1
ĐỀ CƯƠNG VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Câu 1:Vật liệu trong kĩ thuật: là những vật liệu rắn được sử dụng để:
Chế tạo các chi tiết, máy móc, dụng cụ xây dựng công trình
Thay thế các bộ phận trên cơ thể người
Thể hiện các ý đồ nghệ thuật
Phân loại: dựa vào các tính chất đặc trưng chia làm 4 loại chính:
Vật liệu kim loại
+ dẫn điện dẫn nhiệt tốt
+ có ánh kim
+ các nguyên tử liên kết với nhau nhờ các nguyên tử tự do
Vật liệu vô cơ
+ dẫn điện dẫn nhiệt kém
+không biến dạng dẻo
+rất bền vững về mặt hoá học, nóng chảy ở nhiệt độ cao
+ thành phần là hợp chất của kim loại kết hợp với các loại như oxit, cacbit
Vật liệu hữu cơ (polime)
+ dẫn điện nhiêt kém
+ giòn ở nhiệt độ thường
+ có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao
+ bền vững hoá học ở nhiệt độ thường
+ thành phần chủ yếu là C,H
Vật liệu kết hợp (compozit)
+ là sự kết hợp của 2 hay nhiều loại vật liệu có tính chất khác nhau để được loại vật liệu có tính chất mới
hoàn toàn mà mỗi loại vật liệu nếu đứng riêng thì không có được
Câu 2 : Mạng tinh thể lập phương tâm khối
Hình vẽ
Quan hệ :
Số nguyên tử : n=2
Số phối vị : k=8
Khoảng cách nguyên tử gần nhau nhất :d=
Bán kính nguyên tử : r=d/2=
Mật độ xếp chặt :
+ mật độ xếp chặt khối : Mv=
+ mật độ xếp chặt mặt : Ms=
Lỗ hổng: ( hình vẽ)
+ lỗ hổng khối 4 mặt : 1 2 3 5
+ lỗ hổng khối 8 mặt : 1 2 3 4 5 6
Câu 3 : Mạng tinh thể lập phương tâm mặt : ô cơ bản là khối lập phương
Quan hệ :
Số nguyên tử :
Số phối vị :
Khoảng cách nguyên tử gần nhau nhất :
Bán kính nguyên tử :
2
Mật độ xếp chặt :
+ khối : 74%
+ mặt : 91%
Lỗ hổng :
+ khối 4 mặt : 1 4 6 5
+ khối 8 mặt : 1 2 3 4 5 6
Câu 4 :Mạng tinh thể lục giác xếp chặt
Quan hệ :
Số nguyên tử : n=6
Số phối vị : k=12
Khoảng cách nguyên tử gần nhất :d=a
Bán kính nguyên tử : r=d/2=a/2
Mật độ xếp chặt:
+ khối:
+ mặt:
Lỗ hổng:
+ khối 4 mặt: 1 2 3 5, 1 2 3 4
+ khối 8 mặt: 1 2 3 4 5 6
Câu 5: Các dạng sai lệch trong mạng tinh thể:
Sai lệch điểm: là sai lệch mặt có kích thước rất nhỏ ( cỡ vài thông số mạng) theo 3 chiều không gian có
dạng 1 điểm hoặc bao quanh 1 điểm
+ phân loại:
Nút trống và nguyên tử xen kẽ
Nguyên tử tạp chất thay thế và xen kẽ
Sai lệch đường: là dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo 2 chiều và lớn theo chiều còn lại(có dạng đường
thẳng hoặc đường cong)
phân loại:
Lệch biên: là mô hình dùng bán mặt tinh thể ABCD chèn vào nửa phía trên của tinh thể hoàn chỉnh thì các
nguyên tử nằm về 2 phía cuae ABCD sẽ bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng của nó sinh ra lệch biên
Lệch xoắn:hình dung bằng cách trượt ép khi các tinh thể hoàn chỉnh theo nửa mặt phẳng ABCD rồi xê
dịch 2 mép ngoài sao cho mặt nguyên tử nằm ngang thứ nhất bên phải trùng với mặt thứ 2 bên trái làm cho
các nguyên tử nằm gần AB xê dịch khỏi vị trí cũ và các ngyên tử trong vùng sai lệch mạng theo hình xoắn
ốc.
Sai lệch mặt: là sai lệch có kích thước nhỏ theo 1 chiều và lớn theo 2 chiều còn lại
phân loại:
Biên giới hạt: là vùng giáp ranh giữa các hạt tinh thể có chứa sai lệch
Siêu hạt: là những vùng tinh thể có kích thươc rất nhỏ bé trong hạt tinh thể với cấu trúc khá hoàn chỉnh có
hướng lệch nhau 1 góc nhỏ cỡ vài phút đến 1 độ
Sai lệch khối: là sai lệch có kích thước lớn hơn theo cả 3 chiều trong mạng tinh thể.
Câu 6: Hồi phục và kết tinh laị
Sau khi kim loại trải qua biến dạng dẻo, kim loại tồn tại dưới dạng ứng suất dư, trạng thái nhiệt động của
hệ là không ổn định với mức năng lượng tự do cao ví vậy sao khi trải qua biến dạng dẻo thì kim loại luôn
có xu hướng trở về trạng thái ổn định với mức năng lượng bé hơn, để thực hiện chuyển biến đó cần phải
3
nung nóng và tuỳ theo nhiệt độ nung từ thấp tới cao thì chuyển biến sẽ trải qua 2 gd là hồi phục và kết tinh
lại
Hồi phục: khi ta nung nóng kim loại biến dạng dẻo lên đến t0=0,3.t0nc. Giai đoạn này có sự thay đổi về cấu
trúc lệch và tính chất mà không thay đổi trạng thái biến dạng dẻo của tổ chức hạt
+ về cấu trúc: có sự suy giảm về khuyết tật điểm
+ cơ tính: thay đổi là không đáng kể, ứng suất dư sẽ giảm, độ bền giảm, độ cứng giảm tối đa từ 10-15%,
độ dẻo dao tang, khả năng chống nứt tang
Kết tinh lại:
+ nhiệt độ để kết tinh lại là nhiệt độ nung tối thiểu cho phép hình thành hạt tinh thể mới và nhiệt độ kết
tinh lại = (0,5-0,8).tonc.
+ khi nung kim loại nên tới nhiệt độ nêu trên sẽ xảy ra sự kết tinh lại đó là sự sinh ra của các hạt mới hoàn
thiện hơn và sự lớn lên của chúng tạo ra các hạt tương đối đồng trục
Giai đoạn kết tinh lại trải qua 2 giai đoạn:
+ gd1: kết tinh lại lần 1 là sự sinh ra của các hạt mới hoàn thiện
+gd2: kết tinh lại lần 2 khi ta tang nhiệt đọ nung và thời gian giữ nhiệt giữ nhiệt kết tinh lại lần 2 bắt đầu
bằng sự lớn lên tự phát của tinh thể mới đề làm giảm năng lượng tự do, hạt lớn lên bằng cách dịch chuyển
nguyên tử từ hạt này sang hạt khác qua biên giới hạt do vậy 1 số hạt nhỏ sẽ mất đi và một số hạt sẽ lớn lên
và tạo ra tổ chức cân bằng ổn định.
Câu 7: Phương hướng nâng cao độ bền của vật liệu
Nguyên tắc chung:
+ chế tạo các vật liệu hoàn toàn không có sai lệch và đạt được độ bền lý thuyết
+ tạo ra 1 cấu trúc gồm nhiều cản trở chuyển động của lệch mạng tinh thể để chống lại biến dạng dẻo và
tăng độ bền của vật liệu.
Khả năng thực tế:
- Làm giảm mật độ lệch bằng cách chế tạo vật liệu đơn tinh thể có đường kính nhỏ cỡ µm đến nm tuy nhiên
công nghệ rất phức tạp
- Làm tăng mật độ lệch:
Tạo ra cấu trúc tinh thể gồm nhiều sai lệch mạng để cản trở chuyển động của lệch
Thực hiện biến dạng dẻo của vật liệu để làm tăng thêm mật độ lệch và số chướng ngại để làm tăng độ bền
của vật liệu
Làm nhỏ hạt và siêu hạt từ đó làm tăng biên giới siêu hạt và tinh thể để làm tăng số chướng ngại
Tạo ra trường ứng suất đàn hồi bằng các khuyết tật điểm
Hoá bền vật liệu như nhiệt luyện
Dùng vật liệu kết hợp trong đó nền là vật liệu dẻo, cốt là dạng sợi và hạt có độ bền cao
Hoá bền bề mặt chi tiết bằng cách tạo ra ứng suất nén dư để ngăn cản các vết nứt lớn lên và hoá nhiệt
luyện
Câu 8: Trình bày phương pháp thử cơ tính của vật liệu:
Phương pháp thử kéo:
- Mục đích: để xác định đặc tính bền và dẻo của vật liệu
- Mẫu thử: theo TCVN 197-85 có tiết diện tròn
- Phương pháp: đưa mẫu thư vào máy thử kéo vạn năng kéo mẫu cho đến khi đứt thì máy sẽ vẽ được biểu
đồ thử kéo
Phương pháp thử độ cứng:
4
- Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ ở vị trí ta ấn vào vật cứng hơn
- Thử độ cứng Brinen: được sử dụng để đo vật liệu nền là đồng và nhôm
Phương pháp: ấn lực P qua viên bi bằng thép được tôi cứng vào bề mặt mẫu thử. Đo đường kính vết lõm
trên mặt mẫu bằng kính lúp
HB=
- Thử độ cứng Rocven: để đo vật liệu cứng
Phương pháp: ấn lực P qua viên bi bằng théo tôi hay mũi kim cương hình nón có α=1200 lên bề mặt mẫu
thử. Đo chiều sâu vết lõm ngay trên máy thử, với 1 vạch = 0,002
HR=
Ưu điểm: đo vết lõm bé nên đo được vật mỏng hay để kiểm tra OTK, không phải đo chiều sâu thủ công
- Thử độ cứng Vicke:
Pp: ấn tải trọng P nhỏ qua mũi kim cương hình tháp 4 mặt có α=1360. Đo đường chéo vật lõm bằng kính
lúp d
HV=
Ưu điểm: đo vết lõm nhỏ nên đo được chi tiết mỏng để nghiên cứu khoa học
- Thử độ cứng knoop
Đo vật liệu cứng giòn: ấn lực P qua mũi kim cương co cấu tạo để vết lõm trên mẫu là hình thoi. Đo
đường chéo l của vết lõm
HK=
- Thử độ cứng tế vi:
Mẫu được mài bóng, tẩm thực để làm nổi bật các hạt tinh thể
Dùng mũi ấn Vicke: P=0,5-> 200G
Đo đường chéo vết lõm bằng kính hiển vi kim loại học
Để đo vùng hẹp của vật liêu.
Phương pháp thử va chạm và thử mỏi
- Pp thử va chạm: để xác định sự phá huỷ giòn của vật liệu làm việc dưới tải trọng va đập, với mẫu thử
theo TCVN312-69 có rãnh khía
- Phương pháp thử mỏi: mỏi là hiện tượng lực biến đổi theo chu kì, sức chịu mỏi của vật liệu là số lần đổi
chiều của lực tác dụng mà nó chịu được
Thí nghiệm: dùng máy tạo lực biến đổi theo chu kì, dùng 6 đến 10 mẫu giống nhau, cho máy quay các
mẫu đến khi tìm được một giới hạn mà mẫu không bị phá huỷ và chịu được 107 chu kì
Xác định được giới hạn mỏi là ứng suất lớn nhất mà vật liệu chịu được khi tác dụng lên nó 1 tải trọng
biến đổi
Câu 9: khái niệm về sự kết tinh và cấu tạo tổ chức của thỏi đúc
Khái niệm về sự kết tinh: là quá trình chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn tinh thể, nó ảnh
hưởng đến tổ chức và tính chất của vật liệu
- Điều kiện để có kết tinh: năng lượng tự do của pha rắn GR phải nhỏ hơn năng lượng tự do của pha lỏng GL
tức là phải có sự chênh lệch năng lượng tự do thể tích của pha đó
- Quá trình kết tinh xáy ra qua 2 giai đoạn:\
Giai đoạn tạo mầm tinh thể
Giai đoạn lớn lên của mầm thành hạt tinh thể.
Cấu tạo tổ chức thỏi đúc:
Hình vẽ:
5
Gồm 3 vùng
- Vùng 1: sát với khuôn: tổ chức gồm các hạt rất nhỏ có trục định hướng bất kì nằm sít chặt nhau, có cơ tính
tốt nhưng vùng này mỏng nên ít tác dụng
Giải thích: do độ mấp mô của thành khuôn đúc nên hạt tinh thể lớn lên theo hướng bất kì. Do tinh thể kết
tinh với độ nguội lớn nên tạo ra hạt nhỏ. Do có nhiều mầm kí sinh với thành khuôn
- Vùng 2: vùng trung gian
Tổ chức gồm có hạt hạt dài định hướng vương góc với thành khuôn, tinh thể đều trục, cấu tạo sít nhau
nhưng dễ bị nứt khi gia công áp lực do có sự tích tụ tạp chất, có nhiệt độ nóng chảy thấp.
Giải thích: do độ nhấp nhô của thành khuôn đã bị mất, vì đã có lớp kim loại vùng 1 kết tinh nhỏ mịn, nên
kim loại kết tinh với độ quá nguội nhỏ hơn vùng ngoài
- Vùng 3: vùng trung tâm:
Tổ chức gồm các hạt tinh thể đều trục nhưng hạt tinh thể lớn
Giải thích: do thành khuôn đã bị nóng lên rất nhiều lên tốc độ tản nhiệt qua thành khuôn là rất chậm do đó
kết tinh hầu như không đồng thời và không chịu ảnh hưởng của phương tản nhiệt
Câu 10: giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên
Gdo trạng thái loại 1: là giản đồ trạng thái 2
nguyên hoa tan vô hạn vào nhau ở thể lỏng và
không hoà tan vào nhau ở thể rắn.
- Đặc điểm: có phản ứng cùng tinh, B
là điểm cùng tinh có pha lỏng hợp chất
Giản đồ trạng thái loại 2:
- Là giản đồ trạng thái 2 nguyên hoà
Tan vào nhau vô hạn ở thể lỏng và thể rắn
Giản đồ trạng thái loại 3:
- Là giản đồ trạng thái 2 nguyên hoà tan vô hạn vào nhau
ở thể lỏng và hoà tan có hạn ở thể rắn
- Đặc điểm:
α tiết ra do nguyên B hoà tan vào nền pha A
β pha A sinh ra trên nền pha B
α=A(B) dung dịch rắn hoà tan có hạn
β=B(A) dung dịch rắn hoà tan có hạn
- có phản ứng cùng tinh tại điểm A (L ->(α+β)
giản đồ trạng thái loại 4: là giản đồ trạng thái 2 nguyên hoà tan vô
hạn vào nhau ở trạng thái lỏng, không hoà tan vào nhau ở thể rắn và tạo
ra hợp chất hoá học ổn định
- đặc điểm: Tạo ra hợp chất hoá học ổn định: AmBn
có phản ứng cùng tinh L->(A+ AmBn)
L->(B+ AmBn)
Câu 11: Cấu tạo và các tổ chức trên giản đồ trạng thái Fe – C
cấu tạo: hình vẽ
tổ chức trên giản đồ
- tổ chức 1 pha
dung dịch long tồn tại trên đường lỏng là dung dịch hoà tan vô hạn của C vào Fe