Chương 1: Vật liệu Kim Loại 1) Giới thiệu về hợp kim? 1.1 Thế nào là kim loại sạch – kim loại nguyên chất? Kim loại nguyên chất không trộn lẫn với bất kì kim loại nào khác VD sát, đồng, kẽm,. nguyên chất Kim loại sạch rất ít khi sử dụng trong kĩ thuật 1.2 Thế nào là hợp kim? Hợp kim tổ hợp của 1 kim loại với nhiều nguyên tố khác để tạo kim loại mới để tăng cơ tính và một số tính chất khác của kim loại cơ bản VD: Brass (đồng và kẽm): đồng thau Thép carbon ( sắt và carbon) Hợp kim = Kim loại A + nguyên tố khác 1.3 Hợp kim đen và hợp kim màu Hợp kim đen là những hợp kim loại trên nguyên tố nền là sắt Hợp kim màu là những hợp kim loại cơ bản không có nguyên tố sắt VD : đồng thau 1.4 Các nhóm hợp kim phổ biến – 3 nhóm Sử dụng đến 95% trong tổng kim loại Hợp kim trên cơ sở là sắt: thép, gang đúc Hợp kim trên cơ sở là nhôm Hợp kim trên cơ sở đồng 2) Hợp kim sắt – carbon 2.1 Giảng đồ trạng thái 2 cấu tử 2.1 Lợi ích của giảng đồ trạng thái - Tìm hiểu các tính chất của gang và thép - Tìm hiểu phương pháp nhiệt luyện của gang và thép 2.2 Sắt - Cơ tính của sắt: σb : giới hạn bền kéo (độ bền đứt) σ0.2: Giới hạn bền chảy δ : độ giãn dài tương đặc trưng cho độ dẻo (cao) Độ bền của sắt cao hơn hẳn độ bền của đồng và nhôm nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của vật liệu kĩ thuật Chỉ sử dụng hợp kim của sắt ( gang và thép) Dạng thù hình: b.c: lập phương tâm khối f.c: lập phương tâm mặt 2.3 Carbon - Trong tự nhiên là vật liệu tinh thể có dạng thù hình: graphite, kim cương - Trong tự nhiên có thể tồn tại dạng vô định hình vd than đá, than củi 2.4 Tương tác giữa sắt và carbon Có 2 kiểu tương tác o Carbon có thể hoà tan vào trong sắt để tạo ra dung dịch rắn o Carbon có thể kết hợp với sắt để tạo thành hợp chất hoá học a1) Khả năng tạo thành dung dịch rắn do carbon hoà tan trong sắt dC = 1.54 A << dFe Đường kính nguyên tử carbon nhỏ hơn rất nhiều so với sắt Carbon có thể hoà tan vào trong mạng tinh thể của sắt để tạo thành dung dịch rắn xen kẽ Trong mạng tinh có 2 dạng lỗ hổng: o Lỗ hổng tứ diện o Lỗ hổng bát diện Với Feα: o Lập phương tâm khối o Đường kính lỗ hỏng lớn nhất nhưng nhỏ hơn rất nhiều đường kính Carbon: 0.74 A << dC o Khả năng hoà tan Carbon trong Feα gần như bằng 0 và hoà tan cao nhất 0.006% ( nhiệt độ phòng) Với Feγ: o Đường kính lỗ hổng lớn nhất: 0.02A o Không quá nhỏ so với đường kính Carbon Carbon dễ xen vào lỗ hổng mạng tinh thể Feγ o Độ hoà tan tối đa của Carbon vào Feγ: 2.14% tại 1147oC b1) Hợp chất của Sắt và Carbon: - Sắt và Carbon kết hợp với nhau tạo thành 3 hợp chất hoá học Fe3C (6.67%) - Lượng carbon có trong gang ( tối đa 5%C): chỉ tồn tại Fe3C ( cementite) - Tính chất Cementite: o Pha trung gian o Rất cừng và giòn 2.5 Giảng đồ trạng thái Sắt và Carbon Nhận xét: -…. viết tắt ký tự Trục tung: nhiệt độ, trục hoành: thành phần hoá học chỉ lượng % C tăng dần Trục hoành ứng với biên bên trái: sắt nguyên chất; bên phải là 6.67 % C ( ứng với Cementit Fe3C) Trên giảng đồ có 1 số đường giới hạn chỉ những vùng pha tổ chức và chuyển biến pha o Từ 911oC trở xuống Feα ; từ 911oC < T < 1392oC là Feγ ; trên 1392 oC trở lên Feα o không đề cập vì không mang ý nghĩa thực tiễn o Đường kính lỗ hỏng nên Carbon hoà tan trong Feα tại to phòng là 0.06% gọi là Ferrit – F, α ( gọi là sắt nguyên chất) o ừ 911oC < T < 1392oC thì Carbon hoà tan rất nhiềutạo thành dung dịch rắn có kiểu mạng lập phương tâm mặt gọi là Austenite – A, γ o Ứng với trục tung Fe3C ( chứa 6.67% carbon) gọi là Cementite o phía trên đường này là hợp kim sắt Carbon tồn tại trạng thái lỏng o Khi làm nguội trạng thái lỏng đến 1147oC, từ pha lỏng kết tinh ra đồng thời 2 pha là Austenite và Cementite gọi là phản ứng “ Cùng tinh” gọi là Ledeburite – Le o Nếu làm nguội hỗn hợp Ledeburite đến 727oC thì hỗn hợp chứa Austenite thì chuyển biến thành Pearlite ( do Austenite + Cementite) o Nếu Austenite chứa hàm lượng 0.8% Carbon khi làm nguội tại 727oC xảy ra phản ứng “ Cùng tích” o Đồng thời từ 1 pha Austenite sẽ tiết ra 2 pha Ferrit và Cementite hổn hợp gọi là Pearlite – hỗn hợp cùng tích - P o Tại đường 727oC – nhiệt độ A1, úng với đường gọi là Acm ,ứng với đường cạnh huyền gọi là A3 các nhiệt độ tới hạn 2.6 Các Pha và hỗn hợp a) Pha Lỏng Ferrit (b.c) là cấu trúc mềm nhất trên giảng đồ từ Austenite ( f.c) có độ hoà tan Carbon: 2.8% ( 727oC), độ dẻo cao Cementite: rất cứng và giòn b) Hỗn hợp Pearlite: tại 727oC xảy ra phản ứng cùng tích As Ferrit + Cementite, độ bền khá cao và thành phần 88% Ferrit + 12% Cementite Ledeburite: tại 1147oC, xảy ra phản ứng cùng tinh Lc Austenite + Cementite o Tiếp tục làm nguội đến 727oC: Austentite Peartlite; lúc này Le (Pearlite + Cementite) Hỗn hợp rất cứng và giòn 2.2 Thép Thép là sản phẩm chính của quá trình luyện kim đen Sản phẩm: o Thép cán sử dụng nhiều nhất ( thanh, tấm dày, tấm mỏng, ống,.) o Thép đúc Thành phần hoá học: o Thép carbon ( thép + carbon) o Thép hợp kim Từ 0 2.14% gọi là Thép; Từ 2.67% gọi là Gang Thép chứa 0.8% Carbon gọi là thép cùng tích; dưới 0.8% gọi là thép dưới cùng tích; lớn hơn 0.8% gọi là thép sau cùng tích Gang chứa 4.3% gọi là gang cùng tinh, dưới 4.3% gọi là gang dưới cùng tich; lớn hơn 4.3% gọi là gang sau cùng tich 2.2 Thép carbon a) Thành phần hoá học o C ≤ 2.14% o Mn, Si: Mn, Si được thêm vào mỗi loại thép mục đích chính khử oxy, có thể tăng cơ tính Mn ≤ 0.5%,… b) Các nguyên tố không có lơị P,S – rất có hại cho thép: o Quặng sắt, than cốc, phụ gia, khí lò chứa một lượng lớn P, S sẽ đi vào trong gang quá trình lò cao sau đó đi vào trong thép giảm cơ tính gang và thép o P gây nên hiện tượng giòn nguội nhanh của thép; S gây ra hiện tượng giòn nóng cho thép o P < 0.05% o Cách luyện gang và thép: Có 2 cách luyện cơ bản: luyện thép từ quặng làm ra gang/sắt, luyện từ sắt thép phế liệu c) Những nguyên tố ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của thép Carbon o Nguyên tố quan trọng nhất, ảnh hưởng lớn nhât đến cấu trúc và tính chất của thép o Khi tăng hàm lượng Carbon thì lượng Fe3C sẽ tăng: Độ bền, độ cứng tăng Độ dẻo, độ daicàng giảm Biểu đồ sự ảnh hưởng của carbon đến thép Mangan (Mn) o Được thêm vào thép để Khử Oxy: Mn + FeO Fe + MnO Giảm hàm lượng có hại của S: FeS MnS Làm tăng độ bền của thép Silicon: o Được đưa vào thép để Khử Oxy: 2FeO + Si Fe + SiO2 Tăng độ bền của thép d) Phân loại mác thép Carbon Theo chất lượng căn cứ theo hàm lượng P, S o Chất lượng thường: < 0.07% P thép xây dựng o Chất lượng tốt: < 0.035% P chi tiết mới o Chất lượng cao: < 0.025% P thép dụng cụ o Chất lượng đặc biệt cao: < 0.025% P Chất lượng thép được xác định bằng phương pháp luyện kim ✓ Thép carbon: ba loại đầu tiên ✓Thép hợp kim: ba loại cuối cùng Theo công dụng: 1. Thép xây dựng 2.
Thép kết cấu: chủ yếu để chế tạo các chi tiết máy 3. Thép dụng cụ chủ yếu dùng cho các dụng cụ (cắt, rèn. Thép và hợp kim có tính chất đặc biệt d1. Thép carbon chất lượng thường – thép xây dựng Cung cấp chủ yếu ở dạng cán – nóng, thường hoá, không tôi và ram Loại thép sử dụng: dạng hình, dạng tấm, dạng ống,.
Phân nhóm A: o Được sử dụng mà không gia công nóng o Chỉ yêu cầu cơ tính, không yêu cầu thành phần hoá học o Thiết kế: CT ( thép carbon chất lượng thường) và con số phía sau chỉ có giới hạn bền kéo tối thiểu (kg/mm2) o Mác – nhãn: CT31, CT33, CT34,… cơ tính tăng dần, do hàm lượng Carbonn tăng dần Phân nhóm B o Đối tượng sử dụng sẽ qua gia công nóng Vd: rèn, dập,… o Bảo đảm thành phần hoá học và không yêu cầu cơ tính o Thiết kế: BCT ( thép carbon chất lượng cao) và con số phía sau chỉ có giới hạn bền kéo tối thiểu (kg/mm2) o Mác: BCT31, BCT33, BCT34,… Phân nhóm C o Làm những kết cấu hàn để khung nhà xưởng o Bảo đảm cả thành phần hoá học và cơ tính o Thiết kế: CCT ( thép carbon chất lượng thường) và con số phía sau chỉ có giới hạn bền kéo tối thiểu (kg/mm2) o Mác: CCT31, CCT33, CCT34,… o Cơ tính giống nhóm A + thành phần hoá học giống nhóm B d2. Thép kết cấu Carbon chất lượng tốt o S < 0.035% o Được cung cấp với thành phần hóa học và thành phần cơ tính phải được đảm bảo o Chủ yếu để chế tạo chi tiết máy o Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): Chữ C đầu tiên, các chữ số tiếp theo chỉ hàm lượng cacbon trung bình tính bằng phần trăm của phần trăm o Mác: C8, C10, C15,., C75, C80, C85 C8 bao gồm C thép kết cấu Carbon, 8 chỉ làm lượng carbon theo phần 105 tức là chứa 0. Thép dụng cụ Carbon o Thuộc nhóm thép Carbon chất lượng tốt và chất lương cao o TCVN: Các chữ cái đầu là CD, các chữ số tiếp theo chỉ hàm lượng cacbon trung bình tính bằng phần trăm; nếu có chữ A ở cuối: thép chất lượng cao o Mác: CD70, CD80,… CD130, CD70A… CD70 bao gồm CD là thép dụng cụ, 70 chỉ làm lượng carbon theo phần 105 o Đối với thép dụng cụ hàm lượng carbon thấp nhất là 0.7% và cao nhất là 1.