Giáo trình Vật liệu cơ khí

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình Vật liệu cơ khí được biên soạn theo chương trình đào tạo Trung cấp

và Cao đẳng nghề công nghệ sửa chữa ô tô do Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai

ban hành ngày….. tháng ……năm 2020.

Giáo trình Vật liệu cơ khí nhằm cung cấp cho học sinh, sinh viên trường cao

đẳng nghề và học sinh ngành cơ khí, những kiến thức về vật liệu cơ khí. Khi biên

soạn giáo trình, tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến

môn học và nghề đào tạo, cần thiết cho học sinh tiếp thu các môn khác.

Nội dung giáo trình gồm 6 chương:

Chương 1: Gang.

Chương 2: Thép.

Chương 3: Kim loại màu và hợp kim màu.

Chương 4: Vật liệu phi kim loại.

Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện.

Chương 6: Dầu, mỡ bôi trơn, nhiên liệu và dung dịch làm mát.

Trong quá trình biên soạn mặc dù đã cố gắng, nhưng chắc chắn không tránh

khỏi những thiếu sót do thời gian biên soạn còn ngắn và trình độ còn hạn chế. Rất

mong được sự góp ý của người sử dụng để giáo trình được hoàn thiện hơn.

Tác giả

Ths. Hoàng Anh Thái

3

HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH

1. Một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học:

Khi giảng dạy giáo viên cần chú ý liên hệ, so sánh, chuyển đổi ký hiệu tiêu

chuẩn vật liệu giữa các quốc gia.

Khi giảng dạy sử dụng các học cụ trực quan, máy tính, máy chiếu, tranh treo

tường để mô tả tổ chức kim loại, giản đồ trạng thái Fe-C và các biểu đồ chỉ dẫn nhiệt

luyện.

2. Những trọng tâm cần chú ý:

Chỉ dẫn nhiệt luyện chú ý sử dụng ký hiệu đồ họa cơ bản theo TCVN mới ban

hành (các tiêu chuẩn này đã được chuyển đổi từ tiêu chuẩn quốc tế ISO

15787:2001).

Sử dụng các mô hình, trực quan vật thật để làm rõ vấn đề nêu ra trong lý

thuyết. Cần hướng dẫn cho học sinh tìm hiểu trong thực tế sản xuất ở xưởng và tổ

chức trao đổi, thảo luận các vấn đề liên quan giữa lý thuyết và thực tế.

4

MỤC LỤC

Trang

3

Lời nói đầu

Hướng dẫn thực hiện giáo trình

Mục lục

4

5

Chương 1: Gang

6

1. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe - C.

2. Khái niệm về Gang.

6

9

3. Các loại Gang.

11

17

22

32

36

39

43

45

48

58

Chương 2: Thép

1. Thép C

2. Thép hợp kim

Chương 3: Kim loại màu và hợp kim màu

1. Đồng và hợp kim của đồng

2. Nhôm và hợp kim của nhôm

3. Hợp kim làm ổ trượt

Chương 4: Vật liệu phi kim loại.

1. Polyme, Cao su, Chất dẻo.

2. Ami ăng và compozit.

Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

1. Nhiệt luyện

2. Hóa nhiệt luyện

Chương 6: Dầu, mỡ bôi trơn, nhiên liệu và dung dịch làm mát. 61

1. Dầu, mỡ bôi trơn.

2. Dung dịch làm mát.

3. Nhiên liệu.

61

67

68

Tài liệu tham khảo

71

5

CHƯƠNG 1: GANG

1. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM Fe – C.

1.1. Khái niệm.

Là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe - C (cụ thể là gang và

thép) vào thành phần hóa học và nhiệt độ.

1.2. Các định nghĩa cơ bản.

Trước khi nghiên cứu giản đồ, ta cần thống nhất các định nghĩa cơ bản sau:

1.2.1. Pha.

Là các phần đồng nhất của hệ thống nó có cùng một kiểu mạng ở cùng một

trạng thái lỏng hoặc rắn và phân cách với các pha còn lại bằng mặt phân cách, khi

chuyển sang pha khác thì thành phần hóa học hoặc tổ chức của vật chất sẽ thay đổi

đột ngột. Ví dụ: chất lỏng đồng nhất là hệ thống một pha. Hỗn hợp cơ học là hệ

thống hai pha.

1.2.2. Nguyên.

Là vật chất tham gia tạo thành hệ thống. Ví dụ: kim loại nguyên chất là hệ

thống một nguyên, hợp kim là hệ thống của hai hay nhiều nguyên. Riêng các hợp

chất hóa học được coi là một nguyên.

1.2.3. Hệ thống.

Là tập hợp các pha nằm trong trạng thái cơ bản và cân bằng. Hệ thống thì có

tính thuận nghịch. Ví dụ có hệ thống là nước và nước đá, trong hệ thống có hai pha là

pha rắn và pha lỏng và có một nguyên là hợp chất hóa học là H₂O. Hệ thống chỉ tồn

tại trong một điều kiện nào đó (nhiệt độ), có thể hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái

lỏng hoặc rắn.

1.3. Ý nghĩa của giản đồ.

Giản đồ trạng thái Fe-C có tầm quan trọng và công dụng rất lớn. Nó cho ta biết

các nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của kim loại hoặc hợp kim với

thành phần xác định, từ đó xác định được các chế độ luyện đúc, cán, rèn kim loại.

Qua đó xác định được cơ tính và tính công nghệ khi gia công kim loại hoặc hợp kim.

1.4. Giản đồ trạng thái Fe – C.

Giản đồ trạng thái Fe – C (chỉ xét hệ Fe-Fe₃C) biểu diễn trên hệ trục tung là

nhiệt độ (⁰C) và trục hoành là thành phần C (%C) thay đổi trong Fe đến tối đa phạm

vị thành phần C = 6,67%, tại đây C tác dụng hóa học với Fe để tạo thành hợp chất

hóa học Fe₃C. Cần hiểu: Tại điểm 0%C có 100%Fe được ký hiệu Fe, tại 6,67%C có

100%Fe₃C được ký hiệu Fe₃C.

1.4.1. Giải thích giản đồ trạng thái Fe-C.

Giản đồ trạng thái Fe-C trình bày hình 2-1 với các ký hiệu A,B…(t⁰C, %C) đã

được quốc tế hóa (là sắp xếp các điểm theo thứ tự %C tăng dần) như sau:

6

A(1539-0), N(1392-0), G(911-0), Q(0-0,006), P(727-0,02), H(1499-0,1),

J(1499-0,16), B(1499-0,5), S(727-0,8), E(1147-2,14), C(1147-4,3), D(1250-6,67),

F(1147-6,67), K(727-6,67), L(0-6,67)

Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái hoàn toàn lỏng được xác định trên các

đường nối A B C D.

Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái rắn được xác định dưới đường nối các

điểm A H J E C F, có đủ ba dạng cấu tạo gồm các dung dịch rắn, hợp chất hóa học

được tạo thành (bởi hai nguyên tố Fe và C) và hỗn hợp cơ học của nó.

Hình 2-1. Giảm đồ trạng thái Fe-C

1.4.2. Các tổ chức pha của hệ hợp kim Fe-C trên giản đồ:

a. Tổ chức một pha

- Pha δ: Là dung dịch rắn của C hòa tan trong Fe_δ: Fe_δ(C), ký hiệu trên giản đồ

là δ.

- Pha ôstennít: được ký hiệu là chữ γ (As), là dung dịch rắn của C hòa tan

trong Fe_γ, Fe_γ(C). Lượng C hòa tan tối đa 2,14% ở nhiệt độ 1147⁰C tại điểm E và tối

thiểu 0,8% ở nhiệt độ 727⁰C tại điểm S, nên đường SE là đường giới hạn hòa tan của

của C trong Fe_γ.

- Pha Ferít: ký hiệu là α (F) là dung dịch rắn ren kẽ của các bon trong sắt Fe_α

Fe_α(C) ở nhiệt độ cao thì hòa tan được 0,02% C, có lượng C hòa tan tối đa 0,006% ở

nhiệt độ thường là điểm Q, nên đường PQ là đường giới hạn hòa tan của C trong Fe_α

có thể coi α là Fe_αvì lượng C hòa tan quá nhỏ nên Ferít được coi là nguyên chất, pha

nay mềm dẻo.

7

- Pha Xêmentít: Ký hiệu trên giản đồ là Xe hoặc Fe₃C, là hợp chất hóa học của

Fe tác dụng hóa học với C khi C = 6,67%, có công thức hóa học Fe₃C được xác định

tại đường thẳng nối các điểm RKF, có độ cứng rất cao ≥ 700HB và rất giòn. Ngoài ra

cơ tính của Xe còn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó, kích thước càng

nhỏ thì Xe càng đỡ giòn. Xêmentít có ba dạng:

+ Xêmentít1: ký hiệu là Xe_Iđược tiết ra từ pha lỏng có độ hạt lớn.

+ Xêmentít2: ký hiệu là Xe_IIđược tiết ra từ pha rắn ôstennít có độ hạt nhỏ hơn

Xe_I.

+ Xêmentít3: ký hiệu là Xe_IIIđược tiết ra từ pha rắn Ferít có độ hạt nhỏ mịn.

- Pha Grafít (G): là các bon tự do phân bố trong kim loại, pha này mềm nhưng

giòn chỉ tồn tại trong gang xám.

b. Tổ chức hai pha.

- Pha Peclít (P): Khi C = 0,8% có hỗn hợp cơ học cùng tích gọi là peclit gồm

hai pha (α + Xe). Được hình thành từ dung dịch rắn ôstennít tại 727⁰C. tùy theo dạng

của Xe mà có P tấm hoặc là P hạt.

- Pha lêđêburít (Lê): Khi C = 4,3% có hỗn hợp cơ học cùng tinh Lêđeeburit

gồm hai pha được hình thành từ dung dịch lỏng L tại nhiệt độ 1147⁰C.

1.4.3. Phân loại hợp kim Fe-C theo giản đồ trạng thái

a. Dựa vào % C ta có

+ Thép: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C < 2,14%.

+ Gang: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C > 2,14%.

b. Căn cứ vào tổ chức của nó trong giản đồ trạng thái ta có hai loại: Thép và

Gang trắng.

- Thép:

+ Thép trước cùng tích có tổ chức P+α khi %C < 0,8%

+ Thép cùng tích có tổ chức P(α+Xe) khi %C = 0,8%

+ Thép sau cùng tích có tổ chức P+Xe_IIkhi %C > 0,8%

- Gang trắng:

+ Gang trắng trước cùng tinh có tổ chức: Lê + P + Xe_IIkhi %C < 4,3%

+ Gang trắng cùng tinh có tổ chức: Lê (P + Xe) khi %C = 4,3%

+ Gang trắng sau cùng tinh có tổ chức: Lê + Xe_Ikhi %C > 4,3%

1.4.4. Điểm và các đường tới hạn nhiệt độ:

a. Định nghĩa: Là nhiệt độ tại đó có sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp

kim ở trạng thái rắn.

b. Các điểm tới hạn:

- A₁= 727⁰C (đường PSK): Là nhiệt độ tới hạn mà tại đó hợp kim Fe-C có cấu

tạo bên trong của tổ chức cùng tích thuận nghịch P↔ γ cụ thể:

+ Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A₁: Tại đó có chuyển biến P→ γ

8

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A₁: Tại đó có sự chuyển biến γ → P

Điểm nhiệt độ A₁áp dụng cho tất cả các loại hợp kim Fe-C

- A₃= 727⁰÷ 911⁰C (đường SG): Là nhiệt độ tới hạn tại đó thép trước cùng

tích có chuyển biến cấu tạo giữa pha α ↔ γ cụ thể:

+ Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A₃: α hòa tan hết vào γ

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A₃: α tách ra từ γ

- A_cm= 727⁰÷ 1147⁰C (đường SE): Là nhiệt độ tới hạn tại đó cho phép thép

sau cùng tích có chuyển biến cấu tạo giữa hai pha Xe_II↔ γ cụ thể:

+ Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A_cm: Xe_IIhòa tan hết vào γ

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A_cm: Xe_IItách ra từ γ

2. KHÁI NIỆM VỀ GANG.

2.1. Giới thiệu chung về gang.

Gang là một kim loại được dùng nhiều trong công nghệ cơ khí chế tạo vì nó có

nhiều tính chất đáp ứng được các yêu cầu trong công nghệ chế tạo máy. Trong các

loại máy móc tĩnh tại, các chi tiết bằng gang có khối lượng khoảng 70%.

2.2. Khái niệm.

Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%, nhưng

không lớn hơn 6,67%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S. P, Si và một số tạp

chất khác.

2.3. Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây:

+ Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất

quan trọng. Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng

phương pháp đúc để tạo hình. Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim

loại, đúc áp lực. Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng,

kết cấu phức tạp mà không cần gia công lại. Ví dụ đúc thân máy, nắp máy… động cơ

ôtô.

+ Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ

bền cơ, bền nhiệt cao. Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có

yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ giãn nở vì nhiệt thấp. Ví dụ: Làm bánh

đà động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực…

Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện

kém, độ bền mỏi nhỏ. Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng

gang.

2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang.

2.4.1. Cácbon (C):

Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi

là gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám (Grafít). Sự tạo

thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội

9

của nó. Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được

gang xám.

2.4.2. Silic (Si):

Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó thúc

đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến

4,25%).

2.4.3. Mangan (Mn):

Nó thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình Grafít hóa vì vậy

lượng Mn trong gang trắng thường cao (từ 2 đến 2,5%).

2.4.4. Phốt pho (P):

Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang.

Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy loãng của gang khi đúc.

2.4.5. Lưu huỳnh (S):

Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc, giảm độ bền, làm cho

gang giòn. Do đó thành phần của S trong gang thường nhỏ hơn 0,15%.

2.5. Tổ chức tế vi, thành phần hóa học

2.5.1. Tổ chức tế vi:

Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần

lớn hay toàn bộ các bon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay Graphit (rất ít

hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít).

Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit

hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:

- Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do.

- Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết.

Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit.

+ Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám).

+ Graphit có dạng quả cầu tròn: Phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu).

+ Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang

dẻo). Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác

nhau.

2.5.2. Thành phần hoá học và cách chế tạo.

Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau. Mỗi loại gang phải

có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo.

- Thành phần hoá học: Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành

graphit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh nhất

đến sự tạo thành graphit. Lượng silic càng nhiều thì sự graphit hoá càng mạnh,

cacbon liên kết (Xêmentit) càng ít hoặc thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người

ta coi gang là hợp kim của ba cấu tử Fe – C – Si.

10

Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi

là gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá. Chúng được đưa vào có chủ định

hoặc chúng là các tạp chất.

Bảng 2-1. Thành phần hoá học của gang

Loại Gang

Trắng

Xám

C

Si

Mn

S

P

3,3 – 3,6

3,0 – 3,7

3,0 – 4,0

2,0 – 2,6

0,4 – 1,2

1,2 – 2,5

1,8 – 3,0

1,0 – 1,6

0,25 – 0,8

0,25 – 1,00

0,10 – 0,80

0,20 – 1,00

0,06 – 0,20 0,05 – 0,20

< 0,12

< 0,03

0,05 – 1,00

< 0,01

Cầu

Dẻo

0,04 – 0,20

< 0,20

- Tốc độ nguội khi đúc và cách chế tạo.

Yếu tố ảnh hưởng đến graphit hoá là tốc độ nguội khi đúc. Làm nguội chậm sẽ

thúc đẩy tạo thành graphit, làm nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit (tạo ra gang

trắng hoặc gây biến trắng).

Như vậy lượng Si và tốc độ nguội ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành graphit, còn

các dạng graphit khác nhau được tạo thành bằng các phương pháp khác nhau. Gang

xám với graphit tấm được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất bằng đúc thông

thường. Gang cầu với graphit cầu được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng

thông dụng (gang xám)…

3. CÁC LOẠI GANG.

3.1. Gang trắng.

3.1.1. Thành phần và tổ chức C.

a. Thành phần:

C = (3,3 ÷ 3,6) %

Si = (0,4 ÷ 1,2 )%

Mn= (0,25 ÷ 0,8)%

S = (0,06 ÷ 0,2)%

P = (0,05 ÷ 0,1) %

b.Tổ chức C: Tồn tại ở dạng Fe₃C pha này chiếm tỷ lệ rất lớn (50% trong tổ

chức của gang)

3.1.2. Tính chất.

a. Lý tính:

Trên bề mặt gãy của gang có màu sáng trắng do Cacbon ở dạng hợp chất hóa

học Fe₃C do đó gọi là gang trắng

b. Cơ tính:

11

Do Cacbon ở dạng Fe₃C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn. Do đó

không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ

chính xác cao.

+ Độ dẻo, độ bền thấp.

+ Có khả năng chịu mài mòn tốt.

c. Tính kinh tế.

Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ.

3.1.3. Công dụng.

- Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các

chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi

nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa…

- Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị

gãy, vỡ, nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit. Muốn

bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc.

- Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ

thành gang dẻo.

3.2. Gang xám.

3.2.1.Thành phần và tổ chức C.

a. Thành phần.

C = (3 ÷ 3,7)%

Si = (1,2 ÷ 2,5 )%

Mn = (0,25÷1,0)%

S < 0,12%

P = (0,05÷ 1,0) %

b. Tổ chức tế vi.

Gang xám là loại gang mà phần lớn Cacbon ở dạng tự do (gọi là Graphit).

Graphit trong gang xám có dạng tấm (hay phiến) cong tự nhiên. Do graphit có màu

xám nên mặt gãy của gang có màu xám.

c. Phân loại.

Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám được chia ra các

tổ chức sau :

- Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều

ở dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit.

- Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon

liên kết (Fe₃C) chỉ khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit – Peclit.

- Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe₃C

khoảng 0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit.

3.2.2. Tính chất

12

a. Lý tính.

- Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép.

- Nhiệt độ nóng chảy thấp.

b. Cơ tính.

- Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng,

độ bền thấp hơn gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm²

- Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép.

- Không chịu nhiệt, biến dạng và va đập.

c. Tính công nghệ.

- Có tính cắt gọt cao, cho phoi vụn.

- Tính đúc tốt hơn thép.

- Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ).

d. Tính kinh tế. Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép.

3.2.3. Phạm vi sử dụng.

Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước sản phẩm lớn, kết

cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, các

chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn. VD: Thân, bệ

máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ.

3.2.4. Ký hiệu.

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số

chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị l kG/mm²

VD : CЧ 24-44 là gang xám có giới hạn bền kéo σ_k= 24 kG/mm²(240N/mm²);

Giới hạn bền uốn σ_u= 44 kG/mm²(440N/mm²)

- Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2

số giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga.

Bảng 2-2. Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75)

Giới hạn

bền kéo

(kG/mm²)

Giới hạn

bền uốn

(kG/ mm²) (kG/mm²)

Giới hạn

bền nén

Độ

cứng

HB

Số hiệu

Độ giãn dài

(δ%)

gang

GX 12 - 28

GX 18 - 36

GX 28 - 48

GX 35 - 56

GX 38 - 60

12

18

28

35

38

0,5

28

36

48

56

60

50

70

143 - 259

170 - 229

170 - 241

197 - 269

270 - 269

100

110

13

3.3. Gang dẻo.

3.3.1. Thành phần và tổ chức C.

a. Thành phần:

C = (2,0 ÷ 2,6)%;

Si = (1,0 ÷ 1,6)%;

Mn = (0,2 ÷ 1,0)%;

S < 0,03%;

P = 0,2 %

b. Tổ chức tế vi: ở dạng cụm bông.

c. Chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo.

Nguội nhanh

Gang lỏng

Đúc

Gang trắng Fe₃C

t^o=(860÷ 900)⁰C

Gang trắng

Ủ

Gang dẻo

3.3.2. Tính chất.

Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang

dẻo có độ dẻo cao và bền hơn gang xám (σ_k= 300 ÷

600N/mm²; δ= 5 ÷ 10%)

3.3.3. Phạm vi sử dụng.

Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám

nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn

nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng

làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu

sau:

Hình 2-2. Gang dẻo

- Hình dạng phức tạp.

- Tiết diện (thành) mỏng.

- Chịu va đập.

3.3.4. Ký hiệu.

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ KЧ tiếp theo là

hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số. Số thứ nhất biểu hiện giá trị

bền kéo giới hạn σ_k(kG/mm²), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%).

Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-06, KЧ 33-08, KЧ 37-12, KЧ 45-12, KЧ 56-

04

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và 2 số

giống tiêu chuẩn Nga. Ví dụ GZ 33 - 08 gang dẻo có độ bền kéo giới hạn σ_k= 33

kG/mm²và độ dãn dài tương đối là δ = 0,8% .

Bảng 2-3. Cơ tính của gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75)

Giới hạn bền kéo

Độ cứng

Số hiệu gang

Độ giãn dài (δ%)

(KG/mm2)

HB

14

GZ 30 - 06

GZ 33 - 08

GZ 35 - 10

GZ 37 - 12

GZ 45 - 06

GZ 50 - 04

3.4. Gang cầu.

30

33

35

37

45

50

6

8

10

12

6

163

241

264

4

3.4.1 Thành phần và tổ chức C.

a. Thành phần:

C = (3,0 ÷ 4,0%);

Si = (1,8 ÷ 3,0)% ;

Mn = (0,10 ÷ 0,8)%;

S < 0,03% ;

P < 0,2% ;

b. Tổ chức tế vi: Graphit thu nhỏ, hình cầu do có chất biến tính Mg hoặc Ce

(Xeri)

Hình 2-3. Gang cầu

c. Chế tạo gang cầu:

Gang lỏng (0,05 -1)% Mg hoặc Ce (Xêri)

Gang cầu.

3.4.2.Tính chất.

- Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình

cầu dạng thu gọn nhất).

- Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép.

- Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép.

- Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ

400^oC.

3.4.3. Phạm vi sử dụng.

Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như trục cán, thân tuốc -

bin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác.

15

3.4.4 Ký hiệu.

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ BЧ tiếp theo là

hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số. Số thứ nhất biểu hiện giá trị

bền kéo giới hạn σ_k(kG/mm²), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%).

Ví dụ BЧ 38-17 là gang cầu có σ_k= 380N/mm², δ = 17%

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ GC và 2 số

tương ứng như tiêu chuẩn Nga

- Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12

Bảng 2-4. Cơ tính của gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75)

Giới hạn

bền kéo

Độ dai va

đập

(KJ/m²)

Số hiệu

Độ giãn dài

Độ cứng

quy ước khi

kéo

(KG/mm²)

gang

(δ%)

HB

2

(KG/mm )

GC 45 - 00

GC 50 - 1,5

GC 60 - 02

GC 45 - 05

GC 40 - 10

45

50

60

45

40

36

38

42

33

30

---

1,5

2

---

187 - 255

197 - 269

170 - 207

156 - 197

150

200

300

5

10

Câu hỏi ôn tập chương 1

Câu 1:Trình bày thành phần hóa học, tính chất, kí hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam và

công dụng của gang xám, gang dẻo và gang cầu.

Câu 2: Kẻ bảng và liệt kê thành phần hóa học của gang trắng, xám, cầu và gang dẻo.

Câu 3: Cho biết các điểm tới hạn trên giản đồ trạng thái Fe-C.

Câu 4: Giải thích các ký hiệu sau: GX 12 - 28; GC 40 - 10; GZ 37 – 12; GZ 45 – 6.

Câu 5: Cho biết phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái.

Câu 6: Giải thích các ký hiệu sau: CЧ 15-32; GX 18 – 36; KЧ 37-12; BЧ 42-12.

16

CHƯƠNG 2: THÉP

1. THÉP CÁC BON.

1.1. Khái niệm và phân loại.

1.1.1. Khái niệm:

Thép là hợp chất của sắt và cacbon có hàm lượng C < 2,14%, ngoài ra còn có

các nguyên tố khác Si < 0,5%, P < 0,05%, S < 0,05%.

1.1.2. Phân loại: Hiện nay người ta có nhiều cách phân loại thép cácbon.

a. Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao.

- Thép C chất lượng thường: Lượng P, S chỉ khử được đến 0,05 % cho mỗi

nguyên tố.

- Thép C chất lượng tốt: Lượng P, S được khử đến 0,04% cho mỗi nguyên

tố và thép được luyện bằng lò điện quang.

- Thép C chất lượng cao: Lượng P, S được khử đến 0,03% cho mỗi nguyên tố

và thép được luyện bằng lò điện quang với các biện pháp kỹ thuật bổ xung.

- Thép C chất lượng rất cao: P, S được khử đến 0,02% cho mỗi nguyên tố và

thép được luyện bằng lò điện quang tiếp tục được tinh luyện để khử tạp chất.

b. Theo phương pháp khử oxi.

- Thép sôi.

Là loại không khử được ôxi triệt để. Quá trình khử khí CO bay lên, mặt thép

lỏng chuyển động như thể bị sôi nên gọi là thép sôi. Loại này vẫn còn các bọt rỗ khí

trong thỏi đúc.

- Thép lặng.

Là loại khử ô xi triệt để. Quá trình khử mặt thép lỏng luôn phẳng nặng nên có

tên gọi là thép lặng. Thép lặng trong tổ chức không có rỗ khí nên có cơ tính cao hơn

thép sôi.

c. Theo công dụng.

- Nhóm thép cacbon kết cấu: Trong nhóm này lại chia ra làm hai loại:

+ Thép xây dựng: Chủ yếu dùng làm kết cấu trong xây dựng nhà cửa, cầu cống.

Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp, song không cao và cần có độ dẻo để dễ uốn.

+ Thép chế tạo máy: Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn, đặc

biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai. Trong nhóm thép này

người ta lại chia ra các loại:

- Nhóm thép chế tạo máy: Trong nhóm này lại có các loại:

+ Nhóm yêu cầu cao về độ dẻo, độ dai: Trong nhóm này thành phần cacbon

thấp (C = 0,1 – 0,25%). Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua nhiệt luyện thấm

cacbon.

17

+ Nhóm yêu cầu cao về giới hạn chảy và độ dai: Thành phần cacbon của nhóm

này loại trung bình (C=0,3 – 0,5%). Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề

mặt.

+ Nhóm yêu cầu cao về giới hạn đàn hồi: Nhóm này có thành phần cacbon

tương đối cao (C= 0,55 – 0,65%).

- Nhóm thép cacbon dụng cụ: Là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên cần có

yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn.

Trong công nghệ chế tạo máy, khoảng 80% khối lượng là thép cácbon kết cấu.

1.2. Tính chất chung của thép cacbon.

1.2.1. Ưu điểm.

a. Tính công nghệ.

Các loại thép cacbon hầu hết đều có tính công nghệ tốt (trừ tính đúc là kém) đó

là có tính cắt gọt cao, tính rèn, hàn tốt và có khả năng nhiệt luyện cao để thay đổi cơ

tính.

b. Tính chất cơ học.

- Có cơ tính tổng hợp tương đối tốt phù hợp với các điều kiện thông dụng.

- Rẻ, dễ kiếm, không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền.

1.2.2. Nhược điểm.

- Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện (tôi, ram) không cao,

do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền.

- Tính chịu nhiệt độ cao kém: Khi bị nung nóng độ bền của thép bị giảm nhanh,

bị ô xi hoá mạnh ở nhiệt độ cao.

- Khả năng chịu mòn kém (loại thép cacbon thông dụng), dễ bị han gỉ do tính

chịu axít, ăn mòn kém.

1.3. Thép Cacbon kết cấu chất lượng thường.

1.3.1. Phân loại và ký hiệu.

a. Phân loại.

Người ta chia thành ba nhóm:

+ Nhóm A là nhóm thép đáp ứng yêu cầu về cơ tính.

+ Nhóm B là nhóm thép không quy định cơ tính mà chỉ quy định thành phần

hoá học.

+ Nhóm C là nhóm thép đáp ứng cả cơ tính và thành phần hóa học.

b. Ký hiệu.

- Theo TCVN 1765 – 75: Quy định kí hiệu thép cacbon chất lượng thường

bằng hai chữ cái CT kèm theo hai con số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu σ_k(kG/mm²)

hoặc Mpa. (1kG/ mm²= 9,81.10⁶Pa = 9,81MPa ≈ 10 Mpa)

18

Đằng sau chữ số nếu có chữ s biểu thị cho thép sôi, chữ n biểu thị cho thép nửa

lắng, không có chữ biểu thị cho thép lắng .

+ Nhóm A: Có 7 mác thép từ CT 31 đến CT 61.

Ví dụ có mác thép CT 38_scó nghĩa: CT chỉ thép cacbon chất lượng thường,

nhóm A có giới hạn bền kéo σ_k= 38 kG/mm²và đây là thép sôi.

Bảng 3-1. Thép các bon chất lượng thường nhóm A theo TCVN 1765-75

Số hiệu thép

CT31

б_B( N/mm²)

>310

б_0,2( N/ mm²)

d [%]

20

-

CT33

320 ÷ 420

340 ÷ 440

380 ÷ 490

420 ÷ 540

500 ÷ 640

600

-

31

CT34

200

210

240

250

300

29

CT38

23

CT42

21

CT51

17

CT61

12

+ Nhóm B: Phía trước chữ CT có thêm chữ B có các mác từ BCT 31 đến BCT

61. Số 31…61 không phải chỉ giới hạn bền kéo σ_k. Muốn biết thành phần hoá học

các mác thép phải tra bảng.

Bảng 3-2. Thép các bon chất lượng thường nhóm B theo TCVN 1765-75

Số hiệu

Thành phần %

Si % trong thép

Sôi Nửa lắng Lắng

% S

% P

C

Mn

-

Không quá

BCT31

0,23

0,06

0,07

0,04

nt

-

BCT33 0.06 ÷ 0.12 0,25 ÷ 0,50 0,5 0,05 ÷ 0,17 0,12 ÷ 0,30 0,05

BCT34 0.04 ÷ 0.15 0,25 ÷ 0,50 0.5 0,05 ÷ 0,17

nt

BCT38 0,14 ÷ 0.22 0,30 ÷ 0,65 0,07

BCT42 0,18 ÷ 0,27 0,40 ÷ 0,70 0,07

nt

0,15 ÷ 0,35

nt

BCT51 0,28 ÷ 0,37 0,50 ÷ 0,80

BCT61 0,38 ÷ 0,49 0,50 ÷ 0,80

nt

-

nt

+ Nhóm C: Phía trước chữ CT có chữ C tức là CCT kèm theo hai con số. Cơ

tính và thành phần hoá học tuân theo các mác tương ứng của phân nhóm A, B. Ví dụ

mác CCT 38 có cơ tính như CT 38, còn thành phần hoá học thì như BCT 38.

- Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT 380). Thép cacbon chất lượng thường ký

hiệu bằng hai chữ cái CT kèm theo con số từ 0 - 6 chỉ cấp độ bền. Số càng to độ bền

càng cao. Ví dụ CT1 có độ bền uốn là 40 kG/mm², CT3 có độ bền uốn là 47

kG/mm². Như vậy độ bền uốn tăng theo tỷ số từ 0 - 6, độ dẻo thì ngược lại.

19

Tiêu chuẩn này cũng phân làm 3 phân nhóm là A, Б, B tương ứng với các phân

nhóm A, B, C của TCVN.

- Nhóm A: Có các mác thép CT0 -… CT6

- Nhóm Б: Có các mác thép MCT0 …MCT7 hoặc KCT0 -….KCT7

Các chữ M, Б, K là chỉ cách chế tạo thép: M là thép lò máctanh, Б là thép lò

becxơ, K là thép lò điện.

- Nhóm B: Có các mác thép BMCT2 - BMCT5; BKCT2 - BKCT5 ý nghĩa

của các chữ cái như nhóm Б.

Trong các ký hiệu trên chữ số càng lớn thì lượng cacbon trong thép càng nhiều,

thép càng cứng và bền nhưng độ dẻo và dai thì giảm đi.

Bảng 3-3. Thành phần hóa học và cơ tính thép C chất lượng thường

theo ΓOCT 380

Thành phần hóa học

Cơ tính

Ký

S

P

δ%

hiệu

thép

2

C

Mn Si

B NM/m

không

Không quá

kém hơn

CT0

0,23

0,006

0,007 Không nhỏ

hơn 320

18

CT1

CT2

CT3

CT4

CT5

CT6

0,07 - 0,13 0,35 - 0,50

0,09 - 0,15 0,35 - 0,50

0,14 - 0,22 0,40 - 0,65 0,12 - 0,30 0,055

0,18 - 0,27 0,40 - 0,70 0,12 - 0,30 0,055

0,28 - 0,37 0,50 - 0,80 0,17 - 0,35 0,055

0,38 - 0,50 0,50 - 0,80 0,17 - 0,35 0,055

0,055

0,050

320 - 700

340 - 420

410 - 430

450 - 480

540 - 570

640 - 670

28

26

22

20

16

12

- Theo Tiêu chuẩn Hoa kì (ASTM): Với nhiều tiêu chuẩn khác nhau: 283,

284, 328 với đặc điểm chung là chúng đều được quy định cả về cơ tính và thành

phần hoá học và chúng cũng được chia theo ba cấp A, B, C theo thứ tự độ bền tăng

dần.

- Theo tiêu chuẩn của Nhật (JSG 3101): Thép cacbon có chất lượng thường

được kí hiệu bằng chữ SS hay SM với số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu

(Mpa). Có các mác thép chỉ được đảm bảo cơ tính như phân nhóm A - TCVN. JSG

3106 có các mác thép chuyên để hàn đảm bảo cả cơ tính lẫn thành phần hoá học như

nhóm C – TCVN.

c. Công dụng:

Thép cacbon được dùng nhiều trong xây dựng để làm tấm đan, cốt bê tông, làm

cầu và các công trình khác. Thường được dùng ở dạng đã qua cán nóng thành hình

như : dây, thanh, tấm, chữ U , I , L ...

Thép nhóm A vì không qui định thành phần nên không dùng gia công nóng.

Các loại thép nhóm B và C được dùng để sản xuất các chi tiết có qua nhiệt luyện

hoặc để hàn. Ví dụ làm các loại bu lông, chốt, trục chịu tải trọng nhỏ.

Bảng 3-4. Phạm vi sử dụng của thép cacbon chất lượng thường .

20

Mác

thép

Đặc điểm và phạm vi sử dụng

CT31 Chế tạo các kết cấu hàn xây dựng .

Chế tạo các kết cấu chịu trọng tải nhỏ, có tính hàn tốt .

CT33

Chế tạo các kết cấu kim loại có liên kết dầm, các trục với trạng thái chịu

CT34 ứng suất không lớn . Có tính hàn tốt .

Chế tạo các kết cấu kim loại như trục, tay gạt, dầm và các chi tiết khác

CT38 mà yêu cầu có độ bền không cao, tính hàn thỏa mãn yêu cầu

CT42 Chế tạo các kết cấu kim loại yêu cầu có độ cứng bề mặt cao .

Chế tạo các trục bánh răng, ổ trục và các chi tiết khác khi cần nâng cao độ

CT51 bền làm việc .

CT61 Chế tạo các trục, nối trục, tấm chịu ma sát và các yêu cầu có độ bền cao .

1.4. Thép các bon kết cấu chất lượng tốt.

1.4.1. Đặc điểm:

Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt có cơ tính cao hơn thép cacbon kết cấu

chất lượng thường vì nó chứa ít tạp chất, lượng P,S < 0,04%. và thường được

luyện trong lò Mactanh hoặc lò điện.

1.4.2. Kí hiệu.

- Theo TCVN 1766 – 75: Thép cacbon chất lượng tốt được kí hiệu bằng chữ C

và hai con số chỉ phần vạn lượng cacbon trong bình có trong thép. Ví dụ mác C 40 có

nghĩa: C chỉ thép cacbon chất lượng tốt, 40 chỉ lượng cacbon khoảng 0,4%.

- Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓCOT): Dùng hai con số chỉ phần vạn lượng

cacbon trong bình có trong thép. Ví dụ ký hiệu thép là 30, 35, 40, 45… ý nghĩa là

thép cacbon kết cấu loại tốt trong đó lượng C là 0,3, 0,35%...

- Theo tiêu chuẩn của Nhật: Kí hiệu thép cacbon chất lượng tốt bằng hai chữ

SxxC. Trong đó xx là chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn.

1. 4.3. Công dụng.

Thép cacbon kết cấu loại tốt được sử dụng nhiều trong chế tạo máy. Các loại

thép C10, C15, C20 là loại có tính công nghệ tốt: Dễ tiện , rèn, hàn, dập. Các loại

này thường làm dùng bulông, đai ốc, ống, các tấm thép hàn.

Các loại thép C40, C45 được sử dụng để làm thanh truyền động cơ ôtô, các

loại trục truyền lực. Người ta thường tôi và ram để tăng độ cứng bề mặt và khả năng

chịu mòn. Các loại thép C55 - C70 là thép có chứa nhiều cacbon thường được sử

dụng làm trục cán, các loại lò xo…

1.5. Thép cacbon dụng cụ.

1.5.1. Khái niệm:

21

Thép Cacbon dụng cụ là loại thép dùng để chế tạo dụng cụ cắt, dụng cụ đo

kiểm, vì vậy thép này có lượng C = (0,7 ÷ 1,6)%

1.5.2. Yêu cầu với thép các bon dụng cụ.

- Phải có độ cứng cao, khoảng (60 ÷ 65) HRC.

- Phải có tính chống mài mòn tốt.

- Tính cứng nóng cao.

- Có độ bền cao, chịu được va đập.

- Tính truyền nhiệt tốt.

- Tính công nghệ tốt, dễ gia công, dễ mài sửa, tính nhiệt luyện cao.

1.5.3. Công dụng:

Dùng để chế tạo các dụng cụ cắt với tốc độ cắt thấp và trung bình như Dũa, Ta

rô, bàn ren, đục nguội và các loại dụng cụ cắt dập. Ngoài ra còn làm dụng cụ đo

kiểm yêu cầu độ chính xác cao.

1.5.4. Ký hiệu.

- Theo tiêu chuẩn Nga (ΓCOT): Thép các bon dụng cụ được ký hiệu bằng chữ

Y kèm theo con số chỉ lượng C tính theo phần nghìn. Nếu có thêm chữ A ở cuối ký

hiệu là chỉ thép có chất lượng tốt

VD : Y8 là thép các bon dụng có hàm lượng C = 0,8%

Y12A là thép các bon dụng có hàm lượng C = 1,2% và là thép chất lượng tốt.

- Thường dùng các ký hiệu Y7, Y8, Y9, Y10, Y11, Y12 …

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Thép các bon dụng cụ được ký hiệu bằng hai chữ

CD tiếp theo là con số chỉ lượng C tính theo phần vạn, thêm chữ A chỉ chất lượng

tốt

VD : CD80 tương đương với Y8, CD 120A tương đương với Y12A

2. THÉP HỢP KIM.

2.1. Khái niệm:

Thép hợp kim là thép cacbon được tinh luyện cẩn thận để loại bỏ tối đa những

nguyên tố có hại như : P , S, ôxy, nitơ, hyđrô . Đồng thời bổ sung vào một hay nhiều

nguyên tố hợp kim với hàm lượng nhất định để nâng cao cơ tính và các tính chất

khác theo mong muốn như : Cr , Mn , Ni, Si , Mo, V , Ti, Co , Cu , Al , W.

2.2. Các tính chất của thép hợp kim.

- Về cơ tính: Do có tính thấm tôi cao nên thép hợp kim có độ bền cao, có khả

năng chịu mỏi.

- Về tính công nghệ: Thép hợp kim có tính công nghệ tốt. Có khả năng cắt gọt,

rèn, nhiệt luyện…

- Tính chịu ăn mòn hóa học: Thép có khả năng chịu ăn mòn trong axit, bazơ,

muối. Một số loại khác có khả năng chổng gỉ tốt.

22

Giáo trình Vật liệu cơ khí - Hoàng Anh Thái