2 (500  2450C) hợp kim ở trạng thái lỏng + rắn L + B (L + Sb) ứng với quá trình kết tinh hay nóng chảy

Vậy 1 (5000C) là nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và 2 (2450C)

là nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh

Sự kết tinh của hợp kim từ trạng thái lỏng xảy ra nh- sau:

- Làm nguội đến 1 (5000C) hợp kim lỏng bắt đàu kết tinh ra tinh thể B (Sb) cũng

ở nhiệt độ này ứng với 1'

- Làm nguội tiếp tục, tinh thể B (Sb) tạo thành càng nhiều làm tỷ lệ B (Sb) trong hợp kim lỏng còn lại giảm đi nên điểm biểu diễn (tọa độ) dịch sang trái theo đ-ờng lỏng từ 1 đến E Ví dụ ở 0

a

t (4000C) hợp kim lỏng (còn lại) với tọa độ điểm a'' (37%Sb) và tinh thể B với tọa độ điểm a' tức 100%B (100%Sb) áp dụng quy tắc cánh tay đòn, tỷ lệ của hai pha này là:

La/Ba = aa' / aa'' hay L37 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 37) = 40 / 23 tức pha lỏng 40 / 63 (63,5%), rắn 23 / 63 (36,5%)

- Khi làm nguội đến đ-ờng rắn CED (2450C) hợp kim lỏng (còn lại) nghèo B (Sb) đi nữa và có tọa độ ở điểm E (13%Sb), còn pha rắn B (Sb) ứng với điểm D Tỷ

lệ của hai pha này là

LE/BD = 2D / 2E hay L13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13) = 40 / 47 tức pha lỏng chỉ còn khoảng 46%, pha rắn (Sb) đã kết tinh là 54%

Có nhận xét là tuy có hai cấu tử A và B (Pb và Sb) nh-ng cho đến đây hợp kim mới chỉ kết tinh ra B (Sb) và mới chỉ có một phần B (Sb) trong hợp kim (54 trong 60%) kết tinh, cấu tử kia (A, Pb) ch-a kết tinh

- Tại nhiệt độ của đ-ờng rắn CED (2450C), LE (L13) kết tinh ra cả hai cấu tử A +

B (Pb + Asb) cùng một lúc, hỗn hợp của hai pha rắn đ-ợc tạo thành cùng một lúc

(đồng thời) từ pha lỏng nh- vậy đ-ợc gọi là cùng tinh (cùng kết tinh) hay eutectic

) (A B

L B   hay L13 (PbSb)

Đó là phản ứng cùng tinh Quy -ớc biểu thị tổ chức cùng tinh trong ngoặc đơn

Sự kết tinh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ th-ờng không có chuyển biến gì khác Cuối cùng hợp kim này có tổ chức B + (A + B) hay Sb + (Pb + Sb), trong đó B (Sb) đ-ợc tạo thành tr-ớc ở nhiệt độ cao hơn nên có kích th-ớc hạt lớn (độ quá nguội nhỏ) còn cùng tinh (A + B) hay (Pb + Sb) đ-ợc tạo thành sau

ở nhiệt độ thấp hơn nên có cấu tạo (kích th-ớc hạt) các pha nhỏ mịn hơn (do độ quá nguội lớn)

Có thể tính dễ dàng tỷ lệ các pha và tổ chức của hợp kim 60%Sb + 40%Pb nh- sau:

- Tỷ lệ về pha Sb / Pb = (100 - 60) / (60 - 0) = 40 / 60 hay 40%Pb, 60%Sb

- Tỷ lệ về tổ chức Sb / (Pb + Sb) = (60 - 13) / (100 - 60) = 47 / 40 hay 54% là Sb (độc lập) còn lại 46% là cùng tinh (Pb + Sb)

T-ơng tự bằng các nguyên tắc đã nêu ở mục 3.2.2 có thể biết đ-ợc diễn biến kết tinh (sự tạo thành các tổ chức) của mọi hợp kim của hệ Ví dụ, loại 90%Pb + 10%Sb sẽ kết tinh ra chì (Pb) tr-ớc cho đến 2450C cũng kết tinh ra cùng tinh (Pb +

Sb) Nh- vậy các hợp kim của giản đồ loại I kết tinh theo thứ tự sau: Thoạt tiên

pha lỏng kết tinh ra một trong hai cấu tử nguyên chất tr-ớc và làm cho pha lỏng nghèo cấu tử này và biến đổi thành đến điểm cùng tinh E, đến đây pha lỏng còn lại mới kết tinh ra cấu tử thứ hai tức ra hai cấu tử cùng một lúc"

Ngoài ra có nhận xét là thoạt tiên khi đ-a thêm cấu tử khác vào cấu tử bất kỳ

đều làm cho nhiệt dộ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị thấp nhất sau đó mới tăng lên

Quy -ớc:

 Hợp kim có thành phần ở chính điểm E hay lân cận đ-ợc gọi là hợp kim cùng tinh hay eutectic (có nhiệt độ chảy thấp nhất, thấp hơn cả cấu tử dễ chảy nhất), nó kết tinh ngay ra hai cấu tử cùng một lúc và ở nhiệt độ không đổi

 Hợp kim có thành phần ở bên trái, bên phải điểm E đ-ợc gọi lần l-ợt là hợp kim tr-ớc cùng tinh (hay hypoeutectic), sau cùng tinh (hay hypereutectic), so với loại cùng tinh chúng có nhiệt độ chảy cao hơn, kết tinh ra một cấu tử tr-ớc

và xảy ra trong một khoảng nhiệt độ

1.2.3 Dung dịch rắn

1.2.3.1 Khái niệm

Giống nh- trong dung dịch lỏng, cấu tử nào nhiều hơn đ-ợc gọi là dung môi và

ít hơn là chất tan, trong dung dịch rắn còn phân biệt chúng theo cách: cấu tử nào giữ lại đ-ợc kiểu mạng đ-ợc gọi là dung môi, còn các nguyên tử chất hòa tan sắp xếp lại trong mạng dung môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên Nh- vậy dung dịch rắn là pha đồng chất có cấu trúc mạng nh- của dung môi (tức của nguyên tố chủ) nh-ng với thành phần (hay còn gọi là nồng độ) có thể thay đổi trong một phạm v i

mà không làm mất đi sự đồng nhất đó Ký hiệu dung dịch rắn là A (B) có kiểu mạng của A là cấu tử dung môi, B là cấu tử hòa tan: Nh- vậy B(A) có kiểu mạng của B là dung môi, A - Chất tan

Các nguyên tử hòa tan đ-ợc sắp xếp lại trong mạng tinh thể dung môi hai kiểu

khác nhau, t-ơng ứng với hai loại dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ nh- biểu thị ở

hình 1.5 trong đó các vòng tròn gạch chéo và tô đen biểu thị các nguyên tử hòa tan trong mạng cấu tử dung môi (vòng trắng) Rõ ràng ở đây yếu tố hình học có ý nghĩa quan trong

Hình 1.5 Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế và xem kẽ vào dung môi có mạng lập ph-ơng tâm mặt, mặt (100)

1.2.3.2 Phân loại

a Dung dịch rắn thay thế:

Trong dung dịch rắn thay thế các nguyên tử hòa tan chiếm chỗ hay thay thế vào

đúng các vị trí nút mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng nh- của cấu tử dung môi Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều để gây ra xô lệch mạng vì không

có hai nguyên tố này có đ-ờng kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau, vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích th-ớc nguyên tử khác nhau ít nh- giữa các kim loại với sự sai lệch không quá 15% V-ợt quá giới hạn này sự thay thế lẫn nhau là rất khó vì làm mạng xô lệch quá mạnh, trở nên mất ổn định

Sự thay thế trong dung dịch rắn th-ờng chỉ là có hạn vì nồng độ chất tan càng tăng mạng càng bị xô lệch cho đến nồng độ bão hòa, lúc này nếu tăng nữa sẽ tạo nên phai mới (dung dịch rắn khác hay pha trung gian), nồ ng độ bão hòa đó đ-ợc

gọi là giới hạn hòa tan Trong thực tế có một số cặp kim loại chúng có thể hòa tan

vô hạn vào nhau tức tạo nên một dãy các dung dịch rắn có nồng độ thay đổi một cách liên tục từ 100%A + 0%B qua 50%A + 50%B cho đến 0%A + 100%B nh- hiểu thị ở hình 3.4

Ng-ời ta nhận thấy có bốn yếu tố ảnh h-ởng đến khả năng hòa tan vô hạn hay

có hạn của một cặp nguyên tố (ở đây chỉ là các yếu tố cần mà ch-a đủ vì không

phải cặp nào thỏa mãn cả bốn yếu tố này cũng tạo thành dung dịch rắn vô hạn) là các t-ơng quan sau

Hình1.6: Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn liên tục (hòa tan vô hạn) giữa hai kim loại A và B khi l-ợng B tăng dần: a nguyên tố A; b,c,d dãy dung dịch dắn liên tục của A và B, e nguyên tố B

- T-ơng quan về kiểu mạng : Nếu cùng kiểu mạng mới có thể hòa tan vô hạn,

khác kiểu mạng chỉ có thể hòa tan có hạn

- T-ơng quan về kích th-ớc: Nếu đ-ờng kính nguyên tử sai khác nhau ít (<8%)

mới có thể hòa tan vô hạn, sai khác nhau nhiều (8 15%) chỉ có thể hòa tan có hạn, sai khác nhau rất nhiều (>15%) có khả năng không hòa tan lẫn nhau

- T-ơng quan về nồng độ điện tử (số l-ợng điện tử hóa trị tính cho một nguyên

tử): nếu đại l-ợng này v-ợt quá giá trị xác định đối với loại dung dịch rắn đã cho

sẽ tạo nên pha khác tức dung dịch rắn chỉ là có hạn Chỉ các nguyên tố cùng hóa trị mới có thể hòa tan vô hạn vào nhau, các nguyên tố khác nhau về hóa trị chỉ có thể hòa tan có hạn

- T-ơng quan về tính âm điện: Trong hóa học tính âm điện th-ờng dùng để

biểu thị khả năng t-ơng tác hóa học tạo thành phân tử Nếu hai nguyên tố có tính

âm điện khác biệt nhau rất nhiều dễ tạo nên hợp chất hóa học, pha trung gian, sẽ hạn chế khả năng hòa tan vào nhau thành dung dịch rắn và ng-ợc lại

Hai t-ơng quan sau cùng th-ờng đ-ợc đánh gái qua sự gần nhau trong bảng tuần hoàn: Các nguyên tố ở trong cùng một nhóm hay ở những nhóm cạnh nhau th-ờng có cấu tạo lớp vỏ điện tử hóa trị, tính âm điện và các đực tính lý - hóa (đặc biệt là nhiệt độ chảy) giống nhau, dễ tạo thành dung dịch rắn hòa tan vô hạn Chỉ cần không đạt một trong bốn yếu tố trên dung dịch rắn tạo thành chỉ có thể là có hạn Đa số các cặp nguyên tố tạo nên loại dung dịch rắn này

Các cặp nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn chỉ có thể xảy ra giữa các kim loại, một số cặp trong chúng thỏa mãn các điều kiện kể trên Ví dụ: Ag- Au (Mạng A1, r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạng A1, r = 2,70%, IB và VIII), Fe - Cr (mạng A2, r = 0,70%, VIB và VIII)

Nói chung sự phân bố nguyên tử hòa tan trong mạng tinh thể chủ (dung môi) là

đều đặn, có tính ngẫu nhiên và đ-ợc gọi là dung dịch rắn không trật tự Tuy nhiên

ở một số hệ (ví dụ hệ Au - Cu) trong một số điều kiện (nhiệt độ, nồng độ) các nguyên tử hòa tan tuy vẫn phân bố đều đặn song lại có quy luật (ví dụ trong mạng A1, chúng chiếm hoặc là tất cả các đỉnh hoặc là giữa tất cả các mặt bên của hình

lập ph-ơng), lúc đó có dung dịch rắn trật tự với thành phần (nồng độ) cố định hay

biến đổi hẹp và có tính chất hơi khác (nói chung là giòn hơn)

tử lớn nh- sắt (0,1421nm), crôm (0,1249nm), vonfram (0,1371nm), môlipđen (0,136nm), vanađi (0,132nm), titan (0,145nm) Lỗ hổng lớn nhất trong các mạng

tinh thể kim loại là loại tám mặt của a1 có rlỗ/rchủ là 0,414, trong thực tế trừ H ra không có á kim nào nhỏ đến mức vừa kích th-ớc này, tuy nhiên vẫn có thể chen vào ở một số lỗ hổng và đẩy các nguyên tử chủ bao quanh giãn ra, gay ra xô lệch mạnh mạng (hình 3.5a) Do số lỗ hổng này là có hạn và các nguyên tử á kim không thể chui vào mọi lỗ hổng củ mạng (vì nh- thế sẽ gây ra xô lệch quá mạnh làm mất ổn định) nên dung dịch rắn xen kẽ không thẻ có loại hòa tan vô hạn, chỉ

có thể là loại có hạn, hơn nữa độ hòa tan th-ờng là nhỏ và rất nhỏ Có thể thấy rõ

điều này khi xét hợp kim Fe và mactenxit Sự thay thế cũng gây ra xô lệch mạng, tùy theo quan hệ kích th-ớc nguyên tử mà các nguyên tử chủ bao quanh nguyên tử hòa tan có thể bị giãn ra khi rht>rchủ (hình 1.7) hay co vào khi rht<rchủ (Hình1.7)

Hinh1.7: Sự xô lệch mạng trong dung dịch rắn:

a Hòa tan xen kẽ

b Hòa tan thay thế khi rht>rchủ

c Hòa tan thay thế khi rht<rchủ

* Các đặc tính của dung dịch rắn:

Về mặt cấu trúc dung dịch rắn của hợp kim có kiểu mạng tinh thể vẫn là kiểu mạng của kim loại dung môi Đặc tính cơ bản này quyết định các đặc tr-ng cơ, lý, hóa tính dung dịch rắn, về cơ bản nó vẫn giữ đ-ợc các tính chất cơ bản của kim loại chủ hay nền Do vậy dung dịch rắn trong hợp kim có những đặc tr-ng cơ học phổ biến nh- sau

1 Mạng tinh thể có các kiểu đơn giản và xít chặt (A1, A2 ) của kim loại với liên kết kim loại

2 Do có cấu trúc mạng nh- vậy nên về cơ bản dung dịch rắn vẫn có cơ tính nh- kim loại cơ sở, đó là tính dẻo, tuy nhiên có làm thay đổi theo h-ớng phù hợp hơn cho vật liệu kết cấu, đó là:

- Tính dẻo tuy có giảm đi song vẫn đủ cao, dễ biến dạng dẻo tạo nên các bán thành phẩm dài tiện lợi cho sử dụng (cũng có rất ít tr-ờng hợp làm tăng độ dẻo mà

điển hình là dung dịch rắn Cu(Zn) với 30%Zn còn dẻo hơn của Cu - Tăng độ bền,

độ cứng, khả năng chịu tải hơn hẳn kim loại nguyên chất

Sự biến đổi tính chất nh- trên càng mạng khi nồng độ chất tan càng lớn Tuy nhiên khi nồng độ này quá lớn, mạng bị xô lệch quá mạnh, độ bền, độ cứng tuy tăng lên mạnh nh-ng độ dẻo cũng bị giảm mạnh t-ơng ứng, gây ra giòn, dễ bị gãy,

vỡ Do vậy có thể tìm đ-ợc nồng độ chất tan thích hợp cho các yêu cầu cũng có lợi

về cơ tính hơn kim loại nguyên chất

3 Dung dịch rắn tuy cũng có tính dẫn nhiệt, dẫn điện song kém hơn kim loại nguyên chất Sự hòa tan cũng có thể làm thay đổi đột ngột điện thế điện cực do đó

ảnh h-ởng tốt đến tính chống ăn mòn điện hóa (mục 5.5.2d)

Trong tất cả các hợp kim kết cấu, dung dịch rắn bao giờ cũng là pha cơ bản chiếm trên d-ới 90% thậm chí chỉ có pha này (100%)

Ch-ơng 2: GANG

2.1 KHáI NIệM cơ bản về gang

2.1.1 Khái niệm

Gang là hợp kim Fe - C, hàm l-ợng cacbon lớn hơn 2,14%  6,67% ,

th-ờng là 3  4,5% Cũng nh- thép trong gang chứa những tạp chất Si, Mn, S, P và các nguyên tố khác Do có hàm l-ợng cacbon cao nên tổ chức của gang ở nhiệt độ th-ờng cũng nh- ở nhiệt độ cao đều tồn tại l-ợng xêmentít cao Đặc tính chung của gang là cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc

2.1.2 Tổ chức tế vi

Gang trắng: Không có graphít (Cacbon ở dạng hợp chất Xêmentít)

Gang xám: Graphít ở dạng tấm (phiến, lá ) là dạng tự nhiên khi đúc Gang dẻo: Graphít ở dạng cụm (tụ tập thành đám) qua phân hóa từ xêmentít Gang biến tính: Graphít ở dạng tấm

Gang cầu: Graphít ở dạng quả cầu tròn, qua biến tính đặc biệt

2.2 các loạI gang th-ờng dùng

Gang là một trong những vật liệu rẻ và đ-ợc sử dụng nhiều nhất trong tất cả các ngành kinh tế quốc dân Các loại gang th-ờng dùng là gang xám, gang dẻo, gang cầu, gang biến tính, gang trắng

Các n-ớc đánh số các mác gang theo giới hạn bền tối thiểu, đơn vị tính là

kG/mm2 (nếu là 2 con số) hay đơn vị là MPa (nếu là 3 con số) Quan hệ giữa các

đơn vị th-ờng gặp nh- sau:

1kG/mm2  10MPa 1MPa  0,1kG/mm2

1ksi  0,703kG/mm2 1kG/mm2  1,45ksi

1MPa  0,145ksi 1ksi  6,9MPa

Tiêu chuẩn Việt Nam:

Ký hiệu gang xám bằng hai chữ GX với hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo tối thiểu và độ bền uốn tối thiểu Đơn vị tính bằng kG/ mm 2

Ví dụ: GX 21- 40: là ký hiệu gang xám (TCVN), có độ bền kéo tối thiếu là

21 kG/mm2 hay (k  21 kG/mm2), độ bền uốn tối thiếu là 40 kG/mm2 hay (u 

40 kG/mm2)

Tiêu chuẩn Liên bang Nga:

ΓOCT 1412-70 kí hiệu bằng hai chữ CЧ với hai số kèm theo: Con số thứ

nhất chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (k), con số thứ hai chỉ giới hạn bền uốn tối thiểu(u) Cả hai con số đó đều có đơn vị là kG / mm2 hay Mpa

Ví dụ: CЧ 28 - 56 là gang xám viết theo tiêu chuẩn Liên bang Nga có

Giới hạn bền kéo tối thiểu là 28KG/mm2 hay (k  28kG/mm2 280MPa) Giới hạn bền uốn tối thiểu là 56KG/mm2 hay (u  56kG/mm2 560MPa)

đặc biệt là làm tăng độ chịu mài mòn của gang, vì graphít trong gang có tác dụng nh- một chất bôi trơn Graphít có tác dụng làm cho gang chịu nén tốt Graphít có tác dụng làm giảm co ngót khi đúc Graphít còn làm cho phoi gang dễ bị vụn khi cắt gọt Ngoài ra graphít còn có tác dụng dập tắt nhanh rung động của máy

Các mác gang có độ bền cao b  300 Mpa đ-ợc làm các chi tiết chịu tải trọng cao chịu mài mòn nh- bánh răng, trục chính, vỏ bơm thuỷ lực Do tính chất chịu ma sát tốt đôi khi làm ổ tr-ợt

2.2.2 Gang biến tính

Cơ tính của gang xám có thể nâng cao lên bằng cách phân bố đều đặn graphit

ở dạng các phiến mỏng, muốn thế ta phải gia công gang theo mộ t công nghệ đặc

biệt gọi là làm biến tính gang, gang nhận đ-ợc gọi là gang biến tính

2.2.2.1 Thành phần và ký hiệu

* Thành phần

Gang biến tính đ-ợc chế tạo từ gang xám Nên thành phần hoá học của gang

biến tính gần giống nh- gang xám nh-ng chỉ khác là tr-ớc khi rót gang lỏng vào

khuôn, ta cho thêm một l-ợng nhỏ chất biến tính gồm Ferôsiliccanxi hoặc

Ferôsilic các chất này tạo nên các trung tâm graphit hoá, do đó phiến graphit càng

nhỏ

* Ký hiệu

Tiêu chuẩn Việt Nam:

Ký hiệu gang biến tính bằng ba chữ GBT với hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo

tối thiểu và độ bền uốn tối thiểu Đơn vị tính bằng kG/mm 2

Ví dụ: GBT 30 - 40 là gang biến tính viết theo (TCVN) có giới hạn bền kéo

tối thiểu là 30KG/mm2 hay(k  30kG/mm2), giới hạn bền uốn tối thiểu là

40KG/mm2 hay (u  40kG/mm2)

Tiêu chuẩn Liên bang Nga:

ΓOCT 1412-70 kí hiệu bằng ba chữ MCЧ với hai số kèm theo: Con số thứ

nhất chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (k), con số thứ hai chỉ giới hạn bền uốn tối

thiểu (u) Cả hai con số đó đều có đơn vị là kG/mm2 hay MPa

Ví dụ: MCЧ 38 - 48 là gang biến tính viết theo tiêu chuẩn Nga có giới hạn

bền kéo tối thiểu là 38KG/mm2 hay (k  38kG/mm2), giới hạn bền uốn tối thiểu là

48KG/mm2 hay (u  48kG/mm2)

2.2.2.2 Tính chất

So với gang xám gang biến tính có những tính chất hơn hẳn vì trong thành

phần của gang có thêm chất biến tính: Độ bền và độ dẻo cao hơn Kết cấu vật đúc

đồng đều và nhỏ hạt hơn gang xám, tính chống mài mòn và tính chống ăn mòn tốt

hơn, có thể nhiệt luyện để nâng cao cơ tính, giá thành rẻ

2.2.2.3 Công dụng

Công dụng của gang biến tính gần giống nh- gang xám, chế tạo bánh răng

chịu tải trọng nhỏ, ống lót xilanh, mâm cặp máy tiện, thân máy, nắp máy …

2.2.3 Gang trắng

2.2.3.1 Ký hiệu và thành phần

Gang trắng không có ký hiệu Gang trắng là loại gang có màu trắng do cacbon nằm ở dạng xêmentit, hầu hết ta chỉ dùng gang trắng chứa khoảng 3 

3,5%C vì nhiều cacbon gang sẽ càng giòn Để tất cả cacbon ở dạng xêmentit

gang phải chứa ít silic và các nguyên tố làm tăng graphit hoá

2.2.3.2 Tính chất

Gang trắng là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe3C, tổ chức xêmentít có nhiều trong gang làm mặt gẫy của nó có màu sáng trắng nên gọi là gang trắng Gang trắng rất cứng và giòn, tính công nghệ kém Gang trắng rất cứng nên không thể gia công cơ khí, mà chỉ dùng gang trắng ở dạng vật đúc Gang trắng không có ký hiệu

2.2.3.3 Công dụng.

Làm các chi tiết yêu cầu có độ cứng cao, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn nh- bi nghiền, trục nghiền, quả lô trong máy xay xát, mép l-ỡi cày, vành bánh xe Đ-a vào lò luyện thép để luyện thành thép hoặc đúc các chi tiết sau đó ủ thành gang dẻo

Ng-ời ta th-ờng không dùng toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, mà chỉ làm mặt ngoài bằng gang trắng, bên trong lõi là gang xám Muốn bề mặt bị biến trắng ng-ời ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc

Trong sản xuất cơ khí hầu nh- không dùng gang trắng do quá cứng không

thể gia công cắt, giòn Song có sử dụng gang xám biến trắng ở bề mặt, có tính chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400  600) Muốn vậy khi đúc gang xám thay cho làm nguội thông th-ờng ng-ời ta làm nguội nhanh ở những phần bề mặt cần cứng, (nh- đúc trong khuôn kim loại hay bằng cách đặt kim loại dẫn nhiệt nhanh trong phần khuôn cát tiếp giáp để tạo nên gang trắng)

Đôi khi dù không mong muốn, khi đúc vẫn nhận đ-ợc gang xám biến trắng

do đúc trong khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc áp lực ở các thành mỏng Để dễ gia công cắt phải đem ủ ở 700  7500C, xêmentit bị phân hoá thành ferit và graphit nhờ đó độ cứng giảm đi Nếu ủ ở 600  6500C chỉ có khả năng làm mất ứng suất

bên trong do làm nguội không đều khi đúc gây ra

2.2.4 Gang dẻo

2.2.4.1 Thành phần và phân loại

* Thành phần

Gang dẻo đ-ợc ủ từ gang trắng nên thành phần cơ bản của nó gần giống

gang trắng, l-ợng cacbon trong gang đúc th-ờng thấp khoảng 2,2  2,8 %; Si líc 0,8  1,4 %

* Phân loại: Gang dẻo đ-ợc phân ra làm 2 loại:

- Gang dẻo lõi đen (gang dẻo tâm đen): Thông th-ờng là gang dẻo ferit

(nhiều graphit nên lõi đen) tuy ủ trong môi tr-ờng thông th-ờng song bề mặt bị cháy một ít cacbon tạo nên viền trắng

- Gang dẻo lõi trắng (gang dẻo tâm trắng): Là công nghệ ủ trong môi

tr-ờng ôxy hoá (quặng sắt) nên cacbon (graphit) bị giảm đáng kể do b ị cháy đi trong quá trình ủ, do vậy có mầu trắng tính dẻo của gang loại này kém hơn gang

dẻo lõi đen, nên ph-ơng pháp chế tạo này đang bị thu hẹp

2.2.4.2 Ký hiệu

* Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN1659-75) quy định nguyên tắc ký hiệu mác

gang dẻo bằng GZ kèm theo hai con số, con số thứ nhất chỉ độ bền kéo tối thiểu,

đơn vị kG/mm2, con số thứ hai chỉ độ giãn dài t-ơng đối tính theo %

- Nếu độ giãn dài t-ơng đối  6% là gang dẻo tâm đen

- Nếu độ giãn dài t-ơng đối < 6% là gang dẻo tâm trắng

Ví dụ: GZ63-3 là gang dẻo tâm trắng (TCVN) Độ bền kéo tối thiểu là63kG/

mm2 hay (k 63kG/ mm2 630MPa) giãn dài t-ơng tối là 3% hay( = 3%)

* Tiêu chuẩn Liên bang Nga (ΓOCT) ký hiệu mác gang dẻo bằng hai chữ Kч

với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo (Đơn vị KG/ mm2) và độ giãn

dài t-ơng đối tính theo %

Ví dụ: KЧ 35 - 10 là gang dẻo tâm đen (ΓOCT)

Độ bền kéo tối thiểu là 35kG/mm2 hay(k  35kG/mm2  350MPa), giãn dài t-ơng tối là 10% hay ( = 10%)

Theo tiêu chuẩn này có các mác :

KЧ30 - 6, KЧ33 - 8, KЧ35 - 10, KЧ37 - 12 (gang dẻo ferit )

KЧ45 - 5, KЧ50-5 , KЧ60 - 3, KЧ63 - 3 (gang dẻo peclit)

2.2.4.3 Tính chất

Do graphit ở dạng cụm (graphit tụ tập từng đám gọi là cacbon ủ) và l-ợng

cacbon của gang thấp, gang dẻo có độ bền gần nh- gang cầu và hơn hẳn gang xám (k = 300  600Mpa, 0,2= 200  450Mpa) Song độ dẻo cao nh- gang cầu

( = 3  15%)

2.2.4.4 Công dụng

Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn đồng thời ba yêu cầu là: hình dạng phức tạp, tiết diện thành mỏng, chịu đ-ợc va đập chỉ cần không thỏa mãn một trong các yêu cầu trên việc chế tạo gang dẻo hoặc là không thể đ-ợc hoặc là không kinh tế, lúc đó làm bằng vật liệu khác rẻ hơn (ví dụ nếu không chịu va đập làm bằng gang xám, nếu hình dạng đơn giản làm bằng thép cacbon kết cấu chất l-ợng th-ờng), gang dẻo th-ờng dùng để chế tạo các chi tiết nh- trục khuỷu, vỏ bơm, cầu sau ô tô, mayơ, bánh răng, pitston, xích, ổ đỡ…

Trong tr-ờng hợp các chi tiết có hình dạng và cấu tạo không thể đúc bằng thép đ-ợc thì ng-ời ta có thể đúc bằng gang dẻo Tuy nhiên giá thành gang dẻo

khá cao so với gang xám và công nghệ chế tạo phức tạp

Quá trình luyện gang dẻo gồm hai b-ớc:

- Đúc chi tiết bằng gang trắng

- ủ vật đúc đó ở nhiệt độ 900  10000C trong khoảng thời gian từ 70  100 giờ Xêmentít của gang trắng đã phân hoá thành graphít, graphít này có dạng hạt nhỏ, sau đó cho nguội chậm ta sẽ đ-ợc gang dẻo

Tuỳ theo điều kiện và chế độ ủ mà ta có các loại gang dẻo có nền kim loại là ferit, peclit hoặc ferit peclit đ-ợc sử dụng nhiều hơn

2.2.5 Gang cầu

2.2.5.1 Thành phần, ký hiệu

* Thành phần

Để tạo thành graphit cầu ng-ời ta cho thêm vào n-ớc gang xám tr-ớc khi

rót vào khuôn một l-ợng nhỏ magiê và tiếp đó là ferôsilic

* Ký hiệu

Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN1659-75 có quy định ký hiệu gang cầu bằng hai

chữ GC với hai chữ số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (đơn vị kG/mm2) và giãn dài t-ơng đối tính theo %

Tiêu chuẩn Liên bang Nga: (ΓOCT) 7393-70 ký hiệu gang cầu bằng BЧ với

hai chữ số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (đơn vị kG/mm2) và giãn dài t-ơng đối tính theo %

Ví dụ: - GC38 - 17 là ký hiệu gang cầu (TCVN) có độ bền kéo tối thiểu là 38

kG/mm2 hay (k  38 kG/mm2) và giãn dài t-ơng đối là 17% hay ( = 17%)

- BЧ 63- 4 là ký hiệu gang cầu (ΓOCT) có độ bền kéo tối thiểu là 63 kG/mm2

hay (k  63 kG/mm2) và giãn dài t-ơng đối là 4% hay ( = 4%)

2.2.5.2 Tính chất

Do graphit ở dạng thu nhỏ nhất (quả cầu tròn) ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu nh- không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu có thể duy trì đ-ợc 70  90% độ bền của nền kim loại (thép) tức không thua kém thép bao nhiêu nên có thể thay thế nó

Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (b= 400  800Mpa, 0,2= 200 

600MPa), tức là t-ơng đ-ơng với thép chế tạo máy

Độ dẻo và độ dai nhất định ( = 2 ữ 15%, ak = 300 ữ 600kJ/mm2 ), tuy có kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều vì nó có độ bền cao ngay ở nhiệt độ cao Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ tới

4000C, trong khi đó gang xám chỉ có thể làm việc đ-ợc ở nhiệt độ d-ới 2500C Độ cứng và độ bền của gang cầu có thể tăng cao hơn nữa nếu ta nhiệt luyện nó

2.2.5.3 Công dụng

Công dụng chủ yếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết chịu tải trọng kéo và

va đập cao (nh- thép), đồng thời tạo hình bằng ph-ơng pháp đúc Do có nhiều -u

điểm về cơ tính nên gang cầu đ-ợc sử dụng ngày càng nhiều để thay thế cho thép trong một số tr-ờng hợp

Gang cầu có thể dùng để chế tạo các chi tiết của ôtô (d-ới 4 tấn) nh- trục khuỷu, piston, biên, bánh răng và các chi tiết quan trọng khác nh- trục chính máy công cụ, gang cầu có thể thay thế thép làm đ-ờng ray cỡ nhỏ Trong thời gian gần

đây gang cầu với sản l-ợng khá lớn đ-ợc dùng để chế tạo ống n-ớc (đ-ờng kính lớn) dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có -u điểm hơn so với các vật liệu th-ờng dùng tr-ớc đây là gang xám và thép Tuy gang xám dễ chế tạo (dễ nấu chảy, dễ

đúc, rẻ tiền) song do cơ tính thấp không chịu đ-ợc áp lực n-ớc trong ống dẫn cao tới hàng chục ápmốtphe (atm) trong thời gian dài Còn thép khó đúc hơn do nhiệt

độ chảy cao, co ngót lớn

2.3 Ký hiệu một số loại gang

theo tiêu chuẩn của một số n-ớc

2.3.1 Gang xám

2.3.1.1 Tiêu chuẩn Trung Quốc (GB) Đ-ợc ký hiệu bằng hai chữ HT kèm theo

con số chỉ giới bền kéo tối thiểu Đơn vị đo bằng Mpa

Với các mác sau HT100; HT150; HT200; HT250; HT300 và HT350

Ví dụ: HT200 là ký hiệu của gang xám theo tiêu chuẩn Trung Quốc có độ bền

kéo giới hạn là: 200 Mpa

2.3.1.2 Tiêu chuẩn Mỹ: Th-ờng dùng hai tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn SAE có các mác grade: G1800; G2500; G3000; G3500; G4000

trong đó con số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị (ksi) sau khi đã nhân với

100 Ví dụ: - grade G2500 có b  25ksi hay 2500psi

- G3000 có  3000 psi hay b  30 ksi

Tiêu chuẩn ASTM có các mác: class20, class25, class30, class35, class40,

class45, class50, class55 Trong đó số chỉ giới hạn bền kéo theo đơn vị ksi

Ví dụ: class 25 có b  25ksi, t-ơng đ-ơng với G2500

2 3.1.3 Tiêu chuẩn nhật (JIS)

Có các mác gang xám sau: FC100; FC150; FC200; FC250; FC300; FC350

Trong đó con số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị (Mpa)

2.3.1 4 Tiêu chuẩn châu Âu

Anh(BS) 1452-77 qui định các mác gang xám:150; 180; 220; 260; 300;350 Đức (DIN) 1691-85 qui định các mác gang xám: GG -10; GG -15; GG -20;

GG -25; GG -30; GG -35

Pháp (NFA) 32-201 qui định các mác gang xám FGL150, FGL200, FGL250,

FGL300, FGL 350 Các con số ở đây chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu: Đơn vị tính

theo (MPa) nếu là ba chữ số, theo (kG/mm2) nếu là hai chữ số

2.3.2 Gang dẻo

2.3.2.1 Tiêu chuẩn trung Quốc (GB)

Gang dẻo tâm đen ký hiệu bằng KTH và gang dẻo tâm trắng ký hiệu bằng KTZ

với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo đơn vị tính theo Mpa và độ giãn dài t-ơng

đối tính theo % Có các mác sau:

KTH 300 - 06; KTH 330 - 08; KTH 330 -10; KTH 370 -12

KTZ 450 - 06; KTZ 55 - 04; KTZ 650 - 02; KTZ 700 - 02

2.3.2.2 Tiêu chuẩn Mỹ

ASTM có các class: 32510; 35018; 40010 Trong đó ba chữ số đầu chỉ giới

hạn chảy (0,2) theo đơn vị 0,1ksi Hai chữ số sau chỉ độ giãn dài t-ơng đối () theo

phần %

SAE có các mác M3210, M4504, M5003, M5503, M7002, M8501 Trong

đó hai chữ số đầu chỉ giới hạn chảy (0,2) theo đơn vị ksi Hai chữ số sau chỉ độ

giãn dài t-ơng đối () theo phần %

2.3.2.3 Tiêu chuẩn Nhật (JIS)

Các mác gang dẻo tâm đen FCMB 270, FCMB 310, FCMB 340 Các mác gang

dẻo tâm trắng FCMW330; FCMW370; FCMW440 Trong đó con số chỉ giới hạn

bền theo đơn vị (Mpa)

2.3.2 4 Tiêu chuẩn Châu Âu

SAE có các mác D4018, D4512, D5506, D7003, trong đó hai chữ số đầu chỉ

b (min) theo đơn vị ksi, hai chữ số sau chỉ  (min) theo %

Ví dụ: D 4512 là ký hiệu của gang cầu theo tiêu chuẩn (SAE) có b  45 ksi và

 >12%

ASTM có các class: 60 - 40 - 18; 65 - 45 - 12; 80 – 60 - 03; 100 -70 - 03; 120

- 90 - 02 Ba cặp số đó lần l-ợt chỉ giá trị tối thiểu của b, 0.2 (ksi),  ( %)

2.3.3.2.Tiêu chuẩn Nhật (JIS)

Có các mác FCD400; FCD450; FCD500; FCD600; FCD700; FCD800, con số chỉ độ bền( min) theo đơn vị Mpa

Bảng 2 - 4: Đối chiếu ký hiệu gang giữa các n-ớc

02

32510 FCMB36

0 FCMW69

0

MB450-7

GTS38-12 GTW70-

02

B350-12 W45-

07

3.1 ảnh h-ởng của các nguyên tố đến Tính chất của thép

Thép cacbon là hợp kim của hai nguyên tố sắt và cacbon Thực tế do việc nấu luyện ng-ời ta phải cho thêm Ferôsilic và Ferômangan vào thép để khử ôxy nên trong thành phần của thép bao giờ cũng có l-ợng nhất định mangan và silíc, các tạp chất có hại là phốtpho và l-uhuỳnh cũng không thể khử đ-ợc hoàn toàn Nh- vậy ngoài cacbon là nguyên tố chủ yếu có trong thép, bất cứ một loại thép nào cũng có chứa một l-ợng nhất định các nguyên tố sau: Mn  0,8%, Si  0,5%, P 

0,05%, S  0,05% Ngoài ra, do việc sử dụng lại các loại thép hợp kim vào quá trình nấu luyện nên có thể một số thép cacbon chứa một l-ợng nhỏ nguyên tố hợp kim nh-: Ni, W, Mo, Cr, v.v

3.1.1 Cacbon

Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất quyết định chủ yếu đến tổ chức và cơ tính của thép Khi thay đổi l-ợng cacbon trong thép, cơ tính của thép thay đổi l-ợng cacbon càng tăng thì l-ợng xêmentít cũng tăng lên, dẫn đến độ bền, độ cứng tăng, nh-ng độ dẻo dai thì giảm đi, giới hạn bền của thép cao nhất với thành phần cacbon khoảng 0,8  1% Ng-ời ta không dùng thép với thành phần cacbon quá 1,4% vì nh- thế thép bị giòn

3.1.2 Mangan

Mangan đ-ợc cho vào thép d-ới dạng ferômangan (ferô là loại hợp kim trung gian, dễ luyện vì có nhiệt độ nóng chảy t-ơng đối thấp là nguyên liệu để pha chế,

sử dụng trong quá trình luyện kim ; nó chứa sắt, cacbon >1% và l-ợng lớn nguyên

tố hợp kim t-ơng ứng) Để khử ôxy tức là loại trừ Fe0 có hại, theo phản ứng sau: Fe0 + Mn  Mn0 + Fe

( Mn0 nổi lên đi vào xỉ và cào ra khỏi lò )

Ngoài ra mangan còn loại trừ đ-ợc FeS có hại đối với thép, do đó man gan còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của l-u huỳnh Man gan có ảnh h-ởng tốt

đến cơ tính khi hòa tan vào ferít nó nâng cao độ bền, độ cứng của pha này do vậy làm tăng cơ tính của thép, song l-ợng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,5  0.8% nên ảnh h-ởng này không quan trọng

3.1.3 Silic

Silic cũng giống nh- mangan đ-ợc cho vào thép d-ới dạng ferô - silic để khử

ôxy, tác dụng khử ôxy của silíc còn mạnh hơn mangan, theo phản ứng sau: 2Fe0 + Si  Si02 + 2Fe

(Si02 nổi lên đi vào xỉ và cào ra khỏi lò )

Giống nh- mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này, nên làm tăng cơ tính của thép song l-ợng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ giới hạn 0,2  0,4% nên tác dụng này không lớn

3.1.4 Phốt pho

Là tạp chất có hại, nó chứa sẵn trong quặng sắt và chỉ khử đ-ợc giới hạn nhất

định tuỳ theo ph-ơng pháp luyện Khi phốt pho hoà tan vào ferít làm giảm độ dẻo dai, gây hiện t-ợng giòn ngay ở nhiệt độ th-ờng Tuy nhiên, có tr-ờng hợp phốt pho có lợi khi ta dùng nó trong thép để làm tăng độ giòn dễ gia công cắt gọt trên máy cắt tự động Thép này gọi là thép tự động có thành phần phốt pho tới 0,15%

3.1.5 L-u huỳnh

Là tạp chất có hại trong thép làm cho thép giòn nóng, do đó khó cán, rèn hay dập Cho mangan vào thép làm giảm tác hại của l-u huỳnh L-u huỳnh chỉ có lợi khi ta dùng nó làm tăng độ giòn dễ gia công cắt gọt, nó đ-ợc đ-a vào thép tự động với thành phần tới 0,3%

3.1.6 ôxy và nitơ

Ôxy và nitơ là hai tạp chất có hại làm cho thép giòn cứng (riêng nitơ có tác dụng tốt một phần ở chỗ nó làm nhỏ hạt) nh-ng nitơ chỉ có ít trong thép nên ảnh h-ởng này cũng không lớn lắm

3.2 thép Các bon

Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao nhất, có thể chịu tải rất nặng và phức tạp, là vật liệu chế tạo máy chủ yếu và quan trọng nhất Trong công nghiệp, thép đ-ợc cung cấp d-ới dạng bán thành phẩm, thành các tấm tròn, thép góc, thép chữ U, I, L, V Rất tiện cho sử dụng Song có nhiều loại thép khác nhau,

do đó phải nắm vững ký hiệu, tính chất và công dụng của từng nhóm thép Về thành phần hoá học ng-ời ta phân thép ra làm hai nhóm:

- Nhóm thép cacbon:đ-ợc dùng rất phổ biến trong đời sống cũng nh- trong

kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 8090%) trong tổng sản l-ợng thép

- Nhóm thép hợp kim: Dùng để chế tạo các dụng cụ cắt, dụng cụ đo, các chi tiết máy có yêu cầu độ bền, độ dẻo cao Trong nhóm thép hợp kim có thép hợp kim

đặc biệt gồm các loại thép: Thép kỹ thuật điện, thép không có từ tính, thép không

gỉ, thép chịu nhiệt

3.2.1 Khái niệm về thép cacbon

3.2.1.1 Định nghĩa

Thép cacbon là hợp kim của sắt - cacbon với hàm l-ợng cacbon nhỏ hơn

2,14% Ngoài cacbon ra còn chứa một số nguyên tố với hàm l-ợng giới hạn mà

trong thép nào cũng có, chúng đ-ợc gọi là tạp chất th-ờng có hay chất lẫn vì nó

không phải do cố ý đ-a vào.Trong số các tạp chất một số có lợi và một số có hại,

nh- slic, mangan, phốt pho, l-u huỳnh Nh-ng nguyên tố ảnh h-ởng lớn nhất

trong thép là cacbon Chỉ cần thay đổi một l-ợng rất nhỏ đã làm thay đổi nhiều

tính chất lý, hoá của thép cacbon

3.2.1.2 Phân loại thép cacbon

Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc tr-ng riêng

biệt cần chú ý để sử dụng thép đ-ợc tốt hơn Gồm các cách phân loại sau:

* Theo độ sạch tạp chất có hại và ph-ơng pháp luyện

- Chất l-ợng th-ờng

L-ợng P, S chỉ đ-ợc khử đến mức 0,05% cho mỗi nguyên tố

Ph-ơng pháp luyện thép lò điện th-ờng chỉ đạt đ-ợc cấp chất l-ợng th-ờng

mặc dù nó cho năng suất rất cao và giá thành rẻ Cấp chất l-ợng này th-ờng chỉ áp

dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao nh- một số thép xây dựng thông dụng

- Chất l-ợng tốt

L-ợng P, S chỉ đ-ợc khử đến mức 0,04% cho mỗi nguyên tố

Ph-ơng pháp luyện thép bằng lò Mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt

đ-ợc cấp chất l-ợng này Cấp chất l-ợng này th-ờng chỉ áp dụng cho nhóm thép

dùng cho chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cơ tính cao hơn

- Chất l-ợng cao

L-ợng P, S đ-ợc khử khá cẩn thận, đến mức 0,03% cho mỗi nguyên tố

Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển chọn

nguyên liệu vào ) vẫn có thể đạt đ-ợc cấp chất l-ợng này bằng ph-ơng pháp

luyện thép trong lò điện hồ quang

- Chất l-ợng rất cao

L-ợng P, S đ-ợc khử ở mức triệt để nhất 0,02% cho mỗi nguyên tố

Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt giới hạn này Thép sau khi luyện

ở lò này đ-ợc tinh luyện tiếp tục Ngoài ra để giảm tối đa l-ợng khí chứa trong

thép ng-ời ta áp dụng đúc rót thép trong chân không

Các thép cacbon có thể đ-ợc cung cấp ở ba cấp chất l-ợng: th-ờng, tốt và cao

(ít gặp) Các thép hợp kim không có chất l-ợng th-ờng, chỉ có các cấp: tốt, cao và

rất cao Thép xây dựng th-ờng chỉ yêu cầu từ chất l-ợng th-ờng trở lên, trong đó

thép chế tạo máy phải có chất l-ợng từ tốt trở nên Riêng thép làm ổ lăn phải đạt

cấp chất l-ợng rất cao

* Theo ph-ơng pháp khử ôxy Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không

ng-ời ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng

- Thép sôi: Là loại thép không khử ôxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không

mạnh là ferômangan, nên trong thép lỏng vẫn còn FeO và do đó có phản ứng : FeO + C  Fe + CO

Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động nh- thể bị sôi vậy (nên có

tên là thép sôi) và tạo ra bọt (rỗ) khí trong thỏi đúc

Các đặc điểm của thép sôi là: Do không đ-ợc khử bằng ferôsilic nên chứa rất

ít silic, th-ờng là  0,05  0,07%, nên ferit của thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập

nguội Không cho phép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các rỗ

khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh h-ởng rất xấu đến cơ tính

Không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn còn

ít ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt

khí Không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do không đ-ợc khử

ôxy triệt để

- Thép lặng: Là loại đ-ợc khử ôxy triệt để bằng cả ferômangan lẫn ferôsilic là

chất khử mạnh và nhôm, nên trong thép lỏng không xẩy ra phản ứng trên, mặt thép

lỏng luôn phẳng lặng (nên có tên là thép lặng)

Các đặc điểm của thép lặng là: Do đ-ợc khử bằng ferôsilic nên chứa một

l-ợng nhất định silic, th-ờng trong khoảng 0,15  0,35%, vì thế ferit của thép cứng

và bền hơn, khó dập nguội hơn Trong tổ chức không có rỗ khí nên có cấu trúc xít

chặt hơn, có cơ tính cao hơn thép sôi, các vật đúc bằng thép phải đ-ợc chế tạo bằng

thép lặng Trong các kết cấu hàn chảy chỉ đ-ợc phép dùng thép lặng Các chi tiết

thấm cacbon chỉ đ-ợc làm bằng thép lặng Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép

lặng đ-ợc sử dụng rộng rãi hơn Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa

lặng, nó chỉ đ-ợc khử ôxy bằng ferômangan và nhôm Tính chất của nó nằm trung

gian giữa thép sôi và thép lặng Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh

h-ớng thay thế thép sôi Thép hợp kim chỉ có thép lặng, song thép cacbon có thể

có cả ba loại: sôi, lặng và nửa lặng

* Theo tổ chức tế vi và hàm l-ợng cacbon trên giản đồ trạng thái Fe - C

Thép tr-ớc cùng tích với tỷ lệ (C < 0,8%) tổ chức pherit + peclit

+ Thép cacbon kết cấu chất l-ợng th-ờng (thép xây dựng): Là loại chủ yếu

đ-ợc dùng trong xây dựng để làm các kết cấu thép d-ới dạng thanh dài, tấm rộng

ghép lại, chúng đòi hỏi cơ tính tổng hợp song không cao

+ Thép cacbon kết cấu chất loại tốt (thép chế tạo máy): Đòi hỏi cơ tính

tổng hợp ở mức độ cao hơn nên nói chung chất l-ợng cao hơn

Thép cacbon đ-ợc sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật nói chung và trong chế

tạo máy vì có 3 -u điểm sau:

Giá thành hạ, vì không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền

Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng

Có tính công nghệ tốt: Dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt gọt… hơn (so với thép hợp kim)

* Nh-ợc điểm: Thép cacbon cũng có một số nh-ợc điểm đáng chú ý sau:

Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện tôi và ram không cao, do đó ảnh h-ởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diện lớn

Tính chịu nhiệt độ cao kém Khi nung nóng trên nhiệt độ 5700C thì thép sẽ bị

ôxy hoá mạnh

Không có các tính chất vật lý, hoá học đặc biệt nh-: Cứng nóng, chống ăn mòn Thép hợp kim tránh đ-ợc các nh-ợc điểm này Do vậy trong thực tế thép cacbon đ-ợc dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhỏ và vừa, làm việc ở nhiệt độ th-ờng, trong khi đó thép hợp kim

đ-ợc dùng cho các tr-ờng hợp ng-ợc lại

3.2.2 Các loại thép cacbon th-ờng dùng

3.2.1.1 Thép cacbon kết cấu

* Thép cacbon kết cấu chất l-ợng th-ờng (thép xây dựng)

- Ký hiệu và phân loại:

+ Tiêu chuẩn Việt Nam: nhóm thép này đ-ợc ký hiệu bằng chữ CT (C là

cacbon, T là thép) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (đơn vị tính bằng kG/mm2) Muốn đổi ra MPa chỉ việc nhân với 10

+ Tiêu chuẩn Liên bang Nga (ΓOCT): Ký hiệu bằng chữ CT với các số từ

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, chỉ tỷ lệ cacbon tăng dần từ CT0 ữ CT6 hay chỉ cấp độ bền tăng

dần (số càng lớn độ bền và độ cứng càng cao) Nếu ở sau cùng có chữ s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửa lặng, nếu không có thêm chữ gì sau nữa chỉ thép lặng Nhóm

thép này lại đ-ợc chia ra làm ba nhóm nhỏ:

Phân nhóm A: Là loại thép đ-ợc quy định, bảo đảm về cơ tính (độ bền, độ

dẻo) mà không quy định về thành phần hoá học

Phân nhóm B : Loại này quy định đảm bảo về thành phần hoá học mà không

quy định cơ tính

Phân nhóm C: Là loại thép quy định cả về cơ tính và thành phần hoá học

Tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Liên bang Nga với các cặp t-ơng đ-ơng theo bảng 3-2 sau:

TC ViệtNam

TC Nga

TC ViệtNam

TC Nga

Ví dụ: - CT34n là thép cacbon kết cấu chất l-ợng th-ờng (TCVN) phân nhóm A,

thuộc thép nửa lặng, có giới hạn bền kéo tối thiểu là 34KG/mm2 hay (k 

34KG/mm2)

- CT5 là thép các bon kết cấu chất l-ợng th-ờng (ΓOCT) thuộc phân nhóm

A có tỷ lệ cacbon tăng từ CT0  CT5 hay độ bền tăng dần từ CT0 ữ CT5

- Tính chất:

Th-ờng dùng ở dạng sản phẩm dài do đó không thể qua nhiệt luyện để cải thiện cơ tính, vì vậy chủ yếu đ-ợc dùng ở trạng thái cung cấp sau cán nóng (tức gần nh- sau th-ờng hoá)

Để làm kết cấu kim loại, thép xây dựng đem dùng phải có độ bền trong khi phải có độ dẻo cao và t-ơng đối cao dễ uốn gập theo yêu cầu và đủ dự trữ độ dai để không bị phá huỷ giòn

Các thép xây dựng phần lớn phải qua hàn nên có tính hàn tốt Do vậy thép xây dựng phải có l-ợng cacbon thấp < 0,20%, nhiều nhất chỉ khoảng 0,3  0,4 %

Đa số thép xây dựng là thép th-ờng (thép cacbon không hợp kim hoá)

- Công dụng:

Loại thép này đ-ợc sản xuất nhiều nhất, với độ bền bình th-ờng, có giá bán

rẻ, nên có thể gặp chúng ở mọi nơi, ở d-ới dạng các bán thành phẩm khác nhau (ống thanh, hình, góc, lá, tấm, băng cho đến dây sợi…), rất dễ sử dụng và th-ờng

đ-ợc sử dụng d-ới trạng thái cung cấp qua cán nóng, không qua nhiệt luyện, do

tính phổ biến và đa năng ng-ời ta th-ờng gọi nó là sắt, nói chung có thể dùng nó

vào mục đích thông th-ờng Đặc biệt trong xây dựng và dân dụng loại thép này

đ-ợc dùng rất nhiều d-ới các dạng sau:

Thép dầm, thép định hình với tiết diện khác nhau (I, H, U, T, thép góc ) dùng làm các kết cấu kim loại trong xây dựng nh- nhà, tháp, cột, khung và trong máy nh- thiết bị di động xe cộ, thiết bị nâng chuyển, bệ máy, vỏ máy

Các loại dây thép và các bán thành phẩm phục vụ cho chế tạo các sản phẩm công nghệ nh- đinh, vít, bulông, dây cáp, tời

Trong chế tạo ô tô, điện dân dụng, tấm che chắn…

* Thép cacbon kết cấu chất l-ợng tốt

- Kí hiệu

+ Tiêu chuẩn Việt Nam 1766-75 qui định các mác thép cacbon kết cấu chất

l-ợng tốt bằng chữ C (thép cacbon) với con số chỉ hàm l-ợng cacbon trung bình tính theo phần vạn, nếu là thép sôi thêm chữ (s), nếu là thép nửa lặng thì thêm chữ (n) gồm C08; C10; C15; C20 C85

+ Tiêu chuẩn Liên bang Nga (ΓOCT): ký hiệu bằng các con số chỉ tỷ lệ

cacbon trung bình trong thép tính theo phần vạn gồm: 08; 10; 15; 20; 25 85

Ví dụ: - C45 là thép cacbon kết cấu loai tốt (TCVN) có cacbon trung bình là

0,45%C

- Thép 30 là thép cacbon kết cấu loai tốt (ΓOCT) có cacbon trung

bình là 0,30%C

Ngoài ra còn có thép tự động tiêu chuẩn Nga:ví dụ A12, A30, A40 …Các

con số chỉ cacbon trong thép tính theo phần vạn

- Tính chất và phân loại

Dựa vào thành phần hóa học của thép mà phân thép này ra thành ba loại

Thép cacbon thấp: (C  0,25%) loại thép này rất dẻo song độ bền thấp, độ

cứng và chống mài mòn thấp nên thép này phải thấm cacbon sau đó đem đi tôi và

ram cho mặt ngoài tăng độ cứng tới 62 ữ 64 HRC mà lõi vẫn có độ bền và độ dẻo

dai cao, cắt gọt kém vì quá mềm nên phoi dẻo quấn vào dao

Thép cacbon trung bình: (Cacbon từ 0,30 ữ 0,50%), loại này t-ơng đối bền,

cứng, dẻo dai rất thích hợp dùng để chế tạo chi tiết máy chịu lực và nh iệt luyện

đơn giản, thép này cắt gọt dễ độ bóng cao

Thép cacbon t-ơng đối cao: (Cacbon > 0,50%), loại thép này khá cứng,

khoảng 35 ữ 45HRC, bền, song dẻo dai kém, đàn hồi cao

- Công dụng

Thép 08  10 loại này có độ dẻo cao trong trạng thái nguội nên nó sử dụng

cho các chi tiết dập nguội

Thép 10, 15, 20 có tính công nghệ tốt, dễ hàn, dễ rèn, dập nh-ng độ bền của

các loại này th-ờng không cao lắm, dùng làm bu lông, đai ốc, các loại ống, thép

tấm, ngoài ra còn dùng các chi tiết chịu lực nhỏ cần phải qua thấm than

Thép 40 và thép 45 đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất, th-ờng qua tôi, ram Làm các

chi tiết máy nhỏ ( 20 ữ 30) hình dạng đơn giản nh- các trục máy cắt gọt nhỏ và

trung bình (nặng 1 ữ 2 tấn), ít bị va đập chốt phẳng, thanh truyền lực Làm trục

khuỷu của ô tô tải d-ới 4 tấn và xe con, thanh truyền, cần gạt, các bánh răng quay

với tốc độ chậm nh- răng hộp số của máy cắt thông th-ờng Tuy nhiên tính hàn

của loại này kém

Thép 55, 65, 70 dùng để chế tạo trục cán, lò xo, chốt pittông

Ngoài ra còn có thép tự động loại A12, A30, A40 chủ yếu gia công trên

máy tiện tự động để làm các chi tiết nhỏ không quan trọng lắm

3.2.2.2 Thép cacbon dụng cụ

* Kí hiệu

- Tiêu chuẩn Việt Nam qui định các mác thép dụng cụ nh- sau: nhóm thép

này ký hiệu bằng chữ CD (C- cacbon, D - dụng cụ), với con số chỉ hàm l-ợng cacbon theo phần vạn gồm: CD70, CD80, CD90 CD130

- Tiêu chuẩn Liên bang Nga (ΓOCT): Ký hiệu bằng chữ Y với các con số

tiếp theo chỉ l-ợng cacbon trung bình tính theo phần nghìn, nếu cuối ký hiệu có chữ A chỉ loại thép có chất l-ợng đặc biệt tốt P,S  0,025%

Ví dụ : CD80A là thép cacbon dụng cụ loại tốt (TCVN), có hàm l-ợng các

Để chế tạo dụng cụ cắt gọt kim loại cần có: Độ cứng cao hơn hẳn phôi (HR

 62) và chống mài mòn cao Tính cứng nóng cao: Khi gia công cắt gọt kim loại,

do một phần năng l-ợng cắt gọt chuyển thành nhiệt năng, mũi dao phải chịu nhiệt

độ cao, do đó nó phải có độ cứng cao ngay ở điều kiện nhiệt độ cao Ngoài ra còn

phải thỏa mãn độ bền (uốn khi tiện, xoắn khi khoan), độ dai đảm bảo để tránh mẻ gẫy l-ỡi cắt

Để chế tạo dụng cụ đo: dụng cụ đo cũng gần giống nh- dụng cụ cắt nh-ng

có nhẹ hơn Chỗ khác nhau là dụng cụ đo không phải chịu lực lớn nh- dụng cụ cắt

Độ cứng và tính chống mài mòn cao HRC = 63 ữ 65, ổn định kích th-ớc, tức kích

th-ớc không hay ít thay đổi suốt thời gian làm việc Vật liệu làm dụng cụ đo phải ít biến dạng khi nhiệt luyện và giữ nguyên đ-ợc kích th-ớc ban đầu Độ nhẵn bóng

bề mặt cao (tới cấp 14) khi mài

Các thép làm khuôn rèn, dập phải có độ cứng cao, tính chịu mài mòn, độ

bền và độ dai đảm bảo Các khuôn dập nguội (để dập sâu các vật liệu bằng tôn

mỏng) phải có độ cứng cao Các chày dập trong quá trình dập có va đập do đó phải làm bằng thép ít cacbon (khoảng 0,5 ữ 0,7%) ngoài ra các khuôn đúc kim loại

bằng áp lực đòi hỏi vật liệu phải có độ biến dạng nhỏ khi nhiệt luyện

* Công dụng: Là loại thép sản xuất riêng để chế tạo dụng cụ

Thép để chế tạo dụng cụ cắt gọt kim loại nh-: dũa, c-a, mũi khoan, ta rô, bàn ren (Với tốc độ cắt gọt thấp, còn các loại dao cắt gọt với tốc độ cắt gọt cao

đ-ợc chế tạo bằng thép hợp kim dụng cụ hoặc thép gió)

Thép để chế tạo dụng cụ đo: Các loại d-ỡng đo, th-ớc góc, th-ớc lá, panme, th-ớc cặp

Thép để chế tạo các loại khuôn biến dạng nh-: Khuôn cán, khuôn dập, khuôn kéo dùng để chế tạo các khuôn nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhỏ còn chế tạo các loại khuôn trung bình, khuôn lớn và khuôn chịu nhiệt nh- khuôn rèn đ-ợc chế tạo bằng thép hợp kim

3.2.3 Ký hiệu các loại thép cacbon của một số n-ớc

3.2.3.1 Tiêu chuẩn Mỹ

Th-ờng dùng các thép thông dụng theo ASTM với nhiều tiêu chuẩn khác nhau (283, 284, 328, 529, 570 ) với các đặc điểm chung là chúng đều là loại đ-ợc quy

định cả cơ tính và thành phần hoá học tuy không thật chặt chẽ Chúng đ-ợc ký hiệu theo cấp (Grade) độ bền Ví dụ: ASTM 570 có các Grade 30, 33, 36, 40, 50 và

55 trong đó số chỉ 0,2 theo ksi, nh- Grade 30 có 0,230 ksi hay 205MPa (t-ơng

đ-ơng CT34) Các tiêu chuẩn khác đánh số theo Grade A, B, C theo trật tự độ bền tăng dần.

3.2.3.2 Tiêu chuẩn Nhật (JIS)

Có các mác chỉ đ-ợc bảo đảm cơ tính nh- phân nhóm A của (TCVN), bao

gồm các mác SS 330, 400, 490 và 540, trong đó số chỉ b tối thiểu theo MPa , JIS

3101 quy định các thép thông dụng chuyên để hàn đ-ợc đảm bảo cả cơ tính lẫn

thành phần hoá học, có các mác SM 400, 490, 520, 570 (có thể có các đuôi: A, B,

C,YA,YB) trong đó số chỉ b tối thiểu theo MPa

3.2.3.3 Tiêu chuẩn Eu

Ký hiệu thép thông dụng bằng Fe với số tiếp theo chỉ b tối thiểu theo MPa,

Ví dụ: Fe 306B, Fe430C, Fe510D1

Bảng 3-3:Đối chiếu ký hiệu các loại thép cacbon giữa các n-ớc

g Quốc)

UNS (Mỹ)

AISI/

SAE (Mỹ)

JIS (Nhật)

AFNOR (Pháp)

DIN (Đức)

BS Anh

CD100 Y10 T10 T72301 W1-

09C

SK4 Y1-90 C105W1 -

3.3 Thép hợp kim

3.3.1 Khái niệm về thép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép có chứa trong nó một l-ợng thành phần các nguyên

tố hợp kim thích hợp Những nguyên tố hợp kim đ-a vào tuỳ theo hàm l-ợng, theo loại nguyên tố sẽ tạo ra tính chất mới Các nguyên tố đó là: Mn, Si, Cr, Ni, Ti, W,

Cu, Co, Mo Hàm l-ợng của chúng phải đủ đến mức có thể làm thay đổi cơ tính thì mới coi là chất cho thêm, nếu d-ới mức đó chỉ là tạp chất

Các nguyên tố đ-ợc cho vào thép với tỷ lệ nh- sau:

Cơ tính:

Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có

độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép

sau khi tôi + ram Khi hết sức tận dụng -u điểm này cần chú ý đến các hệ quả sau

đây:

- ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép h ợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu Cho nên đã dùng thép hợp kim thì phải qua nhiệt luyện tôi + ram Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần nh- th-ờng hoá) hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền

- Ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn

và l-ợng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu Khi tiết diện nhỏ (< 20nm) -u việt này của thép hợp kim không thể hiện đ-ợc (vì với tiết diện nhỏ nh- vậy thép cacbon cũng đ-ợc tôi thấu)

- Do tính thấm tôi tốt, dùng môi tr-ờng tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến dạng

và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi n-ớc Do vậy chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim

- Khi tăng mức độ hợp kim hoá làm tăng đ-ợc độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song th-ờng làm giảm độ dẻo, độ dai nên l-ợng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa

đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đã cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá huỷ giòn hơn) Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích th-ớc (tiết diện)

- Tuy đạt độ bền cao hơn nh-ng th-ờng có độ dẻo, độ dai thấp hơn Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ng-ợc này để có xử lý thích hợp (bằng ram)

Mặc dù có -u điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi)

Tính chịu nhiệt độ cao:

Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó làm mactenxit khó phân hoá và cacbit khó kết tủơ nhiệt độ cao hơn 2000C, do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn Một số thép hợp kim với lớp vảy oxy tạo thành ở nhiệt

độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt

Tính chất vật lý, hoá học đặc biệt

Bằng cách đ-a vào thép các nguyên tố khác nhau với l-ợng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt:

- Không gỉ, chống ăn mòn trong axit, bazơ, muối

- Từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính;

- Giãn nở nhiệt đặc biệt

Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông th-ờng

3.3.3 Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép

Một cách đơn giản có thể xem một thép hợp kim đơn giản (chỉ có một nguyên

tố hợp kim) là đ-a thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C Vậy hãy xem nguyên tố hợp kim ảnh h-ởng nh- thế nào eđến hợp kim Fe - C mà ta đã nghiên cứu, cụ thể là đến các tổ chức chính: các dung dịch rắn ferit, austerit, hợp chất xêmentit, (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗ hợp ferit - cacbit) Các nguyên tố khi

đ-a vào thép cũng không ngoài hai tác dụng: hoà tan vào sắt thành dung dịch rắn

và kết hợp với cacbon thành cacbit Cũng khí phân loại rạch ròi sang có thể tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hoà tan vào sắt và dạng có ái lực mạnh với cacbon tạo nên cacbit Hãy xét từng khả năng:

Hoà tan vào sắt thành dung dịch rắn:

Đó là tr-ờng hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và th-ờng gặp là Mn, Si,

Cr, Ni

Với l-ợng ít nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng

kể cấu hình của giản đồ pha Fe - C, chúng hoà tan vào sắt tức ferit ở nhiệt độ thấp

và austenit ở nhiệt độ cao

Khi hoà tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit, các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và th-ờng làm giảm độ dẻo, độ dai

ảnh h-ởng của bốn nguyên tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai

đ-ợc trình bày ở trên hình 3.1 Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si,

Cr và Ni Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đã

có độ dai rất thấp (< 500kJ/m2) làm thép giòn không cho phép sử dụng Do vậy mặc dù có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hoá bền cao Mn và Si chỉ đ-ợc dùng với hàm l-ợng hạn chế 1  2% Nh- thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi cao vì

bị hạn chế bởi l-ợng đ-a vào Còn Ni và Cr (cho tới hàm l-ợng 4%) trong khi làm tăng độ cứng chẳng những khong làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai Do vậy hợp kim hoá thép bằng Cr, Ni hay đồng thời bằng cả hai là rất tốt vì ngoài làm tăng

độ thấm tôi, bản thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trì tốt độ dẻo,

độ dai của ferit Vì thế thép có độ thấm tôi cao thuộc nhóm đ-ợc hợp kim hoá bằng

Cr - Ni Mặc dù giá thành có cao hơn (do Cr và đặc biệt Ni ngày càng đắt, hiếm) loại thép này vẫn đ-ợc -u chuộng trong chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ tin cậy cao

Với l-ợng nhiều (> 10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của giản

đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ là làm thay đổi các khu vực của ferit và austenit Trên hình 3.2 trình bày ảnh h-ởng của hàm l-ợng Mn và Cr đến khu vực  (austenit) của giản đồ pha Fe - C Thấy rất rõ Mn (và cả Ni nữa mở rộng (nhiệt đọ tồn tại của) khu vực  (t-ơng ứng thu hẹp khu vực ) Với hàm l-ợng lớn trong khoảng 10

20% tổ chức austenit tồn tại cả ở nhiệt độ th-ờng (không biểu thị ở hình 3.2a), tứ

là khi nung nóng hay làm nguội không có chuyển biến pha nh- th-ờng gặp, thép

đ-ợc gọi là thép austenit Còn Cr ng-ợc lạibị thu hẹp khu vực  (t-ơng ứng mở rộng khu vực  nh- ở hình 3.2b) Với hàm l-ợng Cr đủ lớn (khoảng gần 20%) khu vực  không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi chảy

lỏng Thép này cũng không có chuyển biến pha và đ-ợc gọi là thép ferit Những

tr-ờng hợp nh- vậy chỉ gặp ở thép đặc biệt Rõ ràng là các thép này không thể áp dụng hoá bền bằng tôi

Hình3.1 : ảnh h-ởng của độ hoà tan của các nguyên tố hợp kim chủ yếu trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b)

Ng-ời ta nhận thấy rằng số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d) trong nguyên tử

của nguyên tố nào càng bị thiếu thì nguyên tố đó càng có ái lực mạnh với cacbon

và tất nhêin là trong thép (chủ yếu là sắt) chỉ nguyêntó nào có số điện tử của phân lớp nd ít hơn của Fe (là 6) thì mới có khả năng tạo thành đ-ợc cacbit Phù hợp với

số thiếu hụt của điện tử, các nguyên tố tạo thành cacbit trong thép theo thứ tự từ yếu đến mạnh nh- sau:

Hình 3.2 : ảnh h-ởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng

 và  trên giản đồ Fe - C

Fe(6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (5), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2) [ số trong ngoặc là số điện tử trong phân lớp nd], trong đó

- Mn và Cr là các nguyên tố tạo thành cacbit trung bình

- Mo, W là các nguyên tố tạo thành cacbit khá mạnh

- V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh và

- Tiu, Zr, Nb là các nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh

Khi đ-a vào thép các nguyên tố này, cacbon sẽ -u tiên kết hợp với các nguyên

tố mạnh tr-ớc Tuỳ theo nguyên tố hợp kim (Me) đ-a vào và hàm l-ợng của nó, trong thép hợp kim có các pha cacbit sau:

- Xêmentit hợp kim (Fe, Me) 3 C Khi thép chứa một l-ợng ít ( 1  2%) các nguyên tố tạo cacbit trung bình và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hoà tan thay

thế vị trí các nguyên tử Fe trong xêmentit tạo nên xêmentit hợp kim (Fe, Me) 3 C

Xêmentit hợp kim có tính ổn định cao (khó phân huỷ, kết tụ khi nung) hơn xêmentit chút ít Nhiệt độ tôi có tăng đôi chút

- Cacbit với kiểu mạng phức tạp Khi hợp kim hoá đơn giản (chỉ bằng một

nguyên tố hợp kim) song với l-ợng lớn (>10%) Cr hoặc Mn (có dC/dMe > 0,59) chúng tạo nên với C loại cacbit với kiểu mạng phức tạp nh-: Cr3C3; C23C6; Mn3C Các đặc tính của cacbit này là:

+ Có độ cứng cao (hơn xêmentit một chút)

+ Có nhiệt độ chảy không cao lắm, trong khoảng 1550  1850oC ( cao hơn xementit), nên có tính ổn định cao hơn Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn 10000C

- Các bít kiểu Me6C Trong các thép chứa Cr với W hoặc Mo sẽ tạo nên cácbít

Me6C với kiểu mạng phức tạp, trong đó Me là các nguyên tố Cr, W, Mo và cả Fe Loại cácbít này còn khó hòa tan vào Austennit hơn và ổn định hơn loại trên Nhiệt độ tôi của thép trong khoảng 1200  1300oC

- Cácbít với kiểu mạng đơn giản MeC ( Me2C ) Các nguyên tố tạo thành cácbít mạnh và rất mạnh là V, Ti, Zr, Nb, khi đ-a vào thép với l-ợng ít

-

- ( 0,1%) cũng có khả năng liên kết với các bon thành cácbít nh - VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chính là pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản (vìdc/dMe < 0,59 ) Các đặc tính của loại cácbít này là:

+ Có độ cứng cao nh-ng ít giòn hơn Xêmentít

+ Có nhiệt độ chảy rất cao ( Trên d-ới 30000C ) nên rất khó phân hủy và hòa tan vào Austenit khi nung Các nguyên tố này không có tác dụng tăng độ thấm

tôi, Các bít của chúng th-ờng đóng vai trò giữ cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài mòn

Nh- vậy Cácbít hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, kó hòa tan vào Austenit hơn so với Xêmentít làm thép hợp kim cứng, bền nóng hơn và có nhiệt độ tôi cao hơn thép các bon

Do các nhóm thép sử dụng các loại nguyên tố hợp kim và l-ợng chứa khác nhau nên nói chung mỗi nhóm thép th-ờng chỉ gặp một đến hai loại cácbít kể trên,

cụ thể là:

+ Xêmentít hợp kim trong thép kết cấu

+ Cácbít với kiểu mạng phức tạp trong thép không rỉ và bền nóng ( thuộc nhóm thép đặc biệt )

Cácbít kiểu Me6C trong thép gió ( Thuộc thép dụng cụ )

+ Cácbít với kiểu mạng đơn giản MeC đ-ợc tạo thành với l-ợng ít trong các

nhón thép khác nhau

Vai trò của Cácbít hợp kim

- Giống nh- Xêmentít, cácbít hợp kim cũng có tác dụng làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn của thép xong có phần mạnh hơn Nh- sau này sẽ thấy thép làm dụng cụ tốt nhất phảI là loại thép có cácbon cao và hợp kim cao

- Do khó hòa tan vào Austenit khi nung nóng nên một mặt nâng cao nhiệt độ tôI, mặt khác lại giữ đ-ợc hạt nhỏ khi nung, điều này giúp nâng cao độ dai

và cơ tính nói chung

- Khi Ram, cácbít hợp kim tiết ra khỏi Mactenxit và kết tụ lại ở nhiệt độ cao hơn so với Xêmentít ở trong thép cácbon, do đó giữ đ-ợc độ cứng cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 2000C đôi khi tới 500  600oC, tức có tính cứng hay bền nóng

3.3.4 ảnh h-ởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện

Các nguyên tố hợp kim có ảnh h-ởng lớn đến quá trình nhiệt luyện, đặc biệt là tôi + ram, do vậy sẽ ảnh h-ởng lớn đến cơ tính, đây là đặc tính nổi bật của thép hợp kim Hãy xét tới từng mặt và từng quá trình của nhiệt luyện

Chuyển biến khi nung nóng để tôi

Trừ một số thép đặc biệt, các thép hợp kim thông th-ờng còn lại vẫn có tổ chức peclit, nên khi nung nóng để tôi vẫn có các chuyển pha: Peclit  Austenit,

cácbit hòa tan vào Austenit hạt Austenit phát triển ( nh- thép cácbon với pha cácbit là Xementit ) xong có các điểm đặc tr-ng sau:

- Sự hòa tan cácbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn so với Xementit trong thép cácbon Hãy so sánh các thép cùng có 1,00% C nh-ng với l-ợng hợp kim cao thấp khác nhau:

+ Thép cácbon 1,00%C ( Mác CD 100 ), Fe3C nhiệt độ tôi khoảng 7800C + Thép hợp kim thấp 1,00%C + 1,50%Cr ( Thép ổ lăn ), ( Fe, Cr)3C nhiệt độ tôI khoảng 8300C

+ Thép hợp kim cao 1,00%C + 12,0%Cr ( thép khuôn dập ), Cr23C6, nhiệt độ tôi lớn hơn 10000C

- Cácbít hợp kim do khó hòa tan vào Austenit, nằm ở biên giới hạt, nh- hàng rào giữ cho hạt nhỏ Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, t-ơng đối mạnh với W, Mo Riêng thép có Mn lại có khuynh h-ớng làm to hạt Austenit Các nguyên tố hợp kim còn lại Cr, Ni, Si, Al, đ-ợc coi là trung tính Chính vì vậy thép hợp kim th-ờng giữ đ-ợc hạt nhỏ hơn thép cácbon

khi cả hai cùng bị nung nóng ở cùng nhiệt độ ( ví dụ: khi thấm cácbon )

Sự phân hóa đẳng nhiệt của Austenit quá nguội và độ thấm tôi

Đây là tác dụng quan trọng nhất và điểm hình nhất, cần nắm vững và tận dụng triệt để

Sự phân hóa đẳng nhiệt của Austenit quá nguội

Khi hòa tan vào Austenit tất cả các nguyên tố hợp kim ( trừ Co ) với các mức độ khác nhau đều làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt của Austenit quá nguội tức là l¯m đường cong chữ ”C”dịch sang ph°i do đó làm giảm tốc độ tôi hạn V th ( Hình 3.3a ) Trong đó đáng để ý: Các nguyên tố có tác dụng rất mạnh là Mo ( khi riêng rẽ) và Cr-Ni ( khi kết hợp ), mạnh là Cr, Mn, B Với cùng tổng l-ợng hợp kim, khi hợp kim hóa phức tạp làm giảm Vth mạnh hơn khi hợp kim hóa đơn giản

Cần chú ý là khi nguyên tố hợp kim không hòa tan vào Austenit mà ở dạng cácbít không những không làm tăng mà còn làm giảm tính ổn định của Austenit quá nguội, dẫn tới tăng Vth