Bài giảng Vật liệu kỹ thuật

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 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.

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

WWW.BOIDUONGHOAHOCQUYNHON.BLOGSPOT.COM

WW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

óng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú



http://www.ebook.edu.vn2

MỤC LỤC

TỔ NG QUAN .......................................................................................................................... 15

1.1 KHÁI NIỆM VỀ V ẬT LIỆU ........................................................................................... 15

1.1.1 Khái niệm chung ............................................................................................................. 15

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

1.3.2.2. Nút mạng ........................................................................................................................................... 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







http://www.ebook.edu.vn 3

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

1.4.2.2. Mạng grafit ........................................................................................................................................ 29

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

1.5.2.1. Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a) ................................................... 31

1.5.2.3. Lệch xoắn (screw dislocation) (hình 1.19a) ................................................................................... 32

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

1.6.2.1. Hạt ...................................................................................................................................................... 33

1.6.2.2. Độ h ạt ................................................................................................................................................ 33

1.6.2.3. Siêu hạt .............................................................................................................................................. 34

1.6.3. Textua ............................................................................................................................. 35

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

1.7.1.3.Độ quá ngu ội ..................................................................................................................................... 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

2.1.1. Khái niệm ....................................................................................................................... 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. Phá hủy ........................................................................................................................... 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

2.3.2.1. Hồi phục ........................................................................................................................................... 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. Biến dạng nóng ............................................................................................................... 52

2.3.3.1. Khái niệm .......................................................................................................................................... 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

3.1.3.4 Pha Laves .......................................................................................................................................... 60

3.2. GIẢ N ĐỒ PHA C ỦA HỆ HAI C ẤU TỬ ......................................................................... 60

3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng ................................................................................................ 60

3.2.2. Quy tắc đòn bẩy .............................................................................................................. 61

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








4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) .......................................................... 75

4.2.5.1. Tính không ổn định của mactenxit và austenit .............................................................................. 75

4.2.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram ...................................................................................................... 76

4.3. Ủ VÀ TH ƯỜ NG HÓA THÉP .......................................................................................... 76

4.3.1. Ủ thép ............................................................................................................................. 76

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

4.3.2.1.Định ngh ĩ a: ......................................................................................................................................... 77

4.3.2.2. Mục đích và l ĩ nh vực áp dụng: ........................................................................................................ 78

4.4. TÔI THÉP ......................................................................................................................... 78

4.4.1. Định ngh ĩ a và mục đích ................................................................................................. 78

4.4.1.1.Định ngh ĩ a: ........................................................................................................................................ 78

4.4.1.2. Mục đích: ........................................................................................................................................... 78

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

4.4.3.2.Độ th ấm tôi ........................................................................................................................................ 794.4.3.3.Đánh giá độ th ấm tôi: ....................................................................................................................... 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.RAM THÉP ........................................................................................................................ 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

4.6.1.2. Ngăn ngừa: ........................................................................................................................................ 84

4.6.1.3. Khắc phục:......................................................................................................................................... 85

4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon ................................................................................................ 85

4.6.2.1. Nguyên nhân và tác hại:. .................................................................................................................. 85

4.6.2.2. Ngăn ngừa: ........................................................................................................................................ 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

4.7.2.3. Thấm nitơ .......................................................................................................................................... 89

4.7.2.4. Thấm cacbon - nitơ ........................................................................................................................... 90

PHẦ N III VẬT LIỆU KIM LOẠI ........................................................................................... 91

CHỮƠ NG 5 THÉP VÀ GANG ............................................................................................... 91

5.1. KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON VÀ H ỢP KIM .......................................................... 91

5.1.1. Thép cacbon ................................................................................................................... 91

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








5.1.1.5. Tiêu chuẩn thép cacbon ................................................................................................................... 93

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

5.3.3.3. Thép cacbon: ....................................................................................................................................... 6

5.3.3.4. Thép Cr: ............................................................................................................................................... 65.3.3.5. Thép Cr-Mo: ....................................................................................................................................... 6

5.3.3.6. Thép Cr-Mn và Cr-Mn-Si: ................................................................................................................ 6








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








5.5.2.2. Thép không gỉ m ột pha ferit ............................................................................................................ 18

5.5.2.3. Thép không gỉ m ột pha austenit ...................................................................................................... 18

5.5.2.4. Thép không gỉ hóa b ền tiết pha ....................................................................................................... 19

5.5.3. Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) .......................................................................... 19

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

6.1.2.1. Nhôm sạch:........................................................................................................................................ 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

6.1.4.3. Silumin phức tạ p: ............................................................................................................................ 28

6.2. Hợ

p kimđồ

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








6.1.4.3. Phân loại hợ p kim Cu: ................................................................................................................... 28

6.1.4.4. Hệ th ống ký hiệu cho hợ p kim đồng ........................................................................................... 28

6.2.2. Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь) ....................................... 29

6.2.3. Brông: ............................................................................................................................. 29

6.2.3.1. Brông thiếc:. ...................................................................................................................................... 29

6.2.3.2. Brông Al: ........................................................................................................................................... 296.2.3.3. Brông berili: ...................................................................................................................................... 29

6.2.4. Hợ p kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni .................................................................................. 30

6.3. Hợ p kim ổ tr ượ t ................................................................................................................. 30

6.3.1. Yêu cầu đối vớ i hợ p kim làm ổ tr ượ t ............................................................................. 30

6.3.2. Hợ p kim ổ tr ượ t có nhiệt độ ch ảy thấ p ........................................................................... 30

6.3.2.1. Babit thiếc (do Babbitt (ngườ i Anh) tìm ra) .................................................................................. 30

6.3.2.2. Babit chì ............................................................................................................................................. 31

6.3.3. Hợ p kim nhôm................................................................................................................ 31

6.3.4. Các hợ p kim khác ........................................................................................................... 31

6.4. Hợ p kim bột ....................................................................................................................... 31

6.4.1. Khái niệm chung ............................................................................................................ 31

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

6.4.2.4. Thép gió bột ...................................................................................................................................... 35

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

6.4.4.2. Màng lọc: ........................................................................................................................................... 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

7.2.2.1.Thuỷ tinh............................................................................................................................................. 38

7.2.2.2. Gốm thuỷ tinh ................................................................................................................................... 39

7.2.3. Ximăng ........................................................................................................................... 39

7.2.3.1. Bản ch

ất ............................................................................................................................................. 397.2.3.2. Ximăng .............................................................................................................................................. 39

7.2.4. Bêtông ............................................................................................................................ 40








7.2.5. Bêtông cốt thép ............................................................................................................... 41

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

8.2.4. Màng ............................................................................................................................... 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

9.1.3.1. Cốt ...................................................................................................................................................... 49

9.1.3.2. Nền ..................................................................................................................................................... 49

9.1.3.3. Liên k ết nền - cốt .............................................................................................................................. 499.2. Compozit cốt hạt ............................................................................................................... 49

9.2.1. Compozit hạt thô ............................................................................................................ 50

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

1.2.2.6Tuổi thọ. ............................................................................................................................................... 63

1.3 Lựa chon vật liệu ................................................................................................................ 63

1.3.1 Yêu cầu về tính n ăng sử d ụng ......................................................................................... 63








TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU

1.1.1 Khái niệm chung

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:








− Năm 1930 công nghệ ch ế t ạo hợ p kim nhôm cứng có tên Ðuara (duaralumin) xu ất hiện

nhờ quá trình hóa già bi ến cứng.

− Năm 1940 công nghệ ch ế t ạo chất dẻo polyme ra đờ i nhờ quá trình trùng h ợ p.

− Năm 1955 công nghệ ch ế t ạo bán dẫn bằng k ỹ thu ật tinh luyện và tạo lớ p chuyển tiế p.

− Năm 1965 một loạt vật liệu mớ i ra đờ i như thép xây d ự ng vi hợ p kim hóa, thép k ế t cấ u độ

bề n cao và đặc biệt là sự xu ất hiện vật liệu k ế t hợ p compozít.− Năm 1975 chế t ạo vật liệu nhớ hình.

− Năm 1980 chế t ạo thành công kim loại thủy tinh v.v…

Bất k ỳ một sáng tạo nào của con ngườ i cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai

thác các đặc tính khác nhau của vật liệu

Các sự kiện nổ i bật:

Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?

Luyện thép ở quy mô CN → TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn

Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa k ỳ), gốm Việt nam Trung hoa r ất lâu đờ i Sử dụng vi tính → máy tính → công nghệ cao vớ i nền kinh tế tri thức → ?

Cơ khí (vật liệu kim loại) → máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)

Đèn điện tử → máy tính điện tử MИHCK22 (vài tr ăm phép tính/phút)

Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz → 200MHz (P) → (330 - 400)MHz (PII) → (400

-700)MHz (PIII), PIV → 1GHz,.. ?

Máy hút bụi: gỗ (h ộ p)→ kim loại (tr ụ) → polyme (cầu) công suất gấ p 10, kích thướ c 1/3.

Xu hướ ng phát triển của vật liệu :

Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại

Polyme, compozit xu hướ ng tăng, kim loại → giảm nhưng vẫn quan tr ọng nhất.

Tuy nhiên còn có r ất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các

phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng r ộng rãi vào thực tế trong t ươ ng lai.

Hình 1.1.

Phân bố

vật liệu








1.3 Nội dung môn học

Gồm bốn phần chính

- 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.








PHẦN I

CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU

CHƯƠ NG 1

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...),








VIIB (H, F, Cl, Br, I). Các ô xit kim loại như Al 2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO... có xu thế

mạnh vớ i tạo liên k ết ion.

• Liên k ết ion càng mạnh khi lớ p ngoài cùng (cho) chứa ít e, nhận nằm càng gần hạt nhân.

• Liên k ết không định hướ ng (định hướ ng thì xác suất liên k ết lớ n nhất theo phươ ng nối

tâm các nguyên tử), vật liệu có liên k ết ion thì tính giòn cao.

1.1.2.3. Liên k ết kim loại (hình 1.3) Định nghĩ a: là liên k ết trong đó các cation kim loại nhấn chìm trong đám mây electron tự do.

N ăng l ượ ng liên k ế t là t ổng hợ p (cân bằng)→ các ion kim lo ại có vị trí xác định. Các

nguyên tố nhóm Ia có tính kim lo ại điển hình, càng dịch sang bên phải tính chất kim loại càng

giảm, tính đồng hóa tr ị trong liên k ết càng tăng.

Tính chấ t của kim loại: liên k ết này tạo cho kim loại các tính chất điển hình: Ánh kim hay

vẻ sáng, d ẫn nhiệt và dẫn điện tốt và tính dẻo, dai cao.

1.1.2.4. Liên k ết hỗn hợ pThực ra các liên k ết trong các chất, vật liệu thông dụng thườ ng mang tính hỗn hợ p của

nhiều loại. Ví dụ : Na và Cl có tính âm điện lần lượ t là 0,9 và 3,0. Vì thế liên k ết giữa Na và

Cl trong NaCl gồm khoảng 52% liên k ết ion và 48% liên k ết đồng hóa tr ị.1.1.2.5. Liên k ết yếu (Van der Waals)

Do sự khác nhau v ề tính âm điện tạo thành và phân tử

phân cực. Các cực trái dấu hút nhau tạo ra liên k ết Van der

Waals. Liên k ết này yếu, r ất dễ b ị phá v ỡ khi t ăng nhiệt độ.

1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất

1.2.1. Chất khí

Trong chất khí có sự s ắ p xế pnguyên tử m ột cách hỗn loạn → không

có hình dạng, kích thướ c xác định.

1.2.2. Chất rắn tinh thể

Chấ t r ắn tinh thể :

- Tr ật t ự g ần, mà còn có cả tr ật t ự xa.

- Các kiểu mạng tinh thể xác định: lậ p phươ ng, lục giác. (hình 1.4)1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể

Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên k ết ion trong phân tử Hình 1.3. Sơ đồ liên k ết kim loại

Hình 1.4. Sơ đ ồ mạng tinh thể








1.2.3.1. Chất lỏng

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.








Tính đối xứng là tính chất hình học khi quay một điểm hay một phần tử xung quanh 1

điểm hay một đườ ng vớ i một góc a chúng sẽ trùng l ặ p nhau. Điểm hay đườ ng đượ c quay

xung quanh đó đượ c gọi là tâm hay tr ục đối xứng. Đối xứng qua mặt phẳng đượ c gọi là đối

xứng gươ ng. Gọi n = 2p/a là bậc đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hi ệu L1, L2, L3, L4, L6.

1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phươ ng, mặt tinh thể

1.3.2.1. Ô cơ sở

• Đ/n: là hình khối nhỏ nh ất có cách sắ p xế p nguyên

tử đại diện cho toàn bộ m ạng tinh thể.

• Do tính đối xứng bằng phươ ng pháp xoay và tịnh

tiến ta sẽ suy ra toàn b ộ m ạng tinh thể.

Thông số m ạng (hằng số m ạng) là kích thướ c của ô cơ

sở , thườ ng là kích thướ c các cạnh của ô cơ s ở t ừ đó có thể

xác định toàn bộ kích th ướ c của ô cơ s ở (hình 1.6)

1.3.2.2. Nút mạng

Nút mạng tươ ng ứng vớ i vị trí các nguyên t ử trong m ạng tinh thể.

1.3.2.3. Chỉ số phươ ng

Phươ ng là đườ ng thẳng đi qua các nút mạng, đượ c ký hiệu bằng [u v w]; Ba chỉ s ố u, v, w là

ba số nguyên t ỷ l ệ thu ận vớ i tọa độ c ủa nút mạng nằm trên phươ ng đó ở g ần gốc tọa độ nh ất.

Chú ý: Phươ ng và mặt tinh thể có kích th ướ c vô hạn.

Trên hình 1.7 giớ i thiệu ba phươ ng điển hình trong mạng tinh thể c ủa hệ l ậ p phươ ng:

Hình 1.7. Các phươ ng điển hình của hệ

l hươ n

Hình 1.8. Các mặt điển hình

của h l hươ n

Hình 1.6. Ô cơ sở và hệ tọa độ








Mặ t Chỉ s Miller Chỉ s Miller - BravaisABHG (100) (1010)

BCIH (010) (0110)

AGLF (110) (1100)

BCDEF (001) (0001)

CIG (1120)

Đườ ng chéo khối [111], đườ ng chéo mặt [110], đườ ng chéo cạnh [100].

Các phươ ng có các giá tr ị tuy ệt đối u, v, w giống nhau, tạo nên họ ph ươ ng <uvw>.

Ví dụ h ọ <110> g ồm các phươ ng sau đây chúng có cùng quy luật sắ p xế p nguyên tử: [110],

[011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [01 1], [101] (các đườ ng chéo).

1.3.2.4. Chỉ số Miller của mặt tinh thể

Mặt tinh thể là t ậ p hợ p các mặt có cách sắ p xế p nguyên tử gi ống hệt nhau, song song và

cách đều nhau, chúng có cùng một ký hiệu. Ngườ i ta ký hiệu mặt bằng chỉ s ố Miller (h k l).

Các chỉ s ố h, k, l đượ c xác định theo các bướ c như sau:

Tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba tr ục theo thứ t ự Ox, Oy, Oz,

Xác định tọa độ các giao điểm, r ồi lấy các giá tr ị ngh ịch đảo,

Quy đồng mẫu số, lấy các giá tr ị c ủa tử s ố, đó chính là các chỉ s ố h, k, l

Ví dụ , xác định các chỉ s ố Miller cho các m ặt:

Mặt Điểm cắt cáctr ục

Nghịchđảo

Chỉ s ố

1 1,1,1/2 1,1,2 (112)

2 1,1,1 1,1,1 (111)

3 1,1, ∞ 1,1,0 (110)

4 1, ∞ , ∞ 1,0,0 (100)

5 1,1,2 1,1,1/2 (221)

Các mặt có các chỉ s ố giá tr ị tuy ệt đối h, k, l giống nhau tạonên họ m ặt {h k l}.

Ví dụ , các m ặt hộ p tạo nên họ{100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001).

1.3.2.5. Chỉ số Miller - Bravàis trong hệ lục giác

Chỉ s ố Miller - Bravàis v ớ i hệ có b ốn tr ục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hình 1.9). Ch ỉ s ố Miller -

Bravàis đượ c ký hiệu bằng (h k i l), trong đó chỉ s ố th ứ ba i c ủa tr ục Ou) có quan hệ: i = - (h + k)

Hãy thử so sánh hai ch ỉ s ố này cho các m ặt trong hệ l ục giác đượ c trình bày ở hình 1.10

Cách ký hiệu theo Miller - Bravàis thể hi ện đượ c các

mặt bên cùng họ và cùng cách sắ p nguyên tử.

Hình 1.9 Sơ đ ồ ký hiệu mặt tinh thể theo chỉ số M iller

Hình 1.10. H ệ t ọa độ tronghệ l ục giác và các mặt








1.3.3. Mật độ nguyên tử

1.3.3.1. Mật độ xếp

Là mức độ dày đặc của nguyên tử trong m ạng tinh thể. Mật độ x ế p theo phươ ng (chiều

dài) M l, theo mặt Ms hay trong toàn bộ th ể tích m ạng Mv đượ c xác định theo các công thức:

Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V Trong đó:

l, s, v lần lượ t là chiều dài, diện tích, thể tích b ị nguyên t ử (ion) chi ếm chỗ.

L, S, V lần lượ t là tổng chiều dài, diện tích, thể tích xem xét.

1.3.3.2. Số phối trí (số sắp xếp):

Là số l ượ ng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho. Số s ắ p xế p càng lớ n

chứng tỏ m ạng tinh thể càng dày đặc.

1.3.3.3. Lỗ hổng

Là không gian tr ống giữa các nguyên tử (coi nguyên t ử là hình c ầu đặc). Kích thướ c lỗ

hổng đượ c đánh giá bằng đườ ng kính hay bán kính quả c ầu lớ n nhất có thể đặt lọt vào.

1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4.1. Chất rắn có liên k ết kim loại (kim loại nguyên chất)

Đặc tính cấu trúc của kim loại là: nguyên tử (ion) luôn có xu h ướ ng xế p xít chặt vớ i kiểu

mạng đơ n giản (như l ậ p phươ ng tâm mặt, lậ p phươ ng tâm khối, lục giác xế p chặt).

1.4.1.1. Lập phươ ng tâm khối A2

Ô cơ s ở là hình l ậ p phươ ng, cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) n ằm ở các đỉnh và tâm khối

(hình 1.10a, b và c). Số l ượ ng nguyên tử cho m ỗi ô: nv = 8 đỉnh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử

Hình 1.10. Ô cơ s ở m ạng lậ p phươ ng tâm kh ối (a, b), các lỗ h ổng (c) và cách xế p các mặt tinh thể

{100} và {110} (d)








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).








1.4.3. Chất rắn có liên k ết ion

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

Mạch kín Bẻ liên k ết kép Tạo mạch thẳng








sai lệch đượ c gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuy ết tật mạng. Tuy số nguyên t ử n ằm lệch vị

trí quy định chiếm tỷ l ệ r ất thấ p (chỉ 1 ÷ 2%) song ảnh hưở ng lớ n đến cơ tính: kh ả n ăng biến

dạng dẻo, biến cứng...).

Phụ thu ộc vào kích thướ c theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: điểm,

đườ ng và mặt.

1.5.1. Sai lệch điểm

Đó là loại sai lệch có kích thướ c r ất nhỏ (c ỡ kích th ướ c nguyên tử) theo ba chiều không

gian, có dạng bao quanh một điểm. Hình 1.17 trình bày tổng quát các dạng sai lệch điểm này.

1.5.1.1. Nút trống và nguyên tử tự xen k ẽ (Hình 1.17a)

Do dao động nhiệt quanh vị trí cân b ằng, ở m ức phân bố n ăng lượ ng không đều, một số

nguyên tử b ứt khỏi nút mạng để l ại nút tr ống và tạo nguyên tử xen k ẽ gi ữa.

Hình 1.17 . Các dạng sai lệch điểm: nút tr ống và nguyên tử t ự xen k ẽ (a) và các nguyên t ử

tạ p chất (b).

Mật độ c ủa nút tr ống tăng nhanh theo nhiệt độ (n=e Q/KT), khi sắ p chảy lỏng nmax.

Nút tr ống có ảnh hưở ng lớ n đến cơ ch ế và t ốc độ khu ếch tán của kim loại và hợ p kim ở

tr ạng thái r ắn.

1.5.1.2. Nguyên tử tạp chất

Trong thực tế v ật liệu hoặc kim loại thườ ng có tạ p chất: xen k ẽ (hình 1.17b).

Do sự sai khác v ề đườ ng kính nguyên tử gi ữa các nguyên tố n ền và tạ p chất → sai lệch.

1.5.2. Sai lệch đườ ng - Lệch

Sai lệch đườ ng là loại có kích thướ c nhỏ (c ỡ kích th ướ c nguyên tử) theo hai chiều và lớ n

theo chiều thứ ba, t ức có dạng của một đườ ng (có thể là th ẳng, cong, xoáy trôn ốc). Sai lệch

đườ ng có thể là m ột dãy các sai lệch điểm k ể trên. Chúng g ồm: hai dạng là biên và xoắn.

1.5.2.1. Lệch biên (edge dislocation hay dislocation line) (hình 1.18a)

Có thể hình dung l ệch biên đượ c tạo thành nhờ chèn thêm bán m ặt ABCD vào nửa phần

trên của mạng tinh thể lý t ưở ng (hình 1.18a), khi đó, các mặt nguyên tử khác ở hai phía tr ở

nên không còn song song vớ i nhau.








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

1.5.2.3. Lệch xoắn (screw dislocation) (hình 1.19a)

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.








Cấ p hạt N=3,322lgZ+1, vớ i Z là số h ạt có trong 1 inch2 (2,542≈ 6,45cm 2 d ướ i độ phóng

đại 100 lần.

Ngườ i ta thườ ng xác định cấ p hạt bằng cách so sánh vớ i bảng chuẩn ở độ phóng đại

(thườ ng là x100) hoặc xác định trên tổ ch ức tế vi. Các s ố li ệu phân cấ p hạt xem bảng 1.2.

Bảng 1.2. Các cấ p hạt chuẩn chính theo ASTM

Cấ p hạt 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Z(x100)/inch2 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 0128

Z thực/mm2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048

S hạt, mm2 0,258 0,129 0,06 0,032 0,016 0,008 0,004 0,002 0,001 0,0005

Cấ p hạt 9 10 11 12 13 14

Z(x100)/inch2 256 512 1024 2048 4096 8200

Z thực/mm2 4096 8200 16400 32800 65600 131200S hạt, mm2 2.10-4 1.10 -4 6.10 -5 3.10 -5 1,6.10 -5 7,88.10 -6

Hình 1.21. Thang ảnh cấ p hạt chuẩn ứng vớ i độ phóng đại x100

1.6.2.3. Siêu hạt

Nếu như kh ối đa tinh thể g ồm các hạt (kích thướ c hàng chục - hàng tr ăm µm) vớ i

phươ ng mạng lệch nhau một góc đáng k ể (hàng ch ục độ), đến lượ t mỗi hạt nó cũng gồm

nhiều thể tích nh ỏ h ơ n (kích thướ c cỡ 0,1 ÷10µm) vớ i phươ ng mạng lệch nhau một góc r ất

nhỏ ( ≤ 1-2o

) gọi là siêu hạt hay block (hình 1.20d). Biên giớ i siêu hạt cũng bị xô l ệch nhưngvớ i mức độ r ất thấ p.








1.6.3. Textua

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.

Hình 1.23. Biến đổ i năng lượ ng tự do của hệ








1.7.2. Hai quá trình của sự k ết tinh

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.

Hình 1.24. K ết tinh nhánh cây (a),

tinh thể nhánh cây ( b)








Hình 1.25. Quá trình tạo và phát triển mầm theo thờ i gian (các hình a,b,c) và k ết thúc ở

giây thứ n (d).

1.7.3.2. Hình dạng hạt

Hình dạng hạt phụ thu ộc vào phươ ng thức làm nguội:

- Nguội đều theo mọi phươ ng → hạt có dạng đa cạnh hay cầu (hình 1.25).

- Nguội nhanh theo hai phươ ng (tức theo một mặt) →hạt có dạng tấm, lá, phiến như grafit

trong gang xám.

- Nguội nhanh theo một phươ ng nào đó, hạt sẽ có d ạng đũa, cột hay hình tr ụ .

- Dạng tinh thể hình kim ( đầu nhọn) → ch ỉ khi nhi ệt luyện.

1.7.4. Các phươ ng pháp tạo hạt nhỏ khi đúc

Hạt nhỏ → c ơ tính cao h ơ n (bền và dẻo hơ n = độ dai cao h ơ n) → tìm cách t ạo hạt nhỏ.

1.7.4.1. Nguyên lý

Kích thướ c hạt cũng phụ thu ộc vào tươ ng quan của hai quá trình: tạo mầm và phát triển

mầm. Số m ầm đượ c tạo ra càng nhiều thì hạt càng nhỏ , m ầm lớ n lên (phát triển) càng nhanh

thì hạt càng lớ n. Kích thướ c hạt A phụ thu ộc vào tốc độ sinh m ầm n và tốc độ phát tri ển v

(mm/s) theo công thức thực nghiệm

3

41,1 ⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ =n

v A để t ạo hạt nhỏ → tăng n và giảm v.

1.7.4.2. Các phươ ng pháp làm hạt nhỏ khi đúc

T ăng t ố c độ nguội

Khi tăng độ quá ngu ội ∆To, tốc độ sinh m ầm n

và tốc độ phát tri ển dài của mầm v đều tăng (hình

1.26).

∆ T < ∆ T1 (~103 độ /s): ∆ T ↑→cản &v đều ↑

∆ T1< ∆ T < ∆ T2 (~104-105 độ/s): ∆ T↑→n↑ ,

v↓→ nano∆ T > ∆ T2: ∆ T ↑→vô định hình

Hình 1.26 Ảnh hưở ng của∆T đến (n) và (v)








Đúc khuôn cát → khuôn kim loại → h ạt nhỏ;

Biế n tính:

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.

Hình 1.27. Cấu trú c 3 vùng củ a thỏ i đúc








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

dạng tươ ng đối bằng phẳng.

R ỗ khí

R ỗ co








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

vùng trên của khuôn.








CHƯƠ NG 2

BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH

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








2.1.2. Trượ t đơ n tinh thể

Tr ượ t là sự chuyể n d ờ i t ươ ng đố i giữ a các phần của tinh thể theo nhữ ng mặt và phươ ng

nhấ t định gọi là mặt và phươ ng tr ượ t (hình2.3.)

2.1.2.1. Các mặt và phươ ng trượ t

M ặt tr ượ t là mặt (tưở ng tư ợ ng) phâ n cá ch giữ a hai mặt nguyên t ử dày đặc nhấ t mà theo đ ó sự tr ượ t xả y ra.

Các mặt và phươ ng tr ượ t của ba kiểu mạng tinh thể th ườ ng gặ p đượ c trình bày ở hình 2.4:

- Mạng lftm (A1): mặt tr ượ t {111}, (4 mặt x 3 phươ ng)=12 hệ tr ượ t chính khác nhau.

- Mạng lftk (A2): mặt tr ượ t {110}, (6 mặt x 2 phươ ng)= 12 hệ tr ượ t chính khác nhau.

- Mạng lgxc (A3): mặt tr ượ t, (1 mặt x 3 phươ ng)= 3 hệ tr ượ t chính khác nhau.

- Ngoài các mặt, phươ ng tr ượ t chính k ể trên còn có kh ả n ăng bị tr ượ t theo các mặt,

phươ ng dày đặc khác tuy không phải là dày đặc nhất.

- Khả n ăng biến dạng dẻo của kim loại tỷ l ệ thu ận vớ i số h ệ tr ượ t chính: số h ệ tr ượ t càng

cao → khả n ăng tr ượ t càng lớ n → kim lo ại càng dễ bi ến dạng dẻo.

-Thực tế đã chứng tỏ điều này: Feg, Al, Ag, Cu, ...(mạng A1) dẻo và dễ dát m ỏng hơ n Zn

(A3)

So vớ i lftk (A2) m ạng lftm (A1) tuy cùng 12 hệ tr ượ t nhưng dễ tr ượ t hơ n → tính dẻo cao

hơ n.

2.1.2.2. Ứ ng suất gây ra trượ t

Định luật Schmid .

Khi t > tth (xác định đối vớ i từng kim loại) → tr ượ t mớ i xảy ra. Giá tr ị c ủa τ =?

Hình2.3. Sơ đồ biểu diễn sự tr ượ t:

a. đơ n tinh thể và mạng tinh thể tr ướ c

khi tr ượ t,

b. hìnhdạng đơ n tinh thể và mạng tinh

thể sau khi tr ượ t.

Hình2.4. Các mặt và phươ ng tr ượ t cơ bản của

kim loại:

a. lậ p phươ ng tâm khối, <100>

b. lậ p phươ ng tâm mặt,<111>

c. lục giác xế p chặt, <0001>








β α α β α τ cos.sin.coscos.cos0S

F

S

F ==

trong đó F/S0 là ứng suất kéo δ0 thay vào ta có :

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








tr ượ t → lực cao hơ n →độ b ền cao hơ n.

4) H ạt càng nhỏ độ bề n và độ d ẻo càng cao: hạt nhỏ có t ổng diện tích biên hạt lớ n hơ n, sẽ

cản tr ượ t mạnh hơ n nên làm tăng độ b ền. Theo Hall - Petch:

Khi hạt nhỏ đi → t ăng độ dai → v ật liệu khó bị phá h ủy giòn → r ất ưu việt.

2.1.3.2. Tổ chứ c và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo

1) Sau khi biến dạng →xô lệch mạng tinh thể.

Hình2.7. Sự thay đổi tổ ch ức sau biến dạng

Textua biến dạng. Ví dụ khi cán: Al m ạng A1: các mặt {110} song song vớ i mặt cán.

2) Biến dạng dẻo → do xô l ệch mạng → ứng suất dư , → cho c ơ tính ↑ , ứng suất nén

dư b ề m ặt làm ↑ giớ i hạn mỏi: lăn ép, phun bi.

3 ) Xu hướ ng thay đổ i cơ tính sau khi biế n d ạng d ẻo ( hình2.8 ):

+ Bền ( dhσ , 2,0σ ), cứ ng ↑ , dẻ o ↓

+ Dẫn điện và tính chống ăn mòn giảm

2.1.4. Phá hủy

Ứ ng suất > [ bσ ] → phá hủy do gãy, vỡ ho ặc đứt

(fractography).

Đầu tiên xuấ t hiện vế t nứ t t ế vi trên bề mặt hay ở

sâu bên trong → phát triể n vế t nứ t → phá hu ỷ.

Tuỳ theo t ải tr ọng:

Hình2.8. ảnh hưở ng của

độ biến dạng đến cơ tính

của kim loại nói chung (a)

và Cu nói riêng (b).

Hình 2.9 Các dạng mặt gãy do phá hủy








2.1.4.1. Tải trọng t ĩ nh

Tải tr ọng t ĩ nh: Phá hủy giòn và phá hủy d ẻo:

- Phá hủy dẻo kèm theo biến dạng dẻo

- Phá hủy giòn không kèm theo biến dạng

- Phá huỷ giòn x ảy ra đột ngột (d), phá huỷ d ẻo xảy ra từ t ừ (a) ch ậm (b), nhanh (c)

- Công cho phá huỷ d ẻo lớ n hơ n.- Phá huỷ d ẻo hay giòn do:

+ Bản chất vật liệu: thép, Al, Cu dễ phá hu ỷ d ẻo; gang → giòn. Ceramic, polyme nhi ệt r ắn

→ phá hu ỷ giòn.

+ To ↓ → phá huỷ giòn, t ải tr ọng đặt vào nhanh, đột ngột → phá hu ỷ giòn.

+ K ết cấu gây tậ p trung ứng suất (hạ b ậc đột ngột, rãnh, khía, nứt,..) → d ể gây phá hu ỷ giòn.

C ơ chế phá hủ y

Phá hủy theo 4 giai đoạn sau:1) Hình thành vế t nứ t (t ế vi),

2) V ế t nứ t t ế vi phát triể n d ướ i t ớ i hạn, tớ i hạn

3) V ế t nứ t t ớ i hạn phát triể n nhanh,

4) Nứt chấm dứt và gãy r ờ i, trong đó các giai đoạn

1,2 và 3 đượ c coi là quan tr ọng nhất, đáng để ý nh ất.

T ậ p trung ứ ng suấ t

Theo A.A Griffith: σ

max:

t

a

ρ σ σ 2max = (2.1)

Gọiσ

σ max= I K là c ườ ng độ ứng suất xác định bằng công thứ c: aY K I π σ =

Đối vớ i vật liệu giòn, ứng suất tớ i hạn σ gh cần thiết để phát tri ển vết nứt là:

a

E gh

π

γ σ

2=

Ba kiểu phát triển vết nứt thườ ng gặ p (hình2.13):

Hình2.13. Ba kiểu tải tr ọng và lan

chuyển vết nứt

Hình2.14. Ảnh hư ở ng củ a chiều dày

Hình 2.11 Sự hình thành vết nứt

Hình 2.12 Sơ đồ vết r ỗng (a) và sự phân bố ứng suất trên

tiết diện cắt ngang qua vết r ỗng








Kiểu I là kiểu thườ ng gặ p hơ n cả và đượ c đưa vào tính toán.

Do tậ p trung ứng suất σ ≥ σ gh (công thức 2.3) → v ết nứt ↑ gây phá huỷ giòn v ật liệu.

Giá tr ị h ệ s ố c ườ ng độ ứng suất tươ ng ứng tại đó đượ c gọi là độ dai phá hu ỷ c ủa vật liệu, ký

hiệu là K IC, đặc tr ưng cho mỗi loại vật liệu:

aY K gh IC π σ = [ N.m -3/2] hay [ MPa.m1/2], xác định bằng thực nghiệm

Đối vớ i vật liệu dẻo (phần lớ n kim loại và vật liệu polyme), đều có biến dạng dẻo tr ướ c

khi phá hủy, điều đó làm cho đỉnh nứt tù (cùn, bớ t sắc nhọn) đi, bán kính cong tăng lên, nhờ

đó làm tăng sgh và K IC.

Bả ng 2.1. Giớ i hạn chảy và độ dai phá h ủy biến dạng phẳng của một số lo ại vật liệu

Vật liệu σ 0,2,

MPa

K IC, MPa

m m

Vật liệu σ 0,2,

MPa

K IC,

MPa m

Kim loại Ceramic và polymeHợ p kim nhôm 2024-T351 325 36 Oxit nhôm

Thuỷ tinh

Bê tông

-

-

-

3-5,3

0,7-0,8

0,2-1,4Hợ p kim nhôm 7075-T651 505 29

Thép 4340,tôi +ram 260oC

Thép 4340, tô i ram 425oC

1640

1420

50

87,4Polyme, PMMA,

Polystyren, PS

-

-

1,0

0,8-1,1

2.1.4.2. Trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu k ỳ

Cầu, tr ục, bánh r ăng,.. chịu tải tr ọng không lớ n (<< s0,2 ) nhưng thay đổi theo chu k ỳ, vẫn

có thể b ị phá h ủy sau thờ i gian dài và tươ ng đối dài (> 105 ÷ 10 6 chu k ỳ ) → phá hủ y mỏi.

Cơ ch ế: từ v ết nứt đầu tiên, thườ ng nằm ở trên b ề m ặt là nơ i chịu ứng suất kéo lớ n nhất,

điều kiện thuận lợ i → phát tri ển vết nứt.

Vết nứt tế vi trên b ề m ặt: r ỗ co, b ọt khí, tạ p chất, xướ c, lồi lõm → tăng độ bóng b ề m ặt.

Vết nứt có thể sinh ra d ướ i tác dụng của tải tr ọng thay đổi theo chu k ỳ (hình2.15a).

Mặt gãy ở ch ỗ phá h ủy mỏi (hình 2.15b).

2.2. Các đặc trư ng cơ tính thông thườ ng và ý ngh ĩ a

Cơ tính cho bi ết khả n ăng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện tươ ng ứng, là cơ s ở c ủa

các tính toán sức bền, khả n ăng sử d ụng vào một mục đích nhất định. Các đặc tr ưng cơ tínhđượ c xác định trên các mẫu chuẩn.

Hình2.15a. Sơ đồ hình thành vết nứt mỏi Hình2.15b. Sơ đ ồ mặ t gã y khi phá huỷ mỏi








Th ườ ng gặ p nhất là độ b ền, độ d ẻo, độ c ứng, độ dai và đậ p, độ dai phá h ủy.

2.2.1. Độ bền (t ĩ nh)

Tùy theo đặc điểm của tải tr ọng ngườ i ta phân biệt độ b ền kéo, nén, uốn, xoắn... Bề n và độ

d ẻo khi kéo là thông d ụng hơ n cả nên không cần phải ghi chú, tr ườ ng hợ p còn lại đều phải ghi

chú (nén, uốn hay xoắn...).

2.2.1.1. Các chỉ tiêu

Đặc tr ưng cho độ b ền t ĩ nh σ dh, cσ bσ : kG/mm2 , MPa , psi, ksi (Anh & Hoa k ỳ ),.

Quan hệ gi ữa các đơ n vị th ườ ng gặ p như sau:

1kG/mm2 ÷ 10MPa, 1kG/mm2 ÷ 1,45 ksi, 1ksi = 103 psi

Giớ i hạn đ àn hồi σ dh , khó xác định → chấ p nhận σ 0,01 hay σ 0,05 theo công thức:

MPaS

F dhdh

0

=σ → MPaS

F

0

01,001,0 =σ

Hay MPaS

F

0

05,005,0 =σ

Gi ớ i hạn chả y vật lý chσ ,

Gi ớ i hạn chả y quy ướ c2,0σ , [ MPa]

Gi ớ i hạn bềnbσ :

0S

F bb =σ

2.2.1.2. Các yếu tố ảnh hưở ng

Các phươ ng pháp nâng cao độ b ền: giảm hoặc

tăng mật độ l ệch.

+ Giảm: Sợ i Fe là 13000MPa, Fe armco 250MPa

+ Tăng: biến dạng nguội, hợ p kim hoá, nhiệt luyện,...

2.2.1.3. Các biện pháp hóa bền vật liệu

Biế n d ạng d ẻo: → tăng mật độ lêch → t ăng độ b ền: dậ p, gò, uốn, gậ p, kéo, cán nguội →

biến cứng, tăng bền.

H ợ p kim hóa: đưa nguyên tử l ạ vào → tăng xô lệch mạng và mật độ l ệch → t ăng độ b ền.T ạo các pha cứ ng phân tán hay hóa bề n tiế t pha:

Nhiệt luyện tôi + ram: tôi và sau đó là ram - tạo nên sự quá bão hòa → t ăngđộ b ền,độ c ứng.

Hóa - nhiệt luyện: th ấm C, N... tăng bền, cứng, chịu mài mòn, nâng cao bền mỏi.

Làm- nhỏ hạt : làm hạt nhỏ này duy nh ất làm tăng tất cả các ch ỉ tiêu b ền, dẻo, dai.

2.2.2. Độ dẻo: Độ d ẻo là khả n ăng biến dạng của vật liệu dướ i tải tr ọng

2.2.2.1. Hai chỉ tiêu:

2.2.2.2. Tính siêu dẻo

Đ/n: Vật liệu có δ t ớ i trên 100% (100 ÷ 1000%), đượ c gọi là siêu d ẻo,

Công dụng: chế t ạo các sản phẩm r ỗng, dài vớ i tiết diện không đồng đều: chai, lọ, ống,..

Hình 2.16 thay đổi độ bền theomật độ lệch








Chế tạo: t ạo tính siêu dẻo bằng cách:

- Tạo tổ ch ức hạt r ất nhỏ, (cỡ h ạt khoảng 10µm), đẳng tr ục, đồng đều và ổn định khi biến

dạng, đây là yếu tố quan tr ọng nhất,

- Biến dạng ở nhi ệt độ cao, c ỡ (0,6 ÷ 0,85) TC ,

- Tốc độ bi ến dạng r ất chậm, cỡ 10 -4

÷10-3 s-1 (tứ c 0,01

÷0,1%/s).

Tr ượ t khi siêu dẻo xảy ra chủ y ếu theo biên hạt.

2.2.3. Độ dai và đập:

Hình2.17: công phá huỷ; Sơ đồ th ử và đậ p (hình2.18).

Hình2.17. Công phá huỷ v ật liệu Hình2.18. Sơ đồ th ử độ dai và đậ p

2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K IC

M ẫ u thử : hình2.19 là dạng mẫu đơ n giản nhất, vết nứt mỏi:

- Phải cùng chiều vớ i rãnh khía và chạy dài trên suốt chiều dày của mẫu B = W/2,

- Trên cả hai b ề m ặt ngoài, cả 2 bên v ết nứt mỏi phải ăn sâu vào ít nhất là 1,3

- Chiều dài a (bằng rãnh ban đầu + nứt mỏi) phải ~ B hay 0,45 ÷ 0,55W.

Hình 2.19.Mẫu thử độ dai phá huỷ

biến dạng phẳng

Hình2.20. Biể u đ ồ ké o khi thử đ ộ dai phá hủy








Quy trình thử :

- Đặt ngàm tr ục vào hai lỗ, tác dụng lực kéo để rãnh khía và n ứt mỏi đượ c mở r ộng ra (nứt

phát triển theo kiểu I).

- Xây dựng biểu đồ t ải tr ọng kéo - độ m ở c ủa rãnh v như hình 2.20.Hệ s ố hình h ọc Y và K I phụ thu ộc vào hình dạng và tải tr ọng (shape factor):

Đ/điểm của

tải tr ọng và vết

nứt

Hệ s ố c ườ ng độ ứng

suất K I

Đặc điểm của

tải tr ọng và vết nứt

Hệ s ố c ườ ng độ ứng

suất K I

)( W aa K I <<= π σ

w

atg

a

w K I π σ

π

π .

2

2=

aca

ba K I π σ

π −+

=2

)(1,1 W aa K I <<= π σ

a

w

aw

atg

a

w

K I π σ

π

π

−=

1

2

2

a

t

at

a

K I π σ 2/3)1(

)5,11(1,1

−

−=

)(1,1 W aa K I <<= π σ

a

w

aw

a

K I π σ 2/3)1(

)2,01(1,1

−

−=

a

t a

t

a

K I π σ 2/3)1(

)5,11(1,1

−

−=

Để tính K IC ta phải thực hiện các bướ c sau:

1. Xác định tải tr ọng FQ: k ẻ đườ ng thẳng OA nghiêng bằng 0,95 so vớ i OB, FQ = FS,

2. Kiểm tra lại tỷ l ệ F max/FQ: nếu Fmax/FQ < 1,10 thì đạt yêu cầu.

Để tính K IC ta phải thực hiện các bướ c sau: 1. Xác định tải tr ọng FQ: k ẻ đườ ng thẳng OA nghiêng bằng 0,95 so vớ i OB, FQ = FS,

2. Kiểm tra lại tỷ l ệ F max/FQ: nếu Fmax/FQ < 1,10 thì đạt yêu cầu.

3. Tính giá tr ị K Q theo công thức: K Q = (FQ/BW1/2). f (a/w), MPa.m1/2

trong đó: FQ - tải tr ọng kéo đượ c xác định như trên, kN ,

B, W, a - chiều dày, chiều r ộng mẫu, chiều dài nứt, cm.

3/2

44 33 22

a/w)-(1

)/w5,6a-/w14,72a/w13,32a-4,64a/w(0,886a/w)(2)/(

+++=wa f

4. Kiểm nghiệm giá tr ị tính toán:

Tính giá tr ị A= 2,5(K Q/so,2), nếu A ≤ B(a) →K Q= K IC,








Ý ngh ĩ a của K IC:

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.








Khác v ớ i HB, HR là loại độ c ứng quy ướ c (không có thứ nguyên):

- Độ c ứng Rôcvel theo các thang C, A ký hiệu là HRC, HRA đượ c đo bằng mũi hình nón

bằng kim cươ ng →đo thép tôi, lớ p hóa - nhiệt luyện...

- Độ c ứng Rôcvel theo thang B ký hiệu là HRB đượ c đo bằng mũi bi bằng thép tôi →đo

thép ủ , th ườ ng hóa, gang đúc...

2.2.5.4. Độ cứ ng Vicke HV

Là loại độ c ứng có phươ ng pháp đo tươ ng tự nh ư Brinen, HV= F / S ơ [ kG/mm2] hay

[MPa] song vớ i những khác biệt sau:

- Mũi đâm kim cươ ng hình tháp bốn mặt đều vớ i góc ở đỉnh giữa hai mặt đối diện là 136o

- Vicke đượ c dùng để đo độ c ứng cho mọi vật liệu từ r ất mềm đến r ất cứng cho cả các m ẫu

mỏng (0,3 ÷ 0,5mm), đượ c coi là độ c ứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học.

2.2.5.5. Chuyển đổi giữ a các thang độ cứ ng

Dùng bảng tra (trong tài liệu thí nghiệm).

2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng

2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo

Sau biến dạng vật liệu ở tr ạng thái không ổn định → nung nóng → thải bề n.

Tác dụng: khôi phục lại tr ạng thái ban đầu: dẻo và mềm: biến dạng dẻo, gia công cắt, khử b ỏ

ứng suất bên trong để tránh phá h ủy giòn.

2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

2.3.2.1. Hồi phục

Ở nhi ệt độ th ấ p (< 0,1 ÷ 0,2TC)

Tác dụng: giảm sai lệch mạng (điểm: giảm nút tr ống), giảm mật độ l ệch và ứng suất bên

trong, ... trong khi đó tổ ch ức tế vi ch ữa thay đổi, giảm điện tr ở chút ít, c ơ tính ch ữa thay đổi.

2.3.2.2. K ết tinh lại (k ết tinh lại lần thứ nhất)

Bản chấ t k ế t tinh l ại: quá trình hình thành các h ạt mớ i không có các sai lệch do biến dạng dẻo

gây ra theo cơ ch ế t ạo mầm và phát triển mầm như k ết tinh gọi là k ết tinh lại:

- Tạo mầm: ở nh ững vùng bị xô l ệch mạnh nhất, biến dạng dẻo càng mạnh, càng nhiều mầm.- Sự phát tri ển mầm tiế p theo là quá trình tự nhiên.

Sau khi k ết tinh lại: thải bề n: độ d ẻo tăng lên và độ b ền, độ c ứng giảm đi một cách đột ngột.

Nhiệt độ k ết tinh lại: T=aTC (K), ε > 40 ÷ 50%, thờ i gian giữ nhi ệt =1h, kim loại tinh khiết

thì a ≈ 0,2÷ 0,3, kim loại nguyên chất k ỹ thu ật thì a ≈0,4, dung dịch r ắn a≈0,5÷0,8.

Độ bi ến dạng càng lớ n, thờ i gian ủ càng dài h ệ s ố a càng nh ỏ.

Ví dụ các kim lo ại nguyên chất k ỹ thu ật:

Fe (TC = 1539oC) - 450oC; Cu (TC = 1083oC) - 270 oC,

Al (TC = 660oC) - 100oC; Pb, Zn, Sn (TC trên dướ i 300oC) < 25oC.








C

Tổ chứ c tế vi và độ hạt

Hạt mớ i đa cạnh, đẳng tr ục,

độ h ạt phụ thu ộc:

- M ứ c độ biế n d ạng : biến

dạng nhỏ 2 ÷8% hạt tạo thành r ất

lớ n, gọi là độ biế n d ạng t ớ i hạn,thườ ng phải tránh.

- Nhiệt độ ủ: càng cao →hạt

to lên.

- Thờ i gian giữ nhiệt: càng dài

→ hạt càng lớ n.

Thực tế th ườ ng biến dạng

(≥ 40÷ 50%), ủ ở nhi ệt độ đủ cao (tu ỳ t ừng kim loại), thờ i gian 1h (tối đa không quá 2h)→ h ạt nhỏ.

2.3.2.3. K ết tinh lại lần thứ hai

Nhiệt độ cao, th ờ i gian giữ nhi ệt dài: → sát nhậ p của các hạt "nuốt" hạt bé làm hạt to lên

thêm đượ c gọi là k ết tinh lại lần thứ hai. X ấu cơ tính → phải tránh.

2.3.3. Biến dạng nóng

2.3.3.1. Khái niệm

Biế n d ạng nóng là biế n d ạng d ẻo ở nhiệt độ cao hơ n nhiệt độ k ế t tinh l ại của nó, còn ở

thấ p hơ n là biến dạng nguội. Fe ở 400o

C → biến dạng nguội (Tktl=450oC) chì (Pb), thiếc

(Sn), k ẽm (Zn) biến dạng (ở nhi ệt độ th ườ ng) → bi ến dạng nóng vì nhiệt độ k ết tinh lại của

chúng thấ p hơ n 0oC. Thườ ng biến dạng nóng ở nhi ệt độ (0,7 ÷0,75)TC.

2.3.3.2. Các quá trình xảy ra

Hai quá trình đối lậ p nhau xảy ra đồng thờ i:

- Biến dạng dẻo làm xô lệch mạng tạo nên hóa bề n, biến cứng,

- K ết tinh lại làm mất xô lệch mạng gây ra thải bề n, giảm độ c ứng.

Nếu: hiệu ứng thải bền > hóa bền hoặc k ết thúc biến dạng ở nhi ệt độ → m ềm.

Ngượ c lại: đủ k ết tinh lại tiế p theo = cách vùi vào cát hay vôi bột.

2.3.3.3. Các đặc điểm

Ư u đ iể m

Kim loại xít chặt, dẻo cao hơ n, ít khi bị n ứt, năng suất cao, gia công đượ c các phôi lớ n, tiết

kiệm năng lượ ng.

Nhượ c đ iể m

+ Khó đồng đều, tổ ch ức và cơ tính, kém chính xác hình d ạng, kích thướ c, oxy hóa,…

+ Chất lượ ng bề m ặt không cao: vẩy ô xyt, thoát cacbon.

Hình 2.22 Tổ chức cơ tính của kim loại sau khi k ết tinh lại








Hình 2.23. Tổ ch ức thớ c ủa tr ục khu ỷ u theo các ph ươ ng pháp chế t ạo khác nhau: a. tạo

phôi bằng dậ p nóng (tốt), b. cắt từ m ột thỏi thép nguyên (xấu).

2.4. Ăn mòn và bảo vệ kim loại:

Đ/n: Ăn mòn là sự phá hu ỷ kim lo ại dướ i tác động của môi tr ườ ng. Thiệt hại do ăn mòn

hàng năm chiếm khoảng 4% GDP của mỗi quốc gia.

2.4.1. Phân loại: Theo c ơ ch ế x ảy ra ăn mòn:a. Ăn mòn điện hoá: ăn mòn trong nướ c (ngọt và nướ c biển), đất, khí quyển ẩm, trong

dung dịch hoá chất (axit, kiềm),…

b. Ăn mòn hoá học (ăn mòn trong môi tr ườ ng khí): các chất xâm thực như O 2, S2, Cl2...

2.4.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại:

Có 2 cơ ch ế ăn mòn thườ ng gặ p nhất là: cơ ch ế điện hoá, chủ y ếu đối vớ i kim loại và cơ

chế ăn mòn hoá học, đối vớ i tất cả các lo ại, vật liệu.

2.4.2.1. Cơ chế điện hóa của quá trình ăn mòn kim loại

* Điện thế điện cực và khả n ăng xảy ra ăn mòn:

Điện thế điện cự c kim loại: định luật Nernst: Me KL C nF

RT E E ln0 +=

Eo củ a m ột số kim lo ại:

Kim loại : Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag

Eo, vol: -2,37 -1,67 -0,76 -0,74 -0,44 -0,25 -0,14 -0,13 0 +0,34 +0,80

Điện thế điện cự c môi trườ ng:

Môi tr ườ ng axit không hoà tan oxy EMT = - 0,059 pH - 0,030 lgPH2, EMT = - 0,059 pH khi áp suất riêng phần của hydro PH2 = 1 at.

Môi tr ườ ng axit, kiề m và môi tr ườ ng nướ c (ng ọt và nướ c biể n) có hoà tan oxy

EMT = 1,23 - 0,059 pH + 0,015 lgPO2, EMT = 1,23 - 0,059 pH khi PO2 = 1 at

Khả năng xảy ra ăn mòn: Kim lo ại chỉ b ị ăn mòn khi EKL< EMT,

Trong môi tr ườ ng axit không hoà tan oxy (EoH=0) do đó các kim loại có Eo< 0 sẽ b ị ăn

mòn là : Mg, Al, …Pb, các kim loại không bị ăn mòn là Cu và Ag

Khi axit có hoà tan oxy thì EoH(O)=1,23V do đó tất cả các kim lo ại trên đều bị ăn mòn.

Trong môi tr ườ ng nướ c Eo khoảng 0,4V tr ừ Ag còn h ầu hết các kim loại đều bị ăn mòn.








Khi kim loại bị ăn mòn thì xảy ra phản

ứng: Me → Me n+ + ne

Axit không có oxy: 2H+ + 2e → H 2 ,

Axit có oxy: O2 + 4H+ + 4e → 2H 2O

Nướ c có oxy: O2 + 2H2O + 4e →4OH

Xem sơ đồ hình 5.15. Các electron di

chuyển từ anôt sang catôt, H + và O2 chuyển

đến catôt: R

U I ma =/ trong đó U là hiệu điện thế gi ữa catôt và anôt, R tổng điện tr ở .

Ăn mòn galvànic: latông 2 pha: α giầu Cu và β giầu Zn khi ngâm trong nướ c pha β sẽ b ị

ăn mòn thành các lỗ, ta gọi đó là ăn mòn thoát Zn.2.4.2.2. Cơ chế ăn mòn hoá học kim loại

Ăn mòn hoá học kim loại Me đượ c mô tả b ằng phản ứng sau:

xMe + y/2G2 = MexGy

trong đó G2 là chất khí gây ăn mòn: O2, Cl2,…

Năng lượ ng tự do c ủa phản ứng ăn mòn ở cân b ằng biểu thị b ằng:

01

ln2/

0 =+∆=∆ yG P

RT GG do đó: →∆

= yRT

G P G

02ln

biểu diễn trên đồ th ị: (hình 5.16):

- Khi P<PG ăn mòn không xảy ra → (vùng ổn định

của Me)

- ở T=T 1: nếu P>P1, Me1 bị ăn mòn (vùng ổn định

MexGy)

- ở T=TC: nếu P>P

C cả 2 kim lo ại bị ăn mòn (PC>P1)

- Hai kim loại Me1 và Me2:

T>TC (trái điểm TC), Me1 bền ăn mòn hơ n Me 2

T<TC (phải điểm TC), Me 2 bền ăn mòn hơ n

Sản phẩm ăn mòn MexGy có thể ở th ể r ắn: bám hoặc tách khỏi bề m ặt vật liệu; Oxit của các

kim loại Cr, Si, Al,.. và cả Fe ( ở m ức độ th ấ p hơ n) có tác dụng kìm chế (th ụ động) ăn mòn.

2.4.3.Tốc độ ăn mòn

Thườ ng đượ c biểu thị d ướ i 3 dạng:

- M ật độ dòng ăn mòn: ia/m=Ia/m/S, có thứ nguyên là : [A/cm 2], [A/dm2],

- T ố c độ ăn mòn khố i l ượ ng : P =Dm/St, thứ nguyên: [g/cm 2.ngày].

- T ố c độ thâm nhậ p: P tn =Pkl/r, thứ nguyê n: [mm/n ăm], (r- khối lượ ng riêng của kim loại).

Dựa vào tốc độ thâm nh ậ p của môi tr ườ ng, ngườ i ta chia kim loại thành ba nhóm:

Hình 5.15 Sơ đồ ăn mòn điện hóa kim loại

Hình5.16. Giản đồ pha ngưng tụ








+ P tn < 0,125 mm/năm đượ c coi là r ất bền ăn mòn,

+ (0,125 < Ptn< 1,25) mm/năm là trung bình.

+ Ptn > 1,25 mm/năm đượ c coi là không bền ăn mòn. Tươ ng ứng, ngườ i ta cũng chia tốc

độ ăn mòn thành các loại: chậm, trung bình và nhanh.

Theo ASTM, độ b ền ăn mòn của vật liệu gồm 5 cấ p A,B,C,D,E theo th ứ t ự gi ảm dần.

2.4.4. Các yếu tố ảnh hưở ng đến tốc độ ăn mòn

2.4.4.1. Ảnh hưở ng của bản chất kim loại

- Điện thế ăn mòn: M ỗi kim loại trong môi tr ườ ng cụ th ể có m ột giá tr ị điện thế ăn mòn

xác định. Giá tr ị này càng nh ỏ thì kh ả n ăng xảy ra ăn mòn càng lớ n.

- S ự thụ động ăn mòn: Các kim lo ại Fe, Cr, Ni có khả n ăng thụ động ăn mòn tức là tốc

độ ăn mòn giảm nhanh theo thờ i gian, tuy nhiên ở m ức độ khác nhau: Cr th ụ động nhanh nhất

→ thép không gỉ có >12%Cr. Fe (thé p cacbon) có th ụ động nhưng chậm, ttđ lớ n.

2.4.4.2. Ảnh hưở ng của môi trườ ng

- Điện tr ở của môi tr ườ ng : chỉ có môi tr ườ ng dẫn điện mớ i có ăn mòn đ i ện hoá , điện tr ở

càng lớ n thì tốc độ ăn mòn càng nhỏ.

- Ả nh hưở ng của độ pH và oxy đế n đ iện thế đ iện cự c của môi tr ườ ng: Giảm độ pH (môi

tr ườ ng axit), tăng nồng độ oxy thì t ốc độ ăn mòn tăng.

- Ả nh hưở ng của nhiệt độ : khi t ăng nhiệt độ t ốc độ ăn mòn tăng.

2.4.4.3. Ảnh hưở ng của cấu trúc và tính chất của hợ p kim

- Những hợ p kim đa kém bền ăn mòn hơ n hợ p kim một pha,

- Hợ p kim hoá vớ i các nguyên tố có E o cao sẽ làm t ăng EKL giảm nhạy cảm vớ i ăn mòn hơ n.

- Hợ p kim hoá vớ i các nguyên tố có kh ả n ăng thụ động ăn mòn thì cũng tăng khả n ăng thụ

động ăn mòn của hợ p kim. Tốc độ ăn mòn thườ ng liên quan đến bản chất của màng oxit hình

thành trên bề m ặt : axit (Cr, Si), bazơ (Fe,Ni,Cu), l ưỡ ng tính (Al) hoặc tr ơ (Pt).

2.4.4.4. Ảnh hưở ng của các công nghệ vật liệu

- Tôi để nh ận đượ c tổ ch ức một pha đồng nhất sẽ b ền ăn mòn hơ n.

- Thép cacbon trung bình sau khi tôi thì ít nhạy cảm vớ i ăn mòn hơ n nhưng sau khi ram lại

tr ở nên nh ạy cảm vớ i ăn mòn. Tốc độ ăn mòn lớ n nhất khi ram ở 400-500oC.

- Khi hàn hoặc nhiệt luyện có sự ti ết pha: ăn mòn galvànic.

2.4.5. Chống ăn mòn kim loại

Thi ế t k ế k ế t cấ u hợ p lý, đảm bảo các nguyên t ắc sau:

- Chi tiết quan tr ọng: vật liệu bền ăn mòn hơ n, ứng suất nén, nhỏ và không thay đổi.

- Thay các mối ghép đinh tán bằng hàn, vật liệu làm đinh tán, làm bulô ng có EKL cao hơ n.

- Các thùng, các bể ch ứ a, các đườ ng ống dẫn: dễ làm s ạch, chảy hết, không gấ p khúc.

- Dễ b ảo dưỡ ng thay thế các b ộ ph ận dễ b ị ăn mòn: cánh bơ m axit, cánh khuấy,..

- K ết cấu phải hợ p lý vừa đảm bảo yêu cầu k ỹ thu ật, vừa dễ ch ống ăn mòn. Lự a chọn vật li ệu thích hợ p:

3 quy tắc chung để ch ọn vật liệu kim loại:










PHẦN II

HỢ P KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨ C

CHƯƠ NG 3

HỢ P KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA

3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢ P KIM

3.1.1. Khái niệm về hợ p kim

3.1.1.1 Định ngh ĩ a

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)

và không ổn định (3)








3.1.2 DUNG DỊCH R ẮN

3.1.2.1 Khái niệm - phân loại

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)

Ce=21/12→ phaε , mạng lục giác xế p chặt: CuZn3, AgZn3 (Ce=(1.1+3.2)/4=7/4=21/12)

3.1.3.4 Pha Laves

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








một cấu tử F max = 2, hai cấu tử F max = 3, ba cấu tử F max = 4.

3.2.2. Quy tắc đòn bẩy

Định ngh ĩ a: là quy t ắc cho phép xác định tỷ l ệ c ủa các pha, các tổ ch ức trên GĐP.

Biểu thứ c:

QA.XA=QB.XA Trong vùng 2 pha: điểm kh ảo

sát càng gần pha nào thì tỷ l ệ pha ấy

càng lớ n

β α

β α

X X

X

+=%

β α

β β

X X

X

+=%

3.2.3. Giản đồ loại I

Định ngh ĩ a: Là GĐP của hệ 2 c ấu tử không có b ất k ỳ t ươ ng tác nào vớ i nhau.

Mô tả : AEB là đườ ng lỏng, CED (2450C) là đườ ng r ắn, là nhiệt độ ch ảy (k ết tinh): B, A

(Hình 3.9a), điển hình là hệ Pb - Sb ở hình 3.9b. (Pb ch ảy 3270C), (Sb chảy- 6310C), khoảng

giữa hai đườ ng lỏng và đườ ng đặc: khoảng k ết tinh.

Hợ p kim 1: 60%Sb + 40%Pb. Bắt đầu đông đặc ở 1 (500 oC), k ết thúc đông đặc ở 2 (245 oC),

lúc > 500oC → l ỏng hoàn toàn L, < 245oC r ắn hoàn toàn, trong khoảng (500÷ 245 oC) 2 pha (lỏng

+ r ắn) = (L + Sb). Khi làm nguội thì tinh thể B (Sb) t ạo thành càng nhiều.

Áp dụng quy tắc cánh tay đòn:

- Tại điểm a tỷ l ệ pha r ắn %Sb= a’’a/a’’a’=(60-37)/(100-37)= 36,5%, pha lỏng %L=63,5%

- Tại điểm b tỷ l ệ pha r ắn %Sb= b’’b/b’’b’= (60-13)/(100-13)=54%, pha lỏng %L=46%

Áp dụng quy tắc pha: tại điểm 1& a T=2-2+1= 1 đông đặc trong khoảng no có thể thay đổi

trên điểm 1 T=2-1+1=2 → thay đổi cả % và n o mà pha lỏng (hệ) vẫn bảo tồn tại điểm cùng

tinh E T=2-3+1=0 →đông đặc cùng tinh thì no không đổi giống KL nguyên chất.

Phản ứng cùng tinh: LE → (A + B) hay L 13%Sb → (Pb + Sb).

Hợ p kim có thành phần ở chính điểm E → h ợ p kim cùng tinh, có nhiệt độ ch ảy thấ p nhất.








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.

Hình 3.12. Giản đồ loại III, hệ Pb - Sn và sơ

đồ hình thành tổ chức khi k ết tinh ở tr ạng








Kh ảo sát HK 40%Sn của hệ Pb - Sn (Hình 3.12).

- 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

bao b c bở i cùn tinh +

Hình 3.14. Giản đồ loại IV, hệ Mg-Ca








Đặc điểm: khác vớ i phản ứng cùng tinh, cùng tích là pha r ắn → 2 pha r ắn.

Ví dụ : G ĐP Fe - C: Feg(C)0,8 → [Fe a + Fe3C] (sẽ kh ảo sát sau).

S ự tiế t pha khỏi dung d ịch r ắ n: Tiết pha β II & α II (Hình 3.12) là các phần tử nh ỏ m ịn, phân tán, phân bố đều trong nền

pha mẹ → hoá b ền → hóa bề n tiế t pha.

3.2.8. Quan hệ giữ a dạng giản đồ pha và tính chất của hợ p kim

3.2.8.1 Tính chất các pha thành phần

Hợ p kim có tổ ch ức một pha tính chất củ a h ợ p kim là tính chất của pha đó HK có tổ ch ức

bao gồm hỗn hợ p của nhiều pha thì tính chất của hợ p kim là sự t ổ ng hợ p hay k ế t hợ p tính

chất của các pha thành phần (không phải là cộng đơ n thuần), gồm các tr ườ ng hợ p:

HK là DDR (dung dịch r ắn) + các pha trung gian:

Quan hệ tính ch ất - nồng độ thông th ườ ng đượ c xác định bằng thực nghiệm.

Đặc điểm tính chất và sự hình thành:

Dung dịch rắn (tính chất gần giống vớ i kim loại dung môi), thườ ng r ất dẻo, dai và mềm,

Pha trung gian: tính chất khác hẳn vớ i các cấu tử nguyên ch ất: cứng hoặc r ất cứng, giòn.

Pha trung gian chỉ xuất hiện khi đưa cấu tử th ứ hai vào v ớ i lượ ng vượ t quá giớ i hạn hòa tan.

3.2.8. 1 Tính chất của hỗn hợ p các pha:

Quan hệ tuyế n tính: hình 3.16, đơ n giản nhấtTính chất của hỗn hợ p:

TΣ =i

ni X T ∑

1 trong đó Ti và Xi là tính chất và tỷ l ệ c ủa pha, đối vớ i hợ p kim 2 pha:

PHK = T 1X1 + T 2.X2 hay P HK = T 1 + X 2.(T2 - T 1). Vớ i Xi ∈GĐP (Hình 3.16)

Hình 3.16. Tính chất của hợ p kim và giản đồ pha - quan h ệ tuy ến tính quan h ệ tuy ến tính chỉ đúng khi

cùng cỡ h ạt và các pha phân bố đều đặn.

Quan hệ phi tuyế n: Trong tr ườ ng hợ p hạt nhỏ đi hoặc to lên, tính chất đạt đượ c sẽ thay đổi

tuỳ theo tr ườ ng hợ p: hạt nhỏ đi →độ dai t ăng = bền

+ Dẻo tăng

Chính vì thế mà tính ch ất của hợ p kim có thể không còn tuân theo quan h ệ tuy ến tính nhất

là

tại

Hình 3.17. Quan hệ phi tuyến

giữa tính chất và GĐP








điểm cùng tinh, cùng tích và lân cận (Hình 3.17).

3.3. GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe3C)

Giản đồ pha Fe - C (ch ỉ xét h ệ Fe - Fe 3C) khá phức tạ p, r ất điển hình để minh h ọa các tươ ng tác

thườ ng gặ p và đượ c sử d ụng r ất nhiều trong thực tế .

Ngoài ra còn có giản đồ Fe - grafit là h ệ cân b ằng ổn chủ y ếu là dùng trong gang.

3.3.1. Tươ ng tác giữ a Fe và C

Fe: khá dẻo (dễ bi ến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơ n Al, Cu nhiều song vẫn còn r ất

thấ p so vớ i yêu cầu sử d ụng.

Khi đưa C vào Fe giữa → hóa b ền, r ẻ h ơ n → HK Fe-C tr ở nên thông d ụng.

3.3.1.1 Sự hòa tan của C vào FeTạo dung dịch rắn xen k ẽ: bán kính nguyên tử r C = 0,077nm, r Fe = 0,1241nm) → C ch ỉ

có thể hòa tan có h ạn vào Fe ở d ạng dung dịch r ắn xen k ẽ.

Fe có 2 kiểu mạng tinh thể: lftk A2 (no < 911oC - Fea và 1392 ÷ 1539oC - Fed) và lftm A1

(911 ÷ 1392oC - Feg), khả n ăng hòa tan cacbon vào các pha Fe khác nhau:

Fe

và Feσ vớ i mạng A2 tuy m ật độ x ế p thấ p, có nhiều lỗ h ỗng, song mỗi lỗ h ổng lại có kích

thướ c quá nhỏ (l ỗ tám m ặt có r = 0,02, lỗ b ốn mặt lớ n hơ n có r = 0,036), lớ n nhất cũng chỉ b ằng

50% kích thướ c của nguyên tử s ắt → Fe α chỉ hoà tan đượ c ≤0,02%C và Feσ ≤0,1%C.

Fe

và Feσ

, Fe

vớ i mạng A1: tuy có mật độ x ế p cao hơ n, nhưng lỗ h ổng lại có kích

thướ c lớ n hơ n (lỗ b ốn mặt r = 0,028nm, lỗ tám m ặt r = 0,051nm), vẫn còn hơ i nhỏ nh ưng nhờ

các nguyên tử s ắt có thể giãn ra → Fe γ hòa tan đượ c cacbon ≤2,14%C.

3.3.1.2 Tươ ng tác hóa học giữ a Fe và C

Austenit (γ ) là DDR của C trong Feγ , mạng A1, giớ i hạn hoà tan: 727oC -0,8%C, 1147oC- 2,14%C

Ferit (α) là DDR của C trong Feα, mạng A2, giớ i hạn hoà tan: 20oC-0,006%C, 727oC-

0,8%C Fe3C là pha xen k ẽ, có kiểu mạng phức tạ p, có thành phần 6,67%C + 93,33%Fe.

3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe3C và các tổ chứ c

3.3.2.1 Giản đồ pha Fe - Fe3C

Hình 3.18 vớ i các ký hiệu các tọa độ (n o, oC - %C) như sau:

Một số đườ ng có ý ngh ĩ a thự c tế rất quan trọng:

- ABCD là đườ ng l ỏng để xác định nhiệt độ ch ảy → đúc

- AHJECF là đườ ng r ắn → k ết tinh hoàn toàn → đúc.

- PSK (727

o

C) là đườ ng cùng tích → nhi ệt luyện- ES - giớ i hạn hòa tan cacbon trong Feγ → hoá nhiệt luyện, nhiệt luyện.

- PQ - giớ i hạn hòa tan cacbon trong Feα → nhiệt luyện kém quan trong hơ n








0,8

Hình 3.18 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C)

A (1539 - 0) B (1499 - 0,5)

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








nóng và nhiệt luyện.

Tính chất của γ : có tính dẻo r ất cao (mạng A1).

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








3.3.3. Phân loại

3.3.3. 1. Khái niệm chung về thép, gang

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








3.3.3.3. Các điểm tớ i hạn của thép

A (từ ti ếng Pháp arrêt=dừng, c- chauffer=nung nóng, r- refroidir=làm nguội)

A vớ i 1, 2, 3, 4, và cm, chúng đượ c gọi là các điểm (hay nhiệt độ ) t ớ i hạn, gồm:

A1 - đườ ng PSK (727oC) ứng vớ i chuyển biến austenit → peclit, có trong m ọi loại thép.

A3 - đườ ng GS (911 ÷ 727oC) ứng vớ i bắt đầu tiết ra F khỏi γ khi làm nguội hay k ết thúc

hòa tan ferit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép tr ướ c cùng tích.

Acm - đườ ng ES (1147 ÷ 7270C) ứng vớ i bắt đầu tiết ra XêII khỏi khi làm nguội hay k ết

thúc hòa tan XêII vào γ khi nung nóng, ch ỉ có trong thép sau cùng tích.

A0- (2100C) - điểm Curi của Xê,

A2- (768oC) - điểm Curi của ferit,

Cùng một thép bao giờ c ũng có : Ac1 > A1 > Ar 1; Ac3 > A3 > Ar 3...,








CHƯƠ NG 4

NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP

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








4.2. CÁC TỔ CHỨ C ĐẠT ĐƯỢ C KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP

4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit

4.2.1.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Dự a vào gi ản đồ pha Fe - C , hình 4.2: ở nhi ệt độ th ườ ng mọi thép đều cấu tạo bở i hai pha

cơ b ản: F và Xê (trong đó P =[F+Xê]).

-Thép cùng tích: có tổ ch ức đơ n giản là P

-Thép tr ướ c và sau cùng tích: P+F và P+XêII

Khi nung nóng:

+ Khi T< A1 → ch ữa có chuyển biến gì;

Khi T= Ac1, P → γ theo ph ản ứng: Thép CT: [Fea

+ Xê]0,80%C → 0,80%C

Thép TCT và SCT: F và XêII không thay đổi:

+ Khi T> Ac1

: F và XêII

tan vào nhưng không

hoàn toàn;

+ Khi T> Ac3 và Acm: F và XêII tan hoàn toàn vào

Trên đườ ng GSE mọi thép đều có tổ ch ức

4.2.1.2. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành

austenit

Nhiệt độ & thờ i gian chuyển biến: (hình 4.3)

Vnung càng lớ n thì T chuyển biến

càng cao. Tnung càng cao, khoảng thờ i gian

chuyển biến càng ngắn. Tốc độ nung V 2 > V1, thì nhiệt độ

bắt đầu và k ết thúc chuyển biến ở càng

cao và thờ i gian chuyển biến càng ngắn.

Ý ngh ĩ a:

Kích thướ c hạt austenit:

Hạt càngnhỏ→ M (hoặc tổ ch ức khác)có độ d ẻo, dai cao hơ n.

Cơ ch ế chuy ển biến: P→ : cũng

tạo và phát triển mầm như k ết tinh (hình

4.4), nhưng do bề m ặt phân chia giữa F-Xê r ất nhiều nên số m ầm r ất lớ n →hạt ban đầu r ất

nhỏ m ịn (<cấ p 8-10, hình 4.4d)

Hình 4.2. Giản đồ pha Fe-C(phần thép)

Hình 4.3. Giản đồ chuyển biến đẳng

nhiệt P → của thép cùng tích

Chuyể n biế n peclit → austenit bao giờ

cũng làm nhỏ hạt thép, phải t ận d ụng

Hình 4.4. Quá trình tạo mầm và phát

triển mầm








Độ hạt austenit:

- Peclit ban đầu: càng mịn → nh ỏ

- Vnung càng lớ n → h ạt γ càng nhỏ

- T& t giữ nhi ệt lớ n thì hạt lớ n

- 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") →

đườ ng cong chữ “C”.

Khi bị ngu ội (tức thờ i) dướ i

727oC nó chữa chuyển biến ngay đượ c

gọi là quá nguội, không ổn định.

Giản đồ có 5 vùng:

- Trên 727oC là khu vực tồn tại của

ổn định.- Bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng

quá nguội

- Giữa hai chữ "C" đang chuyển

biến (tồn tại cả ba pha γ , F và Xe)

- Bên phải chữ "C" th ứ hai - các

sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt quá

nguội là hỗn hợ p: F - Xê vớ i mức độ

nhỏ m ịn khác nhauGiữ quá ngu ội ở sát A 1: (T~

Hình 4.6 . Gi ản đồ T-T-T c ủa thép cùng thể tích

Hình 4.5. Sơ đồ phát triển hạt austenit

I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớ n








700oC, ∆T0 nhỏ, ~25oC): Peclit (tấm), HRC 10 ÷ 15.

+ (T~ 6500C, ∆T0 ~ 750C): Xoocbit tôi, HRC 25 ÷35.

+ T ~ đỉnh lồi chữ “C“ (kho ảng 500 ÷ 6000C): Trôxtit, HRC 40.

Cả 3 chuy ển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán.

+ Khi giữ austenit quá ngu ội ở nhi ệt: ~450 ÷ 250oC: Bainit , HRC 50 ÷ 55, Đượ c coi là

chuyển biến trung gian vì: F hơ i quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe2,4-3C,có một lượ ng

nhỏ (d ư), trung gian (giữa P và M).

Từ peclit (t ấ m), xoocbit, trôxtit cho t ớ i bainit độ quá nguội t ăng lên→ mầm càng nhiề u

→ t ấ m càng nhỏ mịn hơ n và độ cứ ng càng cao hơ n.

Tóm lại: chuyển biến ở sát A 1 đượ c peclit, ở ph ần lồi đượ c trôxtit, ở gi ữa hai mức xoocbit, phía

dướ i đượ c bainit.

Làm nguội đẳ ng nhiệt nhận đượ c t ổ chứ c đồng nhấ t trên tiế t diện.

4.2.3.2. Sự phân hóa γ khi làm nguội liên tục.Cũng xét giản đồ ch ữ “C” (hình 4.7) nh ư

chuyển biến đẳng nhiệt.

Đặc điểm 1: Tùy thuộc vào Vnguội ta có:

V1: trên hình 4.7, ở sát A 1: γ → peclit t ấ m,

V2: (làm nguội trong không khí t ĩ nh) →

xoocbit .

V3 (Làm ngu ội trong không khí nén), cắt

ở ph ần lồi: → trôxtitV4: (làm nguội trong dầu), trôxtit +

mactenxit = bán mactenxit

V5: (làm nguội trong nướ c lạnh) V5 không

cắt đườ ng cong chữ "C" nào, t ức γ → M

K ết luận: khi làm nguội liên t ục, t ổ chứ ct ạo thành ∈vào vị trí của vect ơ t ố c độ nguội trên đườ ng cong chữ "C

Đặc điểm 2: T ổ chứ c đạt đượ c thườ ng là không đồng nhấ t trên toàn tiế t diện

Đặc điểm 3: Không đạt đượ c tổ ch ức hoàn toàn bainit (B) (chỉ có th ể T+B ho ặc T+B+M)vìnửa dướ i chữ “C” lõm vào

Đặc điểm 4: Những điều trên chỉ đúng vớ i thép cacbon, thép hợ p kim đườ ng cong chữ

"C" dịch sang phải do đó:

+ Vth có thể r ất nhỏ. Ví dụ, thép gió tôi trong gió.

+ Tổ ch ức đồng nhất ngay cả đối vớ i tiết diện lớ n.

4.2.3.3. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích

+ Thép tr ướ c và sau cùng tích, có thêm nhánh phụ (hình 4.9) bi ểu thị s ự ti ết ra F (TCT)

hoặc XêII (SCT), có thêm đườ ng ngang A3 (SCT) hoặc Acm(SCT).

Hình 4.7. Giản đồ T-T-T c ủa thép cùng tích

vớ i V1 < V 2 < V 3 <V 4 < V 5 < V 6








Hình 4.10 Giản đồ T-T-T c ủa thép khác cùng tích.

Ba điểm khác biệt so vớ i thép cùng tích:

1- Đườ ng cong (chữ "C" và nhánh ph ụ)

2- Khi làm nguội chậm liên tục (V2), γ quá

nguội sẽ ti ết ra F (TCT) hoặc XêII (SCT) tr ướ c

sau đó mớ i phân hóa ra hỗn hợ p F-Xê

3- Khi làm nguội đủ nhanh V 3 (hoặc >V3) để

Vngkhông cắt nhánh phụ, quá nguội → F-Xê d ướ i

dạng X, T, B (B chỉ khi làm ngu ội đẳng nhiệt).

Thép không có thành phần đúng 0,80%C mà

vẫn không tiết F hoặc Xê đượ c gọi là cùng tích giả.

Đối vớ i thép hợ p kim, ngoài ảnh hưở ng của

C, các nguyên tố h ợ p kim (dịch chữ "C" sang ph ải) sẽ xét sau.

4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi)

Nếu Vng> Vth thì → M g ọi đó là tôi thép.

Vth: là tốc độ làm ngu ội nhỏ nh ất để gây ra chuy ển biến mactenxit.

m

mth

T AV

τ

−= 1

4.2.4.1. Bản chất của mactenxit

Định ngh ĩ a: M là dung dịch r ắn quá bão hòa của C trong Feα

Đặc điểm: vì quá bão hoà C →mạng chính phươ ng tâm khối (hình 4.12).

Độ chính ph ươ ng c/a = 1,001 ÷ 1,06 (∈ %C) →xô lệch mạng r ất lớ n→ M r ất cứng.

Hình 4.10. Giản đồ T-T-T của

thép khác cùng tích

Hình 4.11. Giản đồ T-T-T và tốc

độ tôi tớ i hạn Vth (tm và Tm - thờ i gian và nhiệt độ ứng vớ i γ

kém ổn định nhất).

Hình 4.12.ô cơ sở của động mạng tinh

thể mactenxit

Hình 4.13. Đườ ng cong học chuyển biến








4.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit

1) Chỉ x ảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục γ v ớ i tốc độ > V th.

2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên v ị trí, Fe: t ừ γ (A1) →M (gần như A2)

3) Xảy ra vớ i tốc độ r ất lớ n, tớ i hàng nghìn m/s

4) Chỉ x ảy ra trong khoảng giữa Mđ và k ết thúc MK . Mđ và MK giảm khi tăng %C và %

nguyên tố h ợ p kim (tr ừ Si, Co và Al), M đ và MK không phụ thu ộc vào Vnguội.

5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn vì hiệu ứng tăng thể tích gây l ực nén lên

→ không thể chuy ển biến, không chuyển biến đượ c gọi là γ d ư. Điểm Mk th ườ ng thấ p

(<20oC) có khi r ất thấ p (ví dụ -100 oC) → l ượ ng dư có th ể (20 ÷30%). Tỷ l ệ γ dư : ph ụ

thuộc vào các yếu tố sau:

+ Điểm MK : MK càng thấ p dướ i 20oC

lượ ng dư càng nhi ều: MK giảm khi tăng

lượ ng nguyên tố h ợ p kim trong+ %C tăng → ↑∆V → γ d ư càng nhi ều

4.2.4.3. Cơ tính của mactenxit

Độ cứ ng: (hình 4.14): %C ↑→cứng tăng

do đó: Thép ít cacbon: %C ≤ 0,25%, độ c ứng

sau tôi ≤ HRC 40

Thép C trung bình: %C= 0,40 ÷ 0,50%, độ

cứng sau tôi tươ ng đối cao, HRC ≥ 50.

Thép C cao: %C ≥ 0,60%, độ c ứng sau tôi cao, HRC ≥ 60.Chỉ có thép ≥ 0,40%C tôi mớ i tăng tính chịu mài mòn.

Chú ý : phân biệt độ c ứng của M và độ c ứng của thép tôi: độ c ứng của thép tôi là độ c ứng

tổng hợ p của M tôi+γ dư + cacbit (Xê II nếu có). Thườ ng γ dư làm gi ảm độ c ứng của thép

tôi:>10% làm giảm 3-5HRC (cá biệt tớ i 10HRC),vài % →không đáng k ể.

Tính giòn: là nhượ c điểm của M làm hạn chế s ử d ụng, tính giòn phụ thu ộc vào:

+ Kim M càng nhỏ tính giòn càng th ấ p → làm nhỏ h ạt γ khi nung thì tính giòn.

+ Ứ ng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng th ấ p.

Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và ph ươ ng pháp tôi thích hợ p để gi ảm ứng suất

bên trong như tôi phân c ấ p, đẳng nhiệt và ram ngay tiế p theo.

4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram)

Định ngh ĩ a:

Ram nung nóng thép sau khi tôi để điều chỉnh độ c ứng và tính chất phù hợ p vớ i yêu cầu.

4.2.5.1. Tính không ổn định của mactenxit và austenit

Tổ ch ức thép tôi=M+ dư: khi nung nóng M → F+Xê theo: Fea(C) →Fe3C + Fea

dư → F+Xê theo: Fe g(C) → Fe3C + Fea

M và γ dư không chuy ển biến ngay thành hỗn hợ p F-Xê mà phải qua tổ ch ức trung gian làM ram theo sơ đồ: (M + γ dư) →M ram →F-Xê

Hình 4.14: Độ cứng tôi phụ thuộc vào%C








4.2.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram

Thép cùng tích (0,80%C): tổ ch ức M và dư, quá trình chuyển biến khi ram:

Giai đoạn I (T < 200oC)

- < 80oC trong thép tôi chữa có chuyển biến gì, tức vẫn có M và γ dư.

- Từ 80-200 oC: γ dư ch ữa chuyển biến, M có tiết C dướ i dạng cacbit e FexC (x=2,0 ÷2,4),

hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 ÷ 0,40%, c/a gi ảm đi.

Hỗn hợ p M ít cacbon và cacbit e đó đượ c gọi là M ram (vẫn liền mạng):

(M tôi) Fea(C)0,8 → [Fea(C)0,25÷0,4 + Fe2÷2,4C] (M ram)

Giai đoạn II (T= 200 ÷ 260oC)

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:








)5030(: 03

0 C AcT TCT th ÷+= )5030(: 0 ÷+= mth AcT SCT

- Tốc độ ngu ội: nhanh hơ n đôi chút nên kinh tế h ơ n ủ.

- Tổ ch ức và cơ tính: t ổ ch ức đạt đượ c là gần cân bằng vớ i độ c ứng cao hơ n ủ đôi chút.

4.3.2.2. Mục đích và l ĩ nh vự c áp dụng:

1) Đạt độ cứ ng thích hợ p cho gia công cơ : + Thép <0,25%C - phải thườ ng hóa,

+ Thép 0,30 ÷ 0,65%C- ph ải ủ hoàn toàn,

+ Thép ≥ 0,70%C- phải ủ không hoàn

toàn (ủ c ầu hóa).

2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhi ệt

luyện k ết thúc. Thườ ng áp dụng cho các thép

k ết cấu tr ướ c khi tôi (thể tích và b ề m ặt).

3) Làm mấ t l ướ i xêmentit II của thép sau

cùng tích → thép đỡ giòn, gia công đượ c

bóng hơ n.

4.4. TÔI THÉP

Là nguyên công quan tr ọng nhất của nhiệt luyện.

4.4.1. Định ngh ĩ a và mục đích

4.4.1.1. Định ngh ĩ a:

Là phươ ng pháp nung thép lên cao quá nhiệt độ t ớ i hạn A1 để đạt phaγ , giữ nhi ệt r ồi làm

nguội nhanh thích hợ p để t ạo thành M hay các tổ ch ức không ổn định khác vớ i độ c ứng cao.

Đặc tr ưng của tôi: - Nhiệt độ tôi > A1 để có g (có th ể gi ống ủ ho ặc thườ ng hóa).

- Tốc độ làm ngu ội nhanh dễ gây ứng suất nhiệt, pha →dễ gây n ứt, biến dạng, cong vênh.

- Tổ ch ức tạo thành cứng và không ổn định. 2 điểm sau khác hẳn ủ và th ườ ng hóa.

4.4.1.2. Mục đích:

1) Tăngđộ c ứngđể ch ống mài mòn tốt nhất (ram thấ p): dụng cụ (c ắt, biến dạng nguội), ∈%C:

%C < 0,35%C-≤ HRC 50, %C = 0,40÷ 0,65%C- HRC 52 ÷ 58,

%C = 0,70 ÷ 1,00%C- HRC 60 ÷ 64, %C = 1,00 ÷ 1,50%C- HRC 65 ÷ 66

2) Nâng cao độ b ền và sức chịu tải của chi tiết máy, áp dụng cho thép có %C=0,15-0,65:tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C

Tôi+ram cao → thép có cơ tính t ổng hợ p cao nhất (thép 0,3-0,5)%C

4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép

4.4.2.1. Đối vớ i thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ÷ 50oC) →M+ít dư

4.4.2.2. Đối vớ i thép CT và SCT

(≥ 0,80%C): T tôi =A1+(30 ÷ 50oC) ≈ 760 ÷ 780oC → M+ít γ dư + XêII

4.4.2.3. Lý do để chọn nhiệt độ tôi:

+ Thép TCT, T< A3 còn F là pha mềm gây ra điểm mềm ảnh hưở ng xấu tớ i độ b ền, độ

bền mỏi và tính chống mài mòn.

Hình 4.15 . Khoảng nhiệt độ ủ, thườ ng hóa và tôi cho thép cacbon








o

+ 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.








4.4.3.4. Tính thấm tôi và tính tôi cứ ng:

Tính tôi cứng là khả n ăng đạt độ c ứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tính tôi cứng càng lớ n.

Tính thấm tôi là khả n ăng đạt chiều dày lớ p tôi cứng lớ n nhất, phần tr ăm của nguyên tố

hợ p kim càng cao thì tính thấm tôi càng lớ n.

Hình 4.17 . Khả n ăng tôi cứng của một số lo ại thép:

(a): 0,40%C; (b): 0,40%C + 1,00%Cr, (c): 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo,4.4.4. Các phươ ng pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trườ ng tôi

Các cách phân loại tôi: Theo T tôi: tôi hoàn toàn và không hoàn toàn, theo phạm vi: tôi thể

tích và tôi bề m ặt, theo phươ ng thức và môi tr ườ ng làm nguội (hình 4.18) ta có:

4.4.4.1 Tôi trong một môi trườ ng

Hình 4.18. Phươ ng pháp tôi Hình 4.19. Đườ ng nguội lý tưở ng khi tôi

Trong đó: a. trong 1 môi tr ườ ng, b. trong 2 môi tr ườ ng, c. tôi phân cấ p, d. tôi đẳng nhiệt.

Yêu cầu đối vớ i môi trườ ng tôi: - Làm nguội nhanh thép để đạt đượ c tổ ch ức M, - không làm thép bị n ứt hay biến dạng

- R ẻ, sẵn, an toàn và bảo vệ môi tr ườ ng.

Để đạt đượ c hai yêu cầu đầu tiên, môi tr ườ ng tôi lý tưở ng hình 4.19:

1) Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng γ kém ổ n định nhấ t 500 ÷ 600oC để không k ị p

phân hóa thành hỗn hợ p F-Xê. Vnguội> Vth.

2) Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì ở đó quá nguội có tính ổn định cao,

không sợ b ị chuy ển biến thành hỗn hợ p F-Xê có độ c ứng thấ p.Đặc biệt trong khoảng chuyển biến

M (300 ÷ 200 oC), nguội chậm sẽ làm gi ảm ứng suất pha do đó ít bị n ứt và ít cong vênh.








o

Các môi tr ườ ng tôi thườ ng dùng: (bảng 4.1)

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

cao.








o

4.4.4.3. Tôi phân cấp: đườ ng c trên hình 4.18

Muối nóng chảy có nhiệt độ cao h ơ n điểm Mđ khoảng 50 ÷ 100 0 C, 3 ÷ 5min để đồng đều

nhiệt độ trên ti ết diện r ồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuy ển biến M.

Ư u điểm: khắc phục đượ c khó khăn về xác định thờ i điểm chuyển môi tr ườ ng của cách b.

Đạt độ c ứng cao song có ứng suất bên trong r ất nhỏ, độ bi ến dạng thấ p nhất, thậm chí có

thể s ửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở tr ạng thái quá nguội vẫn còn dẻo.

Nhượ c điểm: năng suất thấ p, chỉ áp d ụng đượ c cho các thép có Vth nhỏ (thép h ợ p kim cao

như thép gió) và v ớ i tiết diện nhỏ nh ư m ũi khoan, dao phay...

Cả ba ph ươ ng pháp tôi k ể trên đều đạt đượ c tổ ch ức mactenxit.

4.4.4.4. Tôi đẳng nhiệt: đườ ng d trên hình 4.18

Khác tôi phân cấ p ở ch ỗ gi ữ đẳng nhiệt lâu hơ n (hàng giờ ) cũng trong môi tr ườ ng lỏng

(muối nóng chảy) để austenit quá ngu ội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợ p

F-Xê nhỏ m ịn có độ c ứng tươ ng đối cao, độ dai t ốt. Tùy theo nhiệt độ gi ữ đẳng nhiệt sẽ

đượ c các tổ ch ức khác nhau: 250 ÷ 400oC - bainit, 500 ÷600oC - trôxtit. Sau khi tôi dẳngnhiệt không phải ram.

Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu, nhượ c điểm của tôi phân cấ p, nhưng độ c ứng thấ p hơ n và độ dai

cao hơ n, năng suất thấ p í t đượ c áp dụng cách tôi này.

Một phươ ng pháp tôi đẳng nhiệt đặc biệt là tôi chì (patenting) - tôi đẳng nhiệt trong bể Pb nóng

chảy ở 500 ÷ 520 oC → X m ịn, qua khuôn kéo sợ i nhiều lần (ε tổng= 90%), đạt δ E và δ max.

4.4.4.5. Gia công lạnh

Áp dụng cho thép dụng cụ h ợ p kim, %C cao và đượ c hợ p kim hóa, các điểm Mđ

và MK

quá thấ p nên khi tôi lượ ng γ d ư quá l ớ n, làm giảm độ c ứng. Đem gia công lạnh (-50 hay -

70oC) để γ dư → M, độ c ứng có thể t ăng thêm 1 ÷ 10 đơ n vị HRC.

4.4.4.6. Tôi tự ram

Là cách tôi vớ i làm nguội không triệt để, nhằm lợ i dụng nhiệt của lõi hay các phần khác

truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa đượ c tôi: đục, chạm, tôi cảm ứng băng máy,

tr ục dài...

4.4.5. Cơ - nhiệt luyện thép

4.4.5.1. Bản chất:

Đồng thờ i: biế n d ạng d ẻo (cán nóng) γ đem tôi ngay r ồi ram thấ p ở 150 ÷ 200 oC. K ết

quả: M nhỏ m ịn vớ i xô lệch cao, nhờ đó k ết hợ p cao nhất giữa độ b ền, độ d ẻo và độ dai mà

chữa có phươ ng pháp hóa bền nào sánh k ị p.

So vớ i nhiệt luyện tôi + ram thấ p thông thườ ng: bền kéo cao tăng 10 ÷ 20%, độ d ẻo, độ

dai tăng từ 1,5 đến 2 lần. Gồm 2 loại:

4.4.5.2. Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao: hình 4.20a, biến dạng dẻo ở trên A 3 r ồi tôi ngay, đặc điểm:

- Có thể áp d ụng cho mọi thép k ể c ả thép cacbon,








- D ễ ti ến hành vì ở nhi ệt độ cao austenit d ẻo, ổn định, lực ép nhỏ, độ bi ến dạng ε = 20÷ 30%.

- Độ b ền khá cao: bσ = 2200 ÷ 2400MPa, δ = 6 ÷ 8%, a k = 300kJ/m2

4.4.5.3. Cơ – nhiệt luyện nhiệt độ thấp: (hình 4.20b)

Sau khi γ hóa ở trên A3, làm ngu ội nhanh thép xuống 400 ÷ 600 oC là vùng γ quá ngu ội có

tính ổn định tươ ng đối cao và thấ p hơ n nhiệt độ k ết tinh lại, r ồi biến dạng dẻo và tôi ngay.Đặc điểm:

- Chỉ áp d ụng đượ c cho thép hợ p kim

- Khó tiến hành vì ở nhi ệt độ th ấ p (400÷ 600oC) kém dẻo hơ n, máy cán lớ n, phôi

thép phải nhỏ để k ị p nguội nhanh xuống 400 ÷600oC

- Đạt đượ c độ b ền r ất cao σ b = 2600 ÷ 2800MPa, song độ d ẻo, độ dai th ấ p hơ n loại trên: δ

= 3%, aK = 200kJ /m2.

Hình 4.20. Sơ đồ c ơ - nhi ệt luyện: nhiệt độ cao (a) và nhi ệt độ th ấ p (b).

4.5.RAM THÉP

Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành M.

4.5.1. Mục đích và định ngh ĩ a

4.5.1.1. Trạng thái của thép tôi thành M:

Cứng, r ất giòn, kém dẻo, dai vớ i ứng suất bên trong lớ n.

Mục đích của ram: - giảm ứng suất, điều chỉnh cơ tính cho phù h ợ p vớ i điều kiện làm việc.

4.5.1.2. Định ngh ĩ a:

Là nung nóng thép đã tôi đến các nhiệt độ th ấ p hơ n Ac1, để M và d ư phân hóa thành

các tổ ch ức có cơ tính phù h ợ p vớ i điều kiện làm việc quy định.

4.5.2. Các phươ ng pháp ram thép cacbon

4.5.2.1. Ram thấp (150 ÷ 250oC):

Tổ ch ức đạt đượ c là M ram, độ c ứng cao, tính dẻo, dai tốt hơ n, áp dụng cho dụng cụ, các

chi tiết cần độ c ứng và tính chống mài mòn cao như: dao cắt, khuôn dậ p nguội, bánh r ăng, chitiết thấm cacbon, ổ l ăn, tr ục, chốt...








4.5.2.2. Ram trung bình (300 ÷ 450oC): tổ ch ức đạt đượ c là T ram.

Sau khi ram trung bình độ c ứng giảm đi rõ r ệt, nhưng vẫn còn khá cao, giớ i hạn đàn hồi

max, áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ c ần độ c ứng tươ ng đối cao và đàn hồi như khuôn d ậ p

nóng, khuôn rèn, lòxo, nhíp...

4.5.2.3. Ram cao (500 ÷ 650oC): tổ ch ức đạt đượ c là X ram.* Cơ tính t ổng hợ p cao nhất, nhiệt luyện hoá tốt

So sáng cơ tính c ủa thép sau ram cao vớ i các dạng nhiệt luyện khác bảng 4.2.

* Áp dụng cho các chi tiết máy cần giớ i hạn bền, đặc biệt là giớ i hạn chảy và độ dai và đậ p cao

như các lo ại tr ục, bánh r ăng làm bằng thép chứa 0,30 ÷ 050%C, đạt độ bóng cao khi gia công.

* Giớ i hạn nhiệt độ phân chia các lo ại ram trên chỉ là t ươ ng đối, chỉ phù h ợ p cho thép cacbon

và vớ i thờ i gian giữ nhi ệt khoảng 1h.

Ngoài ba phươ ng pháp ram trên còn phải phân biệt ram màu và tự ram.

Bảng 4.2. Cơ tính c ủa thép có 0,45%C ở các d ạng nhiệt luyện khác nhau

Dạng nhiệt luyện C ơ tí nh

s b, MPa s0,2, MPa d, % y, % aK ,kJ/m2

Ủ 840 oC 530 280 32,5 50 900

Thườ ng hóa 850oC 650 320 15 40 500

Tôi 850C + ram 200o

C 1100 720 8 12 300 Tôi 850oC + ram 650oC 720 450 22 55 1400

4.5.2.4. Ram màu và tôi tự ram:

Ram ở 200 ÷ 350 oC, trên mặt thép xuất hiện lớ p ôxit mỏng vớ i chiều dày khác nhau có

màu sắc đặc tr ưng như: vàng (~ 0,045mm) ở 220 ÷ 240oC, nâu (~ 0,050mm) ở 255 ÷ 265 oC,

tím (~ 0,065mm) ở 285 ÷ 295 oC, xanh (~ 0,070mm) ở 310 ÷ 320oC. Nhờ đó dễ dàng xác định

nhiệt độ ram th ấ p mà không cần dụng cụ đo nhiệt.

Tôi tự ram có các đặc điểm: nhanh, đơ n giản, tiện dùng, phải có kinh nghiệm.

4.5.2.5. ảnh hưở ng của thờ i gian ram: thườ ng (1 ÷ 2h). Chú ý là sau khi tôi nên ram ngay để

vừa tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa để tránh hi ện tượ ng ổn định hóa γ dư.

4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP

4.6.1. Biến dạng và nứ t

4.6.1.1. Nguyên nhân và tác hại:

Do ứng suất sinh ra khi nguội làm thép bị bi ến dạng, cong vênh, nứt.

Nói chung khó tránh khỏi nhưng phải tìm cách hạn chế.

4.6.1.2. Ngăn ngừ a:- Nung nóng và đặc biệt là làm nguội vớ i tốc độ h ợ p lý .








- Nung nóng và làm ngu ội các tr ục dài: khi nung treo thẳng đứng để tránh cong, khi làm

nguội phải nhúng thẳng đứng, phần dày xuống tr ướ c...

- Nên dùng tôi phân cấ p, hạ nhi ệt tr ướ c khi tôi, vớ i các vật mỏng phải tôi trong khuôn ép.

4.6.1.3.Khắc phục:

Biến dạng, cong vênh vớ i một số d ạng chi tiết như tr ục dài, tấm có th ể đem nắn, ép nóng

hoặc nguội.Còn khi bị n ứt thì không sửa đượ c.

4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon

4.6.2.1. Nguyên nhân và tác hại:

Do trong môi tr ườ ng nung có chứa chất ôxy hóa Fe và C: O2, CO2, hơ i nướ c..., khi ôxy

hóa thườ ng đi kèm vớ i thoát cacbon.

Tác hại của ôxy hóa: làm hụt kích thướ c, xấu bề m ặt sản phẩm, thoát cacbon làm giảm độ

cứng khi tôi.

4.6.2.2. Ngăn ngừ a: - Khí quyển bảo vệ:: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 < Pth gây oxy hoá

- Khí quyển trung tính: N, Ar,..

- 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. HOÁ BỀN BỀ MẶT

4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứ ng điện (tôi cảm ứ ng)

4.7.1.1. Nguyên lý nung nóng bề mặt: (hình 4.21a).

Chiều sâu nung D xác định theo công th ức: cm f µ

ρ 5030=∆ trong đó: r - điện tr ở su ất

(W.cm), m - độ t ừ th ẩm4.7.1.2. Chọn tần số và thiết bị:

Bánh r ăng chiều dày lớ p tôi bằng (0,20 ÷ 0,28) M (M là môđun r ăng).

Khi cần lớ p tôi dày (4 ÷5mm): thiết bị 2500 hay 8000Hz, P= 100kW tr ở lên.

Lớ p tôi mỏng (1 ÷ 2 mm), thiết bị t ần số cao (66000 hay 250000Hz), p= 50 ÷ 100kW.

4.7.1.3. Các phươ ng pháp tôi:

Vòng cảm ứng đượ c uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bề m ặt cần nung để tôi song không

đượ c tiế p xúc vớ i chi tiết, có khe hở 1,5 ÷ 5,0mm, càng nhỏ càng đỡ t ổn hao. Có 3 kiểu tôi sau:

- Nung nóng r ồi làm nguội toàn bề m ặt như bi ểu thị ở hình 4.21b.

- Nung nóng r ồi làm nguội tuần tự t ừng phần riêng biệt: tôi từng r ăng cho các bánh r ăng

lớ n (m > 6) hay các cổ tr ục khuỷu (có máy tôi chuyên dùng điều khiển theo chữơ ng trình).

- Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiế p: tr ục dài (hình 4.21c), băng máy... co th ể t ự ram.

4.7.1.4. Tổ chứ c và cơ tính của thép tôi cảm ứ ng:

Thép dùng: %C= 0,35 ÷0,55% (thườ ng chỉ 0,40 ÷0,50%), có thể h ợ p kim thấ p

Tổ chứ c: nung vớ i tốc độ r ất nhanh do đó:

- Nhiệt độ chuy ển biến pha A1, A

3 nâng cao lên, do v ậy nhiệt độ tôi cao h ơ n từ

100÷ 200oC.

- Tốc độ chuy ển biến pha r ất nhanh, thờ i gian chuyển biến ngắn, nhận đượ c siêu M r ất dẻo dai.

Tôi cảm ứng thườ ng đượ c áp dụng cho các chi tiết:

+ Chịu tải tr ọng t ĩ nh và và đậ p cao, chịu mài mòn ở b ề m ặt như bánh r ăng, chốt...

+ Chi tiết chịu mỏi cao, + chịu uốn, xoắn lớ n: tr ục truyền, tr ục...

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








Sau khi th ấm và tôi+ram thấ p: bề m ặt %C (1-1,2)%, sau tôi +ram thấ p độ c ứng cao

(thườ ng là 62 ÷ 64), không bong.

Lõi: có tổ ch ức hạt nhỏ (c ấ p 5 ÷ 8) v ớ i tổ ch ức mactenxit hình kim nhỏ m ịn, không có F

tự do, để b ảo đảm độ b ền, độ dai cao, HRC 30 ÷40.

Thờ i gian thấm: (gi ữ nhi ệt ở nhi ệt độ th ấm) phụ thu ộc vào hai yếu tố sau.

1) Chiều dày lớ p thấm yêu cầu: chiều dày lớ p thấm X = (0,10 ÷ 0,15)d, d đườ ng kính hay

chiều dày chi tiết. Riêng đối vớ i bánh r ăng lấy X=(0,20 ÷ 0,30)m (m- môduyn c ủa r ăng)

2) Tốc độ th ấm: Tuỳ theo công ngh ệ th ấm và nhiệt độ th ấm:

Công nghệ th ấm: 2 công nghệ th ườ ng dùng:

Thấm C thể rắn:

Hỗn hợ p thấm:

Than (cốc, đá, gỗ) cở 2-8mm : 25% Than

dựng lại (xàng bỏ b ột vụn): 60% BaCO3: 15%

Hoà BaCO3 vào nướ c vừa xệt để có th ể tr ộnđều vào than. Xế p chi tiết và lốn than vừa chặtnhư hình 4.22.

Thờ i gian và chiều dày lớ p thấm: X =(0,11-

0,12)t, khi thấm ở (900-930) oC- lấy K=0,11,

khi thấm ở (930-950) oC- lấy K=0,12 c ủa thấm cacbon thể r ắn là:

+ Thờ i gian dài (do phải nung cả h ộ p than dẫn nhiệt chậm), bụi, khó cơ khí hóa, kém ổn

định, không đòi hỏi thiết bị kín, r ất đơ n giản

Thấm ở th ể khí : là ph ươ ng pháp thấm hiện đại, đượ c sử d ụng r ộng rãi trong sản xuất Cơ

khí. Chất thấm: Khí đốt và dầu hoả (d ầu hoả d ễ dùng h ơ n)Thiết bị th ấm: các loại lò chuyên dùng để th ấm C (bảng 4.3)

Bảng 4.3. Lò thấm C của Nga

Loại lò P, kw dxh

lò,mm

Loại lò P, kw dxh

lò,mm

• 25 25 300x450 • 75 75 500x900

• 35 35 300x600 • 90 90 600x900

• 60 60 450x600 • 105 105 600x1200

Xế p hoặc treo chi tiết vào lò đảm bảo bề m ặt cần thấm

phải luôn có khí luân chuyển. Nâng nhiệt độ và c ấ p dầu:

Nhiệt độ S ố gi ọt dầu, [giọt/phút] (lò Ц25 -Ц 60)

< 300 0

300-500 30

500-900 30-50

900-950 90-150 (bão hoà)

900-950 50-80 (khuếch tán)

Nhiệt độ th ấm: theo loại thép như th ấm C thể r ắnThờ i gian thấm: (k ể t ừ khi đạt nhiệt độ th ấm)

Hình 4.23. Sơ đồ lò thấm C bằng dầu hoả

Hình 4.22. Hộ p thấm C thể r ắn








2

K

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








làm tăng độ c ứng, r ồi đuổi hết khí ra mớ i đượ c mở lò để ch ống nổ.

- Nếu trong khí thấm có pha thêm lượ ng nhỏ khí đốt (1-2%), hoặc thỉnh thoảng mở vàn

cho 1 chút không khí vào, các nguyên tố C (trong khí đốt), oxy (trong không khí) có tác đụng

ổn định pha ε do đó tốc độ th ấm tăng.

+ Thờ i gian thấm: khi có mặt C và O trong khí thấm thì: K=0,2 đến 0,27 chú ýε lớ p xố p

có độ c ứng thấ p (250-300HB), mẫu thấm to lên do đó thườ ng phải hớ t bỏ đi.

Độ cứ ng của lớ p thấm N: 900-1000 HV, giữ đượ c ở nhi ệt độ trên 500 oC.

Công dụng: cho chi tiết cần độ c ứng và tính chống mài mòn r ất cao, làm việc ở nhi ệt độ

cao hơ n 500oC, như m ột số tr ục, bánh r ăng, sơ mi trong máy bay, dụng cụ c ắt, dụng cụ đo.

4.7.2.4. Thấm cacbon - nitơ

Định ngh ĩ a và mục đích: làm bão hòa (thấm, khuếch tán) đồng thờ i cacbon và nitơ vào b ề

mặt thép để nâng cao độ c ứng và tính chống mài mòn (về m ặt này nó nằm trung gian giữa

thấm cacbon và thấm nitơ ). Như v ậy nó cũng nhằm mục đích như hai ph ươ ng pháp hóa - nhiệt luyện trên song t ố t hơ n

thấ m cacbon.

Đặc điểm của công nghệ thấm C-N: tùy thuộc vào tỷ l ệ gi ữa C và N trong lớ p thấm mà

quá trình có thể g ần vớ i một trong hai dạng thấm C hoặc N trên:

- Thấm ở nhiệt độ cao, trên dướ i 800oC: chủ y ếu là thấm C (ít N), do đó có tính chất

gần vớ i thấm C hơ n song tốt hơ n chỉ th ấm C.

- Thấm ở nhiệt độ thấp, trên dướ i 600oC: lớ p thấm chủ y ếu là N, do đó tính chất gần

vớ i thấm N hơ n song kém hơ n thấm nitơ đôi chút.- Thấm C-N ở nhiệt độ cao:

Chất thấm: chủ y ếu là khí đốt hoặc dầu hoả nh ư khi th ấm C nhưng có thêm 5 ÷ 10%NH 3,

Nhiệt độ th ấm: 780 ÷ 860 oC, thấ p hơ n so vớ i thấm C (cứng hơ n Fe3C) nằm phân tán nên

làm tăng r ất mạnh tính chống mài mòn do đó kéo dài tuổi thọ thêm 50 đến 100%.

Chiều dày lớ p thấm: mỏng hơ n lớ p thấm C khoảng 20 ÷ 30%. Ví d ụ bánh r ăng khi

thấm cacbon sâu 0,90 ÷ 1,20mm, khi thấm C-N chỉ c ần 0,50 ÷ 0,80mm. Nhờ v ậy thờ i gian

thấm sẽ ng ắn lại.

Do nhiệt độ và th ờ i gian thấm đều giảm nên kinh tế h ơ n

Nhiệt luyện sau khi thấm: sau khi thấm phải qua tôi + ram thấ p như th ấm C nhưng đơ n

giản hơ n vì tôi tr ực tiế p vớ i mọi loại thép.

Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp:

Giống như khi th ấm N, khí thấm có pha thêm 2-5% khí đốt, sau khi thấm không phải qua

tôi ram thấ p như khi th ấm N.

Nhiệt độ th ấm và thờ i gian thấm giống như khi th ấm Nitơ , ưu việt là thấm nhanh, hiện nay

chỉ có công ngh ệ th ấm C-N không có công nghệ th ấm N riêng biệt.

Thép dùng để thấm C-N:

Thườ ng là thép hợ p kim: 25CrMnMo, sau khi thấm C-N nhiệt độ cao tôi tr ực tiế p phâncấ p trong dầu nóng 180oC.








PHẦN III

VẬT LIỆU KIM LOẠI

CHƯƠ NG 5 THÉP VÀ GANG

Thép có cơ tính t ổng hợ p cao, có tính công nghệ t ốt (tạo hình, gia công cơ khí, bi ến dạng,

hàn, nhiệt luyện) là vật liệu chế t ạo máy thông dụng, chủ y ếu và quan tr ọng nhất.

Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợ p kim.

5.1. KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON VÀ HỢ P KIM

5.1.1. Thép cacbon

Thép cacbon hay thép thườ ng: chiếm tỷ tr ọng r ất lớ n (tớ i 80 ÷ 90%) trong tổng sản lượ ng thép.

5.1.1.1. Thành phần hóa học:

Có %C < 2,14%, khi nung lên đủ cao → γ - m ạng A1, r ất dẻo → bi ến dạng. Ngoài Fe & C

còn có: Mn, Si, P &S .

T ạ p chấ t có l ợ i: Mn, Si, do: qu ặng sắt, do khử ôxy.

T ạ p chấ t có hại: P & S, do qu ặng sắt và than đưa vào < 0,05% cho mỗi nguyên tố.

Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa:

C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050%.

Ngoài P và S còn có các tính chất có hại: H, N, O,.. hòa tan vào thép lỏng, là tạ p chất ẩn náu.

Các nguyên tố có l ợ i (nguyên tố h ợ p kim): do hồi liệu đưa vào: Cr, Ni, Mo, Cu, Ti,…

5.1.1.2. Ảnh hưở ng của C đến tổ chứ c, tính chất và công dụng của thép thườ ng

Là nguyên tố quan tr ọng nhất, quyết định chủ y ếu đến tổ ch ức, tính chất (cơ tính), công

dụng của thép (cả thép cacbon l ẫn thép hợ p kim thấ p).

Tổ ch ức tế vi: Gi ản đồ pha Fe-C, khi %C t ăng lên thì %Xê là pha giòn cũng tăng lên

tươ ng ứng (thêm 1%C thì Xê tăng thêm 15% (100/6,67= 15%)) do đó làm thay đổi tổ ch ức và

tính chất thép.

- C ≤ 0,006% - thép có t ổ ch ức thuần F (hình

3.19a), coi như s ắt nguyên chất.- C = 0,10 ÷ 0,70% - thép có tổ ch ức F+P, khi

%C tăng lên %P tăng lên (hình 3.22a,b,c), đó là các

thép tr ướ c cùng tích.

- C = 0,80% - thép có tổ ch ức P (hình 3.20a,b),

đó là thép cùng tích.

- C ≥ 0,90% - thép có t ổ ch ức P+XêII (hình 3.23),

khi %C tăng lên lượ ng XêII t ăng.

Cơ tính: Hình 5.1

Tăng %C: làm giảm độ d ẻo (δ, ψ) và độ dai và đậ p(aK ) vì %Xê tăng.

Hình 5.1. Ảnh hưở ng của cacbon đến cơ tính của thép thườ ng (ở tr ạng thái ủ)








T ăng %C thì σ b t ăng và đạt cực đại trong khoảng 0,80 ÷ 1,00%C, sau đó giảm đi vì ban đầu

%C tăng thì %Xê tăng làm tăng bền, sau khi vượ t quá 0,80 ÷ 1,00%C ngoài peclit (tấm) còn XêII.

Theo %C có 4 nhóm vớ i cơ tính và công d ụng r ất khác nhau như sau:

- Thép có cacbon thấ p ( ≤ 0,25%): d ẻo, dai cao nhưng độ b ền, độ c ứng lại thấ p → xây d ựng.

- Thép có cacbon trung bình (0,30 ÷ 0,50%): chi tiết máy chịu tải tr ọng t ĩ nh và và đậ p cao.

- Thép có cacbon tươ ng đối cao (0,55 ÷ 0,65%): chi tiết đàn hồi.- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%): d ụng cụ nh ư dao c ắt, khuôn dậ p, dụng cụ đo.

Tính công nghệ:

- %C càng thấ p càng dễ hàn và d ậ p.

- %C càng cao thì thép càng cứng càng khó cắt, nhưng %C quá thấ p→ d ẻo quá khó gia công cắt.

5.1.1.3. Ảnh hưở ng của các tạp chất thườ ng có

Mn: Mn để kh ử ôxy thép: Mn + FeO → Fe + MnO → x ỉ

Ngoài ra, Mn loại tr ừ đượ c tác hại của S. Mn ảnh hưở ng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào F

nó nâng cao độ b ền và độ c ứng của pha này (hình 5.2a), trong thép C, %Mn=(0,50÷0,80)%.Si: để kh ử ôxy tri ệt để: Si + FeO → Fe + SiO 2 → x ỉ

Giống như Mn, Si hòa tan vào F c ũng nâng cao độ b ền và độ c ứng của pha này (hình 5.2a)

nên làm tăng cơ tính c ủa thép, %Si = (0,20 ÷ 0,40)%.

P: hòa tan vào F làm xô lệch r ất mạnh mạng tinh thể pha này làm t ăng mạnh tính giòn nguội.

S: không hòa tan trong Fe (cả Fe α l ẫn Feγ) mà tạo nên hợ p chất FeS. Cùng tinh (Fe+FeS)

tạo thành ở nhi ệt độ th ấ p (988oC), gây bở nóng. Mn do t ạo nên MnS, k ết tinh ở nhi ệt độ cao,

1620oC, làm giảm tác hại của S.

5.1.1.4. Phân loại thép cacbonTheo độ s ạch tạ p chất có hại và phươ ng pháp luyện: Trên thế gi ớ i hiện còn ba phươ ng

pháp luyện thép chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò th ổi ôxy từ đỉnh (lò L-D) (nướ c ta

chỉ b ằng lò điện hồ quang).

Theo mứ c độ sạch t ạ p chấ t t ừ thấ p đế n cao có các mứ c chấ t l ượ ng sau:

- Chất lượ ng thườ ng: P, S ≤ 0,050% (hay cao h ơ n một chút). Thép đượ c luyện từ lò L-D,

năng suất r ất cao và giá thành thép r ẻ.

- Chất lượ ng tốt: P, S ≤ 0,040% ở lò mactanh và lò điện hồ quang.

- Chất lượ ng cao: P, S ≤ 0,030% cho m ỗi nguyên tố. Lò điện hồ quang dùng nguyên li ệu

chất lượ ng cao.

- Chất lượ ng rất cao: P, S ≤ 0,020% cho m ỗi nguyên tố. Thép sau khi luyện ở lò h ồ

quang đượ c tinh luyện tiế p tục: bằng điện xỉ, đúc chân không.

Các thép cacbon bán trên thị tr ườ ng gồm ba cấ p chất lượ ng: thườ ng, tốt và cao (ít gặ p). Thép

hợ p kim chỉ có các c ấ p: tốt, cao và r ất cao. Trong xây dựng chỉ dùng ch ất lượ ng thườ ng, chế t ạo

máy phải dùng chất lượ ng từ t ốt tr ở lên, riêng thép làm ổ l ăn phải đạt cấ p chất lượ ng r ất cao.

Theo phươ ng pháp khử ôxy:

Thép sôi: chỉ đượ c khử ôxy không tri ệt để b ằng FeMn, do còn FeO nên:

FeO + C → Fe + CO ↑, khí CO làm thép sôi








Đặc đ iể m của thép sôi:

- %Si thấ p (≤ 0,05 ÷ 0,07%), thép r ất mềm và dẻo, r ất dễ d ậ p nguội.

- Không dùng thép sôi để đúc định hình, cho k ết cấu hàn,.. sinh bọt khí làm giảm chất lượ ng.

- Không dùng thép sôi để làm chi ti ết thấm cacbon vì là thép bản chất hạt lớ n.

Thép lặng: là loại đượ c khử ôxy tri ệt để b ằng cả FeMn và FeSi và Al, nên m ặt thép lặng.

Đặc điểm của thép lặng:- %Si khá cao (0,15 ÷ 0,35%), vì thế F c ủa thép cứng và bền hơ n, khó dậ p nguội hơ n.

- Không bị r ỗ khí khi đúc, tuy nhiên lõm co lớ n không kinh tế.

- Dùng đượ c cho các k ết cấu hàn, thấm C.

Thép nử a lặng:

Chỉ đượ c khử ôxy b ằng FeMn, Al. Tính chất trung gian giữa thép sôi và lặng. Dùng thay

thế cho thép sôi. Thép h ợ p kim chỉ có lo ại thép lặng, thép cacbon có cả ba lo ại.

Theo công d ụng:

- Thép k ết cấu: khối lượ ng lớ n nhất, gồm 2 nhóm: thép xây dựng và thép chế t ạo máy.

- Thép xây dựng: cơ tính t ổng không cao lắm, phải dẻo và có tính hàn tốt, không nhiệt luyện.

- Thép chế t ạo máy: đòi hỏi cơ tính t ổng hợ p ở m ức độ cao h ơ n, phải qua nhiệt luyện.

- Thép dụng cụ: cứng và chống mài mòn.

5.1.1.5. Tiêu chuẩn thép cacbon

Tiêu chuẩn Việt Nam:

TCVN 1765 - 75: Thép đượ c ký hiệu bằng CT: gồm 3 phân nhóm A, B và C, A là chủ y ếu.

Phân nhóm A: CTxx, bỏ ch ữ A. Ví d ụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có

ơ b≥38kG/mm2 hay 380MPa song v ớ i ba mức khử ôxy khác nhau: l ặng, nửa lặng và sôi.

Phân nhóm B: quy định thành phần (tra sổ tay): BCT38: (0,14-0,22)C-(0,3-0,65)Mn.

Phân nhóm C: quy định cả hai: c ơ tính l ẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ

tính của CT38 còn thành phần của BCT38.

TCVN 1766-75: quy định các mác thép k ết cấu cacbon chất lượ ng tốt để ch ế t ạo máy:-Cxx.

Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ÷ 0,45%), chất lượ ng tốt nên lượ ng P và S ≤

0,040%; C40A là mác có chất lượ ng cao P, S ≤ 0,030%.

TCVN 1822-76 : thép dụng cụ cacbon b ằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) vớ i số ti ế p theo

chỉ l ượ ng cacbon trung bình tính theo phần vạn - CDxx hoặc CDxxx. Ví dụ: CD80 và CD80A

là hai mác cùng có khoảng 0,80%C (0,75 ÷ 0,84%) song vớ i chất lượ ng tốt và cao.Tiêu chuẩn các nướ c:

Nga: ГOCT

Thép k ết cacbon chất lượ ng thườ ng dùng trong xây dựng: CTx vớ i các số t ừ 0,1 đến 6 chỉ

cấ p độ b ền (số càng to độ b ền càng cao). Cũng có các phân nhóm theo thứ t ự A, Б, B lần lượ t

tươ ng ứng vớ i các phân nhóm A, B, C của TCVN.

Thép k ết cấu cacbon chất lượ ng tốt: xx, các số ch ỉ ph ần vạn C, mác 40 có khoảng 0,40%C.

Thép cacbon dụng cụ: Уxx, các số ch ỉ l ượ ng C phần nghìn: У12 có khoảng 1,20%C.

Hoa K ỳ: sử d ụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon.

ASTM đượ c dùng cho thép xây dựng.

AISI và SAE cho các thép ch ế t ạo máy và dụng cụ.








AISI/SAE: thép C ký hiệu 10xx, thép C có Mn cao là 15xx, trong đó xx chỉ C ph ần vạn.

Nhật bản: JIS quy định:

Thép k ết cấu chất lượ ng thườ ng: ký hiệu SSxxx hay SMxxx, xxx là các số ch ỉ gi ớ i hạn

bền kéo tối thiểu tính bằng Mpa.

Thép k ết cấu cacbon chất lượ ng tốt: ký hiệu SxxC, xx là số ch ỉ l ượ ng cacbon phần vạn.

Thép cacbon dụng cụ: ký hiệu SKx vớ i x là các số th ứ t ự t ừ 1 đến 7.

5.1.1.6. Ư u nhượ c điểm của thép cacbon

Ư u đ iể m: dùng r ất r ộng rãi vì:

1) R ẻ, dễ ki ếm không phải dùng các nguyên tố h ợ p kim đắt tiền.

2) Cơ tính t ổng hợ p nhất định phù hợ p vớ i các điều kiện thông dụng.

3) Tính công nghệ t ốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợ i, hàn, gia công cắt (so vớ i thép hợ p kim).

Nhượ c đ iể m:

1) Độ th ấm tôi thấ p nên hiệu quả hóa b ền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao.

2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ b ền cao của tr ạng thái tôi giảm nhanh ở trên 200oC, ở trên 570 oC bị ôxy hóa m ạnh.

3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn.

Thép cacbon đượ c dùng làm các chi tiết nhỏ, hình dạng đơ n giản, chịu tải tr ọng nhẹ và

vừa, làm việc ở nhi ệt độ th ườ ng.

5.1.2. Thép hợ p kim

Trong k ỹ thu ật dùng ngày càng nhiều thép hợ p kim vào các mục đích quan tr ọng.

5.1.2.1. Thành phần hóa học

Thép cacbon: C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050% còn l ại là

thép hợ p kim.

Thép hợ p kim là loại có chất lượ ng từ t ốt tr ở lên: P và S ≤0,040%.

5.1.2.2. Các đặc tính của thép hợ p kim

Cơ tính: độ b ền cao hơ n hẳn so vớ i thép cacbon, nhất là sau khi tôi + ram, hệ qu ả:

- Ở tr ạng thái không tôi + ram, độ b ền của thép hợ p kim không cao hơ n thép cacbon bao nhiêu.

-Ư u việt về độ b ền cao của thép hợ p kim càng rõ khi tiết diện > 20mm→ dùng cho chi ti ết lớ n.

- Có thể tôi d ầu nên ít biến dạng và nứt, r ất ưu việt cho cho chi tiết phức tạ p.

- Tăng % hợ p kim thì hiệu quả hoá b ền bằng nhiệt luyện tăng song độ d ẻo, độ dai và tínhcông nghệ x ấu đi, tr ừ nhi ệt luyện.

Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt: chống ăn mòn, tính chất từ, giãn nở nhi ệt, chịu nhiệt...

đều tốt hơ n hẳn.

5.1.2.3. Tác dụng của nguyên tố hợ p kim đến tổ chứ c của thép

Hòa tan vào sắ t thành dung d ịch r ắ n:

Mn, Si, Cr, Ni, lượ ng dùng một vài %, tăng độ c ứng, độ b ền và giảm độ d ẻo, độ dai (hình

5.2) do đó Mn và Si 1 ÷ 2%.

Ni và Cr (cho tớ i hàm lượ ng 4%): vừa làm tăng cứng còn làm tăng chút ít độ dai, t ăng độ thấm tôi là các nguyên tố quan tr ọng.








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)








Hình 5.3. Ảnh hưở ng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng α và γ trên gi ản đồ Fe-C.

Vài trò của cacbit hợ p kim:

- Tăng độ c ứng, tính chống mài mòn của thép mạnh hơ n cả Xê. Nh ư sau này s ẽ th ấy thép

làm dụng cụ t ốt nhất phải là loại thép có cacbon cao và hợ p kim cao.

- Nâng cao nhiệt độ tôi, gi ữ đượ c hạt nhỏ khi nung, do đó nâng cao độ dai và c ơ tính nói chung.

- Tăng tính cứng hay bền nóng đôi khi tớ i 500 ÷ 600oC.

5.1.2.4. Ảnh hưở ng của nguyên tố hợ p kim đến quá trình nhiệt luyện

Chậm chuyể n biế n khi nung nóng để tôi:

- Cacbit hợ p kim khó khó hòa tan hơ n Xê, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao h ơ n và thờ i gian giữ

nhiệt dài hơ n so vớ i thép cacbon. Hãy so sánh các thép cùng có 1,00%C nhưng vớ i lượ ng hợ p

kim cao thấ p khác nhau:

+ Thép cacbon 1,00%C (mác CD100), Fe3C, nhiệt độ tôi kho ảng 780oC.

+ Thép ổ l ăn (OL100Cr1,5 (ШX15) 1,00%C + 1,50%Cr, (Fe,Cr)3C, nhiệt độ tôi kho ảng 830oC.

+Thép làm khuôn dậ p (hợ p kim cao) 1,00%C + 12,0%Cr, Cr 23C6, nhiệt độ tôi > 1000 oC.

- TiC, ZrC, NbC,… giữ h ạt nhỏ. WC, MoC yếu hơ n. Riêng Mn làm to hạt austenit. Các

nguyên tố: Cr, Ni, Si, Al đượ c coi là trung tính.

T ăng độ ổ n định của austenit quá nguội và t ăng độ thấ m tôi:

Tất cả các nguyên t ố h ợ p kim (tr ừ Co) làm t ăng độ ổn định γ quá ngu ội tức là giảm tốc độ

tôi tớ i hạn Vth (hình 5.4a). Đặc biệt Mo (khi riêng r ẽ) và Cr - Ni (khi k ết hợ p) và Cr, Mn, B.

Do đó làm tăng độ th ấm tôi của thép (hình 5.4).

Hình 5.4. So sánh gi ản đồ T - T - T, V th (a) và độ th ấm tôi (b) giữa thép cacbon và thép hợ p kim








Tăng austenit dư: Cứ 1% nguyên t ố h ợ p kim làm thay đổi Mđ nh ư sau: (“-” gi ảm, “+” tăng):

Nguyên tố Mn Cr Ni Mo Co Al Si

∆T, độ -45 -35 -26 -25 +1

2

+1

8

0

Do γ d ư t ăng làm độ c ứng sau khi tôi giảm 1 ÷ 10 đơ n vị HRC, → gia công l ạnh hay ram

nhiều lần ở nhi ệt độ thích h ợ p để γ d ư → M

5.1.2.5. Chậm chuyển biến khi ram

Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực mạnh nên giữ C l ại trong M, do đó duy trì độ c ứng cao ở

nhiệt độ cao h ơ n:

- Xêmentit Fe3C ở 200 oC.

- Xêmentit hợ p kim (Fe,Me)3C ở 250 ÷ 300 oC.

- Cacbit crôm Cr 7C3, Cr 23C6ở 400 ÷ 450 oC.

- Cacbit Fe3W3C loại Me6C ở 550 ÷ 600 oC.

VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra do đó dẫn đến các hiệu

ứng sau:

- Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính b ền nóng, tính cứng nóng.

- Tăng độ c ứng và tí nh chống mài mòn, đượ c gọi là hóa cứng phân tán.

- So vớ i thép C, thép hợ p kim phải ram ở nhi ệt độ cao h ơ n nên khử b ỏ đượ c ứng suất bên

trong nhiều hơ n vì thế thép có th ể b ảo đảm độ dai t ốt.

Tóm t ắ t các tác d ụng t ố t của nguyên t ố hợ p kim là:+ Khi hòa tan vào dung dịch r ắn: làm hóa bền và tăng tính ổn định của γ quá ngu ội.

+ Khi tạo thành cacbit hợ p kim:

• Tăng cứng và chống mài mòn, khó hòa tan khi nung giữ cho h ạt nhỏ.

• Khó tiết ra khỏi M hơ n nên gây nên bền nóng và cứng nóng.

• Khi ram đượ c tiết ra dướ i dạng phần tử nh ỏ

mịn, phân tán gây hóa bền.

5.1.2.6. Các khuyết tật của thép hợ p kim

Tuy có nhiều ưu việt, thép hợ p kim đôi khicũng thể hi ện một số khuy ết tật cần biết để phòng

tránh:

+ Thiên tích: Nguyên tố h ợ p kim dễ b ị thiên

tích.

+ Đốm tr ắng: Các vết nứt nhỏ màu tr ắng trên

phôi thép sau cán do H2 hòa tan khi n ấu luyện, khi

làm nguội nhanh xuống dướ i 200oC, hyđrô thoát

ra mạnh, gây ra nứt gây phế ph ẩm không chữa








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)








Cách phân loại này có nguồn gốc của Nga (ГOCT).

Trung Quốc: < 5% hợ p kim thấ p, 5-10% là hợ p kim trung bì nh, >10% hợ p kim cao. Các

nướ c Tây Âu chỉ có hai lo ại: ≤5% là hợ p kim hoá thấ p, >5 là hợ p kim hoá cao

Theo công dụng: 3 loại

- Thép hợ p kim k ết cấu.

- Thép hợ p kim dụng cụ.- Thép hợ p kim đặc biệt.

5.1.2.8. Tiêu chuẩn thép hợ p kim

Tiêu chuẩ n Vi ệt Nam: TCVN 1759 - 75 quy định: xx(NTHK)% quy tròn thành số nguyên),

riêng khoảng 1% thì không cần biểu thị (b ằng số).

Ví dụ: Thép 40Cr: có 0,36 ÷ 0,44%C; 0,80 ÷ 1,00%Cr

Thép 12CrNi3: có 0,09 ÷ 0,16%C; 0,60 ÷ 0,90%Cr; 2,75 ÷ 3,75%Ni

Tiêu chuẩ n Nga: Г OCT (t ươ ng tự v ớ i cách ký hiệu của Việt nam), ký hiệu các nguyên tố:

X =Cr, H =Ni, B =W, M=Mo, T=Ti, K=Co, Г=Mn, C=Si, Ф=V, Д=Cu, Ю=Al, P=B.

40Cr là 40X, 12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhưng 90CrSi là 9XC.

Tiêu chuẩ n Hoa K ỳ: AISI và SAE

Đối vớ i thép dụng cụ: AISI ký hi ệu gồm một chữ cái ch ỉ nhóm thép và s ố th ứ t ự.

Sau đây các chữ cái (th ườ ng lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm thép) đó:

W- cho thép tôi nướ c (water).

S- cho thép dụng cụ ch ịu và đậ p (shock).

T- cho thép gió vonfram (tungsten).

H- cho thép làm dụng cụ bi ến dạng nóng (hot).

D- thép làm dụng cụ bi ến dạng nguội (cold).

M- cho thép gió môlipđen – vonfram.

O- cho thép tôi dầu (oil).

A- cho thép làm dụng cụ bi ến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air).

Đối vớ i thép hợ p kim k ết cấu: gồm 4 số xxxx nên đượ c viết là AISI/SAE xxxx, trong đó, 2

số đầu chỉ nguyên t ố h ợ p kim chính, 2 số cu ối chỉ l ượ ng cacbon theo phần vạn, vớ i quy ướ c:

Thép cacbon: 10xx

Thép cacbon có Mn nâng cao: 5xxThép dễ c ắt (2 loại): 11xx,12xx

Thép mangan: 13xx

Thép niken (2 loại): 23xx, 25xx

Thép niken-crôm (4): 31xx, 32xx,

33xx, 34xx

Thép môlipđen (2 loại): 40xx, 44xx

Thép crôm-môlipđen: 41xx

Thép crôm-vànađi: 61xx

Thép niken-crôm-môlipđen (11 loại): 43xx,

43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx,94xx, 97xx, 98xx

Thép niken-môlipđen (2 loại): 46xx, 48xx

Thép crôm (2 loại): 50xx, 51xx

Thép crôm vớ i 0,50 ÷ 1,50%C (3loại):

501xx, 511xx, 521xx

Thép vonfram-crôm: 72xx

Thép silic-mangan:92xx

Thép bo: xxBxx

Đố i vớ i thép không g ỉ và bề n nóng :








AISI ký hi ệu gồm ba số xxx, trong đó: 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và

5xx là thép mactenxit.

Tiêu chuẩn Nhật Bản: JIS ký hi ệu thép hợ p kim mở đầu bằng chữ S, ti ế p theo là các chữ cái

biểu thị lo ại thép hợ p kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cu ối chỉ ph ần vạn cacbon

trung bình) hay một hoặc hai số theo th ứ t ự:

SCrxxx - thép k ết cấu crôm

SNCxxx - thép k ết cấu niken - crôm

SMnxxx - thép mangan

SCMxxx - thép k ết cấu crôm – môlipđen

SACMxxx - thép nhôm - crôm - môlipđen

SNCMxxx-thép k ết cấu Ni-Cr-Mo

SUJx - thép ổ l ăn

SUMx - thép dễ c ắt

SUPx - thép đàn hồi

SUSxxx-thép không gỉ (xxx l ấy theo AISI)

SUHx - thép bền nóng

SKx - thép dụng cụ cacbon

SKHx - thép gió

SKSx, SKDx, SKTx - thép dụng cụ h ợ p kim.

5.2. THÉP XÂY DỰ NG

5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại

5.2.1.1. Đặc điểm chung

Yêu cầu k ỹ thuật sau:

Về c ơ tính: đủ độ b ền, độ d ẻo (δ ~ 15 ÷ 35%), độ dai (a K ~ 500 kJ/m 2).

Về tính công ngh ệ: tính hàn tốt, dễ u ốn, dễ c ắt.

Về thành ph ần hóa học: để b ảo đảm độ d ẻo, độ dai và tính hàn t ốt thì hàm lượ ng cacbon

không đượ c cao quá: C ≤ 0,22%. Các nguyên t ố khác chuy ển thành cacbon đươ ng lượ ng Cđl tí

nh theo công thức:

Cđl =n Cr Mo V Ni Cu

C6 5 15

Μ + + ++ + +

để d ễ hàn, C đl không đượ c vượ t quá 0,55%.

5.2.1.2. Phân loại

Theo thành phần hóa học hay độ b ền: cacbon thông dụng và thép hợ p kim thấ p độ b ền cao.

Theo công dụng có thể chia ra các phân nhóm: thép công d ụng chung và thép công dụng

riêng (cốt bêtông, chuyên đóng tàu, làm cầu,…).5.2.2. Thép thông dụng

5.2.2.1. Đặc điểm chung (thép cacbon)

Đặc điểm: độ b ền bình thườ ng (σ0,2 < 300 ÷ 320MPa), r ẻ, đa dạng các bán thành phẩm cán

nóng (ống, thanh, góc, hình, lá, tấm, băng cho đến dây, sợ i,...).

5.2.2.2. Phân loại theo TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75, chia thép xây dựng thành 3 nhóm ACT (CT), BCT và CCT.

Nhóm A quy định về cơ tính: phổ bi ến nhất

Từ trái sang ph ải độ b ền tăng. Hai mác đượ c dùng nhiều hơ n cả là CT38 và CT51.








- 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:


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.








5.3.3.3. Thép cacbon:

Các mác thườ ng dùng:

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








loại II, thuộc nhóm thép mactenxit, tôi thấu vớ i tiết diện bất k ỳ,cơ tính t ổng hợ p cao nhất: σ b =

1200MPa, σ0,2 = 1100MPa, a K = 800kJ/m2. Các mác thép Cr-N-Mo th ườ ng dùng:

VN: 38Cr2Ni2MoA, 38CrNi3MVÀ, ΓOCT: 38X2H2MA, 38XH3MΦA, SAE/AISI: 4340,

JIS: SNCM439

5.3.3.8. Thép chuyên dùng để thấm nitơ :

Hợ p kim Cr (~1,6%), Mo (~ 0,30%), Al (~1,00%).

Tác dụng của nguyên tố HK: t ạo nitrit cứng, phân tán, %C~0,40%, nhiệt luyện hóa tốt → c ơ

tính tổng hợ p cao. Nhiệt độ th ấm nitơ bao gi ờ c ũng phải thấ p hơ n nhiệt độ ram cao khi hóa t ốt.

Mác thườ ng dùng: VN: 38CrMoAlA, Nga : 38X2MЮA, SAE: 7140, JIS: SACM645

Nhiệt luyện: tôi ở 930 ÷ 950 oC trong dầu, ram 640 ÷ 680oC cơ tính đạt σ b = 1030MPa, σ0,2 =

880MPa, aK = 600kJ/m 2. Thấm nitơ ở 520 ÷ 540 oC đạt độ c ứng HV850 ÷ 1050 (~HRC 63 ÷ 72).

5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép

5.3.4.1. Các loại trục

Tr ục khuỷu: ôtô vận tải dướ i 4 tấn và xe con: C45, sau nhiệt luyện hoá tốt, gia công tinh,

tôi bề m ặt các cổ, mài rà và đóng gói.

Tr ục láp ôtô: thép dung cho ôtô tải ГАЗ: 35CrMnSi (35XΓC), xe МАЗ - 38CrMnSi

(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

loại chịu và đậ p mạnh nên dùng 60Si2Ni2A.

SAE/AISI : 1065, 1070, 1566, 9260, 4161, 50B60, 5160 và 51B60, 8655

JIS : SUP3 (thép cacbon), SUP6 và SUP7 (thép silic), SUP9 và SUP9A (thép Cr- Mn),

SUP10, SUP11A, SUP12 và SUP13 thép khác.

5.3.6. Các thép k ết cấu có công dụng riêng

5.3.6.1. Thép lá để dập nguội sâu:

C ơ tính: tính dẻo cao, đặc biệt khi dậ p sâu.








Thành phần và cấ p hạt : %C ≤ 0,20%: th ườ ng ≤ 0,10%, %Si ≤ 0,05 ÷ 0,07% v ớ i tổ ch ức

chủ y ếu là ferit, như v ậy phải bằng thép sôi. Hạt nhỏ và đều: cấ p 6 ÷ 8.

Các mác thép để d ậ p sâu thườ ng dùng : VN: C5s, C8s, C10s, C15s, phổ bi ến nhất là C8s.

Thép lá mỏng tráng thiếc (gọi là sắt tây) dùng trong công nghiệ p thực phẩm làm đồ h ộ p, hoặc

tráng k ẽm hay k ẽm - nhôm (gọi là tôn hoa) để làm t ăng tí nh chống ăn mòn trong khí quyển.

5.3.6.2. Thép dễ cắt

Khái niệm về tính d ễ cắ t : là thép có thể c ắt tự động, phoi dễ gãy v ụn.

Yêu cầu: cứng HB 150 ÷ 200, không quá dẻo.

Thành phần hóa học và t ổ chứ c t ế vi của thép d ễ cắ t :

C= 0,10 ÷ 0,40%, P = 0,08 ÷ 0,15%, còn S = 0,15 ÷ 0,35%, Mn= 0,80÷1,00%.

Mn sẽ k ết hợ p vớ i S thành pha MnS, giảm tác hại của S, phoi dễ gãy.

Pb: 0,15 ÷ 0,30%Pb (chì): làm cho phoi r ất dễ gãy v ụn, giảm lực ma sát. Loại thép dễ c ắt

có Pb là loại thép dễ c ắt tốt nhất và có thể đượ c hợ p kim hóa để t ăng độ b ền.

Các mác thép và công d ụng :TCVN : xxS, trong đó xx là phần vạn C, S chỉ là thép ch ứa S và P cao (ví dụ 12S).

Γ OCT :

- Loại thườ ng chứa P, S: A12, A20, A30 và A40Γ,(A chỉ c ắt tự động)

- Loại đặc biệt chứa P, S và Pb : AC11, AC12HX, AC40, AC20XΓHM.

AISI / SAE :

- Thép dễ c ắt chứa P, S bằng :1110, 1118, 1140, 1151, 1212, 1214.

- Thép có chứa thêm Pb: 12L14 (0,15 ÷ 0,30%Pb).

JIS: SUMxx, (xx=11, 12, 21, 22, 23, 25, 31, 32, 41, 42, 43), có Pb là SUM24L.

5.3.6.3. Thép ổ lăn

Điề u kiện làm việc và yêu cầu đố i vớ i thép ổ l ăn:

Chịu mài mòn điểm, do đó thép ổ l ăn phải đạt đượ c các yêu cầu sau:

- Độ c ứng và tính chống mài mòn cao (HRC ≥ 64, cao h ơ n cả b ề m ặt thấm cacbon...).

- Cơ tính ph ải thật đồng nhất, tức tuyệt đối không có điểm mềm, để tránh mài mòn điểm,

gây nên r ỗ và ph ải tôi thấu.

- Độ b ền mỏi tiế p xúc cao.

Đặc đ iể m về thành phần hóa học và nhiệt luyện:

Về thành ph ần hóa học: %C tớ i 1% và qua tôi + ram thấ p.- Để tôi th ấu cho đồng đều: Cr = 0,50 ÷ 1,50%, đôi khi có Mn và Si (mỗi nguyên tố 1%).

- Để tránh điểm mềm và nâng cao độ b ền mỏi tiế p xúc: ít tạ p chất phi kim loại như P, S,

khí ...thép chất lượ ng tốt.

- Các cacbit nhỏ m ịn và phân bố đều.

V ề nhiệt luyện phải qua các bướ c sau đ ây:

- Ủ c ầu hoá thép ổ l ăn phải có tổ ch ức peclit hạt và cacbit dư nh ỏ m ịn vớ i độ c ứng HB

187÷205 để b ảo đảm tính gia công cắt tốt.

- Tôi + ram thấ p (tôi trong dầu ở 850 ÷ 860

o

C, ram 150 ÷ 180

o

C). Có thể gia công l ạnh để khử austenit d ư m ột cách triệt để sau khi tôi, lúc đó có thể đạt tớ i HRC ≥ 65 v ớ i nh chống mài

mòn cao nhất. Cũng có thể dùng thép th ấm cacbon cho các ổ l ăn, bi không thật quan tr ọng.








Các mác thép và công d ụng :

TCVN: OL100Cr1,5 là loại có 1,00%C, 1,5%Cr.

ΓOCT: ШXxx, xx chỉ l ượ ng Cr phần nghì n: ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15CΓ.

AISI / SAE: 5195, 50100, 51100, 52100 (P, S cực thấ p).

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.


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:

Hình 5.12. Sơ đồ ti ện (a) và sơ

đồ m ặt cắt khi tiện (b):

1. phôi

2. phoi3. rãnh lõm








4. dao

5. mặt tr ướ c

6. mặt sau

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.

Thép cabon:TCVN: CD70, CD80, CD80Mn, CD90, CD100, CD110, CD120 và CD130.

Chúng có các đặc tính như sau: P ≤ 0,035, S ≤ 0,030 r ất thấ p.

- Sau khi tôi + ram thấ p có thể đạt HRC ≥ 60 đủ để c ắt. Chế độ tôi c ủa các thép như sau:

CD70, CD80: tôi hoàn toàn ở 800 ÷ 820 oC, 780 ÷ 800oC.

CD90 ÷ CD130: tôi không hoàn toàn ở 760 ÷ 780 oC. Cùng có độ c ứng HRC 60 ÷ 62.

CD100 ÷ CD130 có nhiều XeII d ư nên ch ống mài mòn tốt hơ n.

- Dễ bi ến dạng nóng, dễ gia công c ắt và r ẻ.

Nhượ c đ iể m quan tr ọng :

+Độ th ấm tôi thấ p (chỉ tôi th ấu các tiết diện trên dướ i 10mm). Vớ i các dao lớ n hơ n, lớ p tôi

mỏng, sau thờ i gian làm việc khi mài lại không còn đủ độ c ứng nên phải tôi lại, do đó không

thuận tiện khi sử d ụng.

+Tính cứng nóng thấ p: không vượ t quá 200 ÷ 250oC, do đó tốc độ c ắt không quá 5 m/min.

Công dụng: dao nhỏ, hình dạng đơ n giản vớ i năng suất thấ p hay dụng cụ c ầm tay: giũa

(CD120).

Thép hợ p kim:

Đó là nhóm thép có thành phần cacbon cao (~ 1% và cao hơ n) và đượ c hợ p kim hóa thấ p

và vừa phải vớ i đặc tính có độ th ấm tôi tốt hơ n hay tính chống mài mòn cao.Loại có tính thấm tôi tốt: 1%Cr (có thể thêm 1%Si): 90CrSi (Nga 9XC)

Công dụng: làm dao nhỏ hình d ạng phức tạ p như m ũi khoan, doa, tarô, bàn ren, lượ c ren, phay..

Tính cứng nóng tươ ng đối khá: Si cùng vớ i Cr tăng tính cứng nóng tớ i 300oC, tốc độ

10m/min.

Tươ ng đối r ẻ, đượ c dùng tươ ng đối phổ bi ến.

Nhượ c điểm mà đáng k ể nh ất là dễ thoát cacbon khi nung (do Si) nên ph ải chú ý bảo vệ

khi tôi. Thép đượ c tôi ở 840÷860 oC trong dầu, ram 150÷200oC, độ c ứng 62÷64HRC.

Loại có tính chống mài mòn cao: %C r ất cao (>1,30%) vớ i 0,50%Cr và 4,0÷5,0%W mác

140CrW5 (Nga XB5). Do C và W tạo cacbit làm tăng r ất mạnh tính chống mài mòn. Tính

thấm tôi thấ p (ít Cr và nhiều cacbit) môi tr ườ ng tôi phải là nướ c. Độ c ứng HRC sau khi tôi








(800 ÷ 820oC) ram (~ 150oC) đạt tớ i 66 ÷ 68, làm dao tiện, phay vớ i tốc độ c ắt không lớ n lắm

(sửa phôi cứng) quay chậm.

5.4.2.3. Thép làm dao có năng suất cao - Thép gió:

Thép gió là tên gọi Việt Nam (thép cắt nhanh: Anh- high speed steel, Pháp- acier à coupe

rapide, Nga - быстрорежущая сталь) tự tôi khi ngu ội trong gió- thép gió.- Tốc độ c ắt 35 ÷ 80m/min (3 ÷ 7 lần so vớ i loại trên).

- Tính chống mài mòn và tuổi bền cao (8 ÷ 10 lần).

- Độ th ấm tôi đặc biệt cao (tôi thấu vớ i tiết diện bất k ỳ).

Thành phần hóa học và tác d ụng của các nguyên t ố :

Tổng lượ ng W+Mo > 10%, Cr=4%, ngoài ra còn có thể có thêm V, Co.

Tác dụng của các nguyên tố:

C= 0,70 đến 1,50%, đủ để hòa tan vào M và t ạo thành cacbit vớ i các nguyên tố W, Mo và đặc

biệt là V. Thêm 1%V phải đưa thêm 0,10 ÷ 0,15%C vào thép, tăng mạnh tính chống mài mòn.

Cr khoảng 4% (3,8 ÷ 4,4%): tăng mạnh độ th ấm tôi.

W= 6 ÷ 18%: tạo tí nh cứng nóng cao, tớ i 600oC.

Mo: thay thế W đắt lại có tỷ l ệ quá cao: 1%Mo thay th ế đượ c gần 2%W, lợ i về kinh t ế.

V: tạo cacbit r ất mạnh VC làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho h ạt nhỏ khi tôi.

Co: > 5% tăng tính cứng nóng.

T ổ chứ c t ế vi và nhiệt luyện:

Sau ủ và th ườ ng hoá: sau ủ: Lê, sau thườ ng hoá: M. Thép chứa nhiều cacbit (15 ÷ 25%),

sau khi đúc cacbit chủ y ếu ở d ạng cùng tinh Lê hình xươ ng cá nên r ất giòn và phải làm nhỏ

chúng bằng biến dạng nóng (cán, rèn).Gia công: Thông thườ ng phôi đượ c cung cấ p có tiết diện càng nhỏ ch ứng tỏ đã đượ c cán

vớ i độ bi ến dạng (ε) mạnh nên đã có cacbit nhỏ m ịn và phân bố đều. Phôi lớ n ( φ > 40)

thườ ng phải rèn. Sau khi rèn bị bi ến cứng, thép phải đượ c qua ủ không hoàn toàn ở

840÷860oC đạt độ c ứng HB 241÷269 vớ i tổ ch ức peclit (dạng xoocbit) + cacbit nhỏ m ịn phân

bố đều, mớ i có thể gia công c ắt để t ạo dao đượ c.

Nhiệt luyện k ết thúc bằng tôi + ram: quyết định độ c ứng, tính chống mài mòn cao đặc biệt

là tính cứng nóng theo yêu cầu.

Tôi: nhiệt độ tôi r ất cao (gần 1300oC) khoảng dao động lại khá hẹ p (chỉ 10 oC), không cho

phép tôi ở nhi ệt độ th ấ p hơ n hoặc cao hơ n giớ i hạn quy định vì:

1) Khi tôi thấp hơ n: γ ch ữa bão hòa đủ W để nâng cao tính c ứng nóng:

+ Khi nung trên Ac1 (kho ảng 850oC) mớ i có chuyển biến P → γ, do vậy tôi ở 850 ÷ 900 oC

chỉ đạt HRC 45 ÷ 50 chữa đủ để c ắt.

+ Nung ở trên 900-1000 oC: cacbit hợ p kim bắt đầu hòa tan ngày càng nhiều vào γ làm γ tr ở

nên giàu nguyên tố h ợ p kim (và cả cacbon) (hì nh 5.13a). Cr do Cr23C6 d ễ hòa tan h ơ n cả nên

bão hoà sớ m nhất. VC hầu như không tan vào austenit. Còn Fe3W3C (lo ại cacbit chủ y ếu) bắt

đầu hòa tan mạnh ở trên 1150 oC và ngay cả t ớ i gần 1300oC γ c ũng chỉ hòa tan đượ c 8%W.

C ơ sở chọn nhiệt độ tôi của thép gió:








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.

Hình 5.14. Quy trình tôi +

ram thép gió 80W18Cr4V

(P18, T1, SKH2) cùng vớ i sự








thay đổi của lượ ng γ d ư và độ c ứng HRC

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:

85W18Co5Cr4V2 (P18K5Φ2, T4, SKH3); 155W12Co5V5Cr4 (P12Φ4K5, T15, SKH10).

Công d ụng chính của thép gió:

Làm các dụng cụ c ắt lớ n, hình dạng phức tạ p, điều kiện cắt nặng vớ i năng suất cao (tốc độ

lớ n) và tuổi thọ cao, t ức liên quan đến các loại dao phức tạ p nhất, chủ ch ốt nhất, r ất đa dạng

nên thép gió có tầm quan tr ọng quyết định trong chế t ạo dụng cụ c ắt.

5.4.3. Thép làm dụng cụ đo

5.4.3.1. Điều kiện làm việc và yêu cầu

Các loại dụng cụ đo sử d ụng trong cơ khí: palme, th ướ c cặ p, thướ c đo độ dài, đo góc,

dưỡ ng, calip,... dễ b ị mòn, bi ến dạng, làm sai lệch k ết quả đo. Để b ảo đảm độ chính xác, các

dụng cụ đo phải đạt các yêu cầu sau:

1) Độ c ứng và tính chống mài mòn cao: độ c ứng HRC yêu cầu là 63 ÷ 65.

2)Ổn định kích thướ c: trong suốt đờ i làm việc (hàng chục năm hay hơ n), nhờ 2 ch ỉ tiêu sau:

- Hệ s ố giãn n ở vì nhi ệt nhỏ.

- Sự ổn định của tổ ch ức đạt đượ c trong thờ i gian dài.

3) Độ nh ẵn bóng bề m ặt cao: cấ p 14, khi mài và ít bị bi ến dạng khi nhiệt luyện. Độ c ứng

và tính chống mài mòn cao như dao c ắt song không yêu cầu tính cứng nóng nên không cần

làm bằng thép gió.

5.4.3.2. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác cao

Nguyên tố h ợ p kim và nhiệt luyện thích hợ p:- Hợ p kim hóa Cr-Mn: (1% mỗi nguyên tố), để nâng cao độ th ấm tôi (tôi thấu khi tôi dầu),

ít biến dạng; riêng Mn có tác dụng làm tăng γ d ư đến mức thí ch hợ p làm cho kí ch thướ c hầu

như không thay đổi khi tôi.

- Hóa già để ổn định kí ch thướ c: (nhiệt độ hóa già d ướ i ram thấ p, < 150oC). Để v ẫn là tổ

chức M (tôi) chứ không ph ải là M ram, vì M (tôi) có những ưu điểm sau:

+ Độ c ứng và tính chống mài mòn cao, do đó

+ Bảo đảm độ nh ẵn bóng cao khi mài, và đặc biệt là

+ Có hệ s ố giãn n ở vì nhi ệt r ất nhỏ, chỉ kho ảng (10

-5

÷ 10

-6

)/

o

C.Phải hoá già vì: M (tôi) và γ d ư không ổn định, để ổn định M (tôi) và γ d ư ph ải xử lý thép

tôi ở 120 ÷ 140 oC trong 1 ÷ 2 ngày.








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%).








- Hợ p kim hoá cao: > 10% hay r ất cao > 20% song thườ ng là hợ p kim hóa đơ n giản.

- Về t ổ ch ức tế vi: th ườ ng cò tổ ch ức đơ n pha: γ, F, M ở tr ạng thái cung cấ p.

- Đặc tính cơ , lý, hóa: có tính chống mài mòn đặc biệt cao, có tính chất điện - điện từ đặc

biệt, làm việc ở nhi ệt độ cao, có tính giãn n ở nhi ệt hay đàn hồi đặc biệt...

5.5.2. Thép không gỉ

Thép không gỉ (inox, inoxydable) b ền ăn mòn trong axit.

5.5.2.1. Thép không gỉ hai pha:

F + cacbit Cr : 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13 +tôi: T=1000÷1100oC → t ổ ch ức một

pha F bền ăn mòn.

Cr làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội nguội trong không khí cũng cho

mactenxit. 12Cr13 và 20Cr13 là thép tr ướ c cùng tích khá dẻo, dai, có thể ch ịu biến dạng

nguội. Sau khi tôi và ram ở 700÷775 oC, đượ c dùng làm các chi tiết: tr ục bơ m, đồ ng ũ kim, ốc,

vít không gỉ.

Thép 30Cr13 và 40Cr13 là các thép CT và SCT nên khá cứng và kém dẻo hơ n. Sau khi tôi

+ ram 150 ÷ 200oC, HRC 40 ÷ 55 dùng làm kim phun động cơ , lòxo, ổ l ăn không gỉ và d ụng

cụ ph ẫu thuật, dao, kéo.

5.5.2.2. Thép không gỉ một pha ferit

Nếu dùng 13%Cr ít C đi (< 0,08%C) hoặc thép (0,10 ÷ 0,20)%C, (17 ÷ 25)%Cr

(Cr/C~150) thép chỉ có t ổ ch ức một pha F, bền ăn mòn hơ n loại hai pha k ể trên:

- Không có chuyển biến pha, thù hình, không

thể hóa b ền bằng tôi, khi nung nóng dễ làm cho h ạt

lớ n và làm xấu cơ tính.

- Nung lâu thép >15%Cr ở trên 475 oC sẽ xu ất

hiện các pha giòn α’ (hình 5.15). Thép >20%Cr,

nung ở 550-800 oC xuất hiện pha σ (FeCr) r ất giòn.

Nung ngắn (hàn) và ủ ở trên 800 oC r ồi nguội nhanh

các pha trên không xuất hiện.

Thép 08Cr13 có thể dùng để hàn, đượ c dùng

nhiều trong công nghiệ p hóa dầu.

Thép 12Cr17 đượ c sử d ụng nhiều nhất để thaycho thép không gỉ austenit đắt hơ n.

Thép 15Cr25Ti đượ c dùng như thép ch ịu nhiệt. Khả n ăng hóa bền biến dạng thấ p nên r ất

dễ bi ến dạng nguội.

5.5.2.3. Thép không gỉ một pha austenit

Thành phần:

Có %Cr > 16 ÷ 18%, %Ni ≥ 6 ÷ 8%, có t ổ ch ức γ, còn gọi là thép họ 18-8 (>18%Cr, >

8%Ni), đượ c sử d ụng nhiều nhất (ở M ỹ là 70%).

Bề n ăn mòn:

Bền trong HNO3 và có th ể ch ịu đượ c H2SO4 (v ớ i mọi nồng độ ở nhi ệt độ th ườ ng), vớ i HCl(loãng và ở nhi ệt độ th ườ ng).

Hình 5.15. Giản đồ pha Fe -








C ơ tính và tính công nghệ:

Độ d ẻo cao (δ = 50%), σ0,2 = 250 ÷ 300MPa, kém thép ferit, có kh ả n ăng hóa bền biến

dạng mạnh (sau biến dạng nguội, ε = 60 ÷ 70%, có th ể đạt tớ i σ0,2=750MPa, song δ = 5%) →

khó biến dạng nguội (gò, uốn, dậ p).

Nhiệt luyện: tôi để t ạo tổ ch ức một pha austenit đồng nhất chống ăn mòn tốt, T=

(1050÷1100oC) để cacbit hòa tan h ết vào austenit r ồi sau đó làm nguội nhanh trong nướ c.Các mác thông d ụng:

12Cr18Ni9, bị ăn mòn tinh giớ i chỉ dùng cho k ết cấu không qua hàn

- 08Cr18Ni11, ГOCT 08X18H10, AISI (304, 316...), %C< 0,03 ÷ 0,04% như (04X18H10,

03X18H12, AISI 316L), giảm C r ất khó luyện và đắt.

- 08Cr18Ni10Ti, 12Cr18N9Ti, ГOCT 08X18H10T, 12X18H9T, AISI 347 (AISI 316 có

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.








5.5.3.2. Thép làm xupap xả

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.








5.6.1.2. Thành phần hóa học và cách chế tạo

Để có đượ c grafit và grafit vớ i các dạng khác nhau, mỗi gang phải có những đặc điểm

riêng về thành ph ần hóa học và cách chế t ạo.

Hình 5.18. Dạng grafit

trong: gang xám (a);gang cầu (b)

gang dẻo (c)

Chế t ạo: Gang xám đúc

vớ i %, gang dẻo: nấu đúc

gang tr ắng ít Cr r ồi ủ, gang

cầu: biến tính cầu hoá.

S ự t ạo thành grafit hay grafit hóa:

Tổ ch ức tế vi của gang phụ thu ộc vào thành phần hóa học và tốc độ ngu ội khi đúc (hình 5.19)Cùng có C+Si=5% nếu d < 5: gang tr ắng;

d=10-15: gang biến tr ắng; d=15-40: gang

peclit; d>40: gang ferit

Gang có C+Si > 7: gang xám ferit m ọi d

Vớ i d=30, muốn có P thì (C+Si) ≤ 4

Vớ i d<10 → gang tr ắng và biến tr ắng

Vớ i d>50: gang xám F hoặc F+P

- Gang xám vớ i grafit tấm là dạng tự

nhiên đượ c hình thành dễ dàng và đơ n giảnnhất: đ úc thông thườ ng.

- Gang cầu vớ i grafit cầu là dạng thu gọn

nhất đượ c hình thành từ bi ến tính đặc biệt gang lỏng C+Si cao ít P và S (<0,04%), T cao 1400-

1450oC, biến tính bằng FeSi40Mg10, 2% gang lỏng.

- Gang dẻo nấu đúc ra gang tr ắng r ồi ủ để phân hóa nó thành grafit c ụm.

5.6.2. Gang xám

Là loại gang phổ bi ến nhất (nếu không chỉ rõ lo ại gang thì phải hiểu đó là gang xám).

5.6.2.1. Cơ tính

Tuy dễ ch ế t ạo, r ẻ nh ưng cơ tính kém.

- Độ b ền thấ p, giớ i hạn bền kéo < 350 ÷ 400MPa (thườ ng trong khoảng 150 ÷ 350MPa)

- Độ d ẻo và độ dai th ấ p (δ ≈ 0,5%, a K < 100kJ/m 2), có thể xem nh ư v ật liệu giòn.

Ư u điểm của gang xám: do grafit tấm nên:

+ Dễ gia công c ắt.

+ Grafit có tính bôi tr ơ n nên cùng độ c ứng thì gang chịu mài mòn cao hơ n thép.

+ Grafit làm giảm chấn → làm đế, bệ máy (và c ũng là để t ận dụng khả n ăng chịu nén tốt).

5.6.2.2. Phươ ng pháp nâng cao cơ tính

Cải thiện tổ ch ức sẽ d ẫn đến nâng cao cơ tính ch ủ y ếu là giớ i hạn bền kéo.- Làm giảm Cđl=Ct+1/3(Si+P) đúc ra gang hoa dâm (tr ắng xám lẫn lộn).

Hình 5.19. Tổ ch ức của gang phụ thu ộc vào thành phần và tốc độ ngu ội








- Biến tính gang lỏng bằng FeSi. Grafit trong gang đượ c chia thành 8 cấ p (theo ASTM) từ

1 đến 8, trong đó chiều dài trung bì nh của cấ p 8 là < 0,015mm, cấ p 1 là > 1mm.

- Tạo nền P có độ b ền cao hơ n.

- Hợ p kim hóa có tác dụng chủ y ếu là hóa bền nền kim loại (tạo xoocbit), nâng cao độ

cứng, tính chống mài mòn, tính chịu nhiệt và hiệu quả đối vớ i nhiệt luyện.

- Tôi + ram. Khi tôi + ram, T> 850oC.Hình 5.19.

Tổ ch ức tế vi

của các loại gang

xám:

a. ferit

b.ferit- peclit

c. peclit

5.6.2.3. Các mác gang và công dụng

TCVN 1659-75 quy định ký hiệu các mác gang là GX xx-xx, bền kéo và bền uốn, kG/mm2

giống như ГOCT 1412-70 làC Чxx-xx.

Nhưng theo Г OCT 1412-85 các mác gang xám g ồm có:

C Ч10, C Ч15, C Ч20, C Ч25, C Ч30 và C Ч35 (chỉ ký hi ệu giớ i hạn bền).

Hoa K ỳ: SAE J431 có các mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000, số ch ỉ σK x 10psi,

ví dụ G3000 có σ b ≥ 30000psi hay 30ksi. Tiêu chu ẩn ASTM: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55,

60: σK , ksi. JIS có các mác gang xám sau: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, trong đó số

chỉ gi ớ i hạn bền tối thiểu tinh theo đơ n vị MPa.

- C Ч10, C Ч15 đượ c dùng làm các vỏ, nắ p không chịu lực (chỉ để che ch ắn).

- C Ч20, C Ч25: tải tr ọng nhẹ, ít mài mòn như v ỏ h ộ p giảm tốc, thân máy, bích, cacte, ống nướ c.

- C Ч25, C Ч30: bánh r ăng (bị động, tốc độ ch ậm), bánh đà, sơ mi, xecmăng, thân máy.

- C Ч30, C Ч35: chịu tải cao, chịu mài mòn như bánh r ăng chữ V, tr ục chính, vỏ b ơ m thủy lực.

5.6.2.4. Gang xám biến trắng

Gang xám biến tr ắng (ở b ề m ặt) có tính chống mài mòn cao (vớ i bề m ặt có HB 400 ÷

600), như để làm bi, tr ục nghiền, tr ục cán, bánh xe goòng,...Ủ kh ử bi ến tr ắng ở 700 ÷ 750 oC, ủ kh ử ứng suất ở 600 ÷ 650 oC.

5.6.3. Gang cầu

Gang cầu là loại gang có độ b ền cao nhất do grafit ở d ạng thu gọn nhất.

5.6.3.1. Cơ tính

Do grafit ở d ạng hình cầu hầu như không t ậ p trung ứng suất, vì vậy gang cầu duy trì đượ c 70 ÷ 90%

độ b ền của nền kim loại (thép), tức không thua kém thép bao nhiêu và có thể thay th ế nó.

5.6.3.2. Đặc điểm chế tạo

- (C + Si) cao, P, đặc biệt là S thấ p hơ n (< 0,03%) do S tạo vớ i Mg MgS làm xấu cơ tính.

- Không có hay có r ất ít nguyên tố c ản tr ở c ầu hóa như Ti, Al, Sn, Zn, Bi.

Về bi ến tính: T=1450oC bằng FeSi40Mg10 nêu trên.








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 %.

Gồm: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 (gang dẻo ferit).

Hình 5.20. Quy trình ủ gang d ẻo








КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ63-3 (gang dẻo peclit).

ASTM: 32510, 35018, 40010..., 3 s ố đầu là σ b (min), MPa, 2 s ố sau ch ỉ δ (min) theo %.

SAE có: M 3210, M 4504, M 5003, M 5503, M 7002, M 8501, 2 số đầu chỉ σ b (min) theo

đơ n vị ksi, hai s ố sau ch ỉ δ (min) theo %.

JIS có các mác: gang d ẻo tâm đen FCMB 270, FCMB 310, FCMB 340, FCMB 360; gang

dẻo tâm tr ắng FCMW 330, FCMW 370, FCMWP 440, FCMWP 490, FCMWP 540, trong đósố ch ỉ σ b (min) theo đơ n vị MPa.

Những chi tiết làm bằng gang dẻo: 3 yêu cầu là: hình dạng phức tạ p, thành mỏng, chịu và

đậ p. Nếu không chịu và đậ p làm bằng gang xám, nếu hình dạng đơ n giản làm bằng thép hàn...








CHƯƠ NG 6

HỢ P KIM MÀU VÀ BỘT6.1. Hợ p kim nhôm (Al)

Nhôm và hợ p kim nhôm chiếm vị trí th ứ hai sau thép vì tính ch ất phù hợ p vớ i nhiều công

dụng: bền, nhẹ (b ền riêng cao), chịu ăn mòn tốt (khí quyển),…6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợ p kim nhôm

6.1.1.1. Các đặc tính của nhôm nguyên chất

Ư u điểm: khối lượ ng riêng nhỏ (2,7g/cm 3) = 1/3 của thép: hàng không, vận tải do tiết

kiệm năng lượ ng, tăng tải tr ọng có ích. Tính bền ăn mòn khí quyển: xây dựng, trang trí nội

thất, dẫn điện tốt, tuy = 62% của Cu nhưng nhẹ = 1/3 , tính d ẻo r ất cao, mạng A1, dễ kéo s ợ i,

dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành các thanh dài vớ i các biên

dạng (profile) phức tạ p r ất khác nhau.

Nhượ c điểm: chịu nhiệt kém: chảy (660oC), không sử d ụng ở trên 300 ÷ 400oC, độ b ền,

độ c ứng thấ p, ở tr ạng thái ủ σ b = 60MPa, σ0,2 = 20MPa, HB 25.

Để ký hi ệu mức độ bi ến cứng đơ n thuần (tăng bền nhờ bi ến dạng nguội) ở Hoa K ỳ, Nhật

và các nướ c Tây âu thườ ng dùng các ký hiệu H1x, x là tỷ ph ần tăng bền biến dạng (x/8):

x=8 - tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng vớ i mức độ bi ến dạng r ất lớ n (ε = 75%)

1 - Mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so vớ i mức toàn phần, ứng vớ i mức độ bi ến dạng nhỏ;

2, 4, 6 - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so vớ i mức toàn phần),

9 - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng vớ i mức độ bi ến dạng ε > 75%.

6.1.1.2. Hợ p kim Al và phân loại

FC là giớ i hạn hoà tan của nguyên tố

hợ p kim trong α.

Hợ p kim Al biến dạng - trái điểm C

Hợ p kim Al đúc- bên phải điểm C

Hợ p kim Al biến dạng hoá bền đượ c

bằng nhiệt luyện nằm trong khoảng CF

Hợ p kim Al biến dạng không hoá

bền đượ c bằng nhiệt luyện - trái điểm F

Si,Mn,Ti,Zn,Fe ít hoà tan, Zn, Mg, Cuhoà tan nhiều.

c. Hệ thống ký hiệu cho hợ p kim

nhôm

Hoa k ỳ ký hi ệu các hợ p kim nhôm: theo AA (Aluminum Association) bằng xxxx cho loại

hợ p kim Al biến dạng và xxx.x cho loại hợ p kim nhôm đúc:

- Số đầu tiên có các ý ngh ĩ a sau.

Loại biến dạng Loại đúc

1xxx - Al sạch ( 99,0%), 1xx.x - Al thỏi hợ p kim thươ ng phẩm,2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al - Cu,

3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu,










6.1.3. Hợ p kim Al biến dạng hóa bền đượ c bằng nhiệt luyện

Đây là phân nhóm hợ p kim Al quan tr ọng nhất, có cơ tính cao nh ất không thua kém gì thép C.

6.1.3.1. Hệ Al - Cu và Al - Cu - Mg

H ợ p kim AlCu4 và nhiệt luyện hóa bề n

Giản đồ pha Al - Cu (hình 6.4)

Hoà tan cực đại: 5,65% ở 548oC

Hoà tan cực tiểu: 0,5% ở 20oC

Quá giớ i hạn hòa tan: tiết ra ở d ạng CuAl2II.

T ổ chứ c của hợ p kim AlCu4:

Cân bằng (ủ): α - Al (Cu) 0,5 + CuAl 2II,

(khoảng 7%) pha, độ b ền min (σ b=200MPa)

sau tôi: dung dịch r ắn α quá bão hoà Al(Cu)4%, σ b = 250 ÷ 300MPa và v ẫn còn khá dẻo (sửa,

nắn đượ c).

Độ b ền, độ c ứng tăng lên dần và đạt đến giá tr ị cực đại sau 5 ÷ 7 ngày, σ b=400MPa tức đã tăng gấ p

đôi so vớ i tr ạng thái ủ (hình 6.5) → g ọi là tôi + hóa

già tự nhiên ( để lâu ở nhi ệt độ th ườ ng).

C ơ chế hóa bề n khi tôi + hóa già:

Guinier và Preston, TK 20:

α(Al(Cu)4%)→GP1→GP2→ θ’ →θ (CuAl2)

hoá già σmax → quá già

θ’ có mạng chính phươ ng bán liền mạng vớ i α có σmax

• Hóa già t ự nhiên: 5 ÷ 7 ngày, σ max

• Hóa già nhân t ạo: 100 ÷ 200oC, thờ i gian tuỳ theo nhi ệt độ có th ể t ừ vài gi ờ vài ch ục giờ .

Các hợ p kim thông dụng

Họ AA 2xxx ( đura): hợ p kim Al-Cu-Mg: ~ 4%Cu (2,6- 6,3%), 0,5÷1,5%Mg tên là đura

(duraluminium). Pha hóa bền, ngoài CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 có tác dụng mạnh hơ n.

Tạ p chất: Fe, Si và Mn: Fe và Si là hai tạ p chất thườ ng có, Mn đượ c đưa vào vớ i lượ ng nhỏ để

làm tăng tính chống ăn mòn.

AA 2014 và AA 2024: k ết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải, sườ n tàu biển, thể thao...

Đặc điểm nổi bật của đura là: Độ b ền cao (σ b=450÷480MPa), nhẹ ρ≈ 2,7g/cm 3→ σ b/ρ ~15÷16km, trong khi đó CT51 là 6,0÷6,5, gang: 1,5÷6,0.

Kém bền ăn mòn kém do có nhiều pha vớ i điện thế điện cực khác nhau

6.1.3.2. Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg

Al-Mg-Si: Họ AA6xxx : điển hình là AA 6061 và AA 6070: độ b ền kém đura (σ b=400MPa),

nhưng dẻo hơ n, tính hàn tốt. Sau ép chảy, anod hóa → thanh (15m) → Xây d ựng.

Al-Zn-Mg: Họ AA 7xxx: có độ b ền cao nhất (σ b> 550MPa), Zn= 4-8%, Mg=1÷3%, Cu=2%

Tôi 350÷500oC trong không khí hoặc nướ c nóng, ứng dụng: máy bay, vũ khí, d ụng cụ th ể thao…

6.1.4. Hợ p kim Al đúc6.1.4.1. Các đặc điểm: d ễ ch ảy, dễ đúc, có thế bi ến tính, nguội nhanh để t ăng cơ tính.








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,

4xx - latông phức tạ p, 5xx - brông thiếc, 6xx - brông Al, 7xx - brông Al,

8xx và 9xx - hợ p kim đồng đúc

Hình 6.7. Tổ ch ức tế vicủa hợ p kim Al-(10÷13)%Si:

a. không biến tính, b. có biến tính








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

phẩm nghệ thu ật: tượ ng đài, chuông, phù điêu, họa tiết trang trí.

6.2.3.2. Brông Al:

Brông Al một pha (v ớ i 5÷9%Al) đượ c sử d ụng khá r ộng rãi để ch ế t ạo bộ ng ưng tụ h ơ i, hệ

thống trao đổi nhiệt, lò xo tải dòng, chi tiết bơ m, đồ dùng cho lính th ủy (CDA 614, ГOCTБрAЖ9-4), tiền xu (CDA 608, ГOCT БрA5).

Brông hai pha (> 9,4%Al) v ớ i sự xu ất hiện của pha β (Cu3Al, pha điện tử m ạng A2) chỉ

ổn định ở trên 565 oC và chịu biến dạng tốt. ở 565 oC có chuyển biến cùng tích β.

→ [ α + γ2]. Nếu làm nguội nhanh β → β' (mạng sáu phươ ng) cũng có tên là mactenxit, không

cứng, khi ram ở 500 oC γ2 ti ết ra ở d ạng nhỏ m ịn, làm tăng mạnh độ b ền, lại r ất ít gây ra giòn

nên các brông Al chứa 10 ÷ 13%Al đượ c tôi ram cao và có cơ tính cao.

Các brông Al đúc có lượ ng Al ≥ 9% nên c ũng có thể có thành ph ần như lo ại biến dạng

như CDA 952 (gi ống vớ i CDA 614), ГOCT БрAЖ9-4Л (gi ống vớ i БрAЖ9-4).

6.2.3.3. Brông berili:








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

Hình 6.12. Hình thái tổ ch ức của

hợ p kim ổ tr ượ t nền mềm - hạt cứng








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:








M ục đích: để b ột liên k ết vớ i nhau.

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.








- B ột tự do, trong máy phun cát, b ột mài rà, bột đánh bóng (như đánh bóng mẫu kim loại

để quan sát t ổ ch ức tế vi là b ột Cr2O3 - màu rêu và Al2O3 - màu tr ắng).

- Gắn trên giấy, vải (gọi là giấy, vải ráp hay nhám) để làm nh ẵn gỗ, kim loại

- Khối (đá mài các loại): thườ ng làm bằng SiC, các hạt mài đượ c liên k ết vớ i nhau bằng

chất dính k ết gốm thủy tinh hay nhựa hữu cơ .

6.4.2.4. Thép gió bộtLoại thép gió có (>2%C, >6%V, >10%Co) r ất khó luyện, bị thiên tích m ạnh và khó rèn.

Khi chế t ạo bằng phươ ng pháp luyện kim bột nhờ có b ột mịn mà thành phần tr ở nên đồng

nhất hơ n. Từ nguyên li ệu bột (Fe, C, W, Cr, Mo, V, Co) qua HIP (100MPa ở 1100 oC) trong

(Ar), tạo nên các bán thành phẩm thỏi lớ n.

Chế độ rèn và nhi ệt luyện như thép gió n ấu chảy nhưng vớ i nhiệt độ th ấ p hơ n.

6.4.3. Vật liệu k ết cấu

6.4.3.1. Trên cơ sở Al và hợ p kim Al

Bột Al: ép (P= 100 ÷ 350MPa) và thiêu k ết sẽ đượ c các bán thành phẩm hệ Al - Al2O3,

trong đó Al2O3 (5 ÷ 20%) là pha cứng làm tăng độ b ền của vật liệu (sau khi nhiệt luyện σ b có

thể đạt tớ i 300 ÷ 450MPa). Ư u việt chủ y ếu: tính chịu nóng cao đến 300 ÷ 350oC

Hoa k ỳ: SAP (Sintered Aluminum Powder), Nga là CAП

Bột hợ p kim Al thiêu k ết: Hoa k ỳ: SAAP (Sintered Aluminum Alloy Powder), Nga là CAC.

6.4.3.2. Trên cơ sở sắt và thép

6.4.4. Hợ p kim xốp và thấm

Đây là ưu việt nổi tr ội của hợ p kim bột không gì thay thế đượ c, có thể điều chỉnh, khống

chế đượ c.

6.4.4.1. Bạc xốp tự bôi trơ nCu-10%Sn, xố p 25% tẩm dầu trong chân không ở 75 oC, khi làm việc dầu tiết ra, khi

ngừng dầu hút vào.

Dùng làm các loại bạc cho quạt điện, máy hút bụi, máy giặt,... mà không cần bôi tr ơ n.

6.4.4.2. Màng lọc:

Màng lọc đượ c sản xuất từ b ột vật liệu dạng cầu hoặc đẳng tr ục, kích thướ c hạt đều nhau

(dmax/dmin < 1,5), áp l ực nén nhỏ, độ x ố p cao, 30 ÷ 50% vớ i các lỗ x ố p phân bố đều, đườ ng

kính trung bình của lỗ x ố p khoảng dmin/6.








PHẦN 4 VẬT LIỆU KHÁC

CHƯƠ NG 7

VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC

Định ngh ĩ a: V ật liệu vô cơ là s ự k ết hợ p giữa kim loại Me, Si vớ i á kim B,C,N,O bằng

các liên k ết ion và cộng hoá tr ị.

Phân loại: nhiều cách phân loại

Theo đặc đ iể m k ế t hợ p: 3 nhóm chính:

- Gốm và kim loại chịu lửa

- Thuỷ tinh và g ốm thuỷ tinh

- Xi măng và bê tông

Theo cấ u trúc: 2 nhóm:

Đơ n pha: thuỷ tinh SiO 2 (ch ữơ ng 1),gốm đơ n oxit.

Vật liệu đa pha: hầu hết các vật liệu vô cơ .

Pha chính là các pha tinh thể liên k ết vớ i nhau bở i pha thuỷ tinh (vô định hình): gốm &

vật liệu chịu lửa, sứ, gốm thuỷ tinh.

Ngoài ra còn có pha khí do công nghệ ch ế t ạo không tránh khỏi cũng có thể do ch ủ động

đưa vào: gốm xố p, thuỷ tinh x ố p, bê tông xố p các pha tinh thể có th ể có % khác nhau, ch ứa

khuyết tật, nhiều vết nứt, chúng quyết định tính chất của ceramic.

7.1. Quan hệ giữ a cấu trúc và tính chất của ceramicDo cấu trúc của vật liệu vô cơ t ạo thành từ các kim lo ại và á kim liên k ết ion và liên k ết

cộng hoá tr ị, ví dụ:

trong oxit: Mg-O, Zr-O, Ti-O, Al-O, B-O , Si-O, C-O

% liên k ết ion: 80 67 63 60 45 40 22

còn lại là liên k ết cộng hoá tr ị.

Vật liệu vô cơ b ền hoá học, bền nhiệt, cách nhiệt tốt, một số có tính ch ất quang đặc biệt.

Tính chất cơ h ọc (nhắc lại biểu đồ kéo)

• Đàn hồi giòn: do cấu trúc, VL bị phá hu ỷ giòn

• Độ b ền lý thuyết σLT = (2E. γ/a)1/2

E- môdun đàn hồi; γ- sức căng bề m ặt; a- khoảng

cách nguyên tử

σLT - vật liệu coranhđông 50.103 MPa, thu ỷ tinh

SiO2~ 8.103 MPa

• Độ b ền thực tế: do có nứt tế vi 10 -3÷100 μm → độ b ền thực tế =1/100 độ b ền lý thuyết: Khi

chịu tải kéo σO thì th ực tế σ = 2. σO(l/r)1/2 ; l- dàI nứt; r- bán kính cong đầu vết nứt.

σ th ực trong vật liệu phụ thu ộc vào σO và t ỷ l ệ thu ận l và tỷ l ệ ngh ịch vớ i r. Khi nứt dài,

đầu nhọn: σ ≥ [ σLT] → n ứt tăng → phá hu ỷ.Chú ý vật liệu vô cơ ch ịu nén tốt hơ n chịu kéo (10 lần)








• Độ b ền vật liệu vô cơ không ph ải do năng lượ ng liên k ết nguyên tử c ấu tạo nên nó mà do

số l ượ ng, chiều dài, chiều sâu vết nứt (hình dạng).

• Vật liệu vô cơ tinh th ể: hạt càng nhỏ thì độ b ền càng cao

Bọt khí 0,1-0,5% hạt nhỏ tròn t ăng độ b ền, >0,5% bọt càng dài càng nhiều độ b ền giảm

mạnh. Bọt khí làm giảm độ d ẫn nhiệt.

7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lử a

Gốm bằng sản phẩm đất nung: Nhiệt độ nung g ạch 900oC, sứ 1400 oC, tạo từ các nguyên

liệu tự nhiên: Kaolinít Al 2O3.2SO2.2H2O → V ật liệu bột tạo hình nung vật liệu gốm.

• Cấu trúc: gồm các pha tinh thể liên k ết bằng pha vô định hình tỷ l ệ vô định hình trong

gạch ngói 20-40 %, trong sứ 50-60%, Al 2O3 1%

• Bọt khí trong gạch ngói 10-50%, trong sứ 5%

• Phân loại:

+ Gốm silicat (gốm truyền thống) màu xỉn do chứa oxyt sắt, chế t ạo từ silicát thiên nhiên:

đất sét, cao lanh (gạch ngói, sứ v ệ sinh, ấm chén bát đĩ a đồ s ứ gia đình) sứ cách điện ... chế

tạo bằng công nghệ g ốm thô hoặc công nghệ g ốm tinh ( hạt nhỏ)

+ Gốm oxit gốm tạo từ m ột loại oxyt Al2O3, TiO2,... hoặc một oxit phức: MgO.Al2O3,

BaO.TiO2 (khác g ốm silicat tinh khiết cao nên tỷ l ệ pha tinh th ể cao) ch ế t ạo bằng sản phẩm

chất lượ ng cao, và các tính chất điện từ đặc biệt, chế t ạo theo công nghệ g ốm tinh.

Al2O3: Phễu sợ i máy dệt, chi tiết máy dệt (Al2O3), điện tử, y tế, bột mài.

TiO2: gốm TiO2 làm t ụ điện hằng số điện môi lớ n tổn thất điện môi nhỏ, Gốm hệ

PbO.TiO2-PbO.ZrO2 có pha thêm MgO.NiO.ZnO...g ọi tắt là gốm PTZ cải thiện các tính chất

điện môi ngày càng đượ c dùng nhiều trong k ỹ thu ật điện Fe2O3 + oxit kim lo ại nhóm TiO2, SnO2, WO3...

Gốm bán dẫn Zn(Ti4+(X)Fe2+

(2-2X)Fe3+(X))O3, Ti(X)(Fe3+(2-2X)Fe2+

(X))O3 ....

• Các vật liệu gốm phioxit các Borit, nitơ rit, cacbit,... vật liệu đơ n nguyên tố cacbon

Vật liệu chịu lử a (VLCL)

Vật liệu chịu lửa To>1520oC, sản xuất bằng công nghiệ p gốm thô dùng ngành luyện kim,

hoá học, gốm... lò nhiệt độ cao. VLCL g ồm các loại sau:

• Dinat (Silicat) > 93%SiO2 g ạch xây lò cốc, lò thuỷ tinh vùng nung lò tuynen c ấu tạo từ

nguyên liệu thiên nhiên: cát thạch anh, quarzit sa thạch.• Samôt gốm thô alumo-silicat, Al2O3 = 20-45% khoáng chính là mulit (3Al 2O3.2SiO2) và

cristobalit. Sản xuất từ hai nguyên li ệu:

+ Nguyên liệu gầy: cao lanh nung k ết khối thành sạn samôt tr ộn đều cùng ẩm

+ Nguyên liệu dẻo: đất sét cùng cao lanh chữa nung -tạo hình- nung

Các loại: samôt th ườ ng 30-40%Al2O3

samôt bán axit 20-30%Al2O3

Công dụng xây lò: gốm sứ, ximăng, lò khí, lò luyện kim

• Vật liệu chịu lửa cao alumin thuộc hệ Alumino-Silicat có Al 2O3~45÷95% khoáng chính

là mulit 3Al2O3.2SiO2 và coranh đông α-Al2O3 nguyên li ệu chế t ạo từ khoáng thiên nhiên có

tỷ l ệ Al 2O3 cao:Silimanit, Andaluzit (Al 2O3.SiO2)








• V ật liệu cao alumin tính chịu nhiệt tốt hơ n samôt, tính hoá học trung tính vớ i nhiều môi

tr ườ ng.

• Vật liệu chịu lửa kiềm tính:Pericla (manhêzit) MgO, Crôm-manhêzit MgO- Cr 2O3.

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

ở tr ạng thái mềm (1000-1200oC) kéo tấm, kéo ống, kéo sợ i, cán, ép, dậ p, thổi,...→ ủ kh ử σ

(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

Ít dãn nở nhi ệt, bền xung nhiệt, bền hoá, dễ n ấu chảy.

Boro-Silicat: SiO2-B2O3-Na2O; Pirex 78%SiO2-12,5%B2O3-9,5%Na2O;

Alumino- silicat: SiO2-Al2O3-Na2O








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

a. Ximăng (cement) gồm các loại chính sau:








- Poclan, trên c ơ s ở h ệ CaO - SiO 2 ch ứa thêm Al2O3, Fe2O3 v ớ i nhiều loại biến thể

- Alumin, trên cơ s ở h ệ CaO - Al 2O3 ch ứa thêm SiO2, Fe2O3

- Xỉ lò cao, ch ứa thêm thạch cao hoặc vôi.

Trong đó ximăng poclan là phổ thông và quan tr ọng nhất.

b. Các bướ c sản xuất ximăng poclan

Phối liệu gồm: đá vôi (cung cấ p CaO), đất sét (cung cấ p SiO2, Al2O3) và quặng sắt đượ c

cân đong theo phối liệu, nghiền mịn r ồi tr ộn đều.

Nung luyện phối liệu trong lò quay: ở 1400 ÷ 1500oC để t ạo ra các khoáng chất như

3CaO.SiO2 (vi ết tắt C3S), 2CaO.SiO2 (C2S), 3CaO.Al2O3 (C 3A), 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF),

sản phẩm đượ c gọi là clinke.

Clinke đượ c nghiền mịn: đến kích thướ c 0,5 ÷ 50μm dướ i dạng bột gọi là ximăng. Khi

nghiền thườ ng đưa thêm các phụ gia để điều chỉnh một vài tính chất của ximăng (như cho

thêm thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông k ết của ximăng).

c. Cơ chế đóng rắn ximăngKhi ximăng đượ c hòa tr ộn vớ i nướ c ta đượ c vữa ximăng, nó sẽ b ị hy đrat hóa theo các

phản ứng: 2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO 2.3H2O + 3Ca(OH)2,

2(2CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO 2.3H2O + Ca(OH)2,

...............................................................................................

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.

7.2.4. Bêtông








Bêtông là h ỗn hợ p: sỏi hoặc đá dăm kích thướ c 1÷4cm, cát vàng cỡ h ạt 0,1÷0,2mm, ximăng

cỡ h ạt 0,5÷50μm) + nướ c: hạt cát điền đầy vào chỗ tr ống giữa các viên sỏi, đá dăm, còn các hạt

ximăng sẽ chen vào kho ảng tr ống giữa các hạt cát → xít ch ặt cao. Ngoài ra, bề m ặt của các hạt

cát, sỏi, đá dăm là mầm dị th ể cho quá trình k ết tinh của các hợ p chất hyđrat của ximăng. Bêtông

đượ c coi là một loại compozit vớ i cốt: cát, sỏi, đá ; nền là ximăng đóng r ắn.

7.2.5. Bêtông cốt thépĐộ b ền (kéo) của bêtông đượ c tăng lên nếu có cốt thép.

Thép đượ c dùng làm cốt trong bêtông vì ngoài có độ b ền kéo cao và dẻo, có hệ s ố giãn n ở

nhiệt gần giống như bêtông, b ền ăn mòn trong môi tr ườ ng bêtông, cải thiện dính k ết bằng gai,

gân.

Bêtông dự ứng lực: dây thép độ b ền cao (60Mn) đượ c đặt trong côp pha (coffrage), đượ c

kích kéo vớ i lực kéo lớ n, bơ m đầy bêtông vào khuôn côp pha, chờ đông cứng mớ i bỏ l ực kéo

căng dây thép, lúc đó dây thép bị co l ại tạo cho cấu kiện bêtông ứng suất nén.

Cách thứ hai: dây thép đượ c luồn qua những ống bằng kim loại hay cao su đặt sẵn trong

cấu kiện bêtông. Kéo căng dây thép nhờ các kích thu ỷ l ực tựa vào hai mặt đối diện của cấu

kiện, lực kéo sẽ t ạo tải tr ọng nén lên bêtông. Tiế p theo vữa bêtông mớ i đượ c bơ m đầy vào lỗ,

bao kí n lấy dây thép. Cấu kiện đượ c hoàn thành khi vữa bêtông đông cứng và bảo dưỡ ng tốt,

chỉ khi đó mớ i dỡ kích ra.

K ỹ thu ật bêtông dự ứng lực là k ỹ thu ật cao trong chế t ạo các dầm cầu tải tr ọng lớ n.








CHƯƠ NG 8

VẬT LIỆU HỮ U CƠ

Định ngh ĩ a:

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 tổng hợ p: Phản ứng trùng hợ p, trùng ngưng: Polyolefin, Polyamit, nhựa phênol

fomadehit.

Theo cấ u trúc:

- Polyme mạch thẳng Polyetylen, PolyvinyRelorit, Polystyren.

- Polyme mạch nhánh các nhánh xem như m ộ ph ần của phân tử t ạo bằng từ các ph ản ứng

phụ trong quá trình t ổng hợ p polyme có mạch nhánh sự s ắ p xế p ít chặt chẽ d ẫn đến tỷ tr ọng

của polyme giảm.

- Polyme mạch lướ i các mạch cạnh nhau đượ c nối vớ p nhau bằng các liên k ết cộng hoá tr ị

các lướ i này thườ ng đượ c hình thành nhờ cho thêm vào các nguyên t ử, phân tử t ạo liên k ết

đồng hoá tr ị v ớ i mạch chính. Cao su mạng lướ i tạo thành do quá trình lưu hoá.

- Polyme không gian các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polyme không gian ba

chiều. Thực tế các polyme m ạng lướ i dày đặc có thể coi là polyme không gian: Nh ựa epoxy,

nhựa phenolfomadehyt.

Chú ý: một polyme không thể thu ần nhất một loại cấu trúc.ví dụ polyme m ạch thẳng có thể v ẫn gồm có cấu trúc mạch nhánh và mạch lướ i nhưng mạch

thẳng chiếm đa số.

Đặc đ iể m: polyme nhẹ, bền nên độ b ền riêng lớ n, chịu ăn mòn tốt. Hầu như không d ẫn

nhiệt, không dẫn điện.

Phân loại theo tính chịu nhiệt :

Polyme nhiệt dẻo (thermoplastic): th ườ ng là các polyme mạch thẳng, ở nhi ệt độ nh ất định

dướ i tác dụng của lực các phần tử có th ể tr ượ t lên nhau có ngh ĩ a là vật liêụ có th ể d ẻo, chảy,

nhưng ở nhi ệt độ th ấ p hơ n nó lại r ắn tr ở l ại. Gọi là polyme nhiệt dẻo vì nhiệt độ càng t ăng thì tính

dẻo càng tăng. Polyme nhiệt dẻo là loại polyme có giá tr ị th ươ ng mại quan tr ọng nhất.








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:

+ Giai đoạn phát triển








Các g ốc tự do hình thành ở giai đoạn mở đầu tiế p tục phản ứng vớ i các monome tạo ra các

gốc tự do m ớ i có mạch dài hơ n và độ ho ạt động hoá học tươ ng tự ph ản ứng lặ p lại hàng ngàn

lần trong vài giây do đó số monome tham gia vào m ột gốc cao phân tử ph ụ thu ộc vào điều

kiện phản ứng và yêu cầu đối vớ i sản phẩm.

+ Giai đoạn k ết thúc có nhiều cách k ết thúc

Ví dụ: k ết hợ p hai gốc tự do đang phát triển thành một phân tử polyme

Phản ứng chuyển mạch vớ i một chất biến đổi có thể là dung môi, ch ất ổn định, hoặc chất

điều hoà khối lượ ng phân tử.

Ví dụ dùng ch ất điều hoà mạch RY

Trong phản ứng này mạch cao phân tử ng ừng phát triển (điều hoà mạch) nhưng không làm

giảm nồng độ c ủa gốc tự do do đó vận tốc trùng hợ p không giảm.

II. Phản ứng trùng ngưng

Khác phản ứng trùng hợ p xảy ra ở n ối đôi của monome (tách các liên k ết đôi), phản ứng

trùng ngưng xảy ra giữa các nhóm chức khác nhau của monome.

Ví dụ: sản xuất polyeste từ diaxit và diol:

Như v ậy một nhóm axit phản ứng vớ i một nhóm hydroxyl tạo liên k ết este vớ i sản phẩm

phụ là n ướ c. Phân tử t ạo thành vẫn có hai nhóm chức -OH và -H ở cu ối mạch. Chúng lại

phản ứng tiế p cho đến khi đạt khối lượ ng phân tử c ần thiết [-OC-R 1-CO-O-R 2-O]n Polyeste

mạch thẳng Polyamit (nylon) đượ c sản xuất bằng phươ ng pháp trùng ngưng diamin và diaxit

[-NH-R 1-NH-CO-R 2-CO-]nDùng chất xúc tác (kiềm hoặc axit) cuối phản ứng dùng chân không để tách n ướ c và các

sản phẩm phụ có kh ối lượ ng phân tử th ấ p.

Khác phản ứng trùng hợ p xảy ra nhanh (vài giây) phản ứng trùng ngưng xảy ra từng bậc

thờ i gian dài.

8.1.2. Phân tử Polyme

Phân tử Polyme là kh ổng lồ còn g ọi là cao phân tử. Nói chung gồm có mạch chính gồm

các nguyên tử cacbon hai hoá tr ị liên k ết vớ i hai nguyên tử cacbon bên c ạnh, còn hai hoá tr ị

còn lại có thể liên k ết vớ i nguyên tử ho ặc nhóm nguyên tử t ạo thành các nhánh bên của mạch.








Ví dụ Polyetylen [C 2H4]n

Đơ n vị c ấu trúc bằng mắt xích = một đơ n vị c ấu trúc C2H4 th ực tế góc liên k ết giữa các nguyên tử

cacbon không phải là 180o mà là 109 o do đó khoảng cách hai nguyên tử cacbon là 0,154nm.

Đơ n giản từ đây chỉ v ẽ th ẳng một nguyên tử H đượ c thay bằng nguyên tử Cl Polyvinylclorit =

PVC. Thay một nguyên tử H b ằng nhóm metyl (CH3) Polypropylen=PP.

Tất cả các m ắt xích giống ngau như trong PVC, PP, PE g ọi là homopolyme. Thực tế để

thay đổi tính chất của polyme ngườ i ta có thể trùng h ợ p hai hay nhiều monome sản phẩm

đượ c gọi là copolyme (polyme đồng trùng hợ p).

Các monome đề c ậ p trên có hai khả n ăng phản ứng ở hai đầu gọi là monome hai chức

chúng có thể n ối vớ i hai monome thành polyme mạch dài. Còn có loại monome đa chức (hơ n

hai chức) chúng có thể n ối vớ i ba monome khác tạo polyme không gian.

8.1.3. Khối lượ ng phân tử và sự phân bố khối lượ ng phân tử

Khối lượ ng phân tử càng l ớ n thì độ ch ảy của polyme càng giảm và độ b ền độ nh ớ t càng

tăng. Khối lượ ng phân tử c ủa một polyme r ất khác nhau để đặc tr ưng cho sự phân tán kh ối

lượ ng phân tử ng ườ i ta đưa ra sự phân b ố kh ối lượ ng phân tử K:

K = W

n

M

M

Trong đó : MW = i iW M∑ = i ig MG

∑ ,

Wi là tỷ l ệ kh ối lượ ng của các phân tử có cùng kh ối lượ ng Mi

G là tổng khối lượ ng khảo sát, gi là kh ối lượ ng của polyme có cùng phân tử l ượ ng Mi

Mw trung bình mol theo t ỷ l ệ tr ọng lượ ng

Mn = Σ X iMi =i in M

N∑ trong đó in

Nlà tỷ l ệ s ố phân t ử có cùng kh ối lượ ng Mi

Mn kh ối lượ ng trung bình mol theo phân tử M n = kh ối lượ ng tổng cộng tổng số phân t ử

K=1 khối lượ ng phân tử đồng nhất lý tưở ng hiếm gặ p

K ≤5 Sự phân b ố kh ối lượ ng phân tử h ẹ p

5<K<20 Sự phân b ố kh ối lượ ng phân tử trung bình

K>20 Sự phân b ố kh ối lượ ng phân tử r ộng.

Polyme có sự phân b ố kh ối lượ ng phân tử h ẹ p dễ gia công và c ơ lý tính t ốt hơ n.

Ví dụ hai m ẫu polyme P1 có 500 phân tử kh ối lượ ng 1g và 2 phân tử 250g; P2 có 400

phân tử kh ối lượ ng 1g và 100 phân tử 6g

Polyme P1 có: Mn = 500x1 250x2500 2

++

= 1,99








MW=( ) ( )500x1 x1 250x2 x250

1000

+ = 125,5

K=125,5/1,99 = 63 → R ộng

P2 có Mn =1000

500= 2 và MW =

( ) ( )400x1 x1 100x6 x6

1000

+ = 4 → K= 4/2 = 2 → h ẹ p

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 lo ại chất dẻo (gồm cả hai lo ại nhiệt dẻo và nhiệt r ắn) có độ x ố p r ất cao. Ngườ i ta đưa

vào trong mẻ li ệu chất nào đó khi nung nóng sẽ gi ải phóng ra khí. Các khí sinh ra trong khắ p

khối chất lỏng nóng chảy khi làm nguội bị k ẹt lại tạo ra r ỗ x ố p.

Có thể dùng cách khác: phun khí tr ơ (Ar) vào v ật liệu ở tr ạng thái nóng chảy như

polyuretan, caosu, polystyren và PVC. Chất dẻo xố p đượ c dùng để làm đệm, nội thất gia đình

và bao gói sản phẩm.








CHƯƠ NG 9

COMPOZIT

9.1. Khái niệm về compozit

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


- 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

tốt nhất.

- Liên k ết hỗn hợ p.9.2. Compozit cốt hạt








Các h ạt đẳng tr ục, cứng, bền (ôxyt, nitrit, cacbit, borit) (đôi khi là các hạt mềm như grafit,

mica thuộc loại chống ma sát. Có hạt thô và hạt mịn, hạt mịn nằm phân tán có tác dụng cản

tr ượ t → hoá b ền.

9.2.1. Compozit hạt thô

Compozit hạt thô r ất đa dạng và đượ c sử d ụng phổ bi ến trong các l ĩ nh vực công nghiệ p,

xây dựng.9.2.1.1. Đặc điểm

Khái niệm "thô" đượ c dùng để ch ỉ t ươ ng tác giữa nền và cốt không xảy ra ở m ức độ

nguyên tử, phân tử, sự hóa b ền có đượ c là nhờ s ự c ản tr ở bi ến dạng của nền ở vùng lân c ận

vớ i cốt.

Tùy theo đặc tính phân bố c ủa hạt trong nền mà quy tắc k ết hợ p (hỗn hợ p) cho môđun đàn

hồi EC của compozit phụ thu ộc vào tỷ l ệ th ể tí ch, mô đun đàn hồi của nền: Vn, En và c ủa cốt

hạt: VH, EH n ằm vào khoảng giữa 2 giớ i hạn:

Giớ i hạn trên: EC = E NV N + EHVH, giớ i hạn dướ i: EC = N H

N H H N

E E

E V E V+

9.2.1.2. Các compozit hạt thô thông dụng.

Hợ p kim cứng tạo bằng phươ ng pháp luyện kim bột, các phần tử c ứng là cacbit: WC,

TiC, TaC đượ c liên k ết bằng Co (nền).

Các hợ p kim làm tiế p điểm có sự k ết hợ p tốt của các kim loại khó chảy (W, Mo) - cốt vớ i

các kim loại có tí nh dẫn nhiệt cao (Cu, Ag)-nền.

Bêtông là compozit hạt thô (đá, sỏi) hay nhỏ (cát vàng), n ền cứng là ximăng. Polyme Các

hạt độn thườ ng là thạch anh, thủy tinh, ôxyt nhôm, đất sét, đá vôi-cốt, nền polyme.

9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán)Compozit hạt mịn là loại có tí nh năng đặc biệt: bền nóng và ổn định nóng.


- Nền thườ ng là kim loại và hợ p kim, cốt có kích thướ c < 0,1μm, bền, cứng và có tính ổn

định nhiệt cao: oxit, cacbit, borit, nitrit.

- Tươ ng tác nền - cốt xảy ra ở m ức độ vi mô ứng vớ i kích thướ c nguyên tử, phân tử.

- Cơ ch ế hóa b ền: cốt nhỏ m ịn phân tán kìm hãm lệch, làm tăng độ b ền độ c ứng của vật liệu.

9.2.2.2. Các compozit hạt mịn

SAP, SAAP (CAП, CAC) cốt Al2O3 = 5 - 20% trên nền nhôm, chịu nhiệt 300 ÷ 500oC

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

sẽ đượ c khảo sát dướ i đây.








Hì nh 9.3. Sơ đồ phân b ố s ợ i:

a. liên tục song song

b. gián đoạn thẳng hàng

c. hỗn độn

9.3.2. Compozit cốt sợ i liên tục song song

9.3.2.1. Khi kéo dọc

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.








Nh ư v ậy compozit cốt sợ i liên tục phải thỏa mãn hai điều kiện: sợ i dài l > 15lc và l ượ ng

sợ i phải đủ l ớ n VS > minSV .

9.3.3. Compozit cốt sợ i gián đoạn thẳng hàng

Compozit cốt sợ i gián đoạn thẳng hàng đượ c trình bày ở hình 9.6b. Chi ều dài sợ i ngắn

(l<15lc) hiệu quả gia c ườ ng của sợ i compozit không thể cao nh ư lo ại cốt sợ i liên tục thẳng

hàng. Môđun đàn hồi và giớ i hạn bền chỉ b ằng khoảng 50-90% loại cốt sợ i dài liên tục.

Cơ tính ph ụ thu ộc vào tỷ l ệ th ể tích c ủa sợ i và chiều dài hay yếu tố hình h ọc của sợ i S=l/d,

đượ c tính toán riêng r ẽ cho 2 tr ườ ng hợ p sau:

- Khi lc < l < 15l c thì: ( ) ( ) ( )c b S n Sc S

l.V 1 1 V

2lσ σ σ

⎛ ⎞= − + −⎜ ⎟⎝ ⎠

- Khi l < lc thì: ( ) ( )c S n nc

1.V 1 V

dσ τ σ = + −

trong đó: σn - ứng suất tác dụng vào nền khi compozit bị phá h ỏng

τc - gi ớ i hạn bền cắt của nềnl, d - chiều dài, đườ ng kính sợ i.

9.3.4. Compozit cốt sợ i gián đoạn hỗn độn

Bảng 9.1. Giá tr ị c ủa thông số k ứng vớ i định hướ ng khác nhau giữa sợ i và ứng suất

Định hướ ng sợ i Phươ ng ứng suất k

Tất cả các s ợ i song song dọc theo tr ục sợ i 1

ngang vớ i tr ục sợ i 0

Phân bố s ợ i ngẫu nhiên, đồng nhất

trong mặt

theo phươ ng bất k ỳ trong m ặt chứa

sợ i

3

8

Phân bố s ợ i ngẫu nhiên, đồng nhất

theo ba chiều không giantheo phươ ng bất k ỳ

1

8

Môđun đàn hồi đượ c biểu thị nh ư sau: E c = k. E S.VS + E n.Vn

Trong đó k - thông số bi ểu thị hi ệu quả hóa b ền mà độ l ớ n phụ thu ộc vào hàm lượ ng thể

tích VS c ủa sợ i và tỷ l ệ E S/En, k dao động trong khoảng 0,1÷ 0,6 xem bảng 9.1

Dựa vào đườ ng kính và đặc tính ngườ i ta phân cốt sợ i thành ba loại: râu, sợ i và dây nhỏ.

-Râu (râu đơ n tinh thể): (whiskers) đườ ng kính r ất nhỏ (c ỡ 1 ÷ 2 μm), l/d > 1000, tạo bằng

k ỹ thu ật nuôi đơ n tinh thể. Các đơ n tinh thể (râu) này có m ức độ hoàn thi ện tinh thể r ất cao

(hầu như ch ỉ có m ột lệch xoắn) và không có nứt, r ỗng nên có độ b ền r ất cao (gần bằng độ b ền

lý thuyết). Tuy nhiên râu vẫn chữa đượ c dùng r ộng rãi vì quá đắt và r ất khó gắn k ết vào nền.

Vật liệu để ch ế t ạo râu có thể là grafit, SiC, Si 3 N, Al2O3.

-Sợ i: tạo bằng công nghệ kéo, chu ốt, d khoảng vài chục đến vài tr ăm μm, l/d r ất khác

nhau. Vật liệu làm sợ i có thể là polyme nh ư polyamit, s ợ i thủy tinh, sợ i cacbon,..

-Dây: là loại có đườ ng kính nhỏ, thườ ng là bằng kim loại: thép cacbon cao, vonfram,

môlipđen, berili, titan. Loại cốt này đượ c dùng để gia b ền lố p ôtô, khung tên lửa, ống dẫn cao

áp...








CHƯƠ NG 10

LỰ A CHỌN VÀ SỬ DỤNG HỢ P LÝ VẬT LIỆU1.1 NHỮ NG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU.

1.2.1

Ba yêu cầu cơ bản đối vớ i vật liệuVật liệu nói chung và vật liệu dùng trong cơ khí nói riêng đượ c sử d ụng r ộng rãi trong

công nghiệ p để ch ế t ạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các k ết cấu công trình và tạo nên các

sản phẩm cho cuộc sống v.v.

Tuy nhiên khi chế t ạo và sử d ụng, chúng ta cần phải dựa vào các yêu cầu k ỹ thu ật để l ựa

chọn vật liệu thích hợ p, bảo đảm chất lượ ng và tính kinh tế c ủa sản phẩm.

Ba yêu cầu cơ b ản đối vớ i vật liệu như sau:

Thứ nhấ t là yêu cầu về tính sử d ụng.

Ðể b ảo đảm một sản phẩm cơ khí có th ể s ử d ụng đượ c (tức làm việc đượ c trong thực tế)

thì vật liệu chế t ạo ra nó phải có cơ tính, lý tính, hóa tính v.v sao cho s ản phẩm sử d ụng đượ c

bền lâu vớ i độ tin c ậy trong thờ i gian dự ki ến.

Thứ hai là tính công nghệ của vật li ệu.

Tính công nghệ c ủa vật liệu đượ c hiểu là khả n ăng có thể gia công v ật liệu bằng các

phươ ng pháp khác nhau như đúc, hàn, rèn, nhiệt luyện v.v để t ạo ra sản phẩm có chất lượ ng

phù hợ p vớ i yêu cầu sử d ụng.

Thứ ba là tính kinh t ế .

Tính kinh t ế là yêu c ầu tất yếu của sản phẩm, nó đòi hỏi vật liệu chế t ạo ra nó phải cho giá

thành thấ p nhất trong khi các yêu cầu về công ngh ệ và s ử d ụng đượ c thỏa mãn.1.2.2 Nhữ ng tính chất cơ bản của vật liệu

Trong khuôn khổ c ủa môn học, cuốn sách này chỉ đề c ậ p đến hai yêu cầu cơ b ản ban đầu

vớ i những tính chất cơ h ọc, tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính công nghệ đồng thờ i sơ

lượ c về độ tin c ậy và tuổi thọ c ủa vật liệu.

1.2.2.1 Tính chất cơ học.

Tính chấ t cơ học (hay còn đượ c gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc tr ưng cơ h ọc biểu

thị kh ả n ăng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải tr ọng.

Các đặc tr ưng quan tr ọng của cơ tính là độ b ền, độ d ẻo, độ c ứng, độ dai và đậ p, độ b ền

mỏi và tính chống mài mòn.

a. Ðộ bền.

Ðộ bề n là kh ả n ăng cơ h ọc của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá h ủy và

đượ c ký hiệu bằng σ (xích ma). Ð ơ n vị đo độ b ền đượ c tính bằng N/mm2, kN/m2, hay MPa.

Nhóm các đặc tr ưng cho độ b ền bao gồm:

Gi ớ i hạn đ àn hồi dh (còn đượ c ký hiệu là R e).

Giớ i hạn đ àn hồi là ứng suất lớ n nhất tác dụng lên mẫu đo mà sau khi bỏ nó đi mẫu không

bị bi ến dạng dẻo hoặc chỉ b ị bi ến dạng dẻo r ất nhỏù (độ bi ến dạng dư vào kho ảng 0,001 –

0,005% so vớ i chiều dài ban đầu của mẫu).

Giớ i hạn đàn hồi đượ c tính theo công thức:








0 F

P pdh =σ , (N/mm2 hay MPa).

Trong đó: F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.

P p (N) là l ực tác dụng.

Trong giai đoạn đàn hồi, nếu là đàn hồi tuyến tính, quan hệ gi ữa ứng suất σ và bi ến dạng ε

tuân theo định luật Hook, và nó có thể bi ểu diễn dướ i dạng công thức đơ n giản.

σ = E. ε, (MPa).

Vớ i E (N/m2) là mô đun đàn hồi khi kéo, nén.

Ngườ i ta qui định gọi σ0,002 là giớ i hạn đ àn hồi qui ướ c.

Gi ớ i hạn chả y c (còn đượ c ký hiệu là R 0,2).

Giớ i hạn chả y là ứng suất tại đó vật liệu bị " chả y", tức tiế p tục bị bi ến dạng vớ i ứng suất không đổi.

0 F

P cc =σ , (N/mm2 hay MPa).

Vớ i Pc (N) là lực tác dụng bắt đầu biến dạng dẻo.

F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.

Thực tế r ất khó xác định giá tr ị P c ứng vớ i lúc vật liệu bắt đầu chảy, cho nên khi vật liệu

có tính dẻo kém, không có thềm chảy rõ, ngườ i ta thườ ng qui ướ c tải tr ọng ứng vớ i khi mẫu bị

biến dạng 0,2% là tải tr ọng chảy, vì thế giá tr ị 0

2,02,0 F

P =σ đượ c gọi là giớ i hạn chả y qui ướ c.

Gi ớ i hạn bền σ b (còn đượ c ký hiệu là R m).

Giớ i hạn bề n là ứng suất ứng vớ i tải tr ọng tác dụng lớ n nhất P b hay P max làm cho thanh v ật

liệu bị đứt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 197-85 giớ i hạn bền còn đượ c gọi là giá tr ị độ

bề n t ứ c thờ i.

Giớ i hạn bền đượ c tính theo công thức:

0 F

P bb =σ , (N/mm 2 hay MPa).

Vớ i F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu.

P b (N) là lực tác dụng lớ n nhất.

Trong hệ SI gi ớ i hạn bền đượ c đo bằng N/mm2. Giớ i hạn bền càng lớ n, khả n ăng chịu tải

mà không gây phá hủy của k ết cấu càng lớ n.Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các độ b ền như độ b ền kéo σk , độ b ền

uốn σu và độ b ền nén σn v.v.

b. Ðộ dẻo:

Ðộ d ẻo là kh ả n ăng biến dạng của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị

phá hủy. Ðộ d ẻo đượ c xác định bằng độ giãn dài t ươ ng đối δ (%) và độ th ắt tỉ đối ψ (%).

Ðộ giãn dài t ươ ng đố i δ (%)

Ðộ giãn dài t ươ ng đố i là tỉ l ệ tính theo ph ần tr ăm giữa lượ ng giãn dài tuyệt đối của mẫu

sau khi đứt vớ i chiều dài ban đầu.Ðộ giãn dài t ươ ng đối đượ c tính theo công thức:








%100.0

01

l

l l −=δ , (%).

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

Hình 1.2 Máy thử kéo nén vạn năng.








thử đượ c lựa chọn theo những qui định riêng như ngang hay d ọc thớ , vị trí nào trên s ản phẩm

và có hình dạng kích thướ c theo tiêu chuẩn.

Nhìn chung các nướ c đều qui định mẫu thử là thanh có ti ết diện hình vuông 10 x 10 (mm)

và có chiều dài 55 mm hoặc 75 mm. Chúng khác nhau chủ y ếu ở hình d ạng và kích thướ c của

vết khía trên mẫu, nơ i tậ p trung ứng suất để phá h ủy dòn.

Hiện nay, ngườ i ta sử d ụng phổ bi ến hai phươ ng pháp thử và đậ p và kèm theo đó là haidạng mẩu thử:

− Loại Charpy (có chi ều dài 55 mm).

− Loại Izod (có chi ều dài 75 mm).

TCVN 312 - 69 qui định một mẫu chính và bốn mẫu phụ. Sơ đồ th ử và đậ p đượ c mô tả

trên hình 1.6 .

Búa vớ i khối lượ ng P đượ c thả r ơ i tự do t ừ độ cao h, đậ p vào mẫu r ồi làm vỡ nó, vì th ế ch ỉ

tr ở v ề t ớ i độ cao h' < h. N ăng lượ ng và đậ p dùng để phá h ủy mẫu đượ c ký hiệu là AK và đượ c

xác định theo công thức:

AK = P.h - P.h' = P.(h - h').

Năng lượ ng (phá hủy do) và đậ p AK đượ c tính theo đơ n vị công, tr ướ c đây theo kG.m,

theo hệ qu ốc tế SI đượ c đo bằng Jun (J) vớ i 1J = 1N.m.

Trong các qui định của TCVN và một số n ướ c độ dai và đậ p đượ c ký hiệu là ak . Nó là

công cần thiết để phá h ủy một đơ n vị di ện tích, mặt cắt ngang của mẫu ở ch ỗ có rãnh và đượ cxác định theo công thức:

Hình1.6. S ơ đồ thử va đậ p:a. Cách gá mẫ u Izod; b. Cách gá mẫ u Charpy; c. S ơ đồ thiế t bị và quá trình thử .








Công thức tính:S

Aa K

K = [j/cm 2] hay [kJ/m2]

trong đó: AK là công phá hủy, J; S tiết diện mẫu tại chỗ rãnh khía (0,8c m).

Đơ n vị: [ j/cm2], : [k j/m2], : [kgm/cm2]

1kGm/cm2 ≈ 10J/cm2; 1kJ/m2 ≈ 0,01kGm/cm 2; 1kGm/cm2 ≈ 100kJ/m 2 Phạm vi áp d ụng :

Chi tiết chịu và đậ p aK min = 200kJ/m2 (2kGm/cm2), và đậ p cao phải có aK ≥ 1000kJ/m2.

Bi ện pháp t ăng a K :

Nếu coi aK

tỷ l ệ v ớ i tích ( δ σ ×2,0) →để ↑ a

K t ↑ đồng thờ i2,0σ & δ do đó:

- Làm cho hạt nhỏ mịn là phươ ng pháp tốt nhất để ↑ aK .

- Hóa bề n bề mặt : tôi bề m ặt, hóa - nhiệt luyện ↑ v ừa ↑ bền, cứng, tính chống mài mòn

mà vẫn cho aK

cao, chống và đậ p tốt.

- Tạo hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao h ơ n khi hạt có dạng tấm, hình kim.

- Giảm số l ượ ng, kích thướ c, tạo hạt càng tròn, phân bố đều của các pha r ắn →↑ aK .

e. Ðộ bền mỏi.

Khi chi tiết máy làm việc trong điều kiện tải tr ọng biến đổi theo thờ i gian, có qui luật và

đượ c lặ p đi lặ p lại theo chu k ỳ nhi ều lần thườ ng xảy ra phá hủy vớ i ứng suất thấ p hơ n giớ i

hạn bền kéo t ĩ nh. Hiện tượ ng này đượ c gọi là hiện t ượ ng mỏi. Nguyên nhân của mỏi là do có

sự tích l ũy dần các khuyết tật mạng dẫn đến hình thành các vết nứt tế vi, r ồi các vết nứt này

phát triển tạo nên sự phá h ủy.Khả n ăng chống lại hiện tượ ng mỏi của vật liệu đượ c gọi là độ bề n mỏi. Trong phá hủy

mỏi ngườ i ta quan tâm đến hai chỉ tiêu quan tr ọng là độ bề n mỏi và tuổ i thọ chu k ỳ.

Ðộ bề n mỏi là ứng suất lớ n nhất mà vật liệu có thể ch ịu đựng đượ c một số chu trình làm

việc bất k ỳ mà không b ị phá h ủy và nó đượ c ký hiệu là σ -1. Còn số chu k ỳ t ối thiểu mà vật

liệu chịu đựng đượ c tr ướ c khi xuất hiện vết nứt mỏi có kích thướ c đủ l ớ n dẫn đến phá hủy

đượ c gọi là tuổ i thọ chu k ỳ và đượ c ký hiệu là N G.

Tuổi thọ chu k ỳ có th ể là vô h ạn khi σMax l ớ n hơ n σ-1. Ðối vớ i thép NG = 10 6 ÷ 10 7 còn h ợ p

kim nhôm thì NG = 10 6 (xem thêm chữơ ng 5 phần phá hủ y mỏi).

f. Tính chống mài mòn.

Mài mòn là quá trình phá h ủy dần lớ p bề m ặt chi tiết của vật liệu bằng cách tách các hạt

khỏi bề m ặt do tác dụng của ma sát. Ngườ i ta xác định sự mài mòn theo s ự thay đổi kích

thướ c hoặc khối lượ ng của vật liệu.

Khả n ăng của vật liệu chống lại sự mài mòn trong nh ững điều kiện ma sát nhất định của

vật liệu đượ c gọi là tính chố ng mài mòn của vật liệu.

Ðể đánh giá mức độ mòn, ng ườ i ta thườ ng dùng:

− T ố c độ mài mòn V h là t ỉ s ố gi ữa lượ ng mài mòn và thờ i gian mài mòn.

− C ườ ng độ mài mòn jh là nghịch đảo của tốc độ mòn.Giá tr ị v ận tốc mài mòn càng nhỏ thì tu ổi thọ làm vi ệc của vật liệu càng cao.








1.2.2.2 Tính chất vật lý.

Tính chấ t vật lý hay còn đượ c gọi là lý tính c ủa vật liệu là những tính chất của vật liệu thể

hiện qua các hiện tượ ng vật lý khi thành phần hóa học của chúng không bị thay đổi.

Lý tính cơ b ản của vật liệu gồm có: khối lượ ng riêng, nhiệt độ nóng ch ảy, tính chất nhiệt,

tính chất điện và từ tính.

a.

Khối lượ ng riêng.

Khố i l ượ ng riêng là khối lượ ng của 1 cm3 v ật chất. Nếu gọi P là khối lượ ng của vật chất

(g), V là thể tích c ủa vật chất (cm3) và γ là kh ối lượ ng riêng của vật chất (hay vật liệu) ta có:

Ứ ng dụng của khối lượ ng riêng trong k ỹ thu ật r ất r ộng rãi, nó không những có thể dùng để

so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để ti ện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể gi ải

quyết những vấn đề th ực tế.Thí d ụ , nh ững vật lớ n, thép hình khó cân đượ c khối lượ ng, nhưng biết đượ c khối lượ ng

riêng của vật liệu và đo đượ c kích thướ c của chúng, ngườ i ta có thể tính đượ c thể tích nên có

thể không c ần cân cả v ật mà ta vẫn tính đượ c khối lượ ng của chúng.

b. Nhiệt độ nóng chảy.

Nhiệt độ nóng chả y của vật liệu là nhiệt độ mà khi nung nóng đến đó thì vật liệu từ th ể r ắn

chuyển thành thể l ỏng.

Tính chất này r ất quan tr ọng đối vớ i công nghiệ p chế t ạo cơ khí, vì tính ch ảy loãng của vật

liệu ở th ể l ỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng ch ảy của chúng quyết định. Nhiệt độ nóng ch ảy

của vật liệu càng thấ p thì tính chảy loãng của chúng càng tốt và càng dễ đúc.

c. Tính chất nhiệt.

Khi một vật r ắn hấ p thụ n ăng lượ ng dướ i dạng nhiệt, nhiệt độ c ủa nó tăng lên và các kích

thướ c của nó giãn nở ra. Nhi ệt lượ ng của nó có thể đượ c truyền từ vùng nhi ệt độ cao h ơ n tớ i

vùng có nhiệt độ th ấ p hơ n.

Nhiệt dung, tính giãn nở nhi ệt và độ d ẫn nhiệt là những tính chất nhiệt quan tr ọng của vật

liệu r ắn.

+ Nhi ệt dung:

Nhiệt dung bi ểu thị n ăng lượ ng cần thiết để nâng nhi ệt độ c ủa một đơ n vị v ật chất lên một

độ. Nhiệt dung đượ c xác định theo công thức:

dT

dQC = .

Trong đ ó: dQ là năng lượ ng cần thiết để gây ra độ bi ến thiên nhiệt độ dT.

Thông thườ ng nhiệt dung có đơ n vị đo là jun hoặc calo cho m ột mol vật liệu ( J/mol hay

cal/mol.K ). Nhiệt dung của một đơ n vị kh ối lượ ng đượ c gọi là nhiệt dung riêng và có th ứ

nguyên là J/kG.K hay cal/g.K.

+ Tính dãn nở nhi ệt:

V

P =γ (g/cm 3)










Dòng điện đượ c tạo thành do chuyển

động của các hạt mang điện tích dướ i tác

dụng lực của một điện tr ườ ng ngoài đặt vào.

Các hạt mang điện dươ ng đượ c gia tốc theo

hướ ng của điện tr ườ ng còn các hạt mang điện

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:

Hình 1.7 Sự phụ thuộc đ iện tr ở -nhiệt độ

của vật d ẫ n bình thườ ng và vật liệu siêu

d ẫ n ở ần 00 K.








Tính chịu ăn mòn:

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.








1.2.2.6 Tuổi thọ.

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








nghệ; kiểm tra chất lượ ng, k ế ho ạch, tiế p thị v.v...[12].

Công việc này đòi hỏi trình độ trí tu ệ; tinh thần đầy trách nhiệm tr ướ c xã hội của các nhà thiết k ế.

YÊU CẦU BẢOVỆ MÔI

TR ƯỜ NG VÀ ANTOÀN XÃ HỘI








PHỤ LỤC 1

TỔNG QUAN TIÊU CHUẨN VẬT LIỆU KIM LOẠI

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.








Trong hợ p kim mau các chữ ký hiệu cho các nguyên t ố như sau :

- Các chữ đưng cuối trong mac vật liệu có y ngh ĩ a như sau :

* Chữ A - Thép có ch ất lượ ng cao, lượ ng P, S < 0,025%, thép bình thườ ng có P, S <

0,05%.

*Chữ

- Thép đúc (chỉ chê t ạo đượ c chi tiết bằng phươ ng pháp đúc)

(Riêng chữ A cón có v ị trí đưng xen trong các chữ ký hi ệu nguyên tố h ợ p kim của mac

thép, luc nay no ký hiệu cho nguyên tố ni t ơ . Tr ừơ ng hơ p nay r ất hiêm, chỉ có trong thép

nitơ , đo là thép tríp).- Các chữ đứng đầu trong mac vật liệu chỉ m ột loại thép chuyên dung hay các loại gang

và hợ p kim mau :

-Trong các mac gang số đứng đầu tiên đều chỉ gi ớ i hạn bền kéo tính theo đơ n vị kG/mm2 hay 10MPa

1.2.2.Tiêu chuẩn Trung Quôc GB :

Tiêu chuẩn GB (Guojia Biaozhun) có ngh ĩ a là tiêu chuẩn nhà nướ c vê cơ b ản giông tiêu

chuẩn Γ OCT, chỉ khac m ột số điêm sau :

* Các chữ ch ỉ lo ại vật liệu : Một số lo ại thép chuyên dung, gang và hợ p kim màu dung

chữ cai là tinh theo âm đâu của tên gọi, cụ th ể nh ư sau :

GCr - Thép ô lăn chữa crôm D - Thép k ỹ thu ật điện

HT - Gang xam QT - Gang cầu

KT - Gang dẻo H - LàtôngQ - Brông Zch - Babit

*Các nguyên tố h ợ p kim đượ c ghi bằng ký hiệu hóa học của chúng.

MPa

*Trong các mac gang, các số đầu tiên đều chỉ gi ớ i hạn bền kéo tính theo đơ n vị

Ngày nay Trung Quôc đa quy định đầy đu cho các vật liệu kim loại thông dụng.

1.2.3.Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN :

Các tiêu chuẩn vật liệu kim loại đượ c ban hành chủ y ếu trong các năm từ 1975 đến

1978, trong đó có tiêu chuẩn ký hiệu và tiêu chuẩn k ỹ thu ật.

1-Tiêu chuẩn ký hiệu : Đượ c quy định bở i TCVN 1659 - 75. Tiêu chuẩn này quy định

các nguyên tắc ký hiệu vật liệu kim loại (thép, gang, hợ p kim mau).








-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 :








* SAE 1040 : thép các bon (10), lượ ng các bon trung bình bằng 0,40%

*SAE 1138 : thép dễ c ắt (11), lượ ng các bon là 0,38%.

*SAE 1335 : thép man gan (13), lượ ng các bon 0,35%.

*SAE 2320 : thép ni ken (2), có 3% Ni và 0,20%C.

*SAE52100 : thép crôm (5), có 2%Cr và 1%C

*SAE 6150 : thép crôm vànađi (6), có 1%Cr và 0,50%C.*SAE 71360 : thép vonfram (7), có 13%W và 0,60%C.

Tùy từng mac thép cụ th ể ta d ễ dàng tìm th ấy các thành phần chủ y ếu của nó.

1.4.Tiêu chuẩn Nhật :

Nhât chỉ có m ột hệ th ống tiêu chuẩn duy nhât vê vật liệu kim loại, đo là JIS (Japanese

Industrial Standard). JIS ký hiệu vật liệu kim loại bằng hệ th ống chữ và s ố theo quy lu ật sau

(dung cho thép) :

- Chữ đâu biểu thị lo ại vật liệu. Tât ca các loại thép đều băt đầu bằng chữ S

*SS Thép can thông dụng

*SM Thép can làm kêt cấu hàn

*SMA Thép can làm kêt cấu han chông ăn mon trong khí quyển

*SB Thép tâm làm nôi hơ i và bình áp lực

*SC Thép các bon đúc

*SCr Thép kêt cầu crôm

*SNC Thép kêt cầu niken - crôm

*SNCM Thép kêt cầu ni ken - crôm - mô líp đen

*SCM Thép kêt cầu crôm - mô líp đen

*SACM Thép kêt cầu nhôm - crôm - mô líp đen*SUJ Thép ô lăn

*SUM Thép dễ c ắt

*SUP Thép đàn hồi

*SUH Thép bền nóng

*SUS Thép không r ỉ

*SK Thép dụng cụ các bon

*SKH Thép gió

*SKS,SKD,SKT Thép dụng cụ h ợ p kim

*SR Thép tron tr ơ n làm côt bê tông*SD Thép tron có đôt (văn) làm côt bê tông

-Số ti ế p theo các chữ có th ể ch ỉ :

*Độ b ền (giớ i hạn bền hay chay) theo đơ n vị MPa, chú ý tiêu chu ẩn ban hành tr ừơ c

1/1/1990 dung đơ n vị kG/mm2

*Thành phần hóa học, trong tr ừơ ng hơ p nay hai số cu ối cùng chỉ l ượ ng các bon theo

phần vạn.

*Số th ứ t ự quy ươ c theo một tr ất tư riêng nào đó. Các loại gang ký hiệu như sau :

*FC Chỉ gang xam*FD Chỉ gang c ầu

*FMB Chỉ gang d ẻo loi đen








*FMW Chỉ gang d ẻo loi tr ắng.

Số sau các ch ữ đều chỉ gi ớ i hạn bền kéo theo đơ n vị MPa

1.5.Các điêm chú ý vê ký hiệu và đơ n vị đo :

1.5.1.Các bội số và ướ c số :

Tên g ọi Ký hi ệu Giá tr ị

Đêxi

Xăng ti

Mili

d

c m10-1

10-2

1.5.2.Ký hiệu vê độ bền :

-Giớ i hạn đàn hồi : TCVN 197 - 85 ký hiệu s đh. Các nướ c ký hiệu Re

-Giớ i hạn chảy quy ươ c :TCVN 197 - 85 ký hiệu s 0,2. Các nướ c R0,2, Mỹ dung YS

-Giớ i hạn bền : TCVN 197 - 85 ký hiệu s b. Các nướ c Rm, Mỹ dung TS

Đơ n vị đo đô bền quy đôi như sau :

1kG/mm2 = 9,81.106Pa = 9,81MPa, có thể lây 1kG/mm 2 = 10MPa

1psi = 6,9.103Pa

1ksi = 6,9.106Pa = 0,703kG/mm2

(Có thể l ấy gần đúng 1ksi = 7,0MPa)1MPa = 0,145ksi có thể tính g ần đúng 1MPa = 1/7ksi

1.5.3.Các ký hiệu độ dẻo và độ dai :

-Đô dan dai tươ ng đối : TCVN 197 - 85 ký hiệu δ %, các n ướ c A%, Mỹ dùng EL

-Đô thăt ty đôi : TCVN 197 - 85 ký hiệu ψ %, các n ướ c Z%, Mỹ dùng AR.

-Độ dai : TCVN 197 - 85 ký hi ệu ak, các nướ c dùng phô biến KCU.

Đơ n vị đo độ dai quy đôi như sau :

1kGm = 9,81Nm = 9,81J = 9,81.10-3kJ (Có thể tính g ần đúng 1kGm = 10J)

1ft.lbf = 1,355J 1kGm/cm2 = 10Nm/cm2

1kGm/cm2 = 10J/cm2 1kG.m/cm2 =100kJ/m2








PHỤ LỤC 2

TIÊU CHUẨN KÝ HIỆU VẬT LIỆU KIM LOẠI2.1.Ký hiệu gang :

2.1.1.Gang xám :

a-Tiêu chuẩn Việt Nam :Việt Nam ký hiệu gang xám bằng tậ p hợ p chữ và s ố :

-Chữ GX đứng đầu có ngh ĩ a là gang xam

- Hai nhóm chữ s ố cách nhau b ở i gạch ngang, đứng sau chỉ gi ớ i hạn bền kéo và bền uôn

tối thiểu theo kG/mm2

Ví dụ : GX 15-32, gang xam có gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu là 15 kG/mm2 và gi ớ i hạn

bền uôn tối thiểu là 32kG/mm2. Muốn đôi ra MN/m2 hay MPa thì nhân thêm 10.

b-Tiêu chuẩn Nga :

Nga ký hiệu gang xam bằng chữ ?? và các s ố ti ế p theo :

- Theo các tiêu chuẩn cu đang cón dung phô biên Tại Việt Nam thì có hai nhóm số cách

nhau bằng gạch ngang chỉ gi ớ i hạn bền kéo và kG/mm2.

bền uốn tối thiểu theo

-Tuy nhiên theo tiêu chuẩn mơ i ap dùng từ 1985 ch ỉ còn l ại một nhóm số đứng sau chữ

chỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu tính theo 10MPa.

Ví dụ :

-Theo tiêu chuẩn cu : 21-40, gang xam có giớ i hạn bền kéo thấ p nhât là

21kG/mm2 và gơ i hạn bền uôn thấ p nhât là 40kG/mm2.

-Theo tiêu chuẩn mơ i 10, gang xam có giớ i hạn bền kéo tối thiểu là100MPa.

Chú ý : Theo tiêu chuẩn mơ i Γ OCT 1412-85 chỉ quy định sau mac gang xam sau đây :

- 10 có giớ i hạn bền kéo tối thiểu là 100MPa






Sư t ươ ng đươ ng của các mac gang xam giữa TCVN và Γ OCT 1412-70

c-Tiêu chuẩn Mỹ :

TCVN Γ OCT

GX 12-28 12-28

GX 12-32 15-32

GX 18-36 18-36

GX 21-40 21-40

GX 24-44 24-44

GX 28-48 28-48GX 32-52 32-52

GX 36-56 36-56








GX 40-60 40-60

GX 44-64 44-64

Mỹ th ườ ng dung tiêu chuẩn SAE và ASTM cho gang xam. Vớ i SAE (tiêu chuẩn SAE

J431) các nac gang xam ký hiệu bằng chữ G sau đó là số ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo theo đơ n vị

10 psi.

Ví dụ : G 1800 là gang xam có Rm = 1800 x 10 psi = 18 ksiVớ i hê ASTM ký hiệu gang xam theo các câp độ b ền và giớ i hạn bền theo đơ n vị

ksi. Muốn biết phải tra theo bang cho sẵn.

d-Tiêu chuẩn Nhật :

Theo tiêu chuẩn JIS G5501-89 quy định các mac gang xam gôm : FC 100, FC 150

FC 200, FC 250, FC 300 và FC 350. Trong đó số ti ế p theo chữ ch ỉ gi ớ i hạn bền kéo theo

đơ n vị MPa. Ví d ụ :

FC 10030 : gang xam có giơ h ạn bền kéo là 100MPa. FC 35030 : gang xam có giớ i hạn

bền kéo là 350MPa.

30 chỉ kích th ươ c và điêu kiên thư m ẫu.

e-Tiêu chuẩn Đức :

Gang xam đượ c quy định theo tiêu chuẩn DIN 1691-85, ký hiệu bằng chữ GG và s ố ch ỉ

giớ i hạn bền kéo (đã chia cho 10) theo MPa . Ví dụ :

GG10 : gang xam có giớ i hạn bền kéo 100MPa

f-Tiêu chuẩn Pháp :

Gang xam đượ c quy định theo tiêu chuẩn NF A32-101-87, ký hiệu bằng FGL và số ch ỉ

giớ i hạn bền kéo theo MPa. Ví dụ :

FGL 150 : gang xam có giớ i hạn bền kéo khoang 150MPa.g-Tiêu chuẩn Anh :

Gang xam đượ c quy định theo tiêu chuẩn BS 1452-90 và BS 1452-77, ký hiệu theo

Grade và phải tra bảng mơ i có số liêu chính xac. Ví d ụ :

Grade 100 : gang xam có giớ i hạn bền kéo khoang 90MPa. Grade 250 : gang xam có

giớ i hạn bền kéo 210MPa.

2.1.2.Gang dẻo :

a-Tiêu chuẩn Việt Nam :

Việt Nam ký hiệu gang dẻo bằng tậ p hợ p chữ và s ố :

-Chữ GZ có ngh ĩ a là gang dẻo.-Các nhóm số đứng sau chữ, cách nhau bở i gạch ngang chỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu

theo kG/mm2 và đô giãn dai tươ ng đối tính ra %.

Ví dụ : GZ 35-10, là gang d ẻo có giớ i hạn bền kéo tối thiểu 35 kG/mm2 và d = 10%


Nga ký hiệu gang dẻo bằng các chữ và s ố :

- Chữ K? có ngh ĩ a là gang ren (Cófki trugun)

-Các nhóm số đứng sau cách nhau bở i gạch ngang chỉ gi ớ i hạn bền kéo tối thiểu theo

kG/mm2 vàđ

ô giãn dai tươ

ngđố

i theo %.Ví dụ : K ? 60-3, là gang d ẻo có giớ i hạn bền kéo 60kG/mm2 và d % = 3%

(Tên gọi gang ren là đê chỉ công d ụng của nó thườ ng dung trong các thiêt bị ren dâp do








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.


-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


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%


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








100 kG/mm2 và δ = 4%

-Theo tiêu chuẩn mơ i 7293-85 : Bц 80 là gang c ầu có giớ i han bên kéo 800 MPa.

Chú ý : Theo tiêu chuẩn 7293-85 chỉ có n ăm mac gang cầu, đo là B? 40, 50, 60, 70 và

80.


Thườ ng dung hơ n ca là là ASTM, ASME và SAE. Ví dụ ASTM A295 Grade

60-40 hay SAE ASME SA395 clàss 20... Muốn biết no phải tra bảng.

d-Tiêu chuẩn Nhật:

Trong tiêu chuẩn Nhật các mac gang cầu đượ c quy định theo tiêu chuẩn JIS G5502-89

và JIS 5503-89. Ký hiệu gang cầu bằng nhóm chữ FCD và ba s ố ti ế p theo chỉ gi ớ i hạn bền

kéo theo MPa.Ví dụ : FCD 370, FCD 400, FCD 500, FCD 700...


Gang cầu đượ c quy định theo tiêu chuẩn ĐIN 1693/1-73, ký hiệu bằng GGG và số ch ỉ

giớ i hạn bền kéo (đã chia cho 10) theo MPa. Ví dụ :

GGG-50 : gang cầu có giớ i hạn bền kéo 500MPa. Muốn tìm đô dan dai tươ ng đối phải

tra bảng vì có nhưng mac gang không thư nghiêm ch ỉ tiêu này.

GGG-40-3 (tiêu chuẩn DIN 1693/2-77) có giớ i hạn bền kéo 390MPa, δ % = 15%

tiêu chuẩn này chỉ quy định một mac gang.f-Tiêu chuẩn Pháp :

Gang cầu đượ c quy định theo tiêu chuẩn NF A32-201-87 và NF 32-201-76, ký hiệu bằng

FGS 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 %. Ví

dụ:

FGS700-2 : gang cầu có giớ i hạn bền kéo khoang 700MPa và độ dãn dài t ươ ng đối 2%.

g-Tiêu chuẩn Anh :

Gang cầu đượ c quy định theo tiêu chuẩn BS 2789-85, ký hiệu bằng Grade và tậ p hợ p số

chỉ gi ớ i hạn bền kéo theo MPa và độ dãn dài t ươ ng đối theo %. Ví dụ :

Grade 800/2 : gang cầu có giớ i hạn bền kéo 800MPa và độ dãn dài t ươ ng đối 2%.2.2.Ký hiệu thép :








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.


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.


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

ghi gì cả.








-Ngoài ra theo GB cón ký hiệu thép theo phươ ng pháp luyên : Nếu ngay sau chữ ký hi ệu

nhóm có thểm chữ Y là thép L-D, ch ữ J là thép lo chuyên tính baz ơ , không có chữ nao ca là

thép Mac -tanh.

Ví dụ :

A1F : thép phân nhóm A, giớ i hạn bền tra theo bang, thép sối lo Mac tanh. AY1b : thép

phân nhóm A, giớ i hạn bền tra theo bang, thép nửa lắng lo L-D.AJ2 : thép phân nhóm A, giớ i hạn bền tra theo bang, thép lắng lo chuyên tính bazơ

Sự tươ ng đươ ng giữ a TCVN 1765-75,Γ

OCT 380-71 và GB 700-79

TCVN 1765-75 ΓOCT 380-71 GB 700-79

CT31 CT0 -

CT33s CT1K П A1F, AY1F

CT33n CT1ПC A1b, AY1b

CT34 CT2CП A2, AY2F, AJ2

CT34s CT2K П A2F, AY2F, AJ2FCT34n CT2ПC A2b, AY2b, AJ2b

CT61n CT6ПC A6b, AY6b, AJ6b

CT61 CT6CП A6, AY6, AJ6

BCT31 БCT0 -

BCT33s БCT1K П B1F, BY1F

BCT33n БCT1ПC -

BCT33 БCT1CП B1, BY1

BCT34s БCT2K П B2F, BY2F, BJ2F

BCT34n БCT2ПC -

BCT34 БCT2CП B2, BY3F, BJ3F

BCT661n БCT6ПC -

BCT61 БCT6CП B6, BY6, BJ6

CCT34s BCT2K П C2F, CY2F, CJ2F

CCT34n BCT2ПC -

CCT34 BCT2CП C3F, CY3F, CJ3F

d-Tiêu chuẩn Mỹ :Vớ i nhóm thép này thườ ng dùng hê tiêu chuẩn ASTM và r ất nhiều mac khac nhau.

-Tiêu chuẩn ASTM A570-90 có các mac Grade 30, Grade 33, Grade 36, Grade40,

Grade 45, Grade 50, và Grade 55, trong đó các số ch ỉ gi ớ i hạn chay tối thiểu theo ksi. Đây

là thép các bon dang tâm, là, bằng cán nóng.

-Tiêu chuẩn ASTM A283-88 quy định bốn mac là Grade A, Grade B, Grade C, Grade D

theo độ b ền tăng dân. Đây là thép các bon thâp và trung bình dang tâm. Tiêu chuẩn này quy

định cả v ề c ơ tính l ẫn thành phần hóa học. Muốn tìm các chỉ tiêu nay ph ải tra bảng.

Nói chung tiêu chuẩn Mỹ r ất phức tạ p, tuy theo tưng hê mơ i xac định đượ c các chỉ tiêu

ma không có một quy luật chung thống nhât.

e-Tiêu chuẩn Nhật :








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








riêng. Muốn biết số l ượ ng các mac thép đượ c quy đinh và yêu cầu k ỹ thu ật của chung sử

dụng TCVN 1766-75.

Ví dụ : -C20 là thép kêt c ầucó lượ ng các bon trung bình 0,20%C

-C45 là thép kêt cầu có lượ ng các bon trung bình 0,45%C

-C65 là thép kêt cầu có lượ ng các bon trung bình 0,65%C.

b-Thép hợ p kim :TCVN 1659-75 quy định ký hiệu bằng tậ p hợ p chữ và s ố theo quy lu ật sau :

-Số đầu tiên chỉ l ượ ng các bon trung bình tính theo phần vạn

-Chữ là các ký hi ệu hóa học của nguyên tố h ợ p kim có trong thép.

-Số sau các ký hi ệu hóa học chỉ l ượ ng trung bình của nguyên tố đo theo %, Nếu lượ ng

hợ p kim xấ p xỉ 1% thì không ký hi ệu (nếu là nguyên tố h ợ p kim chính)

-Nếu cuối mac thép có chữ A là thép ch ất lượ ng tốt (lượ ng P, S ≤ 0,025%)

Ví dụ :

-12Cr18Ni9Ti : có 0,12% C, 18%Cr, 9%Ni, 1% Ti.

-40Cr9Si2 : có 0,40%C, 9%Cr, 2%Si

-38CrMoAlà : có 0,38%C, 1%Cr, 1%Mo, 1%Al, thép tốt.

Tiêu chuẩn k ỹ thu ật của các thép hợ p kim ta chữa quy định vì hiện tại chữa sản xuất loại

thép này.

2-Tiêu chuẩn Nga :

a-Thép các bon :

Theo tiêu chuẩn Nga nhóm thép này đượ c ký hiệu bở i các số ch ỉ l ượ ng các bon trung

bình có trong thép tính theo phần vạn.

Ví dụ : 05 - Thép có l ượ ng các bon trung bình 0,05%10 - Thép có lượ ng các bon trung bình 0,10%

35 - Thép có lượ ng các bon trung bình 0,35%

45 - Thép có lượ ng các bon trung bình 0,45%

b-Thép hợ p kim : Dung tậ p hợ p chữ và s ố đê ký hiệu.

-Số đứng đầu mac thép chỉ l ượ ng các bon trung bình có trong thép đo theo phần vạn.

-Chữ ch ỉ tên nguyên t ố h ợ p kim viết tắt theo tiếng Nga (chữ vi ết đã nói ở ph ần 1)

-Số đứng sau các chữ ch ỉ l ượ ng nguyên tố h ợ p kim trung bình theo %.

-Nếu cuối mac thép có chữ A là ch ỉ thép t ốt (lượ ng P, S r ất ít ≤ 0,025%) Ví d ụ :

40XH - có 0,40%C, 1%Cr, 1%Ni10X18H9T - có 0,10%C, 18%Cr, 9%Ni, 1%Ti

38XM?A - có 0,38%C, 1%Cr, 1%Mo, 1%Al, là thép tốt

3-Tiêu chuẩn Trung Quôc :

Quy định ký hiệu hoàn toàn giống Nga chỉ khác là tên các nguyên t ố h ợ p kim đượ c viết

bằng ký hiệu hóa học của nó.

4-Tiêu chuẩn Mỹ :

Mỹ dung hê AISI/SAE đê ký hiệu thép kêt cầu vớ i hệ th ống có bốn chữ s ố xxxx. Trong

đó hai s

ố cu

ối cùng ch

ỉ hàm l

ượ ng các bon trung bình theo ph

ần v

ạn (vài mac thép s

ử dụ

ngnăm chữ s ố xxxxx trong đó ba số cu ối cùng chỉ l ượ ng các bon theo phần vạn. Hai số đầu

của mac thép là mã số quy định cho loại thép hợ p kim và thành phần của nó. Muốn biết








thành phần này phải tra bảng.

Ví dụ :

Thép các bon : 10xx - thép các bon đơ n giản

11xx - thép các bon dễ c ắt có lưu huỳnh cao

12xx - thép dễ c ắt chứa lưu huỳnh và phôt pho cao

15xx - thép các bon đơ n gian chữa 1,00 - 1,65%MnThép hợ p kim :

-Thép man gan : 13xx - thép có khoang 1,75%Mn

-Thép ni ken : 23xx - thép có khoang 3,5%Ni

25xx - thép có khoang 5,00%Ni

-Thép ni ken - crôm : 31xx, 32xx, 33xx, 34xx. Tra lượ ng hợ p kim theo bảng.

-Thép mô líp đen : 40xx, 44xx. Lượ ng hợ p kim phải tra bảng.

-Thép crôm - mô líp đen : 41xx

-Thép ni ken - crôm - mô líp đen : 43xx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx,

94xx, 97xx, 98xx.

-Thép ni ken - mô líp đen : 46xx, 48xx.

-Thép crôm : 50xx, 51xx, 50xxx, , 51xxx, 52xxx.

-Thép crôm - vànađi : 61xx

-Thép vonfram : 72xx

-Thép si líc man gan : 92xx

-Các mac thép khac : xxBxx chỉ thép có ch ứa bo, xxLxx chỉ thép có ch ứa chì.

Nói chung muốn biết thành phần cụ th ể thép M ỹ phai c ăn cư vào lo ại thép quy định trên

và tra bảng cho sẵn.5-Tiêu chuẩn Nhật :

a-Thép các bon : ký hiệu bằng chữ S (ngh ĩ a là thép) sau đó là số ch ỉ l ượ ng các bon trung

bình và cuối cùng là chữ C, ch ỉ thép các bon.

Ví dụ : S10C - l ượ ng các bon trung bình 0,10% S12C, S17C, S33C, S43C...

b-Thép hợ p kim : ký hiệu kha phức tạ p, luôn bắt đầu bằng chữ S ngh ĩ a là thép. Muốn

biết các chỉ tiêu c ụ th ể ph ải tra bảng.

Ví dụ : Thép crôm : SCr415, SCr420, SCr430...

Thép crôm - mô líp đen : SCM415, SCM418, SCM421...

Thép man gan, crôm - man gan :SMn420, SMn433, SMnC443.. Thép ni ken - crôm :SNC236, SNC415, SNC631..

Thép ni ken - mô líp đen : SNCM220. SNCM415, SNCM431..

6-Tiêu chuẩn Pháp, Đức và EU : cùng không có quy luật chung để có th ể nh ận biết ngay

mà phải tra bảng mớ i biết cụ th ể đượ c nên không nêu ra.

2.2.3.Thép dụng cụ :

Là loại thép dùng làm dụng cụ c ắt gọt và biến dạng kim loại : các loại dao cắt gọt, khuôn

rèn, khuôn dậ p... Nhóm thép này chỉ là thép l ắng và là loại thép chất lượ ng tốt và chất lượ ng

cao.a-Tiêu chuẩn Việt Nam :

1-Thép các bon : Dùng tậ p hợ p chữ và s ố để ký hi ệu.








-Chữ CD đứng đầu mac thép chỉ thép d ụng cụ các bon (C : các bon, D : d ụng cụ)

-Nhóm số đứng sau chữ ch ỉ l ượ ng các bon trung bình trong thép theo phần vạn.

-Nếu có chữ A đưng cuối cùng là thép chất lượ ng cao. Ví dụ : CD70 - có l ượ ng các bon

0,70%

CD80 - có lượ ng các bon 0,80% CD100 - có lượ ng các bon 1,00%

CD120A - có lượ ng các bon 1,20% và là thép chất lượ ng cao.2-Thép hợ p kim : Dung tậ p hợ p chữ và s ố đê ký hiệu.

-Số đầu tiên của mac thép chỉ l ượ ng các bon trung bình trong thép theo phần vạn, nếu

xấ p xỉ 1% thì không ghi.

-Số đứng sau các chữ ch ỉ l ượ ng nguyên tố h ợ p kim trung bình theo %, Nếu lượ ng hợ p

kim xấ p xỉ 1% thì không ký hi ệu .

-Chữ là ký hi ệu hóa học của nguyên tố h ợ p kim.

Ví dụ : 75W18V - có 0,75%C, 18%W, 4%Cr, 1%V

90Cr5WV - có 0,90%C, 5%Cr, 1%W, 1%V

100CrWSiMn - có 1%C, 1%W, 1%Si, 1%Mn

160Cr12Mo - có 1,60%C, 12%Cr, 1%Mo

Tiêu chuẩn k ỹ thu ật của thép dụng cụ h ợ p kim sư d ụng TCVN 1823-76.


1-Thép các bon : Dung tậ p hợ p chữ và s ố đê ký hiệu.

-Chữ Y đứng đâu mac chỉ thép các bon (uglerodisT ạia stal)

-Số đứng sau chỉ l ượ ng các bon trung bình tính theo phân nghìn.

-Chữ A đưng cuối mac chỉ thép ch ất lượ ng cao. Ví dụ : Y7 - có 0,70%C

Y10 - có 1,00%C Y13 - có 1,30%CY13A -có 1,30%C, là thép chất lượ ng cao

2-Thép hợ p kim : Dung tậ p hợ p chữ và s ố

-Số đứng đầu mac thép chỉ l ượ ng các bon trung bình theo phân nghìn, Nếu xấ p xỉ

1% thì không ghi.

-Chữ là tên nguyên t ố h ợ p kim viết tắt bằng tiếng Nga.

-Số sau tên nguyên t ố ch ỉ thành ph ần của nó theo %, Nếu xấ p xỉ 1% không ghi

Ví dụ : XB? - có 1,00%C, 1%Cr, 1%W, 1%Mn

9XC - có 0,90%C, 1%Cr, 1%Si

3X2B8 - có 0,30%C, 2%Cr, 8%W5XHT- có 0,50%C, 1%Cr, 1%Ni, 1%Ti

60X2CM? - có 0,60%C, 2%Cr, 1%Si, 1%Mo, 1%V.


Thép dụng cụ ơ M ỹ tr ừơ c đây dùng hệ th ống ký hiệu AISI, nhưng ngay nay hầu như

không cón hiêu lưc nưa. Do vậy ở đây chỉ nêu m ột số lo ại thườ ng gặ p để d ễ nh ận biết. Cung

tươ ng tư thép kêt c ầu, muốn biết thành phần và tiêu chuẩn k ỹ thu ật cụ th ể ph ải tra bảng, chữ

không có quy luật chung.

Ví dụ

: -Thép gió có các mac sau : M8, M15, M35, M45, T3, T7, T9.-Thép làm khuôn dậ p nong : H15, H16, H20, H41, H43

-Thép làm khuôn dậ p nguội : D1, D6,A5








-Thép làm dụng cụ ch ịu và đâp : S3, S4

- 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.

-Thép làm khuôn biên dạng nguội : SKS3, SKS31, SKS93, SKS94, SKS95,

SKDL, SKD1, SKD12.

-Thép làm khuôn dậ p nong : SKD4, SKD5, SKD6, SKD61, SKD62, SKD7,SKD8.

-Thép làm khuôn ép, đúc áp lực : SKT3, SKT4


1-Thép các bon : Các mac thép dụng cụ các bon c ủa Đức đượ c bắt đầu bằng chữ C và s ố

tiế p theo chỉ l ượ ng các bon trung bình theo phần vạn và k ết thúc bằng chữ W.

Ví dụ : C70W1 - có 0,70%C C80W1 - có 0,80%C C125W - có 1,25%C C135W - có

1,35%C

2-Thép hợ p kim : Các mac thép gió của Đức đượ c ký hiệu bắt đầu bằng chữ S (HS) và

các nhóm số cách nhau b ở i gạch ngang chỉ l ượ ng trung bình của nguyên tố h ợ p kim tính ra

% theo quy luật : số đầu tiên là W, tiế p theo là Mo, V cuối cùng là Co. Nếu chỉ có ba nhóm

số thì không ch ứa Co.Ví dụ : -S12-1-4-5 hay (HS 12-1-4-5) - có 12%W, 1%Mo, 4%V, 5%Co. L ượ ng các bon

phải tra bảng

-S18-1-2-15 hay (HS 18-1-2-15 - có 18%W, 1%Mo, 2%V, 15%Co)

-S 3-3-2 hay (HS 3-3-2) - có 3%W, 3%Mo, 2%V.

2.2.4.Thép, hợ p kim chuyên dùng và đặc biệt :

1-Thép chống mài mòn cao trong điêu kiên và đâp (thép Hatfind) :

a-TCVN : chỉ có m ột mac thép : 130Mn13Đ -có 1,30%C, 13%Mn, Đ có ngh ĩ a là chỉ chê

tạo đượ c sản phâm bằng phươ ng pháp đúc. b-Tiêu chuẩn Nga : chỉ có m ột mac thép 110 Γ 13Л (tr ướ c đây Γ 13 Л hay Γ 13) trong đó

lượ ng các bon khoảng 0,90 - 1,40%, 13%Mn, chữ Л có ngh ĩ a là chế t ạo sản phâm bằng

phươ ng pháp đúc.

c-Tiêu chuẩn Mỹ : thép ch ống mài mòn cao đượ c quy định trong tiêu chuẩn ASTM

A128-90 có các mac sau : Grade A, Grade B-1, Grade B-3, Grade B-4, Grade C, Grade D,

Grade E-1, Grade E-2 và Grade F. Muốn tìm các chỉ tiêu ph ải tra bảng.

d-Tiêu chuẩn Nhật : thép này đượ c quy định theo tiêu chuẩn JIS gồm có năm mac:

SCMnH1, SCMnH2, SCMnH3, SCMnH11 và SCMnH21. Muốn biết các chỉ tiêu ph ải tra

bảng.2-Thép ô lăn :








a-Tiêu chuẩn Việt Nam : Quy định theo tiêu chuẩn TCVN 1659-75. Ký hiệu bằng chữ

OL đứng đầu mac, tiế p đó là số ch ỉ l ượ ng các bon trung bình theo phần vạn, sau đó là ký

hiệu hóa học của nguyên tố h ợ p kim. Số đứng sau ký hiệu nguyên tố h ợ p kim chỉ l ượ ng

chứa của nó theo %.

Ví dụ : OL 100Cr1,5 - có 1,00%C, 1,5%Cr

OL100Cr1,5SiMn - có 1,00%C, 1,5%Cr, 1%Si, 1%Mn b-Tiêu chuẩn Nga : Ký hiệu bằng chữ Ш (sarico-podsipnicovaiastal) đưng đầu mac, các

chữ đó chỉ nguyên t ố h ợ p kim, số đứng sau các chữ ch ỉ l ượ ng nguyên tố đo theo %.

Ví dụ : Ш X15 - có 1%C, 1,5%Cr

ШX15CΓ - có 1%C, 1,5%Cr, 1%Si, 1%Mn

c-Tiêu chuẩn Mỹ : Quy định theo tiêu chuẩn ASTM A259-89, có các mac sau :

AISI/SAE 52 100, 51 100, 50 100, 5195, 1070M, 5120 và UNS, K19526. Các ch ỉ tiêu ph ải

tra bảng.

c-Tiêu chuẩn Nhật : Đượ c quy định theo tiêu chuẩn JIIS G4805-90, gồm có năm mac :

SUJ1, SUJ2, SUJ3, SUJ4 và SUJ5.

d-Tiêu chuẩn Đức : Đượ c quy định theo tiêu chuẩn DIN 17230-90, có các mac sau

100Cr6, 100CrMn6, 100CrMo7, 100CrMo7 3, X45Cr13, X102CrMo17, 80MoCV4216,

X80WMoCV654, X75WCrV1841. Các chỉ tiêu ph ải tra bảng.

e-Tiêu chuẩn Pháp : Đượ c quy định theo tiêu chuẩn NFA 35-565-84, có các mac sau :

100C6, 100D7, 18NCD4, Z100CD17, 80DCV40, Z85WDCV6. Các chỉ tiêu ph ải tra bảng.

f-Tiêu chuẩn Anh : dung hai tiêu chuẩn BS9 70/1-83 cho một mac và BS 4659-89 cho

hai mac : 535A99, BM2, BT1. Các chỉ tiêu tra theo b ảng.

3-Thép gió :a-Tiêu chuẩn Việt Nam : ký hiệu theo quy luật chung của thép dụng cụ h ợ p kim. Ví dụ :

75W18V - thép gió P18

90W9V2 - thép gió P9.

b-Tiêu chuẩn Nga : Thép gió đượ c ký hiệu bằng chữ P (rerusaia stal) có ngh ĩ a là thép cắt

gọt, số đứng sau P chỉ l ượ ng vonfram trung bình theo phần tr ăm. Tiế p đó là các chữ ch ỉ tên

nguyên tố h ợ p kim, số đứng sau các chữ ch ỉ l ượ ng nguyên tố h ợ p kim đo theo phần tr ăm.

Ví dụ : P18 - có 18%W

P9 - có 9%W, đây là hai mac cô điển

P9K5 - có 9%W, 5%CoP10K5 Φ5 - có 10%W, 5% Có, 5%V Các nguyên tố còn l ại phải tra bảng.

Sư t ươ ng đươ ng giữa TCVN và Nga vê các mac thép gió thông dụng

TCVN Nga

75W18V P18

90W9V2 P9

85W12V P12 Φ 5

140W9V5 P9 Φ 5

90W18V2 P18 Φ 290W18Co5V2 P18K5 Φ 2

5-Thép dễ c ắt (thép tự động) :

95W9Co5V2 P9K5 Φ 2

150W10Co5V5 P10K5 Φ 5

125W14V4 P14 Φ 4








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,

10%Co

-Nhóm hai các bít :

WCTiC30Co4 - có 66%WC, 30%TiC, 4%Co

WCTiC15Có6 - có 79%WC, 15%TiC, 6%Co








-Nhóm ba các bít :

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

chất chứa 99,9%Cu Cu2 : -nt- 99,7%Cu








Cu3 : -nt- 99,5%Cu

-Hợ p kim đông :

*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.


-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








hợ p kim chỉ có m ột chữ C thông th ườ ng đo là chì. Cón Nếu hai chữ C thì ch ữ C đâu là chì,

chữ C sau là stibi.

3-Ti tan và hợ p kim ti tan :


-Ti tan nguyên chât : Đưoc ký hiệu bằng chữ Ti và s ố ch ỉ l ượ ng chứa của nó theo %.

Ví dụ : Ti 99,10 - có 99,10%TiTi 99,0 - có 99,00%Ti

-Hợ p kim : Đượ c ký hiệu bằng tậ p hợ p chữ và s ố, đâu tiên là Ti (ti tan), tiế p sau đó là ký

hiệu các nguyên tố h ợ p kim k ẽm theo số ch ỉ l ượ ng chứa của chúng theo %.

Ví dụ : TiAl5Sn2,5 - có 5%Al, 2,5%Sn, còn l ại là ti tan

TiAl3Cr11V13 - có 3%Al, 11%Cr, 13%V, còn lại là ti tan

b-Tiêu chuẩn Nga : Vớ i ti tan và hợ p kim Nga ký hiệu không có quy luật chung để d ễ

dàng nhận biết. Muốn tìm các số liêu c ụ th ể ph ải tra bảng.

Ví dụ : BT1-0 - ti tan nguyên chât k ỹ thu ật có 99,10%TI

BT5-1 - hợ p kim ti tan có 5%Al, 2,5%Sn, còn lại là ti tan. B120VCA - hợ p kim có

3%Al, 11%Cr, 13%V, còn lại là ti tan.

4-Kem và hợ p kim k ẽm :


-Kem nguyên chât : Đượ c ký hiệu bằng Zn tiế p sau là số ch ỉ l ượ ng chứa của nó.

Ví dụ : Zn 99,99 - có 99,99%Zn

Hoăc có thể ghi : Zn1, Zn2, Zn3, Zn4, Zn5, Zn6. Trong đó :

Zn : chỉ kem kim lo ại, chỉ s ố đứng sau ký hiệu Zn biểu thị câp lo ại theo đô

sach của kem.Cụ th ể : Zn1 : kem nguyên ch ất chứa 99,995% Zn

Zn2 : Kem nguyên chất chứa 99,99%Zn

Zn3 : -nt- 99,975%Zn Zn4 : -nt- 99,95%Zn Zn5 : -nt- 99,9%Zn Zn6 : -nt-

99,7%Zn

-Hợ p kim k ẽm : Đượ c ký hiệu bằng tậ p hợ p chữ và s ố, chữ đâu tiên là kem, sau đó là ký

hiệu các nguyên tố h ợ p kim k ẽm theo số ch ỉ l ượ ng chứa của chung theo %.

Ví dụ : ZnAl 4Cu1 - có 4%Al, 1%Cu, còn l ại là kem

ZnAl27Cu2 - có 27%Al, 2%Cu, còn lại là kem. b-Tiêu chuẩn Nga :

-Kem nguyên chât : Đượ c ký hiệu bằng chữ vi ết tắt của nó theo tiếng Nga ( Ц ), sau đólà các chữ ch ỉ đô sach.

Ví dụ :

Ц B Ц - có 99,997%

Zn Ц B Ц - có 99,99%Zn

Ц O - có 99,975%Zn

Ц 1 - có 99,95%Zn.

-Hợ p kim k ẽm : Đưoc ký hiệu bằng chữ Ц (k ẽm), sau đó là các chữ ch ỉ tên nguyên t ố

hợ

p kim, cuố

i cùng là các số

cách nhau bở

i gạch ngang l

ẫn l

ươ t ch

ỉ lượ

ng chứ

a củ

a chúngtheo %.

Ví dụ : Ц AM 10-1 - có 10%Al, 1%Cu, còn l ại là kem.








Ц AM 10-5 - có 10%Al, 5%Cu, còn l ại là k ẽm.

5-Chì và hợ p kim chì :

-Chì nguyên chât :

a-Tiêu chuẩn Việt Nam : Đượ c ký hiệu bằng Pb và sau đó là các số ch ỉ l ượ ng chứa của

chì theo %.

Ví dụ : Pb 99,99 ch ữa 99,99%PbPb: 99,985 chữa 99,985%Pb

Hoăc có thể vi ết Pb1, Pb2 trong đó :

Pb chỉ kim lo ại chì, số đứng sau chỉ ký hi ệu chỉ câp lo ại theo đô sach của chì. Cụ th ể :

Pb1 : chỉ chì nguyên ch ất chứa 99,99%Pb

Pb2 : chỉ chì nguyên ch ất chứa 99,985%Pb

b-Tiêu chuẩn Nga : Đượ c ký hiệu bằng chữ C, sau đó là các số ch ỉ câp đô sach của chì.

Ví dụ có các mac : C000, C00, C0, C1, C2, C3 có đô sach tươ ng ưng tư 99,9954% Pb đến

99,90%Pb.

-Hợ p kim chì :

a-Tiêu chuẩn Việt Nam : Đượ c ký hiệu bằng tậ p hợ p chữ và s ố, chữ đâu tiên ký hiệu chì,

sau đó là ký hiệu các nguyên tố h ợ p kim k ẽm theo số ch ỉ l ượ ng chứa của chúng theo %.

Ví dụ : PbSn4Sb15 có 4%Sn, 15%Sb, còn l ại là Pb

b-Tiêu chuẩn Nga : dung tậ p hợ p chữ và s ố. Muốn biết cụ th ể ph ải tra bảng.

Ví dụ :M Ш1, M Ш 2, M Ш , MCM1

6-Hợ p kim ô tr ượ t :


-Babit thiêc : SnSb8Cu3 - có 8%Sb, 3%Cu, còn lại là thiêc.SnSb11Cu6 - có 11%Sb, 6%Cu, còn lại là thiêc.

-Babit chì : PbCuNa0,8 - có 1%Cu, 0,8%Na, còn lại là chì.

-Babit chì thiêc : PbSn-16Sb-Cu2 - có 16%Sn, 16%Pb, 2%Cu.


-Babit thiêc : Б83 - có 83%Sn, 10-12%Sb, còn lại một số nguyên t ố khac.

Б89 - có 89%Sn, 7%Sb, còn lại là các nguyên tố khac.

-Babit chì : ?16 - có 16%Sn, 16%Sb, còn lại chì.

Б C6 - có 6%Sb, 6%Sn, còn l ại chì.








PHỤ LỤC 3

CÁC HỆ THỐNG KÝ HIỆU VẬT LIỆU KIM LOẠI

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:








M thép gió môlípđen

T thép gió volfram (tungsten)

H Thép làm khuôn dậ p nóng (hot word)

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 (.)

1xx.0 Nhôm sạch thươ ng phẩm

2xx.0 Al-Cu

3xx.0 Al-Si-Cu (Mg)

4xx.0 Al-Si

5xx.0 Al-Mg7xx.0 Al-Zn

8xx.0 Al-Sn








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 –

thép nikel-crôm-môlípđen, SCM – thép crôm-môlípđen, SACM – thép nhôm-crôm-môlípđen,

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

TCVN ΓOCT GB UNS AISI/SAE JIS AFNOR DIN BS

C45 45 45 G10450 1045 S45C X45 C45 06A45

40Cr 40X 40Cr G51400 5140 SCr440 42C4 42C4 530A40

OL100Cr2 ЩX15 GCr15 G52986 42100 SUJ2 100C6 100C6 535A99

20Cr13 20X13 2X13 S42000 420 SUS420J1 Z20C13 X20Cr13 420S29

08Cr18Ni10 08X18H90 0Cr18Ni9 S30200 304 SUS304 Z7CN18.09 X15Cr- Ni18

304S31

CD100 Y10 T10 T72301 W109 SK4 Y1-90 10 -

210Cr12 X12 Cr12 T30403 D3 SKD1 Z200C12 C105W1 BD3

80Ư 18Cr4V P18 W18Cr4V T12001 T1 SKH2 Z80WCV X210C12 BT1

----------- 18-04-01 S 18-0-1

ASTM

-----------

CT34 CT2 A2 - 36 SS330 F3360 Fe360 Fe360

GX28-48 Cч30 HT300 F12803 No40 FC300 FGL300 GG30 260

GC50-2 Bч50 QT500-7 F33800 8055-06 FCD500 FGS500-7 GGG50 B500/7

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.








AFNOR ký hiệu gang xám bằng FGLxxx, gang cầu bằng FGSxxx-xx và gang dẻo

MBxxx-xx, trong đó nhóm ba con số đầu chi giớ i hạn bền kéo theo Mpa, nhóm hai con số sau

chỉ độ giãn dài (%).

DIN ký hiệu gang xám bằng GGxx, gang cấu bằng GGGxx và gang dẻo lõi đen

GTSxx-xx, gang dẻo lõi tr ắng GTWxx-xx vớ i các số bi ểu thị gi ớ i hạn bền theo kG/mm2 và độ

giãn dài (%).

Anh vớ i tiêu chuẩn BS (British Standard) ký hiệu thép và gang như sau: Thép đượ c ký

hiệu bằng hệ th ống chữ và s ố:

- Ba con số đầu chi loại thép;

- Một chữ: A, M, H ( trong đó H chi thép đảm bảo độ th ấm tôi);

- Hai con số sau cùng chi ph ần vạn cacbon.

Gang xám ký hiệu bằng xxx, gang cầu bằng xxx/xx, gang dẻo lõi đen bằng Bxx-xx,

gang dẻo lõi tr ắng bằng Wxx-xx, gang dẻo peclit bằng Pxx-xx, trong đó nhóm số th ứ nh ất chi

giớ i hạn bền kéo theo Mpa hay kG/mm2 tùy theo có ba hay hai con số, nhóm thứ hai chi độ giãn dài theo %.

Thép không gỉ đượ c ký hiệu bằng xxxSxx, trong đó xx lấy theo AISI.

PHỤ LỤC 4

THÀNH PHẦN HÓA HÓA HỌC CỦA CÁC MÁC KIM LOẠI

1 - Thành phần hóa học của các mác thép cacbon chất lượ ng thườ ng phân nhóm B

2 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa nhóm thép k ết cấu cacbon chất lượ ng tốt3 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa thép xây dựng hợ p kim thấ p

4 - Thành phần hóa học của các thép thấm cacbon

5 - Thành phần hóa học của một số thép hóa t ốt

6 - Thành phần hóa học của thép đàn hồi

7 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa thép dễ c ắt

8 - Một số lo ại thép dụng cụ chính c ủa Mỹ (Tiêu chu ẩn SAE/AISI)

9 - Thành phần hóa học của một số thép d ụng cụ h ợ p kim thấ p

10 - Thành phần hóa học của một số lo ại thép gió

11 - Thành phần hóa học của một số thép khuôn d ậ p nguội

12 - Thành phần hóa học của một số thép khuôn d ậ p nóng

13 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa một số lo ại thép không gỉ

14 - Một số mác gang thông d ụng (Theo tiêu chuẩn ASTM)

15 - Ký hiệu, công dụng của một số đồng đỏ (TCVN 1659-75)

16 - Thành phần, ký hiệu của một số latông theo TCVN và CDA

17 - Thành phần, ký hiệu của một số brông theo TCVN và CDA

18 - Ký hiệu và tr ạng thái gia công hợ p kim nhôm của Nga, Mỹ và Canada

19 - Tiêu chuẩn ký hiệu hợ p kim nhôm theo Aluminum Association20 - Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số HK nhôm theo TCVN và Aluminum

Association (AA)








Mácthép C, % Mn, %

Cơ tính sau khi th ườ ng hóa Độ c ứngsau ủ, HB

a ,kJ/mσ b,

MPaσ0.2,MPa

δ5,

%

Ψ, % HB

≥ ≤ ≥

C8 0.05-0.12 0.35-0.65 320 200 33 60 131 - -

C10 0.07-0.14 0.35-0.65 340 210 31 55 143 - -

C15 0.12-0.19 0.35-0.65 380 230 27 55 149 - -

C20 0.17-0.24 0.35-0.65 420 250 25 50 163 - - C25 0.22-0.30 0.50-0.80 460 280 23 50 170 - 900

C30 0.27-0.35 0.50-0.80 500 300 21 45 179 - 800

C35 0.32-0.40 0.50-0.80 540 320 20 45 207 - 700

C40 0.37-0.45 0.50-0.80 580 340 19 40 217 187 600

C45 0.42-0.50 0.50-0.80 610 360 16 40 229 197 500

C50 0.47-0.55 0.50-0.80 640 380 14 35 241 207 400

C55 0.52-0.60 0.50-0.80 660 390 13 - 255 217 -

C60 0.57-0.65 0.50-0.80 690 410 12 35 255 217 -

C65 0.62-0.70 0.50-0.80 710 420 10 30 255 229 -

C70 0.67-0.75 0.50-0.80 730 430 9 30 269 229 - C75 0.72-0.80 0.50-0.80 1100 900 7 30 285 241 -

C80 0.77-0.85 0.50-0.80 1100 950 6 30 285 241 -

C85 0.82-0.90 0.50-0.80 1150 1000 6 30 302 255 -

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

Mác thép C, % Mn, %

Si trong thép, % S, % P, %

Sối Nửa lặng Lặng Không quá

BCT31 ≤0.23 - - - - 0.06 0.06BCT33 0.06-0.12 0.25-0.50 0.05 0.05-0.17 0.12-0.30 0.05 0.04

BCT34 0.09-0.15 0.25-0.50 0.05 0.05-0.17 0.12-0.30 0.05 0.04

BCT38 0.14-0.22 0.30-0.65 0.07 0.05-0.17 0.12-0.30 0.05 0.04

BCT42 0.18-0.27 0.40-0.70 0.07 0.05-0.17 0.12-0.30 0.05 0.04

BCT51 0.28-0.37 0.50-0.80 - 0.05-0.17 0.15-0.35 0.05 0.04

BCT61 0.38-0.49 0.50-0.80 - 0.05-0.17 0.15-0.35 0.05 0.04

2 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa nhóm thép k ết cấu cacbon chất lượ ng tốt








3 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa thép xây dựng hợ p kim thấ p

Mác thép

Thành phần các nguyên tố, % Cơ tính

C Si Mn Cr khác

σ b,MPa

σ0.2,MPa

δ,

%

19Mn 0.16-0.22 0.2-0.4 0.7-1.1 <0.3 490 340 2209Mn2 ≤0.12 0.2-0.4 1.5-1.8 <0.3 470 340 21

14Mn2 0.12-0.18 0.2-0.4 1.2-1.7 <0.3 470 340 21

17MnSi 0.14-0.20 0.4-0.6 1.2-1.6 <0.3 520 350 23

14CrMnSi 0.11-0.16 0.4-0.7 0.9-1.3 0.5-0.8 500 350 22

15CrSiNiCu 0.12-0.18 0.4-0.7 0.4-0.7 0.6-0.9

0.5-0.8Ni

0.2-0.4Cu 350 21

35CrSi 0.30-0.37 0.6-0.9 0.8-1.2 <0.3 600 14

18Mn2Si 0.16-0.20 0.6-0.9 1.2-1.6 <0.3 600 14

4 - Thành phần hóa học của các thép thấm cacbon

Mác thép

Thành phần các nguyên tố, %

C Cr Ni Mn Khác

C10 0.07-0.14 <0.25 <0.25 0.35-0.65

C20 0.17-0.24 <0.25 <0.25 0.35-0.65

15Cr 0.12-0.18 0.70-1.00 - 0.40-0.7020Cr 0.17-0.23 0.70-1.00 - 0.50-0.80

15CrV 0.12-0.18 0.80-1.00 - 0.40-0.70 0.06-0.12V

20CrNi 0.17-0.23 0.45-0.75 1.00-1.40 0.40-0.70

12CrNi3A 0.09-0.16 0.60-0.90 2.75-3.15 0.30-0.60

12Cr2Ni4A 0.09-0.15 1.25-1.65 3.25-3.65 0.30-0.60

18Cr2Ni4MoA 0.14-0.20 1.35-1.65 4.00-4.40 0.25-0.55 0.03-0.04Mo

18CrMnTi 0.17-0.23 1.00-1.30 - 0.80-1.00 0.03-0.09Ti25CrMnTi 0.22-0.29 1.00-1.30 - 0.80-1.00 0.03-0.09Ti

30CrMnTi 0.24-0.32 1.00-1.30 - 0.80-1.00 0.03-0.09Ti

25CrMnMo 0.23-0.29 0.90-1.20 - 0.90-1.20 0.20-0.30Mo








5 - Thành phần hóa học của một số thép hóa t ốt

Mác thép


C Cr Mn Si Ni Khác

C40 0.37-0.44 <0.25 <0.8 <0.37 <0.25

C45 0.42-0.49 <0.25 <0.8 <0.37 <0.2540Cr 0.36-0.44 0.80-1.10 <0.8 <0.4 <0.3

40CrB 0.37-0.45 0.80-1.10 <0.8 <0.4 <0.3 0.002-0.005B

40CrMnB 0.37-0.45 0.80-1.10 0.7-1.0 <0.4 <0.3

30CrMnSi 0.28-0.35 0.80-1.10 0.8-1.1 0.9-1.2 <0.3

40CrNi 0.36-0.44 0.45-0.75 <0.8 <0.4 1.0-1.4

40CrNiMo 0.37-0.44 0.60-0.90 <0.8 <0.4 1.2-1.6 0.15-0.25Mo

40CrMnTiB 0.38-0.45 0.80-1.10 0.7-1.0 <0.4 <0.3 0.03-0.09Ti

0.002-0.005B38CrNi3MoV 0.33-0.42 1.20-1.50 <0.8 <0.4 3.0-3.4 0.35-0.45Mo

0.1-0.2V

6 - Thành phần hóa học của thép đàn hồi

Mác thép


C Mn Si Cr Khác

C70 0.67-0.75 0.5-0.8 0.17-0.37 <0.25

65Mn 0.62-0.70 0.9-1.2 0.17-0.37 - 60Si2 0.57-0.65 0.6-0.9 1.50-2.0 -

60SiMn 0.55-0.65 0.8-1.0 1.30-1.80 -

50CrV 0.46-0.54 0.5-0.8 0.17-0.37 0.8-1.1 0.1-0.2V

60Si2CrA 0.56-0.64 0.5-0.8 1.40-1.80 0.7-1.0

60Si2Ni2A 0.56-0.64 0.5-0.8 1.40-1.80 - 1.4-1.7Ni

7 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa thép dễ c ắt

Mác thépThành phần hóa học, % Cơ tí nh

C Mn S P σ b, MPa δ, % Ψ,%

HB

12S 0.08-0.16

0.60-0.90 0.08-0.20 0.08-0.15 420-570 22 36 160

20S 0.15-0.25

0.60-0.90 0.08-0.12 ≤0.06 460-510 20 30 168

30S 0.25-0.35

0.70-1.00 0.08-0.12 ≤0.06 520-670 15 25 185

40MnS 0.35-0.45

1.20-1.55 0.18-0.30 ≤0.05 600-750 14 20 207








8 - Một số lo ại thép dụng cụ chính c ủa Mỹ (Tiêu chu ẩn SAE/AISI)

Loại thé p,

ký hiệu Thành ph ần các nguyên tố Công d ụng

C Mn Cr V W Mo Co Khác

W – thép tôi nướ c - D ụng cụ gia công

gỗ, dụng cụ c ầmtay, dụng cụ ch ịu vàđậ p ở nhi ệt độ th ườ ng,…

-W1 0.6-1.4 - - - - - - -

-W2 0.6-1.4 - - 0.25 - - - -

S- Thép chịu và đập

-S1 0.5 - 1.5 2.5 - - - - D ụng cụ th ủy lực,

kéo, khuôn dấu,…-S2 0.55 0.8 - - - - 0.4 2Si

Thép làm việc ở nhiệt độ thấ p (O, A, D):

O – Thép tôi dầu -O1 0.9 1.0 0.5 - - - - - D ụng cụ c ắt, khuôn

dậ p nguội-O2 0.9 1.6 - - - - - -

A- Thép tôi trong không khí

-A2 1.0 - 5.0 - - 1.0 - - L ỗ kéo s ợ i, tr ục cán

nhỏ -A4 1.0 2.0 1.0 - - 1.0 - -

D – Thép cacbon và crôm

-D2 1.5 - 12.0 - 1.0 1.0 - - Tr ục cán, khuôn dậ p

-D3 2.25 - 12.0 - - 1.0 - - nguội, calip,…H – Thép làm việc ở nhiệt độ cao

-H10 0.40 - 3.25 0.4 - 2.5 - - Khuôn ép kim lo ại

(Al, Mg). khuôn đúc, khuôn

rèn- dậ p,…

-H21 0.35 - 3.5 - 0.9 - - -

-H42 0.60 - 4.0 2.0 - 8.0 - -

T- Thép gió họ volf ram

-T1 0.75 - 4.0 1.0 18.0 - - - Dao ti ện, phay, bào,

mũi khoan,…-T6 0.80 - 4.5 1.5 20.0 - 12 -

M- Thép gió họ W và Mo

-M1 0.80 - 4.1 1.0 1.5 8.0 - - D ụng cụ c ắt nhanh,

có tính chống màimòn r ất cao

-M2 0.90 - 4.0 2.0 6.0 5.0 - -

-M30 0.80 - 2.0 1.25 2.0 0.8 5.0 -

P – Thép làm khuôn ép Polyme

-P1 0.17 - 2.0 - - 0.2 - 0.5Ni D ụng cụ ép đùn

nhựa,…

-P2 0.10 - 2.6 - - - - 1.25Ni








9 - Thành phần hóa học của một số thép d ụng cụ h ợ p kim thấ p

Mác thép Thành phần các nguyên tố, %

C Cr Mn Si W

130Cr05 1.25-1.40 0.40-0.60 - <0.35 -

100Cr2 0.95-1.10 1.30-1.60 - <0.35 -90CrSi 0.85-0.95 0.95-1.25 - 1.20-1.60 -

90Mn2 0.85-0.95 - 1.5-1.7 - -

140CrW5 1.25-1.50 0.40-0.70 - <0.30 4.5-5.5

10 - Thành phần hóa học của một số lo ại thép gió


C Cr W V Mo Co

Nhóm thép gió có nang suất cắt bình thườ ng

80W18Cr4VMo 0.70-0.80 3.8-4.4 17.0-18.5 1.4-1.4 ≤1 -

90W9Cr4V2Mo 0.85-0.95 3.8-4.4 8.5-10.0 2.0-2.6 ≤1 -

85W12Cr3V2Mo 0.80-0.90 3.1-3.6 12.0-13.0 1.5-1.9 ≤1 -

85W6Mo5Cr4V2 0.80-0.88 3.8-4.4 5.5-6.5 1.7-2.1 5.0-5.5 -

145Ư 9V5Cr4Mo 1.40-1.50 3.8-4.4 9.0-10.5 4.3-5.1 ≤1 -

Nhóm thép gió có nang suất cao

90W18Cr4V2Mo 0.85-0.95 3.8-4.4 17.5-19.0 1.8-2.4 ≤1 -95W9Co5Cr4V2Mo 0.90-1.00 3.8-4.4 9.0-10.5 2.0-2.6 ≤1 5.0-6.0

95W9Co10Cr4V2Mo 0.90-1.00 3.8-4.4 9.0-10.5 2.0-2.6 ≤1 9.5-10.5

150W10Co5V5Cr4Mo 1.45-1.55 4.0-4.6 10.0-11.5 4.3-5.1 ≤1 5.0-6.0

160W12Co5V4Cr4Mo 1.55-1.65 4.0-4.6 12.0-13.5 4.3-5.1 ≤1 5.0-6.0

90W18Co5Cr4V2Mo 0.85-0.95 3.8-4.4 17.5-19.0 1.8-2.4 ≤1 5.0-6.0

130W14V4Cr4Mo 1.20-1.30 4.0-4.6 13.0-14.5 3.4-4.1 ≤1 -

90W6Mo5Co5Cr4V2 0.85-0.95 3.8-4.4 5.5-6.5 1.7-2.1 5.0-5.5 5.0-6.0

11 - Thành phần hóa học của một số thép khuôn d ậ p nguội

Mác thép Thành phần các nguyên tố, %C Cr W Mn Si Khác

100CrWMn 0.90-1.05 0.9-1.2 1.2-1.6 0.8-1.1 ≤0.4 -100CrWSiMn 0.90-1.05 0.6-1.1 0.5-0.8 0.6-0.9 0.65-1.0 0.05-0.15V210Cr12 2.00-2.20 11.5-13.0 - ≤0.35 ≤0.4 -160Cr12Mo 1.45-1.65 11.0-12.5 - ≤0.35 ≤0.4 0.4-0.6Mo130Cr12V 1.25-1.45 11.0-12.5 - ≤0.35 ≤0.4 0.7-0.9V110Cr6WV 1.05-1.15 5.5-6.5 1.1-1.5 ≤0.45 ≤0.35 0.5-0.8V40CrSi 0.34-0.45 1.3-1.6 - ≤0.40 1.2-1.6 -40CrW2Si 0.35-0.44 1.0-1.3 2.0-2.5 ≤0.40 0.6-0.9 -








12 - Thành phần hóa học của một số thép khuôn d ậ p nóng


C Mn Cr W (Mo) Ni (Si) V

50CrNiMo 0.50-0.60 0.50-0.80 0.5-0.8 (0.15-0.3) 1.4-1.8 -

50CrNiW 0.50-0.60 0.50-0.80 0.5-0.8 0.4-0.7 1.4-1.8 -50CrMnMo 0.50-0.60 1.20-1.60 0.6-0.9 (0.15-0.3) - -

30Cr2W8V 0.30-0.40 0.15-0.40 2.2-2.7 7.5-8.5 - 0.2-0.5

40Cr2W5MoV 0.35-0.45 0.15-0.40 2.2-3.0 4.5-5.5 - 0.6-0.9

40Cr5W2VSi 0.35-0.45 0.15-0.40 4.5-5.5 1.6-2.2 (0.8-1.2) 0.6-0.9

13 - Thành phần hóa học và cơ tính c ủa một số lo ại thép không gỉ

Số hi ệu thép

(SAE/AISI)

Thành phần các nguyên tố Tr ạng

thái

Cơ tính,

MPa

δ,

%C Cr Ni Khác σ0.2 σ b

Loại Mactenxit

410 <0.15 12.5 - - Tôi và

ram ở

400oC

700 1000 20

420 >0.15 13.0 - - 1375 1760 10

440B 0.75-0.95 17.0 - - 1900 1950 3

Loại Ferit

405 <0.08 13.0 - 0.2Al ủ 275 450 25430 <0.12 17.0 - - 345 650 25

446 <0.20 25.0 - <0.25N 350 560 20

Loại Austenit

301 <0.15 17.0 7.0 - ủ 275 750 50

304 <0.08 19.0 9.0 - 250 580 55

316 <0.08 17.0 12.0 2.5Mo 290 580 50

316-L <0.03 17.0 12.0 2.5Mo 260 550 50

347 <0.08 18.0 11.0 Nb hoặc

Ta ≥10%C

275 655 45

Loại hóa cứng tiết pha

361(17-7PH) 0.09 17.0 7.0 1.2Al Hóa già 1150 1650 6










Gang dẻo

0-40-18 A 536-84 60 414 40 276 18

5-45-12 A 536-84 65 448 45 310 12

0-55-06 A 536-84 80 552 55 379 6.0

10-70-03 A 536-84 100 689 70 483 3.010-90-02 A 536-84 120 827 90 621 2.0

Ghi chú: Sau các ký hiệu mác gang có thể có các ch ữ cái A, B, C, S ph ụ thu ộc vào đườ ng kínhmẫu

thử, ở đây, B ứng vớ i mẫu có đườ ng kính là 30.5 mm.

15 - Ký hiệu, công dụng của một số đồng đỏ (TCVN 1659-75)

STT Mác

Hàm lượ ng % Ứ ng dụng

Cu Bi Pb O P T ổng1 Cu99.99 99.99 0.0005 0.001 - 0.001 0.01 Làm dây d ẫn điện

2 Cu99.97 99.97 0.001 0.004

- 0.002 0.03

Làm dây dẫn hoặc chế tạo

hợ p kim chất lượ ng cao

3 Cu99.95 99.95 0.001 0.004 0.02 0.002 0.5 Nh ư Cu99.97

4 Cu99.90 99.90 0.001 0.005

0.05 - 0.1

Làm dây dẫn điện chế tạo

brông không Sn5 Cu99.90 99.90 0.001 0.005 0.01 0.04 0.1 Nh ư Cu99.90

16 - Thành phần, ký hiệu của một số latông theo TCVN và CDA

Ten

Ký hiệu

Thành phần, %TCVN CDA

Latông LCuZn30 260 30Zn

Latông LCuZn40 280 40Zn

Latông hải quân LCuZn29Sn1 464 29Zn-1Sn

Latông LCuZn38Al1Fe - 38Zn1AlFe

Latông LCuZn29Sn1Pb3 - 29Zn1Sn3Pb

Mayso LCuZn27Ni18 770 27Zn18Ni








17 - Thành phần, ký hiệu của một số brông theo TCVN và CDA

STT

Ký hiệu

Thành phần, %TCVN CDA

1 BCuSn5P0.15 - 5Sn-0.1P

2 BCuSn5Zn5Pb5 836 5Sn-5Zn-5Pb3 BCuAl5 - 5Al

4 BCuAl9Fe4 952 9Al-4Fe

5 BCuPb30 - 30Pb

6 BcuBe2 172 1.9Be-0.2Co

18 - Ký hiệu và tr ạng thái gia công hợ p kim nhôm của Nga, Mỹ và Canada

Nga Mỹ, Canada

Kýhiệu

Ý ngh ĩ a Kýhiệu

Ý ngh ĩ a

H ợ p kim nhôm biến d ạng H ợ p kim nhôm biến d ạng và đúc

M Ủ m ềm F Tr ạng thái phôi thô

T Tôi và hóa già tự nhien O Ủ và k ết tinh lại

T1 Tôi và hóa già nhân tạo H Tr ạng thái biến dạng

H Biến cứng

Biến cứng không hoàn toàn

H11 Biến dạng vớ i mức biến cứng nhỏ

H1 Biến cứng mạnh H12 Biến dạng vớ i mức ¼ biến cứng

TH Tôi, hóa già tự nhien, bi ến cứng H14 Biến dạng vớ i mức ½ biến cứngT1H Tôi, biến cứng, hóa già nhân tạo H16 Biến dạng vớ i mức ¾ biến cứng

T1H1 Tôi, biến cứng 20%, hóa già nhân H18 Biến dạng vớ i mức 4/4 biến cứng

tạo

H ợ p kim nhôm đúc H19 Bi ến dạng vớ i mức biến cứng r ất lớ n

T1 Hóa già nhân tạo sau đúc H2X Biến dạng tiế p theo ủ h ồi phục(X=2..9)

T2 Ủ H3X Bi ến dạng tiế p theo ổn định hóa(X=2..9)

T4 Tôi T1 Tôi sau biến dạng nóng, hóa già tự nhien

T5 Tôi, hóa già một phần T3 Tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhien

T6 Tôi, hóa già hóa bền cực đại T4 Giống T3 nhưng không có biến dạngnguội

T7 Tôi, hóa già ổn định T5 Giống T1 nhưng hóa già nhân tạo

T8 Tôi, hóa già biến mềm (qua hóagià)

T6 Giống T4 nhưng hóa già nhân tạo

T7 Giống T6 nhưng hóa già

T8 Tôi sau biến dạng nóng, hóa già nhân tạoT9 Tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội







19 - Tiêu chuẩn ký hiệu hợ p kim nhôm theo Aluminum Association

Hợ p kim nhôm biến dạng Hợ p kim nhôm đúc

Hệ th ống hợ p kim Loại ký hiệu Hệ th ống hợ p kim Loại ký hiệu

Al≥99% 1000 Al s ạch công nghiệ p 100.0

Al-Cu và Al-Mg-Cu 2000 Al-Cu 200.0 Al-Mn 3000 Al-Si-Mg và Al-Si-Cu 300.0

Al-Si 4000 Al-Si 400.0

Al-Mg 5000 Al-Mg 500.0

Al-Mg-Si 6000 Al-Zn 700.0

Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu 7000 Al-Sn 800.0

Al-Các nguyên tố khác 8000

20 - Bảng quy đổi thành phần, ký hiệu một số HK nhôm theo TCVN và Aluminum

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHONWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Documents

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật