BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐẠI VIỆT SÀI GÒN
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ Ô TÔ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
( Lưu hành nội bộ)
MỤC LỤC
Chương 1 .................................................................................................................6
CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI .....................................6
1. CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ .....................................................7
2.SẮP XẾP NGUYÊN TỬ TRONG VẬT CHẤT..............................................9
3.MẠNG TINH THỂ TRONG KIM LOẠI ......................................................10 4.
ĐƠN TINH THỂ ĐA TINH THỂ.................................................................16 5.
SỰ KẾT TINH VÀ HÌNH THÀNH TỔ CHỨC KIM LOẠI........................17
Chương 2 ...............................................................................................................21
HỢP KIM VÀ CHUYỂN BIẾN PHA KHI KẾT TINH........................................21
1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM..........................................................................21 2.
GIẢN ĐỒ PHA .............................................................................................24 3.
GIẢN ĐỒ PHA Fe – C ( Fe – Fe3C ) ...........................................................29
Chương 3 ...............................................................................................................34
NHIỆT LUYỆN.....................................................................................................34
1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHIỆT LUYỆN................................................35 2.
CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯƠC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP 37
3. Ủ VÀ THƯỜNG HOÁ THÉP ......................................................................41
4. TÔI THÉP .....................................................................................................44
5. RAM THEP...................................................................................................49
6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN .................................49
7. HOÁ NHIỆT LUYỆN...................................................................................52
Chương 4 ...............................................................................................................59
VẬT LIỆU KIM LOẠI..........................................................................................59
1. THÉP CACBON ...........................................................................................60
2.THÉP HỢP KIM ............................................................................................66
3.GANG ............................................................................................................84
Chương 5 ...............................................................................................................94
HỢP KIM MÀU VÀ PHI KIM .............................................................................94
1. HỢP KIM MÀU............................................................................................95 2.
VẬT LIỆU PHI KIM ..................................................................................103
2
Chương 1
CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI
Giới thiệu chương:
Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) và tương tác giữa các
phần tử cấu thành (lực liên kết giữa các phân tử, nguyên tử), vật chất có thể tồn tại ở
trạng thái rắn, lỏng, hoặc khí (hơi). Tính chất của vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu
vào các cách sắp xếp của các phần tử cấu thành và lực liên kết giữa chúng. Trong
chương này các khái niệm cơ bản sẽ được đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, các dạng liên kết
và cấu trúc tinh thể, không tinh thể (vô định hình) của vật rắn.
Mục tiêu:
- Trình bày được đặc điểm, cấu tạo và liên kết nguyên tử của kim loại và
hợp kim;
- Mô tả được các dạng liên kết nguyên tử và cấu trúc tinh thể điển hình của
chất rắn;
- Trình bày được sự kết tinh và hình thành tổ chức kim loại;
- Trình bày được cách xác định phương và mặt của mạng tinh thể; - Rèn
luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo
trong học tập.
Nội dung chính
1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử.
1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử
1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất
2.1. Chất khí
2.2. Chất rắn tinh thể.
2.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể.
3. Mạng tinh thể trong kim loại
3.1. Khái niệm về mạng tinh thể
3.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp 4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn.
4. 1.Chất rắn có liên kết ion.
4.2. Chất rắn có liên kết đồng hoá trị.
4.3. Chất rắn có liên kết kim loại.
4.4. Liên kết hỗn hợp
4.5. Liên kết yếu ( liên kết Van der Waals) 5. Đơn tinh thể và đa tinh thể 5.1.
Đơn tinh thể.
5.2. Đa tinh thể
3
5.3. Textua.
6. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại
6.1. Điều kiện xảy ra kết tinh 6.2.
Hai quá trình của sự kết tinh.
6.3. Sự hình thành hạt.
6
1. CẤU TẠO VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử
Nguyên tử là một hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương và các điện tử
(electron) mang điện âm chuyển động xung quanh. Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ những
proton và nơtron. Hạt nơtron không mang điện còn hạt proton mang điện dương, có điện
tích bằng điện tích của nguyên tử. Ở trạng thái thường, nguyên tử chung hòa điện vì số
lượng proton bằng số lượng điện tử. Số đó được đặc trưng bằng số thứ tự nguyên tử (Z)
trong bảng tuần hoàn Menđeleev. Vì khối lượng của proton và nơtron lớn hơn rất nhiều
so với điện tử (khoảng 1830 lần) cho nên khối lượng nguyên tử được xác định bằng khối
lượng hạt nhân của nó. Với cùng khối lượng điện tử và proton, hạt nhân có thể chứa số
lượng nơtron khác nhau và tạo thành những đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học.
1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn
1.2.1 Liên kết đồng hóa trị
Liên kết này tạo ra khi hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện tử
hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng. Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân
tử khí CH4
Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị trong phân tử khí CH4
1.2.2. Liên kết ion
Đây là loại liên kết mạnh và rất dễ xẩy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa trị dễ
cho bớt điện tử đi để tạo thành ion dương như các nguyên tố nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB
(Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành
ion âm như các nguyên tố nhóm VIB (O, S...). Hình 1.2 biểu diễn liên kết ion trong phân
tử LiF
3
4
1.2.3. Liên kết kim loại
Đây là loại liên kết đặc trưng cho các vật liệu kim loại, quyết định các tính chất
rất đặc trưng của loại vật liệu này. Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại. Có thể hình
dung liên kết này như sau: các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt trong không gian
điện tử tự do "chung". Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút (giữa ion
dương và điện tử tự do bao quanh) và lực đẩy (giữa các ion dương). Chính nhờ sự cân
bằng này các nguyên tử, ion kim loại luôn luôn có vị trí cân bằng xác định trong đám
mây điện tử. Liên kết kim loại thường được tạo ra trong kim loại là các nguyên tố có í t
điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt ra khỏi nguyên tử trở nên tự
do (không bị ràng buộc bởi nguyên tử nào) và tạo nên "mây" hay "biển" điện tử.
1.2.4. Liên kết hỗn hợp
Thực ra, liên kết đồng hóa trị thuần túy chỉ có được trong trường hợp liên kết
đồng cực (giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học). Trong trường hợp liên
kết dị cực (giữa các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau). Điện hóa trị tham gia liên
kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược :
- Bị hút bởi hạt nhân “của mình”
- Bị hút bởi hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung”
Khả năng của hạt nhân hút điện tử hóa trị được gọi là tính âm điện của nguyên tử.
Sự khác nhau về tính âm điện giữa các nguyên tử trong liên kết đồng hóa trị làm cho
đám mây điện tử “chung” bị biến dạng và tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố của liên kết
ion. Tính ion của liên kết sẽ càng lớn nếu sự khác nhau về tính âm điện của các nguyên
tử càng lớn. Ví dụ Na có tính âm điện bằng 0,9 còn Cl bằng 3,0. Do vậy liên kết giữa Na
và Cl trong hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị.
Tất cả những liên kết dị cực đều mang tính chất hỗn hợp giữa liên kết ion và đồng hóa
trị.
1.2.5. Liên kết yếu ( liên kết Van der Waals)
Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải sự tạo thành những phân tử như nước (
O) hoặc polyetylen ( ) . Nhưng không cho phép lý giải sự tạo thành một số vật rắn
từ những phân tử trung hòa như nước đá polyme…
5
Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do sự khác nhau về tính âm điện của
các nguyên tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực