Giáo trình Cơ sở cơ khí (Ngành: Công nghệ kỹ thuật vật liệu xây dựng - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Cơ sở cơ khí (Ngành: Công nghệ kỹ thuật vật liệu xây dựng - Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Kỹ thuật cơ khí như vật liệu cơ khí, các sản phẩm cơ khí, công nghệ gia công kim loại và hợp kim; các kiến thức cơ bản về cơ cấu và các chi tiết máy như công dụng, phân loại, đặc điểm của bánh răng, vòng bi,… Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở cơ khí (Ngành: Công nghệ kỹ thuật vật liệu xây dựng - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ CƠ KHÍ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT VẬT LIỆU XÂY DỰNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 389ĐT/QĐ- CĐXD1 ngày 30 tháng 9 năm 2021 của Hiệu trưởng trường CĐXD số 1 Hà Nội, năm 2021 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................................................. 5 CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC...................................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ...................................................... 7 BÀI 1 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ........................................................................ 8 1.1. Khái niệm về kim loại ................................................................................................................ 8 1.2. Các tính chất của kim loại.......................................................................................................... 9 BÀI 2 CẤU TẠO TINH THỂ CỦA KIM LOẠI .......................................................................................... 10 2.1. Liên kết kim loại....................................................................................................................... 10 2.2. Cấu tạo của kim loại nguyên chất ........................................................................................... 11 2.3. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại .................................................................... 11 2.4. Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại ................................................................................... 12 2.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể ..................................................................................................... 13 2.6. Cấu tạo mạng tinh thể thực tế của kim loại ............................................................................ 14 2.7. Sự kết tinh của kim loại từ trạng thái lỏng ............................................................................. 16 BÀI 3 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỢP KIM ................................................................................................ 18 3.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 18 3.2. Giản đồ trạng thái ................................................................................................................... 20 BÀI 4 HỢP KIM SẮT - CACBON ............................................................................................................. 22 4.1. Các thành phần chính của hợp kim sắt-cacbon ...................................................................... 22 4.2. Giản đồ trạng thái của hợp kim Sắt-Cacbon (Fe-Fe3C) ............................................................ 24 4.3. Thép cacbon ............................................................................................................................ 27 4.4. Gang ........................................................................................................................................ 29 BÀI 5 THÉP HỢP KIM VÀ HỢP KIM MÀU .............................................................................................. 32 5.1. Thép hợp kim .......................................................................................................................... 32 5.2. Kim loại và hợp kim màu ......................................................................................................... 33 CHƯƠNG 2 NHIỆT LUYỆN KIM LOẠI ..................................................................................................... 37 BÀI 1 KHÁI LUYỆN VỀ NHIỆT LUYỆN...................................................................................................... 38 1.1. Khái niệm về nhiệt luyện ......................................................................................................... 38 1.2. Các thông sô cơ bản của quá trình nhiệt luyện ....................................................................... 38 1.3. Tác dụng của nhiệt luyện đối với chế tạo cơ khí ..................................................................... 39 1.4. Khái niệm về hóa nhiệt luyện .................................................................................................. 39 1.5. Sơ lược về các chuyển biến cơ bản khi nhiệt luyện thép ........................................................ 39 BÀI 2 CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN THÉP................................................................................................. 44 2
2.1. Phân loại nhiệt luyện thép ...................................................................................................... 44 2.2. Ủ và thường hóa...................................................................................................................... 44 2.3. Tôi thép ................................................................................................................................... 46 2.4. Ram thép ................................................................................................................................. 51 2.5. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện ...................................................................................... 52 BÀI 3 HÓA NHIỆT LUYỆN........................................................................................................................ 54 3.1. Nguyên lý chung ...................................................................................................................... 54 3.2. Thấm Cacbon ........................................................................................................................... 55 3.3. Thấm Nitơ................................................................................................................................ 57 3.4. Thấm cacbon-ni tơ (thấm xyanua) .......................................................................................... 58 3.5. Các phương pháp nhiệt luyện khác ......................................................................................... 58 CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KHÔNG PHOI .................................................................. 59 BÀI 1 ĐÚC KIM LOẠI.............................................................................................................................. 60 1.1. Khái niệm về sản xuất đúc ....................................................................................................... 60 1.2. Phân loại phương pháp đúc .................................................................................................... 60 1.3. Đặc điểm của đúc kim loại và hợp kim .................................................................................... 60 1.4. Đúc trong khuôn cát ................................................................................................................ 61 1.5. Các phương pháp đúc khác ..................................................................................................... 64 1.6. Khuyết tật và các phương pháp kiểm tra vật đúc ................................................................... 66 BÀI 2 GIA CÔNG KIM LOẠI BẰNG ÁP LỰC ............................................................................................ 67 2.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 67 2.2. Biến dạng của kim loại............................................................................................................. 68 2.3. Biến dạng dẻo của kim loại...................................................................................................... 68 2.4. Các phương pháp gia công áp lực ........................................................................................... 69 BÀI 3 HÀN CẮT KIM LOẠI .................................................................................................................. 74 3.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 74 3.2. Đặc điểm của hàn kim loại: ..................................................................................................... 74 3.3. Phân loại phương pháp hàn .................................................................................................... 74 3.4. Hàn hồ quang điện .................................................................................................................. 75 3.5. Hàn điện tiếp xúc..................................................................................................................... 80 3.6. Hàn khí..................................................................................................................................... 81 3.7. Cắt kim loại bằng khí ............................................................................................................... 83 CHƯƠNG 4 CÁC CHI TIẾT MÁY TRUYỀN ĐỘNG ................................................................................... 84 BÀI 1 ĐẠI CƯƠNG ............................................................................................................................... 85 1.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 85 3
1.2. Lý do sử dụng các bộ truyền cơ khí ......................................................................................... 86 1.3. Phân loại truyền động cơ khí................................................................................................... 86 1.4. Các thông số cơ bản của truyền động cơ khí .......................................................................... 86 BÀI 2 TRUYỀN ĐỘNG ĐAI .................................................................................................................... 86 2.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 86 2.2. Phân loại .................................................................................................................................. 87 2.3. Đặc điểm của bộ truyền đai .................................................................................................... 87 2.4. Tỉ số truyền .............................................................................................................................. 87 BÀI 3 TRUYỀN ĐỘNG BÁNH MA SÁT ................................................................................................... 88 3.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 88 3.2. Phân loại bộ truyền bánh ma sát ............................................................................................ 89 3.3. Đặc điểm của bộ truyền bánh ma sát ..................................................................................... 89 BÀI 4 TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG ...................................................................................................... 90 4.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 90 4.2. Phân loại .................................................................................................................................. 90 4.3. Đặc điểm của bộ truyền bánh răng ......................................................................................... 91 BÀI 5 BỘ TRUYỀN TRỤC VÍT-BÁNH VÍT ................................................................................................ 91 5.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 91 5.2. Phân loại .................................................................................................................................. 91 5.3. Đặc điểm của bộ truyền trục vít-bánh vít ............................................................................... 92 BÀI 6 TRUYỀN ĐỘNG XÍCH ................................................................................................................... 93 6.1. Khái niệm ................................................................................................................................. 93 6.2. Phân loại .................................................................................................................................. 93 6.3. Đặc điểm của bộ truyền xích ................................................................................................... 94 CHƯƠNG 5 CÁC CHI TIẾT MÁY ĐỠ NỐI ............................................................................................... 95 BÀI 1 TRỤC ........................................................................................................................................... 96 1.1. Giới thiệu về trục ..................................................................................................................... 96 1.2. Phân loại trục .......................................................................................................................... 96 1.3. Cấu tạo của trục bậc và vật liệu làm trục ................................................................................ 97 1.4. Các dạng hỏng của trục ........................................................................................................... 99 BÀI 2 Ổ TRỤC ..................................................................................................................................... 100 2.1. Khái niệm ổ trục .................................................................................................................... 100 2.2. Ổ trượt .................................................................................................................................. 100 2.3. Ổ lăn ...................................................................................................................................... 103 BÀI 3 KHỚP NỐI ................................................................................................................................. 107 4
3.1. Khái niệm ............................................................................................................................... 107 3.2. Phân loại khớp nối................................................................................................................. 108 3.3. Phương pháp tính chọn khớp nối ......................................................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................... 113 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình CƠ SỞ CƠ KHÍ được biên soạn nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập đối với trình độ Cao đẳng ngành Công nghệ kĩ thuật Vật liệu xây dựng của trường Cao đẳng Xây dựng số 1. Cơ sở cơ khí là môn học cơ sở ngành nhằm cung cấp các kiến thức về kỹ thuật cơ khí như vật liệu kim loại, các phương pháp gia công và sản phẩm kim loại cũng như các hệ thống truyền động, các chi tiết 5
máy thông dụng nhằm nâng cao năng lực gia công, sử dụng các sản phẩm cơ khí và thiết bị máy móc. Giáo trình CƠ SỞ CƠ KHÍ do Th.s Nguyễn Thái Sơn, giảng viên Trung tâm Thực hành công nghệ và Đào tạo nghề biên soạn. Giáo trình này được viết theo đề cương môn học Cơ sở cơ khí, trên cơ sở nâng cấp bài giảng chung đã được duyệt, có bố sung một số kiến thức cho phù hợp với tình hình thực tế Nội dung giáo trình gồm 5 chương: Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim Chương 2: Nhiệt luyện kim loại Chương 3: Các phương pháp gia công không phoi Chương 4: Các chi tiết máy truyền động Chương 5: Các chi tiết đỡ-nối Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình biên soạn, biên tập và in ấn khó tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong được sự góp ý, đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình này được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cơ sở cơ khí Mã số môn học: MH 11 Thời gian môn học: 30 giờ (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành: 0 giờ; Kiểm tra: 2 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC - Vị trí của môn học: Môn học được phân bổ vào giữa khóa học. - Tính chất môn học: Là môn học bắt buộc II. MỤC TIÊU MÔN HỌC 6
Học xong môn này người học sẽ có khả năng: - Kiến thức: + Trình bày được các kiến thức cơ bản về kỹ thuật cơ khí như vật liệu cơ khí, các sản phẩm cơ khí, công nghệ gia công kim loại và hợp kim. + Trình bày được các kiến thức cơ bản về cơ cấu và các chi tiết máy như công dụng, phân loại, đặc điểm của bánh răng, vòng bi,… - Kỹ năng: + Nhận biết các sản phẩm cơ khí, các cơ cấu và chi tiết máy thông dụng cũng như phương pháp gia công kim loại thường gặp + Nâng cao năng lực khai thác các thiết bị và máy chuyên ngành. - Thái độ: Làm việc khoa học, hiệu quả. CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm cơ bản về tính chất, cấu tạo, các chuyển biến pha, giản đồ trạng thái của kim loại và hợp kim. - Trình bày được khái niệm, phân loại, tính chất, công dụng và ký hiệu quy ước của kim loại và hợp kim thông dụng. - Nhận biết được các loại kim loại và hợp kim thông dụng và ứng dụng thực tế của chúng. - Có thái độ đúng đắn với tầm quan trọng của kim loại trong cuộc sống. 7
BÀI 1 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1.1. Khái niệm về kim loại 1.1.1. Định nghĩa kim loại - Theo phương diện hóa học: Kim loại là các nguyên tố mà khi tham gia phản ứng hóa học thì nhường đi các điện tử ở lớp ngoài cùng. Liên kết kim loại được hình thành do lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do. - Theo phương diện kỹ thuật: Kim loại là những vật thể có các dấu hiệu chung như khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, có khả năng biến dạng dẻo, có ánh kim, ở nhiệt độ thường có cấu trúc tinh thể,… Kim loại là vật thể sáng, có ánh kim, dẻo, có thể rèn được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, có hệ số nhiệt điện trở dương. 1.1. 2. Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại. - Số điện tử hoá trị của lớp điện tử ngoài cùng rất ít, thường chỉ có 1-3 điện tử. Chúng liên kết yếu với hạt nhân, nên dễ bị bứt ra thành điện tử tư do, còn nguyên tử trở thành ion dương. 8
- Sự tồn tại của các điện tử tự do quyết định nhiều tính chất quan trọng của kim loại như: vẻ sáng (ánh kim); tính dẻo; tính dẫn điện và dẫn nhiệt. 1.2. Các tính chất của kim loại * Cơ tính: Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim khi chịu tác dụng của tải trọng, bao gồm: - Độ bền, là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Tùy theo các dạng ngoại lực mà có các loại độ bền khác nhau. - Độ cứng, là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ CỨNG + Mũi thử là viên bi bằng thép – đơn vị độ cứng là Brinen (HB) + Mũi thử là kim cương hình nón – đơn vị độ cứng là Rôcoen (HRC) Hình 1-1. Phương pháp đo độ cứng - Độ dãn dài tương đối là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng dãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu. - Độ dai va chạm là khả chịu tác dụng tải trọng đột ngột của vật liệu mà không bị phá hủy. * Lý tính: Là những tính chất vật lý của kim loại như khối lượng riêng, nhiệt độ chảy, tính dẫn điện,… + Vẻ sáng: Bức xạ tạo ra ánh sáng gọi là ánh kim. (Các điện tử tự do bị kích động và đạt mức năng lượng cao nhưng không ổn định khi bị ánh sáng chiếu vào). + Tính dẻo: Mây điện tử có tác dụng như một lớp đệm để các ion dương có thể trượt đi với nhau khi bị biến dạng (phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể). + Tính dẫn điện: Khi đặt kim loại vào một hiệu điện thế, các điện tử tự do sẽ chuyển động theo một hướng nhất định tạo nên dòng điện. + Tính dẫn nhiệt: Khi nhiệt độ tăng thì các ion dương và mây điện tử dao động mạnh và truyền động năng cho nhau. * Hóa tính: Là khả năng chống lại các tác động hóa học của môi trường như tính chống ăn mòn, tính chịu axit, … * Tính công nghệ: Là khả năng thay đổi hình dạng, kích thước của kim loại khi gia công ở điều kiện nóng hay nguội. Tính công nghệ bao gồm: 9
- Tính đúc: độ chảy loãng, độ co ngót, tính thiên tích của vật liệu - Tính gia công áp lực: Được đặc trưng bởi khả năng biến dạng dẻo của kim loại. - Tính hàn, tính cắt gọt,…. BÀI 2 CẤU TẠO TINH THỂ CỦA KIM LOẠI 2.1. Liên kết kim loại. Là liên kết giữa mạng ion dương xác định với các điện tử tự do. Năng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy và lực hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử tự do. Sự cân bằng của các lực này là cơ sở của liên kết kim loại, nhờ có dạng liên kết này mà kim loại có tính dẻo rất cao. Hình 2-1. Liên kết kim loại Đặc điểm của liên kết kim loại: - Liên kết kim loại được tạo nên từ những nguyên tử có ít điện tử hoá trị. - Cấu trúc tinh thể của các chất với liên kết kim loại có tính đối xứng cao. (Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn như: Liên kết đồng hoá trị; Liên kết ion; Liên kết hỗn hợp; Liên kết yếu-Liên kết Vander Waals). 10
2.2. Cấu tạo của kim loại nguyên chất Ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suất khí quyển, hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn tinh thể, các nguyên tử (ion kim loại) sắp xếp theo những trật tự nhất định trong không gian hình thành kiểu mạng tinh thể nhất định. - Mạng tinh thể: Là mạng không gian được tạo nên bởi các ion, nguyên tử sắp xếp theo một quy luật chặt chẽ, tạo thành một dạng hình học nhất định - Ô cơ sở (ô cơ bản): Mạng tinh thể gồm vô số các ô nhỏ xếp liên tiếp nhau theo ba chiều trong không gian. Các ô nhỏ đó gọi là ô cơ sở (ô cơ bản). Ô cơ sở là phần nhỏ nhất đặc trưng đầy đủ cho các tính chất cơ bản của mạng tinh thể. Hình 2-2. Cấu tạo của kim loại nguyên chất - Mặt tinh thể: Mạng tinh thể gồm các mặt song song và cách đều nhau được gọi là mặt tinh thể. - Thông số mạng tinh thể: Là kích thước cơ bản của mạng tinh thể (VD như kích thước a ở hình trên) Hình 2-3. Mặt tinh thể 2.3. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại Kim loại nguyên chất thường tồn tại 3 kiểu mạng chính: - Lập phương diện tâm: Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe, Cu, Ni… ; - Lập phương thể tâm: Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe, Cr, W, Mo,…; - Lục phương xếp chặt: Các kim loại có kiểu mạng này là: Zn, Mg, Cr, Mo,…; 11
Hình 2-4. Các kiểu mạng tinh thể a. Lập phương diện tâm; b. Lập phương thể tâm; c. Lục phương xếp chặt 2.4. Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại Một số kim loại ở các khoảng nhiệt độ khác nhau có các kiểu mạng tinh thể khác nhau, quá trình chuyển biến từ kiểu mạng này sang kiểu mạng khác phụ thuộc vào nhiệt độ gọi là chuyển biến pha hay là chuyển biến thù hình. VD: Fe + Ở nhiệt độ dưới 9100C gọi là Fe - mạng A2; + Từ 1392 – 15390C gọi là Fe - dung dịch rắn không hoà tan; + Từ 910 – 13920C gọi là Fe - mạng A1. Khi có chuyển biến thù hình các tính chất cơ, lý, của vật liệu có thể thay đổi đột ngột: - Thay đổi về thể tích: Khi nung nóng đến 9100C thì có chuyển biến từ Fe - mạng A2 (Mv = 64%) sang Fe - mạng A1 (Mv = 74%) thể tích của kim loại bị giảm đi và khi làm nguội thì ngược lại. - Thay đổi về tính chất: Cacbon có 2 dạng thù hình là Graphit và Kim cương có tính chất khác nhau + Graphit – A3 là vật liệu rất mềm, Kim cương là vật liệu rất cứng. + Chế tạo Kim cương từ Graphit: nén Graphit ở áp suất 100.000 at và ở nhiệt độ 20000C 12
2.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể 5.1. Đơn tinh thể - Khái niệm: Một vật tinh thể có mạng thống nhất và phương tinh thể không đổi trong toàn bộ thể tích của nó thì được gọi là đơn tinh thể.(có thể coi đơn tinh thể là mạng tinh thể đồng nhất về hình học). Để hình dung về đơn tinh thể, ta có thể tịnh tiến một ô cơ sở về 3 phương của hệ trục tọa độ với một đoạn bằng thông số mạng. Hình 2-5. Đơn tinh thể - Đặc điểm: + Kim loại đơn tinh thể có độ nguyên chất rất cao, sai lệch mạng ít nhất; + Có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên, hầu như để có được đơn tinh thể kim loại người ta phải “nuôi”; + Chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu điện; + Có tính dị hướng (là sự khác nhau về tính chất cơ, lý, hoá theo các phương khác nhau), vì theo các hướng khác nhau độ xếp chặt nguyên tử khác nhau. 5.2. Đa tinh thể - Khái niệm: Tập hợp của vô số các hạt tinh thể liên kết với nhau gọi là đa tinh thể. Mỗi hạt tinh thể gồm nhiều tinh thể nhỏ có cùng cấu trúc mạng với định hướng khác nhau mang tính ngẫu nhiên. Hình 2-6. Đa tinh thể - Đặc điểm: + Sự định hướng của mỗi hạt tinh thể là ngẫu nhiên nên phương mạng giữa các hạt sẽ lệch nhau một góc từ vài độ đến vài chục độ; + Có tính đẳng hướng; + Mật độ khối thấp. Do vậy đa số kim loại thường gặp đều có cơ tính đồng nhất theo mọi phương. Nếu đem kéo hay cán kim loại với mức độ biến dạng lớn thì kim loại lại thể hiện tính 13
có hướng của nó. Ví dụ khi kéo thép thành sợi, độ bền theo phương dọc sợi lớn hơn rất nhiều so với phương ngang sợi. 2.6. Cấu tạo mạng tinh thể thực tế của kim loại Trong thực tế, các nguyên tử của kim loại không hoàn toàn nằm ở các vị trí một cách trật tự như đã nói ở trên mà luôn luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí, đồng thời trong kim loại bao giờ cũng có các tạp chất, kích thước các nguyên tử lạ này luôn khác với với nguyên tử kim loại cơ bản, từ đó gây ra sai lệch trong mạng tinh thể. Sai lệch mạng tinh thể chiếm số lượng rất nhỏ (1%-2% thể tích mạng) như ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của kim loại Các sai lệch trong mạng tinh thể kim loại bao gồm: Sai lệch điểm, sai lệch đường, sai lệch đường và sai lệch mặt. * Sai lệch điểm: Là loại khuyết tật mà kích thước của chúng rất nhỏ theo cả 3 chiều trong không gian, các dạng khuyết tật điểm bao gồm: - Nút trống Schottky: Là những vị trí thiếu nguyên tử, do dao động nhiệt gây ra. - Nút trống Frenkel: Khi chất điểm nhảy khỏi vị trí cân bằng, và nằm ở vị trí nào đó trong mạng tạo nên xen kẽ hay còn gọi là sai chỗ. - Nguyên tử lạ thay thế: Trong mạng tinh thể luôn có lẫn nguyên tử khác thường gọi là tạp chất. Do kích thước của nguyên tử kim loại nền và nguyên tử tạp chất khác nhau nên có sự sô lệch cục bộ quanh vị trí của nó, tạo nên khuyết tật điểm. - Nguyên tử lạ xen kẽ: Những nguyên tử lạ nằm ở vị trí nào đó trong mạng tạo nên xen kẽ. Hình 2-7. Sai lệch điểm a. Nút trống Frenkel; b. Nút trống Schottky; c. Nguyên tử lạ xen kẽ; d. Nguyên tử lạ thay thế * Sai lệch đường (khuyết tật đường): Là dạng khuyết tật có kích thước phát triển dài theo một hướng nhất định, bao gồm: + Lệch biên: Nguyên nhân là do sự đứt gãy của các mặt tinh thể, sự xuất hiện các mặt tinh thể không hoàn chỉnh tạo ra các trục có năng lượng cao hơn do đó kém ổn định hơn nên tạo ra trục lệch. Trung tâm lệch xuất hiện trường ứng suất đổi dấu, kéo 14
dài suốt trục lệch tạo thành đường lệch có mức năng lượng tự do cao, kém ổn định, trở thành vùng nhạy cảm nhất. Hình 2-8. Lệch biên + Lệch xoắn: Nguyên nhân là do sự dịch chuyển của các mặt tinh thể không hoàn chỉnh tạo ra các bề mặt nhấp nhô tế vi trong mạng tinh thể. Lệch xoắn tạo ra trường ứng suất đổi dấu liên tục xoắn ốc quanh trục lệch và tại mặt ngoài tinh thể tạo bậc nhấp nhô tế vi. Hình 2-9. Lệch xoắn + Lệch hỗn hợp: Gồm cả 2 loại lệch trên Sai lệch đường ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và chống biến dạng của kim loại. Chúng được tạo thành khi kết tinh hoặc trong quá trình biến dạng dẻo. Hình 2-10. Lệch hỗn hợp * Sai lệch mặt: Là loại khuyết tật có kích thước phát triển theo hai chiều, bao gồm: + Biên giới hạt; + Biên giới pha; + Khuyết tật xếp và song tinh. 15
Hình 2-11. Sai lệch mặt 2.7. Sự kết tinh của kim loại từ trạng thái lỏng Phần lớn kim loại được chế tạo ra từ trạng thái lỏng rồi làm nguội trong khuôn thành trạng thái rắn. Khi làm nguội kim loại kim loại lỏng sẽ xẩy ra quá trình kết tinh: mạng tinh thể và các hạt được tạo thành. Trong kim loại lỏng, các nguyên tử có xu hướng tạo thành các nhóm nguyên tử xắp xếp có trật tự (tức là có trật tự gần mà không có trật tự xa như ở trạng thái rắn). Các nhóm nguyên tử sắp sếp có trật tự được hình thành trong một thời gian rất ngắn, sau đó lại tản đi để rồi lại xuất hiện ở chỗ khác, có nghĩa là sự hình thành rồi lại tản đi của chúng là quá trình xẩy ra liên tiếp. Hình 2-12. Sơ đồ biểu thị vị trí ổn định (1), không ổn định (2), giả ổn định (3) Sự kết tinh của kim loại là quá trình hình thành mạng tinh thể khi kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Quá trình này gồm 2 giai đoạn: - Xuất hiện các trung tâm kết tinh (tâm mầm): Là quá trình xuất hiện những phân tử rắn có cấu tạo tinh thể, có kích thước xác định ở trong kim loại lỏng. Đó là các trung tâm để từ đó phát triển lên thành hạt tinh thể. Tâm mầm có thể tự sinh hay nhân tạo. + Mầm tự sinh: Là những nhóm nguyên tử có kiểu mạng và thành phần hoá học gần như pha mới (pha sản phẩm) được hình thành trong nền pha cũ (pha mẹ) và có thể phát triển trong quá trình chuyển pha. + Mầm nhân tạo: Là mầm không tự sinh ra trong lòng pha nền mà dựa vào các vị trí có “khuyết tật”. Đó là những phần tử rắn có sẵn trong lòng kim loại lỏng. Các nhân nguyên tử sắp xếp có trật tự sẽ gắn vào đó mà phát triển lên thành hạt. 16
Hình 2-12. Sự xuất hiện các trung tâm kết tinh - Phát triển tâm mầm để tạo thành hạt tinh thể: Các phần tử trong kim loại lỏng tự khếch tán và bám vào các bề mặt của tâm mầm làm tâm mầm lớn dần lên và tạo thành hạt tinh thể. Khi các mầm tạo nên trước đang lớn lên thì các mầm khác trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục hình thành. Sự hết tinh cứ thế tiếp tục phát triển như vậy cho đến khi nào không còn kim loại lỏng nữa. Quá trình kết tinh các mầm định hướng ngẫu nhiên nên phương mạng của các hạt không đồng hướng và lệch nhau một góc nào đó. Từ đó xuất hiện sự xô lệch mạng tinh thể ở vùng biên giới hạt. Hình 2-13. Sự tạo thành hạt tinh thể Sự lớn lên của mầm không đều theo các phương. Phương nào có mật độ nguyên tử lớn thì tốc độ phát triển mầm theo phương đó cao theo phương tản nhiệt nhanh, mầm phát triển cũng nhanh hơn. Hình dạng hạt tinh thể phụ thuộc vào tốc độ phát triển của mầm theo các phương khác nhau: + Theo các phương đều nhau, hạt có dạng cạnh đều hoặc cầu. + Theo 1 phương (rất mạnh), hạt có dạng dài hình trụ. + Theo một mặt (rất mạnh), hạt có dạng tấm, phiến. Hình 2-14. Các kiểu hình dạng hạt tinh thể a. Dạng cầu; b. Dạng trụ; c. Dạng phiến 17
BÀI 3 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỢP KIM 3.1. Khái niệm 3.1.1. Định nghĩa: Hợp kim là kết hợp của 2 hay nhiều nguyên tố, trong đó nguyên tố chính là kim loại ( Bản thân hợp kim mang tính kim loại). Hàm lượng nguyên tố hợp kim biểu thị bằng phần trăm khối lượng của mỗi nguyên tố. VD: Thép 40 có 0,4%C; Thép 80W18Cr4V có 0,8%C, 18%W, 4%Cr và 1%V 3.1.2. Đặc tính của hợp kim: - Cơ tính cao: Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn hồi của hợp kim cao hơn hẳn so với kim loại nguyên chất, còn độ dẻo, độ dai vẫn đủ cao. - Tính công nghệ phù hợp với chế tạo cơ khí như: tính đúc, tính gia công cắt gọt, có thể hoá bền bằng nhiệt luyện v.v… - Chế tạo (luyện) hợp kim: Dễ và kinh tế hơn nhiều so với kim loại nguyên chất, do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp chất, mà chỉ cần khống chế chúng ở mức độ nào đó. 3.1.3. Các khái niệm về hệ hợp kim Để nghiên cứu hợp kim, người ta đưa ra các khái niệm: - Pha: Là thành phần đồng nhất ở cùng một trạng thái. Mỗi pha có cùng kiểu mạng, thông số mạng và được ngăn cách với nhau bởi biên pha. - Hệ (hệ thống): Là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng, các quá trình xảy ra trong hệ có tính chất thuận nghịch. Mỗi pha có giá trị năng lượng tự do bé nhất. - Nguyên (cấu tử): Là những chất độc lập có thành phần không đổi tạo nên các pha của hệ. Nguyên có thể là nguyên tố hóa học hoặc là hợp chất hóa học. Ví dụ: + Một hệ gồm 2 pha là nước lỏng và nước đá (ở 00C), chỉ có một nguyên tử là H2O. + Hợp kim Cu- Ni là một hệ gồm 2 nguyên (Cu, Ni) ở trạng thái rắn hoặc lỏng chỉ có một pha vì chúng tạo ra dung dịch rắn hoặc lỏng đồng nhất. 3.1.4. Các tổ chức của hợp kim * Dung dịch đặc: Là một dạng cấu trúc hợp kim trong đó 1 nguyên tố kim loại giữ nguyên được kiểu mạng của mình, đóng vai trò là dung môi. Nguyên tử của các 18
chất khác hòa tan vào mạng dung môi đóng vai trò là chất tan. Có 2 dạng dung dịch đặc là dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ. Hình 3-1. Dung dịch đặc + Dung dịch đặc thay thế: Là dung dịch rắn trong đó các nguyên tử chất tan chiếm chỗ của nguyên tử dung môi tại vị trí các nút mạng. Dung dịch đặc thay thế giữ nguyên kiểu mạng của dung môi nhưng tạo ra các sai lệch điểm trong mạng và dấu của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan. Điều này làm tăng độ bền, độ cứng và giảm một chút độ dẻo dai so với dung môi. Hình 3-2. Sơ đồ hình thành dung dịch đặc thay thế hòa tan vô hạn A. Kim loại A; B. Kim loại B + Dung dịch đặc xen kẽ: Là dung dịch đặc mà các nguyên tử chất tan đi vào vị trí các lỗ hổng trong mạng tinh thể của dung môi. Như vậy ta thấy rằng số nguyên tử trong khối cơ sở tăng lên. Do kích thước các lỗ hổng trong mạng tinh thể rất nhỏ nên dung dịch đặc thường được tạo thành bởi dung môi là kim loại có đường kính nguyên tử lớn như: Fe, Cr, W, Ti... và các nguyên tố hoà tan là các á kim có đường kính nguyên tử nhỏ như: C, N, H, B…Dung dịch đặc xen kẽ là loại dung dịch hoà tan có hạn. Hình 3-3. Dung dịch đặc xen kẽ Đặc điểm chung của dung dịch đặc: - Có liên kết kim loại; 19
- Có kiểu mạng tinh thể của kim loại dung môi; - Thành phần các nguyên tố có thể thay đổi trong phạm vi nào đó mà vẫn không làm thay đổi kiểu mạng; - Độ bền, độ cứng cao hơn kim loại dung môi còn độ dẻo vẫn khá cao do vẫn giữ nguyên kiểu mạng của kim loại dung môi (do mạng tinh thể bị xô lệch). Hình 3-4. Sự xô lệch mạng tinh thể của dung dịch đặc * Hợp chất hóa học: Là phản ứng của các nguyên tố thành phần để tạo thành chất mới. Đặc tính chung chung của hợp chất hóa học: - Mạng tinh thể của hợp chất hóa học thường phức tạp và khác các nguyên tố tạo thành nó, nên tính dẻo kém; - Có tính dòn, độ cứng cao và nhiệt độ nóng chảy khá cao; - Thành phần cố định hoặc có thể thay đổi trong phạm vi hẹp. Có thể biểu diễn được bằng công thức hoá học; - Có thể ở nhiều dạng liên kết khác nhau: Liên kết kim loại, ion, đồng hoá trị. * Hỗn hợp cơ học: Là sự kết hợp thuần thúy về mặt cơ học giữa các nguyên thành phần(không hòa tan vào nhau và cũng phản ứng tạo thành chất mới mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học). Hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng tinh thể của các nguyên thành phần. Tính chất của hỗn hợp cơ học phụ thuộc vào tỉ lệ tham gia của các nguyên thành phần. Hỗn hợp cơ học có thể hình thành giữa hai kim loại, hai dung dịch đặc hoặc dung dịch đặc và hợp chất hóa học. Hình 3-5. Hỗn hợp cơ học A. Kim loại A; B. Kim loại B 3.2. Giản đồ trạng thái 3.2.1. Định nghĩa: Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần hoá học của hệ ở trạng thái cân bằng. Giản đồ trạng 20