Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Cắt gọt kim loại - Trung cấp) - Trường Trung cấp Tháp Mười (Năm 2024)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Vật liệu cơ khí (Nghề: Cắt gọt kim loại - Trung cấp)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội; Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Cắt gọt kim loại - Trung cấp) - Trường Trung cấp Tháp Mười (Năm 2024)

1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Giới thiệu xuất xứ của giáo trình, quá trình biên soạn, mối quan hệ của giáo trình với chương trình đào tạo và cấu trúc chung của giáo trình. Lời cảm ơn của các cơ quan liên quan, các đơn vị và cá nhân đã tham gia. Tháp Mười, ngày ….. tháng …. năm 2024 Giáo viên cập nhật Trần Thanh Phong 2
MỤC LỤC Trang Chương 1. Cấu trúc và cơ tính vật liệu kim loại 5 1. Khái niệm về vật liệu kim loại. 5 2. Cấu tạo mạng tinh thể. 6 3. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại. 8 4. Tính chất chung của kim loại và hợp kim. 13 Chương 2. Hợp kim và biến đổi tổ chức 16 1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim. 16 2. Giản đồ trạng thái Fe - C (Fe- Fe3C). 19 Chương 3. Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện 23 1. Nhiệt luyện. 24 2. Hóa nhiệt luyện. 29 Chưng 4. Vật liệu kim loại 31 1. Thép Cácbon. 31 2. Thép hợp kim. 35 3. Gang. 40 Chương 5. Hợp kim màu và phi kim 43 1. Hợp kim màu 43 2. Chất dẻo 47 3. Vật liệu Compozit 49 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Vật liệu cơ khí. Mã môn học: MH08. 3
Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 22 giờ; Thảo luận, bài tập: 6 giờ; kiểm tra: 2 giờ) I. Vị trí, tính chất của môn học: - Vị trí: Được bố trí vào học kỳ 1 trước khi học sinh học các mô đun chuyên môn nghề. - Tính chất: + Là môn học chuyên môn cơ sở. + Cung cấp kiến thức về một số loại vật liệu thường được sử dụng trong ngành cơ khí làm nền tảng lý thuyết để học sinh tiếp tục học tập ở các môn học, mô đun sau. II. Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội ... + Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. - Về kỹ năng: + Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, xem tia lửa khi mài. + Xác định được tính chất, công dụng các loại vật liệu thường dùng cho nghề. + Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió, đục... - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện được tính kỷ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao trong học tập. + Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học. Nội dung của môn học: 4
Chương 1: CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU Mã chương: MH08-01 Giới thiệu: - Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệu khác nhau như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , ... Với các tính năng ngày càng tốt và sản lượng ngày càng cao , nhưng vẫn không thay thế hoàn toàn được cho kim loại và hợp kim . 1. Mục tiêu:  Trình bày được các khái niệm về mạng tinh thể, ô cơ sở, các cấu trúc mạng tinh thể của kim loại.  Mô tả được quá trình kết tinh của kim loại.  Trình bày được các tính chất chung của kim loại và hợp kim.  Rèn luyện được tính kỷ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao trong học tập.  Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học. 2. Nội dung chương: 2.1. Khái niệm về vật liệu kim loại. Kim loại là loại vật liệu có các tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn, độ dẻo và độ chống mỏi cao. Nhờ đó mà kim loại được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và các ngành kĩ thuật khác. Ở dạng nguyên chất, do cường độ và độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng rất hạn chế. Chúng được sử dụng chủ yếu ở dạng hợp kim với kim loại và á kim khác, thí dụ như cacbon. Sắt và hợp kim của nó (thép và gang) gọi là kim loại đen; những kim loại còn lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v...) và hợp kim của chúng gọi là kim loại màu. Kim loại đen được sử dụng trong xây dựng nhiều hơn cả, giá kim loại đen thấp hơn kim loại màu. Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả năng chống ăn mòn, tính trang trí cao. Những điều đó đã mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu trong xây dựng, phổ biến là các chi tiết kiến trúc và các kết cấu nhôm. Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen là quặng sắt, mangan, crôm, mà các khoáng đại diện cho chúng là nhóm các oxit: macnetit (Fe3O4), quặng sắt đỏ (Fe2O3), piroluzit (MnO2), crômit (FeCr2O4). Để sản xuất kim loại màu người 5
ta sử dụng boxit chứa các hidroxit: hidracgilit (Al(OH)3, diasno (HAlO2); các loại quặng sunfua và cacbonat đồng, niken, chì v.v... với các khoáng đại diện là chancopirit (CuFeS2), sfalêit (ZnS), xeruxit (PbCO3), magiezit ( MgCO3) v.v... 2.2. Cấu tạo mạng tinh thể. 2.2.1. Cấu tạo nguyên tử kim loại. Nguyên tử của hầu hết các nguyên tố kim loại đều có ít electron ở lớp ngoài cùng (1, 2 hoặc 3e). Thí dụ : Na :1s22s22p63s1 , Mg : 1s22s22p63s1 , Al : 1s22s22p63s2. Trong cùng chu kì, nguyên tử của nguyên tố kim loại có bán kính nguyên tử lớn hơn và điện tích hạt nhân nhỏ hơn so với nguyên tử của nguyên tố phi kim. Thí dụ xét chu kì 2 (bán kính nguyên tử được biểu diễn bằng nanomet, nm) : 11 Na Mg 12 Al 13 14Si P 15 16S Cl 17 0,157 0,136 0,125 0,117 0,110 0,104 0,099 2.2.2. Cấu tạo tinh thể kim loại. Hầu hết các kim loại ở điều kiện thường đều tồn tại dưới dạng tinh thể (trừ Hg). Trong tinh thể kim loại, nguyên tử và ion kim loại nằm ở những nút của mạng tinh thể. Các electron hoá trị liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử và chuyển động tự do trong mạng tinh thể. 2.2.3. Các dạng ô cơ bản của mạng tinh thể kim loại. + Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (Hình 1.2 a). + Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua các nguyên tử, các mặt này luôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể (Hình 1.2 b). + Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2 c). + Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng. Ví 6
dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô. Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A – Các kiểu mạng tinh thể thường gặp: + Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương.Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Fe , Cr, W, Mo, V… + Lập phương diện tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương.Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feg, Cu, Ni, Al, Pb… 7
+ Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau .Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn… + Như vậy có thể xem một khối kim loại nguyên chất là tập hợp vô số các mạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô số các ô cơ sở và dạng của từng ô cơ sở tùy thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó. 2.2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể. + Chất rắn đơn tinh thể là chất rắn được cấu tạo từ một tinh thể, tức các hạt của nó sắp xếp trong cùng một mạng tinh thể chung. Chất đơn tinh thể có tính dị hướng. + Chất đa tinh thể được cấu tạo từ vô số tinh thể rất nhỏ liên kết hỗn độn với nhau. Chất rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng. 2.3. Sự kết tinh của kim loại. 8
- 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 xảy ra quá trình kết tinh: mạng tinh thể và các hạt được tạo thành.  Kim loại và hợp kim chuyển trạng thái từ lỏng sang đặc (rắn) khi giảm nhiệt độ được gọi là quá trình kết tinh. 2.3.1. Điều kiện xảy ra kết tinh. - Các nguyên tử có xu hướng tạo thành các nhóm nguyên tử sắp 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 xảy ra liên tiếp; - Có điện tử tự do và liên kết kim loại giúp nó kết tinh được dễ dàng. + Sự biến đổi năng lượng khi kết tinh. - Năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng 1 đại lượng khác gọi là năng lượng tự do F. - Ở nhiệt độ T > Ts kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng vì năng lượng tự do trạng thái lỏng nhỏ hơn nhỏ hơn năng lượng tự do ở trạng thái rắn F l< Fr . - Ở nhiệt độ T < Ts kim loại tồn tại ở trạng thái rắn vì F r< Fl . - Ở nhiệt độ T0, Fr = Fl. Kim loại lỏng ở trạng thái cân bằng động T 0 được gọi là nhiệt độ kết tinh lý thuyết .  Như vậy sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra T
2.3.2. Hai quá trình của sự kết tinh. + Sự sinh mầm kết tinh: - Mầm tinh thể được hiểu là những phần chất rắn nhỏ ban đầu được hình thành trong kim loại lỏng. - Sự tạo 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. - Có hai loại mầm: + Mầm tự sinh - mầm đồng thể; + Mầm ký sinh - mầm dị thể. + Mầm tự sinh - 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. - Khi T < TS những nhóm nguyên tử sắp xếp có trật tự, có kích thước lớn hơn kích thước tới hạn r > rth Thì chúng trở nên ổn định, không tan nữa và chúng lớn lên thành hạt. 10
- Bán kính tới hạn được tính theo công thức: 2δ rth Δf V Trong đó: δ - Sức căng bề mặt giữa rắn và lỏng; ∆fV - Độ chênh nămg lượng tự do tính cho một đơn vị thể tích. + Mầm ký sinh : - 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. - Khi kích thước mầm r ≤ rth thì sự phát triển tiếp theo của mầm là tự phát, vì đó là sự giảm năng lượng tự do. - Khi nhiệt độ kết tinh thực tế càng thấp thì r th càng nhỏ, do đó sự kết tinh càng dễ dàng. - 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. 11
2.3.3. Sự hình thành hạt tinh thể. Tiến trình kết tinh : 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.  Xuất hiện sự xô lệch mạng tinh thể ở vùng biên giới hạt. Hình dạng hạt : - Hình dạng hạt 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. 12
Kích thước hạt - Kích thước hạt là 1 trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng kim loại – quan hệ chặt chẽ tới cơ tính. - Các cách xác định độ lớn của hạt: + Đo diện tích trung bình của hạt (Phức tạp-ít dùng); + Đo đường kính lớn nhất của hạt; + So sánh với bảng mẫu về cấp hạt. Thường có 8 cấp hạt chính: 1-4 cấp hạt to và 5-8 cấp hạt nhỏ. 2.4.Tính chất chung của kim loại và hợp kim. 2.4.1. Cơ tính. Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác động của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm: a. Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng.Tùy theo các dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độ bền: độ bền kéo (sk), độ bền nén (sn), độ bền uốn (su).Đơn vị đo của độ bền thường dùng là N/mm2 hoặc MN/mm2. b. Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén mà vết lõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu đó càng kém. Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơn vị đo độ cứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC), Vicke (HV). c. Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà không bị phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài. Để xác định độ dẻo người ta thường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu sau khi thử độ bền kéo: 13
– Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi bị kéo đứt. – Độ thắt tiết diện tương đối (ψ): là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết diện sau khi bị kéo đứt. Ở đây: I0 và I1 là chiều dài mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo. F0 và F1 là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo. d. Độ dai va đập: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà không bị phá hủy, ký hiệu là ak và đơn vị đo là J/mm2 hoặc kJ/m2. 2.4.2. Lý tính. Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi. Lý tính cơ bản của kim loại gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính. a. Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Trong đó m: là khối lượng của vật chất. V là thể tích của vật chất. b. Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi bị đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc, hàn. c. Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc bị làm lạnh. Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống. d. Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại thay đổi. Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở. 14
e. Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại. So sánh tính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại. f .Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt, coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại. 2.4.3. Hóa tính. Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy. Tính năng hóa học của kim loại có thể chia thành các loại sau: a. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh. b. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao. c. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường axit. 2.4.4. Tính công nghệ. Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ bao gồm các tính chất sau: a. Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích. Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém. b. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy. Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp. Gang không có tính rèn vì giòn. Đồng, nhôm, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội. c. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. d. Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt. 15
Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quý nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành sản phẩm. ------------------------ Câu hỏi ôn tập chương 1 : Câu 1 : Trình bày cơ tính của kim loại và hợp kim? Câu 2 : Hai quá trình của sự kết tinh là gì ? Câu 3 : Trình bài cấu tạo của mạng tinh thể? Chương 2: HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC Mã chương: MH08-02 Giới thiệu: - Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó kim loại là vật liêu chủ yếu . Sở dĩ kim loại là vật liệu được sử dụng chủ yếu của ngành chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu việt hơn hẳn so với các loại vật liệu khác . 1. Mục tiêu: - Trình bày được cấu trúc tinh thể hợp kim. - Mô tả được những chuyển biến trên giản đồ pha Fe -C.  Rèn luyện được tính kỷ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao trong học tập.  Chủ động, tích cực thực hiện nhiệm vụ trong quá trình học. . Nội dung chương: 1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim. 21.1. Khái niệm về hợp kim.  Định nghĩa Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại.  Ưu điểm của hợp kim so với kim loại Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các ưu điểm sau: 16
- Cơ tính hợp kim phù hợp với vật liệu chế tạo cơ khí: đối với ngành cơ khí vật liệu sử dụng phải có các yêu cầu như độ bền cao, tuổi thọ sử dụng lâu. Về mặt này thì hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất, chúng có độ cứng, độ bền cao hơn hẳn trong khi độ dẻo và độ dai vẫn đủ cao. - Tính công nghệ thích hợp: kim loại nguyên chất có tính dẻo cao dễ gia công áp lực nhưng khó đúc, gia công cắt kém, không hóa bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim có tính công nghệ khác nhau và phù hợp với từng điều kiện gia công: gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện… đảm bảo cho chế tạo sản phẩm có năng suất cao. - Giá thành hạ hơn: dễ chế tạo hơn do không phải khử bỏ các tạp chất một cách triệt để như kim loại. 21.2. Các tổ chức của hợp kim. Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguyên tố cấu tạo nên chúng. Khi ở dạng lỏng, các nguyên tố hòa tan lẫn nhau để tạo nên dung dịch lỏng. Tuy nhiên, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ hình thành các tổ chức pha của hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa các nguyên tố. Có thể có các tổ chức pha như sau: - Tổ chức một pha (một kiểu mạng tinh thể): Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hòa tan ở trạng thái rắn, gọi là dung dịch rắn. Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hóa học ở trạng thái rắn, gọi là hợp chất hóa học. - Tổ chức hai pha trở lên (có từ hai kiểu mạng tinh thể trở lên): khi giữa các pha trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơ học.  Dung dịch rắn Khi nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong cùng một kiểu mạng. Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn thay thế.  Dung dịch rắn xen kẽ. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ. Sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn.  Dung dịch rắn thay thế. 17
Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thay thế. Cơ tính chung của dung dịch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhiên độ dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất.  Hợp chất hóa học Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học. Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng thành phần. Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau. Ví dụ: Nguyên tố sắt và cacbon tạo nên Fe3C rất ổn định, nhưng nguyên tố Cu với Zn có thể cho ta nhiều dạng hợp chất như: CuZn, Cu3Zn3, CuZn3,… - Cơ tính chung của hợp chất hóa học: có độ cứng cao, độ dòn cao do có kiểu mạng tinh thể phức tạp không giống với kiểu mạng của kim loại nguyên chất đồng thời có nhiệt độ phân hủy cao (t0nc cao).  Hỗn hợp cơ học Trong hệ hợp kim, có những nguyên tố không hòa tan vào nhau cũng không liên kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy, thì gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Như vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của nguyên tố thành phần. Vì để tạo được liên kết cơ học nguyên tử các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Cơ tính chung của hỗn hợp cơ học: phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạo thành. Muốn đánh giá cơ tính của hợp kim tạo thành tại nhiệt độ xác định phải căn cứ vào tỉ lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành. 18
2. Giảng đồ trạng thái hợp kim Fe-C (Fe- Fe3C). 22.1. Sự tương tác của Fe và C. Sắt là kim loại khá phổ biến trong vỏ quả đất. Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính như sau: HB ≈ 80; σb ≈ 250MPa; σ0,2 ≈ 120MPa; δ ≈ 50%; Ψ ≈ 85%; aK ≈ 2500kJ/m2 So với các kim loại khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn rất thấp so với yêu cầu sử dụng. Khi đưa cacbon vào sắt, giữa hai nguyên tố này xảy ra cả hai tương tác (hòa tan thành dung dịch rắn và tạo nên pha trung gian), đều có tác dụng hóa bền, nhờ đó hợp kim Fe - C trở nên bền cứng hơn (sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất. 22.2. Giảng đồ trạng thái hợp kim Fe-C. §Þnh nghÜa: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i lµ biÓu ®å chØ râ sù phô thuéc cña tr¹ng th¸i pha víi thµnh phÇn hãa häc cña hîp kim, gi÷a nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. C¸c hÖ hîp kim kh¸c nhau cã kiÓu gi¶n ®å tr¹ng th¸i kh¸c nhau vµ được x¸c lËp chñ yÕu b»ng thùc nghiÖm. C«ng dông: Tõ gi¶n ®å cã thÓ x¸c ®Þnh được nhiÖt ®é ch¶y, nhiÖt ®é chuyÓn biÕn pha cña hîp kim víi thµnh phÇn ®∙ cho khi nung ch¶y vµ khi lµm nguéi; tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh được chÕ ®é nhiÖt khi ®óc, gia c«ng ¸p lùc vµ nhiÖt luyÖn. Chó ý: nhiÖt ®é chuyÓn biÕn vµ cÊu t¹o pha trªn gi¶n ®å chØ øng víi tr¹ng th¸i c©n b»ng. C¸ch x©y dùng: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hÖ hîp kim được x©y dùng b»ng thùc nghiÖm. Nguyªn t¾c chung ®Ó x©y dùng gi¶n ®å cña hÖ hîp kim lµ: dïng mét lượng lín c¸c mÉu víi c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau, b»ng c¸c phương ph¸p hãa nhiÖt luyÖn ®Ó x¸c ®Þnh c¸c tæ chøc h×nh thµnh ë tõng kho¶ng nhiÖt ®é. 19
Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) được trình bày ở hình dưới với các ký hiệu các tọa độ (nhiệt độ, oC - thành phần cacbon, %) đã được quốc tế hóa như sau: lượng Tọa độ các điểm trên giản đồ trạng thái Fe-C Nhiệt Nhiệt Nhiệt Điểm Điểm %C Điểm %C độ(0C) %C độ (0C) độ(0C) A 1539 0 E 1147 2,14 P 727 0,02 B 1499 0,51 C 1147 4,3 S 727 0,8 H 1499 0,1 F 1147 6,67 K 727 6,67 J 1499 0,16 D 1600 6,67 Q 0 0,006 N 1392 0 G 911 0 L 0 6,67 Giải thích các ký hiệu: 1. Austenite solid solution of carbon in gamma iron: dung dịch rắn austenite của các- bon trong sắt gamma. 2. Austenite in liquid: austenite phân tán trong pha lỏng (đây là vùng tồn tại của austenite và pha lỏng). 3. Primary austenite begins to solidify: đường giới hạn mà austenite sơ cấp bắt đầu kết tinh. 20