KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 1

A4 (210 x 297) mm

Ths. Lê Văn Cơng - Chủ biên
Vật liệu kỹ thuật

Phần I. Vật liệu học cơ sở 5

Chơng 1. Cấu tạo tinh thể 5

Chơng 2. Kết tinh từ thể lỏng của kim loại 37

Chơng 3. Cấu tạo hợp kim và giản đồ trạng thái 59

Chơng 4. Biến dạng dẻo và cơ tính của kim loại 76

Phần II. Nhiệt luyện thép 96

Chơng 5. Giản đồ trạng thái sắt - cacbon 96

Chơng 6. Các chuyển biến xảy ra khi nung và làm nguội thép 106

Chơng 7. Các phơng pháp nhiệt luyện thép 128

Chơng 8. Hóa bền bề mặt thép 156

Phần III. Các vật liệu kim loại 173

Chơng 9. Gang và nhiệt luyện gang 173

Chơng 10. Thép cacbon 186

Chơng 11. Thép hợp kim 195

Chơng 12. Hợp kim màu 242


cấu trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra phơng pháp chế tạo và sử dụng thích hợp.
1. Mục đích, yêu cầu, nội dung môn học và các môn học liên quan
1.1. Mục đích
- Trang bị những kiến thức cơ bản về cấu trúc, tổ chức và tính chất kim loại.
- Các phơng pháp gia công nhiệt luyện áp dụng cho các kim loại (thép và gang).
- Các loại vật liệu kim loại: công dụng, thành phần, tính chất và kí hiệu.
1.2. Yêu cầu
- Hiểu các quy luật chuyển biến cơ bản của kim loại
- Biết chọn và thay thế vật liệu theo các tiêu chuẩn khác nhau
- Lập đợc các quy trình gia công nhiệt luyện cho các chi tiết điển hình
- Hiểu đợc kí hiệu các vật liệu kim loại cơ bản
1.3. Nội dung môn học
Phần 1: Lí thuyết về kim loại
Chơng 1: Cấu tạo tinh thể
Chơng 2: Sự kết tinh
Chơng 3: Cấu tạo hợp kim và giản đồ trạng thái
Chơng 4: Biến dạng kim loại
Phần 2: Nhiệt luyện thép
Chơng 5: Hợp kim sắt - cacbon
Chơng 6: Các phản ứng xảy ra khi nung và làm nguội thép
Chơng 7: Nhiệt luyện thép
Chơng 8: Hóa bền bề mặt thép
Phần 3: Các vật liệu kim loại
Chơng 9: Gang và nhiệt luyện gang
Chơng 10: Thép cacbon
Chơng 11: Thép hợp kim
Chơng 12: Kim loại và hợp kim mầu KHOA C KH - ểNG TU

- Vật liệu học - Arrmaxor - Chu Thiên Trờng
- Vật liệu học - Lê Công Dỡng
KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 5

A4 (210 x 297) mm



v


m
h(1.1)
Trong đó:


x: độ bất định trong phép đo toạ độ vi hạt

p: độ bất định trong phép đo xung lợng vi hạt

v: độ bất định trong phép đo vận tốc vi hạt

KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]

một mức năng lợng. Ví dụ: l = 0, 1, 2, 3 tơng ứng với các phân lớp s, p, d , f.
- Số lợng tử từ m = 0, 1, 2, l xác định khả năng định hớng của
mô men xung lợng quỹ đạo theo từ trờng bên ngoài.
- Số lợng tử Spin S = 1/2 xác định khả năng định hớng ngợc chiều
nhau của véc tơ mô men xung lợng. Ngoài ra việc phân bố các điện tử với một
trạng thái (n, l, m) xác định phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli là chỉ có thể
có hai điện tử với Spin ngợc nhau. Dựa vào nguyên lý này có thể dự đoán đợc
số điện tử cho phép trên các mức năng lợng (lớp và phân lớp) qua đó viết đợc
cấu hình lớp vỏ điện tử của nguyên tử theo số thứ tự z của chúng trong hệ thống
tuần hoàn Meldeleev (cũng là số điện tử của nguyên tử đó trong mô hình lý
tởng).
Ví dụ: Cu có z = 29 ta có cấu tạo lớp vỏ điện tử là:
{
{
N
1
M
1062
L
62
K
2
s4d3p3s3p2s2s1
43421321

ở đây điện tử vẫn có thể chuyển từ mức năng lợng này sang mức năng
lợng khác (thuộc lớp hoặc phân lớp). Khi đó chúng sẽ phát ra hoặc thu vào một
năng lợng dới dạng lợng tử ánh sáng.

KHOA C KH - ểNG TU


Ký hiệu
phân lớp
Phân lớp Lớp
1 K s 2 (1) 2
s 2 (1) 2 L
p 6 (3)
8
s 2 (1)
p 6 (3)

3

M
d 10 (5)

18
s 2 (1)
p 6 (3)
d 10 (5)
4 N
f 14 (7)
32

1.1.2. Các dạng liên kết trong vật rắn
Theo điều kiện bên ngoài (P, T) vật chất tồn tại ba trạng thái: rắn, lỏng, hơi.
- Trạng thái rắn: có trật tự (trật tự xa)
- Trạng thái lỏng: có trật tự (trật tự gần)
- Trạng thái hơi: hỗn độn, không có trật tự
Độ bền của vật liệu ở trạng thái rắn phụ thuộc vào dạng liên kết của vật rắn.
Hình 1.1. Liên kết cộng hoá trị trong khí Cl
2
- Cờng độ liên kết phụ thuộc rất mạnh vào mức độ liên kết của các điện tử
hoá trị với hạt nhân. Ta có thể thấy rõ, các bon trong dạng thù hình kim cơng
có liên kết cộng hoá trị rất mạnh do các điện tử hoá trị liên kết trực tiếp với hạt
nhân. Ngợc lại với Sn do các điện tử hoá trị nằm rất xa hạt nhân nên có liên kết
cộng hoá trị rất yếu.
- Liên kết cộng hoá trị có thể xảy ra giữa các nguyên tử của cùng một
nguyên tố (đồng cực) thuộc các nhóm từ IV A đến VII A (ví dụ Cl
2
, F
2
, Br
2
, )
hoặc các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau (dị cực) thuộc các nhóm III A
và V A hoặc II A và VI A (GaAs, GaP, ).
1.1.2.2. Liên kết Ion
Là loại liên kết mạnh, hình thành bởi lực hút giữa các điện tích trái dấu (lực
hút tĩnh điện Coulomb). Liên kết này xảy ra do các nguyên tử cho bớt điện tử lớp
ngoài cùng trở thành Ion dơng hoặc nhận thêm điện tử để trở thành Ion âm. Vì
vậy liên kết Ion thờng xảy ra và thể hiện rõ rệt với các nguyên tử có nhiều điện
tử hoá trị (á kim điển hình) và các nguyên tử có ít điện tử hoá trị (kim loại điển
hình). Ví dụ LiF, NaCl, Al
2


A4 (210 x 297) mm

Năng lợng liên kết có thể tính bằng công thức:
r
A
U =(1.2)
Và lực liên kết:
2
r
1
.B
dr
du
F ==(1.3)
Trong đó:
A và B: Các hằng số phụ thuộc vào phần tử liên kết
r: Khoảng cách giữa các phần tử liên kết
Dấu (-) chỉ rằng năng lợng và lực liên kết có xu hớng làm giảm khoảng
cách giữa các phần tử liên kết.
1.1.2.3. Liên kết kim loại
Đặc điểm chung của các nguyên tử nguyên tố kim loại là có ít điện tử hoá trị
ở lớp ngoài cùng, do đó chúng dễ mất (bứt ra) điện tử tạo thành các Ion dơng bị
bao quanh bởi các mây điện tử tự do. Các ion dơng tạo thành một mạng xác định,

Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 10

A4 (210 x 297) mm

Liên kết kim loại là dạng hỗn hợp: gồm lực hút giữa các điện tích trái dấu
và lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu.
Năng lợng liên kết trong liên kết kim loại có thể tính bằng công thức:
{
{
{
III
3
II
2
I
r
C
r
B
r
A
U ++=(1.4)
Với A, B, C là các hệ số
I: Năng lợng hút giữa các điện tích trái dấu

KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 11

A4 (210 x 297) mm

tăng nhiệt độ). Vì vậy những vật rắn có liên kết Vander Waals có nhiệt độ nóng
chảy rất thấp (nớc đá nóng chảy ở 0
0
C).

Hình 1.3. Quá trình tạo thành liên kết Vander Waals
a: Trung hoà b: Phân cực c: Tạo liên kết



b,

c,KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 12

A4 (210 x 297) mm

- Vật tinh thể luôn luôn tồn tại một nhiệt độ nóng chảy (hoặc kết tinh) xác
định. Có nghĩa là khi nung nóng vật tinh thể luôn có một nhiệt độ chuyển biến từ
trạng thái rắn sang trạng thái lỏng xác định. Điều này cũng đúng khi làm nguội
vật tinh thể từ thể lỏng.
- Vật tinh thể khi bị đập gãy (phá huỷ), sẽ bị gãy theo các mặt xác định và
bề mặt vết gãy không nhẵn bóng. Tính chất này thể hiện rõ rệt sự khác biệt về
tính chất của vật tinh thể với vật vô định hình.
- Vật tinh thể luôn có tính dị hớng, có nghĩa là tính chất của nó (cơ, lý, hoá Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 13

A4 (210 x 297) mm

vật liệu sử dụng. Nh vậy để xây dựng mô hình mạng tinh thể, ta cần phải xác
định đợc hệ toạ độ và đơn vị đo khi xây dựng mạng tinh thể.
Phơng pháp xây dựng mạng tinh thể:
Để xây dựng mô hình mạng tinh thể trớc hết ta chọn một nguyên tử (ion,
phân tử) bất kỳ (từ đây gọi là chất điểm) làm gốc. Từ chất điểm gốc ta kẻ ba trục
toạ độ qua ba chất điểm gần nhất (không cùng một mặt phẳng) làm ba trục toạ
độ. Nh vậy trên mỗi trục toạ độ của hệ trục toạ độ Decarte thu đợc sẽ có hàng
loạt các chất điểm cách đều nhau. Qua các chất điểm đó ta dựng các đờng
thẳng song song với các trục toạ độ. Các đờng thẳng đó cắt nhau tạo thành mô
hình mạng tinh thể (hình 1.4). Hình 1.4. Mô hình mạng tinh thể



OKHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 14

A4 (210 x 297) mm

Nh vậy một mô hình mạng tinh thể sẽ đợc xác định khi chúng ta có bộ
sáu thông số là ba véc tơ đơn vị
a
,
b
,
c
và ba góc (zOx, yOx), (zOy, yOx),
(zOy, zOx). Từ cách xây dựng nh trên, chúng ta thấy mạng tinh thể có các tính

kiểu mạng và khi đó mạng tinh thể đợc hình thành là do vô số các phần tử đó
xếp sít nhau. Phần tử đó gọi là ô cơ bản của mạng tinh thể. Và nh vậy nghiên

KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 15

A4 (210 x 297) mm

cứu tính chất của mạng tinh thể vô tận đợc chuyển về nghiên cứu thông qua ô
cơ bản của nó có kích thớc và hình dáng cụ thể.
Nh vậy với t cách là ô cơ bản của mạng tinh thể, cần phải thoả mãn các
nguyên tắc sau:
- Ô cơ bản phải đảm bảo đặc trng hoàn chỉnh cho cấu tạo một kiểu mạng,
bao gồm thoả mãn các điều kiện đối xứng của tinh thể (đối xứng gơng, đối
xứng tâm, đối xứng trục quay) và đỉnh của ô cơ bản phải có chất điểm.
- Đỉnh của ô cơ bản phải có chất điểm.
- Thể tích của ô cơ bản phải là nhỏ nhất.
Với một kiểu mạng tinh thể chúng ta có ô cơ bản đặc trng của nó, thông
qua ô cơ bản chúng ta xác định đợc các kiểu mạng tinh thể cơ bản. Để phân

Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 16

A4 (210 x 297) mm

Bảng 1.2. 14 kiểu mạng Bravais
Kiểu
Hệ
Đơn giản

Đáy tâm

Thể tâm

Diện tâm

Quan hệ
thông số mạng
Tam tà x x
a b c
90
0

Đơn tà x x
a b c
= = 90
0
, 90
0

1.2.2.2. Một số kiểu mạng tinh thể thờng gặp của kim loại
* Mạng lập phơng thể tâm (A2, K8): Xét ô cơ bản của mạng là một khối lập phơng,
các nguyên tử bố trí ở 8 đỉnh và tâm của khối. Hình 1.5. Mạng lập phơng thể tâm và mặt xếp sít của nguyên tử

- Thông số mạng (chu kì mạng): a
- Số nguyên tử trong một ô cơ bản (số nguyên tử thuộc khối n
V
): n
nt

a

2a

a

aKHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

nt

r
nt
=
4
3a(1.9)
- Lỗ hổng trong mạng tinh thể: do các nguyên tử là hình cầu, khi xếp sít nhau mà
không bị biến dạng sẽ tồn tại các lỗ hổng.
Các lỗ hổng trong mạng lập phơng thể tâm: Lỗ hổng khối tám mặt nằm ở
tâm của các mặt bên, lỗ hổng khối bốn mặt thuộc cạnh bên.
ý nghĩa: cho phép sự xâm nhập khuếch tán của vật chất trong tinh thể để cho
phép tạo ra hợp kim.
- Mật độ mặt của mạng tinh thể: là tỷ lệ của tiết diện nguyên tử thuộc một mặt
phẳng giới hạn trong một ô cơ bản so với diện tích của mặt đó (chỉ tính cho mật độ
nguyên tử dày nhất là mặt bền vững).
%100.
S
S.n
%100.
S
S
M
mat
nt1S
mat
nt

2
4
3a







S
mat
: Diện tích của mặt tính mật độ mặt
S
mat
= a.a 2 = a
2
2

Thay vào biểu thức trên ta có:
%4,83%100.
S
S.n
M
mat
nt1S
S

ocoban
nt1V
ocoban
nt
v
=

=(1.11)
Trong đó:
V
1nt
: Thể tích của một nguyên tử
3
3
3
nt1
a.
16
3
4
3a
.
3
4
r.
3
4

V.n
M
3
3
ocoban
nt1V
v
=

== ý nghĩa: cho biết mức độ điền đầy vật chất của kiểu mạng, do đó cho biết sơ bộ
đánh giá khối lợng riêng của vật liệu có kiểu mạng đó.
- Những kim loại có kiểu mạng A2: Fe(), Cr, W, Mo
* Mạng lập phơng diện tâm (A1, K12): Xét ô cơ bản của mạng là một khối lập
phơng, các nguyên tử bố trí ở 8 đỉnh và tâm của 6 mặt bên.
Hình 1.6. Mạng lập phơng diện tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
a

a

n
nt
= n
V
=
4
2
1
.6
8
1
.8
=+
(nguyên tử)

(1.12)
- Số sắp xếp K: số các nguyên tử gần nhất quanh một nguyên tử K = 12
- Cách sắp xếp của nguyên tử: các nguyên tử đợc xếp xít nhau theo đờng chéo
mặt bên của khối (hình 1.6).
- Bán kính nguyên tử: r
nt

r
nt
=
4
2a(1.13)

.4
=+ S
1nt
: Diện tích tiết diện (mặt cắt) của nguyên tử thuộc mặt
S
1nt
= .r
2
nt
= .
2
4
2a







S
mat
: Diện tích của mặt tính mật độ mặt
S


- Mật độ khối của mạng tinh thể:
%100.
V
V.n
%100.
V
V
M
ocoban
nt1V
ocoban
nt
v
=

=(1.15)
Trong đó:
V
1nt
: Thể tích của một nguyên tử

KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT








== V
ocoban
: Thể tích của một ô cơ bản
V
ocoban
= a
3

Thay vào biểu thức trên ta có:
%74%100.
a
a.
24
2
.4
%100.
V
V.n
M
3
3

- Số nguyên tử trong một ô cơ bản (số nguyên tử thuộc khối n
V
): n
nt

n
nt
= n
V
=
63
2
1
.2
6
1
.12
=++
(nguyên tử)

(1.16)
- Số sắp xếp K: số các nguyên tử gần nhất quanh một nguyên tử K = 12
- Cách sắp xếp của nguyên tử: các nguyên tử đợc xếp xít nhau theo mặt đáy của
khối (hình 1.7).
- Bán kính nguyên tử: r
nt


(1.17)
- Mật độ mặt của mạng tinh thể:
%100.
S
S.n
%100.
S
S
M
mat
nt1S
mat
nt
S
=

=(1.18)
Trong đó:
n
S
: Số nguyên tử thuộc mặt

n
S
=
31
3

S
mat
: Diện tích của mặt tính mật độ mặt
S
mat
=
2
a.33
2Thay vào biểu thức trên ta có:
%91%100.
S
S.n
M
mat
nt1S
S
== - Mật độ khối của mạng tinh thể:
%100.
V
V.n
%100.
V
V
M







== V
ocoban
: Thể tích của một ô cơ bản
V
ocoban
= S
mat
.c =
2
a.33
2
.1,663a =
2
a.663,1.33
3Thay vào biểu thức trên ta có:
%73%100.
V
V.n
Hình 1.8. Mạng chính phơng thể tâm và mặt xếp sít của nguyên tử

* Mạng kim cơng: kim cơng là một trong những dạng thù hình của cacbon có
liên kết trao đổi. Ô cơ bản của mạng (hình 1.9 a) có thể xem nh đợc tạo thành
trên cơ sở ô cơ bản lập phơng diện tâm có thêm bốn nguyên tử bên trong với
các toạ độ:






4
1
,
4
1
,
4
1
;







4
3
,
4
3
,
4
1
. Hoặc có thể hình
dung bằng cách khác: chia ô mạng lập phơng diện tâm thành tám khối đều
nhau và ở trung tâm của bốn khối nhỏ nằm cách nhau có thêm bốn nguyên tử.
Mỗi nguyên tử trong mạng đều đợc bao quanh bởi bốn nguyên tử khác cách
đều với khoảng cách
4
3a
,vì vậy số sắp xếp K = 4.
Trên hình 1.9 b nêu hình chiếu của bốn nguyên tử phía trong lên mặt phẳng
yz có kèm theo toạ độ x của chúng. a



Hình 1.9. Ô cơ bản của mạng kim cơng

* Mạng Graphit: graphit cũng là một dạng thù hình của cacbon có mạng tinh thể
lục giác lớp với các thông số mạng a = 2,46 A
0
, các = 6,82A
0
. Hình 1.10. Mạng tinh thể graphit

Mạng có thể xem nh đợc tạo thành bởi những lớp nguyên tử cách nhau một
đoạn
0
A41,3
2

3
x =
4
3
x =
a,

b,KHOA C KH - ểNG TU
B MễN CễNG NGH VT LIU

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 24

A4 (210 x 297) mm

1.2.2.3. Ký hiệu mặt và phơng tinh thể
Qua khảo sát các kiểu mạng tinh thể thờng gặp ở trên chúng ta thấy nảy
sinh một vấn đề là việc định vị các mặt và phơng tinh thể. Việc định vị mặt và
phơng tinh thể có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong nghiên cứu tinh thể. Khi

TP BI GING VT LIU K THUT Ch biờn: Lờ Vn Cng
Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883
E-mail: [email protected]
Page: 25

A4 (210 x 297) mm

Chỉ số Miller cho phơng tinh thể trong mạng lập phơng là một bộ số u,
v, w không có thừa số chung, đợc xác định nh sau:
- Xác định toạ độ của chất điểm thuộc phơng đó, gần nhất với gốc toạ độ,
theo ba trục toạ độ (Ox, Oy, Oz). Lu ý là với phơng không đi qua gốc toạ độ
thì ta xác định chỉ số theo phơng song song với nó, đi qua gốc toạ độ. Do cách
xây dựng mạng tinh thể chúng ta thấy rõ ràng các phơng song song với nhau sẽ
có cùng tính chất (ở đây cần hiểu rằng phơng tinh thể là các phơng có chất
điểm thuộc nó).
- Quy đồng mẫu số và đặt thừa số chung ta có bộ chỉ số u, v, w để ký hiệu
cho phơng cũng tơng tự nh đối với mặt tinh thể, các phơng tinh thể có cùng
trị số tuyệt đối của bộ chỉ số thuộc cùng một họ và đợc ký hiệu là [u, v, w]. Các
phơng trong cùng một họ cũng có cùng tính chất nh nhau.
1.2.2.3.2. Chỉ số Miller - Bravais cho mạng lục giác
Ta có thể xét cụ thể thông qua ví dụ sau:

1
B
1
E
1
F
1
C
1
x

z

y

a

c

D

A

B

E

F

C