Bài giảng môn Cơ khí đại cương: Chương 3 - ThS. Vũ Đình Toại

Chương 3: Hợp kim Sắt - Các bon (Fe-C). Những nội dung chính trong chương này gồm có: Khái niệm, phân loại, tính chất của hợp kim sắt, các bon, gang, hợp kim cứng,... Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

Trang 1

Faculty of Mechanical Engineering

Welding Engineering and Metals´

Technology

IV Hợp kim Sắt - Các bon (Fe-C):

1 Giản đồ trạng thái của hợp kim Fe-C:

Trang 2

Technology

- Đờng ACB là đờng lỏng phân biệt pha lỏng hoàn toàn với pha lỏng đã có tinh thể rắn

- Đờng AECF là đờng đặc ứng với điểm bắt đầu nóng chảy hoặc hoá rắn hoàn toàn

- Đờng GS (A3); SE (Am); GP và PQ tơng ứng với giới hạn chuyển biến pha trong trạng thái hoá

rắn

- Đờng PSK (A1) là đờng chuyển biến cùng tích khi nguội đến đó sẽ bắt đầu sự chuyển biến cùng

tích hỗn hợp cơ học

Trang 3

Technology

1.1 Các tổ chức của hợp kim Fe-C:

- Đờng ACB là đờng lỏng phân biệt pha lỏng hoàn toàn với pha lỏng đã có tinh thể rắn

- Đờng AECF là đờng đặc ứng với điểm bắt đầu nóng chảy hoặc hoá rắn hoàn toàn

- Đờng GS (A3); SE (Am); GP và PQ tơng ứng với giới hạn chuyển biến pha trong trạng thái hoá

rắn

- Đờng PSK (A1) là đờng chuyển biến cùng tích khi nguội đến đó sẽ bắt đầu sự chuyển biến cùng

tích hỗn hợp cơ học

1.1.1.1 Tổ chức xêmentit (Xê) là hợp chất hoá học của Fe và C (C% = 6,67%)  Fe 3 C

>> Tổ chức này đợc kết tinh qua ba giai đoạn và nằm trong hầu hết các khu vực

>> Đây là một tổ chức có độ cứng cao, tính công nghệ kém, độ giòn lớn nhng chịu mài mòn tốt

>> Trên từng khu vực độ giàu xêmentit (Xê) giảm dần từ Xê 1 đên Xê 3

1.1.1 Các tổ chức 1 pha:

Trang 4

Technology

1.1.1.2 Tổ chức ôstennit (, Os) là dung dịch đặc xen kẽ của cacbon trong Fe (Fe)

>> Lợng hoà tan C trong Fe tối đa là 2,14% ở 1147 0 C Tại 727 0 C lợng hoà tan C là 0,8%

>> Khu vực AESG chỉ tồn tại một pha ôstenit riêng biệt

>> ôstenit là pha dẻo và dai, rất dễ biến dạng

>> Vì nó tồn tại riêng biệt chỉ ở nhiệt độ trên 727 0 C nên không quyết định tính chất cơ học khi kim

loại chịu tải mà chỉ có ý nghĩa khi gia công áp lực nóng và nhiệt luyện

Trang 5

Technology

1.1.1.3 Ferit (, F) là dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe (Fe)

>> 727 0 C hoà tan 0,02%C

>> Nhiệt độ càng giảm lợng hoà tan càng giảm nên có thể coi ferit là sắt nguyên chất

>> Ferit rất dẻo, mềm và có độ bền thấp

1.1.2 Các tổ chức 2 pha:

1.1.2.1 Peclit (P) là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit (Xê 2 )

>> Khi hạ t o xuống 727 0 C, cả ferit và xêmentit cùng kết tinh ở thể rắn tạo nên cùng tích peclit (điểm S)

>> Cơ tính của Peclit phụ thuộc vào lợng F và Xê và phụ thuộc vào hình dạng của Xê (tấm hay hạt)

Trang 6

Technology

1.1.2.2 Lêđêbuarit (Lê) là hỗn hợp cơ học cùng tinh của  và Xê (Xê 1 )

>> Tại 1147 o C và 4,43%C cùng tinh Lê hình thành tại điểm C

>> Xuống dới 727 o C, một phần  chuyển thành P

>> Lợng Xê trong Lê khá lớn nên Lê có độ cứng cao, dòn

1.1.2.3 Graphit (Gr) là cacbon ở trạng thái tự do

>> Gr kém bền, dòn, nở thể tích khi kết tinh

Trang 7

Technology

C = 0,8%

ThÐp sau cïng tÝch

C > 0,8%

Gang tríc cïng tinh

C < 4,43%

Gang cïng tinh

C =4,43%

Gang sau cïng tinh

C > 4,43%

Trang 8

Technology

2 Thép cacbon:

2.1 Khái niệm về Thép cacbon:

Thép cacbon là hợp kim của Fe-C với hàm lợng cacbon nhỏ hơn 2,14% Ngoài ra

trong thép cacbon còn chứa một lợng tạp chất nh Si, Mn, S, P, …

 Nguyên tố ảnh hởng lớn nhất trong thép là cacbon Chỉ cần thay đổi một lợng

rất nhỏ C, đã làm thay đổi nhiều tính chất lý, hoá của thép

- C tăng  độ cứng và độ bền của thép tăng lên còn độ dẻo và độ dai lại giảm xuống

- Thay đổi hàm lợng cacbon  làm thay đổi cả tính công nghệ, tính đúc, tính hàn

và tính rèn dập

- Khi hàm lợng của chúng thích hợp (Mn  0,75% và Si  0,35%) có khả năng

khử ôxy khỏi các ôxyt sắt, làm tăng độ bền, độ cứng của thép

- Tuy nhiên không nên cho nhiều tạp chất loại này vì nó sẽ phơng hại đến một số

tính công nghệ nh gia công cắt gọt nhiệt luyện v.v…

- Nguyên tố S sẽ làm cho thép bị dòn nóng (bở nóng)

- Nguyên tố P lại làm thép bị phá huỷ ở trạng thái nguội – dòn nguội

 Vì thế cần hạn chế S và P dới mức 0,03%

Trang 9

Technology

2.2 Phân loại Thép cacbon:

2.1.1 Phân loại theo tổ chức tế vi và hàm lợng C trên giản đồ trạng thái

- Thép trớc cùng tích với tổ chức Ferit + Peclit ( C < 0,8%)

- Thép cùng tích: thép có tổ chức Peclit ( C = 0,8%)

- Thép sau cùng tích trong đó có Peclit + Xêmentit ( C > 0,8%)

2.1.2 Phân loại theo hàm lợng C thờng dùng

- Thép cacbon thấp: C < 0,25%

- Thép cacbon trung bình: C = 0,25% 0,5%

- Thép cacbon cao: C > 0,5%

2.1.3 Phân loại theo phơng pháp luyện kim

- Thép lò chuyển: chất lợng không cao, hàm lợng kém chính xác

- Thép lò mác tanh (Martin): chất lợng cao hơn trong lò chuyển một ít

- Thép lò điện: chất lợng cao hơn nhiều, khử hết tạp chất tới mức thấp nhất

2.1.4 Phân loại theo phơng pháp khử Ôxy

- Thép sôi: chứa nhiều rỗ khí nên kém dẻo và dai

- Thép nửa sôi: chất lợng cao hơn thép sôi vì còn ít rỗ khí hơn

- Thép lắng: độ bền cao hơn thép sôi và thép nửa sôi

Trang 10

Technology

2.1.5 Phân loại theo công dụng

- Thép cacbon thông dụng (thép thờng): cơ tính không cao, chỉ dùng để chế tạo các chi

tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ Thờng dùng trong ngành xây dựng, giao thông

 Thép cacbon thông dụng đợc ký hiệu bằng hai chữ CT và chia ba nhóm A , B và C

Nhóm A: chỉ đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng, v.v…)

Nhóm B: đánh giá bằng thành phần hoá học

Nhóm C: đánh giá bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hoá học

Liên Xô (GOST 380 - 71) Liên bang Nga

Trang 11

Technology

 TCVN 1756 -75 quy định ký hiệu thép thông dụng: sau CT ghi chỉ số giới hạn bền

b [kG/mm2] thấp nhất ứng với mỗi ký hiệu

Ví dụ: CT38 có giới hạn bền b = 38  49kG/mm 2 (380  490N/mm 2 )

 Các nhóm B và C cũng có ký hiệu trên cơ sở nhóm A nhng thêm vào phía trớc chữ cái B

hay C để phân biệt

Ví dụ: CT31  BCT31  CCT31

>> Thép sôi: thêm ký tự S vào phần cuối, ví dụ CT31S

>> Thép nửa sôi: thêm ký tự n vào phần cuối, ví dụ: CT31n

>> Thép không có ký hiệu thêm là thép lắng

- Thép cacbon kết cấu: là loại thép có hàm lợng tạp chất S, P rất nhỏ, tính năng lý hoá

tốt, hàm lợng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng

Ký hiệu: tơng tự nh ký hiệu của Liên Xô chỉ khác ở chỗ có thêm chữ cái C phía trớc để

Trang 12

Technology

- ThÐp cacbon dông cô: lµ lo¹i thÐp cã hµm lîng cacbon cao (0,7 1,3%C), cã hµm lîng

t¹p chÊt S vµ P thÊp (<0,025%)

Ký hiÖu thÐp cacbon dông cô

Liªn X«: Y7, Y8, Y8A, Y9, …, Y13

TCVN: CD70, CD80, CD80A, CD90, …, CD130

thÐp dông cô cacbon hµm lîng cacbon lµ 0,7%

ChØ thÐp tèt

Trang 13

Technology

3 Gang:

3.1 Khái niệm về Gang:

Gang là hợp kim Fe- C, hàm lợng lớn hơn 2,14% và cao nhất cũng < 6,67%C

Cũng nh thép, trong gang chứa các tạp chất Si, Mn, S, P và các nguyên tố khác

Do hàm lợng cacbon cao hơn nên tổ chức của gang ở nhiệt độ thờng cũng nh ở nhiệt

độ cao tồn tại lợng xementit cao Đặc tính chung của gang là cứng và dòn, có nhiệt độ

nóng chảy thấp và dễ dúc

 Thành phần tạp chất trong gang gây ảnh hởng khác so với thép cacbon

- Cùng với C, nguyên tố Si thúc đẩy sự graphit hoá, nghĩa là phân huỷ Fe 3 C thành Fe

và cacbon tự do khi kết tinh

- Ngợc lại Mn lại cản trở sự graphit hoá nhằm tạo ra Fe3C của gang trắng

 Lợng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5  3,0 còn Mn thay đổi tơng ứng với Si

ở giới hạn 0,5  1,0%

- Tạp chất S và P làm hại đến cơ tính của gang Nhng nguyên tố P phần nào làm tăng

tính chảy loãng, tăng tính chống mài mòn do đó có thể hàm lợng đến 0,1  0,2%P

- Cacbon càng nhiều thì khả năng graphit hoá càng mạnh, nhiệt độ chảy càng giảm

làm tính đúc càng tốt Nhng tăng hàm lợng cacbon sẽ làm giảm độ bền, tăng dòn Vì

vậy trong gang xám chẳng hạn, hàm lợng cacbon giới hạn từ 2,8  3,5%

Trang 14

Technology

3.2 Phân loại Gang:

3.1.1 Phân loại theo tổ chức tế vi và hàm lợng C trên giản đồ trạng thái

- Gang trớc cùng tinh có tổ chức Peclit + Lêđêbuarit (C < 4,43%)

- Gang cùng tinh: có tổ chức Lêđêbuarit (C = 4,43%)

- Gang sau cùng tinh có tổ chức Lêđêbuarit + Xêmentit (C > 4,43%)

3.1.2 Phân loại theo tổ chức và cấu tạo

- Gang trắng là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe 3 C

 Gang trắng chỉ hình thành khi có hàm lợng C, Mn… thích hợp và với điều kiện

nguội nhanh ở các vật đúc thành mỏng, nhỏ

 Gang trắng không có ký hiệu riêng

Z Tổ chức xementit có nhiều trong gang trắng làm mặt gãy của nó có màu sáng

trắng!

- Gang xám là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng graphit Nhờ có vậy grathit nên

mặt gãy có màu xám

Trang 15

Technology

 Tổ chức tế vi của gang xám gồm: nền cơ sở và các garaphit dạng tấm

 Nền của gang xám có thể là: ferit, pherit - peclit , peclit

Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào hai yếu tố:

* Tổ chức của nền: độ bền của nền tăng lên từ nền pherit đến peclit

* Số lợng, hình dạng và phân bố graphit

 Gang xám có độ bền nén cao nhng bền kéo kém, chịu mài mòn tốt, đặc biệt có tính

đúc tốt

Ký hiệu Gang xám: GX xx-yy (Liên xô: Cч xx-yy)

xx = hai con số chỉ độ bền kéo

yy = hai con số chỉ độ bền uốn

- Gang cầu là loại gang có thể có tổ chức nh gang xám, nhng graphit có dạng thu nhỏ

thành hình cầu

Trang 16

Technology

 Gang cầu có độ bền cao hơn gang xám nhiều, đặc biệt có độ dẻo bảo đảm Có thể so

sánh cơ tính gang cầu xấp xỉ bằng thép mác thấp

gọi là cầu hoá để tạo ra graphit hình cầu Kết quả là cũng trên các nền tơng tự nh gang

Ký hiệu Gang cầu: GC xx-yy (Liên xô: Bч xx-yy)

yy = hai con số chỉ độ dãn dài tơng đối %

- Gang dẻo là loại gang chế tạo từ gang trắng bằng phơng pháp nhiệt luyện (ủ)

cum

u t

C Peclit

C

Fe  0 

3

Ký hiệu Gang dẻo: GZ xx-yy (Liên xô: Kч xx-yy)

yy = hai con số chỉ độ dãn dài tơng đối %

Trang 17

Technology

4 Thép hợp kim:

4.1 Khái niệm về Thép hợp kim:

- Thép HK là loại thép có chứa trong nó một hàm lợng các nguyên tố HK thích hợp

- Hàm lợng của chúng phải đủ đến mức có thể làm thay đổi cơ tính thì mới đợc coi là chất

cho thêm, nếu dới mức đó thì chỉ là tạp chất

Các đặc tính cơ bản của Thép hợp kim:

hai loại thép cacbon và hợp kim có cơ tính tơng tự, nhng nếu nhiệt luyện và ram hợp

lý thép hợp kim sẽ tăng cơ tính rõ rệt

nguyên tố hợp kim trong các tổ chức của thép cacbon

mòn; có thể tạo ra thép từ tính cao hay không có từ tính; độ giãn nở vì nhiệt rất nhỏ

Các sự biến đổi khi Hợp kim hoá:

+ Các dung dịch đặc trong thép cacbon hoà tan thêm nguyên tố hợp kim tạo nên sự

thay đổi có lợi các toạ độ trên giản đồ trạng thái hoặc tạo ra các pherit hợp kim bền

hơn

+ Trừ một số nguyên tố nh Ni, Si, Al… đa số các nguyên tố khác nh Cr, W, Ti… đều

kết hợp với cacbon tạo nên cacbit hợp kim

Trang 18

Technology

Trang 19

Technology

Trang 20

Technology

+ Đa số các nguyên tố làm cho độ quá nguội tăng lên, nên đờng cong chữ "C' dịch về

bên phải Điều đó sẽ tạo điều kiện để nhiệt luyện dễ dàng hơn

+ Một số nguyên tố kết hợp với thép cacbon và môi trờng ngoài tạo nên lớp vỏ ôxyt rất bền

để bảo vệ

4.2 Phân loại Thép hợp kim:

4.2.1 Phân loại theo thành phần hợp kim trong thép:

- Thép hợp kim thấp: có tổng lợng các nguyên tố hợp kim đa vào < 2,5%

- Thép hợp kim trung bình: có tổng lợng các nguyên tố hợp kim từ 2,5  10%

- Thép hợp kim cao: có tổng lợng > 10%

4.2.2 Phân loại theo tên gọi các nguyên tố HK chủ yếu:

- Thép Mn, thép Si, thép Cr, thép Ni, thép Cr-Ni,

4.2.3 Phân loại theo công dụng:

- Thép hợp kim kết cấu: là loại thép trên cơ sở thép cacbon kết cấu cho thêm các

nguyên tố hợp kim (0,1  0,85% C và lợng phần trăm nguyên tố hợp kim thấp )

> Thép HK kết cấu phải qua thấm cacbon rồi mới nhiệt luyện thì cơ tính cao

> Loại thép này đợc dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ

chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao v.v…

Ký hiệu: 15Cr, 20Cr, 20CrNi , 12CrNi 3A, 12Cr2Ni4A, 40CrMn, 35CrMnSi

Trang 21

Technology

- Thép hợp kim dụng cụ: là loại thép cần có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt

và chịu mài mòn cao Hàm lợng cacbon trong thép HK dụng cụ từ 0,7  1,4%; các nguyên

tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si và Mn

> Thép HK dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt Sau nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 - 62

HRC

Ký hiệu: 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12 và OL100Cr1,5

 Riêng loại thép làm ổ lăn thờng chứa hàm lợngCr cao hơn và ký hiệu theo tên riêng của nó OLCr0,6; OLCr1; OLCr1,5

> Trong tổ chức của thép gió gồm các nguyên tố cacbon, crôm, vonfram, côban, vanadi và

sắt

> Thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 650 0 C

> Hàm lợng các nguyên tố trong thép gió:

8,5  19% W; 0,7  1,4%C; 3,8 4,4%Cr; 1  2,6V và một lợng nhỏ Mo hay Co

Ký hiệu: 90W9V2; 75W18V; 140W9V5; 90W18V2…

- Thép gió: là một dạng thép HK đặc biệt để làm dụng cụ cắt và các chi tiết máy có yêu cầu

cao

Trang 22

Technology

> Có hai loại thép không gỉ: loại hai pha pherit + cacbit; loại một pha ostennit

Ký hiệu: 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr19Ni9, 12Cr18Ni9Ti,…

+ Thép bền nóng là loại thép HK làm việc ở nhiệt độ cao mà độ bền khôn giảm,

không bị ôxy hoá bề mặt

Ký hiệu: 12CrMo, 10Cr18Ni12N6, 04Cr14Ni14W2Mo,…

+ Thép từ tính là loại thép có khả năng khử từ cao

> Có thể dùng thép dụng cụ cacbon đợc hợp kim hoá một lợng 2  3% Cr

> Cũng có thể dùng hệ hợp kim Fe- Al -Ni hoặc Al - Si - Fe

Ký hiệu: AlNi1, AlNi2, 50Ni - 50%Ni; 38NiSi - 38%Ni và 38%Si…

Các ký hiệu vật liệu của một số nớc: tự đọc SGK

Tiêu đề	Hợp Kim Sắt - Các Bon (Fe-C)
Tác giả	ThS. Vũ Đình Toại
Trường học	Trường Đại Học Kỹ Thuật
Chuyên ngành	Cơ khí đại cương
Thể loại	Bài giảng

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	11,96 MB