1

Chương 5. THÉP & HỢP KIM ĐẶC BIỆT

5.1. Thép không gỉ

Đặc điểm: là loại thép có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường có tính ăn mòn mạnh như: axit, bazơ……….

2

1. Khái niệm :

Thép C và HK thường bị gỉ trong không khí và hoá chất

Thép không gỉ không trong gỉ trong không khí, có tính chống ăm

mòn cao trong môi trường ăn mòn chia ra 3 cấp:

không gỉ hoàn toàn; không gỉ; bị gỉ

Dựa vào một trong hai chỉ tiêu đánh giá:

- tổn thất khối lượng kim loại (mg/dm2)

- tốc độ thâm nhập (mm/năm)

Các loại vật liệu Mức độ bền ăn mòn của vật liệu

1. Độ bền ăn mòn cao: tốc độ thâm nhập < 0,125 mm/năm

2. Độ bền ăn mòn trung bình: tốc độ thâm nhập ~ 0,125-1,25mm/năm

3. Độ bền ăn mòn kém: tốc độ thâm nhập > 1,125mm/năm

3

2. Ăn mòn kim loại:

là sự phá huỷ kim loại do tác dụng điện hoá hay hoá học

Ăn mòn phổ biến là ăn mòn điện hoá: xảy ra trong dung

dịch điện ly và phát sinh dòng điện.

Nguyên lý ăn mòn:

Khi tiếp xúc với dung dịch điện ly →KL tạo thành ion chuyển

vào dung dịch, để lại điện tử thừa cho KL→tạo thành lớp điện

tích kép→điện thế điện cực (đtđc)

Nhúng 2 KL có đtđc khác nhau vào cùng 1 dung dịch và nối

với nhau bằng dây dẫn→pin ăn mòn: KL nào có đtđc âm

hơn→bị ăn mòn

Nguyên nhân ăn mòn của thép?

Trong không khí trên bề mặt thép màng

nước hòa tan CO2, SO2, H2S dung dịch điện

ly

Thép ( các bon) thường có 2 pha: F+ Xe

tạo ra pin ăn mòn( F có đtđc âm hơn. Lượng Xe

càng nhiềucàng nhiều cặp pin ăn mòn mạnh

2

5

Ferrit

Xêmetit

Màng thụ động Cr2O3 xít chặt;

Lớp oxyt sắt;

6

2 nguyên lý của thép không gỉ:

Làm cho thép có tổ chức 1 pha F hoặc loại trừ pin tế vi;

thường là ( hoà tan nhiều C) , F ít C khó

Nâng cao F các bít dòng ăn mòn nhỏ

Thép không gỉ có đặc điểm:

Thành phần C thấp ít các bít

Thành phần Cr và HK cao ( Cr>12,5% và Ni,Mn...) 1 pha

7

3. Các loại thép không gỉ

Giản đồ Shaeffler:Dư báo tô chức của thép KG ở trạngthái: Nóng chảy nguội KK (mẫu nho) Hoặc As hóa nguội trong nước (tôi) –giư lại tô chức của thép ở T cao

Crtđ=%C+%Mo+1,5.%Si+0,5.%Nb

Nitđ= %Ni+30%.C+0,5.%Mn

Thép không gỉ 1 pha:

-Ferit

-Austenit

-Mactenxit

Thép không gỉ 2 pha:

-F+M

-M+As

-F+As

Thép không gỉ 3 pha (ít dùng)

8

Thành phần hóa học của một số thép không gỉ

3

9

Thép không gỉ mactenxit: %Cr: 12-17%

Khi %Cr ở giới hạn dưới thì %C0,4 tránh tạo nhiều cacbitnghèo

Cr ở nền giảm khả năng bền ă.m.

Tổ chức: F ( hoà tan Cr cao) + Các bít Cr (hai pha)

+ khi F hoà tan đến 12,5% Cr F từ giá trị tăng vọt 0,2v (Xe)

thép 13% Cr chống ăn mòn

Các mác thép: 12Cr13; 20Cr13; 30Cr13; 40Cr13

Nếu tăng %Cr đến 17% C: 0,9-1,1% tăng bền (cứng), khả

năng bền ăn mòn đảm bảo (440B –Mỹ)

Nhiệt luyện:

Austenit hóa: 950-11000C hòa tan cacbit Cr

Tôi trong dầu hay không khí

Tránh giòn ram II ở 350-5750C (nếu không phải làm nguội trong

dầu) do tạo thành Cr23C6 và giảm bền ăm. 10

Do tác dụng của Cr cao: điểm cùng tích 0,3% C

Vng (trong không khí) > Vth thép M

12Cr13; 20Cr13 (403 và 420 của Mỹ) : thép tct dẻo dai,

chịu BD, hàn được

Ứng dụng: làm chi tiết chịu ăn mòn và làm việc ở T0cao như

tua bin hơi (<4500C); đồ trang sức, ốc vít…

30Cr13; 40Cr13 (420,440-Mỹ): thép ct và sct bền, cứng

dẻo dai kém, không BD và hàn được

chi tiết cần đàn hồi: dao mổ, lò so chịu ăn mòn, supap xả, ổ

bi chịu ăm…

Có khả năng chống ăm kém nhất trong các nhóm: có 2 pha

(khi không NL)

%Cr 12,5-13% vừa đủ tạo lớp thụ động ở BM, nhưng nằm

một phần trong cacbit nên giảm thụ động BM.

11

Thép không gỉ ferit: có 3 loại

Đặc điểm chung:

đh cao thép As, biến dạng dẻo kém hơn

Độ bền chống ăm cao, tốt nhất ở trạng thái ủ

Hạn chế ăm lỗ khi %Cr>20+2%Mo dùng trong môi trường axit, nước biển

Nhóm chứa 13%Cr; <0,08%C (405-Mỹ)

0,2%Alvùng mở rộng, ngăn cản tạo khi nung dễ hàndùng nhiều trong CN dầu mỏ

Nhóm chứa đến 17%Cr –mác 12Cr17 (430-Mỹ)

được dùng nhiều: thay thế thép KG austenit do rẻ (không có Ni) trong CN SX axit HNO3, hóa thực phẩm, kiến trúc.

nhược điểm: khó hàn, T>9500C vùng gần mối hàn bị giòn do ăm. tinh giới

khắc phục: hạ thấp %C và HKH 0,8%Ti (mác 08Cr17Ti)

Nhóm chứa 20-30%Cr –mác 15Cr25Ti (446-Mỹ)

Chống OXH tốt(>800-9000C)12

Thép không gỉ austenit (1 pha )

%Cr= 18%; Ni =9-10% có tổ chức 1 pha

Các mác thép: 12Cr18Ni9Ti; 12Cr18Ni9; 17Cr18Ni9

(301; 304; 316-Mỹ)

Đặc điểm:

tính chống ăn mòn cao (hơn 2 pha): nước biển,

VD: trong môi trường a xít : HNO3 mọi nồng độ , mọi nhiệt độ

H2SO4 mọi nồng độ ,nhiệt độ phòng

Tôi để nhân được tổ chức 1 pha ( loại trừ các bít)

Dẻo dai cao (=45-60%), chịu BD, hàn được ở trạng thái nguội

bình, ống

Không bị giòn ngay cả khi lớn hạt, không có T biến giòn dùng ở T

thấp (bình hóa lỏng khí…)

4

13

Hóa bền biến dạng tốt:

- Trước BD dẻo: b=750MPa; 0,2=250MPa

- Sau BD dẻo: b=1000MPa; 0,2=750MPa

- Do AsM: sau mỗi lần BD phải ủ

được dùng đến 70% tổng lượng thép KG (Mỹ)

đáp ứng y/c chịu tải của TB hóa học

Nhược điểm :

Đắt (thay thế một phần Ni bằng Mn rẻ hơn, nhưng dùngtrong môi trường ăm yếu hơn)

Khó gia công do quá dẻo

Bị ăn mòn tinh giới khi làm việc lâu ở T0= 400-800

( hoặc phần chi tiết đã qua hàn hay nung nóng làm việctrong môi trường ăn mòn bị ăn mòn)

14

Nguyên nhân:

T0= 400-800 các bít Cr tiết ra ở biên giới hạt

%Cr 12,5% mất màng thụ động bị ăn mòn

T0 400 0C không tiết ra cac bít

T0 8000 C Cr ở trong hạt khuyếch tán ra kịp biên

giới có %Cr 12,5% luôn tồn tại màng thụ động

Khắc phục:

Giảm %C trong thép (0,05-0,08) tránh tạo các bít

HKH thêm nguyên tố tạo các bít mạnh( Ti) không tạo

các bít Cr

15

Tổ chức thép không gỉ 1 pha As

Tăng khả năng bền ăm trong nước biển: thêm 2-4% Mo

Chế tạo kết cấu hàn làm việc trong môi trường H2SO4,

H3PO4 nóng: thêm 1%Mo; 1-2%Cu, và Ti, Nb,V

16

Thép không gỉ austenit-ferit

Thành phần: tăng Cr (18-28%) – giảm Ni (5-9%)

Tổ chức: hỗn hợp +

Mác thép: 12Cr21Ni5Ti

Đặc điểm:

cơ tính tốt, không có hiện tượng giòn như thép F

đh lớn gấp 3 lần thép KG Austenit

Bền ăm mòn đảm bảo: đặc biệt ăm ứng suất, ăn

mòn lỗ, ăm trong khí quyển xâm thực mạnh

Ứng dụng: ống xả, lỗ van xả, ống dẫn hơi hóa

chất….

5

17

Thép không gỉ hóa cứng tiết pha

Ưu điểm: 2 ưu điểm

Gia công bằng BD nguội và cắt gọt ở trạng thái mềm

Sau đó hóa bền bằng hóa già ở vùng T thấp (tránh BD hoặcOXH)

Mác thép: 361-Mỹ

Nhiệt luyện:

Ttôi=10500C, tôi trong không khí tổ chức: gia công tạohình bằng BD dẻo (hoặc cắt gọt)

Nung đến 750- 9500C, nguội trong không khí

tổ chức: + cacbit (số lượng tùy thuộc và T hoặc )

Làm lạnh: 0-(-75)0C một phần hay toàn bộ thành M

Hóa già ở 5250C, 1hđộ bền, cứng max do tiết pha NiAl, Ni3Al

Ứng dụng: chế tạo chi tiết cần độ bền, chịu ăn mòn, màimòn. 18

5.2. Thép và hợp kim có tính chống mài mòn

1. Thép Man gan ( Hatfind)

Thành phần: %C=1,3 %Mn=13%

Mác thép: 130Mn13Đ

Sử dụng ở trạng thái đúc; tổ chức ; cứng thấp ( 200HB);

dẻo cao

Khi chịu ma sát dưới áp lực lớn và va đập: bề mặt bị

BD dẻo :

Biến cứng: mạng bị xô lệch hạt bị chia nhỏ thành siêu

hạt

Tạo thành Máctenxit: dưới tác dụng của ư.s cao, một phần

chuyển biến thành M gọi là M biến dạng

Do %C= 1,3% cao độ cứng bề mặt tăng đến 600HB (

lớp này mòn lớp khác lại tạo thành

19

Tính chống mài mòn cao nhất khi tổ chức 1 pha tôi ( khi đúcnguội chậm các bít Mn3C )- Không gia công cắt gọt được, chỉ sửa bằng mài● Nhiệt luyện: - Sau đúc thường có cacbit Mn- Tôi : nung 1050-11000C, làm nguội trong nước hoàn toàn ● Ứng dụng: ghi ray, răng gầu xúc, xích xe tăng, cổ biên máy đập đá, bi nghiền…

20

2. Thép Graphit hóa

Thành phần hóa học: %C cao : 1,5-2%; 1-2% Si

Ủ garphit hóa (như ủ gang dẻo) – Một phần Fe3C Gr

Tổ chức sau ủ: F+Xe+Gr

Nhiệt luyện tiếp theo: Tôi, tùy thuộc vào %C, độ cứng

có thể đạt đến 63HRC

Gr có tác dụng bôi trơn chống mài mòn tốt

Ứng dung:

Khuôn kéo, khuôn dập nguội, tuổi thọ cao gấp 2-3 lần so

với thép 210Cr12

Làm bạc lót thay HK Cu, các chi tiết chịu ma sát

6

21

3. Hợp kim Cacbit đúc

Cacbit có độ cứng cao, tính chống mài mòn tốt vật liệu

có thành phần với %cacbit cao có tính chống mài mòn tốt

2 phương pháp tạo VL với % cacbit cao: LK bột và đúc

Phương pháp nấu chảy (đúc): % C cao (đến 4%) +NTHK

(chủ yếu Cr và W, V, Mn) Gang trắng Cr cao

Tổ chức : 40-60% cacbit

Mác: 350Cr7Mn7Si, 300Cr26Ni4Si4Mn chi tiết chịu va

đập cao như răng máy xúc

sau NL : cacbit nhỏ mịn trên nền M+As

Mác 110Mn13; 110Cr14W13V2MnSi chi tiết chịu tải

trọng cao, gầu máy xúc quặng sắt

sau NL: cacbit nhỏ mịn+ nền As hoặc As+M 22

Gang trắng 11%Cr sau đúc X200 Gang trắng 11%Cr sau NL X200

23

4. Thép và hợp kim chịu nhiệt

4.1. Yêu cầu :

Làm việc ở T cao

Có tính ổn định nóng (bền hóa học ở T cao): Khả năng chống

lại sự phá hủy ở T0C cao, trong môi trường có: O2; CO2; SO2; H2S;

muối nóng chảy, Cl-….

nguy hiểm và thường gặp nhất là OXH ở T0C cao tạo vẩy ôxyt

(sắt phá hủy nhanh tiếp theo)

Tăng khả năng chống OXH: HKH bằng Cr, Al, Si tạo oxyt xít

chặt (Cr2O3; Al2O3; SiO2) bảo vệ bề mặt, tránh sự xâm nhập tiếp

theo của các khí xâm thực

Al, Si: 1-2% mỗi nguyên tố

Cr: T0 làm việc càng cao thì cần càng nhiều:

+ 600-6500C 9%Cr

+ 8000C cần 14%Cr

+ 10000C cần 26% Cr (bảo đảm mức 100mg/cm2 trong 100h)24

Bền nóng (giữ được cơ tính ở T cao)

Kim loại làm việc ở T0 cao, thời gian dài, tải không đổi (<0,2)

Dão chống hiện tượng này.

KL có Tch càng cao bền nóng càng cao

2 KL có cùng Tch, KL nào có Tktl cao hơnbền nóng cao hơn

cần phải nâng cao Tktl

Tổ chức ban đầu của HK có ảnh hưởng đến bền nóng:

As có tính bền nóng cao hơn F, hoặc F+cacbit do Tktl của As

cao hơn.

Thép có hạt nhỏ nhiều biên giới, khi dão dẫn tới phá hủy đầu

tiên ở biên giới thực nghiệm cho thấy thép hạt lớn bền nhiệthơn thép hạt nhỏ.

Thép HKH bằng Mo, W, Nb,Ti, Zr tạo cacbit, nitrit (phân tán)

chống dão

Mn, Ni ổn định As nâng cao bền nóng

7

25

4.2. Thép làm xupap xả

Điều kiện làm việc: Tải trọng cao, T cao (650-7000C), bị

ăn mòn, mài mòn.

Supap xả cho động cơ nhỏ và vừa (ô tô, máy kéo)

thép Cr-Si : 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo

Nhiệt luyện:

Sau thường hóa tổ chức M

T0 tôi 1000-10500C (dầu) +ram ở 700-7500C (dầu)

Độ cứng 40HRC

Tính bền nóng do Cr, Si và Mo: chống OXH, chống ram,

tránh kết tu cacbit

26

Supap xả cho động cơ lớn:

Mác thép: 30Cr13Ni7Si2; 45Cr14Ni14W2Mo (thépAs)

Độ cứng của thép sau NL thấp thấm N phầncần và đĩa (nấm)

Cạnh vát được hàn đắp = HK cứng stelit (35%Cr; 1-2%C, còn lại là Co)

Chú ý: Xupap nạp làm việc ở T không cao40CrNi

27

4.3. Thép làm nồi hơi và tuôcbin hơi

Điều kiện làm việc của nồi hơi:

T=5400C; P=250at hoặc T= 5600C; P=160at; làm việc=100.000h

Gồm 2 nhóm: nồi hơi và bắt chặt

Nồi hơi:

Chịu áp suất thấp và TB (<60at); T4500C dùng thép CT34; CT38; C15; C20

ống quá nung hơi, dẫn hơi, T>540-5600C dùng thép HK thấp : 12CrMo; 12CrMoV

cánh tuocbin: 15Cr12WNiMoV, 12Cr13, 15Cr11MoV

nồi hơi P siêu cao: thép HK cao-As: 9Cr14Ni19W2NbB

Bắt chặt:

làm chi tiết bắt chặt trong hệ thống nồi hơi, tuôcbin như bulong, vít cấy ch cao

mác thép: 30CrMo; 35CrNi3MoA; 38CrMoAlA; …..

28

4.4. Hợp kim bền nóng (Fe rất ít tạp chất)

Hợp kim trên cơ sở Fe: tốt nhất là thép HK cao, tổ chức As, chịu

Tmax=750-8000C, áp suất đến hàng trăm at

Hợp kim trên cơ sở Ni, Cr và các KL có T ch cao bền nóng cao

hơn

Hợp kim trên cơ sở Ni (hầu như không có Fe):

Nimonic: Ni (còn lại) - 20%Cr - 1%Ti - 1%Al

Ni77Cr20Ti2Al

HK hóa bền tiết pha phân tán

Nhiệt luyện: T tôi 1050-11500C; T hóa già 700-7500C

Tổ chức:

(DD rắn Ni (Cr,Ti,Al)-mạng A1) + ’ pha phân tán tiết ra khi hóa già

khi T0 hóa già >850, ’ (Ni3Ti) giòn, mất khả năng hóa bên

HKH thêm: B,Ce,W,Mo,Co tính bền nóng tăng cao hơn

ƯD: chi tiết trong động cơ phản lực, tuôc bin khí….

8

29

VD: Trong máy bay, tàu vũ trụ: có chi tiết chịu T đến

1600-20000C (>T chảy của Fe, Ni)dùng HK khó chảy

trên cơ sở Cr (Tnc=18500C), Mo (Tnc=26000C), W

(Tnc=34100C)

HK bền nóng trên cơ sở Cr chịu đến T 11000C (dài

hạn),15000C (ngắn hạn) do Tktl (Cr) đến 8000C

HK bền nóng trên cơ sở Mo chịu đến T 15000C (dài

hạn)

HK bền nóng trên cơ sở W chịu đến T 2000-25000C

(dài hạn)

Vật liệu chịu nhiệt trên cơ sở các hợp chất khó chảy

(cacbit, nitrit, borit…- VL gốm) chịu T cao hơn

30

4.5. Hợp kim có điện trở lớn

Có 2 loại thường dùng trong CN:

Fechral: Fe-Cr-Al

Fe82Cr13Al4 (1% C,Si,Mn); Fe77Cr17Al15; Fe69Cr25Al5

%C<0,15 không gọi là thép.

Tổ chức: DD rắn - Fe(Cr,Al),kiểu mạng A2 - không có chuyển biến thùhình khi nung

Tính ổn định nóng cao, điện trở suất lớn, rẻ

Nhược điểm: dẻo dai thấp khó cán kéo

Nicrôm: Ni-Cr (và Fe)

Ni80Cr20; Ni60Cr15Fe22

Tổ chức: DD rắn Ni(Cr) và Ni(Cr,Fe),

Mạng A1 dẻo, dễ cán, kéo…

T chảy khoảng 14000C

Điển trơ cao-tính chống OXH tốt

- ƯD: rộng rãi trong CN làm dây điện trở trong lò, trong đồ gia

dụng….nhưng đắt

31

4.6. Hợp kim có tính giãn nở nhiệt và đàn hồi đặc biệt

1. HK có tính giãn nở nhiệt đặc biệt:

-là các HK trên cơ sở Fe-Ni

Là hệ số giãn nở nhiệt, đơn vị 0C-1

Nhận xét: -HK có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ nhất chứa 32-36%Ni

32

Hệ số của HK Fe-Ni ởnhiệt độ thường

• Nhóm Invar và superinvar có

tính có tính công nghệ tốt, cơ tính

cao, chống ăm tốt được ứng

dụng làm các chi tiết yêu cầu độ

chính xác tuyệt đối trong điều

kiện dao động T của khí quyển

• Nhóm Covar và Platinit: có hệ

số giãn nở bằng thủy tinh chịu

nhiệt (Covar1) hoặc sứ cách điện

(covar2) ƯD trong CN điện,

điện tử, gắn, hàn với thủy tinh…

9

33

2. Hợp kim có tính giãn nở nhiệt và đàn hồi đặc biệt

(không Fe)

Modun đàn hồi (E, G) của KL thông thường giảm khi T tăng

Modun đàn hồi của HK trên cơ sở Fe-Ni hầu như không đổi

trong phạm vi T nào đó

Elinvar (HK đàn hồi không đổi)

Hệ số nhiệt độ của modun đàn hồi của Elinvar rất nhỏ: (18-

23).10-6/0C (< thép C 10 lần; <20 lần thép Austenit)

Để có tính đàn hồi cao+ổn địnhTôi+hóa già ở 600-7500C

Ứng dụng: âm thoa, dây tóc đồng hồ, lò xo, nhíp của các khí cụ

chính xác cao….

34

Thành phần của một số HK elinvar

35

Mỗi nguyên tử có mômen từ

Nguyên nhân:

Điện tử trong nguyên tử có : momen từ quĩ đạo

(chuyển động quanh hạt nhân của e mang điện) +

momen từ spin (chuyển động tự quay quanh nó) tổng

hợp của momen từ của mọi e trong nguyên tử đó.

Ngtử có các lớp e hoàn toàn đầy momen từ bị triệt

tiêu vật liệu có cấu tạo bởi các ngtử có các lớp e đầy

không thể bị từ hóa vĩnh cửu.

Các dạng từ tính trong VL: nghịch từ, thuận từ và sắt

từ.

4.7. Thép và HK từ tính1. Một số khái niệm về tính chất từ của vật liệu

36

Nghịch từ: dạng rất yếu của từ tính, không vĩnh cửu và

chỉ tồn tại khi có từ trường ngoài tác dụng.

Thuận từ:

Khi không có từ trường ngoài , các momen từ của ng.tử

định hướng hỗn loạntổng hợp lại không có vecto từ hóa

vĩ mô riêng.

Khi có từ trường ngoài momen từ quay tự do, nếu có

hướng ưu tiên thuận từlàm tăng từ trường ngoài.

Cả 2 chất thuận từ và nghịch từ đều được cọi là VL không

từ tính vì chỉ bị từ hóa khi có từ trường ngoài (H), mật độ

từ thông trong VL (B) giống như trong chân không.

10

37

Sắt từ:

Một số VL KL có từ tính vĩnh cửu ngay cả khi không

có tác dụng của từ trường ngoài và có từ độ lớn.

Đặc trưng là KL chuyển tiếp: Fe, Co, Ni….

Hệ số từ hóa cao (đến 106) – chủ yếu do momen từ

spin gây ra.

Các momen từ của các ng.tử còn song song với nhau

(mà không cần có từ trường ngoài), giới hạn trong những

thể tích tương đối lớn miền từ hóa tự nhiên

Từ độ cực đại (bão hòa - Ms) của VL sắt từ biểu thị

từ độ được tạo ra khi tất cả các momen từ trong vật rắn

định hướng theo từ trường ngoài từ thông B (của VL)

đạt bão hòa Bs 38

Phản sắt từ: kết quả của sự định hướng phản song song: momen

từ của nguyên tử hay ion theo các hướng đối ngược nhau một

cách chính xác triệt tiêu nhau toàn bộ chất rắn không có

momen từ riêng.

Feri từ: Một số vật liệu gốm cũng thể hiện tính từ hóa vĩnh cửu gọi

là feri từ. Đặc trưng vi mô giống sắt từ.

Ảnh hưởng của T đến tính chất từ:

T tăng dao động của nguyên tử tăng momen từ quay dễ

dàng định hướng hỗn loạn.

Với VL sắt từ, chuyển động nhiệt của các nguyên tử chống lại lực

tương tác ghép giữa các momen từ của nguyên tử gây ra sự

xếp hướng lầm lẫn của các momen từ nguyên tử độ bão hòa tư

của các chất giảm (Ms giảm).

39

Ms cực đại ở 0K vì dao động nhiệt ở đó là min

Ms giảm dần khi tăng T và tụt mạnh tới 0 ở nhiệt độ Curie (Tc).

Đômen (miền từ) và từ trễ:

Mỗi VL sắt từ ở T<Tc được cấu tạo bởi những vùng thể tích nhỏ, trong

đó tất cả các momen từ đều định hướng song song với nhau đạt độ

từ hóa bão hòa gọi là miền từ hay miền từ hóa tự nhiên.

Các đomen lân cận phân cách nhau bởi vách (biên), qua đây hướng từ

hóa thay đổi dần

Mỗi hạt trong đa tinh thể chứa một số đomen đơn.

Mỗi vật rắn có một số lượng lớn đomen với hướng từ hóa khác nhau

Từ trường M là tổng hợp vecto từ hóa của tất cả các đomen

Phần đóng góp của đomen do thể tích của nó quyết định

Vật chưa từ hóa có vecto từ hóa tổng hợp của các đomen bằng không.

40

Nếu VL chưa được từ hóa

sơ bộ thì hàm B biến đổi theo

H như hình bên

Khi H tăng B tăng, đến một

lúc nào đó B không tăng

(không phụ thuộc vào H) từ

thông bão hòa (Bs) tương ứng

với Ms

Độ dốc của đường B-H là độ

từ thẩm

Quan hệ mật độ từ thông B và cường độ từ trường H trong

chất sắt từ:

11

41

Khi H=0, có i độ từ thẩm ban đầu

Momen của các đomen định hướng hỗn loạn (B=0)

H tác dụng đomen thay đổi hình dạng, kích thước vách đomen dịch

chuyển:

đomen có định hướng thuận lợi với từ

trường ngoài H lớn lênB tăng

sau một thời gian, vật rắn trở thành

đomen đơn duy nhất định hướng gần

như từ trường ngoài B bão hòa (tại

điểm S)

Tại điểm S, giảm H và đổi hướng từ

trườngB giảm (chậm hơn H) hiệu

ứng trễ từ

Tại R, khi H=0, B chưa giảm hết đô

từ dư (mật độ từ thông dư)

42

Nguyên nhân: Tính trễ và độ từ hóa vĩnh cửu do:

Sự dịch chuyển vách đomen: theo hướng từ trường mới, lớn

dần và các đomen cũ mất dần

Các đomen cũ cản trở từ trường mới hiệu ứng trễ. Khi H=0

thì phần thể tích các đomen theo định hướng cũ vẫn còn

B0

Để giảm từ trường B (tại điểm C), cần đặt H có trị số -Hc ngược

ban đầu gọi là độ khử từ

Tăng cường độ H theo hướng ngược ban đầu đạt B bão hòa

ở S’

Biến đổi từ trường ngược lại, H=0 Br (từ dư âm) tiếp tục cho

đến điểm S ban đầu Vòng từ trễ

Kích thước và hình dạng vòng trễ quan trọng biểu thị tổn

hao năng lượng/thể tích VL trong chu trình khử từ tính bằng

nhiệt sinh ra trong VL làm tăng T của VL

43

Vật liệu từ mềm:

- Sử dụng trong linh kiện chịu từ trường xoay chiều có tổn hao năng lượng

thấp (lõi máy biến thế) vòng từ trễ nhỏ : mảnh và hẹp độ từ thẩm

ban đầu cao ( lớn) , độ khử từ thấp (Hcnhỏ) VL đạt bão hòa từ dễ (H

thấp - dễ bị từ hóa và khử từ) và tổn hao năng lượng từ trễ thấp.

Vật liệu từ cứng:

- Dùng làm nam châm vĩnh cửu độ từ

dư (Bs) lớn, lực khử từ cao, độ từ

thẩm ban đầu () nhỏ vòng trễ béo

- Vật liệu có năng lượng càng cao nếu

tích số: Br.Hc càng lớn sự dịch

chuyển các đomen càng khó nếu có

các phần tử tiết pha nhỏ mịn cản trở

(cacbit)

44

12

45 46

2. Thép và HK từ cứng:

Từ cứng làm nam châm vĩnh cửu

Yêu cầu của VL từ cứng:

Lực khử từ Hc lớn

Năng lượng từ (B,H)maxcao Tổn thấy từ trễ lớn (vòng từ

trễ “béo”)

Các yếu tố gây xô lệch mạng đều có tác dụng làm tăng Hc

(độ cứng tăng) từ cứng

Các vật liệu làm HK từ cứng:

Thép C: CD100-120 tôi ra Mactenxit: Hc=42-48 kA/m (kilo

Ampe/met); Br=0,8-0,85T

Thép hợp kim: Thép Cr; Cr-W; Cr-Co…..

47

Một số HK từ tính thông dụng (chiếm 80% nam châm vĩnhcửu công nghiệp)

48

Nhiệt luyện:

Anico: đúc (không rèn do dòn) – có địnhhướng kết tinh thì tốt

Tôi ở 13000C, nguội với tốc độ 10-200C/s trong từ trường mạnh H=2000-3000kA/m tiết pha có định hướng.

Hk biến dạng: định hướng hạt theophương cán (tấm mỏng, dây, băng…..)

13

49

3. Thép và HK từ mềm:

Yêu cầu : Hc nhỏ, độ từ thẩm cao, vòng trễ gày

Tổ chức: ở trạng thái cân bằng (ủ), ít xô lệch mạng, hạt lớn độ cứngthấp.

Các vật liệu:

Fe kỹ thuật :%C<0,04;

Ít tạp chất, biến dạng với =2-8% (mức độ tới hạn) và ủ KTL ; Hc=80-350A/m;

Nhược điểm : điểm trở bé, dòng xoáy lớn dòng Fuco lớn làm nóngmáy chỉ dùng cho thiết bị có dòng một chiều.

Tôn Si (thép KT điện): nam châm điện, lõi biến áp, stator máy điện…..

%C-0,01-0,1%, tạp chất ít.

Si (3,8-4,4%) mở rộng vùng và nâng cao điện trở giảm tổn thất dòngFuco, tăng , giảm Hc, Bs lớn.

Hợp kim pecmaloi:

Ưu điểm: ngoài tính chất từ tốt, còn có tính công nghệ tốt (cắt, dập dễ) ủ giảm hết ứng suất. 50

5.8. Hợp kim nhớ hình

1. Đặc điểm:

Có hiệu ứng nhớ hình nhờ chuyển pha thuận

nghịch: Mactenxit () Austenit () dưới tác

dụng của T0 hay ngoại lực.

Mactenxit có thê tích lơn hơn Austenit

2. Phân loại: 3 loại hiệu ứng: một chiều (gia

dẻo), hai chiều, giả đàn hồi;

51

Hiệu ứng nhơ hình chia ra 3 loại:

Một chiều (gia dẻo): HK sau tôi thành M nơ ra (AsM), khinung nóng trơ lại trong phạm vi nhiệt đô Ttrơ lại hình dạngban đầu (trước khi tôi) co lại do chuyển biến ngược MAs(còn gọi là gia dẻo)

Hiệu ứng 2 chiều:

- HK được BD nhiều lần theo 2 chiều ngược nhau – tương ứngvới quá trình nung nóng va làm nguội trong khoảng T (như“tập thê dục” cho quen “hình dạng”)

- Sau đo mõi lần “nung nóng” hay “làm nguội” trong vùng T HK sẽ thay đổi hình dạng theo sư tập luyện trước đo nhơ chuyển biến thuận nghịch MAs

Hiệu ứng gia đàn hồi:

- Khi tăng dần ngoại lực, ban đầu là BD đàn hồi tuyến tính, sau là BD phi tuyến kèm theo chuyển pha AsM

- BD này hoàn toàn mất đi khi bo ngoại lực tác dụng

- Hiệu ứng kiểu cao su như trên có thê thấy ro khi thay đổi hìnhdạng là đáng kê mà lực bên ngoài thay đổi ít.

52

3. Ứng dụng chê tạo các HK có kha năng tái tạo hình dáng:

Loại HK có hiệu ứng nhơ hình 1 chiều:

Nhơ ngoại lực làm xảy ra chuyển biến AsM (khi >Ms) làm mẫu BD

Muốn mẫu trơ lại hình dáng ban đầunung nóng trong vùng T (Ass-Asf) đê xảy ra chuyển biến ngược MAs.

- VD: ống nối kiểu măng xông: Tôi ống (hay BD)(D lớn hơn ống cần nối) thành M lắp ôm ra ngoài ống cần nối nung nóng cục bô vùng vừalắp xảy ra chuyển biến MAs, ống co lại: hai ống lắp chặt.

Loại HK có hiệu ứng gia đàn hồi:

Khi > Ms xảy ra sư giãn dài do AsM

Khi ngoại lực giảm < As mẫu co lại do chuyển biến MAs (không cầnT)

Loại HK có hiệu ứng nhơ hình 2 chiều:

Không cần tác dụng của ngoại lực, chỉ nhơ T tạo ra vòng trê”: Tăng T, xảy ra chuyển biến MAs (mẫu co lại); Khi giảm nhiệt đô, xảy ra chuyểnbiến ngược AsM (mẫu dài ra) nhưng theo đường cong khác, tạo ravòng trê (như vòng tư trê)

14

53

a.Tấm HK trạng thái Mactenxit không tải T phòngb. Uốn ở T phòng c. Nung ở 2000C

d. Tôi nước đến T phòng e. Nung lại (như c) g. làm nguội (như d)Hợp kim Cu-Zn-Al-Ni

Hiệu ứng nhớ hình một chiều: a,d trạng thái nung (Astenit)b, c trạng thái nguội (mactenxit) có biếndạng

54

4. Đặc điểm của HK nhơ hình

Lực tác dụng của HK nhơ hình có nguyên nhân nhiệt động va cơ học

Sư chuyển biến thuận nghịch MAs xảy ra không phải do khuếch tán:

ưu điểm là có thê ứng dụng ở vùng T thấp

nhược điểm là thay đổi thê tích (V) nho, lực kèm theo () khônglớnhạn chê ƯD

5. Một sô HK nhơ hình:

Cu-Zn; Cu-Zn-Al; Ni-Ti

HK trên cơ sơ Fe có ưu điểm hơn các HK trên vê thay đổi V va :

Fe-Ni-Co (M có mạng lập phương), Fe-Mn (M có kiểu mạng lục giác)

• 30%Ni-10%Co-4%Ti, Fe còn lại

• 30%Mn-1%Si, Fe còn lại

• Các HK trên đang được nghiên cứu dịch chuyển nhiệt đô theo ý muốn.

• Cho thêm Al. Si. Ti tạo tiết pha hóa bền, cản trơ chuyển biến AsMkhi làm nguội, đồng thời làm M nho mịn hơn, năng lượng tích lùy đànhồi đê trơ lại As lớn hơnchuyển biến tư MAs ở vùng T thấp hơn

55

VD:

Hiệu ứng 1 chiều: khớp nối kiểu măngxông, cần bền va kín, các đinh tán, kẹp…

Hiệu ứng 2 chiêu: bô điều khiển van xa, tư động bật tắt đèn, tay máy, tư động đóngmơ cửa sô nha kính (trông cây, rau quả nhiệt đới).

Hiệu ứng gia đàn hồi: kẹp răng, bô hóa hơiáp lực cao….

56

6. Hướng nghiên cứu phát triển

Tạo được vòng trê lớn hơn trong HK có hiệu ứng 2 chiều với vùng T ứng dụng hẹpva thích hợp.

Tạo đô bền cơ học cao hơn đê tạo áp lựcđiều khiển lớn hơn.

Có đô bê mỏi cao hơn đê tăng tuổi tho củaHK.

15

57

Sợi nitinol làm bằng HK Ni-Ti (SMA)