Giáo trình Vật liệu cơ khí - Nghề: Chế tạo khuôn mẫu - 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: CHẾ TẠO KHUÔN MẪU
TRÌNH ĐỘ:CDN­TCN 
Ban hành kèm theo Quyết định số:        /QĐ­CĐN…  
ngày…….tháng….năm ......... …………........... của Hiệu trưởng trường Cao  
đẳng nghề tỉnh BR ­ VT

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 1


Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 2


LỜI NÓI ĐẦU
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 khi , một cách  
khoa học  và có hệ  thống  , cap nhat ki
̀
̀ ến 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 
      Giáo trình này là tài liệu giảng dạy và học tập cho giáo viên và học sinh nghành cơ 
khí của  Trường cao Đẳng nghề Tỉnh  Bà Rịa – Vũng Tàu 
        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 các thầy cô và các em học  
sinh trong nhà Trường để từng bước hoàn thiện giáo trình này 
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về 
         Khoa cơ khí – Trường Cao Đẳng nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu 
        Đ/C: Ấp Thanh Tân – TT Đất Đỏ ­ Huyện Đất Đỏ ­ Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu 
                              ĐT:0643.866421­ 
Xin chân thành cảm ơn ./.

Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày 21 tháng 08 năm 2015
                                                                                                   Ban  biên soạn
                                                                                                    Trần Bình Minh 
Nguyễn Hữu Tuấn 

                                                  
VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 3


MỤC LỤC
Lời nói đầu..................................................................................................................... 2
Mục lục........................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÔN VẬT LIỆU CƠ KHÍ.....................................4
1. Khái niệm về vật liệu và vai trò của vật liệu trong ngành kỹ thuật.........................4
2. Đối tượng của môn học cho ngành kỹ thuật..............................................................6
3. Mục đích của môn học cho ngành kỹ thuật cơ khí.....................................................6
4. Vị trí môn học..............................................................................................................6
5. Giới thiệu chương trình học........................................................................................6
PHẦN 1: CƠ SỞ VẬT LIỆU HỌC..............................................................................7
Chương  2: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim.....................................8
2.1. Khái niệm về vật liệu công nghiệp.........................................................................8
2.2. Khái niệm về vật liệu kim loại...............................................................................9
2.3. Cấu tạo về mạng tinh thể và hạt của kim loại......................................................10
2.4. Cách đánh giá cơ tính của kim loại.........................................................................12
Chương  3: Hợp kim sắt ­cacbon................................................................................15
3.1. Phân loại hợp kim sắt ­ cacbon...............................................................................15
3.2. Giản đồ trạng thái sắt  ­ cacbon..............................................................................16
3.3. Khái niệm về quá trình sản xuất và gia công hợp kim sắt ­cacbon........................19
3.4. Sản xuất gang..........................................................................................................20
3.5. Sản xuất thép...........................................................................................................26
Chương  4: Thép...........................................................................................................30
4.1. Thép cacbon.............................................................................................................30
4.2. Thép hợp kim...........................................................................................................34

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 4


Chương  5: Gang..........................................................................................................47
5.1. Thành phần của gang...............................................................................................47
5.2. Tổ chức bên trong của gang....................................................................................47
5.3. Phân loại gang..........................................................................................................48
5.4. Gang Xám.................................................................................................................49
5.5. Gang cầu.................................................................................................................. 50
5.6. Gang dẻo..................................................................................................................51
5.7. Hợp kim trung gian..................................................................................................52
Chương  6: Hợp kim màu............................................................................................55
6.1. Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu................................................................55
6.2. Đồng và hợp kim đồng............................................................................................55
6.3. Nhôm và hợp kim nhôm...........................................................................................58
6.4. Hợp kim cứng..........................................................................................................59
6.5. Hợp kim chống masat..............................................................................................59
Chương  7: Nhiệt luyện..............................................................................................61
7.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện...............................................................61
7.2. Các hình thức nhiệt luyện.......................................................................................63
Chương  8: Vật liệu phi kim loại...............................................................................76
8.1. Khái niệm về một số vật liệu phi kim loại............................................................76
8.2. Chất dẻo..................................................................................................................76
8.3. Vật liệu composit....................................................................................................79
8.4. Cao su....................................................................................................................... 80
8.5. Amian.......................................................................................................................81
8.6. Gỗ............................................................................................................................ 81
8.7. Đá mài và bột mài....................................................................................................82
8.8. Vật liệu chịu lửa và chịu nhiệt................................................................................87
PHẦN 2: THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC................................................................91

Bài 1: Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của KL và HK........................95
Bài 2: Thí nghiệm kéo.................................................................................................102

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 5


Bài 3: Đo độ cứng và nghiên cứu quá trình tôi thép................................................110
Bài 4: Nghiên cứu tổ chức tế vi của thép sau khi nhiệt luyện..............................120
Tài liệu tham 
khảo…………………………………………………………………….127

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ MÔN VẬT LIỆU CƠ KHÍ
1. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ VAI TRÒ CỦA VẬT LIỆU TRONG KỸ 
THUẬT.
Vật liệu là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo công cụ , máy móc 
thiết bị, xây dựng công trình….
Ba nhóm vật liệu dùng phổ biến trong công nghiệp là : Vật liệu kim loại, vật liệu vô 
cơ và vật liệu hữu cơ – polymer.
Trong ba nhóm vật liệu kể trên, thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự 
phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để tạo ra những cơ cấu máy 
móc và những công trình xây dựng
2. ĐỐI TƯỢNG CỦA VẬT LIỆU HỌC CHO NGÀNH KỸ THUẬT
Vật liệu học là môn học khảo sát bản chất của vật liệu, mối quan hệ  giữa cấu  
trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra phương án chế tạo và sử dụng hợp lý.
Máy móc trong cơ khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết và dụng cụ của nó , do điều  
kiện làm việc của chúng  khác nhau nên đòi hỏi các yêu cầu cơ  tính khác nhau. Đặc 
biệt, để  đạt tính cạnh tranh trong nền kinh tế  hiện nay thì các sản phẩm cơ  khí này 

vừa phải đạt cơ tính đề ra vừa phải chọn công nghệ có chi phí thấp nhất để. Song yêu  
cầu cuối cùng của vật liệu vẫn là cấu trúc bên trong của vật liệu.
3. MỤC ĐÍCH MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất, cần thiết về vật liệu. Nhờ đó học 
sinh có thể lựa chọn và sử dụng các loại vật liệu thường dùng trong các loại vật liệu 
thường dùng trong các thiết bị cơ khí, để đáp ứng tính năng sử dụng , tính công nghệ ,  
tính kinh tế đối với từng bộ phận chi tiết khi thay thế hay sửa chữa nó.
4. VỊ TRÍ MÔN HỌC
Vật liệu cơ  khí là môn học kỹ  thuật cơ  sở nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản  
nhất, cần thiết nhất về những loại vật liệu phổ biến thường dùng trong ngành cơ khí.  

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 6


Nhờ  đó học sinh có thể  tiếp thu kiến thức các môn học kỹ  thuật cơ  sở  khác và kiến  
thức chuyên môn sau này để chọn vật liệu thích hợp và sử dụng nó.
5. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH HỌC
Môn học thực hiện gồm 2 phần, phần I gồm 7 chương, từ chương 2 đến chương 8,  
phần II là phần thực hành các thí nghiệm.
 PHẦN I: VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ
Chương 2: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim
Chương 3: Hợp kim sắt – các bon
Chương 4: Thép
Chương 5: Gang
Chương 6: Kim loại màu
Chương 7: Nhiệt luyện
Chương 8: Vật liệu phi kim loại
 PHẦN II: THỤC HÀNH

Bài 1: Giới thiệu về lý thuyết
Bài 2: Thí nghiệm kéo
Bài 3: Thí nghiệm đo độ cứng
Bài 4: Thí nghiệm đo cấu trúc vật liệu sau nhiệt luyện và nhiệt luyện

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 7


PHẦN I
VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ
VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 8


CHƯƠNG 2
CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

1. Mục đích
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. 
2. Yêu cầu
­

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.

2.1.

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 

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 9


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 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.
2.2­KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI
2.2.1­ 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"
2.2.2­ Phân loại kim loại

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 10

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 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),. 
. .
2.3­ CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ VÀ HẠT CỦA KIM LOẠI
2.3.1­ 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 

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 11


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 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… 
2.3.2­ 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 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 2.1 – Mạng tinh thể không gian của kim loại

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 12


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 an­pha), 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.
2.3.3­ 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 2­3. 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 

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 13


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.

2.4­ CÁCH ĐÁNH GIÁ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI
Cơ tính của kim loại được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:

2.4.1­ 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 2­4 là máy thử độ bền. Tuỳ thuộc phương pháp thử, độ bền được chia thành 
các loại sau:

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 14


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
2.4.2­ 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:

­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).

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 15


2.4.3­Độ 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:
­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.
2.4.4­ 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 3
HỢP KIM SẮT­ CACBON
1. Mục đích
­ Cho biết cấu tạo và cơ tính của hợp kim Fe –C thong qua giản đồ trạng thái và cách  
sử dụng nó.

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 16


­ Nắm rõ được qúa trình sản xuất thép và gang
      2. Yêu cầu
­ 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.
3.1­ 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 Fe­C 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 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. 

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 17

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 0,35­0,4% 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.
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.
3.2­ 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.

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 18


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 1­
2a, 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 

­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%. 

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 19

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 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 Fe­C 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.
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 2­3. 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 3­5. 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 3­6. 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 7­7, 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 8­8 , thành phần đúng bằng 4,3%C gọi là gang cùng 
tinh gồm toàn tổ chức lêđêburit  như trên hình 3­4

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 20

.
3.3 ­KHÁI NIỆM VỀ  QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT VÀ GIA CÔNG HỢP KIM  
SẮT – CACBON
Hợp kim sắt­cacbon được sản xuất từ quặng sắt theo sơ đồ sau (hình 3­9):

Từ  quặng sau khi qua tuyển sạch để loại bỏ  bớt đất cát gọi là tuyển khoáng cho vào 
lò cao để  luyện thành gang (xem phần luyện gang lò cao). Sản phẩm lò cao có thể 
gồm 2 loại: gang trắng và gang xám. Gang trắng có thành phần cacbon và silic thấp 
sau khi tháo ra khỏi lò cao thường không đúc thành thỏi mà chứa trong một xe goòng 
chuyên dùng chở đến lò thép để luyện thành thép. Phương pháp này chỉ dùng ở các khu  
liên hợp gang thép có lò luyện thép mactanh hay lò chuyển. Từ lò cao nếu luyện gang  
xám có thành phần cacbon cao hơn từ 2,75 đến 4,2% thì sau khi tháo gang ra khỏi lò, 
cho chảy vào một bãi cát có tạo sẵn khuôn thỏi gồm nhiều ngấn để  đúc thành gang  
thỏi. Gang này thường được chuyển về các xí nghiệp cơ khí có lò đúc gang để nấu lại 

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 21


và đúc thành các chi tiết máy bằng gang xám hay gang cầu (xem phần luyện gang lò 
đúc). Gang thỏi còn có thể dùng bổ sung làm nguyên liệu cho lò thép khi luyện thép lò  
mactanh hay lò điện. Thép sau khi luyện từ  lò thép các loại có thể  đúc thành chi tiết  
máy hoặc đúc thành thỏi. 
 Riêng thép luyện từ lò chuyển không đúc thành chi tiết máy mà chỉ đúc thành thỏi để 
cán. Thép thỏi thường đem cán thành thép cán dưới các dạng sản phẩm khác nhau 
(xem phần cán thép) hoặc có thể đem rèn thành chi tiết máy. Các loại thép cán ở dạng 
thép thanh thường gia công bằng cắt gọt hay rèn để  tạo thành chi tiết máy, còn thép 

tấm thường gia công bằng dập hoặc hàn, thép hình thường chỉ gia công bằng cắt đứt 
rồi hàn khi chế tạo thành chi tiết máy.
3.4­ SẢN XUẤT GANG
Gang có thể  luyện theo 2 phương pháp khác nhau nhưng không thay thế  cho nhau  
được, đó là luyện gang lò cao và luyện gang lò đúc. Sự  khác nhau cơ  bản của 2  
phương pháp này là  ở  nguyên liệu ban đầu và sản phẩm của mỗi phương pháp. Đối 
với lò cao, nguyên liệu ban đầu chủ yếu là quặng sắt và sản phẩm của lò cao là bán 
thành phẩm nhưng cũng để làm nguyên liệu. Còn nguyên liệu ban đầu của lò đúc chủ 
yếu chính là gang lò cao và sản phẩm của lò đúc là các chi tiết máy bằng gang. Gang  
lò cao không bao giờ đúc thành chi tiết máy.
3.4.1­ Luyện gang lò cao
3.4.1.1­ Nguyên liệu: Quặng sắt là nguyên liệu chủ yếu của lò cao. Quặng sắt có 
nhiều loại: 
­Quặng sắt từ  hay còn gọi là quặng manhêtit, thành phần chủ  yếu là oxit sắt từ  có  
công thức hóa học là Fe3O4.
­Quặng sắt đỏ hay còn gọi là quặng êmatit hoặc hêmatit có thành phần chủ yếu là oxit  
sắt 3 có công thức Fe2O3.
­Quặng sắt nâu hay còn gọi là quặng limônit, thành phần chủ  yếu là oxit sắt 3 ngậm 
nước có công thức hóa học là nH2O.Fe2O3. 
Quặng sắt càng giàu càng tốt. Tạp chất trong quặng chia làm 2 loại: 
Tạp chất có ích như Mn,Ti, V, Ni, Cu, Cr, …
Tạp chất có hại: S, P, As, Zn, …
Trong quặng còn chứa SiO2,, Al2O3, CaO, MgO, …
Quặng sắt được nghiền thành hạt cỡ  20~60mm để  bỏ  vào lò cao, cỡ  nhỏ  hơn 20mm  
gọi là quặng vụn được đưa đi thiêu kết thành cục lớn hơn mới cho vào lò cao để giảm  

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 22

cháy hao. Trước khi thiêu kết phải trộn quặng vụn với đá vôi vụn và cốc vụn rồi mới  
thiêu kết.
3.4.1.2­ Nhiên liệu
Nhiên liệu cho lò cao là các loại than, có tác dụng khi cháy cung cấp nhiệt để  làm 
chảy quặng.
­Than gỗ (than hoa, than củi)
Ưu điểm: 
 ­ Hàm lượng tro ít (0,5­2,5% )
­ Chứa ít lưu huỳnh
­Độ xốp cao (77~85%)
Nhược điểm:  
 ­Sản xuất than gỗ nhiều dê gây ra nạn phá rừng.
­ Độ bền không cao, chỉ dùng cho lò cao nhỏ hơn 300m3
­

Giá thành cao

­ Than gỗ là nhiên liệu lý tưởng cho lò cao cỡ nhỏ.
­Than cốc.
Trong thiên nhiên không có than cốc, người ta dùng than mỡ  để  luyện cốc: Than mỡ 
được nghiền nhỏ thành bột, đổ vào một buồng kín,hai bên tường được nung nóng đến 
900­1000oC , thời gian luyện là 14­ 16 giờ. Luyện 1 tấn than mỡ thì thu được :
750­800 kg cốc
300­320 m3 khí lò cốc, được dùng làm khí đốt.
32 kg dầu cốc
11 kg hợp chất benzen
Tính chất của than cốc:
 ­Rất bền, được dùng làm nhiên liệu cho lò cao các cỡ.
  ­Độ xốp cao: khoảng 50%

Ngoài ra người ta còn phun vào lò cao một số nhiên liệu phụ như than bột, dầu mazut,  
khí thiên nhiên.
3.4.1.3­ Chất trợ dung.
Chất trợ dung có tác dụng kết hợp với các đất đá trong quặng để tạo thành hợp  
chất dễ  chảy, trong lò cao chúng  ở  trạng thái lỏng gọi là xỉ  nổi lên trên mặt gang  

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 23


lỏng , được tháo ra ngoài theo lỗ ra xỉ. Ngoài ra chất trợ dung còn có tác dụng khử lưu  
huỳnh.
Thành phần đất đá trong quặng sắt chủ yếu là các oxit axit SiO2 và Al2O3 , khi chảy  
lỏng có độ  chảy loãng kém. Cho nên chất trợ  dung chủ yếu là các oxit bazơ để  trung  
hòa các oxit axit làm tăng độ  chảy loãng cho xỉ.  Ở  lò cao người ta dùng các chất trợ 
dung sau đây:
­Đá vôi (CaCO3). Trong lò cao đá vôi phân giải thành CaO và CO2, CaO kết hợp với  
SiO2 và Al2O3 thành hợp chất dễ chảy, chúng nổi lên mặt gang lỏng và được tháo ra 
ngoài .
­Đôlômit (CaCO3.MgCO3.). Đôlômit có tác dụng làm loãng xỉ, thường xỉ  lò cao chứa  
6­8% MgO.
­Huỳnh thạch (CaF2) làm cho xỉ  có tính chảy loãng tốt và tăng khả  năng khử  lưu 
huỳnh. Lò cao ít dùng huỳnh thạch vì đắt tiền. Huỳnh thạch được dùng chủ yếu trong 
luyện thép. 
3.4.1.4 ­Cấu tạo của lò cao và thiết bị phụ

*Cấu tạo lò cao như trên hình 3­10  
Thiết  bị phụ như trên hình 3­11  gồm có

*Hệ thống lọc bụi
Khí lò cao thoát ra còn chứa nhiều bụi, phải qua hệ thống lọc bụi:
­Lọc thô: Lọc theo phương pháp trọng lực hay ly tâm.
­Lọc nửa tinh: Thường dùng tháp rửa bằng nước.
­Lọc tinh : Lọc theo phương pháp tĩnh điện.

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 24


Trước khi lọc lượng bụi trong khí lò cao là 10­60 g/m3, sau khi lọc lượng bụi còn 
0,001 g/m3. 
*Lò gió nóng. Phổ  biến dùng kiểu lò Cowper, làm việc theo nguyên tắc hoàn nhiệt. 
Nhiệt độ gió đạt trên 1000oC.
3.4.1.5­ Các quá trình xẩy ra ở lò cao.
*Hoàn nguyên các nguyên tố.
a­ Hoàn nguyên oxit sắt
Chất hoàn nguyên trong lò cao chủ yếu là C và CO, khí lò cao có chứa khí H2 cũng có  
tác dụng làm chất hoàn nguyên.
Than cốc trong lò cao cháy theo phản ứng:
    

C + O2 = CO2

Sau đó CO2 lại tiếp tục phản ứng với C để tạo thành khí CO:
          CO2 + C =2CO
Hoàn nguyên oxit sắt bằng khí CO:
  3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
                 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

       FeO + CO = Fe + CO2 
Hoàn nguyên oxit sắt bằng khí H2 cũng tương tự  như khí CO:
    3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O
      Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O
         FeO + H2 = Fe + H2O
Ở nhiệt độ trên 1000oC oxit sắt có thể được hoàn nguyên bằng C rắn: 

       

          FeO + C = Fe + CO
b­ Hoàn nguyên các nguyên tố khác :
Mn trong quặng được hoàn nguyên lần lượt từ oxit cao đến oxit thấp:
              MnO2       Mn2O3      Mn3O4       MnO       Mn
                     MnO + C = Mn + CO
Hoàn nguyên Silic:
                      SiO2 + C = SiO + CO
                          Si + C = Si + CO

VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Trang 25