Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
Cấu tạo và liên kết nguyên tử
- Cấu tạo nguyên tử: Nguyên tử = Hạt nhân (p+n) + điện tử (Ze-)
• Đặc trưng của e (n, l, ml, ms )
• Nguyên tử: cấu hình ổn định (cho hoặc nhận thêm e-)
- Các dạng liên kết trong chất rắn: Liên kết mạnh: hóa trị, ion, kim loại; Liên kết yếu: Van der Waals
• Liên kết đồng hoá trị: Đặc điểm:
➢ Liên kết thông qua cặp đôi điện tử ghép chung
➢ Trong vật liệu: bán dẫn, ceramic, mạch cacbuahydro của phân tử polyme
VD: Liên kết đồng hoá trị dị cực CH4 [C (Z=6); H(Z=1)]; Liên kết đồng hoá trị đồng cực
• Liên kết ion: Đặc điểm:
➢ Bản chất là lực hút tĩnh điện Ntử nhường e hoá trị (tạo ion dương) – Ntử dễ nhận e hoá trị (tạo ion âm)
➢ Không có tính định hướng
➢ Độ lớn phụ thuộc khoảng cách giữa 2 điện tích
➢ Thường gặp trong hợp chất giữa KL(dễ cho e-) và á kim (dễ nhận e-): oxit, các muối halogen…
• Liên kết kim loại Đặc điểm:
➢ Liên kết là lực tĩnh điện giữa mạng tinh thể của ion dương và các e tự do bao quanh
➢ Liên kết mạnh (yếu hơn ĐHT và ion)
➢ Tính kim loại :+ Ánh kim; + Dẫn điện, dẫn nhiệt; + Tính dẻo cao VD: Cu (Z))
• Liên kết hỗn hợp: hình thành do trong vật liệu tồn tại nhiều loại liên kết khi có sự góp mặt của nhiều loại nguyên tố
Ví dụ: NaCl: 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hoá trị
• Liên kết Van de Waals: Đặc điểm:
➢ Do có sự tương tác giữa các phần tử bị phân cực
- Sự sắp xếp các nguyên tử trong vật rắn tinh thể
• Chất khí: các nguyên tử, phân tử chuyển động hỗn loạn
• Chất rắn tinh thể: các nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định (có trật tự gần và trật tự xa)
➢ Trật tự gần: TT duy trì trong khoảng cách vài nguyên tử
➢ Trật tự xa: TT duy trì trong khoảng cách rất lớn
• Chất lỏng: có trật tự gần, không có trật tự xa
• Chất rắn vô định hình: cấu trúc giống chất lỏng trước khi đông đặc
Khái niệm về mạng tinh thể
- Mạng tinh thể: = đường thẳng tượng tưởng + quả cầu rắn (nguyên tử, ion, )
• Là hình không gian thể tích nhỏ nhất nhỏ nhất đặc trưng cho tính đối xứng của mạng tinh thể
• Tịnh tiến ô cơ sở theo ba chiều không gian sẽ xây dựng được toàn bộ mạng
- Ô cơ sở và cách biểu diễn
- Nút mạng [x,y,z]: biểu thị toạ độ của các nguyên tử
- Chỉ số Miller của phương mạng [uvw]:
• Phương: đường thẳng đi qua hai nút mạng bất kỳ có hướng
• Hai phương // có cùng chỉ số (vì sắp xếp nguyên tử giống nhau)
• Qua gốc tọa độ kẻ véc-tơ OM song song với phương cần xác định
• Xác định chỉ số Miller của M[x,y,z]
• Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất: 𝐱 = 𝐮
• [uvw] là chỉ số Miller của phương cần tìm
- Chỉ số Miller của mặt nguyên tử (hkl)
• Mặt nguyên tử : Mặt phẳng chứa các nút mạng (nguyên tử)
• Hai mặt nguyên tử // có sắp xếp nguyên tử như nhau → có cùng chỉ số
• Chỉ xác định chỉ số Miller cho MF gần O nhất và không đi qua O
➢ Rời mặt phẳng khỏi gốc tọa độ
➢ Xác định giao điểm của MF với
➢ Quy đồng mẫu số chung nhỏ nhất: ℎ
➢ (hkl) là chỉ số Miller của MF cần tìm
- Họ phương, ký hiệu : Các phương có giá trị tuyệt đối u,v,w giống nhau không kể thứ tự có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử
- Họ mặt, ký hiệu {hkl}: Các mặt có giá trị tuyệt đối h, k, l giống nhau không kể thứ tự có cùng quy luật sắp xếp nguyên tử
Hệ lập phương có tính đối xứng cao, với sự sắp xếp nguyên tử trên các trục Ox, Oy, và Oz giống nhau Điều này cho phép giao hoán các trục mà không làm thay đổi bản chất của mạng tinh thể.
- Chỉ số mặt (chỉ số Miller-Bravais) (hkil) cho hệ tinh thể sáu phương
Mạng tinh thể điển hình của vật liệu với liên kết kim loại
1.3.1 Mạng lập phương tâm mặt (A1)
- Ô cơ sở : Khối lập phương cạnh a
Sắp xếp ngtử: 8 ngtử ở 8 đỉnh;
• Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 4
• Bán kính nguyên tử: rnt = 𝑎√2
• Mặt xếp chặt nhất: {111}; Ms =𝑠 𝑛𝑡 /𝑠 (110) = ?%
• Mật độ thể tích: M v = V nt
V ô = 74% → 26% còn lại là lỗ hổng
• Lỗ hổng : Không gian trống giữa các nguyên tử;
• Kích thước lỗ hổng = đường kính quả cầu lớn nhất đặt lọt trong lỗ hổng
• Lỗ hổng 4 mặt: Vị trớ: ẳ trờn cỏc đường chộo khối tớnh từ đỉnh; Kớch thước: d=0,225d ngtử
• Lỗ hổng 8 mặt: Vị trí: tâm khối và giữa các cạnh; Kích thước: d=0,414d ngtử
• Kim loại có kiểu mạng A1: Feγ, Au, Ag, Al, Cu, Ni,…
1.3.2 Mạng lập phương tâm khối (A2)
- Ô cơ sở : Khối lập phương cạnh a
Sắp xếp ngtử: 8 ngtử ở 8 đỉnh; 1 ngtử ở tâm ô cơ sở
• Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 2
• Bán kính nguyên tử: rnt = a√3
• Mặt xếp chặt nhất: {110} Ms = 𝑠 𝑛𝑡 /𝑠 (110) = ?%
• Lỗ hổng 8 mặt Vị trí: tâm các mặt bên và giữa các cạnh; Kích thước: dlh=0,154d ngtử
• Lỗ hổng 4 mặt: Vị trớ: ẳ trờn cạnh nối điểm giữa 2 cạnh đối diện; Kớch thước: dlh=0,291dngtử
• Kim loại có kiểu mạng A2: Fe, Cr, Tiβ, Mo, W, V……
1.3.3 Mạng sáu phương xếp chặt (A3)
- Ô cơ sở: Khối lục lăng cạnh đáy a, chiều cao c
• Sắp xếp ngtử: 12 ngtử ở 12 đỉnh;
➢ 3 ngtử nằm ở tâm khối 3 lăng trụ tam giác không kề nhau
• Số nguyên tử trong một ô cơ sở: Nô = 6
• Bán kính nguyên tử: rnt = a/2; c/a = 1,633 (Thực tế: 1,59 < c/a < 1,64)
• Kim loại có kiểu mạng A3: Tiα Zn, Mg, Mg, Be, Cd, Zr,…
- Khối lượng riêng của một kim loại bất kỳ
• 𝛒=khối lượng 1 ô cơ sở thể tích một ô cơ sở
Tính KLR của Cu, hằng số mạng là 3,61A o , biết nguyên tử khối là 64 g/mol ρ = 𝑛.𝐴
Sai lệch mạng tinh thể
- Khái niệm : các nguyên tử nằm sai vị trí quy định → ảnh hưởng tính chất
- Phân loại: Sai lệch điểm, Sai lệch đường, Sai lệch mặt
- Khuyết tật điểm: kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 3 chiều không gian
• Khuyết tật điểm ảnh hưởng đến tính chất vật liệu
➢ Ảnh hưởng đến cơ tính
➢ Ảnh hưởng đến tính chất điện:
VD:Si tinh khiết:độ dẫn điện:4.10 −4 [Ωm] −1 →Thêm1,4.10 −5 %P:→độ dẫn điện:150[Ωm] −1 Độ dẫn điện của Cu tinh khiết: 6 10 7 [Ωm] −1 còn Cu + 1,12%Ag: 3,5.10 7 [Ωm] −1
• Kích thước rất nhỏ (nguyên tử) theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ ba
• Lệch biên: chèn thêm bán mặt vào nửa trên của mạng tinh thể lý tưởng;
Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo
Véctơ Burger b: là vecto đóng kín vòng tròn vẽ trên mặt phẳng vuông góc với trục lệch khi chuyển từ tinh thể không lệch sang có lệch
Lệch xoắn xảy ra khi hai phần của mạng tinh thể trượt tương đối so với nhau một hằng số mạng, dẫn đến sự sắp xếp của các nguyên tử trong vùng lệch theo hình xoắn ốc.
• Lệch hỗn hợp Kết hợp của lệch biên và lệch xoắn
• Đặc trưng về hình thái lệch
➢ Véc tơ Buger: Độ lớn của véc tơ Buger → năng lượng của lệch
V = [ cm cm 3 ] = [cm −2 ]Phụ thuộc độ sạch và trạng thái gia công
▪ Kim loại sạch ở trạng thái ủ ρ = 10 8 cm −2
▪ Hợp kim và kim loại sau biến dạng nguội : ρ = 10 10 ÷ 10 12 cm −2
➢ Lệch biên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biến dạng dẻo
➢ Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh
- Khuyết tật mặt:Kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của 1 mặt
➢ VL dễ bị phá hủy theo biên hạt
➢ Cản trở lệch chuyển động
Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại
- Biến đổi năng lượng khi kết tinh
T 0 - nhiệt độ kết tinh (nóng chảy) lý thuyết
1.5.2 Hai quá trình của sự kết tinh
- Quá trình kết tinh gồm 2 quá trình: Tạo mầm và Phát triển mầm-Song song và nối tiếp nhau
➢ Mầm ký sinh: Các hạt rắn có sẵn trong chất lỏng (chất biến tính, các tạp chất…) Nhấp nhô bề mặt khuôn đúc
Nguyên tử chất lỏng bám lên bề mặt mầm và phát triển, đặc biệt ở những bậc lệch xoắn, giúp giảm năng lượng tự do của hệ một cách tự nhiên.
1.5.3 Sự hình thành hạt tinh thể
- Mỗi mầm phát triển thành 1 hạt, hạt phát triển trước to hơn
- Các hạt có cấu trúc tinh thể giống nhau, định hướng ngẫu nhiên
- Biên giới giữa các hạt là vô định hình (nguyên tử sắp xếp ngẫu nhiên → sai lệch mặt)
- Hình dạng hạt tinh thể phụ thuộc phương thức làm nguội
- a) Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
• Vùng 1: Lớp tiếp xúc thành khuôn, hạt nhỏ mịn
• Vùng 2: hạt lớn hình trụ vuông góc với thành khuôn
• Vùng 3: ở giữa có các hạt lớn đẳng trục
- b) Khuyết tật của vật đúc:
• Rỗ co và lõm co: Vlỏng < Vrắn
• Rỗ khí: do khí hòa tan không kịp thoát ra
• Thiên tích : sự không đồng nhất về thành phần và tổ chức do tạp chất tích tụ
1.5.5 Đơn tinh thể, Đa tinh thể
• 1 kiểu mạng, 1 phương mạng, trong toàn bộ vật rắn tinh thể
• 1 kiểu mạng, nhiều phương mạng
• Đa tinh thể ≈ ∑n(đơn tinh thể)
• Độ hạt: Biểu diễn kích thước trung bình của các hạt tinh thể trên tổ chức tế vi:
➢ Kích thước hạt (độ hạt) càng nhỏ → cơ tính vật liệu càng tốt
➢ Xác định độ hạt/Xác định kích thước hạt: Dùng cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM: 00, 0,
Cấp Số hạt có trong 1 inch2
Số hạt có trong 1mm2 thật của mẫu
Diện tích thật của một hạt, mm2
1.5.6 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
- Nguyên lý chung tạo hạt nhỏ: tăng tốc độ tạo mầm và giảm tốc độ phát triển mầm
- Kích thước hạt A phụ thuộc tốc độ sinh mầm (n) và phát triển mầm (v)
• ΔT< ∆T 1 (10 3 o C/s) : ΔT tăng → n, v tăng → Kích thước hạt nhỏ;
• ∆T 1 < ΔT∆T 2 : ΔT tăng → n giảm, v giảm → Vật liệu vô định hình
- Làm nhỏ hạt: Tăng tốc độ nguội (tăng độ quá nguội)
VD : Đúc khuôn cát vs khuôn kim loại
1.5.7 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc
- Biến tính: thêm vào kim loại lỏng lượng ít chất biến tính làm nhỏ hạt, thay đổi hình dạng hạt
• Tạo mầm ngoại lai: Kim loại có kiểu mạng tương tự (Ti), hoặc chất tạo oxyt, nitrit Al2O3, AlN, khi đúc thép
• Hấp phụ: Na (0,01%) cho hợp kim nhôm đúc
• Cầu hóa: Mg, Ce, các nguyên tố đất hiếm
- Tác động vật lý : rung, siêu âm, đúc ly tâm,…
2 Biến dạng dẻo và cơ tính vật liệu
Biến dạng dẻo
- Các trạng thái ứng suất: Ư/S kéo Ư/S nén Ư/S tiếp Ư/S xoắn → Ứng suất: σ = F/A
- Giản đồ ứng suất – biến dạng
• Biến dạng đàn hồi (đoạn Oa):
➢ Là biến dạng khi bỏ lực tác dụng, chi tiết trở về trạng thái ban đầu
➢ Sự xê dịch đàn hồi của các nguyên tử khỏi vị trí cân bằng
(nhỏ hơn thông số mạng → liên kết chưa bị phá vỡ)
• Biến dạng dẻo (đoạn abc)
➢ Là biến dạng khi bỏ lực tác dụng, chi tiết tồn tại biến dạng dư
Khi các nguyên tử di chuyển vượt qua một thông số mạng nhất định, các liên kết ban đầu sẽ bị phá vỡ và tạo ra các liên kết mới với những nguyên tử lân cận.
➢ Biến dạng cục bộ (hình thành nút thắt)
➢ Liên kết của các nguyên tử bị cắt rời 2.1.2 Trượt đơn tinh thể
- Định nghĩa: Trượt: sự xê dịch của các phần tinh thể mà không làm thay đổi cấu trúc tinh thể → trượt gây ra Biến Dạng Dẻo
- Hệ trượt = Mặt trượt và Phương trượt
• Mặt trượt: mặt (tưởng tượng) phân cách giữa hai mặt nguyên tử dày đặc nhất mà tại đó xảy ra hiện tượng trượt
2 đặc điểm của mặt trượt:
- Phải là mặt xếp xít chặt nhất
- Khoảng cách giữa 2 mặt xít chặt phải là lớn nhất
• Phương trượt: phương có mật độ nguyên tử lớn nhất
• Biến dạng dẻo do trượt
• Sự trượt xảy ra trên hệ trượt
• Kim loại có nhiều hệ trượt thì dễ biến dạng
• Các kim loại có kiểu mạng A1, A2 dễ biến dạng
• Các kim loại kiểu mạng A3 khó biến dạng
• Kiểu mạng A1 dễ biến dạng nhất, vì:
➢ Trên một măt trượt có nhiều phương trượt hơn
➢ Mật độ xếp nguyên tử cao hơn
➢ Hệ trượt phụ nhiều hơn (Mv cao hơn)
- Ứng suất gây trượt – Định lý Schmidth
𝛕 𝐭𝐡 (ứng suất trượt tới hạn) = const cho mỗi kim loại
- Ý nghĩa của định lý trượt τ = σ 0 cos∅ cosθ ≥ τ th
• Ứng suất trượt tác dụng lên các hệ trượt khác nhau là khác nhau
• Hệ trượt có định hướng (Ф, λ) thuận lợi sẽ trượt trước, sau đó đến hệ ít thuận lợi hơn
• Vật liệu có nhiều hệ trượt → xác suất để có hệ trượt thuận lợi cao hơn → dễ biến dạng dẻo hơn
• Cơ chế trượt cứng: Khi mạng tinh thể lý tưởng (không có lệch) τ th ~ G/2; G: môđun trượt [MPa]
• Cơ chế trượt nối tiếp: Trượt nhờ lệch chuyển động
- Nguyên lý hóa bền vật liệu: 𝛕 𝐭𝐡 (lý thuyết) ~ G/2 > 𝛕 𝐭𝐡 (Thực tế) ~ G/(8.1038.104)
• Trượt ↔ lệch chuyển động trên các hệ trượt
• Biến dạng dẻo ↔ lệch chuyển động trên các hệ trượt
Mọi cản trở chuyển động của lệch đều tăng bền cho vật liệu
2.1.3 Trượt đa tinh thể : Thực tế, biến dạng dẻo của vật liệu luôn là trượt của đa tinh thể
- Các hạt biến dạng không đều: do định hướng các hạt không giống nhau, hạt BD trước, hạt BD sau
- Có tính đẳng hướng: do định hướng ngẫu nhiên → kết quả theo mọi phương là như nhau
- Có độ bền cao hơn: vai trò của biên hạt
- Hạt càng nhỏ, độ bền, độ dẻo càng cao: hạt nhỏ → xác suất định hướng thuật lợi với lực tác dụng cao hơn; hạt nhỏ → biên hạt nhiều
- Biểu thực Hall-Petch: σ ch = σ k + k
- Đa tinh thể ≈ (đơn tinh thể)n
Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo
2.2.1 Sự thay đổi tổ chức, cơ tính của vật liệu kim loại sau BDD
- Hạt đa cạnh,Độ dẻo cao, Độ bền thấp cán ⟶ Hạt dẹt và kéo dài theo phương biến dạng
- ε = 40-50% → các hạt , tạp, pha 2 sẽ bị phân nhỏ và kéo dài tạo thớ
- ε = 70-90%→các hạt bị quay, các phương mạng cùng chỉ số song song→tổ chức textua biến dạng
- Sau biến dạng dẻo: Mạng bị xô lệch → Gây ra ứng suất dư lớn
• Cơ tính thay đổi theo chiều hướng hóa bền: độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo giảm → có xu hướng biến giòn ⟶ hóa bền biến dạng
• Tại sao phải ủ kim loại đã qua biến dạng dẻo
➢ Để khôi phục lại tính dẻo cho biến dạng dẻo tiếp theo
➢ Để khử bỏ ứng suất bên trong
➢ Để gia công cắt gọt tiếp theo 2.2.2 Sự thay đổi tổ chức, cơ tính khi ủ của vật liệu kim loại đã qua BDD
• Tổ chức gần như không thay đổi
• Cơ tính ít thay đổi
• Giảm mật độ lệch, khuyết tật → giảm ứng suất dư
• Xuất hiện các mầm tại các vùng bị xô lệch mạnh nhất (mặt trượt, biên hạt)→mầm phát triển→ hạt
• Quá trình hình thành các hạt mới theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh
• Kết thúc KTL: Tổ chức: hạt đa cạnh mới, ít sai lệch mạng tinh thể; Cơ tính: thay đổi theo hướng thải bền
- Nhiệt độ kết tinh lại: T ktl = aT nc [K]; a : hệ số, a = f(độ sạch của kim loại, ε%, τ ủ )
- Kích thước hạt sau kết tinh lại: phụ thuộc: Mức độ biến dạng: (lưu ý εth ); Nhiệt độ ủ; Thời gian giữ nhiệt
• τ ủ càng dài hoặc Tủ càng cao, → hạt càng lớn (xảy ra quá trình lớn hạt theo cơ chế hạt lớn nuốt hạt bé) → cơ tính giảm (không mong muốn)
2.2.3 Biến dạng nóng, biến dạng nguội
- Biến dạng nóng: BDD ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại: VD: T ~ (0,7-0,75) T nc
W–T ktl 00 o C→T BDW 00 o C-BDnguội; T BDPb % o C-BDnóng; Sn, Zn, Pb - Tktl < 250C;
• Các quá trình xảy ra:
➢ biến dạng dẻo làm xô lệch mạng →hóa bền, biến cứng;
➢ kết tinh lại làm mất xô lệch mạng →thải bền, giảm độ cứng
• Tổ chức: Hạt đa cạnh
• Tính chất: Quá trình nào mạnh hơn: Hóa bền hay thải bền
➢ Kim loại xít chặt, dẻo cao hơn, ít bị nứt, không bị biến cứng;
➢ Năng suất cao,dùng lực ép nhỏ, gia công được phôi lớn, có thể biến dạng liên tục
➢ Cải thiện độ hạt, đảm bảo cơ tính tổng hợp
➢ Khó khống chế nhiệt độ đồng đều trên phôi mỏng, lớn;
➢ Khó khống chế chính xác hình dạng, kích thước chi tiết;
➢ Chất lượng bề mặt không cao: vẩy oxyt, thoát cacbon
- Biến dạng nguội: Biến dạng dẻo ở nhiệt độ < nhiệt độ kết tinh lại
• Quá trình xảy ra: Chỉ có hóa bền,Không có thải bền
• Tính chất: Sau biến dạng: σb và HB ↑; δ%, ak ↓
Phá hủy
2.3.1 Khái niệm: Phá hủy do đứt, gãy, vỡ… → Không khắc phục được và nguy hiểm
- Tải trọng tĩnh: Khi ứng suất σ > [𝛔 𝐛 ]
- Tải trọng theo chu kỳ: có thể bị phá hủy với σ < [𝛔 đ𝐡 ]
- Đặc điểm chung:Hình thành vết nứt tế vi; Phát triển vết nứt tế vi; Tách rời
2.3.2 Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh
- phá hủy dẻo có ứng suất chảy bé thua ứng suất bền
- phá hủy dẻo có độ dãn dài khác 0, độ giảm diệt tích khác 0
- phá hủy dẻo cần thời gian phá hủy dài
- phá hủy dẻo cần E lớn
- phá hủy dẻo nhận biết trước được
- phá hủy dẻo thường xảy ra với thép
- phá hủy giòn có ứng suất chảy lớn hơn ứng suất bền (xích ma)
- phá hủy giòn có độ dãn dài =0, độ giảm diện tích =0
- phá hủy giòn cần thời gian ngắn hơn
- phá hủy giòn cần E nhỏ
- phá hủy giòn không nhận biết trước được
- phá hủy giòn nguy hiểm hơn phá hủy dẻo
- phá hủy giòn thường xảy ra với gang
- phá hủy giòn do tiết diện thay đổi đột ngột, bề mặt tập trung ứng suất
- đặt tải càng nhanh thiên về phá hủy giòn
- vết nứt tế vi nếu lực tác dụng vuông góc thì phát triển vết nứt rất nhanh
- phá hủy điều kiện tải trọng tĩnh vết nứt tế vi xuất hiện trong lòng vật liệu
Phá hủy các vết nứt tế vi có sẵn trong vật liệu như rỗ khí, bọt khí và rỗ xốp là một yếu tố quan trọng trong quy trình công nghệ Những vết nứt này có thể xuất hiện do các pha mềm trong vật liệu hoặc trong quá trình gia công biến dạng dẻo và xử lý nhiệt Việc kiểm soát và loại bỏ những khiếm khuyết này giúp cải thiện độ bền và chất lượng của sản phẩm.
• 1 Hình thành cổ thắt (biến dạng dẻo cục bộ) – nếu là vật phá hủy dẻo
• 2 Xuất hiện vết nứt tế vi (tôi cũng tạo vết nứt tế vi)
• 3 Các vết nứt tế vi tích tụ, phát triển đến kích thước tới hạn
• 4 Vết nứt trên tới hạn phát triển nhanh
2.3.3 phá hủy trong điều kiện tải trọng theo chu kỳ - phá hủy mỏi
Phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết chịu tải trọng nhỏ, với ứng suất chảy thấp hơn nhiều so với phá hủy tĩnh Ứng suất này thay đổi theo chu kỳ, và hiện tượng phá hủy mỏi thường xuất hiện sau một thời gian dài, từ 10^5 đến 10^6 chu kỳ.
- Tải trọng theo chu kỳ là tải trọng đổi dấu liên tục lúc kéo, lúc nén,
- Phá hủy mỏi thì phá hủy giòn vẫn nguy hiểm hơn phá hủy dẻo
- Phá hủy mỏi thì vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt
Vết nứt tế vi phá hủy mỏi là những vết nứt đã tồn tại từ trước, thường xuất phát từ quá trình gia công bề mặt, xử lý nhiệt hoặc do các bậc lệch thoát ra bề mặt, nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, sau nhiều chu kỳ làm việc.
Vết nứt tế vi phá hủy mỏi hình thành do bậc lệch thoát ra bề mặt và không trở lại vị trí ban đầu Để ngăn chặn hiện tượng này, cần tăng giới hạn mỏi của vật liệu.
Tăng giới hạn mỏi giúp tạo ra ứng suất nén dư trên bề mặt chi tiết, từ đó cản trở sự lệch ra phía ngoài và làm chậm quá trình hình thành vết nứt tế vi.
Các đặc trưng cơ tính thông dụng và ý nghĩa
- Các chỉ tiêu cơ tính: Cơ tính là các đặc trưng cơ học cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong các điều kiện tương ứng
+ Cơ sở của các tính toán sức bền
+ Cơ sở để đánh giá khả năng sử dụng vật liệu vào một mục đích nhất định
+ Được xác định trên các mẫu chuẩn nhỏ
- Mẫu thử lớn thường có cơ tính thấp hơn
- Hệ số an toàn: sự khác nhau giữa điều kiện thử và làm việc
- Độ bền tĩnh:tập hợp các đặc trưng cơ học phản ánh khả năng chịu tải trọng cơ học tĩnh của vật liệu
Tải trọng tĩnh có phương và chiều lực không thay đổi theo thời gian Để xác định các chỉ tiêu này, cần thực hiện các thử nghiệm kéo, nén, uốn và xoắn trên các mẫu thử tiêu chuẩn của các mác vật liệu.
- Có 3 chỉ tiêu: σđh, σch , σb
- Giai đoạn đàn hồi: mối quan hệ tuyến tính tuân theo định luật Hook
- Giai đoạn biến dạng dẻo: từ a-b-c mẫu không trở về hình dáng ban đầu khi bỏ tải
- Giai đoạn phá hủy: mẫu bắt đầu bị phá hủy
- Giới hạn đàn hồi: là ứng suất lớn nhất, sau khi bỏ tải, không làm mẫu bị thay đổi hình dạng, kích thước: 𝜎 đℎ = 𝐹 đℎ
Giá trị lực kéo lớn nhất không gây biến dạng mẫu sau khi bỏ tải, ký hiệu là 𝐹 đℎ (N), rất khó xác định Do đó, người ta thường sử dụng giới hạn đàn hồi quy ước 𝜎 0,01 và 𝜎 0,05 để đánh giá Thông số 𝑆 0 (MPa) và diện tích tiết diện mẫu thử (mm²) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích lực kéo.
- Giới hạn chảy vật lý : là ứng suất bé nhất gây biến dạng dẻo: 𝜎 𝑐ℎ = 𝐹 𝑆 𝑐ℎ
Lực kéo bé nhất gây biến dạng, ký hiệu là 𝐹 𝑐ℎ, rất khó xác định Do đó, người ta thường sử dụng giới hạn chảy quy ước 𝜎0,2, được xác định tương tự như giới hạn đàn hồi, với công thức 𝜎0,2 = 𝐹 / S0,2.
- Giới hạn bền: là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu gây ra biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt) dẫn đến phá hủy: 𝜎 𝑏 = 𝐹 𝑏
𝑆 0 (MPa) + 𝐹 𝑏 là lực kéo lớn nhất trên biểu đồ kéo (N) dễ xác định
- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền – hóa bền vật liệu
Hóa bền vật liệu là quá trình dựa trên cơ chế biến dạng dẻo, trong đó sự chuyển động lệch xảy ra do hấp thụ ngoại lực, dẫn đến việc các tinh thể trượt tương đối lên nhau.
- Nguyên lý tăng bền: hạn chế hoặc cản trở sự chuyển động của lệch
- Cách tăng độ bền: biến dạng vì biến dạng lam cản trở chuyển động lệch- bền hơn; tăng mật độ lệch – dễ; giảm mật độ lệch – dễ
- Có 5 biện pháp tăng độ bền của vật liệu
1 Biến dạng dẻo: tăng xô lệch mạng, tăng mật độ lệch – pp này làm giảm độ dẻo
2 Hợp kim hoá: tạo hợp kim tăng xô lệch mạng, tăng mật độ lệch – làm giảm độ dẻo
3 Hóa bền tiết pha: tạo ra các pha thứ 2 nhỏ mịn phân tán đều trên vật liệu nền ↔ các chướng ngại cản trở chuyển động của lệch
Hợp kim Al-4%Cu, hay còn gọi là dura, có cấu trúc tinh thể A1 ban đầu Khi kết hợp với đồng (Cu), tạo ra hạt CuAl2 với mạng tinh thể chính phương tâm khối trên nền nhôm Hệ trượt trên nền nhôm bị cản trở bởi sự hiện diện của hạt CuAl2 do kiểu mạng khác nhau, dẫn đến khó khăn trong việc lệch và biến dạng Kết quả là độ bền của hợp kim tăng lên, nhưng độ dẻo lại giảm.
4 Nhiệt luyện: tôi → tạo độ quá bão hoà → tăng xô lệch mạng –làm giảm độ dẻo Tôi tạo vết nứt tế vi vì khi nung nóng thép Fe-C lên nhiệt độ đạt tổ chức austenit có kiểu mạng A1 chứa được nhiều cacbo hơn trong khi Fe-α chỉ chứa tối đa 0,06% C) sau đó nguội nhanh thì cacbon không kịp khuếch tán ra ngoài, khi nguội đạt đến tổ chức Fe-α có kiểu mạng A2 (kiểu mạng chứa rất ít cacbon) – quá bão hào cacbon – nguyên tử Fe bị ép và xô lệch rất mạnh – tăng độ bền
5 Làm nhỏ hạt: tăng diện tích biên hạt → tăng cản trở lệch – pp này làm tăng độ dẻo Đặc điểm của hạt: biên hạt có dạng khuyết tật mặt; và khi hạt càng bé thì tổng diện tích biên hạt càng tăng; và biên hạt làm cản trở lệch
- Độ deo Là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của vật liệu khi bị phá huỷ dưới tải trọng tĩnh
- Các chỉ tiêu: độ dãn dài tương đối và độ co thắt tương đối: δ% = 𝑙 1 −𝑙 0
• Mức độ biến dạng dẻo trước khi bị phá hủy → thiết kế và lựa chọn vật liệu
• Mức độ biến dạng dẻo cho phép trong quá trình gia công
- Các yếu tố ảnh hưởng
• Nhiệt độ: nhiệt độ càng tăng độ dẻo càng tăng vì nhiệt độ càng cao – liên kết càng yếu – độ lệch càng cao – độ dẻo cao
• Tốc độ biến dạng: hay tốc độ đặt tải càng lớn – độ dẻo càng thấp ( đặt tải càng nhanh thiên về phá hủy giòn)
- Kích thước hạt: càng nhỏ thì độ dẻo càng cao, độ bền càng cao
- Độ dai va đập là khả năng chịu tải của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng tăng lên đột ngột
Để tính độ dai va đập (𝐴𝐾) hay công phá hủy của vật liệu, phương pháp thực hiện là thả một quả nặng có đầu lưới cắt theo mô hình con lắc Khi quả nặng cắt mẫu và di chuyển lên phía bên kia, độ cao sẽ không đạt bằng vị trí ban đầu Hiệu của thế năng trước và sau quá trình này chính là công phá hủy vật liệu.
S là chỉ số thể hiện khả năng chịu lực va đập của một đơn vị diện tích cắt ngang Mặc dù đây là một tiêu chí cơ tính quan trọng, nó không được đưa vào các công thức tính toán sức bền mà thường được sử dụng độc lập để so sánh khả năng chịu tải va đập giữa các loại vật liệu khác nhau.
- Chi tiết chịu va đập cần 𝑎 𝐾 > 200 kJ/m 2
Chi tiết chịu va đập cao cần 𝑎𝐾 > 1000 kJ/m 2
- Bản chất của độ dai va đập: 𝑎 𝐾 = f(𝜎 0,2 ,δ) ≈ độ bền x độ dẻo
- Các biện pháp nâng cao độ dai va đập ttong vật liệu kim loại:
• Các phương pháp ↑σb thì ak ↓
• Các phương pháp ↑δ thì ak↑
• Tạo cấu trúc hạt nhỏ mịn: tăng bền, tăng dẻo → ak ↑
• Hóa bền bề mặt tăng bền, cứng lớp b/m, không làm giảm độ dẻo lõi
• Hình dạng hạt tròn, đa cạnh có độ dai cao hơn hạt có dạng tấm, kim
• Số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của các pha giòn: số lượng nhiều, kích thước lớn, … ak ↓
- Khái niệm: khả năng vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm
Để xác định độ cứng của vật liệu, người ta sử dụng phương pháp ép tải trọng lên mẫu qua mũi đâm làm bằng vật liệu cứng Quá trình này tạo ra vết lõm trên bề mặt mẫu, và dựa vào chiều sâu cũng như kích thước của vết lõm, ta có thể tính toán được độ cứng của vật liệu đó.
• Chỉ biểu thị cho tính chất bề mặt (vật liệu không đồng nhất)
• Khả năng chống mài mòn của vật liệu;
• Khi vật liệu đồng nhất (phôi ủ): độ cứng biểu thị độ bền và khả năng gia công cắt của vật liệu;
• Sử dụng mẫu nhỏ, đơn giản, nhanh chóng, không phá hủy, có thể đo trực tiếp trên chi tiết → phù hợp với điều kiện sản sản xuất
Trong sản xuất, chỉ tiêu độ cứng thường được sử dụng thay vì độ bền, vì việc xác định độ cứng dễ dàng hơn và không cần chế tạo mẫu thử Từ giá trị độ cứng, người ta có thể suy ra độ bền của vật liệu một cách hiệu quả.
Độ cứng tế vi là khả năng xác định độ cứng của các hạt và pha trong tổ chức vật liệu dưới tải trọng nhỏ từ 1-1000g, sử dụng mũi đâm bé và kết hợp với hệ thống kính hiển vi quang học.
Độ cứng thô đại phản ánh khả năng chống lại biến dạng dẻo của nhiều hạt và pha, được xác định thông qua tải trọng và mũi đâm lớn, từ đó giúp xác định độ cứng chung cho vật liệu.
• Độ cứng Rockwell: HR - HRA, HRB, HRC
- Độ cứng Brinell (HB) đo diện tích vết lõm
• Mũi đâm: hình cầu (thép đã nhiệt luyện / WC) D; 5; 2,5 mm
• Vật liệu: độ cứng ≤ 450 HB: HK màu, thép đã ủ, …
Chỉ số đo độ cứng được áp dụng cho các vật liệu có độ cứng tối đa 450 HB, bao gồm thép đã ủ (thép có độ cứng thấp nhất) và các hợp kim màu như nhôm (Al), đồng (Cu), titan (Ti) và niken (Ni), không thuộc hệ sắt.
- Mẫu phải phẳng, to, dày; vết lõm to → thường không đo trên sản phẩm
- Không đô được trên mặt cong
- Không cho phép đo trên các mặt cong: trục, …
- Độ cứng Rockwell (HR) đo chiều sâu vết lõm
➢ Đo được các vật liệu từ tương đối mềm đến cứng;
➢ Thang HRB đo những vật liệu có độ cứng ≤ 450 HB
➢ Vật liệu Polime đo bằng thang HB hoặc HRB
➢ Vật liệu Ceramic đo bằng thăng HRA hoặc HRC
➢ Vết lõm khá nhỏ, có thể đo các vật mỏng, bề mặt cong, lớp hóa bền và ngay trên thành phẩm và trên mặt trục;
➢ Đo nhanh, tiện lợi phù hợp với điều kiện sản xuất, đươc dùng trong sản xuất
- Độ cứng Vickers (HV) đo diện tích vết lõm
• Mũi đâm: hình tháp 4 mặt đều (kim cương); góc ở đỉnh giữa 2 mặt đối diện α = 136o
• Vật liệu: Mọi loại vật liệu, đặc biệt cho mẫu mỏng
➢ Kết quả đo không phụ thuộc tải trọng (HV~F/d2)
➢ Xác định được độ cứng cho mọi loại vật liệu, mẫu mỏng;
➢ Độ cứng chuẩn trong NCKH
• Nhược điểm: không tiện lợi bằng phương pháp đo Rockwell, đo lâu
3 Hợp kim và giản đồ pha
Cấu trúc tinh thể của hợp kim
3.1.1 Khái niệm về hợp kim
➢ Hợp kim là hợp chất của nhiều nguyên tố, nguyên tố chính phải là kim loại
➢ NTố chính: là nguyên tố có hàm lượng lớn nhất - nền
➢ Các nguyên tố khác (kim loại/phi kim)
➢ Hàm lượng nhỏ, không ảnh hưởng đến tính chất : tạp chất
➢ Hàm lượng đủ lớn, ảnh hưởng đến tính chất : NTHK
➢ Ưu điểm của hợp kim vd AA7075: 6%Zn, 2,4%Mg, 1,6%Cu, 0,3%Mn
• Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng
• Hợp kim cho khả năng cắt gọt tốt hơn kim loại nguyên chất
• Hợp kim có tính đúc tốt hơn do nhiệt độ nóng chảy thấp hơn và độ chảy loãng tốt hơn
• Tính công nghệ đa dạng: cắt gọt, GCAL, đúc, nhiệt luyện…
• Muốn hóa bền cho KL nguyên chất chỉ có 2 pp là làm nhỏ hạt và biến dạng dẻo (nguội)
• Trong nhiều trường hợp, nấu HK dễ hơn nấu KL nguyên chất
Ví dụ: Nấu luyện thép, gang ( Fe (C, Mn, Si, S, P…)) so với tinh luyện Fe nguyên chất
Pha là phần đồng nhất trong hệ thống, có cùng cấu trúc, trạng thái và kiểu mạng, với các tính chất cơ-lý-hoá xác định Các pha này được phân cách bởi bề mặt phân chia pha.
➢ Tính chất của HK phụ thuộc:
• HK có pha gì, các pha khác nhau có cấu trúc kiểu mạng trạng thái tính chất khác nhau
• Sự phân bố của các pha
• Kích thước, hình dạng của pha
• Tỷ lệ của pha trong HK
Ví dụ: Thép cácbon C40, với %C = 0,4%
C40 ở trạng thái tôi: Độ cứng cao, độ dẻo thấp; tổ chức: Mactenxit (phần lớn) + Austenit dư C40 ở trạng thái ủ: Độ cứng thấp, độ dẻo cao; tổ chức: Ferit + Xementit
➢ Phân loại tương tác trong hợp kim
• Không có tương tác: Các kim loại hòa tan lẫn nhau ở trạng thái lỏng, không hòa tan ở trạng thái rắn, tạo hỗn hợp cơ học hai pha A + B
- Hoà tan vào nhau tạo dung dịch rắn A(B) - (giữ nguyên kiểu mạng của nền A): pha dung dịch rắn
- Phản ứng tạo hợp chất hóa học với kiểu mạng mới khác hẳn:pha trung gian 3.1.2 Dung dịch rắn
Pha đồng nhất là một trạng thái vật chất có cấu trúc mạng tương tự như dung môi (kim loại nền), trong đó các nguyên tử của chất hòa tan được sắp xếp một cách đồng đều và ngẫu nhiên trong mạng của dung môi.
- Ký hiệu: A(B) = Dung dịch rắn của B hòa tan trong A và A là nguyên tố dung môi dữ lại kiểu mạng còn B là nguyên tố chất tan
Ví dụ: Zn(Cu); Cu(Zn); Feα(C); Feγ(C)
- Giới hạn hòa tan: Nồng độ lớn nhất của chất tan có thể hòa tan trong mạng của dung môi để tạo ra dung dịch rắn
- Dung dịch rắn xen kẽ:
• các nguyên tử hòa tan nằm xen kẽ vào các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi
R n t hòa tan có giới hạn rất nhỏ và luôn duy trì một mức độ hòa tan nhất định Điều này xảy ra do số lượng lỗ hổng trong mạng tinh thể là có hạn; khi một lỗ hổng bị thay thế, các lỗ hổng xung quanh sẽ co lại, khiến cho việc chèn thêm các nguyên tử hòa tan trở nên không khả thi.
• Hòa tan có hạn thì chỉ hòa tan giới hạn nhất định, khi vượt quá thì tạo ra chất khác, không tạo ra dung dịch rắn nữa gọi
• VD: Một số nguyên tố dnt nhỏ: N, C, B, H -> hòa tan xen kẽ vào mạng của các kim loại chuyển tiếp có 𝑑 𝑛𝑡 lớn: Fe, Cr, W, Mo… 𝑟 𝐶
- Dung dịch rắn thay thế
• các nguyên tử chất tan thay thế vị trí các nguyên tử dung môi trong mạng tinh thể
𝑑 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑚ô𝑖 < 15% → Có thể hòa tan vô hạn hoặc có hạn
• Hòa tan vô hạn là cho bất kỳ thành phần nào của nguyên tử chất tan vào trong hợp kim và chỉ tạo một pha dung dịch rắn
• Điều kiện thay thế (hoà tan) vô hạn
- cùng kiểu mạng tinh thể
- kích thước nguyên tử khác ít (∆d 0,59: Mạng phức tạp Hợp chất có công thức: M3X, M7X3, M23X6
Vật liệu này có đặc tính nổi bật với nhiệt độ chảy cao từ 2000-3000 °C, độ cứng rất lớn (HV > 2000-5000) và tính giòn Những đặc điểm này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ bền hóa, nâng cao khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt.
➢ Trong HK, Tỷ lệ pha trung gian ~ 10% nhưng lại quyết định tính chất của hợp kim, còn lại là dung dịch rắn
Giản đồ pha hai cấu tử
- Giản đồ pha : Giản đồ biểu diễn sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng
- Xây dựng bằng thực nghiệm theo quy tắc pha Gibbs: F = C – P + 1( F - số bậc tự do, C - số cấu tử, P - số pha.)
- 3.2.2 Giản đồ pha 2 cấu tử
- Hệ 2 cấu tử hòa tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, khác nhau ở tương tác ở trạng thái rắn
- Tùy thuộc vào tương tác của 2 cấu tử ở trạng thái rắn trong hệ: 4 loại giản đồ cơ bản chính
▪ GĐP loại 1: Hai cấu tử không tương tác với nhau –tồn tại 2 pha – hỗn hợp cơ học
▪ GĐP loại 2: Hai cấu tử tương tác hòa tan vô hạn vào nhau -1 pha duy nhất – dung dịch rắn thay thế
▪ GĐP loại 3: Hai cấu tử tương tác hòa tan có hạn- dung dịch rắn xen kẽ hoặc thay thế - tạo ra dung dịch rắn ∝ và dung dịch rắn β
▪ GĐP loại 4: Hai cấu tử tương tác tạo ra pha trung gian
- Phản ứng cùn tinh là từ 1 pha lỏng khi làm nguội ở nhiệt độ kết tinh nào đó thì sẽ kết tinh đồng thời ra hai pha rắn A + B
- Giản đồ pha loại 2 không có điểm nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (không có điểm cùng tinh)
- Giản đồ pha loại 3 kết hợp loại 1 và loại 2
- Cách đọc giản đồ pha
- Quan hệ giữa giản đồ pha và tính chất hợp kim Tính chất của HK là sự tổng hợp hay kết hợp tính chất của các pha thành phần
VD hợp kim của A và B, trong đó độ cứng của A: 200HV của B:800HV Vậy độ cứng của hợp kim đó với 40%A và 60%B là: 𝑃ℎ𝑘= 40% 200 + 60% 800 = 560 HV
- Đặc trưng giản đồ pha: xây dựng ở trạng thái cân bằng là trạng thái đạt được bằng cách nung nóng hoặc làm nguội vô cùng chậm (nguội cân bằng)
Giản đồ pha Fe-C
3.3.1 Tương tác giữa Fe và C
➢ Fe nguyên chất: Có 3 dạng thù hình: Mềm và dẻo, σb = 250MPa, HV = 80, δ = 50%
• 𝐹𝑒𝛼 kiểu mạng A2 tồn tại đến 911 o C
• 𝐹𝑒 𝛿 kiểu mạng A2 tồn tại ở 1392 o C - 1539 o C , trên 1539 o C là pha lỏng
➢ Sự tương tác của Fe và C: r Fe = 0,124 nm, r C = 0,077 nm, r C /r Fe ~ 0,6
➢ Fe nguyên chất đưa thêm C: → dung dịch rắn xen kẽ
• C → Fe α tạo ra Fe α (C): %C hòa tan rất ít
• C → Fe γ tạo ra Fe γ (C): %C hòa tan nhiều nhất
Dung dịch rắn C trong sắt gamma (𝐹𝑒 𝛾) có khả năng hòa tan carbon cao hơn so với hai dạng sắt còn lại (𝐹𝑒 𝛼 và 𝐹𝑒 𝛿) Nguyên nhân là do cấu trúc mạng A1 của 𝐹𝑒 𝛾 có kích thước lỗ hổng lớn nhất là 8 mặt, trong khi cấu trúc mạng A2 của 𝐹𝑒 𝛼 và 𝐹𝑒 𝛿 chỉ có kích thước lỗ hổng là 4 mặt.
• C → Fe δ tạo ra Fe δ (C): %C hòa tan nhiều hơn của Fe 3.3.2 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C)
Trong gian đồ pha Fe-C người ta chỉ xét đến %C đến 6,67 vì trên thực tế hợp kim chứa >5%C rất kém về cơ tính nên không sử dụng
- Các tổ chức 1 pha trên giản đồ Fe-C
• Pha α (Ferit, F): Fe α (C), A2 , mềm dẻo, %Cmax=0,02% tại 727 o C ≡ P
• Pha γ (Austenit, Aust): Feγ (C), A1, mềm dẻo, %Cmax=2,14% tại 1147 o C ≡ E
• Pha Fe3C (Xementit, Xe) : Fe 3 C, pha trung gian, kiểu trực thoi, %C=6,67%, rất cứng và giòn
- Tổ chức Peclit – tổ chức hai pha
• Là tổ chức gồm α 0,02% + Fe3C 6,67%
• Bất kỳ hợp kim Fe-C có hàm lượng C từ 0,02%-6,67% thì qua 727 o C đều xảy ra phản ứng cùng tích : γ 0,8% [α 0,02% + Fe 3 C 6,67% ]
Tổ chức peclit có thể được hình thành qua phương pháp nguội thông thường hoặc kết tinh thông thường, tạo ra tổ chức P tấm (tấm Xe xen kẽ các tấm α) Để chuyển đổi từ tổ chức P tấm sang tổ chức P hạt (hạt Xe trên nền α), cần phải thực hiện quá trình xử lý nhiệt.
• Quá trình cân bằng cùng tích (xảy ra phản ứng cùng tích)
• Tỷ phần pha Ferit và Fe3C trong Peclit Đã biết tổ chức Peclit luôn là 0,8%C
1 %C trong pha Ferit là 0,02% (100%α) ; %C trong pha Fe3C là 6,67% (100%Fe3C)
2 Sử dụng quy tắc cánh tay đòn : %α = |6,67−0,8|
3 Vậy pha Peclit gồm 88%α + 12%Fe3C
• Độ cứng tổ chức Peclit : HV Peclit %.HV Ferit + 12%.HV Xementit
• Có 2 loại tổ chức Le : Le ở nhiệt độ cao (727 o C-1147 o C)-Le(γ+Fe 3 C) và Le ở nhiệt độ thường ( Ms (50-100 o C) , giữ nhiệt trong thời gian ngắn, sau đó nguội ngoài không khí
• Cần độ dai cao hơn, chống lại biến dạng, không cần ram, tổ chức là Bainit (250 -400 o C) hoặc (500-600 o C) Trôxtit/Xoocbit
• Áp dụng cho chi tiết tôi bộ phận
• Khử As dư sau tôi ở 1 số thép HK có điểm Mf quá thấp, xử lý lạnh ở nhiệt độ -50÷-70 o C 4.3.4 Ram thép bắt buộc sau khi tôi thép thành Mactenxit
Nung nóng thép sau tôi đến một nhiệt độ xác định dưới Ac1, sau đó giữ nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định và làm nguội trong môi trường tĩnh, thường là không khí.
• Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong M, tránh cho thép bị giòn sau tôi;
• Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với yêu cầu riêng của từng chi tiết
• M và γdư phân hóa thành các tổ chức có cơ tính phù hợp với đk làm việc
• Tổ chức: Mtôi + γdư → Mram;
• Độ cứng giảm (1-2 HRC) so với M tôi (thép HK cao: γdư nhiều → M ram → ↑ độ cứng );
• Ứng suất được khử gần như hoàn toàn
• Ứng dụng cho các chi tiết cần độ cứng, tính chống mài mòn cao: dụng cụ cắt: Dao phay, tiện, bào; khuôn dập nguội; trục cán nguội…
• Áp dụng với thép có 0,55-0,65%C
• Tổ chức: Mram → Trôxtit ram
• Độ cứng giảm (↓ 5-10HRC so với Mram), σđh Max
• Khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong;
• Ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao: Nhíp;
Lò xo; khuôn rèn nóng…
• Tổ chức sau ram: Xoocbit ram, ↓5-10HRC so với Tram
• Cơ tính tổng hợp cao nhất = đạt ak (độ giai va đập = độ bền x độ dẻo) max
• Tôi + ram cao = nhiệt luyện hóa tốt
• Ứng dụng cho các chi tiết máy cần σb,σch và ak: chịu va đập, uốn, xoắn…
Hóa bền bề mặt
- Hóa bền bề mặt: Biến đổi tổ chức của lớp bề mặt theo hướng hóa bền (cứng) bằng cách tôi bề mặt hoặc hóa nhiệt luyện
- Chỉ xử lý cho lớp bề mặt riêng
Có hai phương pháp chính để cải thiện tính chất của vật liệu: xử lý nhiệt thay đổi cấu trúc và hóa nhiệt luyện thay đổi thành phần hóa học Trong đó, tôi bề mặt và tôi cảm ứng là phương pháp xử lý nhiệt, giúp tăng độ mỏi cho chi tiết nhờ vào việc tạo ra ứng suất nén dư trên bề mặt.
Tôi bề mặt là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt để nung nóng nhanh chóng lớp bề mặt của chi tiết, giúp tăng cường độ cứng cho lớp này trong khi lõi vẫn duy trì các tính chất cơ học ban đầu Kỹ thuật này không chỉ cải thiện độ bền mà còn nâng cao khả năng chống mỏi cho chi tiết.
- Tôi cảm ứng: dùng nguồn nhiệt nung nóng là dòng điện cảm ứng
Nguyên lý của quá trình này là khi chi tiết được đặt trong một từ trường biến thiên, sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng trên bề mặt chi tiết Điều này dẫn đến việc nung nóng nhanh chóng bề mặt chi tiết đến nhiệt độ tôi, trong khi lõi của chi tiết sẽ được nung chậm để chuyển biến theo.
• Đặc điểm: Mật độ dòng điện xoáy (Fuco) chủ yếu tập trung ở bề mặt với chiều sâu
• Các phương pháp tôi cảm ứng
➢ 1 Nung nóng rồi làm nguôi toàn bề mặt
➢ 2 Nung nóng và làm nguội từng phần
➢ 3 Nung nóng và làm nguội liên tục
• Bộ phận gây ra dòng cảm ứng
• Hình dạng phù hợp với bề mặt chi tiết, khoảng cách với chi tiết nhỏ ( giảm tổn hao): 1.5-
• Vật liệu bằng ống đồng, rỗng
- Đặc điểm của thép tôi cảm ứng
• Thép C hoặc thép có thành phần NTHK thấp (độ thấm tôi thấp)
• Trước khi tôi bề mặt: Nhiệt luyện hóa tốt
• Nhiệt độ tôi cảm ứng:T tôi (cảm ứng) = Ttôi (thể tích) + 100-150 o C
Độ cứng của thép tôi cảm ứng thường cao hơn từ 3-5 HRC so với thép tôi thể tích Nguyên nhân là do quá trình nung nhanh trong tôi cảm ứng giúp tạo ra nhiều mầm và hạt nhỏ hơn, dẫn đến kích thước hạt M nhỏ và min thấp hơn so với thép tôi thể tích.
- Tổ chức và cơ tính của thép sau tôi bề mặt
➢ Lõi: tổ chức xoocbit ram (nhiệt luyện hóa tốt);
➢ Bề mặt: Mactenxit hình kim nhỏ mịn (tôi+ram thấp);
➢ Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt,
➢ Bề mặt có khả năng chống mỏi tốt;
➢ Lõi có độ dai va đập, giới hạn chảy cao;
• Ưu điểm: ▪ Năng suất cao; ▪Chất lượng tốt; ▪Dễ cơ khí hoá, tự động hoá;
• Nhược điểm: ▪Khó thực hiện với các chi tiết hình dáng phức tạp 4.4.2 Hóa nhiệt luyện
- Đ/n: Làm bão hoà nguyên tố hoá học (C,N,…) vào bề mặt thép nhờ khuyếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường bên ngoài ở nhiệt độ cao
• Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho chi tiết;
• Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu;
- Phân loại: ▪Thấm C; ▪Thấm N; ▪Thấm C-N; ▪Thấm kim loại (Al,Cr,Bo, ) trong đó Cr tăng tính chống ăn mòn
3 Giai đoạn khuyếch tán là giai đoạn quyết định thành công
- Các yếu tố ảnh hưởng:
• Nhiệt độ; nhiệt độ càng tăng thì thấm càng nhanh
• Thời gian; thời gian càng lâu thì thấm càng sâu a) Thấm C
- Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) sau đó tôi và ram thấp
• Bề mặt có độ cứng cao (HRC ~ 60-64) chống mài mòn, chịu mỏi tốt;
• Lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30-40);
• Thấm thể khí là phổ biến nhất
- Yêu cầu đối với lớp thấm:
• Bề mặt: 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện là M ram và cacbit nhỏ mịn phân tán
• Lõi: tổ chức hạt nhỏ, thành phần C như thép ban đầu nên vẫn đảm bảo độ dai
- Nhiệt độ thấm: Tthấm>Ac3 để đảm bảo hoà tan được nhiều C vào trong thép (900-950 o C):
• Thép bản chất hạt nhỏ: 930-950 o C
• Thép bản chất hạt lớn: 900-920 o C
- Thời gian thấm:Chiều dày lớp thấm x = (0,10-0,15) d = (0,5 -1,8mm); x=(0,2-0,3)m (m là môdum bánh răng) Tốc độ thấm (công nghệ & nhiệt độ)
- Nhiệt luyện sau thấm:Tôi + ram thấp: bắt buộc
• Tôi trực tiếp: Nhiệt độ tôi chọn theo ưu tiên cho bề mặt hay lõi thường dùng thực tế
• Tôi hai lần: Lần 1 cho lõi T>Ac3 ; Lần 2 cho bề mặt T>A1
- Ưu điểm của thấm C so với tôi cảm ứng
• Thấm cacbon cho cơ tính và công dụng như tôi bề mặt song ở mức độ cao hơn → bảo đảm tính chống mài mòn & chịu tải tốt hơn
• Cũng tạo nên lớp ứng suất nén dư, làm tăng giới hạn mỏi
• Áp dụng cho chi tiết làm việc trong điều kiện nặng hơn
• Áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp, vẫn cho lớp thấm đều
Sau khi quá trình thấm cacbon hoàn tất, tổ chức của vật liệu trong lõi và bề mặt đều là tổ chức M ram Tuy nhiên, bề mặt có hàm lượng cacbon cao hơn, dẫn đến độ cứng cao hơn so với lõi Ngược lại, trong quá trình tôi cảm ứng (tần số), tổ chức của bề mặt và lõi sẽ khác nhau.
• Sau khi thấm cacbon trong lõi là thép TCT, bề mặt là thép CT or SCT vì có %C cao hơn
• Thép 0,1-0,25%C thì thấm cacbon + tôi + ram thấp
• Thép 0,3-0,5%C thì chọn tôi cảm ứng
• Với chi tiết yêu cầu độ dẻo dai va đập, chịu uốn, xoắn lớn chọn dòng thép tôi cảm ứng
Khi lựa chọn vật liệu cho các chi tiết chịu tải trọng và mài mòn cao, thép thấm cacbon là sự lựa chọn tối ưu Ví dụ, bánh răng của xe tải 1 tấn nên sử dụng thép tôi cảm ứng, trong khi bánh răng của xe tải 10 tấn cần được làm từ thép thấm cacbon Thêm vào đó, thép thấm nitơ cũng là một lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền cao.
- Bão hoà N lên bề mặt thép → nâng cao độ cứng (65-70HRC) và tính chống mài mòn, chịu mỏi cho chi tiết
- Chất thấm và các quá trình xảy ra:
• 2𝑁𝐻 3 → 3𝐻 2 + 2Nng.tử Nng.tử + 𝐹𝑒 𝛼 → 𝐹𝑒 𝛼 𝑁 Nng.tử + Fe → ()𝐹𝑒 2−3 𝑁,(’) 𝐹𝑒 4 𝑁
- Tổ chức lớp thấm :từ ngoài vào: (ε + γ’), γ’,(γ’ + α), α + lõi thép(xoocbit ram);
• Trước khi thấm N phải nhiệt luyện tôi + Ram cao
• Thời gian thấm lâu; gần gấp đôi thấm C;
• Thấm N độ cứng cao hơn thấm C, nhưng giòn do pha Nitơrit mang lại
• Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm);
• Sau thấm không tôi mà nguội chậm đến 200 o C;
• Lớp thấm giữ được độ cứng đến 500 o C; còn thấm C là 250 o C vì M tiết C khi > 250 o C
• Thấm N phù hợp chịu mài mòn mạnh nhưng không yêu cầu va đập, tải trọng động lớn
• Thép chuyên dùng thấm N (Cr,Mo, Al)
- Công dụng: chi tiết cần độ cứng và tínhchịu mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao
- Độ cứng và sự phân bố độ cứng của các phương pháp xử lý BM:
- Định nghĩa: → bão hoà đồng thời C-N vàob/m thép → nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn
- Mục đích:Giống thấm C và thấm N, tốt hơn thấm C, hạ nhiệt độ thấm Cacbon
Tthấm 850 o C → chủ yếu thấm C Tthấm 560 o C → chủ yếu thấm N
- Thấm C-N thể khí: So với thấm C thể khí có ưu điểm hơn hẳn:
• Dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào 5-10%NH3)
• Tổ chức lớp thấm Các bit-Nitrit ( 60-65HRC ), tính chống mài mòn tăng ( 50-100%)
• Lớp thấm mỏng hơn thấm C → ngắn hơn
• Không tạo muội (NH3) → tăng tốc độ thấm ( thấm ở 840-860 0C 9300C thấm )
• Sau thấm : Tôi (trực tiếp )+ ram
- Thấm C-N thể lỏng: →dùng các muối NaCN, KCN → độc, ít dùng
• Ứng dụng: các chi tiết như thấm C & thay thế cho thấm C.
Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện
Nguyên nhân gây ra nứt và biến dạng trong vật liệu là do ứng suất bên trong, chủ yếu xảy ra khi nguội, mặc dù nung nóng cũng có thể góp phần nhưng ít hơn Khi ứng suất dư vượt quá giới hạn bền, vật liệu sẽ bị nứt; nếu ứng suất lớn hơn giới hạn chảy, vật liệu sẽ bị biến dạng.
• Ngăn ngừa: - nung nóng và làm nguội với tốc độ hợp lý
- làm nguội theo đúng các quy tắc:nhúng thẳng đứng, phần dày trước…
- Tôi phân cấp, tôi vật mỏng trong khuôn ép
• Khắc phục: bị nứt → vứt, làm cái mới; bị biến dạng → nắn, ép nóng hoặc nguội
• Nguyên nhân: Môi trường nung có chứa chất oxy hóa Fe và C
• Ngăn ngừa: - Cho chi tiết vào hộp than hoa → Chống thoát cacbon
- Dùng khí bảo vệ (ngăn oxi tiếp xúc)
• Khắc phục: thấm lại C cho chi tiết
• Độ cứng quá cao: khi ủ hoặc thường hóa thép HK, Vng lớn, → ủ lại
• Độ cứng thấp: thiếu nhiệt, giữ nhiệt ngắn, Vng nhỏ, thoát C
- Tính giòn cao: Chi tiết sau tôi quá giòn, không thể làm việc (do nung quá nhiệt) → đem thường hóa rồi nhiệt luyện lại
Hợp kim trên cơ sở sắt
5.1.1 Khái niệm về thép C và thép hợp kim a) Thép C
Tạp chất trong thép có thể chia thành hai loại: có lợi và có hại Các tạp chất có lợi như Mn (< 0,8%) và Si (< 0,4%) giúp cải thiện tính chất của thép, trong khi P và S (< 0,05%) lại gây hại Cụ thể, P có thể gây bở nguội nếu vượt quá 0,05%, trong khi S gây bở nóng do kết hợp với photphít sắt, làm giảm nhiệt độ nóng chảy xuống còn 910-930 °C Điều này đặc biệt nguy hiểm khi gia công ở nhiệt độ trên 1000 °C, vì nếu S vượt quá 0,5%, thép có thể bị nóng chảy cục bộ, ảnh hưởng đến cơ tính của sản phẩm.
• Tạp chất khác: H, O, N, (Cr, Ni, Cu 0,3%), (W, Mo, Ti0,05%) không ảnh hưởng đến tính chất của thép
- Ảnh hưởng của C đến tổ chức tế vi
• 0,05 % < C < 0,8%: Ferit + Peclit (thép trước ct) → %C → %Peclit
• C = 0,8%: Peclit (thép cùng tích)
• 0,8 % < C < 2,14%: Peclit + XeII (thép sau ct)→ %C → %XeII
- Ảnh hưởng của C đến cơ tính
- Công dụng của thép theo %C
• 1 Thép C thấp (%C < 0,25%) Kết cấu xây dựng, tấm dập sâu: độ dẻo, dai cao, độ bền, cứng thấp;
• 2 Thép C trung bình (0,3-0,5%C) Chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao: cơ tính tổng hợp cao như trục bánh răng chịu uốn xoắn
• 3 Thép C khá cao (0,55-0,65%C) Các chi tiết đàn hồi: độ cứng khá cao, giới hạn đàn hồi cao nhất
• 4 Thép C cao (%C> 0,7%) Dụng cụ cắt, khuôn dập, dụng cụ đo: độ cứng cao, tính chống mài mòn tốt
• Phân loại theo độ sạch tạp chất có hại (P, S):
• Phân loại theo phương pháp khử Oxy:
➢ Thép sôi (khử Oxy chưa triệt để): sử dụng FeMn;
➢ Thép lặng (khử Oxy triệt để): sử dụng FeMn, FeSi và Al;
➢ Thép nửa lặng: khử bằng Al, FeMn
• Phân loại theo công dụng:
➢ Thép xây dựng: dung trong xây dựng
➢ Thép chế tạo máy: dùng trong chế tạo máy
➢ Thép dụng cụ: dùng để chế tạo dụng cụ
• Có cơ tính phù hợp với điều kiện thông dụng;
• Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, cắt hơn thép hợp kim;
• Độ thấm tôi thấp hiệu quả hoá bền nhiệt luyện không cao;
• Tính chịu nhiệt độ cao kém (giảm độ bền, bị oxy hóa mạnh);
• Không có các tính chất lý, hoá đặc biêt: chống ăn mòn, tính cứng nóng… b) Thép hợp kim (như nam chậm, inox đều là thép hợp kim)
- Các đặc tính của thép hợp kim:
• Cơ tính và tính công nghệ:
- Độ bền cao hơn hẳn thép C tương đương sau khi nhiệt luyện; nếu không nhiệt luyện thì có độ bền như nhau
- Trạng thái không nhiệt luyện, độ bền khác không nhiều so với thép C;
- Tốc độ nguội tới hạn nhỏ, Độ thấm tôi lớn;
- Tăng % hợp kim → tăng hiệu quả hóa bền, giảm độ dẻo, dai
- Tính công nghệ kém hơn thép C như tính đúc, gia công, cắt gọt
• Tính chịu nhiệt độ cao:
- Cácbit của nhiều nguyên tố HK có tác dụng ngăn cản sự phân hoá M, kết tụ cácbit → giữ độ bền, cứng ở nhiệt độ cao;
- Có lớp oxyt đặc biệt, xít chặt chống oxy hóa ở nhiệt độ cao;
Bền ăn mòn trong nhiều môi trường là một yếu tố quan trọng trong công nghiệp Việc thêm nhôm (Al) và đồng (Cu) giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, trong khi bo (B) cải thiện độ thấm tôi Mangan (Mn) và silic (Si) có khả năng tăng độ bền nhưng lại làm giảm độ dai va đập Ngược lại, crom (Cr) và niken (Ni) không chỉ tăng cường độ bền mà còn cải thiện độ dai va đập, tạo ra những vật liệu chất lượng cao hơn.
- Có từ tính đặc biệt, tính chống mài mòn đặc biệt…
- Ảnh hưởng của NTHK đến tổ chức của thép
• Hoà tan vào Fe tạo dung dịch rắn
➢ Với lượng nhỏ: không làm thay đổi dạng GÐP Fe-C
➢ Với hàm lượng lớn (>10%): Cr – thu hẹp vùng γ, Cr >20%→ α tồn tại đến nhiệt độ chảy lỏng; Mn, Ni mở rộng vùng γ, >10-20% → γ tồn tại ở nhiệt độ thường
➢ Si, Ni, Al, Cu, Co: không tạo thành được cacbit trong thép (chỉ có thể hòa tan vào Fe)
➢ Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb: vừa có thể tạo cacbit, vừa hòa tan
➢ Khả năng tạo cacbit của các nguyên tố hợp kim
➢ Vai trò của cacbit hợp kim: - Tăng độ cứng, tính chống mài mòn:
- Nâng cao nhiệt độ tôi, giữ cho hạt nhỏ:
- Có tính cứng nóng, bền nóng: ví dụ như cacbit (Fe,Me)3C có lực liên kết C mạnh hơn, nhiệt độ nóng chảy cao hơn → nhiệt độ tôi lớn hơn
• Chuyển biến nung nóng khi tôi:
➢ NTHK làm thay đổi GĐP → nhiệt độ tới hạn bị thay đổi → Thay đổi Ttôi, Tram
➢ Cacbit hợp kim khó hòa tan vào γ hơn Fe3C → ↑ Ttôi và τgn
+ thép HK thấp 1,00%C + 1,50%Cr: (Fe,Cr)3C, → Ttôi ~ 830 o C;
+ thép HK cao 1,00%C + 12,0%Cr: Cr23C6, → Ttôi >1000 o C
➢ Giữ hạt nhỏ: TiC, ZrC, NbC, VC… (???)
➢ Nguyên tố HK giảm nhiệt độ Ms và Mf → sau tôi còn nhiều γdư (Trừ Co, Al, Si) ▪ Ưu: giảm biến dạng
▪ Nhược: Không đạt độ cứng nếu Austenit dư nhiều → thép HK cao phải gia công lạnh, ram nhiều lần
Giảm tốc độ nguội tới hạn giúp tăng độ thấm tôi, khi NTHK hòa tan vào γ sẽ làm tăng độ ổn định của γ quá nguội, dẫn đến giảm Vth và tăng độ thấm tôi Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả hóa bền mà còn giảm thiểu cong vênh.
Vai trò của NTHK chỉ phát huy hiệu quả khi nó hòa tan hoàn toàn vào Austenit; nếu không hòa tan hoàn toàn hoặc vẫn còn tồn tại cacbit, vai trò này sẽ không còn hiệu lực.
➢ Quá trình hình thành Cacbit hợp kim: khi ram thì C sẽ thoát ra ngoài M, Cacbon kết hợp sắt → Xe; cacbon kết hợp hợp kim→ cacbit hợp kim
➢ Đa số các NTHK có xu hướng cản trở sự tiết C ra khỏi Mactenxit → Giữ độ cứng cho thép HK ở nhiệt độ cao
➢ Cacbit HK tiết ra ở nhiệt độ cao, kích thước nhỏ, phân bố đều, khó kết tụ → hóa cứng phân tán
- Các khuyết tật của thép hợp kim
• Thiên tích về thành phần và tổ chức làm cơ tính rất xấu → khử bằng cách Ủ
• Đốm trắng (H2 hòa tan vào thép lỏng) → do rỗ khí trong thép đúc và sẽ tạo vết nứt tế vi→ cán gây ra nứt
• Giòn ram: gây giảm độ dai va đập
➢ Giòn ram loại I (280-350 o C) M phân hủy, cacbit dạng tấm tiết ra khỏi M làm thép bị giòn → tránh ram ở khoảng nhiệt độ trên
Giòn ram loại II (500-600 oC) xảy ra với thép HK chứa Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn khi nguội chậm sau ram, dẫn đến sự hình thành các pha giòn ở biên giới hạt Để khắc phục tình trạng này, có thể thực hiện nguội nhanh hoặc thêm 0,2-0,5% Mo hoặc 0,5-1% W vào hợp kim.
- Phân loại thép hợp kim c) Kí hiệu thép theo các tiêu chuẩn thông dụng
- Thép C tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN)
- Thép hợp kim tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN)
• Đủ độ bền, độ dẻo cao (δ ~ 15-30%), độ dai tốt ak ~ 500 kJ/m2;
• Tính hàn tốt, dễ uốn, dễ cắt;
• Sử dụng trực tiếp ở trạng thái cung cấp (không nhiệt luyện);
• Thép cabon (thép thông dụng)
• Thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA)
• TCVN 1765-75 : có 3 nhóm: xx – Min 𝛔 𝐛 k [kG/mm2]
➢ A: CTxx – chỉ quy định về cơ tính phổ biến là CT38
➢ B: BCTxx – quy định về thành phần hóa học
➢ C: CCTxx – quy định cơ tính + thành phần hóa học
➢ Là thép cacbon chất lượng thường, rẻ tiền, thông dụng, sản xuất nhiều
➢ Bán thành phẩm: qua cán nóng (ống, thanh, góc, hình, lá, tấm, dây )
- ❖ Thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA):
Việc thêm các nguyên tố hợp kim như Mn, Si, Cr, Ni, Cu, W và V vào thép xây dựng giúp tăng cường độ bền của vật liệu, đồng thời vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác Tuy nhiên, tính hàn của loại thép này thường kém hơn so với thép cacbon.
• Tổng lượng NTHK : 2 – 2,5 %; Cu + Ni + V + Mo ~ 1,00%, riêng Mn có thể tới 1,00%
• Tăng tính bền ăn mòn khí quyển: HK hóa bằng Cu (0,2-0,3%); Nb làm nhỏ hạt
• Dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ âm sâu
• Hiệu quả: dùng thép HSLA có
➢ σ 0,2 = 350MPa tiết kiệm 15% kim loại,
➢ σ 0,2 = 600MPa : 50% ví dụ: 14Mn, 18Mn2, 17MnSi, 14CrMnSi, 10CrSiNiCu, 20CrMn2Zr 5.1.3 Thép chế tạo máy
- Đặc điểm về thành phần của thép chế tạo máy và thép dụng cụ
• Thép thấm C: 0,10 - 0,25%C (0,3%C) (thấm C + tôi và ram thấp)
• Thép hóa tốt: %C = 0,3-0,5% [tôi + ram cao + (tôi bề mặt) ]→tôi + ram cao = nhiệt luyện hóa tốt
• Thép đàn hồi: 0,5 – 0,7 % (Tôi + ram trung bình)
• Thép dụng cụ: %C > 0,7% (Tôi + ram thấp)
• Dụng cụ biến dạng nóng: %C = (0,3 – 0,5)% (Tôi + ram trung bình) không cần độ cứng cao, cần độ dẻo dai va đập lớn a) Thép thấm C:
• Bề mặt: Độ cứng cao, chịu mài mòn tốt (58-62 HRC)
• Lõi: độ bền, độ dai cao để chịu uốn, xoắn, va đập (30-35HRC)
- Thường dùng chế tạo bánh răng hộp số
- Đặc điểm thành phần và nhiệt luyện:
• Thép C thấp: 0,10 - 0,25%C (0,3%C) độ thấm tôi tôi đa là 15mm
• NTHK: Cr Mn, Mo, W, Ni, Ti
➢ Tăng độ thấm tôi: Mn, Cr, Mo – tuy nhiên Mn, Si giảm độ dai va đập
➢ Tăng ak : Ni; nguyên tố khó gia công, khó nhiệt luyện nhất
➢ Tăng khả năng chống mài mòn: Cr, W
➢ Bề mặt thấm C, tlớp thấm = 0,8-1,2mm,%C lớp thấm = 0,8 – 1,2%
➢ Tôi & ram thấp cho toàn chi tiết
➢ Tổ chức: ? (xem lại phần công nghệ thấm C)
• Thép HK: NTHK : Mn, Cr, Ni, Mo, W, Ti:
➢ Tăng độ thấm tôi: Mn, Cr, Mo
➢ Tăng ak : Ni - nguyên tố khó gia công, khó nhiệt luyện nhất
➢ Tăng khả năng chống mài mòn: Cr, W
• Thép Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV; Φ = (20-40)mm, không quá phức tạp
Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo như 20CrNi, 20Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4MoA có độ thấm tôi lớn, mang lại độ bền và độ dai cao Chúng thích hợp cho các chi tiết phức tạp với đường kính lớn hơn 50 mm, có khả năng chịu tải trọng va đập cao Tuy nhiên, loại thép này thường có giá thành cao và khó gia công cơ khí, cũng như yêu cầu quy trình nhiệt luyện phức tạp.
• Thép Cr-Mn-Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi ; Phổ biến nhất, Φ < 50 mm, tính công nghệ tốt (thấm C, gia công cơ) b) Thép hoá tốt:
- Yêu cầu cơ tính: kém hơn thép thấm C
• Lõi: cơ tính tổng hợp cao để chịu uốn, xoắn, va đập (25 – 30 HRC)
• Bề mặt: Có vị trí cần độ cứng cao, chịu mài mòn tốt (55-60 HRC)
- Thường dùng làm trục khuỷu
- Đặc điểm thành phần và nhiệt luyện:
• NTHK: Cr, Mn, Ni, Mo, W
➢ Tăng độ thấm tôi: Mn, Cr, Ni, Mo, W
➢ Tăng khả năng chống mài mòn: NTHK tạo cacbit
➢ Chống giòn ram loại II: Mo, W
➢ Lõi: Tôi + ram cao (Nhiệt luyện hóa tốt) → Tổ chức: Xoocbit ram, 25-30 HRC
➢ Bề mặt: Tôi bề mặt + ram thấp →Tổ chức: M ram, 55-60 HRC
- Các loại thép hóa tốt
• Thép C: C30, C35, C40, C45, C50 chi tiết nhỏ d < (20-30) mm, hình dạng đơn giản, b
➢ Thép Cr: %Cr = 0,5-1% : 40Cr, 40CrVA cải thiện tính tôi, chi tiết nhỏ tương đối phức tạp Φ = (20-40) mm;
➢ Thép Cr-Mo : thêm 0,25% Mo: 38CrMoA chống giòn ram II, tăng độ thấm tôi, Φ
> 50 mm, tương đối phức tạp;
➢ Thép Cr-Mn, Cr-Mn-Si : Cr, Mn, Si ~ 1% : 40CrMn, 30CrMnSi → chi tiết trung bình Φ = (50-60) mm, cứng và giòn hơn, ít phổ biến;
➢ Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo: Ni ~ 1-4%, 0,15 – 0,40% Mo: 40CrNi, 30CrNi3A, 38CrNi3MoVA : thấm tôi cao, dẻo dai tốt, Φ > 60 mm, phức tạp, quan trọng
Thép chuyên dùng thấm N có thành phần 1,6%Cr, 0,3%Mo, 1%Al (mã 38CrMoAlA) được biết đến với khả năng nhiệt luyện hóa tốt, mang lại cơ tính tổng hợp cao Quá trình thấm N tạo ra Nitrit Al phân tán, giúp tăng độ cứng của thép lên từ 63 đến 72 HRC, đồng thời cải thiện tính đàn hồi của vật liệu.
- Đặc điểm làm việc và yêu cầu cơ tính:
• Chịu tải trọng chu kì, chịu va đập cao, không cho phép biến dạng dẻo
• Giới hạn đàn hồi cao: 𝜎 đℎ
• Độ cứng khá cao: 35 – 45 HRC, độ dẻo, dai thấp vừa phải;
- Thường dùng làm lò xo và nhíp ô tô
- Đặc điểm thành phần và nhiệt luyện:
➢ Mn, Si: ↑σđh và độ cứng; 1%Mn, 2%Si; nhiều Mn,Si→ ↑ cứng & giòn;
➢ Cr, Ni :↑ thấm tôi; 2%(Cr+Ni),
• Nhiệt luyện: Tôi + ram trung bình đạt tổ chức Tram có σ đh max;
- Các mác thép & đặc điểm:
• Thép C & thép Mn: C65, C70, 65Mn ; σđh < 800 Mpa, độ thấm tôi thấp (δ < 15 mm)
Thép C và thép HK, như 50CrMn, 60Si2CrVA, và 60Si2Ni2A, có đặc tính σ đh cao hơn và độ dày δ từ 20 đến 30 mm Khi nung tôi, thép dễ thoát C, do đó cần bổ sung thêm các nguyên tố như Cr, Mn, Ni, và V để tăng cường độ thấm tôi và giảm thiểu sự thoát C Thép kết cấu được sử dụng cho các công dụng riêng biệt.
- Thép lá dập sâu: tính dẻo cao → %C > độ cứng phôi,
• Chịu mài mòn tốt, đảm bảo độ dai va đập nhất định
• Đảm bảo tính cứng nóng ( có khi Tlv ~ 600 o C)
- Yêu cầu về thành phần:
• %C > 0,7%, dụng cụ biến dạng nóng - %C = (0,3 – 0,5)%
➢ Cr, Mn, Mo, W, Si - tăng tính thấm tôi,
➢ Cr, Mn, Mo, W, V, Ti - tăng tính chống mài mòn
➢ W & Mo - tăng tính cứng nóng (Tlv≤600 o C); (thép C: Tlv≤200 o C; Cr,Mn ≤350 o C)
• Nhiệt luyện: tôi + ram thấp, có thể thấm N a) Thép dụng cụ cắt
- Điều kiện làm việc & yêu cầu cơ tính:
• Bề mặt chịu áp lực lớn, bị mài sát & nung nóng, chịu uốn (xoắn) & va đập;
• Độ cứng cao (HRC ≥ 60), tính chống mài mòn cao;
• Chịu nhiệt độ cao (tính cứng nóng), độ dai đảm bảo;
- Thép làm dao cắt tốc độ thấp (5 – 10 m/s)
• Thép C: CD70, CD80, , CD130 có chất lượng tốt;
➢ Sau tôi + ram thấp đạt độ cứng ≥ 60HRC, ↑%C → ↑ chịu mài mòn;
➢ Độ thấm tôi thấp (d < 10 mm)
➢ Tính cứng nóng thấp ( 200 – 250 o C), tốc độ cắt < 5 m/s;
• Thép HK: %C ≥ 1%, Cr, Si ~ 1% - tăng độ thấm tôi, cứng nóng (350 o C), W ~ 4 - 5% tăng mạnh tính chịu mài mòn: 90CrSi, 140CrW5 (66-68 HRC)
- Thép làm dao cắt tốc độ cao (35 - 80 m/s) - thép gió
• Đặc điểm cơ tính: tính cứng nóng cao (6000C), tôi thấu tiết diện bất kỳ;
• Thành phần hóa học & tác dụng nguyên tố HK:
➢ %C = 0,7 - 1,5% - ↑ độ cứng và tạo cacbit,
➢ %W ~ (6 - 18)% - tạo tính cứng nóng cao (có thể thay 2%W = 1%Mo),
➢ V ( đến 5%) - ↑ mạnh tính chống mài mòn, giữ hạt nhỏ,
• Nhiệt luyện: Tôi phân cấp, nhiệt độ tôi chính xác, ram thấp 3 lần đạt độ cứng 64-65HRC
• Mác thép: Năng suất thường: 80W18Cr4V, 85W6Mo5Cr4V ; Năng suất cao: 85W18Co5Cr4V, 155W12Co5V5Cr4; b) Thép dụng cụ đo
- Điều kiện làm việc & yêu cầu: cọ sát với chi tiết dễ bị mòn, biến dạng;
• Độ cứng và tính chống mài mòn cao (63 – 65) HRC;
• Kích thước ổn định, hệ số giãn nở nhiệt bé, tổ chức ổn định;
• Độ nhẵn bóng bề mặt cao khi mài, ít biến dạng khi nhiệt luyện;
- Thép dụng cụ đo cấp chính xác cao: HK hóa Cr, Mn ~ 1% - ↑ độ thấm tôi, Mn còn ↑ γdư (kích thước hầu như không thay đổi khi tôi)
• Hóa già ổn định kích thước (120-140 o C, 1-2 ngày) → tổ chức M tôi được ổn định có độ cứng & chịu mài mòn cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ;
- Thép dụng cụ đo cấp chính xác thấp: yêu cầu đủ cứng & chịu mài mòn
• Dùng thép C15, C20 thấm C, tôi + ram thấp;
• Thép C45, C50, C55 – tôi bề mặt + ram thấp, thép CD - tôi + ram thấp c) Thép dụng cụ biến dạng nguội
- Điều kiện làm việc & yêu cầu cơ tính:
• Độ cứng đủ cao (58 – 62)HRC;
• Tính chống mài mòn cao;
• Độ bền, độ dai cao;
• %C ~ 1%, chịu va đập cao : 0,4 - 0,6%C, chịu mài mòn cao : 1,5 - 2%C;
• Cr, Mn, Si, W với lượng ít (~1%) tăng độ thấm tôi;
• Cr đến 12%, %C ≥ 1,5 – 2,0% - tăng tính chịu mài mòn;
- Thép làm khuôn bé (đơn giản): CD100, CD120, tôi trong nước;
- Thép làm khuôn trung bình: (75 - 100)mm, hoặc khuôn bé, phức tạp, chịu tải cao: 110Cr,
100CrWMn, 00CrWSiMn (tôi phân cấp, tôi hai môi trường);
- Thép làm khuôn lớn: (200 - 300)mm, chịu tải trọng nặng, mài mòn mạnh: 210Cr12,
• Tính chịu mài mòn rất cao ( 30% cacbit Cr), có thể dập ở tốc độ cao;
• Độ thấm tôi cao: tôi thấu d = 150 – 200mm trong dầu, đảm bảo độ cứng;
Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập bao gồm các loại như 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si, 60CrW2Si và 60CrWMn Để tăng độ dẻo dai, cần giảm tỷ lệ carbon (%C) và thực hiện quá trình ram ở nhiệt độ cao hơn Các loại thép này thường được sử dụng trong chế tạo dụng cụ biến dạng nóng.
- Điều kiện làm việc & yêu cầu cơ tính: Dụng cụ bị nung nóng (500 –700 o C), song không liên tục; kích thước lớn và chịu tải trọng lớn;
• Độ bền và độ dai cao, độ cứng vừa phải (35-45) HRC;
• Chịu nhiệt độ cao (tính chống ram cao), chống mỏi nhiệt gây nứt vỡ;
• Tính chống mài mòn cao;
• Hợp kim: Cr, Ni - đảm bảo độ thấm tôi & độ dai, W (8-10%) - cứng nóng;
• Nhiệt luyện: tôi + ram trung bình đạt tổ chức Tram
- Thép làm khuôn rèn: thép Cr-Ni (Cr-Mn) có thêm Mo hay W với 0,5%C : 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo;
• Tính thấm tôi cao (d = 300 mm), có thể tôi phân cấp hay đẳng nhiệt;
• Tôi + ram (500-6000C), khuôn lớn cần độ dai cao → ↑nhiệt độ ram;
• Khi nhiệt luyện, do thời gian nung dài, phải tránh oxy hóa & thoát C;
- Thép làm khuôn ép chảy:
• C ~ 0,3-0,4% chịu nhiệt độ, áp lực cao hơn, không va đập
• Cr + W ~ 10% - tính cứng nóng cao (600-700 o C),
• V ~ 1% - chống mài mòn & giữ hạt nhỏ,
• Mo ~ 1% - tăng độ thấm tôi:
VD 30Cr2W8V và 40Cr5W2VSi: tôi (~ 1100 o C), ram (600-650 o C), thấm N 5.1.5 Thép và hợp kim đặc biệt
- Đặc điểm: %C rất thấp (0,1-0,15%) hoặc rất cao (> 1,0%)
- Hợp kim: HK cao (>10%) hay rất cao (> 20%), thường HK hoá đơn giản;
- Tổ chức: thường có tổ chức đơn pha A, F hoặc M ở trạng thái cung cấp;
Thép không gỉ (inoxydable) nổi bật với các tính chất vượt trội như khả năng chống mài mòn, độ bền cao trước sự ăn mòn, và đặc tính điện - từ đặc biệt Ngoài ra, thép không gỉ còn có khả năng chịu nhiệt độ cao, tính giãn nở nhiệt ổn định và độ đàn hồi đặc biệt, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.
- Nguyên lý chế tạo thép không gỉ: Anod : F (-0,44V), Cathode Xe (+0,20V)
• Tạo màng Cr2O3 xít chặt (thụ động);
- Thép không gỉ hai pha: 0,10 0,40%C và 13%Cr : 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13, có tổ chức hai pha F(hòa tan Cr cao) và cacbit Cr;
• Điểm cùng tích (0,3%C), Nguội trong KK cũng nhận được tổ chức M;
• Ổn định trong khí quyển, nước ngọt, thụ động hóa trong dd HNO3;
• 12Cr13, 20Cr13: ốc vít, đồ gia dụng…
• 30Cr13, 40Cr13: kim phun động cơ, lò xo, ổ lăn, dụng cụ y tế;
- Thép không gỉ một pha Ferit: %C ≤ 0,08/0,1-0,2; Cr = 17-25% tỉ lệ Cr/C ≥ 150: 08Cr13,
• Có tổ chức một pha Ferit nên bền ăn mòn hơn loại hai pha;
• Không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, khả năng hóa bền biến dạng thấp;
• thép 08Cr13 dùng cho kết cấu hàn, 15Cr25Ti dùng làm thép chịu nhiệt;
- Thép không gỉ một pha Austenit: Cr > 16 - 18%, Ni > 6 - 8% → tổ chức một pha Austenit ở nhiệt độ thường, được sử dụng nhiều nhất;
• Độ dẻo cao (δ = 50%), độ bền kém thép Ferit, không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, khả năng hóa bền biến dạng mạnh → khó biến dạng nguội;
• Bền ăn mòn trong HNO3, H2SO4 và HCl loãng ở nhiệt độ thường;
• Mác thông dụng: 12Cr18Ni9, 08Cr18Ni11, 08Cr18Ni10Ti, 12Cr18Ni9Ti… b) Thép có tính chống mài mòn đặc biệt (thép Hadfield)
- Thép Hadfield: 110Mn13Đ, là thép đúc với tổ chứ Austenit + lượng lớn Mn3C và (Fe,Mn)3C ở biên hạt → ↓σb, ak, rất giòn;
- Nung ở 1050 - 11000C, giữ nhiệt lâu, nguội trong nước → độ dẻo dai;
- Chỉ có tính chịu mài mòn cao khi làm việc trong điều kiện chịu va đập;
- Tính gia công rất kém, chỉ có thể đúc tạo hình;
5.1.6 Gang a) Sự tạo thành Graphit trong gang
- Trong HK Fe-C: tạo thành Xe dễ hơn Gr tự do, vì:
• gang lỏng và có %C gần với Xe hơn Gr
• gang lỏng và có cấu trúc gần với Xe hơn là Gr
- Nguyên lý grafit hóa trong gang
• Thành phần hóa học: C và Si thúc đẩy, Mn cản trở tạo thành Grafit
➢ (C+Si) 45% → Grafit hoá yếu, Xe nhiều (GX nền P)
➢ (C+Si) 56% → Grafit hoá TB (GX nền F+P)
➢ (C+Si) 6% → Grafit hoá mạnh, Xe ít (GX nền F)
➢ Làm nguội chậm → tạo diều kiện cho sự khuyếch tán và tập trung C → thúc đẩy tạo thành Grafit
➢ Nguội nhanh→thúc đẩy tạo thành cacbit (gây biến trắng→ tạo thành gang trắng) b) Phân loại c) Thành phần hóa học của các loại gang d) Cơ tính
- Độ bền kéo thấp: σ b k < 400MPa, 1/3-1/5 của thép, Độ bền nén không kém thép
- Độ dẻo và độ dai thấp: vật liệu giòn (δ ~ 0,5 %, ak < 100kJ/m2)
- Cơ tính: phụ thuộc hình thái Gr và nền: cơ tính gang xám < gang dẻo < gang cầu
- Graphit: mềm (dễ gia công), bôi trơn, tắt dao động
• Hợp kim hóa cho nền;
• Nhiệt luyện: tôi + ram (cho nền thép) e) Kí hiệu gang (TCVN)
Kim loại và hợp kim phi sắt
5.2.1 Hợp kim nhôm a) Nhôm nguyê chất và phân loại hợp kim nhôm
- Đặc tính: Nhẹ, bền ăn mòn khí quyển, tính dẻo rất cao, dẫn điện, nhiệt tốt; Chịu nhiệt kém, độ bền, độ cứng thấp;
- Hợp kim nhôm và phân loại:nguyên tố HK: Cu, Zn, Mg, Si, Mn, Ti, Fe…
Phân loại dựa trên đường giới hạn hòa tan CF:
Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm theo TCVN 1659-75 bắt đầu bằng chữ Al, sau đó là ký hiệu hóa học của nguyên tố hợp kim kèm theo số phần trăm, ví dụ như AlCu4Mg, Al99, và Al99,5 Đặc biệt, hợp kim nhôm biến dạng không thể được hóa bền qua quá trình nhiệt luyện.
- Nhôm sạch: Al thương phẩm có ≥ 99,0% Al, có tính chống ăn mòn, độ bền thấp, mềm, dẻo, dễ biến dạng nguội
- Hợp kim Al-Mn: < 1,6% Mn chỉ hóa bền bằng biến dạng, chống ăn mòn tốt và dễ hàn → thay cho Al sạch khi cần cơ tính cao hơn;
Hợp kim nhôm-magie (Al-Mg) có chứa dưới 4% magie, nổi bật với trọng lượng nhẹ, độ bền tốt và khả năng chống ăn mòn cao, đặc biệt là sau quá trình anod hóa Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được cải thiện qua nhiệt luyện, mang lại cơ tính cao, không thua kém so với thép carbon.
- Hệ Al - Cu và Al - Cu – Mg
- Đặc điểm tổ chức tế vi:
- Cân bằng sau ủ : α 0,5% + θ (CuAl2) - α b = 200MPa
- Sau tôi: α quá bão hòa (4%Cu) - αb = 250-300MPa Sau 5 – 7 ngày: α b = 420MPa → hóa già tự nhiên;
- Cơ chế hóa già (Gunier – Preston):
• Hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 7 ngày;
• Hóa già nhân tạo: 100 200oC, từ vài giờ đến vài chục giờ;
- Hợp kim Al - Cu - Mg (Đura): Cu ~ 2,6 - 6,3% và Mg ~ 0,5 - 1,5%
• Pha hóa bền CuAl2, CuMg5Al5, CuMgAl2 → tác dụng mạnh hơn;
• Độ bền cao (b = 450 480MPa), khối lượng riêng nhỏ ( 2,7g/cm3);
• Tính chống ăn mòn kém → thêm lượng nhỏ Mn, phủ Al lên bề mặt;
- Hệ Al - Mg - Si: pha hóa bền Mg2Si, độ bền kém đura (b = 400MPa), nhưng tính dẻo cao hơn kể cả ở trạng thái nguội, tính hàn cao
Hợp kim Al - Zn - Mg chứa Zn từ 4 đến 8%, Mg từ 1 đến 3% và Cu khoảng 2%, tạo thành các pha bền như MgZn2 và Al2Mg3Zn3 Sau quá trình nhiệt luyện, hợp kim này đạt độ bền cao nhất với σb > 550MPa Hơn nữa, hợp kim này dễ dàng trong việc nhiệt luyện nhờ vào khoảng nhiệt độ tôi rộng từ 350 đến 500oC, cùng với Vng tới hạn nhỏ, cho phép nguội trong không khí hoặc nước nóng.
- Thành phần gần tổ chức cùng tinh, nhiều HK hơn, dễ chảy, dễ đúc, có thể biến tính hoặc nguội nhanh để cải thiện cơ tính;
- Hợp kim chủ yếu: Si, (Mg, Cu);
- Hợp kim Al - Si (Silumin)
• Biến tính: ↑cơ tính (σb = 130MPa, δ = 3%) lên (σb = 180MPa, δ= 8%)
- Hợp kim Al - Si - Mg(Cu)
• Ngoài Si ~ ( 5 – 20%), còn có Mg < 1% tạo pha hóa bền Mg2Si, Cu ~ (3-5%) cải thiện thêm cơ tính và tính đúc;
• Có thể hóa bền bằng nhiệt luyện;
5.2.2 Hợp kim đồng a) Đồng nguyên chất và phân loại HK đồng
- Các đặc tính của đồng đỏ:
• Dẫn điện, nhiệt tốt, rất dẻo, dễ dát mỏng, kéo sợi, tính hàn khá tốt, chống ăn mòn tốt;
• Khối lượng riêng lớn, tính gia công cắt và tính đúc kém;
- Phân loại hợp kim đồng:
• Phân loại theo nguyên tắc giống hợp kim nhôm: biến dạng và đúc
• Phân loại theo truyền thống: Latông (Cu – Zn) và Brông (Cu – nguyên tố hợp kim khác), ví dụ Cu-Sn; b) Latông
- Latông đơn giản: thường dùng < 45% Zn, tổ chức một pha α ( 12%,BCuSn5Zn5Pb5, BCuSn10Sn2, chống ăn mòn tốt, tính đúc cao;
- Brông nhôm: (Cu - Al), thêm Ni (5%), Fe (4%) - ↑ bền, chịu ăn mòn và mài mòn, Si ( 9,4% Al, tổ chức gồm α + β (Cu3Al,mạng A2), sau tôi và ram cao (5000C) có cơ tính cao;
• Loại đúc: có > 10% Al, thành phần có thể giống loại biến dạng hai pha;
- Brông Berili: Be (0,25 - 2%) không tạo tia lửa khi va đập, chịu ăn mòn ở nhiệt độ cao, cường độ dòng điện lớn, độc hại khi gia công cắt hoặc hàn;
• Hợp kim có tính dẫn điện cao: (0,25 – 0,7% Be), thêm Ni & Co tăng độ bền, tính dẫn điện cao hơn Al, chỉ hơi kém Cu nguyên chất;
Hợp kim có độ bền cao với thành phần 1,6-2% Be và thêm 0,3% Co, sau quá trình nhiệt luyện tôi và hóa già, mang lại độ bền vượt trội nhất trong các hợp kim đồng thương mại Hợp kim này không chỉ có tính đàn hồi rất cao mà còn có độ dẫn điện nằm ở mức trung bình giữa sắt và nhôm.
5.2.3 Hợp kim bột a) Khái niệm chung
- Công nghệ bột: 1 Tạo bột2 Tạo hình3 Thiêu kết 4 Mài tinh
• Về kinh tế: sử dụng triệt để nguyên liệu
• Về chất lượng: đồng nhất
• Về tổ chức tế vi: lỗ hổng ( 2-50%)
- Phương pháp tạo bột hình ảnh b) Vật liệu dụng cụ cắt
- Dụng cụ cắt bằng hợp kim cứng
• Tốc độ cắt đến hàng trăm m/ph
➢ Loại 1 cácbít: bột WC+ bột Co ( dính kết) →cắt gang,sứ (phoi vụn)
➢ Loại 2 cácbít: bột WC+TiC+ bột Co→gia công tinh thép
➢ Loại 3 cácbít: WC+ TiC+ TaC+ bột Co→ gia công thô thỏi đúc, rèn, cán
- Dụng cụ cắt bằng vật liệu siêu cứng
➢ Chất kết dính: B, Be, Si, bột kim loại
• Vật liệu bột siêu cứng (HV 8000 - 10000)
Tốc độ cắt của máy có thể đạt từ 1800 đến 2000 m/ph, phù hợp với nhiều loại vật liệu kết cấu như hợp kim nhôm bột, hợp kim sắt bột, hợp kim đồng bột và hợp kim titan bột, cũng như vật liệu xốp.
• Cu - 10%Sn: độ xốp 25%, tẩm dầu trong chân không ở 75 o C
• Hợp kim Al, hợp kim Fe, hợp kim Ni-Cr
• Bột đồng đều, đẳng trục: bột brông, bột thép không gỉ, bột Ni,…
• Độ xốp cao > 30 - 35%; e) Vật liệu ma sát
• Bột đồng: má phanh/côn cho máy, xe công suất trung bình và lớn (ma sát khô/ướt)
• Bột sắt: công suất trung bình và lớn (ma sát khô)
• Bột ôxit kim loại: Al2O3, SiO2, MgO, TiO2 (công suất lớn)
- Chất kết dính: kim loại
Vật liệu phi kim
Polyme là hợp chất được tạo thành từ các phân tử thông qua sự lặp lại nhiều lần của một hoặc nhiều loại nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử liên kết với nhau Tính chất của polyme sẽ không thay đổi nếu có sự thêm hoặc bớt một vài đơn vị trong cấu trúc của nó.
- Cấu trúc mạch của Polyme:Mạch thẳng; Mạch nhánh; Mạch lưới; Mạch không gian
• Độ bền của polymer tăng từ trái qua phải
• Khối lượng riêng mạch thẳng lớn nhất
• Mạch thẳng có độ dẻo cao nhất (PE, PS, PVC)
• Liên kết giữa các mạch: Liên kết yếu Van der Waals
- Cấu trúc tinh thể của Polymedụ:
• Tinh thể Polyme: Sự sắp xếp trật tự của mạch phân tử;
• Tổ chức polyme gồm vùng tinh thể(vùng kết tinh) đan xen với vùng vô định hình (vùng tối )
• Tổ chức của tiểu cầu gồm các tinh thể gấp khúc dạng tấm đan xen các vùng vô định hình
• Polyme nhiệt dẻo (Thermoplastic): PE, PS, PVC
➢ Khi nung nóng, polymer bị chảy mềm, nóng chảy đột ngột, và bị đóng rắn trở lại khi làm nguội;
➢ Thường có cấu trúc mạch thẳng, nhánh
➢ Khi nung nóng, polymer luôn ở trạng thái đông cứng cho đến khi bị cháy, oxy hóa
➢ Có cấu trúc mạch không gian hoặc lưới
➢ Polyme có tính đàn hồi cao như cao su
- Cơ chế biến dạng của Polyme
• b- Trượt giữa các mạch trong các tấm tinh thể;
• c- Phân chia các tấm tinh thể thành các phần nhỏ;
• d- Định hướng lại các nhóm tinh thể và vô định hình dọc theo hướng lực tác dụng 5.3.2 Vật liệu ceramic
Vật liệu vô cơ chủ yếu bao gồm các hợp chất hóa học giữa các nguyên tố á kim và kim loại hoặc giữa các nguyên tố á kim khác Trong vật liệu ceramic, liên kết nguyên tử thường là sự kết hợp giữa liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.
Vật liệu ceramic bao gồm các hợp chất đơn pha được hình thành từ sự kết hợp giữa các nguyên tố kim loại như Fe, Mg, Al, Ti, W và á kim như Si, B với các phi kim như O, C, N Các loại vật liệu này tạo ra các đơn ôxit như Al2O3, MgO, SiO2, cacbit như TiC, SiC, WC, và nitrit như BN, ZrN.
- Tuy nhiên trên thực tế, vật liệu caramic thường là vật liệu đa pha, gồm các pha vô định hình gắn kết các pha tinh thể với nhau
- Cấu trúc của vật liệu ceramics: Có thể là : Tinh thể; Vô định hình hoặc hỗn hợp cả hai
- Cấu trúc tinh thể hợp chất liên kết ion
• Cấu trúc bền vững khi ion khác dấu tiếp xúc với nhau
• Luôn đảm bảo tính trung hòa về điện
• Cấu trúc tinh thể, số phối vị phụ thuộc vào tỷ số giữa bán kính cation và anion: rc/ra
• Kiểu cấu trúc tinh thể phụ thuộc vào tỷ số rc/ra
- Cấu trúc đơn chất có liên kết cộng hóa trị
- Khuyết tật trong vật liệu ceramics
• Phải luôn đảm bảo tính trung hòa về điện
- Đặc điểm cơ bản của vật liệu ceramic
Liên kết nguyên tử chủ yếu trong gốm sứ là liên kết ion hoặc liên kết hỗn hợp giữa liên kết ion và liên kết cộng hóa trị, tạo nên các liên kết mạnh mẽ.
• Nhiệt độ nóng chảy cao của ceramic chính là xuất phát từ nguyên nhân này
Do sự liên kết ion và các rỗ xốp trong cấu trúc, gốm sứ khác với kim loại ở chỗ khi chịu tải thông thường, chúng có đặc điểm phá hủy giòn và độ dai phá hủy biến dạng phẳng KIC nhỏ.
• Vật liệu ceramic có đặc tính chịu nén tốt, trong khi đó giá trị độ bền kéo và độ bền uốn thấp hơn nhiều
Gia công chế tạo vật liệu ceramics thường được thực hiện qua quy trình bột, bao gồm các bước: tổng hợp bột, tuyển bột, tạo hình, thiêu kết, phun phủ bề mặt và cuối cùng là sản phẩm hoàn thiện.
• Theo thành phần hóa học: ôxit, cacbit, nitrit, sulfit…
• Theo chức năng chính:1.Thủy tinh và gốm thủy tinh; 2.Gốm và vật liệu chịu lửa; 3.Vật liệu mài; 4.Xi măng và bê tông; 5.Gốm tiên tiến
- CƠ TÍNH VẬT LIỆU CERAMICS
• Thường bị phá hủy giòn
Compozit là vật liệu đa pha, bao gồm các thành phần có bản chất hóa học khác nhau, không tan vào nhau và được phân cách bởi ranh giới pha Những thành phần này được kết hợp một cách nhân tạo thông qua các kỹ thuật và thiết kế hợp lý, nhằm tối ưu hóa và phát triển các tính chất ưu việt của từng pha.
Ví dụ: - Bê tông – cốt thép; - Bàn gỗ ép
• Pha nền : Pha liên tục
• Pha cốt: là pha không liên tục
• Pha không liên tục: tạo độ bền cao, modun đàn hồi cao cho compozit
• Vật liệu: kim loại, polymer, ceramic
• Hình dạng, kích thước, mật độ, sự phân bố → cơ tính compozit
• Pha liên tục: liên kết toàn bộ pha cốt thành một khối
• Tạo khả năng gia công cho compozit
• Che phủ, bảo vệ cốt tránh các tác động bên ngoài
• Yêu cầu: nhẹ, có độ dẻo cao
• Vật liệu: kim loại, polymer, ceramic
- Liên kết Cốt-Sợi: Liên kết cơ học; Liên kết nhờ thấm ướt; Liên kết phản ứng; Liên kết ôxit
• Theo bản chất vật liệu nền compozit được phân thành:
➢ Compozit nền vô cơ – ceramic
➢ Compozit nền là hỗn hợp nhiều pha
• Theo đặc điểm hình dạng, kích thước cốt :
➢ Compozit cốt hạt (gọi tắt là compozit hạt)
➢ Compozit cốt sợi (gọi tắt là compozit sợi)
• Cốt hạt thô: Hợp kim cứng, bê tông, compozit nền polyme
• Cốt hạt mịn: Vật liệu kết cấu: nền kim loại, cốt ôxit, Vật liệu có độ bền riêng cao, bền nóng và ổn định nóng tốt,
• Chiều dài tới hạn, 𝑙 𝑡ℎ ; phụ thuộc đường kính, 𝑑 𝑠 ; giới hạn bền, (𝜎 𝑏 ) 𝑠 , của sợi và độ bền liên kết nền – cốt hoặc giới hạn bền cắt của nền, 𝜏 𝑛 →𝑙 𝑡ℎ = (𝜎 𝑏 2.𝜏 ) 𝑠 𝑑 𝑠
• Chiều dài sợi cốt ≤𝑙 𝑡ℎ , ứng suất cực đại tại trung tâm sợi sẽ ≤giới hạn bền kéo, (𝜎 𝑏 ) 𝑠 (a&b)
Khi chiều dài sợi cốt vượt quá 𝑙 𝑡ℎ, ứng suất đạt giá trị cực đại, tương đương với giới hạn bền kéo của sợi (𝜎 𝑏 ) 𝑠, không chỉ xuất hiện tại một điểm mà còn kéo dài thành một đoạn, được gọi là đoạn AB.
Compozit cấu trúc có hai dạng chính: dạng lớp và dạng panel sandwich Loại compozit panel ba lớp bao gồm các tấm mặt làm từ hợp kim nhôm và lõi dạng tổ ong từ phoi nhôm, mang lại độ bền và cứng vững cao Đặc biệt, khối lượng riêng của nó rất thấp, chỉ khoảng 0,04 g/cm3.
1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1
1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 1
1.2 Khái niệm về mạng tinh thể 1
1.3 Mạng tinh thể điển hình của vật liệu với liên kết kim loại 3
1.3.1 Mạng lập phương tâm mặt (A1) 3
1.3.2 Mạng lập phương tâm khối (A2) 3
1.3.3 Mạng sáu phương xếp chặt (A3) 3
1.4 Sai lệch mạng tinh thể 4
1.5 Sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại 5
1.5.2 Hai quá trình của sự kết tinh 5
1.5.3 Sự hình thành hạt tinh thể 5
1.5.5 Đơn tinh thể, Đa tinh thể 6
1.5.6 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc 6
1.5.7 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc 7
2 Biến dạng dẻo và cơ tính vật liệu 7
2.1.3 Trượt đa tinh thể : Thực tế, biến dạng dẻo của vật liệu luôn là trượt của đa tinh thể 8
2.2 Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo 9
2.2.1 Sự thay đổi tổ chức, cơ tính của vật liệu kim loại sau BDD 9
2.2.2 Sự thay đổi tổ chức, cơ tính khi ủ của vật liệu kim loại đã qua BDD 9
2.2.3 Biến dạng nóng, biến dạng nguội 9
2.3.1 Khái niệm: Phá hủy do đứt, gãy, vỡ… → Không khắc phục được và nguy hiểm 10
2.3.2 Phá hủy trong điều kiện tải trọng tĩnh 10
2.3.3 phá hủy trong điều kiện tải trọng theo chu kỳ - phá hủy mỏi 10
2.4 Các đặc trưng cơ tính thông dụng và ý nghĩa 11
3 Hợp kim và giản đồ pha 14
3.1 Cấu trúc tinh thể của hợp kim 14
3.1.1 Khái niệm về hợp kim 14
3.2 Giản đồ pha hai cấu tử 17
3.2.2 Giản đồ pha 2 cấu tử 17
3.3.1 Tương tác giữa Fe và C 19
3.3.2 Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) 19
3.3.3 Phân loại thép-gang theo GĐP 21
4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép 22
4.2 Các chuyển biến khi nung nóng và làm nguội thép 22
4.2.1 Chuyển biến khi nung nóng – Sự tạo thành austenit 22
4.2.2 Chuyển biến khi giữ nhiệt 23
4.2.3 Chuyển biến khi làm nguội chậm (chuyển biến phụ thuộc thời gian và nhiệt độ) 23
4.2.4 Chuyển biến khi làm nguội nhanh (tôi) – Chuyển biến Mactenxit 24
4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép sau tôi (ram) 25
4.3 Các công nghệ nhiệt luyện 26
4.3.1 Ủ thép là công nghệ nguội chậm cùng lò 26
4.3.2 Thường hóa là công nghệ nguội tương đối chậm 27
4.3.3 Tôi thép làm nguội nhanh hơn thường hóa 27
4.3.4 Ram thép bắt buộc sau khi tôi thép thành Mactenxit 28
4.4.1 Tôi bề mặt và tôi cảm ứng = xử lý nhiệt → tăng độ mỏi cho chi tiết do có ứs nén dư trên bề mặt 29
4.5 Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện 32
5.1 Hợp kim trên cơ sở sắt 32
5.1.1 Khái niệm về thép C và thép hợp kim 32
5.1.5 Thép và hợp kim đặc biệt 41
5.2 Kim loại và hợp kim phi sắt 42
