GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện kim, xây dựng và điện tử đã dẫn đến nhu cầu ngày càng cao về các vật liệu kim loại và hợp kim Những vật liệu này không chỉ đa dạng về tính năng mà còn có chất lượng vượt trội, phục vụ cho đời sống hàng ngày.
Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của chi tiết sau khi đúc và gia công, bao gồm độ cứng, độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn Điều này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tăng tính công nghệ của vật liệu, khẳng định rằng nhiệt luyện là yếu tố công nghệ quyết định chất lượng sản phẩm.
Trong dây chuyền sản xuất cơ khí, quá trình nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng, có thể là nguyên công sơ bộ hoặc cuối cùng, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế lớn mà còn phản ánh trình độ phát triển khoa học kỹ thuật của mỗi quốc gia.
Sự phát triển của các ngành kỹ thuật như chế tạo cơ khí, luyện kim, xây dựng, kỹ thuật điện tử, giao thông vận tải và kỹ thuật hàng không đã làm gia tăng nhu cầu sử dụng vật liệu với chất lượng và cơ tính khác nhau Mỗi lĩnh vực yêu cầu các loại vật liệu phù hợp, vì vậy cần nghiên cứu tổ chức, thành phần và thiết lập các chế độ nhiệt luyện để tạo ra sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật Nghiên cứu các chế độ nhiệt luyện không chỉ giúp hiểu rõ bản chất bên trong của vật liệu mà còn giúp phân tích các chuyển biến pha cơ bản, từ đó làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trên nhiều loại vật liệu khác nhau Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện đến cơ tính của thép là cực kỳ quan trọng.
Nghiên cứu của em tập trung vào ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện đến cơ tính của thép C45 Kết quả này không chỉ có giá trị trong việc giảng dạy và học tập cho sinh viên mà còn hỗ trợ cho các hoạt động thực tập và thí nghiệm trong lĩnh vực vật liệu học.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu thực nghiệm đã khảo sát ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện khác nhau đến các chỉ tiêu cơ tính của thép, bao gồm độ cứng và độ dai va đập Các phương pháp đo lường được áp dụng cùng với các thông số nhiệt luyện quan trọng như thời gian nung, nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt nhằm xác định chính xác các chế độ nhiệt luyện và cơ tính của vật liệu.
Để cải thiện và nâng cao cơ tính cũng như tính chất của thép, cần áp dụng các phương pháp nhiệt luyện hiệu quả Việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật xử lý nhiệt sẽ giúp tối ưu hóa ứng dụng của thép trong đời sống, từ đó tăng cường độ bền, khả năng chống ăn mòn và linh hoạt trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau Các đề xuất này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm thép mà còn góp phần vào việc tiết kiệm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường.
Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện đến cơ tính của thép C45 là tài liệu hữu ích cho việc giảng dạy trong các lĩnh vực kỹ thuật nhiệt luyện Thông qua biểu đồ này, người học có thể nắm bắt được mối quan hệ giữa các chế độ nhiệt luyện và sự thay đổi cơ tính của thép C45, từ đó áp dụng vào thực tiễn sản xuất và nghiên cứu.
Biểu đồ thể hiện quy luật thay đổi cơ tính của thép, đặc biệt là thép C45, theo các chế độ tôi và ram khác nhau, cung cấp cơ sở quan trọng cho việc nghiên cứu cơ tính của các chi tiết thiết yếu như trục và bánh răng được chế tạo từ thép C45.
Việc ứng dụng các chế độ nhiệt luyện và cơ tính tương ứng trong thực tiễn giúp tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời giảm thiểu các chi phí không cần thiết.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các chế độ nhiệt luyện khác nhau của thép C45 giúp xác định các đặc điểm và thành phần tính chất cơ học của nó Việc tính toán các thông số cơ bản của chế độ nhiệt luyện là cần thiết để thu thập dữ liệu cho thí nghiệm tôi và ram, từ đó lựa chọn và kiểm tra mác thép phù hợp với yêu cầu đề ra.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu trong đề tài là thép C45 và các chỉ tiêu cơ tính của nó ở các chế độ nhiệt luyện khác nhau
Mẫu được tôi ở nhiệt độ 830°C và sau đó được ram ở chín nhiệt độ khác nhau, tương ứng với ba chế độ ram: ram thấp, ram trung bình và ram cao Mỗi chế độ ram sử dụng ba giá trị nhiệt độ khác nhau, với hai mẫu cho mỗi nhiệt độ ram.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chế độ ram và phương pháp nhiệt luyện thép, đặc biệt là thép C45 Nghiên cứu sẽ khám phá quá trình nung nóng kim loại, đồng thời phân tích thành phần, tính chất, độ cứng, độ bền và độ dai va đập của loại thép này.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Nghiên cứu lý thuyết về nhiệt luyện và nung nóng kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các tính chất của vật liệu thép C45 Bài viết này tập trung vào việc phân tích các đặc điểm của thép C45 cũng như các phương pháp xác định độ cứng và độ dai va đập của loại thép này.
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Nghiên cứu lý thuyết tôi và ram thép
Tìm hiểu các chuyển biến xảy ra khi nhiệt luyện
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng của thép khi nhiệt luyện
Lý thuyết về độ cứng và các phương pháp đo độ cứng của thép hiện nay
Lý thuyết độ dai va đập và phương pháp đo va đập charpy
Kết cấu của ĐATN
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Trình tự thí nghiệm
Chương 5: Kết quả thực nghiệm
Chương 6: Kết luận & kiến nghị.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tầm quan trọng của công nghệ nhiệt luyện
Ngày nay, sự phát triển của các ngành kỹ thuật như cơ khí, luyện kim, công nghiệp hóa học, và kỹ thuật điện tử đều phụ thuộc vào vật liệu có tính năng đa dạng và chất lượng cao Công nghệ nhiệt luyện là quá trình thay đổi tính chất của vật liệu, chủ yếu là kim loại, mà không làm thay đổi hình dáng bên ngoài Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện rất quan trọng vì nó cung cấp các cơ tính cần thiết như độ cứng, độ bền, và khả năng chống mài mòn, đồng thời nâng cao tính công nghệ của vật liệu Do đó, nhiệt luyện là yếu tố công nghệ quyết định chất lượng sản phẩm cơ khí Nguyên công nhiệt luyện có thể được bố trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất cơ khí, phân thành hai loại tùy thuộc vào vị trí.
Nhiệt luyện sơ bộ là quá trình nhiệt luyện được thực hiện trước khi gia công cơ khí, như ủ hoặc thường hóa, nhằm tạo ra độ cứng và cấu trúc tế vi phù hợp cho các nguyên công cơ khí và các bước nhiệt luyện tiếp theo.
Nhiệt luyện kết thúc là quá trình nhiệt luyện được thực hiện sau khi gia công cơ khí, nhằm mang lại cho chi tiết những tính chất kỹ thuật cần thiết.
Nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tuổi thọ và chất lượng của sản phẩm cơ khí Đối với máy móc có yêu cầu cơ tính cao, số lượng chi tiết cần nhiệt luyện sẽ tăng lên Ở các quốc gia công nghiệp phát triển, trình độ nhiệt luyện là tiêu chí đánh giá năng lực của ngành chế tạo cơ khí Dù gia công cơ khí có chính xác đến đâu, nếu không trải qua quá trình nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo, tuổi thọ của chi tiết sẽ giảm và độ chính xác của máy móc sẽ không đạt yêu cầu kỹ thuật.
Nhiệt luyện không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn mang lại lợi ích kinh tế lớn, giúp kéo dài tuổi thọ và tăng độ bền cho công trình, máy móc thiết bị Đồng thời, nó cũng phản ánh trình độ phát triển khoa học và kỹ thuật của mỗi quốc gia.
Tác dụng chủ yếu của nhiệt luyện
Tăng độ cứng, tính chịu mài mòn, độ dẻo dai và độ bền của vật liệu
Mục tiêu của sản xuất cơ khí là phát triển các cấu trúc và máy móc có độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng hoạt động mạnh mẽ hơn, đồng thời cải thiện các tính năng kỹ thuật Để đạt được điều này, việc ứng dụng các thành tựu từ vật liệu kim loại và công nghệ nhiệt luyện là rất cần thiết, nhằm tối ưu hóa tiềm năng cơ tính của vật liệu.
Bằng cách áp dụng các phương pháp nhiệt luyện như tôi, ram, bề mặt và thấm cacbon-nitơ, độ bền và độ cứng của vật liệu có thể tăng từ ba đến sáu lần, đặc biệt là với thép Điều này mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho ngành công nghiệp.
- Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại ( hạ giá thành), năng lƣợng (nhiên liệu) khi vận hành
Tăng cường sức chịu tải của máy móc, động cơ và phương tiện vận tải như ôtô, toa xe, tàu biển, cùng với các kết cấu như cầu, nhà và xưởng, mang lại những hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đáng kể.
Hầu hết các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp, bánh răng truyền lực, chốt và đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ đo và các dụng cụ biến dạng (khuôn) đều cần phải trải qua quá trình nhiệt luyện như tôi + ram hoặc hóa nhiệt luyện Quá trình này thường được thực hiện gần cuối chu trình sản xuất, nhằm đảm bảo rằng các chi tiết và dụng cụ có cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc, được gọi là nhiệt luyện kết thúc.
Chất lượng của máy móc, thiết bị và phụ tùng thay thế phụ thuộc vào việc sử dụng vật liệu phù hợp và quy trình nhiệt luyện chính xác Để đạt hiệu suất tốt, việc lựa chọn vật liệu chất lượng và thực hiện nhiệt luyện đảm bảo là điều kiện tiên quyết.
Cải thiện tính công nghệ ( rèn, dập, gia công cắt, tính chịu mài, tính hàn…), từ tính, điện tính…
Để tạo thành chi tiết máy, vật liệu ban đầu cần trải qua nhiều công đoạn gia công cơ khí như rèn, dập, và cắt Để sản xuất hiệu quả với năng suất cao và chi phí thấp, vật liệu phải có cơ tính phù hợp, như độ mềm để dễ cắt hoặc độ dẻo để dễ biến dạng nguội Việc áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợp như ủ hoặc thường hóa là cần thiết, đặc biệt với thép, để giảm độ cứng và tăng độ dẻo sau khi bị biến dạng Khi thép bị biến cứng sau quá trình kéo nguội, việc ủ hoặc thường hóa sẽ giúp nó trở nên dễ gia công hơn trong các bước tiếp theo.
Nhiệt luyện sơ bộ là các phương pháp nhiệt luyện được thực hiện nhằm cải thiện khả năng làm việc và độ bền của chi tiết, dụng cụ bằng thép trong sản xuất cơ khí Việc áp dụng đúng các phương pháp nhiệt luyện không chỉ đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho sản phẩm mà còn hỗ trợ quá trình gia công hiệu quả hơn.
Trong các nhà máy cơ khí nhỏ và vừa, bộ phận nhiệt luyện thường không lớn và được bố trí tập trung Sau khi hoàn tất quá trình nhiệt luyện sơ bộ, phôi thép sẽ được chuyển đến các phân xưởng cắt gọt và dập Khi quá trình nhiệt luyện kết thúc, các chi tiết máy quan trọng với yêu cầu cứng và bền cao sẽ được đưa qua mài hoặc trực tiếp đến lắp ráp.
Cách sắp xếp trong sản xuất cơ khí có nhiều nhược điểm do sản lượng thấp, nhưng không thể thay đổi Tại các nhà máy quy mô lớn, chi tiết máy được gia công hoàn chỉnh trên dây chuyền cơ khí hóa hoặc tự động hóa, bao gồm cả nguyên công nhiệt luyện Nguyên công này cần được cơ khí hóa và tự động hóa, đồng thời phải đảm bảo an toàn cho người lao động và dây chuyền sản xuất Sắp xếp chuyên môn hóa cao giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng Từ lâu, nhiệt luyện đã được áp dụng trong đời sống, giúp cải thiện tính chất của thép Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp và hội nhập quốc tế, việc nâng cao chất lượng chi tiết qua phương pháp nhiệt luyện ngày càng trở nên quan trọng và cấp thiết.
Vật liệu thí nghiệm
2.2.1 Giới thiệu về thép C45 a) Đặc điểm và công dụng thép C45
Thép C45 là loại thép cacbon trung bình với hàm lượng carbon từ 0,30 đến 0,50% Loại thép này nổi bật với các chỉ tiêu cơ tính tổng hợp, mang lại độ bền, độ dẻo và độ dai cao sau khi được xử lý nhiệt bằng phương pháp tôi và ram.
Thép C45 là loại thép phổ biến, dễ tìm và có giá thành hợp lý, thường được sử dụng trong sản xuất các chi tiết máy có yêu cầu cơ tính tổng hợp cao như bánh răng và các loại trục.
- Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt gọt b) Tính chất vật lý ở nhiệt độ môi trường xung quanh
Mô – đun đàn hồi ( 10 3 ×N/mm 2 ): 205
Mật độ ( g/cm 3 ) : 7,85 c) Hệ số giãn nở nhiệt 10 -6 o C -1
Bảng 2.1 : Hệ số giãn nở nhiệt
Bảng 2.2 : Cơ tính thép sau khi ủ Độ bền kéo k
Thiết bị thí nghiệm
Để thực hiện và hoàn thành thử nghiệm đo độ cứng và độ dai va dập các thiết bị, máy móc cần thiết đƣợc sử dụng :
Lò buồng điện trở ( dùng để nhiệt luyện )
Kính hiển vi quan sát tổ chức tế vi để kiểm định thép C45
Máy đo độ cứng Rockwell
Máy thử độ dai va đập JB-300 pendulum – type
Dưới đây là một số hình ảnh các thiết bị thử nghiệm
Hình 2.1: Máy đo độ cứng Rockwell Hình 2.2: Lò buồng điện trở
Hình 2.3 : Máy đo độ dai va đập theo phương pháp charpy
Hình 2.4 : Kính hiển vi quan sát tổ chức tế vi.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sơ lƣợc về vật liệu cơ khí và tầm quan trọng của kim loại
3.1.1 Sơ lƣợc về vật liệu cơ khí
Vật liệu cơ khí là những chất liệu được sử dụng trong sản xuất cơ khí để chế tạo các sản phẩm phục vụ cho cuộc sống, bao gồm máy móc, thiết bị và xây dựng công trình, nhà ở.
Các nhóm vật liệu phổ biến trong công nghiệp bao gồm: vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramic, vật liệu hữu cơ - polymer và vật liệu kết hợp - composite.
Vật liệu kim loại là những chất dẫn điện tốt, có ánh kim và khả năng biến dạng dẻo cao ngay cả ở nhiệt độ thường, mặc dù kém bền vững hóa học Các loại vật liệu kim loại phổ biến bao gồm thép, gang, đồng, nhôm và các hợp kim của chúng Đây là nhóm vật liệu chủ yếu được sử dụng trong sản xuất cơ khí và là nội dung chính trong môn học liên quan.
Vật liệu vô cơ, hay còn gọi là ceramic, là những chất có tính dẫn điện kém, không có khả năng biến dạng dẻo và rất giòn Chúng nổi bật với độ bền vững hóa học cao và khả năng chịu nhiệt tốt, thường nóng chảy ở nhiệt độ rất cao Các loại vật liệu ceramic phổ biến bao gồm gốm, sứ, thủy tinh, gạch thường và gạch chịu lửa.
Vật liệu hữu cơ - polyme là những chất có đặc tính dẫn điện kém, khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao và bền vững hóa học ở nhiệt độ thường Chúng thường nóng chảy hoặc phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp, với hai nguyên tố chính là cacbon và hydro Các vật liệu hữu cơ tự nhiên phổ biến bao gồm gỗ và cao su, trong khi các vật liệu hữu cơ nhân tạo như polyetylen (PE) và polyvinylclorua (PVC) cũng rất được ưa chuộng.
Vật liệu kết hợp (compozit) là loại vật liệu được hình thành từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, chẳng hạn như bê tông cốt thép, sự kết hợp giữa kim loại và polyme, hoặc giữa polyme và gốm sứ.
3.1.2 Cấu tạo và tầm quan trọng của kim loại a) Khái niệm và cấu tạo kim loại
Kim loại là vật có ánh kim, có tính dẻo cao, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện
Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại
Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn 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 của các nguyên
Mạng tinh thể được hình thành từ các mặt đi qua các nguyên tử, với các mặt này luôn song song và cách đều nhau, được gọi là mặt tinh thể.
Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất, thể hiện cách sắp xếp chất điểm trong mạng tinh thể Để đơn giản hóa, mạng tinh thể có thể được biểu diễn chỉ bằng ô cơ sở của nó Các thông số mạng được xác định dựa trên loại ô cơ sở.
Trong ô lập phương thể tâm, thông số mạng được xác định bởi chiều dài cạnh của ô, ký hiệu là a Đơn vị đo cho thông số mạng này là Ăngstrong (Angstrom), được ký hiệu là Å.
Hình 3.1 Cấu tạo mạng tinh thể b) Các kiểu mạng tinh thể thường gặp:
Mạng lập phương thể tâm là cấu trúc trong đó các nguyên tử (ion) được sắp xếp tại các đỉnh và tâm của khối lập phương Một số kim loại nguyên chất có kiểu mạng này bao gồm Feα, Cr, W, Mo và V.
Hình 3.2: mạng lập phương thể tâm
Trong cấu trúc mạng tinh thể lập phương, các nguyên tử (ion) được sắp xếp ở các đỉnh và trung tâm của các mặt của hình lập phương Những kim loại nguyên chất có kiểu mạng này bao gồm Feγ, Cu và Ni.
Hình 3.3 Mạng lập phương diện tâm
Lục giác xếp chặt là cấu trúc tinh thể bao gồm 12 nguyên tử ở các đỉnh, 2 nguyên tử ở giữa hai mặt đáy của hình lăng trụ lục giác, và 3 nguyên tử tại khối tâm của ba lăng trụ tam giác cách đều nhau Một số kim loại nguyên chất có kiểu mạng này bao gồm Magie (Mg) và Kẽm (Zn).
Hình 3.4 Mạng lục giác xếp chặt
Một khối kim loại nguyên chất có thể được xem như là một tập hợp các mạng tinh thể (hạt tinh thể) sắp xếp một cách hỗn độn Mỗi mạng tinh thể bao gồm nhiều ô cơ sở, và hình dạng của từng ô cơ sở phụ thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó.
Hình 3.5 Mạng tinh thể của kim loại c) Tầm quan trọng
Vật liệu kim loại đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội và kỹ thuật, là nền tảng cho việc chế tạo máy móc, dụng cụ, và xây dựng cơ sở hạ tầng như nhà cửa, cầu cống, ô tô, đường sắt và tàu biển Sự tiến bộ không ngừng của máy động lực và máy công cụ gắn liền với việc cải tiến tính năng của các vật liệu kim loại, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Khái niệm và phân loại thép
Thép là hợp kim của sắt (Fe) và cacbon (C), cùng với một số nguyên tố khác như Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu, với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% Dựa vào thành phần hóa học, thép được phân thành hai nhóm chính: thép cacbon và thép hợp kim.
Thép cacbon: ngoài sắt và cacbon thì còn một số nguyên tố khác gọi là các tạp chất trong thành phần của thép nhƣ: Mn, Si, P, S…
Thép hợp kim là loại thép được tạo ra bằng cách thêm vào các nguyên tố đặc biệt như Cr, Ni, Mn, W, V, Mo, Ti, Cu, Ta, B, N với một hàm lượng nhất định nhằm cải thiện tổ chức và tính chất của thép Việc bổ sung các nguyên tố này giúp thép hợp kim đáp ứng tốt hơn với các yêu cầu sử dụng khác nhau.
Thép có cơ tính tổng hợp cao, có tính công nghệ tốt, có nhiều chủng loại và nhiều công dụng khác nhau
3.2.2 Khái niệm và phân loại thép Cacbon a) Khái niệm
Thép cacbon là hợp kim của sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon dưới 2,14% Trong quá trình sản xuất, thép còn chứa nhiều nguyên tố khác như mangan (Mn), silic (Si), phốt pho (P), lưu huỳnh (S), cùng các tạp chất ẩn như hydrô (H), nitơ (N), ôxy (O) và các tạp chất ngẫu nhiên như crôm (Cr), nikel (Ni), vônfram (W), titan (Ti), molibden (Mo), và vanadi (V) Việc phân loại thép cacbon dựa trên các yếu tố này rất quan trọng trong ngành công nghiệp.
Có nhiều cách phân loại thép cacbon nhƣ:
- Theo tổ chức tế vi
- Theo phương pháp luyện kim
- Theo phương pháp khử ôxy
Thép có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm chất lượng, công dụng, phương pháp khử oxy, hàm lượng cacbon và tổ chức tế vi Những cách phân loại này giúp xác định đặc tính và ứng dụng của từng loại thép trong ngành công nghiệp.
Phân loại thép theo chất lƣợng
Tùy thuộc vào chất lượng luyện kim, thép được phân loại dựa trên mức độ đồng nhất của thành phần hóa học, tổ chức và tính chất, cũng như hàm lượng các tạp chất có hại như phốt pho và lưu huỳnh.
Thép có chất lượng thường: khi chứa tới 0,06 %S và 0.07 %P thường dùng cho các yêu cầu không cao như thép xây dựng thường
Thép có chất lượng tốt: khi chứa không quá 0,04%S và 0.035 % P dùng trong chế tạo máy thông dụng
Thép có chất lượng cao : khi chứa không quá 0,025%S và P
Thép có chất lượng đặc biệt cao: khi chứa không quá 0,015%S và 0,025%P
Theo công dụng thép cácbon đƣợc chia làm bốn nhóm chính:
- Thép có công dụng riêng
Theo phương pháp khử oxy
Theo mức độ khử ôxy người ta chia thép ra làm ba loại đó là thép sôi, thép lặng và thép nửa lặng
Thép sôi là loại thép không được khử ôxy, dẫn đến việc trong cấu trúc của thỏi thép đúc xuất hiện nhiều bọt khí Những lỗ này sẽ được hàn lại sau quá trình cán nóng Ưu điểm nổi bật của thép sôi là độ dẻo cao nhờ vào lượng silic thấp Loại thép này thường được sử dụng để cán thành thép tấm, đặc biệt là thép tấm mỏng phục vụ cho công nghệ dập nguội sâu Ngoài ra, sự tồn tại của FeO trong thép lỏng cho phép nó tương tác với cacbon qua các phản ứng hóa học.
Khí CO trong quá trình đúc thép lỏng tạo ra hiện tượng chuyển động giống như sôi, do đó loại thép này được gọi là thép sôi Khi thép lỏng được rót vào khuôn, khí CO vẫn tiếp tục hình thành, dẫn đến sự xuất hiện của các bọt khí trong thỏi thép đúc.
Thép lặng là loại thép được khử ôxy triệt để hơn nhờ vào việc sử dụng ferô silíc và nhôm bên cạnh ferô mangan, dẫn đến hàm lượng FeO trong thép rất thấp Điều này giúp mặt thép lỏng phẳng lặng, không có bọt khí và sự phân lớp như thép sôi, mặc dù vẫn tồn tại lõm co lớn Chất lượng của thép lặng cao hơn thép sôi, nhưng chi phí sản xuất lại cao hơn do phải loại bỏ phần lõm co chiếm 10-15% trọng lượng thỏi đúc và chi phí khử ôxy Thép lặng có chứa nhiều silíc hơn (khoảng 0,15-0,30%), làm cho nó cứng hơn và phù hợp cho công nghệ hàn Đây là loại thép lý tưởng để sản xuất phần lớn các chi tiết máy.
- Thép nửa lặng: là loại trung gian giữa hai loại thép trên, chúng chỉ đƣợc khử ôxy bằng ferô mangan và nhôm
Theo hàm lượng cacbon ở trong thép người ta chia thép cacbon ra làm bốn loại:
- Thép cacbon thấp : với hàm lƣợng cacbon nhỏ hơn 0,3%
- Thép cacbon trung bình : với hàm lƣợng cacbon trong khoảng từ 0,3 –0,5%
- Thép đàn hồi : khi hàm lƣợng cacbon trên 0,5÷0.7%
- Thép cacbon cao: khi hàm lƣợng cacbon trên 0,7%
Theo tổ chức tế vi
Thép trước cùng tích có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,8% ( khoảng 0,10 ÷ 0,70 ) và có tổ chức gồm Ferit và Peclit
Khi lượng cacbon trong thép tăng lên, tỷ lệ phần péclít màu tối trong cấu trúc thép cũng tăng, trong khi ferít màu sáng giảm Nếu hàm lượng cacbon quá thấp (khoảng 0,02 ÷ 0,05%), hợp kim này có thể được xem như sắt nguyên chất kỹ thuật với cấu trúc chủ yếu là ferít, tức là có màu sáng hoàn toàn Tỷ lệ giữa péclít và ferít thay đổi tùy thuộc vào thành phần cacbon trong thép.
+ Với thép có cacbon 0,1% thì phần tối tức peclít khoảng 1/8 (Hình 3.6a)
+ Với thép có cacbon 0,4% thì phần tối tức peclít khoảng 1/2 (Hình 3.6b)
+ Còn với thép có cacbon 0,6% thì phần tối tức peclít khoảng 3/4 (Hình 3.6c)
Hình 3.6 : Tổ chức tế vi của thép trước cùng tích a) 0.10 %C b) 0.40 %C c) 0.60 %C
Thép cùng tích là thép có thành phần 0,8% C (có thể xê dịch chút ít) ứng với điểm S trên giản đồ Fe-C, có tổ chức chỉ gồm có peclít
Thép sau cùng tích có chứa thành phần carbon trên 0,80%, thường dao động từ 1,5% và có thể đạt tới 2,0 ÷ 2,2%, nằm bên phải điểm S Loại thép này có tổ chức peclít và xêmentít thứ hai, thể hiện dưới dạng lưới màu sáng.
3.2.3 Thép hợp kim a) Khái niệm
Thép hợp kim là loại thép được bổ sung một lượng nhất định các nguyên tố hợp kim như Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu để cải thiện tổ chức và tính chất của thép Nhờ vào sự có mặt của các nguyên tố này, thép hợp kim mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với thép cacbon, bao gồm độ bền, khả năng chống ăn mòn và tính linh hoạt cao hơn.
Thép hợp kim có độ bền vượt trội hơn so với thép carbon, đặc biệt là sau quá trình nhiệt luyện tôi và ram.
Thép hợp kim có khả năng chịu nhiệt độ cao, duy trì cơ tính vượt trội khi ở nhiệt độ trên 200°C Để đạt được đặc tính này, thép cần được hợp kim hóa với một số nguyên tố ở hàm lượng tương đối cao.
- Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như : từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn… b) Phân loại thép hợp kim
Phân loại theo nồng độ hợp kim trong thép
- Thép hợp kim thấp: có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim đƣa vào < 2,5%
- Thép hợp kim trung bình: có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim đƣa vào từ 2,5 - 8%
- Thép hợp kim cao : có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim đƣa vào > 8%
Phân loại theo công dụng Đây là cách phân loại chủ yếu Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau:
Thép hợp kim kết cấu là loại thép được sản xuất từ thép kết cấu với sự bổ sung các nguyên tố hợp kim Loại thép này có hàm lượng cacbon dao động từ 0,1% đến 0,85% và chứa một tỷ lệ nhỏ các nguyên tố hợp kim.
Loại thép này đƣợc dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao…
Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lượng
Các hợp kim như 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A và 12Cr2Ni4A thường có hàm lượng Cr, Ni nhỏ hơn 1%, với chữ A chỉ loại tốt Các loại thép có hàm lượng cacbon trung bình được ký hiệu như 40Cr, 40CrMn và 35CrMnSi.
Lý thuyết về nhiệt luyện và phương pháp nhiệt luyện tôi và ram thép
3.3.1 Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện a) Định nghĩa: Là phương pháp gia công kim loại bằng cách nung kim loại tới một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian và làm nguội với tốc độ qui định để làm thay đổi tổ chức tế vi từ đó thay đổi cơ tính và tính chất của vật liệu kim loại theo yêu cầu
Công dụng: sau khi nhiệt luyện thép có cơ tính rất cao
+ Nhờ nhiệt luyện tính chống mài mòn của chi tiết máy tăng lên nhiều lần
+ Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn đảm bảo yêu cầu về độ dẻo và độ dai
+ Cải thiện tính công nghệ: cải thiện tính công nghệ nâng cao năng suất
Nhiệt luyện giúp kim loại dễ gia công hơn, tăng năng suất lao động và hiệu suất của máy móc Quá trình này cải thiện tính chất của kim loại, cho phép các chi tiết máy hoạt động lâu dài, giảm thiểu mòn và gãy Nhiệt luyện có thể áp dụng cho nhiều loại hợp kim khác nhau như gang, thép, hợp kim nhôm và hợp kim titan.
Trong quá trình nhiệt luyện, sản phẩm không thay đổi hình dáng và kích thước, mà chỉ có sự biến đổi về tổ chức và cơ tính của vật liệu.
- Các thông số công nghệ đƣợc xác định nhờ giản đồ trạng thái của các loại hợp kim
- Sản phẩm sau khi nhiệt luyện phải thu đƣợc đầy đủ các thông số của hợp kim c) Phân loại nhiệt luyện
Tuỳ theo vị trí của nhiệt luyện trong quá trình gia công cơ khí, người ta phân nó thành 2 nhóm:
- Nhiệt luyện sơ bộ: là những dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện còn tiếp tục gia công cơ khí ( ủ, thường hóa )
- Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện không tiếp tục gia công ( tôi )
3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt luyện
Bất kỳ hình thức nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba yếu tố quan trọng: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội từ nhiệt độ quy định đến nhiệt độ bình thường.
Trong quá trình nhiệt luyện, hai yếu tố quan trọng nhất là nhiệt độ và thời gian, vì sự thay đổi của chúng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến cơ lý tính của chi tiết Bên cạnh đó, tốc độ nung nóng và tốc độ làm nguội cũng đóng vai trò quan trọng Do đó, mỗi chế độ nhiệt luyện đều cần có các thông số cụ thể để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
- Nhiệt độ nung t 0 nung: là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng
- Thời gian giữ nhiệt tgn: là thời gian cần thiết để duy trì kim loại ở nhiệt độ nung
- Tốc độ nguội vnguội : là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt, tính ra 0 C/s
Hình 3.7: Mối quan hệ các thông số nhiệt luyện
Trong quá trình nhiệt luyện, kim loại không được phép nung nóng đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ phận, mà luôn duy trì ở trạng thái rắn Hình dạng và kích thước của sản phẩm trong quá trình này hầu như không thay đổi hoặc chỉ thay đổi rất ít.
3.3.3 Giản đồ trạng thái Fe-C
Giản đồ pha hệ Fe-C đóng vai trò quan trọng trong kim loại học, được phát triển vào cuối thế kỷ XIX và là nền tảng cho sự hình thành môn kim loại Nó giúp phân tích các chuyển biến pha và cấu trúc của các hợp kim phổ biến như thép và gang Các quy luật về sự thay đổi tổ chức và tính chất của hợp kim này cũng áp dụng cho nhiều hợp kim khác Một đặc trưng cơ bản của giản đồ Fe-C là tính thù hình của sắt (Fe), với hai kiểu mạng tinh thể và ba dạng thù hình, trong đó mạng lập phương diện tâm tồn tại trong một khoảng nhất định.
911 ~ 1392 o C ký hiệu là γ-Fe còn ngoài khoảng nhiệt độ đó tức là từ dưới 911 o C và 1392 sắt có mạng lập phương thể tâm Khi ở dưới 911 o C sắt được ký hiệu là α-
Fe và từ 1392~1539 o C đƣợc ký hiệu là -Fe
Pha là các thành phần đồng nhất trong hợp kim, có thành phần ổn định ở trạng thái cân bằng Chúng có thể tồn tại ở các trạng thái khác nhau như lỏng, rắn hoặc khí Đối với pha rắn, chúng phải có cùng kiểu và thông số mạng, được ngăn cách với các phần khác bởi bề mặt phân chia.
Hệ là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng, được coi là cân bằng khi quá trình chuyển biến trong nó có tính chất thuận nghịch Việc đạt được cân bằng tuyệt đối là rất khó khăn, đặc biệt khi nung nóng và làm nguội, và chỉ có thể đạt được khi quá trình này diễn ra vô cùng chậm.
Cấu tử: là những chất độc lập, có thành phần không đổi, chúng tạo nên các pha của hệ
Ví dụ: Nước (H2O) ở 0 0 C gồm có nước (lỏng) và nước đá (rắn) là hệ một cấu tử, có hai pha khác nhau về trạng thái tồn tại (lỏng và rắn)
Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C được xây dựng từ 100% Fe đến 100% C Tuy nhiên, do không sử dụng các hợp kim Fe - C với hàm lượng carbon vượt quá 5%, nên giản đồ chỉ được xây dựng đến 6,67% carbon, tương ứng với hợp chất hóa học.
Hệ Fe-C có hai giản đồ pha tùy thuộc vào trạng thái tồn tại của cacbon trong hợp kim Giản đồ pha hệ Fe-C grafit là loại ổn định nhưng ít được sử dụng, chủ yếu áp dụng trong nghiên cứu gang xám Loại thứ hai của giản đồ pha hệ này có tính chất khác biệt và được sử dụng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp.
Fe – Fe3C là hợp kim gần ổn định nhưng được sử dụng phổ biến, vì cacbon trong hợp kim thường tồn tại dưới dạng Fe3C Chỉ trong những điều kiện đặc biệt, Fe3C mới trở nên không ổn định và phân hóa thành sắt và cacbon grafit.
Hình 3.8 : Giản đồ pha hệ sắt – cacbon (sắt – xêmentit)
Bảng 3.1: Tọa độ các điểm trên giảng đồ pha Fe-C Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ
Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau:
- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh
- AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh
- ECF (1147 o C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh
- PSK (727 0 C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích
- ES giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ
- PQ giới hạn hòa tan cacbon trong Feα
3.3.3.3 Các tổ chức của hợp kim Fe-C a) Các tổ chức một pha
Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt tồn tại phía trên đường lỏng ABCD
Ferit là một dạng dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong α-Fe, với cấu trúc mạng lập phương tâm khối có a = 2,86 Å Nó thể hiện tính sắt từ ở nhiệt độ dưới 768 °C và tồn tại trong vùng GPQ trên giản đồ Fe-C Do không chứa cacbon, ferit sở hữu cơ tính tương tự như sắt nguyên chất, bao gồm tính dẻo, dai, mềm và độ bền kém Trong thực tế, ferit có khả năng hòa tan silic.
Mn, P, Cr làm cho hợp kim cứng và bền hơn nhưng đồng thời cũng giảm độ dẻo dai Ferit, một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và dưới 727 °C, đóng vai trò quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe - C Tổ chức tế vi của ferit thể hiện dạng các hạt sáng, đa cạnh như mô tả trong Hình 3.9a.
Hình 3.9 Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500)
Austenite (ký hiệu γ, A, γ-Fe(C)) là một dạng dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong γ-Fe, với khả năng hòa tan cacbon lên tới 2,14% ở nhiệt độ 1147 °C Khác với ferit, austenite không có tính sắt từ mà mang tính thuận từ, và chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727 °C) trong vùng NJESG, tiếp giáp với Feγ trên trục Mặc dù không có mối quan hệ trực tiếp đến khả năng sử dụng của hợp kim, austenite đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến dạng nóng và nhiệt luyện.
Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện
Nhiệt luyện là quá trình quan trọng giúp cải thiện cơ tính của thép, nhưng nếu không thực hiện đúng cách, nó có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng Những hư hỏng này thường xảy ra trong giai đoạn kết thúc nhiệt luyện (tôi + ram), gây ra lãng phí lớn Do đó, việc hiểu rõ nguyên nhân gây ra hư hỏng và áp dụng các biện pháp ngăn ngừa, khắc phục là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả của quá trình nhiệt luyện.
Hiện tượng không đảm bảo hình dáng ban đầu hoặc xuất hiện vết nứt tế vi trên sản phẩm sau quá trình nhiệt luyện, đặc biệt là trong giai đoạn tôi, là một vấn đề nghiêm trọng cần được chú ý.
Biến dạng và nứt trong vật liệu thường xuất phát từ ứng suất dư bên trong, có thể xảy ra cả trong quá trình nung nóng và làm nguội Khi nung nóng nhanh, đặc biệt với các loại thép dẫn nhiệt kém như thép hợp kim cao, sẽ tạo ra ứng suất nhiệt lớn, thường dẫn đến hiện tượng nứt khi làm nguội Ngoài ra, quá trình làm nguội nhanh trong quá trình tôi cũng gây ra ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức lớn, góp phần vào sự hình thành khuyết tật.
Khi ứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền, thép sẽ xuất hiện nứt, tạo ra một dạng khuyết tật không thể khắc phục Nếu ứng suất vượt quá giới hạn chảy, chi tiết sẽ bị biến dạng, dẫn đến tình trạng cong vênh.
- Tác hại: Cả hai loại biến dạng và nứt đều gây phế phẩm
- Cách khắc phục: Ngăn ngừa xảy ra biến dạng và nứt bằng cách giảm ứng suất bên trong
Ngăn ngừa biến dạng, nứt trong quá trình nung bằng các biện pháp:
Để tránh nứt cho thép hợp kim cao có tính dẫn nhiệt kém, cần xác định tốc độ nung nhanh hợp lý Trước khi đưa vào lò có nhiệt độ tôi cao, nên nung sơ bộ ở các lò có nhiệt độ thấp hơn để đảm bảo quá trình nung diễn ra an toàn và hiệu quả.
Để đảm bảo quá trình nung chi tiết hiệu quả, cần xác định phương pháp nung phù hợp Đối với các trục dài, nên treo thẳng đứng thay vì đặt nằm ngang trên sàn lò khi nung trong lò.
Ngăn ngừa biến dạng, nứt trong quá trình nguội khi tôi bằng các biện pháp: + Chọn môi trường và phương pháp tôi thích hợp để có chuyển biến M
Khi chọn phương pháp nhúng cho chi tiết và dụng cụ, cần tuân thủ các nguyên tắc quan trọng Đối với những chi tiết có nhiều bộ phận dây mỏng, trước tiên phải nhúng phần dây Đối với các chi tiết dài, nhỏ và lò xo phẳng, móng cần được nhúng thẳng đứng Đặc biệt, các chi tiết hình ống phải được đảm bảo rằng trục của chúng vuông góc với mặt chất lỏng để đạt hiệu quả tốt nhất.
Để giảm ứng suất nhiệt khi làm nguội, tôi thường hạ nhiệt chi tiết bằng cách để chúng tự nguội trong không khí đến khoảng 50 - 70 độ C trước khi nhúng vào môi trường tôi Phương pháp này thường được áp dụng cho các loại thép tôi ở nhiệt độ cao như thép thấm cacbon và thép dụng cụ hợp kim.
+ Đối với các chi tiết dễ cong vênh nhƣ tấm mỏng, bánh răng thì biện pháp chống biến dạng là làm nguội khi tôi trong khuôn ép
Ngăn ngừa biến dạng, nứt bằng biện pháp thiết kế:
Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, cần tạo ra các chi tiết có độ dày đồng đều và cân đối, tránh các góc nhọn và sự thay đổi tiết diện đột ngột Bề mặt của sản phẩm cũng phải được xử lý kỹ lưỡng để không có vết xước hay dấu hiệu oxy hóa.
3.4.2 Oxy hóa và thoát cacbon
Hiện tượng oxy hóa trên bề mặt thép dẫn đến việc hình thành các vảy oxýt sắt, lớp oxýt này không bền và dễ bong ra, gây ảnh hưởng đến kích thước và làm xấu bề mặt sản phẩm.
- Thoát cacbon là hiện tƣợng hàm lƣợng cacbon ở bề mặt thép bị giảm đi do nó bị cháy vì vậy làm giảm cơ tính lớp bề mặt
Khi thép được nung ở nhiệt độ cao hơn 570°C, bề mặt của nó sẽ hình thành một lớp oxyt sắt có độ xốp cao Lớp oxyt này không đủ khả năng ngăn chặn oxy, dẫn đến hiện tượng ôxi hóa trên bề mặt thép.
Thoát cacbon là quá trình quan trọng trong việc cải thiện chất lượng bề mặt thép Khi cacbon kết hợp với ôxy, nó tạo ra các ôxýt cacbon như CO và CO2, điều này có thể làm giảm chất lượng bề mặt của các chi tiết thép.
Thoát cacbon thường xảy ra ở thép có hàm lượng cacbon lớn hơn 0,6%, do sự chênh lệch nồng độ cacbon giữa sản phẩm và môi trường xung quanh Quá trình khuếch tán cacbon trên bề mặt thép diễn ra dễ dàng hơn, đặc biệt là khi nhiệt độ tăng cao, dẫn đến hệ số khuếch tán tăng mạnh Khuyết tật này thường xuất hiện trong các công đoạn nhiệt luyện như ủ và thường hóa thép.
+ Làm hao hụt kim loại gây sai hỏng về kích thước cho chi tiết
+ Làm giảm cơ tính của sản phẩm mà điển hình là giảm độ cứng
Đối với các nguyên công nhiệt luyện sơ bộ, nếu chiều sâu lớp khuếch tán nhỏ hơn lượng dư gia công, thì không cần lưu ý vì lớp này sẽ bị bóc đi trong quá trình gia công cơ và không còn lại trên sản phẩm.
Hiện nay trong công nghiệp sử dụng một số biện pháp để ngăn ngừa oxy hóa và thoát cacbon khi nung:
Nung trong kim loại hoặc muối nóng chảy giúp oxy hòa tan trong muối dễ dàng bị khử Do đó, quá trình nung trong muối nóng chảy đã khử oxy có thể xem như không xảy ra oxy hóa và không thải cacbon.
Những yếu tố ảnh hưởng cơ tính thép
Cacbon là nguyên tố quyết định tính chất và tổ chức của thép cacbon và thép hợp kim Sự thay đổi hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến cơ tính của thép, bao gồm giới hạn bền, độ cứng, độ giãn dài, độ thắt tỉ đối và độ dai va đập Khi hàm lượng cacbon tăng, độ bền và độ cứng của thép cũng tăng, trong khi độ dẻo và độ dai va đập giảm Độ bền của thép đạt giá trị cực đại khi hàm lượng cacbon nằm trong khoảng 0,8 đến 1,0% Mỗi 0,1% tăng thêm cacbon làm độ cứng tăng khoảng 20-25HB và giới hạn bền tăng thêm 60-80 MPa, nhưng đồng thời độ giãn dài giảm 2-4%, độ thắt tỉ đối giảm 1-5% và độ dai va đập giảm khoảng 200 kJ/m.
Mangan có tác động tích cực đến cơ tính của thép, khi hòa tan vào ferit, nó giúp tăng cường độ bền và độ cứng của pha này, từ đó cải thiện cơ tính tổng thể của thép Tuy nhiên, hàm lượng mangan tối đa trong thép cacbon chỉ nằm trong khoảng 0,50 – 0,80%, do đó, ảnh hưởng này không quá lớn Bên cạnh đó, mangan cũng giúp giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh trong thép.
Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng:
SiO2 được đưa vào xỉ và bị cào ra khỏi lò Tương tự như mangan, silic hòa tan vào ferit giúp nâng cao độ bền và độ cứng của pha này, từ đó cải thiện cơ tính của thép Tuy nhiên, lượng silic tối đa trong thép cacbon chỉ nằm trong khoảng 0,20 – 0,40%, do đó tác dụng này không rõ rệt.
Phôtpho là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit, với giới hạn hòa tan lên tới 1,20% trong hợp kim thuần Fe – C, nhưng giảm mạnh trong thép, làm xô lệch mạng tinh thể và tăng tính giòn Khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan, nó sẽ hình thành Fe3P cứng và giòn, gây ra hiện tượng giòn nguội ở nhiệt độ thường Chỉ cần 0,10% phôtpho hòa tan, ferit đã trở nên giòn Do phôtpho có tính thiên tích mạnh, để tránh giòn, lượng phôtpho trong thép cần phải thấp hơn 0,050%, và nơi tập trung cao nhất không được vượt quá 0,10%.
Khác với phôtpho, lưu huỳnh không hòa tan trong sắt (Feα và Feγ) mà tạo thành hợp chất FeS Hợp chất này cùng với sắt (Fe + FeS) kết tinh ở nhiệt độ thấp và thường nằm ở biên giới hạt Khi nung thép để cán hoặc kéo, quá trình này thường diễn ra ở nhiệt độ khoảng 1100 độ C.
Khi thép bị nung nóng đến 1200 độ C, biên giới của nó có thể bị chảy ra, dẫn đến tình trạng thép dễ bị đứt gãy, được gọi là giòn nóng Để khắc phục hiện tượng này, mangan được thêm vào, vì nó có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt, tạo thành MnS thay vì FeS Pha MnS kết tinh ở nhiệt độ cao 1620 độ C dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc, giúp tăng tính dẻo cho thép và ngăn ngừa tình trạng chảy hoặc đứt gãy Sunfua mangan cũng mang lại lợi ích cho quá trình gia công cắt.
Các phương pháp đo độ cứng của thép hiện nay
Độ cứng là thuộc tính cơ bản của vật liệu, phản ánh khả năng chịu uốn, mài mòn và trầy xước Nó thể hiện khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại khi chịu tải trọng từ mũi đâm Vật liệu có độ cứng cao thường khó lún, do đó, việc xác định độ cứng giúp đánh giá sơ bộ độ bền và độ dẻo của vật liệu.
Có nhiều phương pháp đo độ cứng bề mặt vật liệu, trong đó một số phương pháp sử dụng đầu thử có hình dạng đặc biệt và cứng hơn mẫu đo Khi một lực ấn tác động lên bề mặt mẫu thử, độ cứng được tính toán dựa trên lực tác động và kích thước hoặc độ sâu của vết lõm.
Có 3 phương pháp đo độ cứng được sử dụng nhiều trong sản xuất đó là: Phương pháp Brinell, Vickers và Rockwell
3.6.1 Phương pháp đo độ cứng Brinell (HB)
Phương pháp kiểm tra độ cứng Brinell, được phát minh bởi kỹ sư Thụy Điển Johan August Brinell vào tháng 8 năm 1900, đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong các ngành kỹ thuật và luyện kim để đánh giá độ cứng của vật liệu.
Hình 3.18: Máy đo độ cứng Brinell a Máy tự động b máy cầm tay
Độ cứng Brinell được xác định bằng cách nhấn một khối cầu bằng thép cứng hoặc cacbit có đường kính D nhất định dưới tải trọng P trong thời gian quy định Bi thép có đường kính 10 mm với lực ấn 3000 kG sẽ lún vào bề mặt kim loại, trong khi đối với kim loại mềm, lực ấn được giảm xuống 500 kG Đối với kim loại cực cứng, bi thử Carbide Vonfram được sử dụng để giảm thiểu biến dạng đầu thử.
Hình 3.19 : phương pháp đo độ cứng Brinell
Trong phương pháp đo độ cứng Brinell, trị số độ cứng được ký hiệu là HB, được xác định dựa trên áp lực trung bình tính bằng Newton trên 1mm² diện tích mặt cầu do vết lõm để lại Độ cứng Brinell được tính toán theo một công thức cụ thể.
Người ta dùng tải trọng của máy ép thử để ấn viên bi thép lên bề mặt mẫu Trị số độ cứng đƣợc tính theo công thức sau:
P: tải trọng của máy thử (KG)
F: diện tích mặt chỏm cầu vết lõm (mm 2 )
Nếu gọi đường kính viên bi là D, đường kính vết lõm là d, chiều sâu vết lõm là h thì ta có công thức tính độ cứng nhƣ sau:
Để đo đường kính vết lõm, người ta sử dụng các dụng cụ chuyên dụng, với kích thước viên bi và áp lực ấn xuống đã được xác định trước, từ đó có thể tính toán độ cứng HB Đường kính viên bi sẽ thay đổi tùy thuộc vào độ dày của vật đo; cụ thể, vật đo càng mỏng thì đường kính viên bi càng nhỏ Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), đường kính viên bi được tiêu chuẩn hóa là 10mm, 5mm, 2,5mm và 1mm, cùng với một giá trị tải trọng P xác định.
Phương pháp Brinell chỉ áp dụng cho vật liệu có độ cứng dưới 450HB, vì với vật liệu cứng hơn, sai số sẽ tăng So với các phương pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm sâu và rộng nhất, giúp trung bình hóa độ cứng trên một phạm vi rộng hơn Đây là phương pháp tối ưu để đo độ cứng khối hoặc độ cứng tổng thể của vật liệu, đặc biệt là với các vật liệu có cấu trúc không đồng đều Các vết xước và độ nhám bề mặt không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thử nghiệm Brinell, nhưng phương pháp này không phù hợp cho việc đo các vật thể nhỏ.
Phương pháp đo độ cứng Brinell là kỹ thuật được sử dụng để xác định độ cứng của các thiết bị lớn, đặc biệt là vật đúc, rèn và các kim loại mềm chưa được tôi cứng Phương pháp này yêu cầu mẫu có độ dày lớn hơn 30 mm và độ chính xác không quá cao.
- Không dùng cho các tấm vật liệu mỏng, các bề mặt cong
Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng :
+ Phạm vi đo tương đối rộng
+ Có thể so sánh với các tải trọng khác nhau (với cùng một hệ số P/D 2 xác định) + Ít nhạy cảm với chất lƣợng bề mặt kiểm tra
+ Có mối liên hệ tương đối với độ bền kéo
+ Vết đo làm biến cứng vật liệu
Việc sử dụng thiết bị đo không phù hợp cho vật liệu mỏng, mạ phủ, vật liệu quá cứng và các bề mặt cong Hơn nữa, độ chính xác của kết quả đo còn bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật của người thực hiện đo.
3.6.2 Phương pháp đo độ cứng Rockwell ( HRA, HRB, HRC )
Vào năm 1908, giáo sư Ludwig người Áo đã giới thiệu khái niệm cơ bản về phép đo độ cứng thông qua chiều sâu vi phân trong cuốn sách "Die" Khái niệm này đã mở ra một hướng đi mới trong việc đánh giá độ cứng của vật liệu, góp phần quan trọng vào sự phát triển của ngành vật liệu học.
Keglprole Dựa vào những khái niệm cơ bản trên 2 ông Hugh M.Rockwell (1890-
Vào năm 1957, hai nhà khoa học là Rockwell và Stanley P Rockwell (1886-1940) đã phát minh ra phương pháp thử độ cứng Rockwell, và họ được cấp bằng sáng chế vào ngày 15 tháng 7 năm 1914 Phương pháp này cho phép xác định nhanh chóng hiệu ứng của quá trình nhiệt luyện trong kỹ thuật.
Hình 3.20: Máy đo độ cứng Rockwell
Theo phương pháp này, một mũi nhọn kim cương với góc đỉnh 120 độ và bán kính cong R = 0,2 mm, hoặc viên bi thép tôi cứng có đường kính 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 inch (1 inch = 25,4 mm) được ấn lên bề mặt thử nghiệm Độ cứng được xác định bằng cách tác dụng lần lượt lên viên bi hoặc mũi kim cương với hai lực ấn nối tiếp, ví dụ: lực ban đầu 100N, sau đó là 600N, 1000N, và cuối cùng là 1500N, tùy thuộc vào thang chia.
Quy trình đo cơ bản như sau:
Để xác định độ cứng Rockwell, đầu thử được tác động vào vật mẫu với lực tối thiểu, thường là 10kG hoặc 30kG nếu đo mềm Khi đạt được sự cân bằng, thiết bị đo ghi lại giá trị xác định dựa trên dịch chuyển của đầu đo và phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động Tiếp theo, trong khi duy trì lực tác động tối thiểu, một lực tối đa sẽ được tác động Sau khi đạt được độ cân bằng với lực tối đa, lực này sẽ được ngưng, nhưng lực tối thiểu vẫn được giữ nguyên Khi lực tối đa được thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử sẽ phục hồi một phần, và độ sâu vết lõm còn lại sẽ được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell.
Độ cứng Rockwell được xác định dựa trên một đại lượng quy ước không có thứ nguyên, phụ thuộc vào chiều sâu của vết lõm Khi chiều sâu vết lõm tăng lên, độ cứng sẽ giảm và ngược lại.
Lực tác dụng ban đầu P1 khiến mũi thử lún sâu vào vật liệu đoạn h1, sau đó, khi lực tăng lên P2, mũi thử lại lún sâu vào đoạn h2 Chênh lệch giữa hai lần thử này được gọi là h đặc trưng, phản ánh độ cứng của vật liệu Đơn vị đo độ cứng Rockwell được ký hiệu là HR, trong đó một đơn vị HR tương ứng với độ lún là 0,002mm.
Độ dai va đập và phương pháp đo va đập charpy
3.7.1 Định nghĩa: Độ dai va đập được hiểu là khả năng chống lại biến dạng của kim loại dưới tác dụng của tải trọng động ( lực va đập )
Dù máy dù có độ bền và độ cứng cao, vẫn có thể bị hư hại do các lực va đập, ngay cả khi lực tác động không lớn Do đó, cần phải đánh giá tính năng của máy không chỉ ở trạng thái tĩnh mà còn ở trạng thái động.
3.7.2 Phương pháp đo va đập charpy a) Định nghĩa:
Phương pháp thử va đập Charpy là một phép thử biến dạng nhanh tiêu chuẩn, giúp xác định năng lượng hấp thụ của vật liệu trong quá trình gãy vỡ Từ năng lượng này, ta có thể đánh giá độ dai của vật liệu, là công cụ hữu ích để nghiên cứu sự chuyển biến giữa trạng thái dòn và dẻo theo nhiệt độ Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ quy trình chuẩn bị và thực hiện đơn giản, cùng với kết quả nhanh chóng.
Giới thiệu và thông số kỹ thuật của máy:
Máy thí nghiệm JB-300 Joule Pendulum-Type được thiết kế để xác định hiệu suất của vật liệu kim loại dưới tải trọng động, giúp đánh giá chất lượng và phát hiện những hạn chế của kim loại Thiết bị này thực hiện kiểm tra tác động theo tiêu chuẩn quốc gia GB/T 229-1994, với năng lượng con lắc tối đa là 300 J và con lắc 150 J Các mẫu thử nghiệm có tiết diện 10 × 10 (mm)² Khi được cung cấp năng lượng tác động lớn, máy chủ yếu được sử dụng để kiểm tra hiệu năng tác động của các kim loại màu, đặc biệt là thép và vật liệu hợp kim của nó, với độ dai tác động rất lớn.
2 Góc của búa trước khi di chuyển: 135°
4 Khoảng cách giữa các điểm trung tâm của mẫu và đường trung tâm của trục : 800 mm
5 Các kích thước mặt cắt của mẫu: 10 × 10 (mm) ²
6 Chiều dài của mẫu: 55mm; 90mm
7 Bán kính góc tròn của ngàm: 2.5mm
8 Bán kính góc tròn của cạnh búa : 2.5mm
9 Các góc cạnh của búa : 30 0
10 Trọng lƣợng tịnh của máy thử nghiệm: ≈320kg
11 Tổng trọng lƣợng của máy thử nghiệm: ≈390kg
12 Kích thước của máy thử nghiệm (dài x rộng x cao) (mm): 1000 × 630 × 1520 b) Phương pháp đo:
- Tiến hành thử nên ở trong phạm vi nhiệt độ từ 15 - 30 0 C
Mẫu thử cần được đặt trên hai gối tựa của máy búa, đảm bảo rãnh của mẫu cách đều hai gối tựa Sai lệch giữa trục dọc của búa con lắc và trục rãnh không được vượt quá 0,5 mm Thực hiện thử nghiệm bằng cách cho búa đập một lần lên mặt đối diện với mặt có rãnh chữ U.
Nếu kết quả thử nghiệm không đạt yêu cầu do phát hiện vết nứt cũ tại chỗ gãy hoặc kim loại bị phân lớp, cần thực hiện thử nghiệm lại Mẫu dùng để thử lại phải tương tự như mẫu đã bị hỏng.
Thử nghiệm tác động Charpy thường được áp dụng cho kim loại, vật liệu composite, gốm, sứ và polymer nhằm đánh giá độ bền tương đối của các vật liệu này Đây là một phương pháp kiểm soát chất lượng nhanh chóng và tiết kiệm Trong thử nghiệm, một mẫu vật liệu được cố định ở hai đầu và bị tấn công bởi búa của con lắc Năng lượng hấp thụ bởi mẫu được xác định thông qua việc đo sự giảm chuyển động và thay đổi chiều cao của búa so với chiều cao ban đầu.
Hình 3.24: máy và mẫu thử va đập
Tiêu chuẩn cho mẫu thử nghiệm Charpy tác động yêu cầu một thanh kim loại hoặc vật liệu khác có kích thước 55x10x10mm Trong quá trình thử nghiệm, mẫu được gắn cố định ở hai đầu trên máy, và quả búa con lắc sẽ đập vào mặt đối diện của chỗ xẻ rãnh Đồng hồ của máy sẽ ghi nhận giá trị công phá hủy của mẫu thử.
Mẫu được đặt trên máy thử, nằm trong đường rơi của búa Khi nâng đầu búa lên độ cao H, búa sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn và va chạm vào mẫu, gây gãy mẫu thử Sau khi va chạm, búa tiếp tục di chuyển sang bên kia với độ cao h và quay trở lại.
Khi đó năng lƣợng của búa làm gãy mẫu thử đƣợc tính theo công thức sau:
AK: Công cần thiết phá hủy mẫu (J)
H : Chiều cao của búa trước khi va đập (m) h : Chiều cao của búa sau khi va đập (m)
Độ dai va đập đƣợc tính theo công thức sau: ak = AK / F (J / cm²)
F : Diện tích mặt gãy của mẫu ( cm 2 )
AK : Là công cần thiết để phá hủy mẫu (N.m) = (J).
