Giáo trình thí nghiệm vật liệu học

2


GIỚI THIỆU
Trong thế kỉ XX và đầu thế kỉ XXI, ngành vật liệu và các ngành
khác đã tạo ra một cuộc cách mạng trong cuộc đại cách mạng công nghệ,
bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, và cơng nghệ vật liệu.
Trong lĩnh vực vật liệu cơ khí, từ vật liệu kim loại, polymer, ceramic, cho
đến vật liệu composite đang phát triển mạnh mẽ với các tính chất ngày
càng tốt hơn, dễ gia công hơn, giá thành cạnh tranh hơn đáp ứng ngày
càng tốt hơn các yêu cầu của cuộc cách mạng khoa học và cơng nghệ.
Mơn Thí nghiệm Vật liệu học song hành với môn Vật liệu học là
một trong những môn nền tảng cho ngành cơ khí, cung cấp cho người
họccác kiến thức về cấu trúc và tính chất của các nhóm vật liệu để q
trình gia công chế tạo, xử lý, sử dụng vật liệu đạt hiệu quả tối đa.
Cuốn sách này dùng cho sinh viên các trường nghề, trường cao
đẳng, đại học các chuyên ngành cơ khí như Cơng nghệ Chế tạo máy,
Cơng nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơng nghiệp,… nhằm
củng cố phần lý thuyết cơ bản về vật liệu cơ khí và rèn luyện kỹ năng
làm việc trong phịng thí nghiệm, gồm các nội dung chính:
- Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi kim loại và hợp kim.
- Nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim sắt – carbon ở trạng thái
cân bằng như thép, gang trắng và tổ chức tế vi của gang graphite.
- Đo độ cứng thép trước và sau khi tôi; nghiên cứu q trình tơi thép.
- Nghiên cứu q trình ram thép.
Tài liệu này có phần sau viết bằng tiếng Anh theo xu hướng hội
nhập quốc tế. Cuốn sách cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các kỹ
thuật viên, kỹ sư cơng tác trong lĩnh vực cơ khí, vật liệu.
Nhóm tác giả

3

4


MỤC LỤC
BÀI 1: CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ
VI CỦA KIM LOẠI ................................................................... 9
1.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU ...................................................................... 9
1.2 LÝ THUYẾT ...................................................................................... 9
1.2.1 Cấu tạo của kim loại và hợp kim .............................................. 9
1.2.2 Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi ........................................ 10
1.2.3 Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi
kim loại .................................................................................. 11
1.3 THÍ NGHIỆM ................................................................................... 12
1.3.1 Chọn và cắt mẫu ..................................................................... 12
1.3.2 Mài mẫu .................................................................................. 13
1.3.3 Đánh bóng ............................................................................... 14
1.3.4 Tẩm thực ................................................................................. 15
1.3.5 Quan sát trên kính hiển vi ....................................................... 16
1.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 17
BÀI 2: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM
Fe – C ...................................................................................... 18
2.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 18
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 18
2.2.1 Các dạng thù hình của sắt ....................................................... 18
2.2.2 Các dạng thù hình của C ......................................................... 19
2.2.3 Tương tác giữa Fe và C .......................................................... 20
2.2.4 Giản đồ trạng thái Fe-C .......................................................... 21
2.2.5 Các tổ chức cơ bản ................................................................. 23

2.2.6 Phân loại thép và gang trắng ................................................... 27
2.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 29
2.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 29
BÀI 3: NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC GANG GRAPHITE .................. 30
3.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 30
3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 30
3.2.1 Khái niệm ............................................................................... 30
5


3.2.2 Điều kiện hình thành graphite ................................................ 31
3.2.3 Hình dạng graphite và phân loại gang graphite ...................... 32
3.2.4 Gang xám ................................................................................ 32
3.2.5 Gang dẻo (gang rèn) ............................................................... 33
3.2.6 Gang cầu (gang có độ bền cao) .............................................. 34
3.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 35
3.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 36
ĐO ĐỘ CỨNG VÀ NGHIÊN CỨU Q TRÌNH
TƠI THÉP ............................................................................. 37
4.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 37
4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 37
4.2.1 Độ cứng .................................................................................. 37
4.2.2 Tôi thép ................................................................................... 44
4.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 47
4.3.1 Nhận mẫu sau khi ủ ................................................................ 47
4.3.2 Đóng số ................................................................................... 48
4.3.3 Đo độ cứng HRB/HB ............................................................. 48
4.3.4 Tôi mẫu thép ........................................................................... 48
4.3.5 Đo độ cứng sau khi tôi ............................................................ 49
4.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 49

BÀI 4:

BÀI 5: RAM THÉP CARBON SAU KHI TÔI .............................. 50
5.1 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU .................................................................... 50
5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 50
5.2.1 Ram thấp (150°C÷250°C) ...................................................... 51
5.2.2 Ram trung bình (300°C÷450°C) ............................................. 51
5.2.3 Ram cao (500°C÷650°C) ........................................................ 51
5.3 NỘI DUNG THÍ NGHIỆM .............................................................. 52
5.4 NỘI DUNG BÁO CÁO .................................................................... 52
Lesson 1
PREPARING SPECIMENS FOR RESEARCHING
MICROSTRUCTURE OF METALS AND ALLOYS ....................... 53
1.1 PURPOSE ........................................................................................ 53
1.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 53
1.2.1 The structure of metals and alloys ......................................... 53
6


1.2.2 Principles of microstructure research .................................... 54
1.2.3 Metal microscope ................................................................... 55
1.3 MANUFACTURING SAMPLES ................................................... 56
1.3.1 Select and sectioning the sample ........................................... 56
1.3.2 Grinding sample ..................................................................... 57
1.3.3 Polishing ................................................................................ 58
1.3.4 Etching ................................................................................... 59
1.3.5 Observing on optical metallurgical microscope .................... 60
1.4 REPORT .......................................................................................... 62
Lesson 2
MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF IRON - CARBON

ALLOYS ................................................................................................ 63
2.1 PURPOSE ........................................................................................ 63
2.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 63
2.2.1 Allotropes of iron ................................................................... 63
2.2.2 Allotropes of carbon .............................................................. 64
2.2.3 Interaction between Fe and C ................................................ 65
2.2.4 The Fe-C phase diagram ......................................................... 66
2.2.5 Fundamental microstructures ................................................ 67
2.2.6 Classification of steel and white cast iron ............................. 71
2.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 73
2.4 REPORT .......................................................................................... 73
Lesson 3
MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF GRAPHITE - CAST
IRON ....................................................................................................... 74
3.1 PURPOSE ........................................................................................ 74
3.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 74
3.2.1 Definition ............................................................................... 74
3.2.2 Graphite forming conditions .................................................. 74
3.2.4 Classification in graphite cast iron ........................................ 75
3.2.5 Gray cast iron ......................................................................... 76
3.2.6 Malleable cast iron ................................................................. 77
3.2.7 Nodular cast iron .................................................................... 78
3.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 79
3.4 REPORT .......................................................................................... 80
7


Lesson 4
HARDNESS TESTING AND QUENCHING STEEL
PROCESS ............................................................................................. 81

4.1 PURPOSE ........................................................................................ 81
4.2 THEORETICAL BACKGROUND ................................................. 81
4.2.1 Hardness ................................................................................ 81
4.2.2 Quenching .............................................................................. 89
4.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 93
4.3.1 Receive samples .................................................................... 93
4.3.2 Numbering ............................................................................. 93
4.3.3 Hardness testing of HRB/HB ................................................ 93
4.3.4 Quenching sample steel .......................................................... 93
4.3.5 Hardness measurement after quenching ................................ 94
4.4 REPORT .......................................................................................... 94
Lesson 5
TEMPERING QUENCHED – STEEL ............................................... 95
5.1 PURPOSE ........................................................................................ 95
5.2 THEORETICAL BACKGROUND................................................. 95
5.2.1 Low tempering (150°C ÷ 250°C) .......................................... 96
5.2.2 Medium tempering (300°C ÷ 450°C) .................................... 96
5.2.3 High tempering (500°C ÷ 650°C) ........................................... 97
5.3 EXPERIMENTAL CONTENT ....................................................... 97
5.4 REPORT .......................................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 99

8


BÀI 1
CHUẨN BỊ MẪU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC
TẾ VI CỦA KIM LOẠI
1.1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
- Đánh giá được tầm quan trọng của công tác chuẩn bị mẫu để

nghiên cứu tổ chức tế vi.
- Tìm hiểu tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim.
- Thực hành các bước để chuẩn bị mẫu nghiên cứu: chọn mẫu, cắt
mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát.
- Chọn dung dịch tẩm thực thích hợp.
- Sử dụng thiết bị và vật tư cho việc làm mẫu nghiên cứu.
1.2. LÝ THUYẾT
1.2.1. Cấu tạo của kim loại và hợp kim

Hình 1.1. Hạt và biên giới hạt
Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết
chặt chẽ với nhau, được gọi là đa tinh thể. Đơn tinh thể được coi là tinh
thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể. Từng đơn tinh thể
trong đa tinh thể được gọi là hạt tinh thể, do đó cấu trúc đa tinh thể còn
được gọi là cấu trúc (tổ chức) hạt (Hình 1.1).
Các nguyên tử trong từng hạt tinh thể ln ln sắp xếp một cách
có trật tự. Cịn các nguyên tử ở biên giới hạt thường sắp xếp không trật tự
do tác động của các hạt xung quanh.
9


Hợp kim được cấu tạo từ một hoặc nhiều pha. Các pha khác nhau
đều có các tính chất đặc trưng khác nhau (cơ tính, lý tính, hóa tính).
Mục đích của công tác chuẩn bị mẫu là để nghiên cứu, phân biệt rõ
cấu trúc (tổ chức) hạt, biên giới hạt, các pha,… khi quan sát dưới kính
hiển vi kim loại.
1.2.2. Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi
Nghiên cứu tổ chức tế vi là cơng việc quan sát hình ảnh phóng đại
của bề mặt mẫu đã được chuẩn bị, thông qua kính hiển vi. Hình ảnh này
thể hiện cấu tạo và tổ chức của kim loại và hợp kim, mà cơ tính và lý tính

của vật liệu đều có liên quan đến tổ chức quan sát được.

Hình 1.2. Phản xạ ánh sáng của mẫu đã tẩm thực
Để có được hình ảnh tổ chức tế vi, ta cần lần lượt thực hiện các
bước: cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực, quan sát. Sau bước đánh bóng,
nếu chiếu chùm tia sáng vng góc vào mặt mẫu được đánh bóng, chùm
tia sẽ phản xạ tồn phần. Lúc này mẫu sáng bóng khi quan sát dưới kính
hiển vi. Sau đó sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mòn trên mặt mẫu đã
10


đánh bóng (tẩm thực). Do mẫu tạo bởi các pha có tính chất hóa học khác
nhau nên trên từng pha thì mức độ ăn mịn, cũng như giữa hạt tinh thể và
biên giới hạt khác nhau, từ đó làm xuất hiện độ mấp mô khác nhau. Sự
tương phản sáng tối giữa các pha, hạt và biên giới hạt, sẽ làm nổi rõ tổ
chức tế vi của kim loại – hợp kim (Hình 1.2).
1.2.3. Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim loại

Hình 1.3. Ngun lý phản xạ của kính hiển vi kim loại
Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu đã được chuẩn
bị bằng kính hiển vi, tín hiệu sử dụng là ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu
(Hình 1.3). Độ phóng đại của kính hiển vi kim loại thường trong khoảng
80 ÷ 2000 lần (được tính theo tích số độ phóng đại vật kính, độ phóng đại
thị kính, và hệ số hiệu chỉnh). Muốn quan sát với độ phóng đại cao hơn,
ta phải dùng kính hiển vi điện tử.

a) Vết nứt tế vi

b) Rỗ khí

Hình 1.4. Khuyết tật tế vi của vật liệu
11


Nhờ kính hiển vi mà có thể quan sát được tổ chức của các pha, sự
phân bố, hình dáng và kích thước của chúng. Với gang graphite, có thể
dễ dàng xác định được hình dáng, kích thước và sự phân bố của graphite
trên pha nền. Ngồi ra, cịn có thể thấy được các khuyết tật của vật liệu
như vết nứt tế vi, rỗ và các tạp chất…(hình 1.4).
1.3. THÍ NGHIỆM
1.3.1. Chọn và cắt mẫu
Tùy theo yêu cầu và nhiệm vụ của nghiên cứu và thí nghiệm mà
chọn vị trí và phương pháp cắt mẫu cho phù hợp. Việc cắt mẫu phải được
tiến hành cẩn thận để đảm bảo không bị ảnh hưởng đến tổ chức tế vi của
mẫu trong quá trình cắt. Với các thép và gang đã nhiệt luyện thì u cầu
nhiệt độ của vị trí cắt khơng q 1000C. Kích thước mẫu thường là:
10x10 hoặc 10x10 (mm2), tối thiểu là 3 mm2 và ít nhất phải có một
mặt phẳng để có thể quan sát tổ chức tế vi.
Chi tiết
cần cắt

Bàn kẹp
mẫu

Đá cắt
Đầu di động của máy

Hình 1.5. Máy cắt mẫu Abrasimatic 300 Buehler
Dựa vào mục đích quan sát mà có thể cắt mẫu theo tiết diện ngang
hoặc cắt theo dọc trục. Khi muốn quan sát sự thay đổi tổ chức từ bề mặt

vào lõi thì cắt theo tiết diện ngang. Muốn nghiên cứu tổ chức dạng thớ,
sợi nên cắt theo chiều dọc trục (Hình 1.6).

a) Cắt theo tiết diện ngang

b) Cắt theo tiết diện dọc

Hình 1.6. Các kiểu cắt mẫu
12


Nếu mẫu quan sát nhỏ cần phải dùng kẹp để giữ mẫu hoặc đổ
khn cố định mẫu (Hình 1.7).

Hình 1.7. Các kiểu kẹp mẫu
1.3.2. Mài mẫu
1.3.2.1. Mài thô
Mẫu được mài trên máy mài hoặc đánh bằng giấy nhám hạt thô
sao cho hai mặt trên dưới là mặt A và mặt B song song với nhau, sau
đó vát mép.
Mặt B

Vát mép
Mặt A

Hình 1.8. Máy mài đá hai đầu Makita
1.3.2.2. Mài giấy nhám
Giấy nhám có các số 180, 240, 320, 400, 600… Con số này chỉ số
hạt mài trên 1 cm2. Khi mẫu là nhôm hoặc đồng và các hợp kim của
chúng thì giấy nhám phải mịn hơn, từ tờ thứ tư trở đi phải có độ mịn từ

600 đến 1500.
Đầu tiên mài trên giấy nhám 180. Giấy nhám đặt trên mặt bàn
phẳng (tấm kính), dùng tay nắm chặt mẫu, tì nhẹ mặt mẫu vào mặt giấy
nhám ở vị trí 1, đẩy mẫu tới vị trí 2, sau đó nhấc mẫu lên khỏi bề mặt
giấy nhám, rồi đưa về vị trí 1 và lặp lại động tác đã thực hiện.
Đường song song

1

2

Hình 1.9. Mài mẫu trên giấy nhám
13


Sau khi mài khoảng 50 đến 70 lần, bề mặt mẫu chỉ cịn các đường
song song. Sau đó xoay mẫu 900, tiếp tục mài trên giấy nhám nhằm khử
các xước cũ và tạo các vết xước mới. Lặp đi lặp lại bước mài và xoay
mẫu từ ba đến năm lần.
Quan sát bằng mắt thường, nếu thấy các vết xước đều và sâu như
nhau thì xoay 900, rồi lần lượt chuyển sang giấy nhám cỡ 240, sau đó 320
và cuối cùng là cỡ 400.
Chú ý: Khi chuyển từ giấy mài thô sang giấy mịn hơn phải lau
sạch mẫu để tránh hạt mài thô bám trên mẫu chuyển sang giấy nhám
mịn hơn.
1.3.3. Đánh bóng
Sau khi hồn tất mài thơ, tạo được bề mặt phẳng nhưng vẫn tồn tại
các vết xước mịn, phải đem rửa sạch mẫu, rồi đánh bóng để xóa các vết
xước trên bề mặt mẫu. Đánh bóng mẫu trên một miếng dạ hay vải nỉ
được gắn trên máy đánh bóng (Hình 1.10). Một số hỗn hợp đánh bóng

mẫu thơng dụng được thể hiện trên Bảng 1.1.

Hình 1.10. Máy mài và đánh bóng mẫu EcoMet 30 Buehler
Bảng 1.1. Thành phần hỗn hợp đánh bóng thơng dụng

Cr2O3
Al2O3
Parafin
Axitoleic C17H33CO2H

Hỗn hợp oxit crơm
(%)
Mịn
Trung Thơ
bình
72
76
86
24
20
12
1.8
1.8
-

Dầu hỏa
Na2CO3

2
0.2

Tên các chất

14

2
0.2

2
-

Hỗn hợp oxit nhơm
(%)
Mịn
Trung Thơ
bình
32
35
7
32
35
7
30
24
20
3
2
3
2
1

2
1

2
1


Sau khi đánh bóng xong, phải rửa mẫu lại cho thật sạch và sấy khơ
mẫu. Nếu sau khi đánh bóng, quan sát trên kính hiển vi vẫn thấy cịn vết
xước thì phải tiến hành đánh bóng lại.
1.3.4. Tẩm thực
Bề mặt mẫu trước khi tẩm thực phải sạch vết xước, rỉ sét, tạp chất.
Muốn nghiên cứu tổ chức tế vi cần phải tẩm thực mẫu. Tẩm thực là q
trình ăn mịn bề mặt kim loại bằng các dung dịch hóa học thích hợp.
Dung dịch hóa học thích hợp này được gọi là dung dịch tẩm thực. Một số
dung dịch tẩm thực thơng dụng được trình bày trên Bảng 1.2
Bảng 1.2. Một số dung dịch tẩm thực thông dụng
TT

Thành phần dung dịch

Công dụng

1

4% acid HNO3 trong cồn (Nital)

Gang,
carbon

thép

2

4% acid picric trong cồn (Picral)

Gang,
carbon

thép

3

Dung dịch picrat natri

Phân biệt giữa
ferrite
và
cementite trong
Pearlite tấm

4

20 cm3 HCl đậm đặc + 5g CuSO4+
Thép bền nóng
20 cm3 H2O

5

3 phần HCl + 1 phần HNO3

Thép không gỉ

6

3% FeCl2 trong dung dịch 10% HCl

Hợp kim đồng

7

Dung dịch 0.5% HF trong nước

Hợp kim nhôm

Ghi
chú

Dùng
ngay
sau khi
pha

Với thép carbon, sử dụng dung dịch 4% Nital. Thời gian tẩm thực
(nhúng) mẫu vào dung dịch là vài giây tới vài chục giây tùy theo trạng
thái và thành phần của kim loại và hợp kim.
Bông tẩm dung dịch tẩm thực
Rửa nước

Hình 1.11. Tẩm thực và rửa mẫu
15


Nếu dùng bơng tẩm thì phải xoay bơng tẩm nhanh và đều trên bề
mặt mẫu để đảm bảo dung dịch ăn mịn đều. Sau đó rửa sạch bề mặt mẫu
ở vịi nước chảy một cách nhanh chóng để tránh ăn mịn hóa học sâu vào
bề mặt kim loại. Cuối cùng rửa lại bằng cồn, lau khô và đem sấy khô nhẹ
nhàng (thời gian sấy ngắn để tránh mẫu bị oxy hóa).
Nếu quan sát trên kính hiển vi, các đường biên giới hạt đứt đoạn là
tẩm thực chưa đủ thời gian, phải đem tẩm thực thêm. Ngược lại, bề mặt
mẫu có màu đen đậm, độ tương phản kém thì mẫu đã tẩm thực quá lâu,
phải đem đánh bóng và tẩm thực lại.
1.3.5. Quan sát trên kính hiển vi
Cấu tạo kính hiển vi kim loại gồm: vật kính, thị kính, bàn mẫu,
nguồn sáng, núm điều chỉnh thơ, tinh,…
Camera
Thị kính

Bàn mẫu

Vật kính
Cơng tắc nguồn

Núm điều chỉnh
cường độ ánh sáng
Núm thơ

Núm tinh

Hình 1.12. Kính hiển vi kim loại
Trình tự thao tác:
- Bước 1: Cắm điện, bật công tắc đèn, điều chỉnh ánh sáng phù hợp
(khơng nên để đèn sáng q dễ đứt tim bóng đèn).
- Bước 2: Chọn vật kính, thị kính; điều chỉnh dãn cách mắt.
- Bước 3: Đặt mẫu lên bàn mẫu, dùng núm điều chỉnh để mẫu ở vị
trí trực diện với vật kính.
- Bước 4: Điều chỉnh núm thơ kết hợp với quan sát trong thị kính,
khi ánh sáng trong thị kính sáng hẳn lên là lúc sắp nhìn thấy tổ chức tế vi,
lúc này cần điều chỉnh nhẹ nhàng từng chút một để có thể quan sát tổ
chức tế vi hơi mờ.
- Bước 5: Điều chỉnh núm tinh để nhìn rõ tổ chức tế vi
16


QUY TRÌNH CHUẨN BỊ MẨU ĐỂ NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI

- Sạch bavia
Mài thô

Mài nhám

- Máy mài đá hai đầu
- Đeo kính bảo hộ

-Giấy nhám 180 → 240 → 320 →
400
- Lau sạch

Đánh bóng

- Hỗn hợp Cr2O3 + H2O trên vải nỉ
- Rửa sạch

Tẩm thực

- Dung dịch 4% Nital (thép carbon)
- Rửa sạch → lau khô → sấy
- Xước → mài nhám/ đánh bóng

Quan sát

- Tẩm thực đậm → đánh bóng lại
- Tẩm thực mờ → tẩm thực thêm

Báo cáo
1.4. NỘI DUNG BÁO CÁO
Sinh viên nộp mẫu và hình chụp tổ chức tế vi cho giảng viên hướng
dẫn, trình bày độ phóng đại của kính hiển vi, các pha, các tổ chức trong
mẫu quan sát.

17


BÀI 2
NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI
CỦA HỢP KIM Fe – C
2.1. MỤC ĐÍCH U CẦU
- Phân tích được giản đồ trạng thái Fe-C.
- Quan sát tổ chức tế vi của mẫu thép và gang trắng ở trạng thái

cân bằng.
- Phân biệt được sự khác nhau giữa tổ chức tế vi của thép và
gang trắng.
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.1. Các dạng thù hình của sắt

Hình 2.1. Các dạng thù hình của sắt
18


Sắt có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ:
- Nhiệt độ dưới 9110C: Sắt có kiểu mạng lập phương thể tâm. Kí
hiệu: Feα.
- Từ 9110C đến 13920C: Sắt có kiểu mạng lập phương diện tâm. Kí
hiệu: Feγ.
- Từ 13920C đến 15390C: Sắt có kiểu mạng lập phương thể tâm. Kí
hiệu: Feδ.
Cơ tính của sắt ở nhiệt độ thường:
- bền = 250 N/mm2; chảy = 120 N/mm2
- Khối lượng riêng  = 7,8 g/cm3
- Nhiệt độ nóng chảy là 15390C; Độ cứng = 80 HB;  = 50%.
2.2.2. Các dạng thù hình của C

a) Graphite (Lục giác xếp lớp)

b) Mạng kim cương

Hình 2.2. Các kiểu mạng tinh thể của carbon

Hình 2.3. Khối graphite

19


Carbon cũng có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau:
- Vơ định hình: than khống sản, than gỗ.
- Graphite: có kiểu mạng lục giác xếp lớp.
- Mạng kim cương.
2.2.3. Tương tác giữa Fe và C
2.2.3.1. Tạo Ferrite
Ferrite là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Feα. Hàm lượng
carbon lớn nhất trong ferrite là 0,02% ở 727°C. Ferrite có độ bền thấp, độ
cứng thấp, độ dẻo cao. Ký hiệu: F, , Feα(C) hoặc  = Fe(C).

Hình 2.4. Tổ chức tế vi của ferrite
(dung dịch tẩm thực 4% Nital)
2.2.3.2. Tạo Austenite

Đường
song
tinh

Hình 2.5. Austenite (tẩm thực bằng ba phần HCl + một phần HNO3)
20


Austenite là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Fe. Ký hiệu:
A, As,  hoặc Fe(C). Austenite tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727°C, là pha
có độ bền khá cao, độ dẻo cao, độ cứng thấp. Hàm lượng carbon lớn nhất
trong austenite là 0,02% ở 727°C, và 2,14% ở 1147°C.
2.2.3.3. Tạo pha cementite

Carbon

Fe

Hình 2.6. Mạng tinh thể của Cementite
Cementite (Fe3C) ký hiệu là Ce, là pha trung gian giữa sắt và C, có
độ cứng rất cao (800 HV, tương đương 800 HB), tính chống mài mịn tốt,
nhưng rất giịn. Thành phần carbon trong cementite tính theo trọng lượng
là 6,67%. Cementite có kiểu mạng lập phương phức tạp, gồm CeI (Hình
2.8), CeII (Hình 2.9) và CeIII.
2.2.4. Giản đồ trạng thái Fe-C
Đây là loại giản đồ cân bằng giả ổn định, giản đồ trạng thái Fe – C
(còn gọi là Giản đồ trạng thái Fe - Fe3C) được sử dụng rộng rãi trong
thực tế. Phụ thuộc vào hàm lượng carbon trong hợp kim mà người ta chia
hợp kim Fe-C thành hai loại: thép 0,02% < %C  2,14% và gang trắng
2,14% < %C < 6,67%.
21


Hình 2.7. Giản đồ trạng thái Fe - Fe3C
Bảng 2.1. Trạng thái các điểm từ giản đồ pha Fe - C

22

Điểm

Nhiệt độ 0C

%C

Điểm

Nhiệt độ 0C

%C

A

1539

0

Q

t0phòng

0,006

B

1499

0,51

F

1147

6,67

H

1499

0,1

D

1600

6,67

J

1499

0,16

G

911

0

N

1392

0

P

727

0,02

E

1147

2,14

S

727

0,8

C

1147

4,3

K

727

6,67

2.2.5. Các tổ chức cơ bản
2.2.5.1. Các tổ chức một pha
1. Dung dịch lỏng: Là sự hòa tan của carbon và sắt, tồn tại ở nhiệt
độ lớn hơn nhiệt độ của đường ABCD.
2. Cementite (Ce hay Fe3C): Là pha trung gian, thành phần chứa
6,67%C (trên giản đồ trạng thái nó biểu thị bằng đường thẳng DFKL).
Có ba loại cementite:
- Cementite thứ nhất (CeI, Fe3CI) được tạo thành khi làm nguội
dung dịch lỏng có hàm lượng carbon cao hơn 4,3%.
Khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của đường CD (16000C ÷ 11470C)
thì dung dịch lỏng này sẽ tiết ra CeI. Do tạo thành ở nhiệt độ cao và bao
quanh là dung dịch lỏng nên nó có kích thước lớn nhất. CeI có dạng vệt
sáng dài, gọi là “đại lộ cementite”.

“Đại lộ
cementite”

Hình 2.8. Tổ chức tế vi gang trắng sau cùng tinh
(dung dịch tẩm thực 4% Nital)
- Cementite thứ hai (CeII, Fe3CII) được tạo thành khi làm nguội
dung dịch rắn austenite có hàm lượng carbon cao hơn 0,8%.
Khi nhiệt độ của Austenite này nhỏ hơn nhiệt độ của đường ES
(11470C÷7270C), độ hịa tan của carbon trong sắt austenite giảm từ
2,14% xuống còn 0,8% thì austenite sẽ tiết ra CeII. Ở nhiệt độ thường
CeII có thể là các hạt màu sáng hoặc có thể ở dạng lưới (màu sáng) bao
quanh hạt pearlite.
23

CeII

a) Cementite hạt trên nền ferrite

CeII

b) Cementite lưới
Hình 2.9. Tổ chức tế vi thép sau cùng tích
(dung dịch tẩm thực 4% Nital)
- Cementite thứ ba (CeIII) cũng được tạo thành từ trạng thái rắn
nhưng là từ Ferrite tiết ra. Khi nhiệt độ của ferrite nhỏ hơn nhiệt độ của
đường t0PQ (nhiệt độ <7270C), khả năng hòa tan carbon của ferrite giảm
từ 0,02% ở 7270C xuống 0,006%C ở nhiệt độ thường, nên sẽ tiết ra CeIII.
Số lượng CeIII rất ít, có thể bỏ qua.
3. Ferrite (F, α): Là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong Feα,
mạng lập phương thể tâm, trên giản đồ trạng thái ferrite độc lập trong
vùng GPQ, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 7270C là 0,02%, hàm
lượng carbon tối đa hòa tan ở 00C là 0,006% (Hình 2.7).
4. Austenite (γ, As): Là dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong
Feγ, mạng lập phương diện tâm, trên giản đồ As độc lập trong vùng
24


NJESG, hàm lượng carbon tối đa hòa tan ở 11470C là 2,14%, hàm lượng
carbon tối đa hòa tan ở 7270C là 0,8%.
5. Martensite: Là dung dịch rắn quá bão hòa của carbon trong Feα.
Tổ chức này nhận được khi tôi thép: Sau khi nung nóng đạt trạng thái γ,
giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh với vận tốc nguội lớn hơn vận tốc tới hạn
(xem Bài 4). Tổ chức này không được trình bày trong giản đồ Fe-C vì

đây là giản đồ xây dựng từ việc làm nguội rất chậm.
Lúc này tổ chức γ chuyển biến thành Feα mà khơng có sự khuếch
tán carbon sẽ tạo thành cementite, các nguyên tử carbon nằm trong lỗ
trống của mạng tinh thể Feα với nồng độ lớn hơn giới hạn hịa tan. Hình
2.10 cho thấy tổ chức của thép carbon cao sau khi tôi gồm martensite
hình kim màu tối nằm phân tán trên nền γdư màu sáng.

Martensite

Austenite dư

Hình 2.10. Tổ chức của thép sau cùng tích sau khi tơi
(dung dịch tẩm thực 4% Nital)
2.2.5.2. Các tổ chức hai pha
Ferrite (sáng)

Ce (tối)

Hình 2.11. Tổ chức tế vi thép cùng tích (pearlite tấm)
(dung dịch tẩm thực 4% Nital)
25


Các tổ chức hai pha là cùng tích và cùng tinh, chúng đều là hỗn hợp
cơ học của ferrite và cementite tạo thành ở nhiệt độ khác nhau.
1. Pearlite (P = [F + Ce]) là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferrite
và cementite, tạo thành ở nhiệt độ 7270C từ dung dịch rắn austenite có
nồng độ carbon là 0,8%. Pearlite chứa 88% ferrite và 12% cementite.
Tùy vào hình dạng của cementite trong hỗn hợp ta phân biệt pearlite tấm
và pearlite hạt.

- Pearlite tấm gồm các tấm cementite và tấm ferrite nằm xen kẽ
nhau, trên tổ chức tế vi thấy rất rõ các vạch cementite có màu tối nổi trên
nền ferrite sáng. Vì khi tẩm thực thì nền ferrite bị ăn mịn nhiều hơn
cementite làm nhơ lên các tấm cementite mảnh hơn với các mặt nghiêng,
do đó các vạch tối thể hiện cementite cịn nền sáng là ferrite.
Phần tối của
cementite

Hình 2.12. Mặt cắt của pearlite tấm
- Pearlite hạt là hỗn hợp cơ học của nền ferrite màu sáng có chứa
các hạt cementite màu tối hơn.
Ferrite

Cementite

Hình 2.13. Tổ chức tế vi thép cùng tích (pearlite hạt)
(dung dịch tẩm thực 4% Nital)
26