giao trinh vat lieu dai cuong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
(Dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học)

Tác giả: PGS.TS. NGUYỄN VĂN DŨNG

Đà Nẵng, 2015


MỤC LỤC
Mục lục .............................................................................................................................
CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU .......... 1
1.1. Phân loại vật liệu ............................................................................................. 1
1.2. Công nghệ vật liệu ........................................................................................... 4
1.3. Vật liệu học ...................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2 : NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU ........................ 6
2.1. Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu .............................. 6
2.2. Tính chất vật lý có liên quan đến nước ............................................................ 7
2.3. Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt ............................................................ 8
2.4. Tính chất cơ học .............................................................................................. 9
CHƯƠNG 3 : SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG) ....................... 13
3.1. Giản đồ pha của hệ một cấu tử sắt ................................................................. 13
3.2. Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) .......................................................................... 14
3.3. Thép và gang.................................................................................................. 19
CHƯƠNG 4 : SẢN XUẤT VẬT LIỆU KIM LOẠI ................................................. 22
4.1. Các phương pháp luyện kim .......................................................................... 22
4.2. Các phương pháp tạo hình ............................................................................. 23

4.3. Hàn kim loại .................................................................................................. 34
4.4. Luyện kim bột ................................................................................................ 35
CHƯƠNG 5 : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYMER ........................................... 37
5.1. Khái niệm....................................................................................................... 37
5.2. Cấu trúc phân tử polymer .............................................................................. 38
CHƯƠNG 6 : VẬT LIỆU VÔ CƠ KHÔNG KIM LOẠI (CERAMICS) .............. 46
6.1. Gốm ............................................................................................................... 46
6.2. Thủy tinh ........................................................................................................ 48
6.3. Xi măng và bê tông ........................................................................................ 50
CHƯƠNG 7 : VẬT LIỆU COMPOSITE ................................................................. 52
7.1. Khái niệm và tính chất ................................................................................... 52


7.2. Vật liệu và thành phần của composite ........................................................... 53
7.3. Composite nền nhựa ...................................................................................... 54
7.4. Composite nền kim loại ................................................................................. 55
7.3. Composite nền gốm ....................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 55


CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế
tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ
phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật. Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho
dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học.
Đối tượng nghiên cứu của khoa học vật liệu là nghiên cứu bản chất, cấu
trúc vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra công
nghệ chế tạo và việc sử dụng cho thích hợp. Khái niệm về cấu trúc vật liệu bao
gồm cấu tạo, liên kết nguyên tử, cấu trúc tinh thể, tổ chức vi mô và vĩ mô. Tính

chất của vật liệu bao gồm tính chất cơ học, lý học, hoá học, tính công nghệ và tính
sử dụng. Cơ tính là nhóm tính chất được coi là quan trọng nhất đối với phần lớn
các vật liệu đang được sử dụng hiện nay trong công nghiệp.
Vật liệu học bao gồm các lĩnh vực sau đây:
- Sản xuất vật liệu: luyện kim, sản xuất vật liệu pôlymer, gốm, thuỷ tinh và
chất kết dính.
- Gia công vật liệu: thí dụ đúc, biến dạng (rèn, dập), hàn, xử lý bề mặt vật
liệu.
- Sử dụng vật liệu: vật liệu cho các lĩnh vực phản ứng hạt nhân, chế tạo
máy, kỹ thuật điện, điện tử, xây dựng, y học…
- Nghiên cứu và phương pháp kiểm tra: thí dụ kiểm tra cơ tính không phá
huỷ, tổ chức, kiểm tra thống kê chất lượng, phân tích sự phá huỷ (hỏng).
- Định tiêu chuẩn và ký hiệu: thí dụ tiêu chuẩn thành phần hoá học, kích
thước, tính chất và phương pháp thử.
- Khoa học vật liệu: khoa học về mối quan hệ giữa cấu tạo tinh thể với tính
chất của tất cả các nhóm vật liệu.
1.1. Phân loại vật liệu
1.1.1. Vật liệu kim loại: là vật liệu phổ biến nhất. Đặc điểm có liên kết kim loại
(dạng liên kết tinh thể), dẫn điện tốt, có ánh kim, có thể biến dạng dẻo ngay cả ở
nhiệt độ thấp, phần lớn chịu ăn mòn kém. Chúng có các loại:
Kim loại đen: sắt và hợp kim của sắt, điển hình là gang và thép. Chúng có
nhu cầu rất lớn.
Kim loại màu: là các kim loại khác trừ sắt, bao gồm các nhóm sau:
- Kim loại màu nặng: như Cu, Pb, Ni, Sn… có tỉ trọng 7,1-11,3 g/cm3.
- Kim loại màu nhẹ: Al, Mg, Ti có tỷ trọng 1,7-4,5 g/cm3.
- Kim loại màu quý: Au, Ag, Mo, W, Sb, As, Bi.
- Kim loại màu hiếm: Ce, La…


Vật liệu kim loại, trước hết là thép, vẫn giữ vai trò then chốt trong quá trình

phát triển công nghiệp. Trong những năm gần đây, công nghệ vật liệu đang đi vào
nghiên cứu và sử dụng các loại thép có chất lượng cao như thép hợp kim thấp độ
bền cao, thép hợp kim hoá vi lượng, thép nitơ, thép kết cấu siêu bền… Bên cạnh
đó, vai trò của nhôm trong kỹ thuật cũng ngày càng tăng, dần dần chiếm ưu thế
trong xây dựng nhà cửa, phương tiện giao thông, dụng cụ điện tử, đo lường… Hợp
kim nhôm nhờ có độ bền riêng cao, chống ăn mòn tốt đã trở thành loại vật liệu rất
thích hợp trong công nghiệp ôtô, máy bay, tàu thuỷ. Do những tính chất ưu việt
của hợp kim nhôm mà các phương tiện giao thông có khả năng tăng hệ số tải trọng
có ích, tăng tốc độ, giảm tiêu hao nhiên liệu, đem lại hiệu quả kinh tế to lớn.

1.1.2. Vật liệu vô cơ ceramic
Nhờ những thành tựu mới trong khoa học và công nghệ mà vật liệu gốm sử
dụng trong công nghiệp không chỉ sử dụng trong nhóm vật liệu chịu lửa, vật liệu
cắt gọt… mà đã phát triển sang vật liệu gốm kết cấu. Các loại động cơ máy nổ chế


tạo từ gốm kết cấu hệ cacbid đã được nghiên cứu chế thử và đã mở ra kỷ nguyên
mới cho việc sử dụng động cơ chạy bằng nhiên liệu hyđrô có hiệu quả cao, không
gây ô nhiễm môi trường. Gốm thuỷ tinh (sital) cũng là một loại gốm kết cấu đầy
tiềm năng.
1.1.3. Vật liệu pôlymer
Có liên kết các phân tử theo mắc xích cũng như dạng sợi thẳng (xem hình),
có thể nối các mạng nhờ nguyên tử S trong cao su (xem hình).

Vật liệu polymer có nhiều ưu điểm như độ bền riêng khá cao, tính dẻo cao,
tính ổn định hoá học cao trong nhiều môi trường… cùng với khả năng dễ tạo hình
và gia công, giá thành rẻ đã làm cho phạm vi sử dụng của polymer ngày càng rộng
rãi. Tuy nhiên, với chức năng là vật liệu kết cấu, polymer còn có những nhược
điểm là độ bền chưa thật cao, khả năng chịu nhiệt thấp, tuổi thọ ngắn. Khắc phục
những nhược điểm này là nhiệm vụ nghiên cứu thường xuyên của các nhà nghiên

cứu và chế tạo vật liệu.
1.1.4. Vật liệu composite
Được phối hợp tối thiểu từ hai vật liệu khác nhau và có tính chất rất khác so
với vật liệu ban đầu. Thí dụ: composite cốt sợi gồm các sợi mảnh rất bền trong nền
mềm, chắc như bê tông cốt thép. Trong bê tông cốt thép, thép chịu ứng suất kéo
còn bê tông chịu ứng suất nén và bao phủ cho thép không bị ăn mòn.
Vật liệu composite về thực chất là một kiểu lai tạo vật liệu (a hybrid
creation) giữa hai hoặc nhiều loại vật liệu, sao cho tính chất của chúng bổ sung
cho nhau. Đối với composite kết cấu thì yêu cầu về độ bền riêng cao, tính dẻo tốt
là yêu cầu hàng đầu. Hiểu và kiểm soát được quá trình xảy ra khi chế tạo
composite có tầm quan trọng đặc biệt để phát triển loại vật liệu này.
Nằm giữa các vật liệu kim loại và polymer còn có polymer dẫn điện, giữa
kim loại và ceramics có vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, giữa ceramics và polymer có
vật liệu silicon. Các vật liệu bán dẫn và silicon được sắp xếp không rõ rệt trong
nhóm này.
1.2. Công nghệ vật liệu


Công nghệ vật liệu bao gồm những biện pháp, giải pháp và công nghệ để
chế tạo ra vật liệu hoặc các chi tiết cụ thể trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của
khoa học vật liệu. Công nghệ vật liệu bao gồm hai lĩnh vực:
- Lựa chọn vật liệu
- Gia công vật liệu
1.2.1. Lựa chọn vật liệu
Chất lượng và độ bền của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu được sử
dụng. Các tính chất của vật liệu được chọn phải đáp ứng được các điều kiện làm
việc của sản phẩm. Các tiêu chí dùng để đánh giá và lựa chọn vật liệu là:
- Cơ tính: cần xác định chế độ làm việc và khả năng chịu tải của sản phẩm
như cường độ và hướng tác dụng của lực, độ bền cực đại mà chi tiết phải chịu, tính
chịu mài mòn, khả năng chịu ăn mòn…

- Điều kiện làm việc: nhiệt độ và môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến độ
bền của chi tiết.
- Khả năng chế tạo và lắp ráp chi tiết: đây là hướng lựa chọn công nghệ chế
tạo. Một chi tiết có thể được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau. Mỗi công
nghệ đều có ưu và nhược điểm.
- Hiệu quả kinh tế: tổng hợp các yếu tố nêu trên để quyết định sử dụng loại
vật liệu nào và công nghệ chế tạo cho phù hợp. Cũng không nên sử dụng loại vật
liệu có tính chất quá cao so với nhu cầu, gây lãng phí, tốn kém. Vật liệu có thể tái
sinh, sử dụng nhiều lần hoặc chế tạo chi tiết từ sản phẩm tái sinh đều làm giảm giá
thành chi tiết.
- Bảo vệ môi trường và an toàn lao động: vật liệu được sử dụng không được
thải chất độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, quá trình sử dụng và vận hành
công nghệ chế tạo phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
1.2.2. Phương pháp gia công
Một chi tiết hay sản phẩm có thể dùng nhiều phương pháp để gia công chế
tạo.
1.3. Vật liệu học
Nghiên cứu quan hệ tổ chức – tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của
vật liệu vào cấu trúc của nó.
1.3.1. Tổ chức (hay cấu trúc)
Là sự sắp xếp của các thành phần bên trong. Khái niệm về tổ chức của vật
liệu bao gồm cả tổ chức vĩ mô và vi mô.


Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô (macrostructure) là hình thái sắp xếp
của các phần tử lớn với kích thước quan sát được bằng mắt thường (đến giới hạn
khoảng 0,3 mm) hay bằng kính lúp (0,01 mm).
Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát
được bằng mắt thường hay kính lúp. Nó bao gồm:
- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên

tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp
đỡ của kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử. Thường gặp hơn cả là tổ
chức tế vi quang học cho phép phân ly được tới giới hạn cỡ 0,15 micromet (m).
Trong nghiên cứu cũng thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly được
tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chục nanomet (nm).
Cơ tính của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức, tức không những vào
thành phần hoá học mà cả vào các nhóm nguyên tử, phân tử kể trên mà ta gọi là
pha theo số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của chúng. Trong thực tế
người ta thường xuyên sử dụng phương pháp phân tích tổ chức tế vi quang học mà
trong các tài liệu kỹ thuật chỉ được gọi đơn giản là tổ chức tế vi.
- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử
trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể. Để làm được việc này
phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ Rơnghen cũng như một số kỹ thuật khác,
điều này chỉ thực sự cần thiết khi nghiên cứu các vật liệu mới.
1.3.2. Tính chất
Bao gồm các tính chất cơ học (cơ tính), vật lý (lý tính), hoá học (hoá tính),
công nghệ và sử dụng.
Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt là vật liệu cơ khí, cơ tính có ý nghĩa quan
trọng hàng đầu. Vì thế mối quan hệ tổ chức – cơ tính được khảo sát khá kỹ càng
và sẽ là tiền đề cho việc xác định thành phần hoá học của vật liệu cũng như chế độ
gia công thích hợp. Ngoài cơ tính ra, các vật liệu cơ khí cũng được quan tâm dưới
khía cạnh ổn định hoá học trong khí quyển hay trong một số môi trường ăn mòn
(axit, badơ, muối,…). Thoả mãn cơ – lý – hoá tính đề ra nhưng chưa đủ để có thể
chuyển hoá vật liệu thành sản phẩm phục vụ mục đích đề ra, mà còn phải tính đến
khả năng gia công, chế biến thành các hình dạng nhất định được gọi tổng quát là
tính công nghệ. Nếu không có tính công nghệ thì dù vật liệu có ưu việt đến đâu
cũng khó đưa vào sử dụng. Ví dụ: người ta đã tìm được một số chất siêu dẫn
nhưng đều bị hạn chế bởi tính dòn quá cao không thể kéo thành dây dẫn được.
Cuối cùng, tính sử dụng là tổng hợp của các chỉ tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả năng
không gây ra sự cố) và giá thành cũng quyết định khả năng áp dụng của vật liệu

cho mục đích đã chọn.


CHƯƠNG 3
NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU
3.1. Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu
3.1.1. Trọng lượng riêng
Trọng lượng riêng  là trọng lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng
thái hoàn toàn đặc.
Trọng lượng riêng được tính bằng công thức
ρ

G
Va

(g/cm3, kg/dm3, kg/l, kg/m3 hay tấn/m3)

trong đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g.
Va- thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, cm3.
3.1.2. Trọng lượng thể tích
Trọng lượng thể tích  là trọng lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở
trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lỗ rỗng).
Trọng lượng thể tích được tính bằng công thức
 

G
V0

(g/cm3, kg/dm3, kg/m3 hay tấn/m3)

trong đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g.
V0- thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, cm3.

Thông thường ở một loại vật liệu, trọng lượng thể tích có thể biến động
trong phạm vi rộng hơn nhiều so với trọng lượng riêng vì nó phụ thuộc vào cấu
trúc chính của vật liệu. Đối với một vật liệu, trọng lượng thể tích luôn có trị số nhỏ
hơn trọng lượng riêng. Chỉ với vật liệu được xem là tuyệt đối đặc thì hai trị số này
mới bằng nhau.
Trọng lượng thể tích của vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật.
Thông qua trọng lượng thể tích của vật có thể đánh giá sơ bộ một số tính chất khác
của nó như: độ xốp, độ hút nước, tính truyền nhiệt, cường độ…
3.1.3.Độ xốp
Độ xốp r là tỉ số giữa thể tích xốp trong vật liệu với thể tích tự nhiên của
nó, xác định bằng công thức
r

Vr
V0

trong đó Vr- thể tích xốp có trong vật liệu,


V0- thể tích tự nhiên của vật liệu.
Độ xốp thường được tính theo % theo công thức
r

do đó

Vr
x100 (%)

V0

Biết rằng Vr=V0-Va, trong đó Va-thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc,
r

V0  Va  Va   γ 
 γ
  1   hoặc là r  1   x100 (%)
 1 
V0
 ρ
 V0   ρ 

trong đó: -trọng lượng thể tích của vật liệu, g/cm3,
-trọng lượng riêng của vật liệu, g/cm3.
Độ xốp là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng của vật liệu vì nó ảnh hưởng
đến nhiều tính chất khác của chính vật liệu đó như: cường độ, độ hút nước, tính
chống thấm, tính truyền nhiệt, khả năng chống ăn mòn… Ngoài ra, đặc trưng cấu
trúc của các lỗ xốp trong vật liệu cũng đóng vai trò rất quan trọng.
3.1.4. Độ mịn
Độ mịn là chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá kích thước hạt của vật liệu dạng hạt
rời rạc.
Đối với vật liệu rời rạc, bên cạnh việc xác định độ mịn còn cần phải quan
tâm đến hàm lượng của các nhóm cỡ hạt, hình dạng hạt và tính chất bề mặt của hạt
(góc thấm ướt, tính nhám ráp, khả năng hấp phụ và liên kết với các vật liệu khác).
3.2. Tính chất vật lý có liên quan đến nước
3.2.1. Độ ẩm
Độ ẩm W là tỉ lệ phần trăm của nước có thực trong vật liệu tại thời điểm thí
nghiệm.
3.2.2. Độ hút nước

Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện
bình thường.
Độ hút nước theo trọng lượng Hp là tỉ số phần trăm giữa trọng lượng nước
mà vật liệu hút được với trọng lượng của vật liệu ở trạng thái khô. Hp được tính
toán theo công thức sau
Hp 

G G
Gn
.100  u
.100 (%)
G
G

trong đó: Gn-trọng lượng nước mà mẫu vật liệu hút được, g,
Gu-trọng lượng mẫu vật liệu ướt sau khi đã hút nước, g,


G-trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g.
3.2.3. Tính thấm nước
Tính thấm nước là tính chất để cho nước thấm qua chiều dày của nó khi
giữa hai bề mặt vật liệu có chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh.
3.2.4. Độ co dãn ẩm
Một số vật liệu rỗng có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ như gỗ, bê tông khi
độ ẩm thay đổi thì thể tích và kích thước của chúng cũng thay đổi: co khi độ ẩm
giảm, nở khi độ ẩm tăng lên.
3.3. Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt
3.3.1.Tính truyền nhiệt
Tính truyền nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệt truyền qua chiều dày
của khối vật liệu, từ phía mặt giới hạn có nhiệt độ cao sang phía mặt giới hạn có

nhiệt độ thấp.
Tính truyền nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng đối với những vật liệu dùng
trong các bộ phận công trình xây dựng dân dụng (như tường bao che, mái, trần…)
và đặc biệt là đối với những vật liệu cách nhiệt chuyên dùng để giữ nhiệt cho các
buồng và thiết bị nhiệt.
3.3.2.Tính chống cháy và tính chịu lửa
Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa
trong một thời gian nhất định.
Vật liệu dễ cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao sẽ bắt lửa và
tiếp tục cháy sau khi đã bỏ nguồn cháy.
Vật liệu khó cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao có thể bị bắt
lửa, cháy âm ỉ hay bị cacbon hoá một cách khó khăn.
Vật liệu không cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao
cũng không bị bắt lửa, không cháy âm ỉ và cũng không bị cacbon hoá. Nó có thể
có biến dạng nhỏ không đáng kể như gạch ngói, bê tông, amiăng hay những vật
liệu có biến dạng lớn như thép.
Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt
độ cao mà không bị chảy và biến hình.
Vật liệu dễ chảy chịu được nhiệt độ thấp hơn 13500C như gạch đất sét nung
thông thường.
Vật liệu khó chảy chịu được nhiệt độ từ 13500C đến 15800C gồm những
loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói.


Vật liệu chịu lửa có khả năng chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao
hơn 15800C như gạch chịu lửa samôt, dinas… Các vật liệu này dùng để lót bên
trong các lò công nghiệp.
3.4. Tính chất cơ học
3.4.1. Tính biến dạng của vật liệu
Tính biến dạng là tính chất thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu

khi chịu tác dụng của ngoại lực.
Thực chất của biến dạng là ngoại lực tác dụng lên vật đã làm thay đổi hay
phá vỡ vị trí cân bằng của chất điểm trong vật liệu và làm cho các chất điểm này
có chuyển vị tương đối.
Biến dạng của vật liệu được xác định bằng biến dạng tuyệt đối và biến dạng
tương đối.
Biến dạng tuyệt đối l (mm) tính theo công thức l = l1 – l0, trong đó l0 và
l1 là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi biến dạng của mẫu thử.
Biến dạng tương đối  tính bằng công thức
ε

Δl
x100 (%)
l0

Biến dạng đàn hồi: biến dạng sẽ mất đi hoàn toàn sau khi dỡ bỏ ngoại lực.
Tính đàn hồi là tính chất hồi phục hình dạng và kích thước ban đầu của vật liệu
sau khi dỡ bỏ ngoại lực.
Điều kiện để xuất hiện biến dạng đàn hồi là khi ngoại lực tác dụng chưa
vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm của vật liệu. Công cả ngoại lực sẽ
chuyển hoá thành nội năng – năng lượng đàn hồi. Nếu bỏ ngoại lực đi, tức là năng
lượng đàn hồi sẽ sinh công để khôi phục vị trí cân bằng ban đầu cho các chất
điểm. Khi đó biến dạng của vật liệu sẽ triệt tiêu.
Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi tải trọng nhỏ và tác dụng ngắn hạn.
Tính đàn hồi của vật liệu được đặc trưng bằng môđun đàn hồi Eđh.
E dh 

σ
ε

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó - ứng suất ở giai đoạn đàn hồi, daN/cm2 hay MPa.
- biến dạng đàn hồi tương đối, %.
Khi ngoại lực tác dụng lên vật liệu lớn hơn lực tương hỗ giữa các chất điểm
của vật liệu sẽ gây nên sự phá hoại cục bộ hay toàn bộ đối với cấu trúc của vật
liệu. Lúc này công do ngoại lực gây ra không chuyển hoá thành nội năng mà gây
phá hoại cấu trúc nội bộ vật liệu và do đó biến dạng không thể bị triệt tiêu.


Vật liệu dòn: cho tới trước khi phá hoại vẫn không có hiện tượng biến dạng
dẻo rõ rệt (gang, đá thiên nhiên, bê tông…).
Biến dạng dẻo: là biến dạng mà sau khi dỡ bỏ ngoại lực vật liệu không trở
lại hình dạng và kích thước ban đầu.
Tính chất này gọi là tính dẻo.
Vật liệu dẻo: vật liệu trước khi phá hoại có biến dạng dẻo rất rõ rệt, ví dụ
thép ít cacbon, bitum…
Như trên đã nói, điều kiện của biến dạng đàn hồi là ngoại lực tác dụng lên
vật liệu chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm (phần tử) của vật liệu. Khi
lực đủ lớn và dài hạn thì ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến dạng dẻo.
Vật liệu đàn hồi lý tưởng có biến dạng đàn hồi của tuân theo định luật
Hooke.
Vật liệu dẻo lý tưởng (như chất lỏng lý tưởng) có biến dạng tương đối tuân
theo định luật Newton:
ε

τ.t
(%)
η

trong đó - ứng suất trượt, daN/cm2 hay MPa,
t- thời gian, s,
- độ nhớt, daN.s/cm2 hay MPa.s.
Khi vật liệu có cả tính đàn hồi và tính dẻo (bê tông asphalt hay chất dẻo),
biến dạng tổng hợp  bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi đh và biến dạng
dẻo d.
 = đh + d
ε

σ σ.t

E η

1 t
 
 E η

hay ε  σ

Khi một ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu có thể làm cho
biến dạng của vật liệu tăng theo thời gian và hiện tượng này được gọi là từ biến.
Nguyên nhân gây ra từ biến là do bộ phận phi tinh thể trong vật liệu có tính chất
gần giống với chất lỏng và mặt khác, bản thân mạng lưới tinh thể cũng có những
khuyết tật (hiện tượng sai lệch cấu trúc).
Hiện tượng biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực không thay
đổi theo thời gian, mà ứng suất trong vật liệu giảm dần theo thời gian, được gọi là
hiện tượng chùng ứng suất. Nguyên nhân của hiện tượng chùng ứng suất là do
một bộ phận vật liệu có biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng dẻo, năng lượng
đàn hồi chuyển dần thành nhiệt năng và mất đi.

2.4.2. Cường độ
Cường độ là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải
trọng hoặc tác động môi trường gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi
mẫu vật liệu bị phá hoại.
Vật liệu phải chịu các tải trọng khác nhau như: kéo, nén, uốn, cắt… tương
ứng với mỗi dạng chịu tải này sẽ có các loại cường độ: cường độ chịu kéo, cường
độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu cắt…
Cường độ là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng tối thiểu để đánh giá chất lượng
của những vật liệu dùng cho các bộ phận chịu lực của công trình. Bởi vậy cường
độ được dùng làm căn cứ chủ yếu để định ra mác của các vật liệu.
Đối với các vật liệu có khả năng chịu nén cao (đá thiên nhiên, bê tông xi
măng, cường độ chịu nén thường cao hơn cường độ chịu kéo từ 8 đến 15 lần)
thường được dùng làm các bộ phận chịu nén của công trình: cường độ chịu nén
dùng để định ra mác.
Đối với vật liệu có khả năng chịu kéo cao (thép xây dựng): căn cứ vào
cường độ chịu kéo để định ra mác.
Cường độ của vật liệu thường được xác định bằng phương pháp thí nghiệm
phá hoại mẫu: đặt các mẫu vật liệu đã được gia công thích hợp lên máy gia tải tăng
tải cho đến khi mẫu bị phá hoại. Cường độ của vật liệu được tính toán từ các kết
quả xác định trong thí nghiệm theo các công thức tương ứng với dạng chịu lực đã
được nghiên cứu trong môn sức bền vật liệu. Chẳng hạn như cường độ chịu nén Rn
và cường độ chịu kéo Rk của vật liệu được tính bằng công thức

hay

Rn 

Pmax
(daN/cm2 hay MPa)

F

Rk 

Pmax
F

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó: Pmax- tải trọng nén hoặc kéo phá hoại mẫu, daN hay N,
F- tiết diện chịu lực của mẫu, m2 hay mm2.
Cường độ chịu uốn Ru của vật liệu được tính bằng công thức
Ru 

M
W

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó: M-mômen uốn phá hoại, daN.cm hay N.mm,
W-mômen chống uốn của tiết diện chịu uốn, cm3 hay mm3.
2.4.3. Độ cứng
Độ cứng là tính chất của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệu
khác cứng hơn nó.


Độ cứng: khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ thông qua tải trọng lên
mũi đâm, độ bền: chống lại biến dạng dẻo toàn bộ.
Với vật liệu khoáng, độ cứng được đánh giá bằng thang Mohs. Thang Mohs
gồm có 10 khoáng vật mẫu được sắp xếp theo mức độ cứng tăng dần từ 1đến 10

(xem bảng).

2.4.4. Độ mài mòn
Độ mài mòn là độ mòn trọng lượng trên một đơn vị diện tích mẫu bị mài
mòn trên máy thí nghiệm.
Độ mài mòn của vật liệu phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo bên
trong của vật liệu.
2.4.5. Tính chống va đập
Tính chống va đập là khả năng của vật liệu chống lại sự phá huỷ do tác
dụng của tải trọng va đập gây ra và được biểu thị bằng công cần thiết để đập vỡ
một đơn vị thể tích mẫu vật liệu.


CHƯƠNG 4
SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG)

4.1. Giản đồ pha của hệ một cấu tử sắt
Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ
có một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ biến đổi thù
hình như trong trường hợp của sắt

So với các kim loại khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng
nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn thấp so với yêu cầu sử dụng.
Sắt có hai kiểu mạng tinh thể :
- Lập phương tâm mặt A1, tồn tại ở dạng thù hình Fe, trong khoảng nhiệt
độ 911 – 13920C.
Kiểu lập phương tâm mặt có ít lổ hổng, lổ hổng có kích thước lớn hơn (lổ
bốn mặt r = 0,225 rFe, lổ tám mặt r = 0,414 rFe, chưa khối cầu kích thước tối đa r =
0,052 nm), mật độ sắp xếp cao hơn.

`
- Lập phương tâm khối A2, tồn tại ở hai dạng thù hình là : Fe trong khoảng
nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến 9110C, Fe trong khoảng nhiệt độ từ 13920C –
15390C.
Kiểu lập phương tâm khối có nhiều lổ hổng, mỗi lổ hổng có kích thước nhỏ
(lổ bốn mặt có r = 0,291 kích thước nguyên tử sắt rFe, lổ tám mặt r = 0,154 kích
thước nguyên tử sắt rFe, chứa khối cầu kích thước tối đa r = 0,0364 nm), nhìn
chung có mật độ sắp xếp thấp.


4.2. Giản đồ pha Fe–C (Fe – Fe3C)
4.2.1.Tương tác giữa sắt và cacbon
- Khi đưa cacbon vào sắt, nếu lượng cacbon còn trong giới hạn hoà tan (phụ
thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), cacbon sẽ bị hoà tan vào trong sắt thành
dung dịch rắn xen kẻ. Nguyên tử cacbon có kích thước rC = 0,077 nm sẽ đi vào các
lổ hổng trong cấu trúc tinh thể sắt, kích thước nguyên tử sắt rFe = 0,1241 nm.
Fe với mạng lập phương tâm mặt A1, lổ rỗng tám mặt lớn (0,052 nm), có
thể thu xếp để nguyên tử cacbon (0,077 nm) lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử
sắt ra xa. Tuy nhiên nguyên tử hoà tan không thể xen kẻ vào mọi lổ hổng tám mặt
đó nên giới hạn hoà tan cacbon trong Fe chỉ là trên dưới 10% nguyên tử. Như vậy
chỉ có Fe mới hoà tan được cacbon.
Fe, Fe không có khả năng hoà tan cacbon hay độ hoà tan cacbon trong
chúng là không đáng kể (có thể coi bằng không).
- Nếu lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hoà tan, sau khi đi vào
các lổ hổng để tạo dung dịch rắn xen kẻ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp
với sắt thành pha trung gian xêmentit Fe3C (thành phần 6,67% cacbon và 93,33%
sắt).
- Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp
kim thuần Fe – C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu không muốn nói là không
thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là ổn định.

Hai tương tác nêu đầu tiên đều có tác dụng hoá bền, nhờ đó hợp kim Fe –
C trở nên bền cứng hơn (so với sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất.
4.2.2. Giản đồ pha Fe – Fe3C
Giản đồ pha Fe – C (chỉ xét hệ Fe – Fe3C) khá phức tạp, rất điển hình để
minh hoạ các tương tác thường gặp và được sử dụng rất nhiều trong thực tế. Vì
vậy hiểu rõ giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều điều bổ ích.
0

Ký hiệu các toạ độ đã được quốc tế hoá, trong ngoặc đơn là nhiệt độ theo
C và thành phần cacbon theo %.


- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt
đầu kết tinh.
- ẠHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết
tinh.
- ECF (11470C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic).
- PSK (7270C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid).
- ES là giới hạn hoà tan cacbon trong Fe.
- PQ là giới hạn hoà tan cacbon trong Fe.


a) Các chuyển biến khi làm nguội chậm
- Chuyển biến bao tinh xảy ra ở nhiệt độ 14990C trong các hợp kim có 0,100,50% C (đường HJB)

H + LB  J

0,10 + L0,50  0,16

hay

song người ta thường không để ý đến phản ứng này vì xảy ra ở nhiệt độ quá cao và
không có ảnh hưởng gì đến tổ chức khi gia công và sử dụng.
- Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 11470C trong các hợp kim có > 2,14% C
(đường ECF).

LC  (E + Fe3CE)

hay

L4,3  (2,14 + Fe3C6,67)

- Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 7270C hầu như với mọi hợp kim (đường PSK)

S  [P + Fe3CK]

hay

0,8  [0,02 + Fe3C6,67]

- Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch rắn
: trong Fe theo đường ES và trong Fe theo đường PQ.
b) Các tổ chức một pha
Ở trạng thái rắn có thể gặp 4 pha sau:
Ferit (có thể ký hiệu bằng  hay F hay Fe) là dung dịch rắn xen kẻ của
cacbon trong sắt Fe với mạng lập phương tâm khối, song do lượng hoà tan quá
nhỏ (lớn nhất là 0,02% C ở 7270C - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn
0,006% C - điểm Q) nên có thể coi nó là Fe (theo tính toán lý thuyết cacbon
không thể chui vào lổ hổng của Fe, lượng hoà tan C không đáng kể này nằm ở
các khuyết tật mạng, chủ yếu là vùng biên giới hạt). Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ

đến 7680C. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Fe  trên trục
sắt). Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo,
dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hoà tan Si, Mn, P, Cr nên sẽ cứng
và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ
thường và khi sử dụng (< 7270C), song với tỉ lệ cao nhất (trên dưới 90%) nên nó
đóng góp một tỉ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe – C. Tổ chức tế vi của
ferit trình bày ở hình có dạng các hạt sáng, đa cạnh.
Austenit [có thể ký hiệu bằng , A, Fe(C)] là dung dịch rắn xen kẻ của
cacbon trong Fe với mạng lập phương tâm mặt với lượng hoà tan đáng kể cacbon
(cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 11470C - điểm E, tức tối
đa bình quân cứ ba đến bốn ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon
định vị vào một lổ hổng tám mặt trong chúng, ở 7270C chỉ còn 0,80% C - điểm S).
Khác với ferit, austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở
nhiệt độ cao (> 7270C) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Fe trên trục sắt) nên
không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có
vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện.


Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao
nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ
cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên dưới 1000 0C).
Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe – C với C < 2,14% dù cho
ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính dòn khá cao. Làm nguội austenit với
tốc độ khác nhau sẽ nhận được hổn hợp ferit – xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau
hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử
dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở trên hình có các hạt sáng,
có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hướng khi tẩm thực) và các
đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao).

Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là pha xen kẻ với kiểu mạng phức

tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67% C, ứng với đường thẳng đứng DFKL
trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và dòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ
chức khác nhau của hợp kim Fe – C. Xêmentit có tính sắt từ yếu nhưng chỉ đến
2100C. Người ta phân biệt bốn loại xêmentit:
- Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong
hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3% C. Do
tạo thành ở nhiệt độ cao (> 11470C) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thô to,
đôi khi có thể thấy được bằng mắt thường.
- Xêmentit thứ hai (XeII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong
austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80%
cho tới 2,14% C. Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (>7270C) tạo điều kiện
cho sự tập trung ở biên giới hạt, nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo
thành lưới liên tục bao quanh các hạt austenit (peclit), tức tạo khung dòn, làm
giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim.
- Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong ferit
theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỉ lệ) rất nhỏ (nhiều nhất cũng chỉ là
20/00) nên rất khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua.


- Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit thành
peclit. Loại xêmentit này có vai trò rất quan trọng.
Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe –C cao và chứa lượng đáng kể
silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang.
c) Các tổ chức hai pha
Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [Fe + Fe3C]).
Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit
với 0,80% C và ở 7270C. Trong peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều
trong nhau, nhờ kết hợp giữa một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha
cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các
yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit,

trôxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe – C. Người ta phân biệt hai
loại peclit tấm và peclit hạt.
Peclit tấm thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), tức là hai
pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau, nên trên mặt cắt ngang để lại các
vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng (với lượng ít
hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng
thể có dạng vân.
Peclit hạt ít gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit ở dạng thu gọn nhất (bề
mặt ít nhất) - hạt xêmentit phân bố đều trên nền ferit. Giữa hai loại này có sự khác
biệt nhỏ về cơ tính: so với peclit hạt, peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn, độ
dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút. Austenit đồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn
austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt. Peclit hạt ổn định hơn peclit tấm
nên khi nung lâu ở nhiệt độ tương đối cao (ví dụ 600 – 7000C) peclit tấm có xu
hướng chuyển thành peclit hạt.


Lêđêburit, có thể ký hiệu bằng Le, hay ( + Xe) hay (P + Xe).
Lêđêburit là hổn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha
lỏng với 4,3% C ở 11470C, tuy nhiên khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng cùng
tích để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối cùng quan sát được
là hổn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng. Lêđêburit cứng
và dòn (vì có quá nhiều, tới 2/3 xêmentit) và chỉ có trong hợp kim Fe – C ở dạng
gang trắng, ít gặp.
Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: Robert
Austen (người Anh), Lebedur (người Đức), ferum (sắt, tiếng La tinh, dùng với
nghĩa bản chất hay đặc trưng tính chất cho ferit), pearl (vân) cho peclit, cement (xi
măng, có tính chất cứng) cho xêmentit.
Vi cấu trúc của hợp kim sắt - cacbon ở trạng thái cân bằng:
Góc trái của giản đồ: Fe - Fe3C (6,67% C), nếu hàm lượng C > 6,67%: hợp
kim rất cứng và dòn, không dùng được trên thực tế.

Biến dạng dẻo (hoá bền, điều kiện nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại.
Nếu biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại - gia công nóng - thì
không có hiệu ứng hoá bền): biến dạng còn lại sau khi bỏ tải trọng tác dụng 
mạng tinh thể bị xô lệch, hạt bị kéo dài ra và nhỏ  độ bền và độ cứng tăng, độ
dẻo, dai giảm. Năng lượng gây biến dạng còn dư dưới dạng áp suất dư, không ổn
định nhiệt động học  thải ứng suất, thải bền, kết tinh lại : quá trình trở về trạng
thái cân bằng ban đầu, độ cứng độ bền giảm, độ dẻo, độ dai tăng lên (xảy ra ở
nhiệt độ thường). Nếu ở nhiệt độ cao: nung kim loại đã qua biến dạng dẻo ở nhiệt
thấp làm một phần độ dẻo được phục hồi, sự hoá bền giảm 20-30% gọi là quá trình
phục hồi. Nung ở nhiệt độ cao hơn nữa : xảy ra sự kết tinh lại (sắt 450 0C, đồng
2700C, nhôm 1500C), các hạt tinh thể mới lớn lên, không có khuyết tật, hạt đều
trục, tính chất cơ lý trở về như trước khi biến dạng.
Tẩm thực: dùng các dung dịch hoá học thích hợp để ăn mòn bề mặt mẫu.
Khi tẩm thực, biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn với tốc độ khác
nhau  dùng để nhận biết hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha.
4.3. Thép và gang
4.3.1. Khái niệm chung
Thép và gang đều là hợp kim Fe – C (ngoài ra có thể có ít nhiều các nguyên
tố khác), trong đó phân biệt ít hơn 2,14% C là thép, nhiều hơn 2,14% C là gang.
Một cách gần đúng có thể thấy điểm E trên giản đồ pha phân biệt hai loại vật liệu
này: bên trái E là thép, bên phải E là gang. Chính điều này đã giải thích được các
đặc điểm cơ bản khác nhau giữa chúng.
Như vậy tất cả các thép dù với lượng cacbon, tổ chức và cơ tính rất khác
nhau ở nhiệt độ thường và tương đối cao (< 7270C), nhưng một khi đã được nung
nóng cao hơn đường GSE tương ứng, đều chỉ có một pha duy nhất là austenit với
độ dẻo rất cao nên rất dễ biến dạng. Chính vì vậy thép được coi là vật liệu dẻo,


được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm cán nóng (dây, thanh, ống, tấm, hình…)
rất tiện lợi cho sử dụng. Các thép ít cacbon mềm và dẻo cũng có khả năng biến

dạng nguội. Tính đúc của thép nói chung là thấp (do nhiệt độ chảy cao, không có
tổ chức cùng tinh) và ít được sử dụng để chế tạo vật đúc.
Ngược lại với thép, khi nung nóng gang không thể đạt được tổ chức một
pha austenit mà bao giờ cũng còn xêmentit (hay grafit) nên không thể đem biến
dạng nguội lẫn nóng, song bù lại nó có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có
cùng tinh với khả năng điền đầy khuôn cao. Chính vì vậy gang là vật liệu đúc, chỉ
được cung cấp dưới dạng vật đúc (các sản phẩm định hình như chi tiết máy phức
tạp: thân, bệ, hộp, vỏ hay đơn giản như ống…). Gang có thành phần càng gần
cùng tinh tính đúc càng cao. Nói chung tính dẻo của gang rất thấp, mặc dù một số
loại có tính dẻo nhất định song không bao giờ được đem biến dạng dẻo.
Khi lượng cacbon nằm trong vùng giáp ranh giữa thép và gang (1,80 –
2,20%) cả tính đúc lẫn tính chịu biến dạng dẻo đều kém và lúc đó xếp hợp kim Fe
– C đó vào loại nào là tuỳ thuộc vào các thành phần khác, cách tạo hình và công
dụng. Như vậy cũng không loại trừ một số rất ít trường hợp gang có 1,80 – 2,00%
C, thép lại có 2,20 – 2,40% C.
4.3.2. Các loại thép và gang trên giản đồ pha Fe – C
Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại thép và ba loại
gang khác nhau.
Thép tương ứng với giản đồ pha Fe – C là loại hợp kim ngoài Fe với C <
2,14% ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác được gọi là thép
cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây:
- Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức
ứng với bên trái điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối). Phần lớn thép thường
dùng nằm trong loại nhỏ song tập trung hơn cả vào loại  0,20% C rồi tiếp đến
0,30 – 0,40% C. Theo tính toán từ quy tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tăng lên thì
trên tổ chức tế vi tỉ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (màu
sáng) sẽ giảm đi. Nếu không chứa cacbon (hay quá ít, 0,02 – 0,05%) có thể coi là
sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit, tức chỉ có các hạt sáng. Với 0,10% C
phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40% C là ½ và với 0,60% C là ¾,
cuối cùng là 0,80% C thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm). Vậy đối với loại thép này

lượng cacbon của nó được tính bằng tỉ lệ phần tối nhân với 0,80%.
- Thép cùng tích với thành phần 0,80% C (có thể xê dịch một chút) tức ứng
với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.
- Thép sau cùng tích với thành phần  0,90% C (thường chỉ tới 1,50%, cá
biệt có thể tới 2,0 – 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ
hai thường ở dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit tấm.


Gang tương ứng với giản đồ pha Fe – C (Fe – Fe3C) là gang trắng, rất ít
được sử dụng do quá cứng, dòn, không thể gia công cắt được. Theo sự khác nhau
về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau
- Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3% ở bên trái
điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit.
- Gang trắng cùng tinh có 4,3% C ứng đúng điểm C hay lân cận, với tổ
chức chỉ là lêđêburit.
- Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3% C ở bên phải điểm C, có
tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất.
Hình 4.10. Tổ chức tế vi của
thép sau cùng tích 1,20% C, gang trắng
trước cùng tinh và sau cùng tinh

Hình 4.11. Tổ chức của gang trắng
sau cùng tinh C = 5% với các “đại lộ
xêmentit” x 200

Trên thực tế khi đúc gang, người ta không nhận được gang trắng mà nhận
được gang chứa cacbon ở trạng thái tự do graphit.
Ở nhiệt độ cao hơn 7270C graphit hình thành do phản ứng :
Fe3C  Fe() + G
Ở nhiệt độ thấp hơn 7270C graphit hình thành do :

Fe3C  Fe() + G
Tuỳ thuộc vào hình dạng graphit mà người ta chia ra gang xám, gang dẻo
và gang cầu.
Gang xám :
Hình 4.9. Gang xám ferit, gang xám
ferit – peclit và gang xám peclit

Là gang có graphit dạng tấm (phiến) cong, có hai đầu nhọn, là nơi để tập
trung ứng suất, cũng tuỳ vào mức độ graphit hoá mạnh hay yếu mà nền gang sẽ có
các tổ chức khác nhau và được chia ra : gang xám pherit, gang xám ferit – peclit,
gang xám peclit.
Gang dẻo (gang rèn) :
Hình 4.11. Gang dẻo ferit x
200 và gang dẻo ferit-peclit x
200

Hình 4.12. Gang dẻo peclit x 200

Là gang có graphit dạng cụm (hoa bông).
Gang dẻo nhận được bằng cách ủ từ gang trắng có nhiệt độ cao (10000C) và thời
gian dài (15-20h).
Do graphit có dạng thu gọn, ít tập trung ứng suất nên gang dẻo có cơ tính
cao hơn gang xám. Phụ thuộc vào sự graphit hoá được chia ra : gang dẻo pherit,
gang dẻo ferit – peclit, gang dẻo peclit.
Gang cầu (gang có độ bền cao) :

Hình 4.12. Gang cầu peclit x 200