Bài giảng Thép hợp kim (Alloys)

THÉP HỢP KIM (ALLOYS)
1. Thành phần hóa học
Thép HK là thép C (loại tốt) + NTHK
NTHK là nguyên tố cố ý đưa vào để làm thay đổi thành phần
và tổ chức nhằm nhận được tính chất yêu cầu.
NTHK có thể là KL hay phi KL
Hàm lượng NTHK cho vào phải đủ lớn và tùy mục tiêu định
trước, nhỏ hơn giới hạn đó được coi là tạp chất, thông thường
chúng phải có giá trị như 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
2 Các đặc tính của thép hợp kim
Cơ tính :
• Có độ thấm tôi cao, nên :
- Lớp được tôi có chiều dày lớn, có độ bền cao hơn thép C, vì
vậy dùng cho chi tiết kích thước lớn
- Làm nguội chậm nên ít cong vênh khi tôi, thích hợp với các
chi tiết phức tạp
- Độ dẻo và độ dai giảm
Tính chịu nhiệt độ cao
Các NTHK cản trở sự khuếch tán của C cũng như sự kết tụ
cacbit ở nhiệt độ cao hơn 200
0
C, nên nó giữ được cơ tính ở nhiệt
độ cao hơn, nhất là độ cứng ( tính cứng nóng cao –red hardness)
(Các ưu việt của thép HK chỉ phát huy khi qua tôi + ram )
Tính công nghệ
Thép HK có tính công nghệ kém hơn thép C ( tính hàn, đúc,
biến dạng, cắt gọt )
Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt

Với hàm lượng thích hợp, thép HK có một số tính chất quý
giá: tính không gỉ, không giãn nở, từ tính, bền nóng,…
Tính kinh tế
Thép HK khó nấu luyện, đắt tiền, gia công khó nên giá thành
cao.
Việc sử dụng NTHK gây ảnh hưởng đến môi trường
Thép HK là vật liệu không thể thiếu được trong những lĩnh
vực đặc biệt.
3 Tác dụng của NTHK đến các tổ chức của thép
Khi hòa tan vào thép, NTHK tác động đến 2 tổ chức cơ bản
của thép là ferrit và xêmentit.Ảnh hưởng của NTHK trong
thép dụng cụ.ppt
Tác động của NTHK đến ddr : chủ yếu là Mn, Si, Cr, Ni
 Với hàm lượng tổng NTHK thấp : chúng không làm thay đổi
đáng kể hình dạng của GĐTT sắt-cacbon. Chúng hòa tan vào
các ddr α ở nhiệt độ thấp và γ ở nhiệt độ cao.Ảnh hưởng của
NTHK đến các vùng pha.ppt
NTHK hòa tan vào F dưới dạng ddr thay thế, làm xô lệch
mạng, tăng bền và cứng, giảm dẻo, dai. Ảnh hưởng của
NTHK đến cơ tính.ppt
- Mn và Si tăng mạnh độ bền (cứng), giảm mạnh độ dẻo, dai
nên dù rẻ tiền, cũng chỉ hạn chế từ 1-2%
- Cr và Ni ở hàm lượng tới 4%, vừa tăng độ cứng, vừa tăng
độ dai, tăng độ thấm tôi → là các NTHK ưa dùng (tuy giá cao)
 Với tổng lượng NTHK lớn ( >10%), Cr, Ni và Mn làm thay
đổi hẳn hình dạng của GĐTT sắt-cacbon.Ảnh hưởng của
NTHK đến các vùng pha.ppt
- Mn và Ni mở rộng vùng γ và thu hẹp vùng α, ở hàm lượng
của chúng lớn (>10%), γ tồn tại ở cả nhiệt độ thường. Tạo ra
nhóm thép ôstenit.Ảnh hưởng của NTHK đến vùng

gamma.ppt.
- Cr ngược lại thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α. Khi Cr >
20%, vùng γ không tồn tại, chỉ còn α, tạo ra nhóm thép ferrit
Sự tạo cacbit
Trừ các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo K (chỉ hòa
tan vào sắt), các nguyên tố hợp kim còn lại Mn, Cr, Mo, W,
Ti, Zr, Nb, ngoài khả năng hòa tan vào sắt, còn có thể tác
dụng với C tạo thành K.
Các nguyên tố có lớp nd (3d, 4d, 5d) càng ít điện tử thì có ái
lực với C càng lớn. Trong thép (nền Fe) thì nguyên tố nào có
nd ít hơn Fe ( là 6) thì có khả năng tạo K.Cấu hình điện tử của
các nguyên tố.ppt.
Thứ tự tạo K : Fe (6), Mn(5), Cr(5), Mo(5), W(4), V(3),
Ti(2), Zr(2), Nb(2).
Các loại K trong thép
• Xêmentit hợp kim (Fe, Me)
3
C : khi trong thép chứa ít các
NTHK tạo K trung bình và mạnh (1-2% : Mn, Cr, Mo,W),
chúng hòa tan thay thế vị trí Fe trong Xe, có tính ổn định cao
hơn một chút . Nhiệt độ tôi cao hơn thép C một chút.
• Các bit với kiểu mạng phức tạp : khi hợp kim hóa bằng 1
nguyên tố, nhưng hàm lượng lớn ( > 10%) hoặc có Mn
( d
C
/d
Me
> 0.59), chúng tạo ra K phức tạp, ví dụ : Cr
7
C

3
,
Cr
23
C
6
, Mn
3
C,… có các tính chất :
- Độ cứng cao hơn Xe
- Nhiệt độ chảy không cao lắm khoảng 1550-1850
0
C, có tính
ổn định cao hơn và nhiệt độ tôi thép phải cao hơn 1000
0
C.
• Cacbit kiểu Me
6
C : trong thép chứa Cr với W hoặc Mo sẽ tạo
K kiểu Me
6
C, kiểu mạng phức tạp, Chúng khó hòa tan vào
ôstenit và ổn định hơn. Nhiệt độ tôi của thép khoảng 1200-
1300
0
C (thép dụng cụ).
• Cácbit kiểu mạng đơn giản MeC (Me
2
C) : do các nguyên tố
tạo K rất mạnh như V, Ti, Zr và Nb trong thép (dù hàm lượng

rất nhỏ (0,1%), ví dụ : VC, TiC, Zrc, NbC, chúng là pha xen
kẽ, kiểu mạng đơn giản (d
C
/d
Me
< 0,59), đặc điểm :
- Độ cứng cao, nhưng ít giòn hơn Xe
- Nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng 3000
0
C), khó phân hủy
và hòa tan vào ôstenit khi nung. Chúng không làm tăng độ
thấm tôi, chủ yếu là nhỏ hạt và chống mài mòn.
Tóm tắt :
 Các K hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan
vào ôstenit khi nung so với Xe, chúng làm tăng độ chịu
mòn, bền nóng, hạn chế phát triển hạt, nâng cao độ dai
và làm tăng nhiệt độ tôi so với thép C.
 Nói chung, mỗi nhóm thép HK thường chỉ gặp một số
cacbit nhất định như :
- Xêmentit HK trong thép kết cấu
- K kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng
- K kiểu Me
6
C trong thép dụng cụ
- K kiểu mạng đơn giản MeC được tạo ra với hàm lượng
nhỏ trong một số nhóm thép
4. Ảnh hưởng của NTHK đến nhiệt luyện
Chuyển biến khi nung nóng
Đa số thép HK vẫn có chuyển biến cơ bản P→γ khi nung, tuy nhiên,
chúng có các đặc điểm sau :

• K hợp kim khó hòa tan vào ôstenit hơn, đòi hỏi nhiệt độ nung và thời
gian nung, giữ dài hơn.Ảnh hưởng của NTHK đến nhiệt độ và thành phần
C cùng tích.ppt
• K nằm ở tinh giới hạt, hạn chế sự phát triển của hạt, làm hạt nhỏ, nhất là
các K của các nguyên tố tạo K mạnh như Ti, Zr, Nb, hoặc tương đối mạnh
như W, Mo. Riêng Mn lại thúc đẩy sự phát triển của hạt.
Sự phân hóa đẳng nhiệt
Khi hòa tan vào ôstenit, các NTHK (trừ Co) đều làm chậm quá trình phân
hủy đẳng nhiệt của ôstenit, làm đường cong chữ “C” dịch sang phải, làm
giảm V
th
. Mạnh nhất là Mo (khi riêng rẽ) hay Cr-Ni (khi kết hợp). Cùng
tổng lượng HK, hợp kim hóa phức tạp làm giảm V
th
mạnh hơn HK hóa đơn
giản.Sự dịch chuyển sang phải của đường cong chữ C khi hợp kim hóa.ppt
Độ thấm tôi
Do đường cong chữ “C” dịch sang phải nên V
th
giảm và các
NTHK (trừ Co) đều làm tăng mạnh độ thấm tôi.Ảnh hưởng
của NTHK đến độ thấm tôi.ppt; Sơ đồ tăng độ thấm tôi khi
HK hóa.ppt. Hai trường hợp đặc biệt :
- V
th
quá bé nên có thể tôi thấu cho bất kỳ tiết diện nào
- Khi làm nguội bình thường cũng có tổ chức
Ích lợi khi độ thấm tôi tăng :
 Tăng hiệu quả hóa bền do nhiệt luyện, tăng tính đồng nhất
trên toàn tiết diện → chi tiết có kích thước lớn, độ bền cao, cần

làm bằng thép HK cao
 Do chỉ cần làm nguội chậm mà vẫn đạt tổ chức M nên chi tiết
ít cong, vênh, nứt → chế tạo các chi tiết phức tạp
Chuyển biến mactenxit
Các NTHK không những làm đường cong chữ “C”
dịch sang phải mà khi hòa tan vào ôstenit chúng còn
làm hạ thấp điểm chuyển biến M, làm tăng lượng
ôstenit dư (trừ Co, Al, Si).
Theo tính toán, cứ 1% NTHK, sẽ làm M
S
thay đổi:
Mn : -45
0
C Cr : -35
0
C Ni : -26
0
C
Mo : -25
0
C Co : +12
0
C Al : + 18
0
C
Si : không ảnh hưởng
Khi nhiệt độ M
S
và M
F

quá thấp, cần gia công lạnh
hay ram nhiều lần để ôstenit dư chuyển biến thành M.
Chuyển biến khi ram
Các NTHK hòa tan trong M đều có tính chống ram (cản trở
sự tiết ra K khi nung nóng M), vì vậy, thép hợp kim có tính
cứng nóng cao. Sự tiết ra K của M theo nhiệt độ :
• Fe
3
C : 200
0
C
• (Fe,Me)
3
C : 250-300
0
C
• Cr
7
C
3
, Cr
23
C
6
: 400-450
0
C
• Me
6
C ( Fe

3
W
3
C) : 550-600
0
C
• (Vc, TiC, ZrC, NbC không hòa tan trong ôstenit nên không có
trong M) .
K tạo thành phân tán và nhỏ mịn làm tăng độ cứng và tính
chống mài mòn → hóa cứng phân tán .
Kết hợp sự hóa cứng phân tán và sự chuyển ôstenit dư thành
M làm tăng thêm độ cứng khi ram → độ cứng thứ hai.Độ cứng
thứ hai khi ram thép dụng cụ.ppt.
Cùng độ bền độ cứng như nhau, thép hợp kim ram ở nhiệt độ
cao hơn, nên ƯS khử bỏ nhiều hơn, thép HK có độ dai tốt hơn.
Tóm tắt
NTHK có các ưu việt :
Khi hòa tan vào dung dịch rắn :
• Gây xô lệch mạng, hóa bền ferrit
• Làm tăng tính ổn định của ôstenit quá nguội, giảm V
th
, tăng độ
thấm tôi, ít gây cong, vênh và nứt.
Khi tạo K hợp kim :
• K có độ cứng, chống mài mòn cao hơn Xe, khó hòa tan khi
nung, giữ được hạt nhỏ cho thép
• Khó tiết ra khỏi M, làm tăng độ bền và cứng nóng
• Khi ram, K được tiết ra nhỏ mịn, phân tán, gây hóa bền.
• Bảng tổng hợp vai trò của NTHK.ppt
5 Khuyết tật của thép HK

 Thiên tích : là sự không đồng nhất về thành phần hóa học và
tổ chức khi kết tinh.Cùng tinh trong thép gió đúc.ppt
 Đốm trắng : các vết nứt nhỏ dạng đốm trắng. Còn gọi là Mặt
gãy dạng đá.ppt. Nguyên nhân do sự hòa tan của hidro cao ở
trạng thái lỏng và giảm mạnh ở trạng thái rắn.Sự hòa tan của
khí (H) ở trạng thái L & R.ppt. Nó không xuất hiện khi đúc
(do các rỗ co sẽ chứa H) mà khi cán nóng. Thường xuất hiện
trong thép hợp kim có độ thấm tôi cao như : Cr-Ni, Cr-Ni-Mo,
Cr-Ni-W,…
 Giòn ram : Sơ đồ giòn ram trong thép HK.ppt
6 Phân loại thép HK
 Theo tổ chức cân bằng
 Theo tổ chức thường hóa
 Theo nguyên tố hợp kim chính
 Theo tổng lượng NTHK
 Theo công dụng
Phân loại theo tổ chức cân bằng
Phân loại ở trạng thái ủ, với lượng các bon tăng dần
• Thép trước cùng tích : F + P
• Thép cùng tích : P
• Thép sau cùng tích : P + K
• Thép lêđêburit (cacbit) : P + Lê + K
Khi HK hóa hàm lượng cao bằng Cr, Mn hay Cr-Ni, có
• Thép ferrit ( có Cr > 17%) và rất ít C
• Thép ôstenit : - loại có Mn cao ( > 13%) và C cao
- loại có Cr ( > 18%) và Ni ( .8%)
Phân loại theo tổ chức thường hóa
Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ ф < 25 và lượng
NTHK tăng dần :
• Thép họ peclit : là thép HK thấp, đường cong “C” gần

trục tung, thường hóa nhận được hỗn hợp F + P (P, X, T)
• Thép họ mactenxit : là thép HK trung bình và cao,
đường cong “C” dịch mạnh sang phải, khi thường hóa
nhận được M
• Thép họ ôstenit : loại chứa Cr và Ni cao ( > 8%) hoặc Mn
cao ( >13%) , ở nhiệt độ thường tổ chức vẫn là ôstenit
Phân loại theo NTHK chính
• Thép chỉ HK hóa 1 nguyên tố HK, thì gọi theo tên NTHK đó, ví dụ :
thép crôm, thép mangan,…
• Thép HK hóa bằng nhiều NTHK gọi tên lần lượt các nguyên tố chứa
trong thép
Theo tổng lượng NTHK
• Thép HK thấp ( Σ
NTHK
<2.5 %)
• Thép HK trung bình ( Σ
NTHK
từ 2.5-10%)
• Thép KH cao ( Σ
NTHK
> 10%)
Chú ý : quy ước HK cao hay thấp tùy thuộc từng nước
Trung Quốc : KH thấp < 5%,
Tây Âu : chỉ quy ước có 2 loại thép HK là cao-thấp , trong đó
thép HK thấp là không có NT nào > 5%, Hk cao là có ít nhất NT >5%
Phân loại thép HK theo công dụng
• Thép HK kết cấu
• Thép HK dụng cụ
• Thép HK đặc biệt
Ký hiệu thép HK

• Ký hiệu thép theo TCVN.ppt
• Ký hiệu thép theo GOST.ppt
• Ký hiệu thép theo JIS.ppt
• Ký hiệu thép theo GB(TC Trung quoc).ppt
• Ký hiệu thép hợp kim của các tổ chức Mỹ.ppt
Các nhóm thép HK kết cấu
 Yêu cầu về cơ tính
• Có độ bền cao ( tăng sức tải, hoặc giảm khối lượng), đặc biệt
là tăng giới hạn chảy (không biến dạng khi làm việc)
• Có độ dai va đập cao nhằm tăng sức chịu tải trọng động và độ
tin cậy của vật liệu.
• Độ cứng bề mặt cao nhằm tăng độ chịu mài mòn
• Giới hạn mỏi cao
 Yêu cầu về tính công nghệ
• Có khả năng biến dạng tốt, nhất là biến dạng nóng (tạo phôi
dễ, tiết kiệm vật liệu và cải thiện tổ chức tế vi)
• Khả năng tạo hình bằng cắt gọt, mài
• Nhiệt luyện dễ dàng
 Tính kinh tế
Do dùng số lượng lớn nên phải rẻ tiền, dễ nấu luyện và gia
công, vì vậy thường dùng thép hợp kim thấp.
 Thành phần hóa học
Phải phù hợp với các tiêu chí đã nêu, kể cả vấn đề môi trường.
Các NTHK được chia làm 2 nhóm chính và phụ :
• Nhóm các NTHK chính : có tỷ lệ cao nhất trong thép HK, chúng tăng
độ thấm tôi nên làm tăng bền cho thép. Chủ yếu là các NT như Cr, Mn, Si, Ni
và B do rẻ tiền (trừ Ni), tổng lượng < 3%, chủ yếu là nâng cao độ thấm tôi.
HK hóa đa nguyên có tác dụng tốt hơn HK hóa đơn giản. Thông thường :
- Σ
NTHK

~1%, HK hóa 1 nguyên tố
- Σ
NTHK
~2%, HK hóa 2 nguyên tố
- Σ
NTHK
~3%, HK hóa 2, 3 nguyên tố
- Σ
NTHK
~4%, HK hóa 2, 3 hoặc 4 nguyên tố
• Nhóm các NTHK phụ : có hàm lượng rất ít, ~ 0.1% - 0.2%,
nhằm cải thiện nhược điểm nào đó do các NTHK chính gây ra.
- Ti, Zr, Nb, V giữ cho hạt nhỏ khi nung, nhất là thép Cr-Mn
hay bị quá nhiệt khi nung, thường dùng 0.10% Ti.
- Mo (~0.20%) tránh giòn ram loại 2, dùng trong thép Cr-Ni,
có thể dùng W (~0.50%), ngoài ra, chúng cũng làm tăng mạnh
độ thấm tôi. Đây là họ thép kết cấu HK tốt nhất.
Tóm tắt :
• Tuy giá thành cao hơn, nhưng do có độ bền cao, tiết diện tôi
thấu lớn nên cơ tính đồng nhất trên toàn tiết diện.
• Do tôi dầu nên độ biến dạng, nứt ít hơn, dùng chế tạo chi tiết
phức tạp.
• Có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn, do ram ở nhiệt độ cao hơn
nên ƯS dư giảm, tăng độ tin cậy.
Các nhóm thép kết cấu HK chính
 Thép thấm C : thành phần C thấp, lõi dẻo dai và bề mặt cứng
 Thép hóa tốt : thành phần C trung bình, tôi và ram cao cho lõi
và tôi bề mặt để chống mài mòn
 Thép đàn hồi : có thành phần C tương đối cao ( độ dẻo dai
thấp, nhưng độ cứng và đàn hồi cao), tôi và ram trung bình.