Bài giảng Vật liệu cơ khí - Phạm Văn Thuận

Chia sẻ: Phạm Văn Thuận Nam_ | Ngày: | Loại File: PPTX | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Vật liệu cơ khí - Phạm Văn Thuận cung cấp cho học viên những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim, khái niệm và đặc điểm chung của gang, khái niệm và phân loại thép, nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện, ăn mòn kim loại và phương pháp chống ăn mòn kim loại, vật liệu phi kim loại,... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu cơ khí - Phạm Văn Thuận

PHẦN I VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM I.1: CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI I.1.1: Khái niệm về kim loại . Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn được , có tính dẫn điện , nhiệt cao . Phương diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường điện tử trong các phản ứng hóa học . I.1.2: Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại . Trạng thái (e) trong nguyên tử được xác định bởi 4 số lượng tử : n Số lượng tử chính l Số lượng tử quỹ đạo m Số lượng tử từ ms Số lượng tử Spin Các (e) chuyển động trong nguyên tử giới hạn , trong những lớp xác định tương ứng với số lượng tử chính . n = 1 , 2 , 3 , ... K , L , M , ... Trong các lớp này được chia làm nhiều lớp con , tương ứng với số lượng tử quỹ đạo. l = 0 , 1 , 2 , 3 , ... , (n1) được ký hiệu bởi các lớp : s , p , d , f , ... Mỗi một trạng thái (e) trong nguyên tử tương ứng với một năng lượng xác định . Theo cơ học lượng tử thì cấu hình (e) trong nguyên tử được cấu tạo như sau : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 ... Phân lớp con : s Tối đa 2(e) p Tối đa 6(e) d Tối đa 10(e) f Tối đa 14(e) Biên soạn GV: Phạm Văn
VD : Al13 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Fe 26 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 C6 : 1s2 2s2 2p2 Từ cấu hình trên ta rút ra là các lớp ngoài cùng có liên kết yếu nên dể gây ra phản ứng hóa học . Biên soạn GV: Phạm Văn
I.1.3: Liên kết kim loại . Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết ở trong kim loại được gọi là liên kết kim loại . Liên kết kim loại được mô tả như sau : Ở các nút lưới là cá ion (+) , kim loại trong khoảng không giữa nút lưới là các (e) tự do tao thành khí điện tử . Liên kết kim loại tạo thành do lực hút giữa màng các ion (+) với khí (e) . Do vậy mà kim loại có tính dẻo. Biên soạn GV: Phạm Văn
I.1.4: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại . a Mạng tinh thể và ô cơ bản . Trong kim loại các kim loại được sắp xếp một cách trật tự tuần hoàn trong không gian . Các nguyên tử trong kim loại được sắp xếp một cách có trật tự các nguyên tử đều nằm trên mặt phẳng song song cách đều gọi là mặt tinh thể , tập hợp vô số những mặt tinh thể như thế nó lập thành mạng tinh thể . Toàn bộ mạng không gian có thể xem như được tạo thành những hình khối nhỏ nhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện chung cho toàn mạng những ô như vậy gọi là ô cơ bản . Biên soạn GV: Phạm Văn
b Các kiều mạng tinh thể thường gặp . * Lập phương thể tâm . Cấu tạo : Trong các ô cơ a bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử . Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể , gọi là thông số mạng . Độ lớn đo bằng Ao ( Ángtrong ) 1Ao = 108 cm . Các kim loại có kiểu mạng này : Fe , Cr , Mo , W , ... Biên soạn GV: Phạm Văn
* Lục phương dày đặc . Cấu tạo : Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác . Các kim loại có kiểu mạng này : Zn , Cu , Mg , ... Biên soạn GV: Phạm Văn
* Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại . Ở trạng thái rắn khi điều kiện ngoài trời thay đổi ( áp suất , nhiệt độ .v.v..) tổ chức kim loại thay đổi theo . Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trị thay đổi người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thểT .o C o Lỏng Không có từ tính 1600 1539 LPTT Fe δ o o o 1392 − 1539 1400 1392 LPDT Fe γ o o 910 - 1392 o 1000 910 o 800 768 LPTT Fe α Có từ tính 500 o 0 −o910 t ( thời gian) Ví dụ : Sự chuyển biến thù hình của sắt . Biên soạn GV: Phạm Văn
I.2: CẤU TẠO CỦA HỢP KIM Trong thực tế kim loại nguyên chất rất ít dùng , độ bền thấp khả năng ứng dụng không cao . Nên phải dùng tới thép hợp kim . I.2.1: Khái niệm chung . a Định nghĩa . Hợp kim là một dạng vật chất có tính kim loại nhận biết được bằng cách nấu chảy hay liên kết một kim loại với một hay nhiều các nguyên tố khác . Thành phần của hợp kim được biểu diễn bằng o/o trọng lượng . b Pha , hệ thống (hệ) , nguyên . * Pha : Là một tổ phần đồng nhất của hợp kim hệ thống chúng có thành phần đồng nhất cùng trạng thái như : lỏng cùng lỏng , rắn cùng rắn , ... nhưng phải cùng kiểu mảng . Chúng ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia . * Hệ thống (hệ) : Tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng . * Nguyên : Là những thành phần độc lập tạo nên các pha của (Hệ) . Biên soạn GV: Phạm Văn
I.2.2: Cấu tạo của hợp kim . a Dung dịch đặc . Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần có kích thước gần giống nhau . Khi kết tinh , các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần . a b c a Mạng tinh thể của sắt thay thế. b Mạng tinh thể của dung d ịch đặc thay thế c Mạng tinh thểBiên của dung d soạn GV: ịch đặc xen k Phạm Văn ẽ
Có hai loại dung dịch đặc : * Dung dịch đặc thay thế : ( Hb ) Ví dụ : Cu và Ni : Nguyên tử Ni đẩy một số nguyên tử Cu ra khỏi nút mạng tinh thể và thay thế vào vị trí đó . * Dung dịch đặc xen kẽ : ( Hc ) Nguyên tử của các nguyên tố hoà tan . Ví dụ : C , O2 , Bo , ... Nằm giữa xen kẽ vào những lỗ hổng của giữa các nút mạng tinh thể của nguyên tố kim loại cơ bản (dung môi) . b Hợp chất hóa học . Hợp chất có cấu tạo là hợp chất hóa học , khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau , tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng nhất định và có thành phần hóa học xác định biểu diễn bằng một công thức hóa học . Ví dụ : Hợp chất của Fe và C : Fe3 C ( Cacbit sắt ) c Hỗn hợp cơ học . Hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần khác nhau về kích thước và mạng tinh thể . Biên soạn GV: Phạm Văn
3: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM I.3.1: Tính chất vật lý . a. Vẻ sáng mặt ngoài : Chia ra làm 2 loại : Kim loại màu và kim loại đen Kim loại màu và hợp kim đen : Là Fe và hợp kim của Fe với C ( thép , gang ). Kim loại màu và hợp kim màu : Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại. b. Khối lượng riêng : Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích của vật thể . m 3 γ (Kg/m ) V Trong đó : m Khối lượng của vật thể ( Kg ) V Thể tích của vật thể ( m3 ) Biên soạn GV: Phạm Văn
c. Trọng lượng riêng : Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể. P d ( KG/mm3 hoặc N/mm3 ) V Trong đó : P Trọng lượng của vật ( KG, 1KG ~ 10N ) d. Tính nóng chảy : Là tính chất của kim loại sẽ chảy loãng khi nung nóng và khi làm nguội. e. Tính dẫn điện : Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim f. Tính truyền nhiệt : Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt nóng và khi làn nguội. g. Tính nhiệt nung : Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. Biên soạn GV: Phạm Văn
I.3.2: Tính chất hóa học . a. Khái niệm : Tính chất hoá học là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học của môi trường xung quanh. b. Các đặc trưng : Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau : Tính chống ăn mòn : Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O và O2 của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao . Tính chịu axít : Là khả năng chống lại tác dụng của môi trường axít . I.3.3: Tính cơ học . a. Khái niệm : Tính cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dung của lực bên ngoài lên kim loại. b. Các đặc trưng cơ bản của cơ tính : Độ dẻo : Là khả năng thay đổi được hình dáng của kim loại và hợp kim mà không bị phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực. Đô bền : Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi có ngoại lực tác dụng. Độ cứng : Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn. Độ đàn hồi : Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dáng hoặc trạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng. Biên soạn GV: Phạm Văn
I.3.4: Tính công nghệ . a. Khái niệm : Tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm khác nhau. b. Các đặc trưng : Tính đúc , tính hàn , tính gia công cắt gọt , gia công áp lực , tính nhiệt luyện. Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng nhưng tính công nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành phẩm. Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm các mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như : Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng Biên soạn GV: Phạm Văn
I.4: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỬ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM I.4.1: Thử kéo . Thử kéo là qúa trình thử quan trọng để xác định cơ tính của kim loại . Khi thử kéo ta có thể xác định được độ bền , độ đàn hồi , độ dẻo của kim loại và hợp kim . a Độ bền . Là khả năng của kim loại chống lại lực tác dung của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng . Dạng phá hỏng của kim loại là kéo đứt . Biên soạn GV: Phạm Văn
Mẩu thử : Có tiết diện tròn , chiều dài L = 10 x L Để xác định độ bền của một vật liệu , ta tiến hành thử trên máy thử kéo với mẩu thử . Để đánh giá tính chịu lực của các kim loại vật liệu khác nhau , ta dùng khái niệm ứng suất là tải trọng tác dụng lên một đơn vị diện tích của mẫu thử . Để xác định quan hệ của lực kéo và biến dạng của mẫu kéo ta quan sát trên sơ đồ sau : Khi lực kéo tăng dần thì kéo theo chiều dài mẫu thử cũng tăng theo , tiết diện ngang mẫu giảm dần , đến điểm D mẫu bị thắt và cũng ứng với lực kéo lớn nhất từ đấy lực trên máy không tăng nhưng mẫu vẫn dài thêm đến điểm M thì bị đứt . Biên soạn GV: Phạm Văn
Vậy : Độ bền của vật liệu được xác định theo công thức : P ( N/mm2 ) D = Fo M C Trong đó : P Lực kéo lớn nhất ứng với B mẫu bị thắt (N) F0 Diện tích tiết diện tại A chỗ thắt (mm2 ) TL Giới hạn tỉ lệ ĐH Giới hạn đàn hồi ÂH CH TL B â CH Giới hạn chảy B Giới hạn bền đ Giới hạn đứt Biên soạn GV: Phạm Văn
b Độ đàn hồi . Độ đàn hồi là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dung của lực bên ngoài rồi trở lại ban đầu khi bỏ lực tác dụng . Độ đàn hồi được xác định bằng quá trình thử kéo . Xác định bằng cách : Gọi Pe là lực làm cho mẫu thử không hoàn toàn trở lại như chiều dài ban đầu ( Biến dạng này không lớn hơn 0.005 chiều dài , biến dạng dư ). Pe p = ( N/mm2 ) Fo Biên soạn GV: Phạm Văn
c Độ dẻo . Độ dẻo của kim loại là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng , đồng thời vẫn giữ được sự biến dạng đó khi bỏ lực tác dụng bên ngoài . Độ dẻo được đánh giá bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối . l1 lo Độ dãn dài tương đối : s = lo 100 0 0 Fo F1 Độ thắt tỉ đối : = 100 0 0 Fo Trong đó : l0 , F0 Chiều dài và biến dạng của mẫu trước khi kéo F1 Tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt Biên soạn GV: Phạm Văn
a Khái niệm . Độ cứng của kim loại và hợp kim là khả năng chống lại sự lún của bề mặt tại chỗ ấn vào đó một vật cứng hơn . Khi kim loại càng khó lún thì độ cứng càng cao . * Việc thử độ cứng được áp dụng rộng rãi trong sản xuất vì nó đơn giản và nhanh , khi thử độ cứng bề mặt của kim loại phải nhẵn không có các vết nứt , xước , vẩy . Như vậy kết quả thử độ cứng mới chính xác Biên soạn GV: Phạm Văn