Giới thiệu về kim loại và hợp kim

GIỚI THIỆU VỀ KIM LOẠI VÀ
HỢP KIM
KSC. Phan Anh Tú

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Hợp kim
• Hợp kim sắt: HK có chứa trên 50 % tr. lượng Fe
– Phân loại thép
– Ký hiệu mác thép
• Hợp kim mầu: HK có ít hơn 50 % tr. lượng Fe
– HK nhôm-Aluminum
– HK đồng-Copper
– HK titan-Titanium
– Kim loại chịu lửa-Refractory metals
– Siêu HK-Superalloys

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Phân loại HK sắt
Hợp kim
Sắt

Thép

HK thấp

Cacbon thấp

Cacbon TB

Mầu

Gang

Gang Gang
xám cầu

HK cao
Cacbon cao

Thông HK thấp, Thông Có thể Thông Dụng Không gỉ
thường cường thường
thường cụ
NL
độ cao
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Gang
trắng

Gang
rèn


Phân loại hợp kim sắt

• Dựa trên hàm lượng
cacbon
– Sắt sạch (< 0.008wt% C)
Theo giản đồ pha nó chỉ
có pha ferit

– Thép (0.008 ~ 2.14wt% C)
Trong phần lớn các loại
thép, tổ chức tế vi gồm có cả hai pha a và Fe3C.
Hàm lượng cacbon trong thép thương mại ít khi vượt quá
1.0 wt%.

– Gang (2.14 ~ 6.70wt% C)
Các loại gang thương mại thường có ít hơn 4.5wt% C
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Hợp kim sắt-thép
• Hàm lượng cacbon thường nhỏ hơn 1.0 wt%.
• Thép cacbon thường: chỉ chứa nồng độ còn lại
của tạp chất không phải C và một ít Mn.

• Khoảng 90% các loại thép là thép cacbon.
• Thép hợp kim: thêm các nguyên tố hợp kim ở
những nồng độ quy định.

• Thép không gỉ

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)

TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Phân loại thép theo hàm lượng cacbon
của chúng

• Thép cacbon thấp

– Nhỏ hơn 0.25 wt%C
• Thép cacbon trung bình
– 0.25 ~ 0.60 wt%C
• Thép cacbon cao
– 0.60 ~ 1.4 wt%C

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cách ký hiệu mác thép

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cách ký hiệu mác thép

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Cách ký hiệu mác thép

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cách ký hiệu mác thép

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cách ký hiệu mác thép
• Ký hiệu 4 chữ số theo AISI/SAE:
– Hai chữ số đầu để chỉ hàm lượng nguyên tố
hợp kim;

– Hai chữ số cuối, hàm lượng cacbon
• Với thép cacbon thường, hai chữ số đầu là 1 và 0;
thép hợp kim được ký hiệu bằng hai chữ số đầu
(v.d., 13, 41, 43)

• Chữ số thứ 3 và 4 đại diện cho % trọng lượng của
cacbon nhân với 100
Ví dụ, thép 1040 là thép cacbon thường có 0.40
wt% C.
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Ký hiệu thép
• Ký hiệu 4 chữ số : hai chữ số đầu cho biết hàm
lượng ng. tố hợp kim; hai chữ số cuối, hàm lượng
cacbon

41 40
Xác nhận
(các) nguyên
tố hợp kim
chính

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Phần trăm
cacbon


Bảng 1. Hệ thống ký hiệu AISI/SAE và UNS

• AISI: American Iron and Steel Institute
• SAE: Society of Automotive Engineers
• UNS: Uniform Numbering System
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thép
Tên số của thép

Ng. tố HK chính

10XX, 11 XX

Chỉ có cacbon

13XX

Manganese

23XX, 25 XX

Nickel

31XX, 33XX, 303XX

Nickel-Chromium

40XX

Mo

41XX

Cr-Mo

43XX & 47XX

Ni-Cr-Mo

44XX

Mn-Mo

48XX

Ni-Mo

50XX, 51XX, 501XX, 521XX, 514XX,
515XX

Cr

61XX

Cr-V

81XX, 86XX, 87XX, 88XX

Ni-Cr-Mo

92XX

Si-Mn

93XX, 98XX

Ni-Cr-Mo

94XX

Ni-Cr-Mo-Mn

XXBXX

Boron

XXLXX

Lead

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thép cacbon thấp
• Nhỏ hơn 0.25 wt%C
• Không dễ nhiệt luyện để tạo martensite; bền hóa do
gia công (biến dạng) nguội

• Tổ chức tế vi: ferrite và pearlite
• Tương đối mềm và yếu, nhưng có độ dẻo (ductility)
và tính dai (toughness) cao

• Đặc trưng, sy = 275 MPa, sUT = 415~550 MPa, và độ
dẻo = 25%EL

• Có khả năng gia công cắt gọt, hàn, và là loại rẻ nhất
trong tất cả các loại thép

• Ứng dụng: Chi tiết thân ô tô, thép kết cấu hình, và
thép lá/tấm dùng cho đường ống, xây dựng, cầu…
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Giản đồ TTT của thép trước cùng tích

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Bảng 2.
Thành phần hóa học của 5 mác thép cacbon thấp
thường (plain)

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Bảng 3
Đặc tính cơ học của thép cán nóng và ứng dụng của chúng

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thép cacbon trung bình
• 0.25 ~ 0.60 wt%C
• Có thể nhiệt luyện bằng austenite hóa, tôi và ram để cải

thiện cơ tính

• Bền hơn thép cacbon thấp và yếu hơn thép cacbon cao
Tính chất (bền) kéo của thép cacbon thông thường tôi dầu và ram

a Được phân loại như thép cacbon cao

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thép cacbon cao
• 0.60 ~ 1.4 wt%C
• Được sử dụng trong trạng thái cứng hóa và ram
• Cứng nhất, bền nhất nhưng ít dẻo nhất; đặc biệt có
độ bền mài mòn cao và có khả năng giữ cạnh sắc
(lưỡi dao)

• Khi chứa Cr, V, W, và Mo; các ng. tố hợp kim này kết
hợp với cacbon tạo ra các hợp chất cacbit rất cứng
và chịu mài mòn tốt (v.d., Cr23C6, V4C3, và WC)

• Ứng dụng: dụng cụ cắt gọt và khuôn đột dập, dao,
lưỡi dao cạo, lưỡi cưa, lò xo, và dây thép cường độ
cao

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Bảng 4. Ký hiệu, thành phần HH,
Và ứng dụng của 6 loại thép công cụ

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


So sánh ưu điểm của thép cacbon và
thép hợp kim
Thép cacbon
 Giá thành thấp hơn
 Khả năng sử dụng
rộng hơn

Thép hợp kim
 Độ bền cao hơn
 Chịu mài mòn tốt hơn
 Độ dai (toughness)
 Có tính năng riêng ở To cao
 Khả năng chịu ăn mòn
tốt hơn
 Có tính chất điện riêng

9 4 XXNi-

• Thép hợp kim đắt hơn thép cacbon; nó chỉ nên dùng khi
cần tính năng đặc biệt.
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Cái gì làm cho thép không gỉ
“không gỉ”?

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thép không gỉ
• Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn vượt trội.
• Thép không gỉ chia làm ba họ: martensitic, ferritic,
và austenitic.

• Nguyên tố hợp kim chủ đạo là crôm; hàm lượng Cr
yêu cầu ít nhất là 11 wt%.

– Cr tạo nên một lớp bề mặt từ oxyt mỏng, có tính
năng bảo vệ khi thép gặp oxy.

– Nguyên tố crôm là thứ mà làm cho thép không gỉ
không bị gỉ!

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thép không gỉ

Liên hệ về thành phần và tính chất của thép không gỉ theo ng. tố hợp kim.
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)

TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)