ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ

GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGHỀ : CĂT GỌT KIM LOẠI
TRÌNH ĐỘ: TC -CĐ
Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-CĐN ngày 05 tháng 9 năm 2015

của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR - VT

Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Giáo trình này được viết dựa trên các nguồn tại liệu đã trình bày trong phần
tài liệu tham khảo, không nhằm mục đích cá nhân hay kinh tế, tôi xin cam đoan
tài liệu này lấy từ nguồn nào là có trích dẫn cụ thể.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời kỳ công nghiệp hóa , hiện đại hóa của nước ta nói chung và
của Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu nói riêng , công tác đào tạo nguồn nhân lực cho các
khu công nghiệp có vai trò hết sức quan trọng , là yếu tố cơ bản để phát triển xã

2.1. Phân loại hợp kim sắt - cacbon.....................................................................11
2.2. Giản đồ trạng thái sắt - cacbon....................................................................13
2.3. Thép cacbon và thép hợp kim......................................................................16
2.4. Gang.............................................................................................................34
Chương 3: Hợp kim màu.................................................................................45
3.1. Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu......................................................45
3.2. Đồng và hợp kim đồng.................................................................................45
3.3. Nhôm và hợp kim nhôm...............................................................................50
Chương 4: Nhiệt luyện.....................................................................................53
4.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện.......................................................53
4.2. Các hình thức nhiệt luyện.............................................................................56
Chương 5: Vật liệu phi kim loại......................................................................69
7.1. Khái niệm về một số vật liệu phi kim loại...................................................69
7.2. Chất dẻo........................................................................................................69
7.3. Vật liệu composit..........................................................................................74


7.4. Cao su...........................................................................................................76
7.5. Amian...........................................................................................................78
7.6. Gỗ.................................................................................................................78
Tài liệu tham khảo...............................................................................................82


CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC
VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Mã số của môn học: MH 14
Thời gian của môn học: 60giờ.

(LT: 47giờ; TH: 13giờ)



-

Đo được độ cứng HB, HRC


-

Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió, đục...

-

Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích

cực sáng tạo trong học tập.
III. NỘI DUNG MÔN HỌC:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Thời gian(giờ)
Thực
Số TT

Tên chương, mục

Tổng

Lý

hành

số

Tính chất chung của kim loại
và hợp kim
II

Hợp kim sắt – Cácbon

1

Khái niêm

2

Giản đồ trạng thái sắt các bon

3

Gang

4

Thép

5

Hợp kim cứng

III
1

Kiểm tra chương 1,2

Nhiệt luyện – hóa nhiệt

1

luyện

2

Khái niệm về nhiệt luyện thép

3

Nhiệt luyện

4

Hóa nhiệt luyện

12

10

2

Thí nghiện
Kiểm tra chương 4

1

V


chưng 4
Cộng

60


CHƯƠNG 1
CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Cung cấp những kiến thức cơ bản về tính chất và cấu tạo vật liệu ( đặt
biệt cấu tạo của hợp kim) để từ đó xác định được mối quan hệ giữa chúng.
Mục tiêu
- Phân biệt và hiểu được các tính chất.
- Hiểu và nắm chắc định nghĩa, ký hiệu, đơn vị, ý nghĩa các loại cơ tính
thường dung trong vật liệu kim loại.
- Hiểu được cấu tạo bên trong của kim loại nguyên chất và hợp kim.
- Hiểu được các dạng cấu tạo của hợp kim.
Nội dung:
1.1.

Khái niệm về vật liệu công nghiệp

Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả 3
trạng thái là rắn, lỏng và khí. Ở trạng thái rắn như sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao
su v.v….Ở trạng thái lỏng như xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v…Ở
trạng thái khí và hơi như hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100oC), khí
oxy (O2) và axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (CO2) đã được hoá
lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v…
Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng để chế tạo các máy móc, công trình, vật
dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người có thể chịu được một lực

1.2.1- Kim loại là gì?

2


Kim loại là các vật liệu có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt; có tính dẻo cao nghĩa là
có thể dát mỏng, kéo dài một cách dễ dàng và có một vẻ sáng bên ngoài riêng
biệt mà được gọi là "ánh kim"
1.2.2- Phân loại kim loại
Khi trong một khối kim loại chỉ gồm một nguyên tố hoá học thì gọi là kim
loại nguyên chất. Nếu trong đó gồm nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại là
chủ yếu thì gọi là hợp kim. Hợp kim phải có tính kim loại.
Về màu sắc và sử dụng, kim loại và hợp kim được chia làm 2 loại: Kim loại đen
và kim loại màu.
Kim loại đen là các kim loại và các hợp kim trên cơ sở nguyên tố sắt (Fe) cụ thể
là sắt nguyên chất, hợp kim của nó là thép và gang.
Kim loại màu là các kim loại và hợp kim trên cơ sở các nguyên tố kim loại còn
lại như nhôm (Al), đồng (Cu), chì (Pb), thiếc (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn),
silic (Si), môlipđen (Mo), . . .
Kim loại màu lại được phân làm các loại sau:
- Kim loại nhẹ là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng nhỏ hơn hay
bằng 4g/cm3 như nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li), . . .
- Kim loại nặng là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng lớn hơn 4
g/cm3 như sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), niken (Ni), vônfram (W),
môlipđen (Mo), ziếc côn (Zr), . . .
- 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



với các nguyên tố đã phát hiện được hiện nay nguyên tố có số điện tử lớn nhất
có số vành điện tử không quá 7. Các nguyên tố kim loại có đặc điểm là số điện
tử ở vành ngoài cùng rất ít (2 hoặc 3), có liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách
khỏi sức hút của hạt nhân để di chuyển tự do trong toàn khối kim loại và được
gọi là điện tử tự do. Điện tử tự do là một đặc điểm nổi bật của cấu tạo kim loại.
Nhờ có điện tử tự do mà kim loại có các tính chất độc đáo khác với các vật liệu
phi kim loại như tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, tính dẻo cao v.v…
1.3.2- Cấu tạo tinh thể của kim loại
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, nghĩa là các
nguyên tử kim loại luôn luôn sắp xếp theo những hình hình học không gian nhất
định gọi là mạng tinh thể không gian, gọi tắt là mạng tinh thể. Trên hình 2-1
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 1.1 – Mạng tinh thể không gian của kim loại
5


Hình 1.2 – Các kiểu mạng của kim loại
Nhiều mặt tinh thể xếp liên tục với nhau tạo thành mạng không gian.
Khi kim loại nóng chảy thì sự sắp xếp theo mạng tinh thể sẽ bị phá vỡ, ngược
lại khi đông đặc thì mạng tinh thể sẽ được thành lập. Do đó quá trình đông đặc
của kim loại còn gọi là quá trình kết tinh.

thước hoặc hình dáng bên ngoài của sản phẩm người ta có thể dùng các phương
pháp nhiệt luyện để cải thiện độ hạt.

Hình 1.3 -: Cấu tạo của kim loại
1.4- Cách đánh giá cơ tính của kim loại
Cơ tính của kim loại được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
1.4.1- Độ bền.

7


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

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

8



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.

10


CHƯƠNG 2
HỢP KIM SẮT- CACBON
Cho biết cấu tạo và cơ tính của hợp kim Fe –C thong qua giản đồ trạng thái và
cách sử dụng nó. Nắm rõ được qúa trình sản xuất thép và gang.
Mục tiêu:
- Hiểu được khái niệm về giản đồ trạng thái nói chung.
- Nắm được các tổ chức một pha, hai pha, điểm, đường tới hạn trên giản đồ
trạng thái.
- Biết cách sử dụng giản đồ.

trong gang có lúc cho phép cao là vì ngoài tác dụng xấu làm giảm cơ tính của
gang, P lại có tác dụng khác theo chiều hướng tốt là tạo một tổ chức bên trong
gọi là cùng tinh 2 nguyên làm tăng tính chống mài mòn của gang và làm tăng
tính chảy loãng cho gang.
Tạp chất mangan và silic trong thép làm cho thép bền hơn nhưng cũng
dòn hơn. Hàm lượng của chúng thường được giới hạn trong khoảng 0,35-0,4%
Si và 0,5-0,8% 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.
12


2.2- Giản đồ trạng thái sắt - cacbon
Thép và gang là hợp kim của sắt và cacbon. Muốn nghiên cứu sự thay đổi
cấu tạo bên trong của hợp kim sắt-cacbon khi nhiệt luyện cần phải nghiên cứu
một loại đồ thị gọi là giản đồ trạng thái của hợp kim sắt-cacbon. 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 Fe-C 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

14


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 3-3.
Khi trong hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 2% thường tạo thành một tổ chức
hỗn hợp gọi là lêđêburit như trên hình 3-4. Trong tổ chức lêđêburit hàm lượng
cacbon chiếm 4,3%.

Hình 2.3- a. Tổ chức peclit tấm, b. Tổ chức Ledepuit
Lêđêburit là tổ chức gồm các hạt peclit phân bố trên nền xêmentit.
Trên giản đồ trạng thái Fe-C 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 Fe-C 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.
15


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

-Thép lò chuyển là thép được luyện trong các lò chuyển như lò Betxme, lò Tô
mát, lò LD. Các thép này có chất lượng không cao do thời gian luyện ngắn, khó
điều chỉnh chính xác thành phần và khó khử triệt để các tạp chất.
-Thép lò bằng hay lò Máctanh. Thép này có chất lượng cao.
-Thép lò điện là thép được luyện trong lò điện hồ quang hay lò điện cảm ứng.
Đây là các loại thép chất lượng cao. Phương pháp lò điện thường dùng để luyện
các thép hợp kim và thép đặc biệt.
2.3.2.2- Phân loại theo phương pháp khử oxi có:
-Thép sôi là thép không được khử oxy do đó trong cấu tạo của thỏi thép đúc có
nhiều bọt khí (rỗ khí ), nhưng các rỗ này sau khi cán nóng sẽ được hàn lại. Ưu
điểm của thép này là độ dẻo rất cao do lượng silic rất thấp. Thép này thường
dùng để cán thành thép tấm, nhất là cán thành thép tấm mỏng sử dụng trong
công nghệ dập nguội sâu.
-Thép lắng là thép được khử oxi triệt để do đó có chất lượng cao, nhưng do có
nhiều silic nên có độ dẻo thấp.
2.3.2.3- Phân loại theo các dạng sản phẩm cán (xem mục 3.5.3.3)
2.3.2.4- Phân lọai theo công dụng có :
- Thép công trình hay thép xây dựng - lọai này thường có chất lượng thường.
17