Thép xây dựng (NXB xây dựng 2011) phạm huy chính, 163 trang

Khi gia công nguội bằng áp lực sẽ gây ra sự thay đổi hình dạng của hạt - kéo chúng trong phương biến dạng lớn nhất với định hướng trong một phương, đồng thời tính chất cơ học giới hạn độ

LỜI NÓI ĐẦU

Thép và hợp kim có ý nghĩa rất quan trọng trong k ỹ th u ậ t và xây

d ự n g hiện đ ạ i là do những tính chất quý báu có lợi hơn của ch ú n g so

với những vậ t liệu khác Đó là độ bền cao, khả năng d ẫ n tới biến d ạ n g

dẻo và biến d ạ n g đàn hồi khá lớn tạo khả năng g ia công ch ú n g bằn g

á p lực (cán, rèn, dập, kéo sợi), tính hàn, tính đúc tốt, có khả n ă n g là m

việc ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp ư.v Tuy nhiên thép và hợp k im

củ n g có m ột sô' nhược điểm : trọng lượng th ể tích lớn, bị ăn m òn kh i

chịu tác d ụ n g của hơi ẩ m và k h í khác nhau, và khi ở n h iệt đ ộ cao th ì

bị biến d ạ n g đ á n g kể.

Đ ể hiểu rõ hơn về loại vật liệu này, cuốn “Thép xây d ự n g ” đ ã

trin h bày m ộ t cách hệ thống các vấn đ ề từ công nghệ sản x u ấ t thép,

cấu trúc kim loại, các thành ph ần hỏa học, những tín h chất cơ lý, các

trạ n g th á i là m việc và sự p h á hoại chúng cho đến các d ạ n g ă n m òn

kim loại và biện ph á p bảo vệ chống ăn mòn với m ong m uốn các nhà

xây dự ng có th ể tham khảo đ ể chọn lựa thép dù n g cho kết câu m ột

cách hợp lý và có hiệu quả.

Do trìn h độ và kinh nghiệm có hạn, nên trong quá trìn h biên soạn

khó trán h khỏi có thiếu sót R ấ t mong nhận được những ý kiến đ ó n g

g ó p xây dự ng của quý độc giả.

Tác giả

C hương 1

CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Quá trình luyện lò cao là phương pháp cơ bản để sản xuất gang từ quặng Nó là quá trình tái sinh sắt từ quặng ở nhiệt độ cao

Trong quá trình phát triển của việc sản xuất kim loại bằng lò cao, người ta xếp lóp đệm tốt hơn của liệu lò nhờ nghiền vụn, rửa sạch, phân loại, làm giầu quặng sắt Chúng được thựchiện bằng cách tuyển từ (phân ly từ tính)

Việc sản xuất quặng thiêu kết bằng sự thiêu kết vụn quặng ở những miếng lớn hơn được phát triển rộng rãi Quặng thiêu kết nhận được bằng sự thiêu kết quặng sắt với đá vôi, nó có ưu điểm giảm nhẹ sự tạo xỉ, giảm bớt chi phí nhiên liệu (than cốc) 7 - 20%, giảm chi phí quặng, nâng cao hiệu suất của lò cao

Nhờ sự phát triển của cơ khí hoá và tự động hoá cho phép áp dụng phương pháp luyện ba zờ khi sán xuất gang Trong quá trình luyện lò cao, áp lực nâng cao và sự nung nóng cao hon bằng cách thổi, điều chỉnh tự động nhiệt độ, giảm độ ẩm bằng cách thổi, rửa than trước khi luyện cốc cũng như ôxi để tăng cường quá trình sản xuất được áp dụng rộng rãi

Nhờ nấu luyện bằng lò cao, có thể nhận được những loại gang khác nhau: gang luyện thép chủ yếu dùng để sản xuất thép, gang đúc dùng để đúc gang, gang hợp kim sắt chứa mangan silic Hợp kim sắt được dùng như chất pha thêm khi sản xuất thép

Việc sản xuất thép trông lò thổi phát triển với tốc độ mạnh mẽ thay thế dần cho việc sản xuất nó trong lò máctin Dung lượng của những lò thổi hiện đại đạt tới 600t Sản xuất thép bằng lò thổi ôxi phát triển mạnh nhất, bởi vì dùng ôxi đảm bảo nâng cao được năng suất đến 25 - 30%, đồng thời giảm hàm lượng các tạp chất có hại trong thép, đặc biệt là nitơ từ 0,022% xuống còn 0,005% khi thổi không khí bình thường, tăng được độ bền vững của lớp lót lò Cũng có thể sử dụng lò thổi kiểu quay để khuấy trộn tốt hơn kim loại lỏng với oxi, hoặc dùng lò thổi ở dạng hình trụ dài đến 15m, quay được xung quanh trục nằm ngang

Để cường hoá việc sản xuất thép trong lò mactin, người ta cũng sử dụng oxi, nó đảm bảo nâng cao năng suất của lò lên 25-30%

V iệc sừ dụng nhiệt năng nguội đi của lò mactin cho phép tiết kiệm được nhiên liệu,

m uốn vậy phải áp đụng nguyên tắc làm việc của lò hai bể, khi đó nhiệt năng từ một bể

1 1 S Ả N X U Ấ T G A N G V À T H É P

làm nguội được hướng vàoi hể bên eạnh và sau đó dẫn đến sự thay đổi hướng của dòng nhiệt.

Tự động hoá điều klhiển chế độ nhiệt của lò cũng giúp giảm chi phí nhiên liệu đến

5% và nâng cao năng suất của lò đến 8%.

Lò điện là thiết bị nấu luyện thép hoàn thiện nhất, ờ nó nhiệt độ có thể đạt tới

2 0 0 0 °c, đảm bảo nấu chảy những phụ gia hợp kim hoá khó chảy (molip đen, crôm ), khử oxi và khử khí có hại của kim loại tốt hơn Dung lượng của lò điện đạt đến 200t, chi phí điện năng khoảng 800-950 kw.h/T Dùng oxi nâng cao được năng suất của lò đốn 20-25% , giảm chi phí điện năng 30%

Những phương pháp sản xuất thép bằng cách nấu luyện liên tục trong lò thổi oxi bắt

đầu phát triển và sau đó là trong lò mác tin kiềm , ở đây, thép có thành phần hoá học ch o

trước được tạo thành miột cách triệt để Để giảm chi phí năng lượng điện, thì ban điỉu dùng điện để nung nóng và nấu chảy trong lò mác tin, còn để tính luyện thép triệt để đạt những tính chất cho trước thì thực hiện trong lò điện, sắt xốp nhận được trực tiếp từ quặng bằng cách luyện thổi bởi hydro hoặc hỗn hợp hydro với oxyt cacbon dưới áp lực 30kG /cm 2, tiếp theo tách riẽng sắt khỏi đá không quặng bằng phương pháp, phân ly từ tính, đó cũng là dạng sản xuất thép có triển vọng

1.2 RÓT KHUÔN

Từ lò luyện, thép được xả ra vào thùng chuyên dụng và vận chuyển đến rót vào khuôn

để được thỏi đúc để cán hoặc chế tạo sản phẩm rèn thô Để cải thiện tính chất của thép (giảm chất lẫn ỏxi và nitơ), người ta áp dụng biện pháp tạo chán không khi rót khuôn

H iện nay, người ta áp dụng phương pháp rót thép liên tục Phương pháp này khắc phục được hiện tượng rỗ co, giảm phế liệu, nâng cao đáng kể nãng suất lao động và đảm bảo nhận được vật đúc hạt nhỏ, chặt

Trên hình 1.1 chỉ rõ sơ đổ rót thép liên tục, cho thấy kim loại nấu chảy đi vào thiết bị kết tinh là khuôn đúc thỏi có hốc xuyên thông được làm nguội bằng nước Sau khi đông rắn, thỏi đúc ở khay chuyên dụng được kéo xuống phía dưới, tại đây nó được cắt ra theo kích thước cần thiết Ngoài phương pháp này, phương pháp rót thép ngang liên tục cũng được áp dụng

1.3 GIA CÔNG KIM LOẠI

Để gia công những kết cấu xây dựng bằng kim loại, người ta sử dụng phương pháp dùng áp lực, đảm bào việc chế tạo chúng ớ dạng phôi Bản chất của phương pháp này là dựa vào việc lợi dụng tính dẻo cúa kim loại, nghĩa là khả nãng trong những điều kiện xác định, tiếp nhận những biến dạng dư không phá hoại tính toán vẹn và tạo cho phôi có hình dạng yêu cầu dưới tác dụng của ngoại lực

Việc gia công kim loại bằng áp lực làm thay đổi căn bản không

chỉ hình dạng của phôi mà cả cấu trúc và tính chất của kim loại, bởi

vì khi đó kích thước và hình dạng hạt thay đổi

Khi gia công nguội bằng áp lực sẽ gây ra sự thay đổi hình dạng

của hạt - kéo chúng trong phương biến dạng lớn nhất với định

hướng trong một phương, đồng thời tính chất cơ học (giới hạn độ

bền, giới hạn chảy, độ cứng) được nâng cao, và những tính chất

biến dạng (độ dãn dài tương đối, độ co thắt, sức chịu va đập) giảm

đi; những tính chất vật lý cũng thay đổi

Khi gia công nóng, phôi thép được nung nóng đến 900-1000"C tùy

ihuộc vào thành phần của thép và dạng gia công, sau đó đưa nó vào

chịu áp lực Nhờ thế, nó biến dạng dễ dàng trong một giới hạn nào đó,

mà không phá hoại tính nguyên vẹn và sự liên kết giữa các hạt

Để nhận được những sản phẩm kim loại, người ta áp dụng gia

công bằng áp lực với những phương pháp khác nhau: cán, chuốt

sợi, rèn, dập khuôn, đúc (hình 1.2)

Hình 1.1 Sơ đồ rót thép liên tục

1 Phôi cán thô ò máy blumin; 2 Phôi vuông có góc lượn tròn; 3 Phôi vuông;

4 Phôi tròn: 5 Dạng dải; 6 Dạng tam giác; 7 Dạng ô van; 8 Mặt cắt bán tròn;

9 Hình đáy quạt; 10 Mặt cắt hình thoi; 11, 12 Thép góc khổng đều cạnh và đều cạnh;

13 Chữ U; 14 15 Dạng mặt cắt chữ I và chữT; 16 Ray; 17 Mặt cắt chữ Z;

C á n - dạng phổ biến nhất là gia công nóng thép Đến 90% toàn bộ thép nấu luyện được gia công lại bằng phương pháp này Khi cán, người ta ép kim loại giữa hai trục của máy cán xoay được vê các phía khác nhau Nhờ ép phôi làm tăng chiều dài về bề rộng của nó (hình 1.2, a) Sau khi gia công như vậy, có thể nhận được sản phẩm cán có hình dạng và kích thước khác nhau (hình 1.3).

Nếu cần thiết có sự biến dạng khá lớn của tiết diện thì lại cán sản phẩm 10-15 lần, và

để tránh hành trình không tải của thỏi thép đúc, người ta dùng những trục phụ, đảm bảo cán ở hành trình ngược lại của thỏi đúc Những máy, mà ở chúng cùng với hướng ngược lại của chuyển động trục cán, phôi dịch chuyển trong hướng ngược lại được gọi là máy cán thuận nghịch (hay m áy cán đảo chiều)

Những máy cán liên tục, ở chúng sự làm việc của giá trục cản có những trục ép được điều chỉnh tuần tự liên tiếp và dải thép cán rơi từ giá cán này sang giá trụ cán khác là

m áy cán hoàn thiện nhất

Trên những m áy cán người ta cũng cán thép cốt dùng khi sản xuất các kết cấu bê tông cốt thép (hình 1.4)

m ặt cắt tròn hay m ặt cắt định hình bằng thép và kim loại màu

D ập - Đó là quá trình, nhờ nó kim loại được ép trồi qua lỗ hình hay lỗ tròn ở tấm mẫu (hình 1.2, c) Hình dạng và kích thước của lỗ xác định hình dạng và mặt cắt của sàn phẩm dập (thanh, ống và sản phẩm định hình) từ kim loại màu và những hợp kim khác hoặc thép Quá trình dập kim loại được thực hiện trên máy dập cơ hay m áy dập thủy lực

R èn - Rèn kim loại là nén phôi giữa đầu búa và đe (hình 1.2, d) với việc sử dụng các dụng cụ rèn khác nhau Người ta phân biệt rèn tự do (kim loại chuyển dịch về một phía)

và rèn trong khuôn (kim loại được làm đầy khuôn một cách cưỡng bức) Khi rèn, sẽ diễn

ra sự thay đổi cấu trúc tế vi của kim loại cùng với sự hình thành hạt nghiền vụn hay cấu trúc dạng sợi Trong xây dựng, người ta áp dụng rèn để chế tạo bu lông, thanh kéo, neo, vòng kẹp, đế cột, đai V V bằng cách rèn sẽ thực hiện được những mối ghép (cố định

khôrg tháo ra) của những tấm riêng biệt và của thép hình (tán đinh) được thực hiện bằng búa 'án chạy hơi ép hay bằng máy rèn.

Rèn k h u ô n - Số lượng khá lớn những kết cấu xây dựng được chế tạo bằng cách rèn khuón Đ ó là quá trình biến dạng của kim loại ở trong khuôn rèn Với khuôn rèn tính

đ ồ n ị nhất và độ chính xác của bề mặt rèn được đảm bảo, không yêu cầu phải gia công thíârr Khuôn rèn có hai loại: khuôn rèn khối và khuôn rèn tấm

c khuôn rèn khối (hình 1.2,e), phôi được nung nóng trước, dưới tác dụng của búa,

m áy dập hay máy rèn ngang, phôi bị biến dạng trong khoang hẹp

Eối với kết cấu xây dựng, chiều dày thành của nó nhỏ khác biệt với chiều dày của phôi gốc, thì người ta sử dụng khuôn rèn tấm, nó có khả năng làm biến dạng phôi gốc ở trạ n ị thái nguội trong khuôn, có tấm mẫu với những vòng kẹp và chày đập (hình 1.2, f)

K im loại để làm khuôn rèn cần có độ dẻo cao, thường đó là thép hợp kim thấp hay thép

ít ca:bon Trong những trường hợp đặc biệt có thể kết hợp rèn khuôn và hàn, nó cho ph'éf nhận được kết cấu có hình dạng phức tạp

Eể giảm nhẹ trọng lượng của kết cấu và tiết kiệm kim loại, người ta ch ế tạo thép hình

x ây iựng bằng phương pháp rèn khuôn thành mỏng từ những bằng thép tấm chống ăn

m ò n có tính dẻo cao đặc biệt, dày 2-3mm Kết cấu của những thép hình này được thực

h iện bằng hàn điểm hay hàn hồ quang điện

Eúc - Đúc được áp dụng rộng rãi đê sản xuất những dạng khác nhau của sản phẩm

h ay ohôi từ kim loại Người ta chế tạo những chi tiết đúc bằng cách rót kim loại nóng ch.ả) vào khuôn Khoảng 4/5 toàn bộ các sản phẩm đúc nhận được ở những khuôn cát

Đ ể rhận được sản phẩm đúc bằng thép chỉ được sử dụng kim loại nấu chảy hoàn toàn và

áp ding nhiệt luyện tiếp sau đó Cũng có thể tiến hành đúc bằng kim loại màu

Eức các sản phẩm trong khuôn cát có một số nhược điểm, cụ thể là: khuôn chế tạo ch.ỉ cho một lần đúc, độ chính xác của sản phẩm đúc thấp

Eối với sản xuất quy mô lớn những vật đức chính xác thì áp dụng những dạng đúc đặic )iệt, nó đảm bảo độ chính xác cao, và trong một số trường hợp không yêu cầu gia cômgcơ khí bổ sung Có hơn 50 phương pháp cho các dạng đúc riêng, trong đó có những pbưcng pháp chính là: đúc trong khuôn kim loại, đúc dưới áp lực, đúc li tâm, đúc theo kiểunấu chảy, đúc trong khuôn dạng vỏ v.v

Eúc trong khuôn kim loại đảm bảo được độ quay vòng khuôn nhiều lần (100-50000

lần ) '/ằ năng suất cao Khuôn được chế tạo từ gang, thép và các hợp kim khác Kim loại

đưíợclàm đầy khuôn dưới tác dụng của trọng lực

Đúc dươi áp lực thực hiện trong khuôn kim loại, thường áp dụng đối với kim loại màu K im loại làm đầy khuôn dưới áp lực được tạo nên bởi hệ thống pittông.

Đúc li tâm , thực hiện bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn quay (250-1500 v/ph) đồng thời làm nguội sau đó thường áp dụng đối với những sản phẩm có hình dạng xoay được (ống, ống lót v.v ) Độ chặt lớn của vật đúc và khả nãng tạo được thành mỏng là đặc điểm của phương pháp này

Đúc theo kiểu nấu chảy (phương pháp chính xác) được thực hiện khi chế tạo những chi tiết nhỏ có hình dạng phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao

Khi đúc bằng khuôn dạng vỏ, khuôn kim loại được nung nóng trước và đổ bằng hỗn hợp đặc biệt của cát và nhựa bakelit Với sự thiêu kết của hỗn hợp đó ở khuôn vỏ được tạo thành có độ bén đến 75kG/cm 2 Hai nửa khuôn ch ế tạo bằng cách như vậy được nối với nhau và tạo thành khuôn đúc để đúc các sản phẩm Đặc điểm của dạng đúc này là có

độ chính xác cao và có khả nãng tự động hóa quá trình đúc

C hương 2

CÂU TRÚC CỦA KIM LOẠI

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Người ta tiến hành nghiên cứu cấu trúc của kim loại bằng việc nghiên cứu cấu trúc vĩ

m ô (cấu trúc thô) với sự phóng đại đến 10 lần (hoặc không phóng đại), cáu trúc vi mô, với sự phóng đại từ 10 đến 2000 lần trên kính hiển vi quang học, và đến 100 000 lần trên kính hiển vi điện tử, cấu trúc nguyên tử - dựa vào sự phàn tích ảnh chụp tia X

Kim loại là vật thể kết tinh với sự bố trí có tính quy luật của các nguyên tử ở các nút của mạng không gian

Mạng bao gồm một số mặt phẳng tinh thể bô' trí cách nhau m ột khoảng cách bằng

m ột số anstrôm (Â = 10 scm) Đối với sắt (thép) khoảng cách này là 2 ,8 8 Ả (a -F e ) và 3,63Ả (y.Fe) Đa số kim loại có mạng không gian dưới dạng hình học đơn giản Những

bộ phận riêng biệt của mạng tinh thể gấn kết (ràng buộc) chặt chẽ với nhau trong hệ thống hạt Vị trí tương hỗ giữa các hạt của các nguyên tố và hợp kim xác định cấu trúc của kim loại và tính chất của chúng,

Những nguyên tử của kim loại được đặc trưng bởi số lượng ít của các electron (1-2) ở

vỏ ngoài dễ hoàn trả, điều đó được xác nhận bởi độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao

Những kim loại màu có hai dạng ô mạng tinh thể hình lập phương đơn giản (hình 2.1):

Hình 2.1: Tinli thể lập phương cơbảiì a) Khối lập phương định tâm; b) Khôi lập phương diện tâm.

a) Khối lập phương định tâm hay khối lập phương định tâm thể tích hoặc còn gọi là khối lập phương thể tâm (có 9 nguyên tử ở ô), thể tích hình cầu chiếm 68%;

b) Diện tâm (kim tương) hay khối lập phương có diện tâm (14 nguyên tố), thể tích hình cầu chiếm 74%

M ột số kim loại màu và hợp kim của chúng có mạng lục giác

Một số kim loại (sắt, thiếc, ti tan v.v ) có đặc tính thù hình, nghĩa là khả năng của cùng một nguyên tố hóa học khi ở nhiệt độ khác nhau có cấu trúc tinh thể khác nhau

Sự chuyển • J hóa thù hình kéo theo sự ■ 1539''

thoát ra (tách ra) hoặc hấp thụ của vật

thể Sắt có 4 dạng thù hình: a - F e , 1401

p -F e , y-Fe, và Ô-Fe Giá trị thực tế có

a - F e , và y -F e, bởi vì S -F e, và P~Fe

khác biệt với a -F e chỉ bởi trị số khoảng Ịg'

cách giữa các nguyên tử, riêng đối với Ệ

p.Fe có đặc điểm là không có từ tính

Nhiệt độ, mà với nó dẫn đến sự 898

chuyển tiếp của kim loại từ một dạng

thù hình này sang một dạng thù hình 768

khác gọi là nhiệt độ tới hạn Những trị

số của nhiệt độ này thấy rõ trên biểu đồ

làm nguội và nung nóng của thép tính

(hình 2.2)

Tất cả các kim loại đều ở trạng thái

rắn đến một nhiệt độ xác định Khu nung nóng kim ioại biên độ cao động của các nguyên tử đạt đến trị số tới hạn thì sẽ xảy ra sự phá hoại mang tinh thể và sự chuyên tiếp của kim loại từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Trong quá trình làm nguội kim loại nóng chảy ở nhiệt độ nấu chảy, chính xác là thấp hơn nó một chút, thì ở chất lỏng phát sinh những tâm kết tinh (mầm kết tinh) là tổ chức kết tinh phân tán cao

Quá trình tiếp theo của sự kết tinh là sự phát triển của các tinh thể nhờ sự lắng đọng của những nhóm tinh thể mới xung quanh tấm kết tinh Sự hình thành kết tinh được phát triển trọng những hướng xác định Đầu tiên trục chính của tinh thể được tạo thành nhờ

sự phát triển trong 3 phương vuông góc với nhau, sau đó từ một trong những trục này, những trục mới được tạo thành và phát sinh tinh thể hoàn thành chưa đầy đủ, gọi là tinh thể dạng nhánh Sau này, tất cả những quãng cách (khe hở) giữa các trục của tinh thể dạng nhánh được lấp đầy bởi các nguyên tử sắp xếp có trật tự

Trong những điều kiện của sự kết tinh không tự do, những tinh thể được hình thành

có hình dạng không chuẩn và được gọi là mầm tinh thể (tinh thể vi mô) hay hạt Trị số của hạt có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của kim loại: hạt càng nhỏ, kim loại càng bền

và càng dẻo hơn

Những hợp kim và kim loại kỹ thuật là vật thể đa tinh thể bao gồm số lớn những hạt tinh thể định hướng khác nhau (kích thước ngang của hạt 0,001 - 0,1 ram) Vì thế, nói chung kim loại và hợp kim có thể coi ià vật thể đẳng hướng

2.2 TH À N H PHẦN CÂU TR Ú C CỦA H Ợ P K IM K IM LO Ạ I

Hợp kim có những tính chất kim loại và bao gồm từ hai hoặc nhiều nguyên tố Những nguyên tố đưa vào trong thành phần của hợp kim gọi là các thành phần (hay cấu tử), thường chúng mềm và có độ bền nhỏ

Hình 2.2: Đường cong làm nguội và

nung nóng sắt (tlìép).

ở quá trình đông rắn và làm nguội tiếp theo, những thành phần của hợp kim có thể tạo thành dung dịch rắn trên cơ sở của một trong các thành phần hay của những mối liên kết hóa học mới và những hỗn hợp cơ học.

N h ữ n g hợp c h ất hóa học được tạo thành trên cơ sở của những quy luật hóa học chung (hóa trị, liên kết ion) có thể biểu thị bằng các chỉ số hóa học Thường những hợp chất hóa học nâng cao độ cứng và độ giòn của kim loại

N hữ ng d u n g dịch rá n - những hợp kim, ở chúng những nguyên tử của nguyên tố hòa tan khuếch tán ở mạng tinh thê của chất hòa tan; nguyên tố hòa tan có thể thay thế phần của các nguyên tử kim loại cơ bản hoặc xâm nhập vào giữa chúng, nhưng không tạo thành phân tử của thành phần xác định

Ở những hợp kim sắt - cacbon (Fe-C), những nguyên tử cacbon xâm nhập vào các lỗ nhỏ của m ạng Fe Khác với những hợp chất hóa học, thành phần của dung dịch rắn thay dổi và phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ

H ỗn hợp cơ học (thể cùng tinh, cùng tích) - nhỏ bé (quan sát được bằng kính hiển vi) hỗn hợp chặt chẽ và liên kết giữa các thành phần của hợp kim, bao gồm từ những kim loại tinh, những dung dịch rắn và hợp chất hóa học Cùng tinh (ơtecti) được tạo thành từ hợp kim lỏng khi làm nguội và được đặc trưng bởi chính nhiệt độ thấp của sự đông rắn

của hỗn hợp bởi chất lưựrig dủc lốt và bởi rihững tính chảt cd học cao Cùng tích được

tạo thành ở sự phân ly của dung dịch rắn Hỗn hợp cùng tính và cùng tích phát sinh với nồng độ xác định của những thành phần riêng biệt và ở nhiệt độ xác định Ở hợp kim khác hẳn về thành phần với chất cùng tinh thì thành phần dư thừa lắng xuống đầu tiên khi đông rắn theo tỉ lệ với chất cùng tinh

Sự thay đổi cấu trúc và tính chất của hợp kim cùng với sự thay đổi nồng độ và nhiệt

độ ớ hình dạng rõ ràng được trình bày trên biểu đồ trạng thái của hợp kim Những biểu

đồ này không hàm chứa yếu tố thời gian và nó tương ứng với điều kiện nung nóng và làm nguội rất chậm

2.3 BIỂU ĐỔ TRẠNG THÁI CỦA HỢP KIM SẮT - CACBON

Biểu đổ của hợp kim sắt - cacbon nêu trên hình 2.3 Thành phần, cấu trúc chính của hợp kim sắt - cacbon như sau:

F e rit (sắt tự sinh) - dung dịch rắn của cacbon trong aFe ở nhiệt độ 723"C hàm lượng giới hạn của cacbon là 0,02% Tính chất của ferít: ƠT = 25kG /cm 2, ƠB = 30 kG /cm 2,

5 = 50%, HB = 80 kG/mrrr, aH = 30 kGm/cm2 Khi không lẫn tạp chất thì không bị ăn mòn

X em en tit - cacbuasăt (Fe,C) là hợp chất hóa học, chứa 6,67% cacbon Hỗn hợp cùng tinh là bộ phận thành phần, đồng thời là bộ phận cấu trúc độc lập Khả năng tạo thành dung dịch rắn bằng cách thay thế bới các nguyên tử của những kim loại khác không ổn định, bị phân ly ở nhiệt độ chế tạo Xementit rất rắn (HB = 800) và giòn

a) Hình 2.3: Biếu đồ trạng tliái của

hợp kim sắ t - cacbon a) Biểu đồ: I - Hợp kim lỏng;

và austenit; V I austenit, xementit, lêđêburit; V II - Xementit và

lè đ đb u rit; V III ferit và austenii ; IX

A u ste rit - là dung dịch rắn của cacbon trong y-Fe Những nguyên tử cacbon xâm nhập vào mạng tinht hể; sự bão hòa có thể khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ và chất pha Sụ ổn định chỉ có khi ở nhiệt độ cao, còn với các chất pha Mn, Cr sự ổn định có ợ nhiệt độ bình thường, thậm chí ở nhiệt độ thấp Độ cứng của austenit là HB = 170 - 220

P eclit - là hỗn hợp cùng tích (ơtectoit) của ferit và xem entit được tạo thành khi có sự phần ly của austenit ở nhiệt độ 723l’C và hàm lượng cacbon 1 à 0,83% Chất pha Si và

Mn kích thước sự tạo thành peclit với hàm lượng nhỏ của cacbon Nhũng đặc trưng cơ học của peclit: a B = 55 - 82 kG /m m 2, ô = 5 - 25%, HB = 160 - 260 Cấu trúc của peclít

có dạng tấm hoặc hình cầu

L e đ e b u rit - Hỗn hợp cùng tinh của austenit và xem entit được tạo thành ở 1130l,c với hàm lượng cacbon là 4,3% Cấu trúc không ổn định: khi nguội austorit xâm nhập vào thành phần của leđeburit, xem entit và peclit bị phân ly lần thứ hai Leđeburit rất rắn (HB = 700), giòn Ở gang trắng, peclit phân bố đều theo toàn bộ tiết diện thỏi đúc

G r a ĩit - là thành phần mềm và giòn của gang, gồm những dạng khác nhau của cacbon Thường gặp là gang xám và gang rèn ở mẫu cắt ít thấy có sự ăn mòn còn sau khi có sự ăn mòn thì ở dạng màu đen

Trên biểu đồ trạng thái của hợp kim sắt - cacbon (hình 2.3) ở trục tung đặt nhiệt độ, trên trục hoành đặt hàm lượng c trong hợp kim đến 6,67% , nghĩa là đến trị số, với nó hợp chất hóa học F e ,c - xem entit được tạo thành Bằng đường chấm chấm vạch biểu đồ trạng thái đối với hệ thống sắt - graíit, bởi vì có thể xảy ra sự phân ly của xementit F e3C.Xem xét biểu đồ một cách chính xác thì không có sắt cacbon và sắt xem entit, bởi vì cacbon tự do không chứa trong hợp kim Nhưng vì hàm lượng của cacbon tỉ lệ với hàm lượng của xementit, nên thực tế tất cả những sự thay đổi cấu trúc của hợp kim quan hệ với những hàm lượng khác nhau của cacbon thuận lợi hơn

Tất cả các đường trên biểu đổ tương ứng với các điểm tới hạn, nghía là với nhiệt độ

đó sẽ phát sinh sự thay đổi cấu trúc ở hợp kim

Đường A C D - đường bắt đầu kết tinh của hợp kim (đường AECF - đường kết thúc kết tinh của hợp kim (đường pha lỏng không đổi) Chỉ những kim loại tinh và chất cùng tinh được nấu chảy và đông cứng ở nhiệt độ không đổi Sự đông cứng của tất cả các hợp kim còn lại diễn ra từ từ, thêm vào đó từ hợp kim lỏng những thành phần dư thừa bắt đầu được tách ra theo ti lệ với thành phần của chất cùns tinh Vùng AESG trên biểu đồ tương ứng với austenít Đường GS - bắt đầu sự tách ra của ferit, còn đường SE - tách ra lần thứ hai của xem entit Đường PSK tương ứng với sự phân ly cuối cùng của austetit và tách ra của peclit Ở vùng phía dưới đường PSK không xảy ra sự thay đổi nào của cấu trúc

Tuỳ thuộc vào hàm lượng của các bon, những hợp kim sắt - cacbon có tên gọi như sau:

Cùng với sự tãng hàm lượng của cacbon trong hợp kim sắt cácbon thì cấu trúc cũng thay đổi, hàm lượng của xementit tãng lên và số lượng của íerit giảm xuống Các bon cùng nhiéu trong hợp kim, thì độ cứng, độ bền càng cao, nhưng tính dẻo của chúng thấp hơn Những tính chất cơ học của hợp kim cũng phụ thuộc vào hình dạng và kích thước hạt của các thành phần cấu trúc Các hạt ferit và xementit càng m ảnh, nhỏ thì độ cứng và

độ bển của thép càng cao

Hàm lượng cácbon, %

< 0 ,8 3 0,83 0,83 - 2

2 - 4 ,3

Thép sau cùng tích Gang trước cùng tích Gang cùng tích Gang sau cùng tích

Thép trước cùng tích Thép cùng tích

Tên gọi

4,3 4,3 - 6,67

C hư ơng 3

NHỮNG T H Í NGHIỆM c ơ HỌC Đ ố i VỚI K IM LOẠI

Chất lượng của kim loại và những sản phẩm chế tạo từ chúng được đánh giá theo những kết quả thí nghiệm kim tương học, công nghệ, hoá học, cơ học và bằng xem xét mặt ngoài

Dưới đây chỉ trình bày nhũng thí nghiệm cơ học

3.1 T H Í N G H IỆM KÉO

Đ ối với dạng thí nghiệm này, người ta chế tạo các mẫu tiêu chuẩn có chiều dài tính toán được quy định như sau:

- đối với mẫu tròn / = lOd,

- đối với m ẫu phẳng / = 1 1 ,3F„

d - đường kính mẫu, mm;

F„ - diện tích tiết diện ngang của mẫu, m m 2

V iệc thí nghiệm được tiến hành trên máy chuyên dụng bằng cách kéo dọc trục mấu cho đến đứt Kèm theo máy có thiết bị ghi tự động biểu đồ tiểu biểu quan hệ phụ thuộcTrong đó:

của biến dạng vào tải trọng

P k G

Trên hình 3.1 cho thấy dạng của biểu đồ phụ thuộc

vào tính chất của thép Từ thí nghiệm nhận được những

Giới hạn chảy - ứng suất nhỏ nhất, khi đó mẫu bị

biến dạng, không có sự tăng tải trọng rõ rệt:

ƠT - PT / F0 ;Giới hạn đồ bền - ứng lực tương ứng với tải trọng lớn

Ns 0,23%c

Độ co thắt tương đối - tỉ số của sự giảm diện tích tiết

diện ngang của mẫu sau khi kéo đứt với diện tích ban

đầu của tiết diện ngang của nó

MI=[(Fo-F ,)/F „ ]1 0 0 % H ỉnh 3.1: Biểu dồ kéo thép

Độ dãn dài tương đối - tỉ số của lượng tăng chiều dài của mẫu sau khi đứt với chiều dài ban đầu của nó:

5 = [ ( / , - / 0) / / 0]lOO%

Giới hạn đàn hồi - ứng lực, mà với nó độ dãn dài dư nhận được bằng 0,005% ehiều dài tính toán của mẫu:

ơ y = P y / F 0 ;Trong đó:

PB - tải trọng lớn nhất, mà với nó mẫu bị phá hoại, kG;

PT - tải trọng tương ứng với diện chảy, kG;

Py - tải trọng, khi đó mẫu nhận được độ dãn dài dư, bằng 0,005% chiều dài tính toán, kG;

/(„ lị - tương ứng là chiều dài mẫu trước và sau khi thí nghiệm , mm;

Fh, FI - tương ứng là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi thí nghiệm , m m 2

3.2 THÍ NG H IỆM ĐỘ CÚNG

Độ cứng Brinen xác định bằng cách ấn lõm viên bị sắt vào kim loại, người ta tính toán riêng sự phân chia của tải trọng trên cho trị số diện tích nhận được ở dấu ấn lõm trên bề mặt kim loại:

HB = P / F = 2 P / n ( D - Vd2 - d 2 )Trong đó:

ơ = 0,36HBNếu thép có độ cứng lớn (thép tôi, thép thấm cacbon) cũng như đối với thép tấm mỏng thì độ cứng xác định theo Rocoen bằng bi sắt đường kính l,59m m hoặc bằng nón kim cương ép vào mẫu thí nghiệm

3.3 THÍ NGHIỆM XUNG KÍCH

Bằng thí nghiệm va đập, xác định được khả năng làm việc (chịu lực) của kim loại trong điểu kiện chịu tải trọng xưng kích, hoặc xác định được độ giòn của nó

Thí nghiệm va đập được tiến hành trên giá con lắc chuyên dụng với việc sử dụng mẫu tiêu chuẩn Độ dai xung kích đơn vị:

a H = Ah/F 0 ,Trong đó:

Ah - công, sử dụng vào việc phá hoại mẫu, kG.m /cm 2;

Fu- diện tích tiết diện ngang ở chỗ cắt (mẫu), cm2

3.4 THÍ NGHIỆM UỐN

Thí nghiệm uốn được tiến hành ở trạng thái nguội hoặc nóng để xác định khả năng của kim loại tấm tiếp nhận uốn theo kích thước, và hình dạng cho trước Những mẫu để thí nghiệm được cắt ra từ tấm thép không gia công lớp bề mặt và đưa vào uộn trên máy

ép hay ở mỏ kẹp (êtô) (xem hình 3.2)

Hình 3.2: Sơ đồ thí nghiệm uốn

Nếu sau khi thí nghiệm, trên bề mặt mẫu không phát hiện thấy những khuyết tật bên ngoài, vết nứt, vết rạn, sự phân lớp, hay mặt gãy thì coi như kim loại là ổn định Khi chiểu dày của kim loại tấm lớn hơn 30mm thì việc thí nghiệm uốn thường không tiến hành

Chương 4

PHÂN LOẠI THÉP

Để ch ế tạo kết cấu kim loại xây dựng, ở các nước người ta sản xuất khối lượng lớn thép ít cacbon và thép hợp kim thấp (HKT) Chúng có thể được phân loại theo phương pháp: nấu luyện, khử oxi, rót khuôn, tăng bền, thành phần hoá học, cơ tính và tính hàn (xem hình 4.1)

4 1 T H E O P H Ư Ơ N G P H Á P N Ấ U L U Y Ệ N

Hình 4.1: Phân loại thép xây dựng

Thép được nấu ỉuyện trong lò Mactin, lò thổi (với việc thổi bằng oxi từ phía trên), lò thổi bexeme, 15 thổi Tomat Phổ biến nhất là dùng lò Mactin Dung lượng lớn nhất của

lò Mactin có thể đạt tới 550 - 900 tấn

Khối lượng chính của thép nấu luyện thành gang lỏng, có thêm các vụn kim loại

Đặc điểm của quá trình luyện thép bằng lò thổi Bexeme so với những phương pháp luyện thép khác là ở chỗ: không kh í chứa oxi và nitơ tác dụng trực tiếp đến kim loại nấu chảy - sự cháy hoàn toàn phát sinh trong toàn bộ quá trình nấu luyện thép, khi đó kim loại nóng chảy được bão hoà bởi nitơ; lượng lưu huỳnh và phốt pho trong quá trình nâu luyện hầu như không thay đổi, vì th ế hàm lượng của những nguyên tố này trong thèp lò Bexeme được tăng lên Do những đặc điểm này, thép lò Bexeme khác đáng kể so với thép lò M actin về thành phần hoá học (hàm lượng cácbon giảm thấp, hàm lượng lưu huỳnh phố pho, ôxi tăng cao), cơ tính khi chịu kéo tăng cao, có khuynh hướng giòn nguội và nhạy cảm với sự hoá già.

Hiện nay, ở nhiều nước việc nấu luyện thép bằng lò Bexeme bị thu hẹp do nhược điểm của nguyên liệu có hàm lượng phốt pho thấp

Kinh nghiệm xây dựng và sử dụng các phân xưởng lò thổi cho thấy chi phí vốn ít hơn

so với lò Mactin, hiệu suất và độ linh hoạt cao hơn Chất lượng thép của lò thổi phụ thuộc nhiều vào độ sạch của ôxi dùng để thổi, nên sử dụng oxi có hàm lượng 99-99,5% 0 2.Phương pháp tinh luyện gang bằng oxi sạch gọi là phương pháp OLP

Người ta đưa vào dòng tia của oxi lượng vôi nghiền mịn được điều chỉnh chính xác Nồng độ vôi thay đổi phù hợp với gang thiên nhiên và với từng giai đoạn của quá trình nấu luyện

Thép nhận được từ phương pháp OLP được đặc trưng bởi hàm lượng thấp của phôtpho, lưu huỳnh và nitơ Cơ tính của nó theo cường độ không thua kém so với thép lò Mactin, còn về tính dẻo thì trội hơn

4.2 TH EO PHƯƠNG PH ÁP K H Ử O X I

Trong toàn bộ quá trinh luyện kim, người ta đưa vào hàm lượng cácbon cần thiết dùng cho việc khử oxi để ngăn ngừa sự oxi hoá tiếp theo của các bon và trạng thái oxi dư thừa

Sự khử oxi có ảnh hưởng lớn đến chất lượng thép Nó được thực hiện bởi hợp kim siít

- mangan, hợp kim sắt - silic, nhôm và titan Khi khử oxi bằng hợp kim sắt - silic, thép nhận được có hạt thô Nhôm là chất khử oxi có hiệu quả nhất và cùng với titan (hoặc vanađi, ziriconi) buộc oxi tạo thành những oxit phân tán hạt nhỏ thoát ra; nó xuất hiện bởi vô số tâm kết tinh hạt nhỏ, đồng thời ngăn cản sự phát triển hạt khi nung nóng thép.Khi khử oxi của thép thường không nên cho thêm vào số lượng lớn nhôm để tránh tạo thành tạp chất phi kim loại khó chảy A120 3 trong thép

Phương pháp khử oxi của phần lớn các nguyên tố là làm giảm mức độ tăng cao nồng

độ của chúng trong dung dịch

Trong hệ thống sắt - nhôm - oxi thì việc tăng nồng độ của nhôm vượt trị số xác định một chút là để giá trị của hệ thống này không giảm mà tăng lượng oxi hoà tan ở thế nóng chảy.Theo mức độ khử oxi, thép xây dựng ít cacbon được chia ra là thép sỏi, thép nửa lặng; thép hợp kim thấp chỉ được nấu luyện dưới dạng thép lặng

Eộ khử oxi là đặc trưng quan trọng nhất của thép, trạng thái của thép lỏng trong quá trình đông cứng được xác định bởi mức độ khử oxi của thép Thép được phân ra thành thép ìôi, thép nửa lặng và thép lặng theo cường độ thoát khí khi kết tinh.

Thép sôi là thép khử ôxi không hoàn toàn, đông kết trong khuôn đúc có thoát khí, tạo nên <ự sôi Những bọt khí của thép sôi được hình thành ở thỏi đúc, điều hoà giảm thể tích của kim loại khi đông kết Vì thế ở thổi đúc của thép sôi không có vết rỗ co tập trung Thép sôi trong khuôn đúc bắt nguồn do sự thoát khí từ kim loại, tạo nên cấu trúc đặc trưng của thỏi đúc thép sôi Thép sôi vốn có tính không đổng nhất hoá học và không đồng đều cấu trúc Những nhược điểm này tãng lên cùng với sự tăng trọng lượng của ihỏi (lúc Mức độ tãng tính không đổng nhất hoá học của thép sôi liên quan chặt chẽ với cườn’ độ và thời gian thoát khí khỏi thép trong quá trình kết tinh Cùng với sự giảm thời gian sôi của thép ở trong khuôn đúc thì mức độ tách iệch cacbon, lưu huỳnh và phốt pho trong thỏi đúc cũng giảm

Cường độ thoát khí khỏi thép khi đông kết có thể giảm hoặc hầu như ngừng không chỉ tới sự khử oxi thích hợp mà còn bởi sự làm đông (bít kín) phần đỉnh của thỏi đúc, được thực hiện bằng phương pháp cơ học hay hoá học; sự sôi của thép ngừng ở chính giai doạn trước lúc tạo hình thỏi đúc, đơn giản và hiệu quả nhất bằng cách nút kín phần đỉnh của thỏi đúc khi rót vào khuôn đúc kiểu thùng (chai) Cách này giảm được sự xâm nhậpcủa oxi vào kim loại, còn ở phần trên của thỏi đúc được đông lạnh nhanh nhờ phần trên nặng của khuôn Phương pháp làm giảm yếu sự sôi của kim loại như vậy, không sử dụng khử oxi mạnh gọi là bịt kín (nút chặt) cơ học

Với phương pháp bịt kín hoá học, sự đông lạnh của phần đỉnh (đầu) thòi đúc đạt dược nhờ sự phát xạ mạnh của bề mặt hở của kim loại trong những điều kiện, khi mà sự thoát khí ở phần này của thỏi đúc bị ngừng hoàn toàn và liên quan với nó là tốc độ khuâV trộn lớp trên của kim loại với lớp dưới giảm mạnh Sự sôi của thép trong trường hợp ểó bị ngừng lại sau khi làm đầy khuôn đúc bằng cách đưa vào chất khử oxi (nhôm hay íợp kim sắt - silic) trên kim loại phẳng Khí đó, ở phần đầu của thỏi đúc tạo thành rnànị m ỏng kim loại đông cứng và sự sôi của thép hầu như bị ngừng

Eưa vào chất khử oxi ở những thời điểm khác nhau và thay đổi số lượng của nó, có thể d ề u chỉnh chiều dày màng khoẻ hơn (không có bọt bong bóng) ở thỏi đúc và điều chiỉnt được mức độ thiên tích (Phân tụ)

Si bịt kín cơ học có hiệu quả khi áp dụng phương pháp rót thép từ dưới lên (rót xi phônỉ), còn sự bịt kín hoá học có kết quả khi áp dụng phương pháp rót từ trên xuống

T ro n ' m ột số trường hợp, để nhận được thỏi đúc bít kín, người ta áp dụng hai phương pháp làm đông lạnh phần trên của khuôn đúc dạng chai và bằng cách khử oxi phần đỉnh của tìỏi đúc Bằng cách đó dễ dàng có được cấu trúc đã định

c phần trên của thỏi đúc, khi đông cứng tạo nên vùng thiên tích tập trung với những bọt tong bóng và rỗ (nguồn gốc của co ngót) với sự thiên tích đầy đủ hoàn toàn hay một

phần Khi cán thép những lỗ rỗng này được lấp kín kém - hình thành sự phân lớp, vì thế lượng lớn kim loại bị tách ra ở chỗ cắt Sự bịt kín cơ học của thỏi đúc ở giai đoạn trước lúc sôi (mới bắt đầu sôi) được thực hiện nhờ nắp chụp nặng hoặc bằng cách rót thép vào khuôn đúc hình chai, còn ở giai đoạn muộn thì nhờ nắp chụp bằng gang.

Thép nửa lặng được khử oxi trong lò, thùng rót hoặc trong lúc rót kim loại đầy khuôn đúc bằng sự khử oxi cục bộ bởi silic hoặc nhôm Vi thế thép nửa lặng ở trong khuôn đúc không sôi, nhưng khi kết tinh thỏi đúc thì phát sinh sự hình thành những bọt khí, ngàn cản sự phát triển mạnh của rỗ co tập trung

Với những đặc trưng của khử oxi và sự kết tinh của thỏi đúc, sản lượng kim loại hàng năm của thép nửa lặng lớn hơn 7 - 10% so với thép lặng do giảm lượng cắt đầu trên máy cán; chi phí chất khử oxi giảm 2 lần, công nghệ rót thép được đơn giản hoá

Cùng với sự tăng mức độ khử oxi thì độ đồng nhất của các tính chất cơ lý của thép nửa lặng cũng được tăng lên Khi mức độ khử oxi nhỏ thì nhận được thỏi đúc có những bọt khí ở gần bề mặt và tính chất của thép xấu đi Khi sự khử oxi lớn quá mức sẽ xuất hiện rỗ co cách ly phát triển, làm tăng đáng kể phần đầu bị cắt của thỏi đúc Đ ộ khử oxi của thép nửa lặng ở trong khuôn đúc được xác định bằng mắt theo độ dài thời gian bắn toé kim loại sau khi rót khuôn

Thép lặng nhận được bằng cách khử oxi hoàn toàn của kim loại ở trong thùng rót, máng hay ở trong khuôn đúc với số lượng cần thiết của chất khử oxi, đảm bảo việc ngưng kết kim loại không thoát khí

Có thép lặng với hàm lượng khí không đáng kể và thép trong nó không có sự thoát khí dưới dạng các bọt bong bóng Trường hợp thứ nhất là thép lặng chất lượng thường, còn trường hợp thứ hai là thép khử oxi bằng nhôm dư thừa, gọi là "thép lặng khử oxi sơ bộ"

Sản lượng hàng năm của thép cán từ phôi nhận được bởi phương pháp rót liên tục cao hơn so với khi cán từ phôi thông thường Cấu trúc của phôi khi rót liên tục khác với phòi rót bình thường là có cấu trúc nhỏ và đồng nhất hoá học theo chiều cao và mặt cắt ngang, do cường độ thoát khí nhỏ hơn khi thép kết tinh

Phôi của thép sôi được đặc trưng bởi 3 vùng cấu trúc: màng mỏng bên ngoài, vùng rỗ

tổ ong và vùng trung gian khác với phôi thông thường

4.5 TH EO Đ ộ BỂN

Như đã biết, đối với thép xây dựng có 3 phương pháp tăng bền: hợp kim hoá, nhiệt luyện và biến dạng nguội Đôi khi người ta áp dụng phối hợp những phương pháp này, chẳng hạn tăng bền bẳng nhiệt trong đa số trường hợp là phối hợp của hợp kim hoà và nhiệt luyện

Việc tâng bển cho thép xây dựng bằng phương pháp biến dạng nguội được tiến hành trên máy kéo - nắn Khi kéo thép tấm trong quá trình nắn, quan sát được sự tăng cường độ đáng kể đến 1-1,5% khi bảo toàn độ dẻo ban đẩu, Điều đó cho thấy khả năng phối hợp quá trình nắn và nâng cao cường độ của sản phẩm cán từ thép ít cacbon và thép HKT

Trong xây dựng cùng với việc sử dụng thép hình uốn nguội thì phương pháp biến dạng dẻo nguội có thể sử dụng như một phương pháp nâng cao cường độ của thép xây dựng.Khi chế tạo thép hình uốn nguội trên máy uốn định hình có thể đạt được sự tăng cường độ đáng kể của kim loại (giới hạn chảy tăng đến 35%, giới hạn bền tăng đến 12% khi giảm độ dãn dài tương đối 28%)

Việc sử dụng những thép hình tăng bền như vậy trong kết cấu là khó khăn bởi vì sự biến cứng nguội trong những bộ phận khác nhau của thép hình không như nhau

Số lớn các mác thép được giới thiệu để chế tạo các kết cấu kim loại xây dựng, khó chọn chúng cho những kết cấu cụ thể Vì thế nảy sinh sự cần thiết phân loại thép xây dựng theo những đặc trưng cơ bản của cường độ - giới hạn chảy

Sự phân loại thép nêu trong bảng 4.1

Bảng 4.1 Phân loại thép xây dựng theo độ bền

về loại thép có tính hàn hạn chế Thép biến dạng nguội thuộc về loại thép có tính hàn kém, bởi vì khi hàn, chúng bị mất tính bền đáng kể và tác dụng nhiệt dẫn đến làm tâng

độ giòn của thép

Chương 5

THÉP ÍT CACBON

5.1 T H É P ÍT CACBON CÁN NÓNG

Đế c h ế tạo kết cấu kim loại xây dựng, người ta sử dụng thép ít cacbon cán nóng theo

r o c r 380-60 "Thép cacbon chất lượng thông thường" và theo rO C T 6 7 13-53 "Thép cán nóng để xây dựng cầu"

Thép CT.O và K.CTO có thành phần hoá học xác định không đầy đủ và cơ tính không đồng nhất bởi vì chúng được tạo ra từ những thứ phẩm của thép mác khác nhau

Vì th ế những thép này được sử dụng rất hạn chế cho những kết cấu không chịu lực và không quan trọng

Thép CT.2 mềm và dẻo, so với những thép cacbon khác nó có những đặc trưng độ bền thấp, vì th ế chúng được sử dụng để chế tạo những kết cấu tấjn có khối lượng công tác uốn, gấp mép lớn và để chế tạo đinh tán

Thép CT.3 được sử dụng rộng rãi để chế tạo các kết cấu Rim loại xây dựng

Thép CT-5 có độ bền lớn hơn, nhưng độ dẻo nhỏ, tính hàn trung bình, có khuynh hướng giòn nguội ỉớn và khó gia công, vì thế thường chỉ sử dụng trong kết cấu tán đinh.Thép M16C được sử dụng đối với những kết cấu cầu hàn

Theo Tiêu chuẩn Quốc gia của Liên Xô cũ (rO C T 380-60), tuỳ theo điều kiện cung ứng, thép các bon chất lượng thường có thể có một số loại khác nhau:

- Theo tính chất cơ học có thép nhóm A;

- Theo thành phần hoá học có thép nhóm B;

- Theo thành phần hoá học và tính chất cơ học, có thép nhóm B;

- Theo phương pháp nấu luyện, có thép lò Mactin, thép lò thổi oxi, thép lò Bexeme;

- Theo mức độ khử oxi, có thép lặng, thép nửa lặng và thép sôi

5.1.1 T h àn h phần hoá học

Mác và thành phần hoá học của thép cácbon dùng trong xây dựng nêu ở bảng 5.1

Bảng 5.1 Mác và thành phần hoá học (%) của thép ít cácbon dùng trong xây dựng

B ả n g 5 1 ( t iế p t h e o )

T.C Q G sôi nửa lặng lặng không lớn hơn

0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,040 0,045

0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,045 0,050

380 - 60 380-60

380 - 60 380-60 380-60 380-60

6713-53 6713-53

L ò thổ i Thép lò thổi KCt 0, KCt, 1 Kn, K C t lnc, K C t, 2kii, KC t 2nc, K C t 3nc, KCt 3Kn, K C t 3, KCt 5nc H K C t 5 T h e o TCQG c ũ n g có th à n h phần hóa h ọc như thép lò M a c tin đ ố i vớ i

5.1.2 N hững tính ch ất cơ học khi kéo

Những đặc trưng có tính của thép ít cacbon, dùng cho kết cấu kim loại xây dựng nêu

B ả n g 5 2 ( t iế p th e o )

Thép

ƠT (kG /cm 2) khi chiều dày (m m )

s,„ °ỉo

\ựUị, %

Thép hình và thép định hình

Thép tấm và thép dải rộng

Thép CT.3 chứa cacbon trong phạm vi 0,14-0,22% (thép lò M actin và thép lò thổi),

và < 0,12% (thép lò Bexeme) được sử dụng rộng rãi trong kết cấu hàn Trong thép M16C

để chế tạo kết cấu hàn thì hàm lượng các bon là 0,12 - 0,20%

Trước đây, thép dùng cho kết cấu kim loại tán đinh thì hàm ỉượng cácbon không quy định nghiêm ngặt Những yêu cầu xác lập chủ yếu để đạt được độ bền và độ dẻo cho trướe, Khi chuyển qua chế tạo hàng loạt kết cấu kim loại hàn thì đã đặt ra yêu cầu độ cứng lớn hem theo hạn định giới hạn trên của cacbon

Các bon tỏ ra có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của thép Khi độ hoà tan của cacbon trong thép không đáng kể, thì hầu như tất cả nó ở trong thép dưới dạng cacbua,

Vì thế cùng với sự tăng hàm lượng cacbon, giới hạn bền của thép cũng được tăng, giới hạn chảy nhỏ hơn một chút, và tính dẻo của thép giảm xuống

Như vậy là tính chất cơ học của thép ít cacbon phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon

Các bon làm tăng tính nhạy cảm của thép với sự quá nhiệt và với tốc độ làm nguội,nâng cao tính tôi được của thép và do đó ảnh hưởng xấu đến tính hàn của nó.

Đặc biệt là ảnh hưởng của cacbon đến những tính chất của thép sôi, có khuvnh hướng lớn với thiên tích Cùng với sự tăng hàm lượng cacbon ở trong thép, thì hàm lượng của nó ở vùng thiên tích cũng tăng Trong những kết cấu hàn, cùng với sụt áng cacbon trong thép thì tính dẻo của thép bị giảm đi, độ giòn ở vùng gần mối hàn tãng lên

Vì thế đối với thép dùng cho kết cấu hàn có xét đến sự phân bố lại ứng suất, quy định khống ch ế giới hạn trên của hàm lượng cacbon Các bon cũng làm tãng tính giòn nguội của thép và độ nhạy cảm của nó với sự hoá già Trong thép có hàm lượng cacbon nhỏ, quan sát được cấu trúc xem entit tự do, làm tâng tính giòn

Trong những thép ít cacbon được nghiên cứu có giới hạn độ bền như nhau, nhưng tỉ

số giữa hàm lượng Mn và c khác nhau, thì thấy rằng khi tăng tỉ số này từ 2,5 đến

Ảnh hưởng tốt của M n khi hàm lượng của nó được tăng cao trong thép là ở chỗ giảm

được vùng thiên tích M angan hoà tan một phần trong ferit nâng cao được cường độ của nó; thêm 0,1% Mn tăng giới hạn độ bền khoảng 1,25 kG /m m 2, giới hạn chảy tăng không đáng kể và hầu như độ dẻo không bị giảm

- Silic (Si)

Hàm lượng silic trong thép ít cacbon không lớn, trong thép CT-3, hàm lượng đó

< 0,3%; Si có tác dụng như chất khử oxi mạnh, đảm bảo với hàm lượng 0,07 - 0,1%, hàm lượng thấp của oxi trong thép

Sự kết hợp với khí làm giảm bọt khí của thép, giảm vùng thiên tích

Si có trong thép dưới dạng đung dịch rắn, nâng cao được độ bền của ferit; 0,1% Si ưong thép it cacbon nâng cao được giới hạn độ bền khoảng 1 kG/mm2 và giới hạn chảy lăng

0,5 - 0,8 kG/mm2; khi đó độ dãn dài giảm Ví dụ, trong thép CT-3, thép lặng, thép nửa lặng

và thép sôi, những đặc trưng độ bền được tăng lên cùng với sự tăng hàm lượng silic

lẫn s có đặc trưng phân tán, chúng được tập hợp ở không gian giữa các tinh thể dạng

nhánh, phá huỷ liên kết của những tinh thể riêng biệt

Kết quả nghiên cứu đối với thép 16FC cho thấy độ dai xung kích của nó phụ thuộc vào hàm lượng của c , Mn và s, trong đó s có ảnh hưởng lớn nhất, khi hàm lượng của nó lớn hơn 0,03% thì độ dai xung kích giảm 30%

- Phốt pho (P)

Hàm lượng của p trong thép ít cacbon không lớn lắm Hàm lượng nhỏ nhất của nó trong thép lò M actin và lò thổi là < 0,055%, lớn nhất trong thép là Bexeme là < 0,08% Tuy nhiên p có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của thép do khuynh hưởng dãn đến thiên tích của nó p làm tăng bền cho thép, nhưng đồng thời cũng làm tăng xu hướng giòn nguội của nó

Sự khử oxi tốt của thép và có được hạt nhỏ bằng cách cho thêm nhôm có thể có tác dụng trung hoà phốt pho

Khi tăng hàm ỉượng p, dẫn đến tạo thành fôtfua - dung dịch rắn của p trong thép, nó phân bố theo giới hạn hạt Phốt pho làm tăng kích thước hạt và thủ tiêu những hạt riêng

biệt ở bên trong; khi tăng hàm lượng cacbon thì nồng độ p được tăng lên trong thép,

không liên kết thành cácbua Vì thế ảnh hưởng có hại của p tãng lên cùng với sự tăng hàm lượng c trong thép

- Ni, Cr, Cu.

Trong thép cacbon chất lượng thường, những tạp chất dư thừa (Ni, Cr, Cu) có đến 0,3% đối với mỗi nguyên tố

Khi cho thêm 0,01% mỗi nguyên tố, thì ảnh hưởng của chúng đến giới hạn độ bền của thép như sau:

Giới hạn chảy của thép CT-3 nấu luyện trên cơ sở của quặng hợp kim hoá thiên nhiên có hàm lượng Ni dư thừa < 0,7% cao hơn khoảng 3-4 kG /m m 2 so với giới hạn chảy của thép thông thường không có Ni

Như vậy, với hàm lượng không cao của các chất dưa thừa có thể ảnh hưởng đến độ bển của thép

Hàm lượng cao của đồng (> 0,18% ) trong thép HKT it cacbon làm tăng độ nhạy cảm của thép đối với sự hoá già Ngưỡng giòn nguội thay đổi trong phạm vi nhiệt độ dương Ảnh hưởng có hại của đổng có tác dụng trung hoà Mn nồng độ cao trong kim loại mối hàn Những thép HKT có chứa đồng không hoá già, bởi vì có chứa Cr, Ni, Mn và một số nguyên tố khác Ảnh hưởng có lợi của Cr và Ni là ở chỗ những nguyên tố này làm giảm

độ hoà tan của đồng trong thép và giảm độ nhạy cảm của nó với sự hoá già Khi tăng hàm lượng Mn trong mối hàn đến 0,98% thì ảnh hưởng xấu của đồng hoàn toàn bị trung hoà

b) K h í trong thép

Trong quá trình nấu luyện, thép lỏng hấp thụ khí, một phần của nó thoát ra khỏi kim loại trong lúc đông rắn Những khí còn lại ở trong thép có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật lý và tính chất cơ học của thép; vai trò của chúng trong nguồn gốc phát sinh những khuyết tật quan trọng trong thép là đáng kể, và chúng cần được xem xét cùng với những nguyên tố khác

Số lượng khí trong thép xây dựng phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm của quá trình nâu luyện thép và vào phương pháp cán Ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của thép là nitơ, oxi, và hydro Những khí trong thép ở trạng thái hoà tan, hoặc cùng với các nguyên tố khác tạo thành liên kết hoá học

Ớ trạng thái tạo thành những liên kết hoá học, với sự làm nguội tiếp theo của kim loại, khí có thể được hấp thụ với số lượng lớn hon so với khi hoà tan tạo thành dung dịch Trong trường hợp sau, những nguyên tử khí thay thế những nguyên tử của kim loại rắn ở nút của mạng tinh thể hoặc được bố trí ở giữa chúng

ở thép lò thổi oxi, khi nhận được nó trong lò thổi cùng với không khí, thì số lượng khí khá nhỏ so với thép trong lò Bexeme, thậm chí nhỏ hơn cả lượng khí trong lò Mactin, nó phụ thuộc vào độ tinh của oxi sử dụng Khi tăng độ tinh của oxi từ 98,5 đến 99,1% thì hàm ỉượng khí nitơ trong thép giảm từ 0,007 xuống 0,002 - 0,005% Khi thổi oxi, hàm lượng nitơ trong thép là 0,002 - 0,004%

Nguyên tố

Cu

Ni Cr

Lượng tăng ơB(kG/mm2)

0,056 0,028 0,042-0,14

Hình 5.1: Ảnh hưởng của oxi đến tính chất cơ học của thép it cacbon

- Oxi.

Oxi có thể có trong thép và trong kim loại của

mối hàn ở trạng thái hoà tan dưới dạng oxyt sắt

hoặc dưới dạng hỗn hợp với những oxyt khác

Độ hoà tan của oxi trong thép nhỏ hơn 0,003%

Oxi ở trong kim loại dưới dạng nào là phụ

thuộc vào độ hoà tan của nó Trên hình 5.1 cho

thấy sự thay đổi tính chất cơ học của thép ít cacbon

phụ thuộc vào hàm lượng oxi trong dung dịch rắn

Cùng với sự tăng oxi thì giới hạn đồ bển và độ dai

xung kích giảm đáng kể, giới hạn chảy và độ dãn

dài tương đối hầu như không đổi Khi tăng hàm

lượng oxi thì khuynh hướng giòn của thép cũng tăng đáng kể Chất lẫn oxi chủ yếu nằm theo giới hạn hạt, nó làm xấu đi khá nhiều những đặc trưng tính chất cơ học của thép

Ở thép Tomat với hàm lượng oxi là 0,04% thì độ dai xung kích của nó giảm mạnh Trị số của độ dai xung kích ở nhiệt độ dương là 0,3 kG.m/cm2

- N itơ

Nitơ nằm ở nhóm thứ 5 trong bàng hệ thống tuần hoàn M enđenlêep Nó ảnh hưởng đến tính chất của thép tương tự phốt pho, cũng nằm ở nhóm này

Độ hoà tan của nitơ trong thép khi ở nhiệt độ

trong phòng là 0,15 - 0,001% ở nhiệt độ trong

phòng, nitrit (Fe4N) hoà tan trong thép ở trạng thái

quá bão hoà Sự gia công cơ khí, sự biến dạng dẻo

hay nung nóng vừa phải có tác dụng kích thích sự

ra khỏi dung dịch, kéo theo sự thay đổi tính chất

cơ-lý của thép

Những đặc trưng độ bền (ơ B, ƠT) và độ cứng

của thép tăng lên cùng với sự tăng hàm lượng nitơ,

trong khi đó tính dẻo (8, lị/) và độ dai xung kích aH

Hình 5.2: Ánh hưởng của nitơ (N2) đến những tính chất cơ học của

thép it cacbon

Độ hoà tan của hydro phụ thuộc vào thành phần của hợp kim, nhiệt độ và áp lực của hydro Với nhiệt độ trong phòng và áp lực bình thường, thì trong thép chỉ giữ một phổn không đáng kể hydro Độ hoà tan giới hạn của hydro trong thép rắn ở 153CTC ỉà

0,0007% độ hoà tan hydro trong thép - Ỵ cao hơn ở trong thép - a Trong tất cả những

nguyên tố đã biết, hydro khuyếch tán nhanh nhất trong thép

Khi làm nguội thép, hydro thoát ra từ mạng tinh thể thép đi vào các lỗ rỗng của kim loại,

nó chuyển sang trạng thái phân tử Quá trình này được kéo dài khi ở nhiệt độ trong phòng Hydro thoát ra từ dung dịch rắn được tập trung ở khu vực giữa các tinh thể, dọc theo

mặt phẳng trượt

Hydro hấp lực thép ở dưới dạng proton; sự xâm nhập của hydro với xác suất lớn nhất

ở vỏ của nguyên tử kim loại Khi có sự hấp thụ hydro bởi thép thì phát hiện thấy sự thay đổi trạng thái mạng tinh thể của thép, định hình bởi ảnh chụp bằng tia X

Hiệu ứng mô tả ở trên là khả năng phát sinh trong mạng tinh thể ứng suất "hydro" phụ, ứng suất này đối với m ẫu thử được nghiên cứu là 8 - 10 kG /m m 2

Có thể những ứng suất "hydro" phụ này là nguvên nhân cơ bản tạo nên độ giòn của thép.Ảnh hưởng của hydro đến tính chất cơ học của thép đã được tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ, và thấy rằng hydro làm giảm giới hạn độ bền và độ dai xung kích, đặc biệt làm giảm mạnh độ co thắt tương đối và độ dãn dài tương đối, còn giới hạn chảy được nâng cao

Hàm lượng khí trong thép ít các bon theo các số liệu thực nghiệm nêu trong bảng 5.4

Bảng 5.4 Hànrlượng khí (%) theo sô' liệu thực nghiệm

c) Độ không đồng nhất hoá học trong thép

Trong quá trình kết tinh của thép, sự thay đổi độ hoà tan của các nguyên tố khi thép đông cứng và sự tồn tại đồng thời của vùng lỏng và vùng hai pha dẫn đến sự không đồng nhất hoá học trong thỏi đúc - Số lượng lốn nhất của tạp chất ở thỏi đúc của thép lặng tập trung ở phần trên của nó, kéo theo rỗ co dưới dạng thiên tích chữ V và trên độ dài lớn

của thỏi đúc dưới dạng thiên tích chữ A Độ thuần chất tương đối của kim loại đặc trưng cho vùng trung tâm của thỏi đúc Ở phần dưới của nó có thể quan sát thấy sự thiên tích

Ở thép sôi, sự thiên tích kích thích lượng lớn khí thoát ra khi kết tinh thỏi đúc Nồng

độ của chất pha (chất lẫn) được tăng lên từ bề mặt đến lõi thỏi đúc và từ phần đáy đến phần đỉnh của thỏi đúc Theo số liệu của một tài liệu nghiên cứu, thì ở thỏi đúc thép sôi nặng 6,9T, thiên tích của cacbon là 500 - 800%, của lưu huỳnh 60-1000% , của phốt pho

Từ số liệu trong bảng trên cho thấy độ thiên tích nhỏ nhất là đặc điểm của thỏi đúc

có nút kín cơ học, độ thiên tích cao hơn một chút là đặc điểm của thỏi đúc nút kín hoá học và độ thiên tích cao hơn hẳn ở thỏi đúc của thép rót theo công nghệ thông thường.Cùng với việc tăng hàm lượng của oxi thì độ phân tích của lưu huỳnh và phôt pho cũng tăng lên, cho nên quan sát được độ thiên tích lớn trong thép Bexeme Dưới đây chỉ

rõ sự phân bố phôt pho và nitơ ở trong phôi thép góc và thép vuông từ thép ít cácbon ở

vùng thiên tích và vùng (không thiên tích);

Thép hình cán từ thép lò Bexeme có những vùng thể hiện rất rõ hàm lượng cao của s,

p, N và 0 2

Hàm lượng tăng cao của 0 2, N và p làm thay đổi mạnh tính chất cơ học của thép

Bexeme: những đặc trưng về độ bền tăng lên, những đặc trưng của độ dẻo giảm xuống.

Những ảnh hưởng chung của p, N và 0 2 làm tăng đáng kể xu hướng của thép dẫn tớigiòn nguội, tăng độ nhạy cảm với sự hoá già và với sự biến dạng dẻo cục bộ.

d) Phương pháp nấu luyện

năm gần đây xuất hiện những

phương pháp nấu luyện thép mới

(ở ỉò thổi có lớp lót nền và thổi

bằng oxi từ phía trên), người ta đã

tiến hành khảo sát và so sánh về

chất lượng của thép lò M actin và

thép lò thổi Thép lò thổi khác với

thép lò M actin ở chỗ:

- Độ phân tán hàm lượng của

s, p và N2 rộng hơn (hình 5.3)

- Thành phần hoá học và

những đặc trưng cơ học khi kéo

( ơ B, ƠT, ô, Vị/) của thép lò thổi

tương tự với thép lò Mac tin; Điều

này thể hiện rõ trên hình 5.4 Sự

phân bố đường cong tổng quát các

tính chất cơ học của sản phẩm cán Hinh 5 J : Đường cong tần suất của hàm lượng

từ thép 16 thổi và lò M actin cho S (5 ,6 ),p h ô tp ko (3 ,4 )và cù a n ỉlữ (I,2 )

thấy những dặc trưng độ bền của ' ro"s lhẾF 10 ' f «* théP 16 * * * > :

, , , .1 „ X 1,3,5- thép lò thổi; 2,4,6 - Thép lò Mactin.

phương pháp sản xuất thép Sự dao động không lớn ở những tính chất của thép nhậnđược từ lò thổi và lò M actin là do hàm lượng các nguyên tố c và Mn trong những thépnày khác nhau không đáng kể

- Tính dẻo của thép lò thổi cao hơn rõ rệt so với tính dẻo của thép lò M actin, bởi vì trong thép lò thổi không có những nguyên tố dư thừa (niken, crôm, đồng), những nguyên

tố này rơi vào thép M áctin từ những vụn thép Tuy nhiên, tính dẻo của cả thép lò thổi lẫn

lò M actin đều tăng lên nếu giảm đáng kể hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho trong nó;

- Thép lò thổi có độ nhạy cảm lớn với ứng suất tập trung;

- Thép lò thổi CT-3 có xu hướng giòn nguội nhỏ hơn so với thép lò Bexeme, và theo tính chất này nó gần với thép lò M actin, tuy nhiên trong một số trường hợp, khuynh hướng dẫn tới phá hoại giòn ở thép lò thổi quan sát được ở nhiệt độ cao hơn

e) Mức độ khử oxi

Để xét ảnh hưởng của mức độ khử oxi đến những tính chất cơ học của thép, người ta

đã tiến hành nghiên cứu, so sánh các tính chất cơ lý của thép cán hình và thép tấm từ thép lặng, thép nửa lặng và thép sôi CT.3

l-M C T -3 cn ; 2-MCT-3nc; 3-KCT-3cn; 4-KCT-3nc;

Những kết quả nghiên cứu khi kéo thép hình cán từ thép CT-3cn, CT.3nc, CT 3kiĩ và CT.3 Kn nút kín cho thấy những đặc trưng độ bển cao nhất ở thép lặng, sau đó là ở thép nửa lặng và thấp nhất ở thép sôi

Những kết quả thí nghiệm tính chất cơ học của thép tấm CT.3 cũng chỉ rõ sự giảm thấp những đặc trưng độ bền khi chuyển từ thép lặng sang thép nửa lặng và thép sôi

5.2 T H É P IT CACBON TĂNG BỂN NHIỆT HỌC

5.2.1 Sự tăn g bền nhiệt học của thép

Nhờ nhiệt luyện có thể cải thiện đáng kể những tính chất cơ lý của thép it cacbon cán nóng, trong đó nâng cao được mức của các tính chất bển và giảm xu hướng giòn ở nhiệt

độ âm và giảm sự hoá già Việc cải thiện tính chất của thép ít các bon cán nóng - loại

thép sôi CT.3Kn là rất quan trọng, ví nó được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng Thép CT.3KI1 không đáp ứng được yêu cầu của phát triển xây dựng vì độ bền tĩnh thấp, xu hướng dãn đến giòn nguội và độ nhạy cảm với sự hoá già cao Bằng cách nhiệt luyện đơn giản có thể nâng cao được những đặc trưng tính chất cơ học của thép ít cacbon đến mức của thép hợp kim thấp.

Người ta đã tiến hành nhiệt luyện thép ít cacbon theo rC)CT9458-60 và một sô' mác của thép HKT nhằm sử dụng độ bền cao của nó trong những kết cấu kim loại xây dựng.Việc sử dụng thép có độ bền tăng cao giúp tiết liệu được kim loại khá lớn

5.2.2 T h àn h phần hoá học củ a thép được tăng bền nhiệt

Người ta đã tiến hành tăng bền nhiệt học đối với thép ít cacbon có hàm lượng cácbon

từ 0,05 đến 0,35%

Những nghiên cứu chi tiết sau này về tính chất cơ học và tính hàn của thép ít cacbon

đã buộc phải giảm giới hạn trên của hàm lượng cacbon Cụ thể, đối với thép xây dựng thì hợp lý hơn cả là nhiệt luyện thép it cacbon có hàm lượng cacbon < 0,18%

5.2.3 C ông ngh ệ tăn g bền n h iệt học của thép

Hiện nay, ở những nhà m áy luyện kim, người ta tiến hành nhiệt luyện thép tấm ít cacbon bằng 3 phương pháp chính:

- Đưa thép vào tôi sau khi nung nóng ở trong lò buồng và làm nguội trong bể có nước chảy;

- Tôi sản phẩm cán sau khi nung nóng;

- Tôi trong máy ép có thiết bị phun sau khi nung nóng trong lò thông kiểu con lăn

Sự nung nóng riêng sản phẩm cán trước khi tỏi, đảm bảo được độ đồng nhất của tínhchất cơ học sau khi nhiệt luyện, nhưng phương pháp này đòi hỏi sự nhiệt luyện chuyên môn hoá và khối lượng lao động lớn hơn Để tôi có nung nóng sản phẩm cán không đòi hỏi lò nung, mà chỉ cần thiết bị làm nguội, có thể thực hiện nó khá đơn giản ở nhà máy luyện kim bất kì

Cũng có thể kết hợp hai phương pháp nung nóng: sản phẩm cán dạng tấm ngay sau khi cán cho đi qua lò bằng và sau khi duy trì nhiệt trong chúng ở nhiệt độ tôi thì đưa vào làm nguội trong nước

So sánh những phương pháp nêu trên, thì tôi sản phẩm cán dạng tấm trong m áy ép để tôi là hiện đại nhất

Kim loại nung nóng được làm nguội trong bể tôi hoặc bằng thổi gió Để nhân được tính chất cơ học đồng nhất và nâng cao tính dẻo thì sau khi tôi, cần ram trong khoảng nhiệt độ 500-600°C

5.2.4 C ấ u trú c vi m ô c ủ a th é p n h iệt luyện ít cacb o n

Do nhiệt luyện, thép it cacbon có độ bền được nâng cao đáng kể và tính dẻo cao được bảo toàn, tuy nhiên không có được độ bền thật cao như khi tôi

Cấu trúc vi mô của thép ít cacbon

lăng bền nhiệt học phụ thuộc vào nhiệt

độ nung nóng và tốc độ nguội khi tôi

Khi tôi thép ít cacbon thì số lượng giả

cùng tích tăng lên và số lượng cấu trúc

pha tự do giảm đi dẫn đến sự quá bão

hoà của ferit cacbon, đồng thời thời là

sự tâng bền của nó; hạt peclit và hạt

ferit được nghiền vụn

Độ cứng tế vi của ferit và giả cùng

tích ở trạng thái ban đầu là 170 và 256

kG /m m 2, điều đó xác nhận sự tăng cao

độ cứng của ferit và giả cùng tích trong

quá trinh tăng bền nhiệt học

Cấu trúc vi mô của thép CT-3Kn sau

khi tôi ở nhiệt độ 800°c gồm những hạt

ĩerit và giả cùng tích (hình 5.5a), nghĩa là

xảy ra hiện tượng tôi không đầy đủ; khi

tôi ở nhiệt độ 890°c số cùng tích

(ơtectoit) có dấu hiệu tăng (hinh 5.5, b),

khi tôi ở 960°c thì số lượng cùng tích còn

lớn hơn nữa (hình 5.5, c) Do đó cùng với

sự tăng cao nhiệt độ austenit hoá, số

lượng giả cùng tích được tăng lên

Để kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ

làm nguội đến cỡ hạt và cấu trúc vi mô,

người ta đã tiến hành những thí nghiệm

trên thép tấm CT.3Kn Phôi từ thép tấm

kích thước 260 X 80 X 12mm được

nung nóng ở trong lò đến nhiệt độ

900°c, duy trì nhiệt độ đó trong thời

gian 20 phút và làm nguội với tốc độ

khác nhau theo 4 phương án (hình 5.6)

Tốc độ làm nguội trong khoảng

nhiệt độ 700 - 600°c và kích thước hạt

ứng với những chế độ này của nhiệt

luyện như sau:

Hình 5.5: Cấu trúc vi mô của thép đã tôi

íỉ= CT.3 (íôi không đầy đủ);

b- CT.3 (tôi ỏ nhiệt độ 89Ơ’C);

c - CT.3 (tói ỏ nhiệt độ 95Ơ’C ); d - 14XTC;

e - 15XCHM;f- 10T2C; g - thép HKT;

h - CT.3 Kn ; u - thép cường độ

T, °c

Hình 5.6: Ảnh hưởng của tốc độ lảm nguội đến

cấu trúc vi mô của thép CT-ĨKn sau khi

nung nóng ở 90Ơ‘C trong 20 phút.

] làm nguội ở lò; 2 làm nguội trong không khí; 3 làm nguội trong dầu;

4 làm nguội trong dung dịch NaCl 10%.

H ình 5.7: Ánh hưởng của nhiệt luyện đến kích thước hạt của thép a) Sự làm nguội ỏ trọng lò; b) Làm nguội trong không khi; c) Làm nguội trong dầu

Làm nguội trong đung dịch NaCl 10% cho cấu trúc M actenxit - peclit hạt mịn hầu như dày đặc Tuy nhiên, tôi trong dầu không phải là phương án tối ưu, bởi vì những đặc trưng độ bền có mức cao không đủ, ngoài ra việc tôi những sản phẩm cán trong dầu ở các nhà máy luyện kim thực tế rất khó khăn

Cấu trúc vi mô của thép tấm với chiều dày 10,20, 40m m sau khi tăng bền nhiệt học (tôi ở nhiệt độ 930"C và làm nguội trong

nước) cũng cho cấu trúc ferit - peclit có cỡ hạt

Nu8 Cấu trúc này phù hợp với những đặc

trung cao hơn của độ bền

Ở tấm dày 12mm bằng thép CT.3Kn có

hàm lượng cacbon ở giới hạn trên (0,22%)

Cùng với cấu trúc ferit-peclit thông thường

xuất hiện những bộ phận có hạt rắn của sự

chuyển hoá mactenxit (hình 5.8) Độ cứng tế vi

của những bộ phận này xác định bằng thiết bị H ình 5.8: Bộ phận hạt rắn của

riM T-3 xấp xỉ 400kG/mm2 Những bộ phận có chuyền hoá mactenxit

sự chuyển hoá mactenxit phân bố không đều theo tiết diện tấm; nói chung chúng nằm ở những vùng thiên tích giầu cacbon.

Những bộ phận mactenxit hình thành trong thép it cacbon, phần mất đi của cacbon để biến thành cacbua có thể xảy ra trong quá trình tôi khi có sự tách ra của ferit dư thừa trong thời gian làm nguội ở không khí đến lúc nhấn chìm nó vào trong nước; khi đó một

số bộ phận của austenit được bảo toàn có hàm lượng tăng cao của cacbon

Sự hình thành cấu trúc tôi không đồng nhất như vậy có thể đảm bảo có những bộ phận thièn tích của cácbon trong thép sôi

Cũng nhận thấy rằng khi tôi thép sôi CT.3Kn tính không đồng nhất của nó ở trạng thái cán nóng được bảo toàn (hình 5.5, h)

Khi tôi nhanh tức thì, những đặc trumg độ bền được tăng đáng kể Cùng với sự tăng nhiệt độ tôi đến (900 - 930°C) thì độ bền tăng lên và tính dẻo của thép cũng được cải thiện

do sự phân bố đều của cacbon cũng như sự chuyển toàn bộ ferit sang đung dịch rắn

5.2.5 T ín h ch ất cơ học của thép khi kéo

Sự tăng bền nhiệt học của thép ít cacbon làm thay đổi đáng kể những tính chất cơ học của nó - giới hạn bển và giới hạn chảy được nâng cao, còn độ dãn dài tương đối thì giảm xuống

Những tính chất cơ học của thép ít cacbon tăng bền nhiệt học phụ thuộc vào thành phần hoá học của thép, tiết diện của sản phẩm cán, nhiệt độ tôi và tốc độ làm nguội.Cacbon và m angan (ở mức độ nhỏ hơn) là những nguyên tố chính ảnh hưởng đến tính chất cơ học của thép ít cacbon tăng bền nhiệt học

Người ta đã tiến hành nghiên cứu thép ít cacbon tăng bền nhiệt học: thép lặng, thép nửa lặng, và thép sôi có hàm lượng cacbon từ 0,05 đến 0,35% Sự tăng bền nhiệt học của thép sôi ít cacbon là hiệu quả nhất bởi nó rẻ nhất và ở trạng thái cán nóng nó có những tính chất không dần tới giòn nguội và nhạy cảm với sự hoá già

Tuy nhiên, tính không đồng nhất hoá học của thép sôi ít cacbon cán nóng được bảo toàn sau khi nhiệt luyện V í dụ, giới hạn bển và giới hạn chảy của thép tấm tãng bền nhiệt học ở phần trên của thỏi đúc cao hơn ở phần giữa và phần đáy 4 - 8 kG /m m 2 Tính không đồng nhất này tăng lên cùng với sự tăng hàm lượng cacbon Do sự thiên tích của cacbon, đặc biệt khi hàm lượng của nó ở giới hạn trên, khi tôi thép trong nước, những bộ phận của m actenxit được tạo thành, vì thế giới hạn trên của cacbon trong thép ít cacbon được giảm hợp ỉý đến 0,18%, còn giới hạn dưới lấy không nhỏ hơn 0,14%; với giới hạn của hàm lượng cacbon như thế, giới hạn chảy của thép tấm tăng bền nhiệt học có chiều dày < 40m m đảm bảo không nhỏ hơn 31-35kG/mm2

Những tính chất cơ học của thép tấm tăng bền nhiệt học CT.3Kn có chiều dày khác nhau nên trong bảng 5.6

Bảng 5.6 Những tính chất cơ học khi kéo của thép tấm CT3Kn

sau khi tôi ở nhiệt độ 800°c trong nước

Ở tiết diện nhỏ của sản phẩm cán từ thép ít cacbon

hay khi hàm lượng cacbon ở giới hạn trên thì khi tôi

nhận được những đặc trưng cao của độ bền và tính

dẻo không đầy đủ Trong trường hợp đó, để nâng cao

tính dẻo đòi hỏi phải ram thép ít các bon đã được tôi

Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tính chất cơ học

của thép cán hình nhiệt luyện nêu trên hình 5.9; từ đó

thấy rằng nhiệt độ ram tối ưu đối với thép cán đã tôi,

mỏng (< 12mm) là 500-550°C Trong khoảng nhiệt độ

này, sự giảm độ bền của thép tôi là không đáng kể (2 - 3

kG/mm2) còn độ dãn dài tương đối ô 10 tăng 20 - 22%

Như vậy, nhiệt luyện những sản phẩm cán từ thép

ít cacbon dày bằng tôi trong nước, còn đối với thép

cán mỏng bằng tối và ram

540 (54) 520(52)- 500(50)

480 (48)

340 (34)

320 (32) 300(30)

Ở giai đoạn cuối, biến dạng dẻo bao hàm sô' lượng khá lớn các tinh thể Giới hạn hạt

và cấu trúc không hoàn thiện ngăn cản biến dạng trượt lan truyền tự do dẫn đến sự quay

và uốn của các tinh thể định hướng ít thuận lợi nhất và gây ra sự biến dạng của chúng trong phương của lực tác dụng Khi đó phát sinh cấu trúc biến dạng Những dấu hiệu của cấu trúc biến dạng dẻo có thê quan sát ở thép CT.3

Ở giai đoạn đầu biến dạng dẻo của thép CT.3 xuất hiện sự trượt đơn lẻ ở thành phần

có độ bền nhỏ hơn (hình 5.10a) Cùng với sự tăng mức độ biến dang những đường trượt

Hình 5.10: Cấu trúc vi mô của thép biến dạng nguội a) Sụ trượt đơn lẻ ởỷerit; b) - peclit ngăn cản sự phát triển của trượt dẻo;

c - đường trượt lan truyền ởferit, cliạy vòng qua peclit và chuyển tiếp từliạt ferit lìày đến hạtferit khác.

phát triển mạnh ở thành phần ferit, peclit có độ bền lớn hơn ngăn cản sự phát triển của trượt dẻo (hình 5.10, b) Khi ứng suất tiếp tục tãng, những đường trượt được lan truyền ở ferit chảy vòng qua peclit và chuyển tiếp từ hạt ferit này đến hạt ferit khác (hình 5.10, c)

Ở giai đoạn cuối của biến dạng dẻo, khi bắt đầu phá hoại, số đường trượt tăng mạnh, lúc đó quan sát được sự quay và biến dạng của hạt dọc hướng biến dạng khi kéo và vuông góc với lực tác dụng khi nén

Theo quan niệm hiện đại, sự tăng bền khi biến dạng nguội được giải thích bằng lý thuyết biến vị

Trong thép đã ủ, mật độ của biến vị rất nhỏ; sự biến vị quan sát được chỉ ở giới hạn (biên giới) của các hạt, các khối, các song tinh có định hướng m ở nhỏ

Biến dạng dẻo ban đầu gây nên sự xuất hiện biến vị ở bên trong hạt.

Khi trượt "nhẹ", còn chưa sinh ra sự tăng bền, thì ở mỗi hạt chỉ có một hệ thống trượi hoạt động, những biến vị được dịch chuyển không có sự ngăn trở ở bên trong hạt, chỉ bị chặn lại ỏ đường giới hạn

Sự tăng mức độ biến dạng gây ra sự trwọt theo hệ thống thứ hai; khi đó quan sát được sự tác động qua lại của biến vị, dịch chuyển theo các hệ thống khác nhau

Sự tác động qua lại giữa các biến vị dẫn đến sự tăng ứng suất, cần thiết đối với sự phát triển của biến dạng dẻo

Trong giai đoạn này, biến dạng dẻo có thể được hình thanh, những vật cản gây khó khăn cho sự dịch chuyển của biến vị cũng dẫn tới làm tăng ứng suất, những ứng suất này cần thiết đối với sự phát triển tiếp tục của biến dạng dẻo; lúc này quan sát được sự tãng bềr của thép

Vì thế, quá trình bất kỳ, ngăn cản sự dịch chuyển của biến vị sẽ tạo thành những lỗ trống, sự tách ra của pha dưa thừa, phân mảnh hoá các tinh thể, những khuyết tật v.v dẫn đến sự tăng bền của thép

Cùng với sự tăng mức độ biến dạng, thì mật độ biến vị cũng tăng lên và quan sát được

sự tăng cao của độ bền Bởi vậy, sự tăng bền khi tăng biến dạng nguội bắt đầu do tăng mạnh số biến vị và do sự cản trở lẫn nhau của chúng trong môi trường biến dạng đàn hồi

5.3.2 Sự hoá già của thép

a ) S ự h o á g i à và ả n h h ư ở n g c ủ a n ó

Xem xét tính chất của thép biến dạng nguội cũng cần xét đến ảnh hưởng của sự hoá già Nhờ thời gian giữ nhiệt của kim loại biến cứng nguội, quan sát được sự thay đổi tính chất của thép theo thời gian - sự hoá già cơ học Khi có sự hoá già thì độ bền tăng lên độ dẻo giảm xuống và xu hướng thép bị phá hoại giòn tăng lên Cường độ hoá già tăng cùng với sự tăng nhiệt độ (từ 100 đến 300°C)

Sự hoá già sau biến dạng được xem như là một quá trình, khi đó những nguyên tử hoà tan (C và N 2) dịch chuyển vào tinh thể biến dạng bởi sự biến vị tự do, liên kết chúng

và tạo thành môi trường cốt ren Nhờ có môi trường này, tính cơ động của biến vị bị giảm Yêu cầu ứng suất lớn để rút biến bị khỏi môi trường và thực hiện sự trượt dưới dạng tăng độ bền và giảm độ dẻo của thép

b) Vai trò của nitơ trong sự hoá già

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nitơ là nguyên tố quan trọng nhất trong quá trình hoá già do biến dạng: với cứ 100 nguyên tử nitơ đưa vào trong dung dịch rắn của a - thép sẽ góp phần tham gia vào việc tạo thành những phần tử (hạt) á tế vi xung quanh biến vị, tương ứng chỉ có m ột nguyên tử cacbon Vì th ế vai trò của cacbon trong quá trình hoá già do biến dạng là không đáng kể