Giáo trình Vật liệu cơ khí Nghề: Hàn Trình độ: Cao đẳng nghề CĐ Nghề Giao Thông Vận Tải Trung Ương II

0
TRNG CAO NG NGH
GIAO THễNG VN TI TRUNG NG II
..............o0o..............

Giáo trình
Môn học: vật liệu cơ khí
Mã số: MH 09
Nghề: hàn
Trình độ cao đẳng nghề
(LU HNH NI B)

Hi Phũng, nm 2011


1

Lời Nói đầu
Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện thuận
lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học Vật liệu cơ khí. Tổ môn vật liệu thuộc
khoa kỹ thuật cơ sở đã biên soạn giáo trình Vật liệu cơ khí. Giáo trình đ-ợc
biên soạn theo ch-ơng trình khung Quốc gia nghề Hàn, trình độ Cao đẳng nghề.
Nội dung gồm hai phần:
Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung
của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của
kim loại khi nhiệt luyện và các ph-ơng pháp nhiệt luyện.
Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của
những vật liệu phi kim loại th-ờng dùng trong ngành chế tạo cơ khí nh- polyme,
caosu, chất dẻo, dầu mỡ bôi trơn.
Trong quá trình biên soạn, tổ môn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí
của các tr-ờng dạy nghề, giáo trình của tr-ờng đại học Bách khoa Hà Nội và nhiều

tài liệu khác
Mặc dù đă có nhiều cố gắng, song không tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong đ-ợc đồng nghiệp và bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu này ngày càng hoàn
chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Tháng 5 năm 2011
Tổ môn


2

Phần 1 - Vật liệu kim loại và nhiệt luyện
Ch-ơng 1: Lý thuyết về hợp kim
1.1. Khái niệm về hợp kim

1.1.1 Định nghĩa hợp kim
Hợp kim là sản phẩm nấu chảy của hai hay nhiều nguyên tố mà các nguyên tố
chủ yếu là kim loại và hợp kim có tính chất của kim loại.( Dẫn điện, dẫn nhiệt cao,
dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim)
VD: latông : Cu và Zn ( 2 kim loại )
Trong thành phần của hợp kim cũng có thể có một l-ợng nhỏ các nguyên tố á kim.
VD : Thép và gang : Fe và C ( 1 kim loại và 1 á kim)

1.1.2 Ưu và nh-ợc điểm.
Các kim loại nguyên chất thể hiện rõ -u việt trong dẫn nhiệt, dẫn điện vì chúng
có các chỉ tiêu này cao nhất nh- các dây dẫn điện đều đ-ợc làm bằng nhôm, đồng
nguyên chất. Tuy nhiên trong chế tạo cơ khí, thiết bị, đồ dùng... các vật liệu đem
dùng th-ờng là hợp kim vì so với các kim loại nguyên nhân nó có các đặc tính phù
hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế.

1. Tr-ớc hết các vật liệu cơ khí phải có độ bền cao để chịu đ-ợc tải cao khi làm
việc nh-ng đồng thời cũng không đ-ợc giòn để dẫn đến phá huỷ. Các kim loại
nguyên chất nói chung rất dẻo (rất dễ dát mỏng, kéo sợi ngay ở trạng thá i nguội nhiệt độ th-ờng) nh-ng có độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn kém xa hợp kim
(từ vài ba đến hàng chục lần). Nhờ vậy khi dùng hợp kim tuổi bền của máy, kết
cấu tăng lên gấp bội. Tuy nhiên độ bền, độ cứng tăng lên th-ờng dẫn đến làm giảm
độ dẻo, độ dai gây ra giòn song vẫn phải còn đủ, tốt khi sử dụng. Quyết định chọn
độ bền, độ cứng cao đến mức nào bị hạn chế bởi độ dẻo và độ dai cho phép cho
mỗi tr-ờng hợp cụ thể để vừa có thể chịu tải tốt nhất vừa không bị phá huỷ giòn.
Nhờ vậy cho đến hiện nay hợp kim vẫn là loại vật liệu có sự kết hợp tốt nhất các
đặc tính cơ học kể trên với tỷ lệ áp đảo trong máy móc và thiết bị.
2. Tính công nghệ đa dạng và thích hợp. Để tạo thành bán thành phẩm và sản
phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp và đ-ợc gọi là tính công nghệ.
Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nh-ng khó cắt gọt, đúc và không hoá
bền đ-ợc bằng nhiệt luyện. Trái lại, hợp kim với nhiều chủng loại khác nhau có thể
có các tính công nghệ đa dạng phù hợp với điều kiện riêng khi gia công, chế tạo
sản phẩm cụ thể:


3
- Hầu nh- mọi hợp kim đều có thể tạo hình đ-ợc bằng một trong hai ph-ơng
pháp: biến dạng dẻo: cán, kéo, ép chảy (chủ yếu cho các bán thành phẩm dài), rèn
(tạo phôi cho cắt gọt), dập (thành sản phẩm) và đúc (chủ yếu cho các sản phẩm có
hình dạng phức tạp).
- Nói chung hợp kim có tính gia công cắt nhất định để bảo đảm sản phẩm có
kích th-ớc, hình dạng chính xác, bề mặt nhẵn bóng, điều này đặc biệt quan trọng
khi lắp ghép với nhau trong máy móc, thiết bị.
- Nhiều hợp kim, đặc biệt là thép (chiếm tới 90% tổng sản l-ợng vật liệu kim
loại) rất nhạy cảm với nhiệt luyện để tạo ra cơ tính đa dạng phù hợp với điều kiện
làm việc và gia công).
3. Trong nhiều tr-ờng hợp, luyện hợp kim Fe - C (Thép và gang đơn giản hơn

do nhiệt độ chảy thấp hơn (xem hình 3.18) và không phải hay ít phải khử bỏ
cacbon trong sản phẩm của lò cao. Xét về mặt đòi hỏi độ bền cao, việc luyện sắt
đòi hỏi khử bỏ cacbon và các tạp chất khác một cách triệt để không những không
cần thiết mà còn có hại.
- Khi pha Zn vào kim loại chủ Cu ta đ-ợc latông vừa để bền lại vừa rẻ hơn (do
kẽm rẻ hơn đồng khá nhiều).
1.2. Cấu Trúc tinh thể của hợp kim.

1.2.1 Các dạng cấu tạo của hợp kim
1.2.1.1 Dung dịch đặc
Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố thành
phần có kích th-ớc gần giống nhau. Khi kết tinh, các hợp kim này tạo thành các
mạng tinh thể trong đó có các nguyên tử của các nguyên tố thành phần.
Ví dụ: Đồng thanh, đồng thau đều là các hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc.
1.2.1.2 Hợp chất hoá học
Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hoá học khi các nguyên tử của các nguyên tố
khác nhau tác dụng hoá học với nhau theo tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tử có
các kiểu mạng xác định và có thành phần hoá học xác định biểu diễn bằng một
công thức hoá học.
Ví dụ: Hợp chất hoá học của sắt và cacbon (là cacbit sắt hoặc xêmentít có
công thức hoá học là: Fe3C).
Đặc điểm chung của hợp chất hoá học là có độ cứng và độ giòn cao do mạng
tinh thể của nó phức tạp hơn mạng tinh thể của kim loại.
1.2.1.3 Hỗn hợp cơ học
Hợp kim có những nguyên tố không hoà tan vào nhau cũng không liên kết
thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, thì gọi


4
hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Nh- vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng

nguyên tử của các nguyên tố thành phần.

1.2.2. Giản đồ pha của hợp kim
Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là
công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số l-ợng (tỷ lệ) các
pha (hoặc tổ chức) của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Các hệ có giản đồ pha khác
nhau và chúng đ-ợc xây dựng chỉ bằng thực nghiệm. Trong thực tế không có hai
giản đồ pha nào giống nhau hoàn toàn vì t-ơng tác giữa các cấu tử xảy ra rất phức
tạp từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành. Hiện nay ng-ời ta đã xây
dựng đ-ợc hầu hết các hệ hai cấu tử giữa các kim loại, kim loại với á kim và các hệ
ba cấu tử th-ờng gặp thuận tiện cho việc tra cứu.
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 chuyển biến thù
hình (nếu có) nh- ở hình 3.6 cho tr-ờng hợp của sắt.
Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành
biểu thị thành phần (th-ờng theo % khối l-ợng) với những đ-ờng phân chia các
khu vực pha theo các nguyên tắc sau:
- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha t-ơng ứng.
- Mỗi điểm trên trục hoành biểu thị một thành phần xác định của hệ. Theo chiều
từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng lên, còn từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử A tăng
lên, hai đầu mút t-ơng ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải). Ví dụ
trên hình 1.1 điểm C ứng với thành phần có 30%B (tỷ lệ cấu tử thứ hai là phần còn
lại, tức 70%A), điểm D: 80%B + 20%A.

Hình 1.1. Giản đồ pha của sắt Hình 1.2. Các trục của giản đồ pha hệ hai cấu tử


5
- Đ-ờng thẳng đứng bất kỳ biểu thị một thành phần xác định nh-ng ở các nhiệt
độ khác nhau. Ví dụ đ-ờng thẳng đứng qua D biểu thị sự thay đổi nhiệt độ của

thành phần này (80%B + 20%A).
- Hai trục tung chính là giản đồ pha của từng cấu tử t-ơng ứng (trái cho A, phải
cho B).
Do đ-ợc biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác từ giản đồ pha củ a hai hệ
cấu tử dễ dàng xác định đ-ợc các thông số sau đây cho một thành phần xác định ở
nhiệt độ nào đó.

Các pha tồn tại: Căn cứ vào điểm nhiệt độ - thành phần đã cho (tạm gọi là tọa
độ) nằm trong vùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha t-ơng ứng với vùng đó:
nằm ở vùng một pha, hợp kim có tổ chức một pha; nằm trong vùng hai pha - có tổ
chức hai pha.

Thành phần pha: Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha
cấu tạo nên hợp kim bằng chính thành phần của hợp kim đã chọn.
Khi tọa độ nằm trong vùng hai pha việc xác định có phức tạp hơn: kẻ đ-ờng
nằm ngang (đẳng nhiệt) qua tọa độ này, giao điểm của nó với hai đ-ờng biên giới
với hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha t-ơng ứng.

Tỷ lệ (về số l-ợng) giữa các pha hoặc tổ chức: Tiếp theo có thể xác định đ-ợc
tỷ lệ giữa chúng nhờ quy tắc đòn bẩy hay cánh tay đòn theo nguyên tắc sau: ba
điểm trên (tọa độ và hai pha) tạo nên hai đoạn thẳng mà độ dài của mỗi đoạn biểu
thị tỷ lệ t-ơng đối của pha đối diện trong hợp kim, hay một cách đơn giản:
l-ợng pha trái
l-ợng pha phải

=

độ dài đoạn thẳng phải (đòn bên phải)
độ dài đoạn thẳng trái (đòn bên trái)

giống nh- sự cân bằng của đòn bẩy.
l-ợng pha trái x đòn trái = l-ợng pha phải x đòn phải (hình 1.3)

Hình 1.3: Sự cân bằng của đòn bẩy


6

Suy đoán tính chất của hợp kim:
Theo quy tắc kết hợp thì tính chất của hợp kim P hk là tổng hợp tính chất của
từng pha Ppha theo tỷ lệ bậc nhất.
n

p hk % pha.Ppha
1

Ngoài ra từ giản đồ pha của hệ hai cấu tử cũng biết đ-ợc:

Nhiệt độ chảy (kết tinh): Th-ờng hợp kim nóng chảy (kết tinh) trong một
khoảng nhiệt độ (bắt đầu và kết thúc) t-ơng ứng với hai đ-ờng chạy ngang suốt
giản đồ, đ-ờng chạy ngay trên đ-ợc gọi là đ-ờng lỏng - liquidus (ở cao hơn đ-ờng
này hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng), đ-ờng ngang sát ở d-ới đ-ợc gọi là
đ-ờng rắn (hay đ-ờng đặc) - solidus (ở thấp hơn đ-ờng này hợp kim hoàn toàn ở
trạng thái rắn).

Các chuyển biến pha: Sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha (khi nung và
khi nguội chậm) cũng nh- nhiệt độ xảy ra, t-ơng ứng với các đ-ờng ở d-ới đ-ờng
đặc.

Dự đoán các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng (khi nguội nhanh).

Vì vậy giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu khi nghiên cứu các hệ hợp kim.
Giản đồ pha hai cấu tử của hệ thực tế có loại rất phức tạp, song dù phức tạp đến
bao nhiêu cũng có thể coi nh- gồm nhiều giản đồ cơ bản gộp lại. D-ới đây khảo
sát một số dạng th-ờng gặp trong các giản đồ đó mà các cấu tử đều hòa tan vô hạn
vào nhau ở trạng thái lỏng, song khác nhau về t-ơng tác ở trạng thái rắn với vận
dụng xác định các thông tin trên cho các tr-ờng hợp cụ thể.
Ví dụ : Giản đồ pha loại 1

a.

b.

Hình 1.4. Dạng tổng quát của giản đồ pha loại I(a) và giản đồ pha Pb -Sb(b)


7
Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử không có bất kỳ t-ơng tác nào, chúng tạo nên
hỗn hợp riêng rẽ của hai cấu tử, có dạng tổng quát trình bày ở hình 1.4a và hệ điển
hình có kiểu này là hệ chì - antimoan (Pb - Sb) ở hình 1.4.b. Giản đồ chỉ gồm cặp
đ-ờng lỏng - rắn, trong đó đ-ờng trên AEB là đ-ờng lỏng, đ-ờng nằm ngang d-ới
CED (245 0C) là đ-ờng rắn. A là nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử A (Pb với
3270C), B - nhiệt độ chảy (kết tinh) của cấu tử B (Sb - 6310C). Hợp kim sẽ nóng
chảy hay kết tinh trong khoảng giữa hai đ-ờng này với sự tồn tại của hai hay ba
pha (pha lỏng với một hoặc cả hai pha rắn A, B).
Hãy xét sự kết kinh của một hợp kim cụ thể gồm 60%B (Sb) + 40%A (Pb).
Đ-ờng thẳng đứng biểu thị hợp kim này cắt các đ-ờng lỏng, rắn t-ơng ứng ở 1
(500 0C), 2 (245 0C), đó là hai mốc nhiệt độ đáng chú ý:
+ ở cao hơn (500 0C) hợp kim ở trạng thái lỏng hoàn toàn L,
+ ở thấp hơn 2 (245 0C) hợp kim ở trạng thái rắn A + B (Pb + Sb),
+ ở trong khoảng 1 2 (500 2450C) hợp kim ở trạng thái lỏng + rắn L + B (L

+ Sb) ứng với quá trình kết tinh hay nóng chảy.
Vậy 1 (500 0C) là nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay kết thúc nóng chảy và 2 (245 0C)
là nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay kết thúc kết tinh.
Sự kết tinh của hợp kim từ trạng thái lỏng xảy ra nh- sau:
- Làm nguội đến 1 (500 0C) hợp kim lỏng bắt đàu kết tinh ra tinh thể B (Sb) cũng
ở nhiệt độ này ứng với 1'.
- Làm nguội tiếp tục, tinh thể B (Sb) tạo thành càng nhiều làm tỷ lệ B (Sb) trong
hợp kim lỏng còn lại giảm đi nên điểm biểu diễn (tọa độ) dịch sang trái theo đ-ờng
lỏng từ 1 đến E. Ví dụ ở t a0 (4000C) hợp kim lỏng (còn lại) với tọa độ điểm a''
(37%Sb) và tinh thể B với tọa độ điểm a' tức 100%B (100%Sb). áp dụng quy tắc
cánh tay đòn, tỷ lệ của hai pha này là:
La/Ba = aa' / aa'' hay L 37 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 37) = 40 / 23 tức pha lỏng 40
/ 63 (63,5%), rắn 23 / 63 (36,5%).
- Khi làm nguội đến đ-ờng rắn CED (245 0C) hợp kim lỏng (còn lại) nghèo B
(Sb) đi nữa và có tọa độ ở điểm E (13%Sb), còn pha rắn B (Sb) ứng với điểm D. Tỷ
lệ của hai pha này là.
LE/BD = 2D / 2E hay L 13 / Sb100 = (100 - 60) / (60 - 13) = 40 / 47. tức pha lỏng
chỉ còn khoảng 46%, pha rắn (Sb) đã kết tinh là 54%.


8
Có nhận xét là tuy có hai cấu tử A và B (Pb và Sb) nh-ng cho đến đây hợp kim
mới chỉ kết tinh ra B (Sb) và mới chỉ có một phần B (Sb) trong hợp kim (54 trong
60%) kết tinh, cấu tử kia (A, Pb) ch-a kết tinh.
- Tại nhiệt độ của đ-ờng rắn CED (245 0C), LE (L13) kết tinh ra cả hai cấu tử A +
B (Pb + Asb) cùng một lúc, hỗn hợp của hai pha rắn đ-ợc tạo thành cùng một lúc
(đồng thời) từ pha lỏng nh- vậy đ-ợc gọi là cùng tinh (cùng kết tinh) hay eutectic.
LB ( A B)

hay

L13 ( Pb Sb)
Đó là phản ứng cùng tinh. Quy -ớc biểu thị tổ chức cùng tinh trong ngoặc đơn.
Sự kết tinh kết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ th-ờng không có
chuyển biến gì khác. Cuối cùng hợp kim này có tổ chức B + (A + B) hay Sb + (Pb
+ Sb), trong đó B (Sb) đ-ợc tạo thành tr-ớc ở nhiệt độ cao hơn nên có kích th-ớc
hạt lớn (độ quá nguội nhỏ) còn cùng tinh (A + B) hay (Pb + Sb) đ-ợc tạo thành sau
ở nhiệt độ thấp hơn nên có cấu tạo (kích th-ớc hạt) các pha nhỏ mịn hơn (do độ
quá nguội lớn).
Có thể tính dễ dàng tỷ lệ các pha và tổ chức của hợp kim 60%Sb + 40%Pb nhsau:
- Tỷ lệ về pha Sb / Pb = (100 - 60) / (60 - 0) = 40 / 60 hay 40%Pb, 60%Sb.
- Tỷ lệ về tổ chức Sb / (Pb + Sb) = (60 - 13) / (100 - 60) = 47 / 40 hay 54% là Sb
(độc lập) còn lại 46% là cùng tinh (Pb + Sb).
T-ơng tự bằng các nguyên tắc đã nêu ở mục 3.2.2 có thể biết đ-ợc diễn biến kết
tinh (sự tạo thành các tổ chức) của mọi hợp kim của hệ. Ví dụ, loại 90%Pb +
10%Sb sẽ kết tinh ra chì (Pb) tr-ớc cho đến 245 0C cũng kết tinh ra cùng tinh (Pb +
Sb). Nh- vậy các hợp kim của giản đồ loại I kết tinh theo thứ tự sau: Thoạt tiên
pha lỏng kết tinh ra một trong hai cấu tử nguyên chất tr-ớc và làm cho pha lỏng
nghèo cấu tử này và biến đổi thành đến điểm cùng tinh E, đến đây pha lỏng còn lại
mới kết tinh ra cấu tử thứ hai tức ra hai cấu tử cùng một lúc".
Ngoài ra có nhận xét là thoạt tiên khi đ-a thêm cấu tử khác vào cấu tử bất kỳ
đều làm cho nhiệt dộ kết tinh giảm đi, đạt đến giá trị thấp nhất sau đó mới tăng
lên.
Quy -ớc:
Hợp kim có thành phần ở chính điểm E hay lân cận đ-ợc gọi là hợp kim cùng
tinh hay eutectic (có nhiệt độ chảy thấp nhất, thấp hơn cả cấu tử dễ chảy nhất), nó
kết tinh ngay ra hai cấu tử cùng một lúc và ở nhiệt độ không đổi.


9
Hợp kim có thành phần ở bên trái, bên phải điểm E đ-ợc gọi lần l-ợt là hợp

kim tr-ớc cùng tinh (hay hypoeutectic), sau cùng tinh (hay hypereutectic), so
với loại cùng tinh chúng có nhiệt độ chảy cao hơn, kết tinh ra một cấu tử tr-ớc
và xảy ra trong một khoảng nhiệt độ.

1.2.3. Dung dịch rắn
1.2.3.1 Khái niệm
Giống nh- trong dung dịch lỏng, cấu tử nào nhiều hơn đ-ợc gọi là dung môi và
ít hơn là chất tan, trong dung dịch rắn còn phân biệt chúng theo cách: cấu tử nào
giữ lại đ-ợc kiểu mạng đ-ợc gọi là dung môi, còn các nguyên tử chất hòa tan sắp
xếp lại trong mạng dung môi một cách đều đặn và ngẫu nhiên. Nh- vậy dung dịch
rắn là pha đồng chất có cấu trúc mạng nh- của dung môi (tức của nguyên tố chủ)
nh-ng với thành phần (hay còn gọi là nồng độ) có thể thay đổi trong một phạm vi
mà không làm mất đi sự đồng nhất đó. Ký hiệu dung dịch rắn là A (B) có kiểu
mạng của A là cấu tử dung môi, B là cấu tử hòa tan: Nh- vậy B(A) có kiểu mạng
của B là dung môi, A - Chất tan.
Các nguyên tử hòa tan đ-ợc sắp xếp lại trong mạng tinh thể dung môi hai kiểu
khác nhau, t-ơng ứng với hai loại dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ nh- biểu thị ở
hình 1.5 trong đó các vòng tròn gạch chéo và tô đen biểu thị các nguyên tử hòa tan
trong mạng cấu tử dung môi (vòng trắng). Rõ ràng ở đây yếu tố hình học có ý
nghĩa quan trong.

Hình 1.5. Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế và xem kẽ vào dung môi có
mạng lập ph-ơng tâm mặt, mặt (100)


10
1.2.3.2 Phân loại
a. Dung dịch rắn thay thế:
Trong dung dịch rắn thay thế các nguyên tử hòa tan chiếm chỗ hay thay thế vào
đúng các vị trí nút mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử

trong ô cơ sở đúng nh- của cấu tử dung môi. Về mặt hình học có thể thấy sự thay
thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều để gây ra xô lệch mạng vì không
có hai nguyên tố này có đ-ờng kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau, vì vậy sự
thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích th-ớc nguyên tử khác nhau ít nhgiữa các kim loại với sự sai lệch không quá 15%. V-ợt quá giới hạn này sự thay
thế lẫn nhau là rất khó vì làm mạng xô lệch quá mạnh, trở nên mất ổn định.
Sự thay thế trong dung dịch rắn th-ờng chỉ là có hạn vì nồng độ chất tan càng
tăng mạng càng bị xô lệch cho đến nồng độ bão hòa, lúc này nếu tăng nữa sẽ tạo
nên phai mới (dung dịch rắn khác hay pha trung gian), nồng độ bão hòa đó đ-ợc
gọi là giới hạn hòa tan. Trong thực tế có một số cặp kim loại chúng có thể hòa tan
vô hạn vào nhau tức tạo nên một dãy các dung dịch rắn có nồng độ thay đổi một
cách liên tục từ 100%A + 0%B qua 50%A + 50%B cho đến 0%A + 100%B nhhiểu thị ở hình 3.4.
Ng-ời ta nhận thấy có bốn yếu tố ảnh h-ởng đến khả năng hòa tan vô hạn hay
có hạn của một cặp nguyên tố (ở đây chỉ là các yếu tố cần mà ch-a đủ vì không
phải cặp nào thỏa mãn cả bốn yếu tố này cũng tạo thành dung dịch rắn vô hạn) là
các t-ơng quan sau.

Hình1.6: Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn liên tục (hòa tan vô hạn)
giữa hai kim loại A và B khi l-ợng B tăng dần: a. nguyên tố A; b,c,d dãy dung dịch
dắn liên tục của A và B, e. nguyên tố B.
- T-ơng quan về kiểu mạng: Nếu cùng kiểu mạng mới có thể hòa tan vô hạn,
khác kiểu mạng chỉ có thể hòa tan có hạn.
- T-ơng quan về kích th-ớc: Nếu đ-ờng kính nguyên tử sai khác nhau ít (<8%)
mới có thể hòa tan vô hạn, sai khác nhau nhiều (8 15%) chỉ có thể hòa tan có hạn,
sai khác nhau rất nhiều (>15%) có khả năng không hòa tan lẫn nhau.


11
- T-ơng quan về nồng độ điện tử (số l-ợng điện tử hóa trị tính cho một nguyên
tử): nếu đại l-ợng này v-ợt quá giá trị xác định đối với loại dung dịch rắn đã cho
sẽ tạo nên pha khác tức dung dịch rắn chỉ là có hạn. Chỉ các nguyên tố cùng hóa trị

mới có thể hòa tan vô hạn vào nhau, các nguyên tố khác nhau về hóa trị chỉ có thể
hòa tan có hạn.
- T-ơng quan về tính âm điện: Trong hóa học tính âm điện th-ờng dùng để
biểu thị khả năng t-ơng tác hóa học tạo thành phân tử. Nếu hai nguyên tố có tính
âm điện khác biệt nhau rất nhiều dễ tạo nên hợp chất hóa học, pha trung gian, sẽ
hạn chế khả năng hòa tan vào nhau thành dung dịch rắn và ng-ợc lại.
Hai t-ơng quan sau cùng th-ờng đ-ợc đánh gái qua sự gần nhau trong bảng
tuần hoàn: Các nguyên tố ở trong cùng một nhóm hay ở những nhóm cạnh nhau
th-ờng có cấu tạo lớp vỏ điện tử hóa trị, tính âm điện và các đực tính lý - hóa (đặc
biệt là nhiệt độ chảy) giống nhau, dễ tạo thành dung dịch rắn hòa tan vô hạn. Chỉ
cần không đạt một trong bốn yếu tố trên dung dịch rắn tạo thành chỉ có thể là có
hạn. Đa số các cặp nguyên tố tạo nên loại dung dịch rắn này.
Các cặp nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn chỉ có thể xảy ra giữa các
kim loại, một số cặp trong chúng thỏa mãn các điều kiện kể trên. Ví dụ: Ag- Au
(Mạng A1, r = 0,20%, cùng nhóm IB), Cu - Ni (mạng A1, r = 2,70%, IB và
VIII), Fe - Cr (mạng A2, r = 0,70%, VIB và VIII).
Nói chung sự phân bố nguyên tử hòa tan trong mạng tinh thể chủ (dung môi) là
đều đặn, có tính ngẫu nhiên và đ-ợc gọi là dung dịch rắn không trật tự. Tuy nhiên
ở một số hệ (ví dụ hệ Au - Cu) trong một số điều kiện (nhiệt độ, nồng độ) các
nguyên tử hòa tan tuy vẫn phân bố đều đặn song lại có quy luật (ví dụ trong mạng
A1, chúng chiếm hoặc là tất cả các đỉnh hoặc là giữa tất cả các mặt bên của hình
lập ph-ơng), lúc đó có dung dịch rắn trật tự với thành phần (nồng độ) cố định hay
biến đổi hẹp và có tính chất hơi khác (nói chung là giòn hơn).
b. Dung dịch rắn xen kẽ
Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hòa tan phải có kích th-ớc bé hơn
hẳn để có thể "lọt" vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ (dung môi), tức là vẫn
có kiểu mạng nh- kim loại chủ nh-ng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên. Tất cả
các lỗ hổng đều rất nhỏ nên chỉ một số á kim với bán kính nguyên tử bé nh-:
hyđrô (0,046nm), nitơ (0,071nm), cacbon (0,077nm) và đôi khi cả bo (0,091nm)
mới có khả năng hòa tan xen kẽ vào các kim loại chuyển tiếp có bán kính nguyên

tử lớn nh- sắt (0,1421nm), crôm (0,1249nm), vonfram (0,1371nm), môlipđen
(0,136nm), vanađi (0,132nm), titan (0,145nm)... Lỗ hổng lớn nhất trong các mạng


12
tinh thể kim loại là loại tám mặt của a1 có rlỗ/rchủ là 0,414, trong thực tế trừ H ra
không có á kim nào nhỏ đến mức vừa kích th-ớc này, tuy nhiên vẫn có thể chen
vào ở một số lỗ hổng và đẩy các nguyên tử chủ bao quanh giãn ra, gay ra xô lệch
mạnh mạng (hình 3.5a). Do số lỗ hổng này là có hạn và các nguyên tử á kim
không thể chui vào mọi lỗ hổng củ mạng (vì nh- thế sẽ gây ra xô lệch quá mạnh
làm mất ổn định) nên dung dịch rắn xen kẽ không thẻ có loại hòa tan vô hạn, chỉ
có thể là loại có hạn, hơn nữa độ hòa tan th-ờng là nhỏ và rất nhỏ. Có thể thấy rõ
điều này khi xét hợp kim Fe và mactenxit Sự thay thế cũng gây ra xô lệch mạng,
tùy theo quan hệ kích th-ớc nguyên tử mà các nguyên tử chủ bao quanh nguyên tử
hòa tan có thể bị giãn ra khi rht>rchủ (hình 1.7) hay co vào khi rht
Hinh1.7: Sự xô lệch mạng trong dung dịch rắn:
a. Hòa tan xen kẽ
b. Hòa tan thay thế khi rht>rchủ
c. Hòa tan thay thế khi rht* Các đặc tính của dung dịch rắn:
Về mặt cấu trúc dung dịch rắn của hợp kim có kiểu mạng tinh thể vẫn là kiểu
mạng của kim loại dung môi. Đặc tính cơ bản này quyết định các đặc tr-ng cơ, lý,
hóa tính dung dịch rắn, về cơ bản nó vẫn giữ đ-ợc các tính chất cơ bản của kim
loại chủ hay nền. Do vậy dung dịch rắn trong hợp kim có những đặc tr-ng cơ học
phổ biến nh- sau
1. Mạng tinh thể có các kiểu đơn giản và xít chặt (A1, A2...) của kim loại với
liên kết kim loại.
2. Do có cấu trúc mạng nh- vậy nên về cơ bản dung dịch rắn vẫn có cơ tính nhkim loại cơ sở, đó là tính dẻo, tuy nhiên có làm thay đổi theo h-ớng phù hợp hơn
cho vật liệu kết cấu, đó là:

- Tính dẻo tuy có giảm đi song vẫn đủ cao, dễ biến dạng dẻo tạo nên các bán
thành phẩm dài tiện lợi cho sử dụng (cũng có rất ít tr-ờng hợp làm tăng độ dẻo mà


13
điển hình là dung dịch rắn Cu(Zn) với 30%Zn còn dẻo hơn của Cu - Tăng độ bền,
độ cứng, khả năng chịu tải hơn hẳn kim loại nguyên chất.
Sự biến đổi tính chất nh- trên càng mạng khi nồng độ chất tan càng lớn. Tuy
nhiên khi nồng độ này quá lớn, mạng bị xô lệch quá mạnh, độ bền, độ cứng tuy
tăng lên mạnh nh-ng độ dẻo cũng bị giảm mạnh t-ơng ứng, gây ra giòn, dễ bị gãy,
vỡ. Do vậy có thể tìm đ-ợc nồng độ chất tan thích hợp cho các yêu cầu cũng có lợi
về cơ tính hơn kim loại nguyên chất.
3. Dung dịch rắn tuy cũng có tính dẫn nhiệt, dẫn điện song kém hơn kim loại
nguyên chất. Sự hòa tan cũng có thể làm thay đổi đột ngột điện thế điện cực do đó
ảnh h-ởng tốt đến tính chống ăn mòn điện hóa (mục 5.5.2d).
Trong tất cả các hợp kim kết cấu, dung dịch rắn bao giờ cũng là pha cơ bản
chiếm trên d-ới 90% thậm chí chỉ có pha này (100%).


14

Ch-ơng 2: GANG
2.1

KHáI NIệM cơ bản về gang

2.1.1 Khái niệm
Gang là hợp kim Fe - C, hàm l-ợng cacbon lớn hơn 2,14% 6,67% ,
th-ờng là 3 4,5%. Cũng nh- thép trong gang chứa những tạp chất Si, Mn, S, P và
các nguyên tố khác. Do có hàm l-ợng cacbon cao nên tổ chức của gang ở nhiệt độ

th-ờng cũng nh- ở nhiệt độ cao đều tồn tại l-ợng xêmentít cao. Đặc tính chung
của gang là cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc.

2.1.2. Tổ chức tế vi
Gang trắng: Không có graphít (Cacbon ở dạng hợp chất Xêmentít)
Gang xám: Graphít ở dạng tấm (phiến, lá ...) là dạng tự nhiên khi đúc.
Gang dẻo: Graphít ở dạng cụm (tụ tập thành đám) qua phân hóa từ xêmentít.
Gang biến tính: Graphít ở dạng tấm.
Gang cầu: Graphít ở dạng quả cầu tròn, qua biến tính đặc biệt.
2.2. các loạI gang th-ờng dùng
Gang là một trong những vật liệu rẻ và đ-ợc sử dụng nhiều nhất trong tất cả
các ngành kinh tế quốc dân. Các loại gang th-ờng dùng là gang xám, gang dẻo,
gang cầu, gang biến tính, gang trắng.

2.2.1. Gang xám
2.2.1.1.Thành phần và ký hiệu.
* Thành phần:
Cacbon từ 2,8 3,5%
Si lic từ 1,5 2,0%
Man gan từ 0,5 2,5 %
Phôt pho từ 0,1 0,2%
L-u huỳnh từ 0,08 0,12%
* Ký hiệu:
Các n-ớc đánh số các mác gang theo giới hạn bền tối thiểu, đơn vị tính là
kG/mm2 (nếu là 2 con số) hay đơn vị là MPa (nếu là 3 con số). Quan hệ giữa các
đơn vị th-ờng gặp nh- sau:
1kG/mm2 10MPa
1MPa
0,1kG/mm2
1ksi

0,703kG/mm2
1kG/mm2 1,45ksi
1MPa
0,145ksi
1ksi
6,9MPa
Tiêu chuẩn Việt Nam:
Ký hiệu gang xám bằng hai chữ GX với hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo tối
thiểu và độ bền uốn tối thiểu. Đơn vị tính bằng kG/ mm 2


15
Ví dụ: GX 21- 40: là ký hiệu gang xám (TCVN), có độ bền kéo tối thiếu là
21 kG/mm2 hay (k 21 kG/mm2), độ bền uốn tối thiếu là 40 kG/mm 2 hay (u
40 kG/mm2).
Tiêu chuẩn Liên bang Nga:
OCT 1412-70 kí hiệu bằng hai chữ C với hai số kèm theo: Con số thứ
nhất chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (k), con số thứ hai chỉ giới hạn bền uốn
tối thiểu(u). Cả hai con số đó đều có đơn vị là kG / mm 2 hay Mpa.
Ví dụ: C 28 - 56 là gang xám viết theo tiêu chuẩn Liên bang Nga có
Giới hạn bền kéo tối thiểu là 28KG/mm2 hay (k 28kG/mm2 280MPa)
Giới hạn bền uốn tối thiểu là 56KG/mm2 hay (u 56kG/mm2 560MPa)
OCT 7393- 85 các mác gang xám gồm có C10; C15; C20; C25;
C30; C35 (số chỉ ký hiệu giới hạn bền kéo)
2.2.1.2. Tính chất
Ng-ời ta gọi là gang xám, vì mặt gẫy của nó có màu xám do gang xám có cấu
trúc tinh thể cacbon ở dạng tự do (graphít). Graphít trong gang có độ bền cơ học
thấp, nó làm giảm độ bền chặt của tổ chức kim loại, do đó gang xám có sức bền
kéo nhỏ (th-ờng trong khoảng 150 350 MPa) chỉ bằng nửa thép thông dụng,
1/31/5 thép hợp kim. Độ dẻo và độ dai thấp ( 0,5%, aK < 100kJ/mm2), có thể

xem nh- vật liệu giòn. Graphít trong gang xám ở dạng càng to và càng dài thì tính
chất cơ học của gang càng kém. Tuy nhiên graphít cũng có những -u điểm của nó,
đặc biệt là làm tăng độ chịu mài mòn của gang, vì graphít trong gang có tác dụng
nh- một chất bôi trơn. Graphít có tác dụng làm cho gang chịu nén tốt. Graphít có
tác dụng làm giảm co ngót khi đúc. Graphít còn làm cho phoi gang dễ bị vụn khi
cắt gọt. Ngoài ra graphít còn có tác dụng dập tắt nhanh rung động của máy.
2.2.1.3. Công dụng
Các mác gang có độ bền thấp, b< 150MPa, dùng làm vỏ, nắp máy không
chịu lực (chỉ để che chắn)
Các mác gang có độ bền trung bình b = 150 200 MPa đ-ợc làm các chi
tiết chịu tải trọng nhỏ, ít chịu mài mòn nh- vỏ hộp giảm tốc, thân máy, bích, cacte,
ống n-ớc.
Các mác gang có độ bền t-ơng đối cao b = 200 300 Mpa đ-ợc làm các chi
tiết chịu tải trọng t-ơng đối cao nh- bánh răng (bị động, tốc độ chậm), bánh đà,
xilanh, xéc măng, thân máy quan trọng.
Các mác gang có độ bền cao b 300 Mpa đ-ợc làm các chi tiết chịu tải
trọng cao chịu mài mòn nh- bánh răng, trục chính, vỏ bơm thuỷ lực. Do tính chất
chịu ma sát tốt đôi khi làm ổ tr-ợt.


16

2.2.2 Gang biến tính.
Cơ tính của gang xám có thể nâng cao lên bằng cách phân bố đều đặn graphit
ở dạng các phiến mỏng, muốn thế ta phải gia công gang theo một công nghệ đặc
biệt gọi là làm biến tính gang, gang nhận đ-ợc gọi là gang biến tính.
2.2.2.1 Thành phần và ký hiệu.
* Thành phần
Gang biến tính đ-ợc chế tạo từ gang xám. Nên thành phần hoá học của gang
biến tính gần giống nh- gang xám nh-ng chỉ khác là tr-ớc khi rót gang lỏng vào

khuôn, ta cho thêm một l-ợng nhỏ chất biến tính gồm Ferôsiliccanxi hoặc
Ferôsilic các chất này tạo nên các trung tâm graphit hoá, do đó phiến graphit càng
nhỏ.
* Ký hiệu
Tiêu chuẩn Việt Nam:
Ký hiệu gang biến tính bằng ba chữ GBT với hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo
tối thiểu và độ bền uốn tối thiểu. Đơn vị tính bằng kG/mm 2
Ví dụ: GBT 30 - 40 là gang biến tính viết theo (TCVN) có giới hạn bền kéo
tối thiểu là 30KG/mm2 hay(k 30kG/mm2), giới hạn bền uốn tối thiểu là
40KG/mm2 hay (u 40kG/mm2)
Tiêu chuẩn Liên bang Nga:
OCT 1412-70 kí hiệu bằng ba chữ MC với hai số kèm theo: Con số thứ
nhất chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (k), con số thứ hai chỉ giới hạn bền uốn tối
thiểu (u). Cả hai con số đó đều có đơn vị là kG/mm 2 hay MPa
Ví dụ: MC 38 - 48 là gang biến tính viết theo tiêu chuẩn Nga có giới hạn
bền kéo tối thiểu là 38KG/mm 2 hay (k 38kG/mm2), giới hạn bền uốn tối thiểu là
48KG/mm2 hay (u 48kG/mm2)
2.2.2.2. Tính chất.
So với gang xám gang biến tính có những tính chất hơn hẳn vì trong thành
phần của gang có thêm chất biến tính: Độ bền và độ dẻo cao hơn. Kết cấu vật đúc
đồng đều và nhỏ hạt hơn gang xám, tính chống mài mòn và tính chống ăn mòn tốt
hơn, có thể nhiệt luyện để nâng cao cơ tính, giá thành rẻ.
2.2.2.3. Công dụng.
Công dụng của gang biến tính gần giống nh- gang xám, chế tạo bánh răng
chịu tải trọng nhỏ, ống lót xilanh, mâm cặp máy tiện, thân máy, nắp máy


17

2.2.3. Gang trắng

2.2.3.1. Ký hiệu và thành phần.
Gang trắng không có ký hiệu. Gang trắng là loại gang có màu trắng do
cacbon nằm ở dạng xêmentit, hầu hết ta chỉ dùng gang trắng chứa khoảng 3
3,5%C vì nhiều cacbon gang sẽ càng giòn. Để tất cả cacbon ở dạng xêmentit
gang phải chứa ít silic và các nguyên tố làm tăng graphit hoá.
2.2.3.2. Tính chất.
Gang trắng là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe 3C, tổ chức
xêmentít có nhiều trong gang làm mặt gẫy của nó có màu sáng trắng nên gọi là
gang trắng. Gang trắng rất cứng và giòn, tính công nghệ kém. Gang trắng rất cứng
nên không thể gia công cơ khí, mà chỉ dùng gang trắng ở dạng vật đúc. Gang trắng
không có ký hiệu.
2.2.3.3. Công dụng.
Làm các chi tiết yêu cầu có độ cứng cao, làm việc trong điều kiện chịu
mài mòn nh- bi nghiền, trục nghiền, quả lô trong máy xay xát, mép l-ỡi cày, vành
bánh xe...Đ-a vào lò luyện thép để luyện thành thép hoặc đúc các chi tiết sau đó ủ
thành gang dẻo.
Ng-ời ta th-ờng không dùng toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, mà chỉ làm
mặt ngoài bằng gang trắng, bên trong lõi là gang xám. Muốn bề mặt bị biến trắng
ng-ời ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc.
Trong sản xuất cơ khí hầu nh- không dùng gang trắng do quá cứng không
thể gia công cắt, giòn. Song có sử dụng gang xám biến trắng ở bề mặt, có tính
chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400 600). Muốn vậy khi đúc gang xám
thay cho làm nguội thông th-ờng ng-ời ta làm nguội nhanh ở những phần bề mặt
cần cứng, (nh- đúc trong khuôn kim loại hay bằng cách đặt kim loại dẫn nhiệt
nhanh trong phần khuôn cát tiếp giáp để tạo nên gang trắng).
Đôi khi dù không mong muốn, khi đúc vẫn nhận đ-ợc gang xám biến trắng
do đúc trong khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc áp lực ở các thành mỏng...Để dễ gia
công cắt phải đem ủ ở 700 7500C, xêmentit bị phân hoá thành ferit và graphit
nhờ đó độ cứng giảm đi. Nếu ủ ở 600 6500C chỉ có khả năng làm mất ứng suất
bên trong do làm nguội không đều khi đúc gây ra.

18

2.2.4. Gang dẻo
2.2.4.1. Thành phần và phân loại.

* Thành phần
Gang dẻo đ-ợc ủ từ gang trắng nên thành phần cơ bản của nó gần giống
gang trắng, l-ợng cacbon trong gang đúc th-ờng thấp khoảng 2,2 2,8 %; Si líc
0,8 1,4 %.
* Phân loại: Gang dẻo đ-ợc phân ra làm 2 loại:
- Gang dẻo lõi đen (gang dẻo tâm đen): Thông th-ờng là gang dẻo ferit
(nhiều graphit nên lõi đen) tuy ủ trong môi tr-ờng thông th-ờng song bề mặt bị
cháy một ít cacbon tạo nên viền trắng.
- Gang dẻo lõi trắng (gang dẻo tâm trắng): Là công nghệ ủ trong môi
tr-ờng ôxy hoá (quặng sắt) nên cacbon (graphit) bị giảm đáng kể do b ị cháy đi
trong quá trình ủ, do vậy có mầu trắng. tính dẻo của gang loại này kém hơn gang
dẻo lõi đen, nên ph-ơng pháp chế tạo này đang bị thu hẹp.
2.2.4.2. Ký hiệu.
* Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN1659-75) quy định nguyên tắc ký hiệu mác
gang dẻo bằng GZ kèm theo hai con số, con số thứ nhất chỉ độ bền kéo tối thiểu,
đơn vị kG/mm2, con số thứ hai chỉ độ giãn dài t-ơng đối tính theo %.
- Nếu độ giãn dài t-ơng đối 6% là gang dẻo tâm đen
- Nếu độ giãn dài t-ơng đối < 6% là gang dẻo tâm trắng
Ví dụ: GZ63-3 là gang dẻo tâm trắng (TCVN). Độ bền kéo tối thiểu là63kG/
mm2 hay (k 63kG/ mm2 630MPa) giãn dài t-ơng tối là 3% hay( = 3%)
* Tiêu chuẩn Liên bang Nga (OCT) ký hiệu mác gang dẻo bằng hai chữ K
với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo (Đơn vị KG/ mm 2) và độ giãn
dài t-ơng đối tính theo %.

Ví dụ: K 35 - 10 là gang dẻo tâm đen (OCT).
Độ bền kéo tối thiểu là 35kG/mm 2 hay(k 35kG/mm2 350MPa), giãn dài
t-ơng tối là 10% hay ( = 10%)
Theo tiêu chuẩn này có các mác :
K30 - 6, K33 - 8, K35 - 10, K37 - 12 (gang dẻo ferit )
K45 - 5, K50-5 , K60 - 3, K63 - 3 (gang dẻo peclit)
2.2.4.3. Tính chất.
Do graphit ở dạng cụm (graphit tụ tập từng đám gọi là cacbon ủ) và l-ợng
cacbon của gang thấp, gang dẻo có độ bền gần nh- gang cầu và hơn hẳn gang xám
(k = 300 600Mpa, 0,2= 200 450Mpa). Song độ dẻo cao nh- gang cầu
( = 3 15%)


19
2.2.4.4. Công dụng.
Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn đồng thời ba yêu cầu là: hình
dạng phức tạp, tiết diện thành mỏng, chịu đ-ợc va đập chỉ cần không thỏa mãn một
trong các yêu cầu trên việc chế tạo gang dẻo hoặc là không thể đ-ợc hoặc là không
kinh tế, lúc đó làm bằng vật liệu khác rẻ hơn (ví dụ nếu không chịu va đập làm
bằng gang xám, nếu hình dạng đơn giản làm bằng thép cacbon kết cấu chất l-ợng
th-ờng), gang dẻo th-ờng dùng để chế tạo các chi tiết nh- trục khuỷu, vỏ bơm, cầu
sau ô tô, mayơ, bánh răng, pitston, xích, ổ đỡ
Trong tr-ờng hợp các chi tiết có hình dạng và cấu tạo không thể đúc bằng
thép đ-ợc thì ng-ời ta có thể đúc bằng gang dẻo. Tuy nhiên giá thành gang dẻo
khá cao so với gang xám và công nghệ chế tạo phức tạp.
Quá trình luyện gang dẻo gồm hai b-ớc:
- Đúc chi tiết bằng gang trắng.
- ủ vật đúc đó ở nhiệt độ 900 10000C trong khoảng thời gian từ 70 100
giờ. Xêmentít của gang trắng đã phân hoá thành graphít, graphít này có dạng hạt
nhỏ, sau đó cho nguội chậm ta sẽ đ-ợc gang dẻo.

Tuỳ theo điều kiện và chế độ ủ mà ta có các loại gang dẻo có nền kim loại là
ferit, peclit hoặc ferit peclit đ-ợc sử dụng nhiều hơn.

2.2.5. Gang cầu
2.2.5.1 Thành phần, ký hiệu.
* Thành phần
Để tạo thành graphit cầu ng-ời ta cho thêm vào n-ớc gang xám tr-ớc khi
rót vào khuôn một l-ợng nhỏ magiê và tiếp đó là ferôsilic.
* Ký hiệu
Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN1659-75 có quy định ký hiệu gang cầu bằng hai
chữ GC với hai chữ số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (đơn vị kG/mm 2) và
giãn dài t-ơng đối tính theo %.
Tiêu chuẩn Liên bang Nga: (OCT) 7393-70 ký hiệu gang cầu bằng B với
hai chữ số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (đơn vị kG/mm 2) và giãn dài
t-ơng đối tính theo %.
Ví dụ: - GC38 - 17 là ký hiệu gang cầu (TCVN) có độ bền kéo tối thiểu là 38
kG/mm2 hay (k 38 kG/mm2) và giãn dài t-ơng đối là 17% hay ( = 17%)
- B 63- 4 là ký hiệu gang cầu (OCT) có độ bền kéo tối thiểu là 63 kG/mm2
hay (k 63 kG/mm2) và giãn dài t-ơng đối là 4% hay ( = 4%).


20
2.2.5.2. Tính chất.
Do graphit ở dạng thu nhỏ nhất (quả cầu tròn) ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu
nh- không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của
nền, vì vậy gang cầu có thể duy trì đ-ợc 70 90% độ bền của nền kim loại (thép)
tức không thua kém thép bao nhiêu nên có thể thay thế nó.
Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (b= 400 800Mpa, 0,2= 200
600MPa), tức là t-ơng đ-ơng với thép chế tạo máy.
Độ dẻo và độ dai nhất định ( = 2 ữ 15%, ak = 300 ữ 600kJ/mm2 ), tuy có kém

thép song cao hơn gang xám rất nhiều vì nó có độ bền cao ngay ở nhiệt độ cao.
Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ tới
4000C, trong khi đó gang xám chỉ có thể làm việc đ-ợc ở nhiệt độ d-ới 250 0C. Độ
cứng và độ bền của gang cầu có thể tăng cao hơn nữa nếu ta nhiệt luyện nó.
2.2.5.3. Công dụng.
Công dụng chủ yếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết chịu tải trọng kéo và
va đập cao (nh- thép), đồng thời tạo hình bằng ph-ơng pháp đúc. Do có nhiều -u
điểm về cơ tính nên gang cầu đ-ợc sử dụng ngày càng nhiều để thay thế cho thép
trong một số tr-ờng hợp.
Gang cầu có thể dùng để chế tạo các chi tiết của ôtô (d-ới 4 tấn) nh- trục
khuỷu, piston, biên, bánh răng và các chi tiết quan trọng khác nh- trục chính máy
công cụ, gang cầu có thể thay thế thép làm đ-ờng ray cỡ nhỏ. Trong thời gian gần
đây gang cầu với sản l-ợng khá lớn đ-ợc dùng để chế tạo ống n-ớc (đ-ờng kính
lớn) dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có -u điểm hơn so với các vật liệu th-ờng
dùng tr-ớc đây là gang xám và thép. Tuy gang xám dễ chế tạo (dễ nấu chảy, dễ
đúc, rẻ tiền) song do cơ tính thấp không chịu đ-ợc áp lực n-ớc trong ống dẫn cao
tới hàng chục ápmốtphe (atm) trong thời gian dài. Còn thép khó đúc hơn do nhiệt
độ chảy cao, co ngót lớn.
2.3 Ký hiệu một số loại gang
theo tiêu chuẩn của một số n-ớc

2.3.1. Gang xám
2.3.1.1 Tiêu chuẩn Trung Quốc (GB). Đ-ợc ký hiệu bằng hai chữ HT kèm theo
con số chỉ giới bền kéo tối thiểu. Đơn vị đo bằng Mpa
Với các mác sau HT100; HT150; HT200; HT250; HT300 và HT350
Ví dụ: HT200 là ký hiệu của gang xám theo tiêu chuẩn Trung Quốc có độ bền
kéo giới hạn là: 200 Mpa
2.3.1.2. Tiêu chuẩn Mỹ: Th-ờng dùng hai tiêu chuẩn

21
Tiêu chuẩn SAE có các mác grade: G1800; G2500; G3000; G3500; G4000
trong đó con số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị (ksi) sau khi đã nhân với
100. Ví dụ: - grade G2500 có b 25ksi hay 2500psi
- G3000 có 3000 psi hay b 30 ksi
Tiêu chuẩn ASTM có các mác: class20, class25, class30, class35, class40,
class45, class50, class55... Trong đó số chỉ giới hạn bền kéo theo đơn vị ksi.
Ví dụ: class 25 có b 25ksi, t-ơng đ-ơng với G2500
2. 3.1.3. Tiêu chuẩn nhật (JIS).
Có các mác gang xám sau: FC100; FC150; FC200; FC250; FC300; FC350.
Trong đó con số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị (Mpa)
2.3.1. 4. Tiêu chuẩn châu Âu
Anh(BS) 1452-77 qui định các mác gang xám:150; 180; 220; 260; 300;350
Đức (DIN) 1691-85 qui định các mác gang xám: GG -10; GG -15; GG -20;
GG -25; GG -30; GG -35.
Pháp (NFA) 32-201 qui định các mác gang xám FGL150, FGL200, FGL250,
FGL300, FGL 350. Các con số ở đây chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu: Đơn vị tính
theo (MPa) nếu là ba chữ số, theo (kG/mm 2) nếu là hai chữ số.

2.3.2 Gang dẻo
2.3.2.1. Tiêu chuẩn trung Quốc (GB).
Gang dẻo tâm đen ký hiệu bằng KTH và gang dẻo tâm trắng ký hiệu bằng KTZ
với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo đơn vị tính theo Mpa và độ giãn dài t-ơng
đối tính theo %. Có các mác sau:
KTH 300 - 06; KTH 330 - 08; KTH 330 -10; KTH 370 -12.
KTZ 450 - 06; KTZ 55 - 04; KTZ 650 - 02; KTZ 700 - 02.
2.3.2.2. Tiêu chuẩn Mỹ.
ASTM có các class: 32510; 35018; 40010...Trong đó ba chữ số đầu chỉ giới
hạn chảy (0,2) theo đơn vị 0,1ksi. Hai chữ số sau chỉ độ giãn dài t-ơng đối () theo
phần %

SAE có các mác M3210, M4504, M5003, M5503, M7002, M8501... Trong
đó hai chữ số đầu chỉ giới hạn chảy (0,2) theo đơn vị ksi. Hai chữ số sau chỉ độ
giãn dài t-ơng đối () theo phần %
2.3.2.3. Tiêu chuẩn Nhật (JIS).
Các mác gang dẻo tâm đen FCMB 270, FCMB 310, FCMB 340...Các mác gang
dẻo tâm trắng FCMW330; FCMW370; FCMW440...Trong đó con số chỉ giới hạn
bền theo đơn vị (Mpa).
2.3.2. 4. Tiêu chuẩn Châu Âu.


22
Anh (BS ) có các mác:
- Gang dẻo tâm đen: B290-6; B310-10; B350-12
- Gang dẻo tâm trắng: W35-4; W38-12; W40-05; W4
Đức (DIN) có các mác:
Gang dẻo tâm đen GTS35 -10; GTS45 - 06; GTS55 - 04; GTS65 - 02;
Gang dẻo tâm trắng GTW35-04; GTW40 - 05; GTW45 - 07; GTW38-12

2.3.3. Gang cầu.
2.3.3.1. Tiêu chuẩn Mỹ.
SAE có các mác D4018, D4512, D5506, D7003, trong đó hai chữ số đầu chỉ
b (min) theo đơn vị ksi, hai chữ số sau chỉ (min) theo %.
Ví dụ: D 4512 là ký hiệu của gang cầu theo tiêu chuẩn (SAE) có b 45 ksi và
>12%
ASTM có các class: 60 - 40 - 18; 65 - 45 - 12; 80 60 - 03; 100 -70 - 03; 120
- 90 - 02 Ba cặp số đó lần l-ợt chỉ giá trị tối thiểu của b, 0.2 (ksi), ( %)
2.3.3.2.Tiêu chuẩn Nhật (JIS).
Có các mác FCD400; FCD450; FCD500; FCD600; FCD700; FCD800, con số
chỉ độ bền( min) theo đơn vị Mpa.
Bảng 2 - 4: Đối chiếu ký hiệu gang giữa các n-ớc

TCVN Nga
GX24- C2444
44
GC50-2 B30-6

T.Quốc
HT300

Mỹ
G1800

Nhật
FC300

Pháp
FGL300

Đức
GG30

Anh
260

QT300-7

FCD500

B500

KTH37012

KTZ70002

FGS5007
MB450-7

GGG50

GZ45-6 K45-6

80-5506
32510

FCMB36
0
FCMW69
0

GTS3812
GTW7002

B35012
W4507


23

Ch-ơng 3: Thép
Thép là vật liệu quan trọng của nền kinh tế quốc dân, thép luyện từ gang ra,
thép khác với gang chủ yếu về thành phần hoá học, so với gang thép chứa ít cacbon
và tạp chất có hại, phôtpho và l-u huỳnh. Thành phần cacbon trong thép nhỏ hơn

2,14% còn ở gang chứa tới 6,67%. Bởi vậy quá trình luyện thép là quá trình khử
bớt cacbon và tạp chất có hại chứa sẵn trong gang.
3.1. ảnh h-ởng của các nguyên tố đến Tính chất của thép
Thép cacbon là hợp kim của hai nguyên tố sắt và cacbon. Thực tế do việc nấu
luyện ng-ời ta phải cho thêm Ferôsilic và Ferômangan vào thép để khử ôxy
nên trong thành phần của thép bao giờ cũng có l-ợng nhất định mangan và silíc,
các tạp chất có hại là phốtpho và l-uhuỳnh cũng không thể khử đ-ợc hoàn toàn.
Nh- vậy ngoài cacbon là nguyên tố chủ yếu có trong thép, bất cứ một loại thép nào
cũng có chứa một l-ợng nhất định các nguyên tố sau: Mn 0,8%, Si 0,5%, P
0,05%, S 0,05%. Ngoài ra, do việc sử dụng lại các loại thép hợp kim vào quá
trình nấu luyện nên có thể một số thép cacbon chứa một l-ợng nhỏ nguyên tố hợp
kim nh-: Ni, W, Mo, Cr, v.v...

3.1.1. Cacbon.
Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất quyết định chủ yếu đến tổ chức và cơ
tính của thép. Khi thay đổi l-ợng cacbon trong thép, cơ tính của thép thay đổi
l-ợng cacbon càng tăng thì l-ợng xêmentít cũng tăng lên, dẫn đến độ bền, độ cứng
tăng, nh-ng độ dẻo dai thì giảm đi, giới hạn bền của thép cao nhất với thành phần
cacbon khoảng 0,8 1%. Ng-ời ta không dùng thép với thành phần cacbon quá
1,4% vì nh- thế thép bị giòn.

3.1.2. Mangan
Mangan đ-ợc cho vào thép d-ới dạng ferômangan (ferô là loại hợp kim trung
gian, dễ luyện vì có nhiệt độ nóng chảy t-ơng đối thấp là nguyên liệu để pha chế,
sử dụng trong quá trình luyện kim ; nó chứa sắt, cacbon >1% và l-ợng lớn nguyên
tố hợp kim t-ơng ứng). Để khử ôxy tức là loại trừ Fe0 có hại, theo phản ứng sau:
Fe0 + Mn Mn0 + Fe
( Mn0 nổi lên đi vào xỉ và cào ra khỏi lò )
Ngoài ra mangan còn loại trừ đ-ợc FeS có hại đối với thép, do đó man gan
còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của l-u huỳnh. Man gan có ảnh h-ởng tốt

đến cơ tính khi hòa tan vào ferít nó nâng cao độ bền, độ cứng của pha này do vậy
làm tăng cơ tính của thép, song l-ợng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ
nằm trong giới hạn 0,5 0.8% nên ảnh h-ởng này không quan trọng.


24

3.1.3. Silic
Silic cũng giống nh- mangan đ-ợc cho vào thép d-ới dạng ferô - silic để khử
ôxy, tác dụng khử ôxy của silíc còn mạnh hơn mangan, theo phản ứng sau:
2Fe0 + Si Si02 + 2Fe
(Si02 nổi lên đi vào xỉ và cào ra khỏi lò )
Giống nh- mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng
của pha này, nên làm tăng cơ tính của thép song l-ợng silic cao nhất trong thép
cacbon cũng chỉ giới hạn 0,2 0,4% nên tác dụng này không lớn.

3.1.4. Phốt pho
Là tạp chất có hại, nó chứa sẵn trong quặng sắt và chỉ khử đ-ợc giới hạn nhất
định tuỳ theo ph-ơng pháp luyện. Khi phốt pho hoà tan vào ferít làm giảm độ dẻo
dai, gây hiện t-ợng giòn ngay ở nhiệt độ th-ờng. Tuy nhiên, có tr-ờng hợp phốt
pho có lợi khi ta dùng nó trong thép để làm tăng độ giòn dễ gia công cắt gọt trên
máy cắt tự động. Thép này gọi là thép tự động có thành phần phốt pho tới 0,15%.

3.1.5. L-u huỳnh
Là tạp chất có hại trong thép làm cho thép giòn nóng, do đó khó cán, rèn hay
dập. Cho mangan vào thép làm giảm tác hại của l-u huỳnh. L-u huỳnh chỉ có lợi
khi ta dùng nó làm tăng độ giòn dễ gia công cắt gọt, nó đ-ợc đ-a vào thép tự động
với thành phần tới 0,3%.

3.1.6. ôxy và nitơ

Ôxy và nitơ là hai tạp chất có hại làm cho thép giòn cứng (riêng nitơ có tác
dụng tốt một phần ở chỗ nó làm nhỏ hạt) nh-ng nitơ chỉ có ít trong thép nên ảnh
h-ởng này cũng không lớn lắm.
3.2 thép Các bon
Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao nhất, có thể chịu tải rất
nặng và phức tạp, là vật liệu chế tạo máy chủ yếu và quan trọng nhất. Trong công
nghiệp, thép đ-ợc cung cấp d-ới dạng bán thành phẩm, thành các tấm tròn, thép
góc, thép chữ U, I, L, V... Rất tiện cho sử dụng. Song có nhiều loại thép khác nhau,
do đó phải nắm vững ký hiệu, tính chất và công dụng của từng nhóm thép. Về
thành phần hoá học ng-ời ta phân thép ra làm hai nhóm:
- Nhóm thép cacbon:đ-ợc dùng rất phổ biến trong đời sống cũng nh- trong
kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 8090%) trong tổng sản l-ợng thép.
- Nhóm thép hợp kim: Dùng để chế tạo các dụng cụ cắt, dụng cụ đo, các chi
tiết máy có yêu cầu độ bền, độ dẻo cao. Trong nhóm thép hợp kim có thép hợp kim