Giáo trình Vật liệu công nghệ kim loại - CĐ Giao thông Vận tải

Chia sẻ: Bautroimaudo Bautroimaudo | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:107

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu công nghệ kim loại với mục tiêu giúp bạn học có thể trình bày được đặc điểm, tính chất, kí hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng: gang, thép các bon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, vật liệu bôi trơn và làm mát, nhiên liệu dùng cho động cơ ô tô. Nhận biết được vật liệu bằng các giác quan, màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, nghe âm thanh khi gõ, đập búa, mài xem tia lửa;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu công nghệ kim loại - CĐ Giao thông Vận tải

ỦY BAN NHÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ Bài Giảng VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Lưu hành nội bộ - Năm 2017
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC a. Vị trí, tính chất môn học - Môn học được bố trí ở học kỳ 1 của khóa học, có thể bố trí dạy song song với các môn học, mô đun sau: Cơ kỹ thuật, vẽ kỹ thuật, dung sai lắp ghép và KTĐL, nhiệt kỹ thuật... - Tính chất môn học: Là môn học cơ sơ nghề bắt buộc, kiến thức cơ bản để phục vụ cho các môn chuyên ngành. b. Mục tiêu của môn học: Kiến thức chuyên môn - Tr nh bày được đ c điểm, tính chất, k hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thư ng d ng: gang, thép các bon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, vật liệu bôi trơn và làm mát, nhi n liệu d ng cho động cơ ô tô. - Nhận biết được vật liệu b ng các giác quan, màu sắc, t trọng, độ nhám m n, nghe âm thanh khi g , đập b a, mài xem tia l a Kỹ năng nghề - Kỹ năng lắng nghe; kỹ năng làm việc nhóm; kỹ năng lập kế hoạch và tổ chức công việc; - Kỹ năng t m kiếm, tổng hợp, phân tích và đánh giá thông tin; - Kỹ năng s dụng công nghệ thông tin. Thái độ lao động - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghi m t c, tỉ mỉ, chính xác trong thực hiện công việc. - Thái độ biết lắng nghe, ham học hỏi, hứng th với công nghệ. - Thái độ cầu tiến, biết tuân thủ nội quy, quy chế của trư ng, lớp Các kỹ năng cần thiết khác B nh tĩnh, tự tin biết kết hợp và làm việc theo nhóm. Nội dung môn học.  Chương 1: Kim loại và hợp kim.  Chương 2: Gang và thép.  Chương 3: Vật liệu phi kim loại.
LỜI NÓI ĐẦU Giáo tr nh “VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI” được bi n soạn theo chương tr nh môn học vật liệu và công nghệ kim loại, tài liệu d ng làm tài liệu học tập cho sinh vi n chuy n ngành Công nghệ Kỹ thuật ôtô. Ngoài ra còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các chuy n vi n và học vi n ngành cơ khí. Nội dung của giáo tr nh được bi n soạn với những kiến thức cơ bản nhất về cơ kỹ thuật. Tr n cơ sở mục ti u môn học khi bi n soạn nhóm tác giả đã cố gắng tr nh bày nội dung giáo tr nh một cách ngắn gọn, dễ hiểu, cuối mỗi chương là tập hợp các câu hỏi và bài tập gi p ngư i học kiểm tra lại kiến thức đã tr nh bày trong chương đó. Nhóm tác giả mong r ng với giáo trình này, sinh viên sẽ hiểu được những điều cơ bản nhất của môn sức bền vật liệu, làm kiến thức nền tảng để học tốt các môn chuyên ngành. Giáo trình công nghệ khí nén và thủy lực ứng dụng được biên soạn gồm 3 chương: Chương 1: Kim loại và hợp kim. Chương 2: Gang và thép. Chương 3: Vật liệu phi kim loại. Trong quá trình biên soạn giáo trình nhóm tác giả xin chân thành cám ơn đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp chân thành và vô c ng qu báu của các đồng nghiệp và các chuy n gia trong và ngoài trư ng. Giáo trình biên soạn không tránh khỏi một số sai sót nhất đ nh. Chúng tôi rất mong tiếp tục nhận được nhiều ý kiến đóng góp của qu đồng nghiệp và đọc giả để giáo tr nh được bổ sung, chỉnh s a ngày một hoàn thiện hơn. Mục tiêu cần đạt được về kiến thức và kỹ năng sau khi học: - Về kiến thức: Qua sự đánh giá của giáo vi n và tập thể giáo vi n b ng các bài kiểm tra viết và trắc nghiệm. - Về kỹ năng: Đánh giá được kỹ năng của sinh viên trong bài kiểm tra đạt các yêu cầu sau: + Kỹ năng lắng nghe; kỹ năng làm việc nhóm; kỹ năng lập kế hoạch và tổ chức công việc; + Kỹ năng t m kiếm, tổng hợp, phân tích kết quả và đánh giá thông tin; + Kỹ năng s dụng công nghệ thông tin. - Về thái độ: Cẩn thận, nghi m t c, tỉ mỉ, chính xác trong thực hiện công việc. Giáo tr nh được bi n soạn cho đối tượng là sinh vi n Cao đẳng ngành Công nghệ Ô
tô và cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh TCCN, CĐN cũng như kỹ thuật vi n đang làm việc ở các hãng s a chữa và garage ô tô. Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ giảng dạy tại Khoa Kỹ Thuật Ô tô Trư ng Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TpHCM đã đóng góp kiến và kinh nghiệm để hoàn thiện giáo tr nh này. M c d đã cố gắng nhưng chắc không tránh khỏi khiếm khuyết. Nhóm tác giả rất mong nhận được kiến đóng góp của ngư i s dụng để lần tái bản sau giáo tr nh được hoàn chỉnh hơn. Mọi kiến đóng góp xin gởi về Khoa Kỹ Thuật Ô tô Trư ng Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TpHCM – Số 8 – Nguyễn Ảnh Thủ - P. Trung Mỹ Tây – Q12 – TpHCM. Nhóm tác giả
CHƢƠNG 1: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM I. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CƠ KHÍ 1.1. Khái niệm về vật liệu cơ khí: Vật liệu cơ khí là các vật chất mà con ngư i s dụng trong sản xuất cơ khí để tạo dựng n n sản phẩm cho cuộc sống như: máy móc, thiết b , xây dựng công tr nh, nhà c a… Các nhóm vật liệu phổ biến d ng trong công nghiệp là: vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramic, vật liệu hữu cơ - polyme, vật liệu kết hợp - compozit. Trong đó: - Vật liệu kim loại (Hình 1.1 - a): là những vật thể dẫn điện tốt, có ánh kim, có khả năng biến dạng dẻo tốt ngay cả ở nhiệt độ thư ng, kém bền vững hóa học. Vật liệu kim loại thông dụng là thép, gang, đồng, nhôm…và các hợp kim của ch ng, đây cũng là nhóm vật liệu được d ng chủ yếu trong sản xuất cơ khí và là đối tượng chính của môn học. - Vật liệu vô cơ - ceramic (Hình 1.1 - b): là các chất dẫn điện kém, không biến dạng dẻo và rất giòn, rất bền vững hóa học và nóng chảy ở nhiệt độ rất cao. Các vật liệu ceramic thông dụng là gốm, sứ, thủy tinh, gạch thư ng và gạch ch u l a… - Vật liệu hữu cơ - polyme (Hình 1.1 - c): là những chất dẫn điện kém, có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, bền vững hóa học ở nhiệt độ thư ng, nóng chảy ho c phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp. Hai nguy n tố thành phần chủ yếu trong loại vật liệu này là cacbon và hydro. Vật liệu hữu cơ tự nhi n thư ng g p là các loại gỗ, cao su và các loại vật liệu hữu cơ nhân tạo như polyetylen (PE), polyvinylclorua (PVC)… - Vật liệu kết hợp - compozit (Hình 1.1 - d): là loại vật liệu tạo thành từ sự kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác, ví dụ như: b tông cốt thép, vật liệu kết hợp giữa kim loại và polyme, ho c giữa polyme và ceramic… 5
1.2. Vai trò của vật liệu cơ khí trong ngành cơ khí chế tạo máy: Máy móc trong cơ khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết và dụng cụ của nó, do điều kiện làm việc của ch ng khác nhau n n đòi hỏi các y u cầu cơ tính cũng phải khác nhau. Đ c biệt để đạt tính cạnh tranh trong nền kinh tế hiện nay th các sản phẩm cơ khí này vừa phải đạt các y u cầu cơ tính đề ra vừa phải đạt tính kinh tế tức là phải chọn công nghệ có chi phí thấp nhất để hạ giá thành. Song điều quyết đ nh đến cơ tính và tính công nghệ của vật liệu lại chính là cấu tr c b n trong của nó. Do vậy, mọi yếu tố li n quan đến cấu tr c b n trong như thành phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu và gia công vật liệu thành sản phẩm cơ khí khi s dụng đều ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng s dụng của vật liệu cơ khí được lựa chọn. Trong các nhóm vật liệu th vật liệu kim loại có vai trò quyết đ nh đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc và những công trình xây dựng. Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy công cụ gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng cao. Ngày nay, từ những kỹ thuật thông thư ng như chế tạo công cụ và máy móc nói chung, chế tạo tàu biển, xe ô tô, xây dựng nhà c a cho đến những kỹ thuật hiện đại như chế tạo máy bay si u lớn, si u nhẹ, tàu vũ trụ…đòi hỏi các vật liệu ngày càng bền vững và nhẹ hơn. 1.3. Khái quát quá trình phát triển ngành vật liệu cơ khí: Ứng dụng kỹ thuật cơ khí có thể thấy được qua nhiều thành tựu th i cổ đại và trung đại. Vào th i Hy Lạp cổ đại, các công tr nh của Archimedes (287-212 BC) có ảnh hưởng rất lớn đối với cơ học truyền thống phương Tây và Heron (c. 10 - 70 AD) ở Alexandria đã chế tạo ra động cơ hơi nước đầu ti n (Aeolipile). Ở Trung Quốc, Trương Hành (78 - 139 AD) đã phát minh ra đồng hồ nước và đ a chấn kế. Ma Jun (200 - 265 AD) cũng đã phát minh ra xe ngựa với bộ truyền bánh răng vi sai. Nhà xác đ nh th i khắc và kĩ sư Trung Quốc th i trung đại Tô Tụng (1020 - 1101 AD) đã kết hợp cơ cấu con ngựa và tháp đồng hồ thi n văn của ông ta hai thế kỉ trước khi các thiết b d ng cơ cấu con ngựa được s dụng trong các đồng hồ của châu Âu th i Trung Cổ. Ông ta cũng được biết đến là ngư i s dụng bộ truyền xích đầu ti n tr n thế giới. Vào th i đại hoàng kim của Hồi giáo (thế kỉ VII - thế kỉ XV), các nhà phát minh hồi giáo đã có nhiều đóng góp đáng ghi nhận. Al-Jazari là một trong số họ. Ông là tác giả của quyển sách cổ nổi tiếng "Kiến thức về các thiết b cơ khí tinh xảo" vào năm 1206, trong 6
đó tr nh bày rất nhiều thiết kế cơ khí. Ông cũng được coi là nhà phát minh của nhiều loại thiết b cơ khí là căn bản của cơ học hiện nay như trục khu u và trục cam. Trong cuộc cách mạng công nghiệp vào đầu thế kỉ XIX, máy công cụ được phát triển ở Anh, Đức và Scotlend đã đưa kỹ thuật cơ khí tách ra thành một lĩnh vực ri ng biệt trong kĩ thuật. Các máy công cụ được d ng để chế tạo máy và các động cơ để cung cấp năng lượng cho ch ng. Cộng đồng nghề nghiệp đầu ti n của Kĩ sư Cơ khí là Hiệp hội Kĩ sư Cơ khí được thành lập và năm 1847. Ba mươi năm sau, các kĩ sư xây dưng cũng sáng lập n n Hiệp hội Kĩ sư Xây dựng. Ở châu Âu, Johann von Zimmermann (1820 - 1901) đã xây dựng nhà máy đầu ti n về máy mài ở Chemnitz, Đức và năm 1948. Ở Mỹ, Hiệp hội Kĩ sư Cơ khí Hoa K (ASME) đươc thành lập vào năm 1880, là hiệp hội kĩ thuật chuy n nghiệp thứ ba sau Hiệp hội kĩ sư Xây dựng Hoa K (1852) và Viện Kĩ sư mỏ Hoa K (1871). Những trư ng học đầu ti n ở Mỹ dạy kĩ thuật là Học viện Quân sự Hoa Kì (năm 1817), tổ chức hiện tại là Đại học Norwich (1819) và viện Bách Khoa Rensselaer (1825). Việc giảng dạy cơ khí xưa nay luôn dựa tr n nền tảng toán học và khoa học. Mỗi khi con ngư i t m ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó là một lần th c đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mới như: - Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã gi p cho ngành công nghiệp hàng không và t n l a có bước phát triển nhảy vọt. - Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí như: thép không rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)… Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghi n cứu nh m tạo ra những hợp kim mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính c ng một số tính chất vật l và hóa học đ c biệt. Những thành công trong nghi n cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới II. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM: 2.1. Kim loại 2.1.1. Khái niệm về kim loại Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. - Trong điều kiện thư ng và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân). 7
2.1.2. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại: + Mạng tinh thể là mô h nh h nh học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguy n t (phân t ) trong không gian (H nh 1.2 a). + Mạng tinh thể bao gồm các m t đi qua các nguy n t , các m t này luôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là m t tinh thể (H nh 1.2 b). + Ô cơ sở là h nh khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (H nh 1.2 c). Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể b ng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản ngư i ta xác đ nh các thông số mạng. Ví dụ như tr n ô lập phương thể tâm (H nh 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô. Đơn v đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), k hiệu: A  Các kiểu mạng tinh thể thƣờng gặp: + Mạng lập phương thể tâm: các nguy n t (ion) n m ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương. Các kim loại nguy n chất có kiểu mạng này như: Feα , Cr, W, Mo, V… + Lập phương diện tâm: các nguy n t (ion) n m ở các đỉnh và giữa (tâm) các m t của h nh lập phương. Các kim loại nguy n chất có kiểu mạng này như: Feg, Cu, Ni, Al, Pb… 8
+ Lục giác xếp ch t: bao gồm 12 nguy n t n m ở các đỉnh, 2 nguy n t n m ở giữa 2 m t đáy của h nh lăng trụ lục giác và 3 nguy n t n m ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau Các kim loại nguy n chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn… Như vậy có thể xem một khối kim loại nguy n 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 t y thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó. 9
 Tính thù hình của kim loại:  Định nghĩa: Là một kim loại có thể có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau tồn tại ở những khoảng nhiệt độ và áp suất khác nhau.  Đặc tính thù hình - Các dạng th h nh khác nhau được k hiệu b ng các chữ cái Hy Lạp theo nhiệt độ từ thấp đến cao: α, β, γ, δ… - Khi có chuyển biến th h nh th kim loại có sự thay đổi thể tích và tính chất b n trong. Đây là đ c tính quan trọng khi s dụng chúng. Ví dụ: Khi nung nóng sắt ngư i ta thấy ở trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu mạng tinh thể ở ba khoảng nhiệt độ khác nhau (≤ 9110C, 911 - 13920C, ≥ 13920C). Vậy sắt có ba dạng th h nh được k hiệu là: Feα, Feg, Feδ. Ta thấy sắt có ba kiểu mạng tinh thể khác nhau do đó tính chất của sắt ứng với từng kiểu mạng cũng khác nhau. 2.2. Hợp kim 2.2.1. Khái niệm về hợp kim Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguy n tố và mang tính chất kim loại. Nguy n tố chủ yếu trong hợp kim là nguy n tố kim loại. 2.2.2. Đặc tính của hợp kim: Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được s dụng rộng rãi v các ưu điểm sau:  Cơ tính hợp kim ph hợp với vật liệu chế tạo cơ khí: đối với ngành cơ khí vật liệu s dụng phải có các y u cầu như độ bền cao, tuổi thọ s dụng lâu. Về m t này th hợp kim hơn hẳn kim loại nguy n chất, ch ng 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 nguy n chất có tính dẻo cao dễ gia công áp lực nhưng khó đ c, gia công cắt kém, không hóa bền được b ng nhiệt luyện. Hợp kim có tính công nghệ khác nhau và ph hợp với từng điều kiện gia công: gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đ c, 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 kh bỏ các tạp chất một 10
cách triệt để như kim loại. 2.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguy n tố cấu tạo n n ch ng. Khi ở dạng lỏng, các nguy n tố hòa tan lẫn nhau để tạo n n dung d ch lỏng. Tuy nhi n, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ h nh thành các tổ chức pha của hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa các nguy n tố. Có thể có các tổ chức pha như sau:  Tổ chức một pha (một kiểu mạng tinh thể):  Dung dịch rắn: Khi các nguy n tố trong hợp kim tác dụng hòa tan ở trạng thái rắn, các nguy n t này được sắp xếp trong c ng một kiểu mạng. Có thể chia dung d ch rắn làm hai loại: dung d ch rắn xen kẽ và dung d ch rắn thay thế.  Dung d ch rắn xen kẽ. Nếu nguy n t của nguy n tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các nguy n t trong dung môi (A) th ta có dung d ch rắn xen kẽ. Sự hòa tan xen kẽ bao gi cũng có giới hạn.  Dung d ch rắn thay thế. Nếu nguyên t của nguyên tố hòa tan (B) thay thế nguy n t của nguy n tố dung môi (A) th ta có dung d ch rắn thay thế. Cơ tính chung của dung d ch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhi n độ dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguy n chất.  Hợp chất hóa học: Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự li n kết giữa các nguy n tố khác nhau theo một t lệ nhất đ nh 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 đ nh cao ho c có nhiều dạng hợp chất khác nhau. Ví dụ: Nguy n tố sắt và cacbon tạo n n Fe3C rất ổn đ nh, nhưng nguy n 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 nguy n chất đồng th i có nhiệt độ phân hủy cao (t0nc cao).  Tổ chức hai pha trở lên (có từ hai kiểu mạng tinh thể trở lên): khi 11
giữa các pha trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơ học. Trong hệ hợp kim, có những nguy n tố không hòa tan vào nhau cũng không li n kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ li n kết với nhau b ng lực cơ học thuần t y, th gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Như vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguy n t của nguy n tố thành phần. V để tạo được li n kết cơ học nguy n t các nguy n tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Tính chất cơ học Tính chất vật lý Tính chất hóa học Tính chất công nghệ Độ bền Khối lượng ri ng Tính ch u ăn mòn Tính đ c Độ cứng Tính nóng chảy Tính ch u nhiệt Tính rèn Độ dẻo Tính giãn nở Tính ch u axit Tính hàn Độ dai va đập Tính dẫn nhiệt Tính cắt gọt Tính dẫn điện Từ tính 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 đ nh phải căn cứ vào tỉ lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành. III. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1.3.1. Tính chất vật lý: Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật l khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi. L tính cơ bản của kim loại gồm có: khối lượng ri ng, 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 b đốt nóng và đông đ c lại khi làm 12
nguội. Nhiệt độ ứng với l c kim loại chuyển từ thể đ c sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có nghĩa quan trọng trong công nghệ đ c, hàn. c. Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi b đốt nóng ho c b 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 đ c trưng b ng hệ số giãn nở. 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 th tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại. f. Tính nhiễm từ: là khả năng b từ hóa khi được đ t trong từ trư ng. Sắt, coban, niken và hầu hết các hợp kim của ch ng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức b n trong của kim loại. 1.3.2. Tính chất hóa học: Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit… mà không b 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 trư ng 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 trư ng axit. 1.3.3. Tính chất cơ học: Là những đ c trưng cơ học biểu th khả năng của kim loại hay hợp kim ch u tác động của các loại tải trọng. Các đ c trưng đó bao gồm: a. Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực b n ngoài mà không b phá hỏng. T y 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 v đo của độ bền thư ng d ng là N/mm2 ho c MN/mm2. - YÙù nghóa Nhôø caùc chæ tieáu phaûn aùnh ñoä beàn cuûa vaät lieäu coù theå ñaùnh giaù tính söû duïng bao goàm : Khaû naêng chòu taûi troïng cô hoïc tónh: neáu caùc chi tieát maùy coù cuøng hình daùng kích 13
thöôùc laøm baèng caùc vaät lieäu coù ñoä beàn khaùc nhau thì: Vaät lieäu coù giôùi haïn ñaøn hoài cao thì khaû naêng chòu taûi troïng lôùn maø vaãn khoâng bò thay ñoåi hình daùng ban ñaàu Vaät lieäu coù giôùi haïn chaûy cao thì khaû naêng chòu taûi troïng lôùn maø vaãn khoâng bò bieán daïng. Vaät lieäu coù giôùi haïn beàn cao thì khaû naêng chòu taûi troïng lôùn maø vaãn khoâng bò phaù huyû. Tuoåi thoï söû duïng: neáu caùc chi tieát laøm vieäc trong ñieàu kieän söû duïng nhö nhau ñöôïc laøm baèng vaät lieäu coù ñoä beàn khaùc nhau, loaïi naøo coù ñoä beàn cao thì khaû naêng söû duïng laâu daøi hôn (tuoåi thoï cao hôn)chæ tieâu naøy raát quan troïng khi söû duïng caùc chi tieát maùy laøm vieäc trong ñieàu kieän chòu taûi troïng tónh lôùn. Laøm nhoû goïn kích thöôùc keát caáu: neáu caùc chi tieát maùy cuøng keát caáu ñöôïc laøm baèng vaät lieäu coù ñoä beàn khaùc nhau, loaïi vaät lieäu naøo coù ñoä beàn cao hôn thì cho pheùp cheá taïo kích thöôùc nhoû goïn maø vaãn ñaït ñöôïc yeâu caàu söû duïng. 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 c ng một giá tr lực nén mà vết l m tr n mẫu đo càng lớn th độ cứng của vật liệu đó càng kém. Th độ cứng được thực hiện tr n máy th , và được đánh giá b ng các đơn v đo độ cứng như sau: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC), Vicke (HV). - YÙ nghóa: Thoâng qua ñoä cöùng coù theå ñaëc tröng cho tính chaát laøm vieäc cuûa caùc saûn phaåm cô khí Khaû naêng choáng maøi moøn beà maët: Khi laøm vieäc caùc saûn phaåm cô khí bò coï xaùt beà maët, toác ñoä coï xaùt beà maët caøng lôùn caøng deã bò moøn. Khaû naêng caét goït cuûa dao hoaëc khuoân daäp : Ñoä cöùng cuûa dao hoaëc khuoân daäp khi laøm vieäc caøng cao thì khaû naêng caét caøng toát seõ ñaït ñöôïc naêng suaát laøm vieäc toát. Thoâng qua ñoä cöùng coù theå ñaëc tröng cho tính coâng ngheä cuûa vaät lieäu ôû daïng phoâi: Khaû naêng gia coâng caét cuûa phoâi moãi vaät lieäu khaùc nhau seõ coù khoaûng gia coâng caét trong trò soá ñoä cöùng nhaát ñònh, neáu trò soá cao hôn ñoä cöùng naøy thì khoù caét, neáu quaù thaáp thì sinh deûo cuõng khoù caét. Khaû naêng chòu aùp löïc cuïc bo : Ñoä cöùng caøng cao chòu aùp löïc cuïc boä caøng keùm. Khi gia coâng ñoät loã, uoán, goø… baèng aùp löïc, neáu ñoä cöùng caøng cao thì vaät lieäu caøng khoù gia 14
coâng. Khaû naêng maøi boùng cao: ñoä cöùng caøng cao khaû naêng maøi boùng caøng toát. c. Tính biến hình (biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo): Tính biến h nh của vật liệu là tính chất của nó có thể thay đổi h nh dáng, kích thước dưới sự tác dụng của tải trọng b n ngoài. Dựa vào đ c tính của biến dạng ngư i ta chia biến dạng ra biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Biến dạng đàn hồi là phần biến dạng hoàn toàn mất đi khi loại bỏ nguy n nhân gây biến dạng (thư ng là tải trọng b n ngoài). Còn biến dạng dẻo (hay biến dạng dư) thì không mất đi khi loại bỏ nguy n nhân gây biến dạng. Biến dạng đàn hồi thư ng xảy ra khi tải trọng tác dụng bé và ngắn hạn. Tính đàn hồi được đ c trưng b ng môđun đàn hồi E Điều kiện của biến dạng đàn hồi: ngoại lực tác dụng l n vật liệu chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm của nó. Do đó công của ngoại lực sẽ sinh ra nội năng và khi bỏ ngoại lực nội năng lại sinh công đưa vật liệu trở về v trí ban đầu. Khi lực tác dụng đủ lớn và lâu dài th ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến dạng dẻo. Nguy n nh n là lực tác dụng đã vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm phá vỡ cấu tr c của vật liệu làm các chất điểm có chuyển d ch tương đối. Do đó biến dạng vân còn tồn tại khi loại bỏ ngoại lực. Biến dạng dẻo của vật liệu dẻo lí tưởng tuân theo đ nh luật Niutơn. Do đó biến dạng e là biến dạng tổng cộng của biến dạng dư H và biến dạng đàn hồi Dựa vào quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ngư i ta chia vật liệu ra loại dẻo, giòn và đàn hồi. Vật liệu dẻo là vật liệu trước khi phá hoại có hiện tượng biến h nh dẻo r rệt (thép), còn vật liệu giòn trước khi phá hoại không có hiện tượng biến h nh dẻo r rệt (b tông). Tính dẻo và tính giòn của vật liệu biến đổi t y thuộc vào nhiệt độ, lượng ngậm nước, tốc độ tăng lực v.v…Thí dụ : bitum khi tăng lực nén nhanh hay nén ở nhiệt độ thấp là vật liệu giòn ; khi tăng lực từ từ ho c nén ở nhiệt độ cao là vật liệu dẻo. Đất sét khi khô là vật liệu giòn, khi ẩm là vật liệu dẻo. Hiện tượng mà biến dạng tăng theo th i gian khi ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài l n vật liệu rắn gọi là hiện tượng từ biến. Nguy n nhân gây ra từ biến là do trong vật rắn có một bộ phận tinh thể có tính chất gần giống chất lỏng; m t khác bản thân mạng lưới tinh thể cũng có những khuyết tật. Nếu giữ cho biến h nh không đổi, dưới tác dụng của ngoại lực, ứng suất đàn hồi cũng sẽ giảm dần theo th i gian, đó là hiện tượng ch ng ứng suất. Nguy n nhân của hiện tượng này: 15
một bộ phận vật liệu có biến h nh đàn hồi dần dần chuyển sang biến h nh dẻo, năng lượng đàn hồi chuyển thành nhiệt và mất đi. - YÙ nghóa: - Ñaùnh giaù khaû naêng bieán daïng deûo cuûa vaät lieäu khi gia coâng aùp löïc. Ñoä deûo vaät lieäu caøng cao thæ khaû naêng taïo hình baèng caùc phöông phaùp gia coâng caøng toát. - Qua trò soá ñoä deûo coù theå xaùc ñònh döôïc vaät lieäu bò phaù huûy deûo (tröôùc ño coù bieán daïng deûo) hoaëc phaù huûy gioøn (tröôùc ño khoâng coù hieän töôïng bieán daïng). Nhöõng vaät lieäu phaù huûy gioøn coù ñoä deûo thaáp raát nguy hieåm deã nöùt, gaõy ñoät ngoät khoâng döï baùo tröôùc. d. Độ dai va đập: Coù nhöõng chi tieát maùy khi laøm vieäc phaûi chòu caùc taûi troïng ñoät ngoät (hay goïi laø taûi troïng va ñaäp). Khaû naêng chòu ñöïng cuûa vaät lieäu bôûi caùc taûi troïng ñoù maø khoâng bò phaù huûy goïi laø ñoä dai va chaïm. Kyù hieäu a k (J/mm2) hay (kJ/mm2). yù nghóa - Nhôø xaùc ñònh ñoä dai va ñaäp coù theå ñaùnh giaù khaû naêng laøm vieäc cuûa chi tieát maùy chòu taûi troïng ñoäng do va ñaäp laø khoâng bò phaù huûy (vôõ, meû, nuùt taïi choã va ñaäp). - Trong thöïc teá ñoä dai va ñaäp chòu aûnh höôûng cuûa caùc yeáu toá: + Traïng thaùi beà maët: veát khía, , raõnh loã, ñoä boùng beà maët. + Kích thöôùc haït caøng nhoû ñoä dai va ñaäp caøng cao. + Haït tinh theå: troøn, ña caïnh coù ñoä dai va ñaäp cao hôn daïng taám, hình kim. + Soá löôïng, hình daïng, kích thöôùc vaø söï phaân boá. caùc pha gioøn coù soá löôïng nhieàu, kích thöôùc lôùn, daïng taám phaân boá khoâng ñeàu caøng laøm giaûm ñoä dai va ñaäp. 1.3.4. 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 đ c trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thi n tích. Độ chảy loãng biểu th khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy loãng càng cao th tính đ c càng tốt. Độ co càng lớn th tính đ c càng kém. b. Tính rèn dập: là khả năng biến dạng vĩnh c u của kim loại khi ch u lực tác dụng bên 16
ngoài mà không b phá hủy. Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ ph hợp. Gang không có tính rèn v giòn. Đồng, nhôm, ch có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội. c. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự li n kết giữa các phần t 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 đ nh b ng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề m t kim loại sau khi cắt gọt. e. Tính nhiệt luyện: là nung nóng kim loại hay hợp kim đến nhiệt độ xác định rồi giữ nhiệt độ tại đó trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức do đó, nhận được cơ tính và các tính chất khác theo ý muốn. Một kim loại hay một hợp kim nào đó m c d có những tính chất rất qu nhưng tính công nghệ kém th cũng khó được s dụng rộng rãi v khó chế tạo thành sản phẩm. CÂU HỎI ÔN TẬP Caâu 1 : Theá naøo laø maïng tinh theå ? Caâu 2 : Theá naøo laø tính thuø hình cuûa kim loaïi ? Caâu 3 : Hôïp kim coù maáy daïng caáu taïo? Trình baøy ñònh nghóa, caáu taïo cuûa chuùng ? Caâu 4 : Cô tính laø gì ? Haõy neâu caùc loaïi cô tính thöôøng duøng ? Trình baøy ñònh nghóa, kyù hieäu, ñôn vò cuûa chuùng? Neâu yù nghóa caùc loaïi cô tính ? Caâu 5 : Duøng kieán thöùc, yù nghóa caùc loaïi cô tính haõy traû lôøi caùc caâu hoûi sau : a. Phoâi theùp caàn coù cô tính naøo cao ñeå khi gia coâng aùp löïc deã bò bieán daïng nhaát ñeå taïo hình saûn phaåm ? Taïi sao ? b. Phoâi theùp coù cô tính nhö theá naøo thì tính choáng maøi moøn toát ? Caùc saûn phaåm cô khí phaûi laøm vieäc trong ñieàu kieän nhö theá naøo thì caàn ñeán ñoä cöùng cao nhaát? Taïo sao ? Caâu 6: Vaät lieäu coù cô tính nhö theá naøo goïi laø cô tính toång hôïp ? Caùc saûn phaåm cô khí phaûi laøm vieäc trong ñieàu kieän nhö theá naøo thì caàn ñeán cô tính toång hôïp cao ? Caâu 7: Vaät lieäu coù cô tính nhö theá naøo goïi laø cô tính ñaøn hoài ? Caùc saûn phaåm cô khí phaûi laøm vieäc trong ñieàu kieän nhö theá naøo thì caàn ñeán cô tính ñaøn hoài cao ? 17
CHƢƠNG 2: GANG VÀ THÉP I. GANG VÀ CÁC LOẠI GANG THƢỜNG DÙNG 1. Giới thiệu chung về Gang: 1.1. Khái niệm Gang là hợp kim của sắt và cacbon c ng một số nguy n tố khác như: Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu... hàm lượng cacbon trong gang lớn hơn 2,14% . 1.2. Thành phần của Gang: Như đã biết từ trước, gang là hợp kim Fe - C với lượng cacbon vượt quá 2% (đ ng ra là 2,14%, ứng với b n phải điểm E của giản đồ trạng thái Fe - C). Cacbon là nguy n tố quan trọng trong gang. Từ giản đồ trạng thái Fe - C thấy r ràng lượng cacbon cao, nhiệt độ nóng chảy của gang thấp hơn đáng kể so với thép, do vậy thực tế nấu chảy gang dễ thực hiện hơn so với thép. Thư ng không d ng gang > 5%C. Hai nguy n tố khác thư ng g p trong gang với lượng khá lớn (từ 0,5 đến tr n 2%) là Mn và Si. Đó là hai nguy n tố có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit, cơ tính của gang. Trong các loại gang giới hạn của hai nguy n tố này thay đổi trong phạm vi tương đối rộng. Photpho và lưu huỳnh là hai nguy n tố với lượng chứa ít khoảng 0,05 - 0,5%, trong đó lưu huỳnh là nguy n tố có hại đối với gang càng ít càng tốt. Thành phần hóa học thông thư ng của Gang là: C = 2,14 – 6,67%, thư ng d ng 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% Ngoài ra trong gang còn có thể có chứa một số nguy n tố khác như các nguy n tố hợp kim (Cr, Ni, Mo...), các nguy n tố biến tính (Mg, Ce...). 18
1.3. Tính chất của Gang:  Về cơ tính, nh n chung gang là loại vật liệu có độ bền kéo thấp, độ dòn cao. Xementit là pha cứng và dòn, sự tồn tại của nó với một lượng lớn và tập trung trong gang trắng làm dễ dàng cho sự tạo vết nứt dưới tác dụng của tải trọng kéo. Do đó gang trắng có độ bền kéo thấp và độ dòn cao. Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu tổ chức graphit như là các lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền. Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào h nh dạng graphit, lớn nhất ở gang xám với graphit dạng tấm và bé nhất ở gang cầu với graphit dạng cầu tròn. V vậy gang cầu có độ bền cao nhất phối hợp với tính dẻo tốt nhất trong các loại gang. Ngoài ra sự có m t của graphit trong gang có một số ảnh hưởng tốt đến cơ tính như tăng khả năng chống mài mòn do ma sát (v bản thân graphit có tính bôi trơn, th m vào đó có "lỗ hổng" graphit là nơi chứa dầu bôi trơn như khi d ng làm ổ trượt), làm tắt rung động và dao động cộng hưởng.  Về tính công nghệ, gang có tính đ c và tính gia công cắt tốt: các loại gang thư ng d ng có thành phần gần c ng tinh n n nhiệt độ chảy thấp, do đó độ chảy loãng cao và đó là một trong những yếu tố quan trọng của tính đ c, graphit trong các gang xám, dẻo và cầu làm phoi dễ gãy vụn khi gia công cắt (tiện, phay, bào. )  Công dụng: Nói chung gang có cơ tính tổng hợp không cao như thép, nhưng có tính đ c tốt, gia công cắt dễ, chế tạo đơn giản hơn (do nhiệt độ chảy thấp, nấu chảy và đ c gang dễ hơn thép) và rẻ. V vậy các loại gang có graphit được d ng rất nhiều trong chế tạo cơ khí. Ngư i ta d ng gang để làm rất nhiều các chi tiết máy. Ví dụ, trong ô tô các chi tiết b ng gang có thể chiếm tới 40% khối lượng kim loại, trong các thiết b và máy tĩnh tại, t lệ này còn cao hơn, tới 50 - 80%. Có nhiều loại sản phẩm được d ng với khối lượng lớn, được làm b ng gang như ống dẫn nước cỡ lớn. Nói chung, gang được d ng để chế tạo các loại chi tiết ch u tải trọng tĩnh và ít ch u va đập như bệ máy, vỏ, nắp, các bộ phận ít phải di chuyển. Hiện nay đã xuất hiện các loại gang tốt với cơ tính cao, có thể d ng để thay thế cho thép trong một số trư ng hợp như gang cầu để làm trục khu u. 19
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của Gang: Do hàm lượng C cao n n tổ chức của Gang ở nhiệt độ thư ng cũng như nhiệt độ cao hơn đều tồn tại Xementit cao. Đ c tính chung của Gang là cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đ c. Thành phần tạp chất trong gang gây ảnh hư ng khác nhau so với thép cacbon. C ng với C, nguy n tố Si th c đẩy quá tr nh Graphit hóa, nghĩa là sự phân hủy Fe3C thành Fe và C tự do khi kết tinh. Ngược lại Mn cản trợ sự Graphit hóa nh m tạo ra Fe3C của Gang trắng. Lượng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5 – 3,0%, còn Mn thay đổi tương ứng với Si ở giới hạn 0,5 – 1,0%. Tạp chất S và P làm hại đến cơ tính của Gang. Nhưng nguy n tố P phần nào cũng làm tăng tính chảy loãng, tăng tính chống mài mòn do đó có thể có hàm lượng đến 0,1 – 0,2% P. Cuối c ng là nguy n tố C: nguy n tố này tạo ra c ng với Fe các tổ chức trong Gang. Cacbon càng nhiều graphit hóa càng mạnh, nhiệt độ chảy loãng càng giảm (nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn của Gang thấp nhất khi C = 4,43% ở 1147oC làm tính đ c càng tốt). Nhưng làm tăng hàm lượng C sẽ làm giảm độ bền, tăng giòn. V vậy, trong Gang xám, hàm lượng C giới hạn từ 2,8 – 3,5%. 2. Các loại Gang thƣờng dùng: Gang được chia làm 2 loại là Gang trắng và Gang grafit: 2.1. Gang trắng: là hợp kim Fe - C trong đó cacbon có thành phần lớn hơn 2,14% (C = 3,5 – 4,3%) và các tạp chất Mn, Si, P, S… Tổ chức của gang tương ứng với giản đồ trạng thái Fe - Fe3C. Tồn tại ở dạng Fe3C pha này chiếm t lệ rất lớn, hơn% trong tổ chức của Gang. - L tính: Là loại Gang mà hầu hết C ở dạng li n kết Fe3C. Tổ chức Xementit có nhiều trong Gang làm m t gãy của nó có màu sáng trắng n n gọi là Gang trắng. - Cơ tính: Do C ở dạng Fe3C nên Gang rất cứng và giòi. Do đó, không thể gia công, cắt gọt, không thể d ng Gang thuần trắng để làm các chi tiết mày có độ chính xác cao. Độ dẻo, độ bền thấp, có khả năng ch u mai mòn tốt. - Tính kinh tế: Phương pháp chế tạo Gang trắng đơn giản, giá thành rẻ. - Công dụng: D ng làm các chi tiết y u cầu độ cứng cao ở bề m t làm việc trong điều kiện ch u mài mòn như b nghiền, bề m t trục cán, mép lưỡi cày, bề m t và bánh xe lu. Về m t tổ chức gang trắng chia làm ba loại: 20