CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG – KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Kim loại và hợp kim là những vật liệu chủ yếu từ trước tới nay quyết định sự thành bại của sản xuất công nghiệp. Để hiểu rõ hơn về chúng cùng CAD/CAM Bach Khoa tìm hiểu qua bài viết sau.

I. Lời mở đầu

Kim loại và hợp kim của chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy. Tuy nhiên trong sản xuất cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp, đảm bảo chất lượng và kinh tế của sản phẩm. Muốn vậy phải nắm được các tính chất cơ bản của chúng.

II. Một số tính chất cơ bản của kim loại và hợp kim

2.1. Cơ tính

Cơ tính là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác dụng của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm:
a, Độ bền:
Độ bền là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực (Fmax) mà không bị phá hủy. Độ bền được ký hiệu ϭ (xích ma), tùy theo ngoại lực ta có các độ bền: độ bền kéo (ϭ_k); độ bền nén (ϭ_n); độ bền uốn (ϭ_u) ;… Giá trị độ bền kéo tính theo công thức (H 2.1.1):

Tại thời điểm khi P đạt đến giá trị nào đó có Fo bị đứt sẽ ứng với giới hạn bền kéo của vật đó. Tương tự ta sẽ có giới hạn bền nén và bền uốn.

b, Độ cứng:
Độ cứng là khả năng chống lún của vật liệu khi chịu tác dung của ngoại lực. Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đo càng kém. Độ cứng được đo bằng cách dùng tải trọng ấn viên bi bằng thép cứng hoặc mũi côn kim cương lên bề mặt của vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt đo. Có các loại độ cứng sau:
– Độ cứng Brinen
– Độ cứng Rôcoen
– Độ cứng Vicke

• Độ cứng Brinen: Dùng tải trọng P (đối với thép và gang P = 30D²) để ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện, có đường kính D (D = 10; 5; 0,25 mm) lên bề mặt vật liệu muốn thử (H 2.1.2.a) và được tính bằng công thức:
  HB = P/F (kG/mm²)
  Trong đó: F – Diện tích mặt cầu của vết lõm (mm²).
  Độ cứng Brinen dùng để đo vật liệu có độ cứng thấp (< 4500 N/mm²)

• Độ cứng Rôcoen: ( Hình 2.1.2.b) được xác định bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện, có đường kính D = 1,587 mm tức là 1/16″ (thang B) hoặc mũi côn mũi côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 120 độ (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử. Trong khi thử, số độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Độ cứng Rôcoen được ký hiệu khi dùng bi thép để thử vật liệu ít cứng; HRC và HRA khi dùng mũi côn kim cương để thử vật liệu có độ cứng cao (> 4500 N/mm²).

• Độ cứng Vicke: (HV) dùng mũi đo 1 hình chóp (góc vát 136 độ) bằng kim cương (H 2.1.2.c) dùng đo cho vật liệu mềm, vật liệu cứng và vật liệu có độ cứng nhờ lớp mỏng của bề mặt đã được thấm than, nitơ,…
  HV = 1,8544 P/d²
  Trong đó: d – đường kính chéo của vết lõm (mm); P – tải trọng (kg).

c, Tính dẻo:
Tính dẻo là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại và hợp kim khi chịu tác dụng của ngoại lực. Khi thử mẫu nó được thể hiện qua độ dãn dài tương đối là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu:

d, Độ dai va chạm (^a_k):
Có những chi tiết máy làm việc thường chịu các tải trọng tác dụng đột ngột ( tải trọng va đập). Khả năng chịu đựng các tải trọng đó mà không bị phá hủy vật liệu gọi là độ dai va chạm.

2.2. Lý tính

Lý tính là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không bị thay đổi. Nó được đặc trưng bởi: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính,…

2.3. Hóa tính

Hóa tính là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit,… mà không bị phá hủy.
a, Tính ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn các môi trường xung quanh.
b, Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao.
c, Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axit.

2.4. Tính công nghệ

Tính công nghệ là khả năng của kim loại và hợp kim cho phép gia công theo phương pháp nào là hợp lý. Chúng được đặc trưng bởi:
a, Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co, độ hòa tan khí và tính thiên tích. Độ chảy loãng càng cao thì càng dễ đúc; độ co, độ hòa tan khí và tính thên tích càng lớn thì càng khó đúc.
b, Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy. Thép dễ rèn vì có tính dẻo cao, gang không rèn được vì giòn, đồng và chì rất dễ rèn.
c, Tính hàn: là khả năng tạo sự liên kết giữa các chi tiết hàn. Thép dễ hàn; gang, nhôm, đồng khó hàn.

III. Thép

3.1. Thép Cácbon

A, Khái niệm chung về thép cácbon

Thép cácbon là hợp chất của Fe-C với hàm lượng cácbon nhỏ hơn 2,14%. Ngoài ra thép cácbon còn chứa một lượng tạp chất như Si, Mn, S, P,…
Cùng với sự tăng hàm lượng cácbon, độ cứng và độ bền tăng lên còn độ dẻo và độ dai lại giảm xuống. Si, Mn là những tạp chất có lợi còn S và P thì có hại vì gây nên giòn nóng và giòn nguội nên cần hạn chế < 0,03%.
Thép cácbon có cơ tính tổng hợp không cao, chỉ dùng trong xây dựng, chế tạo các chi tiết tải trọng nhỏ và vừa trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp.

B, Phân loại thép cácbon

Có nhiều cách phân loại thép cácbon nhưng cơ bản có một số cách như sau:
a, Phân loại theo hàm lượng cácbon
+ Thép cácbon thấp C < 0,25%.
+ Thép cácbon trung bình C = 0,25-0,5%.
+ Thép cácbon cao C > 0,50%.
b, Phân loại theo công dụng
+ Thép cácbon chất lượng thường: loại này cơ tính không cao, chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải trọng nhỏ. Thường dùng trong ngành xây dựng và giao thông. Nhóm thép thông dụng này hiện chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây, ống, thép hình: chữ U, L,…) Nhóm thép này có các mác thép sau:

Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu.
+ Thép cácbon kết cấu: là loại thép có hàng lượng tạp chất P, S rất nhỏ cụ thể: S < 0,04%, P < 0,035% tính năng hóa lý tốt thuận tiện, hàm lượng cácbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng. Theo TCVN 1766-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ C với con số chỉ lượng cácbon trung bình theo phần vạn. Ví dụ: thép C40 là thép cácbon kết cấu với lượng cácbon trung bình là 0,4%. Thép cácbon kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao như các loại trục, bánh răng, lò xo,… Loại này thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm với các mác thép sau: C08, C10, C15, C20, C30, C35, C45, C50, C55, C60, C65, C70, C80, C85.
+ Thép cácbon dụng cụ: là loại thép có hàm lượng cácbon cao (0,7-1,3%), có hàm lượng tạp chất P, S thấp (<0,025%). Thép cácbon dụng cụ tuy có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như đục, dũa hay các loại khuôn dập, các chi tiết cần độ cứng cao. Theo TCVN 1822-76, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CD với con số chỉ lượng cácbon theo phần vạn. Ví dụ CD70 là thép cácbon dụng cụ với 0,70% C. Loại thép này gồm các mác thép: CD70, CD80, CD90,…CD130.
+ Thép cácbon có công dụng riêng: Thép đường ray cần có độ bền và khả năng chịu mài mòn cao đó là thép cácbon có chất lượng cao có hàm lượng C và Mn cao (0,50-0,80% C, 0,60-1,0% Mn)…

3.2. Thép hợp kim

A, Khái niệm về thép hợp kim

Thép hợp kim mà loại thép ngoài sắt, cácbon và các tạp chất ra người ta còn cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép để hợp với yêu cầu sử dụng . Các nguyên tố thường gặp là: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Cu,… với hà, lượng như sau:

Trong thép hợp kim, lượng chứa tạp chất có hại như P, S và các khí ôxy, hyđrô, nitơ là rất thấp so với thép cácbon. Về cơ tính thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn với thép cácbon đặc biệt là sau khi nhiệt luyện. Về tính chịu nhiệt thì thép hợp kim giữ được độc cứng cao và tính chống dão tới 600 độ C ( trong khi thép cácbon chỉ 200 độ C), tính chống ôxy hóa tới 800-1000 độ C. Về các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt: thép cácbon bị gỉ trong không khí, bị ăn mòn mạnh trong các môi trường axit, bazơ, muối,… Nhờ hợp kim hóa mà có thể tạo ra thép không gỉ, thép có tính dãn nở và đàn hồi đặc biệt,…

B, Phân loại thép hợp kim

Có nhiều cách phân loại thép hợp kim nhưng đơn giản nhất là phân loại theo công dụng.
a, Thép hợp kim kết cấu
Trên cơ sở là thép cácbon kết cấu cho thêm các nguyên tố hợp kim
Thép hợp kim kết cấu có hàm lượng cácbon trong khoảng (0,1-0.85%) và lượng phần trăm nguyên tố hợp kim thấp. Thép này phải qua thấm than rồi nhiệt luyện cơ tính mới cao. Loại thép này dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn hoặc cần tính đàn hồi cao…
Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp: 15Cr, 20Cr, 40Cr, 20CrNi, 12Cr2Ni4, 35CrMnSi. Ký hiệu mác thép biểu thị chữ số đầu là hàm lượng cácbon tính theo phần vạn, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng của nguyên tố đó, chữ A là loại tốt. Ví dụ: thép 12Cr2Ni4A trong đó có 0,12% C, 2%C r, 4% Ni và là thép tốt.
b, Thép hợp kim dụng cụ
Là lọai thép dùng để chế tạo các lọai dụng cụ gia công kim loại và các loại vật liệu khác như gỗ, chất dẻo,…
Thép hợp kim dụng cụ cần độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao. Hàm lượng cácbon trong thép hợp kim dụng cụ cao từ 0,7-1,4%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, Si, W và Mn.
Thép hợp kim dụng cụ sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt 60-62 HCR. Có một số mác theo chuyên dùng như sau:

c, Thép hợp kim đặc biệt
Trong công nghiệp có rất nhiều chi tiết máy làm việc ở môi trường đặc biệt vì vậy chúng ta cần phải có những tính chất đặc biệt để đáp ứng yêu cầu của công việc.

IV. Gang

4.1. Khái niệm chung

Gang là hợp kim Fe-C, hàm lượng cácbon lớn hơn 2,14% và cao nhất cũng nhỏ hơn 6,67% C. Cũng như thép trong gang có chứa các tạp chất Si, Mn, P, S và các nguyên tố khác. Đặc tính chung của gang là cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc.

4.2. Phân loại gang

Bài viết này tới đây là kết thúc, hy vọng sẽ giúp ích cho quý bạn đọc. Ngoài ra các bạn có thể tìm kiếm thêm nhiều tài liệu liên quan theo đường link này.
Thân ái!