Báo cáo Thiết lập bộ 20 mẫu gang thép dùng cho nghiên cứu tổ chức tế vi (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Thiết lập bộ 20 mẫu gang thép dùng cho nghiên cứu tổ chức tế vi (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014-98 SKC0 0 5 5 0 0 Tp. Hồ Chí Minh, 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI Mã số: T2014-98 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Nguyễn Văn Thức TP. HCM, Tháng 11 năm 2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG THIẾT LẬP BỘ 20 MẪU GANG THÉP DÙNG CHO NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI Mã số: T2014-98 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Nguyễn Văn Thức TP. HCM, Tháng 11 năm 2014 1
4. DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác Nhiệm vụ được giao ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT Tên đơn vị trong và ngoài nước Nội dung phối hợp 2
5. MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 6 MỞ ĐẦU 7 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước 7 2. Tính cấp thiết 7 3. Mục tiêu 7 4. Cách tiếp cận 7 5. Phương pháp nghiên cứu 7 6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7 8. Nội dung nghiên cứu 7 Chương 1 - HỢP KIM FE-C 8 1. Hợp kim Fe-C 8 1.1. Khái niệm thép 8 1.2. Khái niệm thép hợp kim 9 1.2.1 Mục đích hợp kim hóa 9 2. Phân loại thép 11 2.1 Phân loại thép cacbon 11 2.2 Phân loại thép hợp kim 13 2.2.1. Phân loại theo tổ chức tế vi 13 2.2.2. Phân loại theo nguyên tố hợp kim 14 3. Nguyên lý hợp kim hóa thép 15 3.1 Sự hòa tan của nguyên tố hợp kim vào sắt 15 3.2 Kí hiệu thép hợp kim 16 4. Thép cacbon chất lượng thường 17 5. Thép kết cấu 19 6. Thép dụng cụ 24 7. Thép có công dụng riêng 28 8. Gang và nhiệt luyện gang 28 Chương 2 – THÍ NGHIỆM 42 1. Cấu tạo của kim loại và hợp kim 42 2. Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi 42 3. Kính hiển vi kim loại 43 4. Thí nghiệm chế tạo mẫu 44 5. Kết quả thí nghiệm 49 Chương 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 1. Kết luận 52 2. Kiến nghị 52 3. Định hướng nghiên cứu trong tương lai 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 3
6. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại thép theo phương pháp khử oxy 12 Bảng 1.2 Phân loại các loại thép theo tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng 13 Bảng 1.3 Phân loại các loại thép theo tổ chức tế vi ở trạng thái thường hóa 14 Bảng 1.4 Phân loại các loại thép hợp kim theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim .15 Bảng 1.5 Kí hiệu thép theo tiêu chuẩn SAE (Mỹ) . 17 Bảng 1.6 Cơ tính của thép cacbon chất lượng thường phân nhóm A (TCVN 1765- 75).18 Bảng 1.7 Thành phần hóa học của thép cacbon chất lượng thường phân nhóm B 19 Bảng 1.8 Thành phần hóa học và cơ tính của nhóm thép cacbon kết cấu 20 Bảng 1.9 So sánh tính chất của thép cacbon và thép hợp kim khi đem thấm cacbon.22 Bảng 1.10 So sánh thép làm khuôn dập nguội và thép làm khuôn dập nóng . 26 Bảng 1.11 Thành phần hóa học của nhóm thép cacbon dụng cụ (TCVN 1822 – 76).27 Bảng 1.12 Phân loại các mác thép dụng cụ theo tiêu chuẩn AISI-SAE 28 Bảng 1.13 Thành phần hóa học tiêu biểu của thép Hadfield .30 Bảng 1.14 Tính toán lượng Cr và Ni quy đổi của mác thép không rỉ 33 Bảng 1.15 Các mác gang xám và công dụng . 38 Bảng 1.16 Các mác gang dẻo và công dụng 39 Bảng 1.17 Các mác gang dẻo và công dụng . .41 Bảng 2.1 – Thành phần hỗn hợp đánh bóng thông dụng . . 47 Bảng 2.2 - Dung dịch tẩm thực thông dụng 48 4
7. THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết lập bộ 20 mẫu gang thép phục vụ môn thí nghiệm Vật liệu học. - Mã số: T2014 – 98 - Chủ nhiệm: Nguyễn Văn Thức - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM - Thời gian thực hiện: 01/2014 – 12/2014 2. Mục tiêu: Tạo bộ 20 mẫu gang thép đã chuẩn bị bề mặt để có thể đem nghiên cứu tổ chức tế vi. 3. Nội dung chính: Tìm kiếm mẫu, cắt, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát, chụp hình để làm dữ liệu. 4. Kết quả nghiên cứu: Tạo bộ 20 mẫu gang thép đã chuẩn bị bề mặt để có thể đem nghiên cứu tổ chức tế vi. 5. Sản phẩm: Bộ 20 mẫu gang thép, hình ảnh tổ chức kèm theo. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Giúp hỗ trợ môn học thí nghiệm vật liệu học. Ngày 28 tháng 11 năm 2014 Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) 5
8. INFORMATION OF RESEARCH RESULTS 1. General information: - Tittle: “building 20 iron, steel samples for materials experiment”. - Code number: T2014 – 98 - Author: Nguyen Van Thuc - Organization: HCMC University of Technology and Education - Date: 01/2014 – 12/2014 2. Purpose: Building 20 iron, steel samples for materials experiment. 3. Main content: Searching, cutting, polishing, etching, and observing, taking photograph. 4. Results: Building 20 iron, steel samples for materials experiment. 5. Product: 20 iron, steel samples. 6. Effectivity, delivery method of research results and application ability: Support for materials experiment. Nov, 28 ,2014 Head of Faculty Author 6
9. MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc: Nghiên cứu được tiến hành ở các trường đại học có trang bị các phòng thí nghiệm kim tương. Ờ Việt Nam có các trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, ĐH Bách Khoa TP.HCM, ĐH Bách Khoa Hà Nội. Nghiên cứu được tiến hành rộng rãi ở các trường có khoa Cơ khí hay Vật liệu trên thế giới, tiêu biểu là Đại học Cambrige. 2. Tính cấp thiết: Bổ sung mẫu ở phòng thí nghiệm Vật Liệu Học, phục vụ chương trình 150 tín chỉ. Mẫu ở phòng thí nghiệm bị mòn nhiều, sắp hết sử dụng được. 3. Mục tiêu: Tạo bộ 20 mẫu gang thép đã chuẩn bị bề mặt để có thể đem nghiên cứu tổ chức tế vi. 4. Cách tiếp cận: Tìm hiểu nhu cầu các loại mẫu của phòng thí nghiệm, từ đó tìm kiếm các mẫu phù hợp với chương trình giảng dạy của môn Vật liệu học. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Tìm kiếm mẫu phù hợp. Chuẩn bị mẫu: mài, đánh bóng, tẩm thực.Quan sát, chụp ảnh, lưu trữ. 6. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là các loại gang thép. Phạm vi nghiên cứu là các loại gang thép thông dụng. 7. Nội dung nghiên cứu: Tìm kiếm mẫu, cắt, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát, chụp hình để làm dữ liệu. 7
10. CHƢƠNG I : HỢP KIM FE-C Thép là hợp kim của Fe với C (C chiếm 0.02÷2.14 % trọng lượng, tùy loại thép). Thép là một trong những vật liệu thông dụng nhất, đóng vai trò quan trọng trong ngành cơ khí, giao thông vận tải, xây dựng. Chúng chiếm khoảng 90% tổng khối lượng kim loại sử dụng hằng năm trên thế giới. Năm 2014 cả thế giới sản xuất được hơn 1600 triệu tấn thép ( Tùy theo thành phần hóa học, thép được chia ra làm thép cacbon và thép hợp kim. 1. Hợp kim Fe-C: 1.1 Khái niệm thép : Thép là hợp kim trên cơ sở Fe với C. Tùy loại thép, cacbon chiếm 0.02÷2.14 % trọng lượng. Ngoài C ra, do quá trình nấu luyện, trong thép còn có một số tạp chất như Mn, Si, P, S ;các tạp chất ẩn như O2, H2, N2; các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, Ti, V, Mo, Mn và Si là những tạp chất có lợi, giúp nâng cao cơ tính thép. Chúng đi vào thép trong quá trình khử O2 khi luyện thép. Trong điều kiện thông thường của luyện kim, chúng có trong thép với lượng: Mn ≤ 0.8 %, Si ≤ 0.5%. Hình 1.1: Tháp Eiffel làm bằng thép P, S là những tạp chất có hại. P làm cho thép bị giòn nguội, còn S gây giòn nóng. Chúng tồn tại trong thép do có ở trong quặng và nhiên liệu khi luyện thép. Thông thường chúng có trong thép với lượng: P ≤ 0.05 %, S ≤ 0.05%. Thành phần hóa học của thép cacbon, ngoài Fe ra, là: C < 2%, Mn ≤ 0.8 %, Si ≤ 0.5%, P, S ≤ 0.05 %. 8
11. 1.2 Khái niệm thép hợp kim: Ngoài các nguyên tố Fe, C và các tạp chất Mn, Si, P, S, như thép cacbon, trong thép hợp kim người ta cố ý đưa vào một lượng nhất định các nguyên tố hợp kim vào, nhằm thay đổi tổ chức và tính chất của thép sao cho hợp với yêu cầu sử dụng. Các nguyên tố hợp kim thường dùng là: Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Ti , Cu Giới hạn để coi đó là nguyên tố hợp kim hay tạp chất là: Cr: 0.2-0.8% ; Ni: 0.2-0.6%; Mn: 0.8-1%; Si: 0.5-0.8%. W: 0.1-0.6%; Mo: 0.05-0.2%; V, Ti, Cu >0.1%. Lượng các tạp chất có hại như P, S và các khí như O2, H2, N2 trong thép hợp kim so với thép cacbon là thấp hơn nhiều do việc khử chúng triệt để hơn. 1.2.1 Mục đích hợp kim hóa : a. Về cơ tính: Độ bền của thép hợp kim cao hơn hẳn với thép cacbon, nhất là sau khi quá trình nhiệt luyện gồm tôi và ram. Do độ thấm tôi của thép hợp kim cao hơn nhiều so với thép cacbon, và thép hợp kim càng cao thì ưu việt này càng rõ. Cần lưu ý rằng: Ưu việt này chỉ thể hiện rõ khi thép hợp kim đã qua nhiệt luyện. Khi ở trạng thái chưa nhiệt luyện (ví dụ trạng thái ủ), cơ tính không cao hơn nhiều so với thép cacbon. Cùng với sự tăng mức độ hợp kim hóa, tính công nghệ (hàn, đúc, cán, rèn, dập, gia công cắt gọt ) sẽ xấu đi. Hình 1.2 Ảnh hƣởng của mức độ hợp kim hóa lên độ thấm tôi 9
12. b. Về tính chịu nhiệt: Thép hợp kim có tính cứng nóng và tính bền nóng tốt hơn hẳn so với thép cacbon. Độ cứng và độ bền của thép cacbon sau khi tôi khá cao, nhưng không giữ được ở nhiệt độ trên 200C. Do mactenxit bị phân hủy và xêmentit kết tụ, làm thép cacbon bị biến dạng và bị oxy hóa mạnh Các nguyên tố hợp kim đóng vai trò cản Hình 1.3: Dụng cụ cắt gọt và xupap trở sự phân hóa của mactenxit và sự kết tụ của làm bằng thép hợp kim chịu nhiệt cacbit. Chúng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn, vì thế thép hợp kim giữa được độ cứng cao của trạng thái tôi và tính chống dão tới 600C. Để đạt được tính chất này, thép cần được hợp kim hóa với lượng nguyên tố hợp kim tương đối cao. Ưu điểm này được ứng dụng trong thép dụng cụ và thép bền nóng. c. Về tính chất vật lý và hóa học: Thép cacbon bị gỉ trong không khí, bị ăn mòn trong các môi trường axít, bazơ, muối, Có thể tạo ra thép không rỉ, thép có từ tính cao, thép không có từ tính, thép đàn hồi đặc biệt, bằng cách hợp kim hóa thép với thành phần và lượng nguyên tố hợp kim chặt chẽ. Tóm lại, thép hợp kim là vật liệu không thể thiếu được trong chế tạo dụng cụ, thiết bị nhiệt, điện, công nghiệp hóa học Nó thường được làm các chi tiết quan trọng nhất trong điều kiện làm việc nặng. 10
13. Thép Hình 1.4 Giản đồ trạng thái Fe-C 2. PHÂN LOẠI: 2.1 Phân loại thép cacbon: có nhiều cách phân loại thép cacbon + Theo chất lƣợng: tùy theo chất lượng luyện kim, tức là theo mức độ đồng nhất về thành phần hóa học, tổ chức và tính chất của thép, đặc biệt là hàm lượng tạp chất có hại P, S, người ta chia ra: Thép có chất lượng thường có thể chứa tới 0.06% S và 0.07% P. Thép có chất lượng tốt S ≤ 0.04%, P ≤ 0.035 %. Thép có chất lượng cao S, P ≤ 0.025%. Thép có chất lượng đặc biệt cao S ≤ 0.015%, P ≤ 0.025 %. Chất lượng của thép do phương pháp luyện quy định. Thép cacbon có thể gồm 3 chất lượng đầu, thép hợp kim có thể gồm 3 chất lượng sau. 11
14. + Theo phƣơng pháp khử oxy: người ta chia ra làm thép sôi, thép lặng, thép nửa lặng. Thép sôi: là thép không được khử oxy triệt để do chỉ dùng Fero-Mn. Fero-Mn là chất khử không mạnh nên trong thép lỏng vẫn tồn tại FeO, nó tác dụng với C trong thép lỏng : FeO + C = Fe + CO ↑ Khí CO bay lên làm bề mặt thép lỏng như đang sôi. Khi rót khuôn, trong thỏi thép đúc vẫn còn khí CO tạo thành các bọt khí trong thỏi thép. Do có bọt khí và chứa ít Si (không dùng Fero-Si) nên thép sôi dẻo, dễ cán, dập sâu, rẻ tiền, khó hàn. Thép lặng: là thép được khử O2 triệt để bằng Fero-Mn, Fero-Si và Al. FeO còn rất ít nên ít khí CO bay lên, mặt thép lỏng phẳng lặng. Thỏi đúc thép lặng không có bọt khí nhưng lại có lõm co lớn. Thép lặng có tính chất ngược lại với thép sôi: đắt tiền do phải cắt bỏ phần lõm co, độ cứng cao hơn, dễ hàn do không có bọt khí. Hình 1.5 Thép lặng và thép sôi Thép nửa lặng: là trung gian giữa thép sôi và thép lặng, được khử O2 bằng Fero-Mn và Al. Bảng 1.1 Phân loại thép theo phƣơng pháp khử oxy Loại thép Phƣơng pháp khử O2 Tƣơng ứng với Thép sôi Fero-Mn Thép cacbon thấp. Thép nửa lặng Fero-Mn + Al Thép cacbon thấp, thép cacbon trung bình. Thép cacbon thấp, thép cacbon trung bình, Thép lặng Fero-Mn + Fero-Si + Al thép cacbon cao, thép hợp kim. + Theo công dụng: là cách phân loại thông dụng nhất. Thép cacbon chất lượng thường: chủ yếu dùng trong xây dựng và các công việc tương tự. Thép kết cấu: dùng để chế tạo các chi tiết máy. Thép dụng cụ: chủ yếu dùng làm các dụng cụ cắt gọt, đo lường 12
15. Thép có công dụng riêng. Thép cacbon Thép cán Thép có công Thép kết cấu Thép dụng cụ nóng dụng riêng Hình 1.6 Phân loại thép cacbon theo công dụng 2.2 Phân loại thép hợp kim: Thường phân loại thép hợp kim theo: tổ chức tế vi, nguyên tố hợp kim, tổng lượng các nguyên tó hợp kim hay thep công dụng. 2.2.1 Phân loại theo tổ chức tế vi: Thường phân loại thép hợp kim theo tổ chức ở trạng thái cân bằng và sau khi thường hóa. a. Ở trạng thái cân bằng: Sau khi ủ, thép có tổ chức cân bằng ổn định. Tùy lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim ta có các loại thép sau: Bảng 1.2 Phân loại các loại thép theo tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng STT Loại thép Tổ chức 1 Thép trước cùng tích Ferit và peclit. 2 Thép cùng tích Peclit (dạng tấm hoặc hạt). 3 Thép sau cùng tích Peclic và cacbit. Gồm cacbit và tổ chức lêđêburit. Do nguyên tố hợp kim hòa tan vào pha austenit làm giảm 4 Thép lêđêburit khả năng hòa tan của pha này với cacbon, nên tổ chức lêđêburit hình thành với lượng cacbon thấp hơn thép cacbon thông thường. Có thể gọi là gang lêđêburit. Tổ chức ferit. 5 Thép ferit Thép này chứa một lượng lớn các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng như Cr, Si và với lượng cacbon rất thấp. 13
16. Tổ chức austenit. 6 Thép austenit Tương tự như thép ferit, thép austenit chứa một lượng lớn các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng  như Ni, Mn Peclit- Ferit-Peclit Peclit tấm Ferit Austenit Xêmentit Hình 1.7 Tổ chức tế vi các loại thép b. Ở trạng thái thƣờng hóa (trạng thái cung cấp): Từ tổ chức của mẫu chuẩn  25 mm sau khi austenit hóa rồi làm nguội ngoài không khí tĩnh (thường hóa), ta có các loại thép sau: Bảng 1.3 Phân loại các loại thép theo tổ chức tế vi ở trạng thái thƣờng hóa Mức độ hợp Loại Tổ chức kim hóa Thép peclit Thấp Peclit (Xoocbit, Trustit). Do tính ổn định của austenit quá nguội thấp, đường cong chữ C chưa dịch chuyển mạnh sang phải. Thép Trung bình Mactenxit. mactenxit và cao Tính ổn định của austenit quá nguội lớn, đường cong chữ C (Thép tự tôi) dịch chuyển mạnh sang phải. Thép austenit Cao (Ni, Các nguyên tố mở rộng vùng  đồng thời hạ nhiệt độ Ms (nhiệt Mn ) độ chuyển biến  → Mactenxit) xuống dưới 0C, nên tổ chức ở nhiệt độ thường vẫn là austenit. 2.2.2 Phân loại theo nguyên tố hợp kim: Ta phân loại dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính của thép. 14
17. Ví dụ: thép chứa Cr gọi là thép Crôm, thép chứa Si gọi là thép silic, thép chứa Niken gọi là thép niken Cách phân loại này cho ta biết ngay tính chất của thép do hợp kim chính quyết định. Ví dụ như thép Ni có tính dẻo, dai cao 2.2.3 Phân loại thép tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim: Tùy theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim, ta có các loại thép theo bảng 1.7 sau: Bảng 1.4 Phân loại các loại thép hợp kim theo tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim Tổng lƣợng các nguyên tố hợp Loại Tổ chức kim Thép hợp kim thấp ≤ 2.5% Thường là peclit Thép hợp kim trung bình 2.5÷10% Peclit-mactenxit Thép hợp kim cao ≥ 10 % Mactenxit-austenit 2.2.4 Phân loại theo công dụng: là cách phân loại thông dụng nhất. Thép cán nóng thông dụng: dùng với số lượng lớn trong xây dựng và các công việc thông thường, không qua nhiệt luyện. Thép kết cấu: dùng để làm chi tiết máy và thường phải qua nhiệt luyện. Thép dụng cụ: dùng để làm dụng cụ như dụng cụ gia công cắt gọt, khuôn, dụng cụ đo phải qua nhiệt luyện. Thép hợp kim đặc biệt: là loại thép có tính chất cơ, lý, hóa đặc biệt như thép không rỉ, thép chịu mài mòn, thép từ tính cao 3. Nguyên lý hợp kim hóa thép: Nguyên tố hợp kim tồn tại ở trong thép dưới 2 dạng: hoặc là hòa tan vào trong sắt (Fe hoặc Feγ), hoặc tranh giành C với sắt để tạo cacbit. Sự có mặt của các nguyên tố hợp kim như Cr, Mn, Si, Ni, TI, Mo, W làm thay đổi động học chuyển pha và kiểu chuyển pha, làm xuất hiện các pha mới (các pha này không tồn tại trong thép cacbon), dẫn đến việc thay đổi trạng thái và tính chất của thép. 3.1 Sự hòa tan của nguyên tố hợp kim vào sắt: Quan sát giản đồ Fe-C, ta thấy hai pha rất quan trọng của thép là ferit (Fe , dung dịch rắn của kiểu mạng BCC) và austenit (Feγ , dung dịch rắn của kiểu mạng FCC). Tùy nguyên tố hợp kim, khi hòa tan vào Fe có thể thay thế Fe trong mạng Fe 15
18. hay mạng Feγ. Khi không hòa tan vào Fe, nguyên tố hợp kim có thể tranh giành cacbon với Fe tạo cacbit, hoặc có thể ngăn cản quá trình hình thành cabit tạo graphit, hoặc chui vào các lỗ hổng của mạng Fe hay mạng Feγ tạo các dung dịch rắn xen kẽ. Tác dụng của nguyên tố hợp kim: . Ổn định hóa austenit: một số nguyên tố như Ni, Mn, Cu, N, Pt khi hòa tan vào sắt sẽ mở rộng vùng ổn định của austenit (C, Cu, N), hoặc hạ thấp nhiệt độ chuyển biến   (hạ thấp điểm E như Mn, Ni ). Chúng gọi là các nguyên tố ổn định hóa austenit. Với Mn và Ni, khi hàm lượng đủ lớn sẽ làm thép có tổ chức  ngay ở nhiệt độ thường (thép austenit, khi đó điểm E thấp hơn nhiệt độ thường). Riêng Ni có thể hòa tan vô hạn vào Feγ. . Ổn định hóa ferit: nhóm nguyên tố thứ hai như C, Cr, W, Si, Mo, Ti có tác dụng ổn định hóa Fe hoặc nâng cao nhiệt độ chuyển biến   (nâng cao điểm E). . Tạo cacbit: nhiều nguyên tố không hòa tan vào trong mạng Fe hoặc mạng Feγ mà tranh giành cacbon với Fe để tạo pha cacbit hợp kim. Tùy thuộc vào khả năng tranh giành cacbon (ái lực hóa học của nguyên tố đó với Fe), ta có thể phân ra: o Nhóm tạo cacbit trung bình: Cr, Mn, W. o Nhóm tạo cacbit mạnh: Mo,V. o Nhóm tạo cacbit rất mạnh: Zr, Ti, Nb. . Graphit hóa: một số nguyến tố hòa tan vào Fe , làm cản trở quá trình hình thành xêmentit, thúc đẩy quá trình hình thành graphit. Chúng được gọi là các nguyên tố ổn định hóa graphit, ví dụ như: Si, Ni, Al, Cu, Co Trong đó Si là nguyên tố không thể thiếu, có trong gang (và cả thép graphit) để cùng với cacbon hình thành graphit (lượng C+Si ≥ 3.5%). 3.2 Ký hiệu thép hợp kim: Theo TCVN 1659-75, thép hợp kim được kí hiệu theo hệ thống số và chữ xen kẽ nhau. Số đầu tiên chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, tiếp theo là chữ của nguyên tố hợp kim và số 2 đứng sau nó chỉ lượng nguyên tố hợp kim trung bình theo phần trăm. Nếu lượng nguyên tố hợp kim nào nhỏ hơn 1.5% thì không ghi con số sau khí hiệu của nguyên tố đó. Thép chất lượng cao có ghi chữ A cuối cùng. Ví dụ: mác thép 18Cr2MnTi gồm 0.18% C, 2% Cr, một lượng ít hơn 1.5% của các nguyên tố Mn và Ti. 16
19. Bảng 1.5 Kí hiệu thép theo tiêu chuẩn SAE (Mỹ) Mác thép Loại thép Ghi chú 1xxx Thép cacbon -10xx, 15xx: thép cacbon thường -12xx: thép dễ cắt -13xx: thép mangan 2xxx Thép niken -23xx: 3.5% Ni -25xx: 5.0% Ni 3xxx Thép niken-crom -31xx: 1.25%Ni, 0.65%Cr -32xx: 1.25%Ni, 1.07%Cr -33xx: 3.50%Ni, 1.50%Cr -34xx: 3.00% Ni, 0.77% Cr 4xxx Thép molipđen -40xx: 0.25% Mo -41xx: 0.70% Cr, 0.20% Mo: dễ hàn, độ bền riêng cao, có thể thấm cacbon. -43xx: 1.82%Ni, 0.65%Cr, 0.25%Mo -44xx: 0.45%Mo 5xxx Thép crom -50xx: 0.5%Cr -51xx: 1.0%Cr -52xxx: 1.45% Cr, 1.00% Cmin 6xxx Thép crom-vanađi -61xx: 0.80%Cr, 0.12%V 7xxx Thép vonfram -72xx: 1.75%W, 0.75% Cr 8xxx Thép niken- crom-vanađi -81xx: 0.30% Ni, 0.40% Cr, Mo 0.12% -86xx: 0.55% Ni, 0.50% Cr, Mo 0.20% -87xx: 0.55% Ni, 0.50% Cr, Mo 0.25% 9xxx Thép silic-mangan -93xx: 3.25% Ni, 1.20% Cr, 0.12% Mo -94xx: 0.45% Ni, 0.40% Cr, 0.12% Mo -97xx: 0.55% Ni, 0.20% Cr, 0.20% Mo Chú ý: hai chữ x cuối chỉ lượng cacbon theo phần trăm, chữ x đầu chỉ phân nhóm nhỏ hơn. 4. Thép cacbon chất lƣợng thƣờng: 17
20. Thép loại này chiếm phần lớn khối lượng thép dùng trong thực tế và được cung cấp ở dạng cán nóng (tấm, thanh, dây, ống, thép I, U, V, ), và chủ yếu dùng làm kết cấu trong xây dựng nhà xưởng, cầu, cốt thép bê tông Đặc điểm của thép này là giới hạn bền và giới hạn chảy không cao (≤ 300 Mpa), nhưng độ dẻo phải cao để dễ biến dạng. Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được kí hiệu bằng chữ CT (C-cacbon, T- thép) với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2): CTxx. Chúng lại được chia ra làm 3 phân nhóm nhỏ: Phân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính mà không quy định về thành phần hóa học. Các mác thép này khi sử dụng không qua gia công nhiệt ( hàn, nhiệt luyện ) nên chúng giữ được cơ tính như theo tiêu chuẩn. Thường gặp các loại thép CT33, CT34, CT38, CT51, trong đó CT51 thường ở dạng thanh vằn làm cốt thép cho bêtông. Bảng 1.6 Cơ tính của thép cacbon chất lƣợng thƣờng phân nhóm A (TCVN 1765-75) Mác thép σb (Mpa) σ0.2 (Mpa) δ5(Mpa) CT31 ≥ 310 - 20 CT33 320 - 420 - 31 CT34 340 - 440 200 29 CT38 380 - 490 210 23 CT42 420 - 540 240 21 CT51( thép vằn) 500 - 640 260 17 CT61 ≥ 600 300 12 thép vằn thép chữ I, thép chữ V Hình 1.8: Các loại thép hình trong xây dựng 18
21. Phân nhóm B: chỉ quy định về thành phần hóa học mà không quy định về cơ tính. Kí hiệu BCTxx. Các mác thép này khi chế tạo không qua gia công nóng nên tổ chức và cơ tính ban đầu không tồn tại, và cần biết thành phần hóa học của chúng để xác định chế độ nhiệt luyện. Bảng 1.7 Thành phần hóa học (%) của thép cacbon chất lƣợng thƣờng phân nhóm B Si S P Mác thép C Mn Sôi Nửa lặng Lặng Không quá BCT31 ≤ 0.23 - - - - 0.06 0.06 BCT33 0.06 – 0.12 0.25 – 0.50 0.05 0.05 – 0.17 0.12 – 0.30 0.05 0.04 BCT34 0.09 – 0.15 0.25 – 0.50 0.05 0.05 – 0.17 0.12 – 0.30 0.05 0.04 BCT38 0.14 – 0.22 0.30 – 0.65 0.07 0.05 – 0.17 0.12 – 0.30 0.05 0.04 BCT42 0.18 – 0.27 0.40 – 0.70 0.07 0.05 – 0.17 0.12 – 0.30 0.05 0.04 BCT51 0.28 – 0.37 0.50 – 0.80 - 0.05 – 0.17 0.15 – 0.30 0.05 0.04 BCT61 0.38 – 0.49 0.50 – 0.80 - 0.05 – 0.17 0.15 – 0.35 0.05 0.04 Phân nhóm C: được quy định cả cơ tính và thành phần hóa học, cơ tính giống nhóm A , thành phần hóa học giống nhóm B, kí hiệu CCTxx. Các mác thép này chuyên dùng làm kết cấu hàn. 5. Thép kết cấu: Là loại thép chất lượng tốt, lượng tạp chất P, S thấp: P ≤ 0.035, S ≤ 0.04, chủ yếu được dùng làm các loại chi tiết máy như trục, bánh răng, thanh truyền và thường phải nhiệt luyện để đạt cơ tính tốt nhất. 5.1 Đặc điểm thép kết cấu: Tính chất: có tính công nghệ tốt ở trạng thái cung cấp và cơ tính tổng hợp tốt ở trạng thái làm việc. Thành phần cacbon: để đạt tính chất trên, thép kết cấu máy thường là loại thép có hàm lượng cacbon thấp và trung bình, chứa từ 0.1-0.6% C (trừ một vài loại thép đặc biệt). Nguyên tố hợp kim: do yêu cầu về tính chất như trên, thép kết cấu máy thường phải nhiệt luyện. Do đó các nguyên tố nâng cao độ thấm tôi là không thể thiếu. Nếu lượng hợp kim cao thì sẽ làm giảm tính công nghệ và tăng giá 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4