Tài liệu Vật liệu hệ sơ cấp

MỞ ĐẦU Trong lÞch sö ph¸t triÓn cña x· héi loµi ng-êi chóng ta ®· sö dông rÊt nhiÒu lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau, víi tÝnh n¨ng sö dông cña chóng ngµy cµng cao h¬n. §Çu tiªn lµ thêi kú ®å ®¸, sau ®ã ®Õn thêi ®¹i ®å ®ång, ®å s¾t...Cho ®Õn ngµy nay lµ mét lo¹t c¸c lo¹i vËt liÖu míi nh-: compozÝt, ceramit, p«lyme...C¸c lo¹i vËt liÖu nµy (®Æc biÖt lµ kim lo¹i vµ hîp kim, cïng víi c¸c lo¹i vËt liÖu míi) ®· gãp phÇn thóc ®Èy sù ph¸t triÓn cña x· héi loµi ng-êi mét c¸ch nhanh chãng Ngµy nay trong c¸c lÜnh vùc c«ng nghiÖp, quèc phßng, ®êi sèng... ®ßi hái vËt liÖu sö dông cÇn ph¶i cã rÊt nhiÒu tÝnh chÊt kh¸c nhau. VÝ dô: khi cÇn cã tÝnh dÉn ®iÖn rÊt cao ®Ó dïng trong ngµnh ®iÖn lùc, lóc l¹i yªu cÇu cã ®é cøng lín ®Ó lµm c¸c lo¹i dông cô c¾t gät kim lo¹i, khi l¹i cÇn cã ®é bÒn lín ®Ó lµm c¸c cÊu kiÖn x©y dùng, hoÆc ph¶i cã tÝnh dÎo cao ®Ó c¸n, dËp, kÐo nguéi, hay cÇn ®é bÒn cao nh-ng khèi l-îng riªng nhá dïng trong c«ng nghiÖp hµng kh«ng...TÊt c¶ c¸c yªu cÇu nµy ®Òu cã thÓ ®¸p øng bëi vËt liÖu kim lo¹i còng nh- c¸c lo¹i vËt liÖu míi. M«n vËt liÖu häc sÏ trang bÞ cho häc sinh nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n cña c¸c vËt liÖu chÝnh: tinh thÓ c¸c hîp kim, b¸n dÉn vµ ion, céng ho¸ trÞ...còng nh- kiÕn thøc vÒ sö lý nhiÖt cña chóng. Môc ®Ých cña m«n häc nµy gióp cho häc sinh hiÓu râ c¸c lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau dùa trªn mèi quan hÖ gi÷a cÊu tróc (liªn kÕt ho¸ häc, kiÓu m¹ng tinh thÓ) vµ c¬ lý tÝnh. -1- BÀI 1. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Phát biểu đúng khái niệm của vật liê ̣u cơ khi.́ - Trình bày được khái niệm, đă ̣c điể m, cấ u ta ̣o của kim loa ̣i và hơ ̣p kim. - Hiểu được giản đồ tra ̣ng thái 1 nguyên, 2 nguyên, các điểm và đường giới hạn xảy ra chuyển biến giữa các pha. - Tuân thủ các quy định, quy phạm về vật liệu học. 1. Khái niệm vật liệu cơ khí a.Vật liệu kim loại * Kh¸i niÖm kim loại Kim lo¹i lµ vËt thÓ s¸ng, dÎo, cã thÓ rÌn ®-îc. Cã tÝnh dÉn ®iÖn vµ dÉn nhiÖt cao. - Kim lo¹i cã hÖ sè nhiÖt cña ®iÖn trë d-¬ng. Tøc lµ khi nhiÖt ®é t¨ng th× ®iÖn trë t¨ng (R t¨ng). - ¸ kim cã hÖ sè ®iÖn trë ©m: Khi nhiÖt ®é t¨ng th× ®iÖn trë gi¶m. *Kh¸i niÖm hîp kim NÕu ®em kim lo¹i nÊu ch¶y hay thiªu kÕt víi 1 hay nhiÒu nguyªn tè kh¸c (kim lo¹i hay ¸ kim) ®Ó ®-îc mét vËt liÖu míi cã tÝnh chÊt cña kim lo¹i th× vËt liÖu ®ã gäi lµ hîp kim. Vật liệu vô cơ (Ceramic) là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim bao gồm các loại gốm và VLCL, thủy tinh và gốm thủy tinh, xi măng và bê tông. - Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học. - Cách điện, cách nhiệt. Vật liệu hữu cơ (Plyme) có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim có cấu trúc phân tử lớn. - Nhẹ, dẫn điện, dẫn nhiệt kém - Dễ uốn dẻo nên bền nhiệt thấp Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển. Compozit là sự kết hợp của hai hay ba vật liệu trên, mang hầu hết các đặc tính tốt của vật liệu thành phần. Ngoài các loại vật liệu trên còn có vật liệu bán dẫn, siêu dẫn, silicon. 2. CÊu t¹o cña kim lo¹i vµ hîp kim. Trong b¶ng tuÇn hoµn c¸c nguyªn tè hãa häc cña Mendªlªep, hiÖn t¹i cã h¬n 100 nguyªn tè th× c¸c nguyªn tè kim lo¹i chiÕm h¬n 3/4. Trong bµi nµy chóng ta sÏ nghiªn cøu cÊu tróc cña m¹ng tinh thÓ, sù s¾p xÕp cña c¸c nguyªn tö vµ mËt ®é cña chóng còng nh- kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c mÆt tinh thÓ. 2.1.CÊu t¹o cña kim lo¹i a. CÊu t¹o m¹ng tinh thÓ cña kim lo¹i: -2- * §Þnh nghÜa: M¹ng tinh thÓ lµ m¹ng kh«ng gian ®-îc t¹o nªn bëi c¸c ion nguyªn tö s¾p xÕp theo quy luËt chÆt chÏ t¹o thµnh mét d¹ng h×nh häc nhÊt ®Þnh. « c¬ së * CÊu t¹o cña m¹ng tinh thÓ: M¹ng tinh thÓ gåm 3 phÇn: - MÆt tinh thÓ: Lµ tËp hîp c¸c nguyªn tö hay ion ë trªn mÆt ph¼ng song song vµ c¸ch ®Òu nhau. - ¤ c¬ b¶n (khèi c¬ b¶n): Lµ phÇn nhá nhÊt ®Æc tr-ng cho 1 lo¹i m¹ng tinh thÓ, nã mang ®Çy ®ñ tÝnh chÊt cña m¹ng tinh thÓ. Khi nghiªn cøu m¹ng tinh thÓ chØ cÇn nghiªn cøu « c¬ b¶n lµ ®ñ. - Th«ng sè m¹ng: chiÒu dµi c¸c « c¬ b¶n. * C¸c kiÓu m¹ng tinh thÓ th-êng gÆp cña kim lo¹i: a - LËp ph-¬ng thÓ t©m: B C A D A C¸c kim lo¹i cã kiÓu m¹ng nµy: Fe. Cr, X, W, Mo...’ a 3 + B¸n kÝnh nguyªn tö b»ng r  4 B ’ D ’ C ’ n s . .r 2 .100 % (ns lµ sè + MËt ®é mÆt ®-îc tÝnh theo c«ng thøc. M S  S nguyªn tö cã trong mÆt). MÆt BDFE cã ns = 2 v× mçi nguyªn tö ë 4 ®Ønh B, D, F, E chØ phô thuéc vµo mÆt a 3 1 nµy 1/ 4 nªn n s  4.  1  2 Víi r  , S = a2. 2 thay vµo ta cã 4 4 M SBDEF  83,4% T-¬ng tù mÆt DCFG cã ns = 1, S = a2, r  M SDCFG  58,8% -3- a 3 suy ra 4 4 nv .  .r 3 3 .100% + MËt ®é khèi Mv ®-îc tÝnh theo c«ng thøc M V  4 1 nv  8.  1  2 (v× mçi nguyªn tö ë ®Ønh chØ phô thuéc vµo « c¬ b¶n 1/8, v× nã 8 phô thuéc vµo 8 « quanh nã): r  a 3 , V = a3 suy ra MV = 68% 4 a - LËp ph-¬ng diÖn t©m: A D B C A’ B’ kim C¸c C’ lo¹i cã kiÓu m¹ng nµy: Fe, Mn, Ni, Al, Cu... D’ M¹ng tinh thÓ nµy cã: a 2 r M sAB'D'  90% M sABCD  78,5% M sBDB'D'  55,7% 4 M v  74% 1 1    nv  8.  6  4  8 2   F - Lôc gi¸c xÕp chÆt. E A a D B C c C¸c kim lo¹i cã kiÓu m¹ng tinh thÓ kiÓu nµy nh-: Zn, Mg, ... M¹ng tinh thÓ nµy cã: M sABCDEF  90% M v  74% a a  1,633 coi lµ xÕp chÆt lý t-ëng, trong thùc tÕ  1,57  1,64 c c - ChÝnh ph-¬ng thÓ t©m §©y lµ kiÓu m¹ng cña Mactenxit (thÐp sau khi t«i) Khi -4- M¹ng chÝnh ph-¬ng thÓ t©m lµ m¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m kÐo dµi, bëi vËy m¹ng tinh thÓ cã 2 th«ng sè lµ a vµ c. Tû sè c/a >1 gäi lµ ®é chÝnh ph-¬ng. a c * TÝnh thu h×nh cña kim lo¹i: NhiÒu kim loaÞ ë nh÷ng kho¶ng nhiÖt ®é, ¸p suÊt kh¸c nhau cã nhiÒu kiÓu m¹ng tinh thÓ kh¸c nhau  tÝnh thï h×nh cña kim lo¹i. C¸c d¹ng thï h×nh ®-îc kÝ hiÖu: NhiÖt ®é thÊp nhiÖt ®é cao , , , ......................................,  1539oC 1392oC Kh«ng cã tõ tÝnh VÝ dô: Fe lµ kim lo¹i cã tÝnh thï h×nh < 911C - LËp ph-¬ng thÓ t©m: Fe 911C  1392C - LËp ph-¬ng diÖn t©m: Fe 1392C  1539C - LËp ph-¬ng thÓ t©m: Fe Khi chuyÓn tõ kiÓu m¹ng nµy sang kiÓu m¹ng kh¸c th× tÝnh chÊt c¬, lý, ho¸ kh¸c. Láng Fe Fe 768oC Fe Sù biÕn ®æi m¹ng tinh thÓ cña kim loại ki kkimFe -5- Cã tõ tÝnh 911oC * Sù kÕt tinh cña kim lo¹i. PhÇn lín c¸c kim lo¹i ®-îc chÕ t¹o ra tõ tr¹ng th¸i láng råi lµm nguéi trong khu«n thµnh tr¹ng th¸i r¾n. Khi lµm nguéi kim lo¹i láng xÈy ra qu¸ tr×nh kÕt tinh, m¹ng tinh thÓ vµ c¸c h¹t ®-îc t¹o thµnh. ViÖc nghiªn cøu kÕt tinh cho ta biÕt ®-îc quy luËt chi phèi h×nh thµnh h¹t nhê ®ã cã thÓ thu ®-îc d¹ng h¹t nh- ý muèn, n©ng cao chÊt l-îng kim lo¹i. Qu¸ tr×nh kÕt tinh nh- sau: Khi h¹ dÇn nhiÖt ®é cña kim lo¹i láng ®Õn mét nhiÖt ®é x¸c ®Þnh b¾t ®Çu xuÊt hiÖn c¸c trung t©m kÕt tinh (t©m mÇm). Chóng æn ®Þnh kh«ng tan ra n÷a vµ ph¸t triÓn thµnh mÇm, c¸c t©m mÇm ph¸t triÓn lµm cho pha láng gi¶m ®i cho ®Õn khi hoµn toµn ho¸ r¾n. 2.2. Các dạng cÊu t¹o cña hîp kim * C¸c kh¸i niÖm + Pha: lµ d¹ng vËt chÊt cã thµnh phÇn ®ång nhÊt, ë cïng mét tr¹ng th¸i vµ kiÓu m¹ng tinh thÓ, c¸c pha ng¨n c¸ch nhau b»ng bÒ mÆt ph©n chia. + HÖ: Lµ mét tËp hîp c¸c pha ë tr¹ng th¸i c©n b»ng, ®iÒu kiÖn ®Ó c¸c pha ë tr¹ng th¸i c©n b»ng víi nhau lµ mçi pha trong ®ã ph¶i ®¹t ®-îc gi¸ trÞ n¨ng l-îng tù do bÐ nhÊt, c¸c nguyªn tö n»m ë vÞ trÝ c©n b»ng quy ®Þnh, ®èi víi pha r¾n kh«ng cã øng suÊt bªn trong. + Nguyªn (cÊu tö). Lµ nh÷ng chÊt ®éc lËp cã thµnh phÇn ho¸ häc kh«ng ®æi, chóng t¹o nªn tÊt c¶ c¸c pha cña hÖ. * C¸c tæ chøc cña hîp kim Trong hÖ hîp kim cã nhiÒu nguyªn ë tr¹ng th¸i ®Æc cã thÓ h×nh thµnh nhiÒu d¹ng tæ chøc kh¸c nhau nh-: dung dÞch ®Æc, hîp chÊt ho¸ häc, hçn hîp c¬ häc, ... a. Dung dÞch r¾n * Kh¸i niÖm: Hai hay nhiÒu nguyªn tè cã kh¶ n¨ng hoµ tan vµo nhau ë tr¹ng th¸i r¾n gäi lµ dung dịch r¾n. Trong dung dÞch r¾n cã dung m«i (A) vµ chÊt hoµ tan(B). * Ph©n lo¹i dung dÞch r¾n: - Dung dÞch r¾n thay thÕ: lµ dung dÞch r¾n trong ®ã c¸c nguyªn tö cña chÊt hoµ tan thay thÕ c¸c vÞ trÝ cña c¸c nguyªn tö dung m«i trong m¹ng tinh thÓ. - Dung dÞch r¾n hoµ tan v« h¹n: lµ dung dÞch r¾n trong ®ã c¸c nguyªn tö cña chÊt hoµ tan thay thÕ lÇn l-ît vµo c¸c vÞ trÝ cña c¸c nguyªn tö dung m«i trong m¹ng tinh thÓ. - Dung dÞch r¾n hoµ tan cã h¹n: lµ dung dÞch r¾n trong ®ã c¸c nguyªn tö cña chÊt hoµ tan chØ thay thÕ vµo c¸c vÞ trÝ cña c¸c nguyªn tö dung m«i ®Õn 1 giíi h¹n nhÊt ®Þnh. * C¸c ®Æc tÝnh cña dung dÞch r¾n: - Cã liªn kÕt kim lo¹i nh- kim lo¹i nguyªn chÊt. V× vËy dung dÞch r¾n vÉn cã tÝnh dÎo tèt, tuy kh«ng cao b»ng kim lo¹i nguyªn chÊt lµm dung m«i. - Thµnh phÇn ho¸ häc thay ®æi trong ph¹m vi nhÊt ®Þnh mµ kh«ng lµm thay ®æi kiÓu m¹ng cña chÊt dung m«i. - M¹ng tinh thÓ cña dung dÞch lu«n bÞ x« lÖch, cßn l¹i th«ng sè m¹ng kh¸c víi th«ng sè m¹ng cña dung m«i. -6- b. Hîp chÊt ho¸ häc (pha trung gian) * Kh¸i niÖm: Hîp chÊt ho¸ häc lµ c¸c pha phøc t¹p cã thµnh phÇn ho¸ häc hÇu nh- cè ®Þnh. Tû lÖ nguyªn tö gi÷a c¸c nguyªn tè tu©n theo quy t¾c ho¸ trÞ. VÝ dô: Fe3C = 3Fe + C * C¸c ®Æc tÝnh cña hîp chÊt ho¸ häc: - CÊu t¹o m¹ng tinh thÓ kh¸c h¼n víi kiÓu m¹ng tinh thÓ cña nguyªn tè t¹o nªn nã. - VÒ tÝnh chÊt: th-êng dßn, mét sè cã ®ä cøng vµ nhiÖt ®é ch¶y rÊt cao. - Thµnh phÇn kh«ng ®æi hoÆc thay ®æi trong ph¹m vi hÑp. c. Hçn hîp c¬ häc * Kh¸i niÖm: Lµ tæ chøc cña hîp kim ë tr¹ng th¸i r¾n: gåm2 hay nhiÒu pha liªn kÕt víi nhau ë tr¹ng th¸i r¾n. - Cïng tinh: lµ hçn hîp c¬ häc cña 2 hay nhiÒu pha t¹o ra tõ tr¹ng th¸i láng. - Cïng tÝch: Lµ hçn hîp c¬ häc cña 2 hay nhiÒu pha t¹o thµnh tõ dung dÞch r¾n. 3. TÝnh chÊt chung cña kim lo¹i vµ hîp kim 3.1. TÝnh chÊt chung cña kim lo¹i a. C¬ tÝnh(tÝnh chÊt c¬ häc) * Kh¸i niÖm: TÝnh chÊt c¬ häc lµ biÓu thÞ kh¶ n¨ng chèng l¹i c¸c t¸c dông cña ngo¹i lùc. * C¬ tÝnh ®-îc ®¸nh gi¸ bëi c¸c chØ tiªu sau: - §é bÒn (): Lµ kh¶ n¨ng cña vËt liÖu chÞu ®-îc t¸c ®éng cña ngo¹i lùc mµ kh«ng bÞ ph¸ huû. Tïy theo dang kh¸c nhau cña ngo¹i lùc ta cã: K: §é bÒn kÐo U: §é bÒn uèn N: §é bÒn nÐn §¬n vÞ: N/mm2 hoÆc MN/mm2 - §é cøng: Lµ kh¶ n¨ng cña vËt liÖu chèng l¹i biÕn d¹ng dÎo côc bé khi cã ngo¹i lùc t¸c dông lªn kim lo¹i th«ng qua vËt nÐn. §é cøng ®-îc ®o b»ng c¸c lo¹i: Brinen(HB), Rècven(HRA, HRB, HRC) - §é gi·n dµi t-¬ng ®èi (): lµ tû lÖ tÝnh theo phÇn tr¨m gi÷a l-îng gi·n dµi sau khi kÐo vµ chiÒu dµi ban ®Çu.  = (l1 – l0)/ l0 .100% lo: §é dµi mÉu tr-íc khi kÐo(mm) l1: §é dµi mÉu sau khi kÐo (mm) - §é dai va ch¹m (aK) §¬n vÞ: J/mm2 Lµ kh¶ n¨ng chÞu ®ùng cña vËt liÖu bëi c¸c t¶i träng t¸c dông ®ét ngét( t¶i träng va ®Ëp) mµ kh«ng bÞ ph¸ huû. b. Lý tÝnh (tÝnh chÊt vËt lý) * VÎ s¸ng mÆt ngoµi: Chia ra lµm 2 lo¹i: kim lo¹i ®en vµ kim lo¹i mµu. -7- - Kim lo¹i ®en vµ hîp kim ®en: Lµ Fe vµ hîp kim cña Fe víi C (thÐp, gang). - Kim lo¹i mµu vµ hîp kim mµu: lµ tÊt c¶ c¸c kim lo¹i vµ hîp kim cßn l¹i. * Khèi l-îng riªng. Lµ sè ®o khèi l-îng vËt chÊt chøa trong 1 ®¬n vÞ thÓ tÝch cña vËt thÓ.  = m/V (Kg/m3) Trong ®ã: - m: Khèi l-îng cña vËt thÓ (kg) - V: ThÓ tÝch cña vËt thÓ (m3) * Träng l-îng riªng. Lµ träng l-îng 1 ®¬n vÞ thÓ tÝch cña vËt thÓ. * TÝnh nãng ch¶y: Lµ tÝnh chÊt cña kim lo¹i sÏ ch¶y láng khi nung nãng vµ ®«ng ®Æc khi lµm nguéi. VD. ThÐp 1400 – 1500oC Gang 1130 – 1350oC (Do thµnh ph©n C quyÕt ®Þnh) * TÝnh dÉn ®iÖn: Lµ kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn cña kim lo¹i vµ hîp kim. * TÝnh truyÒn nhiÖt: Lµ kh¶ n¨ng truyÒn nhiÖt cña kim lo¹i vµ hîp kim khi ®èt nãng va fkhi lµm nguéi. VD. NÕu lÊy ®é dÉn nhiÖt cña B¹c lµ 1 th× cña Cu = 0,9; Al = 0,5; thÐp = 0,15. * TÝnh nhiÖt nung: Lµ nhiÖt l-îng cÇn thiÕt ®Ó lµm t¨ng nhiÖt ®é cña kim lo¹i lªn 1C c. Ho¸ tÝnh (tÝnh chÊt ho¸ häc). Lµ ®é bÒn cña kim lo¹i víi c¸c t¸c dông ho¸ häc cña c¸c chÊt kh¸c nh«xi, n-íc, axit... mµ kh«ng bÞ ph¸ huû. - TÝnh chèng mßn: Lµ kh¶ n¨ng kim lo¹i vµ hîp kim chèng l¹i sù ph¸ huû cña h¬i n-íc hoÆc «xy trong kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é th-êng vµ nhiÖt ®é cao. - TÝnh chÞu axÝt: Lµ kh¶ n¨ng cña kim lo¹i vµ hîp kim chèng l¹i t¸c dông cña c¸c m«i tr-êng cã axÝt. d. TÝnh c«ng nghÖ TÝnh c«ng nghÖ cña kim loÞa vµ hîp kim lµ kh¶ n¨ng chÞu c¸c d¹ng gia c«ng kh¸c nhau. TÝnh c«ng nghÖ bao gåm: - TÝnh ®óc - TÝnh hµn - TÝnh gia c«ng c¾t gät. - TÝnh gia c«ng ¸p lùc (tÝnh rÌn). - TÝnh nhiÖt luyÖn. 3.2. TÝnh chÊt chung cña hîp kim - C¸c hîp kim nãi chung cã ®é bÒn, ®é cøng, tÝnh chÞu mµi mßn cao h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt song vÉn n»m trong giíi h¹n tháa m·n c¸c yªu cÇu cña chÕ t¹o c¬ khÝ. Mét sè hîp kim cã nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt mµ kim lo¹i nguyªn chÊt kh«ng cã nh-: §é bÒn rÊt cao, tÝnh cøng nãng cao, chÞu ma s¸t tèt... - Ngoµi c¬ tÝnh tèt hîp kim cßn cã tÝnh c«ng nghÖ tèt nh-: ®óc, gia c«ng c¾t gät tèt. -8- - NhiÖt ®é nãng ch¶y cña hîp kim th-êng thÊp h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y cña c¸c kim lo¹i trong hîp kim. - TÝnh dÉn ®iÖn vµ dÉn nhiÖt cña hîp kim kÐm h¬n c¸c kim lo¹i trong hîp kim. 4. Giản đồ pha một nguyên, hai nguyên a- Cấu tạo của giản đồ pha một cấu tử: Do là cấu tử nguyên chất nên thành phần hóa học của chúng không thay đổi, vì thế giản đồ pha một cấu tử rất đơn giản. Nó chỉ là một đường thẳng đứng trên đó ta ghi các nhiệt độ chuyển biến pha của cấu tử. a- Cấu tạo của giản đồ pha hai cấu tử: Giản đồ pha hợp kim hai cấu tử gồm có hai trục: trục tung biểu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu diễn thành phàn hóa học. Trên đó ta vẽ cá đường phân chia các khu vực pha khác nhau. Các điểm nằm trên đường nằm ngang biểu thị cho các hợp kim có thành phần hóa học khác nhau nhưng có cùng nhiệt độ. Các điểm nằm trên đường thẳng đứng biểu thị cho hợp kim có thành phần xác định nhưng ở nhiệt độ khác nhau Nếu hợp kim có cấu tạo hai pha thì điểm biểu diễn của chúng nằm về hai phĩa đối diện với điểm biểu diễn hợp kim. -9- - 10 - BÀI 2.GANG VÀ THÉP Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: - Vẽ và giải thích được giản đồ sắt – các bon - Hiểu đươ ̣c đặc điểm, phân loại và ký hiệu các loại gang và thép - Tuân thủ các quy định, quy phạm về vật liệu học. 1. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe -C Theo tªn gäi gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t – C¸cbon lµ hai nguyªn Fe vµ C ph¶i ®-îc tr×nh bÇy tõ 100% Fe ®Õn 100% C. Song trong thùc tÕ chØ dïng víi l-îng C kh«ng v-ît qu¸ 5% nªn chØ tr×nh bÇy ®Õn 6,7% C (®Õn M¸ctenxÝt). VËy gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t – C¸cbon thùc tÕ lµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe – Fe3C A – 1539oC – B – 1499oC – C – 1147oC –4,3%C 0%C D – 1600oC – E0,5%C – 1147oC – F – 1147oC – 6,67%C 6,67%C 2,14%C G –911oC – H – 1499oC – J – 1499oC – 0,16%C 0%C 0,1%C K – 727oC – L – 0oC – 6,67%C N – 1392oC – 0%C 6,67%C P – 727oC – Q – 0 oC – S –727oC – 0,8%C 0,02%C 0,006%C - §-êng láng ABCD - §-êng ®Æc AHJECF - §-êng cïng tinh ECF víi ®iÓm E lµ ®iÓm cïng tinh - §-êng cïng tÝch PSK víi ®iÓm S lµ ®iÓm cïng tÝch Cã c¸c tæ chøc c¬ b¶n sau: * C¸c tæ chøc 1 pha. - 11 - + XªmentÝt (Xe) Fe3C lµ pha xen kÏ cã kiÓu m¹ng phøc t¹p víi 6,67% C. §é cøng cao vµ dßn ®-îc chia lµm 3 lo¹i. - XªmentÝt thø nhÊt (XeI) ®-îc t¹o thµnh tõ dung dÞch láng theo ®-êng DC tõ 1600 ®Õn 1147oC víi tinh thÓ thí to. XeI chØ ®-îc t¹o thµnh khi %C > 4,3% - XementÝt thø hai (XeII) ®-îc t¹o thµnh tõ dung dÞch r¾n theo ®-êng ES tõ 1147 ®Õn 727oC khi ®é hoµ tan cña C trong Fe gi¶m tõ 2,4 % ®Õn 0,8 %. XeII chØ ®-îc t¹o thµnh khi %C > 0,8%. XeII cã d¹ng l-íi bao quanh h¹t PeclÝt lµm gi¶m m¹nh ®é dÎo vµ ®é dai. - XementÝt thø ba (XeIII) ®-îc t¹o thµnh tõ dung dÞch r¾n FerÝt theo ®-êng PQ khi nhiÖt ®é < 727oC khi ®é hoµ tan cña C trong Fe gi¶m tõ 0,8 % ®Õn 0,06%. XeIII ®-îc t¹o thµnh víi l-îng rÊt nhá nªn cã thÓ bá qua. + FerÝt (F) () lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña c¸cbon trong Fe , cã m¹ng tinh thÓ lËp ph-¬ng thÓ t©m, trªn gi¶n ®å tr¹ng th¸i F cã ë vïng GPQ, ®é hoµ tan C trong Fe rÊt nhá ë 727oC cßn 0,02%, ë 0oC lµ 0,006% do vËy cã thÓ coi F lµ s¾t nguyªn chÊt. FerÝt lµ pha dÎo vµ dai. + «stenÝt (¤) () lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña c¸cbon trong Fe, cã m¹ng tinh thÓ lËp ph-¬ng diÖn t©m, trªn gi¶n ®å tr¹ng th¸i ¤ cã ë vïng NJESG, ®é hoµ tan C trong ¤ ë 1147oC lµ 2,14%ë 727oC cßn 0,8%. ¤ lµ pha dai nã chØ tån t¹i ë nhiÖt ®é lín h¬n 727 oC, tæ chøc cña ¤ lµ c¸c h¹t s¸ng ®a c¹nh cã song tinh (thØnh tho¶ng cã c¸c ®-êng song song c¾t ngang h¹t). RÊt Ýt khi quan s¸t ®-îc tæ chøc nµy v× nã chØ tån t¹i ë nhiÖt ®é cao, chi khi cã hµm l-îng Mn hoÆc Ni lín míi lµm ¤ tån t¹i ë ®iÒu kiÖn th-êng. * C¸c tæ chøc 2 pha + PeclÝt (P) lµ hçn hîp c¬ häc cña FerÝt vµ XementÝt, khi thµnh phÇn C trong ¤ lµ 0,8% sÏ xÈy ra chuyÓn biÕn cïng tinh ë 727 oC ¤ thµnh peclÝt. Tuú theo h×nh d¹ng cña XementÝt trong hçn hîp mµ ta ph©n biÖt PeclÝt tÊm vµ PeclÝt h¹t. - PeclÝt tÊm lµ tæ chøc cã XementÝt d¹ng tÊm, khi quan s¸t tæ chøc tÕ vi sÏ thÊy c¸c v¹ch XementÝt cã mÇu tèi trªn nÒn FerÝt s¸ng. - PeclÝt h¹t lµ tæ chøc cã XementÝt d¹ng h¹t, khi quan s¸t tæ chøc tÕ vi sÏ thÊy c¸c v¹ch XementÝt cã mÇu s¸ng trªn nÒn FerÝt còng s¸ng. VÒ c¬ tÝnh th× PeclÝt h¹t tèt h¬n PeclÝt tÊm v× cã ®é dÎo vµ ®é dai cao h¬n trong khi kh«ng lµm xÊu ®é bÒn, ®é cøng. + Lª®ªburÝt (Lª) lµ hçn hîp c¬ häc cña ¤ vµ Xª, ph©n tÝch ®Õn cïng th× Lª lµ hçn hîp cña F vµ Xª trong ®ã Xª rÊt nhiÒu nª Lª cøng vµ dßn. Khi quan s¸t tæ chøc tÕ vi cña Lª thÊy nh÷ng h¹t ®en PÐclÝt næi trªn nÒn tr¾ng cña Xª lÊm chÊm nh- da con b¸o. * C¸c ®iÓm tíi h¹n cña thÐp A (tõ tiÕng Ph¸p arrª t=dõng, c- chauffer=nung nãng, r- refroidir=lm nguéi) - 12 - A víi 1, 2, 3, 4, và cm, chóng ®ưîc gäi là c¸c ®iÓm (hay nhiÖt ®é) tíi h¹n, gåm: A1 - ®ưêng PSK (727oC) øng víi chuyÓn biÕn austenit  peclit, cã trong mäi lo¹i thÐp. A3 - ®ưêng GS (911 727oC) øng víi b¾t ®Çu tiÕt ra F khái  khi l m nguéi hay kÕt thóc hßa tan ferit vào austenit khi nung nãng, chØ cã trong thÐp trưíc cïng tÝch. Acm - ®ưêng ES (1147 727oC) øng víi b¾t ®Çu tiÕt ra XªII khái  khi làm nguéi hay kÕt thóc hßa tan XªII vào  khi nung nãng, chØ cã trong thÐp sau cïng tÝch. A0- (210oC) - ®iÓm Curi cña Xª , A2- (768oC) - ®iÓm Curi cña ferit, Cïng mét thÐp bao giê còng cã: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3..., 2.Gang 2.1.§Þnh nghÜa Gang lµ hîp chÊt cña Fe vµ C (2,14 %< C < 6,67%). Ngoµi ra cßn 1 sè t¹p chÊt: Mn, Si, P, S. Trong gang hîp kim cã thÓ cã thªm: Cr, Ni, W, Al... 2.2. Thµnh phÇn hãa häc, tæ chøc tÕ vi a. Thµnh phÇn ho¸ häc C = (2,14  6,67)% Si = (1  4,25)% Mn = (2 2,5)% trong gang tr¾ng < 1,3% trong gang x¸m P = (0,1  0,2)% S ≤ 0,15% b. Tæ chøc tÕ vi - TÊt c¶ c¸cbon n»m ë d¹ng hîp chÊt Fe3C (XªmentÝt). Th-êng gÆp trong gang tr¾ng: - C¸cbon n»m ë tr¹ng th¸i tù do (graphit) víi c¸c d¹ng tÊm, phiÕn, côm b«ng, cÇu. Th-êng gÆp trong gang x¸m , gang dÎo, gang cÇu. gang x¸m (a), gang cÇu (b) gang dÎo (c). c. C¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña gang NhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp, dÔ nÊu ch¶y, kh¶ n¨ng ®iÒn ®Çy khu«n tèt, tÝnh ®óc tèt, gia c«ng c¾t gät tèt (trõ gang tr¾ng), dßn, kh«ng chÞu t¶i träng va ®Ëp, chÞu nÐn tèt. Kh«ng rÌn ®-îc. d. C«ng dông Nãi chung gang cã tÝnh tæng hîp kh«ng cao nh- thÐp, nh-ng cã tÝnh ®óc tốt, dÔ c¾t gät, chÕ t¹o ®¬n gi¶n h¬n vµ rÎ. V× vËy c¸c lo¹i gang cã graphit dïng - 13 - rÊt nhiÒu trong chÕ t¹o c¬ khÝ, dïng chÕ t¹o c¸c lo¹i chi tiÕt chÞu t¶i träng tÜnh vµ Ýt chÞu va ®Ëp nh-: BÖ m¸y, vá... 2.3. C¸c yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn tÝnh chÊt chung cña gang a. ảnh h-ëng cña c¸cbon * Khi c¸cbon ë d¹ng t¹p chÊt: - Fe3C cã ®é cøng cao nªn lµm gang rÊt cøng vµ dßn, khã gia c«ng c¾t gät. - Khi % C t¨ng th× %Fe còng t¨ng lµm cho gang cµng cøng, ®é dßn cµng cao, ®é bÒn gi¶m. * Khi c¸cbon ë d¹ng ®¬n chÊt: - GraphÝt cã ®é bÒn rÊt thÊp. - Khi % C t¨ng th× %GraphÝt còng t¨ng lµm cho tÝnh dßn t¨ng, ®é bÒn gi¶m. - Khi h×nh d¹ng GraphÝt tËp chung cµng gän, kÝch th-íc h¹t cµng nhá th× ®é bÒn cña gang cµng cao, kh¶ n¨ng chÞu va ®Ëp cµng tèt. - Khi Graphit cµng t¨ng lµm cho gang cµng dßn, c¾t gät cµng tèt, kh¶ n¨ng chÞu mµi mßn cña gang cµng cao. * Sù t¹o thµnh Xªmentit vµ Graphit trong gang: Khi gang láng phô thuéc vµo 2 yÕu tè: - Tèc ®é lµm nguéi: + Nguéi nhanh dÔ t¹o Xªmentit. + Nguéi chËm dÔ t¹o Graphit. - Thµnh phÇn ho¸ häc: + NÕu t¨ng hµm l-îng Mn dÔ t¹o thµnh Xªmentit + NÕu t¨ng hµm l-îng Si dÔ t¹o Graphit. Khi gang ë tr¹ng th¸i r¾n: Graphit t¹o thµnh do ñ gang tr¾ng. ñ Fe3C 3Fe t = (850  900C) b. ¶nh h-ëng cña Mn, Si, P, S - Mn c¶n trë sù t¹o thµnh Graphit: Th-êng khèng chÕ Mn = (0,5 1%) - Si thóc ®Èy sù t¹o thµnh Graphit. Tuú theo yªu cÇu mµ khèng chÕ Si=1,53% - P lµm t¨ng tÝnh ch¶y lo·ng cña gang, th-êng dïng P = 0,10,2%. - S c¶n trë sù t¹o thµnh Graphit trong gang, lµm xÊu tÝnh ®óc cña gang. + Víi vËt ®óc nhá S ≤ 0,08% + Víi vËt ®óc lín S ≤ (0,1  0,2)% 2.4. C¸c lo¹i gang th-êng dïng 2.4.1. Gang trắng a. Thµnh phÇn, tæ chøc C - Thµnh phÇn: C = (3,5  4,3)% - Tæ chøc C n»m ë d¹ng Fe3C. b. TÝnh chÊt, c«ng dông Cøng vµ dßn kh«ng gia c«ng c¾t gät ®-îc v× vËy kh«ng dïng trong chÕ t¹o c¬ khÝ, chñ yÕu dïng ®Ó luyÖn thÐp, ñ thµnh gang dÎo, ®óc lµm bi nghiÒn, trôc nghiÒn. - 14 - 4.2. Gang x¸m. §-îc dïng nhiÒu nhÊt trong ngµnh chÕ t¹o m¸y, ng-êi ta gäi lµ gang x¸m v× mÆt mÆt g·y cña nã cã mÇu x¸m. a. Thµnh phÇn Thµnh phÇn ho¸ häc cña gang x¸m ®-îc giíi h¹n nh- sau: C Si Mn P S 33,8% 0,53% 0,50,8% 0,150,4% 0,120,2% Là lo¹i gang phæ biÕn nhÊt (nÕu kh«ng chØ râ lo¹i gang th× ph¶i hiÓu ®ã là gang x¸m). H×nh 2.2. Tæ chøc tÕ vi cña c¸c lo¹i gang x¸m: a. ferit, b. ferit - peclit, c. peclit b. TÝnh chÊt * C¬ tÝnh Tuy dÔ chÕ t¹o, rÎ nhưng c¬ tÝnh kÐm. - §é bÒn thÊp, giíi h¹n bÒn kÐo < 350  400MPa (thưêng trong kho¶ng 150  350MPa) - §é dÎo và ®é dai thÊp (  0,5%, aK < 100kJ/m2), cã thÓ xem như vËt liÖu gißn. ¦u ®iÓm cña gang x¸m: do grafit tÊm + DÔ gia c«ng c¾t, + grafit cã tÝnh b«i tr¬n nªn cïng ®é cøng th× gang chÞu mài mßn cao h¬n thÐp + grafit làm gi¶m chÊn  làm ®Õ, bÖ m¸y (và còng là ®Ó tËn dông kh¶ n¨ng chÞu nÐn tèt). c. C«ng dông ChÕ t¹o chi tiÕt cã kÝch th-íc lín, kÕt cÊu phøc t¹p, chi tiÕt kh«ng chÞu va ®Ëp khi lµm viÖc, chÞu nÐn (VD: th©n bÖ m¸y, vá m¸y b¬m, b¸nh r¨ng, á tr-ît...) d. KÝ hiÖu: (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi) Liªn X« ký hiÖu gang x¸m lµ CЧ (ViÖt Nam lµ GX) víi 2 con sè tiÕp theo: Ch÷ sè thø nhÊt chØ giíi h¹n bÒn kÐo, ch÷ sè thø 2 chØ giíi h¹n bÒn uèn (®¬n vÞ lµ KG/mm2). VD: GX (CЧ) 15 - 32 - Theo ΓOCT 1412-85 c¸c m¸c gang x¸m gåm cã: CЧ10, CЧ15, CЧ20, CЧ25, CЧ30 và CЧ35: (chØ ký hiÖu giíi h¹n bÒn). - Hoa Kú: SAE J431 cã c¸c m¸c: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000, sè chØ σK.10psi, vÝ dô G3000 cã σb ≥ 30000psi hay 30ksi. Tiªu chuÈn ASTM: 20, 25, 30, 35,40, 45, 50, 55, 60:σK, ksi. - 15 - - JIS cã c¸c m¸c gang x¸m sau: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, Trong ®ã sè chØ giíi h¹n bÒn tèi thiÓu tinh theo ®¬n vÞ MPa. + CЧ10, CЧ15 ®ưîc dïng làm c¸c vá, n¾p kh«ng chÞu lùc (chØ ®Ó che ch¾n). + CЧ 20, CЧ25: t¶i träng nhÑ, Ýt mài mßn như vá hép gi¶m tèc, th©n m¸y, bÝch, cacte, èng nưíc + CЧ25, CЧ30: b¸nh r¨ng (bÞ ®éng, tèc ®é chËm), b¸nh ®à, s¬mi, xecm¨ng, th©n m¸y. + CЧ30, CЧ35 : chÞu t¶i cao, chÞu mài mßn như b¸nh r¨ng ch÷ V, trôc chÝnh, vá b¬m thñy lùc. 2.4.2 Gang biÕn tÝnh: Thùc chÊt lµ gang x¸m nh-ng ®-îc biÕn tÝnh b»ng c¸ch lµm cho GrafÝt ë d¹ng phiÕn máng, nh»m n©ng cao c¬ tÝnh cña gang x¸m Liªn X« ký hiÖu gang BiÕn tÝnh lµ MC (ViÖt Nam lµ ) víi 2 con sè tiÕp theo: Ch÷ sè thø nhÊt chØ giíi h¹n bÒn kÐo, ch÷ sè thø 2 chØ giíi h¹n bÒn uèn (®¬n vÞ lµ KG/mm 2). Thµnh phÇn ho¸ häc cña gang biÕn tÝnh gièng nh- gang x¸m, chØ kh¸c tr-íc khi rãt kim lo¹i láng vµo khu«n ng-êi ta cho thªm 1 l-îng nhá chÊt biÕn tÝnh. 2.4.3 Gang dÎo: Cßn gäi lµ gang rÌn a. Thµnh phÇn Thµnh phÇn ho¸ häc cña gang dÎo ®-îc giíi h¹n nh- sau: C Si Mn P S 2,22,8% 0,81,4% 0,2% 1 %  0,1% Gang dÎo ®-îc chÕ t¹o b»ng c¸ch ñ gang tr¾ng ë nhiÖt ®é 860  900c - 2 lo¹i gang dÎo: - Gang dÎo t©m tr¾ng, ñ trong m«i trưêng «xy hãa (Fe2O3) làm tho¸t cacbon nªn mÆt g·y cã màu s¸ng - Gang dÎo t©m ®en, ñ trong m«i trưêng trung tÝ nh (SiO2) C cßn nhiÒu nªn mÆt g·y vÉn cã màu ®en xÉm như nhung ®en. b. TÝnh chÊt: §é dÎo vµ ®é dai cao h¬n so víi gang x¸m, thµnh phÇn C trong gang dÎo thÊp nªn l-¬ng GrafÝt trong nã thÊp l¹i tËp trung thµnh côm nh-ng ¶nh h-ëng xÊu ®Õn c¬ tÝnh rÊt Ýt. c. C«ng dông: - Nh÷ng chi tiÕt làm b»ng gang dÎo: 3 yªu cÇu là: h×nh d¹ng phøc t¹p, thành máng, chÞu va ®Ëp. - NÕu kh«ng chÞu va ®Ëp làm b»ng gang x¸m, nÕu h×nh d¹ng ®¬n gi¶n làm b»ng thÐp hàn...). d.KÝ hiÖu: (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi) C¸c nưíc thưêng ®¸nh sè c¸c m¸c gang dÎo theo giíi h¹n bÒn kÐo tèi thiÓu và ®é gi·n dài tư¬ng ®èi. - Ký hiÖu cña Liªn X« lµ KЧ (ViÖt Nam lµ GZ) vµ 2 con sè tiÕp theo. Ch÷ sè thø nhÊt chØ giíi h¹n bÒn kÐo b (®¬n vÞ lµ KG/mm2), ch÷ sè thø 2 chØ ®é gi·n dµi t-¬ng ®èi (%). - 16 - КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 (gang dÎo ferit), КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ63-3 (gang dÎo peclit). - ASTM: 32510, 35018, 40010..., 3 sè ®Çu là b (min), MPa, 2 sè sau chØ  (min) theo %. - SAE cã: M 3210, M 4504, M 5003, M 5503, M 7002, M 8501, 2 sè ®Çu chØ b (min) theo ®¬n vÞ ksi, hai sè sau chØ  (min) theo %. - JIS cã c¸c m¸c: gang dÎo t©m ®en FCMB 270, FCMB 310, FCMB 340, FCMB 360; gang dÎo t©m tr¾ng FCMW 330, FCMW 370, FCMWP 440, FCMWP 490, FCMWP 540, trong ®ã sè chØ b (min) theo ®¬n vÞ MPa. 2.4.4 Gang cÇu Gang cÇu là lo¹i gang cã ®é bÒn cao nhÊt do grafit ë d¹ng thu gän nhÊt. a. Thµnh phÇn - Thµnh phÇn ho¸ häc cña gang cÇu ®-îc giíi h¹n nh- sau: C Si Mn P 3,23,6% 23% 0,5 1 % 0,15% - Tæ chøc: Grafit ë d¹ng cÇu trßn - ChÕ t¹o: Gang láng thªm (0,05  1)%Mg hoÆc Ce(xeri) S  0,35% b. TÝnh chÊt Do grafit ë d¹ng h×nh cÇu hÇu như kh«ng tËp trung øng suÊt, v× vËy gang cÇu duy tr× ®ưîc 70 90% ®é bÒn cña nÒn kim lo¹i (thÐp), tøc kh«ng thua kÐm thÐp bao nhiªu và cã thÓ thay thÕ nã. c. C«ng dông C«ng dông chñ yÕu cña gang cÇu là dïng làm c¸c chi tiÕt võa chÞu t¶i träng kÐo và va ®Ëp cao (như thÐp) ®ång thêi l¹i dÔ t¹o h×nh b»ng ph ư¬ng ph¸p ®óc. d. KÝ hiÖu: (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi) - Ký hiÖu cña Liªn X« lµ BЧ (ViÖt Nam lµ GC)vµ 2 con sè tiÕp theo. Ch÷ sè thø nhÊt chØ giíi h¹n bÒn kÐo (®¬n vÞ lµ KG/mm 2), ch÷ sè thø 2 chØ ®é gi·n dµi t-¬ng ®èi (%). VD GC 40 – 10 Theo OCT 7393-85 cã c¸c m¸c BЧ40, BЧ50, BЧ60, BЧ70,BЧ80 (K). M¸c gang cÇu ferit - peclit BЧ50 : c¸c chi tiÕt th«ng thưêng thay thÐp nãi chung. M¸c BЧ60: trôc khuûu, trôc c¸n. C¸c m¸c gang cÇu BЧ70, BЧ80: t«i ®¼ng nhiÖt ra bainit, ®ưîc dïng làm c¸c chi tiÕt quan träng. - SAE J434c cã c¸c m¸c D4018, D4512, D5506, D7003, trong ®ã hai ch÷ sè ®Çu chØ b (min) theo ®¬n vÞ ksi, hai ch÷ sè sau chØ (min) theo %, vÝ dô, D4512 cã b  45ksi và 12%. - Tiªu chuÈn ASTM cã c¸c class: 60-40-18, 65-45-12, 80-60-03, 100-7003, 120- 90-02, ba cÆp sè ®ã lÇn lưît chØ gi¸ trÞ tèi thiÓu cña b, 0,2 (ksi), (%). - JIS cã c¸c m¸c FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700, FCD800, trong ®ã sè chØ b (min) theo ®¬n vÞ MPa. - 17 - 3.thÐp 3.1. Giíi thiÖu chung vÒ thÐp 3.1.1. Kh¸i niÖm a.§Þnh nghÜa: ThÐp: Lµ hîp chÊt cña s¾t vµ c¸c bon trong ®ã thµnh phÇn c¸cbon trong thÐp kh«ng qóa 2,14%. Ngoµi ra trong thÐp cßn chøa c¸c nguyªn tè nh-: Mn, Si, P, S vµ c¸c nguyªn tè kh¸c tuú theo ph-¬ng ph¸p s¶n xuÊt vµ c«ng dông cña thÐp. Ngoµi ra khi sö dông s¾t thÐp vôn ®Ó nÊu luyÖn l¹i cßn chøa mét sè Ýt nguyªn tè mét c¸ch ngÉu nhiªn nh-: Cr, Ni, Cu. Ngoµi ra cßn chøa mét sè Ýt khÝ H2, N2, O2 b. TÝnh chÊt chung cña thÐp - C¬ tÝnh: Tèt h¬n gang(®é bÒn, dÎo, chÞu va ®Ëp, chÞu ®µn håi...) - TÝnh c«ng nghÖ (so víi gang) + Gia c«ng biÕn d¹ng tèt + TÝnh c¾t gät cao + DÔ ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn + TÝnh ®µn håi tèt h¬n + TÝnh ®óc kÐm h¬n gang * Dùa theo thµnh phÇn ho¸ häc ng-êi ta chia thép ra lµm 2 lo¹i - ThÐp c¸c bon: thµnh phµn gåm Fe3C, c¸c t¹p chÊt Mn, Si, P, S - ThÐp hîp kim: Tõ thÐp C thªm vµo mét sè nguyªn tè: Mn, Si (víi l-îng lín), W, Cr, Mo, Ti...®Ó lµm t¨ng c¬ tÝnh thÐp. * Dùa theo c«ng dông cña thÐp ng-êi ta chia ra: - ThÐp x©y dùng - ThÐp chÕ t¹o (thÐp kÕt cÊu) - ThÐp dông cô - ThÐp cã c«ng dông riªng 3.1.2. C¸c yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn tÝnh chÊt chung cña thÐp 3.1.2.1 Ảnh h-ëng cña C¸cbon: Là nguyªn tè quan träng nhÊt, quyÕt ®Þnh chñ yÕu ®Õn tæ chøc, tÝnh chÊt (c¬ tÝnh), c«ng dông cña thÐp (c¶ thÐp cacbon lÉn thÐp hîp kim thÊp). a. Tæ chøc tÕ vi: G§P Fe-C, %C t¨ng lªn th× %Xª là pha gißn còng t¨ng lªn tư¬ng øng (thªm 1%C th× Xª t¨ng thªm 15% (100/6,67= 15%)) do ®ã làm thay ®æi tæ chøc và tÝnh chÊt thÐp. - C  0,006% - thÐp cã tæ chøc thuÇn F, coi như s¾t nguyªn chÊt. - C = 0,10  0,70% - thÐp cã tæ chøc F+P, khi %C t¨ng lªn %P t¨ng lªn , ®ã là c¸c thÐp trưíc cïng tÝch. - C = 0,80% - thÐp cã tæ chøc P, ®ã là thÐp cïng tÝch. - C  0,90% - thÐp cã tæ chøc P+XªII, khi %C t¨ng lªn lượng XªII t¨ng. b. TÝnh chÊt * C¬ tÝnh: Theo %C cã 4 nhãm víi c¬ tÝnh và c«ng dông rÊt kh¸c nhau như sau: - ThÐp cã cacbon thÊp ( 0,25%): dÎo, dai cao nhưng ®é bÒn, ®é cøng l¹i thÊp, X©y dùng - 18 - - ThÐp cã cacbon trung b×nh (0,30  0,50%): chi tiÕt m¸y chÞu t¶i träng tÜnh và va ®Ëp cao. - ThÐp cã cacbon tư¬ng ®èi cao (0,55  0,65%): chi tiÕt ®àn håi. - ThÐp cã cacbon cao ( 0,70%): dông cô như dao c¾t, khu«n dËp, dông cô ®o. * TÝ nh c«ng nghÖ: - %C càng thÊp càng dÔ hàn và dËp. - %C càng cao th× thÐp càng cøng càng khã c¾t, nhưng %C qu¸ thÊp  dÎo qu¸ khã gia c«ng c¾t 3.1.2.2. ¶nh hưëng cña c¸c t¹p chÊt thưêng cã - Mn: Mn ®Ó khö «xy thÐp: Mn + FeO  Fe + MnO  xØ Ngoài ra, Mn lo¹i trõ ®ưîc t¸c h¹i cña S. Mn ¶nh hưëng tèt ®Õn c¬ tÝnh, khi hßa tan vào F nã n©ng cao ®é bÒn và ®é cøng cña pha này, trong thÐp C,%Mn= (0,50 0,80)%. - Si: ®Ó khö «xy triÖt ®Ó: Si + FeO  Fe + SiO2  xØ Gièng như Mn, Si hßa tan vào F còng n©ng cao ®é bÒn và ®é cøng cña pha này nªn làm t¨ng c¬ tÝ nh cña thÐp, %Si = (0,20  0,40)%. - P: hßa tan vào F làm x« lÖch rÊt m¹nh m¹ng tinh thÓ pha này làm t¨ng m¹nh tÝnh gißn nguéi - S: kh«ng hßa tan trong Fe (c¶ Fe lÉn Fe) mà t¹o nªn hîp chÊt FeS. Cïng tinh (Fe+FeS) t¹o thành ë nhiÖt ®é thÊp (988oC), g©y bë nãng. Mn do t¹o nªn MnS, kÕt tinh ë nhiÖt ®é cao, 1620oC, làm gi¶m t¸c h¹i cña S. 3.1.3. ưu nhưîc ®iÓm cña thÐp cacbon * ưu ®iÓm: dïng rÊt réng r·i v× ba ưu ®iÓm sau: 1) RÎ, dÔ kiÕm kh«ng ph¶i dïng c¸c nguyªn tè hîp kim ®¾t tiÒn 2) C¬ tÝnh tæng hîp nhÊt ®Þnh phï hîp víi c¸c ®iÒu kiÖn th«ng dông 3) TÝnh c«ng nghÖ tèt: dÔ ®óc, c¸n, rÌn, kÐo sîi, hàn, gia c«ng c¾t (so víi thÐp hîp kim). * Nhược điểm: ®iÓn h×nh là: 1) §é thÊm t«i thÊp nªn hiÖu qu¶ hãa bÒn b»ng nhiÖt luyÖn t«i + ram kh«ng cao 2) TÝnh chÞu nhiÖt ®é cao kÐm: khi nung nãng ®é bÒn cao cña tr¹ng th¸i t«i gi¶m nhanh ë trªn 200oC, ë trªn 570oC bÞ «xy hãa m¹nh. 3) Kh«ng cã c¸c tÝnh chÊt vËt lý hãa häc ®Æc biÖt như: cøng nãng, chèng ¨n mßn. ThÐp cacbon ®ưîc dïng làm c¸c chi tiÕt nhá, h×nh d¹ng ®¬n gi¶n, chÞu t¶i träng nhÑ và võa, làm viÖc ë nhiÖt ®é thưêng. 3.2. C¸c lo¹i thÐp 3.2.1.ThÐp C¸cbon 3.2.1.1 Ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i thÐp Cacbon * Ph©n theo ph-¬ng ph¸p luyÖn thÐp - ThÐp Besme (B): lµ thÐp luyÖn ra tõ lß Besme cã chÊt l-îng th-êng - ThÐp Mactanh: lµ thÐp luyÖn ra tõ lß Mactanh cã chÊt l-îng tèt h¬n thÐp Besme. - ThÐp lß ®iÖn: lµ thÐp ®-îc luyÖn ra tõ lß ®iÖn (chñ yÕu lµ lß ®iÖn hå quang) cã chÊt l-îng rÊt cao. * Ph©n theo ph-¬ng ph¸p khö «xi - 19 - - ThÐp s«i: Kh«ng ®-îc khö «xy triÖt ®Ó, dïng chÊt khö Feromangan ®Ó s¶n xuÊt thÐp C thÊp. - ThÐp lÆng: §-îc khö «xy triÖt ®Ó, dïng chÊt khö Feromangan, Ferosilic, nh«m. ChÊt l-îng thÐp cao ®Ó lµm c¸c chi tiÕt m¸y. ThÐp nöa lÆng: lµ thÐp cã vÞ trÝ trung gian gi÷a thÐp s«i vµ thÐp lÆng. * Theo tæ chøc tÕ vi vµ hµm l-îng C trªn gi¶n ®å tr¹ng th¸i ta cã - ThÐp tr-íc cïng tÝch víi tæ chøc FerÝt + peclÝt. - ThÐp cïng tÝch (C = 0,8%), thÐp cã tæ chøc PÐclÝt - ThÐp sau cïng tÝch víi tæ chøc PeclÝt + XªmentÝt * Ph©n lo¹i theo chÊt l-îng: Dùa vµo l-îng t¹p chÊt cã h¹i P, S - ThÐp chÊt l-îng th-êng: Cã thÓ ch÷a tíi 0,06%S vµ 0,07%P - ThÐp chÊt l-îng tèt: kh«ng cho phÐp qu¸ 0,04%S, 0,03%P - ThÐp chÊt l-îng cao: S 0,015%; P 0,025% * C¸ch ph©n lo¹i thÐp theo c«ng dông - ThÐp x©y dùng: Lµ thÐp c¸cbon lo¹i th-êng, khi sö dông kh«ng nhiÖt luyÖn, chñ yÕu lµm kÕt cÊu x©y dùng, tõ CT0 – CT7 - ThÐp chÕ t¹o (thÐp kÕt cÊu): Lµ thÐp c¸cbon hoÆc thÐp hîp kim lo¹i tèt hoÆc lo¹i chÊt l-îng cao, khi sö dông th-êng qua nhiÖt luyÖn. Chñ yÕu lµm chi tiÕt m¸y nh-: ThÐp 35, 40, 45, 50... - ThÐp dông cô: lµ thÐp c¸cbon cã hµm l-îng C cao hoÆc thÐp hîp kim tèt, chÊt l-îng cao, chñ yÕu lµm dông cô c¾t gät: Y7 – Y13 - ThÐp cã c«ng dông riªng: §©y lµ thÐp cã tÝnh chÊt dÆc biÖt, ®-îc sö dông vµo nh÷ng c«ng viÖc cã yªu cÇu ®Æc biÖt. * Theo hµm l-îng C th-êng chia ra - ThÐp C¸cbon thÊp C < 0,25% - ThÐp C¸cbon trung b×nh C = 0,25 – 0,5% - ThÐp C¸cbon cao C > 0,5% 3.2.1.2 C¸c lo¹i thÐp c¸cbon a. ThÐp c¸cbon th-êng ThÐp C¸cbon th«ng dông hay gäi lµ lo¹i thÐp th-êng, lo¹i thÐp nµy cã c¬ tÝnh kh«ng cao vµ ®-îc ký hiÖu lµ CT Liªn x« ViÖt Nam CT0 CT31 CT1 CT33 CT2 CT34 CT3 CT38 CT4 CT42 CT5 CT51 CT6 CT61 2 (ChØ sè tiÕp theo chØ b KN/mm ). Theo Liªn x« %C = STT (0,1,2....6) x 0,07% ThÐp th«ng dông ®-îc chia thµnh 3 nhãm lµ A, B, C. Trong ®ã nhãm A chØ ®¸nh gi¸ b»ng chØ tiªu c¬ tÝnh, nhãm B ®-îc ®¸nh gi¸ theo chØ tiªu thµnh phÇn ho¸ häc, nhãm C dùa trªn c¶ 2 chØ tiªu c¬ tÝnh vµ thµnh phÇn ho¸ häc. - 20 -