Tài liệu Vật liệu kim loại - Chương 5: Thép và Gang ppt

68
Phần III

vật liệu kim loại
Chơng 5
thép và gang

Thép có cơ tí nh tổng hợp cao, có tí nh công nghệ tốt (tạo hì nh, gia công cơ khí ,
biến dạng , hàn, nhiệt luyện) là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan
trọng nhất.
Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim:
5.1. Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim
5.1.1. Thép cacbon
Thép cacbon hay thép thờng: chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản
lợng thép.
a. Thành phần hóa học:
%C < 2,14%, khi nung lên đủ cao



- mạng A1, rất
dẻo biến dạng. Ngoài Fe & C còn có: Mn, Si, P &S
Tạp chất có lợi: Mn, Si, do: quặng sắt, do khử ôxy
Tạp chất có hại: P & S, do quặng sắt và than đa vào < 0,05% cho mỗi nguyên tố.
Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa:
C

2,14%, Mn

0,80%, Si

0,40%, P

0,050%, S

0,050%.
Ngoài P và S còn có các t/c có hại: H, N, O,.. hòa tan vào thép lỏng, là tạp chất ẩn
náu.
Các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim): do hồi liệu đa vào: Cr, Ni, Mo, Cu,
Ti,
b.

ảnh hởng của C đến tổ chức, tí nh chất và công dụng của thép thờng
Là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tí nh chất (cơ tí nh),
công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp).
Tổ chức tế vi: GĐP Fe-C, %C tăng lên thì %Xê là pha giòn cũng tăng lên tơng
ứng (thêm 1%C thì Xê tăng thêm 15% (100/6,67= 15%)) do đó làm thay đổi tổ
chức và tí nh chất thép.
- C 0,006% - thép có tổ chức thuần F (hì nh 3.19a), coi nh sắt nguyên chất.
- C = 0,10
ữ
0,70% - thép có tổ chức F+P, khi %C tăng lên %P tăng lên (hì nh
3.22a,b,c), đó là các thép trớc cùng tí ch.
- C = 0,80% - thép có tổ chức P (hì nh 3.20a,b), đó là thép cùng tí ch.
- C

0,90% - thép có tổ chức P+Xê
II
(hì nh 3.23), khi %C tăng lên lợng Xê
II

tăng
Cơ tí nh
: Hì nh 5.1










b
, , HB, a
K
%C
HB

b




a
K
0,8
Hì nh 5.1. ả
nh hởng của cacbon
đến cơ tí nh của thép thờng (ở trạng

thái ủ)


69
Tăng %C: làm giảm độ dẻo (, ) và độ dai va đập (a
K
) vì %Xê tăng
Tăng %C thì
b
tăng và đạt cực đại trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, sau đó giảm đi
vì ban đầu %C tăng thì %Xê tăng làm tăng bền, sau khi vợt quá 0,80 ữ 1,00%C
ngoài peclit (tấm) còn Xê
II
Theo %C có 4 nhóm với cơ tí nh và công dụng rất khác nhau nh sau:
- Thép có cacbon thấp ( 0,25%): dẻo, dai cao nhng độ bền, độ cứng lại thấp,
Xây dựng
- Thép có cacbon trung bì nh (0,30
ữ
0,50%): chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va
đập cao.
- Thép có cacbon tơng đối cao (0,55 ữ 0,65%): chi tiết đàn hồi.
- Thép có cacbon cao ( 0,70%): dụng cụ nh dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.
Tí nh công nghệ:
%C càng thấp càng dễ hàn và dập.
%C càng cao thì thép càng cứng càng khó cắt, nhng %C quá thấp dẻo quá
khó gia công cắt
c.

ảnh hởng của các tạp chất thờng có
Mn: Mn để khử ôxy thép: Mn + FeO Fe + MnO xỉ

Ngoài ra, Mn loại trừ đợc tác hại của S. Mn ảnh hởng tốt đến cơ tí nh, khi hòa
tan vào F nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hì nh 5.2a), trong thép C,
%Mn= (0,50 ữ 0,80)%.
Si: để khử ôxy triệt để: Si + FeO

Fe + SiO
2


xỉ
Giống nh Mn, Si hòa tan vào F cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này
(hì nh 5.2a) nên làm tăng cơ tí nh của thép, %Si = (0,20 ữ 0,40)%.
P: hòa tan vào F làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tí nh
giòn nguội
S: không hòa tan trong Fe (cả Fe

lẫn Fe

) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh
(Fe+FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988
o
C), gây bở nóng. Mn do tạo nên MnS,
kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620
o
C, làm giảm tác hại của S.
d. Phân loại thép cacbon
Theo độ sạch tạp chất có hại và phơng pháp luyện

Trên thế giới hiện còn ba phơng pháp luyện thép chí nh là lò mactanh, lò điện hồ
quang và lò thổi ôxy từ đỉ nh (lò L-D) (nớc ta chỉ bằng lò điện hồ quang).

Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lợng sau.
- Chất lợng thờng: P, S
0,050%
(hay cao hơn một chút). Thép đợc luyện từ
lò L-D, năng suất rất cao và giá thành thép rẻ.
- Chất lợng tốt: P, S 0,040% ở lò mactanh và lò điện hồ quang.
- Chất lợng cao: P, S

0,030% cho mỗi nguyên tố. Lò điện hồ quang dùng
nguyên liệu chất lợng cao.
- Chất lợng rất cao:
P, S

0,020% cho mỗi nguyên tố. Thép sau khi luyện ở lò
hồ quang đợc tinh luyện tiếp tục: bằng điện xỉ , đúc chân không.
Các thép cacbon bán trên thị trờng gồm ba cấp chất lợng: thờng, tốt và cao (í t
gặp). Thép hợp kim chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao. Trong xây dựng chỉ dùng
chất lợng thờng, Chế tạo máy phải dùng chất lợng từ tốt trở lên, riêng thép làm
ổ lăn phải đạt cấp chất lợng rất cao.

70
Theo phơng pháp khử ôxy:
Thép sôi: chỉ đợc khử ôxy không triệt để bằng FeMn, do còn FeO nên:
FeO + C

Fe + CO

, khí CO làm thép sôi
Đặc điểm của thép sôi:

- %Si thấp ( 0,05 ữ 0,07%), thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội,
- không dùng thép sôi để đúc định hì nh, cho kết cấu hàn,.. sinh bọt khí làm giảm
chất lợng.
- không dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon vì là thép bản chất hạt lớn.
Thép lặng: là loại đợc khử ôxy triệt để bằng cả FeMn và FeSi và Al, nên mặt thép
lặng.
Đặc điểm của thép lặng:

- %Si khá cao (0,15
ữ
0,35%), vì thế F của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội
hơn
- không bị rỗ khí khi đúc, tuy nhiên lõm co lớn không kinh tế
- Dùng đợc cho các kết cấu hàn, thấm C
Thép nửa lặng: chỉ đợc khử ôxy bằng FeMn, Al. Tí nh chất trung gian giữa thép
sôi và lặng. Dùng thay thế cho thép sôi. Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, thép
cacbon có cả ba loại.
Theo công dụng

Thép kết cấu: khối lợng lớn nhất, gồm 2 nhóm: thép xây dựng và thép chế tạo
máy.
- Thép xây dựng:
cơ tí nh tổng không cao lắm, phải dẻo và có tí nh hàn tốt, không
nhiệt luyện.
- Thép chế tạo máy: đòi hỏi cơ tí nh tổng hợp ở mức độ cao hơn, phải qua nhiệt
luyện.
Thép dụng cụ: cứng và chống mài mòn.
e. Tiêu chuẩn thép cacbon
Tiêu chuẩn Việt Nam:

TCVN 1765 - 75: Thép đợc ký hiệu bằng CT : gồm 3 phân nhóm A, B và C, A là
chủ yếu.
Phân nhóm A: CTxx, bỏ cữ A. Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có ơ
b
38kG/mm
2
hay 380MPa song với ba mức khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và
sôi
Phân nhóm B:
quy định thành phần (tra sổ tay): BCT38:(0,14-0,22)C-(0,3-
0,65)Mn
Phân nhóm C: quy định cả hai: cơ tí nh lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác
CCT38 có cơ tí nh của CT38 còn thành phần của BCT38.
TCVN 1766-75: quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lợng tốt để chế tạo
máy:- Cxx. Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38
ữ
0,45%), chất lợng tốt
nên lợng P và S 0,040%, C40A, là mác có chất lợng cao P, S 0,030%.
TCVN 1822-76:
thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) với số
tiếp theo chỉ lợng cacbon trung bì nh tí nh theo phần vạn - CDxx hoặc CDxxx. Ví
dụ, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng 0,80%C (0,75
ữ
0,84%) song với
chất lợng tốt và cao.

71
Tiêu chuẩn các nớc:
Nga :

OCT
Thép kết cacbon chất lợng thờng dùng trong xây dựng: CTx với các số từ 0, 1
đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao). Cũng có các phân nhóm theo
thứ tự A, , B lần lợt tơng ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN.
Thép kết cấu cacbon chất lợng tốt: xx, các số chỉ phần vạn C, mác 40 có
khoảng 0,40%C
Thép cacbon dụng cụ:
xx,các số chỉ lợng C phần nghì n: 12 có khoảng
1,20%C.
Hoa Kỳ:
sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon. ASTM đợc dùng cho thép
xây dựng. AISI và SAE cho các thép chế tạo máy và dụng cụ:
AISI/SAE: thép C ký hiệu 10xx, thép C có Mn cao là 15xx, trong đó xx chỉ C phần
vạn
Nhật bản:
JIS quy định:
Thép kết cấu chất lợng thờng: ký hiệu SSxxx hay SMxxx, xxx là các số chỉ
giới hạn bền kéo tối thiểu tí nh bằng MPa
Thép kết cấu cacbon chất lợng tốt:
ký hiệu SxxC, xx là số chỉ lợng cacbon
phần vạn
Thép cacbon dụng cụ: ký hiệu SKx với x là các số thứ tự từ 1 đến 7.
f.

u nhợc điểm của thép cacbon
u điểm: dùng rất rộng rãi vì ba u điểm sau:
1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền
2) Cơ tí nh tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng
3) Tí nh công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép
hợp kim).

Nhợc điểm: điển hì nh là:
1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao
2) Tí nh chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm
nhanh ở trên 200
o
C, ở trên 570
o
C bị ôxy hóa mạnh.
3) Không có các tí nh chất vật lý hóa học đặc biệt nh: cứng nóng, chống ăn mòn.
Thép cacbon đợc dùng làm các chi tiết nhỏ, hì nh dạng đơn giản, chịu tải
trọng nhẹ và vừa, làm việc ở nhiệt độ thờng.
5.1.2. Thép hợp kim
Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đí ch quan
trọng.
a.

Thành phần hóa học
Thép cacbon: C

2,14%, Mn

0,80%, Si

0,40%, P

0,050%, S

0,050%
còn lại là thép hợp kim. Thép hợp kim là loại có chất lợng từ tốt trở lên: P và S

0,040%.
b. Các đặc tí nh của thép hợp kim
Cơ tí nh: độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, nhất là sau khi tôi + ram, hệ
quả:
-
ở
trạng thái không tôi + ram, độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép
cacbon bao nhiêu.

72
- u việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện > 20mm

dùng
cho chi tiết lớn
- Có thể tôi dầu nên í t biến dạng và nứt, rất u việt cho cho chi tiết phức tạp.
- Tăng % hợp kim thì hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện tăng song độ dẻo, độ dai
và tí nh công nghệ xấu đi, trừ nhiệt luyện.
Tí nh chất vật lý, hóa học đặc biệt:
chống ăn mòn, tí nh chất từ, giãn nở nhiệt, chịu
nhiệt... hơn
c. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép
Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn:
Mn, Si, Cr, Ni. lợng dùng 1 vài %, tăng độ
cứng, độ bền và giảm độ dẻo, độ dai (hì nh 5.2) do đó Mn và Si 1 ữ 2%.
Ni và Cr (cho tới hàm lợng 4%): vừa làm tăng cứng còn làm tăng chút í t độ dai,
tăng độ thấm tôi là các nguyên tố quan trọng.
Với lợng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn: Hì nh 5.3 cho thấy Mn, Ni mở rộng vùng
(thu hẹp khu vực

), 10
ữ
20% tổ chức

tồn tại cả ở nhiệt độ thờng. Cr thu hẹp
khu vực , > 20% tổ chức F tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi chảy lỏng. Thép
này cũng không có chuyển biến pha, không thể hóa bền bằng tôi và đợc gọi là
thép F.










Hì nh 5.2. ảnh hởng của nguyên tố hợp kim đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b)
Tạo thành cacbit

Các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo cacbit
Các nguyên tố tạo cacbit gồm: Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb có 2 tác dụng: hòa tan
và tạo cacbit.
Khả năng tạo cacbit phụ thuộc vào số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d), càng í t
thì khả năng tạo cacbit càng mạnh:
Fe (3d
6
), Mn (3d
5

), Cr (3d
5
), Mo (4d
5
), W (5d
4
), V (3d
3
), Ti (3d
2
), Zr (4d
2
), (Nb (4d
4
))
Mn và Cr: tạo thành cacbit trung bì nh, Mo và W: tạo thành khá mạnh,
V: tạo thành cacbit mạnh, và Ti, Zr, Nb: tạo thành cacbit rất mạnh, (Nd ngoại
lệ tạo cacbit mạnh hơn).
Khi đa vào thép các nguyên tố này, cacbon sẽ u tiên kết hợp với các nguyên tố
mạnh trớc.
- Xêmentit hợp kim (Fe, Me)
3
C:
Mn, Mo, W (1
ữ
2%) tạo (Fe, Me)
3
C. Xêmentit
hợp kim có tí nh ổn định cao hơn xêmentit chút í t, nhiệt độ tôi có tăng đôi chút.
- Cacbit với kiểu mạng phức tạp: Khi hợp kim chỉ với một nguyên tố hợp kim

song với lợng lớn > 10% Cr hoặc Mn (có d
C
/ d
Me
> 0,59) tạo: Cr
7
C
3
, C
23
C
6
, Mn
3
C,
đặc tí nh:
180
HB
140
100
Mn
Si
Ni
Cr
2
4
6
% ng/tố hk
3000
a

K
Mn
Si
Ni
Cr
2
4
6
% ng/tố hk
2000
1000

73
+ có độ cứng cao (hơn xêmentit một chút),
+ có nhiệt độ chảy không cao lắm, trong khoảng 1550 ữ 1850
o
C (cao hơn
xêmentit), nên có tí nh ổn định cao hơn. Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn
1000
o
C.

a) b)
Hì nh 5.3. ảnh hởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng

và

trên giản đồ Fe-C.
- Cacbit kiểu Me
6
C: Nguyên tố: Cr, W, Mo, cacbit loại Me
6
C. Loại cacbit này còn
khó hòa tan vào austenit hơn và ổn định hơn loại trên. Nhiệt độ tôi của thép trong
khoảng 1200 ữ 1300
o

- Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me
2
C): V, Ti, Zr, Nb lợng í t (0,1%), tạo
cacbit nh VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chí nh là pha xen kẽ rất cứng nhng í t giòn,
tăng mạnh tí nh chịu mài mòn. Mỗi nhóm thép thờng chỉ gặp 1 ữ 2 loại cacbit kể
trên, cụ thể là:
+ xêmentit hợp kim trong thép kết cấu,
+ cacbit với kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng (nhóm thép đặc
biệt),
+ cacbit kiểu Me
6
C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ), MeC, trong các nhóm
thép khác nhau.
Vai trò của cacbit hợp kim

- Tăng độ cứng, tí nh chống mài mòn của thép mạnh hơn cả Xê. Nh sau này sẽ
thấy thép làm dụng cụ tốt nhất phải là loại thép có cacbon cao và hợp kim cao
- Nâng cao nhiệt độ tôi, giữ đợc hạt nhỏ khi nung, do đó nâng cao độ dai và cơ
tí nh nói chung
- Tăng tí nh cứng hay bền nóng đôi khi tới 500
ữ
600
o
C.
d. ảnh hởng của nguyên tố hợp kim đến quá trì nh nhiệt luyện
Chậm chuyển biến khi nung nóng để tôi

- cacbit hợp kim khó khó hòa tan hơn Xê, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian
giữ nhiệt dài hơn so với thép cacbon. Hãy so sánh các thép cùng có 1,00%C
nhng với lợng hợp kim cao thấp khác nhau:+ thép cacbon 1,00%C (mác
CD100), Fe
3
C, nhiệt độ tôi khoảng 780
o
C
+ thép ổ lăn (OL100Cr1,5 (X15) 1,00%C + 1,50%Cr, (Fe,Cr)
3
C, nhiệt độ tôi
khoảng 830
o
C,
+ thép làm khuôn dập (hợp kim cao) 1,00%C + 12,0%Cr, Cr
23
C
6

, nhiệt độ tôi >
1000
o
C.
600
800
1000
1200
T,
o
C
0,4 0,8
1,2
%C
0%Mn
4%Mn
8%Mn
600
800
1000
1200
T,
o
C
0,4 0,8
1,2
%C
0%Cr
10%Cr
15%Cr

74
- TiC, ZrC, NbC, giữ hạt nhỏ. WC, MoC yếu hơn. Riêng Mn làm to hạt
austenit. Các nguyên tố: Cr, Ni, Si, Al đợc coi là trung tí nh.
Tăng độ ổn định của austenit quá nguội và tăng độ thấm tôi:

Tất cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) làm tăng độ ổn định quá nguội tức là giảm
tốc độ tôi tới hạn V
t.h
(hì nh 5.4a). Đặc biệt Mo (khi riêng rẽ) và Cr - Ni (khi kết hợp)
và Cr, Mn, B. Do đó làm tăng độ thấm tôi của thép (hì nh 5.4).










Hì nh 5.4. So sánh giản đồ T - T - T,
V
th
(a) và độ thấm tôi (b) giữa thép cacbon và thép hợp kim
Tăng austenit d:
Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm thay đổi M

đ
nh sau: (- giảm,
+ tăng):
Nguyên tố Mn Cr Ni Mo Co Al Si
T, độ
-45 -35 -26 -25 +12 +18 0
Do d tăng làm độ cứng sau khi tôi giảm 1 ữ 10 đơn vị HRC, gia công lạnh
hay ram nhiều lần ở nhiệt độ thí ch hợp để

d

M
e. Chậm chuyển biến khi ram
Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực mạnh nên giữ C lại trong M, do đó duy trì độ cứng
cao ở nhiệt độ cao hơn:
- xêmentit Fe
3
C ở 200
o
C,
- xêmentit hợp kim (Fe,Me)
3
C ở 250 ữ 300
o
C,
- cacbit crôm Cr
7
C
3
, Cr

23
C
6
ở 400 ữ 450
o
C,
- cacbit Fe
3
W
3
C loại Me
6
C ở 550 ữ 600
o
C,
VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra do đó dẫn
đến các hiệu ứng sau.
- Nâng cao tí nh chịu nhiệt độ cao, tí nh bền nóng, tí nh cứng nóng.
- Tăng độ cứng và tí nh chống mài mòn, đợc gọi là hóa cứng phân tán.
- So với thép C, thép hợp kim phải ram ở nhiệt độ cao hơn nên khử bỏ đợc
ứng suất bên trong nhiều hơn vì thế thép có thể bảo đảm độ dai tốt.
Tóm tắt các tác dụng tốt của nguyên tố hợp kim là:
+ khi hòa tan vào dung dịch rắn: làm hóa bền và tăng tí nh ổn định của quá
nguội
+ khi tạo thành cacbit hợp kim:
tăng cứng và chống mài mòn, khó hòa tan khi nung giữ cho hạt nhỏ,

khó tiết ra khỏi M hơn nên gây nên bền nóng và cứng nóng,
khi ram đợc tiết ra dới dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán gây hóa bền.
Vnguội

1

2
V
th2
V
th1

2
thép cacbon
thép hợp kim
M
đ1
M
đ2
V
th1
V
th2
nhiệt độ

thời gian

75
f. Các khuyết tật của thép hợp kim
Tuy có nhiều u việt, thép hợp kim đôi khi cũng thể hiện một số khuyết tật
cần biết để phòng tránh.

Thiên tí ch
: Nguyên tố hợp kim dễ bị thiên tí ch
Đốm trắng
: Các vết nứt nhỏ màu trắng trên phôi thép sau cán do H
2
hòa tan khi
nấu luyện, khi làm nguội nhanh xuống dới 200
o
C, hyđrô thoát ra mạnh, gây ra
nứt gây phế phẩm không chữa đợc, thép hợp kim Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-W khi
cán nóng (sau đúc các rỗ co phân tán là túi chứa hyđrô). Ngăn ngừa hoà tan H
2

khi nấu luyện và làm nguội thật chậm sau khi cán để hyđrô kịp thoát ra.
Giòn ram:

2 cực tiểu về độ dai ở hai khoảng nhiệt độ ram (hì nh 5.5), ta gọi đó là giòn
ram. Nguyên nhân giòn ram vẫn cha đợc xác định rõ ràng.
Giòn ram loại I:
(không thuận nghịch,
không chữa đợc), khi ram 280 ữ 350
o
C
(mỗi mác có một khoảng hẹp hơn trong
phạm vi này), tránh ram ở khoảng nhiệt
độ này.
Giòn ram loại II:
(thuận nghịch hay có
thể chữa đợc). Thép hợp kim Cr, Mn,
Cr - Ni, Cr - Mn, ram ở 500

ữ
600
o
C, rồi
làm nguội trong không khí . Nếu sau khi
ram làm nguội nhanh trong dầu hay
nớc thì không bị giòn ram, các chi tiết
lớn (vì nguội chậm) phải hợp kim hóa
0,20 ữ 0,50%Mo hay 0,50 ữ 1,00%W
mới hết giòn ram.











Hì nh 5.5. ảnh hởng của nhiệt độ ram
đến độ dai va đập
g.

Phân loại thép hợp kim
Theo tổ chức cân bằng
tổ chức ở trạng thái ủ:
- thép trớc cùng tí ch: P+F,
- thép cùng tí ch: P,

- thép sau cùng tí ch: P + Xê
II
,
- thép lêđêburit (cacbit): P+Xê
II
+ Lê
Thép hợp kim cao (Cr, Mn hay Cr - Ni) sẽ có:
- thép ferit: (Cr> 17%, rất í t cacbon),- thép : Mn>13%, cacbon cao và loại
Cr>18%+Ni> 8%).
Theo tổ chức thờng hóa
: mẫu nhỏ 25, tuỳ theo lợng nguyên tố hợp kim (hì nh
5.6):





a) b) c)
Hì nh 5.6.
Tổ chức sau khi thờng hóa của các thép với
lợng hợp kim tăng dần: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit.
nguội nhanh
a
K
thép cacbon
thép
hợp kim
nguội chậm

300

600
T,
o
C
thời gian
nhiệt độ
M
đ
thời gian
nhiệt độ
M
đ
0
o
C
0
o
C
thời gian
nhiệt độ
M
đ
0
o
C

76
- Thép peclit: loại hợp kim thấp, hoặc thép, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc
loại này,
Theo nguyên tố hợp kim:

Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chí nh:
- Thép Cr, Mn, là các thép hợp kim (hóa) đơn giản.
- Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim nh Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, là các thép
hợp kim (hóa) phức tạp.
Theo tổng lợng nguyên tố hợp kim:

- Thép hợp kim thấp: loại có tổng lợng < 2,5% (thờng là thép peclit).
- Thép hợp kim trung bì nh: từ 2,5 đến 10% (thờng là thép họ từ peclit đến
mactenxit).
- Thép hợp kim cao: loại có tổng lợng >10% (thờng là họ mactenxit hay
austenit)
Cách phân loại này có nguồn gốc của Nga (

OCT).
Trung Quốc: < 5% hợp kim thấp, 5-10% là HK hoá trung bì nh, > 10% hợp kim cao.
Các nớc Tây Âu chỉ có hai loại:

5% là HK hoá thấp, >5 là HK hoá cao
Theo công dụng:

3 loại: - thép hợp kim kết cấu,- thép hợp kim dụng cụ và- thép hợp kim đặc
biệt,
h. Tiêu chuẩn thép hợp kim
Tiêu chuẩn Việt Nam
: TCVN 1759 - 75 quy định: xx(NTHK)%
quy tròn thành số nguyên), riêng khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số).
Ví dụ:
thép 40Cr: có 0,36 ữ 0,44%C, 0,80 ữ 1,00%Cr
thép 12CrNi3: có 0,09 ữ 0,16%C, 0,60 ữ 0,90%Cr, 2,75 ữ 3,75%Ni

Tiêu chuẩn Nga
:

OCT: (tơng tự với cách ký hiệu của Việt nam), ký hiệu các
nguyên tố:
X =Cr, H =Ni, B =W, M=Mo, T=Ti, K=Co,

=Mn, C=Si,

=V, =Cu, =Al, P=B,
40Cr là 40X, 12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhng 90CrSi là
9XC.
Tiêu chuẩn Hoa Kỳ:
AISI và SAE
Đối với thép dụng cụ: AISI ký hiệu gồm một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự.
Sau đây các chữ cái (thờng lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm thép) đó:
W- cho thép tôi nớc (water),
S- cho thép dụng cụ chịu va đập (shock),
T- cho thép gió vonfram (tungsten),
H- cho thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot),
D- thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold),
M- cho thép gió môlipđen - vonfram,
O- cho thép tôi dầu (oil),
A- cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air),

Đối với thép hợp kim kết cấu:
gồm 4 số xxxx nên đợc viết là AISI/SAE xxxx, trong
đó, 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chí nh, 2 số cuối chỉ lợng cacbon theo phần
vạn, với quy ớc:

77
thép cacbon: 10xx
thép cacbon có Mn nâng cao: 5xx
thép dễ cắt (2 loại): 11xx,12xx
thép mangan: 13xx
thép niken (2 loại): 23xx, 25xx
thép niken-crôm (4) : 31xx, 32xx,
33xx, 34xx
thép môlipđen (2 loại): 40xx, 44xx
thép crôm-môlipđen: 41xx
thép crôm-vanađi: 61xx
thép niken-crôm-môlipđen (11 loại):
43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx,
88xx 93xx, 94xx, 97xx, 98xx
thép niken-môlipđen (2 loại): 46xx, 48xx
thép crôm (2 loại): 50xx, 51xx
thép crôm với 0,50 ữ 1,50%C (3loại):
501xx, 511xx, 521xx
thép vonfram-crôm: 72xx
thép silic-mangan: 92xx
thép bo: xxBxx
Đối với thép không gỉ và bền nóng: AISI ký hiệu gồm ba số xxx, trong đó: 2xx
và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit.
Tiêu chuẩn Nhật Bản
: JIS ký hiệu thép hợp kim mở đầu bằng chữ S, tiếp theo là
các chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số
cuối chỉ phần vạn cacbon trung bì nh) hay một hoặc hai số theo thứ tự:
SCrxxx - thép kết cấu crôm, SNCxxx - thép kết cấu niken - crôm,
SMnxxx - thép mangan, SCMxxx - thép kết cấu crôm - môlipđen,
SACMxxx - thép nhôm - crôm - môlipđen,

SNCMxxx - thép kết cấu niken - crôm - môlipđen,
SUJx - thép ổ lăn, SUMx - thép dễ cắt,
SUPx - thép đàn hồi, SUSxxx - thép không gỉ (xxx lấy theo AISI),
SUHx - thép bền nóng, SKx - thép dụng cụ cacbon,
SKHx - thép gió, SKSx, SKDx, SKTx - thép dụng cụ hợp kim.
5.2.

Thép xây dựng

5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại
a.

Đặc điểm chung
yêu cầu kỹ thuật sau:
Về cơ tí nh
: đủ độ bền, độ dẻo ( ~ 15 ữ 35%), độ dai (a
K
~ 500

kJ/m
2
),
Về tí nh công nghệ: tí nh hàn tốt, dễ uốn, dễ cắt
Về thành phần hóa học: để bảo đảm độ dẻo, độ dai và tí nh hàn tốt thì hàm
lợng cacbon không đợc cao quá: C 0,22%. Các nguyên tố khác chuyển thành
cacbon đơng lợng C
đ.l
tí nh theo công thức:
15
CuNi

5
VMoCr
6
Mn
CC
dl
+
+
++
++=

để dễ hàn, C
đl
không đợc vợt quá 0,55%.
b. Phân loại
Theo thành phần hóa học hay độ bền: cacbon thông dụng và thép hợp kim thấp
độ bền cao.
Theo công dụng có thể chia ra các phân nhóm: thép công dụng chung và thép
công dụng riêng (cốt bêtông, chuyên đóng tàu, làm cầu,).
5.2.2.

Thép thông dụng
a. Đặc điểm chung (thép cacbon)
Đặc điểm: độ bền bì nh thờng (

0,2
< 300
ữ
320MPa), rẻ, đa dạng các bán
thành phẩm cán nóng (ống, thanh, góc, hì nh, lá, tấm, băng cho đến dây, sợi...).

b. phân loại theo TCVN

78
Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 1765-75, chia thép xây dựng thành 3 nhóm
ACT (CT), BCT và CCT.
Nhóm A quy định về cơ tí nh
: phổ biến nhất
Mác thép CT31 CT33(s,n) CT34(s,n) CT38(n,s) CT42(s,n) CT51(n) CT52(n) CT61(n)

b
,kG/mm
2
>31 31-42 33-44 37-49 41-54 51-64 46-60 > 61
Từ trái sang phải độ bền tăng. Hai mác đợc dùng nhiều hơn cả là CT38 và CT51.
CT38 đợc dùng rất phổ biến cho kết cấu không đòi hỏi độ bền cao, có tí nh
hàn tốt: cột, tháp, xà ngang, ống, dây, lá để lợp, tấm để che, đỡ...
CT51 đợc dùng cho các kết cấu chịu lực cao hơn, tí nh hàn kém hơn: lỡi
cày, bánh lồng, dụng cụ bằng tay để gia công gỗ,.
Mác thép sôi (s) cơ tí nh thấp hơn thép nửa lặng (n) và thép lặng
Nhóm B quy định về thành phần:

Mác thép BCT31 BCT33(s,n) BCT34(s,n) BCT38(n,s) BCT42(s,n) BCT51(n) BCT61(n) BCT61(n)
%C <0,23 0,05-0,12 0,09-0,15 0,14-0,22 0,18-0,27 0,28-0,37 0,38-0,49 0,38-0,61
%Mn - 0,25-0,5 0,25-0,5 0,3-0,65 0,4-0,7 0,5-0,8 0,5-0,8 0,5-0,8
Từ trái sang phải hàm lợng C và Mn tăng
Phân nhóm C (thứ ba): quy định cả cơ tí nh và thành phần
Chất lợng cao hơn các nhóm B và C nhng cha đạt đợc chất lợng tốt.
Chúng tuy í t đợc dùng hơn song cần thiết trong những trờng hợp quan trọng hơn
đôi chút nh khi phải bảo đảm tí nh hàn hay qua biến dạng nóng bộ phận (do biết
đợc thành phần).

c. Tiêu chuẩn các nớc
Nhật bản: JIS G3101 : SS330, SS400, SS490 và SS540 số chỉ

b
min MPa.
JIS 3106: SM400, SM490, SM520, SM570 thép chuyên để hàn, số chỉ
b
min,
MPa.
Châu âu: EN : Fe 360B, Fe 430C, Fe 510D1...Fe với số tiếp theo chỉ
b
min, MPa,
5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel)
a. Đặc điểm chung
Cơ tí nh: cao hơn (ơ
0,2
> 300
ữ
320MPa)
Hợp kim: í t làm hại tí nh hàn nh Mn, Si,Cr,Cu (Ni,B,N), V,Nb tạo hạt nhỏ, 0,20
ữ 0,30%Cu bền ăn mòn khí quyển. Tổng lợng nguyên tố hợp kim 2,0ữ2,5%,
tổng lợng Cu+Ni+V+Mo ~ 1,00% (Mn có thể tới 1,00% vì rẻ). Sử dụng thép HSLA
thay thế cho thép thông dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Nhợc điểm của HSLA: tí nh hàn kém hơn, dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ thấp.
b. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3104-79: đã nêu trên 14Mn, 09Mn2,..
c. Tiêu chuẩn các nớc Nga:

OCT : 14Mn là 14, 15CrSiNiCu là 15XCH. đã
nêu trên
Nga đã dùng nhiều thép HSLA làm đờng ống, cầu.

Nhật bản, theo JIS G3129: quy định loạt mác SH 590P (dạng tấm), SP 590S
(góc)
. JIS G3114 quy định hai mác SPA - H (tấm cán nóng) và SPA - C (tấm cán
nguội) cho thép có tí nh chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có
0,2
315 và
345MPa.

79
5.2.4. Thép làm cốt bêtông
Thép làm cốt bêtông là loại chuyên dùng làm cốt cho bêtông làm tăng khả
năng chịu kéo, uốn và tải trọng động cho cấu kiện, rất thờng gặp hàng ngày.
TCVN 1651-85: thép làm cốt bêtông gồm 4 cấp: C I, C II, C III và C IV:
Cấp C I là cấp chịu lực thấp nhất dùng thép tròn trơn với mác CT38,
Cấp C II dùng thép có đốt với mác CT51,
Các cấp C III, C IV, gồm các mác HSLA: 35MnSi, 18Mn2Si, 25Mn2Si,
20CrMn2Zr
Hoa Kỳ theo ASTM: HSLA
Loại tròn trơn:

b


485MPa,

0,2


385MPa.
Loại có đốt :

b
550MPa,
0,2
485MPa. cao hơn cấp CI và CII của TCVN.
Nhật bản theo JIS 3112: có hai mác thép tròn trơn: SR235 và SR295, bốn mác
thép có đốt: SD295, SD345, SD390, SD490; trong đó số chỉ
0,2
tối thiểu theo
MPa
.
5.2.5.

Các thép khác

Dây thép: thép nhiều cacbon (0,8-1%C) hoặc thép C không cao lắm nhng biến
dạng lớn.
Đờng ray cho xe lửa: 60Mn
5.3.

Thép chế tạo máy
5.3.1. Các yêu cầu chung
a.

Cơ tí nh :
Độ bền cao (giới hạn chảy), độ dai va đập lớn, chịu mài mòn, giới hạn
mỏi cao.
b. Tí nh công nghệ: Dễ biến dạng nóng (rèn), dễ cắt gọt, có thể nhiệt luyện để
tăng bền.
c. Tí nh kinh tế
d.

Thành phần hóa học :
C và nguyên tố hợp kim

Thành phần hợp kim và thép hợp kim

Nguyên tố hợp kim chí nh: Cr, Mn, Si và Ni (B), HK phụ: Ti,Zr,V,Nb,Mo.
Hợp kim hóa phức tạp tốt hơn hợp kim hóa đơn giản.
5.3.2.

Thép thấm cacbon
a. Đặc điểm các loại thép thấm cacbon và tác dụng của các nguyên tố
%C thấp: 0,10
ữ
0,25% (0,30%) để chịu tải trọng tĩnh và va đập cao + bề mặt
bị mài mòn mạnh nh bánh răng, cam, chốt...
Thép cacbon: chỉ dùng thép lặng: C10, C15, C20, C25. áp dụng cho ct d < 10
ữ
20,
hì nh dạng đơn giản, chỉ chịu mài mòn thấp. Nhiệt độ thấm thấp < 900-920, thời
gian thấm dài, sau khi thấm thờng hoá và tôi+ram thấp. không tôi trực tiếp
Thép hợp kim: d > 30ữ50, hì nh dạng phức tạp và chịu mài mòn cao. Hợp kim: Cr
riêng hoặc kết hợp với Ni, Mn, Ti có 2 tác dụng: tăng cơ tí nh (thấm tôi, hạt nhỏ),
không cản trở quá trì nh thấm cacbon. Không dùng Si vì cản trở thấm cacbon,
không dùng riêng Mn làm hạt thô.
Các mác thép thờng dùng: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV
u việt của thép hợp kim so với thép cacbon:

- độ bền cao do độ thấm tôi cao, tiết diện chi tiết lớn hơn

80
- chống mài mòn cao nhờ sau khi thấm cacbon tạo nên các cacbit hợp kim, cứng
nóng >200
o
C
- tôi trong dầu nên í t diến dạng, dùng đợc cho các chi tiết có hì nh dạng phức tạp
- nhiệt độ thấm cao hơn, do đó rút ngắn đợc thời gian thấm.
c. Thép hợp kim Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV
Dùng cho chi tiết nhỏ (d=20-40), nhiệt độ thấm 900-920, do tạo cacbit Cr dễ quá
bão hoà C
d. Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo:
- độ thấm tôi lớn , bền và dai cao
- áp dụng: cho các chi tiết quan trọng, cần độ tin cậy cao nh trong ôtô, máy
bay...Gồm 2 loại:
Thép Cr-Ni thấp: độ thấm tôi khá cao, tôi trong dầu, không kinh tế nên các nớc
phơng Tây không dùng. 20CrNi (20XH), cho các chi tiết hì nh dạng phức tạp với d
~ (50 ữ 75
mm
), chịu tải trọng va đập cao nh các bánh răng ôtô tải nhẹ và du lịch
Thép Cr-Ni cao: %Ni= 2% đến 4%, %Cr~ 1%, tỷ lệ Ni / Cr = 3 hay 4. Độ thấm tôi
rất cao, tôi thấu đợc tiết diện bất kỳ (100). Tôi trong dầu, với tiết diện nhỏ có thể
áp dụng tôi phân cấp, nhờ đó giảm mạnh độ biến dạng. áp dụng cho chi tiết quan
trọng: chịu tải trọng nặng, chịu mài mòn mạnh, hì nh dạng lớn và phức tạp, yêu cầu
độ tin cậy cao nh các chi tiết trong máy bay, ôtô mà các h hỏng có thể gây tai
họa cho ngời. Các mác thép Cr-Ni dùng để thấm cacbon là: VN: 12CrNi3A,
20Cr2Ni4A, Nga : 12XH3A và 20X2H4A, JIS: SNC415 và SNC815.
cơ tí nh tổng hợp cao tới

b
= 1000

ữ
1200MPa, a
K
= 900
ữ
1000kJ/m
2
.
- rất đắt (theo số liệu của Nga đắt gấp ba thép cacbon),
- tí nh gia công cắt kém do thép quá dẻo (do cacbon thấp, niken cao), phoi không
gãy vụn,
- phải áp dụng quy trì nh công nghệ khá phức tạp:
Trớc khi gia công cắt thép phải qua thờng hóa (tôi )
Sau khi thấm C, bề mặt có %C cao và Ni khá cao làm hạ thấp điểm M
đ
lúc đó
đem tôi lợng d (50 ữ 60%) cao, độ cứng thấp (45 ữ 55HRC), không đủ chống
mài mòn. Sau khi thấm phải thờng hóa trực tiếp (tôi) rồi ram cao ở 600
ữ
650
o
C-
2 đến 6h, để tạo xoocbit và tiết cacbit làm d/dịch rắn nghèo bớt hợp kim đi. Sau đó
nung tôi lại: với

nghèo hợp kim (nâng cao điểm M
đ
) và cacbit phân tán nên
tôi+ram thấp sẽ nhận đợc M+cacbit phân tán và í t d nên độ cứng cao
(HRC>60) và chịu mài mòn tốt.

Thép Cr-Ni-Mo: có thêm 0,10
ữ
0,40%Mo độ thấm tôi tăng (không có tác dụng
chống giòn ram vì chỉ phải ram thấp), chúng đợc coi là thép thấm cacbon tốt
nhất, đợc dùng vào các mục đí ch quan trọng nhất và cho tiết diện lớn nhất. Các
mác thép Cr-Ni-Mo để thấm cacbon thờng dùng:
TCVN: 20CrNi2Mo, 20Cr2Ni4MoA (

OCT: 20XH2M, 18X2H4MA)
Hoa kỳ SAE/AISI: 4320, 8615, Nhật JIS: SNCM415, SNCM815
Các mác thép này có đặc tí nh giống nh các mác Cr-Ni cùng loại song có tí nh
thấm tôi cao hơn (ví dụ 20Cr2Ni4MoA có tí nh thấm tôi cao hơn 20Cr2Ni4A, quy
trì nh nhiệt luyện giống nhau)
e. Thép Cr-Mn-Ti: