Bài gi ng K thu t Đ i c ng –PGS.TS. Lê Bá S nả ỹ ậ ạ ươ ơ
CH NG I ƯƠ KHOA H C V T LI U Ọ Ậ Ệ
Khoa h c v t li uọ ậ ệ là m t ộkhoa h cọ liên ngành nghiên c u v m i quanứ ề ố
h gi a ệ ữ thành ph nầ, c u trúcấ, các công ngh ch t o, x lý và tính ch t c aệ ế ạ ử ấ ủ
các v t li uậ ệ . Các ngành khoa h c tham gia vào vi c nghiên c u ch y u làọ ệ ứ ủ ế
v t lýậ, hóa h cọ, toán h cọ. Thông th ng đ i t ng nghiên c u là v t li u ườ ố ượ ứ ậ ệ ở
th r nể ắ , sau đó m i đ n ớ ế th l ngể ỏ , th khíể. Các tính ch t đ c nghiên c u làấ ượ ứ
c u trúcấ, tính ch t đi nấ ệ , từ, nhi tệ, quang, cơ, ho c t h p c a các tính ch tặ ổ ợ ủ ấ
đó v i m c đích là t o ra các v t li u đ th a mãn các nhu c u trong ớ ụ ạ ậ ệ ể ỏ ầ kỹ
thu tậ.
Nghiên c u v t li u t o ra vô vàn ng d ng trong đ i s ng chính vìứ ậ ệ ạ ứ ụ ờ ố
th mà các ngành ếkhoa h c v t li uọ ậ ệ , công ngh v t li uệ ậ ệ ngày càng tr nênở
ph bi n và phát tri n r ng rãi.ổ ế ể ộ
Phân lo i v t li uạ ậ ệ
V t li u là đ i t ng c a ngành khoa h c v t li u g m r t nhi u lo iậ ệ ố ượ ủ ọ ậ ệ ồ ấ ề ạ
khác nhau v b n ch t v t li u, v c u trúc v t li u, v các tính ch t,...ề ả ấ ậ ệ ề ấ ậ ệ ề ấ
Thông th ng, n u phân chia theo b n ch t v t li u thì chúng ta có cácườ ế ả ấ ậ ệ
lo i sau:ạ
•V t li u kim lo iậ ệ ạ
•V t li u cao phân tậ ệ ử ( Polime)
•V t li u g mậ ệ ố
•V t li u compositeậ ệ
•V t li u xi măngậ ệ
•V t li u ậ ệ sơn
Trong ch ng này chúng ta s nghiên c u các lo i v t li u : kim lo i , caoươ ẽ ứ ạ ậ ệ ạ
phân t , g m, composite, s n . ử ố ơ
1.1.V T LI U KIM LO IẬ Ệ Ạ
1.1.1. Khái ni m chung ệ
Kim lo i ạcó c u trúc tinh thấ ể. Nút m ng là các ion d ng, còn các đi nạ ươ ệ
chuy n đ ng t do trong kho ng không gian m ng.ể ộ ự ả ạ Chính vì có c u trúc nàyấ
mà kim lo i có các tính ch t quý báu nh : c ng đ l n, đ d o và đạ ấ ư ườ ộ ớ ộ ẻ ộ
ch ng m i cao, d n đi n, d n nhi t, d gia công. ố ỏ ẫ ệ ẫ ệ ễ Nh đó mà kim lo i đ cờ ạ ượ
s d ng r ng rãi trong các ngành kĩ thu t khác nhau. ử ụ ộ ậ
d ng nguyên ch t, do c ng đ và đ c ng th p, đ d o cao, kimỞ ạ ấ ườ ộ ộ ứ ấ ộ ẻ
lo i có ph m vi s d ng r t h n chạ ạ ử ụ ấ ạ ế. Chúng đ c s d ng ch y u d ngượ ử ụ ủ ế ở ạ
1
Bài gi ng K thu t Đ i c ng –PGS.TS. Lê Bá S nả ỹ ậ ạ ươ ơ
h p kim v i kim lo i và á kim khác, thí d nh cacbon. ợ ớ ạ ụ ư S t và h p kim c aắ ợ ủ
nó (thép và gang) g i là kim lo i đen;ọ ạ nh ng kim lo i còn l i (Be, Mg, Al, Ti,ữ ạ ạ
Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v...) và h p kim c a chúng g i là kim lo i màu.ợ ủ ọ ạ
Kim lo i đen đ c s d ng trong xây d ng nhi u h n c , giá kim lo iạ ượ ử ụ ự ề ơ ả ạ
đen th p h n kim lo i màu. Kim lo i màu l i có nhi u tính ch t có giá tr :ấ ơ ạ ạ ạ ề ấ ị
c ng đ , đ d o, kh năng ch ng ăn mòn, tính trang trí cao. Nh ng đi uườ ộ ộ ẻ ả ố ữ ề
đó đã m r ng ph m vi s d ng kim lo i màu trong xây d ng, ph bi n làở ộ ạ ử ụ ạ ự ổ ế
các chi ti t ki n trúc và các k t c u nhôm. ế ế ế ấ
Nguyên li u đ ch t o kim lo i đen là qu ng s t, mangan, crôm, màệ ể ế ạ ạ ặ ắ
các khoáng đ i di n cho chúng là nhóm các oxit: macnetit (Feạ ệ 3O4), qu ng s tặ ắ
đ (Feỏ2O3), piroluzit (MnO2), crômit (FeCr2O4). Đ s n xu t kim lo i màuể ả ấ ạ
ng i ta s d ng boxit ch a các hidroxit: hidracgilit (Al(OH)ườ ử ụ ứ 3, diasno
(HAlO2); các lo i qu ng sunfua và cacbonat đ ng, niken, chì v.v... v i cácạ ặ ồ ớ
khoáng đ i di n là chancopirit (CuFeSạ ệ 2), sfalêit (ZnS), xeruxit (PbCO3),
magiezit ( MgCO3) v.v...
1.1.2. Tính ch t v t lý ch y u c a kim lo i ấ ậ ủ ế ủ ạ
1.1.2.1. Tính d n đi n ẫ ệ
Kim lo i là ch t có ch a nhi u các electron t do v i đ linh đ ng cao,ạ ấ ứ ề ự ớ ộ ộ
d dàng chuy n đ ng theo h ng tác d ng c a đi n tr ng bên ngoài vàễ ể ộ ướ ụ ủ ệ ườ
đ chênh l ch nhi t đ vì th kim lo i d n đi n và d n nhi t t t so v iộ ệ ệ ộ ế ạ ẫ ệ ẫ ệ ố ớ
các lo i v t li u khác.ạ ậ ệ V i các kim lo i khác nhau thì đ d n đi n c a cácớ ạ ộ ẫ ệ ủ
kim lo i cũng khác nhau và nh v y đi n tr su t c a kim lo i cũng khácạ ư ậ ệ ở ấ ủ ạ
nhau. Đi n tr c a kim lo i ph thu c và hình dáng kích th c, b n ch tệ ở ủ ạ ụ ộ ướ ả ấ
và tr ng thái c a kim lo i. V i dây d n hình tr chi u dài l và ti t di n sạ ủ ạ ớ ẫ ụ ề ế ệ
thì :
s
l
R
ρ
=
;
σ
ρ
1
=
ρ,σ là đi n tr su t và đ d n đi n c a kim lo i .ệ ở ấ ộ ẫ ệ ủ ạ
Đi n tr c a kim lo i cũng ph thu c vào nhi t đ :ệ ở ủ ạ ụ ộ ệ ộ
)1(
0tRR
α
+=
α
là h s nhi t đi n tr ;ệ ố ệ ệ ở
0
R
là đi n tr kim lo i t = 0ệ ở ạ ở 0C
1.1.2.2. Tính d n nhi t ẫ ệ
Kim lo i cũng là ch t d n nhi t t t. ạ ấ ẫ ệ ố Tính ch t này đã đ c con ng iấ ượ ườ
s d ng làm các d ng c gia đình nh n i niêu soong ch o.ử ụ ụ ụ ư ồ ả
H s truy n nhi t ệ ố ề ệ
λ
kim loai c a kim lo i khá l n ủ ạ ớ so v i ch t l ng và ch tớ ấ ỏ ấ
khí.
λ
kim loai = 5- 400 còn
λ
khi và
λ
l ngỏ kho ng 0,005 đ n 0,8 (kcal/m.h.ả ế 0C )[1]
2
Bài gi ng K thu t Đ i c ng –PGS.TS. Lê Bá S nả ỹ ậ ạ ươ ơ
H u h t các kim lo i có tính d n đi n t t cũng d n nhi t t t.ầ ế ạ ẫ ệ ố ẫ ệ ố
1.1.2.3. Tính bi n d ng ế ạ
Kim lo i có c u trúc tinh th .ạ ấ ể Các Ion d ng các nút m ng còn cácươ ở ạ
đi n t t do chuy n đ ng trong kho ng không gian gi a các nút m ng. Doệ ử ự ể ộ ả ữ ạ
có c u trú nh v y các Ion có th xê d ch d i tác d ng c a ngo i l cấ ư ậ ể ị ướ ụ ủ ạ ự : kim
lo i có tính d o cao, d b bi n d ng. ạ ẻ ễ ị ế ạ
Khi kim lo i ch u tácạ ị
d ng c a t i tr ng s có 3ụ ủ ả ọ ẽ
giai đo n bi n d ng: bi nạ ế ạ ế
d ng đàn h i, bi n d ng d oạ ồ ế ạ ẻ
và phá hu . Quan h gi aỷ ệ ữ
bi n d ng (ế ạ Δl) và t i tr ngả ọ
(P) đ c gi i thi u trên hìnhượ ớ ệ
1-1.
Bi n d ng đàn h iế ạ ồ có
quan h ệΔl và P là b c nh tậ ấ
(vùng I).
Bi n d ng d oế ạ ẻ là bi nế
d ng x y ra khi t i tr ngạ ả ả ọ
v t quá t i tr ng đàn h i,ượ ả ọ ồ
quan h ệΔl - P không còn là
b c nh t (vùng II). Nguyênậ ấ
nhân gây ra bi n d ng d o làế ạ ẻ
s tr t m ng tinh th . ự ượ ạ ể
Giai đo n phá ho i ạ ạ khi t i tr ng đã đ t t i giá tr c c đ i (Pả ọ ạ ớ ị ự ạ max), v t n tế ứ
xu t hi n và m u b phá ho i (vùng III) ấ ệ ẫ ị ạ
Bi n d ng d o là đ c tr ng quan tr ng c a kim lo i nói chung và v tế ạ ẻ ặ ư ọ ủ ạ ậ
li u thép nói riêng, nó làm kim lo i có th gia công c nhi t đ t o raệ ạ ể ơ ệ ể ạ
nh ng s n ph m v i nh ng tính ch t phù h p v i đi u ki n s d ng. ữ ả ẩ ớ ữ ấ ợ ớ ề ệ ử ụ
Đ c tr ng bi n d ng c a kim lo i ch u kéo là là đ giãn dài t ng đ i vàặ ư ế ạ ủ ạ ị ộ ươ ố
đ th t t ng đ i. ộ ắ ươ ố
Đ giãn dài t ng đ i ộ ươ ố ε là t s ph n trăm gi a đ giãn dài sau khi kéoỉ ố ầ ữ ộ
Δl và đ dài ban đ u lộ ầ o c a m u và đ c xác đ nh theo công th c: ủ ẫ ượ ị ứ
0
l
l
∆
=
ε
Đ th t t ng đ i ψ đ c xác đ nh theo công th c:ộ ắ ươ ố ượ ị ứ
0
0
S
SS
K
−
=Ψ
Trong đó: So và Sk là di n tích ti t di n ban đ u và khi có bi n d ng th tệ ế ệ ầ ế ạ ắ
(đ t). ứ
3
Bài gi ng K thu t Đ i c ng –PGS.TS. Lê Bá S nả ỹ ậ ạ ươ ơ
1.1.2.4. C ng đ ườ ộ
Khi thí nghi m kéo m u, c ng đ c a kim lo i đ c đ c tr ng b ngệ ẫ ườ ộ ủ ạ ượ ặ ư ằ
3 ch tiêu sau: ỉ
Gi i h n đàn h i ớ ạ ồ σp là ng su t l n nh t ng v i t i tr ng Pứ ấ ớ ấ ứ ớ ả ọ p mà bi nế
d ng d không v t quá 0,05% : ạ ư ượ
,
Gi i h n ch yớ ạ ả σc là ng su t khi kim lo i ch y (t i tr ng không đ i nh ngứ ấ ạ ả ả ọ ổ ư
chi u dài ti p t c tăng) ng v i bi n d ng d không v t quá 0,2%: ề ế ụ ứ ớ ế ạ ư ượ
0
S
P
c
c
=
σ
Gi i h n b nớ ạ ề σb là ng su t l n nh t ngay khi m u b phá ho i, đ c xácứ ấ ớ ấ ẫ ị ạ ượ
đ nh theo công th c sau: ị ứ
0
max
S
P
b
=
σ
Đ xác đ nh kh năng ch u bi n d ng d o c a kim lo i thép khi u nể ị ả ị ế ạ ẻ ủ ạ ố
ng i ta ti n hành th u n b ng cách u n thanh kim lo i xung quanh m tườ ế ử ố ằ ố ạ ộ
tr c u n có đ ng kính nh t đ nh, khi u n đ n m t góc u n theo qui đ nhụ ố ườ ấ ị ố ế ộ ố ị
thì ki m tra s xu t hi n v t n t. ể ự ấ ệ ế ứ
Đ c ng ộ ứ
Đo đ c ng là ph ng pháp đ n gi n nh t đ c dùng ph bi n. Cáchộ ứ ươ ơ ả ấ ượ ổ ế
xác đ nh nh sau: n m t v t li u c ng ( h u nh bi n d ng d o) b ngị ư ấ ộ ậ ệ ứ ầ ư ế ạ ẻ ằ
m t l c xác đ nh. Sau khi b l c tác d ng mũi đâm đ lai trên v t li u m tộ ự ị ỏ ự ụ ể ậ ệ ộ
v t lõm.V t lõm càng to càng sâu thì giá tr đ c ng càng th p. ế ế ị ộ ứ ấ
V y ậđ c ng đ c tr ng cho kh năng ch ng l i bi n d ng d o c aộ ứ ặ ư ả ố ạ ế ạ ẻ ủ
v t li u thông qua tác d ng c a mũi đâm. ậ ệ ụ ủ
Đ c ng có các đ c đi m:ộ ứ ặ ể
•Bi u th kh năng ch ng l i bi n d ng d o c a b m t chể ị ả ố ạ ế ạ ẻ ủ ề ặ ứ
không ph i toàn s n ph m n u v t li u có c u trúc không đ ngả ả ẩ ế ậ ệ ấ ồ
nh t gi a b m t và lõi.ấ ữ ề ặ
•Bi u th kh năng ch ng mài mòn c a v t li u, đ c ng càng caoể ị ả ố ủ ậ ệ ộ ứ
tính ch ng mài mòn càng t t. ố ố
•Có liên quan đ n gi i h n b n kéo và kh năng gia công c tế ớ ạ ề ả ắ
Đ c ng c a kim lo i th ng đ c đ c xác đ nh theo ph ng phápộ ứ ủ ạ ườ ượ ượ ị ươ
Brinen.
1.1.3. Các lo i thép thông th ngạ ườ
1.1.3.1. Thép các bon
Thành ph n hóa h c ầ ọ c a thép các bon g m ch y u là Fe và Củ ồ ủ ế , ngoài ra
còn ch a m t s nguyên t khác tùy theo đi u ki n luy n thép. ứ ộ ố ố ề ệ ệ
C < 2%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,5%; P, S ≤ 0,05%.
Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti r t ít (0,1 - 0,2%). ấ
4
Bài gi ng K thu t Đ i c ng –PGS.TS. Lê Bá S nả ỹ ậ ạ ươ ơ
Mn, Si là 2 nguyên t có tác d ng nâng cao c tính c a thép các bon. ố ụ ơ ủ P, S là
nh ng nguyên t làm gi m ch t l ng thép, nâng cao tính giòn ngu i trongữ ố ả ấ ượ ộ
thép, nh ng l i t o tính d g t cho thép. ư ạ ạ ễ ọ
1.1.3.2. Thép h p kim th p ợ ấ
Thành ph n hóa h c: ầ ọ Thép h p kim th p là lo i thép ngoài thành ph nợ ấ ạ ầ
Fe, C và t p ch t do ch t o còn có các nguyên t khác đ c cho vào v iạ ấ ế ạ ố ượ ớ
m t hàm l ng nh t đ nh đ thay đ i c u trúc và tính ch t c a thép, đó làộ ượ ấ ị ể ổ ấ ấ ủ
các nguyên t : Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Cu. ố
Trong thép h p kim th p t ng hàm l ng các nguyên t này ≤ 2,5%. ợ ấ ổ ượ ố
Theo tiêu chu n Vi t Nam (TCVN 1659:1975), thép h p kim đ c kýẩ ệ ợ ượ
hi u b ng h th ng ký hi u hóa h c, s t l ph n v n các bon và % cácệ ằ ệ ố ệ ọ ố ỷ ệ ầ ạ
nguyên t trong h p kim. ố ợ
Ví d : lo i thép ký hi u là 9Mn2 có 0,09% C và 2% Mn. ụ ạ ệ
Tính ch t c lý: ấ ơ Thép h p kim th p có c tính cao h n thép các bon,ợ ấ ơ ơ
ch u đ c nhi t đ cao h n và có nh ng tính ch t v t lý, hóa h c đ c bi tị ượ ệ ộ ơ ữ ấ ậ ọ ặ ệ
nh ch ng tác d ng ăn mòn c a môi tr ng. ư ố ụ ủ ườ
Thép h p kim th p th ng dùng đ ch t o các k t c u thép (dàn c u,ợ ấ ườ ể ế ạ ế ấ ầ
tháp khoan d u m , đ ng ng d n khí, v.v...), c t thép cho k t c u bê tôngầ ỏ ườ ố ẫ ố ế ấ
c t thép. ố
1.1.4. Gia công kim lo i ạ
(Bi n pháp thay đ i c u trúc và tính ch t c a thép)ệ ổ ấ ấ ủ
1.1.4.1.Gia công nhi t ệGia công nhi t g m các ph ng pháp , th ng hoá,ệ ồ ươ ủ ườ
tôi và ram.
và th ng hoáỦ ườ là nh m gi mằ ả đ c ng c a thép (làm m m), tăng độ ứ ủ ề ộ
d o đ d p, cán, kéo ngu i, làm đ ng đ u trên ti t di n thép chu n b choẻ ể ậ ộ ồ ề ế ệ ẩ ị
công tác gia công nhi t cu i cùng. ệ ố
Ủ là nung nóng thép đ n nhi t đ nh t đ nh, gi nhi t đ đó m tế ệ ộ ấ ị ữ ở ệ ộ ộ
th i gian, r i làm ngu i. Thép sau khi có đ b n và đ c ng gi m, đ d oờ ồ ộ ủ ộ ề ộ ứ ả ộ ẻ
và đ dai cao. ộ
Th ng ườ hoá là ph ng pháp nung nóng thép lên đ n nhi t đ cao h nươ ế ệ ộ ơ
nhi t đ , gi nhi t r i sau đó làm ngu i trong không khí, nh đó thép cóệ ộ ủ ữ ệ ồ ộ ờ
đ b n, đ c ng cao h n đôi chút so v i tr ng thái . ộ ề ộ ứ ơ ớ ạ ủ
Tôi thép là nung nóng thép lên quá nhi t đ t i h n r i gi nhi t m tệ ộ ớ ạ ồ ữ ệ ộ
th i gian, sau đó làm ngu i đ t ng t, k t qu là thép khó bi n d ng d o vàờ ộ ộ ộ ế ả ế ạ ẻ
có đ c ng cao. ộ ứ
Ram là quá trình c n thi t và b t bu c sau khi tôi. Thép sau khi tôi cóầ ế ắ ộ
tính giòn, d gãy, có đ c ng cao, vì v y ram thép nh m m c đích t o raễ ộ ứ ậ ằ ụ ạ
cho thép có các tính ch t c h c (đ c ng, đ b n, đ d o) thích h p v iấ ơ ọ ộ ứ ộ ề ộ ẻ ợ ớ
đi u ki n s d ng c n thi t. ề ệ ử ụ ầ ế
Ngoài ra ram thép nhi t đ cao còn đ làm m m thép giúp cho vi cở ệ ộ ể ề ệ
gia công c t g t đ c d dàng, t o đ c đ nh n bóng cao khi c t g t. ắ ọ ượ ễ ạ ượ ộ ẵ ắ ọ
1.1.4.2. Gia công c h c ơ ọ
5