8/20/2019 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật http://slidepdf.com/reader/full/bai-giang-vat-lieu-ky-thuat 1/204 LỜ I MỞ ĐẦU Trong l ịch sử phát triể n của xã hội loài ng ườ i chúng ta đ ã sử d ụng r ấ t nhiề u loạivật liệu khác nhau, vớ i tính năng sử d ụng của chúng càng ngày càng cao h ơ n. Đầu tiênlà thờ i k ỳđồđ á, sau đ ó tiế n đế n thờ i đại đồđồng, đồ sắ t.v .v. Cho đế n ngày nay là một loạt các loại vật liệu mớ i như : composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các loại vật liệu này ( đặc biệt là kim loại & hợ p kim, cùng vớ i các loại v ật li ệu mớ i) đ ã góp phần thúc đẩ y s ự phát triể n của xã hộ loài ng ườ i một cách nhanh chóng. Ngày nay trong các l ĩ nh vự c công nghiệ p, quố c phòng, đờ i số ng... đ òi hỏi vật liệu sử d ụng cần phải có r ấ t nhiề u tính chấ t khác nhau. Ví d ụ: khi thì cần có tính d ẫ n đ iện r ẩ t cao để dùng trong ngành đ iện l ự c, lúc l ại yêu cầu có độ cứ ng l ớ n để làm các loại d ụng cụ cắ t g ọt kim loại, khi l ại cần có độ bề n l ớ n để làm các cấ u kiện xây d ự ng, hoặc phải cótính d ẻo cao để cán, d ậ p, kéo nguội, hay cần độ bề n cao như ng khố i l ượ ng riêng nhỏđể dùng trong công nghiệ p hàng không...T ấ t cả các yêu cầu này đề u có thể đượ c đ áp ứ ng bở i vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mớ i. Môn vật li ệu học s ẽ trang bị cho sinh viên nhữ ng kiế n thứ c cơ bản của các loại vật liệu chính: tinh thể , các hợ p kim, bán d ẫ n và ion, cộng hóa tr ị ... cũng như kiế n thứ c về xử lý nhiệt của chúng. M ục đ ích của môn học này giúp cho sinh viên hi ể u rõ các loạivật li ệu khác nhau d ự a trên mố i quan hệ gi ữ a c ấ u trúc (liên k ế t hóa học, kiể u mạng tinhthể ) và cơ lý tính, thự c hành đượ c các thí nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệuvà biế t l ự a chọn vật liệu phù hợ p nhấ t đ áp ứ ng nhu cầu sử d ụng sau này. Khi nghiên cứ umột v ật li ệu bấ t k ỳ chúng ta đề u d ự a vào bố n cự c cơ bản sau đ ây : K ế t cấ u của c ấ u trúc,các tính chấ t, sự t ổ ng h ợ p các phươ ng pháp gia công và hi ệu quả sử d ụng của nó. M ột sản phẩ m có thể g ồm hàng chục loại vật liệu khác nhau t ạo nên. Ví d ụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN của Pháp cần mườ i một loại vật liệu: 1- Thép t ấ m 40,9% 2-Thép hình 10,9% 2-Gang 11,3% 4-H ợ p kim nhôm 4,2% 5-Các kim loại màu khác 3,9% 6-Chấ t d ẻo 10,2% 7-Chấ t d ẻo đ àn hồi 3,4% 8-V ật liệu hữ u cơ khác 3,4% 9-Thủ y tinh 4,2% 10-S ơ n 1,7% 11-Chấ t l ỏng 5,9% Yêu cầu của một cán bộ k ỹ thuật, ngoài khả năng hiể u biế t về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắ m đượ c nhữ ng tính chấ t cơ bản của các loại vật liệu để t ừ đ ó có thể sử d ụng một cách hợ p lý nhấ t nhằ m nâng cao tuổ i thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩ m ... Môn học này k ế th ừ a ki ế n thứ c c ủa khá nhiề u các l ĩ nh vự c khác nhau: tinh thể h ọc,cơ l ượ ng t ử , vật lý tia r ơ n ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại ...do đ ó khố i l ượ ng kiế n thứ ckhá l ớ n và có nhiề u mặt. Vì vậ y đ òi hỏi ng ườ i học phải nắ m vữ ng các kiế n thứ c cơ bảnvề vật li ệu và thự c hành nghiêm túc các thí nghi ệm. Khi nghiên cứ u môn học này phải nắ m chắ c mố i quan hệ giữ a thành phần hóa học, cấ u trúc và tính chấ t của vật liệu. Bấ t k ỳ sự thay đổ i nào của thành phần hóa học và cấ u trúc sẽ d ẫ n t ớ i sự biế n đổ i của tínhchấ t vật liệu. WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM WW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM óng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Trong l ịch sử phát triể n của xã hội loài ng ườ i chúng ta đ ã sử d ụng r ấ t nhiề u loại vật
liệu khác nhau, vớ i tính năng sử d ụng của chúng càng ngày càng cao hơ n. Đầu tiên là thờ i k ỳ
đồ đ á, sau đ ó tiế n đế n thờ i đại đồ đồng, đồ sắ t.v .v. Cho đế n ngày nay là một loạt các loại vật
liệu mớ i như : composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các loại vật liệu này ( đặc biệt là kim loại & hợ pkim, cùng vớ i các loại vật liệu mớ i) đ ã góp phần thúc đẩ y sự phát triể n của xã hộ loài ng ườ i
một cách nhanh chóng.
Ngày nay trong các l ĩ nh vự c công nghiệ p, quố c phòng, đờ i số ng... đ òi hỏi vật liệu sử
d ụng cần phải có r ấ t nhiề u tính chấ t khác nhau. Ví d ụ: khi thì cần có tính d ẫ n đ iện r ẩ t cao để
dùng trong ngành đ iện l ự c, lúc l ại yêu cầu có độ cứ ng l ớ n để làm các loại d ụng cụ cắ t g ọt kim
loại, khi l ại cần có độ bề n l ớ n để làm các cấ u kiện xây d ự ng, hoặc phải có tính d ẻo cao để
cán, d ậ p, kéo nguội, hay cần độ bề n cao như ng khố i l ượ ng riêng nhỏ để dùng trong công
nghiệ p hàng không...T ấ t cả các yêu cầu này đề u có thể đượ c đ áp ứ ng bở i vật liệu kim loại
cũng như các loại vật liệu mớ i. Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh viên nhữ ng kiế n thứ c cơ bản của các loại vật liệu
chính: tinh thể , các hợ p kim, bán d ẫ n và ion, cộng hóa tr ị ... cũng như kiế n thứ c về xử lý nhiệt
của chúng. M ục đ ích của môn học này giúp cho sinh viên hiể u rõ các loại vật liệu khác nhau
d ự a trên mố i quan hệ giữ a cấ u trúc (liên k ế t hóa học, kiể u mạng tinh thể ) và cơ lý tính, thự c
hành đượ c các thí nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biế t l ự a chọn vật liệu
phù hợ p nhấ t đ áp ứ ng nhu cầu sử d ụng sau này. Khi nghiên cứ u một vật liệu bấ t k ỳ chúng ta
đề u d ự a vào bố n cự c cơ bản sau đ ây : K ế t cấ u của cấ u trúc, các tính chấ t, sự t ổ ng hợ p các
phươ ng pháp gia công và hiệu quả sử d ụng của nó. M ột sản phẩ m có thể g ồm hàng chục loại
vật liệu khác nhau t ạo nên. Ví d ụ ô tô RENAULT
CLIO 1,2 RN của Pháp cần mườ i một loại vật liệu:
1- Thép t ấ m 40,9% 2-Thép hình 10,9%
2-Gang 11,3% 4-H ợ p kim nhôm 4,2%
5-Các kim loại màu khác 3,9%
6-Chấ t d ẻo 10,2% 7-Chấ t d ẻo đ àn hồi 3,4%
8-V ật liệu hữ u cơ khác 3,4%
9-Thủ y tinh 4,2% 10-S ơ n 1,7%
11-Chấ t l ỏng 5,9%Yêu cầu của một cán bộ k ỹ thuật, ngoài khả năng hiể u biế t về chuyên môn sâu của
ngành học, còn phải nắ m đượ c nhữ ng tính chấ t cơ bản của các loại vật liệu để t ừ đ ó có thể sử
d ụng một cách hợ p lý nhấ t nhằ m nâng cao tuổ i thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản
phẩ m ...
Môn học này k ế thừ a kiế n thứ c của khá nhiề u các l ĩ nh vự c khác nhau: tinh thể học, cơ
l ượ ng t ử , vật lý tia r ơ n ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại ...do đ ó khố i l ượ ng kiế n thứ c khá l ớ n
và có nhiề u mặt. Vì vậ y đ òi hỏi ng ườ i học phải nắ m vữ ng các kiế n thứ c cơ bản về vật liệu và
thự c hành nghiêm túc các thí nghiệm. Khi nghiên cứ u môn học này phải nắ m chắ c mố i quanhệ giữ a thành phần hóa học, cấ u trúc và tính chấ t của vật liệu. Bấ t k ỳ sự thay đổ i nào của
thành phần hóa học và cấ u trúc sẽ d ẫ n t ớ i sự biế n đổ i của tính chấ t vật liệu.
1.1.2 Phân loại vật liệu ............................................................................................................. 15
1.1.2.1 Vật liệu kim loại................................................................................................................................. 15
1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc .................................................................................................................. 16
1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme .................................................................................................................. 16
1.1.2.4 Vật liệu k ết hợ p – compozit ............................................................................................................. 16
1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRI Ể N VẬT LIỆU. ............................................................................... 17
1.2.1 Giai đoạn tiền sử c ủa loài ngườ i...................................................................................... 17
1.2.2 Giai đoạn chế t ạo và sử d ụng vật liệu theo kinh nghiệm. ............................................... 18
1.2.3 Giai đoạn chế t ạo và sử d ụng vật liêu theo kiến thức khoa học ...................................... 181.3 Nội dung môn học .............................................................................................................. 19
1.3 Nội dung môn học .............................................................................................................. 20
CHƯƠ NG 21CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ S Ự HÌNH THÀNH ............................................. 21
1.1. Cấu tạo và liên k ết nguyên tử ............................................................................................ 21
1.1.2. Các dạng liên k ết nguyên tử trong ch ất r ắn .................................................................... 21
1.1.2.1. Liên k ết đồng hóa tr ị ......................................................................................................................... 21
1.1.2.2. Liên k ết ion ........................................................................................................................................ 21
1.1.2.3. Liên k ết kim loại (hình 1.3) ............................................................................................................. 22
1.1.2.4. Liên k ết hỗn hợ p ............................................................................................................................... 22
1.1.2.5. Liên k ết yếu (Van der Waals).......................................................................................................... 22
1.2. Sắ p xế p nguyên tử trong v ật chất ...................................................................................... 22
1.2.1. Chất khí .......................................................................................................................... 22
1.2.2. Chất r ắn tinh thể ............................................................................................................. 22
1.2.3. Chất lỏng, chất r ắn vô định hình và vi tinh thể .............................................................. 22
1.2.3.1. Chất lỏng ........................................................................................................................................... 23
1.2.3.2. Chất r ắn vô định hình ....................................................................................................................... 23
1.2.3.3. Chất r ắn vi tinh thể............................................................................................................................ 231.3. Khái niệm về m ạng tinh thể .............................................................................................. 23
1.3.1. Tính đối xứng ................................................................................................................. 23
1.3.2. Ô cơ s ở - ký hi ệu phươ ng, mặt tinh thể.......................................................................... 24
1.3.2.1. Ô cơ s ở ............................................................................................................................................... 24
1.3.2.3. Chỉ s ố ph ươ ng ................................................................................................................................... 24
1.3.2.4. Chỉ s ố Miller c ủa mặt tinh thể ......................................................................................................... 25
1.3.2.5. Chỉ s ố Miller - Bravàis trong h ệ l ục giác ....................................................................................... 25
1.3.3. Mật độ nguyên t ử ........................................................................................................... 261.3.3.1. Mật độ x ế p ......................................................................................................................................... 26
1.3.3.2. Số ph ối trí (số s ắ p xế p): .................................................................................................................... 26
1.3.3.3. Lỗ h ổng .............................................................................................................................................. 26
1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất r ắn ............................................................................ 26
1.4.1. Chất r ắn có liên k ết kim loại (kim loại nguyên chất) ..................................................... 26
1.4.1.1. Lậ p phươ ng tâm khối A2 ................................................................................................................. 26
1.4.1.2. Lậ p phươ ng tâm mặt A1 .................................................................................................................. 271.4.1.3. Lục giác xế p chặt A3 ........................................................................................................................ 28
1.4.2. Chất r ắn có liên k ết đồng hóa tr ị .................................................................................... 28
1.4.2.1. Kim cươ ng A4 .................................................................................................................................. 28
1.4.2.3. Cấu trúc của sợ i cacbon và fullerene .............................................................................................. 29
1.4.2.4. Cấu trúc của SiO2 ............................................................................................................................. 29
1.4.3. Chất r ắn có liên k ết ion .................................................................................................. 30
1.4.4. Cấu trúc của polyme ....................................................................................................... 30
1.4.5. Dạng thù hình ................................................................................................................. 30
1.5. Sai lệch mạng tinh thể ....................................................................................................... 30
1.5.1. Sai lệch điểm .................................................................................................................. 31
1.5.1.1. Nút tr ống và nguyên tử t ự xen k ẽ (Hình 1.17a) ............................................................................. 31
1.5.1.2. Nguyên tử t ạ p chất ............................................................................................................................ 31
1.5.2. Sai lệch đườ ng - Lệch .................................................................................................... 31
1.5.2.4.Đặc tr ưng về hình thái c ủa lệch ....................................................................................................... 321.5.3. Sai lệch mặt .................................................................................................................... 32
1.6. Đơ n tinh thể và đa tinh thể ................................................................................................ 33
1.6.1. Đơ n tinh thể .................................................................................................................... 33
1.6.2. Đa tinh thể ...................................................................................................................... 33
1.6.2.2. Độ h ạt ................................................................................................................................................ 33
1.7. Sự k ết tinh và hình thành tổ ch ức của kim loại ................................................................. 351.7.1. Điều kiện xảy ra k ết tinh ................................................................................................ 35
1.7.1.1. Cấu trúc ở tr ạng thái lỏng ................................................................................................................. 35
1.7.1.2. Biến đổi năng lượ ng khi k ết tinh ..................................................................................................... 35
1.7.2. Hai quá trình của sự k ết tinh .......................................................................................... 36
1.7.2.1. Tạo mầm ............................................................................................................................................ 36
1.7.2.2. Phát triển mầm .................................................................................................................................. 36
1.7.3. Sự
hình thành hạt ............................................................................................................ 361.7.3.1. Tiến trình k ết tinh .............................................................................................................................. 36
1.7.3.2. Hình dạng hạt .................................................................................................................................... 37
1.7.4. Các phươ ng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc ............................................................................ 37
1.7.4.1. Nguyên lý .......................................................................................................................................... 37
1.7.4.2. Các phươ ng pháp làm hạt nhỏ khi đúc ........................................................................................... 37
1.7.5. Cấu tạo tinh thể c ủa thỏi đúc .......................................................................................... 38
1.7.5.1. Ba vùng tinh thể c ủa thỏi đúc .......................................................................................................... 38
1.7.5.2. Các khuyết tật của vật đúc ............................................................................................................... 38CHỮƠ NG 2 BIẾ N DẠ NG DẺO VÀ CƠTÍNH ...................................................................... 41
2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy ................................................................................................. 41
2.1.2. Tr ượ t đơ n tinh thể .......................................................................................................... 42
2.1.2.1. Các mặt và phươ ng tr ượ t ................................................................................................................. 42
2.1.2.2.Ứ ng suất gây ra tr ượ t ........................................................................................................................ 42
2.1.2.3 Tính dễ tr ượ t, cơ ch ế tr ượ t ................................................................................................................ 43
2.1.3. Tr ượ t đa tinh thể: ............................................................................................................ 43
2.1.3.1. Các đặc điểm ..................................................................................................................................... 43
2.1.3.2. Tổ ch ức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo ............................................................. 44
2.1.4.1. Tải tr ọng t ĩ nh ..................................................................................................................................... 45
2.1.4.2. Trong điều kiện tải tr ọng thay đổi theo chu k ỳ .............................................................................. 46
2.2. Các đặc tr ưng cơ tính thông th ườ ng và ý ngh ĩ a ................................................................ 46
2.2.1. Độ b ền (t ĩ nh) .................................................................................................................. 47
2.2.1.1. Các chỉ tiêu ........................................................................................................................................ 47
2.2.1.2. Các yếu tố ảnh hưở ng ...................................................................................................................... 472.2.1.3. Các biện pháp hóa bền vật liệu ........................................................................................................ 47
2.2.2. Độ d ẻo: Độ d ẻo là khả n ăng biến dạng của vật liệu dướ i tải tr ọng ................................ 47
2.2.2.1. Hai chỉ tiêu: ....................................................................................................................................... 47
2.2.2.2. Tính siêu dẻo ..................................................................................................................................... 47
2.2.3. Độ dai và đậ p: ................................................................................................................ 48
2.2.4. Độ dai phá h ủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K IC .................... 48
2.2.5. Độ c ứng .......................................................................................................................... 50
2.2.5.1.Đặc điểm ............................................................................................................................................ 50
2.2.5.2.Độ c ứng Brinen HB: HB=F/S, F là tải tr ọng, kg hay N, S diện tích hình chỏm cầu. ............... 50
2.2.5.3.Độ c ứng Rô cvel HR (HRC, HRA, HRB)..................................................................................... 50
2.2.5.4.Độ c ứng Vicke HV ........................................................................................................................... 51
2.2.5.5. Chuyển đổi giữa các thang độ c ứng ............................................................................................ 51
2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng ....................................... 51
2.3.1. Tr ạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo ......................................................................... 51
2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng ........................................................................ 51
2.3.2.2. K ết tinh lại (k ết tinh lại lần thứ nh ất) .......................................................................................... 512.3.2.3. K ết tinh lại lần thứ hai ...................................................................................................................... 52
2.3.3.2. Các quá trình xảy ra .......................................................................................................................... 52
2.3.3.3. Các đặc điểm ..................................................................................................................................... 52
2.4. Ăn mòn và bảo vệ kim lo ại: .............................................................................................. 53
2.4.1. Phân loại: Theo cơ ch ế x ảy ra ăn mòn: .......................................................................... 532.4.2. Cơ ch ế c ủa quá trình ăn mòn kim loại: .......................................................................... 53
2.4.2.1. Cơ ch ế điện hóa của quá trình ăn mòn kim loại ............................................................................ 53
2.4.2.2. Cơ ch ế ăn mòn hoá học kim loại..................................................................................................... 54
2.4.3.Tốc độ ăn mòn ................................................................................................................. 54
2.4.4. Các yếu tố ảnh hưở ng đến tốc độ ăn mòn ...................................................................... 55
2.4.4.1.Ảnh hưở ng của bản chất kim loại ................................................................................................... 55
2.4.4.2.Ảnh hưở ng của ̀ môi tr ườ ng ............................................................................................................ 55
2.4.4.3.Ảnh hưở ng của cấu trúc và tính chất của hợ p kim: ....................................................................... 55
2.4.4.4.Ảnh hưở ng của các công nghệ v ật liệu .......................................................................................... 55
2.4.5. Chống ăn mòn kim loại .................................................................................................. 55
PHẦ N II HỢP KIM VÀ BIẾ N ĐỔI TỔ CH Ứ C ...................................................................... 57
CHỮƠ NG 3 HỢP KIM VÀ GIẢ N ĐỒPHA .......................................................................... 57
3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ C ỦA HỢP KIM ........................................................................ 57
3.1.1. Khái niệm về h ợ p kim .................................................................................................... 57
3.1.1.1Định ngh ĩ a .......................................................................................................................................... 57
3.1.1.2Ư u việt của hợ p kim so vớ i kim loại ............................................................................................... 57
3.1.1.3 Một số khái ni ệm ............................................................................................................................... 57
3.1.1.4 Phân loại các tươ ng tác ..................................................................................................................... 57
3.1.2 DUNG DỊCH R Ắ N ......................................................................................................... 58
3.1.2.1 Khái niệm - phân loại ........................................................................................................................ 58
3.1.2.2 Dung dịch r ắn thay thế ..................................................................................................................... 58
3.1.2.3 Dung dịch r ắn xen k ẽ ........................................................................................................................ 58
3.1.2.4 Các đặc tính của dung dịch r ắn ........................................................................................................ 59
3.1.3. Pha trung gian................................................................................................................. 59
3.1.3.1 Bản chất và phân loại ........................................................................................................................ 593.1.3.2 Pha xen k ẽ .......................................................................................................................................... 59
3.1.3.3 Pha điện tử (Hum - Rothery) ........................................................................................................... 60
3.2.3. Giản đồ lo ại I .................................................................................................................. 61
3.2.4. Giản đồ lo ại II ................................................................................................................ 62
3.2.5. Giản đồ lo ại III ............................................................................................................... 623.2.6. Giản đồ lo ại IV ............................................................................................................... 63
3.2.7. Các giản đồ pha v ớ i các phản ứng khác ......................................................................... 63
3.2.8. Quan hệ gi ữa dạng giản đồ pha và tính ch ất của hợ p kim ............................................. 64
3.2.8.1 Tính chất các pha thành phần ........................................................................................................... 64
3.2.8. 1 Tính chất của hỗn hợ p các pha: ....................................................................................................... 64
3.3. GIẢ N ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe 3C).................................................................................. 65
3.3.1. Tươ ng tác giữa Fe và C .................................................................................................. 65
3.3.1.1 Sự hòa tan c ủa C vào Fe .................................................................................................................. 65
3.3.1.2 Tươ ng tác hóa học giữa Fe và C ...................................................................................................... 65
3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe 3C và các tổ ch ức ........................................................................... 65
3.3.2.1 Giản đồ pha Fe - Fe 3C .................................................................................................................... 65
3.3.2.2 Các chuyển biến khi làm nguội chậm ............................................................................................ 66
3.3.2.3 Các tổ ch ức một pha .......................................................................................................................... 66
3.3.2.4 Các tổ ch ức hai pha .......................................................................................................................... 67
3.3.3. Phân loại ......................................................................................................................... 683.3.3. 1. Khái niệm chung về thép, gang ...................................................................................................... 68
3.3.3.2. Các loại thép, gang theo giản đồpha Fe - C ................................................................................. 68
3.3.3.3. Các điểm tớ i hạn của thép ................................................................................................................ 69
CHỮƠ NG 4 NHIỆT LUYỆ N THÉP....................................................................................... 70
4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHI ỆT LUYỆ N THÉP ......................................................................... 70
4.1.1. Sơ l ượ c về nhi ệt luyện thép ............................................................................................ 70
4.1.1.1. Định ngh ĩ a: ...................................................................................................................................... 70
4.1.1.2. Các yếu tố đặc tr ưng cho nhiệt luyện ............................................................................................. 70
4.1.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép ................................................................................................................ 70
4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối vớ i sản xuất cơ khí .......................................................... 70
4.1.2.1Tăngđộ c ứng, tính chống mài mòn và độ b ền của thép: phát huy triệt để các ti ềm năng của vật
liệu: bền, cứng, dai…do đó giảm nhẹ k ết cấu, tăng tuổi thọ,.. ................................................................... 70
4.1.2.2. Cải thiện tính công nghệ .................................................................................................................. 70
4.1.2.3. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí ................................................................................................... 70
4.2. CÁC TỔ CH Ứ C ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP ............... 71
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự t ạo thành austenit ............................. 71
4.2.1.1. Cơ s ở xác định chuyển biến khi nung ............................................................................................ 714.2.1.2.Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit ........................................................................... 71
4.2.2. Mục đích của giữ nhi ệt ................................................................................................... 72
4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội ...................................................................................... 72
4.2.3.1. Giản đồ chuy ển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) c ủa thép cùng tích ..... 72
4.2.3.2. Sự phân hóa γ khi làm ngu ội liên tục. ............................................................................................. 73
4.2.3.3. Giản đồ T - T - T c ủa các thép khác cùng tích ............................................................................... 73
4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) ....... 74
4.2.4.1. Bản chất của mactenxit .................................................................................................................... 74
4.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit ...................................................................................... 75
4.2.4.3. Cơ tính c ủa mactenxit ...................................................................................................................... 75
4.3.1.1.Định ngh ĩ a và mục đích ................................................................................................................... 764.3.1.2. Các phươ ng pháp ủ không có chuy ển biến pha ............................................................................ 77
4.3.1.3. Các phươ ng pháp ủ có chuy ển biến pha ........................................................................................ 77
4.3.2. Thườ ng hóa thép ............................................................................................................ 77
4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép .................................................................................................... 78
4.4.2.1.Đối vớ i thép TCT (< 0,80%C): ....................................................................................................... 78
4.4.2.2.Đối vớ i thép CT và SCT (≥ 0,80%C): → ..................................................................................... 78
4.4.2.3. Lý do để ch ọn nhiệt độ tôi: .............................................................................................................. 78
4.4.2.4.Đối vớ i thép hợ p kim: ...................................................................................................................... 79
4.4.3. Tốc độ tôi t ớ i hạn và độ th ấm tôi ................................................................................... 79
4.4.3.1. Các yếu tố ảnh hưở ngđến tốc độ tôi t ớ i hạn: ................................................................................ 79
4.4.3.4. Tính thấm tôi và tính tôi cứng: ........................................................................................................ 80
4.4.4. Các phươ ng pháp tôi thể tích và công d ụng. Các môi tr ườ ng tôi ................................... 80
4.4.4.1 Tôi trong một môi tr ườ ng ................................................................................................................. 80
4.4.4.2. Tôi trong hai môi tr ườ ng (nướ c qua dầu)Đườ ng b trên hình 4.18 ............................................. 81
4.4.4.3. Tôi phân cấ p:đườ ng c trên hình 4.18 ............................................................................................. 82
4.4.4.4. Tôi đẳng nhiệt:đườ ng d trên hình 4.18 .......................................................................................... 82
4.4.4.5. Gia công lạnh .................................................................................................................................... 82
4.4.4.6. Tôi tự ram .......................................................................................................................................... 82
4.4.5. Cơ - nhi ệt luyện thép ...................................................................................................... 82
4.4.5.1. Bản chất: ............................................................................................................................................ 82
4.4.5.2. Cơ - nhi ệt luyện nhiệt độ cao: ........................................................................................................ 82
4.4.5.3. Cơ – nhi ệt luyện nhiệt độ th ấ p: ..................................................................................................... 83
4.5.1. Mục đích và định ngh ĩ a .................................................................................................. 83
4.5.1.1. Tr ạng thái của thép tôi thành M: ..................................................................................................... 83
4.5.1.2.Định ngh ĩ a: ........................................................................................................................................ 834.5.2. Các phươ ng pháp ram thép cacbon ................................................................................ 83
4.5.2.1. Ram thấ p (150 ÷ 250 oC):... ............................................................................................................ 83
4.5.2.2. Ram trung bình (300 ÷ 450 oC): ..................................................................................................... 84
4.5.2.3. Ram cao (500 ÷ 650 oC):. ................................................................................................................ 84
4.5.2.4. Ram màu và tôi tự ram: ................................................................................................................... 84
4.5.2.5. ảnh hưở ng của thờ i gian ram: .......................................................................................................... 84
4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆ N THÉP .......................................... 84
4.6.1. Biến dạng và nứt ............................................................................................................ 84
4.6.1.1. Nguyên nhân và tác hại: . ................................................................................................................. 84
4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon ................................................................................................ 85
4.6.2.1. Nguyên nhân và tác hại:. .................................................................................................................. 85
4.6.2.3. Khắc phục: ......................................................................................................................................... 854.6.3. Độ c ứng không đạt: ........................................................................................................ 85
4.6.3.1. Độ c ứng quá cao: ............................................................................................................................ 85
4.6.3.2.Độ c ứng quá thấ p:............................................................................................................................. 85
4.6.4. Tính giòn cao .................................................................................................................. 85
4.6.5. Ảnh hưở ng của nhiệt độ và t ầm quan tr ọng của kiểm nhiệt ........................................... 85
4.6.5.1.Ảnh hưở ng của nhiệt độ: ................................................................................................................. 85
4.6.5.2. Kiểm tra nhiệt độ nung: ................................................................................................................... 85
4.7. HOÁ BỀ N BỀ M ẶT ......................................................................................................... 86
4.7.1. Tôi bề m ặt nhờ nung nóng b ằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) ....................................... 864.7.1.1. Nguyên lý nung nóng bề m ặt: (hình 4.21a). .................................................................................. 86
4.7.1.2. Chọn tần số và thi ết bị: ..................................................................................................................... 86
4.7.1.3. Các phươ ng pháp tôi: ....................................................................................................................... 86
4.7.1.4. Tổ ch ức và cơ tính c ủa thép tôi cảm ứng: ...................................................................................... 86
4.7.1.5.Ư u việt: .............................................................................................................................................. 86
4.7.2. Hóa - nhiệt luyện ............................................................................................................ 87
4.7.2.1. Nguyên lý chung ............................................................................................................................... 87
4.7.2.2. Thấm cacbon: phổ bi ến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xưở ng Cơ khí đều áp dụng ................ 87
5.1.1.1. Thành phần hóa học: ........................................................................................................................ 91
5.1.1.2.Ảnh hưở ng của C đến tổ ch ức, tính chất và công dụng của thép thườ ng ................................... 915.1.1.3.Ảnh hưở ng của các tạ p chất thườ ng có .......................................................................................... 92
5.1.1.4. Phân loại thép cacbon ....................................................................................................................... 92
5.1.1.6.Ư u nhượ c điểm của thép cacbon .................................................................................................... 94
5.1.2. Thép hợ p kim ................................................................................................................. 94
5.1.2.1. Thành phần hóa học ......................................................................................................................... 94
5.1.2.2. Các đặc tính của thép hợ p kim ........................................................................................................ 94
5.1.2.3. Tác dụng của nguyên tố h ợ p kim đến tổ ch ức của thép ............................................................... 945.1.2.4.Ảnh hưở ng của nguyên tố h ợ p kimđến quá trình nhiệt luyện .................................................... 96
5.1.2.5. Chậm chuyển biến khi ram .............................................................................................................. 97
5.1.2.6. Các khuyết tật của thép hợ p kim ..................................................................................................... 97
5.1.2.7. Phân loại thép hợ p kim .................................................................................................................... 98
5.1.2.8. Tiêu chuẩn thép hợ p kim ................................................................................................................. 99
5.2. THÉP XÂY DỰ NG ........................................................................................................ 100
5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại .......................................................................................... 100
5.2.1.1.Đặc điểm chung .............................................................................................................................. 100
5.2.1.2. Phân loại .......................................................................................................................................... 100
5.2.2. Thép thông dụng ................................................................................................................................ 100
5.2.2.1.Đặc điểm chung (thép cacbon) ...................................................................................................... 100
5.2.2.2. Phân loại theo TCVN ..................................................................................................................... 100
5.2.2.3. Tiêu chuẩn các nướ c ........................................................................................................................... 2
5.2.3. Thép hợ p kim thấ p độ b ền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) ......................... 2
5.2.3.1.Đặc điểm chung .................................................................................................................................. 2
5.2.3.2. Tiêu chuẩn Việt Nam ......................................................................................................................... 2
5.2.3.3. Tiêu chuẩn các nướ c ........................................................................................................................... 25.2.4. Thép làm cốt bêtông ......................................................................................................... 2
5.2.5. Các thép khác ................................................................................................................... 3
5.3. THÉP CHẾ T ẠO MÁY (Thép k ết cấu) .............................................................................. 3
5.3.1. Các yêu cầu chung ............................................................................................................ 3
5.3.1.1. Cơ tính: ................................................................................................................................................ 3
5.3.1.2. Tính công nghệ: .................................................................................................................................. 3
5.3.1.3. Tính kinh tế: ........................................................................................................................................ 3
5.3.1.4. Thành phần hóa học: .......................................................................................................................... 3
5.3.2. Thép thấm cacbon ............................................................................................................ 35.3.2.1.Đặc điểm các loại thép thấm cacbon và tác dụng của các nguyên tố ............................................ 3
5.3.2.2. Thép hợ p kim Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV ............................................................................... 3
5.3.2.3. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: ................................................................................................................. 4
5.3.3. Thép hóa tốt ...................................................................................................................... 5
5.3.3.1.Đặc điểm về thành ph ần hóa học ...................................................................................................... 5
5.3.3.2.Đặc điểm về nhi ệt luyện: ................................................................................................................... 5
5.3.3.7. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: ................................................................................................................. 6
5.3.3.8. Thép chuyên dùng để th ấm nitơ : ...................................................................................................... 7
5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép ............................................................................... 7
5.3.4.1. Các loại tr ục ......................................................................................................................................... 7
5.3.4.2. Các loại bánh r ăng .............................................................................................................................. 7
5.3.5. Thép đàn hồi ..................................................................................................................... 75.3.5.1.Điều kiện làm việc và yêu cầu đối vớ i thép đàn hồi: ...................................................................... 7
5.3.5.2.Đặc điểm về thành ph ần hóa học và nhiệt luyện ............................................................................. 8
5.3.5.3. Các mác thép và đặc điểm: ................................................................................................................ 8
5.3.6. Các thép k ết cấu có công dụng riêng ................................................................................ 8
5.3.6.1. Thép lá để d ậ p nguội sâu: .................................................................................................................. 8
5.3.6.2. Thép dễ c ắt .......................................................................................................................................... 9
5.3.6.3. Thép ổ l ăn ............................................................................................................................................ 9
5.4. Thép dụng cụ ..................................................................................................................... 10
5.4.1. Các yêu cầu chung .......................................................................................................... 10
5.4.1.1. Phân loại: ........................................................................................................................................... 10
5.4.1.2. Cơ tính & ch ịu nhiệt: ........................................................................................................................ 10
5.4.1.3. Tính công nghệ và tính kinh t ế: ....................................................................................................... 10
5.4.1.4. Thành phần hóa học: ........................................................................................................................ 10
5.4.2. Thép làm dụng cụ c ắt ..................................................................................................... 10
5.4.2.1. Yêu cầu đối vớ i vật liệu làm dụng cụ c ắt:điều kiện làm việc và yêu cầu cơ tính: .................... 10
5.4.2.2. Thép làm dao có năng suất thấ p ...................................................................................................... 11
5.4.2.3. Thép làm dao có năng suất cao - Thép gió: ................................................................................... 125.4.3. Thép làm dụng cụ đo ...................................................................................................... 14
5.4.3.1.Điều kiện làm việc và yêu cầu ........................................................................................................ 14
5.4.3.2. Thép làm dụng cụ đo cấ p chính xác cao ........................................................................................ 14
5.4.3.3. Thép làm dụng cụ đo cấ p chính xác thấ p ....................................................................................... 15
5.4.4. Thép làm dụng cụ bi ến dạng nguội ................................................................................ 15
5.4.4.2.Đặc điểm của thép làm dụng cụ bi ến dạng nguội ......................................................................... 15
5.4.4.3. Thép làm khuôn bé ........................................................................................................................... 15
5.4.4.4. Thép làm khuôn trung bình ............................................................................................................. 15
5.4.4.5. Thép làm khuôn lớ n và có tính chống mài mòn r ất cao: .............................................................. 165.4.4.6. Thép làm khuôn chịu tải tr ọng và đậ p ............................................................................................ 16
5.4.5. Thép làm dụng cụ bi ến dạng nóng ................................................................................. 16
5.4.5.1.Điều kiện làm việc và yêu cầu: ....................................................................................................... 16
5.4.5.2.Đặc điểm của thép làm dụng cụ bi ến dạng nóng .......................................................................... 17
5.4.5.3. Thép làm khuôn rèn.......................................................................................................................... 17
5.4.5.4. Thép làm khuôn ép chảy: ................................................................................................................. 17
5.5. Thép hợ p kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt) ......................................... 17
5.5.1.Đặ
cđ
iểm chung và phân lo
ại ......................................................................................... 175.5.2. Thép không gỉ ................................................................................................................. 18
5.5.2.1. Thép không gỉ hai pha: ..................................................................................................................... 18
5.5.3.1. Yêu cầu đối vớ i thép làm việc ở nhi ệt độ cao ................................................................................ 19
5.5.3.2. Thép làm xupap xả ........................................................................................................................... 205.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dướ i tải tr ọng và đậ p (thép Hadfield) .......... 20
5.6. GANG ............................................................................................................................... 20
5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế t ạo máy ............................................................. 20
5.6.1.1. Tổ ch ức tế vi ...................................................................................................................................... 20
5.6.1.2. Thành phần hóa học và cách chế t ạo .............................................................................................. 21
5.6.2. Gang xám ....................................................................................................................... 21
5.6.2.1. Cơ tính ............................................................................................................................................... 21
5.6.2.2. Phươ ng pháp nâng cao cơ tính ........................................................................................................ 21
5.6.2.3. Các mác gang và công dụng ............................................................................................................ 22
5.6.2.4. Gang xám biến tr ắng ........................................................................................................................ 22
5.6.3. Gang cầu ......................................................................................................................... 22
5.6.3.1. Cơ tính ............................................................................................................................................... 22
5.6.3.2.Đặc điểm chế t ạo .............................................................................................................................. 22
5.6.3.3. Các mác gang và công dụng (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi) .................................. 23
5.6.4. Gang dẻo ........................................................................................................................ 23
5.6.4.1. Cơ tính ............................................................................................................................................... 23
5.6.4.2.Đặc điểm chế t ạo .............................................................................................................................. 235.6.4.3. Các mác gang và công dụng ............................................................................................................ 23
CHỮƠ NG 6 HỢP KIM MÀU VÀ BỘT .................................................................................. 25
6.1. Hợ p kim nhôm (Al) ........................................................................................................... 25
6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợ p kim nhôm ............................................................ 25
6.1.1.1. Các đặc tính của nhôm nguyên chất ............................................................................................... 25
6.1.1.2. Hợ p kim Al và phân loại .................................................................................................................. 25
6.1.2. Nhôm và hợ p kim nhôm biến dạng không hóa bền đượ c bằng nhiệt luyện ................... 26
6.1.2.2. Hợ p kim Al biến dạng không hóa bền đượ c bằng nhiệt luyện .................................................... 266.1.3. Hợ p kim Al biến dạng hóa bền đượ c bằng nhiệt luyện .................................................. 27
6.1.3.1. HệAl - Cu và Al - Cu - Mg ............................................................................................................. 27
6.1.3.2. Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg .................................................................................................. 27
6.1.4. Hợ p kim Al đúc ............................................................................................................... 27
6.1.4.1. Các đặc điểm: .................................................................................................................................. 27
6.1.4.2. Silumin đơ n giản: ............................................................................................................................ 28
ng .................................................................................................................... 286.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợ p kim đồng ............................................................... 28
6.1.4.2. Các loại đồng nguyên chất ............................................................................................................ 28
6.4.1.1. Công nghệ b ột ................................................................................................................................... 31
6.4.1.2.Ư u, nhượ c điểm của phươ ng pháp ................................................................................................. 32
6.4.2. Vật liệu cắt và mài .......................................................................................................... 33
6.4.2.1. Hợ p kim cứng ................................................................................................................................... 33
6.4.2.2. Các vật liệu siêu cứng. ................................................................................................................... 33
6.4.2.3. Vật liệu làm đĩ a cắt ........................................................................................................................... 346.4.2.4. Vật liệu mài ....................................................................................................................................... 34
6.4.3. Vật liệu k ết cấu ............................................................................................................... 35
6.4.3.1. Trên cơ s ở Al và h ợ p kim Al ........................................................................................................... 35
6.4.3.2. Trên cơ s ở s ắt và thép ....................................................................................................................... 35
6.4.4. Hợ p kim xố p và thấm ..................................................................................................... 35
6.4.4.1. Bạc xố p tự bôi tr ơ n ........................................................................................................................... 35
CHỮƠ NG 7 VẬT LIỆU VÔ CƠ– CERAMIC ...................................................................... 367.1. Quan hệ gi ữa cấu trúc và tính chất của ceramic ................................................................ 36
7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình .............................................................................................. 37
7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa ................................................................................................ 37
7.2.2. Thuỷ tinh và g ốm thuỷ tinh ............................................................................................ 38
CHỮƠ NG 8 VẬT LIỆU HỮ U CƠ .......................................................................................... 42
8.1. Đặc điểm của vật liệu hữu cơ ............................................................................................ 43
8.1.1. Hình thành vật liệu polyme ............................................................................................ 43
8.1.2. Phân tửPolyme .............................................................................................................. 44
8.1.3. Khối lượ ng phân tử và s ự phân b ố kh ối lượ ng phân tử .................................................. 458.1.4. Mức độ k ết tinh của Plyme và tính chất cơ h ọc ............................................................. 46
8.2. Các polyme thông dụng và ứng dụng ................................................................................ 46
8.2.1. Chất dẻo: Sản lượ ng cao nhất hiện nay ......................................................................... 46
8.2.2. Cao su (Elastome) .......................................................................................................... 47
8.2.3. Sợ i polyme ..................................................................................................................... 47
8.2.5. Chất dẻo xố p (foarms) .................................................................................................... 47
CHỮƠ NG 9 COMPOZIT ........................................................................................................ 49
9.1. Khái niệm về compozit ..................................................................................................... 49
9.1.1. Quy luật k ết hợ p ............................................................................................................. 49
9.1.2. Đặc điểm và phân loại .................................................................................................... 49
9.1.2.1.Đặc điểm ............................................................................................................................................ 49
9.1.2.2. Phân loại ............................................................................................................................................ 49
9.1.3. Liên k ết nền - cốt ............................................................................................................ 49
9.2.1.1.Đặc điểm ............................................................................................................................................ 50
9.2.1.2. Các compozit hạt thô thông dụng. .................................................................................................. 50
9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) ............................................................................ 50
9.2.2.1.Đặc điểm ............................................................................................................................................ 50
9.2.2.2. Các compozit hạt mịn ...................................................................................................................... 50
9.3. Compozit cốt sợ i ............................................................................................................... 50
9.3.1. Ảnh hưở ng của yếu tố hình h ọc sợ i ................................................................................ 519.3.1.1. Sự phân b ố và định hướ ng sợ i ......................................................................................................... 51
9.3.1.2.Ảnh hưở ng của chiều dài sợ i ........................................................................................................... 51
9.3.2. Compozit cốt sợ i liên tục song song .............................................................................. 52
9.3.2.1. Khi kéo dọc ....................................................................................................................................... 52
9.3.2.2. Khi kéo ngang ................................................................................................................................... 52
9.3.2.3.Ảnh hưở ng của hàm lượ ng sợ i ........................................................................................................ 52
9.3.3. Compozit cốt sợ i gián đoạn thẳng hàng ......................................................................... 53
9.3.4. Compozit cốt sợ
i giánđ
oạn h
ỗnđộ
n .............................................................................. 53CHỮƠ NG 10 LỰ A CHON VÀ SỬ D Ụ NG HỢP LÝ VẬT LIỆU ......................................... 54
1.1 NHỮ NG TÍNH CHẤT CƠ B Ả N CỦA VẬT LIỆU. ......................................................... 54
1.2.1 Ba yêu cầu cơ b ản đối vớ i vật liệu .................................................................................. 54
1.2.2 Những tính chất cơ b ản của vật liệu ................................................................................ 54
1.2.2.1Tính chất cơ h ọc. ................................................................................................................................. 54
1.2.2.2Tính chất vật lý. .................................................................................................................................. 59
1.2.2.3Tính chất hóa học. .............................................................................................................................. 61
1.2.2.4Tính công nghệ. .................................................................................................................................. 621.2.2.5Ðộ tin c ậy. ........................................................................................................................................... 62
Vật liệu theo cách hiểu phổ bi ến nhất là những vật r ắn mà con ngườ i dùng để ch ế t ạo racác máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ngành công nghiệ p, nông nghiệ p, giao thông
vận tải, trong xây dựng các công trình, nhà cửa hay thay thế các b ộ ph ận cơ th ể con ng ườ i
hoặc để th ể hi ện các ý đồ ngh ệ thu ật, v.v.
Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan h ệ gi ữa thành phần, cấu tạo và tính chất
của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề k ỹ thu ật quan tr ọng nhất, liên quan đến việc tiết
kiệm vật liệu, giảm khối lượ ng thiết bị máy móc và d ụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin
cậy và khả n ăng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ.
Cơ s ở lý thuy ết của vật liệu học là các phần tươ ng ứng của vật lý và hóa học nhưng về c ơ
bản thì khoa học về v ật liệu đượ c phát triển bằng con đườ ng thực nghiệm. Việc đưa ra những phươ ng pháp thực nghiệm mớ i để nghiên c ứu cấu tạo (cấu trúc) và các tính chất cơ , lý của vật
liệu sẽ t ạo điều kiện để môn v ật liệu học tiế p tục phát triển.
Nghiên cứu các tính chất vật lý như m ật độ, độ d ẫn điện, độ d ẫn nhiệt, v.v… hay cơ tính
như độ b ền, độ d ẻo, độ c ứng, môđun đàn hồi, ... hoặc tính công nghệ nh ư độ ch ảy loãng, khả
năng gia công cắt gọt, ... và các tính năng làm việc như tính ch ống ăn mòn, tính chống mài
mòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, ... của vật liệu sẽ cho phép xác định l ĩ nh vực ứng
dụng hợ p lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế.
Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho s ự phát tri ển và sử d ụng vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử d ụng thích hợ p ngày
một tốt hơ n. Nó liên quan tr ực tiế p đến tất cả nh ững ngườ i làm việc trong l ĩ nh vực chế t ạo, gia
công và sử d ụng vật liệu.
1.1.2 Phân loại vật liệu
Dựa theo các tính chất đặc tr ưng, ngườ i ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim
loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và v ật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên nh ững năm gần đây đã
xuất hiện một nhóm vật liệu quan tr ọng thứ t ư đó là vật liệu k ết hợ p - vật liệu compozít.
1.1.3
Vật liệu kim loạiThành phần chủ yếu là hợ p kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác
Là những vật thể d ẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng v ớ i màu sắc đặc tr ưng, không
cho ánh sáng đi qua, dễ bi ến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép)
Có độ b ền cơ h ọc, nhưng kém bền vững hóa học, tr ừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng
khác như: Fe, Cu, ... đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấ p đến cao
nên đáp ứng đượ c yêu cầu đa dạng của k ỹ thuật.
Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự s ắ p xế p tr ật tự c ủa các nguyên tử để t ạo
thành mạng tinh thể v ớ i độ x ế p chặt cao và liên k ết vớ i nhau nhờ khí điện tử t ự do.
Trong mạng tinh thể luôn luôn t ồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có
thể chuy ển hoàn toàn sang tr ạng thái không tr ật tự thu ộc dạng vô định hình. Vật liệu kim loại
đượ c chia làm hai nhóm lớ n:
− Kim loại và hợ p kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ y ếu có nguyên tố
sắt. Thuộc nhóm này chủ y ếu là thép và gang.
− Kim loại và hợ p kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng khôngchứa hoặc chứa r ất ít sắt. Thí dụ nh ư đồng, nhôm, k ẽm, niken và các loại hợ p kim của chúng.
Nhóm này còn có tên gọi là kim loại và hợ p kim màu.
1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc
Là hợ p chất giữa kim loại, silic vớ i á kim: thành ph ần cấu tạo của vật liệu vô cơ - ceramíc
chủ y ếu là các hợ p chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, ... và các phi kim d ướ i dạng các
ôxýt, cácbít, hay nitrít, ... vớ i liên k ết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa tr ị có s ắ p xế p tr ật
tự để t ạo thành mạng tinh thể ho ặc có sắ p xế p không tr ật tự nh ư tr ạng thái thủy tinh hay vô
định hình.
Tên gọi ceramíc đượ c bắt nguồn từ ti ếng Hylạ p "keramikos" có ngh ĩ a là "vật nung" nên
khi chế t ạo vật liệu loại này thườ ng phải qua nung nóng, thiêu k ết.
Các vật liệu vô cơ - ceramíc truy ền thống có thể k ể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy
tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông.
Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc m ớ i tìm thấy có những tính năng r ất quí như
nhẹ, chịu nhiệt tốt, r ất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt đượ c ứng dụng ngày
càng nhiều trong công nghiệ p điện, điện tử và hàng không v ũ tr ụ.
1.1.2.3 Vật liệu hữ u cơ – polyme
Có nguồn gốc hữu cơ , thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớ n.
- Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém.
- Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấ p.
- Bền vững hóa học ở nhiệt độ thườ ng và trong khí quyển.
Vật liệu hữu cơ – polyme bao g ồm các chất hữu cơ ch ứa các bon có cấu trúc đa phân tử
vớ i hai nguyên tố thành ph ần chủ y ếu là các bon và hydrô có thể ch ứa thêm ôxy, clo, nitơ , ...
liên k ết vớ i nhau trong các mạch phân tử kích th ướ c lớ n sắ p xế p tr ật tự đượ c gọi tr ạng thái
tinh thể ho ặc không tr ật tự – tr ạng thái vô định hình. Tuy nhiên chúng có thể có c ấu trúc hỗn
hợ p vừa tinh thể v ừa vô định hình.
Ngoài các vật liệu hữu cơ t ự nhiên nh ư cao su, xenlulo v.v ra ph ần lớ n vật liệu hữu cơ
đượ c sử d ụng r ộng rãi trong công nghiệ p cũng như trong cu ộc sống là các polyme tổng hợ p,
chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợ p (polyme hóa) các phân tử đơ n (monome) và do đó
tùy theo nguồn gốc chất trùng hợ p, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE),
polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v.
1.1.2.4 Vật liệu k ết hợ p – compozit
Là loại vật liệu đượ c k ết hợ p giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau vớ i tính chất đặc
tr ưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ: bêtông cốt thép là sự k ết hợ p giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải tr ọng kéo tốt và bê
tông (là vật liệu vô cơ ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông c ốt thép là loại vật liệu k ết cấu vừa
chịu kéo và vừa chịu nén tốt.
Sự k ết hợ p giữa kim loại vớ i polyme, giữa polyme vớ i ceramíc, giữa ceramíc vớ i kim loại,
v.v… là cơ s ở để ch ế t ạo các loại vật liệu k ết hợ p-compozít vớ i những tính năng khác nhau
phục vụ t ốt trong các ngành công nghiệ p và sản xuất cơ khí nói chung. M ột số v ật liệu k ết hợ p
- compozít đượ c ứng dụng trong ngành hàng không r ất có hiệu quả nh ư s ợ i thủy tinh độ b ềncao và sợ i các bon.
Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa đượ c nêu trên còn có các nhóm vật liệu khác có tínhnăng và thành phần r ất riêng biệt như:
- Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấ p, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa
kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần vớ i kim loại hơ n, nhóm sau cùng gần vớ i
ceramic hơ n).
- Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ vớ i hữu cơ , song gần vớ i vật liệu hữu cơ hơ n.
1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU
Lịch sử phát tri ển khoa học vật liệu gắn liền vớ i lịch sử phát tri ển của loài ngườ i, có thể
chia ra làm 3 giai đoạn lớ n sau:1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài ngườ i
Từ hàng ngàn, hàng v ạn năm tr ướ c công nguyên con ngườ i nguyên thủy đã biết sử d ụng
công cụ lao động để duy trì và phát tri ển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử d ụng các vật liệu
có sẵn trong tự nhiên nh ư:
− V ật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v.
− V ật liệu hữ u cơ nh ư da, s ợ i thực vật, gỗ, tre v.v.
− V ật liệu kim loại nh ư vàng, b ạc, đồng tự nhiên và s ắt thiên thạch v.v.
Trong giai đoạn này, các vật liệu đượ c sử d ụng đa phần ở d ạng nguyên thủy, không quachế bi ến. Các vật dụng đượ c chế t ạo chủ y ếu bằng các cắt, mài, đậ p hay nghiền v.v. Tại thờ i
Kim loại
Compozít
Hữu cơ - polyme
Vô cơ -ceramíc33
4 3
3
1
2
Hình 1.1 S ơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữ a chúng.
1. Bán d ẫ n; 2. Siêu d ẫ n; 3. Silicon; 4. Polyme d ẫ n đ iện.
k ỳ này riêng ng ườ i Ai Cậ p cổ, ngườ i Babylon, ngườ i La Mã và ngườ i Trung Quốc đã biết chế
tạo ra gạch để xây c ất bằng cách phơ i khô đất sét ngoài nắng.
1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm.
Phải tr ải qua một thờ i gian r ất lâu, ngh ĩ a là sau hàng nghìn năm để tích l ũy các quan sát
ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách r ờ i r ạc và mò mẫm, con
ngườ i thờ i tr ướ c Công nguyên cũng đã tạo ra đượ c nhiều sự ki ện quan tr ọng về l ĩ nh vực vật
liệu. Có thể k ể ra đây vài ví dụ:
Tr ướ c Công nguyên khoảng 6.000 năm, ngườ i ta đã biết luyện đồng từ qu ặng để ch ế t ạo ra
những công cụ lao động và vũ khí. Nh ững cục xỉ đồng vớ i tuổi 8.500 năm, mà ngườ i ta phát
hiện đượ c ở cao nguyên Anotolia Th ổ Nh ĩ K ỳ đã nói lên sự xu ất hiện r ất sớ m nghề luy ện
đồng từ qu ặng trên trái đất của chúng ta.
Sắt thép cũng xuất hiện khá sớ m. Vào khoảng thế k ỷ 15 tr ướ c Công nguyên ngườ i ta đã
biết sử d ụng công cụ b ằng thép và sau đó khoảng 4 thế k ỷ, ngườ i Hy Lạ p và La Mã đã biết sử
dụng phươ ng pháp nhiệt luyện tôi thép để làm t ăng độ c ứng cho thép. K ỹ thu ật này đạt đượ cđỉnh cao vào thờ i trung cổ v ớ i các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syrie) cho đến ngày
nay vẫn còn là một bí mật về công ngh ệ. Các nhà khảo cổ h ọc khi khai quật ở Ninevia - kinh
đô của đồ s ứ c ổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nh ị th ế k ỷ th ứ VIII tr ướ c Công nguyên
đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như m ũ s ắt, lưỡ i cưa và các
công cụ rèn v.v.
Một k ỳ tích v ề công ngh ệ luy ện kim của nhân loại cổ x ưa đã đượ c tìm thấy như cây c ột tr ụ
bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ g ần như nguyên ch ất (nó chứa tớ i 99,72% sắt) nặng tớ i 6,5 tấn, cao
hơ n 7m đượ c xây dựng từ n ăm 415 để t ưở ng niệm vị vua Chan đragupta đệ nh ị. Những lò luyện
sắt đầu tiên có ở Trung Qu ốc và Ai cậ p từng xuất hiện từ h ơ n 3.000 năm tr ướ c Công nguyên.Vào cuối thế k ỷ th ứ XVIII k ỹ thu ật chế t ạo thép vớ i qui mô lớ n đã xuất hiện, mà nhờ đó con
ngườ i đã sử d ụng phổ bi ến để ch ế t ạo ra các máy hơ i nướ c, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa
và đườ ng sắt v.v. Một công trình bằng thép đồ s ộ ph ải k ể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp.
Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tớ i 320 m đượ c xây dựng xong năm 1889 không những là niềm
tự hào và là bi ều tượ ng văn minh của nướ c Pháp mà còn là một k ỳ quan c ủa thế gi ớ i.
Ngoài sự phát tri ển mạnh của những vật liệu kim loại đã nêu trên, vật liệu vô cơ c ũng đã
có những bướ c tiến r ất sớ m. Từ th ế k ỷ XV tr ướ c Công nguyên, ở Ai C ậ p, Babylon và La Mã
ngườ i ta đã biết sử d ụng hỗn hợ p đá nghiền vớ i vôi tôi r ồi tớ i đầu thế k ỷ XIX xi m ăng portlanđã xuất hiện ở Anh, M ỹ, Nga và sau đó k ỹ thu ật đúc bê tông cốt thép sử d ụng trong xây dựng
đã xuất hiện ở M ỹ vào n ăm 1875 và ngày nay loại vật liệu này ngày càng đượ c sử d ụng r ộng
rãi trong các công trình xây dựng cầu đườ ng, nhà cửa v.v.
1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thứ c khoa học
Ngườ i ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành
các tính chất khác nhau của chúng.
Chính nhờ nh ững kiến thức khoa học đó mà con ngườ i đã đánh giá đượ c định tính chiều
hướ ng phát triển của vật liệu và định hướ ng các công nghệ ch ế t ạo vật liệu vớ i những tính
chất mong muốn.
Có thể k ể ra đây một vài bướ c tiến nổi bật về công ngh ệ v ật liệu:
- Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơ n cho kim loại
gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy.
- Hợ p kim và biến đổi tổ chức: cấu trúc của hợ p kim, chuyển pha → nhiệt luyện.
- Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng - Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng
Lựa chọn & Sử dụng hợ p lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ , lý, hoá tính, tính công
nghệ đồng thờ i r ẻ, nhẹ và bảo vệ môi tr ườ ng → CMS (Cambridge Materials Selector).
Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là nội
dung cơ bản của toàn bộ môn học.
Tổ chứ c hay cấu trúc là sự sắ p xế p của các thành phần bên trong bao gồm tổ ch ức v ĩ
mô và vi mô của vật liệu.
Tổ chức v ĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắ p xế p của các
phần tử lớ n, quan sát đượ c bằng mắt thườ ng (0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm).
Tổ chức vi mô là hình thái sắ p xế p của các phần tử nhỏ, không quan sát đượ c bằng mắt
hay lúp. Bao gồm 2 loại:
- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắ p xế p của các nhóm nguyên tử hay phân
tử (pha) vớ i kích thướ c cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể (mm) vớ i sự giúp đỡ của
kính hiển vi quang học (0,15mm) hay kính hiển vi điện tử (10nm).
- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắ p xế p và tươ ng tác giữa các nguyên tử trong không
gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể → tia X và phươ ng tiện khác.
Tính chất bao gồm: cơ tính, vật lý tính, hóa tính, tính công nghệ & sử dụng.Các tiêu chuẩn vật liệu
- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN
- Tiêu chuẩn Nga ΓOCT
- Các tiêu chuẩn Hoa K ỳ:
ASTM (American Society for Testing and Materials),
AISI (American Iron and Steel Institute),
SAE (Society of Automotive Engineers),
AA (Aluminum Association),
CDA (Copper Development Association),
UNS (Unified Numbering System)
.......
- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS
- Tiêu chuẩn Châu Âu EN
- Đức DIN, Pháp NF, Anh BS cũng là các tiêu chuẩn quan tr ọng cần biết.
CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH1.1. Cấu tạo và liên k ết nguyên tử
Khái niệm cơ b ản về c ấu tạo nguyên tử:
Nguyên tử = h ạt nhân + electron = (proton + nơ tron) + electron
Nơ tron không mang điện, Proton mang điện dươ ng = điện tích của electron → nguyên tử
trung hoà.
Cấu hình electron (electron configuration) chỉ rõ: s ố l ượ ng tử chính (1, 2, 3...), ký hi ệu phân lớ p (s, p, d...), số l ượ ng electron thuộc phân lớ p (số m ũ trên ký hi ệu phân lớ p).
Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình electron là 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua đó biết đượ csố electron ngoài cùng ( ở đây là 1, hóa tr ị 1).
Các kim loại chuyển tiế p: Fe có Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2
1.1.2. Các dạng liên k ết nguyên tử trong chất rắn
Các loại vật liệu khác nhau có thể t ồn tại các dạng liên k ết riêng. Sự khác nhau c ủa các
dạng liên k ết đó cũng là nguyên nhân tạo nên các tính chất khác nhau.
1.1.2.1. Liên k ết đồng hóa trị
Là liên k ết của hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau m ột số electron hóa tr ị để có
đủ tám electron ở l ớ p ngoài cùng. Có thể l ấy ba ví dụ nh ư sau (hình 1.1).
• Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở l ớ p ngoài cùng, 2 nguyên tử Cl m ỗi nguyên tử
góp chung 1 electron để l ớ p ngoài cùng 8e (hình 1.1a).
Hình 1.1. Sơ đồ bi ểu diễn liên k ết đồng hóa tr ị a:phân tử clo; b: giecmani (Ge); c: mêtan (CH 4)
• Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớ p ngoài cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên tử góp chung (hình
1.1b). Liên k ết giữa các nguyên tử cùng lo ại (từ IVB VIIB nh ư Cl, Ge) là lo ại đồng cực, còn
giữa các nguyên tố khác lo ại như CH4 là lo ại dị c ực.
• Mê tan (CH4). Cacbon (z=6), có 4e lớ p ngoài cùng và 4 nguyên tử H để m ỗi nguyên tử
này góp cho nó 1 electron làm cho lớ p electron ngoài cùng đủ 8 (hình 1.1c).
1.1.2.2. Liên k ết ion
Kim loại nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e các nguyên tố: VIB (O, S...),
Trong phạm vi hẹ p (khoảng 0,25nm) các nguyên tử ch ất lỏng có xu thế ti ế p xúc (xít) nhau
tạo thành các đám nhỏ, do vậy không co lại khi nén như ch ất khí, các đám nguyên tử này luôn
hình thành và tan rã. Chất lỏng chỉ có tr ật tự g ần, không có tr ật tự xa.
Giữa các đám có khoảng tr ống do đó mật độ x ế p của chất lỏng thấ p, khi đông đặc thườ ng
kèm theo giảm thể tích (co ngót).
1.2.3.2. Chất rắn vô định hình
Ở m ột số ch ất, tr ạng thái lỏng có độ s ệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh ho ạt để s ắ p
xế p lại khi đông đặc; chất r ắn tạo thành có cấu trúc giống như ch ất lỏng tr ướ c đó gọi là chất
r ắn vô định hình. Thủy tinh (mà cấu tạo cơ b ản là SiO2) là chất r ắn vô định hình.
Như v ậy về m ặt cấu trúc, các chất r ắn gồm 2 loại: tinh thể và vô định hình. Kim loại, hợ p
kim và phần lớ n các chất vô cơ , r ất nhiều polyme - tinh thể.
Tuỳ theo b ản chất của vật liệu và tốc độ làm ngu ội khi đông đặc → tinh th ể ho ặc vô định hình.
Thủy tinh nóng chảy, các phân tử SiO2 [trong đó ion O2- ở các đỉnh khối tứ di ện (bốnmặt) tam giác đều, tâm của khối là ion Si4+ như bi ểu thị ở hình 1.5a] làm ngu ội bình thườ ng→ vô định hình (hình 1.5b); làm nguội vô cùng chậm các phân tử SiO2 có đủ th ờ i gian sắ p
xế p lại theo tr ật tự xa s ẽ đượ c thủy tinh (có cấu trúc) tinh thể (hình 1.5c).
Hình 1.5. Cấu trúc khối tứ di ện [ SiO4]4- (a), thủy tinh thườ ng SiO2 (b) th ủy tinh tinh thể SiO2 (c)
1.2.3.3. Chất rắn vi tinh thể
Cũng vớ i vật liệu tinh thể k ể trên khi làm ngu ội từ tr ạng thái lỏng r ất nhanh (trên dướ i
104độ/s) sẽ nh ận đượ c cấu trúc tinh thể nh ưng vớ i kích thướ c hạt r ất nhỏ (c ỡ nm), đó là vật
liệu có tên gọi là vi tinh thể (còn g ọi là finemet hay nanomet).Tóm lại các vật liệu có ba kiểu cấu trúc tinh thể (th ườ ng gặ p nhất), vô định hình và vi tinh
thể (ít g ặ p).
1.3. Khái niệm về mạng tinh thể
Đị nh nghĩ a:
Mạng tinh thể là mô hình không gian bi ểu diễn quy luật hình học của sự s ắ p xế p nguyên tử.
Phần lớ n vật liệu có cấu trúc tinh thể, tính chất r ất đa dạng phụ thu ộc vào kiểu mạng.
1.3.1. Tính đối xứ ng
Mạng tinh thể mang tính đối xứng, là một trong những đặc điểm quan tr ọng, thể hi ện cả
ở hình dáng bên ngoài, c ấu trúc bên trong cũ ng nh ư các tính ch ất của vật r ắn tinh thể.
Th ườ ng dùng cách vẽ t ượ ng tr ưng (hình c). Nguyên tử n ằm xít nhau theo phươ ng <111>, do đó:
- Đườ ng kính nguyên tử 2
3. ad t ng = số s ắ p xế p là 8.
Các mặt tinh thể x ế p dày đặc nhất là họ {110}. M ật độ x ế p thể tích M v = 68%. Có hai loại
lỗ h ổng: hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở hình d. Lo ại 8 mặt có kích thướ c b ằng
0,154 dng.t nằm ở tâm các m ặt bên {100} và giữa các cạnh a. Loại 4 mặt có kích thướ c lớ n
hơ n một chút, bằng 0,291 dnguyên tử n ằm ở 1/4 trên c ạnh nối điểm giữa các cạnh đối diện của
các mặt bên. Như v ậy trong mạng A2 có nhiều lỗ h ổng nhưng kích thướ c đều nhỏ, lớ n nhấtcũng không quá 30% kích thướ c (đườ ng kính) nguyên tử .
Các kim loại có kiểu mạng A1 thườ ng gặ p là: Fea, Cr, Mo, W.
Mạng chính phươ ng tâm khối chỉ khác m ạng A2 ở a = b ≠ c
1.4.1.2. Lập phươ ng tâm mặt A1
o Khác vớ i kiểu mạng A2 là thay cho nguyên tử n ằm ở trung tâm kh ối là nguyên tử n ằm ở
trung tâm các mặt bên, như bi ểu thị ở các hình 1.11a, b và c.
Hình 1.11. Ô cơ s ở m ạng lậ p phươ ng tâm m ặt (a, b), các lỗ h ổng (c) và cách xế p các mặt
tinh thể {100} và {111} (d)
+Số nguyên t ử trong 1 ô là : n v = 8 đ ỉnh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguyên t ử .
+Trong mạng A1, các nguyên tử x ế p xít nhau theo phươ ng đườ ng chéo mặt <110>, do đó:
đườ ng kính2
2. ad t ng = s ố s ắ p xế p là 12.
+Các mặt tinh thể dày đặc nhất là họ {111}. M ật độ x ế p thể tích M v =74%, mạng A1 này
là kiểu xế p dày đặc hơ n A2 và là một trong hai kiểu xế p dày đặc nh ất.Có 2 loại lỗ h ổng hình 4 mặt và hình 8 mặt như trình bày ở các hình 1.11c. Lo ại bốn mặt
có kích thướ c 0,225 dng.t (đỉnh 1 và tâm ba mặt 2,3,4). Đáng chú ý là loại lỗ h ổng hình tám
mặt, nó có kích thướ c lớ n hơ n cả, bằng 0,414dng.t, nằm ở trung tâm khối và giữa các cạnh a.
So vớ i mạng A2, mạng A1 tuy dày đặc hơ n song số lượ ng lỗ h ổng lại ít hơ n mà kích thướ c lỗ
hổng lại lớ n hơ n hẳn (0,225 và 0,41 so vớ i 0,154 và 0,291). Chính điều này (kích thướ c lỗ
hổng) mớ i là yếu tố quy ết định cho sự hòa tan d ướ i dạng xen k ẽ.Khá nhiều kim loại điển hình có kiểu mạng này: sắ t (Fe g), Ni, Cu, Al vớ i hằng số a m ạng
lần lượ t bằng 0,3656, 0,3s524, 0,3615, 0,4049nm; ngoài ra còn có Pb, Ag, Au.
1.4.1.3. Lục giác xếp chặt A3
Các nguyên tử n ằm trên 12 đỉnh, tâm của 2 mặt đáy và tâm của ba khối lăng tr ụ tam
giác cách đều nhau (hình 1.12a, b và c).
Hình 1.12. Ô cơ s ở m ạng lục giác xế p chặt (a,b,c) và cách xế p các mặt tinh thể {0001}(d)
Số l ượ ng nguyên tử trong 1 ô: nv = 12 đỉnh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâm = 6 nguyên t ử
Nguyên tử x ế p xít nhau theo các mặt đáy (0001). 3 nguyên tử ở gi ữa song song vớ i mặtđáy sắ p xế p nguyên tử gi ống như 2 m ặt đáy, nhưng nằm ở các hõm cách đều nhau (hình
1.12d). Mạng lục giác xế p chặt thì c/a = 3/8 hay 1,633.
Tuy nhiên trong thực tế c/a có xê d ịch nên quy ướ c:c/a = 1,57 ÷1,64 thì mạng đượ c coi là xế p chặt, 1,57 < c/a < 1,64 không xế p chặt.Các kim loại có kiểu mạng này ít thông dụng hơ n là:
Tiα vớ i a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xế p chặt),
Mg vớ i a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xế p chặt),Zn vớ i a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (không xế p chặt).
1.4.2. Chất rắn có liên k ết đồng hóa trị
1.4.2.1. Kim cươ ng A4
Kim cươ ng là một dạng tồn tại (thù hình) của cacbon vớ i cấu hình electron là 1s2 2s2 2p2,vậy số e l ớ p tham gia liên k ết là N = 4, số s ắ p xế p sẽ là 4 t ức là mỗi một nguyên tử cacbon có
4 nguyên tử bao quanh g ần nhất.
Hình 1.14. ô cơ s ở c ủa mạng tinh thể kim c ươ ng (a), vị trí các nguyên t ử (b) và liên k ết (c)
Ô cơ s ở m ạng kim cươ ng (hình 1.14a), đượ c tạo thành trên cơ s ở c ủa ô cơ s ở A1 có thêm
bốn nguyên tử bên trong v ớ i các tọa độ (xem hình 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2);
1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). nằm ở tâm c ủa bốn khối 1/8 cách đều nhau.
Các nguyên tử cacbon đều có liên k ết đồng hóa tr ị v ớ i năng lượ ng lớ n nên kim cươ ng có
độ c ứng r ất cao (cao nhất trong thang độ c ứng).
1.4.2.2. Mạng grafit
Có mạng lục giác lớ p (hình 1.15a), trong một lớ p khoảng cách giữa các nguyên tử
a=0,246nm, liên k ết đồng hoá tr ị. Khoảng cách giữa các lớ p c = 0,671nm, tươ ng ứng vớ i liên
k ết yếu Vàn der Waals, grafit r ất dễ b ị tách l ớ p, r ất mềm, nó đượ c coi như là m ột trong những
chất r ắn có độ c ứng thấ p nhất.
1.4.2.3. Cấu trúc của sợ i cacbon và fullerene
Phân tử cacbon C 60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley
(Mỹ ) t ạo ra 1985 (Nobel năm 1995) (hình 1.15c): 60 nguyên tử C n ằm trên mặt cầu g ồm 12ngũ giác và 20 l ục giác đều, nằm xen k ẽ nhau t ạo đối xứng tròn, ứng vớ i độ b ền và độ c ứng
r ất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có nh ững ứng dụng k ỳ l ạ trong k ỹ thu ật.
Sợ i cacbon đượ c trình bày ở hình 1.15b
Hình 1.15.
Cấu trúc mạng của
grafit (a), sợ i cacbon (b) và
fullerene (c).
1.4.2.4. Cấu trúc của SiO2
Hình 1.5a, là mô hình sắ p xế p không của các khối tứ di ện tam giác đều SiO44- của SiO2.
Thạch anh vớ i cấu trúc lục giác (hình 1.16a), cristobalit β v ớ i cấu trúc lậ p phươ ng (hình
1.16b). Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nh ận đượ c thủy tinh (vô định hình) như ở hình 1.5b.
Hình 1.16. Sắ p xế p khối tứ di ện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit b (b).
Cấu trúc tinh thể c ủa hợ p chất hóa học có liên k ết ion phụ thu ộc vào hai yếu tố:
- Tỷ s ố c ủa ion âm và ion dươ ng đảm bảo trung hòa về điện.
- Tươ ng quan kích thướ c giữa ion âm và ion dươ ng: trong tinh thể ion, các ion luôn có xu
hướ ng sắ p xế p để độ x ế p chặt và tính đối xứng cao nhất.
Mạng tinh thể c ủa hợ p chất vớ i liên k ết ion vẫn có các kiểu mạng đơ n giản (A1, A2)nhưng sự phân b ố các ion trong đó khá phức tạ p nên vẫn đượ c coi là có mạng phức tạ p.
Có thể hình dung m ạng tinh thể các h ợ p chất hóa học vớ i liên k ết ion đượ c tạo thành trên
cơ s ở c ủa ô cơ s ở c ủa ion âm, các ion dươ ng còn lại chiếm một phần hay toàn bộ các l ỗ h ổng.
Tỉ m ỉ v ề c ấu trúc của chất r ắn có liên k ết ion đượ c trình bày ở ch ữơ ng7.
1.4.4. Cấu trúc của polyme
Khác vớ i kim loại và các chất vô cơ , ô cơ s ở ch ỉ t ạo nên bở i số l ượ ng hạn chế (t ừ vài đến
vài chục) nguyên tử (ion), m ỗi phân tử polyme có th ể g ồm hàng triệu nguyên tử.
Ví dụ PE (C 2H4)n:
Các phân tử (m ạch) polyme đượ c liên k ết Vàn der Waals vớ i nhau (liên k ết yếu). Một số
vùng các mạch sắ p xế p có tr ật tự t ạo nên cấu trúc tinh thể, phần còn lại là vô định hình.1.4.5. Dạng thù hình
Thù hình hay đa hình là sự t ồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau c ủa
cùng một nguyên tố hay m ột hợ p chất hóa học, mỗi cấu trúc khác biệt đó đượ c g ọi là dạng thù
hình: ký hiệu α, β, γ , δ, ε.... Quá trình thay đổi từ d ạng thù hình này sang d ạng thù hình khác
đượ c gọi là chuyển biến thù hình. Các yếu tố d ẫn đến chuyển biến thù hình thườ ng gặ p hơ n cả
là nhiệt độ, sau đó là áp suất.
Cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại: các dạng thù hình (các hình 1.13, 1.14): kim
cươ ng (A4), grafit (A9), sợ i cacbon (cấu trúc lớ p cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60) trongđó, grafit là dạng thườ ng gặ p và ổn đinh nhất.
Sắt (Fe) có hai kiểu mạng là: Feα-A2, T < 911oC, Feγ -A1, T= 911 ÷ 1392oC, Feδ
T>1392oC -1539oC; → tính chất khác.
Chuyển biến thù hình bao giờ c ũng đi kèm vớ i sự thay đổi về th ể tích (n ở hay co) và c ơ
tính. Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911oC sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ x ế p từ 68 lên
74% khi chuyển từ Fe α → Fe γ ) và hoàn toàn ngượ c lại khi làm nguội (điều này hơ i trái vớ i
quan niệm thườ ng gặ p là nung nóng thì nở ra, còn làm ngu ội thì co lại) → rèn khuôn?.
1.5. Sai lệch mạng tinh thể Trong thực tế không ph ải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên những
Hình 1.18. Lệch biên: tinh thể không l ệch (a), mô hình tạo thành (b), sự s ắ p xế p nguyên tử
trong vùng lệch (c)
Như th ấy rõ ở hình 1.18b: đườ ng AD đượ c gọi là tr ục lệch, nó chính là biên của bán mặtnên có tên là lệch biên. Vớ i sự phân b ố nh ư v ậy nửa tinh thể có ch ứa bán mặt sẽ ch ịu ứng suấtnén, nửa còn lại chịu ứng suất kéo.
Véc tơ Burgers: là véc t ơ đóng kín vòng tròn Burgers vẽ trên m ặt phẳng vuông góc vớ i
tr ục lệch khi chuyển từ tinh th ể không l ệch sang tinh thể có l ệch. Lệch thẳng b ⊥ AL
Hình 1.19. Lệch xoắn: tinh thể không l ệch (a), mô hình tạo thành (a), đặc điểm sắ p xế p
nguyên tử trong vùng l ệch (c).
Các nguyên tử trong vùng h ẹ p giữa hai đườ ng AD và BC sắ p xế p lại có dạng đườ ng xoắnốc giống như m ặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn như th ấy rõ ở hình 1.19c.
Véc tơ Burgers song song v ớ i tr ục lệch AD=L
1.5.2.4. Đặc trư ng về hình thái của lệch
Mật độ l ệch (ký hiệu là ρ ) là tổng chiều dài tr ục lệch trong một đơ n vị th ể tích c ủa tinhthể, có thứ nguyên là cm/cm 3 hay cm2. Mật độ l ệch phụ thu ộc r ất mạnh vào độ s ạch và tr ạng
thái gia công. Ví dụ, đối vớ i kim loại ρ có giá tr ị nh ỏ nh ất (~ 108 cm -2) ứng vớ i độ s ạch cao và
tr ạng thái ủ; hợ p kim và kim loại sau biến dạng nguội, tôi... ρ t ớ i 1010 ÷ 1012 cm-2) (có thể
coi mật độ l ệch là tr ục lệch chạy qua/1 cm2).
Ý nghĩ a: lệch biên giúp cho dễ bi ến dạng (tr ượ t), khi mật độ quá l ớ n lại gây cản tr ượ t (tăng
bền). Ngoài ra, lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi k ết tinh.
1.5.3. Sai lệch mặt
Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thướ c lớ n theo hai chiều đo và nhỏ theo chi ều thứ ba,tức có dạng của một mặt (có thể là ph ẳng, cong hay uốn lượ n).
Các dạng điển hình của sai lệch mặt là: biên giớ i hạt và siêu hạt (sẽ trình bày ở m ục sau)
và bề m ặt tinh thể.
1.6. Đơ n tinh thể và đa tinh thể
1.6.1. Đơ n tinh thể
Đơ n tinh thể (hình 1.20a): là m ột khối chất r ắn có mạng đồng nhất (cùng kiểu và hằng số mạng), có phươ ng mạng không đổi trong toàn bộ th ể tích. Trong thiên nhiên: m ột số khoáng
vật có thể t ồn tại dướ i dạng đơ n tinh thể. Chúng có bề m ặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định, đó
là những mặt phẳng nguyên tử gi ớ i hạn (thườ ng là các mặt xế p chặt nhất). Các đơ n tinh thể
kim loại không tồn tại trong tự nhiên, mu ốn có phải dùng công nghệ "nuôi" đơ n tinh thể.
Đặc điểm: có tính chất r ất đặc thù là dị h ướ ng vì theo các phươ ng mật độ x ế p chặt
nguyên tử khác nhau. Đơ n tinh thể ch ỉ đượ c dùng trong bán dẫn.
1.6.2. Đa tinh thể
1.6.2.1. HạtTrong thực tế h ầu như ch ỉ g ặ p các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể g ồm r ất nhiều (đơ n)
tinh thể nh ỏ (c ỡ µm) đượ c gọi là hạt tinh thể, các hạt có cùng cấu trúc và thông số m ạng song
phươ ng lại định hướ ng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên k ết vớ i nhau qua vùng ranh
giớ i đượ c gọi là biên hạt (hay biên giớ i hạt) như trình bày ở hình 1.20b.
Từ mô hình đó thấy rõ :
- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, thể hi ện tính dị h ướ ng.
- Các hạt định hướ ng ngẫu nhiên vớ i số l ượ ng r ất lớ n nên thể hi ện tính đẳng hướ ng.
- Biên hạt chịu ảnh hưở ng của các hạt xung quanh nên có cấu trúc “trung gian” và vì vậy
sắ p xế p không tr ật tự (xô l ệch) như là vô định hình, kém xít chặt vớ i tính chất khác vớ i bản
thân hạt.
- Có thể quan sát c ấu trúc hạt đa tinh thể hay các h ạt nhờ kính hi ển vi quang học (hình 1.20c).
Hình 1.20. Mô hình đơ n tinh thể (a), đa tinh thể (b), t ổ ch ức tế vi kim lo ại đa tinh thể (c),
cấu trúc của siêu hạt (d).
1.6.2.2. Độ hạt
Độ h ạt có thể quan sát định tính qua mặt gãy, để chính xác ph ải xác định trên tổ ch ức tế vi.
Cấ p hạt theo tiêu chuẩn ASTM: phân thành 16 cấ p chính đánh số t ừ 00, 0, 1, 2...., 14 theo
tr ật tự h ạt nhỏ d ần, trong đó từ 1 đến 8 là thông dụng.
Hình 1.22. Mô hình textua trong dây nhôm sau khi kéo sợ i
(vectơ V bi ểu thị h ướ ng kéo, tr ục textua là [111]).
Do biến dạng dẻo làm phươ ng mạng định hướ ng tạo nên textua. Ví dụ, khi kéo sợ i nhôm
(hình 1.22), tinh thể hình tr ụ khi đúc, khi phủ.
Cấu trúc đa tinh thể có textua → v ật liệu có tính dị h ướ ng. Ứ ng dụng cho thép biến thế, tổ
chức từ c ực đại theo chiều textua, cực tiểu theo phươ ng vuông góc → giảm tổn thất.
1.7. Sự k ết tinh và hình thành tổ chứ c của kim loạiPhần lớ n kim loại hợ p kim đượ c chế t ạo (luyện) ra → đúc, tức qua k ết tinh, sau
đó →cán→ bán thành ph ẩm và sản phẩm.
K ết tinh là bướ c khở i tạo hình thành tổ ch ức hạt, tinh thể. → độ h ạt, tổ ch ức mong muốn.
1.7.1. Điều kiện xảy ra k ết tinh
1.7.1.1. Cấu trúc ở trạng thái lỏng
Chất lỏng chỉ có tr ật tự g ần, trong đó có những nhóm nguyên tử s ắ p xế p tr ật tự, chúng ở tr ạng thái cân bằng động. Về m ặt cấu trúc tr ạng thái lỏng gần tr ạng thái tinh thể h ơ n, các đám
nguyên tử → là tâm m ầm giúp cho k ết tinh.
1.7.1.2. Biến đổi năng lượ ng khi k ết tinh
Hình 1.23 biểu thị s ự bi ến đổi năng lượ ng ∆G của các
tr ạng thái lỏng (∆GL) và r ắn (∆G
R ) (tinh thể) theo nhiệt độ:
- Ở nhi ệt độ T > T O vật thể t ồn tại ở tr ạng thái lỏng
∆GL<∆GR
- Ở nhi ệt độ T o < TO, ∆GR <∆G
L →đông đặc TO
đượ c gọi là nhiệt độ k ết tinh hay nóng chảy, T = TO →k ết tinh (nóng chảy) chữa xảy ra.
KT&NC chỉ x ả y ra khi có ∆T ≠ 0
1.7.1.3. Độ quá nguội
Độ quá ngu ội ∆ T: nguội dướ i TO
∆ T = T - TO < 0
∆ T thay đổi từ r ất nhỏ (1 ÷ 2oC) đến r ất lớ n (hàng chục, tr ăm đến nghìn độ) tùy theo tốc
độ làm ngu ội khi k ết tinh. Nguội chậm trong khuôn cát ∆ T lớ n hơ n khi nguội nhanh trongkhuôn kim loại.
Khi nung nóng: sự nóng ch ảy sẽ x ảy ra ở nhi ệt độ T >T o, ∆ T đượ c gọi là độ quá nung.
Gồm hai quá trình cơ b ản nối tiế p nhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm:
1.7.2.1. Tạo mầm
Tạo mầm là quá trình sinh ra các phần tử r ắn có cấu trúc tinh thể, vớ i kích thướ c đủ l ớ n,
chúng không bị tan đi như tr ướ c đó mà phát triển lên như là trung tâm c ủa tinh thể (h ạt), hailoại mầm: tự sinh và ngo ại lai.
M ầm t ự sinh
Các đám nguyên tử có kích th ướ c đủ l ớ n r > r th (coi chúng là các hình c ầu bán kính r) mà
theo tính toán về nhi ệt động học, r th (bán kính t ớ i hạn của mầm) đượ c tính theo công thức:
vth G
r ∆
= σ 2
trong đó: σ - s ức căng bề m ặt giữa r ắn và lỏng, ∆Gv - chênh lệch năng lượ ng tự do
(GL - Gr ) tính cho một đơ n vị th ể tích.
Một khi mầm có r ≥ r th
→ phát triển lên thành hạt.
Khi độ quá ngu ội ∆T càng lớ n thì ∆GV cũng càng lớ n, r th càng nhỏ → s ố l ượ ng mầm
càng lớ n →hạt nhỏ.
M ầm ký sinh
Là các hạt r ắn nằm lơ l ửng trong kim loại lỏng, thành
khuôn đúc → m ầm ngoại lai. Thực tế là trong nhi ều
tr ườ ng hợ p ngườ i ta còn cố ý t ạo ra và đưa các phần tử
r ắn vào để giúp k ết tinh, sẽ đượ c nói tớ i ở m ục sau.
1.7.2.2. Phát triển mầmMầm phát triển là nhờ các đám nguyên tử bám lên b ề
mặt mầm đặc biệt là trên các bậc lệch xoắn.
Khi đượ c làm nguội tươ ng đối nhanh, thoạt tiên s ự
phát triển mầm mang tính dị h ướ ng tức là phát triển r ất
nhanh theo một số ph ươ ng tạo nên nhánh cây, tr ục bậc I
(A) (hình 1.24), r ồi từ tr ục chính này tạo nên tr ục bậc II
(B) vuông góc vớ i tr ục bậc I, r ồi từ tr ục bậc II phân
nhánh tiế p tạo nên tr ục bậc III (C)... cứ nh ư v ậy nhánh cây đượ c hình thành.
Sau đó kim loại giữa các nhánh cây mớ i k ết tinh tạo nên hạt (tinh thể) đặc kín, không thấytr ực tiế p đượ c nhánh cây nữa. Nhánh cây chỉ đượ c phát hiện thỏi đúc lớ n, phần k ết tinh tr ướ c
làm tr ơ ra nhánh cây mà không còn kim lo ại lỏng điền đầy. Cũng có thể t ẩm thực hợ p kim để
thấy đượ c nhánh cây.
1.7.3. Sự hình thành hạt
1.7.3.1. Tiến trình k ết tinh
Ta thấy: từ m ỗi mầm tạo nên một hạt, các hạt phát triển tr ướ c → to hơ n; hạt sau sẽ nh ỏ
hơ n→ kích th ướ c hạt ≠ (chênh l ệch ít) do các mầm định hướ ng ngẫu nhiên→ h ạt khôngđồng hướ ng, lệch nhau một cách đáng k ể → vùng biên h ạt vớ i mạng tinh thể b ị xô l ệch.
Tạo mầm ngoại lai: 2 loại:- Kim loại có cùng kiểu mạng hoặc gần giống nhau: FeSi, FeSiCa (gang), Ti (thép).
- Cho chất tạo oxit, nitrit : Al2O3, AlN khi
đúc thép. Hấ p phụ: Na cho Silumin (AlSi) Cầu hoá graphit : Mg, Ce, Đh
Tác động vật lý :
Rung, siêu âm→ b ẻ g ẫy tinh thể → h ạt
nhỏ
Đúc ly tâm → h ạt nhỏ
1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc
1.7.5.1. Ba vùng tinh thể của thỏi đúcCác thỏi (thép) đúc thườ ng có tiết diện tròn
hoặc vuông, chúng đượ c đúc trong khuôn kim
loại, đôi khi khuôn còn đượ c làm nguội bằng
nướ c chúng thườ ng có cấu trúc 3 vùng điển hình (hình 1.27):
Vỏ ngoài cùng là l ớ p hạt nhỏ đẳng tr ục 1: do ∆ T lớ n, mầm ngoại lai nhiều →hạt nhỏ m ịn.
Do thành khuôn có độ nh ấ p nhô → các mầm phát triển theo các phươ ng ngẫu nhiên cắt nhau,
chèn ép nhau → hạt phát triển đều theo mọi phía.
Vùng tiế p theo là lớ p hạt tươ ng đối lớ n hình tr ụ 2: vuông góc v ớ i thành khuôn, do thành
khuôn mớ i bắt đầu nóng lên → ∆ To ↓ , hạt lớ n hơ n và phát triển mạnh theo phươ ng tiế p
tuyến vớ i thành khuôn là phươ ng truyền nhiệt → h ạt hình tr ụ .
Vùng ở gi ữa là vùng các hạt lớ n đẳng tr ục 3:
Kim loại lỏng ở gi ữa k ết tinh sau cùng, thành khuôn đã nóng lên nhiều do đó :
- ∆ T ↓ → hạt lớ n,
- Nhiệt tản đều theo mọi phươ ng → h ạt đẳng tr ục.
Vùng ngoài cùng luôn luôn là lớ p vỏ m ỏng, 2 vùng sau phụ thu ộc vào điều kiện làm
nguội khuôn:
+ Nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ l ấn át vùng 3, thậm chí mất vùng 3 → xuyên tinh → khó biến dạng dẻo, không phù hợ p vớ i thỏi cán.
+ Nguội chậm thì vùng 3 lại lấn át vùng 2, thỏi tr ở nên d ễ cán h ơ n.
1.7.5.2. Các khuyết tật của vật đúc
Khuyết tật là các dạng tổ ch ức, cấu trúc không đúng theo ý muốn ban đầu của ngườ i sảnxuất. Các dạng khuyết tật của thỏi đúc là: Lõm co, r ỗ co, r ỗ khí và thiên tích.
+ R ỗ co và lõm co:
Do khi k ết tinh kim loại co lại không đượ c bù → co: r ỗ co n ằm phân tán, r ải rác giữa các
nhánh cây trên khắ p vật đúc đượ c gọi là r ỗ co → gia công áp l ực ở nhi ệt độ cao thì chúngđượ c hàn kín không ảnh hưở ng đáng k ể đến cơ tính.
Co tậ p trung → lõm co th ườ ng nằm ở n ơ i k ết tinh sau cùng: chỗ dày, phía trên. Ph ần thỏi
có lõm co phải đượ c cắt bỏ → t ỷ l ệ s ử d ụng chỉ còn kho ảng 85 đ ế n 95%.
Đúc liên tục không có lõm co.
Đối vớ i chi ti ết đúc phải để ph ần lõm co ở đậu ngót → cắt bỏ đi.
+ R ỗ khí:
Khí hoà tan thoát ra không k ị p (sự hòa tan c ủa khí của kim loại lỏng) → r ỗ khí hay b ọt
khí trong vật đúc.
Tác hại: Làm mất tính liên tục của vật đúc và tạo các vùng tậ p trung ứng suất, khi cán
không thể hàn kín đượ c (lớ p ô xyt ngăn cản khuếch tán làm liền chỗ b ẹ p), làm cho cơ tính c ủa
vật đúc giảm r ất mạnh, gây ra tróc vỏ ho ặc nứt khi sử d ụng.
- Khắc phục: Tăng cườ ng quá trình thoát khí khi k ết tinh bằng cách tạo ra sự l ưu động của
kim loại lỏng, kh ử khí t ốt tr ướ c khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát và mẻ n ấu phải đượ c sấykhô tr ướ c khi nấu luyện.
→ ho ặc đúc trong chân không.
+ Thiên tích (segregation):
Là sự không đồng nhất về thành ph ần và tổ ch ức của sản phẩm đúc, cả v ớ i hợ p kim (khi
thành phần phức tạ p) và kim loại do tích tụ t ạ p chất. Có nhiều dạng thiên tích: theo tr ọng
lượ ng (thiên tích vùng), trong bản thân hạt, của P, S trong thép.
Thiên tích vùng: là sự không đồng nhất về thành ph ần hóa học trong toàn bộ th ể tích v ậtđúc. Thiên tích hạt: là sự không đồng nhất về thành ph ần hóa học trong nội bộ h ạt kim loại.
Nguyên nhân: Do sự khác nhau v ề nhi ệt độ nóng ch ảy, khối lượ ng riêng và hệ s ố khu ếch
tán của các nguyên tố.
- Tác hại: Tạo ra các vùng không đồng đều về c ơ tính, làm gi ảm độ tin c ậy của sản phẩm đặc biệt là các vật đúc có kích thướ c lớ n.
- Cách khắc phục: Lựa chọn hợ p lý các nguyên tố khi t ạo hợ p kim.
Vớ i thiên tích hạt có thể ủ v ật đúc để đồng đều hóa thành phần (ủ khu ếch tán).
Cố g ắng dùng các biện pháp công nghệ t ạo sự đồng đều khi k ết tinh tiện để tránh thiên
tích vùng.
Hình 1.28 Các dạng khuyết tật của thỏi đúc
Hình a: Làm nguội mãnh liệt từ đáy khuôn còn các tườ ng bên vẫn giữ ở nhi ệt độ cao. K ết
tinh xảy ra từ đáy lên phía trên, mức kim loại lỏng tụt dần và mặt trên cùng của thỏi đúc có
Hình b: Làm nguội mãnh liệt từ đáy và các tườ ng bên. K ết tinh xảy ra từ ba phía và lõm co
có dạng chảo
Hình c: Làm nguội mãnh liệt từ các t ườ ng bên, còn mặt đáy vẫn giữ ở nhi ệt độ cao. Vì k ết
tinh chỉ x ảy ra từ bên hông nên lõm co có d ạng phễu nhọn kéo dài về phía đáy khuôn.
Hình d: Trong cả ba tr ườ ng hợ p k ể trên s ự t ỏa nhiệt trên bề m ặt không đáng k ể, do đó lớ p
kim loại lỏng trên bề m ặt k ết tinh sau cùng. Trong một số tr ườ ng hợ p, ví dụ khi qu ạt gió lạnhở phía trên khuôn ho ặc tiết diện khuôn ở ph ần trên bé hơ n nhiều so vớ i các phần dướ i vv...lõm
co nằm kín trong thỏi đúc.
Khi đem thỏi đúc cán nóng thành thành phẩm ngườ i ta phải cắt bỏ ph ần kim loại có chứa
lõm co vì nếu không lõm co sẽ kéo dài ra trong v ật cán như nh ững vết nứt có sẵn. Hơ n nữa
vùng lõm co k ết tinh sau cùng có chứa r ất nhiều tạ p chất và xỉ nên càng ph ải cắt bỏ đi. Để
phần kim loại cắt bỏ đi là ít nhất, phải tìm cách làm cho lõm co tậ p trung trên cùng không đi
sâu vào thỏi đúc. Muốn vậy, phải thiết k ế h ợ p lý hình dáng khuôn và dùng các biện pháp bảo
đảm tốc độ ngu ội chậm ở vùng trên cùng. Để đạt mục đích này ngườ i ta thườ ng dùng nắ p đậy
bằng vật liệu chịu lửa có tườ ng dày để gi ảm tốc độ t ỏa nhiệt hoặc dùng các biện pháp nung
Đa số các vật phẩ m kim loại đượ c chế t ạo bằ ng cách gia công biế n d ạng. Trong các nhà
máy luyện kim sau khi nấ u chả y và đ úc kim loại thành nhữ ng thỏi l ớ n, ng ườ i ta đ em cánthành nhữ ng bán thành phẩ m khác nhau:thỏi, dây, thanh, t ấ m, hình, lá,.. vv... ở các nhà máy
cơ khí chế t ạo, các chi tiế t đượ c gia công bằ ng rèn, r ậ p, tiện, phay bào ...
Trong t ấ t cả các phươ ng pháp gia công đ ó, kim loại bị biế n d ạng d ẻo để nhận đượ c hình
d ạng cần thiế t. Khi cán, rèn, r ậ p, quá trình biế n d ạng kim loại xả y ra trong toàn bộ hoặc hầu
hế t thể tích kim loại, còn khi tiện phay, bào... chỉ xả y ra trên một phần thể tích (thông thườ ng
là l ớ p bề mặt) vớ i k ế t quả cuố i cùng của biế n d ạng là sự tách phoi.
M ục đ ích của chữơ ng này là nghiên cứ u, khảo sát bản chấ t của quá trình biế n d ạng mà chủ
yế u là biế n d ạng d ẻo, khái quát về biế n d ạng đ àn hồi và sự phá hu ỷ , đồng thờ i nghiên cứ u nhữ ng
tha y đổ i về t ổ chứ c và tính chấ t do biế n d ạng d ẻo gây ra, ảnh hưở ng của nhiệt độ đế n tr ạng thái
sau biế n d ạng, giúp đề ra các biện pháp nâng cao cơ tính, khắ c phục nhữ ng khuyế t t ật.
2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy
2.1.1. Khái niệm
Biểu đồ t ải tr ọng (hay ứng suất) về bi ến dạng
hình 2.1. cho thấy
- Khi F < Fđh, độ giãn dài ∆l tỷ l ệ b ậc nhất vớ i
tải tr ọ ng→
biế n d ạng đ àn hồi. Vớ i F1 →
biến
dạng O1, bỏ t ải tr ọng mẫu lại tr ở l ại kích thướ c
ban đầu. - Khi F > Fđh, độ bi ến dạng tăng nhanh theo
tải tr ọng, khi bỏ t ải tr ọng biến dạng vẫn còn lại
một phần → biế n d ạng d ẻo.
Khi F= Fa → bi ến dạng Oa'', khi F=0 → bi ến dạng Oa' → bi ến dạng dẻo hay dư.
- Nếu tiế p tục tăng tải tr ọng đến giá tr ị cao nh ất F b, mẫu bị th ắt lại → t ải tr ọng =const
(hoặc ↓ ) nhưng ứ /s ↑→ phá hủy ở điểm c.Sự bi ến đổi về m ạng tinh thể ở ba tr ạng thái trên trình bày ở hình 2.2.
Khi lần lượ t tăng tải tr ọng ban đầu
(a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng
dẻo (c), phá hủy (d)
Khi biến dạng đàn hồi thì biến dạng
nhỏ ∆ a<a, biến dạng dẻo thì ∆ a>a,
vớ i a là thông số m ạng phá hủy các liên
k ết bị h ủy hoại dẫn đến đứt r ờ i.
Biến dạng dẻo = cách tr ượ t (đôi khi xảy ra bằng song tinh), ở đây chỉ gi ớ i hạn khảo sát biến dạng dẻo dướ i hình thức này.
Hình2.1. Biểu đồ kéo kim
Hình2.2. Sơ đồ biến đổ i mạng tinh thể khi lần lượ t tăng tải tr ọng
τ = 0,5s0 sin2α cos β. Gọ i cosα.cosβ là th ừa số Schmid.
Ứ ng suất gây ra tr ượ t τ ph ụ thu ộc vào góc β & α qua thừ a số Schmid. Khi = 90o hay β = 90o → τ = 0, l ự c F ch ỉ làm phá hủy mà không xảy ra biến dạng dẻo.
Khi ≠+ )( β α 90o, τmax = 0,5δ0 khi = β = 45 o
Hệ tr ượ t nào có τ max → thu ận lợ i nhất → tr ượ t xảy ra tr ướ c → các hệ ít thu ận lợ i hơ n.
Hình thái của tr ượ t: hình 2.2c và 2.3b: các bậc tr ượ t, dải tr ượ t hình 2.5b.
2.1.2.3 Tính dễ trượ t, cơ chế trượ t
Độ b ền lý thuyếtπ
τ 2
Gth ≈ r ất cao. Thực tế có l ệch
43 10.810 ÷=
Gthτ r ất nhỏ
Hình2.6. Mô hình tr ượ t trong mạng tinh thể th ực tế (có l ệch biên)
2.1.3. Trượ t đa tinh thể:
Vật liệu kim loại thực tế luôn luôn là VL đa tinh thể.
2.1.3.1. Các đặc điểm
Đặc điểm của tr ượ t đa tinh thể:
1) Các hạt bị biế n d ạng không đồng thờ i vớ i mứ c độ khác nhau
2) Có tính đẳ ng hướ ng: số h ạt vô cùng lớ n3) Đa tinh thể c ó độ bề n cao hơ n: Các hạt cản tr ở bi ến dạng lẫn nhau, biên hạt cản
Hình 2.5. Tr ượ t trong đơ n tinh thể Hình 2.5b. Bậc tr ượ t và dải tr ư ợ t
Là chỉ tiêu c ơ tính quan tr ọng nhất để đánh giá khả n ăng chống phá hủy giòn.
- Biết K IC và a→ ứng suất thiết k ế σ phải thoả mãn:aY
K IC
.π σ ≤ hay K I < K IC
- Biết K IC và →σ kích th ướ c vết nứt a:
21
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ ≤ Y
K a IC
σ π (2.5)
2.2.5. Độ cứ ng
2.2.5.1. Đặc điểm
Xác định đơ n giản nhất, nhanh chóng nhất.
Định ngh ĩ a: Độ cứ ng là khả năng chố ng l ại biế n d ạng d ẻo cục bộ của vật liệu thông qua
mũi đ âm.
Đặc điểm: khả n ăng chống mài mòn, tạo mẫu nhỏ và đơ n giản, thử t ại chỗ , nhanh,..
Các loại: thô đại và tế vi, th ườ ng dù ng độ cứ ng thô đại. Sơ đồ c ủa các phươ ng pháp thử độ c ứng (hình2.21):
Hình2.21. Sơ đồ tác d ụng tải tr ọng của các phươ ng pháp đo độ c ứng:a. Brinen, b. Rôcvel, c. Vicke.
2.2.5.2. Độ cứ ng Brinen HB: HB=F/S, F là tải tr ọng, kg hay N, S diện tích hình chỏm cầu.
Quan hệ gi ữa độ b ền và độ c ứng:
- Thép cán (tr ừ không g ỉ, bền nóng) σ b ≈ 0,34 HB,
- Thép đúc σ b ≈ (0,3 ÷ 0,4) HB,
- Gang xám σ b ≈ (HB - 60)/6,
- Đồng, latông, brông ở tr ạng thái biến cứng σ b ≈0,40HB, - Đồng, latông, brông ở tr ạng thái ủ σ b ≈0,55HB,
- Đura σ b ≈ 0,35HB.
Tuy nhiên độ c ứng HB cũng có những nhượ c điểm sau:
+ Không thể đo các vật liệu có độ c ứng cao hơ n 450 HB, mẫu phải phẳng, to, dày.
+ Không cho phép đo trên các loại tr ục (vì có mặt cong), đo tươ ng đối chậm.
Chính vì vậy trong sản suất thườ ng dùng cách đo Rôcvel hơ n.
2.2.5.3. Độ cứ ng Rô cvel HR (HRC, HRA, HRB)
Đo độ c ứng Rôcvel HR (hình2.21b) tiện lợ i hơ n do nhanh, k ết quả đo cho ngay trên máyvà đo đượ c các vật liệu từ t ươ ng đối mềm đến cứng, đo tại chỗ, đo đượ c lớ p bề m ặt.
Hợ p kim là hỗn hợ p của kim loại vớ i một hoặc nhiều kim loại hoặc á kim khác.
Latông= hợ p kim Cu + Zn→ h ợ p kim đơ n giản chỉ g ồm 2 nguyên tố Gang: Fe+Mn+Si và C+P+S, nguyên tố chính là Fe (kim lo ại) → h ợ p kim phức tạ p.
Nguyên tố kim lo ại chính (> 50%) đượ c gọi là nền hay nguyên t ố cơ sở .
3.1.1.2 Ư u việt của hợ p kim so vớ i kim loại
Hợ p kim: độ b ền, độ c ứng, tính chống mài mòn cao hơ n, tính công nghệ t ốt hơ n: đúc,
cắt gọt, nhiệt luyện đển hoá bền tốt hơ n, r ẻ h ơ n.
Kim loại nguyên chất: dẫn nhiệt, dẫn điện tốt (dây dẫn, trang sức, điện cực Pt, Au)
3.1.1.3 Một số khái niệm
• Pha: cùng cấu trúc, cùng tr ạng thái, cùng kiểu và thông số m ạng, các tính chất cơ -lý- hóa
xác định, phân cách nhau bở i mặt phân chia pha.
• Cấu tử là các ph ần độc lậ p có khối lượ ng không đổi,
chúng tạo nên các pha trong hợ p kim.
• Hệ là t ậ p hợ p các pha, có thể ở cân b ằng hoặc không
cân bằng.
• Tr ạng thái không cân bằng (3) = không ổn định:
thườ ng gặ p: khi tôi → cơ tính (b ền,cứng) cao hơ n, xu
hướ ng → (1&2)• Tr ạng thái giả ổn định (2) muốn sang (1) phải thắng ∆ G
• Ổn định (1).
3.1.1.4 Phân loại các tươ ng tác
Chế t ạo hợ p kim bằng cách nấu chảy vớ i phần tr ăm thành phần xác định r ồi làm nguội.
Từ pha l ỏng đồng nhất khi làm nguội sẽ có t ươ ng tác tạo nên các pha khác nhau.
Tạo thành hỗn hợ p cơ h ọc A + B
Khi có tươ ng tác: Hai tr ườ ng hợ p xảy ra:
- Hòa tan thành dung dịch r ắn, tổ ch ức một pha như kim lo ại nguyên chất (hình 3.2b) dung môi.- Phản ứng vớ i nhau thành hợ p chất hóa học, tạo thành kiểu mạng mớ i khác hẳn.
Hình 3.1. Sơ đồ cá c vị trí ổnđịnh (1), giả ổn định (2)
Định ngh ĩ a: là h ợ p kim trong đó 1 hay nhiều nguyên tố hoà tan vào m ạng tinh thể c ủa
kim loại chiếm đa số đượ c gọi là nền. Dung môi chiếm đa số, nguyên tố chi ếm tỷ l ệ ít h ơ n là
chất tan.
Đặc điểm: ki ểu mạng của dung môi, nồng độ ch ất tan có thể thay đổi trong một phạm vimà không làm mất đi sự đồng nhất đó . Dung dịch r ắn là của B trong A: A(B), mạng của A.
Các kiểu: thay th ế và xen k ẽ (hình 3.3)
3.1.2.2 Dung dịch rắn thay thế Định ngh ĩ a: nguyên t ử ch ất tan thay thế v ị trí
nguyên tử dung môi.
Điều kiện: sai khác d nguyên tử không quá 15%. Tính chất hoá lý tươ ng tự nhau.
Phân loại: theo gi ớ i hạn hòa tan gồm 2 loại: dung dịch r ắn hoà tan có hạn và dung dịch
r ắn hoà tan vô hạn theo sự phân b ố nguyên t ử ch ất tan, có 2 loại: dung dịch r ắn có tr ật tự và
dung dịch r ắn không có tr ật tự.
Gi ớ i hạn hòa tan là nồng độ ch ất tan lớ n nhất mà vẫn bảo tồn đượ c mạng tinh thể.
Điều kiện hoà tan vô hạn: chỉ có th ể (có khi không) x ảy ra khi thỏa mãn cả 4 y ếu tố sau:
1-Cùng kiểu mạng,
2-Đườ ng kính nguyên tử khác nhau ít (< 8%)
3-Thoả mãn gi ớ i hạn nồng độ điện tử: ví dụ: mạng lftm → C e ≤ 1,36, lftk → C e ≤ 1,48,
4-Có cùng hoá tr ị, tính âm điện sai khác nhau ít.
Ngoài ra, tính lý - hóa (đặc biệt là nhiệt độ ch ảy) giống nhau → d ễ t ạo thành dung dịch r ắn
hòa tan vô hạn. Ví dụ : Ag - Au (m ạng A1, ∆r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạng A1,
∆r = 2,70%, IB và VIII), Feα - Cr (mạng A2, ∆r = 0,70%, VIB và VIII).
Dung dịch rắn có trật tự : các nguyên t ử ch ất tan sắ p xế p có tr ật tự trong m ạng tinh thể dung
môi, (đượ c nguội r ất chậm trong khoảng nhiệt độ nhất định). Đa số tr ườ ng hợ p là không tr ật tự.
3.1.2.3 Dung dịch rắn xen k ẽ Định ngh ĩ a: các nguyên tử hòa tan n ằm xen k ẽ vào các l ỗ h ổng trong mạng tinh thể dung môi.
Điều kiện: bán kính nguyên t ử ch ất tan phải r ất nhỏ: N (0,071nm), C (0,077nm) và đôi khi
Hình 3.3. Sơ đồ sắ p xế p nguyên tử hòa tan thay thế
và xen k ẽ vào dung môi có mạng lậ p phươ ng tâm
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế để tạo dung dịch r ắn hòa tan vô hạn giữa hai kim loại A và B
cả B (0,091 nm) mớ i có khả n ăng xen k ẽ vào các l ỗ h ổng giữa các nguyên tử l ớ n như Fe
(0,1241nm), Cr (0,1249nm), W (0,1371nm), Mo (0,136nm),... Lỗ h ổng lớ n nhất trong mạng
A1 là loại 8 mặt chỉ b ằng 0,414dng/tử , ngoài H, không có á kim nào bỏ l ọt → đẩy các
nguyên tử ch ủ bao quanh giãn ra, gây ra xô l ệch mạnh mạng (Hình 3.5). Ch ỉ có dung d ịch r ắn
xen hòa tan có hạn.
Hình 3.5. Sự xô l ệch mạng trong dd r ắn:
a. hòa tan thay thế khi r ht > r chủ,
b. hòa tan xen k ẽ r ht> r lỗ h ổng
3.1.2.4 Các đặc tính của dung dịch rắn
Có kiểu mạng tinh thể c ủa kim loại dung môi → có đặc tr ưng cơ , lý, hóa tính của kim loại nền:
1) Mạng tinh thể, đơ n giản và xít chặt (A1, A2...) của kim loại vớ i liên k ết kim loại
2) Cơ tính gi ống kim loại cơ s ở :- Dẻo, có giảm đi 1 chút song vẫn đủ cao, d ễ bi ến dạng dẻo, cá biệt tăng độ d ẻo: Cu(Zn) vớ i
30%Zn còn dẻo hơ n cả Cu → chi ti ết dậ p sâu, đồ dát = latông
- Tăng độ b ền, độ c ứng, khả n ăng chịu tải hơ n hẳn kim loại nguyên chất
- Nồng độ ch ất tan càng lớ n độ d ẻo càng giảm, bền càng tăng. Quá lớ n → gây ra giòn, d ễ
bị gãy, v ỡ →chọn nồng độ thích h ợ p.
3) Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt nhưng kém hơ n kim loại nguyên chất, thay đổi tính chống ăn mòn.
Dung dịch r ắn là pha cơ b ản chiếm tớ i 90% thậm chí 100% trong vật liệu k ết cấu.
3.1.3. Pha trung gianTrên giản đồ pha 2 phía là dung d ịch r ắn, ở gi ữa là các pha trung gian.
3.1.3.1 Bản chất và phân loại
Đặc đ i ể m:
1) Có mạng tinh thể ph ức tạ p và khác hẳn vớ i nguyên tố thành ph ần
2) Có tỷ l ệ chính xác gi ữa các nguyên tố theo công th ức hóa học AmBn
3) Tính chất: khác hẳn các nguyên tố thành ph ần → giòn
4) Có nhiệt độ ch ảy xác định, khi tạo thành tỏa nhiệt.
5) Khác vớ i các hợ p chất hóa học thông thườ ng, các pha trung gian không hoàn toàn tuântheo quy luật hóa tr ị không có thành ph ần hóa học chính xác theo công thức, có liên k ết kim
loại. Các pha trung gian trong hợ p kim thườ ng gặ p: pha xen k ẽ, pha điện tử và pha Laves.
3.1.3.2 Pha xen k ẽ
Định ngh ĩ a: Là pha t ạo nên giữa các kim loại chuyển tiế p (có bán kính nguyên tử l ớ n) vớ i
các á kim có bán kính nguyên tử bé nh ư C, N, H (và B): cacbit, nitrit, hy đrit (và borit).
Đặc điểm: Mạng tinh thể c ủa pha xen k ẽ thu ộc tươ ng quan kích thướ c nguyên tử gi ữa á kim
(X) và kim loại (M):
- Khi r X/r M < 0,59 → m ột trong ba kiểu mạng là A1, A2, A3 (tuy không giữ lại kiểu mạngvốn có nhưng vẫn mang đặc điểm kim loại), các nguyên tử á kim xen k ẽ vào các lỗ h ổng trong
mạng, tạo nên hợ p chất vớ i các công thức đơ n gi ản như M 4X, M2X.
- Khi r X/r M > 0,59 → m ạng tinh thể ph ức tạ p (đượ c gọi là pha xen k ẽ v ớ i mạng phức
tạ p) tươ ng ứng vớ i công thức M3X, M7X3, M23X6.
Tính chất: Nhiệt độ ch ảy r ất cao (thườ ng > 2000 ÷ 3000oC), r ất cứng (HV > 2000
÷ 5000) và giòn hóa bền, nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệt của hợ p kim.H và N có kích thướ c nguyên tử nh ỏ nên r X/r M < 0,59, → Fe 4 N, Fe2 N, Mo2 N, Cr 2 N...
có mạng đơ n giản. C có r X/r M >0,57 nên tạo Fe3C, Mn3C, Cr 7C3, Cr 23C6,WC, TiC, Mo2C,
VC → m ạng phức tạ p → t ăng độ c ứng và tính chống mài mòn của hợ p kim.
3.1.3.3 Pha điện tử (Hum - Rothery)
Định ngh ĩ a: Là pha có kiểu mạng xác định, tạo thành vớ i nồng độ điện tử N xác định (số điện
tử hóa tr ị /s ố nguyên t ử): 3/2 (21/14), 21/13 và 7/4 (21/12), mỗi tỷ l ệ ứng vớ i một cấu trúc mạng
phức tạ p nhất định. Thườ ng là hợ p kim của Cu, Ag, Au vớ i Zn, Sn, Cd. Vớ i Cu
1+
, Zn
2+
ta có:Ce = 21/14 → pha β m ạng A1: CuZn, AgZn, AuZn (Ce=(1.1+1.2)/2=3/2)
Ce= 21/13 → pha mạng lậ p phươ ng phức tạ p: Cu5Zn8, Ag5Sn8 (Ce=(5.1+8.2)13=21/13)
Định ngh ĩ a: Pha t ạo bở i hai nguyên tố A, B có t ỷ l ệ bán kính nguyên t ử r A/r B = 1,2 (1,1
÷ 1,6) vớ i công thức AB2 có kiểu mạng A3: MgZn2, MgNi2 hay A1 (MgCu2). Do giòn nên
chỉ đượ c dùng trong hợ p kim trung gian hoặc các pha hoá bền.
3.2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ
Định ngh ĩ a: GĐP là giản đồ bi ểu thị s ự bi ến đổi thành phần và tr ạng thái pha ở cân b ằng
theo nhiệt độ và thành ph ần của hệ d ướ i áp suất không đổi (1 at).
Cách biểu diễn: thay thế và xen k ẽ (hình 3.3)
Đặc điểm: Gianr đồ pha ch ỉ đúng và phù hợ p vớ i hợ p kim ở tr ạng thái cân bằng (nguội r ất
chậm hay ủ).
Công dụng: xác định cấu trúc của hợ p kim, xác định nhiệt độ
chảy, chuyển biến pha→ nấu luyện và xử lý nhi ệt, gia công (biến dạng, đúc , rèn, cán, kéo,..), r ất quan tr ọng.
3.2.1. Quy tắc pha và ứ ng dụng
Quy tắc pha của Gibbs: T= N-F+2 khi P=1at thì T=N-F+1
T=0 → h ệ b ất biến, cả thành ph ần và nhiệt độ, lúc đó F = N + 1 (số pha=s ố c ấu tử +1). Ví
dụ: kim loại nguyên chất (N = 1) khi nóng chảy: T=1-2+1=0 → nhi ệt độ không đổi.
T=1: → Ví dụ , khi k ết tinh HK 2 nguyên: (T = 2 - 2 + 1=1) k ết tinh hoặc nóng chảy
trong khoảng nhiệt độ ho ặc thành phần.
T = 2: hệ cùng m ột lúc có thể thay đổi cả hai y ếu tố nhi ệt độ và thành ph ầnĐặc điểm: T ≥ 0 → s ố pha nhi ều nhất của hệ ( ở tr ạng thái cân bằng!) Fmax = N + 1 → hệ
Hợ p kim < 13%Sb = HK tr ướ c cùng tinh, HK>13%Sb → sau cùng tinh (tự kh ảo sát
HKTCT)
3.2.4. Giản đồ loại II
Định ngh ĩ a: là GĐP của hệ 2 c ấu tử hoà tan vô h ạn ở tr ạng thái r ắn và lỏng (hình 3.10).
Hệ điển hình Cu - Ni ở hình 3.10.a và h ệ Al 2O3 - Cr 2O3 ở hình 3.10b.Sơ đồ bi ểu diễn sự hình thành t ổ ch ức khi k ết tinh ở các nhi ệt độ khác nhau.
H
ình
3.10.
Giản
đồ
pha
loạiII, hệ
Cu-
Ni (a) và hệ Al 2O3 - Cr 2O3 (b)
3.2.5. Giản đồ loại III
Định ngh ĩ a: Là giản đồ pha c ủa
hệ hai c ấu tử, hòa tan có hạn ở tr ạng
thái r ắn và có tạo thành cùng tinh,
hình 3.12. Hệ điển hình là Pb-Sn.Dạng khá giống vớ i giản đồ lo ại I,
khác nhau ở đây là các dung dịch r ắn
có hạn α và β thay th ế cho các c ấu tử
A và B.
AEB - đườ ng lỏng,
ACEDB đườ ng r ắn.
+ Tươ ng tự nh ư gi ản đồ lo ại I,
nhiệt độ ch ảy của HK giảm khi tăng
cấu tử th ứ hai.+ Điểm cùng tinh E vớ i phản ứng cùng tinh: LE→ [ β + ] hay L61,9→ [α 19,2+ β 97,5]
+ HK < 61,9%Sn→ tr ướ c cùng tinh (trái E) và HK> 61,9%Sn→HK sau cùng tinh (phải E)
+ CF và DG là giớ i hạn hòa tan. Độ hòa tan max ở nhi ệt độ cùng tinh 183 oC
+ Có thể chia các h ợ p kim của hệ thành ba nhóm sau:
• Nhóm chứa r ất ít cấu tử th ứ hai (bên trái F, bên ph ải G), sau khi k ết tinh xong chỉ có m ột
dung dịch r ắn α ho ặc β, có đặc tính như gi ản đồ lo ại II.
• Nhóm có thành phần nằm trong khoảng (từ F đến C và D đến G), no< CF và DG → βII& αII
• Nhóm giàu nguyên tố HK (t ừ C đến D), sau khi tiết ra dung dịch r ắn → (α C hay β D), pha lỏng còn lại → điểm cùng tinh E.
- Trên 245oC HK chảy lỏng hoàn toàn, ở 245 oC hợ p kim bắt đầu k ết tinh ra α 2’ vớ i
13,3%Sn, nguội tiế p tục dung dịch r ắn A →C, pha lỏng còn lại A →E chiều tăng lên của hàm
lượ ng Sn.
Áp dụng quy tắc đòn bẩy: ở 200oC pha chứa 18,5%Sn (a’) và L chứa 57%Sn (a’’),%r ắn= (57-40)/(57-18,5) = 44,2%, %L = 55,8%
Ở nhi ệt độ cùng tinh (L E→ [αC+ βD]), %L=(61,9-40)/(61,9-19,2)=51,3%, và %α=48,7%
trong cùng tinh %α=(97,5-61,9)/(97,5-19,2)= 45,5% và %β=54,5%
Đặc điểm: hai loại dung dịch r ắn α: loại k ết tinh đầu tiên ở trên 183o
C và loại cùng k ết tinhvớ i β ở nhi ệt độ không đổi (183oC) và đượ c gọi là α cùng tinh (b ỏ qua αII).
3.2.6. Giản đồ loại IV
Định ngh ĩ a: Là G ĐP hai cấu tử có t ạo thành
hợ p chất hóa học AmBn
Dạng điển hình là hệ HK Mg-Ca (Hình 3.14)
vớ i hợ p chất hoá học ổn định Mg4Ca3, bằng tổng
của hai giản đồ lo ại I: Mg - Mg4Ca3 và Mg 4Ca3-
Ca. Đượ c khảo sát như 2 gi ản đồ độc lậ p.Trên đây là bốn giản đồ pha hai c ấu tử c ơ b ản
nhất, thực tế còn có nhi ều kiểu giản đồ pha ph ức
tạ p vớ i các phản ứng khác.
3.2.7. Các giản đồ pha vớ i các phản ứ ng khác
GĐP vớ i các phản ứ ng bao tinh (peritectic): L+R 1 → R 2.
Ví dụ G ĐP Fe-C →L0,5+ δ 0,1 → γ 0,16
Đặc điểm: r ắn mớ i R 2 nằm giữa L bt& R 1 trên GĐP, phản ứng bao tinh không xảy ra hoàn
toàn, vì R 2 t ạo thành bao bọc lấy R 1 t ạo nên lớ p màng ngăn cách không cho phản ứng tiế p tục.G Đ P có phản ứ ng cùng tích (eutectoid): R → [R 1+R 2]
Hình 3.13. Tổ chức tế vi của hợ p kim Pb-sb: a. cùng tinh[ β + ],màu tối là α giàu Pb,
b. tr ướ c cùng tinh vớ i 40%Sn [α độc lậ p là các hạt lớ n màu đen bị
C (1147 - 4,3) H (1499 - 0,10)P (727 - 0,02) Q (0 - 0,006)S (727 - 0,80) D (~1250 - 6,67)E (1147 - 2,14) K (727 - 6,67)G (911 - 0) F (1147 - 6,67)J (1499 - 0,16) N (1392 - 0)
3.3.2.2 Các chuyển biến khi làm nguội chậm
- Chuyể n bi ế n bao tinh xảy ra ở 1499 oC:δ H + LB → J hay δ 0,10+ L0,50 → 0,16 (3.1)
- Chuyể n bi ế n cùng tinh xảy ra ở 1147 oC: LC→ ( E + Xê ) hay L4,3 → ( 2,14+ Xê ) (3.2)
- Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 727 oC: γ S → [ P + Xê ] hay 0,8 → [ 0,02+ Xê ] (3.3)
- Sự ti ết pha Fe3C dư ra kh ỏi dung dịch r ắn của cacbon: γ , no< ES → XêII và α , no< PQ → XêIII
3.3.2.3 Các tổ chứ c một pha
Ferit (α , F), đã nêu ở trên, Ferit là pha t ồn tại ở nhi ệt độ th ườ ng, tỷ l ệ cao nh ất (tớ i 90%),
quan tr ọng đối vớ i cơ tính c ủa hợ p kim Fe - C. Tổ ch ức tế vi c ủa ferit (xem hình3.22) có dạng
các hạt sáng, đa cạnh.
Austenit [γ , A, Feγ (C)], đã nêu trên, khác vớ i F, không có tính sắt từ, chỉ t ồn tại ở nhi ệtđộ cao (> 727 oC) hoặc TKG austenit, Γ 13,…nhưng lại có vài trò quyết định trong biến dạng
Nhờ có tính d ẻo cao → th ể ti ến hành biến dạng nóng mọi hợ p kim Fe - C vớ i C< 2,14%
Làm nguội austenit vớ i tốc độ khác nhau → t ổ ch ức cơ tính khác nhau: ngu ội chậm →
P+F mềm, nguội nhanh → mactenxit c ứng.
Tổ ch ức tế vi c ủa gồm các hạt sáng, có thể v ớ i màu đậm nhạt khác nhau đôi chút, có các
đườ ng song tinh.
Xêmentit (Xê , Fe3C): là pha xen k ẽ v ớ i kiểu mạng phức tạ p có công thức Fe3C và thành
phần 6,67%C, cứng và giòn, cùng vớ i ferit nó tạo nên các tổ ch ức khác nhau của hợ p kim Fe-C.
Ngườ i ta phân biệt 4 loại Xê :
- XeI tiết ra từ pha l ỏng khi làm nguội HK > 4,3%C. XêI có dạng thẳng, thô to (hình
3.24b) đôi khi có thể th ấy đượ c bằng mắt thườ ng.
- XeII đượ c tạo thành làm nguội theo đườ ng ES, hợ p kim có 0,80<%C< 2,14, Dạng lướ i
bao quanh hạt (peclit) hình 3.23, lướ i liên tục làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợ p kim,
lướ i rách tăng cứng và chịu mài mòn tốt.
- XeIII đượ c tạo thành khi làm nguội F dướ i đườ ng PQ, quá nhỏ th ườ ng đượ c bỏ qua.
- Xê cùng tích đượ c tạo thành do chuyển biến cùng tích peclit, r ất quan tr ọng, xét sau.
Grafit chỉ đượ c tạo thành trong gang vì có Si, khảo sát trong gang sau này.
3.3.2.4 Các tổ chứ c hai pha
Peclit (có thể ký hi ệu bằng P, [Feα + Fe3C]).
Định ngh ĩ a : là hỗn hợ p cùng tích của F và Xê đượ c tạo thành từ ph ản ứng cùng tích (3.3).Đặc điểm : Trong P có 88 % F và 12% Xê phân bố đều →k ết hợ p dẻo vớ i pha cứng →
bền cao, cứng nhưng cũng đủ d ẻo, dai là vật liệu k ết cấu và công cụ t ốt, gồm: P tấm và peclit hạt.
Peclit t ấ m (hình 3.21a): thườ ng gặ p hơ n, F & Xê đều ở d ạng tấm nằm xen k ẽ nhau.
Peclit hạt (hình 3.21b): ít gặ p hơ n, Xê thu gọn lại thành dạng hạt nằm phân bố đều trên
nền F. So vớ i peclit tấm, peclit hạt có độ b ền, độ c ứng thấ p hơ n, độ d ẻo, độ dai cao h ơ n đôi
chút. Peclit hạt thườ ng đượ c tạo thành khi giữ nhi ệt lâu ở (600 ÷ 700oC).
Lêđêburit (Lê hay [P + Xe]) trên 727 oC là [γ +Xê ] dướ i 727oC là [P+Xê ]
Hình 3.21: Lê = hỗn hợ p của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng.Lêđêburit cứng và giòn vì tỷ l ệ Xê cao (%Xê =(4,3-0,8)/(6,67-0,8)=59,6%) và ch ỉ có trong
gang tr ắng.
Hình 3.21. Tổ chức tế vi của: a) Peclit tấm; b) Peclit hạt; c) Lêđ êburit
Thép và gang đều là hợ p kim Fe-C, trong đó : < 2,14%C là thép, ≥ 2,14%C là gang.
Đặc điểm: tất cả các thép khi đượ c nung nóng trên đườ ng GSE tươ ng ứng đều có 1 pha
Tính đúc của thép là thấ p (no chảy cao, co nhiều), ít đượ c sử d ụng để ch ế t ạo vật đúc.
Gang không thể nung nóng để có t ổ ch ức một pha mà bao giờ c ũng còn Xê (hay grafit)
→ không bi ến dạng nguội lẫn nóng đượ c (k ể c ả lo ại đượ c gọi là gang rèn), tính đúc tốt.
3.3.3.2. Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe - C
Thép C: lo ại chỉ ch ứa C và một lượ ng không đáng k ể các nguyên t ố khác, g ồm 3 loại:- Thép tr ướ c cùng tích: %C <0,8%, bên trái điểm S, tổ ch ức F (sáng) + P (tối) (Hình3.22).
Phần l ớ n thép thườ ng dùng là loại này mà t ậ p trung ở loại ≤ 0,20%C r ồi tiế p đế n 0,30
÷ 0,40%C. Khi %C ↑ → %P↑ , →F ↓
- Thép cùng tích: thép ch ứa 0,80%C → t ổ ch ức peclit.
- Thép sau cùng tích: vớ i thành phần > 0,80%C (thườ ng chỉ t ớ i 1,50%, cá biệt có thể t ớ i
2.0 ÷ 2,2%), tổ ch ức P+Xê II (Hình 3.23).
Hình3.22. Tổ ch ức tế vi c ủa thép tr ướ c cùng tích (x500):
a. 0,10%C, b. 0,40%C, c.0,60%C.
Gang: t ươ ng ứng vớ i GĐP Fe-C (Fe-Fe3C) là gang tr ắng, ít dùng vì quá cứng, giòn, khôngthể gia công c ắt đượ c gồm 3 loại:
- Gang tr ắng tr ướ c cùng tinh vớ i %C< 4,3%, có t ổ ch ức P+ Xê II + Lê (Hình 3.24a).
- Gang tr ắng cùng tinh có 4,3%C, đúng điểm C hay lân cận, vớ i tổ chức chỉ là Lê (Hình 3.21).
- Gang tr ắng sau cùng tinh vớ i > 4,3%C ở bên ph ải điểm C, có tổ ch ức Lê + Xê (Hình 3.24b).
Hình 3.23. Tổ chức tế vi của thép sau Hình 3.24. Tổ chức tế vi của gang tr ắng
4.1.1. Sơ lượ c về nhiệt luyện thép4.1.1.1. Định ngh ĩ a:
Là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhi ệt một thờ i gian thích hợ p r ồi sau đó làm
nguội vớ i tốc độ xác định để nh ận đượ c tổ ch ức, do đó tính chất theo yêu cầu.
Đặc đ i ể m:
- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép
- K ết quả đượ c đánh giá bằng biến đổi của tổ ch ức tế vi
và tính chất.
4.1.1.2. Các yếu tố đặc trư ng cho nhiệt luyện
Ba thông số quan tr ọng nhất (hình 4.1):
- Nhi ệt độ nung nóng: T o
n
- Thờ i gian gi ữ nhi ệt: gnT
- T ố c độ nguội V nguội sau khi gi ữ nhi ệtCác chỉ tiêu đánh giá k ết quả:
+ T ổ chứ c t ế vi bao g ồm cấu tạo pha, kích thướ chạt, chiều sâu lớ p hóa bền... là chỉ tiêu g ốc, cơ b ản nhất.
+ Độ cứ ng , độ b ền, độ d ẻo, độ dai.
+ Độ cong vênh, bi ế n d ạng .
4.1.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép
1. Nhiệt luyện: thườ ng gặ p nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ ch ức và tính chất gồm
nhiều phươ ng pháp: ủ, thườ ng hoá, tôi, ram.
2. Hóa - nhiệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở b ề m ặt r ồi nhiệtluyện tiế p theo để c ải thiện hơ n nữa tính chất của vật liệu: Thấm đơ n hoặc đa nguyên tố: C,N,..
3. Cơ - nhiệt luyện: là biến dạng dẻo thép ở tr ạng thái γ sau đó tôi và ram để nh ận đượ c tổ
chức M nhỏ m ịn có cơ tính t ổng hợ p cao nhất, thườ ng ở x ưở ng cán nóng thép, luyện kim.
4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối vớ i sản xuất cơ khí
4.1.2.1Tăng độ cứ ng, tính chống mài mòn và độ bền của thép: phát huy triệt để các ti ềmnăng của vật liệu: bền, cứng, dai…do đó giảm nhẹ k ết cấu, tăng tuổi thọ,..
4.1.2.2. Cải thiện tính công nghệ
Phù hợ p vớ i điều kiện gia công: cần đủ m ềm để d ễ c ắt, cần dẻo để d ễ bi ến dạng,…
4.1.2.3. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí
- Nặng nhọc, độc → cơ khí hóa, t ự động hóa, chống nóng, độc
- Phải đượ c chuyên môn hóa cao → bảo đảm chất lượ ng sản phẩm và năng suất
- Tiêu phí nhiều năng lượ ng → phươ ng án tiết kiệm đượ c năng lượ ng- Là khâu sau cùng, thườ ng không thể b ỏ qua, do đó quyết định tiến độ chung, ch ất lượ ng
và giá thành sản phẩm của cả xí nghi ệ p.
Hình 4.1. Sơ đồ của quá trìnhnhiệt luy ện đơ n giản nhất
- Theo bản chất thép: bản chất hạt l ớ n và hạt nhỏ (hình 4.5).
Thép bản chất hạt nhỏ: thép đượ c khử ôxy tri ệt để b ằng Al, thép hợ p kim Ti, Mo, V, Zr,
Nb,... dễ t ạo cacbit ngăn
cản phát triển hạt. Mn và
P làm hạt phát triển
nhanh
4.2.2. Mục đích của giữ
nhiệt
- Làm đều nhiệt độ trên
tiết diện;
- Để chuy ển biến xảy ra
hoàn toàn;
- Làm đồng đều % của .
4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội
4.2.3.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tíchGiản đồ T-T-T: Nhiệt độ (T) - th ờ i gian (T) và chuyển biến (T) Vì có dạng chữ "C") →
Tiế p tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ÷0,20%: Fea(C)0,25-0,4→ [Fe a(C)
0,15
÷ 0,20+Fe
2 ÷ 2,4C]
d ư thành M ram: ( d ư) Feg(C)
0,8→ [Fe
a(C)
0,15 ÷ 0,20 + Fe
2 ÷ 2,4
C] (M ram)
M ram là tổ ch ức có độ c ứng thấ p hơ n M tôi, song lại ít giòn hơ n do giảm đượ c ứng suất.
Độ cứ ng thứ II: Một số thép sau khi tôi có l ượ ng dư l ớ n (hàng chục %), khi ram γ d ư thành
M ram mạnh hơ n hiệu ứng giảm độ c ứng do C tiết ra khỏi dung dung dịch r ắn →độ c ứng thứ II.
Giai đoạn III (T= 260 ÷ 400oC)
Sau giai đoạn II thép tôi có tổ ch ức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ÷0,20%) và
cacbit ε (Fe 2 ÷ 2,4C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến:
- M nghèo cacbon tr ở thành ferit, cacbit e (Fe 2 ÷ 2,4C) →Xê (Fe3C) ở d ạng hạt
Sơ đồ chuy ển biến: Fea (C)0,15 ÷ 0,20 →Fea + Fe3Chạt , cac bit Fe2 ÷ 2,4C → F+Xê h ạt = T ram
- Độ c ứng: giảm còn (HRC 45 vớ i thép cùng tích).
- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi.
Giai đoạn IV (T > 400oC)
T > 400oC xảy ra quá trình k ết tụ (sát nh ậ p, lớ n lên) của Xê hạt.
- ở 500 ÷ 650oC: đượ c hỗn hợ p F-Xê = X ram, có giớ i hạn chảy cao và độ dai và đậ p tốt nhất.
- ở g ần A1 (727oC): đượ c hỗn hợ p F-Xê hạt thô hơ n = peclit hạt.
K ết luận: ram là quá trình phân hủ y M, làm giảm độ cứ ng, giảm ứ ng suấ t bên trong sau khi
tôi, tùy thuộc vào nhiệt độ ram có thể đạt đượ c cơ tính khác nhau phù hợ p vớ i yêu cầu sử d ụng.
4.3. Ủ VÀ THƯỜ NG HÓA THÉP
Định ngh ĩ a: là các phươ ng pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ b ộ, tạo độ c ứng, tổ ch ức thích
hợ p cho gia công (cắt, dậ p nguội, nhiệt luyện) tiế p theo.
4.3.1. Ủ thép
4.3.1.1. Định ngh ĩ a và mục đích
Định ngh ĩ a: là phươ ng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nh ất định (từ 200 ÷ trên
1000o
C), giữ nhi ệt lâu r ồi làm nguội chậm cùng lò để đạt đượ c t ổ chứ c cân bằ ng ổ n định(theo giản đồ pha Fe - C) v ớ i độ c ứng thấ p nhất và độ d ẻo cao.
Hai nét đặc trư ng của ủ: nhiệt độ không có quy lu ật tổng quát và làm nguội vớ i t ố c độ
chậm để đạt t ổ chứ c cân bằ ng.
Mục đích: đượ c một số trong 5 m ục đích sau:
1) Làm mềm thép để d ễ ti ến hành gia công cắt,
2) Tăng độ d ẻo để d ễ bi ến dạng (dậ p, cán, kéo) nguội.
3) Giảm hay làm mất ứng suất gây nên bở i gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo,4) Đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc loại bị thiên tích.
5) Làm nhỏ h ạt thép.
Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuy ển pha và ủ không có chuy ển biến pha.
4.3.1.2. Các phươ ng pháp ủ không có chuyển biến pha
Đặc điểm:
Nhiệt độ ủ th ấ p hơ n A1 nên không có chuyển biến P → . Chia thành 2 phươ ng pháp:
Ủ th ấ p: T= 200÷ 600oC, mục đích làm giảm hay khử b ỏ ứng suất,
Ủ k ết tinh lại: T> Tktl để khôi ph ục tính chất sau biến dạng.
4.3.1.3. Các phươ ng pháp ủ có chuyển biến pha
Thườ ng gặ p, T> A1 , P → , nhỏ h ạt. Chia thành 3 phươ ng pháp:
-Ủ hoàn toàn: áp d ụng cho thép tr ướ c cùng tích %C= 0,30 ÷ 0,65%, 0uT =A3+(20 ÷ 300C)
Mục đích: làm nhỏ hạt , giảm độ cứ ng và t ăng độ d ẻo để d ễ c ắt gọt và dậ p nguội (160÷ 200HB)
- Ủ không hoàn toàn và ủ cầu hóa:
Áp dụng cho thép dụng cụ %C= 0,70%, A 1<T<Acm: 0uT = A1 + (20 ÷ 30 C) = 750 ÷ 760
C, T/c: peclit hạt , HB < 220 dễ gia công c ắt h ơ n, không áp dụng cho thép tr ướ c cùng tích có
C Ê 0,65% vì ảnh hưở ng xấu đến độ dai.
- Ủ cầu hóa:
Là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750 ÷760oC-5min (phút) r ồi T= 650 ÷660oC-
5min..., vớ i lặ p đi lặ p lại → c ầu hóa xêmentit để t ạo thành peclit hạt.
-Ủ đẳng nhiệt:
Dùng cho thép hợ p kim cao do γ quá nguội có tính ổn định quá lớ n nên dùng làm nguội
chậm cùng lò cũng không đạt đượ c tổ ch ức peclit mà là P-X, X, X-T... nên không đủ m ềm để gia công cắt → ủ đẳng nhiệt: T= A1- 50oC (xác định theo giản đồ T - T - T c ủa chính thép
đó) để nh ận đượ c tổ ch ức peclit.- Ủ khuếch tán:
T r ất cao 1100 ÷1150oC - (10 ÷ 15h) để khu ếch tán làm đều thành phần.
L ĩ nh vực áp dụng: thép hợ p kim cao khi đúc bị thiên tích → h ạt to →cán nóng hoặc ủ nh ỏ h ạt.
Chú ý: ủ có chuy ển biến pha, chỉ c ần làm nguội trong lò đến 600 ÷650oC, lúc đó sự t ạo thành
peclit đã hoàn thành, cho ra nguội ngoài không khí và nạ p mẻ khác vào ủ ti ế p.
4.3.2. Thườ ng hóa thép
4.3.2.1.Định ngh ĩ a:
Là nung nóng thép đến tr ạng thái hoàn toàn là austenit (> A3
hay Acm
), giữ nhi ệt r ồi làm
nguội tiế p theo trong không khí t ĩ nh, độ c ứng tươ ng đối thấ p (nhưng cao hơ n ủ m ột chút).
- Nhiệt độ: giống như ủ hoàn toàn toàn nh ưng đượ c áp dụng cho cả thép sau cùng tích:
+ Thép SCT, T> A cm→ hàm lượ ng C trong cao quá dễ sinh d ư nhi ều, hạt lớ n (vì T >950 oC)
A1<Ttôi<Acm sau tôi đượ c M+ lướ i XêII+ ít dư → ch ống mài mòn tốt.
4.4.2.4. Đối vớ i thép hợ p kim:
Cũng dựa vào GĐP Fe-C để tham kh ảo nhiệt độ tôi, 2 tr ườ ng hợ p:
+ Thép hợ p kim thấ p (ví dụ 0,40%C + 1,00%Cr), Ttôi
~ thép 0,40%C, có lấy tăng lên 1,1-1,2 lần
+ Thép hợ p kim trung bình và cao: tra trong các sách tra cứu và sổ tay k ỹ thu ật.
4.4.3. Tốc độ tôi tớ i hạn và độ thấm tôi
T ố c độ tôi t ớ i hạn của thép càng nhỏ càng d ễ tôi, tạo ra độ c ứng cao (cả sâu trong lõi) đồng
thờ i vớ i biến dạng nhỏ và không b ị n ứt.
4.4.3.1. Các yếu tố ảnh hưở ng đến tốc độ tôi tớ i hạn:
- Thành phần hợ p kim của γ : quan tr ọng nhất, càng giàu nguyên tố h ợ p kim (tr ừ Co)
đườ ng "C" càng dịch sang phải, Vth
càng nhỏ: (2÷
3)% nthk Vth ≈
100oC/s, (5÷
7)% nthk
Vth ≈ 25 C/s.
- S ự đồng nhấ t của : càng đồng nhất càng dễ bi ến thành M (γ không đồng nhất, vùng
giàu C dễ bi ến thành Xê, vùng nghèo C dễ bi ến thành F) → T tôi↑ → đồng nhất → Vth↓
- Các phần t ử r ắ n chữ a tan hế t vào γ : thúc đẩy tạo thành hỗn hợ p F-Xê, làm tăng Vth
- Kích thướ c hạt : càng lớ n, biên giớ i hạt càng ít, càng khó tạo thành hỗn hợ p F- Xê, Vth↓
4.4.3.2. Độ thấm tôi
Định ngh ĩ a: là chiều sâu lớ p tôi cứng có tổ ch ức 1/2M + 1/2TCách xác định: bằng thí nghiệm tôi đầu mút.
Các yếu tố ảnh hưở ng:
Vth: càng nhỏ độ th ấm tôi càng cao, Vth < Vlõi tôi thấ u, các yếu tố làm gi ảm Vth → δ ↑
Tốc độ làm nguội: nhanh → δ ↑ nhưng dễ gây n ứt, biến dạng.
Ý ngh ĩ a: biểu thị kh ả n ăng hóa bền của thép bằng tôi + ram, đúng hơ n là biểu thị t ỷ l ệ ti ết
diện của chi tiết đượ c hóa bền nhờ tôi + ram.
- Thép có độ th ấm tôi càng cao đượ c coi là chất lượ ng càng tốt,
- Mỗi mác thép có δ xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kích thướ c nhất định để có thể tôi th ấu
4.4.3.3. Đánh giá độ thấm tôi:
Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép vớ i cùng lượ ng cacbon là 0,40%, ở đây độ
thấm tôi đượ c tính tớ i vùng nửa 1/2M+1/2T.
+ Thép cacbon, δ trung bình ch ỉ kho ảng 7mm, nếu thêm 1,00%Cr là 12mm, còn thêm
0,18%Mo nữa tăng lên đến 30mm.
+ Để t ăng mức độ đồng đều cơ tính trên ti ết diện, tr ướ c khi đem chế t ạo các bánh r ăng
quan tr ọng ngườ i ta phải kiểm tra lại δ c ủa mác thép mớ i định dùng.+ Ngượ c lại: còn có yêu cầu hạn chế độ th ấm tôi để b ảo đảm cứng bề m ặt lõi vẫn d ẻo dai.
Bảng 4.1. Đặc tính làm nguội của các môi tr ườ ng tôi
Môi tr ườ ng tôi
Tốc độ ngu ội, [độ /s], ở các kho ảng nhiệt độ
600 ÷ 500 oC 300 ÷ 200 oC
Nướ c lạnh, 10 ÷ 30oC 600-500 270
Nướ c nóng, 50oC 100 270
Nướ c hòa tan 10%NaCl, NaOH,20oC 1100-1200 300
Dầu khoáng vật 100-150 20-25
Tấm thép, không khí nén 35-30 15-10
Nướ c: là môi tr ườ ng tôi mạnh, an toàn, r ẻ, dễ ki ếm nên r ất thông dụng nhưng cũng dễ gây
ra nứt, biến dạng, không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, khi nhiệt độ n ướ c bể tôi > 40oC t ốcđộ ngu ội giảm, (khi To nướ c = 50oC, tốc độ ngu ội thép chậm hơ n cả trong d ầu mà không
làm giảm khả n ăng bị bi ến dạng và nứt (do không làm giảm tốc độ ngu ội ở nhi ệt độ th ấ p) phải
lưu ý tránh: bằng cách cấ p nướ c lạnh mớ i vào và thải lớ p nướ c nóng ở b ề m ặt đi.
N ướ c (l ạnh) là môi tr ườ ng tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớ n, 400 ÷ 800 oC/s), song
không thích hợ p cho chi tiết có hình dạng phức tạ p.
Nướ c đượ c hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay (NaOH): nguội r ất nhanh ở nhi ệt
độ cao song không t ăng khả n ăng gây nứt (vì hầu như không t ăng tốc độ ngu ội ở nhi ệt độ
thấ p) so vớ i nướ c, đượ c dùng để tôi thép d ụng cụ cacbon (c ần độ c ứng cao).Dầu: làm nguội chậm thép ở c ả hai kho ảng nhiệt độ do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả
năng tôi cứng lại kém. Dầu nóng, 60 ÷ 80oC, có khả n ăng tôi tốt hơ n vì có độ loãng (linh
động) tốt không bám nhiều vào bề m ặt thép sau khi tôi. Nhượ c điểm dễ b ốc cháy phải có hệ
thống ống xoắn có nướ c lưu thông làm nguội dầu, bốc mùi gây ô nhiễm và hại cho sức khỏe.
Dầu là môi tr ườ ng tôi cho thép hợ p kim (loại có Vth nhỏ, < 1500 C / s), các chi ti ết có
hình dạng phức tạ p, là môi tr ườ ng tôi thứ 2 (thép CD)
Quy t ắc chọn môi tr ườ ng tôi ngoại l ệ:
- Thép C tiết diện nhỏ (f < 10), hình d ạng đơ n giản, dài (như tr ục tr ơ n) nên tôi dầu Chi tiết có
hình dạng phức tạ p về độ b ền có thể ch ọn thép C nhưng phải làm bằng thép hợ p kim để tôi d ầu.
- Chi tiết bằng thép hợ p kim, có tiết diện lớ n, hình dạng đơ n giản phải tôi nướ c.
Các vật mỏng, hình dạng phức tạ p dễ b ị cong vênh khi làm ngu ội tự do c ần tôi trong
khuôn ép, trong khung giữ ch ống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài lại,....
Tôi trong một môi tr ườ ng r ấ t phổ biế n do d ễ áp d ụng cơ khí hóa, t ự động hóa, giảm nhẹ
đ iề u kiện lao động nặng nhọc.
4.4.4.2. Tôi trong hai môi trườ ng (nướ c qua dầu) Đườ ng b trên hình 4.18
Tận dụng đượ c ưu điểm của cả n ướ c lẫn dầu: nướ c, nướ c pha muối, xút qua dầu (hay không
khí) cho đến khi nguội hẳn. Như v ậy vừa bảo đảm độ c ứng cao cho thép vừa ít gây biến dạng, nứt. Nhượ c đ iể m: khó, đòi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí hóa, ch ỉ áp d ụng cho tôi đơ n chiếc thép C
- Nung trong lò chân không: 10-2 at 10 -4 at có khả n ăng chống ôxy hóa và thoát cacbon
một cách tuyệt đối cho mọi thép và hợ p kim. Có thể:
+ R ải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộ p phủ than lãng phí vì kéo dài th ờ i gian nung.
+ Lò muối đượ c khử ôxy tri ệt để b ằng than, ferô silic. Cách này chỉ áp d ụng đượ c cho chi
tiết nhỏ, năng suất thấ p. Đượ c áp dụng r ộng rãi khi tôi dao cắt. R ất độc
4.6.2.3. Khắc phục: Phải để đủ đượ c lượ ng dư để h ớ t bỏ đi hoặc đem thấm cacbon.4.6.3. Độ cứ ng không đạt:
4.6.3.1. Độ cứ ng quá cao:
Sau khi ủ và th ườ ng hóa thép hợ p kim, do tốc độ ngu ội lớ n → ủ l ại.
4.6.3.2. Độ cứ ng quá thấp:
Nhiệt độ tôi ch ữa đủ cao, th ờ i gian giữ nhi ệt ngắn. Làm nguội không đủ nhanh theo yêu
cầu đề ra để t ạo nên M. Thoát cacbon bề m ặt,.. khắc phục.
4.6.4. Tính giòn cao
Sau khi tôi, độ c ứng vẫn ở bình th ườ ng mà thép lại quá giòn (r ơ i vỡ ). Nguyên nhân là nhiệt độ tôi quá cao (g ọi là quá nhiệt), hạt thép bị l ớ n.
Khắc phục: thườ ng hóa r ồi tôi lại, tăng biến dạng.
4.6.5. Ảnh hưở ng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt
4.6.5.1. Ảnh hưở ng của nhiệt độ:
Là yếu tố quy ết định nhất chất lượ ng nhiệt luyện
4.6.5.2. Kiểm tra nhiệt độ nung: bằng các dụng cụ đo nhiệt:
- < 400 ÷ 500 oC dùng nhiệt k ế th ủy ngân, < 1600oC dùng cặ p nhiệt + đồng hồ
(milivôn k ế): + cặ p P P- 1300oC (đến 1600oC), cặ p XA- 800oC (1200oC).
Ướ c lượ ng bằng mắt: Màu đỏ - 700 ÷ 830oC, da cam - 850 ÷ 900oC, vàng – 1050 ÷ 1250 oC,
tr ắng - 1250 ÷ 1300oC. T ất nhiên cách này kém chính xác và đòi hỏi có kinh nghiệm.
4.7.1.5. Ư u việt:- Năng suất cao, do thờ i gian nung ngắn vì chỉ nung l ớ p mỏng ở b ề m ặt và nhiệt đượ c tạo
ra ngay trong lớ p kim loại.
- Chất lượ ng tốt, tránh đượ c các khuyết tật: ôxy hóa, thoát cacbon, chất lượ ng đồng đều,k ết quả ổn định. Độ c ứng cao hơ n so vớ i tôi thườ ng khoảng 1 ÷ 3 đơ n vị HRC, g ọi là siêu độ
cứng.
Hình 4.21 Nung nóng vàtôi cảm ứnga. sơ đồ nung nóng cảm ứng; b. tôi khi nung nóng
toàn bộ bề mặt tôi,c. tô i khi nung nóng và làm nguội liên tụ c1. chi tiết tôi, 2. vòng cảm ứng, 3. vòng phun nướ c, 4. đườ ng sức từ tr ườ ng.
- D ễ t ự động hóa, cơ khí hóa, thích h ợ p cho sản xuất hàng loạt.
Nhượ c điểm: khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạ p, tiết diện thay đổi đột
ngột... do khó chế t ạo vòng cảm ứng thích hợ p.
4.7.2. Hóa - nhiệt luyện
Định ngh ĩ a:Hóa - nhiệt luyện là đưa chi tiết và trong môi tr ườ ng thấm có thành phần, nhiệt độ thích
hợ p trong thờ i gian đủ để nguyên t ố c ần thấm đi sâu vào trong chi tiết sau đó đem nhiệt luyệnđể c ải thiện hơ n nữa tí nh chất của lớ p bề m ặt.
4.7.2.1. Nguyên lý chung
Môi trườ ng thấm: là môi tr ườ ng có chứa nguyên tố c ần thấm, có khả n ăng phản ứng để cố định nguyên tố th ấm lên bề m ặt chi tiết và khuếch tán vào sâu phía bên trong. Thấm C: môi
tr ườ ng khí phân huỷ t ừ d ầu hoả, thấm N: khí NH3,..
2 mục đích chính: - Nâng cao độ c ứng, tính chống mài mòn và độ b ền mỏi của thép hơ n cả tôi b ề m ặt: thấm
C, thấm N, thấm C-N,... đượ c ứng dụng r ộng rãi trong sản xuất cơ khí .
- Nâng cao tính chống ăn mòn: thấm Cr, thấm Al, Si, B. Các quá trình thấm này phải tiếnhành ở nhi ệt độ cao h ơ n và thờ i gian dài hơ n, ít thông dụng hơ n.
Các giai đoạn:
1) khuế ch tán thể khí : là quá trình khuếch tán chất thấm đến bề m ặt chi tiết
2) Phản ứ ng t ạo nguyên t ử hoạt tính và cố định lên bề mặt : hấ p phụ t ạo nguyên tử ho ạttrên bề m ặt và phản ứng vớ i nền để c ố định chúng trên bề m ặt (có thể h ấ p phụ phân ly ho ặc
phản ứng phân ly ra nguyên tử ho ạt tính).3) Khuế ch tán thể r ắ n: nguyên tử ch ất thấm đượ c cố định trên bề m ặt khuếch tán sâu vào
bên trong để t ạo nên lớ p thấm vớ i chiều sâu nhất định.
Trong ba giai đoạn k ể trên thì khu ếch tán thể r ắn thườ ng chậm nhất do đó là khâu quyếtđịnh sự hình thành c ủa lớ p thấm.
Ảnh hưở ng của nhiệt độ và thờ i gian:
Nhiệt độ càng cao: phản ứng tạo nguyên tử ho ạt và khuếch tán vào càng nhanh, song cao
quá thì có hại: Ví dụ: thấm C không quá 950oC để h ạt tinh thể không b ị thô to, th ấm N không
quá 650oC để còn b ảo tồn tổ ch ức hoá tốt của thép ở lõi.
Thờ i gian thấm: Càng dài thì lớ p thấm càng sâu: τ K X =
Trong đó: X-chiều sâu lớ p thấm, K- hằng số thuộc nhiệt độ và công ngh ệ th ấm,τ -th ơ i gian thấm.
4.7.2.2. Thấm cacbon: phổ bi ến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xưở ng Cơ khí đều áp dụng
Ư u điểm: bề m ặt sau khi thấm + tôi và ram thấ p HRC 60 ÷64, chống mài mòn cao, chịumỏi tốt, còn lõi bền, dẻo, dai vớ i độ c ứng HRC 30 ÷ 40.
Nhiệt độ th ấm: Đủ cao để thép ở tr ạng thái hoàn toàn là , pha có khả n ăng hòa tan nhiều
cacbon (900 ÷ 950o
C). Tuỳ theo lo ại thép sử d ụng:Thép C: C10-C25, T thấm = (900-930)oC,
Thép hợ p kim có Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, T=(930-950)oC, Mn để %C không quá cao → bong
X 2=τ K=0,12 khi th ấm (900-930)oC, K=0,14 khi thấm ở (930-
950)oC,τ =τ bãohoà+τ k/tán=2τ bão hoà=2 τ k/tán
Nhiệt luyện sau khi thấm: 3 công nghệ:
1- Tôi tr ực tiế p+ram thấ p ở 200o
C-1h: sau thấm lấy ra cho nhiệt độ h ạ xu ống còn 850-860oC thì tôi trong dầu. Chỉ áp d ụng cho thép hợ p kim, quy trình đơ n giản, kinh tế.
2- Tôi 1 lần+ram thấ p ở 200 oC-1h: sau thấm đem thườ ng hoá r ồi tôi ở (820- 850) oC khi cần ưu
tiên cho lớ p bề m ặt, tôi ở (860-880) oC khi cần ưu tiên cho lõi, áp dụng đượ c cho cả thép C
3- Tôi 2 lần+ram thấ p ở 200 oC-1h: sau thấm đem thườ ng hoá r ồi tôi ở (880-900) oC cho lõi
xong, nung lại và tôi cho bề m ặt ở (760-780) oC (tốt nhất là tôi cao tần), áp dụng cho mọi loại
thép, đảm bảo cơ tính c ả lõi và b ề m ặt, song phiền phức và ngày càng ít dùng.
4.7.2.3. Thấm nitơ
Định ngh ĩ a và mục đích: làm bão hòa và khuếch tán N vào bề m ặt thép hợ p kim sau khinhiệt luyện hoá tốt nhằm mục đích chủ y ếu là nâng cao độ c ứng, tính chống mài mòn (HRC
65 ÷ 70 h ơ n hẳn thấm cacbon) và giớ i hạn mỏi của chi tiết.
Tổ chứ c của lớ p thấm: từ ngoài vào l ần lượ t là: (ε + ’)- ’-(γ ’+α )-thép ở lõi, trong đó
ε - là pha xen k ẽ ứng vớ i Fe2-3N, ’ - là pha xen k ẽ ứng vớ i Fe4N, - dung dịch r ắn của N
trong Feα .
Độ c ứng cao nhất của lớ p thấm là vùng ( ’+ ), do có nhiều nitrit: CrN, AlN, tiết ra nhỏ
mịn nằm phân bố đều, không phải qua nhiệt luyện tiế p theo như khi th ấm C.
Thép dùng để thấm N: là thép hợ p kim chuyên để th ấm N điển hình là 38CrMoAlA saukhi nhiệt luyện hoá tốt
Chất thấm N: khí NH3 công nghiệ p (amôniac), ở nhi ệt độ th ấm (480 ÷ 650)oC, NH3 bị
phân huỷ nhi ệt theo phản ứng:
2 NH3 → 3H2 + 2N ng.tử
Chỉ có NH 3 hấ p phụ trên b ề m ặt phân huỷ t ạo thành Nng/tử mớ i có tính hoạt cao khu ếch
tán vào tạo thành lớ p thấm. Phần lớ n còn lại không có tác dụng thấm, do đó để th ấm N ngườ i
ta phải liên tục bơ m NH3 vào lò và lấy sản phẩm thừa ra ngoài.
Để th ấm ổn định vớ i tốc độ đủ nhanh thì t ỷ l ệ phân hu ỷ nhi ệt P của NH3:
duavaomol tongso
phanhuySomolNH P
−−=
,3 Ph ải thoả mãn
Nhiệt độ 450-500 500-600 600-700P, % 20-35 30-45 40-60
Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ :
- Do phải tiến hành ở nhi ệt độ th ấ p để không làm h ỏng tổ ch ức của thép sau hoá tốt. Chọn
nhiệt độ th ấm phải căn cứ vào tính ch ống ram của thép (thép 38CrMoAlA thấm ở (500-
550)oC, thép gió 80W18Cr4V có thể th ấm ở (600-700) oC).
- Sau khi thấm không phải tôi mà phải làm nguội chậm đến nhiệt độ 200 oC để ti ết nitrit
Vớ i lượ ng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn: Hình 5.3 cho thấy Mn, Ni mở r ộng vùng γ (thu h ẹ p
khu vực α), 10 ÷ 20% tổ ch ức γ t ồn tại cả ở nhi ệt độ th ườ ng. Cr thu hẹ p khu vực γ, > 20% tổ chức F tồn tại cả ở nhi ệt độ cao cho t ớ i khi chảy lỏng. Thép này cũng không có chuyển biến
pha, không thể hóa b ền bằng tôi và đượ c gọi là thép F.
Tạo thành cacbit:
Các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không t ạo cacbit.
Các nguyên tố t ạo cacbit gồm: Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb có hai tác dụng: hòa tan và tạo cacbit.
Khả n ăng tạo cacbit phụ thu ộc vào số điện tử c ủa phân lớ p nd (3d, 4d, 5d), càng ít thì khả
năng tạo cacbit càng mạnh:
- Fe (3d
6
), Mn (3d
5
), Cr (3d
5
), Mo (4d
5
), W (5d
4
), V (3d
3
), Ti (3d
2
), Zr (4d
2
), (Nb (4d
4
))- Mn và Cr: tạo thành cacbit trung bình, Mo và W: tạo thành khá mạnh,V: tạo thành cacbit
mạnh, và Ti, Zr, Nb: tạo thành cacbit r ất mạnh, (Nd ngoại lệ t ạo cacbit mạnh hơ n).
Khi đưa vào thép các nguyên tố này, cacbon s ẽ ưu tiên k ết hợ p vớ i các nguyên tố m ạnh tr ướ c.
- Xêmentit hợ p kim (Fe, Me)3C: Mn, Mo, W (1 ÷ 2%) tạo (Fe, Me)3C. Xêmentit hợ p kim
có tính ổn định cao hơ n xêmentit chút ít, nhiệt độ tôi có t ăng đôi chút.
- Cacbit vớ i kiểu mạng phức tạ p: Khi hợ p kim chỉ v ớ i một nguyên tố h ợ p kim song vớ i
lượ ng lớ n > 10% Cr hoặc Mn (có dC/dMe > 0,59) t ạo: Cr 7C3, C23C6, Mn3C, đặc tính:
+ Có độ c ứng cao (hơ n xêmentit một chút).
+ Có nhiệt độ ch ảy không cao lắm, trong khoảng 1550 ÷ 1850oC (cao hơ n xêmentit), nêncó tính ổn định cao hơ n. Nhiệt độ tôi c ủa thép phải cao hơ n 1000oC.
- Cacbit kiểu Me6C: Nguyên tố: Cr, W, Mo, cacbit loại Me6C. Loại cacbit này còn khó hòa
tan vào austenit hơ n và ổn định hơ n loại trên. Nhiệt độ tôi c ủa thép trong khoảng 1200÷1300o.
- Cacbit vớ i kiểu mạng đơ n giản MeC (Me2C): V, Ti, Zr, Nb lượ ng ít (0,1%), tạo cacbit
như VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chính là pha xen k ẽ r ất cứng nhưng ít giòn, tăng mạnh tính
chịu mài mòn. Mỗi nhóm thép thườ ng chỉ g ặ p 1 ÷ 2 loại cacbit k ể trên, c ụ th ể là:
+ Xêmentit hợ p kim trong thép k ết cấu.
+ Cacbit vớ i kiểu mạng phức tạ p trong thép không gỉ và b ền nóng (nhóm thép đặc biệt).
+ Cacbit kiểu Me6C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ), MeC, trong các nhóm thép khác nhau.
Hình 5.2. Ảnh hưở ng của nguyên tố h ợ p kim đến độ c ứng (a) và độ dai va đậ p (b)
đượ c, thép hợ p kim Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-W khi cán nóng (sau đúc các r ỗ co phân tán là
túi chứa hyđrô). Ngăn ngừa hoà tan H2 khi nấu luyện và làm nguội thật chậm sau khi cán để
hyđrô k ị p thoát ra.
+ Giòn ram: 2 cực tiểu về độ dai ở hai kho ảng nhiệt độ ram (hình 5.5), ta g ọi đó là giòn ram. Nguyên
nhân giòn ram vẫn chữa đượ c xác định rõ ràng.
Giòn ram loại I: (không thuận nghịch, không chữa đượ c), khi ram 280 ÷ 350oC (mỗi máccó một khoảng hẹ p hơ n trong phạm vi này), tránh ram ở kho ảng nhiệt độ này.
Giòn ram loại II: (thuận nghịch hay có thể ch ữa đượ c). Thép hợ p kim Cr, Mn, Cr - Ni, Cr -
Mn, ram ở 500 ÷ 600 oC, r ồi làm nguội trong không khí. Nếu sau khi ram làm nguội nhanh trong
dầu hay nướ c thì không bị giòn ram, các chi ti ết lớ n (vì nguội chậm) phải hợ p kim hóa 0,20 ÷
0,50%Mo hay 0,50 ÷1,00%W mớ i hết giòn ram.
5.1.2.7. Phân loại thép hợ p kim
Theo t ổ chứ c cân bằ ng t ổ chứ c ở tr ạng thái ủ:
- Thép tr ướ c cùng tích: P+F- Thép cùng tích: P
- Thép sau cùng tích: P + XêII
- Thép lêđêburit (cacbit): P+XêII+ Lê
Thép hợ p kim cao (Cr, Mn hay Cr - Ni) sẽ có:
+ Thép ferit: (Cr> 17%, r ất ít cacbon)
+ Thép γ: Mn>13%, cacbon cao và loại Cr>18%+Ni> 8%
Theo tổ ch ức thườ ng hóa: mẫu nhỏ φ 25, tuỳ theo l ượ ng nguyên tố h ợ p kim (hình 5.6):
Hình 5.6. T ổ ch ức sau khi thườ ng hóa của các thép vớ i lượ ng
hợ p kim tăng dần: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit.
- Thép peclit: loại hợ p kim thấ p, hoặc thép, xoocbit, trôxtit; phần lớ n thép thuộc loại này.
Theo nguyên t ố hợ p kim:
+ Dựa vào tên nguyên tố h ợ p kim chính:
- Thép Cr, Mn, là các thép hợ p kim (hóa) đơ n giản.
- Thép có hai hay nhiều nguyên tố h ợ p kim như Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, là các thép h ợ p kim
(hóa) phức tạ p.
+ Theo tổng lượ ng nguyên tố h ợ p kim:
- Thép hợ p kim thấ p: loại có tổng lượ ng < 2,5% (thườ ng là thép peclit).
- Thép hợ p kim trung bình: từ 2,5 đến 10% (thườ ng là thép họ t ừ peclit đến mactenxit).
- Thép hợ p kim cao: loại có tổng lượ ng >10% (thườ ng là họ mactenxit hay austenit)
- CT38 đượ c dùng r ất phổ bi ến cho k ết cấu không đòi hỏi độ b ền cao, có tính hàn tốt: cột,
tháp, xà ngang, ống, dây, lá để l ợ p, tấm để che, đỡ ...
- CT51 đượ c dùng cho các k ết cấu chịu lực cao hơ n, tính hàn kém hơ n: lưỡ i cày, bánh
lồng, dụng cụ b ằng tay để gia công g ỗ,….
Mác thép sôi (s) cơ tính th ấ p hơ n thép nửa lặng (n) và thép lặng.
Nhóm B quy định về thành phần:
Từ trái sang ph ải hàm lượ ng C và Mn tăng
Phân nhóm C (thứ ba): quy định cả cơ tính và thành phần.
Chất lượ ng cao hơ n các nhóm B và C nhưng chữa đạt đượ c chất lượ ng tốt. Chúng tuy ít
đượ c dùng hơ n song cần thiết trong những tr ườ ng hợ p quan tr ọng hơ n đôi chút như khi ph ải
bảo đảm tính hàn hay qua biến dạng nóng bộ ph ận (do biết đượ c thành phần).
5.2.2.3. Tiêu chuẩn các nướ c
Nhật bản:
JIS G3101 : SS330, SS400, SS490 và SS540 số ch ỉ σ b min, MPa.
JIS 3106: SM400, SM490, SM520, SM570 thép chuyên để hàn, s ố ch ỉ σ b min, MPa.
Châu âu: EN: Fe 360B, Fe 430C, Fe 510D1...Fe vớ i số ti ế p theo chỉ σ b min, Mpa.
5.2.3. Thép hợ p kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel)
5.2.3.1. Đặc điểm chung
Cơ tính: cao h ơ n (σ0,2 > 300 ÷ 320MPa)
Hợ p kim: ít làm hại tính hàn như Mn, Si,Cr,Cu (Ni,B,N), V,Nb t ạo hạt nhỏ, 0,20 ÷0,30%Cu bền ăn mòn khí quyển. Tổng lượ ng nguyên tố h ợ p kim ≤ 2,0÷2,5%, t ổng lượ ng
Cu+Ni+V+Mo ~ 1,00% (Mn có thể t ớ i 1,00% vì r ẻ). Sử d ụng thép HSLA thay thế cho thép
thông dụng mang lại hiệu quả kinh t ế cao.
Nhượ c điểm của HSLA: tính hàn kém hơ n, dễ b ị phá h ủy giòn ở nhi ệt độ th ấ p.
5.2.3.2. Tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 3104-79: đã nêu trên: 14Mn, 09Mn2,..
5.2.3.3. Tiêu chuẩn các nướ c
Nga: ГOCT: 14Mn là 14 Г, 15CrSiNiCu là 15XCHД. Đã nêu trên.
Nga đã dùng nhiều thép HSLA làm đườ ng ống, cầu.
Nhật bản, theo JIS G3129: quy định loạt mác SH 590P (dạng tấm), SP 590S (góc).
JIS G3114 quy định hai mác SPA - H (tấm cán nóng) và SPA - C (tấm cán nguội) cho
thép có tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có σ0,2 ≥ 315 và 345MPa.
5.2.4. Thép làm cốt bêtông
Thép làm cốt bêtông là loại chuyên dùng làm cốt cho bêtông làm tăng khả n ăng chịu kéo,
uốn và tải tr ọng động cho cấu kiện, r ất thườ ng gặ p hàng ngày.
TCVN 1651-85: thép làm cốt bêtông gồm 4 cấ p: C I, C II, C III và C IV:
Cấ p C I là cấ p chịu lực thấ p nhất dùng thép tròn tr ơ n vớ i mác CT38, Cấ p C II dùng thépcó đốt vớ i mác CT51.
Các cấ p C III, C IV, gồm các mác HSLA: 35MnSi, 18Mn2Si, 25Mn2Si, 20CrMn2Zr
Hoa K ỳ theo ASTM: HSLA
Loại tròn tr ơ n : σ b ≥ 485MPa, σ0,2 ≥ 385MPa.
Loại có đốt : σ b ≥ 550MPa, σ0,2 ≥ 485MPa, cao h ơ n cấ p CI và CII của TCVN.
Nhật bản theo JIS 3112: có hai mác thép tròn tr ơ n: SR235 và SR295, bốn mác thép có đốt:
SD295, SD345, SD390, SD490; trong đó số ch ỉ σ0,2 t ối thiểu theo MPa.5.2.5. Các thép khác
Dây thép: thép nhiều cacbon (0,8-1%C) hoặc thép C không cao lắm nhưng biến dạng lớ n.
Đườ ng ray cho xe lửa: 60Mn
5.3. THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thép k ết cấu)
5.3.1. Các yêu cầu chung
5.3.1.1. Cơ tính:
Độ b ền cao (giớ i hạn chảy), độ dai và đậ p lớ n, chịu mài mòn, giớ i hạn mỏi cao.
5.3.1.2. Tính công nghệ:
Dễ bi ến dạng nóng (rèn), dễ c ắt gọt, có thể nhi ệt luyện để t ăng bền.
5.3.1.3. Tính kinh tế:
5.3.1.4. Thành phần hóa học:
Gồm C và nguyên tố h ợ p kim.
Thành phần hợ p kim và thép hợ p kim:
Nguyên tố h ợ p kim chính: Cr, Mn, Si và Ni (B); Hợ p kim phụ: Ti, Zr,V, Nb, Mo.
Hợ p kim hóa phức tạ p tốt hơ n hợ p kim hóa đơ n giản.
5.3.2. Thép thấm cacbon
5.3.2.1. Đặc điểm các loại thép thấm cacbon và tác dụng của các nguyên tố
Có %C thấ p: 0,10 ÷ 0,25% (0,30%) để ch ịu tải tr ọng t ĩ nh và và đậ p cao + bề m ặt bị mài
mòn mạnh như bánh r ăng, cam, chốt,...
Thép cacbon: chỉ dùng thép l ặng: C10, C15, C20, C25. Áp dụng cho ct d < 10÷20, hình
dạng đơ n giản, chỉ ch ịu mài mòn thấ p. Nhiệt độ th ấm thấ p < 900-920 o C, thờ i gian thấm dài,
sau khi thấm thườ ng hoá và tôi + ram thấ p. Không tôi tr ực tiế pThép hợ p kim: d > 30÷50, hình dạng phức tạ p và chịu mài mòn cao. Hợ p kim: Cr riêng
hoặc k ết hợ p vớ i Ni, Mn, Ti có 2 tác dụng: tăng cơ tính (th ấm tôi, hạt nhỏ), không cản tr ở quá
trình thấm cacbon. Không dùng Si vì cản tr ở th ấm cacbon, không dùng riêng Mn làm hạt thô.
Các mác thép thườ ng dùng: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV ưu việt của thép hợ p kim so vớ i
thép cacbon:
- Độ b ền cao do độ th ấm tôi cao, tiết diện chi tiết lớ n hơ n.
- Chống mài mòn cao nhờ sau khi th ấm cacbon tạo nên các cacbit hợ p kim, cứng nóng >200oC.
- Tôi trong dầu nên ít diến dạng, dùng đượ c cho các chi tiết có hình dạng phức tạ p.
- Nhiệt độ th ấm cao hơ n, do đó rút ngắn đượ c thờ i gian thấm.5.3.2.2. Thép hợ p kim Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV
Dùng cho chi ti ết nhỏ (d=20-40), nhi ệt độ th ấm 900-920 o C, do tạo cacbit Cr dễ quá bão
hoà cacbon.
5.3.2.3. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo:
- Độ th ấm tôi lớ n, bền và dai cao.
- Áp dụng: cho các chi tiết quan tr ọng, cần độ tin c ậy cao như trong ôtô, máy bay...
Gồm 2 loại:+Thép Cr-Ni thấ p: độ th ấm tôi khá cao, tôi trong dầu, không kinh tế nên các n ướ c phươ ng
Tây không dùng. 20CrNi (20XH), cho các chi tiết hình dạng phức tạ p vớ i d~ (50 ÷ 75mm),
chịu tải tr ọng và đậ p cao như các bánh r ăng ôtô tải nhẹ và du l ịch.
+Thép Cr-Ni cao: %Ni= 2% đến 4%, %Cr~ 1%, tỷ l ệ Ni / Cr = 3 hay 4. Độ th ấm tôi r ấtcao, tôi thấu đượ c tiết diện bất k ỳ ( ≥100). Tôi trong dầu, vớ i tiết diện nhỏ có th ể áp d ụng tôi
phân cấ p, nhờ đó giảm mạnh độ bi ến dạng. Áp dụng cho chi tiết quan tr ọng: chịu tải tr ọng
nặng, chịu mài mòn mạnh, hình dạng lớ n và phức tạ p, yêu cầu độ tin c ậy cao như các chi ti ếttrong máy bay, ôtô mà các hư h ỏng có thể gây tai h ọa cho ngườ i.
Các mác thép Cr-Ni dùng để th ấm cacbon là:
VN: 12CrNi3A, 20Cr2Ni4A.
Nga: 12XH3A và 20X2H4A.
JIS: SNC415 và SNC815.
Cơ tính t ổng hợ p cao tớ i σ b = 1000 ÷ 1200MPa, a K = 900 ÷ 1000kJ/m2.
- R ất đắt (theo số li ệu của Nga đắt gấ p ba thép cacbon).
- Tính gia công cắt kém do thép quá dẻo (do cacbon thấ p, niken cao), phoi không gãy vụn.
- Phải áp dụng quy trình công nghệ khá ph ức tạ p:
Tr ướ c khi gia công cắt thép phải qua thườ ng hóa (tôi)
Sau khi thấm C, bề m ặt có %C cao và Ni khá cao làm hạ th ấ p điểm Mđ lúc đó đem tôi
lượ ng γ d ư (50 ÷ 60%) cao, độ c ứng thấ p (45 ÷ 55HRC), không đủ ch ống mài mòn. Sau khi
thấm phải thườ ng hóa tr ực tiế p (tôi) r ồi ram cao ở 600 ÷ 650 oC - 2 đến 6h, để t ạo xoocbit và
tiết cacbit làm dung dịch r ắn nghèo bớ t hợ p kim đi. Sau đó nung tôi lại: vớ i γ nghèo h ợ p kim
(nâng cao điểm Mđ) và cacbit phân tán nên tôi + ram thấ p sẽ nh ận đượ c M+cacbit phân tán và
ít γ d ư nên độ c ứng cao (HRC>60) và chịu mài mòn tốt.
Thép Cr-Ni-Mo: có thêm 0,10 ÷ 0,40%Mo độ th ấm tôi tăng (không có tác dụng chống
giòn ram vì chỉ ph ải ram thấ p), chúng đượ c coi là thép thấm cacbon tốt nhất, đượ c dùng vào
các mục đích quan tr ọng nhất và cho tiết diện lớ n nhất. Các mác thép Cr-Ni-Mo để th ấmcacbon thườ ng dùng:
TCVN: 20CrNi2Mo, 20Cr2Ni4MoA
ГOCT: 20XH2M, 18X2H4MA
Hoa k ỳ SAE/AISI: 4320, 8615
Nhật JIS: SNCM415, SNCM815
Các mác thép này có đặc tính giống như các mác Cr-Ni cùng lo ại song có tính thấm tôi cao hơ n(ví dụ 20Cr2Ni4MoA có tính th ấm tôi cao hơ n 20Cr2Ni4A, quy trình nhiệt luyện giống nhau).
e. Thép Cr-Mn-Ti:
- Các chỉ tiêu kinh t ế - k ỹ thu ật: đều khá cao, đượ c dùng r ất r ộng rãi ở ta và Nga để ch ế t ạo bánh r ăng ôtô tải nhẹ và trung bình, r ẻ vì các nguyên t ố Cr, Mn r ẻ.
- Độ b ền: đối vớ i các chi tiết trung bình (< 50mm) tôi thấu đượ c nên có độ b ền tươ ng đươ ng như
thép Cr-Ni, (σ b = 1100 ÷ 1150MPa), độ d ẻo,độ dai kém h ơ n đôi chút (aK = 600 ÷ 900kJ/m ).
Tính công nghệ:
Dễ c ắt gọt hơ n thép Cr-Ni, khi thấm cacbon có nhiều ưu việt: có Mn nên lớ p thấm không bị quá bão hòa C, có Ti (dù vớ i lượ ng nhỏ) nên giữ đượ c hạt nhỏ do đó có thể th ấm ở nhi ệt độ cao
hơ n (930 ÷ 950o
C), thờ i gian thấm ngắn hơ n, sau thấm có thể tôi tr ực tiế p → bi ến dạng r ất thấ p.Các mác thép điển hình:
Việt nam: 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi và 25CrMnMo.
Nga: 18XГT, 25XГT, 30XГT và 25XГM.
Trong đó mác 18CrMnTi dùng để th ấm cacbon, các mác sau dùng cho tr ườ ng hợ p thấmcácbon – nitơ .
Quy trình chế t ạo bánh r ăng hộ p số ôtô b ằng thép 25CrMnTi hoặc 25CrMnMo:
Rèn phôi- thườ ng hoá- gia công cơ - thấm C+N thể khí ở 850 ÷ 860 oC, tôi tr ực tiế p phân
cấ p trong dầu nóng MC20 ở nhi ệt độ 180 oC cho độ c ứng cao, tí nh chống mài mòn tốt, biến
dạng r ất thấ p (chỉ 0,08 ÷ 0,12mm, cho phép là 0,12mm) nh ờ đó tuổi thọ t ăng gần gấ p đôi.5.3.3. Thép hóa tốt
Định nghĩ a: là thép có thành phần cacbon trung bình (0,30 ÷ 0,50%C), để ch ế t ạo các chi tiếtmáy chịu tải tr ọng t ĩ nh và và đậ p tươ ng đối cao mà bề m ặt có thể b ị mài mòn nh ư tr ục, bánh r ăng,
chốt,... để đạt đượ c cơ tính t ổng hợ p cao nhất thép phải qua nhiệt luyện hóa tốt (tôi + ram cao).
5.3.3.1. Đặc điểm về thành phần hóa học
Cacbon: 0,30 ÷ 0,50%, thườ ng dùng hơ n 0,35 ÷ 0,45%. 2 loại nguyên tố h ợ p kim: Nguyên
tố h ợ p kim chính: Cr,Mn vớ i lượ ng chứa 1÷2%, Ni = 1÷4% như nhóm thép th ấm cacbon, ngoài
ra còn cho phép dùng cả Si v ớ i lượ ng chứa không quá 1% (vì không cần thấm C). Gần đây dùng bo (B) lượ ng r ất nhỏ 0,0005 ÷ 0,003% (th ấ p quá không tác dụng, cao quá giòn do FeB), tươ ng
đươ ng 1%Ni hay 0,5%Cr. Tác dụng của B chỉ có khi dùng k ết hợ p vớ i Cr, Ni, Mn.
Nguyên tố h ợ p kim phụ: Mo và W, có tác dụng tăng độ th ấm tôi, song chủ y ếu là để kh ắc phục giòn ram loại II.
5.3.3.2. Đặc điểm về nhiệt luyện:
Sơ b ộ: để c ải thiện tính cắt gọt, sau khi rèn, dậ p nóng để t ạo phôi, thép đượ c qua ủ hoàn
toàn (tr ừ thép Cr-Ni) đạt độ c ứng HB 180 ÷ 220 dễ gia công c ắt thô.
Nhiệt luyện k ết thúc: gồm 2 bướ c:Bướ c 1: tôi + ram cao →X ram có cơ tính t ổng hợ p cao, chịu đượ c tải tr ọng t ĩ nh và và đậ p
tốt, HB 240 ÷ 280 (HRC 25 ÷ 30). Gia công tinh đạt hình dạng, kích thướ c độ bóng yêu c ầu
và giúp chuyển biến nhanh và tạo M kim nhỏ khi tôi b ề m ặt. Phải chú ý tránh giòn ram loại II
nhất là loại thép không chứa Mo và W.
Vớ i các tiết diện nhỏ có th ể thay tôi + ram cao b ằng thườ ng hóa cũng đạt hiệu quả t ươ ng
tự mà công ngh ệ th ực hiện đơ n giản và r ẻ h ơ n.
Bướ c thứ 2: sau khi gia công tinh, tôi b ề m ặt và ram thấ p cho độ c ứng HRC 52 ÷ 58, cùng
vớ i độ c ứng lõi HRC 25 ÷ 30 đạt đượ c yêu cầu đề ra. Riêng các thép v ớ i %C=0,30÷,35%, sau
tôi bề m ặt độ c ứng không cao (≤ HRC50) nên ph ải thấm C-N nhiệt độ th ấ p (550÷560oC để
không làm hỏng tổ ch ức X ram của lõi) và bề m ặt đủ c ứng chịu đượ c mài mòn.
TCVN: C30, C35, C40, C45, C50 và C40Mn. Nga ΓOCT: 30, 35, 40, 45, 50, 40Г.
Cơ tính: t ối thiểu σ b = 750 ÷ 850MPa.
C ải tiế n: dùng thép cacbon vớ i % Mn và Si r ất thấ p (Mn ≤ 0,20%, Si ≤ 0,15%), có độ
thấm tôi thấ p, ví dụ thép 58s hay 55K П - Nga. Độ th ấm tôi δ=2mm cứng 60HRC, lõi vẫn dẻo,
dai như là thép sau th ấm cacbon.
Đượ c dùng để ch ế t ạo bánh r ăng bị động (quay chậm và ít mòn hơ n).
5.3.3.4. Thép Cr:
Có %Cr = 0,50 hay 1,00% chủ y ếu để c ải thiện tính tôi (tôi đượ c trong dầu, tăng độ th ấm tôi).
Dùng làm các chi tiết nhỏ ( φ 20÷40), tươ ng đối phức tạ p.
Các mác thườ ng dùng :
TCVN: 40Cr, 40CrVÀ
ΓOCT 40X, 40X ΦASAE/AISI: 50B40, 5140
JIS: SCr440
5.3.3.5. Thép Cr-Mo:
Thép Cr + khoảng 0,25%Mo để ch ống đượ c giòn ram loại II và tăng độ th ấm tôi. Thép Cr-
Mo đượ c dùng làm các chi tiết máy trung bình ( φ > 50mm) hình d ạng tươ ng đối phức tạ p
như bánh r ăng.
Thườ ng dùng các mác: VN: 38CrMoA, Nga 38XMA, AISI/SAE: 4140, JIS: SCM440.
5.3.3.6. Thép Cr-Mn và Cr-Mn-Si:
Có 1%Cr + 1%Mn hay 1%Cr + 1%Mn + 1%Si là loại hợ p kim hóa phức tạ p nên có độ
thấm tôi cao, dùng làm chi tiết khá lớ n ( φ 50÷60mm).
Tuy nhiên có Mn, Si nên cứng và giòn hơ n, ít phổ bi ến hơ n.
Nga dùng: 40XΓ, 30XΓC. Hoa K ỳ, Nhật không dùng.
5.3.3.7. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo:
Có cả Cr, Ni nên độ th ấm tôi cao mà vẫn giữ đượ c độ d ẻo, độ dai t ốt, nhất là trong tr ườ ng
hợ p niken cao tớ i ≥ 3% và có ch ứa Mo (giống thép thấm cacbon).Thép Cr-Ni thấ p: 1%Cr + 1%Ni, chi tiết d= 50 ÷ 60mm vớ i σ b ~700MPa và a K ~700kJ/m2,
hình dạng khá phức tạ p. Vì bị giòn ram lo ại II, tính gia công cắt hơ i kém ngày càng ít dùng.
Thép Cr-Ni cao: 1 ÷ 2%Cr + 3 ÷ 4%Ni (Ni/Cr ~ 3÷4), tôi thấu vớ i tiết diện trên 100mm,
coi là tôi thấu vớ i tiết diện bất k ỳ (nó thu ộc loại mactenxit). Nhờ v ậy thép có cơ tính t ổng hợ p
r ất cao: σ b = 1100MPa, σ0,2 = 1000MPa, a K = 800kJ/m . Các mác th ườ ng dùng:
VN: 38CrNi3, Nga: 30XH3A, JIS: SNC631 và SNC836, Hoa K ỳ không có thép này. Tuy
nhiên thép này dễ b ị giòn ram II và tính gia công c ắt kém.
Thép Cr-Ni cao vớ i Mo: là thép chế t ạo máy tốt nhất vì có (0,15 ÷ 0,40%) Mo: tăng độ
thấm tôi, làm các chi tiết vớ i hình dạng phức tạ p, tiết diện lớ n (÷ 100mm), không bị giòn ram
(38XΓC) hoặc 40CrNiMoA (40XHMA), xe ЗИЛ - 40CrMnTiB (40X ΓTP). Quy trình công
nghệ: rèn, thườ ng hóa hoặc ủ, gia công thô, nhiệt luyện hóa tốt đạt độ c ứng HRC 45 ÷ 40
(riêng mặt bích giảm độ c ứng xuống thấ p hơ n, khoảng HRC 25 ÷ 30 bằng cách nung cảm
ứng), gia công tinh (tiện thân tr ục và mặt bích, cắt then hoa, khoan lỗ trên m ặt bích...).
Quy trình rút gọn: tr ục láp ôtô ГАЗ dùng thép C40 (%C 0,38 ÷ 0,43%), xe ЗИЛ dùng thép
45Bn (45PП - Nga). Sau khi th ườ ng hóa (HB 169 ÷ 217), gia công cắt, r ồi tôi cảm ứng cho bề mặt tr ục vớ i chiều dày δ = 0,20 ÷ 0,25d (d - đườ ng kính thân tr ục láp).
Tr ục máy cắt: dùng thép cacbon mác C40, C45 hoặc thép crôm 40X.
Sau khi nhiệt luyện hóa tốt, gia công tinh, tôi cảm ứng bề m ặt làm việc vớ i bạc, then hoặc
mặt ren (ở tr ục vít) r ồi ram thấ p.
5.3.4.2. Các loại bánh răng
Bánh r ăng chịu tải thườ ng: dùng thép: C40, C45, 40X đôi khi 40XH. Sau khi rèn phôi, ủ
r ồi gia công thô, sau đó đem nhiệt luyện hóa tốt, gia công tinh, tôi cảm ứng bề m ặt r ăng.
Bánh r ăng chịu tải tr ọng cao: phải dùng thép thấm C-N (25CrMnMo) nêu trên.5.3.5. Thép đàn hồi
Định nghĩ a: là thép khá cứng, có tính đàn hồi cao, có thành phần cacbon tươ ng đối cao
(0,55÷0,65%), dùng để ch ế t ạo nhíp, lòxo và các chi tiết đàn hồi khác.
Nhiệt luyện: giớ i hạn đàn hồi cao nhất khi thép đượ c tôi + ram trung bình để đượ c trôxtit ram.
5.3.5.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu đối vớ i thép đàn hồi:
Đ/K làm việc: Chịu tải tr ọng t ĩ nh và và đậ p cao mà không cho phép bị bi ến dạng dẻo.
Yêu cầu đối vớ i thép:
- Giớ i hạn đàn hồi cao: tỷ l ệ σđh/σ b càng g ần tớ i 1 càng tốt, thườ ng là 0,85 ÷ 0,95.
- Độ c ứng khá cao: thích hợ p HRC 35 ÷ 45 hay HB 350 ÷ 450; độ d ẻo, độ dai th ấ p để
không bị bi ến dạng trong quá trình làm việc, song không quá thấ p để d ễ b ị phá h ủy giòn.
- Giớ i hạn mỏi cao: để thích ứng vớ i điều kiện tải tr ọng thay đổi theo chu k ỳ.
5.3.5.2. Đặc điểm về thành phần hóa học và nhiệt luyện
Thành phần hóa học: %C= 0,50 ÷ 0,70% song tốt nhất là 0,55 ÷ 0,65%, khi lượ ng nguyên
tố h ợ p kim tăng lên thành phần cacbon có thể gi ảm đi đôi chút.
Yêu cầu đố i vớ i các nguyên t ố hợ p kim:
- Nâng cao giớ i hạn đàn hồi và độ c ứng: Mn và Si là tốt nhất (xem hình 5.2a).
- Nâng cao độ th ấm tôi: Cr-Ni là tốt nhất, Si và Mn cũng có tác dụng này nhưng yếu hơ n.
Thườ ng dùng: 1%Mn, 2%Si, 2% (Cr+Ni), nếu quá mức đặc biệt là Mn, Si thép sẽ c ứng và giòn.
Chú ý khi nhiệt luyện:
- Chống thoát cacbon: vì khi thành phần cacbon bề m ặt thấ p hơ n giớ i hạn quy định có thể
tích riêng nhỏ h ơ n, chịu ứng suất kéo và do đó dễ phát sinh v ết nứt mỏi.
- Tạo nên ứng suất nén trên bề m ặt: phun bi, lăn ép, thậm chí cán, kéo nguội sau khi nhiệtluyện tôi + ram trung bình có thể t ăng tuổi thọ t ừ 1,5 đến 2 lần.
- Nâng cao độ nh ẵn bóng bề m ặt: loại bỏ các v ết xướ c là mầm mống của nứt mỏi, muốn
vậy phải qua cán, kéo tinh, thậm chí qua mài.
5.3.5.3. Các mác thép và đặc điểm:
Thép thườ ng và thép mangan: C65, C70 và ngay cả CD80, CD100 và thép Mn v ớ i mác 65Mn.
- Giớ i hạn đàn hồi thấ p σđh ≤ 800MPa
- Độ th ấm tôi thấ p, chỉ tôi th ấu vớ i đườ ng kính tớ i 15mm. Dạng phổ bi ến nhất của chúng
là dây ( φ =0,15-8mm) đượ c cung cấ p ở tr ạng thái tôi chì r ồi sau đó kéo nguội vớ i độ bi ếndạng >70%, (ví dụ σđh > 2000MPa), có tính đàn hồi cao, nên để làm lòxo ch ỉ c ần qua quấn
nguội tạo hình r ồi ủ th ấ p (200 ÷ 300oC) để kh ử b ỏ ứng suất.
Thép silic và các thép hợ p kim khác: 60Si2, vớ i 2%Si (Nga 60C2)
- Giớ i hạn đàn hồi cao, σđh ≥ 1000MPa v ớ i giá thành tươ ng đối r ẻ.
- Độ th ấm tôi tốt hơ n (tôi thấu trong dầu dày 20 ÷ 30mm).
- Dễ thoát C khi nung nóng để tôi, vì v ậy phải chú ý bảo vệ b ề m ặt khi nhiệt luyện.
Để kh ắc giảm thoát C và nâng cao độ th ấm tôi: hợ p kim hóa: Cr,Mn,Ni và V.
60Si2: lòxo trong toa xe, nhíp ôtô, tr ục mềm.
50CrMn đượ c dùng làm nhíp ôtô vớ i tính công nghệ t ốt hơ n.
60Si2CrVÀ và 60Si2Ni2A, σE=1500MPa làm nhíp, lòxo lớ n, chịu tải tr ọng nặng, riêng
JIS: SUJx, trong đó x là số th ứ t ự (t ừ 1 đến 5).
Ngoài ra để làm các ổ l ăn không gỉ ng ườ i ta dùng thép không gỉ (> 13%Cr) nh ưng vớ ilượ ng cacbon cao (~ 1,00%), như ΓOCT dùng mác 95X18, ASTM dùng 440C và 440MOD
Công dụng: ổ l ăn, tr ục cán nguội, bàn ren, tarô, dụng cụ đo.
5.4. Thép dụng cụ
5.4.1. Các yêu cầu chung
Định nghĩ a: Dụng cụ là các công c ụ gia công, ch ế bi ến, tạo hình các vật liệu (thành các
sản phẩm, chi tiết máy, k ết cấu).
Chúng có ý ngh ĩ a quyết định đến năng suất, chất lượ ng và giá thành của sản phẩm cơ khí.
5.4.1.1. Phân loại:
Theo bản chất của quá trì nh gia công, ta chia các dụng cụ thành 3 nhóm l ớ n:
- Dụng cụ c ắt (dao): là dụng cụ t ạo hì nh có sinh phoi, như dao ti ện, phay, bào, tuốt...
- Dụng cụ bi ến dạng: tạo hình bằng biến dạng dẻo không sinh phoi: tr ục cán, khuôn dậ p,
khuôn ép chảy... ở c ả tr ạng thái nguội lẫn tr ạng thái nóng.
- Dụng cụ đo: như palme, th ướ c cặ p, dưỡ ng... tuy không làm thay đổi hình dạng, kíchthướ c sản phẩm, nhưng cũng không thể thi ếu trong sản xuất cơ khí .
5.4.1.2. Cơ tính & chịu nhiệt:
Cứng để không hay ít b ị mòn, dai và đậ p lớ n để không gãy v ỡ , chịu nhiệt tốt để không
giảm tính chất ở tr ạng thái nóng.
5.4.1.3. Tính công nghệ và tính kinh tế:
Có thể rèn, c ắt gọt đượ c, đắt hơ n phải tốt hơ n.
5.4.1.4. Thành phần hóa học:
Cacbon: %C= 0,70 ÷ 1,00%, song nói chung là ≥ 1,00%, cá bi ệt lên tớ i 2%. Còn đối vớ i
các dụng cụ gia công phôi m ềm hay ở tr ạng thái nóng có thể th ấ p hơ n, khoảng 0,30÷0,50%.
Hợ p kim: tăng tính thấm tôi (Cr) do vậy làm đượ c các dụng cụ nh ỏ v ớ i hình dạng tươ ng
đối phức tạ p, cần tính cứng nóng cao: W, Mo.
5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt
5.4.2.1. Yêu cầu đối vớ i vật liệu làm dụng cụ cắt: điều kiện làm việc và yêu cầu cơ tính:
Các loại dao làm việc trong điều kiện tiện, phay, bào, doa... tuy có những nét khác biệt
song về c ơ b ản là giống nhau và có thể coi ti ện là nguyên công điển hình (hình 5.12).
1) Độ c ứng cao: cao HRC ≥ 60, b ằng thép thì %C > 0,70% và qua tôi cứng + ram thấ p.2) Chịu mài sát: mặt tr ướ c vớ i phoi, mặt sau vớ i phôi, đặc biệt là trên mặt tr ướ c. Dao phải
có tính chống mài mòn cao: độ c ứng cao, nhiều cacbit dư thì ch ống mài mòn tốt.
3) Chịu nhiệt cao: nhiệt độ l ưỡ i cắt > 200 ÷ 300oC, do đó dao cắt cần phải có tính cứng
nóng cao.
Thép làm dụng cụ c ắt cũng phải có tính công nghệ nh ất định: thấm tôi tốt, có khả n ăng chịu
gia công áp lực ở tr ạng thái nóng, có khả n ăng chịu gia công cắt ở tr ạng thái ủ (HB ≤ 265).
5.4.2.2. Thép làm dao có năng suất thấp
Đó là loại thép làm dao chỉ c ắt đượ c vớ i tốc độ 5 ÷ 10m/min.
1) Nhiệt độ tôi ph ải đủ cao để γ ch ứa nhiều W để có tính c ứng nóng cao nhất. Tại nhiệt độ
tôi vẫn còn khá nhiều cacbit Fe3W3C và toàn bộ VC ch ữa hòa tan sẽ c ản tr ở h ạt phát triển,
giữ cho h ạt nhỏ và làm t ăng tí nh chống mài mòn.
Hình 5.13. Độ hòa tan
của các nguyên tố h ợ pkim vào γ c ủa thép gió
(a) và tổ ch ức tế vi c ủa
thép gió sau khi tôi (b)
2) Tôi ở nhiệt độ cao quá: cacbit hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giòn,
thậm chí có tr ườ ng hợ p biên hạt bị ch ảy. Do đó nhiệt độ cao m ột cách khá chính xác. Nếu chỉ cần đạt độ c ứng cao (HRC > 60) thì nhiệt độ tôi ch ỉ c ần hơ n 1000oC là đủ.
Tổ ch ức tế vi c ủa thép gió sau khi tôi: hình 5.13b gồm: M giàu W, γ d ư (30%) và cacbit d ư
(15 ÷ 20%) vớ i độ c ứng HRC chỉ kho ảng 62. Cacbit dư có ảnh hưở ng tốt đến tính chống mài
mòn song lượ ng lớ n γ d ư làm gi ảm độ c ứng của thép tôi vài đơ n vị HRC. γ d ư nhi ều vì tôi ở nhiệt độ cao, γ hoà tan nhi ều nguyên tố h ợ p kim làm hạ th ấ p điểm MK. Do γ quá ngu ội có
tính ổn định r ất cao nên có thể tôi cho thép gió:
- Tôi trong dầu nóng (> 60oC): áp dụng cho các dao có hình dạng đơ n giản.
- Tôi phân cấ p trong muối nóng chảy (400 ÷ 600oC): vớ i thờ i gian giữ nhi ệt 3-5min, áp
dụng cho các dao nhỏ, hình dạng phức tạ p, yêu cầu độ cong vênh r ất nhỏ nh ư m ũi khoan.
- Tôi trong không khí (tự tôi): tuy v ẫn đạt độ c ứng cao đối vớ i dao mỏng, song có thể cho
độ c ứng không đều (độ c ứng thấ p hơ n ở ch ỗ dày), d ễ b ị ôxy hóa, thoát cacbon b ề m ặt, tiếtcacbit khỏi γ làm gi ảm tí nh cứng nóng, nên r ất ít dùng.
- Tôi đẳng nhiệt ra bainit (giữ ở 240 ÷ 280 oC hàng h): cho biến dạng nhỏ nh ất song độ
cứng HRC không quá 60, năng suất thấ p, ít dùng.
- Gia công lạnh: để kh ử austenit d ư sau khi tôi, áp d ụng khi cần ổn định kích thướ c.
Ram thép gió: mất ứng suất bên trong, khử b ỏ γ d ư, tăng độ c ứng (HRC tăng thêm 2 ÷ 3).
Chế độ nhi ệt luyện điển hình (hình 5.14).
Ram 2 ÷ 4 lần (thườ ng là 3) ở 550 ÷ 570 oC, mỗi lần trong 1h.
Khi nung tớ i 550oC cacbit vonfram Fe3W3C nhỏ m ịn mớ i bắt đầu tiết ra khỏi dung dịch
r ắn làm γ nghèo h ợ p kim đi, nâng cao điểm Mđ và làm gi ảm ứng suất nén lên γ d ư làm pha
này chuyển biến thành M, độ c ứng tăng lên. Sau mỗi lần ram chỉ có m ột tỷ l ệ nh ất định
(khoảng 50 ÷ 75%) γ d ư chuy ển thành M và lại gây ra ứng suất bên trong mớ i, nên sau đó
phải ram thêm 1 ÷ 3 lần nữa để quá trình x ảy ra đượ c hoàn toàn hơ n.
Để nâng cao h ơ n nữa khả n ăng cắt của thép gió, sau khi mài có thể đượ c thấm C-N ở nhi ệt
độ thích h ợ p (550 ÷ 570oC) trong vài giờ ho ặc tốt nhất là đem phủ TiN b ằng công nghệ PVD.
Các mác và công dụng:
Bốn mác trong số các lo ại thép gió thườ ng gặ p của Nga, Mỹ và Nh ật.
1. Thép gió vớ i năng suấ t thườ ng : tính cứng nóng đến 615 ÷ 620oC, không chứa hay chứar ất ít Co và có < 2%V, gồm 2 mác: 80W18Cr4V (P18, T1, SKH2) và 85W6Mo5Cr4V2
(P6M5, M2, SKH51). Mác sau chứa ít W nên r ẻ h ơ n mà tính cắt vẫn tươ ng đươ ng nhau.
Nhiều nướ c loại thép gió 85W6Mo5Cr4V2 chiếm tớ i 50% lượ ng thép gió sử d ụng. Ký hiệu
VN (Nga, Hoa k ỳ, Nhật).
2. Thép gió vớ i năng suấ t cao: tính cứng nóng đến 630 ÷ 650oC, có thể c ắt vớ i tốc độ
≥40m/min hoặc có tí nh chống mài mòn cao, chúng chứa Co và > 2%V, gồm 2 mác:
Các thép thườ ng dùng: là các mác 100Cr, 100CrWMn (TCVN 1823 - 76) và mác
140CrMn (mác XГ c ủa Nga) trong đó 140CrMn đượ c dùng nhiều hơ n cả.
5.4.3.3. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác thấp
Loại này chỉ yêu c ầu cứng và chống mài mòn là đủ, do đó không cần dùng các mác thép hợ p
kim cùng vớ i tôi + hóa già như trên mà ch ỉ dùng các mác thép: C15, C20 th ấm C, tôi + ram
thấ p. C45, C50, C55 qua tôi bề m ặt + ram thấ p, thép dụng cụ: CD80, CD120,.. tôi + ram thấ p.
5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội
Biến dạng dẻo thép ở nhi ệt độ th ườ ng - biến dạng nguội - là hình thức gia công phổ bi ến
trong chế t ạo cơ khí v ớ i năng suất cao. Dụng cụ để bi ến dạng như tr ục cán, khuôn dậ p, đột...
có ý ngh ĩ a quan tr ọng quyết định năng suất và chất lượ ng sản phẩm.
5.4.4.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu
1) Độ c ứng đủ cao: HRC 58 ÷ 62 (th ấ p hơ n dao cắt) phụ thu ộc vào loại khuôn, chiều dày
và độ c ứng của thép lá đem dậ p, biến dạng: tôn silic dày phải yêu, HRC tớ i trên 60 đến 62.2) Tính chống mài mòn cao: bảo đảm hàng vạn - hàng chục vạn lần dậ p vẫn chính xác.
3) Độ b ền và độ dai cao: ch ịu đượ c tải tr ọng lớ n và chịu và đậ p, khuôn dậ p lớ n cần có
thêm yêu cầu về độ th ấm tôi và ít thay đổi thể tích khi tôi.
5.4.4.2. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội
- %C cao: ~ 1%, bảo đảm độ c ứng, tính chống mài mòn sau khi tôi, song có một số tr ườ ng
hợ p ngoại lệ: + khi chịu và đậ p mạnh, lượ ng cacbon giảm đi, còn 0,40 ÷ 0,60%, khi chịu mài
mòn r ất cao, %C đến 1,50 ÷ 2,00% hay hơ n.
- Hợ p kim hoá: phụ thu ộc vào hình dạng, kích thướ c khuôn và tính chống mài mòn yêucầu do tác dụng nâng cao độ th ấm tôi và tạo ra cacbit cứng.
Để làm t ăng độ th ấm tôi: Cr, Mn, Si, W vớ i lượ ng ít (~ 1% mỗi loại).
Để nâng cao tính ch ống mài mòn: Cr (~ 12%) và %C =1,50 ÷ 2,00% hay hơ n.
- Nhiệt luyện k ết thúc: tôi + ram thấ p để đạt độ c ứng cao, song cũng có đặc điểm riêng.
•Để b ảo đảm độ b ền và do kích thướ c lớ n nên nhiệt độ tôi cao h ơ n 20÷40oC để γ đượ c đồng nhất
hơ n, nâng cao độ th ấm tôi, có khi phải thườ ng hóa tr ướ c để h ạt nhỏ ít bi ến dạng, nứt khi tôi.
• Nhiệt độ ram l ấy cao hơ n (song vẫn là ram thấ p) vì yêu cầu độ c ứng thấ p hơ n chút ít.
Chú ý do ram thấ p phải tránh giòn ram loại I.
5.4.4.3. Thép làm khuôn bé
Khuôn nhỏ, hình dạng đơ n giản, chịu tải nhỏ: CD100, CD120, tôi trong nướ c, tuy độ th ấm
tôi của thép C thấ p song có độ c ứng bề m ặt đủ b ảo đảm điều kiện làm việc, lõi có thể không
tôi thấu nhưng phải đảm bảo không bị lún là đượ c.
5.4.4.4. Thép làm khuôn trung bình
Kích thướ c khuôn trung bì nh (75 -100mm), hoặc loại bé nhưng có hình dạng phức tạ p, chịu
tải tr ọng lớ n: dùng thép 1%C có hợ p kim Cr, W, Mn, Si (~ 1% mỗi nguyên tố) để nâng cao độ
thấm tôi: 110Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn. Trong các mác đó 100CrWMn là điển hình hơ n cả.Đặc điểm của thép:
- Do có Mn nên sau khi tôi có lượ ng γ d ư nh ất định nên biến dạng nhỏ.
- Có thể dùng cách tôi phân c ấ p (nếu là khuôn nhỏ) và tôi trong hai môi tr ườ ng (nếu là
khuôn trung bình) để gi ảm độ bi ến dạng mà vẫn đạt độ c ứng cao.
- Thiên tích cacbit lớ n, khi cacbit lớ n thép dễ b ị n ứt khi tôi, do đó phải kiểm tra cấ p cacbit,
nếu thấy lớ n phôi thép phải qua rèn.
5.4.4.5. Thép làm khuôn lớ n và có tính chống mài mòn rất cao:
Kích thướ c (200 ÷ 300mm), chịu tải tr ọng nặng và bị mài mòn r ất mạnh phải dùng thép
%Cr cao tớ i 12% và %C r ất cao, 1,50 ÷ 2,20% vớ i các mác:
Cr12 (210Cr12), Cr12Mo (160Cr12Mo) và Cr12V1 (130Cr12V1).
Đặc đ iể m nổ i bật của thép:
- Tính chống mài mòn r ất cao: 30% cacbit crôm nên bảo đảm tuổi bền làm việc r ất cao.
- Độ th ấm tôi cao: tôi thấu d=150x200mm trong dầu, bảo đảm độ b ền, độ c ứng khi khuôn lớ n.
- Có nhiều chế độ tôi + ram khác nhau: thay đổi nhiệt độ tôi d ẫn đến mức độ hòa tan
cacbit khác nhau làm biến đổi thành phần của γ, vì thế làm thay đổi tỷ l ệ c ủa các tổ ch ức tạo
thành do đó ảnh hưở ng đến độ c ứng và kích thướ c khuôn:+ Tôi nhiệt độ th ấ p: 1050 ÷ 1075oC, ít γ d ư, độ c ứng HRC đạt 64 ÷ 65, nhưng tính cứng
nóng thấ p (cách tôi này gọi là tôi ra độ c ứng thứ nh ất). Sau khi tôi ram ở 150 ÷ 200 oC.
+ Tôi nhiệt độ cao: 1125 ÷ 1150 oC, γ đượ c hợ p kim hóa cao → M t ạo thành có tính cứng
nóng cao, nhưng độ c ứng đạt thấ p, HRC 54 ÷ 56 vì có nhiều γ d ư (~ 60%). Gi ống như thép
gió, thép này sau khi ram nhiều lần ở 500 ÷ 530 oC γ d ư s ẽ chuy ển biến thành M và có độ c ứng
tăng lên đến HRC 58 ÷ 60 (cách tôi này gọi là tôi ra độ c ứng thứ hai).
+ Tôi nhiệt độ trung bình: 1100 ÷ 1125 oC, γ d ư khá l ớ n (~ 40%) nên kí ch thướ c hầu như
không thay đổi, đạt độ c ứng HRC khoảng 58. Sau khi tôi, ram ở 150 ÷ 200 oC (tôi ổn định
kích thướ c).Khi ram, tránh nhiệt độ giòn ram lo ại I của thép này là 300 ÷ 375oC.
- Có thể d ậ p vớ i tốc độ cao: khuôn ch ịu đượ c nhiệt độ nung nóng t ớ i 200 ÷ 350oC.
5.4.4.6. Thép làm khuôn chịu tải trọng và đập
Dụng cụ biế n d ạng nguội chịu và đậ p như : đục, búa hơ i, khuôn dậ p cắt thép tấm dày
3÷4mm tr ở lên ph ải làm bằng loại thép hợ p kim vớ i 3 ÷ 5% nguyên tố h ợ p kim song có lượ ng
cacbon thấ p hơ n, chỉ 0,40 ÷ 0,60% để b ảo đảm độ dai và đậ p nhất định.
Thườ ng dùng các mác sau: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si, 60CrW2Si và
60CrWMn, có 1%Cr, 1%Si và 1 ÷ 2%W. Sau khi tôi phải ram cao hơ n các khuôn dậ p bình
thườ ng. Khi ram, tránh giòn ram loại I của các thép trên ở 240 ÷ 270 oC.Hiện nay đang có khuynh hướ ng dùng hợ p kim cứng làm khuôn dậ p nguội, đạt hiệu quả r ất cao.
5.4.5. Thép làm dụng cụ biến dạng nóng
Rèn, ép sử d ụng các bộ khuôn t ươ ng ứng.
5.4.5.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu:
- Dụng cụ (khuôn) b ị nung nóng: phôi~1000 oC, khuôn 500÷700oC song không liên tục.
- Phôi thép ở nhi ệt độ cao ( γ) mềm do đó khuôn không cần cứng như khuôn d ậ p nguội.
- Các dụng cụ bi ến dạng nóng thườ ng có kích thướ c lớ n, chịu tải tr ọng lớ n, có thể đạt tớ i
vài tr ăm - vài nghìn tấn.Yêu cầu đố i vớ i d ụng cụ biế n d ạng nóng:
1)Độ b ền và độ dai cao, độ c ứng vừa phải đồng nhất trên toàn tiết diện để có th ể ch ịu đượ c tảitr ọng lớ n và và đậ p: độ c ứng chỉ HB 350 ÷ 450 (HRC 35 ÷ 46), cao quá l ại không bảo đảm.
2) Tính chống mài mòn cao bảo đảm tạo ra đượ c hàng nghìn ÷ hàng vạn sản phẩm. Nhiệtđộ cao, làm nh ị p độ s ản xuất chỉ b ằng 1/10 khuôn biến dạng nguội.
3) Tính chịu nhiệt độ cao, ch ống mỏi nhiệt để ch ịu đượ c tr ạng thái nhiệt độ thay đổi tuần
hoàn dễ gây ra r ạn, nứt. Muốn vậy thép phải có tính chống ram cao.5.4.5.2. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng
Thành phần:
- Có %C trung bình: 0,30 ÷ 0,50%.
- Hợ p kim hoá thích hợ p: để b ảo đảm thấm tôi tốt và độ dai cao Cr-Ni; c ứng nóng
8÷10%W.
- Nhiệt luyện k ết thúc: tôi + ram trung bình (500 ÷ 600oC) để đạt tổ ch ức Tram ( đôi khi cả T+X ram). Chú ý tránh giòn ram loại II. Hai loại thườ ng dùng: thép làm khuôn rèn và thép
làm khuôn ép chảy.
5.4.5.3. Thép làm khuôn rèn
Dùng thép Cr-Ni (hay Cr-Mn) có thêm Mo hay W và %C= 0,50%.
Các mác 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo trong đó 50CrNiMo là mác điển hình.
Đặc đ iể m của thép 50CrNiMo:
- Tính thấm tôi cao, tôi thấu trong dầu vớ i khối thể tích 400 x 300 x 300mm, có th ể tôi
phân cấ p hay đẳng nhiệt vớ i khuôn bé.
- Tôi + ram 500 ÷ 600oC, tùy theo yêu cầu độ c ứng vớ i từng loại khuôn: nhỏ HRC 40÷45,
ram khoảng 500÷540oC, lớ n HRC 35÷38 ram khoảng 540 ÷ 580oC, T hay T+X ram.
- Độ c ứng phần đuôi nên thấ p hơ n phần làm việc từ 5 đến 10 đơ n vị HRC do đó phải ramthêm phần này ở trong lò mu ối ở 600 ÷ 650 oC hay bằng nung cảm ứng.
Chú ý khi nhiệt luyện khuôn rèn:
+ Thờ i gian nung nóng dài (do kích thướ c khuôn lớ n) phải chống oxy hóa và thoát cacbon.
+ Đối vớ i các khuôn lớ n do cần phải có độ dai cao h ơ n nên độ c ứng phải lấy thấ p đi
(HRC< 35).
Thườ ng dùng 50CrNiMo, cho khuôn rèn vớ i búa >3 tấn, các mác còn lại vớ i các búa <3T.
5.4.5.4. Thép làm khuôn ép chảy:
Điều kiện làm việc: Khác vớ i khuôn rèn, khuôn ép chảy thườ ng bé hơ n nhưng phải chịunhiệt độ vá áp su ất cao hơ n, tải tr ọng ổn định không có và đậ p.
Chọn thép: Để có tí nh c ứng nóng khá cao (600 ÷ 700oC) phải hợ p kim hóa cao (~10%)
Cr+W, %C=0,30÷0,40%, V~1% để ch ống mài mòn và giữ h ạt nhỏ, Mo~1% để t ăng tính thấm tôi.
Mác thép thườ ng dùng là: 30Cr2W8V và 40Cr5W2VSi. Tôi ở nhi ệt độ cao (g ần 1100oC),
ram ở 600÷ 650 oC để đạt tổ ch ức trôxtit ram vớ i độ c ứng HRC= 40 ÷ 50. Sau khi tôi + ram
600 ÷ 650oC như trên, khuôn còn đượ c thấm C-N ở 500 ÷ 600 oC.
5.5. Thép hợ p kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt)
5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại Đặc đ iể m chung của thép hợ p kim đặc biệt :
- Có %C thấ p: < 0,10 ÷ 0,15%) hoặc ngượ c lại yêu cầu %C cao (> 1,00%).
thêm 2%Mo là để c ải thiện tính chống ăn mòn trong môi tr ườ ng có ion Cl-).
5.5.2.4. Thép không gỉ hóa bền tiết pha
Đặc đ iể m:- Về thành ph ần và tổ ch ức:
Có 13 ÷ 17%Cr và 4 ÷ 7%Ni, có thêm Al, Cu, Mo... và tổ ch ức austenit không thật ổn định.
- Có tính công nghệ và c ơ tính cao: d ễ bi ến dạng và gia công cắt thép ở tr ạng thái mềm,
sau đó hóa bền nó bằng hóa già ở nhi ệt độ th ấ p nhờ đó tránh đượ c biến dạng và ôxy hóa.
Quy trì nh nhiệt luyện:
+ Ủ ở 1050 oC, nguội trong không khí, tổ ch ức γ để d ễ bi ến dạng dẻo và gia công cắt.
+ Nung ở 750 ÷ 950 oC, nguội trong không khí đượ c tổ ch ức γ + m ột ít cacbit (lượ ng cacbit
phụ thu ộc nhiệt độ nung).
+ Gia công lạnh đến 0 ÷ -75oC, γ chuy ển biến thành M.
+ Hóa già ở 525 oC khoảng 1h, các pha hóa bền như NiAl, Ni3Al ti ết ra ở d ạng phân tán,
nhỏ m ịn làm tăng mạnh độ b ền (σ b = 1650MPa, σ0,2 = 1550MPa), gi ảm độ d ẻo (δ = 6%).
- Có tính chống ăn mòn tốt gần như thép h ọ 18- 8.
Công d ụng :
Nhờ c ơ tính cao, đượ c dùng làm k ết cấu máy bay, Hoa k ỳ dùng AISI 361 (hay còn ký hi ệu
là 17-7 PH (Precipitation Hardened), 17%Cr, 7%Ni, còn có thêm ~1,2%Al, ~1%Mn.
5.5.3. Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel)
Thép bền nóng là thép có khả n ăng chịu tải lâu dài ở trên 500 oC đượ c dùng vào các mụcđích tươ ng ứng như: nồi hơ i, tuabin khí , động cơ ph ản lực, tên lửa...
5.5.3.1. Yêu cầu đối vớ i thép làm việc ở nhiệt độ cao
Nhiệt độ cao có s ự suy gi ảm rõ r ệt cơ tính và tính ch ống ăn mòn.
Khi làm việc ở nhi ệt độ cao, kim lo ại bị dão.
Đánh giá độ b ền nhiệt = độ b ền dão: là ứng suất phá huỷ dão sau m ột thờ i gian nhất định
(1000h, ký hiệu là σ b/1000 = 170MPa). Giớ i hạn dão là ứng suất cần thiết để có độ bi ến dạng xác
định (ví dụ 0,2%) sau m ột thờ i gian ấn định (ví dụ 1000h) đượ c ký hiệu σ0,2/1000 = 100MPa.
Ở nhi ệt độ, sự oxy hóa thép t ạo thành lớ p vảy oxit làm giảm tiết diện chịu tải. Hợ p kim hóa thép bằng Cr, Si, Al tạo màng oxit bảo vệ; về phươ ng diện này, thép không gỉ đều là thép bền nóng.
Chịu tải tr ọng cao, chịu nhiệt độ cao 650 ÷ 700 oC, chịu mài mòn ở đuôi và cạnh vát khi và
đậ p. Thườ ng dùng 2 loại thép mactenxit và austenit vớ i (0,40÷0,50)%C: Thép mactenxit chứa
(9,0 ÷ 10,0%)Cr và 2%Si, ngoài ra có thể thêm Mo, b ền ăn mòn khô (nhờ l ớ p vảy Cr 2O3, SiO2
bền, xít chặt) vừa có tính cứng nóng tốt. Thườ ng dùng nhất là 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo
(ГOCT 40X9C2 và 40X10C2M). Tôi (1000÷1100oC) + ram (700÷750oC), chú ý :- Nhiệt độ ram cao h ơ n nhiệt độ làm vi ệc, do đó khi làm việc cơ tính không b ị x ấu đi.
- Thép mác 40Cr9Si2 dễ b ị giòn ram lo ại II, sau khi ram phải làm nguội trong nướ c.
- Phần đuôi bị ma sát v ớ i bề m ặt cam mà không chịu nhiệt độ cao, do v ậy đầu mút phải
đượ c tôi cảm ứng, ngọn lửa hay điện phân, sau đó ram thấ p đạt độ c ứng HRC 45 ÷ 50.
Vì có tính bền nóng không cao, thép này chỉ dùng trong các động cơ x ăng vớ i công suất
nhỏ. Vớ i động cơ điêzen và cườ ng hóa phải dùng thép austenit.
Thép austenit:
Thép chứa (0,35÷0,50)%C, Cr và Ni cao, vì độ c ứng thấ p HB 160 ÷ 200 nên đầu mút đượ c
thấm nitơ , cạnh vát đượ c hàn đắ p bằng stêlit (hợ p kim cứng chứa 35%Cr, 1 ÷ 2%C, Co còn lại).
Xupap hút không chịu nhiệt độ cao nên đượ c làm bằng 40CrNi ( Г OCT 40XH).
5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dướ i tải trọng và đập (thép Hadfield)
Thép Hadfield (thế k ỷ 19), 110Mn13 Đ, là thép hợ p kim (0,90÷1,30)%C &
(1,4÷14,5)%Mn, tổ ch ức là austenit một lượ ng lớ n Mn3C hay (Fe,Mn)3C tậ p trung ở biên h ạt
nên làm giảm mạnh độ b ền, độ dai và r ất giòn, chữa thể đem dùng ngay đượ c.
Tôi 1050÷1100oC, giữ nhi ệt lâu để cacbit mangan hòa tan h ết vào austenit r ồi làm nguội trong
nướ c để thép hoàn toàn là austenit, r ất dẻo dai. Khi chịu và đậ p M hình thành trên mặt tr ượ t.
Đặc đ iể m:
- Thép chỉ có tính ch ịu mài mòn cao khi xúc đá (và đậ p), khi xúc cát mòn nhanh.
- Tính gia công cắt r ất kém chỉ b ằng đúc (nếu cần có thể mài thô) ho ặc nong lỗ. Nga là
110Г13Л , ở Hoa K ỳ theo ASTM A128, ở Nh ật là SCMnHx (x là số th ứ t ự). (Thép từ tính t ự đọc)
5.6. GANG
Ngoài >2%C, gang còn có (0,5-4)%Si (3,5%), (0,2-1,5)%Mn và P<0,7%,S<0,15%5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy
5.6.1.1. Tổ chứ c tế vi
Có 2 loại:
Gang tr ắng: C dướ i dạng liên k ết Fe3C không có gr tự do, màu tr ắng, cứng giòn.
Gang xám: hầu hết C ở d ạng grafit không có Xê tự do, dùng ph ổ bi ến trong CTM.
Tổ ch ức tế vi gang xám g ồm 2 thành phần: grafit và nền kim loại (giống thép): - F + gr,
F+P+ gr và P + gr, tuỳ theo hình d ạng grafit ta có: gang xám: grafit tấm, gang cầu: grafit hình
cầu, gang dẻo: grafit có dạng cụm (hình 5.18a,b,c). Hình dạng grafit quyết định tính chất.
Gang xám bền thấ p hơ n thép nhiều, σ N > σK , gang d ẻo, gang cầu khá hơ n, r ẻ h ơ n thép.Chịu mài mòn, giảm chấn, tính đúc r ất tốt, r ất dễ gia công c ắt gọt, không biến dạng, khó hàn.
5.6.3.3. Các mác gang và công dụng (1kG/mm 2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi)
TCVN 1659-75: GC xx-xx ( σK và δ v ị kG/mm2 và %) gi ống như c ủa Г OCT 7393-70 là
B Чxx-xx. Nhưng theo Г OCT 7393-85 có các mác B Ч40, B Ч50, B Ч60, B Ч70, B Ч80 (σK ).
SAE J434c có các mác D4018, D4512, D5506, D7003, trong đó hai chữ s ố đầu chỉ σ b(min)
theo đơ n vị ksi, hai ch ữ s ố sau ch ỉ δ (min) theo %, ví d ụ, D4512 có σ b ≥ 45ksi và δ ≥ 12%.
Tiêu chuẩn ASTM có các class: 60-40-18, 65-45-12, 80-60-03, 100-70-03, 120-90-02, bacặ p số đó lần lượ t chỉ giá tr ị t ối thiểu của σ b, σ0,2 (ksi), δ (%).
JIS có các mác FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700, FCD800, trong
đó số ch ỉ σ b (min) theo đơ n vị MPa.
Mác gang cầu ferit - peclit B Ч50 : các chi tiết thông thườ ng thay thép nói chung.
Mác B Ч60: tr ục khuỷu, tr ục cán.
Các mác gang cầu B Ч70, B Ч80: tôi đẳng nhiệt ra bainit, đượ c dùng làm các chi tiết quan tr ọng.
Công dụng chủ y ếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết vừa chịu tải tr ọng kéo và và đậ p
cao (như thép) đồng thờ i lại dễ t ạo hình bằng phươ ng pháp đúc.
5.6.4. Gang dẻo
5.6.4.1. Cơ tính
5.6.4.2. Đặc điểm chế tạo
- Thành phần hóa học: (C + Si) thấ p, C
thấ p đi thì Si lấy cao hơ n.
S ản phẩ m: có thành mỏng, d< 40mm
(dướ i 20 ÷ 30mm) để đúc ra gang tr ắng.
V ề ủ grafit hóa: thờ i gian dài, chi phí
nhiều năng lượ ng (h.5.20)
- Ở 950 oC (trên A1): Fe3C→ γ1,8+gr cụm
- Từ 950 đến 738 oC: γ1,8 → γ0,8 + gr cụm
- Ở 700 oC (dướ i A1):
Fe3C trong P → F + gr cụm.
Tuỳ theo quy trình ủ:
I → P+gr,
II → P+F+gr, II → F+gr
- Có 2 loại gang dẻo:+ Gang dẻo tâm tr ắng, ủ trong môi tr ườ ng ôxy hóa (Fe2O3) làm thoát cacbon nên mặt gãy
có màu sáng.
+ Gang dẻo tâm đen, ủ trong môi tr ườ ng trung tính (SiO2) C còn nhiều nên mặt gãy vẫn có
màu đen xẫm như nhung đen.
5.6.4.3. Các mác gang và công dụng
Các nướ c thườ ng đánh số các mác gang d ẻo theo giớ i hạn bền kéo tối thiểu và độ giãn dài
tươ ng đối.
TCVN 1659-75: GZ xx-xx gi ống như Г OCT 1215 - 79 là КЧxx-xx, 2 số đầu σ b (min),kG/mm2, cặ p số sau ch ỉ δ (min) theo %.
6.1.4.2. Silumin đơ n giản: Al-(10÷13)%Si (AA 423.0 hay A Л2 (Nga))
Biến tính: bằng hỗn hợ p muối (2/3NaF +1/3NaCl) vớ i lượ ng 0,05÷0,08% tăng cơ tính t ừ:
σ b = 130MPa, δ = 3% lên σ b = 180MPa, δ = 8% nh ưng vẫn còn thấ p so vớ i yêu cầu sử d ụng;
σ b = 130MPa, δ = 3% lên σ b = 180MPa, δ = 8% nh ưng vẫn còn thấ p so vớ i yêu cầu sử d ụng.
Các hợ p kim Al - Si - Mg(Cu): là các h ợ p kim vớ i khoảng Si r ộng
6.1.4.3. Silumin phứ c tạp:
Ngoài Al,Si còn có <1%Mg, 3÷5%Cu phải qua nhiệt luyện hóa bền, cơ tính và có tính đúc
tốt: đúc piston (AA 390.0, AЛ26), nắ p máy (AЛ4) của động cơ đốt trong.
6.2. Hợ p kim đồng
6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợ p kim đồng
a. Các đặc tính của đồng đỏ:
Đồng nguyên chất có màu đỏ th ươ ng gọi là đồng đỏ:
- Dẫn nhiệt, dẫn điện cao, dùng làm dây dẫn.
- Chống ăn mòn khá tốt.
- Dẻo dễ cán m ỏng, kéo sợ i tiện cho sử d ụng.- Tính hàn khá tốt
Nhượ c điểm: nặng (ρ = 8,94g/cm3), tính gia công c ắt kém do phoi quá dẻo, tính đúc kém,
chảy ở 1083 oC, độ ch ảy loãng thấ p (P khi đúc tượ ng).
6.1.4.2. Các loại đồng nguyên chất
- Đồng đ iện phân ETP (Electrolytic Tough Pitch) có 0,04%O 2.
Do có O2 nên ch ỉ gia công, ch ế bi ến ở < 400 oC để tránh b ệnh hydro.
- Đồng sạch oxy OFHC (Oxygen Free High Conductivity) là lo ại đượ c nấu chảy trong
chân không hoặc môi tr ườ ng bảo vệ, O2< 0,003% nên không nhạy cảm vớ i hyđrô.- Đồng đượ c khử oxy khử ôxy triệt để khi n ấu bằng Cu-P, dẫn điện = 85% của OFHC, do
sạch oxy nên có thể bi ến dạng nóng.
6.1.4.3. Phân loại hợ p kim Cu:
Latông = Cu-Zn, brông = Cu-Sn từ lâu đờ i
6.1.4.4. Hệ thống ký hiệu cho hợ p kim đồng
Hoa k ỳ: CDA (Copper Development Association): CDAxxx, s ố đầu tiên:
1xx - đồng đỏ và các h ợ p kim Cu - Be, 2xx - latông đơ n giản,
Phươ ng Tây dùng các ký hi ệu O, H, T như c ủa Al (O: ủ và k ết tinh lại, H: hóa bền bằng
biến dạng nguội, T- tôi + hoá già), riêng tr ạng thái phôi thô: Al là “F” thì Cu là M, song các
chữ và s ố ti ế p theo khác đi (tra bảng).
6.2.2. Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь)
Latông đơ n giản: đượ c dùng nhiều hơ n cả, phổ bi ến < 45%Zn nên tổ ch ức α ho ặc α+β.
Điều r ất đặc biệt: khi tăng %Zn độ b ền và độ d ẻo tăng lên, độ d ẻo max ứng vớ i ~ 30%Zn.
Ngoài ra khi pha thêm Zn, màu đỏ c ủa đồng nhạt dần và chuyển dần thành vàng.
- Latông một pha ( α), <35%Zn, dẻo cao làm các chi tiết máy qua dậ p.
Latông ~ 20%Zn (LCuZn20,CDA 240, Л80): màu như Au, đồ trang s ức, giả vàng
Latông ~ 30%Zn (LCuZn30,CDA 260, Л70), dẻo và độ b ền max làm vỏ đạn (catridge brass).
- Latông hai pha ( α + β): vớ i ~ 40%Zn (LCuZn40, CDA 280, ГOCT Л60),
- La tông phứ c t ạ p:
Ngoài Cu, Zn còn có Pb dễ đúc, cắt gọt, Sn chống ăn mòn, Ni tăng bền.LCuZn40Pb, CDA 370, ЛC59-1, dễ c ắt, LCuZn29Sn, đồng thau Hải quân.
6.2.3. Brông:
Là hợ p kim của Cu vớ i các nguyên tố không ph ải là Zn như Sn, Al, Be... và đượ c gọi là
brông thiếc, brông Al, brông berili... (riêng Cu-Ni không gọi là brông mà là cuni).
6.2.3.1. Brông thiếc: hợ p kim Cu-Sn: cổ xư a nhất, thờ i k ỳ đồ đồng - Bronze Age.
Brông thiế c biế n d ạng : < 8%Sn (có thể t ớ i 10%) có cơ tính cao và ch ống ăn mòn trong nướ c
biển tốt hơ n latông. Để c ải thiện tính gia công cắt thườ ng có thêm Pb (CDA 521, CDA 524,
ГOCT БрOC5-1) hay có thêm Zn để v ừa thay cho Sn r ẻ h ơ n vừa có tác dụng hóa bền khi dùng4% cho mỗi nguyên tố (4%Sn - 4%Zn- 4%Pb) v ớ i mác CDA 544 hay ГOCT БрOЦC4-4-4.
Brông thiế c đ úc: là loại chứa nhiều hơ n 10%Sn hay vớ i tổng lượ ng các nguyên tố đưa vào
cao hơ n 12% như lo ại 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb vớ i các mác CDA 835, ГOCT БрOЦC5-5-5,
hay10%Sn - 2%Zn vớ i mác CDA 905. Brông thiếc chứa Zn, Pb đượ c dùng để đúc các tác
H ợ p kim Cu vớ i 2%Be (CDA 172, ГOCT БрБ2) sau khi tôi 750÷790oC trong nướ c, hóa
già ở 320÷320 oC có tính đàn hồi r ất cao, không phát ra tia lửa điện khi và đậ p nên đượ c làm
các chi tiết đàn hồi trong mỏ và thi ết bị điện.
6.2.4. Hợ p kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni
Cu và Ni hòa tan vô hạn, kiểu mạng A1. Ni hòa tan vào Cu làm tăng mạnh độ b ền, độ
cứng, tính chống ăn mòn trong nướ c biển. Hợ p kim Cu - Ni vớ i 10÷30%Ni (ví dụ CDA 715có 30%Ni) đượ c dùng làm bộ ng ưng tụ c ủa tàu biển, ống dẫn nướ c biển, trong công nghiệ p
hóa học.
Hợ p kim Cu vớ i 17÷27%Zn và 8÷8%Ni đượ c dùng làm dây biến tr ở , vớ i tổ ch ức là dung
dịch r ắn nên có điện tr ở su ất r ất cao và có màu bạc như c ủa niken.
6.3. Hợ p kim ổ trượ t
Mặc dầu ngày nay ổ l ăn (bi và đũa) đượ c sử d ụng r ất phổ bi ến, các ổ tr ượ t vẫn có vị trí
trong máy móc vì các ưu điểm của nó: dễ ch ế t ạo, dễ thay, r ẻ, bôi tr ơ n dễ và trong nhi ều
tr ườ ng hợ p không thể thay th ế khác đượ c (như ở tr ục khuỷu), tốc độ cao không gây ồn.6.3.1. Yêu cầu đối vớ i hợ p kim làm ổ trượ t
- Ma sát nhỏ v ớ i bề m ặt tr ục thép: hệ s ố ma sát nh ỏ và di ện tích tiế p súc nhỏ: pha cứng trên
nền mềm, hoặc hạt mềm trên nền cứng để khi làm vi ệc phần mềm bị mòn đi thành các ổ ch ứa
dầu. Tổ ch ức hạt cứng - nền mềm có khả n ăng cho độ ma sát bé h ơ n loại nền cứng - hạt mềm.
- Ít làm mòn cổ tr ục thép và chịu đượ c áp lực cao: bằng các hợ p kim mềm: Sn, Pb, Al,
Cu... Để nâng cao kh ả n ăng chịu áp lực: đúc tráng hay gắn ép lên trên máng thép C8s.
- Tính công nghệ t ốt: dễ đúc, khả n ăng dính bám vào máng thép cao...
- R ẻ ti ền. H ợ p kim ổ tr ục ra làm hai nhóm l ớ n: tu ỳ theo nhiệt độ chả y.
6.3.2. Hợ p kim ổ trượ t có nhiệt độ chảy thấp
Là hợ p kim các kim loại dễ ch ảy: Sn, Pb... gọi là babit (babbitt).
6.3.2.1. Babit thiếc (do Babbitt (ngườ i Anh) tìm ra)
Dùng làm các ổ tr ượ t quan tr ọng vớ i tốc độ l ớ n và trung bình như trong tuabin, động cơ
điêzen. 2 mác: 83%Sn-11%Sb-6%Cu (ГOCT Б83, UNS L13820)
88%Sn-8%Sb-3%Cu-1%(Ni+Cd) (ГOCT Б88, UNS L13890).
Tổ ch ức: nền mềm: dung dịch r ắn α - Sn(Sb) (màu x ẫm), hạt cứng: pha β' là SnSb (mảng
sáng đa cạnh) (hình 6.14) và kim Cu3Sn (hay Cu6Sn5), tác dụng chính của nó là tránh thiên
tích (SnSb do nặng nên có xu hướ ng chìm xuống dướ i, nhờ Cu3Sn k ết tinh sớ m tạo khung
ngăn cản). Loại sau vớ i nhiều Sn, ít Sb hơ n nên trong tổ ch ức hầu như không có SnSb, vài trò
hạt cứng chỉ do Cu3Sn d ạng kim, dạng sao đảm nhiệm.
6.3.2.2. Babit chì
Là hợ p kim trên cơ s ở Pb v ớ i 6 ÷16%Sn, 6 ÷ 16%Sb và ~1%Cu
Tổ ch ức: nền mềm là cùng tinh (Pb + Sb), hạt cứng: SnSb, Cu3Sn 2 mác Б6 (vớ i 6%Sn,
6%Sb) và Б16 (vớ i 16%Sn, 16%Sb), trong đó Б16 có nhiều hạt cứng hơ n, giòn hơ n chỉ dùngtrong điều kiện không chịu và đậ p. Б6 đượ c dùng nhiều hơ n để thay Б83, Б88 trong các động
cơ x ăng, chịu và đậ p hơ n và r ẻ h ơ n.
Sau đ ây là các hợ p kim ổ tr ượ t có nhiệt độ chả y cao hơ n.
6.3.3. Hợ p kim nhôm
Hợ p kim Al: ma sát nhỏ, nhẹ, tính dẫn nhiệt cao, bền ăn mòn tốt trong dầu, đặc biệt là cơ
tính cao hơ n, tuy tính công nghệ h ơ i kém.
Các mác thườ ng gặ p: ГOCT AO 9-2 (9%Sn, 2%Cu), AA 851.0 (6%Sn, 1%Cu) đượ c dùng
ở tr ạng thái đúc làm bạc hay ống lót dày > 10mm hoặc bimêtal ổ tr ượ t bằng hợ p kim Al chịu
đượ c áp lực cao (200 ÷ 300kG/mm2), tốc độ vòng l ớ n (15 ÷ 20m/s), dùng nhiều trong độngcơ điêzen.
6.3.4. Các hợ p kim khác
Brông thiếc vớ i các mác CDA 836, ГOCT БрOЦC5-5-5 (đúc) và CDA 544, ГOCT БрOЦC4-
4-4 (biến dạng), trong đó Pb không tan là các hạt mềm, nền cứng là Cu hòa tan Sn, Zn.
Brông chì thườ ng dùng vớ i mác ГOCT БрC30 (30%Pb), vớ i các phần tử Pb không tan là
hạt mềm, Cu là nền cứng.
6.4. Hợ p kim bột
6.4.1. Khái niệm chung6.4.1.1. Công nghệ bột
So sánh công nghệ truy ền thống và công nghệ b ột:
VL ban đầu → ph ối liệu → n ấu chảy → đúc → bi ến dạng → gia công c ắt → s ản phẩm
VL ban đầu → b ột → ph ối liệu → ép → thiêu k ết → s ản phẩm
Tạo bột kim loại hay hợ p kim: nghiền (cho vật liệu giòn), phun loại lỏng vào môi tr ườ ng
nguội nhanh (trên tang đồng hay trong nướ c, khí áp suất cao), hoàn nguyên từ ôxyt, điện
phân, CVD, PVD, ...
- Tạo hình: ép, nén dướ i áp suất 100 ÷ 1000MPa, tùy theo yêu cầu về kh ối lượ ng riêng.
Muốn đượ c khối lượ ng riêng lớ n và đồng đều phải ép vớ i áp suất lớ n và rung cơ h ọc, ép nungnhiều lần.
Thiêu k ết là nguyên công k ế ti ế p việc tạo hình bột kim loại. Thiêu k ết bao gồm việc nung
nóng bột kim loại ép ở g ần nhiệt độ nóng ch ảy của cấu tử chính, gi ữ nhi ệt một thờ i gian để t ạo
ra mối liên k ết bền vững giữa các hạt nhằm tạo ra cơ , lý, hoá tính cần thiết cho vật liệu.
• Nhiệt độ thiêu k ết: Ttk = (2/3÷3/4)TC (T C là T ch ảy của cấu tử chính, K). Trong quá trình
thiêu k ết, sản phẩm sẽ co l ại, mật độ t ăng lên. Có thể k ết hợ p hai khâu ép và thiêu k ết bằngcách ép nóng, có thể đạt đượ c mật độ cao nh ất
• Thờ i gian thiêu k ết:
15-120 min, dài quá làm hạt thô, cơ tính x ấu.
Thờ i gian thiêu k ết ảnh hưở ng tớ i độ h ạt tinh thể v ật liệu bột. Thờ i gian thiêu k ết quá
ngắn, các quá trình khuếch tán và k ết tinh lại chữa xảy ra triệt để có th ể d ẫn tớ i vật liệu không
đủ b ền. Thờ i gian thiêu k ết quá dài làm cho hạt tinh thể thô to và c ũng giảm độ b ền. Thờ i gian
nung khi thiêu k ết phụ thu ộc vào tr ọng lượ ng mẻ nung, ch ế độ truy ền nhiệt và cách sắ p xế p
chi tiết trong lò. Thờ i gian giữ nhi ệt khi thiêu k ết phụ thu ộc vào kích thướ c chi tiết, thông
thườ ng chọn từ 1÷3 gi ờ .
• Môi tr ườ ng thiêu k ết:
Chân không hoặc khí bảo vệ : H2, N2, Ar, He,…
Các vật liệu kim loại và hợ p kim r ất dễ b ị ôxy hoá khi nung do ti ế p xúc vớ i môi tr ườ ng
nung. Đặc biệt trong vật liệu bột, do ảnh hưở ng của lỗ x ố p nên quá trình ôxy hoá càng đượ c
thúc đẩy mạnh hơ n, có thể ôxy hoá vào t ận lõi chi tiết. Do đó môi tr ườ ng thiêu k ết thườ ng là
môi tr ườ ng khử nh ư trong khí H 2, CO2 hoặc NH3 nhi ệt phân. Môi tr ườ ng khí bảo vệ ho ặc khí
tr ơ nh ư Ar, N 2, He cũng đượ c sử d ụng. Đôi khi cũng sử d ụng quá trình thiêu k ết chân không.
Trong tr ườ ng hợ p thiêu k ết nhiều loại bột ta có 2 tr ườ ng hợ p: có xuất hiện pha lỏng và không.Không xuất hiện pha lỏng: 2 loại bột không tạo dung dịch r ắn vớ i nhau → b ột có TC thấ p
sẽ k ết khối bao quanh bột có nhiệt độ ch ảy cao (Cu-W). Nếu giữa chúng có tạo thành dung
dịch r ắn, tuỳ theo m ức độ thiêu k ết (Ttk & τ) có thể nh ận đượ c ddr ắn + xố p (Cu-Ni).
Có xuất hiện pha lỏng: Ttk <TC c ủa cấu tử chính, T tk >TC c ủa cấu tử nào đó hoặc cùng tinh.
Điề u kiện: tỷ l ệ pha l ỏng < 30% thể tích.
Đặc đ iể m: xít chặt cao, τ thiêu ng ắn, sai lệch kích thướ c lớ n (5-25%), ví dụ: WC- Co, Co lỏng.
• Các loại:
1. Thiêu k ết dướ i áp lực: xít chặt cao, xố p thấ p, bao gồm:
-Ép ở nhi ệt độ cao (1500÷2500 oC), khuôn gr, lực ép P=30MPa, độ xít ch ặt 95÷98%, dùngcho hợ p kim cứng cacbit, nitrit, borit không cần chất dính.
-Ép ở nhi ệt độ trung bình (800÷1100 oC), khuôn kim loại, P=200MPa, dùng cho VL k ết cấu.
2. Thiêu k ết dướ i áp lực và phóng điện: (Spark Pressing), Nhật, Mỹ, P=100MPa, dướ i
điện tr ườ ng mạnh → phóng điện trong vài giây: phủ h ợ p kim cứng lên bề m ặt chi tiết, dao cắt,
tiế p điểm
3. Ép nóng đẳng t ĩ nh: (HIP – Hot Isostatic Pressing) T=1000÷1500oC, P=100÷200Mpa,
trong Ar, dùng cho các chi tiết máy, dụng cụ,…
6.4.1.2. Ư u, nhượ c điểm của phươ ng pháp- Hiệu quả kinh t ế - k ỹ thu ật cao nếu sản lượ ng lớ n vì đầu tư ban đầu cao;
- Nguyên liệu bột đượ c sử d ụng gần như tri ệt để, không hay ít phải gia công cắt, sửa;
- V ề ch ất lượ ng: dễ b ảo đảm độ đồng nhất, chính xác thành phần → đều tổ ch ức và tính chất;
- Một số s ản phẩm chỉ có th ể ch ế t ạo bằng công nghệ b ột: vật liệu cứng, siêu cứng, bạc xố p...
- Nhượ c: Cấu trúc không xít chặt (độ x ố p thay đổi r ộng từ 2 đến 50%), có cơ tính không
cao. Đầu tư ban đầu lớ n, cũng hao phí khi tạo bột → đắt, chi tiết phức tạ p khó đều lực ép.
6.4.2. Vật liệu cắt và mài
Ứ ng dụng quan tr ọng nhất trong Cơ khí là làm dao c ắt bằng hợ p kim cứng và đá mài.6.4.2.1. Hợ p kim cứ ng
Hợ p kim cứng có tính cứng nóng cao nhất 800÷1000oC, tốc độ c ắt có thể t ớ i hàng tr ăm
m/min.
H ợ p kim cứ ng là lo ại vật liệu có khả n ăng cắt gọt r ất cao, có độ c ứng r ất lớ n (lên tớ i 70 ÷
92 HRC) và độ b ền chịu nhiệt tớ i 10000C. Mặc dù nó r ất đắt nhưng vẫn đượ c dùng nhiều do
nó không phải nhiệt luyện, có thể c ắt vớ i tốc độ cao h ơ n 3 lần so vớ i thép gió. Dao hợ p kim
cứng có thể c ắt đượ c các thép cứng mà dao thép gió không thể c ắt đượ c.
Thành phần hóa học và cách chế t ạo:
WC (chiếm tỷ l ệ cao nh ất), TiC, TaC r ất cứng và nhiệt độ ch ảy r ất cao, r ất ổn định, Co làm
chất dính k ết, nhờ v ậy bảo đảm độ b ền, độ c ứng, cứng nóng r ất cao, không phải qua nhiệt luyện.
- Tạo bột cacbit bằng cách hoàn nguyên WO bằng hyđrô ở 700÷900 oC đượ c bột W r ồi
đem nghiền, sàng lấy cỡ h ạt nhỏ 0,10÷0,15 đến 3÷5μm, sau đó tr ộn bột W vớ i bồ hóng và
nung lên 1400oC trong 1h để đượ c bột WC.
- Tr ộn bột cacbit vớ i bột Co trong nhiều giờ cho th ật đều r ồi đem ép thành lưỡ i cắt nhỏ,
hình dạng đơ n giản, P=100-400 Mpa
- Nung phôi ép sơ b ộ ở 900 oC - 1h, ép tạo hình chính xác và độ bóng yêu c ầu, P>400Mpa
Thiêu k ết: nung ở nhi ệt độ cao (1450-1500o
C) để Co bi ến mềm, bắt đầu chảy, dính chặtcác hạt cacbit vớ i nhau thành khối chắc.
Phân loại và các mác: Có ba nhóm: một, hai và ba cacbit (bảng 6.6).
T ổ chứ c và cơ tính:
Tổ ch ức tế vi: g ồm các hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng) liên k ết vớ i nhau bằng Co (màu tối)
Độ x ố p (~ 2%). Không có C dư (b ồ hóng) trong t ổ ch ức vì nó gây ra điểm mềm.
Khi làm dao, miếng hợ p kim cứng nhỏ đượ c hàn (hàn đồng) hay k ẹ p vào thân dao bằng
thép C45 có độ b ền uốn và độ d ẻo tốt, sẽ tránh các nh ượ c điểm trên của hợ p kim cứng.
6.4.2.2. Các vật liệu siêu cứ ng.
Ngoài hợ p kim cứng là vật liệu cắt gọt có năng suất cao đượ c chế t ạo bằng công nghệ b ột,hiện nay ngườ i ta còn sử d ụng nhiều vật liệu cắt gọt có tính ưu việt hơ n đó là vật liệu siêu cứng.
Trong số các v ật liệu siêu cứng kim cươ ng chiếm vị trí hàng đầu sau đến bo nitrua.
Kim cươ ng có hệ s ố ma sát nh ỏ, chịu mài mòn tốt, có độ c ứng 100.000 HV, cao hơ n
khoảng 5 ÷ 6 l ần độ c ứng của các bít vôn fram và 8 lần so vớ i thép gió. Nhượ c điểm chủ y ếu
của kim cươ ng là giòn và có độ ch ịu nhiệt chỉ đến 8000C (khi bị nung cao h ơ n nó sẽ b ị
graphít hóa), hơ n nữa giá thành của nó r ất cao nên kim cươ ng còn đượ c sử d ụng hạn chế. Tuy
nhiên tính chịu nhiệt không cao của kim cươ ng đượ c bù lại bằng tính dẫn nhiệt cao hơ n 1,5 ÷
2,5 lần so vớ i hợ p kim cứng. Hiện nay, ngoài kim cươ ng tự nhiên ng ườ i ta còn dùng cả kimcươ ng nhân tạo để ch ế t ạo dụng cụ c ắt.
Bo nitrua c ũng có kiểu mạng tinh thể nh ư kim c ươ ng và tính chất gần giống kim cươ ng.
Nó có độ c ứng gần bằng kim cươ ng (90.000HV) nhưng có độ ch ịu nóng cao hơ n (12000 C) và
tr ơ v ề m ặt hóa học.
6.4.2.3. Vật liệu làm đĩ a cắt
Dao (đĩ a) cắt bằng kim cươ ng nhân tạo hay nitrit bo (BN) đượ c dùng r ộng rãi trong cắt
kim loại, đá. Chúng là các vật liệu siêu cứng (HV 8000 ÷ 10000). Có thể có các d ạng sau:
- Bột kim cươ ng tr ộn vớ i 1 ÷ 2% bột B, Be hoặc Si (chất dính k ết) đượ c ép nóng dướ i áp
suất cao tớ i 12GPa ở nhi ệt độ kho ảng 3000oC, đạt đượ c HV 8000.
- Bột kim cươ ng hoặc bột BN r ải lên bề m ặt hợ p kim cứng r ồi ép nóng dướ i áp suất 5 ÷8GPa ở kho ảng 1800oC, lúc đó một phần nhỏ Co, th ậm chí cả W, Ti c ủa hợ p kim cứng tiết ra
thành chất dính k ết vớ i lớ p siêu cứng, đạt HV 5000 ÷ 8000.
- Bột kim cươ ng hoặc bột BN tr ộn vớ i khoảng 20 ÷ 30% bột kim loại (chất dính k ết), ép nóng
dướ i áp suất 3 ÷ 6GPa ở 1200 ÷ 1600 oC, đạt HV 4000 ÷ 5000, thích hợ p vớ i dụng cụ c ắt đá.
Kim cươ ng tuy có độ c ứng cao nhất (HV 10000) nhưng lại bị h ạn chế nhi ệt độ s ử d ụng
(khi cắt vớ i tốc độ cao, cacbon khu ếch tán vào sắt, thép) nên dao cắt vớ i BN có ưu việt hơ n.
Ví dụ có th ể c ắt gang xám vớ i tốc độ 1800 ÷ 2000 m/min.
6.4.2.4. Vật liệu mài
Bột mài: (SiO2), êmêri (hỗn hợ p tự nhiên c ủa Al2O3), Al2O3, SiC, BN lậ p phươ ng,kim cươ ng.
đặc điểm: chịu nhiệt cao, bền vớ i xỉ ki ềm, môi tr ườ ng nóng chảy kiềm tính; thuỷ
tinh kiềm, xỉ luy ện kim Bazơ , lò xi măng, xây lò hồ quang luy ện thép chất lượ ng cao.
• Vật liệu chịu lửa trên cơ s ở graphit và SiC: Samôt graphit 6÷60%gr - n ồi nấu kim loạiưu điểm dẫn nhiệt nhanh, không thấm ướ t kim loại lỏng, bền nhiệt
• Vật liệu chịu lửa cách nhiệt là các vật liệu chịu lửa khi chế t ạo đưa vào 45-80% khí nên
xố p nhẹ. Thườ ng đượ c xây phí ra ngoài để cách nhi ệt. Ngày nay còn dùng vật liệu sợ i để cách
nhiệt (sợ i cacbon, sợ i thuỷ tinh,…): samôt nh ẹ, Đinat nhẹ, Bêtông chịu lửa nhẹ,…
7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh
7.2.2.1.Thuỷ tinh
• Cấu trúc vô định hình đượ c tạo bằng cách nguội nhanh vật liệu vô cơ nóng ch ảy – tính
chất vô định hình là vật liệu một pha đồng nhất.
• Khái niệm thuỷ tinh còn để ch ỉ chung các v ật liệu có cấu trúc vô đinh hình: Thuỷ tinh
hữu cơ , thuỷ tinh vô c ơ , thuỷ tinh kim lo ại.
• Công nghệ ch ế t ạo: Nguyên liệu: cát tr ắng SiO2, sôda Na2CO3, đá vôi CaCO3, tràng
thạch (K,Na)AlSi3O8, đôlômit CaCO3.MgCO3,... Phối liệu - nấu chảy (1400-1500oC), tạo hình
(500-600oC) → mài, đánh bóng → t ạo vân hoa → s ản phẩm.
• Vật liệu thuỷ tinh có tính ch ất quang học đặc biệt.
7.2.2.1.1. Thuỷ tinh kiềm- kiềm thổ - silicat
• Thông dụng nhất, nguyên liệu chính để s ản xuất là cát tr ắng, đá vôi (tạo CaO), đôlômit
(tạo MgO) và sôda (tạo Na2O), thành phần: 65-75%SiO2, 8-15% CaO, 12-18% Na20.
• R ẻ ti ền (ngoài các tính chất chung của thuỷ tinh là: trong su ốt, bền hoá, xít kín, độ b ền
cơ và nhi ệt đạt yêu cầu, nên dùng nhiều trong xây dựng, bao bì (chai), hoá chất, dượ c phẩm,
thực phẩm, đồ gia d ụng, vỏ bóng đèn điện, màn hình ti vi...
• Biện pháp tăng bền
- Tôi ở nhi ệt độ x ấ p xỉ 900-1000 oC (nhiệt độ bi ến mềm - (10÷20oC) nguội nhanh
- Trao đổi ion: thay thế các ion Na b ằng các ion khác có kích thướ c lớ n hơ n trên bề m ặt tạo
ứng suất nén dư làm t ăng cơ tính: kính ô tô, c ốc tách, thuỷ tinh cách điện,..tăng bền 3-10 lần.- Tạo sợ i thuỷ tinh d<100 μm có độ b ền cao (σK ~1000-1500 MPa ) do ít khuy ết tật, hiệu
ứng siêu tôi do nguội đột ngột ở nhi ệt độ cao → siêu đẳng hướ ng - cách âm, cách nhiệt dùng
cho compozit.
Ngoài ra thuỷ tinh này còn t ạo khối xố p nên cách nhiệt, cách âm 150-400g/dm3.
7.2.2.1.2. Thuỷ tinh Boro- Silicat và Alunino-silicat
Công d ụng: ch ế t ạo dụng cụ hoá h ọc, đo lườ ng, ống dẫn bình phản ứng, vật liệu k ỹ thu ật
điện, ấm chén chịu nhiệt, nồi chảo đun nấu, vật liệu sợ i của thuỷ tinh nhóm này glass E
7.2.2.1.3. Thuỷ tinh chì silicat
Chỉ s ố khúc x ạ (n) cao làm đồ quang h ọc (10-18%Pb), phalê18-35%, thành phần SiO2-
PbO-Na2O/K
2O
Tạ p chất gây màu: Fe2O3 c ần hạn chế <0,01%
Thuỷ tinh phalê 40-80%PbO trong su ốt ngăn tia X.
7.2.2.1.4. Thuỷ tinh thạch anh
Thuỷ tinh đơ n oxit SiO2 nhi ệt độ ch ảy 1700oC r ất cao, khó chế t ạo
Hai loại: thuỷ tinh th ạch anh trong suốt, không trong suốt có chứa bọt khí và chữa đồng
chất hoàn toàn
Trong suốt: hệ s ố dãn n ở nhi ệt nhỏ b ền xung nhiệt và chịu nhiệt cao chế t ạo dụng cụ và
thiết bị ch ịu nhiệt cao
Thuỷ tinh th ạch anh tinh khiết cao đèn phát tia tử ngo ại
Thuỷ tinh th ạch anh tinh khiết + B2O3: cáp quang
Thuỷ tinh th ạch anh không trong suốt: 5-7% bọt khí độ b ền cơ h ọc thấ p hơ n chế t ạo chén
nấu, dụng cụ thi ết bị ch ịu nhiệt, bền hoá.
7.2.2.2. Gốm thuỷ tinh
- Định nghĩ a: là vật liệu có tổ ch ức k ết hợ p giữa thuỷ tinh và tinh th ể, bao gồm 1 hoặc
nhiều pha tinh thể phân b ố trên n ền vô định hình
- V ề mặt thành phần hóa học: gốm thủy tinh cũng có thành phần tươ ng tự nh ư th ủy tinh
(ví dụ SiO 2 - Al 2O3 - Na 2O)- Cách chế t ạo: Chế t ạo thủy tinh gốc (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó
đượ c xử lý nhi ệt theo chế độ xác định để t ạo pha tinh thể, gồm các vi tinh thể (< 1 μm) vớ i
tổng thể tích 60 ÷ 95%, phân b ố đều trên nền pha vô định hình, ở đây pha vô định hình đóng
vài trò chất liên k ết.
Các loại thủy tinh gốc thườ ng gặ p: SiO2-Al2O3-LiO2, SiO2-Al2O3-MgO và SiO2-Al-2O3-
Na2O
Các chất xúc tác tạo mầm như Pt, TiO 2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit...
Tính chất của gốm thuỷ tinh là do pha tinh th ể khác nhau v ớ i tỷ l ệ, kích thướ c, hình dạng
và sự phân b ố khác nhau quy ết định như: không gian nở nhi ệt, có độ b ền cơ h ọc cao và chịumài mòn cao, dễ t ạo hình bằng gia công cơ khí, có tính ch ất điện từ đặc biệt, có tính sinh học
(dễ c ấy ghép vào tế bào x ươ ng, cơ c ủa cơ th ể s ống).
7.2.3. Ximăng
7.2.3.1. Bản chất
Là vật liệu tạo thành nhờ s ự k ết dính các thành phần vật liệu r ắn vớ i nhau ở nhi ệt độ
thườ ng nhờ ch ất dính k ết. Bêtông là loại vật liệu xây dựng quan tr ọng hàng đầu, đượ c tạo
thành nhờ liên k ết các cốt liệu r ắn (sỏi, cát) bở i chất dính k ết là ximăng poclan + nướ c, sau
khi ximăng đóng r ắn vật liệu tr ở nên li ền khối, vững chắc.7.2.3.2. Ximăng
Quá trình này phát triển từ b ề m ặt các hạt ximăng và tiế p tục vào bên trong hạt theo sơ đồ
hyđrat hóa ở các giai đoạn (hình 7.1):
- Tr ạng thái ban đầu: hỗn hợ p vữa ximăng gồm cát, ximăng và nướ c (hình a),
- Hyđrat hóa một phần của ximăng, bwớ c đầu nối các hạt cát vớ i nhau (hình b),- Hyđrat hóa hoàn toàn và dính k ết các hạt cát nhờ pha tinh th ể hy đrat hóa (c).
Ximăng đủ m ịn và đượ c tr ộn vớ i đủ l ượ ng nướ c thì quá trình diễn ra hoàn toàn. Thiếu
nướ c một phần ximăng không đượ c phản ứng, thừa nướ c sẽ t ạo ra các lỗ, kênh chứa nướ c
làm cho vữa ximăng linh động, dễ tr ộn nhưng độ b ền sau khi đóng r ắn sẽ b ị gi ảm.
Sau hyđrat hóa là giai đoạn k ết tinh, tạo ra các tinh thể hy đrat vớ i kích thướ c 10÷100nm
làm cho khối vật liệu tr ở nên v ững chắc và có khả n ăng chịu tải.
Độ b ền của ximăng, "mác" ximăng, là giớ i hạn bền nén của mẫu vữa ximăng – cát (tiêu
chuẩn) vớ i tỷ l ệ 1: 3 sau 28 ngày b ảo dưỡ ng trong điều kiện quy định. Ví dụ, theo TCVN
2682 - 1992, PC 30 có ngh ĩ a là Portland Cement vớ i giớ i hạn bền nén là 30MPa.
Là hợ p chất gồm các phân tử đượ c hình thành do sự l ặ p lại nhiều lần của một hay nhiềuloại nguyên tử hay m ột nhóm nguyên tử ( đơ n vị c ấu tạo = monome) liên k ết vớ i nhau vớ i số
lượ ng khá lớ n để t ạo nên một loạt tính chất mà những tính chất này thay đổi không đáng k ể
khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơ n vị c ấu tạo.
Phân loại
Theo nguồn g ố c hình thành: Polyme thiên nhiên, polyme tổng hợ p
. Polyme thiên nhiên: nguồn gốc thực vật, động vật: xenlulo, cao su, Protein.
Polyme nhiệt rắn (thermoset): là các polyme hay oligome (polyme có kh ối lượ ng phân tử
không cao lắm) chúng thườ ng có cấu trúc không gian. Đượ c chế t ạo từ các polyme m ạch thẳng,
hoặc nhánh bé nấu chảy + cho thêm vào các chất đóng r ắn → t ạo hình dướ i tác dụng xúc tác
của các chất đóng r ắn → chuy ển thành mạch không gian không thuận nghịch.
Khác polyme nhiệt dẻo, polyme nhiệt r ắn ở nhi ệt độ cao không b ị ch ảy mềm và không hoà
tan vào dung môi thành polyme nhiệt r ắn, không có khả n ăng tái sinh.Phân loại theo l ĩ nh vực áp dụng: chất dẻo, sợ i, cao su, sơ n, keo tính chất và áp dụng sẽ đượ c
trình bày sau.
8.1. Đặc điểm của vật liệu hữ u cơ
8.1.1. Hình thành vật liệu polyme
Nguyên vật liệu ban đầu cho vật liệu polyme:
Ngày nay công nghiệ p hoá dầu cung cấ p nguyên liệu sản xuất ra các polyme do đó hoá
dầu → ↑ công nghi ệ p polyme → kích thích công nghi ệ p hoá dầu.
Ba phươ ng pháp chính để s ản xuất các hợ p chất trung gian này:
- Tách cácbua hydro riêng biệt trong dầu mỏ sau đó chuyển thành các hợ p chất cần thiết:
n-butan = butaduen và xyclohexan bằng monome nylon
- Tách các olefin của quá trính cracking → hydro cacbon m ạch thẳng
- Tạo các hợ p chất thơ m: Benzen bằng quá trình platforming → hydro cacbon th ơ m các
hợ p chất trung gian tạo bằng các phươ ng pháp trên → oxy hoá, halogen hoá, hydrat hoá.. →
hợ p chất khác.
Các phươ ng pháp t ổ ng hợ p polyme
I. Phươ ng pháp trùng hợ p: Các monome dùng để trùng h ợ p là các hợ p chất đơ n giản có
khối lượ ng phân tử th ấ p, có chứa các nối đôi.Ví dụ n(CH2=CH2) : CH2=CH2 → -CH2-CH2-
Đa số polyme nhi ệt dẻo trùng hợ p theo phươ ng pháp này
Để trùng h ợ p phải có các tác nhân: tia giàu năng lượ ng, nhiệt hoặc dùng chất khở i tạo cơ
chế trùng h ợ p dùng chất khở i tạo qua ba giai đoạn:+ Khở i đầu: tạo các gốc tự do c ủa beroxytbenzoil:
các gốc tự do (R ) k ết hợ p vớ i monome tạo gốc tự do m ớ i:
8.1.4. Mứ c độ k ết tinh của Plyme và tính chất cơ họcĐ/n: Polyme tinh thể là lo ại polyme mà các mạch phân tử s ắ p xế p có tr ật tự (th ườ ng là
song song vớ i nhau).
Phân tử polyme c ồng k ềnh nên chỉ có th ể k ết tinh một phần. Tỷ l ệ k ết tinh:
K = C S
S C
( a)
( a)
ρ ρ ρ
ρ ρ ρ
−
−
Trong đó ρS, ρC, ρa lần lượ t là khối lượ ng riêng của polyme khảo sát, polyme tinh thể hoàn
toàn và polyme vô định hình hoàn toàn. Polyme tinh thể có kh ối lượ ng riêng lớ n nhất ρC > ρS
> ρa vì mạch xế p xít chặt hơ n nên cơ tính cao h ơ n 0<k<95%.K phụ thu ộc vào tốc độ ngu ội, cấu tạo phân tử: nguội nhanh, phân tử c ồng k ềnh phức tạ p
nhiều mạch nhánh → khó k ết tinh. Polyme cấu trúc mạch không gian, copolyme xen k ẽ là
loại vô định hình.
Polyme tinh thể c ấu trúc gồm các hạt gọi là các tiểu cầu trong mỗi hạt lại có các lớ p tinh
thể và vô định hình xen k ẽ nhau. D ướ i tác dụng của lực các lớ p tinh thể b ị tr ượ t lên lớ p vô
định hình và lớ p vô định hình cũng bị bi ến dạng làm cho polyme có tính định hướ ng và tăng
độ b ền. Polyme vô định hình, hoặc polyme có tỷ l ệ k ết tinh thấ p dướ i tác dụng của tải tr ọng
dài có xu hướ ng chảy nhớ t (biến dạng tr ễ). Nếu tăng thờ i gian đặt tải thì polyme phục hồi
càng lớ n, biến dạng lớ n. Nếu đặt tải tr ọng ngắn biến dạng không đáng k ể, chi tiết vẫn còn chịuđượ c.
Các polyme vô định hình có mạch phân tử cu ộn uốn khúc nhiều khi có lực tác động các
phân tử du ỗi ra, bỏ l ực tác dụng các phân tử l ại co lại đàn hồi như cao su. Ở nhi ệt độ cao
polyme thủy tinh hoá có cấu trúc vô định hình nên tính dẻo tăng và tính bền giảm. Ở nhi ệt độ
thấ p độ linh động mạch nhỏ d ẫn đến polyme có xu hướ ng giòn (phá huỷ giòn). Polyme dãn
nở nhi ệt nhiều hơ n kim loại chi tiết lắ p ghép vớ i kim loại cần lưu ý.
8.2. Các polyme thông dụng và ứ ng dụng
8.2.1. Chất dẻo: Sản lượ ng cao nhất hiện nayĐịnh ngh ĩ a:
Là vật liệu có thể bi ến dạng mà không bị phá hu ỷ và có th ể định hình vớ i áp lực thấ p.
Hai nhóm:
Polyme nhiệt dẻo: gia công tạo hình ở nhi ệt độ cao h ơ n nhiệt độ thu ỷ tinh hoá áp l ực phải
duy trì (ép khuôn) đến khi làm lạnh sản phẩm đến bảo tồn hình dạng. Khả n ăng tái sinh sản
phẩn đến kinh tế; tạo hình làm năng suất thấ p.
Nhóm polyme nhiệt r ắn: sản xuất hai giai đoạn: Giai đoạn 1 là tổng hợ p polyme mạch
thẳng, lỏng, có khối lượ ng phân tử th ấ p (trùng hợ p sơ b ộ polyme). Giai đoạn 2 cho chất đóng
r ắn (có thể không c ần) cùng vào khuôn ép và gia nhiệt. Dướ i tác dụng của chất đóng r ắn hoặc
tác dụng nhiệt và lực ép polyme tr ở nên c ấu trúc không gian, đóng r ắn và có thể r ỡ khuôn
ngay. Polyme nhiệt r ắn chịu nhiệt độ cao, không nóng ch ảy lại, không có khả n ăng tái sinh.
Đúc (áp lực) là phươ ng pháp tạo hình chủ y ếu. Các chất độn: bột oxit Al2O3, đất sét, oxit
Zn tr ộn lẫn tr ướ c khi cho vào khuôn hoặc cho vào khuôn tr ướ c r ồi đùn chất dẻo vào. Có hai
phươ ng pháp đúc thườ ng dùng hiện nay: ép đùn, cho polyme nhiệt dẻo, buồng ép gia nhiệt.
Pittông đẩy, ép polyme ở tr ạng thái lỏng nhớ t vào khuôn đến khi đông đặc- lấy sản phẩm 10-30s/sản phẩm. Đúc ép: phối liệu dạng bột (hạt) đượ c đưa vào lỗ khuôn, chày ép đóng kín
khuôn và gia nhiệt đồng thờ i trong thờ i gian 10-20s để đóng r ắn, tháo khuôn lấy sản phẩm,
thườ ng cho nhựa nhiệt r ắn.
8.2.2. Cao su (Elastome)
Lưu hoá cao su: đàn hồi ↔ c ấu trúc mạng lướ i thưa. Lưu hoá là phản ứng của cao su vớ i
lưu huỳnh ở nhi ệt độ đủ cao và không thu ận nghịch để t ạo cấu trúc lướ i thưa. Cao su chữa lưu
hoá thì mềm, dính, độ b ền thấ p. Sau khi lưu hoá độ b ền, tính đàn hồi, tính bền hoá học tăng
lên tr ở thành polyme nhi ệt r ắn. Lượ ng lưu huỳnh tăng thì tăng cứng giảm độ dãn dài nên ch ỉ
dùng từ 1 đến 5%.
Mềm dính S= 1-5% khối lượ ng cao su có đặc điểm polyme nhiệt r ắni và O cao su silicon có thể l ưu hoá bền nhiệt và bền trong dầu.
8.2.3. Sợ i polyme
Đặc điểm và ứng dụng
Yêu cầu vớ i polyme dùng làm sợ i:
- Có khả n ăng kéo thành sợ i dài đến tỷ l ệ 100: 1 gi ữa chiều dài và đườ ng kính.
- Đáp ứng các yêu cầu: đủ b ền, chịu mài mòn, cách nhiệt, điện, ổn định hóa học vớ i
môi tr ườ ng.
Các polyme đượ c dùng để kéo s ợ i là polyamit, polyeste PTE...
8.2.4. Màng
Màng (foil) là vật liệu phẳng, mỏng có chiều dày từ 0,025 đến 0,125mm. Màng chủ y ếu
đượ c dùng để làm túi, bao bì th ực phẩm và các hàng hóa khác.
Yêu cầu đối vớ i polyme làm màng:
Khối lượ ng riêng nhỏ, độ m ềm dẻo, độ b ền kéo, xé rách cao, bền vớ i nướ c, độ th ấm các
loại khí nhất là hơ i nướ c phải thấ p.
Thườ ng dùng polyetylen, polypropylen.
Đa số màng đượ c sản xuất bằng cách đùn qua qua một khe hẹ p của khuôn, sau đó qua tr ục
để cán gi ảm chiều dày và tăng độ b ền.8.2.5. Chất dẻo xốp (foarms)
Là vật liệu k ết hợ p 2 hoặc nhiều vật liệu khác nhau để phát huy tính t ốt của mỗi loại vậtliệu thành phần.
9.1.1. Quy luật k ết hợ p
Vậy compozit là loại vật liệu nhiều pha khác nhau về m ặt hóa học, hầu như không tan vào
nhau, phân cách nhau bằng ranh giớ i pha, k ết hợ p lại nhờ s ự can thi ệ p k ỹ thu ật của con ngườ i
theo những ý đồ thi ết k ế tr ướ c, nhằm tận dụng và phát triển những tính chất ưu việt của từng
pha trong compozit cần chế t ạo.
9.1.2. Đặc điểm và phân loại
9.1.2.1. Đặc điểm
- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thườ ng r ất khác nhau về b ản chất, không hòa tan lẫnnhau thườ ng là 2 pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn.
- Nền và cốt có tỷ l ệ, hình dáng, kích thướ c và sự phân b ố theo thi ết k ế đã định tr ướ c.
- Tính chất của compozit chịu ảnh hưở ng của các pha nhưng không phải là cộng đơ n thuần
các tính chất của chúng khi đứng riêng r ẽ mà ch ỉ ch ọn lấy những tính chất tốt và phát huy
thêm.
9.1.2.2. Phân loại
Theo bản chất của nền có: compozit nền chất dẻo (polyme), nền kim loại, nền ceramic và
nền hỗn hợ p nhiều pha.
Theo dạng hình học của cốt: compozit cốt hạt, compozit cốt sợ i.
Theo cấu trúc: lớ p, kiểu đá ong…
9.1.3. Liên k ết nền - cốt
9.1.3.1. Cốt
Là pha không liên tục, tạo nên độ b ền, môđun đàn hồi (độ c ứng vững) cao cho compozit,
do vậy cốt phải bền, nhẹ. Cốt có thể là: kim lo ại, ceramic và polyme.
9.1.3.2. Nền
Nền là pha liên tục có tác dụng:
- Liên k ết toàn bộ các ph ần tử thành m ột khối thống nhất.- Tạo hình chi tiết theo thiết k ế.
- Che phủ, bảo vệ c ốt tránh các hư h ỏng do các tác động hóa học, cơ h ọc và của môi
tr ườ ng.Thườ ng nền là: kim loại, ceramic, polyme và hỗn hợ p.
9.1.3.3. Liên k ết nền - cốt
- Liên k ết cơ h ọc, nhờ l ực ma sát giữa cốt và nền như ki ểu bêtông cốt thép có gân (đốt).
- Liên k ết nhờ th ấm ướ t do năng lượ ng sức căng bề m ặt.
- Liên k ết phản ứng, phản ứng tạo hợ p chất dính chặt cốt vớ i nền-đây là loại liên k ết
T-D Nickel (Thoria Dispersed Nickel): nền là niken (Ni), cốt là các phần tử ôxyt tôri
ThO2 ~ 2% song ở d ạng r ất nhỏ m ịn, nằm phân tán và ổn định nhiệt, làm việc lâu dài ở
1000 ÷ 1100oC, không bị ăn mòn tinh giớ i như thép không g ỉ nên là v ật liệu quý trong hàng
không, vũ tr ụ, chế t ạo tuabin, ống dẫn, bình áp lực làm việc ở nhi ệt độ cao d ướ i tác dụng của
môi tr ườ ng ăn mòn.
9.3. Compozit cốt sợ i
Compozit cốt sợ i là loại compozit k ết cấu quan tr ọng nhất vì nó có độ b ền riêng và môđun
đàn hồi riêng cao. Nền và cốt sợ i đều là các vật liệu nhẹ. Tính chất của compozit cốt sợ i phụ
thuộc vào bản chất vật liệu cốt và nền, độ b ền liên k ết trên ranh giớ i pha, sự phân b ố và địnhhướ ng sợ i (hình 9.1)... Ngườ i ta coi liên k ết nền - cốt là hoàn hảo để đơ n giản trong tính toán.
Hình 9.1. Sơ đồ phân b ố và định hướ ng cốt sợ i:a- một chiều, b- hai chiều vuông góc đan xen nhau
c. r ối ngẫu nhiên trong một mặt, d- ba chiều vuông góc.
9.3.1. Ảnh hưở ng của yếu tố hình học sợ i
9.3.1.1. Sự phân bố và định hướ ng sợ i
- Sợ i phân bố song song v ớ i nhau theo một phươ ng (hình 9.1a), độ b ền theo phươ ng dọc
sợ i cao hơ n phươ ng vuông góc- sợ i phân bố 1 chi ều.
- Sợ i đan vuông góc vớ i nhau (hình 9.1b), theo 2 tr ục sợ i độ b ền cao hơ n cả- kiểu dệt.
- Sợ i phân bố nhi ều phươ ng (r ối-hình 9.1c), compozit đẳng hướ ng theo tất cả các ph ươ ng
trên mặt.
- Sợ i đượ c phân bố 3 ph ươ ng vuông góc vớ i nhau như ở hình (9.1d) thì compozit có tính
đẳng hướ ng.
9.3.1.2. Ảnh hưở ng của chiều dài sợ i
Điều quan tr ọng là k ết cấu cốt sợ i phải tậ p trung tải tr ọng vào sợ i là pha có độ b ền cao.
Có 2 loại cốt sợ i: cốt sợ i ngắn và cốt sợ i dài.
Đối vớ i loại cốt sợ i ngắn: lực tác dụng sẽ gây bi ến dạng của nền nơ i liế p xúc giữa sợ i và
nền, một phần nền bị ch ảy (hình 9.2).
Cốt sợ i dài: khi LS ≥ l c m ớ i làm tăng một cách có hiệu quả độ b ền và độ c ứng vững củacompozit. Chiều dài tớ i hạn lc này ph ụ thu ộc đườ ng kính d của sợ i, giớ i hạn bền (σ b)S c ủa sợ i
và lực liên k ết giữa sợ i và nền (hay giớ i hạn chảy cắt của nền τm) theo biểu thức:
lc =( ) b S
m
dσ
τ ⋅ , đặt S =
( ) b S
m
σ
τ thì l c = S.d
Đối vớ i compozit sợ i thủy tinh hay sợ i cacbon, lc ~ 1mm hay S= 20÷150
Hình 9.2. Sơ đồ liên k ết giữa nền và cốt
Ngườ i ta quy ướ c:
- Khi l > 15lc, compozit là là loại cốt liên tục hay cốt sợ i dài,
- Khi l < 15lc, compozit là loại cốt sợ i không liên tục hay ngắn;
- Khi l < lc s ợ i không đủ dài để l ực bám không gây biến dạng nền bao quanh sợ i do đó
không đủ truy ền tải và đượ c coi như compozit h ạt.
Trên hình 9.3 trình bày sơ đồ c ấu trúc của loại compozit cốt sợ i trong đó loại cốt sợ i liên
tục thẳng hàng (thườ ng chỉ g ọi ngắn gọn là liên tục) như ở hình (a) là lo ại quan tr ọng hơ n cả
Gọi tỷ l ệ th ể tích s ợ i là VS c ủa nền là Vn = 1-V S. Khi chịu kéo theo phươ ng dọc tr ục sợ i và
coi liên k ết nền - cốt là hoàn hảo: εC = εS = εn. Tải tr ọng tác dụng lên compozit PC=PS+Pn,
trong đó PS, Pn l ần lượ t là tải tr ọng lên sợ i và lên nền.
Do đó:
σC.AC = σS. AS + σn. An
Trong đó: (AC, AS, An) là tiết diện ngang của compzit, sợ i và nền. Chia cả cho A C ta có:
S nC S n S S n n
C C
A A. . .V .VA A
σ σ σ σ σ = + = +
vì sợ i bằng nhau và phân bố đều nên AS/AC=VS và A n/AC=Vn, VS và V n là t ỷ l ệ th ể tích, do
đó:
σC = σSVS + σnVn = σSVS + σn(1-VS), thay σ=Eε
= + = ESVS + E n(1-VS) vì (εC=εS=εn=ε)
9.3.2.2. Khi kéo ngang
Lực kéo vuông góc vớ i tr ục sợ i (sợ i không chịu đượ c lực ngang) thì ứng suất tác dụng lêncác pha là như nhau và b ằng ứng suất tác dụng lên compozit là:
σc = σS = σn = σ
nên độ bi ến dạng của compozit bằng tổng biến dạng của cốt và nền:
εC = εS.VS + εn.Vn vìE
σ ε = nên S n
c S n
.V + .VE E E
σ σ σ =
Chia cả hai v ế cho σ, ta có:
S S n S nnc
c S n n S S n S S S n
V E .E E EV1= + E =
E E E V .E +V .E (1 V ).E V .E→ =
− + (9.13)
biểu thức này giống (9.2), đó là giớ i hạn dướ i của môđun đàn hồi của compozit hạt thô.
9.3.2.3. Ảnh hưở ng của hàm lượ ng sợ i
Ta thấy nếu tỷ l ệ th ể tích VS (hay còn g ọi là hàm lượ ng) của sợ i quá nhỏ thì s ợ i không đủ
tác dụng gia cườ ng cho compozit. Chỉ khi minS SV V> thì mớ i có tác dụng hoá bền. Giá tr ị
minSV có thể xác định theo công thức:
( )
( )nmin n
S b S
V σ σ
σ
−=
Trong đó: ( ) b nσ , ( ) b Sσ l ần lượ t là giớ i hạn bền của nền và của sợ i.
V ớ i: l0 (mm) và l 1 (mm) là độ dài c ủa mẫu tr ướ c và sau khi kéo.
Ðộ thắt t ươ ng đố i hay độ thắt t ỉ đố i ψ (%).
Ðộ thắ t t ỉ đố i c ũng là tỉ s ố tính theo ph ần tr ăm giữa độ th ắt tuyệt đối của mẫu sau khi đứt
vớ i diện tích mặt cắt ngang ban đầu. Ðộ th ắt tỉ đối đượ c tính theo công thức:
%100.0 F
F ∆=ψ , (%).
Trong đó ∆F = F0 – F 1 vớ i F0 và F1 là tiết điện của
mẫu tr ướ c và sau khi kéo tính cùng đơ n vị đo (mm2).
Vật liệu có độ giãn dài t ươ ng đối và độ th ắt tỉ đối càng
lớ n thì càng dẻo và ngượ c lại.
Có nhiều phươ ng pháp thử để xác định độ b ền và
độ d ẻo của vật liệu nhưng thông dụng nhất là thử kéo.
Thử kéo
Nội dung của phươ ng pháp này là dùng máy kéo
nén vạn năng (hình 1.2) để kéo m ẫu thử đượ c làm theo
tiêu chuẩn đến khi mẫu bị đứt.
Quá trình tăng tải sẽ gây ra bi ến dạng mẫu một
lượ ng ∆l.
Mối quan hệ gi ữa lực P và lượ ng biến dạng tuyệt đối ∆l hoặc ứng suất σ và bi ến dạng
tươ ng đối ε đượ c ghi lại trên giản đồ kéo.Mẫu thử kéo đượ c chọn theo những qui định riêng và có hình dạng, kích thướ c theo tiêu chuẩn.
Thử kéo là ph ươ ng pháp tác động từ t ừ lên m ẫu một tải tr ọng kéo cho đến khi mẫu đứt r ờ i.
Hình 1.2 giớ i thiệu một loại máy thử kéo, nén v ạn năng.
c. Ðộ cứ ng
Ðộ cứ ng là kh ả n ăng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngo ại lực tác dụng
thông qua vật nén. Nếu cùng một giá tr ị l ực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớ n, càng sâu
thì độ c ứng của mẫu đo càng kém. Ðo độ c ứng là phươ ng pháp thử đơ n giản và nhanh chóng
để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết.Ðộ c ứng có thể đo bằng nhiều phươ ng pháp khác nhau nhưng đều dùng tải tr ọng ấn viên bi
bằ ng thép nhiệt luyện cứ ng ho ặc mũi côn kim cươ ng ho ặc mũi chóp kim cươ ng lên b ề m ặt của
vật liệu cần thử, r ồi xác định kích thướ c vết lõm in trên bề m ặt vật liệu đo. Thườ ng dùng các
loại độ c ứng Brinen (HB), độ c ứng Rockwell (HRC, HRB và HRA), và độ c ứng Vícke (HV).
d. Ðộ dai và chạm
Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải tr ọng tác dụng đột ngột (hay tải tr ọng
và đậ p). Khả n ăng chịu đựng của vật liệu bở i các tải tr ọng đột ngột hay và đậ p đó mà không
bị phá h ủy đượ c gọi là độ dai và đậ p (hay độ dai và chạm). Muốn thử và đậ p cần phải có mẫu
âm thì theo hướ ng ngượ c lại.Trong hầu hết các vật liệu r ắn, dòng điện
đượ c tạo thành do các dòng điện tử và đó là
sự d ẫ n đ iện bằ ng đ iện t ử . Ngoài ra, trong các
vật liệu ion, sự chuy ển động thuần túy của
các ion cũng có thể t ạo ra một dòng điện và đó là sự d ẫ n đ iện bằ ng ion.
Siêu d ẫ n ( đ i ện). Ða số kim lo ại khi đượ c làm lạnh xuống đến nhiệt độ g ần 00K thì điện
tr ở gi ảm từ t ừ và đạt tớ i một giá tr ị nh ất định.
Các vật liệu có tính chất trên đượ c gọi là vật liệu siêu d ẫ n và nhi ệt độ t ại đó vật liệu đạt tớ i
tr ạng thái siêu dẫn đượ c gọi là nhiệt độ t ớ i hạn T C .
Hiện tượ ng siêu dẫn đượ c giải thích bằng lý thuyết khá phức tạ p, nhưng về c ơ b ản, tr ạng
thái siêu dẫn có đượ c là do tươ ng tác hút giữa cặ p điện tử d ẫn. Chuyển động của những điện
tử ghép c ặ p này hầu như không b ị tán x ạ b ở i dao động nhiệt và các nguyên tử ph ức tạ p, nhờ
đó mà điện tr ở v ốn tỉ l ệ v ớ i cườ ng độ tán x ạ điện tử s ẽ b ằng không.
Hiện tượ ng siêu dẫn có những ứng dụng thực tế r ất đa dạng, ví dụ nh ư:
− Các nam châm siêu dẫn có khả n ăng tạo ra những từ tr ườ ng mạnh vớ i công suất tiêu thụ
thấ p đượ c sử d ụng trong các thiết bị thí nghi ệm và nghiên cứu khoa học.
−
Nam châm cho các máy gia tốc hạt năng lượ ng cao.− Truyền tín hiệu và chuyển mạch tốc độ cao h ơ n cho máy tính.
−
Tầu đệm từ cao t ốc vớ i đệm nâng nhờ l ực đẩy của từ tr ườ ng.
Tiếc thay, tr ở ng ại lớ n nhất của vật liệu siêu dẫn là khó khăn trong việc đạt và làm chủ đượ c
nhiệt độ r ất thấ p (khoảng từ 77 0K đến 1300K). Chúng ta hy vọng tr ở ng ại này sớ m đượ c khắc
phục cùng vớ i sự phát tri ển thế h ệ m ớ i của các chất siêu dẫn vớ i nhiệt độ t ớ i hạn cao hợ p lý.
+ Từ tính.
Hiện tượ ng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưở ng lên các vật liệu khác
gọi là hiện t ượ ng "t ừ ". T ừ tính là khả n ăng dẫn từ c ủa kim loại. Sắt, niken, cô ban và hợ p kim của chúng đều có
từ tính th ể hi ện r ất rõ r ệt nên chúng đượ c gọi là kim loại t ừ tính.
Vật liệu từ có t ầm quan tr ọng lớ n trong hàng loạt ngành công nghiệ p như ch ế t ạo động cơ
điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại và máy tính v.v.
1.2.2.3 Tính chất hóa học.
Tính chấ t hóa học đáng quan tâm nhất đối vớ i vật liệu dùng trong cơ khí là tính ổn định
hóa học của vật liệu khi chúng tiế p xúc vớ i môi tr ườ ng có hoạt tính khác nhau như ô xy,
nướ c, axít, bazơ v.v mà không b ị phá h ủy.
Thông thườ ng mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng vớ i từng môi tr ườ ng nhất định.Tính năng hóa học cơ b ản của vật liệu có thể chia thành m ấy loại sau:
Tính chịu ăn mòn c ủa vật liệu là độ b ền của vật liệu đối vớ i sự ăn mòn của các môi tr ườ ng
xung quanh.
Tính chịu nhiệt :
Tính chịu nhiệt c ủa vật liệu là độ b ền của vật liệu đối vớ i sự ăn mòn của ôxy trong không
khí ở nhi ệt độ cao ho ặc đối vớ i tác dụng ăn mòn của một vài thể l ỏng hoặc thể khí đặc biệt ở nhiệt độ cao.
Tính chịu axít :
Tính chịu axít của vật liệu là độ b ền của vật liệu đối vớ i sự ăn mòn của axít.
1.2.2.4 Tính công nghệ.
Tính công nghệ là kh ả n ăng của vật liệu cho phép gia công nóng hay gia công nguội. Tính
công nghệ bao g ồm các tính chất sau:
Tính đ úc:
Tính đúc của vật liệu là khả n ăng điền đầy vật liệu lỏng vào lòng khuôn và nó đượ c đặctr ưng bở i độ ch ảy loãng, độ co, tính hoà tan khí và tính thiên tích.
Tính rèn:
Tính rèn là kh ả n ăng biến dạng v ĩ nh cửu của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực để
tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá h ủy.
Thép có tính rèn cao khi nung nóng đến nhiệt độ phù h ợ p vì tính dẻo tươ ng đối lớ n. Gang
không có khả n ăng rèn vì dòn. Ðồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở tr ạng thái nguội v.v.
Tính hàn
Tính hàn là kh ả n ăng tạo thành sự liên k ết giữa các chi tiết hàn đượ c nung nóng cục bộ
chỗ m ối hàn đến tr ạng thái chảy hay dẻo. Tính hàn của vật liệu phụ thu ộc vào thành phần hóa
học, bản chất vật liệu v.v.
Tính cắt g ọt:
Tính cắ t g ọt là khả n ăng của vật liệu cho phép gia công cắt gọt như ti ện, phay, bào v.v dễ
hay khó. Nhân tố ảnh hưở ng đến tính cắt gọt là độ c ứng. Ðộ c ứng của thép để gia công c ắt
thuận lợ i đạt độ bóng b ề m ắt cao vào khoảng 180 ÷ 200 HB.
1.2.2.5 Ðộ tin cậy.
Ðộ tin cậ y là xác suất không xuất hiện hư h ỏng của vật liệu trong một thờ i gian hoặc trong
một phạm vi làm việc nào đó.Ví d ụ: độ tin c ậy làm việc không hỏng của bánh r ăng sau khi chạy 300.000 km là 0,9 có
ngh ĩ a là sau khi làm việc (chạy đượ c 300.000 km) thì sẽ có kho ảng 10% bánh r ăng hỏng vì bị
mòn, tróc hoặc gẫy v.v.
Ðộ tin c ậy của vật liệu phụ thu ộc vào khả n ăng của vật liệu chống lại các phá hủy khi xuất
hiện các ứng suất cực đại. Nói cách khác, độ tin c ậy là khả n ăng của vật liệu làm việc bình
thườ ng trong thờ i gian ngắn hạn, dướ i tác dụng của tình huống ngoài tính toán như áp su ất,
nhiệt độ và môi tr ườ ng.
Sự xu ất hiện phá hủy dòn là tình huống nguy hiểm nhất đối vớ i độ tin c ậy của k ết cấu.
Chính vì thế, để nâng cao độ tin c ậy của k ết cấu cần phải thực hiện các biện pháp giảm khả
năng (xác suất) phá hủy dòn bằng cách chế t ạo ra vật liệu k ết cấu có đủ độ d ẻo và độ dai và đậ p.
Tuổ i thọ c ủa vật liệu đặc tr ưng cho khả n ăng của vật liệu chống lại sự phát tri ển dần của
phá hủy, đảm bảo duy trì khả n ăng làm việc của chi tiết trong thờ i gian đã định. Ðây là chỉ
tiêu có tính chất tổng hợ p của vật liệu.
Làm tăng tuổi thọ c ủa vật liệu có ngh ĩ a là làm giảm tốc độ phá h ủy đến mức tối thiểu. Vớ i
đa số các chi ti ết máy, tuổi thọ đượ c quyết định bở i độ b ền mỏi và tính chống mài mòn.1.3 Lự a chon vật liệu
1.3.1 Yêu cầu về tính năng sử dụng
Tính năng của vật liệu đượ c hiểu là các tính chất cơ , lý, hóa đảm bảo cho sự ứng xử c ủa
chúng trong những điều kiện xác định đượ c tìm ra từ phòng thí nghi ệm và các tính chất tổng
hợ p liên quan đến quá trình sử d ụng của nó khi làm tiết máy thực như tu ổi thọ và độ tin c ậy.
Trong ngành chế t ạo máy, yêu cầu này thể hi ện ở ch ỗ:
Yêu cầu về tính công nghệ
Tính công nghệ c ủa vật liệu là khả n ăng của nó cho phép thực hiện một phơ ng pháp công nghệ
nào đó để đạt đợ c những tính chất (cơ , lý, hóa...) mong muốn. Các tính công nghệ thông d ụng:
- Tính đúc;
- Khả n ăng biến dạng nguội, nóng và dậ p sâu;
- Tính cắt gọt;
- Tính hàn;
- Khả n ăng xử lý nhi ệt; lý-hóa-nhiệt luyện.
Những tính chất công nghệ k ể trên đợ c trình bày rõ trong môn học Công nghệ V ật liệu.
Yêu cầu về tính kinh t ế
Khi có khả n ăng chọn nhiều loại vật liệu để th ỏa mãn yêu cầu về các tính n ăng; yêu cầuvề tính công ngh ệ thì tính kinh t ế s ẽ quy ết định vật liệu nào đợ c ưu tiên lựa chọn làm tiết máy.
Tính kinh tế th ể hi ện ở giá th μnh nguyên liệu đầu vμo vμ giá th μnh chế t ạo.
Yêu cầu của thiết k ế máy là độ b ền - tuổi thọ cao; giá thành h ạ; tr ọng lượ ng nhỏ.
Gọi: * P : (Price) lμ giá th μnh tính cho một đơ n vị tr ọng lợ ng vật liệu;
* CRE: Chỉ tiêu v ề kinh t ế (CRiteria of Economy).
Yêu cầu về bảo vệ môi tr ườ ng và an toàn xã hội
Việc lựa chọn vật liệu chế t ạo tiết máy phải tuân theo luật bảo vệ môi tr ờ ng của nhà nướ c
và đảm bảo an toàn xã hội cao. Điều này thể hi ện ở ch ỗ:
- Quá trình công nghệ ti ết máy không làm ô nhiễm môi tr ườ ng không khí; nguồn nướ c;các thảm thực vật; sinh - động vật; đất đai, v.v...
- Không đượ c gây ra tiếng ồn quá giớ i hạn quy định trong quá trình công nghệ chi ti ết và
quá trình vận hành của máy đượ c thiết k ế ra.
Tóm lại:
1/ Việc chọn lựa vật liệu cho một tiết máy cần tuân thủ các nguyên t ắc như ch ỉ ra trong s ơ
đồ d ướ i đây:
2/ Thực chất của bài toán chọn vật liệu là bài toán tối u hàm mục tiêu đa biến.
Việc lự
a chọn v
ật liệu m
ột cách khoa h
ọc , chính xác có ý ngh
ĩ a to l
ớ n v
ề mặt kinh t
ế - xã
hội và k ỹ thu ật. Nó là công việc khó khăn, phức tạ p, đòi hỏi sự c ố g ắng của cả m ột tậ p thể
nhiều ngành nghề và thu ộc nhiều bộ ph ận khác nhau: khảo sát nghiên cứu, thiết k ế, công
Các nướ c trên thế gi ớ i đều có một cơ quan tiêu chu ẩn duy nhất (tr ừ M ỹ) quy định hệ
thống ký hiệu vật liêu kim loại cũng như các yêu c ầu k ỹ thu ật có tính pháp lý trong phạm vinướ c đo. Các ký hiệu vật liệu đã đượ c quy định trong tiêu chuẩn đa ban hành thườ ng đượ c
gọi là mác (mark) hay nhãn hiệu, số hi ệu...Tại Việt Nam thườ ng quen gọi là mác. Tuy nhiên
theo quy định từ 1975 ta dùng t ừ s ố hi ệu đê không phải Việt hóa tiếng nướ c ngoài. Nói
chung hệ th ống ký hiệu vật liệu kim loại dựa trên các nguyên tắc sau đây :
1-Đánh số, ký hiệu theo độ b ền (có thể là gi ớ i hạn bền kéo, bền uốn, giớ i hạn chay, hay
ngay cả là gi ớ i hạn đàn hồi) vớ i đơ n vị đo là kG/mm2 (theo h ệ SI là MN/m 2). Thơ i gian gần
đây đa số các n ướ c có xu hướ ng sử d ụng đơ n vị MPa và M ỹ dùng psi hay b ội số c ủa nó là
ksi. Nếu có nhiều (4-5) chữ s ố thì hai ch ữ s ố sau cùng th ườ ng chỉ thêm m ột chỉ tiêu khác
như độ dãn dài ( d % hay A%) đặc tr ưng cho độ d ẽo, hay chỉ tiêu khác.
2-Đánh số, ký hiệu theo số th ứ t ự 1, 2, 3... s ố này có th ể là bi ểu thị c ấ p về độ b ền hay
thành phần hóa học tăng lên hay giảm đi, muốn biết giá tr ị th ực của chúng phải tra các bang
tươ ng ưng. Đôi khi ký hiệu theo A, B, C...
3-Ký hiệu theo thành phần hóa học chủ y ếu. Đối vớ i thép, ngườ i ta ký hiệu thành phần
các bon và các nguyên tố h ợ p kim chủ y ếu theo các quy ươ c nhât định cung lượ ng chứa của
chung. Có thể dùng h ệ th ống số hay h ệ th ống chữ và s ố.
4-Ký hiệu theo mã số đượ c quy định riêng.
Tư đo Nếu biết đượ c hệ th ống các ký hiệu dựa trên nguyên tắc nao, ta dê dang đoc đượ ccác đặc tr ưng vê cơ tính hay thành ph ần của vật liệu kim loại và nhanh chong tìm ra phươ ng
pháp sử d ụng hơ p ly nhât trong thưc tê. Sau đây ta tìm hiêu đăc điêm các hệ th ống tiêu
chuẩn phô biến và đang quan tâm hơ n cả.
1.1.Tiêu chuẩn quôc tê ISO (International Standard Organisation)
Tổ ch ức tiêu chuẩn quôc tê ISO là tổ ch ức tậ p hợ p các cơ quan tiêu chu ẩn của các nướ c
vớ i mục đích là xác lậ p các tiêu chuẩn chung vê mọi mặt, trong đó có vật liệu kim loại. ISO
đa đưa ra các tiêu chuẩn tiên tiên nhât vớ i cách ký hiệu vật liệu kim loại một cách đơ n gian
và nhât quan, nên khi đa năm đượ c no thì ta dê dang đoc đượ c các mac bât k ỹ ma r ất ít saisot. ISO quy định dung hê met (ưng vớ i N/m2 hay pascal. Pa). Tuy nhiên do đơ n vị N/m 2
qua nho nên hay dùng MN/m2 . Tuy nhiên các tiêu chu ẩn do ISO đưa ra không so tính pháp
lý vớ i các nướ c nên chỉ có tac dung khuy ến cáo các nướ c đang phát triển (chứa Co hệ th ống
tiêu chuẩn) dựa vào đo đê thành lậ p các tiêu chuẩn mơ i và các nướ c phát triển sưa đôi, bô
sung các tiêu chuẩn của mình. Viêc khuyến cáo nay hiên đang gă p nhiều kho khăn vớ i các
nướ c đa có hệ th ống tiêu chuẩn vì hệ th ống nay đa ăn sâu vào tiêm thưc của nhiều thê hê,
không dê gì thay đôi đượ c. Do vây ta phải nghiên cứu hệ th ống tiêu chuẩn của các nướ c cân
quan tâm nhât.
Vê hệ th ống tiêu chuẩn vật liệu kim loại của các nướ c có quan hê vớ i Việt Nam, ta cóthể chia ra làm b ốn nhóm :
a-Việt Nam, Nga, Trung Quôc có tiêu chuẩn vật liệu kim loại về c ơ b ản giống nhau (đều
dựa trên cơ s ơ tiêu chu ẩn của Liên Xô cũ), mặc dù sử d ụng các chữ khác nhau theo tên g ọi
của từng nướ c, nhưng r ất dễ đoán ra và dễ dàng chuy ển đổi sang nhau.
b-Mỹ là qu ốc gia có nhiều hệ th ống ký hiệu vật liệu, nên r ất phức tạ p, nhưng lại có vị trí
quan tr ọng hàng đầu trên thế gi ớ i do có nền kinh tế hùng m ạnh, khoa học k ỹ thu ật phát triển
r ất cao. Đặc điểm các hệ th ống ký hiệu của Mỹ là th ườ ng dùng các số và đơ n vị đo ứng suấtlà psi (pound/square inch) hay bội số c ủa nó là ksi (kilo pound/square inch) ngh ĩ a là
1000psi.
c-Nhât là nướ c có hệ th ống tiêu chuẩn vê vật liệu kim loại kha đây đu. Đăc điêm của hệ
thống ký hiệu nay là dùng hệ th ống các chữ và s ố. Chữ để ch ỉ lo ại, nhóm. Con số ch ỉ đặc
tr ưng cơ tính hay thành ph ần. Đơ n vị đo ưng suât trong ký hiệu là MPa (thườ ng là trong
nhóm ba chữ s ố), thay cho kG/mm2 (trong nhóm hai ch ữ s ố) có trong các tiêu chuẩn công
bô tư 31/12/1989 tr ơ vê tr ừơ c.
d-Các nướ c châu Âu, chủ y ếu là Đức, Pháp và liên minh châu Âu EU. Vớ i liên minh EU
hệ th ống tiêu chuẩn se theo hươ ng ISO khuyến cáo. Các nưoc Pháp, Đức có cách ký hiệu
tươ ng đối giông nhau, Anh ký hiệu theo kiêu riêng (vân dung các đơ n vị đo là pound, inch,
livre ... ngay nay sau năm 2000 ho đôi toàn bộ sang dung đơ n vị SI)
1.2.Các tiêu chuẩn Nga, Trung Quôc và Việt Nam.
1.2.1.Tiêu chuẩn Nga OCT :
Hệ th ống tiêu chuẩn của các nướ c nay đều căn cư trên c ơ s ơ c ủa hệ th ống tiêu của Liên
Xô cu. Do đo ta chỉ xem xet tiêu chu ẩn của Nga. Nga kê thưa tiêu chuẩn Γ OCT của Liên Xô
cu (Gaxudarvennaia Organidasia Standar Technic). Nguyên tắc ký hiệu vât liệu kim loạinhư sau :
-Vớ i thép là vật liệu r ất phô biên nên không cân có chữ ch ỉ lo ại vật liệu ma ký hiệu tr ực
tiế p thành phần các bon và các nguyên tố h ợ p kim (Nếu có). Vớ i gang và hợ p kim mau thì
phai có chữ đê chỉ lo ại.
-Lượ ng các nguyên tố tính theo ph ần tr ăm đăt ngay sau chữ cai ký hi ệu nguyên tố h ợ p
kim. Tr ừơ ng hơ p < 1,5% (theo giớ i hạn trên) thì không ký hiệu. Cân chú ý là trong thép hợ p
kim và hợ p kim mau các nguyên tố có th ể bi ểu thị b ở i các chữ cai khac nhau.
Trong thép hợ p kim các chữ cai bi ểu thị các nguyên t ố hóa hoc nh ư sau :
Ghi chú : Đât hiêm là chỉ chung các nguyên t ố vi l ượ ng thuôc ho Làntanit vàActinit trong bảng hệ th ống tuần hoan các nguyên tố hóa h ọc.
-Đối vớ i thép : Ký hiệu giông Nga, nhưng chỉ khác là s ố đứng đầu mac thép bao giờ
cung chỉ l ượ ng các bon trung bình tính theo phần vạng, nguyên tố h ợ p kim ghi bằng ký hiệu
hóa học .
-Vớ i hợ p kim mau : Đâu tiên là ký hiệu của nguyên tố gôc, sau đó là ký hiệu các nguyên
tố h ợ p kim và lượ ng phần tr ăm của tưng nguyên tố.
Vê vấn đê nay se trình bay cụ th ể cho t ưng loại vât liệu ở ph ần II.2-Tiêu chuẩn k ỹ thu ật : Trong tiêu chuẩn này có các số liêu vê c ơ tính, thành ph ần hóa
học, các mac vật liệu cụ th ể, kích thươ c mâu (Nếu có) ... của tưng loại vật liệu. Gồm có các
tiêu chuẩn sau :
-TCVN 1765 - 75 : Thép các bon kêt cầu thông dụng.
-TCVN 1766 - 75 : Thép các bon kêt cầu chất lượ ng tốt.
-TCVN 1767 - 75 : Thép đàn hồi.
-TCVN 1822 -76 : Thép các bon dung cụ.
-TCVN 1823 - 93 : Thép hợ p kim dụng cụ (tr ừ thép gió).
-TCVN 3104 - 79 : Thép kêt cấu hợ p kim thấ p.
-TCVN 2735 - 78 : Thép chông ăn mòn và bền nóng.
-TCVN 1651 - 85 : Thép côt bê tông cán nóng.
-TCVN 5709 - 93 : Thép làm các kêt cấu trong xây dựng.
Các loại vật liệu còn lại : Thép hợ p kim kêt cầu, thép kêt cầu có công dụng riêng (dễ c ắt,
ô lăn, chống mài mòn, ăn mon, chịu nhiêt đô cao ...), các loại gang, các hợ p kim mau, chứa
Co tiêu chuẩn k ỹ thu ật cu thể.
1.3.Tiêu chuẩn Mỹ :
Mỹ gân nh ư là n ướ c duy nhât trên thê giớ i có nhiều hệ th ống ký hiệu vật liệu kim loại.Cung một loại vật liệu nhưng có thể ký hi ệu theo nhiều cách khac nhau Nếu dung các hệ
thống tiêu chuẩn khác nhau. Có thể kê ra các hê th ống ký hiệu sau :
1-Hê AISI (American Iron & Steel Institute)
2-Hê ASE (Society of Automotiv Engineers)
3-Hê ASTM (American Society of Testing and and Material)
4-Hê AA (Aluminium Association)
5-Hê CDA (Cópper Development Association)
6-Hê UNS (Unified Numbering System)
ở đây ta xem xet hai hê ký hiệu đượ c phô biên rông rai ơ M ỹ và trên th ế gi ớ i trong pham vi thép và gang, đo là hê AISI và SAE. Cách ký hiệu ở đây là dung tâp hợ p chữ và s ố.
Chữ ch ỉ hê tiêu chu ẩn, tậ p hợ p chữ s ố gôm : m ột hoăc hai chữ s ố đầu tiên chỉ lo ại thép, các
chữ s ố còn l ại chỉ thành ph ần hóa học của thép. Hệ th ống SAE quy định như sau :
-Một hay hai chữ s ố đầu chỉ lo ại thép :
2-Thép ni ken 3-Thép crôm ni ken 4-Thép mô lip đen
5-Thép crôm 6-Thép crôm vànađi 7-Thép vonfram
8-Thép crôm niken mô lip đen 9-Thép silic mangan
10-Thép các bon 11,12-Thép dễ cắt 13-Thép man gan-Số th ứ hai ho ăc cả s ố th ứ ba ch ỉ ph ần tr ăm của nguyên tố h ợ p kim chú yếu.
-Hai hoăc ba số sau cùng ch ỉ l ượ ng các bon theo phần vạn. Ta xet các Ví dụ sau đây :
có tính deo tốt, chữ không có ngh ĩ a là có thể rèn đượ c)
Sư t ươ ng đươ ng của các mac gang dẻo theo TCVN và OCT 1251-79
c-Tiêu chuẩn Nhật :
TCVN Γ OCT
GZ 30-06 30-6
GZ 33-08 33-8GZ 35-10 35-10
GZ 37-12 37-12
GZ 45-07 45-7
GZ 50-05 50-5
GZ 55-04 55-4
GZ 60-03 60-3
GZ 63-03 63-3
GZ 70-02 70-2GZ 80-1,5 80-1,5
Các mac gang dẻo đượ c quy định ơ các tiêu chu ẩn JIS G 5702-88, JIS G5703-88 và JIS
G5704-88. Ký hiệu đượ c bắt đầu bằng FCMB cho gang dẻo loi đen, FCMW cho gang dẻo
loi tr ăng, FCMP cho gang dẻo pec lít v số ti ế p theo chỉ gi ớ i hạn bền kéo theo MPa. Ví dụ :
FCMB 270 : gang dẻo loi đen, có gơ i hạn bền kéo là 270MPa FCMW 440 : gang dẻo loi
tr ăng, có gơ i hạn bền kéo là 440MPa FCMP 590 : gang dẻo pec lít, có giớ i hạn bền kéo là
590MPa.
d-Tiêu chuẩn Mỹ :
Vớ i gang dẻo Mỹ s ử d ụng các tiêu chuẩn ASTM, ANSI, MIL, SAE, FED. Các tiêu
chuẩn này r ất phức tạ p, phải tra bảng cụ th ể theo t ưng tiêu chuẩn một. Do vây không thế
giớ i thiệu hêt đượ c.
e-Tiêu chuẩn Đức :
-Gang dẻo loi đen và gang dẻo pec lít đượ c quy định theo tiêu chuẩn DIN 1692-
82, ký hiệu bằng GTS cung tậ p hợ p các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo (đã chia cho 10) theo
MPa và đô giãn dai tươ ng đối theo %. Ví dụ :
GTS -35-10 : gang dẻo loi đen có giớ i hạn bền kéo 350MPa và đô dan dai tươ ng đối
10%GTS-55-04 : gang dẻo loi đen có giớ i hạn bền kéo 550MPa và đô dan dai tươ ng đối 4%
-Gang dẻo loi tr ăng đượ c quy định theo tiêu chuẩn DIN 1692-82, ký hiệu bằng GTW
cung tậ p hợ p các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo (đã chia cho 10) theo MPa và đô dan dai tươ ng
đối theo %. Ví dụ :
GTW -40-05 : gang dẻo loi tr ăng có giớ i hạn bền kéo 400MPa và độ dãn dài t ươ ng đối
5%.
f-Tiêu chuẩn Pháp :
-Gang dẻo loi đen đượ c quy định theo tiêu chuẩn NF 32-702-67 và NF A32-702-
86, ký hiệu bằng MN và tậ p hợ p các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo theo MPa và đô dan daitươ ng đối theo %. (Tiêu chuẩn NF 32-702-67 chỉ ký hi ệu cho một mac gang). Ví dụ :
MN 32-8 : gang dẻo loi đen có giớ i hạn bền kéo 314MPa và đô dan dai tươ ng đối
8% (tiêu chuẩn NF 32-702-67)
MN 380-18 : gang dẻo loi đen có giớ i hạn bền kéo 380MPa và đô dan dai tươ ng đối 18%
-Gang dẻo loi tr ăng đượ c quy định theo tiêu chuẩn NF A32-701-82 và NF 32-701-
67, ký hiệu bằng MB và tậ p hợ p các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo theo MPa và đô dan dai
tươ ng đối theo %. (Tiêu chuẩn NF 32-701-67 chỉ có m ột mac gang dẻo loi đen). Ví dụ :MB 35-7 : gang dẻo loi tr ăng có giớ i hạn bền kéo 343MPa và đô dan dai tươ ng đối
7%. (tiêu chuẩn NF 32-701-67)
MB 400-5 : gang dẻo loi tr ăng có giớ i hạn bền kéo 400MPa và đô dan dai tươ ng đối 5%.
-Gang dẻo pec lít đượ c quy định theo tiêu chuẩn NF A32-703-58, ký hiệu bằng MP và
tậ p hợ p các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo theo MPa (giá tr ị nay đa tr ừ đi 10 đơ n vị sau đó chia cho
10) và độ dãn dài t ươ ng đối theo %. Ví dụ :
MP50-5 : gang dẻo pec lít có giớ i hạn bền kéo 490MPa và đô dan dai tươ ng đối 5%.
MP60-3 : gang dẻo pec lít có giớ i hạn bền kéo 590MPa và đô dan dai tươ ng đối 3%.
g-Tiêu chuẩn Anh :
-Gang dẻo loi đen đượ c quy định theo tiêu chuẩn BS 310-72, ký hiệu bằng B và tậ p hợ p
các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo theo MPa và độ dãn dài t ươ ng đối theo %. Ví dụ :
B230/6 : gang dẻo loi đen có giớ i hạn bền kéo 290MPa và đô dan dai tươ ng đối 6%.
-Gang dẻo loi tr ăng đượ c quy định theo tiêu chuẩn BS 6681-86, ký hiệu bằng W
và tậ p hợ p các số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo (đã chia cho 10) theo MPa và đô dan dai tươ ng
đối theo %. Ví dụ :
W45-07 : gang dẻo loi tr ăng có giớ i hạn bền kéo 450MPa và độ dãn dài t ươ ng đối 7%.
-Gang dẻo pec lít đượ c quy định theo tiêu chuẩn BS 6681-86, ký hiệu bằng P và tậ p hợ pcác số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo (đã chia cho 10) theo MPa và đô dan dai tươ ng đối theo %. Ví
dụ :
P60-03 : gang dẻo pec lít có giớ i hạn bền kéo 600MPa và độ dãn dài t ươ ng đối 3%.
2.1.3.Gang cầu
a-Tiêu chuẩn Việt Nam :
Việt Nam ký hiệu gang cầu bằng tậ p hợ p chữ và s ố :
-Chữ GC ngh ĩ a là gang cầu
-Hai nhóm số sau ch ữ cách nhau b ở i gạch ngang chỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu theo
kG/mm2 và độ dãn dài t ươ ng đối theo %.Ví dụ : GC 100-04 là gang c ầu có giớ i hạn bền kéo 100kG/mm2 và δ = 4%
b-Tiêu chuẩn Nga :
Nga ký hiệu gang cầu bằng chữ B ц (v ưxacóprotrnưi trugun - có ngh ĩ a là gang có độ b ền
cao) và các số ti ế p sau :
- Các nhóm số cách nhau b ở i gạch ngang, chỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu theo đơ n vị
kG/mm2 và đô giãn dai tươ ng đối theo % (theo tiêu chuẩn cu quen dung Tại Việt Nam)
-Theo tiêu chuẩn mơ i Γ OCT 7293-85 chỉ có m ột nhóm số đứng sau chữ ch ỉ gi ớ i hạn bền
kéo theo đơ n vị 10MPa (theo tiêu chu ẩn này chỉ cón 5 mac gang c ầu)Ví dụ : -Theo tiêu chu ẩn cu 7293-79 : Bц 100-4 là gang c ầu có giớ i hạn bền kéo
2.2.1.Thép các bon thông dụng (thép các bon chất lượ ng thườ ng)
Loại thép này đượ c cung câp ơ dang bán thành ph ẩm (ông, tâm, cuôn, là, chữ U, L, thép
goc...) không qua nhiêt luyên, chú yếu dung trong xây dựng.
a-Tiêu chuẩn Việt Nam :
Nhóm thép này đượ c quy định theo TCVN 1765-75, ký hiệu bằng chữ CT (C là các bon,
T là thép) và số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2. Nếu cuối mac thép có chữ s làthép sối, chữ n là thép n ửa lắng, không có chữ nào khác là thép l ắng. Nhóm thép này đượ c
phân ra làm ba phân nhóm :
- Phân nhóm A : chỉ quy định vê cơ tính
- Phân nhóm B : chỉ quy định ve thành phần hóa học.
- Phân nhóm C : quy định cả v ề c ơ tính và thành ph ần hóa học.
Thép thuôc phân nhóm nao se có chữ c ủa phân nhóm đo tr ừơ c ký hiệu (phân nhóm
A không có). Ví dụ :
-CT31 : thép các bon chất lượ ng thườ ng, giớ i hạn bền kéo thâp nhât 31kG/mm2, phân
nhóm A, thép lặng.
-CCT31n : thép nửa lắng, phân nhóm C, giớ i hạn bền kéo thâp nhât 31kG/mm2. (Muốn
tìm thành phần hóa học tra theo mac BCT31, chỉ tiêu c ơ tính tra theo mac CT31).
-BCT31s : thép sối, phân nhóm B,có giớ i hạn bền kéo thấ p nhât 31kG/mm2.
b-Tiêu chuẩn Nga :
Nhóm thép này đượ c quy định theo tiêu chuẩn Γ OCT380-71, ký hiệu bằng CT (Xtal có
ngh ĩ a là thép), chữ T vi ết thâp hơ n chữ C và các s ố t ư 0, 1, 2, 3 ... 6 theo m ức độ t ăng dân
của độ b ền. Nếu cuối các thép có chữ K П là thép s ối, chữ ПC là thép nửa lắng và chữ C П
là thép lắng. Chung cũng đượ c phân làm ba phân nhóm :- Phân nhóm A : chỉ quy định vê cơ tính. Tuy nhiên có th ể tính s ơ bô l ượ ng các bon
bằng cách lây chỉ s ố nhân v ớ i 0,07%.
- Phân nhóm Б : ch ỉ quy định về thành ph ần hóa học
- Phân nhóm B: quy định ca cơ tính và thành ph ần hóa học.
Thép thuôc phân nhóm nao se có chữ đo đưng tr ừơ c ký hiệu, riêng phân nhóm A
không có. Ví dụ :
CT3 K П: thép sối, phân nhóm A, giớ i hạn bền phải tra bảng, thành phần các bon khoảng
0,21% ( 3x 0,07% = 0,21%).
BCT3CП : thép l ắng, phân nhóm B, giớ i hạn bền tra bảng theo mac CT3 CП, thành phầnhóa học tra bảng theo БCT3 CП .
BCT3ПC : thép nửa lắng, phân nhóm B, giớ i hạn bền tra bảng theo mac CT3ПC, thành
phần hóa học tra bảng theo mac БCT3 П C.
c-Tiêu chuẩn Trung quôc :
-Nhóm thép này đượ c quy định theo tiêu chuẩn GB 700-79, ký hiệu bằng chữ A (cho
phân nhóm A, chỉ quy định vê cơ tính), B (cho phân nhóm B, ch ỉ quy định vê thành phần
hóa học), C (cho phân nhóm C, quy cả v ề c ơ tính và thành ph ần hóa học) sau đó là các số
chỉ c ấ p độ b ền tăng dân : 1, 2, 3....7 .-Nếu cuối mac thép có chữ F là thép s ối, b là thép nửa lắng, cón thép lắng thì không
Vớ i nhóm thép này Nhât có nhiều tiêu chuẩn theo hệ JIS, trong đó có loại tươ ng tư nh ư
phân nhóm thứ nh ất, có loại tươ ng tư nh ư phân nhóm th ư hai c ủa TCVN, OCT, GB
-Tiêu chuẩn JIS G3101-87 quy định các mac thép vê cơ b ản giông phân nhóm thứ nh ất
của TCVN, có bốn mac thép SS 330, SS 400, SS 490, SS 540. Trong đó các số ch ỉ gi ớ i hạn
bền kéo tối thiểu theo MPa.
-Tiêu chuẩn JIS G3106-92 quy định các mac thép làm kêt cầu han, đượ c đảm bảo cả thành phần hóa học và cơ tính t ươ ng đươ ng phân nhóm thứ ba c ủa TCVN, Γ OCT, GB. Có
các mac sau :
SM 400A, SM 400B, SM 400C
SM 490A, SM 490B, SM 490C, SM 490YA, SM 490YB SM 520B, SM 520C
SM 570
Trong đó : -Số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu theo MPa
- A, B, C là chỉ s ư khac nhau vê thành ph ần các bon trong cung nhóm mac có cung giớ i
hạn bền theo thứ t ự các bon và man gan t ăng dần.
- Y chỉ lo ại có R0,2/ Rm nâng cao.
f-Tiêu chuẩn EU :
Theo tiêu chuẩn EN 10025-90 và EN 10130-90 quy định nhóm thép này đưoc ký hiệu
bằng Fe và số ti ế p theo chỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu theo MPa. Muốn biết cụ th ể ph ải tra
bảng. Ví dụ :
-Fe 360B có giớ i hạn bền kéo 360-470MPa
-Fe 510D1 có giớ i hạn bền kéo 490-630MPa.
g-Tiêu chuẩn Đức :
Nhóm thép này đượ c quy định theo tiêu chuẩn DIN 17100-80, DIN 1623-83 và 1623-86.Tiêu chuẩn này quy định cả v ề c ơ tính và thành ph ần hóa học. Muốn biết các chỉ tiêu ph ải
tra bảng.
h-Tiêu chuẩn Pháp :
Nhóm thép này đượ c quy định theo tiêu chuẩn NF A 35-501-83 và NF A 36- 401-
83. Tiêu chuẩn này quy định cả v ề c ơ tính và thành ph ần hóa học. Phải tra bảng các chỉ
tiêu cụ th ể, không có quy luật chung.
i-Tiêu chuẩn Anh :
Nhóm thép này đượ c quy định Tại tiêu chuẩn BS 4360-79 , BS 1449/1-72 và
BS 1449/1-92. Các tiêu chuẩn này quy định cả v ề c ơ tính và thành ph ần hóa học. Khôngcó quy luật chung, phải tra bảng.
2.2.2.Thép kêt cầu :
Là loại thép có chất lượ ng tốt dùng để ch ế t ạo chi tiết máy, có yêu cầu vê cơ tính r ất đa
dang. Vì vây các tiêu chuẩn đều quy định r ất chặt chẽ vê c ơ tính l ẫn thành phần hóa học cho
nhóm thép này.
1-Tiêu chuẩn Việt Nam :
a-Thép các bon :
TCVN 1659-75 quy định ký hiệu bằng chữ C và s ố ch ỉ hàm l ượ ng các bon trung bìnhtính theo phần vạn. Nếu cuối mac thép có thểm chữ A là thép ch ất lượ ng tốt (hàm lượ ng S
và P ≤ 0,025%). Nhóm nay ch ủ y ếu là thép lắng, r ất ít dung thép sối, tr ừ vài tr ừơ ng hơ p
- Thép dụng cụ có công d ụng riêng : L1, L3, L4, L5, L7, F1, F2, F3.
-Thép các bon thâp làm khuôn ép nhựa : P2, P3, P4, P5, P6, P20, P21
d-Tiêu chuẩn Nhật :
1-Thép các bon : Sử d ụng tiêu chuẩn JIS G4401-83 có các mac sau : SK1, SK2, SK3,
SK4, SK5, SK6, SK7. Muốn biết cụ th ể vê thành ph ần, tính chất, phải tra bảng.2-Thép hợ p kim : Sử d ụng tiêu chuẩn JIS G4403-83, cùng không có quy luật chung, ở
đây chỉ nêu m ột số lo ại thông dụng để d ễ nh ận biết.
Ví dụ : -Thép làm dao c ăt : SKS11, SKS2, SKS21, SKS5, SKS51, SKS7, SKS8.
-Thép làm dụng cụ và đậ p : SKS4, SKS41, SKS43, SKS44.
a-Tiêu chuẩn Việt Nam : Đây là loại thép kêt cầu chuyên dùng làm các chi tiết sản xuất
vớ i số l ượ ng lớ n, chịu tải tr ọng nho, phai qua gia công cắt gọt và yêu cầu đô bong cao như :
bu lông, đai ôc, các loại vít, một số banh r ăng ...Loại thép này có lượ ng phôt pho và lưu
huỳnh kha cao, sau nay ngườ i ta cón cho thêm chì vào đê tăng kha năng cắt gọt. Ký hiệu của
nó theo quy luật thép kêt cầu. Chỉ khác là có th ểm ký hiệu S, P và Pb trong mac thép.
Ví dụ : 12MnSPb có 0,12%C, 1%Mn40MnS có 0,40%C, 1%Mn
S và Pb đê chỉ thép d ễ c ắt chữ không ph ải lượ ng chứa của nó xấ p xỉ 1%. Tuy nhiên trong
Ví dụ T ại trang 22 của TCVN 1659-75 lại ghi chú r ăng S và Pb có ngh ĩ a là mỗi nguyên tố
chữa 1% . Trong thép dễ c ắt hàm lượ ng của lưu huỳnh đến 0,35%, phôt pho đến 0,15%, chì
đến 0,30%.
b-Tiêu chuẩn Nga : Nga ký hiệu thép dễ c ắt bằng chữ A đứng đầu mac thép
(abtomatnaia stal), tiế p sau theo quy luật của thép kêt cấu.
Ví dụ : A40 có 0,40%C
A40Γ có 0,40%C, 1%Mn
5-Thép đươ ng ray : Loại thép này Việt Nam chữa quy định ký hiệu, hiện tại toàn bộ ray
phải nhậ p ngoài. ở đây trình bày ký hiệu của Nga.
Thép đươ ng ray đượ c ký hiệu bằng chữ P (rayisnaia stal) sau đó là số ch ỉ trông
lượ ng một met ray theo kilôgam.
Ví dụ : P45 thép đươ ng ray năng 45kG/m.
P60 thép đươ ng ray năng 60kG/m.
6-Thép các bon cán nóng dung cho xây dựng :
Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5709-1993) quy định ký hiệu bằng XCT, chữ s ố ti ế psau chỉ độ b ền kéo tối thiểu theo N/mm2 đã chia cho 10 (thườ ng dung MN/m2). Tiêu chuẩn
này quy định bốn mac thép sau :
XCT 34Thép xây dựng có đô bền kéo tối thiểu 340N/mm2
XCT 38- nt - 380N/mm2
XCT 42- nt - 420N/mm2
XCT 52- nt - 520N/mm2
7-Hợ p kim cưng :
a-Tiêu chuẩn Việt Nam : TCVN quy định ký hiệu hợ p kim cưng theo công thưc hóa học
của các thành phần cầu tao. Chữ là ch ỉ tên c ủa các bít và có ban, số đứng sau cô ban chỉ
lượ ng của nó theo %. Lượ ng các bít là ty lê còn lại, tông các thành phần là 100%.
-Nhóm một các bít :
WCCo3 - có 97%WC, 3%Co WCCo8 -có 92%WC, 8%Co WCCo10 - có 90%WC,
WCTTC7Có12 - có 81%WC, 7%TiC và TaC, 12%Co (phải tra bảng mớ i biết cụ th ể
lượ ng chứa của riêng TiC và TaC)
WCTTC20Co9 - có 71%WC, 20%TiC và TaC, 9%Co
b-Tiêu chuẩn Nga : Dung các tậ p hợ p chữ và s ố BK, TK và TTK đê ký hiệu cho các
nhóm một, hai và ba các bít, số ch ỉ l ượ ng chứa của các thành phần trong đó theo %. Số đứng sau chữ K luôn ch ỉ % cô ban, sau B luôn ch ỉ % các bít vonfram, các thành ph ần khac
tìm theo quy luật như Vi ệt Nam
-Nhóm một các bít :
BK8 - có 92%WC, 8%Co
BK10 - có 90%WC, 10%Co
-Nhóm hai các bít :
T15K6 - có 79%WC, 15%TiC, 6%Co
T30K4 - có 66%WC, 30%TiC, 4%Co
-Nhóm ba các bít :
TT7K12 - có 71%WC, 7%TiC và TaC, 12%Co (Muốn tìm thành phần của riêng TiC và
TaC phải tra bảng)
TT10K8 - có 82%WC, 10%TiC và TaC, 8%Co.
Sư t ươ ng đươ ng giữa TCVN và Nga vê các mác hợ p kim cưng thông dụng
TCVN Nga
WCCo2 BK2
WCCo3 BK3
WCCo4 BK4WCCo6 BK6
WCCo8 BK8
WCCo10 BK10
WCTiC 30Co4 T30K4
WCTiC15Có6 T15K6
WCTiC14Có8 T14K6
WCTiC5Có10 T5K10
WCTiC5Có12 T5K12
WCTTC7Có12 TT7K12WCTTC10Co8 TT10K8
WCTTC20Co9 TT20K9
2.2.5.Kim loại màu và hợ p kim mau thông dụng :
1-Nhôm và hợ p kim nhôm :
a-Tiêu chuẩn Việt Nam : Đượ c quy định bở i tiêu chuẩn TCVN 1859-75, cụ th ể nh ư sau :
-Nhôm nguyên chât : Chữ là ký hi ệu hóa học của nhôm, số ti ế p sau chỉ l ượ ng chứa của
nhôm theo phần tr ăm.
Ví dụ : Al 99,60 - có 99,60%AlAl 99,99 - có 99,99%Al
Hoăc có thể ghi Al 1A, Al 2A, Al 3A, trong đó : Al : ký hiệu nhôm kim loại
Chỉ s ố đứng sau biểu thị câp lo ại theo đô sach của nhôm. A : ký hiệu nhôm có đô sach
cao.
Cụ th ể : Al 1A : nhôm nguyên ch ất chứa 99,99% Al Al 2A : nhôm nguyên chất chứa
99,95% Al Al 3A : nhôm nguyên chất chứa 99,90% Al
-Hợ p kim nhôm : Đứng đầu là ký hiệu hóa học của nhôm, tiế p sau là các ký hiệu hóa họccủa các nguyên tố h ợ p kim chính và phu. Số đứng sau ký hiệu chỉ l ượ ng nguyên tố đo theo
phần tr ăm.
*Hợ p kim nhôm biến dang, có các mac sau :
AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 - có 4,4%Cu, 0,5%Mg, 0,8Mn, còn lại là nhôm
AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 - có 4,4%Cu, 1,5%Mg, 0,6%Mn, cón là nhôm. AlMg1,4 - có 1,4%Mg
- còn lại là nhôm
AlZn5,6Mg2,5Cu1,6 - có 5,6%Zn, 2,5%Mg, 1,6%Cu, còn lại là nhôm
*Hợ p kim nhôm đúc, có các mac sau :
AlCu4,5Đ - có 4,5%Cu, còn l ại là nhôm, Đ là h ợ p kim nhôm đúc
AlSi5,5Cu4,5Đ - có 5,5%Si, 4,5%Cu, còn l ại là nhôm, Đ là h ợ p kim đúc
AlSi12Mg1,3Cu4Mn0,6Đ - có 12%Si, 1,3%Mg, 4%Cu, 0,6%Mn, còn l ại nhôm, Đ là
hợ p kim nhôm đúc.
b-Tiêu chuẩn Nga : Đượ c quy định theo Γ OCT 11069-64
-Nhôm nguyên chât : Ký hiệu bằng chữ A, ti ế p sau là số ch ỉ % c ủa nhôm.
Ví dụ : A999 - nhôm có đô sach đặc biệt, chữa 99,999%Al
A995 - nhôm có đô sach cao, chữa 99,995%Al A85 - nhôm có đô sach k ỹ thu ật, chữa
99,85%Al A7 - nhôm có đô sach k ỹ thu ật, chữa 99,70%Al A0 - nhôm có đô sach k ỹ thu ật,chữa 99,00%Al
-Hợ p kim nhôm :
*Hợ p kim nhôm đúc : Ký hiệu bằng chữ A ? và s ố ch ỉ th ứ t ự tìm đượ c. Ví dụ : A л 25 -
A chỉ h ợ p kim nhôm, Л ch ỉ h ợ p kim nhôm đúc
A л 17B - B ch ỉ h ợ p kim nhôm nâu lại. Muốn tìm thành phần hóa học của hợ p kim phải
tra bảng.
*Hợ p kim nhôm biến dang : Thông dụng nhât là đu ra, đượ c ký hiệu bằng chữ ?
sau đó là các số ch ỉ th ứ t ự chê t ạo đượ c.
Ví dụ : Д1, Д 6, Д 16 và Д 18Muốn biết thành phần hóa học phải tra bảng.
2-Đồng và hợ p kim đông :
a-Tiêu chuẩn Việt Nam : Đượ c quy định theo tiêu chuẩn TCVN 1959-75.
-Đông nguyên chât : Dung ký hiệu hóa học của đông và số ti ế p theo chỉ l ượ ng chứa của
đồng .
Ví dụ : Cu 99,9 - có 99,90%Cu Cu 99,7 - có 99,70%Cu Cu 99,5 - có 99,50%Cu.
Hoăc có thể ghi : Cu1, Cu2, Cu3 trong đó
Cu : chỉ ký hi ệu đông kim loạiChỉ s ố đứng sau chỉ th ứ t ự câp lo ại theo đô sach. Cụ th ể nh ư sau : Cu1 : đông nguyên
*Là tông (tên cu là đông thau) : Đượ c ký hiệu bằng chữ L (là tông), sau đó là Cu và ký
hiệu các nguyên tố h ợ p kim trong đó. Số đứng sau ký hiệu nguyên tố h ợ p kim chỉ l ượ ng
chứa của nó theo %. Lượ ng chứa của đông bằng 100% tr ừ đi tông lượ ng các nguyên tố h ợ p
kim.Ví dụ : LCuZn30 - có 30%Zn, còn l ại là đông, L có ngh ĩ a là là tông.
LCuZn29Sn1 - có 39%Zn, 1%Sn, còn lại là đồng. LCuZn29Sn1Pb3 - có 29%Zn, 1%Sn,
3%Pb, còn lại là đồng.
*Brông (tên cu là đông thanh) : Đượ c ký hiệu bằng chữ B (brông), sau đó là Cu và ký
hiệu các nguyên tố h ợ p kim trong đó. Lượ ng chứa của đông bằng 100% tr ừ đi tổng lượ ng
các nguyên tố h ợ p kim.
Ví dụ : BCuSn5Pb0,1- Brông thiêc có 5%Sn, 0,1%Pb, còn l ại là đồng
BCủal5 - Brông nhôm có 5%Al, còn lại là đồng. BCuPb30 - Brông chì có 30%Pb, còn
lại là đồng. BCuBe2 - Brông berili có 2%Be, còn lại là đồng.
b-Tiêu chuẩn Nga :
-Đông nguyên chât : Đượ c ký hiệu bằng chữ M (Me Д b) và số ch ỉ m ức độ tap chât có
trong đông. Có các mac sau đây :
M00 - có 99,99%Cu M0 - có 99,95%Cu M1 - có 99,9%Cu M2 - có 99,70%Cu M3 - có
99,50%Cu M4 - có 99,0%Cu
-Hợ p kim đông :
*Là tông : Ký hiệu bằng chữ Л (là tông) sau đó là số ch ỉ % c ủa đông, còn lại là kem,
Nếu là là tông đơ n gian. Nếu là là tông phức tạ p thì sau ? là các chữ vi ết tắt tên nguyên tố hóa học theo tiếng Nga, cuối cùng là các số cách nhau b ở i gạch ngang lẫn lươ t chỉ l ượ ng
chứa của chung theo %. Lượ ng kem bằng 100% tr ừ đi tông lượ ng của đông và các nguyên
tố h ợ p kim.
Ví dụ : Л 80 - có 80%Cu, 20%Zn
Л 60 - có 60%Cu, 40%Zn
Л C 59 - 1 có 59%Cu, 1%Pb, 40%Zn.
Л AH 59-3-2 có 59%Cu, 3%Al, 2%Ni, 37%Zn.
Л O 70-1 có 70%Cu, 1%Sn, 29%Zn.
*Brông : Đượ c ký hiệu bằng chữ БP (brông), ti ế p sau đó là các chữ vi ết tắt chỉ tênnguyên tố h ợ p kim theo tiếng Nga. Sau cùng là các số cách nhau b ở i gạch ngang lẫn lươ t
chỉ l ượ ng chứa của chung theo %.
Ví dụ : -Brông thiêc БPOЦ C 5-2-5 có 5%Sn, 2%Zn, 5%Pb, còn l ại là đồng
БPOЦ C 5-5-5 có 5%Sn, 5%Zn, 5%Pb, còn l ại là đồng
-Brông nhôm БPA5 có 5%Al, còn lại là đồng
БPAЖ H 10-4-4 có 10%Al, 4%Fe, 4%Ni, còn l ại là đồng
-Brông chì БPC30 có 30%Pb, còn lại là đồng
-Brông beriliБ
PБ
2 có 2%Be, còn lại là
đồng.Chú ý : Trong hợ p kim mau theo quy định của Nga có hai nguyên tố đượ c ký hiệu
bằng cung một chữ cai, đo là chì (ký hiệu C) và stibi (ký hiệu C). Do vây Nếu trong mac
Mỗi nướ c đều có tiêu chuẩn quy định các mác (ký hiệu) cũng như các yeu c ầu k ỹ thu ật
cho các sản phẩm kim loại của mình và có cách viết ten các kí hiệu (mác) khác nhau. Ngoàitiêu chuẩn Việt nam như đa trình bày, chúng ta thườ ng gặ p tiêu chuẩn quốc tế c ủa các nướ c
lớ n trên thế gi ớ i: Mỹ, Nhật, Nga, Trung quốc, Pháp, Đức, Anh,… và của EU.
Tổ ch ức tiêu chuẩn Quốc tế ISO (International Standard Organization) tuy có đưa ra các
tiêu chuẩn, song quá muộn đối vớ i các nướ c công nghiệ p phát triển vì họ đa có hệ th ống kí
hiệu từ tr ướ c và đa quen dùng, không dễ gì s ửa đổi; vì thế chi có tác d ụng vớ i các nướ c
đang phát triển, đang xây dựng các tiêu chuẩn.
Tiêu chuẩn Nga ГOCT, Trung Quốc GB có phần quen thuộc ở n ướ c ta. Do các quan hệ
lịch sử, nói chung TCVN và GB đều đượ c xây dựng theo các nguyên tắc của ГOCT.
Đối vớ i thép cán thông dụng:Các loại thép chi quy định (đảm bảo) cơ tính : ГOCT có các mác từ CTO đến CT6; GB :
A1 đến A7 (Con số chi th ứ t ự c ấ p độ b ền tang dần. Để phân bi ệt thép sối, nửa lặng và lặng
sau các mác ГOCT có đuôi K П, ПC, CП; của GB có F, b ( thép lặng không có đuôi);
Các loại thép quy định (bảo đảm) thành phần: ГOCT có các mác từ БCTO đến БCT6;
GB: từ B1 đến B7;
Các loại thép quy định (bảo đảm) cả c ơ tính l ẫn thành phần: ГOCT có các mác từ БCT1
đến БCT5; GB có từ C2 đến C5.
Đối vớ i thép các bon để ch ế t ạo máy ГOCT và GB có các ký hiệu giống hệt nhau: theo
số ph ần vạn các bon, ví dụ mác 45 là thép có trung bình 0,45 %C.
Đối vớ i thép dụng cụ các bon ГOCT có các mác từ Y7 đến Y13, GB có từ T7 đến T13
(số chi ph ần nghìn cacbon trung bình).
Đối vớ i thép hợ p kim có cả ch ữ (chi nguyên t ố h ợ p kim) lẫn số (chi l ượ ng các bon và
nguyên tố h ợ p kim) theo nguyen tắc:
• 2 số đầu chi phần vạn các bon (nếu không nhỏ h ơ n 1% C thì không cần);
• Tiế p theo là ký hiệu của từng nguyên tố và s ố chi ph ần tr ăm của nó (nếu gần 1% hay
không nhỏ h ơ n 1% thì không cần).
ГOCT dùng các chữ cái Nga để ký hi ệu nguyên tố h ợ p kim như sau: X chi Crôm, H chi Niken, B chi Volfram, M chi Molipden, T chi Titan, K chi Côban, C chi Silic, chi Mn, P:
bo; Ф: vànadi; Ю: nhôm; д: đồng; Б: niobi; Ц: ziếccôn; A: Nitơ ; ч: đất hiếm; Riêng chữ A
saucùng chi thép chất lượ ngcao ít S, P.
GB dùng chính ký hiệu hóa học để bi ểu thị t ừng nguyên tố, ví dụ: Cr cho crôm,… Như
12XH3A, 12CrNi3A là thép có khoảng 0.12%C, 1%Cr, khoảng 3%Ni vớ i chất lượ ng
cao. XB Г, CrWMn là thép có khoảng 1% C, khoảng 1%Cr, khoảng1%Mn và 1% W.
Đối vớ i hợ p kim mầu ΓOCT ký hiệu như sau:
- Π chi đuy-ra, tiế p sau là số th ứ t ự AM Γ chi s ố th ứ t ự Al, Mg ti ế p sau là thứ t ự A Π chi
hợ p kim nhôm đúc tiế p sau là số th ứ t ự.
- chi latông tiế p sau là số chi ph ầm tram đồng 5 chi brông tiế p sau là day các nguyên tố
hợ p kim và day số chi ph ầm tram của các nguyên tố t ươ ng ứng
GB ký hiệu hợ p kim màu như sau:
- LF hợ p kim nhôm chống gi, LY đuy-ra (cả hai lo ại, tiế p sau là số th ứ t ự), ZL: Hợ p kim
nhôm đúc vớ i 3 số ti ế p theo (trong đó số đầu tien chi loại, ví dụ 1 chi Al-Si, 2 chi Al-Cu)
- H chi latông, tiế p sau là chi phần tr ăm đồng, Q là chi brông tiế p sau là nguyên tố h ợ p
kim chính, số chi ph ần tr ăm của nguyên tố chính và t ổng các nguyên tố khác.Đối vớ i gang ΓOCT ký hiệu như sau :
Cч chi gang xám và s ố ti ế p theo chi σ b (kg/mm2) Bч chi gang c ầu và số ti ế p theo chi
σ b (kg/mm2). K ч chi gang d ẻo vớ i các chi số chi σ b (kg/mm2) và δ(%)
GB ký hiệu gang như sau: HT cho gang xám và s ố ti ế p theo chi σ b (MPa). QT cho gang
cầu và các số chi σ b(MPa) và δ(%). KTH cho gang dẻo ferit. KTZ cho gang dẻo peclit và
các chi số ti ế p theo σ b(MPa) và δ(%).
Mỹ là n ướ c có r ất nhiều hệ th ống tiêu chuẩn phức tạ p, song có ảnh huở ng lớ n đến thế
giớ i (phổ bi ến trong sách giáo khoa và tài liệu k ỹ thu ật) đặc biệt ở các n ướ c ngoài hệ th ống
xa hội chủ ngh ĩ a cũ. Ở đây chi trình bày các mác theo hệ tiêu chu ẩn thườ ng đượ c dùng nhất
đối vớ i từng loại vật liệu kim loại
Đối vớ i thép cán thông thườ ng dùng ASTM (American Society for Testing and
Materials) ký hiệu theo các số tròn (42, 50, 60, 65) chi σ0,2 min(ksi – 1ksi = 1000 psi =
6.8948MPa = 0.703kG/mm2)
Đối vớ i bảng HSLA thườ ng dùng SAE (Society for Automotive Engineers) ký hiệu bắt
đầu bằng số 9 và hai s ố ti ế p theo chi σ0,2 min(ksi)
Đối vớ i thép C và hợ p kim k ết cấu cho chế t ạo máy thườ ng dùng hệ th ống AISI/SAE vớ i
bốn số trong đó 2 số đầu chi loại thép, 2 số cu ối cùng chi phần vạn cacbon:
10xx thép cacbon 4xxx thép Mo
11xx thép dễ c ắt có S 5xxx thép Cr
12xx thép dễ c ắt có S và P 6xxx thép Cr-V
13xx thép Mn (1,00 – 1.765%) 7xxx thép W -Cr
15xx thép Mn (1.75%) 8xxx thép Ni-Cr-Mo
2xxx thép Ni 9xxx thép Si-Mn
3xxx thép Ni-Cr xxBxx thép B
xxLxx thép chứa P
Muốn biết thành phần cụ th ể ph ải tra bảng. Ví dụ thép 1038 có 0,35-0,42%C; 0,60-
0,90%Mn; %P ≤ 0,040; %S ≤ 0,050 cho các bán thành ph ẩm rèn, thanh, dây, cán nóng, cán
tinh và ống không rèn; thép 5140 có 0,38-0,43%C; 0,70-0,90%Mn; %P ≤ 0,035; %S ≤ 0,040;
0,15-0,3%Si; 0,70-0,90%Cr
Nếu thép đượ c bảo đảm độ th ấm tôi thì đằng sau ký hiệu có them chữ H, ví d ụ 5140 H, 1037 H.
Đối vớ i thép dụng cụ th ườ ng dùng hệ th ống của AISI (American iron and steelinstitute) đượ c ký hiệu bằng một chữ cái chi đặc điểm của thép và chi thứ t ự quy ướ c:
A Thép làm khuôn dậ p nguội hợ p kim trung bình tự tôi, tôi trong không khíD Thép làm khuôn dậ p nguội, crôm và cácbon cao
O Thép làm khuôn dậ p nguội tôi dầu (oil – hardening)
S Thép làm dụng cụ ch ịu và đậ p (shock – resisting)
L Thép dụng cụ có công d ụng riêng hợ p kim thấ p (low-alloy)
P Thép làm khuôn ép (nhựa) có cacbon thấ p
W Thép dụng cụ cacbon tôi n ướ c (water-hardening)
Đối vớ i thép không gỉ, tiêu chuẩn của AISI không những thịnh hành ở M ỹ mà còn
đượ c nhiều nướ c đưa vào tiêu chuẩn của mình, nó đượ c ký hiệu bằng ba chữ s ố trong đó bắtđầu bằng 2 hoặc 3 là thép auxtenit, bằng 4 là thép ferit hay mactenxit.
Đối vớ i hợ p kim nhôm, tiêu chuẩn AA (Aluminum Association) có uy tín nhất ở M ỹ và
trên thế giớ i cũng đượ c nhiều nướ c chấ p nhận, nó ký hiệu bằng 4 chữ s ố đối vớ i loại dạng:
1xxx lớ n hơ n 99% Al 5xxx Al-Mg
2xxx Al-Cu 6xxx Al-Si-Mg
3xxx Al-Mn 7xxx Al-Zn
4xxx Al-Si 8xxx Al-nguyên tố khác
Hợ p kim nhôm đúc cũng có 4 chữ s ố song tr ướ c số cu ối (thườ ng là số 0) có d ấu chấm (.)
Đối vớ i hợ p kim đồng ngườ i ta dùng hệ th ống CDA (Copper Development Association):
1xx Không nhỏ h ơ n 99% Cu (riêng 19x lớ n hơ n 97% Cu)2xx Cu-Zn (latông)3xx Cu-Zn-Pb4xx Cu-Zn-Sn5xx Cu-Sn
60x – 64x Cu-Al và Cu-Al-nguyên tố khác65x – 69x Cu-Si và Cu-Zn-nguyên tố khác7xx Cu-Ni và Cu-Ni-nguyên tố khác
Ngoài các tổ ch ức tiêu chuẩn trên, ở M ỹ còn hàng ch ục các tổ ch ức khác cũng có ký
hiệu riêng về v ật liệu kim loại, do vậy việc phân biệt chúng r ất khó khan. Xuất phát từ ý
muốn có một ký hiệu thống nhất cho mỗi thành phần cụ th ể, SAE và SATM từ 1967 đa đưa
ra hệ thông s ố th ống nhất UNS (Unified Numbering System) trên cơ s ở c ủa những số trong
các ký hiệu truyền thống. UNS gồm 5 con số và ch ữ đứng đầu chi loại vật liệu, ở đây chi
giớ i thiệu một số: A – nhôm, C - đồng, F – gang, G – thép cacbon và thép hợ p kim, H –thép bảo đảm độ th ấm tôi, S – thép không gỉ và ch ịu nhiệt, T – thép dụng cụ.
Trong số nam con s ố đó sẽ có nhóm ba - b ốn con số ( đầu hay cuối) lấy từ các ký hi ệu
truyền thống k ể trên (tr ừ gang, thép d ụng cụ).
Ví dụ, UNS G 10400 xuất phát từ AISI/SAE 1040 (thép 0,40%C), UNS A 91040 xu ất phát từ
AA 1040 (hợ p kim nhôm biến dạng có 99,40% Al).
Nhật Bản chỉ dùng m ột tiêu chuẩn JIS (Japanese Industrial Standards), vớ i đặc điểm là
dung hoàn toàn hệ đo đườ ng quốc tế, cụ th ể là ứng suất theo MPa.
Tất cả các thép đều đượ c bắt đầu bằng chữ S.
Thép cán thông dụng đượ c ký hiệu bằng số chi gi ớ i hạn bền kéo hay giớ i hạn chẩy thấ p nhất
(tuỳ t ừng loại). SS – thép cán thườ ng có tác dụng chung, SM – thép cán làm k ết cấu hàn, nếu
them chữ A là SMA – thép ch ống an mòn trong khí quyển, SB – thép tấm làm nồi hơ i.
Thép cacbon để ch ế t ạo máy: SxxC hay SxxCK trong đó xx chi phần vạn cacbon trung bình
(chữ K ở cu ối là loại có chất lượ ng cao: lượ ng P, S không lớ n hơ n 0,025%).
Thép hợ p kim để ch ế t ạo máy gồm hệ th ống chữ và s ố:
+ Bắt đầu bằng SCr – thép Cr, SMn – thép Mangan, SNC – thép niken-crôm, SNCM –
SMnC – thép mangan-crôm;+ Tiế p theo là ba chữ s ố trong đó hai chữ s ố cu ối cùng chi phần vạn cacbon trung bình.
Thép dễ c ắt đượ c ký hiệu bằng SUM, thép đàn hồi SUP, thép ổ lan – SUJ và s ơ th ứ t ự.
Thép dụng cụ b ắt đầu bằng SK và số th ứ t ự: SKx – thép dụng cụ cacbon
SKHx – thép gió
KSx – thép làm dao cắt và khuôn dậ p nguội
SKD và SKT – thép làm khuôn dậ p nóng, đúc áp lực.
Thép không gỉ đượ c ký hiệu bằng SUS và số ti ế p theo trùng vớ i số c ủa AISI, thép
chịu nhiệt đượ c ký hiệu bằng SUH.
Gang xám đượ c ký hiệu bằng FCxxx, gang cầu FCDxxx, gang dẻo lõi đen –FCMBxxx, lõi tr ắng – FCMWxxx, peclit – FCMPxxx, các số xxx đều chi giớ i hạn bền.
Các hợ p kim nhôm và đồng có nhóm lấy số theo AA và CDA v ớ i phía tr ướ c có A (chi
nhôm), C (chi đồng).
Pháp và Đức có tiêu chuẩn AFNOR (Association Franccaise de NORmalisation)
và DIN (Deutsche Institut fur Normalisierung), chúng có nhiều nét giống nhau.
Pháp, Đức cũng như các n ướ c trong lien minh châu âu EU đang trên quá trình nhất thể
hoá kinh tế c ũng như tiêu chu ẩn. Hiện nay các nướ c trong EU đa dung chung tiêu chuẩn EN10025 – 90 về thép cán thong d ụng làm k ết cấu xây dựng vớ i các mác Fe 310, Fe 360, Fe
430, Fe 510, Fe 590 (số chi độ b ền kéo theo MPa).
Thép cacbon để ch ế t ạo máy đượ c ký hiệu theo số ph ần vạn cacbon trung bình. Ví dụ,
vớ i thép có khoảng 0,35%C AFNOR ký hiệu là C35 hay XC35 (mác sau có dao động thành
phần hẹ p hơ n), DIN ký hiệu C35 hay CK35.
Thép hợ p kim thấ p (loại không có nguyên tố nào v ượ t quá 5%) đượ c ký hiệu theo tr ật tụ sau:
- Hai chữ s ố đầu biểu thị l ượ ng cacbon trung bình theo phần vạn;
- Liệt ke các nguyên tố h ợ p kim: DIN dùng chính ký hiệu hóa học, còn AFNOR dùng
các chữ cái: C cho crôm, N cho niken, M cho mangan, S cho silic, D cho molipden, W cho
volfram, V cho vànadi;
- Liệt ke lượ ng các nguyên tố h ợ p kim theo tr ật tự, sau khi đa nhân số ph ần tr ăm vớ i
4 (đối vớ i Mn, Si, Cr, Co, Ni) và vớ i 10 (đối vớ i các nguyên tố còn l ại). Ví dụ: 34 CD4 của
AFNOR và 34CrMo 4 của DIN có khoảng 0.34%C, khoảng 1% Cr và khoảng 0.10%Mo.
Bảng đối chi ếu một số mác thép, gang của các nướ c
Thép hợ p kim cao (loại có ít nhất một nguyên tố v ượ t quá 5%) thì tr ướ c ký hiệu có chữ Z(AFNOR), X (DIN) và lượ ng nguyên tố h ợ p kim đều biểu thị đúng theo phần tr ăm. Ví dụ, Z20C13
(AFNOR), X20 Cr13 (DIN) là mác thép không gỉ có kho ảng 0.20% C và khoảng 13%Cr.
Ghi chú: - Các mác đều chứa 0.17-0.37 %Si;- Mẫu thử có đườ ng kính và chiều dày nhỏ h ơ n 80 mm;- Độ dai va đậ p các thép thử ở tr ạng thái hóa tốt;- Cơ tính c ủa các thép C75, C80, C85 cũng thử ở tr ạng thái hóa tốt (Tôi va ram cao)
1 - Thành phần hóa học của các mác thép cacbon chất lượ ng thườ ng phân nhóm B