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:        /QĐ­CĐN   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, mô­đun đào tạo chuyên môn nghề.
­ Tính chất:
+ Là môn học kỹ  thuật cơ  sở  thuộc c ác 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)
Tên 
Số TT

Thực 

chương, 

Tổng 

Lý 

hành

mục

số

thuyết

 Bài 
tập

I

Khái  niệm cơ bản về kim loại 
và hợp kim

6

6

0


1
2

Cấu tạo kom loại và hợp kim
Tính chất chung của kim loại 
và hợp kim

II
1
2

20
Khái niêm
Giản đồ trạng thái sắt các bon
Gang

4

Thép 

III
1
2
3
4
IV

Hợp kim cứng
Kiểm tra chương 1,2

2

 Kim loại màu và hợp kim 

10

9

1

12

10

2

Nhôm và hợp kim nhôm
Đồng và hợp kim đồng
Các loại hợp kim màu khác
Hợp kim làm ổ trượt
Nhiệt   luyện  –   hóa   nhiệt 
luyện

2

Khái niệm về nhiệt luyện thép

4

V

2

màu

1

3

2

Hợp kim sắt – Cácbon

3

5

18

Nhiệt luyện
Hóa nhiệt luyện
Thí nghiện
Kiểm tra chương 4

1

Vật liệu phi kim loại

7

1
6

1


1

Chất dẻo

2

Cao   su   –   Ami   ăng   – 

3

Compozit
Vật liệu bôi trơn làm mát
Kiểm   tra   chương   1   đến 

2

chưng 4
Cộng

60

50

10


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  
10


tinh thể, vật liệu vô định hình và vật liệu gốm. Về tính chất vật lý vật liệu 
kết cấu lại có thể  chia 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.
11


1.2­Khái niệm về kim loại
1.2.1­ Kim loại là gì?
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), . . .

12

­ 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 
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  
13


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   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 2­1 biểu diễn một phần của mạng tinh thể. Mạng tinh th ể c ủa kim lo ại  
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  

14


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

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  
15


(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 an­pha), nhưng khi nóng đến 911oC nó  
chuyển sang kiểu mạng lập phương tâm mặt gọi là Fe  (đọc là sắt gam­ma).  
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.

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  
16


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.
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 1­4 là máy thử  độ  bền. Tuỳ thuộc phương pháp thử, độ  bền được 
chia thành các loại sau:

17

Hình 1 – 4: Máy thử độ bền
Độ  bền kéo ký hiệu   K , đơn vị  đo lường là N/mm2 (đọc là Niu­tơn 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

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:
18


Hình 1 – 5: Máy thử độ cứng
­Độ  cứng Brinen (Brinelle) ký hiệu HB. Máy đo độ  cứng Brinen như  trên 
hình 2­5 chỉ dùng để đo các kim loại mềm (chưa tôi cứng) có chiều dày mẫu  
lớn hơn 30mm.
­Độ  cứng Rốc­oeo (Rockwell)ký hiệu HR.  Máy đo độ  cứng Rốc­oeo như 
trên hình 2­6 có 3 thang đo: thang thứ nhất ký hiệu HRB dùng để đo vật liệu 
mềm giống như  vật đo trên máy Bri­nen, nhưng trên máy Rốc­oeo 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 Vích­ke (Vickers) ký hiệu HV. Máy đo độ cứng Vích­ke như trên 
hình 2­7 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).
1.4.3­Độ 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:
19


­Độ dãn dài (tương đối) ký hiệu  % (đọc là đen­ta) 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.

CHƯƠNG 2

20


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 sắt­cacbon (có thể  viết là hợp kim Fe­C) 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 Fe­C 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 
21

cho phép không quá 0,02%. Trong các thép chất lượng không cao, khi dùng để 
chế 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 0,10­0,12% 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 0,10­0,15%.
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 (0,12­0,15%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 0,5­0,8% 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.

22

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.
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  sắt­cacbon   khi   nhiệt  luyện   cần  phải  
nghiên cứu một loại đồ thị gọi là giản đồ trạng thái của hợp kim sắt­cacbon. 
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 Fe­C 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 3­1.

Hình 2.1­ Giản đồ trạng thái sắt  ­ cacbon
23


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.
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 1­2a, gọi là sắt an­pha (Fe ). Nhưng khi nhiệt độ tăng đến 911oC sắt lại 
chuyển thành kiểu mạng lập phương tâm mặt như  trên hình 1­2b gọi là sắt 
gam­ma (Fe ).
Cacbon trong hợp kim Fe­C có thể ở 2 dạng:
­Graphit là cacbon ở dạng nguyên chất có mạng lục giác như hình 3­2 

Hình 2.2­ Mạng tinh thể Graphit
24


­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 Fe­C   ở nhiệt độ  thấp hơn 727oC  
khi thành phần 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 3­3.  
Khi trong hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 2% thường tạo thành một tổ 
chức hỗn hợp  gọi là lêđêburit như trên hình 3­4. 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 Fe­C 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  
25