giao trình vật liệu cơ khí

Vật Liệu cơ khí
Bài mở đầu :

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
cơng 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 được sử dụng chủ yếu của ngành chế tạo cơ
khí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu 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 như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , ... Với các tính năng ngày càng tốt và sản lượng
ngày càng cao , nhưng vẫn khơng thay thế hồn toàn được 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 , người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để tìm ra
những kim loại và hợp kim có những tính năng ưu việt như : 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 nước có
nền cơng nghiệp phát triển .

PHẦN I
VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
CHƯƠNG I
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI
VÀ HỢP KIM
I.1: CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI
I.1.1: Khái niệm về kim loại .
Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn được , có tính dẫn điện , nhiệt cao . Phương
diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường điện tử trong các phản ứng hóa học .

I.1.2: Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại .
Trạng thái (e) trong nguyên tử được xác định bởi 4 số lượng tử :
n - Số lượng tử chính
l - Số lượng tử quỹ đạo
m - Số lượng tử tử
ms - Số lượng tử Spin
Trang 1


Vật Liệu cơ khí
Các (e) chuyển động trong nguyên tử giới hạn , trong những lớp xác định tương
ứng với số lượng tử chính .
n = 1 , 2 , 3 , ... K , L , M , ...
Trong các lớp này được chia làm nhiều lớp con , tương ứng với số lượng tử quỹ
đạo.
l = 0 , 1 , 2 , 3 , ... , (n-1) được ký hiệu bởi các lớp : s , p , d , f , ...
Mỗi một trạng thái (e) trong nguyên tử tương ứng với một năng lượng xác định .
Theo cơ học lượng tử thì cấu hình (e) trong nguyên tử được cấu tạo như 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 học .

I.1.3: Liên kết kim loại .
Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết ở trong kim loại được gọi là liên kết
kim loại .
Liên kết kim loại được mô tả như sau : Ở các nút lưới là cá ion (+) , kim loại trong
khoảng không giữa nút lưới 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 .
I.1.4: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại .
a - Mạng tinh thể và ô cơ bản .

Trang 2


Vật Liệu cơ khí
- Trong kim loại các kim loại được sắp xếp một cách trật tự tuần hoàn trong không
gian .
- Các nguyên tử trong kim loại được 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 như thế nó lập thành mạng tinh thể .
- Tồn bộ mạng khơng gian có thể xem như được 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 như vậy gọi là ơ cơ bản .
b - Các kiều mạng tinh thể thường gặp .
* Lập phương thể tâm .

a

Cấu tạo : Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử
nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình
lập phương 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 A o
( Ángtrong ) 1Ao = 10-8 cm .
- Các kim loại có kiểu mạng này : Fe , Cr , Mo , W , ...

* Lục phương dày đặc .

Cấu tạo : Trong các ơ cơ bản kiểu mạng này có các ngun tử nằm
ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng hai nguyên tử nằm ở trung tâm
hai mặt đáy và ba 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 người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể .

Trang 3


Vật Liệu cơ khí
Ví dụ : Sự chuyển biến thù hình của sắt .
T oC
1539o

Lng

LPTT

1400

1000

o
o
1392 1392 −

Feδ
1539o

LPDT Feγ
o
910 - 1392o
o
910

Khäng cọtỉìtênh

1600

Cọtỉìtênh

I.2:
CẤU
TẠO CỦA
o
HỢP KIM
768
800
Trong

thực tế kim
LPTT
loại ngun
chất rất ít
Fe α
500
o
dùng , độ bền
thấp khả
0 o− 910
năng
ứng
dụng
không cao .
Nên phải
dùng tới thép
hợp kim .
t ( thåìi gian )
I.2.1: Khái
niệm
Så
âäư
biãú
n
âäø
i
m
ả
n
g

tinh
thãø
c
a
sàõ
t
(
Fe
)
chung .
a - Định nghĩa .
Hợp kim là một dạng vật chất có tính kim loại nhận biết được bằng cách nấu chảy
hay liên kết một kim loại với một hay nhiều các nguyên tố khác .
Thành phần của hợp kim được biểu diễn bằng o/o trọng lượng .
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 như : lỏng cùng lỏng , rắn cùng rắn , ... nhưng 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) .
I.2.2: Cấu tạo của hợp kim .
a - Dung dịch đặc .
Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi ngun tử của các ngun tố thành phần
có kích thước 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 .

Trang 4


Vật Liệu cơ khí

a

b

c

a - Mạng tinh thể của sắt thay thế
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 : ( Hb )
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 : ( Hc )
Nguyên tử của các nguyên tố hoà 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 .
Ví dụ : Hợp chất của Fe và C : Fe3 C ( Cacbit sắt )
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 thước và mạng tinh thể .
I.3: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
I.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 lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích
của vật thể .
γ=

Trong đó :

m
(Kg/m 3 )
V

m - Khối lượng của vật thể ( Kg )
V - Thể tích của vật thể ( m3 )
Trang 5


Vật Liệu cơ khí
c. Trọng lượng riêng : Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể.
d=

P
( KG/mm3 hoặc N/mm3 )
V

Trong đó : P - Trọng lượng 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.

g. Tính nhiệt nung : Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên
0
1 C.
I.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 trường 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 mịn : Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H 2O và O2 của khơng
khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao .
- Tính chịu axít : Là khả năng chống lại tác dụng của mơi trường axít .
I.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 được hình dáng của kim loại và hợp kim mà khơng
bị phá huỷ dưới 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 dưới tác dụng của tải trọng bên ngồi 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.
I.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 được các phương pháp cơng nghệ để sản xuất các sản phẩm khác nhau.
b. Các đặc trưng : Tính đúc , tính hàn , tính gia công cắt gọt , gia công áp lực , tính
nhiệt luyện.
Trang 6

Vật Liệu cơ khí
Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng nhưng
tính cơng nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành phẩm.
Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm các
mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như : Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng.
I.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỬ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
I.4.1: Thử kéo .
Thử kéo là qúa trình thử quan trọng để xác định cơ tính của kim loại . Khi thử kéo
ta có thể xác định được độ bền , độ đàn hồi , độ dẻo của kim loại và hợp kim .
a - 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 đứt .
- Mẩu thử : Có tiết diện trịn , chiều dài L = 10 x Φ

L
- 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 nhưng mẫu vẫn dài thêm đến điểm M thì bị đứt .
Vậy : Độ bền của vật liệu được xác định
δ
theo cơng thức :
D

δ =

M

C
B

δB

δâ

δCH

δÂH

α

δTL

A

P
Fo

( N/mm2 )

Trong đó :
P - Lực kéo lớn nhất ứng với mẫu bị thắt
(N)

F0 - Diện tích tiết diện tại chỗ thắt (mm2 )

δTL - Giới hạn tỉ lệ
δĐH - Giới hạn đàn hồi
Trang 7


Vật Liệu cơ khí

δCH - Giới hạn chảy
δB - Giới hạn bền
δđ - Giới hạn đứt
b - Độ đàn hồi .
Độ đàn hồi là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dung của
lực bên ngoài rồi trở lại ban đầu khi bỏ lực tác dụng . Độ đàn hồi được xác định bằng quá
trình thử kéo .
Xác định bằng cách : Gọi Pe là lực làm cho mẫu thử khơng hồn tồn trở lại như
chiều dài ban đầu ( Biến dạng này không lớn hơn 0.005% chiều dài , biến dạng dư ).

δp =

Pe
Fo

( N/mm2 )

c - Độ dẻo .
Độ dẻo của kim loại là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của lực bên
ngồi mà khơng bị phá hỏng , đồng thời vẫn giữ được sự biến dạng đó khi bỏ lực tác dụng
bên ngoài .

Độ dẻo được đánh giá bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối .
- Độ dãn dài tương đối :

δs =

- Độ thắt tỉ đối :

Ψ =

l1 − lo
× 100 0 0
lo
Fo − F1
× 100 0 0
Fo

Ø33
7

h

Trong đó : l0 , F0 - Chiều dài và biến dạng của mẫu trước khi kéo
F1 - Tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt
I.4.2: 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 được 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 , xước , vẩy . Như
vậy kết quả thử độ cứng mới chính xác .

b - Phương pháp Brinen .
P
Người ta dùng tải trọng P của máy
D
ép thử độ cứng , ấn một viên bi bằng thép
đã tơi cứng có đường kính D = ( 2,5; 5;
10mm) vào mặt vật liệu thử . Giá trị của
P chọn theo vật liệu và giá trị đường kính
d
D . Thép cacbon thấp và gang : P = 30D2
Đồng và hợp kim đồng : P = 10D2
Trang 8


Vật Liệu cơ khí
Độ cứng được tính theo cơng thức :
HB =

P
P
=
2
F ∏D
(D − D − d 2 )
2

( kG/mm2 )

h

( Thường phương pháp này đo vật có độ cứng dưới 450 HB )
Trong đó : D - đường kính viên bi (mm)
d - đường kính vết lõm (mm)
h - chiều sâu vết lõm (mm)
* Từ độ cứng Brinen của vật thử ta có thể suy ra được giới hạn bền kéo của kim
loại qua công thức .
- Đối với thép cán và rèn : δb = ( 0,34 ÷ 0,36 ) HB
- Đối với thép đúc :
δb = ( 0,3 ÷ 0,4 ) HB
- Đối với gang :
δb = 0,12 HB
c - Phương pháp Rocoen .
Dùng một mũi đâm hình cơn bằng kim
P
cương có góc 1200 hoặc viên bi bằng thép
120
có đường kính bằng 1,588mm dưới tác
dụng của tải trọng P. Tuỳ theo mũi đâm
và tải trọng P.
HRC Kim cương : P = 150 kG
HRA Kim cương : P = 60 kG
HRB dùng viên bi 1,588 (mm) ,
P = 100 kG giá trị độ cứng của phương pháp Rocoen có tính quy ước . Cứ mũi đâm sâu
0,002 mm thì độ cứng giảm đi một đơn vị.
HRC ( hoặc HRA ) = 100 −
HRB = 130 −

h − h0
0,002

h − h0
0,002

Trong đó : h0 - tải trọng ban đầu
I.5: HIỆN TƯỢNG BIẾN CỨNG BỀ MẶT KIM LOẠI
I.5.1: Khái niệm.
Hiện tượng biến cứng bề mặt kim loại là hiện tượng mà ở bề mặt của chi tiết có độ
cứng cao hơn so với bên trong.
I.5.2: Nguyên nhân.
- Khi đúc, do bề mặt có tốc độ nguội nhanh nên trong tổ chức kim loại các bon tồn
tại dưới dạng Xêmentít ( Fe3O ).
Trang 9


Vật Liệu cơ khí
- Do hiện tượng thốt các bon trên bề mặt phôi khi đúc hoặc rèn làm xuất hiện ứng
suất dư.
- Do khi rèn nhiệt độ rèn và phơi rèn cịn thấp , q nhiệt độ quy định làm mạng
tinh thể bị xô lệch quá giới hạn cho phép, lúc đó tạo ứng suất dư.
- Do qúa trình nấu luyện hợp kim, lượng tạp chất trong thép hoặc gang không đúng
tỷ lệ nhất định gây sự biến cứng thể tích trong vật liệu. Do vậy suất hiện ứng suất dư.
I.5.3: Hậu quả của biến cứng.
- Gây khó khăn trong quá trình cắt gọt, giảm năng suất và quá trình gia cơng.
- Làm vỡ, mẻ dụng cụ cắt, gây rung động hệ thống công nghệ, làm giảm độ bền
của máy, dao.
I.5.4: Biện pháp ngăn ngừa và biện pháp khắc phục.
- Ngăn ngừa : Thưc hiện đúng quy trình cơng nghệ khi đúc hoặc rèn.
- Khắc phục : Nếu kim loại và hợp kim bị biến cứng bề mặt, cần tiến hành thường
hóa hoặc ủ trước khi gia cơng cắt gọt.
I.6: GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT VÀ CÁC BON ( Fe - C )

I.6.1: Giản đồ trạng thái ( Fe - C ) .
o
C

I1

1600
A
1539
t1

I3

I4
D

L +δ

L
B
J

1

δ +Os

N
A4

L +XeII

2

E

Os
910 G A
3
t3
t4
V
F
1000

L +Os
o

1147 : Chuyãø
n

biãú
n cuìng tinh

O s+Le+XeIII

3

F

Le+XeI

F-O s
S

O s+XeII
4

P +XeII

o

A2 =768 - Ferêt máú
t tỉìtênh ( Fe - β )
o
A1 =727 - Chuyãø
n biãú
n cuìng têch

P +Le +XeIII

F+XeIII
500

Q 0,02
100%Fe

C

Lã âã bu rêt

H

1499
t2 δ
1392

I2

K

Le +XeI

o

Ao =210 - Xe máú
t tỉìtênh

0,8

Trang 10

2,14

4,3

R
6,67% C


Vật Liệu cơ khí
I.6.2: Tọa độ " nhiệt độ - thành phần C " của các điểm trên giản đồ .

Điểm

Nhiệt độ
0
C

Thành phần
Cacbon %

A
H
J
B
E
C
F
N

1359
1499
1499
1499
1147
1147
1147
1392

0,00
0,10
0,16

0,50
2,14
4,30
6,67
0,00

Điểm

Nhiệt độ
0
C

D
G
V
S
K
Q
R

1600
910
727
727
727
0,00
0,00

Thành
phần

Cacbon %
6,67
0,00
0,02
0,80
6,67
0,006
6,67

I.6.3: Các đường quan trọng .
ABCD - đường lỏng
AHJECF - đường đặc
ES - đường giới hạn sự hòa tan của C vào Feγ
VQ - đường giới hạn sự hòa tan của C vào Feα
HJB - đường bao tinh : Những hợp kim chứa C ( 0,1 ÷ 0,5 % ) khi nguội đến
0
1449 C thì xảy ta phản ứng bao tinh .
ECF - đường cùng tinh : Những hợp kim chứa C ( 2,14 ÷ 6,67 % ) khi nguội đến
0
1147 C thì xảy ra phản ứng cùng tinh .
VSK - đường cùng tích : Những hợp kim chứa C ( 0,02 ÷ 6,67 % ) khi nguội đến
7270C thì xảy ra phản ứng cùng tích .
I.6.4: Các tổ chức cơ bản .
a - Loại một pha gồm có .
- Pha lỏng , ký hiệu : L . Đó là dung dịch lỏng của Fe - C , chúng hoàn toàn tan lẫn
vào nhau .
- Pha rắn Ostenít : ký hiệu O s . Đó là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong Fe γ
thơng thường nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ trên 7270C .
- Pha ferít : ký hiệu F . Đó là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong Fe α thơng
thường nó tồn tại ở nhiệt độ ứng với đường GSK .

- Pha rắn Xêmentít : ký hiệu Xe . Là hợp chất hóa học của Fe - C , cơng thức hóa
học là Fe3C .
b - Loại hai pha gồm có .

Trang 11


Vật Liệu cơ khí
- Péc lít : ký hiệu P . Đó là sản phẩm hỗn hợp cơ học của F và Xe , ký hiệu P =
[F+Xe] tạo thành khi làm nguội đến nhiệt độ 727 0C , lúc ấy Os có 0,8 % C và phản ứng
cùng tích .
Os ( 0,8 % )
7270C
[ F + Xe ]
Như vậy , P có hàm lượng C là 0,8 % . Trong thực tế , có những trường do ảnh hưởng của
nhiều yếu tố khác nhau mà P có chứa C cao hoặc thấp hơn 0,8 % , ta gọi là P giả .
- Lê đê bu rít : ký hiệu Le . Đây là sản phẩm phản ứng cùng tinh xảy ra từ hợp kim
Fe - C lỏng có hàm lượng các bon là 4,3% ở nhiệt độ 11470C .
L
11470C
( Os + Xe )
Le
Lêđêburít là hỗn hợp cơ học của hai pha Ostenít và Xêmentít hỗn hợp này tồn tại trong
khoảng nhiệt độ từ 7270C ÷ 11470C khi hạ thấp nhiệt độ xuống dưới 727 0C thì
Os
[ F + Xe ] , lúc ấy Lêđêburít là hỗn hợp của Péclít và Xêmentít . Xét về pha ở
nhiệt độ thường , hợp kim Fe - C chỉ tồn tại hai pha cơ bản là ferít và Xêmentít . Khi thì
chúng đứng riêng lẽ thành từng hạt tinh thể riêng biệt dể thấy , khi thì chúng tổ hợp với
nhau tạo nên Péclít và Xêmentít .
- Những ký hiệu XeI , XeII , XeIII , thực chất đó là các tinh thể Xêmentít ( Fe 3C )

nhưng kích thước to nhỏ khác nhau , do nguồn gốc sinh ra chúng khác nhau . Pha lỏng
sinh ra XeI , Pha rắn Ostenít sinh ra XeII , Pha rắn ferít sinh ra XeIII .
- Các điểm nhiệt độ A0 , A1 , A2 , A3 , A4 được gọi là các điểm tới hạn , vì qua các
nhiệt độ đó hợp kim thường có những chuyển biến rõ rệt ở bên trong kim loại .
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 phương pháp thử kéo của kim loại và hợp kim ?
7. Trình bày phương pháp thử độ cứng của kim loại và hợp kim ?

Trang 12


Vật Liệu cơ khí
CHƯƠNG II
GANG
II.1: KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM CHUNG
II.1.1: Khái niệm .
Gang là hợp kim của Fe - C , hàm lượng cácbon lớn hơn 2,14% nhưng cao nhất
cũng nhỏ hơn 6,67%C . Cũng như thép trong gang chứa tạp chất Si , Mn , S , P và các
nguyên tố khác .
II.1.2: Đặc điểm chung .
Do có hàm lượng các con cao hơn nên hợp chất của gang ở nhiệt độ thường cũng
như ở nhiệt độ cao hơn đều tồn tại lượng Xêmen tít cao . Đặc tính chung của gang là cứng
và giịn , có nhiệt độ nóng chảy thấp dể đúc .
Thành phần hợp chất trong gang gây ảnh hưởng khác với so với thép cácbon .
Cùng với cacbon , nguyên tố Si thúc đẩy sự Graphít hóa , nghĩa là phân hủy Fe 3C thành

Fe và cacbon tự do khi kết tinh . Ngược lại Mn cản trở sự Graphít hóa nhằm tạo ra Fe 3C
của gang trắng . Lượng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5 ÷ 3,0% cịn Mn thay đổi
tương ứng với Si ở giới hạn 0,5 ÷ 1,0% .
Tạp chất S và P làm hại đến cơ tính của gang . Nhưng nguyên tố P phần nào làm
tăng tính chảy lỗng , tăng tính chống mài mịn do đó có thể có hàm lượng đến 0,1
÷ 0,2% P .
Cuối cùng là nguyên tố cacbon : Nguyên tố này tạo ra cùng với Fe các tổ chức
trong gang . Cacbon càng nhiều thì Graphít hóa càng mạnh , nhiệt độ chảy càng giảm
(nhiệt độ nóng chảy hồn tồn của gang thấp nhất khi C = 4,43% ở nhiệt độ 11470C làm
tính đúc càng tốt ) . Nhưng tăng hàm lượng cacbon sẽ làm giảm độ bền , tăng giịn . Vì
vậy trong gang xám chẳng hạn , hàm lượng cacbon giới hạn từ 2,8 ÷ 3,5% .
II.2: PHÂN LOẠI GANG
II.2.1: Gang trắng .
a - Khái niệm .
Gang trắng là loại gang có màu trắng do có cacbon nằm ở dạng Xêmentít (Fe 3C)
XeII .
Có
%C < 4,3 - Gang trắng trước cùng tinh P + Le + Xe
%C = 4,3 - Gang trắng cung tinh Le ( P + XeI )
%C > 4,3 - Gang trắng sau cùng tinh Le + XeI
Nhưng hầu hết người ta chỉ dùng gang trắng chứa khoảng 3,0 ÷ 3,5%C vì nhiều cacbon
gang sẽ giòn .
Trang 13


Vật Liệu cơ khí
GT là gang mà chứa ít các ngun tố thúc đẩy sự Graphít hóa . Trong thực tế gang
chỉ chứa : 3,3 ÷ 3,4%C; 0,4 ÷ 1,2%Si; 0,25 ÷ 0,8%Mn; 0,06 ÷ 0,2%S; 0,05 ÷ 0,2%P .
b - Tinh chất .
Do cacbon ở dạng Xêmentít (Fe3C) nên gang trắng rất cứng và giòn . Thành phần

C trong gang trắng càng lớn thì gang trắng càng lớn và giịn . Gang trắng rất cứng nên
khơng thể gia cơng cơ khí được nên chỉ sử dung chi tiết bằng gang trắng ở dạng đúc .
c - Công dụng .
Do gang trắng rất cứng nên nó được làm các chi tiết yêu cầu có độ cứng cao , làm
việc trong điều kiện chịu mài mòn như các bi nghiền ở trong các máy nghiền quả lô , máy
lưỡi cày , vành bánh xe .
Trong thực tế người ta sản xuất gang trắng để luyện thép và một phần để làm gang
dẻo .
II.2.2: Gang xám .
a - Tổ chức tế vi .
Gang xám là gang mà Graphít ở dạng tấm , về tổ chức tế vi gồm có các tấm
Graphít phân bố trên nền kim loại . Tuỳ thuộc và mức độ Graphít hóa mà ta có mức độ
gang xám sau :
- Gang xám Ferít là gang gồm các tấm Graphít phân bố trên nền Ferít .
- Gang xám Ferít Péclít là gang gồm các tấm Graphít phân bố trên nền Ferít Péclít .
- Gang xám Péclít là gang gồm các tấm Graphít phân bố trên nền Péclít .
b - Thành phần .
3,0 ÷ 3,7%C ; 1,2 ÷ 2,5%Si ; 0,25 ÷ 1,0%Mn là nhân tố gây biến trắng Dễ tạo Xe .
< 0,12%S ; 0,05 ÷ 1,0%P .
c - Cơ tính .
Cơ tính của gang xám được quyết định bởi số lượng kích thước và số lượng phân
bố các tấm Graphít trong gang .
Graphít có độ bền δb ≈ 0. Chỗ nào có Graphít thì giống như khuyết tật , lỗ hổng ,
vết cắt . Sự có mặt của Graphít làm giảm đi rất nhiều sức bền của gang . Trong thực tế
δk = ( 1/2 ÷ 1/4 ) δthép . Gang xám có δb = 0 .
d - Các số liệu của gang xám .
* TCVN : ký hiệu . GX có hai chỉ tiêu δk + δu ( kG/ mm2 )
- GX Ferít : GX 12 - 28 ( gang xám có δk = 120 N/mm2 , δu = 280 N/mm2 ) ; GX 15 - 32
- GX Ferít Peclít : GX 18 - 36
* TC Nga : Γ0 CT . Cų ( δk + δb ) ( kG / mm2 )

Cų 12 - 28 ; Cų 21 - 40 ; Cų 15 - 32
* TC Nhật : JIS . FCxxx ( MPa )
e - Công dụng .
Trang 14


Vật Liệu cơ khí
Gang xám dễ chế tạo , tính đúc tốt , được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp .
GX 21 - 40 ; GX 28 - 48 : δb Trung bình
GX 33 - 38 ; GX 38 - 68 : δb tốt
II.2.3: Gang cầu .
a - Tổ chức tế vi .
Gang cầu là gang Graphít dạng cầu tổ chức gồm những quả cầu phân bố trên nền
kim loại .
b - Thành phần .
Thành phần hỗn hợp cũng giống như gang xám nhưng trong đó có chứa các
nguyên tố để gây cầu hóa . Để nhận được gang dạng cầu người ta dùng chất biến tính để
gây cầu hóa là Mg . Thành phần gang cầu giống như gang xám nhưng nó có thành phần
Mg .
3,0 ÷ 3,7%C ; 1,8 ÷ 3,0%Si ; 0,5 ÷ 1,2%Mn ; 0,03 ÷ 0,1%Mg ; < 0,02%P ; < 0,04%S
c - Cơ tính .
Do Graphít dạng cầu là dạng thu gọn nhất nó ít làm chia cắt pha nền do vậy gang
cầu là gang có độ bền cao nhất trong các loại gang . Nó có δdẻo = 5 ÷ 15% .
d - Ký hiệu .
* TCVN : GC Có hai chỉ tiêu δb + δđộ dãn dài ( δ % ) ( kG / mm2 )
GC 40 - 10 ; GC 45 - 5 ; GC 50 - 2 ; GC 60 - 2 .
* TC Nga : Γ0 CT . Bų ( δk + δ % ) ( kG / mm2 )
Bų 38 - 17 ( gang cầu có δk = 380 N/mm2 , δ = 17% ; Bų 60 - 2 ; Bų 45 - 5.
* TC Nhật : JIS , FCD + δb kéo
(MPa )

e - Công dụng .
Gang cầu là gang có cơ tính cao nhất , tính đúc tốt nên sử dụng rộng rãi . Dùng
thay thế một số chi tiết máy bằng thép .
II.2.4: Gang dẻo .
a - Tổ chức tế vi .
Gang dẻo là gang có tổ chức như gang xám và gang cầu nhưng Graphít có dạng
cụm .
b - Thành phần .
Để nhận được gang dẻo thì trước hết phải đúc thành gang trắng . Sau đó dùng một
q trình ủ đặc biệt để biến gang trắng thành gang dẻo .
Thành phần : 2,2 ÷ 2,8%C ; 0,8 ÷ 1,0%Si ; ≤ 1,0%Mn ; 0,1%S ; 0,2%P ; %C +
%C = 3,5%C . Là phù hợp trong quá trình đúc và ủ .
c - Cơ tính .
Gang dẻo là gang trung gian thấp hơn gang cầu và cao hơn gang xám .
δb : 30 ÷ 60 kG / mm2
Trang 15


Vật Liệu cơ khí
δ : 5 ÷ 10 %
d - Ký hiệu .
* TCVN : GZ + δb + δ %
Ferít : GZ 30 - 6 ; GZ 35 - 10 ; GZ 37 - 12
Peclít : GZ 45 - 7 ; GZ 50 - 5 ; GZ 60 - 3
* TC Nga : Γ0 CT . Kų + δb + δ % ( kG / mm2 )
Kų 30 - 6 ; Kų 35 - 10.
* TC Nhật : FCMB + δb ( MPa )
e - Công dụng .
Dùng đúc các chi tiết phức tạp chịu được va đập mạnh .
* Quá trình ủ gang trắng

Gang dẻo
- Nguyên lý chung : Fe3C
F + G
Fe3C
F + P + G
Fe3C
P + G
- Thành phần : Nung đến nhiệt độ 10000C : Fe3C
7000C ( 15h ) γ1,8
Fe3C + γ0,8 và giữ lâu Fe3C
γ0.8
P + G ( P - F + Xe ) Giữ thêm 30h : Xe

γ1,8 + G Hạ xuống
γ0.8 + G
F + G

II.3: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁ NGUYÊN TỐ TẠP CHẤT ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA
GANG
II.3.1: Cacbon (C ) .
Nếu cacbon chứa trong gang ở dạng hợp chất hóa học Xêmentít (Fe 3C) thì gang đó
gọi là gang trắng , nếu cacbon ở dạng tự do Graphít thỉ gang đó gọi là gang xám . Sự tạo
thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội của nó .
II.3.2: Silíc (Si) .
Si là ngun tố ảnh hưởng rất nhiều đến cấu trúc tinh thể của gang , vì nó thúc đẩy
sự tạo thành Graphít hóa do đó trong gang xám thành phần Si cao khoảng 1 ÷ 4,25 % .
II.3.3: Mangan (Mn) .
Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản sự Graphít hóa . Bởi
vậy gang trắng thường chứa 2 ÷ 2,5 %Mn , trong gang xám lượng Mn < 1,3% .
II.3.4: Phốt pho (P) .

P là nguyên tố có hại trong gang nó làm giảm độ bền , tăng độ giịn của gang . Tuy
nhiên P lại có tác dụng tăng tính chảy lỗng , tác dụng này người ta dùng để đúc các
tượng vad các chi tiết có hình thù phức tạp , nhưng khơng chịu va đập . ( P < 0,1 % đối
với những chi tiết máy quan trọng ) .
II.3.5: Lưu huỳnh (S) .
Trang 16


Vật Liệu cơ khí
S là ngun tố có hại trong gang , nó làm giảm tính đúc và cơ tính trong gang . S
làm giảm độ bền và tăng độ giịn , do đó trong gang S < 0,15% .
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm và đặc điểm chung của gang .
2. Nêu công dụng của các loại gang .
3. Nêu thành phần hóa học của các loại gang .
4. Cho biết các nguyên tố ảnh hưởng đến tính chất của gang .
5. Giải thích ký hiệu sau :
Cų 12 - 28 , Kų 33 - 6 , Bų 80 - 3 , GC 42 - 15 , GX 24 - 44 , GZ 37 - 12.

Trang 17


Vật Liệu cơ khí
CHƯƠNG III
THÉP
III.1: KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI THÉP
III.1.1: Khái niệm .
Thép cacbon là hợp kim của Fe - C với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% . Ngồi
ra trong trong thép cịn chứa một lượng tạp chất như : Si , Mn , S , P , ...
III.1.2: Phân loại thép .

Thép được phân thành hai loại chính đó là :
- Thép cacbon : Dùng trong các ngành chế tạo máy nói chung và ngành xây dựng .
- Thép hợp kim : Dùng chế tạo các dụng cụ cắt gọt , dụng cụ đo , cácchi tiết máy yêu cầu
có độ bền , độ dẻo cao . Trong nhóm thép hợp kim có thép hợp kim đặc biệt , là các thép
từ tính , thép khơng gỉ , thép chịu nhiệt ... Tuỳ theo lượng P , S chứa trong thép mà người
ta chia thép thành các loại :
+ Thép có chất lượng thường : 0,06%S ; 0,08%P
+ Thép có chất lượng tốt : 0,04%S ; 0,04%P
+ Thép có chất lượng đặc biệt : 0,025%S ; 0,025%P
III.2: THÉP CAC BON .
III.2.1: Thành phần hóa học .
Ngồi Fe - C do đặc điểm nấu luyện trong thép luôn có Mn , Si ngồi ra cịn có các
ngun tố không khử hết P , S , các nguyên tố ngẫu nhiên Cr , Ni , ...
Thành phần : < 2%C ; Mn ≤ 0,8 % ; Si ≤ 0,5% ; P < 0,05% ; S < 0,02 %
III.2.2: Phân loại thép cacbon .
a - Phân loại theo chất lượng .
Tuỳ theo mức độ chính xác thành phần hóa học , mức độ khử hóa chất , người ta
phân ra 4 loại theo chất lượng sau :
- Thép C chất lượng thường : ≈ 0,06 %S ; 0,07 %P
- Thép C chất lượng tốt : 0,04 %S ; 0,035 %P
- Thép C chất lượng cao : 0,025% S ; 0.025 %P
- Thép C chất lượng đặc biệt : 0,015 %S ; 0,015 %P
b - Phân loại theo công dụng .
Thép xây dựng , thép kết cấu , thép dụng cụ .
III.2.3: Các loại thép C và ký hiệu .
a - Thép chất lượng thường : Gồm có 3 nhóm con .
- Nhóm thứ nhất (nhóm A) : Ký hiệu . CT + δb min (kG / mm2)
Trang 18

Vật Liệu cơ khí
Ví dụ : CT 31 - Thép cacbon thường nhóm A , trị số bền giới hạn 31kG / mm 2 hay
310N/mm2 . CT 33 ; CT 34 ; CT 38 .
Nhóm A chỉ quy định về cơ tính chứ khơng quy định về thành phần hóa học .
- Nhóm thứ hai ( nhóm B) . Ký hiệu có thêm chữ B đứng đầu .
Ví dụ : BCT 31 ; BCT 33 ; BCT 34 ; BCT 38 ...
Nhóm B quy định thành hóa học .
- Nhóm thứ ba ( nhóm C) . ký hiệu có thêm chữ C đứng đầu .
Ví dụ : CCT 31 ; CCT 33 ; CCT 34 ; CCT 38 ...
Nhóm C thép có cơ tính như nhóm A và thành phần hóa học thép như nhóm B .
Thép cacbon thường , người ta dùng ở dạng đã qua cán nóng thành hình như :
Dây , thanh , tấm , chữ U , I , V ,... So sánh với các loại thép khác thì thép cacbon có chất
lượng thất hơn cả , tạp chất có hại nhiều hơn S < 0,06% ; P < 0,07% .
* Ký hiệu .
- TCVN :
CT 31 ; CT 33 ; CT34 , .....
BCT31 ; BCT 33 ; BCT 34 , ....
CCT 31 ; CCT 33 ; CCT 34 , ...
- TC Nga : Γ0 CT
CT + Số từ 0 ÷ 6
Ví dụ :
CT 0 ; CT1 ; ... ; CT6
TC Nhật : JIS
Ký hiệu : S
Ví dụ :
SS 330 ; SS 480 ; SS 540 ; ...
( MPa)
Đơn vị đo độ bền của ứng suất :
1 kG / mm2 ≈ 10 MPa
1 kG / mm2 ≈ 1,45 kSi

1 kSi
≈ 6,9 MPa
1 MPa
≈ 0,1 kG / mm2
1 kSi
≈ 1000 PSi
1 Pa ≈ 10 -7 kG / mm2
1 μPa ≈ 106 Pa
* Công dụng thép C thường .
Thép các bon thường được dùng rất nhiều trong xây dựng như : Làm tấm đan , cốt
bê tông , làm các cơng trình thép khác ... Thép nhóm A vì khơng quy định rõ thành phần
hố học nên khơng gia cơng nóng , cịn hai nhóm B và C có thể dùng làm một số ít các
chi tiết máy quan trọng .
b. Thép các bon kết cấu chất lượng tốt , cao .
Thép các bon chất lượng tốt , cao được nhiệt luyện rất kỹ do đó hàm lượng P , S
còn lại rất nhỏ ( P ≤ 0,035% ; S ≤ 0,04% ) . Thép này chủ yếu dùng làm kết cấu máy và
thường phải nhiệt luyện để tăng độ bền chi tiết .
Trang 19


Vật Liệu cơ khí
* Ký hiệu :
- TCVN : C + 1 con số chỉ phần vạn các bon
VD : C10 - Thép các bon chất lượng tốt , cao có 0,1% C ; C15 ; C20 ; ... ; C80 ; C85
những con số chỉ phần vạn các bon trung bình trong mác thép .
- TC Nga :
Γ0 CT - 10 , 15 , 20 , ... , 80 , 85 những con số chỉ phần vạn các bon
trung bình trong mác thép .
Thép làm dụng cụ : Có 7 số hiệu , bắt đầu bằng chữ Y sau đó là các số chỉ từ 7 ÷
13

VD : Y 7 ; Y 8 ; Y 9 ; Y10 ; Y11; Y 12 ; Y13 Thép các bon chất lượng tốt , cao có 1,3%C
Những con số này chỉ rõ phần vạn các bon trong thép .
Chú ý : Nếu khử P , S tốt thì ta được loại thép tốt hơn và ký hiệu thêm chữ A ở sau cùng .
- Theo TCVN : Chữ CD là con số chỉ lượng C tính theo phần vạn, thêm chữ A chỉ
chất lượng tốt .
VD : CD80 tương đương Y8 ; CD120A tương đương Y12A
Thép dễ cắt ( thép tự động ) : Thép có thành phần P và S nhiều hơn bình thường ,
thép giịn dễ gãy phoi khi cắt . Ký hiệu : A18 ; A20 ; ... Con số chỉ phần vạn các bon .
Thép đường ray : Thép này có hàm lượng các bon từ 0,55÷ 0,65 , dùng làm đường
ray nhưng cũng có thể làm một số chi tiết máy . Ký hiệu : P 28 ; P 33 ; ... Chữ số P là khối
lượng ( kg ) của một mét đường ray .
- TC Mỹ : Có nhiều hệ thống ký hiệu khác nhau để quản lý và tiêu chuẩn hóa các
vật liệu kim loại . Cụ thể hóa các hệ thống sau : SAE ; AISI ; ASTM ; UNS ; ...
VD : Hệ thống SAE quy định số 1 là thép các bon và có ký hiệu 4 số 2 số sau chỉ phần
vạn các bon . Ký hiệu : SAE 1038 ; SAE 1010 ; SAE 1015
SAE 1010 : Thép chất lượng tốt , cao có 0,1%C
- TC Nhật : Hệ thống quản lý là : IJS
Ký hiệu : Sxx C
VD : S10 C : Thép chất lượng tốt , cao có 0,1%C
S15 C : Thép chất lượng tốt , cao có 0,15%C
III. THÉP HỢP KIM
III.3.1: Khái niệm và các tính chất .
a. Khái niệm :
- Thép hợp kim là loại thép ngoài Fe , C và các tạp chất người ta cố ý đưa và các
nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để thay đổi tổ chức và tính chất của thép.
Các nguyên tố , hợp kim thường dùng là : Cr , Ni , Mn , Si , W , V , Mo , Ti ...
b. Các tính chất của thép hợp kim :
- Cơ tính : Có độ bền cao hơn hẳn thép các bon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ sau
khi nhiệt luyện, tôi và ram.
- Tính chịu nhiệt cao : > 2000C.

Trang 20


Vật Liệu cơ khí
- Tính chất hố học và tính chất vật lý : Ít bị hoen gỉ và bị ăn mịn trong khơng khí,
trong các mơi trường axít, bazơ, muối. Đặc biệt thép hợp kim có một số tính chất mà thép
C khơng có như : Từ tính, giãn nở nhiệt, điện trở cao...
III.3.2. Phân loại thép hợp kim .
a. Phân loại tổ chức ở trạng thái cân bằng ( trang thái sau khi ủ ) .
- Thép trước cùng tích : Có tổ chức P + F
- Thép cùng tích : Có tổ chức P
- Thép sau cùng tích : Có tổ chức P + Các bít II
- Thép Lêđêburít : Có tổ chức P + Le + Các bít II
- Thép γ
b. Phân theo tổ chức ở trạng tái thường hóa .
- Thép Péclít chứa ít ngun tố hợp kim
- Thép Máctanxít lượng nguyên tố hợp kim khá cao nên khơng cần tơi vẫn có tổ
chức Máctenxít sau khi tơi
- Thép Ostenít lượng ngun tố hợp kim khá cao , vùng Ostenít mở rộng đến nhiệt
độ thường
c. Phân loại theo nguyên tố hợp kim chủ yếu .
Dựa vào nguyên tố chủ yếu để gọi tên thép như : Thép Mn , Si , Ni , ...
d. Phân theo tổng lượng nguyên tố hợp kim .
- Thép hợp kim thấp với tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim < 2,5%
- Thép hợp kim trung bình với tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim từ 2,5 ÷ 10%
- Thép hợp kim cao với tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim > 10%
e. Phân loại theo công dụng của thép .
- Nhóm thép hợp kim kết cấu
- Nhóm thép hợp kim dụng cụ
- Nhóm thép hợp kim đặc biệt như : Thép chống rỉ , thép chịu axít , thép chịu nhiệt

độ cao.
III.3.3. Ký hiệu .
a. TCVN :
- Số đầu chỉ hàm lượng các bon theo phần vạn , tiếp theo là ký hiệu hỗn hợp các
nguyên tố hợp kim sau mỗi ký hiệu là một con số chỉ hàm lượng trung bình của mỗi
ngun tố đó theo % .
Nếu gọi số đầu chỉ hàm lượng các bon là x thì :
+x<1Khơng ghi
+x<2Ghi số 2
+x<3Ghi số 3
VD : 40 Cr : Thép hợp kim có 0,04% C ≈ 1% Cr
90 Cr Si : Thép hợp kim có 0,09 % C ≈ 1 % Cr ≈ 1% Si
Trang 21


Vật Liệu cơ khí
b. TC Nga :
Γ0 CT
- Thép kết cấu : Số đầu chỉ hàm lượng các bon theo phần vạn
- Thép dụng cụ : Số đầu chỉ hàm lượng các bon theo phần nghìn
Cịn tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng các chữ cái .
X = Cr
T = Ti
Γ = Mn
H = Ni
K = Co
C = Si

B=W
P = Bo
Φ=V
VD : 40 X ; 20 X ; 9 X C
c. TC Mỹ :
AISI / SAE
- Chữ số đầu tiên chỉ loại thép , cụ thể là :
Số 1 - Thép các bon
Số 6 - Thép Crôm - Vanađi
Số 2 - Thép Niken
Số 7 - Thép Vônfram
Số 3 - Thép Crôm - Niken
Số 8 - Thép Crơm - Niken - Molípđen
Số 4 - Thép Molípđen
Số 9 - Thép Silíc - Măngan
Số 5 - Thép Crơm
- Số thứ 2 hoặc cả số thứ 3 chỉ phần trăm nguyên tố hợp kim mang tên thép
- Hai hoặc ba số sau cùng chỉ phần vạn các bon
VD :
SAE 1010 - Thép các bon chứa 0,1% C
SAE 1045 - Thép các bon chứa 0,45 % C
SAE 52100 - Thép Crôm chứa 2% Cr và 1 % C
SAE 71360 - Thép Vônfram chứa 13 % W và 0,6 % C
III.3.4. Công dụng .
Thép hợp kim là loại vật liệu quý hiếm và có vai trị trị quan trọng trong mọi lĩnh
vưc sản xuất . Thép hợp kim thấp dùng nhiều trong xây dựng hoặc để chế tạo các chi tiết
máy bình thường . Thép hợp kim trung bình và cao dùng làm kết cấu máy , chế tạo các
chi tiết máy quan trọng , phải làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt như : Nhiệt độ
cao , ăn mòn mạnh , chịu tải trọng lớn ..v..v. Thép hợp kim còn dùng làm các dụng cụ có
tuổi bền cao , dùng làm dao cắt với tốc độ lớn hơn thép các bon dụng cụ . Thép có điện

trở lớn dùng làm dây đốt , thép có độ từ thẩm đặc biệt dùng nhiều trong kỹ thuật điện
..v..v.
* Ứng dụng một số loại thép :
- Thép Cr - Ni : Được sử dụng rộng rãi nhất vì sau khi nhiệt luyện thép này có độ
cứng , độ bền cao , độ chịu đàn hồi và va đập tốt .
VD : Thép 12 XH 3A , 15 XH 3A Dùng để chế tạo các chốt piston , trục cam , bánh răng
Và các chi làm việc chịu tải trọng lớn và tốc độ cao .
- Thép Ni : Là thép có độ bền cao , tính đàn hồi và tính dẻo cao . Thép Ni dễ hàn ,
rèn và thích hợp cho những công việc gia công khác nhau .
Trang 22


Vật Liệu cơ khí
- Thép Cr - Si : Có độ cứng và tính đàn hồi cao , sau khi nhiệt luyện dùng để chế
tạo lị xo , nhíp xe , ...
- Thép Mn : Trong các loại thép hợp kim kết cấu thì thép hợp kim Mn rẻ nhất .
Thép này dể rèn , dập , cắt gọt và có độ thấm tơi khá sâu .
Các loại thép Mn : 15Γ , 20 Γ , 30 Γ được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí
(bu lơng , đai ốc , trục , ... )
III.4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẾN THÉP
III.4.1. Crôm ( Cr ) .
- Cr được đưa vào trong thép với thành phần khoảng 1,5 ÷ 2,5 %
- Cr có tác dụng làm tăng độ cứng và có phần nào làm giảm độ bền của thép
- Cr có tác dụng chống ăn mịn cao , thép chứa nhiều Cr có thể là thép khơng gỉ và
từ tính ổn định .
III.4.2. Niken ( Ni ) .
- Ni làm tăng độ chịu ăn mòn , tăng độ bền , độ dẻo và làm tăng khả năng chịu va
đập của thép .
- Ni ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép . Thép hợp kim ( inva ) có 35÷ 37 % Ni ,
có độ giãn dài gần như bằng khơng ở 80 ÷ 1000 C .

III.4.3. Vonfram ( W ) .
W tạo nên các bít Vonfram rất cứng trong thép . Nó làm thép rất cứng và làm việc
ở nhiệt độ cao . Thép W rất chắc ,
III.4.4. Vanađi ( V ) .
V làm nhỏ hạt , làm tăng độ cứng và độ bền của thép .
III.4.5. Silíc ( Si ) .
- Khi thành phần Si > 1% thì ảnh hưởng nhiều đến tính chất của thép . Thép chứa 1
÷ 1,5 % Si có độ bền tăng nhưng độ dai giảm .
- Khi tăng thành phần Si trong thép sẽ làm tăng điện trở và độ thấm từ của thép . Si
cũng làm tăng độ đàn hồi và tính chống ơxi hóa của thép .
III.4.6. Mangan ( Mn ) .
Khi thành phần Mn > 1 % nó làm tăng độ cứng , độ chịu mịn , sức va đập nhưng
không làm giảm độ dẻo của thép .
III.4.7. Các bon ( C ) .
C làm tăng tính chịu nhiệt , từ tính và làm tăng sức chịu va đập của thép .
III.4.8. Molípđen ( Mo ) .
Mo làm tăng tính chịu nhiệt , tính đàn hồi , giới hạn bền kéo , tính chơng ăn mịn
và tính bị ơxi hóa ở nhiệt độ cao .

Trang 23


Vật Liệu cơ khí

CÂU HỎI ƠN TẬP
Câu 1 : Nêu thành phần hóa học và phân loại thép các bon .
Câu 2 : Nêu các loại thép các bon và ký hiệu của chúng .
Câu 3 : Nêu thành phần hóa học và đặc điểm của thép hợp kim .
Câu 4 : Anh ( chị ) hãy phân loại thép hợp kim .
Câu 5 : Nêu ký hiệu của thép hợp kim . Giải thích ký hiệu sau : SAE 1015 , SAE 41100 .

Câu 6 : Nêu sự ảnh hương của các nguyên tố đến tính chất của thép .

Trang 24


Vật Liệu cơ khí
CHƯƠNG IV
NHIỆT LUYỆN VÀ HĨA NHIỆT LUYỆN

t âäü0C
Nhiãû

IV.1. NHIỆT LUYỆN
IV.1.1. Khái niệm về nhiệt luyện .
a. Định nghĩa nhiệt luyện .
Nhiệt luyện là công nghệ để gia công kim loại . Nọi dung cơ bản của qúa trình này
là biến đổi tổ chức bên trong của kim loại đến một trạng thái yêu cầu và do đó có được
những tính chất của kim loại tương ứng theo ý muốn .
Qua nghiên cứu người ta khẳng định rằng , tính chất của kim loại hồn tồn phụ
thuộc vào cấu tạo và tổ chức bên trong của nó . Do đó bằng bát kỳ cách nào , tạo ra một tổ
chức nhất định thì cũng thu được những tính chất nhất định tương ứng với tổ chức kim
loại đó .
Để đạt được tổ chức kim loại theo yêu cầu , công nghệ nhiệt luyện thực hiện 3 thao
o
tác .
0C
- Nung nóng kim loại đén nhiệt độ nhất định
, ký hiệu : tn .
tn
- Giữ kim loại ở nhiệt độ đó một thời gian

cần thiết , ký hiệu : τgiữ .
- Làm nguội kim loại với tốc độ quy định ,
α V ngüi
τgiỉỵ
ký hiệu : vnguội .
tn , τgiư , vnguội gọi là 3 yếu tố đặc trưng cho
Thåìi gian
τ
qúa trỡnh nhit luyn .
n
t luyóỷ
Sồ õọửquy trỗnh nhióỷ
Vn tc ngui tại một thời điểm được biểu
thị bằng giá trị tgα .
Trong thực tế để đạt được 3 thông số đặc trưng của nhiệt luyện có thể có những thủ
thuật chi tiết hơn , nhằm mục đích đảm bảo cho chi tiết khơng bị biến dạng và thay đổi
kích thước khi nung nóng , đảm bảo cho sự đồng đều về thành phần và nhiệt độ yêu cầu
trước khi làm nguội cũng như đảm bảo chi tiết không bị qúa nguội đột ngột gây ra nứt nẻ ,
cong vênh .
b. Hiệu quả của nhiệt luyện .
- Nhiệt luyện làm tăng độ bền cứng cho kim loại , đảm bảo độ dẻo dai cần thiết do
đó tăng tuổi thọ của máy hoặc làm nhỏ nhẹ được máy móc hay cơng trình mà vẫn đảm
bảo được yêu cầu công suất .

Trang 25