Cơ sở kỹ thuật cơ khí

— ae

D2 0Ì Nr)
củng GON

TƯ 'ĐÌNH SÙNG.

N IIIIIIIIIIIUIIHI 2

a NHÀ XUẤT BẠN XÂY DỰNG

BO XUAN ĐỊNH (chủ biên)

BULLE GON- PHAM DINH SUNG

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG

HÀ NỘI - 2001


LOI NOI DAU

Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật cơ khí " dàng để giảng dạy và học tập cho sinh viên

thuộc các chuyên ngành phi cơ khí tại trường Đại học Xây dựng.

Hiện tại, đây là giáo trình chính cung cấp những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật

cơ khí cho các sinh viên chính quy và tại chức chuyên ngành Vật liệu xây dựng, Kỹ

thuật mơi trường. Giáo trình có 3 phần, bao gồm 16 chương : Sâu chương đẩu cung cấp

những kiến thức cơ bản về vật liệu cơ khí, những khái niệm về nhiệt luyện, các phương

pháp gia công kim loại. Năm chương tiếp theo là những khái niệm về cơ cẩu và máy,

động học và động lực học của cơ cấu và máy đặc trưng. Năm chương cuối là những

khái niệm cơ bản về tính tốn thiết kế những chỉ tiết máy có cơng dụng chung.

Giáo trình “Cơ sở kỹ thuật cơ khí'do nhóm cán bộ giảng dạy bộ mơn Cơ sở cơ khí
biên soạn với sự phan cơng như sau:

- Ths. Phạm Đình Sùng viết các chương l, 2, 3, 4, 5,6.

- Ths. Bùi Lê Gôn viết các chương 7,8,9, 10, 11.

- PGS.TS. Đỗ Xuân Định chủ biên và viết các chương 12,13,14,15, l6.

Với giáo trình này, những người biên soạn chúng tôi mong muốn cung cấp cho
bạn đọc những khái niệm cơ bản nhất, tối thiểu nhất và dễ hiểu nhất về kỹ thuật cơ khú,
tạo thuận lợi cho người đọc trong quả trình học lập, tìm hiểu và khai thác hợp lý các
thiết bị và máy chun ngành. Trong q trình biên soạn sẽ khơng tránh khỏi những
khiếm khuyết, do vậy chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp bổ sung để
cuốn sách được hoàn thiện hơn.

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

- Bộ môn Cơ sở cơ khi, khoa Cơ khí xây dựng, trường Đại học Xây dựng, số 5%
đường Giải Phóng, Hà Nội.

- Nhà xuất bản Xây dựng - 37 Lê Đại Hành - Hà Nội.

Các tác giả


PHAN I
KIM LOAI HOC, NHIET LUYEN
VA CONG NGHE GIA CONG KIM LOAI

Chuong 1

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VA HOP KIM

1.1. KIM LOẠI VA NHUNG TINH CHAT QUAN TRONG CUA NO

1.L1. Kim loại,

Theo các nhà hoá học, kim loại được định nghĩa là những nguyên tố mà trong q
trình tham gia các phản ứng hố học chúng có xu hướng nhường điện tử ở lớp ngoài
cùng (các điện tử hoá trị). Theo các nhà kĩ thuật, kưm loại được quan niệm là các vật
thể có những dấu hiệu chung đặc trưng nh: khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt cao, có độ
bên tương đối cao, có khả năng biến dạng đẻo khi bị ngoại lực tác dụng, có ánh kừn
(nếu không bị che phủ bởi một lớp là sản phẩm của phần ứng hố học, ví dụ lớp oxH).
Trừ thuỷ ngân, tất cả các kim loạt Ô nhiệt độ bình thường đêu có cẩu trúc tỉnh thể.

Khoảng 3/4 các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hồn là kim loại, cịn lại
khoảng 1/4 các ngun tố là á kim, song giữa
kim loại và á kim khơng có ranh giới rõ rệt.

Liên kết ion là kết quả của các lực hút tĩnh ® (+) (+) (+)
điện giữa các ion trai dau, vi du NaCl. Lién két C) C) (+) @

đồng hố trị được hình thành do sự góp chung
các điện tử giữa hai hay nhiều nguyên tử. @ @ G) ©

Liên kết kim loại được hình thành do lực hút @ @ (+) ©

giữa các ion đương và các điện tử khơng bi rang .
buộc vào một ngun tử cụ thể nào. Có thể hình
Hình 1.1: Liên kết kưm loại
dung liên kết kim loại như sau (hình 1.1): các

ion đương tạo thành mạng xác định, trong đó
các điện tử hố trị tự do chuyển động như chất

khí lý tưởng.

Năng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây
điện tử tự do. Chính điều đó dẫn tới việc xuất hiện các cấu trúc hỗn hợp và tạo sự dịch
chuyền các nguyên tử mà liên kết vẫn không bị phá huỹ (liên quan đến biến dạng đẻo).

Trong liên kết ion và đồng hoá trị, các điện tử hố trị bị hút chặt và khơng thể tham
gia trong q trình tạo ra dịng điện, trong liên kết kim loại, các điện tử hóa trị tự do là
nguyên nhân gây ra độ dẫn điện của kim loại.

1.1.2. Hợp kim

Khi đem một kim loại nấu chảy với một hay nhiều nguyên tố khác ta được vật thể
mới có tính chất kim loại, thì vật thể đó là hợp kim. loại. Thông thường hàm lượng
trăm (%) khối lượng.
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim
các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị bằng số phần

Hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các lí do sau:
- Dễ chế tạo, giá thành rẻ hơn kim loại ngun chất..
- Có tính tổng hợp tốt hơn kim loại nguyên chất.
- Một số hợp kim có tính chất đặc biệt mà kim loại ngun chất khơng có như độ
bên cao, khối lượng riêng nhỏ, khơng gỉ, chịu nhiệt...

-“Tính cơng nghệ tốt (tính đúc, tính gia cơng cắt got...).

1.1.3. Những tính chất quan trọng của kim loại và hợp kim

a) Li tinh: Tinh dan điện, dẫn nhiệt, khối lượng riêng,
từ tính, nhiệt độ nóng chảy... Các tính chất này được
nghiên cứu để sử dụng kim loại và hợp kim một cách tối
ưu trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu về kinh tế và kỹ
thuật. Ví dụ: các hợp kim có khối lượng riêng nhỏ, có độ
bền cao (ví dụ đuyra) được sử dụng trong lĩnh vực hàng
khơng và vũ trụ. Đồng và nhơm có độ dẫn điện cao được
sử dụng trong lĩnh vực điện, điện tử.

b) Hố tính: Tính chống 4n mon trong các mơi trường
khác nhau.

c) Cơ tính: Cơ tính của vật liệu được xác định bằng Hình 12: Đường Cơng
các phương pháp thử khác nhau tuỳ theo bản chất tải ứng suất biển dụng (lực tác
(chủng loại, độ lớn, tốc độ) và môi trường tải (nhiệt dung - bién dang)
độ, thời gian, hoạt tính). Đơn giản và thơng dụng là
phương pháp thử kéo, trong đó mẫu thử kéo chịu lực mẫu đứt. Kết quả thử được
kéo một chiều trùng với trực mẫu, tăng đần cho tới khi giãn đài (hoặc ứng suất và
ghi trên giản đồ kéo biểu thị quan hệ giữa lực kéo và độ

biến dạng, trong đó phân biệt 3 giai đoạn) (hình Ï.2):

DB - Biến đạng thuận nghịch, SS

mất ngay sau khi bỏ tải hoặc ‘A
sau một thời gian xác định.

- Biến dạng khơng thuận
nghịch, cịn giữ lại sau khi bỏ tải.

- Phá huy khi vật liệu tách
đứt hoặc vỡ.

Một số chỉ tiêu cơ tính
quan trọng của kim loại và hợp
kim được xác định như trên
hình 1.2.

Độ cứng: Độ cứng được 20"
định nghĩa là khả năng chống
lại sự xâm nhập của vật Khác [im Hình 1.3 : Hinh dang céc dau do dé citng va vét in trén
vào vật liệu. Độ cứng được xác
định bằng cách ép một vật có vật liệu trong các phương pháp đo độ cứng
hình đạng nhất định (viên bị, a- Phương pháp Brinell ; b - Phương pháp Rockwell ;
hình nón, hình tứ diện) có độ
cứng đủ cao lên bể mặt vật € Phương pháp Vicker ; dc Phương pháp Knoop
liệu. Từ các số liệu về hình
dang vat ép và kích thước vết

in để lại trên bể mặt vật liệu

người ta tính được độ cứng
theo các thang khác nhau

(hình 1.3).

Tuỳ theo phương pháp đo
ta có độ cứng theo thang

Brinell(HB), Rockwell (HRC,HRB), Vicker (HV), Knoop (HK). Phuong phap

đo độ cứng Brrinell sử dụng viên bị thép tôi, mũi đo của phương pháp Rokwell
thường là mũi kim cương hình nón; hai phương pháp sau là mũi kim cương
hình tháp đêu và hình tháp cho vết đo hình thoi. Giữa độ cứng và giới hạn bền
kéo của một số vật liệu (đặc biệt là đối với thép cacbon thấp và thép hợp kim
thấp) có mối quan hệ:

Ø,=(2,1+4,1)HB a)

Đối với thép cacbon thấp sau thường hoá, người ta sử dụng giá trị 3,6; như vậy có
thể từ việc đo đơn giản độ cứng ta có thể xác định tương đối giá trị độ bền kéo của
vật liệu.

a) Tinh céng nghệ
Tổng hợp các tính chất cơ học và vật lí của vật liệu cho phép trong những điều kiện
nhất định và với phương pháp xử lí nhất định để chế tạo ra bán thành phẩm hoặc thành
phẩm được gọi là tính cơng nghệ của vật liệu. Những tính chất cơng nghệ quan trọng của

vật liệu như: tính hàn, tính đúc, tính gia cơng bằng áp lực, tính cắt gọt.
Ví dụ: Thép có tính hàn tốt hơn gang vì trong những điều kiện như nhau, thép có thể

tạo nên liên kết hàn tốt hơn và dễ dàng hơn so với liên kết hàn giữa hai chỉ tiết bằng
gang; tính đúc của gang tốt hơn của thép vì nhiệt độ nóng chảy của nó thấp, độ chảy
lỗng cao...

1.2. CẤU TẠO TINH THỂ CỦA KIM LOẠI

1.2.1. Mạng tỉnh thể
Trong các chất có cấu tạo tinh thể,
trong đó có kim loại, các nguyên tử.
được sắp xếp trong không gian theo
một trật tự hình học nhất định và tạo
thành mạng tỉnh thể. Phần không gian
nhỏ nhất mang mọi quy luật đặc trưng
cho I kiểu mạng gọi là ó cơ bản. Như
vậy có thể coi vô số các ô cơ bản xếp
liên tiếp nhau tạo thành mạng tinh thể.
Kích thước của ơ cơ bản gọi là thông
số mạng.

1.2.2. Các kiểu mạng tỉnh thể
thường gặp :

a) Mang tinh thể lập phương tâm
khối (Body Centered Cubic - BCC)

Ô cơ bản là một khối lập phương có Hình 1.4 : Các kiểu ô cơ bản thường
gấp của kim loại
cạnh là a. Các nguyên tử nằm tại đỉnh
va tam của hình lập phương (hình.4b). a- Ơ cơ bẩn mạng lận phương tâm mặt
Một số kim loại có kiểu mạng này như

b- Ô cơ bản mạng lập phương tâm khối
Fe- œ, Cr,W, Mo....
c- Ô cơ bản mạng sâu phương xếp chặt
b) Mạng tỉnh thể lập phương tâm

mặt (Face Centered Cubic-FCC)

Ô cơ bản là một khối lập phương

cạnh là a. Các nguyên tử nằm tại đỉnh

của khối lập phương và tâm của các mặt (hình 1.4a). Một số kim loại có kiểu mạng này

nhu Fe-y, Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag...
c) Mang tinh thé sau phương xếp chặt (Hexagonal Close-Packed - HCP)

Ô cơ sở của mạng sáu phương xếp chặt là khối lăng trụ lục giác với hằng số mạng là
a và c, các nguyên tử nằm ở 12 góc, tâm của 2 mặt đáy và tâm của 3 khối lăng trụ tam giác

đêu, cách nhau (hình 1.4c). Một số kim loại có kiểu mạng này nhu Zn, Mg, Ti, Co...

1.2.3. Một số đặc trưng của mang tinh thé
a) Thông số mạng (hằng số mạng), là kích thước cơ bản của ô cơ bẩn

Hệ BCC: Thông số mạng là a, đường chéo của hình lập phương là d, bán kính
nguyên tử là r, các nguyên tử tiếp xúc nhau theo đường chéo của hình lập phương, ta có:
4r=d= a3 —=r=av3/4

Hệ FCC: Tương tự trên ta có Ár = a2. => r = ax/2/4(các nguyên tử tiếp xúc nhau
trên đường chéo của hình vng mặt của hình lập phương).

Hệ HCP: Thơng số mạng là a vac, ta có c/a = 1,633
b) Mật độ nguyên tử của mạng tỉnh thể
Mật độ nguyên tử của mạng tỉnh thể M là tỉ số giữa thể tích các nguyên tử nằm trọn
trong 1 ô cơ bản và thể tích của ơ cơ bản tính ra phần trăm :

M = =~ 100%V (1.2)

Trong đó: n - Số nguyên tử nằm trọn trong 1 ô cơ bản
v- Thể tích của l nguyên tủ
V - Thể tích của ơ cơ bản.

Vi du. Mang lập phương khối (BCC):

n= 8x 8 +] =2
4_ +:

v= -ñr
3

Vea

av3
r=———

4

24 „(a3 100% = 68%

M= —3 4

a

Tương tự ta có đốt với mạng lập phương tâm mặt M = 74% và mạng sáu phương xếp
chat M = 74%.

1.2.4. Chuyển biến pha của kim loại

Thơng thường mỗi kim loại có một kiểu mạng nhất định. Một số kim loại khi ở các
khoảng nhiệt độ khác nhau có các kiểu mạng khác nhau và quá trình chuyển biến từ
kiểu mạng này sang kiểu mạng khác phụ thuộc vào nhiệt độ gọi là chuyển biến pha
(chuyển biến thù hình). Tính chất này của kim loại được gọi là tính thù hình.

Người ta kí hiệu các dạng thù hình của I nguyên tố bằng các chữ Hi Lạp œ, B, Y...

Vi du: Sat LF + | MG? te tht

Ở nhiệt độ dưới 911°C sắt có mạng tỉnh | —T\zzx 7T T7 TT TT F

thể là lập phương tâm khối (a ~ 2,88KX). §
»
Tại nhiệt độ 768°C là nhiệt độ chuyển 8
biến từ (nhiệt độ Curie): ở dưới nhiệt độ
768°C sắt có từ tính, trên nhiệt độ 768°C __—___1_ v
sắt mất từ tính. Như vậy ở nhiệt độ 768°C
chỉ có chuyển biến từ chứ khơng có 2
chuyển biến về cấu trúc mạng tỉnh thể,
chuyển biến tại nhiệt độ này còn được gọi Hình L5 : Chuyển biến thủ hình của Fe
là chuyển pha loại HH theo Landao. Ở

khoảng nhiệt độ từ 911°C đến 1392°C sắt
có mạng tinh thể lập phương tâm mặt
(a = 3,64KX) được kí hiệu là Fe - y. Trong
khoảng nhiệt độ 1392°C dén 1539°C
(nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất),

sắt có mạng lập phương tâm khối

(a =2,93 KX) ở nhiệt độ trên 1539°C, sắt

ton tại ở trạng thái lỏng.

1.3. SAI LECH MANG TINH THE

Cấu trúc mạng tính thể đã nêuở trên là cấu trúc của tỉnh thể lí tưởng vì khi đã xét bỏ
qua dao động nhiệt và các sai hỏng trong trật tự sắp xếp các nguyên tử. Sau đây ta xét
một số sai lệch mạng tính thể (khuyết tật mạng) có những ảnh hưởng rõ ràng đến một
số tính chất của kim loại như ứng xử của kim loại khi có ngoại lực tác dụng (biến cứng,
biến dạng dẻo), độ đẫn điện,...

1.3.1. Sai lệch điểm

Đó là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ kích thước ngun tử) (hình 1.6) các sai
lệch điểm cơ bản là nút trống (khơng có ngun tử tại vị trí nút mạng), ngun tử xen
kẽ. Ngồi ra cịn có sai lệch do nguyên tử của tạp chất, có thể nằm xen kế giữa các nút
mạng hoặc thay thế vị trí của nguyên tử của kim loại cơ bản.

10

`

Hinh 1.6: So dé sai léch diém

a- Nút trống ;

b- Xen kế

@ (nguyên tử của kim loại cơ bản);

t- Xen kế (tạp chất);

e of Z đ- Nguyên tử thay thế (tạp chất).

Nút trống có ảnh hưởng lớn đến cơ chế và tốc độ khuyếch tán của kim loại và hợp
kim (ví dụ khi ủ đồng đều hóa thành phần hợp kim). Nguyên tử xen kẽ dễ khuyếch tán
hơn so với nguyên tử thay thế vì khơng cần nút trống làm trung gian. Các nguyên tir tap
có thể tương tác và cản trở chuyển động của lệch, vì vậy chúng có ảnh hưởng đến cơ
chế, hình thái biến dang dẻo.

1.3.2. Sai lệch đường - lệch
Sai lệch đường - gọi là /ệch (dislocation) là loại sai lệch có kích thước nhỏ (cỡ
nguyên tử) theo hai chiều và rất lớn theo chiều thứ 3 trong tinh thé.
đa) Lệch biên
Có thể hình dung lệch biên bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng nguyên tử
ABCD vào nửa phần trên của tỉnh thể lí tưởng (hình 1.7a) sự xuất biện thêm nửa mặt
làm cho các mặt phẳng nguyên tử khác nằm về hai phía trở nên khơng hồn tồn song
song với nhau. Nửa tính thể phía trên đường AB chịu ứng suất nén, nửa dưới chịu ứng
suất kéo. Đường AB có chiều đài hàng vạn hằng số mạng gọi là trục lệch, là biên giới
phía trong của nửa mặt A BCD, vì vậy gọi là lệch biên.

c

11

Hình 1.7 : Mơ hình tạo lệch trong mạng tỉnh thể
b) Lệch xoắn

Có thể hình dung bằng mơ hình trượt ép (hình 1.8). Cắt tỉnh thể lí tưởng theo một
nửa mặt phẳng ABCD, xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau sao cho các nguyên tử
mặt ngoài xê dịch một đoạn bằng hằng số mạng theo đường CD, Như vậy các nguyên tử
sẽ xắp xếp lại quanh AB theo đường xoắn ốc (hình 1.8b), AB gọi là trục của lệch xoắn.

c) Lệch hỗn hợp
Trong thực tế rất nhiều trường hợp một lệch có đặc trưng của cả lệch biên và lệch
xoắn, đó là lệch hỗn hợp,(xem thêm chương 3).

L4

1.4. SỰKẾT TINH Hình L8 : Mơ hình tạo lệch xoắn (a) và sự xắp xếp các
nguyên tử xung quanh đường lệch xoắn (b)

CỦA KIM LOẠI TỪTRẠNG THÁI LỎNG

1.4.1. Định nghĩa

Sự kết tỉnh là quá trình hình thành mạng tỉnh thể khi vật chất chuyển từ trạng thái
long sang trang thái rắn, tức là quá trình các nguyên tử chuyển từ trạng thái sắp xếp hỗn
loạn sang trạng thái sắp xếp có quy luật. Nhiệt độ mà ở đó. xảy ra q trình kết tỉnh gọi
là nhiệt độ kết tính Tị,. Đối với các chất có cấu tric tinh thé, T,, = const.

Sự phụ thuộc của năng lượng tự do của pha rấn và pha lỏng vào nhiệt độ như trên
hinh 1.11.

Tại nhiệt độ Tị,, G, = G,, có sự cân bằng giữa thể rắn và thể lỏng, chưa xảy ra kết

tinh.

12

Khi T > T„„ G, > Gạ„ vật chất tồn tại ở thể lỏng (có năng lượng thấp).
KhiT < Tụ, G, < G,, vật chất tồn tại ở thể
lỗng (có năng lượng thấp). BST <7

1.4.2. Cơ cấu của quá trình kết tinh

Q trình kết tính được đặc trưng bằng 2
quá trình:

- Tốc độ tạo ra các mầm kết tỉnh, tức là số
lượng mầm kết tỉnh (N) xuất hiện trong một
đơn vị thể tích pha-lỏng trong đơn vị thời
gian.
! 117}L 17LI

- Tốc độ lớn lên của mầm kết tính (s), tức †2l Sự phụ thuộc của năng
là tốc độ dịch chuyển biên tỉnh thể - pha lỏng Hình 1.9 - pha rắn (Œ,) và pha lỏng
vào trong kim loại lỏng. lượng tự do của
vào nhiệt đệ.
Có hai loại mầm kết tỉnh: (G)
lỏng

- Mam tự sinh: sinh ra từ bản thân kim loại
các chất
- Mầm không tự sinh: sinh ra trên bề mặt các chất
rắn có sẵn như thành khn, tạp chất hoặc
khác có mặt trong kim loại lỏng.

Việc xuất hiện tâm mầm thể tích v làm giảm năng
lượng tự do (eltalpy tự do) của hệ một lượng v.AG,
(AG, - chuyển biến năng lượng tự do khi kết tỉnh I g
nguyên tử chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
rắn). Mặt khác năng lượng để tạo ra bề mặt là ©.y (y -
sức căng bề mặt).Sự biến đổi năng lượng tự do phụ
thuộc vào bán kính tâm mầm như trên hình 1.10

Từ hình 1.10 ta có thể rút ra nhận xét: chỉ có những Hình 1.10 : Sự thay đổi
tâm mầm có bán kính lớn hơn bán kính tới hạn r, mới năng lượng tự do AG của tâm
phát triển lớn lên được vì nó gắn liền với quá trình mâm phụ thuộc vào bán kính
giảm năng lượng tự đo (entalpy) của hệ.
tâm mầm
1.4.3. Độ hạt
¬ . ` ¬ ` có mạng thống nhất và phương
Mỗi tâm mầm sau này phát triển lên thành | hat và Có thé coi don tinh thé là một
tạo nên đa tính thể. Các hạt có định hướng khác nhau
và phân cách nhau bằng biên giới hạt. Nếu vật tinh thể
khơng đối trong tồn bộ thể tích thì gọi là đơn tỉnh thể.
hạt duy nhất. :

13

Độ hạt có ý nghĩa quan trọng vì nó ảnh hưởng đến cơ tính (giới hạn chảy) theo biểu

thức Hail-Petch:

ô,=ô,+—= (1.3)
vD

Trong đó: ơ.„ k - hằng số của vật liệu

D- kích. thước trung bình của hạt -

Vậy để tăng cơ tính, người ta dùng các biện pháp để làm nhỏ hạt, có thể dùng một số
phương pháp sau:

- Tăng tốc độ làm nguội

- Pha thêm một số chất đóng vai trị mầm khơng tự sinh (ví dụ cho AI vào thép lỏng,
AI phản ứng với ô xy tạo Al;O; và nó đóng vai trị mầm kết tỉnh) số lượng mầm kết tỉnh
lớn dẫn đến kích thước dưới hạt nhỏ

- Cho vào kim loại lỏng chất biến tính làm giảm tốc độ phát triển mầm
- Dùng cơ học, vật lí để tăng số lượng tâm mầm, giảm tốc độ phát triển mầm như:
dùng rung động, siêu âm, từ trường...

1.4.4. Tổ chức của thỏi đúc

Tổ chức đặc trưng của thỏi đúc kim Hình 1.11: Tổ chức
loại gồm 3 vùng: vùng da đúc, vùng tỉnh
thể hình trụ và vùng tính thể hạt thô đều ba vùng của thối đúc
1) Ving da đúc;
trục (hình 1.11). 2) Vũng tinh thé.
hình trụ;

1.5. HỢP KIM cdc kim loai nguyén CN, 3) Vàng tỉnh thể thô
Trong thuc té, rất hạn chế trong một và đều tfi rục
người ta sử dụng rộng (LC : 16m co).
chất được sử dụng
số lĩnh vực hẹp mà
rãi các hợp kim.

Hop kim la su két hop ctia hai hodc nhiéu nguyén té trong dé nguyén té chinh la kim
loại và bản thân hop kưm mạng tính chất kim loại.

1.5.1. Tính chất của hợp kim

So với kim loại nguyên chất, hợp kim có một số tính chất sau:

a) Có cơ tính cao hơn so với kim loại: giới hạn bên, độ cứng cao hơn so với kim loại,

độ dãn dài tương đối, độ thắt tỷ đối và độ dai va chạm vẫn đảm bảo.

b) Tính cơng nghệ như tính đúc, tính hàn, tính gia cơng cắt gọt được cải thiện hơn so
với kim loại. .

14

‘c) Mot sé hop kim cé tinh chất hod lí đặc biệt: thép hợp kim có hàm lượng
Cr > 12,5% có khả năng chống ăn mịn tốt (thép khơng gÌ);thép có hàm lượng Mn > 2%
chịu va đập tốt, thép có chứa Ni, Co... có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao.

1.5.2. Các thành phần chủ yếu của tổ chức hợp kim

a) Dung dich rdn (dung dich đặc)

Phần lớn các kim loại có thể pha trộn với nhau (hồ tan) ở trạng thái lỏng tạo nên chất
lơng đồng nhất. Ở một số hợp kim, khả năng pha trộn này vẫn giữ được ở trạng thái rắn tạo
nên pha có cấu tạo riêng biệt được gọi là dung dich rắn. Dưới kính hiển vi, tổ chức của dung
dich ran giống tổ chức của kim loại nguyên chất (hình 1.12a). Trong dung dich rắn, kim loại
cơ sở chiếm phần lớn và được gọi là dung môi, nguyên tố khác chiếm hàm lượng ít hơn gọi là
ngun tố hồ tan. Tuỳ theo vị trí của ngun tố hồ tan ta phân biệt:
- Dung dịch rắn thay thế: Nguyên tử của nguyên tố hoà tan thay thế vị trí ngun tử
của dung mơi.
- Dung dich rấn xen kẽ: Nguyên tử của nguyên tố hoà tan nằm xen kẽ giữa các
nguyên tử của dung môi.
b) Hợp chất hoá học
Các ngun tử của các ngun tố có tính chất điện hoá khác nhau kết hợp với nhau
ứng với một cơng thức hố học nhất định tạo nên hợp chất hố học (Ví dụ: Fe;C,
T¡C...). Chúng có mạng tỉnh thể khác với mạng tỉnh thể của kim loại thành phần, thường
có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao.
e) Hỗn hợp cơ học
Hai ngun tố A và B khơng có khả năng hồ tan vào nhau tạo thành dung dịch rắn,
khơng có phản ứng hoá học với nhau để tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ tạo thành
những hạt riêng rẽ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý tạo nên hỗn hợp cơ học,
(hình 1.12b)

A

2 4)

Hình 1.12. a) Dung dịch rắn; b) Hỗn hợp cơ học

15

Hồn hợp cơ học có thể giữa hai kim loại, giữa hai dung dịch đặc, giữa dung dịch đặc

với hợp chất hoá học.

1.6. HỢP KIM SẮT - CAC BON cacbon.

Hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp là hợp kim sắt -
Tuỳ theo hàm lượng của cacbon, ta có thể có sắt nguyên chất, thép hoặc gang.

1.6.1. Một số khái niệm cơ bản

Trước hết ta xét một số khái niệm:

- Cấu tử là các nguyên tố hay hợp chất hoá học bền vững tạo nên vật liệu. ;

- Hệ là từ dùng dé chỉ một tập hợp vật thé riêng biệt của vật liệu trong điều kiện xác
định hoặc là một loại hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau.

- Pha là tổ hợp có thành phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và tính chất vật
lí, hố học, cơ học xác định, được phân cách với pha khác bởi bề mặt phân cách pha mà
tại đó các tính chất thay đổi đột ngột.

Vi du:

- Nước O°C là hệ một cấu tử (hợp chất hóa học bền vững H;O) và có hai pha (pha rắn -
nước đá, pha lỏng - nước). Ni) song chỉ có 1 pha (dung
đổi được trong thời hạn xác
- Chỉ tiết bằng hợp kim Cu - Ni là hệ 2 cấu tử (Cu và làm thay đổi số pha đã có.
địch rắn của hai kim loai).

- Bậc tự do là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay
định mà khơng làm thay đổi trạng thái của hệ, tức là không

Kí hiệu số pha P (Phase), số cấu tử C (Component) và số bậc tự do F (Freedom),
chúng liên quan đến nhau theo quy tắc pha của Gibbs:

F=C-P+l

Ví dụ: Kim loại nguyên chất (C = 1) khi nóng chảy hoặc kết tính tồn tại hai pha,
(đồng, rắn) số bậc tự do F = 1 - 2 + 1 =0, Điều này chứng tỏ kim loại nguyên chất kết
“tỉnh hay nóng chảy ở nhiệt độ không đổi.

Hợp kim Cu - Ni ở nhiệt độ thường là dung dịch rắn, khi nung nóng sẽ trở thành dung
dịch lỏng, trong q trình nóng chảy, số pha là 2, số bac ty do bang 1 (F = 2-2 + I= 1),
điều này chứng tỏ quá trình trên xảy ra trong một khoảng nhiệt độ (nhiệt độ biến đổi),
hoặc tại một nhiệt độ nào đó trong q trình nóng chảy ta có thể thay đổi chút ít thành
phần mà vẫn giữ cho hợp kim ở trạng thái hai pha này.

1.6.2. Giản đồ pha và công dụng
Giản đồ pha (hay còn gọi là giản đồ trạng thái) của một hệ là công cụ biểu thị mối
quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng.

16

Các giản để pha được xây dựng bằng thực nghiệm. Từ giản đồ pha của hệ hai cẩu tủ đề
đàng xác định được các thông tin sau cho một thành phần xác định ở nhiệt độ nào dé:

- Các pha tồn tại: căn cứ vào nhiệt độ và thành phần đã cho ta sẽ xác định được tổ
chức pha tương ứng.

- Thành phần pha
- fyý lệ giữa các pha

~ Nhiệt độ chảy (kết tình) của vật liệu
- Các chuyển biến pha: sự xuất hiện và biến rnất của các pha khi nung nóng và lầm nguội,

1.6.3. Giản độ pha Ếe - C (Pe - Fe,C)

Trong thực tế chỉ kháo sát giản độ với lượng C từ 05% đến 6,67% (lương ứng với hợp
chat xémemitit Fe,©). :

Fe có hai loại mạng tỉnh thể với ba dạng thù hình: mạng lập phương tâm mặt tồn tại ;

trong khoảng Ø11Ÿ - 1392°C có kí hiệu là y - Fe, cịn ngồi khoảng đó là mạng lập

phương tâm khối: dưới S11°C có ký hiệu là œ - Fe và 1492 - 15329°C (nhiệt độ nóng

chảy của Ec) có kí hiệu Š - Fe. Khi đưa C vào, trước tiên nó hồ tan trong Ee tạo rên

các dụng dịch rấn xen kẽ và làm thay đối các nhiệt độ chuyển biển thù hình, khi vượt
quả giới hạn hoà tan lượng C thừa kết hợp với Ee thành Fc;C

®Z
1600
A, A a Z
om
ty A TH

1208 ÀNGG ere oo £ mr (aa aaa awe Ale Á*XếyỲY £

1009 |
é
oar a0 hy ‘ Ye X8y nL £8 « Xdy

ad `, vẻ, 727 x
# [ -
địt ` &
x %

Hộ ® soo —¬ & Pe Xe Pe xed & ầ 4ê + Xếy
=
vg ý

HORN ở
x Ị %
“e SA L £ ải i | é
3ể7 2? 3 +1 se Fae

Thee Gang i
đinh 1.13: Giản 46 pha Fe C (Fe - Fe €}

7

ABCD - dường lòng: AFIECP - đường đặc ; E5 - giới hạn hoà tan C trong y - Fe:
PQ - giới hạn hoà tan C trong œ - Fe ; ECP - đường cùng tĩnh: PSK đường cũng tích,

Trong giản đồ pha này có 3 chuyển biến điển hình:
- Chuyển biến bao tinh xay ra & 1499°C trong ede hep kim 0,1 - O,5%C (dudng HIB):

nguội
3, 9 — nae (1.4)
nung

~ Chuyển biến cing tinh xay ra G E14 3s °C trong cdc hop kim 2,14 - 6,67 %C (dudng ECF:

Lo —Tm ty, + Fe C) (1.5)
nung

- Chuyén bién cing tich xay ra & 727°C trong moi hop kim (duéng PSK)

Y worenguội (oe + Fe) (1.63

nung

1.6.3.1. Các tổ chức một pha

Các tổ chức một pha trên gián để là L„ 6, y, œ, Fe;C, graphil:

c eo `2

Hink £34.76 chite t& vi cua Fevit (aj va austenit (b} (x S00)
Ferit (a. Fa - Fe(c}). La dung dịch rấn xen kế của C trong œ - Fe với mạng lận
phương tâm khối (a = 0,286 - Ĩ.290nm), có tính sắt từ đến 728°C (nhiệt độ Curie), Co

tính của ferH chính là của sát nguyên chất: đẻo đại, mềm, kém bên.
Austenit (7, Avy - Fe(C)) 18 dung dich rin xen ké cha C trong +ÿ - Fe với mạng lập

phương tâm mật (a « Õ,364nm) với lượng hồ tan đáng kể (tới 2,L4%C ở † HC - điểm
E: ở 72720 còn 0,8 %C - điểm S) Austenit chỉ tổn tại ở nhiệt độ cao trong vùng NJESG,
khơng có quan hệ gì đến hợp kùn ở nhiệt độ phịng, nhưng lại đóng vai trị chủ yếu
trong gia cơng và nhiệt luyện, làm nguội anstemit với tốc độ khác nhau sẽ nhận dược các
tổ chức đáp ứng được các yêu cầu khác nhau khi sử đụng và gia cơng.

tđ

Xémentit (Xé, Fe;C) la hop chat hod học có cơng thitc Fe,C và thành phần 6,67%C;
Đặc tính của Xê là cứng và giịn, cùng với ferit nó tạo nên tổ chức của hợp kim Fe-C,
lượng Xê phan tan trong ferit lam tang mạnh độ bền, độ cứng.

Graphit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe-C cao và chứa lượng S¡ đáng kể, là một
pha quan trọng trong tổ chức của gang.

1.6.3.2. Các tổ chức hai pha

Peclit (Viết tát P) là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit tạo thành từ dung dụch rắn
austenit với 0.8%C ở 727°C như phản ứng (1.6). Trong peclit có 88% œ và 12 % Fe,C
và phân bố đều trong nhau, nó kết hợp các đặc tính của hai pha thành phần nên khá bền
cứng, déo đai, Có 2 loại peclit: tấm và hạt (hình 1.15) peclit tấm: vạch tối là Fe¿C, nền
sáng là ferit, peclit hạt: Fe;C ở dạng hạt phân bố trên nền feri.

Hình 1.15- Tổ chức tế tỉ của peclt tấm (a} tà pectit hạt (b) (x590)

Lêđêburit (viết tắt Lê) là hỗn hợp cùng
tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ
pha lỏng với 4.3% C ở 1147°C, khi làm

nguội tiếp tục austenit chuyển biến thành
peclit nên tổ chức tế vi (hình I.16) cuối
cùng là hỗn hợp của peclit (tấm) với

xêmemiit, Lê cứng và giịn (vì có tới 2/3 là
Xê) và chỉ có trong hợp kim Fe-C ở dạng

gang trang.

1.6.4. Phân loại thép, gang và một số Hình 1.16: Tổ chức tế vi
quy ước kim Fe-C
nguyên tố của lêđêbu(xri50t0)
Thép và gang đều là hợp
(ngoài ra có thể có một số các

19