Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Hàn) - CĐ Công nghiệp Hải Phòng

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG

GIÁO TRÌNH

Tên mơn học: Giáo trình vật liệu cơ khí
NGHỀ: HÀN
TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG

Hải Phịng, năm 2019



TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể
được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và
thamkhảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

-1-


LỜI NÓI ĐẦU
Thực hiện chỉ đạo của Ban Giám hiệu Nhà trường về việc biên soạn, chỉnh
sửa chương trình, giáo trình theo Luật Giáo dục nghề nghiệp năm 2014 và thơng
tư hướng dẫn thực hiện số: 03/2017/TT-BLĐTBXH. Khoa Cơ khí đã tiến hành
biên soạn lại tồn bộ chương trình và giáo trình mơn học, mơ đun của các nghề.
Giáo trình “Vật liệu cơ khí” được biên soạn trên cơ sở kế thừa các giáo
trình trước đây, được lựa chọn những nội dung cơ bản, cốt yếu và bổ sung một
số kiến thức mới nhằm phù hợp với chương trình và thời lượng giảng dạy của

môn học.
Nội dung bao gồm:
Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim
Chương 2: Gang-Thép
Chương 3: Kim loại màu và hợp kim màu
Chương 4: Hợp kim cứng
Chương 5: Nhiệt luyện thép
Chương 6: Vật liệu phi kim loại
Thời gian thực hiện: 30 giờ.
Nội dung giáo trình phục vụ cho việc đào tạo Học sinh - Sinh viên hệ
Trung cấp và Cao đẳng nghề trong nhóm ngành cơkhí.
Mặc dù đã rất cố gắng trong q trình biên soạn, nhưng giáo trình có thể
vẫn cịn những sai sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc để
cuốn sách hoàn thiện hơn trong các lần xuất bản sau.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Khoa Cơ khí trường Cao đẳng
Cơng nghiệp Hải Phịng
Xin chân thành cảm ơn!
Tổ mơn

-2-


MỤC LỤC
TUYÊN BỐBẢN QUYỀN ................................................................................... 1
LỜINÓIĐẦU ........................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI -HỢP KIM ...................... 7
1. KHÁI NIỆM VỀVẬTLIỆU .......................................................................... 7
1.1. Sơ lược vềvậtliệu.................................................................................... 7
1.2. Vai trò của vật liệu trongcuộc sống ....................................................... 9
1.3. Các tiêu chuẩnvậtliệu ........................................................................... 10

2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI -HỢP KIM ................................................... 10
2.1. Kimloại ................................................................................................. 10
2.2. Hợp kim ................................................................................................ 13
3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀHỢPKIM ............................ 16
3.1. Tính chấtvậtlý....................................................................................... 16
3.2. Tính chấthóahọc ................................................................................... 18
3.3. Tính cơngnghệ ...................................................................................... 18
3.4. Tính chất cơ học (cịn gọi làcơtính) ..................................................... 19
3.5. Quan hệ giữa các đặc trưng cơ tính củavậtliệu .................................... 22
3.6. Các phương pháp thửcơ tính ................................................................ 22
CÂU HỎI ƠN TẬPCHƯƠNG1.......................................................................... 27
CHƯƠNG 2. GANG-THÉP................................................................................ 29
1. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁIPHAFe-C........................................................... 29
1.1. Một số khái niệmcơ bản ....................................................................... 29
1.2. Giản đồ pha vàcôngdụng...................................................................... 30
1.3. Giản đồ phaFe-C (Fe-Fe3C) ................................................................. 30
2. GANG VÀ CÁC LOẠI GANGTHƯỜNGDÙNG ..................................... 35
2.1. Giới thiệu chungvề gang ...................................................................... 35
2.2. Cácloạigang .......................................................................................... 38
3.THÉP VÀ CÁC LOẠI THÉPTHƯỜNGDÙNG ......................................... 44
3.1. Khái niệm chungvề thép....................................................................... 44
3.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chấtcủathép ........................... 45
3.3. Các phương pháp phânloạithép ............................................................ 46
3.4. Phân loại thép theocôngdụng ............................................................... 47
4.THÉPHỢP KIM ........................................................................................... 50
4.1. Khái niệm théphợpkim ......................................................................... 50
4.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chấtcủathép ............. 51
4.3. Phân loại théphợpkim........................................................................... 52
CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG2...................................................................... 58
CHƯƠNG 3. KIM LOẠI MÀU VÀ HỢPKIM MÀU ........................................ 59

-3-


1. ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIMLOẠIMÀU ............... 59
2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG .................................................................... 60
2.1. Đồng nguyênchất .................................................................................. 60
2.2. Hợpkimđồng ......................................................................................... 60
3. NHÔM VÀ HỢPKIM NHÔM .................................................................... 63
3.1. Nhơmngun chất................................................................................. 63
3.2. Hợpkimnhơm ........................................................................................ 64
4. THIẾC - CHÌ-KẼM ..................................................................................... 66
a. Thiếc ........................................................................................................ 66
b. Chì ........................................................................................................... 66
c. Kẽm.......................................................................................................... 67
5. HỢP KIM LÀMỔ TRƯỢT ......................................................................... 68
5.1. Kháiniệm .............................................................................................. 68
5.2. Yêu cầu đối với hợp kim làmổ trượt .................................................... 68
5.3. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ nóng chảythấp (babit) ............................. 69
5.4. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ nóngchảycao ........................................... 69
CHƯƠNG 4. HỢPKIM CỨNG .......................................................................... 71
1. KHÁINIỆM CHUNG.................................................................................. 71
2. PHÂN NHÓM HỢPKIM CỨNG ............................................................... 72
3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU CỨNGKHÁC ....................................................... 74
CHƯƠNG 5.NHIỆTLUYỆN .............................................................................. 75
1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀNHIỆTLUYỆN ................................................ 75
1.1. Địnhnghĩa ............................................................................................. 75
1.2. Mụcđích ................................................................................................ 75
1.3. Đặc điểm............................................................................................... 76
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trìnhnhiệt luyện .................................... 76
2. CÁC CHUYỂN BIẾN TỔ CHỨC KHINHIỆTLUYỆN ............................ 76

2.1. Các chuyển biến tổ chức khinungnóng ................................................ 76
2.2. Các chuyển biến xảy ra khigiữnhiệt ..................................................... 79
2.3. Các chuyển biến xảy ra khilàmnguội ................................................... 79
3. CÁC HÌNH THỨCNHIỆTLUYỆN ............................................................ 83
3.1. Phương phápủ ....................................................................................... 83
3.2. Thường hóa........................................................................................... 85
3.3. Phương pháptơi .................................................................................... 85
3.4. Ramthép................................................................................................ 90
3.5. Các dạng sai hỏng khinhiệtluyện ......................................................... 91
CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG5 ..................................................................... 93
CHƯƠNG 6. VẬT LIỆU PHIKIM LOẠI .......................................................... 94
1. CHẤTDẺO .................................................................................................. 94
-4-


1.1. Khái niệm chung vềchấtdẻo ................................................................. 94
1.2. Phânloại ................................................................................................ 95
2. CAOSU ....................................................................................................... 96
2. VẬTLIỆUCOMPOSITE ............................................................................. 99
3. VẬT LIỆU GỐM –THỦYTINH .............................................................. 101
3.1. Gốm .................................................................................................... 101
3.2.Thủytinh .............................................................................................. 103
4. NHIÊN LIỆUÔTÔ .................................................................................... 104
4.1. Xăng ................................................................................................... 104
4.2. Dầudiezen ........................................................................................... 105
4.3. Dung dịchtrơnnguội ........................................................................... 106
4.4. Dầu-mỡ ...................................................................................................107
CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG6.................................................................... 108
TÀI LIỆUTHAM KHẢO .................................................................................. 109

-5-


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: Vật liệu học
Mã mơn học: MH 09
1. Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trị của mơnhọc
- Vị trí: Mơn học được bố trí sau khi người học học xong các môn học
chung, trước các mơn học/mơ đun đào tạo chun mơnnghề.
- Tính chất: Là môn học thuộc các môn học kỹ thuật cơ sở bắtbuộc.
- Ýnghĩa:Giúpngườihọcnắmđượccáckiếnthứccơbảnvềvậtliệucơ
khí.
- Vai trị: Là mơn lý thuyết cơ sở cho các mơn chun ngành nên có vaitrị
quan trọng trong chương trình đào tạo nghề.
2. Mục tiêu của mơnhọc
Sau khi học xong mơn học này người học có khả năng:
- Kiếnthức:
+ Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của
các vật liệu thường dùng: Gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim
loại màu và hợp kim màu, ceramic, vật liệu phi kim loại.
+ Trình bày rõ một số khái niệm cần thiết về nhiệt luyện và hoá nhiệt
luyện.
- Kỹ năng:
+ Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi
gõ, đập búa, xem tia lửa khi mài.
+ Chọn và sử dụng đúng quy cách các loại vật liệu thường dùngcho
nghề.
+ Có thể tự mua các loại vật liệu theo yêu cầu của sản xuất.
- Tháiđộ:
Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động, sáng tạo và

tích cực.

-6-


CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI - HỢP KIM
Mã chương: MH 09-01
Giới thiệu:
Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
để chế tạo các chi tiết, máy móc. Tuy nhiên khi sử dụng chế tạo chúng, cần phải
dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn cho phù hợp. Muốn vậy phải trang bị
được các kiến thức cơ bản về kim loại và hợpkim.
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm, vai trị của vậtliệu.
- Trình bày được cấu tạo của kim loại và hợpkim.
- Phân biệt được các kim loại và hợp kim thường dùng trong ngành cơkhí.
- Trình bày được các tính chất cơ lý hố, tính cơng nghệ của kim loại và
hợp kim.
- Rèn luyện cho người học có ý thức trách nhiệm, chủ động họctập.
Nội dung:
1. KHÁI NIỆM VỀ VẬTLIỆU
1.1. Sơ lược về vậtliệu
Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người dùng để chế
tạo: Dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cơngtrình...
Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm vật
liệu chính như sau:
- Nhóm 1: Vật liệu kimloại
- Nhóm 2: Vật liệu vơcơ
- Nhóm 3: Vật liệu hữucơ
- Nhóm 4: Vật liệucomposite

a. Vật liệu kimloại

- Vật liệu kim loại (hình 1-1a) thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố
kim loại, trong đó nhiều ngun tử. Các tính chất điển hình của vật liệu kimloại:
- Đắt và kháđắt;
-7-


- Dẫn điện, dẫn nhiệttốt;
- Có ánh kim và phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo,
dễ biến dạngdẻo;
- Có độ bền cơ học cao, nhưng kém bền hóahọc;
- Nhiệt độ nóng chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng
yêu cầu đa dạng của kỹthuật.
Các vật liệu kim loại điển hình như: Thép, gang, hợp kim đồng, hợp kim
nhôm…
b. Vật liệu vơ cơ -Ceramic

Vật liệu này (hình 1-1b) có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại,
silic với á kim, bao gồm khoáng vật đất sét, xi măng, thủy tinh…Các tính chất
điển hìnhnhư:
- Rẻ và khárẻ;
- Khánặng;
- Dẫn điện, dẫn nhiệt kém (cách điện và cáchnhiệt);
- Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật
liệu hữucơ.
Vật liệu vơ cơ điển hình như: Bê tông, xi măng, gạch, đá, thủy tinh, gốm…
c. Vật liệu hữu cơ -Polyme

Vật liệu này (hình 1-1c) phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa

học chủ yếu là cacbon (C), hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử. Các tính
chất điển hình của vật liệu hữu cơ – Polyme như:
- Rẻ và khárẻ;
- Dẫn điện, dẫn nhiệtkém;
- Khối lượng riêngnhỏ;
- Dễ uốn dẻo, đặc biệt là ở nhiệt độcao;
- Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy và
phân hủy ở nhiệt độ tương đốithấp.
Các vật liệu hữu cơ điển hình như: Các loại nhựa, cao su, nilon...
d. Composite

Vật liệu này (hình 1-1d) được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả 3 loại
vật liệu trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần.Ví dụ
như: Bêtơng cốt thép (vơ cơ – kim loại) vừa chịu kéo và vừa chịu nén.
-8-


Hình 1-1. Các dạng vật liệu dùng trong cơng nghiệp
a. Kimloại (thép)
b. Vơ cơ (sứ cáchđiện)
c. Hữucơ(PVC)
d. Compozit

Ngồi ra có những nhóm vật liệu khó ghép vào một trong bốn nhóm trên.
- Bán dẫn, siêu bán dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm
trung gian giữa kim loại và ceramic, (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại
hơn, nhóm sau cùng nằm gần ceramichơn).
- Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần vật liệu
hữu cơhơn.
1.2. Vai trò của vật liệu trong cuộcsống

Trong các nhóm vật liệu kể trên thì vật liệu kim loại có vai trị quyết định
đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra máy
móc và những cơng trình xây dựng. Sự phát triển khơng ngừng của máy động
lực, máy công cụ gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính
năng ngày càngcao.
Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt
của nó là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành
khoa học mớinhư:
- Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp
cho ngành cơng nghiệp hàng khơng và tên lửa có bước phát triển nhảyvọt.
- Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong
ngành cơ khí như: Thép khơng rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết
cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ(1990)…
Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra những hợp
kim mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính cùng một số tính chất vật
lý và hóa học đặc biệt. Những thành cơng trong nghiên cứu và chế tạo vật liệu
mới đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới.

-9-


1.3. Các tiêu chuẩn vậtliệu
Các nước đều đề ra các quy phạm trong việc sản xuất, gia công, chế biến,
sử dụng, bảo quản các vật liệu nói chung, đặc biệt là cho các vật liệu kim loại
nói riêng. Chúng ta cần biết một số ký hiệu tiêu chuẩnsau:
- TCVN: Tiêu chuẩn Việtnam
- ГOCT: Tiêu chuẩn của Nga (Liên xô cũ). Được thịnh hành ở nước ta
trong những năm trước đó và vẫn còn trong thời gian gầnđây.
- Tiêu chuẩn của Hoa kỳ (Mỹ) gồm các tiêu chuẩnsau:

-

+ ASTM: American Society for Testing and Metarials
+ AISI: American Iron and Steel Institute.
JIS: Tiêu chuẩn của Nhật (Japan InternationalSytems)
DIN: Tiêu chuẩn củaĐức.
BS: Tiêu chuẩn củaAnh.
NF: Tiêu chuẩn củaPháp.

2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI - HỢPKIM
2.1. Kimloại
2.1.1. Địnhnghĩa
Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện
cao.
2.1.2. Cấu tạo nguyên tử kimloại
- Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp (hình 1-2)gồm:
+ Hạt nhân (có nơtron và prơton) mang điện tích dương. Proton mang
điện tích dương, nơtron khơng mang điện tích.
+ Các lớp electron (e) mang điện tích âm bao quanh hạt nhân.
- Đặc điểm cấutạo:
Số electron (e) hóa trị (số e ở lớp ngồi cùng) rất ít, thường chỉ 1 đến 2e
hoặc 3e. Những e này dễ bị bứt ra khỏi quỹ đạo và trở thành e tự do, còn nguyên
tử trở thành các ion dương. Hoạt động của các e tự do quyết định nhiều đến tính
chất đặc trưng của kim loại như: Tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánh
kim.

-10-


Hình 1-2. Cấu tạo nguyên tử kim loại

2.1.3. Mạng tinh thể của kimloại
Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở
trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân). Kết quả nghiên cứu cho thấy kim loại có
cấu tạo mạng tinh thể. Mạng tinh thể là mơ hình, hình học mơ tả sự sắp xếp có
quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong khơng gian (hình1-3a).
a. Các khái niệm cơbản:
- Mặt tinh thể: Trong kim loại các nguyên tử sắp xếp có trật tự, tức là
chúng đều nằm trên những mặt phẳng song song và cách đều nhau gọi là mặt
tinh thể. Tập hợp vô số các mặt như vậy tạo nên mạng tinhthể.
- Khối cơ sở (cịn gọi là ơ cơ bản): Là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một loại
mạng tinh thể. Có thể xem như mạng tinh thể là do vô số các khối cơ sở xếp liên
tiếp nhau tạonên.
- Thơng số mạng (cịn gọi là hằng số mạng): Là khoảng cách giữa hai
nguyên tử trên một cạnh của khối cơ sở. Đơn vị đo thông số mạng là kx
(nanomet) hay ăngstrơng (Ao ), với 1kx = 1,00202Ao = 1,00202.10-8cm.

Hình 1-3. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại

b. Các kiểu mạng tinh thể thườnggặp
* Mạng lập phương tâm khối

-11-


Hình 1-4. Ơ cơ sở mạng lập phương tâm khối

- Cấu tạo: Ơ cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion)
nằm ở các đỉnh và trung tâmkhối.
- Thông số mạng: a = b = c (có một thơng sốmạng).

- Số ngun tử trong ơ cơ bản riêng biệt là 8 + 1 =9.
- Số nguyên tử trong ô cơ bản trong mạng tinh thể là 8.1/8 + 1 =2.
- Các nguyên tử có kiểu mạng này như: Feα, Cr, W, Mo, Ta, Li, Na,K...
* Mạng lập phương tâmmặt

Hình 1-5. Ơ cơ sở mạng lập phương tâm mặt

- Cấu tạo: Ơ cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion)
nằm ở các đỉnh và tâm cácmặt.
- Thông số mạng: a = b = c (có một thơng sốmạng).
- Số ngun tử trong ô cơ bản riêng biệt là 8 + 6 =14.
- Số nguyên tử trong ô cơ bản trong mạng tinh thể là 8.1/8 + 6.1/2 =4.
- Các nguyên tử có kiểu mạng này như: Feγ, Cu, Al, Pb, Ca, Ni, Au, Ag,
Ce, Pd,Pt…
* Mạng lục phương dàyđặc
- Cấu tạo: Các nguyên tử nằm ở đỉnh, tâm 2 mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở
trung tâm khối lăng trụ tam giác cách đềunhau.
-12-


Hình 1-6. Ơ cơ sở mạng lục phương dày đặc

- Thơng số mạng: a = b/c (có hai thơng số mạng).
- Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt là 2.6 + 2 + 3 =17.
- Số nguyên tử của ô cơ bản trong mạng tinh thể là 12.1/6 + 2.1/2 + 3 =6.
- Các nguyên tử có kiểu mạng này như: Be, Mg, Ti,Co, Zn, Cd, La, Re,
Tb…
2.2. Hợpkim
2.2.1. Địnhnghĩa
Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.

Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại.
Ví dụ:
- Thép, gang là hợp kim của sắt, cacbon và một số nguyên tốkhác.
- Đồng thau là hợp kim của đồng vàkẽm.
2.2.2. Các đặc tính của hợpkim
Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí là vì nó có nhiều
mặt nó ưu việt hơn kim loại nguyên chất.
a. Hợp kim có cơ tính tổng hợp cao hơn kim loại ngunchất.
Vật liệu chế tạo cơ khí phải có cơ tính cao, về phương diện này hợp kim
hơn hẳn kim loại nguyên chất. Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp,
khơng thích hợp để chế tạo các chi tiết máy. Cịn hợp kim nói chung có độ bền,
độ cứng cao hơn, nên chi tiết máy làm ra chịu tải lớn hơn, ít bị mài mịn và thời
gian sử dụng dài hơn. Cịn tính dẻo dai tuy có thấp hơn kim loại nguyên chất
song vẫn nằm trong giới hạn thỏa mãn các yêu cầu của chế tạo cơ khí. Đặc biệt,
-13-


một số hợp kim có những tính chất q như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao,
chống ăn mịn. Thép hợp kim có hàm lượng Cr 12,5% có khả năng chống ăn
mịn tốt (thép khơng gỉ), thép có hàm lượng Mn 2% chịu va đập tốt, thép có
chứa Ni, Co... có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao.
b. Hợp kim có tính cơng nghệtốt
Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành các chi tiết, bộ phận máy, cịn cần
phải có tính cơng nghệ tốt. Kim loại ngun chất có tính dẻo cao dễ gia cơng áp
lực nhưng khó đúc, gia cơng cắt kém, khơng hóa bền được bằng nhiệt luyện.
Hợp kim có tính cơng nghệ khác nhau và phù hợp với từng điều kiện gia công:
Gia cơng áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện… đảm
bảo cho chế tạo sản phẩm có năng suấtcao.
c. Tính kinh tếcao
Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ chế tạo hơn

do không phải khử bỏ các tạp chất một cách triệt để như kim loại. Vì vậy, sử
dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí là kinh tếhơn.
2.2.3. Các dạng tồn tại của hợpkim
a. Dung dịchrắn
* Khái niệm: Dung dịch rắn là pha tinh thể (có thành phần thay đổi) trong đó,
các nguyên tử của nguyên tố thứ nhất A vẫn được giữ nguyên kiểu mạng khi
nguyên tố thứ hai B được phân bố vào mạng của A thay thế hoặc xenkẽ.
Trong đó:
- A là ngun tố dung mơi; - B là nguyên tố hòatan
- Ký hiệu dung dịch rắn là A(B)
* Phân loại dung dịchrắn:
Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: Dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch
rắn thay thế.
- Dung dịch rắn xen kẽ. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở
khoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ.
Sự hịa tan xen kẽ bao giờ cũng có giớihạn.
- Dung dịch rắn thay thế. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế
nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thaythế.
* Các đặc tính của dung dịchrắn:
-14-


- Có liên kết kim loại như kim loại nguyên chất. Vì vậy, dung dịch rắn vẫn
có tính dẻo tốt, tuy không cao bằng kim loại nguyên chất làm dungmôi.
- Thành phần hóa học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay
đổi kiểu mạng của chất dungmôi.
- Mạng tinh thể của dung dịch rắn luôn bị xô lệch, cịn lại thơng số mạng
khác với thơng số mạng của dungmơi.

Hình 1-7a. Dung dịch rắn xen kẽ

Hình 1-7b. Dung dịch rắn thay thế

b. Hợp chất hóahọc
* Khái niệm: Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên
kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa
học. Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng thành phần. Hợp chất hóa học
trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau.
Ví dụ: Fe3C = 3Fe + C; 2Al203 = 4Al + 302
Ký hiệu: AmBn
Các hợp chất hóa học có trong hợp kim thường được gọi là pha trung gian.
Pha trung gian có mạng tinh thể phức tạp và khác các nguyên tố thành phần.
* Các đặc tính của hợp chất hóahọc
- Cấu tạo mạng tinh thể khác hẳn với kiểu mạng tinh thể của các ngun tố
tạo nênnó.
- Về tính chất: Thường giịn, một số có độ cứng và nhiệt độ chảy rấtcao.
- Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vihẹp.
c. Hỗn hợp cơ học
* Khái niệm: Khi hai nguyên tố khơng có khả năng hịa tan vào nhau và
khơng liên kết được với nhau thì khi đơng đặc, ngun tử của cùng một nguyên
tố sẽ liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể của nguyên tố đó và tạo thành
hỗn hợp cơ học của hai hay nhiều nguyên tố. Ký hiệu: A +B
* Đặc điểm của hỗn hợp cơ học
-15-


- Nếu hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học thì trong hợp kim ít nhất có hai
kiểu mạng tinh thể trở lên (hai pha trởlên).
Hỗn hợp cơ học có trong các hợp kim A-B có thể là:
+ Hai pha của kim loại nguyên chất tạo nên. Ví dụ: Hợp kim Au-Pb khi

ở trạng thái rắn các nguyên tố Au-Pb khơng hịa tan và cũng khơng tác dụng hóa
học mà tạo thành hỗn hợp cơ học Au+Pb vì có 2 kiểu mạng tinh thể của Au và
Pb.
+ Hai pha của dung dịch rắn. Ví dụ: Fe-C khi thành phần cacbon = 0,5%
ở nhiệt độ là 800C có cấu tạo bên trong là hỗn hợp cơ học gồm FeC+FeC vì
thế có hai kiểu mạng tinh thể của Feα và Fe.
+ Hai pha của dung dịch rắn và hợp chất hóa học. Ví dụ hợp kim Fe-C
khi thành phần cacbon = 0,5% ở nhiệt độ thường có cấu tạo bên trong là hỗn
hợp cơ học gồm FeαC+ Fe3C vì thế có 2 kiểu mạng của Feα vàFe3C
- Cơ tính của hỗn hợp cơ học nói chung phụ thuộc vào cơ tính của các pha
tạothành.

Hình 1-8. Cấu tạo của hỗn hợp cơ học

3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢPKIM
3.1. Tính chất vậtlý
a. Vẻ sáng mặt ngồi (ánhkim)
Vẻ sáng của kim loại và hợp kim là do kim loại và hợp kim phản chiếu với
ánh sáng, tạo nên những màu đặc trưng của từng kim loại.
Ví dụ sắt có màu đen, đồng có màu đỏ hoặc vàng, bạc có màu trắng, vàng
có màu vàng...
b. Khối lượngriêng
Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích của vật thể.
Kí hiệu: 
-16-


γ =

m

(Kg/m3 hoặc g/cm3)

V

Trong đó:
- m là khối lượng của vật thể(Kg)
- V là thể tích của vật thể (m3)
Ví dụ: nhơm có  = 2,7g/cm3
Sắt có  = 7,85 g/cm3, nhơm có  = 2,7 g/cm3
c. Trọng lượngriêng
Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể.
d=

P

(N/m3)

V

Trong đó:
- P là trọng lượng của vật(N).
- V là thể tích của vật thể(m3).
d. Tính nóngchảy
Là tính chất của kim loại, hợp kim sẽ chảy lỗng khi nung nóng và đơng
đặc khi làmnguội.
Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ kim loại và hợp kim chuyển từ trạng thái
rắn sang trạng tháilỏng.
Ví dụ: Sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 1539 oC, điểm chảy của gang là
11300C 1350oC (do hàm lượng C trong gang quyết định), điểm chảy của thép là

1400oC 1500oC (do hàm lượng C trong thép quyết định). Tính chất này rất
quan trọng đối với công nghệ đúc. Nhiệt độ nóng chảy càng thấp thì tính chảy
lỗng của kim loại, hợp kim càngtốt.
Ví dụ: Nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 là 20150C, của Cu là 10830C...
e. Tính nhiệtnung
Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại và hợp kim lên
10C.
f. Tính dẫnđiện
Là khả năng truyền dòng điện của kim loại và hợp kim. Kim loại và hợp
kim đều là vật liệu dẫn điện tốt, nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhơm. Nói
chung, kim loại nào dẫn nhiệt tốt thì dẫn điện cũng tốt. Hợp kim nói chung có
tính dẫn điện kém hơn kim loại.Tính dẫn điện của kim loại được đặc trưng bởi
-17-


điện trở suất ( ).
Kim loại có điện trở suất càng nhỏ thì tính dẫn điện càng lớn và ngược lại.
Ví dụ: Cu có
Al có

= 0,0175
= 0,027

mm2/m
mm2/m

g. Tính dẫnnhiệt
Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt nóng hay khi làm
nguội. Tính dẫn nhiệt được thể hiện ở hệ số dẫn nhiệt. Ví dụ: Gang và thép đều
có tính dẫn nhiệt tốt nhưng kém xa so với đồng và nhôm. Nếu lấy hệ số dẫn

nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là 0,9; của nhơm là 0,5 và sắt chỉ có0,15.
h. Tính nhiễmtừ
Là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt, coban, niken và
hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và
gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại.
j. giãn nở nhiệt
Là sự thay đổi thể tích của kim loại và hợp kim khi nhiệt độ thay đổi. Kim
loại và hợp kim nóng thì nở ra, lạnh thì co lại.
3.2. Tính chất hóahọc
a. Kháiniệm
Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác
như: Ơxy, nước, axit… mà khơng bị phá hủy.
b. Các đặctrưng
- Tính chống ăn mịn là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự phá hủy
của hơi nước hoặc ơxy trong khơng khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độcao.
- Tính chịu axit là khả năng kim loại và hợp kim chống lại tác dụng của các
mơi trường cóaxit.
3.3. Tính cơngnghệ
3.3.1. Khái niệm
Tính cơng nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng chịu các dạng gia
công khácnhau.
3.3.2. Các đặctrưng

-18-


a. Tính đúc: Được đặc trưng bởi độ chảy lỗng, độ co và thiên tích. Độ chảy
lỗng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy lỗng
càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càngkém.
b. Tính rèn: Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác

dụng bên ngồi mà khơng bị phá hủy.Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở
nhiệt độ phù hợp. Gang khơng có tính rèn vì giịn. Đồng, nhơm, chì có tính rèn
tốt ngay cả ở trạng tháinguội.
c. Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung nóng
chỗ hàn đến trạng thái chảy haydẻo.
d. Tính cắt gọt: Là khả năng kim loại gia cơng dễ hay khó, được xác định
bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt. Một
kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất q nhưng tính
cơng nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành sản
phẩm.
3.4. Tính chất cơ học (cịn gọi là cơ tính)
3.4.1. Khái niệm
Tính chất cơ học là biểu thị khả năng chống lại các tác dụng của ngoại lực.
3.4.2. Các đặc trưng cơ bản của cơtính
a. Độ bền
Độ bền là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự phá hủy khi có ngoại
lực tác dụng. Tùy thuộc phương pháp thử độ bền, độ bền được chia thành các
loại sau:
- Độ bền kéo ký hiệu làk
- Độ bền nén ký hiệu là n
- Độ bền uốn ký hiệu làu
- Độ bền xoắn ký hiệu làx
- Độ bền mỏi ký hiệu là -1
Đơn vị đo của độ bền thường dùng là: N/mm2 hoặc MN/mm2.
Độ bền được xem là chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất của vật liệu. Nâng cao
độ bền mà vẫn giữ được độ dẻo, độ dai là phương hướng chủ yếu của vật liệu.
Trong chế tạo máy cơ khí và xây dựng thì u cầu sử dụng vật liệu có độ bền

-19-

ngày càng cao vì thỏa mãn được các yêu cầu kinh tế-kỹ thuật quan trọng nhất
như:
+ Tăng khả năng chịu tải
+ Tăng tuổi thọ
+ Giảm nhẹ vật liệu sử dụng.
Vậy để thõa mãn các yêu cầu trên thì vật liệu phải được cải thiện và năng
cao độ bền. Các phương pháp hóa bền vật liệu:
* Hợp kim hóa: Đưa thêm các nguyên tố hợp kim vào để tạo nên dung dịch
rắn có độ bềncao.
* Nhiệt luyện tơi + ram: Là hai ngun cơng của q trình nhiệt luyện. Sau
khi tơi + ram thì độ bền, độ cứng tăng lên. Phương pháp này được sử dụng rộng
rãi trong lĩnh vực cơ khí và chế tạomáy.
* Làm nhỏ hạt: Hai phương pháp trên có làm tăng độ bên nhưng có nhược
điểm là độ dẻo, độ dai giảm. Riêng phương pháp làm nhỏ hạt này thì làm tăng
tất cả chỉ tiêu độ bền, độ dẻo, độdai.
Nói chung để đạt độ bền cao thì phải áp dụng nhiều phương pháp tổng hợp
khác nhau.
b. Độ cứng
- Độ cứng là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục
bộ của bề mặt kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chỗ
ta ấn vào một vật cứnghơn.
- Đặc điểm của độcứng:
+ Độ cứng biểu thị tính chất của bề mặt, khơng biểu thị cơ tính chung
cho toàn sản phẩm.
+ Độ cứng biểu thị khả năng chống mài mòn của bề mặt sản phẩm, độ
cứng càng cao thì tính chống mài mịn càng tốt.
- Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các
đơn vị đo độ cứng như sau: Độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC),
Vicke(HV).

c. Độ dẻo
- Độ dẻo là khả năng biến dạng của kim loại và hợp kim mà không bị phá
hủy dưới tác dụng của ngoại lực. Độ dẻo được đánh giá bằng 2 chỉ tiêu:

-20-


- Độ giãn dài tương đối (δ): Là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi
bị kéođứt.
=

Lk −L0

.100%

L0

- Độ thắt tiết diện tương đối (ψ): Là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết
diện sau khi bị kéođứt.
=

F0 −Fk

100 %

F0

Ở đây:
- L0 và Lk là chiều dài mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vịđo.
- F0 và Fk là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng

đơn vịđo.
- Ý nghĩa của độdẻo:
+ Độ dẻo vật liệu càng cao thì khả năng tạo hình bằng các phương pháp
gia cơng áp lực như cán, ép, rèn, dập,… càng tốt.
+ Qua trị số độ dẻo ta có thể xác định được vật liệu bị phá hủy dẻo
(trước biến dạng dẻo) hoặc phá hủy giịn. Những vật liệu bị phá hủy giịn có độ
dẻo rất thấp, rất nguy hiểm thường gãy, nứt đột ngột mà không báotrước.
d. Độ đànhồi
- Độ đàn hồi là khả năng kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dạng hoặc
trạng thái ban đầu khi bỏ lực tácdụng.
- Ký hiệu: đh =Pđh/So.
+ Pđh: Lực tác dụng đàn hồi.
+ So: Tiết diện ban đầu của vật liệu.
- Đơn vị đo thường dùng: kG/mm2; N/mm2 hoặcMN/mm2)
- Vật liệu nào có độ đàn hồi cao thì khả năng chịu được tải trọnglớn.
e. Độ dai vađập
Độ dai va đập là khả năng kim loại và hợp kim chống lại biến dạng khi
chịu lực va đập. Độ dai va đập ký hiệu là ak.
ak = Ak / S (Nm/cm2; KJ/m2)
Trong đó:
- Ak: Là cơng phá hủy mặt cắtngang.
- S: Là hình chữ nhật qua rãnh khía10x8mm
- Ý nghĩa của độ dai vađập:
-21-


+ Nhờ xác định độ dai va đập có thể đánh giá khả năng làm việc của chi
tiết máy chịu tải trọng động do va đập mà không bị phá hủy.
+ Trong thực tế thì độ dai va đập chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:
* Trạng thái bề mặt: Vết nứt, khía rãnh, lỗ, độ bóng thấp cũng ảnh hưởng đến

độ dai vađập.
* Kích thước hạt càng nhỏ thì ak càngcao.
Cơ tính của kim loại và hợp kim được xác định bằng cách thử nghiệm các
mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như: Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng.
3.5. Quan hệ giữa các đặc trưng cơ tính của vậtliệu
- Trong phạm vi nhất định độ cứng tăng thì độ bền cũng tăngtheo.
- Độ cứng của vật liệu càng cao thì độ dẻo, độ dai va đập giảm và làm tăng
tính giịn của vậtliệu.
- Độ dai va đập tỷ lệ với độ bền và độ dẻo. Chỉ cần một trong hai giá trị
nhỏ cũng đều làm ảnh hưởng đến độ dai vađập.
- Cơ tính tổng hợp của vật liệu là đảm bảo độ bền, độ dẻo, độ dai, độ cứng
đều cao để vật liệu tránh bị phá hủy trong điều kiện làm việc chịu cả tãi trọng
tĩnh và tải trọngđộng.
- Tính đàn hồi của vật liệu là cơ tính có độ cứng và độ bền khá cao để độ
dẻo, độ dai va đập không quáthấp.
3.6. Các phương pháp thử cơtính
3.6.1. Thửkéo
a. Phương pháp đo
Để xác định được giá trị độ bền kéo của kim loại và hợp kim trước tiên
phải chế tạo mẫu của vật liệu đó. Mẫu được chế tạo theo tiêu chuẩn của từng
nước. Ở Việt Nam mẫu thử có tiết diện hình trịn hoặc hình chữ nhật (hình 110 a, b). Sau đó mẫu được kẹp trên máy kéo nén vạn năng được truyền động
bằng cơ khí hoặc thủy khí (hình 1-10c).
Khi tiến hành kéo mẫu trên máy, máy sẽ vẽ biểu đồ quan hệ giữa lực kéo
và biến dạng của mẫu. Tùy theo tính chất của vật liệu là vật liệu dẻo (thép,
đồng, nhơm…) hay vật liệu dịn (gang) mà ta có các dạng biểu đồ tương ứng.

-22-


Hình 1-9. Mẫu thử và sơ đồ nguyên lý của máy thử kéo- nén

a, b.Mẫu thử

c. máy thử kéo - nén

Hình 1-10. Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và biến dạng khi kéo
a. Vật liệu dẻo b. Vật liệugiòn

Trên biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu làm bằng vật liệu dẻo
ta thấy có các giai đoạn như sau: OA-Giai đoạn đàn hồi, quan hệ giữa lực và
biến dạng là quan hệ bậc nhất lực kéo lớn nhất gọi là lực tỉ lệP tl.
Giới hạn tỉ lệ:
=

Ptl

tl

(1-5)

F0

Trong đó F0 là diện tích ban đầu của mặt cắt ngang.
AC: Giai đoạn chảy, lực không tăng nhưng biến dạng tăng, giá trị lực là lực chảy
Giới hạn chảy :
ch =

Pch

(1-6)

F0

CBD: Giai đoạn củng cố (tái bền). Giới hạn bền được tính:
=
b

Pb

(1-7)

F0

Riêng đối với vật liệu dịn ta thấy mẫu bị đứt khi biến dạng còn bé, vật liệu
chỉ có giới hạn bền.
-23-