Giáo trình Vật liệu cơ khí Nghề: Cắt gọt kim loại CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa Vũng Tàu

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ

GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGHỀ : CĂT GỌT KIM LOẠI
TRÌNH ĐỘ: TC -CĐ
Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-CĐN ngày 05 tháng 9 năm 2015

của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR - VT

Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Giáo trình này được viết dựa trên các nguồn tại liệu đã trình bày trong phần
tài liệu tham khảo, không nhằm mục đích cá nhân hay kinh tế, tôi xin cam đoan
tài liệu này lấy từ nguồn nào là có trích dẫn cụ thể.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời kỳ công nghiệp hóa , hiện đại hóa của nước ta nói chung và
của Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu nói riêng , công tác đào tạo nguồn nhân lực cho các
khu công nghiệp có vai trò hết sức quan trọng , là yếu tố cơ bản để phát triển xã

hội và tăng trưởng nhanh và bền vững .
Quán triệt chủ trương nghị quyết , Tỉnh Đảng bộ Bà Rịa – Vũng tàu lần
thứ 5, về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực cho công
cuộc công nghiệp hóa , hiện đại hóa Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu và nhận thức đúng
đắn về tầm quan trọng của chương trình giáo trình đối với việc nâng cao chất
lượng đào tạo
Trên cơ sở chương trình khung của Bộ LĐTBXH ban hành và kinh nghiệm
thực tế từ quá trình đào tạo với sự hợp tác và giúp đỡ nhiệt tình của các chuyên
gia đến từ Nhật bản và sự chỉ đạo trực tiếp của Ban Giám hiệu Trường cao đẳng
nghề Bà Rịa – Vũng Tàu , khoa cơ khí tổ chức biên soan giáo trình bộ môn Vật
Liệu Cơ Khí một cách khoa học và có hệ thống , cập nhật kiến thức thực tế ,
phù hợp với đối tượng học sinh học nghề .
Môn học vật liệu cơ khí là một môn học có rất nhiều thông tin về lý thuyết , và
mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn .
Dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót ,
bất cập. Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy cô và
các em học sinh trong nhà trường để từng bước hoàn thiện giáo trình này.
Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày 01 tháng 11 năm 2015
Biên soạn

Nguyễn Hữu Tuấn


MỤC LỤC
Chương 1: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim..............................1
1.1. Khái niệm về vật liệu công nghiệp.................................................................1
1.2. Khái niệm về vật liệu kim loại.......................................................................3
1.3. Cấu tạo về mạng tinh thể và hạt của kim loại................................................4
1.4. Cách đánh giá cơ tính của kim loại................................................................7
Chương 2: Hợp kim sắt -cacbon.....................................................................11

2.1. Phân loại hợp kim sắt - cacbon.....................................................................11
2.2. Giản đồ trạng thái sắt - cacbon....................................................................13
2.3. Thép cacbon và thép hợp kim......................................................................16
2.4. Gang.............................................................................................................34
Chương 3: Hợp kim màu.................................................................................45
3.1. Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu......................................................45
3.2. Đồng và hợp kim đồng.................................................................................45
3.3. Nhôm và hợp kim nhôm...............................................................................50
Chương 4: Nhiệt luyện.....................................................................................53
4.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện.......................................................53
4.2. Các hình thức nhiệt luyện.............................................................................56
Chương 5: Vật liệu phi kim loại......................................................................69
7.1. Khái niệm về một số vật liệu phi kim loại...................................................69
7.2. Chất dẻo........................................................................................................69
7.3. Vật liệu composit..........................................................................................74


7.4. Cao su...........................................................................................................76
7.5. Amian...........................................................................................................78
7.6. Gỗ.................................................................................................................78
Tài liệu tham khảo...............................................................................................82


CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC
VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Mã số của môn học: MH 14
Thời gian của môn học: 60giờ.

(LT: 47giờ; TH: 13giờ)

I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC
- Vị trí:
+ Môn học có thể được bố trí trước, đồng thời hoặc sau khi học sinh học xong
các môn học chung bắt buộc.
+ Môn học được bố trí trước các môn học, mô-đun đào tạo chuyên môn nghề.
- Tính chất:
+ Là môn học kỹ thuật cơ sở thuộc các môn học, mô đun đào tạo nghề bắt buộc.
II. MỤC TIÊU MÔN HỌC:
Sau khi học xong người học có khả năng:
- Trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng
của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon,
thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung
dịch trơn nguội ...
-

Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.

-

Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi

gõ, đập búa, xem tia lửa khi mài.
-

Xác định được tính chất, công dụng các loại vật liệu thường dùng cho

nghề.
-

Có khả năng tự mua các loại vật liệu theo đúng yêu cầu của sản xuất.

-

Đo được độ cứng HB, HRC


-

Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió, đục...

-

Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích

cực sáng tạo trong học tập.
III. NỘI DUNG MÔN HỌC:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Thời gian(giờ)
Thực
Số TT

Tên chương, mục

Tổng

Lý

hành

số

thuyết

Bài
tập

I

Khái niệm cơ bản về kim loại

1

và hợp kim

2

Cấu tạo kom loại và hợp kim

6

6

0

20

18

2

Tính chất chung của kim loại
và hợp kim
II

Hợp kim sắt – Cácbon

1

Khái niêm

2

Giản đồ trạng thái sắt các bon

3

Gang

4

Thép

5

Hợp kim cứng

III
1

Kiểm tra chương 1,2

2

Kim loại màu và hợp kim

10

màu

2
9

1


2

Nhôm và hợp kim nhôm

3

Đồng và hợp kim đồng

4

Các loại hợp kim màu khác
Hợp kim làm ổ trượt

IV

Nhiệt luyện – hóa nhiệt

1

luyện

2

Khái niệm về nhiệt luyện thép

3

Nhiệt luyện

4

Hóa nhiệt luyện

12

10

2

Thí nghiện
Kiểm tra chương 4

1

V

Vật liệu phi kim loại

7

1

Chất dẻo

2

Cao su – Ami ăng –

3

Compozit

1
6

1

50

10

Vật liệu bôi trơn làm mát
Kiểm tra chương 1 đến

2

chưng 4
Cộng

60


CHƯƠNG 1
CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Cung cấp những kiến thức cơ bản về tính chất và cấu tạo vật liệu ( đặt
biệt cấu tạo của hợp kim) để từ đó xác định được mối quan hệ giữa chúng.
Mục tiêu
- Phân biệt và hiểu được các tính chất.
- Hiểu và nắm chắc định nghĩa, ký hiệu, đơn vị, ý nghĩa các loại cơ tính
thường dung trong vật liệu kim loại.
- Hiểu được cấu tạo bên trong của kim loại nguyên chất và hợp kim.
- Hiểu được các dạng cấu tạo của hợp kim.
Nội dung:
1.1.

Khái niệm về vật liệu công nghiệp

Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả 3
trạng thái là rắn, lỏng và khí. Ở trạng thái rắn như sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao
su v.v….Ở trạng thái lỏng như xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v…Ở
trạng thái khí và hơi như hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100oC), khí
oxy (O2) và axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (CO2) đã được hoá
lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v…
Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng để chế tạo các máy móc, công trình, vật
dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người có thể chịu được một lực

tác dụng nhật định nào đó được gọi là vật liệu kết cấu. Tuỳ thuộc vào cấu tạo
bên trong, vật liệu kết cấu lại được chia thành 3 loại: Vật liệu tinh thể, vật liệu
vô định hình và vật liệu gốm. Về tính chất vật lý vật liệu kết cấu lại có thể chia
1


làm 2 loại là vật liệu kim loại và vật liệu phi kim loại (có thể gọi vật liệu không
kim loại)
Vật liệu tinh thể gồm các kim loại nguyên chất, các hợp kim và các loại đá,
các muối vô cơ. Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà các nguyên tử của chúng ở
trạng thái rắn luôn luôn được sắp xếp theo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh
thể. Trong đó các kim loại và hợp kim như sắt, nhôm, đồng , thép, gang, dura có
tính kim loại, còn các loại đá và muối như muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO3),
thạch cao (CaSO4) có cấu tạo mạng tinh thể nhưng lại không có tính kim loại
nên thuộc vật liệu phi kim loại.
Vật liệu vô định hình là các vật liệu mà các nguyên tử, phân tử của chúng
không sắp xếp theo mạng tinh thể. Hầu hết các vật liệu phi kim loại (trừ đá và
muối) đều ở dạng vô định hình như gỗ, chất dẻo, thuỷ tinh, vải, amian v.v…
Vật liệu gốm là vật liệu mà cấu tạo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa
có một phần vật chất ở dạng vô định hình. Vật liệu gốm trong thiên nhiên cũng
có, nhưng tính chất không ổn định nên trong công nghiệp ít được dùng. Vật liệu
gốm công nghiệp chủ yếu là nhân tạo. Để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc phi
kim loại người ta chế tạo các hạt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, ép lại thành hình
,một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với
nhau tạo thành sản phẩm. Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng
có những lỗ hổng (lỗ bộng) chứa không khí nên vật liệu gốm bao giờ cũng
"xốp" hơn các vật liệu khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm.
Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu các kim loại và phi kim loại thông
dụng.
1.2-Khái niệm về kim loại

1.2.1- Kim loại là gì?

2


Kim loại là các vật liệu có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt; có tính dẻo cao nghĩa là
có thể dát mỏng, kéo dài một cách dễ dàng và có một vẻ sáng bên ngoài riêng
biệt mà được gọi là "ánh kim"
1.2.2- Phân loại kim loại
Khi trong một khối kim loại chỉ gồm một nguyên tố hoá học thì gọi là kim
loại nguyên chất. Nếu trong đó gồm nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại là
chủ yếu thì gọi là hợp kim. Hợp kim phải có tính kim loại.
Về màu sắc và sử dụng, kim loại và hợp kim được chia làm 2 loại: Kim loại đen
và kim loại màu.
Kim loại đen là các kim loại và các hợp kim trên cơ sở nguyên tố sắt (Fe) cụ thể
là sắt nguyên chất, hợp kim của nó là thép và gang.
Kim loại màu là các kim loại và hợp kim trên cơ sở các nguyên tố kim loại còn
lại như nhôm (Al), đồng (Cu), chì (Pb), thiếc (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn),
silic (Si), môlipđen (Mo), . . .
Kim loại màu lại được phân làm các loại sau:
- Kim loại nhẹ là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng nhỏ hơn hay
bằng 4g/cm3 như nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li), . . .
- Kim loại nặng là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng lớn hơn 4
g/cm3 như sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), niken (Ni), vônfram (W),
môlipđen (Mo), ziếc côn (Zr), . . .
- Kim loại dễ chảy là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp
hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt (1539oC) như nhôm (660oC), magiê
(650oC), chì (327oC), thiếc (232oC), vàng (1063oC), bạc (960oC),. . .
- Kim loại khó chảy là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao
hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt như titan (1665oC), crôm (1875oC), đặc

3


biệt có các nguyên tố rất khó chảy như vanađi (1900oC), niôbi (2468oC),
môlipđen (2610oC), tantan (3000oC), vônfram (3380oC), . . .
- Kim loại quý là các kim loại và các hợp kim của chúng có tính rất bền (trơ,
không tác dụng hoá học) với các môi trường thông thường kể cả các loại
axit mạnh. Nhóm này gồm 8 nguyên tố như bạc (Ag), vàng (Au), paladi
(Pd), platin (bạch kim, Pt), osmi (Os), rôđi (Rh), rutêni (Ru), iriđi (Ir).
- Kim loại hiếm là các kim loại có trữ lượng rất ít trong vỏ quả đất như Mo,
Zr, . . .đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm như lantan (La), xêri (Ce), xamari
(Sm),. . .
1.3- Cấu tạo mạng tinh tinh thể và hạt kim loại
1.3.1- Cấu tạo nguyên tử của kim loại
Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng
khác nhau. Một khối kim loại gồm các nguyên tử kim loại cùng loại hoặc khác
loại tạo thành. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp gồm: Hạt nhân mang
điện dương ở giữa và các điện tử mang điện âm quay xung quanh hạt nhân đó.
Hạt nhân bao gồm proton và nơtron. Khối lương của nguyên tử chủ yếu tập
trung vào hạt nhân, vì khối lượng của các điện tử vô cùng bé không đáng kể so
với khối lượng của hạt nhân. Số lượng điện tử trong mỗi nguyên tử đúng bằng
số lượng proton trong hạt nhân của nguyên tử đó, do đó bình thường mỗi
nguyên tử có tính chất trung hoà về điện vì số tích điện dương của hạt nhân
đúng bằng số tích điện âm của các điện tử (các nơtron trong hạt nhân không
tích điện). Số lượng điện tử của mỗi nguyên tố đúng bằng số thứ tự của nguyên
tố đó trong bảng tuần hoàn. Trong số hơn 100 nguyên tố hoá học trong bảng
tuần hoàn thì khoảng 80 nguyên tố là các kim loại. Các điện tử luôn luôn
chuyển động quanh hạt nhân theo các quỹ đạo hình elip và được xếp thành các
vành năng lượng khác nhau. Số điện tử càng nhiều số vành càng nhiều, nhưng
4

với các nguyên tố đã phát hiện được hiện nay nguyên tố có số điện tử lớn nhất
có số vành điện tử không quá 7. Các nguyên tố kim loại có đặc điểm là số điện
tử ở vành ngoài cùng rất ít (2 hoặc 3), có liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách
khỏi sức hút của hạt nhân để di chuyển tự do trong toàn khối kim loại và được
gọi là điện tử tự do. Điện tử tự do là một đặc điểm nổi bật của cấu tạo kim loại.
Nhờ có điện tử tự do mà kim loại có các tính chất độc đáo khác với các vật liệu
phi kim loại như tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, tính dẻo cao v.v…
1.3.2- Cấu tạo tinh thể của kim loại
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, nghĩa là các
nguyên tử kim loại luôn luôn sắp xếp theo những hình hình học không gian nhất
định gọi là mạng tinh thể không gian, gọi tắt là mạng tinh thể. Trên hình 2-1
biểu diễn một phần của mạng tinh thể. Mạng tinh thể của kim loại có nhiều kiểu
khác nhau. Phần nhỏ nhất biểu diễn đặc trưng cho một kiểu mạng tinh thể gọi là
ô cơ bản . thí dụ trên hình 2 -2 biểu diễn các kiểu mạng lập phương tâm khối
(còn gọi là lập phương thể tâm), lập phương tâm mặt (lập phương thể tâm) và
sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt). Trong các hình dưới, mỗi vòng tròn
nhỏ biểu diễn cho một nguyên tử kim loại. Vị trí có nguyên tử kim loại gọi là
nút mạng. Một mặt phẳng chứa các nguyên tử gọi là mặt mạng hay mặt tinh thể.

Hình 1.1 – Mạng tinh thể không gian của kim loại
5


Hình 1.2 – Các kiểu mạng của kim loại
Nhiều mặt tinh thể xếp liên tục với nhau tạo thành mạng không gian.
Khi kim loại nóng chảy thì sự sắp xếp theo mạng tinh thể sẽ bị phá vỡ, ngược
lại khi đông đặc thì mạng tinh thể sẽ được thành lập. Do đó quá trình đông đặc
của kim loại còn gọi là quá trình kết tinh.

Đa số các kim loại từ nhiệt độ thường khi nung nóng đến nhiệt độ nóng
chảy kiểu mạng tinh thể không thay đổi. Nhưng có một số kim loại có tính đặc
biệt là ở trạng thái rắn khi nung nóng đến một nhiệt độ nhất định (chưa đạt đến
nhiệt độ nóng chảy) thì chuyển sang một kiểu mạng tinh thể khác. Tính chất đó
gọi là tính thù hình (hay tính dị hình). Mỗi kiểu kiểu mạng tinh thể ở một
khoảng nhiệt độ nhất định của các kim loại đó gọi là một dạng thù hình. Thí dụ
nguyên tố sắt (Fe) ở nhiệt độ thường có mạng lập phương tâm khối gọi là Fe
(đọc là sắt an-pha), nhưng khi nóng đến 911oC nó chuyển sang kiểu mạng lập
phương tâm mặt gọi là Fe (đọc là sắt gam-ma). Khi nóng đến 1399oC nó lại
chuyển về kiểu mạng lập phương tâm khối nhưng được gọi là Fe (đọc là sắt đen
-ta) và giữ nguyên kiểu mạng này cho đến khi nóng chảy. Như vậy sắt có 2 kiểu
mạng là lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối hay còn gọi là 2 dạng thù
hình của sắt là lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối.

6


1.3.3- Cấu tạo hạt của kim loại
Trong kim loại thực tế sự sắp xếp mạng tinh thể bên trong kim loại không
phải luôn luôn đồng nhất. Tuỳ huộc đặc điểm của quá trình kết tinh hoặc các
phương pháp gia công khác nhau, các mặt tinh thể trong mạng không gian
không phải luôn luôn song song với nhau mà thường có dạng như hình 2-3. Do
đó một phần tinh thể có sự sắp xếp tương đối đồng nhất với nhau, được giới hạn
trong một khối hẹp như trên hình vẽ, gọi là một hạt. Kích thước một hạt có thể
to nhỏ rất khác nhau tuỳ thuộc quá trình gia công như quá trình làm nguội khi
đúc, quá trình biến dạng khi cán, kỹ thuật biến tính khi nấu luyện, v.v. . .Kích
thước hạt của kim loại có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của kim loại và hợp kim.
Thí dụ hạt càng nhỏ độ bền và độ dai va đập của kim loại càng cao. Nếu sau một
quá trình gia công nhất định khi đúc, rèn, cán, dập …kim loại có một kích thước
hạt nhất định. Có thể thay đổi kích thước hạt đó mà không muốn thay đổi kích

thước hoặc hình dáng bên ngoài của sản phẩm người ta có thể dùng các phương
pháp nhiệt luyện để cải thiện độ hạt.

Hình 1.3 -: Cấu tạo của kim loại
1.4- Cách đánh giá cơ tính của kim loại
Cơ tính của kim loại được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
1.4.1- Độ bền.

7


Độ bền là khả năng chống biến dạng của kim loại khi nó chịu tác dụng một lực
nhất định. Để đo độ bền kim loại người ta phải chế tạo mẫu thử theo kích thước
quy định và thử trên các máy thử chuyên dùng như máy kéo nén, máy thử mỏi,
máy thử xoắn …
Trên hình 1-4 là máy thử độ bền. Tuỳ thuộc phương pháp thử, độ bền được chia
thành các loại sau:

Hình 1 – 4: Máy thử độ bền
Độ bền kéo ký hiệu K , đơn vị đo lường là N/mm2 (đọc là Niu-tơn trên milimet
vuông) hay MPa (đọc là mêga pascal). Đơn vị đo lường cũ là KG/mm2 (1
KG/mm2=9,81N/mm2)
Độ bền nén ký hiệu n
Độ bền uốn ký hiệu u
Độ bền xoắn ký hiệu x
Độ bền mỏi ký hiệu -1

8

1.4.2- Độ cứng
Về bản chất, độ cứng và độ bền là giống nhau, chỉ khác ở phương pháp đo.
Khi đo độ bền dùng mẫu riêng và phá huỷ toàn bộ mẫu, còn khi đo độ cứng chỉ
đo tại một vài điểm trên mẫu và không phá huỷ mẫu. Tuỳ theo phương pháp đo,
độ cứng có các loại thông dụng sau:

Hình 1 – 5: Máy thử độ cứng
-Độ cứng Brinen (Brinelle) ký hiệu HB. Máy đo độ cứng Brinen như trên hình
2-5 chỉ dùng để đo các kim loại mềm (chưa tôi cứng) có chiều dày mẫu lớn hơn
30mm.
-Độ cứng Rốc-oeo (Rockwell)ký hiệu HR. Máy đo độ cứng Rốc-oeo như trên
hình 2-6 có 3 thang đo: thang thứ nhất ký hiệu HRB dùng để đo vật liệu mềm
giống như vật đo trên máy Bri-nen, nhưng trên máy Rốc-oeo có thể đo được
mẫu chiều dày lớn hơn 5mm. Thang thứ 2 ký hiệu HRC dùng để đo vật liệu
cứng (thép đã tôi) các mẫu có chiều dày lớn hơn 3mm. Thang thứ 3 ký hiệu
HRA dùng để đo vật liệu rất cứng có chiều dày lớn hơn 2mm.
-Độ cứng Vích-ke (Vickers) ký hiệu HV. Máy đo độ cứng Vích-ke như trên
hình 2-7 dùng để đo các vật liệu cứng hoặc mềm nhưng có chiều dày nhỏ hơn
3mm nhưng phải lớn hơn 0,5mm. Với những tấm kim loại rất mỏng dùng
phương pháp đo độ cứng tế vi trên các kính hiển vi ký hiệu H . (thường chỉ
dùng trong các phòng thí nghiệm).
9


1.4.3-Độ dẻo
Độ dẻo là khả năng biến dạng của kim loại khi tác dụng lên nó một lực nhất
định. Độ dẻo được đánh giá bằng hai chỉ tiêu:
-Độ dãn dài (tương đối) ký hiệu % (đọc là đen-ta) tính theo phần trăm.
-Độ thắt (tỷ đối) ký hiệu % (đọc là pxi) tính theo phần trăm.
1.4.4- Độ dai va đập

Độ dai va đập là khả năng chống biến dạng của kim loại khi chịu tác dụng của
lực động (lực va đập). Độ dai va đập ký hiệu aK, đơn vị đo lường là J/cm2(đọc
là jun trên xăngtimet vuông). Đơn vị đo lường cũ là KGm/cm2. 1KGm/cm2=
98,1 J/cm2. Đo độ dai trên máy thử độ dai va đập .
Khi đánh giá tính chất của kim loại, ngoài việc đánh giá theo cơ tính, người
ta còn đánh giá kim loại theo các tính chất vật lý, tính chất hoá học và trong
ngành cơ khí còn đánh giá bằng tính công nghệ.
Tính công nghệ của kim loại là khả năng có thể gia công bằng phương pháp nào
là tốt. Tính công nghệ của kim loại gồm: tính đúc, tính hàn, tính chịu gia công
áp lực, tính chịu cắt gọt, tính chịu nhiệt luyện. Các tính chất này thường được
nghiên cứu trong các giáo trình công nghệ gia công của từng phương pháp.
Câu hỏi ôn tập
1 -Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại là gì? Vẽ các ô cơ bản
của các kiểu mạng tinh thể đó.
2 -Tính thù hình là gì? Trình bày tính thù hình của sắt.
3 -Viết ký hiệu và đơn vị đo lường của độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai va
đập.

10


CHƯƠNG 2
HỢP KIM SẮT- CACBON
Cho biết cấu tạo và cơ tính của hợp kim Fe –C thong qua giản đồ trạng thái và
cách sử dụng nó. Nắm rõ được qúa trình sản xuất thép và gang.
Mục tiêu:
- Hiểu được khái niệm về giản đồ trạng thái nói chung.
- Nắm được các tổ chức một pha, hai pha, điểm, đường tới hạn trên giản đồ
trạng thái.
- Biết cách sử dụng giản đồ.

- Biết được quá tình sản xuất thép và gang.
2.1- Phân loại hợp kim sắt - cacbon
Hợp kim sắt-cacbon (có thể viết là hợp kim Fe-C) là hợp kim của 2
nguyên tố chủ yếu là sắt (Fe) và cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon thay
đổi không quá 6,67%, nhưng trong thực tế chỉ sử dụng không quá 4%C. Tùy
thuộc hàm lượng cacbon trong hợp kim người ta chia ra: Thép là hợp kim Fe-C
trong đó lượng C không quá 2%, còn gang là hợp kim Fe-C chứa lớn hơn 2%C.
Trong thực tế, thành phần của thép và gang không phải chỉ có 2 nguyên tố Fe và
C, mà thường còn chứa nhiều nguyên tố khác nữa.
Trong bất kỳ loại thép hay gang nào cũng đều có chứa 4 nguyên tố tạp chất là: S
(lưu huỳnh), P (phốt pho), Mn (mangan ), Si (silic).
Tạp chất lưu huỳnh trong thép làm cho thép có tính dòn nóng, do đó khi luyện
thép người ta phải khử lưu huỳnh bằng ferô mangan (FeMn) để giảm lượng S
trong thép còn không quá 0,05%. Trong các thép chất lượng cao của các nước có
nền công nghiệp luyện kim tiên tiến người ta quy định lượng lưu huỳnh cho
phép không quá 0,02%. Trong các thép chất lượng không cao, khi dùng để chế
11


tạo các chi tiết không quan trọng, để tăng tốc độ cắt gọt trên máy tiện tự động,
người ta cho lượng S có thể tăng lên đến 0,10-0,12% và các thép đó được gọi là
thép tự động. Lưu huỳnh trong gang cũng làm tăng tính dòn nóng nhưng cho
phép hàm lượng S có thể đến 0,10-0,15%.
Tạp chất phốt pho trong thép làm cho thép có tính dòn lạnh. Hàm lượng P
cho phép trong các thép thông thường không quá 0,05%. Khi luyện thép, để
giảm lượng P trong thép người ta có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau nhưng
đều phải luyện trong lò có tính kiềm vì phải sử dụng nhiều đá vôi. Khi lượng P
trong thép cao, cơ tính của thép giảm, nhưng tính chịu cắt gọt lại dễ hơn nên có
thể thay thép có S cao bằng thép có P cao (0,12-0,15%P) để làm thép tự động.
Phốt pho ở trong gang cho phép đến 0,2%, đôi lúc có thể đến 0,5%. Sở dĩ P

trong gang có lúc cho phép cao là vì ngoài tác dụng xấu làm giảm cơ tính của
gang, P lại có tác dụng khác theo chiều hướng tốt là tạo một tổ chức bên trong
gọi là cùng tinh 2 nguyên làm tăng tính chống mài mòn của gang và làm tăng
tính chảy loãng cho gang.
Tạp chất mangan và silic trong thép làm cho thép bền hơn nhưng cũng
dòn hơn. Hàm lượng của chúng thường được giới hạn trong khoảng 0,35-0,4%
Si và 0,5-0,8% Mn.
Các tạp chất Si và Mn có trong thép là do khi luyện người ta cho ferô silic
vào lò hoặc cho vào thùng rót để khử oxy, cho ferô mangan vào lò để khử lưu
huỳnh. Sau các phản ứng hóa học tạo thành xỉ nổi lên mặt kim loại lỏng, một
lượng Si và Mn rất nhỏ còn lại hòa tan trong thép đóng vai trò tạp chất. Trong
trường hợp lượng Si trong thép cao hơn 1% và Mn cao hơn 1,1% thì lúc đó Mn
và Si được gọi là nguyên tố hợp kim.
Nếu trong thép ngoài Fe và C, chỉ có các nguyên tố tạp chất S, P, Mn, Si
thì thép đó gọi là thép các bon. Nếu ngoài 6 nguyên tố trên còn có thêm các
nguyên tố khác dưới dạng các nguyên tố hợp kim thì gọi là thép hợp kim.
12


2.2- Giản đồ trạng thái sắt - cacbon
Thép và gang là hợp kim của sắt và cacbon. Muốn nghiên cứu sự thay đổi
cấu tạo bên trong của hợp kim sắt-cacbon khi nhiệt luyện cần phải nghiên cứu
một loại đồ thị gọi là giản đồ trạng thái của hợp kim sắt-cacbon. Qua giản đồ
này chúng ta có thể biết được các quy luật về sự kết tinh, những thay đổi bên
trong của hợp kim khi nung nóng và làm nguội gọi là các chuyển biến khi nhiệt
luyện.
Thông qua giản đồ này ta có thể xác định các chế độ nung nóng khi đúc, rèn,
dập nóng, khi nhiệt luyện.
Giản đồ trạng thái Fe-C được biểu diễn trên một mặt phẳng bằng một toạ độ kép
mà trục tung chỉ sự thay đổi của nhiệt độ, còn trục hoành chỉ sự thay đổi thành

phần cacbon của hợp kim như trên hình 3-1.

Hình 2.1- Giản đồ trạng thái sắt - cacbon
Trên trục tung bên trái, nhiệt độ 1539oC (điểm A) chỉ nhiệt độ nóng chảy
của sắt nguyên chất. Trên trục tung bên phải điểm D chỉ nhiệt độ nóng chảy của
xêmentit (1227oC). Trên trục hoành số 6,67% chỉ tỷ lệ cacbon trong hợp chất
xêmentit.
13


Tuỳ thuộc tỷ lệ cacbon trong hợp kim và ở các nhiệt độ khác nhau, sắt và cacbon
kết hợp với nhau tạo thành các loại pha khác nhau.
Sắt và cacbon là các nguyên tố mà ở trạng thái rắn chúng luôn luôn ở trạng thái
tinh thể, nghĩa là các nguyên tử của chúng luôn được sắp xếp theo những hình
hình học nhất định gọi là mạng tinh thể. Khi chúng kết hợp với nhau để tạo
thành hợp kim, các cấu tạo của hợp kim cũng phải ở dạng các mạng tinh thể.
Sắt nguyên chất ở nhiệt độ thường có kiểu mạng lập phương tâm khối như hình
1-2a, gọi là sắt an-pha (Fe ). Nhưng khi nhiệt độ tăng đến 911oC sắt lại chuyển
thành kiểu mạng lập phương tâm mặt như trên hình 1-2b gọi là sắt gam-ma
(Fe ).
Cacbon trong hợp kim Fe-C có thể ở 2 dạng:
-Graphit là cacbon ở dạng nguyên chất có mạng lục giác như hình 3-2

Hình 2.2- Mạng tinh thể Graphit
-Xêmentit là hợp chất hoá học của sắt và cacbon có công thức Fe3C, trong
đó lượng cacbon chiếm tỷ lệ 6,67%, trên giản đồ ký hiệu là Xê.
Nếu trong Fe có hoà tan một ít cacbon (thực tế không đáng kể) gọi là dung dịch
rắn ferit (trên giản đồ ký hiệu là F). Ở nhiệt độ trên 727oC, Fe hòa tan cacbon
với một lượng từ 0 đến 2,14% được gọi là dung dịch rắn auxtênit (trên giản đồ
ký hiệu là A). Trong hợp kim Fe-C ở nhiệt độ thấp hơn 727oC khi thành phần

14


cacbon bằng 0,8% sẽ tạo thành một tổ chức hỗn hợp gọi là peclit (trên giản đồ
ký hiệu là P). Đây là tổ chức gồm các tấm ferit và các tấm xêmentit nằm xen kẽ
nhau gọi là peclit tấm như ở hình 3-3.
Khi trong hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 2% thường tạo thành một tổ chức
hỗn hợp gọi là lêđêburit như trên hình 3-4. Trong tổ chức lêđêburit hàm lượng
cacbon chiếm 4,3%.

Hình 2.3- a. Tổ chức peclit tấm, b. Tổ chức Ledepuit
Lêđêburit là tổ chức gồm các hạt peclit phân bố trên nền xêmentit.
Trên giản đồ trạng thái Fe-C đường ACD gọi là đường lỏng nghĩa là tất cả
mọi thành phần hợp kim khi ở nhiệt độ cao hơn đường lỏng đều nóng chảy hoàn
toàn. Đường AECF gọi là đường đặc nghĩa là mọi thành phần của hợp kim khi ở
nhiệt độ thấp hơn đường đặc đều đã được kết tinh và ở trạng thái rắn. Như vậy
với một thành phần hợp kim bất kỳ khi nung nóng đến nhiệt độ tương ứng với
đường đặc sẽ bắt đầu nóng chảy, nhưng khi đạt đến nhiệt độ tương ứng với
đường lỏng thì hợp kim mới chảy lỏng hoàn toàn. Thí dụ: nếu các đường cong
trên giản đồ là chính xác (thực tế là chưa chính xác lắm) thì với hợp kim có
thành phần 1%C, khi nung nóng đến 1400oC nó sẽ bắt đầu nóng chảy, nhưng
đến khoảng 1470oC (thực tế khoảng 1490oC) mới nóng chảy hoàn toàn.
Giản đồ trạng thái Fe-C được chia thành 2 khu vực: Các hợp kim có thành phần
nhỏ hơn 2,14%C (bên trái điểm E) gọi là thép, các hợp kim có thành phần lớn
hơn 2,14%C (bên phải điểm E) gọi là gang.
15


Hợp kim có thành phần đúng bằng 0,8%C gọi là thép cùng tích, cấu tạo bên
trong được thể hiện trên kính hiển vi gọi là tổ chức tế vi gồm có các hạt peclit

như trên hình 2-3. Các thành phần hợp kim nhỏ hơn 0,8%C gọi là thép trước
cùng tích có tổ chức gồm các hạt peclit và các hạt ferit như trên hình 3-5. Các
thành phần hợp kim lớn hơn 0,8%C gọi là thép sau cùng tích có tổ chức gồm
các hạt peclit và lưới xêmentit bao quanh như trên hình 3-6. Các hợp kim có
thành phần từ 2,14 đến 4,3%C gọi là gang trước cùng tinh có tổ chức gồm
lêđêburit+peclit+xêmentit II như trên hình 7-7, hợp kim có thành phần lớn hơn
4,3%C gọi là gang sau cùng tinh, có tổ chức gồm lêđêburit+xêmentit I như trên
hình 8-8 , thành phần đúng bằng 4,3%C gọi là gang cùng tinh gồm toàn tổ chức
lêđêburit như trên hình 3-4

Hình 2.4- a. Tổ chức thép trước cùng tích b. Tổ chức thép sau cùng tích, c. Tổ
chức gang trước cùng tinh, d. Tổ chức gang sau cùng tinh.
2.3- Thép cacbon và thép hợp kim
2.3.1- Thành phần thép hợp kim
- Trong thép cacbon ngoài nguyên tố chính là Fe thì nguyên tố cacbon là nguyên
tố đóng vai trò quan trọng nhất. Khi thành phần cacbon thay đổi tính chất của
thép sẽ thay đổi. Hàm lượng cacbon trong thép cacbon thay đổi từ 0,05 đến
1,3%.
Các nguyên tố tạp chất:
S- giới hạn không quá 0,05%
P- giới hạn không quá 0,05%
16


Si- Trong các thép cacbon thông thường lượng Si thường chiếm khoảng 0,5%,
nhưng trong thép sôi lượng Si chỉ được phép không quá 0,07%.
Mn- thường chiếm khoảng 0,5 - 0,8%
2.3.2- Phân loại và ký hiệu thép cacbon
Có nhiều cách phân loại thép cacbon khác nhau:
2.3.2.1- Phân loại theo phương pháp luyện gồm có:

-Thép lò chuyển là thép được luyện trong các lò chuyển như lò Betxme, lò Tô
mát, lò LD. Các thép này có chất lượng không cao do thời gian luyện ngắn, khó
điều chỉnh chính xác thành phần và khó khử triệt để các tạp chất.
-Thép lò bằng hay lò Máctanh. Thép này có chất lượng cao.
-Thép lò điện là thép được luyện trong lò điện hồ quang hay lò điện cảm ứng.
Đây là các loại thép chất lượng cao. Phương pháp lò điện thường dùng để luyện
các thép hợp kim và thép đặc biệt.
2.3.2.2- Phân loại theo phương pháp khử oxi có:
-Thép sôi là thép không được khử oxy do đó trong cấu tạo của thỏi thép đúc có
nhiều bọt khí (rỗ khí ), nhưng các rỗ này sau khi cán nóng sẽ được hàn lại. Ưu
điểm của thép này là độ dẻo rất cao do lượng silic rất thấp. Thép này thường
dùng để cán thành thép tấm, nhất là cán thành thép tấm mỏng sử dụng trong
công nghệ dập nguội sâu.
-Thép lắng là thép được khử oxi triệt để do đó có chất lượng cao, nhưng do có
nhiều silic nên có độ dẻo thấp.
2.3.2.3- Phân loại theo các dạng sản phẩm cán (xem mục 3.5.3.3)
2.3.2.4- Phân lọai theo công dụng có :
- Thép công trình hay thép xây dựng - lọai này thường có chất lượng thường.
17