giáo trình kim loại thiết bị nhiệt

Vật liệu kim loại 1.1. Tính chất của kim loại 1.1.1 Tính chất hoá học • Kim loại là các nguyên tố hoá học ở phía trái bảng tuần hoàn Menđeleép. • Kim loại tham gia các phản ứng với á kim; • Cấu tạo nguyên tử: lớp điện tử ngoài cùng dễ tách khỏi hạt nhân trở thành điện tử tự do và nguyên tử trở thành ion dương.

§¹i häc ®μ n½ng - Tr−êng §¹i häc kü thuËt

TS §inh Minh DiÖm

Kim lo¹i thiÕt bÞ nhiÖt

§μ n½ng, 2003 Gi¸o tr×nh

§¹i häc ®μ n½ng - Tr−êng §¹i häc kü thuËt

TS §inh Minh DiÖm

Tãm t¾t bμi gi¶ng

PhÇn 2

§óc kim lo¹i

§μ n½ng, 2003

§¹i häc ®μ n½ng - Tr−êng §¹i häc kü thuËt

TS §inh Minh DiÖm

Tãm t¾t bμi gi¶ng

Ch−¬ng 4

Gia c«ng c¾t gät kim lo¹i

§μ n½ng, 2003

§¹i häc ®μ n½ng - Tr−êng §¹i häc kü thuËt

TS §inh Minh DiÖm

Tãm t¾t bμi gi¶ng

Kü thuËt c¬ khÝ

§μ n½ng, 2003

Chương 1: vật liệu kim loại

1.1 Tính chất của kim loại

1.1.1 Tính chất hoá học

• Kim loại là các nguyên tố hoá học ở phía trái bảng tuần hoàn Menđeleép

• Kim loại tham gia các phản ứng với á kim;

• Cấu tạo nguyên tử: lớp điện tử ngoài cùng dễ tách khỏi hạt nhân trở thành điện

tử tự do và nguyên tử trở thành ion dương

• Ngoài ra trong thực tế chế tạo các chi tiết máy ta cần kể đến tính chịu ăn mòn, tính chịu nhiệt , tính chịu a xít, của kim loại và hợp kim của chúng

1.1 2 Tính chất vật lý

• Kim loại là vật liệu có ánh kim;

• Hệ số giãn nở nhiệt khác nhau;

Khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực

để tạo nên hình dáng nhất định mà không bị phá huỷ

Ví dụ : Thép ít các bon dễ cắt gọt hơn thép các bon cao;

Gang xám dễ gia công cắt gọt hơn gang trắng)

e Tính Nhiệt luyện : Khả năng cho phép thay đổi cơ tính và một số tính chất của vật liệu nhờ quá trình xử lý nhiệt

1 2 Phân loại vật liệu kim loại (đơn chất)

Theo màu sắc

Kim loại đen : Fe; theo [12] còn có Co, Ni, Mn, ( màu đen xám) Kim loại màu : Al, Cu, Pt, Au,

Theo nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ Khối lượng riêng

Kim loại phóng xạ U : 1133 19,0

Ra (radi), Th (thôry) Pu (plutoni), Co,

Kim loại hiếm La, Cs (Xêzi), Nd (Nêôdim), Pr (Prascôđim)

1.3 kim loại mμu :

Kim loại màu và hợp kim màu là kim loại mà hầu như không có chứa sắt Kim loại màu thường có các tính chất đặc biệt và ưu việt hơn kim loại đen : tính dẻo cao, cơ tính khá cao, có khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Các kim loại màu thông dụng là nhôm, đồng, titan, manhê, thiếc, vàng bạc và các hợp kim của chúng

Kim loại màu có thể phân loại theo một số đặc điểm sau :

1.3.1 Kim loại nặng (có khối lượng riêng γ >= 5 g/ cm3)

Ví dụ : γ Ti = 4,51 g/ cm3

γ Al = 2,70 g/ cm3

γ Be = 1,85 g/ cm3

γ Mg = 1,74 g/ cm3 1.3.3 Nhóm kim loại quý : Au, Ag, Pt và kim loại thuộc nhóm platin

1.3.4 Kim loại hiếm : Titan (Ti), Ga, W, Li, Mo,

1.3.5 Kim loại bán dẫn : Se len (Se), As, Si, Ge ,

Al - Cu, Al - Cu - Mg (Đua - ra dùng làm vành xe đạp, )

Al - Cu - Li; Al - Mg - Li (Rất nhẹ dùng trong ngành hàng không)

Hợp kim nhôm có 2 loại : nhôm biến dạng và nhôm đúc

Latông (đồng thau là hợp kim của Cu + Zn)

LCuZn30 (Zn=30%) л70 70%Cu còn lại là Zn

Trên đây là bảng phân loại có tính tương đối Ví dụ Li có thể là kim loại nhẹ nhưng cũng có thể là kim loại bán dẫn Nói chung các kim loại bán dẫn là kim loại hiếm

Là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ

Đó là tập hợp các đặc trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải trọng cơ học tĩnh của vật liệu Chúng được xác định bằng ứng suất của tải trọng gây ra

ứng suất được ký hiệu là σ; Giới hạn bền là ứng suất cao nhất mà mẫu chịu

đựng được trước khi phá huỷ và được ký hiệu σB Tuỳ theo dạng lực tác dụng mà ta

có

Có các khái niệm : độ bền kéo (σk) ; độ bền uốn (σu) ; độ bền nén (σn)

Giới hạn bền kéo được tính theo công thức :

σB = Pmax/ Fo; Tương tự ta có thể tính giới hạn bền uốn, giới hạn bền nén

Đơn vị tính là : N/mm2; KN/m2; MN/m2

1 KG/mm2 = 9,8 106 Pa Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà khi khử bỏ lực tác dụng nó vẫn trở về trạng thái ban đầu với hình dạng, kích thước không bị thay đổi (tức là chưa xảy ra biến dạng dẻo hay lượng biến dạng không đáng kể khoảng 0,001 - 0,005 % )

Giới hạn chảy quy ước là σ0,2 - là ứng suất tại thời điểm mà mẫu bị biến dạng dư là 0,2 % so với chiều dài ban đầu

1 4 2 Đặc trưng cho tính dẻo của vật liệu :

• Độ giản dài tương đối δ = [(l1 - lo) / lo] 100 %

• Độ co thắt mẩu ψk = [(Fo - F1) / Fo] 100 %

Trong đó :

lo, l1 - độ dài của mẫu thử trước và sau khi kéo (mm)

Fo, F1 - Diện tích tiết diện của mẫu trước và sau khi kéo (mm2)

1 4 3 Độ dai va đập

Là công tiêu phí để phá huỷ một đơn vị diện tích tiết diện ngang khi có lực tác dụng đột ngột với gia tốc lớn

ak = A / F ; KG.m/cm2 hay KJ/m2

F - Diện tích tiết diện ngang tại vị trí cắt rãnh;

A - Công sinh ra để phá huỷ mẩu thử; ( KG.m)

Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng ngoài Độ cứng đặc trưng cho tính chịu mài mòn, khả năng gia công cắt, khả năng mài bóng của vật liệu

a Độ cứng Brinen ( HB)

Đầu đo là một viên bi thép đã nhiệt luyện Diện tích vết lõm của bề mặt viên

bi tác dụng lên bề mặt vật liệu đặc trưng cho độ cứng của vật liệu Diện tích này càng nhỏ thì vật liệu càng cứng và ngược lại

HB ∼ P/S;(KG/mm2)

S - Diện tích bề mặt chỏm cầu (mm2) có đường kính d (mm);

Hình 1-2 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Brinel

2

D D

2

2

2 d D D D

P S

P HB

b Độ cứng Rokwell (Rốc ven) ( HRA, HRB, HRC)

Hình 1-3 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Roocwell

Mũi đâm được làm bằng kim cương có dạng hình nón, góc ở đỉnh là 120o,

Khi đo HRA, HRC bán kính r = 0,2 mm,

Khi đo HRB bán kính r ≈ 1,588 mm

Độ cứng tỷ lệ với chiều sâu lún của mũi đâm ( 1/h );

Tuỳ thuộc vào lực tác dụng P ta có 3 thang đo độ cứng ứng với các tải trọng P như sau :

PdD

Hình nón

Mũi đo bằng kim cương dạng hình tháp có góc ở giữa 2 mặt đối xứng là

136o, đáy vuông, độ cứng được ký hiệu là

HV = P/F = (2 P.Sin α/2)/d2 ≈ 1,8544 (P/d2)

Trong đó P - Lực tác dụng lên mũi đo (KG) ;

d - Chiều dài đường chéo vết lõm (mm)

= = 14 2 , 2

Hình 1-4 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Knoop

1 5 gang vμ các ứng dụng của nó

Hình tháp

L

B

1.5.1 Đặc điểm chung của gang

• Gang có tính đúc tốt ( tính chảy loãng cao, khả năng điền đầy khuôn tốt);

• Gang có khả năng giảm chấn tốt, chịu xung nhiệt tốt, chịu mài mòn trong điều kiện không bôi trơn đầy đủ

• Giá thành rẻ hơn thép; vì thế gang được sử dụng nhiều trong việc chế tạo máy và trong công nghiệp nói chung

• Gang có tính dòn nên hầu như không có khả năng biến dạng, tính bền thấp

Gang trắng có độ cứng lớn (450 - 650 HB) Để tăng tính chịu mài mòn có va

đập, tính chịu nhiệt, gang trắng được cho thêm các nguyên tố hợp kim : Cr, Mo, Ni

Vì gang trắng khó gia công cắt gọt nên nó ít được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy, mà phần lớn dùng để luyện thép, hoặc dùng nó để ủ ra gang dẽo dùng trong đúc các chi tiết chịu mài mòn như bi nghiền xi măng,

b- Gang xám

Phần lớn hoặc toàn bộ cácbon ở trạng thái tự do (grafit dạng tấm); mặt gẫy

có màu xám (màu của grafit) Gang xám có độ bền thấp, tính dẻo kém, nhưng có

độ bền nén tốt, có khả năng tự bôi trơn khi làm việc trong điều kiện chịu mài mòn khô, có tính chịu xung nhiệt và tính giảm chấn tốt, giá thành rẻ nên được sử dụng rất rộng rãi trong việc chế tạo thân máy, bệ máy, các chi tiết chịu lực không lớn, các chi tiết có tính nghệ thuật,

Gang xám được ký hiệu là GX xx - yy

với 2 chỉ số gồm : xx Giá trị tối thiểu của độ bền kéo

yy độ bền uốn tối thiểu của gang ( KG / mm2 )

Ví dụ : GX 12-28, GX15-32, GX 18-36, GX 21-40, GX 24-44,

GX 28-48, GX 32-52, GX 36-56, ) Trong thực tế ta hay dùng các ký hiệu theo tiêu chuẩn của Liên xô (ΓOCT : Cч) và theo TCVN được ký hiệu là : GX

Trong thực tế do các điều kiện nấu luyện khác nhau có thể có dạng gang xám biến trắng Loại gang này có tổ chức thay đổi từ ngoài vào trong: lớp ngoài cùng là gang trắng, lớp trung gian là gang hoa râm ( chứa ledeburít và grafít tự do)

và lớp trong cùng là gang xám

Gang xám biến trắng thường được dùng để đúc trục cán, bánh xe gòng, các chi tiết cam, má nghiền, đầu phun cát, đầu phun bi,

c Gang bền cao (hay còn gọi là gang cầu)

Phần lớn hoặc toàn bộ các - bon ở trạng thái tự do grafit có dạng hình cầu; hợp kim làm biến tính gang là Mg hoặc Ce (xezy) và các nguyên tố đất hiếm

đối của gang δ5 (%)

d Gang dẻo (còn gọi là gang rèn)

Được chế tạo từ gang trắng ( bằng cách đem ủ gang trắng, lúc đó cácbon trong gang trắng sẽ chuyễn sang dạng bông ) có độ bền cao và có tính chịu mài mòn tốt, có tính dẻo tương đối tốt nên có thể gia công bằng áp lực

Ký hiệu theo Liên xô : Kч

Ký hiệu Việt nam: GZ + chỉ số giới hạn bền tối thiểu + độ dãn dài tương đối ( %)

Do giá thành đắt nên gang dẽo thường được dùng để chế tạo các chi tiết

nhỏ, thành mỏng, chịu va đập trong công nghiệp ( guốc hãm xe lửa, ôtô, máy kéo, máy dệt, máy nông nghiệp,

Được chế tạo từ gang xám bằng cách cho các chất biến tính vào như: Si, Al,

Ca, Fe-Si, Ca-Si,

ứng dụng gang biến tính: đúc các chi tiết có thành mỏng và phức tạp

f Gang giun

Là gang có grafít dạng giun, Đây là dạng trung gian giữa grafít dạng tấm và dạng cầu Loại gang này được chế tạo bằng cách biến tính gang lỏng bằng phối hợp các nguyên tố cầu hoá grafít như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm với các nguyên

tố khử cầu như Ti, Al Để chống khuynh hướng tạo xêmentít tự do khi kết tinh, gang lỏng được biến tính lần 2 bằng các chất grafít hoá như FeSi, CaSi,

Tính chất của gang giun nằm giữa gang xám và gang cầu, nhưng cơ tính gần giống gang cầu, còn lý tính và tính đúc thì gần giống gang xám

g Các loại gang đặc biệt khác

Gang chịu ăn mòn

Là một loại gang hợp kim cao Các nguyên tố hợp kim có thể là : Si, Cr, Ni Chúng có các loại gang sau :

Gang silic cao

( Si = 12 - 17 % có thể chịu được môi trường HNO3, H2SO4, H3PO4

Khi cho thêm Si ≈ 17 %, Mo ≈ 3,5 - 4 % thì gang có thể làm việc được trong HCl với mọi nồng độ

Các loại gang chịu nhiệt sau :

* Gang hợp kim silic Thành phần :1,6 - 2,5%C, 4-6% Si, 0,4 - 0,8%

Mn ) Có thể làm việc ở nhiệt độ 600 oC nếu là gang xám; Có thể làm việc ở nhiệt

độ 950 - 1000 oC nếu là gang cầu;

* Gang Crôm cao

( 2,4-3,6% C, 12-18% Cr)

Làm việc ở điều kiện chịu mài mòn và chịu nhiệt

Gang chứa: (2,5-2,9)%C, (25-29)% Cr làm việc được ở nhiệt độ 900 oC

* Gang các bon thấp

(1-2%C, 25-29%Cr) Làm việc trong điều kiện ăn mòn và mài mòn đến nhiệt độ 1100 oC

* Gang nhôm cao

chứa lượng nhôm khoảng > 7 %Al

( 1,3 -1,7 %C, 1,3-1,6 %Si, 0,4-1,0 %Mn, 18-25 %Al) Làm việc đến nhiệt độ 900 oC

1.6 Thép vμ các ứng dụng của nó

Thép là hợp kim của sắt với các bon và 1 số nguyên tố khác trong đó thành phần các bon : C < 2,14% Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác : Mn, Si, các tạp chất: S, P, O2, N2, H2

1.6.1 Thép các bon thông dụng

(hay còn có tên gọi là thép các bon chất lượng thường) Chúng được chia thành 3

nhóm ( theo TCVN và tiêu chuẩn của Liên xô )

Nhóm A - Đảm bảo về cơ tính của thép;

Nhóm B - Đảm bảo về thành phần hoá học (cho phép hàn)

Nhóm C - Đảm bảo cơ tính & thành phần hoá học, dùng cho các kết cấu

yêu cầu về chất lượng cao như kết cấu hàn;

KΠ - Thép sôi ( thép không được khử ô xy triệt để) ký hiệu Việt nam ( s)

ΠC - Thép nửa lắng, ký hiệu Việt nam (n) ôxy chưa được khử một cách triệt để

Dùng để chế tạo các chi tiết máy Các loại thép này có độ bền cao hơn

Ký hiệu tương tự Liên xô, chỉ thêm phía trước chữ “ C ” để phân biệt là thép các bon : C10, C20 C80, C85

CT38 c 0,2 0,1 0,5 45 25 30

CT38 s 0,2 0,05 0,5 45 25 30

17MnSi 0,2 0,5 1,2 55 35 25

Thép xây dựng dùng trong bê tông cốt thép: thép trơn, thép có khía ( hay thép rằn)

TCVN 5709 - 93 Thép kết cấu trong xây dựng : XCT34, XCT38, XCT52,

Các chữ số kèm theo là giới hạn bền kéo tối thiểu ( KG/mm2 )

CT38, CT42 Dùng cho kết cấu không yêu cầu cao về lực;

CT51,CT61, Dùng cho kết cấu có yêu cầu cao về lực; cùng với các thép: 25Γ2C (25Mn2Si), 35ΓC (35MnSi), 45 C(45Si), [12] (trang 403)

1.6.4 Thép các bon dụng cụ

Yêu cầu sắc, chịu mài mòn có độ cứng > 60 HRC ứng dụng để chế tạo dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập và các đồ nghề khác

Thành phần hoá học : Ký hiệu theo TCVN và ΓOCT Liên xô

Theo VN LX

C Mn Cr CD70 Y7 0,65-0,74 0,2 - 0,4 <0,15

Mn Có tác dụng khử ôxy, khử FeO ( FeO là chất có hại)

Mn + FeO > MnO + Fe

Mn tăng độ bền của thép

Si Có tác dụng khử ôxy Si + FeO -> SiO2 + Fe

Nếu SiO2 không thoát kịp vào xỷ thì thép sẽ ngậm xỷ làm ảnh hưởng xấu

đến cơ tính của thép

P: Hàm lượng P trong lò Besme : %P 0,07 - 0,12 ≈ %P trong gang

Trong lò MácTanh : %P 0,02 - 0,04 trong lò bazơ Trong lò điện : %P 0,02 %

Nếu hàm lượng P tăng sẽ tăng sự dòn nguội cho thép;

S: Hàm lượng lưu huỳnh S trong lò Besme %S <= 0,06 %

Trong lò badơ Mác-Tanh, hoặc thép chất lượng cao thì lượng lưu huỳnh cho phép là : S <= 0,02 - 0,03 % Trong thép thường chứa : S = 0,03 - 0,04 %

- Lưu huỳnh không tan trong thép mà nó có thể kết hợp với sắt để tạo nên :

FeS (theo phản ứng S + Fe ==> FeS) ; cùng tinh [Fe - FeS] nằm ở biên giới hạt

có nhiệt độ nóng chảy 988 oC nên sinh dòn nóng

1.7 Thép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép có chứa trong đó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp Các nguyên tố hợp kim có thể là : Mn, Si, Cr Ni, Ti, Mo, Hàm lượng của chúng phải đủ đến mức có thể làm thay đổi cơ tính hoặc một

số tính chất khác Dưới các mức yêu cầu đó người ta chỉ coi chúng như những tạp chất có trong thép

Thép hợp kim có cơ tính tốt, có khả năng nhiệt luyện tốt hơn; có thể có các

đặc tính đặc biệt như chịu ăn mòn, chịu mài mòn, bền nhiệt,

1.7.1 Ký hiệu các nguyên tố trong thép (theo tiêu chuẩn Liên xô)

a Ký hiệu Tên nguyên tố Ký hiệu

Ký hiệu trong hợp kim màu :

Ký hiệu Tên nguyên tố Ký hiệu

2 Niken tăng độ chịu ăn mòn, tăng độ bền, độ dẻo và độ dai va đập

3 Vônfram (W) tạo nên các bít cứng , làm việc ở nhiệt độ cao

4 Măng gan (Mn) tăng độ cứng, độ chịu mài mòn

5 Silic (>1-1,5% ) sẽ làm tăng độ bền nhưng tính dẻo giảm,

6 Molipđen (Mo) tăng tính chịu nhiệt, bền nhiệt, tính đàn hồi

7 Coban tăng tính chịu nhiệt, từ tính và độ dai va đập

Đồ thị biểu diễn các ảnh hưởng hàm lượng của các nguyên tố hợp kim đến

độ dai va đập được thể hiện trên hình H 1-6

của hợp kim ferrit [12] trang 350

0 1 2 3 4 5 6 Thành phần

nguyên tố hợp kim

510152025

Độ dai

va đập

NiCrMn

MoWSi

Hình 1-7 ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến độ dai va đập

của ferrit [12] trang 350

1.7.2 Phân loại thép hợp kim

Phân loại theo thành phần hợp kim :

• Thép hợp kim thấp có tổng hàm lượng các nguyên tố <2,5%

• Thép hợp kim trung bình có tổng hàm lượng các nguyên tố : (2,5 - 10 )%

• Thép hợp kim cao có tổng hàm lượng các nguyên tố > 10%%

Phân loại theo thành phần hoá học:

b Thép hợp kim dụng cụ

Có các loại thép làm dao cắt, thép làm khuôn dập, thép ổ lăn, Trong đó người ta còn chia ra dựa vào tính tôi của chúng

Thép dụng cụ có tính tôi thấp: Dùng làm đục sắt, bàn ren, khuôn ,

X05 1,25 - 1,4 0,2 - 0,4 0,4 - 0,6

0 1 2 3 4 5 6 Thành phần

nguyên tố hợp kim

510152025

Độ dai

va đập

NiCrMn

MoWSi

X06 1,05 - 1,14 0,4 - 0,7 0,4 - 0,6 65XΦ 0,6 - 0,7 0,3 - 0,6 0,45 - 0,7 85XΦ 0,8 - 0,9 0,3 - 0,6 0,45 - 0,7 Thép dụng cụ có tính tôi cao:

XΓCBΦ Thép gió : Dùng để chế tạo dao trong gia công cắt gọt

Al2O3, Các bít kim loại, Ni trit, borit,

Hợp kim cứng được chế tạo bằng phương pháp ép và thiêu kết với áp lực và nhiệt độ thích hợp

Hợp kim cứng có hai loại : đặc và xốp ( có lổ rỗng) Chúng thường được ứng dụng để chế tạo dụng cụ cắt gọt, vật liệu mũ đậy, vỏ bọc, Nhiệt độ làm việc

có thể đạt 1000 - 2000 oC trong lúc thép các bon dụng cụ, thép gió, chỉ có thể làm việc đến nhiệt độ : 700 oC

Hợp kim cứng có nhiều loại : )

Các bít Tantan

Cácbít Titan

Co Coban

σ KG/mm 2

γ ( g/cm 3 ) HRA

>=

Nhóm WC

Ngoài ra còn có một số nhóm vật liệu cứng nh− sau :

Nhóm vật liệu Cácbon - Nitrit - titan [16](trang 208 )

Nhóm vật liệu không có vônfram [16](trang 208 )

TIC% TiN% 4Ni1Mo Khối l−ợng riêng HRA Giới hạn bền uốn THM-20 79% - 21% 5,5 g/cm3 91 115 KG/mm2

Vật liệu bột mài và dụng cụ cắt

Tức là sử dụng vật liệu có độ cứng hơn để gia công vật liệu mềm hơn

Bảng 1-2

Loại vật liệu Độ cứng

Knoop

Giới hạn bền Mpa = N/mm 2

Nhiệt độ giới hạn của độ bền Kim cương tự nhiên 3,01-3,56 10.000 1900-2100 600-850

Kim cương nhân tạo

• Loại đơn tinh thể

• Loại đa tinh thể

3,48-3,54 3,30-4,00

8.600 -10.000 8.000 -10.000

2000 200-800

850

700 Nitri Bo (BN)

• Loại đơn tinh thể

• Loại đa tinh thể

3,44-3,49 3,30-3,40

9.000-9500 7.000-8.000

500 2000-3000

1.9.1 Thép làm việc ở nhiệt độ thấp [12, 16] trang 498)

Chức năng để chứa và vận chuyển các loại khí lỏng, hay vận hành trong các điều kiện có nhiệt độ thấp :

ôxy lỏng : - 183 oC Ni tơ lỏng : - 196 oC

Neon lỏng : - 247 oC Hydrô lỏng : - 253 oC Hely : - 269 oC

Các chất khí các bua hydrô hoá hơi :

T oC

σB

ak

Dòn Biến dạng dẻo

1 - Nhóm thép có độ bền dai va đập cao; Nhóm thép có cơ tính thay đổi khi thay

đổi nhiệt độ; 3- Có độ bền và độ dai va đập thấp

1.9.2 Thép nồi hơi : [16] (trang 37-38)

Là loại thép dùng cho chế tạo nồi hơi Nhiệt độ làm việc thoả mãn nhiệt độ

< 650oC, chịu tải trọng va đập, dùng để chứa hoá chất hay sản phẩm của ngành hoá dầu

Yêu cầu có giới hạn chảy cao, độ bền nhiệt cao, có tính hàn tốt, làm việc

ở điều kiện nhiệt độ cao hay nhiệt độ thấp, như thép các bon BCT34, BCT38

1.9.3 Thép không rỉ ( thép inoc hay thép chiụ ăn mòn )

là loại thép chống lại quá trình ăn mòn bề mặt trong môi trường khí và các môi trường công nghiệp khác

Dựa vào tốc độ ăn mòn ( mm / năm ) người ta chia ra thép không rỉ thành các loại sau : [9]

Bảng 1-6 Nhóm thép Lượng kim loại

bị ăn mòn

Tốc độ ăn mònThang 5 bậc Gam/(m2.h) Thang 10 bậc

Rất bền < 0,1 <0,001 Bền tuyệt đối

1 - 5 ít bền

Chống sự ăn mòn của các môi trường có hoạt tính hoá học mạnh

ứng dụng để chế tạo thép hấp phụ, hút bám, dụng cụ máy lạnh, thùng chứa axít,

Các loại thép này dùng để chứa các chất platic, chất dẽo thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh, các loại axít với nồng độ và nhiệt độ khác nhau

Để tăng tính chống ăn mòn trong môi trường axit người ta cho thêm các nguyên tố : (Mo - Cu), (Cr - Ni - Mo), (Cr - Ni - Mo - Cu),

Ví dụ : H70MΦ (Ni70MoV)

Chương 2 : hợp kim chịu nhiệt - bền nhiệt

2.1 Khái niệm chung về thép hợp kim chịu nhiệt và bền nhiệt

Khi làm việc ở nhiệt độ cao chi tiết chịu tác động của các yếu tố:Nhiệt độ, tác dụng hoá học của môi trường; tác dụng của áp lực; tác dụng của ứng suất;cho nên chúng phải có các yêu cầu đặc biệt so với các loại thép các bon thông dụng 2.2 Yêu cầu đối với chi tiết khi làm việc ở nhiệt độ cao

• Phải có tính bền nhiệt; giữ vững cơ tính ổn định ở nhiệt độ cao;

• Có khả năng chịu tải trọng lớn ở To cao;

• Phải có tính chịu nhiệt tốt: tức là có khả năng chóng lại sự phá huỷ do ăn mòn hoá học của bề mặt vật liệu trong môi trường khí ở nhiệt độ cao

2.3 Quá trình ôxy hoá thép

Thép là hợp chất của sắt và các nguyên tố khác như Mn, Si, ở nhiệt độ cao sắt trong thép sẽ tác dụng mạnh với ôxy và tạo thành một loạt các liên kết hoá học như : FeO, Fe3O4; Fe2O3

• Khi To < 570 oCLớp ôxýt có 2 vùng: Fe2O3 - Fe3O4 Cấu trúc tinh thể của chúng rất phức tạp & tốc độ khuyếch tán vào trong kim loại rất nhỏ

• Khi To > 570 oC - Lớp ôxýt chứa 3 loại: Fe2O3 - Fe3O4 - FeO Trong đó lớp FeO

là lớp ôxýt chủ yếu, lớp này xốp nên O2 dễ khuyếch tán vào kim loại

T = 570 oC bắt đầu hình thành lớp oxid FeO;

T = > 750 oC FeO chiếm khoảng 95 % trong thành phần lớp oxid

T oC

911oC

FeO FeO +

Fe2O3 + Fe3O4 Fe3O4

Fe γ + FeO

Fe α +

Hình 2-1 Giản đồ trạng thái Fe - O 2 i[12] (trang 448)

Hình 2 - 6 Sự phụ thuộc của độ bền lâu (1000 giờ) và

nhiệt độ của một số hợp kim (page 456 Guliaev).

Chú ý:

• Một số kim loại có nhiệt độ làm việc T = (0,7 - 0,8 )Tnc của KL đó

• Một số kim loại có nhiệt độ làm việc T < 0.5 Tnc của KL đó

• Tính bền nhiệt thay đổi theo hình

• Tính bền nhiệt phụ thuộc các nguyên tố cơ bản trong hợp kim

• Nhiệt độ càng tăng thì khoảng tính bền hẹp lại (hình trên) có nghĩa là

ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và chế độ nhiệt luyện giảm xuống

Vùng chịu nhiệt

2 1

Các cơ tính của vật liệu chịu nhiệt không thể đánh giá bằng một thông số mà phải kết hợp nhiều yếu tố lại với nhau vì các loại vật liệu chịu nhiệt có các yêu cầu khác nhau để phù hợp với từng loại chi tiết máy

Ví dụ

• Loại tuốc bin thường làm việc trong 10 năm , lượng biến dạng ≈ 1%

• Tuốc bin khí máy bay làm việc trong khoảng 300 - 3000 giờ nên ứng suất lớn hơn loại trên

• Tên lửa vượt đại dương chỉ làm việc trong vài phút ở nhiệt độ cao , điều kiện làm việc rất khắc nghiệt Tên lửa cấp 1, cấp 2 (vệ tinh phóng lên quỷ đạo trong vài giây nên yêu cầu có độ bền nhiệt rất cao)

2.4 Các phương pháp hoá bền ở nhiệt độ cao

Nguyên tắc chung để tạo ra ra các vật liệu có cấu trúc lý tưởng ( không có lệch mạng tinh thể ) hoặc tạo ra một cấu trúc có nhiều cản trở cho chuyển động lệch trong mạng tinh thể để chống lại biến dạng dẻo Trong thực tế có thể có một

số phương pháp hoá bền vật liệu thép như sau :

2.4.1 Hoá bền bằng dung dịch rắn

• Khi tạo dung dịch rắn mạng tinh thể bị xô lệch, mối liên kết nguyên tử trong mạng cũng biến đổi do vậy giới hạn bền được tăng lên

• Trường hợp tạo thành dung dịch rắn hoà tan vô hạn:

Hình 2-7 Giản đồ trạng thái 2 nguyên tố hoà tan vô hạn

• Khi thử cơ tính ở nhiệt độ thường, giới hạn bền đạt giá trị lớn nhất

σ max ứng với 50% thành phần các tố nguyên tố của mối loại

σ max dịch về phía nguyên tử có nhiệt độ cao hơn

Vì vậy để tạo dung dịch rắn có độ bền cao cần chọn dung môi là kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao

Trường hợp tạo thành dung dịch rắn hoà tan có hạn:

Độ bền nóng lớn nhất ứng với thành phần tạo thành dung dịch rắn quá bão hoà

ToC nguyên tố B

• Chất lượng hoá bền phụ thuộc vào độ phân tán của các phần tử pha thứ 2;

• Các phần tử thứ 2 phải có tính ổn định cao, chậm tích tụ, hoặc phân huỷ khi tăng nhiệt độ

• Hoá bền bằng pha thứ 2 tự tiết ra từ dung dịch rắn Trước hết phải tạo dung dịch rắn bão hoà, sau đó đem hoá già , từ dung dịch rắn sẽ tiết ra pha thứ 2 gây hoá bền Các pha hoá bền đó là: các - bít, nitrít; các pha liên kim loại

• Để hoá bền thép bền nóng người ta hợp kim hoá những nguyên tố có độ hoà tan giới hạn với sắt hoặc với các nguyên tố hợp kim khác có mặt trong thép những pha liên kim loại Thoả mãn nhất là các nguyên tố: Cr, W, Mo

Đồng thời để tăng cơ tính của thép bền nóng cần phải hợp kim hoá các nguyên tố tạo các bít mạnh như Ti, Nb, V

Phương pháp hoá bền bằng pha thứ 2 tự tiết ra từ dung dịch rắn chỉ có tác dụng trong khoảng nhiệt độ nhất định ở nhiệt độ cao pha thứ 2 bị tan vào dung dịch rắn mất tác dụng hoá bền

Phương pháp hoá bền nhờ pha thứ 2 đưa vào bằng nhân tạo

• Các pha này hầu như không tan vào dung dịch rắn có tính ổn định cao mà được

đưa vào bằng các liên kết những các-bít phức tạp:

(Cr, W, Mo)23C6; (Nb, V)4C3 hoặc các ôxýt Al2O3, MgO, ZrO3

Các loại này thường có trong các hệ Al - Al2O3

Ni - MgO

Mo - ZrO3

2.4.3 Hoá bền biên giới hạt

ở nhiệt độ cao, quá trình khuyếch tán xảy ra rất mạnh theo biên giới hạt, do vậy gây ra thải bền nhanh chóng Các hạt dễ trượt lên nhau, làm tăng tốc độ dão, giảm độ bền lâu

Để hoá bền biên giới hạt người ta đưa vào thép bền nóng một lượng nhỏ các nguyên tố có tính hấp phụ bề mặt lớn làm giảm sự khuyếch tán ở biên giới hạt Về mặt này thoả mản nhất là nguyên tố Bo ( B )

2.5 thép chịu nhiệt - bền nhiệt

2.5.1 Thép chịu nhiệt

Trong môi trường ăn mòn mạnh : như dung dich axit, muối,

Nếu tốc độ ăn mòn ≤ 0,1 mm/năm được coi là thép chịu axit hay muối tốt

Nếu tốc độ ăn mòn ≤ 1 mm/năm được coi là thép không gỉ đạt yêu cầu

Nếu tốc độ ăn mòn > 1 mm/năm được coi là thép bị gỉ (page 342 VLH )

ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

Crôm là nguyên tố có vai trò quyết định đối với tính chất không gỉ của thép Thép không rỉ thường chứa các nguyên tố hợp kim: Cr, (Ni) Cr có tác tác dụng tăng thế

điện cực của dung dịch đặc của sắt để lớp bề mặt có thể tạo ra 1 màng mỏng thụ

động hoá ổn định, xít chặt trong môi trường ôxy hoá Thành phần Cr trong thép phải lớn hơn 12 %

Các nguyên tố hợp kim khác

• Chất tăng tính chóng ăn mòn của thép;

• Cải thiện cơ tính và các tính chất khác;

• Các tạp chất trong thép mà không thể tách được trong quá trình nấu luyện

Chống sự ăn mòn của các môi trường có hoạt tính hoá học mạnh

ứng dụng để chế tạo thép hấp phụ, hút bám, dụng cụ máy lạnh, thùng chứa axít,

Các loại thép này dùng để chứa các chất platic, chất dẻo thuỷ tinh, sợi thuỷ tinh, các loại axít với nồng độ và nhiệt độ khác nhau

Để tăng tính chống ăn mòn trong môi trường axit người ta cho thêm các nguyên tố : (Mo - Cu), (Cr - Ni - Mo), (Cr - Ni - Mo - Cu),

Ví dụ : H70MΦ (Ni70MoV)

2.5.3 Thép bền nhiệt

Là loại thép có độ bền cao khi làm việc ở nhiệt độ cao,[12] trang 471)

12MX (12MoCr), 12XMΦ (12CrMoV), X18H10T (Cr18Ni10Ti),

X18H12T Cr18Ni12Ti), 0X18H12b (0Cr18Ni12B)

Trong thực tế cơ tính của các hợp kim phụ thuộc vào khoảng nhiệt độ làm việc, giá trị của chúng sẽ thay đổi nếu khoảng nhiệt độ tối ưu mà các vật liệu có độ bền cao để chọn vật liệu cho phù hợp ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim hoà tan vao thép đến độ bền lâu như hình

0 1 2 3 % Nguyên tố hợp kim [12] (trang 461)

MM

Hình 2-8 ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến độ bền lâu của sắt

Hình 2-9 Giới hạn bền của một số hợp kim ở nhiệt độ cao [12] (trang 464)

1- Thép Cr-Ni kết cấu có nhiệt độ làm việc T < 300 o C

Hợp kim khó chảy Mo, Cr có thể làm việc ở nhiệt độ T > 900 oC

Dựa vào thành phần hoá học, tổ chức của thép người ta chia ra các nhóm chính sau

+ Các HK làm đường ống có nhiệt độ làm việc T = 500 - 650 oC

+ Tuốc bin khí , kỹ thuật tên lửa có nhiệt độ làm việc T > 650 oC

2.5.3 Nhóm thép bền nhiệt péc lít

• Đây là nhóm thép bền nhiệt có hàm lượng các nguyên tố hợp kim thấp

200 400 600 800 1000 ToC

KG/mm2 800 600 400

200

Thép Cr-Ni

Hợp kim bền nhiệt -Ni Hợp kim bền nhiệt ferrit

Khoảng (4 - 5)% các nguyên tố hợp kim

Sử dụng chủ yếu trong chế tạo nồi hơi , các đường ống dẫn hơi

Nhiệt độ làm việc < (500 - 600) oC

Pha chính là dung dịch rắn α + pha dư các-bít

Giới hạn bền dão là đặc tính chủ yếu của loại thép này (Giới hạn bền dão là với biến dạng chảy 1% sau thời gian nhất định 10.000 h; 100.000 h; 200.000 h;

• Thành phần hoá học một số thép péclít: (G.465)

C Cr Mo V 12MX (12MoCr) 0,09 -0,16 0,4 -0,6 0,40 - 0,6

12XMφ(12CrMoV) 0,08 -0,15 0,4 - 0,6 0,25 - 0,35 0,15- 0,30 12XM (12CrMo) 0,09 -0,16 0,8 -1,1 0,40 - 0,60

• Cr cũng có tác dụng tương tự nhưng yếu hơn Mo, Cr = (0,5 - 1,0) %

• Tăng dần Cr thì tổ chức chuyển dần sang Martenxít

• Độ bền nóng của thép này chủ yếu do ( Mo + Cr) làm hoá bền dung dịch rắn tăng nhiệt độ kết tinh lại của phe-rít

• Các nguyên tố phụ: W, V, có tác dụng:

• Làm nhỏ hạt;

• Tạo pha thứ 2 hoá bền;

• Ngăn cản sự tiết ra khỏi dung dịch rắn ( các nguyên tố hợp kim chính như: Cr, Mo

Thép Péc lít chứa ít Cr do vậy tính ổn định nóng kém, dể tạo lớp vảy ôxyt ở nhiệt độ cao; dễ có khuynh hướng dòn nhiệt Đây là hịên tượng dòn xuất hiện khi nung lâu trong vùng (T = 400 500) oC và không phụ thuộc tốc độ nguội

Dòn nhiệt xuất hiện ngay cả trong thép bền nóng péc lít ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn 400 - 500 oC

Cũng như dòn ram, dòn nhiệt sẽ làm giảm độ dai va đập đột ngột, nhưng không làm thay đổi các chỉ tiêu khác về cơ tính

Nguyên nhân :

Do tiết ra các tạp chất theo biên giới hạt γ ( ôstenit) trước đây trong quá trình nung

Khắc phục bằng cách nhiệt luyện:

+ Tôi trong dầu với vận tốc nguội Wng = 200 - 300 độ/s

(Vận tốc nguội (Wng.) của dầu < W ng nước)

Wng nước = 600 oC/s

T nung = 900 - 950 oC Ram cao = 600 - 650 o hoặc ram cao 700 - 750 oC

2.5.4 Nhóm thép bền nhiệt Martenxít, Martenxit-Ferit :

Mác thép C Cr Mo V Nb

• Đây là một dạng thép không rỉ có thêm các nguyên tố hoá bền như : W, Mo, V

• Những thép này có độ bền nhiệt và tính ổn định nhiệt (chịu nhiệt) cao do nhiệt độ kết tinh lại được nâng cao và pha các-bít M23C6 cầu hoá chậm hơn M3C

• Các nguyên tố W, Mo, V, X 12 % làm tăng độ bền nhiệt

Độ bền nhiệt của một số thép [12](trang 466 )

• Dòn nhiệt 475-khác với dòn ram ở chổ độ dai va đập giảm đột ngột, khi dòn -475, kèm theo tăng độ bền , giảm khả năng chịu ăn mòn, giảm tính ổn định hoá học

• Dòn 475 có tính thuận nghịch , tức là tính dẻo có thể phục hồi bằng cách ram thép ở nhiệt độ 600-650 oC và làm nguội trong dầu

( Nguyên nhân do phân huỷ dung dịch rắn Fe-Cr với sự tiết ra pha dòn giàu Cr kiểu siêu cấu trúc trật tự )

Nhóm 1 : Thép không hoá bền bằng nhiệt luyện

Tổ chức hoàn toàn γ (Ostenit )

X18H9, X18H10T

NLuyện Tôi ở T = 1050-1100 oC trong nước hoặc trong không khí

Tăng bền & tăng cứng do tiết ra pha hoá bền Các-Bít, Nitrít,

các pha liên kim loại,các pha này có độ phân tán cao quan hệ liền mạng với

pha nên gây sai lệch mạng , kết quả làm tăng bền

Nh−ợc điểm của nhóm thép này là :

* Dòn nhiệt khi nung ở nhiệt độ 550-600 oC

* Dòn nhiệt làm giảm độ dai va đập kèm theo thay đổi tính dẻo, độ

bền lâu Nguyên nhân do sự phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà γ theo biên

giới hạt & tiết ra pha denta “ σ ” kiểu Fe-Cr

Độ bền tức thời của một số thép nhóm này [12] (trang472)

Mác thép σB σ100 σ1000

T = 600 700 800 600 700 600 700

1X18H10T 35 30 25 25 12 20 10 KG/mm2 X18H12b 38 33 28 28 15 22 12 KG/mm2 1X14H18B2bP 45 42 - 35 24 28 17 KG/mm2 1X14H18B2b 45 38 - 35 24 30 18 KG/mm2

4Cr12Ni8Mn8MoVNb 0,34-0,40 11-13,5 7-9 V=1.2-1.5 1,1-1,4Nb

Cr12Ni20Ti3 0,10 10-12,5 18-21 Ti(2,6-3,2)

Thép này dùng để chế tạo các supáp động cơ, cánh tuốc bin khí, các chi tiết chịu nóng của các động cơ phản lực và cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ 600-700

oC Tất cả các thép này có chứa Cr, Ni và các nguyên tố khác gây hoá bền

Tính chất của thép ostenit bền nhiệt

* Bền nhiệt , chịu nhiệt cao, dẻo;

* Có tính hàn tốt , nh−ng mối hàn dòn cần phải nhiệt luyện sau khi hàn

* Hệ số giản nở nhiệt lớn;

* Gia công áp lực và cắt gọt khó hơn loại thép Péclít và Martenxít

* Dòn ở T 550-600 C

* Tính bền nhịêt cao do cấu trúc mạng tinh thể lập phương diện tâm,

sít chặt hơn, liên kết bền nhiệt độ kết tinh lại cao

2.5.5 Thép Hợp kim bền nhiệt Ni-Co

C Cr Ni Al Mo W Ti Hợp kim cơ sở sắt :

• Các loại vật liệu chủ yếu là HK Ni - Co còn các HK trên cơ sở sắt

không làm việc ở nhiệt độ cao dược

• HK Ni - Cr có cơ tính thấp, không hoá bền bằng nhiệt luyện được thường

Mác thép Nhiệt độ làm việc Cr17Ni13Mo2Ti Tiếp xúc với phốt pho nóng

Cr6Si, 1Cr13, và môi trường axit

Cr25Ni20Si2 Ch/tiết tuốc bin, ống nồi hơi

2Cr13, 1Cr13 Cánh tuốc bin hơi, supáp ,van, vít, ống 500 oC

1Cr11MoV Cánh tuốc bin hơi 550 oC

1Cr14Ni16NbB ống hơi có áp lực cao 650-700 oC CrNi70WmoTiAl Cánh tuốc bin 800 - 850 oC Thép bền nhiệt dùng cho bu lông và đai ốc

3.1 Khái niệm chung về nhiệt luyện

Quá trình gia công kim loại thường có ba giai đoạn chính:

1 Quá trình luyện kim là giai đoạn đầu nhằm chế tạo ra các kim loại và hợp kim khác nhau

2 Quá trình chế tạo phôi, gia công cơ và các dạng gia công khác để chế tạo chi tiết máy

3 Nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi những tính chất cần thiết cho vật liệu theo yêu cầu sử dụng trước hoặc sau khi gia công

Phần lớn các dạng gia công nhiệt luyện nằm ở giai đoạn cuối của quá trình sản xuất cơ khí Sản phẩm cơ khí có thể tiến hành mạ, mài chính xác, để nhận được sản phẩm theo yêu cầu Nhiệt luyện giữ vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất cơ khí Nhờ có nhiệt luyện mà ta có thể tạo cho vật liệu những tính chất đặc biệt, làm cho tuổi thọ được nâng cao, kích thước chi tiết được thu nhỏ, chất lượng sản phẩm được tăng lên, nâng cao hiệu quả sử dụng, hạ giá thành sản phẩm, tăng hiệu quả kinh tế 3.1.1 Định nghĩa : Nhiệt luyện là một quá trình gia công nhiệt bao gồm 3 quá trình : nung nóng chi tiết đến nhiệt độ cao, giữ nhiệt độ đó một thời gian nhất định sau đó làm nguội ở trạng thái rắn với những tốc độ theo yêu cầu

3.1.2.Các yếu tố quan trọng khi nhiệt luyện :

1 Nhiệt độ nung cao nhất mà phương pháp nhiệt luyện yêu cầu;

2 Tốc độ nung nóng ứng với các khoảng thời gian và nhiệt độ nhất định;

3 Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ đã xác định;

4 Tốc độ làm nguội ứng với các giai đoạn làm nguội;

Hình 3-1 Sơ đồ quá trình nhiệt luyện

1 - Giai đoạn nung nóng 2 - Gia đoạn giữ nhiệt; 3 - Giai đoạn làm nguội

Nhiệt độ nung là nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt được

Thời gian giữ nhiệt là thời gian cần thiết để duy trì chi tiết tại nhiệt độ nung đã xác định nhằm đảm bảo cho các quá trình biến đổi kim loại

Tốc độ làm nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian ( oC/s )

3.1.3 Mục đích của nhiệt luyện :

làm thay đổi tổ chức cấu tạo của kim loại để nhận được các tính chất theo yêu cầu

3.1.4 ý nghĩa :

Nhiệt luyện là khâu không thể thiếu được trong ngành cơ khí và luyện kim hiện

đại Nhờ có nhiệt luyện ta có thể tạo ra các tính chất đặc biệt của hợp kim tạo điều kiện cho các quá trình gia công tiếp theo được dễ dàng và nâng cao khả năng làm việc của các chi tiết máy

3.2 Điều kiện nhiệt luyện

Để thoả mãn các yêu cầu trên không phải tất cả các kim loại đều nhiệt luyện

được mà chỉ có những vật liệu mãn các yêu cầu sau :

1 Khi nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội kim loại phải có quá trình chuyển biến thù hình

2 Khi làm nung nóng hay làm nguội, thì kim loại hoặc hợp kim tuy không thay đổi về

tổ chức, nhưng do ảnh hưởng của nhiệt độ khi nhiệt luyện làm cho tổ chức kim loại

từ trạng thái không ổn định trở lại trạng thái ổn định hơn

3 Trong điều kiện nhất định làm thay đổi lượng hoà tan của một số nguyên tố nào đó hoặc các nguyên tố kim loại khác có thể xâm nhập vào chi tiết máy làm thay đổi thành phần hoá học của kim loại hay hợp kim, do đó làm thay đổi cơ tính, lý tính và hoá tính của kim loại hay hợp kim

Hình 3-2 Giản đồ trạng thái sắt - các bon

Hợp kim sắt - cácbon : là gang, thép và các hợp kim khác

Giản đồ trạng thái Fe - C sẽ cung cấp cho ta những khái niệm về cấu trúc của hợp kim Fe - C và cụ thể là gang, thép Trong thực tế không dùng loại hợp kim có %C

≥ 6,67 % do đó ta nghiên cứu trong giới hạn C <= 6,67%

Ghi chú :

• Trục tung chỉ nhiệt độ ;

• Trục hoành chỉ hàm lượng cácbon ( %C )và hàm lượng sắt ( % Fe);

• Nằm sát bên trái là sắt nguyên chất ( Fe), bên phải là xementít Fe3C hàm lượng các bon = 6,67%

• Bản thân Fe có hai dạng mạng tinh thể : lập phương thể tâm Fe(α), và dạng lập phưong diện tâm Fe (γ)

• Pha lỏng : Dung dịch lỏng của các bon hoà tan trong sắt pha lỏng tồn tại trên đường ABCD

• Xementít : trên đường thẳng DFEL

• Ferit : dung dịch dặc của cácbon trong Fe(α) nằm phía trái đường GPQ và AHN

• Ôstenít Dung dịch đặc của các bon trong Fe(γ) nằm ở khu vực NJESG Trên giản

đồ 3 đường // HJB, ECF, PSK đó là 3 đường phản ứng đẳng nhiệt :

Đường HJB ở T = 1486

Đường ECF ở T = 1147

Đường PSK ở T = 727

S - là điểm cùng tích, C - điểm cùng tinh

Trên giản đồ trạng thái Fe-C ta thấy nung nóng hoặc làm nguội thép đều phát sinh sự biến chuyển về tổ chức tinh thể của thép được gọi là nhiệt độ tới hạn hay điểm tới hạn Trên giản đồ có nhiều nhiệt độ tới hạn ở đây ta chỉ nghiên cứu một số giá trị quan trọng A1, A2

• A1 = ( PSK ) khi nung gọi là Ac1, khi làm nguội Ar1 Ac1 ≠ Ar1

• A3 = ( GS ) khi nung gọi là Ac3, khi làm nguội Ar3 Ac3 ≠ Ar3

• Acm = ( PSK ) khi nung gọi là Acm, khi làm nguội Acr Acm ≠ Acr

3.4 Các phương pháp nhiệt luyện

Trong thực tế có nhiều phương pháp nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, nhuộm màu, ở đây ta chỉ làm quen một số phương pháp chính: ủ, tôi , ram, thường hoá và hoá nhiệt luyện

3.4.1 ủ kim loại

ủ là qúa trình nung thép đến nhiệt độ cao hơn Ac1 hay Acm cũng có thể nhỏ hơn Ac1 sau đó giữ nhiệt và làm nguội chậm cùng lò Có thể làm nguội cùng lò đến nhiệt độ khoảng 500 - 600 oC ) sau đó làm nguội ngoài không khí U thường là quá trình nhiệt luyện sơ bộ để chuẩn bị cho khâu nhiệt luyện hay gia công tiếp theo

a Mục đích

1 Chuẩn bị cho các bước gia công tiếp theo, cải thiện tính cắt gọt cho kim loại

2 Khử các khuyết tật do các nguyên công gây ra như rèn, đúc, gia công nguội từ đó cải thiện cơ tính của thép, Khử ứng suất bên trong thép

3 Tăng tính dẻo hay phục hồi tính dẻo của thép sau khi cán nguội

4 Làm đồng đều thành phần hoá học trong thép ;

5 Chuẩn bị tổ chức kim loại để tôi

b Các phương pháp ủ :

ủ hoàn toàn ( kết tinh lại hoàn toàn) :

Là qúa trình nung thép đến nhiệt độ cao hơn điểm A3 giữ nhiệt độ một thời gian sau đó làm nguội chậm đến khoảng 300oC, lấy ra khỏi lò, tiếp tục làm nguội trong không khí

Mục đích của ủ hoàn toàn là làm cho tổ chức nhỏ hạt và phân bố tương đối đều, nhờ vậy cơ tính tăng Mặt khác do nguội chậm nên độ cứng thấp và có tổ chức péc - lit ổn

định do đó dễ cắt gọt, ứng suất bên trong nhỏ, tạo nên tổ chức tốt cho khâu tôi tiếp theo

Sơ đồ quả trình ủ hoàn toàn

Hình 3-3 Sơ đồ quá trình công nghệ ủ kim loại

Khái niệm : Là phương pháp nhiệt luyện, nung thép đến nhiệt độ chuyển biến pha trên

đường Ac3 hay trên Acm + ( 30 50o C) , giữ nhiệt độ đó một thời gian , sau đó làm nguội ngoài không khí ( Thực chất là một dạng ủ đặc biệt nhưng tốc độ ủ ở đây cao hơn phương pháp ủ thường)

Có thể tôi thép trong một môi trường, tôi trong hai môi trường, tôi phân cấp, tôi

đẳng nhiệt, tôi toàn bộ, tôi bộ phận ( như tôi bề mặt) ,

Hình 3-5 Sơ đồ quá trình công nghệ tôi thép

b Mục đích

+ Tăng độ cứng và tính chịu mài mòn của vật liệu;

+ Chuẩn bị cho khâu nhiệt luyện tiếp thép như ram, để đạt được những tính chất theo yêu cầu

Ac1

Ac3

t (thời

T

• Cải thiện cơ tính cho thép ( làm giảm một ít độ cứng, tăng tính dẻo cho thép) ;

• Khử ứng suất dư do quá trình tôi sinh ra

c Các phương pháp ram

+ Ram thấp : T = 150 - 250 oC

+ Ram thấp : T = 300 - 450 oC

+ Ram thấp : T = 500 - 650 oC

Ram là một trong những phương pháp quyết định đến cơ tính của thép

3 5 Sơ đồ tổng hợp quá trình nhiệt luyện

Hình 3-6 Sơ đồ tổng quát một số phương pháp nhiệt luyện chủ yếu

3 6 Hoá nhiệt luyện

3.6.1 Khái niệm

Đây là một phương pháp nhiệt luyện đặc biệt mà thực chất của nó là nung thép

đến nhiệt độ cao ( đến vùng tồn tại O stenit ) rồi cho một số nguyên tố ( cácbon, ni tơ, ) xâm nhập vào bề mặt của vật liệu, kết quả làm thay đổi thành phần hoá học lớp bên ngoài của vật liệu Sau đó tiến hành nhiệt luyện để nhận được những tính chất theo yêu cầu

So với phương pháp nhiệt luyện thông thường thì đây là phương pháp có làm thay đổi thành phần hoá học trên những bề mặt cần thiết của thép, do vậy làm thay đổi cơ tính trên bề mặt so với cơ tính bên trong của chi tiết

Các giai đoạn của hoá nhiệt luyện

1 Giai đoạn phân hoá : là quá trình phân huỷ các phân tử để tạo nên các nguyên tử có hoạt tính hoá học mạnh và có khả năng khuyếch tán vào bề mặt của chi tiết cần thấm

2 Quá trình hấp thụ vào bề mặt kim loại để tạo nên sự chênh lệch về nồng độ trên bề mặt và bên trong vật thể