Bao cao giua ky (Thep Cacbon)_Giang

Chúng là các nguyên tố có ích, cótác dụng tốt đến cơ tính: nâng cao độ cứng, độ bền cũng làm giảm độ dẻo, độ dai, song với lượng ít như vậy không có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của thé

BÁO CÁO GIỮA KỲ TÊN ĐỀ TÀI: THÉP CACBON

GVHD: PGS TS Đặng Vũ Ngoạn Môn học: Công Nghệ Vật Liệu Mới

Họ và tên: Nguyễn Trường Giang Năm sinh: 30/09/1987

Lớp: 03SDHKTCK

(TP.HCM, Tháng 11 Năm 2020)



Thép cacbon là thép thông thường (thép thường), ngoài cacbon ra còn chứamột số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng đượcgọi là tạp chất thường có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đưa vào Trong số cáctạp chất có một số có lợi và một số có hại Hãy xem xét các nguyên tố đó.

Tạp chất có lợi: mangan và silic

Bất kỳ thép nào dù đơn giản đến đâu cũng có mangan và silic với lượngkhông vượt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do:

- Quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như ôxyt mangan,ôxyt silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO

→ Mn, SiO2 → Si) đi vào gang rồi vào thép

- Khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phầnkhông tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép {ferô là

loại hợp kim trung gian, dễ luyện vì có nhiệt độ chảy tương đối thấp,

là nguyên liệu để pha chế, sử dụng trong quá trình luyện kim; nóchứa sắt, cacbon (> 1%) và lượng lớn nguyên tố hợp kim tương ứng

Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}

- Trong các điều kiện thông thường của quá trình luyện, các thép đều

có chứa ≤ 0,80%Mn, ≤0,40%Si Chúng là các nguyên tố có ích, cótác dụng tốt đến cơ tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm

độ dẻo, độ dai), song với lượng ít như vậy không có ảnh hưởng đáng

kể đến cơ tính của thép cacbon

Tạp chất có hại: phôtpho và lưu huỳnh

Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặngsắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang) Chúng làm thép giòn do đó phảiđược khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao nhất cũng không đượcvượt quá 0,05% cho mỗi nguyên tố

Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa:

Đặc trưng của công nghiệp luyện kim hiện đại là sử dụng lại (tái chế) ngàycàng nhiều với tỷ lệ cao thép, gang và hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần

là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim) Do vậy ngay trong thépcacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau:

- Crôm, niken, đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng củachúng không được vượt quá 0,50%

- Vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố

nguyên tố trên trong thép thường cũng tăng lên.

Song dù như vậy người ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì:

- Không cố ý đưa vào

- Với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổchức và cơ tính của hợp kim Fe - C, về cơ bản thép tạo thành có tổchức phù hợp với giản đồ pha Fe - C

Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên

tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụngcủa thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp)

Tổ chức tế vi:

Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệxêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽtăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng(ủ)

- C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắtnguyên chất

- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lênlượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùngtích

- C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùngtích

- C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %Ctăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép saucùng tích

Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo

Hình 5.1 ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ).

- Tính cơ học

Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trìnhbày trên hình 5.1

Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB

Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng

25 đơn vị

Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) làm) và độ dai va đập (aK) làmcho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càngnhỏ đi Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δ giảm 6%,

aK giảm 300kJ/m2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) tươngứng là 3% và 200kJ/m2 Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng,càng kém dẻo dai và càng giòn Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượngpha xêmentit cứng và giòn tăng lên

Ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σbb không đơn giản như đối với độcứng Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 - 0,50%C σbb tăng khoảng 70

- 90MPa, trong khoảng 0,60 -0,80%C σbb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đạitrong khoảng 0,80 - 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σbb lại giảm đi Có thể giảithích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng sốchốt cản trượt cho pha này do vậy σbb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn làpeclit, khi vượt quá 0,80 - 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lướixêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không nhữnggiòn mà còn làm giảm giới hạn bền

Vai trò của cacbon Công dụng của thép theo thành phần cacbon

phần lớn công dụng của thép Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trướctiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim Điều khá kỳ diệu

là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%)

có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào cóđược Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính

và công dụng rất khác nhau như sau

- Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền,

độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, đượcdùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội Muốn nâng caohiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng cao độ bền độ cứng phảiqua thấm cacbon

- Thép có cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) có độ bền, độ cứng, độdẻo, độ dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quảtôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếulàm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.Thép cócacbon tương đối cao (0,55 - 0,65%) với ưu điểm là có độ cứngtương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiếtđàn hồi

- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tínhchống mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôndập, dụng cụ đo

- Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình cólượng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65% Thật ra các giới hạn vềthành phần cacbon kể trên để định ranh giới giữa các nhóm cũngkhông hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi chút

có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém

Nói chung tính đúc của thép không cao Ảnh hưởng của các tạp chất thườngcó:

- Mangan

- Mangan được cho vào mọi thép dưới dạng ferô mangan để khử ôxythép ở trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại:

- Mn + FeO → Fe + MnO

- (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

- Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh

- Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nângcao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơtính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉnằm trong giới hạn 0,50 - 0,80% nên ảnh hưởng này không quantrọng Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh

- Silic

- Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt

để thép ở trạng thái lỏng:

- Si + FeO → Fe + SiO2

- (SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

- Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độcứng của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, songlượng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 -0,40% nên tác dụng này cũng không rõ rệt

- Phôtpho

- Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần

Fe - C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xôlệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khilượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng vàgiòn Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ởnhiệt độ thường) Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đã trở nên giòn.Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnhnên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơitập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% làgiới hạn gây ra giòn)

- Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nênthay vì FeS sẽ tạo nên MnS Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC,dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất địnhnên không bị chảy hoặc đứt, gãy Sunfua mangan cũng có lợi cho giacông cắt

II Cấu tạo, liên kết

1 Khái niệm về kim loại

vĐịnh nghĩa

Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điệncao

vCấu tạo mạng tinh thể của kim loại

tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân)

+ Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật củacác nguyên tử (phân tử) trong không gian (Hình 1.2 a)

+ Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua các nguyên tử, các mặt nàyluôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể (Hình1.2 b)

chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2 c) Trong thực tế để đơn giản chỉ

cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ Tuỳ theo loại ô

cơ bản người ta xác định các thông số mạng Ví dụ như trên ô lậpphương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của

ô Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A

+ Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ởtâm của khối lập phương

+ Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên

tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm

ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau

Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn…

Như vậy có thể xem một khối kim loại nguyên chất là tập hợp vô số cácmạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô sốcác ô cơ sở và dạng của từng ô cơ sở tùy thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó

2 Tính thù hình của kim loại

v Định nghĩa

Là một kim loại có thể có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau tồn tại ởnhững khoảng nhiệt độ và áp suất khác nhau

v Đặc tính thù hình

theo nhiệt độ từ thấp đến cao: α, β, γ) mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành, δ…

chất bên trong Đây là đặc tính quan trọng khi sử dụng chúng

Ví dụ: Khi nung nóng sắt người ta thấy ở trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu

mạng tinh thể khác nhau do đó tính chất của sắt ứng với từng kiểu mạng cũngkhác nhau

3 Cấu tạo của hợp kim

v Định nghĩa

Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại

v Ưu điểm của hợp kim so với kim loại

Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các ưu điểm sau:

khí vật liệu sử dụng phải có các yêu cầu như độ bền cao, tuổi thọ sửdụng lâu Về mặt này thì hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất,chúng có độ cứng, độ bền cao hơn hẳn trong khi độ dẻo và độ dai vẫn

đủ cao

công áp lực nhưng khó đúc, gia công cắt kém, không hóa bền đượcbằng nhiệt luyện Hợp kim có tính công nghệ khác nhau và phù hợpvới từng điều kiện gia công: gia công áp lực ở trạng thái nóng vànguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện… đảm bảo cho chế tạo sản phẩm

có năng suất cao

một cách triệt để như kim loại

- Các dạng cấu tạo của hợp kim

Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguyên tốcấu tạo nên chúng Khi ở dạng lỏng, các nguyên tố hòa tan lẫn nhau để tạo nêndung dịch lỏng Tuy nhiên, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ hình thành các tổchức pha của hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa cácnguyên tố Có thể có các tổ chức pha như sau:

gọi là dung dịch rắn

gọi là hợp chất hóa học

các pha trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơhọc

v Dung dịch rắn

Khi nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong cùng mộtkiểu mạng Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: dung dịch rắn xen kẽ và dungdịch rắn thay thế

Dung dịch rắn xen kẽ Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ởkhoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ

Sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn

- Dung dịch rắn thay thế Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thếnguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thay thế

- Cơ tính chung của dung dịch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhiên độ

dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất

v Hợp chất hóa học

Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa cácnguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học Mạng tinhthể của hợp chất khác với mạng thành phần Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổnđịnh cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau

Cơ tính chung của hợp chất hóa học: có độ cứng cao, độ dòn cao do có kiểu

mạng tinh thể phức tạp không giống với kiểu mạng của kim loại nguyên chất đồng

v Hỗn hợp cơ học

Trong hệ hợp kim, có những nguyên tố không hòa tan vào nhau cũng khôngliên kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuầntúy, thì gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học Như vậy hỗn hợp cơ học không làmthay đổi mạng nguyên tử của nguyên tố thành phần Vì để tạo được liên kết cơhọc nguyên tử các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạngtinh thể

Cơ tính chung của hỗn hợp cơ học: phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạothành Muốn đánh giá cơ tính của hợp kim tạo thành tại nhiệt độ xác định phải căn

cứ vào tỉ lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành

III Tính chất

1.Tính chất chung của kim loại và hợp kim

Tính chất cơ học.Tính chất vật lý Tính chất hóa học.Tính chất công nghệ

Độ bền Độ cứng Độ dẻo.Độ dai va đập.Khối lượng riêng.Tính nóng chảy.Tínhgiãn nở.Tính dẫn nhiệt.Tính dẫn điện.Từ tính.Tính chịu ăn mòn.Tính chịunhiệt.Tính chịu axit.Tính đúc.Tính rèn.Tính hàn.Tính cắt gọt

a Cơ tính

Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịutác động của các loại tải trọng Các đặc trưng đó bao gồm:

- Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực bên ngoài mà không bị

phá hỏng Tùy theo các dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độbền: độ bền kéo (sk), độ bền nén (sn), độ bền uốn (su) Đơn vị đo của độbền thường dùng là N/mm2 hoặc MN/mm2

- Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác

dụng lên kim loại thông qua vật nén Nếu cùng một giá trị lực nén mà vếtlõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu đó càng kém Thử độcứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơn vị đo độcứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC), Vicke(HV)

- Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà không bị

phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài Để xác định độ dẻo người tathường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu saukhi thử độ bền kéo:

- Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi bị

kéo đứt

- Độ thắt tiết diện tương đối (ψ) và độ dai va đập (aK) làm): là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết diện

sau khi bị kéo đứt

- Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất

- Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi bị đốt nóng và đôngđặc lại khi làm nguội Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặcsang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy Điểm nóng chảy có ýnghĩa quan trọng trong công nghệ đúc, hàn

- Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc bịlàm lạnh Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng

và ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống

- Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loạithay đổi Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở

- Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại So sánhtính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thìtính dẫn điện cũng tốt và ngược lại

- Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường Sắt, coban,niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ Tínhnhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bêntrong của kim loại

c Hóa tính

Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khácnhư: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy Tính năng hóa học của kim loại cóthể chia thành các loại sau:

- Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môitrường xung quanh

- Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy trongkhông khí ở nhiệt độ cao

- Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môitrường axit

d Tính công nghệ

Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ baogồm các tính chất sau:

- Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích

- Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợpkim Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt

- Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nungnóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo

- Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được xác địnhbằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắtgọt

nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạothành sản phẩm.

IV Phân loại kim loại:

Trong thực tế tồn tại nhiều phương pháp phân loại kim loại, đây là một trongnhững phương pháp thường sử dụng nhất

Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc trưngriêng biệt cần để ý để sử dụng thép được tốt hơn

Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện

Rõ ràng là thép càng ít tạp chất có hại (P, S) và các khí (H, O, N) có độ dẻo,

độ dai càng cao tức có cơ tính tổng hợp cao, chất lượng càng cao Các phươngpháp luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ởcác mức cao thấp khác nhau do đó tạo cho thép chất lượng tốt, xấu khác nhau Cónhiều phương pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại

ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lòL-D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các phương pháp làm sạchtạp chất ngoài lò

Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau

- Chất lượng thường, lượng P, S chỉ được khử đến mức 0,050% (hay caohơn một chút) cho mỗi nguyên tố Phương pháp luyện thép L-D thườngchỉ đạt được cấp chất lượng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao vàgiá thành thép rẻ Cấp chất lượng này thường chỉ áp dụng cho nhómthép có yêu cầu không cao như một số thép xây dựng thông dụng

- Chất lượng tốt, lượng P, S được khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên

tố Phơng pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễdàng đạt được cấp chất lượng này Cấp chất lượng này thường áp dụngcho các nhóm thép dùng trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầucao hơn

- Chất lượng cao, lượng P, S được khử khá cẩn thận, đến mức 0,030%cho mỗi nguyên tố Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khửmạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào ) vẫn có thể đạt được cấp chấtlượng này bằng phương pháp luyện thép trong lò điện hồ quang

- Chất lượng rất cao, lượng P, S được khử ở mức triệt để nhất: 0,020%cho mỗi nguyên tố Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt đượcgiới hạn này Thép sau khi luyện ở lò này được tinh luyện tiếp tục: khửtạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ Ngoài ra để giảm tối

đa lượng khí chứa trong thép người ta phải áp dụng đúc rót thép trongchân không

Các thép cacbon có thể được cung cấp ở ba cấp chất lượng: thường, tốt vàcao (ít gặp) Các thép hợp kim không có cấp chất lượng thường, chỉ có các cấp:tốt, cao và rất cao Thép xây dựng thường chỉ yêu cầu chất lượng thường, trongkhi đó thép chế tạo máy phải có chất lượng từ tốt trở lên Riêng thép làm ổ lănphải đạt cấp chất lượng rất cao

Theo phương pháp khử ôxy

Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi

tử sắt dễ khuếch tán, hàn kín lại khi cán nóng) nên nói chung không ảnh hưởngxấu đến cơ tính của thép đã qua biến dạng nóng Các đặc điểm của thép sôi là:

- Do không được khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, thường là ≤0,05 - 0,07%, nên ferit của thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội

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

rỗ khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh hưởng rất xấu đến

cơ tính

- Không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trongthép vẫn còn ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra,mối hàn chứa nhiều bọt khí

- Không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do khôngđược khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn

Thép lặng là loại được khử ôxy triệt để bằng cả ferô mangan lẫn ferô silic làchất khử mạnh và nhôm, nên trong thép lỏng không xảy ra phản ứng trên, mặtthép lỏng luôn "phẳng lặng" (nên có tên là thép lặng) Các đặc điểm của thép lặnglà:

- Do được khử bằng ferô silic nên chứa một lượng nhất định silic, thườngtrong khoảng 0,15 - 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khódập nguội hơn

- Trong tổ chức không có rỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơn, có cơ tínhcao hơn thép sôi, các vật đúc bằng thép phải được chế tạo bằng théplặng, tuy nhiên lõm co trong thép lặng khá lớn (phần này phải cắt bỏ đilàm giảm hiệu quả kinh tế)

- Trong các kết cấu hàn chảy chỉ được phép dùng thép lặng

- Các chi tiết thấm cacbon chỉ được làm bằng thép lặng

Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép lặng được sử dụng rộng rãi hơn

Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ được khử ôxybằng ferô mangan và nhôm Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và théplặng Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh hướng thay thế cho thépsôi

Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, song thép cacbon có thể ở cả ba loại: sôi,lặng và nửa lặng

- Thép xây dựng là loại chủ yếu được dùng trong xây dựng để làm cáckết cấu thép dưới dạng các thanh dài, tấm rộng ghép lại, chúng đòi hỏi

cơ tính tổng hợp song không cao Thép xây dựng tuy có cần bền song

Hỉnh 1.2- Liên kêt kim loại.

phải có độ dẻo cao để dễ uốn khi lắp ghép và độ dai cao để khó bị pháhủy giòn, có tính hàn tốt

- Thép chế tạo máy đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn nên nóichung đòi hỏi chất lượng cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khivẫn phải bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai

Thép dụng cụ là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu làcứng và chống mài mòn

Trong thực tế người ta sử dụng tất cả các cách phân loại trên

- Theo khối lượng riêng:

Kim loại được chia làm hai nhóm : kim loại nhẹ và kim loai nặng

Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 Ví dụnhư sắt (T = 7,8) , vàng (Y = 19,5) , thủy ngân (Y = 13,1)

Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5g/cm3 Ví dụ nhưnhôm (T = 2,7) , ti tàn (T = 4,5) , mangan (T = 1,73 )

- Theo nhiệt độ nóng chảy:

Kim loại được chia làm hai nhóm kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao : sắt(1539oC) , vonphram (3410oC) , titan (1668o C), đồng (1085oC)

Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp : chì (327oC) , nhôm ( 657oC) , stibi(631oC)

- Theo tính chất hoạt động :

Kim loại kiềm : natri, kali, liti

Kim loại chuyển tiếp : sắt,

crôm ,mangan ,vanadi

- Liên kết kim loại : Trong kim

loại phần lớn các nguyên tử nhườn bớt

điện tử để trở thành ion dương còn các

điện tử trở thành điện tử tự do Các điện

tử này không bị chi phối bởi một nguyên

tử nào cả Giữa các ion dương vơi nhau và

bằng giữa các lực này là cơ sở của liên kết kim loại Đây là dạng liên kêt quantrọng của kim loại, nhờ mối liên kết này mà kim loại có tính dẻo rất cao

- Các tính chất của kim loại :

Trong phần này ta chỉ nghiên cứu các tính chất được sử dụng trong cơ khí làchủ yếu Ngoài ra còn xem xét thêm một vài tính chất khác

- Cơ tính : Nhiều kim loại có cơ tính tổng hợp tốt thõa mãn các yêu cầu chếtạo trong cơ khí Nhưng trong thực tế hầu như không sử dụng kim loại nguyênchất mà chủ yếu là dùng hợp kim Cơ tính của kim loại và hợp kim được đánh giábằng những chỉ tiêu sau đây :

- Độ bền tĩnh : xác định bằng giới hạn bền σbb ,giơi hạn chảy σbc và giới hạnđàn hồi σbđh Đơn vị đo theo hệ SI là N/m2, nhưng đơn vị này qúa nhỏ nên thườngdùng MN/m2 hạy MPa (trong thực tế hay dùng KG/mm2)

- Độ cứng : được xác định bằng các loại độ cứng Brinen (HB), Rockwell(HRA,HRB,HRC) vạ Vicker (HV)

- Độ dẻo : xác định bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt

- Độ dài : xác định bằng công phá hũy một đơn vị tiết diện mẫu , thường kýhiêụ ạk, đơn vị đo kj/m2

- Tiêu chuẩn thép cacbon

Tiêu chuẩn Việt Nam

Tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định những loại thép cacbon chính TCVN

1765 - 75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để làm các kếtcấu xây dựng, được sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện Do yêucầu chất lượng không cao lượng nên lượng P, S cho phép khá lớn: P là 0,040 -0,070%, S là 0,050 - 0,060% Thép được ký hiệu bằng CT (với ý nghĩa là thépcacbon chất lượng thường) với các chữ ở sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửalặng, nếu không có chữ gì là thép lặng

Trong nhóm thép này lại quy định có ba phân nhóm A, B và C, trong đóphân nhóm thứ nhất A là chủ yếu Phân nhóm A phân loại các mác theo giới hạnbền kéo tối thiểu đạt được tính theo đơn vị kG/mm2 - CTxx Cách ký hiệu theoσbb (min) như vậy khá tiện cho việc tính toán sơ bộ sức bền cũng như tiết diệnthép Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có σbb ≥ 38kG/mm2 hay

380MPa song với ba phương pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và sôi nêncác chỉ tiêu cơ tính khác có khác nhau đôi chút Tiêu chuẩn cũng quy định tỉ mỉ vàchặt chẽ các chỉ tiêu khác như σb0,2, δ, ψ) và độ dai va đập (aK) làm, aK Các phân nhóm B và C về cơ bảngiữ nguyên ký hiệu như ở phân nhóm A song ở đầu ký hiệu tương ứng có thêmchữ B và C là BCTxx và CCTxx Phân nhóm B không quy định cơ tính song lạiquy định thành phần hóa học, còn phân nhóm C lại quy định cả hai: cơ tính lẫnthành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ tính của CT38 còn thành phần củaBCT38.

TCVN 1766-75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chếtạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải được bảo đảm (quy định) cả thành phần hóahọc lẫn cơ tính (phải tra bảng), các mác được ký hiệu bằng chữ C và số phần vạncacbon trung bình - Cxx Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 - 0,45%) vàcác tạp chất trong giới hạn đã trình bày Do chất lượng tốt nên lượng P và S là ≤0,040% cho mỗi nguyên tố, các mác có chất lượng cao (P, S ≤ 0,030% cho mỗinguyên tố) ở cuối ký hiệu có chữ A, ví dụ C40A

TCVN 1822-76 quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD (C làcacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ lượng cacbon trung bình tính theo phầnvạn - CDxx hoặc CDxxx Ví dụ, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng0,80%C (0,75 - 0,84%) song với chất lượng tốt và cao

Tiêu chuẩn các nước ΓOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thườngOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thườngbằng CT với các số từ 0, 1 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao).Cũng có các phân nhóm theo thứ tự A, Б, B lần lượt tương ứng với các phânnhóm A, B, C của TCVN Về thép kết cấu cacbon chất lượng tốt ΓOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thườngOCT quy địnhcác mác ký hiệu theo số phần vạn cacbon trung bình, như mác 40 có khoảng0,40%C như mác C40 của TCVN Về thép cacbon dụng cụ ΓOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thườngOCT quy định cácmác bằng У với số tiếp theo chỉ lượng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bìnhnhư У12 có khoảng 1,20%C Tuy có một số khác biệt nhỏ về cơ bản TCVN vềthép cacbon vẫn theo các nguyên tắc cơ bản của ΓOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thườngOCT, nên có sự trùng hợp hoàntoàn giữa hai tiêu chuẩn này Hoa Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon.ASTM được dùng cho thép xây dựng AISI và SAE cho các thép chế tạo máy vàdụng cụ

JIS quy định các thép kết cấu chất lượng thường bằng SS hay SM với số tiếptheo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị MPa - SSxxx, SMxxx; cácthép kết cấu cacbon chất lượng tốt bằng SxxC trong đó xx là số chỉ lượng cacbontrung bình theo phần vạn, các thép cacbon dụng cụ bằng SK với các số thứ tự từ 1đến 7 - SKx

 Ưu nhược điểm của thép cacbon

 Ưu điểm

- Thép cacbon được dùng rất rộng rãi trong kỹ thuật nói chung và chếtạo máy vì ba ưu điểm sau:

+ Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền

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

+ Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (sovới thép hợp kim)

- Nhược điểm

- Thép cacbon cũng có nhiều nhược điểm, trong đó đáng chú ý nhất là:

+ Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ramkhông cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diệnlớn

+ Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng tháitôi giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200oC, ở trên570oC bị ôxy hóa mạnh

+ Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống

ăn mòn

Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này Do vậy trong thực tế thépcacbon được dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản,chịu tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ thường; trong khi đó các théphợp kim được dùng cho các trường hợp ngược lại

 Thép cacbon thông dụng (còn gọi là thép cacbon thường)

Loại này có cơ tính không cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấuchịu tải nhỏ Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông (cầu, nhà, khung,tháp…)

Thép cacbon thông dụng được chia ra làm ba nhóm A, B, C Nhóm A chỉđánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng…) Nhóm B đặc trưngbằng thành phần hóa học và nhóm C đặc trưng bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính vàthành phần hóa học.

Khi cần biết cơ tính thì ta sử dụng nhóm A, khi cần tính toán về hàn, nhiệtluyện thì sử dụng nhóm B hoặc C

Theo TCVN 1765 - 75 qui định ký hiệu thép thông dụng là hai chữ CT, sau

Ví dụ: CT 38 có giới hạn bền là các nhóm B và C cũng có ký hiệu tương tựnhư nhóm A nhưng qui ước thêm vào đằng trước chữ CT chữ cái B hay C để phânbiệt

Ví dụ: BCT31, CCT31

 Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

bền (số càng cao thì độ bền càng cao) cũng có các phân nhóm A, Б, B tương ứngvới các phân nhóm A, B, C của Việt Nam

Mỹ (ASTM): Ký hiệu theo các số 42, 50, 60, 65 chỉ (min) theo đơn vị ksi

Nhật (JIS): Ký hiệu SSxxx; SMxxx hay xxx là các số chỉ giới hạn bền kéo tốithiểu tính bằng Mpa Ví dụ: SS400 là thép cacbon thường có