Giáo trình Cơ sở kỹ thuật cơ khí

Giáo trình cung cấp cho bạn đọc những khái niệm cơ bản nhất, dễ hiễu nhất về kỹ thuật cơ khí, tạo thuận lợi cho người đọc trong quá trình học tập và tìm hiễu khai thác các thiết bị.

BO XUAN ĐỊNH (chủ biên)

HÀ NỘI - 2001

viên va học sinh có tài liệu học tập và ôn thi

bội ngũ scan của TVDT gồm 5 người với đầy

lết huyết đã hoàn thành được khối lượng công

Việc đáng kể.Đặc biệt là đang gấp rút hoàn thành

chuyên đề luyện thi đại học ( các bạn có thể

LOI NOI DAU

Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật cơ khí " dàng để giảng dạy và học tập cho sinh viên

thuộc các chuyên ngành phi cơ khí tại trường Đại học Xây dựng

Hiện tại, đây là giáo trình chính cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật

cơ khí cho các sinh viên chính quy và tại chức chuyên ngành Vật liệu xây dựng, Kỹ

thuật môi trường Giáo trình có 3 phần, bao gồm 16 chương : Sâu chương đẩu cung cấp những kiến thức cơ bản về vật liệu cơ khí, những khái niệm về nhiệt luyện, các phương

pháp gia công kim loại Năm chương tiếp theo là những khái niệm về cơ cẩu và máy, động học và động lực học của cơ cấu và máy đặc trưng Năm chương cuối là những

khái niệm cơ bản về tính toán thiết kế những chỉ tiết máy có công dụng chung

Giáo trình “Cơ sở kỹ thuật cơ khí'do nhóm cán bộ giảng dạy bộ môn Cơ sở cơ khí biên soạn với sự phan công như sau:

- Ths Phạm Đình Sùng viết các chương l, 2, 3, 4, 5,6

- Ths Bùi Lê Gôn viết các chương 7,8,9, 10, 11

- PGS.TS Đỗ Xuân Định chủ biên và viết các chương 12,13,14,15, l6

Với giáo trình này, những người biên soạn chúng tôi mong muốn cung cấp cho bạn đọc những khái niệm cơ bản nhất, tối thiểu nhất và dễ hiểu nhất về kỹ thuật cơ khú, tạo thuận lợi cho người đọc trong quả trình học lập, tìm hiểu và khai thác hợp lý các thiết bị và máy chuyên ngành Trong quá trình biên soạn sẽ không tránh khỏi những khiếm khuyết, do vậy chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp bổ sung để cuốn sách được hoàn thiện hơn

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

- Bộ môn Cơ sở cơ khi, khoa Cơ khí xây dựng, trường Đại học Xây dựng, số 5% đường Giải Phóng, Hà Nội

- Nhà xuất bản Xây dựng - 37 Lê Đại Hành - Hà Nội

Các tác giả

PHAN I KIM LOAI HOC, NHIET LUYEN

VA CONG NGHE GIA CONG KIM LOAI

Chuong 1

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VA HOP KIM

1.1 KIM LOẠI VA NHUNG TINH CHAT QUAN TRONG CUA NO

1.L1 Kim loại,

Theo các nhà hoá học, kim loại được định nghĩa là những nguyên tố mà trong quá trình tham gia các phản ứng hoá học chúng có xu hướng nhường điện tử ở lớp ngoài

cùng (các điện tử hoá trị) Theo các nhà kĩ thuật, kưm loại được quan niệm là các vật

thể có những dấu hiệu chung đặc trưng nh: khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt cao, có độ bên tương đối cao, có khả năng biến dạng đẻo khi bị ngoại lực tác dụng, có ánh kừn (nếu không bị che phủ bởi một lớp là sản phẩm của phần ứng hoá học, ví dụ lớp oxH) Trừ thuỷ ngân, tất cả các kim loạt Ô nhiệt độ bình thường đêu có cẩu trúc tỉnh thể Khoảng 3/4 các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn là kim loại, còn lại khoảng 1/4 các nguyên tố là á kim, song giữa

kim loại và á kim không có ranh giới rõ rệt

Liên kết ion là kết quả của các lực hút tĩnh ® (+) (+) (+)

điện giữa các ion trai dau, vi du NaCl Lién két

đồng hoá trị được hình thành do sự góp chung C) C) (+) @ các điện tử giữa hai hay nhiều nguyên tử

Liên kết kim loại được hình thành do lực hút @ @ G) ©

giữa các ion đương và các điện tử không bi rang

buộc vào một nguyên tử cụ thể nào Có thể hình

ion đương tạo thành mạng xác định, trong đó

các điện tử hoá trị tự do chuyển động như chất

Năng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây

điện tử tự do Chính điều đó dẫn tới việc xuất hiện các cấu trúc hỗn hợp và tạo sự dịch chuyền các nguyên tử mà liên kết vẫn không bị phá huỹ (liên quan đến biến dạng đẻo) Trong liên kết ion và đồng hoá trị, các điện tử hoá trị bị hút chặt và không thể tham

gia trong quá trình tạo ra dòng điện, trong liên kết kim loại, các điện tử hóa trị tự do là nguyên nhân gây ra độ dẫn điện của kim loại

Hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các lí do sau:

- Dễ chế tạo, giá thành rẻ hơn kim loại nguyên chất

- Có tính tổng hợp tốt hơn kim loại nguyên chất

- Một số hợp kim có tính chất đặc biệt mà kim loại nguyên chất không có như độ bên cao, khối lượng riêng nhỏ, không gỉ, chịu nhiệt

-“Tính công nghệ tốt (tính đúc, tính gia công cắt got )

1.1.3 Những tính chất quan trọng của kim loại và hợp kim

a) Li tinh: Tinh dan điện, dẫn nhiệt, khối lượng riêng,

từ tính, nhiệt độ nóng chảy Các tính chất này được

nghiên cứu để sử dụng kim loại và hợp kim một cách tối

ưu trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu về kinh tế và kỹ

thuật Ví dụ: các hợp kim có khối lượng riêng nhỏ, có độ

bền cao (ví dụ đuyra) được sử dụng trong lĩnh vực hàng

không và vũ trụ Đồng và nhôm có độ dẫn điện cao được

sử dụng trong lĩnh vực điện, điện tử

b) Hoá tính: Tính chống 4n mon trong các môi trường

khác nhau

c) Cơ tính: Cơ tính của vật liệu được xác định bằng

các phương pháp thử khác nhau tuỳ theo bản chất tải

(chủng loại, độ lớn, tốc độ) và môi trường tải (nhiệt

độ, thời gian, hoạt tính) Đơn giản và thông dụng là

phương pháp thử kéo, trong đó mẫu thử kéo chịu lực

kéo một chiều trùng với trực mẫu, tăng đần cho tới khi mẫu đứt Kết quả thử được ghi trên giản đồ kéo biểu thị quan hệ giữa lực kéo và độ giãn đài (hoặc ứng suất và biến dạng, trong đó phân biệt 3 giai đoạn) (hình Ï.2):

Hình 12: Đường Công ứng suất biển dụng (lực tác dung - bién dang)

- Biến đạng thuận nghịch,

mất ngay sau khi bỏ tải hoặc

sau một thời gian xác định

- Biến dạng không thuận

nghịch, còn giữ lại sau khi bỏ tải

- Phá huy khi vật liệu tách

đứt hoặc vỡ

Một số chỉ tiêu cơ tính

quan trọng của kim loại và hợp

kim được xác định như trên

hình 1.2

Độ cứng: Độ cứng được

định nghĩa là khả năng chống

lại sự xâm nhập của vật Khác

vào vật liệu Độ cứng được xác

dang vat ép và kích thước vết

in để lại trên bể mặt vật liệu

€ Phương pháp Vicker ; dc Phương pháp Knoop

Brinell(HB), Rockwell (HRC,HRB), Vicker (HV), Knoop (HK) Phuong phap

đo độ cứng Brrinell sử dụng viên bị thép tôi, mũi đo của phương pháp Rokwell thường là mũi kim cương hình nón; hai phương pháp sau là mũi kim cương hình tháp đêu và hình tháp cho vết đo hình thoi Giữa độ cứng và giới hạn bền kéo của một số vật liệu (đặc biệt là đối với thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp) có mối quan hệ:

Đối với thép cacbon thấp sau thường hoá, người ta sử dụng giá trị 3,6; như vậy có

thể từ việc đo đơn giản độ cứng ta có thể xác định tương đối giá trị độ bền kéo của

vật liệu

a) Tinh céng nghệ

Tổng hợp các tính chất cơ học và vật lí của vật liệu cho phép trong những điều kiện nhất định và với phương pháp xử lí nhất định để chế tạo ra bán thành phẩm hoặc thành phẩm được gọi là tính công nghệ của vật liệu Những tính chất công nghệ quan trọng của

vật liệu như: tính hàn, tính đúc, tính gia công bằng áp lực, tính cắt gọt

Ví dụ: Thép có tính hàn tốt hơn gang vì trong những điều kiện như nhau, thép có thể tạo nên liên kết hàn tốt hơn và dễ dàng hơn so với liên kết hàn giữa hai chỉ tiết bằng gang; tính đúc của gang tốt hơn của thép vì nhiệt độ nóng chảy của nó thấp, độ chảy loãng cao

1.2 CẤU TẠO TINH THỂ CỦA KIM LOẠI

1.2.1 Mạng tỉnh thể

Trong các chất có cấu tạo tinh thể,

trong đó có kim loại, các nguyên tử

được sắp xếp trong không gian theo

một trật tự hình học nhất định và tạo

thành mạng tỉnh thể Phần không gian

nhỏ nhất mang mọi quy luật đặc trưng

cho I kiểu mạng gọi là ó cơ bản Như

vậy có thể coi vô số các ô cơ bản xếp

liên tiếp nhau tạo thành mạng tinh thể

Kích thước của ô cơ bản gọi là thông

số mạng

1.2.2 Các kiểu mạng tỉnh thể

a) Mang tinh thể lập phương tâm

khối (Body Centered Cubic - BCC)

Ô cơ bản là một khối lập phương có

cạnh là a Các nguyên tử nằm tại đỉnh

va tam của hình lập phương (hình.4b)

Một số kim loại có kiểu mạng này như

Fe- œ, Cr,W, Mo

Hình 1.4 : Các kiểu ô cơ bản thường

gấp của kim loại

a- Ô cơ bẩn mạng lận phương tâm mặt

Ô cơ bản là một khối lập phương b- Ô cơ bản mạng lập phương tâm khối

cạnh là a Các nguyên tử nằm tại đỉnh c- Ô cơ bản mạng sâu phương xếp chặt

b) Mạng tỉnh thể lập phương tâm

mặt (Face Centered Cubic-FCC)

của khối lập phương và tâm của các mặt (hình 1.4a) Một số kim loại có kiểu mạng này nhu Fe-y, Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag

c) Mang tinh thé sau phương xếp chặt (Hexagonal Close-Packed - HCP)

Ô cơ sở của mạng sáu phương xếp chặt là khối lăng trụ lục giác với hằng số mạng là

a và c, các nguyên tử nằm ở 12 góc, tâm của 2 mặt đáy và tâm của 3 khối lăng trụ tam giác đêu, cách nhau (hình 1.4c) Một số kim loại có kiểu mạng này nhu Zn, Mg, Ti, Co

1.2.3 Một số đặc trưng của mang tinh thé

a) Thông số mạng (hằng số mạng), là kích thước cơ bản của ô cơ bẩn

Hệ BCC: Thông số mạng là a, đường chéo của hình lập phương là d, bán kính

nguyên tử là r, các nguyên tử tiếp xúc nhau theo đường chéo của hình lập phương, ta có:

Mật độ nguyên tử của mạng tỉnh thể M là tỉ số giữa thể tích các nguyên tử nằm trọn

trong 1 ô cơ bản và thể tích của ô cơ bản tính ra phần trăm :

V Trong đó: n - Số nguyên tử nằm trọn trong 1 ô cơ bản

1.2.4 Chuyển biến pha của kim loại

Thông thường mỗi kim loại có một kiểu mạng nhất định Một số kim loại khi ở các

khoảng nhiệt độ khác nhau có các kiểu mạng khác nhau và quá trình chuyển biến từ

kiểu mạng này sang kiểu mạng khác phụ thuộc vào nhiệt độ gọi là chuyển biến pha

(chuyển biến thù hình) Tính chất này của kim loại được gọi là tính thù hình

Người ta kí hiệu các dạng thù hình của I nguyên tố bằng các chữ Hi Lạp œ, B, Y

Vi du: Sat

Ở nhiệt độ dưới 911°C sắt có mạng tỉnh

thể là lập phương tâm khối (a ~ 2,88KX)

Tại nhiệt độ 768°C là nhiệt độ chuyển | —T\zzx 7T T7 TT TT F

biến từ (nhiệt độ Curie): ở dưới nhiệt độ

768°C sắt có từ tính, trên nhiệt độ 768°C

sắt mất từ tính Như vậy ở nhiệt độ 768°C

chỉ có chuyển biến từ chứ không có

chuyển biến về cấu trúc mạng tỉnh thể,

chuyển biến tại nhiệt độ này còn được gọi

là chuyển pha loại HH theo Landao Ở

khoảng nhiệt độ từ 911°C đến 1392°C sắt

có mạng tinh thể lập phương tâm mặt

(a = 3,64KX) được kí hiệu là Fe - y Trong §

khoảng nhiệt độ 1392°C dén 1539°C »

(nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất), 8

sắt có mạng lập phương tâm khối — 1 v

1.3 SAI LECH MANG TINH THE

Cấu trúc mạng tính thể đã nêu ở trên là cấu trúc của tỉnh thể lí tưởng vì khi đã xét bỏ

qua dao động nhiệt và các sai hỏng trong trật tự sắp xếp các nguyên tử Sau đây ta xét một số sai lệch mạng tính thể (khuyết tật mạng) có những ảnh hưởng rõ ràng đến một

số tính chất của kim loại như ứng xử của kim loại khi có ngoại lực tác dụng (biến cứng, biến dạng dẻo), độ đẫn điện,

1.3.1 Sai lệch điểm

Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử) (hình 1.6) các sai

lệch điểm cơ bản là nút trống (không có nguyên tử tại vị trí nút mạng), nguyên tử xen

kẽ Ngoài ra còn có sai lệch do nguyên tử của tạp chất, có thể nằm xen kế giữa các nút mạng hoặc thay thế vị trí của nguyên tử của kim loại cơ bản

10

`

Hinh 1.6: So dé sai léch diém a- Nút trống ;

có thể tương tác và cản trở chuyển động của lệch, vì vậy chúng có ảnh hưởng đến cơ

chế, hình thái biến dang dẻo

1.3.2 Sai lệch đường - lệch

Sai lệch đường - gọi là /ệch (dislocation) là loại sai lệch có kích thước nhỏ (cỡ nguyên tử) theo hai chiều và rất lớn theo chiều thứ 3 trong tinh thé

đa) Lệch biên

Có thể hình dung lệch biên bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng nguyên tử

ABCD vào nửa phần trên của tỉnh thể lí tưởng (hình 1.7a) sự xuất biện thêm nửa mặt làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở nên không hoàn toàn song song với nhau Nửa tính thể phía trên đường AB chịu ứng suất nén, nửa dưới chịu ứng suất kéo Đường AB có chiều đài hàng vạn hằng số mạng gọi là trục lệch, là biên giới phía trong của nửa mặt A BCD, vì vậy gọi là lệch biên

c

11

Hình 1.7 : Mô hình tạo lệch trong mạng tỉnh thể

b) Lệch xoắn

Có thể hình dung bằng mô hình trượt ép (hình 1.8) Cắt tỉnh thể lí tưởng theo một

nửa mặt phẳng ABCD, xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau sao cho các nguyên tử mặt ngoài xê dịch một đoạn bằng hằng số mạng theo đường CD, Như vậy các nguyên tử

sẽ xắp xếp lại quanh AB theo đường xoắn ốc (hình 1.8b), AB gọi là trục của lệch xoắn

Sự kết tỉnh là quá trình hình thành mạng tỉnh thể khi vật chất chuyển từ trạng thái

long sang trang thái rắn, tức là quá trình các nguyên tử chuyển từ trạng thái sắp xếp hỗn loạn sang trạng thái sắp xếp có quy luật Nhiệt độ mà ở đó xảy ra quá trình kết tỉnh gọi

là nhiệt độ kết tính Tị, Đối với các chất có cấu tric tinh thé, T,, = const

Sự phụ thuộc của năng lượng tự do của pha rấn và pha lỏng vào nhiệt độ như trên

hinh 1.11

Tại nhiệt độ Tị,, G, = G,, có sự cân bằng giữa thể rắn và thể lỏng, chưa xảy ra kết

tinh

12

Khi T > T„„ G, > Gạ„ vật chất tồn tại ở thể lỏng (có năng lượng thấp)

Khi T < Tụ, G, < G,, vật chất tồn tại ở thể

lỗng (có năng lượng thấp)

BST <7

1.4.2 Cơ cấu của quá trình kết tinh

Quá trình kết tính được đặc trưng bằng 2

quá trình:

- Tốc độ tạo ra các mầm kết tỉnh, tức là số

lượng mầm kết tỉnh (N) xuất hiện trong một

đơn vị thể tích pha-lỏng trong đơn vị thời

là tốc độ dịch chuyển biên tỉnh thể - pha lỏng Hình 1.9 - Sự phụ thuộc của năng

vào trong kim loại lỏng lượng tự do của pha rắn (Œ,) và pha lỏng

- Mam tự sinh: sinh ra từ bản thân kim loại lỏng

- Mầm không tự sinh: sinh ra trên bề mặt các chất

rắn có sẵn như thành khuôn, tạp chất hoặc các chất

khác có mặt trong kim loại lỏng

Việc xuất hiện tâm mầm thể tích v làm giảm năng

lượng tự do (eltalpy tự do) của hệ một lượng v.AG,

(AG, - chuyển biến năng lượng tự do khi kết tỉnh I g

nguyên tử chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái

rắn) Mặt khác năng lượng để tạo ra bề mặt là ©.y (y -

sức căng bề mặt).Sự biến đổi năng lượng tự do phụ

thuộc vào bán kính tâm mầm như trên hình 1.10

Từ hình 1.10 ta có thể rút ra nhận xét: chỉ có những

tâm mầm có bán kính lớn hơn bán kính tới hạn r, mới

phát triển lớn lên được vì nó gắn liền với quá trình

giảm năng lượng tự đo (entalpy) của hệ

Hình 1.10 : Sự thay đổi

1.4.3 Độ hạt năng lượng tự do AG của tâm

¬ ` ¬ ` mâm phụ thuộc vào bán kính

Mỗi tâm mầm sau này phát triển lên thành | hat và

tạo nên đa tính thể Các hạt có định hướng khác nhau

và phân cách nhau bằng biên giới hạt Nếu vật tinh thể có mạng thống nhất và phương

không đối trong toàn bộ thể tích thì gọi là đơn tỉnh thể Có thé coi don tinh thé là một

hạt duy nhất :

tâm mầm

13

Độ hạt có ý nghĩa quan trọng vì nó ảnh hưởng đến cơ tính (giới hạn chảy) theo biểu

thức Hail-Petch:

vD

Trong đó: ô.„ k - hằng số của vật liệu

D- kích thước trung bình của hạt -

Vậy để tăng cơ tính, người ta dùng các biện pháp để làm nhỏ hạt, có thể dùng một số

phương pháp sau:

- Tăng tốc độ làm nguội

- Pha thêm một số chất đóng vai trò mầm không tự sinh (ví dụ cho AI vào thép lỏng,

AI phản ứng với ô xy tạo Al;O; và nó đóng vai trò mầm kết tỉnh) số lượng mầm kết tỉnh

lớn dẫn đến kích thước dưới hạt nhỏ

- Cho vào kim loại lỏng chất biến tính làm giảm tốc độ phát triển mầm

- Dùng cơ học, vật lí để tăng số lượng tâm mầm, giảm tốc độ phát triển mầm như:

dùng rung động, siêu âm, từ trường

So với kim loại nguyên chất, hợp kim có một số tính chất sau:

a) Có cơ tính cao hơn so với kim loại: giới hạn bên, độ cứng cao hơn so với kim loại,

độ dãn dài tương đối, độ thắt tỷ đối và độ dai va chạm vẫn đảm bảo

b) Tính công nghệ như tính đúc, tính hàn, tính gia công cắt gọt được cải thiện hơn so

14

‘c) Mot sé hop kim cé tinh chất hod lí đặc biệt: thép hợp kim có hàm lượng

Cr > 12,5% có khả năng chống ăn mòn tốt (thép không gÌ);thép có hàm lượng Mn > 2% chịu va đập tốt, thép có chứa Ni, Co có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao

1.5.2 Các thành phần chủ yếu của tổ chức hợp kim

a) Dung dich rdn (dung dich đặc)

Phần lớn các kim loại có thể pha trộn với nhau (hoà tan) ở trạng thái lỏng tạo nên chất lông đồng nhất Ở một số hợp kim, khả năng pha trộn này vẫn giữ được ở trạng thái rắn tạo

nên pha có cấu tạo riêng biệt được gọi là dung dich rắn Dưới kính hiển vi, tổ chức của dung dich ran giống tổ chức của kim loại nguyên chất (hình 1.12a) Trong dung dich rắn, kim loại

cơ sở chiếm phần lớn và được gọi là dung môi, nguyên tố khác chiếm hàm lượng ít hơn gọi là nguyên tố hoà tan Tuỳ theo vị trí của nguyên tố hoà tan ta phân biệt:

- Dung dịch rắn thay thế: Nguyên tử của nguyên tố hoà tan thay thế vị trí nguyên tử của dung môi

- Dung dich rấn xen kẽ: Nguyên tử của nguyên tố hoà tan nằm xen kẽ giữa các

nguyên tử của dung môi

b) Hợp chất hoá học

Các nguyên tử của các nguyên tố có tính chất điện hoá khác nhau kết hợp với nhau ứng với một công thức hoá học nhất định tạo nên hợp chất hoá học (Ví dụ: Fe;C,

T¡C ) Chúng có mạng tỉnh thể khác với mạng tỉnh thể của kim loại thành phần, thường

có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao

e) Hỗn hợp cơ học

Hai nguyên tố A và B không có khả năng hoà tan vào nhau tạo thành dung dịch rắn, không có phản ứng hoá học với nhau để tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ tạo thành những hạt riêng rẽ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý tạo nên hỗn hợp cơ học,

Hồn hợp cơ học có thể giữa hai kim loại, giữa hai dung dịch đặc, giữa dung dịch đặc

với hợp chất hoá học

1.6 HỢP KIM SẮT - CAC BON

Hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp là hợp kim sắt - cacbon

Tuỳ theo hàm lượng của cacbon, ta có thể có sắt nguyên chất, thép hoặc gang

1.6.1 Một số khái niệm cơ bản

Trước hết ta xét một số khái niệm:

- Cấu tử là các nguyên tố hay hợp chất hoá học bền vững tạo nên vật liệu ;

- Hệ là từ dùng dé chỉ một tập hợp vật thé riêng biệt của vật liệu trong điều kiện xác định hoặc là một loại hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau

- Pha là tổ hợp có thành phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và tính chất vật

lí, hoá học, cơ học xác định, được phân cách với pha khác bởi bề mặt phân cách pha mà

tại đó các tính chất thay đổi đột ngột

Vi du:

- Nước O°C là hệ một cấu tử (hợp chất hóa học bền vững H;O) và có hai pha (pha rắn - nước đá, pha lỏng - nước)

- Chỉ tiết bằng hợp kim Cu - Ni là hệ 2 cấu tử (Cu và Ni) song chỉ có 1 pha (dung

địch rắn của hai kim loai)

- Bậc tự do là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay đổi được trong thời hạn xác

định mà không làm thay đổi trạng thái của hệ, tức là không làm thay đổi số pha đã có

Kí hiệu số pha P (Phase), số cấu tử C (Component) và số bậc tự do F (Freedom),

chúng liên quan đến nhau theo quy tắc pha của Gibbs:

F=C-P+l

Ví dụ: Kim loại nguyên chất (C = 1) khi nóng chảy hoặc kết tính tồn tại hai pha, (đồng, rắn) số bậc tự do F = 1 - 2 + 1 =0, Điều này chứng tỏ kim loại nguyên chất kết

“tỉnh hay nóng chảy ở nhiệt độ không đổi

Hợp kim Cu - Ni ở nhiệt độ thường là dung dịch rắn, khi nung nóng sẽ trở thành dung dịch lỏng, trong quá trình nóng chảy, số pha là 2, số bac ty do bang 1 (F = 2-2 + I= 1), điều này chứng tỏ quá trình trên xảy ra trong một khoảng nhiệt độ (nhiệt độ biến đổi), hoặc tại một nhiệt độ nào đó trong quá trình nóng chảy ta có thể thay đổi chút ít thành phần mà vẫn giữ cho hợp kim ở trạng thái hai pha này

1.6.2 Giản đồ pha và công dụng

Giản đồ pha (hay còn gọi là giản đồ trạng thái) của một hệ là công cụ biểu thị mối

quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng 16

Các giản để pha được xây dựng bằng thực nghiệm Từ giản đồ pha của hệ hai cẩu tủ đề

đàng xác định được các thông tin sau cho một thành phần xác định ở nhiệt độ nào dé:

- Các pha tồn tại: căn cứ vào nhiệt độ và thành phần đã cho ta sẽ xác định được tổ

chức pha tương ứng

- Thành phần pha

- fyý lệ giữa các pha

~ Nhiệt độ chảy (kết tình) của vật liệu

- Các chuyển biến pha: sự xuất hiện và biến rnất của các pha khi nung nóng và lầm nguội, 1.6.3 Giản độ pha Ếe - C (Pe - Fe,C)

Trong thực tế chỉ kháo sát giản độ với lượng C từ 05% đến 6,67% (lương ứng với hợp chat xémemitit Fe,©) :

Fe có hai loại mạng tỉnh thể với ba dạng thù hình: mạng lập phương tâm mặt tồn tại ; trong khoảng Ø11Ÿ - 1392°C có kí hiệu là y - Fe, còn ngoài khoảng đó là mạng lập phương tâm khối: dưới S11°C có ký hiệu là œ - Fe và 1492 - 15329°C (nhiệt độ nóng chảy của Ec) có kí hiệu Š - Fe Khi đưa C vào, trước tiên nó hoà tan trong Ee tạo rên các dụng dịch rấn xen kẽ và làm thay đối các nhiệt độ chuyển biển thù hình, khi vượt

quả giới hạn hoà tan lượng C thừa kết hợp với Ee thành Fc;C

ABCD - dường lòng: AFIECP - đường đặc ; E5 - giới hạn hoà tan C trong y - Fe:

PQ - giới hạn hoà tan C trong œ - Fe ; ECP - đường cùng tĩnh: PSK đường cũng tích,

Trong giản đồ pha này có 3 chuyển biến điển hình:

- Chuyển biến bao tinh xay ra & 1499°C trong ede hep kim 0,1 - O,5%C (dudng HIB):

Các tổ chức một pha trên gián để là L„ 6, y, œ, Fe;C, graphil:

eo

c `2

Hink £34.76 chite t& vi cua Fevit (aj va austenit (b} (x S00)

Ferit (a Fa - Fe(c}) La dung dịch rấn xen kế của C trong œ - Fe với mạng lận

tính của ferH chính là của sát nguyên chất: đẻo đại, mềm, kém bên

Austenit (7, Avy - Fe(C)) 18 dung dich rin xen ké cha C trong +ÿ - Fe với mạng lập

phương tâm mật (a « Õ,364nm) với lượng hoà tan đáng kể (tới 2,L4%C ở † HC - điểm E: ở 72720 còn 0,8 %C - điểm S) Austenit chỉ tổn tại ở nhiệt độ cao trong vùng NJESG, không có quan hệ gì đến hợp kùn ở nhiệt độ phòng, nhưng lại đóng vai trò chủ yếu

trong gia công và nhiệt luyện, làm nguội anstemit với tốc độ khác nhau sẽ nhận dược các

tổ chức đáp ứng được các yêu cầu khác nhau khi sử đụng và gia công

tñ

Xémentit (Xé, Fe;C) la hop chat hod học có công thitc Fe,C và thành phần 6,67%C; Đặc tính của Xê là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên tổ chức của hợp kim Fe-C, lượng Xê phan tan trong ferit lam tang mạnh độ bền, độ cứng

Graphit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe-C cao và chứa lượng S¡ đáng kể, là một pha quan trọng trong tổ chức của gang

1.6.3.2 Các tổ chức hai pha

Peclit (Viết tát P) là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit tạo thành từ dung dụch rắn austenit với 0.8%C ở 727°C như phản ứng (1.6) Trong peclit có 88% œ và 12 % Fe,C

và phân bố đều trong nhau, nó kết hợp các đặc tính của hai pha thành phần nên khá bền

cứng, déo đai, Có 2 loại peclit: tấm và hạt (hình 1.15) peclit tấm: vạch tối là Fe¿C, nền sáng là ferit, peclit hạt: Fe;C ở dạng hạt phân bố trên nền feri

Hình 1.15- Tổ chức tế tỉ của peclt tấm (a} tà pectit hạt (b) (x590)

Lêđêburit (viết tắt Lê) là hỗn hợp cùng

tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ

pha lỏng với 4.3% C ở 1147°C, khi làm

nguội tiếp tục austenit chuyển biến thành

peclit nên tổ chức tế vi (hình I.16) cuối

cùng là hỗn hợp của peclit (tấm) với

xêmemiit, Lê cứng và giòn (vì có tới 2/3 là

Xê) và chỉ có trong hợp kim Fe-C ở dạng

khác) trong đó: ít hơn 2,14%C là thép, nhiều hơn 2,14% C là gang Một cách khác: bên

trái điểm E trên giản đồ pha là thép, bên phải điểm E là gang

Để đơn giản hoá việc gọi tên các chuyển pha trong hợp kim Fe-C người ta kí hiệu

các đường trên giản đồ pha bằng chữ A (từ arrêt tiếng Pháp nghĩa là dừng, vì khi có

chuyển biến pha nhiệt độ bị dừng lại) với thứ tự:

A, đường PSK ting với chuyển biến austenit <> peclit

A¿ - 768°C nhiệt độ chuyển biến từ (nhiệt độ Curie)

A¿ - đường GS tiết ra ferit trước cùng tích

Aám- đường ES tiết ra xêmentit sau cùng tích

A¿ - đường JN chuyển biến ỗ <> y

Để phân biệt, cùng một điểm tới hạn trong hai trường hợp: nung nóng (cao hơn) và

làm nguội (thấp hơn nhiệt độ cân bằng theo giản đồ pha) người ta thêm chữ r cho trường hợp làm nguội (refroidissement) và c cho nung nóng (chauffage) đặt sau chữ A

ví dụ: Ar;, Ác

1.6.5 Phân loại và kí hiệu thép cacbon

1.6.5.1 Phản loại

Thường gặp các cách phân loại thép sau:

Theo chất lượng: theo chất lượng luyện kim tức là mức độ đồng nhất của thành phần

hoá học, tổ chức và tính chất của thép, nhất là mức độ chứa các chất có hại P, S ta có:

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

- Thép chất lượng tốt, chứa không qua 0,04%S va 0,035%P

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

- Thép có chất lượng đặc biệt cao, chứa không qua 0,015%S va 0,025%P

Theo phương pháp khử ô xy:

- Thép sôi: thép khử ô xy chưa triệt để, vẫn còn FeO nên đó thể phần ứng với C tạo thành khí CO bay lên trong khi rót thép lỏng, giống như bị sôi

- Thếp lặng là thép đã được khử ô xy triệt để bằng fero -Mn, fero-Si và AI, lượng FeO con rất ít trong thép lông, mặt thép lỏng phẳng lặng

- Thép nửa lặng là loại trung gian giữa hai loại trên

Theo công dụng: Đây là cách phân loại thường đùng nhất, gồm 4 nhóm thép chính:

- Thép cán nóng thông dụng, loại này chủ yếu trong xây đựng, nói chung không qua

nhiệt luyện

- Thép kết cấu, chủ yếu để làm các chỉ tiết máy, thường phải qua nhiệt luyện

- Thép dụng cụ, chủ yếu để làm dụng cụ cắt gọt, đo lường, thường bắt buộc qua nhiệt luyện

- Thép có công dụng riêng

20

1.6.5.2 Kí hiệu và công dụng của các nhóm thép các bon

a) Nhóm thép cán nóng thông dụng

Chúng chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cấp ở dạng qua cần nóng, giới hạn bền trong khoảng 300 - 600 MPa,

Theo TCVN 1765 -75 nhóm này được kí hiệu CT (C- các bon, T- thép) con số tiếp

theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (KG/mm?), nhân với !0 để quy đổi ra MPa

Ví dụ: CT3\ 8,~ 310 MPa

: Phân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính, không quy định về thành phần hoá học;

- Phân nhóm B: chỉ quy định về thành phần hoá học, không quy định về cơ tính, kí

Thép làm kết cấu xây dung theo TCVN 5709 - 93: XCT34, XCT38, XCT42,

XCT52, với các con số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (KG/mm?, thành phần

C<0,22%, Mn < 0,85%, P và S đều < 0,05 %

b) Nhóm thép kết cấu

Đây là nhóm thép cacbon chất lượng tốt, S < 0,04%, P < 0,035% được quy định cả

về thành phần hoá học và cơ tính; theo TCVN 1766 - 75, nhóm này được kí hiệu bằng

chữ C với con số chỉ lượng cac bon trung bình theo phan van, vi du C10 ~ 0,10%C; cd C8, C10, C15, C20 , C85 giới hạn bền kéo tương ứng từ 320 MPa đến 1150 MPa

©c) Nhóm thép dụng cụ

Đây là nhóm thép có thành phần cacbon cao ( > 0,7%) thuộc loại thép chất lượng tốt, dùng để làm các dụng cụ với năng suất thấp và trung bình Theo TCVN 1822 - 76, nhóm này được kí hiệu bằng chữ CD, với con số chỉ lượng các bon trung bình theo phần vạn ; ví dụ CD 80 - có khoảng 0,8%C

* 4) Nhóm thép cacban có công dụng riêng

Thép đường ray: đường ray xe lửa yêu cầu có độ bền và tính chống mài mồn cao Đó

là thép cacbon chất lượng cao, lượng cacbon và mangan tương đối cao: 0,5 - 0,8 %C; 0,6 - 1,0 % Mn, lượng phốt pho và lưu huỳnh thấp:< 0,05%S, 0,04%P

Dây thép các loại: dây thép được sản xuất bằng cách kéo nguội, cơ tính của dây thép phụ thuộc vào thành phan cacbon và mức độ biến dạng Dây thép cacbon thấp thường được mạ trang kẽm hoặc thiếc dùng làm dây điện thoại và trong sinh hoạt Dây cấp có

độ bền cao là do các sợi thép nhỏ được kéo nguội có độ bền cao bện lại

21

Thép lá để dập nguội: thép để đập nguội thường ở dạng tấm mỏng, phải có tính dẻo

cao, do vậy lượng cacbon rất thấp, 0,05 - 0,2 %C, tổ chức ferit, lượng Sỉ thấp, do vậy

thường là thép sôi, VD: C5s, C8s

1.7 THÉP HỢP KIM

1.7.1 Khái niệm

Thép hợp kim là loại thép mà ngoài sắt, cacbon và các tạp chất ra, người ta còn cố ý

đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính

chất của thép cho hợp với yêu cầu sử dụng Các nguyên tố được đưa vào như vậy được gọi là nguyên tố hợp kim Những nguyên tố hợp kim thường gap 1a: Cr, Ni, Mn, Si, W,

V, Mo, Ti

Mục đích của việc hợp kim hoá thép là để nâng cao một hoặc nhiều trong những tính chất sau: cơ tính, độ thấm tôi, tính chịu nhiệt, khả năng chống mài mòn, chống gi,

từ tính

1.7.2 Phân loại thép hợp kim

1.7.2.1 Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim

Nếu tổng lượng nguyên tố hợp kim:

- < 2,5% là thép hợp kim thấp;

- 2,5 + 10% là thép hợp kim trung bình;

- > 10% là thép hợp kim cao

1.7.2.2 Theo tổ chức ở trạng thái thường hoá

Ta có thép Peclit, Ferit, Austenit, Mactenxit

1.7.2.3 Theo thành phan nguyén to hop kim chủ yếu

Cách này dựa trên các nguyên tố hợp kim chính, ví dụ thép có chứa Cr được gọi là thép Crôm; chứa Cr, Mn gọi là thép Crôm - Mangan

Kí hiệu: Thép hợp kim được kí hiệu theo hệ thống chữ và số: chữ kí hiệu các nguyên

tố hợp kim theo kí hiệu hoá học, số đầu chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, số sau nguyên tố nào thì chỉ lượng trung bình của nguyên tố đó theo phần trăm, nếu lượng nguyên tố < 1% thì không ghi con số, VD: ISCrMnTi có chứa O,18%C, nhỏ hơn hoặc

bang 1% mỗi nguyén t6 Cr, Mn, Ti

- Thép thấm cacbon: có hàm lượng cacbon 0,1 - 0,25% làm chỉ tiết chịu tải trọng, chịu va đập, mài mòn mạnh như bánh răng, trục, đĩa ma sát Thành phần hợp kim

Cr > 2%, Ni > 4%, Mn >2%

- Thép hoá tốt: có thành phần cacbon 0,3 - 0,5% để đảm bảo kết hợp tốt nhất giữa độ bền và độ dai, có một số nguyên tố hợp kim để tăng độ thấm tôi như Si, Mn, Cr, Ni

nhiệt luyện hoá tốt: tôi +ram cao

- Thép lò xo: có 0,5 - Ö,7%C và các nguyên tố Mn, S¡ nhằm làm tăng khả năng dan hồi đùng làm lò xo, nhíp các loại

Vi du: C70, 65Mn, 60Si2

b) Thép dụng cụ: dùng làm dụng cụ cất gọt (dao cắt, tiện, phay ), dụng cụ đo lường,

khuôn rập có yêu cầu độ cứng cao, chịu nóng tốt, chống mài mòn cao

- Thép dụng cụ cacbon: CD7 CDI3 (C- cacbon, D-dụng cụ)

phẩm có nhiệt độ nồng chảy cao, vật liệu cứng và siêu cứng, vật liệu chịu nhiệt, sản

Có thể làm việc tới 800 - 1000°C, năng suất cắt cao, tuổi thọ tăng Thành phần chủ

yếu là các hạt WC dính kết với nhau bởi Co (loại một cacbit), hoặc WC +TIC +Co (loại

hai cacbit), hoac WC +TiC +TaC +Co (loai 3 cacbit)

23

Vidu:

- Nhóm 1 cacbit, WC: WCCo?2 (98% WC + 2%Co), HRA = 90

WCC025 (75% WC + 25% Co), HRA = 82

- Nhém hai cacbit, WC + TiC: WCTiC 30Co4 (66% We + 30% TiC + 4%C), HRA = 92

- Nhóm ba cacbit, WC +TIC +TaC:

WCTTC7CoL2 (81%WC +4% TIC + 3%TaC + 12% Co), HRA = 87

Do hợp kim cứng dòn và khả năng thoát nhiệt kém (so với thép) nên dụng cụ cắt

thường được cấu tạo gồm hai phần: phần lưỡi cắt bằng hợp kim cứng và phần thân bằng thép thường, liên kết với nhau bằng hàn đồng hoặc kẹp kiểu ép hay bắt vít

©) Bục xốp tự bôi trơn

- Loại Brông thiếc: bạc xốp bằng brông thiếc (10% Sn) với độ xốp 25% sau khi tẩm

đầu trong chân không ở 70°C có thể làm việc suốt cả tuổi thọ mà không phải cho thêm

đầu mỡ Khi trục quay, ma sát làm bạc nóng lên, đầu tiết ra từ các rỗ xốp, tạo sự bôi

trơn, trục quay êm kiểu cân bằng thuỷ động Khi trục ngừng quay, nhiệt độ hạ xuống dầu được hút trở lại các rỗ xốp

1.8 GANG

Gang là hợp kim của Fe va C (C > 2,14%), ngoài ra còn có một lượng nhất định các

nguyên tố Si, Mn, P và S Có thể chia gang ra các loại sau:

1.8.1 Gang trắng

Gang trắng là gang trong đó cacbon tồn tại dưới dạng hợp chất hoá học Fe¿C

Có: gang trắng trước cùng tỉnh (C < 4,3%), gang trắng cùng tỉnh (C = 4,3%) và gang trắng sau cùng tỉnh ( C > 4,3%) Gang trắng có độ cứng cao, đòn, khó gia công cắt gọt

Gang trắng ít được sử dụng mà chỉ để ủ ra gang dẻo, đúc các chỉ tiết chịu mài mòn như

bị nghiền xi măng

1.8.2 Gang xam

Gang xám là gang mà trong đó cacbon tồn tại dưới

dang tu do dang graphit tam (graphit là một dạng tồn

tại của cacbon chứa 100%C) Gang xám là gang mà

trong tổ chức tế vi có các tấm graphit trên nền của P, hay

P + F hay F (uy theo mức độ graphi hoá)

hình 1.17 Mặt gẫy hấp thụ ánh sáng nên gọi là gang xám

Công dụng: dùng làm các chỉ tiết chịu nén, chịu kéo, có khả năng đập tắt dao động như bệ máy, hộp máy, ống

Kí hiệu: GX va hai cặp số chỉ giá trị tối thiểu của độ bền kéo và bền uốn (kG/mm?),

VD: GX 12 - 28, GX 15 - 32

1.8.3 Gang cau

Gang cầu còn gọi là gang bền cao có graphit ở

dạng cầu nhờ biến tính bằng các nguyên tố cầu hoá

graphit như Mg, Ce và các nguyên tố đắt hiếm

Tổ chức tế vi của gang cầu gồm graphit cầu và nền

kim loại là Fertt, ferit-peclit, peclit (Hình 1.18)

Cơ tính: do graphit ở dạng cầu - ít bị tập trung ứng

suất , nên gang cầu có độ bên, độ dẻo cao, có thể gia

công biến dạng được (o,, = 400 + 600 MPa)

- Công dụng: Do cơ tính tương đối tốt, tính đúc tốt Hình 1.18 Tổ chức tế nên có thể làm các chỉ tiết phức tạp thay thép (làm vi cla gang cầu

truc khuyu động cơ nhẹ )

Kí hiệu: gang cầu được kí hiệu GC với hai cặp chữ số chỉ giá trị tối thiểu của giới hạn bền kéo ơi (kG/mm’) va do déo 8; (%) Vi du: GC 40 - 10 cho ơ, 2 400 MPa, 8, > 10%

1.8.4 Gang giun

Gang giun là gang có graphit ở

dạng giun - dạng trung gian giữa

graphit tấm và graphit cầu, có thể

tạo ra gang giun bằng cách:

- Biến tính gang lỏng bằng

lượng chưa đủ để cầu hoá graphit

nhờ Ce, Mg, đất hiếm

- Biến tính gang lỏng bằng phối

hợp các nguyên tố cầu hoá như

Mg, Cc, đất hiếm và nguyên tố

khử cầu như TL, AI

Tổ chức tế vi bao gồm

80 - 100% graphit ở dạng giun va Hình 1.19: Tổ chức tế vì của

0 - 20% graphit dạng cầu, nền kim gang giun Feri - peclit (x 200)

loai 14 ferit, ferit - peclit, peclit

(hình 1.19)

25

- Tính chất: giữa gang xám và gang cầu

-_ Công dụng: dùng làm các chỉ tiết chịu lực, chịu va đập như nắp và bléc xilanh, sốc măng, phanh tầu cao tốc

1.8.5 Gang dẻo

Gang dẻo là gang có graphit ở dạng cụm (quả

bông) hình thành do ủ gang trắng trước cùng tỉnh

Tổ chức tế vi: graphit dạng cụm và nền kim loại

Ferit, Ferit -Peclit, Peclit (hình 1.20) ›

- Cotính: cao hơn của gang xám ơi, = 300+ 600 MPa, lỗ

ð=5 + I0%

- Công dụng: làm các chỉ tiết có hình đáng phức

tạp, thành mỏng (khó chế tạo bằng thép), chịu tải

trọng động như chi tiết ô tô, máy kéo, máy dệt, máy

nông nghiệp

- Kí hiệu: Gang dẻo được kí hiệu GZ với hai cặp -

chữ số chỉ giá trị tối thiểu của giới hạn bền kếo Hình 1.20 Tố chức tế ví của

a) Déng dé

Đồng đỏ là đồng nguyên chất, màu đỏ, có khối lượng riêng lớn (8,94 g/cm”), các chỉ tiêu cơ lí, hoá tính tương đối cao nên được sử dụng khá phổ biến

Đặc điểm: là kim loại đẻo vì có cấu trúc lập phương tâm mặt Các chỉ tiêu cơ tính

tăng cao sau khi qua gia công biến đạng, nhiệt độ nóng chảy 1083°C, độ chảy loãng kém; tính chống ăn mòn khá cao, độ dẫn điện cao, chỉ sau bạc

Đồng nguyên chất được sử đụng làm dây dẫn điện, các thiết bị điện, các thiết bị nhiệt

26

b) La tông (đồng thau)

La tông là hợp kim đồng, trong đó kẽm là nguyên tố hợp kim chính - kí hiệu bất đầu bằng chữ L rồi lần lượt đến kí hiệu Cu, Zn sau đó là các nguyên tố hợp kim Các con số đứng sau mỗi kí hiệu chỉ hầm lượng trung bình theo phần trăm

Ví dụ: LCuZn40Pb2: La tông có 40% Zn, 2% Pb, 58% Cu

Thường sử dụng la tông có lượng Zn < 46% Ngoài ra có thể thêm một số chất như

Pb, Sn, Fe, Mg, Ni nhằm làm tăng cơ tính, tính chống ăn mòn và cải thiện tính gia công La tông được dùng làm các thiết bị dẫn nhiệt, toả nhiệt, các tấm mỏng để dập các chỉ tiết, làm ổ trục, trục vít, bánh vít

c) Brông

Brông là hợp kim của đồng với các nguyên tố hợp kim khác Sn, AI, Pb , không có

kẽm hoặc kẽm đóng vai trò thứ yếu

- Brông thiếc (Cu-Sn): tính đúc tốt, chống ăn mòn tốt trong nước biển, trong hơi nước, Brông thiếc dùng làm bạc lót, các chỉ tiết chịu mài mòn, các chỉ tiết trong nồi hơi

- Brông nhôm (Cu-Al): có độ bền cao, tính chống ăn mòn tốt, dùng làm bơm, bánh răng, ống dẫn, ổ trượt

- Brông be-ri (Cu - Be): chứa 2 - 3% Be, có độ bền cao (ơ, = 1300MPa) gidi han đàn hồi cao, dẫn điện tốt, thường dùng làm lò xo, nhíp

1.9.2 Nhôm và hợp kim nhôm

a) Nhôm nguyên chất:

- Khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm”)

- Tính dẫn điện cao độ dẫn điện bằng 62% so với đồng song nhẹ hơn đồng 3,3 lần,

nên để truyền điện cường độ như nhau đây nhôm nhẹ bằng nửa dây đồng, bị nung nóng

ít hơn

- Chống ăn mòn tốt do bề mặt có lớp ALO, c6 do sit chat cao

- Độ bền thấp (ơ, = 60 MPa), độ dẻo cao

- Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (660°C)

- Kí hiệu (theo TCVN 1859 - 75): Bất đầu bằng kí hiệu AI, sau đó là kí hiệu các nguyên tố hợp kim chính, sau đó là các nguyên tố hợp kim phụ, các con số đặt sau kí hiệu chỉ hàm lượng theo phần trăm VD: AIMg5 là hợp kim nhôm biến dạng có 5% Mg; Hợp kim nhôm đúc có thêm chữ Ð

b) Hợp kim nhôm biến dạng

Chia làm hai nhóm nhỏ: Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền bằng nhiệt luyện

và nhóm hoá bên bằng nhiệt luyện

27

* Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền bằng nhiệt luyện:

- Hệ AI - Mn: lượng Mangan I + 1,6%; để tăng độ bền người ta sử dụng phương pháp biến dạng nguội Hợp kim này biến dạng nóng và nguội tốt, tính hàn và chống ăn mòn trong khí quyển tốt hơn nhôm nguyên chất, có thể dùng để thay thế nhôm nguyên chất khi có yêu cầu cao hơn về cơ tính

- Hệ AI - Mg: Lượng magiê < 4% Hợp kim AI - Mg thuộc một trong những hệ hợp

kim nhôm nhẹ nhất, tính hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, bể mặt sau gia công đẹp, khả năng giảm chấn khá mạnh Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp 6 tô và xây

Ung dụng: Trong các lĩnh vực hàng không, ô tô, kết cấu, tuốc bin

Nhược điểm: khả năng chống ăn mòn kém và khó hàn

- Hop kim Al - Mg - Si: So véi các hệ hợp kim nhôm biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện, cơ tính hệ này thuộc loại trung bình, tính hàn, gia công áp lực nóng tốt hơn Sử

dụng để chế tạo các chỉ tiết chịu hàn, cấu kiện tàu thuỷ với nhiệt độ làm việc < 150°C

c) Hop kim nhôm đúc

Hop kim nhôm đúc có tính đúc tốt, dễ tạo hình các chỉ tiết, yêu cầu độ chảy loãng

cao, điển đầy khuôn tốt, hệ số co nhỏ

Điển hình: Hợp kim silumin, là hợp kim của AI với 10 + 13% Sĩ có tính đúc tốt, có

thể đúc các chỉ tiết phức tạp như vỏ máy nén, vỏ xy lanh

28

làm nguội để gây ra sự biến đổi mong

muốn về tổ chức của kim loại và hợp

kim do đó thay đổi được tính chất của

kim loại và hợp kim theo ý muốn

(hình 2.1)

Theo hình vé 2.1

1¡ - Thời gian nung

+ - Thời gian giữ nhiệt (duytriở — | 7

- Cải thiện cơ tính: tăng độ bền,

tăng độ dẻo, tăng độ cứng, tăng tính

chống mài mòn của các chỉ tiết

Hình 2.1: Quy trình nhiệt luyện

- Cải thiện tính công nghệ: ví dụ trước khi tiến hành gia công cắt gọt, ta tiến hành ủ

để tăng độ dẻo, tầng khả năng gia công cất gọt Sau khi chỉ tiết qua cắt gọt, ta tiến hành

tôi và ram để tăng độ cứng và như vậy tăng tuổi thọ của chỉ tiết

- Cải thiện tính chất vật lí và hoá học của một số thép đặc biệt

2.1.3 Chuyển biến của austenit khi làm nguội

Người ta tiến hành thực nghiệm như sau: Lấy mẫu của một loại thép nhất định, trước

tiên nung nóng lên nhiệt độ trên Ac; để có được 100% là tổ chức austenit sau đó làm

nguội và giữ ở một nhiệt độ nhất định để tiến hành đo đạc Ta thấy sau một thời gian nhất định to, bắt đầu có chuyển biến từ austenit —> peclit sau thời gian rạ„ có 50% austenit

đã chuyển biến và sau thời gian +¡ ; đã có 100% austenit đã chuyển sang peclit (hình 2.2)

29

Như vậy, nếu tiến hành thực

nghiệm với một loạt mẫu của cùng

1 loại thép và duy trì ở các nhiệt độ

khác nhau ta được các tập hợp +,

%as„ T ¡o Biểu diễn chúng trên trục

tọa độ nhiệt độ - thời gian, ta thu

được đường cong chữ C (hay là

đường cong TT) (hình 2.3) Trong

quá trình làm nguội từ tổ chức Ị

austenit ta đều thu được hỗn hợp

(F + Xe), song ở các nhiệt độ khác Ị ;

nhau (ứng với các tốc độ làm nguội ot Tas Bio oA) khác nhau) độ hạt của hỗn hợp

khác nhau do vậy độ cứng cũng Hình 2.2: Chuyển biến đẳng nhiệt peclit

tang dan, ching lan lược là:

P - Peclit, X - Xodcbit, T - Trustit, r2

B- Bainit

Điều đặc biệt là khi làm nguội

với tốc độ nhanh (tôi) lớn hơn tốc

độ V, tới hạn (tiếp xúc với đường

cong chữ C) và giữ ở nhiệt độ thấp

hơn M, - ta thu được tổ chức

Mactenxit Mactenxit la dung dich

rdn quá bão hoà của cacbon trong

Fe -a, cé mang tính thể là chính

phương thể tâm, trong đó nguyên

tử sắt nằm ở đỉnh và tâm ô cơ sở,

nguyên tử cacbon nằm ở giữa các —Z

cạnh trục C và tâm hai mặt đáy \\ c

- > hình 2.4) Mactenxit là pha có độ 3

thấp, do vậy các chỉ tiết có tổ chức

Mactenxit có khả năng chống mài

mon tốt, tuổi thọ được nâng cao

=) Chuyển biến Mactenxit xảy ra x

t

{

t (

- Tốc độ làm nguội phải lớn hơn ˆ

tốc độ làm nguội tới han V, Hình 2.4: Ô cơ sở của Mactenxi

30

- Mactenxit hình thành sau khi làm nguội dưới nhiệt độ bát đầu M, và tổ chức được

coi là 100% Mactenxit khi ở dưới nhiệt độ kết thúc chuyển biến M,

Một số hợp kim có nhiệt độ M, < ŒC, do vậy muốn có Mactenxit phải làm nguội dưới ÚC, quá trình này gọi là gia công lạnh

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN

- Tăng độ dẻo để dễ cán, kéo, dập

- Khử ứng suất dư sau gia công nguội

- Tác dụng: khử ứng suất trong, không thay đối độ cứng, kích thước hạt

- Ứng dụng: ủ các chỉ tiết sau khi gia công nguội như lò xo uốn nguội

b) Ủ kết tỉnh lại

- Nhiệt độ: t= 600 + 700°C ( đối với thép)

- Tác dụng: Phục hồi các tính chất như trước khi biến dạng dẻo

- Ứng dụng: dùng cho các chi tiết gia công nguội để tiếp tục gia công

- Ung dụng: dùng cho thép trước cùng tích

- Nếu ủ và thường hoá đạt được cùng mục đích thì dùng thường hoá vì rẻ hơn, nhanh hơn

- Giảm độ cứng của thép, thích hợp cho cất gọt

- Chuẩn bị cho nhiệt luyện cuối cùng (tôi + ram)

c) Ủ không hoàn toàn

d) Ủ hoàn toàn

2.2.3 Toi

2.2.3.1 Dinh nghia

Tôi là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép lên trên nhiệt độ tới hạn giữ

nhiệt để có tố chức hoàn toàn austenit rồi làm nguội nhanh để đạt được tổ chức không

cân bằng (Mactenxit)

2.2.3.2 Mục đích

- Nâng cao độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn

- Nâng cao một số tính chất đặc biệt (tính chống ăn mồn, từ tính )

2.2.3.3 Công nghệ

a) Nhiệt độ tôi:

- Đối với thép trước cùng tích: t= Ac; + (30 + 50 °C)

- Đối với thép sau cùng tích: t= Ac¡ + ( 30 + 50 °C)

Nhiệt độ tôi của thép có thể tra trong sổ tay nhiệt luyện hoặc tính gần đúng bằng

cách quan niệm các đoạn GS, SE trên giản đồ trạng thái Fe - Fe;C là các đoạn thẳng và

tính theo tỉ lệ giữa các tam giác déng dang

b) Môi trường tôi

- Nước: Thông dụng do giá rẻ, tốc độ làm nguội cao, dùng để tôi thép cacbon Do tốc

độ nguội cao nên đễ gây cong, vênh„ nứt

- Nước pha muối, kiểm: thường pha thêm Nacl hoặc NaOH để tăng tốc độ làm nguội, dùng để tôi các chỉ tiết thép cacbon có tiết diện lớn

- Dầu: tốc độ làm nguội nhỏ, để tôi các chỉ tiết bằng thép hợp kim

©) Độ thấm tôi: Là chiều dây lớp được tôi,

phụ thuộc vào thành phần hoá học của thép

Thường lấy khoảng cách từ bể mặt chỉ tiết đến

vùng có 50% MI

2.2.3.4 Các phương pháp tôi (hình 2.6)

- Tôi một môi trường (đường 1): sau khi

nung chỉ làm nguội trong l môi trường

- Tôi hai môi trường (đường 2): Đầu tiên tôi

ở môi trường thứ nhất (nước) sau đó chuyển

sang môi trường thứ hai có tốc độ làm nguội

chậm hơn (dầu) để hạn chế ứng suất dư

- Tôi phân cấp (đường 3): Nhúng chỉ tiết vào

môi trường có nhiệt độ cao hơn M,, giữ nhiệt một thời gian ngắn, xong làm nguội tiếp

trong dầu hoặc không khí nhằm hạn chế ứng suất dư

- Tôi đẳng nhiệt (đường 4): nhúng chỉ tiết và giữ lâu trong môi trường có nhiệt độ của vùng chuyển biến bainit Ưu điểm của phương pháp này là ứng suất dư không đáng

kể, vật liệu có độ dẻo cao (tổ chức bainít), có thể không cần ram

2.2.4 Ram

Ram là dạng nhiệt luyện dùng cho các sản phẩm bằng thép sau khi tôi, nhằm giảm

ứng suất dư, tạo tổ chức ổn định và tính chất cần thiết cho vật liệu Ram được tiến hành bằng cách nung lên tới nhiệt độ thấp hơn Ac,

- Ram thấp: tiến hành ở nhiệt độ 150 - 250°C, dùng cho các sản phẩm yêu cầu độ cứng cao như đụng cụ đo, dụng cụ cất gọt sau khi ram có tổ chức Mactenxit ram, độ cứng xấp xi sau khi tôi

- Ram trung bình: t = 350 - 500°C, dùng cho sản phẩm yêu cầu tính đàn hồi cao như

Nung nhanh bề mặt cần tôi đến nhiệt độ tôi trong khi lõi của chỉ tiết vẫn còn ở nhiệt

độ thấp Sau khi tôi, lớp bề mặt có tổ chức Mactenxit, cứng, chống mài mòn tốt, còn lõi vẫn đẻo, chống va đập tốt

Thường bề mặt chỉ tiết được nung nóng bằng hai phương pháp:

- Bằng dòng điện cao tần (f = 1000 + 20.000hz), chiều dày lớp được tôi từ 0,3mm đến 15mm (tần số càng cao, chiều dầy lớp được tôi càng nhỏ)

- Bằng ngọn lửa đèn xì, có độ nóng đạt tới 3000°C Chiêu dầy lớp được tôi từ vài milimét đến vài centimét

Tôi bề mặt có thời gian nung nóng rất nhanh, chỉ vài giây đến vài phút, năng suất cao, bề mặt chỉ tiết ít bị ô xy hoá, cơ tính tốt

2.3.2 Hoá nhiệt luyện

Hoá nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện có kèm theo sự thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt Như vậy hoá nhiệt luyện gồm hai quá trình:

- Khuyếch tán vào lớp bề mặt chỉ tiết một hay nhiều nguyên tố nhằm thay đổi thành phần hoá học do đó thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt (chất thấm CN, Cr, Al )

f

ñ

34

- Nhiét luyện tiếp theo (a, tôi, ram ) nhằm cải thiện hơn nữa tính chất của lớp bể mặt và chi tiết

a) Thấm cacbon: có thể tiến hành ở thể rắn, lỏng, khí Thường khuyếch tần cacbon

vào bề mặt chỉ tiết chế tạo từ thép cacbon thấp (0,1 - 0,3%C) để nâng nồng độ cacbon đến 0,8 - 1% trên một lớp bể mặt vài milimét sau tôi + ram, lớp bể mặt có độ bền, độ cứng cao, còn lõi vấn dẻo, dai Nhiệt độ nung để thấm chọn trên Ac; (900 - 950°C)

Thấm các bon ở thể rấn: Hỗn hợp chất thấm gồm than gỗ và lượng nhỏ các chất xúc

tác (BaC0;, Na,CO, ) chi tiết xếp trong hộp kín có hỗn hợp thấm bao xung quanh và được nung lên nhiệt độ thấm Trong điều kiện thiếu ô xy, than gỗ bị cháy không hoàn toàn với sản phẩm là CO Khi gặp bể mặt thép, CO bị phân hoá tạo nên cacbon phân tử theo phan ting 2CO > CO, + Cy

Cacbon nguyên tử có tính hoạt cao, được hấp thụ và khuyếch tán vào bên trong

b) Thấm Nitơ: Là phương pháp khuyếch tán nitơ vào bể mặt chỉ tiết bằng thép để

nâng cao độ cứng và tính chống mài mon, tang kha nang chịu mỏi, chống ăn mòn Khi

nitơ khuyếch tán vào sắt, có thể tạo thành các pha (Fe,N), (Fe;N) Nhiệt độ thấm nitơ

thường thấp (480 - 650°C) nên hệ số khuyếch tán của N trong Fe rất nhỏ, nên tốc độ thấm Nitơ chậm hơn thấm cacbon hàng chục lần (sau khi thấm hàng chục giờ chỉ đạt

được chiều dày 0,1 - 0,2mm)

Tham Nitơ thường được tiến hành ở thể khí, ví dụ dùng khí NH; Thấm cùng lúc nhiều nguyên tố, ví dụ: Cacbon - Nitơ, Cacbon - Nitơ - Lưu huỳnh, cho phép cải thiện tính chất lớp thấm, rút ngắn thời gian thấm, tuy nhiên cần chú ý đến các biện pháp phòng chống độc hại, ô nhiễm môi trường

35

Chuong 3 -

ĐÚC KIM LOẠI

3.1 KHÁI NIỆM, ĐẶC DIEM, PHAN LOẠI

3.1.1 Khái niệm

Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn đúc có

hình dạng và kích thước nhất định Sau khi kim loại đông đặc, fa thu được vật phẩm có hình dạng và kích thước phù hợp với yêu cầu Vật phẩm đúc ra có thể đùng ngay được

thì gọi là cñứ riết đúc Phân lớn vật đúc còn phải qua gia công cắt gọt để tăng độ bóng bể

mặt và nhận được kích thước chính xác - gọi là phôi đúc

Sản xuất đúc là phương thức chế tạo sản phẩm kim loại rất phổ biến Có thể tiến hành

đúc trong khuôn cát, đúc trong khuôn kim loại, đúc dưới áp lực Kỹ thuật đúc ngày

càng được cải tiến nhằm tăng năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm

3.1.2 Đặc điểm

Đúc có những ưu điểm sau:

- Có thể đúc được tất cả các vật liệu nấu chẩy lỏng như: gang, thép, kim loại và hợp

kim, vật liệu phi kim loại

- Có thể đúc được những vật có khối lượng rất khác nhau, từ vài gam đến vài trăm tấn

- Có thể đúc được những chỉ tiết có hình dạng phức tạp

- Vật đúc có độ bóng, độ chính xác cao nếu áp dụng các phương pháp đúc đặc biệt

- Có thể chế tạo được các chỉ tiết có cơ tính khác nhau trong một vật đúc

- Vốn đầu tư ít, năng suất cao, sản xuất đúc luôn có lãi

Ngành đúc đang cố gắng khắc phục các nhược điểm sau:

- Giảm bớt lượng dư gia công cơ khí để giảm chỉ phí vật liệu kim loại

- Áp dụng công nghệ thích hợp để giảm bớt các loại khuyết tật như rỗ, nứt trong vật đúc

- Theo loại khuôn ta có: Khuôn đúc một lần, khuôn bán vĩnh cửu, khuôn vĩnh cửu Nghĩa là loại khuôn hoặc chỉ đúc được một vật đúc, hoặc chỉ rót được một số lần hạn chế hoặc rót được rất nhiều lần rót

- Theo mức độ ta có: Đúc trong khuôn cát, đúc đặc biệt

chiếc, linh động, đơn giản nên nó vẫn được dùng rất phổ biến

3.2.1 Quy trình sản xuất vật đúc trong khuôn cát

Quy trình sản xuất vật đúc trong khuôn cát có thể tóm tắt như sau:

- Bộ phận kỹ thuật căn cứ theo bản vẽ cơ khí vẽ ra bản vẽ vật đúc, trong đó có mặt phân khuôn, lõi, độ đốc đúc, lượng dư gia công cơ khí, dung sai, độ co ngót của kim

loại khi đông đặc "¬

- Bộ mẫu là một loạt các mẫu khác nhau như: tấm mẫu, mẫu hệ thống rót, đậu ngót Trong đó mẫu đúc và hộp lõi là bộ phận chủ yếu Mẫu đúc dùng để chế tạo lòng khuôn đúc trong hỗn hợp làm khuôn, hộp lõi dùng để làm lõi (nếu có) Mẫu, hộp lõi thường do xưởng mộc sản xuất :

- Khuôn, mẫu, hộp lõi thường làm thành hai nửa và lắp với nhau bằng các chốt định vị

- Khuôn đúc và lõi thường phải sấy khô để tăng cơ tính và khả năng thông khí

- Bộ phận nấu chảy kim loại lỏng phải phối hợp nhịp nhàng với quá trình làm khuôn,

lắp ráp khuôn để tiến hành rót kim loại lỏng vào khuôn kịp thời

- Sau khi kim loại đông đặc hình thành vật đúc trong khuôn, tiến hành đỡ khuôn, phá

lõi, kiểm tra vật đúc bằng thủ công hoặc bằng máy

- Kiểm tra là khâu cuối cùng, gồm kiểm tra hình đáng, kích thước, chất lượng bên trong 3.2.2 Những bộ phận chính để đúc vật đúc trong khuôn cát

a) Chỉ tiết ; b) Mẫu đúc ; c) Hộp lối ; d) Khuôn đúc ; e) Vật đúc

1 Tai mẫu ; 2 Lõi ; 3 Chốt định vị ; 4 Hòm khuôn ; 5 Hệ thống rót;

6 Vật đác; 7 Lòng khuôn ; 8 Đậu ngót và đậu hơi ; 9 Hỗn hợp khuôn ;

10 Xăm hơi ; 11 Lỗ thoát hơi của lỗi ; 12 Mặt phân khuôn

38

3.2.3 Hỗn hợp làm khuôn và làm lõi

a) Yêu cầu đối với hỗn hợp làm khuôn và làm lỗi

Hỗn hợp làm khuôn và làm lõi phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Tính đẻo: Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của hỗn hợp sau khi ngoại lực thôi không tác dụng Tính dẻo của hỗn hợp đảm báo tạo thành lòng khuôn, vết in khi ta lấy mẫu ra khỏi khuôn

Tính dẻo tăng khi lượng nước ° trong hỗn hợp tăng (đến 8%), đất sét, chất kết đính tăng, cát hạt nhỏ

~ Độ bền: Là khả năng của hỗn hợp chịu được tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ Khuôn, lõi cần đảm bảo bền trong quá trình vận chuyển, lắp ráp, áp lực của kim loại lỏng trong khi rót

Độ bền tăng khi lượng nước tăng đến 8%, cát nhỏ, không đồng đều, sắc cạnh và khi lượng đất sét tăng Khuôn khô có độ bền cao hơn khuôn tươi

- Tính lún: Là khả năng giảm thể tích của hỗn hợp khi có ngoại lực tác dụng Tính lún làm giảm sự cản trở của khuôn, lõi khi vật đúc đông đặc và nguội, tránh cong vênh, nứt

Tính lún đặc biệt quan trọng đối với hỗn hợp làm lõi

Tinh lún tăng khi hạt to, chất kết đính ít, chất phụ tang (vi du: min cua, rom ra, bột than)

- Tính thông khí: Là khả năng cho khí thoát qua hỗn hợp ra ngoài tránh gây rỗ khí Tính thông khí tăng khi cát hạt to và đều, lượng đất sét và chất kết dính ít, chất phụ nhiều và lượng nước ít Để tăng tính thông khí, trong quá trình làm khuôn, làm lõi,

người ta còn dùng xiên sắt tao nén cdc xAm hoi ,

- Tính bền nhiệt: Là khả năng giữa được độ bền ở nhiệt độ c cao, không bị chẩy, cháy,

không bị mềm ở nhiệt độ cao, đảm bảo hình dạng vật đúc

Tính bền nhiệt tăng khi lượng SiO; trong hỗn hợp tăng, cát to và tròn, chất phụ ít

- Độ ẩm: Là lượng nước chứa trong hỗn hợp tính bằng % Độ ẩm tăng đến 8% làm

cho độ bên, độ dẻo của hỗn hợp tăng Quá giới hạn đó sẽ có ảnh hưởng xấu

- Tính bền lâu: Khả năng có thể sử dụng hỗn hợp nhiều lần nhằm mục đích tăng hiệu quả kinh tế trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật

b) Các vật liệu làm khuôn, làm lối

Hỗn hợp làm khuôn, làm lõi bao gồm cát, đất sét, chất dính kết và chất phụ

- Cát: Là thành phần chủ yếu của hỗn hợp làm khuôn, lõi Thành phần của cát chủ yếu là thạch anh (SiO,), ngoài ra còn có một ít đất sét và tạp chất khác

- Đất sét: Thành phần chủ yếu là cao lanh có công thức hóa học là mAl,O;.nSiO;.gH,O, ngoài ra còn có một số tạp chất khác như CaCO,, Fe;O;, Na;CO; Đất sét cho vào hỗn hợp làm

khuôn, lõi nhằm mục đích tăng độ đẻo, độ bền của hỗn hợp

39