Kim loại học - Phần 1: Đại cương về kim loại

Phần I Đại cương về kim loại 1.1 Kim loại là gì Hiện nay người ta đã biết hơn 100 nguyên tố hóa học gồm hai loại ;kim loại và ánh kim, trong đó kim loại chiếm tới ¾ . để phân biệt được hai loại này ta phải dựa vào hệ số nhiệt độ của điện trở : đối với kim loại hệ số này là dương (+), tức là khi tăng nhiệt độ ,điện trở xẽ tăng lên, đối với ánh kim hệ số này là âm (-) 1.1.1 Liên kết kim loại Là liên kết kim loại hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa ion dương kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể và các electron tự do di chuyển trong toàn bộ mạng lưới tinh thể kim loại  Ion dương kim loại Hút nhau Kim loại có những tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và ánh kim a) Tính dẻo: các lớp mạng tinh thể kim loại khi trượt lên nhau vẫn liên kết được với nhau nhờ lực hút tĩnh điện của các electron tự do với các cation kim loại. Những kim loại có tính dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Zn… b) Tính dẫn điện: nhờ các electron tự do có thể chuyển dời thành dòng có hướng dưới tác dụng của điện trường. Nói chung nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm. Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, tiếp sau là Cu, Au, Al, Fe… c) Tính dẫn nhiệt: nhờ sự chuyển động của các electron tự do mang năng lượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp của kim loại. Nói chung kim loại nào dẫn điện tốt thì dẫn nhiệt tốt d) Ánh kim: nhờ các electron tự do có khả năng phản xạ tốt ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy) 1.1.2 những tính chất vật lí chung của kim loại như trên chủ yếu do các electron tự do trong kim loại gây ra 3. Cấu tạo tinh thể của các kim loại Hầu hết các kim loại ở điều kiện thường đều tồn tại dưới dạng tinh thể (trừ Hg). Trong tinh thể kim loại, nguyên tử và ion kim loại nằm ở những nút của mạng tinh thể. Các electron hoá trị liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử và chuyển động tự do trong mạng tinh thể. Đa số các kim loại tồn tại dưới ba kiểu mạng tinh thể phổ biến sau : a) Mạng tinh thể lục phương Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chiếm 74%, còn lại 26% là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Be, Mg, Zn,... b) Mạng tinh thể lập phương tâm diện Các nguyên tử, ion kim loại nằm trên các đỉnh và tâm các mặt của hình lập phương. Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chiếm 74%, còn lại 26% là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Cu, Ag, Au, Al,... c) Mạng tinh thể lập phương tâm khối Các nguyên tử, ion dương kim loại nằm trên các đỉnh và tâm của hình lập phương. Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chỉ chiếm 68%, còn lại 32% là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Li, Na, K, V, Mo,... 1.1.3 Tính chất vật lí chung của kim loại 1. Tính dẻo Khác với phi kim, kim loại có tính dẻo : dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Vàng là kim loại có tính dẻo cao, có thể dát thành lá mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua. Kim loại có tính dẻo là vì các ion dương trong mạng tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không tách ra khỏi nhau nhờ những electron tự do chuyển động dính kết chúng với nhau. 2. Tính dẫn điện Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu dây kim loại, những electron tự do trong kim loại sẽ chuyển động thành dòng có hướng từ cực âm đến cực dương, tạo thành dòng điện. Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe,... Nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm do ở nhiệt độ cao, các ion dương dao động mạnh cản trở dòng electron chuyển động. 3. Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt của các kim loại cũng được giải thích bằng sự có mặt các electron tự do trong mạng tinh thể. Các electron trong vùng nhiệt độ cao có động năng lớn, chuyển động hỗn loạn và nhanh chóng sang vùng có nhiệt độ thấp hơn, truyền năng lượng cho các ion dương ở vùng này nên nhiệt lan truyền được từ vùng này đến vùng khác trong khối kim loại. Thường các kim loại dẫn điện tốt cũng dẫn nhiệt tốt. 4. ánh kim Các electron tự do trong tinh thể kim loại phản xạ hầu hết những tia sáng nhìn thấy được, do đó kim loại có vẻ sáng lấp lánh gọi là ánh kim 1.2 .1 Sắt các bon 1. Cac bon (C): Cacbon lµ nguyªn tè ¸ kim, cã hai d¹ng thï h×nh: GraphÝt (gang) vµ Kim c¬ng. ë ®iÒu kiÖn thêng Cacbon æn ®Þnh ë thÓ GraphÝt, cßn Kim c¬ng æn ®Þnh ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao. Trong hîp kim S¾t – Cacbon, Cacbon ë thÓ GraphÝt (G). GraphÝt cã kiÓu m¹ng lôc gi¸c; mÒm. Trong thiªn nhiªn phÇn lín Cacbon ë d¹ng v« ®Þnh h×nh (c¸c lo¹i than). 2. S¾t (Fe):S¾t lµ kim lo¹i, trong thiªn nhiªn S¾t cã trong c¸c lo¹i quÆng, ®Êt ®¸, cã kh¸ nhiÒu ë líp vá tr¸i ®Êt. S¾t vµ hîp kim cña S¾t ®ãng vai trß to lín trong sù tiÕn hãa vµ ph¸t triÓn cña lÞch sö loµi ngêi. S¾t tuy cã ®é bÒn, ®é cøng kh¸ cao song chưa ®¸p øng ®îc c¸c yªu cÇu cña kü thuËt. Trong kü thuËt thêng sö dông c¸c hîp kim cña s¾t, cã c¬ tÝnh cao h¬n, hÇu nh kh«ng dïng s¾t nguyªn chÊt. * C¬ tÝnh cña s¾t: - sb kÐo = 250 N/mm2 - sch = 120 N/mm2 - d = 50 % - Y = 85 % - HB = 80 KG/mm2 - ak = 3000 KJ/m2 * TÝnh thï h×nh cña s¾t: S¾t tån t¹i ë hai d¹ng: Fea vµ Feg - Fea cã kiÓu m¹ng lËp ph¬ng thÓ t©m; tån t¹i ë c¸c kho¶ng nhiÖt ®é : + Díi 9110 C + Tõ 13920 C ®Õn 15390 C Feg cã kiÓu m¹ng lËp ph¬ng diÖn t©m; tån t¹i ë c¸c kho¶ng nhiÖt ®é: Tõ 9110 C ®Õn 13920C. 1.2.2 C¸c t¬ng t¸c cña Fe - C S¾t vµ Cacbon t¬ng t¸c víi nhau theo hai c¸ch: - Cacbon hßa tan vµo s¾t t¹o thµnh dung dÞch r¾n Fe – C. Cacbon t¸c dông víi s¾t t¹o thµnh hîp chÊt hãa häc. + Dung dÞch r¾n Fe – C: Cacbon cã ®êng kÝnh nguyªn tö nhá h¬n S¾t nªn dung dÞch r¾n Fe – C lµ dung dÞch r¾n xen kÏ. Fea hßa tan: cã díi 0,02 ®Õn 0,1 %C. Feg hßa tan: cã díi 2,14 %C ThÐp vµ gang lµ hai hîp kim phæ biÕn cña Fe – C + Hîp chÊt hãa häc cña Fe víi C (Xementit:Fe3C) S¾t t¸c dông víi Cacbon t¹o thµnh 3 hîp chÊt: Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) vµ FeC (17,67%C) Tuy nhiªn, c¸c hîp kim cña Fe – C thêng chøa díi 5%Cacbon (thÐp vµ gang), nªn trong chóng chØ gÆp Fe3C + Hîp chÊt hãa häc cña Fe víi Cacbon(Xementit: Fe3C) Fe3C t¹o thµnh khi lîng Cacbon trong hîp kim lín h¬n giíi h¹n hßa tan cña nã trong S¾t. Fe3C lµ pha kh«ng æn ®Þnh, ë nhiÖt ®é cao sÏ bÞ ph©n hñy thµnh Fe vµ C. Fe3C rÊt dßn vµ cøng (kho¶ng 800 hb). 1.3. Giảng đồ trạng thái 1.3.1. Kh¸i niÖm - §Þnh nghÜa: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i lµ biÓu ®å chØ râ sù phô thuéc cña tr¹ng th¸i pha víi thµnh phÇn hãa häc cña hîp kim, gi÷a nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. C¸c hÖ hîp kim kh¸c nhau cã kiÓu gi¶n ®å tr¹ng th¸i kh¸c nhau vµ ®îc x¸c lËp chñ yÕu b»ng thùc nghiÖm. - C«ng dông: Tõ gi¶n ®å cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc nhiÖt ®é ch¶y, nhiÖt ®é chuyÓn biÕn pha cña hîp kim víi thµnh phÇn ®· cho khi nung ch¶y vµ khi lµm nguéi; tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc chÕ ®é nhiÖt khi ®óc, gia c«ng ¸p lùc vµ nhiÖt luyÖn. Chó ý: nhiÖt ®é chuyÓn biÕn vµ cÊu t¹o pha trªn gi¶n ®å chØ øng víi tr¹ng th¸i c©n b»ng. - C¸ch x©y dùng: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hÖ hîp kim ®îc x©y dùng b»ng thùc nghiÖm. Nguyªn t¾c chung ®Ó x©y dùng gi¶n ®å cña hÖ hîp kim lµ: dïng mét lîng lín c¸c mÉu víi c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau, b»ng c¸c ph¬ng ph¸p hãa nhiÖt luyÖn ®Ó x¸c ®Þnh c¸c tæ chøc h×nh thµnh ë tõng kho¶ng nhiÖt ®é. 1.3.2 noi dung giảng đồ 100%Fe3C 6,67%c A b c d f k l e g s p q n j h Láng ( L) Austenit (g) L + g L + Xe I L + α 6000c 10 60 20 30 40 50 70 80 90 0,8 1 2 3 4 5 6 4,3 2,14 α g + α α + g α α + Xe III α + P P Xe II + P Xe I + Le (P + Xe) Xe I + Le (g + Xe) g + Xe II + Le(g + Xe) g + Xe II P + Xe II + Le (P + Xe) 11470C 7270C 9110c 16000c 15390c 13920c Trªn gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe – C chØ tr×nh bµy ®Õn 6,67% C, øng víi hîp chÊt hãa häc Xementit Fe3C. * C¸c tæ chøc mét pha: +Xementit (Xe hoÆc Fe3C): N»m ë biªn bªn ph¶i (®êng DFKL) +Xementit I (Xe I): Lµ lo¹i kÕt tinh tõ hîp kim láng, t¹o thµnh trong hîp kim chøa nhiÒu h¬n 4,3%C (®êng CD). KÕt tinh trong kho¶ng tõ 16000C xuèng 11470C. Cã tæ chøc h¹t to. +Xementit II (Xe II): Lµ lo¹i ®îc kÕt tinh tõ dung dÞch r¾n Auxtenit, cã trong hîp kim chøa kho¶ng 0,8 ®Õn 4,3% C. Trong kho¶ng tõ 11470C xuèng 7270C. Cã tæ chøc h¹t nhá h¬n Xe I, thêng á d¹ng líi bao quanh h¹t Auxtenit ( ®êng ES). +Xementit III (Xe III):§îc t¹o thµnh tõ dung dÞch r¾n Pherit (F) khi lîng Cacbon gi¶m tõ 0,02%C xuèng 0,006%C, ë nhiÖt ®é díi 7270C. XeIII cã kÝch thíc h¹t nhác¹nh Pherit 1.3,3* C¸c tæ chøc mét pha: - Pherit ( F hoÆc α ): Lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña C trong Feα ( m¹ng K8 ) kh¶ n¨ng hßa tan cña Cacbon trong Feα rÊt nhá nªn cã thÓ coi Pherit lµ s¾t nguyªn chÊt trong hîp kim tinh khiÕt ( ®êng GSK ). Pherit rÊt dÎo, dai nhng khi hßa tan víi c¸c nguyªn tè kh¸c ( ®Æc biÖt lµ Mn, Si) th× ®é cøng t¨ng, ®é dÎo dai gi¶m. + Auxtenit ( As hoÆc γ): Lµ dung dÞch r¾n xen kÏ cña C trong Feγ ( m¹ng K12), kh¶ n¨ng hßa tan cña Cacbon trong Fe kh¸ lín. Trong hîp kim Fe – C, th«ng thêng As cã thÓ hßa tan c¸c nguyªn tè kim lo¹i kh¸c nh Cr, Ni, Mn, W b»ng c¸ch thay thÕ. As rÊt dÎo, dai; khi c¸c nguyªn tè kh¸c hßa tan, kh«ng nh÷ng lµm chuyÓn biÕn c¬ tÝnh mµ cßn lµm thay ®æi ®éng häc chuyÓn biÕn khi lµm nguéi, do vËy cã sù ¶nh hëng tíi nhiÖt luyÖn. + Peclit ( P hoÆc F + Xe ): Lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch cña F vµ Xe t¹o thµnh ë 7270C tõ dung dÞch r¾n Auxtenit chøa 0,8%C; P cã d¹ng tÊm hoÆc h¹t, cã ®é cøng vµ ®é bÒn cao, tÝnh dÎo dai h¬i thÊp. + Ledeburit ( Le hoÆc P + Xe hoÆc γ + Xe): Lµ hçn hîp c¬ häc cïng tinh, kÕt tinh tõ pha láng cã 4,3%C ë nhiÖt ®é 11470C, ban ®Çu gåm γ + Xe khi lµm nguéi qua 7270C t¹o thµnh Peclit. VËy Le lµ hîp kim c¬ häc cña P vµ Xe. Xementit chiÕm tû lÖ gÇn 2/3 nªn Ledeburit rÊt dßn vµ cøng (kho¶ng 600 HB). Phần II Các đặc trưng cơ tính thông thường Cơ tính của KL được biểu thị bằng các đặc trưng cơ học , chúng cho biết khả năng chịu tải trọng của kim loại trong các điều kiện khác nhau . phần lớn các đặc trưng cơ học được xác định trên các mẫu nhỏ đã được tiêu chuẩn hóa , tuy nó không phản ánh được hoàn toàn khả năng chịu lực của chi tiết song vẫn là cơ sở tin cậy của những suy doán tính toán khi thiết kế . cần nắm vững bản chất và ý nghĩa của đặc trưng cơ học thường gặp là độ bền, độ cứng , độ dài. 2.1 Độ bền tĩnh Độ bền là tập hợp các đăch trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải trọng cơ học tĩnh của vật liệu. chúng được xác định bằng úng suất của tải trọng gây ra cách đột biến về cơ học. tùy theo dạng của tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo ,nén ,uốn và xoắn. 2.2 độ dẻo Độ dẻo là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của vaath liêu khi bị phá hủy bằng tải trọng tĩnh , nó quyết định khả năng biến dạng dẻo , gia công áp lực. Người ta cũng xác định độ dẻo bằng hai chỉ tiêu trên mẫu khi thử độ biến tính Độ dài tương đối khi kéo đứt δ%=((L1-L0)/L0)100 trong đó L1 là chiều dài (quy ước ) của mẫu sau khi đứt L0 là chiều dài (quy ước ) ban đầu của mẫu . Độ thắt tương đối về tiết diện khi kéo đứt Ψ%=((F1-F0)/F0)100 F0 là tiết điện ban đầ của mẫu F1 là tiết diện ở phần cổ thắt của mẫu sau khi phá hủy 2.3 độ dai va đập Rất nhiều chi tiết làm việc bằng tỉa trọng đặt vào với tốc độ lớn , đột ngột hay nói cách khác là chịu va đập . như oto gặp phải trướng ngại vật , bị xóc hay bị thắng đột ngột . đành giá khả năng làm việc của chịu tải trọng động , như vậy với các thử va đập bằng cách uốn , tức độ dai va đập. Độ dai va đập là công tiêu phí để phá hủy một đơn vi diện tích tiết điện ngang được đo theo đơn vị kg.m/cm2 hay kj/m2. 2.4 độ bền mỏi Giới hạn của bền mỏi là chi tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết dưới tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo … Biện pháp nâng cao khả nâng cao giới hạn mỏi tạo lên trên bề mặt lướp ứng suất nén dư . vết nứt mỏi thường suất hiện trên bề mặt do ứng suất kéo tại đó là lớn nhất . nếu ỏ đó có ứng suất nén dư (có sẵn ) thì ứng suất kéo tác duungj thực tế xẽ giảm đi , nhờ đó xẽ hạn trế được vêt nứt nâng cao độ bền tức là tăng khả năng cản trượt do dó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên , nhờ đó cũng nâng cao được giới hạn mỏi. tạo cho bề mặt độ bóng cao , không có rãnh ,lỗ ,tránh tiết điện thay đổi độ ngột. 2.4 độ cứng Các chỉ tiêu cơ tính kể trên tuy là cơ sở để tính toán , thiết kế chi tiết máy và công cụ ,nhưng co nhược điểm phải chế tạo mẫu mã phức tạp , tốn nhiều thời gian , không thể thử ngay trên sản phẩm. cách thử độ cứng xẽ tránh được các nhược điểm này. a , khái niệm về độ cứng nguyên lý trung của phương pháp thử độ cứng là ép , ấn một tải trọng nhất đị lên bề mặt kim loại thông qua mũi đâm, nhườ đó xẽ để lại một vết lõm càng lớn , càng sâu, độ cứng càng thấp . “ vậy độ cừng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ bên ngoiaf thông qua moi đâm” Trong thực tế thử cơ tính kim loại , độ cứng là phương pháp có ý nghĩa thực tế và đươc áp dụng rộng rãi nhất và các lý do sau đây: nhanh chóng, chỉ cần vài giây đến môt phút không pha hủy mẫu va có thể tieena hành ngay trên sản phẩm đặc trưng được rất nhiều tính chát làm việc và công nghe của vật liệu như + tính chống mài mòn : độ cứng càng cao các tính chống mài mòn càng cao. Co thẻ nói tính chống mài mòn phu thuộc và độ cứng . dao cắt vòng bi và các chi tiết khác chịu mài mòn cần độ cứng (>60HRC) +khả năn gia công cắt của phôi : thông thường phôi có độ cứng thấp thig dễ cắt gọt , nhưng khi quá thấp thương khó vì quá dẻo ,phoi khó gẫy . +Khả năng chiu áp lực lượng cục bộ + khả năng mài bóng , độ cứng càng cao càng dễ mài bóng +trong phạm vi nhất định giới hạn bền tỉ lệ bậc nhất đối với độ cứng . 2.4.1 dộ cứng brinen HB - Xác định độ cứng Brinen bằng cách ấn một tải trọng F xác định lên bề mặt phẳng vật liệu qua viên bi cứng có đường kính D, sau khi thôi tác dụng, tải trọng để lại trên bề mặt vết lõm với đường kính d . Số đo độ cứng Brinen được xác định bằng tỷ số của tải trọng F với diện tích mặt lõm có dạng chỏm cầu S, có thứ nguyên như của ứng suất, kG/mm2. Đối với thép, gang dùng bi có D = 10mm, F = 3000kG, thời gian giữ tải trọng 15s (với các vật liệu khác có quy định khác) được coi là điều kiện tiêu chuẩn, ký hiệu bằng HB (ví dụ HB 229). Khi đo ở các điều kiện khác bắt buộc phải ghi rõ các số chỉ lần lượt các điều kiện trên, ví dụ HB5/750/20 229 là giá trị độ cứng 229kG/mm2 đo bằng bi 5mm, tải 750kG, giữ lâu 20s. Hiện vẫn chưa có quy định dùng đơn vị MPa cho HB, nếu muốn dùng đơn vị này phải ghi rõ, ví dụ HB 2290 MPa. - Ưu điểm lớn nhất của giá trị HB là giữa nó với có quan hệ bậc nhất với nhau nên có thể không cần thử kéo vẫn có thể đoán được giới hạn bền, mối quan hệ đó ở một số kim loại như sau: + Thép cán (trừ không gỉ, bền nóng) ≈ 0,34 HB, + Thép đúc ≈ (0,3 - 0,4) HB, + Gang xám ≈ (HB-60)/6 , + Đồng, latong, brong ở trạng thái biến cứng ≈ 0,40 HB, ....- Nhược điểm: + Không thể đo các vật liệu có độ cứng > HB 450 (vì bi chỉ làm bằng thép được tôi cứng, lúc đó chính bi cũng bị méo, làm sai kết quả đo, chỉ dùng để đo độ cứng các vật liệu có độ cứng thấp và trung bình, + Mẫu đo phải có mặt bằng phẳng và đủ dày, do vết lõm khá to nên thường không đo trên thành phẩm, + Không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong),+ Tương đối chậm vì quy trình hơi dài : phải giữ tải trọng vài chục giây, đo đường kính vết lõm bằng lúp sau đó tra bảng tính mới ra kết quả. 2.4.2 Độ cứng Rôcoen: được xác định bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng ép đã nhiệt luyện, có đường kính D = 1,587 mm tức là 1/16” (thang B) hoặc mủi côn bằng kim ương có góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử. Trong khi thử, số độ cứng ược chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Độ cứng Rôcoen được ký hiệu HRB khi dùng bi thép để thử vật liệu ít cứng; HRC và HRA khi dùng mủi côn kim cương thử vật liệu có độ cứng cao (>4500 N/mm2) 2.4.3 Độ cứng Vicke (HV) : dùng mũi đo 1 (hình chóp góc vát α = 1360) bằng kim cương 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, thấm nitơ.v.v... HV=1,8544p/d^2 , . Trong đó d - đường chéo của vết lõm (mm); P- tải trọng (kg). 2.4.4 Phương pháp đo độ cứng Rockwell: là phương pháp đo độ cứng bằng cách tác động làm lõm vật thử với một đầu thử kim cương hình nón hoặc bi thép cứng. Quy trình đo cơ bản như sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với một lực tối thiểu, thường là 10kgf. Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định. Tiếp đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, người ta tác động thêm một lực tối đa. Khi đạt được độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhưng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban đầu. Khi lực tối đa được thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử sẽ được phục hồi một phần. Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) được sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell.Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, ... tuỳ thuộc vào loại và kích thước đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng.* HRA . . . . carbides, thép tôi cứng bề mặt* HRB . . . . Phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm...* HRC . . . . Thép, gang cứng , thép tôi hoặc các vật liệu cứng hơn 100 HRB* HRD . . . . Thép mỏng, gang mềm* HRE . . . . Gang, nhôm , kim loại ổ bi* HRF . . . . Kim loại tấm có chiều dầy mỏng* HRG . . . . Đồng phốtpho, beryllium copper,Thiếc, chì ...* HRK . . . . }* HRL . . . . }* HRM . . . .} . . . . Kim loại ổ bi mềm, nhựa, các vật liệu cực mỏng* HRP . . . . }* HRR . . . . }* HRS . . . . }* HRV . . . . }Ví dụ như thép tôi được thử ở thang đo C với đầu thử kim cương và lực tác động tối đa 150kg sẽ nẵm trong khoảng RC 20 tới RC 70. Với các vật liệu mềm hơn được thử ở thang đo B bi thử đk 1/16 inch và lực thử tối đa 100 kg, kết quả đo trong phạm vi RB 0 tới RB100. Thang đo A (với đầu thử kim cương và lực thử tối đa 60kg) thường dùng dải phạm vi vật liệu đồng nhiệt luyện tới carbide.Kiểm tra độ cứng theo phương pháp Rockwell cho kết quả nhanh và chính xác. Vết lõm bằng phương pháp thử này thương nhỏ, do đó chi tiết sau nhiệt luyện có thể thử độ cứng bằng phương pháp này mà không bị hư hại.Các thiết bị đo độ cứng Rockwell có công suất phát lực thử tới 103N (100kg) có khả năng tạo một điểm lõm trên các vật liệu thử. Các thiết bị đo hiện đại có thể sử dụng các công nghệ điện tự và tự động để tối ưu tính năng. Người sử dụng cũng có thể sử dụng kính hiển vi để định vị đầu đo kim cương cực nhỏ để xung lực chỉ vài N để đo độ cứng của một hạt kim loại. Đây còn được biết đến như các phép thử độ cứng tế vi (micro harness). HR= N- h/s N: hằng số phụ thuộc vào các pp đo rockwell khác nhauh: độ sâu vết lõm tính theo mms: giá trị độ chia tính theo mm ( Rockwell thông thường là 0,002. rockell bề mặt là 0,001) Phần III NHIỆT LUYỆN THÉP 3.1.1. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó tính chất theo yêu cầu. Đặc điểm: - Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép - Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất. 3. 1.2. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện . Sơ đồ của quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất Ba thông số quan trọng nhất - Nhiệt độ nung nóng: - Thời gian giữ nhiệt: - Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt Các chỉ tiêu đánh giá kết quả: + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền...là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất. + Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai. + Độ cong vênh, biến dạng. 3.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép 1. Nhiệt luyện: thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tính chất gồm nhiều phương pháp: ủ, thường hoá, tôi, ram. 2. Hóa - nhiệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt rồi nhiệt luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tính chất của vật liệu: Thấm đơn hoặc đa nguyên tố: C,N,.. 3. Cơ - nhiệt luyện: là biến dạng dẻo thép ở trạng thái sau đó tôi và ram để nhận được tổ chức M nhỏ mịn có cơ tính tổng hợp cao nhất, thường ở xưởng cán nóng thép, luyện kim 3.2 nhiêt luyện trong nhà máy cơ khí Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì vậy có thể nói nhiệt luyện là khâu quan trọng không thể thiếu được đối với chế tạo cơ khí và là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí.Nhiệt luyện có ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí. Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều. Đối với các nước công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ ngành chế tạo cơ khí phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, bởi vì dù gia công cơ khí chính xác nhưng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi thọ của chi tiết cũng không cao và mức độ chính xác của máy móc không còn giữ được theo yêu cầu.Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý nghĩa kinh tế rất lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu của công trình, máy móc thiết bị…) mà còn là thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia.Các tác dụng chủ yếu của Nhiệt luyện:1/ Tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai và độ bền của vật liệuMục tiêu của SX cơ khí là SX ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khoẻ hơn với các tính năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể không sử dụng thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính.Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi + ram, tôi bề mặt, thấm cacbon - nitơ,…độ bền và độ cứng của vật có thể tăng lên từ ba đến sáu lần (thép chẳng hạn), nhờ đó có thể dẫn tới rất nhiều điều có lợi như sau:-Tuổi bền (thời gian làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao không gãy vỡ (do nâng cao độ bền). Trong nhiều trường hợp máy hỏng còn là do bị ăn mòn quá mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn cũng có tác dụng này.-Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại (hạ giá thành), năng lượng (nhiên liệu) khi vận hành.- Tăng sức chịu tải của máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu biển…) và kết cấu (cầu, nhà, xưởng…), điều này dẫn tới các hiệu quả kinh tế - kĩ thuật lớn.Phần lớn các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp, bánh răng truyền lực với tốc độ nhanh, chốt…đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ đo và các dụng cụ biến dạng (khuôn) đều phải qua nhiệt luyện tôi + ram hoặc hoá nhiệt luyện. Chúng thường được tiến hành gần như là sau cùng, nhằm tạo cho chi tiết, dụng cụ cơ tính thích hợp với điều kiện làm việc và được gọi là nhiệt luyện kết thúc (thường tiến hành trên sản phẩm).Như thường thấy, chất lượng của máy, thiết bị cũng như phụ tùng thay thế phụ thuộc rất nhiều vào cách sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng. Những máy làm việc tốt không thể không sử dụng vật liệu tốt (một cách hợp lý, đúng chỗ) và nhiệt luyện bảo đảm.2/ Cải thiện tính công nghệ (rèn, dập, gia công cắt, tính chịu mài, tính hàn…), từ tính, điện tính…Muốn tạo thành chi tiết máy, vật liệu ban đầu phải qua nhiều khâu, nguyên công gia công cơ khí: rèn, dập, cắt…Để đảm bảo sản xuất dễ dàng với năng suất lao động cao, chi phí thấp vật liệu phải có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy cũng phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợp (ủ hoặc thường hoá như với thép). Ví dụ, sau khi biến dạng (đặc biệt là kéo nguội) thép bị biến cứng đến mức không thể cắt gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa đi ủ hoặc thường hoá để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo. Sau khi xử lý như vậy thép trở nên dễ gia công tiếp theo.Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích như vậy được gọi là nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ khí (thường tiến hành trên phôi).Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp, không những đảm bảo khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết, dụng cụ bằng thép mà còn đễ dàng cho quá trình gia công.3/ Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khíỞ các nhà máy cơ khí với quy mô nhỏ và trung bình, bộ phận nhiệt luyện không lớn và thường đặt tập trung. Sau khi nhiệt luyện sơ bộ, từ đây phôi thép được chuyển tới các phân xưởng cắt gọt, dập và sau khi nhiệt luyện kết thúc các chi tiết máy quan trọng (cần cứng và bền cao) được đưa qua mài hay thẳng đến lắp ráp. Cách sắp xếp như vậy có nhiều nhược điểm, song không thể khác vì sản lượng thấp. Ở các nhà máy cơ khí có quy mô lớn và rất lớn, các chi tiết máy được gia công hoàn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối trên dây chuyền cơ khí hoá hoặc tự động hoá trog đó bao gồm cả nguyên công nhiệt luyện. Do vậy nguyên công nhiệt luyện ở đây cũng phải được cơ khí hoá thậm chí tự động hoá và phải chống nóng, độc để không có ảnh hưởng xấu đến bản thân người làm nhiệt luyện cũng như cả dây chuyền sản xuất cơ khí. Cách sắp xếp chuyên môn hoá cao như vậy đảm bảo chất lượng sản phẩm và lựa chọn phương án tiế