Vật liệu học cơ sở: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:330

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu "Vật liệu học" tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Các loại vật liệu thông dụng trong công nghiệp; Thép và gang; Kim loại và hợp kim màu; Vật liệu vô cơ; Vật liệu bột; Vật liệu hữu cơ; Vật liệu kết hợp. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu học cơ sở: Phần 2

P hần // CÁ C LOẠI VẬT LIỆU ■ ■ ■ . THÔNG DỤNG ■ TRONG CÔNG NGHIỆP ■ https://tieulun.hopto.org
292__________________________________________________________ C h ư ơ n g 7. THÉP VẢ GANG Chương 7 TH€P vn GRNG Thép và gan g là n h ữ n g hỢp k im trên cơ sở s ắ t và cacbon. sả n p h ẩm ciia ngành liiyện kim nói chung và n g à n h lu y ện kim đ en nói riêng. T h ép và g a n g có m ặt ở khắp mọi nơi: từ dụng cụ gia cìhili cho tới cãc tác phẩm n g h ệ th iiậ t. trong công nghiệp cơ khí (m áy móc công cụ vầ d ụ n g cụ), tron g n g à iih x â y dựng (nhà cửa. cầii. côìig, ...), trong giao th ông v ậ n tả i (điíồiig s ắ t. tà u b iển , ỏ tô, niáy bay, ...). trong ngành n ăng híỢiig (khai th á c th a n , d ầii mỏ, n h iệ t điện và th ủ y điện)< tron g (luốc l)hòng (vũ khí. xe cộ. ...), ch ú n g h iện v ẫ n ch iến i k h o ả n g 90% tổ n g khôi Iitợng vạt liệu kini loại dùng trong côn g n g h iệp của th ê giới. Mặc dù n h iều loại v ậ t liệ u niối đã ra đòi, Iihiíng vỊ trí th en chôt. của th ép và gang vần chưa bị th ay đổi. bỏi vì so với các v ậ t liệu khác (kim loại cữ iig Iihư phi kini loại ). việc sả n x u ấ t ra Iih ííiig hợp kiin trẽn cơ sở s ắ t (th ép và gan g) với kliôi lượng lớn là khá ổn định và txíơng đôi rẻ tiề n và trên h ế t là do ng\t(ii ta có th ể ché tạo ra các loại thép và g a n g vói n h ữ n g tín h ch ấ t rất khác n h a ii nhò liỢp kim hóa và n hiệt luyện và do vậy ch ủ n g có th ế th ỏa m ãn đ\tợc n h ữ n g đòi hỏi rất đa dạiiK trong' thực tế. Trong cluíơiig này sẽ đề cập đ ến các loại th ép và g a n g chủ yếu th iíò n g gập trong công nghiệp và trong đời số n g của con Iigưòi. đó 1?1 th ép cacbon. th ép lidp kim, các loại gan g và một sô hỢp kim đặc biệt. 7.1. THÉP CACBON 7.1.1. T H À N H P H Ầ N H Ó A HỌC Trong tlníc tè. thép cacbon k h ôn g phải là hđp kim chỉ gồm có Fe và c (trong đó híỢiig c < 2.14%) inà do đ iểu k iện nâ'\i lu yện , có n h iều n g u y ên tô 'k h á c cũ n g có mặt. trong thép, cìó là cac tạp c h ấ t th ư ờng có n h ư Mn. Si. p . s . các tạp c h ấ t ẩ n n h \í H. N. o và các tạp chất, ngẫii n h iên Iihií Cr. N i, Cii, w, Ti, Mo, V. ... Tạp chất, thường có là n h ữ n g n g u y ê n tố th ư ờn g x u y êii có m ặ t tron g mọi loại thép, chúng đi vào thép tìĩ qiiặng sắt. từ Iihiên liệu sử cÌỊiiig khi hiyệii gaiig. hoặr từ việc dùng fero để khử oxy khi tin h h iy ện thép . T rong đó M u. Si là Iiliữiig t.ạj) châì, có lợi. chiíng n ân g cao cơ tín h của th ép. T rong các điểu kiện th ô n g thường của luyện kim chứng có m ặt ở tro n g th ép với htỢiig chứa M ii < 0,8%; Si < 0.6%. Còn p. s https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 293 \ì\ cac tạ p c h ấ t có h ạ i. c h ú n g làm cho th ép bị giòn và khó hàn. cho nên phải tìm i-ach h ạ n c h ế sự có n iặ t của ch ú n g đến mức có th ể được, thép ch ất lượiig càng cao (tòi hỏi p h ả i k h ử cà n g tr iệ t để h a i tạp châ't này. Với th ép th ôn g tluíòng, lượiig chứa của iDỗi n g \iv ên tô đó p h ải n hỏ hơn 0,06% . C ông n g h iệp lu y ệ n kiiìi sử d ụ n g n g à y m ột n h iều s ắ t th ép vụn (phê liệu) của cãc n gàn h k in h t ế qiiôc d ân v à q\iốc p h òn g th ả i ra (m áy m óc, xe cộ, vũ khí. ...) trong đó Iih iể u bộ p h ậ n là in từ th é p hỢp k im . n ê n tro n g n h iề u lo ạ i th é p cacboii tliô iig th ư ò iig vần có th ể có n iột híỢiig nhỏ các n g u y ê n tô' như: Cr, Ni. Cii (ắ 0.2%); w, Ti, Mo. V (< 0.1%); ch ú n g được gọi là các tạ p cliấ t n g ẫ u n h iên , thường là cộ lợi vì nâng cao cơ t ín li cho th é p . N g oài ra tro n g th ép cacboii th ô n g th ư ồ iig còn hòa ta n các khí nitơ, hyđro. oxy với lượng chứa rấ t nhỏ Iiìà v iệc xác đ ịn h ch ú n g r ấ t khó k h ăn , chúng được gọi là các tạp ch ấ t ẩn . với các p h iíơ u g pháp p h â n tích th ô n g thư ờng khó phát hiện và ngiíời to thường bỏ q u a. N ói ch u n g ch ú n g là n h ữ n g tạp c h ấ t có hại. Cãc Iigiivên tô k ể trên với lượng clii'ía nhỏ hơn các giới liạii quy địiih. ảnh hưởng k h ô n g đ á n g k ể đến tổ chức và tín h c h ấ t của th é p , kể cả các ng uyên tô’ có lợi. cíềii gọi là tạ p c h ấ t (in à k h ô n g gọi là n g u y ê n tô' hỢp k im ) b ở i v ì sự có in ặ t của chúng vỏi híỢng ch ứ a h ạ n chế, chủ y ếu do y êu cầu củ a qiiá trìn h công nghệ (ỉớn giảii (cơ bản) n h ấ t nià k h ô n g có m ột d ụ n g ý nào. T óm lại th à n h p h ầ n hóa học của th ép cacbon th ô n g thường, ngoài Fe ra, được giỏi h ạ n Iihư sau: c < 2%: Mu < 0.õ-0,8%; Si < 0,3-0,6%: p ắ 0,05-0,06%; s < 0.05-0,06% . 7.1.2. Ẳ N H H Ư Ở N G C Ủ A C A C B O N Đ Ế N T ổ CHỨC VÀ T ÍN H CHẤT C Ủ A T H É P C AC BO N C acbon là n g u y ê n tô q u a ii trọ n g Iih ấ t. quyết (lỊnh chủ y êii đ ến tổ chức và tín h ch ất của th ép cacbon (và cả th ép hợp kim). T ừ g iả n đồ pha F e-C thấy rằ n g k h i liíỢng chứ a của c tro n g th ép tă n g lên , híỢiig x ê n ie n tit c ìin g tă n g lên tư ơng ứ n g và là m th a y đổi tổ chức t ế vi củ a th ép , ơ trạ n g th á i câ n bằng (trạng th á i ủ), tổ chức t ế vi của th ép cacboii, p h ụ %c tliuộc và o híỢiig ch ứ a của Hình 7.1, Ành hưởng của cacbon đến cơ tính của thép cacbon c troug nó. n h ií sau: ỏ trang thái ử https://tieulun.hopto.org
294________________________________ ________________________ C hương 7. THÉP VÁ GANG c < 0 . 8 % - th ép trưóc cùng tích, tổ chức là ferit - peclit; c = 0 , 8 % - th ép cùng tích, tổ chức là peclit: c > 0 , 8 % - thép sa u cùng tích, tổ chức là peclit * x êin en tit II. Cơ tín h của th ép cacboii, phụ thuộc vào lượng chứa của c trong 110. được trình bày trên hình 7.1. Ta th ấy khi th à n h phần cacboii tăn g lên. độ bển và độ cứng tăng, còn độ dẻo và độ dai giảm . R iên g độ bền chỉ tăn g và đạt cực đại khi th àiih phần cacbon vào cri 0.8 - 1 .0 %. vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi (và có lẽ đó cũng là lý (lo troiìg tliỊíc t ế ít k h i gặ p th é p có th à n h p h ầ n cacbon vượt qua 1,3% ). Có th ể giải thích các quy lu ật trên như sau: khi tăn g lượng cliửa cacbon. sô litợng pha x ê n ie iitit (cứng, giòn) tă n g lên. lượiig peclit tăn g lên tương ứng. còn lượng pha ferit (inềm , dẻo) giảm đi. Tổ chức peclit gồni hai pha x ên ieiitit (cứng) và ferit (iiìềm) xen kẽ n h au , là m ột tổ hỢp pha cho độ bền cao. N hư vậy khi t.ăng lượiis chửa cacbon. độ bển và độ cííiig tăn g, độ dẻo và độ dai giảm xuống. Klii lượng chứa cacbon vượt quá giói h ạn 0,8 -1.0% trong thép sẽ x u ấ t h iện pha x ên ieiitit II ở dạng lưói. cản trỏ sự trượt và tạo điều kiện cho việc xu ất hiện và p h át triển của vết Iiứt, làm độ b ền của thép giảm xiiốiig. Về m ặt địiih lượng, có th ể th ấy cứ tăn g 0,1%C, làm độ cứng tăn g thêm klioảníí 20-2Õ HB. giỏi h ạn bền (ơi,) tăn g th êm khoảng 60 - 80 M Pa, độ giãn đài (ô) giảm di khoảng 2 - 4%. độ th ắ t tỷ đối (v|/) giảm đi khoảng 1 - õ%. độ dai va đập (oi,) giảm cti khoảng 200 kJ/m^ , ... Do cacbon ảnh hưỏng lớii đến tổ chức và cơ tín h của thép n h ií vậy nên thép cỏ th àn h phần cacboii khác n h au có cơ tín h râ't khác nhau và do đó đitỢc dùng vào các mục đích khác nhavi. M ột cách đại th ể có th ể th ấy Iihií sair. - Các thép vói th à n h phần cacbon thấp (< 0,2n%C) nói cluvng m ềm , dẻo. ctộ bền. độ cứng th ấp và h iệu quả hóa bều b ằn g Iihiệt luyện (tôi và ram ) cííug không cao. nên được dùng làm các k ết cấu xây dựng, chi tiế t qiia đập nguội (là nhừng sản phẩm cần độ dẻo cao. không cần qua n h iệt luyện). Vói các thép này m iiôii tăn g hiệvi quả của n h iệt h iyện phải qiia th ấm cacbon lóp bề n i ặ t ; - Các thép với th à n h phần cacbon trung bình (0.3 - 0.õ%C) có cơ tính tổng liỢp cao (do có sự k ết hỢp h ài hòa giữa độ bền. độ cứng, độ dẻo và độ dai), do vậy thích hỢp cho các chi tiế t m áy chịii tả i trọng tĩn h và va đập cao Iiliit trục tru yền lực, bánh răng,; - Các thép vói th à n h phần cacbon tương đối cao (O.õõ - 0.70%C) có độ cứng cao và giói hạn đàn hồi cao n h ất, đưỢc dùng làm các chi tiế t đàn hồi Iilní lò xo, nhíp. ... - Các thép vói th à n h phần cacbon cao (> 0,70%C) có độ cứng và tín h chông niòi mòn cao. được dùiig làm dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập ugiiội, ... N goài cơ tín h ra. cacbon cũng ảnh hưỏng đến inột s ố tín h ch ất hóa lý của théịi. Klii tăn g lượng cacbon, m ật độ Ochối lượng riêng y). độ từ th ẩm (|i)và khả n án g chôíig ăn m òn của th ép giảm đi. còn điện trở (p ) và lực khử từ {H ,.) tă n g lên. https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC______________________________________________________________________ ' 2 ^ 7.1.3. Ả N H HƯỞNG CỦA CÁC N G U YÊN T ố KH ÁC M angcui: M aiigaii cìược cho vào thép khi tin h luyện, dưới dạng fero-M n, để khử oxy và liívi huỳnh, theo các phản ứng sau; FeO + Mn Fe + MnO , (7.1) FeS + Mn -> Fe + M nS . (7.2) MiiO V M nS nổi lên. đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò. Klii hòa tan vào ferit lượng Mn cà (hr thừa sẽ n ân g cao độbền. ctộ cứng của pha này. do vậy làni tăn g cơ tín h của thép. Tuy nh iêu , do lượng Mii trong thép cacbon ít (< 0,8% Mii)nên tác dụng này không rõ rệt. Tác dụng chủ yêu của Mn trong thép cacboii là để khử oxy và hạn c h ế sự có m ặt của híii h u ỳn h như đã n êii ở các phản ứng (7.1) và (7.2). S ilic : Silic được cho vào n h iểu loại thép để khử oxy một cách triệt để hơn (cùng vói Al). theo p h ản ứng sau: 2 FeO + Si ^ 2 Fe + SiO^ , (7.3) ( 3 FeO + 2 Al -> 3 Fe + a LO:, ) . SiO^ . AI2OI Iiổi lên. đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò. Lượng Si còn lại hòa tan vào ferit. cũng như M n. n ân g cao độ bển, độ cứng cho pha này. N hư ng trong thép cacboii.liíỢug Si cũng chỉ trong giói h ạn nhỏ hơn 0,6% Si. n êii tác dụiig Iiày cũng kliông rõ rệt (còn AI cháy m ạnh, h ầu như không còn lại trong thép lỏng). P h o tp lio : Photplio có m ặt trong thép từ quặng hay từ th an (khi h iyệii gang). Dủ ố dạng hòa tan trong ferit hay ở d ạng liên kết Fe,ịP. nó đều làni cho thép bị siòu. đặc b iệt là ở trạn g th ã i nguội, đó là hiện tượng giòn nguội (hay bở nguội), do vậy phải h ạii c h ế sự có n iặt của p ở dưới mức cho phép, đôi vói thép cacboii thông tlutờiig Iihỏ hơn 0.06% p. R iêng vói thép dễ cắt. để n ân g cao khả n ăn g gẫy phoi, htdng p có t hể cao tói 0 ,0 8 - 0.15% p . L ư u ỉiu ỳ n /i: Cũiig Iiiiií pliotpho, lưii huỳnh có m ặt trong thép từ quặng và nhất là tìí th an khi nấu gaiig. C ùng tinh (Fe + FeS) có n h iệt độ Iióng chảy thấp Í988"C). nằm ở biên giói hạt. Klii n ung nóng thép để gia công ãp lực. cùng tin h này bị niềni và chảy ra. làm th ép bị đứt ở biên h ạt. có cảni tưỏiig như bị phả hủy giòn, đó là hiện tượiig giòn nóng (hay bở nóng), do vậy phải hạn chê sự có m ặt của s ở d\íói inức cho phép, đốì với th ép cacboii th ôn g thưòng nhỏ hơn 0.06% s . R iêng với thép (lễ cắt. để Iiâng cao khả n ăn g gẫy phoi. híỢng s có thể cao tói 0 ,08 - 0,30% s . 7.1.4. P H Â N L O Ạ I T H É P CACBON Có Iihiềii cách phân loại thép khác nhau, nhưng thưòng gặp các cách sau. Theo chấ t lư ợ ng: T heo ch ất híỢiig h iyện kim. tức là theo mức độ đồng nliâ't của thành phần hóa học, tổ chức và tín h ch ấ t của thép và đặc b iệt là mức độ chứa các tạp ch ất có hại p. s , người ta phân ra các loại thép sau: - T hép có ch ất lượng thường, có th ể chứa tới 0,06% s và 0,07% P; - Thép có châ'’ lượng tô*t, chứa không quá 0,04% s và 0.035% P; ! - Thép có ch ất lượng cao. chứa không quá 0,025% mỗi n gu yên tố; - Thép có châ't lượiig đặc b iệt cao. chíía không quá 0,015% s và 0 , 020 % p. https://tieulun.hopto.org
•29G__________________________________________________________ Chương 7. THÉP VẢ GANG Châ't. híỢiig của thép do phương pháp luyện quyết định. Pluíơng pháp Marii:i (hay phương pliãp lò bằng), vói tường lò có tính bazơ có th ể khử đ\íỢc p. s . hiytMi ctược thép với ch ất liíỢng tương đối tô't; với tưòng lò có tính axit có th ể hiyệii théi) co chất lượng cao. T uy n h iên theo Iihững thông báo mói nhất, phitơng pháp lò bằng ngày m ột ít đitợc sử dụng và có th ể bị thay th ế bởi các phương phãị) khác. Phương pháp L-D (lò thổi oxy từ đỉnh) lu yện thép vói n ăn g su ấ t cao. chnt lượng từ thông thiròng đến tốt . Phitđiig pháp lò điện (tlntòng là hồ quang) luyện được théj) chất lượiig cao. có khả năng khử p. s tôt. Thép cacboii có th ể gồm ba loại chất htợiig đầii, thép liỢp kim có th ể gồni ha loại ch ất lượng sau. Tkeo p h ư ơn g p h á p k h ử oxy : Theo mĩlc độ khử oxy . phân ra ; thép SÔI. thép lặug và nửa lặng. Thép sôi là th ép được khử oxy không triệt để, chỉ dùng fero-M n. Do vẫii còn FeO , nên IIÓ có th ể tác dụng vối c trong thép lỏng theo phản ứng sa\i: FeO + c -> Fe + c o t . (7.4) Klií CO bay lên làm cho m ặt thép lỏng chuyển động giông Iihư nó bị sôi lén, do vạy có tên là thép sôi. Do khí c o vẫn còn tạo th ành n gay cả khi rót khuôn nên sẽ tạo thành m ột sô* bọt khí trong thỏi thép đúc và gầu như không có lõm co tập truug ở phía trên (hình 7.2a).T rong quá trìiih cán nóng tiếp theo, phần lốn các bọt khí này được hàn liền lại làm cho thép trở nên sít ch ặt hơn. Thép sôi có th àn h phần không đồng nhất, phần phía ngoài hầu như khôiig có cacbon, phần lõi chứa ỉihiểu cacboii hrtii. sự phản lóp này th ấy rõ trong tấm thép cán. Do chỉ dùug fero-M n để khử oxy . liên ferit ciìa thép sôi chứa rất ít Si (< 0,07%) và do vậy nó rất dẻo. cãc tấJii thép lá m ỏng rất thícli liợp cho việc dập sâu. Tuy vậy thép sôi khó hàn. vì klii liàii. tại vung nóng chảy sẽ lại xảy ra hiện titợng "sôi" khó tráiih như đă mỏ tả ở trên, làm xuất hiện Iihiềii rồ ờ v ù u g m ép hàn và làm xáii cd tính của niôi hàn. Thép lặn g là thép đirợc khử oxy triệt để, Iigoài fero-M ii. còn dùng fero-Si và Al. n ên trong tliép còn rất ít FeO, m ặt thép lỏng phẳng lặng, và do vậy được gọi là thép lặng. Trong thỏi th ép lặng hầu như không còn bọt khí. nhưng lõni co lại lón (hình 7.2b). Sự phân lóp như nói trên cũng không còn nữa. C hất lượng thép lặng cao hơn thép sôi. n h iíiig không kinh t ế vì phải cắt bỏ phần lõm co. (có khi tỏi 10 - 15% trọng lượng của thỏi), chi phí cho việc khử oxy tốn kéin hơn. Do chứa nhiề\i Si hơn (O.lõ - 0,30% Si), nên ferit của thép lặng cứng hơn so vói thép sôi. Thép lặn g thích hỢp cho việc hàn. Thép nửa lặn g là loại tn m g gian giữa thép sôi và thép lặng, chỉ đitợc khử oxy bằng fero-M n và Al. Thép cacboii thấp có th ể ở cả ba loại kể trên. Thép cacbon trun g bình có th ể là thép lặn g hoặc nửa lặng. Thép cacbon cao và thép hỢp kim hiôn là thép lặng. Vật đúc chỉ đưỢc chê tạo từ th ép lặng. Thũo công d ụ n g : Đ ây là cách phân loại thường dùng n h ất, gồm bôn nlìóin chính: - T hép cán Iióng th ôn g dụiig, loại này chủ yê\i dùng trong xây dựng và cac công việc thông thường tương tự, nói chung không cần qua n h iệt luyện; - Thép kêt câu. chủ yếu để làm các chi tiế t m áy. thường phải qua n h iệt hiyệiK https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 297 - T hép (lụng cụ. chủ yếii để làni cụ (cắt gọt. biên dạng, đo Utòng). tlníỡng b ắt buộc phải qiia nhiệt hiyệii: - Thép có công dụng riêng. / 7.1.5. KÝ H IỆ U VÀ CÔNG DỤNG CỦA CÁC N H Ó M T H É P CACBON Gần Iihư mỗi Iiưỏc đều có cách ký lũệii thép riêng của niình (phần phụ lục có trình bày khá cụ th ể dể bọn (lọc th am khảo). N h iín g th iíòn g Hình 7.2. Sơ đồ cấu tạo của thỏi đúc thép SỎI (a) (lưục tu ân t.hoo m ột n gu yên tắc sau: và thép lăng (b) V Ỏ I nhữ ng thép thông dụng, k h i sử clụiig không cần qiia n h iệt luyện, được ký h iệu theo cở tính ỏ trạn g thái ciing cáp (thường hóa). Còn vói Iihững thép nià phải q\ia n h iềii k h âu gia công để chè tạo ra sản phẩm (rèn dập, cắt gọt. n h iệt hiyệii) th ì được ký liiệii theo th à n h phần hóa học, hỏi vì cd tín h của chúng còn th a y đổi n h iểii sa ii các giai đoạn gia công cló. Nưóc ta clnta sản x u ấ t điíỢc n h iều thép và do v ậ y cách ký h iệu của ta cũng cluía hoàn chỉnh, tuy n h iên chúng ta cũng không Iiằiìi ngoài ỉigviyêii tắc nê\i trên. 7.1.5.1. Nhóm thép cán nóng thông dụng (còn gọi là thép cacboii chất liíỢiiR t.hưòiig) H iện ch ú n g vẫn chiêm tói 80% khôi litợng thép dùng trong thực tế. tlHíờiig cíitợc cung cấp ỏ d ạng qua cán nóng (tấm . thanh, dây. ốug. thép hình: chiì ư . I. thép góc. ...) tìĩ các nhà lììáy liên hợp h iyệii kini. vói mục đích chù yếu để làm các kết cẩu trong xây dựng nh\f Iihà, xitởng. cầu. côíig, cốt thép của bêtôiig. ... (cũiig có thề SIÍ clụiig trong chê tạo may để làm các chi tiết niáy không quan trọng). Bảng 7.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường, phán nhóm A Mác thép a t,, MPa (To, 2 , MPa «5 .% CT31 > 310 - 20 CT33 320-420 - 31 CT34 340^40 200 29 CT38 380^90 210 . 23 CT42 420-540 240 21 CT51 500-640 260 17 CT61 > 600 300 12 Ghi chú: Nế\i là thép sôi thì thêm chữ s, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữ 11 ở pĩiía sau. Ví dụ: CT33s, CT42n, ... Ngoài ra cần lưu ý thép xuất xưởng có tiết diện (đường kính, chiểvi dày) càng nhỏ có cơ tính càng cao hơn(so với sô'liệu trong bâng). https://tieulun.hopto.org
•298 C hương 7. THÉP VÀ GANG Theo TCVN 176Õ-7Õ Iihóni thép này được ký hiệu bằng chiì CT (C là cacboii, T là thép), vỏi con s ố tiếp theo chỉ giói hạn bển kéo tối thiểu (kG/iììni'^). Iiuiốii (ìổi ra MPa chỉ việc Iihâii vói 9.81 (tliưòiig lây tròn bằng 10). Nhóm thép nùy lại đ\fỢc chia th ành ba phân nhóm nhỏ; - Phân nhóm A: chỉ quy định vể cơ tính, nià không quy định về tliàiili phần hóa học (xeiii bảng 7.1). - Phân nhóm B: chỉ qviy định về th ành phần hóa liọc mà khôiig quy định vể cơ tinh. Thép thuộc phân nhóm n ày ký hiệu tliêin chií B ỏ phía trước chữ CT (xem l)ảng 7.2). t •' . Báng 7.2. Thành phần hóa học của các mác thép cacbon chất lượng thường, phản nhóm B Mác c, Mn. Si trong thé 3, % s,% p,% thép % % sôi nửa lặng Jăna. không quá BCT31
VẬT L iệ u HỌC 299 7.1.5.2. Nhóm thép kết câu Đ ây là Iihóin thép cacbon ch ất lượng tô't. lượng p. s thấp hơn. cụ thể: s 0,04% . p 1 0,03õ% và được quy địiih cả về th àn h phẩn hóa học và cơ tính, đvíỢc clủii" chủ yếii để làm chi tiế t niáy. Theo TCVN 1766-7Õ. nhóm th ép này đ\íỢc ký h iệ ti h ;iiig cliữ c (thép cacbon) vớ i con sô chỉ liíỢ iig cacbon t n iiig b ìn h theo phán vạn. N êu là thép sôi th ì th êm chữ s, Iiếii là thép nửa lặn g th ì thêm chừ 11 ỏ phía sau. Ví dụ. C lO s là th ép sôi. vối lượng cacbon trung bình là 0,10% . Chi t.iốt về nhóm thép này xein ở b ản g 7.3. Báng 7.3. Thành phần hóa học và cơ tính của nhóm thép kết cấu cacbon chát lượng tốt Cơ tính sai; khi thường lóa Độ Mác c. Mn. ^ 0.2 • cứng thép % % MPa MPa % HB sau ủ, kJ/m^ HB C8 0,05-0.12 0,35-0.65 320 200 33 60 131 CIO 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 o / ii r/ìú: - Các mác cĩều chứa 0,17-0,37”ó S i : - Mẫu thử có đường kính và chiều dày nhỏ hơn 80 mm : - Độ clai va clập các thép thử ở trạng chãi hóa t ô t ; - Cơ tínli của các thép C75, C80, C85 cũng chử ỏ trạng thái hóa tô't (tỏi và rani cao). 7.1.5.3. Nhóm thép dụng cụ Đ ây là Iihóm thép có th à n h phần cacboii cao (> 0,70% C). thuộc loại thép chất lưỢng tố t. đ\tợc quy đ ịiih kh á ch ặ t vê' th à n h ph ần hóa học. n h ấ t là lượng chứa của p https://tieulun.hopto.org
300 C hương 7. THÉP VÁ GANG và s. được dùng dể làni các dụng cụ vói nâng suất thấp và trung bình. Theo TCVN 1 8 2 2 -7 6 . Iihóin th ép này điíỢc ký hiệu b ằn g chử CD (C-cacbou. D-clụiig cụ), với con s ố chỉ litợiig cacbon trung bình theo phần v ạ n (xein bảng 7.4). Bảng 7.4. Thành phần hóa học của nhóm thép dụng cụ cacbon Màc Thành phấn các nguyên tố. % Độ cứng sau khi ủ. thép Si Mn HB CD70 0,65-0,74 0,15-0,35 0.20-0.40 187 CD80 0.75-0.84 0,15-0.35 0,20-0,40 18^ CD90 0.815-0,94 0,15-0,35 0,15-0,35 192 CD100 0.95-1,04 0,15-0,35 0,15-0,35 197 CD110 1,05-1,14 0,15-0,35 0,15-0.35 207 CD120 1,15-1,24 0,15-0,35 0,15-0.35 207 CD130 1.25-1.35 0,15-0,35 0.15-0,35 217 Ghi chú: - Các ni.ác đểu chứa : s O .SO s, s 0,035"ò .O ^o p. Nếu liíỢng chửa p, s th
VẬT LIỆU HỌC______________________________________________________________________ 3 ^ q\iyển ). dùng làm dây điện tlioại và trong sinh hoạt. D ây thép có tliàiih J)hẩii O.ÕO - 0.70% c dùiiíí để cuốn th ành cãc lò xo tròn. T rong kỳ thuật còn dùng các loại dây cáj) có tlọ hển rất. cao. chính là (lo các .sợi tliép Iiliỏ được kéo nguội, có độ bền cao, bện lại. Thép lá cĩừ dập n g u ộ i: Tliép để dập nguội tlutòiig ở (ỉạug tấm inỏiig (lá), đòi hỏi pliai có tín h dẻo cao. đăc b iệt vối chi tiết, (lập sâu. Muôn vạy, IvtỢng cacboii phải rá^ thấị). thường chỉ O.OÕ - 0.20% c . Tổ chức chủ yếvi là ferit. Lượiig silic CŨUR phải t hấp (0.07 - 0.17% Si), vì Si làm giảm Iiiạiili ctộ dẻo cvia ferit. do vậy thép la để dậ]) sâii tlu íờ iig là thép sôi. v í dụ. Cõs. C 8 s, ClOs, C lõ s . ... Đ ể tă n g khả n ăn g chông ăn mòn trong khí qiiyeii. các tẩni tliép lã m ỏng có th ể clược trá n g Sii (gọi là s ắ t tây), hoặc trang Zn (gọi là tôn tráng kẽni). 7.1.6. ƯU NHƯỢC Đ IẾ M CỦA T H É P CACBON T hép cacboii vần điídc dùng rộng rãi trong côiig nghiệp và troiití đrii snn^í. (k) hai ưu điểm cd bản sau: - Rẻ tiển. vì dễ Iiâ'\i hiyệii và trẽn hết. không phải clùiiK các ngiiyẻn tô’ hợp kim ilìit tiền; - Có cơ tín h n h ấ t ctịnh (chảiig liạn ctộ cứng sau khi tôi của tliép c cao kbòiif> tlm a ké n i th é p hỢp k im có híỢng c tư ơng tự ) và n h a t là có tín li CÔIIK ng liộ tô t; (le (ìiic. hàn, cán. rèn. dập. kéo sợi. gia côiig cắt gọt. ... t.ôt hớn so với tbép hỢ]) kim: T iiy n h iê n R với th é p liỢp k im . th é p cacbon có O iihiíỢc ctieni crí b ả ii saii: - Độ bền ỏ trạn g thái cu n g cấp (thường hóa) và írạnp thái ủ t.hấp. RÌối hạn (tàn hồi k h ô n g viíỢt quá 7 0 0 M P a. chưa kể đẻìi klii đó tliì ctộ dẻo V ctộ (lai đà g iả m đi cà rất m ạnh. Với th ép hợp kiiìì vi híợng. dà có th ể cải th iệu tín h chất này inột carh (ỉánfí kể (sẽ Iiói sau); - Độ tliấiii tôi của thép cacboii nói chung tháp, khó có th ể tòi tlũủi một clii t.iết co (htòng kíiili khoảng lõiHin. nià nm ôn tôi thấii phải chọn môi trường tôi m ạnh, điểu đó sè clnii đên nguy cơ biến dạng n hiều và th ậni ch í ííây nửt. vỡ. Cac Iiíĩuvêii tô hỢp kim sẽ cải th iện đáng kể ctộ thãin tôi của thép; - Độ bền và n liâ t là độ cứng ở nliiệt ctộ cao (> 300" C) rất tliâp. một phẩn (lo không CÒ n iacteu xit Iiữa. m ột Iiliần cỉo hiện t\tỢng clão. Đ ây là yếu đÌPin rnt cơ bảii II của th ép cachoii so vỏi th ép hỢp kim. nià không th ể (lùng nó làm (lụng cụ cát Iilianh. hoặc chi tiế t làm việc ở nhiệt (tộ cao; - Độ bền chông mài mòn: tiiy thép cacboii sau khi tôi đúng, có ítộ cứỉiíí kliôiig thua kéni so với thép hỢp kim có lượiig c tươiig tự, Iihưng khả iiăuR chông m ài mòn kéni liđii. do trong thép cacbon hầii Iiliií không có hoặc có rất ít cãc loại cacbit hựp kim. inột yế\i tô quan trọiig góp phán n ãiig cao độ bền chông m ài J11Ò11 cho tliép; - Độ bển cliông ăii mòn của thép cacboii nói cluuig tliâp. iiRay cả trong khí quyển t.liôiig- tliư òng (có clnU. ít hơi Iiước hoặc k h í CO-^), thép đã có th ể bị gỉ. Chỉ rẩii cho th êm một. lượng nhò Cu là đõ có th ể cải th iện tôt khả năng này của thép. C II Ò nế\i cho vào thép inột lượiig thích hợp Cr. Ni. ...sẽ làm cho thép trỏ liên không gỉ (sè Iiói savi). https://tieulun.hopto.org
302 ________________________________________________________ C hư ơnịỊ 7. THÉP VÀ GANG 7.2. KHÁI NIỆM VỀ THÉP HỢP KIM 7.2.1. T H À N H PH ẦN HÓA HỌC V À ĐẶC Đ IỂ M c ủ a t h é p HỢP k i m Thép liợp kiin là loại thép mà ngoài sắt. cacbon và các tạp chát ra. ta còn rỏ'ý đifa vào các n gu yên tô* đặc b iệt vói m ột htợug nhất, địiili để Inni th ay (lổi tổ rliức’ và tín h chất của th ép cho hỢp vối yê\i cầii sử dụng. Cac nguyên tô' được đ\ĩa vào inột. cách cô ý n liií vậ y điíỢc gọi là nguyên tố’ hỢp kim . Các ng uyên tô hỢp kim thường gặp là: Cr, Ni, Mn. Si. w . V, Mo, Ti. Nb. Zr, C\ 1, B. N. ... và ranh giới vồ híỢiig đế phân b iệt tạp ch ất và n gu yên tô hỢp kim là như saii: M n : 0 . 8 - 1 .0 %; Si; 0.õ-0,8% : Cr; 0 , 2 - 0 . 8%: Ni: 0.2-0.6% ; W; 0 .1 - 0 . 6 %; Mo; 0.00-0.2% ; Ti. V. Nb. Zr. Cu > 0.1%; B > 0.002% . V í dụ^thép chứa 0.7% Mn vẫn chỉ đưỢc coi là thép cacbon (nghĩa là Mn vãn chỉ là tạp chất), chỉ khi Iượng Mn > 1.0% ]iìói ctược coi là thép hỢp kim. TroiiíỊ kin ctó chỉ cần có > 0,1% Ti (hoặc V, Cii. Zr, ...) hoặc > 0.002% B cũiig đã được coi là thép hỢỊ) kiin. Trong thép hỢp kim , litợiig chứa các tạp cliât có h ại Iilnt p. s và các khí oxy . hyđro. Iiitơ là rá't thá'p so vói thép cacboii. Do việc khử tạp chất triệt để liơii và iiluVt là do p h ả i cho vào các ng uyên tô liỢp k in i. nên nói chung thép hỢp k in i đắt tiề n hơn so với th ép cacboii Iihưiig bù lại. thép hỢp kim có những ctặc (tiểiii nổi trội hơn hnn so với thé p cacboii, ha y nói khác đi, m ục đích của việc hỢp k im hóa như sau. Về cơ tín h : T hép hỢp kim nói chiing có độ bền cao hớn hán so vói thép cachoii. th ể hiện ctặc biệt rõ ràng saii khi nhiệt luyện (tôi và ram), do độ tháni tôi của t,liCịj hợp kini được cải th iện rất n h iề\i so vói thép cacbon. thép liỢp kim càiiíí cao. ưii việt này càn g rõ. T uy nliiên cần th ấy rằng: - 0 trạiig th ái không n h iệt luyện, ví dụ, trạng thái ủ. ctộ bền của thép liỢp kini khô ng cao hdn n liiề i; so vó i thé p cacboii. - S au n h iệt lu yện , th ép liỢp kim có th ể đạt đưỢc độ bên râ't cao, nhưiig cùng vỏi sự tă n g độ bều. độ dẻo và độ dai lại giảm đi. do vậy phải chú ý tỏi mối quan hệ iKiy để xác đ ịn li cơ tín h th íc h liỢp. - C ùng vcỊi SIÍ tă n g mức độ hỢp k im hóa. tín h côiig nghệ của tlié p sẽ xấu (U. Vé tìiih c h ịu n h iệ t (tín h cứng nóng và tín h bền nóng): Thép cacboii có độ cVíiiị; cao sau khi tôi. như ng không giĩl được khi làm việc ở n h iệt độ cao hơn 200 " c . (lo lu actenxit bị phân h ú y và x êm eiitit k ết tụ. N h iệt độ cao hơn. thép bị bièu dạiiK (lo hiện tượiig dão và bị oxy hóa m ạnh. ... Các ngu yên tố hợp kim cảii trỏ khả Iiaug khuếch tán của cacbon. làm m acteiixit phân hóa và cacbit kết tụ ỏ n h iệt clộ rao hơn. v ì th ế IIÓ giiì điĩỢc độ cứng cao của trạng thái tôi và tín h cliôìig dão tới 600" c . tính chốiig sự oxy hóa tối 800-1000"C . Dĩ nhiêii niuốii đ ạt dược tính ch ất này. théị) cẩii được hỢp k im hóa bởi m ộ t sô' nguyên tô' với h tợ iig tư ớng đốì cao. ư u việt, này của thép hợp kim đitợc ứng dụng trong thép dụng cụ và th ép bền Iióng. Về các tín h ch ấ t vật. lý và hóa học đặc biệt: N liií đã biết, thép cacboii bị gỉ t roiig k h ô iig kh í. bị ă ii m òn m ạ n h tro n g cãc niôi tn íò iig a x it. bazơ và nm ôi. ... Nhò hỢỊ) kini hóa nià có th ể tạo ra thép không gỉ. thép có tính giăi) nở và đàn hồi (lạc hiệt. https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 303 thép có từ tín h cao và thép khôiig có từ tính, ... Trong những tn íờ iig liỢp nhiĩ vậy. pliải dùng nhữ ng loại thép hợp kim đặc biệt, với th àn h phẩn chíỢc kliôiig ch ế chặt cliẽ (và dĩ nhiên là đ ắt tiền). N hư vậy có th ể nói rằng, nguyên tô^ hợp kiin có tac dụng rá't. tốt, thép hđp kim là v ậ t liệu không tliể th iếu đưỢc troiig ch ế tạo m ay dụng cụ. th iết bị n hiệt điện. công nghiệ]) hóa học....... Nó thưòiig đưỢc làm các chi tiết quan trọng nhất trong (liều kiện làni việc nặng. Đ ể liiểvi rõ hơn vể bản ch ấ t các tín h cliá't qúy của thép hỢp kim. chứng ta xét qiia cac tác dụiig của n gu yêii tố hợp kini đối với thép, nià cụ th ể là đôi vói Rắt và cacbon. là hai n gu vên tô cơ bản của thép. 7.2.2. TÁC DỰNG CỦA NG UYÊN T ố HỢP k i m Có th ể nói. sự có m ặt của ngu yên tô hỢ)) kini trong thép ở trạn g thái cân bằng, chù yếu ở hai d ạn g sau: hòa tan vào sắt. (a -F e. y-Fe) chrới dạiig thiiig (lịch rắn và kết hdp với cacbon th à n h cacbit hợp kini. 7.2.2.1. Sự hòa tan của nguyên tố hợp kim vào sắt K ln liòa tan vào sắ t. các n gu yên tố hỢp kiiiì có th ể th ay tliấ P>-troiig niạiiR, (/.-Fe (m ạng A2). gọi là ferit hỢp kim . hoặc trong niạntí y-Fe (niạiiR A l). gọi là ;uist(niit. hỢp kim. Một sô’ u gu yén tố nluí: Ni, Mii. c . N. Cu. ...khi hòa tan vào sẽ niỏ rộiiy VÙUR ổn địnli của Y và làni hạ th ấ p nhiệt, ctộ c h u y ể n b iến a y (hình 7.4). Đ ặc biệt vdi Mii và Ni. khi lượng đủ lón (ví dụ. Mn lón hơn 10% còn Ni lón hơn 20%) tliép sẽ co to chức axist.enit n gay cả đ nhiệt, ctộ tlntdng. R iêng Ni (niạnfĩ có l.hp hòa tan vó hạn vào y-Fe. hợp kim, % iN i,M n ) hợp kim, 7 (C,N.C u ) c a) à) Hình 7.4. Giản đổ pha sắt-nguyên tố hơp kim (loai mờ ròng vùng Y. thu hep vùng (
304 Chương 7. THẺP VẢ GANG Trong thực t ế thư òiig gặp các thép được hợp kim hóa bằiig một lượng không nhiều Mn. Ni và các n g u y ên tô' niở rộng vùng a như Cr. Si. V. w. Ti. ... ở trạiiịĩ thai câii bằng các thép đó gồm hai pha là ferit và cacbit. Các thép kèt. cá'u và (iụiiK cụ tlntòiig gập có tổ chức như vạy. n h im g ferit này có cơ tính khac hầii so với cớ tính của ferit trong thép cacboii. Các nguyên tố hỢp kim hòa tan vào sắt. ỏ dạng thay thẻ. làm niạug tin h th ể ciia IIÓ bị xô lệch và mức độ xô lệch sẽ càn g tàng khi liồuịi ctộ Iiguyẻn tô' hỢp kim càng lóu. do vậy làm clio ctộ bền, độ cứng tăng lêu. còn độ (lèo dai cùa thép sẽ giảm đi. H ìnli 7.6 cho th ấy ảnh hiíởiig của các ng\iyẻii tô hợp kini chính (Cr. Ni. Mn. Si) đến cơ tính ciia ferit. í iượng rrj< /ó '— iyrr, hựp hỢp kim,%(AI,Sn,Pb,Zr) b) Hinh 7.5 Giàn đổ pha sắt-nguyên tô’ hơp kim (loai mỏ rông vùng u, thu hep vùng y) a) khi hòa tan võ han vào (X-Fe b) khi hòa tan có han vào U-Fe I r J 4 5 6 7 I 2 3 4 í 7 • LưỢng nguyên iỗ hỢp k i m , \ Lượn; n^uịên tõ ' k im , % 0) b) Hinh 7.6. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cơ tinh của ferit; a) độ cứng HB; b) đỏ dai va đâp 3k Ta th ấy rằng Mn và Si là hai ngu yên t ố là n i tăng rá't niạiih (tộ cửiig cũng n lu i độ bền. n h iĩn g đồiig thòi chúng cũng làm giảm m ạnh độ dẻo. độ clai của ferit. Vì v ạ y trong thực tế. vói thép hỢp kim thông tluíòng lượng Mu. Si cũng chỉ được dùnR trong giói h ạn từ 1 đến 2% . CÒII Cr. Ni có niức độ hóa bền vừa J)hải và không là n i giảm Iiiạnh độ dẻo dai. nên được ưa dìuig trong rất Iihiề\i loại th ép IiỢp kini (riên g Ni không uhững không làm giảm độ dai mà còn có phầii cải thiện tín h chất, n ày. nó là ngityên tô hợp kini râ't tô't cho thép hỢp kim. n h ấ t là tliép k êt cấu, nên phải h ạ n ch ế sử dụng chì vì nó đắt). https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 30Õ 7.2.2.2. Sự tạo thành pha cacbit trong thép hợp kim Ngiíòi ta th ấy rằng các n g\iyên tô' tạo cacbit đều là các kiin loại thuộc nhóm clniyển tiếp (sô’ điện tử phâii lớp d hoặc /■của lớp trong chưa đầy nià đã có điện tử ỏ |)liàii lớp s hoặc d của lớp ngoài). Cụ th ể vối Fe, nố điện tử tầ n g dd là 6 , pliâii lóp 4.V là 2 (xeni b ản g 7.Õ). Trong tliép cacboii. pha cacbit chính là Fe.,c (xênientit). Klii có m ặt u giiyêii tô hợp kini. ngoài khả n ăn g hòa tan vào s ắ t n hií đã nói ở trên. râ't nh iều nguyên tô hợp kiiii còn có khả n ăiig tran h giàn h cacbon với sắ t để tạo th àn h pha cacbit hỢp kiin. Kliả n ăiìg n ày tìiy tlniộc vào ái lực hóa học của nguyên tô’ hđp kini đôi với cacbon so với sắ t. mà ái htc này chíiih do cấu tạo lóp vỏ điện tủ q u yết định (xeni bảng 7.5). Cỏ th ể tliáV n gay rằng trong thép hỢp kim, nguyên tô' nào có sô' điện tử ở phân l(í]) í/ của lớp ngoài cù n g lớn hđn 6 sẽ không có khả n ăn g tạo cacbit. n gay cả các kim loại cluiyểii tiếp như Ni. Co và các kim loại như: Si. Al. Cu, Zii. chúng chỉ có th ể tạo thành dung tlịch rắn với sắ t (hoặc các pha liên kim loại khi lượiig của cliúng đủ lớii). Bàng 7.5. Sự phân bò' diện tử trong nguyên tử của một số kim loại SỐ thứ Kim K L M N 0 p tư loai 1s 2s 2p 3s 3p 3đ 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 6s 22 Ti 2 2 6 2 6 2 2 23 V 2 2 6 2 6 3 2 24 Cr 2 2 6 2 6 5 1 25 Mn 2 2 6 2 6 5 2 26 Fe 2 2 6 2 6 6 2 27 Co 2 2 6 2 6 7 2 28 Ni 2 2 6 2 6 8 2 29 Cu 2 2 6 2 6 10 1 30 Zn 2 2 6 2 6 10 2 40 Zr 2 2 6 2 6 10 2 6 2 - 2 41 Nb 2 2 6 2 6 10 2 6 4 - 1 42 Mo 2 2 6 2 6 10 2 6 5 - 1 73 Ta 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 3 2 74 w 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 4 2 Một sô n g\iyên tố Iihư Si, Co không n liĩín g không tạo cacbit nià còu Iigăii cản c kết hợp với Fe và các n gu yên tô' khác, tluic đẩy c ở dạng tự do (graphit) hoặc làm thoãt c khi n u n g thép. Ngược lại, các n gu yên tô' có sô' điện tử ở phân lốp d nhỏ hơn 6 và càiig nhỏ thì khả nàng tạo cacbit càng niạiih. Dựa vào lý th u y ết này. ngưòi ta đã xãc lập được dãy các Iigiiyêii tô tạo cacbit m ạnh dần theo thít ụt: Fe. Mn, Cr. w. Mo. V, Zr, Ti. Nli 20 - V L H --------------------------------------------------------------> https://tieulun.hopto.org
306__________________________________________________________ C hương 7. THÉP VÀ GANG Troiig đó Mn (đôi khi cả Cr. W) không tạo ra cacbit độc lập. clo ai lực vói c chỉ m ạnh hđn so vối Fe ch ú t ít. chúng th ay th ế Fe trong xên ien tit. tạo ra x êiiìen tit hợp kim dạng (Fe.M ) jC. Còn Cr, w là các nguyên tố tạo cacbit. trim g bìiili. hoặc là Iiằni trong x ên ieiitit hợp kim Iihư trèu, hoặc là tạo ra cacbit dạng phức tạp như Cr^.iCii. Cr 7C Fe;iW;(C(i. có n h iệt độ phân hủy : 0,õ% C) nó lại ỉàiii tăn g nhiệt (lộ cliuyểii biến này. Mii có tác dụng tă iig độ thấm tôi. với 1 % Mn đường kính tới hạn lý tln ivết lớn gấp bôìi lần so với thép cacbon không có M )1 (và do đó hệ sô tăng độ thấm tôi ciia Mn là bốn). Mn không tạo cacbit riêng b iệt mà thay thê Fe troiiíí Fe:(C. Đô'i với chuyển biến khi ram tác dụng của Mii là không đang kể. Ngitòi ta sử dụng Mn để cải th iện tíiili ch ất của thép có công dụug chung (khôiig qua nhiệt luyện) và n âiig cao độ th ấm tôi cho thép phải qua n h iệt hiyệii. Mặc dù Mn khá rê Iihiíiig hiếm khi nó đóng vai trò là m ột nguyên tô hỢp kim độc lạp. bởi vì nó kéo theo một số uhiíỢc điểm sau; thúc đẩy h ạt tiiih thể lốn nhanh khi m iiig. tăng tínli giòn rani. giảm độ dẻo và độ bền theo hưóng viiông góc vỏi plntdiig cán. Nikeii; N ikeii khôiig tạo th ành cacbit, tác dụng chủ yếii là tăn g độ bểii và dộ dai va đập cho ferit. Thép chíĩa trên õ% Ni giữ được độ dai tốt n gay cả ở nhiột (tộ rất thâ^p. Thép có 9% Ni được dùng để chê tạo các bình chứa trong các hệ thông làm lạnh. Ni còn có tác dving giữ h ạ t nhỏ cho thép thấm cacboii. Hệ sô' tăn g độ thấm tôi của Ni là 1.4 (loại tru n g bình). Các nguyên tố m ờ rộ n g vùn g a : Silic: Cũng như Ni. Si không tạo cacbit. Klii không có m ặt c . với khoảng 2% Si thì chuyển biến a y bị ức chế. Klii có m ặt c . vù n g y sẽ chíỢc mở rộng (vỏi 0,35% c vùng Y sẽ tồn tạ i cho tối 9% Si). Hệ sô tăn g độ th ấm tôi của Si là 1.7 (loại tn u ig bình). Si còn có tác dụng tăn g tín h ổn đm li ram , n lnín g kliông làni tăn g tính giòii của thép. Si tăn g khả n ă n g chông oxy hóa cho thép ỏ n h iệt độ cao và tăn g độ bển chôìig dào. bởi vậ y Si có m ặt trong thép crôni. Cùng vói Mn (l.õ -2 % S i và o .õ - 0,9%Mn), Si có tảc dụng tăn g giới h ạn đàn hồi, ứng dụng để sản xu ất lò xo,nhíp các loại. Crôm: Giản đồ pha Fe - Cr cho thấy vùng y bị h ạn chế trong giói hạn 12.8% Cr. Klii có th êm cacbon. v ù n g này được mở 'rộng, ch ẳng hạn vói 0 .õ% c . pha y có th ể tồn tại cho tới 20% Cr (xem h ìiih 7.Õ). Cr tạo cacbit phức tạp; CrvC.Ị và Cr^.íCịi. N hững cacbit n ày sẽ hòa tan vào a u steiiit khi n h iệt độ cao hơn 900" c . Cr tănp đãng kể độ th ấm tôi (vói hệ sô^ là 3.2). Nó còn có tác dụng cải thiện tính chông rnm https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC______________________________________________________________________^ và ríộ bều rt Iihiọt độ cao. do IIÓ tạo ra cacbit. nhỏ m ịn khi ram. có tác dụiiíỊ hóa bền lÌPt ị)ha. bù lại sự hóa m ềm của in acten xit do giảm độ chính pluíơng. Cuôi cùng. Cr (loM vai trò hàug dần đòi vối độ bển chông m ài mồn. Thép sau cùng tích í.:: (Ơ,0-1.1%C) mà cỏ 0.0-1.7% Cr điíỢc dùng rộng răi để chê tạo bi và vòng bi các loại (kẽ cả trục laii. trục cán . ...). Môlipđen; M ôlipđeii thu hẹp vù ng y còn m ạnh hơn cả Cr. N ếu Iihir kliông có cacbon. VÙIIR 7 chỉ tồn tại troiig phạm vi < 3% Mo. Klii có cacbon (0.3% C). vùng / có th ể tồii tại tỏi 8 % Mo ỏ n h iệt độ 12Õ0"C. Mo là nguyên tô" tạo cacbit m ạnh, khó hòa tan vào 7 khi im iig. cho nên troiig thép k ết cấu. litợng Mo không vượt quá 1%. n lníiig troiig tliép dụng cụ và thép không gỉ. lượiig Mo có th ể cao hơn Iihiềii. ( ’ũn.£( vói Cr. Mo tă n g m ạnh độ th am tôi (với hệ sô' là 3.8). Mo cải thiện tính chông ram do nó tạo ra độ cứiig thử hai khi rain (do hình th àn h pha M 02C) và làm giảm sư n hạy cảm (tôi với giòii ram. Vanađi; Tac dụng của V gần giông như của Mo. Nó thu hẹp vù iig 7 và khiivnh Inniu^ tạo cacbit còn m ạ n h hơn cả Mo. R ấ t khó có th ể hòa ta n v c VQO 7, ngh ĩa là 0.7% C). tóc d ụng trẻn lại không đáng kể. Đó có th ể là do B điíỢc tiết, ra ở biõu h ạt a u sten it, u găii cả a sự sin h m ầm peclit. ớ Mỹ. hệ thép chứa bo khã phãt. triini. cho phép tiết, kiệiiì đitợc khá trong việc sử dụiig cãc ngiiyôii tố hợp kini. Lưii huỳnli: Một. v ài loại thép có htợng s cao (0.08-0.13% ). nó kết. hỢp với Mii lạo ra M iiS Iiằm lẫn trong thép, có tãc dụng làm gẫy vụn phoi thép khi gia công cắt Ịíọt. Dó chính In thép cắt nhanh. ('ó tlip tỏni ta t tác dụng riêng lẻ của các nguyên tô hỢp kiin đến tính chất của llu']) nh\í sau: - De tà n g (ỉộ th ấm tôi, Iigiíòi ta sử dụng Mn hoặc Cr và cả Ni. Tãc dụng các iiíỊuyèii tô cùiig có niặt. có tính ch ất hiệp đồng, cho nên ngiíồi ta thường áp dụng nguyên tấc "nliiề\i loại nhưng ít lượng" liơii là n h iểii htợng của Iiìột nguyên tô' đơii lò nào đó: - Đ ể cải tliiện tính chống ram (giữ được độ cứiig ở ỉihiệt độ cao khi rajn). Iigưòi ta sử dụng Cr. Mo. V và w . đô là nhừng ngu yên tô' tạo cacbit trong quá trình ranr. - Đế n àn g cao độ bển chông niài inòn. người ta sử dụng các nguyên tô' tạo cacbit (ví dụ. Cr). 7.2.2.4, Ảnh hưỏng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện Các Iiguyẻn tố liỢp kim ảnh hưởng lớn đến qiiá trình n h iệt hívệii thép, đặc biệt là đèii quá trìiih tôi và rain, do vậy có ảnh Iníởng qiiaii trọng đến cơ tính, ctây là đặc https://tieulun.hopto.org
308__________________________________________________________ Chương 7. THÉP VÀ GANG tính nổi b ật của thép hợp kim. C húng ta sẽ xét lần lượt ành hitởng của các nguyên tố hợp kim tói từng m ặt của quá trình tôi và rani thép. Chuyển biến k h i n u n g nóng: Như đã biết, p hần lốn các thép hỢp kim thưòng gặp ở trạng th ái cán bầiig (ủ) có tổ chức hai pha; ferit và cacbit vói các nguyên tố hỢp kini phản b ố trong chúng. Klii n ung nóng để tôi cííng có chuyển biếu; từ hồn hợp ferit - cacbit th ành aiisten it và sự ph át triển cùa h ạ t a u sten it. Tuy nhiên so vối thép cacbon. chuyển biến n ày có những điểm khác b iệt khá rõ rệt. Trừ Mn. các n gu yên tô^ tạo cacbit hợp kim khác đề\i khó hòa tan vào austeiiit hơn so với xên ieiitit. do cacbit của chúng bền vừng và ổn địiih hớn so với xên ien tit. do vậy miiôn hòa ta n chúng, đòi hỏi n h iệt độ cao hơn và thòi giaii dài hơn. Cac nguyên tô’ tạo cacbit càn g m ạnh thì càng khó hòa tan. TiC. v c rất khó hòa tan. các cacbit khác khó hòa tan so với x êm en tit hỢp kim và xêm en tit hợp kim lại khó liòa ta n hơn xên ien tit. Ví dụ, thép dụng cụ cacboii CDlOO cliứa 1.0% c vói pha cacbit là Pe.tC có n h iệt độ tôi khoảng 780"c. thép ổ lăn O L100Cr2 có lượng cacbon tiídng tự Iihiíng có th êm l,õ% Cr với pha x êm eiitit hỢp kiin (Fe,Cr).íC có n h iệt độ tôi khoảng 830-850"C. còn th ép 1 0 0 C rl2 V có lượng Cr cao tói 12% và th êm 1%V với pha cacbit CrvC.-í và Cr2,iC(j, có n h iệt độ tôi vượt quá 1000“c . N goài ra pự đồng đểu hóa th ành phần của a u ste n it liỢp kiin cũng khó khăn hơn. do tôc độ khuếch tán của các n gu yên tô hđp kim th âp hdn rất nhiểu so vỏi cacbon. Do v ậ y m iiôn đồng đểu th ành phần hóa học của a iiste n it cần phải giữ n h iệt lâii hơn. N ếu thép được hỢp kim hóa bằng những nguyên tô" tạo cacbit niạiih, đặc hiệt, là Ti, V, w . Mo th ì do sự khó hòa tan của các cacbit đó nằni ở biên giới h ạt làni cản trỏ sự sá t nhập giữa các hạt. inà giữ được h ạt a n sten it nhỏ niịn khi m iiig nóng, ở đây cần Iihấn m ạn h v a i trò giĩt h ạt a u steu it nhỏ mịn của Ti: th ép với htợng uliỏ Ti (0.1%) đii tạo nêu m ột lượiig không lóii TiC nằm ở biên giới hạt. cỏ th ể luuig thép cìên n h iệt độ 9 5 0 -9 8 0 “ c trong thòi gian dài (3-5h) nià không sỢ liạt lóii. Ngoài cacbit ra. niột sô n gu yên tô' hỢp kim đặc b iệt nhií Al. V. Nb. Ti có th ể tạo nên cãc pha oxyt, Iiitrit rất khó hòa tan, cũng có tác dạiig giữ cho h ạt a u ste n it nhỏ inịii. H ai nguyên tô' không tạo th à n h cacbit là Ni và Si cũng được coi là các n gu yên tô cản trở SIÍ p h á t triể n của h ạ t a u s te n it, nhi
VẬT LIỆU HỌC 309 Các n gu yên tô" không tạo th ành cacbit Iiliư N i.Si. Cu, AI và nguyên tô' tạo cacbit yếu là Mii ciiỉ làm dịch chuyển vị trí của đưòng cong chữ "C" sa iig phải nià không làm th a y đổi hình dạng của đường coiig (hình 1.1 Oi). Hinh 7.7. Sư chuyển dịch sang phải của đường cong chữ “C" (đường bắt đấu chuyển biến) của các nguyên tố hơp kim a) thép cacbon vã thép hợp kim hóa bằng Ni, Si, Mn, b) thép cacbon và thép hơp klm hóa bằng Cr. w , Mo. V Các ngu yên tô-tạo cacbit m ạnh nliư Cr, w , M o .v không Iihữug làm dịch chuyển (ỉiíờng cong chữ "C" sang phải mà còn làm tliay đổi hình dạng của nó: thành hai đường coiig chữ "C" trên và dưới (hình 7.7b). Đưòug cong chữ "C" trên ứng với chuyển biếu a iiste iiit th àn h peclit, xocbit. tru stit, còn đường cong chữ "C” dưới ứiig với clm vển biến a u ste iiit th àn h bainit. PGioảiig n h iệt độ giữa h ai đitòiig cong chữ "C" trên và dưói đó - kh oản g 400-õ00"C - a iisten it q\iã nguội có tín h ổn định rất lớu. dếii niửc giữ uhiệt rất lảu. có thể tới l o ’ - 10^’ giây (3-30 h) cũng chiia thấy có ('huyểii biến. Nế\i tách riêng từ ng n gu yên tô' m ột th ì tác dụng dịch chuyển chữ "C" san g phải niạnli Iihât là Mo. rồi tiếp đến Mii. Cr. Ni. Vói cùng lượiig Iihiíthế, nhưng kết hợp Iihiều n gu yên tố hỢp kini đồng thòi th ì tác dụng dịch chuyển đưòng coiig chiĩ "C" sa n g phải sẽ m ạn h hơn. Trong thực t ế thường áp dụng cách hỢp kim hóa như vậy để đạt được hiệu quả của tôi và ram tôt hơn. N goài ra m ột lượng rất nhỏ B (0,002% ) hòa ta n trong a u ste n it cũng làm dịch chuyển n iạiih đưòng cong chữ "C" sa n g phải. Cần h i\i ý rằng các n gu yên tô hỢp kim chỉ làm dịch chuyển chíòng cong chữ "C" sa n g phải khi clníiig hòa ta ii ò trong a iisten it, điểu này chỉ có th ể đạt được khi n iu ig nóng và giữ n h iệ t th é p ở n h iệ t độ cao và th ò i g ia n d à i th íc h hỢp để phần ló ii cacbit hdp k im phân hóa và các ng uyên tô' hỢp k im hòa ta n vào tro n g a u s te n it một. híỢng đãng kể. T hép tu y đifỢc hờp kini hóa cao, nhưng n h iệt độ n ung nóng qiiã th ấ p (hoặc th ò i g ia n giữ n h iệ t quá ngắn) phần ló ii cacb it hỢp k im vẫn chưa hòa ta n vào a iis te n it, c íiiig kh ô n g đ ạ t được đầy đủ tác dụng đó. Độ th â m tô i: Do khi hòa tan vào a iisteiũ t các n gu yên tô hỢp kim làm dịch chuyển điíờiig cong chữ "C" sa n g phải, nên làm 'uiảni tôc độ tôi tới hạn và do đó độ thấm tôi tăn g https://tieulun.hopto.org
310 Ch ương 7 THÉP VA GANG lên. H ình 7.8 trình bày ảiili hitởng này của các n guyên tô hỢp kini, Tliép hợp kini có tốc độ tôi tỏi hạn th ấp (hìnli 7.8a). do vậy vối điều kiện làm nguội như Iihau. ứng với sự phân bố tốc độ Iigviội theo tiết diện giông Iihaii. thép hỢp kini có độ th áni tòi cao hơn l.liép cacboii (Ô2 > Í>|). N hiêu trường hỢp chi tiết khá lớn bang thép hỢ|) kim. có tôc ctộ nguội của lõi cũiig lón hơn t,ô'c độ tôi tới hạn. do vậy chi tiết cỉược tôi tha\t và cđ tính nhận điíđc là đồng đểii trên toàu tiết diện. T kim Tìiì/i ỹian , log z =) 1 Hình 7.8 Sơ đổ biểu diễn sư giảm tốc đò tõi tối han (a) và sư tăng đõ thám tỏi (b) của thép hơp kim so với thép cacbon (\/|^,, vã \/,h2 là tốc đô tòi tớí han, còn ri, và ồỊ là đỏ thấm tôi lần iươt của thép cacbon và thép hơp kim) Do độ thaiii tôi tàn g lên. hiệii qiiả hóa bền của tôi và ram đôì với tliép hợp kiiii dvrợc cải th iệii rõ rệt. Đ ây là m ột ưii điểm nổi bật của thép liợp kini so vói cacboii. Đề phát liiiy h ết ưu v iệt này. thép hỢp kim phải chíỢc sử dụng ỏ trạn g thái sau nhiệt luyệii (tôi và raiiì). chịu tải trọng cao và tiêt diện clii tiết lỏn. Sử (lụiií; thép hdp kiii) không đúng sẽ khôiig đem lại hiệu quả kinh t ế - kỹ th u ậ t cao. Vì vụỵ. việc chọn thép hợp kini cao hay thấp lioàii toàn phụ thuộc vào kích thước tiết, diện chi tiế t lốn hay uhỏ. Do tô'c tôi tới h ạn giảm đi, khi tôi thép hợp kini tlutòng cỉùiig iDÔi trường làm nguội chậm như d ầ \i hoặc áp dụng cách tô i phân cấp. tô i (lẳng n h iệ t, do vậ y có thể giảm được biến dạng và nứt. Một thép hỢp kiin cao khi dìuig cách làm Iigiiội tro n g khô ng k h í (th ư ò ng hóa) cũng có th ể đ ạ t điíỢc tổ chiVc in a c te iix it. các th é p Iiliư vậy gọi là th é p tự tô i và h iệ u tư ợ iig đó cỉiídc gọi là hiệ n tiíỢ iig tự tôi. Các thép có tôc độ tôi tới hạn nhỏ và độ tliấni tôi lớn là cãc loại thép hợp kini sau: Cr-Ni. Cr-Mii, Cr-Mo. Cr-Ni-Mo, Cr-Mn-Mo. ... đó là cơ sở của cac thép liợp kim k ết cấ\i hiện nay. Cần liíii ý là các ngu yên tô" liỢp kim cliỉ làm tăn g độ thấiii tôi khi chúng liỏa tan trong au sten it. N ếii chúng còn nằni lại trong thép ỏ dạng cacbit. chira tan (ví dụ. luing ở n h iệt độ chưa đủ cao hoặc thòi gian chưa cìủ dài), thì các pha n ày sè đóng vai trò các m ầni k ết tin h ra hỗn hợp ferit. - cacbit (peclit. xocbit. tn is tit) do vậy làm giảm độ th ấm tôi. C huyển biến m a cte n xit: Các n gu yên tô" hỢp kim tuy không ảnh hưởng đêii động học của chuyển hiên in actenxit n h iín g lại ảnh hưởng rõ rệt đến n h iệt dộ chuyển biến a u steiiit th àn h m a c te n x it và do đó ản h hưởng cả đến híỢng a u s te n it d\t k h i tôi. https://tieulun.hopto.org