Chương 3 vật LIỆU cơ KHÍ

82
Chương 3

VẬT LIỆU CƠ KHÍ
I-PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CƠ KHÍ KIM LOẠI:
Vật liệu cơ khí kim loại được phân ra 03 nhóm chính: Thép-Gang-Hk màu.
1-NHÓM THÉP:
Đặc điểm chính là có độ bền cao kết hợp với độ dẻo dai. Đây là nhóm vật liệu
chính trong chế tạo cơ khí. Có một số phương pháp phân loại sau:
a-Phân loại theo công dụng: 04 nhóm .
-Thép xây dựng: Là loại thép có chất lượng thường (thép cacbon hoặc thép HK
thấp) sử dụng chủ yếu trong xây dựng, hoặc dùng cho các chi tiết máy không quan
trọng, không có khả năng nhiệt luyện.
-Thép chế tạo máy hay còn gọi là thép kết cấu: Là loại thép có chất lượng tốt
dùng để chế tạo các chi tiết máy.
-Thép dụng cụ: Là loại thép dùng để chế tạo các loại dụng cụ.
-Thép HK có T/C vật li, hoá học đặc biệt: Dùng vào các mục đích đặc biệt như
kĩ thuật điện, công nghiệp hoá học...
b-Theo TPHH : Chia thành thép Cácbon và thép hợp kim.
c-Theo chất lượng (Tùy thuộc vào phương pháp luyện) chia ra:
-Thép có chất lượng thường: Có thể chứa tới 0.06% S và 0.07% P.
-Thép có chất lượng tốt: Không cho phép chứa quá 0.04% S và 0.035% P.
-Thép có chất lượng cao: Không cho phép chứa quá 0.025% S và P.
-Thép chất lượng đặc biệt cao: Không cho phép chứa quá 0.015% S và 0.025% P.
d-Theo phương pháp luyện chia ra :
-Thép lò Mactanh;
-Thép lò thổi;
-Thép lò điện;
e-Theo phương pháp khử Oxy chia ra:
-Thép sôi;
-Thép lắng;

-Thép nửa lắng;


83

f-Theo tổ chức: Chia thành thép trước cùng tích, cùng tích, sau cùng tích.
g-Theo hàm lượng cacbon: Chia thành thép có hàm lượng cacbon thấp (0.08
0.25%), hàm lượng cacbon trung bình (0.3 0.65%), hàm lượng cacbon cao (0.7 1.4%).
2-GANG:
Là nhóm vật liệu được sử dụng rộng rãi thứ hai sau thép trong ngành cơ khí. Đặc
điểm chính của gang là không có khả năng biến dạng nhưng lại có tính đúc tốt và có
khả năng hấp thu chấn động.
Gang có 04 loại: Trắng; Xám; Cầu; Dẻo; Trong mỗi loại đều có loại thường và
loại hợp kim.
3-NHÓM HK MÀU:
Đặc điểm chính của nhóm là có độ bền thấp hơn thép, có tính chống ăn mòn tốt
trong môi trường khí quyển, hệ số ma sát nhỏ. Các hợp kim màu dùng trong cơ khí
được chia ra các nhóm tuỳ theo nguyên tố chính: HK Nhôm, HK Đồng...

II-THÉP :
1-THÉP CACBON:
TPHH: C<2%; Mn< 0.8%; Si <0.5%; P, S <0.05%.
Anh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức và cơ tính của thép cacbon:
-Cacbon: Là nguyên tố quan trọng nhất quyết định đến tổ chức và cơ tính của
thép. Khi tăng hàm lượng cacbon làm tăng độ bền, độ cứng, giảm độ dẻo độ dai. Tuy
nhiên độ bền chỉ tăng theo hàm lượng cacbon đến giới hạn 0.8%-1%, vượt quá giới hạn
này độ bền lại giảm đi.
Về định lượng: cứ tăng 0.1%C thép có độ cứng tăng thêm khoảng 20-25HB, giới
hạn bền tăng thêm khoảng 60-80N/mm2, giới hạn chảy tăng thêm khoảng 40
-50N/mm2, độ giãn dài giảm đi khoảng 2 4%, độ thắt giảm 1 5%, độ dai va đập giảm đi

khoảng 200kj/m2.
-Mn: Có tác dụng khử Oxy trong quá trình luyện: FeO+Mn=MnO+Fe, MnO nổi
lên đi vào xỉ. Ngoài ra Mn còn có tác dụng khử lưu huỳnh trong FeS. Khi hoà tan vào
ferit làm tăng độ bền, độ cứng của pha này.
-Si : Có tác dụng khử Oxy một cách triệt để: 2FeO+Si=SiO 2+Fe, SiO2 nổi lên đi
vào xỉ. Khi hoà tan vào ferít làm tăng độ bền, độ cứng của pha này.
-Phốtpho: Là nguyên tố có hại, gây tính giòn nguội của thép do tạo thành Fe3P.
-Lưu hùynh: Là nguyên tố có hại, gây tính giòn nóng do tạo ra cùng tinh Fe+FeS
nóng chảy ở 988oC. Khi có Mn sẽ khử S của FeS tạo ra MnS có nhiệt độ chảy cao
(1620oC) kết tinh thành các hạt nhỏ phân tán không ảnh hưởng đến tính giòn nóng.


84

-Các khí O2, N2, H2: Hoà tan vào thép có tác dụng xấu, làm giòn thép, gây đốm
trắng trên mặt gãy.
a-Phân loại thép cacbon:
-Thép Cacbon chất lượng thường (Thép xây dựng):
-Thép kết cấu cacbon (Thép chế tạo máy):
-Thép dụng cụ cacbon (Thép làm dụng cụ cắt):
2- THÉP HỢP KIM:
a-Khái niệm về thép hợp kim:
-Thép hợp kim là thép cacbon có chứa thêm lượng các nguyên tố HK lớn hơn
một giới hạn nào đó. Giới hạn lượng chứa để phân biệt các nguyên tố HK là tạp chất
hay NgTHK hoá như sau: Mn-0.8-1%; Si-0.5- 0.8%; Cr-0.2 -0.8%; Ni-0.2-0.6%;
W-0.1- 0.5%; Mo-0.05- 0.2%; Ti 0.1%; Cu 0.1%; Be 0.002%.
-Đặc điểm của thép HK: Độ bền của thép hợp kim cao hơn so với thép cacbon,
nhưng chỉ thể hiện rõ rệt sau khi nhiệt luyện. Cùng với độ bền cao là sự giảm của độ
dẻo, độ dai và tính công nghệ kém. Thép HK có tính bền ở nhiệt độ cao hơn so với
thép cacbon và có tính chống ăn mòn trong khí quyển tốt hơn.

b-Tác dụng của NTHK với sắt:
Phần lớn các nguyên tố hợp kim đều có kiểu mạng LPTT, (Cr, V, W, Mo)
LPDT, (Ni, Mn) LGXC, (Ti) với đường kính nguyên tử trong khoảng từ 2.50A o
-2.95Ao; Fe có đường kính nguyên tử là 2.54A o và kiểu mạng LPTT, LPDT nên đa số
các nguyên tố hợp kim đều có thể hoà tan nhiều vào Fe tạo thành DD rắn thay thế. Khi
hoà tan với thép chúng sẽ làm mở rộng hay thu nhỏ vùng nhiệt độ tồn tại của Fe γ
(vùng Austenit).
c-Tác dụng của NTHK với cacbon:
-Tạo cacbit HK với kiểu mạng đơn giản: TiC; VC; WC; NbC; ZrC; W 2C; Mo2C.
(Dc/DMe<0.59) Đặc tính của các loại các bit này là có nhiệt độ chảy rất cao>2500 oC, có
tính ổn định, khó phân huỷ khi nung, có độ cứng cao hơn Xementit nhưng ít dòn hơn.
Các cacbit có kiểu mạng phức tạp (D c/DMe>0.59) Mn3C; Cr7C3; Cr23C6; Có nhiệt độ
chảy không cao lắm, tính ổn định kém, dễ bị phân huỷ khi nung.
-Những nguyên tố không tác dụng với cácbon (Ni; Si; Co; Cu) khi hoà tan vào
trong Fe có thể có hiệu ứng không cho cacbon tác dụng với Fe (Si; Co) làm dễ thoát
cacbon khi nung, tạo graphit trong thép.


85

d-Ảnh hưởng của NTHK đến quá trình NL:
- Nâng cao các nhiệt độ
tới hạn, kéo dài thời gian giữ
nhiệt để phân huỷ cacbit HK.
Các cacbit HK như TiC; VC;
WC; Mo2C có tác dụng giữ hạt
Austenit luôn nhỏ mịn dù nung
và giữ lâu ở nhiệt độ cao.
- Làm chậm tốc độ phân
hoá của Austenit quá nguội khi

giữ đẳng nhiệt dưới Ar1, Làm
các đường cong chữ C dịch
chuyển sang phải, giảm tốc độ
tôi tới hạn, tăng độ thấm tôi.
- Làm giảm các điểm M đ
và MK dẫn đến tăng lượng
Austenit dư khi tôi. (trư 02
NgT Al và Co làm tăng Mđ ).
-Các quá trình ram của
thép hợp kim đều xảy ra ở
nhiệt độ cao hơn so với thép
cacbon, do các nguyên tố HK
có ái lực mạnh với cacbon .
Hình 45: Ảnh hưởng Ng.Tố HK đến nhiệt độ CB
cùng tính (a) và hàm lượng C cùng tích (b)

e-Anh hưởng của nguyên tố
HK đến cơ tính của thép:
(Hình 47-48):
Hai nguyên tố Mn và Si khi hoà
tan vào ferit làm tăng mạnh độ cứng
nhưng lại làm giảm nhiều đến độ dai
va đập, tức là làm tăng tính giòn cuả
thép.
Hai nguyên tố Cr và Ni khi hoà
tan vào Ferit thì cũng làm tăng độ
cứng ở mức độ thấp hơn, nhưng
không làm giảm mà thậm chí còn làm
tăng độ dai va đập trong giới hạn
Cr<4% và Ni<6%. Chính vì vậy các

loại thép Cr, thép Ni, đặc biệt là thép

Hình 46:Ảnh hưởng Ng.Tố HK đến
đường cong chữC


86

Cr-Ni có giá trị độ bền và độ dai va đập rất cao. Hiện nay Cr là nguyên tố HK hoá
chủ yếu và phổ biến, riêng thép Ni còn ít và đắt vì lượng Ni ngày càng trở nên hiếm .

Hình 47: Ảnh hưởng Ng.Tố HK đến
độ dai va đập ak của thép.

Hình 48: Ảnh hưởng Ng.Tố HK đến GH bền của thép.
Tác dụng của nguyên tố HK đối với thép được tóm tắt trong bảng sau:


87

Tác dụng của nguyên tố HK trong thép
Tác dụng và trạng thái tồn tại
Cường hóa nền kim lọai
Làm nhỏ hạt
Làm thô hạt
Hình thành Cacbit
Tạo cacbit hòa tan một phần vào α, γ
Không tạo cacbit hòa tan vào α or γ
Hình thành các HC KL
Hình thành tạp chất lẫn

Mở rộng vùng γ
Thu hẹp vùng γ
Chuyển dịch đường cong S qua phải
Chuyển dịch đường cong S qua trái
Nâng cao điểm Mđ
Hạ thấp điểm Mđ
Ít ẢH đến Mđ
Nâng cao nhiệt độ NL
Tăng độ nhạy cảm quá nhiệt
Giảm độ nhạy cảm quá nhiệt
Nâng cao độ thấm tôi
Giảm độ thấm tôi
Nâng cao nhiệt độ ram
Tăng tính giòn ram
Giảm giòn ram
Gây biến cứng lần thứ 2
Làm sấu tính hàn
Làm tốt tính hàn

Ng tố
Si, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo, W, V
Cr, Ni(% thấp), Si, Al(khử O2)
Mn, P, Cr, Si(%vừa và cao)
V, Ti, Zr, Nb, Ta
Mn, Cr, Mo, W
Si, Al, Cu, Ni, Co
FeSi, FeCr, Fe2W, Ni3Ti, Fe2Ti
Al2O3, MnO, SiO2, TiO2, AlN, TiN, ZrN
Mn, Ni, N, Cu, C, Co
Al, Si, P, S,Ti,V, Cr, Mo, W, Zr, Nb, Ce, Bo

Ti, W, Cr, V, Mo, Mn, Cu, Si, P
Co
Co, Al
C, W, V, Cr, Ni, Cu, Mo
Si, Bo
Cr, V,Al, Ti
Mn, C
W, Mo, Ti, V, Ni, Si, Co
C,Mn,P,Si,Ni,Cr,Mo,Bo,Cu,Sn,Ni,W,V,T,Be
S, Co, Ce, (V, Ti, Nb,W khi tạo cácbít)
V,W,Ti,Cr,Mo(Khi tạo cacbit), Co,Si
Mn, Cr,Ni,P,V,Cu,Ni
Mo,W, Be
Mn, Mo, W, Cr, Ni, V
P, S, C, Si
V, Ti, Nb, Zr

f -Khuyết tật của thép HK:
-Thiên tích nhánh cây:
- Đốm trắng: Gây dòn. Nguyên nhân do H2 hoà tan thoát ra mạnh khi giảm nhiệt
độ.
g-Một số GĐTT của Fe-Ng.Tố HK