Livro de Ciência dos Materiais: Estrutura, Propriedades, Tratamento Térmico

VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ths. Lª V¨n C-¬ng - Chñ biªn VËt liÖu kü thuËt ®¹i häc hµng h¶i - n¨m 2008 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ths. Lª V¨n C-¬ng - Chñ biªn VËt liÖu kü thuËt §¹i häc hµng h¶i - n¨m 2008 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt môc lôc Môc lôc Bµi më ®Çu 4 PhÇn I. VËt liÖu häc c¬ së 6 Ch-¬ng 1. CÊu t¹o tinh thÓ 6 Ch-¬ng 2. KÕt tinh tõ thÓ láng cña kim lo¹i 37 Ch-¬ng 3. CÊu t¹o hîp kim vµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i 59 Ch-¬ng 4. BiÕn d¹ng dÎo vµ c¬ tÝnh cña kim lo¹i 76 PhÇn II. NhiÖt luyÖn thÐp 100 Ch-¬ng 5. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t - cacbon 100 Ch-¬ng 6. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi nung vµ lµm nguéi thÐp 110 Ch-¬ng 7. Çc ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÐp 130 Ch-¬ng 8. Hãa bÒn bÒ mÆt thÐp 161 PhÇn III. Çc vËt liÖu kim lo¹i 182 Ch-¬ng 9. Gang vµ nhiÖt luyÖn gang 182 Ch-¬ng 10. ThÐp cacbon 198 Ch-¬ng 11. ThÐp hîp kim 207 Ch-¬ng 12. Hîp kim mµu 262 Phô lôc 286 Tµi liÖu tham kh¶o 291 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Bµi më ®Çu VËt liÖu häc lµ m«n khoa häc kh¶o s¸t b¶n chÊt cña vËt liÖu, mèi quan hÖ gi÷a cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña chóng, tõ ®ã ®Ò ra ph-¬ng ph¸p chÕ t¹o vµ sö dông thÝch hîp. 1. Môc ®Ých, yªu cÇu, néi dung m«n häc vµ çc m«n häc liªn quan 1.1. Môc ®Ých - Trang bÞ nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ cÊu tróc, tæ chøc vµ tÝnh chÊt kim lo¹i. - Çc ph-¬ng ph¸p gia c«ng nhiÖt luyÖn ¸p dông cho çc kim lo¹i (thÐp vµ gang). - Çc lo¹i vËt liÖu kim lo¹i: c«ng dông, thµnh phÇn, tÝnh chÊt vµ kÝ hiÖu. 1.2. Yªu cÇu - HiÓu çc quy luËt chuyÓn biÕn c¬ b¶n cña kim lo¹i - BiÕt chän vµ thay thÕ vËt liÖu theo çc tiªu chuÈn kh¸c nhau - LËp ®-îc çc quy tr×nh gia c«ng nhiÖt luyÖn cho çc chi tiÕt ®iÓn h×nh - HiÓu ®-îc kÝ hiÖu çc vËt liÖu kim lo¹i c¬ b¶n 1.3. Néi dung m«n häc Néi dung m«n häc gåm cã 3 phÇn: PhÇn 1: LÝ thuyÕt vÒ kim lo¹i Ch-¬ng 1: CÊu t¹o tinh thÓ Ch-¬ng 2: Sù kÕt tinh Ch-¬ng 3: CÊu t¹o hîp kim vµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Ch-¬ng 4: BiÕn d¹ng kim lo¹i PhÇn 2: NhiÖt luyÖn thÐp Ch-¬ng 5: Hîp kim s¾t - cacbon Ch-¬ng 6: Çc ph¶n øng x¶y ra khi nung vµ lµm nguéi thÐp Ch-¬ng 7: NhiÖt luyÖn thÐp Ch-¬ng 8: Hãa bÒn bÒ mÆt thÐp PhÇn 3: Çc vËt liÖu kim lo¹i Ch-¬ng 9: Gang vµ nhiÖt luyÖn gang Ch-¬ng 10: ThÐp cacbon Ch-¬ng 11: ThÐp hîp kim 4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 12: Kim lo¹i vµ hîp kim mÇu 1.4. Çc m«n häc liªn quan - Lý thuyÕt nhiÖt ®éng - Hãa lÝ vµ vËt lÝ chÊt r¾n 2. S¬ l-îc vÒ lÞch sö ph¸t triÓn * Giai ®o¹n sö dông vËt liÖu tù nhiªn * Giai ®o¹n sö dông vËt liÖu theo kinh nghiÖm: - Ch-a cã c¬ së khoa häc - T¸c ®éng ®Õn vËt liÖu theo c¬ së khoa häc 3. Çc ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu m«n häc - Ph-¬ng ph¸p thö c¬ tÝnh - Ph-¬ng ph¸p hãa ph©n tÝch - Ph-¬ng ph¸p ph©n tÝch quang phæ - Ph-¬ng ph¸p huúnh quang 4. Tµi liÖu tham kh¶o - Kim lo¹i häc vµ nhiÖt luyÖn - Nghiªm Hïng - VËt liÖu häc - Arrmaxor - Chu Thiªn Tr-êng - VËt liÖu häc - Lª C«ng D-ìng 5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt phÇn I. vËt liÖu häc c¬ së Ch-¬ng 1. CÊu t¹o tinh thÓ Tuú theo ®iÒu kiÖn t¹o thµnh (nhiÖt ®é, ¸p suÊt …) vµ t-¬ng t¸c gi÷a çc phÇn tö cÊu thµnh (d¹ng lùc liªn kÕt …), vËt chÊt tån t¹i ë tr¹ng th¸i r¾n, láng vµ khÝ (h¬i). TÝnh chÊt cña vËt r¾n (vËt liÖu) phô thuéc chñ yÕu vµo lùc liªn kÕt vµ çch x¾p xÕp cña çc phÇn tö cÊu t¹o nªn chóng. Trong ch-¬ng nµy çc kh¸i niÖm c¬ b¶n sÏ ®-îc ®Ò cËp lµ: cÊu t¹o nguyªn tö, çc d¹ng liªn kÕt vµ cÊu tróc tinh thÓ, kh«ng tinh thÓ cña vËt r¾n. 1.1. CÊu t¹o nguyªn tö vµ çc d¹ng liªn kÕt trong vËt r¾n Trong phÇn nµy kh¶o s¸t nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ cÊu t¹o nguyªn tö vµ çc d¹ng liªn kÕt gi÷a chóng, nh÷ng yÕu tè nµy ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh víi cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña vËt r¾n, vËt liÖu. 1.1.1. CÊu t¹o nguyªn tö Nguyªn tö theo quan ®iÓm cò bao gåm h¹t nh©n vµ çc ®iÖn tö quay chung quanh theo nh÷ng quü ®¹o x¸c ®Þnh. Tuy nhiªn víi m« h×nh ®ã kh«ng gi¶i quyÕt ®-îc çc khã kh¨n n¶y sinh, ®Æc biÖt lµ viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c quü ®¹o cña ®iÖn tö. ¸p dông c¬ häc sãng ®Ó nghiªn cøu cÊu t¹o nguyªn tö chóng ta thÊy r»ng theo hÖ thøc bÊt ®Þnh Heisenberg: x . p  h x . v  (1.1) h m Trong ®ã: x: ®é bÊt ®Þnh trong phÐp ®o to¹ ®é vi h¹t p: ®é bÊt ®Þnh trong phÐp ®o xung l-îng vi h¹t v: ®é bÊt ®Þnh trong phÐp ®o vËn tèc vi h¹t 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ¸p dông nguyªn lý cho ®iÖn tö trong nguyªn tö chóng ta thÊy nÕu muèn x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña ®iÖn tö th× x  10-4 m (lµ cì kÝch th-íc nguyªn tö) khi ®ã v sÏ lµ  106 m/s tøc lµ lín h¬n tèc ®é chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö trong nguyªn tö theo m« h×nh cæ ®iÓn. V× vËy kh«ng thÓ cã kh¸i niÖm quü ®¹o cña ®iÖn tö mµ chØ cã thÓ nãi ®Õn x¸c suÊt tån t¹i nã trong mét thÓ tÝch nµo ®ã. Theo quan ®iÓm cña c¬ häc l-îng tö sau khi gi¶i ph-¬ng tr×nh sãng Schrodinger víi çc m« h×nh nguyªn tö cô thÓ ®· gi¶i quyÕt ®-îc vÊn ®Ò cÊu t¹o líp vá ®iÖn tö cña nguyªn tö. Víi mét nguyªn tö cô thÓ theo m« h×nh víi sè ®iÖn tö z x¸c ®Þnh cã cÊu t¹o líp vá ®iÖn tö ®-îc thÓ hiÖn qua bèn sè l-îng tö lµ: - Sè l-îng tö chÝnh n = 1, 2, 3, ... x¸c ®Þnh møc n¨ng l-îng cña líp vá ®iÖn tö. VÝ dô: n = 1 lµ líp K, n = 2 lµ líp L, n = 3 lµ líp M vµ n = 4 lµ líp N. - Sè l-îng tö ph-¬ng vÞ l = 0, 1, 2, ... , n-1 x¸c ®Þnh sè ph©n líp trong cïng mét møc n¨ng l-îng. VÝ dô: l = 0, 1, 2, 3 t-¬ng øng víi çc ph©n líp s, p, d , f. - Sè l-îng tö tõ m = 0,  1,  2, ...  l x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng ®Þnh h-íng cña m« men xung l-îng quü ®¹o theo tõ tr-êng bªn ngoµi. - Sè l-îng tö Spin S =  1/2 x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng ®Þnh h-íng ng-îc chiÒu nhau cña vÐc t¬ m« men xung l-îng. Ngoµi ra viÖc ph©n bè çc ®iÖn tö víi mét tr¹ng th¸i (n, l, m) x¸c ®Þnh ph¶i tu©n theo nguyªn lý lo¹i trõ Pauli lµ chØ cã thÓ cã hai ®iÖn tö víi Spin ng-îc nhau. Dùa vµo nguyªn lý nµy cã thÓ dù ®o¸n ®-îc sè ®iÖn tö cho phÐp trªn çc møc n¨ng l-îng (líp vµ ph©n líp) qua ®ã viÕt ®-îc cÊu h×nh líp vá ®iÖn tö cña nguyªn tö theo sè thø tù z cña chóng trong hÖ thèng tuÇn hoµn Meldeleev (còng lµ sè ®iÖn tö cña nguyªn tö ®ã trong m« h×nh lý t-ëng). VÝ dô: Cu cã z = 29 ta cã cÊu t¹o líp vá ®iÖn tö lµ: 2 2 6 2 6 10 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 3 d 4 s       K L M 1 N ë ®©y ®iÖn tö vÉn cã thÓ chuyÓn tõ møc n¨ng l-îng nµy sang møc n¨ng l-îng kh¸c (thuéc líp hoÆc ph©n líp). Khi ®ã chóng sÏ ph¸t ra hoÆc thu vµo mét n¨ng l-îng d-íi d¹ng l-îng tö ¸nh s¸ng. Theo sè l-îng tö chÝnh n ta cã b¶ng sè l-îng ®iÖn tö cã thÓ (sè tr¹ng th¸i n¨ng l-îng) trªn mét sè líp vµ ph©n líp nhsau: 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 1s -K 2s 2p -L 3s 3p 3d -M 4s 4p 4d 4f -N B¶ng 1.1. Sè l-îng ®iÖn tö cã thÓ trªn çc líp vµ ph©n líp (sè trong ngoÆc lµ sè tr¹ng th¸i cã thÓ) Sè l-îng tö chÝnh n Ký hiÖu Ký hiÖu líp ®iÖn tö ph©n líp Ph©n líp Líp 1 K s 2 (1) 2 2 L s 2 (1) 8 p 6 (3) s 2 (1) p 6 (3) d 10 (5) s 2 (1) p 6 (3) d 10 (5) f 14 (7) 3 4 M N Sè ®iÖn tö cã thÓ 18 32 1.1.2. Çc d¹ng liªn kÕt trong vËt r¾n Theo ®iÒu kiÖn bªn ngoµi (P, T) vËt chÊt tån t¹i ba tr¹ng th¸i: r¾n, láng, h¬i. - Tr¹ng th¸i r¾n: cã trËt tù (trËt tù xa) - Tr¹ng th¸i láng: cã trËt tù (trËt tù gÇn) - Tr¹ng th¸i h¬i: hçn ®én, kh«ng cã trËt tù §é bÒn cña vËt liÖu ë tr¹ng th¸i r¾n phô thuéc vµo d¹ng liªn kÕt cña vËt r¾n. 1.1.2.1. Liªn kÕt céng ho¸ trÞ §©y lµ d¹ng liªn kÕt mµ çc nguyªn tö tham gia liªn kÕt gãp chung ®iÖn tö ë líp ngoµi cïng, t¹o ra líp ngoµi cïng ®¹t trÞ sè b·o hoµ vÒ sè ®iÖn tö cã thÓ (s 2p6). Nh- vËy khi t¹o liªn kÕt céng ho¸ trÞ sÏ t¹o ra líp ngoµi cïng cña nguyªn tö cã t¸m ®iÖn tö, víi d¹ng liªn kÕt nh- vËy nã cã çc ®Æc ®iÓm sau: 8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Lµ lo¹i liªn kÕt cã ®Þnh h-íng, nghÜa lµ x¸c suÊt tån t¹i çc ®iÖn tö tham gia liªn kÕt lín nhÊt theo ph-¬ng nèi t©m çc nguyªn tö (h×nh 1.1). A B A B A B H×nh 1.1. Liªn kÕt céng ho¸ trÞ trong khÝ Cl2 - C-êng ®é liªn kÕt phô thuéc rÊt m¹nh vµo møc ®é liªn kÕt cña çc ®iÖn tö ho¸ trÞ víi h¹t nh©n. Ta cã thÓ thÊy râ, çc bon trong d¹ng thï h×nh kim c-¬ng cã liªn kÕt céng ho¸ trÞ rÊt m¹nh do çc ®iÖn tö ho¸ trÞ liªn kÕt trùc tiÕp víi h¹t nh©n. Ng-îc l¹i víi Sn do çc ®iÖn tö ho¸ trÞ n»m rÊt xa h¹t nh©n nªn cã liªn kÕt céng ho¸ trÞ rÊt yÕu. - Liªn kÕt céng ho¸ trÞ cã thÓ x¶y ra gi÷a çc nguyªn tö cña cïng mét nguyªn tè (®ång cùc) thuéc çc nhãm tõ IV A ®Õn VII A (vÝ dô Cl2, F2, Br2, ...) hoÆc çc nguyªn tö cña çc nguyªn tè kh¸c nhau (dÞ cùc) thuéc çc nhãm III A vµ V A hoÆc II A vµ VI A (GaAs, GaP, ...). 1.1.2.2. Liªn kÕt Ion Lµ lo¹i liªn kÕt m¹nh, h×nh thµnh bëi lùc hót gi÷a çc ®iÖn tÝch tr¸i dÊu (lùc hót tÜnh ®iÖn Coulomb). Liªn kÕt nµy x¶y ra do çc nguyªn tö cho bít ®iÖn tö líp ngoµi cïng trë thµnh Ion d-¬ng hoÆc nhËn thªm ®iÖn tö ®Ó trë thµnh Ion ©m. V× vËy liªn kÕt Ion th-êng x¶y ra vµ thÓ hiÖn râ rÖt víi çc nguyªn tö cã nhiÒu ®iÖn tö ho¸ trÞ (¸ kim ®iÓn h×nh) vµ çc nguyªn tö cã Ýt ®iÖn tö ho¸ trÞ (kim lo¹i ®iÓn h×nh). VÝ dô LiF, NaCl, Al2O3, Fe2O3, ... Còng gièng liªn kÕt céng ho¸ trÞ, liªn kÕt Ion cµng m¹nh (bÒn v÷ng) khi nguyªn tö chøa cµng Ýt ®iÖn tö. Vµ nã lµ d¹ng liªn kÕt kh«ng ®Þnh h-íng. N¨ng l-îng liªn kÕt cã thÓ tÝnh b»ng c«ng thøc: U   A r (1.2) Vµ lùc liªn kÕt: 9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt F  du   B. dr 1 r 2 (1.3) Trong ®ã: A vµ B: Çc h»ng sè phô thuéc vµo phÇn tö liªn kÕt r: Kho¶ng çch gi÷a çc phÇn tö liªn kÕt DÊu (-) chØ r»ng n¨ng l-îng vµ lùc liªn kÕt cã xu h-íng lµm gi¶m kho¶ng çch gi÷a çc phÇn tö liªn kÕt. 1.1.2.3. Liªn kÕt kim lo¹i §Æc ®iÓm chung cña çc nguyªn tö nguyªn tè kim lo¹i lµ cã Ýt ®iÖn tö ho¸ trÞ ë líp ngoµi cïng, do ®ã chóng dÔ mÊt (bøt ra) ®iÖn tö t¹o thµnh çc Ion d-¬ng bÞ bao quanh bëi çc m©y ®iÖn tö tù do. Çc ion d-¬ng t¹o thµnh mét m¹ng x¸c ®Þnh, ®Æt trong kh«ng gian ®iÖn tö tù do chung, ®ã lµ m« h×nh cña liªn kÕt kim lo¹i. Ion d-¬ng M©y e- tù do H×nh 1.2. Liªn kÕt kim lo¹i Liªn kÕt kim lo¹i th-êng râ rÖt víi çc nguyªn tö cã Ýt ®iÖn tö ho¸ trÞ (do dÔ mÊt ®iÖn tö). Çc nguyªn tö thuéc nhãm I cã mét ®iÖn tö ho¸ trÞ lµ çc kim lo¹i ®iÓn hØnh, thÓ hiÖn râ rÖt nhÊt liªn kÕt kim lo¹i. Cµng dÞch sang ph¶i b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn, tÝnh ®ång ho¸ trÞ trong liªn kÕt t¨ng lªn vµ xuÊt hiÖn liªn kÕt hçn hîp “kim lo¹i - ®ång ho¸ trÞ”. CÊu tróc tinh thÓ cña çc chÊt víi liªn kÕt kim lo¹i cã tÝnh ®èi xøng rÊt cao. Liªn kÕt kim lo¹i lµ d¹ng hçn hîp: gåm lùc hót gi÷a çc ®iÖn tÝch tr¸i dÊu vµ lùc ®Èy gi÷a çc ®iÖn tÝch cïng dÊu. N¨ng l-îng liªn kÕt trong liªn kÕt kim lo¹i cã thÓ tÝnh b»ng c«ng thøc: U   A  B 2  C 3 r  r  r  I II III (1.4) Víi A, B, C lµ çc hÖ sè I: N¨ng l-îng hót gi÷a çc ®iÖn tÝch tr¸i dÊu II, III: N¨ng l-îng ®Èy gi÷a çc ®iÖn tÝch cïng dÊu. 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 1.1.2.4. Liªn kÕt hçn hîp Thùc tÕ, Ýt khi tån t¹i nh÷ng d¹ng liªn kÕt thuÇn tuý chØ cã mét kiÓu liªn kÕt. Liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ thuÇn tuý chØ x¶y ra trong tr-êng hîp ®ång cùc. Khi liªn kÕt dÞ cùc, ®iÖn tö ho¸ trÞ gãp chung, tham gia liªn kÕt ®ång thêi chÞu hai t¸c dông tr¸i ng-îc: - BÞ hót bëi h¹t nh©n cña m×nh - BÞ hót bëi h¹t nh©n nguyªn tö thø hai ®Ó t¹o ®iÖn tö chung. Kh¶ n¨ng hót ®iÖn tö cña h¹t nh©n ®-îc gäi lµ tÝnh ©m ®iÖn cña nguyªn tö. Sù kh¸c nhau vÒ tÝnh ©m ®iÖn cña çc nguyªn tö tham gia liªn kÕt trong liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ lµm cho ®¸m m©y ®iÖn tö bÞ biÕn d¹ng vµ t¹o ra çc ngÉu cùc ®iÖn vµ lµ tiªn ®Ò cho liªn kÕt ion. TÝnh chÊt cña liªn kÕt ion cµng lín khi sù sai kh¸c vÒ tÝnh ©m ®iÖn gi÷a çc nguyªn tö cµng cao. Do ®ã cã thÓ kh¼ng ®Þnh r»ng tÊt c¶ çc liªn kÕt dÞ cùc ®Òu lµ hçn hîp gi÷a liªn kÕt ion vµ ®ång ho¸ trÞ. 1.1.2.5. Liªn kÕt yÕu (liªn kÕt Vander Waals) Liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ cho phÐp lý gi¶i sù t¹o thµnh nh÷ng ph©n tö nh- n-íc hoÆc polyetilen (C2H4)n ... nh-ng kh«ng gi¶i thÝch ®-îc sù h×nh thµnh çc ph©n tö r¾n tõ çc ph©n tö trung hoµ (n-íc ®¸, polyme ...). Ta ®· biÕt trong çc ph©n tö cã liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ, do sù kh¸c nhau vÒ tÝnh ©m ®iÖn cña çc nguyªn tö sÏ dÉn ®Õn träng t©m cña ®iÖn tÝch d-¬ng vµ ®iÖn tÝch ©m kh«ng trïng nhau, ngÉu cùc ®iÖn h×nh thµnh, ph©n tö trung hoµ bÞ ph©n cùc. Liªn kÕt Vander Waals lµ liªn kÕt do hiÖu øng hót nhau gi÷a çc nguyªn tö hoÆc ph©n tö bÞ ph©n cùc (h×nh 1.3). Liªn kÕt nµy lµ lo¹i liªn kÕt rÊt yÕu, dÔ bÞ ph¸ vì bëi ba ®éng nhiÖt (khi t¨ng nhiÖt ®é). V× vËy nh÷ng vËt r¾n cã liªn kÕt Vander Waals cã nhiÖt ®é nãng ch¶y rÊt thÊp (n-íc ®¸ nãng ch¶y ë 00C). a, b, c, H×nh 1.3. Qu¸ tr×nh t¹o thµnh liªn kÕt Vander Waals a: Trung hoµ b: Ph©n cùc c: T¹o liªn kÕt 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt N¨ng l-îng liªn kÕt: A U   r 6 (1.5) Vµ lùc liªn kÕt: F  B r 7 (1.6) 1.2. CÊu t¹o tinh thÓ lý t-ëng cña vËt r¾n Çc vËt r¾n trong tù nhiªn hiÖn nay ®-îc ph©n thµnh hai nhãm lµ vËt r¾n tinh thÓ vµ vËt v« ®Þnh h×nh. ViÖc ph©n lo¹i nµy ®Ó t¹o sù thuËn lîi cho qóa tr×nh m« h×nh ho¸ khi nghiªn cøu vËt liÖu. Çc vËt liÖu kim lo¹i lµ lo¹i vËt liÖu kÕt cÊu c¬ b¶n hiÖn nay chñ yÕu lµ çc vËt cã cÊu t¹o tinh thÓ. Do ®ã ®Ó nghiªn cøu vÒ cÊu t¹o cña chóng tr-íc hÕt chóng ta cÇn t×m hiÓu vÒ kh¸i niÖm vËt tinh thÓ vµ vËt v« ®Þnh h×nh. 1.2.1. VËt tinh thÓ vµ vËt v« ®Þnh h×nh Theo quan ®iÓm cña vËt lý chÊt r¾n, çc vËt r¾n ®-îc gäi lµ vËt tinh thÓ khi chóng ®ång tho¶ m·n çc ®iÒu kiÖn sau: - Lµ nh÷ng vËt lu«n tån t¹i víi mét h×nh d¸ng x¸c ®Þnh trong kh«ng gian, h×nh d¸ng bªn ngoµi cña chóng thÓ hiÖn mét phÇn çc tÝnh chÊt bªn trong. - VËt tinh thÓ lu«n lu«n tån t¹i mét nhiÖt ®é nãng ch¶y (hoÆc kÕt tinh) x¸c ®Þnh. Cã nghÜa lµ khi nung nãng vËt tinh thÓ lu«n cã mét nhiÖt ®é chuyÓn biÕn tõ tr¹ng th¸i r¾n sang tr¹ng th¸i láng x¸c ®Þnh. §iÒu nµy còng ®óng khi lµm nguéi vËt tinh thÓ tõ thÓ láng. - VËt tinh thÓ khi bÞ ®Ëp g·y (ph¸ huû), sÏ bÞ g·y theo çc mÆt x¸c ®Þnh vµ bÒ mÆt vÕt g·y kh«ng nh½n bãng. TÝnh chÊt nµy thÓ hiÖn râ rÖt sù kh¸c biÖt vÒ tÝnh chÊt cña vËt tinh thÓ víi vËt v« ®Þnh h×nh. - VËt tinh thÓ lu«n cã tÝnh dÞ h-íng, cã nghÜa lµ tÝnh chÊt cña nã (c¬, lý, ho¸ tÝnh) theo çc ph-¬ng kh¸c nhau lu«n cã sù kh¸c biÖt. §iÒu nµy thÓ hiÖn râ sù x¾p xÕp çc nguyªn tö trong vËt tinh thÓ lµ tu©n theo mét quy luËt x¸c ®Þnh. Ng-îc l¹i víi vËt tinh thÓ lµ çc vËt v« ®Þnh h×nh. VËt v« ®Þnh h×nh lµ nh÷ng vËt kh«ng tån t¹i mét h×nh d¹ng x¸c ®Þnh trong kh«ng gian (cã h×nh d¸ng lµ cña vËt 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt chøa nã). Kh«ng cã nhiÖt ®é nãng ch¶y hoÆc kÕt tinh x¸c ®Þnh, kh«ng thÓ hiÖn tÝnh dÞ h-íng ... Mét sè vËt v« ®Þnh h×nh tiªu biÓu nh- nhùa ®-êng, parafin, thuû tinh ... Tuy nhiªn viÖc ph©n biÖt râ rµng vµ r¹ch rßi gi÷a vËt tinh thÓ vµ vËt v« ®Þnh h×nh lµ mang tÝnh t-¬ng ®èi. Víi sù ph¸t triÓn cña vËt lý hiÖn ®¹i, ranh giíi gi÷a vËt tinh thÓ vµ vËt v« ®Þnh h×nh trë nªn kh«ng râ rµng, vÝ dô víi vËt liÖu kim lo¹i khi tiÕn hµnh nguéi nhanh víi tèc ®é nguéi rÊt lín (®Õn hµng triÖu 0C/s) ta thu ®-îc kim lo¹i cã ®é h¹t rÊt nhá vµ thÓ hiÖn c¶ tÝnh chÊt cña vËt v« ®Þnh h×nh. 1.2.2. CÊu t¹o tinh thÓ lý t-ëng cña vËt r¾n 1.2.2.1. Kh¸i niÖm m¹ng tinh thÓ Qua xem xÐt tÝnh chÊt cña vËt tinh thÓ, chóng ta cã thÓ thÊy r»ng, çc tÝnh chÊt ®ã bÞ chi phèi vµ quyÕt ®Þnh bëi çch x¾p xÕp cña çc nguyªn tö (hoÆc ion, ph©n tö) ë trong vËt r¾n. V× vËy ®Ó n¾m râ ®-îc mèi quan hÖ ®ã vµ øng dông nã trong nghiªn cøu, xö lý vËt liÖu chóng ta cÇn ®i vµo quy luËt x¾p xÕp nguyªn tö trong vËt tinh thÓ. Do ®ã ta cã kh¸i niÖm m¹ng tinh thÓ. M¹ng tinh thÓ lµ m« h×nh kh«ng gian, dïng ®Ó nghiªn cøu quy luËt x¾p xÕp cña nguyªn tö (hoÆc ion, ph©n tö) trong vËt tinh thÓ. Tõ m« h×nh nµy cho phÐp chóng ta x¸c ®Þnh ®-îc çc ®Æc tr-ng c¬ b¶n, ®Þnh h-íng ®-îc tÝnh chÊt cña çc vËt liÖu sö dông. Nh- vËy ®Ó x©y dùng m« h×nh m¹ng tinh thÓ, ta cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®-îc hÖ to¹ ®é vµ ®¬n vÞ ®o khi x©y dùng m¹ng tinh thÓ. Ph-¬ng ph¸p x©y dùng m¹ng tinh thÓ: §Ó x©y dùng m« h×nh m¹ng tinh thÓ tr-íc hÕt ta chän mét nguyªn tö (ion, ph©n tö) bÊt kú (tõ ®©y gäi lµ chÊt ®iÓm) lµm gèc. Tõ chÊt ®iÓm gèc ta kÎ ba trôc to¹ ®é qua ba chÊt ®iÓm gÇn nhÊt (kh«ng cïng mét mÆt ph¼ng) lµm ba trôc to¹ ®é. Nh- vËy trªn mçi trôc to¹ ®é cña hÖ trôc to¹ ®é Decarte thu ®-îc sÏ cã hµng lo¹t çc chÊt ®iÓm çch ®Òu nhau. Qua çc chÊt ®iÓm ®ã ta dùng çc ®-êng th¼ng song song víi çc trôc to¹ ®é. Çc ®-êng th¼ng ®ã c¾t nhau t¹o thµnh m« h×nh m¹ng tinh thÓ (h×nh 1.4). 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt z y  O   x H×nh 1.4. M« h×nh m¹ng tinh thÓ Víi m« h×nh m¹ng tinh thÓ nh- vËy, chóng ta thÊy ®Ó x¸c ®Þnh mét vÞ trÝ bÊt kú trong m¹ng tinh thÓ, ta cã vÐc t¬ ®Þnh vÞ lµ: (1.7) rn  m . a  n . b  j . c Trong ®ã: a : VÐc t¬ ®¬n vÞ theo trôc Ox, cã trÞ sè b»ng kho¶ng çch gi÷a hai chÊt ®iÓm gÇn nhÊt theo trôc Ox b : VÐc t¬ ®¬n vÞ theo trôc Oy c : VÐc t¬ ®¬n vÞ theo trôc Oz m, n, j: ChØ sè theo ba trôc to¹ ®é Ox, Oy, Oz. Nh- vËy mét m« h×nh m¹ng tinh thÓ sÏ ®-îc x¸c ®Þnh khi chóng ta cã bé s¸u th«ng sè lµ ba vÐc t¬ ®¬n vÞ a , b , c vµ ba gãc  (zOx, yOx),  (zOy, yOx),  (zOy, zOx). Tõ çch x©y dùng nh- trªn, chóng ta thÊy m¹ng tinh thÓ cã çc tÝnh chÊt c¬ b¶n sau: - M¹ng tinh thÓ lµ v« tËn, kh«ng tån t¹i kh¸i niÖm kÝch th-íc m¹ng mµ chØ cã gi¸ trÞ x¸c ®Þnh lµ çc vÐc t¬ ®¬n vÞ vµ çc gãc ®Þnh vÞ (do sè l-îng nguyªn tö trong vËt r¾n lµ v« tËn). - Khi dÞch chuyÓn m¹ng tinh thÓ ®i mét kho¶ng çch b»ng kho¶ng çch gi÷a hai chÊt ®iÓm theo ph-¬ng nèi hai chÊt ®iÓm ®ã, m¹ng tù trïng lÆp víi chÝnh m×nh. Kho¶ng çch ®ã gäi lµ chu kú lÆp cña m¹ng. NÕu kho¶ng çch ®ã ®-îc ®o theo çc trôc to¹ ®é th× ®-îc gäi lµ chu kú m¹ng hay th«ng sè m¹ng. - M¹ng tinh thÓ lµ m« h×nh kh«ng gian, tån t¹i nhiÒu yÕu tè ®èi xøng kh¸c nhau. - Tuú thuéc vµo bé çc th«ng sè x¸c ®Þnh m¹ng tinh thÓ ( a , b , c , , , ) chóng ta cã çc kiÓu m¹ng kh¸c nhau vµ do ®ã cã çc quy luËt x¾p xÕp chÊt ®iÓm kh¸c nhau. 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt M¹ng tinh thÓ lý t-ëng lµ m¹ng mµ ®¸p øng hoµn h¶o çc quy luËt x¾p xÕp cña chÊt ®iÓm t¹i çc vÞ trÝ, x¸c suÊt b¾t gÆp chÊt ®iÓm b»ng mét, çc chÊt ®iÓm hoµn toµn gièng nhau vÒ kÝch th-íc vµ b¶n chÊt. Nh- vËy khi x©y dùng m¹ng tinh thÓ cho mét vËt r¾n bÊt kú, chóng ta sÏ cã mét m« h×nh kh«ng gian v« tËn vÒ sù x¾p xÕp cña çc chÊt ®iÓm. ViÖc nghiªn cøu trªn toµn bé m¹ng lµ khã kh¨n vµ kh«ng cÇn thiÕt. ChÝnh v× vËy ®Ó thuËn lîi cho nghiªn cøu tinh thÓ, ng-êi ta tiÕn hµnh nghiªn cøu tõ phÇn tö nhá nhÊt cÊu t¹o nªn m¹ng tinh thÓ ®ã lµ çc « c¬ b¶n. ¤ c¬ b¶n trong m¹ng tinh thÓ: Víi çch x©y dùng m¹ng tinh thÓ ®· nªu ë trªn chóng ta thÊy r»ng, mét kiÓu m¹ng tinh thÓ ®-îc hoµn toµn x¸c ®Þnh víi bé s¸u th«ng sè. Nh- vËy chóng ta cã thÓ h×nh dung r»ng, cã mét phÇn tö nhá nhÊt cã cÊu t¹o ®Æc tr-ng cho toµn bé kiÓu m¹ng vµ khi ®ã m¹ng tinh thÓ ®-îc h×nh thµnh lµ do v« sè çc phÇn tö ®ã xÕp sÝt nhau. PhÇn tö ®ã gäi lµ « c¬ b¶n cña m¹ng tinh thÓ. Vµ nh- vËy nghiªn cøu tÝnh chÊt cña m¹ng tinh thÓ v« tËn ®-îc chuyÓn vÒ nghiªn cøu th«ng qua « c¬ b¶n cña nã cã kÝch th-íc vµ h×nh d¸ng cô thÓ. Nh- vËy víi t- çch lµ « c¬ b¶n cña m¹ng tinh thÓ, cÇn ph¶i tho¶ m·n çc nguyªn t¾c sau: - ¤ c¬ b¶n ph¶i ®¶m b¶o ®Æc tr-ng hoµn chØnh cho cÊu t¹o mét kiÓu m¹ng, bao gåm tho¶ m·n çc ®iÒu kiÖn ®èi xøng cña tinh thÓ (®èi xøng g-¬ng, ®èi xøng t©m, ®èi xøng trôc quay) vµ ®Ønh cña « c¬ b¶n ph¶i cã chÊt ®iÓm. - §Ønh cña « c¬ b¶n ph¶i cã chÊt ®iÓm. - ThÓ tÝch cña « c¬ b¶n ph¶i lµ nhá nhÊt. Víi mét kiÓu m¹ng tinh thÓ chóng ta cã « c¬ b¶n ®Æc tr-ng cña nã, th«ng qua « c¬ b¶n chóng ta x¸c ®Þnh ®-îc çc kiÓu m¹ng tinh thÓ c¬ b¶n. §Ó ph©n lo¹i m¹ng tinh thÓ ng-êi ta chia thµnh: - HÖ m¹ng tinh thÓ lµ ph©n lo¹i theo h×nh khèi cña « c¬ b¶n (vÝ dô lËp ph-¬ng, lôc gi¸c ...). - KiÓu m¹ng tinh thÓ lµ h×nh thøc ph-¬ng ph¸p x¾p xÕp cña chÊt ®iÓm trong « c¬ b¶n cña m¹ng. Sù kÕt hîp gi÷a hÖ vµ kiÓu cho chóng ta çc lo¹i m¹ng tinh thÓ c¬ b¶n, çc lo¹i m¹ng tinh thÓ nµy ®-îc thèng kª thµnh 14 kiÓu m¹ng tinh thÓ Bravais. 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt B¶ng 1.2. 14 kiÓu m¹ng Bravais KiÓu §¬n gi¶n §¸y t©m ThÓ t©m DiÖn t©m Quan hÖ HÖ th«ng sè m¹ng Tam tµ x abc x       900 §¬n tµ x abc x  =  = 900,   900 Trùc giao abc x  =  =  = 900 MÆt thoi x x x x a=b=c       900 Lôc gi¸c a=bc x  =  = 900,  = 1200 LËp ph-¬ng x x x a=b=c  =  =  = 900 ChÝnh ph-¬ng a=bc x  =  =  = 900 1.2.2.2. Mét sè kiÓu m¹ng tinh thÓ th-êng gÆp cña kim lo¹i a a * M¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m (A2, K8): XÐt « c¬ b¶n cña m¹ng lµ mét khèi lËp ph-¬ng, çc nguyªn tö bè trÝ ë 8 ®Ønh vµ t©m cña khèi. a 2 a H×nh 1.5. M¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m vµ mÆt xÕp sÝt cña nguyªn tö - Th«ng sè m¹ng (chu k× m¹ng): a - Sè nguyªn tö trong mét « c¬ b¶n (sè nguyªn tö thuéc khèi n V): nnt 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt nnt = nV = 8 . 1 1 2 (nguyªn tö) 8 (1.8) - Sè s¾p xÕp K: sè çc nguyªn tö gÇn nhÊt quanh mét nguyªn tö K = 8 - Çch s¾p xÕp cña nguyªn tö: çc nguyªn tö ®-îc xÕp xÝt nhau theo ®-êng chÐo cña khèi (h×nh 1.5). - B¸n kÝnh nguyªn tö: r nt r nt = a 3 (1.9) 4 - Lç hæng trong m¹ng tinh thÓ: do çc nguyªn tö lµ h×nh cÇu, khi xÕp sÝt nhau mµ kh«ng bÞ biÕn d¹ng sÏ tån t¹i çc lç hæng. Çc lç hæng trong m¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m: Lç hæng khèi t¸m mÆt n»m ë t©m cña çc mÆt bªn, lç hæng khèi bèn mÆt thuéc c¹nh bªn. ý nghÜa: cho phÐp sù x©m nhËp khuÕch t¸n cña vËt chÊt trong tinh thÓ ®Ó cho phÐp t¹o ra hîp kim. - MËt ®é mÆt cña m¹ng tinh thÓ: lµ tû lÖ cña tiÕt diÖn nguyªn tö thuéc mét mÆt ph¼ng giíi h¹n trong mét « c¬ b¶n so víi diÖn tÝch cña mÆt ®ã (chØ tÝnh cho mËt ®é nguyªn tö dµy nhÊt lµ mÆt bÒn v÷ng). M S   S nt . 100 %  n S . S 1 nt S mat . 100 % S mat (1.10) Trong ®ã: nS: Sè nguyªn tö thuéc mÆt nS = 4 . 1 1 2 4 S1nt: DiÖn tÝch tiÕt diÖn (mÆt c¾t) cña nguyªn tö thuéc mÆt S1nt = .r nt = . 2  a 3     4    2 Smat: DiÖn tÝch cña mÆt tÝnh mËt ®é mÆt Smat = a.a 2 = a2 2 Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: 17 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt M S  n S .S 1 nt . 100 %   a 3   2 .  .  4    S mat a 2 2 . 100 %  83 , 4 % 2 ý nghÜa: ®¸nh gi¸ møc ®é liªn kÕt cña nguyªn tö trong mÆt ®ang xÐt, mËt ®é mÆt cµng lín th× mÆt cµng bÒn v÷ng. - MËt ®é khèi cña m¹ng tinh thÓ: lµ tØ lÖ phÇn tr¨m thÓ tÝch nguyªn tö trong mét « c¬ b¶n víi thÓ tÝch « c¬ b¶n. M v   V nt . 100 %  n V . V 1 nt V ocoban . 100 % V ocoban (1.11) Trong ®ã: V1nt: ThÓ tÝch cña mét nguyªn tö 3  a 3  3 3   V 1 nt   . r   .  .a   3 3  4  16 4 3 4 Vocoban: ThÓ tÝch cña mét « c¬ b¶n Vocoban = a3 Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: M v  n V . V 1 nt 2. . 100 %  V ocoban 3  .a 16 a 3 3 . 100 %  68 % ý nghÜa: cho biÕt møc ®é ®iÒn ®Çy vËt chÊt cña kiÓu m¹ng, do ®ã cho biÕt s¬ bé ®¸nh gi¸ khèi l-îng riªng cña vËt liÖu cã kiÓu m¹ng ®ã. - Nh÷ng kim lo¹i cã kiÓu m¹ng A2: Fe(), Cr, W, Mo ... a a * M¹ng lËp ph-¬ng diÖn t©m (A1, K12): XÐt « c¬ b¶n cña m¹ng lµ mét khèi lËp ph-¬ng, çc nguyªn tö bè trÝ ë 8 ®Ønh vµ t©m cña 6 mÆt bªn. a a H×nh 1.6. M¹ng lËp ph-¬ng diÖn t©m vµ mÆt xÕp sÝt cña nguyªn tö 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt  =  =  =900 - Th«ng sè m¹ng: a - Sè nguyªn tö trong mét « c¬ b¶n (sè nguyªn tö thuéc khèi n V): nnt nnt = nV = 8 . 1  6. 8 1 4 (nguyªn tö) 2 (1.12) - Sè s¾p xÕp K: sè çc nguyªn tö gÇn nhÊt quanh mét nguyªn tö K = 12 - Çch s¾p xÕp cña nguyªn tö: çc nguyªn tö ®-îc xÕp xÝt nhau theo ®-êng chÐo mÆt bªn cña khèi (h×nh 1.6). - B¸n kÝnh nguyªn tö: r nt r nt = a 2 (1.13) 4 - MËt ®é mÆt cña m¹ng tinh thÓ: M S   S nt . 100 %  n S . S 1 nt S mat . 100 % S mat (1.14) Trong ®ã: nS: Sè nguyªn tö thuéc mÆt nS = 4 . 1 1 2 4 S1nt: DiÖn tÝch tiÕt diÖn (mÆt c¾t) cña nguyªn tö thuéc mÆt S1nt = .r nt = . 2 a 2     4    2 Smat: DiÖn tÝch cña mÆt tÝnh mËt ®é mÆt Smat = a.a = a2 Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: M S  n S .S 1 nt . 100 %  S mat  a 2   2 .  .  4    a 2 2 . 100 %  78 , 5 % - MËt ®é khèi cña m¹ng tinh thÓ: M v   V nt V ocoban . 100 %  n V . V 1 nt . 100 % V ocoban (1.15) Trong ®ã: V1nt: ThÓ tÝch cña mét nguyªn tö 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 3  a 2  2 3   V 1 nt   . r   .  .a   3 3  4  24 4 3 4 Vocoban: ThÓ tÝch cña mét « c¬ b¶n Vocoban = a3 Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: M v  n V . V 1 nt 4. 2  .a 24 . 100 %  V ocoban a 3 3 . 100 %  74 % - Nh÷ng kim lo¹i cã kiÓu m¹ng A1: Fe(), Ni, Mn, Au ... * M¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt (A3, L12): Çc nguyªn tö n»m ë çc ®Ønh, ë gi÷a hai mÆt ®¸y h×nh n¨ng trô lôc gi¸c vµ ë t©m ba khèi n¨ng trô tam gi¸c kh¸c nhau. - Th«ng sè m¹ng: a, c c  1 , 663 : §é chÝnh ph-¬ng cña m¹ng tinh thÓ a  =  = 900 c  = 1200 a a H×nh 1.7. M¹ng lôc gi¸c xÕp chÆt vµ mÆt xÕp sÝt cña nguyªn tö - Sè nguyªn tö trong mét « c¬ b¶n (sè nguyªn tö thuéc khèi n V): nnt nnt = nV = 12 . 1 6  2. 1 3 6 (nguyªn tö) 2 (1.16) - Sè s¾p xÕp K: sè çc nguyªn tö gÇn nhÊt quanh mét nguyªn tö K = 12 - Çch s¾p xÕp cña nguyªn tö: çc nguyªn tö ®-îc xÕp xÝt nhau theo mÆt ®¸y cña khèi (h×nh 1.7). - B¸n kÝnh nguyªn tö: r nt 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt a r nt = 2 (1.17) - MËt ®é mÆt cña m¹ng tinh thÓ: M S   S nt . 100 %  n S . S 1 nt S mat . 100 % S mat (1.18) Trong ®ã: nS: Sè nguyªn tö thuéc mÆt nS = 6 . 1 1 3 3 S1nt: DiÖn tÝch tiÕt diÖn (mÆt c¾t) cña nguyªn tö thuéc mÆt S1nt = .r nt = . 2  a     2  2   .a 2 4 Smat: DiÖn tÝch cña mÆt tÝnh mËt ®é mÆt 3 Smat = 3 .a 2 2 Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: M S  n S .S 1 nt 3 . . 2 4 . 100 %  S mat a 3 3 a . 100 %  91 % 2 2 - MËt ®é khèi cña m¹ng tinh thÓ: M v   V nt . 100 %  V ocoban n V . V 1 nt . 100 % V ocoban (1.19) Trong ®ã: V1nt: ThÓ tÝch cña mét nguyªn tö 3 1  a  3 V 1 nt   . r   .    .a 3 3  2  6 4 3 4 Vocoban: ThÓ tÝch cña mét « c¬ b¶n Vocoban = Smat.c = 3 3 .a 2 .1,663a = 2 3 3 . 1 , 663 . a 3 2 Thay vµo biÓu thøc trªn ta cã: 21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt M v  n V . V 1 nt 6. .  .a 3 6 . 100 %  V ocoban 1 . 100 %  73 % 3 . 1 , 663 . 3 a 3 2 - Nh÷ng kim lo¹i cã kiÓu m¹ng A3: Uran (U), Platin (Pt), Osmi (Os) ... c (a2 + c2)1/2 * M¹ng chÝnh ph-¬ng thÓ t©m: h×nh 1.8 tr×nh bµy khèi c¬ b¶n cña m¹ng chÝnh ph-¬ng thÓ t©m, nã gièng víi khèi c¬ b¶n cña m¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m kÐo dµi ra theo mét chiÒu c¹nh cña khèi. a a H×nh 1.8. M¹ng chÝnh ph-¬ng thÓ t©m vµ mÆt xÕp sÝt cña nguyªn tö * M¹ng kim c-¬ng: kim c-¬ng lµ mét trong nh÷ng d¹ng thï h×nh cña cacbon cã liªn kÕt trao ®æi. ¤ c¬ b¶n cña m¹ng (h×nh 1.9 a) cã thÓ xem nh- ®-îc t¹o thµnh trªn c¬ së « c¬ b¶n lËp ph-¬ng diÖn t©m cã thªm bèn nguyªn tö bªn trong víi çc to¹ ®é:  1  4 , 1 4 , 1   4  ;  3  4 , 1 , 4 3   4  ;  3  4 , 3 , 4 1   4  ;  1  4 , 3 4 , 3   4  . HoÆc cã thÓ h×nh dung b»ng çch kh¸c: chia « m¹ng lËp ph-¬ng diÖn t©m thµnh t¸m khèi ®Òu nhau vµ ë trung t©m cña bèn khèi nhá n»m çch nhau cã thªm bèn nguyªn tö. Mçi nguyªn tö trong m¹ng ®Òu ®-îc bao quanh bëi bèn nguyªn tö kh¸c çch ®Òu víi kho¶ng çch a 3 ,v× vËy sè s¾p xÕp K = 4. 4 Trªn h×nh 1.9 b nªu h×nh chiÕu cña bèn nguyªn tö phÝa trong lªn mÆt ph¼ng yz cã kÌm theo to¹ ®é x cña chóng. 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt z z x 3 x  4 x  4 1 x 4 y 1 3 4 y x a, b, H×nh 1.9. ¤ c¬ b¶n cña m¹ng kim c-¬ng * M¹ng Graphit: graphit còng lµ mét d¹ng thï h×nh cña cacbon cã m¹ng tinh thÓ lôc gi¸c líp víi çc th«ng sè m¹ng a = 2,46 A0, çc = 6,82A0 (h×nh 1.10). M¹ng cã thÓ xem nh- ®-îc t¹o thµnh bëi nh÷ng líp nguyªn tö çch nhau mét ®o¹n c  3 , 41 A 0 . Trªn tõng líp, mçi nguyªn tö ®-îc bao quanh çch ®Òu ba nguyªn tö 2 c kh¸c trªn kho¶ng çch 1,42 A0, t¹o thµnh nh÷ng h×nh s¸u c¹nh ®Òu. Trong cÊu t¹o m¹ng graphit thÓ hiÖn rÊt râ tÝnh ph©n líp v× kho¶ng çch nguyªn tö gÇn nhÊt gi÷a çc líp h¬n gÊp 2,36 lÇn so víi kho¶ng çch nguyªn tö trong cïng mét líp. §ã lµ nguyªn nh©n v× sao graphit cã ®é bÒn rÊt bÐ. a H×nh 1.10. M¹ng tinh thÓ graphit 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 1.2.2.3. Ký hiÖu mÆt vµ ph-¬ng tinh thÓ Qua kh¶o s¸t çc kiÓu m¹ng tinh thÓ th-êng gÆp ë trªn chóng ta thÊy n¶y sinh mét vÊn ®Ò lµ viÖc ®Þnh vÞ çc mÆt vµ ph-¬ng tinh thÓ. ViÖc ®Þnh vÞ mÆt vµ ph-¬ng tinh thÓ cã ý nghÜa v« cïng quan träng trong nghiªn cøu tinh thÓ. Khi nghiªn cøu cÊu tróc tinh thÓ b»ng çc thiÕt bÞ hiÖn ®¹i, ng-êi ta ph©n tÝch cÊu tróc th«ng qua çc tÝn hiÖu sè trªn c¬ së sù ph¶n håi d-íi t¸c dông cña çc yÕu tè ph©n tÝch. Do ®ã ng-êi ta ®· ®-a ra çc ph-¬ng ph¸p ký hiÖu mÆt vµ ph-¬ng tinh thÓ b»ng çc bé sè nguyªn. Víi çc hÖ m¹ng kh¸c nhau ta dïng çc bé chØ sè kh¸c nhau, ë ®©y ta xÐt hai hÖ chØ sè lµ chØ sè Miller vµ Miller - Bravais cho hai hÖ m¹ng hay gÆp lµ lËp ph-¬ng vµ lôc gi¸c. LËp ra çc bé chØ sè ®Ó chØ vÞ trÝ kh«ng gian cña çc mÆt vµ ph-¬ng trong tinh thÓ víi môc ®Ých: - §Ó ®¬n gi¶n khi ®¸nh gi¸ - §Ó sè hãa khi nghiªn cøu b»ng kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö vµ m¸y tÝnh - §Ó thuËn tiÖn cho viÖc sö dông h×nh chiÕu cùc x¹. 1.2.2.3.1. ChØ sè Miller cho hÖ lËp ph-¬ng ChØ sè cho mÆt tinh thÓ: ChØ sè Miller cho mÆt tinh thÓ lµ mét bé sè nguyªn (h, k, l) kh«ng cã thõa sè chung ®-îc x¸c ®Þnh theo tr×nh tù nhsau: - T×m to¹ ®é giao ®iÓm cña mÆt cÇn ký hiÖu víi ba mÆt ph¼ng to¹ ®é cña m¹ng tinh thÓ. - LÊy nghÞch ®¶o ba to¹ ®é ®ã. - Quy ®ång mÉu sè (nÕu cÇn) vµ ®Æt thõa sè chung (nÕu cã). Thu ®-îc bé ba sè nguyªn (h, k, l) kh«ng cã thõa sè chung. Khi x¸c ®Þnh chØ sè mÆt ta cã thÓ thÊy r»ng, cã rÊt nhiÒu mÆt cã cïng trÞ sè tuyÖt ®èi cña bé chØ sè, chØ kh¸c nhau vÒ thø tù chØ sè hoÆc dÊu cña chóng. Çc mÆt nh- vËy hîp thµnh mét hä mÆt. Do ®ã khi cÇn x¸c ®Þnh sè mÆt thuéc mét hä ta chØ cÇn thùc hiÖn phÐp ho¸n vÞ vµ ®æi dÊu cho çc chØ sè ®· x¸c ®Þnh ®-îc cña mét mÆt. Çc mÆt thuéc cïng mét hä cã tÝnh chÊt hoµn toµn gièng nhau vµ ®-îc ký hiÖu lµ {h, k, l}. ChØ sè ph-¬ng tinh thÓ trong m¹ng: ChØ sè Miller cho ph-¬ng tinh thÓ trong m¹ng lËp ph-¬ng lµ mét bé sè u, v, w kh«ng cã thõa sè chung, ®-îc x¸c ®Þnh nhsau: 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - X¸c ®Þnh to¹ ®é cña chÊt ®iÓm thuéc ph-¬ng ®ã, gÇn nhÊt víi gèc to¹ ®é, theo ba trôc to¹ ®é (Ox, Oy, Oz). L-u ý lµ víi ph-¬ng kh«ng ®i qua gèc to¹ ®é th× ta x¸c ®Þnh chØ sè theo ph-¬ng song song víi nã, ®i qua gèc to¹ ®é. Do çch x©y dùng m¹ng tinh thÓ chóng ta thÊy râ rµng çc ph-¬ng song song víi nhau sÏ cã cïng tÝnh chÊt (ë ®©y cÇn hiÓu r»ng ph-¬ng tinh thÓ lµ çc ph-¬ng cã chÊt ®iÓm thuéc nã). - Quy ®ång mÉu sè vµ ®Æt thõa sè chung ta cã bé chØ sè u, v, w ®Ó ký hiÖu cho ph-¬ng còng t-¬ng tù nh- ®èi víi mÆt tinh thÓ, çc ph-¬ng tinh thÓ cã cïng trÞ sè tuyÖt ®èi cña bé chØ sè thuéc cïng mét hä vµ ®-îc ký hiÖu lµ [u, v, w]. Çc ph-¬ng trong cïng mét hä còng cã cïng tÝnh chÊt nhnhau. 1.2.2.3.2. ChØ sè Miller - Bravais cho m¹ng lôc gi¸c Nh- ®· xÐt ë trªn chóng ta thÊy, víi m¹ng lËp ph-¬ng do sù c©n ®èi c¶ ba chiÒu vµ tån t¹i ®ñ çc yÕu tè ®èi xøng (trõ ®èi xøng trôc quay bËc ba vµ bËc s¸u) nªn víi çc mÆt trong cïng mét hä lu«n ®¶m b¶o sù trïng nhau vÒ gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña bé chØ sè mÆt vµ ph-¬ng. Tuy nhiªn víi m¹ng lôc gi¸c do yÕu tè c¹nh bªn (c) vµ c¹nh ®¸y (a) tån t¹i ®é chÝnh ph-¬ng c/a > 1 vµ cã ®èi xøng trôc quay bËc ba vµ bËc s¸u. Do ®ã khi ký hiÖu mÆt vµ ph-¬ng theo chØ sè Miller sÏ cã thÓ dÉn ®Õn tr-êng hîp çc mÆt cã cïng tÝnh chÊt (tøc lµ cïng mét hä) l¹i cã bé chØ sè kh¸c nhau vÒ gi¸ trÞ tuyÖt ®èi. §iÒu nµy kh«ng ®¸p øng ®-îc yªu cÇu cña ký hiÖu. Ta cã thÓ xÐt cô thÓ th«ng qua vÝ dô sau: z C B D A O F c E C1 B1 A1 D1 O1 F1 y a x E1 H×nh 1.11. Çch chän hÖ to¹ ®é trong m¹ng lôc gi¸c 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Khi ký hiÖu theo chØ sè Miller ta cã hÖ to¹ ®é Oxyz nh- h×nh vÏ. Trong ®ã trôc Ox vµ Oy hîp víi nhau mét gãc 1200. B©y giê ta xÐt ba mÆt tinh thÓ lÇn l-ît lµ (OF1D1), (OD1B1) vµ (OB1F1) râ rµng ®©y lµ ba mÆt cã cïng tÝnh chÊt v× nã tho¶ m·n ®èi xøng trôc quay bËc ba (nghÜa lµ khi quay tinh thÓ ®i mét gãc 1200, çc mÆt tinh thÓ kÓ trªn sÏ lÇn l-ît trïng nhau). Nh- vËy ®©y lµ mÆt tinh thÓ cña cïng mét hä, vÒ nguyªn t¾c bé chØ sè ký hiÖu nã ph¶i cïng trÞ sè tuyÖt ®èi. Nh-ng theo chØ sè Miller ta cã ký hiÖu cña ba mÆt nªu trªn lÇn l-ît lµ: MÆt (OF1D1) cã giao víi ba trôc to¹ ®é lµ (1, 1, 1) do ®ã cã ký hiÖu lµ (1, 1, 1) MÆt (OD1B1) cã giao víi ba trôc to¹ ®é lµ (1, 1 , 1) do ®ã cã ký hiÖu lµ (1, 2 , 1) 2 1 MÆt (OB1F1) cã giao víi ba trôc to¹ ®é lµ ( , 1, 1) do ®ã cã ký hiÖu lµ ( 2 , 1, 1) 2 Ta thÊy r»ng ba mÆt cña cïng mét hä nµy l¹i cã bé chØ sè kh¸c nhau vÒ gi¸ trÞ tuyÖt ®èi. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy Bravais ®· bæ xung vµo hÖ trôc to¹ ®é Oxyz cña Miller thªm mét trôc to¹ ®é thø t- trªn mÆt ph¼ng ®¸y. Trôc nµy t¹o víi Ox vµ Oy còng víi gãc 1200. x3 1200 1200 O 0 120 x1 x2 H×nh 1.12. HÖ trôc to¹ ®é Miller - Bravais trong m¹ng lôc gi¸c Ba trôc nµy ®-îc ký hiÖu lµ Ox1, Ox2, vµ Ox3 hîp víi trôc Oz t¹o thµnh hÖ trôc to¹ ®é Miller - Bravais trong m¹ng lôc gi¸c. Víi çch x©y dùng nh- vËy ta cã bé chØ sè mÆt theo chØ sè Miller - Bravais sÏ lµ mét bé bèn chØ sè {h, k, i, l} víi i lµ chØ sè theo trôc Ox3. Do tÝnh ®èi xøng cña m¹ng lôc gi¸c nªn chØ sè i cña trôc Ox 3 kh«ng ph¶i lµ mét biÕn ®éc lËp. Chóng ta cã thÓ chøng minh r»ng: i = - (h + k) (1.20) Nh- vËy tõ chØ sè Miller cho mÆt tinh thÓ, chóng ta cã thÓ chuyÓn sang chØ sè Miller - Bravais theo c«ng thøc (1.26), thùc hiÖn ho¸n vÞ vµ ®æi dÊu chóng ta cã mét hä mÆt (ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn i = - (h + k)). VÝ dô trong m¹ng lôc gi¸c 26 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt kh«ng tån t¹i mÆt (1, 1, 2, 1). Víi çc mÆt ®· nªu ë trªn ta cã: mÆt (OF 1D1) cã ký hiÖu Miller lµ (1, 1, 1) chuyÓn sang Miller - Bravais lµ (1, 1, 2 , 1); mÆt (OD1B1) cã ký hiÖu Miller lµ (1, 2 , 1) chuyÓn sang Miller - Bravais lµ (1, 2 , 1, 1); mÆt (OB1F1) cã ký hiÖu Miller lµ ( 2 , 1, 1) chuyÓn sang Miller - Bravais lµ ( 2 , 1, 1, 1) râ rµng çc mÆt cña cïng mét hä lóc nµy ®· cã cïng mét bé chØ sè vÒ gi¸ trÞ tuyÖt ®èi vµ do ®ã tho¶ m·n yªu cÇu vÒ ký hiÖu cña mÆt tinh thÓ. T-¬ng tù nh- vËy, khi ký hiÖu ph-¬ng cho m¹ng lôc gi¸c ta còng sö dông hÖ trôc to¹ ®é trªn vµ khi ®ã ký hiÖu ph-¬ng tinh thÓ trong m¹ng lôc gi¸c sÏ lµ mét bé chØ sè u, v, t, w tØ lÖ víi mét bé sè u', v', t', w' kh«ng cã thõa sè chung ®-îc x¸c ®Þnh nhsau: u' 2p  q 3 v' 2q  p (1.21) 3 p  q t'  3 Víi p, q lµ to¹ ®é theo hai trôc Ox vµ Oy trong hÖ to¹ ®é Miller. ChØ sè w x¸c ®Þnh theo to¹ ®é cña chÊt ®iÓm gÇn nhÊt thuéc ph-¬ng víi trôc Oz. VÝ dô ta ký hiÖu cho ba ph-¬ng Ox1, Ox2, vµ Ox3 theo chØ sè Miller vµ Miller - Bravais. B¶ng 1.3. Ký hiÖu ph-¬ng tinh thÓ trong m¹ng lôc gi¸c STT Ph-¬ng ChØ sè p, q, z ChØ sè theo Miller ChØ sè theo Miller - Bravais 1, 0, 0 2, 1 , 1 , 0 0, 1, 0 1 , 2, 1 , 0  1 , 1 , 0 1 , 1 , 2, 0 p=1 1 Ox1 q=0 z=0 p=0 2 Ox2 q=1 z=0 p=-1 3 Ox3 q=-1 z=0 Qua b¶ng trªn ta thÊy tõ ba ph-¬ng cña cïng mét hä nÕu theo chØ sè Miller ta còng cã sù sai kh¸c vÒ bé chØ sè. Khi chuyÓn sang chØ sè Miller - Bravais ta ®· 27 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt chuyÓn chuyÓn chóng vÒ cïng mét hä víi mét bé chØ sè hoµn toµn gièng nhau vÒ trÞ sè tuyÖt ®èi. Tuy nhiªn chØ sè tiÖn còng lµ chØ sè phô thuéc vµo u vµ w tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: (1.22) t = - (u + w) 1.3. Çc sai lÖch trong m¹ng tinh thÓ M¹ng tinh thÓ nh- ®· x©y dùng ë trªn lµ d¹ng hoµn toµn lý t-ëng. Khi tÝnh to¸n çc chØ tiªu vÒ c¬ tÝnh còng nh- çc tÝnh chÊt kh¸c víi m« h×nh m¹ng tinh thÓ lý t-ëng sÏ cho chóng ta çc gi¸ trÞ sai kh¸c rÊt lín víi çc gi¸ trÞ thu ®-îc trong thùc tÕ b»ng con ®-êng thùc nghiÖm (tíi hµng ngh×n lÇn). Së dÜ cã sù sai kh¸c nµy lµ do trong m¹ng tinh thÓ cña vËt r¾n lu«n tån t¹i çc khuyÕt tËt, çc lo¹i khuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ rÊt ®a d¹ng vµ cã ¶nh h-ëng kh¸c nhau ®Õn tÝnh chÊt cña vËt liÖu. ViÖc nghiªn cøu vÒ çc sai lÖch trong m¹ng tinh thÓ ®ßi hái çc thiÕt bÞ, ph-¬ng tiÖn ë tr×nh ®é cao nh- ph©n tÝch cÊu trôc b»ng tia R¬nghen, tia , kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö ... Kh¸i niÖm: KhuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ lµ çc d¹ng sai lÖch, nã lµm thay ®æi quy luËt, vÞ trÝ, kÝch th-íc cña m¹ng tinh thÓ, trong ®ã: - Quy luËt: lµ quy luËt s¾p xÕp chÊt ®iÓm vµ çc mÆt tinh thÓ - VÞ trÝ: lµ sù xuÊt hiÖn hoÆc thiÕu hôt çc chÊt ®iÓm vµ çc vïng tinh thÓ kh«ng theo quy luËt ban ®Çu - KÝch th-íc: lµ sù t¨ng hay gi¶m cña th«ng sè m¹ng ¶nh h-ëng cña sai lÖch m¹ng: lµm thay ®æi tÝnh chÊt cña tinh thÓ, dÉn ®Õn thay ®æi tÝnh chÊt cña vËt liÖu. Víi çc kÕt qu¶ nghiªn cøu míi nhÊt vÒ cÊu tróc vËt liÖu ta cã thÓ ®-a ra çc lo¹i khuyÕt tËt m¹ng tinh thÓ chñ yÕu lµ: 1.3.1. Sai lÖch ®iÓm Sai lÖch ®iÓm lµ sai lÖch m¹ng cã kÝch th-íc nhá (vµi th«ng sè m¹ng) theo c¶ ba chiÒu. Bao gåm nót trèng, nguyªn tö xen kÏ vµ nguyªn tö l¹. 1.3.1.1. Nót trèng vµ nguyªn tö xen kÏ: trong m¹ng tinh thÓ çc nguyªn tö (ion) lu«n lu«n dao ®éng quanh vÞ trÝ c©n b»ng cña chóng nhê n¨ng l-îng dao ®éng. N¨ng l-îng dao ®éng phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ph©n bè kh«ng ®Òu trªn çc nguyªn tö, tøc lµ ë mäi thêi ®iÓm lu«n lu«n cã nh÷ng nguyªn tö cã n¨ng l-îng bÐ 28 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt h¬n hoÆc lín h¬n gi¸ trÞ trung b×nh ë nhiÖt ®é ®· cho. Mét sè nguyªn tö nµo ®ã cã n¨ng l-îng ®ñ lín víi biªn ®é dao ®éng lín, chóng cã kh¶ n¨ng bøt khái vÞ trÝ c©n b»ng cña m×nh, ®Ó l¹i ë ®ã çc nót trèng kh«ng cã nguyªn tö chiÕm chç. Sau khi rêi khái vÞ trÝ c©n b»ng, nguyªn tö hoÆc di chuyÓn ra ngoµi bÒ mÆt cña tinh thÓ (h×nh a) hoÆc ®i vµo vÞ trÝ xen kÏ gi÷a çc nót m¹ng (h×nh b). a, c, b, H×nh 1.13. Sai lÖch ®iÓm trong m¹ng tinh thÓ a: Nót trèng b: Nguyªn tö xen kÏ c: Nguyªn tö l¹ X¸c suÊt b¾t gÆp nót trèng trong m¹ng tinh thÓ: u   P ( n )  A . exp     K .T  (1.23) Trong ®ã: A: HÖ sè phô thuéc vµo kiÓu m¹ng U: N¨ng l-îng cÇn thiÕt t¹o nót trèng K: H»ng sè Boltzmann T: NhiÖt ®é Kenvin ¶nh h-ëng: t¹o ra mét vïng x« lÖch trong m¹ng tinh thÓ vµ g©y øng suÊt dtrong m¹ng. Chó ý: çc nót trèng kh«ng ®øng yªn mµ lu«n lu«n ®æi chç b»ng çch trao ®æi vÞ trÝ víi çc nguyªn tö bªn c¹nh. 1.3.1.2. Nguyªn tö l¹: kim lo¹i dï nguyªn chÊt ®Õn ®©u còng chøa mét l-îng nhÊt ®Þnh nguyªn tö cña çc nguyªn tè kh¸c gäi lµ t¹p chÊt hay nguyªn tö l¹ (h×nh c). Çc nguyªn tö t¹p chÊt cã thÓ thay thÕ vÞ trÝ cña nguyªn tö c¬ së ë nót m¹ng hoÆc n»m xen kÏ gi÷a çc nót m¹ng. ¶nh h-ëng: t¹o çc tr-êng øng suÊt d- cã dÊu kh¸c nhau phô thuéc vµo ®-êng kÝnh nguyªn tö l¹. 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt B¶n th©n çc nót trèng, çc nguyªn tö xen kÏ gi÷a çc nót m¹ng vµ çc nguyªn tö t¹p chÊt ®· lµ sai lÖch ®iÓm trong m¹ng tinh thÓ, h¬n n÷a chóng cßn lµm çc nguyªn tö ë xung quanh bÞ xª dÞch ®i Ýt nhiÒu t¹o ra vïng h×nh cÇu ®-êng kÝnh kho¶ng vµi th«ng sè m¹ng víi çc nguyªn tö n»m lÖch vÞ trÝ. 1.3.2. Sai lÖch ®-êng Sai lÖch ®-êng lµ sai lÖch m¹ng cã kÝch th-íc nhá theo hai chiÒu ®o vµ lín theo chiÒu ®o cßn l¹i, tøc lµ cã d¹ng ®-êng (th¼ng hoÆc cong). Çc d¹ng lÖch chñ yÕu lµ lÖch th¼ng, lÖch xo¾n vµ lÖch hçn hîp. 1.3.2.1. LÖch th¼ng (lÖch biªn) Nguyªn nh©n: Do sù xuÊt hiÖn çc mÆt tinh thÓ kh«ng hoµn chØnh dÉn ®Õn t¹o ra çc trôc cã n¨ng l-îng cao h¬n, do ®ã kÐm æn ®Þnh h¬n nªn t¹o ra trôc lÖch. §Ó ®¸nh gi¸ c-êng ®é lÖch ng-êi ta dïng vÐc t¬ Burgers: b . C B B D A A H×nh 1.14. M« h×nh lÖch th¼ng LÖch th¼ng cã thÓ h×nh dung b»ng çch sau: Gi¶ sö cã m¹ng tinh thÓ hoµn chØnh gåm nh÷ng mÆt nguyªn tö song song vµ çch ®Òu nhau. B©y giê nÕu chóng ta chÌn thªm nöa mÆt ph¼ng ABCD vµo nöa phÇn trªn cña tinh thÓ th× çc mÆt nguyªn tö th¼ng ®øng n»m vÒ hai phÝa mÆt ABCD sÏ kh«ng cßn hoµn toµn song song nhau n÷a, chóng bÞ cong ®i ë vïng gÇn ®-êng AD. Çc nguyªn tö n»m trong vïng nµy bÞ xª dÞch khái vÞ trÝ c©n b»ng cò cña m×nh: Çc nguyªn tö ë vïng phÝa d-íi ®-êng AD bÞ ®Èy xa ra mét Ýt (vïng cã øng suÊt kÐo) cßn çc nguyªn tö ë phÝa trªn ®-êng AD bÞ Ðp l¹i mét Ýt (vïng cã øng suÊt nÐn). Nh- vËy vïng cã sai lÖch n»m xung quanh ®-êng th¼ng AD vµ v× vËy ng-êi ta gäi lµ lÖch th¼ng. §-êng AD ®-êng gäi lµ trôc cã lÖch th¼ng. 30 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 1.3.2.2. LÖch xo¾n Nguyªn nh©n: Do sù dÞch chuyÓn cña çc mÆt tinh thÓ kh«ng hoµn chØnh t¹o ra çc bÒ mÆt nhÊp nh« tÕ vi trong m¹ng tinh thÓ. LÖch xo¾n cã thÓ h×nh dung b»ng çch sau: Çc tinh thÓ hoµn chØnh b»ng nöa mÆt ph¼ng ABCD xong xª dÞch hai mÐp ngoµi ng-îc chiÒu nhau lµm thÕ nµo ®Ó mÆt nguyªn tö n»m ngang thø nhÊt bªn ph¶i trïng víi mÆt nguyªn tö thø hai bªn tr¸i. KÕt qu¶ lµm cho çc nguyªn tö n»m gÇn ®-êng AB bÞ xª dÞch khái vÞ trÝ c©n b»ng cò cña m×nh. Së dÜ cã danh tõ lÖch xo¾n v× çc líp nguyªn tö trong vïng sai lÖch m¹ng ®i theo h×nh xo¾n èc. MÆt ph¼ng ABCD gäi lµ mÆt tr-ît cña lÖch. Çc nguyªn tö n»m trong vïng däc theo trôc 1. Trôc L gäi lµ trôc cña lÖch xo¾n. VÐc t¬ Burgers cña lÖch xo¾n lu«n lu«n song song víi trôc lÖch. H×nh 1.15. M« h×nh lÖch xo¾n a: Tinh thÓ hoµn chØnh b: Tinh thÓ cã lÖch xo¾n c: Çch bè trÝ nguyªn tö vÒ hai phÝa mÆt tr-ît 1.3.2.3. LÖch hçn hîp LÖch hçn hîp lµ lÖch trung gian gi÷a th¼ng vµ xo¾n nã mang çc ®Æc ®iÓm cña c¶ hai lo¹i lÖch ®· nªu. 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt C A B H×nh 1.16. M« h×nh lÖch hçn hîp NÕu ®èi víi lÖch th¼ng hoÆc xo¾n vect¬ Burgers b n»m trùc giao hoÆc song song víi trôc cña lÖch trªn mÆt ph¼ng tr-ît th× vect¬ Burgers cña lÖch hçn hîp t¹o thµnh víi trôc lÖch mét gãc bÊt kú gi÷a 00 vµ 900 trªn mÆt tr-ît b // 900 b  b P b  b P P L L L a, b, c, H×nh 1.17. Quan hÖ gi÷a vect¬ b vµ trôc lÖch L cña lÖch th¼ng (a), lÖch xo¾n (b) vµ lÖch hçn hîp (c) VÐct¬ b cña lÖch hçn hîp lu«n lu«n cã thÓ ph©n thµnh hai vect¬ thµnh phÇn: mét song song vµ mét trùc giao víi trôc lÖch L. (1.29) b  b //  b   b x  b t Theo ®ã thÊy rÊt râ r»ng lÖch hçn hîp lµ tæng hîp cña lÖch th¼ng vµ lÖch xo¾n. 1.3.2.4. Kh¸i niÖm vÒ “l-íi lÖch” hoÆc “rõng lÖch” LÖch lµ d¹ng khuyÕt tËt cã s½n trong kim lo¹i. Chóng ph©n bè mét çch bÊt kú cã thÓ c¾t nhau t¹i nh÷ng ®iÓm gäi lµ nót lÖch. Sù ph©n bè kh«ng gian cña çc ®-êng lÖch trong kim lo¹i ch-a biÕn d¹ng gäi lµ l-íi lÖch hoÆc rõng lÖch. Tr¹ng th¸i æn ®Þnh nhÊt lµ t¹i mçi nót chØ cã ba lÖch gÆp nhau. Nh-ng còng cã tr-êng hîp khi 4 hoÆc 6 lÖch c¾t nhau t¹i mét ®iÓm, nh-ng nh÷ng nót lÖnh nh- vËy lu«n lu«n cã xu h-íng biÕn thµnh nót “bé ba”. Trªn h×nh vÏ lµ s¬ ®å l-íi lÖch trong tinh thÓ h×nh trô ch-a biÕn d¹ng. 32 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §iÓm tho¸t cña lÖch ra mÆt ngoµi H×nh 1.18. S¬ ®å “l-íi lÖch” trong tinh thÓ h×nh trô ch-a biÕn d¹ng §Æc tr-ng quan träng cña l-íi lÖch, còng lµ ®Æc tr-ng quan träng cña tæ chøc lÖch lµ mËt ®é lÖch, ký hiÖu . §ã lµ tæng chiÒu dµi cña çc ®-êng lÖch cã trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch:   l [ cm 2 ] V (1.24) Trong ®ã: l: Tæng chiÒu dµi cña tÊt c¶ ®-êng lÖch trong toµn thÓ tÝch tinh thÓ (cm) V: ThÓ tÝch cña tinh thÓ (cm3) 1.3.3. Sai lÖch mÆt Sai lÖch mÆt lµ nh÷ng d¹ng sai lÖch cã kÝch th-íc nhá theo mét chiÒu ®o vµ lín theo hai chiÒu ®o cßn l¹i. Sai lÖch mÆt trong m¹ng tinh thÓ gåm çc d¹ng chñ yÕu: biªn giíi h¹t, biªn giíi siªu h¹t vµ mÆt ngoµi tinh thÓ. 1.3.3.1. Biªn giíi h¹t Çc nguyªn tö trªn biªn giíi h¹t chÞu nhiÒu sù quy ®Þnh. Do ®ã t¹o ra mÆt biªn giíi h¹t cã sù x¾p xÕp sai quy luËt t¹o thµnh sai lÖch. Vïng tiÕp gi¸p gi÷a çc h¹t trong ®a tinh thÓ lµ mét d¹ng sai lÖch mÆt, v× ë ®©y çc nguyªn tö s¾p xÕp kh«ng theo trËt tù nhÊt ®Þnh, ®Æc tr-ng cho çc vïng phÝa bªn trong. V× vËy kim lo¹i ë vïng biªn giíi cã cÊu t¹o gièng nh- vËt thÓ v« ®Þnh h×nh. Gi¶ thiÕt nµy cho phÐp gi¶i thÝch mét sè tÝnh chÊt cña vïng biªn giíi nhn¨ng l-îng tù do, kh¶ n¨ng hßa tan t¹p chÊt vv... H×nh 1.19. Çch s¾p xÕp nguyªn tö trong vïng biªn giíi h¹t theo thuyÕt "v« ®Þnh h×nh" 33 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÞ trÝ nguyªn tö cña vïng biªn giíi kh«ng ph¶i hoµn toµn ngÉu nhiªn mµ cßn tu©n theo mét sè nguyªn t¾c nµo ®ã phô thuéc vµo gãc lÖch m¹ng cña hai h¹t. Biªn giíi h¹t chøa rÊt nhiÒu sai lÖch m¹ng, cã chiÒu dµi kho¶ng vµi th«ng sè m¹ng ®Õn hµng tr¨m th«ng sè m¹ng. §é s¹ch cña kim lo¹i cµng cao, chiÒu dµy cña líp cµng bÐ. Nãi mét çch kh¸c, kim lo¹i chøa nhiÒu t¹p chÊt bao nhiªu th× vïng biªn giíi cµng dµy bÊy nhiªu v× nã cã kh¶ n¨ng hßa tan nhiªu nguyªn tö t¹p chÊt. N¨ng l-îng tù do cña biªn giíi cao h¬n so víi çc vïng phÝa trong vµ th-êng ®-îc ®¸nh gi¸ b»ng søc c¨ng biªn giíi h¹t (t-¬ng tù nh- søc c¨ng bÒ mÆt cña mÆt ngoµi). Do ®Æc ®iÓm vÒ cÊu t¹o, vïng biªn giíi h¹t cã mét sè tÝnh chÊt sau: - Cã nhiÒu ®é nãng ch¶y thÊp h-n mét Ýt so víi çc vïng phÝa bªn trong. Ng-êi ta ®· ph¸t hiÖn r»ng trong kim lo¹i cùc s¹ch nhiÖt ®é nãng ch¶y cña biªn giíi h¹t thÊp h¬n kho¶ng 0,140C so víi b¶n th©n h¹t. - Cã ho¹t tÝnh hãa häc cao h¬n thÓ hiÖn ë tèc ®é bÞ ¨n mßn hãa häc cao. Do vËy mµ b»ng ph-¬ng ph¸p tÇm thùc (cho ¨n mßn nhÑ b»ng axÝt) cã thÓ ph¸t hiÖn ®-îc biªn giíi h¹t. - Khi chuyÓn biÕn pha, biªn giíi lµ n¬i ®Ó sinh ra t©m mÇm nhÊt - Cã kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cao víi tèc ®é nhanh h¬n so víi vïng bªn trong - Gãp phÇn kh¸ lín vµo ®iÖn trë cña kim lo¹i. Kim lo¹i cã ®é h¹t nhá tøc tæng sè vïng biªn giíi lín, cã ®iÖn trë cao h¬n. - ë nhiÖt ®é cao trªn vïng biªn giíi h¹t x¶y ra qu¸ tr×nh ch¶y dÎo - Biªn giíi cã t¸c dông c¶n trë qu¸ tr×nh tr-ît khi biÕn d¹ng. VÊn ®Ò nµy chóng ta sÏ xÐt ®Õn khi nghiªn cøu qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo. 1.3.3.2. Kh¸i niÖm vÒ siªu h¹t (block) vµ biªn giíi siªu h¹t Çc nghiªn cøu tû mû vÒ cÊu tróc siªu tÕ vi cho thÊy r»ng ngay trong mçi h¹t ph-¬ng m¹ng còng kh«ng ph¶i hoµn toµn cè ®Þnh. H¹t ®-îc ph©n chia thµnh v« sè vïng nhá cã kÝch th-íc kho¶ng (10-5  10-3) vµ ph-¬ng m¹ng lÖch nhau mét gãc rÊt nhá, th-êng nhá h¬n 10. Nh÷ng vïng nhá nµy cña h¹t gäi lµ siªu h¹t (hoÆc block). 34 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt  D b a, b, H×nh 1.20. M« h×nh siªu h¹t 1.3.3.3. MÆt ngoµi cña tinh thÓ MÆt ngoµi cña tinh thÓ cã tr¹ng th¸i s¾p xÕp nguyªn tö kh¸c víi nh÷ng vïng phÝa trong. Trªn bÒ mÆt mçi nguyªn tö chØ ®-îc liªn kÕt víi mét sè nguyªn tö n»m ë phÝa trong sè s¾p xÕp bÐ h¬n trÞ sè quy ®Þnh vµ do ®ã lùc liªn kÕt kh«ng c©n b»ng. §ã lµ nguyªn nh©n lµm cho çc nguyªn tö ë mÆt ngoµi s¾p xÕp kh«ng cã trËt tù, t¹o nªn sai lÖch mÆt. Do m¹ng tinh thÓ bÞ x« lÖch nªn mÆt ngoµi c¬ n¨ng l-îng tù do cao h¬n. PhÇn n¨ng l-îng tù do ®-îc t¨ng thªm trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt gäi lµ n¨ng l-îng bÒ mÆt hoÆc søc c¨ng bÒ mÆt. H×nh 1.21. M« h×nh s¾p xÕp nguyªn tö cña mÆt ngoµi h×nh thÓ 1.3.4. Sai lÖch khèi (sai lÖch thÓ tÝch) Sai lÖch khèi trong m¹ng tinh thÓ cña vËt liÖu lµ çc d¹ng sai lÖch cã kÝch th-íc lín theo c¶ ba chiÒu ®o. Trong çc sai lÖch khèi chóng ta cã thÓ chia lµm hai lo¹i c¬ b¶n nhsau, theo ¶nh h-ëng cña chóng ®Õn tÝnh chÊt cña vËt liÖu: - Lo¹i xuÊt hiÖn ngÉu nhiªn trong qóa tr×nh s¶n xuÊt vËt liÖu (nÊu luyÖn, ®óc kim lo¹i, hîp kim ...). Thuéc vÒ nhãm nµy cã çc d¹ng nh- lâm co, rç co, ngËm xØ 35 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt hoÆc h×nh thµnh pha thø hai (vÝ dô qóa tr×nh t¹o Graphit trong gang). Çc d¹ng sai lÖch khèi lo¹i nµy th«ng th-êng lµm gi¶m c¬ tÝnh cña vËt liÖu, nh-ng trong çc ®iÒu kiÖn theo yªu cÇu th× chóng l¹i cã lîi vÒ mÆt c¬ tÝnh (t¹o çc d¹ng Graphit kh¸c nhau trong çc lo¹i gang x¸m, gang dÎo vµ gang cÇu). - Lo¹i xuÊt hiÖn do sù cè ý cña ng-êi s¶n xuÊt, thùc chÊt ®ã lµ sù tiÕt pha thø hai do ph©n huû dung dÞch r¾n qu¸ b·o hoµ. Lo¹i nµy cã t¸c dông n©ng cao c¬ tÝnh cña vËt liÖu theo c¬ chÕ ho¸ bÒn tiÕt pha vµ ho¸ bÒn ph©n t¸n (xem ch-¬ng biÕn d¹ng vµ c¬ tÝnh vËt liÖu). Møc ®é ¶nh h-ëng cña çc khuyÕt tËt nµy phô thuéc nhiÒu vµo sè l-îng, tÝnh chÊt, ®é h¹t, çch ph©n bè vµ d¹ng tiÕt pha lµ liªn m¹ng, b¸n liªn m¹ng hay kh«ng liªn m¹ng (xem ch-¬ng biÕn d¹ng vµ c¬ tÝnh vËt liÖu vµ ch-¬ng nhiÖt luyÖn ho¸ giµ). 1.4. Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n khi nghiªn cøu tinh thÓ 1.4.1. §¬n tinh thÓ NÕu khèi kim lo¹i ®em dïng chØ lµ mét tinh thÓ, tøc lµ cã m¹ng tinh thÓ mµ ph-¬ng cña nã ®-îc gi÷ ®ång nhÊt ë mäi ®iÓm th× ®-îc gäi lµ ®¬n tinh thÓ. 1.4.2. §a tinh thÓ Kim lo¹i cã cÊu t¹o gåm nhiÒu tinh thÓ ®-îc gäi lµ ®a tinh thÓ vµ mçi tinh thÓ trong ®ã ®-îc gäi lµ h¹t. 1.4.3. TÝnh thï h×nh çc vËt tinh thÓ TÝnh thï h×nh lµ kh¶ n¨ng tån t¹i ë nhiÒu kiÓu m¹ng kh¸c nhau cña vËt tinh thÓ phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn bªn ngoµi (T0, P). VÝ dô: Víi Fe - Khi nhiÖt ®é < 9100C: tån t¹i Fe() cã m¹ng A2 K8. - Khi nhiÖt ®é tõ (910  1392)0C: tån t¹i Fe() cã m¹ng A1 K12. 1.4.4. TÝnh dÞ h-íng TÝnh dÞ h-íng lµ sù kh¸c nhau vÒ tÝnh chÊt (c¬, lý, hãa) theo çc ph-¬ng kh¸c nhau. 36 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 2. KÕt tinh tõ thÓ láng cña kim lo¹i Trong thùc tÕ hiÖn nay çc vËt liÖu kim lo¹i vµ hîp kim c¬ b¶n hÇu hÕt ®-îc chÕ t¹o b»ng ph-¬ng ph¸p kÕt tinh tõ thÓ láng. Nghiªn cøu vÒ qu¸ tr×nh kÕt tinh bao gåm çc nhiÖm vô chñ yÕu lµ: - §iÒu kiÖn nhiÖt ®éng häc cña qóa tr×nh kÕt tinh - Çc giai ®o¹n (qu¸ tr×nh) c¬ b¶n cña sù kÕt tinh - Çc yÕu tè ®Æc tr-ng cho qu¸ tr×nh kÕt tinh vµ s¶n phÈm sau kÕt tinh - ChÊt l-îng vËt liÖu sau kÕt tinh vµ biÖn ph¸p n©ng cao chÊt l-îng vËt liÖu - §éng häc cña qu¸ tr×nh kÕt tinh - CÊu t¹o thùc tÕ vµ çc d¹ng khuyÕt tËt cã thÓ xuÊt hiÖn trong s¶n phÈm sau khi kÕt tinh. §Ó thùc hiÖn viÖc nghiªn cøu çc vÊn ®Ò trªn chóng ta lÇn l-ît ®i vµo çc néi dung sau: 2.1. CÊu t¹o kim lo¹i láng vµ ®iÒu kiÖn n¨ng l-îng cña qu¸ tr×nh kÕt tinh 2.1.1. CÊu t¹o kim lo¹i láng Nh- ®· nãi, tuú theo ®iÒu kiÖn bªn ngoµi (nhiÖt ®é, ¸p suÊt), vËt chÊt nãi chung vµ kim lo¹i nãi riªng cã ba tr¹ng th¸i tån t¹i lµ r¾n - láng - h¬i. Kim lo¹i nh- ®· biÕt hÇu hÕt lµ cã cÊu t¹o tinh thÓ ë tr¹ng th¸i r¾n, nh- vËy nã tån t¹i mét quy luËt x¾p xÕp çc nguyªn tö trong m¹ng tinh thÓ. Trong ®iÒu kiÖn lý t-ëng, x¸c suÊt b¾t gÆp nguyªn tö t¹i çc vÞ trÝ x¸c ®Þnh theo quy luËt lµ b»ng mét. TrËt tù s¾p xÕp trong tr¹ng th¸i r¾n nh- vËy ®-îc gäi lµ trËt tù xa, nghÜa lµ ®¶m b¶o trong toµn bé thÓ tÝch vËt r¾n. Ng-îc l¹i víi tr¹ng th¸i r¾n lµ tr¹ng th¸i h¬i, hoµn toµn hçn ®én (kh«ng trËt tù). ë tr¹ng th¸i h¬i kh«ng tån t¹i mét quy luËt x¸c suÊt (hay ph©n bè) nµo cña çc nguyªn tö, viÖc b¾t gÆp çc nguyªn tö t¹i vÞ trÝ nµo trong thÓ tÝch lµ hoµn toµn ngÉu nhiªn. Tr-íc kia theo çc quan ®iÓm cò, tr¹ng th¸i láng cña kim lo¹i ®-îc coi lµ cã cÊu t¹o gÇn víi tr¹ng th¸i h¬i. Tuy nhiªn hiÖn nay, víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc, b»ng viÖc ¸p dông çc ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu kü thuËt cao nh- ph©n tÝch b»ng tia 37 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt R¬nghen, tia , kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö ... ®· cho thÊy cÊu t¹o kim lo¹i láng cã mét sè ®Æc ®iÓm sau: - ë gÇn nhiÖt ®é kÕt tinh, thÓ tÝch kim lo¹i ë tr¹ng th¸i láng xÊp xØ víi thÓ tÝch kim lo¹i ë tr¹ng th¸i r¾n. - NhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p cña kim lo¹i láng xÊp xØ b»ng nhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p còng cña kim lo¹i ®ã ë tr¹ng th¸i r¾n. - C¶ kim lo¹i láng vµ kim lo¹i ë tr¹ng th¸i r¾n vÉn dÉn ®iÖn vµ dÉn nhiÖt tèt. Tõ çc ®Æc ®iÓm trªn, chóng ta cã thÓ rót ra mét sè kÕt luËn c¬ b¶n sau: - Thø nhÊt lµ kho¶ng çch çc nguyªn tö kim lo¹i trong tr¹ng th¸i láng vµ tr¹ng th¸i r¾n lµ xÊp xØ nhau (do thÓ tÝch gÇn gièng nhau), nh- vËy lµ cã sù æn ®Þnh vÒ mÆt x¾p xÕp nguyªn tö kim lo¹i ë tr¹ng th¸i láng. - Thø hai lµ dao ®éng nhiÖt cña çc nguyªn tö kim lo¹i quanh vÞ trÝ c©n b»ng ë hai tr¹ng th¸i lµ gÇn gièng nhau (do nhiÖt dung riªng xÊp xØ nhau), do ®ã cã møc ®é æn ®Þnh cña çc nguyªn tö lµ gÇn gièng nhau. - Thø ba lµ trong kim lo¹i láng vÉn tån t¹i m©y ®iÖn tö tù do (thÓ hiÖn qua tÝnh dÉn ®iÖn). Víi çc kÕt luËn c¬ b¶n kÓ trªn, ®-îc rót ra khi xÐt ®Æc ®iÓm cÊu t¹o cña kim lo¹i láng cho chóng ta thÊy r»ng, nh- vËy trong kim lo¹i láng tån t¹i cÊu t¹o vµ liªn kÕt kim lo¹i vµ do ®ã trËt tù x¾p xÕp nguyªn tö vÉn theo mét trËt tù x¸c ®Þnh. VÊn ®Ò cÇn ph¶i ®Æt ra lµ trËt tù x¾p xÕp nguyªn tö trong kim lo¹i láng vµ tr¹ng th¸i r¾n cã g× kh¸c biÖt ? Çc nghiªn cøu ®· chØ ra trong kim lo¹i láng lµ trËt tù gÇn, ë tr¹ng th¸i nµy cã thÓ liªn tôc b¾t gÆp nh÷ng vïng cã cÊu t¹o tinh thÓ trong kim lo¹i láng, ®ång thêi còng lu«n cã sù hoµ tan çc phÇn cÊu t¹o tinh thÓ trë l¹i kim lo¹i láng. X¸c suÊt b¾t gÆp nguyªn tö theo vÞ trÝ kh«ng gian cã d¹ng dao ®éng quanh gi¸ trÞ æn ®Þnh (h×nh 2.1). 38 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt P(x) P(x) 1 1 a 2 a a a a 2 2 a, b, H×nh 2.1. X¸c suÊt b¾t gÆp nguyªn tö theo kh«ng gian ë tr¹ng th¸i r¾n (a) vµ tr¹ng th¸i láng (b) Nh- vËy chóng ta cã thÓ kÕt luËn r»ng: ë gÇn nhiÖt ®é kÕt tinh, kim lo¹i láng cã cÊu t¹o trËt tù gÇn, tr¹ng th¸i nµy gÇn víi tr¹ng th¸i r¾n (trËt tù xa) h¬n lµ tr¹ng th¸i h¬i. TÊt nhiªn khi chóng ta tiÕp tôc t¨ng nhiÖt ®é cho kim lo¹i láng, khi tíi gÇn nhiÖt ®é s«i, trong kim lo¹i láng sÏ ph¸ vì hoµn toµn tr¹ng th¸i trËt tù gÇn (kh«ng cßn tån t¹i çc vïng cã cÊu t¹o tinh thÓ). Khi ®ã kim lo¹i láng chuyÓn sang tr¹ng th¸i hçn ®én, hoµn toµn kh«ng trËt tù vµ gÇn víi tr¹ng th¸i h¬i h¬n. 2.1.2. §iÒu kiÖn n¨ng l-îng cña qu¸ tr×nh kÕt tinh Nh- ®· xÐt, chóng ta thÊy vÒ mÆt cÊu tróc, ë gÇn nhiÖt ®é kÕt tinh kim lo¹i láng cã cÊu t¹o gÇn ë tr¹ng th¸i r¾n, nh- vËy khi kÕt tinh (chuyÓn tõ tr¹ng th¸i láng sang tr¹ng th¸i r¾n), viÖc ®Çu tiªn chóng ta thÊy ®©y lµ qu¸ tr×nh x¶y ra theo sù gi¶m nhiÖt ®é vµ do ®ã nã lµ mét qu¸ tr×nh nhiÖt ®éng. ChÝnh v× vËy, ®Ó nghiªn cøu qu¸ tr×nh kÕt tinh chóng ta sÏ ¸p dông çc quy luËt nhiÖt ®éng. Tr-íc hÕt chóng ta xÐt ®iÒu kiÖn n¨ng l-îng cña sù kÕt tinh. Chóng ta ®Òu biÕt, mäi hÖ vËt lý ®Òu cã xu h-íng tån t¹i ë tr¹ng th¸i cã møc n¨ng l-îng tù do thÊp, ®iÒu nµy cã thÓ thÊy qua mét vÝ dô víi mét hÖ c¬ häc ®¬n gi¶n nhsau (h×nh 2.2). Viªn bi cã thÓ cã ba vÞ trÝ tån t¹i (I, II, III) vµ n¨ng l-îng tù do cña nã lµ thÕ n¨ng cña viªn bi, nh- vËy t¹i vÞ trÝ I (cao nhÊt), viªn bi sÏ cã n¨ng l-îng tù do lµ lín nhÊt, sÏ dÔ dµng mÊt æn ®Þnh vÒ hai vÞ trÝ II vµ III vµ gäi lµ tr¹ng th¸i kh«ng æn ®Þnh. T¹i vÞ trÝ III (thÊp nhÊt), viªn bi sÏ cã n¨ng l-îng tù do lµ nhá nhÊt, nã cã møc 39 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ®é æn ®Þnh cao (cÇn n¨ng l-îng rÊt lín ®Ó ph¸ vì sù c©n b»ng) vµ ®-îc gäi lµ tr¹ng th¸i æn ®Þnh. Cßn vÞ trÝ II lµ æn ®Þnh h¬n vÞ trÝ I, nh-ng kÐm æn ®Þnh h¬n vÞ trÝ III, nh- vËy xu h-íng cña nã lµ chuyÓn sang tr¹ng th¸i æn ®Þnh III, nh-ng khi ®ã cÇn ph¶i cÊp cho nã mét n¨ng l-îng ®ñ lín ®Ó v-ît qua tr¹ng th¸i kh«ng æn ®Þnh. N¨ng l-îng cÇn ®Ó cÊp cho hÖ trë vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh gäi lµ hµng rµo n¨ng l-îng. I II III H×nh 2.2. Çc tr¹ng th¸i víi møc ®é æn ®Þnh kh¸c nhau cña hÖ c¬ häc HiÖn nay, quan ®iÓm n¨ng l-îng nµy ®· ®-îc chøng minh lµ ®óng cho mäi hÖ vËt lý, v× vËy khi xÐt chiÒu d-¬ng x¶y ra cña mét qu¸ tr×nh bao giê còng ph¶i c¨n cø vµo ®iÒu kiÖn n¨ng l-îng lµ ®Çu tiªn, ®iÒu nµy chóng ta sÏ cßn sö dông trong tÊt c¶ çc qu¸ tr×nh nghiªn cøu cña khoa häc vËt liÖu. Víi qu¸ tr×nh kÕt tinh, hÇu hÕt sù kÕt tinh kim lo¹i láng lµ trong m«i tr-êng ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ cã thÓ coi lµ qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p. N¨ng l-îng tù do ®¼ng ¸p cña hÖ (n¨ng l-îng Gibbs) ®-îc tÝnh b»ng biÓu thøc: G = H - T.S (2.1) Trong ®ã: G: N¨ng l-îng tù do ®¼ng ¸p cña hÖ; T: NhiÖt ®é (0K) H: Entanpi (nhiÖt hµm) cña hÖ; S: Entropi cña hÖ. BiÕn thiªn n¨ng l-îng tù do cña hÖ: dG =dH - T.dS - S.dT (2.2) Do qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p (P = const) nªn ta cã: dH = Cp.dT dS  Cp . dT T (2.3) Thay (2.3) vµo (2.2) ta cã: 40 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt dG   S .dT   dT  T Cp . dT  0 T   (2.4) T dT  T G  G 0    Cp . dT  0  0 T  (2.5) Tõ ph-¬ng tr×nh (2.5) víi çc kim lo¹i ta cã ®å thÞ thay ®æi n¨ng l-îng tù do cña hai pha láng vµ pha r¾n nh- h×nh (2.3). G GL GR T T0 H×nh 2.3. §å thÞ thay ®æi n¨ng l-îng tù do cña kim lo¹i láng vµ r¾n theo nhiÖt ®é Trªn ®å thÞ ta thÊy hai ®-êng cong c¾t nhau t¹i mét ®iÓm cã nhiÖt ®é lµ T 0. Tõ ®å thÞ nµy chóng ta thÊy r»ng: Khi nhiÖt ®é cña hÖ nhá h¬n nhiÖt ®é T0, lóc ®ã n¨ng l-îng tù do cña pha r¾n nhá h¬n cña pha láng, v× vËy tr¹ng th¸i r¾n sÏ lµ æn ®Þnh vµ kim lo¹i sÏ tån t¹i ë tr¹ng th¸i r¾n. Ng-îc l¹i khi nhiÖt ®é lín h¬n nhiÖt ®é T 0, n¨ng l-îng tù do cña pha láng sÏ nhá h¬n cña pha r¾n vµ do ®ã tr¹ng th¸i láng trë nªn æn ®Þnh h¬n, kim lo¹i sÏ tån t¹i ë tr¹ng th¸i láng. T¹i nhiÖt ®é T0 ta cã: Gláng = Gr¾n (2.6) Tøc lµ: Hláng - T0.Sláng = Hr¾n - T0.Sr¾n (2.7) Hr¾n - Hláng = T0(Sr¾n - Sláng) (2.8) T0  H S (2.9) ΔH: §é chªnh nhiÖt hµm gi÷a tr¹ng th¸i r¾n vµ tr¹ng th¸i láng cña kim lo¹i, chÝnh lµ nhiÖt nãng ch¶y cña kim lo¹i ®ã vµ ®-îc ký hiÖu lµ Ln/c. Ta suy ra: 41 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt T0  L n /c S (2.10) NhiÖt ®é T0 gäi lµ nhiÖt ®é kÕt tinh lý thuyÕt cña kim lo¹i, t¹i nhiÖt ®é nµy tån t¹i tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng gi÷a pha láng vµ pha r¾n, ch-a x¶y ra qu¸ tr×nh kÕt tinh, cø cã bao nhiªu phÇn tö r¾n xuÊt hiÖn th× l¹i cã sù hoµ tan trë l¹i kim lo¹i láng bÊy nhiªu phÇn tö r¾n. Nh- vËy, muèn qu¸ tr×nh kÕt tinh kim lo¹i láng x¶y ra ta ph¶i cã ®iÒu kiÖn: ΔG = Gr¾n - Gláng < 0 (2.11) Tøc lµ nhiÖt ®é thùc tÕ cña hÖ Tk ph¶i tho¶ m·n: ΔT = T0 - Tk > 0 (2.12) Gi¸ trÞ ΔT gäi lµ ®é qu¸ nguéi khi kÕt tinh. Vµ nh- vËy ®iÒu kiÖn kÕt tinh x¶y ra chØ khi ΔT > 0. Ta thÊy vÒ mÆt n¨ng l-îng, qu¸ tr×nh kÕt tinh kim lo¹i láng sÏ x¶y ra khi tån t¹i ®é qu¸ nguéi ΔT > 0, song sù kÕt tinh x¶y ra theo çc giai ®o¹n thÕ nµo, ®iÒu nµy sÏ ®-îc tr×nh bµy trong çc phÇn tiÕp theo. 2.2. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm vµ ph¸t triÓn mÇm khi kÕt tinh 2.2.1. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm Khi thùc hiÖn kÕt tinh, kh«ng ph¶i ngay tøc kh¾c toµn bé thÓ tÝch kim lo¹i láng chuyÓn sang tr¹ng th¸i r¾n mµ ph¶i tr¶i qua çc giai ®o¹n kh¸c nhau theo thêi gian. Ban ®Çu trong lßng kim lo¹i láng cã sù xuÊt hiÖn ra nh÷ng phÇn tö r¾n ®Çu tiªn, mµ kh«ng bÞ hoµ tan trë l¹i kim lo¹i láng. Ng-êi ta gäi ®ã lµ qu¸ tr×nh t¹o mÇm, qu¸ tr×nh t¹o mÇm cã hai d¹ng c¬ b¶n kh¸c nhau lµ t¹o mÇm tù sinh (®ång pha) hoÆc t¹o mÇm ký sinh (kh«ng ®ång pha). 2.2.1.1. T¹o mÇm tù sinh MÇm tù sinh lµ nh÷ng mÇm ®-îc t¹o ra tõ b¶n th©n kim lo¹i láng, kh«ng chÞu sù t¸c ®éng cña çc yÕu tè bªn ngoµi. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm tù sinh x¶y ra khi mét nhãm nguyªn tö cã trËt tù, cè ®Þnh l¹i t¹o cÊu t¹o m¹ng tinh thÓ cïng kiÓu víi m¹ng tinh thÓ kim lo¹i ®ã. Khi trong lßng kim lo¹i láng cã sù xuÊt hiÖn mét phÇn tö r¾n ta thÊy hÖ cã hai sù thay ®æi n¨ng l-îng ng-îc chiÒu nhau lµ: - Sù gi¶m n¨ng l-îng khi mét thÓ tÝch pha láng chuyÓn sang tr¹ng th¸i r¾n (do khi kÕt tinh ë nhiÖt ®é nhá h¬n T0, lóc nµy n¨ng l-îng tù do cña pha r¾n nhá h¬n pha láng). 42 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Khi pha r¾n t¹o ra, xuÊt hiÖn mét bÒ mÆt pha míi vµ cã n¨ng l-îng bÒ mÆt, dÉn ®Õn lµm t¨ng n¨ng l-îng cña hÖ. Hai sù thay ®æi nµy ®-îc m« t¶ qua biÓu thøc to¸n häc nhsau: ΔG = - ΔGthÓ tÝch + ΔGbÒ mÆt (2.13) Trong ®ã: ΔG: Sù thay ®æi n¨ng l-îng tù do cña hÖ ΔGthÓ tÝch: Sù gi¶m n¨ng l-îng khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i láng sang tr¹ng th¸i r¾n ΔGbÒ mÆt: Sù t¨ng n¨ng l-îng do n¨ng l-îng bÒ mÆt cña pha r¾n míi t¹o ra. Ta cã: ΔGthÓ tÝch = Gláng - Gr¾n (2.14) Hay: (Hláng - Hr¾n) - Tk(Sr¾n - Sláng) = ΔGthÓ tÝch  Ln/c - Tk.ΔS = ΔGthÓ tÝch (2.15) Tõ (2.10) vµ (2.15) ta cã: ΔGthÓ tÝch = Ln/c - Tk.  ΔGthÓ tÝch = L n /c T0 L n / c . T T0 (2.16) BiÓu thøc (2.16) lµ n¨ng l-îng gi¶m ®i cña hÖ khi t¹o mét ®¬n vÞ thÓ tÝch pha r¾n. Gi¶ sö mÇm ban ®Çu t¹o ra lµ cã d¹ng h×nh cÇu víi b¸n kÝnh r (tho¶ m·n ®iÒu kiÖn n¨ng l-îng bÒ mÆt nhá nhÊt), ta cã biÓu thøc tÝnh ®é gi¶m n¨ng l-îng cña hÖ khi t¹o mÇm pha míi lµ: ΔGthÓ tÝch = 4  r .L n / c . 3 3 T T0 (2.17) VËy biÕn thiªn n¨ng l-îng tù do cña hÖ lµ: ΔG = - 4 3  r .L n / c . 3 T + 4 r2. T0 (2.18) Trong ®ã: : Søc c¨ng bÒ mÆt ®¬n vÞ cña bÒ mÆt mÇm. Tõ biÓu thøc (2.18) ta cã thÓ vÏ ®å thÞ m« t¶ sù biÕn thiªn n¨ng l-îng cña hÖ theo sù thay ®æi cña b¸n kÝnh mÇm pha r¾n míi t¹o ra (h×nh 2.4). 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Tõ ®å thÞ chóng ta thÊy sÏ tån t¹i mét gi¸ trÞ rth t¹i ®ã øng víi gi¸ trÞ biÕn thiªn n¨ng l-îng ΔG lµ cùc ®¹i. Do ®ã khi çc mÇm t¹o ra cã b¸n kÝnh nhá h¬n r th sÏ kh«ng ph¸t triÓn ®-îc, mµ bÞ hoµ tan trë l¹i kim lo¹i láng. ChØ cã nh÷ng mÇm cã b¸n kÝnh lín h¬n rth míi tiÕp tôc ph¸t triÓn ®-îc, thay thÕ dÇn pha láng ®Ó thùc hiÖn qu¸ tr×nh kÕt tinh. G GBM Gth G O r rth GTT H×nh 2.4. BiÕn thiªn n¨ng l-îng tù do cña hÖ theo b¸n kÝnh mÇm pha míi Ta cã thÓ tÝnh b¸n kÝnh mÇm tíi h¹n (rth) nhsau:  ( G )    4  r .L  0 2 th r  r th   4  r  2   r . L th  th n /c . T   0  T0  n /c . T T0 r  8  r th .   0 th  2  . T0 L n /c. T (2.19) Tõ biÓu thøc (2.19) ta thÊy gi¸ trÞ cña b¸n kÝnh mÇm tíi h¹n tû lÖ nghÞch víi ®é qu¸ nguéi khi kÕt tinh ΔT. Khi gi¸ trÞ ΔT cµng lín (tøc lµ nhiÖt ®é kÕt tinh cµng nhá), sÏ dÉn ®Õn rth cµng nhá vµ do ®ã qu¸ tr×nh t¹o mÇm x¶y ra nhanh h¬n, çc mÇm t¹o ra cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn ®-îc cã b¸n kÝnh nhá h¬n. Ngoµi ra gi¸ trÞ b¸n kÝnh mÇm tíi h¹n cßn phô thuéc vµo tÝnh chÊt vËt lý cña b¶n th©n kim lo¹i kÕt tinh. BiÓu thøc (2.19) còng kh¼ng ®Þnh r»ng, khi ë nhiÖt ®é T0 (ΔT = 0) qu¸ tr×nh kÕt tinh lµ kh«ng thÓ x¶y ra do rth = . Thay biÓu thøc (2.19) vµo biÓu thøc (2.18) ta cã n¨ng l-îng tíi h¹n ®Ó t¹o mÇm cã b¸n kÝnh tíi h¹n lµ: 44 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ΔGth = - 4 3  r th . L n / c . 3  = 4  r   2 th  T T0  L n / c . r th     3T0  T  L n /c  T0 = 4  r     L n /c  T0 = 4  r    2   3  = 4  r    2 th 2 th 2 th = 1 3 + 4 rth2.  T. T.  r th   3  1 2  . T0    3 L n /c.T  1  . F th (2.20) Trong ®ã: Fth: DiÖn tÝch bÒ mÆt mÇm tíi h¹n. Nh- vËy biÕn thiªn n¨ng l-îng tù do cña hÖ lµ:  G th  1 3 4  r th .   2 1 3  GbÒ mÆt (2.21) Ta thÊy sù gi¶m n¨ng l-îng do yÕu tè thÓ tÝch chØ ®ñ ®Ó t¹o 2/3 diÖn tÝch bÒ mÆt mÇm tíi h¹n, nh- vËy ®Ó t¹o mÇm cÇn ph¶i cã sù cÊp thªm n¨ng l-îng tõ çc nguån kh¸c. Nguån cÊp n¨ng l-îng nµy dùa vµo sù ba ®éng n¨ng l-îng cña hÖ, gi¸ trÞ n¨ng l-îng cña kim lo¹i láng khi kÕt tinh ph¶i hiÓu lµ gi¸ trÞ trung b×nh. N¨ng l-îng cña çc phÇn thÓ tÝch nhá kh¸c nhau ë nh÷ng thêi ®iÓm kh¸c nhau cã sù thay ®æi, cã thÓ lín h¬n hoÆc nhá h¬n gi¸ trÞ trung b×nh. NÕu phÇn n¨ng l-îng t¨ng thªm do ba ®éng n¨ng l-îng ®ñ ®Ó cung cÊp phÇn n¨ng l-îng cßn thiÕu ®Ó t¹o bÒ mÆt, khi ®ã qu¸ tr×nh t¹o mÇm sÏ x¶y ra. Do ®ã qu¸ tr×nh t¹o mÇm liªn quan chÆt chÏ ®Õn sù ba ®éng n¨ng l-îng vµ x¸c suÊt t¹o mÇm chÝnh lµ x¸c suÊt ba ®éng n¨ng l-îng víi trÞ sè ΔGth. Ta cã: 45 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt   G th   K .T   16  T 0 .   P1(x) = c1 exp   2 = c1 exp   2  3K L n /c  c2 . 3  T .T = c1 exp   3 2     1 T .T 2     (2.22) Trong ®ã: P1(x): X¸c suÊt t¹o mÇm tíi h¹n K: H»ng sè Boltzmann. BiÓu thøc (2.22) cho thÊy x¸c suÊt t¹o mÇm phô thuéc rÊt m¹nh vµo ΔT. Çc thÝ nghiÖm thùc tÕ ®· chØ ra r»ng, kim lo¹i nÕu cã ®é s¹ch cao khi kÕt tinh x¶y ra víi ΔT kh¸ lín (tíi 0,2 T0), nh-ng víi çc kim lo¹i th«ng th-êng qu¸ tr×nh kÕt tinh l¹i b¾t ®Çu víi nh÷ng ®é qu¸ nguéi rÊt nhá (tõ 1  10 0C), ®iÒu nµy ®-îc gi¶i thÝch bëi sù ¶nh h-ëng cña çc t¹p chÊt cã mÆt trong kim lo¹i láng vµ lµ c¬ chÕ t¹o mÇm kh¸c pha. 2.2.1.2. T¹o mÇm ký sinh MÇm ký sinh lµ nh÷ng mÇm ®-îc t¹o ra trªn c¬ së çc “h¹t r¾n cã s½n” trong kim lo¹i láng. Kh¸i niÖm vÒ “h¹t r¾n cã s½n” gåm çc yÕu tè c¬ b¶n sau: - Thµnh khu«n chøa kim lo¹i láng khi kÕt tinh. - Çc t¹p chÊt khã ch¶y lÉn trong kim lo¹i láng (vÝ dô: Al 2O3, Cr2O3, ... lÉn trong kim lo¹i láng). - Bôi t-êng lß lÉn trong kim lo¹i láng. Víi sù xuÊt hiÖn cña çc h¹t r¾n cã s½n, sù thay ®æi n¨ng l-îng tù do khi t¹o mÇm trong tr-êng hîp nµy cã çc ®Æc ®iÓm riªng cña m×nh. Chóng ta kh¶o s¸t m« h×nh t¹o mÇm, mét çch ®¬n gi¶n nhsau: Gi¶ sö trªn bÒ mÆt cña h¹t r¾n cã s½n cã mét mÇm ®-îc t¹o ra cã d¹ng chám cÇu víi b¸n kÝnh r (h×nh 2.5). Gãc  lµ gãc tiÕp xóc gi÷a mÇm vµ bÒ mÆt vËt r¾n. ML RL Kim lo¹i láng  MÇm MR Kim lo¹i r¾n r H×nh 2.5. S¬ ®å t¹o mÇm ký sinh 46 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Tõ m« h×nh ®ã ta tÝnh ®-îc çc yÕu tè h×nh häc cña mÇm nhsau: - ThÓ tÝch mÇm: V= r 3 (2 - 3 cos + cos3) (2.23) 3 - DiÖn tÝch tiÕp xóc gi÷a mÇm vµ bÒ mÆt vËt r¾n: FMR =  r2 . sin2 (2.24) - DiÖn tÝch tiÕp xóc gi÷a mÇm vµ pha láng: FML = 2  r2 (1 - cos) (2.25) Khi xuÊt hiÖn mÇm, hÖ cã sù thay ®æi n¨ng l-îng tù do lµ: - §é gi¶m n¨ng l-îng thÓ tÝch (do sù chuyÓn mét phÇn thÓ tÝch tõ pha láng sang pha r¾n): ΔGthÓ tÝch =  = L n /c T0 L n /c  T . VmÇm T . r 3 (2 - 3 cos + cos3) (2.26) 3 T0 - §é t¨ng n¨ng l-îng bÒ mÆt do bÒ mÆt mÇm t¹o ra: ΔGbÒ mÆt = ML . FML + (MR - RL). FMR (2.27) Trong ®ã: ML: Søc c¨ng bÒ mÆt gi÷a mÇm vµ kim lo¹i láng MR: Søc c¨ng bÒ mÆt gi÷a mÇm vµ h¹t r¾n cã s½n RL: Søc c¨ng bÒ mÆt gi÷a h¹t r¾n vµ kim lo¹i láng. Tõ h×nh (2.5) ta thÊy, ®Ó mÇm kh«ng dÞch chuyÓn th× ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn:  RL   MR   ML  0 - RL + MR + RL. cos = 0 cos =  RL   MR  ML (2.28) BiÕn thiªn n¨ng l-îng cña hÖ: ΔG = - ΔGthÓ tÝch + ΔGbÒ mÆt = L n /c T0 T . r 3 3 (2 - 3 cos + cos3) + ΔGbÒ mÆt 47 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt (2.29) VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Thay çc trÞ sè vµo (2.27) ®Ó tÝnh ΔGbÒ mÆt : ΔGbÒ mÆt = ML. 2r2 (1 - cos) + (MR - RL).r2 sin2 = ML. 2  r2 (1 - cos) ML. cos.  r2 sin2 (2.30) =  r2 . ML (2 - 3cos + cos3) Tõ ®ã ta cã:  ΔG =    Víi C = 1 ML .4  r 2  L n /c T0 .  3  r . T  . C  3  4 (2.31) (2 - 3cos + cos3) 4 So s¸nh (2.31) vµ (2.18) ta thÊy chóng chØ kh¸c nhau ë hÖ sè C vµ gi¸ trÞ cña 0 < C < 1. øng víi çc gi¸ trÞ  x¸c ®Þnh ®-êng cong biÓu diÔn quan hÖ gi÷a b¸n kÝnh mÇm vµ ®é qu¸ nguéi ΔT còng cã d¹ng h×nh 2.4. Ta còng tÝnh ®-îc b¸n kÝnh tíi h¹n cña mÇm lµ: r th  2  ML . T 0 L n /c.T (2.32) Vµ n¨ng l-îng cÇn thiÕt ®Ó t¹o mÇm ký sinh cã b¸n kÝnh tíi h¹n lµ:  G th  1 3 C .  ML . 4  r th 2 (2.33) BiÓu thøc (2.33) cho thÊy, n¨ng l-îng cÇn thiÕt ®Ó t¹o mÇm ký sinh phô thuéc vµo gãc  víi trÞ sè cña  x¸c ®Þnh theo (2.28). Chóng ta thÊy r»ng, cos cã thÓ nhËn çc gi¸ trÞ tõ -1 ®Õn +1, ®Ó thÊy râ ¶nh h-ëng cña gãc  chóng ta xÐt hai tr-êng hîp: - Khi cos = - 1 hÖ sè C = 1 vµ do ®ã n¨ng l-îng t¹o mÇm:  G th  1 3  ML . F th * (2.34) Víi F*th lµ diÖn tÝch mÆt cÇu cã b¸n kÝnh cong b»ng rth cña mÇm ký sinh. Khi cos = - 1 nghÜa lµ ML = MR vµ RL = 0 vµ gãc  = 1800, tøc lµ mÇm t¹o ra cã d¹ng h×nh cÇu, do ®ã nã trë vÒ tr-êng hîp mÇm tù sinh. VËy khi ML  MR lóc ®ã qu¸ tr×nh t¹o mÇm trë vÒ mÇm tù sinh vµ vai trß cña vËt r¾n trong qu¸ tr×nh kÕt tinh lµ kh«ng cßn, v× khi ®ã t¹o mÇm trªn pha r¾n sÏ cã 48 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt n¨ng l-îng cao h¬n khi t¹o mÇm trong lßng pha láng. Trong tÊt c¶ çc tr-êng hîp kh¸c khi ML > MR th× cos lu«n lín h¬n -1 vµ hÖ sè C lu«n nhá h¬n 1. N¨ng l-îng t¹o mÇm ký sinh sÏ nhá h¬n n¨ng l-îng t¹o mÇm tù sinh. Khi ®ã bÒ mÆt cña vËt r¾n cã s½n thóc ®Èy qu¸ tr×nh kÕt tinh nhanh h¬n. - Khi cos = 1 ta cã hÖ sè C = 0 tøc lµ ΔGth = 0, ®©y lµ tr-êng hîp lý t-ëng, tuy nhiªn chóng ta cã thÓ phÊn ®Êu theo h-íng RL = ML ®Ó MR  0 khi ®ã trÞ sè C sÏ rÊt nhá vµ t-¬ng øng n¨ng l-îng cÇn thiÕt t¹o mÇm sÏ gi¶m ®i rÊt nhiÒu, qu¸ tr×nh kÕt tinh x¶y ra dÔ dµng h¬n. Søc c¨ng bÒ mÆt gi÷a mÇm vµ pha r¾n phô thuéc rÊt nhiÒu vµo cÊu tróc tinh thÓ cña chóng, nÕu mÇm vµ vËt r¾n cã cïng kiÓu m¹ng khi ®ã MR lµ rÊt nhá vµ dÔ dµng t¹o mÇm. §iÒu nµy gi¶i thÝch t¹i sao nÕu kim lo¹i láng khi bÞ nung kh«ng nãng ch¶y hoµn toµn sÏ kÕt tinh rÊt nhanh, do vËt r¾n lµ chÝnh b¶n th©n kim lo¹i ®ã. Tuy vËy dï cã kiÓu m¹ng kh¸c nhau nh-ng khi mÇm g¾n lªn bÒ mÆt vËt r¾n theo çc mÆt tinh thÓ cã trÞ sè Ms t-¬ng ®-¬ng cïng gi¶m ®¸ng kÓ MR (vÝ dô (1, 1, 1) cña m¹ng A1 víi (1, 1, 0) cña A2 hoÆc (1, 0, 0) cña A1 víi (1, 1, 0) cña A2). Ph©n tÝch nµy gióp chóng ta lùa chän hîp lý nhÊt chÊt biÕn tÝnh khi muèn thóc ®Èy qu¸ tr×nh kÕt tinh, ngoµi yÕu tè vÒ nhiÖt ®é nãng ch¶y ta cßn ph¶i l-u ý ®Õn cÊu tróc m¹ng cña chóng. 2.2.2. Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn mÇm Çc mÇm (trung t©m) kÕt tinh cã b¸n kÝnh lín h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n, sau khi t¹o ra sÏ tiÕp tôc ph¸t triÓn, t¹o thµnh çc h¹t, tinh thÓ b»ng çch g¾n thªm çc nguyªn tö hoÆc nhãm nguyªn tö lªn bÒ mÆt mÇm theo çc trËt tù x¸c ®Þnh. Qu¸ tr×nh nµy lµ qu¸ tr×nh tù nhiªn, bëi v× nã cã xu h-íng lµm gi¶m n¨ng l-îng cña hÖ thèng (h×nh 2.4). Khi nghiªn cøu qu¸ tr×nh t¹o mÇm, chóng ta gi¶ thiÕt mÇm ban ®Çu lµ h×nh cÇu cã b¸n kÝnh r, tuy vËy ®iÒu nµy kh«ng thÓ ®óng víi ®iÒu kiÖn thùc tÕ v× kim lo¹i cã cÊu t¹o m¹ng tinh thÓ, do ®ã bÒ mÆt mÇm ph¶i lµ çc tinh thÓ víi trËt tù x¾p xÕp nguyªn tö x¸c ®Þnh. Khi mÇm lín lªn nã ph¶i cã d¹ng h×nh khèi phï hîp víi cÊu t¹o tinh thÓ cña nã vµ do ®ã ë ®©y chóng ta xÐt c¬ chÕ lín lªn cña mÇm lµ theo çc mÆt tinh thÓ cña nã. Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn mÇm lµ sù ph¸t triÓn vÒ mÆt kÝch th-íc cña çc phÇn tö r¾n ®Ó dÇn dÇn chiÕm chç thÓ tÝch pha láng. 49 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Cã hai lý thuyÕt vÒ qu¸ tr×nh lín lªn cña mÇm lµ: c¬ chÕ mÇm lín lªn theo líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh vµ mÇm lín lªn theo bÒ mÆt lÖch xo¾n. Sau ®©y ta lÇn l-ît nghiªn cøu vÒ hai c¬ chÕ nµy. 2.2.2.1. C¬ chÕ mÇm lín lªn theo líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh Líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh lµ çc phÇn cã cÊu t¹o tinh thÓ xuÊt hiÖn vµ mÊt ®i trong kim lo¹i láng ë gÇn nhiÖt ®é kÕt tinh. XÐt trªn bÒ mÆt pha r¾n, ®Çu tiªn líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh cã s¾p xÕp trËt tù víi kÝch th-íc a x b vµ chiÒu cao b»ng mét ®-êng kÝnh nguyªn tö g¾n lªn bÒ mÆt pha r¾n (h×nh a). TiÕp theo ®ã, nh÷ng nguyªn tö riªng biÖt tõ pha láng ®iÒn dÇn vµo ®Ó ®¹t ®-îc líp nguyªn tö hoµn chØnh (h×nh b). Sau ®ã l¹i mét líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh kh¸c g¾n vµo vµ qu¸ tr×nh lín lªn cña mÇm cø tiÕp tôc theo ®ã. Líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh d 2 1 b a 3 a, b, H×nh 2. 6. M« h×nh c¬ chÕ mÇm lín lªn theo líp nguyªn tö kh«ng hoµn ch×nch Çc khèi lËp ph-¬ng biÓu diÔn çc nguyªn tö, chóng cã thÓ g¾n vµo tinh thÓ theo çc vÞ trÝ 1, 2, 3 trong ®ã vÞ trÝ 3 lµ æn ®Þnh nhÊt v× nã cho phÐp nguyªn tö tiÕp xóc víi tinh thÓ theo ba mÆt, vÞ trÝ 2 kÐm æn ®Þnh h¬n vµ vÞ trÝ 1 lµ bÊt lîi nhÊt v× nguyªn tö chØ tiÕp xóc víi tinh thÓ theo hai vµ mét mÆt. - Tèc ®é t¹o mÇm N: lµ sè l-îng mÇm t¹o ra trong mét ®¬n vÞ thêi gian. N = P1(x) . P2(x) (2.35) Trong ®ã: P1(x): X¸c suÊt t¹o mÇm tíi h¹n. P2(x): X¸c suÊt b¾t gÆp líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh. - Tèc ®é lín lªn cña mÇm v: lµ sù ph¸t triÓn vÒ kÝch th-íc cña mÇm theo thêi gian. 50 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt v = P2(x) . P3(x) (2.36) Trong ®ã: P3(x): X¸c suÊt ®Ó t¹o ra sù ph¸t triÓn cña mÇm So s¸nh N vµ v: + C¶ N vµ v ®Òu phô thuéc vµo T + Møc ®é t¨ng cña N vµ v theo T trong giai ®o¹n ®Çu kh¸c nhau, N t¨ng nhanh h¬n. Khi v b¾t ®Çu gi¶m (T > T0 / 2) th× N vÉn tiÕp tôc t¨ng. Do vËy, muèn t¨ng c-êng sè l-îng mÇm th× t¨ng T tøc lµ gi¶m nhiÖt ®é kÕt tinh thùc tÕ (T = T0 - TkÕt tinh TT) T = 2T0 / 3. 2.2.2.2 MÇm t¹o ra theo c¬ chÕ dùa vµo lÖch xo¾n ë pha r¾n lu«n tån t¹i lÖch cã chøa lÖnh xo¾n. V× tinh thÓ cã chøa lÖch xo¾n nªn bÒ mÆt trùc giao víi trôc cña lÖch cã d¹ng xo¾n, trªn nã ®· cã s½n nh÷ng bËc cÊp ®ãng vai trß nh- líp nguyªn tö kh«ng hoµn chØnh. Tinh thÓ lín lªn b»ng çch çc nguyªn tö b¸m vµo bÒ mÆt ë nh÷ng n¬i cã bËc cÊp nh- h×nh vÏ. H×nh 2.7. M« h×nh mÇm t¹o ra theo c¬ chÕ dùa vµo lÖch xo¾n C¶ hai c¬ chÕ lín lªn cña mÇm ®Òu cã nh÷ng gi¸ trÞ riªng cña m×nh vµ nãi lªn hai kh¶ n¨ng thùc tÕ cña sù ph¸t triÓn tinh thÓ. §iÓm gièng nhau cña chóng lµ trªn bÒ mÆt tinh thÓ ®ang lín lªn ph¶i cã nh÷ng bËc cÊp ®Ó nguyªn tö tõ pha láng g¾n vµo. §ã còng lµ hai kh¶ n¨ng thùc tÕ trong qu¸ tr×nh kÕt tinh. 2.3. Kh¸i niÖm ®é h¹t khi kÕt tinh, ý nghÜa vµ çc yÕu tè ¶nh h-ëng 2.3.1. Kh¸i niÖm ®é h¹t Qu¸ tr×nh h×nh thµnh h¹t: 51 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Kim lo¹i láng MÇm cò lín lªn, mÇm míi t¹o thµnh T¹o mÇm T¹o h¹t H×nh 2.8. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh h¹t §é h¹t kim lo¹i sau kÕt tinh lµ kÝch th-íc trung b×nh cña çc h¹t tinh thÓ trong thÓ tÝch kim lo¹i r¾n. Çc h¹t t¹o ra cã kÝch th-íc kh«ng ®ång nhÊt, v× vËy ph¶i lÊy gi¸ trÞ trung b×nh gäi lµ ®é h¹t. §Ó ®¬n gi¶n, ta x¸c ®Þnh ®é h¹t b»ng çch ®Õm sè h¹t trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch. 2.3.2. ý nghÜa cña ®é h¹t §é h¹t quyÕt ®Þnh c¬ tÝnh cña vËt liÖu. §é h¹t cµng nhá, c¬ tÝnh cµng cao. Do ®ã trong s¶n xuÊt kim lo¹i lu«n mong muèn t¹o ®-îc h¹t nhá. 2.3.3. Çc yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn ®é h¹t (A) - Tèc ®é nguéi: A  k1 v - KÝch th-íc trung b×nh cña h¹t N (2.37) Trong ®ã: k1, k2 lµ h»ng sè. Nh- vËy, muèn thu ®-îc h¹t nhá th× ph¶i t¨ng tèc ®é t¹o mÇm N vµ gi¶m tèc ®é lín lªn cña mÇm v. N, v N v T H×nh 2.9. Sù thay ®æi cña N vµ v theo T 52 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Trong thùc tÕ, khi N t¨ng th× v còng t¨ng (víi T t¨ng), nh-ng do N t¨ng m¹nh h¬n v. V× vËy muèn h¹t nhá ph¶i t¨ng ®é qu¸ nguéi T, tøc lµ t¨ng tèc ®é lµm nguéi. - T¨ng c-êng qu¸ tr×nh t¹o mÇm kÝ sinh b»ng çch ®-a vµo kim lo¹i láng çc t¹p chÊt khã ch¶y: ph-¬ng ph¸p biÕn tÝnh kim lo¹i. - Dïng dao ®éng c¬ häc. - Dïng sãng siªu ©m. 2.3.4. Çch x¸c ®Þnh ®é h¹t trong thùc tÕ X¸c ®Þnh çc b¶ng cÊp h¹t theo tiªu chuÈn: tõ cÊp (-3  12). ChØ sè cµng t¨ng th× ®é h¹t cµng nhá. Lµm tiªu b¶n ë møc phãng ®¹i 100 lÇn. Çc mÉu thùc tÕ tiÕn hµnh chôp ¶nh víi ®é phãng ®¹i 100 lÇn, råi ®em so víi tiªu b¶n ta ®-îc cÊp h¹t thùc tÕ. Çc d¹ng h¹t th-êng gÆp: - H¹t ®Òu trôc: cã tiÕt diÖn gÇn víi h×nh trßn. - H¹t kÐo dµi: d¹ng tinh thÓ h×nh trô. CÊp: (-3  0): h¹t th« (1  8): h¹t võa (9  12): h¹t mÞn Ph¹m vi øng dông: + H¹t th«: Dïng trong c«ng nghÖ chÕ t¹o ph«i + Chi tiÕt m¸y th«ng th-êng dïng cì h¹t tõ 1 8 + Chi tiÕt m¸y yªu cÇu ®Æc biÖt dïng cì h¹t tõ 9  12 2.4. qu¸ tr×nh kÕt tinh thùc tÕ cña kim lo¹i trong khu«n ®óc 2.4.1. C¬ chÕ kÕt tinh nh¸nh c©y - C¬ chÕ: qu¸ tr×nh kÕt tinh kh«ng x¶y ra ®Òu theo mäi ph-¬ng mµ nã ph¸t triÓn theo mét sè ph-¬ng -u tiªn nhÊt ®Þnh, t¹o thµnh d¹ng nh¸nh c©y. - M« h×nh: Trong thÓ tÝch kim lo¹i láng ban ®Çu sÏ kÕt tinh theo nh÷ng h-íng -u tiªn t¹o thµnh mét trôc chÝnh, tõ trôc chÝnh tiÕp tôc ph¸t triÓn theo h-íng kÕt tinh phô vµ h-íng nhá. 53 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt H×nh 2.10. M« h×nh kÕt tinh nh¸nh c©y - Nguyªn nh©n: sö dông hai lý thuyÕt ®Ó gi¶i thÝch + Theo lý thuyÕt t¹p chÊt: Trong kim lo¹i láng khi kÕt tinh nã lu«n lu«n tån t¹i t¹p chÊt. T¹p chÊt ph©n bè ë gianh giíi pha láng vµ pha r¾n do ®ã t¹o ra çc h-íng -u tiªn ®Ó ph¸t triÓn pha r¾n, h×nh thµnh ra d¹ng nh¸nh c©y. T¹p chÊt H×nh 2.11. Gi¶i thÝch c¬ chÕ kÕt tinh nh¸nh c©y theo lý thuyÕt t¹p chÊt + Theo lý thuyÕt Gra®ien nhiÖt ®é ©m: Thµnh cña khu«n ®óc lu«n tån t¹i nh÷ng nhÊp nh« tÕ vi do ®ã t¹o sai kh¸c vÒ ®é qu¸ nguéi nªn t¹o ph-¬ng -u tiªn kÕt tinh do ®ã t¹o d¹ng nh¸nh c©y. H×nh 2.12. Gi¶i thÝch c¬ chÕ kÕt tinh nh¸nh c©y theo lý thuyÕt Gradien nhiÖt ®é ©m 54 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt KÕt luËn: khi tiÕn hµnh kÕt tinh kim lo¹i vµ hîp kim láng cÇn cã çc biÖn ph¸p tr¸nh sù kÕt tinh nh¸nh c©y ®Ó ®¶m b¶o c¬ tÝnh cho vËt liÖu. 2.4.2. CÊu t¹o cña thái ®óc thùc tÕ - §iÒu kiÖn khu«n vµ lµm nguéi: + Khu«n kim lo¹i + Lµm nguéi trong kh«ng khÝ tÜnh ®Ó t¹o ra ®é qu¸ nguéi T æn ®Þnh. - CÊu t¹o thái ®óc: bao gåm 3 vïng Vïng 1 Vïng 2 Vïng 3 H×nh 2.13. CÊu t¹o cña thái ®óc + Vïng 1: Lµ vïng s¸t víi thµnh khu«n, tèc ®é nguéi lín, ®é qu¸ nguéi T t¨ng do ®ã N vµ v t¨ng nªn rth nhá, sè l-îng mÇm t¹o ra nhiÒu. Toµn bé nhÊp nh« thµnh khu«n th× tham gia t¹o mÇm ký sinh, N rÊt lín v× vËy h¹t nhá. + Vïng 2: TiÕp theo thµnh khu«n nãng lªn, tèc ®é nguéi gi¶m, ®é qu¸ nguéi T gi¶m, N vµ v gi¶m, h¹t cã kÝch th-íc lín vµ bÞ kÐo dµi theo ph-¬ng truyÒn nhiÖt (vu«ng gãc víi thµnh khu«n). + Vïng 3: Do tr-êng nhiÖt ®é ®ång ®Òu, tèc ®é nguéi gi¶m rÊt m¹nh, cã tÝnh ®¼ng h-íng, v× vËy t¹o h¹t cã kÝch th-íc lín d¹ng ®a diÖn. Trªn c¬ së ph©n tÝch cÊu t¹o cña thái ®óc, ta thÊy muèn thu ®-îc tæ chøc hoµn toµn nhá mÞn th× cÇn liªn tôc duy tr× T lín b»ng çch lµm m¸t liªn tôc cho khu«n. NÕu lu«n duy tr× ph-¬ng truyÒn nhiÖt -u tiªn sÏ kh«ng t¹o tæ chøc h¹t th« mµ t¹o tæ chøc xuyªn tinh. Khi tèc ®é lµm nguéi nhá sÏ kh«ng cã kh¶ n¨ng -u tiªn ph-¬ng truyÒn nhiÖt nªn kh«ng t¹o tæ chøc xuyªn tinh mµ t¹o ra tæ chøc h¹t th«. 2.4.3. KhuyÕt tËt cña thái ®óc - Kh¸i niÖm: KhuyÕt tËt lµ çc d¹ng tæ chøc, cÊu tróc kh«ng ®óng theo ý muèn ban ®Çu cña ng-êi s¶n xuÊt. 55 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Çc d¹ng khuyÕt tËt cña thái ®óc lµ: Lâm co, rç co, rç khÝ vµ thiªn tÝch. 2.4.3.1. Lâm co - Kh¸i niÖm: Lâm co lµ hiÖn t-îng gi¶m thÓ tÝch cña vËt ®óc so víi thÓ tÝch kim lo¹i láng ban ®Çu vµ ®-îc tËp trung t¹i mét vÞ trÝ. - Nguyªn nh©n: Do ®é gi·n në nhiÖt vµ cÊu tróc tinh thÓ ë hai tr¹ng th¸i láng vµ r¾n lµ kh¸c nhau. - T¸c h¹i: T¹o phÕ phÈm vËt ®óc. - Kh¾c phôc: Dïng çc hÖ thèng bï, co ngãt. Tïy thuéc vµo b¶n chÊt kim lo¹i mµ ®é co cã thÓ lín hoÆc bÐ. Lâm co th-êng xuÊt hiÖn ë vïng kÕt sinh sau cïng phô thuéc vµo ph-¬ng ph¸p lµm nguéi mµ cã çc d¹ng lâm co kh¸c nhau. Rç khÝ Rç co a, b, c, d, e, H×nh 2.14. Çc d¹ng khuyÕt tËt cu thái ®óc H×nh a: Lµm nguéi m·nh liÖt tõ ®¸y khu«n cßn çc t-êng bªn vÉn gi÷ ë nhiÖt ®é cao. KÕt tinh x¶y ra tõ ®¸y lªn phÝa trªn, møc kim lo¹i láng tôt dÇn vµ mÆt trªn cïng cña thái ®óc cã d¹ng t-¬ng ®èi b»ng ph¼ng. H×nh b: Lµm nguéi m·nh liÖt tõ ®¸y vµ çc t-êng bªn. KÕt tinh x¶y ra tõ ba phÝa vµ lâm co cã d¹ng ch¶o H×nh c: Lµm nguéi m·nh liÖt tõ çc t-êng bªn, cßn mÆt ®¸y vÉn gi÷ ë nhiÖt ®é cao. V× kÕt tinh chØ x¶y ra tõ bªn h«ng nªn lâm co cã d¹ng phÔu nhän kÐo dµi vÒ phÝa ®¸y khu«n. H×nh d: Trong c¶ ba tr-êng hîp kÓ trªn sù táa nhiÖt trªn bÒ mÆt kh«ng ®¸ng kÓ, do ®ã líp kim lo¹i láng trªn bÒ mÆt kÕt tinh sau cïng. Trong mét sè tr-êng hîp, vÝ dô khi qu¹t giã l¹nh ë phÝa trªn khu«n hoÆc tiÕt diÖn khu«n ë phÇn trªn bÐ h¬n nhiÒu so víi çc phÇn d-íi vv...lâm co n»m kÝn trong thái ®óc. 56 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Khi ®em thái ®óc çn nãng thµnh thµnh phÈm ng-êi ta ph¶i c¾t bá phÇn kim lo¹i cã chøa lâm co v× nÕu kh«ng lâm co sÏ kÐo dµi ra trong vËt çn nhnh÷ng vÕt nøt cã s½n. H¬n n÷a vïng lâm co kÕt tinh sau cïng cã chøa rÊt nhiÒu t¹p chÊt vµ xØ nªn cµng ph¶i c¾t bá ®i. §Ó phÇn kim lo¹i c¾t bá ®i lµ Ýt nhÊt, ph¶i t×m çch lµm cho lâm co tËp trung trªn cïng kh«ng ®i s©u vµo thái ®óc. Muèn vËy, ph¶i thiÕt kÕ hîp lý h×nh d¸ng khu«n vµ dïng çc biÖn ph¸p b¶o ®¶m tèc ®é nguéi chËm ë vïng trªn cïng. §Ó ®¹t môc ®Ých nµy ng-êi ta th-êng dïng n¾p ®Ëy b»ng vËt liÖu chÞu löa cã t-êng dµy ®Ó gi¶m tèc ®é táa nhiÖt hoÆc dïng çc biÖn ph¸p nung vïng trªn cña khu«n. 2.4.3.2. Rç co - Kh¸i niÖm: Rç co lµ hiÖn t-îng mµ lâm co ®i vµo bªn trong vËt ®óc d-íi d¹ng çc lç nhá. H×nh2.14.e: Lâm co ngÇm nÕu ph©n t¸n sÏ t¹o thµnh rç co. - Nguyªn nh©n: Chñ yÕu do qu¸ tr×nh lµm nguéi. - T¸c h¹i: Lµm mÊt tÝnh liªn tôc cña vËt liÖu, gi¶m c¬ tÝnh vËt ®óc. 2.4.3.3. Rç khÝ - Kh¸i niÖm: Rç khÝ lµ hiÖn t-îng tån t¹i çc bät khÝ trong vËt ®óc (h×nh 2.14.e). - Nguyªn nh©n: Do sù hßa tan khÝ cña kim lo¹i láng. - T¸c h¹i: Lµm mÊt tÝnh liªn tôc cña vËt ®óc vµ t¹o çc vïng tËp trung øng suÊt, lµm cho c¬ tÝnh cña vËt ®óc gi¶m rÊt m¹nh. - Kh¾c phôc: T¨ng c-êng qu¸ tr×nh tho¸t khÝ khi kÕt tinh b»ng çch t¹o ra sù l-u ®éng cña kim lo¹i láng vµ mÎ nÊu ph¶i ®-îc sÊy kh« tr-íc khi nÊu luyÖn. 2.4.3.4. Thiªn tÝch - Kh¸i niÖm: Thiªn tÝch lµ sù kh«ng ®ång nhÊt vÒ thµnh phÇn hãa häc gi÷a çc vïng trong vËt ®óc. Cã hai lo¹i thiªn tÝch lµ thiªn tÝch vïng vµ thiªn tÝch h¹t. Thiªn tÝch vïng: lµ sù kh«ng ®ång nhÊt vÒ thµnh phÇn hãa häc trong toµn bé thÓ tÝch vËt ®óc. Thiªn tÝch h¹t: lµ sù kh«ng ®ång nhÊt vÒ thµnh phÇn hãa häc trong néi bé h¹t kim lo¹i. - Nguyªn nh©n: Do sù kh¸c nhau vÒ nhiÖt ®é nãng ch¶y, khèi l-îng riªng vµ hÖ sè khuÕch t¸n cña çc nguyªn tè. 57 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - T¸c h¹i: T¹o ra çc vïng kh«ng ®ång ®Òu vÒ c¬ tÝnh, lµm gi¶m ®é tin cËy cña s¶n phÈm ®Æc biÖt lµ çc vËt ®óc cã kÝch th-íc lín. - Çch kh¾c phôc: Lùa chän hîp lý çc nguyªn tè khi t¹o hîp kim. Víi thiªn tÝch h¹t cã thÓ ñ vËt ®óc ®Ó ®ång ®Òu hãa thµnh phÇn (ñ khuÕch t¸n). Cè g¾ng dïng çc biÖn ph¸p c«ng nghÖ t¹o sù ®ång ®Òu khi kÕt tintiÖn ®Ó tr¸nh thiªn tÝch vïng. 58 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 3. CÊu t¹o hîp kim vµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Trong kü thuËt, ®Æc biÖt lµ trong chÕ t¹o c¬ khÝ rÊt Ýt dïng kim lo¹i nguyªn chÊt, mµ th-êng dïng çc hîp kim. Do ®ã, trong ch-¬ng nµy sÏ kh¶o s¸t cÊu t¹o vµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hîp kim. 3.1. Çc kh¸i niÖm c¬ b¶n 3.1.1. Kh¸i niÖm hîp kim Hîp kim lµ hçn hîp ®ång nhÊt vÒ mÆt tæ chøc cña tõ hai nguyªn tè trë lªn trong ®ã cã Ýt nhÊt mét nguyªn tè lµ kim lo¹i vµ nguyªn tè kim lo¹i ®ãng vai trß chÝnh tøc lµ cã hµm l-îng lín nhÊt, tÝnh chÊt cña nã thÓ hiÖn râ rÖt nhÊt. 3.1.2. §Æc ®iÓm cña hîp kim - Hîp kim dÔ s¶n xuÊt h¬n so víi kim lo¹i nguyªn chÊt. - Hîp kim cã nhiÒu tÝnh chÊt tèt h¬n so víi kim lo¹i nguyªn chÊt. - Hîp kim cã thÓ t¹o ra nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt mµ kim lo¹i nguyªn chÊt kh«ng thÓ cã. - Hîp kim cã gi¸ thµnh rÎ h¬n so víi kim lo¹i nguyªn chÊt. - Hîp kim cã tÝnh c«ng nghÖ cao h¬n so víi kim lo¹i nguyªn chÊt vµ ®-îc thÓ hiÖn ë: TÝnh dÎo: Khi sö dông hîp kim cho tÝnh dÎo cao, do ®ã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng dÎo tèt, dÔ dµng cho viÖc gia c«ng ¸p lùc. TÝnh ®óc: Khi sö dông çc hîp kim cã thÓ thu ®-îc ®iÒu kiÖn nãng ch¶y thÊp h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt, do ®ã tÝnh chÈy lo¶ng cao nªn cã thÓ ®iÒn ®Çy çc lßng khu«n phøc t¹p. TÝnh c¾t gät tèt h¬n. ChÝnh v× thÕ trong thùc tÕ hÇu nh- chØ sö dông hîp kim. 3.1.3. Çc ®Þnh nghÜa c¬ b¶n vÒ hîp kim - Pha (F): lµ cÊu phÇn ®ång nhÊt cña hîp kim cïng tæ chøc vµ cïng tr¹ng th¸i (khi ë tr¹ng th¸i r¾n ph¶i cã cïng kiÓu m¹ng vµ th«ng sè m¹ng), ®-îc ng¨n çch b»ng mét bÒ mÆt ph©n pha ®ñ lín. - HÖ: lµ tËp hîp çc pha ë tr¹ng th¸i c©n b»ng (çc pha tån t¹i æn ®Þnh trong mét ®iÒu kiÖn bªn ngoµi x¸c ®Þnh). 59 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - HÖ c©n b»ng: hÖ ®-îc coi lµ hÖ c©n b»ng khi çc qóa tr×nh x¶y ra trong hÖ cã tÝnh thuËn nghÞch. Qóa tr×nh thuËn nghÞch: nh÷ng qóa tr×nh mµ khi cã sù thay ®æi cña mét yÕu tè bªn ngoµi hoÆc bªn trong sÏ lµm hÖ biÕn ®æi theo mét h-íng. Khi yÕu tè bªn ngoµi ®ã thay ®æi theo chiÒu ng-îc l¹i vµ ®i qua çc giai ®o¹n nh- h-íng biÕn ®æi tr-íc. - CÊu tö (nguyªn) (N): lµ nh÷ng cÊu phÇn ®éc lËp cña hÖ (cã thÓ lµ ®¬n chÊt hoÆc hîp chÊt) cã thµnh phÇn hãa häc æn ®Þnh mµ nã cã nhiÖm vô cÊu t¹o nªn tÊt c¶ çc pha cña hÖ. - BËc tù do cña hÖ (T): lµ sè çc yÕu tè bªn ngoµi (P, T0) hoÆc bªn trong (thµnh phÇn) cã thÓ thay ®æi ®-îc mµ hÖ kh«ng bÞ thay ®æi tr¹ng th¸i. Quy t¾c pha (Gibbs) ®Ó tÝnh bËc tù do: T = N - F + 2 Trong ®ã: N: lµ sè cÊu tö cÊu t¹o nªn hÖ F: lµ sè pha cña hÖ t¹i ®iÓm tÝnh bËc tù do 2: lµ sè yÕu tè bªn ngoµi (P, T0) Trong thùc tÕ, coi P = const nªn: T = N - F + 1 (c«ng thøc Gibbs). ý nghÜa cña bËc tù do: gióp chóng ta biÕt ®-îc tr¹ng th¸i cña hÖ. Khi T = 0 th× hÖ sÏ suy biÕn thµnh mét ®iÓm. NÕu T = 0 tøc lµ F = N + 1 khi ®ã hÖ lµ v« biÕn, hay kh«ng cã yÕu tè nµo (nhiÖt ®é hay thµnh phÇn) cã thÓ thay ®æi ®-îc. VÝ dô kim lo¹i nguyªn chÊt (N = 1) khi nãng ch¶y hay kÕt tinh sÏ tån t¹i 2 pha (F = 2 nªn T = 0), ®iÒu nµy chøng tá kim lo¹i nguyªn chÊt nãng ch¶y sau kÕt tinh ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi (v× trong hÖ mét nguyªn kh«ng cã biÕn sè vÒ thµnh phÇn hãa häc). NÕu T = 1 tøc lµ F = N hÖ lµ ®¬n biÕn tøc lµ chØ cã mét yÕu tè (hoÆc nhiÖt ®é hoÆc lµ thµnh phÇn) cã thÓ thay ®æi ®-îc. VÝ dô hîp kim Cu - Ni khi nung nãng sÏ biÕn thµnh dung dÞch láng, v× vËy sè pha F = 2 nªn T = 1 do N = 2, ®iÒu nµy chøng tá qu¸ tr×nh nãng ch¶y cña hîp kim Cu - Ni x¶y ra trong mét kho¶ng nhiÖt ®é hoÆc lµ t¹i mét nhiÖt ®é nµo ®Êy trong qu¸ tr×nh nãng ch¶y ta cã thªm vµo mét Ýt Cu (hoÆc Ni) mµ vÉn kh«ng lµm thay ®æi sè pha cña hÖ. NÕu T = 2 tøc lµ F = N - 1 hÖ lµ nhÞ biÕn tøc lµ cïng mét lóc cã thÓ thay ®æi c¶ 2 yÕu tè nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn. VÝ dô, phÇn lín çc hîp kim 2 nguyªn ë tr¹ng th¸i láng ®Òu hßa tan v« h¹n vµo nhau nªn chØ cã tæ chøc mét pha lµ dung dÞch 60 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt láng, ®iÒu nµy chøng tá ë tr¹ng th¸i láng ta cã thÓ thay ®æi thµnh phÇn hoÆc nhiÖt ®é kh¸ dÔ dµng mµ hîp kim vÉn chØ cã tæ chøc mét pha. 3.2. Çc d¹ng cÊu tróc hîp kim c¬ b¶n - Dung dÞch r¾n - Çc pha trung gian - Hçn hîp c¬ häc 3.2.1. Dung dÞch r¾n 3.2.1.1. Kh¸i niÖm Dung dÞch r¾n lµ mét d¹ng cÊu tróc hîp kim t¹o bëi hai nguyªn, trong ®ã mét nguyªn b¶o tån ®-îc kiÓu m¹ng gäi lµ dung m«i, nguyªn thø hai hßa tan vµo trong kiÓu m¹ng ®ã gäi lµ chÊt tan. Víi thùc tÕ, cã thÓ cã dung dÞch r¾n cã nhiÒu chÊt tan. 3.2.1.2. Ph©n lo¹i dung dÞch r¾n Dùa vµo kiÓu hßa tan cña chÊt tan träng m¹ng dung m«i, nghÜa lµ kiÓu s¾p xÕp cña nguyªn tö chÊt tan trong m¹ng tinh thÓ dung m«i th× dung dÞch r¾n ®-îc ph©n thµnh: dung dÞch r¾n thay thÕ, dung dÞch r¾n xen kÏ vµ dung dÞch r¾n cã trËt tù. 3.2.1.2.1. Dung dÞch r¾n thay thÕ - Kh¸i niÖm: Dung dÞch r¾n thay thÕ lµ dung dÞch r¾n trong ®ã çc nguyªn tö chÊt tan chiÕm chç cña nguyªn tö dung m«i t¹i vÞ trÝ çc nót m¹nglµ Nguyªn tö chÊt tan Nguyªn tö dung m«i H×nh 3.1. Dung dÞch r¾n thay thÕ - §Æc ®iÓm: Dung dÞch r¾n thay thÕ gi÷ nguyªn kiÓu m¹ng cña dung m«i nh-ng t¹o ra çc sai lÖch ®iÓm trong m¹ng tinh thÓ nªn t¹o øng suÊt d- trong m¹ng vµ dÊu cña øng suÊt d- phô thuéc vµo ®-êng kÝnh nguyªn tö chÊt tan. - §iÒu kiÖn t¹o dung dÞch r¾n thay thÕ: 61 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §iÒu kiÖn kÝch th-íc: d . 100 %  15 % d víi: d = dA - dB; d  dA  dB 2 Trong ®ã: dA: ®-êng kÝnh nguyªn tö dung m«i dB: ®-êng kÝnh nguyªn tö chÊt tan NÕu sai kh¸c ®-êng kÝnh nguyªn tö cµng nhá th× cµng dÔ t¹o dung dÞch r¾n thay thÕ. - Çc lo¹i dung dÞch r¾n thay thÕ: Dung dÞch r¾n thay thÕ cã thÓ cã d¹ng hßa tan v« h¹n hoÆc hßa tan cã h¹n. Dung dÞch r¾n thay thÕ hßa tan cã h¹n: tån t¹i mét giíi h¹n hßa tan cña chÊt tan trong dung m«i. TØ lÖ dung m«i xA: xA + xB = 1 TØ lÖ chÊt tan xB: xB < 1 Dung dÞch r¾n thay thÕ hßa tan v« h¹n: xB = 1 - §iÒu kiÖn t¹o thµnh hßa tan v« h¹n: + Dung m«i vµ chÊt tan ph¶i cã cïng kiÓu m¹ng. Tõ nguyªn lý "thay thÕ" thÊy r»ng: nÕu hai nguyªn A vµ B hßa tan v« h¹n vµo nhau th× chóng ph¶i cã kiÓu m¹ng gièng nhau. §iÒu kiÖn gièng nhau vÒ kiÓu m¹ng chØ míi lµ ®iÒu kiÖn cÇn. Kh¶ n¨ng t¹o thµnh dung dÞch r¾n v« h¹n cßn phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè kh¸c. NhiÒu nguyªn tè cã kiÓu m¹ng gièng nhau nh-ng ch-a ch¾c ®· t¹o nªn dung dÞch r¾n v« h¹n. Dùa vµo b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn ta thÊy th«ng th-êng çc nguyªn tè cïng mét chu kú th× cã kiÓu m¹ng gièng nhau. + d . 100 %  15 % d Sù t-¬ng quan vÒ ®-êng kÝnh nguyªn tö khi ®-êng kÝnh nguyªn tö cña çc nguyªn thµnh phÇn A vµ B kh«ng gièng nhau nªn khi hßa tan vµo nhau chóng t¹o ra sai lÖch ®iÓm vµ xung quanh mét nguyªn tö hoµ tan xuÊt hiÖn tr-êng sai lÖch ®µn håi. Sù sai kh¸c ®-êng kÝnh nguyªn tö gi÷a çc nguyªn A vµ B cµng lín, nång ®é hßa tan cµng cao th× møc ®é sai lÖch m¹ng cµng nhiÒu vµ ®Õn mét møc nµo ®ã m¹ng trë nªn kh«ng æn ®Þnh. Khi ®ã, sù sai kh¸c vÒ ®-êng kÝnh nguyªn tö chÊt tan (dB) vµ ®-êng kÝnh nguyªn tö dung m«i (dA) kh«ng v-ît qu¸ 15%. §iÒu nµy gi¶i 62 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt thÝch t¹i sao ®¹i ®a sè çc dung dÞch r¾n thay thÕ ®-îc t¹o thµnh gi÷a çc kim lo¹i víi nhau, chØ mét sè Ýt tr-êng hîp lµ gi÷a kim lo¹i vµ ¸ kim. + ChØ sè nång ®é ®iÖn tö Ce (sè ®iÖn tö hãa trÞ cña dung dÞch r¾n t¹o thµnh) ph¶i nhá h¬n Ce giíi h¹n. Ce = xA.vA + xB.vB vA, vB: Hãa trÞ cña çc nguyªn Ce = vA.xA +vB.(1 - xA) Thùc nghiÖm vµ lý thuyÕt cho thÊy, khi t¹o thµnh dung dÞch r¾n thay thÕ d¹ng hßa tan v« h¹n th× trÞ sè nång ®é ®iÖn tö nhá h¬n giíi h¹n nhÊt ®Þnh. Giíi h¹n nµy phô thuéc vµo kiÓu m¹ng vµ b¶n chÊt cña dung m«i. Th«ng th-êng, ng-êi ta thÊy r»ng nguyªn tè B muèn hßa tan v« h¹n vµo trong A th× ph¶i cã hãa trÞ b»ng hoÆc nhá h¬n hãa trÞ cña A. + T-¬ng quan vÒ ®é ©m ®iÖn (  ): Sai kh¸c vÒ ®é ©m ®iÖn cµng nhá th× kh¶ n¨ng hßa tan v« h¹n cµng t¨ng. 3.2.1.2.2. Dung dÞch r¾n xen kÏ - Kh¸i niÖm: Dung dÞch r¾n xen kÏ lµ lo¹i dung dÞch r¾n mµ çc nguyªn tö chÊt tan ®i vµo vÞ trÝ çc lç hæng trong m¹ng tinh thÓ dung m«i. Nguyªn tö chÊt tan Nguyªn tö dung m«i H×nh 3.2. Dung dÞch r¾n xen kÏ - §Æc ®iÓm cña dung dÞch r¾n xen kÏ: + Gi÷ nguyªn kiÓu m¹ng cña dung m«i, tån t¹i çc sai lÖch ®iÓm lo¹i nót xen kÏ, t¹o ra tr-êng øng suÊt lín h¬n do kÝch th-íc lç hæng nhá h¬n nhiÒu so víi ®-êng kÝnh nguyªn tö. + Kh«ng thÓ x¶y ra d¹ng dung dÞch r¾n hßa tan v« h¹n. + Dung dÞch r¾n xen kÏ cã ®é bÒn vµ ®é cøng cao h¬n so víi dung dÞch r¾n thay thÕ do møc ®é x« lÖch m¹ng lín h¬n. - §iÒu kiÖn t¹o dung dÞch r¾n xen kÏ: §iÒu kiÖn kÝch th-íc: dB  0 , 59 dA 63 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt NÕu sai kh¸c nguyªn tö cµng lín th× cµng dÔ t¹o ra dung dÞch r¾n xen kÏ. 3.2.1.2.3. Dung dÞch r¾n cã trËt tù ChØ x¶y ra víi dung dÞch r¾n thay thÕ. Trong tr-êng hîp nµy çc nguyªn tö chÊt tan ®-îc s¾p xÕp theo mét quy luËt x¸c ®Þnh. - §iÒu kiÖn t¹o dung dÞch r¾n cã trËt tù: EB  1 2 (E A  E B ) Trong ®ã: EA: N¨ng l-îng biªn cña miÒn Brillouin trong chÊt tan EB: N¨ng l-îng biªn cña miÒn Brillouin trong dung m«i. 3.2.1.3.TÝnh chÊt chung cña dung dÞch r¾n - Mang tÝnh chÊt cña dung m«i: víi hîp kim, dung m«i ph¶i lµ kim lo¹i do ®ã dung dÞch r¾n mang tÝnh kim lo¹i. - Trong dung dÞch r¾n tån t¹i nhiÒu khuyÕt tËt m¹ng do sù xen kÏ hoÆc thay thÕ cña çc nguyªn tö chÊt tan, møc n¨ng l-îng tù do cao h¬n nguyªn tö nguyªn chÊt do ®ã kÐm æn ®Þnh h¬n. - §é bÒn, ®é cøng vµ ®é r¾n th-êng cao h¬n kim lo¹i nguyªn chÊt. 3.2.2. Çc pha trung gian 3.2.2.1. Kh¸i niÖm Çc pha trung gian lµ d¹ng cÊu tróc hîp kim t¹o bëi çc cÊu tö cã kiÓu m¹ng riªng biÖt cña m×nh, kh«ng phô thuéc vµo kiÓu m¹ng cña çc nguyªn t¹o ra nã. 3.2.2.2. Çc lo¹i pha trung gian Çc pha trung gian cã rÊt nhiÒu lo¹i kh¸c nhau phô thuéc vµo kÝch th-íc nguyªn tö t-¬ng ®èi gi÷a çc nguyªn, hãa trÞ cña çc nguyªn vµ vÞ trÝ cña çc nguyªn trong b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn: - Hîp chÊt hãa häc hãa trÞ - Pha xen kÏ - Pha ®iÖn tö - Pha Lavies - Pha  - CÊu tróc khuyÕt 64 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 3.2.2.2.1. Hîp chÊt hãa häc hãa trÞ Lµ pha ®-îc t¹o thµnh trªn c¬ së çc nguyªn tè cã tÝnh chÊt hãa häc kh¸c nhau theo liªn kÕt hãa trÞ (Fe2O3, FeO, Al2O3, SiO2...). Lo¹i pha nµy Ýt gÆp trong hîp kim. 3.2.2.2.2. Pha xen kÏ Lµ çc pha t¹o thµnh cã kiÓu m¹ng riªng vµ lµ hîp chÊt hãa häc t¹o nªn gi÷a çc kim lo¹i ë nhãm chuyÓn tiÕp cã ®-êng kÝnh nguyªn tö lín víi çc ¸ kim cã ®-êng kÝnh nguyªn tö bÐ vµ tháa m·n ®iÒu kiÖn kÝch th-íc: - Khi dB/ dA < 0,59 t¹o thµnh pha xen kÏ víi çc kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n cña çc nguyªn tè kim lo¹i, cã kiÓu m¹ng kh¸c c¶ A vµ B (pha xen kÏ ®¬n gi¶n). Th-êng lµ çc lo¹i çc bÝt VC, WC, TiC ... §Æc ®iÓm: §é h¹t nhá, ®é cøng vµ ®é bÒn cao, ®-îc dïng lµm çc pha hãa bÒn lý t-ëng cho hîp kim. - Khi dB/ dA > 0,59 t¹o thµnh pha xen kÏ cã kiÓu m¹ng tinh thÓ phøc t¹p, cã tíi hµng chôc « c¬ b¶n trong mét nguyªn tö (pha xen kÏ phøc t¹p). VÝ dô : Fe 3C, Mn3C, Cr7C3 ... §Æc ®iÓm: Cã kiÓu m¹ng rÊt phøc t¹p. TÝnh chÊt: Cã ®é cøng, ®é bÒn cao vµ nhiÖt ®é nãng ch¶y cao. Th-êng dïng hãa bÒn cho hîp kim lµm viÖc ë nhiÖt ®é th-êng. 3.2.2.2.3. Pha ®iÖn tö (Pha Hum - R«zªri) Lµ pha t¹o nªn bëi çc kim lo¹i cã hãa trÞ kh¸c nhau, ®-îc h×nh thµnh cã kiÓu m¹ng riªng nh-ng ph¶i tháa m·n quy luËt vÒ trÞ sè nång ®é ®iÖn tö Ce. Pha ®iÖn tö cã ba d¹ng c¬ b¶n: - Pha : Ce = 3 / 2 - Cã kiÓu m¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m A2 - Pha : Ce = 21 / 13 - Cã kiÓu m¹ng lËp ph-¬ng phøc t¹p víi 52 nguyªn tö trong mét « c¬ b¶n - Pha : Ce = 7 / 4 - Cã kiÓu m¹ng lôc gi¸c. Víi C e  n A .v A  n B .v B nA  nB Trong ®ã: nA, nB: chØ sè cña çc nguyªn trong cÊu t¹o pha vA, vB: hãa trÞ cña çc nguyªn. 65 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÝ dô: Trong hîp kim Cu - Zn Çc d¹ng cÊu tróc: - Pha  (CuZn): Ce  - Pha  (Cu5Zn8): C e  - Pha  (CuZn3): C e  1 .1  1 .2 11 5 .1  8 .2 5  8 1 .1  3 .2 1 3  3 2  21 13  7 4 Chó ý: CÊu t¹o pha ®iÖn tö chØ cã t¸c dông tÝnh to¸n chØ sè C e, tõ ®ã chØ ra kiÓu m¹ng. B¶n th©n çc pha ®iÖn tö tån t¹i trong ph¹m vi thµnh phÇn. TÝnh chÊt: Pha ®iÖn tö cã ®é h¹t rÊt nhá, ®é cøng vµ ®é bÒn cao. Sè l-îng kh«ng lín, vïng thµnh phÇn kh«ng réng do ®ã Ýt dïng trong viÖc hãa bÒn. 3.2.2.2.4. Pha Laves Lµ hîp kim cña nhãm çc kim lo¹i chuyÓn tiÕp mµ cã thµnh phÇn kh«ng ®æi th-êng ®-îc biÓu diÔn b»ng c«ng thøc AB2 (MgCu2, CuZn2 ...). §Æc ®iÓm cña pha Laves: rÊt gißn lµm gi¶m c¬ tÝnh cña hîp kim, do ®ã trong s¶n xuÊt hîp kim tr¸nh sù xuÊt hiÖn cña pha Laves. Pha Laves cã cÊu tróc m¹ng tinh thÓ theo hÖ lËp ph-¬ng vµ lôc gi¸c. 3.2.2.2.5. Pha  Lµ çc pha trung gian cã d¶i thµnh phÇn tõ A4B  AB4. §Æc ®iÓm: pha  cã kiÓu m¹ng rÊt phøc t¹p, tÝnh gißn rÊt cao, vïng thµnh phÇn réng do ®ã lµm gi¶m c¬ tÝnh rÊt m¹nh cña hîp kim, khi lùa chän hîp kim tr¸nh h×nh thµnh pha . 3.2.3. Hçn hîp c¬ häc 3.2.3.1. Kh¸i niÖm Hçn hîp c¬ häc lµ çc tæ chøc cña hîp kim cã hai pha cïng tån t¹i trong mét thÓ thèng nhÊt, hai pha ®-îc t¹o ra cïng mét lóc vµ gi÷ nguyªn bÒ mÆt ph©n pha. 3.2.3.2. Çc lo¹i hçn hîp c¬ häc - Hçn hîp c¬ häc cïng tinh: lµ d¹ng hçn hîp c¬ häc cïng mét lóc kÕt tinh ra hai pha tõ thÓ láng. L  [A + B] T=2-3+1=0 Ph¶n øng cïng tinh x¶y ra ë nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn x¸c ®Þnh. 66 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §Æc ®iÓm cña hçn hîp c¬ häc cïng tinh lµ cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp nªn cã tÝnh ®óc tèt, nh-ng l¹i cã tÝnh gißn cao dÉn ®Õn khã gia c«ng ¸p lùc. - Hçn hîp c¬ häc cïng tÝch: lµ d¹ng hçn hîp c¬ häc tiÕt ra cïng mét lóc ë thÓ r¾n. RA  [RB + RC] T=0 Ph¶n øng cïng tÝch x¶y ra ë nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn x¸c ®Þnh. §Æc ®iÓm cña hçn hîp cïng tÝch lµ cã ®é bÒn vµ ®é cøng cao thÝch hîp víi viÖc s¶n xuÊt çc s¶n phÈm yªu cÇu c¬ tÝnh tèt. Tuy nhiªn víi ®é cøng cao dÉn ®Õn khã gia c«ng ¸p lùc. 3.2.3.3. Thµnh phÇn t¹o nªn hçn hîp c¬ häc - Hai dung dÞch r¾n - Mét dung dÞch r¾n + mét pha trung gian (phæ biÕn nhÊt) - Hai pha trung gian 3.3. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hîp kim 3.3.1. Kh¸i niÖm Gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hîp kim lµ ®å thÞ x©y dùng mèi quan hÖ gi÷a tæ chøc pha cña hîp kim phô thuéc vµo nhiÖt ®é. Çc lo¹i gi¶n ®å tr¹ng th¸i: - Gi¶n ®å mét nguyªn - Gi¶n ®å hai nguyªn - Gi¶n ®å ba nguyªn - Gi¶n ®å bèn nguyªn 3.3.2. ý nghÜa vµ ph-¬ng ph¸p x©y dùng gi¶n ®å tr¹ng th¸i 3.3.2.1. ý nghÜa - Dïng ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc cña hîp kim theo çc ®iÒu kiÖn bªn ngoµi vµ bªn trong (nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn). - X¸c ®Þnh çc tr¹ng th¸i tíi h¹n cña hîp kim ë tÊt c¶ çc vÞ trÝ ®Ó phôc vô cho xö lÝ nhiÖt luyÖn hîp kim. - Lùa chän ph-¬ng ¸n s¶n xuÊt hîp kim mét çch hîp lý nhÊt. 67 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 3.3.2.2. Ph-¬ng ph¸p x©y dùng - HÖ täa ®é cña gi¶n ®å hai nguyªn lµ nhiÖt ®é vµ thµnh phÇn. - Th«ng th-êng lµ x©y dùng b»ng ph-¬ng ph¸p ph©n tÝch nhiÖt: Gi¶ sö cÇn x©y dùng gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hÖ hai nguyªn A vµ B ng-êi ta chÕ t¹o çc mÉu hîp kim cã thµnh phÇn thay ®æi tõ 100%A  100%B. Sau ®ã nung ®Õn tr¹ng th¸i láng hoµn toµn çc mÉu råi cho kÕt tinh víi mét tèc ®é kÕt tinh ®ñ chËm ®Ó ®o, ®¸nh dÊu çc ®iÓm chuyÓn biÕn vµ nèi çc ®iÓm cïng tÝnh chÊt l¹i thu ®-îc gi¶n ®å tr¹ng th¸i. 100%A I II III IV V 100%B I 0 C II III IV V 0 C TA L L+ TB  100%A 100%B H×nh 3.3. Ph-¬ng ph¸p x©y dùng gi¶n ®å tr¹ng th¸i b»ng thùc nghiÖm 3.3.3. Mét sè lo¹i gi¶n ®å tr¹ng th¸i hai nguyªn c¬ b¶n 3.3.3.1. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë tr¹ng th¸i láng vµ tr¹ng th¸i r¾n PhÇn lín tr-êng hîp hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë tr¹ng th¸i láng, nh-ng sè tr-êng hîp hßa tan v« h¹n ë tr¹ng th¸i r¾n l¹i rÊt Ýt, ®ã lµ tr-êng hîp cña hÖ: Cu Ni; Au - Ag; Au - Pt; Fe - Ni; Au - Ni; Cr - Mo ... - D¹ng gi¶n ®å: I 0 C TA C 100%A LA  RA 0 L L+ m 1 2 n  100%A TB A I 100%B L T=2 L T=1  T=2 LB  RB B 100%B H×nh 3.4. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë tr¹ng th¸i láng vµ tr¹ng th¸i r¾n - Çc ®-êng trªn gi¶n ®å: TA m TB: lµ ®-êng láng 68 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt TA n TB: lµ ®-êng ®Æc : dung dÞch r¾n thay thÕ cña B trong A hoÆc A trong B. §iÓm TA vµ TB øng víi nhiÖt ®é nãng ch¶y cña hai kim lo¹i nguyªn chÊt t¹o nªn hÖ hîp kim. - Sù kÕt tinh cña kim lo¹i ®iÓn h×nh: Trªn ®iÓm (1) - hîp kim láng. Tõ ®iÓm (1) ®Õn (2) - láng chuyÓn sang r¾n. D-íi ®iÓm (2) - kÕt thóc kÕt tinh . - §-êng nguéi cña hîp kim ®iÓn h×nh: h×nh vÏ PhÝa trªn ®-êng láng lµ vïng tån t¹i cña dung dÞch láng, phÝa d-íi ®-êng ®Æc lµ vïng tån t¹i cña dung dÞch r¾n (), trong kho¶ng gi÷a 2 ®-êng láng vµ ®Æc gåm cã c¶ 2 pha: dung dÞch r¾n vµ dung dÞch láng, ®Êy lµ vïng øng víi sù kÕt tinh hay nãng ch¶y cña hîp kim. - §Æc ®iÓm cña hîp kim: Cã tÝnh dÎo cao do ®ång nhÊt lµ mét pha dung dÞch r¾n. Lu«n x¶y ra sù thiªn tÝch do ®ã Ýt sö dông ®Ó s¶n xuÊt ®óc. * Quy t¾c ®ßn bÈy ®Ó x¸c ®Þnh thµnh phÇn pha trong hîp kim: 0 0 C C Q M N n m 100%A x1 x2 x 100%B H×nh 3.5. Quy t¾c ®ßn bÈy ®Ó x¸c ®Þnh thµnh phÇn pha trong hîp kim Kh¶o s¸t hîp kim chøa x%B ë nhiÖt ®é t 0 tr¹ng th¸i nµy ®-îc biÓu diÔn bëi ®iÓm Q. Gi¶ sö ë nhiÖt ®é ®· cho, hîp kim bao gåm 2 pha M vµ N, trong pha M cã chøa x1%B, cßn trong pha N chØ chøa x2%B. Ta cÇn t×m l-îng t-¬ng ®èi cña 2 pha 69 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ®ã lµ m vµ n trong mét ®¬n vÞ cña hîp kim. Ta thÊy m.x 1 lµ l-îng chøa cña B trong M; n.x2 lµ l-îng chøa cña B trong N nªn: mx1 + nx2 = x vµ m + n = 1 n x  x1 x2  x1 vµ m  x2  x MQ hay n  x2  x1 NQ vµ m = MN MN Quy t¾c nµy gióp ta tÝnh ®-îc tû lÖ pha cña hîp kim nÕu nã cÊu t¹o bëi 2 pha. 3.3.3.2. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë láng, kh«ng hßa tan ë tr¹ng th¸i r¾n vµ cã t¹o thµnh cïng tinh Trong thùc tÕ, còng cã gÆp tr-êng hîp hai nguyªn hßa tan v« h¹n vµo nhau ë tr¹ng th¸i láng, nh-ng ë tr¹ng th¸i r¾n l¹i hoµn toµn kh«ng hßa tan vµo nhau, ®ã lµ tr-êng hîp cña çc hÖ: Pb - Sb; Sn - Zn. - D¹ng gi¶n ®å: I 0 C II I 0 C L (T = 2) L TA L (T = 2) TB L+A L  A (T = 1) L+B P [A + B] Q A + [A + B] II R B + [A + B] 100%A LQ  [A + B] (T = 0) LQ  [A + B] (T = 0) A + [A + B] (T = 1) [A + B] (T = 1) 100%B H×nh 3.6. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë láng, kh«ng hßa tan ë tr¹ng th¸i r¾n vµ cã t¹o thµnh cïng tinh - Çc ®-êng trªn gi¶n ®å: TA Q TB: lµ ®-êng láng P Q R: lµ ®-êng ®Æc (®-êng cïng tinh, ®iÓm Q gäi lµ ®iÓm cïng tinh). §-êng láng vµ ®-êng ®Æc ph©n gi¶n ®å lµm 4 khu vùc. Khu vùc phÝa trªn ®-êng láng lµ vïng tån t¹i dung dÞch láng, khu vùc gi÷a ®-êng láng TAQ vµ ®-êng ®Æc lµ vïng tån t¹i cña 2 pha dung dÞch láng (L) vµ tinh thÓ A, khu vùc gi÷a ®-êng láng TBQ vµ ®-êng ®Æc lµ vïng tån t¹i cña hai pha dung dÞch láng (L) vµ tinh thÓ B, khu vùc phÝa d-íi ®-êng ®Æc lµ vïng tån t¹i cña hai pha r¾n A vµ B. 70 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Do 2 nguyªn hßa tan v« h¹n vµo nhau ë tr¹ng th¸i láng nªn cã thÓ t¹o nªn dung dÞch láng, v« h¹n (L). ë tr¹ng th¸i r¾n chóng kh«ng hßa tan vµo nhau t¹o nªn dung dÞch r¾n mµ vÉn n»m ë tr¹ng th¸i gåm çc nguyªn nguyªn chÊt A vµ B. VËy çc pha cã thÓ t¹o nªn trong gi¶n ®å nµy lµ dung dÞch láng, nguyªn nguyªn chÊt A vµ B nªn sè pha lín nhÊt F = 3. - Hîp kim cã thµnh phÇn øng víi ®iÓm Q cã ®Æc tr-ng lµ cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp, kÕt tinh ë nhiÖt ®é kh«ng ®æi vµ kÕt tinh ra ngay hai pha r¾n mét lóc. §iÓm Q ®-îc gäi lµ ®iÓm cïng tinh, ph¶n øng cïng tinh x¶y ra nhsau: LQ  [A + B] (cïng mét lóc kÕt tinh ra c¶ A vµ B) Hîp kim ë bªn tr¸i ®iÓm Q gäi lµ hîp kim tr-íc cïng tinh, sau ®iÓm Q gäi lµ hîp kim sau cïng tinh. - §-êng nguéi cña hîp kim ®iÓn h×nh: h×nh vÏ - §Æc ®iÓm cña hîp kim. + TÝnh dÎo kÐm do sù xuÊt hiÖn cña cïng tinh [A + B]. + NhiÖt ®é nãng ch¶y cña hîp kim gi¶m dÇn, thÊp nhÊt t¹i thµnh phÇn cïng tinh nªn hay dïng ®Ó s¶n xuÊt ®óc. + Còng do xuÊt hiÖn cïng tinh [A + B] nªn ®é ph©n t¸n, ®é cøng cao dÉn ®Õn khã gia c«ng ¸p lùc. * Tam gi¸c Tam man ®Ó x¸c ®Þnh l-îng cïng tinh: - Theo quy t¾c ®ßn bÈy: XÐt hîp kim I, hîp kim nµy sau khi kÕt tinh xong cã tæ chøc A + [A + B] trong ®ã tinh thÓ A biÓu diÔn ë ®iÓm C vµ cïng tinh [A + B] biÓu diÔn t¹i ®iÓm E. Do vËy: %A = HE CE ; %[A + B] = HC CE - Theo çch tÝnh tõ tam gi¸c Tamman: 71 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 0 I C C A L B L+A C a, L+B E H D F 100% [A+B] 100%B 100%A 0 0 C 0 C 0 C C L L L+A L+A L+B 100%B 100%A L+B 100%A 100%B 100%B 100%A b, c, H×nh 3.7. Tam gi¸c Tam man ®Ó tÝnh l-îng cïng tinh (a)çc vµ çc pha A (b), pha B (c) Ngoµi ra, trong h×nh vÏ trªn, nÕu coi EF lµ 100% l-îng cïng tinh th× çc ®o¹n th¼ng vu«ng gãc víi CD vµ n»m trong çc tam gi¸c CEF vµ DEF sÏ chØ râ l-îng cïng tinh cña çc hîp kim t-¬ng øng (h×nh a). T-¬ng tù, còng cã thÓ x¸c ®Þnh l-îng pha A (h×nh b) vµ pha B (h×nh c). 3.3.3.3. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë tr¹ng th¸i láng, hßa tan cã h¹n ë tr¹ng th¸i r¾n vµ cã t¹o thµnh cïng tinh - Gi¶n ®å tr¹ng th¸i: C TA I TB L+ R Q +II+ [+] [ + ] P [+II] E 100%A C I L L+  0 III II +II+ [+] [ + II] 0 II L (T = 2) L   (T = 1)  (T = 2)  III L (T = 2) L (T = 2) L   (T = 1) LQ [P + R] (T = 0) LQ [P + R] (T = 0)  + [ + ] (T = 1) [ + ] (T = 1)  + II (T = 1) F 100%B H×nh 3.8. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë tr¹ng th¸i láng, hßa tan cã h¹n ë tr¹ng th¸i r¾n vµ cã t¹o thµnh cïng tinh 72 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Çc ®-êng trªn gi¶n ®å: TA Q TB: lµ ®-êng láng TA P Q R TB: lµ ®-êng ®Æc P Q R: ®-êng cïng tinh Q: ®iÓm cïng tinh PE: ®-êng giíi h¹n hoµ tan cña B trong A theo nhiÖt ®é RF: ®-êng giíi h¹n hoµ tan cña A trong B theo nhiÖt ®é : dung dÞch r¾n xen kÏ cña B trong A : dung dÞch r¾n xen kÏ cña A trong B II, II: vÉn lµ ,  nh-ng ®-îc tiÕt ra ë tr¹ng th¸i r¾n [ + ]: hçn hîp c¬ häc cïng tinh cña A vµ B - §-êng nguéi cña hîp kim ®iÓn h×nh: h×nh vÏ - §Æc ®iÓm cña hîp kim: cã hai vïng + Dung dÞch r¾n + Cã hçn hîp c¬ häc cïng tinh  Tuú theo thµnh phÇn hîp kim ng-êi ta cã thÓ lùa chän çc ph-¬ng ph¸p gia c«ng kh¸c nhau: + Çc hîp kim cã % B < % P vµ > % R: ®©y lµ hîp kim dÎo, cã thÓ gia c«ng ¸p lùc. + Çc hîp kim cã % B thuéc kho¶ng [ P, R ]: ®©y lµ hîp kim ®óc, tÝnh chÊt phô thuéc vµo l-îng  vµ . 3.3.3.4. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë láng vµ t¹o thµnh bao tinh - D¹ng gi¶n ®å: I 0 C II C TB L TA N 100%A L   (T = 1) P  +II  L (T = 2)  + II L   (T = 1) LM + P  N (T = 1)  (T = 2) + Q L (T = 2) L   (T = 1) L+ M L+ II I 0  + II (T = 1)  (T = 2)  + II (T = 1) R 100%B H×nh 3.9. Gi¶n ®å hÖ hai nguyªn hßa tan v« h¹n ë láng vµ t¹o thµnh bao tinh 73 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Çc ®-êng trªn gi¶n ®å: TA M TB: lµ ®-êng láng TA N P TB: lµ ®-êng ®Æc M N P: ®-êng bao tinh, x¶y ra ph¶n øng bao tinh LM + P  N 3.3.3.5. Mét sè d¹ng gi¶n ®å ®Æc biÖt - Lo¹i t¹o cïng tÝch 0 C L (T=2) 0 C I A L N  G + +  P L(T=1) B L+ S M L+ E (T=2)  (T=1) K + 100%A R S[p+k] (T=0) T [+]+ (T=1) 100%B Ph¶n øng cïng tÝch :       T  comt s P  K  [p + K] gäi lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch VÝ dô: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe + C (sÏ nghiªn cøu ë phÇn sau) - Lo¹i t¹o thµnh hîp chÊt hãa häc æn ®Þnh Çc hîp chÊt hãa häc t¹o thµnh lu«n æn ®Þnh vÒ thµnh phÇn hãa häc. 0 C 0 C B H L L+AmBn 100%A CuuDuongThanCong.com L+B Am+Bn + [B+AmBn] AmBn B+[B+AmBn ] B+AmBn A+ [A+AmBn] D L+AmBn AmBn + [A+AmBn] L+A C A+AmBn A 100%B 74 https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÝ dô: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Mg - Ca 0 0 C C 810 L 780 690 560 L+Mg4Ca3 L+Mg 520 Mg+Mg4Ca3 100%Mg L+Ca L+Mg4Ca3 18 Mg4Ca3+Ca 52,5 77 100%Ca 75 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 4. BiÕn d¹ng dÎo vµ c¬ tÝnh cña kim lo¹i Đa số các vật phẩm kim loại được chế tạo bằng cách gia công biến dạng. Trong các nhá máy luyện kim sau khi nấu chảy và đúc kim loại thành những thỏi lớn, người ta đem cán thành những bán thành phẩm khác nhau: dạng thỏi, tấm hình vv... ở các nhà máy cơ khí chế tạo, các chi tiết được gia công bằng rèn, rập, tiện, phay bào ... Trong tất cả các phương pháp gia công đá, kim loại bị biến dạng dẻo để nhận được hình dạng cần thiết. Khi cán, rèn, rập, quá trình biến dạng kim loại xảy ra trong toàn bộ hoặc hầu hết thể tích kim loại, còn khi tiện phay, bào....chỉ xảy ra trên một phần thể tích (thông thường là lớp bề mặt) với kết quả cuối cùng của biến dạng là sự tách phai. Mục đích của chương này là nghiên cứu bản chất của quá trình biến dạng mà chủ yếu là biến dạng dẻo có nếu khái quát về biến dạng đàn hồi và sự phá huỷ, đồng thời nghiên cứu những thay đổi về tổ chức và tính chất do biến dạng dẻo gây ra, ảnh hưởng của nhiệt độ đến trạng thái sau biến dạng. 4.1. Çc kh¸i niÖm 4.1.1. BiÕn d¹ng ®µn håi, biÕn d¹ng dÎo vµ ph¸ hñy 4.1.1.1. BiÓu ®å kÐo kim lo¹i  (N/m2) P (N,KN) b C D K ch dh A B N O ld M l l®h H×nh 4.1 Gi¶n ®å øng suÊt –biÕn d¹ng 76 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Kh¶o s¸t qu¸ tr×nh biÕn d¹ng cña mÉu, ta cã thÓ rót ra 3 yÕu tè biÕn d¹ng sau ®©y: BiÕn d¹ng ®µn håi lµ biÕn d¹ng bÞ mÊt ®i ngay sau khi khö t¶i träng, biÕn d¹ng dÎo cã kÌm theo sù thay ®æi h×nh d¹ng sau khi khö t¶i träng vµ sù ph¸ hñy lµm cho mÉu t¸ch rêi thµnh nh÷ng phÇn riªng lÎ. T-¬ng øng víi 3 yÕu tè ®ã lµ 3 giai ®o¹n cña biÕn d¹ng. + BiÕn d¹ng ®µn håi (®o¹n OA) + BiÕn d¹ng dÎo - ®-êng cong AB + BiÕn cøng - ®-êng cong BC + Giai ®o¹n ph¸ hñy - ®-êng cong CD BiÕn d¹ng ®µn håi kh«ng nh÷ng x¶y ra trong giai ®o¹n ®µn håi mµ ngay c¶ trong giai ®o¹n biÕn d¹ng dÎo vµ ph¸ hñy. ChÝnh v× vËy, ®é biÕn d¹ng cña 2 giai ®o¹n nµy gåm 2 phÇn: ®µn håi vµ dÎo nªn L = l®h + ld VÝ dô: T¹i ®iÓm K muèn t×m 2 thµnh phÇn nµy, ta ph¶i kÎ KN//OA; KM// trôc tung. Khi ®ã ON lµ ld ®o¹n NM lµ l®h 4.1.1.2. B¶n chÊt cña biÕn d¹ng ®µn håi. §Þnh luËt Hooke + BiÕn d¹ng ®µn håi lµ biÕn d¹ng mµ bÞ mÊt ®i sau khi khö t¶i träng. BiÕn d¹ng ®µn håi tu©n theo ®Þnh luËt Hooke tøc lµ øng suÊt  t¸c dông lªn kim lo¹i g©y ra ®é biÕn d¹ng  tû lÖ thuËn víi suÊt ®ã:  = E. E: gäi lµ m«®uyn ®µn håi ph¸p tuyÕn cña vËt liÖu (MN/mm2; Mpa) Víi tr¹ng th¸i øng suÊt tiÕp  th×:  = G.  gãc lÖch cña tinh thÓ khi chÞu øng suÊt G: m«®uyn tr-ît cña vËt liÖu (MN/mm2; Mpa) + M«®uyn ®µn håi ph¸p tuyÕn E vµ m«®uyn tr-ît G lµ 2 ®Æc tÝnh quan träng cña biÕn d¹ng ®µn håi. Gi÷a chóng cã quan hÖ sau: E = 2G(1 + ) : lµ hÖ sè poisson tïy thuéc vµo tõng lo¹i kim lo¹i th«ng th-êng   1 3 Tõ çc biÓu thøc trªn, ta thÊy ®Þnh luËt Hooke chØ ®óng trong giai ®o¹n biÕn d¹ng ®µn håi. + Çc yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn m«®uyn ®µn håi, nhiÖt ®é, nguyªn tè hîp kim vµ tæ chøc cña vËt liÖu. 77 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 4.1.1.3. BiÕn d¹ng dÎo §Æc tr-ng cña biÕn d¹ng dÎo lµ biÕn d¹ng sau khi bá t¶i träng mµ vÉn tån t¹i mét l-îng biÕn d¹ng d- lµm mÉu bÞ thay ®æi vÒ h×nh d¹ng vµ kÝch th-íc. ý nghÜa: Lµm thay ®æi h×nh d¹ng, kÝch th-íc mµ kim lo¹i kh«ng bÞ ph¸ hñy cho phÐp gia c«ng çc s¶n phÈm cã h×nh d¹ng x¸c ®Þnh, lµm c¬ së lý thuyÕt gia c«ng kim lo¹i b»ng ¸p lùc. 4.1.2. BiÕn d¹ng dÎo ®¬n tinh thÓ 4.1.2.1. D¹ng øng suÊt g©y biÕn d¹ng dÎo XÐt øng suÊt trªn mÆt tinh thÓ: * Khi øng suÊt lµ øng suÊt ph¸p ()   a a H×nh 4.2 øng suÊt t¸c dông lªn m¹ng tinh thÓ NÕu t¸c dông lªn tinh thÓ øng suÊt ph¸p thuÇn tóy (kÐo theo nÐn) th× kho¶ng çch nguyªn tö theo chiÒu trùc giao víi mÆt tinh thÓ sÏ t¨ng hoÆc gi¶m. NÕu øng suÊt bÐ th× sù thay ®æi kho¶ng çch nguyªn tö còng bÐ vµ khi khö øng suÊt, lùc hót hoÆc ®Èy sÏ ®-a nguyªn tö vÒ vÞ trÝ cò, tøc lµ ®é biÕn d¹ng sÏ mÊt ®i. NÕu øng suÊt ph¸p lín lµm cho sù thay ®æi kho¶ng çch nguyªn tö v-ît qu¸ gi¸ trÞ cho phÐp th× sÏ x¶y ra qu¸ tr×nh ph¸ hñy. Nh- vËy, øng suÊt ph¸p kh«ng lµm cho tinh thÓ biÕn d¹ng dÎo mµ chØ cã biÕn d¹ng ®µn håi vµ sau ®ã ph¸ hñy dßn, tøc ph¸ hñy kh«ng kÌm theo biÕn d¹ng dÎo. * Khi øng suÊt lµ øng suÊt tiÕp ()   1 (a) 2 (b) (c) H×nh 4.3 Sù thay ®æi m¹ng tinh thÓ khi biÕn d¹ng 78 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Khi øng suÊt tiÕp cã trÞ sè nhá, çc líp nguyªn tö bÞ xª dÞch ®µn håi mét gãc  (h×nh b) vµ khi khö øng suÊt, çc nguyªn tö trë l¹i vÞ trÝ cò, do ®ã tinh thÓ trë l¹i víi kÝch th-íc vµ h×nh d¸ng ban ®Çu. Khi øng suÊt ®ñ lín, ngoµi sù xª dÞch ®µn håi cã thÓ x¶y ra hiÖn t-îng tr-ît (h×nh c) phÇn trªn cña tinh thÓ tr-ît khái phÇn d-íi mét ®o¹n b»ng mét kho¶ng çch nguyªn tö. MÆt ph¼ng n¬i x¶y ra tr-ît gäi lµ mÆt tr-ît. Khi tr-ît, nguyªn tö ph¸ vì mèi liªn kÕt víi nguyªn tö cò xong l¹i t¹i mèi liªn kÕt míi víi nguyªn tö míi nªn mèi liªn kÕt gi÷a çc nguyªn tö kh«ng bÞ ph¸ hñy. KÝch th-íc vµ h×nh d¸ng cña tinh thÓ thay ®æi mµ kh«ng bÞ ph¸ hñy vµ nhvËy ®· x¶y ra biÕn d¹ng dÎo. VËy, chØ cã øng suÊt tiÕp míi g©y ra biÕn d¹ng dÎo. 4.1.2.2. §é bÒn lý thuyÕt vµ thùc tÕ cña kim lo¹i * §é bÒn lý thuyÕt F x  B A  a B C b/2 b x H×nh 4.4 §Ó x¸c ®Þnh ®é bÒn cña kim lo¹i cÇn nghiªn cøu vµ tÝnh to¸n th«ng qua c¬ chÕ tr-ît. §Ó t¹o ra sù xª dÞch d- th× líp nguyªn tö trªn ph¶i tr-ît t-¬ng øng víi líp nguyªn tö d-íi mét ®o¹n Ýt nhÊt lµ b»ng 1 th«ng sè m¹ng. V× lóc ®ã çc nguyªn tö chiÕm çc vÞ trÝ c©n b»ng míi, trïng víi çc nót m¹ng cña tinh thÓ. Gäi x lµ ®é xª dÞch cña mçi nguyªn tö vµ còng lµ ®é xª dÞch chung cña toµn líp nguyªn tö. T¹i vÞ trÝ trung gian x  b th× lùc t¸c dông lªn nguyªn tö A b»ng 0 v× 2 lùc hót ®-îc c©n b»ng tõ 2 phÝa. Khi ®é xª dÞch x > b th× nã chÞu t¸c dông lùc hót tõ 2 nguyªn tö C nªn lùc t¸c dông lªn nguyªn tö khi tr-ît ®-îc tÝnh lµ: F  k . sin . 2x b 79 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt F: lµ lùc tr-ît cÇn thiÕt mµ mçi nguyªn tö ph¶i th¾ng ®Ó dÞch chuyÓn víi ®é x« dÞch x. MÆt kh¸c, theo ®Þnh luËt Hooke ta cã  = F = G.  G. x (do  bÐ) a nªn k sin x  G. b  k. 2x x a  G. b x (coi sin a 2x  b 2x ) b NÕu coi a = b th× G = 2k vµ k = G 2 k: gäi lµ biªn ®é cña lùc, nã lµ lùc lín nhÊt cÇn t¸c dông lªn mÆt tr-ît ®Ó t¹o ra sù tr-ît. Do ®ã, ®é bÒn lý thuyÕt cña tinh thÓ kim lo¹i lµ   1 G 2 * §é bÒn thùc tÕ §é bÒn thùc tÕ nhá h¬n gi¸ trÞ ®é bÒn lý thuyÕt tõ (103  104) lÇn. Sù kh¸c nhau nµy chØ cã thÓ gi¶i thÝch ®-îc khi xuÊt hiÖn lý thuyÕt lÖch theo ®ã, cÊu tróc m¹ng tinh thÓ thùc tÕ lµ kh«ng hoµn chØnh vµ cã chøa nhiÒu lÖnh.   vïng trung t©m lÖch    b  H×nh 4.5 T¹i trung t©m lÖch ®é æn ®Þnh kÐm do t¨ng n¨ng l-îng tù do chÝnh v× vËy, chØ cÇn t¸c ®éng nhá th× nã lµm thay ®æi tr¹ng th¸i vµ vÞ trÝ. Khi ®ã, gi¸ trÞ øng suÊt g©y ra chuyÓn ®éng cña lÖch gÇn b»ng víi øng suÊt thùc tÕ vµ ®-îc tÝnh theo c«ng thøc Peiers - Nabbaro  PN  2G 1  exp 2 a  3G   .  8   8 . 10  1  b a: kho¶ng çch gi÷a çc mÆt nguyªn tö song song víi mÆt tr-ît b: kho¶ng çch gi÷a çc nguyªn tö theo h-íng tr-ît 80 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Tãm l¹i, trong tinh thÓ cã cÊu t¹o hoµn chØnh lý t-ëng, tr-ît x¶y ra b»ng çch çc nguyªn tö trªn mÆt tr-ît xª dÞch cïng mét lóc trªn mét kho¶ng çch nguyªn tö do ®ã cÇn ph¶i cã lùc t¸c dông rÊt lín. Trong tinh thÓ thùc tÕ, tr-ît x¶y ra b»ng chuyÓn ®éng cña lÖch, çc nguyªn tö trªn mÆt tr-ît xª dÞch kh«ng cïng lóc nªn chØ cÇn lùc t¸c dông t-¬ng ®èi nhá. * Nguån t¹o lÖch Frank - Read Theo m« h×nh, biÕn d¹ng mét lÖch t¹o ra mét bËc cã trÞ sè lµ mét th«ng sè m¹ng b . Trong tinh thÓ nÕu cã n lÖch sÏ t¹o ra mét bËc cã trÞ sè lµ n. b . Thùc tÕ, møc ®é biÕn d¹ng t¹o ra cã trÞ sè lín h¬n n. b rÊt nhiÒu. Gi¶ thuyÕt trong qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo çc lÖch míi sinh ra. Nguån ph¸t sinh lÖch trong khi biÕn d¹ng ®-îc gäi lµ nguån Frank - Read víi nguyªn lý ho¹t ®éng nhsau: A   l    B H×nh 4.6 Gi¶ sö cã mét ®o¹n ®-êng lÖch AB bÞ kÑp chÆt. §ã lµ nh÷ng nót gÆp nhau cña çc ®-êng lÖch trªn nh÷ng mÆt tr-ît kh¸c nhau, nh÷ng nguyªn tö t¹p chÊt hay çc nguyªn nh©n kh¸c. D-íi t¸c dông cña øng suÊt tiÕp , ®-êng lÖch ph¶i chuyÓn ®éng trªn mÆt tr-ît nh-ng do A, B bÞ kÑp chÆt nªn ®-êng lÖch AB bÞ cong dÇn. øng suÊt cÇn thiÕt ®Ó ®-êng lÖch cã b¸n kÝnh cong cùc tiÓu gäi lµ øng suÊt tíi h¹n.  FR  G .b  G .b 2R l   PN b: ®é lín vÐct¬ bragg l: lµ kho¶ng çch gi÷a hai ®iÓm AB 4.1.3. Çc c¬ chÕ biÕn d¹ng dÎo 4.1.3.1. Tr-ît 81 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Lµ c¬ chÕ biÕn d¹ng dÎo mµ trong qu¸ tr×nh biÕn d¹ng mét phÇn tinh thÓ tr-ît t-¬ng ®èi so víi mét mÆt cè ®Þnh gäi lµ mÆt tr-ît. Trong mÆt tr-ît theo çc ph-¬ng x¸c ®Þnh gäi lµ ph-¬ng tr-ît. mÆt tr-ît H×nh 4.7 + MÆt tr-ît lµ mÆt cã mËt ®é mÆt sÝt chÆt Ms lín nhÊt. + Ph-¬ng tr-ît lµ ph-¬ng cã sè nguyªn tö lín nhÊt + HÖ tr-ît lµ tÝch sè gi÷a mÆt tr-ît vµ ph-¬ng tr-ît. KiÓu m¹ng nµo cã hÖ tr-ît lín th× kh¶ n¨ng biÕn d¹ng cµng cao. VÝ dô: Víi m¹ng A1K12 MÆt tr-ît (111) cã 6 mÆt Ph-¬ng tr-ît (110) cã 2 ph-¬ng nªn cã 12 hÖ tr-ît Víi m¹ng A2K8: MÆt tr-ît (111) cã 4 mÆt Ph-¬ng tr-ît (111) cã 3 ph-¬ng nªn cã 12 hÖ tr-ît C¶ 2 m¹ng A1K12 vµ A2K8 cïng cã 12 hÖ tr-ît xong m¹ng A1K12 dÔ biÕn d¹ng dÎo h¬n do cã sè mÆt tr-ît lín h¬n Víi m¹ng A3L12: MÆt tr-ît (0001) cã 1 mÆt Ph-¬ng tr-ît (2110) cã 3 ph-¬ng nªn cã 3 hÖ tr-ît v× vËy m¹ng A 3L12 rÊt khã biÕn d¹ng dÎo 4.1.3.2. §èi tinh §èi tinh lµ qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo mµ çc phÇn tinh thÓ dÞch chuyÓn ®èi xøng nhau qua mét mÆt ph¼ng cè ®Þnh gäi lµ mÆt ®èi tinh (song tinh) 82 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt     mÆt ®èi tinh H×nh 4.8 §Æc ®iÓm cña ®èi tinh + Gièng nh- tr-ît, ®èi tinh còng x¶y ra theo nh-ng mÆt vµ ph-¬ng x¸c ®Þnh. + Khi biÕn d¹ng, qu¸ tr×nh ®èi tinh b¾t ®Çu khi øng suÊt v-ît qu¸ trÞ sè nhÊt ®Þnh. + §èi tinh x¶y ra ®ét ngét trø kh«ng ph¶i tõ tõ víi tèc ®é x¸c ®Þnh nh- qu¸ tr×nh tr-ît. V× vËy, nã cã kh¶ n¨ng tiÕn hµnh ®Ó dÔ dµng trong ®iÒu kiÖn t¶i träng nhanh. + V× sù chuyÓn dÞch cña nguyªn tö trªn mçi mÆt ph¼ng x¶y ra chØ mét lÇn trªn kho¶ng çch ng¾n nªn ®é biÕn d¹ng d- t¹o ra khi ®èi tinh cã trÞ sè rÊt, bÐ nªn nh÷ng tinh thÓ khi biÕn d¹ng dÎo b»ng ®èi tinh th× qu¸ tr×nh ph¸ hñy lµ ph¸ hñy dßn. + §èi tinh x¶y ra th× nã cã t¸c dông lµm cho qu¸ tr×nh tr-ît còng x¶y ra dÔ dµng h¬n. 4.1.3.3. Vai trß cña mÆt tr-ît vµ ph-¬ng tr-ît trong biÕn d¹ng dÎo p P n p n pn p  n pp  m  m Ph-¬ng tr-ît F F0 p H×nh 4.9 83 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt m = m.sin --> m = p . sin  F MÆt kh¸c, øng suÊt theo ph-¬ng tr-ît     m . cos  vµ F   Fo cos  nªn ta cã:   P . sin  . cos  Fo cos  -->    1 2  0 . sin 2  . cos  vµ  0  P F0 Coi  = 0 ta thÊy nÕu  = 0 vµ  = 900 th× cho dï lùc P cã lín ®Õn ®©u còng kh«ng x¶y ra tr-ît vÞ trÝ thuËn lîi nhÊt cña mÆt tr-ît ®Ó ()max lµ  = 450 Khi ®ã: max = 1 2 0 4.1.3.4. H×nh th¸i vµ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh tr-ît H×nh th¸i cña qu¸ tr×nh tr-ît Trªn h×nh 4.8 tr×nh bµy sù biÕn ®æi m¹ng tinh thÓ khi tr-ît kh«ng cã lÖch. Do sù dÞch chuyÓn t-¬ng ®èi lÉn nhau gi÷a hai phÇn cña m¹ng ®i nh-ng sè nguyªn lÇn kho¶ng çch nguyªn tö, çc nguyªn tö ë hai bªn mÆt tr-ît chiÕm nh÷ng vÞ trÝ c©n b»ng míi, nªn sau khi bá t¶i träng m¹ng tinh thÓ kh«ng thÓ trë l¹i h×nh d¸ng cò, ®Ó l¹i bËc thang trªn bÒ mÆt tinh thÓ. Trong thùc tÕ chiÒu dµi bËc thang lµ h»ng tr¨m – hµng ngh×n th«ng sè m¹ng. Mặt trượt Trước biến dạng Sau biến dạng Hình 4.10 S¬ ®å biÓu diÔn sù biÕn ®æi m¹ng tinh thÓ tr-íc vµ sau khi tr-ît kh«ng cã lÖch 84 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Qu¸ tr×nh tr-ît ë trong m¹ng cña ®¬n tinh thÓ sÏ x¶y ra theo trËt tù sau ®©y: 2000 A0 - Tr-íc tiªn m¹ng tinh thÓ sÏ bÞ tr-ît theo hÖ tr-ît c¬ b¶n cã lîi nhÊt, tøc lµ ë hÖ cã øng suÊt tiÕp lín h¬n øng suÊt tr-ît tíi h¹n. HÖ tr-ît nµy ®-îc gäi lµ hÖ tr-ît chÝnh. Sau khi hai phÇn c¶u ®¬n tinh thÓ chuyÓn ®éng t-¬ng ®èi víi nhau trªn mÆt tr-ît ®Çu tiªn c¶u hÖ tr-ît chÝnh ®i mét kho¶ng çch nhÊt ®Þnh, t¹o nªn bËc thang vµ dõng l¹i (h×nh 4.10a), th× sù tr-ît l¹i x¶y ra tiÕp theo ë çc mÆt tr-ît kÕ tiÕp cña hÖ tr-ît chÝnh (h×nh 4.10b vµ c). Cuèi cïng trªn bÒ mÆt c¶u ®¬n tinh thÓ xuÊt hiÖn nh÷ng bËc thang, ®¬n tinh thÓ cã d¹ng nh- mét chuçi xu xÕp nghiªng. VÕt cña çc mÆt tr-ît trªn bÒ mÆt mÉu ®-îc gäi lµ d¶i tr-ît. Cã thÓ thÊy rÊt râ çc d¶i tr-ît trªn kÝnh hiÓn vi quang häc, nã gåm v« sè çc ®-êng song song víi nhau Së dÜ hai phÇn cña tinh thÓ chØ tr-ît víi nhau mét kho¶ng nhÊt ®Þnh (vÝ dô víi nh«m kho¶ng 2000A0) råi dõng l¹i, còng nh- hai mÆt tr-ît c¹nh nhau trong hÖ tr-ît c¬ b¶n kh«ng thÓ qu¸ gÇn nhau (vÝ dô ®èi víi nh«m kho¶ng çch gi÷a hai ®-êng tr-ît c¹nh nhau kho¶ng 200A0) lµ do m¹ng tinh thÓ ë vïng xung quanh mÆt tr-ît bÞ x« lÖch, bÞ hãa bÒn vµ sÏ ®-îc tr×nh bµy ë môc sau (sù biÓu diÔn m¹ng tinh thÓ vïng xung quanh mÆt tr-ît nh- h×nh 4.9 lµ ch-a chÝnh x¸c). 200 A0 a c b H×nh 4.10 S¬ ®å t¹o nªn d¶i tr-ît trong ®¬n tinh thÓ Al - Theo sù ph¸t triÓn cña biÕn d¹ng dÎo, øng suÊt t¨ng lªn, tiÕp theo hÖ tr-ît chÝnh, tr-ît sÏ x¶y ra theo nh÷ng hÖ tr-ît kh¸c. Lóc nµy çc ®-êng tr-ît míi c¾t chång lªn nh÷ng ®-êng tr-ît cò, trë lùc tr-ît t¨ng lªn. - Ngoµi sù t¹o nªn çc hÖ tr-ît chÝnh vµ kÕ tiÕp kÓ trªn cßn cã qu¸ tr×nh quay cña mÆt tr-ît vµ ph-¬ng tr-ît. MÆt tr-ît cã khuþnh h-íng quay sao cho ®Õn vÞ trÝ song song víi ngo¹i lùc, cßn ph-¬ng tr-ît cã khuynh h-íng quay ®Õn vÞ trÝ sao cho øng suÊt tiÕp trªn nã lµ lín nhÊt (tøc thu hÑp gãc λ) Tõ sù tr×nh bµy trªn cã thÓ rót ra nhËn xÐt lµ nÕu tr-ît x¶y ra trªn nhiÒu mÆt ph¶ng th× ®¬n tinh thÓ cã ®é biÕn d¹ng d- lín (hay nãi kh¸c ®i cã ®é dÎo cao), ®é 85 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt biÕn d¹ng d- nµy chÝnh lµ kÕt qu¶ tæng hîp cña tÊt c¶ çc ®é xª dÞch d- (bËc thang) ë trªn mÆt tr-ît. C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh tr-ît Theo h×nh th¸i tr-ît nh- tr×nh bµy ë trªn th× khi tr-ît tÊt c¶ çc nguyªn tö ë trªn mÆt tr-ît ®Òu dÞch chuyÓn ®i ®ång thêi, nghÜa lµ ë mçi thêi ®iÓm çc nguyªn tö ®Òu dÞch chuyÓn ®i nh÷ng ®o¹n b»ng nhau. Çch tr-ît nh- vËy gäi lµ tr-ît cøng. Theo çch tr-ît nµy øng suÊt tiÕp t¸c dông ph¶i rÊt lín ®Ó kh¾c phôc ®-îc cïng mét lóc tÊt c¶ çc mèi liªn kÕt gi÷a çc nguyªn tö ë hai bªn mÆt tr-ît. Nh-ng trong thùc tÕ øng suÊt g©y ra tr-ît cña kim lo¹i l¹i rÊt thÊp do ®ã c¬ chÕ tr-ît cøng nh®· tr×nh bµy ë trªn kh«ng gi¶i thÝch ®-îc tÝnh dÔ tr-ît cña kim lo¹i. Cã thÓ gi¶i thÝch tÝnh dÔ tr-ît (øng suÊt tr-ît tíi h¹n thÊp) cña kim lo¹i nhsau: NÕu nh- trong m¹ng tinh thÓ lu«n lu«n cã lÖch th× chóng lu«n lu«n lµ n¬i xuÊt ph¸t cña qu¸ tr×nh tr-ît, sù tr-ît t¸c ®éng ®Õn çc nguyªn tö ë trªn mÆt tr-ît mét çch nèi tiÕp nhau nh- ch¹y tiÕp søc, cho nªn ë mçi thêi ®iÓm chØ cã mét sè l-îng çc nguyªn tö tham gia qu¸ tr×nh tr-ît, do ®ã øng suÊt g©y ra tr-ît chØ cÇn thÊp. H×nh 4.11 H×nh 4.11 tr×nh bµy qu¸ tr×nh tr-ît trong m¹ng tinh thÓ cã lÖch th¼ng (lÖch biªn). sù cã mÆt cña b¸n mÆt AB ë trong m¹ng tinh thÓ g©y ra ë vïng xung quanh nã sù x« lÖch ®µn håi ®èi xøng, do ®ã øng suÊt (nÐn hay kÐo) ë hai bªn nã còng mang tÝnh chÊt ®èi xøng nªn chóng sÏ c©n b»ng lÉn nhau. NÕu cã øng suÊt tiÕp η t¸c dông len mÆt tr-ît th× sù c©n b»ng øng suÊt ®èi víi b¸n mÆt AB bÞ ph¸ vì: lùc t¸c dông lªn AB tõ bªn tr¸I sÏ lín h¬n bªn ph¶i (nh- trong tr-êng hîp chiÒu t¸c 86 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt dông cña η nh- biÓu diÔn ë h×nh vÏ). Khi ®ã chØ cÇn øng suÊt ®¹t ®Õn mét gi¸ trÞ kh¸ nhá th× trung t©m cña lÖch (b¸n mÆt AB) b¾t ®Çu di chuyÓn sang ph¶I mét ®o¹n rÊt nhá, tiÕp ®Õn vÞ trÝ ®èi diÖn víi nguyªn tö ë hµng d-íi, lóc ®ã b¸n mÆt chuyÓn tö vÞ trÝ AB sang b¸n mÆt vÞ trÝ A’B’ (biÓu thÞ bºng vßng ®en). Qu¸ tr×nh tr-ît x¶y ra nh- vËy víi sù chuyÓn ®éng cña b¸n mÆt AB tõ tr¸I sang ph¶I (h×nh 4.12 a,b,c) vµ sù tr-ît kÕt thóc khi b¸n mÆt ®-îc chuyÓn ra tíi bÒ mÆt cña tinh thÓ vµ t¹o ra ë ®ã mét bËc thang (h×nh 4.11d). Theo sù tr×nh bµy c¬ chÕ tr-ît cã lÖch nh- vËy th× ë mçi thêi ®iÓm chØ cã mét sè l-îng h¹n chÕ çc nguyªn tö ë xung quanh b¸n mÆt AB tham gia tr-ît vµ cã thÓ h×nh dung sù dÞch chuyÓn cña b¸n mÆt lÇn l-ît qua tõng vÞ trÝ nh- cuéc ch¹y ®ua tiÕp søc. a b c d H×nh 4.12 4.1.4. Sù thay ®æi tæ chøc vµ cÊu tróc tinh thÓ sau biÕn d¹ng dÎo, çc ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é bÒn vËt liÖu 4.1.4.1. Sù thay ®æi tæ chøc vµ cÊu tróc cña tinh thÓ + XuÊt hiÖn çc ®-êng tr-ît, d¶i tr-ît hoÆc ®-êng ®èi tinh, d¶i song tinh. Ta biÕt r»ng, mét lÖch ®i ra mÆt ngoµi t¹o ra mét bËc cã ®é lín b . TËp hîp çc ®iÓm ®i ra mÆt ngoµi cña lÖch t¹o thµnh ®-êng tr-ît. TËp hîp çc ®-êng tr-ît gäi lµ d¶i tr-ît. + T¹o thµnh çc tæ chøc h¹t nhá vµ cã tÝnh ®Þnh h-íng Sau khi cã biÕn d¹ng H×nh 4.13 + T¹o thµnh thí lµm t¨ng tÝnh dÞ h-íng cña vËt liÖu + N©ng cao mËt ®é lÖch vµ khuyÕt tËt trong tinh thÓ 87 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + Sù t¹o thµnh Textua biÕn d¹ng ®ã lµ tæ chøc sau biÕn d¹ng kh«ng ®óng víi gãc cña mÆt tr-ît do bÞ h¹n chÕ ph-¬ng tr-ît hay cßn gäi lµ hiÖn t-îng quay mÆt tr-ît. + T¹o thµnh øng suÊt d- sau biÕn d¹ng dÎo nªn t¹o ra çc trung t©m øng suÊt d- do t¨ng mËt ®é khuÕch t¸n. + T¹o ra øng suÊt d- th« ®¹i tån t¹i trong toµn bé thÓ tÝch sau khi biÕn d¹ng + T¹o ra øng suÊt d- tÕ vi tån t¹i trong néi bé mét h¹t tinh thÓ do ®ã t¹o nªn trung t©m g©y ra çc vÕt nøt ®Çu tiªn lµm ph¸ hñy kim lo¹i v× vËy sau biÕn d¹ng dÎo ph¶i khö øng suÊt d-. + Lµm thay ®æi c¬ tÝnh cña kim lo¹i mµ ®iÓn h×nh lµm t¨ng ®é cøng, giíi h¹n ®µn håi, giíi h¹n ch¶y vµ giíi h¹n bÒn. Lµm gi¶m ®é dÎo, ®é dai, va ®Ëp + BiÕn d¹ng dÎo lµm t¨ng møc ®é sai lÖch m¹ng lµm t¨ng øng suÊt d- vµ ®é h¹t nhá v× vËy lµm gi¶m tÝnh dÉn ®iÖn, tÝnh dÉn nhiÖt. 4.1.4.2. Çc ph-¬ng ph¸p n©ng cao ®é bÒn vËt liÖu * NÕu kim lo¹i cã cÊu t¹o m¹ng hoµn toµn lý t-ëng: §é bÒn 0 Møc ®é sai lÖch m¹ng H×nh 4.14 Trong kim lo¹i mµ cÊu t¹o m¹ng lµ lý t-ëng tøc lµ kh«ng chøa lÖch th× nã cã ®é bÒn rÊt cao t-¬ng øng víi ®é bÒn lý thuyÕt. §ã lµ do trong çc sîi ®¬n tinh thÓ víi kÝch th-íc nhá, sè l-îng sai lÖch m¹ng lµ v« cïng nhá bÐ, do ®ã c¬ chÕ biÕn d¹ng gÇn gièng víi c¬ chÕ ®èi víi tinh thÓ hoµn chØnh. Tinh thÓ sîi cã ®-êng kÝnh cµng nhá th× sè l-îng sai lÖch m¹ng cµng Ýt vµ ®é bÒn cµng cao. Nh- vËy, viÖc chÕ t¹o çc tinh thÓ kim lo¹i sîi lµ mét ph-¬ng h-íng n©ng cao ®é bÒn cña vËt liÖu. * NÕu kim lo¹i cã cÊu t¹o m¹ng thùc tÕ: 88 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Do sù cã mÆt cña sai lÖch m¹ng nªn chóng cã ®é bÒn thÊp v× biÕn d¹ng dÎo g©y ra chñ yÕu lµ do chuyÓn ®éng cña lÖch. Muèn cã ®é bÒn cao th× cÇn cã biÖn ph¸p c¶n trë chuyÓn ®éng cña lÖch tøc lµ t¹o ra çc yÕu tè h·m lÖch. + T¨ng mËt ®é lÖch vµ ph©n bè ®Òu trong thÓ tÝch. MËt ®é lÖch cµng lín, kho¶ng çch gi÷a chóng cµng nhá, t-¬ng t¸c gi÷a chóng cµng m¹nh. + T¨ng c-êng t¸c dông h·m lÖch cña biªn giíi h¹t vµ biªn giíi siªu h¹t b»ng çch t¹o ra kim lo¹i cã h¹t nhá vÒ kÝch th-íc h¹t siªu bÐ. + T¹o ra pha thø 2 cã ®é bÒn cao h¬n d-íi d¹ng nh÷ng h¹t nhá ph©n t¸n. + T¹o ra sai lÖch m¹ng b»ng çch chuyÓn biÕn pha 4.1.5. Çc yÕu tè h·m lÖch trong tinh thÓ Khi lệch chuyển động trên mặt trượt, chúng có thể gặp những chướng ngại khác nhau làm cho tốc độ chậm lại hoặc đứng hẳn lại, không chuyển động được nữa. Nghiên cứu các yếu tố cản trở chuyển động của lệch là vấn đề rất cần thiết vì rằng sự hãm lệch có liên quan trực tiếp đến cơ tính của kim loại, mà trước hết là độ bền. Lệch có thể bị hãm do những lệch khác do những dạng khuyết tật khác nhau trong tinh thể, các nguyên tử tạp chất và nguyên tố hợp kim vv... chúng ta sẽ khảo sát nội dung chủ yếu của quá trình hãm lệch do các yếu tố kể trên. Kh¸i niÖm: Khi kh¶ n¨ng linh ®éng cña lÖch gi¶m dÇn ®Õn kh¶ n¨ng biÕn d¹ng kÐm lµm giíi h¹n ch¶y cña vËt liÖu t¨ng. §Ó t¨ng ®é bÒn cña vËt liÖu ta cÇn t¨ng çc yÕu tè c¶n trë chuyÓn ®éng cña lÖch. 4.1.5.1. T-¬ng t¸c gi÷a çc lÖch Trong mét thÓ tÝch vËt liÖu khi tån t¹i nhiÒu lÖch th× çc trôc lÖch c¾t nhau. Do h-íng chuyÓn ®éng cña çc lÖch kh¸c nhau nªn chuyÓn ®éng cña mét lÖch ph¶i kÐo theo chuyÓn ®éng cña lÖch kh¸c cã t-¬ng t¸c víi nã nªn lµm gi¶m tÝnh linh ®éng cña lÖch (gäi lµ ch-íng ng¹i Lommer - Cottrell) Ch-íng ng¹i Lommer - Cottrell lµ ch-íng ng¹i chñ yÕu vµ t¸c dông rÊt m¹nh. §Æc biÖt lµ khi t¹o thµnh rõng lÖnh vµ l-íi lÖnh (®Æc tr-ng bëi hÖ sè biÕn ®æi ®iÖn trë theo nhiÖt ®é ) 4.1.5.2. Çc nguyªn tö t¹p chÊt Trong bÊt kú tinh thÓ nµo còng lu«n tån t¹i çc nguyªn tö t¹p chÊt. Çc nguyªn tö t¹p chÊt cã xu h-íng tËp trung vÒ trung t©m lÖch däc theo trôc lÖch nªn chóng t¹o thµnh çc chuçi gÇn ®-êng lÖch ®-îc gäi lµ khÝ quyÓn Cottrell. Sù cã mÆt 89 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt cña khÝ quyÓn Cottrell cã t¸c dông h·m lÖch v× r»ng lÖch muèn chuyÓn ®éng th× ph¶i kÐo theo khÝ quyÓn ®ã mµ tèc ®é chuyÓn ®éng cña lÖch lín cßn nguyªn tö t¹p chÊt chuyÓn ®éng víi tèc ®é bÐ. LÖch ®-îc bao bäc bëi khÝ quyÓn cottrell (nªn chØ cã thÓ chuyÓn ®éng trong çc tr-êng hîp sau). + NÕu tèc ®é tr-ît rÊt bÐ mµ nhiÖt ®é cao lµm cho kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña nguyªn tö t¹p chÊt vµ cña lÖch gÇn b»ng nhau nªn lÖch chuyÓn ®éng sÏ kÐo theo khÝ quyÓn cña çc nguyªn tö t¹p chÊt. + NÕu øng suÊt t¸c dông ®ñ lín cã kh¶ n¨ng t¸ch nguyªn tö t¹p chÊt ra khái tr-êng hót cña lÖch th× lÖch cã thÓ ®-îc gi¶i phãng. Nh-îc ®iÓm: Hãa bÒn kh«ng m¹nh, cã thÓ t¹o çc tæ chøc kh¸c theo yªu cÇu nªn kh«ng dïng ®Ó hãa bÒn vËt liÖu. 4.1.5.3. Biªn giíi h¹t vµ biªn giíi siªu h¹t Biªn giíi h¹t vµ siªu h¹t lµ vïng s¾p xÕp nguyªn tö kh«ng cã trËt tù, kh«ng cã mÆt tr-ît vµ ph-¬ng tr-ît x¸c ®Þnh nªn sù tr-ît khã ph¸t triÓn. Khi lÖch chuyÓn ®éng qua biªn giíi h¹t th× mét phÇn n¨ng l-îng bÞ mÊt ®i do ®ã lµm gi¶m ®é linh ®éng cña lÖch. V× vËy, h¹t cµng nhá th× biªn giíi h¹t cµng nhiÒu lµm cho lÖch cµng khã chuyÓn ®éng. 4.1.5.4. Pha thø hai ph©n t¸n Trong tæ chøc hîp kim th-êng cã sù xuÊt hiÖn cña çc pha thø hai lµ çc lo¹i pha trung gian d-íi d¹ng nh÷ng h¹t nhá ph¸n t¸n. Chóng còng ®-îc coi lµ yÕu tè c¶n trë chuyÓn ®éng cña lÖch kh¸ hiÖu qu¶. + NÕu kho¶ng çch gi÷a çc h¹t nhá lÖch cã thÓ ®i xuyªn qua çc h¹t b»ng çch c¾t chóng theo mÆt tr-ît. Kh¶ n¨ng c¾t phô thuéc vµo B m«®uyn ®µn håi cña pha thø 2 nªn th-êng x¶y ra víi çc pha mÒm. LÖch C¾t ®«i pha thø 2: H×nh 4.15 + NÕu kho¶ng çch gi÷a çc h¹t lín d-íi t¸c dông cña øng suÊt tiÕp  lín h¬n trÞ sè tíi h¹n   G .b th× ®-êng lÖch bÞ uèn cong. Khi v-ît qua çc h¹t, lÖch bÞ l 90 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt uèn cong ®Ó l¹i nh÷ng vßng lÖch bao xung quanh chóng lµm c¶n trë chuyÓn ®éng cña çc lÖch tiÕp theo sau A A LÖch LÖch ®i ra B B H×nh 4.16 C¶ hai tr-êng hîp trªn, lÖch muèn v-ît qua çc h¹t ph©n t¸n ®Òu ph¶i tèn n¨ng l-îng. NÕu øng suÊt t¸c dông kh«ng t¨ng th× lÖch cã thÓ bÞ h·m vµ muèn tiÕp tôc chuyÓn ®éng th× ph¶i t¨ng øng suÊt. §ã chÝnh lµ mét trong nh÷ng yÕu tè hãa bÒn cã hiÖu qu¶. 4.1.6. §Æc ®iÓm biÕn d¹ng dÎo ®a tinh thÓ Qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo trong ®a tinh thÓ kh«ng thÓ chØ lµ tËp hîp cña tõng qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo trong çc tinh thÓ riªng biÖt, mÆc dÇu trong mçi h¹t ®Òu x¶y ra tr-ît vµ song tinh. Qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo cña ®a tinh thÓ chÞu ¶nh h-ëng râ rÖt bëi cÊu tróc ®a tinh thÓ - ®ã lµ tËp hîp cña çc h¹t cã ph-¬ng m¹ng ®Þnh h-íng mét çch ngÉu nhiªn vµ vïng biªn giíi h¹t cã s¾p xÕp kh«ng trËt tù kh¸c víi b¶n th©n h¹t. ChÝnh v× vËy qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo ®a tinh thÓ cã mÊy ®Æc ®iÓm sau : 1. Do çc h¹t ®Þnh h-íng kh¸c nhau : nªn khi t¸c dông t¶i träng tÜnh lªn ®a tinh thÓ, çc h¹t sÏ bÞ biÕn d¹ng kh¸c nhau : h¹t nµo cã ph-¬ng m¹ng ®Þnh h-íng thuËn lîi cho tr-ît sÏ bÞ biÕn d¹ng dÎo tr-íc víi øng suÊt t-¬ng ®èi bÐ, ng-îc l¹i h¹t nµo cã ®Þnh h-íng kh«ng thuËn lîi cho tr-ît th× hoÆc lµ sÏ bÞ biÕn d¹ng sau víi øng suÊt lín h¬n hoÆc lµ kh«ng thÓ biÕn d¹ng ®-îc. ChÝnh v× vËy gi÷a çc h¹t cã ®é biÕn d¹ng d- kh«ng ®Òu. 2. Çc h¹t trong ®a tinh thÓ kh«ng ®øng ®éc lËp mµ g¾n bã víi nhau, do ®ã sù biÕn d¹ng dÎo cña mçi h¹t lu«n lu«n ¶nh h-ëng ®Õn h¹t bªn c¹nh vµ bÞ chóng c¶n trë. Do vËy çc h¹t trong ®a tinh thÓ cã thÓ bÞ tr-ît ngay theo nhiÒu hÖ tr-ît kh¸c nhau vµ x¶y ra ®ång thêi sù quay cña çc mÆt vµ ph-¬ng tr-ît. 91 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 3. Vïng biªn giíi h¹t cã s¾p xÕp kh«ng trËt tù, do ®ã sù tr-ît rÊt khã ph¸t triÓn ë ®©y, v× kh«ng h×nh thµnh ®-îc çc mÆt vµ ph-¬ng tr-ît. Ngoµi çc yÕu tè h·m lÖch trong ®¬n tinh thÓ nh- ®· nãi ë trªn, trong ®a tinh thÓ biªn giíi h¹t lµ mét yÕu tè h·m lÖch rÊt cã hiÖu qu¶. Khi lÖch chuyÓn dÇn ®Õn gÇn biªn giíi nã bÞ dõng l¹i vµ do ®ã ë ®©y cã mËt ®é lÖch kh¸ cao. Trong kim lo¹i ®a tinh thÓ, khã cã thÓ tr-ît liªn tôc tõ h¹t nµy sang h¹t kh¸c, kh«ng nh÷ng lµ do ph-¬ng çc h¹t c¹nh nhau ®Þnh h-íng kh¸c nhau mµ chñ yÕu lµ cßn do t¸c dông c¶n trë cña biªn giíi h¹t. Tõ nh÷ng ®Æc ®iÓm vµ quy luËt biÕn d¹ng dÎo ®a tinh thÓ tr×nh bµy ë ®©y cã thÓ rót ra kÕt luËn lµ lµm nhá h¹t kim lo¹i kh«ng nh÷ng lµm t¨ng c¶ ®é bÒn mµ cßn c¶ ®é dÎo. H¹t kim lo¹i cµng nhá, tøc sè h¹t cµng nhiÒu, t¸c dông c¶n tr-ît cña biªn giíi h¹t cµng nhiÒu, do ®ã muèn tr-ît ®-îc øng suÊt ph¶i t¨ng lªn, ®é bÒn t¨ng lªn. §ång thêi khi sè h¹t t¨ng lªn do h¹t nhá ®i, sè h¹t cã ph-¬ng m¹ng ®Þnh h-íng thÝch øng víi sù tr-ît t¨ng lªn, sè h¹t chÞu biÕn d¹ng dÎo sÏ nhiÒu h¬n, do ®ã tæng biÕn d¹ng d- t¨ng lªn, tøc ®é dÎo t¨ng thªm. §iÒu nµy thÓ hiÖn râ trong chÕ t¹o c¬ khÝ : ®èi víi çc chi tiÕt chÞu t¶i träng ë nhiÖt ®é th-êng vµ kh«ng cao mét yªu cÇu kh«ng thÓ thiÕu ®-îc tõ ®óc hµn rÌn cho ®Õn nhiÖt luyÖn lµ ph¶i gi÷ ®-îc h¹t nhá, nÕu h¹t to lªn chØ tiªu c¬ tÝnh sÏ xÊu ®i.`` 4.1.7. Nung kim lo¹i sau biÕn d¹ng dÎo 4.1.7.1. Môc ®Ých Kim lo¹i sau biÕn d¹ng dÎo cã mËt ®é khuyÕt tËt t¨ng, øng suÊt d- xuÊt hiÖn lµm n¨ng l-îng tù do t¨ng lªn. V× vËy, kim lo¹i sau khi biÕn d¹ng dÎo lu«n cã xu h-íng trë vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh víi n¨ng l-îng bÐ. Muèn trë vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh nµy cÇn ph¶i cung cÊp n¨ng l-îng cho hÖ b»ng çch nung trë l¹i kim lo¹i ®· qua biÕn d¹ng dÎo. 4.1.7.2. Çc giai ®o¹n x¶y ra khi nung kim lo¹i qua biÕn d¹ng dÎo * Giai ®o¹n håi phôc: lµ qu¸ tr×nh nung kim lo¹i ®· qua biÕn d¹ng dÎo v-ît qua mét nhiÖt ®é x¸c ®Þnh tïy thuéc vµo b¶n chÊt kim lo¹i gäi lµ nhiÖt ®é håi phôc, T0hp = 0,2T0nãng ch¶y. Çc hiÖn t-îng x¶y ra trong giai ®o¹n håi phôc lµ: - Gi¶m øng suÊt d§©y lµ mét trong nh÷ng thay ®æi quan träng. Sù t¨ng c-êng tÝnh di ®éng cña nguyªn tö khi nung lµm cho chóng cã kh¶ n¨ng quay vÒ vÞ trÝ c©n b»ng, kh¾c phôc 92 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt nh÷ng sai lÖch bé phËn. Do n¨ng l-îng cÊp nhá nªn ®é dêi çc nguyªn tö x nhá h¬n th«ng sè m¹ng a nªn lµm cho øng suÊt d- ®-îc ph©n bè l¹i trong néi bé mét h¹t. - Qu¸ tr×nh ®a canh hãa: lµ sù tËp trung çc lÖch vÒ nh÷ng vÞ trÝ th¼ng hµng trªn çc mÆt tinh thÓ kh¸c nhau. Sù t¨ng c-êng tÝnh di ®éng cña nguyªn tö khi nung lµm cho çc lÖch chuyÓn ®éng hoÆc däc theo mÆt tr-ît hoÆc theo chiÒu trùc giao víi mÆt tr-ît. NÕu 2 lÖch kh¸c dÊu chuyÓn ®éng ng-îc chiÒu trong cïng mét mÆt ph¼ng tr-ît chóng sÏ triÖt tiªu nhau. Nh÷ng lÖch cïng dÊu khi chuyÓn ®éng trªn nh÷ng mÆt tr-ît song song, do tr-êng øng suÊt ®µn håi cña chÝnh b¶n th©n, chóng s¾p xÕp thµnh tõng d·y theo chiÒu trùc giao víi mÆt tr-ît. - Sù thay ®æi tÝnh chÊt Trong giai ®o¹n phôc håi, mét sè tÝnh chÊt cña kim lo¹i còng thay ®æi cô thÓ lµ lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn, c¬ tÝnh thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ, lµm gi¶m ®é bÒn, ®é cøng mét Ýt. * KÕt tinh l¹i: lµ qu¸ tr×nh nung kim lo¹i ®· qua biÕn d¹ng dÎo v-ît qua mét nhiÖt ®é x¸c ®Þnh gäi lµ nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i. T0kÕt tinh l¹i = (0,3  0,4) T0nãng ch¶y Çc hiÖn t-îng x¶y ra cña qu¸ tr×nh nµy: - Sù t¹o mÇm kÕt tinh l¹i lµ qu¸ tr×nh t¹o ra nh÷ng h¹t tinh thÓ míi mµ nh÷ng h¹t nµy ®-îc ph¸t triÓn tõ nh÷ng trung t©m ban ®Çu gäi lµ mÇm. Thùc nghiÖm cho thÊy, sù t¹o mÇm cã çc ®Æc ®iÓm sau ®©y. + MÇm ®-îc t¹o ra tr-íc tiªn ë nh÷ng vïng cã møc ®é sai lÖch m¹ng lín nhvïng tinh giíi, vïng mÆt tr-ît. + Møc ®é biÕn d¹ng cµng lín mÇm ®-îc t¹o ra cµng nhiÒu Sù t¹o mÇm lµm gi¶m n¨ng l-îng cña hÖ nªn khö ®-îc øng suÊt d- kÓ c¶ øng suÊt d- th« ®¹i. Bªn c¹nh ®ã, nã lµm cho ®é bÒn, ®é cøng gi¶m ®ång thêi ®é dÎo dai t¨ng lªn. Sù t¹o mÇm ë tr¹ng th¸i r¾n nªn cã tæ chøc h¹t nhá. Sù lín lªn cña mÇm b»ng çch s¸t nhËp çc h¹t nhá vµo h¹t lín vµ t¹o sù æn ®Þnh vÒ n¨ng l-îng. - NhiÖt ®é kÕt tinh l¹i §ã lµ t0 nung tèi thiÓu mµ ë ®Êy qu¸ tr×nh kÕt tinh l¹i (t¹o mÇm vµ lín lªn cña mÇm) x¶y ra víi tèc ®é ®¸ng kÓ. KÕt tinh l¹i cã liªn quan víi sù dÞch chuyÓn çc nguyªn tö trªn nh÷ng kho¶ng çch lín do ®ã liªn quan ®Õn kh¶ n¨ng tù khuÕch 93 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt t¸n. Nh- vËy nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i phô thuéc vµo b¶n chÊt kim lo¹i, møc ®é biÕn d¹ng, thêi gian gi÷ nhiÖt vµ t¹p chÊt. * Sù thay ®æi tÝnh chÊt sau kÕt tinh l¹i Trong giai ®o¹n kÕt tinh l¹i øng suÊt d-, ®iÖn trë suÊt vµ n¨ng l-îng tù do tiÕp tôc gi¶m. Xu h-íng chung lµ çc tæ chøc trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu khi ch-a biÕn d¹ng. Sù thay ®æi quan träng nhÊt vÒ tÝnh chÊt do kÕt tinh l¹i lµ c¬ tÝnh. NÕu biÕn d¹ng dÎo lµm t¨ng ®é bÒn, ®é cøng, gi¶m ®é dÎo th× kÕt tinh l¹i khö bá nh÷ng ¶nh h-ëng ®ã tøc lµm gi¶m ®é, ®é cøng vµ t¨ng ®é dÎo. Hay nãi kh¸c ®i kÕt tinh l¹i cã t¸c dông "th¶i bÒn" ng-îc víi t¸c dông hãa bÒn cña biÕn d¹ng dÎo. - Kh¸i niÖm vÒ gia c«ng nãng vµ gia c«ng nguéi Gia c«ng nguéi lµ h×nh thøc biÕn d¹ng cã kÌm theo sù hãa bÒn vµ ph¶i tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é thÊp h¬n nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i. Gia c«ng nãng lµ h×nh thøc gia c«ng ë nhiÖt ®é cao h¬n nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i vµ cã kÌm theo sù th¶i bÒn. Nh×n chung, gia c«ng nãng ®-îc sö dông réng r·i v× cã nh÷ng -u ®iÓm chÝnh sau: + Ýt cã kh¶ n¨ng nøt háng khi biÕn d¹ng, nhÊt lµ khi rÌn, rËp, çn v× khi biÕn d¹ng nãng kim lo¹i hoÆc Ýt kh«ng bÞ hßa bÒn. Thªm vµo ®é lÖch dÔ chuyÓn ®éng h¬n, tr-ît dÔ h¬n, l¹i cã thªm nh÷ng mÆt tr-ît míi vv... tøc t¨ng m¹nh kh¶ n¨ng biÕn d¹ng dÎo cña kim lo¹i mµ kh«ng sinh ra vÕt nøt. + Khi gia c«ng nãng, kim lo¹i cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng lín nªn víi lùc t¸c dông t-¬ng ®èi bÐ còng cã thÓ g©y nªn ®é biÕn d¹ng cao. §iÒu nµy cho phÐp gi¶m c«ng suÊt m¸y hoÆc cïng c«ng suÊt nhnhau, gia c«ng ®-îc nh÷ng khèi kim lo¹i hoÆc chi tiÕt lín h¬n. §ã lµ -u ®iÓm quan träng cho phÐp chÕ t¹o ®-îc nh÷ng chi tiÕt lín nhrÌn trôc khuûu, trôc tuècbin nÆng hµng chôc hoÆc hµng tr¨m. + NÕu biÕn d¹ng nãng tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é ®ñ cao vµ víi tèc ®é t-¬ng ®èi chËm th× kh«ng cÇn ph¶i nung (tøc ñ) trung gian gi÷a çc lÇn biÕn d¹ng, ®iÒu th-êng ph¶i lµm khi biÕn d¹ng nguéi. VÝ dô khi cÇn nguéi, sau mçi lÇn cÇn kim lo¹i bÞ hãa bÒn nªn muèn çn tiÕp tôc ph¶i tiÕn hµnh ñ trung gian. Cßn nÕu çn nãng, cã thÓ çn ®i çn l¹i nhiÒu lÇn, kh«ng cÇn ph¶i nung. + Cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh ®é h¹t. Tæ chøc h¹t ®-îc t¹o thµnh khi biÕn d¹ng nãng lµ kÕt qu¶ cña hai qu¸ tr×nh biÕn d¹ng dÎo vµ kÕt tinh l¹i, phô thuéc vµo çc 94 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt yÕu tè nh- ®· tr×nh bµy ë trªn. Muèn nhËn ®-îc ®é h¹t nhá, ph¶i chó ý çc ®iÓm sau: - Dùa vµo gi¶n ®å kÕt tinh l¹i chän møc ®é biÕn d¹ng ®Ó nhËn ®-îc ®é h¹t nhá. Kh«ng nªn biÕn d¹ng víi møc ®é thÊp v× ®é h¹t lín. - BiÕn d¹ng ph¶i tiÕn hµnh liªn tôc v× ë nhiÖt ®é qu¸ tr×nh lín lªn cña h¹t x¶y ra rÊt nhanh, nÕu ®Ó ng-ng l©u trong mét thêi gian nµo ®ã th× h¹t kÞp lín lªn vµ ®é h¹t lín. - NhiÖt ®é kÕt thóc biÕn d¹ng chØ nªn chän cao h¬n mét Ýt so víi nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i v× nhiÖt ®é cµng thÊp, ®é h¹t cµng nhá. Tuy nhiªn ®èi víi nh÷ng kim lo¹i kÐm dÎo, nhiÖt ®é kÕt thóc biÕn d¹ng ph¶i chän thÕ nµo ®ã ®Ó kim lo¹i kh«ng bÞ nøt vì. Song gia c«ng nãng còng cã nh÷ng nh-îc sau: + Khã khèng chÕ nhiÖt ®é trong ph¹m vi cho phÐp, nhÊt lµ ®èi víi çc vËt phÈm cã kÝch th-íc bÐ nh- lµ máng, sîi v.v... Muèn khèng chÕ nhiÖt ®é ph¶i cã thiÕt bÞ ®o vµ ®iÒu chØnh chÝnh x¸c, nh- vËy gi¸ thµnh sÏ cao. Còng v× thÕ, ®èi víi mçi kim lo¹i ng-êi ta ®Ò ra mét kÝch th-íc tíi h¹n, nÕu vËt phÈm dµy h¬n - nªn biÕn d¹ng nãng, máng h¬n - biÕn d¹ng nguéi. + Tæ chøc vµ tÝnh chÊt Ýt ®ång nhÊt h¬n so víi biÕn d¹ng nguéi nhÊt lµ ®èi víi kim lo¹i cã chuyÓn biÕn thï h×nh vµ kÝch th-íc lín. Mét lo¹i khuyÕt tËt bÒ mÆt quan träng khi biÕn d¹ng nãng lµ líp oxyt trªn bÒ mÆt chi tiÕt ®ßi hái ph¶i cã nh÷ng biÖn ph¸p khö bá tiÕp theo sau nh- gia c«ng c¾t gät, ®¸nh bãng v.v.... + Nh-îc ®iÓm n÷a cña gia c«ng nãng lµ khèng chÕ kÝch th-íc vµ h×nh d¸ng vËt phÈm v× thÓ tÝch kim lo¹i nãng lín h¬n, khã tÝnh to¸n l-îng d- chÝnh x¸c, nhÊt lµ trong tr-êng hîp kim lo¹i bÞ oxy hãa. Thªm vµo ®ã khi lµm nguéi do øng suÊt nhiÖt, h×nh d¸ng kÝch th-íc cã thÓ thay ®æi. 4.2. Çc ®Æc tr-ng c¬ tÝnh cña vËt liÖu 4.2.1. §é bÒn tÜnh vµ ®é dÎo 4.2.1.1. Nhãm ®Æc tr-ng cho ®é bÒn - Giíi h¹n ®µn håi ®h [KG/mm2]: lµ øng suÊt t¸c dông lín nhÊt mµ khi ngõng t¸c dông t¶i träng th× vËt liÖu kh«ng bÞ biÕn d¹ng hoÆc biÕn d¹ng dÎo rÊt bÐ. 95 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt  dh  P dh [KG / mm2] F Trong ®ã: P®h: lµ lùc sinh ra lín nhÊt ®Ó vËt liÖu kh«ng bÞ biÕn d¹ng dÎo [KG] F: lµ tiÕt diÖn ban ®Çu [mm2]. - Giíi h¹n ch¶y ch, 0,2 [KG / mm2; MN / m2; MPa]: lµ gi¸ trÞ øng suÊt mµ khi øng suÊt g©y ra do t¶i träng t¸c ®éng v-ît qóa nã th× vËt liÖu b¾t ®Çu biÕn d¹ng dÎo.  ch  P ch [KG / mm2] F Pch: lµ t¶i träng t¸c ®éng t¹i thêi ®iÓm ch¶y [KG] F: lµ tiÕt diÖn ban ®Çu [mm2]. - Giíi h¹n bÒn B [KG / mm2, MN / m2, MPa): lµ gi¸ trÞ øng suÊt lín nhÊt mµ khi øng suÊt g©y ra do t¸c ®éng cña t¶i träng v-ît qua nã th× vËt liÖu bÞ ph¸ hñy. b  Pb [KG / mm2] F P: lµ t¶i träng t¸c ®éng t¹i thêi ®iÓm ph¸ hñy [KG] F: lµ tiÕt diÖn cña mÉu thö [mm2]. 4.2.1.2. Nhãm ®Æc tr-ng cho ®é dÎo - §é gi·n dµi t-¬ng ®èi cña vËt liÖu  (%):   l  lo . 100 % l0 l: chiÒu dµi cña mÉu sau khi kÐo l0: chiÒu dµi ban ®Çu cña mÉu §é gi·n dµi t-¬ng ®èi ®Æc tr-ng cho tÝnh dÎo cña vËt liÖu. - §é th¾t tØ ®èi  (%):   F0  F . 100 % F0 F0: lµ tiÕt diÖn ban ®Çu cña mÉu F: lµ tiÕt diÖn mÉu t¹i vÞ trÝ bÞ kÐo ®øt 4.2.2. ChØ tiªu c¬ tÝnh d-íi t¸c dông cña t¶i träng tÜnh mµ kh«ng ph¸ hñy mÉu §é cøng lµ kh¶ n¨ng chèng l¹i biÕn d¹ng dÎo cña vËt liÖu khi chÞu t¸c ®éng cña t¶i träng th«ng qua mét vËt cøng t¸c ®éng lªn vËt liÖu. 96 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 4.2.2.1. §é cøng Brinell (HB) + T¶i träng tiªu chuÈn: P = 3000KG + Mòi ®©m: viªn bi b»ng thÐp ®· ®-îc t«i cøng, ®-êng kÝnh tiªu chuÈn cña viªn bi d = 10mm HB  P ( KG / mm 2 ) F F: diÖn tÝch vÕt lâm do viªn bi g©y ra trªn bÒ mÆt vËt liÖu thö +) Ph¹m vi øng dông vËt liÖu mÒm (thÐp sau ñ, hîp kim ®ång, nh«m) 4.2.2.2. §é cøng Rocoel (HR) Cã 3 thang A, B, C lµ HRA, HRB, HRC * §é cøng HRA + T¶i träng tiªu chuÈn P = 60KG + Mòi ®©m: kim c-¬ng hoÆc hîp kim cøng h×nh th¸p cã gãc ë ®Ønh 1200 h H×nh 4.17 HRA = a - bh a, b: lµ h»ng sè thùc nghiÖm HRA: lµ ®¹i l-îng kh«ng thø nguyªn + Ph¹m vi ¸p dông: ®o çc vËt liÖu rÊt cøng (nh- thÐp thÊm C, N) * §é cøng HRB + T¶i träng tiªu chuÈn P = 100KG + Mòi ®©m: viªn bi cã ®-êng kÝnh d = 1/16 inch + Ph¹m vi ¸p dông: ®o t-¬ng tù nh- HB nh-ng ¸p dông cho tÊm máng * §é cøng HRC + T¶i träng: P = 150KG + Mòi ®©m: Kim c-¬ng, hîp kim cøng h×nh th¸p cã gãc ë ®Ønh 1200 + Ph¹m vi ¸p dông: Dïng ®Ó ®o vËt liÖu cã ®é cøng cao nh- thÐp sau khi t«i 4.2.2.3. §é cøng Vicken (HV) + T¶i träng tiªu chuÈn P = 2  50 (KG) 97 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + Mòi ®©m cã d¹ng h×nh chãp cã gãc ë ®Ønh lµ 1360 + Ph¹m vi ¸p dông: §o vËt liÖu cã ®é cøng cao nh-ng máng HV  P (KG/mm2) F F: diÖn tÝch vÕt lâm (mm2) 4.2.2.4. §é cøng tÕ vi (H) + T¶i träng: P = 1  500 (g) + Mòi ®©m: Kim c-¬ng hoÆc hîp kim cøng cã gãc ë ®Ønh lµ 1200 H  P (KG/mm2) F §Ó ®o ®é cøng nµy vµ quan s¸t ®-îc diÖn tÝch vÕt lâm ph¶i ®i kÌm víi kÝnh hiÓn vi + Ph¹m vi ¸p dông: ¸p dông ®Ó ®o ®é cøng cña çc pha kh¸c nhau trong tæ chøc cña vËt liÖu. 4.2.3. ChØ tiªu c¬ tÝnh d-íi t¸c dông cña t¶i träng ®éng T¶i träng ®éng lµ t¶i träng t¸c ®éng lªn vËt liÖu d-íi d¹ng çc xung lùc hay va ®Ëp. ChØ tiªu ®Æc tr-ng: ®é dai va ®Ëp ak (KG.m/cm2; kJ/cm2) §é dai va ®Ëp lµ c«ng tiªu phÝ ®Ó ph¸ hñy mÉu cã vÕt khÝa chia cho diÖn tÝch cña tiÕt diÖn ngang ë chç cã vÕt khÝa. ak  A k (KG.m/cm2) F 4.2.4. §é bÒn cña vËt liÖu d-íi t¸c dông cña t¶i träng chu kú (giíi h¹n bÒn mái) Ph¸ hñy mái lµ d¹ng ph¸ hñy x¶y ra khi kim lo¹i chÞu t¶i t¸c dông cña t¶i träng thay ®æi theo chu kú theo mét quy luËt bÊt kú nµo ®ã. HiÖn t-îng mái cña vËt liÖu mµ hËu qu¶ cña nã lµ ph¸ hñy mái ®-îc hÕt søc chó ý khi thiÕt kÕ çc chi tiÕt m¸y. Ph¸ hñy mái cã çc ®Æc ®iÓm sau: + Kh¶ n¨ng ph¸ hñy mái kh«ng phô thuéc vµo thêi gian mµ th«ng qua sè l-îng chu kú ®Æt t¶i träng. + NÕu øng suÊt thùc tÕ bÐ h¬n mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh th× ph¸ hñy mái kh«ng bao giê x¶y ra dï sè l-îng chu kú lµ rÊt lín. Gi¸ trÞ øng suÊt nµy gäi lµ giíi h¹n mái -1; -r (kG/mm2) 98 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Çch x¸c ®Þnh giíi h¹n mái b»ng çch x©y dùng ®-êng cong mái  -1 107 Sè chu kú t¶i träng H×nh 4.18 Nh- vËy, giíi h¹n bÒn mái lµ gi¸ trÞ øng suÊt mµ khi sè chu kú t¶i träng lín h¬n 107 mÉu míi bÞ ph¸ hñy. + Giíi h¹n mái phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu vµ hÖ sè bÊt ®èi xøng t¶i träng ®Æc tr-ng cho chu kú  r   min max  max r = -1 chu kú ®èi xøng min thêi gian T H×nh 4.19 + Ph¸ hñy mái th-êng "nh¹y c¶m" víi yÕu tè g©y ra sù tËp trung øng suÊt 99 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt PhÇn II. NhiÖt luyÖn thÐp Ch-¬ng 5. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t - çcbon Trong phÇn nµy nghiªn cøu vÒ gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t - çcbon, çc kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ gang - thÐp, çc ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn, hãa - nhiÖt luyÖn, c¬ - nhiÖt luyÖn vµ s¬ l-îc vÒ çc thiÕt bÞ nhiÖt luyÖn. Do vËy cÇn hiÓu ®-îc çc chuyÓn biÕn khi nung nãng vµ lµm nguéi th«ng qua gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C vµ çc gi¶n ®å cã liªn quan, b¶n chÊt cña çc tæ chøc t¹o thµnh, mèi quan hÖ gi÷a çc tæ chøc. C¬ së ®Ó nghiªn cøu gang - thÐp vµ t×m hiÓu çc tÝnh chÊt cña nã lµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C. §Ó nghiªn cøu gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C tr-íc hÕt ph¶i kh¶o s¸t çc ®Æc tÝnh cña çc nguyªn thµnh phÇn. 5.1. Çc bon vµ s¾t 5.1.1. Çc bon Çc bon lµ nguyªn tè ¸ kim thuéc nhãm IV trong b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn vµ cã thÓ ë hai d¹ng thï h×nh: GraphÝt vµ kim c-¬ng. Trong ®iÒu kiÖn b×nh th-êng GraphÝt lµ d¹ng thï h×nh æn ®Þnh cßn kim c-¬ng kh«ng æn ®Þnh. Trong hîp kim Fe - C, çc bon nguyªn chÊt chØ cã thÓ tån t¹i ë d¹ng GraphÝt - nã cã m¹ng lôc gi¸c vµ rÊt mÒm. 5.1.2. S¾t S¾t lµ nguyªn tè hîp kim thuéc nhãm VII trong b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn, nã thuéc nhãm kim lo¹i chuyÓn tiÕp. Còng gièng nh- çc nguyªn tè kh¸c nã kh«ng thÓ tån t¹i ë d¹ng tuyÖt ®èi tinh khiÕt mµ th-êng tån t¹i d-íi d¹ng hîp chÊt. S¾t cã çc tÝnh chÊt sau: 5.1.2.1. C¬ tÝnh - Giíi h¹n bÒn kÐo b : 250 N/mm2 - Giíi h¹n ch¶y 0,2 : 120 N/mm2 - §é gi·n dµi t-¬ng ®èi  : 50 % - §é th¾t tû ®èi  : 85 % - §é cøng HB : 80 kG/mm2 - §é dai va ®Ëp ak : 3000 kJ/m2 100 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Nh- vËy so víi nhiÒu kim lo¹i th-êng dïng nhnh«m, ®ång, s¾t cã ®é bÒn, ®é cøng cao h¬n h¼n, nh-ng vÉn cßn thÊp so víi yªu cÇu cña chÕ t¹o c¬ khÝ. §ã lµ nguyªn nh©n ng-êi ta hÇu nh- kh«ng dïng s¾t nguyªn chÊt trong chÕ t¹o c¬ khÝ, mµ dïng hîp kim cña nã v× cã c¬ tÝnh cao h¬n râ rÖt. 5.1.2.2. TÝnh thï h×nh - M¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m tån t¹i ë hai kho¶ng nhiÖt ®é: D-íi 911 0C ®-îc gäi lµ Fe() vµ tõ (1392  1539)0C ®-îc gäi lµ Fe(). - M¹ng lËp ph-¬ng diÖn t©m tån t¹i ë kho¶ng (911  1392)0C ®-îc gäi lµ Fe(). Do m¹ng lËp ph-¬ng diÖn t©m cã mËt ®é m¹ng Mv lín h¬n m¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m nªn khi nung nãng qu¸ 9100C cã chuyÓn biÕn thï h×nh tõ Fe() sang Fe(). N¨ng l-îng tù do LËp ph-¬ng thÓ t©m LËp ph-¬ng diÖn t©m    911 1392 t 0C H×nh 5.1 5.2. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C 5.2.1. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Theo lý thuyÕt, gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C ph¶i ®-îc x©y dùng tõ 100% Fe ®Õn 100%C song do kh«ng dïng çc hîp kim Fe - C víi l-îng çc bon nhiÒu h¬n 5% nªn ta chØ x©y dùng gi¶n ®å ®Õn 6,67% çc bon tøc lµ øng víi hîp chÊt hãa häc Fe3C. Trong thùc tÕ, Fe víi C tån t¹i ë 3 d¹ng hîp chÊt lµ FeC, Fe2C, Fe3C song xªmentÝt (Fe3C) æn ®Þnh vÒ thµnh phÇn hãa häc ë mäi nhiÖt ®é nhá h¬n nhiÖt ®é nãng ch¶y nªn dïng Fe3C lµm cÊu tö. 101 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 1539 A D 1600 L L+ H 1499  + J 1392 B L+XeI L+ N C  E G Le=[+Xe] 910 F Le+ + +XeII S R Le+XeI K [P] +XeIII Q0,02 P+XeII+Le P+XeII 0,8 Le=[P+Xe] 727 P+ Fe 1147 2,14 Le+XeI 4,3 Fe3C 6,67 H×nh 5.2 B¶ng 5.1. B¶ng täa ®é çc ®iÓm §iÓm %C NhiÖt ®é §iÓm %C NhiÖt ®é A 0 1539 E 2,14 1147 H 0,1 1499 C 4,3 1147 J 0,16 1499 F 6,67 1147 B 0,51 1499 R 0,02 727 N 0 1392 S 0,8 727 D 6,67 1600 K 6,67 727 G 0 910 Q 0,006 0 5.2.2. Çc tæ chøc cña hîp kim Fe - C Trªn gi¶n ®å, ®-êng ABCD lµ ®-êng láng §-êng AHJECF lµ ®-êng ®Æc 5.2.2.1. Çc tæ chøc mét pha 102 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Hîp kim láng (L): lµ dung dÞch láng cña çcbon trong s¾t, tån t¹i ë phÝa trªn ®-êng láng ABCD. - Xementit (ký hiÖu lµ Xe hay Fe3C): lµ hîp chÊt hãa häc cña s¾t víi çc bon Fe3C, øng víi ®-êng th¼ng ®øng DFK. - Xementit thø nhÊt (XeI): lµ lo¹i kÕt tinh tõ hîp kim láng, nã ®-îc t¹o thµnh trong çc hîp kim chøa nhiÒu h¬n 4,3% vµ trong kho¶ng nhiÖt ®é (1147  1600)0C. Do t¹o nªn tõ pha láng vµ ë nhiÖt ®é cao nªn XeI cã tæ chøc h¹t to. - Xementit thø hai (XeII): lµ lo¹i ®-îc tiÕt ra tõ dung dÞch r¾n Auxtenit ë trong kho¶ng nhiÖt ®é (727  1147)0C khi ®é hßa tan cña cacbon ë trong pha nµy gi¶m tõ 2,14% xuèng cßn 0,8% do vËy XeII cã trong hîp kim víi thµnh phÇn çc bon lín h¬n 0,8%. Do t¹o tõ pha r¾n vµ ë nhiÖt ®é kh«ng cao l¾m nªn XeII cã tæ chøc h¹t nhá h¬n, do ®-îc tiÕt ra tõ Auxtenit nªn th-êng ë d¹ng l-íi bao quanh Auxtenit. - Xemetit thø ba (XeIII): lµ lo¹i ®-îc tiÕt ra tõ dung dÞch r¾n Ferit ë trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp h¬n 7270C khi ®é hßa tan giíi h¹n cña çcbon trong Ferit gi¶m tõ 0,02% xuèng 0,006%. XeIII cã ë trong mäi hîp kim cã thµnh phÇn C lín h¬n 0,006% nh-ng víi l-îng rÊt Ýt. Do t¹o nªn tõ pha r¾n vµ ë nhiÖt ®é thÊp, kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña nguyªn tö rÊt kÐm nªn Xe III th-êng ë d¹ng m¹ng l-íi hay h¹t rÊt nhá bªn c¹nh Ferit. Çc d¹ng Xementit kh«ng kh¸c nhau vÒ b¶n chÊt pha, chØ kh¸c nhau vÒ kÝch th-íc h¹t vµ sù ph©n bè do ®iÒu kiÖn t¹o thµnh kh¸c nhau. - Ferit (ký hiÖu lµ F hay ): lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña cacbon ë trong Fe(), cã m¹ng lËp ph-¬ng thÓ t©m nªn kh¶ n¨ng hßa tan cña cacbon ë trong Fe() lµ kh«ng ®¸ng kÓ, lín nhÊt ë 7270C lµ 0,02% vµ nhá nhÊt ë nhiÖt ®é th-êng lµ 0,006%. - Auxtenit (kÝ hiÖu lµ As hay ): lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña cacbon trong Fe(), cã m¹ng lËp ph-¬ng diÖn t©m nªn kh¶ n¨ng hßa tan cacbon cña Fe() kh¸ lín, lín nhÊt ë nhiÖt ®é 11470C víi 2,14% vµ nhá nhÊt ë 7270C víi 0,8%C. Auxtenit rÊt dÎo vµ dai khi çc nguyªn tè kh¸c hßa tan vµo kh«ng nh÷ng lµm ®é cøng t¨ng lªn vµ ®é dÎo ®é dai gi¶m ®i ®¸ng kÓ mµ cßn lµm thay ®æi ®éng häc chuyÓn biÕn do ®ã ¶nh h-ëng lín tíi nhiÖt luyÖn. 5.2.2.2. Çc tæ chøc 2 pha - Peclit (ký hiÖu lµ P hay [+Xe]): Peclit lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch cña Ferit vµ Xementit ( + Xe) t¹o thµnh ë 7270C tõ dung dÞch r¾n Auxtenit chøa 0,8%C. 103 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Trong Peclit cã 88% Ferit vµ 12% Xementit. Tõ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C ta thÊy trong qu¸ tr×nh lµm nguéi, thµnh phÇn cacbon cña Auxtenit sÏ biÕn ®æi vµ khi ®Õn 7270C cã 0,8%C (çc hîp kim cã l-îng cacbon nhá h¬n 0,8% th× thµnh phÇn Auxtenit biÕn ®æi theo h-íng tiÕt ra Ferit ®Ó lµm t¨ng cacbon cßn çc hîp kim cã l-îng cacbon lín h¬n 0,8% th× thµnh phÇn Auxtenit biÕn ®æi theo h-íng tiÕt ra Xementit lµm gi¶m cacbon, c¶ 2 tr-êng hîp trªn ®Òu ®-a ®Õn l-îng cacbon trong Auxtenit lµ 0,8% ë 7270C). Lóc ®ã, Auxtenit cã 0,8% C sÏ chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp cïng tÝch cña Ferit vµ Xementit:  s      R  Fe 3 C  727 hay  0 C     0 , 02  Fe 3 C 6 , 67  727 0 ,8 0 C Tïy theo h×nh d¹ng Xªmentit ë trong hçn hîp, ng-êi ta chia ra 2 lo¹i peclit lµ peclit tÊm vµ peclit h¹t (Peclit tÊm Xe ë d¹ng tÊm phiÕn cßn Peclit h¹t th× Xe ë d¹ng h¹t). Peclit lµ hçn hîp c¬ häc nªn cã tÝnh chÊt trung gian. KÕt hîp gi÷a tÝnh dÎo, dai cña  vµ cøng, dßn cña Xe nªn nãi chung P cã ®é cøng, ®é bÒn cao, tÝnh dÎo dai thÊp. Tuy nhiªn c¬ tÝnh cña nã cã thÓ thay ®æi trong ph¹m vi kh¸ réng phô thuéc vµo ®é h¹t cña Xe. - Ledeburit (ký hiÖu lµ Le hoÆc [+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit lµ hçn hîp c¬ häc cïng tinh, kÕt tÝnh tõ pha láng cã nång ®é 4,3%C ë 11470C. Lóc ®Çu míi t¹o thµnh nã gåm  vµ Xe (trong kho¶ng 7270C  11470C). Khi lµm nguéi xuèng d-íi 7270C,  chuyÓn biÕn thµnh P do vËy Lªdeburit lµ hçn hîp c¬ häc cña Peclit vµ Xementit. Nh- vËy cuèi cïng Lªdeburit cã 2 pha lµ  vµ Xe trong ®ã Xe chiÕm tØ lÖ gÇn 2/3 nªn Le®eburit rÊt cøng vµ dßn. 5.2.3. Qu¸ tr×nh kÕt tinh cña hîp kim Fe-C 5.2.3.1. PhÇn phÝa trªn ®-êng ®Æc AHJECF - Khu vùc cã thµnh phÇn (0,1  0,51) %C: Khi lµm nguéi ®Õn ®-êng láng AB, hîp kim láng sÏ kÕt tinh ra dung dÞch r¾n  tr-íc. Khi h¹ nhiÖt ®é xuèng tíi 14990C, hîp kim cã 2 pha lµ dung dÞch r¾n  chøa 0,1%C vµ dung dÞch láng chøa 0,51%C nªn x¶y ra ph¶n øng bao tinh t¹o ra dung dÞch r¾n Austenit chøa 0,16%C. 0,1%C + L0,51%C     0,16%C 1499 0 C - Khu vùc cã thµnh phÇn (0,51  4,3) %C: 104 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Khi lµm nguéi hîp kim tíi ®-êng láng BC nã sÏ kÕt tinh ra . Çc hîp kim cã thµnh phÇn tõ (0,51  2,14) %C kÕt thóc kÕt tinh b»ng sù t¹o thµnh dung dÞch r¾n  cßn çc hîp kim cã thµnh phÇn tõ (2,14 4,3) %C kÕt thóc kÕt tinh b»ng sù kÕt tinh cña dung dÞch láng cã thµnh phÇn øng víi ®iÓm C t¹o ra 2 pha  cã thµnh phÇn øng víi ®iÓm E vµ Xe ë 11470C. 0 Lc     [E + XeF] 1147 C Hçn hîp c¬ häc trªn gäi lµ hçn hîp c¬ häc cïng tinh Ledeburit Khi T > 7270C tæ chøc Le gåm [ + Xe] Khi T < 7270C tæ chøc Le gåm [P + Xe] 5.2.3.2. PhÇn phÝa d-íi ®-êng ®Æc AHJECF T¹i 7270C  cã thµnh phÇn 0,8%C sÏ chuyÓn biÕn thµnh P lµ hçn hîp cña 2 pha  vµ Xe gäi lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch. s    [R + XeK] 727 0 C 5.3. Ph©n lo¹i hîp kim Fe - C theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i §Ó ph©n lo¹i hîp kim Fe - C ng-êi ta dùa vµo hµm l-îng cña cacbon trong hîp kim ®ã. 5.3.1. ThÐp Lµ hîp kim cña Fe víi C mµ hµm l-îng C trong nã nhá h¬n 2,14%. Do vËy, ta cã thÓ ph©n ra lµm 3 lo¹i thÐp. - ThÐp tr-íc cïng tÝch: ThÐp cã hµm l-îng cacbon < 0,8% Tæ chøc cña thÐp tr-íc cïng tÝch lµ (P + ) H×nh 5.3 Tæ chøc tÕ vi cña thÐp tr-íc cïng tÝch 105 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - ThÐp cïng tÝch: ThÐp cã thµnh phÇn cacbon = 0,8%. Tæ chøc cña thÐp cïng tÝch lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch P. a b H×nh 5.4 Tæ chøc tÕ vi cña thÐp cïng tÝch a. Peclit tÊm; b. PeclÝt h¹t - ThÐp sau cïng tÝch: Lµ thÐp cã hµm l-îng cacbon n»m trong kho¶ng (0,8  2,14) %. Tæ chøc cña thÐp sau cïng tÝch lµ P + XeII. L-îng XeII Ýt ®-îc tiÕt ra d-íi d¹ng m¹ng l-íi bao quanh h¹t P nªn cã tÝnh dßn cao chÝnh v× vËy, trªn thùc tÕ ng-êi ta chØ dïng thÐp cã hµm l-îng cacbon nhá h¬n 1,3%. H×nh 5.5. Tæ chøc tÕ vi cña thÐp sau cïng tÝch D¶i tr¾ng lµ XeII, víi nÒn tèi lµ P 5.3.2. Gang Lµ hîp kim cña Fe víi C mµ hµm l-îng C trong nã lín h¬n 2,14% vµ nhá h¬n 6,67%. Dùa vµo hµm l-îng cacbon vµ t-¬ng tù ®èi víi thÐp, ta cã thÓ ph©n ra lµm 3 lo¹i gang sau: - Gang tr-íc cïng tinh lµ lo¹i gang cã hµm l-îng cacbon < 4,3%. Tæ chøc cña gang tr-íc cïng tinh lµ P + XeII + Le. §©y lµ lo¹i gang th-êng ®-îc sö dông trong thùc tÕ H×nh 5.6. Tæ chøc tÕ vi gang tr-íc cïng tinh 106 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Gang cïng tinh lµ lo¹i gang cã hµm l-îng cacbon lµ 4,3% Tæ chøc cña gang cïng tinh lµ Le H×nh 5.7. Tæ chøc tÕ vi cña gang cïng tinh - Gang sau cïng tinh: lµ lo¹i gang cã hµm l-îng cacbon lín h¬n 4,3% Tæ chøc cña gang sau cïng tinh lµ Le + XeI H×nh 5.8. Tæ chøc tÕ vi gang sau cïng tinh Çc lo¹i gang trªn ®-îc gäi chung lµ gang tr¾ng, cacbon trong gang tr¾ng ®Òu tån t¹i d-íi d¹ng Xe. 5.3.3. §Æc ®iÓm c¬ tÝnh cña thÐp vµ gang theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i 5.3.3.1. ThÐp - ThÐp tr-íc cïng tÝch, l-îng cacbon Ýt nªn l-îng Xe còng Ýt v× vËy thÐp cã tÝnh dÎo cao. - ThÐp sau cïng tÝch vµ cïng tÝch, hµm l-îng cacbon t¨ng nªn tØ lÖ pha Xe t¨ng do vËy lµm t¨ng ®é cøng, tÝnh dßn ®ång thêi lµm ®é th¾t tØ ®èi , ®é gi·n dµi t-¬ng ®èi  gi¶m xuèng. V× nh÷ng lý do trªn mµ trªn thùc tÕ, ng-êi ta kh«ng dïng thÐp cã hµm l-îng cacbon qu¸ cao (%C > 1,3%). 5.3.3.2. Gang Gang sau cïng tÝch cã l-îng Xe qu¸ nhiÒu g©y dßn vµ cøng, kh«ng cã kh¶ n¨ng c¾t gät do vËy kh«ng ®-îc sö dông. Thùc tÕ, ng-êi ta sö dông gang tr-íc cïng tÝch cã hµm l-îng cacbon nhá h¬n 3,5%. 107 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 5.4. Çc nhiÖt ®é tíi h¹n hîp kim Fe - C theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i 5.4.1. NhiÖt ®é ph¶n øng cïng tinh (T = 11470C) Víi hµm l-îng cacbon lín h¬n 2,14% ®-îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh chÕ ®é nÊu luyÖn cña hîp kim. 5.4.2. NhiÖt ®é ph¶n øng cïng tÝch (T = 7270C)   [F + Xe] (khi lµm nguéi) vµ [F + Xe]   (khi nung). Hµm l-îng cacbon lín h¬n 0,02% vµ ®-îc ¸p dông nhiÒu trong nhiÖt luyÖn lµ ®-êng A1. Trong thùc tÕ, nhiÖt ®é chuyÓn biÕn khi nung nãng vµ lµm nguéi bao giê còng kh¸c víi gi¶n ®å. §Ó biÓu thÞ qu¸ tr×nh nung nãng khi cã sù chuyÓn biÕn pha trªn thùc tÕ ng-êi ta gäi ®ã lµ ®-êng AC1 vµ khi lµm nguéi lµ ®-êng Ar1 T0Ar1 < T0A1 < T0Ac1 Accm Accm Acm 911 Arcm Arcm AC1 A1 727 Ar1 Fe 0,006 0,2 0,8 Fe3C %cacbon H×nh 5.9. §å thÞ nhiÖt ®é thùc tÕ khi nung nãng vµ lµm nguéi 5.4.3. NhiÖt ®é ®-êng giíi h¹n hßa tan cña Ferit () trong Auxtenit () lµ ®-êng A3 NhiÖt ®é giíi h¹n hßa tan ®-îc thay ®æi theo hµm l-îng cacbon gäi lµ ®-êng A3. Khu nung v-ît qua nhiÖt ®é AC3 th× kÕt thóc qu¸ tr×nh hßa tan cña Ferit () vµo Auxtenit (). §ång thêi, khi lµm nguéi xuèng nhiÖt ®é nhá h¬n Ar3 th× b¾t ®Çu tiÕt ra Ferit () tõ Auxtenit(). Nh- vËy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3 108 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ý nghÜa: Dïng chän chÕ ®é nhiÖt luyÖn thÐp tr-íc cïng tÝch. 5.4.4. NhiÖt ®é ®-êng giíi h¹n hßa tan cña Xementit (Xe) vµo Auxtenit () lµ ®-êng Acm NhiÖt ®é giíi h¹n hßa tan ®-îc thay ®æi theo hµm l-îng cacbon gäi lµ ®-êng Acm. Khi nung v-ît qua nhiÖt ®é Accm th× kÕt thóc qu¸ tr×nh hßa tan cña Xementit (Xe) vµo Auxtenit (). §ång thêi, khi lµm nguéi xuèng nhiÖt ®é nhá h¬n Arcm th× b¾t ®Çu cã sù tiÕt ra Xementit (Xe) tõ Auxtenit (). Nh- vËy: T0Arcm < T0Acm < T0Accm. 109 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 6. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi Nung vµ lµm nguéi thÐp Nhiệt luyện thép chiếm địa vị chủ yếu trong nhiệt luyện nói chung và là một khâu quan trọng, không thể thiếu được trong chế tạo cơ khí, sở dĩ như vậy vì thép được sử dụng như là vật liệu chủ yếu và quan trọng nhất trong số các kim loại đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp nhiệt luyện khác nhau để cải biến cơ tính và tính công nghệ của nó. Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau: - Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn bảo đảm yêu cầu về độ dẻo và độ dai. Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu được tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng được bền, lâu hỏng hơn. Trong thực tế sản xuất cơ khí thấy rõ tác dụng này. Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi + ram độ bền, độ cứng tăng lên 2 - 3 lần (tuy độ dẻo dai có giảm) rất có lợi trong việc hoá bền các chi tiết này, các chi tiết máy chịu ma sát như bánh răng, trục ... Nếu không hoá bền bằng nhiệt luyện rất chóng mòn, hỏng (thời hạn làm việc giảm đi từ hàng chục đến hàng trăm lần). Đối với dao cắt, khuôn rập tác dụng này của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định. Các sản phẩm này nếu không qua tôi và ram thì không thể làm việc được. Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng các sản phẩm cơ khí là trình độ của nhiệt luyện. - Cải thiện tính công nghệ Ngoài tác dụng hoá bền kể trên, nhiệt luyện còn có khả năng cải thiện tính công nghệ. Khi thành hình sản phẩm không thể không chú ý đến tính thích ứng của thép đối với các phương pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt ... Cải thiện các tính công nghệ đó làm quá trình gia công chế tạo được thuận lợi và có thể tiến hành với năng suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động. Trong chế tạo cơ khí thường gặp hiện tượng sau khi rèn, thép bị biến cứng một phần rất khó (có trường hợp không thể cắt gọt, trong trường hợp này phải tiến hành nhiệt luyện bằng phương pháp thích hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nên dễ dàng. Đối với thép cacbon thấp, độ cứng của nó ở trạng thái ủ quá thấp cũng khó cắt gọt phải 110 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt tiến hành thường hoá tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt dễ. Áp dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp giữa các khâu gia công cơ khí là một trong những biện pháp nâng cao năng suất lao động trong ngành cơ khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả năng rập sâu ...) Do đó tác dụng quan trọng như vậy nên hầu hết các chi tiết quan trọng các máy đều được qua nhiệt luyện. Ví dụ chi tiết qua nhiệt luyện trong ô tô - máy kéo chiếm (70 - 80)% trong máy công cụ (60 - 70)%, tất cả các dụng cụ đều phải nhiệt luyện. 6.1. Kh¸i niÖm vÒ nhiÖt luyÖn 6.1.1. §Þnh nghÜa NhiÖt luyÖn lµ ph-¬ng ph¸p gia c«ng kim lo¹i b»ng çch nung kim lo¹i tíi mét nhiÖt ®é x¸c ®Þnh, gi÷ nhiÖt mét thêi gian sau ®ã lµm nguéi víi tèc ®é nguéi x¸c ®Þnh ®Ó thu ®-îc s¶n phÈm cã tæ chøc vµ c¬ tÝnh theo yªu cÇu. 0 C NhiÖt ®é nung tg   dT d = Tèc ®é nguéi    (thêi gian) Thêi gian gi÷ nhiÖt H×nh 6.1. §å thÞ c«ng nghÖ tæng qu¸t cña nhiÖt luyÖn 6.1.2. §Æc ®iÓm - NhiÖt luyÖn lµ ph-¬ng ph¸p gia c«ng kh«ng lµm thay ®æi h×nh d¸ng, kÝch th-íc cña s¶n phÈm mµ chØ thay ®æi tæ chøc cña kim lo¹i dÉn ®Õn thay ®æi c¬ tÝnh cña s¶n phÈm. - Mèi quan hÖ gi÷a çc yÕu tè c«ng nghÖ vµ c¬ tÝnh cña s¶n phÈm lµ mèi quan hÖ nh©n qu¶. - §-îc sö dông c¶ trong giai ®o¹n t¹o ph«i vµ giai ®o¹n gia c«ng kÕt thóc. Ph¹m vi ¸p dông: trong tÊt c¶ çc nhµ m¸y c¬ khÝ, kho¶ng 90% çc chi tiÕt ph¶i qua nhiÖt luyÖn. 6.1.3. Ph©n lo¹i nhiÖt luyÖn 111 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - NhiÖt luyÖn s¬ bé lµ nh÷ng d¹ng nhiÖt luyÖn mµ s¶n phÈm sau nhiÖt luyÖn cßn tiÕp tôc gia c«ng. - NhiÖt luyÖn kÕt thóc lµ nh÷ng d¹ng nhiÖt luyÖn mµ s¶n phÈm sau nhiÖt luyÖn kh«ng gia c«ng n÷a (trõ mµi tinh). 6.1.4. Çc th«ng sè cña qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn Bao gåm ba th«ng sè c¬ b¶n sau: - NhiÖt ®é nung: lµ nhiÖt ®é lín nhÊt mµ s¶n phÈm ®-îc nung tíi vµ gi÷ t¹i ®ã mét kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh. Vai trß: quyÕt ®Þnh sù h×nh thµnh tæ chøc kim lo¹i ban ®Çu do ®ã quyÕt ®Þnh chÊt l-îng vµ cÊu tróc cña tæ chøc sau nhiÖt luyÖn. - Thêi gian gi÷ nhiÖt: lµ kho¶ng thêi gian gi÷ s¶n phÈm ë nhiÖt ®é nung. Vai trß: quyÕt ®Þnh sù ®ång ®Òu ho¸ vÒ mÆt tæ chøc trong toµn bé thÓ tÝch cña s¶n phÈm ë nhiÖt ®é cao, qua ®ã ®¹t ®-îc sù ®ång ®Òu vÒ c¬ tÝnh cña s¶n phÈm. Thêi gian gi÷ nhiÖt phô thuéc vµo khèi l-îng, kÝch th-íc vµ b¶n chÊt cña vËt liÖu s¶n phÈm. - Tèc ®é nguéi: lµ tèc ®é gi¶m nhiÖt ®é cña s¶n phÈm sau khi gi÷ nhiÖt. Vai trß: quyÕt ®Þnh sù h×nh thµnh çc tæ chøc kh¸c nhau cña s¶n phÈm sau nhiÖt luyÖn vµ t¹o ra tæ chøc h¹t phï hîp. Tèc ®é nguéi phô thuéc vµo môc ®Ých cña nhiÖt luyÖn vµ b¶n chÊt cña vËt liÖu s¶n phÈm. 6.2. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi nung thÐp 6.2.1. §Æc ®iÓm chuyÓn biÕn pha thÓ r¾n M« h×nh: cã sù xuÊt hiÖn mét pha míi trong lßng pha ban ®Çu (pha mÑ) nh-ng sù thay ®æi thÓ tÝch cña vËt thÓ coi nh- kh«ng ®¸ng kÓ nªn coi lµ qu¸ tr×nh ®¼ng tÝch. Sù thay ®æi n¨ng l-îng tù do cña hÖ khi xuÊt hiÖn pha míi: ΔF = - ΔFv + ΔFBM + ΔF®h Trong ®ã: ΔF: Thay ®æi n¨ng l-îng tù do ®¼ng tÝch 112 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ΔFv: N¨ng l-îng tiªu tèn ®Ó t¹o ra thÓ tÝch pha míi ΔFBM: N¨ng l-îng bÒ mÆt cña pha míi ®-îc t¹o ra ΔF®h: N¨ng l-îng ®µn håi do sù chÌn Ðp gi÷a hai pha r¾n. Sù thay ®æi n¨ng l-îng tù do lín h¬n dÉn ®Õn qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn x¶y ra chËm h¬n so víi qu¸ tr×nh kÕt tinh, v× vËy ®ßi hái ®é qu¸ nung T lín h¬n. Nh- vËy, nghiªn cøu t¹o mÇm vµ lín lªn cña mÇm pha míi t-¬ng tù qu¸ tr×nh kÕt tinh vµ thu ®-îc hai ®¹i l-îng: - Tèc ®é t¹o mÇm N (T-1) - Tèc ®é ph¸t triÓn mÇm v (LT-1, L2T-1, L3T-1) N, v N v BiÓu diÔn khi nung N v ΔT H×nh 6.1. ¶nh h-ëng cña ΔT tíi N vµ v Trªn ®å thÞ ta thÊy tån t¹i ®o¹n gi¶m cña N vµ v theo ΔT, ®iÒu nµy ®-îc gi¶i thÝch nhê sù t-¬ng t¸c cña hai qóa tr×nh lµ to¶ n¨ng l-îng vµ khuÕch t¸n do ®ã quy luËt nµy chØ ®óng khi lµm nguéi. Khi nung sù phô thuéc cña N vµ v vµo ®é qu¸ nhiÖt ΔT kh«ng tån t¹i ®o¹n gi¶m cña N vµ v. Do khi ΔT t¨ng th× ΔFv t¨ng vµ hÖ sè khuÕch t¸n Do còng t¨ng vµ dÉn ®Õn N vµ v chØ t¨ng. C«ng thøc x¸c ®Þnh l-îng pha míi ®-îc h×nh thµnh (ph-¬ng tr×nh Jhonson Mehl) V V *   3 4   1  exp   Nv    3  Trong ®ã: V*: ThÓ tÝch pha míi ®-îc t¹o thµnh V: ThÓ tÝch ban ®Çu N: Tèc ®é t¹o mÇm v: Tèc ®é ph¸t triÓn mÇm 113 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt : Thêi gian chuyÓn biÕn. 6.2.2. Sù t¹o thµnh Austenit khi nung Theo lý thuyÕt ë 7270C th× x¶y ra ph¶n øng: Peclit (P) Nung 7270C Austenit () Nung 7270C Hay: [ Ferit () + 0,02% C Xementit (Xe) ] Austenit () 6,67% C 0,8% C VÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu: - MÇm Austenit ®Çu tiªn t¹o ra ë ®©u ? - Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña Austenit sÏ chiÕm hÕt pha nµo tr-íc ( hay Xe) ? - X©y dùng ®-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn ? 6.2.2.1. Ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu - Ph-¬ng ph¸p lý thuyÕt: dùa vµo ph-¬ng tr×nh Jhonson – Mehl – Aravi b»ng çch cho çc gi¸ trÞ N, v t-¬ng øng víi çc T kh¸c nhau. LËp çc d¶i  tõ 1 ®Õn n (n  ), tõ ®ã vÏ ®-îc ®-êng cong chuyÓn biÕn. Song trªn thùc tÕ, qóa tr×nh nung thÐp khi nhiÖt luyÖn lµ rÊt ®a d¹ng, v× vËy ta sÏ ph¶i thùc hiÖn mét khèi l-îng tÝnh to¸n rÊt nhiÒu nªn khi sö dông ph-¬ng ph¸p nµy sÏ trë nªn phøc t¹p vµ kh«ng thùc tÕ. Th«ng th-êng ®Ó x©y dùng çc ®-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn, ng-êi ta th-êng dïng ph-¬ng ph¸p thùc nghiÖm. - Ph-¬ng ph¸p thùc nghiÖm: TiÕn hµnh chuÈn bÞ hµng lo¹t mÉu cã cïng kÝch th-íc, tæ chøc ban ®Çu hoµn toµn nhnhau vµ cïng mét thµnh phÇn çc bon lµ 0,8%. Khi ®ã tæ chøc ban ®Çu cña çc mÉu lµ 100% Peclit. Nung mÉu trong lß muèi hoÆc lß cã c¶m øng ®Ó ®¶m b¶o nung thËt nhanh lªn trªn nhiÖt ®é Ac1. Gi÷ ®¼ng nhiÖt t¹i nhiÖt ®é x¸c ®Þnh (> Ac1) víi çc kho¶ng thêi gian kh¸c nhau. Sau ®ã lµm nguéi vµ ®o l-îng chuyÓn biÕn. Víi m« h×nh nh- trªn, kÕt qu¶ thùc nghiÖm cho chóng ta ®-êng cong chuyÓn biÕn Peclit thµnh Austenit khi nung cã d¹ng nhsau: 114 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 C % Au 1 2 3 D 100 Ac1 C  O O a, B A  b, H×nh 6.3. M« h×nh nung mÉu (a) vµ ®-êng cong thùc nghiÖm (b) Trªn ®-êng cong ®éng häc chóng ta thÊy cã bèn giai ®o¹n sau: §o¹n OA: giai ®o¹n ph«i thai, ®é dµi cña giai ®o¹n nµy phô thuéc vµo nhiÖt ®é nung (hay ®é qu¸ nung ΔT), nhiÖt ®é thùc hiÖn chuyÓn biÕn cµng cao (ΔT lín) thêi gian ph«i thai cµng nhá vµ ng-îc l¹i. §©y lµ giai ®o¹n khuÕch t¸n t¹o çc vïng cã %C t-¬ng ®-¬ng %C trong Austenit (0,8%C) vµ gäi lµ giai ®o¹n t¹o sù ba ®éng thµnh phÇn. §o¹n AB: tèc ®é chuyÓn biÕn t¨ng dÇn do t¨ng qu¸ tr×nh t¹o mÇm trªn ranh giíi h¹t pha. §o¹n BC: giai ®o¹n tèc ®é chuyÓn biÕn gÇn nh- kh«ng ®æi do hÇu hÕt çc d¹ng khuyÕt tËt ®· tham gia vµo qóa tr×nh t¹o mÇm pha míi. §o¹n CD: giai ®o¹n tèc ®é chuyÓn biÕn gi¶m dÇn vµ tiÕn tíi b»ng kh«ng, do lóc nµy l-îng pha míi t¨ng lªn, pha cò gi¶m dÇn dÉn ®Õn gi¶m tèc ®é chuyÓn biÕn vµ khi pha cò hÕt tèc ®é b»ng kh«ng. Víi viÖc thùc hiÖn qóa tr×nh chuyÓn biÕn ë hµng lo¹t nhiÖt ®é kh¸c nhau, ta cã mét hä ®-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn Peclit thµnh Austenit khi nung. Trong thùc tÕ, vÊn ®Ò cÇn x¸c ®Þnh lµ thêi ®iÓm b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn Peclit thµnh Austenit còng nh- thêi gian cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn chuyÓn biÕn hoµn toµn t¹i çc nhiÖt ®é kh¸c nhau. ChÝnh v× vËy ®Ó thuËn tiÖn cho viÖc sö dông ta biÕn ®æi ®-êng cong thùc nghiÖm ®ã thµnh d¹ng kh¸c theo hÖ to¹ ®é nhiÖt ®é - thêi gian. ViÖc biÕn ®æi ®-îc thùc hiÖn b»ng çch kÎ çc ®-êng ®¼ng møc (% Austenit chuyÓn biÕn) sang hÖ to¹ ®é nhiÖt ®é - thêi gian, vµ ®Ó ®¬n gi¶n ta chØ cÇn hai ®iÓm b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn. Nèi çc ®iÓm b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn t¹i çc nhiÖt ®é t-¬ng øng ta ®-îc hai ®-êng b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn Peclit thµnh Austenit. 115 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 %A C T1 T2 T3 T4 v2 T5 Austenit 2 1 v1 T2 PA qu¸ nung T1 Ac1 Peclit  2 1  0 C b, T1 T2 PA T3 1 T4 P qu¸ nung T5 Ac1 T2 > T1 v2 > v1 2 < 1 Austenit 2 Peclit  a, H×nh 6.4. Çch x©y dùng ®-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn P  Au (h×nh a) vµ ¶nh h-ëng cña tèc ®é nung (h×nh b) (1): §-êng b¾t ®Çu chuyÓn biÕn P  Au (2): §-êng kÕt thóc chuyÓn biÕn P  Au Khi tèc ®é nung cµng lín th× nhiÖt ®é b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn P  Au cµng t¨ng vµ ng-îc l¹i. V× vËy, khi nhiÖt luyÖn cÇn ph¶i l-u ý nhiÖt ®é chuyÓn biÕn thùc tÕ theo tèc ®é nung. 6.2.2.2. C¬ chÕ t¹o mÇm Austenit Khi t¹o mÇm Austenit ®Çu tiªn chóng ta thÊy râ r»ng, cÇn cã sù ph©n bè l¹i cña nång ®é (thµnh phÇn) çc bon. V× vËy mÇm ban ®Çu sÏ ®-îc t¹o ra nhê sù khuÕch t¸n vµ ba ®éng thµnh phÇn. Do ®ã sù -u tiªn t¹o mÇm ban ®Çu sÏ lµ mÆt ph©n giíi pha gi÷a Ferit () vµ Xementit (Fe3C), t¹i mÆt ph©n giíi pha gi÷a Ferit vµ Xementit nång ®é çc bon cã thÓ lªn tíi 0,25 %, thuËn lîi cho t¹o mÇm Austenit () khi cã ba ®éng thµnh phÇn, ®ång thêi qóa tr×nh khuÕch t¸n cña çc bon t¹i ®©y m¹nh h¬n rÊt nhiÒu cµng thuËn lîi cho viÖc t¹o mÇm Austenit. Çc kÕt qu¶ thùc nghiÖm cho thÊy diÖn tÝch mÆt ph©n giíi pha gi÷a Ferit vµ Xementit lªn tíi cì (2000  10000) mm2/1 mm3 thÓ tÝch Peclit. C¬ chÕ t¹o mÇm ban ®Çu trªn mÆt ph©n giíi pha ®-îc gäi lµ c¬ chÕ Blanter. 116 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt    Xe   Xe H×nh 6.5. S¬ ®å h×nh thµnh Austenit trªn mÆt ph©n giíi pha Ferit vµ Xementit Tuy nhiªn, víi çc nghiªn cøu sau nµy khi tiÕn hµnh nung rÊt nhanh Peclit hoÆc t-¬ng øng lµ nhiÖt ®é chuyÓn biÕn rÊt cao, khi ®ã b»ng thùc nghiÖm cho thÊy r»ng tinh thÓ Austenit ®Çu tiªn cã d¹ng h×nh kim vµ Austenit ban ®Çu cã quan hÖ liªn m¹ng víi Ferit, ®ång thêi nång ®é çc bon trong Austenit ban ®Çu xÊp xØ nång ®é çc bon trong Ferit. Víi kÕt qu¶ thùc nghiÖm ®ã ng-êi ta cã thÓ kÕt luËn r»ng, khi nung nhanh Peclit th× sù t¹o thµnh çc mÇm Austenit kh«ng theo c¬ chÕ khuÕch t¸n vµ ba ®éng thµnh phÇn mµ Ferit trùc tiÕp chuyÓn thµnh Austenit do tr-ît m¹ng t-¬ng tù nh- qóa tr×nh biÕn d¹ng dÎo. Khi l-îng Austenit t¨ng lªn, lóc ®ã Xementit tiÕp tôc hoµ tan vµo Austenit lµm t¨ng hµm l-îng çc bon. Nh- vËy c¬ chÕ t¹o mÇm Austenit phô thuéc vµo tèc ®é nung khi nhiÖt luyÖn, trong thùc tÕ víi çc qóa tr×nh nhiÖt luyÖn th«ng th-êng th× c¬ chÕ Blanter lµ chñ yÕu, tuy nhiªn víi çc d¹ng nhiÖt luyÖn ®Æc biÖt (t«i bÒ mÆt ...) khi ®ã c¬ chÕ tr-ît m¹ng l¹i lµ chñ ®¹o. 6.2.2.3. C¬ chÕ lín lªn cña mÇm Austenit MÇm Austenit ban ®Çu khi míi t¹o ra cã sù ph©n bæ nång ®é çc bon kh«ng ®ång ®Òu, phÇn tiÕp gi¸p víi Xementit cã nång ®é çc bon cao, ng-îc l¹i phÇn tiÕp gi¸p víi Ferit cã nång ®é çc bon thÊp (®-êng cong ph©n bè nång ®é çc bon theo h×nh). Khi mÇm Austenit ph¸t triÓn, nã liªn tôc vÒ c¶ hai phÝa Ferit vµ Xementit. Trong qóa tr×nh ®ã Xementit liªn tôc hoµ tan vµo Austenit ®Ó tiÕn tíi nång ®é çc bon cña Austenit. 0 C %C c E G T a b Fe3C b c P  S  a Q x C /  C /  0,8 C / Fe3C H×nh 6.6. Ph©n bè nång ®é çc bon trong mÇm Austenit ban ®Çu 117 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt T: NhiÖt ®é thùc hiÖn chuyÓn biÕn a: Nång ®é çc bon trong Ferit t¹i mÆt ph©n giíi pha Ferit vµ Austenit (C/) b: Nång ®é çc bon trong mÇm Austenit t¹i mÆt ph©n giíi pha (C / ) c: Nång ®é çc bon trong Austenit t¹i mÆt ph©n giíi pha Austenit vµ Xementit (C / Fe3C). Tõ h×nh vÏ chóng ta thÊy tèc ®é ph¸t triÓn cña Austenit phô thuéc vµo kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña çc bon trong Ferit vµ Austenit theo tØ lÖ thuËn, ®ång thêi còng phô thuéc vµo ®é chªnh nång ®é gi÷a hai ®iÓm (a) vµ (b) trªn ®å thÞ. Khi ®é chªnh cµng nhá, tèc ®é ph¸t triÓn cña Austenit cµng nhanh. ë ®©y chóng ta còng thÊy râ r»ng khi nhiÖt ®é chuyÓn biÕn T > 910 0C (®iÓm G trªn gi¶n ®å Fe - Fe3C) khi ®ã ®iÓm a vµ b trïng nhau vµ Austenit sÏ trùc tiÕp h×nh thµnh tõ Ferit theo c¬ chÕ tr-ît m¹ng. Khi Austenit ph¸t triÓn, tèc ®é ph¸t triÓn cña nã vÒ hai phÝa Ferit vµ Xementit sÏ ®-îc tÝnh theo çc c«ng thøc sau:  v    v1  K Dc C /  v   Fe C  v 2   K 3 Dc  C  / Fe C 3 Trong ®ã: K: HÖ sè phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn chuyÓn biÕn Dc: HÖ sè khuÕch t¸n cña çc bon trong Austenit ΔC / : §é chªnh nång ®é gi÷a  vµ  t¹i thêi ®iÓm tÝnh ΔC / Fe3C: §é chªnh nång ®é gi÷a  vµ Fe3C t¹i thêi ®iÓm tÝnh. Râ rµng ta thÊy ΔC / Fe3C lµ rÊt lín so víi ΔC /  do ®ã v1 lín h¬n v2 rÊt nhiÒu, v× vËy khi Austenit ph¸t triÓn nã sÏ tiÕn vÒ phÝa Ferit m¹nh h¬n vÒ phÝa Xementit, do ®ã Ferit sÏ hÕt tr-íc Xementit trong qóa tr×nh ph¸t triÓn cña Austenit. Çc kÕt qu¶ nghiªn cøu trªn thùc nghiÖm còng ®· chøng minh sù ®óng ®¾n hoµn toµn cña kÕt luËn nµy. Tãm l¹i, ta cã thÓ kh¸i qu¸t çc giai ®o¹n chuyÓn biÕn Peclit thµnh Austenit khi nung nhsau: Giai ®o¹n 1: Peclit → Austenit bao gåm t¹o mÇm, mÇm lín lªn vµ kÕt thóc lµ hÕt Ferit. 118 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Giai ®o¹n 2: Xementit l¹i tiÕp tôc hoµ tan vµo Austenit, kÕt thóc lµ Xementit hÕt vµ t¹o ra mét pha Austenit nh-ng ch-a ®ång ®Òu vÒ nång ®é çc bon. Giai ®o¹n 3: §ång ®Òu ho¸ thµnh phÇn çc bon nhê qóa tr×nh khuÕch t¸n. %C 6,67  ch-a ®ång ®Òu  ®ång ®Òu 0,8 0,02   Xe (Fe3C)  Fe3C    Fe3C H×nh 6.7. S¬ ®å çc giai ®o¹n h×nh thµnh Austenit ChuyÓn biÕn x¶y ra khi nung víi thÐp tr-íc vµ sau cïng tÝch: Çc lo¹i thÐp sö dông trong kü thuËt kh«ng chØ cã thÐp cïng tÝch (0,8% C) mµ cßn cã çc lo¹i thÐp tr-íc vµ sau cïng tÝch, khi ®ã ®-êng cong ®éng häc cÇn thªm çc qu¸ tr×nh hoµ tan cña Ferit (thÐp tr-íc cïng tÝch) vµ Xementit (víi thÐp sau cïng tÝch) vµo trong Austenit. Do ®ã ®-êng cong ®éng häc sÏ cã thªm çc ®-êng b¾t ®Çu vµ kÕt thóc çc qu¸ tr×nh hoµ tan cña pha thø hai. 0 0 C ATM C ATM 1 2 3 1 4 AC3 AC1 2 3 4 ACm AC1 Peclit + Ferit Peclit + Xementit II   a, b, H×nh 6.8. §-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn khi nung cña thÐp tr-íc cïng tÝch (h×nh a) vµ sau cïng tÝch (h×nh b); ATM: nhiÖt ®é x¶y ra tr-ît m¹ng (3): §-êng b¾t ®Çu hoµ tan cña Ferit hoÆc Xementit vµo Austenit (4): §-êng kÕt thóc hoµ tan cña Ferit hoÆc Xementit vµo Austenit 119 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 6.2.2.4. §é h¹t Austenit - ý nghÜa: h¹t  lµ ®é h¹t trung gian trong nhiÖt luyÖn v× vËy nã gi¸n tiÕp quyÕt ®Þnh ®é h¹t cña tæ chøc kim lo¹i sau nhiÖt luyÖn. - Yªu cÇu: thÐp khi nung kh«ng ®-îc t¹o ra Austenit h¹t lín. - Ph©n lo¹i ®é h¹t: H¹t ban ®Çu: Lµ nh÷ng h¹t ®Çu tiªn t¹o thµnh khi nung. H¹t ban ®Çu phô thuéc chñ yÕu tæ chøc ban ®Çu tr-íc khi nung vµ ®é qu¸ nung ΔT. Tæ chøc ban ®Çu cµng nhá mÞn, h¹t ban ®Çu cµng nhá, ®é qu¸ nung ΔT cµng lín, h¹t ban ®Çu cµng nhá. ý nghÜa cña h¹t ban ®Çu lµ ë chç nã lµ c¬ së ®Ó thu ®-îc tæ chøc h¹t nhá khi tiÕn hµnh nhiÖt luyÖn. H¹t thùc tÕ: Lµ kÝch th-íc h¹t Austenit thu ®-îc trong ®iÒu kiÖn nung thùc tÕ cña qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn vµ nh- vËy th«ng th-êng h¹t thùc tÕ lín h¬n h¹t ban ®Çu. H¹t thùc tÕ cã ý nghÜa v« cïng quan träng v× nã trùc tiÕp ¶nh h-ëng ®Õn c¬ tÝnh, chÊt l-îng s¶n phÈm sau nhiÖt luyÖn. H¹t thùc tÕ phô thuéc vµo h¹t ban ®Çu, nÕu h¹t ban ®Çu cµng nhá mÞn vµ ®ång ®Òu th× h¹t thùc tÕ cµng nhá; vµo nhiÖt ®é nung vµ thêi gian gi÷ nhiÖt, nhiÖt ®é nung vµ thêi gian gi÷ nhiÖt cµng lín, h¹t thùc tÕ cµng cã kÝch th-íc lín vµ h¹t thùc tÕ cßn phô thuéc rÊt m¹nh vµo thµnh phÇn ho¸ häc cña thÐp, do çc nguyªn tè hîp kim t¸c ®éng rÊt m¹nh ®Õn qu¸ tr×nh lín lªn cña h¹t Austenit. H¹t di truyÒn (h¹t b¶n chÊt): Lµ kÝch th-íc h¹t cña tÊt c¶ çc lo¹i thÐp ®-îc nung trong cïng mét ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn nhnhau. VÝ dô, khi x¸c ®Þnh h¹t di truyÒn cho thÐp kÕt cÊu nhiÖt ®é nung lµ (930  950)0C, thêi gian gi÷ nhiÖt lµ 8 giê vµ ®-îc nung trong m«i tr-êng chÊt thÊm çc bon bao gåm 60% bét than gç vµ 40% muèi BaCO3. ViÖc ®o ®é h¹t sö dông kÝnh hiÓn vi víi ®é phãng ®¹i 200 lÇn, h¹t Austenit ®-îc ph©n cÊp theo b¶ng ph©n cÊp quèc tÕ gåm 11 cÊp theo thø tù tõ (1  11) lµ tõ cì h¹t lín ®Õn nhá dÇn, cì h¹t tõ (1  4) lµ cì h¹t cña h¹t di truyÒn h¹t lín, cì h¹t tõ (5  11) lµ cì h¹t cña h¹t di truyÒn h¹t nhá. ViÖc nung trong m«i tr-êng chÊt thÊm çc bon nh»m môc ®Ých t¹o ra tæ chøc t-¬ng ®-¬ng nhau gi÷a thÐp tr-íc vµ sau cïng tÝch, do ®ã viÖc x¸c ®Þnh ®é h¹t Austenit cã tÝnh ®Æc tr-ng ®Çy ®ñ. H¹t di truyÒn biÓu thÞ xu h-íng lín lªn cña h¹t Austenit trong çc lo¹i thÐp ë ®iÒu kiÖn nhiÖt luyÖn th«ng th-êng. CÇn chó ý lµ ë ®©y míi chØ lµ xu h-íng, ch-a ph¶i lµ thùc tÕ vµ do ®ã c¨n cø vµo lo¹i thÐp víi h¹t 120 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt di truyÒn kh¸c nhau, ta cã thÓ ¸p dông çc biÖn ph¸p c«ng nghÖ phï hîp ®Ó thu ®-îc h¹t Austenit nhá, mÞn. VÝ dô víi thÐp çc bon, nhiÖt ®é nung khi nhiÖt luyÖn nªn khèng chÕ nhá h¬n 9200C ®Ó tr¸nh Austenit h¹t lín hoÆc tiÕn hµnh nung nhanh. Tuy nhiªn, víi thÐp hîp kim (h¹t di truyÒn h¹t nhá) ta cã thÓ t¨ng nhiÖt ®é nung tíi 9500C mµ kh«ng sî h¹t Austenit lín. §é h¹t 1 Peclit 2 H¹t ban ®Çu (Austenit) 0 930  950 Ac1 C H×nh 6.9. Xu h-íng ph¸t triÓn h¹t Austenit theo nhiÖt ®é (1): ThÐp cã h¹t di truyÒn h¹t lín (2): ThÐp cã h¹t di truyÒn h¹t nhá Mét ®iÒu cÇn quan t©m lµ khi nung thÐp cã tæ chøc Vidmansted hoÆc Mactenxit víi ®é qu¸ nung (tèc ®é nung) lín, khi ®ã Austenit t¹o ra cã quan hÖ liªn m¹ng víi pha cò, t¹o tr-êng øng suÊt lín, mËt ®é lÖch rÊt cao. Khi ®ã ë kho¶ng nhiÖt ®é cì Ac1 + (100  150)0C cã hiÖn t-îng kÕt tinh l¹i lÇn I x¶y ra, lµm nhá h¹t Austenit. 6.3. çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi lµm nguéi Austenit 6.3.1. Kh¸i niÖm chung Theo lý thuyÕt: t¹i nhiÖt ®é Ar1  0 , 8   0 , 02  Xe 6 , 67  Qóa tr×nh h×nh thµnh Peclit khi lµm nguéi Austenit phô thuéc vµo nhiÖt ®é chuyÓn biÕn thùc tÕ, nÕu nhiÖt ®é chuyÓn biÕn thùc tÕ gi¶m th× ®é qu¸ nguéi t¨ng, h¹t Peclit sÏ cµng nhá. Tuú theo cÊp h¹t ph©n thµnh çc s¶n phÈm kh¸c nhau gäi lµ çc s¶n phÈm cña sù ph©n ho¸ Austenit khi lµm nguéi: 121 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt  0 C Xe Austenit A1 700 600 550 Peclit Xoocbit Trustit a, Hä Peclit   Xe Hä Bainit Xe 300 MS Bainit trªn Mactenxit Bainit d-íi b, Hä Bainit H×nh 6.9 S¶n phÈm khi lµm nguéi austenit 6.3.2. ChuyÓn biÕn Austenit thµnh Peclit khi lµm nguéi chËm 6.3.2.1. Víi thÐp cïng tÝch - M« h×nh thÝ nghiÖm: lµm hµng lo¹t mÉu thÐp 0,8%C, nung lªn nhiÖt ®é lín h¬n Ac1 ®Ó hoµn toµn t¹o thµnh mét pha Austenit, sau ®ã lµm nguéi nhanh xuèng d-íi nhiÖt ®é Ar1 vµ gi÷ ®¼ng nhiÖt ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau. ë mçi mét nhiÖt ®é ®¼ng nhiÖt ph¶i kÌm nhiÒu mÉu, mçi mÉu gi÷ mét thêi gian kh¸c nhau. Sau thêi gian gi÷ nhiÖt ®em t«i çc mÉu trong n-íc, ®o chuyÓn biÕn vµ dùng ®-êng cong theo tõng nhiÖt ®é. 0 C Ac1 T1 1 2 3 4 ... T2 T3 T4  H×nh 6.10 §å thÞ khi lµm nguéi chËm austenit ë çc nhiÖt ®é vµ thêi gian - Víi viÖc thùc hiÖn ë nhiÒu nhiÖt ®é kh¸c nhau ta sÏ x©y dùng ®-îc hä ®-êng cong chuyÓn biÕn: 122 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt % Peclit 100% T4 T5 T6 T3 T2 T7 T1   Ac1 ’ T1 T2 T3 Peclit Xoocbit Trustit Bainit trªn Bainit d-íi T4 T5 (1) (2) T6 T7 MS Mactenxit  H×nh 6.11. §-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn  thµnh P khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt ': Austenit qu¸ nguéi tån t¹i ë nhiÖt ®é thÊp h¬n Ac1 (1): §-êng b¾t ®Çu chuyÓn biÕn Austenit thµnh Peclit (2): §-êng kÕt thóc chuyÓn biÕn Austenit thµnh Peclit NÕu gi¶m nhiÖt ®é chuyÓn biÕn (t¨ng ®é qu¸ nguéi ΔT) lóc ®Çu thêi gian ph«i thai sÏ gi¶m, nh-ng ®Õn mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh khi ta t¨ng ΔT th× thêi gian ph«i thai l¹i t¨ng lªn do sè l-îng mÇm t¹o ra qu¸ nhiÒu g©y øng suÊt lín dÉn ®Õn khã thùc hiÖn chuyÓn biÕn. 6.3.2.2. Víi thÐp tr-íc vµ sau cïng tÝch - Víi thÐp tr-íc cïng tÝch Theo lý thuyÕt: khi nguéi xuèng d-íi Ar3,  b¾t ®Çu tiÕt ra . TiÕp tôc gi¶m nhiÖt ®é,  tiÕt ra cµng nhiÒu. %C trong  t¨ng lªn, khi tíi nhiÖt ®é Ac1 th× %C trong  b»ng 0,8% vµ x¶y ra ph¶n øng cïng tÝch:  0 , 8   0 , 02  Xe 6 , 67  123 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Vµ ®-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn khi lµm nguéi thÐp tr-íc cïng tÝch ph¶i cã thªm ®-êng tiÕt pha Ferit. 0 C     qu¸ nguéi P + Ferit X + Ferit T + Ferit B trªn B d-íi P Ac3 Ac1 Ms Mactenxit  H×nh 6.12. Gi¶n ®å ch÷ C thÐp tr-íc cïng tÝch - Víi thÐp sau cïng tÝch: T-¬ng tù nh- thÐp tr-íc cïng tÝch, víi thÐp sau cïng tÝch khi nguéi xuèng d-íi nhiÖt ®é Acm, b¾t ®Çu cã qu¸ tr×nh tiÕt ra Xementit II. Tuy vËy trong thÐp sau cïng tÝch, hµm l-îng Xementit II rÊt nhá, do ®ã chñ yÕu tiÕt ra d-íi d¹ng m¹ng l-íi bao quanh h¹t Peclit. Tæ chøc nµy th-êng g©y dßn cho thÐp, chÝnh v× vËy khi nhiÖt luyÖn thÐp sau cïng tÝch, th«ng th-êng cÇn dïng th-êng ho¸ ®Ó ph¸ l-íi Xementit II.  Acm A1     XeII P + Xe II X + Xe II T + Xe II B trªn B d-íi Ms Mactenxit  H×nh 6.13Gi¶n ®å ch÷ C thÐp sau cïng tÝch 6.3.3. ChuyÓn biÕn Austenit thµnh Peclit khi lµm nguéi liªn tôc - Khi lµm nguéi liªn tôc Austenit th× ®-êng cong ®éng häc kh«ng cã nöa d-íi 124 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 C Ac1 MS  H×nh 6.14. §-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn Austenit thµnh Peclit khi nguéi ®¼ng nhiÖt ( nÐt ®øt) vµ liªn tôc (nÐt liÒn) cña thÐp cïng tÝch - Tæ chøc Bainit chØ thu ®-îc khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt. - Khi lµm nguéi liªn tôc, ®-êng cong ®éng häc dÞch sang ph¶i vµ xuèng d-íi. §-êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn  th¯nh P gäi l¯ ®êng cong ch÷ “C” 6.3.4. ChuyÓn biÕn Mactenxit - Kh¸i niÖm: chuyÓn biÕn Mactenxit lµ chuyÓn biÕn x¶y ra khi lµm nguéi Austenit víi mét tèc ®é nguéi ®ñ lín. Qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn x¶y ra ë nhiÖt ®é rÊt thÊp (so víi Ar1), cacbon trong Austenit kh«ng kÞp khuÕch t¸n ®Ó t¹o Xe mµ toµn bé l-îng cacbon cña Austenit gi÷ nguyªn trong m¹ng cña Fe() (cã dÞch chuyÓn th× chØ trªn kho¶ng çch nhá h¬n mét th«ng sè m¹ng) do ®ã t¹o ra dung dÞch r¾n qu¸ b·o hoµ cña cacbon trong Fe(), gäi lµ tæ chøc Mactenxit. - §Æc ®iÓm chuyÓn biÕn Mactenxit: Víi ®Æc tr-ng lµm nguéi cña m×nh, chuyÓn biÕn Mactenxit cã mét sè ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt nhsau: + ChuyÓn biÕn Mactenxit lµ chuyÓn biÕn kh«ng khuÕch t¸n, Mactenxit thu ®-îc khi nguéi nhanh Austenit tõ nhiÖt ®é A1. Do ®ã thµnh phÇn ho¸ häc cña Mactenxit trïng víi cña Austenit. + ChuyÓn biÕn Mactenxit chØ b¾t ®Çu x¶y ra ë mét nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh (M S lµ nhiÖt ®é b¾t ®Çu chuyÓn biÕn). NhiÖt ®é MS kh«ng phô thuéc vµo tèc ®é lµm nguéi, ®ång thêi chuyÓn biÕn còng kÕt thóc khi nguéi xuèng thÊp h¬n mét nhiÖt ®é x¸c ®Þnh (Mf lµ nhiÖt ®é kÕt thóc chuyÓn biÕn), c¶ Mf còng kh«ng phô thuéc tèc ®é nguéi. §o¹n (MS – Mf) lµ kho¶ng nhiÖt ®é chuyÓn biÕn Mactenxit. 125 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + ChuyÓn biÕn Mactenxit chØ x¶y ra khi lµm nguéi liªn tôc Austenit, khi nguéi ®Õn MS kim Mactenxit b¾t ®Çu h×nh thµnh, muèn l-îng Mactenxit t¨ng lªn ph¶i tiÕp tôc lµm nguéi. NÕu trong ®o¹n [MS - Mf], ta dõng l¹i ë bÊt kú nhiÖt ®é nµo, chuyÓn biÕn lËp tøc dõng l¹i. ChuyÓn biÕn Mactenxit kh«ng bao giê x¶y ra hoµn toµn, lu«n lu«n cã tån t¹i mét l-îng Austenit d-. + ChuyÓn biÕn Mactenxit lµ chuyÓn biÕn x¶y ra tøc thêi (thêi gian ph«i thai b»ng kh«ng), cø víi nhiÖt ®é nhá h¬n MS chuyÓn biÕn lËp tøc x¶y ra. + Çc kim Mactenxit h×nh thµnh víi tèc ®é rÊt lín (xÊp xØ 1 km/s), tèc ®é h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn kim Mactenxit hÇu nh- kh«ng phô thuéc vµo nhiÖt ®é chuyÓn biÕn. + Gi÷a m¹ng tinh thÓ Mactenxit t¹o ra vµ m¹ng Austenit ban ®Çu cã mèi quan hÖ chÆt chÏ. Theo nghiªn cøu cña Курgгоniоь – Закс ë çc thÐp cã %C = (0,5  1,4)% th× mÆt (1, 1, 1) cña Austenit song song víi mÆt (1, 1, 0) cña Mactenxit vµ ph-¬ng [1,1,2] cña Austenit song song víi ph-¬ng [1,0,1] cña Mactenxit, ngoµi ra çc nghiªn cøu cña Nishiyama còng chØ ra mèi quan hÖ ph-¬ng m¹ng gi÷a hai tæ chøc. MÆt ph©n pha khi chuyÓn biÕn (gäi lµ mÆt Habit) lu«n cè ®Þnh theo tõng hä hîp kim, víi thÐp cacbon cao lµ hä mÆt {2,2,5} vµ {2,5,9} cña Austenit, víi thÐp cacbon thÊp lµ hä mÆt {1,1,1} cña Austenit, trong hîp kim s¾t - niken lµ hä mÆt {3, 10,15} cña Austenit. + Víi nh÷ng mÉu ban ®Çu lµ ph¼ng, nh½n, sau chuyÓn biÕn Mactenxit, xuÊt hiÖn çc gê næi trªn bÒ mÆt. Ngµy nay chuyÓn biÕn Mactenxit cßn ®-îc ph¸t hiÖn ë nhiÒu hÖ hîp kim kh¸c ngoµi s¾t nh- hîp kim ®ång - nh«m, ®ång - kÏm, ®ång - thiÕc, niken - titan … KÕt luËn: chuyÓn biÕn Mactenxit lµ lo¹i chuyÓn biÕn ®Æc biÖt khi lµm nguéi Austenit, nã kÕt hîp sù tr-ît m¹ng (A1  A2) víi sù tån t¹i cña cacbon t¹i çc lç hæng. - Chó ý: + NhiÖt ®é MS vµ Mf phô thuéc vµo thµnh phÇn ho¸ häc cña Austenit (cña thÐp), phÇn tr¨m cña nguyªn tè hîp kim cµng cao th× MS, Mf cµng gi¶m. 126 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 C 600 MS 400 Mf 200 0,4 0,8 1,2 1,6 %C H×nh 6.15. Sù phô thuéc cña nhiÖt ®é MS, Mf vµo hµm l-îng cacbon trong thÐp + L-îng Austenit d- trong Mactenxit phô thuéc vµo thµnh phÇn ho¸ häc cña Austenit (thÐp), phÇn tr¨m nguyªn tè hîp kim t¨ng th× Austenit d- t¨ng, khi ®ã ph¶i xö lý ®Ó chuyÓn biÕn Mactenxit tiÕp tôc x¶y ra. - C¬ chÕ cña chuyÓn biÕn Mactenxit: + Sù h×nh thµnh ra m¹ng Ferit vµ Austenit lµ do c¬ chÕ tr-ît m¹ng, do ®ã gi÷a m¹ng Austenit vµ m¹ng Mactenxit cã mèi quan hÖ x¸c ®Þnh {1,0,0} // {1,1,0}M [1,1,0] // [1,1,1]M + Cacbon trong chuyÓn biÕn Mactenxit gÇn nh- kh«ng dÞch chuyÓn (nÕu cã dÞch chuyÓn th× ®é dêi x  a) v× vËy kh«ng t¹o ®-îc vïng giµu cacbon. C¬ chÕ Bein: 2 2 C¹nh bªn: a C¹nh ®¸y: a a 2 2 c a a a  a  2 2 2 H×nh 6.16. - - - - M¹ng Austenit ; _____ ¤ c¬ b¶n Mactenxit Nguyªn tö Fe; Nguyªn tö cacbon ¦u ®iÓm: gi¶i thÝch ®-îc quan hÖ ph-¬ng, m¹ng cña Mactenxit vµ Austenit phï hîp víi thùc nghiÖm. Nh-îc ®iÓm: ®é chÝnh ph-¬ng c/a qu¸ lín - Tæ chøc siªu tÕ vi cña Mactenxit: 127 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + Tæ chøc bªn trong cña kim Mactenxit: VÖt song tinh Bã kim Mactenxit  H×nh 6.17 Tæ chøc bªn trong cña Mactenxit + Sù x¾p xÕp: çc kim Mactenxit t¹o thµnh çc bã ®Þnh h-íng bÊt k×, kho¶ng çch tõ (3  5) m. 6.4. chuyÓn biÕn khi nung thÐp ®· t«i (chuyÓn biÕn x¶y ra khi ram) Sau khi t«i, thu ®-îc tæ chøc Mactenxit vµ mét l-îng Auxtenit d- lµ hai pha kh«ng æn ®Þnh, møc n¨ng l-îng tù do cao, tån t¹i nhiÒu khuyÕt tËt vµ øng suÊt d- v× vËy M lu«n cã xu h-íng chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh h¬n lµ P. Muèn vËy ph¶i cÊp n¨ng l-îng b»ng çch nung trë l¹i M. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi nung trë l¹i M (chuyÓn biÕn x¶y ra khi ram): * Giai ®o¹n 1: nhá h¬n 2000C - Khi nung ë nhiÖt ®é nhá h¬n 800C, do nhiÖt ®é thÊp, n¨ng l-îng cÊp cßn Ýt, ch-a ®ñ ®Ó v-ît rµo c¶n n¨ng l-îng v× vËy trong thÐp ch-a cã chuyÓn biÕn g×. - Khi nung ë kho¶ng (80  200)0C, n¨ng l-îng ®· ®ñ ®Ó cho cacbon thùc hiÖn çc hµnh tr×nh xa h¬n do ®ã khö ®-îc øng suÊt d- nhê sù ph©n bè l¹i cacbon. §ång thêi nã t¹o ra mét sè vïng giµu cacbon, thuËn lîi t¹o ra Xe. Do hµm l-îng cacbon ch-a ®ñ lín nªn t¹o ra Xe ch-a hoµn chØnh. KÕt qu¶: M hÇu nh- kh«ng gi¶m ®é cøng, ®é bÒn nh-ng khö ®-îc øng suÊt dnªn æn ®Þnh h¬n vµ ®-îc gäi lµ tæ chøc M ram. øng dông khi ram dao c¾t gät kim lo¹i, khu«n … * Giai ®o¹n 2: tõ (200  260)0C Giai ®o¹n nµy cacbon tiÕt ra khái M t-¬ng ®èi nhiÒu, øng suÊt d- gi¶m m¹nh. §ång thêi Auxtenit d- trong M tiÕp tôc chuyÓn biÕn thµnh M ram do ®ã mÉu, s¶n phÈm cã sù t¨ng kÝch th-íc. 128 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt * Giai ®o¹n 3: tõ (260  450)0C Giai ®o¹n nµy nhiÖt l-îng lín v× vËy cacbon tiÕt ra gÇn hÕt khái M, ®é chÝnh ph-¬ng c/a → 1, t¹o thµnh M nghÌo cacbon vµ t¹o thµnh Xe hoµn chØnh. øng suÊt d- c¶ tÕ vi vµ th« ®¹i ®Òu gi¶m gÇn ®Õn kh«ng. T¹o tæ chøc æn ®Þnh vµ h¹t t-¬ng ®èi nhá do sù lín lªn cña kim M ch-a cao, tæ chøc nµy ®-îc gäi lµ tæ chøc Trustit ram cã ch/B max, kÝch th-íc mÉu, s¶n phÈm trë vÒ gÇn víi ban ®Çu. øng dông khi ram çc chi tiÕt ®µn håi. * Giai ®o¹n 4: tõ (450  650)0C Giai ®o¹n nµy cã n¨ng l-îng lín, cacbon tiÕt ra hoµn toµn khái M, ®é chÝnh ph-¬ng c/a = 1. Tæ chøc M lµ Peclit vµ Xe hoµn chØnh, toµn bé øng suÊt d- ®-îc khö bá, mÉu trë vÒ kÝch th-íc ban ®Çu, çc h¹t b¾t ®Çu lín lªn t¹o d¹ng ®Òu c¹nh vµ ®-îc gäi lµ tæ chøc Xoocbit ram. §©y lµ tæ chøc cã c¬ tÝnh tæng hîp cao nhÊt do ®ã ®-îc ¸p dông ®Ó ram tÊt c¶ çc chi tiÕt m¸y. [(HB, B) gi¶m; (, , aK) t¨ng vµ f(HB, B, ch, -1, , , aK) tèi -u] §å thÞ thay ®æi kÝch th-íc mÉu khi ram: V (L) M 0 C O 200 206 450 600 H×nh 6.18 129 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 7. çc ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÐp Nhiệt luyện là những quá trình công nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức (cấu trúc) và tính chất của chúng. Nhiệt luyện áp dụng cho các thỏi đúc, vật đúc, bán thành phần, mối hàn, chi tiết máy và dụng cụ các loại. Các dạng cơ bản của nhiệt luyện bao gồm: ủ, tôi, ram và hoá già. Nếu như do kết quả của tôi ở nhiệt độ 20  250C mà giữ được trạng thái dung dịch rắn ở nhiệt độ cao thì sự hoá bền đáng kể của hợp kim trực tiếp sau khi tôi sẽ không xảy ra, sự hoá bền chủ yếu xảy ra khi nung trở lại ở nhiệt độ thấp (ram) hoặc là trong thời gian giữ ở nhiệt độ 20  250C (hoá già tự nhiên). Với hợp kim có tính chất đặc biệt, tôi có thể làm thay đổi những tính chất (hoá lý) nhạy cảm với sự thay đổi cấu trúc như làm tăng điện trở suất hoặc là lực khử từ, làm giảm độ bền chống ăn mòn... Ram và hoá già là các phương pháp nhiệt luyện sau khi tôi mà kết quả của nó là xảy ra sự chuyển pha, đưa tổ chức về gần trạng thái cân bằng. Thực tế sự kết hợp tôi và ram hay hoá già luôn luôn nhận được các tính chất tốt hơn (độ cứng, các đặc trưng độ bền, lực khử từ, điện trở suất...) so với trạng thái ủ. Phần lớn các hợp kim sau khi tôi nhận được dung dịch rắn quá bão hoà (hoặc là hỗn hợp các dung dịch rắn) trong trường hợp này quá trình cơ bản xảy ra khi ram hoặc hoá già là sự phân rã dung dịch rắn quá bão hoà đó. Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt được chọn như thế nào để sau khi gia công đạt được tổ chức và tính chất như mong muốn mà không phải là tổ chức cân bằng như sau khi ủ. Tốc độ nguội khi ram hay hoá già, trừ một số trường hợp đặc biệt, không ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của hợp kim. Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện nào đều có thể dựa trên cơ sở giản đồ cân bằng pha của hợp kim. Do đó có thể chia thành các nhóm hợp kim cơ bản sau: - Các hợp kim không có chuyển pha ở trạng thái rắn - Các hợp kim có độ hoà tan thay đổi ở trạng thái rắn 130 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Các hợp kim có chuyển biến cùng tích Bất kỳ một quá trình công nghệ nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau: nung nóng, giữ đẳng nhiệt và làm nguội. 7.1. Ủ VÀ THƢỜNG HÓA THÉP 7.1.1. Ủ thép 7.1.1.1. Định nghĩa và mục đích của ủ thép * Định nghĩa: Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt được tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Tổ chức đạt được sau khi ủ thép là P (có thể có thêm F hay XeII tuỳ loại thép trước hay sau cùng tích). * Đặc điểm: - Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vào từng phương pháp ủ - Quá trình làm nguội tiến hành rất chậm, thường là để nguội cùng với lò (với tốc độ khoảng 10  50(0C/h)) để  phân hoá ở nhiệt độ A1 cho ra P. * Mục đích của ủ thép: - Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt. - Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép ở trạng thái nguội. - Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong sau các nguyên công gia công cơ khí (mài, quấn nguội, cắt gọt ... )và đúc, hàn. - Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn tiết diện của vật đúc thép bị thiên tích - Làm nhỏ hạt thép nếu nguyên công trước làm hạt lớn - Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc - Cầu hoá Xe để có tổ chức hạt khác với Xe ở dạng tấm. Với mục đích đa dạng như vậy thì không phương pháp ủ nào đạt được cả các mục tiêu trên. Thông thường mỗi phương pháp ủ chỉ đạt được một hoặc vài trong số các chỉ tiêu kể trên. 7.1.1.2. Phân loại 131 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Có nhiều phương pháp ủ. Theo chuyển biến pha P   khi nung nóng, người ta chia các phương pháp ủ thành 2 nhóm: ủ có chuyển biến pha và ủ không có chuyển biến pha. * Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha: Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn Ac1, khi đó không xảy ra chuyển biến P  . + Ủ thấp (ủ non): - Đị nh nghĩa: Ủ thấp là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn Ac1 để không có chuyển biến pha xảy ra. - Mục đích và đặc: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia công cơ khí. +) Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200  3000C) chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứng suất bên trong nhưng ở những nhiệt độ cao hơn (450  6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bên trong có thể hoàn toàn hơn. +) Do làm nguội nhanh, không đều, do chuyển pha khi đúc, trong vật đúc tồn tại ứng suất bên trong. Đối với một số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép tồn tại ứng suất dư độ. Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hành nung nóng đến 450  6000C, sau đó làm nguội chậm tiếp theo để tránh tạo lại ứng suất dư. Đối với trường hợp yêu cầu không cao, chỉ cần giảm ứng suất dư đến mức nhất định, có thể tiến hành bảo quản ở t0 thường trong khoảng 9  12 tháng, quá trình này còn gọi là hoá già tự nhiên. Do nhiệt độ ủ thấp nên phương pháp ủ này không làm thay đổi độ cứng và kích thước hạt. + Ủ kết tinh lại: - Định nghĩa: Ủ kết tinh lại là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn Ac1 để không có chuyển biến pha xảy ra. - Mục đích và đặc điểm: Ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trước khi gia công cơ khí. +) Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600  7000C tức là thấp hơn nhiệt độ Ac1. Loại ủ này làm thay đổi được kích thước hạt và giảm độ cứng, nhưng rất ít áp dụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn. 132 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phương mang giữa các hạt nên ứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biến dạng với mức độ tới hạn sau khi ủ có kích thước lớn, làm dòn thép. Để tránh hiện tượng này, thường dùng các phương pháp ủ có chuyển biến pha. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha: Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao hơn Ac1, khi đó có xảy ra chuyển biến P  . + Ủ hoàn toàn: - Định nghĩa: Ủ hoàn toàn là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn , tức là phải nung cao hơn nhiệt độ Ac3 hoặc Accm. - Mục đích và đặc điểm: +) Làm nhỏ hạt. Nếu chỉ nung quá nhiệt độ Ac3 khoảng 20  300C ứng với nhiệt độ ủ trong khoảng 780  8600C, hạt  nhận được vẫn giữ được kích thước bé, sau đó làm nguội chậm có tổ chức F + P hạt nhỏ. Tổ chức này có độ dai tốt. +) Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo, dễ cắt gọt và rập nguội. Do làm nguội chậm,  phân hoá ra tổ chức F + P (tấm) có độ cứng trong khoảng 160  200HB, bảo đảm cắt gọt tốt và dẻo, dễ rập nguội. Như vậy nhiệt độ ủ hoàn toàn là T0ủ hoàn 0 0 toàn = T Ac 3 + (20  30) C. Loại ủ này chỉ áp dụng cho thép có hàm lượng cacbon lớn hơn hoặc bằng 0,30C + Ủ không hoàn toàn: - Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàn toàn là , nhiệt độ cao hơn Ac1 nhưng thấp hơn Ac3 hay Accm. - Mục đích và đặc điểm: +) Làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được, sự chuyển biến pha ở đây là không hoàn toàn chỉ có P   còn F hoặc XeII vẫn còn (do vậy khi làm nguội không làm thay đổi kích thước hạt của 2 pha đó). +) Đối với thép trước cùng tích, loại thép có yêu cầu độ dai cao vì không làm nhỏ được hạt F nên không áp dụng dạng ủ này. Do vậy, ủ không hoàn toàn thường được áp dụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích với hàm lượng cacbon > 0,7%. 133 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,7% mà chủ yếu là thép cùng tích và sau cùng tích (thép có độ cứng khá cao, khó cắt gọt). Nếu tiến hành ủ hoàn toàn thép này, tổ chức nhận được là P tấm, độ cứng có thể lớn hơn 220HB gây cho việc cắt gọt gặp khó khăn. Nếu tiến hành ủ không hoàn toàn, thì ở nhiệt độ nung do đạt được tổ chức  và các phần tử XeII chưa tan hết nên khi làm nguội, các phần tử này như là những mầm giúp cho tạo nên P hạt. Sau khi ủ không hoàn toàn, thép có tổ chức P hạt với độ cứng thấp hơn (khoảng 200HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt hơn. Vậy nhiệt độ ủ không hoàn toàn cho mọi thép cacbon lngười T0ủ.k.h.t = T0Ac1 + (20  300C) Dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn là ủ cầu hoá, trong đó nhiệt độ nung dao động tuần hoàn trên dưới A1: nung đến 750  7700C rồi lại làm nguội xuống 650  6800C, cứ thế trong nhiều lần. Với cách làm như vậy, không những cầu hoá được Xe của P mà cả XeII thường ở dạng lưới trong thép sau cùng tích. 0 C lµm nguéi cïng lß Ac1 30500C 30500C t H×nh 7.1 + Ủ khuếch tán: - Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ rất cao 1100  11500C và giữ nhiệt trong nhiều giờ (khoảng 10  15h) - Mục đích và đặc điểm: +) Tạo ra hạt quá lớn do nung lâu ở nhiệt độ cao, vì vậy chỉ áp dụng cho vật đúc trước khi gia công áp lực. Nếu không qua biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt thì sau đó phải ủ lại bằng cách ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt. +) Làm đều thành phần của thép do hiện tượng thiện tích gây ra. Cách ủ này áp dụng cho các thỏi đúc bằng thép hợp kim cao, thường có hiện tượng không đồng nhất về thành phần hoá học. + Ủ đẳng nhiệt: 134 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Định nghĩa: là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ (xác định theo là ủ hoàn toàn hay không hoàn toàn), giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh xuống dưới A1 khoảng 50  1000C tuỳ theo yêu cầu về tổ chức nhận được. - Mục đích và đặc điểm: +) Việc giữ nhiệt lâu trong lò ở nhiệt độ dưới A1 để  phân hoá thành phần hỗn hợp F + Xe +) Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định  quá nguội của thép ủ ở nhiệt độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ) +) Giảm độ cứng để thu được độ cứng thấp nhất ứng với tổ chức của P. Khá nhiều thép hợp kim cao, do tính ổn định của quá nguội quá lớn nên làm nguội chậm cùng lò khi ủ cũng không đạt được độ cứng thấp do vậy phải làm cho tốc độ nguội chậm hơn nữa nhưng rất khó khăn nên khống chế tính ổn định của  quá nguội bằng độ quá nguội. 7.1.2. Thƣờng hóa thép 7.1.2.1. Định nghĩa Thường hoá là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn  (cao hơn Ac3 hoặc Accm); giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh (thường kéo ra để nguội ở trên sân) để  phân hoá thành P phân tán hay X với độ cứng tương đối thấp. Nhiệt độ thường hoá là :T = T0 (Ac3 hay Accm) + (20  30)0C 7.1.2.2. Đặc điểm của thường hoá thép - So với ủ thép, thường hoá kinh tế hơn do không phải làm nguội trong lò do vậy thường được áp dụng. - Tốc độ nguội ngoài không khí tĩnh lớn hơn tốc độ nguội trong lò khi ủ, tốc độ nguội tăng tức là độ quá nguội T càng lớn do vậy hạt thu được có kích thước nhỏ hơn so với khi ủ làm cho cơ tính được tăng lên. - Tăng năng suất của quá trình công nghệ - Với thép sau cùng tích thì phá được lưới XeII và tạo ra tổ chức phù hợp trước khi nhiệt luyện kết thúc. 135 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35  0,5%) thì thường hoá tạo ra tổ chức P có độ cứng tương đối cao (24  28HRC) nên có thể dùng làm nhiệt luyện kết thúc thay tôi và ram với chi tiết không quan trọng. 7.1.2.3. Các trường hợp áp dụng của thường hóa Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của thường hoá, ta có thể thấy sử dụng thường hoá có thể đạt được các mục đích yêu cầu sau: - Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt với thép cacbon thấp (%C < 0,25%) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,3% thường tiến hành ủ còn đối với thép có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hoá. Thép có hàm lượng cacbon thấp như vậy nếu đem ủ hoàn toàn sẽ cho độ cứng rất thấp (nhỏ hơn 140HV), thép dẻo, phôi khó gẫy, quấn lấy dao, khi thường hoá sẽ cho độ cứng cao hơn (khoảng 140  180HB), thích hợp với các chế độ gia công cắt gọt. Như vậy, để đảm bảo tính gia công cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon < 0,25% phải thường hoá, từ 0,3  0,65% cần ủ hoàn toàn và thép có hàm lượng > 0,7% cần ủ không hoàn toàn (ủ cầu hoá). - Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc. Khi thường hoá tạo ra tổ chức P phân tán hay X với Xe có kích thước bé. Mặt khác, Xe àng nhỏ biên giới hạt càng nhiều, do vậy khi  hoá sẽ tạo ra nhiều mầm , nhận được hạt  nhỏ mịn và chuyển biến xảy ra nhanh. Yêu cầu này rất cần thiết đối với trường hợp tôi bề mặt. - Làm mất XeII ở dạng lưới của thép sau cùng tích Nhiều trường hợp sau khi làm nguội chậm sau khi ủ thép sau cùng tích hay bề mặt thép thấm cacbon, trong tổ chức xuất hiện XeII ở dạng lưới liên tục bao quanh P làm thép rất dòn và ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng khi gia công cắt gọt. Thường hoá có thể khắc phục được trạng thái này, do làm nguội nhanh hơn, Xe không kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng đứt rời. Các xa nhau làm thép ít dòn hơn, bề mặt đạt được độ nhẵn bóng cao hơn. 7.1.2.4. Nhiệt độ ủ và thường hoá thép theo giản đồ trạng thái 136 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 C ñ khuÕch t¸n 1100 γ 1000 Thường hóa 900 800 ñ hoµn toµn ñ kh«ng γ+XeII hoµn toµn α+γ 700 ñ kÕt tinh l¹i 600 500 F+P P+XeII P 400 300 ñ thÊp 200 100 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C H×nh 7.2 NhiÖt ®é ñ vµ th-êng hãa cña thÐp 7.2. TÔI THÉP 7.2.1. Định nghĩa Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm xuất hiện tổ chức , giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để  chuyển biến thành M hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng (như B, T khi tôi đẳng nhiệt) và tính chống mài mòn cao. 7.2.2. Đặc điểm - Phải làm nguội trong các môi trường có tốc độ nguội phù hợp (vng > vng.tới hạn) - Tổ chức thu được sau khi tôi là tổ chức không ổn định nên phải kết hợp với ram để tạo tổ chức ổn định hơn. - Do tôi độ nguội nhanh đặc điểm của chuyển biến M nên chi tiết sau khi tôi dễ tồn tại biến dạng và ứng suất dư. - Độ cứng của sản phẩm sau khi tôi phụ thuộc vào hàm lượng cacbon trong thép và tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội). 7.2.3. Mục đích của tôi - Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép do đó kéo dài được thời gian làm việc của các chi tiết chịu mài mòn. Độ cứng của thép tôi phụ thuộc vào 137 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt lượng cacbon. Thép có lượng cacbon quá thấp < 0,25% khi tôi có độ cứng không cao, không đủ chịu mài mòn. Vậy, muốn đạt được mục đích này thép tôi phải có hàm lượng cacbon trung bình và cao từ 0,3% cacbon trở lên. - Nâng cao độ bền do đó nâng cao được sức chịu tải của chi tiết máy. Nờ tính chất này mà người ta tiến hành tôi thép cho các chi tiết máy quan trọng (chịu tải nặng, chóng mòn và gẫy), các chi tiết quyết định khả năng làm việc lâu dài của máy. Nguyên công tôi thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt trong nhiệt luyện vì các lý do sau: +) Nó quyết định cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc do vậy quyết định tuổi thọ của chi tiết máy. +) Là một trong những nguyên công gia công cuối cùng, chi tiết đã ở dạng thành phẩm. Các mục đích nêu trên chỉ đạt được bằng sự kết hợp với ram tiếp theo. 7.2.4. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 7.2.4.1. Tốc độ tôi tới hạn - Định nghĩa: Là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để  chuyển biến thành M với từng loại thép khác nhau. vng.tới hạn = A1  T o 0 ( C / s) t g .h A1: nhiệt độ tới hạn dưới của thép T0: nhiệt độ cứng với  quá nguội kém ổn định nhất Tgh: thời gian kém ổn định nhất của  H×nh 7.3 Tèc ®é t«i tíi h¹n cña thÐp 138 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Đặc điểm: +) Tốc độ tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi cứng vì lúc đó chỉ cần dùng các môi trường nguội chậm cũng đủ để đạt độ cứng. +) Tốc độ tôi tới hạn của các thép khác nhau cũng khác nhau. Nó phụ thuộc vào vị trí của đường cong chữ "c" hay là tính ổn định của  quá nguội. Tính ổn định của  quá nguội càng lớn, đường cong chữ "c" hay là tính ổn định của  quá nguội. Tính ổn định của  quá nguội càng lớn, đường cong chữ "c" dịch sang phải càng nhiều, tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ. Mọi yếu tố làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội (η m) đều làm giảm vth. Mặt khác các yếu tố giúp cho sự tạo nên hỗn hợp F – Xe đều làm giảm tính ổn định cảu austenit và làm tăng vth. Các yếu tố đó là: 1. Sự đồng nhất của austenit. Austenit có thành phần C càng đồng nhất thì càng dễ biến thành M, vì M cũng là dung dich rắn. Khi austenit có thành phần cacbon phân bố không đều thì nó dễ tạo thành hỗn hợp F – Xe hơn, trong đó vùng có cacbon cao dễ biến thành Xe, vùng có cacbon thấp dễ biến thành F. Nâng cao nhiệt độ tôi tạo cho austenit đồng đều về thành phần C sẽ nâng cao tính ổn định của austenit quá nguội. 2. Các phần tử rắn chưa tan hết vào austenit khi nung nóng như các phần tử cacbit - Xe, làm khó khăn cho chuyển biến austenit - M do đó làm tăng vth. 3. Kích thước hạt austenit – Như đã biết khi chuyển biến P, mầm đầu tiên sinh ra ở biên giới hạt austenit, do vậy hạt austenit nhỏ với tổng biên giới hạt lớn sẽ thúc đẩy chuyển biến thành P và khó chuyển biến M. vì thế mặc dầu hạt austenit to tạo nên các sản phẩm có tính dòn cao, nhưng nó cho tốc độ tôi tới hạn nhỏ hơn. 4. Thành phần hợp kim của austenit. Như đã trình bày sơ bộ ở trên, austenit càng chứa nhiều nguyên tố hợp kim tính ổn định của nó càng tăng, v th càng nhỏ. Do vậy thép hợp kim có vth nhỏ hơn so với thép cacbon. Lượng cacbon trong austenit cũng ảnh hưởng tới vth. Khi tăng lượng C vth giảm đi, tới 0.8 – 1.0%C vẫn đạt đến gái trị nhỏ nhất, sau đó vth lại tăng lên. 7.2.4.2. Độ thấm tôi và ý nghĩa của nó Độ thấm tôi Trong quá trình làm nguội khi tôi, tốc độ nguội không thể đều nhau trên toàn bộ tiết diện của chi tiết thép: bao giờ bề mựt cũng nguội nhanh hơn ở lõi, tùy thuộc 139 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt vào tốc độ nguội trên tiết diện thép có thể nhận được các tổ chức khác nhau. Hiện tượng thường gặp là từ bề mặt tới chiều sâu nhất định có tổ chức M cứng, phần lõi có tổ chức T, X mềm hơn. Độ thấm tôi là chiều dày của lớp tôi cứng có tổ chức M và M + T Về mặt định lượng hãy xem độ thấm tôi phụ thuộc những gì? Vnguội D Vth Lớp tôi Lớp không tôi được Lớp tôi Hình 7.4 Giả sử chi tiết thép hình trụ tròn có đường kính D, khi làm nguội tốc độ nguội phân bố trên đường kính tiết diện có dạng hình chữ V (hình vẽ). chỉ có lớp bề mặt với chiều dày nhất định (lớp gạch chéo) có tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn mwois được tôi cứng. Vậy yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi là tốc độ tôi tới hạn. rõ ràng bằng cách nào đó tính ổn định của austenit quá nguội tăng lên, đường cong chữ “C” dịch sang phải dẫn đến làm hạ thấp v th, do đó làm tăng độ thấm tôi. Trong trường howpk tốc độ tôi tới hạn của thép quá nhỏ bé hơn cả tố độ nguội của lõi, thì cả lõi cũng được tôi cứng thành M, lúc đó toàn tiết diện có tổ chức M. hiện tượng đó gọi là tôi thấu. Ngược alij có trường hợp tốc độ tôi tới hạn quá lớn ngay cả tốc độ nguội nhan ở bề mặt cũng không đạt tới do đó toàn bộ chi tiêt không được tôi. Như vậy mọi yếu tố làm giảm tốc độ tôi tới hạn (hợp kim hóa, làm đồng dều austenit ….) đều làm tăng độ thấm tôi. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến độ thấm tôi là tốc độ làm nguội, tức là tùy thuộc vào khả năng làm nguội nhanh hay chậm của môi trường tôi đã chọn. Rõ ràng khi làm nguội nhanh hơn tốc độ nguội ở bề mặt và ở lõi đều tăng lên đường phân bố theo tốc độ nguội sẽ nâng lên, như vậy độ thấm tôi cũng được tăng lên 140 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt tương ứng (tốc độ nguội nhanh hay chậm không ảnh hưởng gì đến tốc độ tôi tới hạn). Tuy nhiên không thể quá lạm dụng yếu tố này để tăng độ thấm tôi bởi vì làm nguội quá nhanh dẫn tói làm tăng mạnh ứng suất bên trong gây ra nứt cong vênh. Cách xác định độ thấm tôi Ø15 100 Trong thực tế rất khó xác định chiều dày lớp thấm tôi bằng chiều dayfcaur lớp chỉ có M, mà thường được tính bằng chiều dày từ bề mặt đến lớp có tổ chức nửa m (50%M + 50%T). vì tổ chức này dễ phát hiện bằng phương pháp kim tương hoặc bằng cách đo độ cứng của tổ chức nửa M ở các thép có thành phần cacbon khác nhau. Nước Hình 7.5 Để xác định độ thấm tôi người ta dung cách đo độ cứng các mẫu tôi đầu mút. Sơ đồ cảu phương pháp được trình bày trong hình vẽ, trong đó mẫu tôi có dạng hình trụ tròn với kích thước quy định được nung nóng đến nhiệt độ tôi, treo đứng rồi dùng tia nước làm nguội ở đầu mút dưới. sau khi tạo mẫu xong, đo độ cứng mẫu theo đường sinh bắt đầu từ mút tôi, kết quả đo được trình bày trên hệ trục tọa độ: độ cứng – khoảng cách từ đầu mút. Hình vẽ trình bày kết quả đo độ cứng của mẫu tôi đầu mút của hai số hiệu thép. Giả sử mẫu thép có thành phần cacbon là 0.65% thì đọ cnwgs của vùng nửa M cảu nó là 50HRC và như vậy thép “a” (hình vẽ) có độ thấm tôi 3mm, còn thép “b” tới 18mm, hay là độ xứng 50HRC nhận được ở thép “a” khi làm nguội với tốc độ 1050C/s, thép “b” – 100C/s. Thông thường với cùng một số hiệu thép do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như kích thước hạt, sự dao động của thành phần hóa học trong phạm vi cho phép… các số liệu độ cnwgs đo được sẽ thay đổi trong một giới hạn nào đó, không biểu diễn 141 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt thành một đường mà thành một dải gọi là dải thấm tôi. Hình vẽ trình bày dải thấm tôi của hai thép: thép hợp kim và thép cacbon, cả hai đều cùng lượng C như nhau (0.4%C). Qua đó thấy thép hợp kim có độ thấm tôi cao hơn. Hình 7.6 a. Thép cacbon; b,c. Thép hợp kim Ý nghĩa của độ thấm tôi Độ thấm tôi có ý nghĩa rất quan trọng đối với thép bởi vì nó quyết định khả năng hóa bền thép bằng nhiệt luyện tôi + ram Như đã biết, độ bền của thép đạt được giá trị cao nhất chỉ ở trạng thái sau khi tôi và ram. Nếu sau tôi, lớp được tôi cứng quá mỏng, chỉ chiếm một phần nhỏ của tiết diện thì hiệu quả hóa bền kể trên không đáng là bao nhiêu, độ bền của chi tiết tăng lên rất ít so với trước khi tôi. Nhưng nếu sau khi tôi toàn bộ hay phần lớn tiết diện được tôi cnwgs thì hiệu quả hóa bền tăng lên rõ rệt. Độ thấm tôi có ý nghĩa đặc biệt đối với thép kết cấu là loại thép để chế tạo các chi tiết máy, yêu cầu chủ yếu của nó là cần độ bền cao. Đối với một chi tiết quan trọng, chịu tải trọng lớn cần chế tạo bằng thép có độ thấm tôi lớn để tôi thấu, nằm đạt độ bền cao đồng đều trên toàn tiết diện. Đối với một số trường hợp lại không yêu cầu tôi thấu. Ví dụ: đối với dụng cụ cắt gọt như taro, khoan, dũa…cần lõi có độ dẻo nhất định để tránh gãy khi va đập do vậy dùng thép có độ thấm tôi thấp lại có lợi. Hiện nay có khuynh hướng dùng thép có độ thấm tôi thấp để chế tạo chi tiết cần lõi dẻo dai và làm giảm sự thay đổi thể tich khi tôi. Cần phân biệt tính thấm tôi và tính tôi cứng Tính thấm tôi hay tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng lớn nhất sau khi tôi. Như vậy tính tôi cứng chỉ phụ thuộc vào lượng C trong mactenxit (do đó phụ thuộc 142 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt vào lượng C của thép); tính tôi cứng hầu như không phụ thuộc vào lượng nguyên tố hợp kim có trong thép. Như vậy có thể gặp trường hợp thép có độ thấm tôi lớn nhưng tính tôi cứng kém (ví dụ thép hợp kim C thấp) và ngược lại thep C nhưng có tính tôi cứng cao (thép C cao). 7.2.5. Cách xác định nhiệt độ tôi Khi tôi thép ta phải nung lên quá nhiệt độ Ac1, tuy nhiên đối với thép có hàm lượng cacbon khác nhau, cách xác định nhiệt độ tôi cũng khác nhau. Đối với thép cacbon có tổ chức tế vi phù hợp với giản đồ trạng thái Fe – C, xác định nhiệt độ tôi theo các điểm tới hạn của nó. (hình vẽ) 1. Đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( ≤ 0.8%C) Nhiệt độ tôi lấy cao hơn Ac3, tức nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit. Cách tôi này gọi là tôi hoàn toàn. t0tôi = Ac3 + (30 - 50)0C Như vậy nhiệt độ tôi của thép hoàn toàn phụ thuộc vào điểm Ac3. Lượng cacbon tăng lên từ 0,1 đến 0,8% nhiệt độ tôi giảm đi. Thép có 0,2%C, Ac3 = 8600C, t0tôi = 890 – 9100C Thép có 0,4%C, Ac3 = 8200C, t0tôi = 850 – 8700C Thép có 0,8%C, Ac3 = 7300C, t0tôi = 760 – 7800C 2. Đối với thép sau cùng tích ( > 0,8%C) Nhiệt độ tôi lấy cao hơn Ac1 nhưng thấp hơn Accm, tức nung tới trạng thái không hoàn toàn austenit: austenit + xementit II. Cách tôi này gọi là tôi không hoàn toàn. t0tôi = Ac3 + (30 - 50)0C Do vậy cúng đều có nhiệt độ tôi giống nhau, 760 – 7800C không phụ thuộc vào thành phần cacbon. Lý do chọn nhiệt độ tôi như vậy được giải thích như sau: Với thép trước cùng tích không thể tiến hành tôi không hoàn toàn (Ac1 nhưng thấp chỉ nung cao hơn1Acps hơn Ac3), bởi vỉ ở trạng thái nung nóng thép có tổ chức F + austenit và khi làm nguội nhanh ngoài M ra vẫn còn F. F là pha mềm do đó độ cnwgs của thép tôi không đạt được giá trị cao nhất, tạo ra điểm mềm không có lợi cho độ bền và tính chống mài mòn. Khi tôi hoàn toàn (t 0tôi > Ac3) tất 143 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt cả F hòa tan hét vào austenit, do đó sau khi tôi thép chỉ có M và không có F, độ cứng sẽ đạt được là giá trị cao nhất. Với thép sau cùng tích không thể tiến hành tôi hoàn toàn (tức nung cao quá Acm) bởi vì thép này có thành phần cacbon cao (> 0,8%C), khi nung quá Ac cm tất cả XeII hòa tan hết vào austenit làm cho pha này có lượng cacbon cao (bằng lượng cacbon của thép), khi làm nguội nhan được M với hàm lượng cacbon cao, thể tích riêng lớn và do đó còn lại nhiều austenit dư. Như vậy mặc dầu M trong cách tôi này có độ cứng cao nhất, nhưng độ cứng chung của thép tôi (gồm M và austenit dư) lại thấp hơn quá nhiều. Cách tôi như vậy không đạt yêu cầu về độ cứng. Mặt khác nung thép quá Accm tức phải nung tới nhiệt độ cao (đường SE dốc hơn GS) sẽ làm hạt austenit lớn (gây cho thép tôi dòn), oxy hóa và thoát cacbon ở bề mặt. Khi tôi không hoàn toàn thép này, ở trạng thá nung thép có tổ chức austenit với lượng C khoảng 0,85%C và Xe II, khi làm nguội được M chứa 0,85%C có thể tích riêng không quá lớn do vậy lương austenit dư không quá nhiều. Tổ chức nhận được sau khi tôi gồm M + Xe II + ít austenit dư, có độ cứng chung cao nhất khoảng 6265HRC. Ở đây, Xe II cỏn có độ cứng cao hơn M chút ít, hơn nữa Xe II do chưa hòa tan hết vào austenit nên tồn tại ở dạng hạt nhỏ phân bố đều lại làm tăng tính chống mài mòn. Nhiệt độ tôi ảnh hưởng rất nhạy đến chất lượng của thép tôi. Ví dụ, nhiệt độ tôi thấp sẽ làm thép không đạt độ cứng (như thép trước cùng tích tôi ở nhiệt độ dưới Ac3), nhiệt độ tôi cao quá làm hạt lớn, dòn, thoát cacbon ở bề mặt. Vì vậy phải kiểm tả chạt chẽ nhiệt độ nung nóng khi tôi. Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng 1 – 2%) có tổ chức tế vi cơ bản vẫn giống giản đồ trạng thái Fe – C nên nhiệt độ tôi giống như thép cacbon có hàm lượng cacbon tương đương. Đối với thép hợp kim trung bình và cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim > 5%) có tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C , các điểm tới hạn, các đường trên giản đồ thay đổi quá nhiều nên nhiệt độ tôi không thể xác định theo như thép C tương đương. Nhiệt độ tôi cảu các thép đó phải tra ở các sổ tay nhiệt luyện. 7.2.6. Các phƣơng pháp tôi 7.2.6.1. Yêu cầu đối với môi trường làm nguội 144 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Môi trường tôi phải tạo được chuyển biến M. Muốn vậy, môi trường tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn. - Giảm được tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng và ứng suất dư. Làm nguội chậm thép ở trong khoảng nhiệt độ trên 6000C và dưới 5000C đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ chuyển biến M (dưới 3000C), tốc độ nguội càng chậm càng tốt vì chuyển biến này gây ra ứng suất tổ chức lớn. Đạt được yêu cầu này sẽ đảm bảo thép tôi không bị nứt và ít cong vênh. Điều kiện làm nguội lý tưởng nhất được mô tả trên hình vẽ sau: 0 C  Ac1 X quaù nguoäi  P T Bt Ms P Bd M %C H×nh 7.7 Để thu được tổ chức M và tránh tạo ứng suất dư ta cần chú ý là trong khoảng 550  6500C nên làm nguội nhanh và khoảng 200  3000C cần làm nguội chậm. - Ngoài 2 yêu cầu quan trọng bên trên, cần chú ý các yêu cầu khác đối với môi trường tôi như: dễ kiếm, sử dụng an toàn, không có tương tác hóa học, điện hóa, có độ bám vào bề mặt cao để môi trường tiếp xúc đều với chi tiết. 7.2.6.2. Các phương pháp tôi thông thường * Tôi một môi trường: - Định nghĩa: Là quá trình tôi mà chi tiết chỉ được làm nguội trong một môi trường duy nhất (đường (1)) - Đặc điểm: +) Đơn giản, dễ thao tác +) Không hạn chế được tốc độ nguội khi có chuyển biến M do đó chi tiết dễ bị biến dạng và nứt - Phạm vi áp dụng: Do các đặc điểm trên mà tôi một môi trường chỉ áp dụng cho các chi tiết không quan trọng, kết cấu đơn giản. 145 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt * Tôi 2 môi trường: - Định nghĩa: Là quá trình tôi mà chi tiết được làm nguộ trong 2 môi trường có tốc độ nguội khác nhau. Môi trường 2 có tốc độ nguội chậm hơn môi trường 1 (đường (2)) 0 C (1) (2) (3) (4) Ac1  PT X Bt Ms P Bd M t H×nh 7.8 - Đặc điểm: +) Lợi dụng được ưu điểm của 2 môi trường tôi. Lúc đầu khi còn ở nhiệt độ cao, thép được làm nguội ở môi trường có tốc độ nguội mạnh, su đó khi gần đến nhiệt độ chuyển biến M thép được chuyển sang làm nguội trong môi trường có tốc độ nguội bé hơn. Chuyển biến M xảy ra trong môi trường nguội chậm nên giảm bớt ứng suất bên trong, ít nứt. Đây là cách tôi thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt cho thép cacbon cao) vừa bảo đảm đạt độ cứng, vừa ít xảy ra biến dạng, nứt. +) Khó xác định được thời điểm chuyển chi tiết từ môi trường một sang môi trường hai. Thời điểm chuyển môi trường tốt nhất là khi thép có nhiệt độ cao hơn Ms khoảng 1000C. Nếu chuyển quá sớm, thép bị nguội trong môi trường hai có vng nhỏ sẽ dễ không đạt được độ cứng yêu cầu, nếu chuyển quá muộn, chuyển biến M sẽ xảy ra ở ngay trong môi trường một, ứng suất bên trong lớn, gây biến dạng và nứt. - Phạm vi áp dụng: Do các đặc điểm của tôi 2 môi trường mà để thực hiện nó phải đòi hỏi công nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển môi trường), khó cơ khí hóa, thường áp dụng cho sản xuất từng loại nhỏ hoặc đơn chiếc. * Tôi phân cấp: 146 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Định nghĩa: Là quá trình tôi sử dụng môi trường làm nguội là một loại muối nóng chảy ở nhiệt độ lớn hơn Ms; T0 = Ms + (30 50)0C. Thép được làm nguội và giữ đẳng nhiệt trong một thời gian nhất định để đạt được nhiệt độ của môi trường muối nóng chảy, sau đó chuyển sang môi trường không khí làm nguội chậm để tạo chuyển biến M (đường (3)). - Đặc điểm: +) Ứng suất bên trong thấp do quá trình nguội được chia làm 2 cấp nên chyênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt thấp, chuyển biến M xảy ra với tốc độ nguội rất chậm. +) Có thể tiến hành nắn, sửa cong vênh trong các đồ gá đặc biệt khi làm nguội thép ở trong không khí từ nhiệt độ "phân cấp". +) Không áp dụng được cho các chi tiết có tiết diện lớn vì môi trường làm nguội có nhiệt độ cao (300  500)0C khả năng làm nguội chậm nên với chi tiết có tiết diện lớn khó đạt đến vng.th +) Môi trường muối nóng chảy dễ bị nổ, gây mất an toàn và rất độc hại - Phạm vi áp dụng: Các dụng cụ bằng thép hợp kim với tính ổn định của  quá nguội lớn (vt.h nhỏ) có tiết diện bé. * Tôi đẳng nhiệt: - Định nghĩa: là quá trình tôi cũng dùng môi trường muối nóng chảy, giữ chi tiết trong muối một thời gian để  phân hóa hoàn toàn thành F + Xe có độ cứng tương đối cao và độ dai tốt (thường giữ đẳng nhiệt ở 2500  4000C để được Bainit) (đường (4)). - Đặc điểm: +) Tổ chức sau tôi là B, có độ cứng nhỏ hơn M sau khi tôi đẳng nhiệt, không cần Ram +) Với thép cacbon và hợp kim cao, sau khi tôi phải tiến hành gia công lạnh nhằm mục đích chuyển biến M hoàn toàn. Gia công lạnh phải tiến hành ngay sau khi tôi vì để lâu ở nhiệt độ thường sẽ làm ổn định hóa , hiệu quả sẽ kém. 147 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 C Tôi Ram 0 t Gia công lạnh H×nh 7.9 - Phạm vi áp dụng: Chỉ áp dụng cho các thép hợp kim có tính ổn định của  quá nguội lớn và với tiết diện nhỏ. Do tạo nên tổ chức tấm không tốt nên phạm vi áp dụng của tôi đẳng nhiệt bị hạn chế. Có thể áp dụng cho một số chi tiết và dụng cụ có dạng tấm mỏng. 7.2.6.3. Các phương pháp tôi đặc biệt * Tôi bộ phận: - Định nghĩa: Là phương pháp tôi mà chỉ có một phần chi tiết được tôi cứng tức là có chuyển biến M. - Các cách thực hiện: Có 2 cách tôi bộ phận. +) Nung nóng bộ phận: Chỉ nung nóng phần cần tôi cứng đến nhiệt độ tôi, sau đó làm nguội bình thường trong môi trường tôi thích hợp, phần được nung nóng sẽ được tôi cứng, các phần còn lại vẫn đảm bảo độ dẻo. +) Nung nóng toàn bộ, làm nguội bộ phận: Nung nóng toàn bộ chi tiết lên đến nhiệt độ tôi, nhưng chỉ làm nguội bằng môi trường tôi thích hợp những phần cần cứng. - Phạm vi áp dụng: Thường áp dụng để tôi các chi tiết như lưỡi cưa, đục hay đầu mút xupáp của động cơ. * Cơ nhiệt luyện: - Định nghĩa: Là quá trình hóa bền cho phép nhờ sự kết hợp giữa quá trình cơ học (biến dạng dẻo) với quá trình nhiệt luyện (tôi) thép. - Bản chất: 148 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Cơ nhiệt luyện là quá trình cùng tiến hành 2 cơ chế hóa bền là biến dạng dẻo  và tôi trong một quá trình công nghệ duy nhất. Sau cơ nhiệt luyện, thép được ram thấp ở 100  2000C. Tổ chức nhận được là Mram. +) Do biến dạng dẻo, các hạt  trở nên nhỏ hơn, tạo nên nhiều block, mật độ lệch cao vì thế khi tôi tiếp theo sẽ được tổ chức M rất nhỏ, mịn nên có sự kết hợp cao giữa độ bền, độ dẻo và độ dai mà chưa có phương pháp hóa bền nào có được. - Phân loại: Tùy thuộc vào nhiệt độ biến dạng  cao hay thấp hơn nhiệt độ kết tinh, người ta chia cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. +) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao Trong cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao, người ta biến dạng thép ở nhiệt độ cao hơn Ac3 rồi tôi ngay tiếp theo để cho sự kết tinh lại  không kịp tiến hành. Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao có các đặc điểm: phạm vi áp dụng rộng rãi cho loại thép kể cả thép cacbon, dễ tiến hành (vì ở nhiệt độ cao hơn Ac3 thì  dẻo và ổn định); có độ dẻo, độ dai cao song độ bền thấp do vậy cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao thường được thực hiện trong các xưởng cán nóng thép thành các bán thành phẩm. 0 C 0 Biến dạng dẻo C Ac3 Ac3 Ac1 Ac1 Biến dạng dẻo Ms Ms M M t Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao t Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp H×nh 7.10. §å thÞ c¬ nhiÖt luyÖn +) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp Trong cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp, người ta biến dạng thép ở nhiệt độ của  quá nguội có tính ổn định tương đối cao (400  6000C) nhiệt độ này phải cao hơn Ms nhưng thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại nhưng cần phải tránh  chuyển biến thành T hoặc B. Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp có các đặc điểm chỉ áp dụng cho thép hợp 149 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt kim là thép có tính ổn định của  quá nguội cao, khó tiến hành vì công nghệ phức tạp, độ bền đạt được cao nhưng độ dẻo, dai không cao. Nếu sau cơ - nhiệt luyện lại tiến hành biến dạng nguội Mram sẽ làm tăng độ bền. - Phạm vi áp dụng: Hiện nay, cơ nhiệt luyện được áp dụng ở các xưởng cán thép của các nhà máy luyện kim để sản xuất các bán thành phẩm (thép tấm, thép hình). 7.2.6.4. Một số môi trường nguội hay dùng * Nước: - Đặc điểm: +) Là môi trường tôi dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn +) Có tốc độ nguội nhanh +) Dễ phá áo hơi và độ linh động cao +) Dễ gây nứt, cong vênh do tốc độ nguội ở vùng chuyển biến M lớn - Phạm vi áp dụng: Dùng tôi cho thép cacbon (%C trung bình) và những chi tiết đơn giản. * Dầu: - Đặc điểm: +) Lớp màng hơi của dầu ổn định do đó tốc độ nguội chậm hơn so với nước. +) Độ linh động kém và áo hơi khó phá hỏa +) Môi trường tôi ít an toàn, dễ cháy Dầu thường dùng là dầu mazut, dầu máy - Phạm vi áp dụng: Dùng tôi theo có hàm lượng cacbon cao, thép hợp kim trung bình với tư cách là môi trường tôi thứ hai. * Muối nóng chảy: - Đặc điểm: +) Tránh được hiện tượng oxi hóa thép +) Tạo tốc độ nguội ổn định nhưng tốc độ nguội chậm +) Độc hại và dễ nổ - Phạm vi áp dụng: Dùng tôi thép hợp kim cao 150 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 7.3. RAM THÉP 7.3.1. Định nghĩa và mục đích 73.1.1 Định nghĩa: Ram là phương pháp nhiệt luyện nung thép đã tôi thành tổ chức M lên đến các nhiệt độ thấp hơn Ac1 giữ nhiệt một thời gian và làm nguội theo yêu cầu để M và  dư phân hóa thành các tổ chức thích hợp phù hợp với điều kiện làm việc quy định. 7.3.1.2 Mục đích: Sau khi tôi thép đạt được độ cứng cao, độ dẻo và độ dai thấp và tồn tại nhiều ứng suất bên trong. Với trạng thái như vậy, tuy có tính chống mài mòn tốt nhất thép dễ bị phá hủy dòn. Vì vậy, sau khi tôi đạt tổ chức M, phải tiến hành nung lại để giảm bớt độ cứng, tăng độ dẻo, độ dai, giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong, làm cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết hay dụng cụ. Chú ý: Nhiệt độ ram không được > Ac1 vì lúc đó sẽ xuất hiện  và phụ thuộc vào tốc độ nguội tiếp theo. Yếu tố quyết định tổ chức và do đó quyết định cơ tính của thép ram là nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt khi ram. Do vậy, với mục đích là làm giảm hoặc mất ứng suất dư, biến tổ chức M +  dư sau khi tôi thành các tổ chức khác có độ dẻo và độ dai cao hơn nhưng độ cứng và độ bền phù hợp thì ram có thể coi là nguyên công nhiệt luyện cuối cùng, chỉ áp dụng cho thép đã tôi. 7.3.2. Các phƣơng pháp ram Đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp, theo nhiệt độ ram và tổ chức tạo thành người ta chia thành 3 loại ram: ram thấp, ram trung bình và ram cao. 7.3.2.1. Ram thấp - Định nghĩa :là phương pháp nung thép đã tôi trong khoảng 150  2500C để tổ chức đạt được là Mram. - Mục đích: làm giảm ứng suất dư trong M, tiết ra một phần cacbon khỏi M làm độ cứng giảm đi rất ít (1  3HRC). - Phạm vi áp dụng: Các sản phẩm chịu ram thấp sau khi tôi là các chi tiết và dụng cụ cần độ cứng và tính chống mài mòn cao: dao cắt kim loại, khuôn rập nguội, dụng cụ đo, vòng bi. 7.3.2.2. Ram trung bình - Định nghĩa: Là phương pháp nung thép đã tôi trong khoảng 300  4500C để tổ chức thu được là Tram. 151 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Mục đích: Làm giảm gần như toàn bộ ứng suất dư, tiết cacbon ra khỏi M tuy nhiên độ cứng của thép vẫn còn khá cao, giới hạn đàn hồi đạt được giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên. - Phạm vi áp dụng: Các sản phảm cần ram trung bình sau khi tôi thường là các chi tiết yêu cầu có tính đàn hồi cao như lò xo, nhíp, dụng cụ cần độ dai cao như khuôn rập nóng, khuôn rèn. 7.3.2.3. Ram cao - Định nghĩa: Là phương pháp nung thép đã tôi trong khoảng 500  6500C để tổ chức thu được là Xram. - Mục đích: Độ cứng của thép tôi giảm mạnh, ứng suất bên trong bị triệt tiêu, độ bền giảm đi, còn độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh. - Phạm vi áp dụng: Tôi và ram cao còn được gọi là nhiệt luyện hóa tốt nên thường được áp dụng để chế tạo các chi tiết có yêu cầu về cơ tính tổng hợp cao, chính vì thế nhiệt luyện hóa tốt thường được áp dụng cho các chi tiết chịu va đập như trục khuỷu, trục truyền lực, thanh truyền, xupáp nạp, bánh răng...Thép dùng để nhiệt luyện hóa tốt thường có hàm lượng cacbon trong khoảng 0,3  0,5%. 7.3.3. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện Nhiệt luyện cải thiện rất nhiều cơ tính của thép, song nếu thực không đúng sẽ gây ra các hư hỏng. Các hư hỏng xảy ra khi nhiệt luyện, đặc biệt khi nhiệt luyện kết thúc (tôi + ram) sẽ gây ra lãng phí lớn. Cần hiểu rõ các nguyên nhân gây ra các hư hỏng đó, cũng như các biện pháp ngăn ngừa và khắc phục chúng. 7.3.3.1. Biến dạng, nứt - Hiện tượng: Sự không đảm bảo về hình dáng ban đầu hoặc xuất hiện các vết nứt tế vi trên sản phẩm sau khi nhiệt luyện (đặc biệt nguy hiểm khi tôi). - Nguyên nhân: Do ứng suất dư phát sinh bên trong gây ra biến dạng và nứt. Khuyết tật này có thể xảy ra cả khi nung nóng lẫn khi làm nguội. Nung nóng nhanh và đặc biệt là đối với các thép dẫn nhiệt kém (thép hợp kim cao) sẽ gây ra ứng suất nhiệt lớn, trong dạng này thường xảy ra khi làm nguội. Làm nguội nhanh trong quá trình tôi, ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức đều lớn. Nếu ứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền, thép sẽ nứt đó là dạng khuyết tật không thể chừa được. Nếu ứng suất bên trong vượt quá giới hạn chảy, chi tiết sẽ bị biến dạng (cong vênh). 152 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Tác hại: Cả hai loại biến dạng và nứt đều gây phế phẩm. - Cách khắc phục: Ngăn ngừa xảy ra biến dạng và nứt bằng cách giảm ứng suất bên trong. Ngăn ngừa biến dạng, nứt trong quá trình nung bằng các biện pháp: +) Xác định tốc độ nung nhanh hợp lý để tránh nứt. Đối với thép hợp kim cao có tính dẫn nhiệt kém, khi nung nóng không đưa đột ngột vào lò có nhiệt độ tôi cao ngay, mà trước đó cần nung trước ở các lò có nhiệt độ thấp hơn. +) Cần xác định đúng cách thức nung chi tiết cho hợp lý. Đối với các trục dài, khi nung trong lò không nên đặt nằm ngang trên sàn lò mà nên treo thẳng đứng. Ngăn ngừa biến dạng, nứt trong quá trình nguội khi tôi bằng các biện pháp: +) Chọn môi trường và phương pháp tôi thích hợp để có chuyển biến M +) Chọn phương pháp nhúng chi tiết, dụng cụ vào môi trường tôi. Khi nhúng phải tuân theo các nguyên tắc: Chi tiết gồm nhiều bộ phận dây, mỏng khác nhau thì phải nhúng phần dây trước, chi tiết dài, nhỏ và lò xo phẳng, móng phải nhúng thẳng đứng. Các chi tiết hình ống phải đảm bảo trục vuông góc với mặt chất lỏng. +) Để giảm ứng suất nhiệt do làm nguội khi tôi thường áp dụng biện pháp tôi hạ nhiệt tức là để chi tiết ở ngoài không khí tự nguội khoảng 50  700C sau đó mới nhúng vào môi trường tôi. Cách làm này thường áp dụng cho thép tôi ở nhiệt độ cao như thép thấm cacbon, thép dụng cụ hợp kim. +) Đối với các chi tiết dễ cong vênh như tấm mỏng, bánh răng thì biện pháp chống biến dạng là làm nguội khi tôi trong khuôn ép. Ngăn ngừa biến dạng, nứt bằng biện pháp thiết kế: Cố gắng tạo cho chi tiết có thành dày đều, cân đối không có góc nhọn và những phần thay đổi tiết diện đột ngột. 7.3.3.2. Oxi hóa và thoát cacbon - Hiện tượng: Oxy hóa là hiện tượng tạo nên các vẩy oxyt ở trên bề mặt thép, lớp oxýt sắt không bền, dễ bị bong ra, làm sai kích thước và xấu bề mặt sản phẩm. Thoát cacbon là hiện tượng hàm lượng cacbon ở bề mặt thép bị giảm đi do nó bị cháy vì vậy làm cơ tính lớp bề mặt - phần quan trọng nhất của chi tiết - bị giảm thấp. - Nguyên nhân: 153 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Ôxi hóa: Do khi nung đến nhiệt độ cao (lớn hơn 5700C) trên bề mặt của thép xuất hiện màng oxuyt sắt, có độ xốp cao nên không ngăn cản được oxi đến tiếp xúc do vậy gây ra hiện tượng ôxi hóa bề mặt thép. +) Thoát cacbon: Cùng với hiện tượng ôxi hóa bề mặt thép, thì cacbon cũng kết hợp với ôxi tạo ra các ôxuyt cacbon (CO, CO2) làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết. Thoát cacbon thường xảy ra với thép có hàm lượng cacbon > 0,6%. Do tồn tại chênh lệch nồng độ cacbon giữa sản phẩm và môi trường nên tạo thuận lợi cho quá trình khuếch tán cacbon ở bề mặt thép. Ở nhiệt độ cao, hệ số khuếch tán tăng mạnh. Dc = D0.e-Q/KT Khuyết tật này hay xảy ra ở các nguyên công nhiệt luyện ủ và thường hóa thép. - Tác hại +) Làm hao hụt kim loại gây sai hỏng về kích thước cho chi tiết +) Làm giảm cơ tính của sản phẩm mà điển hình là giảm độ cứng - Cách khắc phục Đối với các nguyên công nhiệt luyện sơ bộ, vì sau đó còn tiến hành gia công cơ nên nếu chiều sâu lớp khuếch tán này nhỏ hơn lượng dư gia công thì không cần lưu ý vì lớp sẽ bị bóc đi, không còn lại trên sản phẩm. Biện pháp ngăn ngừa tốt nhất là tạo ra môi trường nung không gây ra các tác dụng ôxy hóa sắt và cacbon. Trong kỹ thuật thường dùng các môi trường sau. +) Khí quyển bảo vệ: Đó là môi trường khí với tỷ lệ ôxy rất thấp và gồm có các khí CO2, CO, H2O, H2, CH4 và N2 trong đó N2 chiếm tỷ lệ chủ yếu từ 50  75% và với các tỉ lệ nhất định giữa những thành phần của các khí ôxy hóa và hoàn nguyên của các khí làm thoát cacbon và thấm cacbon CO 2 CO ; H 2O H2 ; CH 4 . Với tỷ lệ H2 thích hợp của các khí có tác dụng ngược nhau sẽ làm cho thép không bị ôxy hóa và thoát cacbon. +) Khí quyển trung tính: Khí quyển bảo vệ chỉ áp dụng cho thép cacbon và thép hợp kim thấp. Với các thép crom cao có các lực mạnh với ôxy do vậy không dùng được quyển bảo vệ nên phải dùng các khí như H2, N2, NH3. 154 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Nung trong chân không: là phương pháp nung trong các lò có độ chân không cao khoảng 10-2  10-4 mmHg nên có khả năng chống ôxy hóa và thoát cacbon rất tốt song đây là phương pháp rất đắt nên ít được sử dụng. Trong điều kiện không có các biện pháp bảo vệ kể trên, phải dùng các biện pháp khác như: rải than trên sàn lò, cho chi tiết vào hộp có phủ than, khử ôxy triệt để trong các lò muối... 7.3.3.3. Độ cứng không đạt - Hiện tượng: Độ cứng không đạt là dạng khuyết tật độ cứng cao hoặc thấp hơn so với độ cứng mà thép có thể đạt được tương ứng với loại thép và phương pháp nhiệt luyện đã cho. - Nguyên nhân: +) Độ cứng cao: Khi ủ và thường hóa xảy ra hiện tượng này làm khó khăn cho cắt gọt và biến dạng dẻo tiếp theo. Nguyên nhân có thể là do tốc độ nguội lớn. +) Độ cứng thấp: Khi tôi xảy ra hiện tượng này làm cho thép không đủ cơ tính để làm việc. Nguyên nhân có thể là: thiếu nhiệt (nung chưa đến nhiệt độ yêu cầu, thời gian giữ nhiệt chưa đủ), làm nguội không đủ nhanh để xảy ra chuyển biến   M hay do thoát cacbon bề mặt. - Tác hại: Làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của chi tiết - Cách khắc phục: +) Định lại chính xác công nghệ nhiệt luyện +) Kiểm tra chặt chẽ quá trình thực hiện 7.3.3.4. Tính dòn cao - Hiện tượng: Sau khi tôi, thép bị dòn quá mức và làm giảm đột ngột độ dai va đập. - Nguyên nhân: Khi nung nóng thép ở nhiệt độ cao quá quy định làm hạt  lớn nên khi tôi được tổ chức M hình kim lớn, tính dòn cao. - Tác hại: Làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy của chi tiết - Cách khắc phục: +) Thường hóa thép rồi tôi lại ở nhiệt độ đúng quy định. +) Kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ nung 7.4. SƠ LƢỢC VỀ CÁC THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN 155 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 7.4.1. Đặc điểm của lò nhiệt luyện Các lò nhiệt luyện là các lò dùng để nung nóng thép, gang và các kim loại khác khi nhiệt luyện. Chúng có những yêu cầu riêng so với các loại lò khác dùng trong chế tạo máy và luyện kim. 7.4.1.1. Yêu cầu đối với lò nhiệt luyện Để bảo đảm chất lượng khi nung nóng, lò nhiệt luyện phải đảm bảo được các yêu cầu sau đây: - Dễ dàng khống chế nhiệt, tức phải điều chỉnh nhiệt độ một cách dễ dàng, vì như thế biến nhiệt độ cao hoặc thấp hơn giá trị quy định đều gây hư hỏng. Nhiệt độ phải được khống chế trong phạm vi hẹp +(5  100C). Tốt nhất là dùng lò sử dụng năng lượng điện có thiết bị đo và khống chế nhiệt độ. Cũng có thể dùng lò với nhiên liệu khí hoặc lỏng. - Nhiệt độ giữa các vùng trong khoảng không làm việc của lò không sai khác nhau nhiều. - Khí quyển của lò càng ít ôxy hóa, ít thoát cacbon càng tốt. - Dễ cơ khí hóa, tự động hóa. - An toàn và ít độc hại. 7.4.1.2. Phân loại lò nhiệt luyện Có nhiều cách phân loại khác nhau phụ thuộc vào công dụng ,cách thức sử dụng hay phương thức làm việc. -Theo công dụng: - Theo công dụng các lò nhiệt luyện có thể được chia ra để: ủ, tôi, ram, thấm cacbon, tôi bề mặt...Tuy nhiên, theo nhiệt độ làm việc một lò có thể có nhiều công dụng. Ví dụ loại lò buồng điện trở có nhiệt độ làm việc đến 9500C có thể dùng để tôi, ủ, thường hóa, thấm cacbon thể rắn. - Theo phương thức làm việc: các lò nhiệt luyện được phân ra lò làm việc gián đoạn (theo chu kỳ, đợt): cho vào và lấy ra theo từng mẻ và lò làm việc liên tục. - Theo nguồn nhiệt: Theo nguồn phát ra nhiệt để nung có các loại sau: +)Lò điện: Loại dùng điện để phát ra nhiệt, hình thức có thể khác nhau như dùng điện trở, dòng điện cảm ứng, dòng điẹn trong chất điện phân (lò muối điện cực)...Phần lớn các lò nhiệt luyện thuộc loại này. 156 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Lò dùng than: dùng than để đốt như lò phản xạ dùng than đá, lò dùng than quả bảng...Nhược điểm của loại lò này là khó khống chế nhiệt độ, nhiệt độ các vùng chênh lệch, điều kiện làm việc. +) Lò dầu: loại lò đốt bằng dầu mazut +) Lò khí: loại lò đốt bằng khí đốt Hai loại lò sau cùng ít phổ biến ở nước ta. - Theo môi trường truyền nhiệt: Theo môi trường truyền nhiệt có thể chia ra các loại: +) Môi trường truyền nhiệt là không khí: loại lò đốt bằng dây điện trở. Đây là loại lò dùng phổ biến ở nước ta. +) Môi trường truyền nhiệt là khi bảo vệ: khí quyển có thể không chế khí trơ... +) Môi trường truyền nhiệt là khí cháy: lò phản xạ đốt than, lò dầu, lò khí +) Môi trường truyền nhiệt là chất rắn: lò lớp sôi 7.4.2. Các nhóm thiết bị nhiệt luyện 3 7.4.2.1. Nhóm thiết bị nung (gia nhiệt) * Lò phản xạ đốt nhiên liệu rắn Sơ đồ nguyên lý 1 4 1. Buồng đốt 2 2. Tường chắn 3. Buồng nung phôi 4. Ống khói 5 5. Chi tiết H×nh 7.11. - Nguyên lý làm việc: Nhiên liệu (than đá) được đốt trong buồng (1). Nhiệt lượng bức xạ nung nóng vòm buồng (3),vòm buồng (3) bức xạ xuống vật nung trên đáy lò và nung nóng vật cần gia nhiệt. Tường lò, buồng đốt xây bằng gạch chịu lửa(samốt) - Đặc điểm: +) Kết cấu đơn giản, dễ xây dựng, rẻ tiền +) Có kích thước đa dạng  khả năng áp dụng rộng rãi +) Sử dụng nhiên liệu sẵn có 157 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt +) Thao tác dễ dàng, dễ sửa chữa +) Khó tạo môi trường khí bảo vệ +) Khống chế t0 không chính xác +) Khi cần đảm bảo môi trường không tốt, hiệu quả kém - Phạm vi áp dụng: Áp dụng cho nhiệt luyện sơ bộ * Lò sử dụng năng lượng điện - Nguyên lý: Dùng biến áp để hạ điện lưới xuống điện áp làm việc cỡ 24 48V, cường độ dòng qua thanh (dây) điện trở tăng nên nhiệt tỏa ra. Dùng nhiệt tỏa ra đó để nung nóng không gian buồng lò và chi tiết. Tường lò xây bằng gạch chịu và vỏ ngoài bằng kim loại Buồng thoát ®iÖn cùc H×nh 7.12 - Đặc điểm: +) Kích thước không thể quá lớn +) Đắt tiền: Thiết bị, nhiên liệu +) Không gian buồng lò kín có thể tạo được môi trường bảo vệ +) Luôn có các thiết bị khống chế t0 chính xác - Phạm vi áp dụng: Được dùng để nung thép khi tôi Ký hiệu: CHO, CHz, N, KDE CHO - 30 - 45 - 60 - 25được CHO: môi trường bị ôxi hóa 30-45-60: kích thước lò 250: công suất 158 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt CHz - 30 - 45 - 60 CHz: môi trường có khí bảo vệ M - 30 - 45 - 60 M: lò chất lượng thường * Lò muối (lò muối điện cực) - Nguyên lý: Dùng môi trường muối nóng chảy để nung thép khi tôi. - Đặc điểm: +) Bảo vệ chi tiết rất tốt +) Trường nhiệt độ đồng đều +) Độc hại, dễ mất an toàn - Phạm vi áp dụng: Được áp dụng cho chi tiết đặc biệt quan trọng * Lò giếng - Đặc điểm: Dạng hình trụ, khi lắp, 80% là chìm trong lòng đất - Phạm vi áp dụng: Tôi, ram các chi tiết trục, bạc có chiều dài lớn 7.4.2.2. Nung nóng thép và xác định thời gian nung nóng để tôi * Các phương pháp nung Trong nhiệt luyện tận dụng phương pháp nung nhanh do đó ít dùng phương pháp chất chi tiết vào lò rồi cùng nâng nhiệt với lò. Thường áp dụng cách nung nóng bằng cách cho chi tiết vào lò đã được nung nóng có nhiệt độ gần bằng hoặc cao hơn nhiệt độ cần nung. - Cho chi tiết cần ủ vào lò ở nhiệt độ 500  6000C, sau đó nung chi tiết cùng với lò đến nhiệt độ quy định, giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng lò. - Cho chi tiết vào lò khi đã đạt đến nhiệt độ quy định. Cách nung này nhanh thường áp dụng cho nung nóng để tôi. - Cho chi tiết vào lò khi lò đạt nhiệt độ cao hơn nhiệt độ quy định, lúc ban đầu sẽ làm nhiệt độ của lò hạ thấp xuống nhiệt độ quy định một cách dễ dàng. Cách nung này nhanh nhất. - Trong công nghiệp còn dùng các loại lò nung liên tục, chúng có dãy buồng và nhiệt độ khác nhau từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ quy định, khi chi tiết chuyển động dọc qua hết dãy buồng đó sẽ hoàn thành được quá trình nung nóng * Xác định thời gian nung nóng để tôi 159 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Xác định đúng thời gian nung nóng là yếu tố quan trọng để xác định chất lượng nhiệt luyện, đặc biệt là khi tôi thép. Như vậy khi nung nóng thép có 2 quá trình là: nâng nhiệt - quá trình nâng nhiệt độ chi tiết lên đến nhiệt của lò và giữ nhiệt - quá trình giữ chi tiết ở nhiệt độ không đổi của lò. Do đó, tnung = tnâng nhiệt + tgiữ nhiệt 7.4.2.3. Nhóm thiết bị làm nguội và thiết bị kiểm tra - Nhóm thiết bị làm nguội: Rất đa dạng phụ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm. - Nhóm thiết bị kiểm tra: Đo được nhiệt độ nung nóng một cách chính xác là yếu tố quan trọng đầu tiên đảm bảo chất lượng nhiệt luyện. Không kiểm tra và khống chế được nhiệt độ nhung sẽ gây ra phần lớn các khuyết tật nhiệt luyện vì vậy kiểm tra nhiệt độ nung là việc rất quan trọng và khó trong quá trình nhiệt luyện. Có thể kiểm tra bằng các phương pháp sau: Kiểm tra bằng hỏa quang kế hoặc kiểm tra bằng cặp nhiệt, hay dùng phương pháp khống chế nhiệt độ tự động đạt độ chính xác cao nhưng chỉ hợp với không gian buồng lò trung bình và nhỏ. 160 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 8. ho¸ bÒn bÒ mÆt thÐp 8.1. BỀ MẶT CHI TIẾT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT 8.1.1. Bề mặt chi tiết và các yêu cầu làm việc của bề mặt Bề mặt chi tiết là phần ranh giới giữa chi tiết máy và môi trường làm việc hoặc với chi tiết máy khác trong cơ cấu, bộ phận. Điều kiện làm việc: - Chịu ảnh hưởng trực tiếp các tác động môi trường như các tác động cơ, lý hóa. - Là nơi đầu tiên tiếp nhận tải trọng nên thường xuyên chịu ma sát, mài mòn trong các cơ cấu. - Dễ bị biến dạng hoặc tróc rỗ bề mặt. Các điều kiện làm việc trên cho thấy, bề mặt chi tiết là nơi có điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất do vậy việc cần thiết phải hóa bền bề mặt để nâng cao độ tin cậy của chi tiết. Các thông số độ tin cậy của chi tiết bao gồm (B; 0,2; -1; độ cứng HRC, độ dẻo dai  và ; ak; độ dẻo d). Mục đích của hóa bền bề mặt là tăng độ tin cậy của chi tiết trong quá trình làm việc. 8.1.2. Các phƣơng pháp hóa bền bề mặt thép Bề mặt của chi tiết bằng thép là bộ phận có yêu cầu cao nhất vì bề mặt chính là nơi làm việc chịu ứng suất tác dụng lớn nhất, chịu mài mòn khi chịu ma sát với chi tiết khác. Rất nhiều chi tiết chỉ yêu cầu bề mặt có độ cứng, độ bền cao trong khi đó lõi vẫn giữ nguyên độ dẻo dai tốt. Có 3 phương pháp làm tăng độ cứng của bề mặt so với lõi: - Phương pháp cơ học - Phương pháp nhiệt luyện bề mặt - Phương pháp hóa nhiệt luyện 8.2. PHƢƠNG PHÁP CƠ HỌC 8.2.1. Nguyên lý Nếu bằng phương pháp cơ khí làm biến dạng được bề mặt của thép đến chiều sâu nhất định, thì lớp này do mạng tinh thể bị xô lệch sẽ bị biến cứng (độ 161 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt cứng và độ bền tăng lên). Như vậy, chi tiết có độ cứng bề mặt cao, còn trong lõi vẫn giữ được độ dẻo dai tốt. Biến cứng bề mặt có các đặc điểm sau: - Lớp bề mặt có độ cứng cao do đó chống mài mòn tốt hơn. - Tạo nên lớp ứng suất nén dư ở lớp bề mặt do vậy làm tăng giới hạn mỏi. - Khi biến dạng như vậy làm mất đi khá nhiều tật hỏng ở bề mặt như vết khía, rỗ, do vậy làm giảm nguồn gốc sinh ra các vết nứt mỏi. - Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng, trong thép tôi có chuyển biến  dư thành M, do vậy làm tăng tính chống mài mòn của bề mặt thép tôi. Biến cứng bề mặt được áp dụng không những cho thép ủ mà cả cho thép tôi. 8.2.2. Các phƣơng pháp cơ học 8.2.2.1. Phun bi Phun bắn những viên bi cứng làm bằng thép lò xo hay gang trắng với kích thước (0,5  1,5) mm lê bề mặt chi tiết. Tốc độ của bi đạt đến (50  100) m/s bằng máy ly tâm quay nhanh sự va đập do phun bắn các viên bi lên bề mặt có tác dụng tạo ra trên bề mặt chi tiết vô số các vết lõm nhỏ. Chiều sâu lớp biến cứng bề mặt đạt đến 0,7mm. Đặc điểm của phun bi là đạt độ biến dạng dẻo đồng đều, chất lượng cao, thiết bị đơn giản dễ điều chỉnh, không tạo được lớp hóa bền có chiều dài lớn. 8.2.2.2. Lăn ép Lăn bằng con lăn hay bằng bi với áp lực lớn nhờ lò xo hay máy nén thủy lực. Chiều sâu lớp biến cứng có thể đạt tới 15mm. Thường áp dụng cho các chi tiết lớn như cổ trục toa xe lửa, cổ trục khuỷu. 8.2.2.3. Đập Đập là hình thức biến dạng bề mặt bằng va đập tạo nên bởi các dụng cụ va đập, gá lắp va đập bằng lò xo và được thực hiện trên máy công cụ. Lớp biến cứng có thể sau tới 35 mm, vì vậy thường dùng đập trong chế tạo để hóa bền các chi tiết lớn của thiết bị rèn ép và máy nén thủy lực. 162 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 8.3. PHƢƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT 8.3.1. Định nghĩa Tôi bề mặt là phương pháp nung nhanh bề mặt thép tới nhiệt độ tôi sau đó làm nguội để thu được bề mặt có tổ chức M, phần lõi vẫn giữ nguyên cơ tính tổng hợp cao. 8.3.2. Nguyên lý Có nhiều phương pháp tôi bề mặt song song chúng đều dựa trên nguyên lý chung là nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu nhất định lên đến nhiệt độ tôi, trong khi đó phần lớn tiết diện không được nung nóng, khi làm nguội nhanh tiếp theo chỉ có bề mặt được tôi cứng còn lõi không được tôi vẫn đảm bảo mềm, dẻo. Có thể nung nóng nhanh bề mặt để tôi bằng các phương pháp sau: - Nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao - Nung nóng bằng ngọn lửa của hỗn hợp khí C2H2 + O2 - Nung nóng bằng tiếp xúc giữa 2 phần giáp nhau khi có dòng điện chạy qua - Nung nóng trong chất điện phân 8.3.3. Các phƣơng pháp tôi bề mặt 8.3.3.1. Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện có tần số cao - Nguyên lý: Khi một chi tiết kim loại đặt trong từ trường biến thiên sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng nên trong chi tiết sẽ có dòng điện cảm ứng cùng tần số. Nhờ tính chất này người ta dùng dòng điện có tần số cao hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz nên dòng cảm ứng cũng có tần số cao như vậy. Đặc tính nổi bật của dòng điện cảm ứng có tấn số cao là nó có mật độ lớn nhất ở bề mặt và giảm nhanh về phía lõi vật dẫn, nhờ đó có khả năng nung nóng nhanh bề mặt lên đến nhiệt độ tôi. Chiều sâu của lớp có dòng điện chạy qua phụ thuộc vào tần số của dòng điện, điện trở suất và độ từ thẩm của vật nung.  = 5030 S  .f ( cm ) : độ từ thẩm (gaus/ecstet) f: tần số (Hz) : điện trở suất (.cm) 163 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Như vậy, tần số càng cao, chiều sâu lớp nung nóng và lớp tôi càng mỏng. Thực tế, người ta dùng dòng điện có tần số trong khoảng 2.500  250.000 (Hz) - Sơ đồ: 2 ~ 1 3 4 H×nh 8.1 S¬ ®å nguyªn lý t«i cao tÇn 1. Thiết bị tạo dòng điện có tần số cao 2. Đường dẫn 3. Vòng cảm ứng và nước làm mát 4. Chi tiết Vòng cảm ứng thường làm bằng đồng đỏ có dạng hình ống hoặc lò xo xoắn ruột gà với đường kímh trong lớn hơn đường kính lớn nhất của chi tiết. Khi nung nóng, chi tiết được đặt ở trong vòng cảm ứng sau bề mặt đi dòng điện cảm ứng nung nóng đến nhiệt độ tôi (quá trình này chỉ kéo dài từ vài đến vài chục giây), người ta nhấc chi tiết ra rồi nhúng vào môi trường tôi (thông thường làm nguội bằng cách phun nước hoặc dung dịch làm nguội) ở ngày trong vòng cảm ứng. - Chọn tần số và thiết bị tạo dòng tần số cao: Tần số của dòng điện quyết định chiều dày lớp nung nóng do đó quyết định chiều sâu lớp tôi cứng. Chiều sâu lớp tôi cứng đối với các chi tiết khác nhau cũng khác nhau, các chi tiết với tiết diện lớn cần chiều sâu lớp tôi cứng dày hơn so với các chi tiết với tiết diện bé hơn. Thông thường, chiều sâu lớp tôi cứng được chọn theo 2 mức (4  6) mm đối với chi tiết lớn và (1  2) mm đối với chi tiết bé. Các chi tiết lớn chọn tần số từ (2500  8000) Hz còn các chi tiết bé có tần số từ (50.000  250.000) Hz. Thiết bị tạo dòng có tần số cao sử dụng máy phát có công suất từ (400  500) KW và thiết bị điều chế có công suất từ (15  75) KW. - Đặc điểm của chuyển biến pha khi nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao: 164 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Khác với phương pháp nung nóng thông thường ở trong các lò nung thể tích có tốc độ nung nóng chậm, nung nóng bằng dòng điện cảm ứng rất nhanh, nên chuyển biến pha của thép có các đặc điểm sau: + Do nung với tốc độ cao, các nhiệt độ chuyển biến pha đều nâng cao. Do vậy, nhiệt độ tôi phải lấy cao hơn nhiệt độ tôi chọn theo cách thông thường từ 100  2000C. + Do nung với độ quá nhiệt cao nên tốc độ chuyển biến pha khi nung rất nhanh, thời gian nung nóng rất ngắn. + Do thời gian nung ngắn, mặc dù nhiệt độ cao, hạt  vẫn không kịp lớn lên, nên sau khi tôi có được M hình kim rất nhỏ (gọi là M không tổ chức (tức là không thấy hình kim ở độ phóng đại 500). Tổ chức này có cơ tính rất tốt, tức là không những có độ cứng cao hơn M thông thường mà lại ít dòn hơn. Để đảm bảo đạt được tổ chức đó, trước khi tôi cao tần, thép nên có tổ chức Xram, với tổ chức F + Xe nhỏ mịn này, khi nung cảm ứng với tốc độ cao, tạo nên rất nhiều mầm . Vì vậy trước khi tôi cao tần, thép thường được nhiệt độ luyện hóa tốt. - Thép dùng để tôi cao tần: Do yêu cầu của chi tiết đem tôi cao tầm là làm tăng độ cứng của từ mặt mà lõi vẫn đảm bảo dẻo, nên thép đem dùng phải là thép cacbon trung bình, trong khoảng 0,4  0,6%. Với thép có hàm lượng cacbon hơn 0,4% thì khi tôi độ cứng bề mặt không đạt để chống mài mòn, còn thép với lượng cacbon cao hơn 0,6% thì sau khi tôi bề mặt rất cứng nhưng lõi lại kém dẻo, dễ nứt do sự truyền nhiệt. Vì vậy, thép dùng tôi cao tần thường là thép 40, 45, 40x, 50x. - Chế độ ram và cơ tính đạt được: Để đảm bảo độ cứng cao ở bề mặt, sau khi tôi cao tần, người ta chỉ tiến hành ram thấp. Lúc đó, bề mặt sẽ có tổ chức Mram rất cứng, còn lõi có tổ chức P hay X, có độ bền và độ dẻo cao. Một trong những ưu việt của phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện có tần số cao là tạo nên ở bề mặt lớp chịu ứng suất nén dư, có thể đạt đến giá trị 800MN/mm2. Nguyên nhân tạo thành ứng suất nén dư là do ở đó có chuyển biến M làm tăng thể tích còn trong lõi không có chuyển biến gì, 2 phần này 165 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt cản trở lẫn nhau nên lớp ngoài chịu nén và trong chịu kéo. Lớp ứng suất nén dư có ảnh hưởng tốt đến tính chịu mỏi của thép. - ¦u ®iÓm cña t«i cao tÇn: + N¨ng suÊt cao do thêi gian nung ng¾n + ChÊt l-îng tèt do nhiÖt ®-îc t¹o thµnh chÝnh trong líp kim lo¹i bÒ mÆt trong thêi gian rÊt ng¾n nªn gi¶m rÊtn hiÒu nh÷ng khuyÕt tËt cã thÓ x¶y ra khi nung nãng. + Gi¶m nhÑ ®iÒu kiÖn lao ®éng cña c«ng nh©n do m«i tr-êng lµm viÖc s¹ch, kh«ng cã khÝ ®éc, dÔ c¬ khÝ ho¸ vµ tù ®éng ho¸. 8.3.3.2. T«i bÒ mÆt b»ng nung nãng bëi ngän löa C2H2 + O2 T«i bÒ mÆt theo ph-¬ng ph¸p nµy ®-îc thùc hiÖn b»ng çch dïng má ®èt hçn hîp khÝ C2H2 + O2 cña thiÕt bÞ hµn h¬i. Ngän löa cña má ®Êt hçn hîp khÝ trªn rÊt nãng, cã chç tíi 3000 0C do vËy cã kh¶ n¨ng nung nãng nhanh bÒ mÆt ®Õn nhiÖt ®é cao, trong khi ®ã lâi vÉn nguéi. Sau khi lµm nguéi nhanh chØ cã líp bÒ mÆt ®-îc t«i cøng. - CÊu t¹o ngän löa: H×nh 8.2 1 2 1. Vïng nh©n 3 T0 3200C0 2. Vïng lµm viÖc 3. Vïng nung s¬ bé vµ lµm s¹ch CÊu t¹o cña ngän löa gåm 3 vïng: Vïng nh©n, vïng lµm viÖc (cã nhiÖt ®é cao nhÊt) vµ vïng nung s¬ bé. Vïng cã nhiÖt ®é cao nhÊt chÝnh lµ vïng ®-îc sö dông ®Ó nung chi tiÕt ®Õn nhiÖt ®é t«i. - §Æc ®iÓm cña ph-¬ng ph¸p t«i b»ng ngän löa C2H2 + O2: + ThiÕt bÞ ®¬n gi¶n, dÔ thùc hiÖn: TÝnh c¬ ®éng cao (dÔ l¾p ®Æt, di chuyÓn vµ cã thÓ ®Æt ë ngay trong x-ëng c¬ khÝ). Cã thÓ t«i nh÷ng chi tiÕt lín hoÆc bÐ. + ChÊt l-îng khã b¶o ®¶m tèt. Ngän löa C2H2 + O2 cã nhiÖt ®é qu¸ cao do vËy bÒ mÆt thÐp dÔ bÞ qu¸ nhiÖt, h¹t lín (M h×nh kim lín) do vËy cã thÓ g©y ra oxy 166 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ho¸ vµ dÔ bÞ ch¶y bÒ mÆt. ChiÒu dµy líp t«i kho¶ng 5  10mm vµ khã ®iÒu chØnh líp nung nãng. + N¨ng suÊt thÊp, chØ thÝch hîp víi s¶n xuÊt ®¬n chiÕc. 8.4. Ph-¬ng ph¸p ho¸ nhiÖt luyÖn 8.4.1. Kh¸i niÖm Lµ ph-¬ng ph¸p nhiÖt lµm b·o hoµ (khuyÕch t¸n) vµo bÒ mÆt cña thÐp mét hay nhiÒu nguyªn tè ®Ó lµm thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc, do ®ã lµm thay ®æi tæ chøc vµ tÝnh chÊt cña líp bÒ mÆt theo môc ®Ých nhÊt ®Þnh. 8.4.2. Môc ®Ých - T¨ng ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn, ®é bÒn mái cña chi tiÕt. Môc ®Ých nµy cña ho¸ nhiÖt luyÖn gièng ph-¬ng ph¸p t«i bÒ mÆt nh-ng ®¹t hiÖu qu¶ cao h¬n. - N©ng cao tÝnh chèng mµi mßn ®iÖn ho¸ vµ ho¸ häc (chèng oxi ho¸ ë nhiÖt ®é cao), chÞu axit cña líp bÒ mÆt chi tiÕt thÐp. 8.4.3. C¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh ho¸ nhiÖt luyÖn Th«ng th-êng, khi ho¸ - nhiÖt luyÖn ng-êi ta ®Æt chi tiÕt thÐp vµo m«i tr-êng (r¾n, láng hoÆc khÝ) cã kh¶ n¨ng ph©n ho¸ ra nguyªn tö ho¹t ®éng cña nguyªn tö ®Þnh khuÕch t¸n, råi nung nãng ®Õn nhiÖt ®é thÝch hîp. Çc qu¸ tr×nh x¶y ra theo 3 giai ®o¹n nèi tiÕp nhau. Ph©n ly: Lµ qu¸ tr×nh t¹o ra çc nguyªn tö ho¹t tÝnh cña nguyªn tè cÇn ®-a vµo chi tiÕt (nguyªn tè cÇn thÊm) cã n¨ng l-îng vµ kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cao. Cã thÓ tiÕn hµnh b»ng ph¶n øng ho¸ häc hoÆc ph©n ly nhiÖt. HÊp thô: Sau giai ®o¹n ph©n ly, çc nguyªn tö h¹t ®-îc hÊp thô vµo bÒ mÆt thÐp sau ®ã chóng khuÕch t¸n voµ kim lo¹i c¬ së t¹o nªn dung dÞch r¾n hoÆc çc pha phøc t¹p: Pha trung gian hoÆc hîp chÊt ho¸ häc. KÕt qu¶ cña sù hÊp thô lµ t¹o nªn ë bÒ mÆt thÐp líp cã nång ®é nguyªn tè ®Þnh khuÕch t¸n cao, t¹o nªn ®é chªnh lÖch vÒ nång ®é gi÷a bÒ mÆt vµ lâi c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh hÊp thô cã thÓ nhê: lùc ho¸ häc, lùc liªn kÕt hoÆc lùc hót tÜnh ®iÖn. KhuÕch t¸n: Lµ qu¸ tr×nh çc nguyªn tö chÊt thÊm ®i s©u vµo bÒmÆt cña chi tiÕt cÇn thÊm, t-¬ng t¸c víi çc nguyªn tö nÒn (chi tiÕt) vµ t¹o thµnh líp thÊm. Qu¸ tr×nh khuÕch t¸n lµ quan träng nhÊt, nã quyÕt ®Þnh chiÒu dµy cña líp thÊm t¹o thµnh. 167 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt C¬ së khuÕch t¸n: Lµ mét qu¸ tr×nh tù ph¸t, x¶y ra khi cã sù chªnh lÖch nång ®é cña çc nguyªn tè. Qu¸ tr×nh nµy tu©n theo ®Þnh luËt Fick. - §Þnh luËt Fick 1 J   Dgrad C c: nång ®é C CbÒ mÆt D: hÖ sè khuÕch t¸n J: ChiÒu chuyÓn ®éng cña dßng vËt chÊt T2 T1 - §Þnh luËt Fick 2 T3 Ph-¬ng tr×nh vi ph©n cña ®Þnh luËt dC dt 2  D  c x 2 C0 cã ®iÒu kiÖn t = 0  C = C0 x = 0  C = CbÒ mÆt 0 x3 x2 x1 x t: thêi gian x: kh¶ n¨ng ph©n bè theo to¹ ®é H×nh 8.3 Trong ®ã: C(x,t) = CbÒ mÆt - (CbÒ mÆt - C0).erf ( x   erf    2 D .t  x 2 ) D .t gäi lµ hµm sai cña nghiÖm. + Khi T = const th× coi D = const cßn khi T thay ®æi th× D thay ®æi + Sù thay ®æi hÖ sè khuÕch t¸n theo nhiÖt ®é ®-îc biÓu thÞ nhsau: Q   D  D 0 . exp     R .T  Q: ho¹t n¨ng khuÕch t¸n. N¨ng l-îng cÇn thiÕt ®Ó bøt nguyªn tö ra khái vÞ trÝ cña nã trong m¹ng. D0 : hÖ sè khuÕch t¸n phô thuéc m¹ng tinh thÓ R : H»ng sè khÝ T : NhiÖt ®é thÊm (0K) Çc yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n - NhiÖt ®é : ë ®©y cÇn ®Æc biÖt chó ý t¬i ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é ®Õn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n c¶u nguyªn tö thÊm. ChiÒu dµy líp thÊm phô thuéc vµo tèc ®é khuÕch t¸n. Nh- ®· 168 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt biÕt nhiÖt ®é cµng cao chuyÓn ®éng nhiÖt cña çc nguyªn tö cµng m¹nh, tèc ®é khuÕch t¸n cµng nhanh. Víi mét hÖ thèng hîp kim nhÊt ®Þnh th× Q vµ D 0 còng cè ®Þnh nªn D phô thuéc vµo nhiÖt ®é. NhiÖt ®é cµng cao D t¨ng cµng nhanh. D NhiÖt ®é H×nh 8.4. Sù phô thuéc cña hÖ sè khuÕch t¸n vµo nhiÖt ®é VÝ dô, trong Fe hÖ sè khuÕch t¸n cña C t¨ng lªn h¬n 7 lÇn khi nhiÖt ®é t¨ng tõ 9250C lªn 11000C - Thêi gian : ë nhiÖt ®é cè ®Þnh, thêi gian khuÕch t¸n cµng dµi, chiÒu s©u líp khuÕch t¸n cµng dµy, quan hÖ gi÷a chóng tu©n theo quy luËt Parabol theo c«ng thøc :   K  Trong ®ã : δ – chiÒu dµy líp khuÕch t¸n K – hÖ sè tû lÖ phô thuéc vµo hÖ sè khuÕch t¸n D ChiÒu dµy líp thÇm η – thêi gian Thêi gian H×nh 8.5. Sù phô thuéc cña chiÒu dµy líp thÊm vµo thêi gian cña qu¸ tr×nh Nh- vËy thêi gian cµng kÐo dµi møc t¨ng chiÒu s©u líp thÊm cµng chËm. BiÖn ph¸p hiÖu qu¶ t«t nhÊt lµ t¨ng nhiÖt ®é chø kh«ng ph¶i t¨ng thêi gian thÊm 169 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + §Ó thay ®æi x dïng ph-¬ng ph¸p thay ®æi thêi gian cßn gi÷ nguyªn nhiÖt ®é. 8.4.4. Çc c¬ chÕ khuÕch t¸n 2 1 3 5 4 H×nh 8.6. S¬ ®å biÓu thÞ çc c¬ chÕ khuÕch t¸n: 1. nót trèng; 2. gi÷a çc nót m¹ng; 3. gi÷a çc nót m¹ng b»ng çch ®uæi; 4. ®æi chç;5. vßng (vßng ®en biÓu thÞ nguyªn tö khuÕch t¸n, vßng tr¾ng biÓu thÞ kim lo¹i c¬ së) 1. Trong c¬ chÕ nót trèng çc nguyªn tö bªn c¹nh nh¶y sang chiÕm çc nót trèng. N¨ng l-îng ho¹t cña qu¸ tr×nh ®æi chç nh- vËy rÊt nhá nªn rÊt dÔ x¶y ra. 2. Trong c¬ chÕ gi÷a çc nót m¹ng, nguyªn tö khuÕch t¸n ë cÞ trÝ xen gi÷a nót m¹ng nµy chuyÓn sang vÞ trÝ xen gi÷a nót m¹ng kh¸c. C¬ chÕ nµy th-êng thÊy trong dung dÞch r¾n xen kÏ khi thÊm cacbon, nit¬ (lµ çc nguyªn tö cã ®-êng kÝnh nhá) vµo thÐp. 3. C¬ chÕ gi÷a çc nót m¹ng b»ng çch ®uæi x¶y ra khi ®-êng kÝnh nguyªn tö khuÕch t¸n xÊp xØ ®-êng kÝnh nguyªn tö kim lo¹i c¬ së. Nguyªn tö khuÕch t¸n ®uæi nguyªn tö c¹nh nã vµ chiÕm lÊy nót m¹ng lµm nguyªn tö nµy dÞch chuyÓn vµo gi÷a çc nót m¹ng. 4. Trong c¬ chÕ dæi chç nguyªn tö khuÕch t¸n vµ çc nguyªn tö kim lo¹i c¬ së ®æi cÞ trÝ cho nhau khi chóng ®øng c¹nh nhau. 5. Trong c¬ chÕ vßng, nguyªn tö khuÕch t¸n vµ nguyªn tö kim lo¹i c¬ së ®æi châ nèi ®u«i nhau theo vßng trßn. 8.4.5. C«ng nghÖ thÊm cacbon 8.4.5.1. §Þnh nghÜa 170 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ThÊm cacbon lµ ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn lµm b·o hoµ (thÊm, khuÕch t¸n) cacbon vµo bÒ mÆt cña thÐp cacbon thÊp (th-êng lµ 0,1  0,25% cacbon) ®Ó t¹o ra líp bÒ mÆt cã tæ chøc thÐp sau cïng tÝch (P + XeII) ®Ó n©ng cao ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn nh-ng vÉn gi÷ nguyªn tÝnh dÎo cña lâi. 8.4.5.2. Môc ®Ých vµ yªu cÇu ®èi víi líp thÊm, chän lo¹i thÐp ®Ó thÊm Môc ®Ých: Môc ®Ých cña thÊm cacbon lµ lµm cho bÒ mÆt cña thÐp cøng tíi trªn 60HRC, cã tÝnh chèng mµi mßn cao, chÞu mái tèt, cßn lâi vÉn gi÷ ®-îc tÝnh dÎo, dai cña thÐp ban ®Çu ®em thÊm. Do ®ã, chi tiÕt ®em thÊm cacbon lµ chi tiÕ chÞu t¶i träng va ®Ëp mµ bÒ mÆt chÞu ma s¸t. Môc ®Ých trªn chØ ®¹t ®-îc nÕu chi tiÕt ®-îc t«i vµ ram thÊp sau thÊm. Yªu cÇu ®èi víi líp thÊm: §Ó ®¹t ®-îc çc môc ®Ých trªn, líp thÊm çcbon vµ lâi ph¶i ®¹t ®-îc çc yªu cÇu sau: - Líp thÊm cã nång ®é cacbon trong kho¶ng 0,8  1% thÊm d-íi giíi h¹n nµy sau khi t«i líp thÊm kh«ng ®ñ ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn, cao h¬n giíi h¹n nµy líp thÊm cã thÓ bÞ dßn, trãc. Thùc nghiÖm cho thÊy, víi nång ®é cacbon cña líp thÊm nh- vËy chi tiÕt võa cã ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn tèt l¹i ®¹t ®-îc ®é bÒn lín nhÊt. - Tæ chøc tÕ vi cña bÒ mÆt vµ lâi sau khi thÊm, t«i vµ ram thÊp ph¶i ®¹t: bÒ mÆt - mactenxit vµ çc phÇn tö cacbit nhá mÞn ph©n bè ®Òu, lâi - mactenxit vµ kh«ng cã ferit. Chän lo¹i thÐp ®Ó thÊm: ThÐp ®Ó thÊm cacbon sö dông çc lo¹i thÐp cã hµm l-îng cacbon thÊp (< 0,25%C) 8.4.5.3. Chän nhiÖt ®é vµ thêi gian thÊm NhiÖt ®é thÊm: - Nguyªn t¾c chän nhiÖt ®é thÊm cacbon lµ sao cho t¹i ®ã thÐp cã tæ chøc hoµn toµn  (v× chØ cã tæ chøc nµy míi cã kh¶ n¨ng hoµ tan nhiÒu cacbon). - NhiÖt ®é cµng cao, qu¸ tr×nh khuÕch t¸n cµng m¹nh, cµng nhanh ®¹t chiÒu s©u líp thÊm. Do vËy, ng-êi ta sö dông nhiÖt ®é thÊm cacbon cao song khi nhiÖt ®é cao th× lµm h¹t  lín nªn lµm t¨ng tÝnh dßn. - Theo thùc nghiÖm Dcmax ë (900  950)0C nªn ng-êi ta th-êng chän nhiÖt ®é thÊm ë kho¶ng ®ã ®Ó cã qu¸ tr×nh khuÕch t¸n m¹nh nhÊt. Trong ®ã thÐp cã çc 171 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt nguyªn tè hîp kim lµm nhá h¹t 930 – 9500C. ThÐp C, hîp kim cßn l¹i 900 – 9200C. - Sau khi thÊm, nång ®é cacbon sÏ t¨ng tõ C0  C1 ®ång thêi lµm thay ®æi tæ chøc bÒ mÆt cña chi tiÕt. Cô thÓ lµ ë trong lâi, chi tiÕt cña tæ chøc P + Fe (®¶m b¶o tÝnh dÎo cña lâi) tiÕp ®ã lµ P vµ bÒ mÆt chi tiÕt cã tæ chøc lµ P + Xe II (®¶m b¶o ®é cøng cña bÒ mÆt). Hay nãi kh¸c ®i, tæ chøc cña thÐp thay ®æi tõ tr-íc cïng tÝch  cïng tÝch  sau cïng tÝch t-¬ng øng tõ lâi ra bÒ mÆt cña chi tiÕt. - Nång ®é cacbon líp bÒ mÆt ®¹t tõ (0,9  1,1)% vµ chiÒu s©u líp thÊm ®¶m b¶o tÝnh chèng mµi mßn ph¶i ®¹t tõ (0,8  1,2)mm. A T0 B E G S Q C0 0,8 C1 2,14 %C H×nh 8.7 C Thêi gian thÊm: C1 Thêi gian thÊm cacbon phô thuéc chñ yÕu vµo chiÒu dµy líp thÊm yªu cÇu, nhiÖt ®é thÊm vµ m«i tr-êng thÊm. 0,8 - ChiÒu dµy líp thÊm yªu cÇu cµng lín, thêi gian thÊm cµng dµi, møc t¨ng thêi gian thÊm lín h¬n nhiÒu so víi møc t¨ng chiÒu dµy líp thÊm. C0 x P+F P P +XeII H×nh 8.8 - NhiÖt ®é t¨ng cµng cao, thêi gian thÊm cµng ng¾n. NhiÖt ®é thÊm phô thuéc vµo lo¹i thÐp ®ang dïng. 172 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - M«i tr-êng thÊm kh¸c nhau thêi gian thÊm còng kh¸c nhau. ThÊm trong m«i tr-êng láng thêi gian ng¾n nhÊt, sau ®ã ®Õn khi, dµi nhÊt lµ thÊm trong m«i tr-êng r¾n. 8.4.6. Çc ph-¬ng ph¸p thÊm cacbon Tuú theo tr¹ng th¸i chÊt thÊm kh¸c nhau mµ ng-êi ta ph©n ra lµm çc ph-¬ng ph¸p thÊm kh¸c nhau: ThÊm thÓ r¾n, thÊm thÓ láng vµ thÊm thÓ khÝ. 8.4.6.1. ThÊm cacbon thÓ r¾n Ph-¬ng ph¸p thÊm: Hçn hîp than hoa vµ chÊt tr¬ dung (dïng çc muèi cacbonat). - Than hoa ®-îc ®Ëp vôn (cì h¹t tõ 0,5  1m) trén ®Òu víi chÊt trî dung (BaCO3) vµ cïng víi chi tiÕt cÇn thÊm ®-îc ®ãng vµo hép kÝn, trong ®ã çc chi tiÕt çch nhau vµ çch thµnh hçn hîp kho¶ng 25  40mm. Sau ®ã ®-a hép vµo nung ®Õn nhiÖt ®é thÊm. - ë nhiÖt ®é thÊm, thÐp cã tæ chøc hoµn toµn lµ  vµ trong ®iÒu kiÖn rÊt thiÕu oxi nªn x¶y ra ph¶n øng ho¸ häc 2C + O2  2CO Khi gÆp bÒ mÆt thÐp vµ d-íi t¸c dông xóc t¸c cña nã, khÝ CO bÞ ph©n ho¸ vµ t¹o thµnh cacbon nguyªn tö. 2CO  CO2 + Cnguyªn tö Çc muèi cacbonat ë ®©y ®ãng vai trß quan träng v× nã ph©n ho¸ ë nhiÖt ®é cao thµnh khÝ CO2 vµ khÝ nµy cã lîi cho viÖc t¹o thµnh cacbon nguyªn tö theo ph¶n øng: 0 BaCO3   BaO + CO2 t CO2 + Cthan  2CO 2CO      CO2 + Cnguyªn tö phanhoa Cacbon nguyªn tö ®-îc t¹o thµnh ë bÒ mÆt thÐp cã tÝnh ho¹t cao, bÞ hÊp thô vµ khuÕch t¸n vµo líp bÒ mÆt ®Õn chiÒu dµy nhÊt ®Þnh. Nguyªn tö cacbon xen kÏ vµo trong m¹ng cña  vµ lµm thµnh phÇn cña pha nµy t¨ng lªn. §Æc ®iÓm: - §¬n gi¶n, dÔ thùc hiÖn, rÎ tiÒn 173 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Kh«ng thÓ ®iÒu chØnh ®-îc nång ®é cacbon thÊm vµo líp bÒ mÆt theo yªu cÇu, th-êng nång ®é cacbon ®¹t trªn 1,2% tøc lµ øng víi giíi h¹n hoµ tan cacbon ë trong . - Thêi gian thÊm rÊt dµi do mÊt nhiÒu thêi gian nung nãng hép chøa than. - Khã c¬ khÝ ho¸, tù ®éng ho¸, ®iÒu kiÖn ®ãng hép bôi, bÈn, n¨ng suÊt thÊp. Do nh÷ng ®Æc ®iÓm trªn, mµ thÊm cacbon thÓ r¾n kh«ng ¸p dông cho çc chi tiÕt quan träng. 8.4.6.2. ThÊm cacbon thÓ láng Ph-¬ng ph¸p thÊm: Dïng hçn hîp muèi nãng ch¶y gåm: (75  85%) Na2CO3 + (10  15%) NaCl + (6  10%) SiC ë nhiÖt ®é 840  8600C. Trong ®ã SiC lµ thµnh phÇn chÝnh ®Ó thÊm cacbon nªn thµnh phÇn cña nã gi¶m ®i trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. §Æc ®iÓm: - Thêi gian ng¾n, nung nãng vµ thÊm ®ång ®Òu - Kh«ng ®iÒu chØnh ®-îc nång ®é cacbon ë líp bÒ mÆt - Khã thao t¸c lß, ®iÒu kiÖn lao ®éng kh«ng tèt - Khã c¬ khÝ ho¸, tù ®éng ho¸, n¨ng suÊt rÊt thÊp - Kh«ng thÊm ®-îc cho çc chi tiÕt lín do ph¶i dïng lß muèi ®iÖn cùc cã kÝch th-íc bÐ. 8.4.6.3. ThÊm cacbon thÓ khÝ Ph-¬ng ph¸p thÊm: Dïng khÝ CH4 ®Ó t¹o ra cacbon nguyªn tö theo ph-¬ng tr×nh ph¶n øng. CH4      Cnguyªn tö + 2H2 phanhoa Cacbon nguyªn tö cã kh¶ n¨ng hÊp thô tèt vµo bÒ mÆt thÐp. Trong thùc tÕ, ng-êi ta kh«ng thÓ dïng chØ hçn hîp CO, CH4 vµ çc hi®rocacbon kh¸c ®Ó thÊm v× nh- vËy t¹o ra qu¸ nhiÒu cacbon nguyªn tö vµ líp thÊm cã nång ®é cacbon qu¸ cao. Hçn hîp khÝ thÊm cacbon th-êng dïng, ngoµi çc thµnh phÇn khÝ cã t¸c dông thÊm nh- CH4, CO vµ çc hi®rocacbon kh¸c cßn ph¶i cã mét l-îng nhÊt ®Þnh çc thµnh phÇn khÝ kh¸c nh- CO2, N2, H2, O2 lµ nh÷ng khÝ lÉn vµo hoÆc cè ý ®-a vµo ®iÒu chØnh nång ®é khÝ thÊm nh»m khèng chÕ l-îng cacbon ë bÒ mÆt thÐp. §Æc ®iÓm: 174 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - ChÊt l-îng tèt do ®¶m b¶o ®iÒu chØnh ®-îc nång ®é cacbon ë líp bÒ mÆt thÐp theo yªu cÇu. - Thêi gian ng¾n do kh«ng ph¶i nung nãng hép chøa than - DÔ c¬ khÝ ho¸, tù ®éng ho¸ - §iÒu kiÖn lao ®éng tèt, kh«ng ®éc h¹i - ThiÕt bÞ ®¾t tiÒn nªn th-êng ¸p dông cho çc chi tiÕt quan träng. 8.4.6.4. NhiÖt luyÖn sau thÊm cacbon Do thÊm cacbon ë nhiÖt ®é cao (920  950)0C nªn thÐp cã tr¹ng th¸i h¹t  lín do vËy khi lµm nguéi thu ®-îc tæ chøc M th«, suÊt hiÖn nhiÒu vÕt nøt tÕ vi vµ øng øng suÊt d- lín chÝnh v× thÕ buéc ph¶i nhiÖt luyÖn sau thÊm cacbon ChÕ ®é nhiÖt luyÖn: - ThÐp cã b¶n chÊt h¹t lín: T¹i nhiÖt ®é thÊm, t¹o  h¹t lín nªn lµm xÊu c¬ tÝnh. NhiÖt luyÖn sau khi thÊm kh«ng nh÷ng ph¶i ®¶m b¶o bÒ mÆt cøng mµ cßn ph¶i kh¾c phôc ®-îc khuyÕt tËt ®ã. Do vËy ph¶i tiÕn hµnh hai lÇn t«i: lÇn thø nhÊt - cho lâi ®Ó lµm nhá h¹t, lÇn thø hai - cho bÒ mÆt ®Ó ®¹t ®é cøng cao. Nh- vËy, nhiÖt ®é cña 2 lÇn t«i ph¶i kh¸c nhau v× lâi lµ thÐp tr-íc cïng tÝch cã nhiÖt ®é t«i cao h¬n bÒ mÆt lµ thÐp sau cïng tÝch vµ cïng tÝch. Nªn chÕ ®é nhiÖt luyÖn cña lo¹i thÐp nµy: T«i 2 lÇn + ram thÊp. T«i lÇn 1: Cho phÇn lâi mµ Tt«i = 850  8700C víi 2 môc ®Ých: + Lµm nhá h¹t thÐp, do nung tíi nhiÖt ®é > Ac 3 cña lâi cã chuyÓn biÕn F + P   h¹t nhá +) Lµm mÊt l-íi XeII ë líp bÒ mÆt do lµm nguéi nhanh pha nµy kh«ng kÞp tiÕt ra khái . Sau lÇn t«i nµy, ®é cøng bÒ mÆt kh«ng ®¹t ®-îc gi¸ trÞ cao nhÊt ®Ó ®ñ chèng mµi mßn, do vËy ph¶i t«i tiÕp lÇn n÷a. T«i lÇn 2: Cho bÒ mÆt ë nhiÖt ®é 760  7800C ®Ó bÒ mÆt lµ thÐp sau cïng tÝch vµ cïng tÝch cã ®é cøng lín nhÊt. LÇn t«i nµy kh«ng ¶nh h-ëng xÊu ®Õn kÕt qu¶ ®· ®¹t ®-îc ë lÇn t«i tr-íc. Ram thÊp: NhiÖt ®é ë 180  2800C víi môc ®Ých khö bá 1 phÇn øng suÊt mµ vÉn gi÷ ®-îc ®é cøng cao ë bÒ mÆt. §Æc ®iÓm vµ ph¹m vi ¸p dông: ThÐp thu ®-îc cã c¬ tÝnh tèt (h¹t nhá, ®é dÎo cña lâi cao, bÒ mÆt cøng), nh-ng do nung nãng lµm nguéi nhiÒu lÇn dÔ sinh oxy 175 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ho¸, tho¸t cacbon vµ biÕn d¹ng, chu tr×nh c«ng nghÖ dµi, tèn kÐm h¬n, do vËy chØ ¸p dông cho chi tiÕt quan träng, cã yªu cÇu cao vÒ c¬ tÝnh vµ lµm b»ng thÐp cacbon. T0 9209500C 8508700C 7507700C t 2 t3 1802200C t t3 < t2 H×nh 8.9 - ThÐp cã b¶n chÊt h¹t nhá: §èi víi çc chi tiÕt Ýt quan träng, lµm b»ng thÐp cacbon hoÆc hîp kim cã thÓ ¸p dông ph-¬ng ¸n t«i 1 lÇn vµ ram thÊp vµ khi ®ã, t«i chØ tiÕn hµnh cho t«i bÒ mÆt. §èi víi thÐp cã h¹t b¶n chÊt nhá, dï gi÷ nhiÖt l©u ë nhiÖt ®é cao, h¹t vÉn gi÷ ®-îc kÝch th-íc bÐ do vËy kh«ng cÇn nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn lµm nhá h¹t vµ cã thÓ tiÕn hµnh t«i trùc tiÕp ngay sau khi thÊm cacbon mµ kh«ng cÇn cã qu¸ tr×nh nung nãng l¹i. T0 9209500C 7507700C 1802200C t 2 t3 t3 < t2 t H×nh 8.10 T«i lÇn 1: NhiÖt ®é tõ 750  7700C Ram thÊp: NhiÖt ®é ram tõ 180  2200 176 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §Æc ®iÓm: Rót ng¾n thêi gian thùc hiÖn, dÔ c¬ khÝ ho¸, tù ®éng ho¸, cho n¨ng suÊt cao nªn th-êng ®-îc ¸p dông cho çc chi tiÕt ®¬n gi¶n. 8.4.6.5. Tæ chøc vµ c¬ tÝnh cña chi tiÕt thÊm cacbon Sau khi nhiÖt luyÖn, toµn bé chi tiÕt thÊm cacbon cã tæ chøc M ram. ë bÒ mÆt do nång ®é cacbon cao, M cã ®é cøng cao cïng víi 1 l-îng nhÊt ®Þnh cacbÝt d- sÏ ®¶m b¶o tÝnh chèng mµi mßn cao. ë trong lâi, do thµnh phÇn cacbon thÊp, M cã ®é cøng trung b×nh víi ®é bÒn tèt vµ ®é dÎo t-¬ng ®èi cao. - §é cøng bÒ mÆt ph¶i ®¹t 60  63 HRC, ®é cøng cña lâi 30  40 HRC. - §é cøng bÒ mÆt cao h¬n vµ do ®ã cã tÝnh chèng mµi mßn tèt v× thÕ th-êng chän c«ng nghÖ thÊm cacbon cho çc chi tiÕt lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn "nÆng" (VÝ dô nh- b¸nh r¨ng gi¶m tèc). Chó ý: Víi thÐp hîp kim cao, sau thÊm cacbon ph¶i kÕt hîp gia c«ng l¹nh. ThÐp cã Ti, V (thÐp cã h¹t di truyÒn h¹t nhá), chØ tiÕn hµnh t«i 1 lÇn + ram thÊp. 8.4.7. ThÊm Nit¬ 8.4.7.1. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých ThÊm nit¬ lµ ph-¬ng ph¸p ho¸ nhiÖt luyÖn nh»m b·o hoµ líp bÒ mÆt thÐp bëi nit¬ t¹o ra çc pha xen kÏ cã ®é cøng vµ ®é ph©n t¸n cao. Do vËy lµm t¨ng ®é cøng, ®é bÒn vµ tÝnh chèng mµi mßn cña chi tiÕt. 8.4.7.2. CÊu t¹o cña líp thÊm nit¬ ThÊm nit¬ chØ tiÕn hµnh ë thÓ khÝ. Ng-êi ta tiÕn hµnh thÊm nit¬ b»ng çch nung nãng chi tiÕt trong dßng khÝ amoniac (NH3) ë nhiÖt ®é 480  6500C lµ nhiÖt ®é mµ t¹i ®ã nã bÞ ph©n ho¸ m¹nh nhÊt theo ph¶n øng. 0 NH3   3H + N t Nit¬ nguyªn tö cã ho¹t tÝnh cao, bÞ hÊp thô vµ khuÕch t¸n vµo mÆt thÐp. C¬ së ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc cña líp thÊm nit¬ lµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - N. 177 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0C 591    %Fe ' '  ' cuøngtích '] 650  0C 2%N ' 6%N 8%N%N H×nh 8.11 Çc pha trong hÖ Fe - N gåm cã: - dung dÞch r¾n xen kÏ cña nit¬ ë trong Fe - Fenitnit¬ - dung dÞch r¾n xen kÏ cña nit¬ ë trong Fe - Auxtenit nit¬ ChØ tån t¹i ë nhiÖt ®é cao h¬n 5910C, t¹i nhiÖt ®é nµy khi lµm  ph©n ho¸ thµnh hçn hîp cïng tÝch [ + ']. ': dung dÞch r¾n trªn c¬ së cña pha xen kÏ kiÓu Fe4N - lµ pha cã ®é cøng cao (>1200HV) : dung dÞch r¾n trªn c¬ së cña pha xen kÏ kiÓu Fe2N 8.4.7.3. C«ng nghÖ thÊm nit¬ Khi thÊm Nit¬, thêi gian thÊm th-êng rÊt dµi mµ chiÒu dµy líp thÊm l¹i rÊt máng do qu¸ tr×nh thÊm ®-îc tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é thÊp (500 – 6500C), hÖ sè khuÕch t¸n nhá. Tèc ®é thÊm nit¬ chËm h¬n thÊm cacbon kho¶ng 10 lÇn. VÝ dô muèn ®-îc líp thÊm dµy 0,25 – 0,3mm cÇn 24h. NÕu thÊm ë nhiÖt ®é cao h¬n sù ph©n ho¸ NH3 qu¸ m¹nh, l-¬ng nit¬ nguyªn tö t¹o ra nhiÒu còng kh«ng tèt, líp thÊm kÐm cøng mÆc dÇu tèc ®é thÊm cã thÓ t¨ng lªn. ThÊm Nit¬ tiÕn hµnh trong m«I tr-êng amoni¨c. ë nhiÖt ®é cao NH3 ph©n huû, møc ®é ph©n huû sÏ phô thuéc vµo nhiÖt ®é. ë nhiÖt ®é 480 – 5000C, møc ®é ph©n huû lµ 15 – 20% 178 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ë nhiÖt ®é 500 – 5200C, møc ®é ph©n huû lµ 20 – 25% ë nhiÖt ®é 540 – 5600C, møc ®é ph©n huû lµ 30 – 50% ë nhiÖt ®é 550 – 5750C, møc ®é ph©n huû lµ 35 – 55% ë nhiÖt ®é 600 – 6200C, møc ®é ph©n huû lµ 50 – 70% Kinh nghiÖm cho thÊy møc ®é ph©n huû kho¶ng 25 – 40% lµ thÝch hîp v× vËy th-ßng chän nhiÖt ®é thÊm N kho¶ng 520 – 5500C. ThÐp dïng ®Ó thÊm N lµ thÐp hîp kim ®Æc biÖt, th-êng dïng 38CrMoAlA hoÆc thÐp 38CrWVAl. §Ó ®¶m b¶o c¬ tÝnh tæng hîp cao tr-íc khi thÊm thÐp ph¶I ®-îc nhiÖt luyÖn ho¸ tèt ®Ó cã tæ chøc xoocbit ram b»ng çch t«I ë 950 0C trong dÇu, ram ë 625 – 6500C cã c¬ tÝnh: ζb = 1000N/mm2; ζ0,2 = 850N/mm2; δ = 14%; ψ 50%; ak = 90kj/mm2 sau ®ã ®em thÊm N ë nhiÖt ®é 520 – 5500C ®Ó ®¹t ®é cøng bÒ mÆt cao kho¶ng 1000 – 1100HV. Kh«ng thÓ t«i vµ ram sau thÊm v× líp thÊm máng nÕu nung nãng tíi nhiÖt ®é cao sÏ g©y trãc, h- háng. Do nhiÖt ®é thÊm N thÊp h¬n nhiÖt ®é ram nªn kh«ng ¶nh h-ëng ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp khi nhiÖt luyÖn ho¸ tèt. 8.4.7.4. §Æc ®iÓm cña líp thÊm nit¬ ThÊm Nit¬ ®-îc ¸p dông trong çc tr-êng hîp sau ®©y. 1. §¹t ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao. §©y lµ c«ng dông chñ yÕu: So víi thÊm cacbon, thÊm Nit¬ thÊm Nit¬ cã ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao h¬n râ rÖt. H¬n n÷a tÝnh chÊt nµy cña líp thÊm gi÷ ®-îc tíi nhiÖt ®é cao 500 – 6000C, v× theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe – N cÊu tróc cña líp th¸m kh«ng thay ®æi ë nhiÖt ®é d-íi 5910C. Trong khi ®ã do qu¸ tr×nh ph©n ho¸ cña M ®é cøng gi¶m ®i, ®é cøng cao cña líp thÊm kh«ng gi÷ ®-îc ë nhiÖt ®é cao h¬n 200 0C. Do vËy mét trong nh÷ng -u viÖt cña thÊm N lµ cã tÝnh æn ®Þnh tíi nhiÖt ®é 500 – 6000C. Nh-îc ®iÓm cña thÊm N lµ thêi gian thÊm qu¸ dµi, n¨ng suÊt thÊp, líp thÊm máng (th-êng chØ ®¹t 0,2 – 0,3mm), do vËy kh«ng chÞu ®-îc t¶i trong lín. Do nh-îc ®iÓm ®ã cïng víi viÖc ph¶i dïng thÐp quý lµm gi¸ thµnh thÊm N ®¾t. V× nh÷ng nh-îc ®iÓm trªn, thÊm N th-êng chØ dïng cho çc chi tiÕt nhá cÇn ®é cøng bÒ mÆt vµ tÝnh chèng mµi mßn rÊt cao (mét sè dao c¾t, dông cô ®o, b¸nh r¨ng, s¬ mi trong m¸y bay) cã ®Æc tÝnh chÞu ¸p lùc nhá vµ lµm väªc ë nhiÖt ®é cao h¬n 2000C. CÇn chó ý sau thÊm Nit¬ kÝch th-íc t¨ng lªn kho¶ng 0,01 – 0,03mm, nh-ng do tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é thÊp nªn ®é biÕn d¹ng kh«ng ®¸ng kÓ. 179 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 2. N©ng cao ®é bÒn mái do t¹o nªn líp øng suÊt nÐn d- ë bÒ mÆt. C«ng dông nµy còng ®-îc ¸p dông ngµy cµng nhiÒu. Trôc khuûu vµ çc trôc quan träng chÞu mái cao th-êng qua thÊm N. 3. N©ng cao tÝnh chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn. BÒ mÆt ngoµi cïng líp thÊm N cã tæ chøc lµ pha ε, pha nµy cã ®Æc tÝnh lµ cÊu t¹o rÊt xÝt chÆt, do vËy cã tÝnh b¶o vÖ ¨n mßn tèt. Chi tiÕt thÊm N cã tÝnh chèng ¨n mßn tèt trong kh«ng khÝ Èm (vµi n¨m), trong n-íc m¸y (vµi th¸ng), trong dÇu, trong dung dÞch kiÒm yÕu. §Ó ®¹t ®-îc yªu cÇu nµy kh«ng cÇn dïng thÐp hîp kim quý mµ cã thÓ dïng ngay thÐp cacbon, miÔn lµ t¹o thµnh líp ε. NhiÖt ®é thÊm cã thÓ cao (600 – 6500C) vµ thêi gian ng¾n. Líp pha ε cã mµu s¸ng mê, do vËy cã thÓ dïng trang søc. 8.4.8. ThÊm Cacbon - Nit¬ 8.4.8.1. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých - ThÊm cacbon nit¬ lµ ph-¬ng ph¸p lµm b·o hoµ (thÊm, khuÕch t¸n) ®ång thêi cacbon vµ nit¬ vµo bÒ mÆt thÐp ®Ó n©ng cao ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn. §é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cña líp thÊm cacbon - nit¬ cao h¬n so víi thÊm cacbon nh-ng thÊp h¬n so víi thÊm nit¬. - Tuú thuéc çc tû lÖ cña cacbon vµ nit¬ mµ líp thÊm cã thÓ gÇn víi thÊm cacbon h¬n hoÆc nit¬ h¬n. NÕu qu¸ tr×nh x¶y ra ë nhiÖt ®é cao (920  9500C) th× qu¸ tr×nh chñ yÕu lµ thÊm cacbon, cßn ë nhiÖt ®é thÊp (500  5500C) th× qu¸ tr×nh chñ yÕu lµ thÊm nit¬. %N %C 0,2 1 0,16 0,8 0,12 0,6 0,08 0,4 0,04 0,2 0 600 700 800 900 1000 H×nh 8.12 8.4.8.2. Çc ph-¬ng ph¸p thÊm 180 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - ThÊm cacbon nit¬ ë thÓ r¾n. TiÕn hµnh gièng nh- thÊm cacbon ë thÓ r¾n. Trong chÊt th Êm cã 20  40% muèi K4Fe (CN)6 hoÆc muèi K3Fe(CN)6; 10%Na2CO3 cßn l¹i lµ than gç. Ph-¬ng ph¸p nµy th-êng dïng cho çc dông cô b»ng thÐp giã, thÐp cr«m cao ®Ó t¨ng ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn vµ tÝnh cøng nãng song do m«i tr-êng rÊt ®éc, n¨ng suÊt thÊp nªn Ýt dïng. - ThÊm cacbon - nit¬ ë thÓ láng: ThÊm cacbon - nit¬ ë thÓ láng tiÕn hµnh ë trong çc bÓ muèi mµ thµnh phÇn gåm çc muèi xianua: NaCN; KCN, K 4Fe(CN)6, K3Fe(CN)6 vµ çc muèi trung tÝnh Na2CO3, NaCl, KCl. Tuú theo nhiÖt ®é thÊm mµ ph¹m vi ¸p dông còng kh¸c nhau song ph-¬ng ph¸p bÞ h¹n chÕ ¸p dông do m«i tr-êng thÊm rÊt ®éc. - ThÊm cacbon - nit¬ ë thÓ khÝ: VÒ c¬ b¶n, çch thÊm nµy kh«ng kh¸c thÊm cacbon ë thÓ khÝ nhiÒu nh-ng cã nhiÒu -u ®iÓm h¬n, t¹o pha cabon - nitrit (Fe3CN) ph©n t¸n, rÊt cøng lµm t¨ng tÝnh chèng mµi mßn, thêi gian thÊm ng¾n, n¨ng suÊt cao, thêi gian sö dông thiÕt bÞ thÊm ®-îc kÐo dµi nªn ph-¬ng ph¸p nµy th-êng ®-îc ¸p dông réng r·i h¬n vµ th-êng ®-îc sö dông trong s¶n xuÊt çc chi tiÕt «t«, m¸y kÐo, ®éng c¬... Ngoµi 3 ph-¬ng ph¸p thÊm cacbon, nit¬, cacbon - nit¬, ng-êi ta cßn thÊm mét sè nguyªn tè kh¸c nh- Bo, Cr, Al, Si nh»m ®¹t ®-îc çc môc ®Ých kh¸c nhau cña ng-êi sö dông. 181 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt PhÇn III. Çc vËt liÖu kim lo¹i ë phÇn nµy, ta ®i nghiªn cøu çc lo¹i vËt liÖu kim lo¹i th-êng dïng trong chÕ t¹o c¬ khÝ lµ gang, thÐp, hîp kim mµu. §èi víi ng-êi lµm kü thuËt yªu cÇu quan träng lµ n¾m ®-îc çc ®Æc tÝnh vÒ tæ chøc tÕ vi, thµnh phÇn ho¸ häc, c¬ tÝnh, ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn ®Ó ®¹t ®-îc c¬ tÝnh cÇn thiÕt theo yªu cÇu ®Ò ra cña chi tiÕt vµ c«ng dông cña çc vËt liÖu kim lo¹i th-êng dïng. Do vËy, cÇn ph¶i n¾m v÷ng mét çch hÖ thèng mèi quan hÖ gi÷a thµnh phÇn ho¸ häc - tæ chøc tÕ vi - c¬ tÝnh. Ng-êi ta quy -íc ph©n chia çc vËt liÖu kim lo¹i ra lµm 2 nhãm lín lµ: kim lo¹i ®en vµ kim lo¹i mµu. Çc kim lo¹i ®en ®-îc sö dông víi l-îng lín lµ s¾t vµ çc hîp kim cña nã: thÐp vµ gang, chóng chiÕm vÞ trÝ quan träng trong chÕ t¹o c¬ khÝ. Çc kim lo¹i mµu ®-îc dïng nh- lµ nh«m, ®ång, ch×, kÏm, la t«ng, br«ng...vµ ®-îc sö dông víi sè l-îng h¹n chÕ trong kü thuËt song còng cã nh÷ng c«ng dông næi bËt riªng. Ch-¬ng 9. gang vµ nhiÖt luyÖn gang 9.1. Giíi thiÖu chung vÒ gang 9.1.1 - Thµnh phÇn hãa häc 182 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Nh- ®· biÕt tõ tr-íc, gang lµ hîp kim Fe - C víi l-îng cacbon v-ît qu¸ 2% (®óng ra lµ 2,14%, øng víi bªn ph¶i ®iÓm E cña gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C). Cacbon lµ nguyªn tè quan träng trong gang. tõ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C thÊy râ rµng l-îng cacbon cao, nhiÖt ®é nãng ch¶y cña gang thÊp h¬n ®¸ng kÓ so víi thÐp, do vËy thùc tÕ nÊu ch¶y gang dÔ thùc hiÖn h¬n so víi thÐp> Th-êng kh«ng dïng gang > 4%C. Hai nguyªn tè kh¸c th-êng gÆp trong gang víi l-îng kh¸ lín (tõ 0,5 ®Õn trªn 2%) lµ Mn vµ Si. §ã lµ hai nguyªn tè cã t¸c dông ®iÒu chØnh sù t¹o thµnh graphit, c¬ tÝnh cña gang. Trong çc lo¹i gang giíi h¹n cña hai nguyªn tè nµy thay ®æi trong ph¹m vi t-¬ng ®èi réng. Photpho vµ l-u huúnh lµ hai nguyªn tè víi l-îng chøa Ýt kho¶ng 0,05 - 0,5%, trong ®ã l-u huúnh lµ nguyªn tè cã h¹i ®èi víi gang cµng Ýt cµng tèt. Ngoµi ra trong gang cßn cã thÓ cã chøa mét sè nguyªn tè kh¸c nh- çc nguyªn tè hîp kim (Cr, Ni, Mo...), çc nguyªn tè biÕn tÝnh (Mg, Ce...). 9.1.2. Tæ chøc tÕ vi Theo tæ chøc tÕ vi ng-êi ta ph©n chia ra çc lo¹i gang: x¸m, cÇu, dÎo Gang tr¾ng lµ lo¹i gang trong ®ã tÊt c¶ cacbon n»m ë d¹ng liªn kÕt trong hîp chÊt Xementit Fe3C. Nh- vËy tæ chøc tÕ vi cña gang tr¾ng hßan tßn phï hîp víi gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - C lu«n cã chøa hçn hîp cïng tinh Ledebuarit. Çc gang x¸m, cÇu, dÎo lµ lo¹i gang trong ®ã ph©n flín hay toµn bé cacbon ë d¹ng tù do - graphit víi çc h×nh d¹ng kh¸c nhau: tÊm, cÇu, côm. Trong tæ chøc kh«ng cã Ledebuarit, do ®ã tæ chøc tÕ vi kh«ng phï hîp víi gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe C. Tæ chøc tÕ vi cña gang cã graphit cßn phô thuéc vµ tû lÖ ph©n bè cña cacbon ë pha graphit vµ Xementit. Ng-êi ta chia tæ chøuc cña chóng ra hai phÇn: phÇn phi kim lo¹i - graphit vµ nÒn kim lo¹i gåm ferit vµ xementit. Khi tÊt c¶ cacbon ë d¹ng tù do th× nÒn kim lo¹i cña tæ chøc chØ gåm cã ferit, cßn khi mét phÇn cacbon ë d¹ng liªn kÕt th× nÒn kim lo¹i cña tæ chøc cã thÓ lµ ferit - peclit, peclit hoÆc peclit xementit. ChÝnh do ®Æc ®iÓm vÒ tæ chøc nh- vËy mµ çc lo¹i gang cã c¬ tÝnh vµ c«ng dông kh¸c nhau. §Ó ®¹t ®-îc tæ chøc tÕ vi quy ®Þnh mçi lo¹i gang l¹i cã thµnh phÇn nguyªn tè kh¸c nhau. 9.1.3. C¬ tÝnh vµ c«ng nghÖ VÒ c¬ tÝnh, nh×n chung gang lµ lo¹i vËt liÖu cã ®é bÒn kÐo thÊp, ®é dßn cao. Xementit lµ pha cøng vµ dßn, sù tån t¹i cña nã víi mét l-îng lín vµ tÊp trung trong 183 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt gang tr¾ng lµm dÔ dµng cho sù t¹o vÕt nøt d-ëi t¸c dông cña t¶i träng kÐo. Do ®ã gang tr¾ng cã ®é bÒn kÐo thÊp vµ ®é dßn cao. Trong gang x¸m, gang dÎo, gang cÇu tæ chøc graphit nh- lµ çc lç hæng cã s½n trong gang, lµ n¬i tËp trung øng suÊt lín, lµm gang kÐm bÒn. Møc ®é tËp trung øng suÊt phô thuéc vµo h×nh d¹ng graphit, lín nhÊt ë gang x¸m víi graphit d¹ng tÊm vµ bÐ nhÊt ë gang cÇu víi graphit d¹ng cÇu trßn. v× vËy gang cÇu cã ®é bÒn cao nhÊt phèi hîp víi tÝnh dÎo t«t nhÊt trong çc lo¹i gang. Ngoµi ra sù cã mÆt cña graphit trong gang cã mét sè ¶nh h-ëng tèt ®Õn c¬ tÝnh nh- t¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mßn do ma s¸t (v× b¶n th©n graphit cã tÝnh b«i tr¬n, thªm vµo ®ã cã "lç hæng" graphit lµ n¬i chøa dÇu b«i tr¬n nh- khi dïng lµm æ tr-ît), lµm t¾t rung ®éng vµ dao ®éng céng h-ëng. VÒ tÝnh c«ng nghÖ, gang cã tÝnh ®óc vµ tÝnh gia c«ng c¾t tèt: çc lo¹i gang th-êng dïng cã thµnh phÇn gÇn cïng tinh nªn nhiÖt ®é ch¶y thÊp, do ®ã ®é ch¶y lo·ng cao vµ ®ã lµ mét trong nh÷ng yÕu tè quan träng cña tÝnh ®óc, graphit trong çc gang x¸m, dÎo vµ cÇu lµm phoi dÔ g·y vôn khi gia c«ng c¾t (tiÖn phay bµo....) 9.1.4. C«ng dông Nãi chung gang cã c¬ tÝnh tæng hîp kh«ng cao nh- thÐp, nh-ng cã tÝnh ®óc tèt, gia c«ng c¾t dÔ, chÕ t¹o ®¬n gi¶n h¬n (do nhiÖt ®é ch¶y thÊp, nÊu ch¶y vµ ®óc gang dÔ h¬n thÐp) vµ rÎ. V× vËy çc lo¹i gang cã graphit ®-îc dïng rÊt nhiÒu trong chÕ t¹o c¬ khÝ. Ng-êi ta dïng gang ®Ó lµm rÊt nhiÒu çc chi tiÕt m¸y. VÝ dô, trong « t« çc chi tiÕt b»ng gang cã thÓ chiÕm tíi 40% khèi l-îng kim lo¹i, trong çc thiÕt bÞ vµ m¸y tÜnh t¹i, tû lÖ nµy cßn cao h¬n, tíi 50 - 80%. Cã nhiÒu lo¹i s¶n phÈm ®-îc dïng víi khèi l-îng lín, ®-îc lµm b»ng gang nh- èng dÉn n-íc cì lín. Nãi chung, gang ®-îc dïng ®Ó chÕ t¹o çc lo¹i chi tiÕt chÞu t¶i träng tÜnh vµ Ýt chÞu va ®Ëp nhbÖ m¸y, vá, n¾p, çc bé phËn Ýt ph¶i di chuyÓn. HiÖn nay ®· xuÊt hiÖn çc lo¹i gang tèt víi c¬ tÝnh cao, cã thÓ dïng nã ®Ó thay thÕ cho thÐp trong mét sè tr-êng hîp nh- gang cÇu ®Ó lµm trôc khuûu. 9.1.5. Sù h×nh thµnh graphit trong gang Çc lo¹i gang cã thµnh phÇn cacbon gièng nhau (>2%) nh-ng cã lo¹i chØ t¹o nªn Xe nh- gang tr¾ng, cã lo¹i l¹i t¹o nªn Graphit. Trong gang, graphit cã thÓ cã 3 d¹ng chñ yÕu: tÊm, cÇu, côm b«ng, nh-ng d¹ng tÊm cña graphit trong gang x¸m lµ d¹ng tù nhiªn. 9.1.5.1. Graphit 184 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Graphit cã m¹ng lôc gi¸c xÕp líp, trong ®ã çc nguyªn tö cacbon nh- ®-îc xÕp thµnh tõng líp mét: kho¶ng çch gi÷a çc nguyªn tö trªn mçi líp rÊt gÇn nhau 1,42A0; cßn gi÷a çc líp l¹i rÊt xa nhau 3,4A0. Do cÊu tróc nh- vËy nªn khi t¹o thµnh tõ tr¹ng th¸i láng, graphit ph¸t triÓn rÊt nhanh (theo çc ph-¬ng vµ mÆt cã mËt ®é nguyªn tö lín), lµm çc líp nµy dµi, réng ra rÊt nhanh ®Ó cã d¹ng tÊm (phiÕn) cong. ChÝnh v× vËy, graphit tÊm lµ d¹ng tù nhiªn cña graphit trong gang. 9.1.5.2. Sù t¹o thµnh graphit trong gang §Ó xÐt kh¶ n¨ng t¹o thµnh graphit trong gang h·y lÇn l-ît xÐt çc yÕu tè n¨ng l-îng tù do vµ c«ng t¹o mÇm cña graphit vµ Xe. * §iÒu kiÖn n¨ng l-îng: N¨ng l-îng tù do cña Graphit lu«n lu«n nhá h¬n cña Xe ë mäi kho¶ng nhiÖt ®é. Nh- vËy, vÒ ph-¬ng diÖn nµy sù t¹o thµnh Graphit cã lîi h¬n. Nh-ng n¨ng l-îng tù do chØ lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh chiÒu h-íng cña qu¸ tr×nh, sù kÕt tÝnh ra Graphit cã thùc hiÖn ®-îc hay kh«ng cßn phô thuéc vµo c«ng t¹o mÇm n÷a. G L4,3 L4,3  2,14 + Fe3C6,67 L4,3  2,14 + Gr100 1147 T0(0C) 1153 H×nh 9.1 * C«ng t¹o mÇm: C«ng t¹o mÇm cña Xe nhá h¬n cña Graphit rÊt nhiÒu. Do vËy vÒ ph-¬ng diÖn nµy, sù t¹o thµnh Xe cã lîi h¬n së dÜ, c«ng t¹o mÇm Graphit lín h¬n Xe lµ do: 185 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - VÒ thµnh phÇn ho¸ häc: Graphit cã 100%C, cßn Xe cã 6,67%C cßn gang láng kho¶ng 34%C,  <2,14%C. Tõ ®ã thÊy r»ng, tõ gang láng vµ tõ , ®Ó t¹o nªn Xe, cacbon ph¶i khuÕch t¸n, ba ®éng Ýt h¬n so víi khi t¹o nªn Graphit. - VÒ cÊu t¹o m¹ng tinh thÓ:  cã m¹ng lËp ph-¬ng gÇn víi Xe h¬n lµ víi Graphit cã m¹ng lôc gi¸c. +) Sù t¹o thµnh Graphit tõ gang láng vµ tõ  khi lµm nguéi chØ x¶y ra trong ph¹m vi nhiÖt ®é hÑp, muèn x¶y ra ph¶i lµm nguéi víi tèc ®é rÊt chËm. +) Sù t¹o thµnh graphit tõ gang láng vµ tõ  lµ qu¸ tr×nh chËm ch¹p v× c«ng t¹o mÇm graphit lín vµ cÇn sù khuÕch t¸n nhiÒu cña cacbon. 9.1.5.3. Çc yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn qu¸ tr×nh h×nh thµnh Graphit khi kÕt tinh * Thµnh phÇn ho¸ häc: thµnh phÇn ho¸ häc cña gang ¶nh h-ëng lín ®Õn sù t¹o thµnh graphit. Gang lµ hîp kim ngoµi Fe, C ra cßn chøa nhiÒu çc nguyªn tè kh¸c nh- Mn, Si, P, S...chóng cã ¶nh h-ëng kh¸c nhau ®Õn sù t¹o thµnh Graphit. Si lµ nguyªn tè thóc ®Èy m¹nh sù t¹o thµnh Graphit v× nã lµm gi¶m kh¶ n¨ng hoµ tan cña cacbon ë trong gang láng vµ trong . §Ó ®iÒu chØnh møc ®é t¹o thµnh graphit, l-îng Si trong çc lo¹i gang thay ®æi trong ph¹m vi tõ 0,3  0,5% ®èi víi gang tr¾ng vµ tõ 1  3% ®èi víi çc lo¹i gang cßn l¹i. Mn lµ nguyªn tè ng¨n c¶n sù t¹o thµnh Graphit, Mn qu¸ nhiÒu dÔ lµm gang, ho¸ tr¾ng. Tuy nhiªn, Mn lµ nguyªn tè cã lîi vÒ mÆt c¬ tÝnh. %C 6 5 F+Gr 4 3 I 2 II P+Gr P+Xe III P+F+Gr 1 0 1 2 3 4 5 6 7 P+Xe+Gr 186 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt %Si VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt H×nh 9.2 * Tèc ®é nguéi Tèc ®é nguéi khi kÕt tinh lóc ®óc gang cã ¶nh h-ëng m¹nh ®Õn sù t¹o thµnh Graphit. Tèc ®é nguéi cµng chËm cµng thóc ®Èy qu¸ tr×nh t¹o ra Graphit. V× vËy, ®óc trong khu«n çt dÔ t¹o thµnh gang x¸m h¬n ®óc trong khu«n kim lo¹i. ¶nh h-ëng tæng hîp vµ thµnh phÇn ho¸ häc (%C + %Si) vµ tèc ®é nguéi ®Õn møc ®é t¹o thµnh Graphit ®-îc biÓu thÞ nhsau: (%C+%Si) 7 6 5 4 I III II 25 (mm) (ChiÒu dµy vËt ®óc) 50 H×nh 9.3 I- Gang tr¾ng (vïng kh«ng cã Gr) II- Gang x¸m Peclit (vïng Gr ho¸ bé phËn) III- Gang x¸m Ferit (vïng Gr ho¸ hoµn toµn) * Sù ph©n ho¸ cña Xe Ngo¹i sù t¹o thµnh Graphit tõ tr¹ng th¸i láng vµ tõ  khi kÕt tinh, cßn cã sù t¹o thµnh Graphit tõ Xe ë tr¹ng th¸i r¾n. Xe lµ pha kh«ng hoµn toµn æn ®Þnh, ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh, nã sÏ bÞ ph©n ho¸ thµnh hçn hîp  + Gr hoÆc F + Gr. ë nhiÖt ®é cao h¬n 7270C, lóc ®ã khi gi÷ nhiÖt l©u Xe sÏ ph©n ho¸ thµnh  vµ Gr cßn ë nhiÖt ®é thÊp h¬n 7270C, lóc ®ã Xe sÏ ph©n ho¸ thµnh F vµ Gr. Qu¸ tr×nh ph©n ho¸ Xe ë tr¹ng th¸i r¾n ®-îc sö dông ®Ó nhiÖt luyÖn gang ®¹t ®Õn møc ®é t¹o thµnh l-îng graphit mong muèn. 187 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 9.2. Tæ chøc tÕ vi vµ c¬ tÝnh çc lo¹i gang 9.2.1. Tæ chøc tÕ vi vµ c¬ tÝnh cña gang x¸m 9.2.1.1. Tæ chøc tÕ vi H×nh 9.4. Tæ chøc tÕ vi gang x¸m Gang x¸m lµ lo¹i gang mµ phÇn lín hay toµn bé cacbon cña nã n»m ë d-íi d¹ng tù do - Graphit rÊt Ýt hay kh«ng cã cacbon ë d-íi d¹ng liªn kÕt víi s¾t - Xe (l-îng cacbon liªn kÕt kho¶ng d-íi 1% cacbon trong tæng l-îng cacbon cña gang th-êng lµ 34%). Do trong tæ chøc cã nhiÒu Gr, mÆt gang cã mµu x¸m tèi. Tæ chøc tÕ vi gåm 2 phÇn: phÇn nÒn vµ graphit * PhÇn nÒn: phô thuéc voµ møc ®é Gr ho¸ mµ cã çc lo¹i nÒn kh¸c nhau. - NÒn Peclit - gang x¸m peclit: Cã møc ®é t¹o thµnh Graphit b×nh th-êng, trong ®ã l-îng cacbon liªn kÕt kho¶ng 0,6  0,8% t¹o nÒn peclit t-¬ng øng víi thÐp cïng tÝch. Khi ®ã, tæ chøc cña gang gåm Graphit tÊm vµ nÒn kim lo¹i Peclit. - NÒn peclit - Ferit - gang x¸m P-F cã møc ®é t¹o thµnh Graphit m¹nh trong ®ã l-îng cacbon liªn kÕt chØ kho¶ng 0,1  0,6% t¹o nªn nÒn kim lo¹i F-P, t-¬ng øng víi thÐp tr-íc cïng tÝch. Tæ chøc cña gang gåm: Graphit tÊm vµ nÒn kim lo¹i F-P. - NÒn Ferit - gang x¸m Ferit: cã møc ®é t¹o thµnh Graphit m¹nh nhÊt, trong ®ã tÊt c¶ çcbon ®Òu ë d¹ng tù do - Graphit l-îng cacbon liªn kÕt kh«ng cã, tøc lµ kh«ng cã Xe. Gang chØ cã hai pha Graphit tÊm vµ nÒn kim lo¹i lµ F. * Graphit: Graphit trong gang x¸m cã d¹ng tÊm cong (®ã lµ d¹ng tù nhiªn th-êng gÆp trong gang) chia c¾t toµn bé nÒn gang vµ kh«ng cã chuyÓn biÕn khi nhiÖt luyÖn. Thµnh phÇn ho¸ häc: Thµnh phÇn çc nguyªn tè trong gang x¸m ph¶i ®¶m b¶o møc ®é t¹o thµnh Graphit vµ c¬ tÝnh theo yªu cÇu. 188 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Cacbon: Cacbon cµng nhiÒu, kh¶ n¨ng t¹o thµnh Graphit cµng m¹nh, nhiÖt ®é ch¶y cµng thÊp, cµng dÔ ®óc. Tuy nhiªn, kh«ng thÓ dïng gang víi hµm l-îng cacbon qu¸ cao v× lóc ®ã sÏ cã qu¸ nhiÒu Graphit lµm gi¶m c¬ tÝnh cña gang. Xu h-íng lµ dïng gang víi l-îng cacbon cµng thÊp cµng tèt. Th«ng th-êng, hµm l-îng cacbon tõ 2,8  3,5%. Silic: Silic lµ nguyªn tè thóc ®Èy m¹nh sù t¹o thµnh graphit, nã lµ nguyªn tè quan träng nhÊt trong gang x¸m. Theo møc ®é t¹o thµnh graphit nªn ng-êi ta kh«ng chÕ l-îng silic cña gang x¸m trong kho¶ng 1,5%  3%. Ngoµi ra, trong gang silic hoµ tan vµo F lµm t¨ng rÊt m¹nh ®é cøng vµ ®é bÒn cña pha nµy. Mangan: Mangan lµ nguyªn tè c¶n trë sù t¹o thµnh graphit tøc lµm ho¸ tr¾ng gang. §Ó ®¶m b¶o yªu cÇu t¹o thµnh graphit, gi÷a Mn vµ Si cÇn ph¶i cã tØ lÖ t-¬ng øng. Th-êng dïng gang x¸m víi l-îng 0,5  1%Mn. L-u huúnh: Lµ nguyªn tèn c¶n trë m¹nh sù t¹o thµnh graphit cña gang, ngoµi ra cßn lµm xÊu tÝnh ®óc cña gang do lµm gi¶m ®é ch¶y lo·ng. Do vËy, ph¶i h¹n chÕ l-îng l-u huúnh trong mäi lo¹i gang. Photpho: Lµ nguyªn tè kh«ng ¶nh h-ëng g× ®Õn sù to¹ thµnh graphit nh-ng photpho cã Ých trong nh÷ng tr-êng hîp sau: - Lµm t¨ng tÝnh ch¶y lo·ng - Lµm t¨ng tÝnh chèng mµi mßn do t¹o nªn cïng tÝch 9.2.1.2. C¬ tÝnh Do ¶nh h-ëng cña graphit ë d¹ng tÊm mµ gang x¸m cã c¬ tÝnh kÐm h¬n thÐp nhiÒu. - ChÞu nÐn tèt. - ChÞu kÐo vµ uèn kÐm graphit lµ pha cã ®é bÒn rÊt thÊp nªn ë trong gang nã nhnh÷ng vÕt rçng, nøt lµm mÊt sù liªn tôc cña nÒn kim lo¹i do vËy lµm gi¶m m¹nh ®é bÒn kÐo. - Cã kh¶ n¨ng dËp t¾t dao ®éng do t¸c dông hÊp thô cña graphit. - TÝnh ®óc cao do t¸c dông cña Si nªn tÝnh ch¶y lo·ng cao Çc yÕu tè ¶nh h-ëng ®Õn c¬ tÝnh cña gang: * ¶nh h-ëng cña graphit 189 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - C¬ tÝnh cña gang x¸m phô thuéc vµo sè l-îng, ®é lín vµ sù ph©n bè cña graphit. Graphit cµng nhiÒu tøc lµ sè vÕt rçng cµng nhiÒu th× c¬ tÝnh cña gang cµng kÐm. - §é lín hay kÝch th-íc cña graphit ¶nh h-ëng lín ®Õn c¬ tÝnh cña gang x¸m. Graphit tÊm cµng dµi tøc sù chia c¾t nÒn kim lo¹i cµng lín, c¬ tÝnh cña gang x¸m cµng thÊp. §Ó n©ng cao c¬ tÝnh cña gang x¸m ph¶i dïng çc biÖn ph¸p lµm nhá mÞn graphit lµm graphit cµng ng¾n, cµng nhá, cong th× cµng tèt. *¶nh h-ëng cña nÒn kim lo¹i NÒn kim lo¹i cña gang cã c¬ tÝnh cµng cao sÏ lµ yÕu tè quan träng gióp t¹o nªn gang cã c¬ tÝnh cao. Do vËy víi chÊt l-îng graphit nhnhau, gang x¸m víi nÒn kim lo¹i Peclit cã ®é bÒn cao h¬n so víi nÒn ferit - peclit, vµ nÒn ferit - peclit cã ®é bÒn cao h¬n so víi nÒn ferit. §é cøng cña gang x¸m phô thuéc kh¸ nhiÒu vµo l-îng cacbon liªn kÕt, tøc vµo nÒn kim lo¹i, l-îng cacbon liªn kÕt cµng nhiÒu ®é cøng cµng cao. §é dÎo cña gang x¸m hÇu nh- kh«ng bÞ ¶nh h-ëng g× bëi nÒn kim lo¹i. ¶nh h-ëng cña nÒn kim lo¹i t¬i c¬ tÝnh cña gang ®-îc tr×nh bµy ë b¶ng sau: B¶ng9.1. C¬ tÝnh cña çc lo¹i gang x¸m Lo¹i gang x¸m Giíi h¹n bÒn kÐo ζb, N/mm2 §é cøng HB kG/mm2 §é gi·n dµi t-¬ng ®èi δ, % ferit ferit - peclit peclit < 150 150 - 200 210 - 400 150 200 220 - 250 0,5 0,5 0,5 * Çc biÖn ph¸p n©ng cao c¬ tÝnh cña gang x¸m - Gi¶m l-îng cacbon cña gang: Thùc hiÖn biÖn ph¸p nµy gÆp khã kh¨n v× n©ng cao nhiÖt ®é nãng ch¶y cña gang. - BiÕn tÝnh: Th-êng ®-îc ¸p dông mét çch réng r·i ®Ó n©ng cao c¬ tÝnh. Gang x¸m biÕn tÝnh cã graphit nhá mÞn, ph©n bè ®Òu, do vËy cã c¬ tÝnh tèt h¬n. - Hîp kim ho¸: §-a thªm nguyªn tè hîp kim vµo gang, ngoµi t¸c dông n©ng cao c¬ tÝnh, c¶i thiÖn lý tÝnh vµ mét sè tÝnh chÊt ®Æc biÖt kh¸c nh- tÝnh chèng ¨n mµi, chèng mµi mßn... 190 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - NhiÖt luyÖn: T«i vµ ram gang x¸m, biÕn nÒn kim lo¹i thµnh çc tæ chøc Troxtit, Xoocbit, Mactenxit ram. Ký hiÖu: - Tiªu chuÈn cña ViÖt Nam GX a-b - Tiªu chuÈn cña Nga: CЧ a-b a: giíi h¹n bÒn kÐo KG/mm2 b: giíi h¹n bÒn uèn KG/mm2 VÝ dô: GX14-24, CЧ14-28 9.2.2. Tæ chøc tÕ vi vµ c¬ tÝnh cña gang dÎo Tæ chøc tÕ vi cña gang dÎo còng gièng nh- gang x¸m vµ gang cÇu song chØ kh¸c ë chç: graphit cña nã ë d¹ng hoa b«ng xï x× ph©n bè ®Òu. H×nh 9.5. Tæ chøc tÕ vi gang dÎo 9.2.2.1. Thµnh phÇn ho¸ häc vµ tæ chøc tÕ vi Trong gang dÎo, graphit ®-îc t¹o ra trong qu¸ tr×nh ñ do ®ã thµnh phÇn ho¸ häc cña gang dÎo ph¶i ®¶m b¶o sao cho qu¸ tr×nh Graphit ho¸ kh«ng ®-îc x¶y ra ë bÊt cø bé phËn nµo khi kÕt tinh mµ chØ ®-îc x¶y ra khi ñ v× vËy, l-îng C vµ Si kh«ng ®-îc nhiÒu qu¸ ®Ó kh«ng cã Graphit ho¸ khi kÕt tinh vËt ®óc nh-ng ph¶i ®ñ ®Ó x¶y ra Graphit ho¸ khi ñ. - L-îng çcbon trong gang dÎo cµng thÊp cµng tèt, v× khi l-îng cacbon thÊp tÝnh dÎo cña gang sau khi ñ cµng cao tuy nhiªn l¹i g©y ra khã kh¨n vÒ mÆt c«ng nghÖ. Tæ chøc tÕ vi cña gang dÎo còng gièng nh- gang x¸m vµ gang cÇu, song chØ kh¸c ë hai ®iÓm: graphit cña nã ë d¹ng côm (lµ d¹ng t-¬ng ®èi thu gän) vµ graphit côm nµy t¹o nªn kh«ng ph¶i ë khi ®óc mµ ë khi ñ tiÕp theo. 191 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Muèn ®-îc gang dÎo ph¶i nÊu gang cã thµnh phÇn x¸c ®Þnh vµ ®óc thµnh vËt ®óc cã tæ chøc trong gang tr¾ng rèi tiÕn hµnh ñ graphit hãa tiÕp theo. Còng gièng nh- gang x¸m vµ gang cÇu, theo tæ chøc tÕ vi cña nÒn kim lo¹i còng cã ba lo¹i gang dÎo: ferit, ferit - peclit vµ peclit. H×nh bªn tr×nh bµy tæ chøc tÕ vi cña gang dÎo. 9.2.2.2. Quy tr×nh ñ gang tr¾ng thµnh gang dÎo T0 A 1000 B D 700 E C 10 20 10 30 t (giê) H×nh 9.6. Quy tr×nh ñ gang tr¾ng thµnh gang dÎo Gang ®em ñ lµ gang tr¾ng tr-íc cïng tinh. - §Çu tiªn gang tr¾ng tr-íc cïng tinh víi tæ chøc P + XeII ®-îc nung nãng tíi 10000C, t¹i nhiÖt ®é nµy, gang tr¾ng cã tæ chøc + (γ+Xe) - Gi÷ l©u ë 10000C tõ A --> B cã qu¸ tr×nh ph©n ho¸ cña Xe vµ qu¸ tr×nh Gr ho¸ ë nhiÖt ®é cao. Fe3C     0 + Gr 1000 0 C Giai ®o¹n nµy ®-îc gäi lµ giai ®o¹n Gr ho¸ lÇn thø nhÊt, trong ®ã x¶y ra qu¸ tr×nh Gr ho¸ cña Xe cïng tinh. - Lµm nguéi chËm tõ 1000C xuèng 7000C tõ B --> C cã qu¸ tr×nh x¶y ra lµ Graphit gi÷ nguyªn, 2,14  P0,8 + Xe6,67 NÕu qu¸ tr×nh ñ dõng l¹i ë C sÏ nhËn ®-îc gang dÎo P. §Ó ®-îc gang dÎo F ph¶i tiÕp tôc ñ. 192 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Gi÷ l©u nhiÖt ®é ë 7000C tõ C  E, Xe trong cïng tÝch P bÞ ph©n ho¸ theo ph¶n øng Fe3C6,67  0,02 + G100 Sau khi Xe cïng tÝch ph©n ho¸ hÕt, gang chØ cã tæ chøc F + G tøc lµ gang dÎo F. (NÕu tõ E lµm nguéi nhanh thu ®-îc gang dÎo F; nÕu dõng ë D sau ®ã nguéi nhanh thu ®-îc gang dÎo P - F). 9.2.2.3. C¬ tÝnh cña gang dÎo - Do Gr ë d¹ng t-¬ng ®èi tËp trung nªn gang dÎo cã ®é bÒn kÐo cao h¬n gang x¸m nh-ng kÐm h¬n gang cÇu. - Cã ®é cøng vµ ®é bÒn t-¬ng ®èi cao gÇn b»ng thÐp - TÝnh ®óc cao h¬n thÐp nªn ®-îc dïng ®Ó s¶n xuÊt çc chi tiÕt lín, phøc t¹p chÞu t¶i träng cao thay cho thÐp trong s¶n xuÊt hµng lo¹t. 9.2.2.4. Ký hiÖu - Theo TCVN: GZa-b - Theo tiªu chuÈn Nga: KЧa-b a: øng suÊt kÐo (KG/mm2) b: ®é d·n dµi t-¬ng ®èi (%) 9.2.3. Gang cÇu Gang cÇu hay cßn gäi lµ gang cã ®é bÒn cao víi Gr cÇu, lµ lo¹i gang cã ®é bÒn cao nhÊt, ®ång thêi cã thÓ chÞu ®-îc t¶i träng trong va ®Ëp. 9.2.3.1. Tæ chøc tÕ vi Tæ chøc tÕ vi cña gang cÇu còng gièng nh- gang x¸m, song chØ kh¸c lµ graphit cña nã cã d¹ng thu gän nhÊt – h×nh qu¶ cÇu – chø kh«ng ph¶i d¹ng tÊm. ChÝnh ®iÒu nµy auyÕt ®Þnh ®é bÒn kÐo rÊt cao cña gang cÇu so víi gang x¸m. Muèn ®-îc gang cÇu ph¶i tiÕn hµnh biÕn tÝnh gang x¸m b»ng chÊt biÕn tÝnh ®Æc biÖt. Giång nh- gang x¸m, theo tæ chøc tÕ vi cña nÒn kim lo¹i còng cã ba lo¹i gang cÇu: ferit, ferit – peclit vµ peclit. H×nh vÏ sau tr×nh bµy tæ chøc tÕ vi cña gang cÇu ferit – peclit. 193 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt H×nh 9.7. Tæ chøc tÕ vi cña gang cÇu ferit –peclit 9.2.3.2. Thµnh phÇn ho¸ häc vµ çch s¶n xuÊt vËt ®óc gang cÇu * Thµnh phÇn ho¸ häc: - VÒ c¬ b¶n, thµnh phÇn ho¸ häc cña gang cÇu gièng gang x¸m song chØ kh¸c lµ Mg vµ Ce víi l-îng rÊt nhá. Qu¸ tr×nh biÕn tÝnh gang láng ®Ó nh©n ®-îc gang cã Gr cÇu lµ qu¸ tr×nh t-¬ng ®èi phøc t¹p v× Mg lµ nguyªn tè cã ¸i lùc m¹nh víi oxi nªn dÔ bÞ ch¸y. Trong khi ®ã nÕu qu¸ tr×nh Ýt Mg th× ch-a ®ñ t¸c dông cÇu ho¸ Gr cßn nhiÒu Mg l¹i lµm gang ho¸ tr¾ng. - Thµnh phÇn ho¸ häc cña gang cÇu sau khi biÕn tÝnh gåm: 3  3,6% C; 2  3% Si; 0,5  1% Mn, gÇn 2 % Ni; 0,04  0,08 % M cßn l-îng P, S rÊt nhá. * Çch s¶n xuÊt vËt ®óc gang cÇu: Gang cÇu thu ®-îc trùc tiÕp tõ qu¸ tr×nh ®óc. §Ó ®¶m b¶o qu¸ tr×nh ®ã th× gang ®em cÇu ho¸ ph¶i ®¸p øng ®-îc çc yªu cÇu sau: - Ph¶i cã ®ñ hµm l-îng Si ®Ó Gr ho¸ - Ph¶i cã nguyªn tè cÇu ho¸ lµm thóc ®Èy t¹o Gr d¹ng cÇu ph©n t¸n (sö dông Mg d-íi d¹ng hîp kim Mg - Ni ®Ó tr¸nh bÞ ch¸y Mg). 9.2.3.3. C¬ tÝnh gang cÇu Gang cÇu lµ d¹ng gän nhÊt, Ýt chia c¾t nÒn kim lo¹i nhÊt vµ Ýt tËp trung øng suÊt h¬n c¶, do vËy Ýt lµm gi¶m c¬ tÝnh cña nÒn kim lo¹i. C¬ tÝnh cña gang cÇu phô thuéc chñ yÕu vµo tæ chøc cña nÒn kim lo¹i. - Cã ®é bÒn nhÊt ®Þnh, ®é cøng cao (t-¬ng ®-¬ng víi thÐp) - Cã ®é dÎo dai t-¬ng ®èi cao nªn cã thÓ chÞu t¹i träng chu kú tèt - TÝnh ®óc cao, do cã çc tÝnh chÊt trªn nªn gang cÇu ®-îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt çc chi tiÕt phøc t¹p thay cho thÐp. 194 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 9.2.3.4. Ký hiÖu - Theo TCVN: GCa-b - Theo TC Nga: BЧa-b a: øng suÊt kÐo k [KG/mm2] b: ®é gi·n dµi t-¬ng ®èi (%) 9.3. NhiÖt luyÖn gang §èi víi gang, nhiÖt luyÖn còng cã ý nghÜa quan träng. Theo trªn, gang dÎo ®-îc chÕ t¹o b»ng çch ñ tõ gang tr¾ng, do vËy ñ gang dÎo lµ mét néi dung quan träng cña nhiÖt luyÖn gang. Trong phÇn nµy ta chØ tr×nh bµy çc ph-¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn ¸p dông ®èi víi gang x¸m vµ gang cÇu. 9.3.1. NhiÖt luyÖn gang x¸m Khi nhiÖt luyÖn gang x¸m chØ lµm biÕn ®æi ®-îc tæ chøc cña nÒn kim lo¹i hoÆc biÕn ®æi líp vá biÕn tr¾ng thµnh gang x¸m mµ kh«ng thÓ lµm biÕn ®æi ®-îc d¹ng tÊm cña graphit còng nh- kÝch th-íc cña nã. §èi víi gang x¸m th-êng ¸p dông çc d¹ng nhiÖt luyÖn sau: 9.3.1.1. ñ khö øng suÊt bªn trong Khi kÕt tinh, do lµm nguéi vµ chuyÓn biÕn tæ chøc nªn trong vËt ®óc øng suÊt nhiÖt vµ øng suÊt tæ chøc, çc øng suÊt nµy th-êng lµm biÕn d¹ng hoÆc ®«i khi lµm nøt vËt ®óc. §èi víi nhiÒu chi tiÕt øng suÊt bªn trong nh- vËy lµ kh«ng cho phÐp v× kh«ng b¶o ®¶m ®é chÝnh x¸c cña m¸y. §Ó lµm mÊt hoµn toµn øng suÊt bªn trong, ng-êi ta tiÕn hµnh nung nãng vËt ®óc lªn tíi 500 - 5500C gi÷ nhiÖt råi lµm nguéi chËm cïng lß ®Õn 2000C sau ®ã lµm nguéi ngoµi kh«ng khÝ. Kh«ng nªn ®-a nhiÖt ®é ñ lªn qu¸ 5500C hoÆc gi÷ nhiÖt qu¸ l©u v× sÏ lµm graphit ho¸ g©y ra gi¶m ®é cøng, ®é bÒn cña gang. 9.3.1.2. ñ lµm mÊt líp vá biÕn tr¾ng §èi víi nhiÒu vËt ®óc gang x¸m khi lµm nguéi nhanh, ë bÒ mÆt cã líp vá b»ng gang tr¾ng cøng, rÊt khã gia c«ng c¾t. §Ó lµm mÊt líp nµy ph¶i tiÕn hµnh ñ ë nhiÖt ®é cao 850 - 8800C lóc ®ã cã qu¸ tr×nh ph©n ho¸ cña xªmentit thµnh graphit vµ auxtenit, vµ trong qu¸ tr×nh nguéi tiÕp theo xªmentit II vµ xªmentit cïn tinh l¹i ph©n ho¸ thµnh graphit. KÕt qu¶ cuèi cïng ®-îc líp bÒ mÆt lµ gang x¸m víi nÒn kim lo¹i ferit hay ferit - peclit tuú theo møc ®é graphit ho¸ nhiÒu hay Ýt. 195 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 9.3.1.3. ñ ®Ó thay ®æi nÒn kim lo¹i - ñ ®Ó gi¶m cacbon liªn kÕt: L-îng cacbon liªn kÕt cña nÒn kim lo¹i cã ¶nh h-ëng lín ®Õn c¬ tÝnh. Khi gi¶m l-îng cacbon liªn kÕt, vÝ dô tõ 0,6 - 0,8% (nÒn peclit) xuèng 0% (nÒn ferit) tÝnh dÎo sÏ t¨ng lªn. Gi¶m l-îng cacbon liªn kÕt b»ng çch biÕn nã ra d¹ng tù do, tøc lµ thùc hiÖn sù graphit ho¸ xªmentit theo ph¶n øng. Fe3C  F +G §-¬ng nhiªn nhiÖt ®é ñ ph¶i thÊp h¬n A1 ®Ó xªmentit trong cïng tÝch ®-îc ph©n ho¸ hÕt. Th-êng tiÕn hµnh ñ ë kho¶ng 7000C. - ñ ®Ó t¨ng cacbon liªn kÕt: Gang x¸m cã nÒn kim lo¹i peclit cã c¬ tÝnh cao nhÊt, nhiÒu tr-êng hîp vËt ®óc cã tæ chøc ferit hoÆc ferit - peclit cã thÓ nhiÖt luyÖn thµnh peclit. §Æc ®iÓm cña ñ ®Ó t¨ng cacbon liªn kÕt lµ ph¶i nung gang lªn qu¸ nhiÖt ®é tíi h¹n A1. Khi nung nãng qu¸ nhiÖt ®é A1 vµ A3 nÒn kim lo¹i cña gang víi çc tæ chøc ferit, ferit - peclit chuyÓn biÕn thµnh auxtenit, cong graphit vÉn gi÷ nguyªn. Gi÷ nhiÖt l©u, graphit hoµ tan vµo auxtenit cho tíi giíi h¹n b·o hoµ ë nhiÖt ®é ®· cho. NÕu thêi gian gi÷ nhiÖt ®-îc tÝnh to¸n thÝch hîp sao cho l-îng cacbon trong auxtenit tíi giíi h¹n ®-îc tÝnh to¸n thÝch hîp sao cho l-îng cacbon trong auxtenit tíi giíi h¹n kho¶ng 0,6 - 0,8% khi lµm nguéi víi tèc ®é võa ph¶i ®Ó h¹n chÕ sù graphit ho¸ th× auxtenit nµy biÕn thµnh peclit vµ ta nhËn ®-îc gang x¸m peclit. 9.3.1.4. T«i vµ ram Môc ®Ých cña t«i vµ ram ®èi víi gang x¸m còng lµ ®Ó t¨ng ®é bÒn, ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn, nh-ng hiÖu qu¶ kh«ng lín nh- ®èi víi thÐp do kh«ng biÕn ®æi ®-îc graphit. Khi nung nãng ®Ó t«i, nÒn kim lo¹i cña gang x¸m chuyÓn biÕn theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe-C vµ nhiÖt ®é t«i ®-îc chän vµ tÝnh to¸n theo tæ chøc cña gang cã tæ chøc auxtenit - graphit, gi÷ nhiÖt trong thêi gian thÝch hîp ®Ó graphit hoµ tan vµo auxtenit ®Ó pha nµy ®¹t tíi 0,6-0,8%C. Råi sau ®ã lµm nguéi nhanh ®Ó ®-îc mactenxit cã ®é cøng cao - graphit tÊm. §é cøng cña gang x¸m sau khi t«i lu«n lu«n thÊp h¬n thÐp cïng tÝch sau khi t«i 5-10HRC mÆc dï mactenxit cña gang x¸m còng chuyÓn biÕn gièng nh- khi ram mactenxit cña thÐp cßn graphit vÉn gi÷ nguyªn kh«ng chuyÓn biÕn. 196 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ram thÊp (150  2000C) gang x¸m cã tæ chøc mactenxit ram - graphit Ram trung b×nh (300  4500C) gang x¸m cã tæ chøc tr«xtit ram - graphit Ram cao (500  6500C) gang x¸m cã tæ chøc xoocbit ram - graphit 9.3.1.5. Ho¸ bÒn bÒ mÆt §èi víi gang x¸m th-êng ho¸ bÒn bÒ mÆt b»ng çch t«i bÒ mÆt vµ ho¸ nhiÖt luyÖn, th-êng kh«ng ¸p dông biÖn ph¸p ho¸ bÒn bÒ mÆt b»ng c¬ khÝ (phun bi, l¨n Ðp...) T«i bÒ mÆt gang x¸m th-êng tiÕn hµnh b»ng çch nung nãng bëi dßng ®iÖn c¶m øng cã tÇn sè cao. NhiÖt ®é t«i th-êng ¸p dông lµ 850 - 9500C. T«i cao tÇn n©ng cao ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn, ®é bÒn mái vµ thêi h¹n lµm viÖc. Tæ chøc tèt nhÊt cña gang x¸m ®em t«i bÒ mÆt lµ nÒn kim lo¹i peclit nhá mÞn vµ graphit ph©n t¸n. Ph-¬ng ph¸p ho¸ nhiÖt luyÖn ¸p dông cho gang x¸m th-êng lµ thÊm nit¬, thÊm xyanua. 9.3.2. NhiÖt luyÖn gang cÇu §Ó n©ng cao hiÖu qu¶ sö dông sau khi ®óc xong vËt ®óc gang cÇu th-êng ®-îc ®em nhiÖt luyÖn. 9.3.2.1. ñ Cã nhiÒu ph-¬ng ph¸p ñ gang cÇu ñ khö øng suÊt tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é 500 - 6000C. Çch ñ gièng nh- ®èi víi gang x¸m, kh«ng lµm biÕn ®æi tæ chøc tÕ vi. §èi víi nhiÒu vËt ®óc gang cÇu, do Mg cã t¸c dông ho¸ tr¾ng nªn ë çc chç thµnh máng th-êng bÞ biÕn tr¾ng, cøng vµ dßn, cÇn ph¶i tiÕn hµnh ñ ë nhiÖt ®é cao, kho¶ng 850 - 8800C. ë nhiÖt ®é cao ngoµi t¸c dông graphit ho¸ xªmentit çc graphit t¹o thµnh ®-îc cÇu ho¸ tiÕp tôc do vËy sÏ n©ng cao thªm c¬ tÝnh. Ngoµi ra, còng cã thÓ tiÕn hµnh çc ph-¬ng ph¸p ñ ®Ó cè ®Þnh çch liªn kÕt, lµm gang cÇu cã nÒn peclit n©ng cao ®é bÒn hoÆc cã nÒn ferit n©ng cao. Th-êng tiÕn hµnh ñ ra gang cÇu víi nÒn kim lo¹i lµ peclit h¹t cã c¬ tÝnh tæng hîp tèt. 9.3.2.2. T«i vµ ram Nguyªn t¾c t«i gang cÇu kh«ng kh¸c g× gang x¸m 197 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §Æc biÖt ®èi víi gang cÇu ng-êi ta nhËn thÊy t«i ®¼ng nhiÖt ®Ó nhËn ®-îc tæ chøc gåm bainit d-íi lµ chñ yÕu, mét Ýt auxtenit d-, mactenxit vµ graphit t¹o ra c¬ tÝnh tæng hîp rÊt tèt, cã ®é bÒn cao vµ ®é dÎo, dai nhÊt ®Þnh. 9.3.2.3. Ho¸ bÒn bÒ mÆt Th-êng tiÕn hµnh t«i cao tÇn, thÊm nit¬, thÊm xyanua vµ thÊm bo T«i cao tÇn cho gang cÇu peclit tæ chøc sau khi t«i ram thÊp ®¹t mactenxit kim nhá mÞn vµ graphit cÇu víi ®é cøng ®¹t tíi HRC cã tÝnh chèng mµi mßn cao. ThÊm nit¬ vµ thÊm xyanua cã t¸c dông rÊt tèt ®èi víi gang cÇu, n©ng cao tÝnh chèng mµi mßn, chèng mái. Ch-¬ng 10. ThÐp cacbon Trong tÊt c¶ çc vËt liÖu mµ ta th-êng sö dông thÐp lµ lo¹i vËt liÖu cã c¬ tÝnh tæng hîp cao nhÊt. ThÐp ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt chÞu t¶i nÆng nhÊt vµ trong çc ®iÒu kiÖn phøc t¹p. Kh«ng nh÷ng trong c«ng nghiÖp c¬ khÝ, thÐp cßn ®ãng vai trß quan träng trong giao th«ng vËn t¶i. PhÇn lín çc thÐp dïng trong chÕ t¹o c¬ khÝ ®-îc quy ®Þnh víi thµnh phÇn ho¸ häc vµ c¬ tÝnh kh¸ chÆt chÏ. 10.1. Çc kh¸i niÖm c¬ b¶n ThÐp ®-îc ®Þnh nghÜa dùa vµo tæ chøc tÕ vi hay thµnh phÇn ho¸ häc. - Theo tæ chøc tÕ vi: thÐp cacbon lµ hîp kim cña Fe-C mµ trong tæ chøc kh«ng cã Le. - Theo thµnh phÇn ho¸ häc: ThÐp cacbon lµ hîp kim cña Fe - C mµ cã hµm l-îng cacbon < 2,14%. 10.2. Ph©n lo¹i Tuú thuéc vµo môc ®Ých sö dông kh¸c nhau cña thÐp mµ ng-êi ta cã çc çch ph©n lo¹i kh¸c nhau. 198 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 10.2.1. Theo tæ chøc tÕ vi (theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i) Theo çch nµy, thÐp ®-îc ph©n lo¹i lµ: ThÐp tr-íc cïng tÝch (trong tæ chøc chØ cã P + F) - ThÐp cïng tÝch (trong tæ chøc chØ cã P) - ThÐp sau cïng tÝch (trong tæ chøc chØ cã P + XeII) Trªn c¬ së ®ã ta thÊy r»ng, khi hµm l-îng cacbon trong thÐp t¨ng lªn th× thÐp chuyÓn tõ lo¹i tr-íc cïng tÝch --> cïng tÝch --> sau cïng tÝch. §ång thêi khi thµnh phÇn cacbon t¨ng lªn, ®é bÒn ®é cøng còng t¨ng song ®é dÎo, ®é dai gi¶m ®i. §ã lµ do khi t¨ng l-îng cacbon, sè l-îng pha Xe cøng, dßn còng t¨ng lªn vµ l-îng Pha F dÎo gi¶m ®i, do vËy thÐp cã ®é cøng t¨ng lªn, ®é dÎo, ®é dai gi¶m ®i. Song riªng víi ®é bÒn th× ¶nh h-ëng cña l-îng pha Xe lai kh¸c. Khi t¨ng sè l-îng pha Xe víi ®é cøng cao cã t¸c dông c¶n trë sù tr-ît cña F do ®ã lµm t¨ng giíi h¹n bÒn cña thÐp nh-ng khi Xe qu¸ nhiÒu l¹i t¹o nªn XeII ë d¹ng l-íi th× nã l¹i lµm gi¶m ®é bÒn, do l-íi Xe lµm dÔ dµng cho sù t¹o thµnh vµ ph¸t triÓn vÕt nøt. ChØ tiªu c¬ tÝnh HB b (Ph¹t) b (PtÊm)   ak %C H×nh 10.1 10.2.2. Ph©n lo¹i theo c«ng dông 10.2.2.1. ThÐp cacbon chÊt l-îng th-êng: lµ çc lo¹i thÐp dïng chÕ t¹o çc kÕt cÊu víi liªn kÕt hµn lµ chñ yÕu. (VÝ dô: Giµn, khung, vá tµu) * Yªu cÇu: - TÝnh hµn cao - TÝnh dÎo ®¶m b¶o - Cã c¬ tÝnh ®ñ theo yªu cÇu kÕt cÊu Ký hiÖu: - TCVN: CT -31; 33 kÐo (kg/mm2) - TC Nga: CT - 0;....6 199 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §-îc chia lµm 3 nhãm A: chØ quy ®Þnh c¬ tÝnh mµ kh«ng quy ®Þnh thµnh phÇn hãa häc B: chØ quy ®Þnh thµnh phÇn hãa häc mµ kh«ng quy ®Þnh c¬ tÝnh C: quy ®Þnh c¶ c¬ tÝnh vµ thµnh phÇn hãa häc * øng dông: Chñ yÕu lµm çc kÕt cÊu trong x©y dùng nh- nhµ x-ëng, cÇu cèng, cèt thÐp bª t«ng. Còng cã thÓ sö dông trong chÕ t¹o m¸y ®Ó lµm çc chi tiÕt kh«ng quan träng. TCVN5709-93 quy ®Þnh çc m¸c chuyªn dïng lµm çc kÕt cÊu thÐp trong xÊy dùng gåm cã: XCT34 XCT38 XCT42 XCT52 10.2.2.2. ThÐp kÕt cÊu: §-îc quy ®Þnh chÆt chÏ vÒ thµnh phÇn hãa häc dïng ®Ó s¶n xuÊt çc chi tiÕt m¸y. * Yªu cÇu: - TÝnh c«ng nghÖ cao (hµn, gia c«ng ¸p lùc, c¾t, gät) - C¬ tÝnh ph¶i ®¶m b¶o * ThÐp kÕt cÊu ®-îc chia thµnh çc nhãm: - ThÐp thÊm C: ThÐp kÕt cÊu cã %C < 0,25% dïng s¶n xuÊt çc chi tiÕt cã ®é cøng bÒ mÆt cao (nhê thÊm cacbon) vµ lâi gi÷ nguyªn ®é dÎo, dai. + C«ng nghÖ nhiÖt luyÖn: ThÊm C+ t«i 2 lÇn + ram thÊp Ký hiÖu: TCVN: dïng 2 con sè: ** 0 000 C trung b×nh VÝ dô: TCVN C08s, C08n Cã 0,08%C - ThÐp hãa tèt: lµ lo¹i thÐp kÕt cÊu mµ %C tõ ( 0,35 ~ 0,55)%C. + C«ng dông: Dïng ®Ó s¶n xuÊt hÇu hÕt çc lo¹i chi tiÕt m¸y mµ cã yªu cÇu vÒ c¬ tÝnh tæng hîp cao. + ChÕ ®é nhiÖt luyÖn: T«i + ram cao + (t«i bÒ mÆt) NhiÖt luyÖn hãa tèt (Tæ chøc thu ®-îc XoocbÝt ram) Ký hiÖu: ** 0 000 C trung b×nh - ThÐp lß xo cì nhá: Lµ thÐp kÕt cÊu cã %C tõ 0,6  0,7% + C«ng dông: dïng ®Ó s¶n xuÊt çc chi tiÕt ®µn håi cì nhá. + ChÕ ®é nhiÖt luyÖn: t«i + ram TB  trutxtÝt ram 200 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ký hiÖu: ** 0 000 C trung b×nh VÝ dô: 60, 65, 70  0,6; 0,65; 0,7%C 10.2.2.3. ThÐp dông cô: Lµ lo¹i thÐp cã thµnh phÇn C tõ 0,7  1,3%. + C«ng dông: Dïng s¶n xuÊt çc dông cô c¾t, tèc ®é thÊp mµ chñ yÕu lµ dông cô cÇm tay. + ChÕ ®é nhiÖt luyÖn: t«i + ram thÊp (®Ó thu ®-îc MactenxÝt ram). Ký hiÖu: -TCVN: C*** 0 000 cacbon TB VÝ dô: CD70, 80, 100, 130 0,7%; 0,8%; 1%; 1,3% 10.2.2.4. Mét sè thÐp ®Æc biÖt ThÐp dÔ c¾t (thÐp tù ®éng) cã hµm l-îng (phèt pho) nhÊt ®Þnh  ph«i dÔ g·y. Ký hiÖu: A30 10.2.3. Ph©n lo¹i theo ph-¬ng ph¸p nÊu luyÖn Cã nhiÒu ph-¬ng ph¸p luyÖn thÐp víi çc ®Æc ®iÓm kh¸c nhau vÒ kh¶ n¨ng lo¹i bá t¹p chÊt, chÊt l-îng vµ gi¸ thµnh. Ph-¬ng ph¸p cæ ®iÓn luyÖn thÐp dïng lß Mactanh (hay cßn gäi lµ lß b»ng) vÉn cßn ®-îc dïng ®Õn ngµy nay. Dïng lß Mactanh víi t-êng lß tÝnh baz¬ cã thÓ khö ®-îc P, S luyÖn ®-îc thÐp víi chÊt l-îng t-¬ng ®èi tèt. Còng cã khi dïng lß Mactanh víi t-êng lß tÝnh axit ®Ó luyÖn thÐp víi chÊt l-îng cao, nh-ng yªu cÇu cao vÒ ®é s¹ch víi nguyªn vËt liÖu ban ®Çu. HiÖn nay ¸p dông phæ biÕn ph-¬ng ph¸p L-D (thæi oxy tõ ®Ønh) ®Ó s¶n xuÊt thÐp víi chÊt l-îng th«ng th-êng. §Æc ®iÓm cña ph-¬ng ph¸p nµy lµ n¨ng suÊt cao, nh-ng kh«ng khö ®-îc P vµ S. §Ó luyÖn çc thÐp chÊt l-îng cao, thÐp hîp kim, ng-êi ta th-êng dïng lß ®iÖn (th-êng dïng lo¹i hå quang), v× cã kh¶ n¨ng khö P vµ S m¹nh, nh-ng gi¸ thµnh cao. ViÖc khö çc t¹p chÊt phi kim lo¹i vµ khi n©ng cao chÊt l-îng thÐp, n©ng cao kh¶ n¨ng lµm viÖc cña thÐp d-íi t¶i träng tÜnh vµ thay ®æi theo chu kú. §Ó ®¹t môc ®Ých ®ã hiÖn nay ng-êi ta ®· ¸p dông çc ph-¬ng ph¸p gia c«ng kim lo¹i b»ng ch©n kh«ng vµ b»ng xØ, nÊu luyÖn l¹i trong ch©n kh«ng, nÊu luyÖn l¹i b»ng tia ®iÖn tö, 201 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt nÊu luyÖn xØ ®iÖn, nÊu luyÖn c¶m øng - ch©n kh«ng, tinh luyÖn thÐp b»ng xØ tæng hîp. Ký hiÖu: ThÐp Martanh (M), thÐp Besme (B), thÐp Thomas (T) VÝ dô: MCT - 3 (ThÐp x©y dùng; nÊu luyÖn b»ng lß Mactanh) 10.2.4. Ph©n lo¹i theo ph-¬ng ph¸p khö oxi Theo ph-¬ng ph¸p khö oxy ng-êi ta ph©n chia thÐp ra lµm thÐp s«i, thÐp l¾ng vµ thÐp nöa l¾ng. Qu¸ tr×nh khö oxy lµm gi¶m çc lo¹i oxÝt trong thÐp. Sö dông FeMn; Fe-Si ®Ó t¹o xØ b»ng MnO; SiO2. - ThÐp s«i: Lµ thÐp kh«ng ®-îc khö oxy triÖt ®Ó, do vÉn cßn FeO trong thÐp láng, nªn FeO cã thÓ t¸c dông víi cacbon (cña thÐp láng) ®Ó thµnh khÝ CO: FeO + C  Fe + CO Khi CO bay lªn lµm cho mÆt thÐp láng chuyÓn ®éng g©y Ên t-îng gièng nhs«i, do vËy cã tªn lµ thÐp s«i. Do khi CO vÉn cßn t¹o thµnh c¶ khi rãt khu«n nªn sÏ t¹o thµnh mét sè bät khÝ trong thái thÐp ®óc. Trong qu¸ tr×nh çn nãng tiÕp theo, phÇn lín çc bät khÝ nµy ®-îc hµn l¹i, do vËy kh«ng ¶nh h-ëng nhiÒu ®Õn c¬ tÝnh. Do chØ ®-îc khö oxy b»ng Fe - Mn nªn ferit cña thÐp chøa rÊt Ýt Si (< 0,07%) do ®ã kh¸ dÎo vµ dai. ThÐp s«i rÎ, ng-êi ta th-êng dïng chóng ®Ó s¶n xuÊt thÐp cacbon thÊp, çn thµnh çc tÊm, l¸ máng ®Ó rËp nguéi. Ký hiÖu: Cã thªm ch÷ "S" víi TCVN, ch÷ "KΠ" víi Nga VÝ dô: KΠ08: thÐp s«i cã 0,08%C - ThÐp l¾ng: ThÐp l¾ng lµ thÐp ®-îc khö «xy triÖt ®Ó, tøc lµ ngoµi Fe - Mn cßn dïng çc chÊt khö m¹nh nh- Fe - Si vµ Al, do vËy trong thÐp láng chøa rÊt Ýt FeO, mÆt thÐp láng ph¼ng lÆng do kh«ng cã hiÖn t-îng sñi khÝ nh- thÐp s«i. ThÐp l¾ng chøa rÊt Ýt bät khÝ vµ ë trªn cïng cã t¹o thµnh lâm co lín, ph¶i c¾t bá ®i tr-íc khi ®em çn. ChÊt l-îng cña thÐp l¾ng cao h¬n thÐp s«i nh-ng kh«ng kinh tÕ b»ng do ph¶i c¾t bá mét ®o¹n tíi 10-15% träng l-îng cña c¶ thái, chi phÝ cho khö oxy cßn kÐm h¬n. Do khö oxy b»ng Fe-Si, ferit cña thÐp l¾ng chøa nhiÒu Si h¬n (0,15 - 0,3%) nªn cøng h¬n. ThÐp l¾ng lµ lo¹i thÐp tèt ®Ó lµm phÇn lín çc chi tiÕt m¸y. - ThÐp nöa l¾ng: Võa khö trong buång lß, võa khö ë ngoµi (ViÖt Nam kh«ng lµm ®-îc). Theo møc ®é khö oxy thÐp löa l¾ng cã vÞ trÝ trung gian gi÷a thÐp s«i vµ thÐp l¾ng, chØ ®-îc khö oxy b»ng Fe - Mn; Al 202 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Nga: ΠC30 10.2.5. Ph©n lo¹i theo chÊt l-îng Theo chÊt l-îng luyÖn kim tøc lµ theo møc ®é ®ång nhÊt cña thµnh phÇn ho¸ häc, tæ chøc vµ tÝnh chÊt cña thÐp vµ ®Æc biÖt lµ møc ®é chøa çc t¹p chÊt cã h¹i P, S, khi ®ã ng-êi ta ph©n chia thÐp ra çc lo¹i: chÊt l-îng th-êng, chÊt l-îng tèt, chÊt l-îng cao vµ chÊt l-îng ®Æc biÖt cao. ThÐp cã chÊt l-îng th-êng cã thÓ chøa tíi 0,06% S vµ 0,07% P ThÐp cã chÊt l-îng tèt kh«ng cho phÐp qu¸ 0,04%S vµ 0,035% P ThÐp cã chÊt l-îng cao kh«ng cho phÐp chøa qu¸ 0,025% mçi nguyªn tè ThÐp cã chÊt l-îng ®Æc biÖt cao kh«ng cho phÐp chøa qu¸ 0,015 % S vµ 0,025 % P 10.3. ¦u khuyÕt ®iÓm cña thÐp cacbon ThÐp cacbon ®-îc dïng réng r·i trong kü thuËt vµ ngay c¶ trong chÕ t¹o m¸y v× hai -u ®iÓm c¬ b¶n: - RÎ, kh«ng ph¶i dïng nguyªn tè hîp kim ®¾t tiÒn (khã kiÕm), dÔ luyÖn. - Cã c¬ tÝnh nhÊt ®Þnh vµ tÝnh c«ng nghÖ tèt: dÔ ®óc, çn, rÌn, kÐo sîi gia c«ng c¾t vµ rËp h¬n so víi thÐp hîp kim. Tuy nhiªn, thÐp cacbon còng cã nhiÒu nh-îc ®iÓm, trong ®ã ph¶i kÓ ®Õn ®é thÊm t«i thÊp, do ®ã hiÖu qu¶ ho¸ bÒn nhiÖt luyÖn kh«ng cao, tÝnh chÞu nhiÖt ®é cao kÐm, trong khi ®ã, thÐp hîp kim ngoµi c¬ tÝnh sau khi nhiÖt luyÖn cao con cã mét sè tÝnh chÊt ®Æc biÖt nh- chèng ¨n mßn, chÞu nhiÖt ®é cao, cã tÝnh chÊt tõ vµ ®iÖn ®Æc biÖt. 10.4. Çc t¹p chÊt trong thÐp vµ ¶nh h-ëng cña chóng 10.4.1. Lý do tån t¹i t¹p chÊt M¨nggan vµ Silic ®i vµo thµnh phÇn cña thÐp tõ çc nguån sau ®©y: - LÉn vµo trong quÆng s¾t, do ®ã ®i vµo thµnh phÇn cña gang råi vµo thÐp - Khi luyÖn thÐp ng-êi ta dïng Fe - Si vµ Fe - Mn ®Ó khö oxy do vËy mét phÇn çc nguyªn tè nµy còng ®i vµo thÐp. 203 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Mn vµ Si lµ hai t¹p chÊt cã lîi, chóng n©ng cao c¬ tÝnh cña thÐp do ®ã kh«ng ®Æt vÊn ®Ò lo¹i bá chóng trong qu¸ tr×nh luyÖn. Trong çc ®iÒu kiÖn th«ng th-êng cña luyÖn kim, chóng cã ë trong thÐp víi l-îng chøa nhsau: Mn < 0,8%; Si < 0,50%. Phèt pho vµ l-u huúnh còng ®i vµo thµnh phÇn cña gang do sù tån t¹i cña chóng trong quÆng s¾t vµ nhiªn liÖu. §èi víi thÐp, c¶ hai nguyªn tè nµy ®Òu lµ t¹p chÊt cã h¹i, do vËy trong qu¸ tr×nh luyÖn ph¶i tiÕn hµnh khö bá chóng. ViÖc khö triÖt ®Ó P vµ S rÊt tèn kÐm, nªn chØ cÇn gi¶m thµnh phÇn cña chóng trong thÐp ®Õn møc ¶nh h-ëng cã h¹i lµ kh«ng ®¸ng kÓ. Nãi chung tuyÖt ®¹i ®a sè çc lo¹i thÐp, l-îng chøa cña mçi nguyªn tè ®ã ®Òu nhá h¬n 0,05%. VËy bÊt kú thÐp cacbon nµo còng chøa çc nguyªn tè sau trong giíi h¹n d-íi ®©y: C < 2%, Mn < 0,8%, Si < 0,5%, P, S < 0,05%. Trong thÐp cacbon th«ng th-êng còng cã hoµ tan çc khÝ nit¬, hy®r«, oxy víi l-îng chøa rÊt Ýt mµ viÖc x¸c ®Þnh chóng rÊt khã kh¨n, nªn ®-îc gäi lµ t¹p chÊt Èn, víi çc thÐp ph©n tÝch th«ng th-êng ng-êi ta th-êng bá qua. Nãi chung chóng lµ t¹p chÊt cã h¹i. Çc nguyªn tè kÓ trªn víi l-îng chøa nhá h¬n çc giíi h¹n ®· cho kh«ng ¶nh h-ëng ®¸ng kÓ ®Õn tæ chøc vµ c¬ tÝnh cña hîp kim Fe - C, ®-îc coi lµ t¹p chÊt nhnh÷ng nguyªn tè lÉn vµo mét çch tù nhiªn mµ kh«ng cã sù cè ý ®Æc biÖt nµo. 10.4.2. Ph©n lo¹i t¹p chÊt vµ ¶nh h-ëng cña chóng 10.4.2.1. T¹p chÊt cã lîi: Mn; Si ®i vµo thÐp trong qu¸ tr×nh khö oxi, Mn, Si cã t¸c dông lµm t¨ng ®é cøng nãng cña thÐp vµ lµm t¨ng c¬ tÝnh tæng hîp, t¨ng ®é thÊm t«i. - Mn Mn ®-îc cho vµo mäi thÐp d-íi d¹ng Fe - Mn ®Ó khö oxy tøc lµ ®Ó lo¹i trõ FeO rÊt cã h¹i. FeO + Mn  MnO + Fe (MnO næi lªn, ®i vµo xØ vµ ®-îc cµo ra khái lß) Ngoµi ra Mn còng lo¹i trõ ®-îc t¸c dông cã h¹i cña l-u huúnh (FeS) ®èi víi thÐp. Mn lµ nguyªn tè ¶nh h-ëng tèt ®Õn c¬ tÝnh, khi hoµ tan vµo Fe nã n©ng cao ®é bÒn, ®é cøng cña pha nµy, do vËy lµm t¨ng c¬ tÝnh cña thÐp. Tuy nhiªn, do l-îng Mn trong thÐp cacbon Ýt (cao, nhÊt còng chØ trong giíi h¹n 0,5 - 0,8%) nªn 204 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ¶nh h-ëng nµy kh«ng râ rÖt. ¶nh h-ëng tèt cña Mn ®èi víi thÐp cacbon chÝnh lµ ë chç nã khö oxy vµ h¹n chÕ t¸c dông cã h¹i cña l-u huúnh. - Si Si ®-îc cho vµo nhiÒu lo¹i thÐp ®Ó khö «xy mét çch triÖt ®Ó: 2FeO + Si  SiO2 + Fe (SiO2 næi lªn, ®i vµo xØ vµ ®-îc cao ra khái lß) Còng gièng Mn, Si hoµ tan vµo ferit còng n©ng cao ®é bÒn, ®é cøng cña pha nµy. Song l-îng Si trong thÐp cacbon kh¸ thÊp (cao nhÊt còng chØ trong giíi h¹n 0,17 - 0,37%) nªn t¸c dông ho¸ bÒn còng kh«ng râ rÖt. 10.4.2.2. T¹p chÊt cã h¹i - Phèt pho ë nhiÖt ®é th-êng Fe() hoµ tan l-îng P cao tíi 1,2% v-ît qu¸ giíi h¹n nµy t¹o nªn Fe3P dßn. Song trong hîp kim Fe - C l-îng P hoµ tan trong Fe() gi¶m ®i m·nh liÖt, chØ cßn vµi phÇn ngh×n, do vËy trong thÐp dÔ xuÊt hiÖn Fe 3P n©ng cao ®é bÒn, ®Æc biÖt lµ ®é dßn cña nhiÖt ®é th-êng. V× vËy phèt pho n©ng cao tÝnh dßn nguéi cña thÐp. Giíi h¹n hoµ tan cña P trong ferit g©y ra dßn lµ 0,1% nh-ng do nã lµ nguyªn tè thiªn tÝch m¹nh trong qu¸ tr×nh kÕt tinh nªn th«ng th-êng chØ cho phÐp cã ®Õn 0,05%. MÆt kh¸c P ¶nh h-ëng tèt ®Õn tÝnh gia c«ng c¾t cho nªn trong thÐp dÔ c¾t ng-êi ta ®-a hµm l-îng P cao tíi 0,08 - 0,15%. - L-u huúnh L-u huúnh kh«ng tan ë c¶ trong Fe() vµ Fe(), nã t¹o nªn hîp chÊt FeS. Cïng tinh (Fe + FeS) t¹o thµnh ë nhiÖt ®é thÊp (9880C), nªn nã kÕt tinh sau cïng vµ n»m bªn d-íi h¹t. Khi nung nãng thÓ çn kÐo hay rÌn, cïng tinh nµy ch¶y ra vµ cã qu¸ tr×nh ®øt ë bªn d-íi h¹t, lµm cho thÐp bÞ dßn. V× vËy l-u huúnh n©ng cao tÝnh dßn nãng cña thÐp. Cho Mn vµo thÐp lµm gi¶m ®-îc t¸c dông cã h¹i cña l-u huúnh so víi s¾t nã cã ¸i lùc víi S m¹nh h¬n, t¹o nªn MnS. MnS nãng ch¶y ë nhiÖt ®é cao ®Õn 16200C, khi lµm nguéi nã kÕt tinh d-íi d¹ng çc h¹t nhá ph©n bè rêi r¹c, do ®ã kh«ng g©y hiÖu øng (dßn nãng) khi gia c«ng ¸p lùc nãng. 205 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Çc sunfua dÎo vµ biÕn d¹ng ®-îc ë tr¹ng th¸i nãng, ë trong thÐp çn nã bÞ kÐo dµi ra theo ph-¬ng ph¸p biÕn d¹ng lµm c¬ tÝnh cña thÐp kh¸c nhau theo chiÒu däc vµ ngang vËt çn. Còng gièng P, S lµ nguyªn tè cã ¶nh h-ëng tèt ®Õn tÝnh gia c«ng c¾t, trong thÐp dÔ c¾t chøa ®Õn 0,15 - 0,30%S. - Çc khÝ oxy, nit¬ vµ hy®r« Çc nguyªn tè nµy ¶nh h-ëng xÊu ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp ë chç lµm gi¶m ®é dÎo, t¨ng khuynh h-íng ph¸ huû. ¤xy hoµ tan rÊt Ýt trong ferit (VÝ dô ë 5000C ®é hoµ tan chØ lµ 0,001%), v-ît qu¸ giíi h¹n nµy oxy ë d¹ng çc oxyt Fe3O4, FeO, MnO, Mn2O4, Al2O3... th-êng gäi lµ vËt lÉn phi kim lo¹i, çc vËt lÉn oxyt nµy g©y ra dßn nãng vµ dßn nguéi, lµm gi¶m ®é bÒn, ®Æc biÖt lµ giíi h¹n mái. Nit¬ còng hoµ tan rÊt Ýt trong ferit, ë 5900C ®é hoµ tan lµ 0,10%, nh-ng ®¸ng chó ý lµ ®é hoµ tan nµy gi¶m rÊt nhanh theo nhiÖt ®é, ë nhiÖt ®é th-êng chØ cßn 105 %, ngoµi ra nit¬ còng ë d¹ng nitrit. Khi lµm nguéi thÐp víi l-îng chøa nit¬ cao, çc nguyªn tö nit¬ trong thÐp biÕn d¹ng nguéi tÝch tô ë vïng lÖch t¹o nªn khÝ quyÓn Cottrell ng¨n trë chuyÓn ®éng cña lÖch. Do vËy thÐp cã ®é bÒn t¨ng lªn, ®é dÎo gi¶m ®i m¹nh. §ã lµ hiÖn t-îng ho¸ giµ biÕn d¹ng. HiÖn t-îng nµy thÓ hiÖn rÊt râ trong thÐp tÊm cacbon thÊp (C < 0,1%) ®Î rËp nguéi: do ho¸ giµ, khi rËp thÐp th-êng bÞ ®øt. Hy®r« cã ¶nh h-ëng ®Æc biÖt xÊu ®Õn thÐp, nhÊt lµ trong thÐp cã ®é bÒn cao, thÐp t«i cã tæ chøc mactenxit. Çc nguyªn nh©n dßn do hy®r« g©y ra nhsau: Hy®r« hoµ tan trong dung dÞch r¾n, ë chç lÖch, lµm x« lÖch m¹ng, g©y ra dßn; ®é hoµ tan cña hy®r« trong thÐp gi¶m ®i rÊt nhanh, hy®r« tho¸t ra víi l-îng lín, g©y ra çc vÕt nøt tÕ vi thÓ hiÖn ë çc ®èm tr¾ng trªn mÆt gÉy. Çc khÝ hoµ tan trong thÐp láng qu¸ nhiÒu, lµm xuÊt hiÖn çc rç khi trong thái ®óc, do ®ã lµm gi¶m c¬ tÝnh. Trong mét sè thÐp hîp kim, nit¬ cã t¸c dông tèt, lóc ®ã nã ®-îc coi lµ nguyªn tè hîp kim. 206 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ch-¬ng 11. ThÐp hîp kim 11.1. Çc kh¸i niÖm c¬ b¶n 11.1.1. Kh¸i niÖm nguyªn tè hîp kim Nguyªn tè hîp kim lµ çc nguyªn tè ho¸ häc ngoµi s¾t vµ cacbon chóng ®-îc ®-a vµo thÐp theo ý muèn cña ng-êi luyÖn kim nh»m t¹o ra çc tæ chøc míi -u viÖt h¬n cho thÐp. - Nguyªn tè hîp kim ®-îc ng-êi s¶n xuÊt chñ ®éng vµ cè ý ®-a vµo víi hµm l-îng x¸c ®Þnh theo yªu cÇu cña m×nh. - T¹p chÊt ®i vµo thÐp mét çch ngÉu nhiªn kh«ng theo ý muèn vµ kh«ng ®Þnh tr-íc hµm l-îng. 11.1.2. Ph©n lo¹i thÐp hîp kim 11.1.2.1. Ph©n lo¹i theo hµm l-îng cña nguyªn tè hîp kim %(NTHK) < 2,5% thÐp hîp kim thÊp %(NTHK) = (2,5  10%) thÐp hîp kim trung b×nh %(NTHK) > 10% thÐp hîp kim cao 207 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Giíi h¹n l-îng chøa ®Ó tõ ®ã ph©n chia ranh giíi gi÷a t¹p chÊt vµ nguyªn tè hîp kim nhsau: Mn = 0,8 - 1,0% Si = 0,5 - 0,8% Cr = 0,2 - 0,8% Ni = 0,2 - 0,6% W = 0,1 - 0,5% Mo = 0,05 - 0,2% Ti > 0,1% , Cu > 0,1%, B > 0,02% VÝ dô thÐp cã chøa 0,7% Mn vÉn chØ ®-îc coi lµ thÐp cacbon, chØ khi Mn > 1% míi ®-îc coi lµ thÐp hîp kim: Mn trong tr-êng hîp ®Çu lµ t¹p chÊt trong tr-êng hîp sau lµ nguyªn tè hîp kim; trong khi ®ã chØ cÇn > 0,1% Ti hoÆc 0,002%B còng ®-îc coi lµ thÐp hîp kim. §Æc biÖt, trong thÐp hîp kim l-îng chøa çc t¹p chÊt cã h¹i bao gåm P, S vµ çc khÝ N2, O2, H2, rÊt thÊp so víi thÐp cacbon. Môc ®Ých cña ph-¬ng ph¸p ph©n lo¹i trªn chñ yÕu nãi lªn gi¸ c¶ cña thÐp ®-îc dïng trong giao dÞch, bu«n b¸n. 11.1.2.2. Theo nguyªn tè hîp kim chÝnh Nguyªn tè hîp kim chÝnh lµ nguyªn tè cã hµm l-îng lín nhÊt vµ cã t¸c dông râ rÖt nhÊt. Môc ®Ých cña ph-¬ng ph¸p nµy ®¸nh gi¸ kh¸ chÝnh x¸c vÒ gi¸ c¶ vµ x¸c ®Þnh ®-îc ph¹m vi sö dông cña thÐp bao gåm: ThÐp cr«m, thÐp mangan, thÐp niken, thÐp vonfram, thÐp cr«m - niken. 11.1.2.3. Theo c«ng dông Môc ®Ých cña ph-¬ng ph¸p nµy nãi râ lÜnh vùc t¸c dông cña thÐp hîp kim trong kü thuËt bao gåm: ThÐp kÕt cÊu hîp kim, thÐp dông cô hîp kim, thÐp kh«ng gØ, thÐp chÞu nhiÖt, thÐp chÞu mµi mßn, thÐp cã tÝnh chÊt vËt lý ®Æc biÖt. 11.1.2.4. ph©n lo¹i theo tæ chøc tÕ vi Th-êng ph©n lo¹i thÐp hîp kim theo tæ chøc tÕ vi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng vµ sau khi th-êng hãa. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng Sau khi ñ, thÐp cã tæ chøc c©n b»ng æn ®Þnh, víi l-îng cacbon t¨ng dÇn theo tæ chøc tÕ vi®¹t ®-îc lÇn l-ît çc lo¹i thÐp sau: 1. ThÐp tr-íc cïng tÝch ngoµi peclit cßn cã çc ferit tù do. 2. ThÐp cïng tÝch víi tæ chøc peclit 3. ThÐp sau cïng tÝch víi tæ chøc ngoµi peclit ra cßn cã cacbit thø hai. 4. ThÐp lª®ªbuarit víi tæ chøc trong ®ã cã cïng tinh lª®ªbuarit. 208 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Nh- ®· biÕt çc nguyªn tè hîp kim lµm gi¶m kh¶ n¨ng hßa tan cacbon cña austenit, do vËy çc thÐp trªn sÏ h×nh thµnh víi l-îng cacbon thÊp h¬n so víi thÐp cacbon. 5. ThÐp austenit víi tæ chøc thuÇn austenit lµ lo¹i thÐp ®-îc hîp kim hãa b»ng l-îng lín nguyªn tè më réng vïng γ lµ Ni hoÆc Mn. 6. ThÐp ferit víi tæ chøc thuÇn ferit, lµ lo¹i thÐp ®-îc hîp kim hãa b»ng l-îng lín nguyªn tè më réng vïng  lµ crom víi hµm l-îng cacbon rÊt thÊp. Hai thÐp sau cïng lµ lo¹i kh«ng cã chuyÓn biÕn pha khi nung nóng vµ lµm nguéi. Ngoµi ra cßn lo¹i thÐp nöa ferit hay nöa austenit lµ lo¹i chuyÓn biÕn γ ↔  x¶y ra kh«ng hoµn toµn. C«ng dông cña çch ph©n lo¹i nµy lµ cho biÕt tæ chøc tÕ vi cña thÐp ë tr¹ng th¸i ñ lµ tr¹ng th¸i æn ®Þnh nhÊt øng víi ®é bÒn, ®é cøng thÊp nhÊt, qua ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh çc tÝnh chÊt cña thÐp ë tr¹ng th¸i ñ. ë tr¹ng th¸i th-êng hãa Tõ tæ chøc sau khi lµm nguéi ngoµi kh«ng khÝ tÜnh (th-êng hãa) çc mÉu nhá (®-êng kÝnh 25mm) cã thÓ chia ra ba lo¹i thÐp c¬ b¶n sau: 1. ThÐp ferit lµ lo¹i thÐp hîp kim thÊp nªn tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi ch-a lín l¾m, do vËy víi tèc ®é nguéi trong kh«ng khÝ tÜnh sÏ lµm austenit ph©n hãa thµnh peclit (xoocbit, tr«xtit) (h×nh vÏ a) Nhiệt độ Thép loại austenit Nhiệt độ Thép loại M Nhiệt độ Thép loại P Mđ Mđ 00 00 00 Thời gian a Thời gian Thời gian Mđ b c H×nh 11.1: Gi¶n ®å ph©n ho¸ ®¼ng nhiÖt cña ba lo¹i thÐp hîp kim 2. ThÐp mactenxit lµ lo¹i thÐp hîp kim trung b×nh vµ cao, cã tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi lín ®Õn møc khi lµm nguéi trong kh«ng khÝ tÜnh còng ®¹t ®-îc tæ chøc mactexit (h×nh vÏ b), thÐp nµy cßn cã tªn lµ thÐp tù t«i. 209 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 3. ThÐp austenit lµ lo¹i thÐp hîp kim cao víi çc nguyªn tè Mn vµ Ni (th-êng cã thªm Cr), cã ®iÓm b¾t ®Çu chuyÓn biÕn Mactenxit nhá h¬n 0 0C vµ do vËy khi lµm nguéi trong kh«ng khÝ kh«ng h¹ ®-îc nhiÖt ®é chuyÓn biÕn mactenxit, vÉn gi÷ l¹i tæ chøc austenit (h×nh vÏ c) C«ng dông cña çch ph©n lo¹i nµy lµ biÕt ®-îc tæ chøc tÕ vi cña thÐp hîp kim ë tr¹ng th¸i cung cÊp, tøc ë tr¹ng th¸i sau khi çn nãng råi lµm nguéi trong kh«ng khÝ. Tuy tæ chøc ®¹t ®-îc chØ cã tÝnh chÝnh x¸c t-¬ng ®èi (bëi v× tèc ®é nguéi cßn phô thuéc vµo tiÕt diÖn cña ph«i thÐp, nªn cïng mét thÐp cã thÓ cã tæ chøc kh¸c nhau nÕu tiÕt diÖn kh¸c nhau), song qua ®ã cã thÓ biÕt ®-îc tÝnh chÊt chñ yÕu cña thÐp. VÝ dô, nÕu lµ thÐp mactenxit th× râ rµng lµ nã ph¶i cã tÝnh thÊm t«i rÊt cao, rÊt dÔ ®¹t ®-îc c¬ tÝnh ®ång ®Òu trªn toµn tiÕt diÖn, dÔ t«i... 11.1.3. Çc ®Æc tÝnh cña thÐp hîp kim Çc thÐp hîp kim cã nh÷ng ®Æc tÝnh tréi h¬n h¼n so víi thÐp cacbon, hay nãi çch kh¸c ®i môc ®Ých hîp kim ho¸ thÐp lµ ë çc mÆt sau ®©y: VÒ c¬ tÝnh, thÐp hîp kim nãi chung cã ®é bÒn (giíi h¹n bÒn, giíi h¹n ch¶y) cao h¬n h¼n so víi thÐp cacbon, ®iÒu nµy thÓ hiÖn ®Æc biÖt râ rµng sau khi nhiÖt luyÖn t«i vµ ram. ¦u viÖt nµy th-êng thÓ hiÖn trong mäi thÐp hîp kim, thÐp ®-îc hîp kim ho¸ cµng m¹nh -u viÖt nµy cµng râ. Tuy nhiªn cÇn chó ý lµ: - ë tr¹ng th¸i kh«ng nhiÖt luyÖn t«i + ram, vÝ dô ë tr¹ng th¸i ñ, ®é bÒn cña thÐp hîp kim kh«ng cao h¬n thÐp cacbon bao nhiªu. - ThÐp hîp kim cã thÓ ®¹t ®-îc ®é bÒn rÊt cao, nh-ng th«ng th-êng víi sù t¨ng ®é bÒn, ®é dÎo vµ ®é dai l¹i gi¶m ®i, do vËy, kh«ng thÓ kh«ng chó ý ®Õn mèi quan hÖ nµy ®Ó x¸c ®Þnh c¬ tÝnh thÝch hîp. - Cïng víi sù t¨ng møc ®é hîp kim ho¸, tÝnh c«ng nghÖ cña thÐp sÏ xÊu ®i. VÒ tÝnh chÞu nhiÖt ®é cao, thÊy r»ng thÐp cacbon còng cã ®é bÒn t-¬ng ®èi cao sau khi t«i, nh-ng kh«ng gi÷ ®-îc khi lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao h¬n 2000C do mactenxit bÞ ph©n ho¸ vµ xªmentit kÕt tô. Çc nguyªn tè hîp kim lµm c¶n trë kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña cacbon do ®ã lµm mactenxit ph©n ho¸ vµ çc bit kÕt tô ë nhiÖt ®é cao h¬n, v× thÕ thÐp hîp kim gi÷ ®-îc c¬ tÝnh cao cña tr¹ng th¸i t«i ë ë nhiÖt ®é cao h¬n 2000C. Muèn ®¹t ®-îc tÝnh chÊt nµy thÐp cÇn ®-îc hîp kim ho¸ bëi mét sè nguyªn tè víi l-îng t-¬ng ®èi cao. VÒ çc tÝnh chÊt vËt lý vµ ho¸ häc ®Æc biÖt, thÊy r»ng thÐp cacbon bÞ gØ trong kh«ng khÝ, bÞ ¨n mßn trong çc m«i tr-êng axit, baz¬ vµ muèi, kh«ng cã çc tÝnh 210 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt chÊt vËt lý ®Æc biÖt nh- tõ tÝnh, gi·n në nhiÖt ®Æc biÖt. Muèn vËy ph¶i dòng nh÷ng lo¹i thÐp hîp kim riªng biÖt víi thµnh phÇn ho¸ häc chÆt chÏ. Qua ®ã cã thÓ thÊy r»ng, nguyªn tè hîp kim cã t¸c dông rÊt tèt, thÐp hîp kim lµ lo¹i vËt liÖu kim lo¹i kh«ng g× thay thÕ ®-îc trong chÕ t¹o m¸y nÆng, dông cô, nhiÖt ®iÖn, c«ng nghiÖp ho¸ häc....nã th-êng ®-îc lµm çc chi tiÕt quan träng nhÊt trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc nÆng. Mçi nguyªn tè hîp kim ®-îc sö dông nhiÒu hay Ýt (thËm chÝ kh«ng dïng) trong mét nhãm thÐp cã c«ng dông nhÊt ®Þnh lµ phô thuéc vµo t¸c dông cña nã ®Õn çc tÝnh chÊt cña thÐp. Do vËy th-êng thÊy mçi lo¹i thÐp chØ dïng mét nguyªn tè hîp kim víi hµm l-îng nhÊt ®Þnh. VÝ dô, ®èi víi thÐp kÕt cÊu yªu cÇu ®é bÒn cao th-êng dïng çc nguyªn tè n©ng cao ®é thÊm t«i nh- cr«m, m¨nggan, niken vµ mét phÇn silic víi l-îng chøa cña mçi nguyªn tè 1 - 2%. ThÐp dông cô c¾t gät víi tèc ®é cao ph¶i dïng çc nguyªn tè n©ng cao rÊt m¹nh tÝnh chÞu nhiÖt ®é cao nh- vonfram, c«ban, m«lip®en víi hµm l-îng kh¸ lín, 5-20%. ThÐp víi tÝnh chÊt ho¸ häc vµ vËt lý ®Æc biÖt còng cã nh÷ng ®Æc ®iÓm riªng nh- thÐp kh«ng gØ cã chøa kh«ng d-íi 12,5%Cr, thÐp chèng mµi mßn cã 13%Mn, thÐp kü thuËt ®iÖn cã 2 - 4%Si vv... Çc nguyªn tè hîp kim th-êng dïng lµ: cr«m, m¨nggan, niken, silic, vonfram, m«lip®en, vana®i, c«ban, titan, bo: trong ®ã m¨nggan vµ ®Æc biÖt lµ silic lµ hai nguyªn tè cã nhiÒu h¬n c¶. 11.2. T¸c dông cña nguyªn tè hîp kim ®èi víi thÐp 11.2.1. T¸c ®éng cña nguyªn tè hîp kim ®èi víi s¾t Trong bÊt cø thÐp nµo còng lu«n lu«n cã s¾t vµ cacbon, ®Ó tiÖn ®Çu tiªn kh¶o s¸t riªng rÏ t¸c dông cña nguyªn tè hîp kim víi tõng nguyªn tè, sau ®ã tæng hîp l¹i ë trong tr-êng hîp cã ®ång thêi c¶ hai. 11.2.1.1. CÊu t¹o cña çc nguyªn tè hîp kim CÊu tróc m¹ng tinh thÓ, ®-êng kÝnh nguyªn tö, cÊu tróc cña líp vá ®iÖn tö cña çc nguyªn tè cã ¶nh h-ëng quyÕt ®Þnh ®Õn çc ®Æc tÝnh t¸c dông cña chóng ®èi víi s¾t còng nh- cacbon. VÒ cÊu tróc m¹ng tinh thÓ, thÊy phÇn lín çc nguyªn tè hîp kim lµ kim lo¹i víi cÊu tróc m¹ng tinh thÓ lµ lËp ph-¬ng thÓ t©m (Cr, V, W, Mo) lËp ph-¬ng diÖn t©m (Ni), lËp ph-¬ng phøc t¹p (Mn) vµ lôc gi¸c xÕp chÆt (Ti) víi ®-êng kÝnh 0 nguyªn tö trong kho¶ng 2,50 - 2,95 A . Do s¾t cã kiÓu m¹ng tinh thÓ lËp ph-¬ng 211 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0 (thÓ t©m vµ diÖn t©m) víi ®-êng kÝnh nguyªn tö 2,54 A nªn nãi chung çc nguyªn tè hîp kim ®Òu hoµ tan vµo s¾t víi l-îng kh¸ lín, mét sè nh- Cr, Ni cã thÓ hoµ tan v« h¹n. CÊu tróc líp vá ®iÖn tö quyÕt ®Þnh kh¶ n¨ng kÕt hîp cña nguyªn tö nguyªn tè ®· cho víi cacbon thµnh cacbit hîp kim. V× vËy c¬ chÕ t¸c dông chñ yÕu cña nguyªn tè hîp kim ®èi víi thÐp lµ: hoµ tan vµo s¾t (Fe vµ Fe) d-íi d¹ng dung dÞch r¾n thay thÕ vµ kÕt hîp víi cacbon thµnh cacbit hîp kim. Çc tÝnh chÊt th-êng gÆp cña thÐp hîp kim th«ng dông ®-îc quyÕt ®Þnh bëi çc c¬ chÕ t¸c dông nµy. 11.2.1.2. VÒ sù hoµ tan cña nguyªn tè hîp kim vµo s¾t §Ó hiÓu kü h¬n vÒ sù hoµ tan cña nguyªn tè hîp kim vµo s¾t sÏ lÇn l-ît kh¶o s¸t kh¶ n¨ng hoµ tan cña chóng vµo Fe vµ Fe còng nh- kh¶ n¨ng më réng çc vïng  vµ , ¶nh h-ëng ®Õn khu vùc  cña gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe - O lµ quan träng h¬n c¶ lµ ¶nh h-ëng ®Õn c¬ tÝnh cña ferit. Sù hoµ tan nguyªn tè hîp kim vµo Fe vµ Fe (sù më réng çc vïng  vµ  hay sù thay ®æi çc nhiÖt ®é chuyÓn biÕn thï h×nh cña s¾t). Tr-íc tiªn h·y xÐt t¸c dông riªng rÏ cña nguyªn tè hîp kim ®èi víi s¾t A4 Nhieät ñoä Nhieät ñoä A4  A3  Fe   A3  Fe %NTHK(Ni, Mn) (a) %NTHK(C, K,NCu) (b) H×nh 11.2. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t - nguyªn tè hîp kim Do s¾t lµ nguyªn tè víi hai d¹ng thï h×nh, nªn kh¶ n¨ng hoµ tan cña nguyªn tè hîp kim vµo Fe vµ Fe còng kh«ng gièng nhau: mét sè nguyªn tè khi hoµ tan vµo s¾t sÏ lµm më réng kho¶ng nhiÖt ®é tån t¹i cña m¹ng lËp ph-¬ng ®iÖn t©m (Fe ) vµ mét sè nguyªn tè kh¸c l¹i thu hÑp. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t - nguyªn tè hîp kim, lo¹i më réng vïng auxtenit (thu hÑp vïng ferit). ë ®©y ng-êi ta ph©n biÖt hai tr-êng hîp. Çc nguyªn tè bao gåm niken vµ m¨nggan cã kh¶ n¨ng hoµ tan v« h¹n vµo Fe (h×nh a) víi thµnh phÇn hîp kim ®ñ dung dÞch r¾n  (tøc auxtenit) cã thÓ tån t¹i ë ngay nhiÖt ®é th-êng më réng 212 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt vïng γ , khi nung nãng hay lµm nguéi hîp kim nµy kh«ng cã chuyÓn biÕn pha, çc hîp kim nh- vËy ®-îc gäi lµ hîp kim auxtenit. Çc nguyªn tè bao gåm cacbon, nit¬ ®ång tuy cã kh¶ n¨ng hoµ tan nhiÒu vµo Fe h¬n Fe më réng vïng  nh-ng ®Õn thµnh phÇn hîp kim nhÊt ®Þnh l¹i ®ãng kÝn l¹i (h×nh b) mµ kh«ng cã kh¶ n¨ng t¹o nªn dung dÞch r¾n  v« h¹n vµ tån t¹i ë ngay c¶ nhiÖt ®é th-êng. A4  A3 Fe A4  A3    Fe %NTHK(Al, Sn, Pb, Zn...) (b) %NTHK(Cr, ) (a) H×nh 11.3. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t nguyªn tè hîp kim Gi¶n ®å tr¹ng th¸i s¾t nguyªn tè hîp kim, lo¹i thu hÑp vïng auxtenit (më réng vïng ferit). Çc nguyªn tè bao gåm cr«m, vanadi cã kh¶ n¨ng hoµ tan v« h¹n vµo Fe (h×nh a) víi thµnh phÇn hîp kim ®ñ lín, dung dÞch r¾n  (tøc ferit) cã thÓ tån t¹i tõ nhiÖt ®é th-êng ®Õn nhiÖt ®é s¾t ®-êng ®Æc, khi nung nãng hay lµm nguéi hîp kim nµy kh«ng cã chuyÓn biÕn pha, çc hîp kim nh- vËy ®-îc gäi lµ hîp kim ferit. Çc nguyªn tè bao gåm Al, Sn, Zr...tuy cã kh¶ n¨ng hoµ tan nhiÒu vµo Fe  h¬n Fe më réng vïng  nh-ng ®Õn thµnh phÇn hîp kim nhÊt ®Þnh l¹i ®ãng kÝn l¹i. (h×nh b) vµ kh«ng cã kh¶ n¨ng t¹o nªn dung dÞch r¾n v« h¹n. Khi t¨ng thµnh phÇn nguyªn tè hîp kim lµm më réng khu vùc  nhiÖt ®é tíi h¹n A3 t¨ng lªn, cßn khi t¨ng thµnh phÇn nguyªn tè hîp kim lµm më réng khu vùc  nhiÖt ®é tíi h¹n A3 gi¶m ®i (riªng ®èi víi C, N, Cu th× ®Õn giíi h¹n nhÊt ®Þnh l¹i t¨ng lªn). V× vËy çc nguyªn tè hîp kim lµm thay ®æi nhiÖt ®é nhiÖt luyÖn thÐp. ¶nh h-ëng cña nguyªn tè hîp kim ®Õn gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe-C Trong thÐp hîp kim kh«ng thÓ thiÕu cacbon, do vËy cã thÓ coi thÐp hîp kim ®¬n gi¶n nhÊt (lo¹i mét nguyªn tè hîp kim) lµ hîp kim ba cÊu tö: s¾t - cacbon nguyªn tè hîp kim ®· cho. Çc nguyªn tè më réng vïng  sÏ më réng ph¹m vi tån t¹i cña auxtenit, do ®ã lµm gi¶m çc nhiÖt ®é t«i, ñ cña thÐp, cßn çc nguyªn tè thu hÑp ph¹m vi t«n t¹o cña auxtenit, do ®ã lµm t¨ng çc nhiÖt ®é t«i, ñ. 213 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÒ mÆt lý thuyÕt cã thÓ thÊy r»ng, khi nguyªn tè hîp kim hoµ tan vµo Fe  sÏ lµm m¹ng tinh thÓ bÞ x« lÖch, do vËy lµm gi¶m kh¶ n¨ng hoµ tan cña auxtenit, nãi kh¸c ®i lµm giíi h¹n hoµ tan cacbon cña auxtenit gi¶m ®i. Do giíi h¹n hoµ tan cacbon cña auxtenit trong thÐp hîp kim thÊp h¬n so víi trong thÐp cacbon, nªn ®èi víi thÐp hîp kim cã thÓ gÆp çc tr-êng hîp sau: - Do ®iÓm cïng tÝch dÞch vÒ bªn tr¸i, nªn cïng tÝch cña thÐp hîp kim kh«ng chøa cr«m lµ thÐp tr-íc cïng tÝch víi tæ chøc ferit + peclit, nh-ng khi chøa 5% Cr l¹i lµ thÐp cïng tÝch víi tæ chøc peclit, v× tõ h×nh vÏ ta thÊy râ víi l-îng cr«m nhthÕ ®iÓm øng víi 0,5%C. L-îng nguyªn tè hîp kim % 8 7 W SM 6 S W C M C 5 4 3 2 1 0 0 0, 0, 0, 0, 1,0 1, 1, 1, 1, 2,0 2, Thµnh phÇn cacbon % H×nh 11.4 214 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Do ®iÓm ®iÓm cã 2,14%C dÞch vÒ bªn tr¸i nªn l-îng cacbon kh«ng cÇn v-ît qu¸ 2,14%, thÐp hîp kim vÉn cã thÓ cã tæ chøc lª®ªburit lµ tæ chøc ®Æc tr-ng cho gang ®èi víi hîp kim Fe-C nguyªn chÊt. Do vËy trong rÊt nhiÒu thÐp dông cô hîp kim víi l-îng cacbon kho¶ng trªn d-íi 1% cã tæ chøc lª®ªburit (cÇn chó ý trong thÐp dông cô cacbon kh«ng thÓ cã lª®ªburit). VÝ dô, khi chøa 5% Cr, thÐp dông cô víi 1,5%C sÏ cã tæ chøc lª®ªburit 11.2.1.3. C¬ tÝnh cña ferit hîp kim Çc nguyªn tè hîp kim ®Òu cã thÓ hoµ tan vµo Fe  hoÆc Fe. Khi hîp kim ho¸ thÐp b»ng mét l-îng lín niken hoÆc m¨nggan, thÐp sÏ cã tæ chøc auxtenit ë nhiÖt ®é th-êng, çc thÐp nh- vËy lµ çc thep kh«ng gØ, chèng mµi mßn. Trong thùc tÕ rÊt th-êng gÆp çc thÐp ®-îc hîp kim ho¸ b»ng mét l-îng kh«ng nhiÒu niken, m¨nggan vµ çc nguyªn tè më réng vïng  nh- cr«m, silic, vana®i ... ë nhiÖt ®é th-êng çc thÐp ®ã gåm hai pha lµ ferit vµ çcbit. Çc thÐp kÕt cÊu vµ dông cô th-êng gÆp cã tæ chøc nh- vËy. VËy h·y xem xÐt ferit cña thÐp hîp kim cã c¬ tÝnh kh¸c víi ferit cña thÐp cacbon nh- thÕ nµo. Trong thÐp, phÇn lín nguyªn tè hîp kim hoµ tan vµo ferit vµ ferit cã hoµ tan nguyªn tè hîp kim ®-îc gäi lµ ferit hîp kim. Çc nguyªn tè ®ã hoµ tan vµo ferit d-íi d¹ng dung dÞch r¾n thay thÕ lµm x« lÖch m¹ng tinh thÓ, do vËy firit hîp kim cã c¬ tÝnh phô thuéc vµo nång ®é cña dung dÞch r¾n tøc phô thuéc vµo møc ®é hîp kim ho¸ nã. Do vËy, gièng nh- mäi dung dÞch r¾n bÊt kú, møc ®é hîp kim ho¸ cµng cao ®é bÒn vµ ®é cøng cña ferit hîp kim cµng cao vµ ®é dÎo ®é dai cµng thÊp. Tuy nhiªn, møc ®é ¶nh h-ëng cña tõng nguyªn tè hîp kim mét ®Òu cã sù kh¸c nhau vµ do ®ã çc thÐp ®-îc hîp kim ho¸ b»ng çc nguyªn tè kh¸c nhau còng cã sù kh¸c biÖt nµo ®ã vÒ c¬ tÝnh vµ ph¹m vi øng dông. ë ®©y chØ xÐt ¶nh h-ëng cña bèn nguyªn tè hîp kim th-êng dïng nhÊt lµ cr«m, niken, m¨nggan vµ silic vµ chØ ®Ò cËp ®Õn hai ®Æc tÝnh ®¹i diÖn cña c¬ tÝnh lµ ®é cøng vµ ®é dai. HB S i Mn 22 0 20 0 18 0 Ck (kJ/m2) Ni 16 0 14 0 12 0 Cr 10 0 215 2 3 CuuDuongThanCong.com (a) 4 6 5 %NTHK 7 300 0 250 0 200 0 150 0 100 0 50 0 Ni Cr Mn 1 2 3 S i 4 5 %NTHK https://fb.com/tailieudientucntt (b) 6 7 VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt H×nh 11.5. ¶nh h-ëng cña nguyªn tè hîp kim ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp M¨nggan vµ silic lµ hai nguyªn tè lµm t¨ng rÊt m¹nh, ®é cøng còng nh- ®é bÒn cña ferit. ChØ cÇn 3% çc nguyªn tè nµy ®é cøng, ®é bÒn cña ferit t¨ng lªn gÊp ®«i, do vËy chóng lµ çc nguyªn tè hîp kim lµm ho¸ bÒn m¹nh thÐp. Song ®¸ng tiÕc lµ, khi lµm t¨ng rÊt m¹nh ®é cøng, ®é bÒn, chóng còng lµm gi¶m ®é dai, ®é dÎo, chØ cÇn kho¶ng 1-2% çc nguyªn tè nµy ®é dai cña fecrit ®· cã gi¸ trÞ kh¸ thÊp, m¨nggan vµ silic chØ ®-îc dïng trong çc thÐp hîp kim th«ng th-êng víi l-îng giíi h¹n 1-2%. Trong çc thÐp hîp kim th-êng gÆp, ferit vÉn lµ pha chiÕm tû lÖ rÊt cao (trªn d-íi 90%) nªn t¸c dông ho¸ bÒn ferit cña nguyªn tè hîp kim gãp phÇn quan träng vµo viÖc n©ng cao ®é bÒn cña thÐp hîp kim so víi thÐp cacbon. 11.2.2. T¸c dông cña nguyªn tè hîp kim víi cacbon Ngoµi kh¶ n¨ng hoµ tan vµo ferit vµ auxtenit ra, mét sè nguyªn tè ho¹t kim cßn cã kh¶ n¨ng kÕt hîp víi cacbon thµnh cacbit. 11.2.2.1. Kh¶ n¨ng kÕt hîp cña kim lo¹i víi cacbon Çc nguyªn tè hîp kim mµ tuyÖt ®¹i bé phËn lµ kim lo¹i cã hai t¸c dông kh¸c nhau víi cacbon. Çc nguyªn tè bao gåm niken, silic, c«ban, nh«m, ®ång kh«ng cã kh¶ n¨ng kÕt hîp víi cacbon trong thÐp thµnh cacbit, chóng chØ cã thÓ ë d-íi d¹ng dung dÞch r¾n víi s¾t. Mét sè nguyªn tè trong ®ã nh- silic, c«ban kh«ng nh÷ng kh«ng t¹o nªn cacbit mµ cßn ng¨n trë cacbon kÕt hîp víi s¾t vµ çc nguyªn tè kh¸c, do vËy thóc ®Èy cacbon trong thÐp ë ®-íi d¹ng graphit hoÆc th-êng x¶y ra lµm cacbon dÔ bÞ ch¸y tho¸t ®i trong qu¸ tr×nh nung nãng khi nhiÖt luyÖn. Çc nguyªn tè bao gåm: s¾t, manggan, cr«m, vonfram, m«lipden, vana®i, giªc«ni, ni«bi vµ titan cã kh¶ n¨ng kÕt hîp víi cacbon trong thÐp thµnh cacbit. §ã lµ çc nguyªn tè n»m ë trong nhãm chuyÓn tiÕp. Cu, Zn cã sè ®iÖn tö ®Çy ®ñ do vËy kh«ng thÓ kÕt hîp víi cacbon thµnh cacbit. Cßn Ni, Co còng cã sè ®iÖn tö thiÕu do ®ã chóng cã thÓ kÕt hîp víi cacbon thµnh cacbit, song v× trong thÐp, s¾t lu«n lu«n chiÕm phÇn chñ yÕu vµ nã l¹i cã ¸i lùc víi cacbon m¹nh h¬n nªn kh«ng thÓ cã cacbit niken vµ cacbit c«ban trong thÐp. Theo møc ®é thiÕu ®iÖn tö ë çc tÇng d cã 216 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt thÓ ®¸nh gi¸ møc ®é t¸c dông kÕt hîp víi çc bon vµ æn ®Þnh cacbit cña çc nguyªn tè theo thø tù m¹nh ®Õn yÕu nhsau: Ti, Nb, Zr, V, Mo, W, Cr, Mn(Fe). Khi t¹o thµnh cacbit, cacbon sÏ ®iÒn çc ®iÖn tö cña nã vµo tÇng d thiÕu ®iÖn tö cña nguyªn tè hîp kim, do vËy cacbit cã liªn kÕt kim lo¹i, cã mét sè tÝnh chÊt cña kim lo¹i nh- tÝnh dÉn ®iÖn. Tõ d·y s¾p xÕp trªn cã thÓ thÊy râ, nÕu trong thÐp cã ®ång thêi nhiÒu nguyªn tè hîp kim, vÝ dô Ti, W, Cr víi tû lÖ nhnhau, th× cacbon sÏ -u tiªn kÕt hîp víi çc nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh tr-íc nh- Ti råi tiÕp theo míi ®Õn W vµ Cr vµ cuèi cïng míi ®Õn Fe ®Ó t¹o nªn Fe3C. Do vËy trong rÊt nhiÒu thÐp hîp kim pha cacbit trong thÐp kh«ng ph¶i lµ xªmentit, mµ lµ cacbit hîp kim. 11.2.2.2. Pha cacbit trong thÐp hîp kim Cã thÓ ph©n chia çc pha cacbit trong thÐp hîp kim ra ba lo¹i: cacbit hîp kim víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n, phøc t¹p vµ xªmentit hîp kim. Cacbit hîp kim víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n Trõ Fe, Cr, Mn, çc nguyªn tè t¹o thµnh cacbit trong thÐp ®Òu cã ®-êng kÝnh nguyªn tö kh¸ lín, tho¶ m·n ®iÒu kiÖn dc  0 , 59 cã thÓ t¹o nªn víi cacbon pha xen d Me kÏ víi kiÓu m¹ng tinh thÓ ®¬n gi¶n. Th-êng gÆp cacbit hîp kim víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n sau ®©y: TiC, VC, WC, NbC, ZrC, W2C, Mo2C. Çc ®Æc tÝnh cña cacbit lo¹i nµy lµ: - M¹ng tinh thÓ ®¬n gi¶n víi çc kiÓu m¹ng lËp ph-¬ng hay lôc gi¸c - Cã nhiÖt ®é ch¶y rÊt cao, vÝ dô nhiÖt ®é ch¶y cña TiC kho¶ng 3200 0C WC kho¶ng 26000C, VC kho¶ng 27500C. - Cã tÝnh æn ®Þnh cao biÓu hiÖn b»ng khã ph©n huû khi nung nãng, muèn ph©n huû ph¶i nung nãng tíi nhiÖt ®é cao h¬n 1200 0C - Cã ®é cøng rÊt cao, so víi xªmentit lo¹i cacbit nµy cã ®é cøng cao h¬n vµ Ýt dßn h¬n. Trong çc thÐp hîp kim cao vµ hîp kim ho¸ phøc t¹p (b»ng nhiÒu nguyªn tè hîp kim) cã thÓ gÆp cacbit lo¹i Me6C, trong ®ã Me biÓu thÞ cho mét sè kim lo¹i, nh- tr-êng hîp thÐp chøa vonfram cao (thÐp giã) pha cacbit biÓu thÞ b»ng c«ng thøc Fe3W3C. Cacbit hîp kim víi kiÓu m¹ng phøc t¹p Cr«m vµ m¨nggan cã ®-êng kÝnh nguyªn tö kh«ng lín, tho¶ m·n ®iÒu kiÖn dc  0 , 59 cã thÓ t¹o nªn víi cacbon pha xen kÏ víi kiÓu m¹ng phøc t¹p. d Me 217 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Víi l-îng chøa lín ë trong thÐp, ngoµi phÇn hoµ tan vµo s¾t t¹o nªn dung dÞch r¾n ra, m¨nggan cã thÓ kÕt hîp víi cacbon thµnh Mn3C cã cÊu t¹o gièng Fe3C. H¬i kh¸c víi m¨nggan, cr«m cã thÓ kÕt hîp víi cacbon ®Ó t¹o thµnh çc cacbit t-¬ng øng víi c«ng thøc kh¸ phøc t¹p Cr7C3 vµ Cr2C6. Çc ®Æc tÝnh cña lo¹i cacbit nµy lµ: - M¹ng tinh thÓ phøc t¹p - Cã nhiÖt ®é ch¶y kh«ng cao l¾m, vÝ dô nhiÖt ®é ch¶y cña Mn3C kho¶ng 0 1845 C, Cr23C6 kho¶ng 15500C, Cr7C3 kho¶ng 16700C tøc lµ thÊp h¬n lo¹i cã kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n. - Cã tÝnh æn ®Þnh thÊp biÓu hiÖn b»ng dÔ bÞ ph©n ho¸ khi nung nãng Hai lo¹i cacbit hîp kim kÓ trªn th-êng chØ gÆp trong thÐp hîp kim cao. Xªmentit hîp kim: Khi l-îng chøa çc nguyªn tè t¹o thµnh cacbit yÕu vµ trung b×nh (bao gåm m¨nggan, cr«m, vonfram vµ m«lip®en) kh«ng cao (kho¶ng 1 - 2%) chóng kh«ng cã kh¶ n¨ng t¹o thµnh cacbit hîp kim ®éc lËp nh- tr×nh bµy ë trªn, mµ th-êng t¹o thµnh xªmentit hîp kim t-¬ng øng víi c«ng thøc (Fe, Me)3C, trong ®ã çc nót m¹ng cña Fe trong Fe3C cã thÓ cã nguyªn tè hîp kim chiÕm chç. Kh¸c víi xªmentit th-êng, xªmentit hîp kim cã tÝnh æn ®Þnh cao h¬n, tøc lµ khã ph©n huû khi nung. Còng gièng nh- Xªmentit trong thÐp cacbon çc cacbit vµ xªmentit hîp kim còng cã t¸c dông lµm t¨ng ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn cña thÐp, ngoµi ra cßn gióp cho lµm t¨ng tÝnh cøng nãng, gi÷ ®-îc h¹t auxtenit nhá mÞn khi nung nãng ë nhiÖt ®é cao. Do vËy l-îng cacbon vµ nguyªn tè hîp kim cÇn ®-îc tÝnh to¸n chÆt chÏ ®Ó sao cho tao ra çc ¶nh h-ëng tèt nhÊt ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp hîp kim theo ý muèn. 11.3. ¶nh h-ëng cña nguyªn tè hîp kim ®Õn qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn Çc nguyªn tè hîp kim ¶nh h-ëng lín ®Õn qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn thÐp, ®Æc biÖt lµ ®Õn qu¸ tr×nh t«i vµ ram, do vËy cã ¶nh h-ëng quan träng ®Õn c¬ tÝnh, ®©y lµ ®Æc tÝnh næi bËt cña thÐp hîp kim. H·y lÇn l-ît xÐt ¶nh h-ëng cña çc nguyªn tè hîp kim tíi tõng mÆt cña qu¸ tr×nh t«i vµ ram. 11.3.1. ChuyÓn biÕn khi nung nãng Nh- ®· tr×nh bµy, phÇn lín çc thÐp hîp kim th-êng gÆp ë tr¹ng th¸i c©n b»ng (ñ) cã tæ chøc hai pha: ferit vµ cacbit víi çc nguyªn tè hîp kim ph©n bè 218 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt trong chóng. Khi nung nãng ®Ó t«i còng cã chuyÓn biÕn: tõ hçn hîp ferit + cacbit thµnh auxtenit vµ sù ph¸t triÓn cña h¹t auxtenit. Tuy nhiªn so víi thÐp cacbon, chuyÓn biÕn peclit thµnh auxtenit cã nh÷ng ®Æc ®iÓm ®¸ng l-u ý sau: - Qu¸ tr×nh t¹o thµnh auxtenit trong thÐp hîp kim còng bao gåm çc giai ®o¹n: t¹o mÇm auxtenit sù hoµ tan cña cacbit d- vµo auxtenit vµ ®ång ®Òu ho¸. Çc thÐp hîp kim víi nh÷ng nguyªn tè t¹o thµnh cacbit (trõ Mn) trong tæ cña cacbit hîp kim víi tÝnh æn ®Þnh cao h¬n xªmentit, do ®ã sù hoµ tan cña cacbit vµo auxtenit khi nung nãng ®ßi hái nhiÖt ®é cao vµ thêi gian dµi h¬n. Ng-êi ta nhËn thÊy cacbit hîp kim h×nh thµnh tõ çc nguyªn tè t¹o cacbit cµng m¹nh, cacbit cña nã cµng khã hoµ tan. Çc cacbit titan vµ vana®i rÊt khã hoµ tan, çc cacbit hîp kim kh¸c khã hoµ tan so víi xªmentit hîp kim 1,0%C (y10) víi pha cacbit trong ®ã lµ Fe3C cã nhiÖt ®é t«i kho¶ng 7800C song nÕu thªm vµo kho¶ng 1,5% Cr (ШX15) víi pha cacbit trong ®ã lµ xªmentit hîp kim (Fe, Cr)3C cã nhiÖt ®é t«i kho¶ng 830 8500C cßn nÕu thªm l-îng cr«m cao ®Õn 15% víi 1%V (X121) th× pha cacbin trong ®ã lµ Cr7C3 vµ Cr23C6 lóc ®ã nhiÖt ®é t«i sÏ v-ît qu¸ 10000C. - Sù ®ång ®Òu ho¸ thµnh phÇn cña auxtenit thÐp hîp kim còng khã kh¨n h¬n, do tèc ®é khuÕch t¸n cña çc nguyªn tè hîp kim thÊp h¬n rÊt nhiÒu so víi cacbon. - NÕu thÐp ®-îc hîp kim ho¸ b»ng nh÷ng nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh, ®Æc biÖt lµ Ti, V, W, Mo th× do sù khã tan cña çc cacbit ®ã n»m ë biªn giíi h¹t lµm c¶n trë sù s¸t nhËp gi÷a çc h¹t mµ gi÷ ®-îc h¹t auxtenit nhá mÞn khi nung nãng. Ngoµi cacbit ra, mét sè nguyªn tè hîp kim ®Æc biÖt nh- Al, V, Nb, Ti cã thÓ t¹o nªn çc pha oxyt, nitrit rÊt khã tan, còng cã t¸c dông gi÷ cho h¹t auxtenit nhá mÞn. Hai nguyªn tè kh«ng t¹o thµnh cacbit lµ niken vµ silic còng ®-îc xem lµ çc nguyªn tè c¶n trë sù ph¸t triÓn cña h¹t auxtenit nh-ng t¸c dông nµy kh«ng râ. M¨nggan lµ nguyªn tè t¹o cacbit duy nhÊt kh«ng nh÷ng kh«ng c¶n trë mµ cßn thóc ®Èy sù ph¸t triÓn cña h¹t auxtenit. C¬ chÕ lµm to h¹t auxtenit cña m¨nggan ch-a gi¶i thÝch ®-îc. Do çc ®Æc ®iÓm chuyÓn biÕn khi nung nãng nh- vËy nªn khi t«i, nãi chung çc thÐp hîp kim ph¶i nung nãng ®Õn nhiÖt ®é cao h¬n vµ thêi gian dµi h¬n song vÉn gi÷ ®-îc h¹t auxtenit nhá mÞn. 11.3.2. Sù ph©n ho¸ ®¼ng nhiÖt cña auxtenit vµ ®é thÊm t«i 219 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Khi lµm nguéi auxtenit sÏ bÞ ph©n ho¸ thµnh hçn hîp c¬ häc cña ferit vµ cacbit hay mactenxit tuú thuéc vµo tèc ®é nguéi. Nguyªn tè hîp kim cã ¶nh h-ëng rÊt lín ®Õn qu¸ tr×nh lµm nguéi auxtenit. 11.3.2.1. Sù ph©n ho¸ ®¼ng nhiÖt cña auxtenit Khi hoµ tan vµo auxtenit tÊt c¶ çc nguyªn tè hîp kim (trõ c«ban) víi çc møc ®é kh¸c nhau ®Òu lµm chËm tèc ®é ph©n ho¸ ®¼ng nhiÖt cña auxtenit tøc lµ lµm ®-êng cong ch÷ "C" dÞch sang ph¶i. Nguyªn nh©n cña ¶nh h-ëng nµy lµ nguyªn tè hîp kim lµm chËm sù khuÕch t¸n, do ®ã chuyÓn biÕn khuÕch t¸n auxtenit thµnh hçn hîp ferit + cacbit cÇn thêi gian dµi h¬n. L-îng nguyªn tè hîp kim trong auxtenit cµng nhiÒu tÝnh æn ®Þnh cña auxtenit qu¸ nguéi cµng cao. §Æc tÝnh ¶nh h-ëng ®Õn tÝnh æn ®Þnh cña auxtenit qu¸ nguéi cña çc nguyªn tè h¬p kim kh¸c nhau cã nh÷ng ®iÓm ®¸ng chó ý sau: - Çc nguyªn tè kh«ng t¹o thµnh cacbit nh- Ni, Si, Cu, Al vµ nguyªn tè t¹o thµnh cacbit yÕu lµ Mn chØ lµm dÞch chuyÓn vÞ trÝ cña ®-êng cong ch÷ "C" sang ph¶i mµ kh«ng lµm thay ®æi h×nh d¹ng cña ®-êng cong. - Çc nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh Cr, W, Mo, V kh«ng nh÷ng lµm dÞch chuyÓn ®-êng cong ch÷ "C" sang ph¶i mµ cßn lµm thay ®æi h×nh d¹ng cña nã thµnh hai ®-êng cong ch÷ "C" trªn vµ d-íi. §-êng cong ch÷ "C" trªn øng víi chuyÓn biÕn auxtenit thµnh peclit, xoocbit, tr«xlit, cßn nhiÖt ®é gi÷a hai ®-êng cong ch÷ "C" trªn vµ d-íi ®ã kho¶ng 400 - 5000C auxtenit qu¸ nguéi cã tÝnh æn ®Þnh rÊt lín ®Õn møc gi÷ nhiÖt rÊt l©u. T h e ùp c a c b o n 0 N h i e ät ñ o ä. C A1 T h e ùp S i , N i , M n 0 N h i e ät ñ o ä. C A1 T h e ùp C r , W , M o , V T h e ùp c a c b o n M M T h ô øi g i a n l o g  T h ô øi g i a n l o g  a) b) H×nh 11.6. ¶nh h-ëng cña nguyªn tè hîp kim ®Õn ®-êng cong ch÷ C 220 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - NÕu t¸ch riªng tõng nguyªn tè mét th× t¸c dông dÞch chuyÓn ch÷ "C" sang bªn ph¶i m¹nh nhÊt lµ Mo råi tiÕp theo lµ Mn, Cr, Ni. Ngoµi ra mét trong l-îng rÊt nhá cña B ë trong auxtenit còng lµm dÞch chuyÓn m¹nh ®-êng cong ch÷ "C". Víi cïng l-îng nh- thÕ nh-ng khi dïg nhiÒu nguyªn tè ®Ó hîp kim ho¸ th× t¸c dông dÞch chuyÓn ®-êng cong ch÷ "C" sang ph¶i sÏ m¹nh h¬n. CÇn nhÊn m¹nh lµ çc nguyªn tè hîp kim chØ lµm dÞch chuyÓn ®-êng cong ch÷ "C" sang ph¶i khi chóng hoµ tan ë táng auxtenit, ®iÒu nµy chØ ®¹t ®-îc khi nung nãng ë nhiÖt ®é cao thÝch hîp ®Ó phÇn lín cacbit hîp kim ph©n ho¸ vµ çc nguyªn tè hîp kim hoµ tan ë trong auxtenit mét l-îng ®¸ng kÓ. ThÐp tuy ®-îc hîp kim ho¸ cao, nh-ng nhiÖt ®é nung nãng lÊy qu¸ thÊp, phÇn lín cacbit vÉn ch-a hoµ tan vµo auxtenit còng kh«ng ®¹t ®-îc ®Çy ®ñ t¸c dông ®ã. 11.3.2.2. §é thÊm t«i Do khi hoµ tan vµo auxtenit çc nguyªn tè hîp kim lµm dÞch chuyÓn ®-êng cong ch÷ "C" sang ph¶i, nªn lµm gi¶m tèc ®é t«i tíi h¹n vµ do ®ã ®é thÊm t«i t¨ng lªn. ThÐp hîp kim cã tèc ®é t«i tíi h¹n thÊp do vËy víi ®iÒu kiÖn lµm nguéi nhnhau øng víi sù ph©n bè tèc ®é ngu«i theo tiÕ diÖn gièng nhau, thÐp hîp kim cã ®é thÊm t«i cao h¬n thÐp cacbon kh¸ nhiÒu tr-êng hîp chi tiÕt kh¸ lín b»ng thÐp hîp kim cã tèc ®é nguéi cña lâi còng lín h¬n tèc ®é t«i giíi h¹n, do vËy chi tiÕt ®-îc t«i thÊu vµ c¬ tÝnh nhËn ®-îc lµ ®ång ®Òu trªn toµn tiÕt diÖn. H×nh 11.7 ¶nh h-ëng cña nguyªn tè hîp kim ®Õn tèc ®é t«i tíi h¹n vµ ®é thÊm t«i Do ®é thÊm t«i t¨ng lªn, hiÖu qu¶ ho¸ bÒn cña t«i vµ ram ®èi víi thÐp hîp kim ®-îc c¶i thiÖn râ rÖt. §©y lµ mét -u viÖt næi bËt cña thÐp hîp kim so víi thÐp cacbon. §Ó ph¸t huy hÕt ¶nh h-ëng cña -u viÖt nµy, thÐp hîp kim ph¶i ®-îc sö dông ë tr¹ng th¸i nhiÖt luyÖn t«i + ram, chÞu t¶i träng cao vµ tiÕt diÖn chi tiÕt lín, 221 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt sö dông thÐp hîp kim kh«ng ®óng nh- vËy sÏ kh«ng ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ kü thuËt. V× thÕ chän thÐp hîp kim cao hay thÊp phô thuéc hoµn toµn vµo kÝch th-íc tiÕt diÖn chi tiÕ lín hay nhá. Do tèc ®é t«i tíi h¹n gi¶m ®i, khi t«i thÐp hîp kim th-êng dïng m«i tr-êng lµm nguéi chËm nh- dÇu hoÆc ¸p dông çch t«i ph©n cÊp, ®¼ng nhiÖt v× cã thÓ lµm gi¶m ®-îc nøt vµ biÕn d¹ng. Mét sè thÐp hîp kim cao khi dïng çch lµm nguéi trong kh«ng khÝ (th-êng ho¸) còng cã thÓ ®¹t ®-îc tæ chøc mactenxit çc thÐp nhvËy ®-îc gäi lµ thÐp tù t«i vµ hiÖn t-îng ®ã ®-îc gäi tù t«i. Çc thÐp cã tèc ®é t«i tíi h¹n nhá vµ ®é thÊm t«i lín lµ çc thÐp hîp kim cr«m - niken, cr«m - m¨nggan, cr«m - m«lip®en, cr«m - niken - m«lip®en cr«m m¨nggan - m«lip®en....®ã lµ c¬ së cña thÐp kÕt cÊu hîp hiÖn nay. Çc nguyªn tè hîp kim chØ lµm t¨ng ®é thÊm t«i khi chóng hoµ tan vµo auxenit. NÕu çc nguyªn tè ®ã n»m l¹i ë ®¹ng cacbit ch-a tan (vÝ dô nung ë nhiÖt ®é thÊp, çc cacbit hîp kim æn ®Þnh vÉn cßn l¹i th× çc pha nµy sÏ ®ãng vai trß cña çc mÇm kÕt tinh ra hçn hîp feir + cacbit (peclit, xoocbit, tr«xtit) do vËy l¹i lµm gi¶m ®é thÊm t«i. 11.3.3. ChuyÓn biÕn mactenxit Çc nguyªn tè hîp kim tuy kh«ng ¶nh h-ëng g× ®Õn ®éng häc cña chuyÓn biÕn mactenxit nh-ng l¹i ¶nh h-ëng râ rÖt ®Õn nhiÖt ®é chuyÓn biÕn auxtenxit thanh mactenxit vµ do ®ã ®Õn c¶ l-îng auxtenit d- sau khi t«i. Hai nguyªn tè Al vµ Co lµm t¨ng nhiÖt ®é b¾t ®Çu chuyÓn biÕn mactenxit (M®) cßn Si kh«ng ¶nh h-ëng g×. TÊt c¶ çc nguyªn tè h¬p kim cßn l¹i (mµ th-êng lµ çc nguyªn tè th-êng dïng) l¹i lµm gi¶m ®iÓm M® vµ do vËy lµm t¨ng l-îng auxtenit d- sau khi t«i. Nguyªn tè hîp kim cã t¸c dông lµm M ® gi¶m m¹nh nhÊt lµ Mn vµ tiÕp theo lµ Cr, Ni, Mo. Trong giíi h¹n l-îng chøa thÊp d-íi 4-5%, cø thªm 1% nguyªn tè hîp kim, ®iÓm M® cña thÐp thay ®æi nhsau: Mn gi¶m 450C, Cr gi¶m 350C, Ni gi¶m 260C, Mo gi¶m 250C, Co t¨ng 120C, Al t¨ng 180C. Do ¶nh h-ëng nµy mµ mét sè thÐp h¬p kim cao cã ®iÓm M® qu¸ thÊp nªn sau khi t«i cã l-îng auxtenit d- cao. §iÒu nµy ¶nh h-ëng ®Õn chÊt l-îng nhiÖt luyÖn, vÝ dô sau khi t«i ®é cøng ch-a ®¹t ®-îc gi¸ trÞ cao nhÊt. Tuy vËy viÖc khö bá auxtenit d- sau khi t«i kh«ng ph¶i lµ viÖc khã kh¨n ®Ó lµm viÖc ®ã ng-êi ta cã thÓ dïng biÖn 222 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ph¸p ®Æc biÖt lµ gia c«ng l¹nh hoÆc ®¬n gi¶n h¬n lµ ram ë nhiÖt ®é thÝch h¬p ®Ó auxtenit chuyÓn biÕn nÕp thµnh mactenxit, lóc ®ã do cøng sÏ ®¹t ®-îc gi¸ trÞ cao nhÊt. 11.3.4. ChuyÓn biÕn khi ram: Çc nguyªn tè hîp kim ¶nh h-ëng ®Õn çc chuyÓn biÕn xÈy ra khi ram. Ng-êi ta nhËn thÊy víi møc ®é m¹nh yÕu kh¸c nhau çc nguyªn tè hîp kim ®Òu c¶n trë çc chuyÓn biÕn khi ram, mµ cô thÓ lµ ba qu¸ tr×nh sau: - Ph©n ho¸ mactenxit tøc lµ tiÕt ra cacbit khái mactenxit ®Ó t¹o thµnh mactenxit ram. - ChuyÓn biÕn auxtenit d- thµnh mactenxit - KÕt tô cacbit Çc nhiÖt ®é cÇn thiÕt ®Ó xÈy ra çc qu¸ tr×nh trªn ®Òu cao h¬n so víi thÐp cacbon t-¬ng øng. ChÝnh v× vËy ®Ó ®¹t ®é cøng nh- thÐp cacbon víi l-îng cacbon t-¬ng ®-¬ng, thÐp hîp kim ph¶i ram ë nhiÖt ®é cao h¬n. Do nguyªn nh©n nµy çc thÐp hîp kim gi÷ ®-îc ®é bÒn ®é cøng cao cña tr¹ng th¸i t«i ë nhiÖt ®é cao h¬n so víi thÐp cacbon hay nãi kh¸c ®i thÐp hîp kim cã tÝnh chÞu nhiÖt ®é cao h¬n. Së dÜ cã ®Æc tÝnh nµy lµ v× çc nguyªn tè hîp kim cã tèc ®é khuÕch t¸n chËm lµm c¶n trë sù chuyÓn dêi cña cacbon, lµm qu¸ tr×nh ram x¶y ra chËm. Çc nguyªn tè W, Mo, Cr cã ¸i lùc m¹nh víi cacbon do ®ã cã khuynh h-íng gi÷ cacbon xit xÈy ra ë nhiÖt ®é cao h¬n so víi cacbit s¾t, vÝ dô cacbÝt s¾t tiÕt ra ë kho¶ng 2000C çcbÝt cr«m 4500C, çc cacbit vonfram, m«lip®en -550 - 6000C. Do khuÕch t¸n khã kh¨n, cacbit hîp kim tiÕt ra cã kÝch th-íc rÊt nhá mÞn gãp phÇn lµm t¨ng chót Ýt ®é cøng, hiÖn t-îng nµy gäi lµ ho¸ cøng ph©n t¸n, cïng víi kÕt qu¶ cña sù chuyÓn biÕn auxtenit d- thµnh mactenxit ram, lµm t¨ng ®é cøng cña thÐp t«i khi ram. Sù t¨ng ®é cøng do kÕt qu¶ cña chuyÓn biÕn auxtenit d- thµnh mactenxit vµ ho¸ cøng ph©n t¸n khi ram ®-îc gäi lµ ®é cøng thø hai. Ti vµ V tuy lµ hai nguyªn tè t¹o thµnh cacbit rÊt m¹nh, ë trong thÐp chóng th-êng tån t¹i ë d¹ng cacbit æn ®Þnh, khi nung nãng hÇu nh- kh«ng hoµ tan vµo auxtenit vµ do ®ã còng kh«ng cã ë trong mactenxit, nªn thùc tÕ hÇu nh- kh«ng ¶nh h-ëng g× ®Õn qu¸ tr×nh ram. Mn lµ nguyªn tè t¹o thµnh cacbit yÕu, nªn t¸c dông c¶n trë qu¸ tr×nh ram cña nã kh«ng lín. 223 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Trong hai nguyªn tè kh«ng t¹o thµnh cacbit th-êng gÆp. Ni hÇu nh- kh«ng ¶nh h-ëng g× ®Õn qu¸ tr×nh ram, cßn Si l¹i cã t¸c dông c¶n trë yÕu ®Õn qu¸ tr×nh ram. Tæng kÕt mét çch hÖ thèng t¸c dông tèt cña nguyªn tè hîp kim ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp cã thÓ ®-a ra çc nhËn xÐt sau: So víi thÐp cacbon, ë nhiÖt ®é th-êng thÐp hîp kim cã ®é bÒn cao h¬n lµ do: - Trong hai pha thµnh phÇn th× ferit lµ pha chñ yÕu cña thÐp ®-îc ho¸ bÒn bëi sù hoµ tan cña çc nguyªn tè hîp kim - ThÐp hîp kim cã ®é t hÊm t«i cao h¬n, do ®ã, ®¹t ®-îc hiÖu qu¶ ho¸ bÒn do nhiÖt luyÖn t«i + ram trªn tiÕt diÖn chi tiÕt ë møc ®é cao h¬n. §©y lµ nguyªn nh©n chñ yÕu lµm thÐp hîp kim cã ®é bÒn cao, vµ v× vËy thÐp hîp kim chØ ®¹t ®-îc ®é bÒn cao h¬n thÐp cacbon mét çch râ rÖt ë tr¹ng th¸i t«i - ram. Mét çch ng¾n gän cã thÓ nãi r»ng nguyªn tè hîp kim kh«ng nh÷ng n©ng cao chiÒu dµy cña líp ho¸ bÒn khi t«i mµ c¶ ®é bÒn cña chÝnh líp ho¸ bÒn Êy n÷a. 11.4. ThÐp kÕt cÊu 11.4.1. Kh¸i niÖm, ®Æc ®iÓm vµ ph©n lo¹i thÐp kÕt cÊu Kh¸i niÖm thÐp kÕt cÊu ThÐp kÕt cÊu lµ lo¹i thÐp chñ yÕu dïng ®Ó chÕ t¹o çc chi tiÕt m¸y (çc lo¹i trôc, b¸nh r¨ng, thanh truyÒn lùc, lß xo, vßng bi....). So víi lo¹i thÐp th«ng dông, chóng ®-îc sö dông víi khèi l-îng Ýt h¬n, nh-ng thuéc lo¹i chÊt l-îng cao h¬n vµ cã nhiÒu chñng lo¹i h¬n vµ th-êng ph¶i tiÕn hµnh nhiÖt luyÖn ®Ó ph¸t huy hÕt kh¶ n¨ng lµm viÖc cña chóng. §Æc ®iÓm cña thÐp kÕt cÊu - VÒ tÝnh chÊt. Do sö dông lµm çc chi tiÕt m¸y nªn thÐp kÕt cÊu ph¶i ®¹t hai yªu cÇu c¬ b¶n sau: cã tÝnh c«ng nghÖ tèt ë tr¹ng th¸i gia c«ng (gia c«ng ¸p lùc vµ gia c«ng c¾t gät) vµ cã c¬ tÝnh tæng hîp tèt ë tr¹ng th¸i lµm viÖc (chñ yÕu lµ ®é dai va ®Ëp cao ë phÇn lâi vµ ®é cøng bÒ mÆt cao ®Ó chèng mµi mßn). - VÒ thµnh phÇn cacbon: §Ó ®¶m b¶o yªu cÇu thÐp kÕt cÊu th-êng lµ lo¹i thÐp cã thµnh phÇn cacbon thÊp vµ trung b×nh, th-êng trong giíi h¹n 0,1 - 0,6% cao nhÊt còng kh«ng qu¸ 0,65%. - VÒ nguyªn tè hîp kim: Çc nguyªn tè hîp kim cho vµo thÐp kÕt cÊu chñ yÕu n©ng cao ®é thÊm t«i vµ n©ng cao c¬ tÝnh ë tr¹ng th¸i cung cÊp (hãa bÒn ferit) nh-ng nÕu nhiÒu qu¸ sÏ lµm xÊu tÝnh c«ng nghÖ vµ n©ng cao gi¸ thµnh. Do vËy çc 224 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt nguyªn tè hîp kim trong thÐp kÕt cÊu sö dông Ýt th-êng chØ 1-3%, ç biÖt còng chØ 6-7% Çc lo¹i thÐp kÕt cÊu - ThÐp thÊm cacbon, lµ thÐp cã thµnh phÇn cacbon thÊp (< 0,25%C) - ThÐp hãa tèt lµ thÐp cã thµnh phÇn cacbon trung b×nh (0,3-0,5%C) - ThÐp ®µn håi , lµ thÐp cã thµnh phÇn cacbon t-¬ng ®èi cao (0,5-0,7%C) - ThÐp kÕt cÊu cã c«ng dông riªng: thÐp dÔ c¾t, thÐp vßng bi, thÐp ®óc.... 11.4.2. ThÐp thÊm cacbon ThÐp thÊm cacbon lµ lo¹i thÐp cã l-îng cacbon thÊp (0,10-0,25%C), dïng ®Ó chÕ t¹o çc chi tiÕt truyÒn lùc ®ßi hái trong lâi dÎo dai chÞu va ®Ëp, sau khi thÊm cacbon, t«i vµ ram thÊp, cã bÒ mÆt cøng v÷ng chÞu mµi mßn. §Æc ®iÓm vÒ thµnh phÇn hãa häc: - VÒ thµnh phÇn cacbon: §Ó ®¶m b¶o lâi chi tiÕt cã ®é dai va ®Ëp cao, thµnh phÇn cacbon trong thÐp n»m trong giíi h¹n 0,10-0,25%C. hiÖn nay cã xu h-íng chÕ t¹o thÐp víi hµm l-îng cacbon ®Õn 0,3% ®Ó n©ng cao ®é bÒn lâi dïng cho çc chi tiÕt lín. - VÒ nguyªn tè hîp kim: Çc nguyªn tè hîp kim nh»m t¨ng kh¶ n¨ng thÊm t«i, thóc ®Èy sù thÊm cacbon vµo thÐp vµ kh«ng lµm lín h¹t, th-êng lµ çc nguyªn tè t¹o cacbit nh-: Cr, Mn, Mo, V, Ti….kh«ng dïng thÐp chØ hîp kim b»ng Mn v× nh- vËy sÏ g©y lín h¹t. - Sù kh¸c nhau vÒ chÊt l-îng gi÷a thÐp hîp kim vµ thÐp cacbon lµ thÐp hîp kim n©ng cao ®é thÊm t«i nªn ®é bÒn lâi cao, Ýt biÕn d¹ng khi t«i vµ lµm ®-îc chi tiÕt lín h¬n, cã thÓ thÊm ë nhiÖt ®é cao. Quy tr×nh nhiÖt luyÖn thÐp thÊm cacbon: - ThÊm cacbon - T«i trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp - Ram thÊp C¬ tÝnh cña thÐp thÊm C sau thÊm C vµ ram thÊp: - §é cøng bÒ mÆt: 59-63HRC; lâi: 30-42HRC - §é dai va ®Ëp: ak = 700-1200 kJ/m2 - §é bÒn kÐo: σ b = 600-1200Mpa Çc m¸c thÐp vµ øng dông: - Nhãm thÐp cacbon: Ký hiÖu: C-** 225 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Trong ®ã **: con sè chØ phÇn v¹n cacbon trung b×nh Th«ng th-êng dïng çc m¸c: C10; C15; C20; C25 vµ ®«i khi c¶ CT38 Chóng ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt nhá, h×nh d¹ng ®¬n gi¶n, yªu cÇu chèng mµi mßn cao ë bÒ mÆt mµ kh«ng yªu cÇu ®é bÒn cao. NhiÖt ®é thÊm kh«ng qu¸ 9000C. Sau thÊm t«i trong n-íc Nhãm thÐp Crom: Ký hiÖu: **NTHK* Trong ®ã: **: chØ phÇn v¹n cacbon trung b×nh NTHK: tªn nguyªn tè hîp kim *: chØ phÇn tr¨m nguyªn tè hîp kim Th-êng dïng çc m¸c: 15Cr; 20Cr; 15CrV Sö dông lµm çc chi tiÕt nhá, yªu cÇu chèng mµi mßn cao ë bÒ mÆt vµ chÞu t¶i träng trung b×nh nh- çc chèt piston, trôc cam oto, trô gi÷a xe ®¹p, trôc pedan, b¸nh r¨ng cã moodun nhá….. Cã thÓ thÊm ë nhiÖt ®é 900-9200C, t«i trong dÇu nªn Ýt biÕn d¹ng. - Nhãm thÐp Crom- Niken: bao gåm çc m¸c: 20CrNi; 12CrNi3A; 12Cr2Ni4A; 18Cr2Ni4WA. Sö dông lµm çc chi tiÕt ®¶m b¶o ®é bÒn vµ ®é dai va ®Ëp cao, ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt thÊm cacbon chÞu t¶i träng cao nhÊt. M¸c cuèi cïng dïng trong chi tiÕt ®Æc biÖt quan träng (nh- b¸nh r¨ng trôc ®éng c¬ m¸y bay, tµu biÓn…) - Nhãm thÐp Cr-Mn-Ti: bao gåm çc m¸c 18CrMnTi; 25CrMnTi; 30CrMnTi; 25CrMnMo. Trong thµnh phÇn cã çc nguyªn tè Ti, Mo lµm nhá h¹t do vËy cã thÓ thÊm ë nhiÖt ®é cao rót ng¾n ®-îc thêi gian thÊm. Chóng ®-îc dïng s¶n xuÊt hµng lo¹y trong çc chi tiÕt oto, m¸u kÐo. 11.4.3. ThÐp hãa tèt ThÐp hãa tèt lµ lo¹i thÐp cacbon trung b×nh (0,3-0,5%C), ®Ó chÕ t¹o çc chi tiÕt chÞu t¶i träng tÜnh vµ va ®Ëp cao, yªu cÇu ®é bÒn vµ ®é dai cao. C¬ tÝnh tæng hîp tèt nhÊt ®¹t ®-îc b»ng çch nhiÖt luyÖn hãa tèt (t«i vµ ram cao) nªn gäi lµ thÐp hãa tèt. 11.4.3.1. Thµnh phÇn hãa häc - VÒ thµnh phÇn cacbon: Ph¶i cã sù kÕt hîp tèt nhÊt gi÷a ®é bÒn vµ ®é dai, thÐp hãa tèt ph¶i cã l-îng cacbon trung b×nh 0,3 – 0,5%C, mét sè tr-êng hîp yªu cÇu ®é bÒn cao vµ ®é dai kh«ng cao l¾m cã thÓ dïng tíi 0,5%C. 226 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - VÒ nguyªn tè hîp kim: Çc nguyªn tè hîp kim dïng ®Ó t¨ng ®é thÊm t«i: Cr, Mn, Si, Ni, víi l-îng mçi nguyªn tè hîp kim kho¶ng trªn d-íi 1%. §Ó lµm h¹t nhá vµ tr¸nh dßn ram dïng Ti (< 0,1%), Mo (< 0,3%). Ngoµi ra cßn dïng B (<0,005%) kÕt hîp víi Cr, Ni, Mn ®Ó t¨ng ®é thÊm t«i. 11.4.3.2. Çc m¸c thÐp vµ øng dông - Nhãm thÐp cacbon: Gåm çc m¸c C35, C40, C45, C50 trong ®ã th-êng dïng nhÊt lµ C45, ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt nhá vµ chÞu t¶i kh«ng lín, nh- trôc truyÒn, thanh truyÒn trong çc ®éng c¬ oto nhá, mét sè b¸nh r¨ng quay chËm (b¸nh r¨ng bÞ ®éng)… - Nhãm thÐp Crom: Gåm çc macs35Cr, 40Cr, 40CrB, 45Cr, 50Cr trong ®ã th-êng gÆp lµ 40Cr, ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt chÞu t¶i víi tèc ®é trung b×nh nhçc lo¹i trôc, b¸nh r¨ng hép sè cña çc m¸y c¾t gät… - Nhãm Crom-mangan, crom-mangan-silic: Gåm çc m¸c 40CrMn, 40CrMnB, 30CrMnSi, 35CrMnSi trong ®ã th-êng gÆp lµ 30CrMnSi cã c¬ tÝnh vµ tÝnh c«ng nghÖ tèt, dïng nhiÒu trong chÕ t¹o oto nh- çc kÕt cÊu chÞu lùc, çc chi tiÕt bé phËn l¸i… - Nhãm thÐp Crom-Niken: Gåm çc m¸c 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi, 40CrNiMo dïng lµm çc chi tiÕt chÞu t¶i lín yªu cÇu ®é tin cËy cao nh- trôc vÝt cña hÖ thèng l¸i oto… Nh÷ng m¸c cã l-îng Ni cao (3-4%) vµ cã thªm c¶ Mo, V, Ti, W… ®Ó chèng dßn ram nh- 38CrNi3Mo, 38CrNi3MoV (hoÆc 38Cr2Ni4W) lµ lo¹i tèt nhÊt cña thÐp hãa tèt dïng lµm çc chi tiÕt chÞu t¶i träng nÆng nh- trôc roto tuocbin, çc chi tiÕt chÞu t¶i c¶u m¸y nÐn khÝ, çc chi tiÕt m¸y bay… 11.4.3.3.NhiÖt luyÖn thÐp hãa tèt: * NhiÖt luyÖn s¬ bé PhÇn lín çc thÐp ho¸ tèt ®-îc lµm çc chi tiÕt quan träng ®ßi hái qua gia c«ng c¾t, do vËy ph¶i qua nhiÖt luyÖn s¬ bé ®Ó c¶i thiÖn tÝnh c¾t gät. Sau khi rÌn, rËp nãng ®Ó h×nh thµnh ph«i, thÐp ®-îc mang ®i ñ, th-êng ho¾ hoÆc ram cao. Çc thÐp cacbon vµ cr«m sau khi biÕn d¹ng nãng th-êng ®-îc qua ñ hoµn toµn. Çc thÐp cr«m - niken hîp kim ho¸ thÊp, muèn t¨ng tÝnh c¾t gät cã thÓ dïng çch th-êng ho¸ ®Ó thay cho ñ, nh- vËy thÐp sÏ cã tÝnh dÎo kÐm ®i, phoi trë nªn dÔ gÉy. Çc thÐp cr«m - niken hîp kim ho¸ trung b×nh (lo¹i thÐp mactenxit) kh«ng thÓ 227 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ñ hoµn toµn ®Ó gi¶m ®é cøng ®-îc, ng-êi ta th-êng dïng çch th-êng ho¸ (nguéi trong kh«ng khÝ, thùc chÊt lµ t«i) råi ram cao. Sau khi ho¸ tèt ®¹t c¬ tÝnh tæng hîp cao ®Ó lµm viÖc, chi tiÕt cã ®é cøng trong kho¶ng 220 - 260HB vÉn cã thÓ gia c«ng c¾t tiÕp tôc. V× vËy trong nhiÒu tr-êng hîp ng-êi ta chØ tiÕn hµnh gia c«ng th« sau khi ñ, cßn gia c«ng tinh ®-îc thùc hiÖn sau khi nhiÖt luyÖn ho¸ tèt. * NhiÖt luyÖn kÕt thóc NhiÖt luyÖn kÕt thóc çc thÐp ho¸ tèt nh»m môc ®Ých t¹o ra c¬ tÝnh tæng hîp cao nhÊt, ®ång thêi trong tr-êng hîp yªu cÇu cßn t¹o nªn líp bÒ mÆt cã ®é cøng cao ®Ó chèng mµi mßn vµ chÞu mái tèt. §Ó tao ra c¬ tÝnh tæng hîp cao nhÊt ng-êi ta tiÕn hµnh ho¸ tèt hoÆc c¬ - nhiÖt luyÖn. NhiÖt luyÖn ho¸ tèt bao gåm t«i vµ ram cao t¹o cho çc thÐp cã l-îng cacbon trung b×nh ®¹t ®-îc c¬ tÝnh tæng hîp cao nhÊt. ¦u ®iÓm cña nhiÖt luyÖn ho¸ tèt lµ ®¹t ®-îc gi¸ trÞ ®é dai va ®Ëp lín nhÊt së dÜ, xooc - bit ram ®¹t ®-îc c¬ tÝnh tæng hîp nh- vËy lµ do cacbit (xªmentit) trong nã ë d¹ng h¹t nhá mÞn, tr¹ng th¸i h¹t lµm thÐp cã ®é dÎo cao, cßn ®é nhá mÞn cña nã lµm thÐp cã ®é bÒn, ®Æc biÖt lµ giíi h¹n ch¶y cao. Víi nh÷ng chi tiÕt võa chÞu va ®Ëp, võa chÞu mµi mßn sau nhiÖt luyÖn hãa tèt cßn tiÕn hµnh t«i bÒ mÆt hoÆc hãa nhiÖt luyÖn. 11.4.4. ThÐp ®µn håi ThÐp ®µn håi lµ lo¹i thÐp cã l-îng cacbon t-¬ng ®èi cao (0,5-0,7%C), sau t«i vµ ram trung b×nh nhËn ®-îc tæ chøc trustit ram, cã giíi h¹n ®µn håi cao, ®-îc dïng chÕ t¹o çc chi tiÕt ®µn håi nh-: lß xo, nhÝp çc lo¹i. 11.4.4.1. Thµnh phÇn hãa häc: - VÒ thµnh phÇn cacbon: Do th-êng xuyªn lµm viÖc d-íi t¸c dông cña t¶i träng tÜnh vµ va ®Ëp, yªu cÇu kh«ng ®-îc biÕn d¹ng dÎo khi lµm viÖc do vËy l-îng cacbon kh«ng ®-îc qu¸ thÊp, do ®ã l-îng cacbon thÝch hîp lµ 0,5-0,7%C, th-êng ®-îc giíi h¹n trong ph¹m vi 0,55-0,65% - VÒ nguyªn tè hîp kim: §èi víi thÐp ®µn håi, nguyªn tè hîp kim chñ yÕu lµ Mn, Si víi l-îng chøa 1-2% v× chóng n©ng tÝnh ®µn håi cho thÐp. Ngoµi ra cßn thªm Cr, Ni, V ®Ó n©ng ®é thÊm t«i vµ æn ®Þnh ®µm håi. 228 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 11.4.4.2. ChÕ ®é nhiÖt luyÖn §Ó ®¹t ®-îc giíi h¹n ®µn håi cao nhÊt, thÐp ®-îc nhiÖt luyÖn cã tæ chøc trustit ram b»ng çch t«i vµ ram trung b×nh. 11.4.4.3. Çc m¸c thÐp ®µn håi - Nhãm thÐp C65, C70 vµ magan 60Mn, 70Mn lµ lo¹i thÐp lß xo th-êng, chóng ®-îc çn kÐo thµnh çc b¸n thµnh phÈm tiÕt diÖn nhá vµ ®-îc cung cÊp ë tr¹ng th¸i ®· qua nhiÖt luyÖn Nhãm thÐp 55Si2, 60Si2, 60SiMn cã giíi h¹n ®µn håi cao, ®é thÊm t«i tèt, dïng ®Ó chÕ t¹o lß xo nhÝp cã chiÒu dµy tíi 18mm trong oto, tµu biÓn, xe löa, d©y cãt ®ång hå…Chó ý khi nung ph¶I b¶o vÖ ®Ó tr¸nh tho¸t cacbon. Nhãm thÐp 60Si2CrA, 60Si2Ni2A cã ®é thÊm t«i lín (trªn 50mm) dïng ®Ó chÕ t¹o lß xo, nhÝp lín chÞu t¶i träng nÆng vµ ®Æc biÖt quan träng. Çc m¸c 50CrV, 50CrMnV cã tÝnh chèng ram cao cã thÓ chÕ t¹o lß xo nhá chÞu nhiÖt tíi 3000C nh- lß xo supap x¶. 11.4.5. ThÐp kÕt cÊu cã c«ng dông riªng 11.4.5.1. ThÐp l¸ (tÊm) ®Ó dËp nguéi Nh- ®· biÕt, rËp lµ ph-¬ng ph¸p gia c«ng c¬ khi cã n¨ng suÊt caovµ lµ ph-¬ng ph¸p rÊt phæ biÕn ®Ó thµnh h×nh s¶n phÈm nh-: mui, bÖ «t«, vá hép vµ r©t nhiÒu chi tiÕt kh¸c. ThÐp ®Ó rËp nguéi ph¶i ®em çn thµnh l¸ máng hay tÊm tïy theo yªu cÇu, ®ßi hái ph¶i cã tÝnh dÎo cao, ®Æc biÖt ®èi víi chi tiÕt rËp s©u. §Ó cã ®-îc tÝnh dÎo cao, thÐp l¸ rÊp nguéi ph¶i cã thµnh phÇn hãa häc vµ tæ chøc tÕ vi nhsau: - Cacbon thÊp 0,05 - 0,2% víi tæ chøc chñ yÕu lµ ferit vµ cã thÓ cã mét tû lÖ thÊp peclit. - Silic thÊp, nhá h¬n 0,07%, nhiÒu nhÊt còng kh«ng qu¸ 0,17%, v× nh- ®· biÕt Si lµm t¨ng rÊt m¹nh ®é cøng vµ gi¶m m·nh liÖt ®é dÎo cña ferit. - H¹t nhá vµ ®Òu, th-êng yªu cÇu ®¹t cÊp h¹t 6 - 8; çc vÕt nøt khi rËp th-êng xuÊt hiÖn ë nh÷ng vïng h¹t lín hoÆc cÊp h¹t kh«ng ®Òu. Çc thÐp dïng ®Ó rËp s©u hoÆc rËp çc chi tiÕt phøc t¹p ph¶i cã l-îng cacbon thÊp vµ th-êng dïng lo¹i thÐp s«i: C5s, C8s, C10s, C15s. Sè hiÖu thÐp ®-îc dïng phæ biÕn ®Ó rËp s©u lµ C8s Çc sè hiÖu thÐp víi thµnh phÇn cacbon lín h¬n nh-: 20, 25, 30, 35, 40 hoÆc thÐp hîp kim nh- 30Mn, 12Mn2 ®-îc dïng ®Ó rËp çc khung dÇm chÞu lùc nhdÇm däc, thanh b¶o hiÓm «t«.... 229 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Çc thÐp l¸ máng dïng trong c«ng nghiÖp cã thÓ ®-îc tr¸ng Sn (s¾t t©y) hoÆc Zn (gäi lµ t«n tr¸ng kÏm) ®Ó t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn trong m«i tr-êng khÝ quyÓn vµ ¨n mßn yÕu. 11.4.5.2. ThÐp dÔ c¾t a) Kh¸i niÖm vÒ tÝnh gia c«ng c¾t cña thÐp. Kh¸i niÖm vÒ tÝnh gia c«ng b»ng dao c¾t lµ tæng hîp cña nhiÒu yÕu tè bao gåm: tèc ®é c¾t cho phÐp (lµ yÕu tè quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh n¨ng suÊt c¾t), lùc c¾t, ®é bãng bÒ mÆt cña vËt gia c«ng... Ngoµi ra víi cïng mét lo¹i vËt liÖu, khi gia c«ng b»ng çc d¹ng kh¸c nhau (tiÖn, phay, bµo...) tÝnh gia c«ng c¾t còng thÓ hiÖn kh¸c nhau. Mét çch kh¸i qu¸t gÇn ®óng, tÝnh gia c«ng c¾t phô thuéc vµo çc yÕu tè sau: 1. §é cøng vµ ®é bÒn. Nãi chung víi cïng mét lo¹i vËt liÖu, khi ®é bÒn, ®é cøng cµng cao, tÝnh gia c«ng c¾t cµng kÐm. Tuy nhiªn, nÕu ®é cøng qu¸ thÊp ®i kÌm víi ®é dÎo cao th× phoi khã ®øt, c«ng bÎ phoi lín nªn tÝnh gia c«ng c¾t l¹i gi¶m ®i. §èi víi thÐp Peclit, ®é cøng thÝch hîp ®Ó gia c«ng c¾t dÔ dµng ë trong kho¶ng 150 - 200HB. Çc thÐp austenit tuy cã ®é cøng kh«ng cao l¾m nh-ng tÝnh gia c«ng c¾t rÊt kÐm lµ do austenit bÞ biÕn cnøg khi c¾t gät vµ ®é bÒn cña thÐp cao. 2. TÝnh dÉn nhiÖt cña thÐp. NhiÖt sinh ra khi c¾t tËp trung chñ yÕu ë mòi dao nªn lµm nãng vµ gi¶m ®é cøng cña dao ®-a ®Õn lµm gi¶m tuæi bÒn cña nã. NÕu thÐp dÉn nhiÖt kÐm, nhiÖt tËp trung ë mòi dao cµng nhiÒu, cµng kh«ng cã lîi. ThÐp ®-îc hîp kim hãa cµng cao tÝnh dÉn nhiÖt cña nã cµng kÐm, ®ã còng lµ nguyªn nh©n lµm thÐp austenit cã tÝnh gia c«ng c¾t kÐm. §Ó ®¶m b¶o gia c«ng c¾t ®-îc dÔ dµng, çc thÐp th«ng th-êng cÇn ph¶i cã ®é cøng vµ tæ chøc thÝch hîp. VÝ dô ®Ó ®¶m b¶o c¾t gät tèt, thÐp cã thµnh phÇn cacbon trung b×nh ph¶i cã tæ chøc peclit tÊm, thÐp cacbon cao ph¶i cã peclit h¹t. Song ®Ó c¶i thiÖn h¬n n÷a tÝnh c¾t gät ng-êi ta dïng nhãm thÐp riªng cã tÝnh gia c«ng c¾t cao, gäi lµ thÐp dÔ c¾t (hay cßn gäi lµ thÐp tù ®éng) b) Çc sè hiÖu thÐp dÔ c¾t ThÐp dÔ c¾t lµ lo¹i thÐp dïng ®Ó gia c«ng c¾t gät víi n¨ng su¸t cao trªn çc m¸y c¾t tù ®éng, tháa m·n hai yªu cÇu sau: 1. N¨ng suÊt cao (thÓ hiÖn ë tèc ®é c¾t vµ tiÕt diÖn phoi lín) nh-ng vÉn b¶o ®¶m tuæi bÒn cña dao c¾t. 2. BÒ mÆt gia c«ng nh½n bãng. 230 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ThÐp dÔ c¾t ®-îc dïng lµm bul«ng, ®ai èc, vÝt, b¸nh r¨ng, b¹c vµ çc chi tiÕt kh¸c víi s¶n l-îng lín, yªu cÇu ®é chÝnh x¸c cao vÒ kÝch th-íc vµ ®é nh½n bãng vÒ bÒ mÆt, song kh«ng ®ßi hái chÞu ®-îc t¶i träng cao. §Ó ®¶m b¶o kh¶ n¨ng gia c«ng c¾t cao, thÐp dÔ c¾t cÇn ph¶i tháa m·n çc yªu cÇu sau vÒ thµnh phÇn hãa häc. L-îng cacbon cña thÐp th-êng kh«ng qu¸ 0,4% ®Ó ®¶m b¶o ®é cøng thÝch hîp víi gia c«ng c¾t. §Ó ®¶m b¶o phoi dÔ g·y, t¹o nªn bÒ mÆt nh½n bãng, thÐp ph¶i chøa photpho vµ l-u huúnh cao h¬n giíi h¹n b×nh th-êng cho thÐp cacbon. §ång thêi ®Ó tr¸nh ¶nh h-ëng cã h¹i cña l-u huúnh, thÐp còng ph¶i cã l-îng chøa Mn cao h¬n. L-îng l-u huúnh trong thÐp dÔ c¾t cã thÓ ®¹t ®Õn 0,1 – 0,3%, nã kÕt hîp víi Mn thµnh MnS, pha nµy bÞ kÐo dµi ra theo ph-¬ng çn, lµm gi¶m tÝnh liªn tôc vµ ®é bÒn cña thÐp theo chiÒu ngang, lµm phoi dÔ g·y. Photpho hoµ tan vµo ferit lµm t¨ng tÝnh dßn cña pha nµy do ®ã lµm phoi nhá vôn. Do t¸c dông nµy cña photpho vµ MnS tr¸nh ®-îc hiÖn t-îng dÝnh dao (kim lo¹i gia c«ng b¸m vµo dao), do ®ã bÒ mÆt gia c«ng cã ®é nh½n bãng cao. L-îng photpho trong thÐp dÔ c¾t th-êng kh«ng qu¸ 0,15%. Sù t¹o nªn phoi nhá, vôn lµm gi¶m nung nãng dao, gióp lµm t¨ng tuæi bÒn cña dao vµ tèc ®é c¾t. Do cã nhiÒu photpho vµ l-u huúnh c¬ tÝnh cña thÐp bÞ xÊu ®i gi¶m ®é dÎo vµ ®é dai theo chiÒu ngang ®ång thêi lµm gi¶m c¶ ®é bÒn mái vµ tÝnh chèng ¨n mßn. Theo TCVN ký hiÖu m¸c nµy nhsau: xxS, trong ®ã xx chØ sè phÇn v¹n cacbon trung b×nh, S chØ thÐp chøa S vµ P cao. Thµnh phÇn ho¸ häc vµ c¬ tÝnh cña çc sè hiÖu nµy tr×nh bµy ë b¶ng sau B¶ng 11.1 Sè hiÖu thÐp Thµnh phÇn çc nguyªn tè, % C¬ tÝnh C Mn Si S P 20S 0,08 – 0,16 0,15 -0,25 0,25 -0,35 40MnS 0,35 – 0,15 – 0,35 0,15 – 0,35 0,15 – 0,35 0,15 – 0,08 – 0,20 0,08 – 0,12 0,08 – 0,12 0,18 – 0,08 – 0,15 < 0,06 30S 0,6 – 0,9 0,6 – 0,9 0,7 – 1,0 1,20 – 12S < 0,06 < 0,05 ζb N/mm2 420 – 570 460 – 510 520 – 670 600 - 231 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt δ5 δ% HB % 22 36 160 20 30 168 15 25 185 14 20 207 VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 0,45 1,55 0,35 0,30 750 Sè hiÖu 12S dïng ®Ó chÕ t¹o vÝt, bul«ng, ®ai èc vµ çc chi tiÕt nhá cã h×nh d¹ng phøc t¹p trªn çc m¸y c¨t tù ®éng. Cßn çc sè hiÖu 20S, 30S vµ 40S dïng ®Ó lµm chi tiÕt chÞu øng suÊt cao h¬n. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, dïng çc thÐp dÔ c¾t cã Pb víi l-îng 0,15– 0,30%, Pb kh«ng hoµ tan trong thÐp ë tr¹ng th¸i r¾n nã ë d¹ng çc h¹t riªng rÏ ph©n t¸n do vËy Ýt lµm xÊu c¬ tÝnh ë nhiÖt ®é th-êng. Trong qu¸ tr×nh c¾t çc h¹t Pb bÞ ch¶y ra do bÞ nung nãng, v× thÕ lµm vôn phoi, gi¶m lùc c¾t vµ Ýt bÞ nãng dao. Dïng thÐp dÔ c¾t cã Pb cã thÓ n©ng cao tèc ®é c¾t lªn gÊp ®«i, nh-ng lµm khã kh¨n cho biÕn d¹ng nãng. Çc sè hiÖu thÐp dÔ c¾t cã Pb ®-îc ký hiÖu thªm chø C sau ch÷ A vµ sè chØ l-îng cacbon trung b×nh theo phÇn v¹n 11.4.5.3. ThÐp æ bi HiÖn nay trong çc m¸y dïng rÊt nhiÒu æ l¨n (æ bi hay æ ®òa). §Ó chÕ t¹o chóng ng-êi ta dïng çc lo¹i thÐp chuyªn dïng gäi lµ thÐp æ bi. Çc bÒ mÆt lµm viÖc cña çc chi tiÕt æ l¨n bao gåm vßng æ, bi ®òa chÞu øng suÊt tiÕp xóc cao víi sè l-îng chu tr×nh rÊt lín, do trît l¨n víi nhau, ë tõng thêi ®iÓm chóng bÞ mµi mßn ®iÓm. §Ó tho¶ m·n çc yªu cÇu lµm viÖc ®ã thÐp æ bi ph¶i cã ®é bÒn mái tiÕp xóc vµ chèng mµi mßn cao nhÊt, do ®ã ph¶i cã ®é cøng cao vµ ®ång nhÊt. Muèn vËy thÐp æ bi ph¶i cã ®Æc ®iÓm vÒ thµnh phÇn nhsau: - L-îng cacbon cao (kho¶ng 1%) b¶o ®¶m sau khi t«i cã ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao. - RÊt Ýt t¹p chÊt phi kim lo¹i, trong ®ã l-îng S < 0,02%, P < 0,027% vµ kh«ng cã rç xèp, ®Ó b¶o ®¶m kh«ng cã ®iÓm mÒm. - Tæ chøc cña thÐp ph¶i ®ång nhÊt, kh«ng cã thiªn tÝch cacbit: cacbit ®ã dë d¹ng h¹t nhá mÞn, ph©n bè ®Òu. - ThÐp ®-îc hîp kim ho¸ b»ng 0,6 – 1,5%Cr, ®«i khi c¶ b»ng Mn, Si ®Ó lµm t¨ng ®é thÊm t«i, b¶o ®¶m c¬ tÝnh ®ång nhÊt. - Theo TCVN, thÐp æ l¨n ®-îc ký hiÖu b»ng ch÷ OL víi con sè chØ l-îng cacbon phÇn v¹n vµ l-îng nguyªn tè hîp kim theo phÇn tr¨m. HiÖn chóng ta sö dông hai m¸c thÐp æ l¨n chñ yÕu sau B¶ng 11.2 – Thµnh phÇn ho¸ häc cña çc thÐp æ bi Sè hiÖu thÐp Thµnh phÇn çc nguyªn tè, % §-êng 232 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ®-êng kÝnh VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt OL100Cr2 OL100Cr2SiMn C Mn Si Cr ®òa, mm 1,3 – 1,65 kÝnh bi, mm > 22,5 0,95 – 1,05 0,95 – 1,05 0,2 – 0,4 0,9 – 1,2 0,17 – 0,37 0,40 – 0,65 1,3 – 1,65 - > 30 15 – 30 ChÕ ®é nhiÖt luyÖn ë tr¹ng th¸i ñ thÐp æ bi ph¶i cã tæ chøc P h¹t vµ cacbit d- nhá mÞn víi ®é cøng 187 – 207HB ®Ó ®¶m b¶o kh¶ n¨ng gia c«ng c¾t, ®ét vµ rËp. NhiÖt luyÖn kÕt thóc çc chi tiÕt æ bi gåm cã t«i 830 – 850+0C trong dÇu råi ram thÊp ë nhiÖt ®é 150 – 1800C trong 1 – 2h ®é cøng ®¹t ®-îc 62 – 65HRC. §Ó ®¶m b¶o ®é cøng cao h¬n cã thÓ dïng gia c«ng l¹nh. Çc æ bi ®-îc chÕ t¹o ë çc nhµ m¸y chuyªn m«n ho¸ - nhµ m¸y æ bi. Tuy nhiªn cÊc thÐp æ bi còng cßn ®-îc dïng nhiÒu trong çc nhµ m¸y c¬ khi kh¸c, v× vÒ thµnh phÇn chóng t-¬ng ®-¬ng nh- thÐp dông cô, do vËy ®-îc dïng nhiÒu lµm trôc çn nguéi, taro, bµn ren, dông cô ®o vµ çc chi tiÕt vßi phun cao ¸p. §Ó lµm çc æ ®·u rÊt lín víi ®-êng kÝnh tõ 0,5 – 2m ng-êi ta dïng thÐp 20Cr2Ni4A ®em thÊm cacbon ®Õn chiÒu s©u 5 – 6mm (víi thêi gian thÊm kÐo dµi tõ 120 – 160h), råi sau ®ã ®em nhiÖt luyÖn kÕt thóc víi quy tr×nh rÊt phøc t¹p: ram cao 5500C trong 8h råi sau ®ã 6300C trong 8h ®Ó cacbit hîp kim tiÕt ra (®Ó gi¶m l-¬ng austenit d- khi t«i) t«I 8000C trong dÇu µ ram thÊp. Çc æ bi lµm viÖc trong m«i tr-êng ¨n mßn (n-íc biÓn, dung dÞch axit sunfuric 5 – 15%, dung dich kiÒm), ph¶i dïng thÐp kh«ng gØ Cr (lo¹i 18%Cr) víi l-îng cacbon cao (0,9%) víi sè hiÖu 90Cr18 hay 95Cr18. NhiÖt ®é t«i cña thÐp lµ 1050 – 10700C, ram 150 – 1700C. §Ó æn ®Þnh kÝch th-íc cã thÓ dïng çch b¶o qu¶n l©u hoÆc gia c«ng l¹nh. Çc æ bi chÞu nãng ®Õn 400 – 5000C, dïng thÐp giã 90W9Cr4V2Mo ®Ó chÕ t¹o. 11.4.5.4. ThÐp ®óc So víi gang thÐp cã tÝnh ®óc kÐm h¬n do ®é ch¶y lo·ng thÊp vµ ®é co ngãt lín, nh-ng trong mét sè tr-êng hîp cÇn thiÕt ng-êi ta vÉn dïng thÐp ®óc. VÒ mÆt c¬ tÝnh, thÐp ®óc kh«ng cao b»ng thÐp çn, rÌn nh-ng cã thÓ ¸p dông çc biÖn ph¸p cÇn thiÕt ®Ó thu hÑp sù xa çch gi÷a hai lo¹i thÐp ®ã. 233 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Theo TCVN ký hiÖu thÐp ®óc b»ng ch÷ § ®Æt ®»ng sau ký hiÖu thÐp, vÝ dô: 20§, 30CrMnSi§. §Ó tr¸nh nøt trõ tr-êng hîp thËt cÇn thiÕt, ng-êi ta kh«ng ®óc çc thÐp víi thµnh phÇn cacbon cao qu¸ 0,6%, l-îng P, S ph¶i thÊp h¬n 0,05% vµ ®Ó gi¶m t¸c h¹i cña S g©y ra dßn nãng thÐp ph¶i chøa nhiÒu Mn h¬n gi-ãi h¹n b×nh th-êng, 0,5 – 0,8%Mn. 11.4.5.5. ThÐp x©y dùng ThÐp x©y dùng ®-îc dïng lµm çc kÕt cÊu x©y dùng nh- cÇu, èng dÉn khÝ, dÉn dÇu, giµn, th¸p…çc thÐp nµy còng ®-îc dïng réng r·i trong c¬ khÝ giao th«ng ®Ó lµm çc kÕt cÊu kim lo¹i (th©n) cña tÇu biÓn, toa xe, «t«. chØ cÇn c¶i thiÖn Ýt nhiÒu çc tÝnh chÊt cña nã còng tiÕt kiÖn ®-îc m«t l-îng lín thÐp, ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. a) Çc yªu cÇu ®èi víi thÐp x©y dùng Çc thÐp x©y dùng tr-íc tiªn ph¶i ®¶m b¶o çc chØ tiªu c¬ tÝnh nhÊt ®Þnh, ®ång thêi ph¶i cã tÝnh c«ng nghÖ tèt. Ç yªu cÇu ®ã lµ: 1. §é bÒn. §é bÒn, ®Æc biÖt lµ giíi h¹n ch¶y cña thÐp cµng cao, çc kÕt cÊu cµng bÒn vµ cµng gän nhÑ. Ng-êi ta thÊy r»ng nÕu t¨ng giíi h¹n ch¶y cña vËt liÖu tõ 240 – 260N/mm2(thÐp CT3) lªn 340 – 360N/mm2khèi l-îng kÕt cÊu kim lo¹i cã thÓ gi¶m ®i 20 – 25%. §iÒu nµy ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ lín: tiÕt kiÖm thÐp dïng, gi¶m nhÑ khèi l-îng x©y l¾p, t¨ng kh¶ n¨ng chÞu t¶i cña kÕt cÊu nh- cÇu, toa xe, «t«…. HiÖn nay ë nhiÒu n-íc sö dông mét çch phæ biÕn çc thÐp x©y dùngc ã giíi h¹n ch¶y 300 – 400N/mm2. 2. TÝnh dÎo. Do tÝnh chÊt chÞu t¶i cña çc kÕt cÊu, do ®Æc tÝnh çc kÕt cÊu kim lo¹i khi chÕ t¹o th-êng ph¶i qua uèn rËp nªn thÐp x©y dùng ph¶i cã tÝnh dÎo tèt δ= 18 – 20%. 3. TÝnh hµn. Nãi chung çc kÕt cÊu kim lo¹i ph¶i qua hµn. §Ó ®¶m b¶o ba yªu cÇu trªn, thÐp ph¶i cã l-îng cacbon kh«ng qu¸ 0,22 – 0,25%. Kh«ng thÓ t¨ng ®é bÒn b»ng çch t¨ng cacbon, v× ®iÒu nµy lµm gi¶m tÝnh dÎo vµ tÝnh hµn. Khi l-îng cacbon t¨ng lªn tÝnh hµn cña thÐp xÊu ®i do vïng gÇn mèi hµn thÐp bÞ qu¸ nhiÖt (qu¸ nhiÖt ®é Ac1 nhiÒu) lµm h¹t to vµ khi nguéi ®i trong kh«ng khÝ t¹o nªn tæ chøc Vitmanstet (tæ chøc trong ®ã ferit cã d¹ng r¨ng c-a) rÊt dßn, hoÆc xoocbit, tr«xtit, thËm chÝ c¶ mactenxit g©y nªn nøt. 4. TÝnh chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn. Nãi chung çc kÕt cÊu kim lo¹i ®Ó ë ngoµi trêi, kh«ng thÓ chèng gØ b»ng çch b«i dÇu mì ®-îc (th-êng h¹n chÕ gØ 234 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt b»ng s¬n). NhiÒu kÕt cÊu lµm viÖc trong m«i tr-êng kh¾c nghiÖt cã yªu cÇu tÝnh chèng ¨n mßn ®Æc biÖt cao. §Ó t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn ng-êi ta ®-a thªm vµo thÐp mét l-îng nhá çc nguyªn tè Cr, Ni, Mn, Si, ®Æc biÖt lµ Cu vµ P. Cã thÓ khi ®I vµo thÐp çc nguyªn tè lµm t¨ng tÝnh thô ®éng ho¸, khã t¹o nªn líp gØ, do vËy lµm t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn. Ngoµi t¸c dông lµm t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn cßn cã t¸c dông lµm t¨ng ®é bÒn nhê ho¸ bÒn ferit. Tuy nhiªn còng kh«ng nªn hîp kim qu¸ nhiÒu sÏ t¨ng gi¸ thµnh nãi chung nªn dïng çch hîp kim hã tù nhiªn víi tæng l-îng çc nguyªn tè kh«ng qu¸ 2% b) Çc thÐp x©y dùng Cã thÓ ph©n çc thÐp x©y dùng thµnh hai nhãm lín: thÐp cacbon vµ thÐp hîp kim thÊp. ThÐp cacbon Th-êng dïng çc thÐp cabon ®¬n gi¶n CT1, CT2, CT3 vµ CT5, trong ®ã CT5 th-êng ®-îc çn thµnh çc thanh trßn cã gê næi dïng lµm c«t cho bª t«ng. ®Æc tÝnh c¶u thÐp xay dùng cacbon lµ ®é bÒn thÊp, ®é dÎo cao. §Ó n©ng cao ®é bÒn cña cèt thÐp cho bª t«ng ng-êi ta th-êng kÐo gi·n çc thanh thÐp ®ã thªm 6 – 8%, nhê ®ã kh«ng nh÷ng t¨ng ®ùoc søc chÞu t¶i cho bª t«ng cèt thÐp mµ cßn tiÕt kiÖm ®-îc l-îng thÐp d- ra vµ ®ì c«ng lµm s¹ch do kÐo gi·n rØ bong ra. ThÐp hîp kim thÊp ThÐp hîp kim thÊp tho¶ m·n tèt h¬n çc yªu cÇu x©y dùng hiÖn ®¹i do cã giíi h¹n ch¶y cao, tÝnh chèng ¨n mßn trong khÝ quyÓn tèt vµ t-¬ng ®èi rÎ trong nhiÒu tr-êng hîp tû lÖ t¨ng gi-ãi h¹n ch¶y v-ît qua tû lÖ t¨ng gi¸ thµnh s¶n xuÊt do vËy cã hiÖu qu¶ kinh tÕ cao h¬n. B¶ng sau tr×nh bµy thµnh phÇn ho¸ häc vµ c¬ tÝnh cña mét sè sè hiÖu thÐp x©y dùng hîp kim thÊp. B¶ng 11.2 Sè hiÖu thÐp Thµnh phÇn çc nguyªn tè, % < 0,3 ζb N/mm2 490 δ,2 δ % % 340 22 < 0,3 470 340 21 < 0,3 470 340 21 C Mn Si Cr 0,7 – 1,1 09 Mn 2 0,16 – 0,22 < 0,12 0,17 – 0,37 0,2 – 0,4 14 Mn 2 0,12 – 0,17 – 19Mn 1,45 – 1,75 1,2 – 1,7 C¬ tÝnh Nguyªn tè kh¸c 235 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 17 Mn 14CrNiSi 15CrSiNiCu 35CrSi 25 Mn 2Si 0,18 0,14 – 0,2 0,11 – 0,13 0,12 – 0,18 0,3 – 0,37 0,2 – 0,29 0,37 1,2 – 1,6 < 0,3 0,4 – 0,7 0,5 – 0,8 0,4 – 0,7 0,5 – 0,8 Ni 0,2 – 0,4 Cu 520 350 23 500 350 22 500 350 21 0,8 – 1,2 0,6 – 0,9 < 0,3 600 400 14 1,2 – 1,6 0,6 – 0,9 < 0,3 600 400 14 ë çc n-íc Mü, Anh Ph¸p, NhËt ®· phæ biÕn lo¹i thÐp hîp kim thÊp cã tÝnh chèng ¨n mßn rÊt cao trong khÝ quyÓn th-êng, khÝ quyÓn c«ng nghiÖp khÝ quyÓn biÓn, víi tªn gäi Corten. Ng-êi ta ¸p dông thÐp Corten vµo trong nhiÒu c«ng tr×nh c©y dùng d©n dông, giao th«ng vËn t¶i (cÇu, dÇm «t«), c«ng nghiÖp vµ ngoµi biÓn. 11.5. ThÐp dông cô 11.5.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i ThÐp dông cô lµ lo¹i thÐp dïng ®Ó chÕ t¹o çc lo¹i dông cô gia c«ng kim lo¹i vµ çc vËt liÖu kh¸c (nh- gç, chÊt dÎo...) kh«ng phô thuéc vµo ph-¬ng ph¸p gia c«ng cô thÓ nµo, ng-êi ta lu«n yªu cÇu çc dông cô cã chÊt l-îng cao, v× ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña chóng th-êng kh¾c nghiÖt. §èi víi thÐp dông cô th× tiªu chÝ chÊt l-îng lu«n lµ sè mét. §Ó thuËn tiÖn cho viÖc nghiªn cøu ta chia thÐp dông cô ra lµm ba lo¹i : dông cô c¾t gät, dông cô biÕn d¹ng vµ dông cô ®o l-êng 11.5.2. ThÐp dao c¾t Trong nhµ m¸y hoÆc ph©n x-ëng c¬ khÝ nguyªn c«ng c¾t gät bao gåm tiÖn phay bµo khoan doa... cã khèi l-îng lín h¬n c¶, kh«ng mÊy chi tiÕt tr¸nh ®-îc c¾t gät. 11.5.2.1. Yªu cÇu ®èi víi thÐp lµm dao c¾t §é cøng cao : §©y lµ yªu cÇu tèi thiÓu ®Çu tiªn, v× vã thÓ c¾t gät ®-îc ®é cøng cña dao ph¶i cao h¬n h¼n ®é cøng cña ph«i. VD : Khi gia c«ng çc vËt liÖu dÔ c¾t nh- hîp kim mµu, thÐp, gang th«ng th-êng ®é cøng ph«i kho¶ng 200-250HB th× dao cã ®é cøng kh«ng d-íi 60HRC 236 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt TÝnh chèng mµi mßn cao : Khi lµm viÖc, dao c¾t lu«n bÞ ma s¸t vµo ph«i vµ phoi, ®Ó ®¶m b¶o tuæi thä cña dao vµ tÝnh chÝnh x¸c gia c«ng, dao ph¶i cã tÝnh chèng mµi mßn cao. TÝnh chèng mµi mßn phô thuéc vµo ®é cøng cña phoi vµ l-îng cacbit trong phoi. TÝnh cøng nãng : Kh¶ n¨ng duy tr× ®-îc ®é cøng cao ë nhiÖt ®é cao, nã ®-îc x¸c ®Þnh b»ng nhiÖt ®é ram lín nhÊt (víi thêi gian 1h) mµ ®é cøng cña vËt liÖu lµm dao kh«ng d-íi 58HRC. §©y lµ mét chØ tiªu quan träng quyÕt ®Þnh tèc ®é c¾t gät cña dao. Ngoµi ba yªu cÇu trªn thÐp lµm dao c¾t ph¶i cã ®é bÒn uèn cao (tr-êng hîp dao tiÖn) hoÆc ®é bÒn xo¾n cao (tr-êng hîp mòi khoan) vµ ®é dai va ®Ëp còng kh«ng ®-îc qu¸ thÊp. 11.5.2.2. ThÐp lµm dao c¾t n¨ng suÊt thÊp Dao c¾t n¨ng suÊt thÊp lµ nh÷ng lo¹i dao c¾t mµ tèc ®é chØ kho¶ng 5-10m/ph. §Ó chÕ t¹o nh÷ng lo¹i dao nµy cã thÓ dïng thÐp cacbon hoÆc thÐp hîp kim. ThÐp cacbon : §Õ chÕ t¹o dông cô c¾t n¨ng suÊt thÊp, cã thÓ dïng thÐp dông cô cacbon lo¹i CD70, CD80, CD90,...CD130. Sau khi t«i vµ ram thÊp thÐp cã ®é cøng trªn 60HRC. Çc thÐp sau cïng tÝch ngoµi mactenxit cßn cã XeII nªn tÝnh chèng mµi mßn cao h¬n so víi thÐp cïng tÝch vµ tr-íc cïng tÝch. Nh-îc ®iÓm chÝnh cña thÐp cacbon lµ ®é thÊm t«I thÊp nªn chØ cã thÓ lµm dao c¾t nhá h×nh d¸ng ®¬n gi¶n vµ do cã tÝnh cøng nãng thÊp nªn chØ cã thÓ c¾t ®-îc víi tèc ®é thÊp h¬n 5m/ph. ThÐp hîp kim thÊp: Çc nguyªn tè hîp kiim th-êng dïng ®èi víi thÐp hîp kim thÊp lµ Cr, Mn, Si, W ®Ó t¨ng ®é thÊm t«i, ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn. M¸c thÐp 130Cr05 vµ 140CrW5 cã thÓ t«I trong n-íc cã thÓ ®¹t ®-îc ®é cøng 65-68HRC l-îng cacbit d- nhiÒu nªn cã kh¶ n¨ng chèng mµi mßn cao cã thÓ dïng lµm dao c¹o çc lo¹i. Riªng m¸c 140CrW5 cßn ®-îc gäi lµ thÐp kim c-¬ng, dïng ®Ó gia c«ng vËt liÖu cøng. M¸c 100Cr2 t-¬ng ®-¬ng víi m¸c OL100Cr2 cã thÓ dung flamf dao tiÖn n¨ng suÊt thÊp. Tuy nhiªn m¸c nµy kh«ng thÓ thay ®-îc m¸c æ l¨n v× nã vÉn cßn P, S cao nªn kh«ng ®¶m b¶o yªu cÇu tr¸nh ®iÓm mÒm cña thÐp æ l¨n. Çc m¸c 90CrSi, 90Mn2 ®-îc dïng phæ biÕn v× t-¬ng ®èi rÎ cã ®é thÊm t«i lín, cã tÝnh cøng nãng ®Õn 2500C, tèc ®é c¾t cã thÓ ®¹t 10-14m/ph cã thÓ dïng lµm mòi khoan, taro, bµn ren, dao phay…kÝch th-íc nhá. Khi nhiÖt l-u ý tr¸nh tho¸t cacbon. 237 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 11.5.2.3. ThÐp dao c¾t n¨ng suÊt cao (thÐp giã) ThÐp giã lµ thÐp dông cô hîp kim cao, dïng lµm dông cô c¾t víi n¨ng suÊt cao. So víi thÐp dông cô cacbon vµ thÐp hîp kim thÊp ®· nªu, thÐp giã cã tèc ®é c¾t cao gÊp 2-4 lÇn, tuæi thä cao gÊp 8-10 lÇn tÝnh cøng nãng ®¹t ®Õn 500-6000C, tèc ®é ®¹t ®Õn 25-35 m/ph vµ cã ®é thÊm t«i cao. - Thµnh phÇn hãa häc vµ t¸c dông cña çc nguyªn tè: Cacbon cña thÐp giã biÕn ®æi trong giíi h¹n kh¸ réng 0,70  1,50%, çc sè hiÖu víi l-îng cacbon tíi 1,2 - 1,5% lµ ®Ó kÕt hîp víi W vµ ®Æc biÖt lµ V thµnh cacbit æn ®Þnh lµm t¨ng m¹nh tÝnh chèng mµi mßn. Cr«m cã ë trong mäi thÐp giã víi l-îng kho¶ng 4%, nã cã t¸c dông chñ yÕu lµ lµm t¨ng m¹nh tÝnh thÊm t«i. ChÝnh nhê l-îng cr«m lín nh- vËy thÐp giã hÇu nh- cã ®é thÊm t«i bÊt kú, nhê ®ã cã thÓ dïng ph-¬ng ph¸p t«i ph©n cÊp ®Ó gi¶m biÕn d¹ng dông cô. Vonfram lµ nguyªn tè hîp kim quan träng nhÊt cña thÐp giã, kh«ng nh÷ng cã thµnh phÇn lín nhÊt mµ cßn t¹o cho thÐp tÝnh cøng nãng cao, quyÕt ®Þnh n¨ng suÊt c¾t gät, lµ nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh, ë trong thÐp giã W chñ yÕu n»m ë d¹ng cacbit Me6C, khi nung nãng ë nhiÖt ®é cao mét phÇn Me6C bÞ ph©n ho¸ hoµ tan vµo auxtenit do vËy sau khi t«i mactenxit cã chøa nhiÒu W, khi ram cacbit Me6C chØ tiÕt ra khái mactenxit ë nhiÖt ®é cao h¬n 550 - 5700C do vËy tÝnh cøng nãng cña thÐp giã ë kho¶ng trªn d-íi 6000C. Vanadi lµ nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh, cacbit vanadi rÊt khã hoµ tan vµo auxtenit khi nung nãng, trong tæ chøc thÐp giã t«i, çc vanadi ë d¹ng ph©n t¸n lµm t¨ng m¹nh tÝnh chèng mai mßn. Trong mäi thÐp giã l-îng vanadi Ýt nhÊt còng kho¶ng 1,5 - 2,0% khi l-îng vanadi cao h¬n giíi h¹n nµy, tÝnh chèng mµi mßn mét mÆt t¨ng lªn, nh-ng tÝnh mµi kÐm ®i. Do dùa vµo chñ yÕu lµ ®Ó t¹o ra cacbit, nªn khi t¨ng V còng ph¶i t-¬ng øng t¨ng l-îng cacbon. C«ban tuy kh«ng t¹o thµnh cacbit nh-ng nã hoµ tan hoµn toµn vµo s¾t ë d¹ng dung dÞch r¾n. Víi l-îng 5 - 10% Co, tÝnh cøng nãng cña thÐp giã ®-îc t¨ng lªn. Tuy Co lµ nguyªn tè lµm gi¶m ®é thÊm t«i, song trong thÐp giã do cã nhiÒu Cr, W, Mo lµm t¨ng tÝnh thÊm t«i, nªn ¶nh h-ëng nµy cña Co kh«ng ®¸ng kÓ. Khi dïng nhiÒu Co, thÐp cã tÝnh dßn t¨ng vµ dÔ tho¸t cacbon khi nung. M«lip®en trªn rÊt nhiÒu mÆt, m«lip®en kh¸ gièng vonfram lµ nguyªn tè t¹o cacbit, trong thÐp giã nã còng t¹o nªn nhiÒu lo¹i cacbit gièng vonfram, kiÓu m¹ng 238 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt vµ ®-êng kÝnh nguyªn tö t-¬ng tù nhau, tÝnh chÊt ho¸ häc gièng nhau nªn chóng cã thÓ thay thÕ lÉn cho nhau. Theo tÝnh to¸n 1% nguyªn tö Mo thay thÕ ®-îc cho 1% nguyªn tö W, nh-ng khèi l-îng riªng cña Mo chØ b»ng nöa cña W (10,3g/cm 3 so víi 19,3g/cm3) do vËy theo tû lÖ träng l-îng 1% Mo thay thÕ ®-îc cho 2%W. ¦u viÖt næi bËt cña thÐp giã W - Mo lµ: thiªn tÝch cacbit nhá, tÝnh dÎo ë tr¹ng th¸i nãng tèt do ®ã dÓ biÕn d¹ng nãng. Tuy vËy so víi thÐp giã W, thÐp giã W - Mo còng cã nh-îc ®iÓm, dÔ bÞ qu¸ nhiÖt oxy ho¸ vµ tho¸t çcbon h¬n, do ®ã nhiÖt luyÖn khã h¬n. NhiÖt luyÖn thÐp giã: T«i thÐp giã: T«i lµ nguyªn c«ng cã ý nghÜa quyÕt ®Þnh tÝnh cøng nãng cña thÐp giã so víi thÐp th-êng, nhiÖt ®é t«i thÐp giã rÊt cao (1230-12900C) víi môc ®Ých chñ yÕu hßa tan tèi ®a çc nguyªn tè hîp kim vµo austenit, ®Ó sau khi t«i chóng n»m trong mactenxit, ®¶m b¶o tÝnh cøng nãng cho thÐp khi lµm viÖc. M«i tr-êng t«i lµ dÇu nãng (60-800C) hoÆc t«i ph©n cÊp trong muèi nãng ch¶y råi nguéi ngoµi kh«ng khÝ. H×nh 11.8 Tæ chøc cña thÐp giã sau khi t«i gåm: mactenxit, austenit d- (30-40%) vµ cacbit d- (15-20%), víi ®é cøng 62-63HRC. Ram thÐp giã: Ngoµi môc ®Ých ram nh- çc thÐp kh¸c, ram thÐp giã cßn nh»m lµm gi¶m l-îng austenit d- sau khi t«i, t¨ng ®é cøng cho thÐp. NhiÖt ®é ram trong ph¹m vi 550-6000C vµ ph¶i ram nhiÒu lÇn (2-4 lÇn), mçi lÇn 1h. NÕu ram thÊp h¬n 5500C trong thÐp sÏ kh«ng cã chuyÓn biÕn g× míi, nÕu ram trªn 600 0C sÏ lµm cacbit kÕt tô vµ gi¶m ®é cøng. Còng kh«ng thÓ ram 1 lÇn víi thêi gian dµi v× nh- vËy l-îng austenit d- còng kh«ng chuyÓn biÕn hÕt ®-îc. 239 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt §Ó n©ng cao tÝnh c¾t gät cña thÐp giã sau khi t«i vµ mµi bãng cã thÓ tiÕn hµnh thÊm C – N nhiÖt ®é thÊp (550-5700C) trong 2-3h t¹o líp thÊm 0,02-0,04mm cã ®é cøng bÒ mÆt cao 1000-1100Hμ , cã thÓ t¨ng bÒn tuæi thä cho dao c¾t 50-200%. H×nh 11.9 C«ng dông thÐp giã: Çc m¸c thÐp giã cã n¨ng suÊt c¾t b×nh th-êng (80W18Cr4VMo; 90W9Cr4V2Mo; 85W12Cr3V2Mo; 85W6Mo5Cr4V2; 145W9V5Cr4Mo) víi tÝnh cøng nãng kh«ng qu¸ 6000C dïng lµm dao c¾t víi tèc ®é c¾t kho¶ng 25m/ph. Trong ®ã m¸c ®Çu vÉn ®-îc sö dông phæ biÕn ë n-íc ta. M¸c 85W6Mo5Cr4V2 cã tÝnh n¨ng kh«ng thua m¸c ®Çu nh-ng chøa Ýt W h¬n l¹i cã tÝnh c«ng nghÖ tèt, nªn triÓn väng sÏ ®-îc dïng nhiÒu. Çc m¸c thÐp giã cã n¨ng suÊt c¾t cao cã tÝnh cøng nãng cao 630-6400C, cã thÓ c¾t víi tèc ®é 35m/ph, dïng ®Ó gia c«ng çc thÐp khã c¾t nh- thÐp bÒn nãng cã tæ chøc austenit, thÐp kh«ng gØ… Xu h-íng hiÖn nay lµ ngµy cµng dïng nhiÒu lo¹i thÐp giã míi cã chøa Mo, V, Co v× chóng cã tÝnh cøng nãng vµ t¨ng kh¶ n¨ng chèng mµi mßn tèt. 11.5.3. ThÐp lµm khu«n rËp 11.5.3.1. ThÐp lµm khu«n rËp nguéi - §iÒu kiÖn lµm viÖc vµ yªu cÇu ®èi víi khu«n rËp nguéi Khi lµm viÖc, çc khu«n rËp nguéi ngoµi chÞu ¸p lùc rÊt lín ra, cßn chiun øng suÊt uèn, lùc va ®Ëp vµ lùc ma s¸t. §Ó ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn lµm viÖc thÐp ph¶i tho¶ m·n çc yªu cÇu sau: 240 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 1. §é cøng cao - §é cøng cña khu«n rËp nguéi tuy kh«ng yªu cÇu cao nhdao c¾t nh- còng ph¶i ®¹t tíi giíi h¹n 56-62HRC tuú thuéc vµo lo¹i khu«n, chiÒu dµy vµ ®é cøng cña thÐp l¸ ®em rËp. Çc khu«n rËp c¾t thÐp cøng (nh- thÐp biÕn thÕ) vµ cã chiÒu dµy lín, ph¶i yªu cÇu ®é cøng cao h¬n 60HRC. Khi rËp uèn çc l¸ thÐp máng hay cã ®é cøng thÊp, ®é cøng cã thÓ thÊp h¬n. Khi ®é cøng qu¸ 62HRC cã thÓ bÞ nøt mÎ khi lµm viÖc. 2. TÝnh chèng mµi mßn cao. §Ó b¶o ®¶m lµm viÖc l©u dµi, th-êng yªu cÇu ®¹t tíi hµng v¹n ®Õn hµng chôc v¹n lÇn rËp do vËy khu«n rËp ph¶i cã tÝnh chèng mµi mßn cao. 3. §é bÒn vµ ®é dai ®¶m b¶o ®Ó chÞu ®-îc t¶i träng va ®Ëp lín. Qua ®ã cã thÓ thÊy khu«n rËp nguéi cã yªu cÇu t-¬ng tù nhdao c¾t trõ tÝnh cøng nãng. Çc khu«n rËp víi tèc ®é lín bÒ mÆt lµm viÖc cã thÓ bÞ nung nãng do vËy cÇn ph¶i cã tÝnh cøng nãng võa ph¶i. §èi víi khu«n rËp lín cÇn ®é thÊm t«i vµ Ýt thay ®æi thÓ tÝch khi t«i. - Çc thÐp lµm khu«n rËp nguéi §Ó ®¹t ®-îc yªu cÇu nh- vËy thÐp lµm khu«n rËp nguéi cÇn ph¶i cã thµnh phÇn cacbon cao – th-êng ë møc trªn d-íi 1%, trong tr-êng hîp chÞu va ®Ëp võa th× chØ cÇn tõ 0,4 – 0,6%C. L-îng nguyªn tè hîp kim cña thÐp ®-îc quyÕt ®Þnh bëi kÝch th-íc khu«n, tÝnh cøng nãng vµ tÝnh chèng mµi mßn. Çc nguyªn tè hîp kim th-êng dïng lµ çc nguyªn tè lµm t¨ng tÝnh thÊm t«i nh- Cr, Mn, Si, W. + NhiÖt luyÖn kÕt thóc khu«n rËp nguéi: t-¬ng tù nh- dông cô c¾t: t«i + ram thÊp ®¹t tæ chøc mactenxit ram, song nhiÖt ®é ram lÊy cao h¬n chót Ýt v× ®é cøng kh«ng yªu cÇu cao b»ng B¶ng sau tr×nh bµy thµnh phÇn ho¸ häc cña mét sè thÐp hîp kim lµm khu«n rËp nguéi. B¶ng 11.3 Sè hiÖu thÐp 100CrWMn 100CrWSiMn 210Cr12 160Cr12Mo 130Cr12V 110Cr6WV C 0,90-1,05 0,90-1,05 2,00-2,20 1,45-1,65 1,25-1,45 1,05-1,15 Thµnh phÇn çc nguyªn tè, % Cr W Mn Si 0,90-1,20 1,20-1,60 0,8-1,10 <0,4 0,60-1,10 0,50-0,80 0,60-0,90 0,65-1,00 11,5-13,0 <0,35 <0,4 11,0-12,5 <0,35 <0,4 11,0-12,5 <0,35 <0,4 5,5-6,5 1,1-1,5 <0,45 <0,35 241 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ng.tè kh¸c 0,05-0,15V 0,4-0,6Mo 0,7-0,9V 0,5-0,8V VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 40CrSi 40CrW2Si 0,35-0,45 0,35-0,44 1,3-1,6 1,0-1,3 2,0-2,5 <0,40 <0,40 1,2-1,6 0,6-0,9 a) ThÐp cacbon Çc thÐp dông cô lµm khu«n rËp th-êng dïng çc sè hiÖu: CD100 – CD120. Chóng thÝch hîp víi khu«n rËp chÞu t¶i träng nhá, h×nh d¹ng ®¬n gi¶n vµ cã kÝch th-íc bÐ do thÐp cã ®é thÊm t«i thÊp, ph¶i t«i trong n-íc. ¦u ®iÓm lµ lâi kh«ng cøng do vËy cã thÓ chÞu ®-îc t¶i trong va ®Ëp kh«ng lín. Tuy nhiªn khi lµm khu«n rËp cÇn líp bÒ mÆt t«i cøng t-¬ng ®èi dµy ®Ó tr¸nh lón dÑt trong khi lµm viÖc. Do vËy ph¶i chän nhiÖt ®é t«i cao h¬n th«ng th-êng tõ 30-400C vµ ph¶i nhiÖt luyÖn s¬ bé tr-íc khi t«i b»ng th-êng ho¸. b) ThÐp hîp kim thÊp §Ó lµm khu«n rËp cã kÝch th-íc trung b×nh 75-100mm ng-êi ta th-êng dïng thÐp hîp kim thÊp 100Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn chóng cã ®é thÊm t«i t-¬ng ®èi cao. Trong çc sè hiÖu kÓ trªn, ë n-íc ta hay dïng sè hiÖu 100CrWMn nã ®-îc dïng lµm khu«n rËp chÞu t¶i trung b×nh nh-ng h×nh d¹ng phøc t¹p hoÆc kÝch th-íc trung b×nh ThÐp crom cao (lo¹i 12%Cr) §Ó lµm çc khu«n rËp chÞu t¶i träng nÆng, yªu cÇu chèng mµi mßn cao, kÝch th-íc lín, ng-êi ta dïng çc lo¹i thÐp crom cao tíi 12% bao gåm çc sè hiÖu 210Cr12, 160Cr12Mo, 130Cr12V. §Æc tÝnh chung cña çc lo¹i sè hiÖu nµy lµ: - Cã l-îng cacbon rÊt cao (1,5-2%) do ®ã ®¶m b¶o tÝnh chèng mµi mßn rÊt cao. - Cã ®é thÊm t«i lín, kho¶ng 150 – 200mm khi t«i trong dÇu do vËy ®-îc dïng lµm khu«n lín nhÊt. - Cã thÓ ¸p dông nhiÒu chÕ ®é t«i + ram ®Ó ®¹t ®-îc çc yªu cÇu kh¸c vÒ c¬ tÝnh vµ sù æn ®Þnh kÝch th-íc. c) ThÐp crom trung b×nh ThÐp crom trung b×nh víi sè hiÖu 110Cr6WV do ®ã Ýt cacbon vµ crom h¬n nªn Ýt thiªn tÝch cacbit h¬n, ®é thÊm t«i trong kho¶ng 70 – 80mm, ®é bÒn cao h¬n vµ ®é dai cao h¬n (kho¶ng 2 lÇn) thÐp crom cao. ThÐp nµy thÝch hîp dïng lµm dông cô biÕn d¹ng cã ®é bÒn cao, h×nh kh¾c m¶nh, chÞu mµi mßn nh- dông cô l¨n ren. 242 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt NhiÖt luyÖn: chØ ¸p dông çch t«i ra ®é cøng thø nhÊt (t«i ë 950 – 9600, ram ë 160 – 180, ®¹t ®é cøng 61 – 63HRC) chø kh«ng t«i ra ®é cøng thø hai v× nÕu nh- vËy nhiÖt ®é sÏ qu¸ cao cacbit vµ Xe hîp kim hoµ tan gÇn hÕt vµo austenit kh«ng cã t¸c dông c¶n trë sù ph¸t triÓn cña h¹t. d) ThÐp hîp kim thÊp cã cacbon trung b×nh §èi víi çc dông cô biÕn d¹ng lµm viÖc víi t¶I träng va ®Ëp nh- ®ôc bóa h¬I, khu«n c¨t tÊm dµy….cÇn lµm b»ng thÐp cã ®é cøng thÊp h¬n nh-ng ®é dai cao h¬n (chØ yªu cÇu tõ 52 – 54HRC) so víi lo¹i Ýt va ®Ëp. Çc thÐp nµy lµ: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si. Çc thÐp nµy cã ®é dai tèt so víi 4 nhãm trªn lµ do cã l-îng cacbon thÊp h¬n vµ dïng nhiÖt ®é ram cao.. HiÖn nay ®· ¸p dông réng r·i ph©n m¶nh çc khu«n rËp nguéi khi chÕ t¹o vµ nhiÖt luyÖn, råi ghÐp l¹i thµnh khu«n b»ng epoxi hay b»ng hîp kim hµn cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp gióp cho viÖc chÕ t¹o khu«n dÔ h¬n. 11.5.3.2. ThÐp lµm khu«n rËp nãng - §iÒu kiÖn lµm viÖc vµ yªu cÇu ®èi víi khu«n rËp nãng Khi lµm viÖc khu«n rËp nãng th-êng xuyªn chÞu t¶I träng lín vµ lu«n tiÕp xóc víi ph«i cã nhiÖt ®é cao. §Ó ®¶m b¶o lµm viÖc thÐp lµm khu«n ph¶i ®¶m b¶o çc yªu cÇi sau: 1. §é bÒn vµ ®é dai cao. ThÐp lµm khu«n rËp nãng cÇn b¶o ®¶m dé bÒn vµ ®é dai cao ®Ó chÞu ®-îc t¶I träng lín vµ va ®Ëp khi biÕn d¹ng. 2. TÝnh chèng mµi mßn cao. §Ó ®¶m b¶o kh¶ n¨ng lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao trong thêi gian dµi. 3. TÝnh chÞu nhiÖt ®é cao. ThÐp lµm khu«n ph¶I ®¶m b¶o ®-îc c¬ tÝnh ë nhiÖt ®é cao vµ chÞu ®-îc tr¹ng th¸i nung nãng xen kÏ lµm nguéi. Nãi chung çc khu«n rËp nãng cã kÝch th-íc lín nªn ®Ó ®¹t c¬ tÝnh ®ång ®Òu trªn toµn tiÕt diÖn do ®ã ph¶I cã ®é thÊm t«I cao. - Çc thÐp lµm khu«n rËp nãng. §Ó ®¹t ®-îc yªu cÇu trªn thÐp lµm khu«n rËp nãng ph¶i cã l-îng cacbon kh«ng cao kho¶ng 0,4 – 0,6% vµ l-¬ng nguyªn tè hîp cÇn thiÕt ®Ó ®¶m b¶o ®é thÊm t«I ë ®©y ta hay dïng Cr, Ni, W ®Ó hîp kim ho¸. B¶ng sau tr×nh bµy thµnh phÇn ho¸ häc cña çc sè hiÖu thÐp lµm khu«n rËp nãng th-êng dïng trong ®o ba sè hiÖu ®Çu dïng lµm khu«n rÌn cßn ba sè hiÖu sau dïng lµm khu«n chån, Ðp. B¶ng 11.4 243 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Sè hiÖu thÐp 50CrNiMo 50CrNiW 50CrMnMo 30Cr2W8V 40Cr2W5MoV 40Cr5W2VSi C 0,50-0,60 0,50-0,60 0,50-0,60 0,30-0,40 0,35-0,45 0,35-0,45 Thµnh phÇn çc nguyªn tè, % Mn Cr W(Mo) Ni(Si) 0,50-0,80 0,50-0,80 (0,15-0,30) 1,4-1,8 0,50-0,80 0,50-0,80 0,4-0,7 1,4-1,8 1,20-1,60 0,60-0,80 (0,15-0,30) 0,15-0,40 2,2-2,7 7,5-8,5 0,15-0,40 2,2-3,0 4,5-5,5 0,15-0,40 4,5-5,5 1,6-2,2 (0,8-1,2) V 0,2-0,5 0,6-0,9 0,6-0,9 a) ThÐp lµm khu«n rÌn Çc khu«n rÌn cã kÝch th-íc chÞu t¶i träng lín vµ va ®Ëp, bÒ mÆt bÞ nung nãng tíi 500 – 5500C, lßng khu«n cã h×nh d¹ng phøc t¹p do vËy yªu cÇu c¬ tÝnh cao vµ ®ång nhÊt trªn tiÕt diÖn Çc sè hiÖu th-êng dïng cã hai lo¹i thÐp crom – nilen: 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrMnMo. ë n-íc ta hay dïng 50CrNiMo. b) ThÐp lµm khu«n chån Ðp Kh¸c víi khu«n rÌn, çc khu«n chån Ðp nãng tuy cã kÝch th-íc be h¬n nh-ng chÞu nhiÖt ®é cao h¬n do ph¶i th-êng xuyªn tiÕp xóc víi ph«I thÐp nãng ®á, chÞu ¸p suÊt cao nh-ng t¶i träng va ®Ëp nhá. Yªu cÇu c¬ b¶n lµ thÐp nµy ph¶i chÞu ®-îc ë nhiÖt ®é cao. Trong ®iÒu kiÖn nh- vËy ph¶i dïng thÐp hîp kim ho¸ phøc t¹p n©ng cao tÝnh cøng nãng. ThÐp lµm khu«n chån Ðp ë tr¹ng th¸i nãng ph¶i cã l-îng cacbon trong kho¶ng 0,3 – 0,4% ®Ó ®¶m b¶o ®é dai vµ ®Æc biÖt lµ tÝnh dÉn nhiÖt tèt cña khu«n vµ l-îng ®¸ng kÓ çc nguyªn tè Cr, W, Mo, V víi l-îng chøa trªn d-íi 10%. Çc sè hiÖu thÐp th-êng dïng cña nhãm nµy lµ 30Cr2W8V, 40Cr2W5MoV, 40Cr5W2VSi. HiÖn nay còng cã khuynh h-íng dïng hîp kim cøng ®Ó chÕ t¹o khu«n rËp vµ khu«n kÐo sù ®æi míi nµy ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ rÊt lín. 11.5.4. Hîp kim cøng 11.5.4.1. Thµnh phÇn ho¸ häc vµ çc sè liÖu Thµnh phÇn chñ yÕu cña mäi lo¹i hîp kim cøng lµ cacbit vonfram (WC) titan (TiC) vµ tantan (TaC) ë d¹ng çc h¹t rÊt nhá ®-îc dÝnh kÕt víi nhau b»ng kim lo¹i c«ban. Do çc cacbit chiÕm tû lÖ rÊt lín (>90%) nªn hîp kim cøng cã ®-îc nh÷ng ®Æc tÝnh chung c¬ b¶n cña cacbit lµ: rÊt cøng, cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao dßn. 244 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ngoµi ra l-îng chÊt dÝnh kÕ c«ban còng cã ¶nh h-ëng nhá ®Õn çc tÝnh chÊt cña hîp kim cøng. B¶n chÊt ®é cøng vµ tÝnh cøng nãng rÊt cao cña hîp kim cøng ®-îc quyÕt ®Þnh chñ yÕu bëi b¶n chÊt cña çc cacbit kÓ trªn. Çc kim lo¹i vonfram, titan vµ tantan lµ nh÷ng kim lo¹i chuyÓn tiÕp cã ®-êng kÝnh nguyªn tö lín, çc cacbit cña chóng WC, TiC vµ TaC lµ çc pha xen kÏ cã kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n cã ®é cøng, nhiÖt ®é ch¶y vµ tÝnh æn ®Þnh rÊt cao. Cã thÓ ph©n çc hîp kim cøng ra lµm ba phÇn: - Nhãm hîp kim cøng cacbit - cacbit vonfram ký hiÖu b»ng BK vµ sè tiÕp theo chØ sè phÇn tr¨m c«ban, cßn l¹i lµ sè phÇn tr¨m WC. VÝ dô BK8 cã 8% Co, cßn l¹i 92% lµ WC - Nhãm hîp kim cøng hai cacbit - cacbit vonfram vµ cacbit titan, ký hiÖu b»ng TK vµ çc sè chØ sè phÇn tr¨m TiC vµ Co, cßn l¹i lµ sè phÇn tr¨m WC. VÝ dô T15K6 cã 15% TiC, 6% Co, cßn l¹i 79% lµ WC. - Nhãm hîp kim cøng ba cacbit - WC, TiC vµ TaC ký hiÖu b»ng TTK vµ çc sè chØ sè phÇn tr¨m cña tæng l-îng TiC + TaC vµ Co. VÝ dô TT7K12 cã 7% lµ (TiC+TaC); 12% Co vµ cßn l¹i (81%) lµ WC. 11.5.4.2. Çch chÕ t¹o Çc hîp kim ®-îc chÕ t¹o b»ng ph-¬ng ph¸p luyÖn kim bét. Trong ph-¬ng ph¸p nµy kh«ng ph¶i nÊu ch¶y mÎ liÖu, ë ®©y mÎ liÖu r¾n ë d¹ng bét cã kÝch th-íc h¹t nhá ®-îc trén thËt ®Òu råi ®em Ðp thµnh çc miÕng cã h×nh d¹ng ®¬n gi¶n, sau ®ã ®em nung lªn ®Õn nhiÖt ®é thÝch hîp (thiªu kÕt) ®Ó çc chÊt dÝnh kÕt liªn kÕt çc h¹t víi nhau thµnh khèi v÷ng ch¾c. §Ó chÕ t¹o hîp kim cøng ph¶i qua çc b-íc sau ®©y: - §Çu tiªn ph¶i chÕ t¹o vonfram nguyªn chÊt b»ng çch hoµn nguyªn WO3 trong dßng khÝ hy®r« ë 700 - 9000C. Bét vonfram th« (h¹t lín) thu ®-îc ®em nghiÒn nhá trong m¸y nghiÒn b×, sau ®ã qua sµng ®Ó lÊy kÝch th-íc h¹t nhá nhÊt ®Þnh (0,10 - 1,15m tíi 3 - 5m) - Trén bét vonfram víi bå hãng (muéi than) nung lªn 14000C ®Ó ®-îc bét cacbit vonfram. §Ó chÕ t¹o lo¹i hai cacbit ng-êi ta trén thªm TiO2 vµo hçn hîp trªn ®Ó sau khi nung ®-îc ngay c¶ hçn hîp cña hai cacbit. - Trén bét cacbit víi bét c«ban trong nhiÒu giê ®Ó lµm ®Òu thµnh phÇn - Ðp hçn hîp d-íi ¸p suÊt lín råi nung s¬ bé ®Ó t¹o cho hçn hîp ®é bÒn cÇn thiÕt ®Ó gia c«ng c¬. 245 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - C¾t vµ gia c«ng c¬ trªn çc m¸y c¾t kim lo¹i: phay, tiÖn... - Thiªu kÕt lÇn cuèi cïng ë 1400 - 15000C ®Ó t¹o thµnh hîp kim cøng. Khi ®ã c«ban ®· ch¶y mÒm ra vµ dÝnh çc h¹t cacbit l¹i víi nhau t¹o thµnh hîp kim cøng víi sù liªn kÕt chÆt gi÷a çc h¹t. Çc hîp kim cøng sau khi chÕ t¹o xong rÊt cøng kh«ng thÓ gia c«ng c¬ khÝ ®-îc, çch gia c«ng duy nhÊt chóng lµ mµi trªn lo¹i ®¸ mµi ®Æc biÖt. 11.5.5. ThÐp lµm dông cô ®o 11.5.5.1. §iÒu kiÖn lµm viÖc vµ yªu cÇu ®èi víi thÐp lµm dông cô ®o. Trong c¬ khÝ viÖc sö dông çc dông cô ®o lµ rÊt lín chóng th-êng xuyªn chÞu mµi mßn do vËy dÔ dÉn ®Õn kÕt qu¶ sai lÖch khi ®o. §Ó ®¶m b¶o ®é chÝnh x¸c cña dông cô ®o thÐp ph¶i tho¶ m·n çc yªu cÇu sau: 1. Cã ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao. Víi dông cô chÝnh x¸c cao ®é cøng cã thÓ lªn ®Õn 63 – 65HRC. 2. KÝch th-íc kh«ng ®æi trong suèt qu¸ tr×nh lµm viÖc 3. Ngoµi ra thÐp cßn ph¶i ®¶m b¶o tÝnh nh½n bãng cao lªn tíi cÊp 14. Dông cô ®o víi ®é chÝnh x¸c thÊp, çc yªu cÊu trªn cã thÓ gi¶m bít. 11.5.5.2. Çc thÐp lµm dông cô ®o §Ó ®¶m b¶o yªu cÇu dông cô ®o ph¶i cã çc ®Æc ®iÓm sau: - L-îng cacbon cao kho¶ng 1% th-êng lµ thÐp sau cïng tÝch. - L-îng nguyªn tè hîp kim thÊp víi çc nguyªn tè n©ng cao ®é thÊm t«i b¶o ®¶m t«i thÐp trong dÇu kh«ng bÞ biÕn d¹ng. Th-êng dïng hai nguyªn tè hîp kim chÝnh lµ Cr vµ Mn. Çc thÐp lµm dông cô ®o víi ®é chÝnh x¸c cao lµ X, ШX15, XΓ vµ XBΓ . Çc thÐp lµm dông cô ®o cÊp chÝnh x¸c thÊp kh«ng yªu cÇu ®Õn lo¹i thÐp trªn chØ cÇn dïng: - ThÐp 15, 20, 15Cr, 20Cr, 12CrNi3A ®em thÊm cacbon, t«i vµ ram thÊp. - ThÐp 50, 55 t«i bÒ mÆt phÇn lµm viÖc. ThÐp 38CrMoAlA ®em thÊm nit¬, ¸p dông cho çc dông cô ®o cã kÝch th-íc lín vµ h×nh d¹ng phøc t¹p. 11.6. ThÐp kh«ng gØ 11.6.1. ¨n mßn vµ b¶o vÖ kim lo¹i * Kh¸i niÖm: ¨n mßn lµ sù ph¸ huû kim lo¹i d-íi t¸c dông x©m thùc cña m«i tr-êng mµ s¶n phÈm lµm viÖc. 246 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt * §Æc ®iÓm ¨n mßn: + X¶y ra th-êng xuyªn, liªn tôc víi çc s¶n phÈm kinh lo¹i + Chñ yÕu phô thuéc vµo m«i tr-êng + Ýt chÞu ¶nh h-ëng cña t¶i träng mµ chñ yÕu phô thuéc vµo tr¹ng th¸i øng suÊt. * Ph©n lo¹i ¨n mßn: Theo c¬ chÕ cã 2 lo¹i: + ¨n mßn ho¸ häc: lµ qu¸ tr×nh ¨n mßn kim lo¹i mµ kh«ng ph¸t sinh dßng ®iÖn (Chñ yÕu lµ ¶nh h-ëng kim lo¹i ë nhiÖt ®é cao) Me + O2  MexOy KL SP ¨n mßn + ¨n mßn ®iÖn ho¸: lµ qu¸ tr×nh ¨n mßn mµ nã x¶y ra thµnh 2 qu¸ tr×nh riªng biÖt Qu¸ tr×nh Anèt: Me - ne- Men+: hoµ tan kim lo¹i (kim lo¹i bÞ ¨n mßn) Qu¸ tr×nh katèt: Dne + ne-  [Dnen-] Dne - chÊt khö cùc H+ + e-  H; 2H H2 Khi ¨n mßn ®iÖn ho¸ sÏ t¹o mét cÆp pin ¨n mßn trong toµn bé s¶n phÈm do ®ã t¹o v« sè çc vi pin ¨n mßn nªn cã dßng ®iÖn ¨n mßn. ¨n mßn ®iÖn ho¸ diÔn ra liªn tôc trong mäi m«i tr-êng cã tÝnh ®iÖn li lµ d¹ng ¨n mßn phæ biÕn nhÊt, t¸c h¹i lín nhÊt. * Çc ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ kim lo¹i chèng ¨n mßn ®iÖn ho¸ - Ph-¬ng ph¸p bao phñ b¶o vÖ: Çch li kim lo¹i víi m«i tr-êng ¨n mßn b»ng çc líp phñ + S¬n phñ b¶o vÖ: chØ cã t¸c dông çch li + M¹, phun kim lo¹i b¶o vÖ võa çch li, võa b¶o vÖ ®iÖn ho¸. Líp phñ anot: vËt liÖu líp phñ cã thÕ ®iÖn cùc tiªu chuÈn 0 ©m h¬n 0 cña kim lo¹i cÇn b¶o vÖ Cã tÝnh b¶o vÖ kÓ c¶ khi líp phñ bÞ ph¸ huû nh-ng vÉn cßn tõng phÇn. - Líp phñ katèt: 0 cña kim lo¹i phñ d-¬ng h¬n 0 cña kim lo¹i cÇn b¶o vÖ chØ cã t¸c dông çch li ®iÖn. - Ph-¬ng ph¸p xö lý m«i tr-êng: T¹o ra m«i tr-êng mµ kh«ng cã tÝnh ®iÖn li chØ thùc hiÖn ®èi víi m«i tr-êng h¹n chÕ. - B¶o vÖ ®iÖn ho¸: Gi¶m dßng ¨n mßn 247 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + Dïng anèt hi sinh: Nèi kim lo¹i cÇn b¶o vÖ víi kim lo¹i cã 0 ©m h¬n nã, do ®ã khi bÞ ¨n mßn qóa tr×nh ¨n mßn sÏ x¶y ra ë anèt vµ kim lo¹i ®-îc b¶o vÖ. + Dïng protector: dïng nguån ngoµi ®Ó c-ìng bøc mét kim lo¹i trë thµnh anot kim lo¹i cÇn b¶o vÖ lu«n lµ katèt vµ ®-îc b¶o vÖ. * S¬ ®å nguyªn lý - + Pr Me H×nh 11.10. S¬ ®å nguyªn lý b¶o vÖ b»ng protector VËt liÖu Pr: W, Gr kh«ng bÞ ¨n mßn B¶o vÖ gÇn nh- tuyÖt ®èi: ChØ dïng cho çc chi tiÕt quan träng, kÝch th-íc nhá cña tÕ bµo. ¨n mßn Qu¸ thô ®éng + B¶o vÖ b»ng thô ®éng ho¸ kim lo¹i + Kh¸i niÖm: Sù thô ®éng cña kim Giai ®o¹n thô ®éng lo¹i lµ qu¸ tr×nh mµ dßng ¨n mßn cña kim lo¹i gi¶m ®ét ngét d-íi t¸c dông cña nguån ngo¹i. * Trong thùc tÕ th-êng dïng kÕt hîp nhiÒu ph-¬ng ph¸p b¶o vÖ ithô ®éng I¨n S¬n phñ + b¶o vÖ ®iÖn ho¸ S¬n phñ + xö lý m«i tr-êng H×nh 11.11 * S¶n xuÊt çc vËt liÖu cã tÝnh chèng ¨n mßn cao çc lo¹i thÐp vµ hîp kim kh«ng gØ + Nguyªn lý cña thÐp kh«ng gØ T¹o ra thÐp cã tæ chøc 1 pha ®ång nhÊt kh«ng cã çc vïng chªnh lÖch thÕ ®iÖn cùc chØ cã hÓ t¹o ra thÐp  chñ yÕu dïng Ni (Ni t¨ng rÊt m¹nh 0 cña Fe) thÐp kh«ng gØ 1 pha. - T¹o thÐp cã o cao ®Ó tr¬ trong çc m«i tr-êng ¨n mßn - T¹o thÐp kh«ng gØ  víi [NTHK] chÝnh lµ Cr * Ph©n lo¹i ¨n mßn theo h×nh d¹ng t¸c dông 248 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + ¨n mßn ®Òu: lµ qu¸ tr×nh ¨n mßn x¶y ra t-¬ng ®èi ®Òu trªn toµn bé bÒ mÆt cña s¶n phÈm kim lo¹i + ¨n mßn ®iÓm: x¶y ra tËp trung t¹i 1 sè vÞ trÝ trªn bÒ mÆt s¶n phÈm + ¨n mßn viÒn giíi h¹t: x¶y ra m·nh liÖt theo biªn giíi h¹t + ¨n mßn øng suÊt: x¶y ra m·nh liÖt t¹i çc vïng tËp trung øng suÊt * HiÖn t-îng ¨n mßn tinh giíi: NÕu sù ¨n mßn thÐp x¶y ra ®ång ®Òu trªn toµn bÒ mÆt th× th-êng kh«ng nguy hiÓm, nh-ng nÕu sù ¨n mßn thÐp x¶y ra tËp trung ë mét sè chç nhÊt ®Þnh th× mÆc dÇu tæng l-îng kim lo¹i bÞ ¨n mßn Ýt nh-ng chi tiÕt vÉn cã thÓ bÞ ph¸ huû, do ®ã rÊt nguy hiÓm. Sù ¨n mßn theo tinh giíi lµ d¹ng ¨n mßn nguy hiÓm nhÊt v× lóc nµy sù ¨n mßn ph¸t triÓn s©u rÊt nhanh vµo bªn trong theo biªn giíi h¹t. Sù ¨n mßn tinh giíi cña thÐp kh«ng gØ Cr – Ni khi lµm viÖc trong m«it tr-êng ¨n mßn phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ thêi gian nung nãng. H×nh vÏ ®· tr×nh bµy ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian gi÷ nhiÖt ®Õn khuynh h-íng ¨n mßn tinh giíi cña thÐp 12Cr18Ni9. Qua ®ã thÊy râ tèc ®é ¨n mßn tinh giíi phô thuéc vµo nhiÖt ®é. Nguyªn nh©n cña hiÖn t-îng nµy lµ khi nung nãng l©u trong kho¶ng nhiÖt ®é 400-8000C cã cacbit Cr tiÕt ra khái austenit. Çc phÇn tö nµy tiÕt ra n»m ë biªn giíi h¹t austenit. Khi t¹o cacbit crom, l-îng crom ë biªn giíi tiÕt ra bÞ nghÌo ®i ®¸ng kÓ vµ nång ®é crom ë biªn giíi h¹t thÊp d-íi 12%. Së dÜ cã hiªn t-äng nµy lµ do trong kho¶ng nhiÖt ®é ®ã tèc ®é khuÕch t¸n cña crom thÊp (thÊp h¬n nhiÒu so víi cacbon). MÆc dï l-îng crom cña phÇn gi÷a h¹t vÉn ®ñ cao, nång ®é crom trªn toµn bé h¹t vÉn kh«ng ®-îc san b»ng. Do biªn giíi h¹t bÞ nghÌo crom, vïng nµy kh«ng ®ñ kh¶ n¨ng chèng l¹i sù ¨n mßn, v× thÕ sù ¨n mßn ph¸t triÓn rÊt nhanh theo tinh giíi. Khi nung nãng thÐp ë d-íi 4000C vµ trªn 8000C khuynh h-íng ¨n mßn tinh giíi lµ thÇp v× do ë nhiÖt ®é d-íi 4000C sù t¹o thµnh cacbit crom ch-a x¶y ra cßn ë trªn 8000C tèc ®é khuÕch t¸n cña crom lµ ®ñ lín kÞp san b»ng nång ®é trªn toµn bé h¹t, nªn vïng biªn giíi h¹t vÉn ®ñ l-îng crom lµ 12%.  §iÒu chó ý lµ cã thÓ gÆp tr-êng hîp mÆc dï ë trong vïng 400 – 8000C sù ¨n mßn tinh giíi x¶y ra mét thêi gian råi dõng l¹i ®ã lµ do crom ®· kÞp ®ñ thêi gian khuÕch t¸n san b»ng nång ®é. Nh- vËy nguyªn nh©n cña ¨n mßn tinh giíi lµ do sù t¹o thµnh cacbit crom lµm nghÌo crom vïng biªn giíi kh«ng cã kh¶ n¨ng chèng l¹i sù ¨n mßn. Mäi biÖn ph¸p 249 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt chèng ¨n mßn tinh giíi ë ®©y ®Òu dùa trªn nguyªn t¾c h¹n chÕ l-îng cacbit crom ë biªn giíi h¹t khi bÞ nung nãng. §Ó ®¹t ®-îc môc ®Ých nµy ng-êi ta th-êng dïng hai biÖn ph¸p sau: T,0C 700 ¡n mßn tinh giíi 600 500 400 300 1 10 100 Τ, ph H×nh 11.12: Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vµ thêi gian xuÊt hiÖn ¨n mßn tinh giíi Mét lµ gi¶m hµm l-îng cacbon cã trong thÐp tíi giíi h¹n hoµ tan cña nã cã trong austenit (chøa crom vµ niken cao) ë nhiÖt ®é th-êng lµ 0,05 – 0,08%, do vËy khi nung nãng kh«ng thÓ t¹o cacbit crom. Ng-êi ta dïng thÐp kh«ng gØ crom-niken cã l-îng cacbon rÊt thÊp víi sè hiÖu 04Cr18Ni9 vµ 08Cr18Ni10. Tuy nhiªn ®©y kh«ng ph¶i lµ biÖn ph¸p ®¬n gi¶n v× ph¶i dïng l-îng ferocrom Ýt cacbon rÊt ®¾t ®Ó hîp kim ho¸. Hai lµ ®-a vµo thÐp mét l-¬ng Ti, Nb: çc nguyªn tè nµy sÏ thay crom kÕt hîp víi cacbon t¹o thµnh cacbit vµ do vËy khi nung kh«ng cã cacbit crom tiÕt ra khái biªn giíi.HiÖn nay ng-êi ta dïng phæ biÕn lo¹i thÐp hîp kim hãa b»ng Ti víi çc sè hiÖu: 12Cr18Ni9T, 08Cr18Ni10Ti, 12Cr18Ni10Ti trong ®ã l-îng Ti ®-a vµo ph¶i nhiÒu gÊp Ýt nhÊt 5 lÇn l-îng cacbon ®Ó kÕt hîp hÕt víi l-îng cacbon cã trong thÐp. Çc sè hiÖu thÐp kh«ng gØ 04Cr18Ni9 08Cr18Ni10 12Cr18Ni9Ti, 08Cr18Ni10Ti, 12Cr18Ni10Ti kh«ng cã khuynh h-íng ¨n mßn tinh giíi ®-îc dïng khi chÞu nung nãng tíi 6000C trong m«i tr-êng ¨n mßn hoÆc qua hµn. Çc sè hiÖu 12Cr18Ni9 17Cr18Ni9 cã khuynh h-íng bÞ ¨n mßn tinh giíi do ®ã sau khi t«i kh«ng ®-îc lµm viÖc trong m«i tr-êng ¨n mßn víi nhiÖt ®é cao h¬n 4000C vµ ®Æc biÖt kh«ng qua hµn §Ó gi¶m gi¸ thµnh cña thÐp kh«ng gØ ta cã thÓ dïng Mn thay thÕ cho mét phÇn Ni ®Ó chÕ t¹o mét sè chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng ¨n mßn yÕu vÝ dô nh-: 10Cr14Mn14Ni3 thay cho 12Cr18Ni9, 17Cr18Ni9. 11.6.2. Çc lo¹i thÐp kh«ng gØ * Tiªu chuÈn ®¸nh gi¸ tÝnh chèng ¨n mßn cña thÐp 250 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Dùa vµo tèc ®é ¨n mßn + Tèc ®é ¨n mßn khèi l-îng: lµ l-îng kim lo¹i ®-îc tÝnh theo khèi l-îng [kg, g, mg] trong mét ®¬n vÞ thêi gian Vm  dm [ MT 1 ] d + Tèc ®é ¨n mßn kÝch th-íc: lµ sù hao hôt vÒ kÝch th-íc cña s¶n phÈm kim lo¹i trong m«i tr-êng trong mét ®¬n vÞ thêi gian VL  dL d [ LT 1 2 ,L T 1 3 ,L T 1 ] NÕu Vm < 0,1 g/n¨m thÐp kh«ng gØ Vm ~ (0,11  1) g/n¨m thÐp kh«ng gØ tèt Vm > 1 g/n¨m thÐp b×nh th-êng 11.6.2.1. ThÐp kh«ng gØ 2 pha * ThÐp kh«ng gØ M: lµ çc lo¹i thÐp kh«ng gØ mµ tæ chøc thu ®-îc lµ M trong mäi ®iÒu kiÖn lµm nguéi. Thµnh phÇn ho¸ häc cña thÐp: %C chñ yÕu < 0,1% NÕu yªu cÇu ®é cøng cao cã thÓ tíi 0,4%C NÕu THK: t¨ng m¹nh 0 cho thÐp, gi¸ thµnh hîp lý, dÔ hîp kim ho¸, cã kh¶ n¨ng ho¸ bÒn  Chän NTHK chÝnh lµ Cr ¶nh h-ëng Cr ®Õn 0 cña thÐp khi thÐp cã Cr 0  t¨ng 0, tån t¹i çc b-íc nh¶y theo quy luËt øng suÊt  khi chän % Cr cè g¾ng chän t¹i vÞ trÝ cã b-íc nh¶y vÒ o. Do Cr lµ nguyªn tè t¹o (k)  chän l©n cËn ph¶i ®Ó tr¸nh gi¶m %Cr trong Fe(). Khi %Cr > 30%  xuÊt hiÖn pha   kh«ng chän %Cr > 30%. Víi thÐp M kh«ng gØ chän %Cr ~ 13%. 12,5 25 37,5 %Cr H×nh 11.13 - TÝnh chÊt: + Chèng ¨n mßn tèt trong m«i tr-êng kh«ng khÝ + Trong m«i tr-êng axit vµ baz¬ chèng ¨n mßn kÐm do cã tËp trung øng suÊt khi chuyÓn biÕn mactenxit (do hai pha). + §¶m b¶o tÝnh dÎo  Dïng s¶n xuÊt çc lo¹i thiÕt bÞ gia dông, toa xe ®Ó chë ho¸ chÊt 251 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÝ dô: 12Cr13; 20Cr13; 30Cr13; 40Cr13 NhiÖt luyÖn: ChØ nhiÖt luyÖn thÐp 30Cr13 vµ 40Cr13 b»ng ph-¬ng ph¸p t«i + ram thÊp nh»m t¨ng ®é cøng * ThÐp ferit bÒn axit Nguyªn tè hîp kim chÝnh lµ Cr. Tïy theo hµm l-îng Cr mµ chia ra lµm ba nhãm: - Nhãm thÐp chøa kho¶ng 13%Cr lo¹i nµy chøa rÊt Ýt cacbon. Cho thªm kho¶ng 0,2%Al nguyªn tè më réng vïng α , sÏ ng¨n c¶n sù t¹o thµnh austenit khi nung thuËn lîi cho viÖc hµn ®-îc dïng nhiÒu trong c«ng nghiÖp dÇu má. - Nhãm thÐp chøa tíi 17%Cr nh- sè hiÖu 12Cr17, ®ã lµ sè hiÖu thÐp kh«ng gØ ferit dïng nhiÒu nhÊt, v× nã cã thÓ thay thÕ cho thÐp austenit trong nh÷ng tr-êng hîp cã thÓ l¹i kh«ng chøa Ni nªn rÎ. §-îc dïng nhieeug trong c«ng nghiÖp s¶n xuÊt HNO3, hãa thùc phÈm, kiÕn tróc…. Nh-îc ®iÓm duy nhÊt lµ khã hµn, tuy nhiªn cã thÓ kh¾c phôc b»ng çch h¹ thÊp hµm l-îng cacbon hoÆc cho thªm Ti. - Nhãm thÐp chøa tõ 20-30%Cr do cã hµm l-îng Cr cao nªn chèng oxy hãa ®-îc ë nhiÖt ®é cao. 11.6.2.2. ThÐp kh«ng gØ 1 pha: lµ lo¹i thÐp kh«ng gØ mµ tæ chøc chØ cã 1 pha ®ång nhÊt (ChØ cã thÓ lµ ) + Thµnh phÇn ho¸ häc: %C < 0,1% + NTHK chÝnh: Ni: më réng vïng  T¨ng 0 cña thÐp (còng theo quy luËt øng suÊt) Do Ni ®¾t tiÒn khã hîp kim ho¸ kh«ng dïng víi sè l-îng qu¸ lín %Ni ~ (9  12)% ç biÖt (16)%. Dïng thªm [NTHK] bæ trî ®Ó t¨ng 0 cho thÐp, sö dông Cr. Cßn gäi lµ thÐp Cr - Ni * TÝnh chÊt: + Chèng ¨n mßn tèt trong mäi m«i tr-êng (chØ theo Ti) + TÝnh dÎo cao, dÔ gia c«ng ¸p lùc + C¬ tÝnh ®¶m b¶o, mÆc dÇu kh«ng hãa bÒn b»ng nhiÖt luyÖn nh-ng hãa bÒn b»ng biÕn d¹ng dÎo. + TÝnh hµn kh«ng cao dÔ xuÊt hiÖn ¨n mßn tinh giíi h¹t mèi hµn + §¾t tiÒn do cã chøa nhiÒu Ni + Khã gia c«ng c¾t gät do dÎo qu¸nh, phoi khã g·y S¶n xuÊt çc thiÕt bÞ chèng ¨n mßn cao. 252 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + NhiÖt luyÖn: HÇu nh- kh«ng nhiÖt luyÖn, khi cÇn t¨ng ®é bÒn, ®é cøng cã thÓ t«i T0t«i ~ (950  1000)0C t«i dÇu + KÝ hiÖu: TCVN: 12Cr18Ni9, 4Cr18Ni10, 25Cr25Ni18Ti 11.6.2.3. Mét sè hîp kim kh«ng gØ * Hîp kim Ti: cã tÝnh chèng gØ, chÞu nhiÖt r¾n cao dÔ bÞ dßn, qu¸ ®¾t, khã chÕ t¹o chØ dïng trong çc chi tiÕt ®Æc biÖt quan träng. * Hîp kim Ni: Ni - Cr; Ni - Co; Ni - Mo tÝnh chÞu nhiÖt cao nhÊt,  cao dïng lµm d©y ®èt trong lµ ®iÖn trë. 11.7. ThÐp chÞu nhiÖt 11.7.1. §Æc ®iÓm cña kim lo¹i khi lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao + ë nhiÖt ®é cao th-êng xuyªn t¹o ra m«i tr-êng kh«ng ®iÖn li qu¸ tr×nh ¨n mßn ®iÖn ho¸ Ýt x¶y ra + ë nhiÖt ®é cao t-¬ng t¸c cña oxi víi kim lo¹i trë lªn m·nh liÖt h¬n chñ yÕu lµ ¨n mßn ho¸ häc. Me + O2 MexOy Líp oxit trªn bÒ mÆt kim lo¹i lµ s¶n phÈm ¨n mßn ë t 0 cao. NÕu líp oxit cã kh¶ n¨ng chèng khuyÕch t¸n oxi qua nã ng¨n chÆn ®-îc qu¸ tr×nh ¨n mßn tiÕp theo. + §iÒu kiÖn ®Ó mµng oxit cã tÝnh b¶o vÖ + V oxit  1 ®Ó bao phñ kÝn bÒ mÆt kim lo¹i V kl + Mµng oxit ph¶i xiÕt chÆt ®Ó ng¨n ngõa qu¸ tr×nh khuÕch t¸n oxi + §é dÝnh b¸m cña mµng oxit vµo kim lo¹i c¬ së tèt tr¸nh bong trãc khi lµm viÖc. 11.7.2. §Æc ®iÓm cña mµng oxit s¾t + Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe-O2 C0 Láng 570 CuuDuongThanCong.com FeO Fe+FeO Fe+Fe3O4 FeO+ 253 Fe3O4 Fe3O4 Fe3O4 + Fe2O3 Fe2O3 https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt H×nh 11.14 CÊu tróc cña líp oxit Fe Fe < 5700C: Fe2O4 Fe3O4 Fe2O3 FeO Fe > 5700C Fe2O3 H×nh 11.15 Fe3O4 vµ Fe2O3 ®Òu cã V oxit  1 V kl §é xÝt chÆt rÊt cao, tÝnh æn ®Þnh cao, kh«ng cho oxi khuÕch t¸n qua nã < 570 C thÐp cã thÓ coi lµ kh«ng bÞ ¨n mßn ho¸ häc. Khi t0 > 5700C, trong mà ng oxit xuÊt hiÖn FeO rÊt xèp kh«ng cã kh¶ n¨ng ng¨n chÆn oxi qu¸ tr×nh xuÊt hiÖn diÔn ra liªn tôc FeO rÊt dÔ bong ra khái Fe kh«ng cã tÝnh b¶o vÖ. KÕt luËn: ViÖc chèng oxi ho¸ cho phÐp chØ quan t©m khi t 0 lµm viÖc cña chi tiÕt lín h¬n 5700C. 11.7.3. §Æc ®iÓm c¬ tÝnh cña kim lo¹i ë t0 cao 0 t0 th-êng + Khi  < B: kh«ng bÞ ph¸ huû t0 cao +  < B : vÉn cã ph¸ huû +  < 0,2 :kh«ng bÞ biÕn d¹ng +  < 0,2: vÉn bÞ biÕn d¹ng dÎo + Sù ph¸ huû kim lo¹i vµ biÕn d¹ng + Thêi gian ®Æt t¶i cã t¸c dông râ rÖt kh«ng phô thuéc vµo thêi gian 254 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Kh«ng sö dông ®-îc çc quy luËt ë t0 thÊp khi thiÕt kÕ chi tiÕt m¸y ph¸ huû ë t0 cao gäi lµ ph¸ huû d·o (bß) * §Þnh nghÜa d·o (tõ biÕn): ph¸ huû d·o lµ qu¸ tr×nh ph¸ huû hoÆc biÕn d¹ng vËt liÖu khi t¶i träng kh«ng thay ®æi mµ chØ theo thêi gian lµm viÖc. * §-êng cong d·o  D C B A , = cost 0 0  lµm viÖc  H×nh 11.16 OA = : l-îng biÕn d¹ng ban ®Çu cña vËt liÖu khi chÞu t¶i träng AB: tèc ®é d·o gi¶m dÇn BC: giai ®o¹n d·o æn ®Þnh CD: tèc ®é d·o t¨ng dÇn vµ ph¸ huû ,  = const; s¶n phÈm vÉn bÞ ph¸ huû sau mét thêi gian lµm viÖc ph¶i x¸c ®Þnh thêi gian lµm viÖc cña chi tiÕt øng víi ®iÒu kiÖn sö dông çc chØ tiªu c¬ tÝnh ë t0 cao. * Gh d·o theo møc ®é biÕn d¹ng 0  ,    /  T lam viec  A VÝ dô:  500 3000 / 10  25 kG / mm 2 Lµ gi¸ trÞ øng suÊt vµ thêi gian lµm viÖc cña vËt liÖu g©y ra mét møc ®é biÕn d¹ng x¸c ®Þnh trong mét kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh. * Gh bÒn l©u: lµ thêi gian ®Õn lóc ph¸ huû cña vËt liÖu ë mét øng suÊt vµ to cho tr-íc. 0  ,   ( h ) t lamviec 0 ( C) VÝ dô:  600 1000  B  20 kG / mm 2 * Çc yÕu tè quyÕt ®Þnh chØ tiªu c¬ tÝnh ë nhiÖt ®é cao + TÝnh æn ®Þnh nãng: lµ kh¶ n¨ng b¶o toµn kh«ng biÕn d¹ng trung b×nh ho¸ häc ë nhiÖt ®é cao. 255 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt + TÝnh bÒn nãng: lµ kh¶ n¨ng duy tr× c¬ tÝnh cña vËt liÖu ë nhiÖt ®é cao muèn bÒn nãng tr-íc hÕt ph¶i æn ®Þnh nãng. Tuy nhiªn ngoµi tÝnh æn ®Þnh nãng, yÕu tè quyÕt ®Þnh lµ: Lùc liªn kÕt nguyªn tö B¶n chÊt pha CÊu t¹o m¹ng tinh thÓ Muèn t¹o çc thÐp chÞu nhiÖt, çc NTHK ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn + Ho¸ bÒn cho thÐp + T¹o çc pha trung gian cã nhiÖt ®é nung ch¶y, tÝnh æn ®Þnh, ®é cøng, ®é ph©n t¸n cao. + T¹o cÊu tróc tinh thÓ Ms, Mv cao + Hoµ tan dÔ dµng trong thÐp Çc (NTHK) c¬ b¶n: chñ yÕu Cr, Ni vµ vi l-îng Ti 11.7.4. Çc lo¹i thÐp vµ hîp kim chÞu nhiÖt c¬ b¶n * ThÐp tuabin, nåi h¬i HiÖn nay cÊc nåi h¬i cña çc nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn th-êng ho¹t ®éng víi çc th«ng sè: nhiÖt ®é h¬i n-íc 5400C víi ¸p suÊt 250at hoÆc nhiÖt ®é 5600C víi ¸p suÊt 160at. Sù h¹n chÕ nµy kh«ng ph¶i do kü thuË mµ do kh«ng cã thÐp bÒn nãng t-¬ng ®èi rÎ ®Ó nåi h¬i cã thÓ lµm viÖc l©u dµi (h¬n 100000h) ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao h¬n. VÒ c«ng dông, çc thÐp nµy chia lµm hai nhãm: nhãm thÐp nåi h¬i vµ thÐp b¾t chÆt. Nhãm thÐp nåi h¬i: Víi nåi h¬i ¸p suÊt tring b×nh vµ thÊp (d-íi 60at) víi nhiÖt ®é lµm viÖc kh«ng v-ît qu¸ 4500C cã thÓ dïng thÐp cacbon thÊp CT34, CT38, C15, C20. Çc èng qu¸ nung h¬i, èng dÉn h¬i lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao h¬n 540 0C ph¶i dïng thÐp hîp kim cacbon thÊp lo¹i peclit nh- 12CrMo, 12CrMoV. §u«i çnh tuèc bin h¬i lµm viÖc ë 540-5600C ph¶i dïng thÐp hîp kim cao h¬n nh- mactenxit, nh- 15Cr12WniMoV. 12Cr1315Cr11MoV. Çc nåi h¬i ¸p suÊt ph¶i dïng thÐp austenit nh- 9Cr14Ni19W2NbB. Nhãm thÐp b¾t chÆt: Lo¹i thÐp nµy dïng ®Ó lµm çc chi tiÕt b¾t chÆt thiÕt bÞ nåi h¬i tuoocbin nh- bulong, vÝt cÊy....chóng cã t¸c dông lµm kÝn mÆt bÝch. Yªu cÇu c¬ b¶n lµ cã giíi h¹n ch¶y cao. Th-êng dïng çc m¸c sau: 30CrMo, 35CrNi3MoA, 38CrMoAlA, 25Cr2MoVA, 40CrNi2MoA 256 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt NhiÖt luyÖn: Çc chi tiÕt nåi h¬i (®Æc biÖt lµ ®-êng èng) kh«ng thÊm C vµ t«i. Sö dông ë tr¹ng th¸i th-êng ho¸. Çc chi tiÕt tuabin cã thÓ thÊm C hoÆc kh«ng nh-ng ph¶i t«i vµ ram. NhiÖt ®é lµm viÖc æn ®Þnh lín nhÊt: 680  7500C * ThÐp xup¸p x¶: Trong çc ®éng c¬ ®èt trong, supap x¶ lµ chi tiÕt lµm viÖc trong çc ®iÒu kiÖn nÆng nhÊt: chÞu t¶i träng cao, chÞu nhiÖt ®é cao t¬i 650-7000C, bÞ ¨n mßn vµ mµi mßn trong s¶n phÈm cahys. §Ó chÕ t¹o çc supap x¶ cho çc ®éng c¬ oto m¸y kÐo lo¹i nhá vµ võa, th-êng dïng thÐp Cr-Si nh- çc sè hiÖu 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo. §Ó chÕ t¹o supap x¶ cho çc ®éng c¬ c«ng suÊt lín h¬n cã thÓ dïng m¸c 30Cr13Ni7Si2 vµ tèt nhÊt lµ dïng thÐp bÒn nãng austenit víi m¸c 45Cr14Ni14W2Mo do ®é cøng thÊp nªn thÐp ph¶i thÊm N c¹nh v¸t supap ®-îc ®¾p b»ng hîp kim stelit. Supap n¹p cã nhiÖt ®é lµm viÖc kh«ng cao nªn cã thÓ chÕ t¹o b»ng thÐp 40CrNi - ChÕ ®é nhiÖt luyÖn: T«i + ram cao + t«i bÒ mÆt b»ng dßng tÇn sè cao. * Mét sè hîp kim chÞu nhiÖt trªn c¬ së kh«ng ph¶i nÒn Fe + Hîp kim Ni - Cr X20H80 - Nim«nich Tæ chøc: nÒn dung dÞch r¾n cña Cr trong Ni Pha ph«i t¸n: pha liªn kÕt lo¹i Cr - Ni chÞu ®-îc nhiÖt ®é rÊt cao biÕn d¹ng 3000C,  lín dïng lµm d©y ®èt cho çc lß nung kim lo¹i Q = I2Rt Nh-îc ®iÓm: Sau mét thêi gian lµm viÖc bÞ dßn, kh«ng chÞu ®-îc t¶i träng va ®Ëp. + Hîp kim Co: chñ yÕu lµ Co cã hîp kim hoµ bëi Ni, Cr, t0 lµm viÖc ~ 14000C kh«ng æn ®Þnh h×nh d¸ng khi lµm viÖc. + Hîp kim Mo + Hîp kim W hoÆc W nguyªn chÊt: cã t0 lµm viÖc cao nhÊt + VËt liÖu chÞu nhiÖt phi kim lo¹i: Dïng Si Dïng d-íi d¹ng SiC cã  lín, T0 lµm viÖc ~ 130C dïng lµm çc thanh ®èt cho lß nung kim lo¹i c«ng suÊt lín. 11.8. ThÐp vµ hîp kim chÞu mµi mßn 11.8.1. Kh¸i niÖm qu¸ tr×nh mµi mßn 257 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt * §Þnh nghÜa: Mµi mßn lµ qu¸ tr×nh lµm hao hôt kim lo¹i t¹i çc bÒ mÆt tiÕp xóc, cã chuyÓn ®éng t-¬ng ®èi víi nhau d-íi 1 ¸p lùc x¸c ®Þnh * §iÒu kiÖn xuÊt hiÖn + Ph¶i lµ çc bÒ mÆt tiÕp xóc + Ph¶i cã chuyÓn ®éng t-¬ng ®èi + Ph¶i cã ¸p lùc ®Ó t¹o ma s¸t Lùc ma s¸t phô thuéc vµo t¶i träng: Fms = p.f (®/l Cul«ng) f: hÖ sè ma s¸t; p: t¶i träng vu«ng gãc bÒ mÆt * Çc giai ®o¹n mµi mßn h III I II h II H×nh 11.17 h: l-îng mµi mßn Giai ®o¹n 1: Tèc ®é mµi mßn gi¶m dÇn. Chñ yÕu san ph¼ng çc nhÊp nh« bÒ mÆt Giai ®o¹n 2: Tèc ®é mµi mßn kh«ng ®æi: h =const lµm viÖc æn ®Þnh dh d  0 . II: thêi gian lµm viÖc æn ®Þnh cña chi tiÕt Giai ®o¹n 3: tèc ®é mµi mßn t¨ng dÇn ph¸ huû * Mét sè d¹ng mµi mßn + Mµi mßn ®Òu: qu¸ tr×nh mµi mßn diÔn ra trªn toµn bé bÒ mÆt tiÕp xóc mét çch ®Òu t-¬ng ®èi. + Pittong: diÔn ra lùa chän t¹i mét sè vÞ trÝ trªn bÒ mÆt tiÕp xóc 11.8.2. Yªu cÇu víi thÐp vµ hîp kim chÞu mµi mßn + Cã ®é cøng bÒ mÆt cao + Cã tÝnh dÝnh b¸m cña líp ho¸ bÒn cao + §é bÒn c¬ häc ®ñ lín + Cã kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn ®Ó chøa dÇu b«i tr¬n 11.8.3. Çc lo¹i thÐp chÞu mµi mßn * Nhãm thÐp cã kh¶ n¨ng ho¸ bÒn bÒ mÆt 258 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt ThÐp thÊm C vµ thÐp ho¸ tèt; c¬ tÝnh lâi vÉn dÎo dai, bÒ mÆt rÊt cøng dïng s¶n xuÊt çc chi tiÕt chÞu t¶i träng ®éng vµ mµi mßn. * Nhãm ®¹t ®é cøng cao trong toµn bé thÓ tÝch nhê çc bÒ mÆt + ThÐp æ l¨n + ThÐp khu«n dËp nguéi + ThÐp giã * ThÐp cã tæ chøc mÒm nh-ng khi chÞu ma s¸t th× chuyÓn biÕn M vµ ho¸ bÒn (thÐp hapfind) Thµnh phÇn thÐp: C ~1,3%; TØ lÖ Mn/C = 10 %Mn = 13% Víi %Mn = 13% sau ®óc thÐp cã 100% lµ pha mÒm nh-ng khi chÞu t¸c dông cña t¶i träng, líp bÒ mÆt cã chuyÓn biÕn  M ThÐp hapfind: kh«ng gia c«ng c¾t gät ®-îc, chØ dïng ë tr¹ng th¸i ®óc (kh«ng nhiÖt luyÖn) Mactenxit cña thÐp hapfind lµ M biÕn d¹ng KÝ hiÖu: theo tiªu chuÈn cña Nga: 13 + C«ng dông: S¶n xuÊt çc chi tiÕt chÞu mµi mßn m·nh liÖt, h×nh d¸ng phøc t¹p, kÝch th-íc lín, nh-ng kh«ng yªu cÇu ®é chÝnh x¸c qu¸ cao. * ThÐp cã kh¶ n¨ng tù b«i tr¬n ThÐp graphit: sau khi nÊu luyÖn ph¶i thùc hiÖn ñ graphit ho¸ t¹o Gr trong thÐp Gr thÊm dÇu b«i tr¬n. Khi chÞu ¸p lùc tiÕt dÇu b«i tr¬n ra bÒ mÆt gi¶m hÖ sè ma s¸t dÉn ®Õn gi¶m mµi mßn. 11.9. Çc khuyÕt tËt cña thÐp hîp kim vµ çch kh¾c phôc Çc thÐp hîp kim cã c¬ tÝnh cao h¬n h¼n thÐp cacbon, do vËy ®-îc dïng vµo çc môc ®Ých quan träng, tuy nhiªn trong qu¸ tr×nh gia c«ng chóng th-êng gÆp mét sè khuyÕt tËt ¶nh h-ëng xÊu ®Õn c¬ tÝnh nÕu kh«ng cã nh÷ng biÖn ph¸p ng¨n ngõa kh¾c phôc. Çc khuyÕt tËt cã thÓ gÆp cña thÐp hîp kim lµ thiªn tÝch nh¸nh c©y, ®èm tr¾ng vµ dßn ram. 11.9.1. Thiªn tÝch nh¸nh c©y ThÐp hîp kim cao chøa mét l-îng lín çc nguyªn tè kh¸c lo¹i, khi lµm nguéi tõ tr¹ng th¸i láng, tr-íc tiªn sÏ kÕt tÝnh ra dung dÞch r¾n chøa Ýt cacbon vµ nguyªn tè hîp kim (v× dung dÞch r¾n nµy cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao) t¹o nªn nh¸nh c©y, sau ®ã míi kÕt tinh ra dung dÞch r¾n giÇu cacbon vµ nguyªn tè hîp kim lo¹i dung dÞch r¾n nµy cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp h¬n) t¹o nªn vïng gi÷a çc nh¸nh c©y. V× thÕ cã sù sai kh¸c vÒ thµnh phÇn ho¸ häc gi÷a çc phÇn cña nh¸nh c©y 259 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt thiªn tÝch nh¸nh c©y. L-îng nguyªn tè hîp kim cµng cao, thiªn tÝch nh¸nh c©y thÓ hiÖn cµng râ. ¶nh h-ëng xÊu cña thiªn tÝch nh¸nh c©y lµ ë chç thái thÐp hîp kim khi ®em çn sÏ t¹o thµnh tæ chøc thí, g©y ra c¬ tÝnh kh¸c nhau theo çc ph-¬ng nh- ®é dai va ®Ëp däc theo ph-¬ng thí thÊp h¬n theo ph-¬ng vu«ng gãc víi thí kho¶ng 50 70%. H¬n n÷a thái thÐp hîp kim víi tæ chøc nh¸nh c©y rÊt dÔ nøt khi gia c«ng ¸p lùc (çn, rÌn) bëi v× liªn kÕt gi÷a çc tinh thÓ nh¸nh c©y kÐm vµ b¶n th©n nh¸nh c©y cã tÝnh dÎo thÊp. §Ó ng¨n ngõa thiªn tÝch nh¸nh c©y trong çc thái thÐp hîp kim, khi ®óc ph¶i tiÕn hµnh lµm nguéi chËm ®Ó qu¸ tr×nh khuÕch t¸n lµm ®Òu thµnh phÇn kÞp x¶y ra. Tuy nhiªn, biÖn ph¸p nµy kh«ng ®em l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ - kü thuËt v× çc x-ëng luyÖn thÐp ®ßi hái quay vßng khu«n ®óc nhanh. §Ó kh¾c phôc thiªn tÝch nh¸nh c©y cÇn ph¶i tiÕn hµnh ñ khuÕch t¸n thái ®óc tr-íc khi ®em çn, rÌn. ñ khuÕch t¸n lµ nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn cã gi¸ thµnh cao, v× vËy chØ ¸p dông nã khi thËt sù cÇn thiÕt cho çc thÐp hîp kim yªu cÇu cao. 11.9.2. §èm tr¾ng §èm tr¾ng lµ mét d¹ng khuyÕt tËt rÊt nguy hiÓm cña thÐp hîp kim, ®ã lµ çc vÕt nøt nhá cã d¹ng lèm ®èm tr¾ng, thÊy râ ë trªn mÆt gÉy cña vËt, thái çn. §èm tr¾ng lµ nguån gèc ph¸t sinh çc ph¸ huû dßn. D¹ng khuyÕt tËt nµy chØ x¶y ra ë trong thái çn cña çc thÐp hîp kim cã ®é thÊm t«i cao nh- çc thÐp cr«m - niken, cr«m - niken - v«nfram (m«lip®en) kh«ng x¶y ra ë trong thái ®óc cña mäi lo¹i thÐp vµ thái çn cña çc thÐp çcbon, thÐp hîp kim auxtenit vµ ferit. Nguyªn nh©n g©y ra ®èm tr¾ng lµ hy®r«. Hy®r« trong khÝ quyÓn cña lß luyÖn hoµ tan vµo thÐp láng vµ cè ®Þnh l¹i trong thÐp r¾n. §é hoµ tan cña hy®r« ë trong thÐp r¾n gi¶m dÇn khi h¹ nhiÖt ®é, ®Æc biÖt tõ d-íi 2000C ®é hoµ tan cña hy®r« trong thÐp bÞ gi¶m ®i ®ét ngét, do vËy hy®r« b¾t buéc ph¶i tho¸t ra. Trong thÐp çn, rÌn víi mËt ®é lín (do kh«ng cßn rç xèp), hy®r« kh«ng kÞp tho¸t ra ngoµi thÐp r¾n, bÞ tÝch tô l¹i víi ¸p suÊt lín ®Õn møc ph¸ huû bé phËn t¹o nªn nøt tÕ vi. ChÝnh v× vËy thÐp ®óc kh«ng cã ®èm tr¾ng v× cã rç xèp lµ n¬i chøa hy®r«. Ngoµi hy®r« ra, sù chuyÓn biÕn pha (   hoÆc   M) kh«ng ®ång ®Òu vÒ thêi gian vµ nhiÖt ®é gi÷a çc vïng cña tinh thÓ cã thµnh phÇn ho¸ häc kh¸c nhau (chñ yÕu lµ nh¸nh c©y vµ vïng gi÷a nh¸nh c©y) g©y nªn øng suÊt bªn trong, còng gãp phÇn t¹o nªn ®èm tr¾ng. Cã thÓ v× vËy mµ thÐp cacbon vµ thÐp hîp kim thÊp kh«ng t¹o ra ®èm tr¾ng. 260 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt BiÖn ph¸p tèt nhÊt lµ ng¨n ngõa ®Ó kh«ng t¹o thµnh ®èm tr¾ng. Muèn vËy ph¶i gi¶m bít l-îng hy®r« hoµ tan vµo thÐp láng b»ng çch sÊy kh« toµn bé mÎ liÖu (s¾t, thÐp vôn) nhiªn liÖu vµ chÊt trî dung tr-íc khi cho vµo lß luyÖn. §©y lµ biÖn ph¸p Ýt tèn kÐm, mang l¹i hiÖu qu¶ tèt. Ng-êi ta còng cã thÓ dïng biÖn ph¸p kh¸c, trong ®ã sau khi biÕn d¹ng nãng lµm nguéi thÐp xuèng d-íi nhiÖt ®é A1 kho¶ng 50 - 1000C råi gi÷ nhiÖt ë ®ã thêi gian dµi. BiÖn ph¸p ñ khö bá ®èm tr¾ng ®ßi hái thêi gian dµi kh¸ tèn kÐm. 11.9.3. Dßn ram Khi t¨ng nhiÖt ®é ram, ®é dai vµ ®Ëp lu«n lu«n t¨ng lªn vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ lín nhÊt ë nhiÖt ®é 600 - 6500C råi gi¶m ®i. Nh-ng ë mét sè lo¹i thÐp kÕt cÊu hîp kim quan hÖ gi÷a ®é dai va ®Ëp vµ nhiÖt ®é ram kh«ng hoµn toµn nh- vËy cã thÓ cã hai gi¸ trÞ cùc tiÓu vÒ ®é dai t-¬ng øng víi hai kho¶ng nhiÖt ®é, t¹i ®ã thÊy thÐp bÞ dßn h¬n møc b×nh th-êng rÊt nhiÒu, hiÖn t-îng ®ã gäi lµ dßn ram. Dßn ram lo¹i 1 (dßn ram kh«ng thuËn nghÞch hay kh«ng ch÷a ®-îc) Lo¹i dßn nµy thÓ hiÖn râ ë trong thÐp hîp kim, kh«ng râ l¾m ë trong thÐp cacbon, khi tiÕn hµnh ram thÐp ®· t«i ë kho¶ng nhiÖt ®é 280 - 3500C. §èi víi mét sè thÐp hîp kim, khi ram ë kho¶ng nhiÖt ®é ®ã, kh«ng nh÷ng ®é dai kh«ng cao h¬n mµ cßn kÐm h¬n c¶ tr¹ng th¸i t«i. Nguyªn nh©n cña dßn ram lo¹i I cho ®Õn nay còng ch¨ ®-îc râ rµng, cã thÓ lµ do khi ram ë nhiÖt ®é nµy cacbit ë d¹ng tÊm tiÕt ra khái macntenxit biªn giíi pha dÉn tíi ph¸ huû dßn hoÆc do auxtenit d- chuyÓn biÕn thµnh mactenxit ram vµ pha dßn h¬n, lµm ®é dai va ®Ëp gi¶m ®i ®ét ngét. HiÖn nay còng ch-a cã biÖn ph¸p cã hiÖu qu¶ nµo ®Ó ng¨n ngõa dßn ram laäi I, do vËy nã cßn cã tªn gäi lµ dßn ram kh«ng thuËn nghÞch hay kh«ng ch÷a ®-îc. BiÖn ph¸p hîp lý h¬n c¶ lµ kh«ng ram ë kho¶ng nhiÖt ®é x¶y ra lo¹i dßn ram nµy, tøc lµ theo yªu cÇu kü thuËt ®¸ng lý ra ph¶i ram ë kho¶ng nhiÖt ®é nµo ®ã th× ng-êi ta tr¸nh ra, ram ë nhiÖt ®é cao h¬n hoÆc thÊp h¬n chót Ýt. Dßn ram lo¹i II (dßn ram thuËn nghÞch hay cã thÓ ch÷a ®-îc) Lo¹i dßn ram nµy kh«ng x¶y ra ë trong thÐp cacbon, chØ x¶y ra trong çc thÐp kÕt cÊu hîp kim: cr«m, m¨nggan, cr«m - niken, cr«m - m¨nggan khi ram chóng ë nhiÖt ®é cao 500 - 6000C, råi sau ®ã lµm nguéi chËm sau khi ram. NÕu sau khi ram cao h¬n ng-êi ta lµm nguéi nhanh thÐp b»ng çch nhóng vµo n-íc hay dÇu (kh«ng ®Ó nguéi ë ngoµi kh«ng khÝ nh- trong çch ram th«ng th-êng) th× còng kh«ng thÊy cã cùc tiÓu thø hai vÒ ®é dai nµy, tøc sù dßn ram kh«ng x¶y ran. Song 261 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt nÕu sau ®ã l¹i tiÕn hµnh ram l¹i l©u trong kho¶ng nhiÖt ®é nguy hiÓm (500 - 6000C) tÝnh dßn l¹i xuÊt hiÖn, v× vËy dßn ram nµy mang tÝnh chÊt thuËn nghÞch, tøc cã thÓ bÞ trë l¹i. Còng gièng nh- dßn ram lo¹i I, nguyªn nh©n cña dßn ram lo¹i II vÉn ch-a x¸c ®Þnh ®-îc râ rµng. Cã thÓ lµ do khi lµm nguéi chËm tõ nhiÖt ®é ram cao nhvËy t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù tiÕt ra çc pha dßn cã kÝch th-íc rÊt nhá ë biªn giíi h¹t. B¶n chÊt çc pha ®ã lµ g× (nitrit, oxyt hay ph«tpho vµ çc ph©n bè chóng ch-a ®-îc kh¼ng ®Þnh). BiÖn ph¸p ng¨n ngõa dßn ram lo¹i II x¶y ra lµ: - Lµm nguéi nhanh sau khi ram cao b»ng çch nhóng chi tiÕt thÐp vµo dÇu hay n-íc. §©y lµ biÖn ph¸p rÊt cã hiÖu qu¶ ®Ó chèng dßn ram lo¹i II vµ th-êng ®-îc ¸p dông, tuy nhiªn víi chi tiÕt lín çch lµm nguéi nh- vËy vÉn lµ chËm do ®ã vÉn cã thÓ x¶y ra dßn. - Víi çc chi tiÕt lín biÖn ph¸p chèng dßn ram nhiÖt ®é cao cã hiÖu qu¶ lµ dïng thÐp hîp kim ho¸ thªm b»ng 1%W hoÆc 0,5%Mo. Hai biÖn ph¸p kÓ trªn ®-îc ¸p dông réng r·i trong thùc tÕ. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y viÖc ¸p dông c¬ - nhiÖt luyÖn còng cã t¸c dông ng¨n c¶n dßn ram lo¹i II. Ch-¬ng 12. Hîp kim mÇu 262 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ng-êi ta chia çc kim lo¹i ra hai nhãm lín lµ kim lo¹i ®en (s¾t vµ çc hîp kim cña s¾t) vµ kim lo¹i mµu gåm çc kim lo¹i cßn l¹i. Sù ph©n chia nµy rÊt th«ng dông song l¹i mang tÝnh chÊt rÊt quy -íc, bëi v× nã kh«ng dùa trªn mét thùc tÕ kh¸ch quan nµo c¶ (kh«ng ph¶i lµ s¾t cã mµu ®en, cßn çc kim lo¹i kh¸c lµ cã mÇu c¶). Nãi chung çc kim lo¹i mµu vµ çc hîp kim cña chóng ®-îc dïng Ýt h¬n vµ ®¾t h¬n s¾t, thÐp, gang, do vËy khi sö dông cÇn thËn träng h¬n. Theo møc ®é th«ng dông cã thÓ chia çc kim lo¹i vµ hîp kim mÇu ra lµm hai lo¹i chÝnh: Th«ng dông vµ Ýt th«ng dông. Çc kim lo¹i vµ hîp kim mÇu th«ng dông lµ çc kim lo¹i vµ hîp kim mÇu th-êng dïng nhnh«m, ®ång, thiÕc, ch×, kÏm ... ®«i khi c¶ titan n÷a, chóng lµ çc vËt liÖu kÕt cÊu. Theo ®Æc tÝnh ng-êi ta th-êng chia kim lo¹i mÇu thµnh çc nhãm sau: - NhÑ: Li, K, Na, Mg, Be, Al, Ti... - NÆng: Pb, Cu, Zn, Ni, Co, Mn, Sn, Sb, Cr, Bi, Hg, As... - Quý: Au, Pt, Ag, Pd, Ir, Rh, Rb, Os - HiÕm: W, Mo, Ta, V, Se, Te, In, Zr, Tl, Se, Y, Ce, La, Pr - Phãng x¹: U, Pu, Th... Trong ch-¬ng nµy chØ kh¶o s¸t çc hîp kim mÇu kÕt cÊu bao gåm nh«m, ®ång, titan vµ çc hîp kim æ tr-ît. 12.1. Hîp kim nh«m Kh¸c víi s¾t cã lÞch sö hµng ngh×n n¨m, nh«m míi cã lÞch sö kho¶ng trªn d-íi mét thÕ kû nay, nh-ng cã tiÒn ®å hÕt søc to lín v× tr÷ l-îng cña nã lín (gÇn gÊp 2 lÇn s¾t), nhÑ (gÇn gÊp 3 lÇn s¾t), t-¬ng ®èi bÒn (hîp kim nh«m siªu bÒn cã giíi h¹n bÒn kh«ng kÐm thÐp cacbon kÕt cÊu) vµ tÝnh chèng ¨n mßn cao (cao h¬n s¾t nhiÒu). HiÖn nay nh«m vµ çc hîp kim cña nh«m ®-îc dïng ngµy mét réng r·i kh«ng nh÷ng lµm ®å dïng hµng ngµy mµ c¶ trong chÕ t¹o m¸y, x©y dùng nhµ cöa, ®ãng toa xe. Ng-êi ta cho r»ng, víi kü thuËt luyÖn nh«m ngµy mét tiÕn bé, nh«m vµ hîp kim cña nã sÏ dÇn dÇn trë thµnh vËt liÖu kÕt cÊu nh- s¾t, thÐp. 12.1.1. Nh«m nguyªn chÊt 12.1.1.1. Çc ®Æc tÝnh cña nh«m 263 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Kh¸c víi s¾t, nh«m lµ kim lo¹i kh«ng cã chuyÓn biÕn thï h×nh, nã chØ cã mét kiÓu cÊu tróc m¹ng tinh thÓ lµ lËp ph-¬ng diÖn t©m víi th«ng sè m¹ng a = 0 0 4,04 A ®-êng kÝnh nguyªn tö 2,86 A Nh«m cã çc ®Æc tÝnh sau ®©y: Khèi l-îng riªng nhá ( = 2,7g/cm3) nªn ®-îc dïng réng r·i trong chÕ t¹o m¸y bay. TÝnh chèng ¨n mßn cao: Nh«m nguyªn chÊt víi ®é s¹ch cao cã tÝnh chèng ¨n mßn ho¸ häc vµ c¶ ®iÖn ho¸ rÊt cao, do cã ¸i lùc m¹nh víi «xi nªn bÒ mÆt cña nã lu«n lu«n cã líp mµng oxyt Al2O3 máng vµ rÊt xÝt chÆt, cã tÝnh b¶o vÖ cao. §é s¹ch cña nh«m cµng thÊp, tÝnh chèng ¨n mßn cña nã cµng kÐm. TÝnh dÉn nhiÖt vµ dÉn ®iÖn cao: §é dÉn ®iÖn cña nh«m kh¸ cao ( = 2,62.10.cm) b»ng 60% cña ®ång, l¹i céng thªm víi ®Æc tÝnh nhÑ, nªn víi cïng träng l-îng nhnhau, nh«m dÉn ®iÖn tèt h¬n ®ång. Trong kü thuËt ®iÖn ®· dïng kh¸ nhiÒu d©y dÉn ®iÖn b»ng nh«m. §é dÉn nhiÖt cña nh«m lµ 0,3426 cal/cm.s. 0C cao h¬n s¾t vµ thÐp. 6 NhiÖt ®é ch¶y thÊp (6600C) cã thÓ lµm dÔ dµng cho qu¸ tr×nh nÊu luyÖn, song çc hîp kim nh«m kh«ng lµm viÖc ®-îc ë nhiÖt ®é cao. Èn nhiÖt kÕt tinh vµ nãng ch¶y cña nh«m lín, do vËy çc vËt ®óc nh«m nguéi chËm ë tr¹ng th¸i láng t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho qu¸ tr×nh biÕn tÝnh tinh luyÖn. Tuy nhiªn tÝnh ®óc cña nã kh«ng cao do ®é co ngãt lín (tíi 6%). §é bÒn t-¬ng ®èi thÊp: Nh«m víi ®é s¹ch cao sau khi çn vµ ñ cã b = 60N/mm2; 0,2 = 20N/mm2, 25HB tøc lµ chØ b»ng 1/4 ®Õn 1/6 cña s¾t, v× vËy hÇu nh- kh«ng dïng nh«m nguyªn chÊt lµm çc chi tiÕt m¸y. Trong m¸y mãc th-êng dïng çc hîp kim nh«m cã ®é bÒn cao h¬n râ rÖt. TÝnh dÎo cao: Nh«m nguyªn chÊt rÊt dÎo,  = 85%,  = 40% cho nªn rÊt dÔ biÕn d¹ng ë tr¹ng th¸i nguéi vµ ë tr¹ng th¸i nãng. TÝnh gia c«ng c¾t cña nh«m thÊp. 12.1.1.2. Çc sè hiÖu nh«m nguyªn chÊt RÊt khã luyÖn s¹ch nh«m, bëi v× nã lµ nguyªn tè ho¹t ®éng m¹nh. Çc t¹p chÊt th-êng cã cña nh«m lµ s¾t, silic, ngoµi ra cã thÓ cã ®ång, kÏm, titan. S¾t lµ t¹p chÊt cã h¹i ®èi víi nh«m. Tõ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al - Fe (h×nh 1) thÊy r»ng s¾t hoµ tan rÊt Ýt trong nh«m, ngay ë nhiÖt ®é cïng tinh 655C trong nh«m còng chØ hoµ tan ®-îc 0,03% Fe, cßn ë nhiÖt ®é th-êng cã thÓ coi lµ nh«m kh«ng 264 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt hoµ tan s¾t. S¾t t¹o víi nh«m pha t-¬ng øng víi c«ng thøc FeAl3 dßn, nªn víi l-îng s¾t dï nhá, ë biªn giíi h¹t vÉn cã cïng tinh (Al + FeAl3) tæ chøc nµy lµm gi¶m m¹nh ®é dÎo cña nh«m. L-îng s¾t trong nhãm kü thuËt thay ®æi trong giíi h¹n 0,0015 - 1,1%. Riªng b¶n th©n silic kh«ng ph¶i lµ t¹p chÊt cã h¹i. Tõ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al Si (h×nh 2) cã thÓ coi nh«m kh«ng hoµ tan trong silic nh-ng ng-îc l¹i silic hoµ tan kh¸ nhiÒu trong nh«m ë nhiÖt ®é cao (ë nhiÖt ®é cïng tinh Al hoµ tan ®-îc 1,65% Si), cßn ë nhiÖt ®é th-êng cã thÓ coi nh- kh«ng hoµ tan (0,09%). Gi÷a nh«m vµ silic kh«ng t¹o thµnh hîp chÊt ho¸ häc, cïng tinh (Al + Si) b¶o ®¶m tÝnh ®óc tèt vµ kh«ng lµm xÊu c¬ tinh. 0 C FeAl3 1200 1400 1100 1200 1000 1000 900 800 L+FeAl3 L+ L+Si 600 800 700 655 600 Fel+ FeAl3 400 Al+Si 200 0 5 10 100%Al 15 20 25 30 35 10 40 %Fe 100%Al H×nh 12.1: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al - Fe 20 30 40 50 60 70 80 90 100 %Si H×nh 12.2: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al - Si Khi ®ång thêi cã c¶ s¾t vµ silic trong nh«m sÏ xuÊt hiÖn çc pha míi t-¬ng øng víi çc hîp chÊt ho¸ häc cña ba nguyªn tè Al, Fe, Si. Çc pha nµy cïng víi FeAl3 cã tÝnh dßn cao lµm xÊu c¬ tÝnh cña nh«m. Nh«m cã ®é s¹ch ®Æc biÖt gåm cã mét sè hiÖu A999 (> 0,001% t¹p chÊt) Nh«m cã ®é s¹ch cao gåm cã çc sè hiÖu A995 A99, A97 vµ A95 víi l-îng t¹p chÊt kh«ng qu¸ 0,005%, 0,01%, 0,03% vµ 0,05%. Nh«m cã ®é s¹ch kü thuËt gåm cã çc sè hiÖu A85, A8, A7, A6, A5, A0 víi l-îng t¹p chÊt kh«ng qu¸ 0,15%, 0,20%, 0,30%, 0,40%, 0,50%, 1,00%. C¬ tÝnh cña nh«m phô thuéc vµo ®é s¹ch vµ tr¹ng th¸i. §é s¹ch cµng cao nh«m cµng dÎo. BiÕn d¹ng nguéi lµm t¨ng ®¸ng kÓ ®é bÒn cña nh«m. B¶ng 12.1 C¬ tÝnh cña mét sè sè hiÖu nh«m: Sè hiÖu L-îng t¹p Tr¹ng th¸i C¬ tÝnh 265 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt chÊt % b 0,2 N/mm2 N/mm2 % HB A995 0,005 ®óc 50 - 45 15 A5 0,50 ®óc 75 - 29 20 A0 1,00 ®óc 90 - 25 25 A0 1,00 biÕn d¹ng vµ ñ 90 30 30 25 A0 1,00 biÕn d¹ng 140 100 12 32 Nh«m nguyªn chÊt kü thuËt ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt vµ çc kÕt cÊu kh«ng chÞu t¶i, yªu cÇu vËt liÖu ®em chÕ t¹o ph¶i nhÑ, dÎo vµ chèng ¨n mßn cao nh- ®Ó lµm khung, cöa, èng dÉn, xitec vËn chuyÓn dÇu má, thïng chøa. 12.1.1.3. Ph©n lo¹i hîp kim nh«m Nhê ®é bÒn cao h¬n, trong chÕ t¹o m¸y ng-êi ta dïng nh«m ë tr¹ng th¸i hîp kim. Theo c«ng nghÖ chÕ t¹o ng-êi ta chia çc hîp kim nh«m ra çc lo¹i: ®óc, biÕn d¹ng vµ thiªu kÕt. Hîp kim nh«m ®óc vµ hîp kim nh«m biÕn d¹ng ®Òu ®-îc chÕ t¹o ra b»ng çch nÊu ch¶y. C¨n cø ®Ó ph©n biÖt ranh giíi gi÷a hai lo¹i ®ã trong mét hÖ hîp kim ®· cho lµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i nh«m - nguyªn tè hîp kim. Hîp kim nh«m biÕn d¹ng lµ hîp kim nh«m cã thµnh phÇn nguyªn tè hîp kim n»m ë trong giíi h¹n cña dung dÞch r¾n, tøc lµ ë bªn tr¸i ®iÓm C'. 0 NhiÖt ®é 0C Cã thÓ lµ ë nhiÖt ®é th-êng hîp kim ch-a 657 C ®¹t ®-îc tæ chøc hoµn toµn lµ dung dÞch r¾n (cã thªm pha thø hai) nh-ng khi nung ®Õn nhiÖt ®é C BiÕn d¹ng thÝch hîp (vÝ dô cao h¬n CD) sÏ ®-îc tæ chøc  nh- vËy, rÊt dÔ biÕn d¹ng (çn, rÌn, rËp) theo ý +pha thø hai muèn. Hîp kim nh«m biÕn d¹ng do kh«ng chøa D C' cïng tinh nªn dÔ biÕn d¹ng kh«ng nh÷ng ë nhiÖt 100%Al Kh«ng ho¸ Ho¸ bÒn bÒn b»ng b»ng nhiÖt luyÖn ®-îc nhiÖt luyÖn ®é vïng mét pha mµ ë c¶ nhiÖt ®é th-êng. ®-îc §óc % nguyªn tè hîp kim H×nh 12.3 Trong kho¶ng thµnh phÇn cña hîp kim nh«m biÕn d¹ng l¹i ®-îc chia ra hai ph©n nhãm: ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn vµ kh«ng ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt 266 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt luyÖn. Çc hîp kim cã thµnh phÇn ë bªn tr¸i ®iÓm D khi nung nãng hay lµm ngu«i ®Òu kh«ng cã chuyÓn biÕn pha nªn kh«ng thÓ ho¸ bÒn b»ng nhiÖt luyÖn ®-îc. Çc hîp kim cã thµnh phÇn ë bªn ph¶i ®iÓm D (tõ D ®Õn C'), ë nhiÖt ®é th-êng ngoµi dung dÞch r¾n  cßn cã pha thø hai, khi nung nãng, pha nµy hoµ tan hÕt vµo dung dÞch r¾n khi lµm nguéi nhanh tæ chøc dung dÞch r¾n qu¸ b·o hoµ ®-îc cè ®Þnh l¹i vµ trë nªn kh«ng c©n b»ng, tiÕt ra çc pha ph©n t¸n lµm ®é bÒn t¨ng lªn. Hîp kim nh«m ®óc lµ hîp kim nh«m víi thµnh phÇn nguyªn tè hîp kim sao cho trong tæ chøc cña nã chøa chñ yÕu lµ cïng tinh cã tÝnh ®óc cao. Nh- vËy vÒ nguyªn t¾c, çc hîp kim cã thµnh phÇn ë bªn ph¶i ®iÓm C' trong tæ chøc khi ®óc ®· cã cïng tinh råi vµ sÏ thuéc lo¹i hîp kim nh«m ®óc, tuy nhiªn trong thùc tÕ th-êng dïng víi thµnh phÇn kh¸ réng tr-íc vµ sau cïng tinh. Cã nhËn xÐt lµ, hîp kim nh«m ®óc chøa l-îng nguyªn tè hîp kim cao h¬n so víi hîp kim nh«m biÕn d¹ng. Hîp kim nh«m thiªu kÕt lµ lo¹i hîp kim nh«m ®-îc chÕ t¹o tõ nguyªn tè ban ®Çu lµ bét qu¸ Ðp vµ thiªu kÕt. 12.1.2. Hîp kim nh«m biÕn d¹ng 12.1.2.1. Hîp kim kh«ng ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn Çc hîp kim nµy cã ®Æc tÝnh lµ ®é bÒn kh«ng cao (tuy cao h¬n nh«m nguyªn chÊt kh¸ nhiÒu), tÝnh dÎo cao vµ chèng ¨n mßn tèt, th-êng ®-îc lµm çc chi tiÕt rËp s©u. Thuéc vÒ nh«m nµy lµ çc hîp kim thuéc hÖ Al - Mn vµ Al – Mg. Theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al - Mn (h×nh 12.4) çc hîp kim nµy cã thµnh phÇn Ýt h¬n 1,5%Mn, cã tæ chøc gåm dung dÞch r¾n  vµ pha thø hai MnAl6 pha nµy cã thÓ hoµ tan vµo dung dÞch r¾n khi t¨ng nhiÖt ®é. Song trong hîp kim nh«m lu«n cã s¾t, do ®ã l¹i t¹o nªn pha phøc t¹p (FeMn)Al 3 thay cho MnAl6. Gièng nh- mäi pha cã chøa s¾t kh¸c trong hîp kim nh«m, pha phøc t¹p (FeMn)Al 3 thay cho MnAl6. Gièng nh- mäi pha cã chøa s¾t kh¸c trong hîp kim nh«m, pha phøc t¹p (FeMn)Al 3 kh«ng hoµ tan vµo nh«m khi nung nãng, do ®ã hîp kim AMu kh«ng ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn. Kh¸c víi çc nguyªn tè kh¸c, Mn kh«ng lµm xÊu tÝnh chèng ¨n mßn cña hîp kim nh«m, tr¸i l¹i cßn lµm tèt nã. So víi nh«m nguyªn chÊt, hîp kim AMu bÒn vµ chèng ¨n mßn tèt h¬n. t, 0C AMu 700 1+  t,% L 1,021% +L 500 500 300 AMr  267 +MnAl6 CuuDuongThanCong.com Mg2Al3+L 17,4% 300 https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al - Mg (h×nh 12.5) çc hîp kim nµy cã thµnh phÇn Ýt h¬n 1,4%Mg cã tæ chøc chØ gåm dung dÞch r¾n  kh«ng thÓ ho¸ bÒn b»ng nhiÖt luyÖn ®-îc. Çc hîp kim AMr th-êng dïng cã thµnh 3 - 7%Mg. ë nhiÖt ®é th-êng cã tæ chøc gåm dung dÞch r¾n  vµ pha thø hai Mg2Al3 (hoÆc Mg5Al8), nung nãng Mg2Al3 hoµ tan vµo  vµ còng g©y ra ho¸ bÒn khi nhiÖt luyÖn, song hiÖu qu¶ nµy rÊt nhá do l-îng Mg cña hîp kim thÊp h¬n giíi h¹n hoµ tan cña dung dÞch r¾n qu¸ nhiÒu (3,7% so víi 17,4%). Hîp kim Al - Mg cã khèi l-îng riªng nhá h¬n (do Mg nhÑ), ®é bÒn cao h¬n, tØnh dÎo tèt nh-ng tÝnh chèng ¨n mßn kÐm h¬n so víi nh«m nguyªn chÊt. Çc hîp kim Al-Mn vµ Al-Mg ®-îc dïng ë tr¹ng th¸i ñ biÕn cøng, biÕn cøng Ýt dïng ë tr¹ng th¸i biÕn cøng v× ®é dÎo qu¸ thÊp. 12.1.2.2. Hîp kim ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn Hîp kim nh«m biÕn d¹ng, ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn lµ hîp kim nh«m quan träng nhÊt, lµ vËt liÖu kÕt cÊu ®-îc øng dông réng r·i trong kü thuËt. C¬ së cña çc hîp kim lo¹i nµy lµ hîp kim Al - Cu víi 4% Cu. Hîp kim Al víi 4% Cu 0 C 657 A L+ 600  C §Ó kh¶o s¸t hîp kim nµy ta h·y xÐt gi¶n ®å tr¹ng th¸i Al - Cu L+CuAl2I L 540 500 268 +CuAl2II+(+CuAl2) CuuDuongThanCong.com l2) 300 l2A 400 CuAl2 https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt tr×nh bµy ë h×nh 6. Tõ ®ã thÊy r»ng ®ång hoµ tan kh¸ nhiÒu ë trong nh«m ë nhiÖt ®é cao (tíi 5,65% t¹i nhiÖt ®é cïng tinh 5480C) nh-ng l¹i gi¶m ®i rÊt nhanh khi h¹ nhiÖt ®é (cßn 0,5% ë 00C) do vËy tiÕt ra pha CuAl2 víi ký hiÖu lµ CuAl2II ®Ó chØ râ nã ®-îc tiÕt ra tõ tr¹ng th¸i r¾n. Cïng tinh ( + CuAl2) t¹o thµnh víi l-îng Cu kh¸ cao (33%) nªn Ýt dïng hÖ hîp kim Al - Cu ®Ó ®óc. Trong hÖ Al - Cu cØ dïng çc hîp kim thuéc nhãm biÕn d¹ng mµ ®iÓn h×nh lµ hîp kim cã 4% Cu. Ta sÏ xÐt kü çc chuyÓn biÕn pha cña hîp kim nµy khi nhiÖt luyÖn v× çc ®Æc ®iÓm cña nã còng thÊy ë çc hîp kim nh«m biÕn d¹ng vµ ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn. Tõ gi¶n ®å tr¹ng th¸i h×nh 12.6 thÊy râ hîp kim cã tæ chøc gåm dung dÞch r¾n (cã 0,5% Cu) vµ çc phÇn tö pha CuAl2II tiÕt ra tõ dung dÞch r¾n ®ã (h×nh 12.7a). Nung nãng hîp kim nµy lªn ®Õn nhiÖt ®é cao h¬n ®-êng hoµ tan giíi h¹n CD (kho¶ng 5200C), çc phÇn tö CuAl2II sÏ hoµ tan hÕt vµo dung dÞch r¾n nªn sau khi t«i H×nh 12.7: S¬ ®å tæ chøc tÕ vi cña hîp kim nh«m víi 4%Cu, a - ë tr¹ng th¸i ñ, b - ë tr¹ng th¸i sau khi t«i (b»ng çch lµm nguéi nhanh trong n-íc) cã ®-îc dung dÞch r¾n  qu¸ b·o hoµ chøa tíi 4% Cu. Tæ chøc tÕ vi cña hîp kim sau khi t«i chØ lµ dung dÞch r¾n. §iÒu ®¸ng chó ý ®©y lµ sau khi t«i ®é bÒn cña hîp kim t¨ng lªn kh«ng ®¸ng kÓ (b ë tr¹ng th¸i ñ 200N/mm2, ë tr¹ng th¸i sau khi t«i 250N/mm2), nh-ng sau khi ho¸ giµ ®é bÒn t¨ng lªn rÊt m¹nh. Cã thÓ thÊy râ ®iÒu nµy tõ ®-êng cong ho¸ giµ tù nhiªn cña hîp kim nµy tr×nh bµy ë h×nh 12.8. 450 iíi h¹n bÒn, MN/m2 400 350 269 CuuDuongThanCong.com 300 Tr¹ng th¸i t«i 250 https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Kh¸c víi thÐp, sau khi t«i hîp kim nh«m víi 4% Cu vÉn gi÷ ®-îc ®é dÎo cao, ®©y lµ mét -u viÖt rÊt quan träng vÒ mÆt c«ng nghÖ bëi v× nã cho phÐp hiÖu chØnh cong vªnh, thËm chÝ biÕn d¹ng dÎo víi møc ®é lín ®èi víi çc chi tiÕt t«i. NhiÖt luyÖn ho¸ bÒn çc hîp kim nh«m bao gåm t«i vµ ho¸ giµ. Tuú thuéc vµo nhiÖt ®é ho¸ giµ cã thÓ ®¹t ®-îc çc hiÖu qu¶ hãa bÒn kh¸c nhau nh- tr×nh bµy ë h×nh 9. Khi ho¸ giµ tù nhiªn 200C thêi gian qu¸ tr×nh dµi nh-ng ®é bÒn ®¹t ®-îc gi¸ trÞ lín nhÊt. Khi ho¸ giµ nh©n t¹o ë çc nhiÖt ®é cµng cao h¬n nhiÖt ®é th-êng (vÝ dô ë 100, 150, 2000C) thêi gian qu¸ tr×nh cµng ng¾n l¹i song ®é bÒn ®¹t ®-îc gi¸ trÞ kh«ng cao b»ng khi ho¸ giµ tù nhiªn, h¬n n÷a v-ît qu¸ thêi gian nhÊt ®Þnh ®é bÒn l¹i gi¶m ®i. Khi ho¸ giµ ë çc nhiÖt ®é qu¸ thÊp, qu¸ tr×nh ho¸ bÒn x¶y ra rÊt chËm hoÆc hÇu nh- kh«ng. 200C 420 b, MN/m2 1000C 1500C 400 380 2000C -50C 360 340 320 -500C 300 1 2 3 C¬ chÕ ho¸ bÒn hîp kim nh«m: 4 5 6 7 8 Thêi gian, ngµy H×nh 12.9: Sù thay ®æi ®é bÒn cña hîp kim nh«m víi 4% Cu khi ho¸ giµ tù nhiªn Sù ho¸ bÒn hîp kim nh«m khi t«i vµ ho¸ giµ ®-îc gi¶i thÝch theo c¬ chÕ do Guniee vµ Prest«n ®-a ra tõ ®Çu thÕ kû nµy, sau ®ã ®· ®-îc thùc nghiÖm chøng minh b»ng çc ph-¬ng ph¸p vËt lý hiÖn ®¹i. Nguyªn nh©n cña qu¸ tr×nh ho¸ bÒn ®ã lµ dung dÞch r¾n giµu ®ång t¹o thµnh sau khi t«i lµ qu¸ b·o hoµ vµ kh«ng æn ®Þnh, cã xu h-íng trë vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh 270 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt lµ dung dÞch r¾n nghÌo ®ång (0,5%Cu) vµ CuAl2II. Qu¸ tr×nh tiÕt pha æn ®Þnh CuAl2II (cßn gäi lµ pha ) tõ dung dÞch r¾n qu¸ b·o hoµ lµ qu¸ tr×nh phøc t¹p qua nhiÒu giai ®o¹n víi nh÷ng cÊu tróc trung gian kh¸c nhau: vïng G - P liÒn m¹ng, pha  bµn liÒn m¹ng. Nh÷ng cÊu tróc trung gian nµy cã kÝch th-íc rÊt bÐ, ph©n bè ®Òu trong thÓ tÝch vµ t¹o nªn çc tr-êng øng suÊt ®µn håi xung quanh m×nh vµ do vËy cã t¸c dông ho¸ bÒn rÊt m¹nh. Trong giai ®o¹n 1 cña sù ho¸ giµ çc nguyªn tö Cu tõ chç ph©n bè ë nót m¹ng cã tÝnh chÊt ngÉu nhiªn, tËp trung vÒ nh÷ng vïng nhÊt ®Þnh ë trong m¹ng tinh thÓ. Do vËy trong m¹ng tinh thÓ cña dung dÞch r¾n cã nh÷ng vïng cã nång ®é Cu cao (>4%Cu) ®-îc gäi lµ vïng G - P (Gunie - Prest«n). Do nguyªn tö Cu cã kÝch th-íc bÐ h¬n nguyªn tö Al mµ cÊu tróc cña vïng G - P l¹i liÒn m¹ng víi cÊu tróc nÒn nªn vïng G - P g©y x« lÖch lín trong m¹ng tinh thÓ cña nÒn lµm cho ®é bÒn ®é cøng cña hîp kim t¨ng lªn. Vïng G - P cã d¹ng ®Üa víi kÝch th-íc rÊt nhá, dµy tõ vµi ®Õn vµi chôc cßn b¸n kÝnh tõ hµng chôc ®Õn hµng tr¨m ¨ngstr«m. CÇn chó ý lµ kÝch th-íc cña vïng G - P phô thuéc vµo nhiÖt ®é ho¸ giµ, ë nhiÖt ®é cµng cao kÝch th-íc cña nã cµng lín. Khi ho¸ giµ nh©n t¹o (víi nung nãng cao h¬n nhiÖt ®é th-êng), giai ®o¹n I cña qu¸ tr×nh kÓ trªn x¶y ra trong thêi gian ng¾n h¬n. ë çc nhiÖt ®é cao h¬n 100 0C qu¸ tr×nh ho¸ giµ kh«ng chØ dõng l¹i ë sù t¹o thµnh vïng G - P, ë nh÷ng nhiÖt ®é nµy qu¸ tr×nh ho¸ giµ tiÕp tôc x¶y ra theo giai ®o¹n II, giai ®o¹n t¹o pha gi¶ æn ®Þnh ' cã thµnh phÇn gÇn gièng víi CuAl2 nh-ng cã cÊu tróc riªng cña m×nh. Çc phÇn tö ' cã çc d¹ng tÊm, liªn kÕt b¸n liÒn m¹ng víi nÒn vµ còng cã t¸c dông ho¸ bÒn cao. §é bÒn cao nhÊt ®¹t ®-îc khi ho¸ giµ øng víi giai ®o¹n I vµ II, tøc øng víi sù t¹o thµnh vïng G - P hay pha ' ch-a t¸ch ra khái dung dÞch r¾n. Ho¸ giµ ë çc nhiÖt ®é thÊp (<2000C) dÔ dµng ®¹t ®-îc môc ®Ých nµy. Khi gi÷ nhiÖt l©u ë nhiÖt ®é cao (vÝ dô lín h¬n 2000C) tiÕp theo giai ®o¹n II sÏ x¶y ra giai ®o¹n III lóc ®ã pha ' sÏ chuyÓn thµnh pha  víi liªn kÕt kh«ng liÒn m¹ng ®Ó trë thµnh pha  lµ hîp chÊt ho¸ häc CuAl2 TiÕp theo sÏ cã qu¸ tr×nh kÕt tô çc phÇn tö CuAl2 ®Ó trë nªn cã kÝch th-íc lín h¬n vµ dÇn dÇn hîp kim cã tæ chøc nh- tr-íc khi t«i (ë tr¹ng th¸i ñ). Çc qu¸ tr×nh x¶y ra trong giai ®o¹n III cña sù ho¸ giµ lµm gi¶m ®é bÒn ®é cøng cña hîp kim. 271 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Qua trªn ta thÊy pha CuAl2 lµ hîp chÊt ho¸ häc rÊt cã gi¸ trÞ ®èi víi sù ho¸ bÒn khi nhiÖt luyÖn hîp kim nh«m, nhê sù hoµ tan cña nã khi nung nãng vµ sù chuÈn bÞ tiÕt ra nã (t¹o nªn vïng G - P, pha ') khi ho¸ giµ lµm t¨ng ®-îc ®é bÒn, nªn nã ®-îc gäi lµ pha ho¸ bÒn. Trong thùc tÕ hÇu nh- kh«ng dïng hîp kim chØ cã hai nguyªn Al - Cu lµm hîp kim biÕn d¹ng ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn, song hîp kim nh«m víi 4% Cu l¹i lµ c¬ së cña hÇu hÕt çc hîp kim nh«m lo¹i nµy. Hîp kim rÌn vµ bÒn nãng: Çc chi tiÕt lµm b»ng hîp kim nh«m qua rÌn, rËp kh«ng nh÷ng ph¶i cã c¬ tÝnh cao mµ cßn ph¶i cã tÝnh dÎo tèt ë tr¹ng th¸i nãng. Th-êng dïng Duyara th-êng I víi ký hiÖu lµ AK1vµ çc hîp kim hÖ Al - Cu - Mg víi mét lîng nhÊt ®Þnh (kho°ng 1%) Si víi çc sè hiÖu AK†, AK8, AK5. Çc hîp kim AK6 , AK8 cã tæ chøc gåm dung dÞch r¾n  vµ çc pha ho¸ bÒn CuAl2, CuMgAl2 (S), Mg2Si. Sau khi t«i vµ ho¸ giµ nh©n t¹o, giíi h¹n bÒn ®¹t ®Õn 420N/mm2 ®èi víi AK6 vµ 480N/mm2 ®èi víi AK8. RÌn, rËp çc hîp kim nµy ë nhiÖt ®é 450 - 4750C. B¶ng 12.2: Thµnh phÇn ho¸ häc cña çc hîp kim nh«m rÌn th-êng dïng: Sè hiÖu Thµnh phÇn çc nguyªn tè % Cu Mg Mn Si Fe Ni Ti AK6 1,8-2,6 0,4-0,8 0,4-0,8 0,7-1,2 0,7 - - AK8 3,9-4,8 0,4-0,8 0,4-1,0 0,6-1,2 0,7 - - AK5 0,2-0,6 0,5-0,8 0,15-0,35 0,6-1,2 0,8 - - AK4 1,9-2,5 1,4-1,8 - 0,5-1,2 0,8-1,3 0,8-1,3 - AK4-1 1,9-2,7 1,2-1,8 - 0,35 0,8-1,4 0,4-0,8 0,02-0,1 §Æc ®iÓm §é dÎo cao ë nhiÖt ®é cao ®é bÒn nãng cao 12.2. HîP KIM §åNG 12.2.1. §ång nguyªn chÊt a) Çc ®Æc tÝnh cña ®ång §ång lµ kim lo¹i cã mµu ®á, do ®ã ®ång nguyªn chÊt kü thuËt cßn ®-îc gäi lµ ®ång ®á. Lµ kim lo¹i kh«ng cã chuyÓn biÕn thï h×nh, ®ång chØ cã mét kiÓu cÊu tróc m¹ng tinh thÓ lµ lËp ph-¬ng diÖn t©m víi th«ng sè m¹ng a = 3,608A 0, ®-êng kÝnh nguyªn tö lµ 2,56A0. §ång cã nh÷ng ®Æc tÝnh sau ®©y: Khèi l-îng riªng lín γ = 8,94 g/cm3 lín h¬n gÊp ba lÇn nh«m. 272 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt TÝnh dÉn nhiÖt vµ dÉn ®iÖn rÊt cao. VÒ mÆt nµy ®ång ®øng thø hai sau b¹c do vËy cã øng dông rÊt cao trong truyÒn ®iÖn vµ truyÒn nhiÖt. §é dÉn nhiÖt vµ ®iÖn trë cña ®ång ë 200C lµ 0,941 cal/cm.s.0C vµ 0,0178 «m.mm2/m TÝnh chèng ¨n mßn tèt. §ång cã tÝnh æn ®Þnh ho¸ häc cao trong n-íc th-êng, n-íc biÓn, khÝ quyÓn vµ trong çc m«i tr-êng ho¸ häc: axit h÷u c¬, kiÒm… Nã ph¶n øng víi amoni¨c, hoµ tan trong axits sunfurric ë tr¹ng th¸i nãng, trong axits nitric vµ HCl. NhiÖt ®é ch¶y t-¬ng ®èi cao (10830C), trung gian gi÷a s¾t vµ nh«m. §ång hót khÝ m¹nh nªn vËt ®óc dÏ bÞ rç. §é bÒn kh«ng cao nh-ng t¨ng m¹nh khi biÕn d¹ng nguéi. ë tr¹ng th¸i ®óc ®é bÒn cña ®ång kh¸ thÊp ®Æc biÖt lµ giíi h¹n ch¶y ζb = 160N/mm2, ζ0,2 = 35 N/mm2, HB = 40. ë tr¹ng th¸i biÕn d¹ng nguéi, giíi h¹n bÒn vµ ®Æc biÖt giíi h¹n ch¶y t¨ng lªn rÊt m¹nh ζb = 450N/mm2, ζ0,2 = 400 N/mm2, HB = 125. Do vËy mét trong nh÷ng biÖn ph¸p ho¸ bÒn ®ång vµ hîp kim ®ång lµ ho¸ bÒn b»ng biÕn d¹ng. Tuy ®é cøng kh«ng cao nh-ng tÝnh chèng ¨n mßn kh¸ tèt. TÝnh c«ng nghÖ. §Æc tÝnh næi bËt lµ ®ång rÊt dÎo, dÔ çn, kÐo thµnh nh÷ng tÊm máng vµ sîi nhá rÊt tiÖn dông trong kü thuËt rÊt tiÖn dông trong kü thuËt, Ngoµi ra nã rÊt dÔ hµn. tuy vËy ®ång còng cã nh-îc ®iÓm lµ tÝnh gia c«ng c¾t kÐm vµ ®é ch¶y lo·ng kÐm. b) Çc sè hiÖu ®ång nguyªn chÊt B»ng çch ®iÖn ph©n cã thÓ luyÖn ®-îc ®ång víi ®é s¹ch cao, vÝ dô tíi 99,999%Cu. Çc t¹p chÊt cã h¹i cña ®ång lµ Pb, Bi vµ oxy. Pb vµ Bi do cã nhiÖt ®é cïng tinh thÊp nªn ¶nh h-ëng xÊu ®Õn tÝnh çn kÐo ë nhiÖt ®é cao. Oxy ë trong ®ång tån t¹i d-íi d¹ng hîp chÊt Cu2O, nã tån t¹i ë biªn giíi h¹t còng lµm nã khã biÕn d¹ng ë tr¹ng th¸i nguéi. Theo TCVN ký hiÖu cña ®ång: Cu+% ®ång nguyªn chÊt c) §Æc tÝnh chung vµ ph©n lo¹i hîp kim ®ång Çc hîp kim ®ång cã c¬ tÝnh t-¬ng ®èi cao, tÝnh c«ng nghÖ tèt vµ Ýt ma s¸t trong khi vÉn gi÷ ®-îc çc -u viÖt cña ®ång lµ tÝnh dÉn nhiÖt, tÝnh dÉn ®iÖn, tÝnh æn ®Þnh ho¸ häc tèt. Çc nguyªn tè hîp kim cña ®ång th-êng dïng lµ Zn, Sn, Al, Be, Mn, Ni… chóng n©ng cao râ rÖt ®é bÒn nh-ng thùc tÕ kh«ng lµm xÊu (mét vµi tr-êng hîp cßn c¶i thiÖn) tÝnh dÎo trong ph¹m vi nång ®é x¸c ®Þnh. Cã thÓ nãi r»ng tÝnh dÎo lµ mét -u viÖt næi bËt cña hîp kim ®ång. 273 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÒ tÝnh c«ng nghÖ, çc hîp kim ®ång ®-îc chia ra: hîp kim biÕn d¹ng vµ hîp kim ®óc. VÒ k¶h n¨ng ho¸ bÒn b»ng nhiÖt luyÖn ®-îc chia ra lµm hai lo¹i: ho¸ bÒn ®-îc vµ kh«ng ho¸ bÒn ®-îc b»ng nhiÖt luyÖn. Trong thùc tÕ thÞnh hµnh çch ph©n lo¹i hîp kim ®ång theo thµnh phÇn ho¸ häc. Theo thµnh phÇn ho¸ häc, çc hîp iim ®ång ®-îc chia ra lµ hai nhãm chÝnh: lat«ng (hîp kim víi Zn) vµ Br«ng (hîp kim víi çc nguyªn tè trõ Zn) 12.2.2. Lat«ng La t«ng lµ hîp kim cña ®ång víi Zn. Hîp kim chØ cã hai nguyªn tè Cu vµ Zn gäi lµ hîp kim ®¬n gi¶n, hîp kim mµ ngoµi hai nguyªn tè trªn cã thªm çc nguyªn tè kh¸c gäi lµ hîp kim phøc t¹p, hay hîp kim ®Æc biÖt. a) Lat«ng ®¬n gi¶n Trong thùc tÕ lat«ng ®¬n gi¶n lµ hîp kim hai nguyªn Cu – Zn víi l-îng Zn Ýt h¬n 45%. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu – Zn lµ gi¶n ®å rÊt phøc t¹p do t¹o nªn n¨m ph¶n øng bao tinh vµ nhiÒu pha phøc t¹p (h×nh vÏ). H×nh 12.10: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu - Zn Theo TCVN la t«ng ®-îc ký hiÖu b¾t ®Çu b»ng ch÷ L tiÕp theo Cu, Zn råi ký hiÖu çc nguyªn tè hîp kim. Hµm l-îng phÇn tr¨m cña nguyªn tè viÕt sau ký hiÖu t-¬ng øng cña nguyªn tè Êy, Cu lµ l-îng cßn l¹i. B¶ng sau tr×nh bµy thµnh phÇn ho¸ häc vµ c¬ tÝnh cña mét sè lat«ng ®¬n gi¶n. B¶ng 12.3 274 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Sè hiÖu Cu, % ζb, N/mm2 ζ0,2, N/mm2 δ, % HB LCuZn10 88 – 91 260 120 45 53 LCuZn20 79 – 81 320 120 52 55 LCuZn30 69 – 72 320 90 55 55 LCuZn40 59 – 62 380 160 25 77 Lat«ng mét pha cã tÝnh dÎo cao th-êng ®-îc çn nguéi thµnh çc b¶n thµnh phÈm (tÊm, b¨ng, èng…) víi çc sè hiÖu LCuZn4, LCuZn10, LCuZn15, LCuZn30, LCuZn32, LCuZn37. Do chøa Zn lµ nguyªn tè rÎ, l¹i cã c¬ tÝnh tèt h¬n, çc tÝnh chÊt vËt lý kh«ng kh¸c ®ång bao nhiªu nªn nã ®-îc dïng thay thÕ ®ång. Lat«ng víi l-îng chøa Cu cao, 88 – 97% ®-îc gäi lµ t«mp¾c, çc t«m p¾c nµy cã mµu ®á nh¹t gÇn gièng ®ång. La t«ng víi sè hiÖu LCuZn20 cã mµu vµng kh¸ giång vµng nªn ®-îc dïng lµm ®å trang søc vµ dïng ®Ó trang trÝ. LCuZn30 vµ LCuZn32 cã c¬ tÝnh tæng hîp tèt nhÊt trong çc lat«ng, ®Æc biÖt cã tÝnh dÎo cao nhÊt nªn ®-îc dïng ®Ó rËp vá ®¹n, lµm èng dÉn vµ çc chi tiÕt rËp s©u. Chóng cã tªn gäi lµ patr«n. LCuZn37 lµ lat«ng 1 pha cã ®é bÒn cao nhÊt. La t«ng hai pha hai pha cã ®é bÒn cao h¬n nh-ng l¹i kÐm la t«ng 1 pha. Hîp kim nµy th-êng ®-îc çn nãng ë nhiÖt ®é cao ( > 4680C) pha β cã ®é dÎo cao h¬n pha β’ trËt tù ho¸ tån t¹i ë nhiÖt ®é thÊp. Th-êng dïng lat«ng hai pha LCuZn40 ë d¹ng tÊm, b¨ng, èng, d©y ®Ó lµm çc chi tiÕt rËp yªu cÇu ®é bÒn cao. b) Lat«ng phøc t¹p Trong lat«ng phøc t¹p, ngoµi Cu vµ Zn ra ng-êi ta cßn ®-a vµo çc nguyªn tè ®Æc biÖt ®Ó c¶i thiÖn mét sè tÝnh chÊt cña hîp kim. Çc nguyªn tè ®Æc biÖt cho vµo lat«ng lµ Pb, Sn, Al, Ni. Cho Pb vµo lat«ng lµ ®Ó lµm t¨ng tÝnh c¾t gät. Lat«ng hai pha LCuZn40Pb1 (59%Cu, 1%Pb, cßn l¹i 40%Zn) cã tÝnh c¾t gät tèt v× Pb kh«ng hoµ tan trong Cu, nã t¹o thµnh h¹t riªng rÏ trong tæ chøc do vËy dÔ lµm g·y phoi. Hîp kim nµy ®-îc dïng lµm çc chi tiÕt gia c«ng c¾t sau ®óc mµ kh«ng biÕn d¹ng. Cho Sn vµo lat«ng lµ ®Ó lµm t¨ng tÝnh chèng ¨n mßn trong m«i tr-êng n-íc biÓn LCuZn29Sn1 (cã 70%Cu vµ 1%Sn) dïng ®Ó lµm èng vµ çc chi tiÕt m¸y tµu biÓn. Cho Al vµ Ni vµo lat«ng ®Ó lµm t¨ng c¬ tÝnh. VÝ dô LCuZn36Al3Ni2 (cã 59%cu, 3%Al, 2%Ni) cã ζb = 500N/mm2 δ = 42%. 275 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Ngoµi çc tÝnh chÊt c¬ khÝ vµ c«ng nghÖ ®· nªu, lat«ng cßn cã tÝnh ch«ng ¨n mßn cao trong kh«ng kh«ng khÝ vµ trong n-íc m¸y. Lat«ng hai pha cã tÝnh chèng ¨n mßn kÐm h¬n lat«ng 1 pha. Nh-îc ®iÓm cña lat«ng lµ cã khuynh h-íng tù nøt. Sau khi biÕn d¹ng nguéi, chi tiÕt lat«ng cßn tån t¹i øng suÊt d- bªn trong, do ®ã dÔ bÞ ¨n mînt nøt trong kh«ng khÝ Èm, amoni¨c vµ n-íc biÓn. La t«ng cã chøa nhiÒu h¬n 20%Sn dÔ cã tËt háng nµy. §Ó tr¸nh nã sau biÕn d¹ng nguéi ph¶i ñ 250 – 3000C trong 1h hay cho vµo 1,0 – 1,5%Si. 12.2.3. Br«ng Br«ng lµ hîp kim cña ®ång víi çc nguyªn tè trõ Zn, ng-êi ta ph©n biÖt çc br«ng kh¸c nhau theo çc nguyªn tè hîp kim chñ yÕu ®-a vµo, vÝ dô hîp kim Cu – Sn ®-îc gäi lµ br«ng thiÕc, Cu – Al gäi lµ br«ng nh«m… a) Br«ng thiÕc Br«ng thiÕc lµ hîp kim cña ®ång víi nguyªn tè hîp kim chñ yÕu lµ thiÕc. Nã lµ hîp kim loµi ng-êi biÕt dïng ®Çu tiªn. H×nh 12.11. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu –Sn Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu – Sn lµ gi¶n ®å tr¹ng th¸i rÊt phøc t¹p, trong ®ã kho¶ng 20 – 50% lµ thiÕc t¹o nªn rÊt nhiÒu pha phøc t¹p nªn ch-a ®îc nghiªn cøu thËt kü cµng. Trong thùc tÕ chØ dïng çc br«ng víi l-îng < 15%Sn. 276 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt VÒ c¬ tÝnh, khi l-îng thiÕc thÊp (<5%) ®é dÎo cña dung dÞch r¾n α vÉn kh¸ cao, chØ khi lín h¬n 5%Sn ®é dÎo míi gi¶m ®i. Còng gièng nh- Zn, trong ph¹m vi thµnh phÇn cña dung dÞch r¾n, Sn lµm t¨ng m¹nh ®é bÒn cña hîp kim. Khi l-îng Sn v-ît qu¸ giíi h¹n hoµ tan sÏ xuÊt hiÖn hçn hîp cïng tÝch [α + δ] do vËy lµm ®é bÒn tiÕp tôc t¨ng lªn nh-ng ®é dÎo l¹i gi¶m m¹nh. Khi δ qua nhiÒu ®é bÒn l¹i gi¶m ®i m¹nh do pha nµy dßn. Do ¶nh h-ëng nµy, ®Ó lµm çc chi tiÕt m¸y chØ dïng çc br«ng víi l-îng < 8%Sn. VÒ tÝnh ®óc, do ¶nh h-ëng cña kho¶ng ®«ng (kho¶ng nhiÖt ®é gi÷a ®-êng láng vµ ®-êng ®Æc) lín nªn ®é ch¶y lo·ng cña br«ng thiÕc nhá, khi kÕt tinh hîp kim co l¹i Ýt (®é co < 1%, trong khi ®ã lat«ng vµ gang – 1,5%, thÐp – 2%) mËt ®é vËt ®óc kh«ng cao (cã nhiÒu rç xèp). chÝnh v× lý do nµy cïng víi ®Æc tÝnh chèng ¨n mßn tèt (kh«ng bÞ háng trong khÝ quyÓn) cã mÆt ®en bãng ®Ñp, br«ng thiÕc ®-îc dïng réng r·i trong ®óc mü nghÖ (t-îng, chu«ng). VÒ tÝnh chèng ¨n mßn, br«ng thiÕc cao h¬n ®ång vµ lat«ng, nã rÊt æn ®Þnh trong kh«ng khÝ Èm, h¬i n-íc vµ n-íc biÓn. VÝ dô trong khÝ quyÓn tèc ®é ¨n mßn cña lat«ng lµ 0,0013 – 0,0038 mm/n¨m, cßn br«ng chØ kho¶ng 0,001 – 0,002 mm/n¨m. Trong h¬i n-íc qu¸ nhiÖt ¸p suÊt cao, nã cã tÝnh æn ®Þnh cao h¬n h¼n lat«ng, do vËy ®-îc dïng nhiÒu trong lß h¬i. Theo TCVN la t«ng ®-îc ký hiÖu b¾t ®Çu b»ng ch÷ B tiÕp theo Cu, Zn råi ký hiÖu çc nguyªn tè hîp kim. Hµm l-îng phÇn tr¨m cña nguyªn tè viÕt sau ký hiÖu t-¬ng øng cña nguyªn tè Êy, Cu lµ l-îng cßn l¹i. Cã thÓ ph©n chia br«ng thiÕc ra lµm hai lo¹i: biÕn d¹ng vµ ®óc. Br«ng thiÕc biÕn d¹ng lµ lo¹i chøa Ýt Sn (th-êng Ýt h¬n 6%, ®«i khi cã thÓ tíi 6 – 8%), th-êng cã tæ chøc 1 pha α, ngoµi ra cã thÓ ®-a thªm P, Zn vµ Pb. Cho P vµo ®Ó khö oxy (khö oxyt thiÕc SnO2), víi l-îng P < 0,5% nã kh«ng ¶nh h-ëng ®Õn c¬ tÝnh, nhiÒu P qóa sÏ t¹o nªn cïng tinh dÔ ch¶y do vËy lµm br«ng dßn nãng. Cho Zn vµo ®Ó thay thÕ cho Sn lµ nguyªn tè ®¾t h¬n, Zn hoµ tan vµo dung dÞch r¾n cã t¸c dông lµm t¨ng c¬ tÝnh. Cho Pb vµo ®Ó c¶i thiÖn tÝnh gia c«ng c¾t. Çc br«ng thiÕc ®-îc sö dông lµm c«ng t¾c ®iÖn, èng thæi, mµng ng¨n, ®Üa ly hîp, lß xo, b¸nh r¨ng ®«I khi lµm b¹c lãt. Br«ng thiÕc ®óc lµ lo¹i chøa nhiÒu h¬n 6%Sn vµ çc nguyªn tè hîp kim h¬n trong lo¹i biÕn d¹ng, ngoµi dung dÞch r¾n α mÒm ra cßn cã cïng tÝch [α+δ] cøng, tæ chøc nµy rÊt thÝch hîp lµm æ tr-ît. Do tÝnh chèng ¨n mßn tèt, ng-êi ta sö dông çc 277 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt br«ng nµy lµm èng dÉn trong çc hÖ thèng t¶i h¬i, b¬m, van…Nhê tÝnh ®óc tèt, ®Æc biÖt lµ kh¶ n¨ng ®iÒn ®Çy khu«n cao, hÖ sè co ngãt nh, br«ng thiÕc chøa Zn vµ Pb ®-îc sö dông nhiÒu trong viÖc ®óc çc t¸c phÈm nghÖ thuËt: t-îng ®µi, phï ®iªu, häa tiÕt trang trÝ… b) Çc br«ng kh¸c Br«ng nh«m th-êng ®-îc dïng víi thµnh phÇn 5 – 10%Al, cã -u ®iÓm lµ ®é bÒn cao, tÝnh chèng mµi mßn vµ chèng ¨n mßn tèt, cã thÓ nhiÖt luyÖn. H×nh 12.12: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu - Al Tõ gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu – Al tr×nh bµy ë h×nh vÏ ta thÊy víi thµnh phÇn 5 – 10%Al cã thÓ t¹o thµnh çc pha α, β, vµ γ’. Th-êng dïng çc sè hiÖu br«ng sau: BCuAl5 vµ BCuAl7 (5 – 7%Al) cã tæ chøc 1 pha; lµ hîp kim biÕn d¹ng cã sù kÕt hîp tèt gi÷a ®é bÒn vµ ®é dÎo (ζb = 400 – 450N/mm2 vµ δ= 60%), th-êng lµm çc chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng n-íc biÓn. BCuAl10 ®-îc dïng ë d¹ng vËt ®óc cã tæ chøc α vµ cïng tÝch [α+γ’], cã ®é bÒn cao h¬n (ζb = 600N/mm2), hîp kim nµy cã ®Æc ®iÓm ®¸ng chó ý lµ cã thÓ nhiÖt luyÖn. Khi nung nãng tíi nhiÖt ®é cao hîp kim cã tæ chøc 1 pha β, nÕu lµm nguéi nhanh (t«i) pha nµy kh«ng kÞp chuyÓn biÕn cïng tÝch mµ cè ®Þnh l¹i ë nhiÖt ®é th-êng, ram ë 350-5600C bÞ ph©n ho¸ thµnh cïng tÝch [α+γ’], song do ë nhiÖt ®é thÊp γ’cã kÝch th-íc rÊt nhá nªn hîp kim cã ®é bÒn vµ ®é dai cao. 278 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Th-êng hîp kim ho¸ br«ng nh«m b»ng s¾t vµ Niken, hai nguyªn tè nµy cã t¸c dông n©ng cao ®é bÒn, tÝnh chèng ¨n mßn, hiÖu qu¶ cña nhiÖt luyÖn, gi¶m ma s¸t. Çc sè hiÖu th-êng dïng lµ BCuAl9Fe4, BCuAl10Fe4Ni4. ë tr¹ng th¸i ñ BCuAl10Fe4Ni4 cã ζb = 650N/mm2, δ = 35%, HB = 140 – 160. Sau khi t«i ë 9800C vµ ho¸ giµ ë 4000C trong 2h ®é cøng t¨ng lªn 400HB. Hîp kim nµy ®-îc dïng lµm b¹c lãt, bÖ tr-ît, mÆt bÝch, b¸nh r¨ng. Br«ng berili lµ lo¹i hîp kim Cu cã giíi h¹n bÒn vµ giíi h¹n ®µn håi rÊt cao, ®é cøng vµ tÝnh chèng ¨n mßn cao, ®ång thêi cã ®é bÒn mái, giíi h¹n d·o vµ chèng mµi mßn tèt. H×nh 12.13: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu - Be Theo gi¶n ®å tr¹ng th¸i Cu – Be thÊy râ Be hoµ tan rÊt Ýt trong Cu, ë 8100C lµ 2,1% vµ ë nhiÖt ®é th-êng lµ 0,2%. V-ît qu¸ giíi h¹n hoµ tan cã cïng tÝch [α+γ], trong ®ã γ lµ pha ®iÖn tö víi c«ng thøc CuBe. Qua nhiÖt luyÖn giíi h¹n bÒn vµ giíi h¹n ®µn håi nt¨ng lªn m¹nh. Th-êng dïng lo¹i br«ng berili cã 1,5 – 2% Be víi sè hiÖu BCu98Be2 bao gåm t«i vµ hãa giµ nh©n t¹o. Sau khi t«i ë 8000C hîp kim cã tæ chøc lµ dung dÞch r¾n α qu¸ b·o hoµ, ë tr¹ng th¸i nµy cã ®é dÎo cao nhÊt (δ = 30 – 40%) vµ rÊt dÔ biÕn cøng. BiÕn d¹ng dÎo 40% lµm t¨ng giíi h¹n bÒn cña hîp kim lªn gÊp ®«i. 279 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Song chØ ë tr¹ng th¸i sau khi t«i vµ ho¸ giµ nh©n t¹o hîp kim míi ®¹t ®-îc giíi h¹n bÒn vµ giíi h¹n ®µn håi vµ ®é cøng cao nhÊt. Br«ngberili thuéc lo¹i vËt liÖu chÞu nhiÖt, nã lµm viÖc ®-îc l©u dµi ë nhiÖt ®é 300-3400C ë 5000C nã cã ®é bÒn nh- br«ng thiÕc – photpho vµ br«ng nh«m ë nhiÖt ®é th-êng. Ngoµi ra Br«ngberili cßn cã tÝnh chèng ¨n mßn cao, tÝnh hµn tèt, gia c«ng c¾t, do ®ã lµ vËt liÖu quý ®Ó lµm lß xo nhÝp, mµng vµ nhÊt lµ çc chi tiÕt ®µn håi cÇn ®é dÉn ®iÖn cao. Dông cô lµm b»ng BCu98Be2 cøng vµ khi va ®Ëp kh«ng ph¸t ra tia löa nh- thÐp, do vËy rÊt an toµn khi lµm viÖc ë má. Nh-îc ®iÓm chñ yÕu cña br«ng berili lµ ®¾t, Be lµ nguyªn tè quý hiÕm do ®ã chØ sö dông trong nh÷ng tr-êng hîp cÇn thiÕt. . §èi víi nh÷ng chi tiÕt ®µn håi mµ kh«ng yªu cÇu cao vÒ tÝnh dÉn ®iÖn, tÝnh ¨n mßn… ng-êi ta chÕ t¹o b»ng çc hîp kim rÎ tiÒn nh- hîp kim ho¸ Al, Ni, Si, Mn. Br«ng ch× th-êng dïng víi sè hiÖu BCuPb30 ®Ó lµm æ tr-ît Br«ng silic cã c¬ tÝnh, tÝnh ®µn håi vµ hÖ sè ma s¸t nhá, tÝnh chèng ¨n mßn cao, rÎ lµ lo¹i vËt liÖu thay thÕ cho br«ng thiÕc vµ br«ng berili ®¾t. Th-êng dïng Si víi l-îng Ýt h¬n 3%. 12.3. Hîp kim æ tr-ît 12.3.1. §iÒu kiÖn lµm viÖc - ChÞu t¸c dông cña ¸p lùc cao, ph©n bè kh«ng ®Òu do ®ã bÞ mµi mßn kh«ng ®Òu trªn toµn bé bÒ mÆt lµm viÖc. - ChÞu t¸c dông cña t¶i träng thay ®æi c¶ vÒ trÞ sè vµ dÊu. - ChÞu t¸c dông cña dung ®éng c¬ häc trong hÖ thèng. - Th-êng xuyªn lµm viÖc trong m«i tr-êng ¨n mßn (çc lo¹i dÇu b«i tr¬n vµ lµm m¸t). 12.3.2. Yªu cÇu ®èi víi hîp kim æ tr-ît. MÆc dÇu ngµy nay æ l¨n (æ bi vµ æ ®òa) ®-îc sö dông ngµy cµng nhiÒu, çc æ tr-ît vÉn cã vÞ trÝ quan träng trong çc m¸y mãc v× -u ®iÓm cña nã: dÔ chÕ t¹o, dÔ thay, rÎ, b«i tr¬n dÔ vµ trong nhiÒu tr-êng hîp kh«ng thÓ dïng æ l¨n ®-îc nh- lãt trôc ë cæ biªn trôc khuûu ë ®ã æ ph¶i lµm b»ng hai nöa ghÐp l¹i. Hîp kim lµm æ tr-ît ph¶i tho¶ m·n çc yªu cÇu sau. 1. Cã hÖ sè ma s¸t nhá víi bÒ mÆt trôc thÐp. §©y lµ yªu cÇu quan träng nhÊt ®èi víi hîp kim æ tr-ît. §Ó ®¹t ®-îc yªu cÇu nµy tæ chøc æ tr-ît ph¶i sao cho 280 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt cã diÖn tÝch tiÕp xóc víi bÒ mÆt cæ trôc thÐp thÊp vµ gi÷ chóng cã khe hë b«i tr¬n b»ng dÇu. Trôc thÐp H¹t cøng NÒn mÒm H×nh 12.14. S¬ ®å tæ chøc cña hîp kim æ tr-ît víi tæ chøc nÒn mÒm, h¹t cøng khi lµm viÖc víi trôc thÐp Yªu cÇu nµy ®-îc ®¶m b¶o khi vËt liÖu lµm æ tr-ît cã tæ chøc kh«ng ®ång nhÊt gåm cã çc h¹t cøng (kho¶ng 5%) ph©n bè ®Òu trªn nÒn mÒm hoÆc çc h¹t mÒm ph©n bè ®Òu trªn nÒn cøng. Sau thêi gian lµm viÖc phÇn tæ chøc mÒm cña hîp kim mßn ®i nhanh h¬n phÇn cøng, do vËy t¹o nªn çc r·nh chøa dÇu. 2. Ýt lµm mßn trôc thÐp vµ chÞu ®-îc ¸p lùc cao. Nh- ®· biÕt truc thÐp th-êng lµ çc chi tiÕt lín, ®¾t tiªn khi cæ trôc bÞ mßn trôc kh«ng cßn dïng ®-îc n÷a. V× vËy hîp kim æ trôc cÇn cã ®é cøng thÊp ®Ó kh«ng lµm mßn trôc m¹nh muèn vËy th-êng ph¶i lµm b»ng çc hîp kim cña Sn, Pb, Al, Cu. Çc hîp kim nµy còng ph¶i cã ®ñ ®é bÒn nhÊt ®Þnh, ®Ó chÞu ®-îc ¸p lùc cÇn thiÕt kh«ng g©y ra çc vÕt nøt mái. §Ó n©ng cao kh¶ n¨ng chÞu ¸p lùc vµ ®Ó tiÕt kiÖm kim lo¹i mÇu, çc æ tr-ît th-êng ®-îc chÕ t¹o b»ng çch ®óc tr¸ng lªn m¸ng b»ng thÐp víi sè hiÖu 08KП. 3. L¾p khÝt vµo trôc - §Ó l¾p khÝt vµo trôc çc æ tr-ît cã thÓ ®-îc chÕ t¹o b»ng hai nöa, råi gia c«ng c¬ khÝ chÝnh x¸c vµ ghÐp l¹i. Nhê phÇn mÒm cña tæ chøc hîp kim dÔ bÞ mßn ®i trong thêi gian lµm viÖc ®Çu tiªn, nªn chãng t¹o nªn ®é khÝt gi÷a æ vµ trôc, thêi kú ch¹y rµ ®-îc rót ng¾n. 4. TÝnh c«ng nghÖ tèt. §Ó ®¶m b¶o dÔ chÕ t¹o, hîp kim æ tr-ît ph¶i cã nhiÖt ®é nãng ch¶y thÊp hoÆc t-¬ng ®èi thÊp ®Ó ®Ô ®óc, tÝnh dÝnh b¸m víi thÐp lµm m¸ng cao. 5. RÎ hoÆc t-¬ng ®èi rÎ, cã tÝnh chèng ¨n mßn cao trong m«i tr-êng dÇu cã tÝnh dÉn nhiÖt tèt. Nãi chung kh«ng cã hîp kim æ trôc nµo ®ång thêi th¶o m·n çc yªu cÇu trªn. Tuy nhiªn hiÖn nay ®· cã nhiÒu lo¹i hîp kim lµm æ tr-ît t-¬ng ®èi tèt, ®-îc dïng nhiÒu trong chÕ t¹o m¸y. 281 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 12.3.3. Nguyªn lý cña hîp kim æ tr-ît Ph¶i lµ hîp kim hai pha, mét pha cøng vµ mét pha mÒm. Khi lµm viÖc pha mÒm bÞ mµi mßn, tiÕp xóc gi÷a trôc vµ æ chØ cßn ë çc pha cøng dÉn ®Õn gi¶m bÒ mÆt tiÕp xóc, hÖ sè ma s¸t gi¶m. Çc pha mÒm bÞ mµi mßn sÏ t¹o thµnh çc r·nh tÕ vi chøa dÇu. - NÒn mÒm + h¹t cøng - H¹t mÒm + nÒn cøng 12.3.4. Ph©n lo¹i hîp kim æ tr-ît Ng-êi ta chia çc hîp kim lµ æ tr-ît ra lµm hai nhãm lín: cã nhiÖt ®é ch¶y cao vµ nhiÖt ®é ch¶y thÊp. 12.3.4.1.Hîp kim æ tr-ît cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp Hîp kim æ trôc trªn c¬ sëcña kim lo¹i cã nhiÖt ®é ch¶y thÊp nh- Sn, Pb, Al, Zn….cã tªn chung lµ babit. Hîp kim ®Çu tiªn cña lo¹i nµy do Bªbit (ng-êi Anh) t×m ra n¨m 1832 cã thµnh phÇn 92% Sn, 4,5%Sb vµ 3,5%Cu kh«ng kh¸c nhiÒu so víi babit thiÕc hiÖn nay vÉn dïng. Nãi chung çc babit rÊt mÒm nªn Ýt lµm mßn cæ trôc thÐp, cã hÖ sè ma s¸t bÐ vµ gi÷ dÇu tèt, tuy nhiªn nã kh«ng chÞu ®-îc ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é cao. B¶ng sau cho biÕt thµnh phÇn mét sè lo¹i babit th-êng gÆp ë ViÖt Nam B¶ng12.4: Thµnh phÇn ho¸ häc cña mét sè babit Lo¹i Babit Sn Babit Pb-Ca-Na Babit Pb-Sn Sè hiÖu Thµnh phÇn çc nguyªn tè % SnSb11Cu6 SnSb8Cu3 Sn Cßn l¹i Cßn l¹i Pb - Sb(Ca) 10-12 7,3-7,8 Cu(Na) 5,5-6,5 2,5-3,5 Nguyªn tè kh¸c 0,8-1,2Cd 0,15-0,25Ni PbCaNa PbSn2 1,5-2,1 Cßn l¹i Cßn l¹i (0,95-1,15) (0,30-0,55) (0,7-0,9) (0,2-0,4) 0,05-0,2Al 0,06-0,11Mg PbSn16Sb16Cu2 PbSn6Sb6 15-17 5,5-6,5 9-11 Cßn l¹i Cßn l¹i Cßn l¹i 15-17 5,5-6,5 13-15 1,5-2,0 0,1-0,3 1,5-2,0 0,1-0,7Cd 0,1-0,5Ni 0,5-0,9As PbSn10Sb14 a) Babit thiÕc 282 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Babit thiÕc lµ lo¹i babit dïng ®Çu tiªn cã -u ®iÓm lín lµ kÕt hîp tèt nhÊt gi÷a c¬ - lý tÝnh vµ tÝnh Ýt ma s¸t, tÝnh chèng ¨n mßn cao, song nh-îc ®iÓm alf chøa nhiÒu thiÕc (80-90%Sn) nªn kh¸ ®¾t. Th-êng dïng trong çc æ tr-ît quan träng lµm viÖc víi tèc ®é lín vµ trung b×nh trong çc tuabin h¬i, m¸y nÐn kiÓu tuècbin, ®éng c¬ diªzen, æ ®ì trôc ch©n vÞt. Çc sè hiÖu th-êng dïng lµ SnSb8Cu3 vµ SnSb11Cu6 Mét çch gÇn ®óng cã thÓ coi hai sè hiÖu trªn lµ hîp kim hai nguyªn Sn – Sb (ngoµi ra cßn cã thªm Ýt Cu). H×nh 12.15. Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Sn-Sb Ng-êi ta kh«ng dïng lo¹i babit thiÕc chØ cã Sn vµ Sb mµ lu«n lu«n cã chøa thªm mét l-îng Cu, së dÜ nh- vËy lµ v× hîp kim hai nguyªn Sn – Sb khi kÕt tinh bÞ thiªn tÝch m¹nh do khèi l-îng riªng cña çc pha α vµ β’ kh¸c nhau, nÕu ®a thªm Cu vµo, khi kÕt tinh Cu3Sn sÏ kÕt tinh tr-íc ë d-íi d¹ng sao ph©n t¸n ®Òu trong pha láng t¹o nªn x-¬ng, khung ng¨n kh«ng cho pha kÕt tinh tiÕp theo næi lªn trªn. HiÖn nay trong chÕ t¹o m¸y ngµy cµng dïng nhiÒu çc babit trªn c¬ së Pb, v× nã rÎ h¬n vµ cã c¬ tÝnh vµ tÝnh Ýt ma s¸t kh«ng kÐm babit thiÕc bao nhiªu. b) Babit ch× thiÕc Babit ch× thiÕc lµ lo¹i hîp kim æ tr-ît ngoµi Pb vµ Sn cßn chøa mét l-îng kh¸c lín Sb (6-15%) vµ mét l-îng nhá Cu (1-2%). Çc sè hiÖu th-êng dïng lµ PbSn6Sb15Cu3Cd2, PbSn10Sb14Cu2Ni vµ PbSn6Sb6 PbSn6Sb15Cu3Cd2 cã l-îng Sn vµ Sb t-¬ng ®èi cao (15 – 17% mçi nguyªn tè) víi tæ chøc tÕ vi cã nhiÒu çc h¹t cøng SnSb, Cu3Sn do ®ã t-¬ng ®èi gißn. Nã ®-îc dïng ®Ó thay thÕ cho SnSb11Cu6 trong ®iÒu kiÖn kh«ng va ®Ëp nh- æ ®ì cña çc ®Çu m¸y ch¹y ®iÖn, ®Çu m¸y h¬i n-íc, tuèc bin thuû lùc…. PbSn10Sb14Cu2Ni cã l-îng Sn vµ Sb Ýt h¬n(9-11% Sn, 13-15%Sb) vµ ®-îc hîp kim ho¸ thªm Cd, As vµ Ni, trong ®ã Cd n©ng cao tÝnh chèng ¨n mßn, As c¶i thiÖn tÝnh ch¶y lo·ng vµ ®é bÒn nhiÖt, Ni ho¸ bÒn dung dÞch r¾n α, n©ng cao c¬ 283 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt tÝnh. Nã ®-îc dïng lµm æ tr-ît chÞu t¶i träng va ®Ëp vµ thay thÕ cho SNSb11Cu6 lµm æ tr-ît cña ®éng c¬ ®èt trong, tuècbin h¬i vµ m¸y h¬i n-íc…. HiÖn nay cã xu h-íng dïng ngµy mét phæ biÕn PbSn6Sb6 ®Ó lµm çc æ tr-ît cho çc ®éng c¬ x¨ng cña « t«, m¸y kÐo, m¸y c«ng cô lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn t¶i träng va ®Ëp. So víi çc sè hiÖu trªn hîp kim nµy rÎ tiÒn h¬n do chøa Ýt Sn h¬n vµ tho¶ m·n kh¸ tèt çc yªu cÇu cña æ tr-ît. c) Babit ch× - canxi – natri Trong vËn t¶i ®-êng s¾t vµ çc m¸y má dïng nhiÒu lo¹i æ tr-ît lµm b»ng hîp kim cña Pb víi Ca vµ Na, víi tæ chøc Pb lµ nÒn mÒm, çc h¹t cøng lµ hîp chÊt ho¸ häc gi÷a Pb víi Ca vµ Na (Pb3Ca, Pb3Na). d) Babit kÏm Hîp kim kÏm ®Ó lµm æ tr-ît lµ hîp kim ba nguyªn Zn – Cu – Al vµ çc sè hiÖu th-êng dïng ë Liªn X« lµ ZnAl10Cu5 vµ ZnAl9Cu1,5. So víi çc lo¹i babit trªn babit cã tÝnh dÎo thÊp (δ=0,5-1%) hÖ sè ma s¸t vµ hÖ sè në dµi lín. ¦u ®iÓm cña babit kÏm lµ rÎ. e) Babit nh«m So víi çc babit trªn babbit nh«m lµ lo¹i hîp kim æ tr-ît cã nhiÒu triÓn väng h¬n c¶ do cã hÖ sè ma s¸t nhá, nhÑ, tÝnh dÉn nhiÖt cao, tÝnh chèng ¨n mßn cao trong dÇu, c¬ tÝnh cao vµ chèng mµi mßn tèt, riªng tÝnh c«ng nghÖ tuy thua kÐm çc lo¹i babit kh¸c nh-ng vÉn ®¶m b¶o yªu cÇu. C«ng nghÖ chÕ t¹o æ tr-ît b»ng babit nh«m theo çc b-íc sau: chÕ t¹o hîp kim nh«m ë d¹ng b¨ng råi sau ®ã çn Ðp ®ång thêi nã víi m¸ng thÐp trªn m¸y çn ®Ó t¹o nªn çc b¨ng kim lo¹i ghÐp (bimetal), cuèi cïng chÕ t¹o æ tr-ît tõ b¨ng kim lo¹i b»ng çch rËp. Çc sè hiÖu babit nh«m th-¬ng dïng lµ: ACM, ACC6-5, AO20-1 vµ AO9-2 víi thµnh phÇn ho¸ häc cho trong b¶ng sau: B¶ng12.5: Thµnh phÇn ho¸ häc cña çc babit nh«m Sè hiÖu ACM ACC6-5 AO20-1 AO9-2 Sb 3,5-6,5 5-6 - Pb 4-5 - Thµnh phÇn çc nguyªn tè % Mg Sn Cu 0,3-0,7 0,5-0,7 17,0-23,0 0,7-1,2 0,3-0,7Si 8,0-10,0 2,0-2,5 Cã thÓ chia çc babit nh«m thµnh hai hÖ chÝnh: Al-Sb vµ Al-Sn. 284 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ni 0,8-1,2 VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Trong hÖ Al-Sb, dïng rÊt phæ biÕn sè hiÖu ACM cã tæ chøc gåm nÒn mÒm lµ Al vµ çc h¹t cøng lµ AlSb, ACM t-¬ng ®èi rÎ, hÖ sè ma s¸t nhá, c¬ tÝnh cao nªn ®-îc dïng ®Ó thay thÕ cho Бp.C30 t-¬ng ®èi ®¾t trong çc ®éng c¬ diezen. Trong hÖ Al-Sn ®· b¾t ®Çu dïng sè hiÖu AO20-1 vµ AO9-2 (sè thø tù thø hai chØ l-îng Cu) cã tæ chøc gåm bëi nh«m vµ çc vËt lÉn mÒm cña thiÕc cïng tinh, cã ®é bÒn mái cao, lµm viÖc t«t trong ®iÒu kiÖn ma s¸t kh« vµ nöa -ít. AO20-1 ®-îc dïng lµm lãt trôc khuûu cña ®éng c¬ ®èt trong ë d¹ng kim lo¹i ghÐp, AO9-2 lµm æ tr-ît trong tÇu thuû vµ c«ng nghiÖp giao th«ng vËn t¶i. 12.3.4.2. Hîp kim æ tr-ît cã nhiÖt ®é ch¶y cao ¦u ®iÓm chung cña hîp kim æ tr-ît cã nhiÖt ®é ch¶y cao lµ chÞu ®-îc ¸p lùc lín do cã ®é bÒn cao (cã thÓ lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn ¸p lùc riªng lín). Th-êng dïng br«ng vµ gang x¸m. a) Gang x¸m Th-êng dïng lo¹i gang x¸m chÊt l-îng cao víi tæ chøc nÒn kim lo¹i lµ Peclit nhá mÞn vµ víi mét l-îng kh¸ lín graphit tÊm. Tæ chøc nh- vËy thuéc lo¹i nÒn cøng, h¹t mÒm, ë ®©y çc graphit cã ®é bÒn gÇn b»ng kh«ng sÏ bãc ®i, trªn bÒ mÆt tiÕp xóc chõa l¹i “çc hè” l¯ nh÷ng n¬i chøa dÇu b«i tr¬n rÊt tèt. æ trît bºng gang x¸m rÎ cã tÝnh chÞu nÐn tèt nh-ng tèc ®é vßng quay thÊp v× hÖ sè ma s¸t cña cÆp gang – thÐp kh¸ lín (cÇn nhí lµ mÆc dï graphit t¹o ra hiÖu øng b«i tr¬n cho æ tr-ît, nh-ng kh«ng ph¶i nhê ®ã hÖ sè ma s¸t cña æ tr-ît gang víi thÐp thÊp nh- ë cacbit) Ngoµi ra còng cã thÓ dïng gang dÎo, gang cÇu víi nÒn P vµ gang x¸m austenit ®Ó lµm æ tr-ît. b) Br«ng thiÕc Nh- ®· tr×nh bµy, br«ng thiÕc dïng lµm æ tr-ît lµ lo¹i cã nÒn mÒm lµ dung dich r¾n α vµ h¹t cøng lµ cïng tÝch [α+δ]. ¦u ®iÓm cña br«ng thiÕc lµ chÞu ®-îc ¸p lùc lín vµ tèc ®é vßng cao h¬n gang x¸m, th-êng lµm çc æ tr-ît quan träng. Cã thÓ dïng víi çc sè hiÖu БpOФ10-1 vµ Бp.OC8-12 (cã thªm 12%Pb). Trong thùc tÕ th-êng dïng br«ng thiÕc phøc t¹p ®Ó lµm çc b¹c lãt cã yªu cÇu chèng mµi mßn vµ Ýt ma s¸t. §Ó lµm b¹c lãt cæ biªn gi÷a thanh truyÒn vµ cæ biªn cña trôc khuûu th-êng dïng br«ng thiÕc víi sè hiÖu Бp.OЦC5-5-5 (ë tr¹ng th¸i ®óc) vµ Бp.OЦC4-4-2,5 (ë tr¹ng th¸i biÕn d¹ng), trong ®ã Pb kh«ng tan trong Cu ë tr¹ng th¸i r¾n, ë d¹ng çc h¹t riªng rÏ lµm gi¶m ma s¸t. c) Br«ng ch× 285 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Br«ng ch× cã ®Æc ®iÓm næi bËt lµ Ýt ma s¸t vµ hÖ sè dÉn nhiÖt cao, ngoµi ra chÞu ®ùng tèt t¶i träng vµ ®Ëp vµ chÞu mái. ChÝnh v× vËy br«ng ch× ®-îc dïng lµm çc æ tr-ît quan träng, chÞu t¶i cao vµ tèc ®é lín nh- æ tr-ît cña çc ®éng c¬ m¸y bay, ®iezen, tuècbin…. HiÖn nay Liªn X« th-êng dïng nhÊt sè hiÖu Бp.C30 víi l-îng ch× kho¶ng 30%. Do Pb kh«ng tan trong cu ë tr¹ng th¸i r¾n vµ tan h¹n chÕ trong tr¹ng th¸i láng do vËy khi ®óc cã hiÖn t-¬ng thiªn tÝch do vËy ®Ó tr¸nh hiÖn t-îng thiªn tÝch cÇn ph¶i cho kim lo¹i láng kÕt tinh víi tèc ®é nhanh ®Ó tr¸nh hiÖn t-¬ng ph©n líp vµ ®Ó çc h¹t Pb nhá ph©n bè ®Òu trªn nÒn ®ång. Khi lµm viÖc çc h¹t Pb bÞ mßn ®i nhanh t¹o nªn r·nh chøa dÇu, cßn nÒn Cu th× ®ì lÊy trôc (tæ chøc nÒn cøng h¹t mÒm). C¬ tÝnh cña Бp.C30 ë tr¹ng th¸i ®óc kh¸ thÊp (ζb = 60N/mm2, δ = 4%, 25HB) nªn c¬ tÝnh th-êng ®-îc ®óc tr¸ng lªn amngs thÐp hoÆc èng, råi tõ ®ã míi chÕ t¹o nªn æ tr-ît. Hîp kim ho¸ thªm b»ng Sn, Ni, Mn sÏ t¹o nªn dung dÞch r¾n víi Cu n©ng cao ®-îc ®é bÒn cña hîp kim vµ cã thÓ dïng nagy kh«ng cÇn m¸ng thÐp. Khi dïng æ tr-ît b»ng br«ng ch× ph¶i chó ý lµm cæ trôc thÐp cã ®é cøng cao ®Ó tr¸nh mßn trôc vµ dÇu dïng b«i tr¬n ph¶i cã ®é axit thÊp. 286 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt PHô LôC Çc hÖ thèng ký hiÖu vËt liÖu kim lo¹i Mçi n-íc ®Òu cã tiªu chuÈn quy ®Þnh çc n-íc (ký hiÖu) còng nh- çc yªu cÇu kü thuËt cho çc s¶n phÈm kü thuËt cña m×nh vµ cã çch viÕt tªn ký hiÖu (m¸c) kh¸c nhau. Ngoµi tiªu chuÈn ViÖt Nam nh- ®· tr×nh bµy, chóng ta th-êng gÆp tiªu chuÈn quèc tÕ cña çc n-íc lín trªn thÕ giíi: Mü, NhËt B¶n, Nga, Trung Quèc, Ph¸p, §øc, Anh....vµ cña EU Tæ chøc tiªu chuÈn quèc tÕ ISO (International Standard Organization) tuy cã ®-a ra bé tiªu chuÈn nh-ng qu¸ muén so víi çc n-íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn v× hä ®-a ra hÖ thèng ký hiÖu tõ tr-íc vµ ®· quen dïng kh«ng dÔ g× thay ®æi; v× thÕ chØ cã t¸c udngj ®èi víi çc n-íc ®ang phat triÓn ®ang x©y dùng tiªu chuÈn, Tiªu chuÈn Nga ГОCT, Trung Quèc GB cã phÇn quen thuéc ë n-íc ta. Do çc quan hÖ lÞch sö tiªu chuÈn ViÖt Nam vµ Trung Quèc ®Òu ®-îc x©y dùng trªn nguyªn t¾c cña ГОCT. §èi víi thÐp çn th«ng dông: - Çc lo¹i thÐp chØ quy ®Þnh (b¶o ®¶m) c¬ tÝnh: ГОCT cã çc m¸c tõ CT0 ®Õn CT6, GB: A1 ®Õn A7 (con sè chØ cÊp ®é bÒn t¨ng dÇn. §Ó ph©n biÖt thÐp s«i, nöa lÆng vµ lÆng sau çc m¸c cña ГОCT cã ®u«i KП, ПC, CП; cña GB cã ®u«i F,b (thÐp lÆng kh«ng cã ®u«i)). - Çc lo¹i thÐp quy ®Þnh b¶o ®¶m thµnh phÇn: ГОCT cã m¸c tõ БCT0 ®Õn БCT6, GB: B1 ®Õn B7 - Çc loại thÐp quy ®Þnh (b¶o ®¶m) c¶ c¬ tÝnh lÉn thµnh phÇn: ГОCT cã çc m¸c BCT1 ®Õn BCT5; GB cã tõ C2 ®Õn C5 §èi víi thÐp cacbon chÕ t¹o m¸y ГОCT vµ GB cã ký hiÖu gièng hÖt nhau: theo sè phÇn v¹n cacbon, vÝ dô m¸c 45 lµ thÐp cã trung b×nh 0,45%C. §èi víi thÐp cacbon chÕ t¹o m¸y ГОCT cã çc m¸c tõ Y7 ®Õn Y13, GB cã ký hiÖu tõ T7 ®Õn T13 (chØ sè phÇn ngh×n cacbon trung b×nh) §èi víi thÐp hîp kim cã c¶ ch÷ (chØ nguyªn tè hîp kim) lÉn sè (chØ l-îng cacbon vµ nguyªn tè hîp kim) theo nguyªn t¾c: - Hai sè ®Çu chØ phÇn v¹n cacbon (nÕu kh«ng nhá h¬n 1%C th× kh«ng cÇn) - TiÕp theo lµ ký hiÖu cña tõng nguyªn tè vµ sè chØ phÇn tr¨m cña nã (nÕu gÇn 1% hay kh«ng nhá h¬n 1% th× kh«ng cÇn) ГОCT dïng çc ch÷ çi Nga ®Ó ký hiÖu nguyªn tè hîp kim nhsau: X chØ Crom, H: Niken, B: Volfram, M: Molipden, T: Titan, K: Coban, C: Silic, Г: 287 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Mangan, P: bo, Ю: Nh«m, Д: ®ång, Б: niobi, Ц: zieccon, A: nit¬, Ч: ®Êt hiÕm (riªng ch÷ A sau cïng chØ thÐp cã chÊt l-îng cao Ýt P, S) GB dïng chÝnh ký hiÖu hãa häc ®Ó biÓu thÞ tõng nguyªn tè §èi víi hîp kim mµu ГОCT ký hiÖu nhsau: - Д chØ dduarra tiÕp theo lµ sè thø tù, AЛ chØ hîp kim nh«m ®óc tiÕp sau lµ sè thø tù. - Л chØ la t«ng, tiÕp sau lµ chØ sè phÇn tr¨m ®ång, Бp chØ brong tiÕp sau lµ d·y nguyªn tè hîp kim vµ d·y sè chØ phÇn tr¨m cña çc nguyªn tè t-¬ng øng. GB chØ ký hiÖu hîp kim mµu nhsau: - LF hîp kim nh«m kh«ng gØ, LY: duyra (c¶ hai lo¹i tiÕp theo sau lµ sè thø tù), ZL: hîp kim nh«m ®óc víi ba sè tiÕp sau (trong ®ã sè ®Çu tiªn chØ lo¹i) - H: chØ latong tiÕp theo sau lµ chØ sè phÇn tr¨m ®ång; Q chØ brong tiÕp sau lµ nguyªn tè hîp kim chÝnh, sè chØ phÇn tr¨m cña nguyªn tè chÝnh, sè chØ phÇn tr¨m cña nguyªn tè chÝnh vµ tæng çc nguyªn tè kh¸c. §èi víi gang ГОCT ký hiÖu nhsau: - CЧ: chỉ gang xám và số tiếp theo chỉ ζb (kG/mm2), BЧ chỉ gang cầu và số tiếp theo chỉ ζb (kG/mm2), KЧ chỉ gang dẻo với các chỉ số chỉ ζb (kG/mm2) và δ (%). GB ký hiệu gang như sau: - HT cho gang xám và số tiếp theo chỉ ζb (MPa), QT cho gang cầu và các số chỉ ζb (MPa) và δ (%). KTH cho gang dẻo ferit, KTZ cho gang dẻo peclit và các số tiếp theo chỉ ζb (MPa) và δ (%). Mỹ là nước có rất nhiều hệ thống tiêu chuẩn nên phức tạp, song có ảnh hưởng lơn đối với thế giới. Ở đây trình bày hệ tiêu chuẩn thường được dùng nhất đối với từng loại vật liệu kim loại. Đối vơi thép cán nóng thường dùng ASTM (American Society for Testing and Materials) ký hiệu theo các số tròn (42,50,60,65) chỉ ζ0,2 min (ksi) Đối với thép HSLA thường dùng SAE (Society for Automotive Engineers) ký hiệu bắt đầu bằng con số 9 và hai số tiếp theo chỉ ζ0,2 min (ksi) Đối với thép cacbon và thép hợp kim kết cấu cho chế tạo máy thường dùng hệ thống AISI/SAE với bốn số trong đó hai số dầu chỉ loại thép, hai số cuối cùng chỉ phần vạn cacbon: 10xx thép cacbon 4xxx thép Mo 288 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt 11xx thép dễ cắt có S 12xx thép dễ cắt có S và P 13xx thép Mn (1,00-1,765%) 2xxx thép Ni 3xxx thép Ni-Cr 5xxx thép Cr 6xxx thép Cr-V 7xxx thép W-Cr 8xxx thép Ni-Cr-Mo 9xxx thép Si-Mn xxBxx thép B xxLxx thép chứa Pb Muốn biết thành phần cụ thể phải tra bảng Nếu thép được đảm bảo bằng độ thấm tôi thì đằng sau ký hiệu thêm chữ H Đối với thé dụng cụ thông thường dùng hệ thống của AISI (American Iron and Steel Institute) được ký hiệu bằng một chữ cái chỉ đặc điểm của thép và số chỉ thứ tự quy ước: M thép gió molipden T thép gió vonfram (tungsten) H thép làm khuôn rập nóng (hot work) A thép làm khuôn dập nguội hợp kim trung bình tự tôi, tôi trong không khí D thép làm khuôn rập nguội crom và cacbon cao O thép làm khuôn rập nguội tôi dầu S thép làm dụng cụ chịu va đập L thép dụng cụ có công dụng riêng hợp kim thấp P thép làm khuôn ép (nhựa) có cacbon thấp W thép dụng cụ cacbon tôi nước Đối với thép không gỉ tiêu chuẩn AISI không những thịnh hành ở Mỹ mà còn được nhiều nước đưa vào tiêu chuẩn của mình, nó được ký hiệu bằng ba chữ số trong đó bắt đầu bằng 2 hoặc 3 là thép austenit, bằng 4 là thép ferit hay mactenxit Đối với hợp kim nhôm, tiêu chuẩn Â (Aluminum Ascolation) có uy tín nhất ở Mỹ và trên thế giới cũng được nhiều nước chấp nhận, nó ký hiệu bằng bốn chữ số đối với loại biến dạng: 1xxx lớn hơn 99%Al 5xxx Al-Mg 2xxx Al-Cu 6xxx Al-Si-Mg 3xxx Al-Mn 7xxx Al-Zn 4xxx Al-Si 8xxx Al-nguyên tố khác 289 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Hợp kim nhôm đúc cũng có bốn chữ số song trước số cuối (thường là số 0) có dấu chấm: 1xx.0 nhôm sạch thương phẩm 2xx.0 Al-Cu 3xx.0 Al-Si-Cu (Mg) 4xx.0 Al-Si 5xx.0 Al-Mg 7xx.0 Al-Zn 8xx.0 Al-Sn Đối với hợp kim đồng người ta dùng hệ thông CDA (Copper Development Association): 1xx không nhỏ hơn 99%Cu (riêng 19x lớn hơn 97% Cu) 2xx Cu-Zn 3xx Cu-Zn-Pb 4xx Cu-Zn-Sn 5xx Cu-Sn 60x-64x Cu-Al và Cu-Al- nguyên tố khác 65x-69x Cu-Si và Cu-Zn- nguyên tố khác 7xx Cu-Ni và Cu-Ni- nguyên tố khác Nhật Bản chỉ dùng một tiêu chuẩn JIS (Japanese Industrial Standards) vơi đặc điểm là toàn dùng hệ đo lường quốc tế, cụ thể là ứng suất theo Mpa Tất cả các thép ddeuf bắt đầu bằng chữ S Thép cán thông dụng được ký hiệu bằng chỉ số giới hạn bền kéo hay giới hạn chảy thấp nhất (tuy từng loại). SS – thép cán thường có tác dụng chung, SM thép cán làm kết cấu hàn, nếu thêm chữ A là SMA – thép chống ăn mòn trong khí quyển, SE – thép tấm làm nồi hơi. Thép cacbon để chế tạo máy: SxxC hay SxxCK trong đó xx chỉ phần vạn cacbon trung bình (chữ K ở cuối là loại có chất lượng cao: lượng P, S không lớn hơn 0,025%). Thép hợp kim để chế tạo máy gồm hệ thống chữ và số: - Bắt đầu bằng SCr – thép crom, SMn – thép Mn, SNC – thép niken-crom, SNCM – thép niken-crom-molipden, SCM – thép crom-molipden, SACM – thép nhôm-crom-molipden, SMnC – thép mangan-crom. 290 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt - Tiếp theo là ba chữ số trong đó hai chữ cuối cùng chỉ phần vạn cacbon trung bình. Thép dễ cắt được ký hiệu bằng SUM, thép đàn hồi SUP, thép ổ lăn – SUJ và số thứ tự. Thép dụng cụ cắt bắt đầu bằng chữ SK và số thứ tự: SKx – thép dụng cụ cacbon SKHx – thép gió SKSx – thép làm dao cắt và khuôn rập nguội SKD và SKT – thép làm khuôn rập nóng, đúc áp lực Thép không gỉ được ký hiệu bằng SUS và số tiếp theo trùng với số của AISI, thép chịu nhiệt được ký hiệu bằng chữ SUH. Gang xám được ký hiệu bằng FCxxx, gang cầu FCDxxx, gang dẻo lõi đen – FCMBxxx, lõi trắng – FCMWxxx, peclit – FCMPxxx, các số xxx đều chỉ giới hạn bền. Các hợp kim nhôm và đồng có nhóm số lấy theo AA và CDA với phía trước có A (chỉ nhôm), C (chỉ đồng) 291 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ GIÁO TRÌNH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU VËt liÖu kü thuËt Tµi liÖu tham kh¶o 1. Chu Thiªn Tr-êng - 2000 - VËt liÖu häc - Nhµ xuÊt b¶n gi¸o dôc. 2. Lª C«ng D-ìng - 2000 - VËt liÖu häc - Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt - Hµ Néi. 3. Nghiªm Hïng - 1999 - Kim lo¹i häc vµ nhiÖt luyÖn - Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc vµ Trung häc chuyªn nghiÖp - Hµ Néi. 4. L-¬ng V¨n Qu©n - 2004 - Gi¸o tr×nh vËt liÖu c¬ khÝ - Nhµ xuÊt b¶n lao ®éng x· héi 5. NguyÔn V¨n S¾t - 1978 - VËt liÖu c¬ khÝ vµ c«ng nghÖ kim lo¹i - Nhµ xuÊt b¶n c«ng nh©n kü thuËt. 6. NguyÔn Kh¾c X-¬ng - 2003 - VËt liÖu kim lo¹i mµu - Nhà xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt. 7. Goriunov.I.V - 1980 - Hãa bÒn dung dÞch r¾n - Nhµ xuÊt b¶n chÕ t¹o m¸y Matxc¬va. 8. Curdiumov - 1970 - Çc ph-¬ng ph¸p hãa bÒn bÒ mÆt (b¶n tiÕng Nga) Nhµ xuÊt b¶n luyÖn kim Matxc¬va. 9. Cotov.O.C - 1969 - T¨ng bÒn bÒ mÆt chi tiÕt m¸y b»ng nhiÖt luyÖn (b¶n tiÕng Nga) - Nhµ xuÊt b¶n chÕ t¹o m¸y Matxc¬va. 10. Ocdin.I.V- 1982 - Hîp kim babÝt vµ øng dông (b¶n tiÕng Nga) - Nhµ xuÊt b¶n luyÖn kim Matxc¬va. 11. Goriunov. I. V - 1980 - VËt liÖu míi trong ®ãng tµu (b¶n tiÕng Nga) - Nhµ xuÊt b¶n LuyÖn kim Matxc¬va. 12. R.CaHn - 1990 - Kim lo¹i häc vËt lý tËp 1,2,3 (b¶n tiÕng Nga )- Nhµ xuÊt b¶n gi¸o dôc. 292 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Livro de Ciência dos Materiais: Estrutura, Propriedades, Tratamento Térmico

Related documents

Products

Support

Livro de Ciência dos Materiais: Estrutura, Propriedades, Tratamento Térmico

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib