Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Công nghệ kỹ thuật cơ khí - Trung cấp) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (năm 2020)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Công nghệ kỹ thuật cơ khí - Trung cấp) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên giải thích đúng các ký hiệu vật liệu ghi trên bản vẽ chi tiết; lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật liệu khác nhau. 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: Công nghệ kỹ thuật cơ khí - Trung cấp) - Trường Cao đẳng nghề Hà Nam (năm 2020)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM ---------o0o--------- GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHÀNH/ NGHỀ: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ……….ngày……tháng……năm………. ……………..của …………………. Hà Nam, năm 2020
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. Dựa theo giáo trình này, có thể sử dụng để giảng dạy cho các trình độ hoặc nghề ngành/ nghề khác của nhà trường. Cần giảng dạy bổ sung những môn học, mô đun bắt buộc và một số môn học, mô đun tự chọn mà trong chương trình đào tạo trình độ cao đẳng chưa giảng dạy; 1
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Vật liệu cơ khí” này được biên soạn dựa theo chương trình khung của Bộ Giáo dục và Đào tạo và được tác giả cụ thể hoá bằng chương trình chi tiết. Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học “Vật liệu cơ khí”. Tổ môn vật liệu thuộc khoa kỹ thuật cơ sở trường cao đẳng nghề giao thông vận tải trung ương 2 đã biên soạn giáo trình “Vật liệu cơ khí”. Giáo trình được biên soạn theo chương trình khung Quốc gia nghề Hàn, trình độ Cao đẳng nghề. Nội dung của giáo trình nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về vật liệu của ngành Cơ khí cho học sinh hệ công nhân lành nghề và kỹ thuật viên trung cấp. Đồng thời, đây còn là tài liệu phục vụ cho việc bổ túc nâng bậc cho công nhân ở nhà máy, xí nghiệp. Nội dung gồm hai phần. Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của kim loại khi nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện. Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của những vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành chế tạo cơ khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit. Trong quá trình biên soạn, tổ môn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí của các trường dạy nghề, giáo trình của trường đại học Bách khoa Hà Nội và nhiều tài liệu khác Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được đồng nghiệp và bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu này ngày càng hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! 2
MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU.................................................................................................................2 MỤC LỤC............................................................................................................................ 3 Tên môn học : Vật Liệu Cơ Khí .......................................................................................... 6 Mã số của môn học: MH 10 .................................................................................................6 Vị trí, tính chất, vai trò và ý nghĩa môn học ........................................................................6 Mục tiêu môn học ................................................................................................................6 Nội dung môn học ................................................................................................................6 Chương 1. Lý thuyết về hợp kim ......................................................................................... 7 Mã chương: MH 10.01 .........................................................................................................7 1. Khái niệm về hợp kim ......................................................................................................7 1.1. Định nghĩa hợp kim ...................................................................................................7 1.2. Đặc tính hợp kim. ......................................................................................................7 1.3. Ưu và nhược điểm của hợp kim ................................................................................8 2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim .......................................................................................... 8 2.1. Các dạng cấu tạo của hợp kim ...................................................................................8 2.2. Giản đồ pha của hợp kim ........................................................................................... 8 2.3. Dung dịch rắn ..........................................................................................................10 Chương 2: GANG ..............................................................................................................12 Mã chương: MH 10.02 .......................................................................................................12 1. Khái niệm về gang .........................................................................................................12 1.1. Khái niệm chung......................................................................................................12 1.2. Tổ chức tế vi ............................................................................................................12 1.3. Cơ tính và công nghệ ............................................................................................... 12 2. Công dụng ...................................................................................................................... 13 3. Các loại gang thường dùng: ........................................................................................... 13 3.1. Gang xám.................................................................................................................13 3.2. Gang biến tính..........................................................................................................14 3.3. Gang trắng ...............................................................................................................15 3.4. Gang dẻo ..................................................................................................................15 3.5. Gang cầu ..................................................................................................................16 3.6. Gang hợp kim. .........................................................................................................17 Chương 3. Thép .................................................................................................................18 Mã chương: MH 10.03 .......................................................................................................18 1. Thép các bon ..................................................................................................................18 3
1.1. Khái niệm chung......................................................................................................18 1.2. Thành phần của thép các bon ..................................................................................18 1.3. Ký hiệu .................................................................................................................... 18 1.4. Công dụng ...............................................................................................................19 1.5. Ảnh hướng của các nguyên tố đến tính chất của thép .............................................19 2. Thép hợp kim .................................................................................................................21 2.1. Khái niệm ................................................................................................................21 2.2. Đặc tính của thép hợp kim ....................................................................................... 21 2.3. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép ........................................22 2.4. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến quá trình luyện nhiệt .......................... 22 2.5. Các dạng hỏng của thép hợp kim ............................................................................24 Chương 4. Kim loại và hợp kim màu ................................................................................26 Mã chương MH 10.04 ........................................................................................................26 1. Nhôm và hợp kim nhôm ................................................................................................ 26 1.1. Khái niệm nhôm nguyên chất ..................................................................................26 1.2. Phân loại hợp kim nhôm .......................................................................................... 26 1.3. Hợp kim nhôm biến dạng ........................................................................................ 27 1.4. Hợp kim nhôm đúc ..................................................................................................27 2. Đồng và hợp kim đồng...................................................................................................27 2.1. Đồng nguyên chất. ...................................................................................................27 2.2. Phân loại hợp kim đồng ........................................................................................... 28 3. Hợp kim làm ổ trượt. .....................................................................................................29 3.1. Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ Trượt. ...................................................................29 3.2. Hợp kim làm ổ trượt có độ nóng chảy thấp ............................................................. 30 3.3. Hợp kim làm ổ trượt có độ nóng chảy cao .............................................................. 30 Chương 5: Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện ........................................................................31 Mã chương: MH 10.05 .......................................................................................................31 1. Nhiệt Luyện.................................................................................................................... 31 1.1. Khái niệm về nhiệt luyện ......................................................................................... 31 1.2. Phân loại nhiệt luyện................................................................................................ 32 1.3. Tác dụng của nhiệt luyện đối với ngành cơ khí ....................................................... 39 1.4. Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép .........................................39 1.5. Các dạng hỏng xảy ra khi nhiệt luyện thép. ............................................................ 42 2. Hóa nhiệt luyện. .............................................................................................................42 2.1. Định nghĩa. ..............................................................................................................42 2.2. Mục đích. .................................................................................................................43 4
2.3. Phân loại. .................................................................................................................43 2.4. Thấm Các bon..........................................................................................................43 2.5. Thấm Các bon-nitơ (thấm xianua). .........................................................................44 2.6. Các phương pháp hóa nhiệt luyện khác(Thấm nito) ...............................................45 Chương 6. Vật liệu phi kim loại ........................................................................................ 46 Mã chương: MH 10.06 .......................................................................................................46 1. Polyme, Cao su, Chất dẻo. ............................................................................................. 46 1.1. Polyme. .................................................................................................................... 46 1.2. Chất dẻo. ..................................................................................................................47 1.3. Cao su. ..................................................................................................................... 48 2. Dầu mỡ bôi trơn .............................................................................................................49 2.1. Dầu bôi trơn. ............................................................................................................49 2.2. Mỡ bôi trơn. .............................................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................54 5
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học : Vật Liệu Cơ Khí Mã số của môn học: MH 10 Vị trí, tính chất, vai trò và ý nghĩa môn học Vật liệu cơ khí là môn học kỹ thuật cơ sở trong chương trình đào tạo trung cấp nghề và cao đẳng nghề ngành cơ khí, Môn học được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, trước các môn học/ mô đun đào tạo chuyên môn nghề Môn học này cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về các loại vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí. Tạo điều kiện cho học sinh tiếp thu tốt các môn kỹ thuật chuyên ngành và thực tập nghề, đồng thời giúp cho người công nhân kỹ thuật sử dụng vật liệu có hiệu quả trong thực tiễn sản xuất sau này. Mục tiêu môn học - Về kiến thức: + Trình bày đầy đủ các ký hiệu và thành phần hoá học của các loại vật liệu: Thép các bon, thép hợp kim, gang, kim loại và hợp kim màu. + Giải thích đúng các ký hiệu vật liệu ghi trên bản vẽ chi tiết. + Lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật liệu khác nhau - Về kỹ năng:. + Lựa chọn và sử dụng được các thiết bị để đo cơ tính vật liệu. + Chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Làm việc độc lập hoặc làm việc theo nhóm, giải quyết công việc phức tạpviệc liên quan đến vật liệu cơ khí trong điều kiện làm việc thay đổi. + Hướng dẫn, giám sát những người khác giải thích ký hiệu, chọn phương pháp nhiệt luyên, do cơ tính vật liệu, chọn vật liêu cho kết cấu; chịu trách nhiệm cá nhân và trách nhiệm đối với nhóm. + Đánh giá giải thích ký hiệu, chọn phương pháp nhiệt luyên, do cơ tính vật liệu, chọn vật liêu cho kết cấu của các thành viên trong nhóm. Nội dung môn học 6
Chương 1. Lý thuyết về hợp kim Mã chương: MH 10.01 Giới thiệu Trong thực tế, đặc biệt trong cơ khí và xây dựng, người ta không dùng thuần kim loại nguyên chất, nguyên tố hóa học và hợp chất hóa học mà thường là tổ hợp các chất cơ bản trên. 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 - Giải thích được các khái niệm về hợp kim - Trình bày được cấu trúc mạng tinh thể của các loại hợp kim khác nhau. - Rèn luyện tính tự giác, ý thức trong khi tham gia học tập. Nội dung 1. Khái niệm về hợp kim 1.1. Định nghĩa hợp kim Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại(đãn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim…) Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại, hợp kim có thẻ tạo nên giữa các nguyên tố kim loại với nhau, hay giữ nguyên tố kim loại với phi kim loại. Ví dụ: Thép các bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe +C) La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu+Zn) Thành phần nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo % khối lượng mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim luon luôn bằng 100%. Đôi khi người ta còn dùng tỉ lệ % nguyên tử Dù hợp kim hình thành trên cơ sở hai hoặc nhiều nguyên tố thì nguyên tố kim loại vẫn là chính. Nếu có hai nguyên tố với nhau ta có hợp kim đơn giản. Nếu có nhiều nguyên tố ta có hợp kim phức tạp. 1.2. Đặc tính hợp kim. Các kim loại nguyên chất thể hiện lên ưu việt rõ nhất trong dẫn điện, dẫn nhiệt vì chúng có các chỉ tiêu này cao nhất (vì vậy các dây dẫn điện được làm bằng đồng, nhôm nguyên chất). Tuy vậy trong chế tạo cơ khí, thiết bị đồ dùng… các vật liệu đem dùng thường là hợp kim vì nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế. Các đặc tính cơ bản là: - Có độ bền và độ dẻo cao: Đây là đặc tính rất quan trọng của hợp kim để chịu tải trọng cao khi làm việc, đồng thời hợp kim cũng không được giòn dẫn đến bị phá huỷ. 7
- Các kim loại nguyên chất nói chung rất dẻo (dễ rát mỏng, kéo sợi…) song độ bền, tính chống mài mòn, độ cứng kém xa hợp kim từ vài ba đến hàng chục lần. - Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: Để tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp được gọi là tính công nghệ. Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó cắt gọt, đúc, không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim trái lại có tính công nghệ rất đa dạng như: Dễ cắt gọt, đúc, nhiệt luyện… Phù hợp với nhiều điều kiện công nghệ khác nhau. - Tính kinh tế cao: Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn so với luyện kim loại nguyên chất do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào. Ví dụ như: Luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn so với luyện sắt nguyên chất. Pha Zn vào kim loại chủ Cu ta được đồng Latông vừa bền lại vừa rẻ (do Zn rẻ hơn Cu nhiều). 1.3. Ưu và nhược điểm của hợp kim Hợp kim được sử dụng rộng dãi trong chế tạo cơ khí vì nó có đặc tính ưu việt hơn hẳn kim loại nguyên chất và giá thành hạ Hợp kim có cơ tính tổng hợp tốt hơn kim loại nguyên chất: có độ bền cao hơn nhiều so với kim loại nguyên chất, độ dẻo thấp hơn nhưng cơ tính chung của nó đảm bảo thoat mãn đầy đủ các yêu cầu của chế tạo cơ khí Hợp kim có tính cong nghệ đa dạng và phù hợp: Đảm bảo gia công cắt gọt, biến dạng dẻo, có độ thấm tôi lớn… một số hợp kim đặc biệt có tính chất rát quý như không bị hoen rỉ, có điện trở lớn, giãn nở đặc biệt, chống mài mòn lớn, chịu nhiệt độ cao… mà kim loại nguyên chất không thể có được. Hợp kim dễ chế tạo, đơn giản, rẻ tiền: luyện thép có nhiệt độ chảy thấp hơn luyện sắt, la tông bền và rẻ hơn đồng…. Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng Tính công nghệ đa dạng: cắt gọt, gia công áp lực, đúc, nhiệt luyện… Trong nhiều trường hợp, nấu hợp kim dễ hơn nấu kim loại nguyên chất 2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 2.1. Các dạng cấu tạo của hợp kim Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn Hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hóa học(hay pha trung gian) Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha 2.2. Giản đồ pha của hợp kim 2.2.1. Định nghĩa: Giản đồ pha là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng 2.2.2. Quy tắc pha và công dụng 8
Trạng thái cân bằng của hệ được xác định bởi các yếu tố bên trong(thành phần hóa học) và các yếu tố bên ngoài (nhiệt độ và áp suất). Tuy nhiên các yếu tố này phụ thuộc lẫn nhau. Bậc tự do là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay đổi được trong phạm vi nhất định mà không làn thay đổi số pha của nó (ký hiệu F – freedom) Quy tắc pha xác định mối quan hệ giữa số pha P (phase), bậc tự do F và số cấu tủ C (component) ta có: F=C-P+2 Nhưng do việc nghiên cứu vật liệu tiến hành trong khí quyển, có áp suất không đổi nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn là một nhiệt độ. Vì vậy công thức của nó là: F = C – P +1 Cần chú ý rằng bậc tự do là những số nguyên và không âm và số pha cực đại của 1 hệ chỉ có thể lớn hơn số cấu tủ của nó 1 đơn vị (Pmax = C +1), nó giúp cho việc xác định số pha của một hệ hợp kim dễ dàng. Ví dụ - Khi F = 1 tức là chỉ có một yếu tố có thể thay đổi được ( nhiệt độ hay thành phần), lúc này số pha bằng số cấu tủ - Khi F =2 có hai yếu tố thay đổi được cùng một lúc, số pha bằng số cấu tủ trừ đi 1 2.2.3. Cấu tạo của giản đồ pha và công dụng 2.2.3.1. Cấu tạo của giản đồ pha Giản đồ pha của một hệ hợp kim (còn gọi là giản đồ trạng thái, cân bằng) biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng pha ở trạng thái cân bằng. Các hệ hợp kim khác nhau có giản đồ pha khác nhau. Giản đồ pha được xây dựng bằng thực nghiệm. a. Giản đồ pha 1 cấu tử Hệ một cấu tử không có sự biến đổi về thành phần hóa học nên chỉ có một trục, trên đó người ta ghi các nhiệt độ nóng chảy, hiệt độ chuyển biến pha b. Giản đồ pha hai cấu tử giản đồ pha của hệ hai cấu tử gồm hai trục, trục tung biểu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu diễn thành phần hóa học ( thường theo % khối lượng) trong hệ trục đó người ta vẽ các đường phân chia giản đồ thành các khu vực có tổ chức và pha giống nhau Các điểm trên đường nằm ngang biểu thị cho các hợp kim có thành phần khác nhau nhưng ở cùng một nhiệt độ. Đi từ trái qua phải tỷ lệ cấu tử B tăng dần lên, cấu tử A giảm đi và ngược lại Các điểm nằm trên đường thẳng đứng biểu thị cho 1 hợp kim có thành phần xác định nhưng ở nhiệt độ khác nhau 9
Nếu hợp kim có hai pha thì điểm biểu diễn của chúng phải nằm về hai phái đối diện với điểm biểu diễn hợp kim Hình 1.1. Giản đồ pha của sắt Hình 1.2. Hệ trục của giản đồ pha hai cấu tử 2.2.3.2. Công dụng của giản đồ pha Giản đồ pha cảu hợp kim hai cấu tử có công dụng rất lớn trong thực tế. Từ giản đồ pha có thể xác định được: Cấu tạo pha của hệ hợp kim tại các nhiệt độ và thành phần khác nhau, từ cấu tạo pha có thể suy đoán tính chất của từng hợp kim cụ thể Thành phần và tỷ lệ các pha của các hợp kim bằng quy tắc đòn bẩy: Từ ba điểm biểu diễn hợp kim (thành phần và hai pha) tạo ra hai đoạn thằng mà độ dài của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ của pha đối diện trong hợp kim. Cụ thể như sau: Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của các hợp kim, từ đó xác định được nhiệt độ rèn, cán , đúc… Các chuyển biến pha, dự đoán được các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng… 2.3. Dung dịch rắn a. Khái niệm: Dung dịch rắn là pha tinh thể (có thành phần thay đổi) trong đó các nguyên tử của nguyên tố thứ nhất A vẫn được giữ nguyên kiểu mạng khi nguyên tố thứ hai B được phân bố vào mạng của A thay thế hoặc xen kẽ. Trong đó - A là nguyên tố dung môi - B là nguyên tố hoà tan - Ký hiệu: A(B) b. Phân loại dung dịch rắn * Dung dịch rắn thay thế: là nguyên tử của nguyên tố hoà tan b thay thế cho các nguyên tố dung môi A ở chính các nút mạng của A( hình 1.6a) theo độ hoà tan lại chia ra: 10
- Dung dịch rắn hoà tan vô hạn: khi chất hoà tan B có thể hoà tan vào dung môi A với tỷ lệ bất kỳ - Dung dịch rắn hoà tan có hạn: nếu lượng hoà tan của b trong a không thể vượt quá giá trị nhất định, nghĩa là sự thay thế chỉ xảy ra ở một tỷ lệ nào đó. * Dung dịch rắn xen kẽ: các nguyên tử của nguyên tố hoà tan B nằm ở các lỗ hổng trong mạng tinh thể của nguyên tố dung môi A ( hình 1.6b) c. Các đặc tính của dung dịch rắn: Có liên kết kim loại như kim loại nguyên chất. vì vậy, dung dịch rắn vẫn có tính dẻo tốt, tuy không cao bằng kim loại nguyên chất làm dung môi. Thành phần hoá học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng của chất dung môi. Mạng tinh thể của dung dịch luôn bị xô lệch, còn lại thông số mạng khác với thông số mạng của dung môi. a- Dung dịch rắn thay thế b- Dung dịch rắn xen kẽ Hình 1. Dung dịch rắn 11
Chương 2: GANG Mã chương: MH 10.02 Giới thiệu Hiện nay kim loại sắt và hợp kim của sắt là (gang , thép) được dùng rộng rãi trong các ngành kinh tế và đang đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của xã hội loài người. Gang là vật liệu chủ yếu của công nghiệp cơ khí và các phương tiện giao thông vận tải, một khối lượng thép khá lớn được sử dụng trong xây dựng. Sở dĩ gang được sử dụng rộng rãi để chế tạo máy và công cụ là do chúng có nhiều cơ tính tốt đảm bảo được các yêu cầu đề ra. Để sử dụng gang trong công nghiệp cơ khí một cách hợp lý nhất, những người làm công tác cơ khí cần phải có những kiến thức nhất định về gang. Chương Gang sẽ giới thiệu đến độc giả về thành phần hóa học, tính chất , ký hiệu, công dụng của gang. Mục tiêu Trình bày khái niệm về gang , cách phân loại gang và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang ; Phân biệt được gang qua các ký hiệu; Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì cẩn thận, nghiêm túc chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. 1. Khái niệm về gang 1.1. Khái niệm chung Gang là hợp kim của sắt và các bon với lượng c= ( 2,14  6,67)%. ngoài ra còn có một số tạp chất như: Mn, Si, p, s. Thành phần hoá học + C = ( 2,14  6,67)% thường dùng gang có c = (34)% + Si = (14,25)% + Mn = (22,5)% trong gang trắng, Mn < 1,3% trong gang xám +P = (0,10,2)% + S 0,15% 1.2. Tổ chức tế vi + Cacbon ở trạng thái liên kết hợp chất hóa học( Fe3C ) thường gặp trong gang trắng. + Cacbon ở trạng thái tự do( graphit) với các dạng tấm, phiến, cụm bông, cầu thường gặp trong gang xám, gang dẻo, gang cầu. 1.3. Cơ tính và công nghệ a. Cơ tính + Nhìn chung gang là loại vật liệu có độ bền kéo thấp,độ dòn cao. + Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức graphit tồn tại như những lỗ 12
hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn làm gang kém bền. Tuy nhiên, graphit có ảnh hưởng tốt đến cơ tính như: tăng khả năng chống mài mòn do ma sát ( vì bản thân graphit có tính bôi trơn, thêm vào đó có ``lỗ hổng”, graphit là nơi chứa dầu bôi trơn) làm tắt rung động và dao động cộng hưởng. b.Tính công nghệ: + Tính đúc tốt( có nhiệt độ nóng chảy thấp và tính chảy loãng cao) + Tính gia công cắt gọt tốt, vì độ cứng tốt, phoi dễ gẫy vụn + Không rèn được. 2. Công dụng Nói chung, gang có tính tổng hợp không cao như thép,nhưng có tính đúc tốt, dễ cắt gọt, chế tạo đơn giản hơn và rẻ. vì vậy, các loại gang có graphit dùng rất nhiều trong chế tạo cơ khí, dùng để chế tạo các loại chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập như: bệ máy, vỏ..... 3. Các loại gang thường dùng: 3.1. Gang xám 3.1.1. Thành phần và tổ chức C: Thành phần: c = ( 2,8  3,2)%, ngoài ra còn có Mn = (0,5  0,8)%; Si = (0,5 3)% p = (0,15 0,4)% ; s = (0,12 0,2)% Tổ chức tế vi: gang xám là loại gang mà phần lớn cacbon nằm ở dạng tự do( gọi là graphit). graphít trong gang xám có dạng tấm ( hay phiến) cong tự nhiên. Phân loại: tuỳ theo mức độ tạo thành graphit mạnh hay yếu, gang xám được chia ra các tổ chức sau: + Gang xám ferit: có mức độ tạo thành graphít mạnh nhất. tất cả cacbon đều ở dạng tự do, không có xêmentit. gang chỉ có 2 pha: graphit và nền kim loại là ferit + Gang xám ferit-peclit: có mức độ tạo thành graphit mạnh, lượng cacbon liên kết ( Fe3 C ) chỉ khoảng 0,1 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit - peclit. + Gang xám peclit: có mức độ tạo thành graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng 0,6  0,8 %, tạo nên nền kim loại peclit. Hình 2.1 3.1.2. Tính chất 13
a. Lý tính: - Do graphit có màu xám nên mặt gẫy của gang có màu xám. - Dẫn nhiệt, dẫn điện kém hơn so với thép - Nhiệt độ nóng chảy thấp b. Cơ tính: - Do graphít có độ cứng, độ bền thấp hơn xêmentit nên gang xám có độ cứng, độ bền thấp hơn gang trắng nhiều. ( 150  250hb,  k = 150  400 n/mm2 ) - Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép, độ bền nén gần bằng - Không chịu biến dạng và va đập c. Tính công nghệ: - Biến dạng kém, tính cắt gọt cao, cho phoi vụn. - Tính đúc tốt hơn thép - Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt( hệ số ma sát nhỏ) d. Tính kinh tế: chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép. 3.1.3.Phạm vi sử dụng Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: kích thước sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn. Ví dụ: thân máy, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ…. 3.1.4. Ký hiệu Theo tiêu chuẩn nga: CЧ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị: KG/mm2 ví dụ: CЧ 24-14 là gang xám có k =240n/mm2 , u = 440n/mm2 thường dùng các loại gang xám: CЧ 12-28, CЧ 15-32, CЧ 21-40, CЧ 24-44 . Theo tiêu chuẩn việt nam: GXvà 2 số giống như của nga. 3.2. Gang biến tính 3.2.1. Thành phần và tổ chức C Thực chất gang biến tính là gang xám có tấm graphit thu nhỏ nhờ có thêm chất biến tính vào thành phần của gang trước khi kết tinh nên thành phần, tổ chức tương tự như gang xám. 3.2.2. Tính chất và công dụng Có độ bền cao hơn gang xám Để chế tạo các chi tiết quan trọng như: mâm cặp máy tiện, băng trượt của máy… 3.2.3. Ký hiệu Tương tự như gang xám và có thêm chữ M trước chữ CЧ ví dụ: MCЧ 28-48, MCЧ 32-52. 14
3.3. Gang trắng 3.3.1. Thành phần tổ chức C - Thành phần: c = (3,54,3)% Tổ chức C: tồn tại ở dạng Fe3C , pha này chiếm tỷ lệ rất lớn ( 50% trong tổ chức của gang) 3.3.2. Tính chất a. Lý tính: trên bề mặt gẫy của gang có màu sáng trắng do cacbon ở trạng thái hợp chất hóa học Fe3C . do đó gọi là gang trắng. b. Cơ tính + Do C ở dạng Fe3C nên gang rất cứng ( 650  700) hb và dòn. do đó không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để làm các chi tiết máy có độ chính xác cao. + Độ dẻo, độ bền thấp + Có khả năng chịu mài mòn tốt c. Tính kinh tế: phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ. 3.3.3. Công dụng - Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lu... ( cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ và chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng, còn lõi vẫn là gang graphit. muốn bề mặt bị biến trắng người ta làm nguội nhanh bề mặt đúc) - Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần dùng để ủ thành gang dẻo. 3.4. Gang dẻo 3.4.1. Thành phần và tổ chức C - Thành phần: c = ( 2,2  2,8)%; si = ( 0,8  1,4)%; Mn  1,0%; s  0,1%; p =0,2% - Tổ chức tế vi ở dạng cụm bông - Chế tạo gang dẻo: ủ gang trắng thành gang dẻo 3.4.2. Tính chất: Do graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và bền hơn gang xám (  k = 300 600n/ m m2 ;  = 510%) 3.4.2. Phạm vi sử dụng Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết máy đồng thời thoả mãn các yêu cầu sau: 15
- Hình dạng phức tạp; Tiết diện(thành) mỏng; Chịu va đập. 3.4.3. Ký hiệu Theo tiêu chuẩn nga: KЧ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo (đơn vị là KG/ m m2 ) và độ giãn dài tương đối ( đơn vị là %) ví dụ: KЧ 33-8 là gang dẻok có:  = 330N/ m m2 ;  = 8% Theo TCVN: GZ và 2 số giống như tiêu chuẩn nga - Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-6, KЧ 33-8, KЧ 37-12, KЧ 45-12, Hình 2-2: Gang dẻo 3.5. Gang cầu 3.5.1. Thành phần và tổ chức C: - Thành phần: c = (3,2  3,6)%; Mn = ( 0,5  1,0)%; si  ( 2,0  3,0)%; s  0,35%; p  0,15% - Tổ chức tế vi: graphit thu nhỏ, hình cầu do có chất biến tính Mg hoặc Ce( xêri) Hình 2.3. Gang cầu 3.5.2. Tính chất Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt ( graphit hình cầu dạng thu gọn nhất) Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép c 16
Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép. Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở t=4000 C (gang xám ở t0 < 2000 C). 3.5.3. Phạm vi sử dụng: Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như: trục cán, thân tuốcbin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác. 3.5.4. Ký hiệu: Theo tiêu chuẩn nga: BЧ 38-17 là gang cầu có:  k = 380n/mm ;  = 17% TheoTCVN: GC và 2 số tương tự như tiêu chuẩn nga, các loại gang cầu thường dùng: BЧ 38-17, BЧ 42-12, BЧ 45-5, BЧ 50-2, BЧ 60-2, BЧ 70-3, BЧ 80-3 3.6. Gang hợp kim. Gang hợp kim là gang mà ngoài sắt và các bon ra còn có thêm các nguyên tố khác đưcọ cố ý đưa vào để nâng cao các tính chất của chúng (chủ yếu là cơ tính) như Cr, Mn, Ni, Cu… trong đó Cr làm tăng mạnh độ thấm tôi, MN và Ni làm tăng độ bền, Cu nâng cao tác dụng chống ăn mòn… Gang hợp kim có cơ sở là gang xám, dẻo, cầu. 17
Chương 3. Thép Mã chương: MH 10.03 Giới thiệu Hiện nay thép được dùng rộng rãi trong các ngành kinh tế và đang đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của xã hội loài người. Thép là vật liệu chủ yếu của công nghiệp cơ khí và các phương tiện giao thông vận tải, một khối lượng thép khá lớn được sử dụng trong xây dựng. Sở dĩ thép và gang được sử dụng rộng rãi để chế tạo máy và công cụ là do chúng có nhiều cơ tính tốt đảm bảo được các yêu cầu đề ra. Để sử dụng thép và gang trong công nghiệp cơ khí một cách hợp lý nhất, những người làm công tác cơ khí cần phải có những kiến thức nhất định về thép và gang. Chương Thép sẽ giới thiệu đến độc giả về thành phần hóa học, tính chất , ký hiệu, công dụng của thép cacbon, thép hợp kim và gang. Mục tiêu - Trình bày khái niệm về thép, cách phân loại thép và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của thép; - Phân biệt được thép qua các ký hiệu; - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì cẩn thận, nghiêm túc chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Nội dung 1. Thép các bon 1.1. Khái niệm chung Thép là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng C ≤ 2,14%, ngoài ra còn có một số tạp chất khác như: Mn < 0,8%, Si < 0,5%, P < 0,05%, S  0,05% 1.2. Thành phần của thép các bon Thép cacbon là hợp kim của Fe - C, Trong đó C < 2,14% ngoài ra còn có một số tạp chất khác như: Mn, Si, P, S. 1.3. Ký hiệu 1.3.1. Thép các bon chất lượng thường Là loại thép chủ yếu dùng trong xây dựng, được cung cấp qua cán nóng không nhiệt luyện, dưới dạng bán thành phẩm: ống, thanh, tấm, thép hình, sợi…theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 1765-75, được ký hiệu bằng chữ CT( C- các bon, T – Thép chất lượng thường) nếu cuối mác thép không ghi gì cả là thép lặng, nếu có s là thép sôi, n là thép nửa lặng, chúng được chia làm 3 nhóm: - Phân nhóm A: là thép quy định về cơ tính, không quy định về thành phần hóa học, gồm các mác CT31, 33,34,38,42,51,61… - Phân nhóm B: là loại thép chỉ được quy định về thành phần hóa học mà không quy định về cơ tính. Ký hiệu của phân nhóm này tương tự như phân nhóm 18
A, chỉ khác là thêm chữ B ở đầu mác. Ví dụ BCT31, BTC33, BCT61. - Phân nhóm C: gồm các thép được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học, ký hiệu tương tự như phân nhóm A, chỉ khác có thêm chữ C ở đầu mác. Ví dụ CCT31, CCT33…..CCT61. Để tìm các chỉ tiêu của thép phân nhóm ta dựa vào hai phân nhóm trên. Chẳng hạn với mác thép CCT38, khi tìm thành phần hóa học ta tra bảng theo mác BCT38, cơ tính theo mác CT38. 1.3.2. Thép kết cấu Được ký hiệu bằng chữ C và các chữ số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình trong thép theo phần vạn, ví dụ C05, C10, C15…Nếu cuối mác thép có chữ A là chất lượng thép cao hơn (P,S  0,030%) 1.3.3. Thép dụng cụ Theo TCVN 1822 – 75 quy định ký hiệu bằng chữ CD (C – các bon, D - dụng cụ) và các chữ số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình trong thép theo phần vạn. nếu cuối mác thép có thêm chữ A có nghĩa là chất lượng cao hơn. Ví dụ CD70, CD80….CD130( CD70A, CD80A, CD130A) 1.4. Công dụng - Thép kết cấu: vì có độ bền, đọ dẻo và độ dai bảo đảm nên dùng làm các kết cấu và chi tiết máy chịu tải, nhóm thép này sử dụng nhiều vì chủng loại sản phẩm của nó rất lớn - Thép dụng cụ: là loại thép làm các dụng cụ gia công và biến dạng kim loại như dụng cụ cắt, khuôn dập, khuôn kéo 1.5. Ảnh hướng của các nguyên tố đến tính chất của thép 1.5.1. Cacbon: C < 2,14% Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất ảnh hưởng lớn tới tổ chức và cơ, lý, hóa tính của thép. - Tổ chức Khi lượng cacbon của thép tăng lên thì lượng xêmentit cũng tăng lên dẫn đến tổ chức của thép thay đổi. - Cơ tính Khi lượng cacbon thay đổi cơ tính của thép thay đổi rất nhiều. Quy luật chung là, khi thành phần cacbon tăng lên độ bền, độ cứng cũng tăng lên, còn độ dẻo, độ dai giảm đi. Tuy nhiên độ bền chỉ tăng lên theo cacbon đến giới hạn (0,8 – 1 )% vượt quá giới hạn này độ bền của thép lại giảm đi. Hình 4.1 trình bày ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép. Có thể giải thích quy luật đó như sau: khi tăng lượng cacbon, số lượng pha xêmentit cứng, dòn cũng tăng tương ứng, do vậy thép có độ cứng tăng lên, độ dẻo dai giảm đi. Riêng ảnh hưởng của lượng pha xêmetit đến độ bền có nét hơi 19