Bài giảng Luyện kim vật lý - Chương 4: Hợp kim kỹ thuật đặc biệt - Nguyễn Văn Đức

08/03/2020 1 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4. Hợp kim kỹ thuật đặc biệt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4. Hợp kim kỹ thuật đặc biệt • 4.1. Hóa bền hợp Fe – C • 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C • 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C • 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C • 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1. Hóa bền hợp Fe – C • 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C • 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Thép Gang 1 2 3 08/03/2020 2 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C Các pha trong hợp kim Fe-C Pha Kí hiệu Cấu trúc Điều kiệnnhiệt độ Ghi chú Ferit -Fe, F, , Fe(C) BCC < 911 0C Nguội chậm -Ferit -Fe, , Fe(C) BCC 392-15390C Nóng chảy Austenit -Fe, A, , Fe(C) FCC 911-13920C Xementit Xe, Fe3C Trực thoi Nguội chậm Mactenxit M Chính phương tâm khối Tôi (nguội nhanh) Graphit G Lục giác Khi có mặt Si Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C Chuyển biến thù hình trong Fe Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Tương tác giữa Fe và C - Tạo dung dịch rắn xen kẽ: + Fe (A2; < 9110C): F() = Fe(C), %Cmax = 0,02%, 7270C + Fe (A1; 911-13920C): A() = Fe(C), %Cmax = 2,14%, 11470C + Fe (A2; 392-15390C):  = Fe(C), %Cmax = 0,1%, 14990C - Tương tác hóa học giữa Fe và C: Fe3C (%C = 6,67%) r4m = 0,291rnt = 0,036nm (A2) Fe: rnt = 0,124nmC: rnt = 0,077nm r8m = 0,414rnt = 0,052nm (A1) 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C 4 5 6 08/03/2020 3 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C +XeII +XeII+Le(+Fe3C) L e( + Fe 3C ) XeI+Le(+Fe3C) L+XeI L e( P+ Fe 3C ) XeI+Le(P+Fe3C)P+XeII P+XeII+Le(P+Fe3C)+P Fe Fe3C L γ+L γ 0,8  P[ + Fe 3C ] 15390C 14990C 13920C 9110C A BH N J CE D F G S P K Q Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C Austenit (A, , Fe(C)): LPTM (FCC) Ferit (F, , Fe(C)): LPTK (BCC)  Dung dịch rắn của C trong Fe  Giới hạn hòa tan 2,14%C tại 11470C, 0,8% tại 7270C  Tổ chức hạt sáng, đường song tinh  Độ bền kéo: 1035 Mpa  Độ dẻo: 10%  Độ cứng: 40HRC  Dung dịch rắn của C trong Fe  Giới hạn hòa tan 0,02%C tại 727oC  Tổ chức hạt sáng đa cạnh  Độ bền kéo: 275 Mpa  Độ dẻo: 40%  Độ cứng: < 90HB Các tổ chức một pha và hai pha: Các tổ chức một pha Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C Austenit (A, , Fe(C)): LPTM (FCC) Ferit (F, , Fe(C)): LPTK (BCC)  rFe= 1,292Å  rC= 0,77Å  r8m = 0,414rFe= 0,535Å  r4m = 0,225rFe= 0,291Å  Kim loại có kiểu mạng A1: Fe, Au, Ag, Al, Ni, Cu  rFe= 1,258Å  rC= 0,77Å  r8m = 0,154rFe= 0,194Å  r4m = 0,291rFe= 0,366Å  Kim loại có kiểu mạng A2: Fe, Cr, M o, W, V, CFeFCC FeFCCC Các tổ chức một pha và hai pha: Các tổ chức một pha 7 8 9 08/03/2020 4 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha Các tổ chức một pha - Xemantit (Fe3C, Xe): 6,67%C + XeI: sinh ra từ trạng thái lỏng, dạng tấm thô to + XeII: tiết ra từ austenit, dạng lưới bao quanh hạt + XeIII: tiết ra từ ferit, rất ít + Xe cùng tích: tạo từ chuyến biến cùng tích 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C XeIII XeI XeII XeII: cứng và giòn Độ bền kéo: 35Mpa Độ cứng: (800-1500) HV Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha Các tổ chức hai pha - Peclit (P): + Hỗn hợp cùng tích F và Xe: 88%F + 12%Xe + Tạo ra từ phản ứng cùng tích + Tổ chức: P tấm, P hạt 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C + Độ bền kéo: 825Mpa + Độ dẻo: 20% + Độ cứng: 20HRC Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha Các tổ chức hai pha - Lêđêburit (Le): + Hỗn hợp cùng tinh  và Xe (> 7270C); p và Xe (< 7270C) (40,4%P + 59,6%Xe) + Sinh ra từ phản ứng cùng tinh + Tổ chức có dạng da báo 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C 10 11 12 08/03/2020 5 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Phân loại thép và gang theo GĐP a) Khái niệm: Thép và gang là hợp kim của Fe-C (Mn, Si, P, Stạp chất) - Thép: %C < 2,14% - Gang: %C > 2,14% b) Đặc điểm: - Thép có tổ chức một pha  khi nung nóng (trên đường GSE), có độ dẻo cao dễ biến dạng - Tính đúc của thép thấp - Gang không đạt trạng thái một pha  khi nung nóng nên giòn cứng, khó gia công biến dạng - Gang có tính đúc tôt 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C Thép Gang Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha c) Phân loại thép và gang theo GĐP Thép theo GĐP: có 3 loại - Thép trước cùng tích: %C < 0,8% + Tổ chức: P + F(sáng) - Thép cùng tích: %C = 0,8% + Tổ chức 100% P: Ptấm, Phạt - Thép sau cùng tích: 0,8% < %C < 2,14% + Tổ chức: P + XeII (dạng lưới) PhạtPtấmF + P P + XeII 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C P[ + Fe 3C ] Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha c) Phân loại thép và gang theo GĐP Gang theo GĐP là gang trắng: có 3 loại - Gang trước cùng tinh: %C < 4,3% + Tổ chức: P(đen) + XeII + Le - Gang cùng tinh: %C = 4,3% + Tổ chức 100% Le (da báo) - Gang sau cùng tinh: %C > 4,3% + Tổ chức: Le + XeI (dải sáng) LeP(đen) + XeII(sáng) + Le Le + XeI(đại lộ) 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C 13 14 15 08/03/2020 6 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha A3 = 727 + 230(0,8-x) 0C; Acm = 727 + 313(y-0,8) 0C; (x, y là %C) d) Các điểm tới hạn: tương ứng với các điểm chuyển biến pha trong thép A1, A3, Acm - A1: đường PSK (7270C), ứng với chuyển biến   P [F + Xe], có trong mọi thép - A3: đường GS (911-7270C), ứng với chuyển biến    +  có trong thép trước cùng tích - Acm: đường SE (727-11470C), ứng với chuyển biến    + XeII có trong thép sau cùng tích - Nung nóng thêm chữ “c”, làm nguội “r” Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3; Accm > Acm > Arcm 4.1.1. Giản đồ pha Fe – C P[ + Fe 3C ] A3 Acm A1 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha Các chuyển biến khi nguội chậm - Chuyển biến bao tinh: tại 14990C, điểm J: 0,1 + L0,5  0,16 - Chuyển biến cùng tinh: 11470C, điểm C: L4,3  (2,14 + Xe6,67) - Chuyển biến cùng tích: 7270C, điểm S: 0,8  [0,02 + Xe6,67] 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha Các chuyển biến khi nguội chậm - Chuyển biến cùng tích: 7270C, điểm S: 0,8  [0,02 + Xe6,67] 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Ferrite Cementite Austenite boundary 16 17 18 08/03/2020 7 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức một pha và hai pha Các chuyển biến khi nguội chậm - Chuyển biến cùng tích: Austenit  Peclit/Xementit 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội Chuyển biến tạo thành austenit Dựa vào GĐP Fe-Fe3C: - T < Ac1: không có chuyển biến gì - T = Ac1: chuyển biến P   [Fe + Xe]0,8%C  Fe(C)0,8%C - Trên đường GSE: tổ chức một pha  Đặc điểm chuyển biến P   - Vnung lớn : Tnung cao - Tnung cao: cb ngắn - V2 > V1: T bắt đầu và kết thúc chuyển biến cao hơn, thời gian chuyển biến ngắn hơn 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến tạo thành austenit Kích thước hạt austenit: Hạt austenit tạo thành càng nhỏ  các tổ chức nhận được sau khi nguội càng nhỏ mịn với cơ tính cao hơn Cơ chế chuyển biển P   - Tạo mầm (mầm được sinh ra trên biên giới pha F và Xe - Phát triển mầm như trong kết tinh Chế chuyển biển P   làm nhỏ hạt thép 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C 19 20 21 08/03/2020 8 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến tạo thành austenit Kích thước hạt austenit phụ thuộc vào: - Kích thước tổ chức P ban đầu - Tăng Vnung: hạt nhỏ - Tăng Tnung: hạt lớn - Tăng gn: hạt lớn - Bản chất của thép: bản chất hạt nhỏ, bản chất hạt lớn Mục đích của giữ nhiệt: - Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn bộ tiết diện - Để chuyển biến xảy ra hoàn toàn - Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến khi nguội chậm austenit a) Chuyển biến đẳng nhiệt A quá nguội Giản đồ T-T-T của thép cùng tích [1]: aunstenit ổn định, [2]: austenit quá nguội [3]: austenit đang chuyển biến [4]: Hỗn hợp F+Xe, [5]: mactenxit + dư - Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội: + T = 7000C: Peclit, 10-15HRC + T = 6500C: Xoocbit, 25-35HRC + T = 500-6000C: Trôxtit, 40HRC + T = 250-4500C: Bainit, 50-55HRC - Đặc điểm: + P, X, T, B có bản chất giống nhau là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xemantit tấm: độ quá nguội tăng, số lượng mầm tăng, tấm càng nhỏ mịn, độ cứng càng cao + Nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức đồng đều trên toàn bộ tiết diện 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến khi nguội chậm austenit b) Sự phân hóa austenit khi nguội liên tục - V1  Peclit - V2  Xoocbit - V3  Trôxtit - V4  Bainit + Mactenxit - Vth Mactenxit - V5 Mactenxit Đặc điểm: - Tổ chức nhận được phụ thuộc vào Vnguội - Với chi tiết lớn tổ chức nhận được không đồng nhất - Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn bainit bằng cách nguội đẳng nhiệt 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C 22 23 24 08/03/2020 9 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến khi nguội chậm austenit c) Chuyển biến đẳng nhiệt A quá nguội Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tích Đường cong chữ C có thêm nhánh phụ, dịch sang trái một chút - Khi nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (nguội chậm liên tục V2) sẽ tiết ra F(Xê) trước khi gặp nhánh phụ - Khi nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội lớn (nguội liên tục đủ nhanh, V3) tổ chức cuối vẫn nhận được xoocbit, trôxtit, bainit 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến mactenxit V > Vth:   M a) Bản chất của mactenxit - Dung dịch rắn quá bão hòa C trong Fe - Kiểu mạng chính phương tâm khối, c/a = 1,002- 1,06 - Xô lệch mạng lớn nên M có độ cứng cao b) Đặc điểm chuyển biến M: - Xảy ra khi nguội nhanh và liên tục austenit, V > Vth - Chuyển biến không khuếch tán - Chỉ xảy ra trong khoảng nhiệt độ bắt đầu Mđ và kết thúc Mf - Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến mactenxit c) Cơ tính mactenxit - Độ cứng: %C tăng, độ cứng tăng + %C < 0,2%: < 40HRC + %C = 0,4-0,5%: > 50HRC + %C > 0,6%: > 60HRC - M có tính giòn cao, phụ thuộc vào: + Kim M nhỏ mịn, tính giòn thấp + Ứng suất dư nhỏ, tính giòn thấp 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C 25 26 27 08/03/2020 10 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE ])([)( 4,20,24,025,08,0 CFeCFeCFe    Chuyển biến xảy ra khi ram a) Tính không ổn định của mactenxit và austenit - Tổ chức thép tôi: M + dư  F + Xe (ổn định ở nhiệt độ thường) thông qua tổ chức trung gian, Mram: (M + dư )  Mram  F + Xe b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi) Giai đoạn I (T < 2000C): - T < 800C chưa có chuyển biến - 80 < T < 2000C: M tiết ra cacbit  Fe2,0-2,4C; dư chưa chuyển biến - Tổ chức nhận được Mram + dư 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến xảy ra khi ram 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi) Giai đoạn II (200 - 2600C) - Cacbon tiếp tục tiết ra từ M - Austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram: - Tổ chức Mram có độ cứng thấp hơn Mtôi Giai đoạn III (260 - 4000C): - Mram chuyển biến thành hỗn hợp F + Xe Fe(C)0,15-0,2  Fe + Fe3C (hạt) Fe2,0-2,4(C)  Fe3C (hạt) ])([)( 4,20,22,015,08,0 CFeCFeCFe    Hỗn hợp Fe và Xe nhỏ mịn phân tán: Trôxtit ram: Tính đàn hồi lớn nhất Không còn ứng suất dư ])([)( 4,20,22,015,08,0 CFeCFeCFe    Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Chuyển biến xảy ra khi ram 4.1.2. Chuyển pha trong hợp kim Fe – C b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi) Giai đoạn IV (> 4000C) - Xảy ra quá trình kết tụ của hạt Xe - Ở nhiệt độ 500-6000C tổ chức xoocbit ram: đh, ak lớn nhất - Gần A1 (7270C): hỗn hợp F + Xe hạt thô hơn (tổ chức peclit hạt) Kết luận: - Khi ram xảy ra quá trình phân hủy Mtôi giảm độ cứng, giảm ứng suất bên trong - Thay đổi nhiệt độ ram có thể đạt được cơ tính khác nhau phù hợp theo yêu cầu làm việc 28 29 30 08/03/2020 11 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Sơ đồ nhiệt luyện thép a) Định nghĩa: Nhiệt luyện thép là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và là m nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức  biến đổi tính chất theo yêu cầu Đặc điểm: - Không làm nóng chảy, biến dạng chi tiết - Đánh giá bằng kết quả biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính b) Các yếu tố đặc trưng - Các thông số chính: + Nhiệt độ nung, T + Thời gian giữ nhiệt,gn + Tốc độ nguội, Vng - Các chỉ tiêu đánh giá kết quả + Tổ chức tế vi (cấu tạo pha, chiều sâu lớp hóa bền) + Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai + Độ cong vênh biến dạng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE Sơ đồ nhiệt luyện thép c) Phân loại nhiệt luyện thép: - Nhiệt luyện: chỉ dùng tác động nhiệt làm thay đổi tổ chức, tính ch ất, bao gồm: ủ, thường hóa, tôi + ram - Hóa nhiệt luyện: kết hợp thấm các nguyên tố làm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt và nhiệt luyện, cải thiện cơ tính: thấm C, C-N, Al, Co, B - Cơ nhiệt luyện: kết hợp biến dạng dẻo ở trạng thái austenit và nhi ệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, cơ tính tổng hợp cao nhất Vai trò của nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí - Tăng độ cứng, tính chóng mài mòn và độ bền của thép: tăng tuổi t họ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu - Cải thiện tính công nghệ: nhiệt luyện sơ bộ tạo cơ tính phù hợp vớ i điều kiện gia công 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Đ/n: Nung nóng trên đường Ac1 đạt được tổ chức , giữ nhiệt, làm n guội nhanh với tốc độ thích hợp nhận được tổ chức M hay các tổ chức cân bằng khác với độ cứng cao hơn Mục đích: - Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn - Nâng cao độ bền và sức chịu tải Chọn nhiệt độ tôi: - Thép trước cùng tích và cùng tích: Ttôi = Ac3 + (30-500C) - Thép sau cùng tích: Ttôi = Ac1 + (30-500C) - Thép hợp kim: HK thấp theo thép C, HK cao theo sách tra cứu P[ + Fe 3C ] A 3 Ac m A1 31 32 33 08/03/2020 12 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Tốc độ nguội tới hạn: tốc độ nguội nhỏ nhất Vth xảy ra chuyến biến   M - Tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ càng dễ tôi thấu, đạt độ cứng cao, biến dạng nhỏ và không bị nứt Tm, m nhiệt độ và thời gian ứng với austenit kém ổn định nhất - Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn: + Thành phần nguyên tố hợp kim của austenit, giảm Vth + Sự đồng nhất của , giảm Vth + Kích thước hạt  lớn, giảm Vth + Các phần tử rắn chưa hòa tan hết vào , tăng Vth Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Độ thấm tôi: chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức: 50%M + 50%T - Biểu thị khả năng hóa bền của vật liệu - Các yếu tố ảnh hưởng: + Tốc độ nguội tới hạn + Tốc độ làm nguội chi tiết Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Tính thấm tôi và tính tôi cứng - Tính thấm tôi: %ntHK càng cao thì tính thấm tôi càng cao - Tính tôi cứng: %C càng cao tính tôi cứng càng lớn 0,4%C 0,4%C + 1%Cr 0,4%C + 1%Cr + 0,18%Mo 34 35 36 08/03/2020 13 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Tôi trong một môi trường: + Làm nguội nhanh trong một môi trường thích hợp + Tổ chức sau tôi là M + Chi tiết không bị cong vênh + Kinh tế và an toàn Tôi trong hai môi trường: Làm nguội trong hai môi trường khác nhau + GĐ I: nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (nước, dung dịch muối) đến 300-4000C + GĐ II: nguội chậm trong môi trường yếu hơn (dầu, không khí) + ƯĐ: ít gây biến dạng, nứt chi tiết + NĐ: Khó xác định thời điểm chuyển tiếp Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Tôi phân cấp: + Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm MS khoảng 50-1000C rồi làm nguội trong không khí để chuyển biến M + ƯĐ: khắc phục được khó khăn về xác định chuyển môi trường, đạt độ cứng cao, ứng suất bên trong nhỏ, ít biến dạng; + NĐ: năng suất thấp chỉ áp dụng chỉ áp dụng cho thép có Vth nhỏ và với chi tiết nhỏ: mũi khoan, taro, dao phay Tôi đẳng nhiệt: + Khác tôi phân cấp, giữ nhiệt lâu hơn + Tùy thuộc nhiệt: 250-4000C: bainit, 500-6000C: trôxtit + Sau tôi đẳng nhiệt không cần ram Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi thép Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Gia công lạnh (khử austenit dư) Áp dụng cho hợp kim, %C cao, có điểm Ms và Mf thấp, lượng austenit dư nhiều Tôi tự ram Làm nguội không triệt để a) Nhiệt độ cao b) Nhiệt độ thấp Cơ nhiệt luyện - Kết hợp: biến dạng dẻo và tôi ngay - Nhiệt độ cao: biến dạng T > A3 - Nhiệt độ thấp: T < Tktl 37 38 39 08/03/2020 14 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Ram thép K/n: - Nguyên công bắt buộc cho thép sau tôi - Nung nóng thép đến nhiệt độ xác định (< Ac1), làm nguộ i ngoài không khí Mục đích: - Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất tránh cho thép bị giòn sau tôi - Điều chỉnh cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc Các phương pháp ram: - Ram thấp (150-2500C): + Tổ chức M ram + Độ cứng giảm ít so với M tôi + Ứng dụng cho các chi tiết cần độ cứng, tính chống mài mòn cao Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Ram thép Các phương pháp ram: - Ram trung bình (300-4500C), áp dụng cho thép %C = (0,55-0,65%) + Tổ chức sau ram: trôxtit ram + Độ cứng giảm rõ rệt so với M tôi nhưng giới hạn đàn hồi đạt giá giá trị lớn nhất + Khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong + Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Ram thép Các phương pháp ram: - Ram cao (500-6500C), áp dụng cho thép %C = 0,3-0,5% + Tổ chức sau ram: Xoocbit ram + Cơ tính tổng hợp cao nhất (nhiệt luyện hóa tốt) + Ứng dụng cho chi tiết cần giới hạn bền, giới hạn chảy và độ dai va đập cao Dạng nhiệt luyện Cơ tính b, MPa 0,2, MPa , % , % aK, kJ/m2 Ủ 8400C 530 280 32,5 50 900 Thường hóa 8500C 650 320 15 40 500 Tôi 8500C + ram 2000C 1100 720 8 12 300 Tôi 8500C + ram 6500C 720 450 22 55 1400 Thép 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau 40 41 42 08/03/2020 15 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Các khuyết tật xảy ra do nhiệt luyện a) Biến dạng và nứt: - Nguyên nhân: + Ứng suất nhiệt khi làm nguội, nung nóng + Ứng suất tổ chức khi chuyển biến - Ngăn ngừa: + Nung nóng và làm nguội với tốc độ hợp lý + Làm nguội theo nguyên tắc: nhúng thẳng đứng , phần dày hơn thì tôi trước + Đối với vật mỏng cần ép trong khuôn trước khi tôi - Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể nắn, ép nóng hoặc nguội Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Các khuyết tật xảy ra do nhiệt luyện b) Oxy hóa và thoát cacbon - Nguyên nhân: + Môi trường nung có chứa các chất oxy hòa Fe và C: O2, CO2, H2O - Ngăn ngừa: + Chi tiết phủ than hoa + Dùng khí bảo vệ, khí trung tính: Ar, N2; CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 + Nung trong môi trường chân không 10-2-10-4 mmHg - Khắc phục: thấm lại C cho chi tiết c) Độ cứng không đạt - Độ cứng quá cao: khi ủ, thường hóa thép với tốc độ nguội lớn - Độ cứng quá thấp: nhiệt độ không đạt, thời gian giữ nhiệt ngắn, làm nguội không đủ nhanh, thoát C d) Tính giòn cao - Do nung quá nhiệt (hạt lớn) tính giòn cao  Đem thường hóa và nhiệt luyện lại Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Tôi cảm ứng a) Nguyên lý: Chi tiết được đặt trong từ trường biến thiên sẽ xuất hiệ n dòng cảm ứng nung nóng chi tiết b) Đặc điểm: Mật độ dòng Fuco phân bố không đều trên tiết diện củ a chi tiết, chủ yếu tập trung ở bề mặt, chiều sâu  = 5030(/f), cm; : điện trở suất, : từ độ, f: tần số dòng điện c) Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng: + Thép có %C = 0,35-0,5% + Tổ chức: Lõi có tổ chức xoocbit ram (nhiệt luyện hóa tốt; bề mặt t ổ chức M hình kim nhỏ mịn (tôi + ram thấp) d) Ưu điểm, nhược điểm: + Năng suất cao + Chất lượng tốt + Dễ cơ khí hóa, tự động hóa + Khó thực hiện với chi tiết có hình dạng phức tạp 43 44 45 08/03/2020 16 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hóa nhiệt luyện - Đ/n: là phương pháp thấm, bão hòa nguyên tố hóa học (C, N) vào bề mặt thép bằ ng cách khuếch tán các nguyên tử hòa học từ môi trường thấm ở nhiệt độ thích hợp - Mục đích: + Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, độ bền mỏi của thép + Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu: thấm Cr, Al, Si - Các giai đoạn thấm: 1. Giai đoạn phân hóa 2. Giai đoạn bão hóa 3. Giai đoạn khuếch tán Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hóa nhiệt luyện - Các yếu tổ ảnh hưởng: + Nhiệt độ + Thời gian Ảnh hưởng của thời gianẢnh hưởng của nhiệt độ x = k.1/2x = A.e-(Q/kT) Lớp thấm Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hóa nhiệt luyện a) Thấm C - Bão hòa C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0, 25%C) sau đó tôi và ram thấp - Mục đích: + Làm cho bề mặt có độ cứng cao chống m ài mòn, chịu mỏi tốt (60-64HRC) + Lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (30-40HRC) - Yêu cầu đối với lớp thấm: + Bề mặt: 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luy ện M ram và cacbit nhỏ mịn phân tán + Lõi: tổ chức hạt nhỏ, thành phần C như t hép ban đầu nên vẫn đảm bảo độ dẻo dai 46 47 48 08/03/2020 17 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hóa nhiệt luyện a) Thấm C - Lựa chọn nhiệt độ và thời gian thấm: + Nhiệt độ thấm: Tthấm > Ac3 để đảm bảo hòa tan được nhiều C và o trong thép (900-9500C) Thép bản chất hạt nhỏ: 930-9500C Thép bản chất hạt lớn: 900-920 + Thời gian thấm: Phụ thuộc chiều dày lớp thấm x = (0,10-0,15)d, (0,5-1,8mm) Tốc độ thấm (công nghệ thấm và nhiệt độ thấm) - Các chất thấm và quá trình xảy ra: Chất thấm thể rắn Chất thấm thể khí 2C + O2 2CO 2CO  CO2 + Cng.tử Cng.tử + Fe(C)  Fe(C)0,10,81,3 2CnH2n+2  (n+1)H2 + nCng.tử 2CO  CO2 + Cng.tử Cng.tử + Fe(C)  Fe(C)0,10,81,3  Nhiệt luyện sau thấm: tôi + ram thấp Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hóa nhiệt luyện b) Thấm N - Bão hòa N lên bề mặt thép HK đã qua nhiệt lu yện hóa tốt, nâng cao độ cứng (65-70HRC) và tính chống mài mòn, chịu mỏi của chi tiết - Nhiệt độ thấm, các chất thấm và quá trình xảy ra: + Nhiệt độ thấm: 480-6500C + Sử dụng khí NH3 cho quá trình thấm 2NH3 3H2 + 2Nng.tử Nng.tử + Fe Fe(N) Nng.tử + Fe  ()Fe2-3N,(’)Fe4N - Tổ chức lớp thấm: + Từ ngoài vào ( + ’), (’ + ) + lõi thép (xooc bit ram) Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.1.3. Hóa bền hợp Fe – C Hóa nhiệt luyện b) Thấm N - Đặc điểm + Thời gian thấm lâu do nhiệt độ thấp + Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm) + Sau thấm không cần nhiệt luyện + Lớp thấm giữ được độ cứng cao đến 5000C + Thép chuyên dùng thấm N (Cr, Mo, Al) 49 50 51 08/03/2020 18 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim Hệ sắt Phi sắt Hợp kim Al Hợp kim Cu Nguyên chất Latông Brông Cu-Ni Be-Cu Cu-Ni-Ag Hợp kim Ti Hợp Mg Al Zn Mn V Hợp kim Ni Monel (Ni-Cu) Inconel (Ni-Cr) Hastealloy (Ni-Mo) Siêu hợp kim Kim loại chịu lửa Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt • Biến dạng • Tiết pha phân tán (Hóa già) • Hợp kim hóa: Cr, Mg, Si, Cu, Zn... • Pha thứ 2 phân tán (SiC, Al2O3...) Các phương pháp hóa bền Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Đồng và hợp kim đồng Cu nguyên chất Latông Hợp kim đồng Brông Cu-Ni Hợp kim biến dạng Hợp kim đúc 52 53 54 08/03/2020 19 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt • Đồng nguyên chất: - Dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, rất dẻo, dễ kéo sợi, tính hàn, chống ăn mòn - Khối lượng riêng lớn ( = 8,94g/cm3) , tính gia công cắt và tính đúc kém - Đồng điện phân ETP (Electrolytic Tough Pitch) có chứa khoảng 0,04%O2.Ox y hầu như không hòa tan, chỉ tạo ra Cu2O nên nhạy cảm với hyđrô ở nhiệt độ > 400oC. - Đồng sạch ôxy OFHC (Oxygen Free High Conductivity)  99,95%Cu, hàm lư ợng ôxy < 0,003% nên không nhạy cảm với hyđrô. Đồng và hợp kim đồng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Latông đơn giản - Thường dùng < 45%Zn, tổ chức một pha  (< 35%Zn) hoặc h ai pha  + - Tăng Zn, độ dẻo tăng, max với 30%Zn Latông một pha (: kiểu mạng FCC) - < 35%Zn, kiểu mạng FCC dẻo cao - Latông - 20%Zn (LCuZn20, CDA 240): màu như Au - Latông - 30%Zn (LCuZn30, CDA 260): dẻo và độ bền lớn nhấ t, làm vỏ đạn Latông hai pha (-FCC + -BCC) - Với 40%Zn (LCuZn40, CDA 280) dễ căt, bền và cứng hơn, có thể biến dạng nóng Latông phức tạp - Có thêm Pb (< 4%) dễ đúc, cắt gọt, Sn (1%), Al (2-3%) chống ăn mòn trong nước biển; Si – tăng bền, cải thiện tính hàn và đ úc, Ni (10-20%) – tăng bền, tạo tính không gỉ - LCuZn40Pb: dễ cắt, LCuZn29Sn: đồng thau Hải quân Đồng và hợp kim đồng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim đồng – Brông - Là HK của Cu với các nguyên tố khác Zn: Sn, Al, B e(brông thiếc, brông Al, brông berili(riêng Cu- Ni gọi là cuni) Brông thiếc Cu-Sn - Loại biến dạng: < (8-10)%Sn, cơ tính cao, chống ăn mòn trong nước biển tốt hơn latông, thêm Pb để cải thiện tính gia công cắt gọt, dùng Zn thay cho thiếc: BCuSn4Zn4Pb4 - Loại đúc: > 10%Sn tổng lượng HK > 12%, BCuSn5 Zn5Pb5, BCuSn10Sn2, chống ăn mòn tốt, tính đúc c ao: đúc tác phẩm nghệ thuật, trang trí, chuông, phu điêu Đồng và hợp kim đồng 55 56 57 08/03/2020 20 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim đồng – Brông Brông Al: Cu-Al, thêm Ni (5%), Fe (4%): tăng bền, chịu ăn mòn và mài mòn; Si (2%): tăng độ bền và khả năng biến dạng nóng - Brông Al một pha: (5-9)%Al, chịu ăn mòn tốt trong môi trường khí công nghiệp và nước biển: chế tạo bộ ngưng tụ hơi, chi tiết bơm: CDA 614 (đồ dùng lính thủy), C DA 608 (đúc tiền xu) - Brông Al hai pha: > 9,4%Al, tổ chức gồm  +  (Cu3Al mạng A2), sau tôi và ram cao (5000C) có cơ tính cao - Brông đúc: > 10%, thành phần có thể giống loại 2pha Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim đồng – Brông Brông berili - (0,25-2%)Be, sau tôi (750-790)0C tron g nước, hóa già ở 3200C, có tính đàn h ồi cao, không phát ra tia lửa điện, chịu ăn mòn ở nhiệt độ cao: chế tạo chi tiết đàn hồi và thiết bị Hợp kim Cu-Ni và Cu-Zn-Ni - Cu và Ni hòa tan vô hạn, tăng mạnh đ ộ bền, độ cứng, tính chống ăn mòn tro ng nước biển - (10-30)%Ni dùng làm bộ ngưng tụ củ a tàu biển, ống dẫn nước biển, trong c ông nghiệp hóa học - (17-27)%Zn và (8-18)%Ni được dùng làm dây biến trở, có điện trở rất cao Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Al-Mg-Si Al Zn Mg Cu Mn Si Al-Cu-Mg Al-Cu Al-Zn-Mg-Cu Al-Zn-Mg Al-Mg Al-Mn Al-Si Al-Si-Cu Hóa bền tiết pha (Hóa già) Hợp kim đúc Hòa bền biến dạng 58 59 60 08/03/2020 21 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim nhôm - Nhôm nguyên chất & phân loại Đặc điểm - Nhẹ, bền ăn mòn khí quyển, tính dẻo cao (A1), dẫn điện và nhiệt tốt - Chịu nhiệt kém (6600C), độ bền và độ cứng thấ p (b = 60MPa, HB = 25) Hợp kim nhôm và phân loại - Nguyên tố HK: Cu,Zn, Mg, Si, Mn, Ti, Fe - Phân loại dựa vào giới hạn hòa tan CF Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Nhôm sạch - Al thương phẩm  99,0%Al, có tính chống ăn m òn, độ bền thấp, mềm, dẻo, dễ biến dạng nguội: t ăng độ bền, độ cứng - VN: A0, A5, A6; A85, A95, A995 - Hoa kỳ: AA1060 (làm thùng chứa) và AA1350 ( cáp điện) Hợp kim Al-Mn - Giới hạn hòa tan Mn (1,8% ở 6590C), tạp chất F e, Si làm giảm mạnh giới hạn hòa tan Mn: chỉ hó a bền bằng biến dạng - Chống ăn mòn tốt, dễ hàn: thay cho Al sạch khi cần cơ tính cao hơn Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim nhôm Hợp kim Al-Mg - Thường dùng < 4% Mg (giới hạn hòa tan 15% ở 4500C) - Nhẹ nhất, độ bền khá, hóa bền biến dạng t ốt, biến dạng nóng, biến dạng nguội và hà n tốt, bền ăn mòn tốt nhất sau anod hóa - AA5050, AA5052, AA5454 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện 61 62 63 08/03/2020 22 Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim nhôm Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện - HK Al quan trọng nhất, cơ tính cao nhất, không thua kém thép C Hợp kim Al-Cu và Al-Cu-Mg - Hòa tan cực đại (5,65% ở 5480C) - Hòa tan cực tiểu (0,5% ở nhiệt độ phòng) - Đặc điểm tổ chức tế vi: + Sau ủ: 0,5% +(CuAl2) - b = 200MPa + Sau tôi:  (quá bão hòa 4%Cu) - b = 250- 300MPa - Cơ chế hóa bền tôi + hóa già: + (Al(Cu)4%)  GP  ’’  ’   (CuAl2) + Hóa già tự nhiên: 5-7 ngày + Hóa già nhân tạo: 100-2000C - Họ AA 2xxx (đura): 4%Cu, 0,5-1,5%Mg, pha hóa bền CuAl2, CuMg5Al5, CuMgAl2: AA 2014 và AA 2024: kết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim nhôm Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện Hợp kim Al-Mg-Si và Al-Zn-Mg - Al-Mg-Si: họ AAx6xxx, AA 6061 và AA 6070: độ bền kém đura, dẻo và tính hàn tốt, sau ép chảy, anod hóa; pha hóa bền Mg2Si - Al-Zn-Mg: họ AA 7xxx: Zn = 4-8%, Mg = 1 – 3%, Cu = 2%có độ bền cao nhất (b > 550MPa); nhiệt độ tôi 350-5000C, pha hóa bền MgZn2 và Al2Mg3Zn3, nguội trong KK hoặc nước nóng Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn HUST –MSE 4.2. Hóa bền hợp kim phi sắt Hợp kim nhôm Hợp kim nhôm đúc - Thành phần gần tổ chức cùng tinh - Dễ chảy, dễ đúc có thể biến tính, nguội nhanh để tăng cơ tính - Hợp kim chủ yếu Si (Mg, Cu) Hợp kim Al-Si (silumin đơn giản) - Si = 10-13% - Biến tính: 0,05-0,08% (2/3NaF+1/3NaCl): tăng cơ tính (từ b = 130MPa,  = 3% lên b = 180MPa,  = 8%) Hợp kim Al-Si-Mg, Al-Si-Cu (silumin phức tạp) - Ngoài Al, Si còn có < 1%Mg, 3-5%Cu cải thiện tính đúc và cơ tính; phải qua nhiệt luyện hóa bền, pha hóa bền Mg2Si có tính đúc tốt: đúc piston (AA 390.0) 64 65 66