giáo trình vật liệu cơ khí nghề kỹ thuật máy nông nghiệp trung cấp

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

SỞ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI ĐỒNG THÁP

<b>TRƯỜNG TRUNG CẤP THÁP MƯỜI</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Tháp Mười</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN</b>

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể đượcphép dùng ngun bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và thamkhảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinhdoanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>LỜI GIỚI THIỆU</b>

Trong tất cả cả mọi công việc của kỹ sư cơ khí , từ việc quyết địnhphương án thiết kế, tính tốn kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp vận hànhmáy, thiết bị, tất thảy đều có liên quan mật thiết đến lựa chọn và sử dụng vậtliệu. Điều quan trọng nhất đối với người học là phải nắm được cơ tính vàtính cơng nghệ của các vật liệu kể trên để có thể lựa chọn và sử dụ ng chúng tốtnhất và hợp lý, đạt các yêu cầu cơ tính đề ra với chi phí gia cơng ít nhất, giáthành rẻ và có thể chấp nhận được. Song điều quyết định đến cơ tính và tínhcơng nghệ lại nằm ở cấu trúc bên trong. Do vậy mọi yếu tố ảnh hưởng đến cấutrúc bên trong như thành phần hóa học, cơng nghệ chế tạo vật liệu và gia côngvật liệu thành sản phẩm (luyện kim, đúc, biến dạng dẻo, hàn và đặc biệt là nhiệtluyện) đều có ảnh hưởng đến cơ tính cũng như cơng dụng của vật liệu được lựachọn, tất thảy được khảo sát một cách kỹ càng.

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở thực tiễn của sản xuất cơ khí ởnước ta hiện nay. Trong thực tế sử dụ ng vật liệu, đặc biệt là vật liệu kim loại,không thể lựa chọn loại vật liệu một cách chung chung (ví dụ : thép) mà phải

<i>rất cụ thể (ví dụ : thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo các quy định nghiêm</i>

ngặt về các điều kiện kỹ thuật do các tiêu chuẩn tương ứng quy định. Trong điềukiện ở nước ta hiện nay, sản xuất cơ khí đang sử dụ ng các sản phẩm kim loạicủa rất nhiều nước trên hết giới, do đó khơng thể đề cập hết.

Tham gia biên soạn Nguyễn Văn Mười

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

MỤC LỤCLỜI GIỚI THIỆU 3

CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH VẬT LIỆU KIM LOẠI 7

1. Khái niệm về vật liệu kim loại...7

2. Cấu tạo mạng tinh thể...10

2.1. Cấu tạo nguyên tử kim loại...10

2.2. Cấu tạo tinh thể kim loại...10

2.3. Các dạng ô cơ bản của mạng tinh thể kim loại...12

2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể...15

3. Sự kết tinh của kim loại...18

3.1. Điều kiện xảy ra kết tinh...19

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

1.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện...41

1.2. Các tổ chức của thép khi nung nóng và làm nguội...44

1.3. Các phương pháp nhiệt luyện thép...59

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

1.4. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép...61

2. Hóa nhiệt luyện thép...64

2.1. Khái niệm chung về hóa nhiệt luyện...64

2.2. Các phương pháp hóa nhiệt luyện...64

2.2. Tính chất cơ lý của chất dẻo...88

2.3. Các phương pháp chế biến sản phẩm từ chất dẻo...92

3. Vật liệu compozit...95

3.1. Khái niệm...95

3.2. Phân loại Compozit...96

3.3. Một số vật liệu Compozit thơng dụng...96

ƠN TẬP...98

TÀI LIỆU THAM KHẢO:...99

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>GIÁO TRÌNH MƠN HỌC</b>

<b>Tên mơn học: Vật liệu cơ khíMã mơn học: MH08</b>

<i><b>Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học: </b></i>

- Vị trí: Được bố trí vào học kỳ 1 trước khi học sinh học các mô đunchuyên mơn nghề.

- Tính chất: Là mơn học cơ sở

- Ý nghĩa và vai trị của mơn học: Cung cấp kiến thức về một số loại vậtliệu thường được sử dụng trong ngành cơ khí làm nền tảng lý thuyết để học sinhtiếp tục học tập ở các môn học, mô đun sau.

<b>Mục tiêu của mơn học:</b>

- Về kiến thức:

+ Trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụngcủa một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon,thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dungdịch trơn nguội ...

<i>+ Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.</i>

- Về kỹ năng:

+ Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, xem tia lửa khi mài.

+ Xác định được tính chất, cơng dụng các loại vật liệu thường dùng chonghề.

+ Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió,đục...

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH VẬT LIỆU KIM LOẠI</b>

<b>Giới thiệu: Nội dung chương này trình bày cấu trúc và cơ tính vật liệu kim loại.Mục tiêu:</b>

- Trình bày được các khái niệm về mạng tinh thể, ô cơ sở, các cấu trúc mạngtinh thể của kim loại.

- Mô tả được quá trình kết tinh của kim loại.

- Trình bày được các tính chất chung của kim loại và hợp kim.

- Rèn luyện được tính k礃ऀ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao tronghọc tập.

- Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học.

<b>Nội dung chính:</b>

<b>1. Khái niệm về vật liệu kim loại.</b>

Kim loại là loại vật liệu có các tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn,độ dẻo và độ chống mỏi cao. Nhờ đó mà kim loại được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và các ngành kĩ thuật khác. Ở dạng nguyên chất, do cường độ và độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng rất hạn chế. Chúng được sửdụng chủ yếu ở dạng hợp kim với kim loại và á kim khác, thí dụ như cacbon. Sắtvà hợp kim của nó (thép và gang) gọi là kim loại đen; những kim loại còn lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v...) và hợp kim của chúng gọi là kim loạimàu. Kim loại đen được sử dụng trong xây dựng nhiều hơn cả, giá kim loại đenthấp hơn kim loại màu. Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả năng chống ăn mịn, tính trang trí cao. Những điều đó đã mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu trong xây dựng, phổ biến là các chi tiết kiến trúc và các kết cấu nhôm.

Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen là quặng sắt, mangan, crôm, mà cáckhoáng đại diện cho chúng là nhóm các oxit: macnetit (Fe3O4 ), quặngsắt đỏ (Fe2O3 ), piroluzit (MnO2 ), crômit (FeCr2O4 ). Để sản xuất kim loại

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

màu người ta sử dụng boxit chứa các hidroxit: hidracgilit (Al(OH)3 , diasno(HAlO2 ); các loại quặng sunfua và cacbonat đồng, niken, chì v.v... với cáckhống đại diện là chancopirit (CuFeS2 ), sfalêit (ZnS), xeruxit (PbCO3 ),magiezit ( MgCO3 ) v.v...

<i><b>Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để</b></i>

<b>chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cơng trình và ngay cả để thaythế</b>

<b>các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật. Như vậy tất cả các chấtlỏng,</b>

<b>khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu</b>

2. siêu dẫn,3. silicon,

4. polyme dẫn điện

Vật liệu kim loại. Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của cácnguyên tố kim loại, trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyêntử nào.

Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại là:- Đắt và khá đắt,

- Dẫn nhiệt, dẫn điện cao,

- Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, khơng cho ánh sáng thường đi qua, dẻo dễbiến dạng dẻo.

- Có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

- Trừ nhôm ra các kim loại thông dụng như sắt, đồng... đều khá nặng, - Nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng đượcyêu cầu đa dạng của kỹ thuật.

<b>Ceramic (vật liệu vơ cơ). Vật liệu này có nguồn gốc vơ cơ, là hợp chất</b>

kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét,ximăng, thủy tinh. Các tính chất điển hình của vật liệu vơ cơ - ceramic là:

- Rẻ và khá rẻ.- Khá nặng.

- Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện).

- Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vậtliệu hữu cơ.

<b>Polyme (vật liệu hữu cơ). Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà</b>

thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrơ và các á kim, có cấu trúc đại phântử. Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ polyme là:

- Rẻ và khá rẻ.

- Dẫn nhiệt, dẫn điện kém.- Khối lượng riêng nhỏ.

- Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao.

- Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, phânhủy ở nhiệt độ tương đối thấp.

<b>Compozit. Vật liệu này được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba loại</b>

vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần.Ví dụ bêtơng cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu néncao (như bêtông). Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme,kim loại - ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn.Ngồi ra có những nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên:

- Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trunggian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn).

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

- Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vậtliệu hữu cơ hơn

<b>2. Cấu tạo mạng tinh thể.</b>

<b>2.1. Cấu tạo nguyên tử kim loại.</b>

Như đã học ở môn "Vật Lý", nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mangđiện tích dương) và các điện tử bao quanh (mang điện tích âm) mà ở trạng tháibình thường được trung hịa về điện. Hạt nhân gồm prơtơn (điện tích dương) vànơtron (khơng mang điện). Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo cácmức năng lượng từ thấp đến cao. Cấu hình điện tử (electron configuration) chỉrõ: số lượng tử chính (1, 2, 3...), ký hiệu phân lớp (s, p, d...), số lượng điện tửthuộc phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hìnhđiện tử là 1s<small>2</small> 2s<small>2</small> 2p<small>6</small> 3s<small>2</small> 3p<small>6</small>3d<small>10</small> 4s<small>1</small>, qua đó biết được số điện tử ngồi cùng (ởđây là 1, hóa trị 1). Trong số kim loại có nhóm kim loại chuyển tiếp là loại có

phân lớp ngồi cùng bị thiếu điện tử. Ví dụ: Fe có Z = 26 có cấu hình điện tửlà1s<small>2</small> 2s<small>2</small> 2p<small>6</small> 3s<small>2</small> 3p<small>6</small> 3d<small>6</small> 4s<small>2</small> (trong trờng hợp này phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6,nếu đủ phải là 10 như trường hợp của Cu).

<b>2.2. Cấu tạo tinh thể kim loại.</b>

- Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân).

+ Mạng tinh thể là mơ hình hình học mơ tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong khơng gian (hình 1.2b).

+ Ơ cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diệnchung cho mạng tinh thể (Hình 1.2c). Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểudiễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ơ cơ bản người taxác định các thơng số mạng. Ví dụ như trên ơ lập phương thể tâm (Hình 1.3) cóthơng số mạng là a là chiều dài cạnh của ô. Đơn vị đo của thông số mạng làĂngstrong (Angstrom), ký hiệu: A

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 1.2. Cấu tạo mạng tinh thể- Các kiểu mạng tinh thể thường gặp:

+ Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ởtâm của khối lập phương. Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα ,Cr, W, Mo, V…

Hình 1.3. Ơ cơ sở mạng lập phương thể tâm

+ Lập phương diện tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm)các mặt của hình lập phương. Các kim loại ngun chất có kiểu mạng này như:Feg, Cu, Ni, Al, Pb…

Hình 1.4. Ơ cơ sở mạng lập phương diện tâm

+ Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tửnằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâmcủa 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau. Các kim loại nguyên chất có kiểu mạngnày như: Mg, Zn…

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 1.5. Ơ cơ sở mạng lục giác xếp chặt

Như vậy có thể xem một khối kim loại nguyên chất là tập hợp vô số cácmạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô sốcác ô cơ sở và dạng của từng ô cơ sở tùy thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó.

Hình 1.6. Cấu tạo của kim loại

a, b. Ô cơ sở; c. mạng cơ sở; d. Các hạt tinh thể sắp xếp trong kim loại; e. Bề mặt kim loại khi được phóng đại

<b>2.3. Các dạng ô cơ bản của mạng tinh thể kim loại.</b>

Như đã nói khơng 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 theotrật tự, có quy luật đó bao giờ ta cũng tìm đợc hình khơng gian nhỏ nhất đặc trư-ng cho quy luật sắp xếp đó đợc gọi là ơ cơ sở. Như mạng tinh thể lập phương(đơn giản) được biểu diễn ở hình 1.7 có thể được đặc trưng, biểu thị một cáchđầy đủ bằng hình (khối) lập phương (được vẽ đậm trong hình b). Sau đây khitrình bày các kiểu mạng tinh thể ta chỉ cần đa ra ô cơ sở của nó là đủ. Do tínhđối xứng, từ một ô cơ sở tịnh tiến theo ba chiều đo trong không gian sẽ đợcmạng tinh thể.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 1.7. Cấu trúc mạng tinh thể lập phương

Ô cơ sở được xây dựng trên ba vectơ đơn vị tương ứng với ba trụctọa độ Ox, Oy, Oz đặt trên ba cạnh của ô như biểu thị ở hình 1.7. Mơđun của bavectơ đó a, b, c là kích thước của ơ cơ sở cịn gọi hằng số mạng hay thơng sốmạng, vì chúng đặc trng cho từng nguyên tố hóa học hay đơn chất. Các góc <small>α, β,γ</small> hợp bởi các véctơ đơn vị.

mặt thoi (ba phương)

a ≠ b ≠ c a ≠ b ≠ c a ≠ b ≠ c

α ≠ β ≠ γ

α = γ = 90^o ≠ βα = β = γ = 90^oα = β = γ ≠ 90^o

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

lục giác (sáu phương)

chính phương (bốn phương) a = b ≠ clập phương

a = b = c a = b ≠ c a = b ≠ ca = b = c

α = β = 90^o, γ = 120^oα = β = γ = 90^o

α = β = γ = 90<small>o</small>

<b>2.3.1. Nút mạng</b>

Nút mạng tương ứng với các tọa độ lần lượt trên các trục tọa độ Ox, Oy, Ozđã chọn được đặt trong dấu móc vng [ x,y,z ], giá trị âm biểu thị bằng dấu " -" trên chỉ số tương ứng, ví dụ: trên chỉ số tương ứng với trục Oy có giá trị âm là[x, y ,z ].

<b>2.3.2. Chỉ số phương</b>

Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được ký hiệu bằng [ u v w ];như vậy chỉ cần biết hai nút mạng trên chúng sẽ xác định được phương đã cho.Do tính quy luật trong sắp xếp nguyên tử mà các phương song song với nhau cótính chất hồn tồn như nhau nên sẽ có cùng một chỉ số phương lấy theo phươngđi qua gốc tọa độ O. Ba chỉ số u, v, w là ba số nguyên t礃ऀ lệ thuận với tọa độ củamột nút mạng nằm trên phơng đó song gần gốc tọa độ nhất. Trên hình 1.9 giớithiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập phương:

- Đường chéo khối [111], - Đường chéo mặt [110], - Cạnh [100].

Hình 1.9. Các phương điển hình của hệ lập phương

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>2.3.3. Chỉ số Miller của mặt tinh thể</b>

Mặt tinh thể là mặt phẳng được tạo nên bởi các (ít nhất là ba) nút mạng. Cóthể coi mạng tinh thể như gồm bởi các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song

<i>với nhau và cách đều nhau. Các mặt tinh thể song song với nhau do có tố như</i>

chất hồn tồn giống nhau như vậy nên có cùng một ký hiệu. Người ta ký hiệumặt bằng chỉ số Miller (h k l). Các chỉ số h, k, l được xác định theo các bướcnhư sau:

- Tìm giao điểm của mặt phẳng trên ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz, xác địnhđộ dài đoạn thẳng từ gốc tọa độ đến các giao điểm, rồi lấy các giá trị nghịch đảo.

<small> </small>- <small>Q</small>uy đồng mẫu số chung, lấy các giá trị của tử số, đó chí như là các chỉ số h,k, l t<small>ư</small>ơng ứng cần tìm<small>.</small>

<b>2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể.2.4.1. Đơn tinh thể</b>

Nếu chất rắn tinh thể chỉ là một khối mạng đồng nhất tức cùng kiểu vàhằng

số mạng cũng như phương không đổi hướng trong tồn bộ thể tích thì được gọi

<i>là đơn tinh thể (hình 1.10a). Trong thiên nhiên tìm thấy một số khống vật có</i>

thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể. Chúng có bề mặt ngồi nhẵn, hình dáng xácđịnh, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các mặt xếp chặtnhất). Các đơn tinh thể kim loại khơng tồn tại trong tự nhiên, muốn có phải dùngcơng nghệ "ni"đơn tinh thể. Đơn tinh thể có tính chất rất đặc thù là dị hướngvì theo các phương mật độ xếp chặt nguyên tử khác nhau như đã trình bày ởtrên. Trong sản xuất cơ khí hầu như khơng sử dụng đơn tinh thể, nó được dùngrộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 1.10. Mơ hình đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b),tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể: đường tối là biên

hạt (c), cấu trúc của siêu hạt (d)

<b>2.4.2. Đa tinh thể2.4.2.1. Hạt</b>

Trong thực tế hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồmrất nhiều (đơn) tinh thể nhỏ (cỡ µm) 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 khácnhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là

<i>biên hạt (hay biên giới hạt) như trình bày ở hình 1.10b.</i>

- Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay các hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấy

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

đợc qua kí như hiển vi, thường là quang học). Qua mài phẳng và mài nhẵn đến bóng như gương, rồi ăn mịn nhẹ, mẫu kim loại được đặt vào trong kí như hiển vi để quan sát. Chùm tia sáng vng góc tới bề mặt nhẵn (trừ các phần lồi lõm) đều được phản xạ trở lại nên ảnh có màu sáng. Qua ăn mòn nhẹ (còn gọi là tẩm thực) biên hạt bị ăn mòn mạnh hơn, lõm xuống làm tia sáng chiếu tới bị hắt đi, bị tối, nên thấy rõ các đường viền tối như ở hình 1.10c. Thực chất tổ chức tế vi biểu thị cấu trúc của mặt cắt ngang qua các hạt theo quy luật ngẫu nhiên.

<b>2.4.2.2. Độ hạt</b>

Người ta có thể cảm nhận được độ lớn của hạt hay tinh thể khi quan sátchỗ vỡ của kim loại qua độ xù xì, gợn hạt của nó. Như sau này sẽ biết hạt to haynhỏ ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính nên rất cần đánh giá chúng về mặt địnhlượng.

Trong nghiên cứu kim loại thường dùng khái niệm độ hạt, biểu diễn bằng kíchthước (khoảng cách giữa hai mép đối diện, đơi khi cịn gọi là đường kính) trungbình các hạt trên tổ chức tế vi. Để xác định độ hạt người ta hay dùng các cấp hạttheo tiêu chuẩn ASTM. Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấpchính đánh số từ 00, 0, 1,2...., 14 theo trật tự hạt nhỏ dần, trong đó tám cấp thư-ờng dùng là từ 1 đến 8. Gọi Z là số hạt có trong hình vng của tổ chức tế vi với

<i>độ phóng đại x100, cạnh khoảng 2,5cm (đó chính là 1inch</i><small>2</small><i> ≈ 6,25cm<small>2</small></i>) và N làcấp hạt, chúng có quan hệ Z = 2<small>N-1</small>.

Người ta thường xác định cấp hạt bằng cách so sánh ở cùng độ phóng đại(thường là x100) giữa tổ chức tế vi với thang ảnh cấp hạt chuẩn. Với các cấpthơng dụng từ 1 đến 8 kích thước (đường kính) hạt thay đổi từ cỡ trên dới

<i>300µm đến trên dới 25µm như biểu thị ở bảng 1.2.</i>

Bảng 1.2. Các cấp chuẩn chính theo ASTM

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b> 2.4.2.3. Siêu hạt</b>

Nếu như khối đa tinh thể gồm các hạt (kích thước hàng chục - hàng trăm

<i>µm) với phương mạng lệch nhau một góc đáng kể (hàng chục độ), đến lượt mỗihạt nó cũng gồm nhiều thể tích nhỏ hơn (kích thước cỡ 0,1 ÷ 10µm) với phương</i>

mạng lệch nhau một góc rất nhỏ (không quá 1-2<small>o</small>) chúng được gọi là siêu hạt hayblock như biểu thị ở hình 1.10d. Như vậy biên giới siêu hạt cũng bị xô lệch như-ng với mức độ thấp hơn và có chiều dày nhỏ hơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Hình 1.12. Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100

<b>3. Sự kết tinh của kim loại.</b>

Trong các mục trước đã khảo sát cấu trúc mạng tinh thể của các nguyên tố,hợp chất và tổ chức (hạt), bây giờ hãy xem chúng được hình thành như thế nàocùng các quy luật chi phối. Phần lớn kim loại hợp kim được chế tạo (luyện) ra ởtrạng thái lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức qua kết tinh, sau đó mớiqua các dạng gia cơng khác nhau (ví dụ, biến dạng dẻo: cán) để thành bán thànhphẩm và sản phẩm. Như vậy kết tinh được coi là bước khởi tạo của sự hìnhthành tổ chức: các hạt với cấu trúc tinh thể. Nghiên cứu quá trình kết tinh sẽ làmsáng tỏ các quy luật chi phối sự tạo thành hạt nhờ đó có thể tìm ra các biện phápnhận đợc độ hạt theo ý muốn, nâng cao chất lượng vật liệu. Hơn nữa các quyluật kết tinh (từ trạng thái lỏng) cũng có những đặc điểm chung như các quy luậtchuyển pha ở trạng thái rắn (nhiệt luyện, kết tinh lại...), nên sẽ giúp nắm vữngcác quá trình tương ứng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<b>3.1. Điều kiện xảy ra kết tinh.</b>

Trước tiên hãy xét xem sự kết tinh có thể xảy ra được trong các điều kiệnnào? Để trả lời câu hỏi này hãy đi từ trạng thái xuất phát của nó - trạng tháilỏng.

<b>3.1.1. Cấu trúc ở trạng thái lỏng</b>

Chất lỏng chỉ có trật tự gần (mà khơng có trật tự xa) tức trong nó có nhữngnhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động tức là chỉ cókhả năng tồn tại trong thời gian rất ngắn, nhanh chóng tan ra rồi lại tạo thành ởchỗ khác. Một dạng tồn tại như vậy cho thấy về mặt cấu trúc trạng thái lỏng gầntrạng thái tinh thể hơn là trạng thái khí , điều này giúp nó kết tinh (tạo nên mạngtinh thể và hạt) một cách dễ dàng.

<b>3.1.2. Biến đổi năng lượng khi kết tinh</b>

Sự biến đổi năng lợng quyết định chiều hướng của mọi chuyển biến (nhưphản ứng hóa học, chuyển pha, kết tinh...). Trong tự nhiên mọi quá trình tự phátđều xảy ra theo chiều hướng giảm năng lượng dự trữ. Ví dụ, mọi vật đều có xuhướng tự giảm độ cao vì ở vị trí thấp có dự trữ năng lượng (thế năng) nhỏ hơn.Đối với chuyển trạng thái cũng vậy, động lực thúc đẩy nó cũng là năng lượng dựtrữ - chuyển động của nguyên tử, phân tử, ion - được đặc trưng bằng đại lượng

<i>được gọi là năng lượng tự do F (vì khơng đo được giá trị tuyệt đối nên có thể</i>

biểu thị bằng ∆F). Năng lượng tự do của các trạng thái phụ thuộc nhiều vàonhiệt độ. Hình 1.13 biểu thị sự biến đổi của F của trạng thái lỏng và rắn (tinhthể) theo nhiệt độ:

- Ở nhiệt độ To > Tso vật thể tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự docủa trạng thái lỏng nhỏ hơn rắn, Fl < Fr, sự kết tinh cha xảy ra,

- Ở nhiệt độ To < Tso vật thể ở trạng thái tinh thể vì Fr < Fl.

Như thế, khi làm nguội qua Tso (tại đó Fl = Fr) sẽ có sự chuyển trạng tháitừ

lỏng sang tinh thể, tức xảy ra kết tinh, nên Tso được gọi là nhiệt độ kết tinh (hay

<i>nóng chảy) nhưng chỉ có tính lý thuyết và đợc coi như một đặc trng cho nguyên</i>

tố hay đơn chất. Sở dĩ nói có tí nh lý thuyết vì thật ra trong điều kiện thông

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

thư-ờng, tại đúng nhiệt độ đó (To = Tso) khi làm nguội vẫn cha xảy ra kết tinh, khinung nóng vẫn cha xảy ra nóng chảy do hai trạng thái lỏng - rắn cân bằng nhau,

<i>tức vẫn duy trì trạng thái ban đầu. Vì thế sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độthấp hơn nhiệt độ kết tinh (lý thuyết) Ts kể trên một khoảng nhất định để tại đóFr < Fl một cách rõ rệt. Đó là điều kiện để xảy ra kết tinh.</i>

<i>Hình 1.13. Sơ đồ biến đổi năng lượng tự do ∆F của </i>

các trạng thái rắn, lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Cũng với lý luận tương tự cho khi nung nóng: sự nóng chảy thực tế sẽ xảy raở nhiệt độ > , độ chênh lệch giữa chúng đợc gọi là độ quá nung.

<b>3.2. Hai quá trình của sự kết tinh</b>

Ở nhiệt độ T<Ts sự kết tinh xảy ra được là nhờ hai quá trình cơ bản nối tiếpnhau xảy ra là tạo mầm và phát triển mầm.

<b>3.2.1. Tạo mầm</b>

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

<i>những nhóm trật tự gần (ln có sẵn trong kim loại lỏng) với kích thước đủ lớn,được cố định lại, chúng không bị tan đi nh trớc đó mà phát triển lên nh là trung</i>

tâm của tinh thể (hạt). Người ta phân biệt hai loại mầm: tự sinh và ký sinh.

Mầm tự sinh: Là sự tạo mầm từ kim loại lỏng đồng nhất (đồng thể) khơngcó sự trợ giúp của các phần từ rắn có sẵn ở trong nó. Lúc đó những nhómnguyên tử trật tự gần nào có kích thước đủ lớn r ≥ rth (với giả thiết rằng chúng là

<i>các khối hình cầu bán kính r) mà theo tính tốn về nhiệt động học, rth (bán kính</i>

tới hạn của mầm) được tính theo cơng thức

Trong đó: σ - sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng,

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

Một khi r ≥ rth nhóm trật tự gần trở nên ổn định, không bị tan đi, phát triểnlên thành hạt. Đó là các mầm tự sinh. Khi kết tinh ở nhiệt độ càng thấp, độ quánguội ∆To càng lớn thì ∆fv cũng càng lớn, rth càng nhỏ; điều này cũng tươngđồng với có càng nhiều nhóm trật tự gần có sẵn trong chất lỏng dễ dàng thỏamãn điều kiện về kích thước này nên càng có nhiều mầm.

<i>Mầm ký sinh: Là sự tạo mầm ở trên bề mặt phân tử rắn có sẵn ở trong kimloại lỏng không đồng nhất (dị thể) và là dạng tạo mầm thực tế và đơn giản hơnnhiều. Nó thực tế ở chỗ kim loại lỏng dù nguyên chất đến đâu cũng cịn tạp chất</i>

trong đó có các phần tử rắn khó chảy, hơn nữa trong sản xuất thực tế không thểtránh được sự lẫn vào của những phần tử rắn khác như: bụi tường lò, bụi than,bụi chất sơn khn...và ngay cả thành khn. Mầm (nhóm trật tự gần có sẵn

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

trong kim loại lỏng) sẽ gắn lên các bề mặt có sẵn đó theo những mặt tương thích(có cấu trúc gần giống nhau), do đó sức căng bề mặt giữa chúng (giữa hai chấtrắn) nhỏ hơn nhiều giữa mầm và kim loại lỏng (giữa rắn và lỏng), nên giá trị rthđòi hỏi nhỏ đi, càng tạo điều kiện dễ dàng cho tạo mầm. Thực tế là trong nhiềutrường hợp người ta còn cố ý tạo ra và đa các phần tử rắn vào để giúp kết tinh,sẽ được nói tới ở mục sau.

<b>3.2.2. Phát triển mầm</b>

Người ta đã tính tốn được rằng khi đạt đến kích thước tới hạn rth, sự pháttriển lên về kích thước của mầm là quá trình tự nhiên vì làm giảm năng lượng tựdo. Cần nói thêm rằng trong quá trình phát triển mầm, lệch xoắn đóng vai trịquan trọng nhờ bậc thang trên bề mặt không bao giờ mất đi, để các nguyên tửbám dựa vào một cách chắc chắn.

Trong các điều kiện thông thường (làm nguội tơng đối nhanh) thoạt tiên sựphát triển mầm mang tính dị hướng tức lớn lên rất nhanh theo một số phương

<i>tạo nên nhánh cây. Điều này có nghĩa lúc đầu mầm phát triển nhanh theo trục</i>

bậc I (A) (hình 1.14), rồi từ trục chính này tạo nên trục bậc II (B) vng góc vớitrục bậc I, rồi từ trục bậc II phân nhánh tiếp tạo nên trục bậc III (C)... cứ như vậynhánh cây đợc hình thành. Sau đó kim loại giữa các nhánh cây mới kết tinh tạonên hạt (tinh thể) đặc kín, như vậy cuối cùng nói chung khơng thấy trực tiếp đ-ược nhánh cây. Đơi khi có thể phát hiện ra nhánh cây ở vùng trên cùng, do kếttinh sau cùng, kim loại lỏng giữa các nhánh cây đã bù - bổ xung - CO cho cácphần đã kết tinh trước làm trơ ra nhánh cây. Nếu kim loại giữa các nhánh câykhông được bổ xung đầy đủ sẽ tạo nên rỗ co giữa các nhánh cây. Có thể thấygián tiếp các nhánh cây bằng tẩm thực hợp kim, do sự sai khác thành phần giữaphần kết tinh trước và kết tinh sau. Mầm cũng phát triển nhanh theo phương tảnnhiệt mạnh hơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<i>Hình 1.14. Các trục của nhánh cây (a) </i>

- Từ mỗi mầm tạo nên một hạt,

- Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trớc có nhiều thời gian và kim loạilỏng

bao quanh, có điều kiện phát triển nên hạt sẽ to hơn; ngược lại các hạt từ mầmsinh sau sẽ nhỏ hơn, do vậy các hạt khơng thể có kích thước hồn tồn đồngnhất, song thông thờng sự chênh lệch cũng không lớn,

- Do các mầm định hớng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương mạng ở các hạt cạnh nhau không đồng hướng, lệch nhau một cách đáng kể, do đó xuất hiện vùng biên hạt với mạng tinh thể bị xô lệch.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai phơng (tức theo một mặt) nào đó, hạtsẽ có dạng tấm, lá, phiến nh grafit trong gang xám.

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phương nào đó, hạt sẽ có dạng đũa,cột hay hình trụ.

- Dạng tinh thể hình kim (đầu nhọn) tồn tại trong một số trờng hợp (ví dụ,khi nhiệt luyện).

<i>Hình 1.15. Quá trình tạo và phát triển mầm theo thời gian</i>

(các hình a,b,c) và kết thúc ở giây thứ n (d).

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<b>4. Tính chất chung của kim loại và hợp kim.4.1. Cơ tính.</b>

Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kimchịu tác động của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm:

<b>4.1.1. Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực bên ngoài mà</b>

không bị phá hỏng.

Tùy theo các dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độ bền: độbền kéo (sk), độ bền nén (sn), độ bền uốn (su).

Đơn vị đo của độ bền thường dùng là N/mm2 hoặc MN/mm2.

<b>4.1.2. Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại</b>

lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén mà vếtlõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu đó càng kém.

Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơnvị đo độ cứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC),Vicke (HV).

<b>4.1.3. Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà</b>

khơng bị phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài.

Để xác định độ dẻo người ta thường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêucùng xác định trên mẫu sau khi thử độ bền kéo:

- Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khibị kéo đứt.

- Độ thắt tiết diện tương đối (ψ): là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết diệnsau khi bị kéo đứt.

Ở đây: l0 và l1 là chiều dài mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vịđo.

F0 và F1 là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùngđơn vị đo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<b>4.1.4. Độ dai va đập: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà</b>

không bị phá hủy, ký hiệu là ak và đơn vị đo là J/mm<small>2</small> hoặc kJ/m<small>2</small>.

<i><b>4.2.1. Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm</b></i><small>3</small> vật chất.

<i><b>4.2.2. Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy lỗng khi bị đốt nóng và</b></i>

đơng đặc lại khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặcsang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quantrọng trong cơng nghệ đúc, hàn.

<i><b>4.2.3. Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng</b></i>

hoặc bị làm lạnh. Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăngvà ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống.

<i><b>4.2.4. Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại</b></i>

thay đổi. Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở.

<i><b>4.2.5. Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại. So</b></i>

sánh tính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tínhdẫn điện cũng tốt và ngược lại.

<i><b>4.2.6. Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt,</b></i>

coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tínhnhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong củakim loại.

<b>4.3. Hóa tính.</b>

<b> Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác</b>

như: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy. Tính năng hóa học của kim loại cóthể chia thành các loại sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<b>4.3.1. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của</b>

mơi trường xung quanh.

<b>4.3.2. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy trong</b>

không khí ở nhiệt độ cao.

<b>4.3.3. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của mơi</b>

trường axit.

<b>4.4. Tính cơng nghệ.</b>

Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính cơng nghệ baogồm các tính chất sau:

<b>4.4.1. Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy lỗng, độ co và thiên tích.</b>

- Độ chảy lỗng biểu thị khả năng điền đầy khn của kim loại và hợp kim.Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt.

- Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém.

<b>4.4.2. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực</b>

tác dụng bên ngồi mà khơng bị phá hủy.

Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp. Gang khơngcó tính rèn vì giịn. Đồng, nhơm, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội.

<b>4.2.3. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi</b>

nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo.

<b>4.2.4 Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia cơng dễ hay khó, được xác</b>

định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt.Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất qnhưng tính cơng nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạothành sản phẩm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b>CHƯƠNG 2. HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC</b>

<b>Giới thiệu: Nội dung chương này trình bày cấu trúc tinh thể của hợp kim và</b>

giản đồ trạng thái Fe-C

<b>Mục tiêu:</b>

- Trình bày được cấu trúc tinh thể hợp kim.

- Mô tả được những chuyển biến trên giản đồ pha Fe -C.

- Rèn luyện được tính k礃ऀ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao tronghọc tập.

- Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

với hai hay nhiều nguyên tố khác, đó là hợp kim phức tạp. Nguyên tố kim loạichính, chứa nhiều nhất (> 50%) được gọi là nền hay nguyên tố chủ. Thành phầncủa các nguyên tố trong hợp kim(và trong ceramic) thường được biểu thị bằngphần trăm khối lượng (khi bằng phần trăm nguyên tử phải chỉ định rõ kèm theo),trong polyme được biểu thị bằng phần trăm thể tích.

<b>1.2. Các tổ chức của hợp kim.</b>

Các tổ chức của hợp kim: gồm có dung dịch rắn và hợp chất hóa học

Dung dịch rắn: Dung dịch rắn là tổ chức của hợp kim tạo bởi 2 hay nhiềungun tố, có khả năng hịa tan vào nhau ở trạng thái rắn và tạo nên một thể rắnđồng nhất. Dung dịch rắn có 2 loại: dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xenkẽ.

Hình 2.1. Dung dịch rắn thay thế và xen kẽ.

Dung dịch rắn: ký hiệu: A(B), trong đó A là ngun tố dung mơi với nồngđộ > 50% và B là nguyên tố hòa tan với nồng độ < 50%

• Dung dịch rắn có đặc điểm sau : • Mạng tinh thể là mạng của dung mơi • Tính chất: mang tính chất dung mơi

• Ví dụ: sắt hịa tan cacbon là một tổ chức có trong thép, gọi là Ferit Fe(C).Tổ chức này có cấu trúc mạng tinh thể của sắt. Do vậy nó mang tính chất củaFe : có độ bền thấp, độ dẻo và độ dai cao. Hợp chất hóa học: là tổ chức của hợpkim được cấu thành bởi 2 hay nhiều nguyên tố, có khả năng tác dụng hóa họcvới nhau ở trạng thái rắn để tạo ra một chất mới với tích chất mới.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Hình 2.2. Kí hiệu cơng thức hóa họcHợp chất hóa học: ký hiệu: AmBn

• Hợp chất hóa học có những đặc điểm sau :

• Mạng tinh thể mới: khác mạng tinh thể A và mạng tinh thể B.

• Tính chất: mạng tính chất mới, cứng nhưng giịn hơn các ngun tố hợpkim (khác tính chất A và khác tính chất của B).

• Ví dụ: hợp chất cacbit sắt Fe3C chứa trong thép cacbon làm cho thépcứng & giòn hơn sắt (Fe) và cacbon (C) nguyên chất.

<b>2. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C (Fe- Fe<small>3</small>C).</b>

Giản đồ pha Fe - C (chỉ xét hệ Fe - Fe3C) khá phức tạp, rất điển hình đểminh họa các tương tác thường gặp và đợc sử dụng rất nhiều trong thực tế.

Vì vậy hiểu rõ giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều điều bổ ích.

Nói là giản đồ pha Fe - C song thực tế chỉ khảo sát một phần (phần giàuFe) với lượng cacbon đến 6,67 % (tương ứng với hợp chất Fe3C) - tức hệ Fe -Fe3C. Ngồi ra cịn có giản đồ Fe - grafit là hệ cân bằng ổn định nhất, songtrongthực tế rất khó đạt tới, nên giản đồ Fe - Fe3C cũng được coi là cân bằng ổnđịnh (đúng hơn là cân bằng ổn định giả).

<b>2.1. Sự tương tác của Fe và C.</b>

Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quả đất. Sắt nguyên chất kỹ thuật cócơ tính như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

So với các kim loại khác (nhơm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạngnguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sửdụng. Khi đa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra cả hai tương tác(hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian), đều có tác dụng hóabền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn (sắt) và đang đợc sử dụng mộtcách rộng rãi nhất.

<b> 2.1.1. Sự hòa tan của cacbon vào sắt</b>

Như đã nói do quan hệ kích thước ngun tử (cacbon nhỏ hơn sắt, rC =

<i>0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thể hịa tan có hạn vào sắt ở dạng</i>

dung dịch rắn xen kẽ. Như đã biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phươngtâm khối A2 (tồn tại ở < 911<small>o</small>C - Feα và 1392 ÷1539<small>o</small>C - Feδ) và lập phương tâmmặt A1 (911÷1392oC - Feγ) với các lỗ hổng có kích thước khác nhau và do đókhả năng hịa tan cacbon khác nhau.

Bằng những tính tốn hình học đơn giản có thể thấy rằng Fe<small>α và Feδ với</small>mạng lập phương tâm khối tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song mỗi lỗhổng lại có kích thước q nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn hơncó r = 0,291rFe), lớn nhất cũng cha bằng 30% kích thớc của nguyên tử sắt hay

<i>gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon, chỉ chứa nổi khối cầu r = 0,0364nm,</i>

không thể nào chứa nổi nguyên tử cacbon. Do vậy về nguyên lý Feα và Feδkhơng có khả năng hịa tan cacbon hay độ hịa tan cacbon trong chúng là khơngđáng kể (có thể coi bằng khơng).

Khác với Feα và Feδ, Feγ với mạng lập phơng tâm mặt A1 tuy có mật độ thểtích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhng lại có loại có kích thớc lớn hơn (lỗ bốn mặt r =0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe). Ở lỗ hổng tám mặt này có thể chứa đợc khối

<i>cầu r = 0,052nm, nên có khả năng thu xếp để nguyên tử cacbon lọt vào bằng</i>

cách gi∙n các nguyên tử sắt ra xa. Do vậy chỉ có FeO mới hịa tan được cacbon,tuy nhiên như đ∙ nói ngun tử hịa tan không thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng támmặt đó nên giới hạn hịa tan cacbon trong FeO chỉ là trên dới 10% nguyên tử.

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>2.1.2. Tương tác hóa học giữa Fe và C</b>

Khi lượng cacbon đa vào sắt vợt quá giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào dạngthù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn xenkẽ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành Fe3C gọi là xêmentit.Như đ∙ biết đó là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần 6,67%C +93,33%Fe. Thực ra cịn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên tronghợp kim thuần Fe - C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu khơng muốn nói làkhơng thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và đợc coi là ổn định. Trongthực tế sự tạo thành grafit có thể dễ dàng hơn nhiều khi có các yếu tố thuận lợivề thành phần và tốc độ nguội.

<b>2.2. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C.</b>

Thép và gang là các vật liệu chủ yếu trong ngành cơ khí. Cơ sở để nghiêncứu và nhiệt luyện chúng là giản đồ pha Fe – C. Vì vậy cần phải nghiên cứu kỹcàng về giản đồ này.

<b>2.2.1. Cấu tử Fe</b>

Sắt là nguyên tố có khá nhiều trong tự nhiên, hiện tại người ta đã luyệnđược sắt có độ sạch 99,99999%Fe. Trong thực tế sản xuất người ta thườngnguyên cứu với sắt có lượng chứa 99,8 – 99,9%. Sắt này gọi làsắt nguyên chấtkỹ thuật (sắt am kơ).

* Cơ tính: Sắt là ngun tố có cơ tính khá cao, cụ thể như sau:- Giới hạn bền kéo: = 250 MN/m<small>2</small> (MPa).

- Giới hạn chảy quy ước: δ0.2 = 120 MN/m<small>2</small>.- Độ giản dài tương đối: δ = 50%

- Độ thắt t礃ऀ đối: φ = 85%

- Độ dai va đập: ak = 3000Kj/m<small>2</small>.- Độ cứng 80HB

<i>* Tính đa hình của sắt: Sắt là kim loại có tính đa hình, nó có hai kiểu mạng</i>

<i><b>tinh thể ở các khoảng nhiệt độ khác nhau:</b></i>

- Mạng lập phương tâm khối tồn tại ở nhiệt độ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

+ Nhỏ hơn 911<small>0</small>C gọi là sắt anpha có a = 2,68 Kx. Dưới 768 <small>0</small>C có từtính, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính. Tại nhiệt độ cao hơn 768<small>0</small>C gọi là sắtbêta, có a = 2,90Kx.

+ Từ 1392<small>0</small>C đến 1539<small>0</small>C gọi là sắt denta có a = 2,93 Kx.

- Mạng lập phương tâm mặt tồn tại ở nhiệt độ: 910<small>0</small>C < t<small>0</small> < 1392<small>0</small>C gọi làsắt gama, có a = 3,56 Kx.

* Khả năng hồ tan cacbon của sắt:

Hai loại mạng tinh thể của sắt có khả năng hoà tan cacbon dưới dạng xenkẻ khác nhau. Đường kính nguyên tử cacbon là 1,54 Kx. Trong khi đó lỗ hổnglớn nhất trong mạng tâm khối có d = 0,64Kx. Mạng lập phương tâm mặt có lỗhổng ít hơn nhưng có kích thước lớn hơn d = 1,02Kx. Về ngun tắc thì sắtkhơng thể hồ tan cacbon được. Tuy nhiên trong thực tế:

- Sắt anpha hòa tan được 0,02% C ở nhiệt độ 727<small>0</small>C,- Sắt denta hòa tan 0,1% ở nhiệt độ 1499<small>0</small>C,

- Sắt gama hòa tan 2,14% ở nhiệt độ 1139<small>0</small>C.

Người ta cho rằng cacbon chui vào nơi có nhiều sai lệch mạng nhất. Sắtgama có khả năng hòa tan tối đa khoảng 10% nguyên tử sắt.

<b>2.2.2. Cấu tử cacbon</b>

- Các dạng tồn tại của cacbon: Trong tự nhiên cacbon tồn tại ba dạng: Thanđá (vô định hình), kim cương và graphít (có cấu tạo mạng tinh thể). Trong hợpkim Fe-C cacbon chỉ tồn tại tự do ở dạng graphit (trong các loại gang cógraphít).

-Tương tác hố học giữa Fe và C: Khi lượng hòa tan của cacbon vào sắtvượt quá giới hạn của dung dịch rắn thì sẽ tạo nên hợp chất hố học: Fe3C(6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C). Tuy nhiên trong hợp kim của sắtcacbon do chỉ sử dụng giới hạn khoảng 5% C nên chỉ có Fe3C và hợp chất nàycó tên là Xêmentit. Xêmentit là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độnóng chảy khoảng 1250<small>0</small>C và có độ cứng khoảng 800HB. Ở nhiệt độ nhỏ hơn217<small>0</small>C có từ tính. Lớn hơn nhiệt độ này mất từ tính. Khi hồ tan thêm các

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

nguyên tố hợp kim (Cr, Mn, W…) dưới dạng thay thế ta có xêmentit hợp kim(nguyên tố hợp kim thay thế vào vị trí của sắt).

<b>2.2.3. Giản đồ pha Fe-C (Fe – Fe3C)</b>

<b> 2.2.3.1. Dạng tổng quát của giản đồ Fe-C</b>

Chúng ta chỉ nghiên cứu giản đồ pha chứa 6,67% C nên còn gọi là giản đồFe - Fe3C. Dạng giản đồ pha này nhìn rất phức tạp tuy nhiên nếu phân tích ra thìnó là tổng hợp của bốn loại giản đồ (SV tham khảo thêm). Ký hiệu các điểm vàtoạ độ của chúng đã được quốc tế hoá. Cụ thể như sau:

Hình 2.3 Giản đồ pha Fe-C (Fe – Fe3C)

- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắtđầu kết tinh.

- AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kếttinh.

- ECF là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic).- PSK là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid).- ES - giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ.

- PQ - giới hạn hòa tan cacbon trong Feα.

Bảng 2.1. Bảng phân bố nhiệt độ của giản đồ Fe - C

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

* Các chuyển biến pha khi làm nguội chậm

Trong giản đồ pha Fe-Fe3C có đầy đủ các pha đã nghiên cứu ở phần trướcđây. Khi là nguội chậm có các chuyển biến sau:

- Chuyển biến bao tinh: Xảy ra ở nhiệt độ 1499<small>0</small>C trong các hợp kim có 0,1÷ 0,5%C (tương đương đường HJB).

Song người ta thường không để ý đến phản ứng này vì xảy ra ở nhiệt độquá cao và khơng có ảnh hưởng gì đến tổ chức của thép khi gia công và sử dụng. - Chuyển biến cùng tinh: Xảy ra ở nhiệt độ 1147<small>0</small>C trong các hợp kim cólượng cacbon lớn hơn 2,14% (tương đương đường ECF)

- Chuyển biến cùng tích: Xảy ra ở nhiệt độ 727<small>0</small>C, có hầu hết trong các hợpkim (đường PSK)

Sự tiết ra pha Fe3C ra khỏi dung dịch rắn Feɣ theo đường ES và trong Fetheo đường PQ.

<b>2.2.3.2. Các tổ chức của hợp kim Fe – Fe3C</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

- Pherit (Ferit) (ký hiệu ∝, F, hay ): Là dung dịch rắn xen kẻ của cacbontrong có kiểu mạng lập phương tâm khối. Là pha dẻo, dai, mềm và kém bền, ởnhiệt độ nhỏ hơn 768 <small>0</small>C có từ tính. Khi hịa tan các ngun tố hợp kim Mn, Si,Ni … độ bền của nó tăng lên, độ dẻo dai giảm đi gọi là pherit hợp kim. Pherittồn tại nhiệt độ thường, chiếm tỉ lệ khá lớn (khoảng > 90%) nên ảnh hưởng khánhiều đến cơ tính của hợp kim, tổ chức của nó là hạt sáng, da cạnh. Gọi là pheritxuất phát từ tiếng latinh ferum nghĩa là sắt.

Hình 2.4. Tổ chức tế vi của ferit(a) và austenit (b)

- Austenit [ ký hiệu ɣ, As, feɣ(C)]: Là dung dịch rắn xen kẻ của cacbontrong feɣ có mạng lập phương tâm mặt. Là pha rất dẻo và dai. Nó khơng có từtính và khơng tồn tại ở nhiệt độ < 727<small>0</small>C trong hợp kim sắt cacbon nguyên chất,chỉ tồn tại ở đưới nhiệt độ này trong hợp kim chứa lượng đáng kể Mn, Ni… Tuykhông tồn tại ở nhiệt độ thường nhưng vai trò quyết định trong biến dạng nóngnhiệt luyện thép. Tổ chức của nó là hạt sáng có song tinh. Tên gọi austenit để k礃ऀniệm nhà vật liệu học người Anh là Rôbe Ôsten.

- Xêmentit (ký hiệu Xê, Ce, Fe3C): Là pha xen kẻ có kiểu mạng phức tạp,chứa 6,67%C và cơng thức Fe3C, tương đương đường DFKL. Xêmentit là phacứng dòn, ở nhiệt độ nhỏ hơn 217<small>0</small>C có từ tính, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính.Cùng với ferit, nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C. Xêmentitxuất phát từ tên gọi cément có nghĩa là cứng. Ta phân biệt 4 loại xêmentít:

<i>+ Xêmentít thứ nhất: (Xê1, Fe3CI): Được hình thành từ hợp kim lỏng dogiảm nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng theo đường CD khi nhiệt độ giảm. Nó</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

chỉ có trong các hợp kim chứa > 4,3 %C. Do tạo thành hợp kim lỏng và ở nhiệtđộ cao nên có dạng thẳng và thơ to.

<i>+ Xêmentít thứ hai: (XêII, Fe3CII): Được hình thành do giảm nồng độ</i>

cacbon trong austentit theođường ES khi hạ nhiệt độ từ 1139<small>0</small>C đến 727<small>0</small>C, nósinh ra trong các hợp kim có > 0,8%C và thấy rõ nhất trong các hợp kim chứa từ0,8 đến 2,4%C. Do tạo thành ở nhiệt độ không cao lắm và từ trạng thái rắn nênkích thước nhỏ mịn, thường có dạng lưới bao quanh hạt peclit (austentit).

Hình 2.5. Tổ chức xêmentit2 dạng lưới thép sau cùng tích

<i>+ Xêmentít thứ ba: (XêIII, Fe3CIII): Được hình thành do giảm nồng độcacbon trong peclit theo đườngPQ khi hạ nhiệt độ từ 727</i><small>0</small>C, thấy rõ nhất trongcác hợp kim chứa 0,02%C. Do tạo thành ở nhiệt độ khơng cao lắm nên kíchthước nhỏ mịn, trong thực tế bỏ qua nó.

<i>+ Xêmentít cùng tích: Được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenitthành peclít, nó có vai trị quan trọng trong hợp kim sắt cacbon.</i>

<b>2.3. Tổ chức hợp kim Fe-C.</b>

Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau.

Ferit (cú thể ký hiệu bằng ỏ hay F hay Feα) là dung dịch rắn xen kẽ của

<i>cacbon trong FeO với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 ÷ 0,291nm) song do</i>

lượng hịa tan q nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727<small>o</small>C - điểm P, ở nhiệt độ thườngthấp nhất chỉ còn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Feα, cacbon khơng thểchui vào lỗ hổng của Feα, lượng cacbon hịa tan khơng đáng kể này là nằm ở cỏc

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

khuyết tật mạng, chủ yếu là ở vựng biờn giới hạt). Ferit cơ tính sắt từ nhưng chỉđến 768<small>o</small>C. Trên giản đồ nó tồn tại trong vựng GPQ (tiếp giáp với Fe<small>α trườn trục</small>sắt). Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất:dẻo, dai, mềm và kộm bền. Trong thực tế ferit cú thể hòa tan Si, Mn, P, Cr... nờnsẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tạiở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 727<small>o</small>C), song với t礃ऀ lệ cao nhất (trên dưới90%), nên nó đóng góp một t礃ऀ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe - C.Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình 2.6a có dạng các hạt sáng, đa cạnh.

Hình 2.6. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500).

Austenit [ có thể ký hiệu bằng ó, A, FeO(C) ] là dung dịch rắn xen kẽ của

<i>cacbon trong FeO với mạng lập phương tâm mặt (a ≈ 0,364nm) với lượng hòa</i>

đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 1147<small>o</small>C- điểm E, tức tối đa tính bình qn cứ ba ữ bốn ơ cơ sở mới có thể cho phép mộtnguyên tử cacbon định vị vào một lỗ hổng tám mặt trong chúng, ở 727<small>o</small>C chỉ còn0,80%C - điểm S). Khác với ferit, austenit khơng có tính sắt từ mà có tính thuậntừ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727<small>o</small>C) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Ftrên trục sắt) nên khơng có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợpkim nhưng lại có vai trị quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện.Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nênbiến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờcũng đợc thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên dới 1000<small>o</small>C).

</div>