Giáo trình Vật liệu học

ật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ. Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơ bản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đường thực nghiệm. Việc đưa ra những phương pháp thực nghiệm mới để nghiên cứu cấu tạo (cấu trúc) và các tính chất cơ, lý của vật liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển. Nghiên cứu các tính chất vật lý như mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v hay cơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đàn hồi, ... hoặc tính công nghệ như độ chảy loãng, khả năng gia công cắt gọt, ... và các tính năng làm việc như tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, ... của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế. Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển và sử dụng vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn. Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và sử dụng vật liệu. Phân loại vật liệu Dựa theo các tính chất đặc trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên những năm gần đây đã xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ tư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít. Vật liệu kim loại. Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép) Có độ bền cơ học, nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, ... đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao và liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do. Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định hình. Vật liệu kim loại được chia làm hai nhóm lớn: Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tố sắt. Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang. Kim loại và hợp kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt. Thí dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng. Nhóm này còn có tên gọi là kim loại và hợp kim màu. 1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc. Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô cơ - ceramíc chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, ... và các phi kim dưới dạng các ôxýt, cácbít, hay nitrít, ... với liên kết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự như trạng thái thủy tinh hay vô định hình. Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa là "vật nung" nên khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thiêu kết. Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông. Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí như nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử và hàng không vũ trụ. 1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme. Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn. - Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém. - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp. - Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển. Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có thể chứa thêm ôxy, clo, nitơ, ... liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích thước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình. Tuy nhiên chúng có thể có cấu trúc hỗn hợp vừa tinh thể vừa vô định hình. Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra phần lớn vật liệu hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp, chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đơn (monome) và do đó tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v. 1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit. Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ: bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng. 1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện. Kim loại Compozít Hữu cơ - polyme Vô cơ - ceramíc 3 3 4 3 3 1 2 Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại, v.v là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp-compozít với những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung. Một số vật liệu kết hợp - compozít được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền cao và sợi các bon. Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa được nêu trên còn có các nhóm vật liệu khác có tính năng và thành phần rất riêng biệt như: - Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn). - Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU. Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của loài người, có thể chia ra làm 3 giai đoạn lớn sau: Giai đoạn tiền sử của loài người. Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng công cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như : Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v. Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v. Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v. Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguyên thủy, không qua chế biến. Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng các cắt, mài, đập hay nghiền v.v. Tại thời kỳ này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách phơi khô đất sét ngoài nắng. Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm. Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa là sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc và mò mẫm, con người thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu. Có thể kể ra đây vài ví dụ: Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra những công cụ lao động và vũ khí. Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, mà người ta phát hiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta. Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm. Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép và sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép. Kỹ thuật này đạt được đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syrie) cho đến ngày nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ. Các nhà khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII trước Công nguyên đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như mũ sắt, lưỡi cưa và các công cụ rèn v.v. Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần như nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị. Những lò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3.000 năm trước Công nguyên. Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy hơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa và đường sắt v.v. Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp. Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những là niềm tự hào và là biều tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới. Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV trước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa v.v. Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học. Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành các tính chất khác nhau của chúng. Chính nhờ những kiến thức khoa học đó mà con người đã đánh giá được định tính chiều hướng phát triển của vật liệu và định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn. Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu: Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có tên Ðuara (duaralumin) xuất hiện nhờ quá trình hóa già biến cứng. Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp. Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện và tạo lớp chuyển tiếp. Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời như thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít. Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình. Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu Các sự kiện nổi bật: Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ? Luyện thép ở quy mô CN TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời Sử dụng vi tính máy tính công nghệ cao với nền kinh tế tri thức ? Cơ khí (vật liệu kim loại) máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút) Đèn điện tử máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút) Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz 200MHz (P) (330 - 400)MHz (PII) (400 -700)MHz (PIII), PIV 1GHz,.. ? Máy hút bụi: gỗ (hộp) kim loại (trụ) polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3. Xu hướng phát triển của vật liệu : Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại 1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại. Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại giảm nhưng vẫn quan trọng nhất. Hình 1.1. Phân bố vật liệu Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế trong tương lai. NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU. Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu Vật liệu nói chung và vật liệu dùng trong cơ khí nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các kết cấu công trình và tạo nên các sản phẩm cho cuộc sống v.v. Tuy nhiên khi chế tạo và sử dụng, chúng ta cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn vật liệu thích hợp, bảo đảm chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm. Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu như sau: Thứ nhất là yêu cầu về tính sử dụng. Ðể bảo đảm một sản phẩm cơ khí có thể sử dụng được (tức làm việc được trong thực tế) thì vật liệu chế tạo ra nó phải có cơ tính, lý tính, hóa tính v.v sao cho sản phẩm sử dụng được bền lâu với độ tin cậy trong thời gian dự kiến. Thứ hai là tính công nghệ của vật liệu. Tính công nghệ của vật liệu được hiểu là khả năng có thể gia công vật liệu bằng các phương pháp khác nhau như đúc, hàn, rèn, nhiệt luyện v.v để tạo ra sản phẩm có chất lượng phù hợp với yêu cầu sử dụng. Thứ ba là tính kinh tế. Tính kinh tế là yêu cầu tất yếu của sản phẩm, nó đòi hỏi vật liệu chế tạo ra nó phải cho giá thành thấp nhất trong khi các yêu cầu về công nghệ và sử dụng được thỏa mãn. Những tính chất cơ bản của vật liệu Trong khuôn khổ của môn học, cuốn sách này chỉ đề cập đến hai yêu cầu cơ bản ban đầu với những tính chất cơ học, tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính công nghệ đồng thời sơ lược về độ tin cậy và tuổi thọ của vật liệu. Tính chất cơ học. Tính chất cơ học (hay còn được gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng. Các đặc trưng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập, độ bền mỏi và tính chống mài mòn. Ðộ bền. Ðộ bền là khả năng cơ học của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy và được ký hiệu bằng s (xích ma). Ðơn vị đo độ bền được tính bằng N/mm2, kN/m2, hay MPa. Nhóm các đặc trưng cho độ bền bao gồm: Giới hạn đàn hồi sdh (còn được ký hiệu là Re). Giới hạn đàn hồi là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu đo mà sau khi bỏ nó đi mẫu không bị biến dạng dẻo hoặc chỉ bị biến dạng dẻo rất nhỏù (độ biến dạng dư vào khoảng 0,001 – 0,005% so với chiều dài ban đầu của mẫu). Giới hạn đàn hồi được tính theo công thức: , (N/mm2 hay MPa). Trong đó: F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu. Pp (N) là lực tác dụng. Trong giai đoạn đàn hồi, nếu là đàn hồi tuyến tính, quan hệ giữa ứng suất s và biến dạng e tuân theo định luật Hook, và nó có thể biểu diễn dưới dạng công thức đơn giản. s = E. e, (MPa). Với E (N/m2) là mô đun đàn hồi khi kéo, nén. Người ta qui định gọi s0,002 là giới hạn đàn hồi qui ước. Giới hạn chảy sc (còn được ký hiệu là R0,2). Giới hạn chảy là ứng suất tại đó vật liệu bị "chảy", tức tiếp tục bị biến dạng với ứng suất không đổi . , (N/mm2 hay MPa). Với Pc (N) là lực tác dụng bắt đầu biến dạng dẻo. F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu. Thực tế rất khó xác định giá trị Pc ứng với lúc vật liệu bắt đầu chảy, cho nên khi vật liệu có tính dẻo kém, không có thềm chảy rõ, người ta thường qui ước tải trọng ứng với khi mẫu bị biến dạng 0,2% là tải trọng chảy, vì thế giá trị được gọi là giới hạn chảy qui ước. Giới hạn bền sb (còn được ký hiệu là Rm). Giới hạn bền là ứng suất ứng với tải trọng tác dụng lớn nhất Pb hay Pmax làm cho thanh vật liệu bị đứt. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 197-85 giới hạn bền còn được gọi là giá trị độ bền tức thời. Giới hạn bền được tính theo công thức: , (N/mm2 hay MPa). Với F0 (mm2) là tiết diện ban đầu của mẫu. Pb (N) là lực tác dụng lớn nhất. Trong hệ SI giới hạn bền được đo bằng N/mm2. Giới hạn bền càng lớn, khả năng chịu tải mà không gây phá hủy của kết cấu càng lớn. Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các độ bền như độ bền kéo sk, độ bền uốn su và độ bền nén sn v.v. Ðộ dẻo: Ðộ dẻo là khả năng biến dạng của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Ðộ dẻo được xác định bằng độ giãn dài tương đối d (%) và độ thắt tỉ đối y (%). Ðộ giãn dài tương đối d (%) Ðộ giãn dài tương đối là tỉ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài tuyệt đối của mẫu sau khi đứt với chiều dài ban đầu. Ðộ giãn dài tương đối được tính theo công thức: , (%). Với: l0 (mm) và l1 (mm) là độ dài của mẫu trước và sau khi kéo. Ðộ thắt tương đối hay độ thắt tỉ đối y (%). Ðộ thắt tỉ đối cũng là tỉ số tính theo phần trăm giữa độ thắt tuyệt đối của mẫu sau khi đứt với diện tích mặt cắt ngang ban đầu. Ðộ thắt tỉ đối được tính theo công thức: , (%). Trong đó DF = F0 – F1 với F0 và F1 là tiết điện của mẫu trước và sau khi kéo tính cùng đơn vị đo (mm2). Vật liệu có độ giãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối càng lớn thì càng dẻo và ngược lại. Hình 1.2 Máy thử kéo nén vạn năng. Có nhiều phương pháp thử để xác định độ bền và độ dẻo của vật liệu nhưng thông dụng nhất là thử kéo. Thử kéo Nội dung của phương pháp này là dùng máy kéo nén vạn năng (hình 1.2) để kéo mẫu thử được làm theo tiêu chuẩn đến khi mẫu bị đứt. Quá trình tăng tải sẽ gây ra biến dạng mẫu một lượng Dl. Mối quan hệ giữa lực P và lượng biến dạng tuyệt đối Dl hoặc ứng suất s và biến dạng tương đối e được ghi lại trên giản đồ kéo. Mẫu thử kéo được chọn theo những qui định riêng và có hình dạng, kích thước theo tiêu chuẩn. Thử kéo là phương pháp tác động từ từ lên mẫu một tải trọng kéo cho đến khi mẫu đứt rời. Hình 1.2 giới thiệu một loại máy thử kéo, nén vạn năng. Ðộ cứng Ðộ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đo càng kém. Ðo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết. Ðộ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng đều dùng tải trọng ấn viên bi bằng thép nhiệt luyện cứng hoặc mũi côn kim cương hoặc mũi chóp kim cương lên bề mặt của vật liệu cần thử, rồi xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đo. Thường dùng các loại độ cứng Brinen (HB), độ cứng Rockwell (HRC, HRB và HRA), và độ cứng Vícke (HV). Ðộ cứng Brinen Ðộ cứng Brinen được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.3). Ðơn vị đo độ cứng Brinen HB là kG/mm2 hoặc đổi ra MPa. Tùy theo chiều dày của mẫu thử chúng ta chọn đường kính của viên bi là D = 10 mm, D = 5 mm hoặc D = 0,25 mm, đồng thời tùy thuộc vào tính chất của vật liệu chúng ta chọn tải trọng P cho thích hợp. Ðối với thép và gang thì P = 30D2. Ðối với đồng và hợp kim đồng P = 10D2. Ðối với nhôm, babít và hợp kim mềm khác P = 2,5D2. 0 1 2 3 4 5 6 7 P D d a. b. Hình 1.3 Sơ đồ đo độ cứng Brinen (a) và sơ đồ đo đường kính vết lõm bằng kính lúp có thước mẫu (b). Thí dụ: Khi thử thép dùng bi có đường kính D = 10 mm ta chọn tải trọng P = 30D2 = 300 kG. Ðộ cứng Brinen được tính theo công thức: . Trong đó F là diện tích mặt cầu của vết lõm và được tính: , (mm2). Và do đó Với D (mm) là đường kính viên bi và d (mm) là đường kính vết lõm. Ðộ cứng HB của vật liệu được kiểm tra không lớn hơn 450 (kG/mm2). Ðộ cứng Rockwell. Ðộ cứng Rockwell được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính 1,587mm tương đương 1/16" (thang B) hoặc mũi côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang A hoặc C) lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.4). Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng, còn mũi côn kim cương dùng để thử các vật liệu có độ cứng cao như thép đã nhiệt luyện. Khi đo độ cứng Rockwell bao giờ tải trọng P cũng tác động hai lần: Lần đầu là tải trọng sơ bộ với P0 = 10 kG, chiều sâu vết lõm tính từ đây. Sau đến tải trọng chính P (tải trọng chính P phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu theo bảng). Hình 1.4 Vị trí tương đối giữa mũi đâm và mẫu đo ở các thời điểm đo: 00: lúc chưa đo; 11: tải trọng sơ bộ P0 22: thêm tải trọng chính P1; 33: P1. Trong khi thử, số đo độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Số đo độ cứng Rockwell được biểu thị bằng đơn vị qui ước (không có thứ nguyên). Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, nhưng trong thực tế dùng nhiều nhất là thang B (HRB), thang A (HRA) và thang C (HRC). Thang HRB dùng bi thép với P = 100 kG áp dụng cho các vật liệu mềm và cứng vừa như gang, thép sau khi ủ, hợp kim đồng nhôm. Thang HRC dùng mũi kim cương với P = 150 kG áp dụng cho các vật liệu có độ cứng trung bình và cao như gang, thép sau khi tôi và ram. Thang HRA dùng mũi kim cương với P = 60 kG áp dụng cho các vật liệu rất cứng như hợp kim cứng, lớp thấm xuyanua. Ðộ cứng Vicke. Ðộ cứng Vicke là loại độ cứng có phương pháp đo tương tự như Brinen, nhưng có những điểm khác như: Mũi đâm làm bằng kim cương với hình tháp bốn mặt đều có góc ở đỉnh giữa hai mặt đối diện là 1360 (hình 1.5). Tải trọng tác dụng nhỏ từ 1 đến 100 kG, trong đó mức 30 kG với thời gian giữ tải trọng 10 đến 15 giây được coi là điều kiện tiêu chuẩn. Khi ấn mũi hình tháp, tỉ lệ giữa các đường chéo vết lõm nhận được khi thay đồi tải trọng luôn luôn không đổi nên cho phép tăng hay giảm tải trọng tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Hình 1.5 Mũi đâm hình tháp (a) và vết lõm (b) khi đo độ cứng bằng phương pháp Vicke Ðộ cứng Vicke được dùng để đo độ cứng của các vật liệu từ rất mềm đến rất cứng với lớp cần đo rất mỏng có thể tới 0,04 đến 0,06mm của bề mặt sau khi thấm than, thấm nitơ và nhiệt luyện. Ðộ cứng Vicke được ký hiệu là HV đơn vị kG/mm2 và được xác định theo công thức: Trong đó: P (kG) là tải trọng. d (mm) là đường chéo của vết lõm. Lưu ý: Ðộ cứng ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết vắn tắt bằng HV và số đo mà không cần ghi thứ nguyên. Thí dụ: HV300. Ðộ cứng ở điều kiện phi tiêu chuẩn thì phải ghi thêm các điều kiện. HV10/ 30300 được hiểu là độ cứng HV được đo bằng tải trọng 10 kG với thời gian giữ tải trọng 30 giây là 300 kG/mm2. Ðộ cứng Vicke được dùng cả trong độ cứng tế vi. Ðộ dai va chạm. Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay tải trọng va đập). Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đột ngột hay va đập đó mà không bị phá hủy được gọi là độ dai va đập (hay độ dai va chạm). Muốn thử va đập cần phải có mẫu thử được lựa chọn theo những qui định riêng như ngang hay dọc thớ, vị trí nào trên sản phẩm và có hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn. Nhìn chung các nước đều qui định mẫu thử là thanh có tiết diện hình vuông 10 x 10 (mm) và có chiều dài 55 mm hoặc 75 mm. Chúng khác nhau chủ yếu ở hình dạng và kích thước của vết khía trên mẫu, nơi tập trung ứng suất để phá hủy dòn. Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến hai phương pháp thử va đập và kèm theo đó là hai dạng mẩu thử: Loại Charpy (có chiều dài 55 mm). Loại Izod (có chiều dài 75 mm). TCVN 312 - 69 qui định một mẫu chính và bốn mẫu phụ. Sơ đồ thử va đập được mô tả trên hình 1.6. Hình1.6. Sơ đồ thử va đập: a. Cách gá mẫu Izod; b. Cách gá mẫu Charpy; c. Sơ đồ thiết bị và quá trình thử. Búa với khối lượng P được thả rơi tự do từ độ cao h, đập vào mẫu rồi làm vỡ nó, vì thế chỉ trở về tới độ cao h' < h. Năng lượng va đập dùng để phá hủy mẫu được ký hiệu là AK và được xác định theo công thức: AK = P.h - P.h' = P.(h - h'). Năng lượng (phá hủy do) va đập AK được tính theo đơn vị công, trước đây theo kG.m, theo hệ quốc tế SI được đo bằng Jun (J) với 1J = 1N.m. Trong các qui định của TCVN và một số nước độ dai va đập được ký hiệu là ak. Nó là công cần thiết để phá hủy một đơn vị diện tích, mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh và được xác định theo công thức: với đơn vị đo là J/mm2 hay kJ/m2. Trong đó AK (J hay kJ) là năng lượng va đập. F (mm2) là diện tích mặt cắt ngang của mẫu ở chỗ có rãnh. Ðộ bền mỏi. Khi chi tiết máy làm việc trong điều kiện tải trọng biến đổi theo thời gian, có qui luật và được lặp đi lặp lại theo chu kỳ nhiều lần thường xảy ra phá hủy với ứng suất thấp hơn giới hạn bền kéo tĩnh. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng mỏi. Nguyên nhân của mỏi là do có sự tích lũy dần các khuyết tật mạng dẫn đến hình thành các vết nứt tế vi, rồi các vết nứt này phát triển tạo nên sự phá hủy. Khả năng chống lại hiện tượng mỏi của vật liệu được gọi là độ bền mỏi. Trong phá hủy mỏi người ta quan tâm đến hai chỉ tiêu quan trọng là độ bền mỏi và tuổi thọ chu kỳ. Ðộ bền mỏi là ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đựng được một số chu trình làm việc bất kỳ mà không bị phá hủy và nó được ký hiệu là s-1. Còn số chu kỳ tối thiểu mà vật liệu chịu đựng được trước khi xuất hiện vết nứt mỏi có kích thước đủ lớn dẫn đến phá hủy được gọi là tuổi thọ chu kỳ và được ký hiệu là NG. Tuổi thọ chu kỳ có thể là vô hạn khi sMax lớn hơn s-1. Ðối với thép NG = 106 ¸ 107 còn hợp kim nhôm thì NG = 106 (xem thêm chương 5 phần phá hủy mỏi). Tính chống mài mòn. Mài mòn là quá trình phá hủy dần lớp bề mặt chi tiết của vật liệu bằng cách tách các hạt khỏi bề mặt do tác dụng của ma sát. Người ta xác định sự mài mòn theo sự thay đổi kích thước hoặc khối lượng của vật liệu. Khả năng của vật liệu chống lại sự mài mòn trong những điều kiện ma sát nhất định của vật liệu được gọi là tính chống mài mòn của vật liệu. Ðể đánh giá mức độ mòn, người ta thường dùng: Tốc độ mài mòn Vh là tỉ số giữa lượng mài mòn và thời gian mài mòn. Cường độ mài mòn jh là nghịch đảo của tốc độ mòn. Giá trị vận tốc mài mòn càng nhỏ thì tuổi thọ làm việc của vật liệu càng cao. Tính chất vật lý. Tính chất vật lý hay còn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất của vật liệu thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của chúng không bị thay đổi. Lý tính cơ bản của vật liệu gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính chất nhiệt, tính chất điện và từ tính. Khối lượng riêng. Khối lượng riêng là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Nếu gọi P là khối lượng của vật chất (g), V là thể tích của vật chất (cm3) và g là khối lượng riêng của vật chất (hay vật liệu) ta có: (g/cm3) Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể giải quyết những vấn đề thực tế. Thí dụ, những vật lớn, thép hình khó cân được khối lượng, nhưng biết được khối lượng riêng của vật liệu và đo được kích thước của chúng, người ta có thể tính được thể tích nên có thể không cần cân cả vật mà ta vẫn tính được khối lượng của chúng. Nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu là nhiệt độ mà khi nung nóng đến đó thì vật liệu từ thể rắn chuyển thành thể lỏng. Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì tính chảy loãng của vật liệu ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của chúng quyết định. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu càng thấp thì tính chảy loãng của chúng càng tốt và càng dễ đúc. Tính chất nhiệt. Khi một vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó tăng lên và các kích thước của nó giãn nở ra. Nhiệt lượng của nó có thể được truyền từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng có nhiệt độ thấp hơn. Nhiệt dung, tính giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt là những tính chất nhiệt quan trọng của vật liệu rắn. a. Nhiệt dung: Nhiệt dung biểu thị năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị vật chất lên một độ. Nhiệt dung được xác định theo công thức: . Trong đó: dQ là năng lượng cần thiết để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT. Thông thường nhiệt dung có đơn vị đo là jun hoặc calo cho một mol vật liệu (J/mol hay cal/mol.K). Nhiệt dung của một đơn vị khối lượng được gọi là nhiệt dung riêng và có thứ nguyên là J/kG.K hay cal/g.K. b. Tính dãn nở nhiệt: Tính dãn nở nhiệt là khả năng dãn nở của vật liệu khi nung nóng. Ðộ dãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số dãn nở theo chiều dài. Ða số các vật liệu nở ra khi bị nung nóng nóng và co lại khi lạnh. Nguyên nhân của hiện tượng giãn nở nhiệt chính là sự tăng khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử khi tăng nhiệt độ. Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu của vật liệu rắn được xác định như sau: hay Trong đó: l0 (mm) và l1 (mm) là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi thay đổi nhiệt độ từ T0 đến T1. al là hệ số giãn nở vì nhiệt với thứ nguyên 0C-1. Các vật liệu polyme thường có hệ số giãn nở nhiệt al lớn (vào khoảng 50.10-3/0C đến 300.10-3/0C). Vật liệu vô cơ gốm, kim loại có al nhỏ hơn (vào khoảng 0,5.10-6/0C đến 25.10-6/0C). Giữa các đoạn đường ray nối nhau, người ta luôn để khe hở chính là để dự phòng sự thay đổi kích thước do dãn nở nhiệt. c. Tính dẫn nhiệt. Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp của vật liệu. Ðặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu là độ dẫn nhiệt l với thứ nguyên là W/m.K.. Trong vật rắn, nhiệt được truyền bởi sóng dao động mạng (phôtôn) và điện tử tự do. Các kim loại thường dẫn nhiệt tốt, ngược lại các vật liệu khác như gốm, vật liệu phi kim và polyme dẫn nhiệt kém, nên chúng thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt. Tính chất điện. Một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn điện của nó. Tính dẫn điện. Tính dẫn điện của vật liệu là khả năng truyền dòng điện của vật liệu. Ðặc trưng cho khả năng dẫn điện của kim loại là độ dẫn điện s với đơn vị đo (Wcm)-1. Các kim loại đều là vật dẫn điện tốt. Dẫn điện tốt nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhôm. Hợp kim nói chung và các vật liệu phi kim có tính dẫn điện kém hơn kim loại. Ðộ dẫn điện được biểu diễn bằng điện tích Q (Culông) đi qua một đơn vị diện tích S (cm2) trong một đơn vị thời gian t thường tính bằng giây của dây dẫn dài l (cm) có điện áp hai đầu dây là U (V). . Với r là điện trở suất của vật liệu mẫu (W.cm). Các vật liệu rắn có độ dẫn điện trải rộng trên 27 cỡ số. Căn cứ vào khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn được chia thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện. Các vật liệu dẫn điện có độ dẫn điện cỡ 107 (Wcm)-1, thường các kim loại là những vật liệu dẫn điện tốt. Các vật liệu cách điện còn được gọi là các điện môi có độ...yn trượt G là 2 đặc tính quan trọng của biến dạng đàn hồi. Giữa chúng có quan hệ sau: E = 2G(1 + n) n: là hệ số poisson tùy thuộc vào từng loại kim loại thông thường n » 1/3 Từ các biểu thức trên, ta thấy định luật Hooke chỉ đúng trong giai đoạn biến dạng đàn hồi. + Các yếu tố ảnh hưởng đến môđuyn đàn hồi, nhiệt độ, nguyên tố hợp kim và tổ chức của vật liệu. 4.1.1.3. Biến dạng dẻo Đặc trưng của biến dạng dẻo là biến dạng sau khi bỏ tải trọng mà vẫn tồn tại một lượng biến dạng dư làm mẫu bị thay đổi về hình dạng và kích thước. ý nghĩa: Làm thay đổi hình dạng, kích thước mà kim loại không bị phá hủy cho phép gia công các sản phẩm có hình dạng xác định, làm cơ sở lý thuyết gia công kim loại bằng áp lực. 4.1.2. Biến dạng dẻo đơn tinh thể 4.1.2.1. Dạng ứng suất gây biến dạng dẻo Xét ứng suất trên mặt tinh thể: * Khi ứng suất là ứng suất pháp (s) Nếu tác dụng lên tinh thể ứng suất pháp thuần túy (kéo theo nén) thì khoảng cách nguyên tử theo chiều trực giao với mặt tinh thể sẽ tăng hoặc giảm. Nếu ứng suất bé thì sự thay đổi khoảng cách nguyên tử cũng bé và khi khử ứng suất, lực hút hoặc đẩy sẽ đưa nguyên tử về vị trí cũ, tức là độ biến dạng sẽ mất đi. Nếu ứng suất pháp lớn làm cho sự thay đổi khoảng cách nguyên tử vượt quá giá trị cho phép thì sẽ xảy ra quá trình phá hủy. Như vậy, ứng suất pháp không làm cho tinh thể biến dạng dẻo mà chỉ có biến dạng đàn hồi và sau đó phá hủy dòn, tức phá hủy không kèm theo biến dạng dẻo. * Khi ứng suất là ứng suất tiếp (t) Khi ứng suất tiếp có trị số nhỏ, các lớp nguyên tử bị xê dịch đàn hồi một góc g (hình b) và khi khử ứng suất, các nguyên tử trở lại vị trí cũ, do đó tinh thể trở lại với kích thước và hình dáng ban đầu. Khi ứng suất đủ lớn, ngoài sự xê dịch đàn hồi có thể xảy ra hiện tượng trượt (hình c) phần trên của tinh thể trượt khỏi phần dưới một đoạn bằng một khoảng cách nguyên tử. Mặt phẳng nơi xảy ra trượt gọi là mặt trượt. Khi trượt, nguyên tử phá vỡ mối liên kết với nguyên tử cũ xong lại tại mối liên kết mới với nguyên tử mới nên mối liên kết giữa các nguyên tử không bị phá hủy. Kích thước và hình dáng của tinh thể thay đổi mà không bị phá hủy và như vậy đã xảy ra biến dạng dẻo. Vậy, chỉ có ứng suất tiếp mới gây ra biến dạng dẻo. 4.1.2.2. Độ bền lý thuyết và thực tế của kim loại * Độ bền lý thuyết Để xác định độ bền của kim loại cần nghiên cứu và tính toán thông qua cơ chế trượt. Để tạo ra sự xê dịch dư thì lớp nguyên tử trên phải trượt tương ứng với lớp nguyên tử dưới một đoạn ít nhất là bằng 1 thông số mạng. Vì lúc đó các nguyên tử chiếm các vị trí cân bằng mới, trùng với các nút mạng của tinh thể. Gọi x là độ xê dịch của mỗi nguyên tử và cũng là độ xê dịch chung của toàn lớp nguyên tử. Tại vị trí trung gian x=b/2, thì lực tác dụng lên nguyên tử A bằng 0 vì lực hút được cân bằng từ 2 phía. Khi độ xê dịch x > b/2 thì nó chịu tác dụng lực hút từ nguyên tử C nên lực tác dụng lên nguyên tử khi trượt được tính là: F: là lực trượt cần thiết mà mỗi nguyên tử phải thắng để dịch chuyển với độ xô dịch x. Mặt khác, theo định luật Hooke ta có: k: gọi là biên độ của lực, nó là lực lớn nhất cần tác dụng lên mặt trượt để tạo ra sự trượt. Do đó, độ bền lý thuyết của tinh thể kim loại là * Độ bền thực tế Độ bền thực tế nhỏ hơn giá trị độ bền lý thuyết từ (103 ¸ 104) lần. Sự khác nhau này chỉ có thể giải thích được khi xuất hiện lý thuyết lệch theo đó, cấu trúc mạng tinh thể thực tế là không hoàn chỉnh và có chứa nhiều lệnh. Tại trung tâm lệch độ ổn định kém do tăng năng lượng tự do chính vì vậy, chỉ cần tác động nhỏ thì nó làm thay đổi trạng thái và vị trí. Khi đó, giá trị ứng suất gây ra chuyển động của lệch gần bằng với ứng suất thực tế và được tính theo công thức Peiers- Nabbaro a: khoảng cách giữa các mặt nguyên tử song song với mặt trượt b: khoảng cách giữa các nguyên tử theo hướng trượt Tóm lại, trong tinh thể có cấu tạo hoàn chỉnh lý tưởng, trượt xảy ra bằng cách các nguyên tử trên mặt trượt xê dịch cùng một lúc trên một khoảng cách nguyên tử do đó cần phải có lực tác dụng rất lớn. Trong tinh thể thực tế, trượt xảy ra bằng chuyển động của lệch, các nguyên tử trên mặt trượt xê dịch không cùng lúc nên chỉ cần lực tác dụng tương đối nhỏ. * Nguồn tạo lệch Frank - Read Theo mô hình, biến dạng một lệch tạo ra một bậc có trị số là một thông số mạng b . Trong tinh thể nếu có n lệch sẽ tạo ra một bậc có trị số là n. . Thực tế, mức độ biến dạng tạo ra có trị số lớn hơn n. rất nhiều. Giả thuyết trong quá trình biến dạng dẻo các lệch mới sinh ra. Nguồn phát sinh lệch trong khi biến dạng được gọi là nguồn Frank - Read với nguyên lý hoạt động như sau: Giả sử có một đoạn đường lệch AB bị kẹp chặt. Đó là những nút gặp nhau của các đường lệch trên những mặt trượt khác nhau, những nguyên tử tạp chất hay các nguyên nhân khác. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp t, đường lệch phải chuyển động trên mặt trượt nhưng do A, B bị kẹp chặt nên đường lệch AB bị cong dần. ứng suất cần thiết để đường lệch có bán kính cong cực tiểu gọi là ứng suất tới hạn. b: độ lớn véctơ bragg l: là khoảng cách giữa hai điểm AB 4.1.3. Các cơ chế biến dạng dẻo 4.1.3.1. Trượt Là cơ chế biến dạng dẻo mà trong quá trình biến dạng một phần tinh thể trượt tương đối so với một mặt cố định gọi là mặt trượt. Trong mặt trượt theo các phương xác định gọi là phương trượt. + Mặt trượt là mặt có mật độ mặt sít chặt Ms lớn nhất. + Phương trượt là phương có số nguyên tử lớn nhất + Hệ trượt là tích số giữa mặt trượt và phương trượt. Kiểu mạng nào có hệ trượt lớn thì khả năng biến dạng càng cao. Ví dụ: Với mạng A1K12 Mặt trượt (111) có 6 mặt Phương trượt (110) có 2 phương nên có 12 hệ trượt Với mạng A2K8: Mặt trượt (111) có 4 mặt Phương trượt (111) có 3 phương nên có 12 hệ trượt Cả 2 mạng A1K12 và A2K8 cùng có 12 hệ trượt xong mạng A1K12 dễ biến dạng dẻo hơn do có số mặt trượt lớn hơn Với mạng A3L12: Mặt trượt (0001) có 1 mặt Phương trượt (2110) có 3 phương nên có 3 hệ trượt vì vậy mạng A3L12 rất khó biến dạng dẻo 4.1.3.2. Đối tinh Đối tinh là quá trình biến dạng dẻo mà các phần tinh thể dịch chuyển đối xứng nhau qua một mặt phẳng cố định gọi là mặt đối tinh (song tinh) Đặc điểm của đối tinh + Giống như trượt, đối tinh cũng xảy ra theo nhưng mặt và phương xác định. + Khi biến dạng, quá trình đối tinh bắt đầu khi ứng suất vượt quá trị số nhất + Đối tinh xảy ra đột ngột trứ không phải từ từ với tốc độ xác định như quá trình trượt. Vì vậy, nó có khả năng tiến hành để dễ dàng trong điều kiện tải trọng nhanh. + Vì sự chuyển dịch của nguyên tử trên mỗi mặt phẳng xảy ra chỉ một lần trên khoảng cách ngắn nên độ biến dạng dư tạo ra khi đối tinh có trị số rất, bé nên những tinh thể khi biến dạng dẻo bằng đối tinh thì quá trình phá hủy là phá hủy dòn. + Đối tinh xảy ra thì có tác dụng làm cho quá trình trượt cũng xảy ra dễ dàng hơn. 4.1.3.3. Vai trò của mặt trượt và phương trượt trong biến dạng dẻo Coi y = 0 ta thấy nếu j = 0 và j = 900 thì cho dù lực P có lớn đến đâu cũng không xảy ra trượt vị trí thuận lợi nhất của mặt trượt để (ty)max là j = 450 Khi đó: tmax =(1/2) s0 4.1.4. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc tinh thể sau biến dạng dẻo, các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu 4.1.4.1. Sự thay đổi tổ chức và cấu trúc của tinh thể + Xuất hiện các đường trượt, dải trượt hoặc đường đối tinh, dải song tinh. Ta biết rằng, một lệch đi ra mặt ngoài tạo ra một bậc có độ lớn . Tập hợp các điểm đi ra mặt ngoài của lệch tạo thành đường trượt. Tập hợp các đường trượt gọi là dải trượt. + Tạo thành các tổ chức hạt nhỏ và có tính định hướng + Tạo thành thớ làm tăng tính dị hướng của vật liệu + Nâng cao mật độ lệch và khuyết tật trong tinh thể + Sự tạo thành Textua biến dạng đó là tổ chức sau biến dạng không đúng với góc của mặt trượt do bị hạn chế phương trượt hay còn gọi là hiện tượng quay mặt trượt. + Tạo thành ứng suất dư sau biến dạng dẻo nên tạo ra các trung tâm ứng suất dư do tăng mật độ khuếch tán. + Tạo ra ứng suất dư thô đại tồn tại trong toàn bộ thể tích sau khi biến dạng + Tạo ra ứng suất dư tế vi tồn tại trong nội bộ một hạt tinh thể do đó tạo nên trung tâm gây ra các vết nứt đầu tiên làm phá hủy kim loại vì vậy sau biến dạng dẻo phải khử ứng suất dư. + Làm thay đổi cơ tính của kim loại mà điển hình làm tăng độ cứng, giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn bền. Làm giảm độ dẻo, độ dai, va đập + Biến dạng dẻo làm tăng mức độ sai lệch mạng làm tăng ứng suất dư và độ hạt nhỏ vì vậy làm giảm tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt. 4.1.4.2. Các phương pháp nâng cao độ bền vật liệu * Nếu kim loại có cấu tạo mạng hoàn toàn lý tưởng: Trong kim loại mà cấu tạo mạng là lý tưởng tức là không chứa lệch thì nó có độ bền rất cao tương ứng với độ bền lý thuyết. Đó là do trong các sợi đơn tinh thể với kích thước nhỏ, số lượng sai lệch mạng là vô cùng nhỏ bé, do đó cơ chế biến dạng gần giống với cơ chế đối với tinh thể hoàn chỉnh. Tinh thể sợi có đường kính càng nhỏ thì số lượng sai lệch mạng càng ít và độ bền càng cao. Như vậy, việc chế tạo các tinh thể kim loại sợi là một phương hướng nâng cao độ bền của vật liệu. * Nếu kim loại có cấu tạo mạng thực tế: Do sự có mặt của sai lệch mạng nên chúng có độ bền thấp vì biến dạng dẻo gây ra chủ yếu là do chuyển động của lệch. Muốn có độ bền cao thì cần có biện pháp cản trở chuyển động của lệch tức là tạo ra các yếu tố hãm lệch. + Tăng mật độ lệch và phân bố đều trong thể tích. Mật độ lệch càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng nhỏ, tương tác giữa chúng càng mạnh. + Tăng cường tác dụng hãm lệch của biên giới hạt và biên giới siêu hạt bằng cách tạo ra kim loại có hạt nhỏ về kích thước hạt siêu bé. + Tạo ra pha thứ 2 có độ bền cao hơn dưới dạng những hạt nhỏ phân tán. + Tạo ra sai lệch mạng bằng cách chuyển biến pha 4.1.5. Các yếu tố hãm lệch trong tinh thể Khi lệch chuyển động trên mặt trượt, chúng có thể gặp những chướng ngại khác nhau làm cho tốc độ chậm lại hoặc đứng hẳn lại, không chuyển động được nữa. Nghiên cứu các yếu tố cản trở chuyển động của lệch là vấn đề rất cần thiết vì rằng sự hãm lệch có liên quan trực tiếp đến cơ tính của kim loại, mà trước hết là độ bền. Lệch có thể bị hãm do những lệch khác do những dạng khuyết tật khác nhau trong tinh thể, các nguyên tử tạp chất và nguyên tố hợp kim vv... chúng ta sẽ khảo sát nội dung chủ yếu của quá trình hãm lệch do các yếu tố kể trên.Khái niệm: Khi khả năng linh động của lệch giảm dần đến khả năng biến dạng kém làm giới hạn chảy của vật liệu tăng. Để tăng độ bền của vật liệu ta cần tăng các yếu tố cản trở chuyển động của lệch. 4.1.5.1. Tương tác giữa các lệch Trong một thể tích vật liệu khi tồn tại nhiều lệch thì các trục lệch cắt nhau. Do hướng chuyển động của các lệch khác nhau nên chuyển động của một lệch phải kéo theo chuyển động của lệch khác có tương tác với nó nên làm giảm tính linh động của lệch (gọi là chướng ngại Lommer - Cottrell) Chướng ngại Lommer - Cottrell là chướng ngại chủ yếu và tác dụng rất mạnh. Đặc biệt là khi tạo thành rừng lệnh và lưới lệnh (đặc trưng bởi hệ số biến đổi điện trở theo nhiệt độ r) 4.1.5.2. Các nguyên tử tạp chất Trong bất kỳ tinh thể nào cũng luôn tồn tại các nguyên tử tạp chất. Các nguyên tử tạp chất có xu hướng tập trung về trung tâm lệch dọc theo trục lệch nên chúng tạo thành các chuỗi gần đường lệch được gọi là khí quyển Cottrell. Sự có mặt của khí quyển Cottrell có tác dụng hãm lệch vì rằng lệch muốn chuyển động thì phải kéo theo khí quyển đó mà tốc độ chuyển động của lệch lớn còn nguyên tử tạp chất chuyển động với tốc độ bé. Lệch được bao bọc bởi khí quyển cottrell (nên chỉ có thể chuyển động trong các trường hợp sau). + Nếu tốc độ trượt rất bé mà nhiệt độ cao làm cho khả năng khuếch tán của nguyên tử tạp chất và của lệch gần bằng nhau nên lệch chuyển động sẽ kéo theo khí quyển của các nguyên tử tạp chất. + Nếu ứng suất tác dụng đủ lớn có khả năng tách nguyên tử tạp chất ra khỏi trường hút của lệch thì lệch có thể được giải phóng. Nhược điểm: Hóa bền không mạnh, có thể tạo các tổ chức khác theo yêu cầu nên không dùng để hóa bền vật liệu. 4.1.5.3. Biên giới hạt và biên giới siêu hạt Biên giới hạt và siêu hạt là vùng sắp xếp nguyên tử không có trật tự, không có mặt trượt và phương trượt xác định nên sự trượt khó phát triển. Khi lệch chuyển động qua biên giới hạt thì một phần năng lượng bị mất đi do đó làm giảm độ linh động của lệch. Vì vậy, hạt càng nhỏ thì biên giới hạt càng nhiều làm cho lệch càng khó chuyển động. 4.1.5.4. Pha thứ hai phân tán Trong tổ chức hợp kim thường có sự xuất hiện của các pha thứ hai là các loại pha trung gian dưới dạng những hạt nhỏ phán tán. Chúng cũng được coi là yếu tố cản trở chuyển động của lệch khá hiệu quả. + Nếu khoảng cách giữa các hạt nhỏ lệch có thể đi xuyên qua các hạt bằng cách cắt chúng theo mặt trượt. Khả năng cắt phụ thuộc vào sB môđuyn đàn hồi của pha thứ 2 nên thường xảy ra với các pha mềm. + Nếu khoảng cách giữa các hạt lớn dưới tác dụng của ứng suất tiếp t lớn hơn trị số tới hạn thì đường lệch bị uốn cong. Khi vượt qua các hạt, lệch bị uốn cong để lại những vòng lệch bao xung quanh chúng làm cản trở chuyển động của các lệch tiếp theo sau Cả hai trường hợp trên, lệch muốn vượt qua các hạt phân tán đều phải tốn năng lượng. Nếu ứng suất tác dụng không tăng thì lệch có thể bị h•m và muốn tiếp tục chuyển động thì phải tăng ứng suất. Đó chính là một trong những yếu tố hóa bền có hiệu quả. 4.1.6. Đặc điểm biến dạng dẻo đa tinh thể Đa tinh thể bao gồm vô số đơn tinh thể có định vị phương mạng khác nhau khi chịu tải trọng số lượng các hạt có định vị phương mạng phù hợp với điều kiện biến dạng theo các phương là như nhau nên đa tinh thể đẳng hướng về tính biến dạng. Vùng biên giới hạt là các vùng sai sắp xếp có mật độ khuyết tật lớn nên làm cản trở chuyển động của lệch chính vì vậy đa tinh thể khó biến dạng dẻo hơn so với đơn tinh thể. Khi chịu tải trọng theo một phương nào đó thì có những hạt thuận lợi, cho biến dạng nhiều, có những hạt thuận lợi cho biến dạng ít, có những hạt không có khả năng biến dạng. Để tránh phá hủy, các hạt không thuận lợi cho việc biến dạng phải có sự quay mặt trượt. Quan hệ giữa độ bền và kích thước hạt thường được biểu diễn bằng công thức Hall - Petch. ss = s0 + k.d-1/2 ss: giới hạn chảy của đa tinh thể s0: hằng số, nói lên khả năng chống trượt của trạng thái tổ chức và cấu trúc ban đầu của tinh thể k: hằng số, phụ thuộc vào khả năng hãm lệch của tinh giới d: kích thước trung bình của hạt 4.1.7. Nung kim loại sau biến dạng dẻo 4.1.7.1. Mục đích Kim loại sau biến dạng dẻo có mật độ khuyết tật tăng, ứng suất dư xuất hiện làm năng lượng tự do tăng lên. Vì vậy, kim loại sau khi biến dạng dẻo luôn có xu hướng trở về trạng thái ổn định với năng lượng bé. Muốn trở về trạng thái ổn định này cần phải cung cấp năng lượng cho hệ bằng cách nung trở lại kim loại đã qua biến dạng dẻo. 4.1.7.2. Các giai đoạn xảy ra khi nung kim loại qua biến dạng dẻo * Giai đoạn hồi phục: là quá trình nung kim loại đ• qua biến dạng dẻo vượt qua một nhiệt độ xác định tùy thuộc vào bản chất kim loại gọi là nhiệt độ hồi phục, T0hp =0,2T0 nóng chảy. Các hiện tượng xảy ra trong giai đoạn hồi phục là: - Giảm ứng suất dư Đây là một trong những thay đổi quan trọng. Sự tăng cường tính di động của nguyên tử khi nung làm cho chúng có khả năng quay về vị trí cân bằng, khắc phục những sai lệch bộ phận. Do năng lượng cấp nhỏ nên độ dời các nguyên tử Dx nhỏ hơn thông số mạng a nên làm cho ứng suất dư được phân bố lại trong nội bộ một hạt. - Quá trình đa canh hóa: là sự tập trung các lệch về những vị trí thẳng hàng trên các mặt tinh thể khác nhau. Sự tăng cường tính di động của nguyên tử khi nung làm cho các lệch chuyển động hoặc dọc theo mặt trượt hoặc theo chiều trực giao với mặt trượt. Nếu 2 lệch khác dấu chuyển động ngược chiều trong cùng một mặt phẳng trượt chúng sẽ triệt tiêu nhau. Những lệch cùng dấu khi chuyển động trên những mặt trượt song song, do trường ứng suất đàn hồi của chính bản thân, chúng sắp xếp thành từng dãy theo chiều trực giao với mặt trượt. - Sự thay đổi tính chất Trong giai đoạn phục hồi, một số tính chất của kim loại cũng thay đổi cụ thể là làm tăng độ dẫn điện, cơ tính thay đổi không đáng kể, làm giảm độ bền, độ cứng một ít. * Kết tinh lại: là quá trình nung kim loại đã qua biến dạng dẻo vượt qua một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ kết tinh lại. T0 kết tinh lại = (0,3 ¸ 0,4) T0 nóng chảy Các hiện tượng xảy ra của quá trình này: - Sự tạo mầm kết tinh lại là quá trình tạo ra những hạt tinh thể mới mà những hạt này được phát triển từ những trung tâm ban đầu gọi là mầm. Thực nghiệm cho thấy, sự tạo mầm có các đặc điểm sau đây. + Mầm được tạo ra trước tiên ở những vùng có mức độ sai lệch mạng lớn như vùng tinh giới, vùng mặt trượt. + Mức độ biến dạng càng lớn mầm được tạo ra càng nhiều Sự tạo mầm làm giảm năng lượng của hệ nên khử được ứng suất dư kể cả ứng suất dư thô đại. Bên cạnh đó, nó làm cho độ bền, độ cứng giảm đồng thời độ dẻo dai tăng lên. Sự tạo mầm ở trạng thái rắn nên có tổ chức hạt nhỏ. Sự lớn lên của mầm bằng cách sát nhập các hạt nhỏ vào hạt lớn và tạo sự ổn định về năng lượng. - Nhiệt độ kết tinh lại Đó là t0 nung tối thiểu mà ở đấy quá trình kết tinh lại (tạo mầm và lớn lên của mầm) xảy ra với tốc độ đáng kể. Kết tinh lại có liên quan với sự dịch chuyển các nguyên tử trên những khoảng cách lớn do đó liên quan đến khả năng tự khuếch tán. Như vậy nhiệt độ kết tinh lại phụ thuộc vào bản chất kim loại, mức độ biến dạng, thời gian giữ nhiệt và tạp chất. * Sự thay đổi tính chất sau kết tinh lại Trong giai đoạn kết tinh lại ứng suất dư, điện trở suất và năng lượng tự do tiếp tục giảm. Xu hướng chung là các tổ chức trở về trạng thái ban đầu khi chưa biến dạng. Sự thay đổi quan trọng nhất về tính chất do kết tinh lại là cơ tính. Nếu biến dạng dẻo làm tăng độ bền, độ cứng, giảm độ dẻo thì kết tinh lại khử bỏ những ảnh hưởng đó tức làm giảm độ, độ cứng và tăng độ dẻo. Hay nói khác đi kết tinh lại có tác dụng "thải bền" ngược với tác dụng hóa bền của biến dạng dẻo. - Khái niệm về gia công nóng và gia công nguội Gia công nguội là hình thức biến dạng có kèm theo sự hóa bền và phải tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại. Gia công nóng là hình thức gia công ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại và có kèm theo sự thải bền. Nhìn chung, gia công nóng được sử dụng rộng rãi vì có những ưu điểm chính sau: + ít có khả năng nứt hỏng khi biến dạng, nhất là khi rèn, rập, cán vì khi biến dạng nóng kim loại hoặc ít không bị hòa bền. Thêm vào độ lệch dễ chuyển động hơn, trượt dễ hơn, lại có thêm những mặt trượt mới vv... tức tăng mạnh khả năng biến dạng dẻo của kim loại mà không sinh ra vết nứt. + Khi gia công nóng, kim loại có khả năng biến dạng lớn nên với lực tác dụng tương đối bé cũng có thể gây nên độ biến dạng cao. Điều này cho phép giảm công suất máy hoặc cùng công suất như nhau, gia công được những khối kim loại hoặc chi tiết lớn hơn. Đó là ưu điểm quan trọng cho phép chế tạo được những chi tiết lớn như rèn trục khuỷu, trục tuốcbin nặng hàng chục hoặc hàng trăm. + Nếu biến dạng nóng tiến hành ở nhiệt độ đủ cao và với tốc độ tương đối chậm thì không cần phải nung (tức ủ) trung gian giữa các lần biến dạng, điều thường phải làm khi biến dạng nguội. Ví dụ khi cần nguội, sau mỗi lần cần kim loại bị hóa bền nên muốn cán tiếp tục phải tiến hành ủ trung gian. Còn nếu cán nóng, có thể cán đi cán lại nhiều lần, không cần phải nung. + Có khả năng điều chỉnh độ hạt. Tổ chức hạt được tạo thành khi biến dạng nóng là kết quả của hai quá trình biến dạng dẻo và kết tinh lại, phụ thuộc vào các yếu tố như đ• trình bày ở trên. Muốn nhận được độ hạt nhỏ, phải chú ý các điểm sau: - Dựa vào giản đồ kết tinh lại chọn mức độ biến dạng để nhận được độ hạt nhỏ. Không nên biến dạng với mức độ thấp vì độ hạt lớn. - Biến dạng phải tiến hành liên tục vì ở nhiệt độ quá trình lớn lên của hạt xảy ra rất nhanh, nếu để ngưng lâu trong một thời gian nào đó thì hạt kịp lớn lên và độ hạt lớn. - Nhiệt độ kết thúc biến dạng chỉ nên chọn cao hơn một ít so với nhiệt độ kết tinh lại vì nhiệt độ càng thấp, độ hạt càng nhỏ. Tuy nhiên đối với những kim loại kém dẻo, nhiệt độ kết thúc biến dạng phải chọn thế nào đó để kim loại không bị nứt vỡ. Song gia công nóng cũng có những nhược sau: + Khó khống chế nhiệt độ trong phạm vi cho phép, nhất là đối với các vật phẩm có kích thước bé như là mỏng, sợi v.v... Muốn khống chế nhiệt độ phải có thiết bị đo và điều chỉnh chính xác, như vậy giá thành sẽ cao. Cũng vì thế, đối với mỗi kim loại người ta đề ra một kích thước tới hạn, nếu vật phẩm dày hơn - nên biến dạng nóng, mỏng hơn - biến dạng nguội. + Tổ chức và tính chất ít đồng nhất hơn so với biến dạng nguội nhất là đối với kim loại có chuyển biến thù hình và kích thước lớn. Một loại khuyết tật bề mặt quan trọng khi biến dạng nóng là lớp oxyt trên bề mặt chi tiết đòi hỏi phải có những biện pháp khử bỏ tiếp theo sau như gia công cắt gọt, đánh bóng v.v.... + Nhược điểm nữa của gia công nóng là khống chế kích thước và hình dáng vật phẩm vì thể tích kim loại nóng lớn hơn, khó tính toán lượng dư chính xác, nhất là trong trường hợp kim loại bị oxy hóa. Thêm vào đó khi làm nguội do ứng suất nhiệt, hình dáng kích thước có thể thay đổi. 4.2. Các đặc trưng cơ tính của vật liệu 4.2.1. Độ bền tĩnh và độ dẻo 4.2.1.1. Nhóm đặc trưng cho độ bền - Giới hạn đàn hồi sđh [KG/mm2]: là ứng suất tác dụng lớn nhất mà khi ngừng tác dụng tải trọng thì vật liệu không bị biến dạng hoặc biến dạng dẻo rất bé. Trong đó: Pđh: là lực sinh ra lớn nhất để vật liệu không bị biến dạng dẻo [KG] F: là tiết diện ban đầu [mm2]. - Giới hạn chảy sch, s0,2 [KG/mm2; MN/m2; MPa]: là giá trị ứng suất mà khi ứng suất gây ra do tải trọng tác động vượt qúa nó thì vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo. Pch: là tải trọng tác động tại thời điểm chảy [KG] F: là tiết diện ban đầu [mm2]. - Giới hạn bền sB [KG / mm2, MN/m2, MPa): là giá trị ứng suất lớn nhất mà khi ứng suất gây ra do tác động của tải trọng vượt qua nó thì vật liệu bị phá hủy. P: là tải trọng tác động tại thời điểm phá hủy [KG] F: là tiết diện của mẫu thử [mm2]. 4.2.1.2. Nhóm đặc trưng cho độ dẻo - Độ giãn dài tương đối của vật liệu j (%): l: chiều dài của mẫu sau khi kéo l0: chiều dài ban đầu của mẫu Độ giãn dài tương đối đặc trưng cho tính dẻo của vật liệu. - Độ thắt tỉ đối y (%): F0: là tiết diện ban đầu của mẫu F: là tiết diện mẫu tại vị trí bị kéo đứt 4.2.2. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng tĩnh mà không phá hủy mẫu Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo của vật liệu khi chịu tác động của tải trọng thông qua một vật cứng tác động lên vật liệu. 4.2.2.1. Độ cứng Brinell (HB) + Tải trọng tiêu chuẩn: P = 3000KG + Mũi đâm: viên bi bằng thép đã được tôi cứng, đường kính tiêu chuẩn của viên bi d = 10mm HB = P (KG/mm2) F F: diện tích vết lõm do viên bi gây ra trên bề mặt vật liệu thử +) Phạm vi ứng dụng vật liệu mềm (thép sau ủ, hợp kim đồng, nhôm) 4.2.2.2. Độ cứng Rocoel (HR) Có 3 thang A, B, C là HRA, HRB, HRC * Độ cứng HRA + Tải trọng tiêu chuẩn P = 60KG + Mũi đâm: kim cương hoặc hợp kim cứng hình tháp có góc ở đỉnh 1200 HRA = a - bh a, b: là hằng số thực nghiệm HRA: là đại lượng không thứ nguyên + Phạm vi áp dụng: đo các vật liệu rất cứng (như thép thấm C, N) * Độ cứng HRB + Tải trọng tiêu chuẩn P = 100KG + Mũi đâm: viên bi có đường kính d = 1/16 inch + Phạm vi áp dụng: đo tương tự như HB nhưng áp dụng cho tấm mỏng * Độ cứng HRC + Tải trọng: P = 150KG + Mũi đâm: Kim cương, hợp kim cứng hình tháp có góc ở đỉnh 1200 + Phạm vi áp dụng: Dùng để đo vật liệu có độ cứng cao như thép sau khi tôi 4.2.2.3. Độ cứng Vicken (HV) + Tải trọng tiêu chuẩn P = 2 ¸ 50 (KG) + Mũi đâm có dạng hình chóp có góc ở đỉnh là 1360 + Phạm vi áp dụng: Đo vật liệu có độ cứng cao nhưng mỏng F: diện tích vết lõm (mm2) 4.2.2.4. Độ cứng tế vi (Hm) + Tải trọng: P = 1 ¸ 500 (g) + Mũi đâm: Kim cương hoặc hợp kim cứng có góc ở đỉnh là 1200 Để đo độ cứng này và quan sát được diện tích vết lõm phải đi kèm với kính hiển vi + Phạm vi áp dụng: áp dụng để đo độ cứng của các pha khác nhau trong tổ chức của vật liệu. 4.2.3. Chỉ tiêu cơ tính dưới tác dụng của tải trọng động Tải trọng động là tải trọng tác động lên vật liệu dưới dạng các xung lực hay va đập. Chỉ tiêu đặc trưng: độ dai va đập ak (KG.m/cm2; kJ/cm2) Độ dai va đập là công tiêu phí để phá hủy mẫu có vết khía chia cho diện tích của tiết diện ngang ở chỗ có vết khía. 4.2.4. Độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ (giới hạn bền mỏi) Phá hủy mỏi là dạng phá hủy xảy ra khi kim loại chịu tải tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ theo một quy luật bất kỳ nào đó. Hiện tượng mỏi của vật liệu mà hậu quả của nó là phá hủy mỏi được hết sức chú ý khi thiết kế các chi tiết máy. Phá hủy mỏi có các đặc điểm sau: + Khả năng phá hủy mỏi không phụ thuộc vào thời gian mà thông qua số lượng chu kỳ đặt tải trọng. + Nếu ứng suất thực tế bé hơn một giá trị xác định thì phá hủy mỏi không bao giờ xảy ra dù số lượng chu kỳ là rất lớn. Giá trị ứng suất này gọi là giới hạn mỏi s-1; s-r (kG/mm2) Cách xác định giới hạn mỏi bằng cách xây dựng đường cong mỏi Như vậy, giới hạn bền mỏi là giá trị ứng suất mà khi số chu kỳ tải trọng lớn hơn 107 mẫu mới bị phá hủy. + Giới hạn mỏi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và hệ số bất đối xứng tải trọng đặc trưng cho chu kỳ + Phá hủy mỏi thường "nhạy cảm" với yếu tố gây ra sự tập trung ứng suất CHƯƠNG 5. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT - CÁCBON Trong phần này nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt - cácbon, các khái niệm cơ bản về gang - thép, các phương pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, cơ - nhiệt luyện và sơ lược về các thiết bị nhiệt luyện. Do vậy cần hiểu được các chuyển biến khi nung nóng và làm nguội thông qua giản đồ trạng thái Fe - C và các giản đồ có liên quan, bản chất của các tổ chức tạo thành, mối quan hệ giữa các tổ chức. Cơ sở để nghiên cứu gang - thép và tìm hiểu các tính chất của nó là giản đồ trạng thái Fe - C. Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trước hết phải khảo sát các đặc tính của các nguyên thành phần. 5.1. Các bon và sắt 5.1.1. Các bon Các bon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn và có thể ở hai dạng thù hình: Graphít và kim cương. Trong điều kiện bình thường Graphít là dạng thù hình ổn định còn kim cương không ổn định. Trong hợp kim Fe - C, các bon nguyên chất chỉ có thể tồn tại ở dạng Graphít - nó có mạng lục giác và rất mềm. 5.1.2. Sắt Sắt là nguyên tố hợp kim thuộc nhóm VII trong bảng hệ thống tuần hoàn, nó thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp. Cũng giống như các nguyên tố khác nó không thể tồn tại ở dạng tuyệt đối tinh khiết mà thường tồn tại dưới dạng hợp chất. Sắt có các tính chất sau: 5.1.2.1. Cơ tính - Giới hạn bền kéo sb : 250 N/mm2 - Giới hạn chảy s0,2 : 120 N/mm2 - Độ giãn dài tương đối d : 50 % - Độ thắt tỷ đối y : 85 % - Độ cứng HB : 80 kG/mm2 - Độ dai va đập ak : 3000 kJ/m2 Như vậy so với nhiều kim loại thường dùng như nhôm, đồng, sắt có độ bền, độ cứng cao hơn hẳn, nhưng vẫn còn thấp so với yêu cầu của chế tạo cơ khí. Đó là nguyên nhân người ta hầu như không dùng sắt nguyên chất trong chế tạo cơ khí, mà dùng hợp kim của nó vì có cơ tính cao hơn rõ rệt. 5.1.2.2. Tính thù hình - Mạng lập phương thể tâm tồn tại ở hai khoảng nhiệt độ: Dưới 9110C được gọi là Fe(a) và từ (1392 ¸ 1539)0C được gọi là Fe(d). - Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng (911 ¸ 1392)0C được gọi là Fe(g). Do mạng lập phương diện tâm có mật độ mạng Mv lớn hơn mạng lập phương thể tâm nên khi nung nóng quá 9100C có chuyển biến thù hình từ Fe(a) sang Fe(g). 5.2. Giản đồ trạng thái Fe - C 5.2.1. Giản đồ trạng thái Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lượng các bon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe3C. Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3 dạng hợp chất là FeC, Fe2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử. Bảng 5.1. Bảng tọa độ các điểm Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ A 0 1539 E 2,14 1147 H 0,1 1499 C 4,3 1147 J 0,16 1499 F 6,67 1147 B 0,51 1499 R 0,02 727 N 0 1392 S 0,8 727 D 6,67 1600 K 6,67 727 G 0 910 Q 0,006 0 5.2.2. Các tổ chức của hợp kim Fe - C Trên giản đồ, đường ABCD là đường lỏng Đường AHJECF là đường đặc 5.2.2.1. Các tổ chức một pha - Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cácbon trong sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD. - Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe3C): là hợp chất hóa học của sắt với các bon - Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFK. - Xementit thứ nhất (XeI): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó được tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147 ¸ 1600)0C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to. - Xementit thứ hai (XeII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở trong khoảng nhiệt độ (727 ¸ 1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống còn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần các bon lớn hơn 0,8%. Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắm nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do được tiết ra từ Auxtenit nên thường ở dạng lưới bao quanh Auxtenit. - Xemetit thứ ba (XeIII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trong khoảng nhiệt độ thấp hơn 7270C khi độ hòa tan giới hạn của cácbon trong Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006%. XeIII có ở trong mọi hợp kim có thành phần C lớn hơn 0,006% nhưng với lượng rất ít. Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp, khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên XeIII thường ở dạng mạng lưới hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit. Các dạng Xementit không khác nhau về bản chất pha, chỉ khác nhau về kích thước hạt và sự phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau. - Ferit (ký hiệu là F hay a): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe(a), có mạng lập phương thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe(a) là không đáng kể, lớn nhất ở 7270C là 0,02% và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%. - Auxtenit (kí hiệu là As hay g): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe(g), có mạng ... thấp - Không thấm được cho các chi tiết lớn do phải dùng lò muối điện cực có kích thước bé. 8.4.6.3. Thấm cacbon thể khí Phương pháp thấm: Dùng khí CH4 để tạo ra cacbon nguyên tử theo phương trình phản ứng. Cacbon nguyên tử có khả năng hấp thụ tốt vào bề mặt thép. Trong thực tế, người ta không thể dùng chỉ hỗn hợp CO, CH4 và các hiđrocacbon khác để thấm vì như vậy tạo ra quá nhiều cacbon nguyên tử và lớp thấm có nồng độ cacbon quá cao. Hỗn hợp khí thấm cacbon thường dùng, ngoài các thành phần khí có tác dụng thấm như CH4, CO và các hiđrocacbon khác còn phải có một lượng nhất định các thành phần khí khác như CO2, N2, H2, O2 là những khí lẫn vào hoặc cố ý đưa vào điều chỉnh nồng độ khí thấm nhằm khống chế lượng cacbon ở bề mặt thép. Đặc điểm: - Chất lượng tốt do đảm bảo điều chỉnh được nồng độ cacbon ở lớp bề mặt thép theo yêu cầu. - Thời gian ngắn do không phải nung nóng hộp chứa than - Dễ cơ khí hoá, tự động hoá - Điều kiện lao động tốt, không độc hại - Thiết bị đắt tiền nên thường áp dụng cho các chi tiết quan trọng. 8.4.6.4. Nhiệt luyện sau thấm cacbon Do thấm cacbon ở nhiệt độ cao (920 ¸ 950)0C nên thép có trạng thái hạt g lớn do vậy khi làm nguội thu được tổ chức M thô, suất hiện nhiều vết nứt tế vi và ứng ứng suất dư lớn chính vì thế buộc phải nhiệt luyện sau thấm cacbon Chế độ nhiệt luyện: - Nhóm có hạt di truyền hạt lớn: Tại nhiệt độ thấm, tạo g hạt lớn nên làm xấu cơ tính. Nhiệt luyện sau khi thấm không những phải đảm bảo bề mặt cứng mà còn phải khắc phục được khuyết tật đó. Do vậy phải tiến hành hai lần tôi: lần thứ nhất - cho lõi để làm nhỏ hạt, lần thứ hai - cho bề mặt để đạt độ cứng cao. Như vậy, nhiệt độ của 2 lần tôi phải khác nhau vì lõi là thép trước cùng tích có nhiệt độ tôi cao hơn bề mặt là thép sau cùng tích và cùng tích. Nên chế độ nhiệt luyện của loại thép này: Tôi 2 lần + ram thấp. Tôi lần 1: Cho phần lõi mà Ttôi = 850 ¸ 8700C với 2 mục đích: + Làm nhỏ hạt thép, do nung tới nhiệt độ > Ac3 của lõi có chuyển biến F + P ® g hạt nhỏ +) Làm mất lưới XeII ở lớp bề mặt do làm nguội nhanh pha này không kịp tiết ra khỏi g. Sau lần tôi này, độ cứng bề mặt không đạt được giá trị cao nhất để đủ chống mài mòn, do vậy phải tôi tiếp lần nữa. Tôi lần 2: Cho bề mặt ở nhiệt độ 760 ¸ 7800C để bề mặt là thép sau cùng tích và cùng tích có độ cứng lớn nhất. Lần tôi này không ảnh hưởng xấu đến kết quả đã đạt được ở lần tôi trước. Ram thấp: Nhiệt độ ở 180 ¸ 2800C với mục đích khử bỏ 1 phần ứng suất mà vẫn giữ được độ cứng cao ở bề mặt. Đặc điểm và phạm vi áp dụng: Thép thu được có cơ tính tốt (hạt nhỏ, độ dẻo của lõi cao, bề mặt cứng), nhưng do nung nóng làm nguội nhiều lần dễ sinh oxy hoá, thoát cacbon và biến dạng, chu trình công nghệ dài, tốn kém hơn, do vậy chỉ áp dụng cho chi tiết quan trọng, có yêu cầu cao về cơ tính và làm bằng thép cacbon. - Nhóm có hạt di truyền hạt nhỏ: Đối với các chi tiết ít quan trọng, làm bằng thép cacbon hoặc hợp kim có thể áp dụng phương án tôi 1 lần và ram thấp và khi đó, tôi chỉ tiến hành cho tôi bề mặt. Đối với thép có hạt bản chất nhỏ, dù giữ nhiệt lâu ở nhiệt độ cao, hạt vẫn giữ được kích thước bé do vậy không cần nguyên công nhiệt luyện làm nhỏ hạt và có thể tiến hành tôi trực tiếp ngay sau khi thấm cacbon mà không cần có quá trình nung nóng lại. Tôi lần 1: Nhiệt độ từ 750 ¸ 7700C Ram thấp: Nhiệt độ ram từ 180 ¸ 2200 Đặc điểm: Rút ngắn thời gian thực hiện, dễ cơ khí hoá, tự động hoá, cho năng suất cao nên thường được áp dụng cho các chi tiết đơn giản. 8.4.6.5. Tổ chức và cơ tính của chi tiết thấm cacbon Sau khi nhiệt luyện, toàn bộ chi tiết thấm cacbon có tổ chức Mram. ở bề mặt do nồng độ cacbon cao, M có độ cứng cao cùng với 1 lượng nhất định cacbít dư sẽ đảm bảo tính chống mài mòn cao. ở trong lõi, do thành phần cacbon thấp, M có độ cứng trung bình với độ bền tốt và độ dẻo tương đối cao. - Độ cứng bề mặt phải đạt 60 ¸ 63 HRC, độ cứng của lõi 30 ¸ 40 HRC. - Độ cứng bề mặt cao hơn và do đó có tính chống mài mòn tốt vì thế thường chọn công nghệ thấm cacbon cho các chi tiết làm việc trong điều kiện "nặng" (Ví dụ như bánh răng giảm tốc). Chú ý: Với thép hợp kim cao, sau thấm cacbon phải kết hợp gia công lạnh. Thép có Ti, V (thép có hạt di truyền hạt nhỏ), chỉ tiến hành tôi 1 lần + ram thấp. 8.4.7. Thấm Nitơ 8.4.7.1. Định nghĩa và mục đích Thấm nitơ là phương pháp hoá nhiệt luyện nhằm bão hoà lớp bề mặt thép bởi nitơ tạo ra các pha xen kẽ có độ cứng và độ phân tán cao. Do vậy làm tăng độ cứng, độ bền và tính chống mài mòn của chi tiết. 8.4.7.2. Cấu tạo của lớp thấm nitơ Thấm nitơ chỉ tiến hành ở thể khí. Người ta tiến hành thấm nitơ bằng cách nung nóng chi tiết trong dòng khí amoniac (NH3) ở nhiệt độ 480 ¸ 6500C là nhiệt độ mà tại đó nó bị phân hoá mạnh nhất theo phản ứng. Nitơ nguyên tử có hoạt tính cao, bị hấp thụ và khuếch tán vào mặt thép. Cơ sở để xác định tổ chức của lớp thấm nitơ là giản đồ trạng thái Fe - N. Các pha trong hệ Fe - N gồm có: a- dung dịch rắn xen kẽ của nitơ ở trong Fea - Fenitnitơ g- dung dịch rắn xen kẽ của nitơ ở trong Feg - Auxtenit nitơ Chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao hơn 5910C, tại nhiệt độ này khi làm g phân hoá thành hỗn hợp cùng tích [a + g']. g': dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ kiểu Fe4N - là pha có độ cứng cao (>1200HV) e: dung dịch rắn trên cơ sở của pha xen kẽ kiểu Fe2N 8.4.7.3. Công nghệ thấm nitơ - Khi thấm nitơ, để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao, người ta không dùng thép cacbon thông thường, vì các nitrit sắt có khuynh hướng kết tụ ở nhiệt độ cao, do vậy có kích thước lớn, lớp thấm không có độ cứng và tính chống mài mòn thật cao và trở nên dòn, dễ tróc. Do vậy, để thấm nitơ người ta thường dùng thép hợp kim đặc biệt với các nguyên tó Cr, Mo, Al. (Vì chúng có áp lực mạnh hơn sắt) có tính phân tán lớn, ổn định nhiệt cao nên lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn cao, chắc, không tróc. - Mục đích thấm nitơ là tạo ra pha g' và e trên lớp bề mặt nên không cần nâng nhiệt độ đến trạng thái g hoàn toàn. Mặt khác, hệ số khuếch tán Dmax ở 5000C nên người ta chọn nhiệt độ thấm khoảng 5000C. Thời gian thấm kéo dài, đủ để tạo ra các pha xen kẽ. - Không thể tôi và ram sau khi thấm nitơ, vì lớp thấm mỏng, nung nóng ở t0 cao dễ gây ra hư hỏng. Do nhiệt độ thấm thấp hơn nhiệt độ ram nên quá trình thấm không làm giảm cơ tính cao của lõi đạt được khi tôi và ram cao trước đó. 8.4.7.4. Đặc điểm của lớp thấm nitơ + Độ cứng rất cao, tính chống mài mòn tốt, khả năng dính bám tốt. So với thấm cacbon, thấm nitơ có độ cứng và tính chống mài mòn cao hơn rõ rệt. Hơn nữa, tính chất này của lớp thấm giữ được tới nhiệt độ cao 500 ¸ 6000C vì theo giản đồ trạng thái Fe-N cấu trúc của lớp thấm không thay đổi ở nhiệt độ dưới 5910C. + Nâng cao độ bền mỏi do tạo nên lớp ứng suất nén dư ở bề mặt + Nâng cao tính chống mài mòn trong khí quyển. Bề mặt ngoài cùng lớp thấm nitơ có tổ chức là pha e, pha này có đặc tính là cấu tạo rất xít chặt, do vậy có tính bảo vệ tốt. + Thời gian của quá trình thấm rất dài và chỉ có thể tiến hành thấm nitơ ở thể khí. ® Vì những lý do trên, mà thấm nitơ thường áp dụng cho các chi tiết máy quan trọng như trục khuỷu và các trục quan trọng. 8.4.8. Thấm Cacbon - Nitơ 8.4.8.1. Định nghĩa và mục đích - Thấm cacbon nitơ là phương pháp làm b•o hoà (thấm, khuếch tán) đồng thời cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn. Độ cứng và tính chống mài mòn của lớp thấm cacbon - nitơ cao hơn so với thấm cacbon nhưng thấp hơn so với thấm nitơ. - Tuỳ thuộc các tỷ lệ của cacbon và nitơ mà lớp thấm có thể gần với thấm cacbon hơn hoặc nitơ hơn. Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao (920 ¸ 9500C) thì quá trình chủ yếu là thấm cacbon, còn ở nhiệt độ thấp (500 ¸ 5500C) thì quá trình chủ yếu là thấm nitơ. 8.4.8.2. Các phương pháp thấm - Thấm cacbon nitơ ở thể rắn. Tiến hành giống như thấm cacbon ở thể rắn. Trong chất th ấm có 20 ¸ 40% muối K4Fe (CN)6 hoặc muối K3Fe(CN)6; 10%Na2CO3 còn lại là than gỗ. Phương pháp này thường dùng cho các dụng cụ bằng thép gió, thép crôm cao để tăng độ cứng, tính chống mài mòn và tính cứng nóng song do môi trường rất độc, năng suất thấp nên ít dùng. - Thấm cacbon - nitơ ở thể lỏng: Thấm cacbon - nitơ ở thể lỏng tiến hành ở trong các bể muối mà thành phần gồm các muối xianua: NaCN; KCN, K4Fe(CN)6, K3Fe(CN)6 và các muối trung tính Na2CO3, NaCl, KCl. Tuỳ theo nhiệt độ thấm mà phạm vi áp dụng cũng khác nhau song phương pháp bị hạn chế áp dụng do môi trường thấm rất độc. - Thấm cacbon - nitơ ở thể khí: Về cơ bản, cách thấm này không khác thấm cacbon ở thể khí nhiều nhưng có nhiều ưu điểm hơn, tạo pha cabon - nitrit (Fe3CN) phân tán, rất cứng làm tăng tính chống mài mòn, thời gian thấm ngắn, năng suất cao, thời gian sử dụng thiết bị thấm được kéo dài nên phương pháp này thường được áp dụng rộng rãi hơn và thường được sử dụng trong sản xuất các chi tiết ôtô, máy kéo, động cơ... Ngoài 3 phương pháp thấm cacbon, nitơ, cacbon - nitơ, người ta còn thấm một số nguyên tố khác như Bo, Cr, Al, Si nhằm đạt được các mục đích khác nhau của người sử dụng. CHƯƠNG 9 GANG VÀ NHIỆT LUYỆN GANG 9.1. Giới thiệu chung về gang 9.1.1. Định nghĩa - Theo thành phần hoá học: Gang là hợp kim của Fe với C mà trong đó thành phần C > 2,14%. - Theo tổ chức tế vi: Gang là hợp kim của Fe với C mà trong tổ chức có Le. Các cách định nghĩa trên đều tương ứng với trạng thái cân bằng giả ổn định theo đúng giản đồ trạng thái Fe - Fe3C 9.1.2. Phân loại Trong quá trình sử dụng để tiện phân loại người ta dựa vào tổ chức tế vi của gang. Trên cơ sở đó, gang được phân thành các loại sau: - Gang trắng: Là gang có cacbon tồn tại ở dạng Xe(Fe3C). Như vậy, tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ giả ổn định Fe - Fe3C luôn luôn có chứa hỗn hợp cùng tinh Le. - Gang xám, cầu, dẻo là loại gang trong đó phần lớn hay toàn bộ cacbon ở dưới dạng tự do - graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, bông. Trong tổ chức không có Le, do đó tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C. Tổ chức tế vi của gang có Graphit và Xe. Người ta chia tổ chức của chúng ta ra hai phần: phần phi kim loại - Graphit và nền kim loại gồm F và Xe. Khi tất cả cacbn ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức chỉ gồm có F, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức có thể là F - P; P hoặc P - Xe. Chính do đặc điểm về tổ chức tế vi như vậy mà các loại gang có cơ tính và công dụng khác nhau. 9.1.3. Cơ tính và tính công nghệ - Cơ tính: Nhìn chung gang là loại vật liệu có độ bền dẻo thấp, độ dòn cao Xe là pha cứng và dòn, sự tồn tại của nó với một lượng lớn và tập trung trong gang trắng làm dễ dàng cho sự tạo vết nứt dưới tác dụng của tải trọng kéo. Do đó, gang trắng có độ bền kéo thấp và độ dòn cao. Trong gang xám, dẻo, cầu tổ chức Graphit như là các lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền. Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit, lớn nhất ở gang xám với graphit dạng tấm và bé nhất ở gang cầu với graphit dạng cầu tròn. Vì vậy, gang cầu có độ bền cao nhất, tính dẻo tốt nhất trong các loại gang. Song sự có mặt của graphit trong gang có một số ảnh hưởng tốt đến cơ tính như tăng khả năng chống mòn do ma sát, làm tắt rung động và dao động cộng hưởng - Tính công nghệ Gang có tính đúc và tính gia công cắt không tốt: các loại gang thường dùng có thành phần gần cùng tinh nên nhiệt độ chảy thấp, do đó độ chảy lỏng cao và đó là một trong những yếu tố quan trọng của tính đúc, graphit trong các gang xám, dẻo và cầu làm phôi dễ gãy vụn khi gia công cắt. 9.1.4. Công dụng Nói chung gang có cơ tính tổng hợp không cao như thép nhưng có tính đúc tốt và rẻ nên dùng người ta dùng gang để làm rất nhiều các chi tiết máy như: bệ máy, vỏ, nắp, các bộ phận ít phải di chuyển hay có thể dùng gang cầu để làm trục khuỷu thay cho thép. 9.1.5. Sự hình thành graphit trong gang Các loại gang có thành phần cacbon giống nhau (>2%) nhưng có loại chỉ tạo nên Xe như gang trắng, có loại lại tạo nên Graphit. Trong gang, graphit có thể có 3 dạng chủ yếu: tấm, cầu, nhưng dạng tấm của graphit trong gang xám là dạng tự nhiên. 9.1.5.1. Graphit Graphit có mạng lục giác, trong đó các nguyên tử cacbon như được xếp thành từng lớp một: khoảng cách giữa các nguyên tử trên mỗi lớp rất gần nhau -1,42A0; còn giữa các lớp lại rất xa nhau -3,4A0. Do cấu trúc như vậy nên khi tạo thành từ trạng thái lỏng, graphit phát triển rất nhanh (theo các phương và mặt có mật độ nguyên tử lớn), làm các lớp này dài, rộng ra rất nhanh để có dạng tấm (phiến) cong. Chính vì vậy, graphit tấm là dạng tự nhiên của graphit trong gang. 9.1.5.2. Sự tạo thành graphit trong gang Để xét khả năng tạo thành graphit trong gang h•y lần lượt xét các yếu tố năng lượng tự do và công nghệ tạo mầm của graphit và Xe. * Điều kiện năng lượng: Năng lượng tự do của Graphit luôn luôn nhỏ hơn của Xe ở mọi khoảng nhiệt độ. Như vậy, về phương diện này sự tạo thành Graphit có lợi hơn. Nhưng năng lượng tự do chỉ là yếu tố quyết định chiều hướng của quá trình, sự kết tính ra Graphit có thực hiện được hay không còn phụ thuộc vào công tạo mầm nữa. * Công tác mầm: Công tạo mầm của Xe nhỏ hơn của Graphit rất nhiều. Do vậy về phương diện này, sự tạo thành Xe có lợi hơn sở dĩ, công tạo mầm Graphit lớn hơn Xe là do: - Về thành phần hoá học: Graphit có 100%C, còn Xe có 6,67%C còn gang lỏng khoảng 3¸4%C, g<2,14%C. Từ đó thấy rằng, từ gang lỏng và từ g, để tạo nên Xe, cacbon phải khuếch tán, ba động ít hơn so với khi tạo nên Graphit. - Về cấu tạo mạng tinh thể: g có mạng lập phương gần với Xe hơn là với Graphit có mạng lục giác. +) Sự tạo thành Graphit từ gang lỏng và từ g khi làm nguội chỉ xảy ra trong phạm vi nhiệt độ hẹp, muốn xảy ra phải làm nguội với tốc độ rất chậm. +) Sự tạo thành graphit từ gang lỏng và từ g là quá trình chậm chạp vì công tạo mầm graphit lớn và cần sự khuếch tán nhiều của cacbon. 9.1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành Graphit khi kết tinh * Thành phần hoá học: thành phần hoá học của gang ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành graphit. Gang là hợp kim ngoài Fe, C ra còn chứa nhiều các nguyên tố khác như Mn, Si, P, S...chúng có ảnh hưởng khác nhau đến sự tạo thành Graphit. Si là nguyên tố thúc đẩy mạnh sự tạo thành Graphit vì nó làm giảm khả năng hoà tan của cacbon ở trong gang lỏng và trong g. Để điều chỉnh mức độ tạo thành graphit, lượng Si trong các loại gang thay đổi trong phạm vi từ 0,3 ¸ 0,5% đối với gang trắng và từ 1 ¸ 3% đối với các loại gang còn lại. Mn là nguyên tố ngăn cản sự tạo thành Graphit, Mn quá nhiều dễ làm gang, hoá trắng. Tuy nhiên, Mn là nguyên tố có lợi về mặt cơ tính. * Tốc độ nguội Tốc độ nguội khi kết tinh lúc đúc gang có ảnh hưởng mạnh đến sự tạo thành Graphit. Tốc độ nguội càng chậm càng thúc đẩy quá trình tạo ra Graphit. Vì vậy, đúc trong khuôn cát dễ tạo thành gang xám hơn đúc trong khuôn kim loại. ảnh hưởng tổng hợp và thành phần hoá học (%C + %Si) và tốc độ nguội đến mức độ tạo thành Graphit được biểu thị như sau: I- Gang trắng (vùng không có Gr) II- Gang xám Peclit (vùng Gr hoá bộ phận) III- Gang xám Ferit (vùng Gr hoá hoàn toàn) * Sự phân hoá của Xe Ngoại sự tạo thành Graphit từ trạng thái lỏng và từ g khi kết tinh, còn có sự tạo thành Graphit từ Xe ở trạng thái rắn. Xe là pha không hoàn toàn ổn định, ở điều kiện nhiệt độ nhất định, nó sẽ bị phân hoá thành hỗn hợp g + Gr hoặc F + Gr. ở nhiệt độ cao hơn 7270C, lúc đó khi giữ nhiệt lâu Xe sẽ phân hoá thành g và Gr còn ở nhiệt độ thấp hơn 7270C, lúc đó Xe sẽ phân hoá thành F và Gr. Quá trình phân hoá Xe ở trạng thái rắn được sử dụng để nhiệt luyện gang đạt đến mức độ tạo thành lượng graphit mong muốn. 9.2. Tổ chức tế vi và cơ tính các loại gang 9.2.1. Tổ chức tế vi và cơ tính của gang xám 9.2.1.1. Tổ chức tế vi Gang xám là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ cacbon của nó nằm ở dưới dạng tự do - Graphit rất ít hay không có cacbon ở dưới dạng liên kết với sắt - Xe (lượng cacbon liên kết khoảng dưới 1% cacbon trong tổng lượng cacbon của gang thường là 3¸4%). Do trong tổ chức có nhiều Gr, mặt gang có màu xám tối. Tổ chức tế vi gồm 2 phần: phần nền và graphit * Phần nền: phụ thuộc voà mức độ Gr hoá mà có các loại nền khác nhau. - Nền Peclit - gang xám peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, trong đó lượng cacbon liên kết khoảng 0,6 ¸ 0,8% tạo nền peclit tương ứng với thép cùng tích. Khi đó, tổ chức của gang gồm Graphit tấm và nền kim loại Peclit. - Nền peclit - Ferit - gang xám P-F có mức độ tạo thành Graphit mạnh trong đó lượng cacbon liên kết chỉ khoảng 0,1 ¸ 0,6% tạo nên nền kim loại F-P, tương ứng với thép trước cùng tích. Tổ chức của gang gồm: Graphit tấm và nền kim loại F-P. - Nền Ferit - gang xám Ferit: có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, trong đó tất cả cácbon đều ở dạng tự do - Graphit lượng cacbon liên kết không có, tức là không có Xe. Gang chỉ có hai pha Graphit tấm và nền kim loại là F. * Graphit: Graphit trong gang xám có dạng tấm cong (đó là dạng tự nhiên thường gặp trong gang) chia cắt toàn bộ nền gang và không có chuyển biến khi nhiệt luyện. Thành phần hoá học: Thành phần các nguyên tố trong gang xám phải đảm bảo mức độ tạo thành Graphit và cơ tính theo yêu cầu. Cacbon: Cacbon càng nhiều, khả năng tạo thành Graphit càng mạnh, nhiệt độ chảy càng thấp, càng dễ đúc. Tuy nhiên, không thể dùng gang với hàm lượng cacbon quá cao vì lúc đó sẽ có quá nhiều Graphit làm giảm cơ tính của gang. Xu hướng là dùng gang với lượng cacbon càng thấp càng tốt. Thông thường, hàm lượng cacbon từ 2,8 ¸ 3,5%. Silic: Silic là nguyên tố thúc đẩy mạnh sự tạo thành graphit, nó là nguyên tố quan trọng nhất trong gang xám. Theo mức độ tạo thành graphit nên người ta không chế lượng silic của gang xám trong khoảng 1,5% ¸ 3%. Ngoài ra, trong gang silic hoà tan vào F làm tăng rất mạnh độ cứng và độ bền của pha này. Mangan: Mangan là nguyên tố cản trở sự tạo thành graphit tức làm hoá trắng gang. Để đảm bảo yêu cầu tạo thành graphit, giữa Mn và Si cần phải có tỉ lệ tương ứng. Thường dùng gang xám với lượng 0,5 ¸ 1%Mn. Lưu huỳnh: Là nguyên tốn cản trở mạnh sự tạo thành graphit của gang, ngoài ra còn làm xấu tính đúc của gang do làm giảm độ chảy lỏng. Do vậy, phải hạn chế lượng lưu huỳnh trong mọi loại gang. Photpho: Là nguyên tố không ảnh hưởng gì đến sự toạ thành graphit nhưng photpho có ích trong những trường hợp sau: - Làm tăng tính chảy lỏng - Làm tăng tính chống mài mòn do tạo nên cùng tích 9.2.1.2. Cơ tính Do ảnh hưởng của graphit ở dạng tấm mà gang xám có cơ tính kém hơn thép nhiều. - Chịu nén tốt. - Chịu kéo và uốn kém graphit là pha có độ bền rất thấp nên ở trong gang nó như những vết rỗng, nứt làm mất sự liên tục của nền kim loại do vậy làm giảm mạnh độ bền kéo. - Có khả năng dập tắt dao động do tác dụng hấp thụ của graphit. - Tính đúc cao do tác dụng của Si nên tính chảy lỏng cao Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của gang: * ảnh hưởng của graphit - Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào số lượng, độ lớn và sự phân bố của graphit. Graphit càng nhiều tức là số vết rỗng càng nhiều thì cơ tính của gang càng kém. - Độ lớn hay kích thước của graphit ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang xám. Graphit tấm càng dài tức sự chia cắt nền kim loại càng lớn, cơ tính của gang xám càng thấp. Để nâng cao cơ tính của gang xám phải dùng các biện pháp làm nhỏ mịn graphit làm graphit càng ngắn, càng nhỏ, cong thì càng tốt. * Các biện pháp nâng cao cơ tính của gang xám - Giảm lượng cacbon của gang: Thực hiện biện pháp này gặp khó khăn vì nâng cao nhiệt độ nóng chảy của gang. - Biến tính: Thường được áp dụng một cách rộng rãi để nâng cao cơ tính. Gang xám biến tính có graphit nhỏ mịn, phân bố đều, do vậy có cơ tính tốt hơn. - Hợp kim hoá: Đưa thêm nguyên tố hợp kim vào gang, ngoài tác dụng nâng cao cơ tính, cải thiện lý tính và một số tính chất đặc biệt khác như tính chống ăn mài, chống mài mòn... - Nhiệt luyện: Tôi và ram gang xám, biến nền kim loại thành các tổ chức Troxtit, Xoocbit, Mactenxit ram. Ký hiệu: - Tiêu chuẩn của Việt Nam GX a-b - Tiêu chuẩn của Nga: Cj a-b a: giới hạn bền uốn b: giới hạn bền kéo Ví dụ: GX14-24, Cj14-28 9.2.2. Tổ chức tế vi và cơ tính của gang dẻo Tổ chức tế vi của gang dẻo cũng giống như gang xám và gang cầu song chỉ khác ở chỗ: graphit của nó ở dạng hoa bông xù xì phân bố đều. 9.2.2.1. Thành phần hoá học Trong gang dẻo, graphit được tạo ra trong quá trình ủ do đó thành phần hoá học của gang dẻo phải đảm bảo sao cho quá trình Graphit hoá không được xảy ra ở bất cứ bộ phận nào khi kết tinh mà chỉ được xảy ra khi ủ vì vậy, lượng C và Si không được nhiều quá để không có Graphit hoá khi kết tinh vật đúc nhưng phải đủ để xảy ra Graphit hoá khi ủ. - Lượng cácbon trong gang dẻo càng thấp càng tốt, vì khi lượng cacbon thấp tính dẻo của gang sau khi ủ càng cao tuy nhiên lại gây ra khó khăn về mặt công nghệ. 9.2.2.2. Quy trình ủ gang trắng thành gang dẻo Gang đem ủ là gang trắng trước cùng tinh. - Đầu tiên gang trắng trước cùng tinh với tổ chức Pt Le được nung nóng tới 10000C, tại nhiệt độ này, gang trắng có tổ chức g0+Le - Giữ lâu ở 10000C từ A --> B có quá trình phân hoá của Xe và quá trình Gr hoá ở nhiệt độ cao. Giai đoạn này được gọi là giai đoạn Gr hoá lần thứ nhất, trong đó xảy ra quá trình Gr hoá của Xe cùng tinh. - Làm nguội chậm từ 1000C xuống 7000C từ B --> C có quá trình xảy ra là Graphit giữ nguyên, g2,14 ® P0,8 + Xe6,67 Nếu quá trình ủ dừng lại ở C sẽ nhận được gang dẻo P. Để được gang dẻo F phải tiếp tục ủ. - Giữ lâu nhiệt độ ở 7000C từ C ® E, Xe trong cùng tích P bị phân hoá theo phản ứng Fe3C6,67 ® a0,02 + G100 Sau khi Xe cùng tích phân hoá hết, gang chỉ có tổ chức F + G tức là gang dẻo F. (Nếu từ E làm nguội nhanh thu được gang dẻo F; nếu dừng ở D sau đó nguội nhanh thu được gang dẻo P - F). 9.2.2.3. Cơ tính của gang dẻo - Do Gr ở dạng tương đối tập trung nên gang dẻo có độ bền kéo cao hơn gang xám nhưng kém hơn gang cầu. - Có độ cứng và độ bền tương đối cao gần bằng thép - Tính đúc cao hơn thép nên được dùng để sản xuất các chi tiết lớn, phức tạp chịu tải trọng cao thay cho thép trong sản xuất hàng loạt. 9.2.2.4. Ký hiệu - Theo TCVN: GZa-b - Theo tiêu chuẩn Nga: Kja-b a: ứng suất kéo (N/mm2) b: độ dãn dài tương đối (%) 9.2.3. Gang cầu Gang cầu hay còn gọi là gang có độ bền cao với Gr cầu, là loại gang có độ bền cao nhất, đồng thời có thể chịu được tải trọng trong va đập. 9.2.3.1. Tổ chức tế vi Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám, song chỉ khác là Gr của nó có dạng hình cầu. Theo tổ chức tế vi của nền kim loại cũng có 3 loại gang cầu: F, F+P và P 9.2.3.2. Thành phần hoá học và cách sản xuất vật đúc gang cầu * Thành phần hoá học: - Về cơ bản, thành phần hoá học của gang cầu giống gang xám song chỉ khác là Mg và Ce với lượng rất nhỏ. Quá trình biến tính gang lỏng để nhân được gang có Gr cầu là quá trình tương đối phức tạp vì Mg là nguyên tố có ái lực mạnh với oxi nên dễ bị cháy. Trong khi đó nếu quá trình ít Mg thì chưa đủ tác dụng cầu hoá Gr còn nhiều Mg lại làm gang hoá trắng. - Thành phần hoá học của gang cầu sau khi biến tính gồm: 3 ¸ 3,6% C; 2 ¸ 3% Si; 0,5 ¸ 1% Mn, gần 2 % Ni; 0,04 ¸ 0,08 % M còn lượng P, S rất nhỏ. * Cách sản xuất vật đúc gang cầu: Gang cầu thu được trực tiếp từ quá trình đúc. Để đảm bảo quá trình đó thì gang đem cầu hoá phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Phải có đủ hàm lượng Si để Gr hoá - Phải có nguyên tố cầu hoá làm thúc đẩy tạo Gr dạng cầu phân tán (sử dụng Mg dưới dạng hợp kim Mg - Ni để tránh bị cháy Mg). 9.2.3.3. Cơ tính gang cầu Gang cầu là dạng gọn nhất, ít chia cắt nền kim loại nhất và ít tập trung ứng suất hơn cả, do vậy ít làm giảm cơ tính của nền kim loại. Cơ tính của gang cầu phụ thuộc chủ yếu vào tổ chức của nền kim loại. - Có độ bền nhất định, độ cứng cao (tương đương với thép) - Có độ dẻo dai tương đối cao nên có thể chịu tại trọng chu kỳ tốt - Tính đúc cao, do có các tính chất trên nên gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết phức tạp thay cho thép. 9.2.3.4. Ký hiệu - Theo TCVN: GCa-b - Theo TC Nga: Bja-b a: ứng suất kéo sk [kg/mm2] b: độ giãn dài tương đối (%) 9.3. Nhiệt luyện gang Đối với gang, nhiệt luyện cũng có ý nghĩa quan trọng. Theo trên, gang dẻo được chế tạo bằng cách ủ từ gang trắng, do vậy ủ gang dẻo là một nội dung quan trọng của nhiệt luyện gang. Trong phần này ta chỉ trình bày các phương pháp nhiệt luyện áp dụng đối với gang xám và gang cầu. 9.3.1. Nhiệt luyện gang xám Khi nhiệt luyện gang xám chỉ làm biến đổi được tổ chức của nền kim loại hoặc biến đổi lớp vỏ biến trắng thành gang xám mà không thể làm biến đổi được dạng tấm của graphit cũng như kích thước của nó. Đối với gang xám thường áp dụng các dạng nhiệt luyện sau: 9.3.1.1. ủ khử ứng suất bên trong Khi kết tinh, do làm nguội và chuyển biến tổ chức nên trong vật đúc ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức, các ứng suất này thường làm biến dạng hoặc đôi khi làm nứt vật đúc. Đối với nhiều chi tiết ứng suất bên trong như vậy là không cho phép vì không bảo đảm độ chính xác của máy. Để làm mất hoàn toàn ứng suất bên trong, người ta tiến hành nung nóng vật đúc lên tới 500 - 5500C giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng lò đến 2000C sau đó làm nguội ngoài không khí. Không nên đưa nhiệt độ ủ lên quá 5500C hoặc giữ nhiệt quá lâu vì sẽ làm graphit hoá gây ra giảm độ cứng, độ bền của gang. 9.3.1.2. ủ làm mất lớp vỏ biến trắng Đối với nhiều vật đúc gang xám khi làm nguội nhanh, ở bề mặt có lớp vỏ bằng gang trắng cứng, rất khó gia công cắt. Để làm mất lớp này phải tiến hành ủ ở nhiệt độ cao 850 - 8800C lúc đó có quá trình phân hoá của xêmentit thành graphit và auxtenit, và trong quá trình nguội tiếp theo xêmentit II và xêmentit cùn tinh lại phân hoá thành graphit. Kết quả cuối cùng được lớp bề mặt là gang xám với nền kim loại ferit hay ferit - peclit tuỳ theo mức độ graphit hoá nhiều hay ít. 9.3.1.3. ủ để thay đổi nền kim loại - ủ để giảm cacbon liên kết: Lượng cacbon liên kết của nền kim loại có ảnh hưởng lớn đến cơ tính. Khi giảm lượng cacbon liên kết, ví dụ từ 0,6 - 0,8% (nền peclit) xuống 0% (nền ferit) tính dẻo sẽ tăng lên. Giảm lượng cacbon liên kết bằng cách biến nó ra dạng tự do, tức là thực hiện sự graphit hoá xêmentit theo phản ứng. Fe3C ® F +G Đương nhiên nhiệt độ ủ phải thấp hơn A1 để xêmentit trong cùng tích được phân hoá hết. Thường tiến hành ủ ở khoảng 7000C. - ủ để tăng cacbon liên kết: Gang xám có nền kim loại peclit có cơ tính cao nhất, nhiều trường hợp vật đúc có tổ chức ferit hoặc ferit - peclit có thể nhiệt luyện thành peclit. Đặc điểm của ủ để tăng cacbon liên kết là phải nung gang lên quá nhiệt độ tới hạn A1. Khi nung nóng quá nhiệt độ A1 và A3 nền kim loại của gang với các tổ chức ferit, ferit - peclit chuyển biến thành auxtenit, cong graphit vẫn giữ nguyên. Giữ nhiệt lâu, graphit hoà tan vào auxtenit cho tới giới hạn b•o hoà ở nhiệt độ đ• cho. Nếu thời gian giữ nhiệt được tính toán thích hợp sao cho lượng cacbon trong auxtenit tới giới hạn được tính toán thích hợp sao cho lượng cacbon trong auxtenit tới giới hạn khoảng 0,6 - 0,8% khi làm nguội với tốc độ vừa phải để hạn chế sự graphit hoá thì auxtenit này biến thành peclit và ta nhận được gang xám peclit. 9.3.1.4. Tôi và ram Mục đích của tôi và ram đối với gang xám cũng là để tăng độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn, nhưng hiệu quả không lớn như đối với thép do không biến đổi được graphit. Khi nung nóng để tôi, nền kim loại của gang xám chuyển biến theo giản đồ trạng thái Fe-C và nhiệt độ tôi được chọn và tính toán theo tổ chức của gang có tổ chức auxtenit - graphit, giữ nhiệt trong thời gian thích hợp để graphit hoà tan vào auxtenit để pha này đạt tới 0,6-0,8%C. Rồi sau đó làm nguội nhanh để được mactenxit có độ cứng cao - graphit tấm. Độ cứng của gang xám sau khi tôi luôn luôn thấp hơn thép cùng tích sau khi tôi 5-10HRC mặc dù mactenxit của gang xám cũng chuyển biến giống như khi ram mactenxit của thép còn graphit vẫn giữ nguyên không chuyển biến. Ram thấp (150 ¸ 2000C) gang xám có tổ chức mactenxit ram - graphit Ram trung bình (300 ¸ 4500C) gang xám có tổ chức trôxtit ram - graphit Ram cao (500 ¸ 6500C) gang xám có tổ chức xoocbit ram - graphit 9.3.1.5. Hoá bền bề mặt Đối với gang xám thường hoá bền bề mặt bằng cách tôi bề mặt và hoá nhiệt luyện, thường không áp dụng biện pháp hoá bền bề mặt bằng cơ khí (phun bi, lăn ép...) Tôi bề mặt gang xám thường tiến hành bằng cách nung nóng bởi dòng điện cảm ứng có tần số cao. Nhiệt độ tôi thường áp dụng là 850 - 9500C. Tôi cao tần nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn, độ bền mỏi và thời hạn làm việc. Tổ chức tốt nhất của gang xám đem tôi bề mặt là nền kim loại peclit nhỏ mịn và graphit phân tán. Phương pháp hoá nhiệt luyện áp dụng cho gang xám thường là thấm nitơ, thấm xyanua. 9.3.2. Nhiệt luyện gang cầu Để nâng cao hiệu quả sử dụng sau khi đúc xong vật đúc gang cầu thường được đem nhiệt luyện. 9.3.2.1. ủ Có nhiều phương pháp ủ gang cầu ủ khử ứng suất tiến hành ở nhiệt độ 500 - 6000C. Cách ủ giống như đối với gang xám, không làm biến đổi tổ chức tế vi. Đối với nhiều vật đúc gang cầu, do Mg có tác dụng hoá trắng nên ở các chỗ thành mỏng thường bị biến trắng, cứng và dòn, cần phải tiến hành ủ ở nhiệt độ cao, khoảng 850 - 8800C. ở nhiệt độ cao ngoài tác dụng graphit hoá xêmentit các graphit tạo thành được cầu hoá tiếp tục do vậy sẽ nâng cao thêm cơ tính. Ngoài ra, cũng có thể tiến hành các phương pháp ủ để cố định cách liên kết, làm gang cầu có nền peclit nâng cao độ bền hoặc có nền ferit nâng cao. Thường tiến hành ủ ra gang cầu với nền kim loại là peclit hạt có cơ tính tổng hợp tốt. 9.3.2.2. Tôi và ram Nguyên tắc tôi gang cầu không khác gì gang xám Đặc biệt đối với gang cầu người ta nhận thấy tôi đẳng nhiệt để nhận được tổ chức gồm bainit dưới là chủ yếu, một ít auxtenit dư, mactenxit và graphit tạo ra cơ tính tổng hợp rất tốt, có độ bền cao và độ dẻo, dai nhất định. 9.3.2.3. Hoá bền bề mặt Thường tiến hành tôi cao tần, thấm nitơ, thấm xyanua và thấm bo Tôi cao tần cho gang cầu peclit tổ chức sau khi tôi ram thấp đạt mactenxit kim nhỏ mịn và graphit cầu với độ cứng đạt tới HRC có tính chống mài mòn cao. Thấm nitơ và thấm xyanua có tác dụng rất tốt đối với gang cầu, nâng cao tính chống mài mòn, chống mỏi.