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

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình 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
Giáo trình Vật Liệu Cơ Khí được biên soạn trên cơ sở kế thừa do các nhà giáo có
nhiều kinh nghiệm giảng dạy trong các trường Đại Học, Cao Đẳng, Trung Học chuyên
nghiệp, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng
đào tạo phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Đề cương của giáo trình dựa theo chương trình khung của tổng cục dạy nghề.
Để đào tạo nghề Hàn. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu.
Chúng tơi đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc khơng tránh
khỏi những khiếm khuyết. Hy vọng nhận được sư đóng góp ý kiến của các bạn đọc để
những giáo trình được biên soạn kế tiếp đạt chất lượng tốt hơn.
Cần Thơ, ngày17 tháng 09 năm 2021
Tham gia biên soạn
Chủ biên : Nguyễn Thành Sơn

2


MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ..................................................................... 10
1.1

Khái niệm về vật liệu cơ khí. ........................................................................... 10

1.1.1

Vật liệu kim loại: ...................................................................................... 10

1.1.2

Vật Liệu polyme: ...................................................................................... 11

1.1.3

Vật liệu ceramic: ....................................................................................... 11

1.2

Vai trò của vật liệu cơ khí trong cuộc sống ..................................................... 11

1.3

Khái qt q trình phát triển của ngành vật liệu............................................ 12

1.3.1

Giai đoạn tiền sử của loài người: .............................................................. 12

1.3.2

Giai đoạn chết tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm: ....................... 12

1.3.3

Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học: .............. 13

1.4

Cấu tạo của kim loại và hợp kim ..................................................................... 13

1.4.1

Khái niệm về kim loại ............................................................................... 13

1.4.2

Cấu tạo tinh thể của kim loại .................................................................... 13

- Mạng lập phương diện tâm: ................................................................................ 14
1.5

Hợp Kim .......................................................................................................... 15

1.5.1

Khái niệm về hợp kim............................................................................... 15

1.5.2

Cấu tạo của hợp kim và đặc tính của chúng ............................................. 15

1.6

Tính chất chung của kim loại và hợp kim ....................................................... 17

1.6.1

Tính chất vật lý ......................................................................................... 17

1.6.2

Tính chất hóa học ...................................................................................... 18

1.6.3

Tính chất cơ học ....................................................................................... 18

1.6.4

Tính chất cơng nghệ .................................................................................. 21

CHƯƠNG 2: GANG VÀ THÉP ................................................................................... 23
2.1. Gang và các loại gang thường dùng ................................................................ 23
2.1.1. Giới thiệu chung về gang .......................................................................... 23
2.1.2. Các yếu tố ảng hưởng đến tính chất của gang .......................................... 24
2.1.3. Các loại gang thường dùng ....................................................................... 25
2.1.4. Gang xám .................................................................................................. 25
2.1.5. Gang cầu ................................................................................................... 25
2.1.6. Gang dẻo ................................................................................................... 26
2.1.7. Gang trắng................................................................................................. 26
2.2. Thép và các loại thép thường dùng.................................................................. 27
2.2.1.

Khái niệm về thép ........................................................................................ 27

2.3. Thép cacbon ..................................................................................................... 27
3


2.3.1. Khái niệm về thép cacbon ......................................................................... 27
2.3.2. Các loại thép cacbon ................................................................................. 28
2.3.3. Thép cacbon kết cấu ................................................................................. 28
2.4. Ưu, nhược điểm của thép cacbon .................................................................... 29
2.5. Tổ chức tế vi của gang và thép ........................................................................ 29
2.5.1. Quan sát tổ chức tế vi của gang và thép ................................................... 29
2.5.2. Tổ chức tế vi của thép cacbon ở trạng thái cân bằng ................................ 31
2.5.3. Thép trước cùng tích ................................................................................. 31
2.5.4. Thép cùng tích .......................................................................................... 32
2.5.5. Thép sau cùng tích .................................................................................... 33
2.6. Tổ chức tế vi các loại gang: ............................................................................. 33
2.6.1. Gang trắng................................................................................................. 33
2.6.2. Gang xám .................................................................................................. 34
2.6.3. Gang dẻo: .................................................................................................. 35
2.6.4. Gang cầu ................................................................................................... 35
2.7. Thép hợp kim ................................................................................................... 36
2.7.1. Khái niệm về Thép hợp kim ..................................................................... 36
2.8. Các loại thép hợp kim ...................................................................................... 37
2.8.1. Thép hợp kim kết cấu ............................................................................... 37
2.8.2. Thép hợp kim dụng cụ .............................................................................. 37
2.8.3. Thép làm khuôn dập ................................................................................. 37
2.8.4. Thép làm dụng cụ đo ................................................................................ 40
2.8.5. Thép hợp kim đặc biệt .............................................................................. 40

2.9. Hợp kim cứng .................................................................................................. 41
2.9.1. Thành phần và tính chất ............................................................................ 41
2.9.2. Phân loại và công dụng ............................................................................. 41
2.9.3. Kim loại màu và hợp kim màu .................................................................... 42
Đồng và hợp kim đồng ................................................................................. 42
Nhôm và hợp kim nhôm ............................................................................... 44
CHƯƠNG 3: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN.......................................... 47
3.1. Khái niệm về nhiệt luyện ................................................................................. 47
3.1.1. Giản đồ trạng thái Fe - C .......................................................................... 47
3.1.2. Các tổ chức của hợp kim Fe - C ............................................................... 48
3.1.3. Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C ........................................................ 49
3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nhiệt luyện........................................ 49
4


3.2. Các hình thức nhiệt luyện ................................................................................ 50
3.2.1. Ủ thép ........................................................................................................ 50
3.2.2. Thường hóa ................................................................................................ 52
3.2.3. Tơi thép ..................................................................................................... 52
3.2.4. Ram ........................................................................................................... 53
3.3. Các phương pháp ram ...................................................................................... 53
3.4. Hóa nhiệt luyện ................................................................................................ 54
3.4.1. Khái niệm chung ....................................................................................... 54
3.4.2. Các hình thức hóa nhiệt luyện .................................................................. 54
3.4.3. Thấm cacbon ............................................................................................. 54
3.4.4. Thấm nitơ .................................................................................................. 56
3.5. Hóa bền cơ học ................................................................................................ 57
3.5.1. Mục đích, phân loại, nguyên lý chung ...................................................... 57
3.5.2. Mục đích ................................................................................................... 57
3.5.3. Phân loại.................................................................................................... 57

3.5.4. Nguyên lý .................................................................................................. 57
CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI ................................................................... 59
4.1. Chất dẻo, cao su ............................................................................................... 59
4.1.1. Chất dẻo .................................................................................................... 59
4.1.2. Cao su ....................................................................................................... 59
4.1.3. Các loại chất dẻo cơ bản: .......................................................................... 59
4.2. Cao su: ............................................................................................................. 60
4.2.1. Phân loại: .................................................................................................. 60
4.2.2. Tính chất: .................................................................................................. 60
4.2.3. Công dụng: ................................................................................................ 60
4.3. Amian, compozit ............................................................................................. 61
4.3.1. Amian: ...................................................................................................... 61
4.3.2. Compozit. .................................................................................................. 61
4.4. Vật liệu bôi trơn: .............................................................................................. 63
4.4.1. Dầu bôi trơn: ............................................................................................. 63
4.4.2. Mỡ bôi trơn ............................................................................................... 63
4.5. Chất làm nguội................................................................................................. 64

5


CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Mã môn học: MH10
Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ (Lý thuyết: 20 giờ ; Thực hành, thảo luận, bài
tập: 08 giờ; Kiểm tra: 02)
I.Vị trí , tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học:
- Vị trí: Là mơn học kỹ thuật cơ sở mơn học được bố trí học trước các môn học,
mô đun chuyên môn nghề. Là môn cở sở nền tảng để thực hành các môn học, mơ đun
nghề.

- Tính chất: Là mơn học bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Hàn.
Mục tiêu mơn học:
- Về kiến thức:
-Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu
thường dùng:Gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, ceramic, vật liệu phi
kim loại, dung dịch làm nguội.
- Trình bày rõ một số khái niệm cần thiết về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
- Về kỹ năng:
- Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đập búa,
xem tia lửa khi mài.
- Chọn và sử dụng đúng quy cách các loại vật liệu thường dùng cho nghề.
- Có thể tự mua các loại vật liệu theo yêu cầu của sản xuất.
- Phân tích được ký hiệu của các loại vật liệu dùng cho cơ khí chế tạo.
- Nhận biết đúng và sử dụng đúng các loại vật liệu.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong cơng việc, có tinh
thần hợp tác, giúp đỡ lẫn nhau.
- Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo
trong học tập
Nội dung của mơn học:
1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian:
Thời gian (giờ)
Thực
hành,
Số
thí Kiểm tra
Tên chương mục
Tổng
Lý
TT

nghiệm, (LT hoặc
số thuyết
thảo
TH)
luận Bài
tập
I CHƯƠNG I: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
04
03
1
0
1.1. Khái niệm về vật liệu cơ khí
1.2. Vai trị của vật liệu cơ khí trong cuộc
2
sống
1.3. Khái qt q trình phát triển của ngành
vật liệu
6


1.4. Cấu tạo của kim loại và hợp kim
1.4.1. Khái niệm về Kim loại
1.4.2 Cấu tạo tinh thể kim loại
1.5. Hợp kim
1.5.1. Khái niệm về hợp kim
1.5.2. Cấu tạo hợp kim và đặc tính của chúng
1.6. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
1.6.1.Tính chất vật lý
1.6.2.Tính chất hóa học
1.6.3. Tính chất cơ học

1.6.4. Tính cơng nghệ
II CHƯƠNG II: GANG VÀ THÉP
2.1. Gang và các loại gang thường dùng
2.1.1. Giới thiệu chung về gang
2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của
gang
2.1.3. Các loại gang thường dùng
2.1.4. Gang xám
2.1.5. Gang cầu
2.1.6. Gang dẻo
2.1.7. Gang trắng
2.2. Thép và các loại thép thường dùng
2.2.1. Khái niệm về thép
2.2.2. Thành phần hóa học và tính chất chung
của thép
2.2.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính
chất của thép
2.3. Thép cacbon
2.3.1.Khái niệm về thép cacbon
2.3.2. Các loại thép cacbon
2.3.3 Thép cacbon kết cấu
2.4. Ưu khuyết điểm của thép cacbon
2.5. Tổ chức tế vi của gang và thép
2.5.1. Quan sát tổ chức tế vi của gang và thép
2.5.2. Tổ chức tế vi của thép cacbon ở trạng
thái cân bằng
2.5.3.Thép trước cùng tích
2.5.4. Thép cùng tích
2.5.5. Thép sau cùng tích
2.6. Tổ chức tế vi các loại gang

2.6.1. Gang Trắng
2.6.2. Gang Xám
2.6.3. Gang Dẻo
2.6.4. Gang Cầu
2.7. Thép hợp kim
2.7.1. Khái niệm về thép hợp kim
2.7.2. Thành phần hóa học thép hợp kim
7

1

1

13

10

2

1

1

1

1

1

1

2
1

1

1
1


2.7.3. Các đặc tính thép hợp kim
2.7.4. Ký hiệu của thép hợp kim
2.8. Các loại thép hợp kim
2.8.1. Thép hợp kim kết cấu
2.8.2. Thép hợp kim dụng cụ
2.8.3. Thép làm khuôn dập
2.8.4. Thép làm dụng cụ đo
2.8.5. Thép hợp kim đặc biệt
2.9. Hợp kim cứng
2.9.1. Thành phần và tính chất
2.9.2. Phân Loại và công dụng
2.9.3. Kim loại màu và hợp kim màu
Kiểm tra: 45 phút

1

1

CHƯƠNG III: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA
NHIỆT LUYỆN
3.1. Khái niệm về nhiệt luyện

3.1.2. Giản đồ trạng thái Fe-c
3.1.3. Các tổ chức trong giản đồ
3.1.4. Quá trình kết tinh của Hk Fe-C
3.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
nhiệt luyện
3.2. Các hình thức nhuyệt luyện
3.2.1. Ủ thép
3.2.2. Thường hóa
3.2.3. Tơi thép
3.2.4. Ram
3.3. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện
thép
3.3.1. Ngăn ngừa
3.3.2. Cách khắc khục
3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt luyện và tầm
quan trọng của kiểm nhiệt
3.4. Hóa nhiệt luyện
3.4.1. Khái niệm chung
3.4.2. Các hình thức hóa nhiệt
3.4.3. Thấm Cacbon
3.4.4. Thấm Nitơ
3.5. Hóa bền cơ học
3.5.1. Mục đích phân loại, nguyên lý chung
3.5.2. Mục đích
3.5.3. Phân loại
3.5.4. Nguyên lý chung
IV CHƯƠNG IV: VẬT LIỆU PHI KIM
III

8

08

05

3

0

1

1
2
1

1

1
1

5

2

1


LOẠI
4.1. Chất dẻo, cao su
4.1.1. Chất dẻo

4.1.2. Cao su
4.1.3. Các loại chất dẻo cơ bản
4.2. Cao su
4.2.1. Phân loại
4.2.2. Tính chất
4.2.3. Công dụng
4.3. Amiang, CompoZit
4.3.1. Amiang
4.3.2. CompoZit
4.4. Vật liệu bôi trơn
4.4.1. Dầu bôi trơn
4.4.2. Mỡ bôi trơn
4.5. Chất làm nguội
Kiểm tra: 45 phút
Tổng cộng

2

1

1

1
1
1
30

9

20

8

2


CHƯƠNG 1: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã chương: MH 10-01

Giới thiệu:
Kim loại và hợp kim là những vật liệu chủ yếu từ trước tới nay quyết định sự thành bại của
sản xuất công nghiệp, chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết
máy. Tuy nhiên trong sản xuất cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và
hợp kim thích hợp, đảm bảo chất lượng và kinh tế của sản phẩm. Muốn vậy phải nắm được các tính
chất cơ bản của chúng.
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm và vai trò của vật liệu.
- Phân biệt được cấu tạo kim loại và hợp kim.
- Mơ tả được các tính chất chung của kim loại và hợp kim.
Nội dung:

1.1

Khái niệm về vật liệu cơ khí.

- Vật liệu cơ khí trong khái niệm thông dụng là tất cả các vật chất mà con người sử
dụng trong sản xuất cơ khí để tạo dựng nên các sản phẩm cho cuộc sống như: Thiết bị máy
móc trong cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thơng vận tải, y tế, văn hóa, giáo dục…
- Khái niệm vật liệu cơ khí rất rộng và đa dạng. Có những loại vật liệu như kim loại,
chất dẻo, compozit….không chỉ dùng trong sản xuất cơ khí, mà cịn rất cần trong xây dựng,

trong kỹ thuật điện, trong cơng nghiệp hóa học, thực phẩm….
- Vật liệu cơ khí có nguồn gốc từ 3 nhóm vật liệu lớn: Vật liệu kim loại, vật liệu hữu
cơ polyme và vật liệu ceramic.
1.1.1 Vật liệu kim loại:
cấu thành từ những chất vô cơ, chủ yếu là các nguyên tố kim loại, phi kim loại. Những
nguyên tố kim loại thường gặp như sắt. đồng. nhôm, niken, titan…những nguyên tố phi kim
như cacbon, nitơ, oxy. Trong điều kiện bình thường ở trạng thái rắn các nguyên tố kim loại
sắp xếp với nhau theo những trật tự nhất định, do vậy chúng là vật tinh thể. Thế giới kim loại
thật là hấp dẫn và vô cùng phong phú, có những kim loại đã là người bạn lâu dài hàng ngàn
năm của con người như Cu, Fe, Ag, Au, Pb… lại có những kim loại mới chỉ quen biết với con
người mấy chục năm gần đây.
- Tính chất của kim loại thật lạ kỳ và đa dạng. Thủy ngân thì tồn tại ở thể lỏng ngay cả
tại âm ba mươi độ Cencius, cịn Vonfram thì khơng hề bị hóa lỏng nếu khơng nung được nó
q 3410oC. Liti nhẹ bằng nửa nước, khó nhấn chìm được trong nước, cịn Osimi nhà vơ địch
của các kim loại lại chìm nghỉm trong nước, vì nó có mật độ lớn gấp 20 lần nước…Trái đất
của chúng ta rất giàu nhôm, hàm lượng của chúng trong vỏ trái đất chỉ thua kém oxy và silic,
trong khi đó hàm lượng Francis ít đến mức chỉ bằng gam.
- Vật liệu kim loại có chung tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Nhiều kim loại bền và
dẻo ở cả nhiệt độ thấp lẫn nhiệt độ cao.
- Kim loại và hợp kim của chúng được chia thành hai nhóm lớn:
+ Kim loại và hợp kim sắt, là kim loại vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có ngun
tố sắt. Đó chính là thép và gang.
+ Kim loại và hợp kim không sắt. Trong thành phần của các kim loại hay vật liệu này
khơng chứa hoặc có rất ít sắt. Ví dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các hợp kim của chúng.

10


1.1.2 Vật Liệu polyme:
bao gồm các chất hữu cơ (chứa cacbon) có cấu trúc đa phân tử. Hầu hết các chất

polyme khơng có cấu trúc tinh thể, tuy nhiên cũng có những trường hợp chúng có cấu trúc
hổn hợp vừa tinh thể vừa vơ định hình. Nói chung các vật liệu polyme dẫn điện, dẫn nhiệt
kém. Một số trong chúng làm chất cách điện tốt. Chúng giòn ở nhiệt độ thấp có khả năng biến
dạng dẻo ở nhiệt độ cao, bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và ngồi khơng khí.
1.1.3 Vật liệu ceramic:
Có thành phần chủ yếu là gồm các chất giữa kim loại và phi kim loại như cacbit, nitri,
oxyt… với liên kết ion hoặc đồng hóa trị, có cấu trúc tinh thể hoặc vơ định hình. Các ceramic
truyền thống là thủy tinh, gốm, các loại sành sứ, gạch ngói. Nói chung dẫn điện kém, khá
cứng và bền ở nhiệt độ cao. Nhưng có xu hướng giịn. Trong những năm gần đây nhiều loại
vật liệu ceramic mới được tìm thấy có những tính năng rất q như nhẹ, chịu nhiệt tốt, tính
chống mài mịn tốt, được ứng dụng ngày một nhiều trong công nghiệp điện, điện tử hàng
khơng và vũ trụ.
- Từ ba nhóm vật liệu cơ bản nói trên, con người cũng đã và đang tạo nên một nhóm vật liệu
tổ hợp là vật liệu compozit. Đây là loại vật liệu được tạo nên từ không ít hơn 2 loại vật liệu
khác nhau về tính chất. Các vật liệu Compozit có được những tính chất hồn tồn mới mà các
loại vật liệu thành phần khơng thể có. Ví dụ điển hình về vật liệu compozit là bê tông cốt
thép, đây là sự kết hợp của thép (kim loại) có tính chịu kéo tốt với bê tơng (vật liệu vô cơ),
chịu nén tốt, để tạo nên kết cấu vừa chịu kéo, vừa chịu nén tốt. Ngày nay khoa học vật liệu đã
tạo ra rất nhiều loại compozit trên cơ sở kết hợp giữa polyme với kim loại, hoặc giữa polyme
với ceramic… Có ứng dụng quan trọng trong cơng nghiệp nói chung và sản xuất cơ khí nói
riêng. Sợi thủy tinh độ bền cao và sợi cacbon dùng làm vật liệu chính trong chế tạo nhiều chi
tiết của máy bay

1.2 Vai trị của vật liệu cơ khí trong cuộc sống

- Chúng ta đang ở thế kỷ 21, kỷ nguyên mà con người bé nhỏ về thể chất lại có thể
vươn tầm hiểu biết của mình ra thế giới và vũ trụ bao la vô tận nhờ các thiết bị hiện đại, dựa
trên cơ sở của sự phát triển vũ bão của công nghệ thông tin. Nền văn minh nhân loại phát
triển cùng với việc con người ngày càng biết dùng nhiều loại vật liệu hoàn thiện hơn phục vụ
cho cuộc sống của mình.

- Con người với trí tuệ, một phẩm chất kỳ diệu của “lao động” không những đã, mà
còn đang tiếp tục sáng tạo ra nhiều vật liệu phục vụ cuộc sống. Không chỉ các vật liệu truyền
thống, mà cịn tìm ra nhiều loại vật liệu kỳ diệu khác, đưa nền văn minh nhân loại phát triển
đến mức mà cách đây chỉ vài chục năm những nhà văn viễn tưởng táo bạo nhất cũng khơng
thể nào hình dung nổi. Những mốc quan trọng trong lịch sử phát triển xã hội loài người cũng
được xây dựng trên cơ sở lấy các vật liệu nịng cốt chế tạo cơng cụ lao động làm biểu tượng,
đó là “ thời kỳ đồ đá”, “ thời kỳ đồ đồng”, “thời kỳ đồ sắt” ….
- Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính năng ưu việt hơn, là
một lần góp phần thúc đẩy năng suất lao động xã hội phát triển, mở ra những ngành khoa học
mới, có thể nêu ra một vài sự kiện để minh họa:
+ Sự xuất hiện của công nghệ chế tạo hợp kim nhơm cứng đuyara (1930) nhờ q hóa
già biến cứng, giúp cho cơng nghiệp hàng khơng và tên lửa có bước phát triển nhảy vọt trong
đại chiến thế giới thứ hai.
+ Sự ra đời của công nghệ chế tạo polyme. Hồi đầu thế kỷ có lẽ cả người giàu tưởng
tượng nhất cũng khó hình dung nổi một chuyện mà hơm nay đã trở thành quá bình thường :Từ
một khúc gỗ, từ hạt đậu tương, từ những chai dầu thô đen xỉn và bẩn thỉu, từ tảng than đen
nhánh…, lại có thể làm ra những tấm lụa mịn màng, những bộ lể phục trang nghiêm, những
11


bộ quần áo lộng lẫy, hoặc những tấm thảm rực rỡ. Vậy mà nhờ tìm ra cơng nghệ chế tạo chất
dẻo polyme (1980) nhân loại có thể thực hiện được điều đó và từ đấy thêm một vật liệu,
người bạn đồng hành kỳ diệu mới, kèm theo là sự ra đời của ngành công nghiệp sợi, tơ nhân
tạo…
+ Với sự tìm ra cơng nghệ chế tạo bán dẫn (1955) bằng kỹ thuật tinh luyện và tạo lớp
chuyển tiếp… kỹ thuật thơng tin phát thanh truyền hình nhanh chóng được phát triển.
- Trên cơ sở ứng dụng các kiến trúc khoa học, hàng loạt các vật liệu khác cũng được
chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí như : thép không gỉ austenit (1935), hợp
kim titan (1960), vật liệu lò phản ứng hạt nhân (1960), thép xây dựng vi hợp kim hóa (1965),
thép kết cấu độ bền cao (1965), vật liệu compozit sợi (1965), hợp kim nhớ hình (1975) và kim

loại thủy tinh (1980). Đó là chưa kể nhiều loại vật liệu đang trong quá trình nghiên cứu quy
mơ phịng thí nghiệm, có nhiều triển vọng sử dụng rộng rãi trong những thập kỷ tới.

1.3 Khái quát quá trình phát triển của ngành vật liệu
- Thực ra khơng có ranh giới rõ rệt giữa khái niệm vật liệu nói chung với vật liệu cơ
khí nói riêng. Vì vậy để tiềm hiểu quá trình phát triển và áp dụng vật liệu trong sản xuất cơ
khí, cần quan tâm đến lịch sử sử dụng và phát triển vật liệu nói chung có thể chia lịch sử phát
triển khoa học vật liệu thành 3 giai đoạn lớn sau đây:
1.3.1 Giai đoạn tiền sử của lồi người:
Hàng vạn năm trước cơng nguyên (TCN) người nguyên thủy từ khi biết sử dụng cơng
cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, đã biết sử dụng các vật liệu sẳn có trong tự
nhiên:
+ Vật liệu hữu cơ: Da, gỗ, sợi thực vật…;
+ Vật liệu vô cơ: Đất sét, đá, các loại khoán vật;
+ Kim loại: Vàng, bạc và đồng tự nhiên, sắt thiên thạch.
- Phần lớn các vật liệu được sử dụng ở dạng nguyên thủy, không qua chế biến. Các vật
dụng hình thành bằng cách cắt, đập, mài, nghiền, đặc biệt người cổ Ai Cập, Babylon, La mã,
Trung Quốc đã biết phơi đất sét ngoài nắng để làm gạch xây.
1.3.2 Giai đoạn chết tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm:
Đây là thời kỳ khá dài trong lịch sử tiến hóa của nhân loại. Con người thơng qua lao
động tích lũy các kinh nghiệm. thực hiện các thí nghiệm rời rạc mò mẫm, nhằm tạo ra các vật
liệu cần thiết khơng có sẵn trong tự nhiên.
- Những sự kiện quan trọng của thời kỳ này:
+ Khoản 6 nghìn năm TCN con người đã biết công nghệ luyện đồng từ quặng để chế tạo các
cơng cụ và vũ khí. Những cục xỉ đồng với độ tuổi 8500 năm phát hiện trên cao nguyên Anatolia
Thổ Nhĩ Kỳ nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên hành tinh chúng ta. Các
trống đồng cổ ở nước ta có niên đại khơng dưới 3 nghìn năm.
+ Người cổ đại cũng đã biết dùng công cụ bằng sắt từ rất sớm. Các dụng cụ bằng thép
xuất hiện vào khoản thế kỷ 15 TCN và chậm sau đó 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết
tôi thép để tăng độ cứng. Kỹ thuật này đạt đỉnh cao vào thời kỳ trung cổ với các thanh kiếm

Damascus (Syrie) nổi tiếng mà cho đến ngày hơm nay vẫn cịn là một bí ẩn cơng nghệ. Khi
khai quật ở Nivevia – kinh đô xứ Assiria cổ xưa trong cung điện vua Sargon đệ nhị thể kỷ thứ
VIII TCN, các nhà khảo cổ đã phát hiện ra một kho chứa khoản 200 tấn sản phẩm bằng sắt
(mũ sắt, lưỡi cưa, các công cụ rèn…)
- Những lị luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai Cập hơn 3000 năm TCN. Cây cột trụ
bằng sắt gần như nguyên chất (99,72%) nổi tiếng của Ấn Độ được dựng từ năm 415 để tưởng
niệm vua Chanđragupta đệ nhị nặng 6,5 tấn, cao trên 7m vẫn tồn tại qua bao năm tháng đến ngày
nay là một kỳ tích về cơng nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa.
12


- Kỹ thuật chế tạo thép quy mô lớn xuất hiện vào cuối thế kỷ 18, nhờ đó người ta đã sử
dụng phổ biến để chế tạo máy hơi nước, tàu thủy, xây dựng đường sắt, cầu cống, nhà
cửa…Tháp Epfen bằng thép cao 320m, nặng 7341 tấn, hoàn thành ở Pari năm 1889 vẫn còn
đang là niềm tự hào và biểu tượng của nước Pháp văn minh.
+ Xi măng, loại vật liệu xây dựng quan trọng ngày nay, có lịch sử từ thế kỷ 15 TCN,
đầu tiên dưới dạng hổn hợp đá nghiền và vôi tôi, sử dụng ở Ai Cập, Babylon và La Mã; mãi
đến đầu thế kỷ 19 sau công nguyên mới xuất hiện xi măng Porland ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó
là kỹ thuật đúc bê tông cốt thép, sử dụng đầu tiên ở Mỹ trong xây dựng vào năm 1875.
1.3.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học:
Cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ XIX thúc đẩy phát triển nhiều ngành khoa học
khác nhau, đặc biệt là các khoa học về vật liệu và hóa học những ngành có ảnh hưởng trực
tiếp đến phát triển vật liệu.Các nhà khoa học đã đi sâu tìm hiểu cấu tạo nội tại của vật liệu,
mối quan hệ giữa cấu tạo bên trong và tính chất. Nhờ nắm được những kiến thức khoa học đó,
con người đã có khả năng đánh giá định tính chiều hướng phát triển vật liệu, định hướng các
cơng nghệ chế tạo với tính chất mong muốn. Ngày nay, người ta đã có thể chế tạo vật liệu có
những tính chất định trước.

1.4 Cấu tạo của kim loại và hợp kim
1.4.1 Khái niệm về kim loại

Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn đƣợc, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Tuy
nhiên định nghĩa cũ chưa đúng cho mọi kim loại. Ví dụ: Sb (ăngtimoan) giịn khơng thể rèn
được.
Hiện nay để nhận biết được một chất là kim loại người ta dựa vào hệ số nhiệt độ của
điện trở: ở kim loại hệ số này là dương tức là khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng.
1.4.2 Cấu tạo tinh thể của kim loại
Vật rắn chia làm 2 nhóm: Tinh thể và vơ định hình
Trong vật rắn tinh thể, các chất điểm sắp xếp theo một quy luật trật tự hình học nhất định.
Trong các vật rắn vơ định hình các chất điểm sắp xếp hỗn loạn
Tất cả các kim loại và hợp chất của chúng ở trạng thái rắn đều là vật tinh thể (có cấu tạo tinh
thể). Chúng có nhiệt độ nóng chảy hoặc đông đặc xác định
Để nghiên cứu các quy luật sắp xếp các chất điểm trong vật tinh thể người ta nêu ra
khái niệm về mạng không gian (mạng tinh thể) hình 1.1a

13


Hình 1.1: Lập phương đơn giản

a) Mạng tinh thể

b) Mặt tinh thể

c) Khối cơ bản

+ Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái
rắn ngoại trừ thủy ngân. Ở trạng thái này các nguyên tử của các kim loại xắp xếp theo một trật
tự nhất định trong không gian tạo thành mạng tinh thể.
+ Mạng tinh thể là mơ hình khơng gian mơ tả quy luật hình học của sự sắp xếp các chất
điểm(nguyên tử, ion hay phân tử) trong vật tinh thể.

+ Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua chất điểm, các mặt này luôn luôn song song
cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể.
+ Khối cơ bản là các khối đơn giản giống nhau mà xếp theo ba chiều đo thì có được
mạng tinh thể.. khối cơ bản là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung
cho mạng tinh thể.
Trong mạng tinh thể, ion chiếm chỗ các nút mạng và dao động quanh các điểm nút đó như
dao động quanh các vị trí cân bằng. Mạng tinh thể như gồm bởi các mặt đi qua các chất điểm,
các mặt này luôn luôn song song và cách đều nhau gọi là các mặt tinh thể (H1.1b)
Khi biểu diễn mạng tinh thể của Kim loại để đơn giản người ta chỉ vẽ một phần nhỏ nhất đặc
trưng cho một loại mạng gọi là ô cơ bản hay ô cơ sở (H1.1c)
CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ THƯỜNG GẶP :
-Mạng lập phương thể tâm:

Hình1.2: Ơ cơ sở mạng lập phương thể tâm

- Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập
phương.
Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα , Cr, W, Mo, V…
- Mạng lập phương diện tâm:
Lập phương diện tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập
phương.
Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feg, Cu, Ni, Al, Pb…

14


Hình 1.3: Ơ cơ sở mạng lập phương diện tâm

- Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2
mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác

cách đều nhau
-Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: kẽm, coobanα, magiê, titan, catđimi

Hình 1.4: Ơ cơ sở mạng lục giác xếp chặt

1.5 Hợp Kim
1.5.1 Khái niệm về hợp kim
Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu
là kim loại và hợp kim mang tính chất của kim loại. Trong thành phần của hợp kim có thể có
một lượng nhỏ các ngun tố á kim.
Ví dụ thép là hợp kim của sắt và cacbon.
Nói chung kim loại nguyên chất có những nhược điểm như rất dẻo, độ bền, độcứng
thấp, khơng ổn định theo nhiệt độ. Do đó các cơ cấu máy chính xác khơng thể làm bằng kim
loại nguyên chất được mà phải làm bằng hợp kim.
Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các ưu điểm sau:
- Cơ tính hợp kim phù hợp với vật liệu chế tạo cơ khí: đối với ngành cơ khí vật liệu sử
dụng phải có các yêu cầu như độ bền cao, tuổi thọ sử dụng lâu. Về mặt này thì hợp kim hơn
hẳn kim loại nguyên chất, chúng có độ cứng, độ bền cao hơn hẳn trong khi độ dẻo và độ dai
vẫn đủ cao.
-Tính cơng nghệ thích hợp: kim loại ngun chất có tính dẻo cao dễ gia cơng áp lực
nhưng khó đúc, gia cơng cắt kém, khơng hóa bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim cótính cơng
nghệ khác nhau và phù hợp với từng điều kiện gia công: gia công áp lực ở trạng thái nóng và
nguội, đúc, gia cơng cắt, nhiệt luyện… đảm bảo cho chế tạo sản phẩm có năng suất cao.
Giá thành hạ hơn: dễ chế tạo hơn do không phải khử bỏ các tạp chất một cách triệt để như kim
loại.
1.5.2 Cấu tạo của hợp kim và đặc tính của chúng
- 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.
15


+ 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.

Hình 1.5: Cấu tạo của dung dịch rắn thay thế và xen kẽ

Dung dịch rắn xen kẽ: nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các
ngun tử trong dung mơi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ. Sự hịa tan xen kẽ bao giờ cũng
có giới hạn.
Dung dịch rắn thay thế: nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế ngun tử
của ngun 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 tỉ 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: Nguyên 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 giịn cao do có kiểu mạng tinh thể
phức tạp không 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 khơng 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

16


cơ tính của các pha tạo thành.
Hình 1.6: Cấu tạo của hỗn hợp cơ học

1.6 Tính chất chung của kim loại và hợp kim
Để sử dụng vật liệu nói chung ta phải nắm vững các tính chất của nó, xem các tính chất
đó có đáp ứng đƣợc u cầu của cơng việc hay khơng. Ví dụ để làm dụng cụ cắt kim loại phải
có kim loại vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, độ chịu mòn và chịu nhiệt cao, để làm dây
dẫn điện phải có vật liệu có tính dẫn điện tốt, để chế tạo máy bay cần có loại vật liệu vừa bền
lại vừa nhẹ … Hoặc trong một số trường hợp, ta lại cần có các vật liệu không bị gỉ, không bị
nhiễm từ …
Các tính chất của vật liệu có thể chia thành: tính chật vật lý, tính chất hóa học, tính
chất cơ học và tính cơng nghệ.
1.6.1 Tính chất vật lý
Tính chất vật lý hay cịn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất xác định
mối quan hệ của mơi trường tự nhiên với vật liệu.

Lý tính cơ bản của vật liệu gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính giãn nở,
tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính.
Khối lượng riêng
Khối lượng riêng là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Nếu gọi m là khối lượng của vậtchất
(g), V là thể tích của vật chất (cm3) và là khối lượng riêng của vật chất (hay vật liệu) ta có:
ứng dụng của khối lượng riêng trong kĩ thuật rất rộng rãi, nó khơng những có thể dùng
để so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để tiện việc lựa chọn vật liệu mà cịn có thể giải
quyết những vấn đề thực tế.
Ví dụ những vật lớn, thép hình khó cân được khối lượng, nhưng biết được khốilượng
riêng của vật liệu và đo được kích thước của chúng, người ta có thể tính được tthể tích nên có thể
khơng cần cân cả vật mà ta vẫn tính được khối lượng của chúng.
Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu là nhiệt độ mà khi nung nóng đến đó thì vật liệu từ thể
rắn chuyển thành thể lỏng.
Tính chất này rất quan trọng đối với cơng nghệ chế tạo cơ khí vì tính chảy lỗng của vật
liệu ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của chúng quyết định. Nhiệt độ nóng chảy
của vật liệu càng thấp thì tính chảy lỗng của chúng càng tốt và càng dễ đúc.
Ví dụ: Sắt nguyên chất là 1 5390C, thép 1 400 ÷ 1 5000C, gang 1 1300C ÷ 1 3500C
Tính giãn nở nhiệt
Là khả năng thay đổi kích thước khi thay đổi nhiệt độ, nó đƣợc biểu thị bằng hệ số giãn
nở (α) trên chiều dài đơn vị (1 mm), với thép α = 12. 10-6 K-1.
Tính dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp
của vật liệu. Các kim loại thƣờng dẫn nhiệt tốt, ngược lại các vật liệu khác như gốm,vật liệu phi
kim và polyme dẫn nhiệt kém nên chúng thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt.
Tính dẫn điện
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn điện của nó.
Tính dẫn điện của vật liệu là khả năng truyền dòng điện của vật liệu. Ðặc trƣng cho
khả năng dẫn điện của kim loại là độ dẫn điện  với đơn vị đo ( cm)-1. Các kim loại
đều là vật dẫn điện tốt. Dẫn điện tốt nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhơm. Hợp kim

nói chung và các vật liệu phi kim có tính dẫn điện kém hơn kim loại.
17


Ðộ dẫn điện được biểu diễn bằng điện tích Q (Culơng) đi qua một đơn vị diện tích S
(cm ) trong một đơn vị thời gian t thường tính bằng giây của dây dẫn dài l (cm) có điện áp hai
đầu dây là U (V).
2

Công thức:
Với  là điện trở suất của vật liệu mẫu (.cm).
Căn cứ vào khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn được chia thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật
liệu bán dẫn và vật liệu cách điện.
Từ tính
Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưởng lên các vật liệu
khác gọi là hiện tượng "từ".
Từ tính là khả năng dẫn từ của kim loại. Sắt, niken, cô ban và hợp kim của chúng đều có
từ tính thể hiện rất rõ rệt nên chúng đƣợc gọi là kim loại từ tính.
Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp nhƣ chế tạo động
cơ điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại và máy tính …
1.6.2 Tính chất hóa học
- Là độ bền của vật liệu đối với những tác dụng hóa học của các chất khác nhau như:
oxi, nƣớc, axit, … mà khơng bị phá hủy.
- Thơng thường mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng với từng mơi trường nhất
định. Tính chất hóa học cơ bản của vật liệu có thể chia thành mấy loại sau:
- Tính chịu ăn mòn: là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mịn của các mơi trường xung
quanh.
- Tính chịu nhiệt: là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mịn của oxi trong khơng khí ở
nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt ở
nhiệt độ cao.

- Tính chịu axít là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mịn của axít.
1.6.3 Tính chất cơ học
-Tính chất cơ học (hay cịn được gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc trưng cơ học
biểu thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng.
- Các đặc trưng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ cứng, độ đàn hồi, độ dai va đập, độ
bền mỏi và tính chống mài mịn.
Ðộ bền
- Ðộ bền là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Độ
bền được kí hiệu là ζ. Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các loại như: độ bền kéo ζk,
độ bền uốn ζu, độ bền nén ζn, độ bền xoắn ζx, …
Ðộ cứng
Độ cứng là khả năng của bề mặt vật liệu chống lại các vật thể ấn vào nó. Độ cứng là
một chỉ tiêu quan trọng của cơ tính.
Ðo độ cứng là phƣơng pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật
liệu mà khơng cần phá hủy chi tiết.
Ðộ cứng có thể đo bằng 3 phương pháp:
Ðộ cứng Brinell
Ðộ cứng Brinell được xác định bằng cách dùng tải trọng P để ấn viên bi bằng thép đã
nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.11). Ðơn vị đo độ cứng
Brinell HB là kG/mm2 hoặc đổi ra MPa.
18


Tùy theo chiều dày của mẫu thử chúng ta chọn đường kính của viên bi là D = 10 mm, D
= 5 mm hoặc D = 0,25 mm, đồng thời tùy thuộc vào tính chất của vật liệu chúng ta chọn tải
trọng P cho thích hợp.

Ðối với thép và gang thì P = 30D2.

Ðối với đồng và hợp kim đồng P = 10D2.


Ðối với nhơm, babít và hợp kim mềm khác P = 2,5D2.

0

1

2

3

4

5

6

7

b

a

d
Hình 1.7: Sơ đồ đo độ cứng Brinell (a) và
sơ đồ đo đường kính vết lõm bằng kính
lúp có thước mẫu (b)

Ví dụ: Khi thử thép dùng bi có đường kính D = 10 mm ta chọn tải trọng P = 30D2 =
300 kg.

𝑃
Ðộ cứng Brinell được tính theo cơng thức:
HP=
𝐹

Trong đó F là diện tích mặt cầu của vết lõm và được tính:
Với D (mm) là đường kính viên bi và d (mm) là đường kính vết lõm. Ðộ cứng HB của
vật liệu được kiểm tra không lớn hơn 450 (kg/mm2).
Ðộ cứng Rockwell
Ðộ cứng Rockwell: tác dụng liên tiếp 2 tải trọng khác nhau (tải trọng đầu P 0 và tải
trọng chính P1) lên mũi ấn kim cương hình tháp góc ở đỉnh 1200 (hình 1.12) (thang A vàC)
hoặc viên bi bằng thép có đường kính bằng 1,587 mm (1/16", HV 850 -thang B) lên bề mặt
vật liệu thử. Kí hiệu là HRA, HRB, HRC, thường dùng để đo các vật liệu cứng.
19


Hình 1.8: Vị trí tương đối giữa mũi đâm và mẫu đo ở các thời điểm đo:
00: lúc chưa đo;

11: tải trọng sơ bộ P0

22: thêm tải trọng chính P1;

33: P1.

Độ đàn hồi
Là khả năng của vật liệu có thể thay đổi hình dạng dƣới tác dụng của lực bên ngoài rồi
trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng đi. Độ đàn hồi có thể xác định bằng các phương pháp thử
khác nhau.
Độ dai va chạm

Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay tải
trọng va đập).
Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đột ngột hay va đập đó mà khơng bị
phá hủy được gọi là độ dai va đập (hay độ dai va chạm). Muốn thử va đập cần phải có mẫu thử
được lựa chọn theo những qui định riêng như ngang hay dọc thớ, vị trí nào trên sản phẩm và có
hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn.
Ðộ bền mỏi
Khi chi tiết máy làm việc trong điều kiện tải trọng biến đổi theo thời gian, có qui luật
và được lặp đi lặp lại theo chu kì nhiều lần thường xảy ra phá hủy với ứng suất thấp hơn giới
hạn bền kéo tĩnh. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng mỏi. Nguyên nhân của mỏi là do có sự
tích lũy dần các khuyết tật mạng dẫn đến hình thành các vết nứt tế vi, rồi các vết nứt này phát
triển tạo nên sự phá hủy.
Khả năng chống lại hiện tượng mỏi của vật liệu được gọi là độ bền mỏi. Trong phá hủy
mỏi người ta quan tâm đến hai chỉ tiêu quan trọng là độ bền mỏi và tuổi thọ chu kỳ.
Ðộ bền mỏi là ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đựng được một số chu trình
làm việc bất kì mà khơng bị phá hủy và nó được kí hiệu là -1. Cịn số chu kì tối thiểu mà vật
liệu chịu đựng được trước khi xuất hiện vết nứt mỏi có kích thước đủ lớn dẫn đến phá hủy được
gọi là tuổi thọ chu kì và được kí hiệu là NG.
Tuổi thọ chu kì có thể là vơ hạn khi Max lớn hơn -1 . Ðối với thép NG = 106  107 cịn
hợp kim nhơm thì NG = 106.
Trong quá trình làm việc, tất cả các tiết máy đều chịu lực tác dụng khác nhau, bởi vậy
cơ tính là tính chất quan trọng của bất kì vật liệu chế tạo máy nào.
Tính chống mài mịn.
Mài mịn là q trình phá hủy dần lớp bề mặt chi tiết của vật liệu bằng cách tách các
hạt khỏi bề mặt do tác dụng của ma sát. Ngƣời ta xác định sự mài mịn theo sự thay đổi kích
thước hoặc khối lượng của vật liệu.
Khả năng của vật liệu chống lại sự mài mòn trong những điều kiện ma sát nhất định
của vật liệu đƣợc gọi là tính chống mài mịn của vật liệu.
Ðể đánh giá mức độ mòn, người ta thường dùng:
20


Tốc độ mài mòn Vh là tỉ số giữa lượng mài mòn và thời gian mài mòn.

Cường độ mài mòn jh là nghịch đảo của tốc độ mòn.
Giá trị vận tốc mài mịn càng nhỏ thì tuổi thọ làm việc của vật liệu càng cao.
1.6.4 Tính chất cơng nghệ
Tính cơng nghệ là khả năng của vật liệu chịu tác dụng gia cơng khác nhau. Tính cơng
nghệ bao gồm các tính chất sau:
Tính đúc
Tính đúc của vật liệu là khả năng điền đầy vật liệu lỏng vào lịng khn và nó được
đặc trưng bởi độ chảy lỗng, độ co, tính hồ tan khí và tính thiên tích (tính thiên tích là sự
khơng đồng nhất về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các hạt
của kim loại hay hợp kim).
Tính rèn
Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực
để tạo thành hình dạng của chi tiết mà khơng bị phá hủy.
Thép có tính rèn cao khi nung nóng đến nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối lớn.
Gang khơng có khả năng rèn vì giịn. Ðồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội…
Tính hàn
Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết hàn được nung nóng cục bộ
chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. Tính hàn của vật liệu phụ thuộc vào thành phần hóa
học, bản chất vật liệu …
Tính cắt gọt
Tính cắt gọt là khả năng của vật liệu cho phép gia cơng cắt gọt như tiện, phay, bào…
dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ gia công, lực gia công và độ bóng bề mặt sau khi gia
cơng. Nhân tố ảnh hưởng đến tính cắt gọt là độ cứng. Ðộ cứng của thép để gia công cắt thuận
lợi đạt độ bóng bề mặt cao vào khoảng 180 ÷ 200 HB.
Tính nhiệt luyện

`
Là khả năng làm thay đổi cơ tính của kim loại khi qua q trình nung nóng, giữ nhiệt
và làm nguội theo một chế độ nhất định.
Những trọng tâm cần chú ý trong chương I
- Trình bày được khái niệm và vai trò của vật liệu.
- Phân biệt được cấu tạo kim loại và hợp kim.
- Mô tả được các tính chất chung của kim loại và hợp kim.
Bài mở rộng và nâng cao
1. Nêu vai trò của vật liệu trong cuộc sống.
2. Trình bày khái quát quá trình phát triển vật liệu.
3. Cấu tạo tinh thể của kim loại và hợp kim có ảnh hưởng gì đến các đặc tính của
chúng?
4. Trình bày tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính chất cơ học, tính chất cơng nghệ
của kim loại và hợp kim.
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập chương 1
Nội dung:
- Về kiến thức:
+ Phân tích các kiểu mạng tinh thể
- Trình bày cấu tạo của hợp kim và đặc tính của chúng
- Về kỹ năng:
+ Trình bày tính chất chung của kim loại và hợp kim
+ Tính chất vật lý
21


+ Tính cơ học học
+ Tính chất hóa học
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Nghiêm túc chấp hành giờ học, hoàn thành những
câu hỏi giáo viên đưa ra.
Phương pháp:

- Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết
- Về kỹ năng:
+ Trình bày tính chất chung của kim loại và hợp kim
+ Tính chất vật lý
+ Tính cơ học học
+ Tính chất hóa học
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Nghiêm túc chấp hành giờ học, hoàn thành những
câu hỏi giáo viên đưa ra.
Câu hỏi thảo luận nhóm:
Tại sao cần nắm vững các tính chất chung của kim loại và hợp kim? Cho ví dụ cụ
thể.

22


CHƯƠNG 2: GANG VÀ THÉP
Mã chương: MH 10-02

Giới thiệu:
Thép và gang là những hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon, sản phẩm của ngành luyện kim
nói chung và ngành luyện kim đen nói riêng. Thép và gang có mặt khắp mọi lĩnh vực: từ các dụng
cụ dân dụng cho tới các tác phẩm nghệ thuật, trong công nghiệp cơ khí, quốc phịng, trong xây
dựng, giao thơng vận tải, trong ngành năng lượng, … chúng hiện vẫn chiếm khoảng 90% tổng khối
lượng vật liệu kim loại dùng trong ngành công nghiệp của thế giới.
Mặc dù nhiều loại vật liệu mới ra đời, nhưng vị trí then chốt của thép và gang vẫn chưa bị
thay đổi, vật liệu kim loại đen nói chung đã và đang đáp ứng ngày càng thỏa mãn những yêu cầu
rất đa dạng trong thực tế. Trong chương này sẽ đề cập đến các loại thép và gang chủ yếu thường
dùng trong công nghiệp và trong đời sống con người, đó là thép cacbon, thép hợp kim, các loại gang
và một số hợp kim đặc biệt.
Mục tiêu:

- Mơ tả được thành phần và tính chất chung của gang, các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất
của gang.
- Phân biệt các loại gang thường dùng.
-Trình bày được tính chất chung của thép, các loại thép cacbon.
- Biết được ưu khuyết điểm của thép cacbon.
Nội dung:

2.1.

Gang và các loại gang thường dùng

2.1.1. Giới thiệu chung về gang
Khái niệm
- Gang là hợp kim của sắt và cacbon cùng một số nguyên tố khác như: Si, Mn, P, S, Cr,
Ni, Mo, Mg, Cu... hàm lượng cacbon trong gang > 2,14% nhưng thực tế cũng chỉ dùng
với hàm lượng cao nhất 6,67%.
Phân loại
- Theo giản đồ trạng thái:
+ Gang trước cùng tinh %C ≤ 4,3% có các tổ chức Peclit (P), Xêmentit (Xê) và
Lêđêburit (Lê).
+ Gang cùng tinh %C = 4,3% có chứa tổ chức Lêđêburit (Lê).
+ Gang sau cùng tinh %C ≥ 4,3% có chứa tổ chức Lê và Xê.
-Theo tổ chức và cấu tạo của gang:
- Gang trắng: là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe3C.
- Gang Graphit: là loại gang phần lớn cacbon ở dạng tự do graphit, rất ít hoặc khơng có
Fe3C. Nhóm gang graphit về mặt tổ chức cũng chia làm 3 loại:
● Gang xám: graphit dạng tấm là dạng tự nhiên của gang graphit.
● Gang cầu: graphit dạng cầu là dạng được cầu hóa khi đúc.
● Gang dẻo: graphit dạng cụm bơng, đã được ủ “graphit hóa” từ gang
trắng.

Hình 2.1: Dạng graphit trong gang
a. Gang xám
b. Gang cầu

23

c. Gang dẻo


Tính chất chung của gang
Các loại gang khác nhau có tính chất và cơng dụng khác nhau. Đặc tính chung của gang là
cứng và giịn, có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn thép cacbon. Gang có độ chảy lỗng cao, độ co
ngót ít, dễ điền đầy vào khn nên có tính đúc tốt hơn thép. Gang là vật liệu chịu nén rất tốt,
chịu tải trọng tĩnh khá tốt và chịu mài mòn tốt. Tuy nhiên gang chịu va đập kém. Do vậy gang
được sử dụng trong gia công đúc để làm các chi tiết có hình dáng phức tạp như: vỏ máy, thân
máy, bánh đai, bánh đà, trục khuỷu, trục cán, ổ trượt, bánh răng …

b. Hộp giảm tốc
b. Máy tiện
Hình 2.2 : Cơng dụng của gang trong sản xuất cơ khí

2.1.2. Các yếu tố ảng hưởng đến tính chất của gang
Ảnh hưởng của thành phần hóa học
+ Cacbon (C): là ngun tố thúc đẩy q trình graphit hóa. Cacbon càng nhiều khả
năng graphit hóa càng mạnh, nhiệt độ nóng chảy càng thấp càng dễ đúc. Song cacbon càng
nhiều thì graphit cũng càng nhiều cơ tính kém. Do đó thường dùng gang ít C để đảm bảo độ
bền cao. Lƣợng cacbon thơng thường từ 2,8% ÷ 3,5%.
+ Silic (Si): Silic là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang, vì
nó thúc đẩy q trình graphit hóa. Hàm lượng Si tăng sẽ làm tăng độ chảy lỗng, tăng tính

chịu mài mịn và ăn mịn của gang. Thường thì hàm lượng Si trong gang là 1,5 ÷ 3%.
+ Mangan (Mn): Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản graphit
hóa. Bởi vậy trong gang trắng thường chứa 2 ÷ 2,5% Mn, trong gang xám lượng Mn không
quá 1,3%. Mn là nguyên tố tăng tính chịu mài mịn, tăng độ bền, giảm tác hại của lưu hùynh
(S).
+ Phốt pho (P): P là một nguyên tố khơng ảnh hưởng gì đến sự tạo thành graphit. Khi có
q nhiều photpho thì nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang, dễ gây nứt vật đúc. Tuy
nhiên P làm tăng tính chảy lỗng, tăng tính chống mài mòn, tác dụng này được sử dụng để
đúc tượng, chi tiết mỹ thuật. Trong trường hợp đúc các chi tiết thành mỏng, hàm lượng P trong
các chi tiết quan trọng khơng được q 0,1% cịn các chi tiết khơng quan trọng có thể tới 1,2%.
+ Lưu hùynh (S): là nguyên tố có hại trong gang, nó làm cản trở graphit hóa nên làm
giảm tính chảy lỗng do đó làm giảm tính đúc. Lưu hùynh làm giảm độ bền cho gang giịn. Vì
vậy thành phần S trong gang khơng q 0,1%.
Ảnh hưởng của tốc độ nguội
Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của gang là điều kiện đông đặc và làm nguội
của vật đúc. Tốc độ nguội nhanh thì ta được gang trắng, làm nguội chậm thì ta được gang xám.
Tốc độ nguội của gang đúc phụ thuộc vào loại khn đúc và chiều dày vật đúc.
Ví dụ: làm nguội chậm trong khuôn cát ta được gang xám. Làm nguội nhanh trong
khuôn kim loại ta được gang trắng. Tiết diện dày nguội chậm ta được gang xám.
24


2.1.3. Các loại gang thường dùng
Gang xám
Gang cầu
Gang dẻo
Gang trắng
2.1.4. Gang xám
Kí hiệu và thành phần
Kí hiệu:

- Theo tiêu chuẩn nhà nƣớc Việt Nam TCVN 1659 - 75 kí hiệu gang xám gồm 2 phần,
các chữ cái chỉ loại gang: GX và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ bền uốn.
Ví dụ: GX12-28 có các chỉ số độ bền là: δk = 12 Kg/mm2 (δk = 120N/mm2) và δu = 28
Kg/mm2 (δu = 280N/mm2).
Thành phần hóa học của gang xám nằm trong giới hạn sau: C: 2,8 ÷ 3,5%; Si: 1,5 ÷
3%; Mn: 0,5 ÷ 1%; P: 0,1 ÷ 0,2%; S ≤ 0,08% với các vật đúc nhỏ và 0,1 ÷ 0,12% đối với vật
đúc lớn.
Tính chất:
Do hình dạng và tính chất cơ học của graphit (có độ bền cơ học kém) do đó gang xám
có độ bền kéo, độ dẻo và độ dai thấp, độ bền 35 ÷ 40 Kg/mm2, độ cứng 150 ÷ 250 HB. Tuy
nhiên graphit có ưu điểm làm tăng độ chịu mịn của gang, có tác dụng như chất bơi trơn, làm
cho phôi gang dễ bị vụn khi cắt gọt, khử rung động và làm giảm độ co ngót khi đúc.
Cơng dụng:
Gang xám thường được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng nhỏ và ít bị va đập
như: thân máy, bệ máy, bánh đà, vỏ hộp giảm tốc, ống nước,… do chịu ma sát tốt nên đôi khi
gang xám dùng để chế tạo các ổ trƣợt và bánh răng.
Các mác GX12 - 28, GX15 -32 có độ bền khơng cao dùng để làm vỏ hộp, nắp che
(không chịu lực).
Các mác GX21 - 40, GX28 - 48 có độ bền cao hơn dùng làm bánh đà, thân máy.
Các mác GX36 - 56, GX40 - 60 có độ bền cao, dùng làm vỏ xi lanh, bánh răng chữ V,
trục chính…
2.1.5. Gang cầu
Kí hiệu và thành phần
Kí hiệu:
- Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 - 75 kí hiệu gang cầu gồm 2 phần,
các chữ cái chỉ loại gang: GC và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ giãn dài tương
đối.
Ví dụ: GC45-15 (kí hiệu theo tiêu chuẩn Liên Xơ cũ là Bч 45-15) có nghĩa là: gang cầu có
giới hạn bền kéo là 45Kg/mm2, độ giãn dài tương đối là 15%.
-Thành phần:

Thành phần hóa học của gang cầu sau khi biến cứng như sau: C: 3 ÷ 3,6%C; Si: 2 ÷3%; Mn:
0,5 ÷ 1%; Ni < 2%; Mg: 0,04 ÷ 0,08%; P ÷ 0,15%; S ÷ 0,03%.
Tính chất:
Vì graphit trong gang ở dạng cầu là dạng rất thu gọn nên ít ảnh hưởng đến nền kim loại . Do
đó gang cầu có cơ tính tổng hợp cao nhất so với các loại gang trên, độ dẻo và độ dai tương
đối cao. Gang cầu vừa có tính chất của thép (tương đương với các mác thép thông thường như
C20 – C45) vừa có tính chất của gang. Độ cứng và độ bền của gang cầu có thể tăng cao hơn
25