Bài giảng vật liệu học nghề hàn

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ QUỐC TẾ VABIS HỒNG LAM
KHOA HÀN

MÔ ĐUN/ MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
MÃ SỐ: MH 09
NGHỀ: HÀN
Trình độ (Trung cấp/ Cao đẳng nghề)

Vũng tàu – 2012
Giáo trình lưu hành nội bộ

`

1


LỜI NÓI ĐẦU
“Vật liệu học” là môn học kỹ thuật cơ sở quan trọng trong ngành cơ
khí nói chung và với ngành Hàn nói riêng. Nó cung cấp những kiến thức
cơ bản về bản chất và cách thay đổi tính chất của các loại vật liệu dùng
trong các ngành kỹ thuật. Trên cơ sở đó giúp chúng ta biết cách lựa chọn
và sử dụng vật liệu một cách đúng đắn, phù hợp, đồng thời biết các
phương pháp biến đổi tính chất của vật liệu sao cho phù hợp với yêu cầu
sử dụng trong các điều kiện kỹ thuật khác nhau.
Môn “Vật liệu học” là môn phong phú cả về lý thuyết lẫn thực tế sản
xuất. Lý thuyết của môn học dựa trên các thành tựu của vật lý học hiện
đại, hoá học, tinh thể học… nên rất sâu và rộng. Các loại vật liệu nhất là
vật liệu kim loại đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành kỹ
thuật khác nhau, nên nó có tính thực tế rất cao. Do đó việc áp dụng lý
thuyết để giải quyết các vấn đề trong thực tế sản xuất là vô cùng quan
trọng. Bởi vậy trong quá trình học tập học sinh phải biết liên hệ chặt chẽ

lý thuyết đã học với các hiện tượng thực tế.
Cuốn tài liệu này sẽ góp phần giúp các bạn nghiên cứu cụ thể về các
loại vật liệu chủ yếu và thực tế nhất đối với ngành cơ khí nói chung và
ngành Hàn nói riêng. Là lần đầu biên soạn không thể tránh khỏi những
thiếu sót rất mong bạn đọc đóng góp những ý kiến góp ý để tôi hoàn
thiện hơn cuốn tài liệu của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

`

2


MỤC LỤC:
Tên chương mục
Chương mở đầu:
I.

Khái niệm về vật liệu

II.

Vai trò của vật liệu

Chương 2: Lý thuyết về hợp kim
I.

Khái niệm về hợp kim

II.

Các tổ chức của hợp kim Fe-C

III.

Giản đồ trạng thái Fe-C

Chương 3: Gang
I.

Khái niệm Gang

II.

Phân loại Gang

Chương 4: Thép
Bài 1: Thép các bon
I.

Khái niệm

II.

Phân loại

III.

Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

Bài 2: Thép hợp kim
I.

Khái niệm

II.

Các đặc tính của thép hợp kim

III.

Phân loại và kí hiệu thép hợp kim

Bài 3: Hợp kim cứng
I.

Khái niệm

II.

Phân loại

III.

Tính chất

Trang
4~5

5~6

6~9

9~15
9~12

12~14

14~15

IV. Công dụng

`

3


Chương 5: Kim loại và hợp kim màu
Bài 1: Khái niệm và tính chất
I.

Khái niệm

II.

Các loại kim loại màu và hợp kim màu

III.

Tính chất chung của kim loại và hợp kim màu

Bài 2: Đồng và hợp kim đồng
I.

Đồng nguyên chất

II.

Hợp kim đồng

Bài 3: Nhôm và hợp kim nhôm
I.

Nhôm nguyên chất

II.

Hợp kim nhôm

Bài 4: Hợp kim làm ổ trục
I.

Yêu cầu

II.

Hợp kim làm ổ trục có nhiệt độ chảy thấ

III.

Hợp kim làm ổ trục có nhiệt độ chảy cao

Chương 6: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện
Bài 1: Nhiệt luyện thép
I.

Khái niệm

II.

Các phương pháp nhiệt luyện

III.

Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện

Bài 2: Hóa nhiệt luyện
I.

Khái niệm

II.

Thấm cacbon

III.

Các phương pháp thấm khác

Chương 7: Vật liệu phi kim loại

Bài 1: Chất dẻo và Gỗ
I.
`

15~20
15~17

17~18

18~20

20

21~24
21~23

23~24

24~28
24~26

Chất dẻo
4


II.

Gỗ

Bài 2: Compozit

26~28

I.

Khái niệm

II.

Phân loại

III.

Ứng dụng của vật liệu compozit

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vật liệu học – Lê Công Dưỡng (Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật Hà
Nội 2000).
2. Vật liệu học cơ – Nghiêm Hùng (Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật)
3. Giáo trình Vật liệu và công nghệ kim loại – PGS-TS Hoàng Tùng
(Nhà xuất bản Giáo Dục)

`

5


CHƯƠNG MỞ ĐẦU
A.Mục tiêu bài học:
Sau khi học xong bài học này người học có khả năng:

- Xác định được các dạng vật liệu tồn tại trong đời sống sản xuất
- Phân biệt được ưu, nhược điểm của các dạng vật liệu từ đó lựa chọn
loại vật liệu phù hợp cho quá trình sản xuất.
B.Nội dung:
Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính
chất của vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải
thiện tính chất và sử dụng thích hợp và ngày một tốt hơn.
I.Khái niệm về vật liệu:
Vật liệu ở đây chỉ dung để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để
chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng các công trình và ngay cả
thay thế các bộ phận cơ thể…Như vậy các chất lỏng, chất khí cho dù rất
quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học
này.
Dựa theo cấu truc, tính chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm vật
liệu chính như sau:
- Vật liệu kim loại:
Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại,
trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyên tử nào. Các
tính chất điển hình của vật liệu kim loại là:
+ Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
+ Có ánh kim, phản xạ ánh sang, không cho ánh sáng thường đi qua,
dẻo , dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép).
+ Có độ bền cơ học cao, nhưng độ bền hóa học kém.
+ Trừ nhôm ra các kim loại khác đều khá nặng.
+ Nhiệt độ nóng chảy từ thấp lên cao nên đáp ứng được yêu cầu cao của
kỹ thuật.
+ Giá thành vật liệu đắt.
- Ceramic ( vật liệu vô cơ):
Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á
kim (oxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, xi măng, thủy tinh.

Các tính chất điển hình của vật liệu vô cơ – Ceramic là:
+ Khá nặng
+ Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém.
`

6


+ Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao.
+ Độ bền hóa học cao hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ.
+ Giá thành rẻ.
- Polyme (vật liệu hữu cơ):
Vật liệu này có nguồn gốc từ hữu cơ, thành phần chủ yếu là cacbon.,
hydro và các á kim, có cấu trúc đại phân tử. các tính chất điển hình:
+ Dẫn điện và nhiệt kém.
+ Khối lương riêng nhỏ.
+ Dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao.
+ Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển, nóng chảy và
phân hủy ở nhiệt độ thấp.
- Compozit: là sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang
hầu hết các đặc tính tốt nhất của vật liệu thành phần.
Ví dụ: Bê tong cốt thép vừa chịu kéo tốt (đặc tính của thép) lại chịu nén
cao (đặc tính của bê tông).
Hiện nay thường dùng các compozit hệ kép: Kim loại-polyme, Kim loạiCeramic, Polyme-Ceramic.
II. Vai trò của vật liệu:
Cho đến nay vật liệu kim loại thực sự đã có vai trò quyết định trong
tiến hóa của loài người. Kim loại và hợp kim đang chiếm vị trí chủ đạo
trong chế tạo công cụ và máy móc thường dùng:Công cụ cầm tay, dụng
cụ, máy công cụ, máy móc nói chung, ô tô…và trong sản xuất vũ khí.
Như vậy hiện nay vật liệu kim loại vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu

trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng và quốc
phòng.
Cùng với vật liệu kim loại, ngành vật liệu chất dẻo – polymer, vật liệu
vô cơ –Ceramic, Compozit cũng không ngừng phát triển để đáp ứng cho
nhu cầu ngày càng lớn của xã hội.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm vật liệu ?
2. Trình bày các loại vật liệu thường gặp ?

`

7


Ch¬ng 2: lý thuyÕt hîp kim
A.Mục tiêu bài học:
Sau khi học xong bài học này người học có khả năng:
- Biết được các khái niệm về hợp kim, các yếu tố cấu thành hợp kim.
- Biết được quá trình thành tổ chức pha, các giới hạn nhiệt độ của pha,
thành phần các nguyên tố có trong tổ chức.
- Giải thích được giản đồ trạng thái sắt cacbon.
B.Nội dung:
I. Khái niệm về hợp kim:
1. Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (Dẫn
điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim). Hợp kim được cấu
tạo thành trên cơ sở kim loại: giữa hai hay nhiều kim loại lại với nhau.
2. Pha: Là những phần tử của hợp kim có cùng cấu trúc, cùng kiểu
mạng, cùng thông số mạng, tính chất cơ-lý- hoá xác định và ngăn cách
với các pha khác bằng bề mặt phân chia.
Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim.

3. Nguyên tố (cấu tử): Là một vật chất độc lập có thành phần không
thay đổi, tạo nên các pha của hệ.
Nguyên tố có thể là các nguyên tố hóa học hoặc hợp chất hóa học có
tính ổn định cao.
II. Các tổ chức của hợp kim Fe – C
1. Các tổ chức 1 pha
a. Tổ chức Xementit (Xe): Là hợp chất hóa học của Fe và C trong đó C
chiếm 6,67%.
Đây là một tổ chức có độ cứng cao, tính công nghệ kém, độ dòn lớn nên
chịu mài mòn tốt.
Tổ chức Xe được chia làm 3 loại :
- Xementit thứ nhất (XeI): Được tạo thành từ hợp kim lỏng khi làm
nguội từ 16000C - 11470C
- Xementit thứ hai (XeII): Được tạo thành từ dung dịch rắn Ostenit khi
làm nguội từ 11470C - 7270C .
- Xementit thứ ba (XeIII): Được tạo thành từ dung dịch rắn Pecnit khi
làm nguội từ 7270C – 00C.

`

8


b. Tổ chức Ferit (F,α): Là dung dịch rắn xen kẽ của C hoà tan trong Fe,
có mạng tinh thể lập phương thể tâm.
- Lượng C hòa tan trong Ferit rất nhỏ:
+ Ở 7270C hòa tan được 0,02%
+ Ở 00C hòa tan được 0,006%C
- Nồng độ càng giảm thì lượng hòa tan càng giảm nên có thể coi Ferit
là Fe nguyên chất.

- Ferit rất dẻo, mềm và có độ bền thấp.
c. Tổ chức Ostennit (O, γ, Os): Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Fe,
có mạng tinh thể lập phương diện tâm.
- Lượng C hòa tan tối đa: 0.8% ở 7270C; 2,14% ở 11470C.
- Không tồn tại trên 7270C và có tính dẻo, dai rất dễ biến dạng.
2. Các tổ chức 2 pha
a. Peclit (P): Là hỗn hợp cơ học cùng tích của Pherit và Xementit, được
tạo thành từ Ostennit khi làm nguội quá 7270C.
- Tính chất cơ học của Peclit tùy thuộc vào lượng Pherit và Xementit và
phụ thuộc vào cả hình dạng của Xementit.
+ Nếu Xementit có dạng tấm thì gọi là Peclit tấm.
+ Nếu Xementit có dạng hạt thì gọi là Peclit hạt.
b. Ledeburit (Le): Là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ostennit và
xementit.
- Ở 11470C và 4,3%C thì hình thành nên cùng tích thể Ledeburit.
- Ledeburit có độ giòn, độ cứng cao.
III. Giản đồ trạng thái của Fe – C

`

9


D

A

L

B

H

J
L +XeI
0

E

1147 C

G

C
Le +XeI

S
Peclit(P)

F+XeIII

A1=7270C

F

P

XeII

F+P

Q

P+XeII

P+XeII+Le

100%C 0,8%C 2,14%C

Ledeburit(Le)

XeII + Le

F

F
Xementit(Xe)

L+

K
XeI+P+Xe

4,3%C

L
6,67%C

%C

Hình 2.1

Giản đồ trạng thái Fe-C

Trong đó :
Le = P + Xe
P = F + Xe
- ABCD là đường lỏng.
- AHJECF là đường đặc.
- ECF là đường cùng tinh với điểm E là điểm cùng tinh.
- PSK là đường cùng tích với điểm S điểm cùng tích.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm hợp kim ?
2. Trình bày giản đồ trạng thái Fe-C ?

`

10


Ch¬ng 3 : gang

A.Mục tiêu bài học:
Sau khi học xong bài học này người học có khả năng:
- Phân biệt được các loại gang, tính chất, thành phần của các nguyên tố
có trong gang.
- Giải thích được các kí hiệu gang theo tiêu chuẩn Việt nam và theo ISO.
- Biết được phạm vi ứng dụng của từng loại gang.
I. Khái niệm:
1. Định nghĩa.

Gang là hợp kim Fe – C có hàm lượng C lớn hơn 2,14% và nhỏ hơn
6,67%.
Trong thành phần của gang có chứa các tạp chất như Si, Mn, S, P và
các nguyên tố khác. Gang thông dụng :
%C = 2 - 4 (%);
%Mn = 0.2 – 1.5 (%/);
%P = 0.04 – 0.65 (%);
%S = 0.02 – 0.05.
2. Tính chất
- Do trong gang có thành phần C cao dẫn đến nhiệt độ nóng chảy thấp,
dễ nấu luyện, có tính đúc tốt.
- Đặc tính kéo tốt nhưng tính kéo lại kém.
II. PHÂN LOẠI GANG
1. Phân theo giản đồ trang thái: Được chia làm 3 loại:
- Gang trước cùng tinh: (C < 4,3%) chứa tổ chức Peclit, Xementit và
Ledeburit.
- Gang cùng tinh: (C = 3,4%) chỉ có tổ chức Ledebunit.
- Gang sau cùng tinh: (C > 4,3%) chứa tổ chức Ledeburit và Xementit.
2. Phân loại theo tổ chức tế vi và cấu tạo: Chia làm 4 loại
a. Gang trắng: Là loại gang mà tất cả C là một dạng liên kết với Fe
trong hợp chất Fe3C. Tổ chức Xementit có nhiều trong gang làm bề mặt
gẫy của nó có mầu sáng trắng nên gọi là gang trắng.
- Tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn tuân theo giản đồ trạng thái
Fe – C.
- Tính chất của gang trắng: Gang trắng rất cứng và giòn, tính cắt gọt
kém.
- Phạm vi sử dụng: Để chế tạo gang rèn hoặc để chế tạo các chi tiết máy
cần tính chống mòn cao như bi nghiền, trục cán.
`

11


- Gang trắng chỉ hình thành khi hàm lượng C, Mn thích hợp với điều
kiện nguội nhanh ở các vật đúc có thành nhỏ, mỏng.
- Khi ủ một phần gang trắng bị biến dạng thành gang dẻo.
- Theo giản đồ trạng thái cũng chia gang trắng làm 3 loại:
+ Gang trắng trước cùng tinh: C < 4,3% có tổ chức là Peclit, Xementit
và Ledeburit.
+ Gang trắng cùng tinh: C = 4,3% có tổ chức là Ledeburit
+ Gang trắng sau cùng tinh: C > 4,3% có tổ chức là Ledeburit và
Xementit.
b. Gang xám: Là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ C ở dạng Grafit
hình tấm, phiến. Nhờ có Grafit nên mặt phẳng gẫy có màu xám.
Trong gang xám có chứa ít hoặc thậm chí không có Fe3C.

Hình 3.1: Gang xám
- Theo tổ chức tế vi có thể chia gang xám làm 3 loại:
+ Gang xám Pherit có cấu trúc gồm Grafit dạng tấm và Pherit.
+ Gang xám Pherit - Peclit có cấu trúc gồm Grafit dạng tấm và Pherit
(F), Peclit (P).
+ Gang xám Peclit có cấu trúc gồm Grafit dạng tấm và Peclit (P).
Trong đó: F, F + P, P gọi là nền kim loại.
- Tính chất: Cơ tính của gang phụ thuộc vào nền kim loại, số lượng,
hình dạng, kích thước, sự phân bố của Grafit trong nền kim loại. Nếu số
lượng hợp lý, hình dạng thu gọn và phân bố đều trên nền thì cơ tính được
cải thiện.
+ Nhiệt độ nóng chảy = 1350 0C. Tổ chức xốp nên giữ dầu tốt.
+ Gang xám có độ bền nén cao, chịu mài mòn tốt, đặc biệt là có tính
đúc tốt,

+ Gang có độ cứng thấp (khoảng 150 - 250HB) nên dễ cắt gọt.

`

12


+ Độ giòn cao, chống uốn kém, không chịu tải trọng va đập, không thể
rèn được.
+ Độ bền kéo thấp, giới hạn bền kéo nhỏ hơn 350 – 400Mpa (thường
từ 150 – 350Mpa).
+ Độ dẻo dai thấp nên có thể xem như vật liệu giòn ( δ ≈ 0,5% )
Trong sản xuất gang người ta thường biến tính gang xám để cải thiện
cơ tính của nó.
- Phân loại: Theo TCVN gang xám được kí hiệu gồm 2 phần
+ Phần chữ cái chỉ loại gang (GX),
+ Phần nhóm số chỉ thứ tự độ bền kéo và độ bền uốn.
Ví dụ: GX15 - 32
Trong đó: GX - Chỉ loại gang là gang xám
σ bk = 15( N / mm 2 )

σ bu = 32( N / mm 2 )

- Ứng dụng: Gang xám thường dùng để đúc các công trình chịu nén
như bệ máy, băng máy, hộp tốc độ, vỏ động cơ, ổ trượt và tốc độ chậm.
c. Gang cầu: Là loại gang có tổ chức như gang xám, nhưng Grafit ở
dạng cầu tròn.

Hình 3.2: Gang cầu
Tương tự như gang xám, gang cầu được chia làm 3 loại:

+ Gang cầu Ferit có cấu trúc gồm F và Gcầu
+ Gang cầu Ferit - Peclit có cấu trúc gồm Gcầu + F + P
+ Gang cầu Peclit có cấu trúc gồm Gcầu+ P
Trong đó : F, F + P, P gọi là nền kim loại.
- Tính chất: Gang cầu có độ bền cao hơn gang xám rất nhiều, có độ dẻo
bảo đảm,. Do vậy chịu lực lớn, chịu tải trọng va đập, chịu mài mòn.
Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (
σ k= 400 − 800Mpa,σ ch= 250 − 600 Mpa) , độ dẻo và dai xác định ( δ = 2 − 15% )
`

13


- Để nhận được gang cầu phải biến cứng gang xám lỏng bằng Mn, Ce,
để tạo ra Grafit hình cầu.
- Kí hiệu: Theo TCVN gang cầu cũng được kí hiệu gồm 2 phần như
gang xám
+ Phần chữ (GC) chỉ loại gang là gang cầu,
+ Phần nhóm số chỉ độ bền kéo (N/mm2) và độ dãn dài tương đối ( %).
Ví dụ: GC 45-15
Trong đó :
+ GC chỉ loại gang là gang cầu
+ 45 chỉ độ bền kéo

σ bk = 45

N
mm 2

.

+ 15 chỉ độ dãn dài tương đối δ = 15 %.
- Ứng dụng: Gang cầu dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực lớn, chịu tải
trọng va đập, chịu mài mòn : trục khủyu, trục cán, động cơ đốt trong,
bánh răng, ổ trượt…
Ví dụ: GC 40-10
d. Gang dẻo: Là loại gang được chế tạo từ gang trắng bằng phương pháp
nhiệt luyện (ủ). Grafit trong gang có dạng khóm, cụm, bông.
- Tương tự gang xám, gang cầu thì gang dẻo chia làm 3 loại:
+ Gang dẻo Ferit có cấu trúc gồm F và Gcụm
+ Gang dẻo Ferit - Peclit có cấu trúc gồm Gcụm + F + P
+ Gang dẻo Peclit có cấu trúc gồm Gcụm + P
Trong đó : F, F + P, P gọi là nền kim loại.
Cấu trúc: Nền kim loại + Gcụm

Hình 3.3 Gang dẻo
- Tính chất: Gang dẻo có độ bền cao độ dẻo lớn.
- Để nhận được gang dẻo thì ủ gang trắng trước cùng tinh sẽ được gang
dẻo.
- Cơ tính của gang dẻo: Thấp hơn của gang cầu và lớn hơn gang xám
do có Gcụm ( σ k= 300 − 600Mpa,σ ch= 2o0 − 450Mpa, δ = 3 − 15%)
`

14


- Kí hiệu: Theo TCVN gang dẻo cũng được kí hiệu gồm 2 phần:
- Phần chữ (GZ) chỉ loại gang là gang dẻo,
- Phần nhóm số tương tự như kí hiệu của gang cầu.
Ví dụ: GZ33- 8

Trong đó : + GZ chỉ loại gang là gang dẻo.
+ 33 chỉ độ bền kéo

σ bk = 33

N
mm 2

.

+ 8 chỉ độ dãn dài tương đối δ = 8 %.
- Ứng dụng: Gang dẻo thường được dùng để chế tạo các chi tiết đòi hỏi
hình dạng phức tạp bằng phương pháp đúc, chi tiết có thành mỏng và
nguội nhanh.
- Gang dẻo thường có giá thành cao vì khó đúc và thời gian ủ lâu.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm gang,
2. Phân loại và phạm vi ứng dụng ?

`

15


Ch¬ng 4: thÐp

A.Mục tiêu:
Sau khi học xong chương này người học có khả năng:
- Phân biệt được các loại thép, tính chất, thành phần của các nguyên tố
có trong thép.

- Giải thích được các kí hiệu thép theo tiêu chuẩn Việt nam, ASTM hoặc
theo ISO.
- Biết được phạm vi ứng dụng của từng loại thép.

Bài 1: Thép các bon
I. Khái niệm:
1. Định nghĩa
Thép cacbon là hợp kim của sắt và cacbon (Fe - C) có hàm lượng
cacbon nhỏ hơn 2,14%. Ngoài ra trong thép cacbon còn chứa 1 lượng tạp
chất như Si, Mn, S, P…..
2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức và tính chất của thép
cacbon.
Đối với thép cacbon thì nguyên tố ảnh hưởng lớn nhất là nguyên tố C.
Chỉ cần thay đổi một lượng rất nhỏ thành phần của nguyên tố cacbon đã
làm cho tính chất cơ, lý, hóa của thép thay đổi đi rất nhiều.
Trong thực tế thép cacbon bao giờ cũng chứa một lượng nhỏ tạp chất:
Mn ≤ 0.8%; Si ≤ 0.5%; P (S) ≤ 0.05%.
Ngày nay người ta chế tạo thép bằng cách dùng sắt, thép vụn để nấu
luyện lại nên trong thành phần của thép có thêm nhiều tạp chất khác như:
H2, N2, O2 do không khử hết trong quá trình luyện.
a. Ảnh hưởng của nguyên tố cacbon
- Cácbon là nguyên tố quan trọng nhất quyết định chủ yếu tổ chức và
tính chất của thép.
Khi hàm lượng Cacbon tăng thì dẫn đến độ cứng và độ bền của thép
cũng tăng, còn độ dẻo và độ dai lại giảm .
+ Nguyên nhân: Do Cacbon tăng làm cho tổ chức Xementit và Ferit có
sự thay đổi về số lượng.
- Hàm lượng Cacbon thay đổi dẫn đến tính công nghệ, tính đúc, tính
rèn dập của thép thay đổi.
+ Nếu hàm lượng C < 0,8% thì thép dẻo và dai.

+ Nếu hàm lượng C = 0,8% thì thép cứng và giòn.
`

16


+ Nếu hàm lượng C > 0,8% thì thép có tính chống mài mòn tốt.

Hình 4.1 Ảnh hưởng của Cacbon
b. Ảnh hưởng của nguyên tố Mn, Si
- Mn, Si là những tạp chất có lợi, khi hàm kượng Mn, Si trong thép
thích hợp ( Mn ≤ 0,75%, Si ≤ 0,35% ) thì chúng có khả năng khử Oxi
khỏi các Oxit Fe, làm tăng độ bền, độ cứng của thép.
* Lưu ý: Không nên cho quá nhiều tạp chất Mn, Si vì nó sẽ làm giảm
tính công nghệ của thép như tính gia công cắt gọt, tính nhiệt luyện.
c. Ảnh hưởng của nguyên tố S, P
- S, P đặc biệt có hại cho thép C.
+ S kết hợp với Fe tạo ra hợp chất FeS làm cho thép bị giòn nóng.
+ P hòa tan vào Fe khi vượt qua giới hạn hòa tan sẽ tạo ra tạp chất làm
thép bị phá hủy (giòn) ở nhiệt độ thường gọi là giòn nguội.
Cả S và P đều có lợi khi cần cải thiện tính gia công cắt gọt của thép.
II Phân loại:
1. Phân loại theo phương pháp nấu luyện
Thép có thể được nấu luyện bằng nhiều cách khác nhau trong các lò
khác nhau nên chúng có chất lượng khác nhau.
- Thép luyện trong lò chuyển: Thường có chất lượng thấp, hàm lượng
các nguyên tố thường kém chính xác.
- Thép luyện trong lò Mactanh: Có chất lượng cao hơn trong lò chuyển.
- Thép luyện trong lò điện có chất lượng cao hơn hẳn, có thể khử hết
tạp chất tới mức thấp nhất.

- Có thể luyện thép trong lò điện, lò hồ quang, lò cảm ứng.
2. Phân loại theo phương pháp khử Oxi
Thực chất đây cũng là một phương pháp luyện thép.
Theo phương pháp này chia ra:
`

17


- Thép lặng: Hình thành khi dùng Al, FeSi để khử O2 lượng khí CO
sinh ra lớn thì sẽ dẫn đến lõm co lớn va làm tăng chất lượng của thép.
- Thép sôi: Hình thành khi dùng Fe, Mn để khử O 2 lượng khí CO sinh
ra lớn thì làm cho thép sôi bề mặt, thỏi thép có lõm co nhỏ, rỗ khí nhiều.
Do đó thép sôi có tính dẻo, dai kém hơn so với thép lặng.
- Thép trung gian: Là thép nửa lặng, nửa sôi.
3. Phân loại theo công dụng
Đây là phương pháp phân loại thép mang tính thực tiễn cao nhất.
a. Thép C thông thường: Có nhược điểm là cơ tính không cao chỉ dùng
để chế tạo các chi tiết máy các kết cấu chịu tải trọng nhỏ, thường dùng
trong ngành xây dựng và giao thông. Do đó nó còn được gọi là thép xây
dựng.
- Thép xây dựng được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm như tấm,
thanh, dây, chữ I, L, O …. ở trạng thái thường hóa không qua nhiệt
luyện.
Người ta phân thép xây dựng ra làm 3 nhóm A, B, C để dễ dàng lựa
chọn thép khi sử dụng:
+ Nhóm A đánh giá về cơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng…
+ Nhóm B đặc trưng về thành phần hóa học.
+ Nhóm C đặc trưng cả về cơ tính và thành phần hóa học.
- Kí hiệu: Theo TCVN kí hiệu thép thường gồm 2 phần:

+ Phần chữ (CT ) chỉ loại thép là thép thường.
+ Phần số chỉ giới hạn bền nhỏ nhất σb. Đơn vị là N/mm2
Ví dụ: CT38, CT61 thuộc phân nhóm A
BCT38, BCT61 thuộc phân nhóm B
CCT38, CCT61 thuộc phân nhóm C
Giới hạn bền: σb= 380 N/mm2
σb= 610 N/mm2
Với thép sôi và thép lặng thì có thêm chữ (s hoặc n) vào sau để phân
biệt.
Ví dụ: CT38s, CT38n
b. Thép kết cấu
Là loại thép có hàm lượng tạp chất S, P rất nhỏ, thành phần cacbon xác
định có chất lượng tốt.
- Tính chất: Cơ tính của thép kết cấu phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện,
thường là có cơ tính rõ ràng.
`

18


- Ứng dụng: Dùng trong chế tạo các chi tiết chịu lực cao.
Thép kết cấu thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm.
- Kí hiệu: Theo TCVN kí hiệu thép cacbon kết cấu gồm hai phần
+ Phần chữ (C ) chỉ loại thép là thép cacbon kết cấu,
+ Phần số chỉ hàm lượng cacbon trong thép.
VD: C45
Trong đó: C chỉ thép cacbon kết cấu, còn 45 chỉ hàm lượng cacbon
trong thép là 0,45%
Nếu thép cacbon kết cấu có chất lượng tốt hơn thì kí hiệu có thêm chữ
A ở cuối.

c. Thép cacbon dụng cụ
Là loại thép có hàm lượng cacbon cao (0,7 – 1,3%), hàm lượng tạp chất
P và S thấp (<0,025 %)
- Tính chất: Thép cacbon dụng cụ có độ cứng cao khi nhiệt luyện
nhưng chịu nhiệt thấp
- Ứng dụng: Chỉ dùng để làm các dụng cụ như: Đục, dũa, các loại
khuôn.
- Kí hiệu: Theo TCVN thép cacbon dụng cụ cũng được kí hiệu gồm hai
phần
+ Phần chữ: Chỉ loại thép là thép dụng cụ (CD)
+ Phần số: Chỉ hàm lượng cacbon trong thép
Ví dụ: CD80
Trong đó: CD chỉ loại thép là thép cacbon dụng cụ
Số 80 chỉ hàm lượng cacbon là 0,8%
Nếu thép cacbo dụng cụ có chất lượng tốt hơn thì kí hiệu có thêm chữ
A ở cuối.
4. Phân loại theo tổ chức tế vi
- Thép trước cùng tích có tổ chức Peclit và Pherit ( P + F ) có hàm
lượng cacbon nhỏ hơn 0,8%.
- Thép cùng tích có tổ chức Peclit (P) có hàm lượng cacbon bằng 0,8%.
- Thép sau cùng tích có tổ chức Peclit và Xementit ( P + Xe) có hàm
lượng cacbon lớn hơn 0,8%.
5. Theo hàm lượng cacbon thường dùng
- Thép cacbon thấp có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,25%.
- Thép cacbon trung bình có hàm lượng cacbon bằng 0,25 - 0,5%.
- Thép cacbon cao có hàm lượng cacbon lớn hơn 0,5%.
`

19

III. Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng:
1. Ưu điểm
- Rẻ tiền, dễ kiếm, dễ luyện, không phải dùng nguyên tố hợp kim đắt
tiền.
- Có cơ tính nhất định và tính công nghệ tốt. Dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi,
hàn, gia công cắt gọt hơn thép hợp kim.
2. Nhược điểm
- Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền khi nhiệt luyện không cao, đặc
biệt đối với tiết diện lớn. Giới hạn đàn hồi không vượt quá 700Mpa.
- Độ bền giảm khi nung ở nhiệt độ cao trên 300 0C nên tính chịu nhiệt
kém.
- Không có các tính chất vật lý và hoá học đặc biệt như độ cứng nóng
và độ chống ăn mòn.
3. Phạm vi sử dụng
Trong thực tế thép cacbon được dùng làm các chi tiết nhỏ, chịu tải
trọng vừa phải, làm việc ở nhiệt độ thường.

`

20


Bài 2: Thép hợp kim
I. Khái niệm:
Thép hợp kim là thép mà thành phần của nó có chứa một lượng nguyên
tố hợp kim phù hợp. Cấu trúc gồm: Fe – C – nguyên tố hợp kim.
- Nguyên tố hợp kim là nguyên tố mà người ta cố ý đưa vào với hàm
lượng nhất định. Tuỳ theo hàm lượng, theo loại nguyên tố mà nó tạo ra
tính chất mới của thép.

- Các nguyên tố hợp kim trong thép thường là Mn, Si, Ni, Cu,Co, Mo,
W, Cr.
Trong đó: Mn ≥ 0,8%; Si ≥ 0,5%; Cr ≥ 0,5%; Ni ≥ 0,5%; W ≥ 0,1; Mo
≥ 0,05%; …
II. Các đặc tính của thép hợp kim:
1. Cơ tính
- Thép hợp kim có cơ tính cao hơn thép cacbon khi cả hai có cùng hàm
lượng cacbon, độ thấm tôi cũng lớn hơn của thép cacbon.
- Thép hợp kim khi nhiệt luyện cho hiệu quả tốt hơn thép cacbon. Tuy
nhiên về hình thức thì không khác nhau nhiều.
- Sau khi nhiệt luyện có thể chịu được nhiệt độ làm việc cao hơn thép
cacbon.
nhờ sự tương tác của các nguyên tố hợp kim trong các tổ chức của thép.
2. Tính chất lí hoá
- Thép hợp kim đặc biệt chống ăn mòn cao trong môi trường ăn mòn,
độ giãn nở vì nhiệt nhỏ, điện trở lớn.
- Có khả năng chống oxi hoá nhưng khó nấu luyện, tính tôi luyện kém.
3. Ứng dụng
Mặc dù thép hợp kim có giá thành rất cao nhưng nó vẫn được dùng để
chế tạo nhiều chi tiết chịu lực, chịu nhiệt, chịu ăn mòn và chế tạo các
thiết bị đòi hỏi tuổi thọ cao, khối lượng và kích thước máy hạn chế.
III. Phân loại và kí hiệu thép hợp kim:
1. Theo nồng độ hợp kim trong thép: Chia làm 3 loại
- Thép hợp kim thấp: Có tổng lượng nguyên tố hợp kim đưa vào nhỏ
hơn 2,5%.
- Thép hợp kim trung bình: Có tổng lượng nguyên tố hợp kim đưa vào
từ 2,5-10%.

`

21


- Thép hợp kim cao: Có tổng lượng nguyên tố hợp kim đưa vào lớn hơn
10%.
2. Theo tên gọi của nguyên tố hợp kim chủ yếu
Trong thép hợp kim nguyên tố nào chiếm thành phần chủ yếu thì tên
gọi của thép hợp kim sẽ kèm theo tên gọi của nguyên tố đó.
Ví dụ: Thép Crôm, Thép Crôm – Niken…
3. Theo công dụng: Chia ra làm 5 loại
a. Thép hợp kim kết cấu hay còn gọi là thép kết cấu
- Khái niệm: Là loại thép mà kết cấu của nó gồm có nguyên tố cơ sở là
cacbon và các nguyên tố hợp kim cho thêm vào.
Thép hợp kim kết cấu có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 – 0,85%, lượng
phần trăm nguyên tố hợp kim tương đối thấp.
- Đặc điểm:
+ Cơ tính tổng hợp cao như độ dẻo, độ dai, giới hạn mỏi, bề mặt có
tính chống mài mòn.
+ Tính công nghệ: Chịu được các tác động lớn từ gia công bằng áp lực,
rèn, dập, cắt gọt, tạo hình, tính hàn tốt, khi nhiệt luyện đạt được cơ tính
theo yêu cầu.
+ Tính kinh tế: Giá thành rẻ, được sử dụng nhiều trong sản xuất.
- Kí hiệu: Theo TCVN thép hợp kim được kí hiệu bằng một hệ thống
chữ và số. Phần chữ là kí hiệu nguyên tố hợp kim bằng chính kí hiệu hoá
học của nguyên tố đó, phần số là kí hiệu thành phần cacbon và nguyên tố
hợp kim - số ở đầu kí hiệu thành phần cacbon trung bình theo phần vạn,
số đằng sau mỗi chữ chỉ lượng trung bình nguyên tố hợp kim theo phần
trăm ( nếu là 1% thì không cần ghi số 1). Nếu có thêm chữ A ở cuối thì
đó chính là thép hợp kim tốt.
Ví dụ:

+ Thép hợp kim có hàm lượng cacbon trung bình: 40Cr, 40CrMn…
+ Thép hợp kim có hàm lượng cacbon cao: 50Si2, C65Mn…
+ Thép hợp kim loại tốt: 12CrNi3A, 60Si2A…
- Phân loại: Theo đặc điểm thành phần cacbon và nguyên tố hợp kim
phải nhiệt luyện chia thép kết cấu thành 4 loại:
+ Thép thấm cacbon: Có hàm lượng cacbon bằng 0,1 - 0,25%, nguyên
tố hợp kim chính là Cr, Ni, Mn, B có tác dụng nâng cao độ thấm tôi, các
nguyên tố hợp kim phụ là Ti, V có tác dụng làm nhỏ hạt.

`

22


+ Thép hoá tốt: Có hàm lượng cacbon bằng 0,3 - 0,5%, nguyên tố hợp
kim chính là Cr, Ni, Si, Mn, B, nguyên tố hợp kim phụ là Ti, V, Al, Mo,
W.
+ Thép đàn hồi: Có hàm lượng cacbon bằng 0,5 - 0,7%, nguyên tố hợp
kim Mn + Si = 1 - 2%, Cr + Ni = 1 - 2%.
+ Thép kế cấu có công dụng riêng gồm:
Thép lá (tấm) có hàm lượng C = 0,05 - 0,2%, Si = 0,07 - 0,17%;
Thép dễ cắt có hàm lượng C = 0,1 - 0,3%, P = 0,08 - 0,15%, S = 0,15 0,3%;
Thép ổ lăn có hàm lượng C = 1%, Cr + Mn + Si = 1%.
b. Thép hợp kim dụng cụ
- Khái niệm: Là loại thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu
nhiệt và độ chịu mài mòn cao. Hàm lượng cacbon trong hợp kim dụng cụ
từ 0,7 - 1,4%; các nguyên tố hợp kim cho vào thường là Mn, Si, Cr, W.
- Đặc điểm: Có tính nhiệt luyện tốt, sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt
60 - 62HRC.
- Kí hiệu: Theo TCVN thép dụng cụ có kí hiệu tương tự thép kết cấu.

Ví dụ: 90CrSi
Trong đó: Hàm lượng các nguyên tố là C = 0,9%, Cr = 1%, Si = 1%
Riêng đối với thép dùng làm ổ lăn thường chứa hàm lượng Cr cao hơn
và có kí hiệu riêng.
Ví dụ: OLCr1, OLCr1,5 chứa 1% và 1,5%Cr.
- Phân loại: Thép hợp kim dụng cụ có thể chia làm hai loại là:
+ Thép hợp kim dụng cụ có năng suất làm việc thấp.
+ Thép hợp kim dụng cụ có năng suất làm việc cao.
- Công dụng: Thường dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt như dao
tiện, dao phay, mũi khoan…
c. Thép gió
- Khái niệm: Là loại vật liệu đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi
tiết máy có yêu cầu cao.
Trong thành phần của thép gió bao gồm các nguyên tố như C, Cr, V,
Co, Fe, W; trong đó chủ yếu là Cr và W.
- Đặc điểm: Độ cứng, độ bền cao, có khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt
đến 6500C, tính dẫn nhiệt kém.
- Kí hiệu: Theo TCVN thép gió có kí hiệu giống với thép kết cấu và
thép dụng cụ.
`

23


Ví dụ: 90W9V2
Trong đó: C =0,9%, W = 9%, V = 2%.
d. Thép không gỉ
- Khái niệm: Là loại thép có khả năng chống lại môi trường ăn mòn.
Trong thép thường có nhiều pha, mỗi pha đều có điện thế, điện cực khác
nhau.

- Đặc điểm: Trong thép không gỉ có hàm lượng Cr khá cao (Cr >12%).
+ Độ bền cao.
+ Khi ram cao sẽ bị giòn.
+ Có thể làm việc trong các môi trường khác nhau như nước biển và
các hoá chất.
- Phân loại:
+ Loại 2 pha Ferit và cacbit
+ Loại 1 pha Ostennit.
- Kí hiệu: Theo TCVN thép không gỉ có kí hiệu tương tự các loại thép
trên.
Ví dụ: 12Cr13, 40Cr.
Trong đó: 12Cr13 có chứa 0,12%C, 13%Cr.
e. Thép bền nóng
- Khái niệm: Là loại thép làm việc được ở nhiệt độ cao mà độ bền
không bị giảm, không bị oxi hoá bề mặt.
- Đặc điểm:
+ Độ bền tương đối cao, độ dẻo, độ dai tốt.
+ Tính gia công cắt gọt kém.
- Công dụng: Dùng làm các chi tiết có tiết diện lớn và hình dạng phức
tạp, làm các chi tiết đòi hỏi chịu tải trọng động cao, độ tin cậy cao như
chi tiết máy bay, hệ thống lái ôtô.
- Kí hiệu: Theo TCVN thép bền nóng có kí hiệu tương tự các loại thép
trên.

`

24


Bài 3: Hợp kim cứng

I. Khái niệm
Hợp kim cứng là loại vật liệu điển hình với độ cứng, độ chịu nhiệt rất
cao khoảng 800 - 10000C.
Thành phần chủ yếu của hợp kim cứng là Cacbit Vonfram (WC),
Cacbit Titan (TiC) và một lượng nhỏ Coban (Co) làm chất dính kết.
II. Phân loại
Có thể chia thành 3 nhóm:
- Nhóm một Cacbit: Gồm có WC và Co
Ví dụ: WC2, WC3, WC4, WC8.
Trong đó lần lượt có 2%, 3%, 4% và 8%Co; còn lại là thành phần WC.
Nhóm này có độ dẻo cao phù hợp với gia công vật liệu giòn, dùng làm
các khuôn kéo, ép.
- Nhóm 2 Cacbit: Gồm có WC + TiC và Co
Ví dụ: T15Co6 có 6%Co, 15%TiC còn lại 79%WC.
Nhóm này có độ dẻo thấp hơn so với nhóm 1 cacbit.
- Nhóm 3 cacbit: Gồm có WC + TiC +TaC và Co
Kí hiệu theo Liên xô là TT*K*.
Với (*) là phần số, số đằng sau 2 chữ T chỉ hàm lượng (TiC +TaC), còn
số đằng sau chữ K chỉ hàm lượng Co.
Ví dụ: TT7K12 có 7%(TiC +TaC), 12%Co còn lại 81%WC.
* Thường dùng nhất nhóm 1 cacbit và nhóm 2 cacbit.
III. Tính chất
- Tính giòn tương đối cao, dễ gẫy vỡ khi chịu tải trọng động.
- Tính dẫn nhiệt kém, chỉ bằng nửa thép.
- Tính chống mài mòn cao, tính cứng nóng cao.
* Chú ý: Trong một nhóm lượng Co càng ít thì tính chống mài mòn
càng cao. Cùng một lượng Co thì nhóm 3 Cacbit > 2 Cacbit > 1Cacbit về
độ cứng.
IV. Công dụng
Hợp kim cứng được sử dụng ngày càng phổ biến trong các ngành công

nghiệp chế tạo ở nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung.
- Nhóm một Cacbit có tính cứng nóng tới 8000C được dùng làm khuôn
kéo ống và thanh dùng cho các chi tiết máy chóng mòn làm đồ gá và các
`

25