Bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:179

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2 cung cấp cho người học các kiến thức: Nhiệt luyện và các phương pháp hóa bền bề mặt thép, thép và gang, hợp kim màu và bột, vật liệu vô cơ (ceramic), vật liệu polyme, vật liệu compozit, ăn mòn và bảo vệ vật liệu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT 2 TB2015-01-13 Ban biên soạn: Chủ biên: ThS. Vũ Văn Khánh Thành viên: ThS. Phạm Văn Trưởng NAM ĐỊNH, 2015
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học công nghệ phát triển đặc biệt là khoa học vật liệu. Vì vậy, đã phát triển nhiều loại vật liệu sử dụng trong ngành chế tạo cơ khí như vật liệu kim loại, vật liệu bột, vật liệu ceramic, polyme và compozit... Vật liệu kỹ thuật 2 là môn học nghiên cứu về tổ chức, tính chất của vật liệu, và phạm vi ứng dụng các loại của chúng. Trong mọi công việc của cử nhân, kỹ sư cơ khí, từ việc quyết định phương án thiết kế, tính toán kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp, vận hành máy, thiết bị, tất thảy đều có liên quan mật thiết đến lựa chọn và sử dụng vật liệu. Điều quan trọng nhất đối với người học là phải nắm được cơ tính và tính công nghệ của các vật liệu kể trên để có thể lựa chọn và sử dụng chúng tốt nhất và hợp lý, đạt các yêu cầu cơ tính đề ra với chi phí gia công ít nhất, giá thành rẻ và có thể chấp nhận được. Nhằm đáp ứng mục tiêu đào tạo theo học chế tín chỉ, ngành cơ khí tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định theo xu hướng phát triển của khu vực, nhóm tác giả biên soạn tập bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2. Tập bài giảng được dùng để giảng dạy và làm tài liệu chính cho sinh viên hệ Đại học và Cao đẳng kỹ thuật học tập, ngoài ra có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các chuyên ngành kỹ thuật khác. Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã c ố gắng sử dụng những hiểu biết và kinh nghiệm cũng như th ực tế Việt Nam tích lũy đư ợc trong quá trình công tác giảng dạy và thực tiễn, đồng thời tham khảo chương trình giảng dạy cũng như các sách giáo khoa về vật liệu học ở các trường đại học xuất bản trong những năm gần đây. NHÓM TÁC GIẢ
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................................vii CHƯƠNG. NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP........ 1 1.1. Nhiệt luyện.............................................................................................................1 1.1.1.Định nghĩa và đặc điểm chung của nhiệt luyện ................................................1 1.1.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép- Sự tạo thành austenit ...........................1 1.1.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt...............................................................3 1.1.4. Các chuyển biến của austennit khi làm nguội..................................................4 1.2. Ủ và thường hóa thép.............................................................................................9 1.2.1. Ủ thép ...............................................................................................................9 1.2.2. Thường hoá thép ............................................................................................11 1.3. Tôi thép ................................................................................................................12 1.3.1. Định nghĩa và m ục đích .................................................................................12 1.3.2. Chọn nhiệt độ tôi ............................................................................................12 1.3.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi ...................................................................13 1.3.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi ..................15 1.3.5. Cơ – nhiệt luyện .............................................................................................18 1.4. Ram thép ..............................................................................................................20 1.4.1. Định nghĩa và m ục đích .................................................................................20 1.4.2. Các phương pháp ram ....................................................................................20 1.5. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện ..................................................................21 1.5.1. Biến dạng và nứt ............................................................................................21 1.5.2. Ôxy hoá và thoát Cacbon ...............................................................................22 1.5.3. Độ cứng không đạt ........................................................................................23 1.5.4. Tính giòn cao..................................................................................................23 1.6. Các phương pháp hóa bền bề mặt thép ................................................................23 1.6.1. Phương pháp cơ học .......................................................................................23 1.6.2. Phương pháp nhiệt luyện bề mặt....................................................................24 1.6.3. Phương pháp hóa nhiệt luyện.........................................................................27 Câu hỏi ôn tập ...............................................................................................................................36 CHƯƠNG 2. THÉP VÀ GANG................................................................................................. 37 2.1.Thép Cacbon .........................................................................................................37 2.1.1.Thành phần hóa học ........................................................................................37 2.1.2. Ảnh hưởng của Cacbon đến tổ chức và tính chất của thép Cacbon...............37 2.1.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố khác ...............................................................39 2.1.4. Phân loại thép Cacbon....................................................................................40 i
2.1.5. Ký hiệu và công dụng của các nhóm thép Cacbon ........................................42 2.1.6. Ưu nhược điểm của thép cacbon ....................................................................44 2.2. Thép hợp kim .......................................................................................................45 2.2.1. Tác dụng của nguyên tố hợp kim ...................................................................46 2.2.2. Phân loại thép hợp kim...................................................................................59 2.2.3. Ký hiệu thép hợp kim.....................................................................................60 2.3. Thép cán nóng thông dụng...................................................................................60 2.3.1. Thành phần và tính chất .................................................................................60 2.3.2. Nhóm thép Cacbon.........................................................................................62 2.3.3. Nhóm thép hợp kim vi lượng .........................................................................62 2.3.4. Nhóm thép hai pha đối nghịch (ferit-Mactenxit) ...........................................63 2.3.5. Nhóm thép hợp kim thấp................................................................................63 2.4. Thép kết cấu .........................................................................................................64 2.4.1. Khái niệm, đặc điểm và phân loại thép kết cấu..............................................64 2.4.2. Thép thấm Cacbon .........................................................................................65 2.4.3. Thép hóa tốt....................................................................................................67 2.4.4. Thép đàn hồi...................................................................................................68 2.5. Thép dụng cụ........................................................................................................69 2.5.1. Khái niệm và phân loại...................................................................................69 2.5.2. Thép dao cắt ...................................................................................................69 2.5.3. Thép khuôn dập nguội....................................................................................74 2.5.4. Thép khuôn dập nóng.....................................................................................75 2.5.5. Thép làm dụng cụ đo lường ...........................................................................76 2.6. Thép và hợp kim đặc biệt.....................................................................................77 2.6.1. Thép và hợp kim có tính chống mài mòn cao ................................................77 2.6.2. Thép không gỉ.................................................................................................80 2.6.3. Thép và hợp kim chịu nhiệt (làm việc ở nhiệt độ cao). .................................85 2.7. Các loại gang........................................................................................................88 2.7.1. Đặc điểm chung của gang ..............................................................................88 2.7.2. Tổ chức tế vi và cơ tính của các loại gang .....................................................91 Câu hỏi ôn tập ...............................................................................................................................99 CHƯƠNG 3. HỢP KIM MÀU VÀ BỘT ................................................................................100 3.1. Nhôm và hợp kim nhôm ....................................................................................100 3.1.1. Những đặc tính chủ yếu của nhôm...............................................................100 3.1.2. Phân loại và ký hiệu .....................................................................................100 3.1.3. Nhôm sạch kỹ thuật......................................................................................102 3.1.4. Hợp kim nhôm biến dạng.............................................................................102 ii
3.1.5. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện ........................102 3.1.6. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện....................................104 3.1.7. Hợp kim nhôm đúc.......................................................................................106 3.2. Đồng và hợp kim đồng ......................................................................................108 3.2.1. Đồng đỏ ........................................................................................................108 3.2.2. Latông...........................................................................................................110 3.2.3. Brông ............................................................................................................112 3.3. Hợp kim ổ trượt .................................................................................................114 3.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt ...........................................................114 3.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp. .......................................................115 3.3.3. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao..........................................................115 3.4. Hợp kim bột .......................................................................................................116 3.4.1. Khái niệm chung ..........................................................................................116 3.4.2. Vật liệu cắt và mài........................................................................................117 3.4.3. Vật liệu kết cấu.............................................................................................120 3.4.4. Hợp kim xốp và thấm...................................................................................122 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................125 CHƯƠNG 4. VẬT LIỆU VÔ CƠ (CERAMIC).....................................................................126 4.1. Cấu trúc của vật liệu vô cơ ................................................................................127 4.1.1. Liên kết nguyên tử trong vật liệu vô cơ .......................................................127 4.1.2. Trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình..............................................127 4.1.3. Vật liệu đa pha và đa tinh thể.......................................................................130 4.2. Tính chất cơ học.................................................................................................131 4.3. Các loại vật liệu vô cơ và ứng dụng ..................................................................132 4.3.1. Gốm và vật liệu chịu lửa ..............................................................................132 4.3.2. Thủy tinh và gốm thủy tinh ..........................................................................133 4.3.3. Xi măng và bê tông ......................................................................................134 4.4. Sản xuất và xử lý các loại vật liệu vô cơ ...........................................................136 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................138 CHƯƠNG 5. VẬT LIỆU POLYME........................................................................................139 5.1. Sản xuất vật liệu polyme....................................................................................140 5.1.1. Nguyên vật liệu ............................................................................................140 5.1.2. Các phương pháp tổng hợp polyme .............................................................140 5.2. Gia công vật liệu polyme ...................................................................................143 5.2.1. Tính chất gia công của vật liệu polyme .......................................................143 5.2.2. Tạo hình không phoi vật liệu polyme ..........................................................145 5.2.3. Cắt ................................................................................................................146 iii
5.2.4. Ghép .............................................................................................................147 5.2.5. Phủ bề mặt ....................................................................................................149 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................150 CHƯƠNG 6. VẬT LIỆU COMPOZIT....................................................................................151 6.1. Khái niệm về compozit ......................................................................................151 6.1.1. Khái niệm .....................................................................................................151 6.1.2. Phân loại .......................................................................................................151 6.2. Compozit hạt ......................................................................................................152 6.3. Compozit cốt sợi ................................................................................................153 6.4. Compozit cấu trúc ..............................................................................................154 Câu hỏi ôn tập .............................................................................................................................156 CHƯƠNG 7. ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU ................................................................157 7.1. Khái niệm chung về ăn mòn kim loại ................................................................157 7.2. Cơ chế ăn mòn điện hoá.....................................................................................157 7.2.1. Các phản ứng điện hóa .................................................................................157 7.2.2. Xu thế ăn mòn ..............................................................................................158 7.2.3. Các dạng ăn mòn đi ện hóa ...........................................................................159 7.3. Bảo vệ chống ăn mòn .........................................................................................165 7.3.1. Sơn phủ.........................................................................................................165 7.3.2. Bảo vệ điện hóa ............................................................................................166 7.3.3. Ăn mòn hóa học ..........................................................................................167 7.4. Ăn mòn khô và cách chống ăn mòn khô............................................................168 Câu hỏi ôn tập ...........................................................................................................169 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................170 iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nhiệt luyện.........................................1 Hình 1.2. Giản đồ pha Fe-C (phần thép).......................................................................2 Hình 1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P→γ c ủa thép cùng tích ............................2 Hình 1.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit tấm........................3 Hình 1.5. Sơ đ ồ phát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn................3 Hình 1.6. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích ................................................................4 Hình 1.7. Tổ chức tế vi của xoobit tôi ..........................................................................5 Hình 1.8. Tổ chức tế vi của trôxit tôi............................................................................5 Hình 1.10. Giản đồ chuyển biến austenit làm nguội liên tục........................................6 Hình 1.11. Tốc độ tới hạn để tạo thành tổ chức Mactenxit .........................................8 Hình 1.12. Kiểu mạng mactenxit và tổ chức maxtenxit ..............................................8 Hình 1.13. Đường cong động học chuyển biến mactenxit ...........................................8 Hình 1.14. Độ cứng tôi phụ thuộc %C .........................................................................9 Hình 1.15. Khoảng nhiệt độ của ủ, thường hoá và tôi của thép cacbon .....................13 Hình 1.16. Sơ đồ giải thích độ thấm tôi ......................................................................14 Hình 1.17. Chiều sâu lớp tôi cứng của một số loại thép.............................................14 Hình 1.18. Thí nghiệm tôi đầu mút (xác định độ thấm tôi) ........................................15 Hình 1.19. Phương pháp tôi .......................................................................................15 Hình 1.20. Đường nguội lý tư ởng khi tôi ...................................................................16 Hình 1.21. Tổ chức tế vi của maxtenxit và austenit dư ..............................................20 Hình 1.22. Tổ chức tế vi của trôxit ram......................................................................21 Hình 1.23. Tổ chức tế vi của xoocbit ram...................................................................21 Hình 1.24. Nung nóng và tôi cảm ứng.......................................................................25 Hình 1.25. Nguyên lý làm việc của vòng cảm ứng.....................................................25 Hình 1.26. Một số loại vòng cảm ứng ........................................................................25 Hình 1.27. Cấu tạo của ngọn lửa.................................................................................27 Hình 1.28. Hộp thấm C thể rắn ...................................................................................29 Hình 1.29. Sơ đồ lò thấm cacbon bằng dầu hỏa .........................................................30 Hình 1.30. Giản đồ Fe-N.............................................................................................32 Hình 2.1. Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép cacbon ở trạng thái ủ ...........38 Hình 2.2. Sơ đ ồ cấu tạo của thỏi đúc thép sôi (a) và thép lặng (b).............................41 Hình 2.3. Giản đồ pha sắt – nguyên tố hợp kim .........................................................47 Hình 2.4. Giản đồ pha sắt – nguyên tố hợp kim .........................................................47 Hình 2.5. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cơ tính của ferit ...........................48 Hình 2.6. Sự chuyển dịch của đường cong chữ ‘C’ của nguyên tố hợp kim..............52 Hình 2.7. Sơ đồ biểu diễn sự giảm tốc độ tôi tới hạn (a) và sự tăng độ thấm tôi (b)của v
thép hợp kim so với thép cacbon (Vth1 và Vth2) là tốc độ tôi tới hạn, còn δ1 và δ 2 là độ thấm tôi lần lượt của thép cacbon và thép hợp kim. ...................................................53 Hình 2.8. Quan hệ giữa độ dai va đập và nhiệt độ ram ..............................................58 Hình 2.8. Đư ờng cong chữ ‘C’ của các loại thép .......................................................59 Hình 2.12. Quy trình nhiệt luyện kết thúc thép gió 80W18Cr4VMo .........................73 Hình 2.13. Tổ chức tế vi của gang xám ......................................................................91 Hình 2.14. Tổ chức tế vi của gang cầu .......................................................................94 Hình 2.15. Tổ chức tế vi gang dẻo..............................................................................96 Hình 3.1. Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha.....................................................101 Hình 3.2. Tổ chức hợp kim ổ trượt ...........................................................................114 Hình 4.1. Khả năng liên kết tạo vật liệu vô cơ .........................................................126 Hình 4.2. Các dạng cấu trúc silicat ...........................................................................128 Hình 4.3. Sơ đ ồ cấu trúc ...........................................................................................130 Hình 6.1. Sơ đồ minh họa cấu tạo compozit.............................................................151 Hình 6.2. Sơ đ ồ phân bố cốt sợi................................................................................153 Hình 6.3. Sơ đồ sắp xếp các lớp cơ sở khi tạo ra compozit cấu trúc dạng lớp ........155 Hình 6.4. Sơ đồ cấu tạo compozit cấu trúc dạng tấm ba lớp ....................................156 Hình 7.1. Ăn mòn ti ếp xúc (galvanic) ......................................................................160 Hình 7.2. Ăn mòn khe ...............................................................................................160 Hình 7.3. Cơ chế ăn mòn khe ...................................................................................160 Hình 7.4. Một dạng ăn mòn mím nư ớc(1-Vùng ăn mòn, 2-Lớp gỉ sắt) ...................161 Hình 7.5. Ăn mòn ở vùng lắng đọng ........................................................................161 Hình 7.6. Các dạng ăn mòn lỗ ..................................................................................162 Hình 7.7. Ăn mòn lỗ của thép thụ động trong ion Cl- .............................................162 Hình 7.8. Ăn mòn tinh gi ới của thép không rỉ. .........................................................163 Hình 7.9. Ăn mòn nứt ở biên giới hạt thép không rỉ.................................................163 Hình 7.10. Ăn mòn do ứng lực .................................................................................164 Hình 7.11. Ăn mòn lựa chọn (sự phân rã của hợp kim) ...........................................164 Hình 7.12. Ăn mòn mài mòn ....................................................................................165 Hình 7.13. Bảo vệ catốt bằng protector ....................................................................166 Hình 7.14. Sơ đồ bảo vệ ống dẫn dưới đất bằng dòng điện ngoài............................167 Hình 7.15. Nguyên lý dùng anôt trơ .........................................................................167 vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tốc độ làm nguội trong các môi trường khác nhau .................................17 Bảng 1.2. Khí thấm của Nga ....................................................................................31 Bảng 1.3. Khí thấm của Hoa Kỳ ..............................................................................31 Bảng 2.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường...............42 Bảng 2.2. Đặc tính tác dụng của một số nguyên tố hợp kim ở trong thép...............56 Bảng 7.1. Thế điện cực của các kim loại ...............................................................158 Bảng 7.2. Ái lực của một số kim loại đối với oxy và lưu huỳnh ..........................168 vii
CHƯƠNG 1 NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP 1.1. Nhiệt luyện 1.1.1.Định nghĩa và đ ặc điểm chung của nhiệt luyện a. Định nghĩa Nhiệt luyện là quá trình nung nóng kim loại hay hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ tại đó một thời gian thích hợp (giữ nhiệt) rồi làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức do đó nhận được cơ tính và các tính chất theo yêu cầu. Đặc điểm của nhiệt luyện đó là không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm, kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất. b. Các thông số đặc trưng cho nhiệt luyện Hình 1.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nhiệt luyện + Nhiệt độ nung nóng (tn) là nhiệt độ cao nhất mà quá trình nhiệt luyện phải đạt tới. + Thời gian giữ nhiệt (τgn) là thời gian duy trì chi tiết tại nhiệt độ nung nóng. + Tốc độ nguội (Vnguội) là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời sau khi giữ nhiệt. c. Kết quả của một quá trình nhiệt luyện + Độ cứng là yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liên quan đến các chỉ tiêu độ bền, độ dẻo, độ dai... + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền... + Độ biến dạng, cong vênh, thông thường độ biến dạng, cong vênh khi nhiệt luyện thường nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên trong một số trường hợp yêu cầu rất khắt khe, cần phải kiểm tra chúng.[7] 1.1.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép- Sự tạo thành austenit a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung Dựa vào giản đồ (hình 1.2) nhận thấy ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản là ferit (F) và xêmentit (Xê) (trong đó P= [F+Xê]). - Thép cùng tích có tổ chức là P, thép trước cùng tính và sau cùng tích có tổ chức là P+F và P+XêII. 1
Hình 1.2. Giản đồ pha Fe-C (phần thép) Trên giản đồ nhận thấy trong quá trình khi nung nóng thép có một số đặc điểm sau. - Khi T < A1 hợp kim chưa có chuyển biến gì. - Khi T = Ac1 tại đây hợp kim xảy ra phản ứng cùng tích peclit (P) chuyển biến thành austenit (γ), [F+Xê]0,8%C→γ 0,8%C. - Khi T > Ac1 xảy ra quá trình F và XêII hoà tan vào trong γ nhưng không hoàn toàn. - Khi T > Ac3 và Acm xảy ra quá trình F và XêII tan hoàn toàn vào trong γ. b) Đặc điểm của chuyển biến Peclit (P) thành austenit + Nhiệt độ và thời gian chuyển biến Hình 1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P→γ của thép cùng tích Từ giản đồ nhận thấy một số đặc điểm sau. + Vnung càng lớn thì T chuyển biến càng cao. + Tnung càng cao thì khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn. Tốc độ nung V2>V1 thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn. Cơ chế chuyển biến P → γ cũng giống như quá trình kết tinh là tạo mầm và phát 2
triển mầm. Ban đầu do bề mặt phân chia giữa F- Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn dẫn tới hạt γ ban đầu rất nhỏ mịn. Hạt γ càng nh ỏ thì tạo thành các tổ chức khác có độ bền, độ dẻo, dai cao hơn. Hình 1.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit tấm Về kích thước hạt của austenit phụ thuộc vào một số đặc điểm sau. - Peclit ban đầu càng mịn thì austenit càng nhỏ - Vnung càng lớn thì hạt austenit càng nhỏ - Nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt lớn thì hạt lớn - Theo bản chất thép có hai loại là thép có bản chất hạt lớn và thép có bản chất hạt nhỏ. Hình 1.5. Sơ đồ phát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn Thép bản chất hạt nhỏ là loại thép được khử oxy triệt để bằng nhôm, thép hợp kim Ti, Mo, V, Zr, Nb...dễ tạo cacbit ngăn cản phát triển hạt. Với hai nguyên tố mangan và phôtpho làm hạt phát triển nhanh.[7] 1.1.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt Khi giữ nhiệt tuy không xảy ra các chuyển biến mới, song lại là cần thiết để. + Làm đều nhiệt độ trên tiết diện, để cho lõi cũng có chuy ển biến như ở bề mặt bên ngoài. + Có đủ thời gian để hoàn thành khi nung nóng. + Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit (khi trước F nghèo C; Xe giàu C). Chú ý, thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ, không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ làm cho hạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể. 3
1.1.4. Các chuyển biến của austennit khi làm nguội 1.1.4.1. Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của thép cùng tích Những chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt được thể hiện qua giản đồ T-T-T hay còn gọi là giản đồ chữ “C” của thép cùng tích. Hình 1.6. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích Khi austenit bị nguội tức thời dưới 7270C nó chưa chuyển biến ngay được gọi là austenit quá nguội, không ổn định. Trên giản đồ có 5 vùng. - Trên 7270C là khu vực tồn tại của austenit ổn định - Bên trái chữ “C” đầu tiên là vùng austenit quá nguội - Giữa hai chữ “C” austenit đang chuyển biến ở đây tồn tại cả ba pha γ, F, Xê. - Bên phải chữ “C” thứ hai các sản phẩm phân hoá đẳng nhiệt austenit quá nguội là hỗn hợp F-Xê với mức độ nhỏ mịn khác nhau. - Giữa vùng Ms và Mf là vùng tổ chức mactenxit và austenit dư. Các sản phẩm khi làm nguội đẳng nhiệt. Khi giữ austenit quá nguội ở sát A1 (trên dưới 7000C) sau thời gian dài (gần bằng 100s) nó mới bắt đầu phân hoá và tiếp theo (sau 2000s) nó mới kết thúc chuyển biến. Hỗn hợp F – Xe tấm tạo thành rất thô to được gọi là peclit (tấm) với độ cứng thấp. HRC 10 – 15 (HB 180 – 250). Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn (trên dưới 6500C). Nó sẽ bắt đầu và kết thúc phân hoá sau thời gian ngắn hơn. Hỗn hợp F – Xe tấm tạo thành sẽ mịn 4
(nhỏ) hơn đến mức không thể phân biệt chúng trên kính hiển vi quang học. Tổ chức này được gọi là xoócbit (hay xoócbit tôi) với độ cứng cao hơn HRC 25 – 35. Hình 1.7. Tổ chức tế vi của xoobit tôi Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi của “C” (khoảng 500 – 6000C) nó chuyển biến rất nhanh. Hỗn hợp F – Xe (tấm) tạo thành nhỏ mịn hơn nữa. Tổ chức này được gọi là trôxtit (hay trôxtit tôi) với độ cứng cao hơn vào cỡ 45HRC. Hình 1.8. Tổ chức tế vi của trôxit tôi Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa khoảng 250 – 4500C, thời gian chuyển biến lại kéo dài ra, cơ chế chuyển biến có thay đổi chút ít, tạo lên tổ chức gọi là bainit. Có thể coi bainit cũng là h ỗn hợp F – Xe ở dạng tấm như trên xong còn mịn hơn nữa với độ cứng cao hơn cỡ HRC50 – 55. Hình 1.9. Tổ chức tế vi của bainit 5
Nhận thấy, về cơ bản có thể coi peclit (tấm), xoocbit, trôxtit, và cả bainit bản chất giống nhau, là hỗn hợp cơ học cùng tích của F và Xe (tấm). Song trong đó theo thứ tự tấm càng nhỏ mịn hơn có độ cứng càng cao hơn. Có thể giải thích điều đó như sau, giống như quá trình kết tinh, khi tăng độ quá nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên do đó Xe (cácbit) nhỏ mịn đi. Mặc dù lượng Xe không thay đổi (cùng có 0,8%C với 12%Xe + 88%F) nhưng khi kích thước Xe nhỏ đi tức là số các phần tử rắn này tăng lên sẽ làm tăng sự cản trượt đối với F, nâng cao độ cứng, độ bền. Như vậy, sau khi làm nguội đẳng nhiệt austenit, tổ chức nào tạo thành là ứng với nhiệt độ giữ đẳng nhiệt đó nằm ở nhánh nào của chữ “C”. Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết diện.[8] 1.1.4.2. Sự phân hoá austenit khi làm nguội liên tục Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liện tục. Để xây dựng giản đồ với các tốc độ nguội khác nhau khá phức tạp. Để đơn giản có thể lợi dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt, để xác định tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc độ khác nhau. 800 HRC 727 Austenit A1 v1 Beclit tÊm 700 15 Austenit v2 NhiÖt ®é, C Xoocbit 30 600 0 qu¸ Hçn hîp Tr«xtit 45 Ferit - xªmentit 500 nguéi v3 400 Bainit 55 300 MS(~200°C) 200 vth v4 v5 MactenxÝt (M) +  du 62 100 0 Mf(~-50°C) -100 2 3 4 5 0 1 10 10 10 10 10 Thêi gian, s Hình 1.10. Giản đồ chuyển biến austenit làm nguội liên tục Đặc điểm của sự chuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục: Làm nguội chậm cùng lò biểu thị bằng vec tơ V1, nó cắt các đường cong chữ “C” ở sát A1 do đó austenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ cao được peclit tấm với độ cứng thấp nhất. 6
Làm nguội trong không khí tĩnh biểu thị bằng vectơ V2, nó cắt các đường cong chữ “C” ở phần giữa của nhánh trên do đó austenit quá nguội phân hoá thành xoócbit. Làm nguội trong không khí nén biểu thị bằng vectơ V3, nó cắt các đường cong chữ “C” ở phần lồi do đó C quá nguội phân hoá thành trôxtit. Làm nguội trong dầu biểu thị bằng vectơ V4, nó chỉ cắt phần lồi của đường cong chữ C bên trái do đó austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit;bainit và phần còn lại sẽ chuyển biến thành Mactenxit. Làm nguội trong nước lạnh biểu thị bằng vectơ V5, nó không cắt đường cong chữ “C” nào tức austenit không chuyển biến chút nào thành hỗn hợp F – Xe, phần lớn austenit quá nguội chuyển thành Mactenxit. Nhận thấy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tuỳ thuộc vào vị trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội trên đường cong chữ “C”. Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện, nhất là trong trường hợp tiết diện lớn. Do ở ngoài bao giờ cũng nguội nhanh hơn trong lõi, nên thường có tổ chức với độ cứng cao hơn. Không đạt được tổ chức hoàn toàn là bainít (về mặt hình học có thể thấy điều này từ dạng của chữ “C”), trong một số trường hợp có thể đạt được tổ chức này cùng với trôxtit và mactenxit. Chỉ đạt được hoàn toàn bainit bằng cách làm nguội đẳng nhiệt. Những điều trên chỉ đúng với thép C. Với thép hợp kim vị trí của các đường cong chữ “C” dịch sang phải với các mức độ khác nhau, nên có thể các đặc điểm trên không còn phù hợp hay không hoàn toàn phù hợp. Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức trên sẽ giảm đi một cách tương ứng. Ví dụ, khi làm nguội cùng lò cũng có th ể đạt được xoócbit, trôxtit. Với một số thép hợp kim cao khi làm nguội trong không khí (V2, V3) cũng có thể đạt tổ chức Mactenxit. Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện giảm đi, thậm chí có thể đạt được đồng nhất ngay với tiết diện lớn.[6] 1.1.4.3. Chuyển biến của austennit khi làm nguội nhanh- Chuyển biến Mactenxit Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp (V5) thì nó không kịp chuyển biến thành hỗn hợp F– Xe mà chỉ có chuyển biến thù hình (chuyển kiểu mạng tinh thể) của sắt từ Feγ sang Feα (tức không có sự tập trung C để tạo Xe) xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 250 – 2200C trở xuống). Đó là thực chất của chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit tạo thành tổ chức Mactenxit xảy ra trong quá trình tôi thép Tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là ứng với véctơ tiếp xúc với đường cong chữ “C” bên trái ở phần lồi, được gọi là tốc độ tôi tới hạn Vth. a. Bản chất Mactenxit Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hoà của C trong Feα có kiểu mạng 7
chính phương khối và có độ cứng cao. . Hình 1.11. Tốc độ tới hạn để tạo thành tổ chức Mactenxit Do làm nguội nhanh, khi đạt đến nhiệt độ tương đối thấp chỉ xẩy ra quá trình chuyển mạng của Feγ sang Feα. (austenit) (FeγC) → (Fe αC) (mactenxit). Hình 1.12. Kiểu mạng mactenxit và tổ chức maxtenxit b. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit Hình 1.13. Đường cong động học chuyển biến mactenxit Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục austenit với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tới hạn Vth. Chuyển biến M không xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt. 8
Chuyển biến là không khuếch tán cacbon hầu như giữ nguyên vị trí, còn Fe chuyển dời vị trí để tạo kiểu mạng mới để thành kiểu mạng chính phương tâm khối. Là quá trình không ngừng tạo ra tinh thể mới với tốc độ phát triển rất lớn, tới hàng nghìn m/s. Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ bắt đầu Ms và kết thúc Mf. Ngoài khoảng đó austenit quá nguội không chuyển biến thành Mactenxit. Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn mà vẫn còn austenit dư. c. Cơ tính của Mactenxit Mactenxit là tổ chức quan trọng nhất được tạo thành khi tôi thép, quyết định cơ tính của thép tôi. Cơ tính nổi bật của nó là cứng và giòn. Độ cứng cao của M là do C hoà tan xen kẽ làm xô lệch mạng tinh thể của sắt, nên nó chỉ phụ thuộc nồng độ C quá bão hoà trong nó, đại lượng này càng cao, xô lệch mạng càng mạnh, độ cứng càng cao. Độ cứng cao dẫn đến nâng cao tính chống mài mòn, nhưng ưu điểm này chỉ phát huy được ở những thép có hàm lượng C >0,4%. Độ cứng của thép tôi là độ cứng tổng hợp của M + γ dư, γ có độ cứng thấp dẫn đến nếu tỷ lệ γ dư >10% dẫn đến độ cứng của thép tôi nhỏ hơn độ cứng của M. Nếu γ dư < 10% dẫn đến độ cứng của thép tôi gần bằng độ cứng của M. Với thép C cao và thép hợp kim cao làm tăng γ dư dẫn đến độ cứng của thép tôi giảm. Độ cứng càng cao tính giòn càng cao. Tinh thể M càng nhỏ tính giòn càng thấp dẫn đến hạt γ khi nung nóng phải nhỏ. Hình 1.14. Độ cứng tôi phụ thuộc %C Ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp. Như vậy, để có độ cứng cao, độ giòn thấp cần sử dụng các thép bản chất hạt nhỏ, khống chế đúng nhiệt độ tôi, giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo.[7] 1.2. Ủ và thường hóa thép 1.2.1. Ủ thép 1.2.1.1. Định nghĩa và m ục đích 9
a. Định nghĩa Ủ thép là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức ổn định peclit, với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. b. Mục đích + Giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt. + Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng (dập, cán, kéo) nguội. + Làm giảm hay làm mất ứng suất dư bên trong gây lên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo. + Làm đồng đều thành phần hoá học trên vật đúc bị thiên tích. + Làm nhỏ hạt thép. 1.2.1.2. Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha Các phương pháp ủ này có nhiệt độ ủ thấp hơn AC1 nên không có chuyển biến P thành austenit khi nung nóng. Có 2 phương pháp ủ đó là ủ thấp và ủ kết tinh lại. + Ủ thấp (ủ non) được tiến hành ở nhiệt độ 200 – 6000C với mục đích làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở vật đúc hay sản phẩm qua gia công cơ khí (cắt gọt, dập nguội). + Ủ kết tinh lại là phương pháp được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 600 – 7000C khác với ủ thấp, ủ kết tinh lại làm giảm độ cứng và làm thay đổi kích thước hạt (ít được áp dụng cho thép) vì biến dạng từ (2 – 8%) sau khi kết tinh lại có hạt rất lớn, thép bị giòn thường áp dụng cho thép kỹ thuật điện, để giảm tổn thất từ cần hạt lớn và phương pháp này cần dùng cho kim loại và hợp kim đồng, nhôm. 1.2.1.3. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha. Các phương pháp ủ này có nhiệt độ cao hơn AC1, nên có xẩy ra chuyển biến P thành austenit khi nung nóng với hiệu ứng làm nhỏ hạt, nên khi làm nguội chậm austenit hạt nhỏ lại chuyển thành P với kích thước hạt nhỏ. + Ủ hoàn toàn là phương pháp ủ cho thép trước cùng tích với lượng C trong khoảng 0,30 – 0,65%. Phải nung nóng thép tới nhiệt độ T0n = AC3 + (20 – 300C) để thép ở trạng thái hoàn toàn là austenit. Ủ hoàn toàn có mục đích là làm nhỏ hạt vì ở nhiệt độ nung nóng đó hạt austenit vẫn nhỏ, mịn nên khi làm nguội tổ chức F – P nhận được có hạt nhỏ trong đó P dạng tấm. Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội. + Ủ không hoàn toàn là phương pháp được áp dụng chủ yếu cho thép dụng cụ có thành phần cacbon cao (thép cùng tích, sau cùng tích và thép trước cùng tích với 0,70%C). Phương pháp này nung nóng thép tới nhiệt độ. T0n = AC1 + (20 - 300C). Sau khi ủ không hoàn toàn sẽ tạo thành tổ chức là P hạt chứ không phải là P tấm và có độ cứng HB < 220 dễ gia công cắt. Tuy nhiên cần chú ý phương pháp này không được áp dụng cho thép có hàm 10
lượng C < 0,65%. Vì sẽ không làm nhỏ được ferit dẫn đến giảm độ dai va đập. + Ủ cầu hoá là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn trong đó nhiệt độ nung dao động trên dưới AC1 phương pháp được tiến hành như sau nung lên 750 – 7600C giữ nhiệt độ khoảng 5 phút rồi làm nguội xuống 650 – 6600C giữ nhiệt độ khoảng 5 phút… với lặp đi lặp lại nhiều lần nó sẽ xúc tiến nhanh quá trình cầu hoá Xe để tạo thành P hạt. + Ủ đẳng nhiệt được áp dụng đối với thép hợp kim cao do austenit quá nguội có tính ổn định quá lớn (chữ “C” dịch sang phải rất mạnh) nên làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt được tổ chức peclit mà ra tổ chức cứng hơn P – X, X, X – T… nên thép không đủ mềm để gia công cắt. Để được mục đích thép sau ủ mềm (tức tổ chức P) tiện lợi hơn cả là làm nguội đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn Ac1 khoảng 500C (thường dùng loại lò có khống chế nhiệt độ quy định) trong thời gian nhất định (xác định giản đồ chữ “C” của chính thép đó) sẽ nhận được tổ chức peclit. Phương pháp ủ đẳng nhiệt khác với các phương pháp ủ trên ở phương thức làm nguội ( nguội đẳng nhiệt). Còn nhiệt độ ủ có thể là hoàn toàn nếu là thép trước cùng tích, hoặc ủ không hoàn toàn nếu là thép sau và cùng tích. Với thép hợp kim cao để rút ngắn thời gian ủ. [4] 1.2.2. Thường hoá thép 1.2.2.1 Định nghĩa Là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit, giữ nhiệt, rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh để austenit phân hoá thành tổ chức gần ổn định là peclit phân tán hay xoócbit với độ cứng tương đối thấp (nhưng cao hơn ủ một chút). Nhiệt độ của thường hóa giống như ủ hoàn toàn nhưng được áp dụng cho cả thép sau cùng tích. T0th = AC3 + (30 - 500C) cho thép trước cùng tích. T0th = Acm + (30 - 500C) cho thép sau cùng tích. Tốc độ nguội nhanh hơn so với ủ (làm nguội trong không khí tĩnh) không phải dùng lò khi làm nguội nên kinh tế hơn. Sau khi ủ tổ chức đạt được là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi chút. 1.2.2.2. Mục đích Cũng gần giống như ủ thường hoá nhằm 3 mục đích. Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt cho thép C thấp (≤0,25%). Loại thép này nếu ủ hoàn toàn sẽ đạt độ cứng quá thấp (HB < 140 -160) nên quá dẻo, phoi khó gẫy nên khó cắt gọt, nếu thường hoá sẽ có độ cứng cao hơn, dễ cắt hơn. Để đảm bảo yêu cầu cắt cắt gọt thì nên tuân thủ theo một số nguyên tắc sau. + Với thép có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,25%C thì phải thường hoá. 11