Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Hàn) - Trường CĐ Lào Cai

Chia sẻ: Canhvatxanhbaola | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu cơ khí nhằm cung cấp cho học sinh trường cao đẳng nghề và học sinh ngành cơ khí, những kiến thức về vật liệu cơ khí. Nội dung giáo trình gồm 6 chương: Lý thuyết về hợp kim; Gang; Thép; Kim loại màu và hợp kim màu; Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện; Vật liệu phi kim loại. 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) - Trường CĐ Lào Cai

UBND TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ: HÀN TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP, CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2019 3
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Vật liệu cơ khí được biên soạn theo chương trình đào tạo Trung cấp và Cao đẳng nghề Hàn do Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai ban hành ngày….. tháng ……năm 2019. Giáo trình Vật liệu cơ khí nhằm cung cấp cho học sinh trường cao đẳng nghề và học sinh ngành cơ khí, những kiến thức về vật liệu cơ khí. Khi biên soạn giáo trình, tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học và nghề đào tạo, cần thiết cho học sinh tiếp thu các môn khác. Nội dung giáo trình gồm 6 chương: Chương 1: Lý thuyết về hợp kim. Chương 2: Gang. Chương 3: Thép. Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu. Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện. Chương 6: Vật liệu phi kim loại. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã cố gắng, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót do thời gian biên soạn còn ngắn và trình độ còn hạn chế. Rất mong được sự góp ý của người sử dụng để giáo trình được hoàn thiện hơn. Lào Cai, tháng … năm 2019 Tác giả Ths. Hoàng Anh Thái 4
HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH 1. Một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học: Khi giảng dạy giáo viên cần chú ý liên hệ, so sánh, chuyển đổi ký hiệu tiêu chuẩn vật liệu giữa các quốc gia. Khi giảng dạy sử dụng các học cụ trực quan, máy tính, máy chiếu, tranh treo tường để mô tả cấu trúc tinh thể và tổ chức kim loại, giản đồ trạng thái Fe-C và các biểu đồ chỉ dẫn nhiệt luyện. 2. Những trọng tâm cần chú ý: Chỉ dẫn nhiệt luyện chú ý sử dụng ký hiệu đồ họa cơ bản theo TCVN mới ban hành (các tiêu chuẩn này đã được chuyển đổi từ tiêu chuẩn quốc tế ISO 15787:2001). Sử dụng các mô hình, trực quan vật thật để làm rõ vấn đề nêu ra trong lý thuyết. Cần hướng dẫn cho học sinh tìm hiểu trong thực tế sản xuất ở xưởng và tổ chức trao đổi, thảo luận các vấn đề liên quan giữa lý thuyết và thực tế. 5
MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 3 Hướng dẫn thực hiện giáo trình 4 Mục lục 5 Chương 1. Lý thuyết về hợp kim 6 1. Khái niệm về hợp kim. 6 2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 6 Chương 2: Gang 9 1. Giản đồ trạng thái hợp kim fe - C. 9 2. Khái niệm về Gang. 12 3. Các loại Gang. 14 Chương 3: Thép 20 1. Thép C 20 2. Thép hợp kim 25 Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu 35 1. Đồng và hợp kim của đồng 35 2. Nhôm và hợp kim của nhôm 39 3. Hợp kim làm ổ trượt 42 Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện 46 1. Nhiệt luyện 46 2. Hóa nhiệt luyện 56 Chương 6: Vật liệu phi kim loại. 59 1. Polyme, Cao su, Chất dẻo. 59 2. Dầu mỡ bôi trơn 62 Tài liệu tham khảo 66 6
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ HỢP KIM 1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM 1.1. Khái niệm. Là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại. Như vậy trong hợp kim có tính chất chủ yếu của kim loại. - Hợp kim được hình thành trên cơ sở của hai kim loại với nhau. Ví dụ như đồng Latông hình thành trên cơ sở hai kim loại (Cu + Zn). - Hợp kim được hình thành trên cơ sở một kim loại và một á kim. Ví dụ như thép, gang hình thành trên cơ sở Fe + C. Dù hợp kim hình thành trên cơ sở hai hoặc nhiều nguyên tố thì nguyên tố kim loại vẫn là chính. Nếu có hai nguyên tố với nhau ta có hợp kim đơn giản. Nếu có nhiều nguyên tố ta có hợp kim phức tạp. 1.2 Đặc tính hợp kim. Các kim loại nguyên chất thể hiện lên ưu việt rõ nhất trong dẫn điện, dẫn nhiệt vì chúng có các chỉ tiêu này cao nhất (vì vậy các dây dẫn điện được làm bằng đồng, nhôm nguyên chất). Tuy vậy trong chế tạo cơ khí, thiết bị đồ dùng… các vật liệu đem dùng thường là hợp kim vì nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế. Các đặc tính cơ bản là: - Có độ bền và độ dẻo cao: Đây là đặc tính rất quan trọng của hợp kim để chịu tải trọng cao khi làm việc, đồng thời hợp kim cũng không được giòn dẫn đến bị phá huỷ. - Các kim loại nguyên chất nói chung rất dẻo (dễ rát mỏng, kéo sợi…) song độ bền, tính chống mài mòn, độ cứng kém xa hợp kim từ vài ba đến hàng chục lần. - Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: Để tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp được gọi là tính công nghệ. Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó cắt gọt, đúc, không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim trái lại có tính công nghệ rất đa dạng như: Dễ cắt gọt, đúc, nhiệt luyện… Phù hợp với nhiều điều kiện công nghệ khác nhau. - Tính kinh tế cao: Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn so với luyện kim loại nguyên chất do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào. Ví dụ như: Luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn so với luyện sắt nguyên chất. Pha Zn vào kim loại chủ Cu ta được đồng Latông vừa bền lại vừa rẻ (do Zn rẻ hơn Cu nhiều). 2. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM 2.1. Một số khái niệm cơ bản. Để nghiên cứu cấu tạo của hợp kim ta cần làm quen một số khái niệm sau: 2.1.1. Cấu tử. Là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên hợp kim. Ví dụ: Đồng Latông (hợp kim Cu-Zn) có hai cấu tử là Cu và Zn. 7
2.1.2. Pha. Là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở 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 cùng một kiểu mạng và thông số mạng). Ví dụ Nước ở 00C là một cấu tử (hợp chất hoá học bền vững H2O) và có hai pha (pha rắn là nước đá, pha lỏng là nước). 2.1.3. Hệ hợp kim: Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim 2.2. Các tổ chức của hợp kim. Trong hệ hợp kim có nhiều cấu tử ở trạng thái đặc có thể hình thành ở nhiều dạng tổ chức khác nhau như: Dung dịch đặc, hợp chất hoá học, hỗn hợp cơ học. 2.2.1. Dạng dung dịch đặc. Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố có thành phần kích thước gần giống nhau. Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ. a. Trong dung dịch đặc thay thế. Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố kia thay thế vào đó (hình 1- 1a). Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như cấu tử của dung môi. Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau. Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%). Hình 1-1: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ; c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp b. Trong dung dịch đặc xen kẽ. Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon, ôxi..) nằm xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản (hình 1-1b). Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể 8
lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên. 2.2.2. Hợp chất hóa học. Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xác định được biểu diễn bằng một công thức hóa học. Ví dụ hợp chất hóa học của sắt và cácbon có công thức hóa học là Fe3C Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao 2.2.3. Hỗn hợp cơ học. Hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học, khi những nguyên tử của các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Như vậy những nguyên tố này không hòa tan với nhau, cũng không liên kết với nhau thành hợp chất hóa học mà liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy. Câu hỏi ôn tập chương 1 Câu 1: Thế nào là hợp kim ? Cho biết các đặc tính của hợp kim. Câu 2: Trình bày các dạng cấu trúc tinh thể của hợp kim. 9
CHƯƠNG 2: GANG 1. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM Fe – C. 1.1. Khái niệm. Là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe - C (cụ thể là gang và thép) vào thành phần hóa học và nhiệt độ. 1.2. Các định nghĩa cơ bản. Trước khi nghiên cứu giản đồ, ta cần thống nhất các định nghĩa cơ bản sau: 1.2.1. Pha. Là các phần đồng nhất của hệ thống nó có cùng một kiểu mạng ở cùng một trạng thái lỏng hoặc rắn và phân cách với các pha còn lại bằng mặt phân cách, khi chuyển sang pha khác thì thành phần hóa học hoặc tổ chức của vật chất sẽ thay đổi đột ngột. Ví dụ: chất lỏng đồng nhất là hệ thống một pha. Hỗn hợp cơ học là hệ thống hai pha. 1.2.2. Nguyên. Là vật chất tham gia tạo thành hệ thống. Ví dụ: kim loại nguyên chất là hệ thống một nguyên, hợp kim là hệ thống của hai hay nhiều nguyên. Riêng các hợp chất hóa học được coi là một nguyên. 1.2.3. Hệ thống. Là tập hợp các pha nằm trong trạng thái cơ bản và cân bằng. Hệ thống thì có tính thuận nghịch. Ví dụ có hệ thống là nước và nước đá, trong hệ thống có hai pha là pha rắn và pha lỏng và có một nguyên là hợp chất hóa học là H2O. Hệ thống chỉ tồn tại trong một điều kiện nào đó (nhiệt độ), có thể hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái lỏng hoặc rắn. 1.3. Ý nghĩa của giản đồ. Giản đồ trạng thái Fe-C có tầm quan trọng và công dụng rất lớn. Nó cho ta biết các nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của kim loại hoặc hợp kim với thành phần xác định, từ đó xác định được các chế độ luyện đúc, cán, rèn kim loại. Qua đó xác định được cơ tính và tính công nghệ khi gia công kim loại hoặc hợp kim. 1.4. Giản đồ trạng thái Fe – C. Giản đồ trạng thái Fe – C (chỉ xét hệ Fe-Fe3C) biểu diễn trên hệ trục tung là nhiệt độ (0C) và trục hoành là thành phần C (%C) thay đổi trong Fe đến tối đa phạm vị thành phần C = 6,67%, tại đây C tác dụng hóa học với Fe để tạo thành hợp chất hóa học Fe3C. Cần hiểu: Tại điểm 0%C có 100%Fe được ký hiệu Fe, tại 6,67%C có 100%Fe3C được ký hiệu Fe3C. 1.4.1. Giải thích giản đồ trạng thái Fe-C. Giản đồ trạng thái Fe-C trình bày hình 2-1 với các ký hiệu A,B…(t0C, %C) đã được quốc tế hóa (là sắp xếp các điểm theo thứ tự %C tăng dần) như sau: 10
A(1539-0), N(1392-0), G(911-0), Q(0-0,006), P(727-0,02), H(1499-0,1), J(1499-0,16), B(1499-0,5), S(727-0,8), E(1147-2,14), C(1147-4,3), D(1250-6,67), F(1147-6,67), K(727-6,67), L(0-6,67) Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái hoàn toàn lỏng được xác định trên các đường nối A B C D. Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái rắn được xác định dưới đường nối các điểm A H J E C F, có đủ ba dạng cấu tạo gồm các dung dịch rắn, hợp chất hóa học được tạo thành (bởi hai nguyên tố Fe và C) và hỗn hợp cơ học của nó. Hình 2-1. Giảm đồ trạng thái Fe-C 1.4.2. Các tổ chức pha của hệ hợp kim Fe-C trên giản đồ: a. Tổ chức một pha - Pha δ: Là dung dịch rắn của C hòa tan trong Feδ: Feδ(C), ký hiệu trên giản đồ là δ. - Pha ôstennít: được ký hiệu là chữ γ (As), là dung dịch rắn của C hòa tan trong Feγ, Feγ(C). Lượng C hòa tan tối đa 2,14% ở nhiệt độ 11470C tại điểm E và tối thiểu 0,8% ở nhiệt độ 7270C tại điểm S, nên đường SE là đường giới hạn hòa tan của của C trong Feγ. - Pha Ferít: ký hiệu là α (F) là dung dịch rắn ren kẽ của các bon trong sắt Feα Feα(C) ở nhiệt độ cao thì hòa tan được 0,02% C, có lượng C hòa tan tối đa 0,006% ở nhiệt độ thường là điểm Q, nên đường PQ là đường giới hạn hòa tan của C trong Feα có thể coi α là Feα vì lượng C hòa tan quá nhỏ nên Ferít được coi là nguyên chất, pha nay mềm dẻo. 11
- Pha Xêmentít: Ký hiệu trên giản đồ là Xe hoặc Fe3C, là hợp chất hóa học của Fe tác dụng hóa học với C khi C = 6,67%, có công thức hóa học Fe3C được xác định tại đường thẳng nối các điểm RKF, có độ cứng rất cao ≥ 700HB và rất giòn. Ngoài ra cơ tính của Xe còn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó, kích thước càng nhỏ thì Xe càng đỡ giòn. Xêmentít có ba dạng: + Xêmentít1: ký hiệu là XeI được tiết ra từ pha lỏng có độ hạt lớn. + Xêmentít2: ký hiệu là XeII được tiết ra từ pha rắn ôstennít có độ hạt nhỏ hơn XeI. + Xêmentít3: ký hiệu là XeIII được tiết ra từ pha rắn Ferít có độ hạt nhỏ mịn. - Pha Grafít (G): là các bon tự do phân bố trong kim loại, pha này mềm nhưng giòn chỉ tồn tại trong gang xám. b. Tổ chức hai pha. - Pha Peclít (P): Khi C = 0,8% có hỗn hợp cơ học cùng tích gọi là peclit gồm hai pha (α + Xe). Được hình thành từ dung dịch rắn ôstennít tại 7270C. tùy theo dạng của Xe mà có P tấm hoặc là P hạt. - Pha lêđêburít (Lê): Khi C = 4,3% có hỗn hợp cơ học cùng tinh Lêđeeburit gồm hai pha được hình thành từ dung dịch lỏng L tại nhiệt độ 11470C. 1.4.3. Phân loại hợp kim Fe-C theo giản đồ trạng thái a. Dựa vào % C ta có + Thép: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C < 2,14%. + Gang: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C > 2,14%. b. Căn cứ vào tổ chức của nó trong giản đồ trạng thái ta có hai loại: Thép và Gang trắng. - Thép: + Thép trước cùng tích có tổ chức P+α khi %C < 0,8% + Thép cùng tích có tổ chức P(α+Xe) khi %C = 0,8% + Thép sau cùng tích có tổ chức P+XeII khi %C > 0,8% - Gang trắng: + Gang trắng trước cùng tinh có tổ chức: Lê + P + XeII khi %C < 4,3% + Gang trắng cùng tinh có tổ chức: Lê (P + Xe) khi %C = 4,3% + Gang trắng sau cùng tinh có tổ chức: Lê + XeI khi %C > 4,3% 1.4.4. Điểm và các đường tới hạn nhiệt độ: a. Định nghĩa: Là nhiệt độ tại đó có sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim ở trạng thái rắn. b. Các điểm tới hạn: - A1 = 7270C (đường PSK): Là nhiệt độ tới hạn mà tại đó hợp kim Fe-C có cấu tạo bên trong của tổ chức cùng tích thuận nghịch P↔ γ cụ thể: + Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A1: Tại đó có chuyển biến P→ γ 12
+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A1: Tại đó có sự chuyển biến γ → P Điểm nhiệt độ A1 áp dụng cho tất cả các loại hợp kim Fe-C - A3 = 7270 ÷ 9110C (đường SG): Là nhiệt độ tới hạn tại đó thép trước cùng tích có chuyển biến cấu tạo giữa pha α ↔ γ cụ thể: + Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A3: α hòa tan hết vào γ + Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A3: α tách ra từ γ - Acm = 7270 ÷ 11470C (đường SE): Là nhiệt độ tới hạn tại đó cho phép thép sau cùng tích có chuyển biến cấu tạo giữa hai pha XeII ↔ γ cụ thể: + Khi nung tại nhiệt độ tới hạn Acm: XeII hòa tan hết vào γ + Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn Acm: XeII tách ra từ γ 2. KHÁI NIỆM VỀ GANG. 2.1. Giới thiệu chung về gang. Gang là một kim loại được dùng nhiều trong công nghệ cơ khí chế tạo vì nó có nhiều tính chất đáp ứng được các yêu cầu trong công nghệ chế tạo máy. Trong các loại máy móc tĩnh tại, các chi tiết bằng gang có khối lượng khoảng 70%. 2.2. Khái niệm. Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%, nhưng không lớn hơn 6,67%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S. P, Si và một số tạp chất khác. 2.3. Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây: + Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất quan trọng. Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng phương pháp đúc để tạo hình. Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực. Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp mà không cần gia công lại. Ví dụ đúc thân máy, nắp máy… động cơ ôtô. + Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ bền cơ, bền nhiệt cao. Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ giãn nở vì nhiệt thấp. Ví dụ: Làm bánh đà động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực… Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém, độ bền mỏi nhỏ. Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang. 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang. 2.4.1. Cácbon (C): Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi là gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám (Grafít). Sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội 13
của nó. Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được gang xám. 2.4.2. Silic (Si): Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó thúc đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến 4,25%). 2.4.3. Mangan (Mn): Nó thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình Grafít hóa vì vậy lượng Mn trong gang trắng thường cao (từ 2 đến 2,5%). 2.4.4. Phốt pho (P): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang. Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy loãng của gang khi đúc. 2.4.5. Lưu huỳnh (S): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc, giảm độ bền, làm cho gang giòn. Do đó thành phần của S trong gang thường nhỏ hơn 0,15%. 2.5. Tổ chức tế vi, thành phần hóa học 2.5.1. Tổ chức tế vi: Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ các bon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay Graphit (rất ít hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít). Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau: - Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do. - Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết. Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit. + Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám). + Graphit có dạng quả cầu tròn: Phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu). + Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang dẻo). Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau. 2.5.2. Thành phần hoá học và cách chế tạo. Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau. Mỗi loại gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo. - Thành phần hoá học: Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành graphit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành graphit. Lượng silic càng nhiều thì sự graphit hoá càng mạnh, cacbon liên kết (Xêmentit) càng ít hoặc thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người ta coi gang là hợp kim của ba cấu tử Fe – C – Si. 14
Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá. Chúng được đưa vào có chủ định hoặc chúng là các tạp chất. Bảng 2-1. Thành phần hoá học của gang Loại Gang C Si Mn S P Trắng 3,3 – 3,6 0,4 – 1,2 0,25 – 0,8 0,06 – 0,20 0,05 – 0,20 Xám 3,0 – 3,7 1,2 – 2,5 0,25 – 1,00 < 0,12 0,05 – 1,00 Cầu 3,0 – 4,0 1,8 – 3,0 0,10 – 0,80 < 0,03 < 0,01 Dẻo 2,0 – 2,6 1,0 – 1,6 0,20 – 1,00 0,04 – 0,20 < 0,20 - Tốc độ nguội khi đúc và cách chế tạo. Yếu tố ảnh hưởng đến graphit hoá là tốc độ nguội khi đúc. Làm nguội chậm sẽ thúc đẩy tạo thành graphit, làm nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit (tạo ra gang trắng hoặc gây biến trắng). Như vậy lượng Si và tốc độ nguội ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành graphit, còn các dạng graphit khác nhau được tạo thành bằng các phương pháp khác nhau. Gang xám với graphit tấm được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất bằng đúc thông thường. Gang cầu với graphit cầu được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng thông dụng (gang xám)… 3. CÁC LOẠI GANG. 3.1. Gang trắng. 3.1.1. Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần: C = (3,3 ÷ 3,6) % Si = (0,4 ÷ 1,2 )% Mn= (0,25 ÷ 0,8)% S = (0,06 ÷ 0,2)% P = (0,05 ÷ 0,1) % b.Tổ chức C: Tồn tại ở dạng Fe3C pha này chiếm tỷ lệ rất lớn (50% trong tổ chức của gang) 3.1.2. Tính chất. a. Lý tính: Trên bề mặt gãy của gang có màu sáng trắng do Cacbon ở dạng hợp chất hóa học Fe3C do đó gọi là gang trắng b. Cơ tính: 15
Do Cacbon ở dạng Fe3C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn. Do đó không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ chính xác cao. + Độ dẻo, độ bền thấp. + Có khả năng chịu mài mòn tốt. c. Tính kinh tế. Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ. 3.1.3. Công dụng. - Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa… - Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ, nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit. Muốn bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc. - Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ thành gang dẻo. 3.2. Gang xám. 3.2.1.Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần. C = (3 ÷ 3,7)% Si = (1,2 ÷ 2,5 )% Mn = (0,25÷1,0)% S < 0,12% P = (0,05÷ 1,0) % b. Tổ chức tế vi. Gang xám là loại gang mà phần lớn Cacbon ở dạng tự do (gọi là Graphit). Graphit trong gang xám có dạng tấm (hay phiến) cong tự nhiên. Do graphit có màu xám nên mặt gãy của gang có màu xám. c. Phân loại. Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám được chia ra các tổ chức sau : - Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều ở dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit. - Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon liên kết (Fe3C) chỉ khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit – Peclit. - Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng 0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit. 3.2.2. Tính chất 16
a. Lý tính. - Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép. - Nhiệt độ nóng chảy thấp. b. Cơ tính. - Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng, độ bền thấp hơn gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm2 - Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép. - Không chịu nhiệt, biến dạng và va đập. c. Tính công nghệ. - Có tính cắt gọt cao, cho phoi vụn. - Tính đúc tốt hơn thép. - Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ). d. Tính kinh tế. Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép. 3.2.3. Phạm vi sử dụng. Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, các chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn. VD: Thân, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ. 3.2.4. Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị l kG/mm2 VD : CЧ 24-44 là gang xám có giới hạn bền kéo σk = 24 kG/mm2 (240N/mm2); Giới hạn bền uốn σu = 44 kG/mm2 (440N/mm2) - Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2 số giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga. Bảng 2-2. Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75) Giới hạn Giới hạn Giới hạn Độ Số hiệu Độ giãn dài bền kéo bền uốn bền nén cứng gang (δ%) (kG/mm2) (kG/ mm2) (kG/mm2) HB GX 12 - 28 12 0,5 28 50 143 - 259 GX 18 - 36 18 0,5 36 70 170 - 229 GX 28 - 48 28 0,5 48 100 170 - 241 GX 35 - 56 35 0,5 56 110 197 - 269 GX 38 - 60 38 0,5 60 110 270 - 269 17
3.3. Gang dẻo. 3.3.1. Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần: C = (2,0 ÷ 2,6)%; Si = (1,0 ÷ 1,6)%; Mn = (0,2 ÷ 1,0)%; S < 0,03%; P = 0,2 % b. Tổ chức tế vi: ở dạng cụm bông. c. Chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo. Nguội nhanh Gang lỏng Đúc Gang trắng Fe3C to=(860÷ 900)0 C Gang trắng Ủ Gang dẻo 3.3.2. Tính chất. Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và bền hơn gang xám (σk = 300 ÷ 600N/mm2; δ= 5 ÷ 10%) 3.3.3. Phạm vi sử dụng. Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu Hình 2-2. Gang dẻo sau: - Hình dạng phức tạp. - Tiết diện (thành) mỏng. - Chịu va đập. 3.3.4. Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ KЧ tiếp theo là hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số. Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền kéo giới hạn σk (kG/mm2), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%). Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-06, KЧ 33-08, KЧ 37-12, KЧ 45-12, KЧ 56- 04 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và 2 số giống tiêu chuẩn Nga. Ví dụ GZ 33 - 08 gang dẻo có độ bền kéo giới hạn σk = 33 kG/mm2 và độ dãn dài tương đối là δ = 0,8% . Bảng 2-3. Cơ tính của gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75) Số hiệu gang Giới hạn bền kéo Độ giãn dài (δ%) Độ cứng (KG/mm2) HB 18
GZ 30 - 06 30 6 163 GZ 33 - 08 33 8 163 GZ 35 - 10 35 10 163 GZ 37 - 12 37 12 163 GZ 45 - 06 45 6 241 GZ 50 - 04 50 4 264 3.4. Gang cầu. 3.4.1 Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần: C = (3,0 ÷ 4,0%); Si = (1,8 ÷ 3,0)% ; Mn = (0,10 ÷ 0,8)%; S < 0,03% ; P < 0,2% ; b. Tổ chức tế vi: Graphit thu nhỏ, hình cầu do có chất biến tính Mg hoặc Ce (Xeri) Hình 2-3. Gang cầu c. Chế tạo gang cầu: Gang lỏng (0,05 -1)% Mg hoặc Ce (Xêri) Gang cầu. 3.4.2.Tính chất. - Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình cầu dạng thu gọn nhất). - Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép. - Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép. - Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ o 400 C. 3.4.3. Phạm vi sử dụng. Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như trục cán, thân tuốc - bin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác. 19
3.4.4 Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ BЧ tiếp theo là hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số. Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền kéo giới hạn σk (kG/mm2), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%). Ví dụ BЧ 38-17 là gang cầu có σk = 380N/mm2, δ = 17% - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ GC và 2 số tương ứng như tiêu chuẩn Nga - Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12 Bảng 2-4. Cơ tính của gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75) Giới hạn Giới hạn Độ dai va Số hiệu quy ước khi Độ giãn dài Độ cứng bền kéo đập gang kéo (δ%) HB (KG/mm2) (KG/mm2) (KJ/m2) GC 45 - 00 45 36 --- --- 187 - 255 GC 50 - 1,5 50 38 1,5 150 187 - 255 GC 60 - 02 60 42 2 150 197 - 269 GC 45 - 05 45 33 5 200 170 - 207 GC 40 - 10 40 30 10 300 156 - 197 Câu hỏi ôn tập chương 2 Câu 1: Trình bày thành phần hóa học, tính chất, kí hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam và công dụng của gang trắng, gang xám và gang dẻo. Câu 2: Kẻ bảng và liệt kê thành phần hóa học của gang trắng, xám, cầu và gang dẻo. Câu 3: Cho biết các điểm tới hạn trên giản đồ trạng thái Fe-C. Câu 4: Giải thích các ký hiệu sau: GX 12 - 28; GC 40 - 10; GZ 37 – 12; GZ 45 – 6. Câu 5: Cho biết phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái. Câu 6: Giải thích các ký hiệu sau: CЧ 15-32; GX 18 – 36; KЧ 37-12; BЧ 42-12. 20
CHƯƠNG 3: THÉP 1. THÉP CÁC BON. 1.1. Khái niệm và phân loại. 1.1.1. Khái niệm: Thép là hợp chất của sắt và cacbon có hàm lượng C < 2,14%, ngoài ra còn có các nguyên tố khác Si < 0,5%, P < 0,05%, S < 0,05%. 1.1.2. Phân loại: Hiện nay người ta có nhiều cách phân loại thép cácbon. a. Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao. - Thép C chất lượng thường: Lượng P, S chỉ khử được đến 0,05 % cho mỗi nguyên tố. - Thép C chất lượng tốt: Lượng P, S được khử đến 0,04% cho mỗi nguyên tố và thép được luyện bằng lò điện quang. - Thép C chất lượng cao: Lượng P, S được khử đến 0,03% cho mỗi nguyên tố và thép được luyện bằng lò điện quang với các biện pháp kỹ thuật bổ xung. - Thép C chất lượng rất cao: P, S được khử đến 0,02% cho mỗi nguyên tố và thép được luyện bằng lò điện quang tiếp tục được tinh luyện để khử tạp chất. b. Theo phương pháp khử oxi. - Thép sôi. Là loại không khử được ôxi triệt để. Quá trình khử khí CO bay lên, mặt thép lỏng chuyển động như thể bị sôi nên gọi là thép sôi. Loại này vẫn còn các bọt rỗ khí trong thỏi đúc. - Thép lặng. Là loại khử ô xi triệt để. Quá trình khử mặt thép lỏng luôn phẳng nặng nên có tên gọi là thép lặng. Thép lặng trong tổ chức không có rỗ khí nên có cơ tính cao hơn thép sôi. c. Theo công dụng. - Nhóm thép cacbon kết cấu: Trong nhóm này lại chia ra làm hai loại: + Thép xây dựng: Chủ yếu dùng làm kết cấu trong xây dựng nhà cửa, cầu cống. Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp, song không cao và cần có độ dẻo để dễ uốn. + Thép chế tạo máy: Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai. Trong nhóm thép này người ta lại chia ra các loại: - Nhóm thép chế tạo máy: Trong nhóm này lại có các loại: + Nhóm yêu cầu cao về độ dẻo, độ dai: Trong nhóm này thành phần cacbon thấp (C = 0,1 – 0,25%). Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua nhiệt luyện thấm cacbon. 21
+ Nhóm yêu cầu cao về giới hạn chảy và độ dai: Thành phần cacbon của nhóm này loại trung bình (C=0,3 – 0,5%). Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt. + Nhóm yêu cầu cao về giới hạn đàn hồi: Nhóm này có thành phần cacbon tương đối cao (C= 0,55 – 0,65%). - Nhóm thép cacbon dụng cụ: Là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên cần có yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn. Trong công nghệ chế tạo máy, khoảng 80% khối lượng là thép cácbon kết cấu. 1.2. Tính chất chung của thép cacbon. 1.2.1. Ưu điểm. a. Tính công nghệ. Các loại thép cacbon hầu hết đều có tính công nghệ tốt (trừ tính đúc là kém) đó là có tính cắt gọt cao, tính rèn, hàn tốt và có khả năng nhiệt luyện cao để thay đổi cơ tính. b. Tính chất cơ học. - Có cơ tính tổng hợp tương đối tốt phù hợp với các điều kiện thông dụng. - Rẻ, dễ kiếm, không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền. 1.2.2. Nhược điểm. - Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện (tôi, ram) không cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền. - Tính chịu nhiệt độ cao kém: Khi bị nung nóng độ bền của thép bị giảm nhanh, bị ô xi hoá mạnh ở nhiệt độ cao. - Khả năng chịu mòn kém (loại thép cacbon thông dụng), dễ bị han gỉ do tính chịu axít, ăn mòn kém. 1.3. Thép Cacbon kết cấu chất lượng thường. 1.3.1. Phân loại và ký hiệu. a. Phân loại. Người ta chia thành ba nhóm: + Nhóm A là nhóm thép đáp ứng yêu cầu về cơ tính. + Nhóm B là nhóm thép không quy định cơ tính mà chỉ quy định thành phần hoá học. + Nhóm C là nhóm thép đáp ứng cả cơ tính và thành phần hóa học. b. Ký hiệu. - Theo TCVN 1765 – 75: Quy định kí hiệu thép cacbon chất lượng thường bằng hai chữ cái CT kèm theo hai con số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu σk(kG/mm2) hoặc Mpa. (1kG/ mm2 = 9,81.106 Pa = 9,81MPa ≈ 10 Mpa) 22