Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương IX: Vật liệu gang, thép

CHÖÔNG 9

VAÄT LIEÄU GANG,THEÙP

§ 8-1. ÑAÏI CÖÔNG

1. Ñònh nghóa kim loaïi.

 Theo ñònh nghóa coå ñieån maø cho ñeán nay vaãn coù nhieàu yù nghóa

thöïc tieán thì kim loaïi laø vaät theå saùng, deûo, coù theå reøn ñöôïc, coù

tính daãn nhieät, ñieän cao.

 Ñaây laø ñaëc ñieåm ñeå phaân bieät kim loaïi vaø aù kim.

2. Gang vaø theùp.

 Ngöôøi ta phaân caùc vaät lieäu kim loaïi ra laøm 2 nhoùm lôùn laø kim

loaïi ñeân vaø kim loaïi maøu.

 Caùc kim loaïi ñen ñöôïc söû duïng raát nhieàu (chieám 90% caùc vaät

lieäu kim loaïi) bao goàm saét vaø hôïp kim cuûa noù laø theùp vaø gang.

 Trong theùp, löôïng ngaäm cacbon  0,25% goïi laø theùp cacbon

thaáp. Loaïi naøy duøng raát roäng raõi trong xaây döïng nhö raàm caàu,

giaøn khung nhaø taàng, coát theùp trong beâ toâng v.v…

§ 8-2. SÖÏ CAÁU TAÏO TINH THEÅ, KEÁT CAÁU

CUÛA KIM LOAÏI VAØ HÔÏP KIM

1. Caáu taïo tinh theå cuûa kim loaïi.

 Kim loaïi raén laø do nhieàu haït keát tinh phaân boá theo caùc phöông

höôùng khaùc nhau lieân keát chaët cheõ thaønh moät khoái. Taát caû kim

loaïi vaø hôïp kim ôû traïng thaùi ñaëc ñeàu coù caáu taïo tinh theå, nghóa laø

caùc phaân töû ñöôïc coâng boá trong khoâng gian theo nhöõng vò trí xaùc

ñònh vaø coù quy luaät. Caáu taïo tinh theå coù theå bieåu dieãn döôùi daïng

maïng maø caùc nguyeân töû naèm ôû maét maïng

2. Söï keát tinh cuûa kim loaïi.

 Ñeå cho kim loaïi coù theå keát tinh ñöôïc phaûi laøm cho heä coù theå

nhieät ñoäng thuaän lôïi vaø keøm theo söï giaûm naêng löôïng töï do ñeán

moät giaù trò naøo ñoù, töùc laø giaûm nhieät ñoä cuûa chaát loûng ñeán moät

möùc ñoä nhaát ñònh.

 Söï keát tinh bao goàm 2 quaù trình cô baûn. Quaù trình thöù nhaát laø söï

naûy nôû trong kim loaïi loûng nhöõng haït maàm cöïc nhoû cuûa tinh theå

goïi laø trung taâm keát tinh. Quaù trình thöù hai laø söï phaùt trieån cuûa

caùc tinh theå töø caùc maàm ñoù. Khi keát tinh thì caû hai quaù trính naøy

ñeàu tieán haønh ñoàng thôøi cho ñeán khi naøo keát tinh xong hoaøn

toaøn.

3. Söï caáu taïo cuûa hôïp kim.

 Keát quaû nghieân cöùu ñaõ chöùng minh raèng cuøng moät loaïi vaät lieäu

kim loaïi, neáu xöû lyù nhieät vaø gia coâng cô hoïc khaùc nhau thì tính

naêng cuûa chuùng cuõng khaùc nhau, do caáu taïo beân trong chuùng ñaõ

thay ñoåi.

4. Hôïp kim saét - cacbon.

 Do nhieät ñoä vaø löôïng ngaäm cacbon khaùc nhau maø keát caáu keát

tinh cuûa hôïp kim saét-cacbon khaùc nhau. Trong ñieàu kieän bình

thöôøng, hôïp kim saét-cacbon ñöôïc phaân ra laøm 5 loaïi:

 OÂstenit laø dung dòch ñaëc cuûa cacbon trong saét  (kyù hieäu baèng

chöõ OÂ).

 Ferit laø dung dòch ñaëc cuûa cacbon trong saét  (kyù hieäu laø F).

 Xementit (Fe3C) ñoä cöùng lôùn (HB = 800) nhöng ñoä deûo raát keùm

(kyù hieäu laø Xe).

 Peclit laø hoãn hôïp cô hoïc giöõa ferit vaø xementit, Ñoä cöùng HB =

180 (kyù hieäu laø P).

 Leâdeâburit laø hoãn hôïp cô hoïc cuûa oâstenit vaø xementit. (kyù hieäu laø

Leâ).

III - THEÙP CACBON

 Trong taát caû caùc loaïi vaät lieäu maø ta söû duïng thì theùp (bao

goàm caû theùp cacbon vaø theùp hôïp kim) laø vaät lieäu coù cô

tính toång hôïp nhaát. Caùc vaät lieäu theùp giöõ vò trí raát quan

troïng trong neàn kinh teá quoác daân vaø quoác phoøng.

 Theùp cuûa cacbon laø loaïi theùp ñöôïc duøng nhieàu nhaát,

chieám 70-80% trong saûn löôïng theùp vaø kim loaïi maøu.

1. Thaønh phaàn hoùa hoïc.

 Moïi loaïi theùp, trong thaønh phaàn caáu taïo ngoaøi Fe ra coøn

coù moät löôïng caùc nguyeân toá sau:

C < 2 %

Mn  0,8 %

Si  0,5 %

P  0,05%

S  0,05%

§ 8-3. THAØNH PHAÀN GIANG THEÙP VAØ YEÂU

CAÀU VEÀ CHAÁT LÖÔÏNG

I. AÛNH HÖÔÛNG CUÛA CAÙC THAØNH PHAÀN HOÙA HOÏC ÑEÁN

TOÅ CHÖÙC VAØ TÍNH CHAÁT CUÛA GANG THEÙP

 Trong gang ngoaøi saét ra coøn coù nhieàu nguyeân toá khaùc, chuùng coù

aûnh höôûng ñeán caùc tính chaát cuûa gang treân moät möùc ñoä khaùc

nhau, trong ñoù cacbon coù taùc duïng roõ raøng nhaát.

II. PHAÂN LOAÏI GANG VAØ CAÙC TIEÂU CHUAÅN KYÕ THUAÄT

CUÛA GANG

 Caùc tính chaát cô hoïc cuûa gang noùi chung thaáp hôn theùp, nhöng reû

vaø gia coâng deã (ñuùc). Gang duøng ñeå cheá taïo caùc chi tieát phöùc taïp

coù hình daïng baát kyø.

 Caên cöù vaøo söï phaân hoùa cuûa cacbon, gang ñöôïc chia thaønh hai

nhoùm: gang traéng vaø gang xaùm. Gang xaùm duøng nhieàu trong

coâng ngheä cheá taïo maùy. Gang traéng duøng cheá taïo gang deûo

(gang neøn). Löôïng cacbon trong gang traéng töø 2-4,3% toå chöùc

goàm peclit, xementit vaø leâdeâburit.

2. AÛnh höôûng cuûa cacbon ñeán caùc tính chaát cô hoïc cuûa

theùp.

Cacbon coù aûnh höôûng lôùn ñeán caùc tính chaát cô hoïc cuûa theùp:

 Theùp cacbon thaáp (C < 0,3%) coù tính deûo cao, ñoä beàn thaáp

ñöôïc duøng laøm caùc chi tieát ñeå raäp, thaám cacbon .v.v…

 Theùp cacbon trung bình (C = 0,3 - 0,5%) coù tính toång hôïp

toát, ñöôïc duøng laøm caùc chi tieát maùy, truïc, baùnh raêng.

 Theùp coù thaønh phaàn cacbon töông ñoái cao (C = 0,55 - 0,7%)

coù ñoä cöùng cao vaø giôùi haïn ñaøn hoài cao nhaát, ñöôïc duøng laøm

loø xo, nhíp.

 Theùp cacbon cao (C > 0,7%) coù ñoä cöùng vaø khaû naêng choáng

maøi moøn raát cao, ñöôïc duøng laøm duïng cuï caét goït.

3. Caùc phöông phaùp phaân loaïi theùp cacbon.

Coù nhieàu caùch phaân loaïi khaùc nhau, maø moãi loaïi cho ta bieát

moät ñaëc tröng naøo ñoù cuûa vaät lieäu. Trong luyeän kim coù caùc

phöông phaùp phaân loaïi sau ñaây:

Phaân loaïi theo phöông phaùp luyeän.

 Trong loø chuyeån.

 Trong loø mac tanh Bazic (kieàm).

 Loø mac tanh axit.

 Trong loø ñieän.

Phaân loaïi theo phöông phaùp khöû oâxy

 Trong phöông phaùp khöû oâxy ngöôøi ta phaân theùp ra laøm maáy

loaïi theùp soâi, theùp laéng vaø theùp nöûa laéng

 Theùp soâi laø theùp khöû oâxy khoâng trieät ñeå, oâxy chæ ñöôïc khöû

baèng feromangan laø loaïi chaát khöû khoâng maïnh.

 Theùp laéng laø loaïi theùp ñöôïc khöû oâxy trieät ñeå baèng feârosilic

vaø nhoâm (2 loaïi sau cuøng laø caùc chaát khöû oâxy maïnh). Nhôø

vaäy trong theùp raát ít oâxy.

4. Caùc loaïi theùp cacbon.

Tieâu chuaån cuûa ta (TCVN 1765-75  1767-75) phaân loaïi theùp

cacbon nhö sau:

 Theùp cacbon keát caáu thoâng thöôøng.

 Theùp cacbon keát caáu chaát löôïng toát.

Tuøy theo yeâu caàu vaø coâng duïng, theùp naøy laïi ñöôïc chia ra 3

nhoùm: Nhoùm A, nhoùm B vaø nhoùm C. Kyù hieäu theùp:

 Chöõ CT bieåu thò loaïi "theùp cacbon thoâng thöôøng".

 Chæ soá ñöùng sau chæ giôùi haïn beàn toái thieåu khi keùo tính baèng

kg/mm2.

 Chöõ B vaø C ñöùng ñaàu maùc theùp chæ theùp thuoäc nhoùm B hay C.

Nhoùm A khoâng ghi.

 Chöõ in thöôøng ñaèng sau chæ ñoä beàn bieåu thò möùc ñoä khöû oâxy. S-

theùp soâi, n - theùp nöûa laéng, khoâng laø theùp laéng.

 Ñeå bieåu thò loaïi theùp, ñaèng sau chöõ kyù hieäu chæ möùc ñoä khöû oâxy

(s, n) coù theâm caùc chöõ soá 2,3,4 … laø theùp loaïi 1, ôû theùp laéng coù

theâm gaïch ngang ñaèng sau ñoä beàn keùo, ñeå phaân bieät vôùi soá chæ

loaïi theùp.

 Ñoái vôùi theùp nöûa laéng coù haøm löôïng mangan cao ôû sau chöõ taét

bieåu thò möùc ñoä khöû oâxy coù theâm chöõ Mc.

§ 8-4. XÖÛ LYÙ NHIEÄT THEÙP

I - UÛ VAØ THÖÔØNG HOÙA

1. Ñònh nghóa vaø muïc ñích.

 UÛ laø phöông phaùp nhieät luyeän trong ñoù theùp ñöôïc nung noùng

leân ñeán nhieät ñoä nhaát ñònh, giöõ nhieät ñoù moät thôøi gian, sau

ñoù laøm nguoäi chaäm.

 Thöôøng hoùa laø phöông phaùp nung noùng theùp leân ñeán traïng

thaùi hoaøn toaøn laø Oâstenit (cao hôn ñöôøng GSE), giöõ nhieät roài

sau ñoù laøm nguoäi trong khoâng khí tónh (300C/Sck) ñeå nhaän

ñöôïc toå chöùc cuõng laø peclit, nhöng caùc phaàn töû xeâmentit

trong ñoù mòn hôn, do vaäy coù ñoä beàn, ñoä cöùng cao hôn ñoâi

chuùt so vôùi traïng thaùi uû.

2. Caùc giai ñoaïn.

Hai phöông phaùp naøy ñeàu goàm 3 giai ñoaïn: nung noùng, giöõ

nhieät vaø laøm nguoäi.

II. Toâi

 Toâi theùp cuõng laø phöông phaùp nhieät luyeän, trong ñoù theùp

ñöôïc nung leân quaù nhieät ñoä tôùi haïn ñeå xuaát hieän toå chöùc

oâstenit roài giöõ nhieät moät thôøi gian sau ñoù laøm nguoäi ñoät ngoät

ñeå oâstenit khoâng kòp phaân hoùa thaønh hoãn hôïp ferit +

xementit maø thaønh mactenxit.

III. Ram

 Ram laø phöông phaùp gia nhieät theùp; theùp sau khi toâi ñeán

nhieät ñoä thích hôïp khoâng thaáp hôn ñöôøng Ac1.

 Sau khi toâi theùp coù toå chöùc goàm mactenxit vaø moät löôïng

oâstenit dö. Ñaëc tính cuûa toå chöùc naøy laø khoâng oån ñònh, coù ñoä

cöùng cao, gioøn vaø coù öùng suaát beân trong. Vôùi toå chöùc ñoù

theùp raát deã gaãy. Ram theùp nhaèm khaéc phuïc caùc nhöôïc ñieåm

ñoù vaø ñeå söû duïng cho nhöõng coâng vieäc thích hôïp.

§ 8-5. GIA COÂNG EÙP KEÙO THEÙP

I - GIA COÂNG NGUOÄI

 Gia coâng theùp ôû nhieät ñoä thöôøng nhaèm gaây bieán hình deûo ñeå

naâng cao tính chaát cô hoïc goïi laø gia coâng nguoäi. Gia coâng

nguoäi coù taùc duïng taêng cöôøng: cöôøng ñoä, ñieåm khuaát phuïc vaø

ñoä cöùng, nhöng laïi laøm giaûm ñoä deûo.

II - GIA COÂNG NOÙNG

 Gia coâng (reøn, caùn) noùng (bieán daïng noùng) laø hình thöùc laøm

kim loaïi bieán daïng ôû traïng thaùi noùng. Bieán daïng trong tröôøng

hôïp naøy khaùc bieán daïng nguoäi ôû choã bieán daïng deûo ñöôïc

thöïc hieän ôû nhieät ñoä cao hôn nhieät ñoä keát tinh laïi (khi gia

coâng). Nhö vaäy khoâng phaûi baát kyø söï bieán daïng naøo khi gia

coâng noùng cuõng ñeàu laø bieán daïng noùng.

 Coù 2 phöông phaùp laøm bieán daïng noùng (gia coâng noùng) laø

caùn vaø reøn.

 Caùn laø phöông phaùp gia nhieät vaø eùp qua maùy.

 Reøn laø phöông phaùp gia nhieät ñeán traïng thaùi deûo nhaát, duøng

buùa neùn thaønh caáu kieän coù hình daïng nhaát ñònh, coù theå reøn

baèng tay hay baèng maùy

§ 8-6. HIEÄN TÖÔÏNG AÊN MOØN THEÙP

I - KHAÙI NIEÄM

 Theùp cacbon vaø hôïp kim thoâng thöôøng ñeàu bò oâxy hoùa (gæ)

trong khoâng khí. Bò axit vaø bazô aên moøn, luùc ñoù beà maët cuûa

theùp bò caùc taùc duïng hoùa hoïc cuûa moâi tröôøng xung quanh

phaù huûy. Coù hai loaïi aên moøn: aên moøn hoùa hoïc vaø aên moøn

ñieän hoùa.

1. AÊn moøn hoùa hoïc.

 AÊn moøn hoùa hoïc laø phaù huûy theùp do nhöõng taùc duïng hoùa

hoïc tröïc tieáp cuûa moâi tröôøng xung quanh, khoâng coù phaùt

sinh doøng ñieän. Söï oâxy hoùa theùp khi nung noùng laø ví duï

ñieån hình veà söï aên moøn hoùa hoïc.

2. AÊn moøn ñieän hoùa.

 AÊn moøn ñieän hoùa laø hieän töôïng raát phoå bieán, xaûy ra trong

dung dòch ñieän ly vaø coù phaùt sinh doøng ñieän.

 Kim loaïi bò gæ, hoûng khi ñeå trong caùc moâi tröôøng khoâng khí,

nöôùc, axit, bazô, dung dòch muoái ñeàu do taùc ñoäng cuûa loaïi

aên moøn naøy.

II - SÖÏ AÊN MOØN THEÙP TRONG XAÂY DÖÏNG

 Theùp trong xaây döïng chuû yeáu laø bò aên moøn ñieän hoùa.

 Khi hai kim loaïi tieáp xuùc vôùi nhau roài cuøng tieáp xuùc vôùi

khoâng khí aåm, hoaëc nöôùc coù muoái hay khí CO2 seõ sinh ra

axit cacbonic (H2CO3) taïo thaønh dung dòch ñieän ly. Hai

kim loaïi ñoù seõ trôû thaønh 2 cöïc vaø moät caùc bò aên moøn.

 Trong dung dòch ñieän ly caùc ion OH- ñöôïc taïo ra, sau ñoù

hình thaønh Fe(OH)2.

O2 + 4e + 2H2O = 4OH (treân ñoàng)

Fe++ + 2OH = Fe(OH)2 (trong dung dòch)

Ñoàng thôøi Fe(OH)2 bò oâxy hoùa trong kg khí

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

 Fe(OH)3 daàn daàn bò maát nöôùc vaø bieán thaønh lôùp gæ, lôùp gæ

naøy maøu naâu ñen, xoáp, coù khaû naêng haáp thuï lôùn, laøm taêng

theâm toác ñoä aên moøn lôùp Fe beân trong.

III.BIEÄN PHAÙP BAÛO VEÄ VAØ CHOÁNG AÊN MOØN THEÙP

 Duøng theùp hôïp kim thaáp trong xaây döïng.

Trong theùp hôïp kim thaáp coù keàn, croâm, ñoàng. Veà maët keàn

vaø croâm hình thaønh moät lôùp maøng oâxit oån ñònh coù taùc duïng

choáng söï aên moøn khi tieáp xuùc hôi nöôùc vaø khoâng khí aåm.

 Caùch ly kim loaïi vôùi moâi tröôøng beân ngoaøi. Coù theå baèng

phöông phaùp sôn, maï hoaëc boâi daàu nhôøn.

 Coát theùp chöa duøng phaûi ñaët nôi cao raùo, traùnh möa naéng,

aåm.

 Ñoái vôùi beâ toâng coát theùp caàn chuù yù, ñeå baûo veä coát theùp coù

theå thöïc hieän caùc bieän phaùp sau:

 Beâ toâng phaûi ñaëc chaéc khoâng ñeå nöôùc ngaám.

 Taêng haøm löôïng xi maêng.

 Tyû leä toái thieåu vaø lôùp baûo veä phaûi ñuû daøy.

 Beâ toâng khoâng bò nöùt raïn maët ngoaøi, caàn phaûi xöû lyù nhöõng

veát nöùt roäng hôn 0,4mm.