Vật liệu học tập 2 (Vũ Minh Bằng): Gang, Thép, Polyme, Compozit

Tài liệu nghiên cứu Vật liệu học tập 2, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Đề tài: Vật liệu học tập 2

Mục lục chi tiết

• 9. CHƯƠNG 9: GANG
• 9.1. Các đặc tính cơ bản của các loại gang
• 9.1.1. Thành phần hoá học
• 9.1.2. Tổ chức tế vi
• 9.1.3. Cơ tính và tính công nghệ
• 9.2. Quá trình graphit hoá trong gang và các yếu tố ảnh hưởng
• 9.2.1. Sự graphit hoá
• 9.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng
• 9.3. Các loại gang
• 9.4. Nhiệt luyện gang
• 9.4.1. Nhiệt luyện gang trắng
• 9.4.2. Nhiệt luyện gang xám, gang cầu, gang dẻo
• 10. CHƯƠNG 10: THÉP CÁC BON
• 10.1. Khái niệm về thép các bon
• 10.2. Ảnh hưởng của các bon và tính chất của thép các bon
• 10.3. Phân loại và ký hiệu thép các bon
• 10.3.1. Phân loại thép các bon
• 10.3.2. Ký hiệu thép các bon
• 10.4. Ưu, nhược điểm của thép các bon
• 11. CHƯƠNG 11: NGUYÊN LÝ HỢP KIM HOÁ
• 11.1. Định nghĩa và mục đích của hợp kim hoá
• 11.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong thép hợp kim
• 11.2.1. Tác dụng của các nguyên tố hợp kim với Fe trong thép hợp kim
• 11.2.2. Tác dụng của các nguyên tố hợp kim với các bon trong thép hợp kim
• 11.2.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện
• 11.2.3.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến chuyển biến nung nóng
• 11.2.3.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến sự phân hoá
• 11.2.3.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến chuyển biến Máctenxit
• 11.2.3.4. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến chuyển biến ram
• 11.3. Các khuyết tật trong thép hợp kim
• 11.3.1. Thiên tích nhánh cây
• 11.4. Phân loại và ký hiệu thép hợp kim
• 11.4.1. Phân loại thép hợp kim
• 11.4.2. Ký hiệu thép hợp kim
• 12. CHƯƠNG 12: CÁC LOẠI THÉP
• 12.1. Thép kết cấu
• 12.1.1. Khái niệm chung về thép kết cấu
• 12.1.2. Các nhóm thép kết cấu và đặc điểm nhiệt luyện chúng
• 12.2. Thép dụng cụ
• 12.2.1. Thép và hợp kim làm dao cắt
• 12.2.2. Thép làm khuôn dập
• 12.3. Thép có tính chất lý hoá đặc biệt
• 12.3.1. Thép không gỉ có tính chống ăn mòn cao
• 12.3.2. Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao
• 13. CHƯƠNG 13: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG
• 13.1. Nhôm và hợp kim của nhôm
• 13.1.1. Nhôm nguyên chất
• 13.1.2. Các loại hợp kim nhôm phổ biến
• 13.2. Đồng và hợp kim đồng
• 13.2.1. Đồng nguyên chất
• 13.2.2. Các loại hợp kim đồng phổ biến
• 13.3. Hợp kim làm ổ trượt
• 13.3.1. Yêu cầu chung đối với hợp kim làm ổ trượt
• 13.3.2. Hợp kim làm ổ trượt có nhiệt độ nóng chảy thấp
• 13.3.3. Hợp kim làm ổ trượt có nhiệt độ nóng chảy cao
• 13.4. Titan và hợp kim của titan
• 13.4.1. Titan nguyên chất
• 13.4.2. Hợp kim của titan
• 14. CHƯƠNG 14: VẬT LIỆU VÔ CƠ (CERAMIC)
• 14.1. Khái niệm chung
• 14.1.1. Bản chất và phân loại
• 14.1.2. Liên kết nguyên tử
• 14.1.3. Trạng thái tinh thể
• 14.1.4. Trạng thái vô định hình
• 14.2. Gốm và vật liệu chịu lửa
• 14.2.1. Bản chất và phân loại
• 14.3. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh
• 14.3.1. Bản chất và phân loại
• 14.3.2. Thuỷ tinh thông dụng
• 14.3.3. Các thuỷ tinh khác
• 14.3.4. Gốm thuỷ tinh
• 14.4. Xi măng và bê tông
• 14.4.1. Bê tông cốt thép
• 14.5. Vật liệu cốt sợi cho compozit
• 14.5.1. Vật liệu các bon và sợi các bon
• 14.5.2. Sợi bo và các sợi khác
• 14.5.3. Râu đơn thuỷ tinh
• 15. CHƯƠNG 15: VẬT LIỆU POLYME
• 15.1. Cấu trúc phân tử polyme
• 15.1.1. Phân tử hyđrô các bon
• 15.1.2. Phân tử polyme
• 15.1.3. Cấu trúc mạch của polyme
• 15.1.4. Cấu trúc tinh thể của polyme
• 15.2. Tính chất cơ - lý - nhiệt của polyme
• 15.2.1. Quan hệ ứng suất - biến dạng
• 15.2.2. Cơ chế biến dạng
• 15.2.3. Nóng chảy và thuỷ tinh hoá
• 15.2.4. Trạng thái đàn hồi - nhớt
• 15.3. Ứng dụng và gia công polyme
• 15.3.1. Phân loại polyme
• 15.3.2. Các phương pháp tổng hợp polyme
• 15.3.3. Phối liệu của polyme
• 15.3.4. Các loại polyme và ứng dụng
• 16. CHƯƠNG 16: VẬT LIỆU COMPOZIT
• 16.1. Khái niệm về compozit
• 16.1.1. Đặc điểm và phân loại
• 16.1.2. Liên kết nền - cốt
• 16.2. Compozit hạt thô
• 16.3. Compozit hạt mịn
• 16.4. Compozit cốt sợi
• 16.4.1. Ảnh hưởng yếu tố hình học của sợi
• 16.4.2. Compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng
• 16.4.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng
• 16.4.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn
• 16.4.5. Kích thước và vật liệu làm cốt sợi
• 16.4.6. Các loại compozit cốt sợi phổ biến
• 16.5. Compozit cấu trúc
• 16.5.1. Compozit cấu trúc dạng lớp
• 16.5.2. Compozit cấu trúc dạng tấm ba lớp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám phá tổng quan các loại vật liệu kỹ thuật phổ biến

Vật liệu kỹ thuật là nền tảng của mọi ngành công nghiệp, từ xây dựng, cơ khí đến hàng không vũ trụ. Sự phát triển của khoa học vật liệu đã mở ra những kỷ nguyên mới cho sản xuất và công nghệ. Về cơ bản, các vật liệu được phân thành hai nhóm chính: vật liệu kim loại và vật liệu phi kim loại. Nhóm vật liệu kim loại bao gồm các hợp kim của sắt như gang và thép cacbon, cùng với các kim loại màu như nhôm, đồng, và titan. Những vật liệu này nổi bật với độ bền cao, khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện tốt và dễ tạo hình. Trong đó, gang và thép chiếm vị trí trung tâm trong ngành cơ khí chế tạo máy nhờ giá thành hợp lý và cơ tính đa dạng. Gang, một hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14%, được biết đến với khả năng đúc tốt và chịu nén cao. Ngược lại, thép cacbon, với hàm lượng cacbon thấp hơn, lại sở hữu độ dẻo và độ dai vượt trội, phù hợp cho các chi tiết chịu kéo và va đập. Nhóm vật liệu phi kim loại bao gồm vật liệu vô cơ (ceramic), vật liệu polyme, và vật liệu compozit. Mỗi loại đều có những đặc tính riêng biệt, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật chuyên dụng mà kim loại không thể thỏa mãn. Sự lựa chọn vật liệu phù hợp quyết định trực tiếp đến hiệu suất, tuổi thọ và giá thành của sản phẩm cuối cùng.

1.1. Phân loại vật liệu kim loại và vật liệu phi kim loại

Phân loại vật liệu là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong nghiên cứu và ứng dụng. Vật liệu kim loại được chia thành hai phân nhóm chính: kim loại đen và kim loại màu. Kim loại đen là các hợp kim có thành phần chủ yếu là sắt, tiêu biểu là gang và thép cacbon. Chúng là xương sống của các ngành công nghiệp nặng. Kim loại màu bao gồm các kim loại còn lại như nhôm, đồng, titan và hợp kim của chúng. Các vật liệu này thường có các tính chất đặc trưng như khối lượng riêng thấp, chống ăn mòn tốt hoặc dẫn điện ưu việt. Trong khi đó, vật liệu phi kim loại mang đến một phổ đặc tính hoàn toàn khác. Vật liệu vô cơ (ceramic) như gốm và thủy tinh có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt nhưng giòn. Vật liệu polyme (nhựa) lại nhẹ, linh hoạt, cách điện tốt và dễ gia công. Cuối cùng, vật liệu compozit là sự kết hợp của hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau để tạo ra một vật liệu mới có tính chất vượt trội so với các vật liệu thành phần, ví dụ như bê tông cốt thép hoặc sợi carbon gia cường polyme. Sự đa dạng này cho phép các kỹ sư lựa chọn giải pháp tối ưu cho từng bài toán thiết kế cụ thể.

1.2. Vai trò của gang và thép trong công nghiệp hiện đại

Gang và thép cacbon là hai trong số những vật liệu kim loại được sử dụng rộng rãi nhất. Gang, với thành phần cacbon cao, có nhiệt độ nóng chảy thấp và tính chảy loãng tốt, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp được chế tạo bằng phương pháp đúc. Các loại gang xám, gang cầu, và gang dẻo cung cấp một dải rộng các cơ tính, từ khả năng chịu mài mòn, giảm chấn tốt của gang xám đến độ bền và độ dẻo cao của gang cầu. Thép, mặt khác, là vật liệu không thể thiếu trong chế tạo các chi tiết yêu cầu độ bền kéo, độ dai va đập và khả năng chịu tải trọng động. Từ các kết cấu xây dựng khổng lồ, vỏ tàu thủy, đường ray xe lửa đến các chi tiết máy chính xác, sự hiện diện của thép là phổ biến. Việc hiểu rõ tổ chức tế vi và ảnh hưởng của các nguyên tố đến thuộc tính của chúng là chìa khóa để khai thác tối đa tiềm năng của hai loại vật liệu nền tảng này.

II. Hiểu rõ thách thức Ảnh hưởng của tạp chất đến thép

Chất lượng của thép cacbon không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng cacbon mà còn bị ảnh hưởng sâu sắc bởi sự hiện diện của các tạp chất. Trong quá trình luyện kim, các nguyên tố như phốt pho (P) và lưu huỳnh (S) không thể loại bỏ hoàn toàn và luôn tồn tại trong thành phẩm. Chúng được xem là những tạp chất có hại, gây ra các vấn đề nghiêm trọng về cơ tính và độ tin cậy của vật liệu. Lưu huỳnh, khi tồn tại trong thép, tạo ra hợp chất Sắt Sunfua (FeS). Hợp chất này có nhiệt độ nóng chảy thấp (khoảng 988°C) và tạo thành một mạng lưới mỏng manh ở biên giới hạt. Khi nung thép để gia công áp lực ở nhiệt độ cao (cán, rèn), mạng lưới FeS này sẽ chảy ra, gây đứt gãy liên kết giữa các hạt và làm thép trở nên giòn. Hiện tượng này được gọi là "giòn nóng". Phốt pho, ngược lại, lại là nguyên nhân chính gây ra "giòn nguội". Phốt pho hòa tan vào pha pherit, làm tăng đáng kể độ cứng nhưng đồng thời làm giảm mạnh độ dai của thép ở nhiệt độ thường. Do đó, việc kiểm soát chặt chẽ hàm lượng các tạp chất này là một thách thức lớn, quyết định đến việc phân loại chất lượng thép từ chất lượng thường đến chất lượng cao và đặc biệt cao.

2.1. Tác động của phốt pho và lưu huỳnh đến cơ tính thép

Lưu huỳnh (S) là nguyên tố gây ra hiện tượng giòn nóng. Trong thép, nó tồn tại dưới dạng hợp chất FeS, tạo ra cùng tinh (Fe + FeS) với nhiệt độ nóng chảy thấp. Khi thép được gia công ở trạng thái nóng, cùng tinh này nóng chảy trước, làm mất liên kết giữa các hạt và gây nứt. Để hạn chế tác hại này, người ta thường thêm Mangan (Mn) vào thép. Mangan có ái lực hóa học với lưu huỳnh mạnh hơn sắt, tạo thành MnS có nhiệt độ nóng chảy cao (1620°C). MnS tồn tại dưới dạng các hạt nhỏ, phân bố rời rạc và không gây hiệu ứng giòn nóng. Phốt pho (P) là nguyên nhân của hiện tượng giòn nguội. Mặc dù phốt pho hòa tan được trong pherit và làm tăng độ bền, nó lại làm giảm mạnh độ dai va đập, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Do đó, hàm lượng P và S trong thép luôn được khống chế ở mức rất thấp, thường không quá 0,05% cho mỗi nguyên tố trong các loại thép chất lượng tốt.

2.2. Vấn đề độ thấm tôi thấp của thép cacbon thông thường

Một trong những nhược điểm lớn nhất của thép cacbon là độ thấm tôi thấp. Độ thấm tôi là khả năng vật liệu đạt được tổ chức tế vi Máctenxit (tổ chức có độ cứng cao) trên một chiều sâu nhất định khi làm nguội nhanh (tôi). Do tốc độ phân hóa Ôstenit của thép cacbon khá nhanh, chỉ lớp bề mặt của chi tiết, nơi có tốc độ nguội lớn nhất, mới có thể chuyển biến hoàn toàn thành Máctenxit. Phần lõi bên trong, do nguội chậm hơn, sẽ có các tổ chức mềm hơn như Péclit hoặc Bainit. Điều này làm hạn chế khả năng hóa bền của các chi tiết có kích thước lớn. Hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện không cao, và thép không thể làm việc ở nhiệt độ trên 200°C do Máctenxit dễ bị phân hóa, làm giảm độ cứng. Để khắc phục những hạn chế này, người ta phải sử dụng đến phương pháp hợp kim hóa, đưa các nguyên tố đặc biệt vào thép để cải thiện độ thấm tôi và các tính chất khác.

III. Giải pháp vật liệu gang Đặc tính và các phương pháp tối ưu

Gang là một giải pháp vật liệu kinh tế và hiệu quả cho nhiều ứng dụng kỹ thuật nhờ các đặc tính độc đáo của nó. Yếu tố quyết định đến tính chất của gang chính là sự hiện diện của cacbon ở dạng tự do, gọi là graphit. Quá trình hình thành graphit này được gọi là quá trình graphit hóa, và nó chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần hóa học (đặc biệt là Silic và Mangan), tốc độ làm nguội và nhiệt độ nấu lỏng. Dựa vào hình dạng của graphit và tổ chức tế vi của nền kim loại, gang được phân thành nhiều loại khác nhau, mỗi loại có một tổ hợp cơ tính và tính công nghệ riêng biệt. Gang xám với graphit dạng tấm phiến có khả năng chịu mài mòn và hấp thụ rung động tốt. Gang cầu, nhờ quá trình cầu hóa để tạo ra graphit dạng hình cầu, sở hữu độ bền và độ dẻo cao, gần tương đương với thép. Gang dẻo được tạo ra thông qua quá trình ủ gang trắng, có graphit dạng cụm, kết hợp được tính đúc tốt và độ dai va đập khá. Việc lựa chọn đúng loại gang và áp dụng các phương pháp nhiệt luyện gang phù hợp cho phép các kỹ sư tối ưu hóa hiệu suất của chi tiết, thậm chí thay thế thép trong một số trường hợp cụ thể.

3.1. Quá trình graphit hóa Yếu tố quyết định tính chất gang

Quá trình graphit hóa là sự phân hủy của xêmentit (Fe3C) thành sắt (pherit) và cacbon tự do (graphit). Đây là quá trình nền tảng tạo nên sự khác biệt giữa các loại gang. Silic (Si) là nguyên tố thúc đẩy mạnh mẽ quá trình này, trong khi Mangan (Mn) và Lưu huỳnh (S) lại cản trở, có xu hướng làm "hóa trắng" gang (giữ cacbon ở dạng Fe3C). Tốc độ nguội cũng đóng vai trò quan trọng: làm nguội chậm tạo điều kiện cho graphit hóa xảy ra, trong khi làm nguội nhanh sẽ tạo ra gang trắng với tổ chức cứng và giòn. Bằng cách kiểm soát các yếu tố này, nhà sản xuất có thể điều khiển được tổ chức tế vi cuối cùng của vật đúc, từ đó quyết định các đặc tính cơ học như độ cứng, độ bền kéo và độ dẻo. Ví dụ, để sản xuất gang xám, cần đảm bảo tốc độ nguội vừa phải và hàm lượng Silic đủ cao.

3.2. So sánh đặc điểm của gang xám gang cầu và gang dẻo

Sự khác biệt cơ bản giữa các loại gang nằm ở hình dạng của graphit. Gang xám có graphit dạng tấm phiến. Các tấm này hoạt động như những điểm tập trung ứng suất, làm giảm độ bền kéo nhưng lại giúp gang có khả năng chống mài mòn và giảm chấn tốt. Gang cầu được tạo ra bằng cách thêm các chất biến tính như Magie (Mg) vào gang lỏng để graphit kết tinh dưới dạng hình cầu. Hình dạng này ít gây tập trung ứng suất nhất, giúp gang cầu có độ bền và độ dẻo vượt trội, tiệm cận với thép. Gang dẻo có graphit dạng cụm, được hình thành từ quá trình ủ nhiệt luyện gang trắng. Gang dẻo có độ bền kéo cao hơn gang xám và độ dẻo tốt, phù hợp cho các chi tiết thành mỏng, hình dạng phức tạp và chịu va đập. Mỗi loại gang có một ký hiệu riêng, ví dụ GX (gang xám), GC (gang cầu), và GZ (gang dẻo) theo tiêu chuẩn Việt Nam, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn.

3.3. Phương pháp nhiệt luyện để cải thiện cơ tính của gang

Nhiệt luyện gang là một biện pháp hiệu quả để cải thiện cơ tính bằng cách thay đổi tổ chức tế vi của nền kim loại mà không làm thay đổi hình dạng graphit. Các phương pháp phổ biến bao gồm ủ, tôi và ram. Ủ khử ứng suất được thực hiện ở nhiệt độ 500-550°C để loại bỏ ứng suất dư sau khi đúc. Ủ để thay đổi nền kim loại có thể làm mềm gang (biến nền Péclit thành pherit) hoặc làm cứng gang (hòa tan graphit vào nền). Tôi và ram gang nhằm mục đích tăng độ cứng và tính chống mài mòn cho các chi tiết. Bằng cách nung nóng gang đến vùng Ôstenit rồi làm nguội nhanh, nền kim loại sẽ chuyển thành Máctenxit cứng, sau đó ram để giảm độ giòn. Đặc biệt, quá trình ủ gang trắng ở nhiệt độ cao (khoảng 1000°C) trong thời gian dài là phương pháp công nghệ để sản xuất gang dẻo, một ví dụ điển hình về sức mạnh của nhiệt luyện trong việc biến đổi hoàn toàn tính chất vật liệu.

IV. Hướng dẫn nguyên lý hợp kim hóa để nâng cao cơ tính thép

Hợp kim hóa là quá trình cố ý đưa các nguyên tố hợp kim (NTHK) đặc biệt vào thành phần của thép để thay đổi tổ chức và đạt được các tính chất vượt trội so với thép cacbon. Mục đích chính của hợp kim hóa là cải thiện cơ tính (tăng độ bền, độ cứng, độ dai), tăng khả năng chịu nhiệt, và tạo ra các tính chất lý-hóa đặc biệt như chống ăn mòn hoặc từ tính. Các NTHK tác động lên thép thông qua hai cơ chế chính: hòa tan vào dung dịch rắn (pherit hoặc ôstenit) và kết hợp với cacbon để tạo thành các pha mới gọi là cácbít hợp kim. Khi hòa tan vào pherit, các NTHK làm xô lệch mạng tinh thể, giúp tăng độ bền và độ cứng cho nền kim loại. Khi tạo thành cácbít hợp kim, chúng tạo ra các hạt cứng, phân tán trong nền, giúp tăng mạnh độ cứng, tính chống mài mòn và khả năng giữ cứng ở nhiệt độ cao. Việc hiểu rõ tác động của từng nguyên tố là cơ sở để thiết kế các mác thép hợp kim chuyên dụng, đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật khắt khe nhất.

4.1. Tác dụng của nguyên tố hợp kim NTHK với sắt và cacbon

Các nguyên tố hợp kim (NTHK) có ảnh hưởng khác nhau đến cấu trúc của thép. Một số nguyên tố như Niken (Ni), Mangan (Mn) có tác dụng mở rộng vùng gamma (γ), ổn định pha Ôstenit và làm giảm nhiệt độ chuyển biến pha. Ngược lại, các nguyên tố như Crom (Cr), Volfram (W), Vanadi (V) lại có tác dụng thu hẹp vùng gamma (γ), ổn định pha pherit (α) và nâng cao nhiệt độ chuyển biến. Với cacbon, các NTHK được chia thành hai nhóm. Nhóm không tạo cácbít (Ni, Si, Co) chỉ hòa tan vào sắt. Nhóm tạo cácbít mạnh (Cr, W, Mo, V, Ti) có ái lực hóa học mạnh với cacbon, chúng ưu tiên kết hợp với cacbon để tạo ra các cácbít hợp kim có độ cứng và độ bền nhiệt rất cao. Ví dụ, trong thép có cả Cr và V, cacbon sẽ ưu tiên tạo cácbít với V trước. Sự hình thành các cácbít hợp kim này thay cho xêmentit (Fe3C) là yếu tố cốt lõi mang lại các đặc tính ưu việt cho thép hợp kim.

4.2. Ảnh hưởng của NTHK đến quá trình nhiệt luyện và độ thấm tôi

Các nguyên tố hợp kim (NTHK), khi hòa tan vào Ôstenit, đều làm chậm quá trình phân hóa của nó khi làm nguội (trừ Co). Điều này làm cho đường cong chữ C (biểu đồ chuyển biến đẳng nhiệt) dịch chuyển sang phải. Kết quả trực tiếp là tốc độ tôi tới hạn giảm đi đáng kể, giúp làm tăng độ thấm tôi của thép. Nhờ đó, các chi tiết lớn bằng thép hợp kim có thể được tôi thấu, đạt được độ cứng đồng đều từ bề mặt vào đến lõi. Việc tăng độ thấm tôi cho phép sử dụng các môi trường tôi nhẹ hơn như dầu thay vì nước, giúp giảm nguy cơ nứt và biến dạng cho chi tiết. Hơn nữa, các NTHK tạo cácbít mạnh còn giúp giữ hạt Ôstenit nhỏ mịn khi nung ở nhiệt độ cao, ngăn ngừa hiện tượng hạt lớn làm giảm độ dai của thép sau khi nhiệt luyện. Đây là một ưu điểm vượt trội của thép hợp kim so với thép cacbon.

4.3. Cácbít hợp kim và xêmentit hợp kim tăng độ cứng ra sao

Sự hình thành các pha cứng là cơ chế hóa bền quan trọng trong thép hợp kim. Khi hàm lượng NTHK thấp, chúng có thể thay thế một phần nguyên tử sắt trong mạng lưới của xêmentit (Fe3C), tạo thành xêmentit hợp kim (Fe,Me)3C. Pha này có độ ổn định và độ cứng cao hơn xêmentit thông thường. Khi hàm lượng NTHK đủ lớn, đặc biệt là các nguyên tố tạo cácbít mạnh, chúng sẽ tạo ra các cácbít hợp kim riêng rẽ với công thức phức tạp hơn (ví dụ: Cr7C3, VC, WC). Các cácbít hợp kim này có những đặc tính nổi bật: độ cứng rất cao, nhiệt độ nóng chảy cao và rất bền ở nhiệt độ cao. Sự hiện diện của các hạt cácbít cứng và phân tán trong nền kim loại mềm dẻo hơn (pherit hoặc máctenxit ram) giúp ngăn chặn sự trượt của các mặt tinh thể, từ đó làm tăng mạnh độ cứng, khả năng chống mài mòn và đặc biệt là tính cứng nóng (khả năng giữ được độ cứng khi làm việc ở nhiệt độ cao).

V. Top ứng dụng thực tiễn của các loại thép kết cấu và dụng cụ

Dựa trên các nguyên lý về thành phần và nhiệt luyện, thép được phân loại theo công dụng thành các nhóm chính, trong đó thép kết cấu và thép dụng cụ là hai nhóm quan trọng và phổ biến nhất. Thép kết cấu được thiết kế để chế tạo các chi tiết máy và kết cấu xây dựng, đòi hỏi sự kết hợp cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và độ dai. Các loại thép này thường có hàm lượng cacbon trung bình và được hợp kim hóa ở mức độ thấp đến trung bình với các nguyên tố như Mangan, Silic, Crom để cải thiện cơ tính và độ thấm tôi. Chúng được sử dụng để làm trục khuỷu, bánh răng, dầm cầu, khung nhà xưởng. Ngược lại, thép dụng cụ được sử dụng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt, khuôn dập, và dụng cụ đo. Yêu cầu hàng đầu đối với nhóm thép này là độ cứng rất cao, khả năng chống mài mòn tốt và khả năng giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao (tính cứng nóng). Do đó, chúng thường có hàm lượng cacbon cao và được hợp kim hóa ở mức độ cao với các nguyên tố tạo cácbít mạnh như Volfram, Crom, Vanadi. Việc lựa chọn đúng mác thép cho từng ứng dụng là yếu tố quyết định đến hiệu quả và độ bền của sản phẩm.

5.1. Lựa chọn thép kết cấu cho các công trình chịu tải trọng

Thép kết cấu là nhóm thép chủ lực trong ngành chế tạo máy và xây dựng. Các mác thép cacbon chất lượng tốt như C45 là lựa chọn phổ biến cho các chi tiết chịu tải trọng trung bình như trục, bánh răng nhỏ, sau khi qua tôi và ram cao để đạt được tổ chức tế vi Xoocbit ram có cơ tính tổng hợp tốt nhất. Đối với các chi tiết lớn và chịu tải trọng nặng, đòi hỏi độ thấm tôi cao, người ta phải dùng đến thép hợp kim kết cấu. Các mác thép hợp kim Cr-Ni hoặc Cr-Mn như 40CrNi, 40CrMn được ưa chuộng nhờ khả năng tôi thấu tốt, cho phép chế tạo các trục lớn, trục khuỷu ô tô tải nặng. Việc lựa chọn mác thép cụ thể phụ thuộc vào kích thước của chi tiết và điều kiện làm việc, đảm bảo chi tiết có đủ độ bền, độ cứng ở bề mặt và độ dai ở phần lõi, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và tối ưu chi phí.

5.2. Đặc điểm của thép dụng cụ trong gia công và tạo hình

Thép dụng cụ được đặc trưng bởi độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội. Thép dụng cụ cacbon (ví dụ CD80, CD100) có giá thành rẻ, dễ nhiệt luyện nhưng độ thấm tôi thấp và tính cứng nóng kém, chỉ phù hợp làm dụng cụ cắt gọt ở tốc độ thấp và khuôn dập nguội nhỏ. Để khắc phục, người ta sử dụng thép hợp kim dụng cụ. Hợp kim hóa với Crom, Volfram, Vanadi giúp tạo ra lượng lớn cácbít hợp kim rất cứng, cải thiện mạnh mẽ khả năng chống mài mòn và tính cứng nóng. Các mác thép như 90CrSi được dùng làm dao cắt, khuôn dập. Đặc biệt, thép gió (hợp kim hóa cao với W, Mo, V, Cr) có thể giữ được độ cứng ở nhiệt độ lên tới 600-650°C, cho phép gia công cắt gọt ở tốc độ rất cao. Lựa chọn đúng loại thép dụng cụ giúp tăng tuổi thọ của dao cụ và đảm bảo chất lượng bề mặt sản phẩm gia công.

VI. Tương lai ngành vật liệu Xu hướng vật liệu phi kim loại

Mặc dù vật liệu kim loại vẫn giữ vai trò chủ đạo, tương lai của ngành khoa học vật liệu đang chứng kiến sự trỗi dậy mạnh mẽ của các loại vật liệu phi kim loại tiên tiến. Các vật liệu như vật liệu polyme, vật liệu vô cơ (ceramic) và đặc biệt là vật liệu compozit đang mở ra những tiềm năng ứng dụng không giới hạn, giải quyết các thách thức mà vật liệu truyền thống không thể đáp ứng. Vật liệu polyme với ưu điểm nhẹ, chống ăn mòn và dễ tạo hình đã thay thế kim loại trong nhiều lĩnh vực, từ bao bì, hàng tiêu dùng đến các chi tiết trong ngành ô tô và điện tử. Ceramic kỹ thuật, với độ cứng và khả năng chịu nhiệt siêu việt, đang được ứng dụng trong các động cơ phản lực, dụng cụ cắt và các linh kiện điện tử hiệu suất cao. Tuy nhiên, xu hướng đột phá nhất thuộc về vật liệu compozit. Bằng cách kết hợp các vật liệu cốt (như sợi carbon, sợi thủy tinh) với vật liệu nền (thường là polyme), compozit tạo ra một loại vật liệu mới vừa nhẹ vừa bền, vượt xa cả thép và nhôm. Đây chính là hướng đi tất yếu cho các ngành công nghiệp đòi hỏi hiệu suất cao như hàng không, vũ trụ và xe thể thao.

6.1. Khái quát về vật liệu polyme và ứng dụng đa dạng

Vật liệu polyme được cấu tạo từ các chuỗi phân tử dài (macromolecule). Cấu trúc này mang lại cho chúng những đặc tính độc đáo như khối lượng riêng thấp, tính linh hoạt, khả năng cách điện, cách nhiệt và kháng hóa chất tốt. Polyme được phân thành ba nhóm chính: nhựa nhiệt dẻo (có thể tái chế bằng nhiệt), nhựa nhiệt rắn (cứng hóa vĩnh viễn sau khi gia công) và đàn hồi (cao su). Nhờ khả năng tùy biến tính chất thông qua việc lựa chọn monome, phương pháp tổng hợp và thêm các chất phụ gia, polyme đã trở thành vật liệu không thể thiếu. Chúng được dùng làm vỏ thiết bị điện tử, ống dẫn nước, vật liệu cách điện, lốp xe, và vô số sản phẩm khác. Sự phát triển của polyme kỹ thuật cao cấp còn cho phép chúng thay thế kim loại trong các ứng dụng chịu lực, giúp giảm trọng lượng và tiết kiệm năng lượng.

6.2. Vật liệu compozit Sự kết hợp ưu việt cho tương lai

Vật liệu compozit là đỉnh cao của khoa học vật liệu, được tạo ra để khai thác những ưu điểm tốt nhất của các vật liệu thành phần. Cấu trúc phổ biến nhất là compozit cốt sợi, trong đó các sợi gia cường có độ bền rất cao (như sợi carbon, sợi thủy tinh, sợi aramid) được nhúng trong một vật liệu nền (matrix) thường là polyme. Vật liệu cốt chịu tải trọng chính, trong khi vật liệu nền có nhiệm vụ liên kết các sợi lại với nhau, bảo vệ chúng khỏi môi trường và phân bố tải trọng. Kết quả là một vật liệu có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cực kỳ cao. Vật liệu compozit đang cách mạng hóa ngành hàng không (thân vỏ máy bay Boeing 787, Airbus A350), ngành thể thao (vợt tennis, khung xe đạp đua) và năng lượng tái tạo (cánh quạt tua-bin gió). Đây là vật liệu của tương lai, hứa hẹn tạo ra những sản phẩm nhẹ hơn, bền hơn và hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VU MINH BANG (Chủ biên) _— NGUYÊN ĐỨC VĂN | w%w%%*% Th JONG DANLC° Ẹwonmare kì TACO §u2 THe VEEN VAT Liệp HỌC TẬP2 NHÀ XUẤT BAN GIAO THONG VAN TAI HÀ NỘI - 2003 “2 »Ồ S2 “. as ⁄ “> 2 MỤC LỤC Trang. VAT LIEU KIM LOAI C — VAT LIEU KIM LOAI THONG DUNG Chuong 9: GANG 9 9. Các đặc tính co-ban ctia cdc loai gang 11 9.

Thanh phan hoa hoc 9. Tổ chức tế vi 9. cơ tính và tính công nghệ 12 9. Quá trình Graphit hoá trong gang và các yếu tố ảnh hưởng 9.

Sự graphit hoa 13 9. Các yếu tố ảnh hưởng 15 9. Cac loại gang. Nhiệt luyện gang 22 9.

Nhiệt luyện gang trắng 9. Nhiệt luyện xám, gang cầu, gang dẻo. 24 Chương 10: THÉP CÁC BON 28 10. Khái niệm về thép các bon 10.

Ảnh hưởng của các bon .va’ tính chất của thép các bon. Phân loại và ký hiệu thép các bon. Phân loại thép các bon 10. Ký hiệu thép các bon : 10.

Ưu, nhược điểm của thép các bọn Chuong 11: NGUYEN LY HOP KIM HOA 39 11. Định nghĩa và mục đích của hợp kim hoá 11. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong thép hợp kim 41 11. Tác dụng của các NTHK với Fe trong thép hợp kim 11.

Tác dụng của các NTHK với các bon trong thép hợp kim 46 11. Ảnh hưởng của các NTHK đến quá trình nhiệt luyện. Ảnh hưởng của các NTHK đến chuyển biến nung nóng 11. Anh hudng cua cac NTHK dén sự phân hoá.

Ảnh hưởng của các NTHR đến chuyển biến Máctenxit 52 11. Ảnh hưởng của các NTHK đến chuyển biến ram 53 11. Các khuyết tật trong thép hợp kim 54 11. Thiên tích nhánh cây.

Phân loại và ký hiệu thép hợp kim. Phân loại thép hợp kim 11. Ký hiệu thép hợp kìm 60 Chương 193: CAC LOẠI THÉP 12. Thép kết cấu 12.

Khái niệm chung về thép kết cấu 12. Các nhóm thép kết cấu và đặc điểm nhiệt luyện chúng 65 12. Thép dụng cụ , 73 12. Thép va hop kim lãm dao cắt 12.

Thép làm khuôn rập 8ä 12. Thép có tính chất lý hoá đặc biệt 39 12. Thép không gỉ có tính chống ăn mòn cao 12. Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao.

93 Chương 18: KIM LOAI VA HGP KIM MAU THONG DUNG 99 13. Nhém hợp kim của nhôm 18. Nhôm nguyên chất 4:Vl¿ 13. Cac loai hop kim nhôm phổ biến 101 13.

Déng va hop kim déng 108 13. Déng nguyén chat 13. Các loại hợp kim đồng phổ biến 110 13.3, Hợp kim làm ổ trượt 115 13. Yêu cầu chung đối với hợp kim làm ổ trượt 13.Hợp kim làm ổ trượt có nhiệt độ nóng chảy thấp 116 18.Hợp kim làm ổ trượt có nhiệt độ nóng chảy cao 118 13.

Ti tan va hop kim cua Ti tan 120 13. Ti tan nguyén chat 3. Hợp kim cua ti tan 121. PHAN II _ VAT LIEU PHI KIM LOAI VA VAT LIEU KET HỢP Chuong 14: VAT LIEU VO CO (CERAMIC) 137 14:1.

Khái niệm chung 14. Bản chất và phân loại 14. Liên kết nguyên tử 128 14. Trạng thái tỉnh thể 14.

Trạng thái vô định hình 135 14. Gốm và vật liệu chịu lửa 138 14. Bản chất phân loại 14.3, Thuy tỉnh và gốm thuỷ tỉnh 143 14. Bản chất và phân loại 14.

Thuỷ tỉnh thông dụng 14. Các thuy tỉnh khác 145 14.Gém thuy tinh 14. Xi măng và bê tông 146 14. Bê tông cốt thép 148 14.

Vật liệu cốt sợi cho compozit 149 14. Vật liệu các bon và sợi các bon 14. Sợi bo và các sợi khác. Râu đơn thuỷ tỉnh.

VẬT LIỆU POLYME 152 15. Cấu trúc phân t tử Polyme _ 16. Phan tử hyđrô các bon 15. Phan tử polyme _ 154 15.

Cấu trúc mạch của polyme 157 15. Cấu trúc tỉnh thể của polyme 162 - 1ð. Tính chất cơ — lý— nhiệt của polyme 165 15. Quan hệ ứng suất — biến dạng 15.

Cơ chế biến dạng 167. Nóng chảy và thuỷ tình hoá. Trang thai đàn hồi — nhớt 170° 15. Ứng dụng và gia công polyme 15.

Phân loại polyme | 15. Cac phương pháp tổng hợp polyme 174 15. Phối liệu của polyme 177 15. Các loại polyme và ứng dụng 179 Chương 16: VẬT LIỆU COMPOZIT 186 16.

Khái niệm về compozit _16. Đặc điểm và phân loại 16. Liên kết nén— cot ` 187 16. Compozit hat thé 16.

Compozit hat min 190 - 16. Compozit cốt sợi. Ảnh hưởng yếu tố hình hợc của sợi 16. Compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng | _ — 194 16.

Comipozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng c. Cömpozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn | 199 16. Kích thước và vật liệu lam cét sdi. Các loại compozit cốt sợi phổ biến có `Ò U02 16.

Compozl cấu trúc. Compozi cấu trúc dạng lớp TS 16. Compozi cấu trúc dạng tấm ba lớp 204 Tailiguthamkhéo 7 | 206 C - VẬT LIỆU KIM LOẠI THÔNG DỤNG. Chương 9 _ GANG Gang là loại vật liệu kim loại đen được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì giá thành rẻ và.có một số tính chất quí báu.

Gang có thể thay thế thép trong một số điều kiện cho phép. CÁC ĐẶC TINH CO BAN CUA CAC LOAI GANG 9. Thành phần hoá học | Gang là hợp-kim của sắt với các bon (hàm lượng các bon lớn hơn 2,14%). Thành phần của các bon trong gang cao hơn thép, nên nhiệt độ nóng chảy gang thấp hơn thép, do đó gang dễ nấu chảy hơn thép, -Trong thực tế hay dùng gang có thành phần hoá học từ (2,14 — 4%) các bon, Trong gang thường chứa hàm lượng măng gan và silie khá lớn (0,ð —2%).

Hai nguyên tố này có tác dụng điểu chỉnh sự tạo thành graphit và cơ tính của gang. Trong gang còn chứa hàm lượng nhỏ phốt pho và lưu huỳnh trong khoảng (0,05 — 0,õ%). Lưu huỳnh là nguyên tố có hại đối với gang lượng chứa lưu huỳnh trong gang càng thấp càng tốt. - Ngoài ra trong gang còn chứa một số nguyên tố khác như: Crôm, niken, mélipden, magié, xêri.

có tác dụng hợp kim hoá hoặc biến tính cho gang. Tổ chức tế vi Theo tổ chức tế vi gang được chia làm các loại: Gang trang, gang xam. gang cầu, gang dẻo. - Gang trắng: Là loại gang mà trong tổ chức của nó các bon đều ở, trong trạng thái liên kết, trong dung dịch rắn hoặc pha xen kẽ.

Do đó tổ chức tế vi của gang trắng phù hợp với giản đề giả ổn định Fe —“Fe,C va luôn luôn có chứa hỗn hợp cơ học cùng tình lêđê bur it. - Gang xam, gang cầu, gang dẻo: là loại gang mà phần lớn các bon Ö trạng thái tự do (graphit). Hình dạng graphit quyết định tên gọi các loại gang này.Vl¿ Graphit dạng tấm phiến: Gang xám. Graphit dang cum: Gang dẻo.

Graphit dạng cầu: Gang cầu. Tổ chức tế vi của các loại gang trên không phù hợp với tổ chức trong giản đồ trạng thái giả ổn định Fe — Fe;C nên không có tổ chức cùng tình lêđêburit. Trong tổ chức của các loại gang này phụ thuộc vào tỷ lệ grapit và .xêmentit mà chia chúng làm hai phần: + Phi kim loại: Graphit + Nền kim loại: gồm có pherit và xêmentit. Theo mức độ các bon liên kết tăng mà nền lần lượt có các tổ chức pherit, pherit + Péclit, Péclit, Péclit— xêmentit thứ hai.

Do đó theo tổ chức tế vi của nền và hình dạng graphft sé qui định co tính của từng loại gang. Co tinh va tinh cong nghé - Co tinh: Gang trang tổn tại một số lugng lớn xêmentit là pha cứng dòn do đó dễ sinh ra vết nứt dưới tác dụng của trọng tải kéo, do đó gang trắng có độ bền kéo thấp nhất, độ dòn cao. - Gang xám, gang cầu, gang dẻo có mặt của graphit là pha mềm làm gang kém bền hơn so với thép. Graphit trong nền thép là nơi dé tập trung ứng suất (theo mức độ ứng suất tăng phụ thuộc vào hình dáng graphit: hình cầu, hình cụm, hình tấm phiến).

Do đó gang cầu có độ bền cao nhất phối hợp với tính dẻo tốt nhất trong các loại gang. Sự có mặt của graphit trong gang có tác dụng chống mài mòn do ma sát (bôi trơn) làm tắt đao động cộng hưởng và các rung động khác. - Tính công nghệ: Do thành phần của gang gần với cùng tỉnh nên nhiệt độ nóng chảy thấp, tính chảy loãng cao do đó tính đúc của gang tốt. Ngoài ra khả năng của gang chịu gia công bằng cắt gọt tốt có tính hàn trung bình.

Gang thường được chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, chịu nén, ít chịu va đập: vỏ máy, bệ máy, các. chị tiết ít di chuyển. Một số loại gang có cơ tính cao có thể thay thế thép trong một số trường hợp: Dùng gang cầu thay thế thép làm trục khuýu cho loại ôtô tải trọng nhỏ và vừa. QUÁ TRÌNH GRAPHIT HOÁ TRONG GANG VA CAC YẾU TỔ ẢNH HUONG Đặt uấn đề: Trong các loại gang có thành ph: in các bon giống nhau (> 2,14%C) cé loại chỉ tạo ra xêmentit như gang tr ang.

có loai tao graphit 12.Vle _ như gang xám, gang cầu, gang dẻo, trong các loại gang có graphit tự do việc tạo graphit dạng tấm phiến xẩy ra một cách tự nhiên, tạo ra graphit dạng cầu phải cầu hoá graphit và tạo ra graphit dạng cụm phải thông qua công nghệ ủ gang trắng thành gang đẻo. Tức là quá trình tạo ra graphit _ dạng cầu và dạng cụm là quá trình nhân tạo. Vì thế phải nghiên cứu quá trình tạo graphit dạng tấm phiến trong gang xám. Quá trình tạo graphit này gọi là quá trình graphit hoá.

Sự graphit hoá - Graphit: graphit có mạng lục giác xếp lớp (xem hình 9-1) trong đó các nguyên tử các bon được xếp thành từng lớp một, khoảng cách giữa các nguyên tử trong một lớp rất gần nhau (1,42A") còn giữa hai lớp liên tiếp lại rất xa nhau (3,40A°). Cấu trúc xếp lớp này làm cho graphit hình thành ở trạng thái lỏng sẽ phát triển rất nhanh theo các lớp tạo nên dạng tấm phiến cong. Graphit tấm là dạng tự nhiên của graphit trong gang. 7 — + =| ° 3 mt - - a 2 Fy+ Xé ee xt SS _“ | N 3 | || ® = 1 ao |.

L} 224" __„ — IHÍ 1188 Nhiệt độ CC) _ Hình 9. Mang tinh thé _ Hình 9. Sơ đồ thay đổi năng lượng của graphit. - tu do cua gang long, hon hop y + Ga, hỗn hợp y + Xê theo nhiệt độ của gang có thành phần cùng tỉnh (4,3%C).

° - Sự tạo thành graphit trong hợp kim Fe— € nguyên chất. Trong hợp kim Fe — C nguyên chất không có graphit vì sự tạo thành graphit rất khó khăn.