Tài liệu giáo trình vật liệu cơ khí, chương 5 ppt

Thép cacbon dụng cụ: C>0,65% Loại thép sản xuất riêng để chế tạo dụng cụ cắt gọt kim loại, dụng cụ đo, các khuôân dập… -Khi cắt gọt mũi dao phải chịu nhiệt độ cao do đó phải có độ cứng n

CHUƠNG 5: THÉP BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP

I ĐỊNH NGHĨA:

Thép là hợp kim Fe-C có thành phần C<2.14%, là vật liệu dẻo, có thể gia công bằng cách biến dạng nóng

*Có 3 loại thép

-Thép trước cùng tích (C<0.8%)

-Thép cùng tích (C=0.8%)

-Thép sau cùng tích (C>0.8%)

II.THÀNH PHẦN HÓA HỌC:

C<2.14%; Mn0.8%; Si0.5%; P0.05% S0.05%;

III.CÁC YẾU TỐ LÀM ẢNH ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA THÉP:

*Aûnh hưởng của C:

Khi thay đổi các C trong thép cơ tính của thép thay đổi rất nhiều, lượng C tăng thì xemantit trong thép tăng cảng trở sự trược của ferit do đó độ bền và độ cứng thép tăng lên nhưng độ dẻo dai lại giảm

*Aûnh hưởng của Mn:

-Mn hòa tan vào ferit làm tăng độ bền và độ cứng của pha này, làm tăng cơ tính của thép

-Mn cho vào thép để khử FeO,FeS có hại đối với thép

Ví dụ: FeO+Mn  MnO +Fe

*Aûnh hưởng của Si:

Si hòa tan vào ferit làm tăng độ bền và độ cứng cho pha này Si hòa vào thép dưới dạng frôSilicđể khử ôxy

*Aûnh hưởng của P:

-Phốt hòa tan vào ferit làm giảm độ dẻo và gây hiện tượng giòn

-Tuy nhiên lại có lợi khi ta dùng nó để tăng độ giòn để dễ gia

công cắt

*Aûnh hưởng của S:

Làm cho thép giòn nóng, khó cán, khó dập, có lợi khi tăng độ

giòn để dễ gia công cắt giọt

*Ảnh hưởng của chất khí (O2, N2):

O2, N2 làm thép cứng riêng N2 có tác dụng tốt làm nhỏ hạt

BÀI 2: THÉP CACBON

I.KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP CACBON

1.Định nghĩa:

Là loại thép thông thường ngoài Fe và C còn chứa các tạp chất

như Mn, Si, P, S

2.thành phần:

C<2,14%; Mn0,8%; Si0,5%; P<0,005%; S<0,005%;

II.CÁC LOẠI THÉP CACBON.

1.Thép các bon kết cấu.

Thép có độä bền tốt và tính kinh tế cao Thép cacbon kết cấu có

hai loại:

*Thép cacbon kết cấu chất lượng thường:

-Giá rất rẻ và chia làm 3 nhóm:

+Nhóm I: Đáp ứng nhu cầu về cơ tính

Kí hiệu:

Theo TCVN:

CT31; CT33; CT34; CT38; CT42; CT51; CT61

Theo TCLX:

CT0; CT1; CT2; CT3; CT4; CT5; CT6

Các chữ số đằng sau chỉ giới hạn bền

+Nhóm II: Quy định về thành phần hóa học.

Ký hiệu:

Theo TCVN:

BCT31; BCT33; BCT34; BCT38; BCT42; BCT51; BCT61

Theo TCLX:

БCT0; БCT1; БCT2; БCT3; БCT4; Б CT5; БCT6

Thép này dùng để chế tạo sản phẩm và chi tiết va gia công nóng (hàn, rèn, nhiệt luyện)

+Nhóm III: Quy định về tính lẫn thành phần hóa học

Ký hiệu này giống nhóm I đằng trước thêm chữ B đối với Liên xô, C đối với Việt Nam

Theo TCVN:

CCT31; CCT33; CCT34; CCT38; CCT42; CCT51; CCT61

Theo TCLX:

BCT0; BCT1; BCT2; BCT3; BCT4; BCT5; BCT6

Phân nhóm này dùng rộng rãi trong kết cấu hàn

*Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt:

Nhóm thép này có chất lượng cao hơn so với thép chất lượng thường thể hiện ở lượng chứa các tạp chất nhỏ hơn S0,04%,

P0,035% được cung cấp ở dạng vật cán và bán thành phẩm qui định cả thành phần hóa học lẫn cơ tính

Kí hiệu:

Theo TCLX:

08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65; 70…

Theo TCVN:

C08; C10; C15; C20; C25; C30; C35; C40; C45; C50; C55; 6C0; C65; C70…

Nếu thép loại tốt ký hiệu thêm chữ A ở đằng sau

Ví dụ: CD80A

80: Chỉ hàm lượng cacbon là 0,8%

A: Chỉ thép loại tốt.

Thép C10; C15; C20 dễ hàn, rèn, dập làm pulông, đai ốc, các bạc, ống…

Thép C40; C45 dùng rộng rãi thường qua tôi ram dùng làm trục khuỷ, thanh truyền, cần gạc…

Thép chứa 0,550,70%C chế tạo các trục cán lò xo

2 Thép cacbon dụng cụ: (C>0,65%)

Loại thép sản xuất riêng để chế tạo dụng cụ cắt gọt kim loại, dụng cụ đo, các khuôân dập…

-Khi cắt gọt mũi dao phải chịu nhiệt độ cao do đó phải có độ cứng ngay cả ở điều kiện nhiệt độ cao

-Đối với dụng cụ đo đều quan trọng là độ cứng độ dẻo dai, ít biến dạng khi nhiệt luyện và giữ nguyên được kích thước ban đầu

-Khuôân dập nguội phải có độ cứng cao

-Khuôn đúc: Vật liệu biến dạng nhỏ khi nhiệt luyện

-Khuôn rèn: Vật liệu có độ cứng và độ dẻo dai

Ký hiệu:

Theo TCLX: Y7; Y8; Y9; Y10; Y11; Y12; Y13

Chữ Y biểu thị thép cacbon dụng cụ

Chữ số biểu thị phần nghìn của thành phần cacbon

Theo TCVN: CD70; CD80; CD90; CD100; CD110; CD120; CD130

Chữ CD biểu thị thép cacbon dụng cụ

Chữ số biểu thị phần vạn của thành phần cacbon

Thép cacbon có nhiệt luyên và ram có độ cứng 6063HRC nhưng độ cứng giảm đi ở nhiệt độ 2002500C

BÀI 3: THÉP HỢP KIM

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP HỢP KIM:

1.Định nghĩa:

Thép hợp kim là loại thép ngoài sắt, cacbon và các tạp chất, người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặt biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép Các nguyên tố đặt biệt đó gọi là các nguyên tố hợp kim, các nguyên tố

thường dùng đó là:Cr; Ni; Mn; Si; W; V; Co; Mo; Ti…

2.Giới hạn phân chia tạp chất và nguyên tố hợp kim:

Mn(0.8-1)%; Si(0.5-0.8)%; Cr(0.2-0.8)%;

Ni(0.2-0.6)%; W(0.1-0.5)%; Mo(0.05-0.2)%;

Ti0.1%; Cu0.1%; B0.002%

Ví dụ: thép 0.7%Mn là thép cacbon, là thép hợp kim khi

Mn>1%

Lượng tạp chất có hại P, S, khí N2 , O2, H2 , rất thấp so với thép cacbon

3.Tính chất thép hợp kim:

Các thép hợp kim có tính vượt trội hơn thép cacbon

+Về cơ tính: Thép hợp kim nói chung có giới hạn bền,giới hạn chảy cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện rõ sau khi nhiệt luyện tôi ram

-Ở trạng thái không nhiệt luyện tôi ram, độ bền thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu

-Thép hợp kim đạt độ bền rất cao nhưng độ bền tăng độ dẻo dai lại giảm đi

-Tăng mức độ hợp kim hóa, tính công nghệ của thép sẽ xấu đi +Về tính chịu nhiệt độ cao Thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ >2000C

+Về các tính chất vật lí và hóa học đặc biệt thép cacbon không

gỉ chống ăn mòn trong các môi trường axit, bagơ, không có tính chất đặc biệt như giãn nở nhiệt đặc biệt Muốn vậy phải dùng thép hợp kim riêng biệt với thành phần hóa học chặt chẽ

4 Aûnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép hợp kim.

*Ảnh hưởng của Cr:

Có tác dụng làm tăng độ cứng và độ bền của thép, phần nào làm giảm độ dẻo của thép, Cr có tác dụng chống ăn mòn cao, thép chứa nhiều Cr có thể làm thép không gỉ và có từ tính ổn định

*Ảnh hưởng của Ni:

Tăng độ chịu ăn mòn, tăng độ bền, độ dẻo và tăng khả năng chiu va đập của thép Ni có khả năng ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép

*Ảnh hưởng W(vônfram):

W tạo nên cacbit vônfram rất cứng trong thép, làm cho thép rất cứng và làm việc ở nhiệt độ cao, thép W rất mắc

*Ảnh hưởng của V (vanadi):

Làm nhỏ hạt, làm tăng độ cứng, độ bền của thép

*Ảnh hưởng của Si:

Làm thép có độ bền tăng, độ dai giảm, tăng điện trở và độ thấm từ của thép, tăng độ đàn hồi và tính chống oxy hóa của thép

*Ảnh hưởng của Mn:

Làm tăng độ cứng, độ chịu mài mòn, sức va chạm nhưng không làm giảm độ dẻo của thép

*Ảnh hưởng của Co(côban):

Làm tăng tính chịu nhiệt, từ tính và sức chịu va chạm của thép

*Ảnh hưởng của Mo(Môlipden)

Làm tăng tính chịu nhiệt, đàn hồi, giới hạn bền kéo, tính chống ăn mòn và tính chống oxy hóa của thép ở nhiệt độ cao

II CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM:

1 Thép hợp kim kết cấu:

Là thép dùng để chế tạo các chi tiết máy và các kết cấu kim loại Thép này chịu được tải

trọng lớn do đó cần có độ bền cao, tính dẻo, dai tốt Thép này thường có cacbon thấp và trung bình là loại thép hợp kim thấp

*Thép Cr:

+ Kí hiệu:

Theo TCLX: 15X; 20X

Theo TCVN: 15Cr; 20Cr

Chữ X là chữ cái đầu tiên của tên nguyên tố hóa học trong

tiếng nga

Chữ số15 chỉ %C tính theo phần vạn

Nếu %C>1% không ghi số ký hiệu

Nếu %C<0.1% ghi số ký hiệu là số 0

+ Thép Cr được sử dụng nhiều là các loại 15X; 20X Các sản phẩm làm bằng thép này phải qua thấm than do đó tăng độ cứng

ở mặt ngoài nhưng bên trong vẫn giữ độ dẻo dai

+ Thép này dùng chế tạo bánh răng, trục cam động cơ đốt trong + Sau khi tôi cứng thép này đạt 5962HRC

*Thép Mn:

Rẻ nhất trong các loại thép hợp kim, thép này dễ hàn, rèn, dễ cắt giọt và có độ thấm tôi khá sâu

Các loại thép được sử dụng rộng rãi:

Theo TCLX: 15Г; 20Г; 30Г

Theo TCVN: 15Mn; 20Mn; 30Mn

Dùng cho kết cấu hàn, chi tiết bắt chặt nhỏ Pulông đai ốc

Thép 50Г; 50Г2 dùng chế tạo các loại trục: Trục khuỷu, trục vít

*Thép Cr-Ni:

Thép sử dụng rộng rãi vì khi nhiệt luyện thép này có độ cứng cao, độ bền, độ đàn hồi và sức chịu va đập cao

+Ký hiệu: 20 X HA; 12X2H4A; 15XH3A

20CrNiA; 12Cr2Ni4A; 15CrNi3A

A chỉ thép chứa ít P và S thép tốt

Ví dụ: 20XHA (20CrNiA) có 0,2%C, 1%Ni, 1%Cr và là thép loại tốt

Loại thép dùng để chế tạo chốt Pittông, trục cam, bánh răng… chi tiết làm việc tải trọng lớn vận tốc cao

*Thép Ni:

Thép có độ bền cao, có tính đàn hồi và tính dẻo cao, thép Ni dễ rèn, dễ hàn và thích hợp cho các gia công khác

-Thép này nếu thành phần cacbon < 0,15%, thép Ni phải thấm than trước khi tôi (Ví dụ 13H5A)

-Thép Ni có thành phần cacbon > 0,2% thép rất tốt dùng để chế tạo chi tiết máy làm việc chịu tải trọng động (Ví dụ 30H3A) Thép Ni ít sử dụng rộng rãi vì Ni là kim loại đắt tiền hơn nữa Ni chi tốt khi có kèm theo các kim loại khác

*Thép Cr-Mn:

Sử dụng thay cho thép Cr-Ni vì Ni đắt tiền

Ví dụ:

20XГ; 20XГP; 40XГP; 30XГC

20CrMn; 20CrMnB; 40CrMnB; 30CrMnSi

Loại thép 18XГT (18CrMnTi) dùng trong chế tạo ôtô:

*Thép Cr-Si:

Thép có độ cứng cao, tính đàn hồi cao sau khi nhiệt luyện dùng chế tạo lo xo, nhíp

*Thép Cr-V (Crôm-vanadi):

Thép có tổ chức hạt nhỏ mịn, độ bền, đàn hồi, dẻo dai cao

Thép 50XФA (50CrVA) dùng làm lò xo supap động cơ đốt trong

*Ngoài thép hợp kim kết cấu trên còn có thép hợp kim kết cấu có thành phần hợp kim thấp gọi là thép kết cấu hợp kim thấp

Sử dụng loại thép này trong cơ khí làm giảm nhẹ trọng lượng các chi tiết, dễ hàn chống ăn mòn tốt, có độ dẻo cao ngay ở nhiệt độ thường

2 Thép hợp kim dụng cụ:

Thép dùng để chế tạo dụng cụ bao gồm dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo yêu cầu nhóm thép này có độ cứng và chống mài mòn cao Thép này tốc độ nguội khi tôi tránh được sự nức, cong vênh, đồng thời có độ thấm tôi sâu, biến dạng nhỏ hơn thép khác

*Thép hợp kim dụng cụ Cr:

Là loại thép hợp kim dụng cụ phổ biến nhất, đặc điểm ít biến dạng khi tôi, độ cứng cao, dẻo dai cũng cao, dùng làm dụng cụ cắt và khuôn dập

Ví dụ:

-X12 (Cr12) dùng làm khuôn dập nguội %C>1 nên không ghi ký hiệu đằng trước

-9X (90Cr) dùng làm trục cán Thép cacbon dụng cụ ký hiệu LX

%C tính theo phần nghìn còn ký hiệu VN tính theo phần vạn nên 0,9%C; 1%Cr

*Thép hợp kim dụng cụ Cr-Si:

Thép được dùng nhiều vì có độ cứng cao, độ bền, đàn hồi tốt, chịu va chạm

Ví dụ:

9XC (90CrSi) dùng làm mũi khoan

4XC (40CrSi) dùng làm khuôn dập nóng

3 Thép gió:

Thép gió cũng là thép hợp kim dụng cụ nhưng thép gió có thể làm việc ở nhiệt độ cao 6000C mà độ cứng không thay đổi do đó dùng làm dao cắt gọt kim loại ở tốc độ cao

Kí hiệu LX:

P biểu thị thép gió

Số tiếp theo chỉ %W Nếu có chứa Mo, Co, V, đằng sau có ghi chữ M ,K,Ф ứng với chỉ số %

Ví dụ: P18; P19: P18Ф2

Kí hiệu VN:

Số đầu tiên chỉ %C tính theo phần vạn

Số tiếp theo chỉ thành nguyên tố tương ứng

Ví dụ: 90W9V2; 75W18V; 140W9V5

4 Thép hợp kim đặc biệt:

Là thép có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt, ví dụ tính chống ăn mòn cao không gỉ

a Thép không gỉ:

*Sự ăn mòn của thép:

+ Ăn mòn hóa học: là sự phá hủy bề mặt thép dưới tác dụng môi trường có xảy ra các phản ứng hóa học

Ví dụ: Cu + HCl CuCl2+ H2

-Khắc phục: cách ly bề mặt vật liệu với môi trường ăn mòn

-Biện pháp: Sơn, phủ, tráng, xi mạ, bôi dầu mỡ

-Mức độ không khốc liệt

+Ăn mòn điện hóa: là quá thình phá hủy bề mặt chi tiết trong dung dịch điện ly, khi cường độ dòng điện ly khác không

-Mức độ rất mạnh

*Thép không rỉ 2 pha: là hợp kim Cr

-Các loại thép 30Cr13 dùng làm bu lông đai ốc chi tiết máy 40Cr13 dùng làm dụng cụ dao cắt

-Đặc điểm:

Làm việc ổn định trong môi trường không khí nước ngọt

Có tính chất sắt từ

Độ dẻo tương đối cao

*Thép không gỉ 1 pha:

-Thép không gỉ 1 pha 100%ferit

Hợp kim hóa 17%Cr

Ví dụ: 07Cr18; 12Cr20; 17Cr25

Làm việc được trong môi trường H2SO4, HNO3

Có tínhchất sắt từ, dẻo khá cao

-Thép không gỉ 1 pha 100% Auxtenit

18%Cr + (8-11)%Ni

Ví dụ: 17Cr18Ni11; 12Cr18Ni9; 04Cr18Ni8:

Có khả năng làm việc trong môi trường HCl oãng ở nhiệt độ thường

Không có tính sắt từ, dẻo khá cao bền khá cao, giá thành mắc

b Thép chịu nhiệt:

-Thép có khả năng chịu nhiệt cao của các khí có tính ăn mòn kim loại

-Thành phần chủ yếu tạo nên tính chịu nhiệt là Cr, ngoài ra còn

Al, Si

-Ở mặt ngoài của thép chịu nhiệt hình thành lớp oxit Cr và oxit

Fe ngăn không cho oxi hoặc các khí nóng sâm nhập vào thép -Thép chịu nhiệt dùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao như supap buồn cháy động cơ đốt trong như 90Cr9Si

Ngoài thép chịu nhiệt trên còn có thép bền nhiệt, thép làm việc

ở nhiệt độ cao mà cơ tính không thay giảm vì nó các nguyên tố hợp kim nóng chảy ở nhiệt độ cao như W, Mo…

Các chi tiết làm việc lâu ở nhiệt độ cao trên 700oc phải sử dụng các kim loại quý như Ni, Co,…

c.Thép có điện trở lớn:

Thép sử dụng trong các lò điện và các thiết bị sấy nóng Thép này có điện trở cao và còn có tính chịu oxy hóa cao như Cr13Al14

d Thép có từ tính:

+ Thép từ tính cứng: chế tạo nam châm vĩnh cửu, thép gồm Cr,

W, Co,…thép này chứa lượng cacbon cao

Kí hiệu: EX, EX3, EX5K5

E: chỉ hợp kim từ tính cứng

Hệ thống chữ + số biểu thị % nguyên tố hợp kim

+ Thép có từ tính mềm: chế tạo lõi động cơ điện, biến áp và các chi tiết làm việc trong từ trường thay đổi Thép này thường cóđộ từ thẩm lớn và lực khử từ nhỏ

Kí hiệu: Э11; Э21; Э32;

Э: thép dùng trong kỹ thuật điện

Số thứ nhất chỉ (1-4 ) chỉ lượng Si

Số thứ hai chỉ (1-8 ) chỉ tính chất từ

+ Thép không có từ tính: Để thép không có từ tính phải có tổ chức Auxtenit ở nhiệt độ thường, muốn thế người ta đưa vào thép lượng Ni, Mn nhất định

Ví dụ: H9Г9 (Ni9Mn9);

g.Thép có tính giản nở nhiệt đặc biệt

-Trong các dụng cụ đo, máy đo chính xác đòi hỏi các chi tiết có kích thước hầu như không thay đổi theo nhiệt độ Để đáp ứng nhu cầu này người ta sản xuất hợp kim INVA có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ (ví dụ: H36 có 36%Ni và hợp kim sắt)

-Trong các đồng hồ so, các dây tóc và lò xo của đồng hồ Thép ngoài nhu cầu giãn nở còn phải có sự đàn hồi thay đổi Để đáp ứng nhu cầu này người ta dùng hợp kim ELINVA (X8H30)

-Để có hợp kim có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng hệ số giản nở nhiệt của thủy tinh ta sở dụng hợp kim PATINIT (H42) dùng để gắn hàn với thủy tinh

g.Thép chống mài mòn:

Các thép hợp kim có tính chống mài mòn trong kỷ thuật có ba dạng:

-Thép có độ cứng cao và không có điểm mềm sau khi tôi (thép

ổ bi) Ngoài ra dùng các thép khác nâng cao độ cứng bằng cách tôi bề mặt

-Thép có độ cứng không cao nhưng tự biến cứng khi làm việc nên có tính chống mài mòn rất cao, thép Hatfind (Mn13Cu)

Auxtenit làm việc Mactenxit (rất cứng)

-Thép có độ cứng rất thấp nhưng có khả năng tự bôi trơn, thép Graphit hóa Để được thép Graphit hóa dùng phôi thép cacbon (1.5-2)% và lương Si (1-2)% để tiến hành ủ Graphit hóa theo cơ chế nhiệt độ như gang dẻo Dùng chế tạo bạc, ổ trục, các chi tiết làm việc trong điều kiện ma sát