Giáo trình Khoa học vật liệu - Chương 5: Thép và gang

 164 
Phần III vật liệu kim loại 
Chương 5 thép và gang 
 Các hợp kim trên cơ sở của sắt chiếm tỷ lệ áp đảo trong vật liệu kim loại, có 
tỷ lệ lớn trong vật liệu nói chung và được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật cũng 
như trong đời sống, làm các chi tiết quan trọng với yêu cầu kỹ thuật cao. Trong số 
các hợp kim của sắt trong chương này chỉ đề cập đến hợp kim Fe-C tức thép và 
gang, là loại rất thường gặp với nhiều chủng loại đa dạng thích ứng với rất nhiều 
mục đích sử dụng khác nhau. Sẽ lần lượt trình bày các nhóm thép và gang. 
 Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng 
rất nặng và phức tạp, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan trọng 
nhất. Hầu như mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa - nhiệt luyện để 
thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong 
công nghiệp thép được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, 
tấm, lá, băng, ống, góc, và các dạng hình khác nhau rất tiện cho sử dụng. Ngoài 
khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép còn có tính hàn tốt, rất tiện sử dụng 
trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao song một số mác có thể 
tiến hành đúc thành các sản phẩm định hình tương đối phức tạp. Do những ưu 
điểm như vậy thép được coi là vật liệu xương sống của công nghiệp. 
 Cần chú ý là thép là loại vật liệu kim loại với nhiều nhóm có tính chất, công 
dụng rất khác nhau, do đó phải nắm vững tính chất, tác dụng của cacbon và từng 
nguyên tố, cũng như từng nhóm, phân nhóm, mác điển hình. 
 Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim. Trước tiên 
h∙y phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép chính này. 
5.1. Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 
5.1.1. Thép cacbon 
Thép cacbon hay thép thường, được dùng rất phổ biến trong đời sống cũng 
như trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản lượng 
thép. 
a. Thành phần hóa học 
 Như đ∙ nói thép là hợp kim sắt - cacbon với lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% 
với đặc tính là có tính dẻo nên có thể cán nóng được (do khi nung nóng lên nhiệt 
độ cao có tổ chức hoàn toàn austenit - dung dịch rắn với mạng A1, rất dẻo). Song 
trong thực tế thép không chỉ là hợp kim sắt với cacbon mà còn với nhiều nguyên tố 
khác. Do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đ∙ đi 
vào thành phần của thép mà không cần phải khử bỏ đi do có lợi hoặc không cần 
phải khử bỏ triệt để mặc dầu có hại do quá tốn kém không cần thiết. 
Thép cacbon là thép thông thường (thép thường), ngoài cacbon ra còn chứa 
một số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng được 
gọi là tạp chất thường có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đưa vào. Trong số các 
tạp chất có một số có lợi và một số có hại. H∙y xem xét các nguyên tố đó. 
 Tạp chất có lợi: mangan và silic 
 Bất kỳ thép nào dù đơn giản đến đâu cũng có mangan và silic với lượng 
không vượt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do: 
 165 
 - quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như ôxyt mangan, ôxyt 
silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO → Mn, SiO2 → Si) 
đi vào gang rồi vào thép, 
 - khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phần không 
tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép {ferô là loại hợp kim trung 
gian, dễ luyện vì có nhiệt độ chảy tương đối thấp, là nguyên liệu để pha chế, sử 
dụng trong quá trình luyện kim; nó chứa sắt, cacbon (> 1%) và lượng lớn nguyên 
tố hợp kim tương ứng. Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}. 
 Trong các điều kiện thông thường của quá trình luyện, các thép đều có chứa 
≤ 0,80%Mn, ≤ 0,40%Si. Chúng là các nguyên tố có ích, có tác dụng tốt đến cơ 
tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, độ dai), song với lượng ít 
như vậy không có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của thép cacbon. 
 Tạp chất có hại: phôtpho và lưu huỳnh 
 Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặng 
sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang). Chúng làm thép giòn do đó phải được 
khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao nhất cũng không được vượt 
quá 0,05% cho mỗi nguyên tố. 
Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa: 
C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050%. 
 Đó cũng là thành phần hóa học cơ bản của thép cacbon hay thép thường.
 Các tạp chất khác 
Ngoài phôtpho và lưu huỳnh, trong thép cũng luôn chứa các nguyên tố 
hyđrô, ôxy, nitơ do chúng hòa tan vào thép lỏng từ khí quyển của lò luyện. Chúng 
đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức (gây tập trung ứng suất) và 
giòn (riêng nitơ có tính hai mặt sẽ trình bày sau) song với lượng chứa quá nhỏ (ví 
dụ: 0,006 ữ 0,008% đối với ôxy) nên rất khó phân tích, do vậy thường "dấu mặt" 
trong bảng thành phần nên được gọi là tạp chất ẩn náu. 
 Đặc trưng của công nghiệp luyện kim hiện đại là sử dụng lại (tái chế) ngày 
càng nhiều với tỷ lệ cao thép, gang và hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần 
là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim). Do vậy ngay trong thép 
cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau: 
 - crôm, niken, đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng 
không được vượt quá 0,50%, 
- vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố. 
 Đáng chú ý xu thế này ngày một mạnh nên hàm lượng cho phép của các 
nguyên tố trên trong thép thường cũng tăng lên. 
 Song dù như vậy người ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì:
 - không cố ý đưa vào, 
- với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ 
tính của hợp kim Fe - C, về cơ bản thép tạo thành có tổ chức phù hợp với giản đồ 
pha Fe - C. 
Sau đây xét ảnh hưởng của năm nguyên tố thường gặp nhất trong thép 
cacbon. 
 b. ảnh hưởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng 
của thép thường 
 166 
 Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên 
tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng 
của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp). 
 Tổ chức tế vi 
 Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ 
xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ 
tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng 
(ủ). 
- C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên 
chất. 
- C = 0,10 ữ 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng 
peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích. 
 - C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích.
 - C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng 
lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích. 
 Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo. 
Hình 5.1. ảnh hưởng của 
cacbon đến cơ tính của thép 
thường (ở trạng thái ủ). 
Cơ tính 
 ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình 
bày trên hình 5.1. 
Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB. 
Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 
đơn vị. 
Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) làm 
 cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng 
nhỏ đi. Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δ giảm 6%, 
aK giảm 300kJ/m
2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) tương ứng 
là 3% và 200kJ/m2...Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng 
kém dẻo dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha 
xêmentit cứng và giòn tăng lên. 
 ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb không đơn giản như đối với độ 
cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 ữ 0,50%C σb tăng khoảng 70 
 167 
ữ 90MPa, trong khoảng 0,60 ữ 0,80%C σb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại 
trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σb lại giảm đi. Có thể giải 
thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số 
chốt cản trượt cho pha này do vậy σb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là 
peclit, khi vượt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới 
xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những 
giòn mà còn làm giảm giới hạn bền. 
 Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon 
 Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định 
phần lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước 
tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu 
là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) 
có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có 
được. Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và 
công dụng rất khác nhau như sau. 
 - Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ 
cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu 
xây dựng, tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram 
để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon. 
 - Thép có cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ 
dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại 
có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng 
tĩnh và va đập cao. 
- Thép có cacbon tương đối cao (0,55 ữ 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng 
tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi. 
 - Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống 
mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.
 Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng 
cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể 
trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê 
dịch đôi chút. 
 Tính công nghệ 
Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm 
lượng cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập. 
 Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép. Nói 
chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia 
công cắt kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép 
có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém. 
Nói chung tính đúc của thép không cao. 
 c. ảnh hưởng của các tạp chất thường có 
Mangan 
Mangan được cho vào mọi thép dưới dạng ferô mangan để khử ôxy thép ở 
trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại: 
 Mn + FeO → Fe + MnO 
 (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) 
 Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh. 
 Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ 
 168 
bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song 
lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 ữ 
0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ 
tác hại của lưu huỳnh. 
Silic 
Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để 
 thép ở trạng thái lỏng: 
Si + FeO → Fe + SiO2 
(SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) 
 Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng 
của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất 
trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 ữ 0,40% nên tác dụng này cũng 
không rõ rệt. 
Phôtpho 
Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe 
- C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh 
mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới 
hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn. Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn 
nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường). Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đ∙ trở 
nên giòn. Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên 
để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao 
nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn). 
Phôpho cũng có mặt lợi, được nói ở mục 5.3.6b. 
Lưu huỳnh 
Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn 
Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp 
(988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, 
kéo (thường ở 1100 ữ 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, g∙y như là 
thép rất giòn. Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng. 
 Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì 
FeS sẽ tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, dưới dạng các hạt 
nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, 
g∙y. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt (mục 5.3.6b). 
 d. Phân loại thép cacbon 
 Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc trưng 
riêng biệt cần để ý để sử dụng thép được tốt hơn. 
 Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện 
 Rõ ràng là thép càng ít tạp chất có hại (P, S) và các khí (H, O, N) có độ dẻo, 
độ dai càng cao tức có cơ tính tổng hợp cao, chất lượng càng cao. Các phương 
pháp luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ở 
các mức cao thấp khác nhau do đó tạo cho thép chất lượng tốt, xấu khác nhau. Có 
nhiều phương pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại 
ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lò L-
D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các phương pháp làm sạch 
tạp chất ngoài lò. 
Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau. 
 - Chất lượng thường, lượng P, S chỉ được khử đến mức 0,050% (hay cao hơn 
một chút) cho mỗi nguyên tố. Phương pháp luyện thép L-D thường chỉ đạt được 
 169 
cấp chất lượng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao và giá thành thép rẻ. Cấp 
chất lượng này thường chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao như một 
số thép xây dựng thông dụng. 
 - Chất lượng tốt, lượng P, S được khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên tố. 
Phương pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt được 
cấp chất lượng này. Cấp chất lượng này thường áp dụng cho các nhóm thép dùng 
trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn. 
 - Chất lượng cao, lượng P, S được khử khá cẩn thận, đến mức 0,030% cho 
mỗi nguyên tố. Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển 
chọn nguyên liệu vào...) vẫn có thể đạt được cấp chất lượng này bằng phương pháp 
luyện thép trong lò điện hồ quang. 
- Chất lượng rất cao, lượng P, S được khử ở mức triệt để nhất: 0,020% cho 
mỗi nguyên tố. Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt được giới hạn này. 
Thép sau khi luyện ở lò này được tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất ở ngoài lò bằng 
xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ. Ngoài ra để giảm tối đa lượng khí chứa trong thép người 
ta phải áp dụng đúc rót thép trong chân không. 
Cá ...  nhiệt độ làm việc thấp (< 200oC). 
 B, SiC, Al 2O 3 
 Bản chất và cách chế tạo các sợi này đ∙ được trình bày ở mục 7.5.2. 
9.3.6. Vật liệu làm nền 
 Vật liệu làm nền cho compozit cốt sợi thường là polyme và kim loại vì 
chúng có tính dẻo tốt. Kim loại dùng làm pha nền thường là nhôm và đồng. Tuy 
nhiên polyme là pha nền được dùng phổ biến hơn với đủ chủng loại cả nhiệt rắn 
lẫn nhiệt dẻo: polyeste, nylon, epoxy, nhựa fenol, polyamit, melamin. Hiện còn ít 
dùng nền là ceramic trừ bêtông cốt thép là loại phổ biến nhất hiện nay. 
9.3.7. Các loại compozit cốt sợi phổ biến 
 a. Compozit polyme - sợi thủy tinh 
 Là loại được sản xuất với khối lượng nhiều nhất vì chúng khá rẻ, nhẹ, có 
độ bền riêng cao và sự gắn kết tốt giữa hai pha nền - cốt, với cả hai loại cốt sợi liên 
tục cũng như gián đoạn. Loại phổ biến nhất là polyeste - sợi thủy tinh, tiếp đến là 
nylon - sợi thủy tinh. Tuy nhiên loại này có nhược điểm là không đủ độ cứng 
vững trong một số trường hợp yêu cầu (như khi làm kết cấu của máy bay, cầu...), 
nhiệt độ làm việc thấp, dưới 200oC (trên đó polyme bị chảy và hủy hoại). 
 Hiện compozit polyme - sợi thủy tinh được dùng ngày càng nhiều trong 
các phương tiện vận tải đặc biệt là vỏ (thân) xe hơi, tàu biển, ống dẫn, container 
chứa hàng, tấm lát sàn công nghiệp. Đặc biệt trong công nghiệp ôtô nó có sức 
cạnh tranh cao nhờ giảm được khối lượng và do đó là tiêu hao nhiên liệu. 
 b. Compozit polyme - sợi khác 
 Compozit polyme - sợi cacbon có môđun đàn hồi riêng cao hơn, tính chịu 
nhiệt độ và bền hóa học cao hơn nhưng đắt hơn và chỉ có loại sợi gián đoạn. Loại 
compozit này có sức cạnh tranh lớn trong máy bay do giảm nhẹ được khối lượng 
(giảm 20 ữ 30% so với dùng kim loại). 
 Compozit epoxy - sợi bo được dùng trong máy bay lên thẳng (làm cánh 
rôto), còn loại polyme - sợi aramit bắt đầu được dùng trong hàng không, tàu biển 
và đồ dùng thể thao. 
 c. Compozit kim loại - sợi 
 Trong loại này nền kim loại có thể là: nhôm, đồng (phổ biến nhất), magiê, 
titan với cốt sợi: cacbon, bo, cacbit silic, dây kim loại. Tỷ lệ thể tích sợi khoảng 20 
 344 
ữ 50%. Một trong các compozit có triển vọng nhất là loại nền nhôm - sợi bo có 
phủ cacbit silic để làm chậm phản ứng không mong muốn giữa nhôm và bo. 
Compozit nền kim loại có nhiệt độ làm việc cao hơn nền polyme. Chịu nhiệt độ 
cao hơn cả là loại nền hợp kim trên cơ sở Ni hoặc Co với cốt sợi là dây vonfram 
dùng trong tuabin. 
 d. Compozit cacbon - cacbon 
 Trong loại này tất cả đều bằng cacbon: cốt là sợi cacbon còn nền bao 
quanh là các hạt (tinh thể) cacbon nhiệt phân được phân hóa và tạo thành ở trạng 
thái nóng trên sợi cacbon. Nền cacbon được tạo thành cũng trên nguyên lý như 
dùng để chế tạo sợi cacbon: cacbon hóa một chất hữu cơ ở nhiệt độ cao (trong chất 
lỏng ở áp suất trung bình và cao, còn trong chất khí ở áp suất nhỏ hơn áp suất khí 
quyển), trong các điều kiện như thế các tinh thể grafit sẽ hình thành và phát triển. 
 e. Compozit cốt sợi pha 
 Đây là loại compozit trong đó người ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợi 
trong cùng một nền, có sự kết hợp các tính chất tốt hơn loại chỉ có một loại cốt sợi. 
Trong loại này hiện nay phổ biến hơn cả là dùng hai loại cốt sợi cacbon và thủy 
tinh trong nền polyme (trong đó sợi cacbon bền, cứng vững, nhẹ hơn song đắt hơn 
sợi thủy tinh). Khi compozit sợi pha bị ứng suất kéo, sự phá hủy xảy ra không tức 
thời: sợi cacbon bị đứt trước sau đó tải trọng được truyền sang sợi thủy tinh, rồi 
cuối cùng compozit bị phá hủy hoàn toàn khi nền bị hỏng do tải trọng tác dụng 
vào. 
9.4. Compozit cấu trúc 
 Compozit cấu trúc là loại bán thành phẩm dạng tấm nhiều (≥ 3) lớp được 
tạo thành bằng cách kết hợp các vật liệu đồng nhất với compozit theo những 
phương án cấu trúc khác nhau. Do đó tính chất không những phụ thuộc vào tính 
chất các vật liệu thành phần mà còn cả vào thiết kế hình học của chúng trong kết 
cấu. Thường dùng hai loại: dạng lớp và panel sandwich. 
9.4.1. Compozit cấu trúc dạng lớp 
 Hình 9.11. Sơ đồ tạo compozit 
 cấu trúc dạng lớp 
 345 
 Có thể dễ dàng hình dung dạng compozit này qua gỗ dán, cót ép. Chúng 
gồm bởi các lớp (tấm) có độ bền dị hướng cao (như gỗ, compozit cốt sợi liên tục 
thẳng hàng), được sắp xếp sao cho các phương độ bền cao nhất của các lớp, tấm kề 
nhau được đổi hướng liên tục (trên hình 9.11 là tấm gồm năm lớp vuông góc với 
nhau) và được ép kết dính với nhau. Nhờ đó loại này có độ bền cao theo các 
phương song song với mặt tấm, nhưng rất kém theo phương vuông góc với tấm. 
9.4.2. Panel sandwich 
Hình 9.12. Sơ đồ của panel sandwich 
 Loại này gồm ba lớp (hình 9.12) trong đó hai lớp mặt được chế tạo từ vật 
liệu có độ bền hay độ cứng vững cao (như hợp kim nhôm, titan, thép và compozit 
dạng lớp) có chức năng chịu toàn bộ tải trọng tác dụng theo các phương song song 
với mặt tấm. Lớp giữa (lõi) có hai chức năng: ngăn cách hai lớp trên, chống biến 
dạng theo phương vuông góc và tạo độ cứng vững tránh cong vênh. Vật liệu làm 
lõi có thể là polyme xốp, caosu nhân tạo, chất dính vô cơ, gỗ nhẹ hoặc có cấu trúc 
tổ ong, trong đó vách mỏng liên kết định hướng các ô lục giác vuông góc với mặt 
như biểu diễn ở hình vẽ (vách này thường được làm bằng cùng vật liệu như hai lớp 
mặt). Cấu trúc này hao hao giống sandwich - bánh mỳ kẹp (thịt, dămbông...), khác 
với loại trên ở giữa không phải là tấm song song. 
 346 
 Tài liệu tham khảo 
1. Lê công Dưỡng (chủ biên). Vật liệu học. Nhà xb KH&KT, 1997 
2. Nghiêm Hùng. Kim loại học và nhiệt luyện. Nhà xb Đại học & THCN, 1979 
3. Nghiêm Hùng. Sách tra cứu thép, gang thông dụng. Trường Đại học Bách Khoa Hà 
Nội, 1997 
4. Nghiêm Hùng. Nhiệt luyện phụ tùng ôtô - máy kéo. Nhà xb KH&KT, 1985 
5. William D. Callister, Jr. Materials Science and Engineering An Introduction. John 
Wiley & Sons, Inc (second edition) 
6. William F Smith. Materials Science and Engineering (second edition) 
7. Jean-Marie Dorlot, Jean-Paul Bailon, Jaques Masounave. Des Matéiaux (deuxième 
édition revue et augmentée). édition de L'école Polytechnique de Montréal 
8. Wilfried Kurz, Jean P. Mercier, Gérald Zambelli. Introduction à la science des 
matériaux (deuxième édition revue et augmentée). Presses Polytechniques et 
universitaires romandes 
9. Ю·М·Лахтин‚В·П·Леонтьева МАТЕРИАЛЛОВЕДЕНИЕ‚ Москва‚ 
Машиностроение . 1980 
10. Sử Mỹ Đường (Đại Học Công Nghiệp Thượng Hải) chủ biên. Vật Liệu Kim Loại và 
Nhiệt Luyện. Nhà xuất bản KH-KT Thượng Hải (in lần thứ 20 năm 1996) (bản tiếng 
Trung Quốc) 
11. Học Viện Công Nghiệp Đại Liên. Kim Loại Học và Nhiệt Luyện. Nhà xuất bản 
Khoa Học, 1975 (bản tiếng Trung Quốc) 
 347 
 Mục lục 
 Bảng kê các ký hiệu viết tắt được dùng trong sách 
 Lời nói đầu 
 Mở Đầu 3 
0.1. Khái niệm về vật liệu 3 
0.2. Vai trò của vật liệu 4 
0.3. Đối tượng của Vật Liệu Học cho ngành Cơ khí 5 
0.4. Các tiêu chuẩn vật liệu 6 
 Phần I. cấu trúc và cơ tính 8 
 Chương 1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 8 
1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử 8 
 1.1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử 8 
 1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn 8 
1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất 11 
 1.2.1. Chất khí 12 
 1.2.2. Chất rắn tinh thể 12 
 1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể 12 
1.3. Khái niệm về mạng tinh thể 14 
 1.3.1. Tính đối xứng 14 
 1.3.2. ô cơ sở- ký hiệu phương, mặt 14 
 1.3.3. Mật độ nguyên tử 18 
1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn 18 
 1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) 19 
 1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 22 
 1.4.3. Chất rắn có liên kết ion 24 
 1.4.4. Cấu trúc của polyme 25 
 1.4.5. Dạng thù hình 25 
1.5. Sai lệch mạng tinh thể 26 
 1.5.1. Sai lệch điểm 26 
 1.5.2. Sai lệch đường - Lệch 27 
 1.5.3. Sai lệch mặt 29 
1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể 29 
 1.6.1. Đơn tinh thể 29 
 1.6.2. Đa tinh thể 29 
 1.6.3. Textua 31 
1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại 32 
 1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh 32 
 1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh 33 
 1.7.3. Sự hình thành hạt 35 
 1.7.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc 36 
 1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc 38 
 Chương 2. Biến dạng dẻo và Cơ tính 31 
2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy 31 
 2.1.1. Khái niệm 31 
 2.1.2. Trượt đơn tinh thể 42 
 2.1.3. Trượt đa tinh thể 46 
 2.1.4. Phá hủy 49 
2.2. Các đặc trưng cơ tính thông thường và ý nghĩa 54 
 2.2.1. Độ bền (tĩnh) 52 
 2.2.2. Độ dẻo 55 
 2.2.3. Độ dai va đập 58 
 2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng 61 
 2.2.5. Độ cứng 63 
 348 
2.3. Nung kim loại đ∙ qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 66 
 2.3.1. Trạng thái kim loại đ∙ qua biến dạng dẻo 66 
 2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng 67 
 2.3.3. Biến dạng nóng 68 
 Phần II. Hợp kim và biến đổi tổ chức 71 
 Chương 3 Hợp kim và Giản dồ pha 71 
3.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 71 
 3.1.1. Khái niệm về hợp kim 71 
 3.1.2. Dung dịch rắn 74 
 3.1.3. Pha trung gian 77 
3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử 79 
 3.2.1. Quy tắc pha và ứng dụng 79 
 3.2.2. Giản đồ pha và công dụng 80 
 3.2.3. Giản đồ loại I 82 
 3.2.4. Giản đồ loại II 84 
 3.2.5. Giản đồ loại III 86 
 3.2.6. Giản đồ loại IV 88 
 3.2.7. Các giản đồ pha với các phản ứng khác 88 
 3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tính chất của hợp kim 89 
3.3. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) 92 
 3.3.1. Tương tác giữa Fe và C 92 
 3.3.2. Giản đồ pha Fe -Fe3C và các tổ chức 93 
 3.3.3. Phân loại 98 
 Chương 4 Nhiệt luyện thép 102 
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép 102 
 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện 102 
 4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 104 
4.2. Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép 105 
 4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 105 
 4.2.2. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt 109 
 4.2.3. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm 110 
 4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit 115 
 4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đ∙ tôi 119 
4.3. ủ và thường hóa thép 121 
 4.3.1. ủ thép 121 
 4.3.2. Thường hóa thép 124 
4.4. Tôi thép 125 
 4.4.1. Định nghĩa và mục đích 125 
 4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép 126 
 4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 128 
 4.4.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi 131
 4.4.5. Cơ - nhiệt luyện thép 135 
4.5. Ram thép 136 
 4.5.1. Mục đích và định nghĩa 136 
 4.5.2. Các phương pháp ram 137 
4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép 139 
 4.6.1. Biến dạng và nứt 139 
 4.6.2. ôxy hóa và thoát cacbon 140 
 4.6.3. Độ cứng không đạt 140 
 4.6.4. Tính giòn cao 141 
 4.6.5. ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt 141 
4.7. Hóa bền bề mặt 141 
 4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) 142 
 4.7.2. Hóa nhiệt luyện 144 
 349 
 Phần III. Vật liệu kim loại 152 
 Chương 5 Thép và gang 152 
5.1. Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 152 
 5.1.1. Thép cacbon 152 
 5.1.2. Thép hợp kim 160 
5.2. Thép xây dựng 172 
 5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại 172 
 5.2.2. Thép thông dụng 173 
 5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA 176 
 5.2.4. Thép làm cốt bêtông 178 
 5.2.5. Các thép khác 178 
5.3. Thép chế tạo máy 178 
 5.3.1. Các yêu cầu chung 179 
 5.3.2. Thép thấm cacbon 182 
 5.3.3. Thép hóa tốt 187 
 5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép 
 5.3.5. Thép đàn hồi 192 
 5.3.6. Các thép kết cấu có công dụng riêng 194 
5.4. Thép dụng cụ 197 
 5.4.1. Các yêu cầu chung 197 
 5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt 199 
 5.4.3. Thép làm dụng cụ đo 205 
 5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội 207 
 5.4.5. Thép làm dụng cụ biến dạng nóng 210 
5.5. Thép hợp kim đặc biệt 213 
 5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại 213 
 5.5.2. Thép không gỉ 213 
 5.5.3. Thép bền nóng 219 
 5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng va đập 221 
 5.5.5. Thép và hợp kim sắt có từ tính 
5.6. Gang 222 
 5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy 222 
 5.6.2. Gang xám 225 
 5.6.3. Gang cầu 227 
 5.6.4. Gang dẻo 229 
 Chương 6. Hợp kim màu và bột 230 
6.1. Hợp kim nhôm 230 
 6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm 230 
 6.1.2. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện 233 
 6.1.3. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện 234 
 6.1.4. Hợp kim nhôm đúc 238 
6.2. Hợp kim đồng 240 
 6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng 240 
 6.2.2. Latông 241 
 6.2.3. Brông 243 
 6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn - Ni. 245 
6.3. Hợp kim ổ trượt 246 
 6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ trượt 246 
 6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 246 
 6.3.3. Hợp kim nhôm 247 
 6.3.4. Các hợp kim khác 248 
6.4. Hợp kim titan 
 6.4.1. Titan nguyên chất 
 6.4.2. Hợp kim titan 
6.5. Hợp kim bột 248 
 350 
 6.5.1. Khái niệm chung 248 
 6.5.2. Vật liệu cắt và mài 249 
 6.5.3. Vật liệu kết cấu 252 
 6.5.4. Hợp kim xốp và thấm 253 
 Phần IV. Vật liệu phi kim loại 255 
 Chương 7 Ceramic 255 
7.1. Khái niệm chung 255 
 7.1.1. Bản chất và phân loại 255 
 7.1.2. Liên kết nguyên tử 256 
 7.1.3. Trạng thái tinh thể 256 
 7.1.4. Trạng thái vô định hình 262 
 7.1.5. Cơ tính 263 
7.2. Gốm và vật liệu chịu lửa 265 
 7.2.1. Bản chất và phân loại 265 
 7.2.2. Gốm silicat 266 
 7.2.3. Gốm ôxyt 267 
7.3. Thủy tinh và gốm thủy tinh 269 
 7.3.1. Bản chất và phân loại 269 
 7.3.2. Thủy tinh thông dụng 269 
 7.3.3. Các thủy tinh khác 270 
 7.3.4. Gốm thủy tinh 271 
7.4. Ximăng và bêtông 271 
 7.4.1. Bản chất 271 
 7.4.2. Ximăng 271 
 7.4.3. Bêtông 272 
 7.4.4. Bêtông cốt thép 273 
7.5. Vật liệu cốt sợi cho compozit 273 
 7.5.1. Vật liệu cacbon và sợi cacbon 273 
 7.5.2. Sợi bo và các sợi khác 275 
 7.5.3. Râu đơn tinh thể 275 
 Chương 8 Vật liệu polyme 276 
8.1. Cấu trúc phân tử polyme 276 
 8.1.1. Phân tử hyđrôcacbon 276 
 8.1.2. Phân tử polyme 278 
. 8.1.3. Cấu trúc mạch của polyme 280 
 8.1.4. Cấu trúc tinh thể của polyme 284 
8.2. Tính chất cơ - lý - nhiệt của polyme 287 
 8.2.1. Quan hệ ứng suất - biến dạng 287 
 8.2.2. Cơ chế biến dạng 289 
 8.2.3. Nóng chảy và thủy tinh hóa 290 
 8.2.4. Trạng thái đàn hồi - nhớt 291 
 8.2.5. Phá hủy 292 
 8.2.6. Hóa già 
8.3. ứng dụng và gia công polyme 292 
 8.3.1. Phân loại 293 
 8.3.2. Các phương pháp tổng hợp polyme 293 
 8.3.3. Phối liệu của polyme 295 
 8.3.4. Các loại vật liệu polyme và ứng dụng 296 
 Chương 9 Compozit 301 
9.1. Khái niệm về compozit 301 
 9.1.1. Quy luật kết hợp 301 
 9.1.2. Đặc điểm và phân loại 301 
 9.1.3. Liên kết nền - cốt 302 
9.2. Compozit hạt 303 
 351 
 9.2.1. Compozit hạt thô 303 
 9.2.2. Compozit hạt mịn 304 
9.3. Compozit cốt sợi 305 
 9.3.1. ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi 305 
 9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục thẳng hàng 308 
 9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng hàng 311 
 9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn 311 
 9.3.5. Kích thước và vật liệu làm cốt sợi 312 
 9.3.6. Vật liệu làm nền 314 
 9.3.7. Các compozit cốt sợi phổ biến 314 
9.4. Compozit cấu trúc 315 
 9.4.1. Compozit cấu trúc dạng lớp 315 
 9.4.2. Panel sandwich 316 
 Tài liệu tham khảo 317 
 352 
Nghiêm Hùng 
 Vật liệu học 
 cơ sở 
giá o trì nh cho cá c ngà nh cơ khí củ a cá c trườ ng Đạ i họ c 
Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật