Giáo trình Vật liệu kỹ thuật

 1
MỤC LỤC 
MỤC LỤC ...................................................................................................................................... 1 
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO TINH THỂ .............................................................................................. 5 
1.1. Cấu tạo nguyên tử và các dạng liên kết trong vật rắn ............................................................ 5 
1.1.1. Cấu tạo nguyên tử ......................................................................................................... 5 
1.1.2. Các dạng liên kết trong vật rắn ...................................................................................... 5 
1.2. Cấu tạo tinh thể lý tưởng của vật rắn .................................................................................... 7 
1.2.1. Vật tinh thể và vật vô định hình..................................................................................... 7 
1.2.2. Cấu tạo tinh thể lý tưởng của vật rắn ............................................................................. 7 
1.3. Cấu tạo mạng tinh thể thực tế của kim loại nguyên chất ..................................................... 15 
1.3.1. Sai lệch trong mạng tinh thể : ...................................................................................... 15 
1.3.2.Đơn tinh thể ................................................................................................................. 18 
1.3.3. Đa tinh thể .................................................................................................................. 18 
CHƯƠNG 2: KẾT TINH TỪ THỂ LỎNG CỦA KIM LOẠI ........................................................ 20 
2.1. Cấu tạo kim loại lỏng và điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh ................................. 20 
2.1.1. Cấu tạo kim loại lỏng .................................................................................................. 20 
2.1.2. Điều kiện năng lượng của quá trình kết tinh ................................................................ 21 
2.2. Qúa trình tạo mầm và phát triển mầm khi kết tinh .............................................................. 22 
2.2.1. Quá trình tạo mầm ...................................................................................................... 22 
2.2.2. Quá trình phát triển mầm............................................................................................. 25 
2.3. Khái niệm độ hạt khi kết tinh và các yếu tố ảnh hưởng ....................................................... 26 
2.3.1. Khái niệm độ hạt ......................................................................................................... 26 
2.3.2. Ý nghĩa của độ hạt ...................................................................................................... 26 
2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt ................................................................................. 27 
2.3.4.Biện pháp làm nhỏ hạt.................................................................................................. 27 
2.3.5. Cách xác định độ hạt trong thực tế .............................................................................. 28 
2.4. Quá trình kết tinh thực tế của kim loại trong khuôn đúc...................................................... 28 
2.4.1. Cơ chế kết tinh nhánh cây ........................................................................................... 28 
2.4.2. Cấu tạo của thỏi đúc thực tế ........................................................................................ 29 
2.4.3. Khuyết tật của thỏi đúc................................................................................................ 30 
CHƯƠNG 3. CẤU TẠO HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI .............................................. 32 
3.1 Các khái niệm cơ bản .......................................................................................................... 32 
3.1.1. Khái niệm hợp kim ..................................................................................................... 32 
3.1.2. Đặc điểm của hợp kim ................................................................................................ 32 
3.1.3. Các định nghĩa cơ bản về hợp kim............................................................................... 32 
3.2. Các dạng cấu trúc hợp kim cơ bản ...................................................................................... 33 
3.2.1. Dung dịch rắn ............................................................................................................. 33 
3.2.2. Các pha trung gian ...................................................................................................... 35 
3.2.3. Hỗn hợp cơ học ......................................................................................................... 35 
3.3. Giản đồ trạng thái của hợp kim ............................................................................. ... ên, pha cũ giảm dần dẫn đến giảm tốc độ chuyển biến và khi pha cũ hết tốc độ bằng 
không. 
Với việc thực hiện qúa trình chuyển biến ở hàng loạt nhiệt độ khác nhau, ta có một họ đường 
cong động học chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung. Trong thực tế, vấn đề cần xác định là 
thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến Peclit thành Austenit cũng như thời gian cần thiết để thực 
hiện chuyển biến hoàn toàn tại các nhiệt độ khác nhau. Chính vì vậy để thuận tiện cho việc sử dụng 
ta biến đổi đường cong thực nghiệm đó thành dạng khác theo hệ toạ độ nhiệt độ - thời gian. 
D 
10
0 
% Au 
B 
O A 
C 
 
b, 
0C 
Ac1 
a, 
O 
 
3 2 1 
 61 
Hình 6.4. Đường cong động học chuyển biến P  
 (1): Đường bắt đầu chuyển biến P  
(2): Đường kết thúc chuyển biến P  
6.2.2.2. Đặc điểm chuyển biến 
Dựa trên đường cong động học của chuyển biến P  ,nhận thấy chuyển biến có các đặc 
điểm sau 
- Theo giản đồ trạng thái Fe-C chuyển biến P  xảy ra ở 7270C, nhưng điều này chỉ đúng 
với khi nung nóng bằng tốc độ vô cùng bé. Với tốc độ nung nóng thực tế, nhiệt độ để xảy ra chuyển 
biến này luôn cao hơn 7270C, tốc độ nung càng lớn nhiệt độ chuyển biến (điểm Ac1) càng cao và 
chuyển biến thực tế xảy ra trong một khoảng nhiệt độ. 
- Tốc độ nung nóng càng cao thì thời gian nung càng ngắn. Có thể thấy rõ điều này từ giản đồ 
chuyển biến đẳng nhiệt (ở các nhiệt độ không đổi khác nhau) P  . Ví dụ: ở 7800C sau 2 phút; 
7600C sau 4 phuta,thì Peclit được chuyển biến thành Austenit. Trên đồ thị miêu tả các tốc độ nung 
khác nhau V1 và V2; trong đó V2 > V1. 
 Ta có thể rút ra kết luận: tốc độ nung nóng càng cao, nhiệt độ chuyển biến xảy ra càng lớn và 
thời gian xảy ra chuyển biến càng ngắn. 
Trong thực tế muốn được tổ chức Austenit phải nung quá 7270C một khoảng nhiệt độ: tốc độ 
nung càng lớn, khoảng nhiệt độ càng lớn và khoảng thời gian cần ngày càng ngắn đi. Quy luật này 
không những đúng với điểm Ac1 mà cả với điểm Ac3 và Accm. 
1 
T1 
%A 
0C 
  
 
1 2 
T2 > T1 
v2 > v1 
2 < 1 
T2 T3 T4 T5 
T1 
T2 
T3 
T4 
T5 
1 2 
2 
P 
γ 
Austeni
t 
P quá nung 
Ac
Pecl
it 
a, 
0C 
v2 
v1 
Austeni
t 
T1 
T2 
Ac
quá nung 
P 
A 
Pecl
it 
b, 
 62
Như vậy để hoàn thành các chuyển biến, khi nhiệt luyện bao giờ cũng phải nung nóng quá 
nhiệt độ tới hạn khoảng tương ứng 20 – 500C trong điều kiện nung nóng bình thường và 1000C 
trong điều kiện nung nhanh (nung bằng dòng điện cao tần) 
 - Cơ chế tạo mầm Austenit 
Khi tạo mầm Austenit đầu tiên chúng ta thấy rõ rằng, cần có sự phân bố lại của nồng độ 
cacbon. Vì vậy mầm ban đầu sẽ được tạo ra nhờ sự khuếch tán và ba động thành phần. Do đó sự ưu 
tiên tạo mầm ban đầu sẽ là mặt phân giới pha giữa Ferit ( ) và Xementit (Fe3C), tại mặt phân giới 
pha giữa Ferit và Xementit nồng độ cacbon có thể lên tới 0,25 %, thuận lợi cho tạo mầm Austenit 
() khi có ba động thành phần, đồng thời qúa trình khuếch tán của cacbon tại đây mạnh hơn rất 
nhiều càng thuận lợi cho việc tạo mầm Austenit. 
Hình 6.5. Sơ đồ hình thành Austenit trên mặt phân giới pha Ferit và Xementit 
Như đã biết , biên giới giữa 2 pha ferit và austenit rất nhiều, do vậy nẩy sinh nhiều mầm austenit và 
khi kết thúc chuyển biến bao giờ cũng thu được hạt nhỏ hơn trước khi chuyển biến 
6.3. CÁC CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI LÀM NGUỘI 
6.3.1. Khái niệm chung 
 Theo lý thuyết: tại nhiệt độ Ar1 
  67,602,08,0 Xe  
 Qúa trình hình thành Peclit khi làm nguội Austenit phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển biến thực 
tế, nếu nhiệt độ chuyển biến thực tế giảm thì độ quá nguội tăng, hạt Peclit sẽ càng nhỏ. Tuỳ theo 
cấp hạt phân thành các sản phẩm khác nhau gọi là các sản phẩm của sự phân hoá Austenit khi làm 
nguội 
6.3.2. Chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội chậm đẳng nhiệt 
6.3.2.1. Với thép cùng tích 
- Mô hình thí nghiệm: làm hàng loạt mẫu thép 0,8%C, nung lên nhiệt độ lớn hơn Ac1 để hoàn 
toàn tạo thành một pha Austenit, sau đó làm nguội nhanh xuống dưới nhiệt độ Ar1 và giữ đẳng nhiệt 
ở các nhiệt độ khác nhau. Ở mỗi một nhiệt độ đẳng nhiệt phải kèm nhiều mẫu, mỗi mẫu giữ một 
thời gian khác nhau. Sau thời gian giữ nhiệt đem tôi các mẫu trong nước, đo chuyển biến và dựng 
đường cong theo từng nhiệt độ. 
Xe 
 
  
Xe 
 63 
Hình 6.6 Đồ thị khi làm nguội chậm austenit ở các nhiệt độ và thời gian 
 - Với việc thực hiện ở nhiều nhiệt độ khác nhau ta sẽ xây dựng được họ đường cong chuyển 
biến: 
Hình 6.7. Đường cong động học chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội đẳng nhiệt 
': Austenit quá nguội tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn Ac1 
(1): Đường bắt đầu chuyển biến Austenit thành Peclit 
(2): Đường kết thúc chuyển biến Austenit thành Peclit 
Nếu giảm nhiệt độ chuyển biến (tăng độ quá nguội ΔT) lúc đầu thời gian phôi thai sẽ giảm, 
nhưng đến một giá trị xác định khi ta tăng ΔT thì thời gian phôi thai lại tăng lên do số lượng mầm 
tạo ra quá nhiều gây ứng suất lớn dẫn đến khó thực hiện chuyển biến. 
6.3.2.2 Các sản phẩm phân hóa của Austenit khi làm nguội chậm đẳng nhiệt 
 Các chuyển biến của austenit quá nguội trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ Ar1 đến nhiệt độ 
khoảng 5000C được gọi là chuyển biến peclit gồm các sản phẩm: 
- Peclit: hỗn hợp của ferit và xementit, trong đó xementit ở dạng tấm lớn, có thể phát hiện bằng kính 
hiển vi quang học độ phóng đại 500 lần. Độ cứng của peclit khoảng 10-15HRC 
0C 
Ac1 
T1 
T2 
T3 
T4 
 
1 2 3 4 
... 
T1 
T2 
T3 
T4 
T5 
T6 
T7 
 
T7 T6 T5 T4 
T3 T2 T1 
 
% 
 
’ 
(1
(2
Ac1 
Mđ 
Peclit 
Xoocbi
t Trusti
t Bainit 
trên 
Mactenx
it 
Bainit 
dưới 
100% 
 64
- Xoocbit hay xoocbit tôi là hỗn hợp của ferit và xementit, trong đó xementit ở dạng tấm với kích 
thước bé hơn, không thể phát hiện bằng kính hiển vi quang học. Độ cứng của xoocbit khoảng 25-
35HRC 
- Trustit hay Trustit tôi là hỗn hợp của ferit và xementit, trong đó xementit ở dạng tấm với kích 
thước bé hơn nữa. Độ cứng của trustit khoảng 40HRC 
 Chuyển biến trung gian từ 5000C - Mđ: Chuyển biến này tạo tổ chức Bainit cũng bao gồm 2 pha 
ferit và xementit, trong đó xementit dạng tấm kích thước rất nhỏ, bainit được phân thành 2 loại: 
- Bainit trên có dạng ngòi bút màu tối, được phân hóa ở nhiệt độ 5000c- 3500c, độ cứng khoảng 
45HRC 
- Bainit dưới có dạng hình kim với góc nhọn nhỏ hơn, được phân hóa ở nhiệt độ 3500c – Mđ độ 
cứng khoảng 55HRC 
6.3.3.. Với thép trước và sau cùng tích 
 - Với thép trước cùng tích 
Theo lý thuyết: khi nguội xuống dưới Ar3, Austenit bắt đầu tiết ra Ferit. Tiếp tục giảm nhiệt 
độ, Ferir tiết ra càng nhiều. %C trong Austenit tăng lên, khi tới nhiệt độ Ac1 thì %C trong Austenit 
bằng 0,8% và xảy ra phản ứng cùng tích: 
 67,602,08,0 Xe  
Và đường cong động học chuyển biến khi làm nguội thép trước cùng tích phải có thêm đường 
tiết pha Ferit. 
- Với thép sau cùng tích: 
Tương tự như thép trước cùng tích, với thép sau cùng tích khi nguội xuống dưới nhiệt độ Acm, 
bắt đầu có quá trình tiết ra Xementit II. Tuy vậy trong thép sau cùng tích, hàm lượng Xementit II rất 
nhỏ, do đó chủ yếu tiết ra dưới dạng mạng lưới bao quanh hạt Peclit. Tổ chức này thường gây dòn 
cho thép, chính vì vậy khi nhiệt luyện thép sau cùng tích, thông thường cần dùng thường hoá để phá 
lưới Xementit II. 
6.3.5. Chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội nhanh (chuyển biến Mactenxit) 
6.3.5.1.Khái niệm: 
 Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến xảy ra khi làm nguội Austenit với một tốc độ nguội đủ 
lớn. Quá trình chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ rất thấp (so với Ar1), cacbon trong Austenit không kịp 
khuếch tán để tạo Xementit mà toàn bộ lượng cacbon của Austenit giữ nguyên trong mạng của 
Fe( ) (có dịch chuyển thì chỉ trên khoảng cách nhỏ hơn một thông số mạng) do đó tạo ra dung dịch 
rắn quá bão hoà của cacbon trong Fe( ), gọi là tổ chức Mactenxit. 
6.3.5.2.Bản chất và cơ tính của Mactenxit. 
 Bản chất của Mactenxit: Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hòa của cacbon ở trong 
Fe(α) với nồng độ cacbon bằng nồng độ cacbon của austenit, có kiểu mạng chính phương thể tâm 
và độ cứng cao. 
 65 
Hình 6.8: Mạng tinh thể của Mactenxit 
 Cơ tính của Mactenxit: 
 Mactenxit là tổ chức quan trọng nhất được tạo thành khi tôi thép, quyết định cơ tính của thép 
tôi. Nói chung Mactenxit là pha cứng và dòn. 
 + Độ cứng của Mactenxit: Mactenxit là dung dịch rắn quá bão hòa của cacbon ở trong Fe(α), 
do vậy độ cứng của Mactenxit chỉ phụ thuộc vào lượng cacbon ở trong nó: cacbon càng cao, độ 
chính phương của mactenxit càng lớn, mạng tinh thể càng xô lệch độ cứng càng cao. 
 Ở đây cần phân biệt độ cứng của pha Mactenxit và độ cứng của thép tôi nói chung. Với thép 
cacbon thấp, lượng cacbon hòa tan trong Mactenxit thấp, độ chính phương c/a thấp, thể tích riêng 
của mactenxit không lớn, do vậy lượng austenit thấp và lượng này không ảnh hưởng đáng kể đến độ 
cứng của thép tôi – độ cứng đạt được lớn nhất của thép tôi là độ cứng của Mactenxit. Thép có hàm 
lượng cacbon quá thấp < 0.25% sau khi tôi độ cứng không cao không đủ khả năng chống mài mòn. 
Thông thường phải dùng thép có lượng C > 0.4% sau khi tôi đạt độ cứng cao mới đủ khả năng 
chống mài mòn. Thép với hàm lượng cacbon cao (>0.6%) do lượng austenit tạo ra sau khi tôi nhiều, 
lúc này độ cứng sau khi tôi của thép là độ cứng chung của Mactenxit và austenit dư, do vậy sẽ thấp 
hơn độ cứng của bản thân pha Mactenxit. 
 + Tính dòn của Mactenxit: Nhược điểm của Mactenxit là tính dòn cao, đặc điểm này có liên 
quan đến độ cứng và sự tồn tại của ứng suất dư ở trong nó. Tuy nhiên, tính dòn của Mactenxit cũng 
dao động trong một phạm vi khá rộng phụ thuộc vào một số yếu tố: 
 Độ cứng của Mactenxit càng cao, tính dòn của nó càng lớn, do vậy thép càng nhiều cacbon 
sau khi tôi càng dòn. Tuy nhiên cùng thành phần cacbon như nhau và tôi đạt độ cứng như nhau, 
nhưng tính dòn có thể khác nhau nếu độ lớn của tinh thể mactenxit khác nhau. 
 66
 Như đã biết nếu nung thép ở nhiệt độ cao quá quy định, austenit sẽ phát triển mạnh và thu 
được hạt lớn. Kích thước hạt austenit quyết định kích thước của các kim Mactenxit. Kim Mactenxit 
đầu tiên sẽ là lớn nhất cắt ngang hạt, và các kim tạo thành về sau này càng nhỏ hơn. Vì vậy hạt 
austenit càng nhỏ, các kim mactenxit cũng càng nhỏ mịn. Tính thô của Mactenxit không ảnh hưởng 
nhiều đến độ cứng nhưng ảnh hưởng nhiều đến tính dòn. Mactenxit càng nhỏ mịn tính dòn càng 
thấp. 
6.3.5..3. Đặc điểm chuyển biến Mactenxit: 
Với đặc trưng làm nguội của mình, chuyển biến Mactenxit có một số đặc điểm khác biệt như 
sau: 
+ Chuyển biến Mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội với tốc độ nguội lớn hơn hoặc bằng giá trị 
tốc độ nguội tới hạn 
+ Chuyển biến Mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục Austenit, khi nguội đến Md kim 
Mactenxit bắt đầu hình thành, muốn lượng Mactenxit tăng lên phải tiếp tục làm nguội. Nếu trong 
đoạn Mđ – Mk, ta dừng lại ở bất kỳ nhiệt độ nào, chuyển biến lập tức dừng lại. 
 + Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến không khuếch tán, Mactenxit thu được khi nguội 
nhanh Austenit từ nhiệt độ A1. Do đó thành phần hoá học của Mactenxit trùng với của Austenit. 
 + Chuyển biến Mactenxit chỉ bắt đầu xảy ra ở một nhiệt độ nhất định Mđ (là nhiệt độ bắt đầu 
chuyển biến) và kết thúc khi nguội xuống thấp hơn một nhiệt độ xác định Mk (là nhiệt độ kết thúc 
chuyển biến), cả Mđ và Mk đều không phụ thuộc tốc độ nguội. Đoạn (Md– Mk) là khoảng nhiệt độ 
chuyển biến Mactenxit. 
 + Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến xảy ra tức thời, tinh thể Mactenxit được hình thành 
có dạng hình kim đầu nhọn gọi là các kim Mactenxit thường hợp với nhau góc 600 hoặc 1200 , các 
kim Mactenxit hình thành với tốc độ rất lớn (xấp xỉ 1000-7000 m/s), tốc độ hình thành và phát triển 
kim Mactenxit hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển biến. 
 + Chuyển biến Mactenxit không bao giờ xảy ra hoàn toàn, luôn luôn có tồn tại một lượng 
Austenit dư. 
 Ngày nay chuyển biến Mactenxit còn được phát hiện ở nhiều hệ hợp kim khác ngoài sắt như 
hợp kim đồng - nhôm, đồng - kẽm, đồng - thiếc, niken - titan  
 6.4. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG THÉP ĐÃ TÔI (CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI 
RAM) 
 Sau khi tôi, thu được tổ chức Mactenxit và một lượng Austenit dư là hai pha không ổn định, 
mức năng lượng tự do cao, tồn tại nhiều khuyết tật và ứng suất dư vì vậy Mactenxit luôn có xu 
hướng chuyển về trạng thái ổn định hơn là Peclit. Muốn vậy phải cấp năng lượng bằng cách nung 
trở lại Mactenxit. 
 Các giai đoạn chuyển biến xảy ra khi nung trở lại Mactenxit (chuyển biến xảy ra khi ram): 
 Đồ thị thay đổi kích thước mẫu khi ram: 
 67 
Hình 6.9. Đồ thị thay đổi kích thước của mẫu 
 * Giai đoạn 1: nhỏ hơn 2000C 
 - Khi nung ở nhiệt độ nhỏ hơn 800C, do nhiệt độ thấp, năng lượng cấp còn ít, chưa đủ để vượt 
rào cản năng lượng vì vậy trong thép chưa có chuyển biến gì. 
 - Khi nung ở khoảng (80  200)0C, năng lượng đã đủ để cho cacbon thực hiện các hành trình 
xa hơn do đó khử được ứng suất dư nhờ sự phân bố lại cacbon. Đồng thời nó tạo ra một số vùng 
giàu cacbon, thuận lợi tạo ra Xementit. Do hàm lượng cacbon chưa đủ lớn nên tạo ra Xementit chưa 
hoàn chỉnh. 
 Kết quả: Mactenxit hầu như không giảm độ cứng, độ bền nhưng khử được ứng suất dư 
nên ổn định hơn và được gọi là tổ chức Mactenxit ram (Mram). 
 * Giai đoạn 2: từ (200  260)0C 
 Giai đoạn này cacbon tiết ra khỏi Mactenxit tương đối nhiều, ứng suất dư giảm mạnh. Đồng 
thời Austenit dư trong Mactenxit tiếp tục chuyển biến thành Mactenxit ram do đó mẫu, sản phẩm có 
sự tăng kích thước. 
 * Giai đoạn 3: từ (260  400)0C 
 Giai đoạn này nhiệt lượng lớn vì vậy cacbon tiết ra gần hết khỏi Mactenxit, độ chính phương 
c/a → 1, tạo thành Mactenxit nghèo cacbon và tạo thành Xementit hoàn chỉnh. Ứng suất dư cả tế vi 
và thô đại đều giảm gần đến không. Tạo tổ chức ổn định và hạt tương đối nhỏ do sự lớn lên của kim 
Mactenxit chưa cao, tổ chức này được gọi là tổ chức Trustit ram có c/b đạt max, kích thước mẫu, 
sản phẩm trở về gần với ban đầu.. 
 * Giai đoạn 4: từ (400  dưới A1)
0C 
 Nung ở nhiệt độ từ 400-6500C, giai đoạn này có năng lượng lớn, cacbon tiết ra hoàn toàn khỏi 
Mactenxit, độ chính phương c/a = 1. Tổ chức Mactenxit là Peclit và Xementit hoàn chỉnh, toàn bộ 
ứng suất dư được khử bỏ, mẫu trở về kích thước ban đầu, các hạt bắt đầu lớn lên tạo dạng đều cạnh 
và được gọi là tổ chức Xoocbit ram. Đây là tổ chức có cơ tính tổng hợp cao nhất do đó được áp 
dụng để ram tất cả các chi tiết máy.Các chỉ tiêu (HB, b) giảm; (, , aK) tăng và cơ tính tổng hợp 
(HB, B, c, -1, , , aK) đạt tối ưu 
V (L) 
0C 
O 200 260 
600 
450 
M 
 68
Còn khi nung ở sát A1 có sự kết tụ và cầu hóa Xementit mạnh tạo tổ chức là Peclit hạt 
 CÂU HỎI ÔN TẬP 
Câu 1 : Khái niệm đặc điểm phân loại và các thông số của quá trình nhiệt luyện 
Câu 2 : Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép. 
Câu 3 : Các chuyển biến của Austenit khi làm nguội thép 
Câu 4 : Trình bày chuyển biến Mactenxit 
Câu 5 : Các chuyển biến xảy ra khi ram