Giáo trình vật liệu cơ khí (nghề hàn cao đẳng) 2

BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH
MƠ ĐUN/MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGÀNH/NGHỀ: HÀN
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo quyết định số: …. /QĐ … ngày … tháng … năm …
của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề Xây dựng)

Quảng Ninh, năm 2021



TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nội bộ nên các nguồn thơng tin có
thể được 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.

1


LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta nói chung và của
Trường Cao đẳng nghề Xây dựng nói riêng. Cơng tác đào tạo nguồn nhân lực
cho xã hội có vai trị hết sức quan trọng, là yếu tố cơ bản để phát triển xã hội,
tăng trưởng nhanh và bền vững.
Quán triệt chủ trương nghị quyết của Tỉnh, Đảng bộ Trường Cao đẳng
nghề Xây dựng về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực

cho cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa và nhận thức đúng đắn về tầm
quan trọng của chương trình, giáo trình đối với việc nâng cao chất lượng đào
tạo:
Mơn học vật liệu cơ khí là một mơn học có rất nhiều thơng tin về lý
thuyết , và mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn
Giáo trình này là tài liệu giảng dạy và học tập cho giáo viên và học sinh
ngành cơ khí của Trường Cao đẳng nghề Xây dựng
Giáo trình được biên soạn theo đề cương môn học. Nội dung biên soạn
theo tinh thần ngắn gọn, dễ hiểu, các kiến thức trong chương trình có mối liên hệ
chặt chẽ. Khi biên soạn giáo trình tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức
mới, phù hợp với đối tượng học sinh cũng như cố gắng, gắn những nội dung lý
thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo
trình có tính thực tiễn. Giáo trình được thiết kế theo môn học thuộc hệ thống
môn học cơ sở của chương trình đào tạo nghề Hàn, trình độ Cao đẳng, trình độ
Trung cấp và được dùng làm giáo trình cho học sinh trong các khóa đào tạo.
Ngồi ra giáo trình cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để đào tạo
ngắn hạn hoặc cho các công nhân kỹ thuật các nhà quản lý và người sử dụng
nhân lực.
Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo,
đề cương chương trình nhưng do biên soạn lần đầu, thiếu sót là khó tránh. Rất
mong nhận được sự nhận xét, đóng góp ý kiến của q thầy, cơ giáo và bạn đọc
để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hồn thiện hơn.
…..ngày…..tháng…..năm……
Nhóm biên soạn

2


MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................. 2

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ..... 6
2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim ...................................................... 6
2.2. Cấu tạo kim loại và hợp kim .......................................................................... 6
2.3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim ...................................................... 9
2.4. Hợp kim và biến đổi tổ chức ........................................................................ 11
Chương 2: GANG ............................................................................................... 19
2.1. Giới thiệu chung về gang ............................................................................. 19
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang................................... 20
2.3. Các loại gang thường dùng .......................................................................... 20
Chương 3: THÉP ................................................................................................. 24
2.1. Khái niệm chung về thép.............................................................................. 24
2.2. Thép các bon ................................................................................................ 24
2.3. Thép hợp kim ............................................................................................... 26
Chương 4: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU ........................................... 30
2.1. Đặc điểm và tính chất chung của kim loại màu ........................................... 30
2.2. Đồng và hợp kim đồng ................................................................................. 30
2.3. Nhôm và hợp kim nhơm............................................................................... 31
2.4. Thiếc - Chì - Kẽm......................................................................................... 32
2.5. Hợp kim làm ổ trượt ..................................................................................... 33
Chương 5: NHIỆT LUYỆN HÓA NHIỆT LUYỆN ........................................... 36
2.1. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện .................................................................. 36
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện ......................................... 36
2.3. Các hình thức nhiệt luyện............................................................................. 37
2.4. Các dạng sai hỏng thường gặp khi nhiệt luyện ............................................ 39
Chương 6: ĂN MÒN KIM LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN
KIM LOẠI........................................................................................................... 41
2.1. Hiện tượng ăn mòn kim loại......................................................................... 41
2.2. phương pháp chống ăn mòn kim loại ........................................................... 42
Chương 7: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI.............................................................. 44
2.1. Chất dẻo, đá mài, cao su, gỗ, amiăng ........................................................... 44

2.2. Dung dịch trơn nguội ................................................................................... 49

3


CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Mã mơn học: MH08
I. Vị trí, tính chất mơn học:
- Vị trí của mơn học: Mơn học Vật liệu cơ khí thuộc mơn học kỹ thuật cơ sở
ngành.
- Tính chất mơn học: Là môn học lý thuyết cơ sở bắt buộc.
II. Mục tiêu mơn học:
- Kiến thức:
+ Trình bày được các ký hiệu và thành phần hoá học của các loại vật liệu. Thép
các bon, thép hợp kim, gang, kim loại và hợp kim màu.
+ Giải thích đúng các ký hiệu vật liệu ghi trên bản vẽ chi tiết.
- Kỹ năng:
+ Lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật
liệu khác nhau.
+ Lựa chọn và sử dụng được các thiết bị đo cơ tính vật liệu.
+ Chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tinh thần trách nhiệm, tư duy sáng tạo trong
thực tế sản xuất, đảm bảo an tồn lao động và vệ sinh cơng nghiệp.

4


III. Nội dung môn học:
Nội dung tổng quát và phân bố thời gian:

Thời gian (giờ)
Số
TT

Thực
hành,
Kiểm
Tổng
Lý
thảo
tra
số thuyết
luận,
bài tập

Tên chương, mục

1

Chương 1: Những khái niệm cơ bản về
kim loại và hợp kim

8

8

2

Chương 2: Gang

8

7

3

Chương 3: Thép

8

8

4

Chương 4. Kim loại màu và hợp kim
màu

4

4

0.5

0.5

5. Hợp kim làm ổ trượt

0

1

0

0

0

1

5

Chương 5. Nhiệt luyện và hố nhiệt
luyện

8

7

6

Chương 6. Ăn mịn kim loại và
Phương pháp chống ăn mòn kim loại

4

4

7

Chương 7. Vật liệu phi kim loại

5

4

0

1

Cộng

45

42

0

3

5


Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
1. Mục tiêu
- Hiểu được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
- Nêu được tính chất chung của kim loại và hợp kim
- Nhận biết, phân biệt được kim loại và hợp kim.
- Rèn luyện tính tích cực, tư duy, sáng tạo trong học tập
2. Nội dung chương: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim

2.1. 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 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 tồn 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 .
2.2. Cấu tạo kim loại và hợp kim
Khái niệm về kim loại: Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thể rèn được, có
tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Phương diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ
nhường điện tử trong các phản ứng hóa học
2.2.1. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại
- 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 .
6

- 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 ô cơ bản .

Hình 1.1. Cấu tạo mạng tinh thể

2.2.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

a

a. Mạng lập phương thể tâm
Trong các ơ 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 ( Ángtrong ) 1A = 10 cm .
- Các kim loại có kiểu mạng này: Fe, Cr, Mo, W, ...
Hình 1.2. Lập phương thể tâm

b. Mạng lập phương diện tâm khối

a
a
a

7

- Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập
phương.
- Trong mạng tinh thể gồm 14 nguyên tử trong đó 8 nguyên tử nằm ở nút
mạng, 6 nguyên tử nằm ở giữa các mặt.
- Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 8 + 6 = 14
Các kim loại: Feγ, Cu, Ni, Al, Pb… có kiểu mạng lập phương diện tâm.
c. Mạng lục phương dày đặc

c

a

Hình 1.4. Mạng lục giác xếp chặt

Bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt
đáycủa hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối trung tâủ khối lăng trụ
tam giác cách nhau.
Khối cơ bản kiểu mạng này như gồm bởi 3 lớp nguyên tử xếp sít nhau,
các ngtử lớp đáy dưới xếp sít nhau rồi đến 3 ngtử ở giữa xếp vào khe lõm của
lớp đáy do đó chúng cũng xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy trên lại xếp vào các khe
lõm của lớp giữa nhưng có vị trí trùng với vị trí lớp đáy dưới
- Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 2.6 + 2 + 3 = 17
- Số nguyên tử của ô cơ bản trong mạng tinh thể: 12.1/6 + 2.1/2 + 3 = 6
- Các kim loại có kiểu mạng này là: Be, Mg, Ti, Co...
2.2.3. Hợp kim
a. Định nghĩa
Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết (luyện tinh bột) của 2 hay
nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại để được vật liệu mới có tính
kim loại.
Ví dụ:

8


- Thép, gang là hợp kim của Sắt, Các bon và một số nguyên tố khác
- Đồng thau là hợp kim của Đồng và Kẽm.
b. Các đặc tính của hợp kim
Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí là vì nhiều mặt
nó có ưu việt hơn kim loại nguyên chất.
- Hợp kim có cơ tính cao hơn kim loại nguyên chất: Vật liệu chế tạo cơ
khí phải có cơ tính cao, về phương diện này là hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên
chất. Kim loại ngun 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, ít bị mài
mịn, có thời gian sử dụng dài hơn. Đặc biệt một số hợp kim có những tính chất
q như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao, chống ăn mịn…
- Hợp kim có tính cơng nghệ tốt: Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành
các chi tiết, bộ phận máy cịn 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 công cắt gọt kém. Tùy theo các thành phần hợp kim khác nhau có thể có tính
đúc tốt, tính gia cơng cắt gọt cao và có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện…
- Tính kinh tế cao: Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông
thường dễ nấu 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. Vì vậy sử dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí là kinh tế hơn.
2.3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
2.3.1. 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 )

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 )
9


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 10C.
2.3.2. 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:
sau:

Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu

- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O 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.
2.3.3. 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 không 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.
2.3.4. 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 công 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.
10


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.
2.4. Hợp kim và biến đổi tổ chức
2.4.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim
- Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại.
Là vật liệu trong thành phần của nó gồm hai hay nhiều nguyên tố, nguyên
tố chính là kim loại. Hợp kim mang tính chất của kim loại.
Ví dụ: thép là hợp kim của sắt và cacbon. Duyra là hợp kim của nhôm – đồng –
magiê.
2.4.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử
911-

30 40

L(lỏng)

50

Fes(A2)

60 70

80 90 100

A Ihành phần,%B
+ Pha: là phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng một trạng
thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn
thì phải có sự đồng nhất về cùng một kiểu mạng và thông số mạng). Một tập hợp
các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim.
+ Nguyên: là một vật chất độc lập có thành phần khơng đổi, tạo nên các
pha của hệ. Trong một số trường hợp nguyên cũng là các nguyên tố hóa học
hoặc hợp chất hóa học có tính ổn định cao.
Tính cơng nghệ kim loại ngun chất rất kém, khó đúc, khó gia cơng cắt
gọt, khi nhiệt luyện độ cứng độ bền không tăng. Kim loại ngun chất rất khó
luyện vì trong quặng bao giờ cũng có tạp chất việc khử tạp chất rất ốn kém. Bởi
vậy, trên thực tế hầu hết các chi tiết máy làm bằng thép.
11


2.4.3. Giản đồ pha Fe- C (Fe- Fe3C)
oC

I1

1600
A
1539
t1

1392

I3

I4
D

L +δ

L

H

B
J

1
L +XeII

δ + Os

N

2

A4

E

Os
910 G A

3
t3
t4
V
F
1000

L + Os
C

o

1147 : Chuyãø
n

O s+Le+XeIII

3

F

Le+XeI

F-O s
o

A2 =768 - Ferêt máú
t tỉìtênh ( Fe - β )

O s+XeII

4

S

o

A1 =727 - Chuyãø
n biãú
n cuìng têch

P +XeII

P + Le + XeIII

F+XeIII
500

Q 0,02
100%Fe

biãú
n cuìng tinh

Lã âã bu rêt

1499
t2 δ

I2

K

Le +XeI

o

Ao =210 - Xe máú
t tỉìtênh

R
0,8

2,14

4,3

6,67% C

Hình 1. 5. Giản đồ pha

2.4.3.1. Tương tác giữa Fe - C
Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quả đất. Sắt nguyên chất kỹ thuật có
cơ tính như sau:
HB « 80; a... 250MPa; Ơ0,2 « 120MPa; ỗ « 50%; Ỹ « 85%; aK « 2500kJ/m2
So với các kim loại khác (nhơm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng
nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sử
dụng. Khi đưa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra cả hai tương tác
(hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian), đều có tác dụng hóa
bền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn (sắt) và đang được sử dụng
một cách rộng rãi nhất.

Sự hòa tan của cacbon vào sắt
Như đã nói do quan hệ kích thước ngun tử (cacbon nhỏ hơn sắt, rC =
12


0,077nm, rFe = 0,1241nm) nên cacbon chỉ có thể hịa tan có hạn vào sắt ở dạng
dung dịch rắn xen kẽ. Như đã biết, sắt có hai kiểu mạng tinh thể: lập phương
tâm khối A2 (tồn tại ở < 911oC - Fea và 1392 :1539oC - Feỗ) và lập phương tâm
mặt A1 (911: 1392oC - FeY) với các lỗ hổng có kích thước khác nhau và do đó
khả năng hịa tan cacbon khác nhau.
Bằng những tính tốn hình học đơn giản có thể thấy rằng Fea và Feỗ với
mạng lập phương tâm khối tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song mỗi lỗ
hổng lại có kích thước q nhỏ (lỗ tám mặt có r = 0,154rFe, lỗ bốn mặt lớn hơn
có r = 0,291rFe), lớn nhất cũng chưa bằng 30% kích thước của nguyên tử sắt
hay gần một nửa kích thước nguyên tử cacbon, chỉ chứa nổi khối cầu r =
0,0364nm, không thể nào chứa nổi nguyên tử cacbon. Do vậy về ngun lý Fea
và Feỗ khơng có khả năng hòa tan cacbon hay độ hòa tan cacbon trong chúng là
khơng đáng kể (có thể coi bằng khơng).Khác với Fea và Feỗ, FeY với mạng lập
phương tâm mặt A1 tuy có mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hổng hơn nhưng lại có
loại có kích thước lớn hơn (lỗ bốn mặt r = 0,225rFe, lỗ tám mặt r = 0,414rFe).
Ở lỗ hổng tám mặt này có thể chứa được khối cầu r = 0,052nm, nên có
khả năng thu xếp để nguyên tử cacbon lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt
ra xa. Do vậy chỉ có FeY mới hòa tan được cacbon, tuy nhiên như đã nói ngun
tử hịa tan khơng thể xen kẽ vào mọi lỗ hổng tám mặt đó nên giới hạn hịa tan
cacbon trong FeY chỉ là trên dưới 10% nguyên tử.
Tương tác hóa học giữa Fe và C
Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào
dạng thù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dịch rắn
xen kẽ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành Fe3C gọi là
xêmentit. Như đã biết đó là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần

6,67%C + 93,33%Fe.
Thực ra cịn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp
kim thuần Fe - C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu khơng muốn nói là
khơng thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là ổn định.
Trong thực tế sự tạo thành grafit có thể dễ dàng hơn nhiều khi có các yếu tố
thuận lợi về thành phần và tốc độ nguội .
2.4.3.2. Giản đồ pha Fe- C (Fe- Fe3C) và các tổ chức
Cấu tạo của giản đồ
Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) được trình bày ở hình 2.17 với các ký hiệu
các tọa độ (nhiệt độ, oC - thành phần cacbon, %) đã được quốc tế hóa như sau: A
(1539 - 0); B (1499 - 0,5); C (1147 - 4,3); D (1250 - 6,67); E (1147 - 2,14); F
(1147 - 6,67); G (911 - 0); H (1499 - 0,10);
J (1499 - 0,16); K (727 - 6,67); L (0 - 6,67); N (1392 - 0);
P (727 - 0,02); Q (0 - 0,006); S (727 - 0,80).
Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau:
13


ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay
bắt đầu kết tinh.
thúc kết

AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết

tinh.
- ECF (1147oC) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic).
- PSK (727oC) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid).
- ES - giới hạn hòa tan cacbon trong FeY.

Xêmentit:Xê(FeJ C)

____________ Thép ______ _________________Gang _______________ _
- PQ - giới hạn hòa tan cacbon trong Fea.
14


Các tổ chức trên giản đồ
a. Các tổ chức một pha
Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau:
* Ferit (có thể ký hiệu bằng hay F hay Fe ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon
trong
Fea với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 :0.291nm) song do lượng
hòa tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727oC - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp
nhất chỉ cịn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Fea,cacbon không thể chui
vào lỗ hổng của Fea, lượng cacbon hịa tan khơng đáng kể này là nằm ở các
khuyết tật mạng, chủ yếu là ở vùng biên giới hạt). Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ
đến 768oC. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Fea trên trục
sắt). Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất:
dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hòa tan Si, Mn, P, Cr...
nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai
pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 727oC), song với tỷ lệ cao nhất
(trên dưới 90%), nên nó đóng góp một tỷ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp
kim Fe - C. Độ cứng của ferit đạt 80 HB.Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình
2.18a có dạng các hạt sáng, đa cạnh.

Hình 1.7. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500)
* Austenit [ có thể ký hiệu bằng Y, A, FeY(C) ] là dung dịch rắn xen kẽ
của cacbon trong FeY với mạng lập phương tâm mặt (a - 0,364nm) với lượng
hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở
1147oC - điểm E, tức tối đa tính bình qn cứ ba : bốn ơ cơ sở mới có thể cho
phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lỗ hổng tám mặt trong chúng, ở

727oC chỉ còn 0,80%C - điểm S). Khác với ferit, austenit khơng có tính sắt từ
mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727oC) trong vùng NJESG
(tiếp giáp với FeY trên trục sắt) nên khơng có quan hệ trực tiếp nào đến khả
năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có vai trị quyết định trong biến dạng nóng
và nhiệt luyện.Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở
15


nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm)
thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên
dưới 1000oC). Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe - C với C
< 2,14% dù cho ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính giịn khá cao. Làm
nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit - xêmentit với độ
nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng
rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở
hình 1.7b có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đơi chút (do định
hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện
tính dẻo cao).Độ cứng của Austenit đạt 200 HB
* Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xê, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng
phức tạp có cơng thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng
DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và giịn, cùng với ferit nó tạo
nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Độ cứng của xementit đạt 800
HB Người ta phân biệt bốn loại xêmenntit:
+ Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong
hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3%C. Do
tạo thành ở nhiệt độ cao (> 1147oC) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thơ to
(hình 1.8b) đơi khi có thể thấy được bằng mắt thường.

b)

a)
Hình 1.8.Tổ chức tế vi của gang trắng( x500)
a)Trước cùng tinh
b)Sau cùng tinh

+ Xêmentit thứ hai (XeII)
Được tạo thành do giảm độ cacbon trong austenit đường ES khi hạ nhiệt độ,
thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80 cho tới 2,14%C. Do tạo thành ở
nhiệt độ tương đối cao (> 727oC) tạo điều kiện cho sự tập trung ở biên giới hạt,
nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh
các hạt austenit ((peclit) như biểu thị ở hình 1.9, tức tạo ra khung giịn, làm giảm
mạnh tính dẻo và dai của hợp kim.
16


Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích (1,2%c) (x500)
+ Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành đo giảm nồng độ cacbon trong
ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỷ lệ) rất nhỏ nên rất khó phát
hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua.
+ Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit □
peclit. Loại xêmentit này có vai trị rất quan trọng, được trình bày ở mục tiếp
theo. Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe - C cao và chứa lượng đáng kể
silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang.
b. Các tổ chức hai pha
*Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [F + Fe3C]). Peclit là hỗn hợp cùng tích
của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit với 0,80%C và ở 727oC. Trong
peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa
một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền,
cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và
công cụ. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, trơxtit, bainit) có mặt trong hầu

hết các hợp kim Fe - C. Người ta phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt.Peclit
tấm (hình 2.21a) thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), tức là hai
pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau, nên trên mặt cắt ngang để lại
các vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng (với
lượng ít hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là
ferit nên tổng thể có dạng vân. Peclit hạt (hình 2.21b) ít gặp hơn, có cấu trúc hạt
tức xêmentit ở dạng thu gọn nhất (bề mặt ít nhất) - hạt xêmentit phân bố đều trên
nền ferit. Giữa hai loại này có sự khác biệt nhỏ về cơ tính: so với peclit hạt,
peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút.
Austenit đồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo
thành peclit hạt. Peclit hạt ổn định hơn peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ
tương đối cao (ví dụ 600 :700oC) peclit tấm có xu hướng chuyển thành peclit
hạt. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b) (x500). Độ cứng của peclit
đạt (180 : 200) HB

a)
b)
Hình 1.10. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a), peclit hạt (b)
17


*Lêđêburit [có thể ký hiệu bằng Le, hay (Y + Xe) hay (P + Xe)]. Tổ chức
tế vi của lêđêburit - (P+Xe) (x500).
Lêđêburit là hỗn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha
lỏng với 4,3%C ở 1147oC , tuy nhiên khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng
cùng tích để autennit chuyển thành peclit nên tổ chức tế vi quan sát được (hình
2.22) là hỗn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng.
Lêđêburit cứng và giịn (vì có q nhiều, tới 2/3 là xêmentit), độ cứng đạt 600
HB và chỉ có trong hợp kim Fe - C ở dạng gang trắng, ít gặp.

Hình 1.11.Tổ chức tế vi của lêđêburit
Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: để kỷ
niệm các nhà khoa học lỗi lạc trong ngành là Robert Austen (người Anh) cho
austenit, Ledebur (người Đức) cho lêđêburit; từ bản chất hay đặc trưng tính chất
là 108 ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng,
cứng)cho xêmentit.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu tầm quan trọng của kim loại và hợp kim?
2. Nêu cấu tạo của mạng tinh thể kim loại?
3 . Nêu cấu tạo của hợp kim ?
4. Nêu tính chất chung của kim loại và hợp kim?
5. Kim loại và hợp kim có những tính chất nào? Trong các tính chất trên tính
chất nào là quan trọng nhất. Vì sao?

18


Chương 2: GANG
1. Mục tiêu:
- Nêu được định nghĩa, tính chất, công dụng của gang và các loại gang thường
dùng
- Nhận biết, phân biệt được các loại gang thường dùng trong cơ khí.
2. Nội dung chương:
2.1. Giới thiệu chung về gang
2.1.1. Định nghĩa
Gang là hợp kim của sắt và các bon với lượng C = (2,14 ÷ 6,67)%. Ngồi ra
cịn có một số tạp chất như: Mn, Si, P, S.
2.1.2. Thành phần hóa học
- C = (2,14 ÷ 6,67)% thường dùng gang có C = (3 ÷ 4)%
- Si = (1 ÷ 4,25)%

- Mn = (2 ÷ 2,5)% trong gang trắng, Mn < 1,3% trong gang xám
- P = (0,1 ÷ 0,2)%; S ≤ 0,15%
2.1.3. Tính chất
- Cơ tính:
+ Nhìn chung gang là loại vật liệu có độ bền kéo thấp, độ dòn cao.
+ Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức Graphit tồn tại như
những lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang bền
kém.
Tuy nhiên, Graphitcó ảnh hưởng tốt đến cơ tính như: Tăng khả năng
chống mài mịn do ma sát.
- Tính cơng nghệ:
+ Tính đúc tốt (Có nhiệt độ nóng chảy thấp, tính chảy lỗng cao)
+ Tính gia cơng cắt gọt tốt, vì độ cứng thấp, phoi dễ gãy vụn.
+ Khơng rèn được.
2.1.4. Cơng dụng
Nói chung, gang có tính tổng hợp khơng cao như như thép, nhưng có tính
đúc tốt, dễ cắt gọt, chế tạo đơn giản hơn và rẻ. Vì vậy, các loại gang có Graphit
dùng rất nhiều trong chế tạo cơ khí, dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng
tĩnh và ít chịu va đập như: Bệ máy, vỏ…

19


2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang
2.2.1. Ảnh hưởng của Cacbon
Cacbon (C): là nguyên tố thúc đẩy q trình graphít hóa. Nhưng gang có
nhiều cacbon thì độ dẻo và tính dẫn nhiệt giảm. Nếu cacbon chứa trong gang ở
dạng hợp chất hóa học xêmentit thì gang đó gọi là gang trắng, nếu cacbon ở
dạng tự do (Graphít) thì 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.

2.2.2. Ảnh hưởng của Mn, Si, P, S
- Ảnh hưởng của Mn
Mn cản trở tạo thành Graphit, thường khống chế Mn = (0,5 ÷ 1)%
- Ảnh hưởng của Si
+ Si thúc đẩy sự tạo thành Graphit.
+ Tùy theo yêu cầu mà khống chế Si = (1,5 ÷ 3)%
- Ảnh hưởng của P
Làm tăng tính chảy lỗng của gang, thường đung P = (0,1÷ 0,2)%
- Ảnh hưởng của S
+ S cản trở sự tạo thành Graphit trong gang, làm xấu tính đúc của gang.
+ Lượng S càng ít càng tốt. Với vật đúc nhỏ S ≤ 0,08%, với vật đúc lớn
S ≤ (0,1 ÷ 0,2)%.
2.3. Các loại gang thường dùng
2.3.1. Gang trắng
a. Thành phần: Là hợp kim của Fe và C trong đó hàm lượng C = (3,5 ÷ 4,3)%
b. Tính chất
- Lý tính: Gang trắng là loại gang có màu trắng do có cacbon ở dạng hợp chất
hóa học Xêmentít (Fe3C). Do đó gọi là gang trắng
- Cơ tính
+ Do các bon ở dạng hợp chất Fe3C nên gang rất cứng (650 ÷ 700) HB và dịn.
Do đó khơng thể gia cơng cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để làm các
chi tiết máy có độ chính xác cao.
+ Độ dẻo, độ bền thấp.
+ Có khả năng chịu mài mịn tốt
- Tính kinh tế: Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ.
c. Công dụng

20

- Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các
chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn
như: Bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lu...
- Phần lớn gang trắng được làm sản xuất thép, một phần dùng để ủ thành gang
dẻo.
2.3.2. Gang xám
a. Thành phần
Là hợp kim của Fe và C, trong đó C = (2,8 ÷ 3,2)%
ngồi ra cịn có: Mn = (0,5 ÷ 0,8)%; Si = (0,5 ÷ 3,0)%; P = (0,12 ÷ 0,2)%.
b. Tính chất
- Lý tính: Do Graphit có màu xám nên mặt gãy của gang có màu xám
+ Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép.
+ Nhiệt độ nóng chảy thấp
- Cơ tính: Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn gang trắng nhiều.
(150 ÷ 250 HB, Ϭk = 150 ÷ 400 N/mm2)
+ Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép, độ bền nén gần bằng.
+ Không chịu biến dạng và va đập
- Tính cơng nghệ
+ Biến dạng kém, tính cắt gọt cao, cho phoi vụn
+ Tính đúc tốt hơn thép
+ Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn (hệ số ma sát nhỏ)
c. Phạm vi sư dụng: Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước
sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà
chịu nén là chủ yếu, cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bơi
trơn.
Ví dụ: Thân máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ…
d. Ký hiệu
- Theo tiêu chuẩn Nga: Cφ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn,
đơn vị: (KG/mm2 hoặc N/mm2)
Ví dụ: Cφ24 - 14 là gang xám có Ϭk = 240 N/mm2; Ϭk = 140 N/mm2

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: GX với 2 số tương tự như ký hiệu của Nga
2.2.3. Gang biến tính
a. Thành phần: Thực chất là gang xám có tấm Graphit thu nhỏ nhờ có thêm chất
biến tính vào thành phần của gang trước khi kết tinh nên thành phần và tổ chức
tương tự như gang xám
21


b. Tính chất và cơng dụng
- Có độ bền cao hơn hẳn gang xám
- Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng như: Mâm cặp máy tiện, băng trượt của
máy…
c. Ký hiệu: Tương tự như gang xám và có thêm chữ M ở trước chữ Cφ
Ví dụ: MCφ28-48; MCφ32-52
2.2.4. Gang dẻo
a. Thành phần: C = (2,2 ÷ 2,8,)%; Si = (0,8 ÷ 1,4)%; Mn ≤ 1,0%; S ≤ 0,1%;
P = 0,2%.
b. Tính chất
- Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và bền hơn
gang xám (Ϭb = 300 ÷ 600 N/mm2; δ = 5 ÷ 10 %)
c. Phạm vi sử dụng
Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt, do quá trình nấu
luyện, chế tạo lâu, tốn thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết
máy đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Hình dạng phức tạp
- Tiết diện thành mỏng
- Chịu va đập.
d. Ký hiệu
- Theo tiêu chuẩn Nga: Kφ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo (đơn vị là KG/mm2) và
độ giãn dài tương đối (đơn vị là %)

Ví dụ: Kφ33-8 là gang dẻo có giới hạn bền kéo Ϭk = 330 N/mm2 và độ giãn dài
tương đối δ = 8%
- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: GZ và 2 số giống như tiêu chuẩn Nga
- Các loại gang thường dùng: Kφ30-6; Kφ37-12; Kφ45-12; Kφ56-4.
2.3.5. Gang cầu
a. Thành phần
C = (3,2 ÷ 3,6)%; Mn = (0,5 ÷ 1,0)%; Si ≤ (2,0 ÷ 3,0)%; S ≤ 0,35%; P ≤ 0,15%
b. Tính chất
- Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình
cầu dạng thu nhỏ gọn nhất)
- Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép C
- Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép.
22


- Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở t0 = 4000C
(gang xám ở nhiệt độ t0 = 2000C)
c. Phạm vi sử dụng
Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như: Trục cán, thân tuốc
bin, trục khuỷu và các chi tiết máy quan trọng khác.
d. Ký hiệu
- Theo tiêu chuẩn Nga: Bφ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo (đơn vị là KG/mm2) và
độ giãn dài tương đối (đơn vị là %)
Ví dụ: Bφ38-17 là gang cầu có giới hạn bền kéo Ϭk = 380 N/mm2 và độ giãn dài
tương đối δ = 17%.
- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: GC và 2 số tương tự như tiêu chuẩn Nga.
- Các loại gang cầu thường dùng: Bφ42-12; Bφ45-5; Bφ50-2; Bφ60-2; Bφ80-3.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm và đặc điểm chung của gang?
2. Nêu các nguyên tố ảnh hưởng đến tính chất của gang?

3. Nêu thành phần, tính chất, cơng dụng của các loại gang?
4. Giải thích ký hiệu sau:
Cφ12 - 28, Kφ 33 - 6, Bφ 80 - 3, GC 42 - 15, GX 24 - 44, GZ 37 - 12.

23