Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Hàn - Trung cấp) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng (Chương trình năm 2021)

Chia sẻ: Lạc Vũ Chi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Hàn - Trung cấp) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp học viên lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật liệu khác nhau; lựa chọn và sử dụng được các thiết bị đo cơ tính vật liệu; chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Hàn - Trung cấp) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng (Chương trình năm 2021)

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN/MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGÀNH/NGHỀ: HÀN TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo quyết định số: …. /QĐ … ngày … tháng … năm … của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề Xây dựng) Quảng Ninh, năm 2021
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nội bộ nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta nói chung và của Trường Cao đẳng nghề Xây dựng nói riêng. Công tác đào tạo nguồn nhân lực cho xã hội có vai trò hết sức quan trọng, là yếu tố cơ bản để phát triển xã hội, tăng trưởng nhanh và bền vững. Quán triệt chủ trương nghị quyết của Tỉnh, Đảng bộ Trường Cao đẳng nghề Xây dựng về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực cho công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình, giáo trình đối với việc nâng cao chất lượng đào tạo: Môn học vật liệu cơ khí là một môn học có rất nhiều thông tin về lý thuyết , và mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn Giáo trình này là tài liệu giảng dạy và học tập cho giáo viên và học sinh ngành cơ khí của Trường Cao đẳng nghề Xây dựng Giáo trình được biên soạn theo đề cương môn học. Nội dung biên soạn theo tinh thần ngắn gọn, dễ hiểu, các kiến thức trong chương trình có mối liên hệ chặt chẽ. Khi biên soạn giáo trình tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới, phù hợp với đối tượng học sinh cũng như cố gắng, gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn. Giáo trình được thiết kế theo môn học thuộc hệ thống môn học cơ sở của chương trình đào tạo nghề Hàn, trình độ Cao đẳng, trình độ Trung cấp và được dùng làm giáo trình cho học sinh trong các khóa đào tạo. Ngoài ra giáo trình cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để đào tạo ngắn hạn hoặc cho các công nhân kỹ thuật các nhà quản lý và người sử dụng nhân lực. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo, đề cương chương trình nhưng do biên soạn lần đầu, thiếu sót là khó tránh. Rất mong nhận được sự nhận xét, đóng góp ý kiến của quí thầy, cô giáo và bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. …..ngày…..tháng…..năm…… Nhóm biên soạn 2
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................. 2 Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ..... 6 2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim ...................................................... 6 2.2. Cấu tạo kim loại và hợp kim .......................................................................... 6 2.3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim ...................................................... 9 2.4. Hợp kim và biến đổi tổ chức ........................................................................ 11 Chương 2: GANG ............................................................................................... 19 2.1. Giới thiệu chung về gang ............................................................................. 19 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang................................... 20 2.3. Các loại gang thường dùng .......................................................................... 20 Chương 3: THÉP ................................................................................................. 24 2.1. Khái niệm chung về thép.............................................................................. 24 2.2. Thép các bon ................................................................................................ 24 2.3. Thép hợp kim ............................................................................................... 26 Chương 4: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU ........................................... 30 2.1. Đặc điểm và tính chất chung của kim loại màu ........................................... 30 2.2. Đồng và hợp kim đồng ................................................................................. 30 2.3. Nhôm và hợp kim nhôm............................................................................... 31 2.4. Thiếc - Chì - Kẽm......................................................................................... 32 2.5. Hợp kim làm ổ trượt ..................................................................................... 33 Chương 5: NHIỆT LUYỆN HÓA NHIỆT LUYỆN ........................................... 36 2.1. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện.................................................................. 36 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện ......................................... 36 2.3. Các hình thức nhiệt luyện............................................................................. 37 2.4. Các dạng sai hỏng thường gặp khi nhiệt luyện ............................................ 39 Chương 6: ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI........................................................................................................... 41 2.1. Hiện tượng ăn mòn kim loại......................................................................... 41 2.2. phương pháp chống ăn mòn kim loại ........................................................... 42 Chương 7: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI.............................................................. 44 2.1. Chất dẻo, đá mài, cao su, gỗ, amiăng ........................................................... 44 2.2. Dung dịch trơn nguội ................................................................................... 49 3
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: VẬT LIỆU CƠ KHÍ Mã môn học: MH08 I. Vị trí, tính chất môn học: - Vị trí của môn học: Môn học Vật liệu cơ khí thuộc môn học kỹ thuật cơ sở ngành. - Tính chất môn học: Là môn học lý thuyết cơ sở bắt buộc. II. Mục tiêu môn học: - Kiến thức: + Trình bày được các ký hiệu và thành phần hoá học của các loại vật liệu. Thép các bon, thép hợp kim, gang, kim loại và hợp kim màu. + Giải thích đúng các ký hiệu vật liệu ghi trên bản vẽ chi tiết. - Kỹ năng: + Lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật liệu khác nhau. + Lựa chọn và sử dụng được các thiết bị đo cơ tính vật liệu. + Chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tinh thần trách nhiệm, tư duy sáng tạo trong thực tế sản xuất, đảm bảo an toàn lao động và vệ sinh công nghiệp. 4
III. Nội dung môn học: Nội dung tổng quát và phân bố thời gian: Thời gian (giờ) Số Thực Tên chương, mục Tổng Lý hành, Kiểm TT thảo số thuyết tra luận, bài tập Chương 1: Những khái niệm cơ bản về 1 8 8 kim loại và hợp kim 2 Chương 2: Gang 8 7 0 1 3 Chương 3: Thép 8 8 Chương 4. Kim loại màu và hợp kim 4 4 4 0 0 màu 5. Hợp kim làm ổ trượt 0.5 0.5 Chương 5. Nhiệt luyện và hoá nhiệt 5 8 7 0 1 luyện Chương 6. Ăn mòn kim loại và 6 4 4 Phương pháp chống ăn mòn kim loại 7 Chương 7. Vật liệu phi kim loại 5 4 0 1 Cộng 45 42 0 3 5
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1. Mục tiêu - Hiểu được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim - Nêu được tính chất chung của kim loại và hợp kim - Nhận biết, phân biệt được kim loại và hợp kim. - Rèn luyện tính tích cực, tư duy, sáng tạo trong học tập 2. Nội dung chương: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim 2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển công nghiệp nặng , trong đó ngành chế tạo cơ khí là quan trọng nhất . - Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó kim loại là vật liêu chủ yếu . Sở dĩ kim loại là vật liệu được sử dụng chủ yếu của ngành chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu việt hơn hẳn so với các loại vật liệu khác . - Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệu khác nhau như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , ... Với các tính năng ngày càng tốt và sản lượng ngày càng cao , nhưng vẫn không thay thế hoàn toàn được cho kim loại và hợp kim . - Do đó , bên cạnh việc nghiên cứu thay thế các kim loại và hợp kim bằng các vật liệu phi kim loại có tính năng thích ứng , người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để tìm ra những kim loại và hợp kim có những tính năng ưu việt như : Nhẹ, bền , chịu ăn mòn , chịu nhiệt , chịu va đập , ... * Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang , thép vẫn là trọng tâm của công nghiệp vật liệu nói riêng và của nền kinh tế quốc dân nói chung đối với tất cả các nước có nền công nghiệp phát triển . 2.2. Cấu tạo kim loại và hợp kim Khái niệm về kim loại: Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Phương diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường điện tử trong các phản ứng hóa học 2.2.1. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại - Trong kim loại các kim loại được sắp xếp một cách trật tự tuần hoàn trong không gian . - Các nguyên tử trong kim loại được sắp xếp một cách có trật tự các nguyên tử đều nằm trên mặt phẳng song song cách đều gọi là mặt tinh thể , tập hợp vô số những mặt tinh thể như thế nó lập thành mạng tinh thể . 6
- Toàn bộ mạng không gian có thể xem như được tạo thành những hình khối nhỏ nhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện chung cho toàn mạng những ô như vậy gọi là ô cơ bản . Hình 1.1. Cấu tạo mạng tinh thể 2.2.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp a a. Mạng lập phương thể tâm Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử . - Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể, gọi là thông số mạng. Độ lớn đo bằng A ( Ángtrong ) 1A = 10 cm . - Các kim loại có kiểu mạng này: Fe, Cr, Mo, W, ... Hình 1.2. Lập phương thể tâm b. Mạng lập phương diện tâm khối a a a 7
- Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương. - Trong mạng tinh thể gồm 14 nguyên tử trong đó 8 nguyên tử nằm ở nút mạng, 6 nguyên tử nằm ở giữa các mặt. - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 8 + 6 = 14 Các kim loại: Feγ, Cu, Ni, Al, Pb… có kiểu mạng lập phương diện tâm. c. Mạng lục phương dày đặc c a Hình 1.4. Mạng lục giác xếp chặt Bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáycủa hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối trung tâủ khối lăng trụ tam giác cách nhau. Khối cơ bản kiểu mạng này như gồm bởi 3 lớp nguyên tử xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy dưới xếp sít nhau rồi đến 3 ngtử ở giữa xếp vào khe lõm của lớp đáy do đó chúng cũng xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy trên lại xếp vào các khe lõm của lớp giữa nhưng có vị trí trùng với vị trí lớp đáy dưới - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 2.6 + 2 + 3 = 17 - Số nguyên tử của ô cơ bản trong mạng tinh thể: 12.1/6 + 2.1/2 + 3 = 6 - Các kim loại có kiểu mạng này là: Be, Mg, Ti, Co... 2.2.3. Hợp kim a. Định nghĩa Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết (luyện tinh bột) của 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại để được vật liệu mới có tính kim loại. Ví dụ: 8
- Thép, gang là hợp kim của Sắt, Các bon và một số nguyên tố khác - Đồng thau là hợp kim của Đồng và Kẽm. b. Các đặc tính của hợp kim Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí là vì nhiều mặt nó có ưu việt hơn kim loại nguyên chất. - Hợp kim có cơ tính cao hơn kim loại nguyên chất: Vật liệu chế tạo cơ khí phải có cơ tính cao, về phương diện này là hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất. Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp, không thích hợp để chế tạo các chi tiết máy. Còn hợp kim nói chung có độ bền, độ cứng cao hơn, ít bị mài mòn, có thời gian sử dụng dài hơn. Đặc biệt một số hợp kim có những tính chất quý như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao, chống ăn mòn… - Hợp kim có tính công nghệ tốt: Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành các chi tiết, bộ phận máy còn phải có tính công nghệ tốt. Kim loại nguyên chất có tính dẻo cao dễ biến dạng dẻo (kéo sợi, cán thành tấm, lá…) nhưng tính đúc, gia công cắt gọt kém. Tùy theo các thành phần hợp kim khác nhau có thể có tính đúc tốt, tính gia công cắt gọt cao và có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện… - Tính kinh tế cao: Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ nấu hơn kim loại nguyên chất. Với kỹ thuật hiện đại, việc luyện kim loại nguyên chất vẫn còn gặp nhiều khó khăn do phải khử bỏ triệt để các tạp chất. Vì vậy sử dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí là kinh tế hơn. 2.3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim 2.3.1. Tính chất vật lý a. Vẻ sáng mặt ngoài: Chia ra làm 2 loại: Kim loại màu và kim loại đen - Kim loại màu và hợp kim đen: Là Fe và hợp kim của Fe với C (thép, gang ). - Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại. b. Khối lượng riêng: Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích của vật thể m γ= (Kg/m 3 ) V Trong đó: m - Khối lượng của vật thể ( Kg ) V - Thể tích của vật thể ( m3 ) c. Trọng lượng riêng: Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể. P d= ( KG/mm3 hoặc N/mm3 ) V Trong đó: P - Trọng lượng của vật ( KG, 1KG ~ 10N ) 9
d. Tính nóng chảy: Là tính chất của kim loại sẽ chảy loãng khi nung nóng và khi làm nguội. e.Tính dẫn điện: Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim f. Tính truyền nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt nóng và khi làn nguội. g. Tính nhiệt nung: Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. 2.3.2. Tính chất hóa học a. Khái niệm: Tính chất hoá học là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học của môi trường xung quanh. b. Các đặc trưng: Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau: - Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O và O2 của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao . - Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của môi trường axít. 2.3.3. Tính cơ học a.Khái niệm: Tính cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dung của lực bên ngoài lên kim loại. b.Các đặc trưng cơ bản của cơ tính: - Độ dẻo: Là khả năng thay đổi được hình dáng của kim loại và hợp kim mà không bị phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực. - Đô bền: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi có ngoại lực tác dụng. - Độ cứng: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn. - Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dáng hoặc trạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng. 2.3.4. Tính công nghệ a. Khái niệm: Tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm khác nhau. b. Các đặc trưng: Tính đúc, tính hàn, tính gia công cắt gọt, gia công áp lực, tính nhiệt luyện. 10
Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng nhưng tính công nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành phẩm. Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm các mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như: Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng. 2.4. Hợp kim và biến đổi tổ chức 2.4.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim - Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Là vật liệu trong thành phần của nó gồm hai hay nhiều nguyên tố, nguyên tố chính là kim loại. Hợp kim mang tính chất của kim loại. Ví dụ: thép là hợp kim của sắt và cacbon. Duyra là hợp kim của nhôm – đồng – magiê. 2.4.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử 911- L(lỏng) Fes(A2) 30 40 50 60 70 80 90 100 A Ihành phần,%B + Pha: là phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thì phải có sự đồng nhất về cùng một kiểu mạng và thông số mạng). Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim. + Nguyên: là một vật chất độc lập có thành phần không đổi, tạo nên các pha của hệ. Trong một số trường hợp nguyên cũng là các nguyên tố hóa học hoặc hợp chất hóa học có tính ổn định cao. Tính công nghệ kim loại nguyên chất rất kém, khó đúc, khó gia công cắt gọt, khi nhiệt luyện độ cứng độ bền không tăng. Kim loại nguyên chất rất khó luyện vì trong quặng bao giờ cũng có tạp chất việc khử tạp chất rất ốn kém. Bởi vậy, trên thực tế hầu hết các chi tiết máy làm bằng thép. 11
2.4.3. Giản đồ pha Fe- C (Fe- Fe3C) oC I1 I2 I3 I4 1600 D A 1539 L +δ t1 L H B 1499 t2 δ J 1 1392 L +XeII N δ + Os L + Os 2 A4 o C Os E 1147 : Chuyãø n biãú n cuìng tinh F 3 O s+Le+XeIII Le+XeI 910 G A F-O s 3 t3 O s+XeII o t tæìtênh ( Fe - β ) A2 =768 - Ferêt máú t4 V S 4 o A1 =727 - Chuyãø n biãú n cuìng têch F K 1000 Lã âã bu rêt P +XeII P + Le + XeIII Le +XeI F+XeIII 500 o Ao =210 - Xe máú t tæìtênh R Q 0,02 0,8 2,14 4,3 6,67% C 100%Fe Hình 1. 5. Giản đồ pha 2.4.3.1. Tương tác giữa Fe - C Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quả đất. Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính như sau: HB « 80; a... 250MPa; Ơ0,2 « 120MPa; ỗ « 50%; Ỹ « 85%; aK « 2500kJ/m2 So với các kim loại khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sử dụng. Khi đưa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra cả hai tương tác (hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian), đều có tác dụng hóa bền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn (sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất. Sự hòa tan của cacbon vào sắt Như đã nói do quan hệ kích thước nguyên tử (cacbon nhỏ hơn sắt, rC = 12
0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thể hòa tan có hạn vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kẽ. Như đã biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương tâm khối A2 (tồn tại ở < 911oC - Fea và 1392 :1539oC - Feỗ) và lập phương tâm mặt A1 (911: 1392oC - FeY) với các lỗ hổng có kích thước khác nhau và do đó khả năng hòa tan cacbon khác nhau. Bằng những tính toán hình học đơn giản có thể thấy rằng Fea và Feỗ với mạng lập phương tâm khối tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song mỗi lỗ hổng lại có kích thước quá nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn hơn có r = 0,291rFe), lớn nhất cũng chưa bằng 30% kích thước của nguyên tử sắt hay gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon, chỉ chứa nổi khối cầu r = 0,0364nm, không thể nào chứa nổi nguyên tử cacbon. Do vậy về nguyên lý Fea và Feỗ không có khả năng hòa tan cacbon hay độ hòa tan cacbon trong chúng là không đáng kể (có thể coi bằng không).Khác với Fea và Feỗ, FeY với mạng lập phương tâm mặt A1 tuy có mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhưng lại có loại có kích thước lớn hơn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe). Ở lỗ hổng tám mặt này có thể chứa được khối cầu r = 0,052nm, nên có khả năng thu xếp để nguyên tử cacbon lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt ra xa. Do vậy chỉ có FeY mới hòa tan được cacbon, tuy nhiên như đã nói nguyên tử hòa tan không thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng tám mặt đó nên giới hạn hòa tan cacbon trong FeY chỉ là trên dưới 10% nguyên tử. Tương tác hóa học giữa Fe và C Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn xen kẽ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành Fe3C gọi là xêmentit. Như đã biết đó là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần 6,67%C + 93,33%Fe. Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp kim thuần Fe - C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu không muốn nói là không thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là ổn định. Trong thực tế sự tạo thành grafit có thể dễ dàng hơn nhiều khi có các yếu tố thuận lợi về thành phần và tốc độ nguội . 2.4.3.2. Giản đồ pha Fe- C (Fe- Fe3C) và các tổ chức Cấu tạo của giản đồ Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) được trình bày ở hình 2.17 với các ký hiệu các tọa độ (nhiệt độ, oC - thành phần cacbon, %) đã được quốc tế hóa như sau: A (1539 - 0); B (1499 - 0,5); C (1147 - 4,3); D (1250 - 6,67); E (1147 - 2,14); F (1147 - 6,67); G (911 - 0); H (1499 - 0,10); J (1499 - 0,16); K (727 - 6,67); L (0 - 6,67); N (1392 - 0); P (727 - 0,02); Q (0 - 0,006); S (727 - 0,80). Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau: 13
- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh. - AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh. - ECF (1147oC) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic). - PSK (727oC) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid). - ES - giới hạn hòa tan cacbon trong FeY. Xêmentit:Xê(FeJ C) ____________ Thép ______ _________________Gang _______________ _ - PQ - giới hạn hòa tan cacbon trong Fea. 14
Các tổ chức trên giản đồ a. Các tổ chức một pha Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau: * Ferit (có thể ký hiệu bằng hay F hay Fe ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fea với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 :0.291nm) song do lượng hòa tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727oC - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Fea,cacbon không thể chui vào lỗ hổng của Fea, lượng cacbon hòa tan không đáng kể này là nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu là ở vùng biên giới hạt). Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 768oC. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Fea trên trục sắt). Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hòa tan Si, Mn, P, Cr... nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 727oC), song với tỷ lệ cao nhất (trên dưới 90%), nên nó đóng góp một tỷ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe - C. Độ cứng của ferit đạt 80 HB.Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình 2.18a có dạng các hạt sáng, đa cạnh. Hình 1.7. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500) * Austenit [ có thể ký hiệu bằng Y, A, FeY(C) ] là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong FeY với mạng lập phương tâm mặt (a - 0,364nm) với lượng hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 1147oC - điểm E, tức tối đa tính bình quân cứ ba : bốn ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lỗ hổng tám mặt trong chúng, ở 727oC chỉ còn 0,80%C - điểm S). Khác với ferit, austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727oC) trong vùng NJESG (tiếp giáp với FeY trên trục sắt) nên không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện.Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở 15
nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên dưới 1000oC). Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% dù cho ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính giòn khá cao. Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit - xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở hình 1.7b có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao).Độ cứng của Austenit đạt 200 HB * Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xê, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Độ cứng của xementit đạt 800 HB Người ta phân biệt bốn loại xêmenntit: + Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3%C. Do tạo thành ở nhiệt độ cao (> 1147oC) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thô to (hình 1.8b) đôi khi có thể thấy được bằng mắt thường. b) a) Hình 1.8.Tổ chức tế vi của gang trắng( x500) a)Trước cùng tinh b)Sau cùng tinh + Xêmentit thứ hai (XeII) Được tạo thành do giảm độ cacbon trong austenit đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80 cho tới 2,14%C. Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (> 727oC) tạo điều kiện cho sự tập trung ở biên giới hạt, nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt austenit ((peclit) như biểu thị ở hình 1.9, tức tạo ra khung giòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim. 16
Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích (1,2%c) (x500) + Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành đo giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỷ lệ) rất nhỏ nên rất khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua. + Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit □ peclit. Loại xêmentit này có vai trò rất quan trọng, được trình bày ở mục tiếp theo. Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe - C cao và chứa lượng đáng kể silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang. b. Các tổ chức hai pha *Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [F + Fe3C]). Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit với 0,80%C và ở 727oC. Trong peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, trôxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe - C. Người ta phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt.Peclit tấm (hình 2.21a) thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), tức là hai pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau, nên trên mặt cắt ngang để lại các vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng (với lượng ít hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng thể có dạng vân. Peclit hạt (hình 2.21b) ít gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit ở dạng thu gọn nhất (bề mặt ít nhất) - hạt xêmentit phân bố đều trên nền ferit. Giữa hai loại này có sự khác biệt nhỏ về cơ tính: so với peclit hạt, peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút. Austenit đồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt. Peclit hạt ổn định hơn peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ tương đối cao (ví dụ 600 :700oC) peclit tấm có xu hướng chuyển thành peclit hạt. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b) (x500). Độ cứng của peclit đạt (180 : 200) HB a) b) Hình 1.10. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a), peclit hạt (b) 17
*Lêđêburit [có thể ký hiệu bằng Le, hay (Y + Xe) hay (P + Xe)]. Tổ chức tế vi của lêđêburit - (P+Xe) (x500). Lêđêburit là hỗn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha lỏng với 4,3%C ở 1147oC , tuy nhiên khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng cùng tích để autennit chuyển thành peclit nên tổ chức tế vi quan sát được (hình 2.22) là hỗn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng. Lêđêburit cứng và giòn (vì có quá nhiều, tới 2/3 là xêmentit), độ cứng đạt 600 HB và chỉ có trong hợp kim Fe - C ở dạng gang trắng, ít gặp. Hình 1.11.Tổ chức tế vi của lêđêburit Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: để kỷ niệm các nhà khoa học lỗi lạc trong ngành là Robert Austen (người Anh) cho austenit, Ledebur (người Đức) cho lêđêburit; từ bản chất hay đặc trưng tính chất là 108 ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng)cho xêmentit. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Nêu tầm quan trọng của kim loại và hợp kim? 2. Nêu cấu tạo của mạng tinh thể kim loại? 3 . Nêu cấu tạo của hợp kim ? 4. Nêu tính chất chung của kim loại và hợp kim? 5. Kim loại và hợp kim có những tính chất nào? Trong các tính chất trên tính chất nào là quan trọng nhất. Vì sao? 18