1

COMPOSITES

Vật liệu chế tạo theo truyền thống được chia thành 6 nhóm chínhVật liệu chế tạo theo truyền thống được chia thành 6 nhóm chính

CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠOCHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO

KIM LOẠI

GỐM KỸ THUẬT

CAO SU POLYMERS

NHỰA THỦY TINH

2

Sơ đồ chọn Sơ đồ chọn vật liệuvật liệu

Đường màu đỏ nối các vật liệu có cùng đặc điểm đối với tiêu chí kỹ thuật cần thiết

3

A ExcellentB GoodC PoorD Bad

SALT WATER

ORGANIC SOLVENTS

STRONG ACIDS

STRONG ALKALIS

AERATED WATER

U - V RADIATION

A B C D D C B A

Lựa chọn vật liệu Lựa chọn vật liệu kháng ăn mònkháng ăn mòn

4

QUI TRÌNH LỰA CHỌN VẬT LIỆUQUI TRÌNH LỰA CHỌN VẬT LIỆUqui trình lựa chọn vật liệu bắt đầu từ việc phân tích các đặc trưng của tải qui trình lựa chọn vật liệu bắt đầu từ việc phân tích các đặc trưng của tải

và các tác động của môi trường khai thác.và các tác động của môi trường khai thác.

Nhiệt độ, ứng suất và Nhiệt độ, ứng suất và các tác động bề mặt các tác động bề mặt

NHIỆT ĐỘNHIỆT ĐỘ ỨNG SUẤTỨNG SUẤT STÁC ĐỘNG BỀ MẶTSTÁC ĐỘNG BỀ MẶT

5

sự tương quan giữa các nhóm thép đặc hiệu với các đặc trưng tải trong kiến trúc bằng thép

QUI TRÌNH LỰA CHỌN VẬT LIỆUQUI TRÌNH LỰA CHỌN VẬT LIỆU

Nhiệt độNhiệt độ Ứng suấtỨng suất Tác động bề mặtTác động bề mặt

6

THÉP HỢP KIM CAOTHÉP HỢP KIM CAO

% C% CGang 2,0 - 4,5 % CGang 2,0 - 4,5 % CThép Thép 0,05 - 2,0 % C 0,05 - 2,0 % C

tổng hàm lượng tổng hàm lượng các nguyên tố các nguyên tố

trừ carbon được trừ carbon được thêm vàothêm vào

< 5 < 5 % thép hợp kim thấp% thép hợp kim thấp

> 5 > 5 % thép hợp kim cao% thép hợp kim cao

7

Hệ IHệ IRONRON – – „M“ „M“

2626FeFe

T

1538 °C

b.c.c. - iron

1394 °C

Tm

910 °C

nhiệt độ bình thường

f.c.c. - iron

b.c.c. - iron

biến đổi thù hìnhbiến đổi thù hình

tính đa hình của hợp kim tính đa hình của hợp kim chứa sắtchứa sắt

- ferrite- ferrite

austeniteaustenite

ferriteferrite

8

Các nguyên tố Các nguyên tố ổn định pha austeniteổn định pha austenite

a) a) NiNi,, Mn Mn, Co - mở rộng toàn bộ khu vực , Co - mở rộng toàn bộ khu vực

b)b) CC, N, B - mở rộng một phần khu vực , N, B - mở rộng một phần khu vực

Các nguyên tố Các nguyên tố ổn định pha ferriteổn định pha ferrite

c)c) CrCr, , SiSi, Be, Al, P, Ti, V, Mo, W - thu hẹp toàn bộ khu vực , Be, Al, P, Ti, V, Mo, W - thu hẹp toàn bộ khu vực dd)) Ta, Zr, Nb - thu hẹp một phần khu vực Ta, Zr, Nb - thu hẹp một phần khu vực

T

% X

a)

Fe

T

% X

c)

Fe

T

% X

b)

Fe

VAI TRÒ CÁC NGUYÊN TỐ HỢP KIM THÉPVAI TRÒ CÁC NGUYÊN TỐ HỢP KIM THÉP

9

Các nguyên tố tạo thành carbides (tăng biến cứng)Các nguyên tố tạo thành carbides (tăng biến cứng)

Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb, TaCr, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb, Ta

Các nguyên tố không tạo carbides (làm mịn hạt)Các nguyên tố không tạo carbides (làm mịn hạt)

Ni, Si, Co, Al, NNi, Si, Co, Al, N

Các nguyên tố hợp kim hóa có tác động mạnh Các nguyên tố hợp kim hóa có tác động mạnh đến đặc điểm của thép bao gồm tác động đơn đến đặc điểm của thép bao gồm tác động đơn

lẻ và tác động kết hợp.lẻ và tác động kết hợp.

10

Hệ Fe – MnHệ Fe – Mn

Khi chịu biến dạng nguội thì các austenite (vốn không ổn định sẽ chuyển thành martensite (hiện tượng nhạy cảm với chuyển biến martensite - hiện tượng nhạy cảm với chuyển biến martensite - induced martensitic transformationinduced martensitic transformation). Do đó thép Mn rất phù hợp với các cấu kiện chịu tải va đập hoặc mài mòn do cọ sát với các tác nhân cứng (abrasive wear).

Thép Manganese có thể tôi cứng khi hàm lượng Carbon khoảng 1,2%C và 12% - 13% Mn. Nhiệt độ nung từ 950 - 1000°C sau đó làm nguội nhanh trong nước.Thép sẽ có cấu trúc austenitic và có độ dai CVN cao.

11

Hệ Fe – NiHệ Fe – Ni

Ổn định pha austenitic ở

nhiệt độ thường

12

Ảnh hưởng của Ni đến độ dai CVN của thép hợp kim thấpẢnh hưởng của Ni đến độ dai CVN của thép hợp kim thấp

Đối với thép hợp kim thấp thì nickel là nguyên tố thường được dùng để tăng cường độ dai CVN (chống hóa dòn ở nhiệt độ thấp).Thép chứa 3,5 %, 5% và 9% Ni thích hợp với các ứng dụng có yêu cầu độ dai cao khi chịu tác động của nhiệt độ thấp.

13

Propan

Carbon dioxideAcetylyeneEthane

Oxygen

Ethylen

Methane

Nitrogen

Hydrogen

Helium

- 42

- 78- 83- 88

- 103

- 182

- 161

- 196

- 253

- 267

Nhiệt độ sôi

- 50

- 60

- 80

- 100

- 120

- 196

- 253

yield strengthMPa

FG-Steels (tough) 290 - 460

FG-Steels (tough) with Ti 600 - 420

TT-Steels (quenched and tempered) 240 - 290

3,5 % Ni steel 10 Ni 14 16 Ni 14 35012 Ni 14 360

5 % Ni steel 12 Ni 19 450

9 % Ni steel X 8 Ni 9 500Mn Cr austenite X 40 Mn Cr 22 320

X 40 Mn Cr 18X 12 Mn Cr 18 11 300

X 12 Cr Ni 18 9 220 Cr Ni austenite X 10 Cr Ni Ti 18 10

X 10 Cr Ni Nb 18 10 250

°C

Lựa chọn thép theo nhiệt độ môi Lựa chọn thép theo nhiệt độ môi trường khai tháctrường khai thác

14

Hệ Fe – CrHệ Fe – Cr

% Cr > 12% - thép có cấu trúc ferritic ở mọi nhiệt độ

% Cr > 20% - – phase do tạo thành hợp chất FeCr, cứng và dòn, độ dai thấp.

15

Ảnh hưởng của Cr và hàm lượng C Ảnh hưởng của Cr và hàm lượng C đến vùng ổn định austenitic của thépđến vùng ổn định austenitic của thép

Về phạm vi nhiệt độ của vùng austenite carbon và chromium tác động đối lập nhau

16

Hệ Fe – SiHệ Fe – Si

% Si > 3% - pha austenite không hình thành

17Về phương diện nhiệt độ tác động ổn định austenite của

carbon và silicon đối lập nhau

Ảnh hưởng của Si và hàm lượng C Ảnh hưởng của Si và hàm lượng C đối với vùng ổn định pha austenitic của thépđối với vùng ổn định pha austenitic của thép

18

HIGH-ALLOY THÉP KHÔNG GỈHIGH-ALLOY THÉP KHÔNG GỈ

Thép không gỉ bao gồm năm nhóm sau :

nhóm cấu trúc martensiticnhóm cấu trúc martensitic nhóm cấu trúc ferritic nhóm cấu trúc ferritic nhóm cấu trúc austeniticnhóm cấu trúc austenitic lưởng tính - duplex (ferritic-austenitic) lưởng tính - duplex (ferritic-austenitic)

biến cứng do kết lắng precipitation-hardened biến cứng do kết lắng precipitation-hardened

• Thép hợp kim Fe - CrThép hợp kim Fe - Cr chứa từ chứa từ 10.510.5 - - 30% Cr30% Cr• đặc điểm không gỉ sét đặc điểm không gỉ sét (có được khi Cr cao hơn 12%) - - do hình do hình thành lớp oxyt thành lớp oxyt chromium sít chặt ngăn chặng phát triển lớp oxide chromium sít chặt ngăn chặng phát triển lớp oxide • có chứa các nguyên tố khác tăng cường các chỉ tiêu kháccó chứa các nguyên tố khác tăng cường các chỉ tiêu khác Ni, Ni, Mo, Cu, Ti, Al, Si, Nb, NMo, Cu, Ti, Al, Si, Nb, N • hàm lượng hàm lượng 0.03% 0.03% -- 1.0% 1.0%

19

CC SiSi MnMn CrCr MoMo NiNi CuCu NbNb TiTi AlAl VV NN SS

Ferritic Ferritic steelssteels

<<

0,10,1maxmax

1,01,0maxmax

1,01,01515

1818

up up toto

2,02,0

<<

11,,00++ ++ ++

Martensitic Martensitic steelssteels

00,1,1

1,21,2maxmax

1,01,0maxmax

1,51,51212

1818

up up toto

1,21,2

<<

2,52,5++ ++

Austenitic Austenitic steelssteels

<<

0,10,1maxmax

1,01,0maxmax

2,02,01717

2626

up up toto

5,05,0

77

2626

up up toto

2,22,2++ ++ ++ ++

Austenitic - Austenitic - ferritic steelsferritic steels

<<

0,10,1maxmax

1,01,0maxmax

2,02,02424

2828

up up toto

2,02,0

44

7,57,5++

Tỷ lệ hợp kim điển hìnhTỷ lệ hợp kim điển hình thép hợp kim cao thép hợp kim cao

+ các nguyên tố sẽ được thêm với tỉ lệ xác định cho từng loại nhằm đạt các chỉ tiêu ứng dụng (FFP) khác nhau

20

martensitic stainless steelsmartensitic stainless steels

• 10,5 - 18% Cr và 0,1 - 1,2% C• ferromagnetic (nhiểm từ) • có khả năng biến cứng khi nhiệt luyện • kháng ăn mòn trong môi trường có tác nhân ăn mòn

trung bình

• tôi cứng và ram có thể đạt độ bền từ 550 đến 1850 MPa.

• có khả năng biến cứng cao (high hardenability) - có thể tôi cứng trong không khí ngay cả khi tiết diện (kích thước) lớn.

• tránh ram (tempering) thép không gỉ martensitic hàm lượng carbon thấp nhiệt độ khoảng 440 đến 540°C do giảm khả năng kháng va do vết khấc (xước) sắc cạnh.

• dòn ram (tempering embrittlement) có thể loại trừ nhờ bổ sung Nb(0,15%), do tác động đến quá trình tạo nhân (nucleation) của Cr23C6.

• Nitrogen (0,3%N) và nickel (1,5%Ni) có thể được thêm vào thép 12% Cr carbon thấp nhằm tăng độ cứng cơ tính tôi (as-quenched)

21

ferritic stainless steelsferritic stainless steels

• 12 - 27% Cr • cấu trúc b.c.c. , nhiểm từ • %C thấp đến mức có hiệu quả kinh tế nhằm tăng cường

độ dai và giảm độ nhạy hình thành các carbide (CrFe)7C3 hoặc (CrFe)23C6

• độ nhạy cảm (hình thành carbide) xuất hiện sau khi thép bị nung quá 900°C

• loại bỏ độ nhạy cảm bằng các ủ (annealing) ở phạm vi nhiệt độ 650 - 850°C

• không phải là thép độ bền cao, giới hạn chảy (sau khi ủ) nằm trong khoảng 275 - 415 Mpa

• kháng ăn mòn và kháng oxit hó ở nhiệt độ cao• kháng nứt do ăn mòn ứng suất (stress-corrosion cracking)• thường có giá thành rẽ hơn thép không gỉ austenitic• cấu trúc b.c.c. - khiến cho thép có chuyển hóa dạng phá hũy từ dẻo sang

dòn • dễ bị tổn thương do hóa dòn bởi sự hình thành phase

22

austenitic stainless steelsaustenitic stainless steels

• 16 - 26%Cr, với hàm lượng thỏa đáng Ni, Mn hoặc N để ổn định pha austenitic ở nhiệt độ thường

• còn được gọi là thép không gỉ Cr - Ni khi chứa 8 - 22%Ni • gọi là thép không gỉ Cr - Mn austenitic khi chứa 6-15%Mn • cấu trúc FCC. không nhiểm từ

• Ở nhiệt độ từ 450 đến 850°C, carbide Cr kết lắng ra ngoài biên giới hạt có cấu trúc austenitic (gây ăn mòn tinh giới - do sự tăng nhanh tác động ăn mòn ở vùng tinh giới (biên giới hạt).

• Quá trình này có thể loại trừ bằng cách:

- giảm hàm lượng C xuống dưới 0,03%,

- thêm Ti hoặc Nb vào thép theo qui tắc :

%Nb = 10 x %C,

Ti = 5 x %C

23

duplex (ferritic-austenitic) stainless steelsduplex (ferritic-austenitic) stainless steels

• Cấu trúc có 30 - 50% ferrite, còn lại là austenite

• thép duplex điển hình là 1.4462 - X 2 CrNiMo 22 5 3

• thép duplex thường được xử lý nhiệt bằng cách nung đến nhiệt độ tạo dung dịch rắn 1050°C , duy trì trong vòng 30 phút sau đó làm nguội nhanh trong nước.

• Thép Duplex có giới hạn chảy cao hơn rất nhiều so với thép austenitic tiêu chuẩn (có thể tăng gấp đôi).

• độ kháng ăn mòn tương tự thép không gỉ austenitic

• có xu thế hóa dòn (dòn ram) khi hình thành pha ở nhiệt độ 550 đến 900°C

• ferrite-base duplex alloy ~ 26%Cr, 4%Ni, 1,5%Mo• austenite-base duplex alloy ~ 21%Cr, 7,5%Ni, 2,5%Mo

24

thép không gỉ tăng cứng do kết lắng thép không gỉ tăng cứng do kết lắng (precipitation-hardened) (precipitation-hardened)

loại Austeniticloại Austenitic : : Chứa tối thiểu 10%Ni hoặc Ni + Mn. Các nguyên tố tăng bền có thể là Mo, Cu, Nb, hoặc Ti.Hợp kim được xử lý tạo dung dịch rắn bằng cách tôi ở nhiệt độ ~1200°C, và sau đó hóa già (kết lắng tạo dung dịch rắn) ở 700 - 800°C nhằm tăng độ bền đến 700 MPa.

loại Martensitic:loại Martensitic: 12,5 - 18% Cr, 4 - 7% Ni%C thấp hơn 0,05%

Hợp kim được xử lý tạo dung dịch rắn bằng cách tôi và sau đó hóa già ở nhiệt độ phạm vi 400 đến 500°C.Các nguyên tố được thêm vào thép nhằm tạo nên hợp chất kim loại (intermetallic) kết lắng bao gồm Cu, Mo, Al, Ti, Nb và N.

25

Nhiệt độ chuyển biến khi nóng chảy Nhiệt độ chuyển biến khi nóng chảy (Liquidus) hệ Fe - Cr - Ni(Liquidus) hệ Fe - Cr - Ni

đông rắn cấu trúc ferritic (b.c.c.) ưu tiên

đường eutectic đông rắn cấu trúc austenitic

(f.c.c.) ưu tiên

26

Nhiệt độ chuyển biến khi đông đặc (Solidus) Nhiệt độ chuyển biến khi đông đặc (Solidus) hệ Fe - Cr - Nihệ Fe - Cr - Ni

hợp kim 72 % Fehợp kim 72 % Fe

27

Hệ Hệ Fe – Cr – Ni Fe – Cr – Ni

72% Fe72% Fe

Cấu trúc ưu tiên chuyển hóa khi đông rắn sẽ tác động đến xu thế nứt nóng (hot cracking). Thép kháng ăn mòn hóa học (Chemically resistant austenitic) và đặc biệt đối với kim loại mối hàn cần đông rắn ưu tiên ferritic nhằm ngăn ngừa nứt nóng.

28

GIẢN ĐỒ SCHAEFFLERGIẢN ĐỒ SCHAEFFLER

CrCrequivalentequivalent = %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb = %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb [[%%]]

NiNiequivalentequivalent = %Ni + 30x%C + 0,5x%Mn = %Ni + 30x%C + 0,5x%Mn [[%%]]

Các nguyên tố tăng cường ổn định pha austeniteCác nguyên tố tăng cường ổn định pha austenite

Các nguyên tố tăng cường ổn định pha ferriteCác nguyên tố tăng cường ổn định pha ferrite

NiNieqveqv

CrCreqveqv

CẤU TRÚCCẤU TRÚC

290 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Cr equivalent = %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb [%]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Ni

equ

ival

ent =

%N

i +

30x

%C

+ 0

,5x%

Mn

[

%]

0% F 5% F

10% F

20% F

40% F

80% F

100% F

GIẢN ĐỒ SCHAEFFLERGIẢN ĐỒ SCHAEFFLER

AA

M + FM + F FF

M + AM + A

FF+M+M

MM

A + M + FA + M + F

A + FA + F

HCLHCL

30

SCHAEFFLER DIAGRAMSCHAEFFLER DIAGRAM

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Cr equivalent = %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb [%]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Ni

equ

ival

ent =

%N

i +

30x

%C

+ 0

,5x%

Mn

[

%]

0% F 5% F

10% F

20% F

40% F

80% F

100% F

AA

M + FM + F FF

M + AM + A

FF+M+M

MM

A + M + FA + M + F

A + FA + F

Martensitic Cr steels

1.4021 1.4016 Ferritic Cr steels

1.4462

Duplex steels

1.4436

1.4401

1.4583

Chemically resistant austenitic steels

Creep resistant austenitic steels

1.4510 1.4742 1.4763

1.4580

1.45501.4301

1.4300

1.4981

1.4988

1.4961

1.4922

1.7380 1.7362 1.7386

31

GIẢN ĐỒ De LONGGIẢN ĐỒ De LONG

Cấu trúc ferrite chỉ có thể được nhận biết nhờ sự phân tán trên vùng đủ lớn, do đó giản đồ DeLong đưa ra qui trình xác định dựa trên cách so sánh với mẫu chuẩn định. Cách này không nhất thiết phải biết chính xác hàm lượng ferrite thực tế (ferrite number - FN).Dựa trên các giá trị đo, hàm lượng ferrite sẽ không còn định lượng theo %

, mà thép sẽ được phân nhóm theo ferrite numbersferrite numbers. Cùng với ferrite numbers, DeLong đề nghị tham chiếu trên giản đồ Schaeffler nơi mà ferrite number có thể được xác định bởi thành phần hóa học. Hơn nữa , DeLong cũng cân nhắc đến ảnh hưởng của nitrogen như là một tác nhân mạnh giúp ổn định pha austenite (các ảnh hưởng được qui đổi về tác động tương đương của carbon). Sau cùng, nitrogen thường chứa trong chỉ số nickel-equivalent của giản đồ Schaeffler.

32

Ni e

qu

iva

len

t = %

Ni +

30x

%C

+ 3

0x%

N +

0,5

x%M

n

[%]

GIẢN ĐỒ De LONGGIẢN ĐỒ De LONG

Cr equivalent = %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb [%]

10

12

14

16

18

20

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

AusteniteAustenite

Schaeffler A + M line

Schaeffler A + M lineAustenite + FerriteAustenite + Ferrite

hàm

lượng

ferri

te kh

i đo

theo

vol %

0%2%

4%6%

7,5%

9,2%

10,7

%

12,3

%

13,8

%

ferri

tic N

o

02

46

810

1214

1618

Lượng -ferrite trong thép không gỉ austenitic sau khi tôi ở 1150 °C

33

SCHALEFFLER DIAGRAMSCHALEFFLER DIAGRAM

0 2 4 6 8 10 12

14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Cr equivalent = %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb [%]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Ni

equ

ival

ent =

%N

i +

30x

%C

+ 0

,5x%

Mn

[%]

0% F 5% F 10% F

20% F

40% F

80% F

100% F

AA

M + FM + F FF

M + AM + A

FF+M+M

MM

A + M + FA + M + F

A + FA + F

HCLHCL

xu thế nhạy nứt khi biến cứng (preheating ở 400°C)

xu thế nhạy nứt nóng ở trên 1250°C

dòn ram do hình thành pha sigma ở 500-900°C

tăng trưởng hạt ở nhiệt độ trên1150°C