bài giảng vật liệu cơ khí

1
B
Ộ CÔNG TH
ƯƠNG
TRƯ
ỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG
BÀI GI
ẢNG
H
ỌC PHẦN
V
ẬT LIỆU CƠ KHÍ
(Lưu hành n
ội bộ
)
Ngư
ời biên soạn:
Hoàng Vi
ệt Nam
Hoàng Minh Thu
ận
Uông Bí, năm 2010
2
CHƯƠNG I. C
ẤU
T
ẠO
TINH TH
Ể
C
ỦA

V
ẬT
LI
ỆU
KIM LO
ẠI
1.1. Khái ni
ệm
và đ
ặc
đi
ểm
c
ủa
kim lo
ại
1.1.1. Đ
ịnh
ngh
ĩa
kim lo
ại
Kim lo
ại l
à do một nguyên tố hoá học tạo nên với tính chất đặc trưng là
d
ẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có ánh kim. Hiện nay có trên 85 nguyên tố kim
lo
ại (V
D: S

ắt Fe; Đồng Cu; Nhôm AL; Kẽm Zn;
)
1.1.2. Đ
ặc
đi
ểm
c
ấu
t
ạo
nguyên t
ử
c
ủa
kim lo
ại
* Ch
ất kết tinh và chất vô định hình:
+ Ch
ất kết tinh (chất tinh thể): l
à những chất kết cấu rắn có dạng hình học
xác đ
ịnh và có những đặc điểm:
- Các nguyên t
ử sắp xếp có hệ thống;
- Khi nung lên nhi
ệt đ
ộ cao th
ì chuy
ển từ thể rắn sang thể lỏng.

+ Ch
ất vô định hình: là những chất có hình dạng không xá định như thuỷ
tinh, keo, sáp, nh
ựa thông, hắctín, thuỷ ngân, và có những đặc điểm sau:
- Các nguyên t
ử sắp xếp không có hệ thống;
- Khi nung lên nhiệt độ cao thì chuyển từ thể rắn sang thể nhão rồi sang
th
ể lỏng;
- B
ề mặt gẫy nhẵn không có dạng hạt.
* C
ấu tạo tinh thể của kim loại:
a) b)
Hình 1.1. Ô c
ơ sở và thông số mạng của mạng vật rắn tinh thể
T
ất cả các kim loại ở trạng thái rắn đ
ều l
à những chất có cấu tạo tinh thể.
Trong các chất có cấu tạo tinh thể, các nguyên tử, ion chiếm những vị trí nhất
đ
ịnh trong không gian hay nói cách khác, chúng sắp xếp theo một trật tự, quy
lu
ật nhất định tạo n
ên mạng tinh thể.Trong mạng tinh thể, các
nguyên t
ử dao
đ
ộng xung quanh các nút mạng tinh thể như dao động quanh vị trí cân bằng.

Hình 1.1a bi
ểu diễn một phần của mạng tinh thể (mạng tinh thể lập
phương đơn gi
ản) trong đó các iôn kim loại đ
ược biểu diễn bằng những vòng
tròn nh
ỏ nằm ở các nút của h
ình l
ập phương gọi là nút mạng.
Ph
ần nhỏ nhất và đặc trưng cho một loại mạng tinh thể nào đó được gọi
Z
Y
X
b
c
a
3
là ô cơ b
ản (hình 1.1b). nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể.
Khi nghiên c
ứu một mạng tinh thể n
ào đó, ta chỉ cần nghiên cứu một ô cơ
b
ản
là đ
ủ.
M
ạng tinh thể thường gặp của kim loại có các kiểu sau:
- M

ạng lập ph
ương thể tâm: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các ion nằm
ở các nút (đỉnh) v
àở tâm của hình lập phương; số nguyên tử có trong ô cơ bản là 2.
Hình 1.2. M
ạng lập ph
ương t
h
ể tâm
- Mạng lập phương diện tâm: Trong ô cơ bản, các ion nằm ở các nút
(đ
ỉnh) của h
ình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương; số
nguyên t
ử trong ô cơ bản là 4.
Hình 1.3. M
ạng lập phương diện tâm
- M
ạng lục giác xếp chặt: Cấu
trúc như m
ột lăng trụ lục giác. Hai đáy l
à
hai ti
ết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh và một nguyên tử
n
ằm ở tâm đáy; ngoài ra còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2
đáy; s
ố nguy
ên tử trong ô cơ bản là 6.
Hình 1.4. M

ạng lục giác xếp chặt
4
1.1.3. Liên k
ết
kim lo
ại
Trong kim lo
ại phần lớn các
nguyên t
ử nhường bớt điện tử để trở
thành ion dương c
òn các điện tử trở
thành đi
ện tử tự do. Các điện tử n
ày
không b
ị chi phối bởi một nguyên tử
nào c
ả. Giữa các ion dương vớ
i nhau
và các đi
ện tử với nhau sẽ tồn tại lực
đ
ẩy, giữa ion và điện tử sinh ra lưc
hút. S
ự cân bằng giữa các lực n
ày là
cơ s
ở của liên kết kim loại. Đây là
d

ạng liên kết quan trọng của kim
lo
ại, nhờ mối li
ên kết này mà kim
lo
ại có tính dẻo rất cao
1.2. C
ấu
t
ạo
m
ạng
tinh th
ể
c
ủa
kim lo
ại
nguyên ch
ất
1.2.1. Các khái ni
ệm
v
ề
m
ạng
tinh th
ể
Trong kim lo
ại thực tế các nguy

ên tử không hoàn toàn nằm ở các vị trí một
cách tr
ật tự như đã nói ở trên mà luôn luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí
gây nên sai l
ệch mạng.
Trong th
ực tế không có kim loại nguyên chất tuyệt đối.
Do v
ậy trong
kim lo
ại bao giờ cũng có các tạp chất.
Kích thư
ớc các nguy
ên tử lạ
này luôn khác nguyên t
ử kim loại nên gây ra sai lệch trong mạng tinh thể. Sai
l
ệch mạng tinh thể
chi
ếm số lượng rất thấp
(1-2% th
ể tích mạng) nhưng ảnh
hư
ởng rất lớn đến c
ơ tính của
kim lo
ại
.
1.2.2. Các ki
ểu

m
ạng
tinh th
ể
thư
ờng
g
ặp
c
ủa
kim lo
ại
Trong các kim lo
ại thông dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau đây
:
1.5
1.6
Hình 1.5. Liên k
ế
t kim lo
ại
5
a) L
ập phương tâm khối
(th
ể tâm A2)
: Các nguyên t
ử nằm ở các đỉnh và ở
trung tâm c
ủa khối lập ph

ương . Nếu coi các nguyên tử là hình cầu và biểu diễn gần
như th
ật thì các nguyên tử nằm ở các đỉnh chéo nhau của khối lập phương tiếp xúc
v
ới nhau qua nguyên tử ở trung tâm. Các nguyên tử
còn l
ại
không ti
ếp xúc với
nhau. Ki
ểu mạng n
ày có trong các kim loại
Fea, Cr, Mo,V. Kho
ảng cách gần
Ki
ểu mạng này có một thông số mạng là a.
b) L
ập phương tâm mặt (diện tâm A1)
: Các nguyên t
ử nằm ở các đỉnh và
tâm c
ủa
các m
ặt bên khối lập phương. Nếu coi các n
guyên t
ử là hình cầu và biểu
di
ễn gần nh
ư
th

ật th
ì nguyên tử nằm ở đỉnh và tâm của các mặt bên thì tiếp xúc
v
ới nhau.Các nguyên
t
ử còn lại không tiếp xúc với nhau. Khoảng cách gần nhất
gi
ữa hai nguy
ên tử là
2
2a
d 
và
4
2a
r 
ki
ểu mạng n
ày chỉ có một thông số mạng là a. Thường gặp
trong các kim lo
ại
Feg, Cu, Ni, Al, Pb
c) Sáu phương x
ếp chặt
(l
ục giác xếp chặt A3): Các nguyên tử nằm ở các
đỉnh và ở tâm hai mặt đáy của hình lăng trụ lục giác đều .Ba nguyên tử nằm ở
trung tâm ba lăng tr
ụ tam giác cách nhau.Mạng sáu phương xếp chặt có hai
thông s

ố mạng l
à a và c, tỷ số
c/a g
ọi l
à hệ số xếp chặt.
Hình 1.7. Mô hình và cách
sắp xấp nguyên tử trong khối
cơ sở
a) Lập phương tâm mặt
b) L
ập phương tâm khối
c) Sáu phương x
ếp chặt
6
Trong trư
ờng hợp lý tưởng
633,1
3
8

a
c
.Trong th
ực tế tỉ số c/a không
đúng là 1,633 mà dao đ
ộng trong trong khoảng 1,57
 1,64 và c
ũng được coi là
x
ếp chặt. Các

kim lo
ại có kiểu mạng n
ày là: Zn, Cd, Coa, Mg, Ti, Ru
d) Chính phương tâm kh
ối
(th
ể tâm): Trong tổ chức của thép sau khi tôi
(mactenxit) còn có ki
ểu mạng chính ph
ương tâm khối .
Có th
ể coi kiểu mạng
này là lập phương tâm khối được kéo dài theo một chiều. Nó có hai thông số
m
ạng l
à a và c, tỉ số
c/a g
ọi l
à độ chính phương.Trong thực tế sự sắp xếp của các
nguyên t
ử trong kim loại theo xu hướng dày đặc
nh
ất. Do đó không có kim loại
nào có ki
ểu mạng đơn giản chính phương tâm khối cả .
1.2.3. Tính thù hình c
ủa
kim lo
ại
a) Khái ni

ệm và ví dụ:
Khá nhi
ều kim loại có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau ở các khoảng
nhi
ệt
đ
ộ và áp suất khác nhau, tính chất đó gọi là tính đa hìn
h. Nhi
ệt độ mà tại
đó kim loại chuyển từ kiểu mạng này sang kiểu mạng khác gọi là nhiệt độ tới
h
ạn của chuyển biến đa hình. Nhiệt độ này còn phụ thuộc vào tốc độ nung nóng,
t
ốc độ l
àm nguội và
tr
ạng thái ban đầu của kim loại
. Các d
ạng đa h
ình khác nhau
c
ủa
m
ột nguyên tố đượ
c ký hi
ệu bằng các chữ Hy lạp cổ
: , ,  Trong đó a là
ký hi
ệu cho dạng đa h
ình ở nhiệt độ thấp nhất, các chữ còn lại ký hiệu lần lượt ở

các nhi
ệt độ cao hơn.
1.8
7
b) S
ự thay đổi tính chất khi có chuyển biến đa
hình:
Khi có chuy
ển biến đa hình các kim loại đều có sự thay đổi các tinh chất
c
ủa chúng.
- Th
ể tích riêng thay đổi:
T
ừ Fe

sang Fe

th
ể tích của có giảm đi kho
ảng
1%. T
ừ Sn

sang Sn

th
ể tích tăng lên 25%
- Thay đ
ổi về c

ơ tính: từ Sn

sang Sn

đ
ộ bền khô
ng còn n
ữa
- Thay đổi về lý tính: do sự sắp xếp của nguyên tử có thay đổi nên nhiệt
dung, đi
ện trở đều biến đổi đi.
S
ự thay đổi tính chất của kim loại khi chuyển biến đa hình được nghiên cứu
k
ỹ lưỡng để tận dụng các tính chất có lợi và ngăn ngừa các mặ
t b
ất lợi.
Tính đa
hình c
ủa sắt đ
ược sử dụng rất nhiều trong nhiệt luyện
1.2.4. Đơn tinh th
ể
và đa tinh th
ể
a) Tính có hư
ớng của tinh thể:
M
ạng tinh thể luôn luôn thể hiện tính có
hư

ớng (dị hướng) của nó nghĩa là theo các hướng khác nhau tính chất của mạn
g
(cơ ,l
ý , hóa tính ) khác nhau .Tính có hướng là do cấu tạo mạng tinh thể, các
phương và m
ặt khác nhau có mật độ nguy
ên tử không giống nhau.
Theo phương
có mật độ nguyên tử lớn liên kết bền hơn nên có độ bền lớn hơn các phương có
m
ật độ nguy
ên tử bé .
Ví d
ụ
: Tinh th
ể đồng theo các phương khác nhau có độ bền kéo thay đổi từ 140
đ
ến 250MN/m
2
. Tinh th
ể ma giê (mạng sáu phương xếp chặt) có điện trở
: theo
tr
ục a có
 = 4,53.10
-6
cm, theo tr
ục c có
 = 3,78.10
-6

cm .
b) Đơn tinh th
ể và đa tinh thể
:
8
Đơn tinh th
ể: Nếu vật tinh thể có mạng thống nhất và phương không thay
đ
ổi trong
toàn b
ộ thể tích th
ì gọi là đơn tinh thể.
Đ
ể hình dung về đơn tinh thể ta lấy một khối cơ sở và tịnh tiến nó theo ba
tr
ục tọa
đ
ộ với đoạn bằng chu kỳ tuần hoàn mạng (thông số mạng) sẽ
đư
ợc đơn
tinh th
ể.
Trong th
ực tế một số khoáng vật có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên.
V
ới kim
lo
ại để có được tinh thể phải áp dụng công nghệ đặc biệt "nuôi" đơn
tinh th
ể. Ngày nay

ngư
ời ta mới chế tạo được các đơn tinh thể kim loại có kích
thư
ớc n
h
ỏ, dài khoảng 3,5cm.
M
ột số đ
ơn tinh thể, đặc biệt là khoáng vật, có bề mặt ngoài khá nhẵn,
hình dáng xác đ
ịnh, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các
m
ặt có mật độ
nguyên t
ử lớn nhất).
Tính ch
ất ti
êu biểu của đơn tinh thể là tính có hướn
g (d
ị h
ướng) do theo
các hư
ớng
khác nhau có m
ật độ nguyên tử khác nhau.
Đơn tinh th
ể chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu
k
ỹ thuật
đi

ện.
Đa tinh thể: là kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể. Mỗi tinh thể trong đó
g
ọi l
à
h
ạt.
Đa tinh th
ể có các đặc điếm sau
:
- Do s
ự định hướng mạng tinh thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên nên phương
m
ạng
gi
ứa các hạt luôn lệch nhau một góc n
ào đó.
- T
ại vùng biên giới
h
ạt mạng tinh thể bị xô lệch .
- Đa tinh th
ể có tính đẳng hướng
Do đó trong th
ực tế các ki
m lo
ại th
ường gặp đều có cơ tính đồng nhất theo
m
ọi phương.

N
ếu đem kéo, cán kim loại với mức độ biến dạng lớn thì kim loại lại thể
hiện tính có hướng của nó. Ví dụ: dây thép khi kéo nguội với độ biến dạng rất
l
ớn (làm các dây cáp
c
ần cẩu, cáp treo, dây ph
anh xe đ
ạp ) độ bền theo phương
d
ọc sợi lớn h
ơn rất nhiều so
v
ới ph
ương ngang sợi.
1.3. Các sai l
ệch
trong m
ạng
tinh th
ể
1.3.1. Sai l
ệch
đi
ểm
a) Các sai l
ệch điểm:
Là các sai l
ệch có kích thước bé theo ba chiều đo (vài thông số mạng), có
d

ạng điểm
hay bao quanh m
ột điểm. Gồm các loại sau đây:
- Nút tr
ống: là các nút mạng không có nguyên tử chiếm chỗ .
- Các nguyên t
ử nằm xen giữa các nút mạng
- Các nguyên tử lạ nằm trên các nút mạng hay xen giữa các nút mạng.
Do có các sai l
ệch mạng nên nguyên tử nằm xung qu
anh sai l
ệch nằm
không đúng v
ị trí quy định.
Ví d
ụ: nút trống làm các nguyên tử xung quanh nó có xu hướng xích lại
g
ần nhau, nguyên tử xen giữa nút mạng làm các nguyên tử xung quanh có xu
hư
ớng bị
d
ồn ép lại.
S
ố lượng các nút trống và nguyên tử xen giữa n
út m
ạng có xu hướng phụ
thu
ộc vào
nhi
ệt độ. Nhiệt độ càng tăng số lượng của chúng càng nhiều, tuy nhiên

9
không vư
ợt quá
1-2% Kim lo
ại càng bẩn thì khả năng nguyên tử lạ chui vào
m
ạng tinh thể c
àng nhiều và do đó số lượng sai lệch điểm tăng.
1.3.2. Sai l
ệch
đư
ờng
Là các sai l
ệch có kích thước lớn theo một chiều đo và bé theo hai chiều đo còn lại.
Nó có d
ạng đ
ường thẳng, đường cong, đường xoắn ốc. Bao gồm các loại sau
:
- M
ột dãy các nút trống hay các sai lệch điểm khác
- L
ệch: là dạng sai lệch đường quan trọn
g nh
ất và có tính ổn định cao.
1.3.3. Sai l
ệch mặt
là các sai l
ệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và bé theo chiều đo còn
l
ại. Nó có

d
ạng mặt cong, mặt phẳng. Gồm các loại sau: bi
ên giới giữa các hạt,
các m
ặt trượt, các mặt song tinh, mặt ngoài tinh
th
ể.
1.4. Các phương pháp nghiên c
ứu
kim lo
ại
và h
ợp
kim
1.4.1. Phương pháp mặt gẫy
Đây là phương pháp đơn gi
ản nhất. Ta quan sát bề mặt kim loại tại nơi gãy
v
ỡ có thể phát hiện đ
ược các vết nứt lớn, xác định được độ hạt các lẫn xỉ lớn
Từ đó có thể sơ bộ kết luận được chất lượng của kim loại
1.4.2. Phương pháp t
ổ
ch
ức
thô đ
ại
B
ẻ gãy mẫu kim loại rồi mài phẳng trên giấy mài. Trên bề mặt mặt của nó có
th

ể phát hiện được: bọt khí, rỗ nứt, lẫn xỉ. Nếu cho ăn mòn nhẹ bằng các hóa
ch
ất thích hợp có thể thấy đ
ược
t
ổ chức thớ, nhánh cây, hạt lớn, sự phân bố của
phôt pho, lưu hu
ỳnh trong thép. Thường dùng để phát hiện tổ chức thớ trong vật
cán rèn, s
ự phân bố của các vùng tinh thể
trong th
ỏi đúc
10
CHƯƠNG II. H
ỢP
KIM VÀ GI
ẢN
Đ
Ồ
TR
ẠNG
THÁI
2.1. Khái ni
ệm
v
ề
h
ợp
kim
2.1.1. Đ

ịnh
ngh
ĩa
h
ợp
kim
H
ợp kim l
à vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn điện,
d
ẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim ).
Nguyên t
ố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có thể được
t
ạo nên giữa các nguyên tố kim
lo
ại với nhau, hay giữa nguyên tố kim loại và
phi kim lo
ại.
Ví d
ụ
: - Thép các bon là h
ợp kim của nguy
ên tố kim loại và phi kim loại (Fe + C)
- La tông là h
ợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn)
Thành ph
ần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu th
ị theo phần trăm
kh

ối l
ượng mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim luôn luôn bằng
100%. Đôi khi ngư
ời ta còn dùng tỷ lệ phần trăm nguyên tư
2.1.2. Các đ
ặc
tính c
ủa
h
ợp
kim
Đ
ặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông th
ường khác với đặc tính
của kim loại hợp thành, đôi khi còn khác hẳn.
H
ợp kim luôn cho ta những đặc tính v
ượt trội so với kim loại nguyên chất
h
ợp thành. Ví dụ, thép(hợp kim của sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp
thành c
ủa nó là sắt. Đặc tính vật lý của hợp kim không khác
nhi
ều kim loại được
h
ợp kim hoá, nh
ư mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các
đ
ặc tính cơ khí của hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, như độ bền kéo, độ
b

ền cắt, độ cứng, khả năng chống ăn mòn
Không gi
ống nh
ư kim loại nguyên chấ
t, nhi
ều hợp kim không có một điểm
nóng ch
ảy nhất định. Thay vì, chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái
các kh
ối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng. Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy được
gọi là đường đông đặc và hoàn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi là đường pha
l
ỏng trong giản đồ trạng thái của hợp kim
2.1.3. Các khái ni
ệm
v
ề
h
ợp
kim
a) C
ấu tử
(còn g
ọi là nguyên): là các nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền
v
ững) cấu tạo nên hợp kim. Chúng là các thành phần độc lập.
b) H
ệ
(đôi khi c
òn g

ọi là hệ thống):
là m
ột tập hợp vật thể ri
êng biệt của
h
ợp kim trong điều kiện xác định.
c) Pha: là t
ổ phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và các tính chất
cơ, l
ý, hóa xác đ
ịnh, giữa các pha có bề mặt phân cách.
Ví d
ụ:
- Ta có m
ột hệ gồm nước đá và nước. Hệ này chỉ
có m
ột cấu tử đó là
h
ợp chất H2O nhưng có hai pha
: r
ắn (nước đá), lỏng (nước)
- Một chi tiết bằng la tông một pha: Hệ này có hai cấu tử là Cu và Zn
nhưng ch
ỉ có một pha
 (dung d
ịch rắn của hai cấu tử tr
ên).
d) Tr
ạng thái cân bằng
(

ổn định): Hệ ở trạng th
ái cân b
ằng khi các pha của
nó đ
ều có năng lượng tự do nhỏ nhất trong các điều kiện về nhiệt độ, áp suất và
thành ph
ần xác định. Tức l
à các đặc tính của hệ không biến đổi theo thời gian.
Thông thư
ờng hệ với các pha ở trạng thái cân bằng bao giờ cũng có độ
b
ền, độ
c
ứng thấp nhất, không có ứng suất bên trong, xô lệch mạng tinh thể thấp nhất và
đư
ợc h
ình thành với tốc độ nguội chậm.
11
e) Tr
ạng thái
không cân b
ằng
(không
ổn định)
: Khi thay đ
ổi nhiệt độ và
áp su
ất l
àm tăng năng lượng tự do và hệ trở nên trạng thái
khôg cân b

ằng. Lúc
này h
ệ có thể chuyển biến sang trạng thái cân bằng mới có năng lượng tự do nhỏ
hơn. Nói chung tr
ạng thái không cân bằng là không ổn định, luôn có xu hướng
t
ự biến đổi sang trạng thái cân bằng, ổn định. Trong thực tế một số trạng thái
không cân b
ằng vẫn tồn tại lâu dài, do ở nhiệt độ thường chuyển biến xảy ra rất
ch
ậm hầu như không nhìn thấy được. Trạng thái không cân bằng thường có độ
b
ền, độ cứng cao hơn nên được sử dụng khá nhiều trong thực tế (tổ chức
mactenxit sau khi tôi). Tr
ạng thá
i không cân b
ằng được hình thành với tốc độ
ngu
ội nhanh.
f) Tr
ạng thái giả ổn định
: Tr
ạng thái giả ổn định tồn tại khi trạng thái cân
b
ằng (ổn định) tuyệt đối chỉ tồn tại trên lý thuyết, tức là phải nung nóng hay làm
ngu
ội vô c
ùng chậm mà trong thực tế rất
khó x
ảy ra. Vậy giả ổn định thực chất

là không
ổn định nhưng thực tế lại tồn tại một cách ổn định ngay cả khi nung
nóng hay làm ngu
ội trong một phạm vi nào đó.
2.2. Các pha và tính ch
ất
các pha trong h
ợp
kim
2.2.1. Dung d
ịch
r
ắn
C
ũng giống như dung dịch
l
ỏng, trong dung dịch rắn ta không phân biệt được
m
ột cách cơ học các nguyên tử của các cấu tử, các nguyên tử của chúng phân bố
xen vào nhau trong m
ạng tinh thể. Cấu tử n
ào có số lượng nhiều hơn, vẫn giữ
đư
ợc kiểu mạng của mình gọi là dung môi. Các cấu tử
còn l
ại gọi là chất hòa
tan. Dung d
ịch rắn là pha đông nhất có cấu trúc mạng tinh thể của cấu tử dung
môi nhưng thành ph
ần của nó có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định m

à
không làm m
ất đi sự đồng nhất đó. Ký hiệu của dung dịch rắn là A(B). Dung dịch
r
ắn được chia ra làm hai loại: dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xen kẽ
.
2.2.2. Các pha trung gian
Trong các h
ợp kim hầu như không có loại hợp chất hóa học hóa trị thường. Các
h
ợp chất hóa học tồn tại trong hợp kim th
ường gọi là pha trung gian vì trê
n gi
ản đồ
pha nó n
ằm ở vị trí giữa và trung gian của các dung dịch rắn ở hai đầu mút.
a) Khái ni
ệm và phân loại
:
Các h
ợp chất hóa học tạo th
ành theo quy luật hóa trị thường có các đặc điểm sau:
- Có m
ạng tinh thể phức tạp và khác hẳn mạng nguyên tố thành
ph
ần
- Luôn luôn có m
ột tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và đượ biểu diễn bởi
công th
ức hóa học nhất định.

-Tính ch
ất khác hẳn các nguyên tố thành phần, độ cứng cao, tính dòn lớn.
- Có nhi
ệt độ nóng chảy xác định, khi hình thành là phản ứng tỏa nhiệt.
Các pha trung gian trong hợp kim có những đặc điểm khác với hợp chất hóa
h
ọc theo hóa trị, đó là:
- Không tuân theo quy lu
ật hóa trị.
- Không có thành ph
ần chính xác.
- Có liên k
ết kim loại.
Các pha trung gian trong hơp kim thư
ờng gặp l
à: pha xen kẽ, pha điệ
n t
ử, pha
Laves, pha 
b) Pha xen k
ẽ
:
12
Là pha t
ạo nên giữa các kim loại chuyển tiép (Fe, Cr, Mo, W ) có đường
kính nguyên t
ử lớn với các phi kim loại (H, N, C ) có đ
ường kính nguyên tử bé.
Ki
ểu mạng

c
ủa pha xen kẽ được xác định theo quan hệ giữa đườ
ng kính nguyên
t
ử kim loại và phi
kim lo
ại:
- N
ếu d
A
/d
K
< 0,59 (d
A
- đư
ờng kính nguy
ên tử phi kim loại, d
K
- đư
ờng kính
nguyên t
ử kim loại) thì pha xen kẽ có các kiểu mạng đơn giản
: tâm kh
ối, tâm
m
ặt, sáu phương
x
ếp chặt Các nguyên tử phi kim loại xen k
ẽ v
ào lỗ hổng trong

m
ạng. Chúng có công
th
ức đơn giản như
: K
4
A (Fe
4
N), K
2
A (W
2
C), KA (NbC,
NbH, TiC), KA
2
(TiH
2
). V
ới K
là kim lo
ại, A là phi kim loại.
- N
ếu d
A
/d
K
> 0,59 pha xen k
ẽ sẽ có kiểu mạng phức tạp v
à công thức phức
t

ạp hơn
K
3
A (Mn
3
C), K
7
A
3
(Cr
7
C
3
), K
23
A
6
(Cr
23
C
6
).
Đ
ặc điểm của pha xen kẽ nói chung l
à có nhiệt độ chảy rất cao (thường >
30000C) và có đ
ộ cứng lớn (2000
 5000 HV), có tính dòn l
ớn. Chúng có vai trò
r

ất lớn trong
vi
ệc nâng cao tính chống m
ài mòn và chịu nhiệt của hợp kim.
c) Pha đi
ện t
ử (Hum-Rozêri):
Là pha trung gian có c
ấu tạo phức tạp, tạo nên bởi hai kim loại. Thành phần
c
ủa nó
như sau:
- Nhóm m
ột: gồm các kim loại hóa trị một Cu, Ag, Au v
à kim loại chuyển
ti
ếp: Fe,
Ni, Co, Pt, Pd.
- Nhóm hai: các kim lo
ại hóa trị hai, ba, bốn
:Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn.
N
ồng độ điện tử N có giá trị xác định l
à 3/2, 21/13 và 7/4 (21/14, 21/13,
21/12).
M
ỗi giá trị nồng độ điện tử ứng với một kiểu mạng tinh thể.
Ví d
ụ
:

- N = 3/2 là pha  v
ới kiểu mạng lập phương tâm khối, hay lập phương phức
t
ạp,
hay sáu phương (Cu5Sn, Cu5Si).
- N = 21/13 là pha  v
ới kiểu mạng lập ph
ương phức tạp (Cu31Sn8).
- N = 7/4 là pha  v
ới kiểu mạng sáu phương xếp chặt (AgCd3).
d)Pha Laves:
Là pha t
ạo nên bởi hai nguyên tố (A, B), có tỷ lệ đường kính nguyên tử
dA/dB=1,2 (t
ỷ l
ệ n
ày có thể biến đổi trong phạm vi 1,1
 1,6), có công th
ức
AB2, ki
ểu mạng sáu
phương x
ếp chặt (MgZn2) hay lập ph
ương tâm mặt
(MgCu2).
Trong h
ợp kim có thể còn gặp các pha: s , l , d , m Tuy nhiên các loại pha
này ít ph
ổ biến. Một đặc tính quan trọng
c

ủa các pha trung gian l
à cứng và dòn.
Vì v
ậy
không bao gi
ờ người ta dùng hợp kim chỉ có một pha là pha trung gian.
T
ỷ lệ của chúng
trong các h
ợp kim thông th
ường < 10% (có khi đến 20
 30%),
đây là các pha c
ản trượt
làm tăng đ
ộ bền, độ cứng.
2.2.3. H
ỗn
hợp cơ h
ọc
Khá nhi
ều tr
ường hợp, hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha
: hai dung d
ịch
rắn, dung dịch rắn và pha trung gian Cấu tạo như vậy gọi là hỗn hợp cơ học.
13
Trên t
ổ chức tế vi ta phân biệt được rất rõ các pha khác nhau trong hỗn hợp cơ
h

ọc. Hai tr
ườn
g h
ợp điển h
ình của hỗn hợp cơ học là cùng tinh và cùng tích
2.3. Gi
ản
đ
ồ
tr
ạng
thái c
ủa
h
ệ
h
ợp
kim hai nguyên
2.3.1. Khái niệm về giản đồ trạng thái
Đ
ịnh nghĩa: Giản đồ pha là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt
đ
ộ và thành phần của hệ ở
tr
ạng thái cân bằng. Cần chú ý là sự biến đổi này chỉ
hoàn toàn đúng và phù h
ợp với hợp kim ở trạng thái cân bằng (làm nguội vô
cùng ch
ậm), trong trường hợp làm nguội thông thường nó sẽ có một số sai khác.
Tuy v

ậy giản đồ pha vẫn l
à cơ sở để xác định cấu t
rúc c
ủa hợp kim.
C
ấu tạo:
Gi
ản đồ pha của một hệ hợp kim (còn gọi là giản đồ trạng thái, cân
b
ằng) biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng pha ở trạng
thái cân b
ằng. Các hệ hợp kim khác nhau có giản đồ pha khác nhau. Giản đồ pha
đư
ợc xây
d
ựng bằng thực nghiệm. Hiện tại người ta đã xây dựng hầu hết giản đồ
pha hai c
ấu tử, ba cấu tử của các hệ thường gặp
Công d
ụng: Giản đồ pha của hợp kim hai cấu tử có công dụng rất lớn trong
thực tế. Từ giản đồ pha có thể xác định được:
- C
ấu tạo pha của h
ệ hợp kim tại các nhiệt độ v
à thành ph
ần khác nhau. Từ
c
ấu tạo pha ta có thể suy đoán tinh chất của từng hợp kim cụ thể.
- Thành ph
ần và tỷ lệ các pha của hợp kim bằng quy tắc đòn bẩy: Từ ba điểm

bi
ểu diễn hợp kim (th
ành phần và hai pha) tạo ra hai đoạn th
ẳng m
à đ
ộ dài mà
đ
ộ dài của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ của pha đối diện trong hợp kim. Cụ thể như
sau:
Lư
ợng pha trái Độ d
ài đoạn thẳng phải
=
Lư
ợng pha phải Độ dài đoạn t
h
ẳng trái
- Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của các hợp kim, từ đó xác định
đư
ợc nhiệt độ rèn, cán, đúc
- Các chuy
ến biến pha, dự đoán đ
ược các tổ chức tạo thành ở trạng thái không
cân b
ằng
2.3.2. Gi
ản
đ
ồ
tr

ạng
thái hai nguyên lo
ại
m
ột
H
ệ m
ột cấu tử không có sự biến đổi về th
ành phần hoá học nên chỉ có một
tr
ục, trên đó người ta ghi các nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha.
14
Tên hình v
ẽ
2.3.3. Gi
ản
đ
ồ
tr
ạng
thái hai nguyên lo
ại
hai
Gi
ản đồ pha của hệ hai cấu tử gồm hai t
r
ục: trục tung biểu diễn nhiệt độ,
tr
ục
hoành bi

ểu diễn thành phần hóa học (thường theo % khối lượng). Trong hệ
tr
ục đó
ngư
ời ta vẽ các đường phân chia giản đồ thành các khu vực có tổ chức
và pha gi
ống
nhau. Các đi
ểm trên đường nằm ngang biểu thị cho các h
ợp kim có
thành ph
ần khác nhau
nhưng
ở cùng một nhiệt độ. Đi từ trái qua phải tỷ lệ cấu tử
B tăng d
ần l
ên, cấu tử A
gi
ảm đi v
à ngược lại.
Các đi
ểm nằm tr
ên đường thẳng
đ
ứng biểu thị cho một hợp kim có thành phần xác
đ
ịnh nhưng ở các nhiệt độ
khác nhau. N
ếu
h

ợp kim có hai pha thì điểm biểu
di
ễn của chúng phải nằm về
hai phía đ
ối diện
v
ới điểm biểu diễn hợp kim
.
2.4. Gi
ản
đ
ồ
tr
ạng
thái s
ắt
– các bon
2.4.1. Đ
ặc
đi
ểm
các nguyên (s
ắt
và các bon)
a) C
ấu tử sắt
:
S
ắt l
à nguyên tố có khá nhiều trong tự nhiên. Hiện

t
ại ng
ười ta đã luyện
đư
ợc sắt với độ sạch 99,99999% Fẹ Trong thực tế sản xuất người ta thường
nghiên c
ứu với sắt có lượng chứa 99,8
- 99,9%. S
ắt này gọi là sắt nguyên chất
k
ỹ thuật (sắt am kô)
* Cơ tính: S
ắt là nguyên tố có cơ tính khá cao, cụ thể như sa
u:
- Gi
ới hạn bền kéo
: s b = 250 MN/m2 (MPa)
- Gi
ới hạn chảy quy
ước
: s 0,2 = 120MN/m2
- Đ
ộ giãn dài tương đối
: d % = 50
- Tính ch
ất của vật liệu và giản đồ phạ
- Độ thắt tỷ đối: y % = 85
- Đ
ộ dai va đập: ak = 3000 Kj/m2
- Đ

ộ cứng HB = 80
* Tính đa h
ình c
ủa sắt:
S
ắt là kim loại có tính đa hình, nó có hai kiểu mạng tinh thể ở các khoảng
nhi
ệt độ khác nhau
:
- M
ạng lập phương tâm khối tồn tại ở nhiệt độ
:
+ Nh
ỏ hơn 911oC gọi là sắt an pha có a = 2,68 Kx. Dưới 768
O
C có t
ừ tính,
cao hơn nhi
ệt độ n
ày mất từ tính
. T
ại nhiệt độ cao h
ơn 768
0
C g
ọi l
à sắt bê ta, có
a = 2,90Kx.
+ T
ừ 1392oC đến 1539oC gọi là sắt đen ta có a = 2,93Kx.

- Mạng lập phương tâm mặt tồn tại ở nhiệt độ: 911oC < to < 1392oC gọi
là s
ắt gamma, có a = 3,56 Kx.
* Kh
ả năng h
òa tan các bon của sắt
:
Hai lo
ại mạng tinh thể của sắt có khả năng hòa tan các bon dưới dạng xen
k
ẽ khác nhaụ Đường kính nguyên tử các bon là 1,54Kx. Trong khi đó lỗ hổng
l
ớn nhất trong mạng tâm khối có d = 0,64Kx. Mạng lập ph
ương tâm mặt có số lỗ
h
ổng ít hơn nhưng kích thước lại l
ớn h
ơn, d = 1,02Kx. Về nguyên tắc thì sắt
không th
ể hòa tan các bon được. Tuy nhiên trong thực tế sắt an pha hòa tan được
15
0,02%C
ở 727
O
C, s
ắt đen ta hòa tan 0,10%C ở 1499
O
C. S
ắt gama hòa tan
2,14%C

ở 1147
O
C. Ngư
ời ta cho rằng các bon chui v
ào nơi có nhiều
sai l
ệch
m
ạng nhất. Với sắt gama có thể hòa tan tối đa khoảng 10% nguyên tử sắt.
b) C
ấu tử các bon
:
Trong t
ự nhi
ên các bon tồn tại dưới ba dạng
: than đá (vô đ
ịnh h
ình), kim
cương và graphít (có c
ấu tạo mạng tinh thể). Trong hợp kim Fe
- C các bon ch
ỉ
tồn tại tự do ở dạng graphít (trong các loại gang có graphít).
2.4.2. Tương tác gi
ữa
s
ắt
và các bon
Khi lư
ợng hòa tan của các bon vào sắt vượt quá giới hạn của dung dịch rắn

thì s
ẽ tạo n
ên các hợp chất hóa học: Fe
3
C (6,67%C), Fe
2
C (9,67%C) và FeC
(17,67%C). Tuy nhiên trong h
ợp kim sắt các bon do chỉ sử dụng ở giới hạn
kho
ảng 5%C nên chỉ có Fe
3
C và h
ợp chất này có tên là xêmentit. Xêmentit là
pha xen k
ẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ nóng chảy khoảng 1250
0
C và có đ
ộ
c
ứng cao khoảng 800HB. Ở nhiệt độ nhỏ hơn
217
O
C có t
ừ tính. Lớn hơn nhiệt
đ
ộ này mất từ tính. Khi hòa tan thêm các nguyên tố hợp kim (Cr, Mn, W ) dưới
d
ạng thay thế ta có x
êmentit hợp kim (nguyên tố hợp kim thay vào vị trí của

sắt).
2.4.3. D
ạng
gi
ản
đ
ồ
Täa ®é c¸c ®iÓm trªn gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe – C
Tên bảng
Đi
ểm
Nhi
ệt độ,
0
C
%C
Đi
ểm
Nhi
ệt độ,
0
C
%C
Đi
ểm
Nhi
ệt độ,
0
C
%C

A
B
H
1539
1499
1499
0
0,51
0,1
E
C
F
1147
1147
1147
2,14
4,3
6,67
P
S
K
727
727
727
0,02
0,8
6,67
200
400
600

800
1000
1200
1400
1600
Fe
1
2
2,14
3 4
4,3
5
6
6,67
A
B
J
N
H
E
C
F
D
K
G
SP
Q L
L+

 


L+
L
1147
L+XeI
(
 

(P+Xe) + Xe
P+XeII+(P+Xe)
P+XeII
F+P
0,8
(P+Xe)
(
(F+Xe)=P
F+XeII
 
(F)
ThÐp
Gang
%C
16
J
N
1499
1392
0,16
0
D

G

1600
911
6,67
0
Q
L
0
0
0,006
6,67
Trªn gi¶n ®å, ®êng ABCD lµ ®êng láng, ®êng AHJECF lµ ®êng ®Æc.
2.4.4. T
ổ
ch
ức
t
ế
vi c
ủa
thép các bon và gang tr
ắng
theo gi
ản
đ
ồ
s
ắt
–

các bon
a) Các t
ổ chức của hợp kim Fe
- Fe
3
C:
* T
ổ chức một pha
:
- Pherit (ký hiệu  , F hay Fe

): là dung d
ịch rắn xen kẽ của các bon trong
Fe

, có ki
ểu mạng lập phương tâm khối. Là pha dẻo, dai, mềm và kém bền, ở
nhi
ệt độ nhỏ h
ơn 768
O
C có t
ừ tính, cao h
ơn nhiệt độ này mất từ tính. Khi hòa tan
thêm các nguyên tố hợp kim Mn, Si, Ni độ bền của nó tăng lên, độ dẻo dai
gi
ảm đi v
à gọi là phe rit hợp kim. Pherit là pha tồn tại ở nhiệt độ thường, chiếm
t
ỷ lệ khá lớn (khoảng

 90%) nên
ảnh khá nhiều đến cơ tính của hợp kim. Tổ
ch
ức của nó l
à các hạt sáng, đa cạnh. Gọi là phe rit xuất phá
t t
ừ tiếng Latinh
ferum ngh
ĩa là sắt.
- Austenit [ký hi
ệu
 , As, Fe

(C)]: là dung d
ịch r
ắn xen kẽ của các bon
trong Fe

có m
ạng lập ph
ương tâm mặt. Là pha rất dẻo và dai, độ cứng thấp. Nó
không có t
ừ tính và không tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 727
O
C trong h
ợp kim sắt
các bon nguyên ch
ất, chỉ tồn tại ở d
ưới nhiệt độ này trong các hợp kim chứa một
lư

ợng đáng kể Mn, Ni Tuy không tồn tại ở nhiệt độ thường nhưng có vai trò
quy
ết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện thép. Tổ chức của nó là các hạt
sáng có song tinh. Tên g
ọi austenit để kỷ niệm nh
à vật liệu học người Anh:
Rôbe Ôsten.
- Xêmentit (ký hi
ệu Xê, Fe
3
C): là pha xen k
ẽ với kiểu mạng phức tạp, chứa
6,67%C và có công th
ức Fe
3
C, tương
ứng với đ
ường DFKL. Xêmentit là pha
c
ứng, dòn, ở nhiệt độ nhỏ hơn
217
0
C có t
ừ tính, cao hơn nhiệt độ này mất từ
tính. Cùng v
ới ferit, nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe
- C.
Xêmentít xu
ất phát từ t
ên gọi cément có nghĩa là cứng.

Ta phân bi
ệt ra bốn loại
xêmentit (Hình 2.1 -Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b)).
2.1
17
+ Xêmentit th
ứ nhất
: (Xê
I
, Fe
3
C
I
): đư
ợc tạo thành từ hợp kim lỏng do giảm
n
ồng độ các bon trong hợp kim lỏng theo đ
ường DC khi nhiệt độ giảm. Nó chỉ
có trong các h
ợp kim chứa > 4,3%C. Do tạo thành từ trạng thái lỏng và ở nhiệt
đ
ộ cao nên có dạng
th
ẳng, thô to.
+ Xêmentit th
ứ hai
: (Xê
II
, Fe
3

C
II
): đư
ợc tạo th
ành do giảm nồng độ các bon
trong austenit theo đư
ờng ES khi hạ nhiệt độ từ 1147
O
C đ
ến 727
O
C, nó sinh ra
trong các h
ợp kim có > 0,80%C và thấy rõ nhất trong các hợp kim chứa từ 0,80
đ
ến 2,14%C.
Do t
ạo thành ở nhiệt độ không cao lắm và từ trạng thái rắn nên
kích thư
ớc nhỏ mịn, thường có dạng lưới bao quanh hạt peclit (austenit).
Hình 2.2 T
ổ chức xêmentit 2 dạng lưới ở thép sau cùng tích
+ Xêmen tit th
ứ ba
: (Xê
III
,, Fe
3
C
III

): đư
ợc t
ạo th
ành khi gi
ảm nồng độ các
bon trong ferit theo đư
ờng PQ khi hạ nhiệt độ từ 727
0
C, th
ấy rõ nhất trong các
h
ợp kim nhỏ hơn 0,02%C. Do tạo thành ở nhiệt độ rất thấp nên kích thước rất
nhỏ mịn, số lượng không đáng kể, trong thực tế ta bỏ qua nó.
+Xêmentit cùng tích: đư
ợc tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit thành
péc lit, nó có vai trò r
ất quan trọng trong các hợp kim sắt các bon.
* Các t
ổ chức hai pha:
- Peclít [ký hi
ệu P hay (Fe

+Fe
3
C)]: là h
ỗn hợp c
ơ học cùng tích của phe rít
và xêmentit đư
ợc tạo
ra t

ừ chuyển biến cùng tích của austenit tại 727
O
C. Trong
péc lít có 88% F và 12% Xê. Péc lít khá b
ền và cứng nhưng cũng đủ độ dẻo dai
đáp
ứng đ
ược các yêu cầu của vật liệu kết cấu và dụng cụ. Tùy thuộc hình dạng
c
ủa xêmentít, péc lít được chia ra làm hai
lo
ại là péc lít tấm và péc lít hạt. Nếu
xêmentit
ở dạng tấm gọi là péc lít tấm, có độ cứng cao hơn, đây là dạng thường
gặp trong thực tế. Nếu xêmentit ở dạng hạt gọi là péc lit hạt, độ cứng thấp hơn,
d
ễ cắt gọt, kém ổn định. Péc lít hạt ít gặp trong thực
t
ế, chỉ nhận được trong các
đi
ều kiện cụ thể (ủ cầu hóa). Péc lít hạt có tính ổn định cao h
ơn péc lít tấm. Tên
g
ọi péc lít xuất phát từ peard có nghĩa là vằn hay màu xà cừ.
18
Hình 2.3- T
ổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b)
- Lêđêburit [Lê hay ( + Fe
3
C), (P +Fe

3
C)]: là h
ỗn hợp cơ học cùng tinh của
austenit và xêmentit đư
ợc tạo th
ành từ hợp
kim l
ỏng chứa 4,30%C tại 1147
0
C.
Khi làm ngu
ội dưới 727
0
C do chuy
ển biến
  P nên t
ổ chức của lêđêburit gồm
(P + Fe3C).
Lêđêburit có d
ạng hìn
h da báo, r
ất cứng và dòn nên thường gọi là tổ chức da
báo. Tên g
ọi l
êđêburit là để kỷ niệm nhà luyện kim người Đức: Lêđêbua.
b) M
ột số quy ước
:
* Thép và gang:
- Thép là h

ợp
ch
ất
c
ủa s
ắt và các bon v
ới h
àm lượng các bon nhỏ hơn 2,14%.
Ngoài ra còn có thêm m
ộ
t s
ố ít các nguyên tố khác
: Mn, Si, P, S
- Gang là h
ợp kim của sắt và các bon với hàm lượng các bon lớn hơn 2,14%.
Ngoài ra còn có thêm một số ít các nguyên tố khác: Mn, Si, P, S Gang có tổ
ch
ức tương ứng với giản đồ pha Fe
-C g
ọi là gang trắng (mặt g
ãy c
ủa nó có màu
sáng tr
ắng, đó l
à màu của xêmentit). Gang trắng rất cứng và dòn, không thể gia
công c
ắt gọt được. Ranh giới để phân chia thép và gang là điểm E trên giản đồ
pha Fe-C. Căn c
ứ vào hàm lượng các bon có trong gang và thép ta phân chia
chúng thành nhi

ều loại khác nhau.
- Thép đư
ợc chia ra làm ba loại
:
+ Thép trư
ớc cùng tích: là loại thép có hàm lượng các bon nhỏ hơn 0,80%C,
t
ổ chức cân bằng gồm phe rit v
à péc lit.
+ Thép cùng tích: là lo
ại thép có hàm lượng các bon bằng 0,80%C, tổ chức
cân b
ằng
là péc lit.
+ Thép sau cùng tích: là lo
ại thép có hàm lượng các bon lớn hơn 0,80%C, tổ
ch
ức cân bằng gồm péc lit và xêmentít thứ hai.
2.4
19
- Gang tr
ắng được chia ra làm ba loại
:
+ Gang tr
ắng tr
ước cùng tinh: là loại gang có hàm lượng các bon nhỏ
hơn
4,30%C, t
ổ chức cân bằng gồm có peclit, xêmentit thứ hai và lêđêburit.
+ Gang tr

ắng cùng tinh: là loại gang có hàm lượng các bon bằng 4,30%C, tổ
ch
ức cân bằng là lêđêburit.
+ Gang tr
ắng sau cùng tinh: là loại gang có hàm lượng các bon lớn hơn
4,30%C, t
ổ chức cân bằng gồm x
êmentit thứ nhất và lêđêburit.
- Các đi
ểm tới hạn:
Các nhi
ệt độ ứng với các chuyển biến pha ở trạng thái rắn trong hợp kim sắt
các bon (ch
ủ yếu dùng cho thép) gọi là các điểm tới hạn, chúng được ký hiệu
b
ằng chữ A
(vi
ết tắt từ tiếng Pháp arêt có nghĩa là dừng vì khi có chuyển biến
pha nhi
ệt độ bị dừng lại) k
èm theo các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4 và
cm. G
ồm có các
đi
ểm tới hạn sau đây:
+ A0 - (217
0
C) là nhi
ệt độ chuyển biến từ của xêmentit, thấp hơn nhiệt độ
này xêmentit có từ tính, cao hơn nhiệt độ này xêmentit mất từ tính.

+ A1 - (727
0
C)
ứng với đ
ường PSK là nhiệt độ chuyển biến austenit
 peclit
có trong t
ất cả các loại thép.
+ A2 - (768
0
C) còn g
ọi là điểm Curi, ứng với đường MO, là điểm chuyển
bi
ến từ của
phe rit, th
ấp hơn nhiệt độ này phe rit có từ tính, c
ao hơn nhi
ệt độ này mất từ tính
.
2.5
20
+ A3 -
ứng với đ
ường GS (911
0
C  727
0
C) là đư
ờng bắt đầu tiết ra phe rit từ
austenit khi làm ngu

ội và kết thúc hòa tan phe rit vào austenit khi nung nóng, chỉ
có trong thép trư
ớc cù
ng tích.
+ Acm -
ứng với đường ES (1147
0
C  727
0
C) là đư
ờng bắt đầu tiết ra
xêmentít t
ừ austenit khi làm nguội và kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit khi
nung nóng, có trong thép sau cùng tích và gang.
+ A4 -
ứng với đ
ường NJ (1499
 1392
0
C)
ứng với chu
y
ển biến
  Trong
t
ất cả các điểm tới hạn trên thì các điểm A1, A3 và Acm được sử dụng nhiều
nh
ất và chủ yếu khi nhiệt luyện thép. Tuy nhiên các giá trị về nhiệt độ nêu trên
ch
ỉ đúng

trong tr
ạng thái cân bằng (nung nóng hay l
àm nguội vô cùng chậm, tốc
độ nung nóng hay l
àm nguội
 0). Trong th
ực tế tốc độ nung nóng hay làm
ngu
ội th
ường có giá trị xác định nên không phù hợp. Tương tự như hiện tượng
quá ngu
ội (khi kết tinh) hay quá nung (khi nóng chảy) các điểm tới hạn này
c
ũng thấp hơn hay cao hơn khi làm
ngu
ội hay nung nóng, sự khác biệt này càng
lớn khi tốc độ càng cao. Để phân biệt cùng một điểm tới hạn cho hai trường hợp
khi làm ngu
ội và nung nóng ta thêm vào chữ r (refroidissement) khi làm nguội và
c (chauffage) khi nung nóng. V
ới một loại thép nhất đị
nh bao gi
ờ ta cũng có:
Ar
1
< A
1
<Ac
1
và Ar

3
< A
3
< Ac
3
các giá tr
ị A tính theo giản đồ pha, Ar
ph
ụ thuộc vào tốc độ nguội, Ac phụ thuộc tốc độ nung.
- Tính g
ần đúng h
àm lượng các bon của thép trước cùng tích qua tổ chức cân
b
ằng:
Đ
ối với thép trước cù
ng tích trong m
ột vài trường hợp cần thiết ta có thể tính
g
ần đúng l
ượng các bon có trong thép qua tổ chức cân bằng của nó.
Ví d
ụ: trong tổ chức tế vi của một loại thép ta thấy phần tối (péclit) chiểm 3/4
di
ện tích, còn phần sáng (phe rit) chiếm 1/4 thì l
ư
ợn
g các bon trong đó tính như
sau:
+ Lư

ợng các bon có trong phe rit: 25% x 0,006% = 0,015 %
 0%
+ Lư
ợng các bon có trong peclit: 75% x 0,80% = 0,60%C
V
ậy lượng các bon có trong thép này gần đúng bằng 0,60%C
CHƯƠNG III. CÁC CHUYỂN BIẾN PHA KHI NHIỆT LUYỆN
3.1. Khái ni
ệm
v
ề
nhi
ệt
luy
ện
3.1.1. Đ
ịnh
ngh
ĩa
Nhi
ệt luyện là tập hợp các thao tác gồm có nung nóng kim loại hay hợpü kim
đ
ến đến nhiệt độ xác định, giữ tại đó một thời gian thích hợp (giữ nhiệt) rồi l
àm
ngu
ội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ
ch
ức do đó nhận được cơ tính và các
tính ch
ất khác theo ý muốn.

Đ
ặc điểm của nhiệt luyện:
- Không nung nóng đ
ến chảy lỏng hay chảy lỏng bộ phận, trong quá trình
nhi
ệt luyện kim loại vẫn ở trạng thái rắn.
21
- Trong quá trình nhi
ệt luyện hình dáng và kích thướ
c chi ti
ết không thay đổi
(chính xác là có thay đ
ổi nh
ưng không đáng kể).
- Nhi
ệt luyện chỉ làm thay đổi tổ chức tế vi bên trong, do đó dẫn đến thay đổi
cơ tính cho chi ti
ết.
3.1.2. Các thông số đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện
B
ất kỳ một qúa trình nhiệ
t luy
ện nào cũng được đặc trưng bởi các thông
s
ố sau đây
a) Nhi
ệt độ nung nóng (
t
0
n

): là nhi
ệt độ cao nhất mà quá trình nhiệt luyện phải
đ
ạt tới, tính bằng
0
C.
b) Th
ời gian giữ
nhi
ệt (

gn
): là th
ời gian duy trì chi tiết tại nhiệt độ nu
ng nóng.
c) T
ốc độ nguội (V
ngu
ội
): là t
ốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian sau khi giữ nhiệt.
Ngoài ba thông s
ố tr
ên tốc độ nung nóng cũng có ảnh hưởng đến kết quả nhiệt
luy
ện nhưng không đáng kể nên ta bỏ qua nó. Kết quả của một quá trình nhiệt
luy
ện được
đánh giá b
ằng các chỉ tiêu sau:

- Đ
ộ cứng: l
à yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liên
quan đ
ến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai
Chi ti
ết khi nhiệt
luy
ện đều có y
êu cầu đạt giá trị nhất định về độ cứng và phải được kiểm tra
theo t
ỷ lệ quy định.
- T
ổ chức tế vi: cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền
Ch
ỉ tiêu
này thư
ờng đ
ược kiểm tra theo từng mẻ nhiệt luyện.
- Đ
ộ biến dạng, cong vênh: nói chung độ biến dạng, cong vênh khi nhiệt
luy
ện thường rất nhỏ và nằm trong
gi
ới hạn cho phép. Tuy nhiên trong một số
trư
ờng hợp y
êu cầu rất khắt khe, cần phải kiểm tra chúng.
3.1.3. Tác dụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí
Nhi

ệt luyện là nguyên công quan trọng và không thể thiếu được trong sản xuất
cơ khí do nó có tác d
ụng
ch
ủ yếu sau đây:
a) Tăng đ
ộ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép:
M
ục ti
êu của ngành cơ khí là sản xuất ra các cơ cấu và máy móc bền hơn,
công su
ất lớn hơn và có nhiều tính năng tốt hơn. Do đó khi nhiệt luyện thích hợp
nâng cao đ
ộ cứng, độ bền và tí
nh ch
ống mài mòn sẽ kéo dài tuổi thọ, tăng sức
ch
ịu tải, giảm kích th
ước cho chi tiết và kết cấu máy. Đây là tác dụng chủ yếu
nh
ất và quan trọng nhất của nhiệt luyện, đến mức có lúc phải đưa vào chỉ tiêu
đánh giá tr
ình độ của ngành cơ khí. Chất lượng của m
áy móc, thi
ết bị phụ thuộc
r
ất nhiều v
ào phương pháp sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng.
b) C
ải thiện tính công nghệ

:
Đ
ể tạo thành chi tiết máy, phôi thép phải qua các dạng gia công như: rèn, dập,
cán Sau các dạng gia công này thép thường bị biến cứng khó gia công cơ khí
hay bi
ến dạng dẻo tiếp theo làm giảm năng suất. Vì vậy phải tiến hành nhiệt
luy
ện thích hợp để l
àm giảm độ cứng, tăng độ dẻo dai giúp cho các quá trình gia
công ti
ếp theo dễ dàng hơn năng suất cao hơn.
Ví d
ụ
: sau khi rèn, d
ập phôi thép
b
ị cứng không thể cắt gọt được. Ta phải tiến
hành
ủ hay th
ường hóa để giảm độ cứng, tăng độ dẻo. Do đó các quá trình gia
công ti
ếp sau dễ dàng hån.
3.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép
22
3.2.1. Cơ s
ở
xác đ
ịnh
chuy
ển

bi
ến
khi nung nóng
Cơ s
ở để xác định
chuy
ển biến xảy ra khi nung nóng l
à giản đồ pha Fe
- C.
Tùy theo thành ph
ần các bon và nhiệt độ nung nóng, trong thép sẽ xảy ra các
chuy
ển biến khác nhau. Trong tất cả các loại thép ở nhiệt độ thường đều có tổ
ch
ức péc lí
t. Thép trư
ớc
và sau cùng tích thì ngoài péc lit ra còn có phe rit và
xêmentit th
ứ hai.
a) Thép cùng tích:
- Khi nung nóng th
ấp hơn Ac1 (< 727
o
C) trong thép chưa có chy
ển biền gì.
- Khi nhi
ệt độ nung nóng đạt đến Ac1 (> 727
o
C) s

ẽ có chuyển biến của tổ
ch
ức péc lit th
ành austenit theo phản ứ
ng sau:
[Fe

+ Fe3C]
0,80% C
 Fe

(C)
0,80% C
Khi nung nóng cao hơn Ac1 m
ột ít ta đ
ược tổ chức austenit đồng nhất.
b) Thép trước cùng tích:
- Khi nung nóng đ
ến Ac1 sẽ có chuyển biến péc lit thành austenit giống như trên.
- Khi nung t
ừ nhiệt độ Ac1 đến Ac3 s
ẽ có quá tr
ình hòa tan c
ủa phe rít
vào austenit.
- Khi nung cao hơn Ac3 ta đư
ợc tổ chức austenit đồng nhất.
c) Thép sau cùng tích:
- Khi nung nóng đ
ến Ac 1 có chuyển biến péc lít thành austenit.

- Khi nung t
ừ nhiệt độ Ac1 đến Accm sẽ có qúa tr
ình hòa tan c
ủa x
êmentit
hai vào austenit.
- Nhi
ệt độ nung cao hơn Accm ta được tổ chức austenit đồng nhất.
T
ừ đó ta thấy rằng khi nung nóng cao h
ơn đường GSE của giản đồ pha Fe
- C
trong các thép đ
ều nhận được dung dịch rắn austenit, tuy nhiên thành phần các
bon c
ủa n
ó ph
ụ
thu
ộc vào thành phần các bon của thép.
3.2.2. Các đ
ặc
đi
ểm
c
ủa
chuy
ển
bi
ến

a) Nhi
ệt độ chuyển biến
:
Trên gi
ản đồ pha Fe
- C nhi
ệt độ chuyển biến péc lit thành austenit là 727
0
C, đi
ều
này ch
ỉ đúng khi nung nóng vô cùng chậm. Trong thực tế khi nhiệt
luy
ện tốc
đ
ộ nung nóng t
ương đối lớn, do đó nhiệt độ chuyển biến sẽ luôn cao hơn 727
0
C.
T
ốc độ nung càng cao thì nhiệt độ chuyển biến sẽ càng cao. Khảo sát giản đồ
chuy
ển biến đẳng nhiệt péc lit thành austenit của thép cùng tích ta thấy khi nhiệt
đ
ộ nung c
àng cao th
ời gian của chuyển biến c
àng ngắn. Trong thực tế nhiệt
luy
ện thép ta thường dùng cách nung nóng liên tục, khi nung với tốc độ V

1
nhi
ệt
đ
ộ bắt đầu chuyển biến là a
1
và k
ết thúc chuyển biến là b
1
. N
ếu nung nóng với
tốc độ V
2
> V
1
thì nhiệt độc bắt đầu và kết thúc chuển biến sẽ là a
2
và b
2
, các
nhi
ệt độ này cao hơn a, b1, thời gian chuyển biến cũng ngắn đi. Trong thực tế để
hoàn thành chuy
ển biến khi theo quy định ta phải nung nóng cao h
ơn nhiệt độ
t
ới hạn tương ứng từ 20
-30oC, có khi hàng trăm đ
ộ C.
K

ết luận
: T
ốc độ nung nóng càng cao chuyển biến péc lit thành austenit xảy ra
ở nhiệt độ c
àng cao và trong th
ời gian càng ngắn.
b) Kích thư
ớc hạt austenit
:
Trong th
ực tế không sử dụng thép ở trạng thái tổ chức austenit, nhưng kích
thư
ớc của nó quyết định
r
ất lớn kích th
ước hạt thép ở nhiệt độ thường. Chuyển
23
bi
ến peclit thành austenit là một quá trình kết tinh và khuếch tán. Mầm austenit
đư
ợc tạo ra giữa bi
ên giới hạt phe rit và xêmentit của tổ chức peclit. Biên giới
h
ạt của hai pha này rất lớn nên số mầm k
ết tinh sinh ra rất nhiều. V
ì vậy hạt
austenit m
ới sinh bao gời cũng rất nhỏ mịn. Do đó chuyển biến peclit thành
austenit bao gi
ờ cũng l

àm nhỏ hạt thép. Hạt austenit sẽ càng nhỏ mịn nếu kích
thư
ớc của pha xêmentit càng nhỏ và tốc độ nung càng lớn. Sau khi
t
ạo thành
xong s
ẽ có quá trình khuếch tán của nguyên tử các bon từ nơi giàu (vị trí
xêmentit) sang nơi nghèo (v
ị trí phe rit) để làm đồng đều thành phần austenit.
Như v
ậy ta thấy rằng hạt austenit mới sinh ra rất nhỏ mịn nhưng nếu tiếp tục
nung nóng hay giữ nhiệt chúng sẽ lớn l
ên ngay. Tùy theo đ
ặc tính phát triển của
h
ạt austenit khi nung nóng, thép được chia ra làm hai loại
: thép b
ản chất (còn
g
ọi là di truyền) hạt nhỏ và bản chất hạt lớn. Thép bản chất hạt lớn là loại thép
có h
ạt austenit phát triển nhan
h và đ
ều đặn ở mọi nhiệt độ, tức l
à sau khi hình
thành xong n
ếu tiếp tục nung nóng hạt sẽ phát triển lên ngay. Do vậy làm cho
khi làm ngu
ội hạt thép to và có tính dòn cao
3.2.3. Các quá trình x

ảy
ra khi gi
ữ
nhi
ệt
Hình 3.1
Ảnh hưởng của tốc độ nun
g đ
ến nhiệt độ chuyển biến
Hình 3.2 Quá trình t
ạo mầm và phát triển mầm austenit từ péclit tấm
Thép b
ản chất hạt nhỏ có hạt austenit lúc ban đầu phát triển chậm, chỉ khi
vư
ợt quá 930
 950
0
C s
ẽ phát triển nhanh chóng và có thể lớn hơn cả thép bản
chất hạt lớn. Do vậy trong các dạng nhiệt luyện thông dụng ( nhiệt độ < 930 
950
0
C) v
ới thép bản chất hạt nhỏ không sợ hạt lớn khi nung nóng. Thép bản chất
h
ạt nhỏ được khử ô xy triệt để bằng nhôm và hợp kim hóa bằng các nguyên tố
t
ạo các bít mạnh
: Ti, V, Zr, Nb, W s
ẽ tạo ra Al

2
O
3
, AlN, các cácbít h
ợp kim
khó tan, nh
ỏ mịn, chúng sẽ nằm ở bi
ên giới hạt cản trở sự sát nhập của hạt
austenit v
ới nhau thành hạt lớn hơn.
3.3. Chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm
3.3.1. Chuy
ển
bi
ến
c
ủa
Ôstenit khi làm ngu
ội
đ
ẳng
nhi
ệt
24
Sau khi đ
ã nhận được austenit có hạt nhỏ mịn theo yêu cầu, ta sẽ xem xét
chuy
ển biến của chúng khi l
àm nguội. Quá trình này đượcphân ra hai nhóm lớn:
làm ngu

ội đẳng nhiệt và làm nguội liên tục. Để đơn giản ta nghiên cứu chuyển biến
đ
ẳng nhiệt tr
ong thép các bon cùng tích sau đó suy r
ộng ra cho các thép khác.
a) Gi
ản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội của thép
cùng tích:
T
ừ giản đồ pha Fe
- C ta bi
ết rằng khi làm nguội austenit sẽ chuyển biến
thành peclit t
ại nhiệt độ 727oC, với điề
u ki
ện làm nguội rất chậm không có
trong th
ực tế. Do vậy ta dùng phương pháp làm nguội đẳng nhiệt như sau: làm
ngu
ội nhanh austenit xuống d
ưới nhiệt độ Ar1 một khoảng nhỏ, sau đó giữ đẳng
nhi
ệt tại nhiệt độ này và đo thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển bi
ến của
austenit.
* Gi
ản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép c
ùng tích:
Gi
ản đồ chuyển biến đắng nhiệt của austenit quá nguội còn gọi là giản đồ T

-
T-T (transformation - temperature - time). Ta ti
ến hành đo như trên cho thép
cùng tích t
ại các nhiệt độ chuyển
bi
ến khác nhau, ghi lại thời gian bắt đầu v
à kết
thúc chuyển biến ở từng nhiệt độ một. Cuối cùng đem biểu diễn lên hệ trục nhiệt
đ
ộ v
à thời gian ta sẽ có giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của
thép cùng tích. Gi
ản đồ này có dạng hai đường ch
ữ "C", đ
ường thứ nhất biểu thị
s
ự bắt đầu, đường thứ hai biểu thị sự kết thúc của chuyển biến austenit thành
peclit (còn g
ọi l
à giản đồ chữ C). Giản đồ này do hai nhà vật liệu học người Mỹ
là E.C.Bain và A.I.Davenpo xây d
ựng năm 1930.
Hình 3.3 Gi
ản đồ T
-T-T c
ủa thép cùng tích
25
* Các s
ản phẩm của sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit qúa nguội:

T
ừ giản đồ chữ "C" ta thấy rằng austenit khi bị l
àm nguội xuống dưới 727
0
C
nó chưa chuy
ển biến ngay mà còn tồn tại một thời gian nhất định trước
khi
chuy
ển biến, phân hóa và được gọi là austenit quá nguội. Austenit quá nguội
không
ổn định, rất dễ d
àng bị phân hóa. Trên giản đồ chữ "C" phân chia ra các
khu v
ực sau:
- Ở tr
ên 727
0
C là khu v
ực tồn tại của austenit ổn định.
- Bên trái đư
ờng cong chữ "C"
th
ứ nhất là austenit quá nguội.
- Kho
ảng giữa hai đường chữ "C" là austenit chuyển biến.
- Bên ph
ải đ
ường cong chữ "C" thứ hai là các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt
c

ủa austenit quá nguội (hỗn hợp phe rit và xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau).
- Dư
ới đường
M
đ
là máctenxít và austenit dư.
Các s
ản phẩm phân hóa đẳng nhiệt
:
+ Khi cho phân hóa
ở sát A1 (trên dưới 700
0
C), v
ới độ quá nguội nhỏ
 T
kho
ảng 25
0
C. H
ỗn hợp phe rit
- xêmentit t
ấm tạo th
ành với kích thước thô to,
kho
ảng cách giữa các tấm khoảng 10
-3
mm, độ cứng 10 15HRC g
ọi là péc lit
t
ấm.

+ Khi cho austenit phân hóa
ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 650
0
C, v
ới độ qúa
ngu
ội
 T x
ấp xỉ 75
0
C), hônù h
ợp phe rit
- xêmentit t
ấm tạo thành nhỏ mịn hơn,
kho
ảng cách giữa các tấm cỡ 0,25
 0,30 mm, không phân bi
ệt đ
ược ch
úng trên
kính hi
ển vi quang học. Tổ chức này có độ cứng 25
 35HRC, g
ọi là xoocbit tôi.
Hình 3.4 T
ổ chức tế vi của xoocbit tôi
+ Khi cho austenit phân hóa
ở nhiệt độ thấp hơn nữa (khoảng 500
600
O

C,
ứng với mũi của đ
ường cong chữ "C", h
ỗn hợp phe rit - xêmentit t
ấm tạo thành
s
ẽ nhỏ mịn h
ơn nữa, không phân biệt được trên kính hiển vi quang học, khoảng