Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Cắt gọt kim loại - CĐ/TC): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp

TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP
KHOA CƠ KHÍ – XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP
(Ban hành kèm theo Quyết định số:……, ngày……, tháng……, năm 2017
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể đƣợc
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

2


LỜI GIỚI THIỆU
Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện
thuận lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học “Vật liệu cơ khí”. Nội dung của
giáo trình nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về vật liệu của ngành Cơ khí
cho sinh viên hệ cao đẳng nghề, trung cấp nghề.
Nội dung gồm hai phần:
Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất
chung của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính

chất của kim loại khi nhiệt luyện và các phƣơng pháp nhiệt luyện.
Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và cơng dụng của
những vật liệu phi kim loại thƣờng dùng trong ngành chế tạo cơ khí nhƣ, chất
dẻo, gỗ, vật liệu compozit.
Trong quá trình biên soạn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí của
các trƣờng dạy nghề và nhiều tài liệu khác
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong đƣợc đồng nghiệp và bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu này ngày càng
hoàn chỉnh hơn.
Đồng Tháp, ngày ….tháng …. năm 2017
Tham gia biên soạn
Chủ biên:


MỤC LỤC
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ............................................................................................... 2
LỜI GIỚI THIỆU............................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM .............................. 5
1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim ...................................................................... 5
2. Cấu tạo của kim loại và hợp kim ................................................................................... 6
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim .................................................................... 10
4. Các phƣơng pháp thử kim loại và hợp kim .................................................................. 12
5. Hiện tƣợng ăn mòn kim loại ........................................................................................ 17
6. Phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại .......................................................................... 18
CHƢƠNG 2: GANG ........................................................................................................ 21
1. Khái niệm chung về gang............................................................................................. 21
2. Phân loại gang .............................................................................................................. 24
CHƢƠNG 3 THÉP .......................................................................................................... 35
1. Thành phần hoá học và ảnh hƣởng của các nguyên tố ................................................ 35
2. Ảnh hƣởng của các nguyên tố tới tính chất của thép ................................................... 36

3. Các phƣơng pháp phân loại thép .................................................................................. 38
4. Các loại thép cacbon .................................................................................................... 39
5. Thép hợp kim ............................................................................................................... 44
6. Xác định mác thép bằng tia lửa mài ............................................................................. 56
CHƢƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN ............................................ 61
1. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện.................................................................................. 61
2. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C ................................................................................. 63
3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nhiệt luyện ......................................................... 67
4. Các hình thức nhiệt luyện ............................................................................................ 68
5. Các dạng sai hỏng thƣờng gặp khi nhiệt luyện ............................................................ 83
6. Hóa nhiệt luyện ............................................................................................................ 87
CHƢƠNG 5: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU .................................................... 95
1. Đặc điểm và tính chất chung của kim loại màu ........................................................... 95
2. Nhôm và hợp kim nhôm .............................................................................................. 96
3. Đồng và hợp kim đồng ................................................................................................. 99
4. Thiếc – chì- kẽm ........................................................................................................ 105
5. Hợp kim làm ổ trƣợt................................................................................................... 106
CHƢƠNG 6: CAO SU-GỖ-AMIĂNG .......................................................................... 113
1. CAO SU ..................................................................................................................... 113
2.GỖ ............................................................................................................................... 113
3.AMIĂNG .................................................................................................................... 114
TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO .................................................................................... 116


CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã chƣơng: CMH10-01
Mục tiêu:
- Trình bày đƣợc các đặc điểm, cấu tạo của kim loại và hợp kim. Phân biệt
đƣợc các kim loại và hợp kim thƣờng dùng trong ngành cơ khí chế tạo.
- Trình bày đƣợc các tính chất cơ lý hố, tính cơng nghệ của kim loại và

hợp kim. Mô tả đƣợc các phƣơng pháp đo độ cứng đơn giản, có khả năng đo
trực tiếp sản phẩm mà không phá hỏng chúng. Phƣơng pháp thử độ cứng HB,
HRC và phƣơng pháp thử độ bền, độ dẻo của vật liệu.
- Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích
cực sáng tạo trong học tập.
1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát
triển công nghiệp nặng , trong đó ngành chế tạo cơ khí là quan trọng nhất .
- Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó
kim loại là vật liêu chủ yếu . Sở dĩ kim loại là vật liệu đƣợc sử dụng chủ yếu của
ngành chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất và ƣu điểm quan trọng , ƣu việt
hơn hẳn so với các loại vật liệu khác .
- Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều
loại vật liệu khác nhau nhƣ : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , ... Với các tính năng ngày
càng tốt và sản lƣợng ngày càng cao , nhƣng vẫn khơng thay thế hồn tồn đƣợc
cho kim loại và hợp kim .
- Do đó , bên cạnh việc nghiên cứu thay thế các kim loại và hợp kim bằng
các vật liệu phi kim loại có tính năng thích ứng , ngƣời ta vẫn tiếp tục nghiên
cứu để tìm ra những kim loại và hợp kim có những tính năng ƣu việt nhƣ : Nhẹ
, bền , chịu ăn mòn , chịu nhiệt , chịu va đập , ...
Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang , thép vẫn là trọng tâm của
cơng nghiệp vật liệu nói riêng và của nền kinh tế quốc dân nói chung đối với tất
cả các nƣớc có nền cơng nghiệp phát triển .


2. Cấu tạo của kim loại và hợp kim
2.1. Cấu tạo của kim loại
2.1.1. Khái niệm về kim loại
Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn đƣợc , có tính dẫn điện , nhiệt cao.
Phƣơng diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhƣờng điện tử trong các phản

ứng hóa học.
2.1.2. Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại
Trạng thái (e) trong nguyên tử đƣợc xác định bởi 4 số lƣợng tử:
n - Số lƣợng tử chính
l - Số lƣợng tử quỹ đạo
m - Số lƣợng tử tử
ms - Số lƣợng tử Spin
Các (e) chuyển động trong nguyên tử giới hạn , trong những lớp xác định
tƣơng ứng với số lƣợng tử chính.n = 1, 2, 3, ... K, L, M, ...
Trong các lớp này đƣợc chia làm nhiều lớp con , tƣơng ứng với số lƣợng
tử quỹ đạo. l = 0 , 1, 2, 3, ... , (n-1) đƣợc ký hiệu bởi các lớp : s, p ,d ,f , ...
Mỗi một trạng thái (e) trong nguyên tử tƣơng ứng với một năng lƣợng xác
định. Theo cơ học lƣợng tử thì cấu hình (e) trong nguyên tử đƣợc cấu tạo nhƣ sau:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 ...
Phân lớp con:

s - Tối đa 2(e)
p - Tối đa 6(e)
d - Tối đa 10(e)
f - Tối đa 14(e)

VD:

Al13 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Fe 26 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
C6 : 1s2 2s2 2p2

Từ cấu hình trên ta rút ra là các lớp ngồi cùng có liên kết yếu nên dể gây
ra phản ứng hóa họ .
2.1.3. Liên kết kim loại

Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết ở trong kim loại đƣợc gọi là
liên kết kim loại.


Liên kết kim loại đƣợc mô tả nhƣ sau: Ở các nút lƣới là các ion (+), kim
loại trong khoảng không giữa nút lƣới là các (e) tự do tao thành khí điện tử. Liên
kết kim loại tạo thành do lực hút giữa màng các ion (+) với khí (e). Do vậy mà
kim loại có tính dẻo.
2.1.4. Cấu tạo mạng tinh thể kim loại
a. Mạng tinh thể và ô cơ bản

Hình: 1.1: mạng tinh thể

- Trong kim loại các kim loại đƣợc sắp xếp một cách trật tự tuần hoàn
trong không gian .
- Các nguyên tử trong kim loại đƣợc sắp xếp một cách có trật tự các
nguyên tử đều nằm trên mặt phẳng song song cách đều gọi là mặt tinh thể, tập
hợp vô số những mặt tinh thể nhƣ thế nó lập thành mạng tinh thể .
- Tồn bộ mạng khơng gian có thể xem nhƣ đƣợc tạo thành những hình
khối nhỏ nhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện
chung cho tồn mạng những ơ nhƣ vậy gọi là ơ cơ bản .
b. Các kiều mạng tinh thể thường gặp
Lập phương thể tâm

Hình: 1.2: Lập phương thể tâm

Cấu tạo: Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các
nút (đỉnh) của hình lập phƣơng và ở giữa mỗi hình lập phƣơng có một ngun
tử.
- Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh

thể, gọi là thông số mạng . Độ lớn đo bằng Ao ( Ángtrong ) 1Ao = 10-8 cm.
7


- Các kim loại có kiểu mạng này: Fe ,Cr ,Mo ,W , ...
Lục phương dày đặc

Cấu tạo: Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các
nút (đỉnh) của hình lục lăng hai nguyên tử nằm
ở 1.3:
trung
hai mặt
đáy và ba
Hình:
Lậptâm
phương
dày đặc
nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác.
- Các kim loại có kiểu mạng này: Zn ,Cu ,Mg , ...
* Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại
Ở trạng thái rắn khi điều kiện ngoài trời thay đổi ( áp suất , nhiệt độ .v.v..)
tổ chức kim loại thay đổi theo . Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thơng số
mạng có giá trị thay đổi ngƣời ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể .
Ví dụ : Sự chuyển biến thù hình của sắt .
o
T C
Lng

LPTT

1400

Fe

Khäng cọtỉìtênh

1539o

o
o
o
1392 
LPDT Fe
o
910 - 1392o
o
910

1000

o
768

800

LPTT
Fe
o
o


500

Cọtỉìtênh

1600

t ( thåìi gian )
Så âäưbiãú
n âäø
i mả
ng tinh thãøca sàõ
t ( Fe )
8


2.2. Cấu tạo của hợp kim
Trong thực tế kim loại nguyên chất rất ít dùng , độ bền thấp khả năng ứng
dụng không cao. Nên phải dùng tới thép hợp kim .
2.2.1. Khái niệm chung
a. Định nghĩa
Hợp kim là một dạng vật chất có tính kim loại nhận biết đƣợc bằng cách
nấu chảy hay liên kết một kim loại với một hay nhiều các nguyên tố khác.
Thành phần của hợp kim đƣợc biểu diễn bằng o/o trọng lƣợng.
b. Pha, hệ thống (hệ), nguyên.
* Pha: Là một tổ phần đồng nhất của hợp kim hệ thống chúng có thành
phần đồng nhất cùng trạng thái nhƣ: lỏng cùng lỏng, rắn cùng rắn, ... nhƣng phải
cùng kiểu mảng. Chúng ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia.
* Hệ thống (hệ): Tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng.
* Nguyên: Là những thành phần độc lập tạo nên các pha của (Hệ).

2.2.2. Cấu tạo của hợp kim
a. Dung dịch đặc
Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các ngun tố
thành phần có kích thƣớc gần giống nhau. Khi kết tinh, các hợp kim này tạo
thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần.

a

c

b

a - Mạng tinh thể của sắt thay thế

Hình: 1.5: Mạng tinh thể

b - Mạng tinh thể của dung dịch đặc thay thế
c - Mạng tinh thể của dung dịch đặc xen kẽ
Có hai loại dung dịch đặc:
* Dung dịch đặc thay thế:
Ví dụ : Cu và Ni: Nguyên tử Ni đẩy một số nguyên tử Cu ra khỏi nút mạng tinh
thể và thay thế vào vị trí đó.


* Dung dịch đặc xen kẽ
Nguyên tử của các nguyên tố hồ tan.
Ví dụ : C , O2 , Bo , ... Nằm giữa xen kẽ vào những lỗ hổng của giữa các
nút mạng tinh thể của nguyên tố kim loại cơ bản (dung mơi).
b. Hợp chất hóa học
Hợp chất có cấu tạo là hợp chất hóa học, khi nguyên tử của các nguyên tố

khác nhau, tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có
kiểu mạng nhất định và có thành phần hóa học xác định biểu diễn bằng một
cơng thức hóa học.
c. Hỗn hợp cơ học
Hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học khi nguyên tử của các nguyên tố
thành phần khác nhau về kích thƣớc và mạng tinh thể.
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
3.1. Tính chất vật lý
a. Vẻ sáng mặt ngoài: Chia ra làm 2 loại: Kim loại màu và kim loại đen
- Kim loại màu và hợp kim đen: Là Fe và hợp kim của Fe với C (thép, gang).
- Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại.
b. Khối lượng riêng: Là số đo khối lƣợng vật chất chứa trong một đơn vị
thể tích của vật thể.
γ

Trong đó:

m
(Kg/m 3 )
V

m - Khối lƣợng của vật thể ( Kg )
V - Thể tích của vật thể ( m3 )

c. Trọng lượng riêng: Là trọng lƣợng của một đơn vị thể tích của vật thể.
d

P
V

( KG/mm3 hoặc N/mm3 )

Trong đó: P - Trọng lƣợng của vật ( KG, 1KG ~ 10N )
d. Tính nóng chảy: Là tính chất của kim loại sẽ chảy lỗng khi nung nóng
và khi làm nguội.
e. Tính dẫn điện: Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim
f. Tính truyền nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim
khi đốt nóng và khi làn nguội.
10


g. Tính nhiệt nung: Là nhiệt lƣợng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim
loại lên 10C.
3.2. Tính chất hóa học
a. Khái niệm: Tính chất hố học là khả năng của kim loại và hợp kim
chống lại tác dụng hóa học của mơi trƣờng xung quanh.
b. Các đặc trưng
Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau:
- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H 2O và O2
của khơng khí ở nhiệt độ thƣờng hoặc nhiệt độ cao .
- Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của mơi trƣờng axít .
3.3. Tính cơ học
a. Khái niệm
Tính cơ học của kim loại hay cịn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác
dung của lực bên ngoài lên kim loại.
b. Các đặc trưng cơ bản của cơ tính
- Độ dẻo: Là khả năng thay đổi đƣợc hình dáng của kim loại và hợp kim
mà không bị phá huỷ dƣới tác dụng của ngoại lực.
- Đô bền: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi
có ngoại lực tác dụng.

- Độ cứng: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng
dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dƣới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại
chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn.
- Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình
dáng hoặc trạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng.
3.4. Tính cơng nghệ
a. Khái niệm
Tính cơng nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có thể
thực hiện đƣợc các phƣơng pháp cơng nghệ để sản xuất các sản phẩm khác
nhau.
b. Các đặc trưng
Tính đúc, tính hàn, tính gia cơng cắt gọt, gia cơng áp lực, tính nhiệt luyện.

11


Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan
trọng nhƣng tính cơng nghệ kém thì cũng rất khó đƣợc sử dụng rộng rãi vì khó
chế tạo thành phẩm.
Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định đƣợc bằng cách thí
nghiệm các mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng nhƣ:
- Máy thử kéo nén;
- Máy thử độ cứng.
4. Các phƣơng pháp thử kim loại và hợp kim
4.1. Thử độ cứng
a. Khái niệm
Độ cứng của kim loại và hợp kim là khả năng chống lại sự lún của bề mặt
tại chỗ ấn vào đó một vật cứng hơn. Khi kim loại càng khó lún thì độ cứng càng
cao. Việc thử độ cứng đƣợc áp dụng rộng rãi trong sản xuất vì nó đơn giản và
nhanh, khi thử độ cứng bề mặt của kim loại phải nhẵn khơng có các vết nứt,

xƣớc, vẩy. Nhƣ vậy kết quả thử độ cứng mới chính xác.
b. Phương pháp Brinen
P

h

D

Ø733

d

Hình: 1.6: Phương pháp Brinen

Ngƣời ta dùng tải trọng P của máy ép thử độ cứng, ấn một viên bi bằng
thép đã tơi cứng có đƣờng kính D = ( 2,5; 5; 10mm) vào mặt vật liệu thử. Giá trị
của P chọn theo vật liệu và giá trị đƣờng kính D.
- Thép cacbon thấp và gang: P = 30D2
- Đồng và hợp kim đồng: P= 10D2

12


Độ cứng đƣợc tính theo cơng thức:
HB =

P
P

2

F D
(D  D  d 2 )
2

( kG/mm2 )

( Thường phương pháp này đo vật có độ cứng dưới 450 HB )
Trong đó: D - đƣờng kính viên bi (mm)
d - đƣờng kính vết lõm (mm)
h - chiều sâu vết lõm

(mm)

* Từ độ cứng Brinen của vật thử ta có thể suy ra đƣợc giới hạn bền kéo
của kim loại qua công thức.
- Đối với thép cán và rèn : b = ( 0,34  0,36 ) HB
- Đối với thép đúc :

b = ( 0,3  0,4 ) HB

- Đối với gang :

b = 0,12 HB

c. Phương pháp Rocvel
P

h

120

Hình: 1.7: Phương pháp Rovel

Dùng một mũi đâm hình cơn bằng kim có góc 1200 hoặc viên bi bằng thép
có đƣờng kính bằng 1,588mm dƣới tác dụng của tải trọng P. Tuỳ theo mũi đâm
và tải trọng P.
- HRC Kim cƣơng: P = 150 kG
- HRA Kim cƣơng: P = 60 kG
- HRB dùng viên bi 1,588 (mm),
P = 100 kG giá trị độ cứng của phƣơng pháp Rocvel có tính quy ƣớc. Cứ
mũi đâm sâu 0,002 mm thì độ cứng giảm đi một đơn vị.

13


HRC ( hoặc HRA ) = 100 
HRB = 130 

h  h0
0,002

h  h0
0,002

Trong đó: h0 - tải trọng ban đầu
d. Độ cứng Vicke (HV)
Sơ đồ nguyên lý đo nhƣ đối với phƣơng pháp Rocoel nhƣng cấu tạo mũi
đâm khác

Hình: 1.8: Phương pháp Vicke

- Tải trọng tiêu chuẩn P = 200g 120Kg
- Mũi đâm có dạng hình tháp có góc hợp bởi 2 mặt đối diện là 1360
𝑃 2𝑃𝑠𝑖𝑛680
𝐻𝑉 =
=
𝐹
𝑑2

Trong đó:
F: diện tích vết lõm (mm2)
P: Tải trọng tác dụng (Kg)
d: đƣờng chéo vết lõm (mm)

14


4.2. Độ bền
Là khả năng của kim loại chống lại lực tác dung của lực bên ngồi mà
khơng bị phá hỏng. Dạng phá hỏng của kim loại là kéo đứ .
- Mẩu thử: Có tiết diện trịn , chiều dài L = 10 x 

L
Hình: 1.9: độ bền

- Để xác định độ bền của một vật liệu, ta tiến hành thử trên máy thử kéo
với mẩu thử.
- Để đánh giá tính chịu lực của các kim loại vật liệu khác nhau, ta dùng
khái niệm ứng suất là tải trọng tác dụng lên một đơn vị diện tích của mẫu thử.
- Để xác định quan hệ của lực kéo và biến dạng của mẫu kéo ta quan sát

trên sơ đồ sau: Khi lực kéo tăng dần thì kéo theo chiều dài mẫu thử cũng tăng
theo, tiết diện ngang mẫu giảm dần, đến điểm D mẫu bị thắt và cũng ứng với lực
kéo lớn nhất từ đấy lực trên máy không tăng nhƣng mẫu vẫn dài thêm đến điểm
M thì bị đứt.
Độ bền của vật liệu đƣợc xác định
theo công thức:


D

 =

M

C
B

P
Fo

( N/mm2 )

Trong đó:
B

â

CH

ÂH



TL

A

P - Lực kéo lớn nhất ứng với mẫu bị
thắt (N)
F0 - Diện tích tiết diện tại chỗ thắt

2

(mm )

TL - Giới hạn tỉ lệ

ĐH - Giới hạn đàn hồi

CH - Giới hạn chảy

B - Giới hạn bền

đ - Giới hạn đứt
15


b. Độ đàn hồi
Độ đàn hồi là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dƣới tác
dung của lực bên ngoài rồi trở lại ban đầu khi bỏ lực tác dụng. Độ đàn hồi đƣợc

xác định bằng quá trình thử kéo.
Xác định bằng cách: Gọi Pe là lực làm cho mẫu thử khơng hồn tồn trở lại
nhƣ chiều dài ban đầu (Biến dạng này không lớn hơn 0.005 chiều dài, biến dạng
dƣ).
p =

Pe
Fo

( N/mm2 )

4.3. Độ dẻo
Độ dẻo của kim loại là khả năng biến dạng của kim loại dƣới tác dụng
của lực bên ngồi mà khơng bị phá hỏng, đồng thời vẫn giữ đƣợc sự biến dạng
đó khi bỏ lực tác dụng bên ngồi.
Độ dẻo đƣợc đánh giá bằng độ dãn dài tƣơng đối và độ thắt tỉ đối.
- Độ dãn dài tƣơng đối:

s =

- Độ thắt tỉ đối:

 =

l1  lo
 100 0 0
lo
Fo  F1
 100 0 0
Fo

Trong đó: l0, F0 - Chiều dài và biến dạng của mẫu trƣớc khi kéo
F1 - Tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt

16


5. Hiện tƣợng ăn mòn kim loại
5.1. Khái niệm về ăn mòn kim loại
Sự ăn mòn kim loại là quá trình phá huỷ kim loại và hợp kim do tác dung
hố học của mơi trƣờng xung quanh. Kết quả là kim loại bị ơxy hố thành các
ion dƣơng và sẽ mất hết tính chất của kim loại.
VD: Sắt, thép để lâu ngày bảo quản không tốt sẽ bị gỉ.
a. Ăn mịn hố học
Là sự phá huỷ kim loại do kim loại phản ứng hố học với chất khí hoặc
hơi nƣớc ở nhiệt độ cao.
- Đặc điểm: Không phát sinh ra dịng điện và nhiệt độ càng cao thì tốc độ
ăn mịn càng nhanh.
- Sự ăn mịn hố học thƣờng xảy ra ở những thiết bị của lò đốt, các chi tiết
của động cơ đốt trong hoặc các thiết bị tiếp xúc với hơi nƣớc ở nhiệt độ cao.
b. Ăn mòn điện hóa
Là sự phá huỷ của kim loại do kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất điện ly
tạo nên dịng điện.
- Bản chất của ăn mịn điện hố : Là một q trình ơxy hố - khử xảy ra
trên bề mặt điện cực, ở cực âm xảy ra quá trình ơxy hố kim loại, ở cực dƣơng
xảy ra q trình khử các ion H+ ( nếu dung dịch điện ly là axít ).
- Ăn mịn điện hố là dạng ăn mòn phổ biến và nghiêm trọng nhất, thƣờng
xảy ra đối với vỏ tàu biển, ống dẫn đặt trong lòng đất, kim loại tiếp xúc với
khơng khí ẩm, ...
5.2. Tác hại

Gây thiệt hại lớn về nhiều mặt cho nền kinh tế quốc dân nhƣ : Phá huỷ
máy móc thiết bị, một lƣợng lớn kim loại bị mất đi, ảnh hƣởng đến sự an toàn về
ngƣời và thiết bị.


6. Phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại
6.1. Phƣơng pháp phủ kim loại
Phƣơng pháp phủ kim loại là phƣơng pháp phủ một lớp kim loại ít bị ăn
mịn hoặc khơng bị ăn mòn lên bề mặt chi tiết cần đƣợc bảo vệ. Gồm các
phƣơng pháp sau:
a. Phương pháp nóng chảy
Nung nóng chảy kim loại bảo vệ ( thƣờng là Sn, Pb hoặc Zn ) rồi nhúng
chi tiết vào dung dịch nóng chảy đó để tạo lớp phủ bảo vệ.
- Phủ kẽm: Nung nóng chảy Zn ở t0 = ( 450  480)0C. Sau đó nhúng chi
tiết vào, lớp Zn nóng chảy sẽ bám vào bề mặt chi tiết.
- Phủ thiếc: Nung nóng chảy Sn ở t0 = ( 270  300)0C, áp dụng cho các
chi tiết ở ngành lƣơng thực, thực phẩm.
- Phủ chì: Nung nóng chảy Pb ở t0 = 3500C, áp dụng để bảo vệ cho bề mặt
các loại ống, các chi tiết trong cơng nghiệp hố học.
b. Mạ kim loại
- Cách tiến hành : Chi tiết đƣợc treo vào cực Catốt ( cực âm ), còn cực
anốt là một tấm kim loại nguyên chất dùng để phủ.
- Ƣu điểm
+ Ngồi mục đích bảo vệ kim loại khỏi bị gỉ, cịn có tác dụng làm đẹp,
trang trí cho các chi tiết máy.
+ Khống chế đƣợc chiều dày lớp kim loại phủ, tiết kiệm kim loại, khơng
phải nung nóng chi tiết.
c. Cán dính một lớp kim loại bảo vệ
Thƣờng dùng cho tấm kim loại bằng cách cán dính bề mặt tấm kim loại
một lớp kim loại bảo vệ mỏng ( Pb, Al, Ni, ... ).

d. Phun một lớp kim loại bảo vệ
Đƣợc thực hiện bằng cách phun đắp lên chi tiết một lớp kim loại nóng
chảy.
- Cách tiến hành : Dây kim loạ bảo vệ ( Al, Cu, Ni, ... ) lắp vào một súng
phun. Dây kim loại đƣợc đốt nóng bằng khí nóng hoặc bằng điện, các hạt kim
loại nóng chảy sẽ phun vào bề mặt chi tiết bằng luồng khơng khí nén có áp suất
cao. Các hạt kim loại nóng chảy bay ra khỏi súng phun và bám chặt vào bề mặt
của chi tiết.


6.2. Phủ một lớp vật liệu phi kim loại
a. Sơn
Sơn là phƣơng pháp công nghệ bảo vệ kim loại đƣợc sử dụng rộng rãi
nhất. Ngồi mục đích bảo vệ kim loại cịn có tác dụng trang trí làm đẹp sản
phẩm. Có 3 loại sơn chính là : Sơn dầu, sơn vecni, sơn êmay.
b. Êmay
- Về tính chất hố học và lý học có thể coi nhƣ là dạng Silicát khơng hồ
tan ( nhƣ thuỷ tinh ). Êmay có tính chịu ăn mịn cao trong các mơi trƣờng ăn
mịn nhƣ: Nƣớc, muối, axít.
- Cách tiến hành: Nhúng chi tiết vào dung dịch êmay nóng chảy ở
t = (1200  1300)0C rồi làm nguội.
0

c. Bôi dầu mỡ
Chủ yếu là các vật liệu dụng cụ, các thiết bị xếp trong kho để lâu ngày.
d. Phủ chất dẻo
Thƣờng dùng cao su, Êbơnít phủ bề mặt kim loại của chi tiết trong ngàng
hoá học để bảo vệ cho các mặt trong của các thùng chứa khí, vật chuyển axít.
6.3. Các phƣơng pháp khác
a. Tạo lớp axit bảo vệ

- Tạo nên trên bề mặt kim loại một lớp bảo vệ dƣới dạng ôxit kim loại,
làm cho bề mặt của kim loại trở nên thụ động ( trơ ) đối với axit.
- Cách tiến hành : Nhúng chi tiết vào dung dịch nóng chảy gồm :
NaOH ( 700  800 g/l ), NaNO3 ( 200  250 g/l ) ở t0 = ( 130  140)0C trong
thời gian 1 - 2 giờ. Sau khi phủ trên bề mặt thép có màu đen (cịn gọi là nhuộm
đen).
b. Chế tạo thép không gỉ
Khi luyện thép, nếu cho thêm một lƣợng đủ lớn các nguyên tố Cr, Ni sẽ
tạo ra loại thép khơng gỉ, có thể chịu đƣợc xút, bazơ.
Một số loại thép không gỉ thƣờng dùng là: 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13,
40Cr13, Cr17, Cr25.


CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm , đặc điểm , liên kết của kim loại ?
2. Nêu cấu tạo của mạng tinh thể kmi loại ?
3. Nêu khái niệm chung của hợp kim ?
4. Nêu cấu tạo của hợp kim ?
5. Nêu tính chất chung của kim loại và hợp kim ?
6. Trình bày phƣơng pháp thử kéo của kim loại và hợp kim ?
7. Trình bày phƣơng pháp thử độ cứng của kim loại và hợp kim ?
8. Cho biết các hiện tƣợng ăn mịn kim loại.
9. Trình bày phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại bằng phƣơng pháp phủ kim loại.
10. Trình bày phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại bằng phƣơng pháp phủ một
lớp vật liệu phi kim loại và các phƣơng pháp khác.


CHƢƠNG 2: GANG
Mã chƣơng: CMH10 - 02
Mục tiêu:

- Trình bày đƣợc khái niệm về gang, cách phân loại gang và các yếu tố
ảnh hƣởng đến tính chất chung của gang. Giải thích đƣợc thành phần, cơng dụng
và ký hiệu của các loại gang thƣờng dùng.
- Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực.
1. Khái niệm chung về gang
1.1. Thành phần hóa học
Gang là hợp kim của Fe - C, Si, Mn, P, S:
- C = (2,14  6,67)% thƣờng dùng gang có C = (3  4)%;
- Si = (1  4)%;
- Mn = (2  2,5)% trong gang trắng, Mn < 1,3% trong gang xám;
- P = (0,1  0,5)%;
- S ≤ 0,15%.
Ngồi các ngun tố trên trong gang có thể có một số nguyên tố hợp kim
(Cr, Ni, Mo, Cu, Ti . . .) các nguyên tố biến tính (Aℓ, Ca, Mg, Ce . . .).
1.2. Tổ chức tế vi
- Cacbon nằm hoàn toàn ở trạng thái liên kết hợp chất hóa học xêmentit
( Fe3C ), thƣờng gặp trong gang trắng.
- Cacbon phần lớn nằm ở trạng thái tự do graphit với các dạng tấm, phiến,
cụm bông, cầu, thƣờng gặp trong gang xám, gang biến tính, gang dẻo, gang cầu.
Tổ chức tế vi của gang có graphit phụ thuộc vào tỷ lệ phân bố của cacbon
ở pha graphit và xêmentit. Ngƣời ta chia tổ chức của chúng ra 2 phần: phần phi
kim loại graphit, nền kim loại ferit và xêmentit.
+ Khi tất cả cacbon ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức là ferit;
+ Khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức
là ferit - peclit, peclit hoặc peclit - xêmentit.


Chính vì đặc điểm tổ chức tế vi nhƣ vậy mà các loại gang có cơ tính và
cơng dụng khác nhau. Để đạt đƣợc tổ chức tế vi quy định mỗi loại gang lại có
thành phần các nguyên tố khác nhau.

1.3. Cơ tính và tính cơng nghệ
a. Cơ tính
Gang là vật liệu có độ bền kéo thấp, độ giịn cao.
- Trong gang trắng tổ chức xêmentit là pha cứng giòn tồn tại với một
lƣợng lớn dễ dàng cho sự tạo vết nứt dƣới tác dụng của tải trọng kéo. Do đó
gang trắng có độ bền kéo thấp và độ giịn cao.
- Trong gang xám, gang biến tính, gang dẻo, gang cầu, tổ chức graphit tồn
tại nhƣ những lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm giảm
độ bền kéo của gang. Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng
graphit, lớn nhất ở gang xám graphit dạng tấm, nhỏ nhất ở gang cầu với graphit
hình cầu nên gang cầu có độ bền cao nhất, phối hợp với tính dẻo tốt nhất.
b. Tính cơng nghệ
- Tính đúc tốt (nhiệt độ nóng chảy thấp, độ chảy lỗng cao).
- Tính gia cắt gọt tốt (graphit có độ cứng, độ bền thấp, phoi dễ gẫy vụn).
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng tới tính chất của gang
a. Ảnh hƣởng của tốc độ nguội
Tốc độ nguội là yếu tố ảnh hƣởng lớn nhất đến cấu trúc tinh thể của gang.
- Tốc độ nguội nhanh sẽ thúc đẩy sự hình thành xêmentit đƣợc gang trắng.
- Tốc độ nguội chậm thúc đẩy hình thành graphit đƣợc gang xám.
Tốc độ nguội phụ thuộc vào khuôn đúc là cát hay kim loại và phụ thuộc
vào chiều dày vật đúc.
Trong một vật đúc tính chất của gang có thể khác nhau, tùy theo tốc độ
nguội. Nếu phần nào nguội nhanh sự hình thành của xêmentit nhiều sẽ đƣợc
gang trắng, phần nguội chậm thì graphit hình thành nhiều đƣợc gang xám. Vì
vậy khi đúc các chi tiết bằng gang có hình dáng phức tạp, lợi dụng điều kiện này
ngƣời ta đã sản xuất ra loại gang nguội cứng làm trục máy cán, bánh xe lửa, lƣỡi
cày.
b. Ảnh hƣởng của các nguyên tố hóa học
* Cacbon ( C )
Cacbon trong gang có thể tồn tại ở trạng thái hợp chất hoá học xêmentit

22


(Fe3C) hoặc ở trạng thái tự do graphit.
- Xêmentít có độ cứng cao nên khi %C tăng thì % Fe3C cũng tăng, làm
gang tăng độ cứng khó gia cơng cắt gọt, tăng độ giịn, giảm độ bền.
- Graphit có độ bền rất thấp (là vết nứt trong gang) nên khi %C tăng thì
graphit cũng tăng, làm tăng vết nứt giữa nền kim loại và graphit (tạo ra các
khoảng trống), giảm độ bền, nhƣng khả năng cắt gọt càng tốt, tính chịu mài mịn
của gang càng cao.
Cacbon làm tăng tính đúc cho gang, tăng khả năng chảy lỗng, giảm nhiệt
độ nóng chảy, gang lỏng dễ điền đầy khuôn.
* Silic ( Si )
- Silic là nguyên tố làm tăng rất mạnh graphit hóa trong gang, graphit hóa
càng nhiều càng dễ hình thành gang xám.
- Silic làm tăng tính đúc cho gang (tăng khả năng chảy lỗng, giảm nhiệt
độ nóng chảy), tăng tính chịu mài mòn, chống ăn mòn.
* Mangan ( Mn )
- Mangan là nguyên tố làm cản trở graphit hóa, thúc đẩy sự hình thành
xêmentit làm hóa trắng gang.
- Mangan khử lƣu huỳnh rất tốt. Mn + S → MnS (hợp chất khó chảy,
khơng tan nổi trên bề mặt gang lỏng ra ngoài theo xỉ).
- Mangan làm tăng độ cứng và tính chống mài mịn.
* Phơtpho ( P )
- Phơtpho làm tăng tính đúc của gang (gang dễ chảy lỗng, gang lỏng dễ
điền đầy khuôn), rất cần khi đúc vật mỏng. Ngồi ra thành phần phơtpho tăng
lên thì độ cứng của gang cũng tăng theo, tính chống mài mịn tốt.
- Phơtpho làm cho gang tăng tính giịn.
* Lƣu huỳnh ( S )
- Lƣu huỳnh là nguyên tố làm cản trở graphit hóa thúc đẩy hình thành

xêmentit làm hóa trắng gang.
- Làm giảm tính đúc (giảm độ chảy lỗng) của gang.
Ngồi ra trong gang còn đƣa vào gang 1 số nguyên tố hợp kim nhƣ Cr làm
tăng lƣợng peclit của nền kim loại, làm nhỏ mịn peclit và graphit, nâng cao độ
bền, độ cứng và tính chống mài mịn. Mo làm nhỏ hạt, hóa bền nền kim loại,
tăng tính thấm tơi. Cu thúc đẩy sự hình thành graphit, làm nhỏ mịn peclit. Ti có
23


tác dụng chủ yếu làm nhỏ hạt. Ni với lƣợng cao (  15%) mở rộng khu vực
ôstenit để gang đạt đƣợc tổ chức ôstenit.
2. Phân loại gang
2.1. Gang trắng
a. Tổ chức
Cacbon nằm ở trạng thái hợp chất hóa học Xê (chiếm 50% trong tổ chức
của gang). Mặt gãy có màu trắng (màu của xêmentit nên có tên là gang trắng).
b. Thành phần
C = (3  3,5)% chứa ít Si và các ngun tố khác làm tăng graphit hóa.
c.Tính chất
- Do cacbon ở trạng thái Xê nên tính chất của gang rất cứng (650  750)
HB và giịn. Khơng thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để
chế tạo các chi tiết máy có độ chính xác cao.
- Phƣơng pháp chế tạo chỉ ở dạng vật đúc.
d. Ký hiệu
Phần lớn gang trắng dùng để luyện thép nên ký hiệu theo phƣơng pháp
luyện thép. Theo lò luyện - Nhiên liệu - Số hiệu.
- Gang trắng dùng để luyện thép trong lò Mactanh - Ký hiệu M.
- Gang trắng dùng để luyện thép trong lò Becsơme - Ký hiệu Б.
- Gang trắng dùng để luyện thép trong lị Tơmat - Ký hiệu T.
- Nhiên liệu bằng than cốc - Ký hiệu K.

- Nhiên liệu bằng than củi - Ký hiệu Д .
- Gang có chất lƣợng cao - ký hiệu πB (ở đầu ký hiệu).
- Các số phía sau ký hiệu chỉ số hiệu của gang.
Ví dụ: πB MK5 - Gang trắng chất lƣợng cao số 5, nhiên liệu bằng than
cốc, luyện lị Mactanh.
e. Cơng dụng
- Dùng để chế tạo các bộ phận chịu mài mòn nhƣ: bề mặt vành bánh xe lu,
bi nghiền, trục cân, mép lƣỡi cày…
- Dùng để luyện thép.
- Ủ thành gang dẻo.
24


2.2. Gang xám
Gang xám là loại gang đƣợc dùng phổ biến nhất trong ngành cơ khí.
a.Tổ chức
Gang xám là loại gang phần lớn cacbon của nó nằm ở trạng thái tự do
graphit là các tấm, phiến lớn. Mặt gãy của gang có màu xám, tối (màu của
graphit nên có tên là gang xám).
Tùy theo mức độ tạo thành graphit mạnh hay yếu, gang xám chia ra các tổ
chức nhƣ sau ( Hình 4.1):
- Gang xám ferit có mức độ tạo thành graphit mạnh nhất, trong đó tất cả
cacbon nằm ở trạng thái tự do graphit, khơng có xêmentit. Tổ chức là những
tấm, phiến graphit trên nền kim loại ferit;
- Gang xám ferit - peclit có mức độ tạo thành graphit mạnh, gần nhƣ hoàn
toàn cacbon nằm ở trạng thái tự do graphit, chỉ có khoảng (0,1 ÷ 0,6)%C ở
trạng thái liên kết hóa học xêmentit. Tổ chức là những tấm, phiến graphit trên
nền kim loại ferit - peclit;
- Gang xám peclit có mức độ tạo thành graphit bình thƣờng, phần lớn
cacbon nằm ở trạng thái tự do graphit, khoảng (0,6 ÷ 0,8)%C ở trạng thái liên

kết hóa học xêmentit. Tổ chức là những tấm, phiến graphit trên nền kim loại
peclit.

a. Gang xám ferit

Hình 2.1:Tổ chức tế vi của gang xám
b. Gang xám ferit - peclit
c. Gang xám - peclit

b. Thành phần
Thành phần các nguyên tố trong gang xám phải đảm bảo mức độ tạo
thành graphit và cơ tính theo yêu cầu. Thành phần các nguyên tố trong gang
nằm trong giới hạn nhƣ sau:
C = (3 ÷ 3,8)%;
P = (0,15 ÷ 0,5)%;

Si = (1,5 ÷ 3)%;
S = (0,12 ÷ 0,2)% .
25

Mn = (0,5 ÷ 0,8)%;