Tính gia công của Vật liệu chế tạo máy

Chơng 1:
nghiên cứu tổng quan về tính gia công của các loại vật liệu chế
tạo máy
1.1. Các loại vật liệu chế tạo máy.

1.1.1. Thép và gang.
Thép và gang là những hợp kim trên cơ sở sắt và các
bon, sản phẩm của nghành luyện kim nói chung và nghành
luyện kim đen nói riêng.
Ngày nay, loài ngời đã biết sử dụng rất nhiều vật liệu
trong đời sống cũng nh trong sản xuất. Những loại vật liệu
mới đợc sáng tạo ra ngày một nhiều để đáp ứng nhu cầu con
ngời, thép và gang là vật liệu cổ truyền, tuy nhiên cho tới
nay nó vẫn có vai chò quan trọng trong đời sống của con ngời, từ dụng cụ gia đình tới các tác phẩm nghệ thuật, trong
công nghiệp cơ khí, trong nghành xây dựng, trong giao
thông vận tải, trong nghành năng lợng, trong quốc phòng....
Chúng hiện vẫn chiếm khoảng 90% kim loại dùng trong công
nghiệp của thế giới. Trớc những thành tựu mới về vật liệu,
ngày một phong phú về chủng loại và phát triển về số lợng,
công nghệ thì gang và thép vẫn đang chiếm giữ vị trí
hàng đầu.
Thép các bon.
Thép các bon là hợp kim của sắt và các bon với hàm lợng
C< 2,14%. so với thép hợp kim thì thép các bon có chất lợng
thấp hơn. Tuy nhiên nó vẫn đáp ứng đợc nhiều yêu cầu trong


kỹ thuật, mặt khác thép các bon lại đợc sử dụng rất nhiều,
giá thành thấp.
Thành phần hoá học của thép các bon thông thờng ngoài
Fe ra còn có C <2%,

Mn<0,5-0,8%, Si <0,3-0,6%, P<0,05-

0,06%, S < 0,05-0,06%.
Thép các bon có những đặc tính sau:
- Độ cứng của thép các bon sau khi tôi và ram đạt
khoảng 60 - 62 HRC, độ cứng của nó tăng lên theo hàm lợng
% các bon trong thép.
- Tính thấm tôi thấp nên phải làm nguội nhanh trong nớc
hoặc muối.
- Độ bền nhiệt kém vì không đợc hợp kim hoá nên
mactenxít của thép dễ phân tích khi nung nóng sẽ làm cho
độ cứng bị giảm nhanh.
Thép các bon còn chia thành nhiều nhóm, trong mỗi
nhóm lại có nhiều số hiệu, ứng với những thành phần cụ thể
hơn. Từng nguyên tố sẽ ảnh hởng khác nhau đến cơ tính của
thép, nh hai nguyên tố Mn, Si có khả năng hoà tan vào ferit
vì vậy làm tăng độ bền của thép. Các nguyên tố khác nh P,
S, O2 là những tạp chất có hại, làm giảm cơ tính của thép
(gây ra tính giòn nguội, giòn nóng và mất tính liên tục của
kim loại).
Thép các bon đợc phân loại theo nhiều cách khác nhau:
- Theo chất lợng:
+ Thép có chất lợng thờng , có thể chứa tới 0,06%S và
0,07%P;


+ Thép có chất lợng tốt, chứa không quá 0,04%S và
0,035%P;
+ Thép có chất lợng cao, chứa không quá 0,025% mỗi

nguyên tố;
+ Thép có chất lợng đặc biệt cao, chứa không quá
0,015% S và 0,025% P;
- Theo phơng pháp khử oxy: Theo mức độ khử oxy,
phân ra: thép sôi, thép lặng và nửa lặng.
- Theo công dụng: Gồm bốn nhóm chính:
+ Thép cán nóng thông dụng, loại này dùng chủ yếu
trong xây dựng và các công việc thông thờng tơng tự, nói
chung không cần qua nhiệt luyện;
+ Thép kết cấu, chủ yếu để làm các chi tiết máy thờng
phải qua nhiệt luyện;
+ Thép dụng cụ, chủ yếu để làm dụng cụ cắt gọt (cắt
gọt, biến dạng, đo lờng) thờng bắt buộc phải qua nhiệt
luyện;
+ Thép có công dụng riêng, chủ yếu để làm đờng ray,
dây thép các loại, thép lá để dập nguội.
Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất quyết định chủ
yếu đến tổ chức và tính chất của thép các bon (và cả thép
hợp kim). Từ giản đồ pha Fe-C thấy rằng ở nhiệt độ thờng tổ
chức của thép các bon chỉ có hai pha là ferit và xêmentit, hai
pha này trái nhau về tính chất cơ học. Ferit mềm nhng dẻo
dai, xêmentit cứng nhng giòn. Khi hàm lợng các bon tăng lên
thì lợng xêmentit cũng tăng lên trong thép, ferit giảm đi (cơ
tính của thép do tỉ lệ những pha này quyết định ). Do vậy


các bon tăng lên thì độ bền độ cứng tăng còn độ dẻo dai lại
giảm.
Thép dụng cụ.
Thép dụng cụ là loại thép dùng để chế tạo các loại dụng

cụ gia công kim loại và các loại vật liệu khác (gỗ, chất dẻo...)
không phụ thuộc vào phơng pháp gia công cụ thể nào, ngời
ta luôn yêu cầu các dụng cụ có chất lợng cao, vì điều kiện
làm việc của chúng thờng khắc nghiệt.
Có thể nói với thép dụng cụ, đòi hỏi về mặt chất lợng là
chỉ tiêu số một. Mặc dù thép dụng cụ chỉ chiếm khoảng
0,1% lợng thép dùng của thế giới, nhng số lợng các loại thép
dụng cụ lại rất nhiều, bởi vì mỗi loại chỉ thích hợp với những
ứng dụng riêng biệt (cụ thể) nào đó.
Thép dụng cụ đợc phân chia làm ba loại:
- Thép dụng cụ cắt gọt: Yêu cầu đối với thép làm dao
cắt:
+ Độ cứng cao: đây là yêu cầu tối thiểu đầu tiên, vì
để có thể cắt gọt đợc thì độ cứng của dao phải cao hơn
độ cứng của phôi.
+ Tính chống mài mòn cao: khi làm việc, dao cắt luôn
bị mài sát vào phôi và phoi, để đảm bảo tuổi thọ của dao
và tính chính xác gia công, dao phải có tính chống mài mòn
cao. Tính chống mài mòn của dao trớc hết phụ thuộc vào độ
cứng của nó, độ cứng càng cao tính chống mài mòn càng
cao.


+ Tính cứng nóng: Là khả năng duy trì đợc độ cứng
cao ở nhiệt độ cao. Đây là chỉ tiêu rất quan trọng, nó quyết
định tốc độ cắt của dao.
- Thép khuôn dập nguội:
Để biến dạng dẻo đợc phôi kim loại ở trạng thái nguội, các
khuôn dập nguội chịu áp lực rất lớn, chịu uốn, chịu ma sát và
va đập, do vậy thép làm khuôn dập nguội phải đạt đợc các

yêu cầu về cơ tính nh độ cứng và tính chống mài mòn cao,
độ bền và độ dai đảm bảo để chịu đợc tải trọng va đập ở
mức vừa phải.
Để đạt đợc các yêu cầu về cơ tính trên, thép làm khuôn
dập nguội phải có thành phần các bon cao (xấp xỉ 1%), nếu
khuôn chịu va đập nhiều thì dùng loại có lợng các bon thấp
hơn(0,4- 0,6%C).
- Thép khuôn dập nóng:
Khi làm việc, khuôn dập nóng chịu tải trọng lớn và va
đập, luôn tiếp xúc với phôi có nhiệt độ cao hơn 1000C. Để
đảm bảo điều kiện làm việc nh vậy, thép dùng để chế tạo
khuôn phải đáp ứng đợc các yêu cầu về cơ tính nh tính
chống mài mòn cao, tính chịu nhiệt độ cao, độ bền và độ
dai cao. Ngoài ra, khuôn dập nóng thờng có kích thớc lớn nên
để đảm bảo cơ tính đồng nhất, thép còn phải có độ thấm
tôi lớn. Do độ cứng không cần cao nên thành phần các bon
chỉ cần trung bình, khoảng 0,4- 0,6%; đôi khi chỉ 0,3%C.
Các nguyên tố hợp kim đảm bảo tính thấm tôi, tính bền
nóng, tính chống ram tốt nh: Cr, Ni, Mo, W ...


- Thép làm dụng cụ đo lờng: Dụng cụ đo trong cơ khí
thờng xuyên cọ xát với chi tiết cần đo, do đó dễ bị mòn, làm
sai kết quả đo. Vì vậy, để đảm bảo độ chính xác thép
làm dụng cụ đo phải đạt đợc các yêu cầu nh có độ cứng và
tính chống mài mòn cao, kích thớc không thay đổi trong
suốt thời gian làm viêc lâu dài. Ngoài ra, thép còn phải có
khả năng mài bóng cao và ít biến dạng khi nhiệt luyện.
Thép hợp kim.
Trong kỹ thuật nhiều trờng hợp thép các bon không đáp

ứng đợc yêu cầu về độ bền và khả năng chịu đựng trong
những môi trờng đặc biệt hoặc cần phải có những tính
chất lý hoá đặc biệt... Ngời ta sáng tạo ra thép hợp kim nhằm
khắc phục những nhợc điểm ấy. Trên cơ sở hợp kim sắt các
bon ngời ta tinh luyện cẩn thận để loại bỏ tối đa những tạp
chất có hại nh P, S, O2, N2, H2, đồng tời bổ xung vào một hay
nhiều nguyên tố có ích với hàm lợng xác định để nâng cao
cơ tính và các tính chất khác theo mong muốn, sản phẩm ta
thu đợc gọi là thép hợp kim. Các nguyên tố hợp kim thờng gặp
là: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Zr, Cu, B, N... và gianh giới
về lợng để phân biệt tạp chất và nguyên tố hợp kim là nh
sau: Mn: 0,8-1,0%; Si: 0,5-0,8%; Cr: 0,2-0,8%; Ni: 0,2-0,6%;
W: 0,1-0,6%; Mo: 0,05-0,2%; Ti, V, Nb, Zr, Cu > 0,1%; B >
0,002%.
Do việc khử tạp chất và phải cho vào các nguyên tố hợp
kim khác nên thép hợp kim đắt tiền hơn thép các bon, nhng


thép hợp kim lại có những đặc điểm nổi trội hơn hẳn so với
thép các bon.
- Về cơ tính: Độ bền thép hợp kim cao hơn hẳn thép
các bon, thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện (tôi
và ram).
- Về tính chịu nhiệt (tính cứng nóng và tính bền
nóng): Các nguyên tố hợp kim cản trở khả năng khuếch tán
của các bon, làm mactenxit phân hoá và cácbít kết tụ ở
nhiệt độ cao hơn, vì thế nó giữ đợc độ cứng cao của trạng
thái tôi và tính chống dão tới 600C, tính chống ô xy hoá tới
1000C. Tuy nhiên muốn đạt đợc tính chất này, thép cần đợc
hợp kim hoá bởi một số nguyên tố với lợng tơng đối cao (u việt

này của thép hợp kim đợc ứng dụng trong thép dụng cụ và
thép bền nóng).
- Về tính chất vật lý và hoá học đặc biệt: Nh đã biết
thép các bon bị gỉ trong không khí, bị ăn mòn trong môi trờng axit, bazơ, muối...Nhờ hợp kim hoá mà có thể tạo ra thép
không gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi đặc biệt, thép
có từ tính cao... Trong những trờng hợp nh vậy, phải dùng
những loại thép hợp kim đặc biệt, với thành phần đợc khống
chế.
Thép hợp kim có các phơng pháp phân loại sau:
+ Phân loại theo tổ chức tế vi: Thờng phân loại thép
hợp kim theo tổ chức ở trạng thái cân bằng và sau khi thờng
hoá.


+ Phân loại theo nguyên tố hợp kim: Cách phân loại này
dựa vào tên các nguyên tố hợp kim chính của thép. Ví dụ,
thép có chứa Cr đợc gọi là thép Crôm ...
+ Phân loại theo tổng lợng các nguyên tố hợp kim:
- Thép hợp kim thấp (tổng lợng các nguyên tố hợp kim
<2,5%);
- Thép hợp kim trung bình (tổng lợng các nguyên tố hợp
kim từ 2,5-10%);
- Thép hợp kim cao (tổng lợng các nguyên tố hợp kim
>10%);
+ Phân loại theo công dụng: Đây là cách phân loại thờng dùng nhất, theo công dụng, thép hợp kim đợc phân ra các
nhóm chính sau :
a, Thép kết cấu: Là loại thép trên cơ sở thép kết cấu
các bon cho thêm các nguyên tố hợp kim. Nh vậy thép hợp kim
kết cấu có hàm lợng các bon khoảng 0,1- 0,85% và lợng phần
trăm nguyên tố hợp kim thấp (thép hợp kim kết cấu phải qua

thấm cacbon rồi mới nhiệt luyện thì cơ tính sẽ cao).
- Thép thấm các bon: Là loại thép có lợng cacbon thấp
(0,10-0,25%C), dùng để chế tạo các chi tiết truyền lực (bánh
răng, cam, đĩa ma sát...), đòi hỏi trong lõi dẻo dai chịu va
đập, sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp, cơ tính của các
thép thấm các bon có thể đạt đợc: độ cứng bề mặt : 5963HRC; lõi : 30-42HRC; độ dai va đập : a k = 700-1200kj/m;
độ bền kéo : 600-1200 MPa.
Ví dụ: C10, C20, 15Cr, 20CrNi, 12CrNi3A, 12CrNi4A ...


- Thép hoá tốt: Là loại thép có lợng cacbon trung bình
(0,30- 0,50%C), để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh
và va đập cao, yêu cầu độ bền và độ dai cao. Cơ tính
tổng hợp cao nhất của thép đạt đợc bằng cách nhiệt luyện
hoá tốt (tôi và ram cao).
Ví dụ: 40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi...
- Thép đàn hồi: Là loại thép có lợng cacbon tơng đối
cao (0,5-0,7%C), sau tôi và ram trung bình nhận đợc tổ chức
trustit ram, có giới hạn đàn hồi cao, đợc dùng để chế tạo các
chi tiết đàn hồi nh lò xo, nhíp các loại. Ví dụ: C70, 65Mn,
60SiMn, 50Si2...
Ngày nay trên thế giới hầu hết các nớc đều có nhóm
thép hợp kim thấp với độ bền cao (so với thép cacbon). Thép
này đợc hợp kim hoá với lợng hợp kim thấp, nó đợc dùng nhiều
trong các nghành công nghiệp. Đặc điểm chung của loại
thép này là có độ bền cao (đặc biệt giới hạn bền chảy

0,2>

350 MPa) có tính chống ăn mòn tốt, tính hàn tốt và giá thành

rẻ.
b, Thép hợp kim dụng cụ: Là loại thép có độ cứng cao
sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao.
Hàm lợng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ 0,7-14%; các
nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si và Mn. Thép hợp kim
dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt. Sau nhiệt luyện có độ cứng
đạt 60-62 HRC.
- Thép dao cắt năng suất thấp: Là những loại dao cắt
mà tốc độ cắt chỉ khoảng 5-10m/ph. Để chế tạo những loại


dao này có thể dùng thép dụng cụ cacbon loại CD7, CD8,...
CD13. Hay thép hợp kim thấp nh 130Cr05, 100Cr2, 90CrSi,
100CrW5.
- Thép dao cắt năng suất cao (thép gió): Là một dạng
thép hợp kim đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi
tiết máy có yêu cầu cao. Trong tổ chức của thép gió gồm các
nguyên tố C, Cr, W, Co, Vvà Fe.
Thép gió có độ cứng cao và chịu nhiệt đến 650c.
Trong thép gió có hàm lợng các nguyên tố hợp kim nh sau : 8,519%W, 0,7-14%C, 3,8-4,4%Cr, 1-2,6%V và một lợng nhỏ Mo
hay Co. Những mác thép gió thờng dùng nh 90W9V2,
75W18V, 140W9V5, 90W18V2.
c, Thép không gỉ: Là loại thép có hàm lợng Cr khá cao
(>12%), có khả năng chống lại môi trờng ăn mòn (ăn mòn hoá
học và ăn mòn điện hoá). Trong thép thờng có nhiều pha,
mỗi pha có điện thế, điện cực khác nhau. Trong môi trờng
điện ly chúng tạo ra các pin điện tế vi, kết quả là tạo ra sự
ăn mòn điện hoá. Do đó ngời ta đã tạo ra đợc các mác thép
không gỉ khác nhau có khả năng chống đợc hiện tợng trên.
- Thép không gỉ mactenxit: Lợng crôm trong loại thép này từ

12-17%, nếu vợt qua sẽ trở thành thép austenit. Nếu lợng crôm
ở mức giới hạn dới (12,5-13%) thì lợng cacbon phải hạn chế
không vợt quá 0,4% để tránh tạo thành quá nhiều pha cacbit
crôm dẫn tới làm nghèo crôm ở phần kim loại nền và giảm khả
năng chống gỉ của thép.
Ví dụ nh 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, tơng đơng với
các mác thép của ta là 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 40Cr13. Nếu


tăng lợng crôm lên tới 17% thì lợng cacbon có thể cao tới 0,91,1% (nh số hiệu 440 hay 440B của Mỹ) để tăng cơ tính
(chủ yếu là độ cứng) mà vẫn đảm bảo tính chống gỉ.
Nói chung thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn
mòn cao trong không khí, nớc sông... Nên đợc sử dụng để
làm đồ trang sức, cánh tuốcbin hơi, bộ phận crăcking dầu
mỏ, lò xo không gỉ, dụng cụ đo ...
- Thép không gỉ ferit: Tuỳ theo lợng crôm, thép không gỉ ferit
đợc chia thành ba nhóm:
- Nhóm thép chứa khoảng 13%Cr, nh số hiệu 403 của
Mỹ.
- Nhóm thép chứa 17%Cr nh số hiệu 12Cr17 (tơng đơng với số hiệu 430 của Mỹ).
- Nhóm thép chứa từ 20-30%Cr nh số hiệu 15Cr25Ti (tơng đơng với số hiệu 446 của Mỹ).
Nói chung thép không gỉ ferit có giới hạn đàn hồi cao
hơn thép austenit, nhng mức độ hoá bền do biến dạng dẻo lại
thấp hơn, nên chúng thích hợp cho việc gia công bằng biến
dạng dẻo nguội (cán, kéo, gò, dập...). Chúng đợc sử dụng trong
công nghiệp dầu mỏ, công nghiệp sản xuất ni tơ, hoá thực
phẩm, kiến trúc...
- Thép không gỉ austenit: Các thép kể trên, pha không tồn
tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao. Nếu cho thêm Ni, nguyên
tố mở rộng vùng với lợng thích hợp, sẽ làm cho thép có tổ

chức ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thờng, đó là
thép không gỉ austenit. Nó có u điểm là tính chống ăn mòn


cao, tính dẻo cao ( = 45-60%), dễ cán, gò ở trạng thái nguội,
cơ tính đảm bảo nhất là khi đợc biến cứng bằng biến dạng
nguội có thể đạt độ bền rất cao: = 750MPa, 0,2

=

750MPa. Tuy nhiên nhợc điểm là khó gia công cắt gọt do dẻo
quánh, phoi khó gẫy.
Ví dụ một số mác nh: 10Cr14Mn14Ni4Ti, 4Cr18Ni10...
và đợc ứng dụng để làm các thiết bị hoá học, làm đồ gia
dụng...
- Thép không gỉ austenit - ferit: Nếu tăng lợng crôm và giảm
lợng niken (18-28%Cr và 5-9%Ni) thép sẽ có tổ chức là hỗn hợp
và , đó là thép không gỉ austenit - ferit, ví dụ nh mác
12Cr21Ni5Ti.
Đặc điểm quan trọng của loại thép này là cơ tính của
chúng rất tốt, hầu nh không có hiện tợng giòn của thép ferit,
còn giới hạn đàn hồi lại cao gấp 3 lần so với thép austenit.
Ngoài ra độ bền chống ăn mòn đảm bảo, đặc biệt trong
điều kiện chịu áp lực (ăn mòn ứng suất) hoặc chịu ăn mòn
tập trung (ăn mòn điểm) và ăn mòn dạng hang hốc trong khí
quyển có tính xâm thực mạnh (ống xả, lỗ van xả, ống dẫn
hơi hoá chất...).
- Thép không gỉ hoá cứng tiết pha (thép austenit mactenxit): Thép không gỉ hoá cứng tiết pha u điểm của nó
là có thể tiến hành gia công bằng biến dạng nguội và cắt gọt
ở trạng thái tơng đối mềm, nó cũng có thể hoá bền bằng hoá

già ở vùng nhiệt độ tơng đối thấp dể tránh sự biến dạng
hoặc là sự oxy hoá.


Loại thép này dùng để chế tạo một số chi tiết máy làm
việc trong điều kiện chịu ăn mòn lại cần có độ cứng, độ
bền tơng đối cao (nhng không ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ
hoá già).
d, Thép bền nóng: Là loại thép làm việc đợc ở nhiệt độ
cao mà độ bền không giảm, không bị oxy hoá bề mặt. Ngời
ta thờng sử dụng các loại thép với mức chịu nhiệt khác nhau.
Ví dụ loại thép peclit gồm 12CrMo, 04Cr9Si2 chịu nhiệt độ
300-500c
Thép hợp kim có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn 800C
dùng để chế tạo các loại dây dẫn, điện trở, hợp kim đó gọi là
NiCr.
Nh vậy, có thể nói rằng nguyên tố hợp kim có tác dụng
rất tốt, thép hợp kim là vật liệu không thể thiếu đợc trong
chế tạo máy, thiết bị nhiệt điện, công nghiệp hoá học... Nó
thờng đợc làm các chi tiết quan trọng nhất trong điều kiện
làm việc nặng nhọc.
4, Các loại gang.
Gang là hợp kim sắt các bon, trong đó hàm lợng C
>2,14%. Nguyên liệu để luyện gang trong lò cao là quặng
sắt, than và các chất nh đá vôi, huỳnh thạch... Dođó, không
thể loại trừ hết các tạp chất lẫn vào gang, cho nên thành phần
hoá học của gang ngoài sắt và cacbon còn có các tạp chất
khác nh Si, Mn, P, S,... Tuỳ từng loại gang cụ thể mà thành
phần hoá học của nó khác nhau về hàm lợng các nguyên tố
cũng nh về tổ chức tế vi. Trong nghành chế tạo cơ khí, đặc

biệt là cơ khí nặng nh máy xây dựng, máy nông nghiệp,
máy mỏ, tỷ trọng gang trong cỗ máy lên tới 70-90%.
So với thép các bon, gang kém bền nhng lại có nhiều
tính tốt nh dễ cắt gọt, dễ đúc, dễ bôi trơn và đặc biệt là
rẻ hơn nhiều.
a, Gang trắng.
Gang trắng là gang mặt gẫy của nó có mầu trắng. Các
bon hoà tan vào sắt và liên kết với sắt thành xêmentit, không
tồn tại graphit, tổ chức hoàn toàn phù hợp với trạng thái giả ổn
định Fe-Xe.
Gang trắng có đặc điểm sau:
- Gang trắng thông thờng chứa C, Si thấp. Gang trắng
cùng tinh và sau cùng tinh chỉ đợc tạo ra khi làm nguội chúng
rất nhanh.
- Gang trắng có độ cứng rất cao và đạt tới 450-650 HB.
Độ cứng cao nhất của gang ứng với tổ chức mactenxit- cacbit.
Để tăng tính chịu nhiệt, chịu mài mòn có va đập, gang
trắng còn đợc hợp kim hoá bằng Cr, Mo và Ni. Do cứng, gang
trắng không thể gia công cơ đợc
- Gang trắng ít đợc sử dụng mà hầu hết dùng làm
nguyên liệu luyện thép, chỉ làm chi tiết máy trong mức độ
hạn chế nh bi nghiền, trục cán, xe gòng...
b, Gang xám.
Gang xám là gang mà mặt gẫy của nó có mầu xám. Tổ
chức gang xám có hai phần rõ rệt. Phần kim loại gọi là nền
cơ bản (giống nh thép các bon), phần còn lại gọi là graphit.
Graphit tồn tại trong gang xám ở dạng tấm hoặc phiến. Kích

thớc những tấm hoặc phiến có liên quan đến độ bền của
gang. Vì độ bền của graphit rất nhỏ, cho nên ngời ta xem
graphit nh những vết nứt trong gang làm cho nền cơ bản
của gang không liên tục (tấm graphit càng nhỏ càng mỏng
thì gang càng bền hơn). Có thể nhiệt luyện gang để thay
đổi nền cơ bản cũng nh thay đổi hình dạng kích thớc tấm
graphit để nâng cao độ bền của gang.
Gang xám có đặc điểm chịu nén tốt, dập tắt dao
động và bôi trơn tốt, nhng ít chịu kéo và ít chịu va đập.
Những mác có độ bền thấp thờng dùng làm bệ máy, vỏ
hộp, nắp đậy. Gang có độ bền trung bình cỡ

k=20-

30KG/mm có thể làm các chi tiết chịu tải trọng nh bánh răng
cỡ lớn, tốc độ quay chậm làm việc ngoài trời hay trong phân
xởng. Những số hiệu có độ bền cao hơn

k>30KG/mm

có

thể làm các chi tiết quan trọng nh mố kê cầu, sơ mi séc
măng trong ôtô, xe máy...
c, Gang xám biến trắng.
Gang này có tổ chức thay đổi từ ngoài vào trong.
Ngoài cùng là gang trắng, lớp trung gian là gang hoa râm và
trong cùng là gang xám.
Gang biến trắng thờng có thành phần thích hợp và đợc

tạo ra một lớp trắng bề mặt bằng cách làm nguội rất nhanh
lớp bề mặt khi đúc.
Gang xám biến trắng chứa không quá 3,5%C; 0,70,8%Si; không quá 3%Mn; P,S càng thấp càng tốt.


Độ cứng của gang biến trắng giảm dần từ ngoài vào
trong. Độ cứng lớp biến trắng có thể đạt tới 450-650HB. Giới
hạn bền của gang biến trắng có thể đạt 100-550MPa (gang
cầu biến trắng cho độ bền cao nhất).
Gang biến trắng thờng đợc dùng để đúc trục cán, các
chi tiết cam, má nghiền, đầu phun bi, phun cát ...
d, Gang cầu.
Gang cầu còn đợc gọi là gang bền cao có graphit dạng
hình cầu (nó giống gang xám ở nền cơ bản). Cũng tuỳ theo
nền cơ bản mà ta có loại gang cầu ferit, ferit-peclic, peclic và
peclic-xementit. Dạng graphit có dạng hình cầu nên trong
gang ít chịu ứng suất tập trung, các "lỗ" làm gián đoạn nền
kim loại nhỏ hơn các "vết nứt" trong gang xám. Vì vậy, gang
cầu có độ bền và độ dẻo cao hơn gang xám, độ bền gần
bằng thép cácbon thờng, ngoài ra gang cầu còn chịu đợc va
đập, gang cầu hoàn toàn có thể gia công bằng biến dạng đợc và có thể áp dụng các phơng pháp nhiệt luyện thép cho
gang cầu để có thể đạt đợc tổ chức nền kim loại khác nhau
nh: xocbit, bainit, mactenxit... và cho các tính chất mong
muốn.
Thành phần hoá học của gang cầu dao động nh sau :
3,0-3,6%C; 2,0-3,0%Si; 0,2-1,0%Mn; ít hơn 0,15%P; ít hơn
0,03%S; 0,04-0,08%Mg. Gang cầu có độ bền và độ dẻo dai
cao, đặc biệt sau khi nhiệt luyện thích hợp.
Gang cầu có cơ tính tốt nhất trong các loại gang, có
tính đúc tốt hơn thép vì thế nó đợc dùng thay thế thép để

chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp. Công dụng điển


hình của gang cầu là đúc trục khuỷu trong động cơ điêzen,
vừa đảm bảo kỹ thuật, vừa rẻ, tuổi thọ lại không kém thép
cácbon.
e, Gang dẻo.
Gang dẻo là gang có graphit ở dạng cụm (còn gọi là quả
bông) đợc hình thành do ủ từ gang trắng trớc cùng tinh (ứng
với tổ chức peclit-lêđêbu rit).
Gang dẻo là gang có tíng dẻo hơn gang xám, có thể dùng
làm các chi tiết chịu va đập nhẹ.
Tổ chức tế vi của gang dẻo cũng giống nh gang xám ở
nền cơ bản, chỉ khác ở dạng tồn tại graphit. Graphit trong
gang dẻo có dạng cụm hay dạng bông.
Graphit trong gang dẻo nh các sợi bông cuốn lấy nhau
thành cụm. So với tấm graphit của gang xám thì các sợi nhỏ
hơn rất nhiều nhng vẫn không thu gọn đợc nh trong gang
cầu, vì thế cơ tính của gang dẻo cao hơn gang xám nhng
thấp hơn gang cầu.
1.1.2. Kim loại và hợp kim mầu
Các hợp kim trên cơ sở sắt có nhiều u điểm nh tính
công nghệ tốt, giá thành rẻ, có thể thay đổi cơ tính trong
một khoảng khá rộng bằng cách thay đổi phơng pháp chế
tạo, áp dụng công nghệ nhiệt luyện và hợp kim hoá. Nhờ vậy
chúng đợc ứng dụng khá rộng rãi, tuy nhiên trong một số lĩnh
vực công nghiệp sử dụng gang thép tỏ ra kém hiệu quả vai
trò của kim loại mầu trở nên quan trọng, thậm chí không thể
thay thế.

1.1.2.1. Đồng và hợp kim đồng.
1, Đồng nguyên chất.
Đồng đỏ là đồng nguyên chất, mầu đỏ. Mặc dù khối lợng riêng lớn (8,940g/cm) nhng do có đợc các chỉ tiêu cơ lý
hoá tơng đối cao, nên đồng đợc sử dụng khá phổ biến.
- Đồng có cấu tạo mạng 1.p.d.t,

a=3,6A, đờng kính

nguyên tử d=2,56A
- Nhiệt độ nóng chẩy tnc = 1083c
- Khối lợng riêng = 8,940g/cm
- Dẫn nhiệt và dẫn điện tốt
- Có tính chông ăn mòn cao trong khí quyển bình thờng nhng bị ăn mòn mạnh trong muối amôn và amôniac.
- Cơ tính cao hơn nhôm:

b =

150-200MN/m,

25%, sau biến cứng nguội thì hoá bền:

=15-

b = 400-430MN/m,

S = 1-2%.
2, Hợp kim đồng.
Do cơ tính của đồng nguyên chất thấp nên trong kỹ
thuật ngời ta dùng nhiều hợp kim đồng.

- Latông (đồng thau): Latông là hợp kim của đồng với
kẽm là chủ yếu. Latông đơn giản là hợp kim chỉ có Cu và Zn.
Latông phức tạp là hợp kim có Cu, Zn và các nguyên tố hợp kim
khác nữa : Al, Sn, Si, Mn,...
Loại latông có chứa Cu> 61% thì tổ chức chỉ gồm một
pha là , đó là dung dịch rắn thay thế Zn trong đồng, tính
chất của loại này dẻo, thờng dùng để cán tấm, băng.


Loại chứa ít đồng thì cơ tính tổng hợp tốt thờng để
chế tạo các chi tiết máy.
Loại có lợng đồng < 61% thì tổ chức gồm hai pha la
và ò, ò là dung dịch rắn trên cơ sở chất điện tử CuZn- loại
này bền hơn nhng kém dẻo, dùng nhiều làm chi tiết máy.
- Brông (đồng thanh): Brông là hợp kim của đồng với
nguyên tố hợp kim khác, kẽm là chủ yếu. Nguyên tố hợp kim
chủ yếu đợc gọi cho tên của brông đó.
Brông thiếc có độ bền khá cao, chống ăn mòn tốt, hệ số
ma sát nhỏ, dễ hàn, không có từ tính, không phát tia lửa
điện khi va đập, tính đúc tốt. Đợc dùng nhiều làm ổ trục, lót
trục. Brông nhôm có tính năng chống ăn mòn tốt, độ bền
cao, có thể nhiệt luyện đợc. Loại này dùng làm chi tiết chống
ăn mòn trong nớc biển, bạc lót, bệ trợt, mặt bích....
1.1.2.2. Nhôm và hợp kim nhôm.
Về phơng diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim
nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép, vật liệu này có các loại
tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số
trờng hợp không thể thay thế đợc.
1, Nhôm nguyên chất.
Nhôm nguyên chất có những đặc trng sau:

- Cấu trúc mạng tinh thể là lập phơng diện tâm, thông
số mạng a = 4,04A. Chỉ có dạng thù hình.
- Đờng kính nguyên tử d = 2,86 A
- Khối lợng riêng = 2,70g/cm
- Nhiệt độ nóng chảy : 657c


- Có áp lực mạnh với o xy, ô xít nhôm Al 2O3 có độ xít
chặt cao nên bảo vệ đợc nhôm không bị ăn mòn hoặc hạn
chế tối đa sự ăn mòn
- Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt
- Cơ tính thấp
Nhôm dẻo dễ dát thành tấm, dễ kéo sợi, dễ dập thành
sản phẩm, dễ nấu chảy để đúc. Nhng vì cơ tính thấp nên
ít dùng làm chi tiết máy.
2, Hợp kim nhôm.
Trên cơ sở nhôm, đa thêm các nguyên tố hợp kim để tạo
ra tính chất cần có, sản phẩm thu đợc gọi là hợp kim nhôm.
Hợp kim nhôm có tính tổng hợp tốt hơn nhôm nguyên chất,
dễ chế tạo, rẻ hơn nên đợc dùng trong thực tế công nghiệp là
chủ yếu.
a, Hợp kim nhôm đúc: Là những hợp kim nhôm có tính
đúc tốt, chỉ dùng để đúc các chi tiết máy hoặc vật dụng.
Thông thờng những hợp kim nhôm có hàm lợng nguyên tố hợp
kim gần với thành phần cùng tinh là những hợp kim nhôm dễ
đúc hơn.
b, Hợp kim nhôm biến dạng: Loại này có tính dẻo cao, dễ
gia công bằng áp lực. Thờng hàm lợng nguyên tố hợp kim thấp,
khi ở nhiệt độ cao nó tồn tại dạng dung dịch rắn, ở nhiệt độ
thấp do sự hoà tan quá bão hoà nên có thể tiết ra pha mới dới

dạng hợp chất hoá học. Nếu ta làm nguội nhanh, các pha này
không kịp tạo thành thì làm xô lệch mạng tinh thể của dung
dịch rắn, kết quả hợp kim nhôm đợc hoá bền.
1.1.2.3. Magiê và hợp kim của magiê.


Magiê là một kim loại rất nhẹ, trữ lợng của nó trong vỏ
trái đất rất lớn chỉ sau nhôm và sắt, nguyên tố này ái lực với
oxy khá mạnh.
1, Đặc điểm của magiê và hợp kim magiê.
- Khối lợng riêng của magiê nguyên chất bằng1,74g/cm
(khoảng 2/3 của nhôm).
- Nhiệt độ nóng chảy ở 651C, nhng lại dễ bốc cháy ở
nhiệt độ thờng, vì vậy tổn hao khi nấu luyện và gia công
khá lớn.
- Độ dẻo magie nhỏ do cấu trúc mạng của nó thuộc kiểu
sáu phơng xếp chặt. Tuy vậy quá trình biến dạng tạo hình
bằng cán, rèn, ép, chuốt vẫn tiến hành dễ dàng nhờ cơ chế
đối tinh và sự hoạt động của các hệ trợt phụ ở nhiệt độ
200C.
- Magiê đợc ứng dụng để làm vật liệu kết cấu chủ yếu
ở dạng hợp kim. Các nguyên tố hợp kim thông dụng trong hợp
kim magiê gồm Al, Zn, Mn.
- Các nguyên tố hiếm nh La, Nd, Ce, vì tạo ra những pha
trung gian ổn định, nên gây ảnh hởng tốt tới độ bền nóng,
cho phép nâng cao nhiệt độ làm việc của hợp kim magiê tới
350c.
- Khả năng chống ăn mòn của hợp kim magiê khá tốt.
2, Lĩnh vực sử dụng magiê và hợp kim magiê.
- Đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học, và

nghành luyện kim.
- Do nhẹ và khả năng thấm tốt, các hợp kim magiê đang
đợc khai thác và sử dụng trong công nghiệp hàng không và


vũ trụ. Chúng cũng đợc ứng dụng để chế tạo các phơng tiện
vận chuyển hàng hoá, dụng cụ cầm tay, các trang thiết bị ô
tô...Về nguyên tắc phân loại và ký hiệu trạng thái gia công,
hợp kim magiê cũng tơng tự nh đối với các hợp kim nhôm.
1.1.2.4. Titan và hợp kim titan.
Titan đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là
nghành hàng không và công nghệ hoá chất.
- Titan có khối lợng riêng 4,5g/cm (nặng hơn nhôm nhng chỉ bằng 3/4 của sắt). Do vậy, độ bền riêng của hợp kim
titan cao hơn thép và nhiều hợp kim khác.
- Tính u việt của hợp kim titan đợc thể hiện rõ trong
vùng nhiệt độ 200- 500C (ở đó độ bền hợp kim nhôm quá
thấp, còn nếu sử dụng thép thì trọng lợng thiết bị lại sẽ lớn).
Độ bền của hợp kim Titan cao nên chúng thờng khó gia
công.
1.1.3.1. Gốm và vật liệu chịu lửa.
Khái niệm gốm liên quan đến hai nội dung là phơng
pháp công nghệ và đặc điểm tổ chức.
- Phơng pháp công nghệ gốm điển hình là phơng pháp
thêu kết bột, khi tạo hình nguyên liệu dạng bột có liên kết
tạm thời sau đó đợc nung ở nhiệt độ cao để kết khối.
- Tổ chức điển hình của gốm là đa pha và đa tinh
thể. Hai loại pha chính tạo nên tổ chức của gốm là pha tinh
thể và pha vô định hình.
+ Các loại gốm : Gốm đợc sắp xếp theo nhóm thành
phần hoá học :

- Gốm silicat.


- Gốm o xít:


Gốm oxít trên cơ sở các oxít có nhiệt độ
nóng chảy cao.



Gốm trên cơ sở TiO2.



Gốm trên cơ sở FeO3 và các oxit kim loại nặng.

+ Vật liệu chịu lửa: Theo quy ớc chung thì vật liệu chịu
lửa khi nó có độ chịu lửa lớn hơn 1520C. Ngoài ra nó còn
phải đảm bảo độ bền cơ và hoá, ổn địng kích thớc để
làm việc ổn định lâu dài trong từng điều kiện cụ thể của
nhiệt độ và ăn mòn hoá học.

Các vật liệu chịu lửa quan

trọng đều là vật liệu gốm. Dới đây là các loại vật liệu chịu
lửa chính :
- Đinát (silicat): Thành phần hoá học chủ yếu là SiO 2 (>
93%).
- Samôt.

- Vật liệu chịu lửa cao alumin.
- Vật liệu chịu lửa kiềm tính.
- Vật liệu chịu lửa sản xuất theo phơng pháp nấu chảy.
- Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và silic cacbit.
- Vật liệu chịu lửa cách nhiệt.
1.1.3.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh.
+ Thuỷ tinh vô cơ là vật liệu nhận đợc bằng cách làm
nguội một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy hoàn toàn ở
nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh
- Thuỷ tinh có thể chỉ chung các loại vật liệu có cấu trúc
vô định hình: Thuỷ tinh hữu cơ, thuỷ tinh vô cơ, thuỷ tinh
kim loại.


- Vật liệu thuỷ tinh có những tính chất quang học đặc
biệt, độ bền hoá cao, khả năng chịu nhiệt tơng đối cao,
cách điện tốt... Nên đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ
thuật khác nhau.
Có một số loại thuỷ tinh chính sau:
Thuỷ tinh silicat - kiềm - kiềm thổ.
Thuỷ tinh borosilicat vàalumosilicat.
Thuỷ tinh chì silicat.
Thuỷ tinh thạch anh.
Thuỷ tinh không phải silicat.
+ Gốm thuỷ tinh: Là nhóm vật liệu tơng đối mới, có tổ
chức kết hợp giữa vô định hình và tinh thể, bao gồm một
hoặc vài pha tinh thể phân bố trên nền pha vô định hình.
Về nguyên tắc gốm thuỷ tinh có tổ chức giống vật liệu
gốm tinh, nhng đợc chế tạo khác hẳn. Giai đoạn đầu thì
giống thuỷ tinh, sau đó đợc sử lý nhiệt theo chế độ xác

định để thực hiện quá trình tạo mầm và kết tinh.
Tính chất của vật liệu gốm thuỷ tinh do pha tinh thể
(bản chất, hình dáng, kích thớc, số lợng), pha vô định hình
và tơng tác giữa chúng xác định. Bằng cách điều khiển quá
trình hình thành các vi tinh thể, ngời ta có thể tạo ra các loại
gốm thuỷ tinh với các tính chất mong muốn.
- Gốm thuỷ tinh không giãn nở nhiệt.
- Gốm thuỷ tinh có độ bền cơ học cao và chịu mài
mòn.


- Gốm thuỷ tinh dễ gia công tạo hình bằng phơng pháp
cơ khí.
- Gốm thuỷ tinh có tính chất điện, từ đặc biệt.
- Gốm thuỷ tinh sinh học.
1.1.3.3. Xi măng và bê tông
+ Xi măng: Là chất dính kết thuỷ lực, nó tác dụng với nớc
để tạo ra các hợp chất có tính chất kết dính, các hợp chất
này đóng rắn trong nớc và các sản phẩm đóng rắn bền
trong nớc.
Trong các loại chất dính kết làm vật liệu xây dựng thì
xi măng poclan là quan trọng nhất, đợc sử dụng nhiều nhất
trong thực tế.
+ Bê tông: Bao gồm các vật liệu nh sỏi, cát, ximăng
poclan và nớc với tỉ lệ xác định ở nhiệt độ thờng. Sau khi xi
măng đã đóng rắn, khối vật liệu trở nên liền khối và vững
chắc.
Tính chất cơ học của bê tông có đặc điểm chung của
vật liệu vô cơ là độ bền nén cao và độ bền kéo thấp. Để
tăng cờng độ bền kéo và bền uốn cho bê tông, ngời ta chế

tạo bê tông cốt thép và cao hơn nữa là bê tông ứng lực d tức
là tạo ứng suất nén d dọc theo chiều cột thép chịu lực chính
của bê tông.
1.1.4. Vật liệu hữu cơ.
Hơn một thế kỷ nay, vật liệu hữu cơ mới (bao gồm chất
dẻo, cao su, sợi, keo...) đã đợc đa vào sử dụng không những
để cạnh tranh với các vật liệu truyền thống trong những ứng
dụng quen thuộc mà còn để sản xuất các sản phẩm mở rộng