Giáo trình Vật liệu cơ khí

CHƯƠNG 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã chương: MH13 – 01
Giới thiệu:
Hàng năm, ngành công nghiệp chế tạo cơ khí sử dụng một khối lượng rất
lớn kim loại và hợp kim. Để lựa chọn được vật liệu thích hợp, thoả mãn các yêu
cầu về kỹ thuật và kinh tế phục vụ cho việc chế tạo các chi tiết máy thì mỗi người
cơng nhân, người cán bộ kỹ thuật cơ khí cần phải có kiến thức đầy đủ tầm quan
trọng, cấu tạo và tính chất bên trong của kim loại và hợp kim.
Mục tiêu:
- Nêu được các phương pháp thử kim loại và hợp kim;
- Trình bày được cấu tạo mạng tinh thể của kim loại và hợp kim;
- Trình bày được tính chất chung của kim loại và hợp kim;
- Có được tác phong làm việc nghiêm túc, tỷ mỉ, chính xác.

Nội dung chính:
1. Cấu tạo của kim loại và hợp kim
Mục tiêu:
- Nêu được các phương pháp thử kim loại và hợp kim;
- Trình bày được cấu tạo mạng tinh thể của kim loại và hợp kim;
- Có được tác phong làm việc nghiêm túc, tỷ mỉ, chính xác.
1.1 Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
Hiện nay các kim loại (sắt, đồng, nhơm, thiếc, chì, kẽm, vàng, bạc…) và
hợp kim (gang, thép, đồng thau, đồng thanh, đuyara, silumin…) được sử dụng rất
rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong lĩnh vực quốc phòng cũng như
trong đời sống hàng ngày. Các kim loại và hợp kim đã và đang đóng vai trò rất
quan trọng trong sự phát triển của xã hội lồi người. Chúng có nhiều tính chất
q như: độ bền, độ cứng cao, độ dẻo và dai tốt, chống ăn mịn và chịu mài mịn
tốt, tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt…Nhờ đó có thể đáp ứng được những yêu cầu rất
đa dạng của các ngành cơng nghiệp. Vì vậy, kim loại và hợp kim là loại vật liệu
chủ yếu và quan trọng nhất của công nghiệp hiện đại. Một trong những chỉ tiêu

để đánh giá sự phát triển của một quốc gia là khối lượng kim loại và hợp kim
được sản xuất và sử dụng trong một năm.
1


Để chế tạo máy móc thiết bị phải có vật liệu. Trong đó có kim loại và hợp
kim là vật liệu chủ yếu, vì nó có nhiều tính chất và đặc điểm quan trọng nổi bật
hơn so với các loại vật liệu khác. Khơng thể có máy móc thiết bị nếu khơng có
kim loại và hợp kim.
1.2. Cấu tạo của kim loại
1.2.1. Cấu tạo nguyên tử của kim loại
- Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm :
+ Hạt nhân (có chứa nơtrơn, prơtơn…)
+ Các lớp điện tử bao quanh hạt nhân.
- Đặc điểm cấu tạo:
Số điện tử hố trị (số điện tử ở lớp ngồi cùng đối với kim loại thơng
thường và ở lớp sát ngồi cùng đối với kim loại ở nhóm chuyển tiếp) rất ít,
thường chỉ là 1÷ 2 điện tử. Những điện tử này dễ bị bứt đi và trở thành điện tử tự
do, còn nguyên tử trở thành ion dương.
Hoạt động của điện tử tự do quyết định nhiều đến các tính chất đặc trưng
của kim loại như: tính dẻo, tính dẫn nhiệt, tính ánh kim...
1.2.2. Cấu tạo mạng tinh thể kim loại(hình 1.1)
Mạng tinh thể là mơ hình khơng gian mơ tả quy luật hình học của sự sắp
xếp các chất điểm trong vật tinh thể.

a

a)

b)

c)

Hình 1.1. Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử kim loại
a) Mặt tinh thể

b) Mạng tinh thể

c) Khối cơ bản
2


Ví dụ: quy luật sắp xếp của tinh thể là các chất điểm nằm ở các đỉnh của
hình lập phương thì mạng tinh thể của nó được biểu diễn ở hình 1.1b trong đó các
vịng nhỏ biểu thị các chất điểm (nguyên tử- ion- phân tử) và các đường thẳng nối
giữa các vịng là các đường tưởng tượng.Vì số chất điểm trong vật tinh thể là lớn
vô kể, nên khái niệm về mạng tinh thể không bị hạn chế về kích thước. Có thể
thấy mạng tinh thể bao gồm bởi các hình khối đơn giản giống nhau, mà xếp liên
tiếp chúng theo ba chiều đo thì có mạng tinh thể, khối đó gọi là khối cơ bản. Khối
cơ bản là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng
tinh thể. Biểu diễn mạng tinh thể phức tạp vì có q nhiều chất điểm, lúc đó chỉ
cần đặc trưng bằng khối cơ bản là đủ. Khối cơ bản của mạng lập phương đơn
giản chỉ là hình lập phương như hình biểu diễn ở hình 1.1c.
Thơng số mạng hay hằng số mạng là kích thước cơ bản của mạng tinh thể,
từ đó có thể tính ra khoảng cách bất kỳ trong mạng. Người ta thường xác định
thơng số mạng theo kích thước các cạnh của khối cơ bản. Đơn vị đo chiều dài
thông số mạng trong tinh thể thường dùng là ăng-strôn( ) hay kilôichxi( kx).
1

= 10-8 cm, 1kx = 1,00202 .

1.2.3. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp(hình 1.2)
Trong các kiểu mạng tinh thể kim loại có ba kiểu mạng tinh thể thường
dùng đó là: lập phương diện tâm, lập phương thể tâm, lục giác xếp chặt.
* Lập phương diện tâm (Hình 1.2a)
Khối cơ bản của mạng lập phương diện tâm các nguyên tử nằm ở các đỉnh
và ở giữa tâm các mặt của hình lập phương.
Các kim loại có kiểu mạng lập phương diện tâm gồm: Fe; Au; Ag; Aℓ,
Cu; Pb; Ni....
* Lập phương thể tâm.(Hình1.2b)
Khối cơ bản của mạng lập phương thể tâm các nguyên tử nằm ở các đỉnh
và giữa (tâm) các khối của hình lập phương.
Các kim loại có kiểu mạng lập phương thể tâm gồm:: Fe; Cr; Mo; W;
V.....
* L ục giác xếp chặt. (Hình 1.2c)
Khối cơ bản của loại mạng lục giác xếp chặt các nguyên tử nằm ở các đỉnh,
2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm
ở trung tâm 3 khối lăng trụ tam giác có vị trí cách đều nhau.
3


Các kim loại có kiểu mạng lục giác xếp chặt gồm: Be; Zn; Mg; Ti; Co.....

Hình 1.2. Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử trong các khối cơ bản thường gặp
1.2.4 Tính thù hình của kim loại
Ở nhiệt độ và áp suất khác nhau, một số nguyên tố có thể tồn tại với kiểu
mạng khác nhau. Tính chất này được gọi là tính thù hình. Những kiểu mạng tinh
thể khác nhau của cùng một kim loại được gọi là các dạng thù hình.

4

Fe
910

LPDT a = 3,65

Fe

768
Fe

LPTT a = 2,9

LPTT a =2,87

Hình 1.3. Biểu đồ tính thù hình của sắt

có
từ
tính

Nhi
ệt
độ
o
C

Kết tinh(hóa
lỏng) LPTT a =2,93

1390

khơn
g có
từ
tính

1539
Fe

Lỏng

Thời gian

1.3. Cấu tạo của hợp kim
1.3.1. Định nghĩa
Hợp kim là sản phẩm của quá trình nấu chảy hay thiêu kết (luyện kim bột)
của 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại để được vật liệu mới
có tính chất kim loại.
Ví dụ:
Thép, Gang là hợp kim của Fe - C và một số nguyên tố khác.
Đồng thau là hợp kim của Cu - Zn là chủ yếu ngồi ra có thể pha thêm một
số nguyên tố khác.
Si lu min là hợp kim của Aℓ+Si là chủ yếu ngồi ra có thể pha thêm một số
nguyên tố khác.
1.3.2. Các đặc tính của hợp kim
Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi là vì về nhiều mặt nó có nhiều ưu
điểm hơn kim loại nguyên chất.
Vật liệu chế tạo cơ khí phải có cơ tính cao, về phương diện này hợp kim
hơn hẳn kim loại nguyên chất. Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp,

khơng thích hợp để chế tạo các chi tiết máy. Cịn hợp kim nói chung có độ bền,
độ cứng cao hơn, nên chi tiết máy đã chịu tải lớn hơn, ít bị mài mịn và có thời
5


gian sử dụng dài hơn. Cịn tính dẻo dai tuy có thấp hơn kim loại nguyên chất
song vẫn nằm trong giới hạn thoả mãn các yêu cầu của chế tạo cơ khí. Đặc biệt,
một số hợp kim có tính chất q như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao, chống
ăn mịn, chống mài mịn tốt…
Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành các chi tiết, bộ phận máy, cịn cần
phải có tính cơng nghệ tốt. Kim loại ngun chất có tính dẻo cao dễ biến dạng
dẻo (kéo sợi, cán thành tấm, lá…) nhưng tính đúc, gia cơng cắt gọt kém. Tuỳ theo
thành phần các hợp kim khác nhau có thể có tính đúc tốt, tính gia cơng cắt gọt
cao và có khả năng hố bền bằng nhiệt luyện…
Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ hơn kim loại
nguyên chất. Với kỹ thuật hiện đại, việc luyện kim loại nguyên chất vẫn còn gặp
nhiều khó khăn do phải khử bỏ triệt để các tạp chất, q trình luyện phức tạp tốn
kém. Ví dụ luyện nhơm ngun chất từ quặng rất khó khăn, nhưng luyện hợp kim
của chúng (nhôm với silic) dễ hơn nhiều do nhiệt độ thấp hơn và không phải khử
bỏ các tạp chất lẫn trong quặng đem luyện. Vì vậy, sử dụng hợp kim trong chế tạo
cơ khí là kinh tế hơn.
1.3.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim .
1.3.3.1. Dung dịch rắn
* Khái niệm
Dung dịch rắn là pha
tinh thể (có thành phần thay
đổi) trong đó nguyên tử của
nguyên tố thứ nhất(A) vẫn
được giữ nguyên kiểu mạng
khi nguyên tố thứ hai (B)

được phân bố vào mạng
của(A) thay thế hoặc xen kẽ.
Ký hiệu: bằng chữ cái
hy lạp , , ,  ... hoặc A(B)
Trong đó:

a)
b)
Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc tinh thể của dung dịch rắn
a- Dung dịch rắn thay thế
b- Dung dịch rắn xen kẽ

- A là nguyên tố dung môi
- B là nguyên tố hoà tan.
* Phân loại dung dịch rắn
6


Tùy theo cách phân bố nguyển tử hòa tan trong mạng tinh thể của nguyên
tố dung môi người ta phân ra 2 loại dung dịch rắn thay thế và xen kẽ
- Dung dịch rắn thay thế (Hình.1.4 a)
Nguyên tử của nguyên tố hoà tan B thay thế cho các nguyên tử ngun tố
dung mơi A tại vị trí các nút mạng của A.
Theo độ hoà tan lại chia ra dung dịch rắn hịa tan vơ hạn và hịa tan có hạn:
+ Dung dịch rắn hồ tan vơ hạn: Nếu chất hồ tan B có thể hồ tan vào
dung mơi A với tỷ lệ bất kỳ(tức nồng độ biến đổi liên tục thay thế tồn bộ ngun
tử ngun tố dung mơi).
+ Dung dịch rắn hồ tan có hạn: Nếu lượng hồ tan của B trong A không
thể vượt quá giá trị nhất định, tức là sự thay thế chỉ xảy ra ở một tỷ lệ nào đó.
- Dung dịch rắn xen kẽ (Hình.1.4 b)

Các ngun tử các ngun tố hồ tan B nằm ở các lỗ hổng mạng tinh thể
của các ngun tố dung mơi A.
* Các đặc tính của dung dịch rắn
Dung dịch rắn là pha thường gặp nhất trong các hợp kim sử dụng trong
cơng nghiệp, nó có các đặc tính sau:
- Có liên kết kim loại như kim loại ngun chất, do vậy dung dịch rắn có
tính dẻo tốt gần bằng kim loại nguyên chất.
- Kiểu mạng tinh thể là kiểu mạng của nguyên tố dung môi và khơng thay
đổi khi thành phần hóa học thay đổi trong phạm vi nhất định.
- Mạng tinh thể luôn bị xô lệch và thông số mạng khác với thông số mạng
của ngun tố dung mơi, tính chất của dung dịch rắn biến đổi so với kim loại
dung môi (điện trở, độ bền, độ cứng tăng lên còn độ dẻo và dai giảm đi), khuynh
hướng này càng tăng lên khi nồng độ chất tan càng lớn. Đáng chú ý độ dẻo và dai
của dung dịch rắn trong nhiều trường hợp tuy có giảm đi nhưng vần còn khá lớn
nên dễ biến dạng dẻo ở trạng thái nóng hoặc nguội đặc biệt có lợi trong q trình
chế tạo thành phẩm. Do có độ bền, độ cứng cao, độ dẻo và dai tốt, dung dịch rắn
thường là pha cơ sở của các hợp kim kết cấu (thép, hợp kim đồng, hợp kim
nhôm...)
Tổ chức tế vi của hợp kim là dung dịch rắn đồng nhất bao gồm các hạt
giống nhau như kim loại nguyên chất.
1.3.3.2. Hợp chất hoá học
7


* Khái niệm
Hợp chất hoá học là các pha phức tạp, có các thành phần hố học hầu như
cố định (tương ứng với cơng thức hóa học nhất định), tỷ lệ nguyên tử giữa các
nguyên tố tuân theo quy tắc hố trị.
Ví dụ: Fe3C = 3Fe + C
2Aℓ 2O3 = 4Aℓ+ 3O2

Ký hiệu: AmBn
* Các đặc tính của hợp chất hoá học
- Cấu tạo mạng tinh thể khác hẳn với kiểu mạng tinh thể của nguyên tố tạo
nên nó.
- Về tính chất: Thường dịn, một số có độ cứng và nhiệt độ chảy rất cao.
- Thành phần không đổi hay thay đổi trong phạm vi hẹp.
1.3.3.3. Hỗn hợp cơ học
* Khái niệm
Khi hai hoặc nhiều ngun tố khơng có khả năng hồ tan vào nhau và
khơng liên kết được với nhau thì khi đơng đặc, ngun tử của cùng một nguyên
tố sẽ liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể của nguyên tố đó và tạo thành hỗn
hợp của 2 hay nhiều nguyên tố.
Ký hiệu: A +B
* Đặc điểm của hỗn hợp cơ học
- Trong hỗn hợp cơ học các thành phần tạo nên hợp kim có bề mặt phân
chia với nhau.
- Mạng tinh thể của hợp kim vẫn giữ nguyên kiểu mạng của các nguyên tố
thành phần.
- Tính chất của hợp kim phụ thuộc vào tính chất nguyên tố chiếm đa số.
- Trong thực tế, thường gặp hợp kim là hỗn hợp của dung dịch rắn và hợp
chất hố học.
Ký hiệu: AmBn + A(B).
Hai dạng điển hình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích
+ Hỗn hợp cơ học cùng tích là dạng hỗn hợp cơ học cùng một lúc tiết ra 2
pha rắn mới từ 1 pha rắn ban đầu.
8


+ Hỗn hợp cơ học cùng tinh là dạng hỗn hợp cơ học cùng một lúc kết tinh
ra 2 pha rắn từ 1 pha lỏng ban đầu.

2. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
Mục tiêu:
- Trình bày được tính chất chung của kim loại và hợp kim;
- Lựa chọn kim loại có tính chất phù hợp q trình sử dụng;
- Có được tác phong làm việc nghiêm túc, tỷ mỉ, chính xác.
2.1.Tính cơ học
Tính cơ học đặc trưng cho khả năng làm việc khi chịu tải trọng cơ học của
kim loại và hợp kim.
* Độ cứng
Độ cứng là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục
bộ dưới tác dụng của ngoại lực thơng qua dụng cụ thử. Tuỳ theo phương pháp đo
có độ cứng Brinen (HB), độ cứng Rocoen (HRA, HRB, HRC)...
* Độ dẻo
Độ dẻo là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại và hợp kim dưới
tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy.
* Độ bền
Độ bền là khả năng kim loại và hợp kim chống lại tác dụng của ngoại lực
mà khơng bị phá huỷ.Tuỳ theo tính chất của ngoại lực tác dụng mà ta có các loại
độ bền khác nhau: Bền kéo бk, bền nén бn, bền uốn бu. Đơn vị đo độ bền
kG/mm2, N/mm2, MN/m2, Pa, MPa.
* Độ đàn hồi
Độ đàn hồi là khả năng kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dạng ban
đầu sau khi bỏ lực tác dụng.
* Độ dai va đập
Độ dai va đập là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi
chịu tải trọng va đập.
* Độ bền mỏi
Độ bền mỏi là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi chịu
tải trọng biến đổi có chu kỳ, sau một thời gian làm việc nhất định.
2.2. Tính chất hố học

9


Tính chất hố học của kim loại biểu thị ở khả năng kim loại chống lại tác
dụng hoá học của các mơi trường có hoạt tính khác nhau: ơxy, nước, axit... mà
khơng bị phá hủy.
* Tính chịu ăn mịn
Tính chịu ăn mòn là khả năng kim loại, hợp kim chống lại những tác dụng
hố học của hơi nước, ơxy trong khơng khí.
* Tính chịu nhiệt
Tính chịu nhiệt là khả năng kim loại chống lại ơ xy hố ở nhiệt độ cao.
* Tính chịu axít
Tính chịu axit là khả năng kim loại, hợp kim chống lại sự tẩm thực của môi
trường axit.
2.3. Tính chất vật lý
Tính vật lý là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật
lý khi thành phần hố học của kim loại đó không thay đổi.
* Khối lượng riêng
Khối lượng riêng là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể
tích của vật thể:
=

m
g/cm3
V

Trong đó: m - khối lượng của vật thể (g)
V- thể tích của vật thể (cm3)
Nếu  > 3g/cm3 thuộc kim loại nặng
Nếu  < 3g/cm3 thuộc kim loại nhẹ

Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó khơng những
có thể dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu, mà cịn
có thể giải quyết một số vấn đề thực tế. Ví dụ những vật lớn như thép đường ray,
thép hình rất khó cân được khối lượng, nhưng vì biết được khối lượng riêng và có
thể đo được kích thước mà tính ra thể tích nên có thể khơng cần cân chỉ dùng
cơng thức để tính ra khối lượng của chúng.
* Tính nóng chảy
Tính nóng chảy là khả năng kim loại chuyển từ thể rắn sang thể lỏng ở một
10


nhiệt độ xác định nào đó. Sắt nguyên chất nóng chảy ở 15390C. Điểm nóng chảy
của gang là 1130oC–13500C(do hàm lượng cacbon trong gang quyết định).
Tính chất này rất quan trọng đối với cơng nghiệp chế tạo cơ khí, vì phương
pháp chế tạo chi tiết máy rẻ tiền nhất là phương pháp đúc, nhưng khi dùng
phương pháp đúc thì kim loại cần có độ chảy lỗng tốt. Tính chảy lỗng của kim
loại ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của kim loại quyết dịnh, nhiệt
độ nóng chảy càng thấp thì tính chảy lỗng của kim loại càng tốt.
* Tính dẫn điện
Tính dẫn điện là khả năng truyền dòng điện của kim loại và hợp kim. Kim
loại đều là vật dẫn điện tốt, đặc biệt là bạc, đồng, nhơm. Nhưng do bạc có giá
thành cao, nên kim loại được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật để làm vật dẫn điện
là đồng, nhơm. Hợp kim có khả năng dẫn điện kém hơn so với kim loại nguyên
chất.
* Tính dẫn nhiệt
Tính dẫn nhiệt là khả năng truyền nhiệt kim loại khi đốt nóng và khi làm
nguội. Độ dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim khơng giống nhau.
Ví dụ: Sắt có khả năng dẫn nhiệt tốt, nhưng kém xa so với đồng và nhôm;
Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1, thì đồng là 0,9, nhơm là 0,5, sắt là 0,15.
* Tính giãn nở vì nhiệt

Tính giãn nở vì nhiệt là khả năng giãn nở của kim loại biểu thị bằng hệ số
nở dài hay thể tích khi nhiệt độ thay đổi. Độ giãn nở lớn hay nhỏ có thể biểu thị
bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị đo (1mm), gọi là hệ số giãn nở theo
chiều dài.
Người ta xét tính giãn nở của kim loại trong việc chế tạo các dụng cụ chính
xác, dụng cụ quang học, các chi tiết làm đường ray, cầu cống.
* Từ tính
Từ tính là khả năng thấm từ của kim loại. Sắt, ni ken, coban và hợp kim
của chúng đều có từ tính. Khả năng thấm từ bị thay đổi theo nhiệt độ.
Ví dụ: Sắt thấm từ tốt ở nhiệt độ nhỏ hơn 768 0C, mất khả năng thấm từ khi
nhiệt độ lớn hơn 7680C.
* Tính phát sáng
Tính phát sáng là độ phản chiếu ánh sáng thể hiện ở mặt ngoài của kim loại
11


và hợp kim.
2.4. Tính cơng nghệ
Tính cơng nghệ của kim loại và hợp kim chịụ các dạng gia công khác nhau
(đúc, hàn, gia công áp lực, cắt gọt) dễ hay khó.
* Tính đúc
Tính đúc được xác định bởi đặc trưng cơ bản là: Độ chảy loãng, độ co và
độ thiên tích;
- Độ chảy lỗng: Biểu thị khả năng điền đầy khn khi đúc. Độ chảy lỗng
càng cao, tính đúc càng tốt.
- Độ co: Sự giảm thể tích khi kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng
thái rắn; Độ co càng lớn, tính đúc càng kém.
- Tính thiên tích: Là sự khơng đồng nhất thành phần hố học của kim loại
và hợp kim, trong các thành phần khác nhau của vật đúc xảy ra trong q trình
kết tinh.

* Tính rèn
Tính rèn là khả năng vật liệu biến dạng vĩnh cửu dưới tác dụng của ngoại
lực tạo thành hình dạng chi tiết mà khơng bị phá huỷ.
- Thép có tính rèn cao khi nung nóng vì có độ dẻo cao.
- Gang trắng, gang xám khơng có khả năng rèn vì giịn.
- Đồng, chì có tính rèn tốt ngay cả khi ở trạng thái nguội.
* Tính hàn
Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết bằng cách nung
nóng cục bộ vùng nối đến trạng thái chảy hay dẻo.
- Thép cacbon thấp có tính hàn tốt.
- Gang, nhơm... có tính hàn kém.
* Tính cắt gọt
Tính cắt gọt là khả năng của vật liệu cho phép gia công cắt gọt dễ hay khó.
Các kim loại mềm dễ gia cơng cắt gọt hơn các kim loại có độ cứng cao hoặc độ
dẻo quá cao.
3. Phương pháp thử kim loại và hợp kim
12


Mục tiêu:
- Nêu được các phương pháp thử kim loại và hợp kim;
- Viết và giải thích được kí hiệu vật liệu trên bản vẽ kỹ thuật và trong mô
đun nghề;
- Có được tác phong làm việc nghiêm túc, tỷ mỉ, chính xác.
3.1. Thử kéo
Bằng phương pháp thử kéo xác định được giới hạn đàn hồi, giới hạn bền
và độ dẻo của kim loại.
* Mẫu thử và cách tiến hành thực hiện
Mẫu thí nghiệm được chế tạo theo quy chuẩn của từng nước. Hình 1.5 là
mẫu thử có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, chiều dài gấp 10 lần đường kính, 2 đầu

mẫu thử kích thước lớn hơn để cặp lên máy. Mẫu thử kéo được đặt trên máy kéo
nén vạn năng truyền động bằng cơ khí hoặc thuỷ lực theo nguyên lý như (hình
1.5d).

d)

Hình 1.5. Mẫu thử kéo và sơ đồ nguyên lý máy kéo.
a,b.c) Mẫu thử kéo. d) Sơ đồ nguyên lý máy thử kéo.
Lực kéo (P)

Độ biến dạng (ΔL)
Hình 1.6: Biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu kéo
13


Nhờ áp lực đầu thuỷ lực, Piston A kéo mẫu B và đồng thời máy kéo cũng
vẽ được biểu đồ như hình 1.6. Khi kéo chiều dài của mẫu tăng dần, tiết diện
ngang giảm dần, đến điểm D mẫu bị thắt và cũng ứng với lực kéo lớn nhất, từ đó
lực trên máy kéo khơng tăng, nhưng mẫu vẫn dài và đến điểm M thì mẫu bị đứt.
* Biểu đồ kéo kim loại
Trên biểu đồ kéo thể hiện các giai đoạn sau:
- Giai đoạn tỷ lệ: L tỷ lệ thuận với P(бTL).
- Giai đoạn biến dạng đàn hồi: L tăng nhiều hơn P(бĐH)
- Giai đoạn biến dạng dẻo kèm với biến dạng đàn hồi: L tăng rất nhiều so
với tải trọng P(бCH).
- Giai đoạn bền: P tăng đạt tới Pmax mẫu thử trước khi bị đứt(бB).
- Giai đoạn phá hủy: Khi kim loại xuất hiện vết nứt, mẫu thử bị đứt(бĐ)..
* Xác định độ đàn hồi
Độ đàn hồi được xác định theo công thức:
бĐH = P (MN/m2, N/mm2, kG/mm2; Mpa).

F0
Trong đó:
бĐH - giới hạn đàn hồi
P

- lực kéo lớn nhất của giai đoạn đàn hồi;

F0 - diện tích tiết diện ban đầu.
* Xác định độ bền
Độ bền được xác định theo cơng thức:
б = Pma (MN/m2, N/mm2, kG/mm2; Mpa)
B

Trong đó:
бB

x

F0
- giới hạn đàn bền;

Pmax - lực kéo lớn nhất của giai đoạn bền;
F0

- diện tích tiết diện ban đầu.

* Xác định độ dẻo
Đặc trưng của độ dẻo là độ giãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối.

- Độ giãn dài tương đối:

L1 L0
L

14


=

x100%

=

F 0 - F1
x100%
F0

- Độ thắt tỷ đối:

Trong đó: L0 - chiều dài ban đầu.

L1 - chiều dài sau khi biến dạng.
F0 - diện tích tiết diện ngang ban đầu.
F1 - diện tích tiết diện ngang sau khi biến dạng.
3.2. Thử độ cứng
* Độ cứng Brinen (HB)
Độ cứng được đo bằng cách tác dụng một tải trọng P lên trên vật cần đo
qua một viên bi thép đã tôi với đường kính tiêu chuẩn D = (2,5 hoặc 5 hoặc 10),
rồi đo đường kính vết lõm d(Hình 1.7). Đơn vị đo độ cứng Brinen là kG/ mm2.
P
P

F
2
HB =
kG/ mm
D

=
Trong đó:

h

2P
πD(D - D2 - d2)
d

P - lực tác dụng vào viên bi(kG).
F - diện tích mặt cong vết lõm do
viên bi để lại (mm2).
D- đường kính viên bi(mm).

Hình 1.7. Sơ đồ thử độ cứng
Brinen

d - đường kính vết lõm(mm);
h - chiều sâu vết lõm(mm).
Tuỳ theo đường kính D và vật liệu cần thử, lực tác dụng P được xác định
như sau:
- Đối với thép và gang P = 30D2(3000; 750; 187,5 kG)
- Đối với hợp kim đồng P = 10D2(1000; 250; 62,5 kG)
- Đối với babít(Aℓ, Pb, Sn) P = 2,5D2(250; 62,5; 15,6 kG).

Độ cứng Brinen áp dụng đối với vật có độ cứng HB<450, khơng đo được
những vật mỏng.
* Độ cứng Rocoen: HR
15


Độ cứng được đo bằng cách dùng mũi nhọn kim cương hình chóp có góc ở
đỉnh 1200 (với thang đo A,C) hoặc viên bi thép đã tơi cứng có Φ =1,587(với thang
đo B) tác dụng vào vật cần đo và sau đó đo chiều sâu vết lõm(Hình 1.8). Chiều
sâu vết lõm được xác định bằng đồng hồ so với giá trị mỗi vạch là 0,002mm, do
đó nhận ngay được giá trị độ cứng sau khi bỏ tải trọng.
Trị số độ cứng được tính bằng biểu thức:
h - h0
HR = k 0,002
Trong đó:
k - hằng số phụ thuộc vào
dụng cụ thử k=100 dụng cụ thử viên
bi; k = 130 dụng cụ thử là mũi nhọn.
h0 - chiều sâu vết lõm ứng với
tải trọng ban đầu 10kG.

h - hiều sâu vết lõm ứng với tải
trọng tồn phần (60,100,150) kG.

Hình 1.8. Sơ đồ thử độ cứng
0,002- giá trị mỗi vạch chia đồng hồRocoen
so hay mũi kim cương hoặc viên bi
lún sâu 0,002mm thì kim đồng hồ dịch đi 1 vạch.
Trong phương pháp này đầu tiên tác dụng tải trọng sơ bộ P 0 = 10kG ta
được chiều sâu vết lõm h0 (chiều sâu vết lõm h0 do tải trong P0 khơng được dùng

tính độ cứng), sau đó tác dụng thêm tải trọng chính P. Sau khi bỏ tải trọng chính
đi, đồng hồ đo chỉ độ sâu h do tải trọng chính tác dụng và chuyển đổi ngay ra độ
cứng.
Khi đo độ cứng theo thang đo A và C(HRA và HRC) dùng mũi nhọn kim
cương với tải trọng tổng cộng là 60 và 150 kG dùng đo vật liệu cứng(thang A với
thép tôi, thang C với vật liệu rất cứng).
Khi đo độ cứng theo thang đo B (HRB) dùng viên bi với tải trọng tổng
cộng là 100 kG dùng đo vật liệu mềm (thép, gang ở trạng thái ủ).
Độ cứng HR dùng khi đo những vật có độ cứng cao, vật mỏng và nhỏ, các
lớp thấm, được dùng phổ biến trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm.
* Độ cứng Vicke:
Dùng mũi kim cương hình chóp, đáy vng, góc giữa hai mặt đối xứng
bằng 136o (hình 6) tác dụng lên bề mặt của mẫu thử hoặc chi tiết với tải trọng P
từ (5 ÷120) kG, thường P= (5; 10; 20; 30; 50; 100; 120)kG.
16


Trị số độ cứng được tính theo cơng thức:
HV=1,8544 P2 kG/mm2
d
Trong đó:
P - tải trọng kG
d - đường chéo vết lõm (mm2)
F - diện tích vết lõm (mm2)
Phương pháp thử độ cứng vicke có
thể đo cho cả vật liệu mềm và vật liệu cứng
có lớp mỏng của bề mặt sau khi thấm than,
Hình 1.9: Sơ đồ thử độ cứng
Vicke

thấm ni tơ, nhiệt luyện.
3.3. Thử độ dai va đập

Các nước phương tây dùng thống nhất các mẫu thử và phương pháp thử
như sau:
Mẫu Tzod dùng mẫu kích thước (10x10x75)mm và xẻ rãnh chữ V sâu
2mm, cách một đầu 28mm vả ngàm tại đầu này trên máy(hình 1.10a).
Mẫu Charpy dùng kích thước mẫu(10×10×55) mm và khi thử phải ngàm
hai đầu mẫu trên máy(hình 1.10b).
Quả búa con lắc của máy có trọng Lượng P được nâng lên với độ cao là
h1và được thả rơi xuống theo quỹ đạo vịng trịn (hình 1.10 c).Trên đường đi búa
va vào mẫu thử và đập gãy mẫu thử. Theo đà quán tính búa đi tiếp sang bên kia
với độ cao h2.
- Thế năng của búa tại vị trí 1 là Ph1
- Thế năng của búa tại vị trí 2 là Ph2.
Vậy trên đường đi búa đã mất đi công (A) để đập gãy mẫu thử.
A = Ph1 – Ph2 (N).
Độ dai va đập của vật liệu được xác định bằng công thức:
ak =

A
2
F N/mm

- A: công đập gãy mẫu thử
- F: diện tích tiết diện tại chỗ bị gãy.
17


Vật liệu càng dịn thì độ dai va đập càng nhỏ

Hình 1.10 Sơ đồ thử độ dai va đập
Câu hỏi ôn tập
1. Thế nào là kim loại? Đặc điểm cấu tạo ngun tử kim loại? Tại sao kim loại có
tính dẫn điện tốt.
2. Nêu khái niệm về mạng tinh thể của kim loại? vẽ hình biểu diễn khối cơ bản
của các kiểu mạng tinh thể thường gặp trong kim loại.
3. Thế nào là tính thù hình kim của kim loại? lấy ví dụ minh hoạ. Tại sao trong
kỹ thuật phải chú ý đến tính thù hình của kim loại?
4. Thế nào là hợp kim? tại sao trong công nghiệp sử dụng hợp kim nhiều hơn kim
loại nguyên chất?
5. Trình bày 3 dạng cấu tạo của hợp kim?
6. Trong thực tế nói chung và trong chế tạo khí nói riêng, tại sao cần chú ý đến
tính chất vật lý và tính chất hố học của kim loại? Cho các ví dụ?

18


7. Tính chất cơ học là gì? Cho biết ý nghĩa của các ký hiệu sau: бđh = 20 kG/mm2,
δ = 30%,  = 45%, бb = 25 kG/mm2.
8. Độ cứng là gì? Viết biểu thức và giải thích biểu thức khi xác định độ cứng
bằng phương pháp Brinen và Rocoen. Cho biết ý nghĩa của các ký hiệu sau:
80HB, 50HRC, 70HRA, 62HRB?
9. Tính cơng nghệ là gì? Thống kê các cơng nghệ chế tạo trong ngành cơ khí?
Trình bày các yếu tố thể hiện cho tính cơng nghệ của các cơng nghệ chế tạo đó.

19


CHƯƠNG 2

THÉP
Mã chương: MH13-02
Giới thiệu:
Thép, gang là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí, vật liệu
được nấu luyện từ hợp kim sắt – cacbon. Nội dung trong chương trang bị cho
người học hiểu rõ hơn về tính chất của hợp kim trong từng khoảng nhiệt độ và
thành phần cacbon.
Trong tất cả các vật liệu mà loài người sử dụng, thép là vật liệu có cơ tính
tổng hợp cao. Thép được dùng làm các chi tiết chịu tải trọng nặng nhất và trong
điều kiện phức tạp. Không những trong ngành cơ khí, thép cịn đóng vai trị quan
trọng trong giao thông vận tải(đường sắt, đường thủy), quốc phòng và xây dựng.
Phần lớn thép dùng trong chế tạo cơ khí được luyện kim dưới dạng thép hình theo
u cầu(trịn, vng, tấm, ống…) với thành phần hóa học khác nhau và cơ tính
qui định khá chặt chẽ và được đánh thành các số hiệu. Sản phẩm thép rất phức tạp
có rất nhiều số hiệu thép khác nhau, do vậy cần nắm vững sự phân loại, đặc tính
cơ bản và số hiệu của từng nhóm thép sao cho qúa trình sử dụng đạt hiệu quả cao
nhất.
Mục tiêu:
- Trình bày được tính chất, cơng dụng của thép các bon và thép hợp kim;
- Trình bày được yêu cầu kỹ thuật, phạm vi ứng dụng của thép đóng tàu;
- Phân tích được ảnh hưởng của các ngun tố hóa học đến tính chất của
thép;
- Phân biệt được các khu vực thép, gang trên giản đồ;
- Phân tích được tính chất các tổ chức của các pha trên giản đồ;
- Giải thích được ký hiệu các loại thép.
- Có tinh thần và thái độ nghiêm túc, tỷ mỉ, chính xác trong học tập.
Nội dung chính:
1. Hợp kim sắt cacbon
Mục tiêu:
- Phân biệt được các khu vực thép, gang trên giản đồ;

- Phân tích được tính chất các tổ chức của các pha trên giản đồ;
20


- Tích cực, chủ động sáng tạo và tư duy lơ gíc trong học tập.
1.1. Đặc điểm của sắt - cacbon
1.1.1 Sắt: Fe
Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm VII của hệ thống tuần hồn các
ngun tố hóa học. Sắt chứa khoảng 5% trọng lượng trong vỏ trái. Sắt và hợp kim
của sắt đóng vai trị quyết định trong sự tiến hóa của lịch sử lồi người.
Cũng giống như các nguyên tố khác, sắt không thể ở dưới dạng tuyệt đối
tinh khiết. Ở trong các phịng thí nghiệm có thể dùng sắt kỹ thuật chứa khoảng
(99,8 - 99,9)% Fe và (0,1 - 0,2)% tạp chất.
Sắt nguyên chất dùng trong kỹ thuật có các chỉ tiêu về cơ tính như sau:
Giới hạn bền kéo бb

250N/mm2;

Giới hạn chảy б0,2

120N/mm2;

Độ giãn dài tương đối 

50%;

Độ thắt tỷ đối 

85%;

Độ cứng HB

80 kG/ mm2.

Như vậy các chỉ tiêu về giới hạn bền và giới hạn chảy còn thấp so với yêu
cầu chế tạo cơ khí. Đó là ngun nhân người ta hầu như khơng dùng sắt ngun
chất trong chế tạo cơ khí, mà dùng hợp kim của nó vì có cơ tính cao hơn rõ rệt.
Sắt là kim loại có chuyển biến thù hình:
Mạng lập phương thể tâm tồn tại trong hai khoảng nhiệt độ t 0 < 9100C và
nhiệt độ t0 > 13900C;
Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở nhiệt độ (910 ÷ 1390)0C.
Sắt có khả năng hịa tan được nhiều ngun tố khác nhau: hịa tan được các
kim loại (crơm, ni ken . . .) dưới dạng dung dịch đặc thay thế, hòa tan nhiều
cacbon dưới dạng dung dịch đặc xen kẽ.
1.1.2. Cacbon: C
Cacbon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV của hệ thống tuần hồn hóa
học.
Trong tự nhiên cacbon tồn tại ở các dạng sau:
- Vơ định hình chiếm phần lớn cacbon (các loại than);
- Graphit là dạng thù hình ổn định trong điều kiện bình thường;
21


- Kim cương rất cứng, giịn khơng ổn định. Ở nhiệt độ và áp suất cao kim
cương có thể trở nên ổn định, người ta áp dụng điều kiện này để sản xuất kim
cương nhân tạo.
Trong hợp kim sắt – cacbon ( thép và gang ):
- Cacbon tự do ở dạng graphit có mạng tinh thể lục giác rất mềm, độ bền
thấp;
- Cacbon kết hợp với sắt tạo thành hợp chất hóa học xêmentit (Fe3C) có

mạng tinh thể phức tạp rất cứng, giòn;
- Cacbon hòa tan vào sắt (Fe , Fe) dưới dạng dung dịch đặc xen kẽ
1.2. Giản đồ trạng thái sắt - cacbon
1.2.1. Cấu tạo giản đồ ( hình 2.1 )
Giản đồ khơng biểu diễn 100%Fe và 100%C vì trong kỹ thuật khơng dùng
hợp kim Fe - C với lượng cacbon nhiều hơn 5% nên chỉ trình bày đến 6,67%C
tức ứng với hợp chất hóa học xêmentit(Fe3C).
Trục tung biểu thị nhiệt độ( t0C );
Trục hoành biểu thị thành phần cacbon( %C):
Đường ABCD là đường lỏng.
Đường AECF là đường đặc.
Đường ES là đường giới hạn sự hòa tan của cacbon trong Fe .
Đường VQ là đường giới hạn sự hòa tan của cacbon trong Fe.
Đường ECF ứng với 4,3%C là đường cùng tinh.
Đường VSK ứng với 0,8%C là đường cùng tích.
Sắt nguyên chất kỹ thuật %C < 0,02%.
Hợp kim của Fe - C có %C: 0,02 ≤ %C < 2,14%.
Khi hợp kim lỏng nguội xuống đến đường lỏng thì bắt đầu kết tinh, tạo
thành tổ chức Ô. Khi nguội xuống đến đường đặc AE thì kết tinh xong.
Thép có 0,8%C là thép cùng tích ứng với điếm S ở nhiệt độ 7270C
Ô → P đồng nhất.
Thép < 0,8%C là thép trước cùng tích:

Ơ → F + P.

Thép > 0,8%C là thép sau cùng tích:

Ơ → P + XêII.
22

Hợp kim của Fe - C có %C: 2,14 ≤ %C < 6,67%.
Gang có 4,3%C là gang cùng tinh ứng với điểm C kết tinh ở nhiệt độ
không đổi 11470C trên đường cùng tinh:

L → Lê.

L

V

Hình 2.1: Giản đồ hợp kim Fe - C
Gang < 4,3%C là gang trước cùng tinh:
23


Khi nguội xuống đường AC :
Khi nguội xuống đường ECF:

L → Ơ;
L cịn lại→ Lê;

Ơ tiết ra cacbon thừa dưới dạng XêII;
→ Tổ chức cuối cùng:

P + XêII + Lê.

Gang > 4,3%C là gang sau cùng tinh:
Khi nguội xuống đường CD:

L → XêI;

Khi nguội xuống đường ECF:

L còn lại→ Lê;

→ Tổ chức cuối cùng:

Lê + XêI.

1.2.2. Các tổ chức của hợp kim Fe – C
1.2.2.1. Tổ chức 1 pha
* Hợp kim lỏng ( L )
Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt, khơng có mạng tinh
thể, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD.
* Ferit ( F )
- Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe  (chủ yếu là xen vào
vùng có sai lệch mạng). Khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe  rất thấp - lớn
nhất ở nhiệt độ 7270C (điểm V) hòa tan 0,02%C và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường
( điểm Q) hòa tan 0,006%C - nên có thể coi ferit trong hợp kim Fe - C tinh khiết
là sắt nguyên chất.
- Ferit là pha có từ tính, độ dẻo cao, độ cứng khoảng 80 HB, có mạng tinh
thể lập phương thể tâm.
* Ôstenit ( Ô )
- Ôstenit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe (chui vào lỗ
hổng trong khối tám mặt). Khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe khá lớn - lớn
nhất ở nhiệt độ 11470C (điểm E) hòa tan 2,14%C và nhỏ nhất ở nhiệt độ 7270C
(điểm S) hòa tan 0,8%C.
- Ơstenit là pha khơng có từ tính, rất dẻo và dai, độ cứng khoảng 200 HB,
có mạng tinh thể lập phương diện tâm . Trong hợp kim Fe - C thông thường

ôstenit không tồn tại ở nhiệt độ thường.
* Xêmentit ( Xê hay Fe3C )
24


- Xêmentit là chất hóa học của sắt với cacbon có cơng thức hóa học là
Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFKL, nhiệt độ nóng chảy khoảng 16000C.
Trong giản đồ cần phân biệt ba dạng của xêmentit:
Xêmentit thứ nhất (XêI) là loại được tiết ra từ hợp kim lỏng khi nhiệt độ
giảm từ (1600 ÷ 1147)0C theo đường DC và thành phần cacbon trong hợp kim
giảm từ ( 6,67 ÷ 4,3 )%C . Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên Xê I có
tổ chức rất lớn;
Xêmentit thứ hai (XêII ) là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Ô khi nhiệt độ
giảm từ (1147 ÷ 727)0C theo đường ES và thành phần cacbon trong hợp kim
giảm từ (2,14 ÷ 0,8)%C. Do tạo nên từ pha rắn ở nhiệt độ khơng cao lắm nên XêII
có tổ chức nhỏ hơn và thường ở dạng lưới bao quanh hạt Ô (mà ở vùng nhiệt độ
thấp chuyển thành P);
Xêmentit thứ ba (XêIII ) là loại được tiết ra từ dung dịch rắn F khi nhiệt độ
giảm từ 7270C đến nhiệt độ thường theo đường VQ và thành phần cacbon trong
hợp kim giảm từ (0,02 ÷ 0,006)%C. Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp,
khả năng khuếch tán của các nguyên tử rất kém nên Xê III thường ở dạng mạng
hay hạt rất nhỏ bên cạnh F.
Các dạng xêmentit trên không khác nhau về bản chất pha, nhưng khác
nhau về kích thước và sự phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau.
- Xêmentit là pha có độ cứng rất cao (khoảng 800HB) và giịn, mạng tinh
thể rất phức tạp.
1.2.2.2. Tổ chức 2 pha
* Peclit ( P )
- Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của F (88%) và Xê (12%) tạo thành do
dung dịch rắn Ơ phân hóa thành 2 pha tại điểm S ở nhiệt độ 727 0C và 0,8%C.

Các hợp kim với lượng C < 0,8% thành phần cacbon của Ô biến đổi theo đường
GS tiết ra F làm tăng cacbon, các hợp kim với C > 0,8% thành phần cacbon của
Ô biến đổi theo đường ES tiết ra Xê làm giảm cacbon, cả 2 trường hợp đều đưa
đến lượng cacbon trong Ô là 0,8% ở 727 0C tại điểm S, lúc đó Ơ chuyển biến
thành hỗn hợp cùng tích của F và Xê.
- Peclit là pha có tính chất trung gian kết hợp giữa tính chất của F và Xê
nên độ cứng và độ bền cao, tính dẻo, dai hơi thấp. Độ cứng của P có thể thay đổi
trong khoảng (180 – 220) HB, phụ thuộc vào dạng P và độ nhỏ mịn của Xê ở
trong nó.
25