Giáo trình Vật liệu cơ khí - Nghề: Chế tạo khuôn mẫu - CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa-Vũng Tàu

Chia sẻ: Ochuong_999 Ochuong_999 | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Vật liệu cơ khí cung cấp các kiến thức cơ bản như: Giới thiệu về môn vật liệu cơ khí; Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim; Hợp kim sắt-cacbon; Vật liệu phi kim loại; Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của KL và HK;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu cơ khí - Nghề: Chế tạo khuôn mẫu - CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa-Vũng Tàu

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ: CHẾ TẠO KHUÔN MẪU TRÌNH ĐỘ:CDNTCN Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐCĐN… ngày…….tháng….năm ......... …………........... của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR VT VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 1
Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 2
LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kỳ công nghiệp hóa , hiện đại hóa của nước ta nói chung và của Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu nói riêng , công tác đào tạo nguồn nhân lực cho các khu công nghiệp có vai trò hết sức quan trọng , là yếu tố cơ bản để phát triển xã hội và tăng trưởng nhanh và bền vững . Quán triệt chủ trương nghị quyết , Tỉnh Đảng bộ Bà Rịa – Vũng tàu lần thứ 5, về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực cho công cuộc công nghiệp hóa , hiện đại hóa Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu .và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình giáo trình đối với việc nâng cao chất lượng đào tạo Trên cơ sở Chương trình khung của Bộ LĐTBXH,ban hành và kinh nghiệm thực tế từ quá trình đào tạo với sự hợp tác và giúp đỡ nhiệt tình của các chuyên gia đến từ Nhật bản và sự chỉ đạo trực tiếp của Ban Giám hiệu Trường cao đẳng nghề Bà Rịa – Vũng Tàu , khoa cơ khí tổ chức biên soan giáo trình bộ môn Vật liệu Cơ khi , một cách khoa học và có hệ thống , cap nhat ki ̀ ̀ ến thức thực tế , phù hợp với đối tượng học sinh học nghề . Môn học vật liệu cơ khí là một môn học có rất nhiều thông tin về lý thuyết , và mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn Giáo trình này là tài liệu giảng dạy và học tập cho giáo viên và học sinh nghành cơ khí của Trường cao Đẳng nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót , bất cập chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các em học sinh trong nhà Trường để từng bước hoàn thiện giáo trình này Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa cơ khí – Trường Cao Đẳng nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu Đ/C: Ấp Thanh Tân – TT Đất Đỏ Huyện Đất Đỏ Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu ĐT:0643.866421 Xin chân thành cảm ơn ./. Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày 21 tháng 08 năm 2015 Ban biên soạn Trần Bình Minh Nguyễn Hữu Tuấn VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 3
MỤC LỤC Lời nói đầu..................................................................................................................... 2 Mục lục........................................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÔN VẬT LIỆU CƠ KHÍ.....................................4 1. Khái niệm về vật liệu và vai trò của vật liệu trong ngành kỹ thuật.........................4 2. Đối tượng của môn học cho ngành kỹ thuật..............................................................6 3. Mục đích của môn học cho ngành kỹ thuật cơ khí.....................................................6 4. Vị trí môn học..............................................................................................................6 5. Giới thiệu chương trình học........................................................................................6 PHẦN 1: CƠ SỞ VẬT LIỆU HỌC..............................................................................7 Chương 2: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim.....................................8 2.1. Khái niệm về vật liệu công nghiệp.........................................................................8 2.2. Khái niệm về vật liệu kim loại...............................................................................9 2.3. Cấu tạo về mạng tinh thể và hạt của kim loại......................................................10 2.4. Cách đánh giá cơ tính của kim loại.........................................................................12 Chương 3: Hợp kim sắt cacbon................................................................................15 3.1. Phân loại hợp kim sắt cacbon...............................................................................15 3.2. Giản đồ trạng thái sắt cacbon..............................................................................16 3.3. Khái niệm về quá trình sản xuất và gia công hợp kim sắt cacbon........................19 3.4. Sản xuất gang..........................................................................................................20 3.5. Sản xuất thép...........................................................................................................26 Chương 4: Thép...........................................................................................................30 4.1. Thép cacbon.............................................................................................................30 4.2. Thép hợp kim...........................................................................................................34 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 4
Chương 5: Gang..........................................................................................................47 5.1. Thành phần của gang...............................................................................................47 5.2. Tổ chức bên trong của gang....................................................................................47 5.3. Phân loại gang..........................................................................................................48 5.4. Gang Xám.................................................................................................................49 5.5. Gang cầu.................................................................................................................. 50 5.6. Gang dẻo..................................................................................................................51 5.7. Hợp kim trung gian..................................................................................................52 Chương 6: Hợp kim màu............................................................................................55 6.1. Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu................................................................55 6.2. Đồng và hợp kim đồng............................................................................................55 6.3. Nhôm và hợp kim nhôm...........................................................................................58 6.4. Hợp kim cứng..........................................................................................................59 6.5. Hợp kim chống masat..............................................................................................59 Chương 7: Nhiệt luyện..............................................................................................61 7.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện...............................................................61 7.2. Các hình thức nhiệt luyện.......................................................................................63 Chương 8: Vật liệu phi kim loại...............................................................................76 8.1. Khái niệm về một số vật liệu phi kim loại............................................................76 8.2. Chất dẻo..................................................................................................................76 8.3. Vật liệu composit....................................................................................................79 8.4. Cao su....................................................................................................................... 80 8.5. Amian.......................................................................................................................81 8.6. Gỗ............................................................................................................................ 81 8.7. Đá mài và bột mài....................................................................................................82 8.8. Vật liệu chịu lửa và chịu nhiệt................................................................................87 PHẦN 2: THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC................................................................91 Bài 1: Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của KL và HK........................95 Bài 2: Thí nghiệm kéo.................................................................................................102 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 5
Bài 3: Đo độ cứng và nghiên cứu quá trình tôi thép................................................110 Bài 4: Nghiên cứu tổ chức tế vi của thép sau khi nhiệt luyện..............................120 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………….127 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MÔN VẬT LIỆU CƠ KHÍ 1. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ VAI TRÒ CỦA VẬT LIỆU TRONG KỸ THUẬT. Vật liệu là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo công cụ , máy móc thiết bị, xây dựng công trình…. Ba nhóm vật liệu dùng phổ biến trong công nghiệp là : Vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ – polymer. Trong ba nhóm vật liệu kể trên, thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để tạo ra những cơ cấu máy móc và những công trình xây dựng 2. ĐỐI TƯỢNG CỦA VẬT LIỆU HỌC CHO NGÀNH KỸ THUẬT Vật liệu học là môn học khảo sát bản chất của vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra phương án chế tạo và sử dụng hợp lý. Máy móc trong cơ khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết và dụng cụ của nó , do điều kiện làm việc của chúng khác nhau nên đòi hỏi các yêu cầu cơ tính khác nhau. Đặc biệt, để đạt tính cạnh tranh trong nền kinh tế hiện nay thì các sản phẩm cơ khí này vừa phải đạt cơ tính đề ra vừa phải chọn công nghệ có chi phí thấp nhất để. Song yêu cầu cuối cùng của vật liệu vẫn là cấu trúc bên trong của vật liệu. 3. MỤC ĐÍCH MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất, cần thiết về vật liệu. Nhờ đó học sinh có thể lựa chọn và sử dụng các loại vật liệu thường dùng trong các loại vật liệu thường dùng trong các thiết bị cơ khí, để đáp ứng tính năng sử dụng , tính công nghệ , tính kinh tế đối với từng bộ phận chi tiết khi thay thế hay sửa chữa nó. 4. VỊ TRÍ MÔN HỌC Vật liệu cơ khí là môn học kỹ thuật cơ sở nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản nhất, cần thiết nhất về những loại vật liệu phổ biến thường dùng trong ngành cơ khí. VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 6
Nhờ đó học sinh có thể tiếp thu kiến thức các môn học kỹ thuật cơ sở khác và kiến thức chuyên môn sau này để chọn vật liệu thích hợp và sử dụng nó. 5. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH HỌC Môn học thực hiện gồm 2 phần, phần I gồm 7 chương, từ chương 2 đến chương 8, phần II là phần thực hành các thí nghiệm.  PHẦN I: VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương 2: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim Chương 3: Hợp kim sắt – các bon Chương 4: Thép Chương 5: Gang Chương 6: Kim loại màu Chương 7: Nhiệt luyện Chương 8: Vật liệu phi kim loại  PHẦN II: THỤC HÀNH Bài 1: Giới thiệu về lý thuyết Bài 2: Thí nghiệm kéo Bài 3: Thí nghiệm đo độ cứng Bài 4: Thí nghiệm đo cấu trúc vật liệu sau nhiệt luyện và nhiệt luyện VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 7
PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 8
CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1. Mục đích Cung cấp những kiến thức cơ bản về tính chất và cấu tạo vật liệu ( đặt biệt cấu tạo của hợp kim) để từ đó xác định được mối quan hệ giữa chúng. 2. Yêu cầu Phân biệt và hiểu được các tính chất. Hiểu và nắm chắc định nghĩa, ký hiệu, đơn vị, ý nghĩa các loại cơ tính thường dung trong vật liệu kim loại. Hiểu được cấu tạo bên trong của kim loại nguyên chất và hợp kim. Hiểu được các dạng cấu tạo của hợp kim. 2.1. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CÔNG NGHIỆP Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Ở trạng thái rắn như sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao su v.v….Ở trạng thái lỏng như xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v…Ở trạng thái khí và hơi như hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100oC), khí oxy (O2) và VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 9
axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (CO2) đã được hoá lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v… Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng để chế tạo các máy móc, công trình, vật dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người có thể chịu được một lực tác dụng nhật định nào đó được gọi là vật liệu kết cấu. Tuỳ thuộc vào cấu tạo bên trong, vật liệu kết cấu lại được chia thành 3 loại: Vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình và vật liệu gốm. Về tính chất vật lý vật liệu kết cấu lại có thể chia làm 2 loại là vật liệu kim loại và vật liệu phi kim loại (có thể gọi vật liệu không kim loại) Vật liệu tinh thể gồm các kim loại nguyên chất, các hợp kim và các loại đá, các muối vô cơ. Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà các nguyên tử của chúng ở trạng thái rắn luôn luôn được sắp xếp theo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh thể. Trong đó các kim loại và hợp kim như sắt, nhôm, đồng , thép, gang, dura có tính kim loại, còn các loại đá và muối như muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO3), thạch cao (CaSO4) có cấu tạo mạng tinh thể nhưng lại không có tính kim loại nên thuộc vật liệu phi kim loại. Vật liệu vô định hình là các vật liệu mà các nguyên tử, phân tử của chúng không sắp xếp theo mạng tinh thể. Hầu hết các vật liệu phi kim loại (trừ đá và muối) đều ở dạng vô định hình như gỗ, chất dẻo, thuỷ tinh, vải, amian v.v… Vật liệu gốm là vật liệu mà cấu tạo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa có một phần vật chất ở dạng vô định hình. Vật liệu gốm trong thiên nhiên cũng có, nhưng tính chất không ổn định nên trong công nghiệp ít được dùng. Vật liệu gốm công nghiệp chủ yếu là nhân tạo. Để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc phi kim loại người ta chế tạo các hạt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, ép lại thành hình ,một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với nhau tạo thành sản phẩm. Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng có những lỗ hổng (lỗ bộng) chứa không khí nên vật liệu gốm bao giờ cũng "xốp" hơn các vật liệu khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm. Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu các kim loại và phi kim loại thông dụng. 2.2KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI 2.2.1 Kim loại là gì? Kim loại là các vật liệu có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt; có tính dẻo cao nghĩa là có thể dát mỏng, kéo dài một cách dễ dàng và có một vẻ sáng bên ngoài riêng biệt mà được gọi là "ánh kim" 2.2.2 Phân loại kim loại VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 10
Khi trong một khối kim loại chỉ gồm một nguyên tố hoá học thì gọi là kim loại nguyên chất. Nếu trong đó gồm nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại là chủ yếu thì gọi là hợp kim. Hợp kim phải có tính kim loại. Về màu sắc và sử dụng, kim loại và hợp kim được chia làm 2 loại: Kim loại đen và kim loại màu. Kim loại đen là các kim loại và các hợp kim trên cơ sở nguyên tố sắt (Fe) cụ thể là sắt nguyên chất, hợp kim của nó là thép và gang. Kim loại màu là các kim loại và hợp kim trên cơ sở các nguyên tố kim loại còn lại như nhôm (Al), đồng (Cu), chì (Pb), thiếc (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn), silic (Si), môlipđen (Mo), . . . Kim loại màu lại được phân làm các loại sau: Kim loại nhẹ là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng nhỏ hơn hay bằng 4g/cm3 như nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li), . . . Kim loại nặng là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng lớn hơn 4 g/cm3 như sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), niken (Ni), vônfram (W), môlipđen (Mo), ziếc côn (Zr), . . . Kim loại dễ chảy là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt (1539oC) như nhôm (660oC), magiê (650oC), chì (327oC), thiếc (232oC), vàng (1063oC), bạc (960oC),. . . Kim loại khó chảy là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt như titan (1665oC), crôm (1875oC), đặc biệt có các nguyên tố rất khó chảy như vanađi (1900oC), niôbi (2468oC), môlipđen (2610oC), tantan (3000oC), vônfram (3380oC), . . . Kim loại quý là các kim loại và các hợp kim của chúng có tính rất bền (trơ, không tác dụng hoá học) với các môi trường thông thường kể cả các loại axit mạnh. Nhóm này gồm 8 nguyên tố như bạc (Ag), vàng (Au), paladi (Pd), platin (bạch kim, Pt), osmi (Os), rôđi (Rh), rutêni (Ru), iriđi (Ir). Kim loại hiếm là các kim loại có trữ lượng rất ít trong vỏ quả đất như Mo, Zr, . . .đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm như lantan (La), xêri (Ce), xamari (Sm),. . . 2.3 CẤU TẠO MẠNG TINH THỂ VÀ HẠT CỦA KIM LOẠI 2.3.1 Cấu tạo nguyên tử của kim loại Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau. Một khối kim loại gồm các nguyên tử kim loại cùng loại hoặc khác loại tạo thành. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp gồm: Hạt nhân mang điện dương ở VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 11
giữa và các điện tử mang điện âm quay xung quanh hạt nhân đó. Hạt nhân bao gồm proton và nơtron. Khối lương của nguyên tử chủ yếu tập trung vào hạt nhân, vì khối lượng của các điện tử vô cùng bé không đáng kể so với khối lượng của hạt nhân. Số lượng điện tử trong mỗi nguyên tử đúng bằng số lượng proton trong hạt nhân của nguyên tử đó, do đó bình thường mỗi nguyên tử có tính chất trung hoà về điện vì số tích điện dương của hạt nhân đúng bằng số tích điện âm của các điện tử (các nơtron trong hạt nhân không tích điện). Số lượng điện tử của mỗi nguyên tố đúng bằng số thứ tự của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn. Trong số hơn 100 nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn thì khoảng 80 nguyên tố là các kim loại. Các điện tử luôn luôn chuyển động quanh hạt nhân theo các quỹ đạo hình elip và được xếp thành các vành năng lượng khác nhau. Số điện tử càng nhiều số vành càng nhiều, nhưng với các nguyên tố đã phát hiện được hiện nay nguyên tố có số điện tử lớn nhất có số vành điện tử không quá 7. Các nguyên tố kim loại có đặc điểm là số điện tử ở vành ngoài cùng rất ít (2 hoặc 3), có liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi sức hút của hạt nhân để di chuyển tự do trong toàn khối kim loại và được gọi là điện tử tự do. Điện tử tự do là một đặc điểm nổi bật của cấu tạo kim loại. Nhờ có điện tử tự do mà kim loại có các tính chất độc đáo khác với các vật liệu phi kim loại như tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, tính dẻo cao v.v… 2.3.2 Cấu tạo tinh thể của kim loại Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, nghĩa là các nguyên tử kim loại luôn luôn sắp xếp theo những hình hình học không gian nhất định gọi là mạng tinh thể không gian, gọi tắt là mạng tinh thể. Trên hình 21 biểu diễn một phần của mạng tinh thể. Mạng tinh thể của kim loại có nhiều kiểu khác nhau. Phần nhỏ nhất biểu diễn đặc trưng cho một kiểu mạng tinh thể gọi là ô cơ bản . thí dụ trên hình 2 2 biểu diễn các kiểu mạng lập phương tâm khối (còn gọi là lập phương thể tâm), lập phương tâm mặt (lập phương thể tâm) và sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt). Trong các hình dưới, mỗi vòng tròn nhỏ biểu diễn cho một nguyên tử kim loại. Vị trí có nguyên tử kim loại gọi là nút mạng. Một mặt phẳng chứa các nguyên tử gọi là mặt mạng hay mặt tinh thể. Hình 2.1 – Mạng tinh thể không gian của kim loại VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 12
Nhiều mặt tinh thể xếp liên tục với nhau tạo thành mạng không gian. Khi kim loại nóng chảy thì sự sắp xếp theo mạng tinh thể sẽ bị phá vỡ, ngược lại khi đông đặc thì mạng tinh thể sẽ được thành lập. Do đó quá trình đông đặc của kim loại còn gọi là quá trình kết tinh. Đa số các kim loại từ nhiệt độ thường khi nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy kiểu mạng tinh thể không thay đổi. Nhưng có một số kim loại có tính đặc biệt là ở trạng thái rắn khi nung nóng đến một nhiệt độ nhất định (chưa đạt đến nhiệt độ nóng chảy) thì chuyển sang một kiểu mạng tinh thể khác. Tính chất đó gọi là tính thù hình (hay tính dị hình). Mỗi kiểu kiểu mạng tinh thể ở một khoảng nhiệt độ nhất định của các kim loại đó gọi là một dạng thù hình. Thí dụ nguyên tố sắt (Fe) ở nhiệt độ thường có mạng lập phương tâm khối gọi là Fe (đọc là sắt anpha), nhưng khi nóng đến 911oC nó chuyển sang kiểu mạng lập phương tâm mặt gọi là Fe (đọc là sắt gam ma). Khi nóng đến 1399oC nó lại chuyển về kiểu mạng lập phương tâm khối nhưng được gọi là Fe (đọc là sắt đen ta) và giữ nguyên kiểu mạng này cho đến khi nóng chảy. Như vậy sắt có 2 kiểu mạng là lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối hay còn gọi là 2 dạng thù hình của sắt là lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối. 2.3.3 Cấu tạo hạt của kim loại Trong kim loại thực tế sự sắp xếp mạng tinh thể bên trong kim loại không phải luôn luôn đồng nhất. Tuỳ huộc đặc điểm của quá trình kết tinh hoặc các phương pháp gia công khác nhau, các mặt tinh thể trong mạng không gian không phải luôn luôn song song với nhau mà thường có dạng như hình 23. Do đó một phần tinh thể có sự sắp xếp tương đối đồng nhất với nhau, được giới hạn trong một khối hẹp như trên hình vẽ, gọi là một hạt. Kích thước một hạt có thể to nhỏ rất khác nhau tuỳ thuộc quá trình gia công như quá trình làm nguội khi đúc, quá trình biến dạng khi cán, kỹ thuật biến tính khi nấu luyện, v.v. . .Kích thước hạt của kim loại có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của kim loại và hợp kim. Thí dụ hạt càng nhỏ độ bền và độ dai va đập của kim loại VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 13
càng cao. Nếu sau một quá trình gia công nhất định khi đúc, rèn, cán, dập …kim loại có một kích thước hạt nhất định. Có thể thay đổi kích thước hạt đó mà không muốn thay đổi kích thước hoặc hình dáng bên ngoài của sản phẩm người ta có thể dùng các phương pháp nhiệt luyện để cải thiện độ hạt. 2.4 CÁCH ĐÁNH GIÁ CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI Cơ tính của kim loại được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau: 2.4.1 Độ bền. Độ bền là khả năng chống biến dạng của kim loại khi nó chịu tác dụng một lực nhất định. Để đo độ bền kim loại người ta phải chế tạo mẫu thử theo kích thước quy định và thử trên các máy thử chuyên dùng như máy kéo nén, máy thử mỏi, máy thử xoắn … Trên hình 24 là máy thử độ bền. Tuỳ thuộc phương pháp thử, độ bền được chia thành các loại sau: VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 14
Độ bền kéo ký hiệu K , đơn vị đo lường là N/mm2 (đọc là Niutơn trên milimet vuông) hay MPa (đọc là mêga pascal). Đơn vị đo lường cũ là KG/mm2 (1 KG/mm2=9,81N/mm2) Độ bền nén ký hiệu n Độ bền uốn ký hiệu u Độ bền xoắn ký hiệu x Độ bền mỏi ký hiệu 1 2.4.2 Độ cứng Về bản chất, độ cứng và độ bền là giống nhau, chỉ khác ở phương pháp đo. Khi đo độ bền dùng mẫu riêng và phá huỷ toàn bộ mẫu, còn khi đo độ cứng chỉ đo tại một vài điểm trên mẫu và không phá huỷ mẫu. Tuỳ theo phương pháp đo, độ cứng có các loại thông dụng sau: Độ cứng Brinen (Brinelle) ký hiệu HB. Máy đo độ cứng Brinen như trên hình 25 chỉ dùng để đo các kim loại mềm (chưa tôi cứng) có chiều dày mẫu lớn hơn 30mm. Độ cứng Rốcoeo (Rockwell) ký hiệu HR. Máy đo độ cứng Rốcoeo như trên hình 26 có 3 thang đo: thang thứ nhất ký hiệu HRB dùng để đo vật liệu mềm giống như vật đo trên máy Brinen, nhưng trên máy Rốcoeo có thể đo được mẫu chiều dày lớn hơn 5mm. Thang thứ 2 ký hiệu HRC dùng để đo vật liệu cứng (thép đã tôi) các mẫu có chiều dày lớn hơn 3mm. Thang thứ 3 ký hiệu HRA dùng để đo vật liệu rất cứng có chiều dày lớn hơn 2mm. Độ cứng Víchke (Vickers) ký hiệu HV. Máy đo độ cứng Víchke như trên hình 27 dùng để đo các vật liệu cứng hoặc mềm nhưng có chiều dày nhỏ hơn 3mm nhưng phải lớn hơn 0,5mm. Với những tấm kim loại rất mỏng dùng phương pháp đo độ cứng tế vi trên các kính hiển vi ký hiệu H . (thường chỉ dùng trong các phòng thí nghiệm). VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 15
2.4.3Độ dẻo Độ dẻo là khả năng biến dạng của kim loại khi tác dụng lên nó một lực nhất định. Độ dẻo được đánh giá bằng hai chỉ tiêu: Độ dãn dài (tương đối) ký hiệu % (đọc là đenta) tính theo phần trăm. Độ thắt (tỷ đối) ký hiệu % (đọc là pxi) tính theo phần trăm. 2.4.4 Độ dai va đập Độ dai va đập là khả năng chống biến dạng của kim loại khi chịu tác dụng của lực động (lực va đập). Độ dai va đập ký hiệu aK, đơn vị đo lường là J/cm2(đọc là jun trên xăngtimet vuông). Đơn vị đo lường cũ là KGm/cm2. 1KGm/cm2= 98,1 J/cm2. Đo độ dai trên máy thử độ dai va đập . Khi đánh giá tính chất của kim loại, ngoài việc đánh giá theo cơ tính, người ta còn đánh giá kim loại theo các tính chất vật lý, tính chất hoá học và trong ngành cơ khí còn đánh giá bằng tính công nghệ. Tính công nghệ của kim loại là khả năng có thể gia công bằng phương pháp nào là tốt. Tính công nghệ của kim loại gồm: tính đúc, tính hàn, tính chịu gia công áp lực, tính chịu cắt gọt, tính chịu nhiệt luyện. Các tính chất này thường được nghiên cứu trong các giáo trình công nghệ gia công của từng phương pháp. Câu hỏi ôn tập 1 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại là gì? Vẽ các ô cơ bản của các kiểu mạng tinh thể đó. 2 Tính thù hình là gì? Trình bày tính thù hình của sắt. 3 Viết ký hiệu và đơn vị đo lường của độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai va đập. CHƯƠNG 3 HỢP KIM SẮT CACBON 1. Mục đích Cho biết cấu tạo và cơ tính của hợp kim Fe –C thong qua giản đồ trạng thái và cách sử dụng nó. VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 16
Nắm rõ được qúa trình sản xuất thép và gang 2. Yêu cầu Hiểu được khái niệm về giản đồ trạng thái nói chung. Nắm được các tổ chức một pha, hai pha, điểm, đường tới hạn trên giản đồ trạng thái. Biết cách sử dụng giản đồ. Biết được quá tình sản xuất thép và gang. 3.1 PHÂN LOẠI HỢP KIM SẮT CACBON Hợp kim sắtcacbon (có thể viết là hợp kim FeC) là hợp kim của 2 nguyên tố chủ yếu là sắt (Fe) và cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon thay đổi không quá 6,67%, nhưng trong thực tế chỉ sử dụng không quá 4%C. Tùy thuộc hàm lượng cacbon trong hợp kim người ta chia ra: Thép là hợp kim FeC trong đó lượng C không quá 2%, còn gang là hợp kim FeC chứa lớn hơn 2%C. Trong thực tế, thành phần của thép và gang không phải chỉ có 2 nguyên tố Fe và C, mà thường còn chứa nhiều nguyên tố khác nữa. Trong bất kỳ loại thép hay gang nào cũng đều có chứa 4 nguyên tố tạp chất là: S (lưu huỳnh), P (phốt pho), Mn (mangan ), Si (silic). Tạp chất lưu huỳnh trong thép làm cho thép có tính dòn nóng, do đó khi luyện thép người ta phải khử lưu huỳnh bằng ferô mangan (FeMn) để giảm lượng S trong thép còn không quá 0,05%. Trong các thép chất lượng cao của các nước có nền công nghiệp luyện kim tiên tiến người ta quy định lượng lưu huỳnh cho phép không quá 0,02%. Trong các thép chất lượng không cao, khi dùng để chế tạo các chi tiết không quan trọng, để tăng tốc độ cắt gọt trên máy tiện tự động, người ta cho lượng S có thể tăng lên đến 0,100,12% và các thép đó được gọi là thép tự động. Lưu huỳnh trong gang cũng làm tăng tính dòn nóng nhưng cho phép hàm lượng S có thể đến 0,100,15%. Tạp chất phốt pho trong thép làm cho thép có tính dòn lạnh. Hàm lượng P cho phép trong các thép thông thường không quá 0,05%. Khi luyện thép, để giảm lượng P trong thép người ta có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau nhưng đều phải luyện trong lò có tính kiềm vì phải sử dụng nhiều đá vôi. Khi lượng P trong thép cao, cơ tính của thép giảm, nhưng tính chịu cắt gọt lại dễ hơn nên có thể thay thép có S cao bằng thép có P cao (0,120,15%P) để làm thép tự động. Phốt pho ở trong gang cho phép đến 0,2%, đôi lúc có thể đến 0,5%. Sở dĩ P trong gang có lúc cho phép cao là vì ngoài tác dụng xấu làm giảm cơ tính của gang, P lại có tác dụng khác theo chiều hướng tốt là tạo một tổ chức bên trong gọi là cùng tinh 2 nguyên làm tăng tính chống mài mòn của gang và làm tăng tính chảy loãng cho gang. VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 17
Tạp chất mangan và silic trong thép làm cho thép bền hơn nhưng cũng dòn hơn. Hàm lượng của chúng thường được giới hạn trong khoảng 0,350,4% Si và 0,50,8% Mn. Các tạp chất Si và Mn có trong thép là do khi luyện người ta cho ferô silic vào lò hoặc cho vào thùng rót để khử oxy, cho ferô mangan vào lò để khử lưu huỳnh. Sau các phản ứng hóa học tạo thành xỉ nổi lên mặt kim loại lỏng, một lượng Si và Mn rất nhỏ còn lại hòa tan trong thép đóng vai trò tạp chất. Trong trường hợp lượng Si trong thép cao hơn 1% và Mn cao hơn 1,1% thì lúc đó Mn và Si được gọi là nguyên tố hợp kim. Nếu trong thép ngoài Fe và C, chỉ có các nguyên tố tạp chất S, P, Mn, Si thì thép đó gọi là thép các bon. Nếu ngoài 6 nguyên tố trên còn có thêm các nguyên tố khác dưới dạng các nguyên tố hợp kim thì gọi là thép hợp kim. 3.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT CACBON Thép và gang là hợp kim của sắt và cacbon. Muốn nghiên cứu sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim sắtcacbon khi nhiệt luyện cần phải nghiên cứu một loại đồ thị gọi là giản đồ trạng thái của hợp kim sắtcacbon. Qua giản đồ này chúng ta có thể biết được các quy luật về sự kết tinh, những thay đổi bên trong của hợp kim khi nung nóng và làm nguội gọi là các chuyển biến khi nhiệt luyện. Thông qua giản đồ này ta có thể xác định các chế độ nung nóng khi đúc, rèn, dập nóng, khi nhiệt luyện. Giản đồ trạng thái FeC được biểu diễn trên một mặt phẳng bằng một toạ độ kép mà trục tung chỉ sự thay đổi của nhiệt độ, còn trục hoành chỉ sự thay đổi thành phần cacbon của hợp kim như trên hình 31. VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 18
Trên trục tung bên trái, nhiệt độ 1539oC (điểm A) chỉ nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất. Trên trục tung bên phải điểm D chỉ nhiệt độ nóng chảy của xêmentit (1227oC). Trên trục hoành số 6,67% chỉ tỷ lệ cacbon trong hợp chất xêmentit. Tuỳ thuộc tỷ lệ cacbon trong hợp kim và ở các nhiệt độ khác nhau, sắt và cacbon kết hợp với nhau tạo thành các loại pha khác nhau. Sắt và cacbon là các nguyên tố mà ở trạng thái rắn chúng luôn luôn ở trạng thái tinh thể, nghĩa là các nguyên tử của chúng luôn được sắp xếp theo những hình hình học nhất định gọi là mạng tinh thể. Khi chúng kết hợp với nhau để tạo thành hợp kim, các cấu tạo của hợp kim cũng phải ở dạng các mạng tinh thể. Sắt nguyên chất ở nhiệt độ thường có kiểu mạng lập phương tâm khối như hình 1 2a, gọi là sắt anpha (Fe ). Nhưng khi nhiệt độ tăng đến 911oC sắt lại chuyển thành kiểu mạng lập phương tâm mặt như trên hình 12b gọi là sắt gamma (Fe ). Cacbon trong hợp kim FeC có thể ở 2 dạng: Graphit là cacbon ở dạng nguyên chất có mạng lục giác như hình 32 Xêmentit là hợp chất hoá học của sắt và cacbon có công thức Fe3C, trong đó lượng cacbon chiếm tỷ lệ 6,67%, trên giản đồ ký hiệu là Xê. Nếu trong Fe có hoà tan một ít cacbon (thực tế không đáng kể) gọi là dung dịch rắn ferit (trên giản đồ ký hiệu là F). Ở nhiệt độ trên 727oC, Fe hòa tan cacbon với một lượng từ 0 đến 2,14% được gọi là dung dịch rắn auxtênit (trên giản đồ ký hiệu là A). Trong hợp kim FeC ở nhiệt độ thấp hơn 727oC khi thành phần cacbon bằng 0,8% sẽ tạo thành một tổ chức hỗn hợp gọi là peclit (trên giản đồ ký hiệu là P). Đây là tổ chức gồm các tấm ferit và các tấm xêmentit nằm xen kẽ nhau gọi là peclit tấm như ở hình 33. Khi trong hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 2% thường tạo thành một tổ chức hỗn hợp gọi là lêđêburit như trên hình 34. Trong tổ chức lêđêburit hàm lượng cacbon chiếm 4,3%. VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 19
Lêđêburit là tổ chức gồm các hạt peclit phân bố trên nền xêmentit. Trên giản đồ trạng thái FeC đường ACD gọi là đường lỏng nghĩa là tất cả mọi thành phần hợp kim khi ở nhiệt độ cao hơn đường lỏng đều nóng chảy hoàn toàn. Đường AECF gọi là đường đặc nghĩa là mọi thành phần của hợp kim khi ở nhiệt độ thấp hơn đường đặc đều đã được kết tinh và ở trạng thái rắn. Như vậy với một thành phần hợp kim bất kỳ khi nung nóng đến nhiệt độ tương ứng với đường đặc sẽ bắt đầu nóng chảy, nhưng khi đạt đến nhiệt độ tương ứng với đường lỏng thì hợp kim mới chảy lỏng hoàn toàn. Thí dụ: nếu các đường cong trên giản đồ là chính xác (thực tế là chưa chính xác lắm) thì với hợp kim có thành phần 1%C, khi nung nóng đến 1400oC nó sẽ bắt đầu nóng chảy, nhưng đến khoảng 1470oC (thực tế khoảng 1490oC) mới nóng chảy hoàn toàn. Giản đồ trạng thái FeC được chia thành 2 khu vực: Các hợp kim có thành phần nhỏ hơn 2,14%C (bên trái điểm E) gọi là thép, các hợp kim có thành phần lớn hơn 2,14%C (bên phải điểm E) gọi là gang. Hợp kim có thành phần đúng bằng 0,8%C gọi là thép cùng tích, cấu tạo bên trong được thể hiện trên kính hiển vi gọi là tổ chức tế vi gồm có các hạt peclit như trên hình 23. Các thành phần hợp kim nhỏ hơn 0,8%C gọi là thép trước cùng tích có tổ chức gồm các hạt peclit và các hạt ferit như trên hình 35. Các thành phần hợp kim lớn hơn 0,8%C gọi là thép sau cùng tích có tổ chức gồm các hạt peclit và lưới xêmentit bao quanh như trên hình 36. Các hợp kim có thành phần từ 2,14 đến 4,3%C gọi là gang trước cùng tinh có tổ chức gồm lêđêburit+peclit+xêmentit II như trên hình 77, hợp kim có thành phần lớn hơn 4,3%C gọi là gang sau cùng tinh, có tổ chức gồm lêđêburit+xêmentit I như trên hình 88 , thành phần đúng bằng 4,3%C gọi là gang cùng tinh gồm toàn tổ chức lêđêburit như trên hình 34 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 20