Môn học Vật liệu học cơ sở Nội dung thuyết trình: thép dụng cụ, thép kết cấu

Môn học: Vật liệu học cơ sở.
Nội dung thuyết trình: thép dụng cụ, thép kết cấu.
B
à
i

t
h
u
y
ế
t

t
r
ì
n
h

n
h
ó
m

1
0
THÉP DỤNG CỤ
I. Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt.
.
Phải có độ cứng HRC ≥ 60.
.

Phải có tính chống mài mòm cao.

Tính chống mài mòn của thép phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Độ cứng .

Lượng cacbit dư.
.
Phải có tính cứng nóng.
.
Phải có độ bền, độ dai bảo đảm.
.
Phải có tính công nghệ nhất định.
.
Tính thấm tôi tốt để bảo đảm độ cứng cao và đồng nhất khi tôi trong dầu.
.
Có khả năng chịu gia công áp lực ở trạng thái nóng.
.
Có khả năng chịu gia công cắt ở trạng thái ủ(HB≤265).
.
Có tính mài mòm tốt sau khi tôi.
A. Thép làm dụng cụ cắt .

1 Thép cacbon .

Sau khi tôi + ram thấp có thể đạt HRC ≥ 60 đủ để cắt.

Dễ biến dạng nóng, gia công cắt và rẽ.

Song cũng để lộ nhiều nhược điểm quang trọng.


Độ thấm tôi thấp.

Tính cứng nóng thấp.

Công dụng: Do những nhược điểm kể trên nên rất ít dùng
thép cacbon làm dao cắt. nếu có sử dụng cũng chỉ làm
dao nhỏ, hình dạng đơn giản với năng suất thấp hay bằng
tay. Dụng cụ điểm hình làm thép dung cụ cacbon là giũa.
II. Thép làm dao với năng suất
thấp:

Đó là loại thép làm dao chỉ cắt đươc với tốc độ 5÷10m/min.


Đó là thép có thành phần cacbon cao và được
hợp kim hóa thấp và vừa phải với đặc tính có độ
thấm tôi tốt hơn, tính chống mài mòn cao.

Loại có tính thấm tôi tốt là loại được hợp kim
hóa thấp bằng 1%Cr. Thành phần hợp kim như
vậy có tác dụng:

Cải thiện tính thấm tôi

Nâng cao chút ít tính cứng nóng

Loại có tính chống mài mòn cao là loại có
cacbon rất cao(>1.3%). Có tác dụng tăng mạnh
tính chống mài mòn nên được dùng làm dao

tiện, phay với tốc độ cắt không lớn lắm để cắt
sửa các phôi cứng.
2 Thép hợp kim:

Đây là loại thép làm dao quan trọng nhất, tốt nhất, thỏa mãn cao nhất
các yêu cầu đối với vật liệu làm dao:

Tốc độ cắt 35-80m/min

Tính chống mài mòn và tuổi bền cao(8÷10 lần)

Độ thấm tôi đặc biệt cao, thấm tôi với tiếp diện bất kì

Thành phần hóa học và tác dụng của các nguyên tố:

Cacbon: làm cho thép gió cứng và tăng mạnh tính chống mài mòn.

Crôm: làm tăng độ thấm tôi.

Vonfram (là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất): duy trì độ cứng sau
khi tôi tới 600˚C.

Môlipđen: dùng để thay thế vonfram vì giá thành rẻ.

Vanadi: làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi.

Coban: làm tăng tính cứng nóng.

III. Thép làm dao năng suất cao – thép gió:
♥ Công dụng:
Làm dụng cụ cắt lớn, hình dạng phức tạp, điều kiện cắt
nặng và năng suất cao, tuổi thọ cao, tức liên quan đến
các loại dao phức tạp nhất, chủ chốt nhất, rất đa dạng
nên thép gió có tầm quang trọng quyết định trong chế tạo
dụng cụ cắt.
♥ Phân loại:

•
Thép gió với năng suất thường: là loại
có tính cứng nóng đến 615 ÷ 620˚C.
•
Thép gió với năng suất cao:là loại có
tính cứng nóng cao hơn khoảng 630 ÷
650˚C.
Tổ chức tế vi và nhiệt luyện
Nhiệt luyện kết thúc bằng tôi +ram quyết định độ cứng tính
chống mài mòn cao đặc biệt là tính cứng nóng theo yêu cầu.
1.Tôi:

Là nguyên công quyết định tính cứng nóng của thép gió với
đặc điểm là nhiệt độ tôi rất cao, khoảng dao động lại khá hẹp.
không cho phép tôi ở nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn giới
hạn quy định vì:

Khi nung thấp hơn, austenit chưa bảo hòa đủ W để nâng cao
tính cứng nóng.

Khi vượt quá nhiệt độ quy định, cacbit hòa tan nhiều, hạt lại

phát triển mạnh, thép bị giòn, thậm chí có trường hợp biên hạt
bị chảy.

Tuy nhiên khi vượt quá nhiệt độ quy định, cacbit
hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giòn,
thậm chí có trường hợp biên hạt bi chảy.

Nguyên lí chọn nhiệt độ tôi thép gió: là tận lượng
chọn nhiệt độ tôi cao để austenite chứa nhiều
vonfram nhất, để mactenxit tạo thành có tính cứng
nóng cao nhất.

Tuy nhiên khi vượt quá nhiệt độ quy định, cacbit
hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giòn,
thậm chí có trường hợp biên hạt bi chảy.

Nguyên lí chọn nhiệt độ tôi thép gió: là tận lượng
chọn nhiệt độ tôi cao để austenite chứa nhiều
vonfram nhất, để mactenxit tạo thành có tính cứng
nóng cao nhất.

Do austenite quá nguội có tính ổn định rất cao nên có thể áp
dụng nhiều cách tôi cho thép gió:

Tôi trong dầu nóng( > 60˚C ).

Tôi phân cấp trong muối nóng chảy( 400 - 600˚C ) với thời gian
giữ nhiệt là 3-5min.

Gia công lạnh để khử austenite dư sau khi tôi.


Tôi trong không khí.

Tôi đẳng nhiệt.
2. Ram:

Ram thép gió là nhằm làm mất ứng suất bên trong,
khử bỏ austenit dư, tăng độ cứng.
Phân loại:


Thép gió với năng suất thường: là loại có tính cứng
nóng đến 615 ÷ 620 ˚C.

Thép gió với năng suất cao:là loại có tính cứng
nóng cao hơn khoảng 630 ÷ 650 ˚C.
Công dụng:

Công dụng chính của thép gió là để làm dụng cụ cắt
lớn, hình dạng phức tạp, điều kiện cắt nặng và năng
suất cao , tuổi thọ cao, tức liên quan đến các loại
dao phức tạp nhất, chủ chốt nhất, rất đa dạng nên
thép gió có tầm quang trọng quyết định trong chế
tạo dụng cụ cắt
1. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội
Biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ thường – biến dạng nguội - là hình thức
gia công phổ biến trong chế tạo cơ khí với năng suất cao. Dụng cụ để
biến dạng như trục cán, khuôn dập, đột… có ý nghĩa quan trọng quyết
định năng suất và chất lượng sản phẩm.
*Yêu cầu:

1) Độ cứng cao: Độ cứng giới hạn dưới phải đạt tối thiểu 58÷62 HRC.
Tùy thuộc vào vật liệu cần cán mà có độ cứng khác nhau.
2) Tính chống mài mòn: Nhằm đảm bảo hàng chục ngàn lần dập.
3) Độ bền và độ dai bảo đảm: Chịu được tải trọng đặt vào lớn và
chịu va đập.
*Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội:
-Thành phần cacbon cao, thường ở mức trên dưới 1%
-Thành phần hợp kim phụ thuộc vào hình dạng, kích thước
khuôn và tính chống mài mòn.
-Nhiệt luyện.
♦ Đặc điểm liên quan đến kích thước khuôn
•
Thép làm khuôn bé(30÷40mm): hình dạng đơn giản, tải trọng nhỏ. Ta
có thể dùng các mác như CD100, CD120.
•
Thép làm khuôn trung bình(75÷100mm): bé nhưng có hình dạng phức tạp,
chịu tải trọng lớn phải dùng thép có khoảng 1%C và các nguyên tố hợp kim
Cr, W, Mn, Si. Ta có mác 100CrWMn là điển hình và được dùng phổ biến
•
Thép làm khuôn lớn và có tính chống mài mòn cao(200÷300mm): chịu tải
trọng nặng và bị mài mòn rất mạnh phải dùng thép Crôm cao tới 12%, và
cacbon rất cao:1,5÷2,2%.
•
Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập: Làm bằng thép hợp kim với
3÷5% nguyên tố hợp kim nhưng thành phần cacbon thấp: 0,4÷0,6.
Hiện nay có khuynh hướng dùng hợp kim cứng làm khuôn dập nguội.
2. Thép làm dụng cụ biến dạng nóng
Biến dạng nóng là hình thức gia công chủ yếu để chế tạo bán
thành phẩm và phôi trong sản xuất luyện kim và cơ khí.
♦ Điều kiện làm việc:

•
Dụng cụ (khuôn) luôn tiếp xúc với phôi nóng tới 1000˚C nên bản thân ̴
khuôn cũng bị nung nóng tới 500÷700˚C song không thường xuyên, liên
tục.
•
Do được nung nóng đến trạng thái austenite nên phôi thép có tính
dẻo cao, vì thế độ cứng của khuôn không cần cao như dụng cụ
biến dạng nguội.
•
Các dụng cụ biến dạng nóng thường có kích thước lớn, chịu tải
trọng lớn, có thể đạt tới vài trăm – vài nghìn tấn.
*Yêu cầu
•
Độ bền và độ dai cao, độ cứng vừa phải: chịu được tải trọng
lớn và va đập chỉ cần khoảng 35÷46 HRC.( quá độ cứng này
độ dai không bảo đảm).
•
Tính chống mài mòn cao: bảo đảm làm ra hàng chục ngàn
sản phẩm.
•
Chịu nhiệt độ cao, chống mỏi nhiệt: chịu được nhiệt độ
thay đổi tuần hoàn mà không gây ra rạn, nứt. nên thép
phải có tính chống ram cao.
*Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng:
•
Thành phần cacbon trung bình: tùy theo loại khuôn nên lượng
cacbon dao động từ 0,3÷0,5%.
•
Thành phần hợp kim thích hợp: đảm bảo tôi thấu, cơ tính đồng nhất
trên toàn tiết diện và đảm bảo tính chịu nóng. Để đảm bảo tính chống

ram thì thành phần W phải từ 8÷10%.
•
Nhiệt luyện: tôi+ram để đạt được tổ chức trôxtit ram có độ bền, độ
cứng, độ dai phù hợp với yêu cầu làm việc.
*Phân loại thép làm khuôn
•
Thép làm khuôn rèn:
Biến dạng trong các khuôn định hình được gọi chung là khuôn rèn.
Các khuôn rèn thường có kích thước lớn, chịu tải trong và va đập cao.Ở
nước ta hay dùng thép Cr-Ni hay Cr-Mn có hợp kim hóa thêm bằng Mo
hay W với thành phần cacbon khoảng 0,5%. Mác 50CrNiMo là điển hình
và được dùng phổ biến nhất.
•
Thép làm khuôn ép chảy:
1. Khác với khuôn rèn, khuôn ép chảy có kích thước bé hơn nhưng lại
chịu được nhiệt độ cao hơn, chịu được áp suất cao nhưng tải trọng va
đập nhỏ.
2. Phải đảm bảo được tính cứng nóng khá cao (600÷700˚C), phải dùng
các loại thép có đặc tính gần giống thép gió, thành phần hợp kim cao ̴
10% Cr và W, với cacbon từ 0,3÷0,4%, ngoài ra có thể thêm 1% V để
chống mài mòn và duy trì hạt nhỏ và 1% Mo để cải thiện tính thấm tôi.
3. Các mác thép thường dùng la 230Cr2W8V và 40Cr5W2VSi.
1.Thép xây d ngự
Đây là nhóm thép được dùng ở trạng thái cung cấp không qua nhiệt
luyện, chủ yếu để làm các kết cấu xây dựng.
a) Đặc điểm chung
Các kết cấu thép xây dựng thường là các thanh dài ghép lại với nhau
bằng các mối hàn chảy hoặc bắt bulong, tán rivet, chúng đòi hỏi các yêu
cầu kỹ thuật sau:
Về cơ tính, thép xây dựng phải có:

•
Độ dẻo tốt và cao ( ~ 15 35%) để phù hợp với đòi hỏi trong quá trình chế
tạo kết cấu các thanh, dầm thường phải chịu uốn (cong, gập)
•
Độ dai tốt (ak~500kJ/m2) để có thể chịu được các tải trọng va đập do
phương tiện giao thông hay gió, bão gây ra một cách đột ngột

Về tính công nghệ
Ngoài yêu cầu độ dẻo tốt và cao không những ở trạng thái nóng mà cả
ở trạng thái nguội như đã trình bày thép phải có tính công nghệ nổi bật
là tính hàn cao và bảo đảm vì phần lớn các kết cấu kim loại được ghép
lại bằng cách hàn chảy.
Về thành phần hóa học
Để đảm bảo đọ dẻo, độ dai và tính hàn cao thép
bị hạn chế hàm lượng cacbon.
Để đảm bảo tính hàn thép phải có 0,22%, thép
với lượng cacbon 0,25% tính hàn đã trở nên
kém.

Để xác định tính hàn ta có công thức:
Cdl = C + + +
Cdl không vượt quá 0,55%

b) Phân loại
Theo thành phần hóa học hay độ bền, thép xây dựng có hai phân
nhóm lớn: cacbon hay thông dụng và hợp kim thấp độ bền cao.
2)Thép thông dụng
Đặc điểm chung
Thép thông dụng là phân nhóm thép cacbon với chất lượng
thường, được sản xuất nhiều nhất, thường gặp nhất với độ bền

bình thường ( 0,2 300 320 MPa), có giá bán rẻ nên có thể gặp
chúng ở mọi nơi, mọi lúc dưới dạng các bán thành phẩm cán
nóng khác nhau( ống, thanh, góc, hình, lá ) rất dễ sử dụng và
thường được dùng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện.
Do tính phổ biến và đa năng người ta thường gọi nó là sắt. Nói
chung có thể dùng nó vào các mục đích thông thương, không
quan trọng trong cuộc sống cũng như trong xây dựng. Để chọn
được loại phù hợp ngoài phải có tiết diện quy định việc quyết định
cuối cùng là độ bền ở trạng thái cung cấp, do vậy mọi việc trở nên
đơn giản và nhanh chóng. Chính vì vậy phân nhóm này được ký
hiệu ( gắn mác, đánh số) theo độ bền: giới hạn bền hoặc theo cấp
thứ tự ( 1, 2, 3…hay A, B, C )

TCVN 1765 -75 quy định các mác và yêu cầu kỹ thuật cho
phép cacbon kết cấu thông thường chính là nhóm này. Thép
được phân chia thành ba phân nhóm A, B, C, trong đó phân
nhóm A được sử dụng phổ biến.
Nếu như phân nhóm A có chất lượng thường thì các phân
nhóm B, C có chất lượng nâng cao tuy chưa đạt được chất
lượng tốt
Tiêu chuẩn Việt Nam
3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA
a. Đặc điểm chung
•
Nhóm thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA có nhiều tính năng
cao hơn thép thông dụng mà trước hết là có độ bền cao hơn
( 0,2 300320MPa) trong khi các chỉ tiêu cơ tính khác vẫn đảm
bảo yêu cầu của thép xây dựng.
•
Để nâng cao độ bền người ta hợp kim hóa thấp thép bằng

nhiều nguyên tố hòa tan vào ferit nhưng ít làm hại tính hàn như
Mn, Si, Cu…
•
Hiệu quả sử dụng thép HSLA rất tốt, khi dùng thép này có 0,2
= 350Mpa tiết kiệm 15% kim loại so với thép thông thường
•
Tuy nhiên thép HSLA có khuyết điểm là tính hàn có phần hơi
kém hay nâng cao nhiệt độ giòn lạnh, dễ bị phá hủy giòn ở
nhiệt độ âm sâu

b. Tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 3104 – 79 quy định các các cungc như yêu cầu kỹ thuật cho
phép kết cấu hợp kim thấp mà thực chất cũng là loại HSLA với hai
nhóm:
Dùng làm kết cấu kim loại như:
•
Loại ~ 1%Mn (14Mn, 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
•
Loại ~ 0,80%Cr + 0,80%Si + ,60%Ni +0,40%Cu ( 10CrSiNiCu,
15CrSiNiCu)
Dùng làm cốt bêtong