Giáo trình Vật liệu học (Nghề: Công nghệ ô tô - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Vật liệu học (Nghề: Công nghệ ô tô - Trình độ: Cao đẳng)" trình bày các nội dung chính sau đây: cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim; gang và thép; kim loại màu và hợp kim màu; nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu học (Nghề: Công nghệ ô tô - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

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. 1
LỜI GIỚI THIỆU Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là thời kì đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt, …Cho đến ngày nay là một loạt các loại vật liệu mới như ceramic, polyme, compozit, … Các loại vật liệu này đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài người một cách nhanh chóng. Ngày nay cùng với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kĩ thuật nói chung, khoa học và công nghệ vật liệu cũng đang trên đà chiếm lĩnh đỉnh cao của trí tuệ loài người. Nắm vững và điều khiển các tính chất vật liệu theo yêu cầu là nhiệm vụ vô cùng quan trọng của những nhà nghiên cứu vật liệu bởi vì trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống, … đòi hỏi vật liệu sử dụng phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển và sử dụng vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn. Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và sử dụng vật liệu. Môn vật liệu học sẽ cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu chính nhằm giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc và cơ lý tính của chúng để từ đó biết lựa chọn vật liệu phù hợp đáp ứng nhu cầu sử dụng sau này. Giáo trình VẬT LIỆU HỌC được biên soạn với sự tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, sự đóng góp tận tình của các đồng nghiệp cùng bộ môn. Khi biên soạn giáo trình chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học và phù hợp với đối tượng sử dụng. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng sẽ không tránh khỏi sai sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp, các sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến giáo trình này. Cần Thơ, ngày tháng năm Tham gia biên soạn Cao Thị Nguyễn Phương 2
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ..........................................................................................................2 MỤC LỤC .....................................................................................................................3 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ............................................................................................4 CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ............5 1. Khái niệm về vật liệu ................................................................................................5 2. Cấu tạo của kim loại và hợp kim. ..............................................................................9 3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim ...............................................................14 CHƯƠNG 2: GANG VÀ THÉP .................................................................................19 1. Gang và các loại gang thường dùng ........................................................................19 2. Thép và các loại thép thường dùng .........................................................................22 3. Tổ chức tế vi của gang và thép ................................................................................24 4. Thép hợp kim ..........................................................................................................32 CHƯƠNG 3: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU ...............................................43 1. Đồng và hợp kim đồng ............................................................................................38 2. Nhôm và hợp kim nhôm ..........................................................................................40 CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN ........................................43 1. Nhiệt luyện ..............................................................................................................43 2. Hóa nhiệt luyện .......................................................................................................50 CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI .................................................................54 1. Vật liệu vô cơ ..........................................................................................................54 2. Vật liệu hữu cơ ........................................................................................................56 CHƯƠNG 6: VẬT LIỆU MỚI ...................................................................................59 1. Vật liệu bột ..............................................................................................................59 2. Vật liệu kết hợp (composite) ...................................................................................61 CHƯƠNG 7: NHIÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN ..........................................65 1. Nhiên liệu ô tô .........................................................................................................65 2. Vật liệu bôi trơn ......................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................69 3
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: VẬT LIỆU HỌC Mã môn học: MH10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Là môn học kỹ thuật cơ sở. Môn học được bố trí học trước các môn học, mô đun chuyên môn nghề. Là môn cở sở nền tảng để thực hành các môn học, mô đun nghề. - Tính chất: Là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Công nghệ ô tô. - Ý nghĩa và vai trò: Môn Vật liệu học cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về vật liệu để khi cần sử dụng thì biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Biết được các tính chất, phạm vi sử dụng, kí hiệu của các loại vật liệu thường dùng trong cơ khí chế tạo, các phương pháp thử độ cứng, chế độ nhiệt luyện cho từng chi tiết cụ thể. - Về kỹ năng: + Phân tích được kí hiệu của các loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu dùng cho cơ khí chế tạo. + Nhận biết đúng và sử dụng đúng các loại vật liệu cơ khí khi được đánh giá bằng trắc nghiệm lựa chọn và trắc nghiệm sự thực hiện đạt yêu cầu. + Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Có ý thức tự giác, tính kỉ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn nhau. + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Nội dung của môn học: 4
CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mã chương: MH 10 - 1 Giới thiệu Kim loại và hợp kim là những vật liệu chủ yếu từ trước tới nay quyết định sự thành bại của sản xuất công nghiệp, chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy. Tuy nhiên trong sản xuất cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp, đảm bảo chất lượng và kinh tế của sản phẩm. Muốn vậy phải nắm được các tính chất cơ bản của chúng. Mục tiêu Học xong chương này người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm và vai trò của vật liệu. - Phân biệt được cấu tạo kim loại và hợp kim. - Trình bày được các tính chất chung của kim loại và hợp kim. Nội dung chính 1. Khái niệm về vật liệu 1.1. Khái niệm chung Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật chất mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ … trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, y tế, văn hóa, giáo dục, … Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa thành phần, cấu tạo và tính chất của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc và dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy và dụng cụ. Nghiên cứu các tính chất vật lý (mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ từ thẫm …), cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đàn hồi, ...), tính công nghệ (độ chảy loãng, khả năng gia công cắt gọt, khả năng rèn, …) và các tính năng làm việc (tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn và mỏi, tính giòn lạnh, tính bền nhiệt, …) của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế. Dựa theo các tính chất đặc trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính là vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramic và vật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên những năm gần đây đã xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ tư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu composite. 1.1.1. Vật liệu kim loại Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: kim loại + á kim hoặc kim loại khác. Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép). Có độ bền cơ học nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, ... đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Tính chất của kim loại thật lạ kỳ và đa dạng. Thủy ngân tồn tại ở thể lỏng ngay cả tại nhiệt độ -300C, còn Vonfram thì không hề bị hóa lỏng nếu không nung được nó quá 34100C. Liti nhẹ bằng nửa nước, khó nhấn chìm được trong nước, còn Osimi nhà vô địch của các kim loại lại chìm nghỉm trong nước, … Trái đất của chúng ta rất giàu nhôm, hàm lượng của chúng trong vỏ trái đất chỉ thua kém oxi và silic, trong khi đó hàm lượng Francis ít đến mức chỉ bằng gam. Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại là sự sắp xếp trật tự của các nguyên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao và liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do. 5
Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật và trong một số điều kiện chúng có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định hình. Vật liệu kim loại được chia làm hai nhóm lớn: - Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tố sắt. Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang. - Kim loại và hợp kim không sắt là loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt. Ví dụ như đồng, nhôm, kẽm, niken và các loại hợp kim của chúng. Nhóm này còn có tên gọi là kim loại màu và hợp kim màu. 1.1.2. Vật liệu vô cơ – ceramic Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô cơ - ceramic chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại như Mg, Al, Si, Ti, ... và các phi kim dưới dạng các oxit, cacbit, hay nitrit, ... với liên kết bền vững kiểu ion hoặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự như trạng thái thủy tinh hay vô định hình. Tên gọi ceramic được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa là "vật nung" nên khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thiêu kết. Các vật liệu vô cơ - ceramic truyền thống có thể kể đến là: gốm và vật liệu chịu lửa, thủy tinh và gốm thuỷ tinh, ximăng và bêtông. Vật liệu vô cơ có tính dẫn điện kém, khá cứng và bền ở nhiệt độ cao, nhưng có xu hướng giòn. Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu vô cơ - ceramic mới tìm thấy có những tính năng rất quí như nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học và có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử và hàng không vũ trụ. 1.1.3. Vật liệu hữu cơ – polyme Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn. - Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém. - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp. - Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển. Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu cơ chứa cacbon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là cacbon (C) và hidrô (H) có thể chứa thêm oxi, clo, nitơ, ... liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích thước lớn sắp xếp trật tự được gọi trạng thái tinh thể hoặc không trật tự gọi là trạng thái vô định hình. Tuy nhiên chúng có thể có cấu trúc hỗn hợp vừa tinh thể vừa vô định hình. Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo, … phần lớn vật liệu hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp, chúng là sản phẩm của quá trình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đơn (monome) và do đó tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), … 1.1.4. Vật liệu kết hợp – composite Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ: bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramic, giữa ceramic với kim loại,… là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp-compozit với những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ngành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung. Một số vật liệu kết 6
hợp - compozit được ứng dụng trong ngành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền cao và sợi cacbon. Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa được nêu trên còn có các nhóm vật liệu khác có tính năng và thành phần rất riêng biệt như: Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với Kim loại 1 4 Compozit 3 2 Hữu cơ Vô cơ - 3 3 3 - ceramic polyme Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng. 1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện. kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn). Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn. 1.2. Vai trò của vật liệu trong cuộc sống Chúng ta đang ở thế kỉ 21, kỉ nguyên mà con người bé nhỏ về thể chất lại có thể vươn tầm hiểu biết của mình ra thế giới và vũ trụ bao la vô tận nhờ các thiết bị hiện đại, dựa trên cơ sở của sự phát triển vũ bão của công nghệ thông tin. Nền văn minh nhân loại phát triển cùng với việc con người ngày càng biết dùng nhiều loại vật liệu hoàn thiện hơn phục vụ cho cuộc sống của mình. Con người với trí tuệ một phẩm chất kì diệu của “lao động” không những đã mà còn đang tiếp tục sáng tạo ra nhiều vật liệu phục vụ cuộc sống. Không chỉ các vật liệu truyền thống mà còn tìm ra nhiều loại vật liệu kì diệu khác, đưa nền văn minh nhân loại phát triển đến mức mà cách đây chỉ vài chục năm những nhà văn viễn tưởng táo bạo nhất cũng không thể hình dung nổi. Những mốc quan trọng trong lịch sử phát triển xã hội loài người cũng được xây dựng trên cơ sở lấy các vật liệu nòng cốt chế tạo công cụ lao động làm biểu tượng, đó là “thời kì đồ đá”, “thời kì đồ đồng”, “thời kì đồ sắt” … Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính năng ưu việt hơn, là một lần góp phần thúc đẩy năng suất lao động xã hội phát triển, mở ra những ngành khoa học mới, có thể nêu ra một vài sự kiện để minh họa: - Sự xuất hiện của công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng đura (1930) nhờ quá trình hóa già biến cứng, giúp cho công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảy vọt trong đại chiến thế giới thứ hai. 7
- Sự ra đời của công nghệ chế tạo polyme. Vào đầu thế kỉ XX có lẽ cả người giàu tưởng tượng nhất cũng khó hình dung nổi một chuyện mà hôm nay đã trở thành quá bình thường: từ một khúc gỗ, hạt đậu tương, từ những chai dầu thô đen xỉn và bẩn thỉu, từ tảng than đen nhánh …, lại có thể làm ra những tấm lụa mịn màng, những bộ lễ phục trang nghiêm, những bộ quần áo lộng lẫy hoặc những tấm thảm rực rỡ. Vậy mà nhờ tìm ra công nghệ chế tạo chất dẻo polyme (1980) nhân loại có thể thực hiện được điều đó và từ đó thêm một vật liệu, người bạn đồng hành kì diệu mới, kèm theo là sự ra đời của ngành công nghiệp sợi, tơ nhân tạo … - Với sự tìm ra công nghệ chế tạo bán dẫn (1955) bằng kĩ thuật tinh luyện và tạo lớp chuyển tiếp … kĩ thuật thông tin phát thanh truyền hình nhanh chóng được phát triển. Trên cơ sở ứng dụng các kiến thức khoa học, hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí như: thép không gỉ austenit (1935), hợp kim titan (1960), vật liệu lò phản ứng hạt nhân (1960), thép xây dựng vi hợp kim hóa (1965), thép kết cấu độ bền cao (1965), vật liệu compozit sợi (1965), hợp kim nhớ hình (1975) và kim loại thủy tinh (1980). Đó là chưa kể nhiều loại vật liệu đang trong quá trình nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm, có nhiều triển vọng sử dụng rộng rãi trong những thập kỉ tới. 1.3. Khái quát quá trình phát triển vật liệu Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của loài người, có thể chia ra làm 3 giai đoạn lớn sau: 1.3.1. Giai đoạn tiền sử của loài người Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng công cụ lao động để duy trì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như:  Vật liệu vô cơ: đất sét, đá và các loại khoáng vật …  Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre …  Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch … Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguyên thủy, không qua chế biến. Các vật dụng được chế tạo chủ yếu bằng cách cắt, mài, đập hay nghiền … Tại thời kì này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách phơi khô đất sét ngoài nắng. 1.3.2. Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa là sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghiệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc và mò mẫm, con người thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu. Một số sự kiện quan trọng của thời kỳ này là: - Trước Công nguyên khoảng 6 000 năm, người ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra những công cụ lao động và vũ khí. Những cục xỉ đồng với tuổi 8 500 năm mà người ta phát hiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta. - Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm. Vào khoảng thế kỉ 15 trước Công nguyên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép và sau đó khoảng 4 thế kỉ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để làm tăng độ cứng cho thép. Kĩ thuật này đạt được đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng như Damascus (Syria) cho đến ngày nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ. Các nhà khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỉ thứ VIII trước Công nguyên đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt như mũ sắt, lưỡi cưa và các công cụ rèn … 8
- Một kì tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ xưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần như nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị. Những lò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3 000 năm trước Công nguyên. - Vào cuối thế kỉ thứ XVIII, kĩ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy hơi nước, tàu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa và đường sắt … Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp. Tháp này nặng 7 341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những là niềm tự hào và là biểu tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới. - Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV trước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga và sau đó kĩ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay loại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng cầu đường, nhà cửa … 1.3.3. Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học Cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỉ XIX thúc đẩy phát triển nhiều ngành khoa học khác nhau, đặc biệt là về vật liệu và hóa học, những ngành có ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển vật liệu. Các nhà khoa học đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành các tính chất khác nhau của chúng. Nhờ những kiến thức khoa học đó mà con người đã đánh giá được định tính chiều hướng phát triển của vật liệu và định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn. Có thể kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu:  Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có tên Ðura (duaralumin) xuất hiện nhờ quá trình hóa già biến cứng.  Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp.  Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kĩ thuật tinh luyện và tạo lớp chuyển tiếp.  Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời như thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozit.  Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình.  Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh … Bất kì một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu.Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện còn đang trong quá trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế trong tương lai. Hình 1.2. Phân bố vật liệu 9
2. Cấu tạo của kim loại và hợp kim 2.1. Cấu tạo của kim loại 2.1.1. Khái niệm về kim loại Theo định nghĩa cổ điển thì kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Tuy nhiên định nghĩa cũ chưa đúng cho mọi kim loại. Ví dụ: Sb (ăngtimoan) giòn không thể rèn được. Hiện nay để nhận biết được một chất là kim loại người ta dựa vào hệ số nhiệt độ của điện trở: ở kim loại hệ số này là dương tức là khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng. 2.1.2. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại - Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân). + Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (Hình 1.2 a). + Mạng tinh thể bao gồm các mặt đi qua các nguyên tử, các mặt này luôn luôn song song cách đều nhau và được gọi là mặt tinh thể (Hình 1.2 b). + Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2 c). Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh thể bằng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng. Ví dụ như trên ô lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thông số mạng là a là chiều dài cạnh của ô. Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), kí hiệu: Å. Hình 1.3: Cấu tạo mạng tinh thể - Các kiểu mạng tinh thể thường gặp: + Mạng lập phương thể tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và ở tâm của khối lập phương. Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: Feα , Cr, W (Wolfram), Mo (Molypden), V (Vanadi)… Hình 1.4 : Ô cơ sở mạng lập phương thể tâm + Lập phương diện tâm: các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương. 10
Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: sắtγ, đồng, niken, coobanβ, chì, bạc, vàng, nhôm. Hình 1.5: Ô cơ sở mạng lập phương diện tâm + Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt đáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối tâm của 3 lăng trụ tam giác cách đều nhau. Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng này như: kẽm, coobanα, magiê, titan, catđimi. Hình 1.6: Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt Như vậy có thể xem một khối kim loại nguyên chất là tập hợp vô số các mạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô số các ô cơ sở và dạng của từng ô cơ sở tùy thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó. Hình 1.7: Cấu tạo của kim loại a, b. Ô cơ sở, c. mạng tinh thể (hạt tinh thể); d. các hạt tinh thể sắp xếp trong kim loại; e. Bề mặt kim loại khi được phóng đại 2.1.3. Tính thù hình của kim loại 11
a. Định nghĩa Tính thù hình của kim loại 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. b. Đặc tính thù hình - Các dạng thù hình khác nhau được kí hiệu bằng các chữ cái Hy Lạp theo nhiệt độ từ thấp đến cao: α, β, γ, δ… - Khi có chuyển biến thù hình thì kim loại có sự thay đổi thể tích và tính chất bên trong. Đây là đặc tính quan trọng khi sử dụng chúng. Ví dụ: Khi nung nóng sắt người ta thấy ở trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu mạng tinh thể ở ba khoảng Hình 1.8 : Sơ đồ tính thù hình của sắt nhiệt độ khác nhau (≤ 9110C, 911 - 13920C, ≥ 13920C). Vậy sắt có ba dạng thù hình được kí hiệu là: Feα, Feγ, 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 Cấu tạo của hợp kim 2.2.1. Khái niệm về hợp kim Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại và hợp kim mang tính chất của kim loại. Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim. Ví dụ thép là hợp kim của sắt và cacbon. Nói chung kim loại nguyên chất có những nhược điểm như rất dẻo, độ bền, độ cứng thấp, không ổn định theo nhiệt độ. Do đó các cơ cấu máy chính xác không thể làm bằng kim loại nguyên chất được mà phải làm bằng hợp kim. Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được sử dụng rộng rãi vì các ưu điểm sau: - Cơ tính hợp kim phù hợp với vật liệu chế tạo cơ khí: đối với ngành cơ khí vật liệu sử dụng phải có các yêu cầu như độ bền cao, tuổi thọ sử dụng lâu. Về mặt này thì hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất, chúng có độ cứng, độ bền cao hơn hẳn trong khi độ dẻo và độ dai vẫn đủ cao. - Tính công nghệ thích hợp: kim loại nguyên chất có tính dẻo cao dễ gia công áp lực nhưng khó đúc, gia công cắt kém, không hóa bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim có tính công nghệ khác nhau và phù hợp với từng điều kiện gia công: gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện… đảm bảo cho chế tạo sản phẩm có năng suất cao. - Giá thành hạ hơn: dễ chế tạo hơn do không phải khử bỏ các tạp chất một cách triệt để như kim loại. 2.2.2. Các dạng cấu tạo của hợp kim Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguyên tố cấu tạo nên chúng. Khi ở dạng lỏng, các nguyên tố hòa tan lẫn nhau để tạo nên dung dịch lỏng. Tuy nhiên, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ hình thành các tổ chức pha của hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa các nguyên tố. Có thể có các tổ chức pha như sau: - Tổ chức một pha (một kiểu mạng tinh thể): + Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hòa tan ở trạng thái rắn, gọi là dung dịch rắn. + Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hóa học ở trạng thái rắn, gọi là hợp chất hóa học. 12
- Tổ chức hai pha trở lên (có từ hai kiểu mạng tinh thể trở lên): khi giữa các pha trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơ học. a. Dung dịch rắn Hình 1.9: Cấu tạo của dung dịch rắn thay thế và xen kẽ Khi nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong cùng một kiểu mạng. Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn thay thế. - Dung dịch rắn xen kẽ: nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ. Sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn. - Dung dịch rắn thay thế: nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thay thế. - Cơ tính chung của dung dịch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhiên độ dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất. b. Hợp chất hóa học Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỉ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học. Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng thành phần. Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau. Ví dụ: Nguyên tố sắt và cacbon tạo nên Fe3C rất ổn định, nhưng nguyên tố Cu với Zn có thể cho ta nhiều dạng hợp chất như: CuZn, Cu3Zn3, CuZn3,… - Cơ tính chung của hợp chất hóa học: có độ cứng cao, độ giòn cao do có kiểu mạng tinh thể phức tạp không giống với kiểu mạng của kim loại nguyên chất đồng thời có nhiệt độ phân hủy cao (t0nc cao). c. Hỗn hợp cơ học Trong hệ hợp kim, có những nguyên tố không hòa tan vào nhau cũng không liên kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy thì gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Như vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của nguyên tố thành phần. Vì để tạo được liên kết cơ học nguyên tử các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Hình 1.10: Cấu tạo của hỗn hợp cơ học 13
Cơ tính chung của hỗn hợp cơ học: phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạo thành. Muốn đánh giá cơ tính của hợp kim tạo thành tại nhiệt độ xác định phải căn cứ vào tỉ lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành. 3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim Để sử dụng vật liệu nói chung ta phải nắm vững các tính chất của nó, xem các tính chất đó có đáp ứng được yêu cầu của công việc hay không. Ví dụ để làm dụng cụ cắt kim loại phải có kim loại vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, độ chịu mòn và chịu nhiệt cao, để làm dây dẫn điện phải có vật liệu có tính dẫn điện tốt, để chế tạo máy bay cần có loại vật liệu vừa bền lại vừa nhẹ … Hoặc trong một số trường hợp, ta lại cần có các vật liệu không bị gỉ, không bị nhiễm từ … Các tính chất của vật liệu có thể chia thành: tính chật vật lý, tính chất hóa học, tính chất cơ học và tính công nghệ. Cơ tính (tính chất cơ học) là nhóm tính chất quan trọng của vật liệu chế tạo máy. 3.1. Tính chất vật lý Tính chất vật lý hay còn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất xác định mối quan hệ giữa tác dụng vật lý của môi trường tự nhiên với vật liệu. Các tính chất vật lý được quan tâm: tính chất điện, tính chất nhiệt, tính chất từ, tính chất quang. 3.1.1. Khối lượng riêng Khối lượng riêng là khối lượng của 1 cm3 vật chất. Nếu gọi m là khối lượng của vật chất (g), V là thể tích của vật chất (cm3) và  là khối lượng riêng của vật chất (hay vật liệu) ta có: m  (g/cm3) V Ứng dụng của khối lượng riêng trong kĩ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể giải quyết những vấn đề thực tế. Ví dụ những vật lớn như thép đường ray, thép hình khó cân được khối lượng, nhưng biết được khối lượng riêng của vật liệu và đo được kích thước của chúng, người ta có thể tính được thể tích nên có thể không cần cân cả vật mà ta vẫn tính được khối lượng của chúng bằng công thức trên. 3.1.2. Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu là nhiệt độ mà khi nung nóng đến đó thì vật liệu từ thể rắn chuyển thành thể lỏng. Phương pháp chế tạo các chi tiết máy rẻ tiền nhất là phương pháp đúc, nhưng khi dùng phương pháp đúc thì kim loại cần phải có tính chảy loãng tốt. Nhiệt độ nóng chảy rất quan trọng đối với công nghệ chế tạo cơ khí vì tính chảy loãng của vật liệu ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của chúng quyết định. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu càng thấp thì tính chảy loãng của chúng càng tốt và càng dễ đúc. Ví dụ: Sắt nguyên chất là 1 5390C, thép 1 400 ÷ 1 5000C, gang 1 1300C ÷ 1 3500C 3.1.3. Tính chất điện Căn cứ vào khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn được chia thành ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu cách điện. Đa số các kim loại đều là chất dẫn điện tốt. Dẫn điện tốt nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhôm. Hợp kim nói chung và các vật liệu phi kim loại có tính dẫn điện kém hơn kim loại. 3.1.4. Tính chất nhiệt 14
Là tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt gồm: nhiệt dung, giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt, ứng suất nhiệt. Kim loại và hợp kim thường dẫn nhiệt tốt, ngược lại vật liệu phi kim loại như thủy tinh, cao su, nhựa, gỗ, gốm … dẫn nhiệt kém nên chúng thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt. 3.1.5. Tính chất từ Tính chất từ là hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy hoặc có ảnh hưởng lên các vật liệu khác. Tất cả các vật liệu, ở mọi trạng thái, dù ít hay nhiều đều biểu hiện tính chất từ. Dựa vào từ tính mạnh yếu khác nhau của vật liệu mà người ta phân loại vật liệu bao gồm chất thuận từ, chất nghịch từ và chất sắt từ. Cả hai chất thuận từ và nghịch từ đều được coi là vật liệu không từ tính bởi vì độ cảm từ hay hệ số từ hóa (χ) của chúng có giá trị rất nhỏ và chỉ bị từ hóa khi có một từ trường ngoài. Mật độ từ thông trong chúng hầu như giống trong chân không. Một trong những ứng dụng quan trọng của vật liệu thuận từ là tạo nhiệt độ thấp bằng phương pháp khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ. Chất sắt từ có từ tính rất mạnh vì độ cảm từ của nó có giá trị rất lớn. Các chất sắt từ bao gồm những nguyên tố nhóm chuyển tiếp như sắt (Fe), côban (Co), niken (Ni) và kim loại đất hiếm như Gadolini (Gd). Chất phản sắt từ là chất từ yếu vì độ cảm từ của nó có giá trị rất nhỏ. Chất feri từ có từ tính khá mạnh vì độ cảm từ của nó có giá trị khá lớn gần bằng của chất sắt từ. Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp như chế tạo máy phát điện, máy biến thế điện, động cơ điện, điện thoại và máy tính … 3.1.6. Tính chất quang Tính chất quang của vật liệu được hiểu là hành vi của vật liệu đối với tác dụng của bức xạ điện từ đặc biệt là ánh sáng nhìn thấy. Khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trương khác (chẳng hạn từ không khí vào vật rắn) thì một số bức xạ ánh sáng có thể truyền qua môi trường, một số bị hấp thụ và một số bị phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường. Các kim loại khối đều đục với toàn bộ phổ nhìn thấy được nghĩa là tất cả ánh sáng đều bị hấp thụ hoặc phản xạ. Một số vật liệu có khả năng hấp thụ năng lượng rồi phát ra ánh sáng nhìn thấy gọi là sự phát quang. Sự phát quang được ứng dụng là đèn huỳnh quang, hình ảnh nhìn thấy trên màn truyền hình,… Vật liệu quang dẫn dùng làm pin mặt trời. 3.2. Tính chất hóa học Là độ bền của vật liệu đối với những tác dụng hóa học của các chất khác nhau như: oxi, nước, axit, … mà không bị phá hủy. Thông thường mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng với từng môi trường nhất định. Tính chất hóa học cơ bản của vật liệu có thể chia thành mấy loại sau: - Tính chịu ăn mòn: là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của các môi trường xung quanh. - Tính chịu nhiệt: là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của oxi trong không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt ở nhiệt độ cao. - Tính chịu axít là độ bền của vật liệu đối với sự ăn mòn của axít. Để tăng khả năng chống ăn mòn của vật liệu người ta đề ra nhiều biện pháp bảo vệ kim loại bằng các chất làm chậm ăn mòn, xử lý môi trường, … 15
3.3. Tính chất cơ học Tính chất cơ học (hay còn được gọi là cơ tính) của vật liệu là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của vật liệu chịu tác dụng của các loại tải trọng. Trong quá trình làm việc, tất cả các tiết máy đều chịu lực tác dụng khác nhau, bởi vậy cơ tính là tính chất quan trọng của vật liệu chế tạo máy. Các đặc trưng quan trọng của cơ tính là độ bền, độ cứng, độ đàn hồi, độ dai va đập, độ bền mỏi và tính chống mài mòn. 3.3.1. Ðộ bền (tĩnh) Ðộ bền là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Độ bền được kí hiệu là σ. Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các loại như: độ bền kéo σk, độ bền uốn σu, độ bền nén σn, độ bền xoắn σx, … Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phòng thí nghiệm theo các mẫu ứng với các tải trọng tác động. 3.3.2. Ðộ cứng Ðộ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có một vật khác cứng hơn tác dụng lên bề mặt của nó. Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên mẫu càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đo càng kém. Ðo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hủy chi tiết. Ðộ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng đều dùng tải trọng ấn viên bi bằng thép nhiệt luyện cứng hoặc mũi côn kim cương hoặc mũi chóp kim cương lên bề mặt của vật liệu cần thử, rồi xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu đo. Thường dùng các loại độ cứng Brinell (HB), độ cứng Rockwell (HRC, HRB và HRA), và độ cứng Vicke (HV). 3.3.3. Độ đàn hồi Là khả năng của vật liệu có thể thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng đi. Độ đàn hồi có thể xác định bằng các phương pháp thử khác nhau. 3.3.4. Độ dai va chạm Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng tác dụng đột ngột (hay tải trọng va đập). Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đột ngột hay va đập đó mà không bị phá hủy được gọi là độ dai va đập (hay độ dai va chạm). Muốn thử va đập cần phải có mẫu thử được lựa chọn theo những qui định riêng như ngang hay dọc thớ, vị trí nào trên sản phẩm và có hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn. 3.3.5. Ðộ bền mỏi Là khả năng chống lại sự phá hủy dưới tác dụng của lực thay đổi theo chu kỳ. Nhờ xác định được độ bền mỏi có thể đánh giá được khả năng bề mặt kim loại chịu được các lực thay đổi theo chu kỳ mà không bị phá hủy. Giới hạn mỏi được đánh giá bởi ứng suất lớn nhất tại chỗ mẫu chịu đựng 107 chu kỳ thì sau đó ít khi bị phá hủy. Người ta áp dụng các phương pháp sau để nâng cao giới hạn mỏi: + Tạo nên bề mặt lớp ứng suất nén dư bằng cách phun bi, lăn ép, tôi bề mặt và hóa nhiệt luyện lên trên bề mặt kim loại. + Nâng các độ bền tĩnh, nhờ đó cũng nâng cao giới hạn mỏi. + Tạo cho bề mặt có độ bóng cao, không có rãnh, lỗ, tránh những tiết diện thay đổi đột ngột. 16
3.3.6. Tính chống mài mòn Mài mòn là quá trình phá hủy dần lớp bề mặt chi tiết của vật liệu bằng cách tách các hạt khỏi bề mặt do tác dụng của ma sát. Người ta xác định sự mài mòn theo sự thay đổi kích thước hoặc khối lượng của vật liệu. Khả năng của vật liệu chống lại sự mài mòn trong những điều kiện ma sát nhất định của vật liệu được gọi là tính chống mài mòn của vật liệu. Ðể đánh giá mức độ mòn, người ta thường dùng:  Tốc độ mài mòn Vh là tỉ số giữa lượng mài mòn và thời gian mài mòn.  Cường độ mài mòn jh là nghịch đảo của tốc độ mòn. Giá trị vận tốc mài mòn càng nhỏ thì tuổi thọ làm việc của vật liệu càng cao. 3.4. Tính chất công nghệ Tính công nghệ là khả năng của vật liệu chịu tác dụng gia công khác nhau. Tính công nghệ bao gồm các tính chất như tính đúc, tính rèn, tính hàn, tính cắt gọt… 3.4.1. Tính đúc Tính đúc của vật liệu là khả năng điền đầy vật liệu lỏng vào lòng khuôn và nó được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co, tính hoà tan khí và tính thiên tích (tính thiên tích là sự không đồng nhất về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các hạt của kim loại hay hợp kim). Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém. 3.4.2. Tính rèn Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy. Thép có tính rèn cao khi nung nóng đến nhiệt độ phù hợp vì tính dẻo tương đối lớn. Gang không có khả năng rèn vì giòn. Ðồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội. 3.4.3. Tính hàn Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết hàn được nung nóng cục bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. Tính hàn của vật liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học, bản chất vật liệu … 3.4.4. Tính cắt gọt Tính cắt gọt là khả năng của vật liệu cho phép gia công cắt gọt như tiện, phay, bào … dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ gia công, lực gia công và độ bóng bề mặt sau khi gia công. Nhân tố ảnh hưởng đến tính cắt gọt là độ cứng. Ðộ cứng của thép để gia công cắt thuận lợi đạt độ bóng bề mặt cao vào khoảng 180  200 HB. 3.4.5. Tính nhiệt luyện ` Là khả năng làm thay đổi cơ tính của kim loại khi qua quá trình nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội theo một chế độ nhất định. 17
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Nêu vai trò của vật liệu trong cuộc sống. 2. Trình bày khái quát quá trình phát triển vật liệu. 3. Cấu tạo tinh thể của kim loại và hợp kim có ảnh hưởng gì đến các đặc tính của chúng? 4. Tại sao cần nắm vững các tính chất chung của kim loại và hợp kim? 5. Trình bày tính chất vật lý, tính chất hóa học, tính chất cơ học, tính chất công nghệ của kim loại và hợp kim. Phương pháp thực hiện câu hỏi và bài tập - Thảo luận nhóm, trực quan (xem video): các câu: 1, 2. - Vấn đáp: các câu: 3, 4. - Bài tập nhóm: câu 5. Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập chương 1 - Kiến thức: + Trình bày được khái niệm và vai trò của vật liệu. + Trình bày được các tính chất chung của kim loại và hợp kim. - Kỹ năng: + Phân biệt được cấu tạo kim loại và hợp kim. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Ý thức tích cực, tự giác, chủ động trong học tập và nghiên cứu bài. 18
CHƯƠNG 2: GANG VÀ THÉP Mã chương: MH 10 - 2 Giới thiệu Gang và thép là những hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon, sản phẩm của ngành luyện kim nói chung và ngành luyện kim đen nói riêng. Gang và thép có mặt khắp mọi lĩnh vực: từ các dụng cụ dân dụng cho tới các tác phẩm nghệ thuật, trong công nghiệp cơ khí, quốc phòng, trong xây dựng, giao thông vận tải, trong ngành năng lượng, … chúng hiện vẫn chiếm khoảng 90% tổng khối lượng vật liệu kim loại dùng trong ngành công nghiệp của thế giới. Mặc dù nhiều loại vật liệu mới ra đời, nhưng vị trí then chốt của thép và gang vẫn chưa bị thay đổi, vật liệu kim loại đen nói chung đã và đang đáp ứng ngày càng thỏa mãn những yêu cầu rất đa dạng trong thực tế. Trong chương này sẽ đề cập đến các loại thép và gang chủ yếu thường dùng trong công nghiệp và trong đời sống con người, đó là thép cacbon, thép hợp kim, các loại gang và một số hợp kim đặc biệt. Mục tiêu Sau khi học xong chương này người học có khả năng: - Trình bày được thành phần và tính chất chung của gang, các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang. - Phân biệt các loại gang và thép thường dùng. - Trình bày được tính chất chung của thép, các loại thép cacbon. - Trình bày được ưu khuyết điểm của thép cacbon. Nội dung chính 1. Gang và các loại gang thường dùng 1.1. Giới thiệu chung về gang 1.1.1. Khái niệm Gang là hợp kim của sắt – cacbon (Fe-C) với hàm lượng cacbon trong gang > 2,14% và một số nguyên tố khác như: Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu… 1.1.2. Tính chất chung của gang - Gang là vật liệu có độ bền kéo thấp, độ giòn cao (trừ gang dẻo). - Gang có tính đúc tốt hơn thép do có nhiệt độ nóng chảy thấp và độ chảy loãng cao, độ co ngót ít, dễ điền đầy vào khuôn. - Gang là vật liệu chịu nén rất tốt, chịu tải trọng tĩnh khá tốt và chịu mài mòn tốt. Tuy nhiên gang chịu va đập kém. 1.1.3. Công dụng Gang được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít bị va đập, các chi tiết chịu mài mòn, ma sát làm việc trong điều kiện khó bôi trơn. Các ví dụ chi tiết làm bằng gang bao gồm: bệ máy, vỏ máy, thân máy, hộp máy, bánh đai, bánh đà, hộp số, trục khuỷu, trục cán, ổ trượt, bánh răng, … 1.1.4. Các yếu tố ảng hưởng đến tính chất của gang a. Ảnh hưởng của thành phần hóa học + Cacbon (C): là nguyên tố thúc đẩy quá trình graphit hóa. Cacbon càng nhiều khả năng graphit hóa càng mạnh, nhiệt độ nóng chảy càng thấp càng dễ đúc. Song cacbon càng nhiều thì graphit cũng càng nhiều cơ tính kém. Do đó thường dùng gang ít C để đảm bảo độ bền cao. Lượng cacbon thông thường từ 2,8% - 3,5%. + Silic (Si): Silic là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang, vì nó thúc đẩy quá trình graphit hóa. Hàm lượng Si tăng sẽ làm tăng độ chảy loãng, tăng tính chịu mài mòn và ăn mòn của gang. Thường thì hàm lượng Si trong gang là 1,5 - 3%. + Mangan (Mn): Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản graphit hóa. Bởi vậy trong gang trắng thường chứa 2 - 2,5% Mn, trong gang xám lượng 19
Mn không quá 1,3%. Mn là nguyên tố tăng tính chịu mài mòn, tăng độ bền, giảm tác hại của lưu hùynh (S). + Phốt pho (P): P là một nguyên tố không ảnh hưởng gì đến sự tạo thành graphit. Khi có quá nhiều photpho thì nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang, dễ gây nứt vật đúc. Tuy nhiên P làm tăng tính chảy loãng, tăng tính chống mài mòn, tác dụng này được sử dụng để đúc tượng, chi tiết mỹ thuật. Trong trường hợp đúc các chi tiết thành mỏng, hàm lượng P trong các chi tiết quan trọng không được quá 0,1% còn các chi tiết không quan trọng có thể tới 1,2%. + Lưu hùynh (S): là nguyên tố có hại trong gang, nó làm cản trở graphit hóa nên làm giảm tính chảy loãng do đó làm giảm tính đúc. Lưu hùynh làm giảm độ bền cho gang giòn. Vì vậy thành phần S trong gang không quá 0,1%. b. Ảnh hưởng của tốc độ nguội Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của gang là điều kiện đông đặc và làm nguội của vật đúc. Tốc độ nguội nhanh thì ta được gang trắng, làm nguội chậm thì ta được gang xám. Tốc độ nguội của gang đúc phụ thuộc vào loại khuôn đúc và chiều dày vật đúc. Ví dụ: làm nguội chậm trong khuôn cát ta được gang xám. Làm nguội nhanh trong khuôn kim loại ta được gang trắng. Tiết diện dày nguội chậm ta được gang xám. 1.2 Các loại gang thường dùng 1.2.1. Gang trắng a. Kí hiệu và thành phần Hầu hết chỉ dùng gang trắng chứa 3% - 3,5% cacbon vì nhiều C gang sẽ giòn, mặt gãy các chi tiết bằng gang trắng có màu sáng trắng nên gọi là gang trắng. Gang trắng chỉ hình thành khi hàm lượng C và Mn thích hợp và với điều kiện làm nguội nhanh ở vật đúc thành mỏng, nhỏ. Hầu hết C ở dạng liên kết Fe3C (xementit). Gang trắng không có kí hiệu. b. Tính chất Gang trắng cứng và giòn, khó gia công cơ khí nhưng có khả năng chống mài mòn. c. Công dụng Phần lớn gang trắng được dùng để luyện thép, ủ thành gang rèn (gang dẻo), ít được dùng được dùng trong ngành cơ khí hoặc chỉ dùng khi chế tạo các bề mặt chi tiết máy cần tính chống mài mòn cao như bi nghiền, trục cán. 1.2.2. Gang xám a. Kí hiệu và thành phần * Kí hiệu - Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 - 75 kí hiệu gang xám gồm 2 phần, các chữ cái chỉ loại gang: GX và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ bền uốn. Ví dụ: GX12-28 có các chỉ số độ bền là: σk = 12 Kg/mm2 (σk = 120N/mm2) và σu = 28 Kg/mm2 (σu = 280N/mm2). * Thành phần hóa học của gang xám nằm trong giới hạn sau: C: 2,8 - 3,5%; Si: 1,5 - 3%; Mn: 0,5 - 1%; P: 0,1 - 0,2%; S ≤ 0,08% với các vật đúc nhỏ và 0,1 - 0,12% đối với vật đúc lớn. b. Định nghĩa và cách chế tạo Định nghĩa: Gang xám là loại gang graphit trong đó graphit có hình dạng là dạng hình tấm (dạng tự nhiên có được sau khi đúc gang graphit). Cách chế tạo: Khi có điều kiện bên trong (thành phần hóa học) và điều kiện bên ngoài (tốc độ nguội…) trong quá trình nấu luyện gang graphit thì sau khi đúc ra sản phẩm nhận được là gang graphit có hình dáng tự nhiên là dạng tấm và mặt gãy có màu xám (màu của graphit nền) thì gọi là gang xám. 20