Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang hợp kim hệ Cr-Al chịu nhiệt độ và cơ tính cao

Bộ công thơng
Tổng công ty thép việt nam
Viện Luyện kim Đen
o0o






Báo cáo TổNG KếT
Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ
Tên đề tài:
Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu
nhit v c tớnh cao
***************
Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép VN
Cơ quan chủ trì : Viện luyện kim đen
Chủ nhiệm đề tài : NGUYễN HồNG PHúC





7684
05/02/2010




Hà NộI, 12 - 2009

Bộ công thơng
Tổng công ty thép việt nam
Viện Luyện kim Đen
o0o







Báo cáo TổNG KếT
Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ
Tên đề tài:
Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu
nhit v c tớnh cao
***************
Cơ quan chủ trì
Viện luyện kim đen
Viện trởng




Đinh Văn Tâm


Hà NộI, 12 2009

BO CO TểM TT

TI NGHIấN CU KHOA HC V PHT TRIN CP B

NGUYN HNG PHC
Vin Luyn kim en
1. THễNG TIN CHUNG
Tờn ti: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu
nhit v c tớnh cao
- Cấp giao đề tài :
Bộ Công Thơng
- Chủ nhiệm đề tài :
Nguyễn Hồng Phúc
- Cơ quan chủ trì :
Viện Luyện kim Đen
- Cơ quan chủ quản :
Tổng Công ty Thép Việt Nam
- Năm thực hiện :
2009
- Kinh phí :
180 triệu đồng
- Lĩnh vực nghiên cứu :
Luyện kim

Hng nm, cỏc ngnh cụng nghip sn xut ca nc ta ó s dng rt
nhiu thit b ch to t gang bn nhiờt. tng hiu qu sn xut v gim
chi phớ cho vic nhp khu thi
t b t nc ngoi, ti Nghiờn cu cụng
ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu nhit v c tớnh cao nhm
xỏc nh c cụng ngh sn xut gang bn nhit, c tớnh cao mỏc 7X2
bng nguyờn liu, thit b sn cú trong nc v ỏp dng vo thc tin sn
xut.

2. KT QU NI BT
- ó la chn c mỏc gang 7X2 chu nhi
t v c tớnh cao lm
ghi lũ nhit luyn.
- ó a ra thnh cụng c cụng ngh sn xut gang 7X2 bao
gm : cụng ngh nu luyn, cụng ngh ỳc, cụng ngh nhit luyn bng
ngun nguyờn liu v thit b sn cú trong nc.
- ó xỏc nh c cỏc tớnh cht ca gang bao gm: tớnh cht hoỏ hc,
tớnh cht c lớ, cu trỳc pha, kh nng bn nhit ca gang.
- Kt qu s d
ng sn phm ó khng nh cht lng ca gang do
ti ch to l rt tt, tng ng vi gang nc ngoi tng ng.






1
Tính chất hoá học
Sau khi nấu luyện, thành phần hoá học của gang nghiên cứu đạt tiêu
chuẩn cho phép của mác gang nước ngoài tương ứng.

Thành phần hoá học, %
Mác gang
C Mn Si P S Cr Al
Gang nghiên cứu
2,84 0,84 1,77 0,25 0,11 2,47 6,86
Gang ЧЮ7X2 (гOCT

7769 – 82 của Nga)
2,5
-
3,0
≤ 1,0
1,5
-
3,0
≤ 0,3 ≤ 0,12
1,5
-
3,0
5,5
-
9,0

Tính chất cơ lí
Sau khi thường hoá, tính chất cơ lí của gang tương đương với tiêu chuẩn
nước ngoài tương ứng.

Vật liệu
σ
k
Mpa
σ
b
Mpa
Độ cứng
HB
Gang nghiên cứu 133 180 264

Gang ЧЮ7X2 (гOCT 7769 – 82 của Nga)
≥120 ≥170
254 - 294

Cấu trúc pha
Cấu trúc kim tương chụp được cho thấy hạt của gang nhỏ mịn, graphit có
dạng giống như gang giun đảm bảo cơ tính tốt và đồng đều.

Chế tạo sản phẩm và dùng thử
Ghi lò làm từ gang nghiên cứu đã được dùng thử tại lò nhiệt luyện của xí
nghiệp cơ khí Z179 Bộ Quốc phòng từ tháng 8/2009, đến nay thấy rằng gang
có khả năng chịu nhiệt cao, bề m
ặt sản phẩm không có hiện tượng bong vẩy
do bi ôxy hoá. Sản phẩm không bị cong vênh, nứt vỡ.

3. HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ ĐỊA CHỈ ÁP DỤNG
Gang bền nhiệt mác ЧЮ7X2 do đề tài nghiên cứu và chế tạo ra có chất
lượng tương đương với mác gang của nước ngoài tương ứng.Từ nguồn
nguyên liệu và trang thiết bị hiện có, việc chủ động sản xuất được gang bền
nhiệt s
ẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao. Với năng lực của Viện Luyện kim đen,
Viện có thể sản xuất được nhiều mặt hàng đúc từ gang bền nhiệt và sử dụng
tốt trong các ngành công nghiệp nước nhà.

2
MỞ ĐẦU
Hợp kim có tính năng đặc biệt là loại vật liệu cần thiết và quan trọng
trong các ngành công nghiệp như điện, y tế, ôtô, hàng không, quân
sự…Trong các loại hợp kim đặc biệt đó thì gang bền nhiệt đã mang đến
những ứng dụng to lớn trong hoạt động sản xuất.

Hàng năm, các ngành công nghiệp sản xuất của nước ta đã sử dụng và
thay thế rất nhiề
u thiết bị chế tạo từ gang bền nhiêt. Thiết bị, nguyên liệu
nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến tốn kém ngoại tệ, thời gian cũng như
việc không chủ động được trong gia công chế tạo. Chính vì vậy, năm
2009, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công thương giao
nhiệm vụ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang hợ
p kim
hệ Cr – Al chịu nhiệt độ và cơ tính cao”.
Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất gang bền
nhiệt và cơ tính cao mác ЧЮ7X2 (theo tiêu chuẩn
гOCT 7769 – 82 của
Nga) bằng nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nước. Chế tạo, dùng thử sản
phẩm làm từ gang nghiên cứu của đề tài là ghi lò nhiệt luyện, đánh giá
kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất.
Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, hợp tác, tạo điều kiện
thuận lợi của Vụ Khoa học công nghệ
- Bộ Công thương, các đơn vị
trong và ngoài Bộ trong quá trình thực hiện đề tài.








1
1. TỔNG QUAN
Kim loại bền nhiệt là loại vật liệu có khả năng làm việc lâu dài trong

điều kiện: nhiệt độ cao, tải trọng lớn . Để các chi tiết chế tạo từ kim loại đảm
bảo được tuổi thọ cao trong các môi trường làm việc trên, vật liệu chế tạo ra
chúng phải có những yêu cầu sau: Có tính ổn định nóng (tính bền hoá ở
nhiệt độ cao) và có tính bền nóng (giữ được độ b
ền cơ học ở nhiệt độ cao)
1.1. Tính ổn định nóng
Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp
kim chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng,
sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa các khí có hại như: CO
2
, SO
2
, H
2
S…).
Trong các dạng phá huỷ này thì dạng phá huỷ nguy hiểm và thường gặp nhất
là sự ôxy hoá ở nhiệt độ cao, tức là sự tạo thành các vảy ôxýt kim loại. Đối
với trường hợp cụ thể là thép và gang, lớp vảy ôxýt đó là Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
, FeO,
trong đó chủ yếu là FeO có cấu tạo mạng không sít chặt, quá trình ôxy hoá ở
nhiệt độ cao phát triển thuận lợi làm cho thép và gang bị phá huỷ rất nhanh.
Cơ chế, nhiệt động học và động học của quá trình ôxy hoá ở nhiệt độ cao,
các biện pháp ức chế quá trình này là một vấn đề phức tạp đã được nghiên

cứu tỉ mỉ.
1.1.1. Cơ chế của quá trình ôxy hoá
Quá trình ôxy hoá kim loại trong khí quyển gồm hai giai đ
oạn như sau
(hình 1).
Ở bề mặt phân chia kim loại/ôxýt có phản ứng:
Me Me
n+
+ ne
Ở bề mặt ôxýt/ôxy có phản ứng :
1/2O
2
O
hp
+2e O
2-



2
Phản ứng tổng thể là:
Me
n+
+ mn/2 .O
2
Me
n
O
mn/2

Hình 1: Sơ đồ ôxy hoá kim loại

Trong các phương trình trên m, n là chỉ số và hoá trị của kim loại , O
hp
là ôxy bị hấp phụ trên bề mặt kim loại.
Trong quá trình ôxy hoá, một lớp màng ôxýt rắn (sản phẩm của quá
trình ôxy hoá) được tạo thành trên bề mặt kim loại. Quá trình ôxy hoá muốn
tiếp tục thì O
hp
phải khuyếch tán từ khí quyển ngoài qua lớp màng ôxýt vào
nền kim loại, hoặc các ion kim loại khuyếch tán từ nền kim loại qua lớp ôxýt
để ra ngoài bề mặt gặp ôxy của khí quyển đã được hấp phụ lên bề mặt. Thực
nghiệm cũng như tính toán lí thuyết cho thấy rằng trong lớp màng ôxýt thì
các ion kim loại dễ khuyếch tán hơn các ion O
2-
(hoặc S
2-
, Cl
-
…). Đối với sắt
hoặc thép không hợp kim thì lớp màng ôxýt bao gồm các lớp Fe
2
O
3,
Fe
3
O
3
và

FeO. Đối với thép hợp kim Cr – Ni thì đó là FeCrO
3
, FeCrNiO
4
, Cr
2
O
3,
FeNiO
3,
FeCr
2
O
4.
Đối với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình
ôxy hoá diễn ra rất phức tạp.
1.1.2 Nhiệt động học của quá trình ôxy hoá
Lực thúc đẩy phản ứng kim loại – ôxy là sự thay đổi năng lượng tự do
do việc tạo ra ôxýt. Về mặt nhiệt động học, các ôxýt chỉ được tạo thành khi

3
áp suất của ôxy trong môi trường xung quanh lớn hơn áp suất phân huỷ
(disociation) của ôxýt trong sự cân bằng với kim loại. Sự thay đổi năng
lượng tự do tiêu chuẩn của quá trình tạo thành ôxýt được biểu thị như sau:
∆G
0
= R.T.lnP
O2
Ở đây
∆G

0
: là sự thay đổi năng lượng tự do
R: hằng số Bolzman
T : Nhiệt độ Kenvin
P
O2
: áp suất riêng của ôxy trong môi trường.
Sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của sự tạo thành các ôxýt kim
loại phụ thuộc vào nhiệt độ được thể hiện ở hình 2. Từ hình 2 ta thấy độ ổn
định của các ôxýt kim loại thường gặp trong các loại thép hợp kim được xếp
theo thứ tự giảm dần như sau: Al
2
O
3
, TiO
2
, SiO
2
, V
2
O
3
, MnO, Cr
2
O
3,
MoO
2
,
WO

2
, FeO, Fe
3
O
4
, Fe
2
O
3.














4


Hình 2: Năng lượng tự do của sự tạo thành các ôxýt kim loại.
1.1.3 Động học tạo màng ôxýt
Tốc độ của quá trình ôxy hoá kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
nhiệt độ, áp suất riêng phần của ôxy trong môi trường, chất lượng bề mặt và

quá trình gia công trước đó của kim loại…Việc biểu hiện tốc độ của từng
quá trình ôxy hoá bằng các phương trình toán học chính xác là việc rất khó

5
khăn. Vì vậy người ta thường đơn giản hoá quá trình ôxy hoá hoặc chỉ chú ý
tới cơ chế mà chúng chiếm vai trò chủ yếu trong quá trình ôxy hoá. Phương
trình biểu thị tốc độ ôxy hoá phổ biến nhất là phương trình logarit, parabol
và tuyến tính.
Phương trình logarit
Đối với quá trình ôxy hoá nhiều kim loại ở nhiệt độ thấp (thông thường
ở nhiệt độ thấp hơn 300 – 400
o
C) thì phản ứng xảy ra ban đầu tương đối
nhanh, sau đó tốc độ giảm dần đến không đổi. Động học của quá trình ôxy
hoá như vậy có thể miêu tả bằng phương trình logarit:
X = k
t
. log(t+t
0
) + k
2
Trong đó:
X: lượng ôxy thấm qua một đơn vị bề mặt kim loại bị ôxy hoá hay
lượng kim loại bị ôxy hoá
t : thời gian; k: hằng số
Đồ thị của phương trình trên được biểu diễn trong hình 3:

Hình 3: Quá trình ôxy hoá logarit

t
X

Phương trình logarit thường đúng với các kim loại Al, Fe, Cu với lớp
ôxýt rất mỏng (khoảng 1000 A
0
).
Phương trình parabol
Ở nhiệt độ cao, nhiều kim loại bị ôxy hoá và tốc độ được biểu thị bằng
phương trình parabol:

6
X
2
= k
3
.t + k
4
Trong đó: k
3
, k
4
là các hằng số không phụ thuộc vào thời gian
Đồ thị của quan hệ parabol được biểu diễn ở hình 4:

X

t

Hình 4 : Ôxy hoá parabol và tuyến tính
Quy luật parabol của quá trình ôxy hoá biểu thị rằng tốc độ ôxy hoá bị
giới hạn bởi tốc độ khuyếch tán của các ion O
2-
hay các ion kim loại Me
n+

qua lớp màng ôxýt xít chặt. Các kim loại Fe, Cu, Co bị ôxy hoá theo qui luật
này.
Phương trình tuyến tính
Sự ôxy hoá theo qui luật tuyến tính được biểu thị giữa sự tăng trọng
lượng lớp màng trên đơn vị diện tích và thời gian bằng phương trình tuyến
tính :
X = k
5
. t
Với k
5
là hằng số tuyến tính. Trong điều kiện này, ôxy liên tục thâm
nhập để ôxy hoá bề mặt kim loại vì lớp màng tạo ra của quá trình này tương
đối xốp, không ngăn cản được sự khuếch tán của ôxy từ môi trường vào
trong. Vì vậy, khác với quá trình ôxy hoá parabol hay logarit, trong quá trình
ôxy hoá tuyến tính thì tốc độ ôxy hoá là không đổi trong suốt quá trình,

không phụ thuộc vào lượng khí hay kim loại đã tham gia phản ứng.

7
Tổng hợp các phương trình tốc độ ôxy hoá
Trong thực tế, tốc độ của quá trình ôxy hoá không tuân theo chính xác
các phương trình nêu trên, tức là quá trình ôxy hoá có thể xảy ra theo nhiều
cơ chế, lúc đầu là cơ chế này là chủ yếu, lúc sau lại theo cơ chế kia là chủ
yếu. Như vậy, cơ chế xác định tốc độ của quá trình ôxy hoá thay đổi do sự
thay đổi bản chất của lớp màng và điều kiện xảy ra ôxy hoá, đặc biệ
t là nhiệt
độ và hàm lượng ôxy trong môi trường. Chẳng hạn, trong giai đoạn đầu ở
nhiệt độ thấp, tốc độ của quá trình ôxy hoá có thể tuân theo qui luật logarit
vì sự dịch chuyển các ion qua lớp màng còn thấp. Nhưng sau đó có thể lại
tuân theo qui luật parabol.
Khi đó động học của quá trình được biểu thị bằng phương trình :
X = k
1
(t +t
0
) + k
2
. t
1/2
Còn quá trình ôxy hoá giữa qui luật logarit và parabol thì được miêu tả
gần đúng bằng phương trình :
X
m
= k
m
. t + C

m
Ở đây m = 3 hay 4 tức là phương trình bậc 3 hay 4.
Ở nhiệt độ cao, sự ôxy hoá thường kết hợp cả qui luật parabol và tuyến
tính.
X = k
parabol
.( t/α) - k
tt
1.1.4 Màng bảo vệ và không bảo vệ
Như đã nêu ở phần trên, trong quá trình ôxy hoá kim loại, một lớp
màng ôxýt sẽ được tạo ra trên bề mặt kim loại . Sự ôxy hoá muốn xảy ra tiếp
tục thì các ion ôxy phải khuyếch tán được qua lớp màng này để vào tiếp xúc
và phản ứng với kim loại để tạo ra ôxýt kim loại. Như vậy, tuỳ theo đặc tính
cấu trúc của lớp màng ôxýt này mà nó có tính chất bảo vệ (ngăn ngừa sự
ôxy
hoá tiếp theo) hay không có tính chất bảo vệ.
Màng ôxýt bảo vệ phải có những tính chất sau :

8
- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại
- Bền với tác động của môi trường
- Phải có sự bám dính tốt với kim loại nền
- Hệ số giãn nở của ôxýt phải gần với của kim loại
Khả năng bảo vệ của lớp màng ôxýt phụ thuộc vào tỉ số giữa thể tích
riêng của ôxýt và của kim loại (gọi là tỉ số Pilling – Bedworth) :

Trong đó :
M
ôxýt
: phân tử lượng của ôxýt

P
ôxýt
, P
Me
: khối lượng riêng của ôxýt và kim loại
A : nguyên tử lượng của kim loại
n : chỉ số của kim loại trong ôxýt
ε > 1 : màng có tính bảo vệ, đó là màng ôxýt của Cd, Al, Ti, Zn, Ni, Cu,
Cr, Si
ε < 1 : màng không có tính bảo vệ, đó là màng ôxýt của các kim loại
kiềm và kiềm thổ
ε >> 1 : màng có tính bảo vệ kém vì có ứng suất dư rất lớn
Như vậy, để tăng khả năng chống ôxy hoá cho thép ở nhiệt độ cao (tức
là tăng tính chịu nóng) ng
ười ta thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al
và Si. Các nguyên tố này khi bị ôxy hoá sẽ tạo ra các ôxýt tương ứng là
Cr
2
O
3
, Al
2
O
3
và SiO
2
. Các ôxýt này có cấu trúc mạng xít chặt, tạo ra màng
bảo vệ vững chắc trên bề mặt kim loại. Lượng Si và Al thường dùng phải
phù hợp với điều kiện làm việc và phải xét đến mối tương quan của các
nguyên tố khác cùng tồn tại trong hợp kim. Nếu nhiều hơn hàm lượng trên

thì lớp màng ôxýt sẽ dòn, dễ bị bong làm giảm khả năng bảo vệ. Riêng Cr là
nguyên tố hợp kim chống ôxy hoá quan trọng nhất trong các mác thép làm

9
việc ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ làm việc càng cao thì cần hàm lượng Cr trong
thép càng cao. Ví dụ để làm việc ở nhiệt độ 1000
o
C, thì hàm lượng Cr =
26% – 28%. Tính chịu nóng không phụ thuộc vào cấu trúc thép (ferrit hay
austenit) mà chỉ phụ thuộc vào thành phần hoá học, chủ yếu là hàm lượng
Cr. Hai loại thép ferrit (Cr cao) và austenit (loại Cr – Ni) nếu có cùng hàm
lượng Cr thì khả năng chịu nhiệt là tương đương nhau.
1.2. Tính bền nóng
Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng (tức là giữ
được độ bền) ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài. Như ta đã biết, khi kim
loạ
i làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp
hơn giới hạn chảy trong một thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo
một cách chậm chạp được gọi là dão (creep). Đó là sự nối tiếp nhau một
cách liên tục của 2 quá trình ngược nhau : biến dạng dẻo gây ra hoá bền và
kết tinh lại gây ra thải bền. Hiện tượng dão trở nên đặc bi
ệt nguy hiểm khi
nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì kim loại sẽ bị
biến dạng dẻo và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đó. Để nâng cao tính
bền nóng ta phải tìm cách chống lại hiện tượng dão.
1.2.1. Mô tả và phân loại dão
Khi đặt tải thử kéo thì biến dạng gồm biến dạng đàn hồi ε
đh
và biến
dạng dẻo ε

d
xẩy ra tức thời là không phụ thuộc vào thời gian. Điều này chỉ
đúng khi tốc độ biến dạng cao. Thực tế cho thấy luôn có một thành phần
biến dạng thay đổi theo thời gian, kể cả khi vật liệu chịu một tải trọng cố
định. Đó là biến dạng dão ε
dão
(t), có thể gồm biến dạng đàn hồi trễ và biến
dạng dẻo. Dão là một quá trình biến dạng thuận nghịch phụ thuộc vào thời
gian do tải trọng cố định gây ra. Tương tự, tích thoát ứng suất (relaxation) là

10
sự giảm ứng suất theo thời gian của ứng suất cần thiết để giữ cho biến dạng
không thay đổi.
Biến dạng khi chịu tải phụ thuộc vào thời gian theo phương trình:
ε (t) = ε
đh
+ ε
d
+ ε
dão
(t) + ε
tt
+ ε
dão
(t)
trong đó :
ε
tt
: biến dạng tức thời, bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo
Đối với kim loại ta có: ε (t) = t

m
Quan hệ ε (t) = t
m
được biểu thị trên hình 5


Hình 5: Đường cong dão ε (t) ở nhiệt độ và ứng suất khác nhau

Trên hình 5 ta thấy đường cong dão ε (t) có 3 giai đoạn:
Giai đoạn I: dão sơ cấp với m < 1: tốc độ dão giảm dần theo thời gian
Giai đoạn II: dão thứ cấp với m = 1: tốc độ dão không thay đổi
Giai đoạn III: dão nhanh dần m>1: tốc độ dão nhanh dần theo thời gian
Dão sơ cấp (dão chuyển tiếp): đặc trưng bằng quá trình các lệch được
hoạt nhiệt cắt nhau, tạo hoá bền chủ yếu nhờ các bậc lệch và cấu trúc lệch ổn
định, quá trình thải bền không đáng kể.
Dão thứ cấp (dão ổn định): Thể hiện sự cân bằng động học giữa hoá bền
và thải bền nhờ giải toả các tập hợp lệch bền chướng ngại bằng các chuyển

11
động hoạt nhiệt của lệch như: leo, trượt ngang. Cấu trúc lệch không thay đổi
(phụ thuộc vào ứng suất, không phụ thuộc vào nhiệt độ), dẫn đến cấu trúc
được đa cạnh hoá kết tinh lại tuỳ theo năng lượng khuyết tật xếp lớn hay
nhỏ.
Dão nhanh dần bắt đầu khi quá trình thải bền chiếm ưu thế. Biên hạt có
thể trượt, các vết nứt được hình thành ở
đó, mẫu co thắt và phá huỷ theo biên
hạt. Có 4 loại dão tuỳ thuộc vào điều kiện thử (hình 6).

σ/G

0,5 T/T
nc
σ
*
/G
t
Dão Herring
-
Nabarro
Dão
đàn h
ồitrễ
Dão loga
Dão a
ndrade


10
-3
10
-2
10
-5
10
-4
10
-6

Hình 6: Giản đồ phân loại dão

- Dão loga (dão nhiệt độ thấp): chỉ có giai đoạn I, chỉ có lệch trượt
- Dão Andrade (dão nhiệt độ cao): có cả 3 giai đoạn, có lệch leo
- Dão đàn hồi trễ: khi σ < σ
*

- Dão Herring – Nabarro: là trường hợp đặc biệt của dão andrade chỉ
xảy ra ở nhiệt độ cao, thường gọi là dão khuyếch tán
Thông thường kiểm tra dão thường xác định hai đại lượng : giới hạn
dão và độ bền dão. Độ bền dão là ứng suất gây phá huỷ dão sau một thời
gian cho trước (ví dụ sau 1000 h là σ
b
/1000 = 170 MPa). Giới hạn dão là

12
ứng suất cần thiết để có độ biến dạng xác định (ví dụ 0,2%) sau một thời
gian cho trước (ví dụ 1000h) là σ
02
/1000 = 100Mpa. Thông thường chọn độ
biến dạng 0,2% và 1%, còn thời gian có thể đến 10
5
h. Độ bền dão và giới
hạn dão là các đại lượng đánh giá độ bền nóng của vật liệu.
1.2.2. Cơ chế dão
Dão đàn hồi trễ: xảy ra khi σ < σ
*

(σ
*
là ứng suất tới hạn) được mô tả
bằng phương trình:
ε (t) = ε
đh
+ ε
dão
(t) = ε
đh
+ ε
0
{1 – exp(-t/τ)}
Trong đó số hạng thứ hai biểu thị biến dạng đàn hồi trễ ε
đht
. Bản chất
biến dạng đàn hồi trễ gắn liền với các quá trình vi mô khác nhau như sự
khuyếch tán các khuyết tật điểm, sự dao động của các đoạn lệch bị chốt hai
đầu, sự chảy tại các mặt phân cách (biên giới hạt, biên giới pha), chuyển
pha .v.v. tạo ra các biến dạng thuận nghịch.
Dão nhiệt độ thấp: bắt đầu xảy ra khi σ > σ
*,
nhiệt độ T ≤ 0,5 T
nc
và
tuân theo qui luật:
ε (t) = ε
đh
+ε
d

+ ε
dão
(t) = ε
tt
+ ε
t
.ln(1 + vt)
Trong đó:
ε
t
: biến dạng theo thời gian
v : hệ số poison
Đặc điểm của dão nhiệt độ thấp không ổn định vì tốc độ dão giảm theo
thời gian:
ε (t) = dε(t)/dt = ε
t
.v/(1 + vt)
Khi ứng suất đạt σ
*
thì lệch có thể trượt tạo biến dạng dẻo kèm theo hoá
bền. Nhờ sự thăng giáng ứng suất nhiệt, lệch được hoạt nhiệt thắng cản trở
do hoá bền tạo ra vì sợ biến dạng dẻo tiếp theo. Do sự thăng giáng tăng theo
thời gian nên biến dạng cũng tăng, gây ra hoá bền tiếp và kết quả là tốc độ

13
dão giảm dần theo thời gian. Dão loga cần được khống chế đối với các chi
tiết cần độ chính xác cao về kích thước và chịu tải tĩnh lớn. Các vật liệu chế
tạo chúng cần được nhiệt luyện thích hợp để hoá bền có hiệu quả cao hơn.
Dão nhiệt độ cao: xảy ra khi σ ≥ σ
*

, nhiệt độ T≥ 0,5T
nc
và được mô tả
bằng phương trình
ε (t) = ε
đh
+ε
d
+ ε
dão
(t) = ε
tt
+ β.t
n
+ k.t
trong đó:
β: hệ số
k: hằng số
Trong phương trình nêu trên thì số hạng β.t
n
đặc trưng dão không ổn
định và tốc độ dão giảm dần theo thời gian. Số hạng k.t biểu thị dão ổn định,
tốc độ dão không thay đổi. Tốc độ biến dạng dão được tính bằng phương
trình sau:
ε (t) = dε(t)/dt = n β.t
n-1
+ k
Trong dão ở nhiệt độ cao thì cơ chế dão không ổn định cũng giống như
dão ở nhiệt độ thấp. Cơ chế dão ổn định xảy ra nhờ ba quá trình: hoạt động

của nguồn lệch tạo lệch di động, lệch chuyển động cho đến khi tạo ra các tập
hợp bên chướng ngại (hoá bền) và sự phân phối lại lệch nhờ quá trình hồi
phục động học (thả
i bền). Ba quá trình này tạo một vòng kín nhờ hoạt nhiệt
làm tốc độ dão không thay đổi. Dão nhanh dần xảy ra nhanh, kèm theo biến
dạng dẻo dẫn đến phá huỷ biên giới hạt. Quá trình phá huỷ gồm hai giai
đoạn: tạo lỗ trống theo biên giới hạt và các lỗ trống này tập hợp lại thành các
vết nứt, đặc biệt ở biên giới có tập trung ứng suất cao khi gặp các mặt trượt
của lệch. Vì vậy
để phòng phá huỷ dão cần tìm cách cản trở trượt biên hạt,
giảm tập trung ứng suất.

14
Dão khuyếch tán: chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao (T>> 0,5T
nc
), trong các vật
liệu hạt nhỏ và kích thước bé. Tốc độ dão phụ thuộc tuyến tính vào ứng suất
bên ngoài và được tính bằng sự thay đổi thể tích theo thời gian trong một
đơn vị thể tích mẫu:

Trong đó :
ε = ~ 6
L: kích thước mẫu
D: hệ số khuyếch tán
b : Vectơ Buger
Sự biến dạng do quá trình khuyếch tán nút trống và nguyên tử theo
hướng ngược nhau (hình 7)

Hình 7: Sơ đồ
dão khuyếch tán
: Nguyên tử
: Nút trống
σ
σ

L
1.2.3. Dão trong vật liệu kim loại
Đối với vật liệu kim loại, dão ổn định là quan trọng nhất, đặc biệt là đối
với các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao (động cơ phản lực), chịu ăn mòn (nhà

15
máy nhiệt điện, các lò nung công nghiệp), chịu bức xạ (nhà máy điện hạt
nhân)…Hai yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến dão là nhiệt độ và ứng suất. Khi
tăng một trong hai yếu tố hay tăng cả hai thì tốc độ dão ổn định tăng và tuổi
thọ chi tiết giảm. Độ bền dão chính là chỉ số của tính bền nóng của vật liệu.
Muốn nâng cao độ bền nóng ph
ải chống dão ở nhiệt độ cao tức là phải tạo ra
cấu trúc có khả năng chống lại có hiệu quả sự chuyển động của lệch (lệch
trượt và lệch leo) cũng như sự xê dịch biên giới hạt và nó ít thay đổi ở nhiệt
độ đó.
Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao.
Khi có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim loại có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn sẽ

có tính bền nóng cao hơn. Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính
bền nóng.
Ở nhiệt độ cao, biên giới hạt kém bền so với bên trong hạt, quá trình
biến dạng dão dẫn tới phá huỷ thường xảy ra trước tiên ở biên giới hạt. Do
vậy, cấu trúc hạt càng nhỏ (tức là biên giới hạt càng nhiều) thì tính bền nóng
càng kém. Các nguyên tố hợp kim như Mo, W, Nb, Ti, Zn có tác dụng tạo ra
các pha hoá cứng phân tán (các bít, nitrít) và có tác dụng chống dão. Các
nguyên tố Ni, Mn có tác dụng ổn định cấu trúc austenit nên cũng có tác dụng
nâng cao tính bền nóng.









16
1.3. Gang bền nhiệt
Gang bền nhiệt là một phần quan trọng trong vật liệu kim loại bền
nhiệt. Gang bền nhiệt nhìn chung gồm có các nhóm sau:
- Nhóm gang crôm
- Nhóm gang silic
- Nhóm gang niken
- Nhóm gang nhôm
Trong các nhóm này, nguyên tố hợp kim có hàm lượng cao nhất đại
diện cho tên nhóm.
Để phát huy tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất cơ lí của

gang như độ bền cơ học, khả năng chịu ăn mòn, khả năng chịu nhiệt. Trong
các nhóm gang cơ bản trên ng
ười ta đã đưa thêm vào nhiều nguyên tố hợp
kim khác với mức hàm lượng thấp hơn. Điều này tạo ra các nhóm gang mới
nhiều nguyên tố hợp kim tương ứng:
- Nhóm Cr - Ni
- Nhóm Al - Si
- Nhóm Cr – Ni - Cu
- Nhóm Al – Si – Cr
Từ sự phân loại ở trên ta thấy trong các mác gang bền nhiệt, mác gang
nào được hợp kim hoá thêm nhiều nguyên tố hợp kim sẽ có độ bền cơ học và
độ bền nhiệt cao hơn. Song, cùng với sự tăng lên của các nguyên tố hợp kim,
giá thành sản phẩm cũng tăng cao hơn.
1.3.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến gang bền nhiệt
Nét đặc biệt của hệ cân bằng Fe – Al là việc tạo thành trong dung dịch
rắn của hợp kim các hợp chất liên kim FeAl
3
, Fe
2
Al
5
, FeAl
2
, FeAl, Fe
3
Al.
Các hợp chất này có tính chất hoá lí khác nhau.

17
Nhôm có khả năng thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α. Ở trạng thái

lỏng, Al và Fe hoà tan vào nhau vô hạn, còn ở trạng thái rắn độ hoà tan giảm
xuống, độ hoà tan cực đại ở 1232
0
C chỉ còn 34,5%.
Hợp kim hệ Fe – Al là hệ hợp kim nhiều pha. Ngoài pha γ và α còn có
thêm ba pha khác với các bon đó là pha ε, các bít nhôm Al
4
C
3
và graphít.
Pha ε được nhận biết qua sự chuyển biến của pha Fe
3
Al. Sau khi hình thành
pha Fe
3
Al, một số tinh thể có cấu trúc mạng khác biệt hấp thụ thêm các bon
mà thành. Sau khi hình thành pha ε có dạng Fe
3
AlC
x
, đây là pha có độ cứng
rất cao. Khi hàm lượng nhôm đạt đến 10%, một phần có khi toàn bộ các bon
nằm ở dạng graphít. Điều này nói lên ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến
quá trình graphít hoá và cấu trúc cơ bản của gang. Ảnh hưởng được thể hiện
trên hình 8.

Hình 8: Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến qúa trình graphít hoá và cấu
trúc của gang.
1 – Ferrit – Peclit – Graphit
2 – Ferrit – Cácbít (pha ε , Fe

3
AlC
x
)
3 – Ferrit – Graphít

18
4 – Ferrit – Cácbít + (Al
4
C
3
)
Cr/Cn là tỉ số hàm lượng graphít/ hàm lượng các bon tổng
Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm cũng như các bon đến cấu trúc và đến
đặc tính chịu nhiệt của gang được nêu trên hình 9.

Hình 9: Quan hệ giữa hàm lượng nhôm và cácbon đến khả năng chịu nhiệt
của gang
1. Khả năng bền nhiệt đến 700
0
C
2. Khả năng bền nhiệt và chịu mài mòn đến 900
0
C
3. Khả năng bền nhiệt đến 1100
0
C
AB: là đường cùng tinh
Từ hình 9 ta thấy gang chứa 5% Al trở lên đã có khả năng chịu nhiệt và có
độ bền khá tốt. Với hàm lượng Al = 10 – 18% tạo ra các bít phức tạp dạng

Fe
3
AlC
x
. Gang loại này có mặt gẫy mầu trắng, rất cứng nên khó gia công cắt
gọt, vì vậy gang loại này dùng để đúc các chi tiết không qua gia công.

19
Hợp kim Fe – Al khi có hàm lượng Al cao mà hàm lượng các bon lại thấp,
có xu hướng bị phân huỷ dưới tác dụng của hơi nước. Điều này phù hợp với
phương trình phân huỷ:
Al
4
C
3
+ 12H
2
O 4Al(OH)
3
+ 3CH
4
Thực tế cho thấy, hợp kim Fe – Al chứa Al
4
C
3
thời kì đầu có độ cứng và
tính giòn cao, sau khoảng 48 giờ bắt đầu xuất hiện hiện tượng bở.
Độ bền kéo (σ
b
) của hợp kim Fe – Al dao động trong khoảng 65 – 75

KN/mm
2
với các bon và ở dạng graphít hình cầu, lớn hơn nhiếu khi ở dạng
graphít tấm.
Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến cơ tính và phạm vi sử dụng của
gang nhôm được thể hiện trên hình 10.

Hình 10: Sự phụ thuộc của cơ tính (a) và đặc tính sử dụng (b) của gang
nhôm phụ thuộc vào hàm lượng nhôm (C
r
hàm lượng graphít)
1- Tính gia công
2- Tính chống ôxy hoá ở 1000
0
C trong 60 h

20
Khi hàm lượng các bon và silic thấp (dưới 0,5%) độ cứng của gang
nhôm giảm, điều này thể hiện rõ ràng trên hình 11.

Hình 11: Ảnh hưởng của hàm lượng cácbon silic đến độ cứng
của gang nhôm
Ghi chú: Hình 11 là kết quả nghiên cứu đối với gang 19 – 21% Al. Thí
nghiệm đã chứng minh được rằng mác gang này khi tăng hàm lượng Si lên
0,5% độ cứng sẽ tăng lên rõ dệt [1].
Sự sai lệch đáng kể của Al, Si, C so với thành phần tiêu chuẩn không
làm giảm khả năng chịu nhiệt, nhưng nó ảnh hưởng đến độ cứng và tính gia
công. Ảnh hưởng c
ủa hàm lượng Al đến tính gia công của gang đúc được
miêu tả qua tốc độ cắt phôi. Khi hàm lượng Al trong gang từ 12- 14%, tốc

độ cắt không vượt quá 13m/phút, còn trong điều kiện các thành phần khác
như nhau mà hàm lượng nhôm là 20 – 22% tốc độ cắt đạt đến 65m/phút
nghĩa là lớn gấp 5 lần. Điều này chứng tỏ độ cứng của gang nhôm liên quan
đến nhiều yếu tố như hàm lượng các nguyên tố, chủng loại các nguyên tố và
kế
t cấu graphít. Riêng điều kiện cắt gọt, nhôm càng cao càng dễ cắt.

21