vật liệu học cơ khí - 113.160.134.160113.160.134.160/sach/02200010.pdf · vật liệu...

Vật liệu học Cơ khí

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. 1

Bài mở đầu: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HỌC ............................................... 6

Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH .............................. 9

1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử ..................................................................... 9

1.1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử .............................................. 9

1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử ................................................................ 9

1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất ............................................................. 11

1.2.1. Không trật tự hoàn toàn – chất khí .................................................... 11

1.2.2. Trật tự lý tƣởng – chất rắn tinh thể ................................................... 11

1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể ................................. 11

1.3. Khái niệm về mạng tinh thể ..................................................................... 12

1.3.1. Tính đối xứng của tinh thể ................................................................ 12

1.3.2. Ô cơ sở – ký hiệu phƣơng, mặt ......................................................... 12

1.3.3. Mật độ nguyên tử .............................................................................. 13

1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn .................................................. 14

1.4.1. Cấu trúc tinh thể của chất rắn với liên kết KL (KL nguyên chất) .... 14

1.4.2. Mạng tinh thể vật rắn có liên kết đồng hoá trị .................................. 15

1.4.3. Mạng tinh thể vật rắn có liên kết ion ................................................ 17

1.4.5. Dạng thù hình .................................................................................... 17

1.5. Sai lệch mạng tinh thể .............................................................................. 18

1.5.1. Sai lệch điểm ..................................................................................... 18

1.5.3. Sai lệch mặt ....................................................................................... 19

1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể ....................................................................... 20

1.6.1. Đơn tinh thể ....................................................................................... 20

1.6.2. Đa tinh thể ......................................................................................... 20

1.7. Sự kết tinh và sự hình thành tổ chức kim loại.......................................... 20

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh .................................................................... 20

1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh ............................................................. 21

1.7.3. Sự hình thành hạt............................................................................... 23

1.7.4. Các phƣơng pháp tạo nhỏ hạt khi đúc ............................................... 23

1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc ............................................................. 25

Chương 2: BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH.................................................... 27

2.1. Biến dạng dẻo và phá huỷ ........................................................................ 27

2.1.1. Khái niệm .......................................................................................... 27

2.1.2. Trƣợt đơn tinh thể ............................................................................. 28

2.1.3. Trƣợt đa tinh thể ................................................................................ 29

2.1.4. Phá huỷ .............................................................................................. 30

2.2. Các đặc trƣng cơ tính thông thƣờng và ý nghĩa ....................................... 31

2.2.1. Độ bền (tĩnh) ..................................................................................... 31

2.2.2. Độ dẻo ............................................................................................... 33

2.2.3. Độ dai va đập..................................................................................... 33


2

2.2.4. Độ cứng ............................................................................................. 34

2.3. Nung KL đã qua biến dạng dẻo-thải bền-biến dạng nóng ....................... 36

2.3.1. Trạng thái KL đã qua biến dạng dẻo ................................................. 36

2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung ................................................. 36

2.3.3. Biến dạng nóng.................................................................................. 37

Chƣơng 3: HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA ........................................................ 38

3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim .................................................................. 38

3.1.1. Khái niệm về hợp kim ....................................................................... 38

3.1.2. Dung dịch rắn .................................................................................... 39

3.2. Giản đồ pha hai cấu tử.............................................................................. 41

3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng .................................................................. 41

3.2.2. Giản đồ pha và công dụng ................................................................. 42

3.2.3. Giản đồ loại I ..................................................................................... 43

3.2.4. Giản đồ loại II ................................................................................... 44

3.2.5. Giản đồ loại III .................................................................................. 45

3.2.6. Giản đồ loại IV .................................................................................. 45

3.2.7. Quan hệ giữa giản đồ pha và tính chất của hợp kim ......................... 46

3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3 C) ................................................................ 47

3.3.1. Tƣơng tác giữa Fe và C ..................................................................... 47

3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe3 C và các tổ chức .............................................. 48

3.3.3. Phân biệt thép và gang trên giản đồ .................................................. 52

Chƣơng 4: NHIỆT LUYỆN THÉP ..................................................................... 54

4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép ................................................................. 54

4.1.1. Sơ lƣợc về nhiệt luyện ....................................................................... 54

4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí............................. 55

4.2. Các tổ chức đạt đƣợc khi nung nóng và làm nguội thép .......................... 55

4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép – Sự tạo thành austenit 55

4.2.4. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh – Chuyển biến

mactenxit ..................................................................................................... 60

4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi ............................................ 62

4.3. Ủ và thƣờng hoá ....................................................................................... 64

4.3.1. Ủ thép ............................................................................................... 64

4.3.2. Thƣờng hoá thép ............................................................................... 66

4.4. Tôi thép .................................................................................................... 66

4.4.1. Định nghĩa và mục đích .................................................................... 66

4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép ....................................................................... 67

4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi ...................................................... 68

4.4.4. Các phƣơng pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trƣờng tôi ..... 69

4.4.5. Cơ nhiệt luyện thép ........................................................................... 72

4.5. Ram thép .................................................................................................. 72

4.5.1. Mục đích và ý nghĩa .......................................................................... 72

4.5.2. Các phƣơng pháp ram ....................................................................... 72

4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép ............................................... 73


3

4.6.1. Biến dạng và nứt ............................................................................... 73

4.6.2. Ôxy hoá và thoát các bon .................................................................. 74

4.6.3. Độ cứng không đạt ............................................................................ 74

4.6.4. Tính giòn cao ..................................................................................... 74

4.7. Hoá bền bề mặt ......................................................................................... 75

4.7.1. Khái niệm về hoá bền bề mặt ............................................................ 75

4.7.2. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện ................................. 75

4.7.3. Hoá - nhiệt luyện ............................................................................... 75

Chương 5: THÉP VÀ GANG ............................................................................. 79

5.1. Khái niệm về thép các bon và thép hợp kim ............................................ 79

5.1.1. Thép các bon ..................................................................................... 79

5.1.2. Thép hợp kim .................................................................................... 83

5.2. Thép xây dựng .......................................................................................... 89

5.2.1. Đặc điểm chung – phân loại .............................................................. 89

5.2.2. Thép thông dụng ............................................................................... 90

5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA .............................................. 91

5.2.4. Thép làm cốt bêtông .......................................................................... 91

5.3. Thép chế tạo máy ..................................................................................... 92

5.3.1. Các yêu cầu chung ............................................................................ 92

5.3.2. Thép thấm cácbon ............................................................................. 94

5.3.3. Thép hoá tốt ....................................................................................... 96

5.3.4. Thép đàn hồi ...................................................................................... 98

5.3.5. Các thép kết cấu có công dụng riêng ................................................ 99

5.4. Thép dụng cụ .......................................................................................... 101

5.4.1. Các yêu cầu chung .......................................................................... 101

5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt ...................................................................... 102

5.4.3. Thép làm dụng cụ đo ....................................................................... 105

5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội ................................................. 105

5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nóng .................................................. 106

5.5. Thép hợp kim đặc biệt ............................................................................ 108

5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại .......................................................... 108

5.5.2. Thép không gỉ.................................................................................. 108

5.5.3. Thép bền nóng ................................................................................. 109

5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dƣới tải trọng va đập (thép

Hađfiel) ...................................................................................................... 110

5.6. Gang ....................................................................................................... 110

5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy ............................. 110

5.6.2. Gang xám ........................................................................................ 112

5.6.3. Gang cầu .......................................................................................... 113

5.6.4. Gang dẻo ......................................................................................... 114

Chương 6 : HỢP KIM MÀU VÀ BỘT............................................................. 116

6.1. Hợp kim nhôm........................................................................................ 116

6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại nhôm............................................ 116


4

6.1.2. HK nhôm biến dạng không hoá bền bằng nhiệt luyện .................... 117

6.1.3. Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện .......................... 118

6.1.4. Hợp kim nhôm đúc .......................................................................... 119

6.2. Hợp kim đồng ......................................................................................... 120

6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng ............................... 120

6.2.2. Latông .............................................................................................. 121

6.2.3. Brông ............................................................................................... 122

6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni ................................................... 122

6.3. Hợp kim ổ trƣợt ...................................................................................... 122

6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trƣợt .............................................. 122

6.3.2. Hợp kim ổ trƣợt có nhiệt độ chảy thấp ........................................... 123

6.3.3. Hợp kim nhôm ................................................................................ 123

6.3.4. Các hợp kim khác ............................................................................ 123

6.4. Hợp kim bột ............................................................................................ 124

6.4.1. Khái niệm chung ............................................................................. 124

6.4.2. Vật liệu cắt và mài ........................................................................... 124

Chƣơng 7: CERAMIC (Vật liệu vô cơ) ............................................................ 127

7.1. Khái niệm chung .................................................................................... 127

7.1.1. Bản chất và phân loại ...................................................................... 127

7.1.2. Liên kết nguyên tử........................................................................... 127

7.1.3. Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình ................................. 128

7.1.4. Cơ tính ............................................................................................. 128

7.2. Gốm và vật liệu chịu lửa ........................................................................ 129


7.2.2. Gốm silicát ...................................................................................... 129

7.2.3. Gốm ôxyt ......................................................................................... 130

7.3. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh .................................................................... 131


7.3.2. Thuỷ tinh thông dụng ...................................................................... 132

7.3.3. Các thuỷ tinh khác ........................................................................... 132

7.3.4. Gốm thuỷ tinh.................................................................................. 132

Chƣơng 8: VẬT LIỆU POLYME ..................................................................... 133

8.1. Khái niệm chung .................................................................................... 133

8.2. Cấu trúc phân tử ..................................................................................... 133

8.2.1. Phân tử hyđrôcacbon ....................................................................... 133

8.2.2. Phân tử polyme ................................................................................ 133

8.2.3. Cấu trúc mạch của polyme .............................................................. 135

8.2.4. Cấu trúc tinh thể của polyme .......................................................... 136

8.3. Tính chất của polyme ............................................................................. 137

8.4. Các loại VL polyme và ứng dụng .......................................................... 138

8.4.1. Phân loại .......................................................................................... 138

8.4.2. Phối liệu của polyme ....................................................................... 139

8.4.3. Các loại VL polyme - ứng dụng ...................................................... 139


5

Chƣơng 9: COMPOZIT .................................................................................... 142

9.1. Khái niệm về compozit .......................................................................... 142

9.1.1. Đặc điểm và phân loại ..................................................................... 142

9.1.2. Liên kết nền – cốt ............................................................................ 142

9.2. Compozit hạt .......................................................................................... 143

9.2.1. Compozit hạt thô ............................................................................. 143

9.2.1. Compozit hạt mịn ............................................................................ 143

9.3. Compozit cốt sợi .................................................................................... 143

9.4. Compozit cấu trúc .................................................................................. 145

9.4.1. Compozit dạng lớp .......................................................................... 145

9.4.2. Compozit cấu trúc ba lớp (panel sandwich) .................................... 145


6

Bài mở đầu: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HỌC

Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất

của VL, trên cơ sở đó tìm ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử

dụng thích hợp ngày một tốt hơn.

1. Khái niệm về VL

VL để chỉ những vật rắn mà con ngƣời sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc,

thiết bị, xây dựng và để cả thay thế các bộ phận cơ thể và thể hiện ý đồ nghệ thuật. Đối

tƣợng nghiên cứu của môn học là các vật rắn.

Theo cấu trúc - tính chất đặc trưng phân ra bốn nhóm VL chính sau:

H 0.1. Sơ đồ minh hoạ các nhóm VL và quan hệ giữa chúng:

1. bán dẫn, 2. siêu dẫn, 3. silicon, 4. polyme dẫn điện.

VL kim loại. Thƣờng là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố KL, trong đó có

nhiều điện tử là chung không thuộc về nguyên tử nào. Có các tính chất điển hình:

- dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

- có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng đi qua,

- dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn ,ép),

- có độ bền cơ học, kém bền hoá học.

VL vô cơ (ceramic). Có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa KL, silic với á kim

(ôxyt, nitrit, cacbit), gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thuỷ tinh. Có các tính chất điển

hình:

- dẫn nhiệt, dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện),

- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hoá học hơn VL KL và hữu cơ.

VL hữu cơ (polyme). Phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hoá học

chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử. Có các tính chất điển

hình:

- dẫn điện kém, khối lƣợng riêng nhỏ,

- dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,

- bền vững hoá học ở nhiệt độ thƣờng và trong khí quyển; nóng chảy, phân huỷ

ở nhiệt độ tƣơng đối thấp.

Compozit. Đƣợc tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại VL kể trên,

mang hầu nhƣ các đặc tính tốt của các VL thành phần. VD bêtông cốt thép (vô cơ -

KIM

LOẠI

HỮU CƠ -

POLYME

VÔ CƠ -

CERAMIC

COMPZIT

4

3

1

2


7

KL) vừa chịu kéo tốt (nhƣ thép) lại chịu nén cao (nhƣ bêtông). Hiện nay dùng phổ

biến các loại compozit hệ kép: KL - polyme, KL - ceramic, polyme - ceramic với

những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn.

Ngoài ra còn những nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên:

- bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa

KL và ceramic (nhóm đầu gần với KL, nhóm sau gần với ceramic),

- silicon nằm trung gian giữa VL vô cơ với hữu cơ (gần với VL hữu cơ hơn).

2. Vai trò của VL

- Muốn thực hiện được các giá trị vật chất đều phải thông qua sử dụng VL cụ

thể, nhƣ để chế tạo máy móc, ôtô, năng lƣợng ... phải có KL và HK; thiết bị, đồ dùng

điện tử phải có chất bán dẫn; xây dựng nhà cửa, công trình phải có ximăng và thép;

các đồ dùng hàng ngày thƣờng là chất dẻo; máy bay, xe đua rất cần compozit, tƣợng

đài thƣờng bằng HK đồng - thiếc.

- Sự phát triển của xã hội loài người gắn liền với sự phát triển của công cụ

sản xuất và kỹ thuật mà cả hai điều này được quyết định một phần lớn nhờ VL. Xã

hội loài ngƣời phát triển qua các thời kỳ khác nhau gắn liền với VL để chế tạo công

cụ.

Hiện nay VLKL thực sự đóng vai trò quyết định trong tiến hoá của loài ngƣời.

KL và HK đang chiếm vị trí chủ đạo trong chế tạo công cụ và máy móc thƣờng: công

cụ cầm tay, máy công cụ, máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, đƣờng sắt, cầu,

tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt ... và trong sản xuất vũ khí. Tóm lại cho đến nay

VLKL vẫn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng

lƣợng, xây dựng và quốc phòng.

Chất dẻo - polyme từ giữa thế kỷ trƣớc đã trở thành nhóm VL mới, hiện đang

đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hàng

ngày cũng nhƣ trong thiết bị máy móc.

VL vô cơ - ceramic có lịch sử lâu đời hơn cả (từ thời kỳ đồ đá). Trong quá trình

phát triển, VL này đƣợc sử dụng một cách phổ biến, rộng rãi trong xây dựng và đời

sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ đến ximăng - bê tông, thuỷ tinh, VL chịu lửa cho đến

các ceramic hiện đại và thuỷ tinh siêu sạch làm cáp quang.

VL compozit phát triển mạnh trong những năm gần đây, đáp ứng đƣợc các yêu

cầu rất cao của chế tạo máy mà ba loại VL trên không có đƣợc nhƣ rất nhẹ lại rất bền.

Tƣơng lai VL này sẽ tạo ra những thay đổi quan trọng trong ngành cơ khí.

3. Đối tƣợng của VL học cho ngành cơ khí Quan hệ cấu trúc - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của VL vào cấu

trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học.

Cấu trúc (hay tổ chức) là sự sắp xếp của các thành phần bên trong, bao gồm cả

cấu trúc vĩ mô và vi mô.

• Cấu trúc vĩ mô (tổ chức thô đại): là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn với

kích thƣớc quan sát đƣợc bằng mắt thƣờng (tới giới hạn khoảng 0,3 mm), bằng kính

lúp (0,01 mm).

• Cấu trúc vi mô: là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát đƣợc

bằng mắt hay kính lúp. Nó bao gồm:

- Tổ chức tế vi hay vi mô là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân

tử với kích thƣớc cỡ micromet hay cỡ các hạt tinh thể với sự giúp đỡ của kính hiểm vi

quang học hay kính hiển vi điện tử.


8

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tƣơng tác giữa các nguyên tử trong

không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể. Để làm đƣợc việc này phải sử dụng

tới phƣơng pháp nhiễu xạ tia rơnghen cũng nhƣ một số kỹ thuật khác.

4. Các tiêu chuẩn

- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN: Dùng từ ký hiệu để mã hoá các HK đƣợc qui

định tổng quát trong TCVN 1759 - 75 ( dựa theo các tiêu chuẩn ГOCT).

- Tiêu chuẩn Liên xô hay tiêu chuẩn Nga ГOCT.

- Các tiêu chuẩn VLKL phổ biến trên thế giới của Mỹ theo các hệ thống:

ASTM, AI SI, SAE, A A, CDA, ACI, UNS.

- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS thông dụng ở châu Á và trên thế giới

- Tiêu chuẩn châu Âu EN và các nƣớc châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh BS.


9

Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH

1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử (tự đọc- tự nghiên cứu)

1.1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử

Nguyên tử là một hệ thống bao gồm: Hạt nhân mang điện dƣơng và các điện tử

(electron) bao quanh mang điện âm mà ở trạng thái bình thƣờng đƣợc trung hoà về

điện. Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dƣơng) và nơtrôn (không mang điện). Các điện

tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lƣợng từ thấp đến cao.

1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử

Dạng liên kết khác nhau là nguyên nhân tạo nên cơ tính khác nhau giữa các loại

VL.

a. Liên kết đồng hoá trị

Đƣợc tạo ra khi hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung một số điện tử hoá trị để

có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng.

VD: Mêtan (CH4) (H1.1)

- Liên kết đồng hoá trị là loại liên kết mạnh, cường độ của nó phụ thuộc vào

đặc tính liên kết giữa điện tử hoá trị với hạt nhân. VD: cacbon có 6 điện tử thì có 4

điện tử hoá trị hầu nhƣ liên kết trực tiếp với hạt nhân, nếu nó ở dạng kim cƣơng sẽ có

cƣờng độ liên kết rất mạnh - T nóng chảy tới 35500C; còn thiếc có tới 50 điện tử

nhƣng chỉ có 4 điện tử hoá trị nằm xa hạt nhân nên có liên kết yếu với hạt nhân - T

nóng chảy tới 2700C.

- Liên kết đồng hoá trị là loại có liên kết định hướng vì các điện tử tham gia

liên kết lớn nhất theo phƣơng nối tâm các nguyên tử.

b. Liên kết ion

Xảy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hoá trị dễ cho bớt để tạo thành ion dƣơng

với nguyên tử có nhiều điện tử hoá trị dễ nhận thêm điện tử để trở thành ion âm.

- Liên kết ion là loại liên kết mạnh, nó càng mạnh khi các nguyên tử càng

chứa ít điện tử, tức là các điện tử cho và nhận nằm càng gần hạt nhân.

- Liên kết ion là loại không định hướng, nó thể hiện tính giòn cao.

H1.2. biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF.

c. Liên kết kim loại

Liên kết KL là liên kết đặc trƣng cho các VLKL, nó quyết định tính chất đặc

trƣng của VL. Đƣợc hình dung nhƣ:

H1.1. Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị

điên tử góp chung của C điên tử góp của H


10

Các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian điện tử tự do

“chung”. Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion dương và

điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương). Nhờ sự cân bằng này các

nguyên tử, ion KL luôn luôn có vị trí cân bằng và xác định trong đám mây điện tử.

Liên kết này thƣờng tạo ra trong các KL có ít điện tử hoá trị, chúng liên kết yếu

với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự do, tạo nên ―mây‖ hay ―biển‖

điện tử.

ion dƣơng

mây điện tử

Liên kết này tạo cho KL có các tính chất điển hình:

- Ánh kim hay vẻ sáng. Bề mặt KL (khi chƣa bị ôxi hoá) sáng khi bị ánh sáng

chiếu vào, điện tử tự do nhận năng lƣợng và bị kích thích, có mức năng lƣợng cao hơn

song không ổn định, khi trở về mức cũ sẽ phát ra sóng ánh sáng.

- Dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Nhờ có điện tử tự do rất dễ chuyển động định

hƣớng dƣới một hiệu điện thế làm KL có tính dẫn điện cao. Tính dẫn nhiệt cao đƣợc

giải thích do sự truyền động năng của các điện tử tự do và ion dƣơng.

- Tính dẻo. Là đặc tính quan trọng, nhờ có nó mà KL có thể cán, dát mỏng

thành tấm, lá, cán kéo thành sợi, dây, ... Sự có mặt của điện tử tự do là nguyên nhân

của tính dẻo cao.

Dƣới tác dụng cơ học, các ion dƣơng KL rất dễ dịch chuyển giữa các lớp đệm

là mây điện tử, hơn nữa khi KL bị biến hình (tức là các ion chuyển chỗ) liên kết KL

vẫn đƣợc bảo tồn do vị trí tƣơng quan giữa các ion dƣơng và điện tử tự do không thay

đổi. Ngoài ra KL có cấu tạo mạng đơn giản và xít chặt, trong đó các mặt tinh thể có

mật độ chênh lệch nhau, dƣới tác dụng cơ học thì các mặt dày đặc hơn có liên kết bền

chắc hơn, dễ dàng trƣợt lên nhau.

d. Liên kết hỗn hợp

Trong các chất, VL thông dụng không mang tính chất thuần tuý của một loại

liên kết duy nhất nào, mà mang tính hỗn hợp của nhiều loại, nhƣ trong KL vẫn có liên

kết đồng hoá trị.

e. Liên kết yếu (Van der Walls) Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hoá trị, do sự khác nhau về tính âm điện

của các nguyên tử, trọng tâm điện tích dƣơng và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu

cực điện đƣợc tạo thành và phân tử bị phân cực. Liên kết yếu là do hiệu ứng hút nhau

giữa các nguyên tử hay phân tử bị phân cực nhƣ vậy. Liên kết này rất yếu, rất dễ bị

phá vỡ khi tăng nhiệt độ nên VL có liên kết này có nhiệt độ chảy thấp.

H1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF. H 1.3. Sơ đồ biểu diễn liên kết KL

+

+ +

+

+

+ +

+

+

+

+

+ +

+ +

+

Li F

Li+ F

-


11

1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất

1.2.1. Không trật tự hoàn toàn – chất khí (tự đọc- tự nghiên cứu)

Trong chất khí các nguyên tử sắp xếp hỗn loạn, hoàn toàn không trật tự. Khoảng

cách giữa các nguyên tử không cố định mà phụ thuộc thể tích của bình chứa, nó không

chịu nén.

1.2.2. Trật tự lý tưởng – chất rắn tinh thể

Trong chất rắn tinh thế mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định với các

nguyên tử bên cạnh – gọi là trật tự gần và cả những nguyên tử khác ở xa hơn – gọi là

trật tự xa.

Chất rắn tinh thể có cấu trúc tinh thể do các nguyên tử sắp xếp có trật tự nên

được xác định bằng kiểu mạng tinh thể, tức là các nguyên tử của nó được sắp xếp

thành hàng lối với

qui luật nhất định. Nối tâm các nguyên tử bằng các đường thẳng tưởng tượng sẽ

được hình ảnh của mạng tinh thể, nơi giao nhau của các đường thẳng được gọi là

nút mạng.

VD H1.4. biểu diễn một phần mạng tinh thể lập phƣơng (không thể và cũng

không cần vẽ hết cả mạng tinh thể gồm vô vàn nguyên tử, do tuân theo qui luật hình

học vị trí của các nút

tiếp theo hoàn toàn xác định trên cơ sở tịnh tiến theo cả ba chiều đo).

Nút mạng đƣợc coi nhƣ một điểm của mạng, tƣơng ứng chỉ có một nguyên tử (ion)

nhƣ ở mạng tinh thể KL. Còn mạng tinh thể hợp chất hoá học với liên kết ion hay

đồng hoá trị, ứng với một nút mạng có thể là phân tử (hai hay nhiều nguyên tử).

Do có sắp xếp trật tự (qui luật, lập lại theo ba chiều trong không gian) nên theo

các phƣơng khác nhau hình thái sắp xếp và mật độ nguyên tử cũng khác nhau, tạo nên

tính dị hƣớng hay có hƣớng.

1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Chất lỏng

Cấu trúc giống chất rắn tinh thể là có các nguyên tử có xu thế tiếp xúc (xít) nhau

trong những nhóm nhỏ của một không gian hình cầu khoảng 0,25 nm, nên nó không

chịu nén.

H1.4. Cấu trúc mạng tinh thể lập phƣơng (đơn giản)


12

Sự khác nhau với chất rắn tinh thể:

- Vị trí nguyên tử không xác định, tức là trong không gian nhỏ các nguyên tử

tuy có sắp xếp có trật tự nhƣng không ổn định, luôn bị phá vỡ do ba động nhiệt rồi lại

hình thành với các nguyên tử khác và ở ni khác – cấu trúc trật tự gần.

- Mật độ xếp chặt của chất lỏng kém hơn chất rắn nên khi kết tinh hay đông đăc

thƣờng kèm theo giảm thể tích (co ngót).

b. Chất rắn vô định hình

Một số chất, ở trạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ độ linh

hoạt để sắp xếp lại theo chuyển pha lỏng – rắn; chất rắn tạo thành không có cấu trúc

tinh thể và gọi là chất rắn vô định hình - điển hình thuỷ tinh (cấu tạo cơ bản SiO2).

Về mặt cấu trúc, các chất rắn thƣờng gặp chia làm hai nhóm là tinh thể và

không tinh thể (vô định hình). Sự phân chia này là không hoàn toàn tuyệt đối vì chỉ

phù hợp với điều kiện sản xuât (chủ yếu làm nguội) thông thƣờng, VD:

- Làm nguội bình thƣờng với thuỷ tinh lỏng, các phân tử SiO2 không đủ thời

gian sắp xếp lại tạo nên thuỷ tinh thƣờng. Còn khi làm nguội chậm các phân tử SiO2 có

đủ thời gian sắp xếp lại theo trật tự xa sẽ đƣợc thuỷ tinh tinh thể.

- KL và HK khi làm nguội bình thƣờng từ trạng thái lỏng sẽ cho cấu trúc tinh

thể, nếu làm nguội với tốc độ vô cùng lớn (> 10000C/s) sẽ nhận đƣợc cấu trúc vô định

hình.

c. Chất rắn vi tinh thế

Với VL tinh thể khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (trên dƣới 10000C/s)

sẽ nhận đƣợc cấu trúc tinh thể nhƣng với kích thƣớc hạt rất nhỏ (cỡ nm) – gọi là chất

rắn vi tinh thể.

1.3. Khái niệm về mạng tinh thể

1.3.1. Tính đối xứng của tinh thể (tự đọc- tự nghiên cứu)

Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là đặc điểm quan trọng, thể

hiện cả bên ngoài, bên trong cũng nhƣ các tính chất. Tính đối xứng là là tính chất ứng

với một biến đổi hình học, các điểm, các đƣờng, mặt tự trùng lặp lại, gồm có:

- Tâm đối xứng: bằng phép nghịch đảo qua tâm chúng trùng lại nhau.

- Trục đối xứng: các điểm có thể trùng lặp lại nhau bằng cách quay quanh trục

một góc.

- Mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gƣơng qua một mặt phẳng, các mặt sẽ

trùng lặp lại.

1.3.2. Ô cơ sở – ký hiệu phương, mặt

a. Ô cơ sở

Ta không thể biểu diễn cả mạng tinh thể với vô vàn nguyên tử. Trong cả mạng

tinh thể với các chất điểm (ion, nguyên tử, phân tử) sắp xếp theo trật tự, có quy luật đó

bao giờ cũng tìm đƣợc hình không gian nhỏ nhất đặc trưng cho quy luật sắp xếp đó

gọi là ô cơ sở.

Nhƣ mạng tinh thể lập phƣơng (đơn giản) có thể đƣợc đặc trƣng, biểu thị một

cách đầy đủ bằng hình (khối) lập phƣơng. Khi trình bày các kiểu mạng tinh thể ta chỉ

cần đƣa ra ô cơ sở của nó là đủ.


13

z

c

α β

γ b

y

a

x

b. Chỉ số phƣơng

c. Mật độ nguyên tử

b. Chỉ số Miller của mặt tinh thể

1.3.3. Mật độ nguyên tử

Quan niệm nguyên tử (ion) nhƣ những quả cầu thì dù xếp chặt đến đâu cũng

không thể đặc kín hoàn toàn, nên có khái niệm về mật độ nguyên tử.

a. Mật độ xếp Mật độ xếp là mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử. Mật độ xếp theo

phƣơng (chiều dài) Ml, theo mặt Ms hay trong mạng Mv : Ml = l / L; Ms = s / S; Mv

= v / V;

Trong đó: - l, s, v lần lƣợt là chiều dài, diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ,

- L, S, V lần lƣợt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích đem xét.

b. Số sắp xếp

Số sắp xếp là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho.

Số sắp xếp càng lớn chứng tỏ mạng tinh thể càng dày đặc.

c. Lỗ hổng

Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi

đỉnh khối là tâm nguyên tử, ion nút mạng. Kích thƣớc lỗ hỏng đƣợc đánh giá bằng

đƣờng kính hay bán kính của quả cầu lớn nhất có thể đặt lọt vào không gian trống đó.

Hình dạng, kích thƣớc lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc (kiểu) mạng. Kích thƣớc lỗ

hỏng đóng vai trò quyết định cho phép các nguyên tử khác loại hoà trộn vào, đặc biệt

là á kim vào KL.

H1.5. Ô cơ sở và hệ toạ độ.

Phƣơng là đƣờng thẳng đi qua các nút của

mạng, đƣợc ký hiệu [u, v, w], chỉ cần biết hai nút

mạng sẽ xác định đƣợc phƣơng đã cho. Do tính qui

luật sắp xếp nguyên tử mà các phƣơng song song

với nhau có tính chất hoàn toàn nhƣ nhau nên sẽ có

cùng một chỉ số phƣơng lấy theo phƣơng đi qua gốc

toạ độ O. H1.6. biểu diễn ba phƣơng điển hình

trong mạng tinh thể của hệ lập phƣơng:

- Đƣờng chéo khối [111]

- Đƣờng chéo mặt [110]

- Cạnh [100]

H1.6. Các phƣơng điển hình

của hệ lập phƣơng

Ô cơ sở đƣợc xây dựng trên ba vectơ đơn vị

a, b, c tƣơng ứng với ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz đặt

trên ba cạnh của ô nhƣ H1.5. Mô đun của ba vectơ

đó a, b, c là kích thƣớc của ô cơ sở còn gọi là hằng

số mạng hay thông số mạng, vì chúng đặc trƣng cho

từng nguyên tố hoá học hay đơn chất. Các góc α, β,

γ hợp bởi các vectơ đơn vị.


14

1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn

1.4.1. Cấu trúc tinh thể của chất rắn với liên kết KL (KL nguyên chất)

a. Lập phƣơng tâm khối A2 - Ô cơ sở là hình lập phƣơng với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các

đỉnh và các trung tâm khối nhƣ ở các H1.7 a, b và c.

- Tuy có 9 nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thuộc về ô này chỉ có: nv = 8

đỉnh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử (mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc về 8 ô bao quanh nên

thuộc về ô đang xét chỉ là 1/8, nguyên tử ở trung tâm khối thuộc về ô đang xét).

H1.7. Ô cơ sở mạng lập phƣơng tâm khối (a, b, c).

- Các nguyên tử xếp xít nhau theo phƣơng đƣờng chéo khối, về mặt hình học

thấy: đƣờng kính dng.t và bán kính rng.t lần lƣợt bằng a.31/2

/2 và a.31/2

/4,

- mỗi nguyên tử trong mạng này đƣợc bao quanh bằng 8 nguyên tử gần nhất với

khoảng cách ngắn nhắt là a.31/2

/2 (và 6 nguyên tử tƣơng đối gần với khoảng cách là a),

nên có số sắp xếp là 8 (hay đôi khi biểu thị bằng 8 + 6).

- Các KL có kiểu mạng này là Fe, crôm, môlipđen, vonfram với hằng số mạng

a lần lƣợt bằng 0,2866; 0,2884; 0,3147; 0,3165 nm.

Mạng chính phương tâm khối chỉ khác mạng A2 ở a = b ≠ c, hay nói cách

khác là có hai thông số mạng a và c, tức là c/a ≠ 1, đó là kiểu mạng của mactenxit

thƣờng gặp khi nhiệt luyện (tôi) đƣợc trình bày ở chƣơng 4.

b. Lập phƣơng tâm mặt A1

H1.8. Ô cơ sở mạng lập phƣơng tâm mặt (a, b, c).

- Ô cơ sở là hình lập phƣơng với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các

đỉnh và nằm ở trung tâm các mặt bên, nhƣ H1.8 a, b và c.

- Tuy có 14 nguyên tử để biểu thị cho một ô, song thuộc về ô chỉ có: nv = 8

đỉnh . 1/8 + 6 mặt . 1/2 = 4 nguyên tử.


15

- Các nguyên tử xếp xít nhau theo phƣơng đƣờng chéo mặt, về mặt hình học

thấy:

đƣờng kính dng.t và bán kính rng.t lần lƣợt bằng a . 21/2

/ 2 và a . 21/2

/ 4,

- Mỗi nguyên tử đƣợc bao quanh bởi 12 nguyên tử gần nhất với khoảng cách là

a. 21/2

/ 2, nên có số sắp xếp là 12.

- Các KL điển hình có kiểu mạng này: Feγ, niken, đồng, nhôm với hằng số

mạng a bằng 0,3656; 0,3524; 0,3615; 0,4049 nm; ngoài ra còn có chì, bạc, vàng.

c. Mạng sáu phƣơng xếp chặt A3 Ô cơ sở là khối lăng trụ lục giác (6 lăng trụ tam giác đều), các nguyên tử nằm

trên 12 đỉnh, tâm của hai mặt đáy và tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách nhau nhƣ

ở H1.9 a, b, c. Để biểu thị một ô cần tới 17 nguyên tử, song thực tế thuộc về ô này chỉ

có:

nv = 12 đỉnh . 1/6 + 2 giữa mặt . 1/2 + 3 = 6 nguyên tử.

H1.9. Ô cơ sở mạng sáu phƣơng xếp chặt (a, b, c).

Các nguyên tử xếp xít nhau theo các mặt đáy (0001) [hiểu là mặt gồm 3 nguyên

tử ở giữa song song với mặt đáy cũng là mặt đáy (0001) này] và đáy nọ lại chồng khít vào

khe lõm do mặt đáy trƣớc tạo nên.

- nếu tỉ số c/a nằm trong khoảng 1,57 - 1,64 thì mạng đƣợc coi là xếp chặt,

- Khi tỉ số c/a nằm ngoài khoảng trên thì mạng đƣợc coi là không xếp chặt.

Trƣờng hợp xếp xít chặt mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử bao quanh gần nhất với

khoảng cách a, nên có số sắp xếp là 12. Còn trƣờng hợp không xếp xít chặt có số sắp

xếp là 6 + 6.

Các KL có kiểu mạng này ít thông dụng hơn là:

- titan ( Tiα ) với a = 0,2951 nm, c = 0,4679 nm, c/a = 1,5855 (xếp chặt),

- magiê với a = 0,3209 nm, c = 0,5210 nm, c/a = 1,6235 (xếp chặt),

- kẽm với a = 0,2664 nm, c = 0,4945 nm, c/a = 1,8590 (không xếp chặt).

1.4.2. Mạng tinh thể vật rắn có liên kết đồng hoá trị (tự đọc - tự nghiên cứu)

a. Kim cƣơng A4

Kim cƣơng là một dạng tồn tại của cacbon với số sắp xếp là 4 tức là mỗi một

nguyên tử cacbon có 4 nguyên tử bao quanh gần nhất. Nhƣ vây ô cơ sở của nó đƣợc

tạo thành trên cơ sở của A1 có thêm 4 nguyên tử bên trong với các toạ độ nhƣ hình vẽ

(nếu chia ô cơ sở A1thành tám khối lập phƣơng nhỏ thì 4 nguyên tử này nằm ở tâm của

4 khối cách nhau trong 8 khối đó).

Cứ 4 nguyên tử cacbon tạo nên một khối tứ diện tam giác đều. Các khối xếp

chung đỉnh tạo nên mạng kim cƣơng. Mỗi nguyên tử cách đều 4 nguyên tử khác với


16

khoảng cách gần nhất a.31/2

/4(a = 0,375nm) và liên kết đồng hoá trị (H.c). Góc cố định

giữa các liên kết đồng hoá trị trong mạng kim cƣơng là 109,50. Với các nguyên tử

cacbon đều có liên kết đồng hoá trị với năng lƣợng lớn nên kim cƣơng có độ cứng rất

cao (cao nhất trong thang đo độ cứng).

b. Mạng grafit

Grafit là dạng tồn tại của cacbon, phổ biến trong thiên nhiên và VL (gang). Nó

có mạng tinh thể 6 phƣơng nhƣ H.a, các nguyên tử đƣợc phân bố trên các mặt phẳng

tại các đỉnh của hình lục giác đều, trong đó mỗi nguyên tử đều tạo nên liên kết đồng

hoá trị mạnh với 3 nguyên tử bao quanh và có góc lệch 1200, khoảng cách giữa các

nguyên tử trong mặt lục giác đều khá nhỏ, a = 0,246 nm, giữa các lớp lục giác đều

lớn hơn, c = 0,671 nm tương ứng với liên kết yếu Van der Walls. Do vậy Grafit rất

dễ bị tách lớp và có tính chất gần nhƣ hoàn toàn trái ngƣợc với kim cƣơng là rất mềm,

nó đƣợc coi là chất rắn có độ cứng thấp nhất. c. Cấu trúc sợi cacbon và fullerene

Những chất cấu tạo bằng nguyên tử cacbon với cấu trúc mạng là các mặt lục

giác đều nhƣ của grafit chỉ gồm các liên kết đồng hoá trị nên sẽ cho độ bền cao hơn rất

nhiều.

- Cấu trúc của sợi cacbon (H.b) nhƣ những lớp ―vỏ‖ nguyên tử cacbon, sắp xếp

theo hình lục giác, có liên kết đồng hoá trị mạnh, cuốn quanh trục sợi. Nó đƣợc làm

cốt trong compzit cho độ bền gấp ba lần song lại nhẹ hơn tơid bốn lần so với thép.

- Phân tử cacbon C60 (H.c) gọi là fullerene (đƣợc tìm ra năm 1985), cấu trúc của

nó gồm 60 nguyên tử cabon xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác đều và 20

ngũ giác đều, các ngũ giác không itếp xúc nhau mà liên kết với nhau qua các lục giác

đều. Một phần tử fullerene C60 có hình dáng giống quả bóng đá nhiều múi. Cấu trúc

H1.11. Cấu trúc mạng của grafit sợi, cacbon và fullerene

H1.10. Ô cơ sở của mạng tinh thể kim cƣơng (a), vị trí nguyên tử (b) và liên kết (c)


17

đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rất cao tƣơng lai sẽ có nhiều ứng dụng kỳ lạ

trong kỹ thuật.

1.4.3. Mạng tinh thể vật rắn có liên kết ion (tự đọc- tự nghiên cứu)

Cấu trúc tinh thể của hợp chất hoá học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Tỷ số lượng ion âm trên lương ion dương: tỷ số này cố định đối với từng hợp

chất, phụ thuộc vào số điện tử tham gia liên kết, đảm bảo tính trung hoà về điện của hệ

thống.

- Tương quan kích thước giữa ion âm và ion dương: liên kết ion không định

hƣớng nên trong mạng tinh thể, các ion có xu hƣớng sắp xếp sao cho đạt đƣợc độ xếp

chặt và tính đối xứng cao nhất.

Mạng tinh thể của hợp chất hoá học có liên kết ion vẫn có kiểu mạng đơn giản

(A1, A2) nhƣng sự phân bố cácion trong đó khá phức tạp nên đƣợc coi là mạng phức

tạp. Có thể hình dung nó được tạo thành trên cơ sở của ion âm, các ion dương còn

lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ trống.

1.4.4. Cấu trúc polyme (tự đọc- tự nghiên cứu) Ô cơ sở của polyme đƣợc tạo nên bởi rất nhiều phân tử mà mỗi phân tử lại gồm

hàng triệu nguyên tử (ion). Vdpolyme trên cơ sở của polyêtylen (C2H4)n lần lƣợt nhƣ

sau:

H H H H H H H H

| | | | | | | |

C = C → ─ C ─ C ─ → ─ C ─ C ─ C ─ C ─

| | | | | | | |

H H H H H H H H

Mạch kín “mở” nối tiếp mạch hở dạng thẳng

Các mạch polyme sắp xếp và liên kết với nhau bằng liên kết yếu Van der Walls,

sự sắp xếp có trật tự tạo nên cấu trúc tinh thể, hoặc không trật tự tạo nên trạng thái vô

định hình.

1.4.5. Dạng thù hình

Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác

nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hoá học, mỗi cấu trúc khác biệt đó

được gọi là dạng thù hình và theo chiều nhiệt độ tăng đƣợc ký hiệu lần lƣợt bằng các

chữ cái Hy lạp , β, γ, δ, ε, ... Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình

này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình.

Thù hình là hiện tƣợng thuộc về bản chất của một số nguyên tố và hợp chất, nó

thể hiện rất rõ ở một số VL thƣờng dùng: thép, gang (trên cơ sở của sắt), cacbon ... với

ứng dụng rất quan trọng. Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình thƣờng là nhiệt độ,

sau đó là áp suất.

VD sắt: dƣới 9110C gọi là Feα và từ 1392

0C đến nhiệt độ chảy 1539

0C gọi là Feδ

tồn tại mạng A2; trong khoảng nhiệt độ còn lại 911- 13920C gọi là Fγ tồn tại mạng A1.

Khi chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm theo sự thay đổi về thể tích (nở

hay co) và cơ tính. VD: khi nung nóng sắt qua 9110C sắt co lại đột ngột (do tăng mật


18

độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Fα → Feγ) và hoàn toàn ngƣợc lại khi làm nguội

(điều này trái với quan niệm thƣờng gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co

lại).

1.5. Sai lệch mạng tinh thể

Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên

những sai hỏng đƣợc gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng, ảnh hƣởng xấu

về cơ tính dƣới tác dụng của ngoại lực. Phụ thuộc vào kích thƣớc ba chiều trong không

gian, có các dạng:

1.5.1. Sai lệch điểm

Là loại sai lệch có kích thƣớc rất nhỏ (cỡ kích thƣớc nguên tử) theo ba chiều

không gian, có dạng bao quanh một điểm (H1.12).

- Nút trống và nguyên tử xen kẽ Trong tinh thể, nguyên tử luôn bị dao động nhiệt quanh vị trí quy định gọi là vị

trí cân bằng. Do ba động nhiệt (phân bố năng lƣợng không đều) một số nguyên tử có

năng lƣợng cao, biên độ dao động lớn có khả năng bứt khỏi nút mạng để lại nút không

có nguyên tử gọi là nút trống. Sau khi rời khỏi nút mạng, nguyên tử có thể chuyển

sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng trở thành nguyên tử xen kẽ (H1.12a).

Mật độ nút trống phụ thuộc vào nhiệt độ, nó tăng rất nhanh theo nhiệt độ và có

giá trị lớn nhất khi sắp chảy lỏng. Nút trống có ảnh hƣởng đến cơ chế và tốc độ khuếch

tán của KL và HK ở trạng thái rắn.

H1.12. Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử xen kẽ (a)

và các nguyên tử tạp chất (b).

- Nguyên tử tạp chất

Trong thực tế không thể có VL hoặc KL sạch tuyệt đối (thƣờng sạch nhất cũng

chỉ đạt tới 99,99 hay 99,999%). Phụ thuộc vào kích thƣớc, nguyên tử lẫn vào - thƣờng

gọi là tạp chất, có thể thay thế các nguyên tử nền ở các nút mạng hoặc xen vào giữa

các nút (H1.12 b).

Do sự khác nhau về đƣờng kính giữa các nguyên tố nền và tạp chất nên khi thay

thế cho nhau bao giờ cũng làm cho mạng của nền giãn nở hay co lại. Còn khi tự

xen kẽ bao giờ cũng làm nền giãn ra vì kích thƣớc của lỗ hổng luôn nhỏ hơn đƣờng

kính nguyên tử. Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có khuynh hƣớng xích lại gần

nhau.


19

1.5.2. Sai lệch đường (tự đọc- tự nghiên cứu)

Là loại có kích thƣớc nhỏ (cỡ kích thƣớc nguyên tử) theo hai chiều và lớn theo

chiều thứ ba - tức là có dạng đƣờng (thẳng, cong, xoáy trôn ốc). Cũng có thể coi sai

lệch đƣờng là tập hợp các sai lệch điểm - song cơ bản là lệch.

a. Lệch biên - Mô hình tạo thành (H. a) : chèn thêm bán mặt ABCD vào nửa phân trên của

mạng tinh thể lý tƣởng, làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía không

hoàn toàn song song với nhau nữa.

- Sự sắp xếp nguyên tử (H .b) trên mặt cắt vuông góc vuông góc với trục AD:

vùng bị xô lệch quá nhỏ, chỉ 4-5 thông số mạng trong phạm vi vòng tròn, sự xô lệch

này kéo dài theo đƣờng AD gọi là trục lệch, nó chính là biên của bán mặt nên có tên là

lệch biên.

b. Lệch xoắn

Lệch xoắn đƣợc hình dung nhƣ mô hình trƣợt dịch (H a) : cắt tinh thể lý tƣởng

theo bán mặt ABCD rồi trƣợt dịch hai mép ngoài ngƣợc chiều nhau đi một hằng số

mạng trên đƣờng BC, làm cho các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đƣờng AD và

BC sắp xếp lại có dạng đƣờng xoắn ốc giống nhƣ mặt vít nên gọi là lệch xoắn (H b).

Đƣờng AD là tâm của sự xô lệch nên đƣợc gọi là trục lệch.

H1.13. Lệch biên: mô hình tạo thành lệch(a), sự sáp xếp nguyên tử trong vùng lệch(b) và mô

hình không gian(c). Lệch xoắn: Mô hình tạo thành (a), mô hình không gian (b) và sự sắp xếp

nguyên tử trong vùng lệch

1.5.3. Sai lệch mặt (tự đọc- tự nghiên cứu)

Sai lệch mặt là loại sai lệch có kích thƣớc lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo

chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (có thể là mặt phẳng, cong hay uốn lƣợn). Có

các dạng điển hình của sai lệch mạng là:

- biên giới hạt và siêu hạt,

- bề mặt tinh thể.


20

1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể (tự đọc- tự nghiên cứu)

1.6.1. Đơn tinh thể

Đơn tinh thể là chất rắn tinh thể chỉ là một khối mang đồng nhất tức là có

cùng kiểu mạng và hằng số mạng cũng như phương không đổi hướng trong toàn

bộ thể tích.

H1.14. Mô hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b)

Trong thiên nhiên tìm đƣợc một số khoáng vật có thể tồn tại dƣới dạng đơn tinh

thể. Chúng có bề mặt ngoài nhẵn, hình dáng xác định, đó là những mặt phẳng nguyên

tử giới hạn (thƣờng các mặt xếp chặt nhất). Các đơn tinh thể KL không tồn tại trong tự

nhiên, muốn có phải dùng công nghệ ―nuôi‖ đơn tinh thể.

Đơn tinh thể có tính chất rắt đặc thù là dị hướng vì theo các phƣơng mật độ xếp

chặt nguyên tử khác nhau. Trong sản xuất cơ khí hầu nhƣ không sử dụng đơn tinh thể,

nó chỉ sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn.

1.6.2. Đa tinh thể

Trong thực tế chỉ gặp các VL đa tinh thể. Đa tinh thể gồm rất nhiều (đơn) tinh

thể nhỏ (cỡ m) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt, chúng tuy có cùng cấu

trúc và thông số mạng song phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu

nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên giới hạt.

1.7. Sự kết tinh và sự hình thành tổ chức kim loại

1.7.1 Điều kiện xảy ra kết tinh

a. Cấu trúc ở trạng thái lỏng

Chất lỏng chỉ có trật tự gần (không có trật tự xa), nghĩa là trong nó có những

nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động tức là chỉ có khả

năng tồn tại trong thời gian ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành chỗ khác. Về

mặt cấu trúc trạng thái lỏng gần trạng thái tinh thể hơn là trạng thái khí, điều này giúp

nó kết tinh (tạo nên mạng tinh thể và hạt) một cách dễ dàng.


21

b. Biến đổi năng lƣợng khi kết tinh

Sự biến đổi năng lƣợng quyết định chiều hƣớng của mọi chuyển biến (nhƣ phản

ứng hoá học, chuyển pha, kết tinh…). Động lực thúc đẩy để chuyển trạng thái xảy ra

theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ - chuyển động của nguyên tử, phân tử,

ion - được đặc trưng bằng đại lượng được gọi là năng lượng tự do F (vì không đo

đƣợc giá trị tuyệt đối nên biểu thị bằngF). Năng lƣợng tự do của các trạng thái phụ

thuộc nhiều vào nhiệt độ.

- ở nhiệt độ T > Ts vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lƣợng tự do của

trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn, F1 < Fr , sự kết tinh chƣa xảy ra.

- ở nhiệt độ T < Ts vật thể tồn tại trạng thái tinh thể vì Fr < F1

Khi làm nguội qua Ts (tại đó F1 = Fr) sẽ có sự chuyển trạng thái từ lỏng sang

tinh thể, tức là xảy ra kết tinh, nên Ts được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay nóng chảy)

nhưng chỉ có tính lý thuyết. Vì trong điều kiện thông thƣờng, tại đúng nhiệt đó (T =

Ts) khi làm nguội vẫn chƣa xảy ra kết tinh, khi nung nóng vẫn chƣa xảy ra nóng chảy

do hai trạng thái lỏng – rắn cân bằng nhau, tức là vẫn duy trì trạng thái ban đầu.

Điều kiện xảy ra kết tinh: sự kết tinh chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ

kết tinh (lý thuyết) Ts một khoảng nhất định để tại đó Fr < F1 một cách rõ rệt.

c. Độ quá nguội

Là hiệu số giữa nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts và nhiệt độ kết tinh thực tế Tkt:

T = Ts - Tkt

Vậy: sự kết tinh chỉ xảy ra với độ quá nguội.

Độ quá nguội có thể thay đổi từ rất nhỏ ( từ 1 20C ) đến rất lớn (hàng chục

đến hàng trăm 0C ) tuỳ theo tốc độ làm nguội khi kết tinh là chậm hay nhanh. Vì vậy

không thể có nhiệt độ kết tinh thực tế nói chung (cho mọi trƣờng hợp), VD: với cùng

một KL, nhiệt độ kết tinh thực tế trong khuôn cát cao hơn trong khuôn KL.

Tƣơng tự khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy ra ở nhiệt độ Tnc > Ts, độ

chênh lệch giữa chúng gọi là độ quá nung.

1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh

Tại nhiệt độ T < Ts sự kết tinh xảy ra đƣợc là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếp

nhau là tạo mầm và phát triển mầm.

a. Tạo mầm

Tạo mầm là quá trình sinh ra các phân tử rắn có cấu trúc tinh thể tức những

nhóm trật tự gần (luôn có sẵn trong KL lỏng) với kích thước đủ lớn, được cố định lại,

H1.15. Sơ đồ biến đổi năng lƣợng tự

do của các trạng thái rắn, lỏng phụ

thuộc vào nhiệt độ

F

Ts0 Nhiệt độ

vF

FR

FL


22

chúng không bị tan đi nhƣ trƣớc đó mà phát triển lên nhƣ trung tâm của tinh thể (hạt).

Có hai loại mầm:

- Mầm tự sinh: Tạo thành từ KL lỏng đồng nhất không có sự trợ giúp của các

phần tử rắn có sẵn ở trong nó. Những nhóm nguyên tử trật tự gần nào có kích thƣớc

đủ lớn r rth (với giả thiết chúng là các khối hình cầu bán kính r) trở nên ổn định,

không bị tan đi, phát triển lên thành hạt. Đó là các mầm tự sinh

Theo tính toán nhiệt động học, rth (bán kính tới hạn của mầm) đƣợc tính theo

công thức:

rth = 2 / fv

trong đó: - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng

fv - độ chênh năng lƣợng tự do (F1 - Fr) tính cho một đơn vị thể tích.

Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, độ quá nguội T càng lớn thì fv cũng càng

lớn, rth càng nhỏ; đồng nghĩa với có càng nhiều nhóm trật tự gần có sẵn trong chất lỏng

dễ dàng thoả mãn điều kiện về kích thƣớc này nên càng có nhiều mầm.

- Mầm ký sinh: Tạo thành ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong KL lỏng

không đồng nhất và là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơn nhiều.

Thực tế KL nguyên chất luôn luôn có tạp chất trong đó các phân tử rắn khó

chảy hơn nữa trong sản xuất không thể tránh đƣợc sự lẫn vào của những phân tử rắn

khác nhƣ: bụi tƣờng lò, bụi than, bụi chất sơn khuôn … và ngay cả thành khuôn.

Nhiều trƣờng hợp ngƣời ta cố ý tạo ra và đƣa các phần tử rắn vào để giúp cho quá

trình kết tinh.

b. Phát triển mầm

Khi đạt đến kích thƣớc tới hạn rth, sự phát triển lên về kích thƣớc của mầm là

quá trình tự nhiên vì làm giảm năng lƣợng tự do. Trong các điều kiện thông thƣờng

(làm nguội tƣơng đối nhanh) đầu tiên sự phát triển mầm mang tính dị hướng tức rất

nhanh theo một số phương tạo nên nhánh cây (H1.16): lúc đầu mầm phát triển theo

trục chính bậc I (A), rồi từ trục chính này tạo nên trục bậc II (B) vuông góc với trục

bậc I, rồi từ trục bậc II phân nhánh tiếp tạo nên trục bậc III (C) … cứ nhƣ vậy nhánh

cây đƣợc hình thành. Sau đó KL giữa nhánh cây mới kết tinh tạo nên hạt (tinh thể) đặc kín. Cần chu

ý là mầm cũng phát triển nhanh theo phƣơng tản nhiệt mạnh hơn.

H1.16. Các trục nhánh cây (a) và tinh thể

nhánh cây (b)


23

1.7.3. Sự hình thành hạt

Hạt là yếu tố quan trọng của tổ chức tinh thể, ta xét sự hình thành của hạt nhƣ

sau.

a. Tiến trình kết tinh

Ta hình dung kết tinh nhƣ là sự tiếp nối liên tục của hai quá trình cơ bản trên:

Trong khi các mầm sinh trƣớc phát triển lên thì trong KL lỏng vẫn tiếp tục sinh

ra các mầm mới, quá trình cứ xảy ra nhƣ vậy cho đến khi các mầm đi đến gặp nhau và

KL lỏng hết, cuối cùng đƣợc tổ chức đa tinh thể gồm các hạt. Ta thấy:

- từ mỗi mầm tạo nên một hạt

- các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trƣớc có nhiều thời gian và KL lỏng bao

quanh, có điều kiện phát triển nên hạt sẽ to hơn; còn các hạt từ mầm sinh sau sẽ nhỏ

hơn, nên các hạt không thể có kích thƣớc hoàn toàn đồng nhất.

- Do các mầm định hƣớng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phƣơng

mạng ở các hạt cạnh nhau không đồng hƣớng, lệch nhau làm xuất hiện vùng biên giới

hạt với mạng tinh thể bị xô lệch.

b. Hình dạng hạt

Do tƣơng quan về tốc độ phát triển mầm theo các phƣơng mà hạt tạo nên có

hình dạng khác nhau, một số dạng hạt thƣờng gặp:

- Khi tốc độ phát triển đều theo mọi phƣơng, hạt nhận đƣợc có dạng đa cạnh

hay cầu.

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phƣơng (tức theo một mặt nào đó), hạt sẽ

có dạng tấm, lá, phiến nhƣ grafit trong gang xám.

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phƣơng nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột,

hình trụ.

- Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn) tồn tại trong một số trƣờng hợp (khi nhiệt

luyện).

1.7.4. Các phương pháp tạo nhỏ hạt khi đúc

Thƣờng VLKL sử dụng có hạt nhỏ mịn sẽ cho cơ tính cao hơn đặc biệt là độ

dai.

H1.17. Quá trình tạo mầm và phát triển theo thời gian


24

a. Nguyên lý

Kích thƣớc hạt phụ thuộc tƣơng quan hai quá trình cơ bản trên. Số mầm được

tạo ra càng nhiều thì hạt càng nhỏ, nhưng mầm phát triển càng nhanh thì hạt càng

lớn. Bằng thực nghiệm xác định kích thƣớc hạt A:

A = 1,1 4 3

nv

Trong đó: n. tốc độ sinh mầm trong một đơn vị thời gian (…/s).

v. tốc độ phát triển theo chiều dài của mầm (mm/s).

Vậy nguyên lý tạo hạt nhỏ khi đúc: là tăng tốc độ sinh mầm n và giảm tốc độ

phát triển dài v của mầm.

b. Các phương pháp làm hạt nhỏ khi đúc

• Tăng độ quá nguội

Khi tăng độ quá nguội T, tốc độ sinh mầm và tốc độ phát triển dài của mầm

đều tăng.

Để tăng T, khi đúc phải làm nguội nhanh, có các phƣơng pháp:

- Làm nguội trong khuôn cát là phƣơng pháp đúc nguội chậm nhất, nhất là trong

khuôn đẵ đƣợc sấy khô.

- Thay VL làm khuôn bằng KL nhƣ gang, thép, đồng có tính dẫn nhiệt cao hơn

làm tốc độ nguội tăng lên.

- Làm nguội thêm khuôn KL bằng nƣớc.

0

• Biến tính

Cho vào KL lỏng trƣớc khi rót vào khuôn một lƣợng rất nhỏ (nó không ảnh

hƣởng đến thành phần hoá học) chất đặc biệt được gọi là chất biến tính có tác dụng

làm nhỏ hạt, thậm chí đôi khi thay đổi cả hình dạng. Theo cơ chế sau:

- Khi hoà tan vào KL lỏng nó kết hợp với tạp chất hoặc khí hoà tan để tạo ra

các hợp chất khó chảy, không tan, ở dạng các phân tử rắn nhỏ, lơ lửng, phân tán đều

trong thể tích, chúng giúp cho sự tạo mầm ký sinh.

VD1: Cho nhôm vào thép lỏng với lƣợng nhỏ (khoảng vài trăm gam/tấn thép)

chỉ đủ kết hợp với ôxy, nitơ thành ôxyt (Al2O3), nitrit (AlN) khó chảy tạo nên các phần

tử rắn nhỏ mịn, phân tán đều, là bề mặt để mầm ký sinh phát triển, nhờ vậy tạo ra hạt

nhỏ đều trong cả thể tích lớn, cỡ hạt giảm từ 0,2 – 0,3 nm xuống 0,01 – 0,002 nm.

- Khi hoà tan vào KL lỏng nó bị hấp thụ vào bề mặt mầm, làm giảm tốc độ

phát triển dài của mầm. Số chất tác dụng theo cơ chế này là không nhiều.

VD2: khi đúc HK Al – Si cho vào HK lỏng một lƣợng muối natri, khi hoà tan

nó làm chậm sự phát triển của các tinh thể Si, làm chúng rất nhỏ mịn.

H1.18. ảnh hƣởng của độ quá

nguội đến n và v

n,v

n

v 0T


25

1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc

a. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

Một thỏi thép đúc điển hình (H1.19), từ ngoài vào trong có ba vùng tinh thể lần

lƣợt sau

• Vỏ ngoài cùng là lớp hạt nhỏ đẳng trục1. Ban đầu KL lỏng tiếp xúc với

thành khuôn nguội nên đƣợc kết tinh với T lớn, cộng thêm tác dụng tạo mầm của bề

mặt khuôn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn. Do thành khuôn có độ nhấp nhô (nhờ chất

sơn khuôn) các mầm phát triển theo các phƣơng ngẫu nhiên, nên trục hạt phát triển

theo đều mọi phía.

• Vùng tiếp theo là lớp hạt tương đối lớn theo hình trụ 2 kéo dài vuông góc

với thành khuôn, do thành khuôn bắt đầu nóng lên, KL lỏng kết tinh với T nhỏ dần,

hạt tạo thành có xu hƣớng lớn hơn. Hạt phát triển mạnh theo chiều ngƣợc với chiều tản

nhiệt, do vậy có phƣơng vuông góc với thành khuôn. Kết quả nhận đƣợc vùng hạt

tƣơng đối lớn kéo dài (hình trụ) theo phƣơng vuông góc với thành kh

• Vùng ở giữa là vùng các hạt lớn đẳng trục 3. Cuối cùng khi KL lỏng ở giữa kết tinh

thì thành khuôn đã nóng lên nhiều, dẫn đến:

- KL lỏng kết tinh với T nhỏ hơn nên hạt trở nên lớn

- Phƣơng tản nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng nên hạt lại phát triển đều

thêo mọi phƣơng (đẳng trục).

Trong ba vùng, vùng ngoài cùng luôn là lớp vỏ mỏng, hai vùng sau có mối

tƣơng quan phụ thuộc vào điều kiện làm nguội:

+ Khi khuôn đƣợc làm nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ lấn áp vùng 3, thậm chí có

khi mất hẳn vùng 3, lúc đó thỏi đúc nhƣ chỉ có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với

thành khuôn nhƣ bó đũa. Tổ chức này tuy có mật độ cao nhƣng khó dạng dẻo.

+ Khi khuôn đƣợc làm nguội chậm thì vùng 3 lại lấn áp vùng 2, thỏi trở nên dễ

cán hơn.

b. Các khuyết tật của vật đúc

Các khuyết tật khi đúc làm giảm rất nhiều chất lƣợng của vật đúc.

• Rỗ co và lõm co: Chúng đều là nguyên nhân do thể tích KL khi kết tinh bị co

lại nhƣng hình thức thể hiện thì khác nhau.

H1.19. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc


26

- Rỗ co c¸c lỗ hổng nhỏ nằm giữa nhánh cây hay biên giới hạt tạo nên do sự co

của KL lỏng khi kết tinh đƣợc phân bố rải rác trên khắp vật đúc. Rỗ co làm giảm mật

độ KL, làm xấu cơ tính vật đúc, nếu đƣợc qua biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao thì chúng

đƣợc hàn kín lại.

- Lõm co lµ phần lỗ hổng ở trên cùng và ở phần dày nhất thỏi đúc. Đây là phần

kết tinh sau cùng, nó tạo ra lỗ hổng tập trung. Phần khuyết của lõm co phải đƣợc cắt

bỏ triệt để vì thế tỷ lệ thể tích sử dụng của thỏi chỉ còn khoảng 85 - 95%.Cách tốt nhất

để làm dạng khuyết tật này nằm ngoài sản phẩm đúc là đúc liên tục.

• Rỗ khí: Khi nấu chảy thông thƣờng, KL lỏng có khả năng hoà tan một lƣợng

khí đáng kể, sau khi kết tinh độ hoà tan của khí trong KL rắn giảm đi đột ngột, khí

thoát ra không kịp, tạo nên các túi rỗng nhỏ (thƣờng thấy đƣợc bằng mắt thƣờng) đƣợc

gọi là rỗ khí hay bọt khí.

Rỗ khí làm giảm mạnh mật độ và cơ tính mạnh hơn rỗ co do kích thƣớc lớn

hơn. Mặt khác nó dễ bị ôxy hoá nên ngay cả biến dạng nóng cũng không thể hàn kín

đƣợc, gây ra nứt khi sử dụng.

Để tránh khuyết tật này bằng cách khử khí tốt trƣớc khi rót khuôn, sấy khuôn cát

hoặc đúc trong chân không.

• Thiên tích: Là sự không đồng nhất về thành phần và tổ chức của sản phẩm

đúc, xảy ra không những đối với HK (khi thành phanà phức tạp) mà cả KL do tích tụ

tạp chất. Nó dẫn đến sự sai khác nhau về tính chất giữa các phần, sử dụng kém hiệu

quả.


27

Chương 2: BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH

2.1. Biến dạng dẻo và phá huỷ

2.1.1. Khái niệm

Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫu KL tròn, dài ra ta đƣợc biểu đồ kéo hay

còn gọi là biểu đồ tải trọng (hay ứng suất) - biến dạng (H 2.1).

H2.1. Sơ đồ biểu đồ tải trọng – biến dạng điển hình của KL

- Khi tải trọng đặt vào nhỏ, F < Fđh, độ biến dạng (độ giãn dài Äl) tỷ lệ bậc

nhất với tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi - đó là biến dạng đàn hồi. VD,

dƣới tải trọng F1 mẫu bị dài thêm một đoạn O1, khi bỏ tải trọng đi thì mẫu lại trở lại

kích thƣớc ban đầu.

- Khi tải trọng đặt vào lớn, F > Fđh, độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi

bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn còn lại một phần - đó là biến dạng dẻo.

VD, khi đặt tải trọng Fa, mẫu bị kéo dài theo đƣờng oea tức là bị dài thêm đoạn oa‖,

khi bỏ tải trọng mẫu bị co lại theo đƣờng song song với đoạn thẳng oe nên cuối cùng

vẫn bị dài thêm một đoạn oa’. Phần này chính là phần biến dạng dẻo hay dƣ còn lại sau

quá trình; còn a’a

‖ là phần biến dạng đàn hồi bị mất đi sau quá trình.

Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thƣớc KL tạo ra nhiều

chủng loại phong phú đáp ứng nhu cầu sử dụng.

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất F = Fb, lúc đó trong KL xảy ra

biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt), tải trọng tác dụng giảm đi mà biến dạng vẫn

tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá huỷ ở điểm c.

Cả hai trƣờng hợp biến dạng trên lực liên kết giữa các nguyên tử vẫn đƣợc bảo

tồn, còn khi phá huỷ các liên kết bị huỷ dẫn đến đứt rời VL.

Ta khảo sát biến dạng dẻo dƣới hình thức trƣợt sau.


28

2.1.2. Trượt đơn tinh thể

- Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những

mặt và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt (H 2.2).

- §Æc ®iÓm: Khi hai mặt nguyên tử dịch chuyển tƣơng đối với nhau, liên kết

giữa các nguyên tử đối diện nhau sẽ bị đứt, trong khi đó mối liên kết giữa các nguyên

tử cạnh nhau trong mỗi mặt vẫn được bảo tồn.

- Điều kiện: Các mặt nguyên tử này phải có mật độ nguyên tử lớn nhất (hay

khoảng cách nguyên tử nhỏ nhất) và nhờ đó có liên kết vững chắc nhất. Khoảng cách

giữa hai mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất này cũng là lớn nhất (do mật độ khối

không thay đổi) do đó có liên kết yếu nhất, dễ bị đứt, vì thế hai mặt này dễ dịch

chuyển đi với nhau.

- Mặt trượt là mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc

nhất mà theo đó sự trượt xảy ra. Lý luận tƣơng tự khi trƣợt các phần của tinh thể sẽ dịch chuyển tƣơng đối với

nhau theo các mặt trƣợt và trên mặt đó theo phƣơng có mật độ lớn nhất vì có liên kết

mạnh nhất.

a) b)

- Sự kết hợp giữa một mặt trượt và một phương trượt trên mặt trượt đó gọi là

hệ trượt. Các mặt, phƣơng dày đặc nhất và là các mặt và phƣơng có thể trƣợt của ba kiểu

mạng tinh thể cơ bản (H2.3)

(110) (110) (0001)

(111) (111)

a) b) c) H 2.3. Các mặt và phƣơng trƣợt cơ bản của KL

a. lập phƣơng tâm khối b. lập phƣơng tâm mặt, c. lục giác xếp chặt

H 2.2. Sơ đồ biểu diễn sự trƣợt:

a. hình dạng đơn tinh thể và

mạng tinh thể trƣớc khi trƣợt, b.

hình dạng đơn tinh thể và mạng

tinh thể sau khi trƣợt,

mặt trượt

phương

trượt

mặt

trượt


29

+ Mạng lập phương tâm khối A2: Các mặt dày đặc nhất là mặt chéo chữ nhật

đi qua nguyên tử ở giữa tâm khối, tất cả có sáu mặt. Trên mỗi mặt lại có hai phƣơng

dày đặc nhất thuộc họ <111> là các phƣơng đối đỉnh của khối lập phƣơng. Mạng này

có 12 (6 mặt x 2 phương) hệ trượt chính khác nhau.

+ Mạng lập phương tâm mặt A1: Các mặt dày đặc nhất là mặt chéo tạo bởi ba

đƣờng chéo của ba mặt bên có chung một đỉnh, tất cả có bốn mặt. Trên mỗi mặt có ba

phƣơng dày đặc nhất là đƣờng chéo thuộc họ <110>. Mạng này có 12 (4 mặt x 3

phương) hệ trượt chính khác nhau.

+ Mạng lục giác xếp chặt: chỉ có một mặt dày đặc nhất là mặt đáy, có ba

phƣơng dày đặc nhất. Mạng có 3 (1mặt x 3phương) hệ trượt chính khác nhau.

Khả năng biến dạng dẻo của KL tỉ lệ thuận với hệ trượt chính. Do KL có hệ

trƣợt càng cao khả năng thích ứng với sự trƣợt càng lớn nên KL với mạng hệ lập

phương dễ biến dạng dẻo hơn hệ lục giác. Thực tế : sắt, nhôn, bạc, vàng, đồng ... rất

dẻo và dễ dát mỏng, còn kẽm thì kém hơn. Trong cùng hệ lập phƣơng, KL nào có số

phương trượt cao hơn sẽ có tính dẻo cao hơn, tức loại tâm mặt dẻo hơn tâm khối, ở

nhiệt độ thƣờng đồng, nhôm ... dẻo hơn sắt.

2.1.3. Trượt đa tinh thể

a. Các đặc điểm Trƣợt ®a tinh thÓ kh«ng ph¶i là tổng rời rạc của sự trƣợt của từng tinh thể hay

hạt trong nó, mµ có những đặc điểm: • Các hạt bị biến dạng không đều:

Hạt nào có định hướng thuận lợi với sự trượt sẽ trượt trước với ứng suất bé,

ngƣợc lại hạt nào có định hướng không thuận lợi sẽ trượt sau với ứng suất lớn hơn,

thậm chí có hạt không thể trƣợt đƣợc.

• Có tính đẳng hƣớng:

Do sự định hƣớng phƣơng và mặt của các hạt mang tính ngẫu nhiên cho nên dù

lực bên ngoài tác dụng nhƣ thế nào cũng cho một kết quả chung như nhau, tức là có

tính đẳng hướng (tuy từng hạt vẫn có tính dị hƣớng nhƣng tổng hợp lại không còn).

• Có độ bền cao hơn:

Các hạt không rời rạc mà gắn bó với nhau qua vùng biên. Thực tế sự trƣợt của

hạt này đều kéo theo các hạt bên cạnh, rồi chính nó lại bị các hạt này cản trở. Vùng

biên giới hạt có sắp xếp không trật tự rất khó tạo nên mặt và phƣơng trƣợt nên có thể

coi nó nhƣ lớp vỏ cứng cản trƣợt. Do có nhiều cản trƣợt nhƣ vậy, để trƣợt đƣợc nói

chung phải tác dụng lực cao hơn, nói cách khác có độ bền cao hơn độ bền trung bình

(theo các phƣơng) của đơn tinh thể.

• Hạt càng nhỏ độ bền và độ dẻo càng cao:

Do hạt nhỏ có tổng diện tích biên giới hạt lớn hơn, sẽ cản trƣợt mạnh hơn nên

làm tăng độ bền. Đồng thời số lƣợng hạt cũng tăng lên làm cho số thích ứng với sự

trượt theo phương bất kỳ tăng lên tƣơng ứng, điều đó sự trượt được phân bố trên

nhiều hạt hơn và lượng biến dạng dư (tính dẻo) tăng lên. Do làm tăng cả độ bền lẫn độ

dẻo nên làm tăng mạnh độ dai, VL khó bị phá huỷ giòn. Do vậy VL với hạt nhỏ ƣu

việt hơn hẳn hạt lớn.


30

b. Tổ chức và tính chất của KL sau khi biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo làm thay đổi rất mạnh tổ chức, tính chất đặc biệt là cơ tính của

KL.

- Trong và sau khi trƣợt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trƣợt bị xô lệch, các

hạt bị biến dạng không đều, song đều có khuynh hƣớng bị kéo dài, bẹt ra theo phƣơng

biến dạng.

- Trong KL tồn tại ứng suất dƣ do xô lệch mạng, biến dạng không đều giữa các

hạt và trên tiết diện. Nói chung ứng suất bên trong có hại cho cơ tính, song cũng có

trƣờng hợp cố ý tạo nên lớp ứng suất dƣ để nâng cao giới hạn mỏi bằng cách lăn ép,

phun bi.

- Do mạng tinh thể bị xô lệch, cơ tính KL thay đổi rất mạnh theo chiều hƣớng:

tăng độ cứng và độ bền song giới hạn đàn hồi ζđh và giới hạn chảy ζ0,2 tăng mạnh hơn.

KL có xu hƣớng biến cứng, hoá bền, làm giảm độ dẻo, độ dai, dễ biến giòn - gọi là

hoá bền biến dạng.

2.1.4. Phá huỷ (tự đọc- tự nghiên cứu)

Thƣờng khi tiếp tục tăng ứng suất lên cao nữa VL bị phá huỷ do gãy, vỡ hoặc

đứt. Sự phá huỷ tuân theo cơ chế chung là: đầu tiên bao giờ cũng xuất hiện vết nứt tế

vi ở trên bề mặt hay ở sâu bên trong, tiếp theo vết nứt phát triển lên rồi cuối cùng mới

dẫn đến tách đứt, rời.

a. Trong điều kiện tải trọng tĩnh

Phá huỷ giòn và phá huỷ dẻo: tuỳ theo vùng gãy có tiết diện biến đổi hay không

mà phân biệt hai dạng này. Khi vùng gãy vỡ có tiết diện biến đổi gọi là phá huỷ dẻo.

Khi vùng gãy có tiết diện hầu như không biến đổi gọi là phá huỷ giòn.

Phá huỷ dẻo phát triển rất chậm, cần nhiều năng lƣợng, còn phá huỷ giòn phát

triển với tốc độ rất lớn (khoảng 1000 m/s), chỉ cần năng lƣợng nhỏ.

Phá huỷ ở dạng nào chủ yếu là phụ thuộc loại VL: VL dẻo nhƣ thép thƣờng bị

phá huỷ dẻo, còn VL giòn nhƣ gang thƣờng bị phá huỷ giòn.

• Cơ chế phá huỷ: Có thể cho rằng sự phá huỷ cũng theo cơ chế tạo mầm nứt

và mầm nứt phát triển dẫn đến tách rời, theo năm giai đoạn sau.

1) hình thành vết nứt (tế vi),

2) vết nứt tế vi phát triển đến kích thƣớc dƣới tới hạn,

3) vết nứt tế vi phát triển đạt đến kích thƣớc tới hạn,

4) vết nứt tới hạn phát triển nhanh,

5) nứt chấm dứt và gãy rời,

Vết nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đoạn biến dạng dẻo. Trong

VL khó tránh khỏi những vết rỗng đã có nhƣ rỗ co, bọt khí, nứt khi kết tinh, các pha có

độ bền quá thấp nhƣ grafit trong gang ..., chúng đóng vai trò của mầm khi phá huỷ.


31

b. Trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

Thực tế nhiều kết cấu và chi tiết máy nhƣ cầu, trục, bánh răng chịu tác dụng của

tải trọng không lớn (ngay cả <ζ0,2 khá nhiều) nhƣng thay đổi theo chu kỳ, có thể bị phá

huỷ sau thời gian dài và tƣơng đố dài ( > 105 - 10

6 chu kỳ) - gọi là phá huỷ mỏi.

Phá huỷ mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên song với đặc điểm là nó thường

nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo

thành và phát triển vết nứt. Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể có sẵn nhƣ rỗ co, bọt khí,

tạp chất, xƣớc, lồi lõm; do vậy tăng độ bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩa quan

trọng để chống phá huỷ mỏi.

2.2. Các đặc trƣng cơ tính thông thƣờng và ý nghĩa

Cơ tính của VL đƣợc biểu thị bằng các đặc trƣng cơ học, chúng cho biết: khả

năng chịu tải của VL trong các điều kiện tƣơng ứng, là cơ sở của tính toán sức bền,

khả năng sử dụng vào một mục đích nhất định và để so sánh các loại VL với nhau.

2.2.1. Độ bền (tĩnh)

Thử tĩnh là dạng thử phổ biến nhất trong đó tải trọng đặt vào một cách từ từ hay

với tốc độ tăng tải trọng không đáng kể.

Độ bền là tập hợp của các đặc trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải

trọng trong cơ học tĩnh của VL, chúng được xác định bằng ứng suất quy ước của

tải trọng gây ra các đột biến về hình học cho mẫu đo.

a. Các chỉ tiêu

Các chỉ tiêu độ bền tĩnh là: giới hạn đàn hồi, chảy và bền, đo theo đơn vị của

ứng suất: kG/mm2, Pa, MPa, N/mm

2, psi, ks (theo xu hƣớng chung, sách dùng đơn vị

MPa nhƣng các tiêu chuẩn về VL của TCVN hiện hành vẫn dùng kG/mm2). Quan hệ

giữa các đơn vị thƣờng:

1kG/mm2 ≈ 10MPa, 1MPa ≈ 0,1kG/mm

2, 1kG/mm

2 ≈ 10N/ mm

2,

1ksi ≈

0,703kG/mm2,

1kG/mm2 ≈ 1,45ksi 1MPa ≈ 0,145 ksi, 1ksi ≈ 6,9 MPa.

Theo giới hạn tăng dần lần lƣợt đƣợc các giới hạn:

• Giới hạn đàn hồi σđh: là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu khi bỏ tải

trọng mẫu không bị thay đổi hình dạng và kích thước (thƣờng quy định tạo ra độ

H 2.4. Các dạng mặt gãy khi phá huỷ:

a. dạng co thắt mạnh thành điểm

b. dạng co thắt côn về hai phía

c. dạng co thắt vừa phải kiểu chén - đĩa

d. dạng không thắt, bằng phẳng ngang


32

biến dạng dƣ là 0,01 - 0,05% của chiều dài ban đầu, lúc đó ký hiệu là σ0,01 hay σ0,05)

theo công thức:

σđh = Fđh / S0 MPa hay σ0,01 = F0,01 / S0 MPa hay σ0,05 = F0,05 / S0

MPa

Trong đó: - Fđh , F0,01 , F0,05 . lần lƣợt là tải trọng (lực) kéo ứng với đoạn nằm nghiêng

trên biểu đồ kéo và gây nên biến dạng dƣ rất nhỏ nhƣng có thể nhận thấy 0,01% hay

0,05%, tính theo N,

- S0 . diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu tính theo mm2.

• Giới hạn chảy vật lý σch là ứng suất tại đó VL bị “chảy”, tức là ứng suất bé

nhất bắt đầu gây nên biến dạng dẻo, thƣờng đƣợc xác định với đoạn nằm ngang trên

biểu đồ kéo. Đa số KL và HK không có đoạn nằm ngang này nên thƣờng dùng giới

hạn chảy quy ƣớc.

Giới hạn chảy quy ước σ0,2 là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ tải

trọng mẫu bị biến dạng dư là 0,20% của chiều dài ban đầu.

σ0,2 = F0,2 / S0 MPa

trong đó: - F0,2 . tải trọng (lực) kéo ứng với tạo ra độ biến dạng dƣ là 0,20% của chiều

dài ban đầu của mẫu, N.

• Giới hạn bền σ b là ứng suất cao nhất gây ra biến dạng cục bộ rồi dần đến

phá huỷ.

σ b = Fb / S0 MPa

Trong đó: Fb . tải trọng (lực) kéo cao nhất trên biểu đồ kéo, N .

Các chỉ tiêu này có thể xác định khả năng làm việc của VL dƣới tải trọng

kéo: - Giới hạn đàn hồi rất quan trọng đối với lò xo, nhíp vì khi làm việc quá σ đh VL

không còn đàn hồi hoàn toàn

- Giới hạn chảy rất quan trọng với các chi tiết lắp ghép không cho phép làm việc

quá σ 0,2 vì VL bị biến dạng dẻo

- Các kết cấu thông thƣờng đƣợc tính toán trên cơ sở của σ b chỉ với yêu cầu

không bị gãy, vỡ.

b. Các biện pháp hoá bền VL

Độ bền là chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất. Nâng cao độ bền trong khi vẫn đảm

bảo tốt độ dẻo, độ dai là phƣơng hƣớng chủ yếu của VL học. Độ bền thoả mãn đƣợc

các yêu cầu:

- tăng khả năng chịu tải

- tăng tuổi thọ

- giảm nhẹ khối lƣợng VL sử dụng,

• Các biên pháp hoá bền VL:

- Biến dạng dẻo. Ngoài tác dụng làm thay đổi hình dạng, kích thƣớc còn làm

tăng xô lệch mạng nên khó tạo nên mặt trƣợt và tăng mật độ lệch, làm tăng độ bền.

- Hợp kim hoá. (đƣa thêm nguyên tố thứ hai vào KL nguyên chất) để tạo nên

dung dịch rắn (thay thế hoặc xen kẽ) làm tăng xô lệch mạng và mật độ lệch, có khi

giảm giá thành tạo nên hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao. Thực tế chủ yếu nhằm tăng độ

bền nhƣng không làm giảm độ dẻo, độ dai - đáp ứng tốt yêu cầu của VL kết cấu.

- Tạo các pha cứng phân tán hay hoá bền tiết pha. Đƣa vào HK một nguyên

tố thứ hai (với lƣợng nhỏ) để tạo nên các phần tử có độ cứng cao song có kích thƣớc

rất nhỏ và phân tán, có tác dụng nhƣ những chốt cản trở trong nền dung dịch rắn bền

và dẻo trên, làm tăng độ bền lên mức cao hơn nữa.


33

- Nhiệt luyện tôi + ram. Tạo nên sự quá bão hoà cao của nguyên tố thứ hai trong

dung dịch rắn thông thƣờng nên làm tăng độ bền của HK lên mức cao hơn nữa. Đƣợc

ứng dụng rộng rãi trong cơ khí để tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi

tiết máy và dụng cụ.

- Làm nhỏ hạt. Các phƣơng pháp trên có nhƣợc điểm là ít nhiều làm giảm độ

dẻo dai, riêng phƣơng pháp này làm tăng tất cả các chỉ tiêu bền, dẻo, dai.

Để đạt đƣợc độ bền càng cao càng phải áp dụng tổng hợp nhiều phƣơng pháp

hoá bền .

2.2.2. Độ dẻo

Là tập hợp của các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của VL khi bị

phá huỷ dưới tải trọng tĩnh, nó quyết định khả năng chịu biến dạng dẻo của VL.

a. Các chỉ tiêu

Đƣợc đánh giá bằng đo sự thay đổi tƣơng đối của độ dài và tiết diện mẫu sau khi

bị phá huỷ qua hai chỉ tiêu: độ giãn dài tƣơng đối và độ thắt tiết diện tƣơng đối.

Độ giãn dài tương đối % và độ thắt tiết diện tương đối % đƣợc xác định

theo:

% = [(l1 – l0) / l0] . 100% ; % = [(S0 - S1)/ S0]. 100%

trong đó: - l0 , S0 . chiều dài, diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử,

- l1, S1 . chiều dài, diện tích mặt cắt ngang sau khi đứt của mẫu thử.

b. Tính siêu dẻo

VL khi có độ giãn dài tƣơng đối khoảng vài chục phần trăm, trong một số điều

kiện có thể đạt tới giá trị cao hơn 100% (từ 100% - 1000%) - gọi là siêu dẻo. Nó đƣợc

sử dụng để chế tạo các sản phẩm có dạng rỗng, dài với tiết diện không đồng đều nhƣ

chai, lọ, ống ...

Có thể đạt đƣợc siêu dẻo bằng cách:

- làm cho hạt nhỏ mịn (cỡ khoảng 10 m), đẳng trục, đồng đều và ổn định khi

biến dạng,

- biến dạng ở nhiệt độ cao ( 0,6 - 0,85%) Ts,

- tốc độ biến dạng (0,01 - 0,1%/s).

2.2.3. Độ dai va đập

Độ dai va đập đánh giá khả năng chống phá huỷ của VL khi chịu tải trọng

động. Nhiều chi tiết máy làm việc dƣới tải trọng đặt vào với tốc độ lớn, đột ngột hay

nói khác là chịu va đập, nhƣ ôtô khi gặp chƣớng ngại, bị xóc hay phanh đột ngột.

Ký hiệu độ dai va đập theo TCVN bằng ak, là công phá huỷ một đơn vị diện tích

mặt cắt ngang của mẫu thử, tính theo công thức:

ak = Ak/ S Nm/cm2

hay kJ/m2 hay kGm /cm

2

trong đó: - Ak là công phá huỷ

- S tiết diện mặt cắt ngang hình chữ nhật

• Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ dai va đập là:

- Làm cho hạt nhỏ mịn là phƣơng pháp tốt nhất.


34

- Để tránh tác hại đó áp dụng kiểu hoá bền bề mặt (lõi vẫn giữ nguyên tổ chức

ban đầu với độ dẻo cao) - nhƣ tôi bề mặt, hoá - nhiệt luyện - có tác dụng tốt vừa nâng

cao độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn mà vẫn duy trì độ dai cao, chống va đập tốt.

Độ dai va đập không đƣa vào các công thức tính toán sức bền, tuy vậy vẫn

đƣợc sử dụng độc lập để so sánh khả năng chịu tải va đập giữa các VL với nhau.

2.2.4. Độ cứng (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Đặc điểm • Kh¸i niÖm: ấn (ép) một tải trọng xác định lên bề mặt VL cần đo thông qua

mũi đâm làm bằng VL hầu nhƣ không chịu biến dạng dẻo (thép tôi cứng, HK cứng,

kim cƣơng) sẽ để lại trên bề mặt một vết lõm; lõm càng sâu thì độ cứng càng thấp và

ngƣợc lại.

Vậy độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của VL thông qua

mũi đâm.

H 2.5. Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phƣơng pháp đo độ cứng:

a. Brinen, b. Rôcvel, c. Vicke.

• §ặc điểm:

- chỉ biểu thị tính chất của bề mặt mà không biểu thị chung cho toàn sản phẩm

một khi VL có cấu trúc không đồng nhất (có sự khác nhau giữa bề mặt và lõi),

- biểu thị khả năng chống mài mòn của VL; độ cứng càng cao thì tính chống

mài mòn càng tốt.

- Với VL đồng nhất (trạng thái ủ), độ cứng có quan hệ xác định với giới hạn

bền và khả năng gia công cắt; độ cứng cao thì giới hạn bền tăng và tính gia công cắt

càng kém.

Tất cả độ cứng đƣợc ký hiệu bắt đầu bằng chữ H (hardeness) với chữ tiếp theo

chỉ loại.

b. Độ cứng Brinen HB

• Đƣợc xác định bằng cách ấn một tải trọng F xác định lên bề mặt phẳng VL

qua viên bi cứng có đường kính D, sau khi thôi tác dụng, tải trọng để lại trên bề mặt

vết lõm với đƣờng kính d (H 2.6a). Ký hiệu bằng chữ HB và số đo đƣợc, VD HB 229.

- Số đo độ cứng đƣợc xác định:

HB = F / S = 2F / π D [ D - ( D2 - d

2)

1/2] kG/mm

2

§ối với thép, gang dùng bi có D = 10 mm, F = 3000 kG, thời gian giữ tải trọng

15s - đƣợc coi là điều kiện tiêu chuẩn và ký hiệu HB.

• Đặc điểm: + Giữa giá trị HB với ζb có quan hệ bậc nhất với nhau nên có thể không cần

thử kéo vẫn xác định đƣợc giới hạn bền, nhƣ:

- Thép cán (trừ không gỉ, bền nóng) σ b ≈ 0,34 HB

- Thép đúc σ b ≈ (0,3 - 0,4) HB


35

- Gang xám σ b ≈ (HB - 60)/6

+ Không thể đo đƣợc các vật có độ cứng cao hơn HB 450 (vì bi chỉ làm bằng

thép đƣợc tôi cứng, lúc đó chính nó sẽ bị méo, làm sai kết quả đo), không đo

cho thép tôi, lớp hoá bền, chỉ đo các VL có độ cứng thấp và trung bình.

+ Mẫu đo phải có mặt bằng phẳng và đủ dày,

+ Không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong)

+ Tƣơng đối chậm vì quy trình hơi dài

c. Độ cứng Rôcvel HR ( HRC, HRA, HRB)

• Đo độ cứng Rôcvel (H2.6b) nhanh, cho ngay kết quả đo trên máy và đo đƣợc

các VL từ tƣơng đối mềm đến cứng, vết lõm lại khá nhỏ, có thể đo các vật mỏng, lớp

hoá bền và ngay trên thành phẩm.

HR là loại độ cứng quy ƣớc, xác định bởi chiều sâu dƣ quy ƣớc e gây ra bởi tác

dụng của việc đặt vào rồi bỏ đi của tải trọng chính F. Số đo Rôcvel đƣợc xác định: cứ

chiều sâu thực h tăng thêm 0,002 thì độ cứng giảm đi một đơn vị so với mức khởi tính,

HR = k - e

Trong đó: - k. hệ số (hay mức khởi tính), k = 100 với các thang A, C - dùng mũi nón

góc đỉnh 1200 bằng kim cƣơng, k = 130 cho thang B - dùng mũi bi thép,

- e = h/ 0.002, h tính theo mm (xác định bằng đồng hồ so).

• Độ cứng Rôcvel phổ biến có ba thang A, B, C:

+ Theo thang C, A ký hiệu HRC, HRA đƣợc đo bằng mũi hình nón bằng kim

cƣơng (là VL cứng nhất) nên đo đƣợc VL cứng nhƣ thép tôi, lớp hoá - nhiệt luyện ...

Tải trọng F = 140 kG cho thang C và F = 50 kG cho thang A. HRC dùng cho thép sau

khi tôi, tôi + ram, thấm cacbon; còn HRA dùng cho thép với các lớp thấm mỏng

như thấm nitơ, cacbon - nitơ ... Do vết lõm khá nhỏ nên có thể đo ngay trên thành

phẩm và trên mặt trục rất tiện lợi.

+ Theo thang B ký hiệu HRB đƣợc đo bằng mũi bi bằng thép tôi song có đƣờng

kính nhỏ hơn, D = 1,588 mm (1/16 in), nên chỉ có thể đo các VL có độ cứng vừa phải

như thép ủ, thường hoá, gang đúc ... Tải trọng chính F = 90 kG.

Thƣờng dùng cách đo Rôcvel vì áp dụng đƣợc cho thép, gang ở mọi dạng nhiệt

luyện.

d. Độ cứng Vicke HV

Là loại độ cứng có phƣơng pháp đo tƣơng tự nhƣ Brinen, tức là cũng đo bằng tỷ

số F / S và có thứ nguyên ứng suất (kG/mm2), song có những khác biệt sâu:

- Mũi đâm làm bằng kim cương hình tháp bốn mặt đều với góc ở đỉnh giữa hai

mặt đối diện là 1360 nhƣ H2.6c,

- Tải trọng tác dụng nhỏ, từ 1 - 100 kG, trong đó mức 30 kG với thời gian giữ

tải trọng 10 - 15s đƣợc coi là điều kiện tiêu chuẩn,

- Khi thay đổi tải trọng tỷ lệ giữa tải trọng và bình phƣơng đƣờng chéo vết lõm

nhận đƣợc luôn không đổi, nên cho phép tải trọng thay đổi mà không ảnh hƣởng đến

kết quả đo, với vật mỏng có thể dùng tải trọng nhỏ thích hợp.

Vì vậy độ cứng Vicke dùng để đo độ cứng cho mọi VL từ rất mềm đến rất

cứng với lớp cần đo rất mỏng (tới 0,04 - 0,06 mm) trong các mẫu mỏng (dày 0,3 -

0,5 mm), đƣợc coi là độ cứng chuẩn trong nghiên cứu khoa học.

Số đo đƣợc xác định theo công thức:

HV = F / S = 2Psin(α/2) / d2 = 1,854 F/d

2 kG/mm

2

trong đó: - F. tải trong, kG,

- α = 1360,


36

- d. giá trị trung bình số học của hai đƣờng chéo vết lõm, mm.

Cũng giống nhƣ HB, độ cứng Vicke ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết bằng

HV với số đo, VD. HV300. Nếu ở điều kiện phi tiêu chuẩn ghi thêm về tải trọng, thời

gian giữ, VD. HV 10/30 300 khi đo dƣới tải trọng 10 kG, thời gian giữ 30s là 300kG /

mm2.

e. Chuyển đổi giữa các thang độ cứng

Giữa các loại, thang độ cứng trên không có công thức chuyển đổi bằng toán

học. Muốn biết tƣơng quan giữa chúng phải dùng bảng tra đƣợc xác lập bằng thực

nghiệm. Các giá trị trên cùng một hàng ngang là cứng nhƣ nhau.

Quy ƣớc, đối với thép có thể phân chia các mức độ cứng nhƣ sau:

- mềm: HB ≤ 150, - thấp: HB ≈ 200,

- trung bình HB ≈ 300 - 450, - tƣơng đối cao: HRC ≈ 50 - 58,

- cao: HRC ≈ 60 - 65, - rất cao: HRC > 65.

2.3. Nung KL đã qua biến dạng dẻo-thải bền-biến dạng nóng (tự đọc- tự nghiên

cứu)

2.3.1. Trạng thái KL đã qua biến dạng dẻo

Sau biến dạng dẻo KL bị biến cứng, hoá bền (do mạng tinh thể bị xô lệch, tồn

tại ứng suất bên trong...) ở trạng thái không cân bằng với năng lƣợng dự trữ cao và có

xu hƣớng trở về cân bằng với các diễn biến ngƣợc lại, trở về mạng cân bằng ban đầu

không có xô lệch mạng.

Đa số KL và HK quá trình xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thƣờng, còn khi nung

nóng sẽ làm tăng khả năng dịch chuyển của nguyên tử, làm quá trình nhanh hơn. Nếu

biến đổi tính chất chủ yếu khi biến dạng dẻo là hoá bền thì khi nung nóng nó (KL đã

qua biến dạng dẻo) là thải bền.

Ta phải khôi phục lại trạng thái ban đầu: dẻo, mềm bằng cách nung nóng lại.

Vì : - để tiếp tục biến dạng

- có thể dễ gia công cắt gọt

- khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá huỷ giòn.

2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung

a. Hồi phục

Xảy ra ở nhiệt độ thấp (< 0,1 0,2 Ts), có sự biến đổi nhỏ trong mạng tinh thể

bị xô lệch : giảm sai lệch mạng (chủ yếu sai lệch điểm và nút trống), giảm độ lệch và

ứng suất bên

trong ... khi đó tổ chức tế vi chƣa biến đổi, tính chất vật lý có thay đổi chút ít (giảm

điện trở), cơ tính hầu nhƣ chƣa thay đổi, vẫn còn ở trạng thái hoá bền.

b. Kết tinh lại (lần thứ nhất)

- Bản chất: Khi nung nóng cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh),

trong mạng tinh thể bị xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới không có sai lệch

do biến dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm.


37

- Nhiệt độ kết tinh (Tkt): là nhiệt độ nhỏ nhất mà tại đó xảy ra quá trình kết tinh

lại (tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể: Tkt = a. Ts (Ts- là nhiệt độ nóng

chảy tính theo 0K, a phụ thuộc vào độ sạch của Kl, mức độ biến dạng và thời gian giữ

nhiệt).

- Tổ chức tế vi: Sau kết tinh đƣợc các hạt mới đa cạnh, đẳng trục, độ hạt nhỏ.

Độ hạt phụ thuộc 3 yếu tố:

+ Mức độ biến dạng dẻo KL càng mạnh thì sau khi ủ kết tinh lại hạt tạo thành

càng nhỏ do xô lệch mạng tạo nên nhiều mầm.

+ Nhiệt độ ủ càng cao, tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhƣng nếu

tốc độ phát triển tăng nhanh sẽ làm hạt to thêm.

+ Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài thì hạt càng có điều kiện phát triển

và hạt lớn lên.

c. Kết tinh lại lần hai

Sau kết tinh lần một nếu tiếp tục nâng cao nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ

nhiệt sẽ có quá trình sát nhập các hạt nhỏ hơn bao quanh hạt lớn, hạt lớn nuốt hạt bé

làm hạt to thêm. Sự phát triển hạt là quá trình tự nhiên vì nó làm giảm tổng biên giới

hạt, do đó giảm tổng năng lƣơng dự trữ - đƣợc gọi là kết tinh lần hai và thƣờng phải

loại bỏ.

2.3.3. Biến dạng nóng

a. Khái niệm

Theo quan điểm của VL học thì biến dạng nóng là biến dạng ở nhiệt độ cao hơn

nhiệt độ kết tinh lại của nó, còn thấp hơn là biếndạng nguội.

Nhƣ vậy nung nóng không phải là đặc trƣng của biến dạng nóng, VD: biến

dạng dẻo vonfram ở > 10000C vẫn là biến dạng nguội vì vẫn < Tkt của nó là 1200

0C ;

trong khi đó chì, thiếc, kẽm ở nhiệt độ thƣờng bao giờ cũng đƣợc coi là biến dạng

nóng vì nhiệt Tkt của chúng

< 00C. Thƣờng biến dạng nóng ở nhiệt độ 0,7 – 0,8 Ts .

b. Các quá trình

Bao giờ cũng là hai quá trình đối lập nhau : - biến dạng dẻo làm xô lệch mạng tạo nên hoá bền, biến cứng, nhƣng sau đó là

- kết tinh lại làm mất xô lệch mạng gây ra thải bền, giảm độ cứng.


38

Chƣơng 3: HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA

3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim

3.1.1. Khái niệm về hợp kim

a. Định nghĩa

HK là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính KL (dẫn điện, dẫn nhiệt cao,

dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim). HK đƣợc tạo thành trên cơ sở KL: giữa hai KL

(latông: Cu và Zn), giữa một KL với một á kim (thép, gang: Fe và C), song nguyên tố

chính vẫn là KL, là HK đơn giản, hay giữa nguyên tố chính là KL với hai hay nhiều

nguyên tố khác, là HK phức tạp.

b. Ƣu việt của HK

1) Tăng độ bền, độ cứng để chịu được tải cao, tăng tuổi bền lên rất nhiều,

thƣờng dẫn đến giảm độ dẻo, dai gây ra giòn song vẫn còn đủ tốt khi sử dụng.

2) Tính công nghệ đa dạng và thích hợp. Tính công nghệ là khả năng chế biến

VL thích hợp để tạo thàmh sản phẩm. KL nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhƣng khó

cắt gọt, đúc và không hoá bền đƣợc bằng nhiệt luyện. HK có tính trái lại, cụ thể:

- HK có thể tạo hình bằng một trong hai phƣơng pháp: biến dạng dẻo (cán, kéo,

ép chảy, rèn, dập) và đúc.

- HK có tính gia công cắt nhất định để đảm bảo sản phẩm có kích thƣớc, hình

dáng chính xác, bề mặt nhẵn bóng.

- Nhiều HK, đặc biệt là thép (chiếm tới 90% tổng sản lƣợng VLKL) rất nhạy

cảm với nhiệt luyện để tạo ra cơ tính đa dạng phù hợp với điều kiện làm việc và

gia công.

3) Nhiều trƣờng hợp luyện HK đơn giản và rẻ hơn so với luyện KL nguyên

chất, do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào. VD:

- Luyện HK Fe - C (thép và gang) đơn giản hơn luyện sắt nguyên chất do nhiệt

độ chảy thấp, không hay ít phải khử bỏ cácbon.

- Khi pha Zn vào KL chủ Cu ta đƣợc latông vừa bền lại vừa rẻ hơn (do Zn rẻ

hơn Cu khá nhiều).

c. Một số khái niệm

• Cấu tử là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên HK. VD

latông (HK Cu - Zn) có hai cấu tử là Cu và Zn.

• Hệ là từ dùng để chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của HK trong điều kiện xác

định hoặc là một loạt HK khác nhau với các cấu tử giống nhau.

• Pha là tổ phần đồng nhất của hệ (HK) có cấu trúc và các tính chất cơ - lý - hoá

xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách. Các đơn chất, các dung dịch lỏng, dung

dịch rắn, chất khí, các dạng thù hình là các pha khác nhau.

• Trạng thái cân bằng (ổn định): khi các pha của nó đều có năng lƣợng tự do

nhỏ nhất trong các điều kiện về nhiệt độ, áp suất và thành phần xác định. Năng lƣợng

tự do là đại lƣợng phụ thuộc vào năng lƣợng dự trữ (nội năng) của hệ cũng nhƣ mức

độ sắp xếp trật tự của các nguyên tử, phân tử. Có nghĩa là trong các điều kiện đó các

đặc tính (cấu trúc, tính chất) của hệ hoàn toàn không biến đổi theo thời gian, cứ tồn tại

nhƣ vậy mãi.

• Trạng thái không cân bằng (không ổn định): Khi thay đổi nhiệt độ và áp suất

sẽ kéo theo sự tăng năng lƣợng tự do, hệ trở nên không cân bằng, lúc đó rất có thể hệ


39

biến đổi đột ngột sang trạng thái cân bằng mới có năng lƣợng tự do nhỏ hơn tức là có

chuyển pha.

Trạng thái không cân bằng có ý nghĩa quan trọng vì thƣờng đáp ứng đƣợc các

yêu cầu về cơ tính (bền, cứng) cao hơn; nó đƣợc hình thành với tốc độ nguội nhanh và

rất nhiều HK, đặc biệt là thép đƣợc sử dụng (làm việc) ở trạng thái này.

• Trạng thái giả ổn định: Khi trạng thái cân bằng hay ổn định tuyệt đối chỉ tồn

tại trên lý thuyết, đòi hỏi phải làm nguội vô cùng chậm đến mức rất khó xảy ra trong

thực tế. Vậy giả ổn định thực chất là không ổn định nhƣng thực tế lại tồn tại một cách

ổn định ngay cả khi bị nung nóng trong một phạm vi nào đó.

d. Phân loại các tƣơng tác

Có hai trƣờng hợp xảy ra: không và có tƣơng tác với nhau.

• Khi hai cấu tử A và B không có tương tác với nhau, các nguyên tử, ion của

từng cấu tử không đan xen vào nhau, chúng giữ lại cả hai kiểu mạng của các cấu tử

thành phần, dƣới dạng các hạt riêng rẽ của hai pha nằm cạnh nhau với tổ chức tế vi

biểu thị ở H3.1a, hỗn hợp A + B.

• Khi hai cấu tử A và B có tương tác với nhau, tức nguyên tử của các cấu tử đan

xen vào nhau tạo nên một pha duy nhất, không còn lại các hạt riêng rẽ của từng cấu tử,

lúc này có thể có hai trƣờng hợp xảy ra:

- hoà tan thành dung dịch rắn, lúc đó HK giữ lại một trong hai kiểu mạng ban

đầu làm nền, có tổ chức một pha nhƣ KL nguyên chất (H3.1b).

- phản ứng hoá học với nhau thành hợp chất hoá học, lúc đó không còn cả hai

kiểu mạng ban đầu, mà tạo nên kiểu mạng mới khác hẳn.

H 3.1. Tổ chức tế vi của HK của hai KL: a. không tƣơng tác với nhau A+B,

b. hoà tan với nhau thành dung dịch rắn A (B).

3.1.2. Dung dịch rắn

a. Khái niệm - phân loại

Cấu tử nào giữ đƣợc kiểu mạng đƣợc gọi là dung môi, cấu tử nào không giữ

đƣợc kiểu mạng gọi là cấu tử hoà tan, các cấu tử hoà tan sắp xếp lại trong mạng dung

môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên.

Dung dịch rắn là pha đồng nhất có cấu trúc mạng như của dung môi nhưng

với thành phần (nồng độ) có thể thay đổi trong một phạm vi mà không làm mất đi

sự đồng nhất đó. Ký hiệu dung dịch rắn là A(B) có kiểu mạng của A là cấu tử dung

môi, B là cấu tử hoà tan; nhƣ vậy B(A) có kiểu mạng của B là dung môi, A - chất tan.

A(B

) A A

B

b) a)


40

H 3.2. Sơ đồ sắp xếp nguyên tử

hoà tan thay thế và xen kẽ vào

dung môi có mạng lập phƣơng

tâm mặt.

Các nguyên tử hoà tan đƣợc sắp xếp lại trong mạng tinh thể dung môi theo hai

kiểu khác nhau, tƣơng ứng với hai loại dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ nhƣ biểu thị ở

H3.2.

trong đó: - vòng tròn gạch chéo và tô đen biểu thị các nguyên tử hoà tan,

- vòng tròn trắng biểu thị các nguyên tử dung môi.

b. Dung dịch rắn thay thế

Các nguyên tử hoà tan chiếm chỗ hay thay thế vào đúng các vị trí nút mạng

của KL chủ, tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như của cấu

tử dung môi. Sự thay thế ít nhiều đều gây ra xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố

nào có đƣờng kính nguyên tử giống nhau.

Sự thay thế thƣờng là có hạn vì nồng độ chất tan càng tăng mạnh càng bị xô

lệch cho đến nồng độ bão hoà. Tuy nhiên trong thực tế có một số cặp KL (nhƣ: Ag -

Au, Cu - Ni có mạng A1, Feỏ - Cr có mạng A2) có thể hoà tan vô hạn vào nhau, tạo

nên một dãy các dung dịch rắn có nồng độ thay đổi một cách liên tục từ 100%A +

0%B qua 50%A + 50%B cho đến 0%A + 100%B nhƣ biểu thị H3.3.

H 3.3. Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn liên tục (hoà tan vô hạn) giữa hai KL

A và B: a. nguyên tố A; b, c, d. dãy dung dịch rắn liên tục của A và B; e. nguyên tố B.

c. Dung dịch rắn xen kẽ

Các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể “lọt” vào lỗ

hổng trong mạng của KL chủ (dung môi), tức là vẫn có kiểu mạng như KL chủ nhưng

số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên.

Tất cả các lỗ hổng đều rất nhỏ nên chỉ một số á kim với bán kính nguyên tử bé

nhƣ hyđrô (0,046nm), nitơ (0,071nm), cacbon (0,077nm), bo (0,091nm) mới có khả

năng xen kẽ vào các nguyên tử chuyển tiếp có bán kính nguyên tử lớn nhƣ sắt

(0,1241nm), crôm (0,1249 nm), vonfram (0,1371nm), môlipđen (0,136nm), ... Lỗ hổng

lớn nhất trong các mạng tinh thể KL là loại tám mặt của A1 có rlỗ / rchủ là 0,414, trong

thực tế trừ H ra không có á kim nào nhỏ đến mức vừa kích thƣớc này, tuy nhiên vẫn có

thể chen vào ở một số lỗ hổng và đẩy các nguyên tử chủ bao quanh giãn ra, gây ra xô

lệch mạng (H3.4a).

thay thế

xen kẽ

A

d) a) b) c) e)

B

)

%B)


41

H 3.4. Sự xô lệch mạng trong dung dịch rắn: a. hoà tan xen kẽ,

b. hoà tan thay thế khi rht > rchủ, c. hoà tan thay thế khi rht < rchủ .

Do số lỗ hổng này có hạn và các nguyên tử á kim không thể chui vào mọi lỗ

hổng của mạng (vì nhƣ thế sẽ gây ra xô lệch mạng quá mạnh làm mất ổn định) nên

dung dịch rắn xen kẽ không thể có loại hoà tan vô hạn, chỉ có thể là loại có hạn.

d. Các đặc tính của dung dịch rắn

• Mạng tinh thể có kiểu đơn giản và xít chặt (A1, A2 ...) của KL với liên kết

KL.

• Do có cấu trúc nhƣ vậy nên về cơ bản nó vẫn có cơ tính nhƣ KL cơ sở, đó là

tính dẻo, tuy nhiên có thay đổi theo hƣớng phù hợp hơn cho VL kết cấu, đó là:

- tính dẻo tuy có giảm song đủ cao, dễ biến dạng dẻo.

- tăng độ bền, độ cứng, khả năng chịu tải hơn hẳn KL nguyên chất.

Sự biến đổi tính chất nhƣ trên càng mạnh khi nồng độ chất tan càng lớn.

• Dung dịch rắn cũng có tính dẫn nhiệt, dẫn điện song kém hơn KL nguyên chất.

3.2. Giản đồ pha hai cấu tử

Giản đồ pha chính là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha vào nhiệt độ và

thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng. Nó chỉ hoàn toàn đúng và phù hợp với HK

ở trạng thái cân bằng (làm nguội rất chậm hay ở trạng thái ủ), nó là cơ sở xác định cấu

trúc của HK đã cho (ứng với nhiệt độ và thành phần xác định).

3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng

Trạng thái cân bằng của hệ đƣợc xác định bởi các yếu tố bên trong (thành phần

hoá học) và bên ngoài (nhiệt độ, áp suất), tuy nhiên trong đó có các yếu tố phụ thuộc

lẫn nhau.

Bậc tự do: là số lƣợng các yếu tố độc lập có thể thay đổi đƣợc trong giới hạn

xác định mà không làm thay đổi trạng thái của hệ, tức là không làm thay đổi số pha đã

có. Quan hệ giữa số pha P (phase), số cấu tử C (component) và số bậc tự do F

(freedom) đƣợc xác định bằng định luật hay quy tắc pha của Gibbs.

Do việc nghiên cứu và sử dụng VL thƣờng diễn ra trong khí quyển nên ảnh

hƣởng của áp suất không đƣợc tính đến nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn lại một (là

nhiệt độ) và quy tắc pha có dạng sau: F = C - P +1

- Nếu F = 0 hệ là vô biến, không có yếu tố nào có thể thay đổi đƣợc, lúc đó P =

C + 1 (số pha nhiều hơn số cấu tử là một). VD: KL nguyên chất (C = 1) khi nóng chảy

hay kết tinh tồn tại hai pha (P = 2, lỏng, rắn), số bậc tự do bằng không (F = 1 - 2 +1),

chứng tỏ KL nguyên chất kết tinh hay nóng chảy luôn xảy ra ở nhiệt độ không đổi.

- Nếu F = 1 hệ là đơn biến, chỉ có một yếu tố (nhiệt độ hoặc thành phần) có thể

thay đổi đƣợc, lúc đó P = C (số pha bằng số cấu tử). VD: HK Cu - Ni ở nhiệt độ

a) b) c)


42

thƣờng tổ chức là dung dịch rắn, khi nung nóng sẽ chảy thành dung dịch lỏng. Vậy

trong quá trình nung nóng chảy số pha của HK là hai (dung dịch rắn, lỏng), số bậc tự

do bằng một (F = 2 - 2 + 1), chứng tỏ quá trình trên xảy ra trong một khoảng nhiệt

độ (tức là nhiệt độ biến đổi) hoặc tại một nhiệt độ nào đó trong quá trình nóng chảy

ta có thể thay đổi chút ít thành phần (thêm bớt Cu, Ni) mà vẫn giữ HK ở trạng thái

hai pha này.

- Nếu F = 2 hệ là nhị biến, cùng một lúc có thể thay đổi cả hai yếu tố nhiệt độ

và thành phần, lúc đó P = C - 1 (số pha ít hơn số cấu tử là một). VD, phần lớn các hệ

hai cấu tử ở trạng thái lỏng đều hoà tan vô hạn vào nhau nên lúc đó chỉ có một pha là

dung dịch lỏng và số bậc tự do bằng hai (F = 2 -1 +1), chứng tỏ ở trạng thái lỏng của

hệ ta có thể thay đổi đồng thời nhiệt độ và thành phần khá dễ dàng mà vẫn chỉ tồn

tại một pha.

3.2.2. Giản đồ pha và công dụng

Giản đồ pha của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ,

thành phần và số lượng (tỷ lệ) giữa các pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái

cân bằng. Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ có

một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến thù

hình.

Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành

biểu thị thành phần (% khối lƣợng).

Có những đƣờng phân chia các khu vực pha theo nguyên tắc:

- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha tƣơng ứng.

- Mỗi điểm trên trục hoành biểu thị một thành phần xác định của hệ. Theo

chiều từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng, còn từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử A tăng, hai

đầu mút tƣơng ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải). VD H3.6 điểm C

ứng với thành phần có 30% B (tỷ lệ của cấu tử thứ hai là phần còn lại, tức 70% A),

điểm D: 80% B + 20% A.

- Đƣờng thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định ở các nhiệt độ khác

nhau.

- Hai trục chính là giản đồ pha của từng cấu tử tƣơng ứng (trái cho A, phải cho

B).

L(lỏng)

1539 Feọ(A2)

1392

Feó(A1)

911 Feỏ(A2) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

A %B B

H 3.5. Giản đồ pha của sắt. H 3.6. Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử.

nhiệ

t độ 0

C

n

hiệ

t độ


43

Giản đồ pha của hệ hai cấu tử có thể xác định các thông số sau:

+ Các pha tồn tại. Căn cứ vào điểm nhiệt độ - thành phần đã cho (gọi là toạ độ)

nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha tƣơng ứng với vùng đó: nằm ở

vùng một pha, HK có tổ chức một pha: nằm ở vùng hai pha - có tổ chức hai pha.

+ Thành phần hoá học. Nếu toạ độ nằm trong vùng một pha thì thành phần của

pha cấu tạo nên HK bằng chính thành phần của HK đã chọn, nếu nó nằm trong vùng

hai pha thì xác

định: kẻ đƣờng nằm ngang (đẳng nhiệt) qua toạ độ này, hai giao điểm của nó với hai

đƣờng biên giới với hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha

tƣơng ứng.

+ Tỷ lệ (về số lƣợng) giữa các pha hoặc tổ chức. Nhờ quy tắc đòn bảy hay cánh

tay đòn theo nguyên tắc sau: ba điểm trên (tọa độ và hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng

mà độ dài của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ tƣơng đối của pha đối diện trong HK, hay đơn

giản:

Lƣợng pha trái Độ dài đoạn thẳng phải (đòn phải)

=

Lƣợng pha phải Độ dài đoạn thẳng trái (đòn phải)

pha trái HK pha phải

H 3.7. Sự cân bằng của đòn bảy.

giống nhƣ sự cân bằng của đòn bảy: lƣợng pha trái x đòn trái = lƣợng pha phải x đòn

phải

+ Suy đoán tính chất của HK. Tính chất của HK Phk là tổng hợp tính chất của

từng pha Ppha theo tỷ lệ bậc nhất

+ Nhiệt độ chảy (kết tinh). Thƣờng HK nóng chảy (kết tinh) trong một khoảng

nhiệt độ (bắt đầu và kết thúc) tƣơng ứng với hai đƣờng đƣờng lỏng và đƣờng đặc.

+ Các chuyển biến pha. Sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha (khi nung nóng

và khi làm nguội chậm) cũng nhƣ nhiệt độ xảy ra, tƣơng ứng với các đƣờng ở dƣới

đƣờng đặc.

+ Dự đoán các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội nhanh).

3.2.3. Giản đồ loại I

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử không có bất kỳ tương tác nào, chúng tạo

nên hỗn hợp riêng rẽ của hai cấu tử, có dạng tổng quát ở H3.8a và hệ điển hình có

kiểu mạng này là hệ chì - antimoan (Pb - Sb) ở H3.8b.

Giản đồ chỉ gồm cặp đƣờng lỏng - đặc: đƣờng trên AEB là đƣờng lỏng, đƣờng

nằm ngang dƣới CED (2450C) là đƣờng đặc A là nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử A

(Pb với 3270C), B - nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử B (Sb với 631

0C). HK sẽ nóng

chảy hay kết tinh trong khoảng giữa hai đƣờng này với sự tồn tại của hai hay ba pha

(pha lỏng với một hoặc cả hai pha rắn A, B).


44

H 3.8. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I (a) và giản đồ pha Pb - Sb (b).

Các HK của giản đồ loại I kết tinh theo thứ tự sau: Đầu tiên pha lỏng kết tinh

ra một trong hai cấu tử nguyên chất trước và làm cho pha lỏng nghèo cấu tử này và

biến đổi thành phần đến điểm cùng tinh E, đến đây pha lỏng còn lại mới kết tinh ra

cấu tử rhứ hai tức ra hai cấu tử cùng một lúc.

Quy ƣớc:

• HK có thành phần ở chính điểm E (E’) hay lân cận đƣợc gọi là HK cùng tinh

(có nhiệt độ chảy thấp nhất, thấp hơn cả cấu tử dễ chảy nhất, nó kết tinh ngay ra

hai cấu tử cùng một lúc và ở nhiệt độ không đổi.

• HK có thành phần ở bên trái, bên phải điểm E đƣợc gọi lần lƣợt là HK trƣớc

cùng tinh, sau cùng tinh, so với loại cùng tinh chúng có nhiệt độ chảy cao hơn,

kết tinh ra một cấu tử trƣớc và xảy ra trong một khoảng nhiệt độ nào đó.

3.2.4. Giản đồ loại II (tự đọc- tự nghiên cứu)

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử với tương tác hoà tan vô hạn vào nhau, có

dạng tổng quát H3.10a và các hệ điển hình có kiểu này là hệ Cu - Ni (H3.9b) và hệ

Al2O3 - Cr2O3 (H c), có dạng của hai đƣờng cong khép kín, trong đó đƣờng trên là

H 3.9. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại II (a) và

các giản đồ pha hệ Cu - Ni (b), hệ Al2O3 - Cr2O3 (c).


45

đƣờng lỏng, đƣờng dƣới là đƣờng đặc, dƣới đƣờng đặc là vùng tồn tại của dung dịch

rắn ỏ có thành phần thay đổi liên tục.

Các HK của hệ này có quy luật kết tinh giống nhau: nếu lấy đơn vị là cấu tử

thành phần khó chảy hơn thì đầu tiên HK lỏng kết tinh ra dung dịch rắn, vì thế pha

lỏng còn lại bị nghèo đi, song khi làm nguội chậm tiếp tục dung dịch rắn tạo thành

biến đổi thành phần theo hướng nghèo đi và cuối cùng đạt đúng như thành phần

của HK.

3.2.5. Giản đồ loại III (tự đọc- tự nghiên cứu)

H 3.10. Dạng tổng quát của giản đồ loại III (a) và giản đồ pha hệ Pb - Sn

cũng nhƣ sơ đồ hình thành tổ chức khi kết tinh ở trạng thái cân bằng của HK40% Sn (b).

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử với tương tác hoà tan có hạn vào nhau, có

dạng tổng quát H3.10a và hệ điển hình có kiểu này là hệ Pb - Sn (H3.10b). Giản đồ

khá giống với giản đồ loại I với sự khác nhau ở đây là các dung dịch rắn có hạn ỏ và õ

thay cho các cấu tử A và B. Các dung dung dịch rắn có hạn trên cơ sở (nền) của các

cấu tử nguyên chất nằm về hai phía đầu mút của giản đồ, đƣờng AEB là đƣờng lỏng,

ACEDB - đƣờng đặc.

3.2.6. Giản đồ loại IV (tự đọc- tự nghiên cứu)

H 3.11. Dạng tổng quát của giản đồ loại IV (a) và giản đồ pha hệ Mg - Ca (b)


46

Là giản đồ pha hai cấu tử với tương tác phản ứng hoá học với nhau tạo ra

pha trung gian AmBn , có dạng tổng quát ở H3.11a và hệ điển hình là Mg - Ca

(H3.11b) có dạng ghép của hai giản đồ loại I: A - AmBn (Mg - Mg4Ca3) và AmBn - B

(Mg4Ca3 - Ca). Ở đây AmBn là pha trung gian ổn định với nhiệt độ chảy cố định, không

bị phân huỷ trƣớc khi nóng chảy đƣợc coi nhƣ một cấu tử. HK đem xem xét có thành

phần nằm trong giản đồ nào sẽ đƣợc xét trong một phạm vi của giản đồ đó.

3.2.7. Quan hệ giữa giản đồ pha và tính chất của hợp kim (tự đọc- tự nghiên cứu)

Trên H3.12 đƣa ra bốn dạng giản đồ pha thƣờng gặp và sự thay đổi tính chất

theo thành phần của mỗi dạng giản đồ.

Trƣờng hợp hai cấu tử hoà tan vô hạn vào nhau, tính chất biến đổi theo thành

phần với quan hệ đƣờng cong có cực trị (H a cho trƣờng hợp cực đại).

Trƣờng hợp hai cấu tử tạo nên hỗn hợp thì tuỳ theo dạng hỗn hợp có ba kiểu

sau:

- H b. là giản đồ pha với hỗn hợp của hai cấu tử nguyên chất. Có tính chất biến

đổi theo thành phần với quan hệ đƣờng thẳng chạy suốt trục hoành từ PA đến PB.

- H c. là giản đồ pha với hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn, do vậy tính chất

biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần đƣờng cong ở hai đầu mút ứng với hai

dung dịch có hạn và đạt đến Pỏ và Põ khi bão hoà và phần đƣờng thẳng nối Pỏ với Põ

khi HK là hỗn hợp của hai dụng dịch rắn có hạn ở nồng độ bão hoà này.

- Hd. là giản đồ pha với hỗn hợp của dung dịch rắn có hạn và pha trung gian, do

vậy tính chất biến đổi theo thành phần với hai quy luật: phần dung dịch rắn có hạn

theo quan hệ đƣờng cong và đạt đến Pỏ khi nồng độ đạt đến giới hạn bão hoà, phần

hỗn hợp theo quan hệ đƣờng thẳng nối Pỏ PH (PH là tính chất của pha trung gian).


47

H 3.12. Tính chất của HK và giản đồ pha,

trong đó PA và PB là tính chất của các cấu tử nguyên chất tƣơng ứng.

3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3 C)

3.3.1. Tương tác giữa Fe và C

Sắt là KL khá phổ biến trong vỏ quả đất. Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính

sau:

HB ≈ 80; ζb ≈ 250 MPa; ζ0,2 ≈ 120 MPa;

δ ≈ 50%; ψ ≈ 85%; ak ≈ 2500kJ/ m2

So với KL khác (AL, Cu) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền,

cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sử dụng. Khi đƣa C vào sắt, giữa

hai nguyên tố xảy ra cả hai tƣơng tác (hoà tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha

trung gian) đều có tác dụng hoá bền, nhờ đó HK Fe- C bền cứng hơn và đƣợc sử dụng

nhiều nhất.


48

a. Sự hoà tan của cacbon vào sắt

Cacbon chỉ có thể hoà tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kẽ (vì C nhỏ hơn

sắt rc = 0.077nm, rFe = 0,1241nm). Sắt có hai kiểu mạng: lập phƣơng tâm khối A2 (tồn

tại ở < 9110C - Feα và 1392 - 1539

0C - Feδ) và lập phƣơng tâm mặt A1 (911- 1392

0C -

Feγ) với các lỗ hổng có kích thƣớc khác nhau và do đó khả năng hoà tan khác nhau.

Bằng tính toán hình học thấy:

- Feα , Feδ tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng song mỗi lỗ hỏng lại có kích

thƣớc quá nhỏ (vì a ≈ 0,2866 nm) nên khả năng hoà tan C là không đáng kể.

- Feγ tuy mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhƣng lại có kích thƣớc lớn

hơn (vì a ≈ 0,3656 nm) nên hoà tan được C, nhƣng có giới hạn.

b. Tƣơng tác hoá học giữa Fe và C Khi lƣợng C đƣa vào sắt vƣợt qua giới hạn hoà tan (phụ thuộc dạng thù hình và

nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn xen kẽ, các nguyên tử C

thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành Fe3C gọi là xêmentit - là pha xen kẽ với kiểu mạng

phức tạp, có thành phần 6,67%C + 93,33%Fe.

Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong HK thuần Fe

- C sự tạo thành grafit là rất khó khăn (có thể nói là không thể đƣợc).

3.3.2. Giản đồ pha Fe - Fe3 C và các tổ chức

a. Giản đồ pha Fe - Fe3 C

H 3.13. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C)


49

• Giản đồ pha Fe - C đƣợc biểu diễn với các ký hiệu các toạ độ (nhiệt độ, 0C -

thành phần cacbon, %) đƣợc quốc tế hoá:

A (1539 - 0); B (1499 - 0,5); C (1147 - 4,3); D (~ 1250 -

6,67);

E (1147 - 2,14); F (1147 - 6,67); G (911 - 0); H (1499 - 0.10);

J (1499 - 0,16); K (727 - 6,67); L (0 - 6,67); N (1392 - 0);

P (727 - 0,02); Q ( 0 - 0,006); S (727 - 0,80).

• Một số đƣờng có ý nghĩa thực tế rất quan trọng:

- ABCD là đƣờng lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu

kết tinh.

- AHJECF là đƣờng đặc để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh,

- ECF (11470C) là đƣờng cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh,

- PSK (7270C) là đƣờng cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích,

- ES - giới hạn hoà tan cacbon trong Feα,

- PQ - giới hạn hoà tan cacbon trong Feγ.

b. Các chuyển biến khi làm nguội - Chuyển biến bao tinh xảy ra ở 1499

0C trong các HK có 0,1 - 0,5%C (đƣờng

HJB)

δH + LB → γH hay δ0,10 + L0,50 → γ0,16 (3.1)

song thƣờng không để ý đến phản ứng này vì xảy ra ở nhiệt độ quá cao và không có

ảnh hƣởng gì đến tổ chức của thép khi gia công và sử dụng.

- Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 1147 0C trong các HK có > 2,14 %C (đƣờng

ECF)

LC → ( γE + Fe3CF ) hay L4,3 → ( γ2,14 + Fe3C6,67 ) (3.2)

- Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 727 0C hầu nhƣ với mọi HK (đƣờng PSK)

γS → ( αP + Fe3CK ) hay γ0,8 → ( α0,02 + Fe3C6,67 ) (3.3)

- Sự tiết pha Fe3C dƣ ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch rắn:

trong Feγ theo đƣờng ES và trong Feα theo đƣờng PQ.

c. Các tổ chức một pha

Ở trạng thái rắn có thể gồm 4 pha:

H 3.14. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b).

1) Ferit (ký hiệu bằng hay F hay Feα):

- Là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα với mạng lập phƣơng tâm khối

(a = 0,286 - 0,29nm).


50

- Lƣợng hoà tan C quá nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727 0C - điểm P, ở nhiệt độ

thƣờng còn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Feα .

- Ferit có tính sắt từ nhƣng chỉ đến 7680C.

- Tồn tại trong vùng GPQ.

- Do không chứa C nên cơ tính chính là sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém

bền, thực tế nó có thể hoà tan Si, Mn, P, Cr ... nên cứng và bền hơn, dẻo dai giảm.

- Tổ chức tế vi của Ferit trình bày ở H3. 14a có dạng các hạt sáng, đa cạnh.

2) Austenit [ký hiệu bằng γ , A, Feγ (C)]:

- Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Feγ , mạng lập phƣơng tâm mặt (a ≈

0,364 nm).

- Lƣợng hoà tan đáng kể C (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên

tử ở 11470C - điểm E.

- Không có tính sắt từ mà có tính thuận từ.

- Tồn tại ở nhiệt độ cao (>727 0

C) trong vùng NJESG, không có quan hệ trực

tiếp trong việc sử dụng của HK, có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt

luyện.

3) Xêmentit (ký hiệu bằng Xê, Fe3C):

- Là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần

6,67%C, ứng với đƣờng thẳng đứng DFKL.

- Đặc tính: cứng và giòn, cùng với F nó tạo nên các tổ chức khác nhau của HK

Fe - C.

- Có bốn loại Xêmentit:

+ Xêmentit thứ nhất (XêI) tạo thành do giảm nồng độ C trong HK lỏng theo

đƣờng DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở HK > 4,3%C. Do tạo thành ở nhiệt độ cao (

>11470C ) nên XêI có dạng thẳng, thô to có thể thấy bằng mắt thƣờng.

+ Xêmentit thứ hai (XêII) tạo thành do giảm nồng độ C trong austenit theo

đƣờng ES khi hạ nhiệt độ, có ở HK > 0,80 - 2,14%C. Do tạo thành ở nhiệt độ (>727

0C) tạo điều kiện cho sự tập trung biên giới hạt, nên khi XêII với lƣợng đủ lớn sẽ tạo

thành lƣới liên tục bao quanh các hạt austenit (peclit), tạo thành khung giòn, làm giảm

mạnh tính dẻo và dai của HK.

+ Xêmentit thứ ba (XêIII) tạo thành do giảm nồng độ C trong F theo đƣờng PQ

khi hạ nhiệt độ, với số lƣợng (tỷ lệ) rất nhỏ (nhiều nhất chỉ 20/00

) nên rất khó phát hiện

trên tổ chức tế vi và thƣờng đƣợc bỏ qua.

+ Xêmentit cùng tích đƣợc tạo thành do chuyển biến cùng tích Austenit →

Peclit . Loại này có vai trò quan trọng, đƣợc trình bày ở phần sau.

• Grafit chỉ đƣợc tạo thành trong HK Fe - C cao và chứa lƣợng đáng kể Si, là

pha quan trọng trong tổ chức của gang.

d. Các tổ chức hai pha

1) Peclit [ký hiệu bằng P, (Feα + Fe3C)]:

- Là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xêmentit đƣợc tạo thành từ austenit

với 0,8%C và ở 7270C nhƣ phản ứng 3.3.

- Peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa

một lƣợng lớn pha dẻo với lƣợng nhất định pha cứng, nó là tổ chức khá bền, cứng

nhƣng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của VL kết cấu và công cụ.

- Peclit và các biến thể (xoocbit, trôxtit, bainit) có trong hầu hết các HK Fe - C.


51

- Phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt:

+ Peclit tấm: thƣờng gặp hơn, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), hai pha này

đều ở dạng tấm đan xen đều nhau, trên mặt cắt ngang là các vạch theo cùng một hƣớng

hay đa hƣớng. Các vạch tối mỏng (với lƣợng ít hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với

lƣợng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng thể có dạng vân.

H 3.15. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a), peclit hạt (b) và tổ chức tế vi của lêđêburit - (P + Xê).

+ Peclit hạt: ít gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit ở dạng thu nhỏ nhất (bề

mặt ít nhất), nó phân bố đều trên nền ferit.

Giữa hai loại peclit có sự khác biệt về cơ tính: peclit tấm có độ bền, độ cứng

cao hơn, độ dẻo, dai thấp hơn peclit hạt đôi chút. Austenit đồng nhất dễ tạo thành

peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt. Peclit hạt ổn định hơn

peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ tƣơng đối cao (VD 600 - 7000C) peclit tấm có

xu hƣớng chuyển thành peclit hạt.

2) Lêđêburit [ký hiệu bằng Le, hay ( γ + Xê) hay (P + Xê)]:

- Là hỗn hợp cơ học cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha lỏng

với 4,3%C ở 1147 0

C nhờ phản ứng (3.2), khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng cùng

tích (3.3.) để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức quan sát đƣợc là hỗn hợp

của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng.

- Lêđêburit cứng và giòn (vì có tới 2/3, quá nhiều xêmentit) và chỉ có trong

HK Fe - C ở dạng gang trắng, ít gặp.

Các tên gọi pha và tổ chức trên có các ý nghĩa và xuất xứ nhƣ sau: để kỷ niệm

các nhà khoa học lỗi lạc trong ngành là Robert Austen (nguời Anh) cho austenit,

Ledebur (ngƣời Đức) cho lêđêburit; từ bản chất hay đặc trƣng tính chất là fêrrum (sắt,

tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng) cho xêmentit.


52

3.3.3. Phân biệt thép và gang trên giản đồ (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Khái niệm chung về thép, gang Thép và gang đều là HK Fe - C (ngoài ra có thể có ít nhiều các nguyên tố khác),

trong đó phân biệt: < 2,14%C là thép, > 2,14%C là gang.

Điểm E trên giản đồ pha cũng phân biệt: bên trái E là thép, bên phải E là gang.

- Với thép . Tất cả các loại thép dù có hàm lƣợng C, tổ chức, cơ tính rất khác

nhau ở nhiệt độ thƣờng và tƣơng đối cao (< 7270C ), nhƣng khi đã đƣợc nung nóng

cao hơn đường GSE, đều chỉ còn lại một pha duy nhất là austenit với độ dẻo rất cao

nên rất dễ biến dạng. Thép đƣợc coi là VL dẻo, cung cấp dƣới dạng bán thành phẩm

cán nóng (dây, thanh, ống, tấm, hình, ...) rất tiện cho sử dụng. Một số loại thép ít C

mềm, dẻo có khả năng biến dạng nguội. Tính đúc của thép nói chung là thấp (do nhiệt

độ chảy cao, không có tổ chức cùng tinh) và ít đƣợc sử dụng để chế tạo vật đúc.

- Với gang. Khi nung nóng không thể đạt tổ chức một pha austenit mà bao giờ

cũng còn xêmentit (hay grafit) nên không thể đem biến dạng nguội lẫn nóng. Gang

có nhiệt độ chảy thấp, có tổ chức cùng tinh với khả năng điền đầy khuôn cao. Vì vậy

gang là VL đúc, chỉ cung cấp dƣới dạng vật đúc, thành phần càng gần cùng tinh thì

tính đúc càng tốt. Tính dẻo của gang rất thấp nên không bao giờ đem biến dạng dẻo.

Khi lƣợng cacbon (1,8 - 2,20%) cả tính đúc lẫn tính biến dạng đều kém và lúc

đó xếp HK Fe - C đó vào loại nào là tuỳ thuộc vào các thành phần khác, cách tạo

hình và công dụng. Nhƣ vậy cũng cũng có thể gang có 1,80 - 2,00%C, thép lại có

2,20%C - 2,40%C.

b. Các loại thép, gang theo giản đồ pha Fe - C

Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ, ta có ba loại thép, ba loại gang khác

nhau.

1) Thép là loại HK ngoài Fe với C < 2,14% và chứa một lƣợng nhỏ không đáng

kể các nguyên tố khác đƣợc gọi là thép cacbon hay thép thƣờng, gồm ba loại: - Thép trước cùng tích với C từ 0,01 - 0,70% (bên trái điểm S) có tổ chức là

ferit (sáng) + peclit (tối), phần lớn thép có hạt nhỏ. Khi lƣợng C tăng thì trên tổ chức tế

vi tỷ lệ phần peclit cũng tăng lên, còn phần ferit giảm đi. Nếu không chứa C hoặc quá

ít (0,02 - 0,05%) thì coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu nhƣ ferit, tức là chỉ có các

hạt sáng.

Với 0,10%C phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,4%C là 1/2 và với

0,60%C là 3/4, cuối cùng là 0,8%C thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm). Vậy với loại

thép này lƣợng cacbon của nó đƣợc tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với 0,8%.

- Thép cùng tích với thành phần 0,8%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với

điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.

- Thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C (thƣờng chỉ tới 1,5%, cá biệt có

thể tới 2,0 - 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai ở dạng

lƣới sáng bao bọc lấy peclit tấm .

2) Gang tƣơng ứng trên giản đồ Fe - C là gang trắng, rất ít đƣợc sử dụng do quá

cứng, giòn, không thể gia công cắt đƣợc. Theo tổ chức tế vi, có ba loại gang trắng sau:

- Gang trắng trước cùng tinh với thành phần C < 4,3% ở bên trái điểm C, có tổ

chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit.

- Gang trắng cùng tinh với thành phần C = 4,3% ứng với điểm C hay lân cận,

có tổ chức chỉ là lêđêburit.


53

- Gang trắng sau cùng tinh với thành phần C > 4,3% ở bên phải điểm C, có tổ

chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất.

c. Các điểm tới hạn

Trên giản đồ pha Fe - C, trong khu vực của thép có rất nhiều đƣờng ứng với

các chuyển biến pha khác nhau. Để đơn giản, thay việc gọi tên các chuyển biến pha

này là ký hiệu (đánh số) các đƣờng tƣơng ứng bằng chữ A (tiêng Pháp arrêt có nghĩa là

dừng), vì khi chuyển biến pha nhiệt độ biến đổi chậm lại đôi khi dừng hẳn với các số

thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, ...và cm, chúng đƣợc gọi là các điểm tới hạn. Các điểm tới hạn

thƣờng dùng bao gồm:

A1 - đƣờng PSK (727 0

C) ứng với chuyển biến austenit ↔ peclit, có trong mọi

loại thép.

A3 - đƣờng GS (911 - 727 0

C), bắt đầu tiết ra ferit khỏi austenit khi làm nguội

hay kết thúc hoà tan ferit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép trƣớc cùng tích.

Acm - đƣờng ES (1147 - 727 0

C), bắt đầu tiết ra xêmenti khỏi austenit khi làm

nguội hay kết thúc hoà tan xêmentit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép sau

cùng tích.

[Các điểm tới hạn khác là A0 (2100C) - điểm Curi của xêmentit, A2 (768

0C) - điểm

Curi của ferit, A4 đƣờng JN (1499 - 13920C) ứng với chuyển biến γ ↔ δ].


54

Chƣơng 4: NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép

4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện

a. Định nhĩa Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng KL, HK đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt

tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay

đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phƣơng hƣớng đã chọn

trƣớc.

Phân biệt nguyên công nhiệt luyện với các nguyên công gia công cơ khí khác:

- Khác với đúc, hàn nó không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn chỉ ở

trạng thái rắn (tức nhiệt độ nung nóng phải thấp hơn đƣờng đặc).

- Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo (rèn, dập), nó không thay đổi hình dạng và

kích thước sản phẩm hoặc thay đổi không đáng kể.

- Kết quả của nhiệt luyện đƣợc đánh giá bằng biến đổi của tố chức tế vi và cơ

tính, không thể kiểm tra bằng bên ngoài.

b. Các yếu tố đặc trƣng cho nhiệt luyện

T0

n gn

Vnguội

thời gian

Quá trình nhiệt luyện đƣợc đặc trƣng bằng ba thông số quan trọng nhất (H 4.1),

nó tƣơng ứng với ba giai đoạn nối tiếp nhau là nung nóng - giữ nhiệt - làm nguội:

- Nhiệt độ nung nóng T0

n: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt tới,

- Thời gian giữ nhiệt ηgn : thời gian ngƣng ở nhiệt độ nung nóng,

- Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt.

Đánh giá kết quả nhiệt luyện bằng các chỉ tiêu:

+ Tổ chức tế vi gồm cấu tạo pha, kích thƣớc hạt, chiều sâu lớp hoá bền, ... Đây

là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất, song để thực hiện khá mất nhiều thời gian.

+ Độ cứng là chỉ tiêu cơ tính dễ xác định và có liên quan đến các chỉ tiêu khác

nhƣ độ bền, độ dẻo, độ dai.

+ Độ cong vênh, biến dạng thƣờng là nhỏ nhƣng trong một số trƣờng hợp quan

trọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vƣợt qua phạm vi cho phép sẽ không thể sử dụng

đƣợc.

c. Phân loại nhiệt luyện

1) Nhiệt luyện - thƣờng gặp nhất: chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ (không có

biến đổi thành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên toàn tiết diện. Gồm

nhiều phƣơng pháp:

nhiệ

t độ

H 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt

luyện đơn giản nhất.


55

- Ủ: nung nóng rồi làm nguội chậm để đạt tổ chức cân bằng với độ cứng, độ bền

thấp nhất, độ dẻo cao nhất.

- Thường hoá: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn là austenit, làm nguội bình

thƣờng trong không khí tĩnh để đạt đƣợc tổ chức gần cân bằng.

Mục đích của ủ và thƣờng hoá là làm cho thép mềm để dễ gia công cắt và dập

nguội.

- Tôi: nung nóng làm xuất hiện austenit rồi làm nguội nhanh để đạt đƣợc tổ

chức không cân bằng với độ cứng cao nhất (nhƣng cũng kèm theo độ giòn cao). Nếu

hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt gọi là tôi bề mặt.

- Ram: là nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép tôi để điều chỉnh

độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc.

Mục đích của tôi và ram là tạo cơ tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể, đó

là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau.

2) Hoá nhiệt luyện: là phƣơng pháp thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần

hoá học ở bề mặt nhằm biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn ở vùng này. Thƣờng tiến

hành bằng cách thấm, khuếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định, gồm:

- Thấm đơn nguyên tố có: thấm cabon, thấm nitơ ...

- Thấm đa nguyên tố có: thấm cabon - nitơ, thấm cacbon - nitơ - lƣu huỳnh ...

3) Cơ - nhiệt luyện:

4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí

a. Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép

- Tăng tuổi bền (thời hạn làm việc) của máy do hệ số an toàn cao (không gãy,

vỡ) hoặc khả năng chống mài mòn nâng cao.

- Giảm trọng lƣợng của máy nên tiết kiệm KL, năng lƣợng (nhiên liệu) khi vận

hành.

- Tăng khả năng chịu tải của máy, động cơ, phƣơng tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu

biển) và kết cấu (cầu, nhà, xƣởng, ...), dẫn đến hiệu quả kinh tế cao.

b. Cải thiện tính công nghệ

Để đảm bảo sản xuất dễ dàng với năng suất lao động cao, chi phí thấp thép phải

có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo nhƣ cần mềm để dễ cắt,

cần dẻo để dễ biến dạng, muốn vậy phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợp:

ủ hoặc thƣờng hoá - gọi là nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia

công cơ khí.

4.2. Các tổ chức đạt đƣợc khi nung nóng và làm nguội thép

4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép – Sự tạo thành austenit (tự đọc- tự

nghiên cứu)

a. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Cơ sở xác định chuyển biến khi nung là giản đồ pha Fe - C (chỉ giới hạn khu

vực thép và ở trạng thái rắn). Ở nhiệt độ thƣờng mọi loại thép đều cấu tạo bởi hai pha:

ferit và xêmentit (peclit là hỗn hợp của hai pha này.

- Thép cùng tích có tổ chức đơn giản nhất, chỉ có peclit.


56

- Thép trƣớc và sau cùng tích có tổ chức phức tạp: ngoài peclit còn có thêm ferit

hoặc xêmentit II.

Khi nung nóng lên nhiệt độ cao, sẽ lần lƣợt xảy ra các chuyển biến sau:

+ Khi nung thấp hơn A1, trong mọi loại thép vẫn chƣa có chuyển biến gì (nên

sau đó khi làm nguội tổ chức của thép vẫn không bị biến đổi).

+ Khi nung đạt đến A1, tổ chức peclit của mọi loại thép chuyển biến thành

austenit theo phản ứng:

[ Feα + Fe3C ] 0,8%C → Feγ (C) 0,8%C

Khi đó ferit và xêmentit II của thép trƣớc và sau cùng tích chƣa có chuyển biến.

Vậy nếu chỉ nung nóng quá A1 một chút, ta thấy:

Thép cùng tích đã chuyển biến hoàn toàn: có tổ chức hoàn toàn là austenit.

Thép trƣớc và sau cùng tích có chuyển biến nhƣng chƣa hoàn toàn: có tổ chức

chƣa hoàn toàn austenit, tƣơng ứng là austenit + ferit và austenit + xêmentit II.

+ Khi nung từ A1 lên đến A3 và Acm sẽ có sự hoà tan ferit, xêmentit II vào

austenit, lƣợng hai pha này trong tổ chức sẽ giảm đi. Khi nung cao hơn A3 và Acm sự

hoà tan các pha dƣ ferit và xêmentit II vào austenit của thép trƣớc và sau cùng tích

cũng kết thúc và chỉ còn một pha: hoàn toàn là austenit với thành phần đúng nhƣ của

thép.

Vậy khi nung nóng quá đường GSE với mọi loại thép đều có tổ chức giống

nhau là dung dịch rắn austenit với nồng độ khác nhau và bằng chính thành phần

cacbon của thép.

b. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit

• Nhiệt độ chuyển biến

Nhiệt độ chuyển biến này xảy ra ở A1 = 7270C, chỉ đúng khi nung nóng vô cùng

chậm, khi nung nóng thực tế nhiệt độ chuyển biến phải luôn cao hơn.

Tốc độ nung nóng càng cao chuyển biến peclit thành austenit xảy ra ở nhiệt

độ càng cao trong thời gian càng ngắn. Thực tế để đạt đƣợc chuyển biến phải nung

nóng quá nhiệt độ tới hạn ít nhất là 20 - 300C khi nung chậm và có thể tới hàng trăm

0C khi nung nhanh.

• Kích thƣớc hạt austenit

Cần phải đạt đƣợc tổ chức hạt austenit hạt nhỏ vì các sản phẩm tạo thành từ các

hạt nhỏ austenit có độ dẻo, dai hơn so với từ hạt lớn austenit.

Quy luật hình thành và sự lớn lên của hạt austenit:

- Chuyển biến peclit → austenit theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm nhƣ kết

tinh. Mầm austenit tạo nên giữa hai pha ferit và xêmentit của peclit, do bề mặt phân

chia giữa chúng rất nhiều nên số mầm cũng rất nhiều, vì thế hạt austenit lúc mới tạo

thành rất nhỏ mịn.

- Ở nhiệt độ A1, lúc mới tạo thành hạt austenit khá nhỏ mịn, nếu tăng nhiệt độ

hoặc giữ nhiệt lâu sẽ làm cho hạt lớn lên, đó là quá trình tự nhiên.

Sự lớn lên của hạt theo cơ chế: các hạt bé bao quanh nhập vào hạt lớn. Khi làm

nguội kích thƣớc hạt austenit không giảm đi, vẫn giữ nguyên cấp hạt lớn nhất đã đạt

trƣớc đó.

Hạt to biên giới ít đi làm giảm năng lƣợng dự trữ.

Kết luận: Lúc mới tạo thành các hạt austenit là nhỏ mịn và khi nung nóng

tiếp tục (hay giữ nhiệt) chúng lại lớn dần lên.


57

4.2.2. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt (tự đọc- tự nghiên cứu)

Tiếp theo là giai đoạn giữ nhiệt, tuy không xảy ra các chuyển biến mới song lại

cần thiết:

- Nhiệt độ trên tiết diện đồng đều, làm cho lõi cũng có chuyển biến nhƣ ở bề

mặt,

- Có đủ thời gian hoàn thành các chuyển biến khi nung nóng,

- Làm đồng đều thành phần hoá học của austenit vì lúc đầu hạt austenit có thành

phần không đồng nhất: nơi trƣớc ferit sẽ nghèo cacbon, nơi trƣớc xêmentit sẽ giàu

cacbon. Trong giai đoạn này cacbon (và nguyên tố HK) sẽ san bằng nồng độ.

- Thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ, không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ

làm hạt lớn và đƣợc chọn phụ thuộc với các công việc nhiệt luyện cụ thể.

4.2.3. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm

a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội của thép cùng

tích (giản đồ chữ “C”).

Từ giản đồ pha Fe - C, austenit chỉ chuyển biến thành peclit ở 7270C (tức ΔT =

0) khi làm nguội rất chậm, điều này không xảy ra trong thực tế. Xét một dạng làm

nguội ít gặp trong thực tế nhƣng lại tiện để xác định ảnh hƣởng của độ quá nguội đến

chuyển biến - làm nguội đẳng nhiệt đƣợc tiến hành cho thép cùng tích:

• Khái niệm chuyển biến: Làm nguội nhanh austenit xuống dưới Ac1, giữ

nhiệt rồi đo thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến từ austenit thành hỗn hợp

ferit - xêmentit, sau đó đánh dấu chúng trên biểu đồ hệ trục nhiệt độ - thời gian, nối

các điểm bắt đầu với nhau, các điểm kết thúc với nhau ta được giản đồ chuyển biến

đẳng nhiệt của austenit quá nguội - giản đồ hai đường cong hình chữ “C” (đƣợc

thực hiện bằng cách nhúng các mẫu nhỏ, mỏmg đã austenit hoá vào các bể muối với nhiệt độ

khác nhau).

H 4.2. Giản đồ đƣờng cong hình chữ ―C‖ của thép cùng tích.

• Các sản phẩm của sự phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội:

- ở trên 7270C là khu vực tồn tại của austenit ổn định,


58

- bên trái chữ ―C‖ đầu tiên - là austenit quá nguội, không ổn định (vì khi

austenit bị nguội tức thời xuống dƣới 7270C nó chƣa chuyển biến ngay mà còn tồn tại

một thời gian nhất định trƣớc khi chuyển biến, phân hoá).

- giữa hai chữ ―C‖ - austenit chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ, F, Xê),

- bên phải chữ ―C‖ thứ hai - các sản phẩm phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá

nguội là hỗn hợp của F - Xê với mức độ nhỏ mịn khác nhau,

- dƣới đƣờng Ms (~ 220 - 2500C) - mactenxit + austenit dƣ (nói tới phần sau).

• Làm nguội đẳng nhiệt với các mức độ nguội khác nhau, austenit quá

nguội sẽ phân hoá thành các hỗn hợp F - Xê có đặc điểm khác nhau:

- Khi giữ austenit quá nguội ở sát A1 (trên dưới 7000C, ΔT nhỏ, ~ 25

0C), sau

thời gian dài (~ 100s) nó mới bắt đầu phân hoá và tiếp theo (sau ~ 2000s) nó mới kết

thúc chuyển biến. Hỗn hợp F - Xê tấm tạo thành rất thô to với khoảng cách d giữa các

tấm khoảng 10-3

mm (cỡ micrômet) - gọi là peclit (tấm) với độ cứng thấp nhất (10 - 15

HRC).

- Khi giữ ở nhiệt độ thấp hơn (trên dưới 6500C, ΔT lớn hơn, ~ 75

0C), nó sẽ bắt

đầu và kết thúc phân hoá sau thời gian ngắn hơn rõ rệt ( sau gần 3 - 100s). Hỗn hợp F -

Xê tạo thành sẽ nhỏ mịn hơn đến mức không thể phân biệt đƣợc bằng kính hiển vi

quang học (với d ≈ 0,25 - 0,3μm) - gọi là xoocbit có độ cứng cao (25 - 35 HRC).

- Khi giữ ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi chữ ―C‖ (là lúc austenit quá

nguội kém ổn định nhất, khoảng 500 - 6000C), nó sẽ chuyển biến rất nhanh (khoảng

0,5 - 0,8s và 8s). Hỗn hợp F - Xê tạo thành sẽ nhỏ mịn hơn nữa, càng không thể phân

biệt đƣợc bằng kính hiển vi quang học (với d ≈ 0,10 - 0,15μm) - gọi là trôxtit với độ

cứng cao hơn nữa (40 HRC).

Cả ba chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, còn xoocbit, trôxtit đƣợc coi

là dạng phân tán của peclit.

- Tiếp tục giữ ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đoạn dƣới của chữ ―C‖, khoảng

450 - 2000C, thời gian chuyển biến sẽ lại kéo dài ra, cơ chế chuyển biến có thay đổi

chút ít - tổ chức gọi là bainit. Có thể coi bainit là hỗn hợp F - Xê ở dạng tấm nhƣ trên

song nhỏ mịn hơn nữa với độ cứng cao hơn (50 - 55 HRC).

Vậy về cơ bản có thể coi peclit (tấm), xoocbit, trôxtit và cả bainit có bản chất

giống nhau là hỗn hợp cơ học cùng tích của F và Xê tấm, trong đó theo thứ tự tấm

càng nhỏ mịn hơn và độ cứng càng cao hơn.

Giải thích: Khi tăng độ quá nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên

do đó xêmentit (cacbit) nhỏ mịn đi. Mặc dù lƣợng xêmentit không thay đổi (cùng

0,80%C với 12%

Xê + 88%F), nhƣng kích thƣớc xêmentit nhỏ đi tức là số các phần tử rắn này sẽ làm

tăng sự cản trƣợt ferit, nâng cao độ cứng, độ bền.

Tóm lại tổ chức nào tạo thành là ứng với nhiệt độ giữ đẳng nhiệt đó:

- khi ở nhánh trên sát A1 đƣợc peclit,

- khi ở đoạn ứng với phần lồi đƣợc trôxtit,

- khi ở giữa hai mức trên đƣợc xoocbit,

- khi ở nhánh dƣới đƣợc bainit.

• Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết

diện.

b. Sự phân hoá của austenit khi làm nguội liên tục

Thực tế thƣờng làm nguội liên tục, nên sự phân hoá austenit có đặc điểm sau:


59

1) Với các tốc độ nguội khác nhau, austenit bị quá nguội đến các nhiệt độ khác

nhau (tới điểm gặp các đƣờng cong chữ ―C‖) và phân hoá thành các tổ chức tương

ứng (hình 4.3):

- làm nguội chậm cùng lò - vectơ V1, nó cắt đƣờng cong chữ ―C‖ ở sát A1:

austenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ cao đƣợc peclit tấm với độ cứng thấp nhất.

- làm nguội trong không khí tĩnh - vectơ V2, nó cắt đƣờng cong chữ ―C‖ ở phần

giữa của nhánh trên: austenit quá nguội phân hoá thành xoocbit.

- làm nguội trong không khí nén - vectơ V3, nó cắt đƣờng cong chữ ―C‖ ở phần

lồi: austenit quá nguội phân hoá thành trôxtit.

- làm nguội trong dầu - vectơ V4, nó chỉ cắt phần lồi của đƣờng cong chữ ―C‖

thứ nhất: austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit và phần còn lại sẽ

chuyển biến thành mactenxit, cuối cùng có tổ chức trôxtit + mactenxit.

- làm nguội trong nƣớc lạnh - vectơ V5, nó không cắt đƣờng cong chữ ―C‖ nào,

tức là austenit không chuyển biến chút nào thành hỗn hợp F - Xê, phần lớn austenit

quá nguội chuyển thành mactenxit.

Vậy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tuỳ thuộc vào

vị trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội trên đường cong chữ “C”.

2) Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện nhất là

trong trƣờng hợp tiết diện lớn (do mặt ngoài bị nguội nhanh hơn trong lõi).

3) Không đạt được tổ chức hoàn toàn là bainit (thấy về mặt hình học trên giản

đồ), mà chỉ đạt đƣợc nó khi làm nguội đẳng nhiệt.

4) Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon. Với thép HK, vị trí của đƣờng

cong chữ ―C‖ dịch sang phải với các mức độ khác nhau nên các đặc điểm trên có thể

phù hợp hay không phù hợp hoàn toàn:

- Tốc độ nguội cần thiết để đạt đƣợc tổ chức trên sẽ giảm đi một cách tƣơng

ứng, VD: khi làm nguội cùng lò (V1) cũng có thể đạt được xoocbit, trôxtit; với một

số thép HK cao khi làm nguội trong không khí (V2, V3) có thể đạt được tổ chức

mactenxit.

- Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện giảm đi thậm chí có thể đạt

đƣợc đồng nhất ngay với tiết diện lớn.

c. Giản đồ đƣờng cong hình chữ “C” của thép khác cùng tích

Các thép trƣớc và sau cùng tích cũng có dạng giản đồ hình chữ ―C‖ nhƣ thép

cùng tích song phức tạp hơn - có thêm nhánh phụ ở phía trên, bên trái chữ ―C‖ thứ

nhất biểu thị sự tiết ra F hoặc Xê (tuỳ thuộc vào thép trƣớc hay sau cùng tích) trƣớc

H 4.3. Giản đồ đƣơng cong hình chữ

―C‖ của thép cùng tích và các vectơ

biểu thị tốc độ nguội

V1<V2<V3<V4<V5


60

khi phân hoá thành hỗn hợp F - Xê và đƣờng ngang A3 hay Acm (H 4.4). Có ba đặc

điểm khác biệt sau:

1) Vị trí các đƣờng cong dịch sang trái một chút, càng xa cùng tích sự lệch càng

nhiều, nghĩa là tính ổn định của austenit quá nguội kém hơn, điều đó giải thích bằng sự

khó đạt đƣợc austenit đồng nhất khi nung nóng.

2) Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (đƣờng 1) hay làm nguội

chậm liên tục (đƣờng 2), đầu tiên austenit quá nguội tiết ra F (với thép trƣớc cùng tích)

và XêII (với thép sau cùng tích) trƣớc (khi vectơ nguội gặp nhánh phụ), sau đó mới

phân hoá ra hỗn hợp F - Xê. Tổ chức đạt đƣợc sau khi nguội là:

- Với thép trƣớc cùng tích là F + P (đôi khi F + xoocbit),

- Với thép sau cùng tích là P + XêII (đôi khi xoocbit + XêII).

3) Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn hay làm nguội (liên tục)

đủ nhanh, vectơ biểu diễn quá trình nguội không gặp nhánh phụ, austenit quá nguội

phân hoá ngay ra hỗn hợp F - Xê dƣới dạng xoocbit, trôxtit, bainit (riêng bainit chỉ khi

làm nguội đẳng nhiệt).

Thép HK ngoài ảnh hƣởng của cacbon còn chịu ảnh hƣởng mạnh của các

nguyên tố HK, đƣờng cong chữ ―C‖ dịch rất mạnh sang phải, làm tăng tính ổn định

của austenit quá nguội.

4.2.4. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh – Chuyển biến mactenxit

a. Thực chất chuyển biến Làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn quá

trình nguội của nó không cắt đường cong chữ “C”, thì nó không kịp chuyển biến

thành hỗn hợp F - Xê, mà chỉ có chuyển biến thù hình (chuyển kiểu mạng tinh thể)

của Feγ sang Fe (tức không có sự tập trung của cacbon để tạo nên xêmentit Fe3C)

xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 250 - 2200C trở xuống).

Tốc độ nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là tốc độ ứng với vectơ tiếp

xúc đƣờng ―C‖ thứ nhất ở phần lồi, gọi là tốc độ tôi tới hạn Vth (H 4.6). Vậy khi làm

nguội nhanh

H 4.4. Dạng tổng quát của giản đồ

đƣờng cong hình chữ ―C‖của thép

khác cùng tích.

H 4.5. Sự tiết ra F hay XêII khi làm nguội

đẳng nhiệtvới độ quá nguội nhỏ (1) và

chậm liên tục(2).


61

liên tục austenit (với tốc độ ≥Vth) sẽ nhận đƣợc mactenxit, đó là tổ chức đặc trƣng của

quá trình làm nguội nhanh liên tục (tôi).

b. Bản chất của mactenxit

Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hoà cacbon trong Feα với nồng

độ cacbon như của austenit, có kiểu mạng chính phương tâm khối và có độ cứng

cao.

Giải thích:

- Do làm nguội nhanh, cacbon trong Feγ không kịp tiết ra (để tạo thành Xê), khi

đạt đến nhiệt độ tƣơng đối thấp chỉ xảy ra quá trình chuyển mạng của Feγ sang Feγ:

(austenit) Feγ (C) → Feα (C) (mactenxit)

vì thế nồng độ cacbon trong hai pha này luôn bằng nhau.

- Với nồng độ cacbon thông thƣờng(VD 0,80%) trong Feγ sẽ quá bão hoà ở

trong Fe vì độ hoà tan cacbon trong dạng thù hình này rất thấp (0,006 - 0.02%).

- Nguyên tử cacbon hoà tan trong Fe bằng cách xen vào các lỗ hổng của mạng

này. Cacbon nằm ở trong lỗ hổng tám mặt tức là ở giữa các mặt bên hay giữa các cạnh

của ô cơ sở. Do lỗ hổng này không đối xứng nên quả cầu cacbon khi lọt vào sẽ làm

giãn các nguyên tử Fe ra xa không đều, kéo dài một cạnh ra mạnh hơn so với hai cạnh

kia, làm cho mạng từ lập phƣơng tâm khối của Fe chuyển sang chính phƣơng tâm

khối. Tỉ số c/a đƣợc gọi là độ chính phƣơng của mactenxit, có giá trị thay đổi trong

khoảng từ 1,001 - 1,06.

c H 4.7. Ô cơ sở của mạng

tinh thể mactenxit.

a

- Nguyên tử cacbon chui vào lỗ hổng của Fe làm cho mạng tinh thể của sắt bị

xô lệch, trở nên khó biến dạng dẻo, có độ cứng cao nhất (cao hơn cả bainit, trôxtit ...,

chúng chỉ là hỗn hợp F - Xê, trong đó F dẻo nên vẫn có thể biến dạng đƣợc).

c. Đặc điểm của chuyển biến mactenxit

1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục austenit với tốc độ ≥ Vth , nó không

xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt.

- Fe

- C

H 4.6. Giản đồ đƣờng cong chữ ―C‖ và tốc

độ tôi tới hạn Vth ( m và T0

m - thời gian và

nhiệt độ ứng với austenit kém ổn định

nhất).

.


62

2) Chuyển biến là không khuyếch tán: cacbon hầu nhƣ không khuếch tán, còn

sắt chuyển dời vị trí để tạo kiểu mạng mới là lập phƣơng tâm khối (không vƣợt qua

thông số mạng).

3) Là quá trình tạo ra không ngừng các tinh thể mới với tốc độ phát triển rất lớn,

hàng nghìn m/s. Tinh thể mactenxit có dạng hình kim, đầu nhọn làm với các góc 600

hay 1200.

4) Chỉ xảy ra khoảng giữa hai nhiệt độ (điểm) bắt đầu Ms và kết thúc Mf (vói

nghĩa s - start - bắt đầu, f - finish kết thúc). Ngoài khoảng đó austenit quá nguội không

chuyển biến thành mactenxit. Vị trí của hai điểm này không phụ thuộc vào tốc độ

nguội mà chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và HK của austenit, nói chung càng

nhiều cacbon và nguyên tố HK (trừ Si, Co, Al) thì các điểm này càng thấp.

5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn. Khi càng gần điểm Mf , lƣợng

mactenxit tạo thành càng nhiều song không bao giờ đạt tỉ lệ 100% mactenxit, mà vẫn

còn một lƣợng nhất định pha ban đầu (austenit) không thể chuyển biến - gọi là austenit

dƣ.

d. Cơ tính của mactenxit

• Độ cứng cao: là do cacbon hoà tan xen kẽ làm xô lệch mạng tinh thể cảu sắt,

nên nó chỉ phụ thuộc nồng độ cacbon quá bão hoà trong nó - nồng độ cacbon càng cao,

xô lệch mạng càng mạnh, c/a càng lớn - độ cứng sẽ càng cao. Qua thực nghiệm thấy

rằng:

- mactenxit chứa ít cacbon, ≤ 0,25%C, độ cứng không cao chỉ khoảng ≤ 40

HRC,

- mactenxit chứa cacbon trung bình 0,40 - 0,50%, độ cứng tƣơng đối cao, ≥ 50

HRC.

- mactenxit chứa cacbon cao, ≥ 0,60%C, độ cứng cao, khoảng ≥ 60 HRC.

Độ cứng của thép tôi là độ cứng tổng hợp của mactenxit + austenit dƣ, đôi khi

cả cacbit (XêII) nữa.

Độ cứng cao dẫn đến nâng cao tính chống mài mòn là ƣu điểm của pha

mactenxit, song nó chỉ phát huy ở những thép có ≥ 0,40%C.

• Tính giòn cao: là nhƣợc điểm của mactenxit, sẽ hạn chế hoặc thậm chí không

sử dụng đƣợc. Nguyên nhân là do xô lệch mạng, ngoài ra còn do ứng suất dƣ (ứng suất

bên trong) trong nó. Thƣờng khi độ cứng cao thì tính giòn cũng cao, nó còn phụ thuộc

vào các yếu tố sau:

+ Kim mactenxit càng nhỏ, tính giòn càng thấp, muốn đạt đƣợc điều này hạt

austenit khi nung nóng phải nhỏ,

+ Ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp.

4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) (tự đọc- tự nghiên cứu)

Thép sau khi tôi đạt tổ chức mactenxit và một lƣợng austenit dƣ, có độ cứng cao

song lại có tính giòn lớn, tồn tại ứng suất bên trong, tổ chức không ổn định chƣa phù

hợp với điều kiện làm việc, cần phải có thêm sau đó một nguyên công chính - nung

nóng lại , gọi là ram.

a. Tính không ổn định của mactenxit và austenit

Từ nhiệt độ thƣờng đến 7270C tổ chức ổn định của thép là hỗn hợp F - Xê tức

peclit. Do vậy mactenxit và austenit dƣ đều là các pha không ổn định, có khuynh

hƣớng chuyển biến thành hỗn hợp đó.


63

• Mactenxit không ổn định là do quá bão hoà cacbon, lƣợng cacbon thừa sẽ tiết

ra ở dạng Xê và phần còn lại mất hết cacbon trở thành ferit:

Feα (C) → Fe3 C + Feα

• Austenit không tồn tại ổn định dƣới 727 0C và có khuynh hƣớng chuyển thành

F - Xê:

Feγ (C) → Fe3 C + Feα

Chú ý:

- Mactenxit và austenit có khuynh hƣớng biến thành hỗn hợp F - Xê, song ở

nhiệt độ thƣờng chuyển biến này xảy ra rất chậm đến mức khó nhận thấy, vì thế trong

thực tế phải nung nóng để thúc đẩy quá trình chuyển biến này.

- Cả hai pha này đều không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F - Xê mà phải qua

tổ chức trung gian là mactenxit ram theo sơ đồ:

mactenxit

mactenxit ram → [F - Xê] .

austenit dƣ

b. Các chuyển biến xảy ra khi ram

Theo sự tăng nhiệt độ nung nóng, thép cùng tích (0,80%C) đã tôi với tổ chức

mactenxit + austenit dƣ lần lƣợt qua các giai đoạn với các chuyển biến nhƣ sau:

1) Giai đoạn I (< 2000C)

- < 80 0C chƣa có chuyển biến gì,

- Từ 80 - 200 0C chỉ có mactenxit chuyển biến: cacbon trong nó tập trung lại,

tiết ra ở dạng các phần tử cacbit ε với công thức Fex C (x thay đổi trong phạm vi từ 2,0

- 2,4) ở dạng tấm mỏng và phân tán, lƣợng cacbon còn lại giảm từ 0,8% xuống khoảng

0,25 - 0,4% với tỉ số c/a giảm đi. Hỗn hợp mactenxit ít cacbon và cacbit ε đó gọi là

mactenxit ram, có sơ đồ:

(mactenxit tôi) Feα (C)0,8 → [Feα (C)0,25 - 0,4 + Fe2 - 2,4 C] (mactenxit ram)

Vậy cuối giai đoạn này thép có tổ chức mactenxit ram và austeniti dƣ.

2) Giai đoạn II (200 - 2600C)

Cacbon vẫn tiếp tục tiết ra khỏi mactenxit làm cacbon trong dung dịch rắn chỉ

còn khoảng 0,15 - 0,20%, đồng thời có chuyển biến mới - austenit dƣ thành mactenxit

ram:

(austenit dư) Feγ (C)0,8 → [Feα (C)0,15 - 0,20 + Fe2 - 2,4 C] (mactenxit ram)

Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit gồm cacbit ε và mactenxit

nghèo cacbon (0,15 - 0,20%C).

Mactenxit ram là tổ chức cứng không kém (nếu có chỉ là chút ít) mactenxit tôi,

song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong (do cacbon tiết ra bớt khỏi

dung dịch rắn, giảm chút ít xô lệch mạng).

3) Giai đoạn III (260 - 4000C)

Cả hai pha mactenxit nghèo cacbon và cacbit ε đều chuyển biến:

- Tất cả cacbon bão hoà tiết ra khỏi mactenxit dƣói dạng cacbit, độ chính

phƣơng không còn, c/a = 1, mactenxit nghèo cacbon trở thành ferit.

- Cacbit ε (Fe2 - 2,4 C) ở dạng tấm mỏng biến thành xêmentit Fe3 C ở dạng

hạt.

Sơ đồ chuyển biến của giai đoạn:

Feα (C)0,15 - 0,20 → Feα + Fe3 Chạt

Fe2 - 2,4 C → Fe3 Chạt


64

là hỗn hợp của F - Xê ở dạng hạt rất nhỏ mịn và phân tán, được gọi là trôxtit ram. Do

cacbon tiết ra hết khỏi dung dịch rắn (mactenxit) nên đến giai đoạn này:

- Độ cứng giảm đi rõ rệt song vẫn còn tƣơng đối cao (45 HRC với thép cùng

tích).

- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi.

4) Giai đoạn IV (> 4000C)

Thép tôi lúc này không có chuyển biến pha gì mới, chỉ có quá trình kết tụ (sát

nhập, lớn lên) của các phần tử Xê ở dạng hạt.

- Từ 500 - 6500C được hỗn hợp F - Xê hạt nhỏ mịn và khá phân tán gọi là

xoocbit ram với đặc tính có giới hạn chảy cao và độ dai va đập tốt nhất.

- Gần A1 (7270C) được hỗn hợp F - Xê hạt có thể phân biệt đƣợc dƣới kính

hiển vi quang học, gọi là peclit hạt.

Do Xê kết tụ nên khi nung nóng đến giai đoạn này độ cứng của thép tôi giảm đi

mạnh, thép càng dễ gia công cắt gọt..

Tóm lại, ram là quá trình phân huỷ mactenxit, làm giảm độ cứng cao, ứng

suất bên trong đạt được của thép khi tôi, tuy nhiên tuỳ thuộc nhiệt độ tiến hành có

thể đạt được các yêu cầu cơ tính khác nhau phù hợp với các điều kiện tải trọng tác

dụng rất đa dạng trong chế tạo cơ khí.

4.3. Ủ và thƣờng hoá

4.3.1. Ủ thép

a. Định nghĩa và mục đích

• Định nghĩa

Ủ thép là phƣơng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt lâu rồi

làm nguội chậm cùng lò để đạt đƣợc tổ chức ổn định peclit với độ cứng thấp nhất và

độ dẻo cao.

• Mục đích

Có nhiều phƣơng pháp ủ mà mỗi phƣơng pháp chỉ đạt đƣợc một, hai hay ba

trong số năm mục đích sau:

1) Giảm độ cứng thép để dễ gia công cắt.

2) Tăng độ dẻo để dễ biến dạng (dập, cán, kéo) nguội.

3) Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong gây nên bởi gia công cắt, đúc,

hàn, biến dạng dẻo.

4) Làm đồng đều thành phần hoá học trên vật đúc bị thiên tích.

5) Làm nhỏ hạt thép.

Theo chuyển biến peclit → austenit xảy ra khi nung nóng, chia ra hai nhóm ủ:

có và không có chuyển biến pha.

b. Các phƣơng pháp ủ không có chuyển biến pha

Là phƣơng pháp có nhiệt độ ủ < Ac1 nên không có chuyển biến khi nung nóng,

do đó không làm biến đổi tổ chức của thép.

• Ủ thấp

- Nhiệt độ ủ 200 - 600 0C.

- Mục đích làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở vật đúc hay sản phẩm qua

gia công cơ khí. Nếu nhiệt độ ủ là 200 - 3000C chỉ khử bỏ một phần, còn nếu ở 450 -

6000C sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong.


65

- Áp dụng cho các chi tiết máy chỉ đòi hỏi làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên

trong.

• Ủ kết tinh lại

- Đối với thép cacbon nhiệt độ ủ ở 600 - 7000C, mục đích làm giảm độ cứng.

- Áp dụng cho các thép qua biến dạng nguội, bị biến cứng cần khôi phục tính

dẻo, độ cứng ở mức nhƣ trƣớc biến dạng.

Nói chung phƣơng pháp ủ này không đƣợc áp dụng cho thép vì phần bị biến

dạng sau khi kết tinh lại sẽ có hạt rất lớn, thép bị giòn. Thƣờng áp dụng với KL, HK

không có chuyển biến thù hình nhƣ nhôm, đồng.

c. Các phƣơng pháp ủ có chuyển biến pha Có nhiệt độ ủ > Ac1 nên có xảy ra chuyển biến peclit → austenit khi nung

nóng với tác dụng làm nhỏ hạt, nên khi làm nguội chậm austenit hạt nhỏ lại chuyển

biến thành peclit với kích thƣớc hạt nhỏ. • Ủ hoàn toàn

Áp dụng cho thép trƣớc cùng tích với cacbon khoảng 0,30 - 0,65% với đặc

điểm nung nóng thép tới trạng hoàn toàn là austenit, tức > Ac3: T0

ủ = Ac3 + (20 -

300C).

Mục đích:

- Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung quá Ac3 khoảng (20 - 300C) thì hạt austenit nhận

đƣợc vẫn nhỏ, nên khi làm nguội tiếp theo tổ chức F - P nhận đƣợc cũng có hạt nhỏ.

- Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt dập nguội với độ cứng (160 -

200) HB. Khi nung nóng để ủ hoàn toàn ta đƣợc austenit đồng nhất nên khi làm

nguội sẽ phân hoá ra tổ chức F - P , trong đó P ở dạng tấm.

• Ủ không hoàn toàn

- Áp dụng cho thép dụng cụ có thành phần cacbon cao ≥ 0,70% (các thép cùng

tích, sau cùng tích và thép trƣớc cùng tích với 0,70%C).

- Đặc điểm là nung thép tới trạng thái không hoàn toàn là austenit tức > A1

nhƣng < Accm: T0

ủ = Ac1 + (20 - 300C) = 750 - 760

0C.

- Mục đích: tạo thành peclit hạt với độ cứng thấp HB < 220 dễ gia công cắt hơn.

Tổ chức tạo thành peclit hạt do nhiệt độ nung thấp, austenit tạo thành chƣa kịp

tiến hành đồng đều hoá thành phần hoặc vẫn còn phần tử xêmentit của peclit chƣa

chuyển biến xong hoặc xêmentit II, làm cho sự tạo thành peclit hạt dễ dàng.

• Ủ cầu hóa

Là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, nhiệt độ nung dao động tuần hoàn

trên dưới Ac1: nung lên 750 - 760 0C giữ nhiệt khoảng 5 phút làm nguội xuống 650 -

660 0C giữ nhiệt khoảng 5 phút ... , lặp đi lặp lại nhiều lần nó sẽ xúc tiến nhanh quá

trình cầu hoá xêmentit để tạo thành peclit hạt.

• Ủ đẳng nhiệt

Đối với thép HK cao do austenit quá nguội có tính ổn định quá lớn (đƣờng cong

chữ ―C‖ dịch sang phải rất mạnh), nên dù làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt

đƣợc tổ chức peclit mà ra các tổ chức cứng hơn peclit - xoocbit, xoocbit, xoocbit -

trôxtit ... nên thép không đủ mềm để dễ gia công cắt. Muốn vậy để nhận được tổ chức

peclit, ta làm nguội đẳng nhiệt ở nhiệt độ < Ar1 khoảng 500 0C trong thời gian nhất

định. Áp dụng: cho thép HK cao để rút ngắn thời gian ủ.

• Ủ khuếch tán


66

- Nung nóng thép lên đến nhiệt độ rất cao 1100 – 11500C trong nhiều giờ (10 -

15 giờ) để làm tăng khả năng khuếch tán, làm đều thành phần hoá học giữa các vùng.

- Áp dụng: cho thép HK cao khi bị đúc thiên tích phải làm đều thành phần. Sau

khi ủ xong hạt rất to nên sau đó phải đƣa đi cán nóng hoặc ủ lại theo một trong ba

phƣơng pháp trên.

Cần chú ý: Các phƣơng pháp ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm nguội trong lò

đến 600 – 6500C, lúc đó sự tạo thành peclit đã hoàn thành nên có thể đƣa vật ra nguội

ngoài không khí.

4.3.2. Thường hoá thép (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Định nghĩa

Là phƣơng pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn

là austenit (cao hơn A3 hay Acm), giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí

tĩnh để austenit phân hoá thành tổ chức gần ổn định: peclit phân tán hay xoocbit với

độ cứng tƣơng đối thấp (nhƣng cao hơn ủ một chút).

Một số nét đặc trƣng so với ủ:

- Nhiệt độ: giống nhƣ ủ hoàn toàn nhƣng đƣợc áp dụng cho cả thép sau cùng tích:

T0

th = A3 + (30 500C) cho thép trƣớc cùng tích

T0

th = Acm + (30 500C) cho thép sau cùng tích.

- Tốc độ nguội: nhanh hơn đôi chút, trong không khí tĩnh - đây là cách làm nguội

thông thƣờng, đơn giản nhất nên có tên là thƣờng hoá.

- Tổ chức và cơ tính: tổ chức đạt đƣợc gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi

chút.

b. Mục đích và lĩnh vực áp dụng

Mục đích gần giống với ủ, thƣờng nhằm vào ba mục đích sau.

1) Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt cho thép cacbon thấp (≤ 0,25%). Nếu

ủ hoàn toàn thép sẽ đạt độ cứng quá thấp (140 - 160 HB), quá dẻo, phoi khó gãy nên

khó cắt gọt, nếu thƣờng hoá sẽ có độ cứng cao hơn, thích hợp cho gia công cắt.

Cần nhớ để bảo đảm tính gia công cắt:

+ thép ≤ 0,25%C - phải thƣờng hoá,

+ thép 0,30 - 0,65%C - phải ủ hoàn toàn,

+ thép ≥ 0,70%C - phải ủ không hoàn toàn (ủ cầu hoá)

2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc. Khi thƣờng hoá tạo ra

tổ chức peclit phân tán hay xoocbit trong đó có xêmentit hạt nhỏ, rất thuận lợi để tạo

hạt austenit nhỏ mịn khi nung nóng cho nhiệt luyện kết thúc, áp dụng cho các thép kết

cấu trƣớc khi tôi.

3) Làm mất lưới xêmentit II của thép sau cùng tích. Thép sau cùng tích thƣờng

có XêII ở dạng lƣới làm thép giòn (pha giòn ở dạng liên tục vừa tăng mạnh tính giòn,

vừa ảnh hƣởng xấu đến nhẵn bóng khi cắt gọt). Thƣờng hoá với tốc độ nguội nhanh

hơn ủ làm XêII không kịp tiết ra ở dạng liền nhau (liên tục), mà rời rạc, cách xa nhau,

do đó ít làm hại tính dẻo.

4.4. Tôi thép

4.4.1. Định nghĩa và mục đích

a. Định nghĩa


67

Là phƣơng pháp nhiệt luyện bao gồm: nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn A1

để làm xuất hiện austenit, giữ nhiệt, rồi làm nguội nhanh thích hợp để biến nó thành

mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao.

Một số đặc trƣng:

- Nhiệt độ tôi > A1 để có austenit (có thể giống ủ hoặc thƣờng hoá).

- Tốc độ làm nguội nhanh làm cho ứng suất nhiệt cũng nhƣ ứng suất tổ chức đều

lớn, dẽ gây nứt, biến dạng, cong vênh.

- Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định.

b. Mục đích

1) Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (kết hợp với ram thấp), nhờ đó

kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy chịu mài mòn và tất cả dụng cụ. Tuy nhiên không

phải mọi loại thép đem tôi đều đạt độ cứng và tính chống mài mòn theo ý muốn.

Thép có cacbon ≤ 0,35% khi tôi độ cứng < 50 HRC - chƣa đủ để có tính chống

mài mòn, chỉ các thép ≥ 0,40%C mới đạt mục đích này, trong đó:

+ thép 0,40 - 0,65%C đạt độ cứng 52 - 58 HRC có tính chống mài mòn đáng

kể,

+ thép 0,70 - 1,00%C đạt độ cứng 60 - 64 HRC có tính chống mài mòn cao,

+ thép 1,00 - 1,50%C đạt độ cứng 65 - 66 HRC có tính chống mài mòn rất cao.

2) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy. Sau khi tôi kết hợp với

ram ở nhiệt độ cao hơn tuy độ cứng, tính chống mài mòn giảm đi, song do mất hoàn

toàn ứng suất bên trong và đạt hỗn hợp F - Xê hạt ở các độ phân tán khác nhau sẽ

đạt đƣợc các kết hợp cơ tính khác nhau: giới hạn bền, giới hạn đàn hồi cao đến giới

hạn chảy cao cùng với độ dẻo, dai thích hợp với điều kiện làm việc khác nhau của chi

tiết máy.

Tuy nhiên nếu cacbon quá thấp ≤ 0,10% hiệu quả tăng độ bền thấp, còn ≥

0,65% thì lại có tính giòn cao nên khó tăng độ bền đƣợc. Vậy để đạt độ bền cao mà

không bị giòn thƣờng dùng thép 0,15 - 0,65% qua tôi + ram.

4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép

a. Đối với thép trƣớc cùng tích ( ≤ 0,80%C)

Nhiệt độ tôi lấy cao hơn A3, tức nung nóng tới trạng thái hoàn toàn là austenit -

gọi là tôi hoàn toàn:

T0

tôi = Ac3 + (30 - 500C)

tỏ chức đạt đƣợc là mactenxit + austenit dư.

b. Đối với thép sau cùng tích ( ≥ 0.90%C)

Nhiệt độ tôi chỉ lấy cao hơn A1, tức nung nóng tới trạng thái không hoàn toàn là

austenit ( ó + XêII) - gọi là tôi không hoàn toàn:

T0

tôi = Ac1 + (30 - 500

C) ≈ 760 - 7800 C

tổ chức đạt đƣợc là mactenxit + xêmentit + austenit dư.

c. Giải thích lý do chọn nhiệt độ tôi

+ Với thép trƣớc cùng tích, khi tôi không hoàn ngoài mactenxit ra vẫn còn ferit

(γ + → M + ), đó là pha mềm ngoài làm giảm độ cứng còn gây ảnh hƣởng xấu tới

độ bền, tính chống mài mòn cho thép. Còn khi tôi hoàn toàn tất cả ferit hoà tan vào

austenit, nên tổ chức sau khi tôi chủ yếu là mactenxit, không có ferit dƣ nên độ cứng

đạt đƣợc giá trị cao nhất.


68

+ Với thép sau cùng tích, khi nung để tôi hoàn toàn sẽ đạt đƣơc hoàn toàn là tổ

chức austenit với nồng độ cacbon cao nhƣ thành phần của thép, nên sau khi làm nguội

nhanh ngoài mactenxit còn có nhiều austenit dƣ làm giảm độ cứng của thép tôi. Hơn

nữa khi tôi hoàn toàn thép sau cùng tích, nhiệt độ tôi sẽ quá cao (do đƣờng SE dốc hơn

và lồi cong lên), dễ gây hạt lớn, thoát cacbon, ôxy hoá và giòn sau khi tôi.

Ngƣợc lại khi nung để tôi không hoàn toàn sẽ đƣợc tổ chức không hoàn toàn là

austenit (gồm austenit chứa khoảng 0,85%C và XêII), do đó khi làm nguội nhanh

austenit biến thành mactenxit. Mặt khác XêII có độ cứng cao không kém gì mactenxit,

lại còn làm tăng mạnh tính chống mài mòn của thép.

d. Đối với thép HK

Đƣợc phân làm hai trƣờng hợp:

+ Với thép HK thấp (VD 0,40%C + 1,00%Cr), nhiệt độ tôi không khác gì thép

cacbon tƣơng đƣơng (tức chỉ có 0,40%C) hay có sai khác thƣờng tăng lên (10 - 20%).

+ Với thép HK trung bình và cao, nhiệt độ tôi khác nhiều với thép cacbon tƣơng

đƣơng, không thể lấy nó làm cơ sở để tính ra nhiệt độ cụ thể, mà phải tra trong các

sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật.

4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Tốc độ tôi tới hạn

Là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để austenit chuyển biến thành mactenxit. Có

thể xác định giá trị gần đúng theo giản đồ hình chữ ―C‖ và theo công thức sau:

Vth = (A1 - T0

m) / m 0C/s

trong đó: A1 - nhiệt độ tới hạn dƣới của thép, 0C.

T0

m , m - nhiệt độ và thời gian ứng với austenit kém ổn định nhất, 0C, s.

Tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ càng dễ tôi, tức là không cần làm nguội nhanh

cũng có thể đặt đƣợc tổ chức mactenxit. Việc làm nguội chậm cũng có thể đạt đƣợc tổ

chức mactenxit sẽ rất có lợi vì nó có khả năng tạo ra độ cứng cao đồng thời sự biến

dạng nhỏ và không bị nứt.

b. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ tôi tới hạn

Mọi yếu tố làm tăng hay giảm tính ổn định của austenit quá nguội đều làm giảm

hay tăng giá trị của Vth, các yếu tố đó là:

- Thành phần HK của austenit. Austenit càng giàu các nguyên tố HK (trừ

côban) đƣờng ―C‖ càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ.

- Sự đồng nhất của austenit. Austenit càng đồng nhất càng dễ biến thành

mactenxit. Khi nó không đồng nhất, ở những vùng giàu cacbon dễ biến thành xêmentit

hay cacbit, vùng nghèo cacbon dễ biến thành ferit. Nâng cao nhiệt độ tôi sẽ giúp hoà

tan và làm đồng đều hoá cacbon, sẽ nâng cao tính đồng nhất của austenit, làm giảm

Vth.

- Các phần tử rắn chưa tan hết vào austenit thúc đẩy chuyển biến tạo thành hỗn

hợp ferit - cacbit, làm tăng Vth.

- Kích thước hạt austenit càng lớn, biên giới hạt càng ít, càng khó chuyển biến

thành hỗn hợp ferit - cacbit, làm giảm Vth.

c. Độ thấm tôi


69

Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức mactenxit. Vì trong nhiều

trƣờng hợp mactenxit không thể tạo thành trên toàn tiết diện, mà chỉ có ở bề mặt ăn

sâu vào bên trong đến chiều sâu nhất định.

• Cách xác định (biểu diễn trên H 4.8):

Khi làm nguội (lúc tôi) tốc độ nguội ở bề mặt bao giờ cũng cao hơn trong lõi

nên phân bố trên đƣờng kính có dạng hình chữ ―V‖, do đó chỉ có lớp bề mặt với chiều

dày ọ có Vnguội ≥ Vth mới có tổ chức mactenxit cứng, còn phần lõi còn lại có Vnguội ≤

Vth có tổ chức ferit - xêmentit mềm hơn. Chiều dày δ của lớp đƣợc tôi cứng đồng nhất

là độ thấm tôi.

• Các yếu tố ảnh hưởng

- Tốc độ tôi tới hạn Vth càng nhỏ, độ thấm tôi càng cao. Mọi yếu tố làm giảm Vth

đều làm tăng độ thấm tôi.

- Tốc độ làm nguội nhanh cũng làm tăng độ thấm tôi (chữ ―V‖ sẽ nâng lên cao,

giao điểm của nó với đƣờng ngang Vth sẽ đi sâu vào lõi ...). Biện pháp này dễ gây nứt,

biến dạng

D A1

Vbm

Vth Vlõi

Vlõi Ms

Vbm Vth

Thời gian

.

• Ý nghĩa

Độ thấm tôi biểu thị khả năng hoá bền của thép bằng tôi + ram, hay nói cho

đúng hơn là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết đƣợc hoá bền nhờ tôi + ram.

d. Tính thấm tôi và tính tôi cứng

- Tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao khi tôi, nó phụ thuộc vào lƣợng

cacbon của austenit (của thép) mà ít phụ thuộc lƣợng nguyên tố HK. Thép có cacbon

càng cao tính tôi cứng càng lớn.

- Tính thấm tôi là khả năng tăng chiều dày của lớp tôi cứng, nó phụ thuộc chủ

yếu vào mức độ HK hoá của austenit mà ít phụ thuộc vào lƣợng cacbon. Thép HK

càng cao có tính thấm tôi càng lớn.

4.4.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi

a. Các môi trƣờng tôi

• Yêu cầu đối với môi trường tôi

- Phải làm nguội nhanh thép sao cho đạt tổ chức mactenxit, là yêu cầu đầu tiên.

- Không làm thép bị nứt, biến dạng (cho phép biến dạng nhỏ trong phạm vi cho

phép),

Do vậy môi trƣờng tôi đem dùng phải có khả năng làm nguội khác nhau ở các

khoảng nhiệt độ khác nhau, biểu diễn bằng vectơ nguội tƣơng quan H 4.9, nhƣ sau:

H 4.8. Sơ đồ giải

thích độ thấm tôi.


70

A1

Ms

thời gian

• Các môi trường tôi thường dùng

+ Nƣớc: là môi trƣờng tôi mạnh, an toàn, rẻ, dễ kiếm và thƣờng dùng.

Nước lạnh (10 - 300C) là môi trường tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớn,

400 - 8000C/s), song không thích hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp.

Khi hoà tan vào nƣớc một lƣợng (10%) các muối (NaCl, Na2CO3) hay xút

(NaOH), khả năng tôi cứng thép của dung dịch tăng lên (do tăng tốc độ nguội ở nhiệt

độ cao) song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu nhƣ không tăng tốc độ nguội ở nhiệt

độ thấp) so với nƣớc. Dung dịch này đƣợc dùng để tôi thép cacbon có Vth lớn (>

6000C/s), chủ yếu cho thép dụng cụ cacbon (loại cần độ cứng cao).

+ Dầu: có đặc tính đối lập với thép, nó làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng

nhiệt độ nên ít gây biến dạng, nứt nhƣng khả năng tôi cứng lại kém.

Dầu là môi trường tôi cho thép HK (loại có Vth nhỏ, < 1500C/s), các chi tiết có

hình dạng phức tạp.

Tuy nhiên khi sử dụng tôi nƣớc hay tôi dầu cần lƣu ý:

- Chi tiết tuy bằng thép cacbon song có tiết diện nhỏ (Φ < 10), hình dạng đơn

giản (nhƣ trục trơn) có thể đem tôi dầu. Chi tiết tiết diện nhỏ song hình dạng phức tạp

dù về mặt độ bền với thép cacbon cũng đƣợc vẫn phải chuyển sang làm bằng thép HK.

- Chi tiết tuy bằng thép HK song có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản nếu tôi

dầu không đạt độ cứng có thể chuyển sang tôi nƣớc.

Hiện nay đã dùng các môi trƣờng tôi mới: dung dịch nƣớc có pha chất hoá học

(nhƣ polyme), có tác dụng giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp nên giảm đƣợc nứt, cong

vênh.

Ngoài ra có thể dùng môi trƣờng tôi là khí nén, luồng gió thổi, không khí tĩnh ...

có tốc độ nguội chậm, thích hợp cho thép HK cao.

b. Các phƣơng pháp tôi thể tích và công dụng

1) Tôi trong một môi trường và các môi trường tôi thường dùng

Là phƣơng pháp tôi quan trọng nhất, đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Đƣờng làm

nguội khi tôi biểu diễn bằng đường a (H 4.10), tức là nhúng, đưa vào trong một môi

trường làm nguội nhanh thích hợp cho đến khi thép đƣợc nguội hẳn.

H 4.9. Đƣờng cong lý tƣởng làm

nguội khi tôi


71

A1

Ms

a b c d

thời gian

2) Tôi trong hai môi trường (nước qua dầu)

Biểu thị bằng đường b, nó tận dụng đƣợc ƣu điểm của nƣớc lẫn dầu. Đầu tiên

thép đƣợc làm nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh - nƣớc, nƣớc pha muối, xút đến

khi sắp xảy ra chuyển biến mactenxit (300 - 4000C) thì chuyển sang làm nguội chậm

trong môi tường tôi yếu là dầu (hay không khí) cho đến khi nguội hẳn. Nhƣ vậy vừa

đảm bảo độ cứng cao cho thép vừa ít gây biến dạng, nứt.

Nhƣợc điểm về mặt công nghệ là khó xác định thời điểm chuyển môi trƣờng

(thƣờng rất ngắn, chỉ vài giây): nếu quá sớm (khi nhiệt độ của thép còn cao) không đạt

độ cứng cao do có chuyển biến thành hỗn hợp F - Xê khi làm nguội chậm tiếp theo,

nếu quá muộn thì chuyển biến mactenxit sẽ xảy ra ngay trong môi trƣờng tôi mạnh, dễ

gấy biến dạng, nứt, điều này đòi hỏi phải đƣợc xác định theo kinh nghiệm.

3) Tôi phân cấp

Biểu thị bằng đường c. Khắc phục đƣợc khó khăn về xác định thời điểm chuyển

môi trƣờng tôi. Thép nung nóng đƣợc nhúng vào môi trường lỏng (muối nóng chảy) có

nhiệt độ cao hơn điểm Ms khoảng 50 - 1000C, thép bị nguội đến nhiệt độ này và giữ

nhiệt (từ 3 - 5 phút) để đồng đều trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để

chuyển biến mactenxit.

Ƣu điểm là đạt độ cứng cao, ứng suất bên trong rất nhỏ, độ biến dạng thấp. Có

hạn chế là cho năng suất thấp, chỉ áp dụng cho các thép có Vth nhỏ (thép HK cao nhƣ

thép gió) và với tiết diện nhỏ nhƣ mũi khoan, dao phay ...

Cả ba phƣơng pháp tôi kể trên đều đạt đƣợc tổ chức mactenxit.

4) Tôi đẳng nhiệt

Biểu thị bằng đường d. Chỉ khác tôi phân cấp là giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng

giờ) cũng trong môi trƣờng lỏng (muối nóng chảy) để austenit quá nguội phân hoá

hoàn toàn thành hỗn hợp F - Xê nhỏ mịn có độ cứng tƣơng đối cao, độ dai tốt. Tuỳ

theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ đƣợc các tổ chức khác nhau: 250 - 4000C - bainit, 500 -

6000C - trôxtit. Sau khi tôi đẳng nhiệt không phải ram.

Phƣơng pháp này có mọi ƣu nhƣợc điểm nhƣ của tôi phân cấp, chỉ khác là có độ

cứng thấp hơn, độ dai cao hơn.

5) Gia công lạnh

Đối với nhiều thép dụng cụ HK, do %C cao và HK hoá, các điểm Ms và Mf quá

thấp nên khi làm nguội đến nhiệt độ thƣờng (trong ba phƣơng pháp đầu) vẫn còn nhiều

austenit dƣ, làm độ cứng không đạt. Để đạt độ cứng cao nhất có thể đem thép tôi tiếp

tục làm nguội (lạnh) đến nhiệt độ âm (-50 hay -700C) để austenit tiếp tục chuyển biến

thành mactenxit - quá trình đó là gia công lạnh. Độ cứng có thể tăng thêm 1 - 10 HRC

H 4.10. Phƣơng thức làm nguội trong các

phƣơng pháp tôi:

a. trong một môi trường,

b. trong hai môi trường,

c.phân cấp,

d. đẳng nhiệt.


72

tuỳ theo lƣợng austenit dƣ sau khi tôi ít hay nhiều, thƣờng đƣợc áp dụng cho chi tiết

máy, dụng cụ cần độ cứng cao nhƣ ổ lăn, vòi phun cao áp, dao cắt KL.

6) Tôi tự ram

Là cách tôi khi làm nguội không triệt để, chỉ trong thời gian ngắn (từ vài giây

đến vài chục giây) rồi sau đó nhiệt của lõi hay các phần khác truyền đến, nung nóng

tức ram ngay phần vừa đƣợc tôi. Đƣợc ứng dụng khi tôi bộ phận (nhƣ tôi đục, chạm),

tôi cảm ứng các chi lớn (băng máy, trục dài ...).

4.4.5. Cơ nhiệt luyện thép (tự đọc- tự nghiên cứu)

Dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến dạng dẻo để biến đổi tổ chức và cơ tính trên

toàn tiết diện mạnh hơn khi nhiệt luyện đơn thuần. Thƣờng tiến hành ở xƣởng cán

nóng thép (ở các xí nghiệp luyện kim).

4.5. Ram thép

4.5.1. Mục đích và ý nghĩa

Sau khi tôi đạt tổ chức mactenxit có độ cứng cao nhất song không thể đem dùng

ngay vì:

- thép rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất bên trong lớn, nếu đem dùng ngay sẽ

chóng gãy do bị phá huỷ giòn.

- trong nhiều trƣờng hợp không yêu cầu độ cứng và tính chống mài mòn cao mà

cần độ bền (ζb, ζ0,2, ζđh) cao kết hợp với độ dẻo và độ dai khác nhau rất đa dạng.

Mục đích:

- Giảm ứng suất bên trong đến mức không làm thép quá giòn, là điều cần thiết

tối thiểu.

- Khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong,

- Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết máy và

dụng cụ.

Định nghĩa: Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi thành mactenxit lên đến

các nhiệt độ thấp hơn A1, để mactenxit và austenit dư phân hoá thành các tổ chức

có cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc qui định.

4.5.2. Các phương pháp ram

a. Ram thấp (150 - 2500C)

Là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150 - 2500C tổ chức đạt

được là mactenxit ram. Độ cứng không giảm hoặc chỉ giảm rất ít ( chỉ 1 hay 2 đơn vị

HRC), cá biệt có trƣờng hợp tăng lên (khi một lƣợng austenit dƣ → mactenxit), còn

ứng suất bên trong giảm đi đáng kể nên có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bị phá huỷ giòn

hơn.

Đƣợc áp dụng cho dụng cụ và chi tiết máy cần độ cứng và tính chống mài mòn

cao nhƣ: dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm cacbon, ổ lăn, trục, chốt ...

cùng các chi tiết qua tôi bề mặt. Độ cứng về cơ bản vẫn giữ nhƣ mức tôi thép: với thép

0,4%C HRC khoảng 52 - 55, thép ≥ 0,7%C HRC khoảng 62 - 64.


73

b. Ram trung bình ( 300 - 4500C)

Tổ chức đạt đƣợc là trôxtit ram. Độ cứng giảm đi rõ rệt, nhƣng vẫn còn khá

cứng: với thép 0,55 - 0,65%C HRC còn khoảng 40 - 45, còn ứng suất bên trong khử bỏ

hoàn toàn, giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất, độ dẻo, dai tăng lên.

Đƣợc áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tƣơng đối cao và đàn hồi

nhƣ khuôn dập nóng, khuôn rèn, lòxo, nhíp ...

c. Ram cao (500 - 6500C)

Tổ chức đạt đƣợc là xoocbit ram. Độ cứng giảm đi rất mạnh, thép trở nên tƣơng

đối mềm: với thép 0,40%C có HB khoảng 200 - 300 (15 - 25 HRC), tuy độ bền có

giảm đi song lại đạt đƣợc sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính: độ bền, độ dẻo,

độ dai.

d. Ram màu và tự ram

Khi nung (ram) ở nhiệt độ thấp (200 - 3500C), trên mặt thép xuất hiện lớp ôxyt

mỏng với chiều dày khác nhau có màu sắc đặc trƣng nhƣ:

- vàng (~ 0,045μm) ở 220 - 240 0C; - nâu (~ 0,050μm) ở 255 - 265

0C;

- tím ( ~ 0,065μm) ở 285 - 295 0C; - xanh (~ 0,070μm) ở 310 - 320

0C.

Nhờ đó dễ dàng xác định nhiệt độ ram mà không cần dụng cụ đo nhiệt.

Đặc điểm của quá trình tự ram:

- xảy ra ngay sau khi tôi thép nên ít gây ra nứt, biến dạng, lại không phải dùng

lò.

- xảy ra rất nhanh, trong thời gian ngắn, do đó lấy nhiệt độ ram cao hơn khi nung

ram trong lò vài chục 0C.

- Không thể đo nhiệt độ trên chi tiết bằng dụng cụ đo nhiệt, phải bằng cách nhìn

màu.

e. Ảnh hƣởng của thời gian ram

Thời gian ram có ảnh hƣởng đến chuyển biến khi ram tuy không mạnh bằng

nhiệt độ, kéo dài thời gian ram cũng có tác dụng nhƣ tăng nhiệt độ. Cần chú ý là sau

khi tôi nên ram ngay để vừa tránh nứt xảy ra, vừa tránh hiện tƣợng ổn định hoá

austenit.

4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép (tự đọc- tự nghiên cứu)

4.6.1. Biến dạng và nứt

a. Nguyên nhân

Là do ứng suất bên trong (ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức) mà chủ yếu là do

làm nguội nhanh khi tôi. Nếu ứng suất bên trong > ζb, thép bị nứt (không thể chữa

đƣợc), nếu ứng suất bên trong > ζ0,2, thép bị biến dạng, cong vênh.

b. Ngăn ngừa

Đề phòng khuyết tật này bằng cách hƣớng giảm ứng suất bên trong:

- Nung nóng và đặc biệt làm nguội với tốc độ hợp lý để đạt độ cứng yêu cầu,

không nên dùng tốc độ nguội quá cao một cách không cần thiết.

- Nung nóng các trục dài ở thế treo để tránh cong.

- Khi làm nguội phải theo các quy tắc nhƣ: nhúng thẳng đứng, phần dày xuống

trƣớc,

- Nên tận lƣợng dùng tôi phân cấp, hạ nhiệt trƣớc khi tôi.


74

- Với các vật mỏng phải tôi trong khuôn ép.

c. Khắc phục

Khi biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết nhƣ trục dài, tấm có thể đem

nắn,

ép nóng hoặc nguội. Còn khi bị nứt không thể sửa đƣợc.

4.6.2. Ôxy hoá và thoát các bon

Ôxy hoá là hiện tƣợng tạo nên lớp vảy ôxyt sắt (sắt kết hợp với ôxy), còn thoát

cacbon là mất cacbon ở bề mặt (VD cacbon kết hợp với ôxy).

a. Nguyên nhân

Là do môi trƣờng xung quanh có chứa thành phần gây ôxy hoá Fe và C nhƣ: O2,

CO2, hơi nƣớc... chúng có trong không khí và đi vào khí quyển của lò nung. Thoát

cacbon dễ xảy ra hơn là ôxy hoá, khi ôxy hoá thƣờng đi kèm theo thoát cacbon.

Tác hại của ôxy hoá là khi tạo nên lớp vảy ôxyt sắt FeO, lớp vảy này dày lên, vỡ

rồi bong ra, rồi lại tạo nên lớp vảy mới ... làm hụt kích thƣớc, xấu bề mặt sản phẩm.

Còn thoát cacbon sẽ làm giảm độ cứng sau khi tôi. Vấn đề là cần biết chiều sâu lớp

khuyết tật này lớn hay nhỏ hơn so với lƣợng dƣ gia công để xử lý.

b. Ngăn ngừa

Nung nóng trong khí quyển không có tác dụng ôxy hoá và thoát cacbon.

c. Khắc phục

Khi đã xảy ra rất khó khắc phục. Khi thoát cacbon có thể dùng cách thấm cacbon

lại song sẽ làm tăng biến dạng.

4.6.3. Độ cứng không đạt

Là loại khuyết tật mà độ cứng có giá trị không phù hợp (cao hoặc thấp hơn) với

giá trị quy định cho mỗi thành phần cacbon và phƣơng pháp nhiệt luyện.

a. Độ cứng cao

Xảy ra khi ủ và thƣờng hoá thép HK, do tốc độ nguội lớn. Nó sẽ làm khó khăn

cho gia công cắt. Khắc phục bằng cách nhiệt luyện lại với tốc độ chậm hơn hay đem ủ

đẳng nhiệt.

b. Độ cứng thấp

Thƣờng xảy ra khi tôi, nó sẽ không đảm bảo khả năng làm việc, nguyên nhân là do:

- Thiếu nhiệt: nhiệt độ chƣa đủ, thời gian giữ nhiệt ngắn.

- Làm nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề ra để tạo nên mactenxit.

- Thoát cacbon bề mặt.

Khắc phục bằng cách làm lại, song sẽ tăng biến dạng.

4.6.4. Tính giòn cao

Sau khi tôi, thép có thể bị giòn quá mức trong khi độ cứng vẫn ở mức bình

thƣờng. Nguyên nhân là do nhiệt độ nung tôi quá cao (quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc

phục bằng cách thƣờng hoá để làm hạt nhỏ đi rồi tôi lại, nhƣng nó sẽ tăng biến dạng.


75

4.7. Hoá bền bề mặt

4.7.1. Khái niệm về hoá bền bề mặt

Nhiều chi tiết yêu cầu bề mặt vừa có độ cứng, tính chống mài mòn cao trong

khi lõi vẫn bền, dẻo, dai. Muốn vậy phải dùng cách biến đổi tổ chức của lớp bề mặt

theo hƣớng hoá bền (làm cứng lên). Có thể dùng các phƣơng pháp cơ học: phun bi, lăn

ép, dập làm biến dạng dẻo, biến cứng, ... để năng cao độ cứng bề mặt thép, song hiệu

quả không cao, năng suất thấp. Do vậy tôi bề mặt và hoá - nhiệt luyện có nhiều ƣu

điểm hơn.

4.7.2. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tự đọc- tự nghiên cứu)

Là phƣơng pháp tôi bề mặt có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao nhất, đƣợc áp dụng

rất rộng rãi trong sản xuất cơ khí , đặc biệt là sản xuất hàng loạt.

a. Nguyên lý nung nóng bề mặt

Nung nóng cảm ứng xảy ra do hiệu ứng nhiệt của dòng điện cảm ứng ở trong

chi tiết đƣợc đặt trong từ trƣờng biến thiên. Để nung nóng, chi tiết đƣợc đặt trong

vòng cảm ứng là các vòng uốn từ các ống (tròn, vuông, chữ nhật) bằng đồng đỏ có

nƣớc làm nguội chảy bên trong. Dòng điện xoay chiều chạy qua vòng cảm ứng tạo nên

từ trƣờng biến thiên. Nhờ hiện tƣợng cảm ứng trên lớp bề mặt xuất hiện dòng điện

xoáy (fucô) cùng tần số, nung nóng thép nhờ hiệu ứng Jun - Lenxơ.

b. Các phƣơng pháp tôi

Vòng cảm ứng uốn có dạng bao, ôm lấy bề mặt cần nung để tôi song không

đƣợc tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 - 5,0mm, càng nhỏ càng đỡ tổn hao. Có ba

kiểu tôi sau:

- Nung nóng rồi làm nguội toàn bộ bề mặt đến nhiệt độ tôi rồi chuyển phần

nung nóng xuống vòng phun làm nguội hay nhấc ra nhúng vào bể tôi ở cạnh - áp dụng

cho với vật tôi nhỏ.

- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt. Đây là cách tôi lần lƣợt

từng răng cho bánh răng lớn (m > 6) hay các cổ trục khuỷu.

- Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp. Ap dụng cho các trục dài, băng

máy, ... với bề mặt tôi lớn. Chi tiết dịch chuyển tƣơng đối với vòng cảm ứng và vòng

phun: phần đã đƣợc nung nóng lần lƣợt đi qua vòng phun (nung đến đâu làm nguội

đến đó một cách liên tục).

4.7.3. Hoá - nhiệt luyện

a. Nguyên lý chung

• Định nghĩa và mục đích

Là phương pháp thấm, bão hoà nguyên tố hoá học (cacbon, nitơ ...) vào bề

mặt thép bằng cách khuếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường bên ngoài và ở

nhiệt độ cao. Thành phần hoá học ở lớp bề mặt sẽ thay đổi, do vậy tổ chức và cơ tính

bị biến đổi mạnh hơn.

Nhằm một trong hai mục đích sau:

- Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, độ bền mỏi. Thuộc về loại này là

thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon - nitơ ... đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất

cơ khí.


76

- Nâng cao tính chống ăn mòn điện hoá và hoá học (chống ôxy hoá ở nhiệt độ

cao) nhƣ thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic. Các quá trình thấm này phải tiến hành ở

nhiệt độ cao và thời gian dài, ít đƣợc thực hiện.

• Các giai đoạn

Khi tiến hành đặt chi tiết thép vào môi trƣờng (rắn, lỏng, hoặc khí) có khả năng

tạo ra nguyên tử hoạt của nguyên tố cần thấm rồi nung nóng đến nhiệt độ thích hợp.

Có ba giai đoạn nối tiếp nhau xảy ra:

1) Phân hoá: quá trình phân tích phân tử, tạo nên nguyên tử hoạt của nguyên tố

định thấm.

2) Hấp thụ: nguyên tử hoạt đƣợc hấp thụ (xâm nhập, hoà tan vào mạng tinh thể

sắt) vào bề mặt thép với nồng độ cao.

3) Khuếch tán: tiếp theo nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo

cơ chế khuếch tán, tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định.

b. Thấm cacbon

• Định nghĩa và mục đích - yêu cầu đối với lớp thấm

- Định nghĩa: Là phƣơng pháp làm bão hoà (thấm, khuếch tán) cacbon vào bề

mặt của thép cacbon thấp (0,10 - 0,25 %C) rồi tiếp theo tôi và ram thấp làm bề mặt có

độ cứng, tính chống mài mòn cao (do lƣợng C cao), còn lõi có độ bền tốt và dẻo dai

(lƣợng C thấp nhƣ cũ).

- Mục đích: chủ yếu là làm cho bề mặt của thép có độ cứng tới 60 - 64 HRC với

tính chống mài mòn cao, còn lõi bền, dẻo, dai với độ cứng 30 - 40 HRC.

- Yêu cầu:

- Đối với bề mặt: có lƣợng cacbon khoảng 0,80 - 1,00% để sau khi tôi và ram có

tổ chức mactenxit ram và cacbit nhỏ mịn, phân tán với độ cứng > 60 HRC.

- Đối với lõi: có tổ chức hạt nhỏ với tổ chức mactenxit hình kim, không có ferit

tự do, để đảm bảo độ bền, độ dai cao, 30 - 40 HRC.

• Nhiệt độ và thời gian

Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon là phải sao cho thép ở trạng thái

hoàn toàn là austenit vì chỉ có pha này mới có khả năng hoà tan nhiều cacbon (tới

2,14% giản đồ Fe - C). Vậy nhiệt độ thấm phải cao hơn A3 tức trong khoảng 900 -

9500C, càng cao hơn thì càng nhanh đạt chiều sâu lớp thấm quy định, song nếu cao

quá hạt austenit lớn, làm thép giòn.

Thời gian thấm (giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm) phụ thuộc hai yếu tố:

- Chiều dày lớp thấm yêu cầu, nếu chiều dày càng lớn, thời gian càng phải dài.

- Tôc độ thấm, nó phụ thuộc môi trƣờng thấm và nhiệt độ. Cùng một nhiệt độ,

tốc độ thấm trong môi trƣờng lỏng là cao nhất, sau đến khí, thấp nhất là rắn

Nói chung thời gian thấm đƣợc tính cho lớp thấm trên dƣới 1 mm (thƣờng gặp nhất)

là:

+ Khi thấm thể rắn ở 9000C, cứ 0,10 mm chiều sâu cần 1 giờ nung nóng và giữ

nhiệt hay 0,15 mm /1giờ giữ nhiệt,

+ Khi thấm thể khí ở 9000C, cứ 0,15 mm chiều sâu cần 1 giờ nung nóng và giữ

nhiệt hay 0,20 mm /1giờ giữ nhiệt; ở 930 - 9500C thì 0,25 - 0,30 mm /1giờ giữ nhiệt.

• Chất thấm và quá trình xảy ra * Chất thấm thể rắn: Là phƣơng pháp cũ, dùng chủ yếu là than gỗ (có thể là

mùn cƣa) chiếm 80 – 95%, và lƣợng nhỏ các muối cacbonnat (Na2CO3, BaCO3 ...) có

tác dụng chất xúc tác, làm nhanh quá trình thấm. Hỗn hợp trộn đều rồi cho vào hộp

cùng với chi tiết, đậy kín rồi đem nung nóng đến nhiệt độ thấm, có các quá trình sau:


77

- Than gỗ cháy trong điều kiện thiếu ôxy sẽ tạo nên ôxyt cacbon

2C + O2 → 2CO

- Khí CO khi gặp bề mặt thép lại bị phân tích

2CO → CO2 + Cng. tử

- Cacbon nguyên tử vừa mới tạo thành có tính hoạt cao, bị hấp thụ rồi khuếch

tán vào bề mặt thép ở dung dịch rắn xen kẽ trong Feγ, tức austenit với nồng độ cacbon

tăng dần theo thời gian và đạt đến giới hạn bão hoà (đƣờng SE ở các nhiệt dộ tƣơng

ứng)

Cng. tử + Feγ → Feγ (C)0,1 → 0,8 → (1,2 - 1,3)

hình thành lớp thấm có chiều sâu nhất định: bề mặt ngoài cùng C cao nhất và giảm dần

vào lõi.

- Các muối chỉ đóng vai trò xúc tác: bị phân hoá tạo ra CO2, CO2 kết hợp với

cacbon của than thành CO, rồi lại bị phân hoá thành cacbon nguyên tử.

Đặc điểm của thấm cacbon ở thể rắn

+ Thời gian dài, điều kiện lao động xấu, khó cơ khí hoá,

+ Khó đảm bảo chất lƣợng cao do thời gian dài hạt dễ bị lớn và do nồng độ

cacbon ở bề mặt quá cao nên khi làm nguội dễ tạo nên lƣới XêII, gây giòn, dễ

tróc.

+ Đơn giản, dễ tiến hành.

* Chất thấm thể khí: Là phƣơng pháp hiện đại, dùng trực tiếp các khí có khả

năng sinh ra cacbon nguyên tử hoạt nhƣ CO, CH4 để thấm. Thực tế thƣờng dùng khí

đốt thiên nhiên mà thành phần chủ yếu là CH4 với tỷ lệ 3 - 5% trong hỗn hợp (với CO

phải > 95%), theo phản ứng

CH4 → 2H2 + Cng. tử

Trong sản xuất hàng loạt lớn, thấm cacbon thể khí đƣợc tiến hành trong các băng

tải có phân các vùng nhiệt độ và khí thấm theo yêu cầu để sau khi hết chiều dài lò chi

tiết đƣợc lần lƣợt nung nóng, thấm cácbon, tôi ram, làm sạch.

Thấm ở thể lỏng ít dùng do năng suất thấp, chỉ áp dụng cho chi tiết bé, điều kiện

lao động nặng nhọc.

• Nhiệt luyện sau khi thấm Thép bắt buộc phải tôi + ram thấp để đạt đƣợc yêu cầu: bề mặt cứng (nhờ

cacbon cao), lõi bền, dai (nhờ cacbon thấp).

• Công dụng Thấm cacbon cho cơ tính và công dụng nhƣ tôi bề mặt: bề mặt cứng, lõi dẻo,

dai, song ở mức độ cao hơn (60 - 64 HRC so với 52 - 58 HRC ở bề mặt, 30 - 40 HRC

so với 15 - 40 HRC. Thƣờng áp dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện nặng

hơn, VD: cùng là bánh răng hộp số song ở ôtô phải qua thấm cacbon, ở máy cắt chỉ

qua tôi bề mặt. Hạn chế của thấm cacbon là giá thành đắt, do: tốn nhiệt, thời gian dài,

năng suất thấp.

c. Thấm nitơ (tự đọc- tự nghiên cứu) • Định nghĩa và mục đích Là phƣơng pháp làm bão hoà (thấm, khuếch tán) nitơ vào bề mặt thép nhằm

mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (65 - 70 HRC hơn hẳn

thấm cacbon).

• Tổ chức của lớp thấm Độ cứng cao của lớp thấm là bản chất tự nhiên của nó, không phải qua nhiệt

luyện. Quá trình thấm thƣờng trong dòng khí NH3 (amôniăc) có nhiệt độ trong khoảng


78

480 - 6500C, nó sẽ bị phân hoá mạnh nhất theo phản ứng: 2NH3 → 3H2 + 2

Nng.tử

Nitơ nguyên tử có tính hoạt cao bị hấp thụ rồi khuếch tán vào thép tạo thành lớp

thấm gồm các nitrit (Fe2N, Fe4N) - là pha xen kẽ có độ cứng rất cao và tính chống mài

mòn tốt.

• Đặc điểm của thấm nitơ - Do tiến hành ở nhiệt độ thấp sự khuếch tán khó khăn nên thời gian dài mà lớp

thấm vẫn mỏng. VD: thấm ở 5200C trong 24 giờ đạt 0,25 - 0,30 mm , trong 48 giờ đạt

0,40 mm.

- Sau khi thấm không tiến hành tôi và mài.

- Thép dùng để thấm thƣờng là thép HK chuyên dùng, nếu dùng thép cacbon

lớp thấm có nitrit sắt tuy cứng nhƣng giòn.Trƣớc khi thấm thép đƣợc tôi + ram để định

hình cơ tính cho lõi, nhiệt độ ram phải > nhiệt độ thấm để quá trình thấm tiếp theo

không giảm độ bền lõi.

- Lớp thấm cứng hơn và độ cứng rất cao giữ đƣợc cả khi chi tiết làm việc ở nhiệt

độ cao trên 5000C (do tổ chức lớp thấm không thay đổi).

• Công dụng Đƣợc áp dụng chủ yếu cho những chi tiết cần độ cứng và tính chống mài mòn

rất cao, làm việc ở nhiệt độ > 5000C, song chịu tải không lớn (do lớp thấm mỏng) nhƣ

một số trục, bánh răng, dụng cụ cắt, dụng cụ đo.

d. Thấm cacbon - nitơ (tự đọc- tự nghiên cứu) • Định nghĩa và mục đích Đó là phƣơng pháp hoá - nhiệt luyện làm bão hoà (thấm, khuếch tán) đồng thời

cả cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (về mặt

này nó nằm trung gian giữa hai cách thấm trên - tốt hơn thấm cacbon).

• Đặc điểm Tuỳ thuộc vào tỷ lệ giữa cacbon và nitơ mà nó gần với một trong hai dạng thấm

trên.

- Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao, trên dƣới 8500C, sự khuếch tán của

cacbon mạnh, lớp thấm chủ yếu là cacbon (ít nitơ), nên có tính chất gần thấm cacbon

hơn.

- Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp, trên dƣới 5600C, sự khuếch tán của

cacbon yếu, lớp thấm chủ yếu là ít nitơ, nên có tính chất gần thấm nitơ hơn.


79

Chương 5: THÉP VÀ GANG

5.1. Khái niệm về thép các bon và thép hợp kim

5.1.1. Thép các bon

Đƣợc dùng rất phổ biến chiếm tỷ trọng rất lớn (80 - 90%) trong tổng sản lƣợng

thép.

a. Thành phần hoá học

Thép C là thép thông thƣờng, ngoài cacbon ra còn chứa một số nguyên tố với

hàm lƣợng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng đƣợc gọi là tạp chất thường có

hay chất lẫn vì không phải do cố ý đƣa vào, trong đó có một số có lợi và một số có

hại.

Tạp chất có lợi: mangan và silic

Mọi loại thép đều có Mn và Si với lƣợng không vƣợt quá 1%, là do:

- quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) nhƣ MnO, SiO2, trong quá trình

luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO → Mn, SiO2 → Si) đi vào gang rồi vào thép.

- khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phần không tác

dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép.

Chúng là các nguyên tố có lợi: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ

dẻo, dai).

Tạp chất có hại: phốt pho và lƣu huỳnh

Nó có lẫn trong quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang), làm cho

thép giòn nên thƣờng phải ≤ 0,05% (cho mỗi nguyên tố).

Vậy với mọi loại thép đều chứa:

C ≤ 2,14%. Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,05%, S ≤ 0,05%.

Các tạp chất khác

- Ngoài P, S trong thép luôn chứa các nguyên tố H, O, N do chúng hoà tan vào

thép lỏng từ khí quyển của lò luyện. Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng

nhất về tổ chức (gây tập trung ứng suất) và giòn song với lƣợng chứa quá nhỏ (nhƣ

0,006 - 0,008% với O2) nên rất khó phân tích - gọi là tạp chất ẩn.

- Công nghiệp luyện kim hiện đại sử dụng lại (tái chế) thép, gang và HK phế

liệu, nên trong đó có chứa lƣợng nhỏ các nguyên tố HK: Cr, Ni, Cu ≤ 0,30%; W, Mo,

Ti ≤ 0,050%. Chúng đƣợc coi là tạp chất vì không cố ý đƣa vào, không ảnh hƣởng

đáng kể đến tổ chức, cơ tính (với lƣợng quá nhỏ) của HK Fe - C.

b. Ảnh hƣởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép

Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất

(cơ tính), công dụng của thép (cả với thép HK thấp).

1) Tổ chức tế vi

Từ giản đồ pha Fe - C, khi %C tăng lên thì tỷ lệ Xê là pha giòn cũng tăng

tƣơng ứng (cứ thêm 0,10% C sẽ tăng thêm 1,50% Xê) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi.

- C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần F, coi nhƣ sắt nguyên chất,

- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức F + P, khi %C tăng thì lƣợng P tăng, đó là

thép trƣớc cùng tích.

- C = 0,8% - thép có tổ chức P, là thép cùng tích,

- C ≥ 0,90% - thép có tổ chức P + XêII, khi %C tăng thì lƣợng XêII sẽ

tăng tƣơng ứng, đó là thép sau cùng tích.


80

2) Vai trò của cacbon - Công dụng của thép theo thành phần cacbon

- Thép C thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, dai cao nhƣng độ bền, độ cứng lại thấp,

hiệu quả nhiệt tôi + ram không cao (muốn cao phải qua thấm C), đƣợc dùng làm kết

cấu xây dựng, tấm lá dập nguội.

- Thép C trung bình (0,30 - 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá

cao, hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên dùng chủ yếu làm các

chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.

- Thép C tương đối cao (0,55 - 0,65%), độ cứng tƣơng đối cao, giới hạn đàn

hồi cao nhất, đƣợc dùng làm các chi tiết đàn hồi.

- Thép có C cao (≥ 0,70%), độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, dùng làm

các công cụ nhƣ dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.

3) Cơ tính (biểu diễn trên H 5.1)

* Tính công nghệ

- Thép càng có %C ít thì tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép càng

dễ.

- Thép có %C cao thì cứng khó gia công cắt, song nếu %C quá thấp, thép mềm

dẻo cũng khó gia công cắt.

- Nói chung tính đúc của thép không cao.

c. Ảnh hƣởng của các tạp chất

- Mangan

Đƣợc cho vào dƣới dạng ferô Mn để khử ôxy thép ở trạng thái lỏng tức là loại

trừ FeO:

Mn + FeO → Fe + MnO (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi

lò)

Ngoài ra nó cũng loại trừ đƣợc tác hại của lƣu huỳnh.

Mn có ảnh hƣởng tốt đến cơ tính của thép, khi hoà tan vào ferit nó nâng cao độ

bền, độ cứng của pha này, song vì Mn chỉ có 0,50 - 0,80% nên ảnh hƣởng này không

quan trọng.

- Silic

Đƣợc cho vào mọi thép dƣới dạng ferô Si để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái

lỏng:

Si + FeO → Fe + SiO2 (SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

Si cũng hoà tan vào ferit, nâng cao độ bền, độ cứng của pha này nên làm tăng

cơ tính của thép, song %Si chỉ có 0.20 - 0,40% nên ảnh hƣởng không rõ rệt.

- Phôt pho

H5.1. ảnh hƣởng của cacbon đến

cơ tính của thép thƣờng (ở trạng

thái ủ)


81

Có khả năng hoà tan vào ferit làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể làm tăng

mạnh tính giòn, khi P vƣợt quá giới hạn hoà tan sẽ tạo nên Fe3P cứng giòn - gây tính

giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thƣờng), chỉ cần 0,10% P hoà tan, ferit đã trở nên

giòn. Ngoài ra P cũng là nguyên tố thiên tích rất mạnh nên P ≤ 0,050%. Song P cũng

có có lợi cho gia công cắt gọt.

- Lƣu huỳnh

Hoàn toàn không có khả năng hoà tan trong Fe (cả Fe lẫn Feγ) mà tạo nên hợp

chất FeS. Khi nung để cán, kéo thép dễ bị đứt, gãy - gọi là giòn nóng hay bở nóng.

Khi đƣa Mn vào nó sẽ tạo nên MnS, kết tinh ở nhiệt độ cao 16200 C, dƣới dạng

các hạt nhỏ rời rạc nên không bị chảy, gây đứt, gãy. Sunfua mangan cũng có lợi cho

gia công cắt.

d. Phân loại thép cacbon

1) Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện:

- Chất lượng thường: lƣợng P, S đƣợc khử đến mức ≤ 0,050% (hay cao hơn

một chút) cho mỗi nguyên tố. Phƣơng pháp luyện thép là L-D (lò thổi từ đỉnh) cho

năng suất rất cao và giá thành rẻ, áp dụng cho nhóm thép yêu cầu không cao nhƣ một

số thép xây dựng thông dụng.

- Chất lượng tốt: lƣợng P, S khử đến mức ≤ 0,040% cho mỗi nguyên tố.

Phƣơng pháp luyện thép bằng lò điện hồ quang, thƣờng áp dụng cho các nhóm thép

dùng trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn.

- Chất lượng cao: lƣợng P, S khử khá cẩn thận ≤ 0,030% cho mỗi nguyên tố.

Phƣơng pháp luyện thép bằng lò điện hồ quang với các biện pháp kỹ thuật bổ sung

nhƣ dùng chất khử mạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào.

- Chất lượng rất cao: lƣợng P, S đƣợc khử ở mức triệt để nhất ≤ 0,020% cho

mỗi nguyên tố. Thép sau khi luyện bằng lò điện hồ quang sẽ đƣợc tinh luyện tiếp tục:

khử tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ. Ngoài ra để giảm tối đa lƣợng

khí chứa trong thép phải áp dụng đúc rót thép trong chân không.

Các thép cacbon được cung cấp ở ba cấp: thường, tốt và cao (ít gặp). Các

thép HK chỉ có từ cấp tốt, cao và rất cao. Thép xây dựng chỉ yêu cầu chất lƣợng

thƣờng, thép chế tạo máy phải có chất lƣợng từ tốt trở nên. Riêng thép ổ lăn phải đạt

chất lƣợng rất cao.

2) Theo phương pháp khử ôxy - Thép sôi: là loại không khử ôxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không mạnh

là ferô mangan, nên trong thép lỏng vẫn còn FeO và do đó có phản ứng:

FeO + C → Fe + CO↑

Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động nhƣ thể bị ―sôi‖ và tạo ra bọt

(rỗ) khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiếp theo lớp bọt khí đƣợc hàn kín lại, nên không

làm ảnh hƣởng xấu đến cơ tính của thép đã qua biến dạng nóng, các đặc điểm:

+ do không khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, thƣờng ≤ 0,05 - 0,07%, nên

ferit của thép rất mềm và dẻo, dễ dập nguội,

+ không cho phép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các rỗ khí

làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh hƣởng xấu đến cơ tính,

+ không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn

còn ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt

khí,


82

+ không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do không đƣợc

khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn.

- Thép lặng: là loại khử ôxy triệt để (bằng cả ferô silic, ferô mangan và nhôm),

nên trong thép lỏng không xảy ra phản ứng trên, mặt thép lỏng luôn ―phẳng lặng‖, các

đặc điểm: + có chứa một lƣợng Si, thƣờng khoảng 0,15 - 0,35%, nên ferit của thép cứng

và bền hơn, khó dập nguội,

+ không có rỗ khí nên cấu trúc xít chặt hơn, có cơ tính cao hơn thép sôi, các vật

đúc phải chế tạo từ thép lặng,

+ trong kết cấu hàn chảy chỉ đƣợc phép dùng thép lặng,

+ các chi tiết thấm cacbon chỉ đƣợc làm từ thép lặng.

Nằm giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ khử ôxy bằng ferô mangan và

nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép lặng, xu hƣớng nó thay

cho thép sôi. Thép cacbon có thể có cả ba loại: sôi, lặng và nửa nặng, còn thép HK chỉ

có loại thép lặng.

3) Theo công dụng

• Thép kết cấu: đƣợc dùng làm các kết cấu, chi tiết chịu tải (lực). Ngoài yêu

cầu đảm bảo độ bền còn cần có đủ độ dẻo, độ dai tức là cơ tính tổng hợp. Đây là nhóm

thép đƣợc sử dụng nhiều nhất, nó còn phân tiếp thành:

- Thép xây dựng là loại chủ yếu dùng trong xây dựng để làm các kết cấu thép,

chúng đòi hỏi có cơ tính tổng hợp cao: vừa cần bền song phải có độ dẻo cao để dễ uốn,

độ dai cao để khó bị phá huỷ giòn.

- Thép chế tạo máy đòi hỏi cơ tính tổng hợp cao hơn nên nói chung đòi hỏi

chất lƣợng cao hơn, đặc biệt là độ bền cao trong khi vẫn đảm bảo tốt độ dẻo dai.

• Thép dụng cụ: là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu

là cứng và chống mài mòn (dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo, ...).

e. Tiêu chuẩn thép cacbon

• Tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN 1765-75. Quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để

làm các kết cấu xây dựng, đƣợc sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện.

Do yêu cầu chất lƣợng không cao nên lƣợng P, S cho phép khá lớn: P ≈ 0,040 -

0,070%, S ≈ 0,050 - 0,060%.

Mác thép đƣợc ký hiệu bằng CT với các chữ số ở sau cùng: s chỉ thép sôi, n

chỉ thép nửa nặng, nếu không có chữ gì là thép lặng. Quy định thép chia làm ba phân nhóm A, B và C:

- Nhóm A: Chỉ quy định cơ tính (không quy định thành phần hoá học) theo

giới hạn bền kéo tối thiểu (бb min) đạt đƣợc tính theo đơn vị kG/mm2. VD, CT38,

CT38n,CT38s là ba mác thép cùng có ζb ≥ 38kG/mm2 hay 380 MPa, song có ba

phƣơng pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng, và sôi nên các chỉ tiêu cơ tính khác

nhau đôi chút. Ngoài ra nhóm này cũng quy định chặt chẽ các chỉ tiêu cơ tính khác

nhƣ ζ0,2, δ, ψ, ak.

- Nhóm B và C: về cơ bản giữ nguyên ký hiệu nhƣ ở nhóm A, song ở đầu ký

hiệu tƣơng ứng có thêm chữ B và C. Nhóm B không quy định cơ tính mà quy định

thành phần hoá học (phải tra bảng), còn nhóm C lại quy định cả: cơ tính lẫn thành

phần hoá học. VD, CCT38 có cơ tính của CT38 còn thành phần của BCT38.

TCVN 1766-75. Quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chế

tạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải đảm bảo cả thành phần hoá học và cơ tính.


83

Mác thép đƣợc ký hiệu bằng chữ C và số phần vạn cacbon trung bình. VD,

C40 có khoảng 0,40%C (0,38 - 0,45%) và các tạp chất trong giới hạn. Do chất lƣợng

tốt nên P và S là ≤ 0,040% cho mỗi nguyên tố, nếu mác có chất lƣợng cao (P, S ≤

0,03%) thì ở cuối ký hiệu có thêm chữ A.

TCVN 1822- 76. Quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là

cacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn.

VD, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng 0,80%C (0,75 - 0,84%), với CD80A

có chất lƣợng tốt và cao hơn.

• Tiêu chuẩn các nước

ГOCT. Quy định các thép kết cấu chất lượng thường bằng CT với con số từ 0, 1

- 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng tăng). Cũng ký hiệu các phân nhóm A, B, C

của TCVN. Về thép kết cấu chất lượng tốt quy định các mác ký hiệu theo số phần vạn

cacbon trung bình, nhƣ mác 40 có 0,4%C nhƣ mác C40 của TCVN. Về thép cácbon

dụng cụ quy định bằng chữ Y với số tiếp theo chỉ lƣợng cacbon theo phần nghìn trung

bình nhƣ Y12 có khoảng 1,20%C.

Hoa kỳ. Dùng nhiều loại tiêu chuẩn cho thép cacbon: ASTM dùng cho thép

xây dựng, AISI và SAE cho thép chế tạo máy và dụng cụ.

f. Ƣu nhƣợc điểm của thép cacbon

Ƣu điểm

- Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố đắt tiền.

- Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng.

- Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với HK).

Nhƣợc điểm

- Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện tôi + ram thấp, do đó

ảnh hƣởng đến độ bền, đặc biệt với tiết diện lớn.

- Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm

đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hoá ở trên 2000C, trên 750

0C bị phân hoá

mạnh.

- Không có các tính chất vật lý hoá học đặc biệt nhƣ cứng nóng, chống ăn mòn.

Thép C dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu

tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ thƣờng. Thép HK dùng cho các trƣờng

hợp ngƣợc lại.

5.1.2. Thép hợp kim

a. Thành phần hoá học

Thép HK là loại thép mà ngƣời ta cố ý đưa thêm vào các nguyên tố có lợi với

lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hoá).

Các nguyên tố có lợi đƣợc đƣa vào một cách đặc biệt với lƣợng đủ lớn đƣợc

gọi là nguyên tố HK, gồm các nguyên tố có hàm lƣợng lớn hơn các giới hạn sau:

Mn ≥ 0,80 - 1,00%, Si ≥ 0,50 - 0,80%, Cr ≥ 0,50 - 0,80%,

Ni ≥ 0,50 - 0,80%, W ≥ 0,10 - 0,50%, Mo ≥ 0,05 - 0,20%,

Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30%, B ≥ 0,0005%. Nhỏ hơn giới hạn kể trên đƣợc coi là tạp chất. Tuy nhiên các giới hạn trên cũng

chỉ là quy ƣớc và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ. Thép HK có chất lƣợng từ

tốt trở lên.

b. Các đặc tính của thép HK

1) Cơ tính


84

- Độ bền cao nhƣng phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Ở trạng thái không tôi +

ram (VD ở trạng thái ủ) độ bền không cao hơn nhiều so với thép C, nên dùng thép HK

ở trạng thái cung cấp hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền.

- Độ bền cao càng rõ rệt khi tiết diện của thép càng lớn và lượng HK đủ để

bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ (≤ 20mm) ƣu việt của thép HK không thể hiện

đƣợc (vì với tiết diện nhỏ đó thép C cũng đƣợc tôi thấu).

- Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trƣờng tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít bị biến

dạng và nứt. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi đều phải làm bằng

thép HK.

- Khi tăng mức độ HK hoá sẽ tăng độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song

thƣờng làm giảm độ dẻo, độ dai nên lƣợng HK cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi

thấu tiết diện đã cho là đủ, không nên dùng thừa. Nguyên tắc chọn mác thép HK cao

hay thấp là phụ thuộc kích thước (tiết diện).

- Tuy đạt độ cứng, độ bền cao nhƣng thƣờng có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy

phải chú ý mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram).

Nói chung thép HK có tính công nghệ kém hơn thép C (trừ tính thấm tôi).

2) Tính chịu nhiệt độ cao Các nguyên tố HK cản trở sự khuếch tán của C nên làm mactexit khó phân hoá

và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 2000C, do vậy tại các nhiệt độ này thép HK bền

hơn. Một số loại có lớp vảy ôxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ

tốt.

3) Tính chất vật lý, hoá học đặc biệt Bằng cách đƣa vào thép các nguyên tố khác nhau với lƣợng lớn quy định có thể

tạo ra các tính chất đặc biệt:

- không gỉ, chốn ăn mòn trong axit, bazơ, muối,

- từ tính đặc biệt hoặc không từ tính,

- giãn nở nhiệt đặc biệt, ...

c. Tác dụng của nguyên tố HK đến tổ chức của thép

1) Hoà tan vào sắt thành dung dịch rắn

Là trƣờng hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình là Mn, Si, Cr, Ni.

• Với lượng ít nguyên tố HK (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi cấu

hình của giản đồ Fe - C, chúng hoà tan vào sắt tức Feα ở nhiệt độ thấp và Feγ ở nhiệt

độ cao.

Khi hoà tan vào Feα chúng làm xô lệch mạng do đó tăng độ cứng, độ bền và

thƣờng làm giảm độ dẻo, độ dai. Có hai nhóm khác nhau:

- Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (bền), giảm mạnh độ dẻo (dai), đặc

biệt khi có 2%Si hoặc 3,5%Mn thì Feα có độ dai rất thấp (≤ 500kJ) làm thép giòn

không sử dụng đƣợc, thƣờng Mn, Si giới hạn từ 1 - 2%.

- Ni, Cr (tới 4%) làm tăng độ cứng và tăng chút ít độ dai. HK hoá Cr, Ni là rất

tốt vì ngoài làm tăng độ thấm tôi, chúng còn nâng cao độ cứng, độ bền và vẫn duy trì

độ dẻo dai.

• Với lượng nhiều (> 10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của

giản đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ thay đổi các khu vực Feα và Feγ .

- Mn (cả Ni) mở rộng (nhiệt độ tồn tại) khu vực γ (thu hẹp khu vực α). Với 10 -

20%, austenit tồn tại cả ở nhiệt độ thƣờng, tức là khi nung nóng hay làm nguội không

có chuyển biến pha, thép đó gọi là thép austenit.


85

- Cr thu hẹp khu vực γ (mở rộng khu vực α). Với lƣợng Cr đủ lớn (khoảng

20%) khu vực γ không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi

chảy lỏng. Thép này cũng không có chuyển biến pha và gọi là thép ferit - thƣờng chỉ

gặp ở thép đặc biệt.

Chú ý: Các thép này không thể áp dụng hoá bền bằng tôi.

2) Tạo thành cacbit

Trừ các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo thành đƣợc cacbit (chỉ có thể

hoà tan vào sắt), các nguyên tố HK còn lại gồm Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb ngoài khả

năng hoà tan vào sắt còn có thể kết hợp với cacbon thành cacbit, trong đó:

Mn, và Cr là các nguyên tố tạo thành cacbit trung bình,

Mo và W là các nguyên tố tạo thành cacbit khá mạnh,

V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, và

Ti, Zr, Nb là các nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh.

Khi đƣa vào thép, cacbon sẽ ưu tiên kết hợp với các nguyên tố mạnh trước.

Tuỳ theo nguyên tố HK (Me) đƣa vào và hàm lƣợng của nó, trong thép HK có các pha

cacbit sau:

- Xêmentit HK (Fe, Me)3C. Có ít (1 - 2%) các nguyên tố tạo cacbit trung bình

và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hoà tan thay thế vị trí các nguyên tử Fe trong

xêmentit HK (Fe, Me)3C. Loại này có tính ổn định cao, nhiệt độ tôi có tăng đôi chút

hơn xêmentit.

- Cacbit với kiểu mạng phức tạp. Khi HK hoá đơn giản (bằng một nguyên tố

HK) nhƣng với lƣợng lớn (>10%) Cr hoặc Mn, chúng tạo cacbit kiểu mạng phức tạp

nhƣ Cr7C3, Cr23C6, Mn3C. Có độ cứng , tính ổn định cao (hơn Xê một chút), nhiệt độ

tôi phải > 10000C.

- Cacbit kiểu Me6C. Trong đó Me là nguyên tố Cr, W, Mo và cả Fe. Loại này

khó hoà tan vào Feó và ổn định hơn loại trên, nhiệt độ tôi khoảng 1200 - 13000C (mục

thép gió).

- Cacbit kiểu mạng đơn giản MeC (Me2C). Là các cacbit VC, TiC, ZrC,

NbC, là pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản. Chúng có độ cứng cao nhƣng ít giòn,

nhiệt độ chảy rất cao (≈ 30000C) nên khó phân huỷ và hoà tan vào Feγ khi nung, chúng

không làm tăng độ thấm tôi, có tác dụng giữ cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài

mòn.

Do các nhóm thép sử dụng các loại nguyên tố HK và lƣợng chứa khác nhau,

nên thƣờng mỗi nhóm chỉ gặp 1 - 2 loại cacbit kể trên, cụ thể:

+ xêmentit HK trong thép kết cấu.

+ cacbit kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng (nhóm thép đặc

biệt),

+ cacbit kiểu Me6C trong thép gió (nhóm thép dụng cụ),

+ cacbit kiểu mạng đơn giản MeC tạo thành với lƣợng ít ở các nhóm thép khác

nhau.

• Vai trò của cacbit HK - Giống Xê chúng làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn song mạnh hơn.

- Do khó hoà tan vào Feγ khi nung nóng nên một mặt nâng cao nhiệt độ tôi, mặt

khác lại giữ đƣợc hạt nhỏ khi nung, giúp nâng cao độ dai và cơ tính nói chung.

- Khi ram cacbit HK tiết ra khỏi mactenxit và kết tụ ở nhiệt độ cao hơn so với

Xê trong thép C, nên giữ đƣợc độ cứng cao ở trạng thái tôi ở nhiệt độ > 2000C, đôi khi

tới 500 - 6000C, tức là có tính cứng hay bền nóng cao.


86

d. Ảnh hƣởng của nguyên tố HK đến quá trình nhiệt luyện

1) Chuyển biến khi nung nóng thép để tôi

Khi nung nóng để tôi có các chuyển biến: peclit → austenit, cacbit hoà tan

vào austenit, hạt austenit phát triển (nhƣ thép C với Xê), song có một số đặc trƣng:

- Sự hoà tan cabit HK khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ

nhiệt dài hơn so với Xê trong thép C.

- Cacbit HK do hoà tan vào austenit, nằm ngoài biên giới hạt, nhƣ hàng rào giữ

cho hạt nhỏ. Vì vậy thép HK thƣờng giữ đƣợc hạt nhỏ hơn thép C khi nung nóng ở

cùng nhiệt độ.

2) Sự phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội và độ thấm tôi

Đây là tác dụng quan trọng và điển hình nhất, cần nắm vững và tận dụng.

• Sự phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội:

Khi hoà tan vào austenit, tất cả các nguyên tố HK (trừ Co) với các mức độ khác

nhau đều làm chậm tốc độ phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội tức làm

đường cong hình chữ “C” dịch sang phải do đó làm giảm tốc độ tới hạn Vt.h.

Khi nguyên tố HK không hoà tan vào austenit mà ở dạng cacbit không những

làm tăng mà còn làm giảm tính ổn định của austenit quá nguội, dẫn tới tăng Vt.h.

• Độ thấm tôi:

Do làm giảm Vt.h, các nguyên tố HK (trừ Co) khi hoà tan vào austenit đều làm

tăng độ thấm tôi, có Vt.h 2 của thép HK < Vt.h 1 của thép C, nhƣng độ thấm tôi của thép

HK δ2 > δ1 - độ thấm tôi của thép C. Nhờ đó mà trong thép HK có thể xảy ra các

trƣờng hợp:

- Vt.h bé đến mức nhỏ hơn cả Vnguội của lõi, nên sau khi tôi lõi cũng có tổ chức

mactenxit, đây là trƣờng hợp tôi thấu.

- Vnguội trong không khí cũng lớn hơn Vt.h, nên thƣờng hoá cũng đạt tổ chức

mactenxit, đó là hiện tƣợng tự tôi (với thép C chỉ đạt đƣợc xoocbit).

Do độ thấm tôi tăng lên sẽ có hai hiệu quả chính sau:

+ Hiệu quả hoá bền của tôi - ram tăng lên rõ rệt, đặc biệt khi tôi thấu sẽ đạt

tới cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, nâng mạnh sức chịu tải của chi tiết.

+ Khi tôi có thể dùng các môi trường làm nguội chậm mà vẫn đạt được

mactenxit như tôi trong dầu, trong muối nóng chảy (phân cấp hay đẳng nhiệt).

3) Chuyển biến mactenxit

Khi hoà tan vào austenit, các nguyên tố HK (trừ Co, Al, Si) đều hạ thấp nhiệt

độ chuyển biến austenit thành mactenxit, làm tăng lượng austenit dư sau khi tôi.

Do austenit dƣ tăng mạnh ở thép C cao, HK cao, nên độ cứng sau khi tôi có thể

giảm từ 1 - 10 đơn vị HRC so với mức cao nhất có thể đạt đƣợc. Khắc phục bằng gia

công lạnh hay ram nhiều lần ở nhiệt độ thích hợp để austenit dƣ → mactenxit.

e. Chuyển biến khi ram

Nói chung các nguyên tố HK hào tan trong mactenxit đều cản trở sự phân

hoá của pha này khi ram hay nói cụ thể hơn là làm tăng các nhiệt độ chuyển biến

khi ram. Nguyên nhân là do các nguyên tố HK cản trở sự khuếch tán của cacbon, đặc

biệt W, Mo, Cr có xu hƣớng giữ C lại trong mactenxit, duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ

cao hơn. Nhờ đó dẫn đến:

- Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng.

- Khi ram ở nhiệt độ thích hợp làm austenit → mactenxit và cacbit tiết ra ở

dạng phân tán, nhỏ mịn làm tăng độ cứng - gọi là độ cứng thứ hai.


87

- Cùng ram hay cùng làm việc ở nhiệt độ, thép HK bao giờ cũng cứng, bền cao

hơn.

* Tóm tắt các tác dụng của thép HK: - Khi hoà tan vào dung dịch rắn:

+ ferit làm tăng xô lệch mạng gây hoá bền (C không có tác dụng này),

+ austenit làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, giảm Vt.h, tăng độ thấm

tôi, thép tôi ít bị biến dạng và gãy vỡ nhờ dùng dầu và các môi trƣờng nguội chậm

hơn.

- Khi tạo thành cacbit:

+ pha này cứng và chống mài mòn hơn Xê, khó hoà tan khi nung giữ cho hạt

nhỏ,

+ khó tiết ra khỏi mactenxit hơn nên có tính bền nóng và cứng nóng hơn,

+ khi ram đƣợc tiết ra dƣới dạng phân tử nhỏ mịn, phân tán gây hoá bền.

g. Phân loại thép HK

• Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ)

- Thép trƣớc cùng tích: peclit + ferit tự do,

- Thép cùng tích: peclit,

- Thép sau cùng tích peclit + cacbit tự do,

- Thép lêđêburit (cacbit) có lêđêburit

Riêng trƣờng hợp thép đƣợc HK hoá cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố

Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có:

- Thép ferit: loại có Cr rất cao (>17%) và thƣờng rất ít C,

- Thép austenit: loại có Mn cao (>13%) và thƣờng có C cao

và loại có Cr (>18%) + Ni (>8%).

• Theo tổ chức thường hoá Theo tổ chức thƣờng hoá các mẫu nhỏ Φ25, theo lƣợng nguyên tố HK tăng lên

sẽ có các thép sau (H 5.2):

- thép họ peclit: loại HK thấp, đƣờng cong chữ ―C‖ sát trục tung, nguội trong

không khí đƣợc hỗn hợp ferit - xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit.

- thép họ mactenxit: loại HK hoá trung bình (> 4 - 6%) và cao, đƣờng cong chữ

―C‖ dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng đƣợc mactenxit,

H 5.2. Tổ chức sau khi thƣờng hoá của các thép

với lƣợng HK tăng dần: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit.

- thép họ austenit: loại có chứa Ni (> 8%) hoặc Mn (> 13%) cao, chúng mở

rộng khu vực γ và hạ đến điểm Ms (< 00C) nên làm nguội trong không khí (chỉ đến

thời gian

Nhiệ

t độ

Ms

thép họ peclit

Nhiệ

t độ

Ms

thép họ mactenxit

Nhiệ

t độ

Ms

thép họ austenit

thời gian thời gian

0C

0C


88

nhiệt độ thƣờng, cao hơn Ms) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức

austenit.

• Theo nguyên tố HK

- Thép HK thấp: có tổng lƣợng < 2,5% (thƣờng là thép họ peclit).

- Thép HK trung bình: có tổng lƣợng từ 2,5 - 10% ( thép họ từ peclit đến

mactenxit)

- Thép HK cao: có tổng lƣợng > 10% (thƣờng là họ mactenxit hay austenit).

• Theo công dụng

- Thép HK kết cấu,

- Thép HK dụng cụ,

- Thép HK đặc biệt.

Hai nhóm đầu cũng có trong thép cacbon, còn nhóm ba thì không có (nhóm này

thƣờng chứa tổng lƣợng nguyên tố HK rất cao > 20%).

h. Tiêu chuẩn thép HK

• Tiêu chuẩn Việt Nam. TCVN 1759 - 75 quy định:

- Số chỉ hàm lƣợng C trung bình theo phầnvạn, nếu ≥ 1,00% không cần biểu

thị.

- Các nguyên tố HK theo ký hiệu hoá học và ngay sau đó là hàm lƣợng theo

phần trăm trung bình (thƣờng đã quy tròn số nguyên), khi lƣợng chứa của nguyên tố

khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số). VD:

+ Loại thép 40Cr có: 0,36 - 0,44%C và 0,80 - 1,00%Cr.

+ Loại thép 12CrNi3 có: 0,09 - 1,16%C; 0,60 - 0,90%Cr; 2,75 - 3,75%Ni,

+ Loại thép 140CrW5 hay đơn giản CrW5 có: 1,25 - 1,5%C; 0,40 - 0,70%Cr;

4,5 - 5,5%W.

+ Loại thép 90CrSi có: 0,85 - 0,95%C; 1,20 - 1,60%Si; 0,95 - 1,25%Cr.

• Tiêu chuẩn Nga. ГOCT ký hiệu thép HK theo:

- Số chỉ hàm lƣợng C trung bình theo phần vạn (nếu là thép kết cấu) và phần

nghìn (nếu là thép dụng cụ, loại có C cao), nếu ≥ 1,00% không cần biểu thị.

- Các nguyên tố HK theo chữ cái Nga (thƣờng là chữ đầu theo tên gọi, nếu

trùng phải lấy chữ khác) nhƣ sau:

+ Theo chữ cái đầu tiên có: X cho crôm, H cho niken, B cho vonfram, M cho

molipđen, T cho titan, K cho côban;

+ Theo chữ cái tiếp sau có: Г mangan, C cho silic, Φ cho vanađi, Д cho đồng,

Ю cho nhôm, P cho bo,

- Thành phần của từng nguyên tố đƣợc biểu thị phần trăm đặt ngay sau mỗi chữ

cái tƣơng ứng, khi lƣợng chứa < 1,5% thì không cần biểu thị.

- Các thép chuyên dùng nhƣ thép gió, ổ lăn, kỹ thuật điện, ... có quy ƣớc riêng.

Theo đó: 40Cr là 40X, 12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhƣng

90CrSi là 9XC.

• Tiêu chuẩn Hoa Kỳ

- Đối với thép HK kết cấu. Sử dụng AISI và SAE, chúng biểu thị giống nhau

bằng bốn số xxxx nên đƣợc viết là AISI/ ASE xxxx, trong đó hai số cuối biểu thị

lƣợng cacbon theo phần vạn trung bình. Một số quy ƣớc:

thép cacbon 10xx,

thép cacbon có mangan nâng cao 15xx,

thép dễ cắt (2 loại) 11xx, 12xx,

thép mangan 13xx,


89

thép niken (2loại) 23xx, 25xx,

thép niken - crôm (4 loại) 31xx, 32xx, 33xx, 34xx,

thép môlipđen (2loại) 40xx, 44xx,

thép crôm-môlipđen 41x,

thép niken-crôm-môlipđen (11 loại) 43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx,

87xx, 88xx, 93xx, 94xx,

97xx, 98xx,

thép niken-môlipđen (2loại) 46xx, 48xx,

thép crôm (2loại) 50xx, 51xx,

thép crôm với khoảng 1,00%C 50xxx, 51xxx, 52xxx,

thép crôm- vanađi 61xx,

thép vonfram- crôm 72xx,

thép silic-mangan 92xx,

thép bo xxBxx,

- Đối với thép dụng cụ. Sử dụng AISI với ký hiệu gồm một chữ cái chỉ nhóm

thép và số thứ tự. Sau đây các chữ cái (thƣờng lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm

thép) đó:

W - thép tôi nƣớc (water),

O - thép tôi dầu (oil),

S - thép dụng cụ chịu va đập (shock),

T - thép gió vonfram (tungsten),

M - thép gió môlipđen-vonfram,

H - thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot),

C - thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold),

A - thép làm dụng cụ biến dạng nguội, tự tôi trong không khí (air).

5.2. Thép xây dựng (tự đọc- tự nghiên cứu)

Là nhóm thép đƣợc dùng ở trạng thái cung cấp không qua nhiệt luyện, chủ yếu

làm các kết cấu xây dựng.

5.2.1. Đặc điểm chung – phân loại

a. Đặc điểm chung

Về cơ tính: Ngoài yêu cầu độ bền, thép xây dựng phải có:

- Độ dẻo tốt và cao (δ ~ 15 - 35%) để phù hợp với đòi hỏi trong quá trình chế

tạo kết cấu các thanh, dầm thƣờng phải chịu uốn.

- Độ dai tốt (ak ~ 500 kJ/m2) để có thể chịu các tải trọng va đập do phƣơng tiên

giao thông hay gió, bão gây ra một cách đột ngột, ở các xứ lạnh phải quan tâm đến độ

dai va đập ở nhiệt độ âm do xu hƣớng biến giòn khi hạ thấp nhiệt độ.

Về tính công nghệ: Nổi bật là tính hàn cao và bảo đảm vì phần lớn các kết cấu

KL đƣợc ghép lại bằng cách hàn chảy.

Về thành phần hoá học: Hạn chế hàm lƣợng cacbon và nguyên tố HK để đảm

bảo tính hàn, thép phải có C ≤ 0,22% (nếu C > 25% tính hàn đã kém). Nếu tính cả các

nguyên tố khác để xác định tính hàn thƣờng dùng khái niệm cacbon đƣơng lƣợng Cđ.l

theo công thức:

Cđ.l = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

không đƣợc vƣợt quá 0,55%.


90

b. Phân loại

Theo thành phần hoá học hay độ bền, nó có hai phân nhóm chính: cacbon hay

thông dụng và HK thấp độ bền cao.

Theo công dụng có thể chia ra các phân nhóm: công dụng chung và công dụng

riêng nhƣ chuyên làm cốt bêtông, chuyên đóng tàu, làm cầu, ...

5.2.2. Thép thông dụng


Đó là thép cacbon (thép thƣờng) với chất lƣợng thƣờng, đƣợc sản xuất nhiều

nhất, thƣờng gặp nhất với độ bền bình thƣờng (ζ0,2 < 300 - 320 MPa), giá rẻ, ở dạng

các bán thành phẩm cán nóng khác nhau (ống, thanh, góc, hình, lá, tấm, băng, sợi dây,

...) thƣờng đƣợc dùng ở trạng thái cung cấp không qua nhiệt luyện - ta gọi là sắt.

b. Tiêu chuẩn Việt Nam Quy định các mác và yêu cầu kỹ thuật cho thép cacbon kết cấu thông thƣờng,

đƣợc chia thành ba nhóm A, B và C, trong đó phân nhóm A đƣợc sử dụng rất phổ

biến.

Phân nhóm A

Quy định các mác bằng CTxx, trong đó xx là số chỉ giới hạn bền tói thiểu

kG/mm2 gồm bảy mác từ CT31 đến CT61, nó chỉ bảo đảm về mặt cơ tính mà không

bảo đảm về thành phần hoá học. VD CT38 có ζb ≥ 38 kG/mm2 hay 380 MPa, các chỉ

tiêu khác nhƣ ζ0,2 , δ, ψ, ak phải tra bảng. Bảng 5.1. trình bày cơ tính của loại thép này.

Phân nhóm B

Chỉ quy định thành phần hoá học mà không quy định cơ tính, đƣợc ký hiệu nhƣ

phân nhóm trên nhƣng đằng trƣớc có chữ B, tức là BCTxx (nhƣ vậy xx không phải là

số chỉ ζb). Có mác từ BCT31 đến BCT61, muốn biết thêm thành phần hoá học phải tra

bảng.

Phân nhóm C

Quy định cả cơ tính lẫn thành phần hoá học, đƣợc ký hiệu nhƣ phân nhóm A

nhƣng đằng trƣớc có chữ C, tức CCTxx. Cơ tính và thành phần hoá học đƣợc tuân theo

các mác tƣơng ứng của các phân nhóm A và B. VD: CCT38 có cơ tính nhƣ CT38, còn

thành phần nhƣ BCT38.

Nếu phân nhóm A có chất lƣợng thƣờng thì phân nhóm B và C có chất lƣợng

nâng cao tuy chƣa đạt chất lƣợng tốt.

c. Tiêu chuẩn các nƣớc

- ГOCT 380: ký hiệu bằng CTx. Trong đó x là số thứ tự từ 0 - 6, có sự tƣơng

đƣơng về các yêu cầu kỹ thuật giữa nhóm thép này của TCVN và ГOCT: 31- 0, 33 - 1,

34 -2, 38 - 3, 42 - 4, 51 - 5, 61 – 6 (TCVN chỉ đổi cách đánh số từ thứ tự sang chỉ ζb

mà thôi).

- ГOCT cũng có phân nhóm thứ hai (nhóm Ь) với loạt mác ЬCTx (VD: ЬCT3

là BCT38 của TCVN) và nhóm thứ ba (B) với loạt mác BCTx (VD: BCT5 là CCT51

của TCVN).

- Hoa kỳ: thƣờng dùng các thép thông dụng theo ASTM với nhiều tiêu chuẩn

khác nhau (283, 284, 328, 529, 570, ...) với đặc điểm chung là chúng đều là loại đƣợc

quy định cả cơ tính và thành phần hoá học. Chúng đƣợc ký hiệu theo cấp (Grades) độ

bền, VD: ASTM 570 có Grades 30, 33, 36, 40, 45, 50 và 55, trong đó chỉ số ζ0,2 theo

ksi, nhƣ Grades 30 có ζ0,2 ≥ 30 ksi hay 205 MPa (tƣơng đƣơng CT34). Các tiêu chuẩn

khác đánh số theo Grades A, B, C ... theo trật tự độ bền tăng dần.


91

- Nhật Bản: JIS G3101 có các mác chỉ đƣợc bảo đảm cơ tính nhƣ phân nhóm A

của TCVN, gồm các mác SS 330, 400, 490 và 540, trong đó ζb tối thiểu theo MPa. JIS

3106 quy định các thép thông dụng chuyên để hàn đƣợc bảo đảm cơ tính lẫn thành

phần hoá học, có các mác SM 400, 490, 520, 570 (có thể có các đuôi: A, B, C, YA,

YB); với ζb tối thiểu theo MPA.

- EN: ký hiệu thép thông dụng bằng Fe với số tiếp theo chỉ ζb tối thiểu theo

MPa, VD Fe 360B, Fe 430C, Fe 510D1, ...

5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA


Nhóm này có tên (High Strength Low Alloy steel) viết tắt là HSLA có nhiều

tính năng cao hơn thép thông dụng đặc biệt độ bền cao hơn (ζ0,2 > 300 - 320 MPa),

trong khi các chỉ tiêu cơ tính khác vẫn đảm bảo yêu cầu của thép xây dựng.

- Độ bền đƣợc nâng cao bằng cách HK hoá thấp thép bằng nhiều nguyên tố hoà

tan vào ferit nhƣng ít làm hại tính hàn nhƣ Mn, Si, Cr, Cu và Ni, B, và N. Để duy trì

độ dẻo, độ dai có thể HK hoá thấp bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh nhƣ V, Nb để

giữ cho hạt nhỏ. Tính chống ăn mòn trong khí quyển tăng (gấp 2 - 4 lần), đặc biệt khi

thép chứa 0,20 - 0,30% Cu.

- Để giảm giá thành, tận dụng việc HK hoá tự nhiên (luyện từ vùng quặng giàu

nguyên tố HK) hay sử dụng lại phế liệu là thép HK và dùng các nguyên tố rẻ nhƣ Mn,

Si. Do vậy tổng lƣợng HK < 2,0 - 2,5%, trong đó tổng lƣợng Cu + Ni + V + Mo chỉ

khoảng 1,00%.

Hiệu quả sử dụng thép HSLA rất tốt. Chỉ nói về mặt tiết kiệm KL, khi thay thế

cho thép thông dụng: dùng HSLA có ζ 0,2 = 350 MPa tiết kiệm 15%KL; ζ 0,2 = 400

MPa tiết kiệm 25 - 30%; ζ 0,2 = 600 MPa tiết kiệm 50%.

Nhƣợc điểm là tính hàn có phần hơi kém hay nâng cao nhiệt độ giòn lạnh, dễ bị

phá huỷ ở nhiệt độ âm sâu.

b. Tiêu chuẩn Vịêt Nam

TCVN 3104-79 quy định các mác thép cho thép kết cấu HK thấp HSLA làm

hai nhóm.

- Dùng kết cấu KL nhƣ:

+ loại ~ 1%Mn (14 Mn, 15MnV, 19Mn),

+ loại ~ 2%Mn (09Mn2, 14Mn2, 18Mn2),

+ loại ~ 1%Mn + 0,6%Si (12MnSi, 16MnSi, 17MnSi),

+ loại ~ 1%Mn + 0,6%Si + 0,6%Cr (14CrMnSi),

+ loại ~ 1,50%Mn + 0,60 hay 1,00%Si (09Mn2Si, 10Mn2Si1),

+ loại ~ 0,80%Cr + 0,80%Si + 0,60% Ni + 0,40%Cu (10CrSiNiCu,

15CrSiNiCu)

- dùng làm cốt bêtông (trình bày ở phần sau).

5.2.4. Thép làm cốt bêtông

Là loại chuyên dùng làm cốt cho bêtông với mục đích tăng khả năng chịu kéo,

uốn và tải trọng động cho cấu kiện. TCVN 1651-85 chia thép này làm bốn cấp:

Cấp C I - chịu lực thấp nhất dùng thép tròn trơn vớimác CT38,

Cấp C II - dùng có đốt với mác CT51,

Cấp C III, C IV - là cấp chịu lực cao hơn dùng thép HSLA với các mác

35MnSi, 18Mn2Si, 25Mn2Si, 20CrMn2Zr của TCVN 3104-79.


92

Hoa Kỳ dùng theo ASTM:

Loại tròn trơn - ζ b ≥ 485 MPa, ζ 0,2 ≥ 385 MPa,

Loại có đốt - ζ b ≥ 550 MPa, ζ 0,2 ≥ 485 MPa,

tức là có độ bền cao hơn C I và C II của TCVN.

JIS 3112 có hai mác thép tròn trơn: SR 235 và SR 295, bốn mác thép có đốt SD

295, SD 345, SD 390, SD 490; trong đó ζ 0,2 tối thiểu theo MPa

5.2.5. Các loại thép khác

- Dây thép : qua nhiều lần kéo nguội làm hoá bền thép. Mọi loại dây thép đều

là thép cacbon, với lƣợng cacbon và mức độ bến dạng khác nhau dây có cơ tính khác

nhau.

- Đƣờng ray cho xe lửa đƣợc coi nhƣ là thép xây dựng nhƣng lại là thép khá

cứng, bền với chất lƣợng tốt.

5.3. Thép chế tạo máy

5.3.1. Các yêu cầu chung

a. Cơ tính

- Độ bền cao: phải coi trọng giới hạn chảy, vì các chi tiết máy ở dạng lắp ghép

không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc.

- Độ dai va đập: rất quan trọng với các chi tiết máy chịu tải trọng động do phải

tăng tải một cách đột ngột, bảo đảm không bị phá huỷ giòn, yêu cầu đặc biệt quan

trọng đối với các phƣơng tiện giao thông.

- Độ cứng bề mặt cao: để bảo đảm tính chống mài mòn khi làm việc bị ma sát

hay cọ sát. Rất nhiều chi tiết máy làm việc dƣới tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục,

bánh răng, ...) nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao.

b. Tính công nghệ

- Biến dạng nóng (rèn) để tạo phôi, tạo ra hình dạng gần đúng với hình dạng,

kích thƣớc của chi tiết, giúp tạo ra tổ chức tốt hơn (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp.

Cắt gọt để tạo ra hình dạng, kích thƣớc chính xác và độ bóng yêu cầu quy định.

Muốn vậy phải chọn đúng mác thép và chế độ nhiệt luyện thích hợp .

c. Tính kinh tế

Nói chung phải rẻ, nên thƣờng dùng thép C và thép HK thấp, trƣờng hợp thật

quan trọng mới dùng đến HK trung bình, không dùng HK hoá cao.

d. Thành phần hoá học

Do các yêu cầu trên nên thép phải có thành phần hoá học phù hợp.

1) Cacbon và thép C

Lƣợng C = 0,10 - 0,65%, tuỳ theo yêu cầu khác nhau lại chia ra ba nhóm nhỏ sau:

- Nhóm yêu cầu nặng về độ dẻo, độ dai: cacbon thấp 0,10 - 0,25%C, phải qua

tôi + ram thấp để đạt độ bền cao, qua thấm cacbon để có độ cứng bề mặt cao.

- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn chảy và độ dai: cacbon trung bình 0,30 -

0,50%C và tôi + ram cao. muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt.

- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tƣơng đối cao

0,55 - 0,65% và tôi ram trung bình.


93

Nói chung thép C kết cấu chế tạo máy có tính công nghệ tốt và rẻ, chiếm tỷ lệ

tới 80 - 90% trong cơ khí, dùng để làm các chi tiết chịu tải trọng thấp hay trung

bình, có tiết diện nhỏ (< 20 mm), hình dạng đơn giản (để khi phải tôi trong nước

không bị nứt).

Nhƣợc điểm của thép C:

+ khi có tiết diện lớn (> 30 - 40mm) không thể đạt độ bền tốt nhƣ ở tiết diện

nhỏ,

+ không thể tạo chi tiết có hình dáng phức tạp (tiết diện thay đổi đột ngột),

+ tính chống ram kém, không duy trì đƣợc độ bền, độ cứng sau khi tôi khi bị

nung đến 2000C và cao hơn, nên nói chung không làm việc đƣợc ở nhiệt độ cao.

1) Thành phần HK và thép HK

Theo tác dụng và hàm lƣợng, các nguyên tố HK đƣợc chia thành hai nhóm:

• Nhóm các nguyên tố HK chính chiếm tỷ lệ chủ yếu, có tác dụng tăng độ bền

nhờ nâng cao độ thấm tôi, đó là Cr, Mn, Si và Ni (ngoài ra có B), đặc tính:

- rẻ, dễ kiếm (riêng Ni đắt song vẫn phải dùng khi thật cần), tổng lƣợng đƣa vào

thƣờng khoảng 1,0 - 3,0%,

- có tác dụng nâng cao độ thấm tôi.

Với một tổng lƣợng HK nhƣ nhau khi dùng nhiều nguyên tố HK có tác dụng

thấm tôi mạnh hơn là khi chỉ dùng một nguyên tố (HK hoá đơn giản). VD: không

dùng thép với 3%Cr vì cho độ thấm tôi (bền) kém hơn 1%Cr + 2%Ni hay1%Cr +

15Mn + 1%Si. Thƣờng gặp:

- khi tổng lƣợng HK ~ 1% dùng một nguyên tố, VD thép Cr,

- khi tổng lƣợng HK ~ 2% dùng hai nguyên tố, VD thép Cr - Ni,

- khi tổng lƣợng HK ~ 3% dùng hai hoặc ba nguyên tố, VD thép Cr - Mn - Si,

- khi tổng lƣợng HK ≥ 4% dùng hai, ba hoặc bốn nguyên tố.

• Nhóm các nguyên tố HK phụ đƣa vào với lƣợng rất ít, thƣờng < 0,1%, cao

nhất đến 0,2% để cải thiện nhƣợc điểm nào đó do nguyên tố chính đƣa vào, đó là Ti,

Zr, Nb, V và Mo.

- Ti, Zr, Nb, V giữ cho thép có hạt nhỏ khi nung, đặc biệt trong thép Cr - Mn

(Mn có khuynh hƣớng gây hạt lớn), thƣờng dùng khoảng 0,10%Ti.

- Mo (khoảng 0,20%) tránh đƣợc giòn ram, thƣờng đƣa vào thép Cr - Ni với độ

thấm tôi cao có lƣợng cacbon khoảng 0,20 - 0,40%. Nguyên tố W cũng có tác dụng

này nhƣng phải nhiều (khoảng 0,50%). Ngoài ra các loại thép này còn nâng cao độ

thấm tôi, nên thép Cr - Ni - Mo (hoặc W ) đƣợc coi là thép chế tạo máy tốt nhất.

* Tóm lại thép HK chế tạo máy có những đặc điểm sau:

- Có độ bền cao, thể hiện rất rõ khi tiết diện lớn nhờ tính thấm tôi cao, đặc biệt

khi tôi thấu sẽ đạt đƣợc cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện.

- Do tôi dầu, thậm chí áp dụng tôi phân cấp nên có thể làm đƣợc các chi tiết có

hình dạng phức tạp mà không sợ nứt, biến dạng lớn.

- Tính chống ram tốt nên giữ đƣợc độ bền ở nhiệt độ cao, mặt khác thép HK

đƣợc ram ở nhiệt độ cao hơn nên ứng suất bên trong thấp hơn.

e. Quan hệ giữa tổng lƣợng HK và đƣờng kính tôi thấu

- Thép có độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu tới đƣờng kính 15 mm, là loại không HK

hoá tức thép cacbon.

- Thép có độ thấm tôi trung bình, tôi thấu tới đƣờng kính 35 mm, là loại HK

hoá thấp và đơn giản nhƣ 1%Cr hoặc 2%Mn hoặc 1%Cr + 0,5%Si.


94

- Thép có độ thấm tôi tương đối cao, tôi thấu tới đƣờng kính 75 mm, là loại đƣợc

HK hoá thấp nhƣng phức tạp nhƣ Cr - Ni thƣờng, Cr - Mo, Cr - Mn - Si.

- Thép có độ thấm tôi cao, tôi thấu tới đƣờng kính 100 mm, là loại HK hoá phức

tạp nhƣ tới 5 ữ 6% nhƣ Cr - Ni cao hay Cr - Ni - Mo.

f. Các nhóm thép chế tạo máy

- Thép thấm C với thành phần C thấp (dẻo, dai), để đạt độ bền cao phải tôi +

ram thấp, muốn đạt độ cứng bề mặt cao phải qua thấm C.

- Thép hoá tốt có thành phần C trung bình (khá bền, dẻo, dai), để nâng cao cơ

tính hơn nữa phải tôi + ram, muốn đạt độ cứng bề mặt tốt cuối cùng phải qua tôi

bề mặt.

- Thép đàn hồi có thành phần C tƣơng đối cao (kém dẻo, dai nhƣng khá cứng,

rất đàn hồi), để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi + ram trung bình.

5.3.2. Thép thấm cácbon

a. Đặc điểm về thàmh phần hoá học

Thép thấm C là loại thép có thành phần C thấp: 0,10 - 0,25% (có thể tới 0,3%)

để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhƣng bề mặt bị mài mòn

mạnh nhƣ bánh răng, cam, chốt, ... Thép phải qua thấm C (tôi + ram thấp sau khi

thấm).

Cacbon: Lƣợng C đƣợc quy định trong khoảng trên để đảm bảo độ dẻo, độ dai

cao của lõi ở cả trạng thái tôi + ram thấp để đạt độ bền cao nhất.

Các thép C có độ thấm tôi thấp, chỉ dùng cho chi tiết nhỏ (Ф < 10 - 20) và hình

dạng đơn giản (vì phải tôi nƣớc), chỉ chịu mài mòn bình thƣờng. Do phải chịu lâu ở

nhiệt độ cao khi thấm C, nên thép để thấm C phải là loại khử ôxy triệt để (thép lặng),

tốt nhất là loại hạt nhỏ để hạt không bị to, làm thép giòn.

Hợp kim: Thép HK có độ thấm tôi cao, dùng cho chi tiết lớn (Ф > 30 - 50),

hình dạng phức tạp và chịu mài mòn cao. Các nguyên tố HK dùng cho thép thấm C

phải đảm bảo: làm tăng tính thấm tôi để nâng cao độ bền và thúc đẩy quá trình thấm C.

Nguyên tố HK cơ bản có mặt trong mọi thép HK thấm C là Cr, có thể riêng rẽ

hay kết hợp với Ni, Mn.

Ƣu điểm của thép HK thấm C so với thép C là:

- độ bền cao do độ thấm tôi cao (tiết diện chi tiết càng lớn thể hiện càng rõ),

- tính chống mài mòn cao do sau khi thấm C tạo nên cacbit HK ổn định hơn,

phân tán hơn và cứng hơn,

- duy trì độ bền, tính chống mài mòn ở nhiệt độ cao hơn 2000C,

- ít biến dạng, nứt khi tôi do đƣợc làm nguội trong dầu, nên làm đƣợc các chi

tiết có hình dạng phức tạp,

- rút ngắn thời gian thấm do có thể nâng cao nhiệt độ thấm.

b. Thép cacbon

TCVN: C10, C15, C20, C25 và đôi khi cả CCT38. Tƣơng ứng với ГOCT là

10, 15, 20, 25, BCT3; SAE/AISI là 1010, 1015, 1020, 1025; JIS là S10C, S15C, S20C,

S25C.

Đặc điểm:

- sau khi thấm C đạt đƣợc yêu cầu thấp kể trên ở tiết diện nhỏ: độ cứng bề mặt

60 - 62 HRC, chống mài mòn tƣơng đối tốt, lõi 30 - 40 HRC, độ dai , độ bền tốt, ζb ~

500 - 600 MPa,

- không thể làm đƣợc các chi tiết phức tạp và lớn do phải tôi nƣớc, độ thấm tôi thấp,


95

- khi thấm không thể nâng cao quá 9000C, tốc độ thấm kéo dài, hạt vẫn bị to.

Công dụng: làm các chi tiết không quan trọng nhƣ một số phụ tùng xe đạp, xe

cải tiến (trục, côn, bi), chi tiết dù nhỏ nhƣng hình dạng phức tạp cũng không thể làm

bằng thép C.

c. Thép crôm

Nguyên tố Cr tƣơng đối rẻ, nó không những nâng cao độ thấm tôi mà còn xúc

tiến quá trình thấm C, do vậy đƣợc dùng trong mọi thép HK thấm C.

Thép Cr đơn giản có khoảng 1% Cr, đƣợc dùng phổ biến, thƣờng dùng các ký

hiệu theo TCVN 1659-75: 15Cr, 29Cr, 15CrV, 20CrV (tƣơng ứngvới ГOCT là 15X,

20X, 15XêФ, 20XêФ; SAE/AISI là 5015, 5115, 5120; JIS là SCr415, SCr420).

Đặc điểm (so với thép thƣờng):

- sau khi thấm C cũng đạt độ cứng 60 - 62 HRC song có tính chống mài mòn

cao hơn,

- do nâng cao chút ít độ thấm tôi và dùng môi trƣờng tôi dầu nên có thể làm

đƣợc chi tiết có hình dạng tƣơng đối phức tạp,

- độ bền cao hơn đôi chút, ζb ~ 700 - 800 MPa,

- nhiệt độ thấm C khoảng 900 - 9200C, tốc độ thấm nhanh hơn, độ hạt bình

thƣờng, sau thấm không cần thƣờng hoá, vẫn áp dụng cách tôi nhƣ thép C. Ngoài ra

thép này còn có khuynh hƣớng quá bão hoà C tạo nên lƣới cacbit gây ra giòn (dễ xảy

ra khi thấm).

Công dụng: làm các chi tiết loại nhỏ (Φ 20 - 40), có hình dạng tƣơng đối phức

tạp nhƣ bánh răng, trục bậc, chốt với đòi hỏi tính chống mài mòn tƣơng đối cao.

d. Thép Cr - Ni và Cr-Ni-Mo

Thép Cr - Ni: Có đặc trưng bền và dai nên được dùng cho các chi tiết quan

trọng, cần độ tin cậy cao như trong ôtô, máy bay ...

- Thép Cr - Ni thường

Là loại thép HK thấp, trong đó 0,50 - 1,00% Cr còn Ni > 1%, cải thiện đáng kể

độ thấm tôi, tôi rất dễ trong dầu. Tuy nhiên nó không có hiệu quả kinh tế cao nên hầu

nhƣ không đƣợc dùng ở các nƣớc phƣơng Tây. Hiện còn đƣợc dùng ở Nga là 20XH,

làm các chi tiết có hình dạng phức tạp với kích thƣớc trung bình (50 - 70 mm), chịu tải

trọng va đập cao nhƣ các bánh răng ôtô tải nhẹ và du lịch.

- Thép Cr - Ni cao

Thép đƣợc dùng làm các chi tiết thấm C rất quan trọng: chịu tải nặng và bị mài

mòn mạnh, hình dáng lớn và phức tạp, yêu cầu độ tin cậy cao nhƣ các chi tiết máy bay,

ôtô mà các hƣ hỏng có thể gây tai họa cho ngƣời.

Điển hình là 12XH3A và 20X2H4A của ΓOCT (SNC415 và SNC815 của JIS)

có thể đạt đƣợc tổng hợp cơ tính cao tới ζb ~ 1000 - 1200 MPa, ak = 900 - 1000kJ/m2.

- Thép Cr - Ni - Mo

Chủ yếu là nhóm thép Cr - Ni cao nhƣng có thêm 0,10 - 0,40%Mo với tác

dụng nâng cao hơn nữa độ thấm tôi (không có tác dụng chống giòn ram do chỉ phải

ram thấp), đƣợc coi là thép thấm C tốt nhất, dùng vào các mục đích quan trọng nhất

và cho tiết diện lớn nhất.

Điển hình là: 20XH2M, 18X2H4MA của ГOCT (SNCM415, SNCM815 của

JIS, 4320, 4720, 8115, 8615, 8822, 9310, 94B17 của AISI/SAE). Các mác này giống

nhƣ các mác Cr - Ni cùng loại song có tính thấm tôi cao hơn (VD SNCM 415 có tính

thấm tôi > SNC415, còn cách nhiệt luyện giống nhƣ SNC415).

e. Thép Cr-Mn-Ti


96

Nhóm này có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao đƣợc dùng rất rộng rãi ở Nga

và ở nƣớc ta trong chế tạo bánh răng ôtô tải nhẹ và trung bình.

Về mặt kinh tế: tƣơng đối rẻ vì HK hoá thấp chủ yếu bằng các nguyên tố rẻ

(Mn) và không đắt (Cr), không phải dùng Ni đắt.

Về độ bền: đối với các chi tiết trung bình (< 50mm) nó có độ bền tƣơng đƣơng

nhƣ thép Cr-Ni do có thể tôi thấu (ζb = 1100 -1150 MPa), tuy độ dẻo, độ dai có kém

hơn đôi chút (ak = 600 - 900kJ/m2).

ГOCT quy định hai mác thép làm bánh răng rất phổ biến là 18XГCT, 25XГM.

Mác đầu dùng trong trƣờng hợp thấm C, mác sau dùng thấm C - N ở thể khí với nhiệt

độ 8500C, thời gian thấm vẫn rút ngắn, tôi trực tiếp + ram thấp, độ biến dạng đạt giá trị

nhỏ nhất.

5.3.3. Thép hoá tốt

Thành phần C trung bình (0,30 - 0,50%C), để chế tạo các chi tiết máy chịu tải

trọng tĩnh và va đập tương đối cao mà bề mặt có thể bị mài mòn nhƣ trục, bánh răng,

chốt ..., để đạt cơ tính tổng hợp cao nhất thép phải qua nhiệt luyện hoá tốt (tôi + ram

cao).

a. Đặc điểm về thành phần hoá học

- Cacbon: Với lƣợng C = (0,30 - 0,50%C) sẽ bảo đảm sự kết hợp tốt nhất các

chỉ tiêu cơ tính (cơ tính tổng hợp): độ bền, độ dẻo, độ dai sau khi tôi + ram cao và độ

cứng, tính chống mài mòn tƣơng đối cao sau khi tôi bề mặt. Nếu dùng nhiều C cơ tính

tổng hợp thấp tuy có độ cứng, tính chống mài mòn cao hơn, thƣờng dùng phổ biến

(0,35 - 0,45%C).

- Hợp kim: Thép đƣợc HK hoá thích hợp để đạt tới độ thấm tôi mong muốn, do

đó tiết diện càng lớn lƣợng HK đƣa vào càng phải cao.

Nguyên tố HK chính: Cr, Mn với lƣợng chứa 1 - 2%, Ni 1 - 4% nhƣ nhóm thép

C, ngoài ra còn cho phép dùng Si (< 1%). Nguyên tố HK phụ thƣờng dùng là Mo, W,

có tác dụng tăng độ thấm tôi, song chủ yếu là khắc phục giòn ram khi ram cao tiết diện

lớn.

b. Đặc điểm về nhiệt luyện

Nhiệt luyện thực hiện hai bƣớc:

Bước 1: Tạo cho lõi có cơ tính tổng hợp cao để chịu đƣợc tải trọng tĩnh và va

đập bằng cách tôi + ram cao để đạt tổ chức xoocbit ram với 240 - 280 HB (25 - 30

HRC).

Bước 2: Tạo cho bề mặt độ cứng và tính chống mài mòn. Sau khi gia công tinh,

chi tiết thành phẩm đƣợc qua tôi bề mặt và ram thấp. Với lƣợng C nhƣ trên sau tôi bề

mặt dễ dàng đạt độ cứng 52 - 58 HRC, cùng với độ cứng lõi 25 - 30 HRC đạt yêu cầu

đề ra.

Riêng với thép có 0,30 - 0,35%C tôi bề mặt không đạt độ cứng 50 HRC nên

phải thay bằng thấm C - N nhiệt độ thấp (550 - 5600C) tức không vƣợt quá nhiệt độ

ram cao để không làm hỏng tổ chức xoobit ram của lõi với cơ tính tổng hợp cao.

c. Thép Cacbon

Là các mác thép C30, C35, C40, C45, C50 và C40Mn song thƣờng dùng là

hai mác giữa (tƣơng ứng với các mác 40, 45, 40Γ, 58 của ГOCT; 1040, 1045 của

AISI/SAE; S45C của JIS). Thƣờng dùng làm các chi tiết máy nhỏ (Φ20 - Φ30), hình

dạng đơn giản nhƣ các trục, chốt phẳng, thành truyền lực. Chúng đạt yêu cầu đề ra

nhƣng mức thấp ζb = 750 - 850 MPa.


97

d. Thép crôm

Với 0,50 hay 1,00%Cr, chủ yếu để cải thiện tính tôi (tôi trong dầu) và nâng cao

một phần độ thấm tôi. Dùng làm các chi tiết máy nhỏ (Φ20 - Φ40) nhƣng có hình dạng

tƣơng đối phức tạp nhƣ trục bậc, bánh răng. Thƣờng dùng 40X, 40XΦA của ΓOCT

(tƣơng đƣơng 50B40, 5140 của AISI/SAE, SCr440 của JIS), trong đó mác 40 đƣợc

quen dùng ở nƣớc ta.

e. Thép Cr-Mo

Đƣa thêm Cr kể trên khoảng 0,25%Mo sẽ cải thiện thêm độ thấm tôi và chống

đƣợc giòn ram, dùng làm các chi tiết máy trung bình (Φ >50mm) hình dạng tƣơng đối

phức tạp nhƣ bánh răng. Thƣờng dùng 38XMA của ΓOCT (4140 của AISI/SAE,

SCM440 của JIS).

f. Thép Cr-Mn và Cr-Mn-Si

Thép có chứa 1%Cr + 1%Mn hay 1%cr + 1%Mn + 1%Si là loại HK hoá phức

tạp nên có độ thấm tôi cao, dùng làm chi tiết khá lớn (Φ5 - 60). Do HK hoá cả Mn lẫn

Si nên cứng và giòn hơn các loại thép HK khác, ít dùng phổ biến ở nƣớc ta. Nga có

dùng thép này với mác 40XΓ, 30XΓC; hoa Kỳ và Nhật không dùng.

g. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo

- Thép Cr - Ni thường

Thép chứa khoảng 1%Cr + 1%Ni, do Ni thấp nên chƣa có độ thấm tôi cao, chỉ

đƣợc làm các chi tiết với tiết diện 50 - 60mm với ζb ~ 700 MPa, ak ~ 700kJ/m2. Nhờ

tính tôi tốt nên thép này đƣợc làm các chi tiết có hình dạng khá phức tạp nhƣ chi tiết

truyền lực hay hệ thống lái trong ôtô, ГOCT có mác điển hình là 40XH (Hoa Kỳ và

Nhật không có loại thép này).

- Thép Cr - Ni cao Thƣờng chứa khoảng 1 - 2%Cr + 3 - 4%Ni (với Ni/Cr = 3 - 4) thuộc nhóm thép

HK trung bình với độ thấm tôi cao, tôi thấu với tiết diện trên 100mm (thực tế là bất

kỳ). Nhờ vậy thép có cơ tính tổng hợp cao: ζb = 1100 MPa, ζ0,2 = 1000 MPa, ak =

800kJ/m2 . ГOCT dùng điển hình là 30XH3A (tƣơng đƣơng với SNC631 và SNC836

của JIS, Hoa Kỳ không có thép này). Thép này cũng có nhƣợc điểm là bị giòn ram và

tính gia công cắt kém.

- Thép Cr - Ni cao với Mo

Là loại thép hoá tốt chế tạo máy tốt nhất vì chỉ có thêm lƣợng nhỏ (0,15 -

0.40%) Mo không những tăng độ thấm tôi, làm các chi tiết với hình dạng phức tạp, tiết

diện lớn (≥ 100mm) mà loại trừ giòn ram (làm nguội nhanh trong dầu, nƣớc sau khi

ram không đủ nhanh để làm mất giòn ram). Thép thuộc nhóm mactenxit, đƣợc coi tôi

thấu với tiết diện bất kỳ. Thép có cơ tính tổng hợp cao nhất: ζb = 1200 MPa, ζ0,2 =

1100 MPa, ak = 800kJ/m2.

Nhóm thép này đƣợc dùng ở mọi nƣớc: ГOCT có 38X2H2MA, 38XH3MФA

(ứng với 4340 của AISI/SAE; SNCM439 của JIS). Thép vẫn còn nhƣợc điểm là tính

gia công cắt kém.

h. Thép dùng để thấm nitơ

Thép thấm N phải là thép HK đặc biệt trong đó có Cr (~ 1,6%), Mo (~ 0,30%),

Al (~ 1,00%) tạo nên nitrit cứng, phân tán và ổn định hơn nitrit sắt. Lƣợng C khoảng

0,40% nên đƣợc nhiệt luyện hoá tốt để tạo cơ tính tổng hợp cao cho lõi trƣớc khi thấm

nitơ nâng cao độ cứng bề mặt. Cần chú ý là nhiệt độ thấm N bao giờ cũng phải thấp

hơn nhiệt độ ram cao.


98

ГOCT dùng mác 38X2MЮA (tƣơng đƣơng với 7140 của SAE và SACM645

của JIS). Chế độ nhiệt luyện hoá tốt của các mác thép này gồm tôi ở 930 - 9500C trong

dầu, ram 640 ữ 6800C, cơ tính đạt ζb = 1030 MPa, ζ0,2 = 880 MPa, ak = 600kJ/m

2.

Thấm N ở 520 - 5400C đạt độ cứng 850 - 1050 HV (~ 63 - 72 HRC).

5.3.4. Thép đàn hồi (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Điều kiện làm việc

Đặc điểm làm việc của các chi tiết đàn hồi là chịu tải trọng tĩnh và va đập cao

mà không cho phép bị biến dạng dẻo. Thép phải đạt các yêu cầu sau:

- Giới hạn đàn hồi cao là khả năng chống biến dạng dẻo cao (giới hạn bền

không có nghĩa vì không cho phép bị biến dạng dẻo), tỷ lệ ζđh / ζb càng gần tới1 càng

tốt, thƣờng đạt trong giới hạn 0,85 - 0,95.

- Độ cứng khá cao trong khoảng 35 - 45 HRC là thích hợp độ dẻo, độ dai thấp

không để xảy ra biến dạng dƣ trong quá trình làm việc, song không quá thấp dễ bị phá

huỷ giòn.

- Giới hạn mỏi cao để thích ứng với điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ.

b. Đặc điểm về thành phần hoá học và nhiệt luyện

• Thành phần hoá học

- Lƣợng C thích hợp khoảng 0,55 - 0,70%, tốt nhất 0,55 - 0,65%, khi lƣợng

nguyên tố HK tăng lên thành phần C có thể giảm đôi chút.

- Các nguyên tố HK đƣa vào phải đạt các yêu cầu sau:

+ Nâng cao giới hạn đàn hồi và độ cứng - dùng Mn, Si là tốt nhất.

+ Nâng cao độ thấm tôi để bảo đảm giới hạn đàn hồi cao và đồng nhất trên tiết

diện - dùng Cr, Ni (Mn, Si cũng có tác dụng).

Trong thép thƣờng dùng: 1%Mn, 2%Si, 2% (Cr + Ni) vì tiết diện của chúng

không lớn, nếu quá mức đặc biệt là Mn, Si thép sẽ quá cứng và giòn.

• Đặc điểm về nhiệt luyện

Tôi + ram trung bình để có tổ chức trôxtit ram, đạt giới hạn đàn hồi cao nhất với

tỷ lệ

ζđh / ζb ≈ 0,90. Cần phải chú ý tới chất lƣợng bề mặt:

- Chống thoát C. Khi thành phần C bề mặt thấp hơn giới hạn quy định có thể

tích riêng nhỏ hơn, chịu ứng suất kéo và do đó dễ phát sinh vết nứt mỏi.

- Tạo nên ứng suất nén trên bề mặt. Biện pháp có hiệu quả hơn là phun bi, lăn

ép, thậm chí cán, kéo nguội sau khi nhiệt luyện tôi + ram trung bình, nhờ đó tuổi bền

tăng 50 - 100%.

- Nâng cao độ nhẵn bề mặt. Loại bỏ các vết xƣớc là mầm mống của nứt mỏi,

muốn vậy phải qua cán, kéo tinh, thậm chí qua mài.

c. Các mác thép và đặc điểm

Theo TCVN 1767 - 75:

• Thép thƣờng và thép mangan

Thép thƣờng có tính đàn hồi tốt là loại thép C: C65, C70 và cả CD80, CD100.

Thép với khoảng 1%Mn với mác 65Mn cũng đƣợc dùng rộng rãi. Có đặc điểm:

- Giới hạn đàn hồi thấp ζđh ≤ 800MPa do hầu nhƣ không đƣợc HK hoá (vì

trong thép C cũng có thể có 0,80%Mn).

- Độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu tới Ф15. Dạng phổ biến nhất là dây (Ф 0,15 - Ф

8) đƣợc cung cấp ở trạng thái tôi chì rồi sau đó kéo nguội với tốc độ biến dạng < 70%,

giới hạn đàn hồi sẽ tăng mạnh. Nhƣ vậy dây đã có tính đàn hồi cao, nên để làm lò xo


99

chỉ cần qua quấn nguội tạo hình rồi ủ thấp (200 - 3000C) để khử bỏ ứng suất bên trong

vừa tạo thành là đủ.

• Thép Si và các thép HK khác

Là nhóm có giới hạn đàn hồi cao đƣợc dùng vào các mục đích quan trọng hơn.

Mác thép Si là 60Si2 đƣợc dùng với 2%Si là mác phổ biến với các đặc điểm:

- Giới hạn đàn hồi cao, ζđh ≥ 1000MPa với giá thành tƣơng đối rẻ.

- Độ thấm tôi tốt hơn (tôi trong dầu với tiết diện dày (20 - 30mm).

- Dễ thoát C khi nung nóng để tôi, vì vậy phải chú ý bảo vệ bề mặt khi nhiệt

luyện.

Để khắc phục nhƣợc điểm trên và nâng cao độ thấm tôi, tiến hành HK hoá thêm

bằng Cr, Mn, Ni, và V với các mác 50CrMn, 60Si2CrVA, 60Si2Ni2A 60Si2 đƣợc

dùng chủ yếu làm lòxo trong toa xe, nhíp ôtô, trục mềm. Chúng thƣờng đƣợc cung cấp

dƣới dạng bán thành phẩm (dây > Ф 6, thanh, băng) chƣa qua nhiệt luyện. Sau khi tạo

hình (quấn, dập, uốn) ở trạng thái nóng tiến hành tôi + ram trung bình để tạo tính đàn

hồi cao.

ГOCT có các mác tƣơng tự 65, 70, Y8, Y10, 60C2, 65Г, 60C2, 50XГ,

60C2XФA, 60C2H2A, ...

AISI / SAE không có ký hiệu riêng, các mác có thành phần C trong giới hạn quy

định đều là thép đàn hồi nhƣ: AISI / SAE 1065, AISI / SAE 1070, AISI / SAE 1566,

SAE 9255, AISI / SAE 4161, AISI / SAE 50B60, AISI / SAE 5160 và 51B60, AISI /

SAE 8655, ... JIS ký hiệu bằng SUP với số thứ tự tiếp theo, có SUP3 (thép C), SUP6 và

SUP7 (thép Si), SUP9 và SUP9A (thép Cr-Mn), ngoài ra còn SUP10, SUP11A,

SUP12 và SUP13.

5.3.5. Các thép kết cấu có công dụng riêng (tự đọc- tự nghiên cứu)

Nhóm thép này dùng rộng rãi trong chế tạo máy, dùng vào các mục đích chuyên

dùng.

a. Thép lá để dập nguội.

Thép để dập nguội phải đƣợc cung cấp ở dạng lá mỏng hoặc tấm với yêu cầu cơ

tính chủ yếu là phải có tính dẻo cao. Do vậy thép phải có thành phần hoá học và tổ

chức tế vi nhƣ sau:

- Lƣợng C thấp ≤ 0,20% (thƣờng dùng ≤ 0,10%) với tổ chức chủ yếu là ferit (có

thể có không đáng kể peclit).

- Lƣợng Si rất thấp (≤ 0,05 - 0,07%. là thép sôi), vì trong thép nguyên tố này chỉ

hoà tan vào ferit, làm tăng mạnh độ cứng, giòn.

- Hạt nhỏ đều.

Với các mác: C5s, C8s (phổ biến nhất), C10s, C15s.

b. Thép dễ cắt

• Khái niệm về tính dễ cắt

Khả năng gia công cắt bằng dao cắt (gọi tắt là tính dễ cắt) đƣợc xác định bằng

nhiều yếu tố gồm: tốc độ cắt cho phép, lực cắt, độ bóng bề mặt, tuổi bền của dao.

Về bản chất của thép, tính gia công cắt phụ thuộc vào các yếu tố;

- Độ cứng và độ bền. Nếu độ cứng, độ bền càng cao, tính gia công cắt càng kém

vì lực và công để tách phoi càng lớn, dao càng nhanh mòn. Tuy nhiên độ cứng quá

thấp (độ dẻo sẽ cao) cũng không tốt vì phoi dẻo, khó gãy, quấn lấy dao, làm bề mặt sần

sùi.


100

- Tính dẫn nhiệt. Khi cắt sinh nhiệt do ma sát ở lƣỡi dao làm nóng (ram), giảm

độ cứng, làm dao cắt mất khả năng cắt. Nếu phôi có tính dẫn nhiệt kém, nhiệt sẽ tập

trung ở vùng lƣỡi cắt, mau chóng làm giảm độ cứng, gây ―cùn‖ dao. Thép C có tính

dẫn nhiệt cao hơn thép HK.

Thành phần hoá học và tổ chức tế vi

Lƣợng C trong giới hạn 0,10 - 0,40% để bảo đảm độ cứng thấp vừa phải với tổ

chức phần lớn là ferit và một phần peclit. Đặc điểm quan trọng về tổ chức của thép dễ

cắt là tạo ra các pha có tính giòn nhất định để phoi dễ gãy và cũng nhờ đó bề mặt nhẵn

bóng hơn, nên nó có thêm các thành phần sau:

- P và S cao hơn mức bình thƣờng: P = 0,08 - 0,15%, S = 0,15 - 0,35%. Để

tránh ảnh hƣởng của S, lƣợng Mn phải ở giới hạn trên, 0,80 - 1,00%.

- Có thêm Pb = 0,15 - 0,30%, là loại thép dễ cắt tốt nhất.

• Các mác thép và công dụng

TCVN chƣa quy định các mác thép dễ cắt, song có quy định bằng ký hiệu xx5,

trong đó xx là số chỉ phần vạn C trung bình, S chỉ là thép chứa S và P cao (VD, 12S).

ГOCT ký hiệu bằng chữ A hay AC, số tiếp theo chỉ phần vạn C trung bình, có

các mác:

- loại thƣờng chứa P, S nhƣ A12, A20, A30 và AC40,

- loại đặc biệt chứa P, S và Pb nhƣ AC11, AC12HX, AC40, AC20X ГHM.

AISI/ASE ký hiệu với thép chứa P, S bằng 11xx hay 12xx, trong đó xx là sỗ

chỉ lƣợng C trung bình theo phấn vạn, Vd 1110, 1118, 1140, 1151, 1212, 1214; nếu có

thêm Pb thì bằng 12Lxx, VD 12l14 (có thành phần nhƣ 1214 chỉ khác thêm Pb).

JIS ký hiệu bằng SUMxx, trong đó xx là số thứ tự (11, 12, 21, 22, 23, 25, 31,

32, 41, 42, 43) và một mác chứa P, S và Pb là SUM24L

Công dụng: dùng làm các chi tiết không quan trọng nhƣng phải qua cắt gọt và

yêu cầu bề mặt gia công phải nhẵn, chúng đƣợc gia công trên các máy cắt tự động

chuyên dùng với năng suất rất cao (2 - 4 lần hay hơn so với thép C cùng loại).

c. Thép ổ lăn

Là loại thép HK thấp với chất lƣợng rất cao chuyên dùng.

• Điều kiện làm việc và yêu cầu

Các bề mặt làm việc của ổ lăn (gồm các vòng, bi, đũa) chịu ứng suất tiếp xúc

cao với số lƣợng chu trình rất lớn, do trƣợt lăn với nhau nên ở từng thời điểm chúng bị

mài mòn. Do vậy nó phải đạt các yêu cầu sau:

- Độ cứng và tính chống mài mòn cao (≥ 64 HRC, cao hơn cả bề mặt thấm C).

- Cơ tính phải thật đồng nhất, tức tuyệt đối không có điểm mềm, để tránh mài

mòn điểm, gây nên rỗ và phải tôi thấu.

- Độ bền mỏi tiếp xúc cao.

• Đặc điểm về thành phần hoá học và nhiệt luyện

Về thành phần hoá học:

- Để đảm bảo độ cứng và tính chống mài mòn cao thép phải có thành phần C

cao tới 1% và qua tôi + ram thấp.

- Để đạt cơ tính đồng nhất (tôi thấu) thép phải đƣợc HK hoá thích hợp để bảo

đảm tôi thấu trong dầu. Tuỳ theo kích thƣớc của tiết diện chi tiết (bi, đũa, vòng ...) mà

lƣợng Cr có 0,50 - 1,50%, đôi khi có thêm cả Mn, Si (mỗi nguyên tố 1%).

- Để tránh điểm mềm và nâng cao độ bền mỏi tiếp xúc, thép phải chứa ít nhất

các tạp chất phi KL nhƣ P, S, khí ... vì chúng tạo nên các pha mềm (FeS, MnS) hoặc

các phần tử giòn (P thiên tích, ôxyt, nirit ...) dễ bị phá huỷ giòn, gây rỗ và là nơi tập


101

trung ứng suất làm giảm độ bền mỏi. Do vậy thép tuy thuộc HK hoá thấp nhƣng có

chất lƣợng đặc biệt cao: P ≤ 0,02%, S ≤ 0,02%, không chứa khí.

- Do có nhiều C nên thép có cacbit dƣ. Để có tính chống mài mòn cao nhất,

thép phải đƣợc biến dạng nóng sao cho các cacbit đó trở nên nhỏ mịn và phân bố đều.

Về nhiệt luyện:

- Phôi thép phải đƣợc ủ không hoàn toàn (cầu hoá) vì: ở trạng thái ủ thép ổ lăn

có tổ chức peclit hạt và cacbit dƣ nhỏ mịn với độ cứng 187 - 205 HB, đảm bảo tính gia

công cắt tốt.

- Để đạt độ cứng cao, chi tiết phải qua nhiệt luyện tôi + ram thấp (tôi trong dầu

ở 850 - 8600C, ram 150 - 180

0C).

• Các mác thép và công dụng

- TCVN chƣa có các mác thép này, song đã quy định cách ký hiệu, có thêm hai

chữ OL và tiếp theo nhƣ bình thƣờng, VD OL100Cr1,5 là loại có 1,00%C, 1,5%Cr.

- ГOCT ký hiệu bắt đầu bằng hai chữ ЩX và số tiếp theo chỉ lƣợng Cr trung

bình theo phần nghìn, thƣờng dùng ЩX6, ЩX9, ЩX15, ЩX15CT với các cấp tôi

thấu từ thấp đến cao, lần lƣợt là <10, 10 - 20, 20 - 30, >30mm.

- AISI/SAE quy định là 5195, 50100, 51100, 52100 (tuy có trùng với các mác

thép Cr chế tạo máy có thành phần P, S cực thấp).

JIS ký hiệu bằng SUJx, trong đó x là số thứ tự (từ 1 - 5).

Để làm các ổ lăn không gỉ dùng thép không gỉ Cr (>13%Cr) với lƣợng C cao

(~ 1,00%), nhƣ ГOCT dùng mác 95X18, ASTM dùng 440C và 440MOD.

Công dụng: Dùng làm ổ lăn ở các nhà máy chuyên môn hoá. Ngoài ra đƣợc

dùng để làm bộ đôi bơm cao áp trong động cơ điêzen, và làm trục cán nguội, bàn ren,

tarô, dụng cụ đo.

5.4. Thép dụng cụ

5.4.1. Các yêu cầu chung

a. Phân loại

Theo bản chất của quá trình gia công, chia thành ba nhóm sau

- Dụng cụ cắt (dao cắt) với đặc trƣng tạo ra phoi, nhƣ dao tiện, phay, bào,

- Dụng cụ biến dạng với đặc trƣng tạo hình biến dạng dẻo nhƣ trục cán, khuôn

dập, khuôn ép chảy, ... cả ở trạng thái nguội và trạng thái nóng.

- Dụng cụ đo nhƣ palme, thƣớc cặp, dƣỡng, ... không thể thiếu trong sản xuất cơ

khí.

b. Cơ tính

Yêu cầu cơ bản là có độ cứng cao và tính chống mài mòn cao:

- Độ cứng phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm; do vậy tuỳ từng loại

dụng cụ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau.

- Tính chống mài mòn cao để đảm bảo cho dụng cụ làm việc đƣợc lâu dài, gia

công đƣợc khối lƣợng sản phẩm lớn mà không bị giảm hay mất cấp chính xác.

Ngoài ra phải đảm bảo độ dai va đập để tránh gãy vỡ, tính chịu nhiệt ở trạng thái

nóng.

c. Tính công nghệ và kinh tế

- Có khả năng biến dạng dẻo ở trạng thái nóng và đủ mềm ở trạng thái ủ để dễ cắt gọt.


102

- Tuy giá thành cao song bù lại kéo dài tuổi bền và tăng năng suất.

d. Thành phần hoá học

Cacbon:

- Với loại dụng cụ cần độ cứng, tính chống mài mòn cao lƣợng C tối thiểu 0,70

- 1,00%, thƣờng ≥ 1,00%, thậm chí > 2%.

- Với các dụng cụ gia công phôi mềm hay trạng thái nóng khoảng 0,30 - 0,50%.

Thép dụng cụ C chỉ phù hợp các loại có kích thƣớc nhỏ, hình dạng đơn giản (do

độ thấm tôi thấp) và năng suất thấp, chủ yếu là các dụng cụ bằng tay.

Hợp kim:

- Lƣợng nguyên tố HK đƣa vào thép ít chủ yếu tăng độ thấm tôi, ngoài ra cũng

làm tăng ít tính chống ram do đó nâng cao tính cứng nóng.

- Lƣợng nguyên tố HK đƣa vào thép nhiều (chủ yếu là W, Mo) ngoài tăng mạnh

tính thấm tôi còn gây cản trở mạnh quá trình ram do nâng cao mạnh nhiệt độ phân hoá

của mactenxit, nâng cao tính cứng nóng.

5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt

a. Yêu cầu đối với VL làm dụng cụ cắt

1) Phải có độ cứng cao hơn hẳn phôi: Thường dao phải có độ cứng ≥ 60 HRC

(khi cắt thép, gang khoảng 200 HB). Có thể thấp hơn (khi cắt HK màu) hoặc cao hơn

(khi cắt thép bền nóng, không gỉ, độ bền cao) giá trị trên. Để đạt đƣợc yêu cầu này dao

phải làm bằng thép với lượng C tối thiểu là 0,70% và qua tôi cứng + ram thấp thành

mactenxit ram.

2) Phải có tính chống mài mòn cao: do khi cắt KL lƣỡi dao bị mài sát, tính

chống mài mòn phụ thuộc các yếu tố:

- Độ cứng: có giá trị càng cao tính chống mài mòn càng tốt. Khi độ cứng ≥ 60

HRC, cứ tăng thêm 1 đơn vị thì tuổi bền của dao tăng khoảng 25 - 30%.

- Lƣợng cacbit dƣ: càng cao tính chống mài mòn cũng càng tốt.

3) Phải có tính cứng nóng cao: Công tách phoi và ma sát biến thành nhiệt

phần lớn tập trung ở lƣỡi cắt làm nóng lên gây xấu khả năng cắt gọt. Đặc biệt khi cắt

với tốc độ lớn, nhiệt độ lƣỡi cắt vƣợt quá 200 - 3000C, mactenxit bị phân hoá, độ cứng

sẽ < 60 HRC. Do vậy với dao cắt cần năng suất cao, phải đƣa vào thép các nguyên tố

tạo cho thép tính cứng nóng: chúng hoà tan vào sắt (trong austenit rồi mactenxit) và do

có ái lực mạnh với C nên giữ nó trong mactenxit tới 500 - 6000C. Tính cứng nóng

được xác định bằng nhiệt độ (ram) cao nhất mà ở đó độ cứng của thép vẫn còn tới

58 HRC. Thép còn phải đảm bảo: độ bền (uốn khi tiện, xoắn khi khoan, ... nhờ kết hợp

với thiết kế), độ dai (tránh mẻ, gãy lƣỡi cắt), có tính công nghệ nhất định (tính thấm

tôi tốt, gia công áp lực ở trạng thái nóng, chịu gia công cắt ở trạng thái ủ, có tính mài

tốt sau khi tôi).

b. Thép làm dao có năng suất thấp

Là loại thép làm dao chỉ cắt đƣợc với tốc độ 5 - 10 m/phút.

1) Thép cacbon

TCVN 1822-76 có các mác CD70, CD80, CD80Mn, CD90, CD100, CD110,

CD120 và CD130 với chất lƣợng tốt (P ≤ 0,035%, S ≤ 0,030%) và cũng các mác nhƣ

vậy nhƣng có chất lƣợng cao (P ≤ 0,030%, S ≤ 0,020%) có thêm chữ A ở cuối nhƣ từ

CD70A đến CD130A.

Đặc tính:


103

- Sau khi tôi + ram thấp độ cứng ≥ 60 HRC. Chế độ tôi: CD70, CD80 - tôi hoàn

toàn ở 800 - 8200C; CD90 - CD130 tôi không hoàn toàn ở 760 - 780

0C - Dễ biến dạng

nóng, gia công cắt và rẻ.

Nhược điểm:

- Độ thấm tôi thấp (chỉ tôi các chi tiết trên dƣới 10 mm).

- Tính cứng nóng thấp do mactenxit không đƣợc HK hoá, nó không vƣợt quá

200 - 2500C, tốc độ cắt ≤ 5m/phút.

Công dụng: rất ít làm dao cắt, nếu có sử dụng chỉ để làm dao nhỏ, hình dạng

đơn giản với năng suất thấp hay bằng tay, điển hình là làm dũa với mác CD120.

2) Thép hợp kim

Là nhóm thép có thành phần C cao (~ 1% và cao hơn) và đƣợc HK hoá thấp với

đặc tính có độ thấm tôi tốt hơn hay tính chống mài mòn cao.

- Loại có tính thấm tôi tốt: là loại đƣợc HK hoá thấp bằng 1% Cr (có thể thêm

1% Si), điển hình 90CrSi, có tác dụng:

+ Cải thiện tính thấm tôi: môi trƣờng tôi dầu vẫn đảm bảo độ cứng > 60 HRC, vì

vậy đƣợc dùng làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp nhƣ mũi khoan, doa, tarô, bàn ren,

+ Nâng cao chút ít tính cứng nóng: Si và Cr cản trở mạnh quá trình ram ở dƣới

250 - 3000C, vì thế tính cứng nóng đến trên dƣới 300

0C, cắt với tốc độ 10 m/phút hay

hơn một chút.

Thép đƣợc tôi ở 840 - 8600C trong dầu, ram 150 - 200

0C, độ cứng 62 - 64 HRC.

- Loại có tính chống mài mòn cao: là loại có C rất cao (> 1,30%) với 0,50% Cr

và 4,0 ữ 5,0% W, với mác CrW5 (140CrW5). Do C cao và nhiều W nên trong thép

tồn tại một lƣợng cacbit làm tăng mạnh tính chống mài mòn.

Tính thấm tôi thấp (do ít Cr, nhiều cacbit thúc đẩy chuyển biến thành hỗn hợp

ferit - cacbit) nên môi trường tôi là nước, tôi ở 800 - 8200C, ram ~ 150

0C, độ cứng 66

- 68 HRC. Thép đƣợc dùng làm dao tiện, phay với tốc độ cắt không lớn để sửa cắt phôi

cứng (VD bề mặt trục cán đã tôi).

c. Thép làm dao có năng suất cao - Thép gió

Là loại thép làm dao tốt nhất, thoả mãn các yêu cầu đối với việc làm dao:

- tốc độ cắt 35 - 80 m/phút (3 - 7 lần so với loại trên),

- tính chống mài mòn và tuổi bền cao (8 - 10 lần),

- độ thấm tôi đặc biệt cao (tôi thấu với tiết diện bất kỳ).

• Thành phần hoá học và tác dụng của các nguyên tố

Có tổng lƣợng hai nguyên tố W và Mo cao (> 10%) và lƣợng khá lớn Cr (4%),

ngoài ra có thể có V và Co.

- Cacbon (0,70 - 1,50%) đủ để hoà tan vào mactenxit và tạo thành cacbit với

các nguyên tố W, Mo và đặc biệt là V (khi thêm 1%V phải thêm 0,10 - 1,15%C). Có

tác dụng làm cho thép gió cứng tăng mạnh tính chống mài mòn.

- Crôm có trong mọi loại thép gió khoảng 4% (3,8 - 4,4%) làm tăng mạnh độ

thấm tôi, có khả năng tự tôi.

- Vonfram là nguyên tố HK quan trọng nhất (6 - 18%) tạo ra tính cứng nóng

cao, nên có năng suất cao. Nó tạo cacbit mạnh, chủ yếu nằm ở dạng Me6C hay

Fe3W3C, khi nung nóng nó hoà tan vào austenit nên sau khi tôi mactenxit chứa nhiều

W. Khi nung nóng lại nó chỉ tiết ra khỏi mactenxit ở khoảng (550 - 5700C), nên duy trì

độ cứng cao sau khi tôi tới 6000C.

- Molipđen dùng để thay thế W đắt lại có tỷ lệ quá cao, cứ 1%Mo thay thế gần

2%W - sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao (Mo rẻ và nhẹ hơn).


104

- Vanađi là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh. VC rất ít hoà tan vào austenit khi

nung, trong thép ở dạng các phân tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn và

giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Mọi thép gió có ít nhất 1%V, khi vƣợt quá 2% tính chống mài

mòn tăng lên, song đến 5% làm xấu mạnh tính mài.

- Côban không tạo thành cacbit, chỉ hoà tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn và

với hàm lƣợng vƣợt quá 5% tính cứng nóng tăng lên rõ rệt. Nhƣợc điểm của thép gió

chứa Co là dễ bị thoát C khi tôi và khi chứa quá nhiều (> 10 - 12%) thép bị giòn.

• Tổ chức tế vi và nhiệt luyện

- Tổ chức tế vi: do thành phần HK cao (10 - 20%) và C cao nên thép gió thuộc loại

lêđêburit (khi ủ), mactenxit (khi thƣờng hoá, ở trạng thái cung cấp). Thép chứa nhiều

cacbit (15 - 25%) chủ yếu ở dạng cùng tinh lêđêburit hình xƣơng cá nên rất giòn và

phải làm nhỏ chúng bằng biến dạng nóng (cán, rèn).

- Nhiệt luyện: Tôi + ram tạo độ cứng, tính chống mài mòn đặc biệt là tính cứng nóng.

Nhiệt độ tôi (~ 13000C), khoảng dao động rất hẹp (chỉ 10

0C), không cho phép

tôi ở nhiệt độ thấp hơn (vì austenit chƣa bão hoà đủ W để nâng cao tính cứng nóng)

hoặc cao hơn giới hạn quy định (vì cacbit hoà tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép

bị giòn).

Tôi thép gió có nhiều cách:

+ Tôi trong dầu nóng (> 600C) áp dụng cho các dao có hình dạng đơn giản.

+ Tôi phân cấp trong muối nóng chảy (400 - 6000C) và giữ nhiệt 3 - 5 phút, áp

dụng cho các dao nhỏ , hình dạng phức tạp, có yêu cầu độ cong vênh rất nhỏ nhƣ mũi

khoan.

+ Gia công lạnh để khử austenit dƣ sau khi tôi, áp dụng khi cần ổn định kích

thƣớc.

+ Tôi trong không khí (tự tôi) tuy vẫn đạt độ cứng cao đối với dao mỏng, song

có thể cho độ cứng không đều (độ cứng thấp ở chỗ dày), dễ bị ôxy hoá, thoát C bề mặt,

tiết cacbit ra khỏi austenit làm giảm tính cứng nóng, nên ít dùng.

+ Tôi đẳng nhiệt ra bainit (giữ 240 - 2800C hàng giờ) cho biến dạng nhỏ nhất

song độ cứng < 60 HRC, năng suất thấp, ít dùng.

Ram thép gió: nhằm làm mất ứng suất bên trong, khử bỏ austenit dƣ, tăng độ

cứng (tăng thêm 2 - 3 đơn vị HRC - gọi là độ cứng thứ hai). Tiến hành ram từ 2 - 4 lần

(thƣờng là 3) ở 550 - 5700C, mỗi lần trong 1 giờ.

• Các mác và công dụng

TCVN chƣa quy định mác thép gió. Bảng 5.4. giới thiệu bốn trong số các loại

thép gió thƣờng gặp của Nga, Mỹ, Nhật.

- Thép gió với năng suất thường: có tính cứng nóng đến 615 - 6200C, loại

không chứa co và có < 2%V, gồm các ký hiệu nhƣ 80W18Cr4V(P18, T1, SKH2) và

85W6Mo5Cr4V2 (P6M5, M2, SKH51).

- Thép gió với năng suất cao: tính cứng nóng cao hơn, khoảng 630 - 6500C,

cắt với tốc độ ≥ 40 m/phút, có tính chống mài mòn cao, chúng chứa Co hoặc có >

2%V, gồm các ký hiệu nhƣ 85W18Co5Cr4V (P18K5Ф2, T4, SKH3),

150W12Co5V5Cr4 (P12Ф4K5, T15, SKH10).

Công dụng chính của thép gió: làm các dụng cụ cắt lớn, hình dạng phức

tạp, điều kiện cắt nặng với năng suất cao (tốc độ cắt lớn) và tuổi thọ cao.


105

5.4.3. Thép làm dụng cụ đo (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Điều kiện làm việc và yêu cầu kỹ thuật

Các loại dụng cụ đo với cấp chính xác khác nhau: palme, thƣớc cặp, thƣớc đo

độ dài, đo góc, dƣỡng, calip ..., khi làm việc chúng luôn cọ sát với chi tiết gia công nên

dễ bị mòn, biến dạng, làm sai lệch kết quả đo. Do vậy thép làm dụng cụ đo phải đạt

các yêu cầu sau:

- Độ cứng, tính chống mài mòn cao, đối với cấp chính xác cao yêu cầu là 63 -

65 HRC.

- Ổn định kích thƣớc.

- Độ nhẵn bóng bề mặt cao (tới cấp 14) khi mài và ít bị biến dạng khi nhiệt

luyện.

b. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác cao

Dùng loại thép có khoảng 1%C HK hoá thấp (do các dụng cụ đo đều có tiết

diện nhỏ) qua tôi cứng.

- Để HK hoá thƣờng dùng Cr và Mn (1% mỗi nguyên tố), chúng nâng cao độ

thấm tôi (tôi thấu trong dầu), ít biến dạng.

- Để ổn định kích thƣớc sau khi tôi phải đƣợc hoá già (chú ý không ram thấp,

nhiệt độ hoá già dƣới ram thấp, < 1500C).

Nhiệt luyện kết thúc thép phải đạt đƣợc tổ chức mactenxit (tôi) thì mới thoả

mãn cả ba yêu cầu trên.

Các mác thép thƣờng dùng: 100Cr, 100CrWMn (TCVN1823 - 76) và ký hiệu

140CrMn (mác XГ của ГOCT).

c. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác thấp

Loại này chỉ yêu cầu bề mặt làm việc cứng và chống mài mòn là đủ. Do đó

dùng các mác thép kết cấu thông qua hoá bền bề mặt.

- Thép C thấp ≤ 0,25%, nhƣ C15, C20, BCT3 qua thấm C, tôi + ram thấp.

- Thép có C trung bình C45, C50, C55 qua tôi bề mặt + ram thấp.

Cũng có thể dùng thép dụng cụ C qua tôi + ram thấp.

5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội (tự đọc- tự nghiên cứu)

Biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ thƣờng đƣợc gọi là biến dạng nguội, dụng cụ để

biến dạng nhƣ trục cán, khuôn dập, đột ...

a. Điều kiện làm việc và yêu cầu

Dụng cụ biến dạng nguội khi làm việc chịu áp lực lớn, chịu ứng suất uốn, lực

va đập, ma sát và bị nóng lên (thƣờng < 200 - 2500C). Yêu cầu phải đạt:

- Độ cứng cao, khoảng 58 - 62 HRC, phụ thuộc loại khuôn, chiều dày và độ

cứng của thép lá dập.

- Tính chống mài mòn cao bảo đảm đƣợc hàng vạn - hàng chục vạn lần dập.

- Độ bền và độ dai bảo đảm để chịu đƣợc tải trọng lớn và chịu va đập.

Với khuôn dập lớn cần có thêm yêu cầu độ thấm tôi và ít thay đổi kích thƣớc.

b. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội

- Thành phần C cao (trên dƣới 1%), bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn sau

khi tôi, song ở một số trƣờng hợp cần lấy khác đi.

+ khi chịu va đập mạnh, lƣợng C giảm , còn 0,40 - 0,60%,

+ khi cần chống mài mòn thật cao, lƣợng C cao đến 1,50 - 2,00% hay hơn.


106

- Thành phần HK phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc khuôn và tính chống

mài mòn yêu cầu do tác dụng nâng cao độ thấm tôi và tạo ra cacbit cứng. Để tăng độ

thấm tôi dùng Cr, Mn, Si, W với lƣợng ít (~ 1% mỗi loại). Để nâng cao tính chống mài

mòn phải dùng lƣợng lớn Cr (~ 12%) cùng với lƣợng C cao (1,50 - 2,00% hay hơn).

- Nhiệt luyện tôi + ram thấp để đạt tổ chức mactenxit ram với độ cứng cao.

c. Thép làm khuôn bé

Với khuôn dập bé, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhỏ có thể dùng thép

dụng cụ C nhƣ CD100, CD120, tôi trong nƣớc, mức độ thấm tôi thấp song bảo đảm độ

cứng tuy tính chống mài mòn không lớn, lõi vẫn có độ dẻo nhất định nên khuôn có khả

năng chịu va đập.

d. Thép làm khuôn trung bình

Để làm khuôn trung bình (75 - 100 mm) hay loại bé nhƣng có hình dạng phức

tạp, chịu tải trọng lớn phải dùng thép có khoảng 1%C và các nguyên tố HK Cr, W,

Mn, Si (~ 1% mỗi loại) để nâng cao độ thấm tôi, với các mác 110Cr, 100CrWMn,

100CrWSiMn.

e. Thép làm khuôn lớn và có tính chống mài mòn cao

Để làm khuôn dập lớn (200 - 300 mm), chịu tải trọng nặng và bị mài mòn rất

mạnh phải dùng nhóm thép Cr cao tới 12% và C rất cao (1,50 - 2,20%), với các mác

Cr12 (210Cr12), Cr12Mo (160Cr12Mo) và Cr12V1 (130Cr12V1). Chúng có đặc

điểm:

- Tính chống mài mòn rất cao do có tỷ lệ lớn (~ 30%) cacbit Cr nên tuổi bền rất cao.

- Độ thấm tôi cao, tôi thấu kích thƣớc 150 x 200mm khi tôi trong dầu do vậy đảm

bảo độ bền, độ cứng cao.

- Có thể áp dụng nhiều chế độ tôi + ram khác nhau để đạt các yêu cầu khác nhau về

cơ tính và sự ổn định kích thƣớc:

+ Tôi nhiệt độ thấp (1050 - 10750C), ít austenit dƣ, đạt 64 - 65 HRC, nhƣng tính

cứng nóng thấp (gọi là tôi ra độ cứng thứ nhất). Ram ở 150 - 2000C.

+ Tôi ở nhiệt độ cao (1125 -11500C), austenit đƣợc HK hoá, mactenxit có tính

cứng nóng cao, nhƣng độ cứng đạt thấp 54 - 56 HRC vì có nhiều austenit dƣ (~ 60%).

Ram nhiều lần ở 500 - 5300C austenit dƣ sẽ chuyển biến thành mactenxit và độ cứng

tăng lên đến 58 - 60 HRC (tôi ra độ cứng thứ hai).

+ Tôi nhiệt độ trung bình (1100 - 11250C), có tỷ lệ austenit dƣ khá lớn (~ 40%)

nên kích thƣớc hầu nhƣ không thay đổi, đạt độ cứng khoảng 58 HRC (tôi ổn định kích

thƣớc). Ram ở 150 - 2000C.

- Có thể dập với tốc độ cao, khuôn chịu đƣợc nhiệt độ nung nóng tới 200 - 3500C.

f. Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập

Các dụng biến dạng nguội chịu va đập nhƣ đục, bú hơi, khuôn dập cắt thép tấm

dày 3 - 4mm trở lên phải làm bằng loại thép HK với 3 - 5% nguyên tố HK song có

lƣợng C thấp hơn, chỉ 0,40 - 0,60% để đảm bảo độ dai va đập nhất định. Thƣờng dùng:

40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si, 60CrW2Si và 60CrWMn, có 1%Cr, 1%Si và

1 - 2%W. Sau khi tôi phải ram cao hơn khuôn dập bình thƣờng.

5.4.5. Thép làm dụng cụ biến dạng nóng (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Điều kiện làm việc và yêu cầu

• Đặc điểm điều kiện làm việc:

- Dụng cụ (khuôn) luôn tiếp xúc với phôi nóng tới ~ 10000C nên bản thân

khuôn cũng bị nó tới 500 - 7000C song không thƣờng xuyên, liên tục.


107

- Do phôi dập có tính dẻo cao (đƣợc nung nóng đến trạng thái austenit) nên độ

cứng của khuôn không yêu cầu cao.

- Khuôn thƣờng có kích thƣớc lớn, chịu tải trọng lớn, có thể tới vài trăm - vài

nghìn tấn.

• Yêu cầu:

1) Độ bền và độ dai cao, độ cứng vừa phải trong khoảng 350 - 450 HB (35 -

46HRC) để chịu đƣợc tải trọng lớn và va đập.

2) Tính chống mài mòn cao bảo đảm tạo ra đƣợc hàng nghìn - hàng vạn sản

phẩm.

3) Tính chịu nhiệt độ cao, chống mỏi nhiệt để chịu đƣợc trạng thái nhiệt độ thay

đổi tuần hoàn dễ gây ra rạn nứt. Thép phải có tính chống ram cao.

b. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng

- Thành phần C trung bình, dao động khoảng 0,30 - 0,50% tuỳ theo loại khuôn.

- Thành phần HK thích hợp để bảo đảm tôi thấu, cơ tính đồng nhất trên toàn tiết

diện, bảo đảm tính chịu nóng, chống ram tốt đặc biệt khi phải tiếp xúc lâu với

phôi nóng.

Để thấm tôi tốt và độ dai cao thƣờng dùng Cr - Ni; để bảo đảm thấm tôi, chịu

nóng và chống ram phải dùng tới 8 - 10%W.

- Nhiệt luyện tôi + ram để đạt tổ chức trôxtit ram (đôi khi cả trôxtit - xoocbit

ram) có độ bền, độ dai, độ cứng phù hợp

c. Thép làm khuôn rèn

Thƣờng dùng thép Cr - Ni (hay Cr - Mn) có HK hoá thêm bằng Mo hay W và

có khoảng 0,50%C với các mác 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo trong

đó 50CrNiMo là mác điển hình và đƣợcc dùng phổ biến. Thép này có đặc điểm:

- Tính thấm tôi cao, tôi thấu trong dầu với khối thể tích 400 x 300 x 300mm, có

thể tôi phân cấp hay đẳng nhiệt với khuôn bé.

- Tôi + ram 500 - 600 0C, tuỳ theo yêu cầu độ cứng với từng loại khuôn: nhỏ 40

- 45HRC ram khoảng 500 - 5400C, lớn 35 - 38 HRC ram khoảng 540 - 580

0C đạt tổ

chức trôxtit ram hay trôxtit - xoocbit ram. Cơ tính tốt ở 5000C: ζb = 900MPa, ζ0,2 =

650MPa, δ = 20 - 22%, ψ = 70%.

- Độ cứng phần đuôi nên thấp hơn phần làm việc từ 5 - 10 đơn vị HRC do đó

phải ram thêm phần này ở trong lò muối 600 - 6500C hay bằng nung cảm ứng.

d. Thép làm khuôn ép chảy

Khuôn này có kích thƣớc bé nhƣng lại chịu nhiệt độ cao hơn (do tiếp xúc lâu

với phôi), chịu áp suất cao, tải trọng va đập lại nhỏ.

Để có tính cứng nóng khá cao (bề mặt khuôn bị nung tới 600 - 7000C) phải

dùng loại thép có đặc tính gần nhƣ thép gió. Là loại đƣợc HK hoá cao (~ 10%) bằng

Cr + W và có khoảng 0,3 - 0,4%C, có thể thêm V (1%) để nâng cao tính chống mài

mòn và giúp duy trì nhỏ hạt và Mo (1%) cải thiện tính thấm tôi hơn nữa.

Các mác thép thƣờng dùng: 30Cr2W8V và 40Cr5W2VSi. Đƣợc tôi ở nhiệt độ

cao ~ 11000C, ram ở 600 - 650

0C, độ cứng khoảng 40 - 50 HRC.


108

5.5. Thép hợp kim đặc biệt (tự đọc- tự nghiên cứu)

5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại

- Về thành phần C: phần lớn thép có rất thấp (< 0,10 - 0,15%C) thậm chí không

có C, cũng có thép ngược lại yêu cầu C rất cao (> 1%C), rất ít trường hợp có lượng C

trung gian.

- Về thành phần HK: phần lớn thuộc loại HK hoá cao (> 10%) hay rất cao (>

20%) song chỉ dùng một (HK hoá đơn giản nhƣ Cr hoặc Si) hay hai nguyên tố HK chủ

yếu (nhƣ Cr - Ni).

- Về tổ chức tế vi: có thể có tổ chức austenit, ferit, mactenxit ở trạng thái cung cấp.

5.5.2. Thép không gỉ

Thép không gỉ (inôc) có tính chống ăn mòn cao trong các môi trƣờng ăn mòn

mạnh nhƣ axit các loại nên dùng nhiều trong công nghiệp hoá học, thực phẩm. Ngoài

ra nó ổn định trong khí quyển nên cũng đƣợc dùng rộng rãi làm hàng tiêu dùng và

trang trí trong xây dựng.

1) Thép không gỉ hai pha: là loại có 0,10 - 0,40%C và 13%Cr với các mác

12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13 có tổ chức hai pha là ferit (hoà tan Cr cao) và

cacbit Cr.

- Loại 12Cr13, 20Cr13 là thép trƣớc cùng tích khá dẻo, dai, có thể chịu biến

dạng nguội. Nhiệt luyện tôi + ram ở 700 - 7750C, có ζb = 600 - 660MPa, ζ0,2 = 420 -

450MPa, δ = 16%, ak = 800 - 900 kJ/m2 đƣợc dùng làm các chi tiết thông dụng nhƣ

trục bơm, ốc, vít không gỉ.

- Loại 30Cr13 và 40Cr13 là thép khá cứng và kém dẻo hơn. Sau khi tôi + ram

150 - 2000C với độ cứng 40 - 55 HRC nên đƣợc dùng làm kim phun động cơ, lòxo, ổ

lăn không gỉ và dụng cụ phẫu thuật, dao, kéo.

- Loại 13%Cr hoàn toàn ổn định trong khí quyển, nƣớc ngọt, chống ăn mòn cao

trong HNO3, bị ăn mòn trong các axit khác.

2) Thép không gỉ một pha ferit: nếu dùng 13%Cr song với ít C (< 0,08%) hay

dùng 0,10 - 0,20%C song nhiều Cr hơn (17 - 25%) thép chỉ có tổ chức một pha ferit,

với tính chống ăn mòn cao hơn. Có các mác 08Cr13, 12Cr17, 15Cr25Ti.

Loại 08Cr13 có thể dùng để hàn, dùng nhiều trong công nghiệp hoá dầu.

Loại 12Cr17 dùng nhiều nhất để thay loại Cr - Ni đắt hơn, không dùng để hàn.

Loại 15Cr25Ti dùng nhƣ thép chịu nhiệt.

Về cơ tính có giới hạn chảy tốt (ζ0,2 = 300 - 350MPa), khả năng hoá bền biến

dạng thấp nên dễ biến dạng nguội.

3) Thép không gỉ một pha austenit: không những có Cr cao ( > 16 - 18%) mà

chứa Ni cao ( ≥ 6 - 8%) là nguyên tố mở rộng khu vực austenit, đủ để có tổ chức

austenit. Nó còn có tên gọi là thép họ 18 - 8 (>18%Cr, > 8% Ni) đƣợc dùng nhiều nhất

(ở Mỹ là 70%)

4) Thép không gỉ hoá bền tiết pha:

- Thành phần và tổ chức nó gần giống với họ austenit nhƣng với lƣợng Cr, Ni

thấp hơn đôi chút (13 - 17%Cr, 4 - 7%Ni), có thêm Al, Cu, Mo, ... và tổ chức austenit

không ổn địmh.


109

- Có tính công nghệ và cơ tính cao: rất dễ biến dạng và gia công cắt thép ở trạng

thái mềm, sau đó hoá bền nó bằng hoá già ở nhiệt độ thấp nhờ đó tránh biến dạng ôxy

hoá.

- Có tính chống ăn mòn tốt gần nhƣ thép họ 18 - 8.

Nhờ cơ tính cao họ thép này đƣợc dùng làm kết cấu máy bay. Mác thép điển

hình là AISI 361 (hay ký hiệu là 17-7 PH với ý nghĩa 17%Cr, 7%Ni, còn thêm ~

1,2%Al, ~ 15Mn).

5.5.3. Thép bền nóng

Là loại thép có khả năng chịu tải lâu dài ở trên 5000C đƣợc dùng vào các mục

đích tƣơng ứng nhƣ: nồi hơi, tuabin khí, động cơ phản lực, tên lửa, ...

a. Yêu cầu đối với thép làm việc ở nhiệt độ cao

Khi làm việc ở nhiệt độ cao thép có sự suy giảm rõ rệt cơ tính và tính chống ăn

mòn.

- KL bị biến dạng dẻo chậm chạp theo thời gian gọi là dão. Đánh giá độ bền của

thép làm việc ở nhiệt độ cao bằng chỉ tiêu cơ tính riêng là giới hạn dão và độ bền dão.

+ Độ bền dão là ứng suất gây ra phá huỷ dão sau một thời gian ấn định (VD,

sau 1000giờ đƣợc ký hiệu là ζb/1000 = 170 MPa).

+ Giới hạn dão là ứng suất cần thiết để có độ biến dạng xác định (VD 0,2%) sau

một thời gian ấn định (VD 1000giờ) đƣợc ký hiệu ζ0,2/1000 = 1650 MPa.

- Làm giảm tính bền hoá học do sự ăn mòn hoá học - ôxy hoá thép trong không

khí cháy khô, tạo thành lớp vảy ôxyt, làm giảm nhanh tiết diện chịu tải và giảm độ

bền. Vì vậy phải HK hoá thép bằng Cr, Mo, Si để tạo nên các ôxyt tƣơng ứng với cấu

tạo xít chặt có tính bảo vệ cao, nhiệt độ làm việc càng cao thì lƣợng nguyên tố đó đặc

biệt là Cr càng phải cao hơn.

Thép bền nóng là rất rộng, ta chỉ giới hạn khảo sát thép làm xupap xả của động cơ.

b. Thép làm xupap xả

Xupap xả là chi tiết làm việc chịu tải trọng cao, chịu nhiệt độ cao 650 - 7000C

do khí cháy thải ra và bị mài mòn ở đuôi và cạnh vát khi va đập. Thép để chế tạo là hai

loại thép mactenxit và austenit với lƣợng C khoảng 0,40 - 0,50% để có tính chống ăn

mòn nhất định.

Thép mactenxit

Có chứa Cr cao (9,0 - 10,0%) và Si (2%), có thể thêm Mo, đó là các nguyên tố

vừa nâng cao tính chống ăn mòn hoá học (tạo lớp vảy ôxit Cr2O, SiO2 bền, xít chặt),

vừa có tính chống ram tốt để không làm giảm độ bền, độ cứng - tính cứng nóng.

Nƣớc ta thƣờng dùng là ГOCT 40X9C2 và 40X10C2M - loại mactenxit tự tôi,

nhiệt luyện bao gồm tôi (1000 - 11000C) + ram (700 - 750

0C) với các chú ý:

- nhiệt độ ram cao hơn nhiệt độ làm việc,

- mác 40X9C2 bị giòn ram loại II khá mạnh, sau khi ram phải làm nguội trong

nƣớc,

- tiến hành tôi đầu mút đuôi (để nâng cao tính chống mài mòn) bằng cách nung

cảm ứng ngọn lửa hay điện phân. Sau đó ram thấp đạt độ cứng 45 - 50 HRC.

Thép austenit

Có C trung bình 0,35 - 0,50%, Cr và Ni cao để mở rộng khu vực ó. Nhƣợc điểm

là độ cứng thấp 160 - 200HB và không thể nâng cao bằng cách tôi, nên đầu mút đƣợc

thấm nitơ, cạnh vát hàn đắp bằng stêlit (loại HK cứng nấu chảy có 35%Cr, 1 - 2%C,

còn lại là Co).


110

Xupap nạp không chịu nhiệt độ cao nên đƣợc làm bằng ГCT 40XH.

5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng va đập (thép Hađfiel)

Dùng cho các chi tiết bị mài mòn rất mạnh trong điều kiện ma sát do mài sát

dƣới áp lực cao và va đập [nhƣ xích máy xúc, xe tăng, hàm nghiền đập, răng gàu xúc

(đất, đá), thanh gạt, ghi (nơi giao nhau) đƣờng sắt, ...]. Đó là thép HK đặc biệt đƣợc

dùng ở trạng thái đúc (do tính gia công cắt kém) với thành phần cơ bản gồm 0,90 -

1,30%C, 11,4 - 14,5%Mn (TCVN ký hiệu là 110Mn13Đ) và tổ chức là austenit.

Các mác thép: ГOCT là 110Г13A, Mỹ theo ASTM A128, Nhật SCMnHx (x là

số thứ tự).

5.6. Gang

5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy

a. Tổ chức tế vi

Phần lớn hay toàn bộ C trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay grafit

(rất ít hay không có C ở dạng liên kết hay cacbit).

Tổ chức tế vi đƣợc chia thành hai phần; phần phi KL là grafit hay C tự do,

phần còn lại là nền KL với tổ chức khác nhau:

- ferit khi toàn bộ C ở dạng tự do (không còn C để kết hợp với Fehay các KL

để tạo thành Xê hay cacbit), không có C liên kết.

- ferit-peclit hay peclit khi phần lớn C ở dạng tự do và rất ít (< 0,80%) ở dạng

liên kết.

Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của grafit:

+ gang xám: grafit có dạng tấm (phiến, lá, ...), là dạng tự nhiên khi đúc,

+ gang cầu: grafit có dạng có dạng quả cầu tròn, phải qua biến tính đặc biệt,

+ gang dẻo: grafit có dạng cụm (tụ tập thành đám), qua phân hoá từ Xê.

b. Thành phần hoá học và cách chế tạo

• Sự tạo thành grafit hay grafit hoá

Trong gang cacbon có thể tồn tại ở cả hai dạng: tự do và liên kết.

Grafit là pha ổn định nhất, còn xêmentit kém ổn định hơn (giả ổn định), nhƣng

sự tạo thành grafit lại khó khăn hơn, do: thành phần cacbon và cấu trúc của grafit sai

khác quá nhiều với pha lỏng và austenit. Tuy nhiên nhờ có ảnh hƣởng của thành phần

hoá học và chế độ làm nguội khi đúc, sự tạo thành grafit của gang dễ dàng hơn.

• Thành phần hoá học

Bản thân C cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành grafit. Trong các nguyên tố, Si

có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành grafit (grafit hoá). Si càng nhiều hay tổng

lƣợng %(C + Si) càng cao sự grafit hoá càng mạnh, càng hoàn toàn, C liên kết (Xê)

càng ít, thậm chí không có. Vì vậy có thể coi gang là HK ba cấu tử Fe - C - Si.

Trong các điều kiện khác nhƣ nhau, khi giảm % (C + Si) sự grafits hoá giảm dần.

- (C + Si) lớn, khoảng ≥ 6%, grafit tạo thành mạnh nhất với nền F (không có C liên

kết),

- (C + Si) tƣơng đối cao, khoảng 5,0 - 6,0%, có nền F - P (0,10 - 0,50%C liên kết),

- (C + Si) vừa phải, khoảng 4,2 - 5,0%, có nền P (0,60 - 0,80%C liên kết),

- (C + Si) thấp, < 4,0 - 4,30%C, có gang trắng (toàn bộ C của gang ở dạng liên kết).


111

Trong gang có thể có các nguyên tố thúc đẩy tạo thành cacbit (gọi là gây hoá

trắng) hay chống lại grafit hoá, chúng đƣợc đƣa vào có chủ định, riêng các gang đều

có khoảng 0,50%Mn (gây biến trắng, làm cứng gang, nó là tạp chất thƣờng có của HK

Fe - C, với hàm lƣợng nhƣ vậy có lợi cho cơ tính).

• Tốc độ nguội khi đúc và cách chế tạo

Tốc độ nguội khi đúc cũng ảnh hƣởng đến grafit hoá: làm nguội chậm thúc

đẩy grafit, còn nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit, tạo ra gang trắng, gây biến

trắng.

Bảng . Thành phần hoá học (%) của các loại gang

Loại gang C (%) Si(%) Mn(%) S(%) P(%)

Trắng 3,3-3,6 0,4-1,2 0,25-0,80 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 < 0,10

Dẻo 2,0-2,6 1,0-1,6 0,20-1,00 0,04-0,20 < 0,20

Theo các phƣơng pháp khác nhau sẽ tạo dạng grafit khác nhau:

- Gang xám với grafit tấm là dạng tự nhiên đƣợc hình thành dễ dàng và đơn

giản nhất - đúc thông thường.

- Gang cầu với grafit cầu là dạng thu gọn nhất, hình thành từ biến tính đặc biệt

gang lỏng thông dụng (gang xám).

- Gang dẻo với grafit cụm (dạng đám) hình thành qua hai bƣớc: tạo ra Xê

(gang trắng) rồi ủ để phân hoá nó thành grafit cụm.


112

5.6.2. Gang xám

Là loại gang phổ biến nhất (nếu không chỉ rõ loại gang thì phải hiểu đó là gang xám)

a. Cơ tính Tuy dễ chế tạo, rẻ nhƣng cơ tính kém.

- Độ bền thấp, ζbk < 350 - 400MPa, (thƣờng 150 - 350MPa), chỉ bằng nửa của

thép thông dụng, 1/3 - 1/5 của thép HK.

- Độ dẻo và độ dai thấp (δ ≈ 0,5%, ak < 1000kJ/m2), có thể coi là VL giòn.

Nguyên nhân: do có tổ chức grafit tấm với độ bền rất thấp (coi bằng không),

có dạng bề mặt lớn, coi nhƣ vết nứt, rỗng chia cắt rất mạnh nền KL (thép) và sự tập

trung ứng suất ở các đầu nhọn của tấm grafit làm giảm rất mạnh độ bền kéo. Tuy nhiên

cấu trúc này làm hại ít độ bền nén (giới hạn bền nén của gang xám không kém thép).

Grafit nói chung và grafit tấm nói riêng cũng có mặt có lợi:

+ grafit mềm (~ 2 HB) và giòn, làm gang có độ cứng thấp (<< gang trắng) và

phoi dễ gãy nên dễ gia công cắt,

+ grafit có tính bôi trơn nên làm tăng tính chống mài mòn (> thép khi có cùng

độ cứng),

+ grafit có khả năng làm tắt dao động, nên gang xám thƣờng dùng làm đế, bệ

máy (và cũng để tận dụng khả năng chịu nén tốt).

b. Phƣơng pháp nâng cao cơ tính

Bảng . Cơ tính của các loại gang xám

Nền KL b, MPa bnén, Mpa HB , %

ferit < 150 < 500 150 0,5

ferit-peclit 150-200 500-700 200 0,5

peclit 210-350 900-1200 220-250 0,5

Cải thiện tổ chức sẽ dẫn đến nâng cao cơ tính, chủ yếu là giới hạn bền kéo.

- Làm giảm lƣợng grafit tức giảm số lƣợng vết nứt, rỗng. Muốn vậy phải làm

giảm lƣợng C (tổng) của gang (vì Ctổng = Ctự do + Clk).


113

- Làm nhỏ mịn (làm ngắn) grafit, tức giảm kích thƣớc vết nứt rỗng. Muốn vậy

phải biến tính gang lỏng bằng ferô Mn, ferô Si.

- Tạo nền KL có độ bền cao hơn. Coi cơ tính của gang là sự kết hợp giữa cơ

tính của nền KL và grafit, do đó nền có độ bền cao giúp gang có độ bền cao hơn và

ngƣợc lại.

Sau khi đúc, gang xám tốt nhất là loại có grafit nhỏ mịn và nền KL. Để làm

tăng hơn nữa độ bền, gang xám đƣợc hợp kim hoá và tiến hành tôi + ram:

+ HK hoá có tác dụng chủ yếu là hoá bền nền KL (tạo peclit phân tán nhỏ mịn

dạng xoocbit), nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, chịu nhiệt và hiệu quả đối với

nhiệt luyện.

+ Tôi + ram. Khi tôi + ram, grafit là pha ổn định nên không có biến đổi gì về tỷ

lệ, hình dạng, kích thƣớc và sự phân bố.

+ Khi nung nóng (> 8500C) để tôi, nền KL chuyển biến nhƣ thép đứng riêng rẽ:

ferit thành Feγ , ferit - peclit thành austenit ít C, peclit thành austenit với 0,6 - 0,8%C.

+ Khi làm nguội nhanh austenit chuyển biến thành mactenxit + grafit tấm, tuỳ

thuộc vào nhiệt độ ram có mactenxit ram hay trôxtit ram hay xoocbit ram + grafit tấm.

c. Các mác gang và công dụng

Đánh số các mác gang theo giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 (xx) hoặc

MPa (xxx), riêng Mỹ theo ksi (xxx).

TCVN 1659-75 ký hiệu là GX xx - xx: hai nhóm số lần lƣợt chỉ giới hạn bền

kéo và giới hạn bền uốn tối thiểu tính theo kG/mm2, giống nhƣ ГOCT 1412-70 là CЧ

xx - xx. Nhƣng theo ГOCT 1412-85 các mác gang xám gồm: CЧ10, CЧ15, CЧ20,

CЧ25, CЧ30 và CЧ35 (chỉ giới hạn bền kéo).

- Các mác gang có độ bền thấp, ζb ≤ 150MPa, với nền ferit + grafit tấm thô nhƣ

CЧ10, CЧ15 đƣợc dùng làm các vỏ, nắp không chịu lực (chỉ để che chắn).

- Các mác gang có độ bền trung bình, ζb = 150 - 200MPa, với nền ferit - peclit

tấm tƣơng đối thô nhƣ CЧ20, CЧ25 dùng làm các chi tiết chịu tải trọng nhẹ, ít chịu

mài mòn nhƣ vỏ hộp giảm tốc, thâm máy, bích, ống nƣớc, ...

- Các mác gang có độ bền tƣơng đối cao, ζb = 200 - 300MPa, với nền peclit +

grafit tấm nhỏ mịn qua biến tính nhƣ CЧ25, CЧ30 dùng làm các chi tiết chịu tải trọng

tƣơng đối cao nhƣ bánh răng (bị động, tốc độ chậm), bánh đà, xecmăng, thân máy

quan trọng, ...

- Các mác gang có độ bền cao, ζb ≥ 300MPa, với nền peclit nhỏ mịn và grffit

tấm rất nhỏ mịn qua biến tính cẩn thận nhƣ CЧ30 và CЧ35 dùng làm các chi tiết chịu

tải trọng cao, chịu mài mòn nhƣ bánh răng chữ V, trục chính, vỏ bơm thuỷ lực, ...

d. Gang xám biến trắng

Trong cơ khí hầu nhƣ không dùng gang trắng do quá cứng, không thể gia công

cắt đƣợc, và giòn, song có sử dụng gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tính chống mài

mòn cao, nhƣ để làm bi, trục nghiền, trục xay sát. Muốn vậy khi đúc gang xám sẽ làm

nguội nhanh những phần, những bề mặt cần cứng.

Đôi khi dù không mong muốn, khi đúc vẫn nhận đƣợc gang xám biến trắng (do

đúc trong khuôn KL, ly tâm, áp lực, ở các thành mỏng). Để gia công cắt phải đem ủ ở

700 - 7500C.

5.6.3. Gang cầu

Là loại gang có độ bền cao nhất do grafit ở dạng thu gọn nhất.

a. Cơ tính


114

Do grafit ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền KL nhất, hầu nhƣ

không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì

vậy nó duy trì 70 - 90% độ bền của nền KL (thép), có thể thay thế thép. Các đặc điểm

về cơ tính:

- Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (ζb = 400 - 800MPa, ζ0,2 = 250 -

600MPa), tức tƣơng đối với thép C chế tạo máy.

- Độ dẻo và độ dai nhất định (δ = 2 - 15%, ak = 300 - 600kJ/m2), tuy có kém

thép nhƣng cao hơn gang xám rất nhiều.

b. Đặc điểm chế tạo

• Về phối liệu: chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) nên về cơ bản

thành phần của chúng giống nhau (C + Si cao), song để làm biến tính tạo ra grafit cầu

đƣợc thuận lợi thì:

- (C + Si) cao hơn (bảng 5.9).

- P, đặc biệt S thấp hơn (< 0,03%) do S kết hợp Mg thành MgS làm xấu cơ tính

và tổn hao chất biến tính.

- Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hoá nhƣ Ti, Al, Sn, Zn, Bi.

- HK hoá bằng Ni (< 2%), Mn (< 1%) để nâng cao hiệu quả của tôi + ram.

• Về biến tính:

- Gang lỏng có nhiệt độ cao hơn bình thƣờng khoảng 50 - 800C (khoảng

14500C).

- Biến tính (đặc biệt) cầu hoá: đƣa Mg hay Ce (xêri) vào gang lỏng.

- Biến tính grafit hoá bằng ferô Si, silicô Ca để chống biến trắng.


Đánh số theo giới hạn bền kéo tối thiểu kG/mm2 (xx) hay MPA (xxx), riêng Mỹ

theo ksi (xxx), cũng có khi thêm chỉ tiêu thứ hai là giới hạn chảy tói thiểu và nếu có

chỉ tiêu thứ ba là độ giãn dài δ%) tối thiểu thì thứ tự là ζb - ζ0,2 - δ.

TCVN 1659-75 ký hiệu là GC xx-xx (các nhóm số lần lƣợt là giới hạn bền kéo

và độ giãn dai) giống nhƣ của ГOCT 7393-70 là BЧ xx-xx. Nhƣng theo ГOCT 7393-

85 có BЧ40, BЧ50, BЧ60, BЧ70, BЧ80 (chỉ giới hạn bền kéo).

- Mác ferit BЧ40 có độ bền thấp, ζb ≤ 400MPa, độ dẻo khá cao (δ = 15%) ít

dùng.

- Mác ferit - peclit BЧ45 với ζb = 400 - 500MPa, độ dẻo trung bình δ = 5 - 10%,

đƣợc dùng làm các chi tiết thông thƣờng thay thép nói chung.

- Mác peclit BЧ60 với ζb = 550 - 600MPa, có độ dẻo nhất định, δ = 2%, đƣợc

dùng làm trục khuỷu, trục cán.

- Các mác BЧ70, BЧ80 với ζb ≥ 600MPa là loại gang cầu tôi đẳng nhiệt ra

bainit, đƣợc dùng làm các chi tiết quan trọng.

Chi tiết quan trọng điển hình làm bằng gang cầu là trục khuỷu.

5.6.4. Gang dẻo

a. Cơ tính

Do grafit ở dạng cụm (đám) và lƣợng C rất thấp nên gang dẻo có độ bền gần

nhƣ gang cầu, nhƣng cao hơn gang xám (ζb = 300 - 600MPa, ζ0,2 = 200 - 450MPa), độ

dẻo cao nhƣ gang cầu ọ = 3 - 5%.

b. Đặc điểm chế tạo

Về phối liệu: đƣợc chế tạo bằng cách ủ từ gang trắng nên về cơ bản thành phần

hoá học của chúng giống nhau: (C + Si) thấp, song có nét khác biệt để khi đúc vừa tạo


115

ra gang hoàn toàn trắng vừa để dễ grafit hoá khi ủ sau đó nên khi lấy C thấp đi thì Si

lấy cao hơn.

Về lựa chọn sản phẩm: sản phẩm đúc bằng gang dẻo phải có thành mỏng,

không cho phép có thành dày quá 40mm (thƣờng chỉ 20 - 30mm) để bảo đảm nguội

nhanh tạo ra gang hoàn toàn trắng.

Về ủ grafit hoá: là giai đoạn dài nhất (2 - 3) ngày, chiếm tỷ lệ cao trong giá

thành. Gang trắng đƣợc ủ trong khoảng 1000 - 7000C với sự grafit hoá của Xê nhƣ sau.

+ trên A1 Fe3C → Feγ(C) + Cgrafit cụm

+ dƣới A1 Fe3C → Feγ + Cgrafit cụm


Đắnh số các mác gang dẻo theo giới hạn bền kéo tối thiểu và độ giãn dài tương

đối.

TCVN 1659-75 ký hiệu bằng GZ xx-xx giống nhƣ ГOCT 1215 - 79 là KЧ xx-

xx. Theo tiêu chuẩn các mác: KЧ 30-6, KЧ33-8, KЧ35-10, KЧ37-12 (gang dẻo ferit),

KЧ45-7, KЧ50-5, KЧ55-4, KЧ60-3, KЧ63-3 (gang dẻo peclit).

Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thoả mãn đồng thời ba yêu cầu: hình

dạng phức tạp, thành mỏng, chịu va đập. Nếu không thoả mãn một trong ba yêu cầu

trên việc chế tạo bằng gang dẻo hoặc là không thể đƣợc hoặc là không kinh tế, lúc đó

làm bằng VL khác rẻ hơn (VD, nếu không chịu va đập làm bằng gang xám, nếu hình

dạng đơn giản làm bằng thép hàn ...).


116

Chương 6 : HỢP KIM MÀU VÀ BỘT

6.1. Hợp kim nhôm

6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại nhôm

a. Các đặc tính của nhôm nguyên chất

• Các đặc tính nổi trội:

- Khối lượng riêng nhỏ (2,7 g/cm3), khoảng 1/3 của thép

- Tính chống ăn mòn nhất định trong khí quyển nhờ luôn có một lớp màng ôxyt

(Al2O3), xít chặt bám chắc vào bề mặt.

- Dẫn điện cao, tuy chỉ bằng 62% của đồng nhƣng do khối lƣợng riêng chƣa

bằng 1/3 nên với các đặc tính về truyền điện và truyền dòng điện có cƣờng độ nhƣ

nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây dẫn đồng, lại bị nung nóng ít hơn.

• Các đặc tính cần phải để ý:

- Nhiệt độ chảy tương đối thấp (660 0C) làm dễ nấu chảy khi đúc nhƣng cũng

làm nhôm và HKkhông sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 300 - 4000C.

- Độ bền, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ ζb = 60MPa, ζ0,2 = 20MPa, 25HB. Tuy

nhiên do có kiểu mạng A1 nó có hiệu ứng hoá bền biến dạng lớn, nên thƣờng dùng

biện pháp hoá bền nhôm và HK bằng biến dạng nguội với lƣợng ép khác nhau.

b. HK nhôm và phân loại Để có độ bền cao phải HK hoá nhôm và tiến hành nhiệt luyện.

Khi đƣa nguyên tố HK vào nhôm (ở trạng thái lỏng), tạo nên giản đồ pha Al -

nguyên tố HK nhƣ H 6.1:

Lúc đầu (khi lƣợng ít) nguyên tố HK sẽ hoà tan vào Al tạo nên dung dịch rắn

thay thế ỏ nền Al, khi vƣợt qua giới hạn hoà tan (đƣờng CF) sẽ tạo thêm pha thứ hai

(thƣờng là hợp chất hoá học của hai nguyên tố), sau đó khi vƣợt qua giới hạn hoà tan

cao nhất (điểm C hay C’) tạo ra cùng tinh của dung dịch rắn và pha thứ hai kể trên.

Dựa vào giản đồ pha thì bất cứ hệ HK nhôm nào cũng đƣợc phân thành hai

nhóm lớn:

- HK nhôm biến dạng là HK với ít HK (bên trái điểm C, C’) tuỳ thuộc nhiệt độ

có tổ chức hoàn toàn là dung dịch rắn nền nhôm nên có tính dẻo tốt, dễ biến dạng

nguội hay nóng. Trong loại này lại chia ra hai nhóm:

+ Nhóm không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Chứa ít HK hơn (bên trái F), ở

mọi nhiệt độ chỉ có tổ chức là dung dịch rắn, không có chuyển biến pha nên không thể

hoá bền bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hoá bền bằng biến dạng nguội.

H6.1.Góc nhôm của giản đồ pha Al

– nguyên tố HK


117

+ Nhóm hoá bền được bằng nhiệt luyện là loại chứa nhiều HK hơn (từ điểm F

đến C hay C’), ở nhiệt độ thƣờng có tổ chức hai pha (dung dịch rắn + pha thứ hai),

nhƣng ở nhiệt độ cao pha thứ hai hoà tan hết vào dung dịch rắn, tức có chuyển pha nên

ngoài biến dạng nguội có thể hoá bền thêm bằng nhiệt luyện.

- HK nhôm đúc là HK với nhiều HK hơn (bên phải điểm C, C’), có nhiệt độ

chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh nên có tính đúc cao. Do có nhiều pha thứ hai

(thƣờng là hợp chất hoá học) HK giòn hơn, không thể biến dạng đƣợc. Khả năng hoá

bền bằng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũng không cao vì không có biến đổi mạnh

của tổ chức khi nungnóng.

c. Hệ thống ký hiệu cho HK nhôm

Thƣờng dùng hệ thống đánh số theo AA (Aluminum Association) của Hoa Kỳ

bằng xxxx cho loại biến dạng và xxx.x cho loại đúc, trong đó:

- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau.

Loại biến dạng Loại đúc

1xxx - nhôm sạch (≥ 99,0%), 1xx.x - nhôm thỏi sạch thƣơng

phẩm,

2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al -Cu,

3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si -

Cu,

4xxx - Al - Si, 4xx.x - Al - Si,

5xxx - Al - Mg, 5xx.x - Al - Mg,

6xxx - Al - Mg - Si, 6xx.x - không có,

7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn,

8xxx - Al - các nguyên tố khác, 8xx.x - Al - Sn.

- Ba số tiếp theo đƣợc tra theo bảng trong các tiêu chuẩn cụ thể.

Để ký hiệu trạng thái gia công và hoá bền, cá nƣớc phƣơng Tây thƣờng dùng các ký

hiệu:

F: trạng thái phôi thô,

O: ủ và kết tinh lại,

H: hoá bền bằng biến dạng nguội,

T: hoá bền bằng tôi + hoá già.

TCVN1659-75 có quy định cách ký hiệu HK nhôm đƣợc bắt đầu bằng Al và

tiếp theo lần lƣợt từng ký hiệu hoá học của nguyên tố HK cùng chỉ số % của nó, nếu là

HK đúc sau cùng có chữ Đ. VD AlCu4Mg là HK nhôm chứa khoảng 4%Cu, 1%Mg.

Với nhôm sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó, VD Al99, Al99,5.

6.1.2. HK nhôm biến dạng không hoá bền bằng nhiệt luyện (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Nhôm sạch

Có ít nhất 99,0%Al với hai mác điển hình AA1060 và AA1100. ở trạng thái ủ

có độ bền thấp, mềm nhƣng rất dẻo, dễ biến dạng nguội, nhờ đó giới hạn chảy tăng lên

rất mạnh (2 đến 4 lần) và cứng lên nhiều. Nhờ có tính chống ăn mòn nhất định (do độ

sạch cao), chúng đƣợc dùng trong công nghiệp hoá học, thực phẩm, đông lạnh, tấm ốp

trong xây dựng. Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng AA1350.

b. HK Al - Mn Giới hạn hoà tan cao nhất của Mn trong Al là 1,8% ở 659

0C và giảm nhanh

theo nhiệt độ, khi vƣợt quá giới hạn hoà tan hai nguyên tố trên kết hợp với nhau thành

Al6Mn. Lƣợng Mn thƣờng dao động trong khoảng từ 1 ữ 1,6%.


118

Về cơ tính, hệ HK này rất nhạy cảm với biến dạng nguội (giới hạn chảy tăng 2

- 4 lần) và có nhiệt độ kết tinh lại tăng lên, ngoài ra do hình thành pha ỏ là dung dich

rắn ở dạng nhỏ mịn, phân tán.

HK Al - Mn dễ biến dạng dẻo, đƣợc cung cấp dƣới dạng bán thành phẩm khác

nhau (lá mỏng, thanh, dây, hình, ống ...), chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn,

đƣợc dùng thay thế các mác AA 1xxx khi yêu cầu cơ tính cao hơn.

c. Hệ HK Al - Mg

Giới hạn hoà tan của Mg trong Al thay đổi mạnh theo nhiệt độ: 15% ở 4510C,

không đáng kể ở nhiệt độ thƣờng, vƣợt qua giới hạn hoà tan hai nguyên tố này kết hợp

với nhau thành Mg2Al3, thƣờng chỉ dùng < 4%Mg (đặc biệt có thể lên tới 6 - 7% tuy

đạt độ bền cao hơn nhƣng dễ bị ăn hơn) với các mác điển hình A A 5050, AA 5052,

AA 5454, chúng có đặc tính:

- nhẹ nhất trong các HK Al và có độ bền khá, có thể cải thiện bằng biến dạng

nguội,

- khả năng biến dạng nóng, nguội và hàn đều tốt,

- tính chống ăn mòn tốt và có thể cải thiện bằng anod hoá.

6.1.3. Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện (tự đọc- tự nghiên cứu)

Là loại HK Al quan trọng nhất có cơ tính cao nhất không thua kém gì thép

cacbon.

a. Hệ Al - Cu và Al - Cu - Mg

• HK AlCu4 và nhiệt luyện

Xét cơ chế hoá bền khi nhiệt luyện HK Al chứa 4%Cu

Từ giản đồ pha Al - Cu thấy rằng Cu hoà tan đáng kể trong Al ở nhiệt độ cao

(cực đại là 5,65% ở 5480C), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ

thƣờng). Khi vƣợt quá giới hạn hoà tan lƣợng Cu thừa đƣợc tiết ra ở dạng CuAl2II (II -

chỉ pha này tiết ra từ trạng thái rắn nhƣ Fe3CII trong thép).

Nhƣ vậy HK AlCu4:

- Lúc đầu ở nhiệt độ thƣờng và ở trạng thái cân bằng (ủ), tổ chức gồm dung dịch

rắn ,

- Al (0,5%Cu) và một lƣợng (khoảng 7%) là pha CuAl2II, có độ cứng và độ bền

thấp nhất (ζb = 200MPa),

- Khi nung nóng quá đƣờng giới hạn hoà tan (5200C), các phần tử CuAl2II hoà

tan hết vào ỏ và chỉ có tổ chức một pha ỏ - Al (4%Cu) và khi làm nguội nhanh tiếp

theo (tôi) CuAl2II không kịp tiết ra, tổ chức ỏ giàu Cu đƣợc cố định lại ở nhiệt độ

thƣờng.

Sau khi tôi, ở nhiệt độ thƣờng HK có tổ chức khác hẳn lúc ban đầu, là dung

dịch rắn quá bão hoà (với giới hạn hoà tan là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá bão hoà) với độ

bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), ζb = 250 ữ 300MPa và vẫn còn

khá dẻo (có thể sửa, nắn đƣợc).

Có hiện tƣợng đặc biệt khác thép: sau khi tôi theo thời gian độ bền, độ cứng

tăng lên dần và đạt giá trị cực đại sau 5 - 7 ngày, ζb = 400MPa tức đã tăng gấp đôi so

với trạng thái ủ. Quá trình nhiệt luyện hoá bền nhƣ vậy gọi là tôi + hoá già tự nhiên (để

lâu ở nhiệt độ thƣờng).

• Họ AA2xx (đura)

Thuộc hệ Al - Cu - Mg: Là HK với trên dƣới 4%Cu (2,6 - 6,3%) và 0,5 -

1,5%Mg có tên là đura (từ tiếng Pháp duraluminium - nhôm bền, cứng), Cu và đặc biệt


119

Mg có tác dụng nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + hoá già vì chúng tạo nên các

pha hoá bền, ngoài CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 có tác dụng mạnh hơn.

Ngoài ra trong đura còn có Fe, Si và Mn: Fe và Si là hai tạp chất có hại vì nó

không hoà tan vào Al khi nung nóng nên không có tác dụng hoá bền, lại còn làm giảm

lƣợng pha hoá bền. Mn đƣa vào với lƣợng nhỏ để tăng tính chống ăn mòn.

Đặc điểm:

- Độ bền cao (ζb = 450 - 480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm3) nên có

độ bền riêng (xác định = ζb/ γ với thứ nguyên là chiều dài) cao, tới 15 - 16 (km) trong

khi đó CT51 là 6,0 - 6,5, gang là 1,5 - 6,0.

- Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau.

Khắc phục bằng cách phủ các lớp nhôm nguyên chất mỏng (~ 4% chiều dày tấm) lên

bề mặt khi cán nóng, nên có tính chống ăn mòn không khác gì nhôm sạch.

Các mác AA 2014 và AA 2024 đƣợc dùng nhiều trong kết cấu máy bay, dầm

khung chịu lực xe tải, sƣờn tàu biển, dụng cụ thể thao ...

b. Hệ Al - Mg - Si và Al - Zn - Mg

• Họ AA6xxx

Thuộc hệ Al - Mg - Si với pha hoá bền Mg2Si và các mác điển hình là AA 6061

và AA 6070 với các đặc tính là:

- có độ bền kém đura (ζb = 400MPa),

- có tính dẻo cao hơn (cả trạng thái nóng và nguội) và có tính hàn cao.

Đƣợc sử dụng để ép chảy thành các khung nhôm có tác dụng bảo vệ tốt, chống

ăn mòn trong khí quyển, có nhiều màu sắc dùng làm các kết cấu có tính mỹ thuật,

trang trí rất đa dạng từ khung (các loại cửa, tƣờng vách ngăn trang trí, tủ, hộp ...), ống

cho đến bản in.

• Họ AA 7xxx

Thuộc hệ Al - Zn - Mg, có thể thêm Cu. Là loại sau nhiệt luyện có độ bền cao

nhất (ζb >550MPa), thƣờng dùng 4 - 8% Zn, 1 - 3% Mg. Ngoài ra còn có đặc tính là

nhiệt luyện dễ (khoảng tôi rộng, 350 - 5000C), tốc độ tôi tới hạn nhỏ (nguội trong

không khí). Loại này có nhiều tiềm năng, sử dụng trong trong hàng không, chế tạo vũ

khí, dụng cụ thể thao.

6.1.4. Hợp kim nhôm đúc (tự đọc- tự nghiên cứu)

a. Các đặc điểm Có tổ chức chủ yếu là cùng tinh và nên chứa nhiều HK hơn. Trong các hệ Al -

nguyên tố HK chỉ có hệ Al - Si có thành phần HK ít nhất (11,3%Si), nên tốn ít HK, rẻ,

thƣờng dùng để đúc. Các hệ khác cùng tinh có lƣợng chứa HK cao hơn rất nhiều nhƣ

Al - Cu với 33%Cu, Al - Mg với 34,5%MG nên đắt và hạn chế sử dụng.

Cơ tính: phụ thuộc nhiều vào tốc độ nguội và biến tính. Đúc trong khuôn KL (ly

tâm, áp lực) do nguội nhanh nên tổ chức nhận đƣợc nhỏ mịn hơn, cải thiện mạnh cơ

tính. Biến tính có tác dụng mạnh đến tổ chức và cơ tính của HK Al - Si.

b. HK Al - Si (silumin)

- Biến tính

HK Al - Si đơn giản chỉ gồm hai cấu tử với 10 - 13% Si (AA 423. 0 hay AA2).

Nó có nhiệt độ chảy thấp nhất, tổ chức hầu nhƣ là cùng tinh với tính đúc tốt nhất. Tuy

nhiên khi đúc thƣờng dễ bị tổ chức cùng tinh thô và tinh thể Si có dạng hình kim nên

cơ tính không cao, đặc biệt độ dai phá huỷ nhỏ.


120

Nếu qua biến tính bằng muối Na (2/3 NaF + 1/3 NaCl) với tỷ lệ 0,05 - 0,08%,

điểm cùng tinh sẽ hạ thấp xuống khoảng 10 - 200C và dịch sang phải, nhƣ vậy HK

luôn là trƣớc cùng tinh với tổ chức ỏ và cùng tinh ( + Si), trong đó kết tinh quá nguội

lớn hơn nên Si trong cùng tinh rất nhỏ mịn, làm cải thiện mạnh cơ tính, ζb = 180MPa,

δ = 8%.

Tuy nhiên với cơ tính nhƣ vậy không đáp ứng đƣợc yêu cầu thực tế nên thƣờng

ít sử dụng. Thực tế thƣờng sử dụng các silumin phức tạp ngoài Si ra còn có thêm Mg

hoặc Cu.

- Các HK Al - Si - Mg (Cu)

Là HK với khoảng Si rộng hơn (5 - 20%), và có thêm Mg (0,3 - 0,5%) để tạo ra

hoá pha hoá bền Mg2Si nên hệ Al - Si - Mg (VD mác AA 356.0) phải qua nhiệt luyện

hoá bền. Cho thêm Cu (3 - 5%) vào sẽ cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt (do có thành

phần gần với cùng tinh Al - Si - Cu) nên đƣợc dùng nhiều trong đúc piston (AA 390.0,

AA 4) của động cơ đốt trong, ngoài ra HK nhôm còn đƣợc dùng làm ổ trƣợt.

6.2. Hợp kim đồng

6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng

a. Các đặc tính của đồng đỏ

Đồng nguyên chất có màu đỏ nên đƣợc gọi là đồng đỏ với đặc tính sau.

- Tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao. Về tính dẫn điện nó chỉ đứng sau Ag, với độ

sạch 99,9%Cu ở trạng thái ủ, ở 200C điện trở suất = 1,7241cm và độ dẫn nhiệt =

358W/m.0K. Thƣờng sử dụng để làm dây dẫn điện. Các tạp chất hoà tan vào Cu, đặc

biệt là P, Fe với lƣợng nhỏ cũng làm giảm mạnh tính dẫn điện (0,1%P giảm 46%,

0,1%Fe giảm 23%).

- Chống ăn mòn khá tốt trong các môi trƣờng thƣờng gặp: khí quyển, nƣớc,

nƣớc biển hay kiềm, axit hữu cơ.

- Tính dẻo rất cao do có mạng A1 nên rất dễ biến dạng nóng và nguội, dễ chế

tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng.

- Có độ bền không cao ở trạng thái ủ (với 99,97%Cu có ζb = 220MPa, ζđh =

70MPa) nhƣng sau biến dạng dẻo độ bền tăng rất mạnh (với = 60%, ζb = 425MPa,

ζđh = 375MPa). Với đồng và HK, biến dạng nguội là biện pháp hoá bền rất quan trọng.

- Tính đàn hồi của Cu khá tốt, song khi hàm lƣợng tạp chất đặc biệt là ôxy tăng

lên thì tính hàn giảm đi rõ rệt.

Nhƣợc điểm:

+ khối lƣợng riêng lớn ( = 8,94g/cm3),

+ tính gia công cắt kém do phoi quá dẻo, không gãy, cho thêm Pb để cải thiện,

+ tính đúc kém, tuy nhiệt độ nóng chảy là 10830C, song độ chảy loãng nhỏ.

b. Phân loại HK đồng

Giống nhƣ HK Al, HK Cu cũng đƣợc phân loại thành: biến dạng và đúc trên

cùng nguyên tắc. Ngoài ra do lịch sử các HK khác nhau của Cu mang những tên riêng:

Latông là HK Cu - Zn, brông là tên chung chỉ các HK Cu - nguyên tố không phải Zn.

c. Hệ thống ký hiệu cho HK đồng

Thƣờng dùng hệ thống đánh số theo CDA (Copper Development Association)

của Hoa Kỳ bằng xxx, trong đó số đầu tiên có ý nghĩa nhƣ sau.


121

1xx - đồng đỏ và các HK Cu - Be, 2xx - latông (Cu - Zn) đơn giản,

4xx - latông phức tạp, 5xx - brông thiếc,

6xx - brông nhôm, 7xx - brông nhôm,

8xx và 9xx - HK đồng đúc.

Để ký hiệu các trạng thái gia công và hoá bền, các nƣớc phƣơng Tây dùng ký

hiệu 0, H, T nhƣ của Al (riêng trạng thái tạo phôi thô đƣợc ký hiệu là M), song có các

chữ và số tiếp theo khác . VD, hoá bền bằng biến dạng nguội có từ H00 (tƣơng đƣơng

với H11 của Al) đến H04, H08, H10, H12, H13, H14.

6.2.2. Latông (tự đọc- tự nghiên cứu)

Latông là HK của Cu mà nguyên tố HK chính là Zn (do TCVN 1659- 75 quy

định trên cơ sở thuật ngữ đã đƣợc dùng phổ biến ở nƣớc ta từ tiếng Pháp, còn gọi là

đồng thau).

Latông đơn giản đƣợc dùng nhiều nhất, đó là HK chỉ có hai nguyên tố là Cu và

Zn. Giản đồ pha Cu - Zn là loại rất phức tạp, tạo nên rất nhiều pha, song trong thực tế

chỉ dùng loại có ít hơn 45%Zn nên chỉ gặp hai pha và .

Pha . Là dung dịch rắn thay thế của Zn trong Cu với mạng A1, nó có thể chứa

tới 39%Zn ở 4540C. Đó là pha cơ bản của latông và là pha duy nhất của latông ít Zn,

nó quyết định các tính chất cơ bản của latông.

Khi Zn hoà tan vào Cu không những nâng cao độ bền mà cả độ dẻo của dung

dịch rắn cũng tăng, đồng thời hiệu ứng hoá bền biến dạng cao. Do vậy cơ tính của

latông một pha cao hơn và rẻ hơn Cu, độ dẻo cao nhất ứng với khoảng 30%Zn. Khi

pha thêm Zn, màu đỏ của Cu nhạt dần và chuyển thành màu vàng.

Pha . Là pha ứng với công thức CuZn có thành phần dao động trong khoảng

46 -50%Zn, pha này cứng giòn hơn, ở nhiệt độ thấp (< 4570C) khi nó bị trật tự hoá

thành pha ’. Do vậy không thể dùng latông quá 45%Zn với tổ chức hoàn toàn là

’.

Trong thực tế thƣờng dùng ≤ 40%Zn với loại một pha và hai pha + .

• Latông một pha ().

Thƣờng chứa < 35%Zn, có tính dẻo cao nên là loại biến dạng đƣợc cán nguội

thành các bán thành phẩm, làm các chi tiết máy qua dập:

- Latông chứa Zn thấp, 5 - 12%, có màu đỏ nhạt và tính chất khá giống Cu

(nhƣng tốt hơn), dùng làm các đồ dùng và các chi tiết giả Cu nhƣ tiền xu, huy chƣơng,

khuy áo, fecmơtuya

- Latông với khoảng 20%Zn (CDA 240, A80) có màu vàng giống nhƣ Au, dùng

làm đồ trang sức, giả vàng (ngạn ngữ có câu ―vàng, thau lẫn lộn‖, thau là đồng thau,

latông)

- Latông với khoảng 30%Zn (CDA 260, A70) có tính dẻo cao nhất và độ bền

cao nên đƣợc dùng làm các chi tiết dập sâu với công dụng chủ yếu làm vỏ đạn.

Các latông một pha bền và dẻo cao nên khó gia công cắt, để cải thiện tính cắt

thƣờng đƣa thêm Pb vào với lƣợng 0,4 - 3,0% với cơ chế tác dụng nhƣ thép dễ cắt.

Loại latông với ≥ 20%Zn ở trạng thái biến cứng hay chịu ứng suất cao có khuynh

hƣớng bị ăn mòn khi có hơi nƣớc, amôniăc, ôxy, để tránh phải đem ủ.

• Latông hai pha ( + ) thƣờng dùng với 40% Zn (CDA 280, OCT A60) hay

có pha thêm Pb để cải thiện tính gia công cắt (CDA 370, OCT AC59 - 1). Tuy cứng

và bền hơn loại một pha, HK vẫn có thể biến dạng dẻo đƣợc ở trạng thái nóng (do >

4540C pha dẻo hơn).


122

• Các latông đúc có thành phần Zn và các nguyên tố HK khác cao hơn, nhƣ

mác CDA 863 với tổng lƣợng các nguyên tố đƣa vào cao tới 46%.

Cả hai loại biến dạng và đúc, ngoài các thành phần trên còn có thể đƣa thêm

vào các nguyên tố khác để tăng cơ tính cũng nhƣ tăng tính chống ăn mòn.

6.2.3. Brông (tự đọc- tự nghiên cứu)

Brông là HK của Cu với các nguyên tố không phải Zn nhƣ Sn, Al, Be ... và

đƣợc gọi là brông thiếc, brông nhôm, brông berili ...(riêng Cu - Ni không đƣợc gọi là

brông).

a. Brông thiếc (Cu - Sn)

Là HK cổ xƣa nhất mà loài ngƣời biết sử dụng.

- Brông thiếc biến dạng thƣờng < 8%Sn (có thể tới 10%) có cơ tính cao và

chống ăn mòn trong nƣớc biển tốt hơn latông. Để cải thiện gia công cắt thƣờng có

thêm Pb (CDA 521, CDA 524) hay có thêm Zn để vừa thay cho Sn rẻ hơn vừa có tác

dụng hoá bền khi dùng 4% cho mỗi nguyên tố (4%Sn - 4%Zn - 4%Pb) với mác CDA

544.

- Brông thiếc đúc chứa > 10%Sn hay với tổng lƣợng các nguyên tố đƣa vào >

12% nhƣ loại 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb với các mác CDA 835 hay 10%Sn - 2%Zn với

mác CDA 905.

Loại này có tính đúc tốt, chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có bề mặt nâu -

đen (do tạo nên ôxyt thiếc) nên brông thiếc chứa Zn, Pb đƣợc dùng để đúc các tác

phẩm nghệ thuật: tượng đài, chuông, hoạ tiết trang trí ...

b. Brông nhôm

- Brông nhôm một pha (với 5 - 9%Al) đƣợc sử dụng khá rộng rãi để chế tạo

bộ ngƣng tụ hơi, hệ thống trao đổi nhiệt, lòxo tải dòng, chi tiết bơm, đồ dùng cho lính

thuỷ (CDA 614), tiền xu (CDA 608).

- Brông hai pha (> 9,4%Al) với sự xuất hiện của pha õ (hợp chất điện tử mạng

A2 là Cu3Al) chỉ ổn định ở trên 5650C và chịu biến dạng tốt.

- Các brông nhôm đúc có lƣợng Al ≥ 9% nên cũng có thể có các thành phần

nhƣ loại biến dạng nhƣ CDA 952 (giống nhƣ CDA 614).

c. Brông berili

HK Cu với 2%Be (CDA 172) sau khi tôi 750 -7900C trong nƣớc, hoá già

khoảng 320 - 3500C có tính đàn hồi rất cao, lại không phát ra tia lửa điện nên đƣợc

dùng làm các chi tiết đàn hồi trong mỏ và thiết bị điện.

6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni (tự đọc- tự nghiên cứu)

Ni hoà tan vào Cu làm tăng mạnh độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn trong

nƣớc biển. HK Cu - Ni với 10 -30% Ni (VD CDA 715 có 30%Ni) đƣợc dùng làm bộ

ngƣng tụ của tàu biển, ống dẫn nƣớc biển, trong công nghiệp hoá học.

HK Cu với 17 - 27%Zn và 8 -18%Ni đƣợc dùng làm dây biến trở, với tổ chức

là dung dịch rắn nên có điện trở suất rất cao và có màu bạc nhƣ của Ni.

6.3. Hợp kim ổ trƣợt

6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt

- Hệ số ma sát nhỏ với bề mặt trục thép.


123

- Ít làm mòn cổ trục thép và chịu đƣợc áp lực cao đ

- Tính công nghệ tốt: dễ đúc, khả năng dính bám vào máng thép cao ...

- Rẻ

Hình 6.2. Hình thái tổ chức của hợp kim ổ trƣợt nền mềm - hạt cứng

6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp

Là loại HK ổ trƣợt trên cơ sở của các KL dễ chảy: Sn, Pb, ... đƣợc gọi là babit

(babbitt). Đặc tính chung là rất mềm nên rất ít làm mòn cổ trục thép, có hệ số ma sát

nhỏ và giữ dầu tốt, nhƣợc điểm là không chịu đƣợc áp suất và nhiệt độ cao.

a. Babit thiếc

Thƣờng dùng làm các ổ trƣợt quan trọng với tốc độ lớn và trung bình nhƣ trong

tuabin, động cơ điêzen. Thƣờng dùng hai mác 83%Sn - 11%Sb - 6% Cu (OCT Б83,

UNS L13820) và 88%Sn - 8%Sb - 3%Cu - 1% (Ni + Cd) (OCT Б 88, UNS L13890).

b. Babit chì

Là HK trên cơ sở Pb với 6 - 16%Sn, 6 - 16%Sb và ~ 1%Cu với tổ chức là cùng

tinh (Pb + Sb) là nền mềm, các phần tử SnPb, Cu3Sn là hạt cứng, ở Nga dùng hai mác

b6 (với 6%Sn, 6%Sb) và b16 (với 16%Sn, 16%Sb), trong đó b16 có nhiều hạt cứng

hơn, giòn hơn đƣợc dùng nhiều trong điều kiện không chịu va đập, b6 đƣợc dùng

nhiều hơn trong các động cơ xăng, chịu va đập hơn và rẻ hơn.

6.3.3. Hợp kim nhôm

Là loại đáp ứng khá toàn diện các yêu cầu đối với ổ trƣợt và hiện đã đƣợc dùng

khá rộng rãi nhờ ma sát nhỏ, nhẹ, tính dẫn nhiệt cao, chống ăn mòn cao trong dầu, đặc

biệt là cơ tính cao hơn, tuy tính công nghệ hơi kém.

Phổ biến là hệ Al - Sn, lƣợng Sn có thể biến đổi từ 3 - 20% (còn Cu, Ni, Si),

chúng tạo nên các pha mềm ngay trong hạt dung dịch rắn của Al, nhờ đó làm tăng tính

chống ma sát.

6.3.4. Các hợp kim khác

Các HK trên cơ sở của Cu đƣợc dùng làm ổ trƣợt có nhiều loại:

Brông thiếc với các mác CDA 836, OCT БpOЦ C5-5-5 (đúc) và CDA544,

OCT C4- БpOЦ 4-4 (biến dạng), với Pb không tan là các hạt mềm, nền cứng là Cu

hoà tan Sn, Zn.

Brông chì thƣờng dùng với các mác OCT Бp C30 (30%Pb), với các phân tử

Pb không tan là hạt mềm, Cu là nền cứng.

Gang xám, gang cầu, gang dẻo: với tổ chức grafitlaf phần mềm có tính bôi

trơn tốt, rãnh chứa dầu và nền KL là phần cứng cũng đƣợc làm các ổ trƣợt không quan

trọng do hệ số ma sát lớn và có thể không cần bôi trơn (do đã có grafit).


124

6.4. Hợp kim bột

6.4.1. Khái niệm chung

a. Phƣơng pháp chế tạo Theo quy trình: chế tạo bột ép rồi thiêu kết, tức không cần nấu chảy, kết tinh và

gia công cắt. Để chế tạo phải qua 3 công đoạn chính sau:

- Tạo bột KL hay HK có thành phần đúng với yêu cầu ở dạng rắn, nhỏ mịn (bột)

và đƣợc trộn đều. có thể chế tạo bột theo cách nhƣ: nghiền (cho VL giòn), phun tia KL

lỏng vào môi trƣờng nguội nhanh, hoàn nguyên từ ôxyt, điện phân ...

- Tạo hình: từ các bột rời rạc tạo ra vật rắn có hình dạng kích thƣớc xác định

với độ dính kết nhất định. Có thể tạo hình bằng ép, nén với áp suất 100 - 1000MPa,

tuỳ theo yêu cầu về khối lƣợng riêng. Muốn đƣợc khối lƣợng riêng lớn và đồng đều

phải ép với áp suất lớn và rung cơ học.

- Thiêu kết: làm cho các hạt bột liên kết bền vững với nhau, tăng cơ lý tính cho

sản phẩm đến giá trị mong muốn. Thƣờng nung nóng đến nhiệt độ = 0,75 Ts (theo 0K)

của KL trong thời gian 0,5 - 6,0h trong khí quyển bảo vệ hay chân không. Trong quá

trình thiêu kết sản phẩm sẽ co lại, mật độ tăng lên. có thể kết hợp hai khâu ép và thiêu

kết bằng cách ép nóng, đạt đƣợc mật độ cao nhất.

- Về kinh tế: có thể đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nếu sản lƣợng lớn mặc

dù chi phí đầu tƣ ban đầu cao.

b. Đặc điểm của phƣơng pháp

- Kinh tế: nguyên liệu bột sử dụng gần nhƣ triệt để, không hay ít phải gia công

cắt, sửa.

- Chất lƣợng: dễ đảm bảo độ đồng nhất của sản phấm về thành phần, tổ chức,

kích thƣớc và tính chất khi chế tạo hàng loạt khi có VL chuẩn và trộn đều.

- Tổ chức tế vi: cấu trúc không xít chặt, luôn có lỗ hổng (rỗ xốp), có cơ tính

không cao.

- Một số sản phẩm chỉ có thể chế tạo bằng phƣơng pháp này hay nó rẻ hơn so

với luyện kim truyền thống nhƣ với KL có nhiệt độ chảy cao, VL cứng, siêu cứng, bạc

xốp ...

6.4.2. Vật liệu cắt và mài

Ứng dụng quan trọng nhất của luyện kim bột trong cơ khí là HK cứng và đá

mài.

a. HK cứng

HK cứng là loại VL có tính cứng nóng cao nhất, tới 800 - 10000C, tốc độ cắt có

thể đạt tới hàng trăm m/phút.

• Thành phần hoá học và cách chế tạo

Thành phần chủ yếu là cacbit: WC (chiếm tỷ lệ cao nhất), TiC, TaC rất cứng và

nhiệt độ chảy rất cao, ngoài ra còn có lƣợng nhỏ côban làm chất dính kết, nên đảm bảo

độ cứng, tính chống mài mòn và cứng nóng rất cao, đó là bản chất tự nhiên không

phải qua nhiệt luyện.

HK cứng đƣợc chế tạo qua các bƣớc sau:

- Tạo bột cacbit bằng cách hoàn nguyên WO3 bằng H2 ở 700 - 9000C rồi đem

nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ, trộn bột W với bồ hóng và nung lên 14000C trong 1 giờ để

đƣợc bột WC.


125

- Trộn bột cacbit với bột Co trong nhiều giờ cho thật đều rồi đem ép thành lƣỡi

cắt nhỏ, hình dạng đơn giản.

- Thiêu kết: nung ở nhiệt độ cao (14500C) để Co biến mềm, bắt đầu chảy, dính

chặt các hạt cacbit với nhau thành khối chắc.

• Phân loại và các mác

Có 3 nhóm: mhóm một, hai và ba cacbit:

- Nhóm một cacbit: WC + Co với các mác có từ 2 - 25%Co, còn lại là WC,

- Nhóm hai cacbit: chủ yếu vẫn là WC, thêm 5 - 30% TiC và 4 - 12%Co,

- Nhóm ba cacbit: chủ yếu vẫn là WC, thêm 3 - 8% TiC và 3 - 12%TaC và 8 -

12%Co.

• Tổ chức và cơ tính

- Tổ chức tế vi: gồm các hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng) đƣợc gắn dính với

nhau bằng Co (màu tối) với yêu cầu là các hạt nhỏ mịn và phân bố đều, bao giờ cũng

có rỗ xốp song phải là ít nhất (~ 2%). Không cho phép có muội than (bồ hóng) vì nó

gây ra điểm mềm.

- Cơ tính: rất cứng tới 82 - 90 HRA (70 75 HRC), chống mài mòn rất cao, cứng

nóng rất tốt, cắt đƣợc với tốc độ rất cao (hàng trăm m/phút), có nhƣợc điểm là giòn. Cơ

tính của HK cứng phụ thuộc vào:

+ Với lƣợng Co nhƣ nhau, nhóm hai cacbit cứng hơn nhóm một cacbit vì TiC

(hay TaC) hoà tan WC (tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn hơn và có hệ số ma sát với

thép nhỏ hơn so với WC. Vì vậy thƣờng dùng nhóm hai, ba cacbit để gia công gang.

+ Trong từng nhóm nếu mác nào chứa nhiều Co hơn sẽ dẻo hơn, độ cứng và

giới hạn bền uốn giảm đi đôi chút. Để kết hợp giữa độ cứng và độ dẻo nhất định hay

dùng với 6 - 8%Co (BK8, T15K6, TT10K8). Nếu cỡ hạt cacbit và Co càng nhỏ mịn thì

tuy không ảnh hƣởng đến độ cứng nhƣng cải thiện rất mạnh tính chống mài mòn, độ

bền và độ dai va đập.

• Công dụng

HK cứng đƣợc sử dụng rộng rãi làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập và chi

tiết máy.

Hiệu quả sử dụng HK cứng trong cắt gọt cao hơn hẳn thép gió (tới 10 lần nếu

tính từ hiệu quả sử dụng W) nhƣng không thể làm mất vị trí của thép gió vì có những

nhƣợc điểm sau:

- không tạo hình phức tạp đƣợc vì dùng cách ép bột chỉ tạo đƣợc các mảnh nhỏ

đơn giản và sau đó cũng không thể gia công định hình đƣợc vì quá cứng.

- tính giòn tƣơng đối cao, dễ gãy, vỡ, mẻ dƣới tải trọng va đập,

- tính dẫn nhiệt kém: ~ 50% của thép.

Khi làm dao, miếng HK cứng nhỏ đƣợc hàn (hàn đồng) hay kẹp chặt vào thân dao

bằng thép C45 có độ bền uốn và độ dẻo tốt, tránh các nhƣợc điểm của thép HK cứng.

+ Nhóm một cacbit: có tính cứng nóng tới 8000C: BK2 - BK8 dùng để cắt phôi

có phoi vụn nhƣ gang, sứ, gốm, HK màu; BK10 - BK15 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan

(địa chất) có tuổi bền hơn thép hàng chục lần; BK20 - BK25 có độ dai tốt hơn làm

khuôn dập, chi tiết máy chống mài mòn.

+ Nhóm hai cacbit: tính cứng nóng tới 900 - 10000C, chủ yếu đƣợc dùng để gia

công tinh thép, kể cả thép đặc biệt.

+ Nhóm ba cacbit: do có mặt của TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao

hơn, chủ yếu đƣợc dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn.


126

b. VL làm đĩa cắt

Dao (đĩa) cắt bằng kim cƣơng nhân tạo hay nitrit bo (BN) lập phƣơng đƣợc

dùng rộng rãi trong cắt KL, đá. Chúng là VL siêu cứng (8000 - 10000C). Có các dạng:

- Bột kim cƣơng trộn với 1 - 2% bột B, Be hoặc Si (chất dính kết) đƣợc ép nóng

dƣới áp suất cao tới 12GPa ở nhiệt độ ~ 30000C, đạt 8000 HV.

- Bột kim cƣơng hoặc bột BN rải lên bề mặt HK cứng rồi ép nóng dƣới áp suất

5 - 8 GPa ở ~ 18000C, lúc đó một phần nhỏ Co, thậm chí cả W, Ti của HK cứng tiết ra

thành chất dính kết với lớp siêu cứng, đạt 5000 -8000HV.

- Bột kim cƣơng hoặc bột BN trộn với khoảng 20 - 30% bột KL (chất dính kết),

ép nóng dƣới áp suất 3 - 6 GPa ở 1200 - 16000C, đạt 4000 - 5000HV, thích hợp với

dụng cụ cắt đá.

Kim cƣơng tuy có độ cứng rất cao (10000HV) nhƣng lại bị hạn chế nhiệt độ sử

dụng (khi cắt với tốc độ cao, cacbon khuếch tán vào sắt, thép) nên dao cắt với BN có

ƣu việt hơn. VD có thể cắt gang xám với tốc độ 1800 - 2000 m/phút.

c. VL mài

Bột mài là các hạt cứng có kích thƣớc không đều nhƣng luôn có các góc cạnh

sắc nhọn. Theo độ cứng tăng lên thƣờng dùng cát trắng (SiO2), êmêri (hỗn hợp tự

nhiên của Al2O3), Al2O3, SiC, BN lập phƣơng, kim cƣơng. Có thể dùng ở ba dạng:

- tự do, trong máy phun cát, bột mài ra, bột đánh bóng,

- gắn trên giấy, vải (gọi là giấy, vải ráp hay nhám) để làm nhẵn ggõ, Kl,

- khối (đá mài các loại): thƣờng làm bằng SiC, các hạt mài đƣợc liên kết với

nhau bằng chất dính kết gốm thuỷ tinh hay nhựa hữu cơ.

d. Thép gió bột

Loại thép gió với lƣợng C và HK cao (> 2%C, > 6%V, > 10%Co) rất khó luyện,

bị thiên tích mạnh và khó rèn. Khi chế tạo bằng phƣơng pháp luyện kim bột nhờ có bột

mịn mà thành phần trở nên đồng nhất hơn. Xuất phát từ nguyên liệu bột (Fe, C, W, Cr,

Mo, V, Co) qua ép nóng dƣới áp suất 100MPa ở 11000C trong khí bảo vệ argông (Ar),

tạo nên các bán thành phẩm thỏi lớn. Chế độ rèn và nhiệt luyện nhƣ thép gió nấu chảy

với nhiệt độ thấp hơn.


127

Chƣơng 7: CERAMIC (Vật liệu vô cơ)

7.1. Khái niệm chung

7.1.1. Bản chất và phân loại

Đƣợc tạo thành từ các hợp chất hoá học giữa:

- KL (Me) với các á kim bao gồm B, C, N, O và Si (bán KL hay bán dẫn) bao

gồm các borit, cacbit, nitrit, ôxyt, silicat KL.

- Các á kim kết hợp với nhau nhƣ các cacbit, nitrit, ôxyt của bo và silic (SiC,

BN, Si2O)

H 7.1. Các khả năng kết

hợp giữa các nguyên tố

hoá học để tạo nên

ceramic.

Do sự kết hợp đa dạng làm cho ceramic cũng đa dạng về thành phần hoá học và

tính chất. Theo các dạng hợp chất hình thành, có:

+ đơn ôxyt KL (Al2O3 trong gốm corindon),

+ đơn ôxyt bán KL (SiO2 trong thuỷ tinh thạch anh),

+ hỗn hợp nhiều ôxyt KL (sứ, thuỷ tinh silicat),

+ các đơn nguyên tố (bo, cacbo),

+ cacbit, nitrit của KL và á kim (TiC, SiC, BN, ZrN ...).

Có thể phân loại ceramic theo thành phần hoá học, theo cấu trúc, theo phƣơng

pháp công nghệ, lĩnh vực sử dụng. Thƣờng phân theo ba nhóm chính:

• gốm và VL chịu lửa,

• thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh

• ximăng và bêtông.

7.1.2. Liên kết nguyên tử (tự đọc- tự nghiên cứu)

VL vô cơ đƣợc tạo thành từ các nguyên tố KL và các nguyên tố không phải KL,

tức là từ các nguyên tử với bản chất hóa học khác nhau. Liên kết nguyên tử trong VL

vô cơ là sự kết hợp giữa liên kết ion và liên kết đồng hóa trị nên năng lƣợng liên kết

trong VL vô cơ là tƣơng đối lớn khoảng 100 – 500kJ.mol-1

(với KL 60 - 250

500kJ.mol-1

), nó quyết định tính chất đặc trƣng: nhiệt độ nóng chảy cao, mậƣt độ cao,

cứng, giòn trong suốt và cách điện cao.

C N

O

Si Me

B


128

7.1.3. Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình (tự đọc- tự nghiên cứu)

VL vô cơ có thể tồn tại ở các trạng thái cấu tạo khác nhau: trạng thái tinh thể (nhƣ

gốm SiC, các gốm đơn ôxyt), trạng thái vô định hình (nhƣ VL thủy tinh) hoặc vừa tinh

thể vừa vô định hình (nhƣ sứ, gốm thủy tinh).

7.1.4. Cơ tính (tự đọc- tự nghiên cứu)

Dễ dẫn đến phá huỷ giòn một cách nguy hiểm với năng lƣợng hấp thụ rất thấp.

a. Phá huỷ giòn

Ở nhiệt độ thƣờng, dƣới tác dụng của tải trọng kéo cả ceramic tinh thể lẫn vô

định hình thƣờng bị phá huỷ giòn mà không xảy ra bất kỳ biến dạng dẻo nào trƣớc đó

mà nguyên nhân chủ yếu là do nứt (đặc biệt nứt trên bề mặt), rỗng với số lƣợng lớn. Trƣờng hợp chịu ứng suất nén, không có tập trung ứng suất do có nứt, nên nó có

độ bền ở trạng thái nén cao hơn kéo và thƣờng dùng trong điều kiện tải trọng nén.

b. Biểu đồ ứng suất - biến dạng và môđun phá huỷ

Với ceramic tiến hành thử uốn ngang: ở mặt trên mẫu chịu nén, mặt dƣới chịu

kéo.

Môđun phá huỷ hay giới hạn bền uốn là ứng suất lớn nhất hay ứng suất khi

phá huỷ trong thử uốn, là chỉ tiêu quan trọng với ceramic giòn. Phần đàn hồi trên biểu

đồ có quan hệ bậc nhất giữa ứng suất và biến dạng. H 7.2 trình bày biểu đồ này của

hai ceramic điển hình là ôxyt nhôm (alumin) và thuỷ tinh.

c. Cơ chế biến dạng dẻo

Mặc dù ở nhiệt độ thƣờng ceramic bị phá huỷ trƣớc khi biến dạng, song ở một

số điều kiện nào đó cũng có thể bị biến dạng dẻo, tuy nhiên có sự khác nhau giữa

ceramic tinh thể và ceramic vô định hình.

Ceramic tinh thể

Giống nhƣ KL là VL tinh thể, biến dạng dẻo cũng xảy ra bằng sự dịch chuyển

của lệch. Nguyên nhân làm độ cứng, tính giòn của VL này cao là do khó trƣợt hay lệch

khó chuyển động vì quá ít hệ trƣợt và do liên kết ion

Ceramic vô định hình

H 7. 2. Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi thử uốn

ngang cho ôxyt nhôm và thuỷ tinh.


129

Biến dạng dẻo cũng không xảy ra do không có sắp xếp nguyên tử trật tự, VL bị

biến dạng bằng chảy nhớt giống nhƣ sự biến dạng của chất lỏng: tốc độ biến dạng tỷ lệ

thuận với ứng suất đặt vào. Dƣới tác dụng của ứng suất tiếp, các nguyên tử và ion

đƣợc trƣợt dịch đi với nhau bằng cách phá vỡ và hình thành lại lên kết giữa các

nguyên tử không theo cách mô tả theo mô hình mặt, phƣơng trƣợt với cơ chế lệch. Sự

chảy nhớt đƣợc mô tả ở H 7. 3.

7.2. Gốm và vật liệu chịu lửa


Gốm là VL nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài ngƣời. Khái niệm gốm ban

đầu dùng để chỉ VL chế tạo từ đất sét, cao lanh (gốm đất nung). Sau này nó đƣợc mở

rộng và bao gồm thêm đồ sứ, các VL trên cơ sở ôxyt (VD gốm Al2O3) và các chất vô

cơ không phải là ôxyt (VD SiC). Khái niệm gốm liên quan đến hai nội dung: PP công

nghệ và đặc điểm tổ chức.

- PP công nghệ gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột (nhƣ HK bột): khi

tạo hình nguyên liệu có liên kết tạm thời, sau đƣợc nung đến nhiệt độ cao để liên kết

khối.

- Tổ chức điển hình là đa pha. Vì nó có hai pha chính là pha tinh thể và pha vô

định hình, trong đó pha vô định hình phân bố xen giữa các vùng pha tinh thể và gắn

kết chúng lại với nhau. Ngoài hai pha chính trong gốm luôn có lỗ xốp (trong gạch: 10 -

15%, gốm nhẹ: > 40%, sứ: < 5%) mà tỷ lệ, hình dáng, kích thƣớc và sự phân bố có ảnh

hƣởng rõ rệt đến các tính chất nhƣ độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, khả năng hút nƣớc.

7.2.2. Gốm silicát

Chế tạo từ các VL silicat thiên nhiên độ sạch thấp, chủ yếu từ đất sét và cao

lanh để tạo nên các sản phẩm gốm xây dựng (gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh ...), gốm

gia dụng (ấm chén, bát đĩa) và gốm công nghiệp (cách điện, bền hoá, nhiệt).

Đất sét là silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 và nƣớc ngậm. Tính chất của nó

biến đổi rộng phụ thuộc lƣợng tạp chất mà chủ yếu là các ôxyt (Fe, Ba, Ca, Na, K ...)

và một ít chất hữu cơ. Cấu trúc tinh thể phức tạp, có đặc trƣng quan trọng là cấu trúc

tầng nên khi có nƣớc các phân tử nƣớc điền kín các tầng này và tạo ra lớp màng mỏng

bao quanh các hạt đất sét làm cho các hạt này dễ dịch chuyển với nhau, tạo ra độ dẻo

cao cho hỗn hợp đất sét - nƣớc.

H 7. 3. Mô hình chảy nhớt của chất lỏng và thuỷ

tinh lỏng dƣới tác dụng của ứng suất đặt vào


130

Cao lanh là khoáng phổ biến nhất của đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay

Al2O3.2SiO2.2H2O. Ngoài ra cao lanh còn dung các nguyên liệu phụ nhƣ thạch anh

SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 làm chất trợ dung. VD một sứ điển hình chứa

50% đất sét (cao lanh), 25% thạch anh, 25% tràng thạch.

Quy trình sản xuất gốm silicat:

- Gia công, tuyển chọn nguyên liệu: quặng thô đƣợc nghiền mịn, sàng để có

đƣợc độ hạt yêu cầu. Do nguyên liệu thô có chứa nhiều FeO, FeO2 nên khi cần thiết

(khi cần màu trắng) phải qua tuyển từ khử ôxyt triệt để ( < 1%).

- Cân, trộn phế liệu.

- Nhào luyện phối liệu (cho thêm nƣớc với lƣợng khác nhau tạo độ dẻo).

- Tạo hình sản phấm.

- Sấy. Ban đầu các hạt đất sét đƣợc bọc bởi nƣớc, khi sấy khô hơi nƣớc bay đi

làm khoảng trống giữa các hạt giảm đi gây ra co và rỗng.

- Nung đến 900 - 14000C hay cao hơn tuỳ thuộc thành phần, cơ tính yêu cầu.

VD gốm xây dựng: gạch ở 9000C, sứ : 1400

0C, gốm cao alumin: 1600

0C). Trong quá

trình nung mật độ của gốm tăng lên (do giảm lỗ xốp) và cơ tính đƣợc cải thiện.

Gốm có loại tráng men và không tráng men. Lớp men này có thể đƣợc nung

chảy cùng một lần với sản phẩm hoặc nung lần thứ hai.

Theo đặc điểm kết cấu của xƣơng gốm: Gốm thô có cấu trúc xƣơng tạo bởi các

hạt VL rắn có kích thƣớc và không đồng đều (VD gạch ngói, gạch chịu lửa). Gốm tinh

đƣợc tạo bởi các hạt mịn và đồng đều (VD sứ, gốm, coridon Al2O3).

7.2.3. Gốm ôxyt

Có thành phần hoá học là một đơn ôxyt (Al2O3 hoặc TiO2) hoặc một ôxyt phức

xác định (VD MgO.Ai2O3, BaO.TiO2), nhƣ vậy không có SiO2. Gốm ôxyt có độ tinh

khiết hoá học cao (tỷ lệ tạp chất rất thấp), có tỷ lệ pha tinh thể cao hơn hẳn pha vô định

hình, thƣờng để làm VL kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao, có các tính

chất điện và từ đặc biệt.

a. Gốm ôxyt trên cơ sở các ôxyt có nhiệt độ nóng chảy cao.

Tiêu biểu là Al2O3 (20500C), MgO (2850

0C), ZrO2 (2500 ữ 2600

0C),

MgO.Al2O3 (21350C) bằng công nghệ gốm tinh (độ tinh khiết > 98%), thiêu kết ở nhiệt

độ cao với tổ chức tinh mịn và hầu nhƣ chỉ là một pha.

- Gốm corindon (Al2O3 ở dạng thù hình ỏ) sử dụng ở khoảng 19000C, dùng làm

chén, nồi nấu KL, với độ cứng 2000 HB dùng làm VL cắt, hạt mài, ...

- Gốm pericla (MgO) với nhiệt độ sử dụng cao 24000C và có tính kiềm, dùng

làm nồi nấu chảy KL bền với muối clorit và fluorit nóng chảy.

- Gốm ziêcona (ZrO2) với nhiệt độ sử dụng cao 23000C, giãn nở nhiệt ít và gốm

spinel (MgO.Al2O3) đƣợc dùng vào các mục đích đặc biệt ở nhiệt độ cao

b. Gốm trên cơ sở TiO2

Có các tính chất đặc biệt (điện môi, sắt từ, áp điện) đƣợc sử dụng rộng rãi trong

kỹ thuật điện và điện tử. Có thể chỉ là đơn ôxyt nhƣ gốm rutil (TiO2) hay có pha thêm

các ôxyt khác để điều chỉnh các tính chất điện từ.

c. Gốm trên cơ sở Fe2O3 và ôxyt KL nặng

Loại này dùng để tạo ra các VL bán dẫn và VL từ. Có công thức chung

MeO.Fe2O3 (Me có thể là Mn, Ni, Mg, Co, Cu, Cd, Ti ...) - gọi là ferit từ hay đơn giản

là ferit, thuộc loại VL từ mềm, dùng nhiều trong kỹ thuật điện tần số cao. do có điện

trở rất lớn (103 - 10

12 Ù.cm) nên dòng fucô sinh ra rất nhỏ, tổn thất điện cũng rất nhỏ.


131

d. Gạch chịu lửa

Dùng để xây lắp các lò (luyện kim, thuỷ tinh, hơi, nung KL, nhiệt luyện ...) và

thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao. Theo quy ƣớc chung VL chịu lửa có độ

chịu lửa lớn hơn 12500C, nó có nhiều dạng nhƣng gạch là loại quan trọng và phổ biến

hơn, đƣợc sản xuất theo công nghệ gốm thô. Có các loại gạch chịu lửa điển hình sau.

- Đinat (silicat) với thành phần > 93% SiO2 đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp

thiêu kết bột. Nó có tính axit với nhiệt độ làm việc cao (> 15500C) dùng để xây lò

coke, vòm lò thuỷ tinh, một số lò luyện kim, ...

- Samôt là gốm thô Al2O3 - SiO2 với nguyên liệu chính là đất sét, cao lanh.

Theo thành phần hoá học có samôt thƣờng (30 - 40%Al2O3) - trung tính và samôt bán

axit (chỉ chứa 20 - 30%Al2O3). Với độ chịu lửa tƣơng đối tốt (~ 14000C) tuỳ từng loại

chúng đƣợc dùng trong lò nung clinke, khí hoá, hơi và một số lò luyện kim.

- Cao alumin cũng thuộc hệ Al2O3 - SiO2 nhƣ samôt nhƣng hàm lƣợng Al2O3

cao hơn (45 ữ 95%) nên độ chịu lửa cao hơn (≥ 16000C), đƣợc sử dụng khi có yêu cầu

cao về độ chịu lửa mà samôt không đáp ứng nổi.

- Gạch kiềm tính là hệ gạch chịu lửa có MgO với thành phần khác nhau: pericla

hay manhêzit (MgO), pericla - crômit hay crôm - manhêzit (Cr2O3 - MgO), đôlômit

(MgO - CaO) ..., chúng rất bền với xỉ kiềm là yêu cầu quan trọng với luyện thép và

một số KL để có thể tạo ra xỉ kiềm (CaO), khử tạp chất có hại và cũng đƣợc dùng

trong một số lò khác.

e. VL chịu lửa khác

Đó là loại không sản xuất theo phƣơng pháp gốm mà dùng cách nấu chảy hay

vẫn dùng cách thiêu kết bột nhƣ gốm nhƣng nguyên liệu không phải là ôxyt.

Sản xuất theo nấu chảy ôxyt đƣợc gốm thô, độ xít chặt cao với tỷ lệ pha vô định

thấp, có rỗ khí lớn và phân bố không đều gồm corindon (92 - 98% Al2O3), corindon

mulit (80% Al2O3, 20% SiO2) ...

Với grafit và cacbit silic (SiC) có nhiệt độ nóng chảy cao 23000C - 2500

0C cũng

có thể tạo ra VL chịu lửa (bằng phƣơng pháp thiêu kết bột) có những ứng dụng nhất

định.

7.3. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh


- Cấu trúc hoàn toàn là vô định hình, là một pha đồng nhất (gốm phần lớn là

tinh thể).

- Sản xuất theo công nghệ nấu chảy và tạo hình tiếp theo bằng kéo (tấm, ống,

sợi), cán, ép, dập, thổi.

- Đƣợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống. Nguyên liệu để sản xuất

thuỷ tinh cũng phỏ biến và rẻ tiền nhƣ gốm, nó dùng cát trắng (SiO2), sôđa (Na2CO3),

đá vôi (CaCO3), tràng thạch [(K.Na)AlSi2O3], đôlômit (CaCo3.MgCO3), ...

Theo thành phần hoá học và công dụng có thể có loại thông dụng và các loại

khác.


132

7.3.2. Thuỷ tinh thông dụng

Là loại thƣờng gặp dƣới tên kính với các thành phần: SiO2 (65 - 75%), CaO (8

- 15%), Na2O (12 - 18%), ... (do vậy có tên là silicat - SiO2 - kiềm - Na, kiềm thổ - Ca) với nguyên

liệu cát trắng (cung cấp SiO2), đá vôi (CaO), đôlômit (CaO và MgO), sôđa (Na2O).

Sô đa cho vào để làm giảm nhiệt độ nấu chảy của hỗn hợp, để điều chỉnh tính

chất có thêm một ít K2O, Al2O3, BaO, B2O3. Để tạo độ trong suốt cao phải khử rất triệt

để ôxyt sắt trong nguyên liệu (< 0,1% Fe2O3 với thuỷ tinh không màu, <0,01% với loại

quang học), trộn đều hỗn hợp và nấu chảy hoàn toàn. Khi nung nóng hay làm nguội

thuỷ tinh không có thay đổi thể tích rõ rệt vì ở mọi trạng thái nó đều là vô định hình.

• Các phương pháp tạo hình thuỷ tinh ở nhiệt độ tạo hình như sau:

- Ép là phƣơng pháp tạo hình gần nhƣ dập nóng trong khuôn, dùng để chế tạo

các sản phẩm có thành tƣơng đối dày.

- Thổi để tạo hình các sản phẩm rỗng, thành mỏng nhƣ bóng đèn, phích nƣớc,

chai, lọ, đồ mỹ nghệ, ... có thể thực hiện thủ công hay cơ khí hoá - tự động hoá.

- Kéo dùng để sản xuất các vật dài nhƣ tấm mỏng, thanh, ống và sợi, chúng có

tiết diện ngang không đổi. VD khi chế tạo kính tấm, thuỷ tinh nóng chảy đƣợc kéo

dâng lên vào khe giữa hai trục đặt ngay trên mặt thoáng mặt thoáng bể nấu nhƣ thể cán

nóng.

Sau khi tạo hình thuỷ tinh, cần làm nguội chậm hay nung nóng lại đến nhiệt độ

ủ để làm mất ứng suất bên trong (do làm nguội và co không đều giữa các phần của sản

phẩm), giảm mạnh độ bền xung nhiệt (độ bền xung nhiệt cao dễ gây gãy, vỡ).

7.3.3. Các thuỷ tinh khác

- Thuỷ tinh borosilicat (SiO2 - B2O5 - Na2O), aluminosilicat (SiO2 - Al2O3 -

Na2O) và aluminoborosilicat (kết hợp cả hai loại trên): có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, bền

nhiệt tốt, bền hoá cao, đƣợc dùng làm dụng cụ thí nghiệm.

- Thuỷ tinh chì silicat (SiO2 - PbO - Na2O): có khúc xạ cao, làm thuỷ tinh

quang học và pha lê.

- Thuỷ tinh thạch anh trong suốt (đơn ôxyt SiO2): là VL kỹ thuật có nhiều tính

năng quí nhƣ hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ, bên hoá và bền xung nhiệt cao dùng để chế

tạo dụng cụ, thiết bị chịu nhiệt cao và bền hoá. Loại thạch anh có độ tinh khiết cao, có

chứa thêm B2O3 đƣợc dùng làm cáp (sợi) quang.

- Thuỷ tinh không phải silicat (không có hay có ít SiO2) gồm các ôxyt P2O5,

B2O3, GeO2, ... hay không phải ôxyt nhƣ halogenit (BF2, AlF2) cũng đƣợc nghiên cứu

và sử dụng.

7.3.4. Gốm thuỷ tinh

Có thành phần hoá học cũng gần nhƣ thuỷ tinh (VD SiO2 - Al2O3 - Na2O), có

cấu trúc và cách chế tạo hơi khác:

- Có cấu trúc giống gốm tinh, kết hợp giữa tinh thể và vô định hình.

- Cách chế tạo khác hẳn gốm tinh: đầu tiên theo công nghệ thuỷ tinh (nấu chảy,

tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau đó đƣợc sử lý nhiệt theo chế độ xác định để thực

hiện quá trình tạo mầm và kết tinh, tạo nên các vi tinh thể (< 1ỡm) với tổng thể tích 60

- 95%, chúng phân bố đều trên pha vô định hình (pha này đóng vai trò chất liên kết).

Để tạo mầm phải chọn thuỷ tinh gốc phù hợp và cho thêm các chất xúc tác nhƣ Pt,

TiO2, ZrO2, SnO2, sunfit, fluorit, ...


133

Chƣơng 8: VẬT LIỆU POLYME

8.1. Khái niệm chung

Polyme là một hợp chất gồm các phân tử đƣợc hình thành do sự lặp lại nhiều

lần của một loại hay nhiều loại nguyên tử hoặc một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo

mônôme) liên kết với nhau với số lƣợng khá lớn để tạo nên một loạt các tính chất mà

chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo.

Phân loại:

- Theo nguồn gốc: polyme thiên nhiên, polyme tổng hợp.

- Theo cấu trúc: polyme mạch thẳng, nhánh, mạng lƣới và polyme không gian.

- Theo nhiệt tinh: polyme nhiệt đặc, nhiệt rắn.

- Theo ứng dụng: chất dẻo, sợi cao su, sơn, keo dán.

Nguyên liệu ban đầu để chế tạo polyme là thực vật, than đá, dầu mỏ. Từ đó tạo

ra các hợp chất ban đầu (mônômen). Quá trình chuyển mônômen thành polyme thực

hiện bằng phƣơng pháp trung hợp (xảy ra ở các nối đôi) và phản ứng trung ngƣng (ở

các nhóm chức).

8.2. Cấu trúc phân tử (tự đọc- tự nghiên cứu)

8.2.1. Phân tử hyđrôcacbon

Phần lớn polyme có nguồn gốc hữu cơ nên đƣợc hình thành từ các phân tử

hyđrôcacbon, liên kết giữa các nguyên tử là liên kết đồng hoá trị. Mỗi nguyên tử

cacbon có bốn điện tử tham gia vào liên kết, trong đó mỗi nguyên tử hyđrô chỉ có một

điện tử liên kết. Liên kết đơn tồn tại khi mỗi một trong hai nguyên tử liên kết (là C và

H) đều góp chung một điện tử; còn kiên kết giữa hai nguyên tử cacbon là nhờ mỗi

nguyên tử trong chúng góp chung hai điện tử, tức có liên kết đôi. VD phân tử êtylen

C2H4 đƣợc trình bày dƣới dạng:

H H

│ │

C = C , trong đó: — là liên kết đơn

│ │ = là liên kết đôi (hay hai liên kết đơn)

H H

Có trƣờng hợp tồn tại liên kết ba ≡ nhƣ axêtylen C2H2: H — C ≡ C — C

Hyđrôcacbon đơn giản nhất thuộc họ parafin CnH2n + 2 gồm mêtan (CH4), êtan

(C2H6), prôpan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), hexa (C6H14).

Liên kết trong nội bộ là liên kết đồng hoá trị mạnh, nhƣng giữa các phân tử là

liên kết yếu Van der Waals, nên các hyđrôcacbon thƣờng có nhiệt độ nóng chảy và

nhiệt độ sôi thấp (tuy nhiên các nhiệt độ này tăng lên theo sự tăng lên của khối lƣợng

phân tử).

Từ các phân tử hữu cơ (hyđrôcacbon) ta có thể tổng hợp thành phân tử polyme.

8.2.2. Phân tử polyme

a. Bản chất hoá học và me


134

Phân tử polyme rất lớn so với phân tử hiđrôcacbon. Đa số chúng có dạng mạch

dài và mềm dẻo mà cốt lõi của nó là một chuỗi các nguyên tử cacbon:

│ │ │ │ │ │

— C — C — C — C — C — C — ,

│ │ │ │ │ │

trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với hai nguyên tử cacbon khác về hai phía.

Phân tử polyme đƣợc ký hiệu bằng đƣờng thẳng — và đƣợc gọi là mạch hay

mặt chính.

Mỗi phân tử cực lớn polyme như gồm bởi các đơn vị cấu trúc như những mắt

xích lặp đi lặp lại và nối với nhau được gọi là me ( mer từ tiếng Hy Lạp ―meros‖ có

nghĩa là hợp phần). Me đơn giản nhất đƣợc gọi là monome (tức phân tử chỉ gồm một

me), còn polyme có nghĩa là nhiều me.

b. Cấu trúc phân tử của PE (polyêtylen)

Từ các phân tử êtylen C2H4 (ở dạng hơi) dƣới tác dụng của xúc tác, nhiệt độ, áp

suất thích hợp, liên kết đôi bị gãy, mở về hai phía và sự hợp nhất lại của chúng sẽ tạo

nên mạch và phân tử polyêtylen (PE) nhƣ H 8. 1.

H H H H H H H H

│ │ │ │ │ │ │ │

(C = C)n (— C — C —)n — C — C — C — C —

...

│ │ │ │ │ │ │ │

H H H H H H H H

a) b) c)

H 8.1. Quá trình hình thành phân tử polyêtylen: a. phân tử êtylen, b. nối đôi gãy và mở về hai phía, c. mắt xích (me) hợp nhất thành polyêtylen.

c. Cấu trúc phân tử của các polyme thƣờng gặp

H 8.2. trình bày các me của năm polyme thƣờng gặp khác ngoài polyêtylen.

H H H H H H H H

│ │ │ │ │ │ │ │

— C — C— — C — C — — C — C — —C — C —

│ │ │ │ │ │ │ │

H Cl H CH3 H H C — O

— CH3

││

O

a. PVC b. PP c. PS d. PMMA

F F

│ │

— C — C —

│ │

F F H 8.2. Cấu trúc phân tử (me) của các

polyme có dáng dấp nhƣ PE.

e. PTFE


135

Nếu cứ một nguyên tử hyđrô của me trong PE - polyêtylen đƣợc thay thế bởi

nguyên tử Cl, gốc mêtyl CH3, gốc benzyl (mạch vòng) sẽ lần lƣợt đƣợc PVC -

polyvinyl clorit (H. a), PP - polyprôpylen (H. b), PS - polystyren (H. c).

Nếu cứ hai trong bốn nguyên tử hyđrô trong PE đƣợc thay thế bởi gốc metyl

CH3 và gốc C2H3O sẽ đƣợc PMMA - polymetyl metacrylat còn goi là thuỷ tinh hữu cơ

hay plexiglass (H.d). Khi cả bốn nguyên tử hyđrô trong PE đƣợc thay thế bằng bốn

nguyên tử fluor sẽ đƣợc PTFE - polyêtra fluoroetylen (H. e).

Ngoài ra còn có các me của bốn polyme khác là bakêlit (phênol formaldehyte),

nylon 6,6, PET (polyêtylen terephthalate, apolyester) và polycacbonat.

d. Khối lƣợng phân tử

Các phân tử polyme có khối lƣợng (chiều dài) rất khác nhau: một số phân tử

tƣơng đối nhỏ (mạch ngắn), một số lớn (mạch dài), còn đa số là trung bình. Độ dài của

mạch có ảnh hƣởng lớn đến các nhiệt độ chảy và biến mềm, các nhiệt độ này tăng lên

theo sự tăng của khối lƣợng phân tử cũng tức là chiều dài của mạch. Ngƣời ta cố gắng

tạo nên polyme với khối lƣợng phân tử lớn và đồng đều.

8.2.3. Cấu trúc mạch của polyme

Về cấu trúc mạch đƣợc chia ra làm bốn nhóm.

H 8.3. Cấu trúc của polyme: a. mạch thẳng, b. mạch nhánh,

c. mạch lƣới, d. mạch không gian (các nút tròn là các me).

Polyme thẳng (linear polymer): gồm các me liên kết với nhau thành một mạch

duy nhất dài và mềm dẻo, có thể hình dung nhƣ những sợi dài (H. a). Liên kết giữa các

mạch thẳng là loại Van der Waals đóng vai trò quan trọng. Các polyme thông dụng

thuộc nhóm này là PE, PVC, PS, PMMA, chúng thƣờng là nguyên liệu chính để chế

tạo polyme.

Polyme nhánh (branched polymer): là loại có những mạch ngắn hơn (gọi là

mạch nhánh) nối vào mạch chính (H. b). Các mạch ngắn đƣợc xem nhƣ là một phần

của phân tử, hình thành từ phản ứng phụ trong quá trình tổng hợp polyme. Vì vƣớng

các mạch nhánh nên các mạch chính không thể nằm sát bên nhau, do vậy khối lƣợng

riêng nhỏ hơn.

Polyme lưới (crosslinked polymer): Các mạch chính cạnh nhau nối với nhau

bằng liên kết đồng hoá trị ở một số vị trí trên mạch nhờ đƣa thêm nguyên tử hoặc phân

tử vào, nên mạch có dạng lƣới (H. c), điển hình là cao su.


136

Polyme mạch không gian (network polymer): Do các me có ba nhóm hoạt

động tạo nên polyme không gian ba chiều, chúng có tính chất cơ, lý, nhiệt đặc biệt

điển hình là nhựa êpoxy và bakêlit.

8.2.4. Cấu trúc tinh thể của polyme

Các polyme thƣờng tồn tại ở cả hai trạng thái tinh thể và vô định hình.

a. Tinh thể polyme và tiểu cầu

Trong polyme tinh thể các mạch sẽ sắp xếp sao cho các nguyên tử ở trong một

trật tự nhất định, đƣợc xác định bằng các ô cơ sở. Gần đây nhất trạng thái tinh thể của

polyme đƣợc hình dung theo mô hình mạch gấp: các tinh thể polyme có hình dạng đều

đặn, là tấm mỏng với chiều dày cỡ 10nm và chiều dài cỡ 10μm, đƣợc tạo thành từ các

mạch phân tử tự gấp đi gấp lại nhiều lần với các nếp gấp nằm ở trên bề mặt (H 8.4).

Chiều dài trung bình của mạch rõ ràng lớn hơn rất nhiều chiều dày của tấm.

Một số polyme kết tinh từ trạng thái nóng chảy tạo thành các tiểu cầu

(spherulit), chúng có dạng hình cầu. Có thể coi tiểu cầu là các tấm (dày ~ 10nm) tinh

thể mạch gấp và vô định hình đan xen nhau, hƣớng từ tâm ra ngoài. Phân cách giữa

các tấm này là vùng vô định hình (H 8.5), nói cách khác là các tấm này đƣợc liên kết

với nhau bằng các mạch nối qua các vùng vô định hình. PE, PP, PVC, nylon hình

thành cấu trúc tiểu cầu khi chúng kết tinh từ trạng thái nóng chảy.

H 8.5. Tổ chức của tiểu cầu gồm từ các tiểu tinh thể gấp khúc dạng tấm.


137

b. Mức độ kết tinh

H 8. 7. Tổ chức của polyme.

Có thể xem tổ chức của polyme thực tế nhƣ ở H 8.7. Trong đó ở H a. coi

polyme gồm bởi các mạch và gồm hai vùng: tinh thể (các mạch xếp thứ tự) và vô định

hình (các mạch xếp

ngẫu nhiên). H b coi polyme gồm các tiểu cầu trong đó các tấm tinh thể có vạch sáng,

vùng tối giữa các tiểu cầu là miền vô định hình.

Mức độ kết tinh của polyme dao động rất mạnh từ không (0) đến gần nhƣ hoàn

toàn (95%), phụ thuộc vào tốc độ làm nguội khi đông rắn và hình thái cấu tạo của

mạch. Để có sắp xếp trật tự, polyme phải đƣợc làm nguội chậm để các mạch có thời

gian chuyển động và sắp xếp lại theo trật tự. Các polyme với me phức tạp (nhƣ

polyizopren) kết tinh khó khăn, các polyme với me đơn giản nhƣ PE, PTFE có thể kết

tinh ngay cả khi làm nguội nhanh.

Với mức độ nào đó, tính chất của polyme bị ảnh hƣởng của mức độ kết tinh.

Polyme tinh thể bền hơn và nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn, có khối lƣợng riêng cao hơn

so với polyme vô định hình.

8.3. Tính chất của polyme (tự đọc- tự nghiên cứu)

Cơ tính

Trên H 8.8. biểu diễn các dạng biểu đồ kéo của các VL polyme chính.

H 8.8. Biểu đồ kéo của VL polyme giòn (đƣờngA), dẻo (đƣờng B) và đàn hồi cao

(đƣờng C).

- Với polyme giòn, nó bị đứt ngay khi bị biến dạng đàn hồi (đƣờng A). Còn với

polyme dẻo, nhƣ nhiều KL: qua ba giai đoạn đàn hồi - dẻo - phá huỷ (đƣờng B). Trong

polyme có nhóm với độ đàn hồi cao nhƣ cao su, nó bị biến dạng hoàn toàn đàn hồi tức


138

loại biến dạng lớn gây ra do ứng suất thấp song hồi phục đƣợc - hoàn toàn bị mất đi

khi bỏ tải trọng (đƣờng C).

- Cơ tính của VL polyme rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, ngay cả ở

khoảng nhiệt độ thƣờng. Khi tăng nhiệt độ làm giảm mạnh E, úb, tăng mạnh ọ. Có thể

xem PMMA ở 40C là VL giòn, còn 50 - 60

0C là VL đàn hồi.

- Tốc độ biến dạng cũng ảnh hƣởng đến cơ tính, theo quy luật chung giảm tốc

độ biến dạng cũng có tác dụng tƣơng tự nhƣ tăng nhiệt độ.

Lý tính

- Khối lƣợng riêng của polyme nhỏ nên nó nhẹ và có độ bền riêng cao. Hệ số

giãn nở nhiệt lớn dễ phá vỡ liên kết trong các kết cấu polyme - KL.

- Dẫn nhiệt kém nên đƣợc dùng làm các VL cách nhiệt (VD: bọt, mút).

- Điện trở rất cao, là VL cách điện rất tốt (VD: vỏ cáp điện, cầu dao, công tắc, ổ

cắm điện). Gần đây bằng phƣơng pháp tích điện vĩnh cửu cho polyme mà xuất hiện

các polyme dẫn điện đƣợc (nylon, polypropylen) dùng làm điện châm (electret), các

micrôphôn tụ điện.

- Một sốpolyme có thể truyền ánh sáng (ở trạng thái vô định hình) dùng làm

kính không vỡ hay thấu kính.

8.4. Các loại VL polyme và ứng dụng

8.4.1. Phân loại

a. Theo nguồn gốc hình thành

- Polyme thiên nhiên là loại có nguồn gốc thực vật hay động vật nhƣ xenlulô,

cao su, prôtêin, enziym.

- Polyme tổng hợp là loại đƣợc sản xuất từ các loại mônme bằng các phản ứng

trùng hợp, trùng ngƣng nhƣ các loại polyolèin, polyvinylclorit, nhựa fenolformandehit,

polyamit ...

b. Theo cấu trúc

Theo cấu trúc phân tử phân biệt polyme mạch thẳng, polyme mạch nhánh,

polyme lƣới và polyme mạch không gian.

c. Theo tính chịu nhiệt

- Polyme nhiệt dẻo: Thƣờng là các polyme mạch thẳng. Loại VL này, dƣới tác

dụng của lực tại một nhiệt độ nhất định, các phân tử có thể trƣợt nên nhau, có nghĩa là

phân tử có đủ năng lƣợng để thắng lực tƣơng tác giữa các phân tử. Nói cách khác ở

nhiệt độ nhất định nào đó VL có thể chảy, trở thành dẻo và ở dƣới nhiệt độ này nó rắn

trở lại. Polyme nhiệt dẻo có giá trị thƣơng mại quan trọng nhất hiện nay (nguyên liệu

ban đầu để sản xuất các loại VL polyme).

- Polyme nhiệt rắn: Thƣờng là các polyme mạch không gian. Để sản xuất đƣợc

loại VL này phải đi từ polyme mạch thẳng hay có nhánh bé đƣợc nung nóng một mình

hoặc với chất đóng rắn, dƣới tác dụng của nhiệt, nhựa nguyên liệu sẽ chảy mềm để tạo

dáng và chuyển sang trạng thái mạch không gian. Polyme nhiệt rắn ở nhiệt độ cao

không thể chảy mềm và cũng không thể hoà tan trong các dung môi, nó dần dần đen

lại và cháy.

d. Theo lĩnh vực sử dụng

Đƣợc chia thành chất dẻo, sợi, elastome, sơn và keo (sẽ trình bày VL polyme

theo cách phân loại này).


139

8.4.2. Phối liệu của polyme

a. Các chất phụ gia

Chúng đƣợc cho vào với các mục đích khác nhau để hoàn thiện các tính chất

của polyme, làm chúng trở nên hữu ích hơn.

Chất độn. Để cải thiện một số tính chất cơ - lý của polyme, nhƣng có công

dụng chủ yếu làm giảm giá thành phẩm, vì chúng rất rẻ nhƣ bột gỗ (mùn cƣa), bột talc,

đất sét, bột nhẹ ... với kích thƣớc từ 10nm đến lớn hơn rất nhiều.

Chất hoá dẻo. Cải thiện độ mềm dẻo của sản phẩm polyme, khi làm tăng tính

dẻo chúng sẽ làm giảm độ cứng VL. Các chất hoá dẻo thƣờng ở dạng lỏng, có áp suất

hoá hơi thấp và có khối lƣợng phân tử không cao lắm. Các phân tử hoá dẻo chiếm vị

trí giữa các mạch polyme, làm tăng khoảng cách giữa các mạch do làm giảm lực liên

kết giữa chúng. Chất hoá dẻo thƣờng dùng cho các polyme giòn ở nhiệt độ thƣờng nhƣ

PVC, nhựa êpôxy ... Các chất hoá dẻo thông dụng nhất là các este: phtalat, adipat,

sebacat, ...

Chất ổn định. Làm giảm hay ức chế quá trình phá huỷ polyme dƣới tác dụng

của ánh sáng, đặc biệt tia tử ngoại và ôxy. Đó là các chất nhƣ amin, phenon, photphit,

muội than.

Chất tạo màu. Tạo ra màu sắc riêng biệt cho sản phẩm polyme, đƣợc dùng ở

dạng thuốc nhuộm hoặc bột màu. Thuốc nhuộm thƣờng tan và trở thành một thành

phần trong cấu trúc của polyme, còn bột màu là chất độn và do đó không hoà tan, tạo

thành pha riêng biệt. Thƣờng sử dụng các loại nhƣ: trắng - TiO2, ZnO; vàng- CdS và

crômat chì; đỏ - ôxyt sắt; xanh - aluminat côban, màu đen - muội than, ...

Chất chống cháy. Sẽ ức chế các phản ứng ôxy hoá bằng cách thu nhiệt

(alumin, ôxyt Sn) hoặc giảm trao đổi khí (phốt phát).

b. Các chất tăng cƣờng

Dùng để cải thiện tính chất cơ lý của VL, cung cấp dƣới dạng hạt, bột, sợi, vải

hoặc cụm bông. Thƣờng dùng là sợi thuỷ tinh (làm tăng độ bền cơ học), bột grafit (cải

thiện tính bôi trơn cho bạc,đệm), sợi grafit (làm tăng độ bền), mica (tăng độ cách điện,

bền hoá, bền nhiệt, chống tia tử ngoại), amian (dùng làm phanh, khớp nối) và các

polyme (nhƣ sợi polyamit thơm - Kelva làm tăng độ bền).

Như vậy thực tế VL polyme thường là hỗn hợp của nhiều chất và tính chất của

VL khác nhiều với polyme ban đầu.

8.4.3. Các loại VL polyme - ứng dụng

a. Chất dẻo

Chất dẻo hay nhựa là loại VL polyme có số lƣợng chủng loại và sản lƣợng cao

nhất, nên đôi khi dùng tên này để chỉ chung cho sản phẩm polyme. Chất dẻo là loại VL

có thể biến dạng mà không bị phá huỷ và có thể định hình với áp lực thấp nhất.

Polyme thuộc loại này có thể ở dạng tinh thể theo một tỷ lệ nào đó và có tất cả các loại

cấu trúc và hình thái cấu tạo (mạch thẳng, mạch nhánh, ...), ở dạng nhiệt dẻo và nhiệt

rắn.

Ứng dụng:

- Loại có độ dẻo cao nhƣ PE, PP, ... thƣờng dùng làm màng bao gói sản phẩm,

chai lọ mềm, đồ chơi.


140

- Loại có độ trong suốt quang học cao nhƣ PMMA, PS (lúc này phải có vô định

hình cao) thƣờng dùng làm kính, cửa máy bay, dụng cụ đo đạc, thiết kế, dụng cụ gia

đình.

- PVC đƣợc ứng dụng để làm đƣờng ống, bọc dây điện, thảm trải nhà, băng ghi

âm.

- PET loại dẻo nhất, có độ bền xé rách và mỏi rất cao, bền với độ ẩm, axit, chất

béo và dung môi nên đƣợc làm băng từ tính, vải sợi, mành cho lốp xe, chai lọ đựng

nƣớc uống.

- Các loại nhựa nhiệt rắn nhƣ êpôxy, bakêlit ... do có độ cứng và chịu nhiệt độ

cao hơn nên đƣợc dung làm nhiều các chi tiết máy, silicon có tính cách điện cao, rất

trơ với hoá chất đƣợc dùng làm chất dẻo lớp, cách điện ở nhiệt độ cao và để chỉnh

hình.

Chất dẻo đƣợc gia công bằng các phƣơng pháp giống nhƣ cho KL và gốm,

trong đó đúc là phổ biến nhất, nhƣng ở nhiệt độ cao và có áp suất nhất định. Đầu tiên

chúng đƣợc nung nóng chảy, rồi ép vào khuôn có hình dạng mong muốn.

b. Elastome

Một nhóm sản phẩm của VL polyme là loại có tính đàn hồi cao nhƣ cao su dƣới

tên khoa học là elastome. Chúng có cấu trúc mạch lưới thưa, đây là nguyên công cơ

bản trong quá trình chế tạo elastome đƣợc gọi là lƣu hoá.

Lưu hoá. Là phản ứng không thuận nghịch xảy ra chủ yếu ở nhiệt độ cao, trong

đó lƣu huỳnh cho vào trong polyme sẽ nối các mạch cạnh nhau và tạo nên mạng lƣới.

Các cầu nối lƣu huỳnh hình thành trong polyzopren theo phản ứng sau:

H C H3 H H H CH3 H H

│ │ │ │ │ │ │ │

— C — C = C — C — — C — C = C — C —

│ │ │ │ │ │

H H H H

+ 2S → S S

H H H H

│ │ │ │ │ │

— C — C = C — C — — C — C = C — C —

│ │ │ │ │ │ │ │

H C H3 H H H CH3 H H

Khi chƣa lƣu hoá cao su rất mềm và dính không thể làm các sản phẩm sử dụng

đƣợc. Sau khi lƣu hoá cao su vẫn giữ đƣợc các đặc tính đàn hồi nhƣng cơ tính đƣợc cải

thiện hơn (E và úb tăng). Giá trị E tăng tỷ lệ thuận với mật độ mạng lƣới. Để tạo cho

cao su có ọ lớn mà không đứt các liên kết đồng hoá trị, mạng lƣới phải thƣa và cách xa

nhau. Thƣờng các cao su chứa 1 ữ 5% S. Tăng S sẽ làm cho độ cứng cao su tăng lên,

làm nó trơ và khó mòn, chống ôxy hoá tốt hơn đáp ứng yêu cầu sử dụng nhƣng làm

giảm độ giãn dài.

Các loại elastome

Cao su tự nhiên polyizopren hay NR (natural rubber) vẫn đƣợc ứng dụng rộng

rãi vì nó kết hợp tốt các tính ƣu việt kể trên. Elastome tôngt hợp quan trọng nhất là cao

su styren - butadien (SBR) dùng chủ yếu làm lốp ôtô với chất tăng cƣờng muội than.

Khi dùng trong môi trƣờng xăng, dầu, mỡ phải dùng loại cao su nitril - butadien

(NBR).


141

c. Sợi

Polyme dùng làm sợi là loai:

- Có khả năng kéo thành sợi đến tỷ lệ 100 : 1 giữa chiều dài và đƣờng kính.

- Đáp ứng các yêu cầu về cơ - lý - hoá khắt khe, vì khi sử dụng sợi phải chịu

các lực cơ học nhƣ kéo căng, uốn mài mòn, xé; về lý học nhƣ cách nhiệt, điện, ổn định

hoá học với môi trƣờng.

Về cơ học sợi phải có giới hạn bền kéo lớn trong khoảng nhiệt độ rộng, mô đun

đàn hồi cao, chịu mài mòn tốt. Các tính chất này đƣợc quyết định bởi bản chất của

polyme và quá trình kéo sợi. Nhƣ vậy polyme đem dùng phải là loại có khối lƣợng

phân tử tƣơng đối cao, mức độ kết cao với cấu trúc mạch thẳng không có mạch nhánh,

cân đối và điều hoà.

Về cách kéo sợi, phổ biến là polyme đƣợc nung đến trạng thái lỏng nhớt, rồi

đƣợc bơm qua khuôn có rất nhiều lỗ bé, tạo thành các sợi đơn và hoá rắn ngay khi tiếp

xúc với không khí.

Các polyme kéo sợi: polyamit, polyeste PTE, polyacrylonitril và polyuretan.

d. Màng

Màng là VL phẳng, mỏng có chiều dày từ 0,025 ữ 0,125 mm. Nó chủ yếu dùng

làm túi, bao bì thực phẩm và các hàng hoá khác. Polyme làm màng phải đáp ứng đƣợc

các tính chất: khối lƣợng riêng nhẹ, xé rách cao, bền với nƣớc và hoá chất, độ thấm

các loại khí nhất là hơi nƣớc phải thấp. Thƣờng dùng polyetylen, polypropylen,

xenlophan, xeluloaxetat.

Đa số màng đƣợc sản xuất bằng cách đùn qua một khe hẹp của khuôn, sau đó

qua trục (cán) để giảm chiều dày và tăng độ bền.

e. Chất dẻo xốp (foarms)

Là loại chất dẻo (cả loại nhiệt dẻo và nhiệt rắn) có độ xốp rất cao. Ngƣời ta cho

vào trong mẻ liệu mọt chất nào đó khi nung nóng sẽ giải phóng ra khí. Các khí sinh ra

trong khắp khối chất lỏng nóng chảy khi làm nguội bị kẹt lại tạo ra rỗ xốp. Có thể

dùng cách khác: phun khí trơ vào VL ở trạng thái nóng chảy nhƣ polyuretan, cao su,

polystyren và PVC. Chất dẻo xốp đƣợc dùng để làm đệm ghế ngồi, nội thất gia đình và

bao gói sản phấm.

f. Tái sinh polyme

Có tới 20 - 25% chất dẻo đƣợc phế thải hàng năm.

- polyme nhiệt dẻo và elastoplast tái sinh bằng cách làm sạch tạo tấm, trộn phụ

gia hoặc polyme cùng loại.

- Phế thải của polyme nhiệt rắn và elastome không tái sinh đƣợc bằng cách cơ

học, chung chỉ dùng nhƣ chất độn.

Phế liệu sử dụng lại rất khó vì cơ lý tính rất kém . Chúng có thể là nguồn năng

lƣợng rẻ tiền khi đốt trong các lò chuyên dụng hoặc làm nguồn sản xuất các nguyên

liệu đầu nhƣ mônôme, chất thơm, các cặn là cacbon và sáp.


142

Chƣơng 9: COMPOZIT

9.1. Khái niệm về compozit

9.1.1. Đặc điểm và phân loại

Định nghĩa: Compozit là loại VL nhiều pha khác nhau về bản chất hoá học,

hầu nhƣ không tan vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp lại nhờ sự

can thiệp kỹ thuật của con ngƣời (một cách nhân tạo) theo những sơ đồ thiết kế trước,

nhằm tận dụng và phát triển những tính chất ƣu việt của từng pha trong cômpzit cần

chế tạo.

a. Đặc điểm

- Có cấu tạo nhiều pha mà chúng thƣờng rất khác nhau về bản chất, không hoà

tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha. Phần lớn compzit là loại hai pha

gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn.

- tỷ lệ hình dáng, kích thƣớc và phân bố của nền và cốt đƣợc quy định bởi một

thiết kế đã định trƣớc.

- Tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp lại để tạo nên tính chất chung

của compzit. Nhƣng đó không phải là sự cộng đơn thuần tất cả các tính chất của các

pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó những tính chất tốt

và phát huy thêm.

b. Phân loại

Thƣờng dùng cách phân loại theo các đặc trƣng của nền và cốt, tức các pha cơ bản.

Theo bản chất nền có: - Compozit nền chất dẻo (polyme),

- Compozit nền KL,

- Compozit nền ceramic,

- Compozit nền hỗn hợp nhiều pha.

Theo đặc điểm cấu trúc của cốt có:

- Compozit cốt hạt,

- Compozit cốt sợi,

- Compozit cấu trúc.

Loại cốt hạt và cốt sợi khác nhau ở kích thƣớc hình học của cốt: cốt sợi có tỷ lệ

chiều dài trên đƣờng kính khá lớn, còn cốt hạt là phần tử đẳng trục. Loại compozit cấu

trúc để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là VL đồng nhất.

9.1.2. Liên kết nền – cốt

a. Cốt

Cốt là pha không liên tục, tạo nên độ bền cao, môđun đàn hồi (độ cứng vững)

cao cho copomzit, do vậy cốt phải là loại có đặc tính đó, đồng thời phải nhẹ để tạo nên

độ bền riêng cao, thƣờng cốt làm từ KL, ceramic (cacbon, bo, gốm) và polyme.

b. Nền

Là pha liên tục đóng vai trò chủ yếu ở các mặt sau:

- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối compozit thống nhất.

- Tạo khả năng cho các phƣơng pháp gia công thành các chi tiết theo thiết kế.

- Che phủ, bảo vệ cốt tránh hƣ hỏng do tác động hoá học, cơ học và của môi trƣờng.


143

Yêu cầu chủ yếu đối với nền là phải nhẹ và có độ dẻo cao. Phụ thuộc vào tính

chất của compozit cần chế tạo, có thể chọn loại nền: KL, ceramic, polyme và hỗn hợp.

c. Liên kết nền - cốt

- Liên kết cơ học, thực hiện nhờ khớp nối thông qua độ mấp mô trên bề mặt do

lực ma sát nhƣ kiểu bêtông cốt thép có gân (đốt).

- Liên kết nhờ thấm ƣớt do năng lƣợng sức căng bề mặt vì pha nền bị nung chảy

và dính ƣớt với cốt nên có sự khuyếch tán tuy rất nhỏ, tạo nên sức căng bề mặt.

- Liên kết phản ứng, xuất hiện khi trên ranh giới pha xảy ra phản ứng tạo hợp

chất hoá học, nó nhƣ lớp keo dính chặt cốt với nền - là loại liên kết tốt nhất.

- Liên kết ôxyt, loại liên kết phản ứng đặc trƣng cho nền KL với cốt là ôxyt của

chính KL đó.

9.2. Compozit hạt

Compozit hạt chứa các phần cốt hoặc là pha cứng và bền hơn nền để tạo

compozit kết cấu (VD: các ôxyt, nitrit, borit, cacbit) hoặc là pha mềm hơn nền trong

compozit chống ma sát (VD: grafit, mica). Có một số loại thông dụng sau.

9.2.1. Compozit hạt thô

- Nền polyme: Các hạt cốt (chất độn) sẽ cải thiện độ bền, độ chống mài mòn, độ

ổn định kích thƣớc, tính chịu nhiệt của compozit. Chất độn thƣờng là bột thạch anh,

thuỷ tinh, ôxyt nhôm, đá vôi, đất sét.

- Nền KL: Các HK cứng chế tạo bằng phƣơng pháp luyện kim bột với hạt cốt là

WC, TiC, trên nền Co, dùng làm dụng cụ cắt gọt. Các giả HK hệ W - Cu, W - Ag, Mo

- Ag dùng làm tiếp điểm với điện trở tiếp xúc nhỏ, tuổi thọ cao.

- Nền gốm: Bêtông nền xi măng atphan dùng làm mặt đƣờng, cầu cống. Nền xi

măng poctan dùng trong kết cấu xây dựng. Cốt thƣờng là: cát vàng (hạt nhỏ mịn) và đá

sỏi (hạt thô). Bêtông xây dựng dễ đúc hình, đông rắn ở nhiệt độ thƣờng nhƣng kém

bền và dễ nứt. Để tăng độ bền của bêtông poctan, gia cố thêm bằng dầm thép, sợi thép

- gọi là bêtông cốt thép.

9.2.1. Compozit hạt mịn

Nền compozit hạt mịn thƣờng là KL hoặc HK, cốt là các loại ôxyt, cacbit, nitrit,

borit nhỏ mịn (< 0,1 μm) bền, cứng và ổn định ở nhiệt độ cao, có tác dụng hoá bền và

phân tán. Hiện có hai loại thông dụng sau:

- SAP (bột nhôm đã đƣợc thiêu kết) có nền nhôm, cốt hạt ôxyt Al2O3 (6 - 17%),

thƣờng đƣợc sản xuất ở dạng bán thành phẩm nhƣ ống, đay, tấm có khả năng chống ăn

mòn, có độ bền nóng cao (tới 300 - 5000C).

- T - D Nickel: gồm nền là Ni với cốt là ôxyt tôri ThO2 (2%), hoá bền cao ở

nhiệt độ cao (tới 1000 - 11000C). Đƣợc dùng trong công nghiệp hàng không, vũ trụ,

chế tạo tuabin, ống dẫn bình áp lực làm việc ở nhiệt độ cao trong môi trƣờng ăn mòn.

9.3. Compozit cốt sợi (tự đọc- tự nghiên cứu)

Compozit sợi có nền dẻo, cốt sợi cứng và bền hơn nền, chúng đều có mật độ

thấp hơn nên compozit có độ bền riêng và môđun đàn hồi riêng cao. Tính chất của

compozit sợi phụ thuộc vào bản chất VL cốt và nền, độ bền liên kết trên ranh giới pha,

sự phân bố và định hƣớngsợi cũng nhƣ kích thƣớc và hình dạng của nó ...


144

- Cốt râu đơn tinh thể: Cốt có đƣờng kính rất nhỏ (1 đến vài ỡm), chiều dài rất

lớn (gấp hàng nghìn lần đƣờng kính), đƣợc chế tạo bằng nuôi đơn tinh thể, chứa rất ít

khuyết tật nên có độ bền gần gần với lý thuyết. Các râu tinh thể thƣờng gặp là grafit,

SiC, Si3N4, Al2O3.

- Cốt sợi: Cốt có đƣờng kính khá nhỏ (vài chục ỡm), có thể là đa tinh thể hoặc

vô định hình. Nó thƣờng đƣợc chế tạo từ VL hữu cơ nhƣ polyamit; VL vô cơ nhƣ thuỷ

tinh, Al2O3, SiC hoặc Bo, cacbon bằng phƣơng pháp kéo hoặc chuốt.

- Cốt dây: Là các loại dây có đƣờng kính lớn (50 ữ 300ỡm), thƣờng đƣợc chế

tạo từ thép cacbon cao, vonfram, môlipđen, berili và titan, dùng để gia bền lốp xe,

khung tên lửa, vỏ cáp dây cao áp.

• VL làm sợi:

Nói chung các VL làm cốt rất đa dạng:

- Thuỷ tinh: có thành phần thay đổi gồm SiO2, Al2O3, BO3, CaO, MgO làm việc

ở nhiệt độ 500 - 7000C. Nó dễ chế tạo từ trạng thái mềm lỏng và có độ bền cao.

- Cacbon: thƣờng dùng dƣới dạng grafit hoàn toàn (râu đơn tinh thể) hoặc hốn

hợp tinh thể grafit và cacbon vô định hình hoặc giả tinh thể (sợi C). So với sợi thuỷ

tinh thì sơi C có khối lƣợng riêng một nửa nhƣng chịu tới nhiệt độ 2000 - 25000C.

- Polyme: sử dụng dạng sợi polyamit cũng nhẹ hơn thuỷ tinh nhƣng chịu nhiệt

độ thấp hơn 2000C.

- Bo và ceramic (Al2O3, SiC, Si3N4, BeO) có độ cứng và mô đun đàn hồi rất

cao, nhiệt độ sử dụng từ 500 - 9000C. Tuy nhiên công nghệ chế tạo còn phức tạp nên

hạn chế ứng dụng.

• VL làm nền:

VL làm nền cho compozit cốt sợi thƣờng là polyme và KL vì chúng có tính dẻo

tốt. KL thƣờng dùng là nhôm và đồng. Tuy nhiên polyme là pha nền dùng phổ biến

hơn với đủ chủng loại cả nhiệt rắn lẫn nhiệt dẻo: polyeste, nylon, epoxy, nhựa fenol,

polyamit, melamin. Hiện nay còn ít dùng ceramic trừ bêtông cốt thép là loại phổ biến

nhất hiện nay.

Sau đây là một số compozit sợi khá phổ biến với nền polyme

Compozit nền polyme: là loại compozit có nền là polyme nhiệt dẻo và nhiệt

rắn, nhẹ và dễ gia công (VD: polyeste, nylon, epoxy), còn cốt là sợi thuỷ tinh, cacbon,

bo, ceramic, polyamit.

+ Compozit sợi thuỷ tinh đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu,

contenơ, ống dẫn, tấm lợp, sàn, công nghiệp ôtô.

+ Compozit sợi cacbon, sợi bo nhẹ, chịu nhiệt và chống ăn mòn cao dùng trong

công nghiệp hàng không.

+ Compozit sợi polyamit nhẹ, độ bền riêng cao, thích hợp trong các kết cấu tàu

vũ trụ, tàu biển, dụng cụ thể thao.

Compozit nền KL: Nền KL thƣờng là Al, Mg, Ti, Ni, Cu, chúng có cơ tính tốt,

vùng nhiệt độ làm việc rộng, dẫn điện, dẫn nhiệt và hàn đƣợc. Có nhƣợc điểm là tỷ

trọng lớn, có thể phản ứng với cốt tạo thành pha giòn, tính đàn hồi không cao, tạo

hình khó nên giá thành cao.

+ Compozit nền nhôm sợi bo có khả năng cạnh tranh các compozit nền polyme

trong hàng không, vũ trụ, chế tạo động cơ. Công nghiệp động cơ tuabin đang cần các

compozit nền Co và Ni với cốt sợi W có cơ tính cao, chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt.

Compozit cốt sợi pha: Cốt sợi pha thƣờng bao gồm sợi thuỷ tinh và sợi cacbon

trong nền polyme. Loại này thƣờng rẻ và không bị phá huỷ đột ngột nhƣ cốt sợi đơn.


145

Đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ trong vận tải bộ, thuỷ, hàng không, thể thao, phẫu thuật,

chỉnh hình.

9.4. Compozit cấu trúc

Compozit cấu trúc là VL kết hợp các VL đồng nhất với VL compozit theo các

kết cấuhình học khác nhau. Thông thƣờng là compozit dạng lớp và dạng tấm nhiều

(≥3) lớp, chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong hàng không, công trình xây dựng, các

dụng cụ máy và thể thao.

9.4.1. Compozit dạng lớp (tự đọc- tự nghiên cứu)

Đƣợc hình thành từ các lớp compozit cơ sở (VD cốt sợi định hƣớng song song).

Các lớp đƣợc xếp xen kẽ nhau, đổi hƣớng và đƣợc ép dính lại. Bán thành phẩm là các

thanh, tấm, ống. VD gỗ dán: các lớp có thể là các tấm vải bông, vải sợi thuỷ tinh hoặc

cacbon đƣợc ép lại nhờ chất dính kết polyme. Độ bền theo phƣơng vuông góc với các

lớp là nhỏ so với phƣơng song song mặt của lớp.

9.4.2. Compozit cấu trúc ba lớp (panel sandwich)

Chúng gồm ba lớp có cấu trúc và chức năng khác nhau.

- Hai lớp mặt là các VL có độ bền cao (nhƣ HK nhôm, titan và thép hoặc các

tấm compozit dạng lớp khác nhƣ gỗ dán) có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng

theo các phƣơng song song với mặt tấm.

- Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến dạng theo

phƣơng vuông góc và tạo độ cứng vững tránh cong vênh.

VL chế tạo có thể là polyme xốp, cao su nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc

có cấu trúc tổ ong, trong đó vách mỏng liên kết định hƣớng các ô lục giác vuông góc

với mặt nhƣ H 9.2. (vách này thƣờng làm bằng cùng VL nhƣ hai lớp mặt). Cấu trúc

này giống nhƣ sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dăm bông), khác với loại trên ở giữa

không phải là tấm song song.

H 9.2. Sơ đồ cấu trúc tầng ong (lớp lõi) của compozit cấu trúc ba lớp.


146

vật liệu học cơ khí - 113.160.134.160113.160.134.160/sach/02200010.pdf · vật liệu...

Documents