1
VẬT LIỆU KỸ THUẬT
Hà Nội, 08/2025
Giảng viên: TS. Trần Văn Khanh
Bộ môn: Công nghệ Cơ khí
Email:
khanhtv@tlu.edu.vn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
KHOA CƠ KHÍ
TS. Tr
ầ
n V
ă
n Khanh
Số tín chỉ: 3 (2-1-0)
Số tiết: 45 tiết (LT: 35 tiết; BT: 4 tiết; TN: 6 tiết)
Đánh giá:
1. Điểm quá trình: 40%
- Bài tập (20%): Chương 3, 4
- Kiểm tra giữa kỳ (30%): Sau khi kết thúc chương 4
- Thí nghiệm (30%)
- Chuyên cần (20%)
2. Điểm thi kết thúc: 60%
Hình thức thi: Trắc nghiệm trên máy tính
Thời gian thi: 75 phút
CHI TIẾT VỀ MÔN HỌC
2
Đến lớp đúng giờ và đầy đủ theo thời khoá biểu của Nhà trường.
Tìm hiểu trước nội dung liên quan đến buổi học và làm bài tập ở
nhà (nếu có).
Không sử dụng điện thoại, nói chuyện riêng trong lớp.
Lên chữa bài tập khi được giáo viên yêu cầu.
Tham gia trao đổi, thảo luận và trả lời các câu hỏi.
Nộp bài tập đúng hạn.
Sinh viên được dự thi kết thúc học phần nếu thoả mãn tất
cả các điều kiện sau:
Điểm QT 2
Tham dự 50% số bài kiểm tra với điểm TB kiểm tra 4
Tham dự lớp học LT 80% thời gian
Tham dự lớp học BT/TH/TN 80% thời gian.
YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN
3
MỤC ĐÍCH CỦA MÔN HỌC
4
Có khả năng phân tích được cấu trúc, tính chất cơ học, của các
loại vật liệu thường dùng trong kỹ thuật.
Vận dụng các kiến thức của môn học trong tính toán thiết kế
chi tiết máy.
Lựa chọn vật liệu phù hợp để thiết kế quy trình gia công, chọn
dụng cụ, chọn máy phù hợp với từng nguyên công sản xuất.
NỘI DUNG MÔN HỌC
5
Chú ýNội dungChương
Giới thiệu chung về khoa học và công nghệ vật liệu1
Cấu trúc tinh thể và sự hình thành hạt kim loại2
Bài tập
Tính chất cơ học của vật liệu3
Giản đồ pha của hệ kim loại4
Khái niệm chung về gang và thép5
Công nghệ nhiệt luyện thép và gang6
Một số loại thép và hợp kim màu thông dụng7
Vật liệu tiên tiến8
[1]. Vật liệu học cơ sở, Nghiêm Hùng, NXB KH&KT, 2002
[2]. Khoa học kỹ thuật vật liệu, sách dịch, tác giả: William D. Callister, Đại học
Thủy Lợi Hà Nội (Giáo trình)
[3]. Vật liệu học, Lê Công Dưỡng, NXB KH&KT, 2000
[4]. Engineering Materials 1 and 2. An introduction, Butterworth Heinemann; 2005
TÀI LIỆU THAM KHẢO
6
1 2
3 4
5 6
2
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
NỘI DUNG:
1.1. Lịch sử phát triển
1.2. Đối tượng nghiên cứu của môn học
1.3. Phân loại vật liệu
1.4. Xu hướng phát triển: vật liệu mới
MECHANICAL ENGINEERING
KHOA CƠ KHÍ
TS. Tr
ầ
n V
ă
n Khanh
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU
8
1.1.1. Thời kỳ sử dụng các vật liệu sẵn có trong tự nhiên:
Vật liệu hữu cơ: gỗ, da, sợi thực vật
Vật liệu vô cơ: đất sét, đá
Kim loại: sắt, đồng, vàng, bạc…
Năng suất lao động thấp
Thời đại đồ đá – Wikipedia tiếng Việt
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU
9
1.1.2. Thời kỳ chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm
8000 – 3000 năm TCN:
- Luyện đồng, chế tạo vũ khí và các dụng cụ bằng đồng.
- Trống đồng VN có niên đại từ 3000 – 4000 năm.
3000 năm TCN:
- Luyện thép (Trung Quốc, Ai cập).
Thế kỷ 15 TCN:
- Tôi thép (thanh kiếm Damascus).
- Sử dụng xi măng (Ai cập, Babylon).
Thế kỷ 19:
- Sử dụng xi măng Portland (Anh, Mỹ), bê tông cốt thép (1875).
- Công nghệ chế tạo thép phát triển (Tháp Eiffel 320m, năm 1889)
Ảnh (Nguồn internet).
Luyện đồng
Trống đồng
Luyện thép
Damascus
Tháp Eiffel
Năng suất lao động cao hơn, tuổi thọ dài hơn
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU
10
1.1.3. Thời kỳ chế tạo và sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học
1920: Sử dụng tia Rơnghen để nghiên cứu cấu trúc vật liệu.
1930: Hợp kim nhôm.
1935: Thép không gỉ.
1940: Trùng hợp polyme.
1955: Chất bán dẫn.
1965: Vật liệu composite.
1975: Hợp kim nhớ hình...
Sự thay đổi rõ rệt các tính chất của vật liệu
Cách mạng khoa học kỹ thuật bùng nổ thúc đẩy ngành Vật liệu
phát triển.
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU
11
Sự gia tăng đáng kể về tỷ lệ độ bền và tỷ trọng của vật liệu
Sự đa dạng của các sản phẩm mới
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
12
Khoa học Vật liệu: nghiên cứu mối quan hệ chung giữa cấu trúc bên
trong và tính chất của vật liệu, là cơ sở cho việc sáng tạo vật liệu mới:
- Giải thích rõ bản chất các tính chất vật liệu.
- Giải thích sự thay đổi tính chất bằng cấu trúc bên trong.
- Mối quan hệ cấu trúc & tính chất Vật liệu mới.
Kỹ thuật Vật liệu: nghiên cứu tính chất sử dụng và kỹ thuật xử lý các loại
vật liệu cụ thể để tạo ra các loại sản phẩm mới có chất lượng tốt nhất:
- Xử lý nhiệt
- Gia công
Khi thiết kế và chế tạo chi tiết máy thường gặp 2 khả năng:
- Chi tiết kém bền (chất lượng kém)
- Chi tiết thừa bền (không kinh tế)
Lựa chọn vật liệu và phương pháp xử lý thích hợp.
Tại sao người kỹ sư cơ khí cần có kiến thức về vật liệu:
Sử dụng vật liệu thay thế và đồng bộ.
7 8
9 10
11 12
3
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
13
Cấu trúc (tổ chức): là sự sắp xếp có quy luật các thành phần
bên trong của vật liệu.
Tổ chức vĩ mô: là hình thái sắp xếp các phần tử có kích thước
lớn, có thể quan sát bằng mắt thường.
Tổ chức vi mô (không quan sát bằng mắt thường):
- Tổ chức tế vi: là hình thức sắp xếp các phần tử có kích thước nhỏ có
thể quan sát bằng kính hiển vi quang học (200-1000 lần) và hiển vi điện
tử (đến 100.000 lần).
- Cấu tạo tinh thể: là sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử trong
không gian.
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
14
Angstrom = 1 Å = 1/10 000 000 000 mét = 10
-10
m
Nanometer = 1 nm = 1/1 000 000 000 mét = 10
-9
m
Micrometer = 1 µm = 1/ 1 000 000 mét = 10
-6
m
Millimeter = 1 mm = 1/1 000 mét = 10
-3
m
MEMS = hệ thống vi cơ điện tử
(Micro Electronic Mechanical System)
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
15
Thép tấm Trục khuỷuThép tròn
Bánh răng Dụng cụ cắt gọt cơ khí Dụng cụ đo lường
Khuôn mẫu Máy CNC mini Máy tiện
(Ảnh: nguồn internet)
1.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA MÔN HỌC
16
(Ảnh: nguồn internet)
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
17
Vật liệu kim loại
Vật liệu vô cơ – ceramic (gốm)
Vật liệu hữu cơ – Polyme
Vật liệu tổng hợp – Composit
1 – Bán dẫn
2 – Siêu dẫn
3 – Silicon
4 – Polyme dẫn điện
4 nhóm vật liệu chính:
1.3.1. Khái niệm chung:
Kim loại
Hữu cơ
(Polyme) Vô cơ
(Ceramic)
(Composit)
4
1
2
3
Vật liệu tổ hợp
Vật liệu: vật thể rắn dùng để chế tạo máy móc thiết bị, xây dựng
công trình, bộ phận cơ thể, sản phẩm nghệ thuật…
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
18
Đặc điểm:
1.3.2. Vật liệu kim loại:
Nhóm vật liệu có nguyên tố nền (chủ yếu) là nguyên tố kim loại.
Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có ánh kim.
Dẻo, có khả năng biến dạng.
Độ bền cơ học cao.
Độ bền hoá học kém.
Nhiệt độ nóng chảy (thấp cao)
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
(Ảnh: nguồn internet)
13 14
15 16
17 18
4
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
19
1.3.3. Vật liệu vô cơ (ceramic):
Đặc điểm:
Dẫn điện, dẫn nhiệt kém.
Cứng, giòn, bền nhiệt.
Độ bền hoá học cao.
(Ảnh: nguồn internet)
Nhóm vật liệu có nguyên tố vô cơ,
là hợp chất giữa Me, Si + O, C, N, B.
đất sét, xi măng, bê tông, thủy tinh,…
(Me: Kim loại)
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
20
1.3.4. Vật liệu hữu cơ (polyme):
Đặc điểm:
Dẫn điện, dẫn nhiệt kém.
Nhẹ, độ bền thấp.
Dẻo, bền hóa học ở nhiệt độ thường.
(Ảnh: nguồn internet)
Nhóm vật liệu có cấu trúc cao phân tử (nhiều phân tử kết hợp),
thành phần chủ yếu là C, H, O, N.
Nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ
không cao.
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
21
1.3.5. Vật liệu tổng hợp (composit):
Ví dụ: Thép (Kim loại)+bê tông (ceramic)
bê tông cốt thép.
(Ảnh: nguồn internet)
Nhóm vật liệu được kết hợp từ 2-3 nhóm vật liệu trên, tổ hợp
được tính chất tốt của mỗi nhóm.
Vật liệu cốt: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm,…
Vật liệu nền: nền polyme nhiệt rắn, nền polyme nhiệt dẻo, nền
cacbon, nền kim loại,...
Nhóm vật liệu tiềm năng.
(O.M.K.M. Mahmoud, A.S.E.M. Radwan. Analysis and Material
Design of Missiles Structures).
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
22
Bảng so sánh khối lượng riêng của vật liệu
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
23
Bảng so sánh mô đun đàn hồi của vật liệu
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
24
Bảng so sánh độ bền của vật liệu
19 20
21 22
23 24
5
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
25
Bảng so sánh độ dai phá huỷ của vật liệu
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
26
1.3.6. Vật liệu bán dẫn:
(Ảnh: nguồn internet)
Nhóm vật liệu có tính dẫn điện nằm trung gian giữa kim loại và
chất cách điện.
Chất bán dẫn cơ bản Si, Ge, C…và bán dẫn hợp chất GaAs, GaP…
Đã hoàn toàn cách mạng hóa ngành
công nghiệp điện tử và máy tính trong
ba thập kỷ qua.
Đặc điểm:
Rất nhạy cảm với sự có mặt của tạp chất dù nồng độ rất nhỏ.
Bền nhiệt.
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
27
1.3.7. Vật liệu silicone:
(Ảnh: nguồn internet)
Vật liệu đàn hồi chứa các polymer: poly-dimethyl siloxane (PDMS)
mạch thẳng được kết mạng trong mạng lưới 3 chiều.
Đặc điểm:
Chịu nhiệt khá tốt.
Đàn hồi như cao su.
Silicone nhựa
Silicone đàn hồi
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
28
1.3.8. Vật liệu polyme dẫn điện:
(www.innovations-report.com)
Vật liệu hữu cơ với mạch dài của cacbon liên hợp C=C, được tổng
hợp bằng phản ứng khử hoặc oxi hóa (cấy tạp chất, ví dụ iốt)…
Đặc điểm:
Dẫn điện.
Nhẹ, dễ gia công.
Không chịu được nhiệt độ cao,
dễ bị lão hóa.
OLED conductive polymer
(polymersolutions.com)
Conductive Polymers for Touch Screen
Technologies (smart phones and tablet PCs)
1.3. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU
29
Bảng so sánh độ dẫn điện của vật liệu
1.4. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU MỚI
30
1.4.1. Vật liệu nano:
Cấu trúc nano với tổ chức tế vi có phạm vi kích thước nằm giữa
1 và 100 nanometer.
Đặc điểm:
Tính chất ưu việt về cơ học, điện, từ,
quang học hay các tính chất khác.
Ứng dụng:
linh kiện điện tử, các chi
tiết cần độ chính xác cao.
1.4.2. Vật liệu thông minh:
Nhận biết sự thay đổi của môi trường
(cảm biến).
Thay đổi hình dạng, vị trí, tính chất cơ
học, … để đáp ứng sự thay đổi của
nhiệt độ.
E.Pomerantseva, F.Bonaccorso, X.Feng, Y.Cui, Y.Gogotsi.
Science 2019:366:1-12.
J.Sun, Q.Guan, Y.Liu, J.Leng. J. Intell. Mater. Syst. Struct.
2016:27:1-24.
25 26
27 28
29 30