Tài liệu Kỹ thuật vật liệu CLC pdf

Kỹ thuật vật liệu CLC
MỞ ĐẦU
Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại
vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng càng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là
thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ngày nay là một loạt
các loại vật liệu mới như : composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các loại vật liệu này (đặc biệt
là kim loại & hợp kim, cùng với các loại vật liệu mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển
của xã hộ loài người một cách nhanh chóng.
Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống đòi hỏi vật liệu
sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ : khi thì cần có tính dẫn điện rẩt
cao để dùng trong nghành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng
cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có
tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng khối lượng riêng nhỏ để
dùng trong công nghiệp hàng không Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi
vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới.
Môn vật liệu kỹ thuật sẽ trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản của các
loại vật liệu chính : tinh thể, các hợp kim, bán dẫn và ion cộng hóa trị Mục đích của
môn học này giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ
giữa cấu trúc (liên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thí
nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp
ứng nhu cầu sử dụng sau này. Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vào
bốn cực cơ bản sau đây : Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phương
pháp gia công và hiệu quả sử dụng của nó. Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại vật
liệu khác nhau tạo nên. Ví dụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN của Pháp gồm mười một loại
vật liệu sau đây tạo nên :
1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9%
3-Gang 11,3% 4-Hợp kim nhôm 4,2%
5-Các kim loại màu khác 3,9%
6-Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4%
8-Vật liệu hữu cơ khác 3,4%
9-Thủy tinh 4,2% 10-Sơn 1,7%

11-Chất lỏng 5,9%
Yêu cầu của người kỹ sư ngành sản xuất tự động và xây dựng công trình biển
ngoài khả hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tính
chất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng
cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm
Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau : tinh thể
học, cơ lượng tử, tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại do đó khối lượng kiến thức
khá lớn và có nhiều mặt. Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức cơ bản về
vật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghiệm. Khi nghiên cứu môn học này phải nắm
chắc mối quan hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất của vật liệu. Bất kỳ sự
thay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật
liệu.
Tài liệu tham khảo :
1-Lê Công Dưỡng - Vật liệu học - Nhà xuất bản KHKT Hà Nội 1997
1
Kỹ thuật vật liệu CLC
2-Nghiêm Hùng - Vật liệu học và nhiệt luyện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội
- 2000
3-Jean - Bernard GUILLOT - Génie des matériaux - Réservé uniquemen aux
Enseignants, Elèves et Anciens Elèves de l'Ecole Centranle Paris - 2000-2001.
4-Jean P.Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz - Introduction à la science des
matériaux - Presses polytechniques et universitaires romans 1999
5-Jean-Marie DORLOT, Jean-Paul BALON, Jacques MASOUNAVE -
Des Matériaux - Éditions de l'école polytechnique de Montréal 1986.

Chương 1 : CÁC LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT
1.1.VẬT LIỆU KIM LOẠI :
1.1.1.Định nghĩa và phân loại :
1-Định nghĩa : Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và
dẫn nhiệt cao.

Hầu hết các kim loại khi bề mặt chưa bị ô xy hóa đều có vẻ lấp lánh sáng (ánh
kim). Đa số kim loại đều dẻo có thể rèn, cán, kéo, ép Phần lớn kim loại đều dẫn điện
dẫn nhiệt tốt. Các nguyên tố kim loại chiếm hơn 3/4 số nguyên tố trong bảng hệ thống
tuần hoàn Menđêlêep, trong đó Fe là kim loại đen, còn lại là kim loại màu.
Tuy nhiên cũng có kim loại khá dòn, ví dụ stibi (Sb còn gọi là ăng ti moan) không
thể rèn được, nếu đập sẽ bị vỡ ngay. Hoặc prađêôđim (Pr) dẫn điện rất kém.
2
Kỹ thuật vật liệu CLC
Vì vậy để phân biệt kim loại với các nguyên tố phi kim loại ta dùng tiêu chuẩn hệ
số nhiệt độ điện trở. Kim loại có hệ số nhiệt độ điện trở dương (khi nhiệt độ tăng thì điện
trở tăng), nguyên tố phi kim loại (á kim) có hệ số nhiệt độ điện trở âm (khi nhiệt độ tăng
thì điện trở giảm). Tiêu chuẩn này đúng với tất cả các kim loại.
Giữa nguyên tố kim loại và phi kim loại còn có một số nguyên tố có tính chất
trung gian, trong một số điều kiện nào đó thì chúng dẫn điện và ngược lại. Đó là các
nguyên tố bán dẫn, ví dụ si lic (Si) và ghecmani (Ge)
2-Phân loại kim loại :
Có nhiều phương pháp phân loại kim loại khác nhau, ở đây ta sử dụng phương
pháp được nhiều người áp dụng nhất.
a-Phân loại theo khối lượng riêng : theo phương pháp này có hai loại :
-Kim loại nặng : là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 gam/cm
3
Ví dụ : Fe (7,8), Cu (8,94), Au (19,5)
-Kim loại nhẹ : là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 gam/cm
3
. Ví
dụ : Al (2,7), Mn (1,73), Ti (4,5)
b-Phân loại theo nhiệt độ nóng chảy : theo cách này được chia ra làm hai nhóm
-Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao : là các kim loại có nhiệt độ nóng
chảy cao hơn 750
o

C. Ví dụ : Fe (1539
o
C), W (3410
o
C), Cu (1085
o
C).
-Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp : là các kim loại có nhiệt độ nóng
chảy thấp hơn 750
o
C. Ví dụ Al (657
o
C), Sn (270
o
C), Pb (327
o
C).
c-Phân loại theo tính chất hoạt động : theo phương pháp này có
-Nhóm kim loại kiềm : Li, Na, K, Ru
-Nhóm kim loại kiềm thổ : Be, Mg, Ca, Sr
-Nhóm kim loại chuyển tiếp : Fe, Cr, Mn, Mo
-Nhóm kim loại phóng xạ : U, Ra, Co, Pu
d-Phân loại theo màu sắc bên ngoai:
-Kim loại đen : Fe
-Kim loại màu : Au, Ag, Cu, Pb, Pt, Ni, Co
1.1.2.Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn :
1-Các dạng liên kết nguyên tử : Trong chất rắn ta thường gặp các dạng liên kết
sau đây : (Hinh 1.1)
-Liên kết ion : các nguyên tử cho bớt điện tử lớp ngoài cùng và trở thành
ion dương và các nguyên tử khác nhận thêm điện tử để điền đầy lớp ngoài cùng và trở

thành ion âm. Giữa các nguyên tử này hình thành mối liên kết trên cơ sở lực hút tĩnh điện
của hai loại ion trên. Đây là mối liên kết mạnh, thường tạo thành giữa các nguyên tố có
nhiều điện tử hóa trị và các nguyên tố có ít điện tử hóa trị. Mối liên kết này càng mạnh
nếu các nguyên tố càng chứa ít điện tử, tức là các điện tử cho hoặc nhận càng nằm gần hạt
nhân. Liên kết này không có tính định hướng.
-Liên kết cộng hóa trị : liên kết này tạo ra khí hai hoặc nhiều nguyên tử góp chung
nhau một số điện tử để có đủ tám điện tử lớp ngoài cùng. Liên kết đồng hóa trị trong vật
rắn được thực hiện nhờ sự tập thể hóa điện tử giữa một nhóm các nguyên tử lân cận. Đặc
điểm của liên kết đồng hóa trị :
*Liên kết có tính định hướng : xác suất tồn tại các điện tử tham gia liên kết lớn
nhất theo phương nối tâm giữa các nguyên tử.
*Cường độ liên kết phụ thuộc rất mạnh vào đặc tính liên kết giữa các điện tử hóa
trị với hạt nhân, điện tử liên kết càng gần hạt nhân thì liên kết càng mạnh. Ví dụ : Các bon
ở dạng kim cương có liên kết đồng hóa trị rất mạnh vì bốn điện tử hóa trị (trong sáu điện
3
Kỹ thuật vật liệu CLC
tử) liên kết gần như trực tiếp với hạt nhân, nên kim cương có nhiệt độ nóng chảy đến
3550
o
C. Trong khi đó thiếc cũng có liên kết đồng hóa trị nhưng mối liên kết rất yếu vì
bốn điện tử hóa trị (trong 50 điện tử) nằm xa hạt nhân, vì vậy có nhiệt độ nóng chảy
270
o
C.
*Liên kết cộng hóa trị có thể xảy ra giữa các nguyên tử cùng loại gọi là liên kết
cộng hóa trị đồng cực. Ví dụ : phân tử Cl
2
, tinh thể kim cương, silic, ghecmani Liên kết
cộng hóa trị giữa các nguyên tử khác loại gọi là liên kết cộng hóa trị dị cực. Ví dụ GaAs,
GaP

-Liên kết kim loại : Trong kim loại phần lớn các nguyên tử đều nhường bớt điện
tử hóa trị (số này thường rất ít 1-2 điện tử) để trở thành ion dương, các điện tử đó trở
thành điện tử tự do. Các ion dương tạo thành một mạng xác định, đặt trong không gian
điện tử tự do chung và chúng tạo thành mối liên kết kim loại . Năng lượng liên kết là tổng
hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử. Liên kết kim loại thường
được tạo nên giữa các nguyên tố có ít điện tử hóa trị. Cấu trúc tinh thể của các chất với
liên kết kim loại có tính đối xứng rất cao.
- Liên kết yếu (Van der Waals) : Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do
sự khác nhau về tính âm điện (khả năng hạt nhân hút các điện tử hóa trị) của các nguyên
tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện sẽ tạo
thành và phân tử bị phân cực. Liên kết Van der Waals là liên kêt do hiệu ứng hút nhau
giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạng thái rắn. Đây là loại liên kết yếu, rất
4
Kỹ thuật vật liệu CLC

Hinh 1.1
dễ bị phá vỡ do ba động nhiệt (sự tăng nhiệt độ), vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kết
Van der Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp. Liên kết này có trong cá vật rắn tạo thành từ
những phân tử trung hòa như : nước đá, polyme
Ngoài bốn loại liên kết cơ bản trên, trong thực tế vật liệu còn có kiểu liên kết hỗn
hợp giữa các loại đó : liên kết kim loại - đồng hóa trị, liên kết kim loại - ion, liên kết đồng
hóa trị - ion
2-Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất :
Yếu tố quyết định tính chất của vật liệu là dạng liên kết và cấu trúc của nó.
Tính dẻo và giòn của vật liệu có thể giải thích dễ dàng thông qua dạng liên kết
tương ứng. Với vật liệu có liên kết đồng hóa trị, có góc nghiêng cố định giữa các nguyên
tử (phân tử), khả năng biến dạng dẻo rất kém : dưới tác dụng của ngoại lực,vật liệu bị phá
hủy (tách đứt) khi ứng suất đạt trị số phá vỡ liên kết. Vật liệu có liên kết ion tính chất
cũng tương tự như vậy.
5

Kỹ thuật vật liệu CLC
Các vật liệu gốm trên cơ sở các ôxyt kim loại như : MgO.Al
2
O
3
.SiO
2
có nhiệt độ
nóng chảy rất cao và độ trơ hóa học lớn được giải thích bằng năng lượng liên kết đồng
hóa trị (hay ion) rất cao của chúng so với vật liệu kim loại.
Trong vật liệu kim loại (liên kết kim loại) cấu trúc mạng của các ion dương trong
không gian điện tử tự do chung cho phép các ion xê dịch dưới tác dụng của ngoại lực do
vậy vật liệu kim loại có tính dẻo cao. Ngoài ra, các điện tử tự do trong mạng tinh thể kim
loại với tính linh động cao, dễ dàng chuyển động theo hướng tác dụng của điện trường
bên ngoài và gradien nhiệt độ. Do vậy kim loại kim loại có độ dẫn điện và dân nhiệt cao
hơn so với các vật liệu khác.
Trong thực tế phần lớn các vật liệu có dạng liên kết hỗn hợp nên tính chất của vật
liệu sẽ là tổng hợp của các tính chất đặc trưng cho các dạng liên kết nêu trên.
Cần lưu ý rằng tính chất của vật liệu còn phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc
của chúng. Các kiếu cấu trúc của vật liệu sẽ tạo ra các tính chất rất khác nhau.
1.1.3.Cấu trúc tinh thể của kim loại :
1-Khái niệm về mạng tinh thể : Trong vật rắn tinh thể, mỗi nguyên tử có vị trí
hoàn toàn xác định không chỉ với nguyên tử gần nhất mà cả với những nguyên tử khác
bất kỳ xa hơn. Không gian xung quanh các nguyên tử có cấu tạo hoàn toàn đồng nhất.
Noi khác đi là các nguyên tử luôn sắp xếp một cách trật tự trong không gian của vật rắn,
tạo thành mạng không gian tinh thể gọi tắt là mạng tinh thể. Mạng tinh thể có bảy hệ với
mười bốn kiểu mạng khác nhau. Mạng tinh thể của vật rắn có kích thước rất lớn, do đó để
nghiên cứu nó ta đưa ra các khái niệm cơ sở sau đây.
a-Ô cơ sở (ô cơ bản, khối cơ sở) : là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một kiểu mạng
tinh thể. Ta có thể tạo ra toàn bộ mạng tinh thể bằng cách tịnh tiến khối cơ sở theo ba

chiều trong không gian. Ví dụ ô lập phương đơn giản. Tâm các nguyên tử (ion hoặc phân
tử ) ở ô cơ sở gọi là nút mạng.
Đặc điểm liên kết và tính chất của một số vật liệu
Dạng
liên kết
Chất và năng
lượng liên kết
(eV/ng.tử)
Mô hình
liên kết
Nhiệt
độ
nóng
chảy
T
o
Mô đun
Young
E
Hệ số
giãn
dài α
Điện
trở
suất ρ
Tính
dẻo
Đồng
hóa trị
Ion

Kim loại
Kim cương
(7.0)
NaCl (3,3)
Na (1,1)
Cu (3,5)
Ti (4,8)
-Cho
(hoặc
nhận) điện
tử hóa trị
-Lực hút
đẩy tĩnh
điện
Mạng cúa
các ion
trong
không
gian điện
tử tự do
Cao
Cao
Trung
bình -
cao
Cao
Cao
Trung
bình -
cao

Thấp
Thấp
Trung
bình -
cao
Cao
Cao
Trung
bình -
thấp
Thấp
Thấp
Cao
6
Kỹ thuật vật liệu CLC
Van der
Waals
H
2
(0,01)
CH
4
(0,1)
Cl
2
(0,3)
chung
Lực hút
ngẫu cực
Thấp Thấp Cao Cao Trung

bình -
thấp
b-Hằng số mạng (chu kỳ tuần hoàn) : là khoảng cách giữa hai nguyên tử trên một
cạnh của ô cơ sở, thường ký hiệu là a, đơn vị đo là kx. 1kx = 1,00202 ăngstrong. Giá trị
tuyệt đối của ba véc tơ a, b, c là kích thước ô cơ sở. Từ hằng số mạng ta có thể tính được
khoảng cách giữ các mặt tinh thể, đường kính nguyên tử
c-Phương và mặt tinh thể : (Hinh 1.2)
-Phương tinh thể là đường thẳng đi qua các nút mạng tinh thể, cách nhau
những khoảng cách theo quy định và ký hiệu bằng ba số nguyên u, v, w ứng với tọa độ
của nút mạng gần gốc tọa độ nhất . Các phương song song có tính chất giống nhau tạo
thành hệ phương, ký hiệu [uvw]. Những phương không song song nhau nhưng có tính
chất giống nhau tạo thành họ phương, ký hiệu <uvw>. Các phương trong một họ có giá trị
tuyệt đối u, v, w giống nhau nhưng thứ tự khác nhau. Ví dụ họ phương <100> gồm sáu
phương : [010], [001], [100], [0
1
−
0], [00
1
], [
1
00].
-Mặt tinh thể : Mặt tinh thể là mặt phẳng trong không gian mạng tinh thể
được tạo nên bởi những nút mạng, sắp xếp theo một trật tự xác định. Mặt tinh thể được ký
hiệu bằng bao số nguyên h, k, l. Các mặt tinh thể song song có tính chất giống nhau tạo
thành hệ mặt tinh thể (hkl). Những mặt tinh thể không song song nhau nhưng có tính chất
giống nhau tạo thành họ mặt tinh thể, ký hiệu hkl. Các mặt trong một họ có giá trị tuyệt
đối h, k, l giống nhau nhưng thứ tự khác nhau. Ví dụ họ 100 của mạng có ô cơ sở là
hình lập phương gồm (100), (010), (001), (
1
00), (0

1
0), (00
1
). Ký hiệu mặt tinh thể có hai
loại : chỉ số Miler sử dụng trong mạng lập phương và chỉ số Miler - Bravais sử dụng
trong mạng sáu phương xếp chặt.
d-Mật độ xếp : mật độ sắp xếp theo một phương, trên một mặt hoặc trong một mạng tinh
thể đặc trưng cho khả năng chiếm chỗ trong không gian mạng. Theo những phương và
mặt khác nhau mật độ xếp hoàn toàn khác nhau. Có ba loại mật độ xếp :
-Mật độ xếp theo phương :
7
a)
Hình 1.2- Hệ toạ độ và cách xác định mặt và phương tinh thể
a) Hệ toạ độ trong khối cơ sở.
b) Ký hiệu phương trong khối cơ sở.
c) Ký hiệu mặt trong khối cơ sở
b) c)
Kỹ thuật vật liệu CLC
M
l
=
L
l
l - chiều dài nguyên tử theo phương đang xét
L - tổng chiều dài của phương
-Mật độ xếp trên một mặt :
M
s
=
S

s
s - diện tích nguyên tử chiếm chỗ
S - Diện tích mặt đang xét.
-Mật độ xếp thể tích :
M
v
=
V
v
v - thể tích nguyên tử chiếm chỗ
V - thể tích đang xet trong tinh thể.
2-Các kiểu mạng thường gặp của kim loại : trong thực tế các kim loại thông
dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau : lập phương tâm diện, lập phương tâm khối
và sáu phương xếp chặt.
a-Lập phương tâm diện -A1- lptm (cubique à faces centrées - c.f.c- Hinh 1.3a) :
Trong ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt có tám nguyên tử nằm ở tám đỉnh và sáu nguyên
tử nằm ở tâm các mặt bên. Các nguyên tử nằm trên đường chéo của mặt bên tiếp xúc
nhau, các nguyên tử còn lại không tiếp xúc nhau. Mạng A1 có một thông số mạng là a. Số
lượng nguyên tử trong một ô cơ sở là :
n =
8
1
x 8 +
2
1
x 6 = 4
Số sắp xếp của mạng A1 là K = 12 vì mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bao quanh
với khoảng cách là
2
2a

. Bán kính nguyên tử r =
4
2a
. Các kim loại có kiểu mạng A1 là
: Fe
γ
, Cu, Ag, Au, Ni, Al
b-Lập phương tâm khối - A2 - lptk (cubique centrée - c.c-Hinh 1.3b) : trong ô cơ
sở mạng lập phương tâm khối có tám nguyên tử nằm ở tám đỉnh và một nguyên tử nằm ở
trung tâm. Các nguyên tử nằm trên đường chéo của hình lập phương tiếp xúc với nhau,
còn lại không tiếp xúc nhau. Mạng A2 có một thông số mạng là a. Số lượng nguyên tử
trong ô cơ sở là :
n =
8
1
x 8 + 1 = 2
Mỗi nguyên tử trong mạng A2 được bao quanh bởi tám nguyên tử lân cận với khoảng
cách
2
3a
và sáu nguyên tử khác xa hơn với khoảng cách là a. Do vậy số sắp xếp của nó
là K = 8 (hay K = 8+6). Bán kính nguyên tử là r =
4
3a
. Các kim loại Fe
α
, Cr, V, Mo
có kiểu mạng này.
c-Sáu phương xếp chặt - A3 - spxc (hexagonal compacte - h.c- Hinh 1.3c) : ô cơ
sở của mạng sáu phương xếp chặt là khối lăng trụ lục giác đều. Có 12 nguyên tử nằm ở

8
Kỹ thuật vật liệu CLC
đỉnh của lục giác, hai nguyên tử nằm ở tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở tâm của
ba khối lăng trụ tam giác đều cách nhau. Số lượng nguyên tử trong một ô cơ sở là :
n =
6
1
.12 +
2
1
.2 + 3 = 6
Bán kinh nguyên tử r =
2
a
. Mạng A3 có hai thông số mạng là a và c. Tỷ số
a
c
gọi là hệ số
xếp chặt, trong trường hợp lý tưởng thì
a
c
≈ 1,633 và số sắp xếp là K = 12 (có 12
nguyên tử bao quanh lân cận). Nếu tỷ số
a
c
≠ 1,633 thì K ≠ 12. Trong thực tế thì tỷ số
a
c

= 1,57 ÷ 1,64 được coi là xếp chặt. Các kim loại : Zn, Mg, Cd, Ru có kiểu mạng A3.

1.1.4.Hợp kim trên cơ sở sắt :
Trong kỹ thuật hầu như không sử dụng kim lọai nguyên chất mà chủ yếu là hợp
kim. Trong phần này ta nghiên cứu hợp kim của sắt đó là các loại gang và thép.

9
Hình 1.3- Mô hình và cách sắp xếp nguyên tử trong khối cơ sở.
a) Lập phương tâm mặt
b) Lập phương tâm khối
c) Sáu phương xếp chặt
Kỹ thuật vật liệu CLC
1-Khái niệm về hợp kim : Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính
chất kim loại. Thành phần chủ yếu của hợp kim là nguyên tố kim loại.
Tỷ lệ các nguyên tố trong hợp kim thường dùng là % khối lượng. Hợp kim có
nhiều ưu điểm hơn hẳn kim loại nguyên chất : có cơ tính cao hơn (chủ yếu là độ bền), chế
tạo dễ dàng hơn, giá thành thấp, một số hợp kim có các tính chất đặc biệt mà kim loại
nguyên chất không hề có : điện trở lớn, giãn nở nhiệt rất nhỏ, không rỉ, chịu mài mòn
cao

Hinh 1. 4
2-Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe
3
C) : (Hinh 1.6)
Cơ sở để tạo ra thép và gang là giản đồ pha Fe -C. Trên giản đồ này có các tổ chức
sau đây :
a-Các tổ chức một pha :
-Ferit (α, Fe
α
, F) : là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong sắt an pha với mạng
lập phương tâm khối Do độ hòa tan C ở nhiệt độ thường rất nhỏ nên có thể coi là Fe
α

nguyên chất. Tại nhiệt độ nhỏ hơn 768
o
C có tính sắt từ, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính.
Fe rit rất dẻo và dai, khá mềm và có độ bền thấp. Trong thực tế fe rit có thể hòa
tan thêm Si, Mn, Cr, Ni nên độ bền độ cứng tăng lên, độ dẻo độ dai giảm đi. Fe rit tồn
tại ở nhiệt độ thường, chiếm tỷ lệ lớn nhất (thường > 90%) trong các hợp kim sắt các bon.
Tổ chức tế vi là các hạt đa cạnh, sáng (Hinh 1.7a).
10
Kỹ thuật vật liệu CLC
-Austenit [
γ
,A
s
,Fe
γ
(C)] : là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong sắt gam ma
(Fe
γ
), có kiểu mạng lập phương tâm mặt. Austenit hòa tan khá nhiều các bon đến 2,14%C
ở 1147
o
C và 0,8%C ở 727
o
C. Austenit là pha rất dẻo và dai, không có tính sắt từ. Trong
hợp kim sắt các bon nguyên chất nó không tồn tại dưới nhiệt độ 727
o
C, nó chỉ tồn tại dưới
nhiệt độ này trong các hợp kim có hòa tan Mn và Ni vơi số lượng lớn. Austenit là tổ chức
của thép khi biến dạng nóng và xử lý nhiệt (Hinh 1.7b).
Hinh 1. 5

Tổ chức tế vi là các hạt đa cạnh, sáng và các đường song song (song tinh) cắt ngang hạt.
-Xêmentit (Xê, Fe
3
C – Hinh1.8) : là pha xen kẽ có công thức hóa học là Fe
3
C chứa
6,67%C, với kiểu mạng phức tạp. Xêmentit rất cứng và giòn, là pha cơ bản của hợp kim
sắt các bon. Nó là pha làm tăng mạnh độ bền, độ cứng. Xêmentit được coi là pha cân
bằng, ổn
định nhưng không hoàn toàn. Ở nhiệt độ từ 650
o
C trở lên sẽ phân hóa rất chậm (vài năm)
thành Fe và graphit. Hiện tượng này gặp trong hợp kim có lượng các bon cao đó là gang.
b-Các tổ chức hai pha :
-Péclit [P, (F+Xê)] - (Hinh 1.9): là hỗn hợp cùng tích của fe rit và xêmentit tạo
thành từ dung dịch rắn austenit với 0.8%C tại nhiệt độ 727
o
C. Trong péclit có 88%F và
12%Xê, chúng phân bố đều trong nhau. Péclit có sự kết hợp tốt các đặc tính của hai pha
này nên khá bền, cứng, đủ dẻo dai, luôn có mặt trong hầu hết các hợp kim sắt các bon.
Dựa vào hình dạng của xêmentit nó được phân làm hai loại : péclit tấm nếu Xê ở dạng
tấm và péclit hạt nếu Xê ở dạng hạt. Péclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn và là tổ
chứcthường gặp nhất.
-Lêđêburit (Lê) : là hỗn hợp cơ học cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ
pha lỏng có 4,3%C tại nhiệt độ 1147
o
C. Khi làm nguội dưới nhiệt độ 727
o
C do có chuyển
biến austenit thành péc lít nên lúc này tổ chức của Lê gồm péclit và xêmentit. Lêđêburit

có dạng hình da báo, rất cứng và giòn.
3-Các loại gang :
11
Hình1.34 -T
ổ
ch
ứ
c xêmentit 2 d
ạ
ng l
ướ
i
ở
thép sau cùng tích
Kỹ thuật vật liệu CLC
a-Định nghĩa : Gang là hợp kim của sắt và các bon với hàm lượng các bon lớn hơn
2,14%C (ngoài ra có thể chứa một số các nguyên tố khác).
Gang có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với thép, tính giòn cao không thể biến
dạng dẻo được, có tính đúc tốt hơn thép
12
Hinh 1.7 -Tổ chức tế vi của ferit (a) và

ds((((austenit (b(b).
Hình 1.6 -Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe
3
C)
Kỹ thuật vật liệu CLC
b-Các loại gang (fontes) :
1-Gang trắng (fontes blanches - Hinh 1.10):
Là loại gang mà toàn bộ các bon của nó ở dạng liên kết với sắtdó là xêmentít

Fe
3
C, mặt gãy của nó có màu trắng chính là màu của xêmentít. Tổ chức tế vi của gang
trắng hoàn toàn tương ứng với giản đồ pha sắt các bon. Trong tổ chức tế vi của gang trắng
có peclit - lêđêburit - xêmentit, lêđêburit hay xêmentit thứ nhất - lêđêburit tùy theo lượng
các bon trong đó. Gang trắng thông thường chứa C và Si thấp.
Gang trắng có độ cứng rất cao đến 450 - 650HB, tính chống mài mòn lớn. Công dụng của
gang trắng chủ yếu là dùng để luyện thép, ủ ra gang dẻo. Trong một số trường hợp làm
các chi tiết chịu mài mòn lớn như : bi nghiền xi măng, mép lưỡi cày
2-Gang xám (fontes grises - Hinh 1.11) :
13
Hình 1.9 - Tổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b).
Hình 1. 8 -Tổ chức xêmentit 2 dạng lưới ở thép sau cùng
fdtêch
Kỹ thuật vật liệu CLC
Là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ các bon trong đó nằm dưới dạng tự do graphít, mặt
gãy của nó có màu xám đó là màu của tổ chức graphít. Graphít trong gang xám có dạng
tấm, phiến, chuỗi. Tổ chức của gang xám gồm có nền kim loại trên đó có graphít phân bố.
Nền kim loại có thể là fe rit, fe rit - péclit và peclit.
Đặc tính chung của gang xám là có tính đúc cao, khả năng gia công cắt gọt tốt,
không chịu biến dạng dẻo, chịu nén cao, không chịu kéo rất thấp, có khả năng làm tắt
rung động và dao động cộng hưởng. Gang xám là loại gang được sử dụng rất phổ biến và
chiếm đến 80% tổng giá trị gang đúc.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1659 - 75 (TCVN) : được ký hiệu bằng hai chữ GX với
hai cặp số chỉ giá trị tối thiểu của độ bền kéo và độ bền uốn của gang tính theo đơn vị
kG/mm
2
. Ví dụ :
GX15-32 GX có nghĩa là gang xám
15 là giới hạn bền kéo tối thiểu 15kG/mm

2
(150 MPa)
32 là giới hạn bền uốn tối thiểu 32kG/mm
2
(320 MPa)
GX21-40 là gang xám có độ bền kéo và uốn tối thiểu 21 và 40 kG/mm
2
.
Công dụng của gang xám : làm vỏ nắp máy, vỏ hộp giảm tốc (hộp số), các te,
bánh răng chữ V, vỏ bơm, vỏ động cơ điện, bánh răng tốc độ chậm, bánh đà, sơ mi xéc
măng, thân máy
Ngoài gang xám bình thường trong thực tế còn gặp gang xám biến trắng.
Loại gang này có tổ chức thay đổi từ ngoài vào trong : ngoài cùng là gang trắng, lớp trung
gian là gang hoa râm (chứa cả lêđêburit và graphit tự do) và trong cùng là gang xám.
Gang biến trắng thường có thành phần thích hợp và được tạo ra một lớp trắng bề mặt
bằng cách làm nguội rất nhanh lớp bề mặt khi đúc. Gang biến trắng thường được dùng để
đúc trục cán, bánh toa xe lửa, má nghiền, đầu phun cát, phun bi.
3-Gang cầu (gang có độ bền cao, fontes à grphite sphéroidal - fontes GS - Hinh
1.12):
14
Hình 1.10 -Tổ chức tế vi của gang trắng
a)Gang trắng trước cùng tinh
b)Gang trắng cùng tinh
c)gang trắng sau cùng tinh
a) b)
c)
Kỹ thuật vật liệu CLC
Là loại gang mà tổ chức graphit ở dạng thu gọn nhất dưới dạng cầu tròn, bề mặt
gãy của nó cũng có màu xám tối như gang xám. Tổ chức tế vi của gang cầu gồm có nền
kim loại fe rit, fe rit - péc lit, péc lít trên đó có graphit cầu phân bố.

Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang có graphit, tương đối
dẻo dai, độ cứng vừa phải dễ gia công cắt gọt. Các chỉ tiêu cơ tính như sau : độ cứng ≈
200HB, độ bền 700 - 1000 MN/m
2
, độ dãn dài tương đối δ% = 5 - 15%, độ dai va đập a
k
= 300-600kj/m
2
.
Chế tạo gang cầu bằng cách nấu chảy lỏng gang xám, sau đó quá nhiệt lên đến
1450
o
C và cho chất biến tính vào (Mg, Ce). Sau khi biến tính xong rót ra khuôn đúc.
Theo TCVN 1659 - 75 gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ GC và hai cặp chữ số
chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm
2
và độ giãn dài tương đối theo %. Ví dụ :
GC40-10 : GC gang cầu
40 - giới hạn bền kéo tối thiểu 40kG/mm
2
(400MPa)
10 - độ giãn dài tương đối 10% (
δ
%)
Công dụng : dùng làm các chi tiết chịu tải trọng lớn và va đập, chịu mài mòn như :
trục khủyu ô tô, cam, bánh răng
Ngoài gang cầu ra trong thực tế còn có loại gang tổ chức graphit ở dạng giun, đó
là dạng trung gian giữa graphit tấm và graphit cầu, được gọi là gang giun. Tổ chức tế vi
của gang giun bao gồm 80-100% graphit ở dạng giun và 0-20% graphit ở dạng cầu.
15

Hình 1.11-Tổ chức tế vi của gang xám
a)Gang xám pherit
b)Gang xám pherit-peclit
c)Gang xám peclit
a) b)
c)
Kỹ thuật vật liệu CLC
Tính chất của gang giun là nằm trung gian giữa gang cầu và gang xám, nhưng cơ
tính gần với gang cầu, còn lý tính và tính đúc lại rất gần với gang xám. Cơ tính của gang
giun phụ thuộc vào nền kim loại và lượng graphit. Tăng lượng graphit cầu độ bền, độ dẻo
của gang đều tăng lên. Công dụng : làm các chi tiết chịu lực, chịu va đạp nhiệt trong máy
diezen (nắp và blốc xi lanh), chi tiết chịu mài mòn như xéc măng, má phanh tàu cao tốc,
đặc biệt là các chi tiết chịu va đập nhiệt như : khuôn đúc thép thỏi, ống xả xe ô tô
4-Gang dẻo (fontes malléables - Hinh 1.13) :
Là loại gang có tổ chức graphit ở dạng cụm (còn gọi là quả bông). Đây là dạng thu
gọn hơn gang xám nhưng kém hơn gang cầu. Mặt gãy của gang dẻo cũng có màu xám
như gang xám. Tổ chức tế vi của gang dẻo bao gồm graphit dạng cụm và nền kim loại fe
rit, fe rit - péc lit, péclit. Gang dẻo có cơ tính trung gian giữa gang cầu và gang xám, độ
dẻo tương đối cao. Chế tạo gang dẻo bằng cách ủ từ gang trắng. Tùy thuộc vào môi
trường ủ, gang dẻo được chia làm hai loại : gang dẻo lõi đen và gang dẻo lõi trắng.
16
a) b)
c)
Hình 1.12-Tổ chức tế vi của gang cầu
a)Gang cầu pherit
b)Gang cầu pherit-peclit
c)Gang cầu peclit
Kỹ thuật vật liệu CLC
Gang dẻo lõi đen (gang dẻo fe rit) : được ủ trong môi trường trung tính (cát, phoi
thép, bột sa mốt). Do vậy sau khi ủ graphit cụm số lượng nhiều nên mặt gãy có màu tối

(lõi đen). Gang dẻo lõi đen có độ dẻo tương đối cao δ% = 8-12%, độ bền thấp
σ
b
= 300 - 400 MN/m
2
.
Gang dẻo lõi trắng (gang dẻo péc lit) : được ủ trong môi trường ô xy hóa (quặng
sắt). Do vậy trong quá trình ủ graphit bị cháy hao đi, nên số lượng graphit cụm giảm đi,
mặt gãy có màu hơi sáng (lõi trắng) Gang dẻo lõi trắng có độ dẻo thấp hơn δ%= 2- 6%,
độ bền cao hơn σ
b
= 450 - 600 MN/m
2
.
Theo TCVN 1659 - 75 gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và hai cặp chữ sô
chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm
2
và độ dãn dài tương đối theo %. Ví dụ :
GZ35-10 GZ - gang dẻo
35 là độ bền kéo tối thiểu 35 kG/mm
2
(350 MPa)
10 là độ dãn dài tương đối 10%
Công dụng : Gang dẻo thường dùng làm các chi tiết đồng thời đòi hỏi ba yêu cầu
sau đây :
-Tiết diện thành mỏng
-Hình dáng phức tạp
-Chịu va đập
Thường dùng làm các chi tiết : trục khủyu bơm dầu khí trong ô tô, guốc hãm tàu hỏa,
cuóc bàn, các chi tiết máy dệt, máy nông nghiệp

5-Gang đặc biệt :
*Gang chịu ăn mòn : Chủ yếu là gang hợp kim cao, có thể là gang xám hoặc gang
cầu, được hợp kim hóa bởi các nguyên tố Si, Cr, Ni với giới hạn xác định. Do vậy làm
thay đổi điện thế điện cực của các pha và tạo ra một lớp màng ô xýt làm thụ động hóa quá
trình ăn mòn cho chi tiết trong các môi trường hoạt tính. Gồm có các loại sau đây :
-Gang si lic cao (còn gọi là hợp kim sắt - si líc), có nền kim loại là fe rit và fe rit
giàu si líc. Gang si líc cao có độ bền kém, độ cứng cao, giòn và khó gia công cắt gọt.
17
a) b)
c)
Hình1. 13 -Tổ chức tế vi gang dẻo
a)Gang dẻo pherit
b)Gang dẻo pherit-peclit
c)Gang dẻo peclit
Kỹ thuật vật liệu CLC
Gang này làm việc được trong môi trường HNO
3
, H
2
SO
4
, H
3
PO
4
và HCl có nồng đọ nhỏ
hơn 30%. Nếu tăng Si lên tới 17% và thêm 3,5 - 4,0% Mo có thể làm việc được trong HCl
mọi nồng độ.
-Gang crôm cao có tổ chức gòm fe rit -các bit, cơ tính cao, nhưng khá cứng và khó
gia công cắt gọt. Sử dụng tốt trong HNO

3
, H
3
PO
4
, trong dung dịch muối và các chất hữu
cơ không hoàn nguyên.
-Gang niken cao (loại niserit) có nền kim loại là austenit, cơ tính khá, dễ cắt gọt.
Gang ni ken cao làm việc tốt trong H
2
SO
4
, HCl, trong a xit có tính ô xy hóa yếu, trong
kiềm ở điều kiện chịu mài mòn, ăn mòn và chịu nóng.
*Gang chịu nhiệt : Để gang có thể làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao cần
phải hợp kim hóa gang bắng các nguyên tố Si, Cr, Al với hàm lượng xác định đủ để tạo ra
trên bề mặt các lớp ô xyt bền sít chặt làm cho gang không bị ô xy hóa và trương nở tiếp
theo. Tùy theo các nguyên tố hợp kim sử dụng ta có các loại gang chịu nhiệt khác nhau .
-Gang hợp kim si líc : có tổ chức nền kim loại là fe rit : nếu là gang xám có thể
làm việc được ở 600
o
C, nếu là gang cầu có thể làm việc được ở 950 - 1000
o
C.
-Gang crôm cao : có tổ chức các bit cùng tinh và péclit làm việc được trong điều
kiện chịu mài mòn và chịu nhiệt. Tùy theo tổ chức của nó, gang này có thẻ làm việc được
ở 900
o
C - 1100
o

C.
-Gang ni ken cao laọi niserit có tổ chức austenit có thể làm việc được ở 800
o
C.
-Gang nhôm cao chứa lượng nhôm lớn hơn 17% mà điển hình là loại chugan có
thể làm việc đến 900
o
C.
4-Các loại thép :
a-Định nghĩa : Thép là hợp kim của sắt và các bon với hàm lượng các bon nhỏ
hơn 2,14%.
Nếu trong thép chỉ có thuần túy sắt và các bon (có thể chứa một lượng nhó Mn, Si,
P, S ) gọi là thép các bon.
Nếu trong thép ngoài sắt và các bon ra người ta còn cố ý cho thêm vào một số các
nguyên tố với hàm lượng xác định (phụ thuộc vào khả năng tương tác của nguyên tố đó)
với mục đích cải thiện các tính chất (chủ yếu là cơ tính) gọi là thép hợp kim.
b-Nhóm thép các bon thông dụng (thép các bon chất lượng thường) :
Là loại thép chế tạo bằng phương pháp cán nóng không nhiệt luyện từ các nhà
máy luyện kim dưới dạng bán thành phẩm : tấm, ống, thanh, băng, thép hình chữ U, L, I,
V Công dụng của chúng là dùng trong xây dựng nhà, xưởng, cầu, cống, cốt bê tông,
đóng tàu Theo TCVN 1765 - 75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT ( C là các
bon, T là thép), sau đó là số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm
2
(muốn đổi ra
MPa chỉ cần nhân thêm 9,81. Thông thường lấy tròn bằng 10). Chúng được phân ra làm
ba phân nhóm.
*Phân nhóm A : chỉ quy định về cơ tính, mà không quy định về thành phần hóa
học. Ký hiệu đơn giản là CT31, CT33, CT34, CT38, CT42, CT51 và CT61.
*Phân nhóm B : chỉ quy định về thành phần hóa học mà không quy định về cơ
tính. Phân nhóm này ký hiệu tương tự phân nhóm A, nhưng phía trước có thêm chữ B. Ví

dụ BCT31, BCT33 BCT61.
*Phân nhóm C : được quy định cả về cơ tính lẫn thành phần hóa học, cơ tính
giống phân nhóm A, thành phần hóa học giống phân nhóm B. Ký hiệu của chúng có thêm
chữ C ở phía trước CT. Vi dụ : CCT31, CCT 34 CCT61. Để tìm các chỉ tiêu quy định ta
tra bảng như sau : Với mác thép CCT31, khi tìm cơ tính tra theo CT31, thành phần hóa
học tra theo BCT31.
18
Kỹ thuật vật liệu CLC
Chú ý : Với nhóm thép này nếu cuối ký hiệu không có chữ nào khác đó là thép
lặng, nếu có chữ s (CT34s) là thép sôi, chữ n (CT34n) là thép nửa sôi.
Riêng thép chuyên dùng cho xây dựng được quy định theo TCVN 5709 - 93.
Chúng được ký hiệu : XCT34, XCT38, XCT42, XCT52 với con số chỉ giới hạn bền kéo
tối thiểu kG/mm
2
. Loại thép này có thành phần xác định, có thể hàn và gia công bằng
nhiều phương pháp khác nhau.
c-Nhóm thép kết cấu :
Đây là nhóm thép có chất lượng tốt, hàm lượng S, P thấp (S
≤
0,04%, P
≤

0,035%) được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học. Chúng được dùng chủ yếu
làm các chi tiết máy : các loại trục, bánh răng, thanh truyền, lò xo, vòng bi Theo TCVN
1766 - 75 được ký hiệu như sau :
-Thép các bon : ký hiệu bằng chữ C và số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình
theo phần vạn. Nếu sau ký hiệu có chữ s là thép sôi, chữ n là thép nửa lặng, không có chữ
nào cả là thép lặng. Ví dụ : C10 là thép kết cấu các bon có 0,10%C. Có các mác sau : C8,
C10, C15, C20 C65.
-Thép hợp kim : ký hiệu bằng tập hợp chữ và số theo quy luật sau

*Số đứng đầu mác thép chỉ lượng các bon trung bình theo phần vạn.Nếu
xấp xỉ 1% thì không ghi.
*Các chữ là ký hiệu các nguyên tố hóa học trong thép.
*Số đứng sau ký hiệu hóa học chỉ lượng chứa trung bình của nguyên tố đó theo %.
Nếu lượng nguyên tố hợp kim xấp xỉ 1% thì không ghi.
*Nếu cuối mác thép có chữ A là thép chất lượng cao (S, P
≤
0,025%). Ví dụ :
20CrNiTi : có 0,20%C, 1,0%Cr, 1,0%Ni, 1,0%Ti
12Cr18Ni9 : Có 0,12%C, 18,0%Cr, 9,0%Ti
38CrMoAlA : Có 0,38%C, 1,0%Cr, 1,0%Mo, 1,0%Al, thép chất lượng cao.
Thép kết cấu hợp kim thấp được quy định theo TCVN 3104-79.
Nhóm thép này được phân ra các loại sau đây :
1-Thép thấm các bon : đặc điểm chung là có lượng các bon thấp nhỏ hơn 0,25%
đôi khi đến 0,30%C, chế độ nhiệt luyện là thấm các bon, tôi và ram thấp. Gồm có các
nhóm nhỏ sau :
-Nhóm thép các bon : C10, C15, C20, C25 đôi khi dùng CT38. Chúng được dùng
làm các chi tiết nhỏ hoặc mỏng, hình dạng đơn giản, cần tính chông mài mòn ở bề mặt
cao mà không yêu cầu có độ bền lớn.
-Nhóm thép crôm : 15Cr, 20Cr, 15CrV dùng làm các chi tiết nhỏ (
Φ
≤
30 mm)
yêu cầu chống mài mòn cao ở lớp bề mặt, chịu tải trọng trung bình : chốt pit tông, trục
cam xe ô tô, trục giữa xe đạp, bánh răng có mô đun nhỏ, trục pê đan xe đạp
-Nhóm thép crôm - ni ken : gồm có các mác 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A,
18Cr2Ni4WA, 18Cr2Ni4Mo có độ bền bảo đảm, chịu va đập cao. Công dụng : làm các
chi tiết máy có độ bền cao. Riêng hai mác 18Cr2Ni4WA và 18Cr2Ni4Mo làm các chi tiết
đặc biệt quan trọng : bánh răng, trục của động cơ máy bay, tàu biển
-Nhóm thép crôm - mangan - titan : gồm các mác 18CrMnTi, 25CrMnTi,

30CrMnTi, 25CrMnMo có độ bền khá cao, dùng làm các bánh răng hộp số, bánh răng cầu
sau, các trục quan trọng trong ô tô máy kéo.
2-Thép hóa tốt : là loại thép có hàm lượng các bon trung bình 0,30 - 0,50%C và
các nguyên tố hợp kim : Cr, Mn, Si, Ni mỗi nguyên tố xấp xỉ 1% để nâng cao độ thấm tôi
và một lượng nhỏ Ti < 0,10%, Mo < 0,30%, B < 0,005% làm cho hạt nhỏ và chống giòn
ram, dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, yêu cầu độ bền và độ
19
Kỹ thuật vật liệu CLC
dai cao. Cơ tính tổng hợp của thép đạt được cao nhất bằng cách nhiệt luyện hóa tốt (tôi và
ram cao) nên gọi là thép hóa tốt. Gồm có các nhóm sau :
*Nhóm thép các bon : có các mác C35, C40, C45, C50. Thường dùng nhất là C45,
được sử dụng làm các chi tiết nhỏ, chịu tải không lớn : trục truyền, thanh truyền trong
động cơ ô tô nhỏ, bánh răng tốc độ chậm
*Nhóm thép crôm : có các mác sau đây : 35Cr, 40Cr, 40CrB, 45Cr và 50Cr, thông
dụng nhất là 40Cr, được dùng làm các chi tiết chịu tải và tốc độ trung bình như các loại
trục, bánh răng hộp số của các máy cắt gọt.
*Nhóm thép crôm - man, crôm - man gan - silíc : gồm có các mác thép sau đây
40CrMn, 40CrMnB, 30CrMnSi, 35CrMnSi mà thông dụng nhất là 30CrMnSi được sử
dụng nhiều trong chế tạo ô tô làm các kết cấu chịu lực, chi tiết của bộ phận lái.
*Nhóm thép crôm - niken : đây là nhóm thép hóa tốt chất lượng cao nhất : gồm có
các mác sau : 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi, 40CrNiMo làm các chi tiết chịu tải lớn yêu cầu
độ tin cậy cao như trục vít của hệ thống lái ô tô. Trong nhóm này có các mác :
38CrNi3Mo, 38CrNi3MoV là các thép chất lượng cao nhất trong thép hóa tốt, dùng làm
các chi tiết quan trọng, chịu tải trọng nặng như : trục rôto tua bin, chi tiết chịu tải của máy
nén khí, các chi tiết máy bay
3-Thép đàn hồi : là loại thép có lượng các bon tương đối cao 0,50 - 0,70%C, các
nguyên tố hợp kim chủ yếu là Mn, Si với hàm lượng 1-2% để nâng cao tính đàn hồi.
Ngoài ra còn có Cr, Ni, V để nâng cao độ thấm tôi và ổn định tính đàn hồi. Gồm các
nhóm sau :
*Nhóm thép các bon và man gan : C65, C70, 60Mn, 65Mn, 70Mn dùng làm các lò

xo thông thường.
*Nhóm thép silic và silic - man gan : 55Si2, 60Si2, 60SiMn dùng làm các lò xo,
nhíp có chiều dày đến 18mm trong ô tô, tàu lửa, tàu biển, dây cót đồng hồ.
*Nhóm thép silic - crôm và silic - vanađi : 60Si2CrA, 60Si2Ni2A dùng chế tạo lò
xo, nhíp lớn chịu tải nặng và đặc biệt quan trọng. Các mác 50CrV, 50CrMnV làm các lò
xo nhỏ, chịu nhiệt. Ví dụ lò xo su páp xả.
4-Thép kết cấu có công dụng riêng : là các loại thép được chế tạo với mục đích sử
dụng riêng biệt, gồm có các loại sau :
*Thép tấm dập nguội : được chế tạo dưới dạng lá, tấm mỏng, có hàm lượng các
bon thấp từ 0,05% - 0,20%C, lượng si líc thấp, độ hạt nhỏ và có độ dẻo cao. Gồm có các
mác : 05s, 08s, C10s, C15s, C15n dùng làm các chi tiết qua dập nguội như cabin xe,
thùng xe và nhiều loại chi tiết khác.
*Thép dễ cắt : là loại thép có lượng các bon từ 0,10 - 0,40%C với lượng chứa lưu
huỳnh và phốt pho tương đối cao. Chúng dùng làm các chi tiết phải gia công cắt gọt trên
các máy tự động với năng suất cao và số lượng lớn, yêu cầu bề mặt nhẵn bóng cao, không
chịu tải trọng lớn như : bu lông, đai ốc, vít, bạc, một số loại bánh răng. Gồm các mác
sau : 12S, 20S, 30S, 40MnS, 12SPb (S, Pb và P chỉ rằng đây là thép dễ cắt).
*Thép chống mài mòn (thép Gatfind) : Thép này chỉ có một mác duy nhất là
130Mn13Đ, trong đó chữ Đ có nghiã là chỉ có thể chế tạo sản phẩm bằng phương pháp
đúc. Tổ chức ở trạng thái làm việc là austenit rất dẻo và dai nhưng khi làm việc dưới tải
trọng va đập và mài sát bề mặt bị biến dạng dẻo gây xô lệch mạng và biến cứng. Mặt khác
dưới tải trọng tác dụng có chuyển biến austenit thành mác ten xít có độ cứng cao, do đó
nâng cao khả năng chống mài mòn lên rất nhiều. Đặc biệt là lớp có tính chống mài mòn
này luôn tồn tại trên bề mặt thép, bởi vì nếu bề mặt bị mài mòn đi thì lớp bên trong sẽ tiếp
20
Kỹ thuật vật liệu CLC
xúc với lực tác dụng và lại bị biến cứng như quá trình trên. Công dụng : làm xích xe tăng,
máy kéo lưõi ben máy ủi đất, máy gạt, máy cày, ghi ray, cổ biên máy đập đà
*Thép ổ lăn : là loại thép chuyên dùng làm các ổ bi, ổ đũa trong các loại máy móc.
Loại thép này có độ cứng và tính chống mài mòn cao, độ bền mỏi tiếp xúc lớn. Hàm

lượng các bon xấp xỉ 1%C và hợp kim hóa chủ yếu bằng Si và Mn. Thép ổ lăn được ký
hiệu riêng. Ví dụ :
OL100Cr1,5 OL - chỉ thép ổ lăn
100 - lượng các bon trung bình 1,0%C
1,5 - lượng crôm là 1,5%.
Gồm các mác sau : OL100Cr1,5, OL100Cr1,5SiMn, OL100Cr0,9, OL100Cr0,6.
*Thép đường ray : là loại thép các bon chất lượng cao với lượng các bon từ 0,50-
0,80%C và 0,60-1,0%Mn, lượng S và P thấp, được chế tạo riêng để làm đường ray xe
lửa. Thép này được chế tạo bằng phương pháp cán nóng tại các nhà máy luyện kim, tiết
diện chữ I. Sau một quá trình sử dụng bề mặt bị mòn đi không làm đường ray được nữa,
nhưng nó còn được dùng làm nhiều loại chi tiết khác như đục, dao, dụng cụ gia công
gỗ TCVN chưa có quy định ký hiệu thép đường ray. Tiêu chuẩn Nga quy định ký hiệu
bằng chữ P và sau đó là số trọng lượng một mét dài theo kG.
Ví dụ : P60 là thép làm đường ray có trọng lượng 1m dài là 60kG
*Dây thép các loại : dây thép các loại được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời
sống, được sản xuất từ các nhà máy luyện kim bằng phương pháp kéo nguội. Tùy theo
mục đích sử dụng mà lượng các bon thay đổi từ 0,10 - 0,90%C.
Dây thép có hàm lượng các bon thấp : 0,30 - 0,40%C được mạ kẽm dùng trong kỹ
thuật và đời sống.
Dây thép có hàm lượng các bon từ 0,50 - 0,70%C dùng làm các lò xo tròn. Dây
thép có hàm lượng các bon cao từ 0,70 - 0,90% dùng làm các dây cáp.
d-Nhóm thép dụng cụ : gồm các thép có chất lượng tốt và chất lượng cao và chỉ là
loại thép lắng, có cơ tính và thành phần hóa học xác định. Chúng được dùng để chế tạo
các loại dụng cụ gia công vật liệu kim loại và các loại vật liệu khác : gỗ, đá, chất
dẻo Chúng được phân làm ba họ sau đây : dụng cụ cắt gọt, dụng cụ biến dạng và dụng
cụ đo. Theo TCVN nhóm thép này được ký hiệu như sau :
-Thép dụng cụ các bon : TCVN 1822-76 quy định ký hiệu bằng hai chữ CD (C-
các bon, D- dụng cụ) và sau đó là số chỉ lượng các bon trung bình theo phần vạn. Nếu
cuối mác thép có chữ A là loại chất lượng cao với lượng P, S < 0,025%.
Ví dụ : CD80 - thép dụng cụ các bon có 0,80%C

CD120A - thép dụng cụ các bon chất lượng cao có 1,20%C.
-Thép dụng cụ hợp kim : TCVN 1823-76 quy định ký hiệu bằng tập hợp chữ và
số:
*Số đầu tiên của mác thép chỉ lượng các bon trung bình có trong thép theo phần
vạn. Nếu lượng các bon xấp xỉ 1% thì không ký hiệu.
*Các chữ là ký hiệu của các nguyên tố hợp kim có trong thép.
*Số đứng sau các ký hiệu chỉ lượng chứa của nguyên tố đó theo phần trăm. Nếu
lượng nguyên tố xấp xỉ 1% thì không ký hiệu.
Ví dụ : 90CrSi: có 0,90%C, 1%Cr, 1%Si
140CrW5: có 1,40%C, 1%Cr, 5%W
CrWMnSi: có 1,0%C; 1,0%Cr; 1,0%W; 1,0%Mn; 1,0%Si
1-Thép làm dao cắt :
21
Kỹ thuật vật liệu CLC
-Thép các bon : CD70, CD80 CD130 dùng làm các lọai dụng cụ gia công bằng
tay, hình dáng đơn giản : dũa, mũi khoan, cưa, ta rô, bàn ren, dao tiện
-Thép hợp kim : Gồm các mác sau : 90CrSi, 90Mn2, 100Cr2, 130Cr0,5 và
140CrW5, 75W18V, 90W9V2, 85W12Cr3V2Mo, 160W12Co5V4Cr4Mo. Công dụng :
làm các dụng cụ gia công kim loại : mũi khoan, ta rô, bàn ren, dao phay. Riêng mác
130Cr0,5 được dùng làm dao xén giấy, cắt da, dao cạo râu, cạo băng máy. Mác 140CrW5
còn gọi là thép kim cương vì rất cứng được dùng gia công các vật liệu cứng như đục đá.
2-Hợp kim làm dụng cụ cắt (hợp kim cứng) : Hợp kim cứng có tốc độ cắt rất cao
tới hàng trăm mét/phút, nhiệt độ làm việc đến 800-1000
o
C. Chúng được chế tạo bằng
phương pháp luyện kim bột. Hợp kim cứng chia làm ba nhóm :
-Nhóm một các bít : gồm có WC và Co làm chất dính kết. Theo TCVN 1659-75
quy định ký hiệu bằng tập hợp chữ và số, chữ chỉ thành phần , còn số chỉ lượng chứa theo
phần trăm. Ví dụ :
WCCo8: có 8%Co và 92%WC

WCCo10: có 10% và 90%WC
-Nhóm hai các bít : gồm có WC, TiC và Co làm chất dính kết. Ký hiệu tương tự
trên. Ví dụ :
WCTiC15Co6: có 6%Co, 15%TiC và 79%WC
WCTiC4Co10: có 10%Co, 4%TiC và 96%WC
-Nhóm ba các bít : gồm có WC, TiC, TaC và Co làm chất dính kết. Ký hiệu cũng
tương tự trên. Ví dụ :
WCTTC7Co12: có 12%Co, 81%WC và 7%(TiC+TaC) muốn biết
từng thành phần này phải tra bảng.
WCTTC10Co8: có 8%Co, 82%WC và 10%(TiC+TaC).
Cơ tính của hợp kim cứng càng tăng lên theo số lượng các bít, số lượng các bít
càng nhiều được coi là hợp kim càng tốt.
Công dụng : làm các dụng cụ cắt gọt có hình dáng đơn giản như dao tiện, dao bào,
mũi khoan đất đá Ngoài ra còn dùng làm các khuôn dập nhỏ, khuôn kéo sợi Hiện tại
Việt Nam dùng phổ biến hai loại WCCo8 và WCTiC15Co6.
3-Thép làm khuôn dập : Là loại thép dùng làm các dụng cụ biến dạng kim loại
như khuôn rèn, dập, khuôn kéo Gồm có các mác sau đây : 50CrNiMo, 50CrMnMo
40Cr2W2VSi, 100CrWMn, 160Cr12Mo
4-Thép làm dụng cụ đo lường : là loại thép làm các dụng cụ đo trong nghành cơ
khí như : pan me, thước cặp, ca líp, dưỡng Thường dùng các mác sau : C15, C20,15Cr,
20Cr, C50, C55, 38CrMoAlA, 100CrMn.
1.1.5.Kim loại và hợp kim màu :
1-Nhôm và hợp kim nhôm :
a-Nhôm nguyên chất : Tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, độ sạch của nhôm rất
khác nhau. Các mác nhôm nguyên chất được ký hiệu theo TCVN 1659-75 như sau : chữ
là ký hiệu hóa học của nhôm, sau đó là các số chỉ lượng chứa của nhôm theo phần trăm.
Ví dụ : Al 99, Al 99,99, Al 99,999
Công dụng : dùng trong sinh hoạt, kỹ thuật điện và kỹ thuật nhiệt.
b-Hợp kim nhôm : được chia làm hai nhóm : hợp kim nhôm đúc và biến dạng.
-Hợp kim nhôm biến dạng (Hinh 1.14): dùng để chế tạo các sản phẩm bằng

phương pháp biến dạng, được ký hiệu như sau : đầu tiên là nguyên tố nhôm, sau đó là ký
hiệu các nguyên tố có trong hợp kim, số đứng sau các nguyên tố (trừ Al) chỉ lượng chứa
của nó theo phần trăm. Lượng chứa của nhôm bằng 100% trừ đi tổng lượng chứa của các
22
Kỹ thuật vật liệu CLC
nguyên tố hợp kim. Gồm các mác sau : AlCu4,5Mg0,5MnSi; AlCu4,5Mg1,5Mn0,5;
AlCu6,5Mn05Ti; AlZn4,5Mg2,5CrMn Công dụng : dùng trong công nghiệp hàng
không, quân khí, gậy trượt tuyết, tua bin, công nghiệp dệt
-Hợp kim nhôm đúc (Hinh 1.15): chế tạo các sản phẩm bằng phương pháp đúc.
Nguyên tắc ký hiệu của nó giống như loại biến dạng. Gồm có các mác sau :
AlSi12CuMg0,6Ni1Đ, AlCu5Mg1Ni3Mn0,2Đ (chữ Đ có nghĩa là chế tạo bằng phương
pháp đúc). Công dụng : sử dụng rộng rãi làm pit tông động cơ đốt trong, nắp động cơ
nhỏ
2-Đồng và hợp kim đồng :
a-Đồng nguyên chất (đồng đỏ) : phụ thuộc vào phương pháp sản xuất đồng
nguyên chất có độ sạch khác nhau. Ký hiệu đồng nguyên chất bằng chữ Cu và các số
đứng sau chỉ lượng chứa của nó theo phần trăm. Gồm các mác sau : Cu 99, 99; Cu 99,97;
Cu 99,95; Cu 99,90 Công dụng : chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện và kỹ thuật nhiệt.
b-Hợp kim đồng : chia ra hai loại la tông và brông.
-La tông (Hinh 16): là hợp kim của đồng với nguyên tố chủ yếu là kẽm. Được ký
như sau : đầu tiên là chữ L (chỉ latông), tiếp sau là Cu và Zn. Số đứng sau Zn chỉ lượng
23
Hình 14-Tổ chức tế vi của đura sau nhiệt luyện
Hình 1.15-Tổ chức tế vi silumin trước biến tính (a) và sau biến tính (b)
a) b)
Kỹ thuật vật liệu CLC
chứa của nó. Lượng chứa của đồng bằng 100% trừ đi lượng kẽm. Gồm các mác sau :
LCuZn30; LCuZn40; LCuZn29Sn1; LCuZn27Ni14 Công dụng : làm các chi tiết trong
đồng hồ, công nghiệp tàu thủy, đồ dùng quang học, vỏ đạn, đồ trang sức.
-Brông (Hinh 1.17): là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác là chủ yếu (trừ

kẽm). Ký hiệu như sau : đầu tiên là chữ B (chỉ brông), tiếp sau là Cu và sau đó là các
nguyên tố có trong hợp kim. Số đứng sau các nguyên tố (trừ Cu) chỉ lượng chứa của
chúng theo %. Lượng chứa của đồng bằng 100% trừ đi tổng lượng chứa các nguyên tố.
Gồm các mác sau : BCuSn5P0,15; BCuSn5Zn5Pb5; BCuAl5; BCuAl9Fe4; BCuBe2.
Công dụng : công tắc điện, lò xo, đĩa ly hợp, hệ thống ống dẫn, đúc tượng, phù điêu nghệ
thuật, hệ thống trao đổi nhiệt, đồ dùng cho hải quân, bộ ngưng hơi, màng đàn hồi, búa
chèn hầm lò
1.2.VẬT LIỆU KẾT HỢP (COMPOSIT) :
1.2.1.Khái niệm và phân loại :
a-Khái niệm : Vật liệu com po zit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu
khác nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại được kết hợp với nhau hoặc tạo
nên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ không một loại vật liệu thành
phần nào có thể đáp ứng được
(a) (b)
Hình 1.16-Tổ chức tế vi của latông 1 pha (a) và latông 2 pha (b)
b-Đặc điểm và phân loại :
*Đặc điểm :
+Là vật liệu nhiều pha : trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, không
hòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Phổ biến nhất là loại com po
zit hai pha : pha liên tục trong toàn khối gọi là nền, pha phân bố gían đoạn, được nền bao
bọc gọi là cốt.
24
Hình 1.17- Tổ chức tế vi của brông chì
Kỹ thuật vật liệu CLC
+Trong vật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền
và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế.
+Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất
chung của composit. Ta lựa chọn các tính chất tốt để phát huy thêm.
*Phân loại : -Phân loại theo bản chất của nền :
+Composit nền chất dẻo (composit polymerit)

+Composit nền kim loại (composit metallit)
+Composit nền gốm (Composit céramic)
+Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha.
-Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc :
Composit
↓


↓ ↓ ↓
Cốt hạt Cốt sợi Composit cấu trúc
↓ ↓ ↓

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Hạt Hạt Liên Gián Lớp Tấm Tổ ong
thô mịn tục đoạn 3 lớp
1.2.2.Cốt :
*Trong toàn khối composit thì cốt phân bố không liên tục và rất đa dạng, phụ
thuộc vào loại compo sit cần chế tạo.
*Với loại compo sit kết cấu : cốt là các kim loại bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ
cao, có mô đun đàn hồi lớn, khối lượng riêng nhỏ.
*Các loại vật liệu cốt : Kim loại ( thép không rỉ, W, B, Mo ), chất vô cơ (các bon,
thủy tinh, gốm).
*Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng rất mạnh
đến tính chất composit.
1.2.3.Nền :
Nền có vai trò sau đây :
*Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composit thống nhất.
*Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia côngvật liệu compo sit thành các
chi tiết thiết kế.
*Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường.

Vật liệu nền : polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp.
1.2.4.Các loại vật liệu composit thông dụng:
1-Composit hạt : Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền.
Các phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền : ô xyt, nitrit, các bit
-Composit hạt thô nền polyme : hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, stêalit, ô xyt
nhôm Được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt : cửa, tường ngăn, trần nhà
-Composit hạt thô nền kim loại : hạt cốt là các phần tử cứng : WC, TiC, TaC nền
là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập Ngoài ra còn có các hợp kim
giả : W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag sử dụng trong kỹ thuật điện.
25