Giáo trình Vật liệu học - Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

Nh đ∙ trình bày, tí nh chất (đặc biệt là cơ tí nh) của vật rắn phụ thuộc chủ

yếu vào cách sắp xếp của các phần tử cấu thành (nguyên tử, phân tử, ion) và lực

liên kết giữa chúng. Về mặt thành phần, vật liệu thờng cấu thành bởi sự hòa trộn

của các nguyên tố, các chất hóa học với cấu trúc độc lập, cố định. H∙y bắt đầu từ

việc khảo sát dạng cấu trúc cơ bản, đơn giản nhất này.

1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử

1.1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử

Nh đ∙ học ở môn "Vật Lý", nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mang

điện tí ch dơng) và các điện tử bao quanh (mang điện tí ch âm) mà ở trạng thái

bình thờng đợc trung hòa về điện. Hạt nhân gồm prôtôn (điện tí ch dơng) và

nơtrôn (không mang điện). Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức

năng lợng từ thấp đến cao.

Cấu hình điện tử (electron configuration) chỉ rõ: số lợng tử chí nh (1, 2,

3.), ký hiệu phân lớp (s, p, d.), số lợng điện tử thuộc phân lớp (số mũ trên ký

hiệu phân lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình điện tử là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

3d10 4s1, qua đó biết đợc số điện tử ngoài cùng (ở đây là 1, hóa trị 1).

Trong số kim loại có nhóm kim loại chuyển tiếp là loại có phân lớp ở sát

phân lớp ngoài cùng bị thiếu điện tử. Ví dụ: Fe có Z = 26 có cấu hình điện tử là

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 (trong trờng hợp này phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6,

nếu đủ phải là 10 nh trờng hợp của Cu)

 

pdf 163 trang yennguyen 2240
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu học - Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình Vật liệu học - Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

Giáo trình Vật liệu học - Chương 1: Cấu trúc tinh thể và sự hình thành
 3 
Bảng kê các ký hiệu viết tắt được dùng trong sách 
 (trong ngoặc là của nước ngoài) 
Ký hiệu viết tắt Tên gọi Đơn vị đo 
a, b, c thông số mạng nm 
aK (KCU, KCV, KCT) độ dai va đập kJ/m
2, 
 kG.m/cm2 
A1, A3, Acm các nhiệt độ tới hạn của thép 
oC 
 tương ứng với giản đồ pha Fe-C 
Ac1, Ac3, Accm A1, A3, Acm khi nung nóng 
0C 
Ar1, Ar3, Arcm A1, A3, Acm khi làm nguội 
0C 
AK công phá hủy, J, ft.lbf 
 impact value, CVN energie 
B mật độ từ thông gaus, tesla 
(Br - mật độ từ thông dư) 
d, D đường kí nh nm, àm, 
mm... 
E môđun đàn hồi MPa, GPa 
F lực, tải trọng N, kG, T 
h chiều cao àm, mm, m... 
H cường độ từ trường ơstet 
 (HC - lực khử từ) 
HB độ cứng Brinen kG/mm2 
HRA, HRB, HRC độ cứng Rôcven theo thang A, B, C 
HV độ cứng Vicke kG/mm2 
KIC độ dai phá hủy biến dạng phẳng MPa. m 
l, L chiều dài nm, àm, mm... 
Ox, Oy, Oz, Ou các trục tọa độ 
S tiết diện, mặt cắt, diện tí ch mm2 
to, To nhiệt độ oC, oK 
t thời gian s (giây), 
 min (phút), 
 h (giờ) 
 4 
v vận tốc mm/s, m/min 
V tốc độ nguội oC/s, oC/h 
α, β, γ các góc tọa độ 
α, β, γ, δ, ε, ξ... các dung dịch rắn 
α, β, γ, δ (ở dạng chỉ số) biểu thị dạng thù hình, ví dụ Feα 
γ khối lượng riêng, mật độ g/cm3 
ρt bán kí nh cong 
δ (A, EL) độ gi∙n dài tương đối % 
Ψ (Z, AR) độ thắt (tiết diện) tương đối % 
τ ứng suất tiếp MPa, kG/mm2, 
 psi, ksi 
σ ứng suất, ứng suất pháp như trên 
σb (Rm, TS) giới hạn bền (kéo) như trên 
σch (RY, σY) giới hạn chảy vật lý hay lý thuyết như trên 
σ0,2 (R0,2, YS) giới hạn chảy quy ước như trên 
σđh (Re, ES) giới hạn đàn hồi như trên 
η độ nhớt, độ sệt P (poise) 
 5 
Lời nói đầu 
 Tuy vật liệu kim loại còn chiếm địa vị chủ chốt và rất quan trọng, song 
không còn giữ được ngôi độc tôn trong chế tạo cơ khí vì ngoài nó ra người ta 
đang sử dụng ngày một nhiều hơn ceramic, polyme và đặc biệt là compozit. Trong 
các trường đại học kỹ thuật và chuyên nghiệp đ∙ và đang có sự chuyển đổi giảng 
dạy môn “Kim loại học và nhiệt luyện” hay “Vật liệu kim loại” sang “Vật liệu 
học” hay “Vật liệu học cơ sở”. Cuốn sách này ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu đó. ở 
nước ngoài người ta thường dùng từ “Khoa học và công nghệ vật liệu” (Materials 
Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách này. Khoa học vật liệu là môn 
học nghiên cứu mối quan hệ giữa tổ chức và tí nh chất của vật liệu, trên cơ sở đó 
Công nghệ vật liệu có mục tiêu là thiết kế hay biến đổi tổ chức vật liệu để đạt tới 
các tí nh chất theo yêu cầu. 
 Trong tất cả cả mọi công việc của kỹ sư cơ khí , từ việc quyết định phương 
án thiết kế, tí nh toán kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành máy, 
thiết bị, tất thảy đều có liên quan mật thiết đến lựa chọn và sử dụng vật liệu. Điều 
quan trọng nhất đối với người học là phải nắm được cơ tí nh và tí nh công nghệ 
của các vật liệu kể trên để có thể lựa chọn và sử dụng chúng tốt nhất và hợp lý , 
đạt các yêu cầu cơ tí nh đề ra với chi phí gia công í t nhất, giá thành rẻ và có thể 
chấp nhận được. Song điều quyết định đến cơ tí nh và tí nh công nghệ lại nằm ở 
cấu trúc bên trong. Do vậy mọi yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong như thành 
phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu và gia công vật liệu thành sản phẩm 
(luyện kim, đúc, biến dạng dẻo, hàn và đặc biệt là nhiệt luyện) đều có ảnh hưởng 
đến cơ tí nh cũng như công dụng của vật liệu được lựa chọn, tất thảy được khảo 
sát một cách kỹ càng. 
 Giáo trình được biên soạn trên cơ sở thực tiễn của sản xuất cơ khí ở nước ta 
hiện nay, có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn này của một số trường đại học 
ở Nga, Hoa Kỳ, Pháp, Canađa, Trung Quốc..., đ∙ được áp dụng ở Trường Đại Học 
Bách Khoa Hà Nội mấy năm gần đây. 
 Trong thực tế sử dụng vật liệu, đặc biệt là vật liệu kim loại, không thể lựa 
chọn loại vật liệu một cách chung chung (ví dụ: thép) mà phải rất cụ thể (ví dụ: 
thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo các quy định nghiêm ngặt về các điều kiện 
kỹ thuật do các tiêu chuẩn tương ứng quy định. Trong điều kiện ở nước ta hiện 
nay, sản xuất cơ khí đang sử dụng các sản phẩm kim loại của rất nhiều nước trên 
thế giới, do đó không thể đề cập được hết. Khi giới thiệu cụ thể các thép, gang, 
giáo trình sẽ ưu tiên trình bày các mác theo tiêu chuẩn Việt Nam (nếu có) có đi 
kèm với các mác tương đương hay cùng loại của tiêu chuẩn Nga do tiêu chuẩn này 
đ∙ được quen dùng thậm chí đ∙ phổ biến rộng r∙i ở nước ta trong mấy chục năm 
qua. Trong trường hợp ngược lại khi tiêu chuẩn Việt Nam chưa quy định, giáo 
trình lại giới thiệu các mác theo tiêu chuẩn Nga có kèm theo cách ký hiệu do 
TCVN 1659-75 quy định. Ngoài ra cũng kết hợp giới thiệu các mác thép gang của 
Hoa Kỳ, Nhật Bản là những quốc gia có nền kinh tế, khoa học - công nghệ mạnh 
hàng đầu thế giới. Trong phần hợp kim màu, chủ yếu giới thiệu các mác của tiêu 
chuẩn AA (cho nhôm) và CDA (cho đồng) là các tiêu chuẩn rất thông dụng trong 
 6 
giao dịch thương mại trên thế giới, đồng thời có đi kèm với các mác tương đương 
hay cùng loại của tiêu chuẩn Nga. Rõ ràng là ngay cả với cách trình bày như vậy 
cũng không thể thỏa m∙n hết các yêu cầu thực tế sử dụng và lúc này phải tham 
khảo các sách tra cứu tương ứng. 
 Cũng cần nói thêm rằng các thuật ngữ khoa học dùng trong sách theo đúng 
các quy định trong các tiêu chuẩn TCVN 1658 - 87 và TCVN 1660 - 87. 
 Cuối cùng như tên gọi của nó, chúng ta nên coi các điều trình bày trong sách 
như là phần kiến thức cơ sở về vật liệu thường dùng trong sản xuất cơ khí . Điều 
đó cũng có nghĩa để làm tốt hơn các công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm các 
sách, tài liệu chuyên sâu hơn về từng lĩnh vực đ∙ đề cập. 
 Rõ ràng là không thể đạt được sự hoàn thiện tuyệt đối, nhất là do sự phát 
triển không ngừng của khoa học - công nghệ trên thế giới và ở nước ta, cùng với 
kinh nghiệm có hạn của người viết cũng như sự chậm trễ cập nhật thông tin ở nước 
ta, cuốn sách có thể tồn tại những hạn chế, rất mong được bạn đọc trao đổi. Thư từ 
xin gửi về Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội. 
 Tác giả chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Trường Đại Học Bách Khoa 
Hà Nội về những đóng góp quý báu cho cuốn sách. 
 Tác giả 
 tháng 8 năm 2000 
 7 
mở đầu 
Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tí nh 
chất của vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tí nh 
chất và sử dụng thí ch hợp và ngày một tốt hơn. 
0.1. Khái niệm về vật liệu 
Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để 
chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế 
các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật. Như vậy tất cả các chất lỏng, 
khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn 
học. Dựa theo cấu trúc - tí nh chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm 
vật liệu chí nh (hình 0.1) như sau: 
 Hình 0.1. Sơ đồ minh 
họa các nhóm vật liệu và quan 
hệ giữa chúng: 
 1. bán dẫn, 
 2. siêu dẫn, 
 3. silicon, 
 4. polyme dẫn điện 
 Vật liệu kim loại. Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của các 
nguyên tố kim loại, trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyên tử 
nào. Các tí nh chất điển hình của vật liệu kim loại là: 
 - đắt và khá đắt, 
- dẫn nhiệt, dẫn điện cao, 
- có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo, dễ 
biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), 
- có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học. 
 - trừ nhôm ra các kim loại thông dụng như sắt, đồng... đều khá nặng, 
 - nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu 
cầu đa dạng của kỹ thuật. 
 8 
Ceramic (vật liệu vô cơ). Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa 
kim loại, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, 
thủy tinh. Các tí nh chất điển hình của vật liệu vô cơ - ceramic là: 
- rẻ và khá rẻ, 
- khá nặng, 
- dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện), 
- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật 
liệu hữu cơ. 
Polyme (vật liệu hữu cơ). Vật liệu này phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà 
thành phần hóa học chủ yếu là cacbon, hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân 
tử . Các tí nh chất điển hình của vật liệu hữu cơ - polyme là: 
- rẻ và khá rẻ, 
- dẫn nhiệt, dẫn điện kém, 
- khối lượng riêng nhỏ, 
- nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao, 
- bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy, 
phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp. 
Compozit. Vật liệu này được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả ba 
loại vật liệu kể trên, mang hầu như các đặc tí nh tốt của các vật liệu thành phần. 
Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén 
cao (như bêtông). Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, 
kim loại - ceramic, polyme - ceramic với những tí nh chất mới lạ, rất hấp dẫn. 
 Ngoài ra có những nhóm phụ khó ghép vào một trong bốn loại trên: 
- bán dẫn, siêu 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 gần với ceramic hơn). 
- silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật 
liệu hữu cơ hơn. 
0.2. Vai trò của vật liệu 
Muốn thực hiện được các giá trị vật chất đều phải thông qua sử dụng vật 
liệu cụ thể, như muốn tạo nên máy móc, ôtô, năng lượng... phải có kim loại và hợp 
kim, thiết bị, đồ dùng điện tử phải có chất bán dẫn, xây dựng nhà cửa, công trình 
phải có ximăng và thép, các đồ dùng hàng ngày thường là chất dẻo, máy bay và xe 
đua rất cần compozit, tượng đài thường làm bằng hợp kim đồng - thiếc (bronze)... 
Sự phát triển của x∙ hội loài người gắn liền với sự phát triển của công cụ sản 
xuất và kỹ thuật mà cả hai điều này cũng được quyết định một phần lớn nhờ vật 
liệu. X∙ hội loài người phát triển qua các thời kỳ khác nhau gắn liền với vật liệu để 
chế tạo công cụ. ở thời tiền sử con người chỉ biết dùng các công cụ làm bằng các 
vật liệu có sẵn trong thiên nhiên: gỗ, đá nên năng suất lao động rất thấp, không tạo 
được giá trị thặng dư. Sau khi người ta biết dùng các công cụ bằng các vật liệu qua 
chế biến: đồng (đúng ra là hợp kim đồng) và đặc biệt là sắt (đúng ra là thép) với 
các đặc tí nh cơ học tốt hơn hẳn: cứng hơn, bền hơn mà vẫn dẻo dai nên không 
những tạo ra năng suất lao động cao hơn lại có tuổi thọ dài hơn, do vậy đ∙ tạo nên 
được các đột biến về phát triển trong khoảng 2000 năm đặc biệt trong 100 ữ 200 
năm gần đây (cần nhớ là tuy không có phân định rạch ròi song hiện nay x∙ hội loài 
 9 
người vẫn còn ở thời kỳ đồ sắt). Năng lượng đang đóng vai trò quyết định trong sự 
phát triển tiếp theo của loài người, kỹ thuật siêu dẫn một khi thành hiện thực sẽ tạo 
nên bước ngoặt mới, song kỹ thuật này chỉ có được nếu tìm được vật liệu siêu dẫn 
ở nhiệt độ đủ cao để có thể áp dụng trong thực tế. Có thể tìm thấy rất nhiều ví dụ 
khác về vai trò của vật liệu trong đời sống cũng như trong kỹ thuật. 
Cho đến nay vật liệu kim loại thực sự đ∙ có vai trò quyết định trong tiến hóa 
của loài người. Kim loại và hợp kim đang chiếm vị trí chủ đạo trong chế tạo công 
cụ và máy móc thường dùng: công cụ cầm tay, dụng cụ, máy công cụ, máy móc 
nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, vận tải đường sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn 
điện, nhiệt... và trong sản xuất vũ khí , đạn dược. Như vậy hiện nay vật liệu kim 
loại vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí , giao thông vận tải, 
năng lượng, xây dựng và quốc phòng. 
Chất dẻo - polyme từ giữa thế kỷ này đ∙ trở thành nhóm vật liệu mới, hiện 
đang đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời 
sống hàng ngày cũng như trong thiết bị, máy móc. 
Vật liệu vô cơ - ceramic có lịch sử lâu đời hơn cả (từ thời kỳ đồ đá). Trong 
quá trình phát triển, vật liệu này cũng được phổ biến một cách rộng r∙i trong xây 
dựng và đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ (chum, vại, bát, đĩa...) đến ximăng - 
bêtông, thủy tinh, vật liệu chịu lửa cho đến các ceramic kết cấu hiện đại và thủy 
tinh siêu sạch làm cáp quang. 
Vật liệu kết hợp (compozit) được phát triển rất mạnh trong những năm gần 
đây, đáp ứng được các yêu cầu rất cao của chế tạo máy mà ba loại vật liệu kia 
không có được như rất nhẹ lại rất bền. Chắc chắn sự phát triển mạnh mẽ của loại 
vật liệu này sẽ tạo ra những thay đổi quan trọng cho ngành cơ khí . 
0.3. Đối tượng của vật liệu học cho ngành cơ khí 
 Máy móc được cấu tạo từ nhiều chi tiết đòi hỏi các tí nh chất có khi rất khác 
nhau và điều quan trọng đối với kỹ sư cơ khí là phải biết chọn đúng vật liệu cũng 
như phương pháp gia công để thỏa m∙n cao nhất điều kiện làm việc với giá thành 
thấp nhất. Môn học giúp í ch cho những kỹ sư cơ khí tương lai làm được việc đó. 
Vật liệu học trình bày trong sách này tuy có định hướng phục vụ riêng cho 
ngành cơ khí nói chung, đặc biệt cho hai ngành đào tạo then chốt là chế tạo máy 
và ôtô, song cũng bao quát được những nội dung quan trọng nhất của vật liệu học; 
hơn nữa lại là những kiến thức cơ bản không những có í ch trong công việc kỹ 
thuật mà cả khi xử lý vật liệu trong đời sống hàng ngày. 
Quan hệ tổ chức - tí nh chất hay sự phụ thuộc của tí nh chất của vật liệu 
vào cấu trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học. 
Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong. Khái niệm 
về tổ chức vật liệu bao gồm cả tổ chức vĩ mô và vi mô. 
Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp 
xếp của các phần tử lớn với kí ch thước quan sát được bằng mắt thường (tới giới 
hạn khoảng 0,3mm) hoặc bằng kí nh lúp (0,01mm). 
 Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được 
bằng mắt hay lúp. Nó bao gồm: 
- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên 
tử hay phân tử với kí ch thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp 
 10 
đỡ của kí nh hiển vi quang học hay kí nh hiển vi điện tử . Thường gặp hơn cả là tổ 
chức tế vi quang học cho phép phân ly được tới giới hạn cỡ 0,15àm. Trong nghiên 
cứu cũng thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly được tới giới hạn nhỏ 
hơn, cỡ chục nanômet (10nm). 
Cơ tí nh của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức, tức không những vào 
thành phần hóa học mà cả vào các nhóm nguyên tử , phân tử kể trên mà ta gọi là 
pha theo số lượng, hình dạng, kí ch thước và sự phân bố của chúng. Trong thực tế 
người ta thường xuyên sử dụng phương pháp phân tí ch tổ chức tế vi quang học 
mà trong các tài liệu kỹ thuật chỉ được gọi đơn giản là tổ chức tế vi. 
- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử 
trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể. Để làm được việc này 
phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ tia rơngen cũng như một số kỹ thuật khác, 
điều này chỉ thực sự cần thiết khi nghiên cứu các vật liệu mới. 
Tí nh chất bao gồm các tí nh chất: cơ học (cơ tí nh), vật lý (lý tí nh), hóa 
học (hóa tí nh), công nghệ và sử dụng. 
Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt là vật liệu cơ khí , cơ tí nh có ý nghĩa 
quan trọng hàng đầu. Vì thế trong giáo trình này mối quan hệ tổ chức - cơ tí nh 
được khảo sát khá kỹ ... . 
158 
158 
 Thời gian. ở nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian cũng giúp nâng cao chiều 
sâu lớp thấm song với hiệu quả không mạnh như tăng nhiệt độ vì chiều sâu lớp 
thấm x phụ thuộc vào thời gian t theo quan hệ tkx = (k - hệ số, t - thời gian) 
như biểu thị ở hình 4.22b. Vậy khác với nhiệt độ, càng kéo dài thời gian mức độ 
tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm đi. Do vậy kéo dài thời gian là biện pháp kém 
hiệu quả. 
 Sau đây chỉ trình bày các phương pháp hóa - nhiệt luyện thông dụng nhất. 
 b. Thấm cacbon 
 Thấm cacbon là phương pháp hóa - nhiệt luyện phổ biến nhất, dễ thực hiện 
nhất, thường gặp nhất ở nước ta và các nước công nghiệp. 
 Định nghĩa và mục đích - Yêu cầu đối với lớp thấm 
 Thấm cacbon là phương pháp hóa - nhiệt luyện bao gồm làm b∙o hòa 
(thấm, khuếch tán) cacbon vào bề mặt của thép cacbon thấp (0,10 ữ 0,25%) rồi 
tiếp theo tôi và ram thấp làm bề mặt có độ cứng, tính chống mài mòn cao (do 
lượng cacbon cao), còn lõi có độ bền tốt và dẻo dai (do lượng cacbon thấp như cũ). 
Tỉ mỉ về thép thấm cacbon được trình bày ở mục 5.3.2. 
 Mục đích chủ yếu của thấm cacbon là làm cho bề mặt của thép cứng tới 
HRC 60 ữ 64 với tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi bền, dẻo, dai với 
độ cứng HRC 30 ữ 40. Cần nhớ là chỉ đạt được cơ tính như vậy sau khi tôi + ram 
thấp, do vậy khi nói đến thấm cacbon là đ∙ có hàm ý bao gồm cả dạng nhiệt luyện 
này. 
 Để đạt được mục đích trên quá trình thấm cacbon phải đạt được các yêu 
cầu sau. 
 - Đối với bề mặt: có lượng cacbon trong khoảng 0,80 ữ 1,00% (nhỏ hơn 
không đủ cứng và chống mài mòn, nhiều hơn có thể gây giòn, tróc do quá nhiều 
XeII ở dạng lưới) để sau khi tôi + ram thấp có tổ chức mactenxit ram và cacbit nhỏ 
mịn, phân tán (không cho phép cacbit tích tụ lớn, ở dạng lưới) với độ cứng HRC 
cao hơn 60 (thường là 62 ữ 64). 
 - Đối với lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp 5 ữ 8) với tổ chức mactenxit hình kim 
nhỏ mịn, không có ferit tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 30 ữ 40. 
Nhiệt độ và thời gian 
 Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon là phải sao cho thép ở trạng thái 
hoàn toàn là austenit, vì như đ∙ thấy từ giản đồ pha Fe - C chỉ có pha này mới có 
khả năng hòa tan nhiều cacbon (tới 2,14%, trong khi đó ferit hầu như không có 
khả năng này). Vậy nhiệt độ thấm cacbon là cao hơn Ac3 của thép tức trong 
khoảng 900 ữ 950oC (A3 của thép 0,10%C khoảng 880
oC). Như đ∙ nói ở trên, thấm 
ở nhiệt độ càng cao càng chóng đạt chiều sâu lớp thấm quy định, do đó có khuynh 
hướng chọn nhiệt độ càng cao hơn 900oC càng tốt, song không thể quá cao vì sẽ 
làm cho hạt austenit lớn, làm thép giòn. Vì vậy có thể tiến hành thấm cacbon ở 
giới hạn nào trong khoảng quy định trên là tùy thuộc vào bản chất hạt của thép. 
 - Đối với thép bản chất hạt nhỏ (thép hợp kim chứa Ti) có thể thấm ở nhiệt 
độ cao tới 930 ữ 950oC mà vẫn giữ được hạt nhỏ (song không nên thấm ở quá 
950oC vì trong thời gian dài vẫn làm cho hạt lớn). Nâng cao nhiệt độ thấm như vậy 
rất có lợi vì sẽ rút ngắn được thời gian và đạt được các hiệu quả do điều này mang 
lại: hạt nhỏ, ít cong vênh, đơn giản hóa quá trình tôi. 
 - Đối với thép bản chất hạt lớn (thép cacbon và một số thép hợp kim 
159 
159 
thường) không nên thấm quá 930oC, tức chỉ nên ở 900 ữ 920oC. 
 Thời gian thấm (giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm) phụ thuộc vào hai yếu tố sau. 
 1) Chiều dày lớp thấm yêu cầu được quy định bởi điều kiện kỹ thuật và 
thường ở ba mức sau: 0,50 ữ 0,80, 0,90 ữ 1,20 và 1,50 ữ 1,80mm làm sao cho lớp 
thấm có chiều dày 0,10 ữ 0,15 đường kính hay chiều dày tiết diện. Riêng đối với 
bánh răng chiều dày lớp thấm x tính theo môđun m của răng, x/m ≈ 0,20 ữ 0,30, 
như sau: 
 m = 1,5, x = 0,50mm; m = 3,0, x = 0,80mm. 
Chiều sâu lớp thấm yêu cầu càng lớn, thời gian càng phải dài. 
 2) Tốc độ thấm (đúng hơn là tốc độ thấm trung bình). Đại lượng này lại 
phụ thuộc vào môi trường thấm và nhiệt độ. ở cùng một nhiệt độ, tốc độ thấm 
cacbon trong môi trường lỏng là cao nhất, sau đó đến khí, thấp nhất là ở thể rắn. 
 Nói chung thời gian thấm được tính cho lớp thấm trên dưới 1mm (là trường 
hợp thường gặp nhất) như sau: 
 + khi thấm thể rắn ở 900oC: cứ 0,10mm chiều sâu cần 1h nung nóng và giữ 
nhiệt hay 0,15mm /1h giữ nhiệt, 
 + khi thấm thể khí ở 900oC: cứ 0,15mm chiều sâu cần 1h nung nóng và giữ 
nhiệt hay 0,20mm /1h giữ nhiệt; ở 930 ữ 950oC - 0,25 ữ 0,30mm /1h giữ nhiệt. 
 Chất thấm và quá trình xảy ra 
 Chất thấm thể rắn là loại thấm cổ xưa nhất, hiện còn được dùng nhiều ở 
nước ta. Chất thấm chủ yếu là than gỗ (có thể thay bằng mùn cưa) - 80 ữ 95% và 
lượng nhỏ các muối cacbonat (Na2CO3, BaCO3...) hoặc các muối khác có tác dụng 
xúc tác, làm nhanh quá trình thấm. Sau khi trộn đều, hỗn hợp được cho vào hộp 
cùng với chi tiết, lèn chặt, đậy kín rồi đem nung đến nhiệt độ thấm, sẽ có các quá 
trình sau. 
- Than gỗ (mùn cưa) cháy trong điều kiện thiếu ôxy sẽ tạo nên ôxyt cacbon 
 2C + O2 → 2CO 
 - Khí CO khi gặp bề mặt thép lại bị phân tích 
 2CO → CO2 + Cng.tử 
- Cacbon nguyên tử vừa mới tạo thành có tính hoạt cao, bị hấp thụ rồi 
khuếch tán vào bề mặt thép ở dạng dung dịch rắn xen kẽ trong Feγ, tức austenit với 
nồng độ cacbon tăng dần theo thời gian và đạt đến giới hạn b∙o hòa (đường SE ở 
các nhiệt độ tương ứng) 
 Cng.tử + Feγ (C) -→ Feγ (C)0,1→0,8→(1,2 ữ 1,3) 
và hình thành nên lớp thấm có chiều sâu nhất định: ngoài cùng cacbon cao nhất và 
giảm dần vào lõi. 
 - Các muối chỉ đóng vai trò xúc tác: bị phân hóa tạo ra CO2, CO2 kết hợp 
với cacbon của than thành CO, rồi pha khí này lại bị phân hóa thành cacbon 
nguyên tử như đ∙ trình bày... 
 Đặc điểm của thấm cacbon thể rắn là: 
 + Thời gian dài (do phải nung cả hộp than có tỷ nhiệt lớn), điều kiện lao 
động xấu (bụi than), khó cơ khí hóa. 
 + Chất lượng không cao hay khó bảo đảm tốt, do thời gian dài hạt dễ bị lớn 
và do nồng độ cacbon ở bề mặt quá cao, thường đạt tới giới hạn b∙o hòa ở nhiệt độ 
thấm, 1,2 ữ 1,3%, khi làm nguội dễ tạo nên lưới XeII, gây giòn, dễ tróc. 
 + Đơn giản, dễ tiến hành. 
160 
160 
 Thấm ở thể khí là phương pháp thấm hiện đại, được sử dụng rộng r∙i trong 
sản xuất cơ khí. Như đ∙ thấy ở trên, tuy thấm cacbon ở thể rắn song quá trình xảy 
ra lại thông qua pha khí, nên có thể dùng trực tiếp các khí có khả năng sinh ra 
cacbon nguyên tử như CO, CH4 để thấm. Trong thực tế người ta chế tạo khí thấm 
cacbon từ khí đốt thiên nhiên mà thành phần chủ yếu của nó là mêtan CH4 có tác 
dụng thấm rất mạnh. Muốn thấm được, tỷ lệ CH4 trong hỗn hợp chỉ cần 3 ữ 5% 
(trong khi đó CO phải hơn 95%). Quá trình xảy ra theo phản ứng 
 CH4 → 2H2 + Cng.tử 
 Vì thế người ta phải pha lo∙ng và pha chế khí thiên nhiên sao cho có nồng 
độ thích hợp (tạo ra lượng cacbon nguyên tử vừa đủ) để tạo nên lớp thấm có 0,80 ữ 
1,00% theo yêu cầu. Đó là ưu điểm nổi bật của dạng thấm cacbon này. 
 Trong sản xuất hàng loạt lớn, thấm cacbon thể khí được tiến hành trong các 
lò băng tải có phân các vùng nhiệt độ và khí thấm theo yêu cầu để sau khi đi hết 
chiều dài lò chi tiết được lần lượt nung nóng, thấm cacbon, tôi, ram, làm sạch. Nhờ 
vậy giảm nhẹ điều kiện làm việc do quá trình được cơ khí hóa, tự động hóa. Khi 
không có khí thiên nhiên người ta có thể dùng lò chu kì với nhỏ giọt dầu hỏa hay 
cồn trong sản xuất hàng loạt thường. ở nhiệt độ cao các chất này bị nhiệt phân và 
tạo nên các hyđrôcacbon, chúng cũng có tác dụng thấm tuy yếu hơn mêtan. Với 
cách cung cấp chất thấm thích hợp (mạnh trong thời gian đầu, giảm đi sau đó) vừa 
tăng được năng suất thấm vừa bảo đảm bề mặt thấm không bị quá b∙o hòa cacbon. 
Thấm ở thể lỏng ít dùng do năng suất thấp, chỉ áp dụng được cho chi tiết bé, điều 
kiện lao động xấu. 
 Nhiệt luyện sau khi thấm 
 Như đ∙ thấy sự khuếch tán cacbon kể trên chỉ là tạo nên sự phân bố cacbon 
hợp lý trên tiết diện, tạo điều kiện để tôi tiếp theo đạt được yêu cầu: bề mặt cứng 
(nhờ cacbon cao), lõi bền, dai (nhờ cacbon thấp). Vì vậy sau khi thấm cacbon, thép 
bắt buộc phải qua tôi + ram thấp hay nói khác đi quá trình thấm cacbon phải bao 
gồm cả hai nguyên công này. 
 Công dụng 
 Thấm cacbon cũng cho cơ tính và công dụng như tôi bề mặt: bề mặt cứng, 
lõi dẻo, dai, song ở mức độ cao hơn (HRC 60 ữ 64 so với 52 ữ 58 ở bề mặt, HRC 
30 ữ 40 so với 15 ữ 40 ở lõi (HRC 30 ữ 40 khi lõi được hóa tốt, HRC 15 ữ 30 khi 
lõi ở trạng thái ủ hay thường hóa) do đó nó bảo đảm tính chống mài mòn và chịu 
tải tốt hơn. Ngoài ra cũng như tôi bề mặt nó cũng tạo nên lớp ứng suất nén dư nên 
cũng làm tăng giới hạn mỏi. Chính vì vậy thấm cacbon thường được áp dụng cho 
chi tiết làm việc trong điều kiện nặng hơn. Ví dụ cùng là bánh răng hộp số song ở 
ôtô phải qua thấm cacbon, ở máy cắt chỉ cần qua tôi bề mặt. Ngoài ra thấm cacbon 
có thể được áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp, không đều đặn mà vẫn cho 
lớp thấm đều, đây là điểm ưu việt hơn so với tôi bề mặt. Những chỗ không cho 
phép thấm phải được ngăn bằng cách mạ đồng hoặc phết đất sét. Tuy có ưu việt 
hơn về mặt cơ tính song thấm cacbon có giá thành đắt hơn do tốn nhiệt, thời gian 
dài, năng suất thấp hơn. Sự cân nhắc giữa hai mặt đó sẽ cho phép chọn công nghệ 
nào hợp lý hơn với từng chi tiết cụ thể. 
c. Thấm nitơ 
 Định nghĩa và mục đích 
 Thấm nitơ là phương pháp hóa - nhiệt luyện làm b∙o hòa (thấm, khuếch 
tán) nitơ vào bề mặt thép nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng và tính 
161 
161 
chống mài mòn (HRC 65 ữ 70 hơn hẳn thấm cacbon). 
 Tổ chức của lớp thấm 
Hình 4.22. Giản đồ pha Fe - N 
Độ cứng cao của lớp thấm nitơ là bản chất tự nhiên của nó, không phải qua 
nhiệt luyện tiếp theo như khi thấm cacbon. Người ta thường thấm nitơ trong dòng 
khí NH3 (amôniac) có nhiệt độ trong khoảng 480 ữ 650
oC, lúc đó nó bị phân hóa 
mạnh nhất theo phản ứng 
2 NH3 → 3H2 + 2Nng.tử 
nitơ nguyên tử mới tạo thành có tính hoạt cao bị hấp thụ rồi khuếch tán vào thép. 
Cơ sở để xác định tổ chức lớp thấm nitơ vào thép là giản đồ pha Fe - N (hình 4.22). 
Lớp thấm giàu nitơ, nếu tính từ ngoài vào sẽ có các pha sau: 
 ε - dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽ Fe2N, 
 γ‘ - dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽ Fe4N, 
 α - ferit nitơ (hay dung dịch rắn của nitơ trong Feα). 
 Như vậy lớp thấm gồm bởi các nitrit - pha xen kẽ với độ cứng rất cao, rất 
phân tán, nhờ vậy lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mòn rất cao. 
 Đặc điểm của thấm nitơ 
 - Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấp sự khuếch tán khó khăn nên thời gian 
dài mà lớp thấm vẫn mỏng. Ví dụ: thấm ở 520oC trong 24h đạt 0,25 ữ 0,30mm, 
trong 48h đạt 0,40mm. 
 - Sau khi thấm không tiến hành tôi và mài. 
 - Thép dùng để thấm thường là thép hợp kim chuyên dùng. Nếu dùng thép 
cacbon lớp thấm có nitrit sắt, pha này tuy cứng nhưng giòn nên thường dùng thép 
hợp kim hóa bằng crôm, môlipđen và nhôm vì các nitrit của chúng cứng hơn và ít 
giòn hơn. Trước khi thấm nitơ thép được đem tôi + ram trước để định hình cơ tính 
cho lõi, trong đó nhiệt độ ram phải cao hơn nhiệt độ thấm nitơ để quá trình thấm 
tiếp theo không giảm độ bền lõi. Tỉ mỉ về thép này được trình bày ở mục 5.3.3g. 
 - Lớp thấm cứng hơn và độ cứng rất cao này giữ được ở ngay cả khi làm 
việc ở trên 500oC vì theo giản đồ pha Fe - N tổ chức lớp thấm không thay đổi ở các 
nhiệt độ thấp hơn 591oC, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon bị giảm 
mạnh khi nhiệt độ vượt quá 200oC do mactenxit bị phân hóa khi ram. 
 Công dụng 
 Thấm nitơ được áp dụng chủ yếu cho những chi tiết cần độ cứng và tính 
chống mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao hơn 500oC, song chịu tải trọng 
162 
162 
không lớn (do lớp thấm mỏng) như một số trục, bánh răng, sơmi trong máy bay, 
dụng cụ cắt, dụng cụ đo. 
d. Thấm cacbon - nitơ 
 Định nghĩa và mục đích 
 Thấm cacbon - nitơ là phương pháp hóa - nhiệt luyện làm b∙o hòa (thấm, 
khuếch tán) đồng thời cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính 
chống mài mòn (về mặt này nó nằm trung gian giữa thấm cacbon và thấm nitơ). 
Như vậy nó cũng nhằm mục đích như hai phương pháp hóa - nhiệt luyện trên song 
tốt hơn thấm cacbon. Đặc điểm của thấm cacbon - nitơ là tùy thuộc vào tỷ lệ giữa 
cacbon và nitơ trong lớp thấm mà quá trình có thể gần với một trong hai dạng 
thấm trên hơn. 
 - Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao, trên dưới 850oC, sự khuếch tán của 
cacbon mạnh, lớp thấm chủ yếu là cacbon (ít nitơ), do đó có tính chất gần với thấm 
cacbon hơn song tốt hơn thấm cacbon. 
 - Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp, trên dưới 560oC, sự khuếch tán của 
cacbon yếu, lớp thấm chủ yếu là nitơ, do đó tính chất gần với thấm nitơ hơn song 
kém hơn thấm nitơ đôi chút. 
 Thấm cabon - nitơ ở nhiệt độ cao 
 Dạng thấm này ưu việt hơn và có xu hướng thay thế cho thấm cacbon. 
 Khi thấm ở thể khí, người ta dùng công nghệ thấm cacbon ở thể khí chỉ với 
các thay đổi nhỏ là: hỗn hợp thấm có thêm 5 ữ 10%NH3, thấm ở nhiệt độ 840 ữ 
860oC, do vậy rất thuận lợi cho đổi mới công nghệ với các ưu việt (so với thấm 
cacbon): 
 - Trong lớp thấm có pha cacbon - nitrit Fe3(C,N) rất cứng (cứng hơn cacbit, 
xêmentit) và phân tán nên làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn. Tuy độ cứng 
không khác thấm cacbon (HRC 60 ữ 65) nhưng thời hạn làm việc (tuổi bền) kéo 
dài thêm 50 đến 100%. 
 - Do chống mài mòn tăng lên mạnh, lớp thấm có thể mỏng hơn lớp thấm 
cacbon khoảng 20 ữ 30%. Ví dụ bánh răng khi thấm cacbon sâu 0,90 ữ 1,20mm, 
khi thấm cacbon - nitơ chỉ cần 0,50 ữ 0,80mm. Nhờ vậy thời gian thấm sẽ ngắn lại.
 - Do nhiệt độ và thời gian thấm đều giảm nên độ biến dạng chi tiết là 
không đáng kể, ngoài ra còn tăng được tuổi thọ của lò. 
 Khi thấm ở thể lỏng, người ta dùng chủ yếu các muối trong đó có gốc CN 
(gọi là muối xyanua) hay CNO ở dạng nóng chảy, ở nhiệt độ cao (820 ữ 860oC) 
chúng ôxy hóa, phân hủy để tạo ra cacbon và nitơ nguyên tử bị hấp thụ và khuếch 
tán vào bề mặt thép tạo nên lớp thấm. Nhược điểm quan trọng nhất của cách thấm 
này là phải dùng các muối độc nên bị hạn chế sử dụng. Sau khi thấm cacbon - nitơ 
ở nhiệt độ cao, thép phải qua tôi + ram thấp như thấm cacbon nhưng với quy trình 
đơn giản hơn nhiều. 
 Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp 
 Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp thường được tiến hành ở thể lỏng. Cách 
thấm cổ điển là dùng muối xyanua nóng chảy ở 540 ữ 560oC. ở nhiệt độ này nó bị 
ôxy hóa, phân hủy và tạo ra các nguyên tử hoạt thấm vào bề mặt thép. Do nhiệt độ 
thấp lớp thấm chủ yếu chứa nitơ nên tiếp theo không tiến hành tôi + ram thấp. 
Cũng giống như trên, do dùng muối xyanua với nồng độ cao hơn nên rất độc hại 
nên hiện nay không được chấp nhận. 
163 
163 
 Trong mấy chục năm qua người ta đ∙ tìm được phương pháp thấm cacbon - 
nitơ với dùng các muối không độc và đ∙ làm cho cách thấm này có bước phát triển 
mới quan trọng. Đó là phương pháp Tenifer (từ các từ tenax - làm bền, nitrur - 
thấm nitơ, ferrum - sắt). Người ta áp dụng dạng nhiệt luyện này cho các chi tiết 
ôtô (trục khuỷu, bánh răng), khuôn dập, khuôn ép chảy. 
 Cuối cùng cần nhấn mạnh là các phương pháp hóa bền bề mặt kể trên 
ngoài hiệu quả thấy rõ là nâng cao tính chống mài mòn thông qua biểu hiện về độ 
cứng, còn tạo nên được lớp ứng suất nén dư trên bề mặt với giá trị bằng khoảng vài 
trăm MPa, do đó nâng cao độ bền mỏi. 

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_vat_lieu_hoc_chuong_1_cau_truc_tinh_the_va_su_hin.pdf