Giáo trình vật liệu hàn (nghề công nghệ hàn trình độ cao đẳng)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH ĐỊNH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ QUY NHƠN

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: VẬT LIỆU HÀN
NGÀNH/NGHỀ: CƠNG NGHỆ HÀN
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng 3 năm 2018
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cơng nghệ Quy Nhơn

Bình Định, năm 2018


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình lưu hành 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.


LỜI GIỚI THIỆU
Trong cơng nghiệp sản xuất cơ khí ngày nay, xu hướng phát triển để đạt được
chất lượng sản phẩm cao, năng xuất lao động cao, giá thành cạnh tranh, sản xuất đã
theo hướng ứng dụng các thành tự khoa học kỹ thuật: sử dụng vật liệu hợp lý, tự động
hố q trình sản xuất ở mức độ cao, đúng các công nghệ tiên tiến…
Nhằm đáp ứng nhu cầu của người học trong việc nghiên cứu lý thuyết vật liệu
chuyên ngành Hàn, chúng tôi đã đầu tư nghiên cứu, sưu tầm và biên soạn cuốn giáo
trình Vật Liệu Hàn để cung cấp cho người học những kiến thức từ tổng quát về tính
hàn tổng quát đến cụ thể của từng loại vật liệu để từ đó là cơ sở cho nghiên cứu trong
học tâp và ứng dụng trong thực tế sản xuất.

Giáo trình Vật Liệu Hàn cung cấp đầy đủ kiến thức vật liệu chuyên ngành hàn
là cơ sở nghiên cứu để người học tiếp tục nghiên cứu các mơn học khác. Giáo trình
bao gồm 8 chương:
1. Khái niệm chung về thép và tính hàn của thép
2. Đặc điểm cơng nghệ và tính hàn của kim loại màu, hợp kim màu
3. Đặc điểm và tính hàn của gang
4. Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện
5. Vật liệu dùng trong hàn điện nóng chảy
6. Vật liệu dùng trong hàn cắt hơi
7. Vật liệu dùng trong hàn vẩy
8. Vật liệu phi kim loại
Trong q trình biên soạn giáo trình khơng tránh được những thiếu sót, rất
mong được sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và của các em sinh viên để
chúng tơi hiệu chỉnh hồn thiện.
Mọi đóng góp xin gởi về địa chỉ Email:
Xin chân thành cảm ơn!
BIÊN SOẠN

Nguyễn Thanh Sang

1


MỤC LỤC

Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP VÀ TÍNH HÀN CỦA THÉP
6
1.1 Lý thuyết hợp kim........................................................................................6
1.1.1. Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng........................................................... 6
1.1.2. Cấu trúc tinh thể hợp kim

7
1.1.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim
12
1.1.4. Giản đồ pha và dung dịch rắn xen kẽ
13
1.2. Thép Cacbon............................................................................................. 15
1.2.1. Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép Cacbon
15
1.2.2. Thành phần và ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất
16
1.2.3. Tiêu chuẩn ký hiệu và phân loại các mác thép
17
1.2.5. Tính hàn của thép Cacbon
20
1.3. Thép hợp kim............................................................................................ 33
1.3.1. Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép hợp kim
33
1.3.2. Tác dụng nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép hợp kim
34
1.3.3. Tiêu chuẩn ký hiệu các mác thép hợp kim
38
1.3.4. Tính hàn của thép hợp kim
40
CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CƠNG NGHỆ VÀ TÍNH HÀN CỦA KIM LOẠI
MÀU, HỢP KIM MÀU
49
2.1. Nhôm và hợp kim nhôm........................................................................... 49
2.1.1. Đặc điểm tính chất và ứng dụng
49
2.1.2. Phân loại

51
2.1.3. Ký hiệu
51
2.1.4. Tính hàn của nhơm và hợp kim nhơm
53
2.2. Đồng và hợp kim đồng..............................................................................54
2.2.1. Đặc điểm tính chất và ứng dụng
54
2.2.2. Phân loại
55
2.2.3. Ký hiệu
55
2.2.4. Tính hàn của đồng và hợp kim đồng
55
2.3. Hợp kim manhê.........................................................................................57
2.3.1. Đặc điểm và tính chất của kim loại cơ bản
57
2.3.2. Tính hàn của hợp kim manhê
58
CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH HÀN CỦA GANG
59
3.1. Khái niệm, đặc điểm, ứng dụng của gang.................................................59
3.1.1 Khái niệm
59
3.1.2. Đặc điểm và ứng dụng
59
3.2. Thành phần, tổ chức kim loại và tính chất của gang.................................59
3.2.1. Thành phần của gang
59
3.2.2. Tổ chức tế vi

59
3.2.3. Tính chất
60
2


3.3. Phân loại....................................................................................................60
3.4. Tính hàn của gang..................................................................................... 61
3.4.1. Tính hàn
61
3.4.1. Nguyên tắc lựa chọn công nghệ hàn gang............................................. 62
3.4.3. Vật liệu dùng để hàn gang
62
CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HOÁ NHIỆT LUYỆN
64
4.1. Nhiệt luyện................................................................................................64
4.1.1. Khái niệm về nhiệt luyện.
64
4.1.2. Các loại nhiệt luyện.
65
4.1.3. Tác dụng của nhiệt luyện đối với ngành cơ khí.
72
4.1.4. Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép.
73
4.1.5. Các dạng hỏng xảy ra khi nhiệt luyện thép.
78
4.2. Hóa nhiệt luyện......................................................................................... 79
4.2.1. Định nghĩa.
79
4.2.2. Mục đích.

79
4.2.3. Phân loại
79
4.2.4. Thấm cacbon.
80
4.2.5. Thấm Cacbon - Nitơ
82
CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU DÙNG TRONG HÀN ĐIỆN NÓNG CHẢY
83
5.1. Que hàn hồ quang tay............................................................................... 83
5.1.1. Cấu tạo, yêu cầu và phân loại que hàn
83
5.1.2. Thành phần thuốc bọc que hàn
85
5.1.3. Ký hiệu que hàn
85
Bảng 5.4. Cơ tính của kim loại mối hàn theo TCVN 3223 - 89
86
Các chỉ tiêu về cơ tính
86
Nhiệt độ làm việc lớn nhất
87
Crơm và hàm lượng của nó tính theo phần nghìn
87
Que hàn thép hợp kim chịu nhiệt
87
“E” Que hàn
93
hồ quang tay
93

5.1.4. Chọn que hàn hồ quang tay
99
5.2. Thuốc hàn..................................................................................................99
5.2.1. Đặc tính cơng nghệ của thuốc hàn
99
5.2.2. Phân loại và ký hiệu
100
5.2.3. Thuốc hàn trong hàn dưới lớp thuốc
103
5.3. Vật liệu hàn trong mơi trường khí bảo vệ............................................... 104
5.3.1. Khí bảo vệ để hàn hồ quang
104
5.3.2. Dây hàn đặc để hàn trong khí bảo vệ
107
Bảng 5.24 : Kích thước, khối lượng các cuộn dây hàn..................................107
H- 08MnSiA
108
3


H-10MnSi
108
Ha - Amn
108
Ha - AMg3
108
Electrode: điện cực
108
5.3.3. Điện cực không nóng chảy hàn trong khí bảo vệ
109

5.4. Dây hàn lõi thuốc.................................................................................... 112
5.4.1. Cấu tạo
112
5.4.2. Thành phần lõi thuốc
114
5.4.3. Phân loại, ký hiệu và ứng dụng
114
5.5. Các loại vật liệu hàn khác....................................................................... 117
5.5.1. Vật liệu dùng để hàn nhôm và hợp kim nhôm
117
5.5.2. Vật liệu dùng để hàn đồng và hợp kim đồng
119
CHƯƠNG 6: VẬT LIỆU DÙNG TRONG HÀN CẮT HƠI
123
6.1. Vật liệu dùng trong hàn hơi.................................................................... 123
6.1.1. Khí cháy
123
3
- Khối lượng riêng của axêtylen là: 1,09 Kg/m .
123
6.1.2. Khí oxy
127
6.1.3. Dây hàn phụ
128
6.1.4. Thuốc dùng trong hàn hơi
129
6.2. Vật liệu trong cắt hơi.............................................................................. 129
6.2.1. Ôxy
129
6.2.2. Thuốc dùng trong cắt hơi

130
CHƯƠNG 7: VẬT LIỆU DÙNG TRONG HÀN VẨY
133
7.1. Khái niệm về hàn vẩy............................................................................. 133
7.2. Các loại vẩy hàn......................................................................................133
7.2.1. Vẩy hàn mềm
133
7.2.2. Vẩy hàn cứng
134
7.3. Thuốc hàn................................................................................................134
7.3.1. Nhiệm vụ
134
7.3.2. Yêu cầu của thuốc hàn vẩy
134
7.3.3. Thuốc hàn dùng trong hàn vẩy
134
CHƯƠNG 8: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI
136
8.1. Polyme, cao su, chất dẻo.........................................................................136
8.1.1. Polyme
136
8.1.2. Cao su
137
8.1.3. Chất dẻo
138
8.2. Dầu mỡ bôi trơn...................................................................................... 138
8.2.1. Dầu
138
8.2.2. Mỡ:
139

TÀI LIỆU THAM KHẢO
140
4


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC

Tên mơn học: Vật liệu hàn
Mã mơn học: MH10
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học/mơ đun:
- Vị trí: Mơn học được bố trí trước các mơ đun chun ngành.
- Tính chất: Là môn học lý thuyết cơ sở cung cấp những kiến thức cơ bản về cấu
trúc kim loại; thành phần, tính chất và phạm vi ứng dụng của thép cacbon, thép hợp
kim, đồng - hợp kim đồng, nhôm - hợp kim nhôm, gang và các loại vật liệu dùng trong
ngành Hàn.
- Ý nghĩa và vai trị của mơn học: Sau khi học xong người học có kiến thức về tính
hàn của từng loại vật liệu từ đó là cơ sở để ứng dụng vào thực tế sản xuất.
Mục tiêu của môn học/mô đun:
- Về kiến thức:
+ Nhận biết được các ký hiệu của các loại vật liệu: Thép cacbon, thép hợp kim,
gang, kim loại và hợp kim màu.
+ Hiểu được tính chất và thành phần hoá học của thép cacbon, thép hợp kim,
gang, kim loại và hợp kim màu.
+ Hiểu được tính hàn của thép cacbon, thép hợp kim, gang, kim loại - hợp kim
màu và hạn chế của vật liệu này đối với các kết cấu hàn và công nghệ chế tạo máy.
+ Chỉ tiêu lựa chọn công nghệ và chế độ nhiệt cho thép.
- Về kỹ năng:
+ Lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật
liệu khác nhau.
+ Chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế.

+ Lựa chọn đúng vật liệu hàn cho vật liệu cơ bản
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Có ý thức tự giác, tìm hiểu tự học với tinh thần trách nhiệm cao, sẵn sàng hợp
tác, giúp đỡ lẫn nhau.
+ Tham gia học tập và làm bài đầy đủ.
Nội dung của môn học

5


Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP VÀ TÍNH HÀN CỦA THÉP
Mã bài: MH10-01
Giới thiệu:
Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém
hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử
dụng thép trở nên phổ biến hơn. Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữa
thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém.
Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi ơxy, thì giá
thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại. Ngày nay thép là một
trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng,
đồ dùng, cơng nghiệp cơ khí. Thơng thường thép được phân thành nhiều loại tùy theo
thành phần hóa học, mục đích sử dụng và cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác
nhận theo chuẩn riêng.
Mục tiêu:
- Trình bày và vẽ được giản đồ trạng thái Fe-C
- Trình bày tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép
- Trình bày ký hiệu và tính hàn của thép cacbon và thép hợp kim
- Rèn luyện tính tự giác, ý thức trong khi tham gia học tập.
Nội dung
1.1 Lý thuyết hợp kim.

1.1.1. Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng
Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại (dẫn điện,
dẫn nhiệt, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim…)
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có thể được
tạo nên giữa các nguyên tố kim loại với nhau, hoặc giữa nguyên tố kim loại với phi
kim loại.
Ví dụ:
+ Thép cacbon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe+C)
+ Latông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu+Zn)
Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo phần trăm khối
lượng mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim ln bằng 100% và đơi khi
cịn dùng tỷ lệ phần trăm nguyên tử.

Hình 1.1 Hỗn hợp cơ học (a) và dung dịch xen kẽ (b)
Hợp kim được sử dụng nhiều trong ngành cơ khí vì nó có những đặc tính ưu
việt hơn hẳn so với kim loại nguyên chất và giá thành thấp hơn so với kim loại nguyên
6


chất.
Hợp kim có tính cơng nghệ cao hơn so với kim loại nguyên chất và được thể
hiện ở:
+ Tính dẻo: Khi sử dụng hợp kim cho tính dẻo cao, do đó khả năng biến
dạng dẻo tốt, dễ dàng cho việc gia cơng áp lực.
+ Tính đúc: Khi sử dụng các hợp kim có thể thu được điều kiện nóng
chảy thấp hơn kim loại ngun chất, do đó tính chảy loảng cao nên có thể điền đầy các
lịng khn phức tạp.
+ Tính cắt gọt tốt hơn.
Chính vì thế trong thực tế hầu như chỉ sử dụng hợp kim.
* Các định nghĩa cơ bản về hợp kim :

- Pha (F): là cấu phần đồng nhất của hợp kim cùng tổ chức và cùng trạng thái
(khi ở trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng), được ngăn cách bằng
một bề mặt phân pha đủ lớn.
- Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng (các pha tồn tại ổn định trong một
điều kiện bên ngoài xác định).
- Hệ cân bằng: hệ được coi là hệ cân bằng khi các q trình xảy ra trong hệ có
tính thuận nghịch.
- Quá trình thuận nghịch: những quá trình mà khi có sự thay đổi của một yếu tố
bên ngồi hoặc bên trong sẽ làm hệ biến đổi theo một hướng. Khi yếu tố bên ngồi đó
thay đổi theo chiều ngược lại và đi qua các giai đoạn như hướng biến đổi trước.
- Cấu tử (nguyên) (N): là những cấu phần độc lập của hệ (có thể là đơn chất
hoặc hợp chất) có thành phần hóa học ổn định mà nó có nhiệm vụ cấu tạo nên tất cả
các pha của hệ.
- Bậc tự do của hệ (T): là số các yếu tố bên ngoài (P, T0) hoặc bên trong (thành
phần) có thể thay đổi được mà hệ khơng bị thay đổi trạng thái.
1.1.2. Cấu trúc tinh thể hợp kim
- Dung dịch rắn
- Các pha trung gian
- Hỗn hợp cơ học
1.1.2.1. Dung dịch rắn
a. Khái niệm
Dung dịch rắn là một dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi hai nguyên, trong đó một
nguyên bảo tồn được kiểu mạng gọi là dung môi, ngun thứ hai hịa tan vào trong
kiểu mạng đó gọi là chất tan. Thực tế, có thể có dung dịch rắn có nhiều chất tan.
b. Phân loại dung dịch rắn
Dựa vào kiểu hòa tan của chất tan trong mạng dung môi, nghĩa là kiểu sắp xếp
của nguyên tử chất tan trong mạng tinh thể dung mơi thì dung dịch rắn được phân
thành: dung dịch rắn thay thế, dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn có trật tự.
* Dung dịch rắn thay thế
- Khái niệm: Dung dịch rắn thay thế là dung dịch rắn trong đó các nguyên tử

chất tan chiếm chỗ của nguyên tử dung môi tại vị trí các nút mạng
7


Hình 1.2. Dung dịch rắn thay thế
- Đặc điểm: Dung dịch rắn thay thế giữ nguyên kiểu mạng của dung môi nhưng
tạo ra các sai lệch điểm trong mạng tinh thể nên tạo ứng suất dư trong mạng và dấu
của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan.
- Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:
Điều kiện kích thước:
Trong đó:

∆𝑑
𝑑

. 100%≤15% với: Δd = dA - dB; 𝑑 =

𝑑𝐴+𝑑𝐵
2

dA: đường kính ngun tử dung mơi
dB: đường kính nguyên tử chất tan
Nếu sai khác đường kính nguyên tử càng nhỏ thì càng dễ tạo dung dịch rắn thay
thế.
- Các loại dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn thay thế có thể có dạng hịa tan
vơ hạn hoặc hịa tan có hạn.
Dung dịch rắn thay thế hịa tan có hạn: tồn tại một giới hạn hịa tan của chất tan
trong dung môi.
Tỉ lệ dung môi xA: xA + xB = 1
Tỉ lệ chất tan xB: xB < 1

Dung dịch rắn thay thế hịa tan vơ hạn: xB = 1
- Điều kiện tạo thành hịa tan vơ hạn:
+ Dung mơi và chất tan phải có cùng kiểu mạng.
Từ nguyên lý "thay thế" thấy rằng: nếu hai nguyên A và B hịa tan vơ hạn vào
nhau thì chúng phải có kiểu mạng giống nhau. Điều kiện giống nhau về kiểu mạng chỉ
mới là điều kiện cần. Khả năng tạo thành dung dịch rắn vơ hạn cịn phụ thuộc vào
nhiều yếu tố khác. Nhiều nguyên tố có kiểu mạng giống nhau nhưng chưa chắc đã tạo
nên dung dịch rắn vô hạn. Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn ta thấy thơng thường các
ngun tố cùng một chu kỳ thì có kiểu mạng giống nhau.
+

∆𝑑
𝑑

. 100% < 15%

Sự tương quan về đường kính nguyên tử khi đường kính nguyên tử của các
nguyên thành phần A và B không giống nhau nên khi hòa tan vào nhau chúng tạo ra
sai lệch điểm và xung quanh một nguyên tử hoà tan xuất hiện trường sai lệch đàn hồi.
Sự sai khác đường kính nguyên tử giữa các nguyên A và B càng lớn, nồng độ hịa tan
càng cao thì mức độ sai lệch mạng càng nhiều và đến một mức nào đó mạng trở nên
khơng ổn định. Khi đó, sự sai khác về đường kính nguyên tử chất tan (dB) và đường
kính nguyên tử dung môi (dA) không vượt quá 15%. Điều này giải thích tại sao đại đa
8


số các dung dịch rắn thay thế được tạo thành giữa các kim loại với nhau, chỉ một số ít
trường hợp là giữa kim loại và á kim.
+ Chỉ số nồng độ điện tử Ce (số điện tử hóa trị của dung dịch rắn tạo thành) phải
nhỏ hơn Ce giới hạn.

Ce = xA.vA + xB.vB
vA, vB: Hóa trị của các nguyên
Ce = vA.xA +vB.(1 - xA)
Thực nghiệm và lý thuyết cho thấy, khi tạo thành dung dịch rắn thay thế dạng
hịa tan vơ hạn thì trị số nồng độ điện tử nhỏ hơn giới hạn nhất định. Giới hạn này phụ
thuộc vào kiểu mạng và bản chất của dung môi. Thơng thường, người ta thấy rằng
ngun tố B muốn hịa tan vơ hạn vào trong A thì phải có hóa trị bằng hoặc nhỏ hơn
hóa trị của A.
+ Tương quan về độ âm điện ( ): Sai khác về độ âm điện càng nhỏ thì khả
năng hịa tan vơ hạn càng tăng.
* Dung dịch rắn xen kẽ
- Khái niệm: Dung dịch rắn xen kẽ là loại dung dịch rắn mà các nguyên tử chất
tan đi vào vị trí các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung mơi.

Hình 1.3. Dung dịch rắn xen kẽ
- Đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ:
+ Giữ nguyên kiểu mạng của dung môi, tồn tại các sai lệch điểm loại nút xen
kẽ, tạo ra trường ứng suất lớn hơn do kích thước lỗ hổng nhỏ hơn nhiều so với đường
kính ngun tử.
+ Khơng thể xảy ra dạng dung dịch rắn hịa tan vơ hạn.
+ Dung dịch rắn xen kẽ có độ bền và độ cứng cao hơn so với dung dịch rắn thay
thế do mức độ xô lệch mạng lớn hơn.
- Điều kiện tạo dung dịch rắn xen kẽ:

Điều kiện kích thước:
Nếu sai khác nguyên tử càng lớn thì càng dễ tạo ra dung dịch rắn xen kẽ.
* Dung dịch rắn có trật tự
Chỉ xảy ra với dung dịch rắn thay thế. Trong trường hợp này các nguyên tử chất
tan được sắp xếp theo một quy luật xác định.
- Điều kiện tạo dung dịch rắn có trật tự:

9


Trong đó:
EA: Năng lượng biên của miền Brillouin trong chất tan
EB: Năng lượng biên của miền Brillouin trong dung môi.
c. Tính chất chung của dung dịch rắn
- Mang tính chất của dung môi với hợp kim, dung môi phải là kim loại do đó
dung dịch rắn mang tính kim loại.
- Trong dung dịch rắn tồn tại nhiều khuyết tật mạng do sự xen kẽ hoặc thay thế
của các nguyên tử chất tan, mức năng lượng tự do cao hơn nguyên tử nguyên chất do
đó kém ổn định hơn.
- Độ bền, độ cứng và độ rắn thường cao hơn kim loại nguyên chất.
1.1.2.2. Các pha trung gian
a. Khái niệm
Các pha trung gian là dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi các cấu tử có kiểu mạng
riêng biệt của mình, khơng phụ thuộc vào kiểu mạng của các nguyên tạo ra nó.
b. Các loại pha trung gian
Các pha trung gian có rất nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào kích thước
nguyên tử tương đối giữa các nguyên, hóa trị của các nguyên và vị trí của các nguyên
trong bảng hệ thống tuần hồn:
- Hợp chất hóa học hóa trị
- Pha xen kẽ
- Pha điện tử
- Pha Lavies
- Pha σ
- Cấu trúc khuyết
* Hợp chất hóa học hóa trị
Là pha được tạo thành trên cơ sở các ngun tố có tính chất hóa học khác nhau
theo liên kết hóa trị (Fe2O3, FeO, Al2O3, SiO2...). Loại pha này ít gặp trong hợp kim.

* Pha xen kẽ
Là các pha tạo thành có kiểu mạng riêng và là hợp chất hóa học tạo nên giữa
các kim loại ở nhóm chuyển tiếp có đường kính ngun tử lớn với các á kim có đường
kính ngun tử bé và thỏa mãn điều kiện kích thước:
- Khi dB/dA < 0,59 tạo thành pha xen kẽ với các kiểu mạng đơn giản của các
nguyên tố kim loại, có kiểu mạng khác cả A và B (pha xen kẽ đơn giản). Thường là
các loại cacbit VC, WC, TiC ...
Đặc điểm: Độ hạt nhỏ, độ cứng và độ bền cao, được dùng làm các pha hóa bền
lý tưởng cho hợp kim.
- Khi dB/dA > 0,59 tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng tinh thể phức tạp, có tới
hàng chục ơ cơ bản trong một nguyên tử (pha xen kẽ phức tạp). Ví dụ: Fe3C, Mn3C,
Cr7C3 ...
Đặc điểm: Có kiểu mạng rất phức tạp.
10


Tính chất: Có độ cứng, độ bền cao và nhiệt độ nóng chảy cao. Thường dùng
hóa bền cho hợp kim làm việc ở nhiệt độ thường.
* Pha điện tử (Pha Hum - Rôzêri)
Là pha tạo nên bởi các kim loại có hóa trị khác nhau, được hình thành có kiểu
mạng riêng nhưng phải thỏa mãn quy luật về trị số nồng độ điện tử Ce.
Pha điện tử có ba dạng cơ bản:
- Pha β: Ce = 3 / 2 - Có kiểu mạng lập phương thể tâm A2
- Pha γ: Ce = 21 / 13 - Có kiểu mạng lập phương phức tạp với 52 nguyên tử
trong một ô cơ bản
- Pha ε: Ce = 7 / 4 - Có kiểu mạng lục giác.

Với
Trong đó:
nA, nB: chỉ số của các nguyên trong cấu tạo pha

vA, vB: hóa trị của các nguyên.
Ví dụ: Trong hợp kim Cu - Zn
Các dạng cấu trúc:
- Pha β (CuZn):
- Pha γ (Cu5Zn8):
- Pha ε (CuZn3):
Chú ý: Cấu tạo pha điện tử chỉ có tác dụng tính tốn chỉ số Ce, từ đó chỉ ra kiểu
mạng. Bản thân các pha điện tử tồn tại trong phạm vi thành phần.
Tính chất: Pha điện tử có độ hạt rất nhỏ, độ cứng và độ bền cao. Số lượng
không lớn, vùng thành phần khơng rộng do đó ít dùng trong việc hóa bền.
* Pha Laves
Là hợp kim của nhóm các kim loại chuyển tiếp mà có thành phần khơng đổi
thường được biểu diễn bằng công thức AB2 (MgCu2, CuZn2 ...).
Đặc điểm của pha Laves: rất giòn làm giảm cơ tính của hợp kim, do đó trong
sản xuất hợp kim tránh sự xuất hiện của pha Laves.
Pha Laves có cấu trúc mạng tinh thể theo hệ lập phương và lục giác.
* Pha σ
Là các pha trung gian có dải thành phần từ A4B → AB4.
Đặc điểm: pha σ có kiểu mạng rất phức tạp, tính giịn rất cao, vùng thành phần
rộng do đó làm giảm cơ tính rất mạnh của hợp kim, khi lựa chọn hợp kim tránh hình
thành pha σ.
1.1.2.3. Hỗn hợp cơ học
a. Khái niệm
11


Hỗn hợp cơ học là các tổ chức của hợp kim có hai pha cùng tồn tại trong một
thể thống nhất, hai pha được tạo ra cùng một lúc và giữ nguyên bề mặt phân pha.
b. Các loại hỗn hợp cơ học
- Hỗn hợp cơ học cùng tinh: là dạng hỗn hợp cơ học cùng một lúc kết tinh ra

hai pha từ thể lỏng.
L → [A + B]
T=2-3+1=0
Phản ứng cùng tinh xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định.
Đặc điểm của hỗn hợp cơ học cùng tinh là có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có
tính đúc tốt, nhưng lại có tính giịn cao dẫn đến khó gia cơng áp lực.
- Hỗn hợp cơ học cùng tích: là dạng hỗn hợp cơ học tiết ra cùng một lúc ở thể
rắn.
RA → [RB + RC]
T=0
Phản ứng cùng tích xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định.
Đặc điểm của hỗn hợp cùng tích là có độ bền và độ cứng cao thích hợp với việc
sản xuất các sản phẩm yêu cầu cơ tính tốt. Tuy nhiên với độ cứng cao dẫn đến khó gia
cơng áp lực.
c. Thành phần tạo nên hỗn hợp cơ học
- Hai dung dịch rắn
- Một dung dịch rắn + một pha trung gian (phổ biến nhất)
- Hai pha trung gian
1.1.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim
Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguyên tố
cấu tạo nên chúng. Khi ở dạng lỏng, các nguyên tố hòa tan lẫn nhau để tạo nên dung
dịch lỏng. Tuy nhiên, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ hình thành các tổ chức pha của
hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa các nguyên tố. Có thể có
các tổ chức pha như sau:
- Tổ chức một pha (một kiểu mạng tinh thể):
+ Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hòa tan ở trạng thái rắn, gọi là
dung dịch rắn.
+ Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hóa học ở trạng thái rắn, gọi là hợp
chất hóa học.
- Tổ chức hai pha trở lên (có từ hai kiểu mạng tinh thể trở lên): khi giữa các pha

trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơ học.
* Dung dịch rắn
Khi nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong cùng một kiểu
mạng. Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn
thay thế.
Dung dịch rắn xen kẽ. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở
khoảng hở của các nguyên tử trong dung mơi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ. Sự
hịa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn.
12


- Dung dịch rắn thay thế. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế
nguyên tử của nguyên tố dung mơi (A) thì ta có dung dịch rắn thay thế.
- Cơ tính chung của dung dịch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhiên độ
dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất.
* Hợp chất hóa học
Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa các
nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học. Mạng tinh thể
của hợp chất khác với mạng thành phần. Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định
cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau.
Ví dụ: Ngun tố sắt và cacbon tạo nên Fe3C rất ổn định, nhưng nguyên tố Cu
với Zn có thể cho ta nhiều dạng hợp chất như: CuZn, Cu3Zn3, CuZn3,…
- Cơ tính chung của hợp chất hóa học: có độ cứng cao, độ dịn cao do có kiểu
mạng tinh thể phức tạp khơng giống với kiểu mạng của kim loại nguyên chất đồng thời
có nhiệt độ phân hủy cao (t0nc cao).
* Hỗn hợp cơ học
Trong hệ hợp kim, có những ngun tố khơng hịa tan vào nhau cũng không liên
kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy, thì
gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Như vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng
nguyên tử của nguyên tố thành phần. Vì để tạo được liên kết cơ học nguyên tử các

nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể.
Cơ tính chung của hỗn hợp cơ học: phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạo thành.
Muốn đánh giá cơ tính của hợp kim tạo thành tại nhiệt độ xác định phải căn cứ vào tỉ
lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành.
1.1.4. Giản đồ pha và dung dịch rắn xen kẽ
1.1.4.1. Khái niệm
Giản đồ trạng thái của hợp kim là đồ thị xây dựng mối quan hệ giữa tổ chức pha
của hợp kim phụ thuộc vào nhiệt độ.
Các loại giản đồ trạng thái:
- Giản đồ một nguyên
- Giản đồ hai nguyên
- Giản đồ ba nguyên
- Giản đồ bốn nguyên
1.1.4.2. Ý nghĩa
- Dùng để xác định tổ chức của hợp kim theo các điều kiện bên ngoài và bên
trong (nhiệt độ và thành phần).
- Xác định các trạng thái tới hạn của hợp kim ở tất cả các vị trí để phục vụ cho
xử lí nhiệt luyện hợp kim.
- Lựa chọn phương án sản xuất hợp kim một cách hợp lý nhất.
1.1.4.3. Giản đồ trạng thái sắt-cacbon
Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) được trình bày ở hình 1.4 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);
13


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:
- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh.
- AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh.
- ECF (1147oC) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh
- PSK (727oC) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích
- ES - giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ.
- PQ - giới hạn hịa tan cacbon trong Feα.

Hình 1.4. Giản đồ trạng thái Fe-C
L: dung dịch lỏng hồ tan vơ hạn của Fe và C
ACD: đường lỏng ở mọi nhiệt độ > ACD thì hợp kim ở trạng thái lỏng
Xe: xementit
Feγ(C): Austenit viết tắt là As, ký hiệu là γ
Peclit viết tắt là P
Ferit viết tắt là F ký hiệu là α
Điểm C: là điểm cùng tinh, có nhiệt độ cùng tinh là 11470C, thành phần cùng
tinh là 4,3%C. Phản ứng cùng tinh: L4,3%C < 1147→ (As + Xe) hay còn gọi là
Lêđêburit. Led1 là hỗn hợp cơ học cùng tinh của Xe trên nền As
Điểm S: là điểm cùng tích, có nhiệt độ cùng tích là 7270C, có thành phần cùng
tích là 0,8%C. Phản ứng cùng tích là As0,8%C < 727→ (F + Xe) còn gọi là Peclit.
Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Xe phân bố trên nền Ferit.
Tuỳ theo hình dạng của Xe trên nền của Ferit nên có Peclit tấm có độ cứng
khoảng 200 ÷ 220 HB và Peclit hạt có độ cứng khoảng ≤180 HB. Peclit tấm và peclit
hạt đều có 0,8%C, tỉ lệ F và Xe là như nhau nhưng độ cứng khác nhau.
14

Ledeburit 1 (Led1: As+Xe) tồn tại ở 1147÷7270C. Phản ứng (As + Xe)
< 727→ (P + Xe) còn gọi là Ledeburit 2. Led2 là hỗn hợp cùng tích của P và Xe tồn
tại ở nhiệt độ < 7270C, %C > 2,14%C.
Bản chất Xe1, Xe2, Xe3 đều là Fe3C nhưng khác nhau về điều kiện hình thành và
có ảnh hưởng rất khác nhau đối với tính chất của hợp kim Fe-C
+ Xementit 1: L>4,3% C làm nguội tới nhiệt độ < CD tạo thành L4,3%C+ Xe1
tiếp tục làm nguội < 11470C tạo thành Led1 + Xe1, tiếp tục làm nguội <7270C tạo thành
Led2 + Xe1. Xementit1 tạo thành từ pha lỏng ở nhiệt độ > 11470C và %C > 4,3%
Nhiệt độ thường thì Xe1 có dạng tinh thể lớn màu trắng gọi là “Đại lộ Xementit” làm
cho hợp kim Fe-C chứa Xe1 có tính chất rất cứng > 55HRC rất giịn và hầu như khơng
có độ dẻo
+ Xementit 2: tại đường SE tồn tại ở nhiệt độ 727 ÷11470C, thành phần
Cacbon từ 0,8÷2,14%. Khi làm nguội As>0,8%C dưới SE tạo thành As0,8%+Xe2 tiếp tục
làm nguội <7270C tạo thành P + Xe2. Nếu Xe2 có dạng lưới màu trắng bao quanh các
tinh thể P tấm thì gọi là lưới Xe2. Lưới Xe2 có đặc tính là làm tăng mạnh tính chống
mài mịn cho thép và làm tăng tính giịn cho thép trong khi không làm tăng độ cứng
cho nên các loại thép >0,8%C có Xe2 thì độ cứng khoảng 220HB hầu như khơng đổi
nhưng tính giịn tăng theo hàm lượng Xe. Thực tế với các loại thép thông dụng %C
≤1,3%.
Đường PQ là đường giới hàn hoà tan của C trong F, ở nhiệt độ thường tới
0
727 C, thành phần 0,006 ÷ 0,02%C. Khi là nguội F≤0,02%C tới nhiệt độ nhỏ hơn PQ tạo
thành F≥0,006%C + Xe3. Quá trình hình thành Xe3 từ F địi hỏi thời gian rất dài có thể lên
đến vài chục năm. Nó làm suy giảm cơ tính của kết cấu thép theo thời gian sử dụng:
Đây là hiện tượng hố giịn F dẫn tới giới hạn thời gian sử dụng kết cấu thép.
1.2. Thép Cacbon
1.2.1. Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép Cacbon
Khái niệm: Thép Cacbon là hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon với hàm lượng
cacbon nhỏ hơn 2,14%. Trong thực tế, thép cacbon không phải là hợp kim chỉ gồm Fe
và C do điều kiện nấu luyện còn nhiều các nguyên tố lẫn với thép với hàm lượng nhất

định, nhỏ hơn giới hạn cho phép đó là các tạp chất. Tạp chất thường có như Mn, Si, P,
S, H2, N2, các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, Mo, Ti,..
Giới hạn cho phép của các tạp chất rất khác nhau, tuy nhiên đều thỏa mãn
nguyên tắc: Sự có mặt của tạp chất không gây ảnh hưởng đáng kể tới tổ chức và tính
chất của thép, kể cả ảnh hưởng có lợi. Thành phần của thép cacbon thơng thường,
ngồi Fe ra cịn được giới hạn như sau: C < 2%, Mn ≤ 0,5 ÷ 0,8 %, Si ≤ 0,3 ÷ 0,6 %, P
≤ 0,05 ÷ 0,06 %, S ≤ 0,05 ÷ 0,06 %.
Đặc điểm và ứng dụng: Thép cacbon được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp
và đời sống do có các ưu điểm sau.
- Rẻ tiền, dễ nấu luyện và trên hết khơng dùng các ngun tố hợp kim đắt tiền.
- Có cơ tính nhất định (chẳng hạn độ cứng sau khi tơi của thép C cao khơng
thua kém hợp kim có lượng C tương tự) và nhất là có tính cơng nghệ tốt như dễ đúc,
15


hàn, rèn, dập, kéo sợi, gia công cắt gọt…tốt hơn so với thép hợp kim. Tuy nhiên so với
thép hợp kim thì thép C có nhược điểm cơ bản sau.
+ Độ bền ở trạng thái cung cấp (thường hoá) và trạng thái ủ thấp, giới
hạn đàn hồi không vượt quá 700MPa, chưa kể đến khi đó thì độ dẻo, độ dai cũng giảm
đi rất mạnh.
+ Độ thấm tôi của thép C nói chung thấp, khó có thể tơi thấu một chi tiết
có đường kính 15mm, mà muốn tơi thì phải chọn mơi trường tơi mạnh mà khi đó dễ
dẫn tới nguy cơ biến dạng nhiều và thậm chí gây nứt vỡ.
+ Độ bền và nhất là độ cứng ở nhiệt độ cao (>3000C) rất thấp.
+ Độ bền chống mài mòn thấp.
1.2.2. Thành phần và ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất
Như đã giới thiệu ở trên, thép cacbon khơng chỉ là hợp kim của Fe và C mà
ngồi ra nó cịn lẫn thêm vài ngun tố khác và được giới hạn như sau: C < 2%, Mn ≤
0,5 ÷ 0,8 %, Si ≤ 0,3 ÷ 0,6 %, P ≤ 0,05 ÷ 0,06 %, S ≤ 0,05 ÷ 0,06 %.
Trong ngành chế tạo máy thép cacbon được sử dụng có hàm lượng cacbon C =

0,06÷0,9%, thép cacbon thấp dùng trong kết cấu hàn thường có hàm lượng C< 0,25%
Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép cacbon
1.2.2.1. Mangan (Mn): được cho vào thép khi tinh luyện dưới dạng fero-Mn, để khử
Oxy và lưu huỳnh theo phản ứng sau:
FeO + Mn
Fe + MnO
FeS + Mn
Fe + MnS
MnO và MnS nổi lên đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lị. Khi hồ tan vào ferit
lượng Mn dư thừa sẽ nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính
của thép. Tuy nhiên do hàm lượng Mn trong thép Cacbon ít (≤0,8%) nên tác dụng này
không rõ rệt. Tác dụng chủ yếu của Mn trong thép Cacbon là khử Oxy và hạn chế sự
có mặt của Lưu huỳnh.
1.2.2.2. Silic (Si): được cho vào nhiều loại thép để khử oxy một các triệt để hơn (cùng
với Nhôm) theo phản ứng sau:
2FeO + Si
2Fe + SiO2
3FeO + 2Al
3Fe + Al2O3
SiO2 và Al2O3 nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò. Lượng Si cịn lại
hồ tan vào ferit cũng như Mn, nâng cao độ bền, độ cứng cho pha này. Nhưng trong
thép Cacbon lượng Si cũng chỉ giới hạn nhỏ hơn 0,6% Si, nên tác dụng này cũng
khơng rõ rệt (cịn Al cháy mạnh hầu như khơng cịn lại trong thép lỏng)
1.2.2.3. Photpho (P): có mặt trong thép từ quặng hay từ than (khi luyện gang). Dù ở
dạng hoà tan trong ferit hay ở dạng liên kết Fe3P, nó đều làm cho thép bị giịn, đặc biệt
là ở trạng thái nguội, đó là hiện tượng giòn nguội (hay bở nguội), do vậy chỉ hạn chế
sự có mặt của P dưới mức cho phép, đối với thép Cacbon thông thường lượng P nhỏ
hơn 0,06% P. Riêng với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng gãy phoi lượng P có thể cao
tới 0,08 ÷ 0,15% P.
1.2.2.4. Lưu huỳnh (S): Cũng như photpho, lưu huỳnh có mặt trong thép từ quặng và

nhất là từ than khi nấu luyện. Cùng tinh (Fe + FeS) có nhiệt độ nóng chảy thấp (9880C)
16


nằm ở biên giới hạt. Khi nung nóng thép để gia công áp lực, cung tinh này bị mềm và
chảy ra, làm thép bị đứt ở biên giới hạt, có cảm tưởng bị phá huỷ giịn, đó là hiện
tượng giịn nóng (hay bở nóng), như vậy phải hạn chế sự có mặt của lưu huỳnh dưới
mức cho phép, đối với thép Cacbon thông thường nhỏ hơn 0,06% S. Riêng với thép dễ
cắt, để nâng cao khả năng gãy phoi, lượng S có thể cao tới 0,08 ÷ 0,30% S.
1.2.3. Tiêu chuẩn ký hiệu và phân loại các mác thép
1.2.3.1 Ký hiệu và phân loại theo tiêu chuẩn Việt Nam
a. Phân loại theo hàm lượng cacbon
- Thép có hàm lượng Cacbon thấp (C < 0,25%) nói chung độ bền, độ dẻo dai,
độ cứng thấp hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện không cao, nên chủ yếu được sử dụng
làm các chi tiết dập nguội và kết cấu xây dựng. Đây là loại thép có tính hàn tốt.
- Thép có hàm lượng Cacbon trung bình (C = 0,25 ÷ 0,5%) có cơ tính tổng hợp
tương đối cao, do vậy thường được sử dụng làm các vật liệu kết cấu như các chi tiết
chịu tải trọng tĩnh, va đập nhẹ (như trục, bánh răng…) với kích thước nhỏ. Đây là loại
thép có tính hàn trung bình.
- Thép có hàm lượng Cacbon tương đối cao (C = 0,55 ÷ 0,70%) có độ cứng, độ
đàn hồi cao nhất. Đây là loại thép có tính hàn hạn chế.
- Thép có hàm lượng Cacbon cao (C > 0,7%) có độ cứng và tính chống mài
mịn cao thường được sử dụng làm các khuôn dập nguội, dụng cụ cắt có tốc độ thấp.
Đây là loại thép có tính hàn xấu
b. Theo tổ chức trên giản đồ pha Fe-C
- Thép trước cùng tích (C < 0,8 %), thành phần gồm Peclit + Ferit
- Thép cùng tích (C = 0,8%), thành phần gồm Peclit
- Thép sau cùng tích (C > 0,8%), thành phần gồm Peclit + Xêmentit II
c. Phân loại theo chất lượng
Căn cứ vào mức độ đồng nhất của các thành phần hóa học, tổ chức và đặc biệt

là mức độ tạp chất có hại như P và S, người ta chia thành các loại:
- Thép Cacbon chất lượng thường có 0,06 % S và 0,07% P
- Thép Cacbon chất lượng tốt, không cho phép lớn hơn 0,04%S và 0,035%P
- Thép Cacbon chất lượng cao, không cho phép vượt quá 0,025% mỗi nguyên
tố.
- Thép Cacbon chất lượng đặc biệt, có hàm lượng 0,015% S và 0,025% P
d. Phân loại theo công dụng
* Thép Cacbon chất lượng thường:
Loại này cơ tính khơng cao, chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu
chịu tải trọng nhỏ. Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thơng. Nhóm thép thơng
dụng này hiện chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung
cấp ở dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây, ống, thép hình: chữ U, I, thép góc, ...).
Nhóm thép này có các mác thép sau:
Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT (C: là Cacbon,
T: thường) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu.
Ví dụ: CT38, CT42,…
17


Ngồi ra người ta cịn chia nhóm thép này thành ba phân nhóm nhỏ:
Phân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính mà khơng quy định về thành phần hóa
học
Phân nhóm B: chỉ quy định về thành phần hóa học mà khơng quy định về cơ
tính. Thép thuộc nhóm này ký hiệu thêm chữ B trước chữ CT, ví dụ: BCT31
Phân nhóm C: được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học (bao gồm cả
nhóm A và nhóm B). Ký hiệu thêm chữ C vào trước chữ CT, ví dụ CCT31.
Bảng 1. 1 Cơ tính quy định của mác thép phân loại theo nhóm A
Số hiệu thép
σ0,2 (MPa)
σb (MPa)

δ%
Nga
Việt Nam
CT0
CT31
>320
18 - 20
CT1
CT33
320 – 400
28 – 33
CT2
CT34
220 - 190
340 – 420
26 – 31
CT3
CT38
240 – 220
380 – 470
21 – 27
CT4
CT42
260 – 240
420 – 520
19 – 25
CT5
CT51
280 – 260
500 – 620

15 – 21
CT6
CT61
310 – 300
600 – 720
11 – 16
Bảng 1. 2 Thành phần hóa học của mác thép phân nhóm B
Mác
thép
BCT31

Si trong thép, %
C, %

Mn, %

Sôi

Nửa
lặng
0,05 0,17
0,05 0,17
0,05 0,17
0,05 0,17
0,05 0,17
0,05 0,17

P, %
Lặng

S, %

Không quá

≤ 0,23
0,06
0,06
0,06 0,25 0,12 BCT33
0,05
0,05
0,04
0,12
0,50
0,30
0,09 0,25 0,12 BCT34
0,05
0,05
0,04
0,15
0,50
0,30
0,14 0,30 0,12 BCT38
0,07
0,05
0,04
0,22
0,65
0,30
0,18
0,40 0,12 BCT42

0,07
0,05
0,04
-0,27
0,70
0,30
0,27 0,50 0,15 BCT51
0,05
0,04
0,37
0,80
0,30
0,38 0,50 0,15 BCT61
0,05
0,04
0,49
0,80
0,30
* Thép cacbon kết cấu:
Là loại thép có hàm lượng tạp chất S, P rất nhỏ, cụ thể: S ≤ 0,04%, P ≤ 0,035%,
tính năng lý hố tốt thuận tiện, hàm lượng Cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ
ràng. Theo TCVN 1766-75, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ C với con số chỉ
lượng Cacbon trung bình theo phần vạn. Ví dụ: thép C40 là thép Cacbon kết cấu với
lượng Cacbon trung bình là 0,40%. Thép Cacbon kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết
18


máy chịu lực cao như các loại trục, bánh răng, lò xo v.v... Loại này thường được cung
cấp dưới dạng bán thành phẩm với các mác thép sau: C08, C10, C15, C20, C30, C35,
C40, C45, C50, C55, C60 C65, C70, C80, C85.

*. Thép cacbon dụng cụ
Là loại thép có hàm lượng Cacbon cao (0,70÷1,3%), có hàm lượng tạp chất P
và S thấp (< 0,025%). Thép Cacbon dụng cụ tuy có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện
nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như đục, dũa hay các loại khuôn
dập, các chi tiết cần độ cứng cao. Theo TCVN 1822-76, nhóm thép này được ký hiệu
bằng chữ CD với con số chỉ lượng Cacbon trung bình theo phần vạn. Ví dụ: CD70 là
thép Cacbon dụng cụ với 0,70% C. Loại thép này gồm các mác thép: CD70, CD80,
CD90, ...CD130 tương đương với thép Liên xô là: Y7, Y8, Y9, ...Y13.
* Thép Cacbon có cơng dụng riêng:
Thép đường ray cần có độ bền và khả năng chịu mài mịn cao đó là loại thép
Cacbon chất lượng cao có hàm lượng C và Mn cao (0,50 ÷ 0,8% C, 0,6 ÷ 1,0% Mn).
Ray hỏng có thể dùng để chế tạo các chi tiết và dụng cụ như đục, dao, nhíp, dụng cụ
gia cơng gỗ,...Dây thép các loại: dây thép Cacbon cao và được biến dạng lớn khi kéo
nguội (d = 0,1 mm), giới hạn bền kéo có thể đạt đến 400 ÷ 450 kG/mm2. Dây thép
Cacbon thấp thường được mạ kẽm hoặc thiếc dùng làm dây điện thoại và trong sinh
hoạt. Dây thép có thành phần 0,5 ÷ 0,7% C dùng để cuốn thành các lò xo tròn.
Trong kỹ thuật cịn dùng các loại dây cáp có độ bền cao được bện từ các sợi dây
thép nhỏ. Thép lá để dập nguội: có hàm lượng cacbon và Si nhỏ (0,05÷0,2%C và
0,07÷0,17%Si). Để tăng khả năng chống ăn mịn trong khí quyển, các tấm thép lá
mỏng có thể được tráng Sn (gọi là sắt tây) hoặc tráng Zn (gọi là tôn tráng kẽm).
e. Phân loại theo phương pháp luyện ra thép
Trong lị chuyển: khơng khống chế được thành phần của thép, lẫn nhiều tạp
chất. Ít sử dụng
Thép luyện trong lò Mác-tanh chất lượng thép tốt hơn nhưng giá thành cao.
Thép luyện trong lò điện cho chất lượng tốt nhất, nhưng giá thành cao hơn.
f. Phân loại theo mức độ khử ôxy.
Thép sôi: mức độ khử ôxy không triệt để, chất lượng thép thấp, thép hay bị giòn
nguội. Loại thép này thường dùng cho các kết cấu có nhiệt độ dương. Thép bị nứt
nóng dẫn đến kết cấu khi hàn cho chiều sâu ngấu nhỏ. Ưu điểm: rẻ tiền
Thép lặng: mức độ khử ôxy triệt để, chất lượng tốt hơn so với thép sôi.

Thép nửa lặng: là loại trung gian giữa thép sôi và thép lặng, chỉ được khử Oxy
bằng fero Mn và Al.
g. Phân loại theo độ bền
σ0,2 giới hạn chảy quy ước – là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ lực thử
kéo mẫu bị biến dạng dư 0,2% so với chiều dài ban đầu
Ví dụ: Thép CT 38 có σb = 320 ÷ 420 Mpa; σ0,2 = 210 ÷ 220 Mpa
Thép CT 42 có σb = 420 ÷ 540 Mpa; σ0,2 = 240 ÷ 260 Mpa

19


1.2.3.2 Ký hiệu theo tiêu chuẩn Nhật Bản
- Thép Cacbon kết cấu chất lượng thường: SSxxx hay SMxxx với xxx là chỉ số
chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu
- Thép kết cấu Cacbon chất lượng cao: Ký hiệu SxxC với xx là số chỉ lượng
Cacbon phần vạn
- Thép Cacbon dụng cụ: Ký hiệu là SKx với x từ 1 đến 7
1.2.3.3 Ký hiệu theo tiêu chuẩn Mỹ (ASME/ASTM)
- Thép Cacbon được ký hiệu theo ASME: SA-nnn. Ký hiệu A-nnn theo ASTM
nhưng chưa được chấp nhận bởi tiêu chuẩn ASME B&PV Code.
Bảng 1.3 Ký hiệu mác thép của Mỹ
Đặc điểm kỹ thuật cho đúc thép, Carbon, cho ứng dụng chung. (Lưu
SA-27
ý: thông tin nguồn lấy từ ASTM A-27-95 [R2000], 2002 Edition.)
Đặc điểm kỹ thuật cho Ống, Thép, Màu đen và Mỏng, Kẽm, Hàn và
SA-53
Dàn: Năm 2004 với Addend 2005
Đặc điểm kỹ thuật cho thép rèn thép rèn ứng dụng: 2004 với 2005
SA-105
Addenda.

Đặc điểm kỹ thuật cho ống thép Carbon đúc chịu nhiệt độ cao: 2004
SA-106
với Addend 2005.
Thông số kỹ thuật cho Ống, Thép, Điện – Hàn điện nóng chảy (Kích
SA-134
thước NPS 16 và hơn): 2004 với 2005 Addenda
Thông số kỹ thuật cho Ống thép hàn điện hồ quang nóng chảy, (Lưu
A-139
ý: thông tin nguồn được lấy từ ASTM A-139-00, 2002 Edition).
Thông số kỹ thuật cho Hàn điện nóng chảy ống thép chịu áp lực cao.
(Lưu ý: ASTM A-155 đã ngưng vào năm 1978, thông tin nguồn lấy
SA-155
từ ASME SA-155, ấn bản năm 1977)
Đặc điểm kỹ thuật cho thép hàn điện trở kháng-hàn thép carbon và
SA-178
thép carbon Mangan, thép Nồi hơi và ống chịu nhiệt độ cao: 2004 với
2005 Addenda.
Đặc điểm kỹ thuật cho các ống thép trao đổi nhiệt và thép ngưng
SA-179
tụ:2004 với 2005 Addenda.
Đặc điểm kỹ thuật cho thép rèn, cho mục đích chung đường ống:
SA-181
2004 với 2005 Addenda.
Đặc điểm kỹ thuật cho ống nồi hơi bằng thép carbon không rỉ chịu
SA-192
áp suất cao: 2004 với 2005 Addenda.
SA-210
Đặc điểm kỹ thuật cho lị nung từ thép cacbon trung bình và ống siêu
nóng: 2004 với 2005 Addenda.
1.2.5. Tính hàn của thép Cacbon

1.2.5.1. Khái niệm về tính hàn của kim loại.
a. Khái niệm về tính hàn của kim loại và hợp kim
* Một số khái niệm cơ bản liên quan đến tính hàn của thép

20


- Theo truyền thống: Tính hàn của vật liệu là khả năng có thể hàn được, để chỉ
mức độ dễ hàn hay khó hàn, đối với một kim loại hay hợp kim nào đó, hay nói cách
khác tính hàn là tổ hợp các tính chất của kim loại, hay hợp kim cho phép nhận được
liên kết hàn, thỏa mãn các yêu cầu và chất lượng cần thiết
- Theo định nghĩa của Hội Hàn Mỹ (AWS) tính hàn là khả năng hàn được của
vật liệu cơ bản trong điều kiện chế tạo được quy định trước nhằm tạo ra kết cấu thích
hợp với thiết kế cụ thể và có tính năng thích hợp với mục đích sử dụng.
- Định nghĩa về tính hàn nêu trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 581:1980 cũng nêu
lên 3 khía cạnh tương tự, được coi là thước đo khả năng:
+ Nhận được mối hàn lành lặn khơng bị nứt
+ Đạt được cơ tính thích hợp
+ Tạo được mối hàn có khả năng duy trì tính chất trong q trình vận hành.
Về mặt thực tiễn tính hàn được thể hiện thơng qua 3 nhóm chỉ tiêu là:
+ Các chỉ tiêu về tính tốn (liên quan đến chế độ nhiệt)
+ Các chỉ tiêu về độ lành lặn (chủ yếu là liên quan đến khả năng hình thành nứt)
+ Các chỉ tiêu về mặt tính chất trong q trình vận hành
b. Phân loại tính hàn:
Theo truyền thống tính hàn của vật liệu được qui ước chia thành 4 nhóm như
sau:
* Vật liệu có tính hàn tốt: Bao gồm các vật liệu cho phép hàn được bằng nhiều
phương pháp hàn khác nhau, với chế độ nhiệt có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng,
không cần sử dụng các biện pháp cơng nghệ phức tạp (như xử lý nhiệt: nung nóng sơ
bộ, nung nóng kèm theo, nhiệt luyện sau khi hàn, …) mà vẫn đảm bảo nhận được liên

kết hàn có chất lượng cần thiết.
Ví dụ: Thép Cacbon thấp và phần lớn thép hợp kim thấp đều thuộc nhóm này.
* Vật liệu có tính hàn thoả mãn: (hay cịn gọi là có tính hàn trung bình). So
với nhóm trên, nhóm này chỉ thích hợp với một số phương pháp hàn nhất định, các
thơng số chế độ hàn chỉ có thể thay đổi trong phạm vi hẹp, yêu cầu về vật liệu hàn chặt
chẽ hơn. Một số biện pháp công nghệ như nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau khi hàn, …
có thể được sử dụng.
Ví dụ: Một số mác thép hợp kim thấp, thép Cacbon trung bình, thép hợp kim
trung bình thuộc nhóm này.
* Vật liệu có tính hàn hạn chế: Gồm những vật liệu cho phép nhận được các
liên kết hàn với chất lượng mong muốn trong các điều kiện khắc khe về công nghệ và
vật liệu hàn. Thường phải sử dụng các biện pháp xử lý nhiệt hoặc hàn trong mơi
trường khí bảo vệ đặc biệt (khí trơ, chân không…) chế độ hàn nằm trong phạm vi rất
hẹp. Tuy vậy liên kết hàn vẫn có khuynh hướng bị nứt và dễ xuất hiện các khuyết tật
khác làm giảm chất lượng sử dụng của kết cấu hàn.
Ví dụ: Phần lớn các loại thép Cacbon cao và thép hợp kim cao thuộc nhóm này.
* Vật liệu có tính hàn xấu: Vật liệu nhóm này thường phải làm bằng các cơng
nghệ đặc biệt, phức tạp và tốn kém. Tổ chức kim loại mối hàn xấu, dễ bị nứt nóng, nứt
nguội. Cơ tính và khả năng làm việc của liên kết hàn thường thấp hơn so với vật liệu
21


cơ bản.
Ví dụ: Phần lớn các loại gang và một số hợp kim đặc biệt.
Trước đây người ta cho rằng một số vật liệu khơng có tính hàn, tức là không thể
hàn được. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học cơng nghệ hàn, ngày nay chúng ta
có thể khẳng định rằng tất cả vật liệu đều có tính hàn dù chất lượng có thể đạt được rất
khác nhau. Sự xuất hiện các vật liệu mới, những loại liên kết hàn mới đòi hỏi chúng ta
phải thường xuyên cập nhật kiến thức, nghiên cứu và hồn thiện những cơng nghệ hiện
có để tạo ra những kết cấu hàn có chất lượng cần thiết.

1.2.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính hàn của vật liệu kim loại.
Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến tính hàn của vật liệu kim loại thơng qua 4
nhóm chỉ tiêu là:
- Tính chất của vật liệu;
- Phương pháp hàn;
- Thiết kế mối hàn;
- Các điều kiện làm việc của chúng.
a. Về khía cạnh tính chất vật liệu của tính hàn có thể được hiểu là khả năng phù
hợp cho hàn và thông thường bao gồm:
+ Các tính chất luyện kim: nhiệt độ nóng chảy và bay hơi, ái lực của kim loại
mối hàn với O, N, và H (độ nhạy cảm đối với các vấn đề như rỗ, tính giịn hoặc ẩm);
sự có mặt của lớp màng mỏng trên mặt kim loại cơ bản (oxit, sơn hoặc lớp phủ bề mặt
kim loại).
+ Các tính chất vật lý: Các tính chất điện và nhiệt (tính dẫn điện, hệ số giãn nở,
nhiệt dung, ẩn nhiệt)
+ Thành phần hóa học (nhạy cảm với nứt,…) và các tính chất cơ học.
b. Các điều kiện làm việc có thể được liên quan đến: Mơi trường khắc nghiệt:
Ăn mịn, phá hủy giòn trong điều kiện nhiệt độ thấp, sự oxy hố, từ dão, tính giịn
trong điều kiện nhiệt độ cao, và các mơi trường khác như sự mài mịn, mỏi, hạt nhân.
Mơi trường càng khắc nghiệt thì càng khó khăn trong việc tìm kiếm vật liệu phù hợp,
và quá trình hàn càng bị hạn chế.
c. Thiết kế mối hàn
+ Tiết diện chịu tải của mối hàn, độ bền mối hàn;
+ Khả năng chịu tải trọng động.
d. Việc lựa chọn phương pháp hàn liên quan đến các yếu tố
+ Chuẩn bị liên kết hàn.
+ Chế độ hàn, đặc trưng hình thành mối hàn và VAHN.
+ Xử lý sau hàn.
Nói một cách đơn giản, tính hàn là khả năng hàn một kim loại mà khơng dẫn
đến nứt hoặc các khuyết tật có hại khác, đạt được các tính chất làm việc mong đợi.

1.2.5.3. Các phương pháp hàn ảnh hưởng đến tính hàn
Trong nhiều trường hợp, việc lựa chọn phương pháp hàn có thể có ảnh hưởng
nhất định đến khả năng chế tạo liên kết hàn hợp lý và đáp ứng được các điều kiện làm
việc.
22


- Hàn hồ quang tay: Nứt nguội do khuếch tán Hyđro có thể là một vấn đề trong
phương pháp hàn này, đặc biệt khi điện cực có vỏ bọc bazơ được sử dụng khơng thích
hợp. Việc nứt nóng có nguy cơ thấp hơn khi đối với phương pháp hàn này.
- Hàn hồ quang trong mơi trường khí bảo vệ bằng điện cực khơng nóng chảy và
hàn hồ quang plasma: Các phương pháp hàn này được ít ảnh hưởng đến tính hàn hơn
so với hàn hồ quang tay. Nguy cơ nứt nguội do khuếch tán Hydro và nứt nóng là thấp.
- Phương pháp hàn tia (lazer và tia điện tử): Các phương pháp hàn này ít có
nguy cơ đối với việc nứt nguội và nứt nóng.
- Hàn hồ quang tay trong mơi trường khí hoạt tính bằng điện cực nóng chảy
(MAG) dùng khí bảo vệ CO2: Phương pháp hàn này có nguy cơ thấp đối với nứt nguội
do khuếch tán Hydro, phương pháp hàn này có thể xuất hiện vấn đề nứt nóng, nếu tốc
độ hàn và năng lượng đường khơng hợp lý và có quá nhiều hàm lượng Oxy vào trong
kim loại mối hàn.
- Hàn hồ quang bằng dây lõi thuốc: Việc chống nứt nguội và độ dai va đập của
mối hàn là tốt nhất nếu kỹ thuật hàn nhiều lượt được sử dụng.
- Hàn điện khí và hàn điện xỉ: các phương pháp hàn này có một số nguy cơ nứt
nóng. Độ dai va đập nói chung là giảm, yêu cầu cần xử lý thêm nhiệt sau khi hàn và
cũng có rất ít khả năng nứt nguội do khuếch tán hydro.
1.2.5.4. Sự hình thành mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt
Mối hàn có thể do kim loại đắp và kim loại cơ bản hoặc chỉ do kim loại cơ bản
tạo nên.
Kim loại nóng chảy trong vũng hàn, sau khi kết tinh có tổ chức gần giống kim
loại đúc. Nó có thành phần hố học khác với kim loại cơ bản và kim loại đắp. Mặc dù

kim loại đúc nói chung có cơ tính thấp, mối hàn vẫn có thể có cơ tính cao do trong q
trình hàn, kim loại mối hàn được hợp kim hoá và tinh luyện (khử S, P) mặt khác khi
kết tinh nó có tổ chức mịn và thiên tích vùng nhỏ.
a. Kim loại mối hàn
Trong quá trình hàn, vũng hàn kết tinh hình thành mối hàn có cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Cấu trúc kim loại khi kết tinh
a) Sơ đồ tổ chức thô đại kim loại cơ bản và kim loại mối hàn; b) Một phần tổ
chức kim loại mối hàn
1 - Vùng phát triển theo lớp (bề mặt kết tinh phẳng); 2 - Kết tinh dạng hình kim; 3 Kết tinh dạng hình kim - nhánh cây; 4 - Các hạt kim loại nóng chảy bị quá nhiệt.
Tại các mầm kết tinh, từ pha lỏng hình thành và phát triển các tinh thể theo 3
23