Giáo trình Vật liệu học (Trình độ: Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình (2021)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:138

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu học (Trình độ: Trung cấp) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên trình bày được khái niệm, đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng: gang, thép các bon, thép hợp kim, kim loại màu và các vật liệu phi kim loại. 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 học (Trình độ: Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình (2021)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ GIỚI NINH BÌNH GIÁO TRÌNH Mô đun: VẬT LIỆU HỌC Mã số: MH 11 Trình độ: Trung cấp Ninh Bình, năm 2021
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 CÓ Ý ĐỒ LỆCH LẠC HOẶC SỬ DỤNG VỚI MỤC ĐÍCH KINH DOANH THIẾU LÀNH MẠNH SẼ BỊ NGHIÊM CẤM. MÃ TÀI LIỆU: MH 11 1
LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển như vũ bão của cuộc cách mạng khoa học- công nghệ. Song cũng có thể nói rằng cuộc cách mạng máy gắn liền với những thành tựu của ngành khoa học vật liệu. Trong những năm cuối của thế kỷ 20 những thành tựu rực rỡ trong lĩnh vực tin học đã làm thay đổi bộ mặt của thế giới .Song những thành tựu đó gắn liền với những khám phá của ngành Khoa học vật liệu. Các thành tựu trong lĩnh vực chinh phục vũ trụ cũng gắn liền với những thành tựu của Khoa học vật liệu. Ví dụ, nhiệt độ trong buồng đốt của động cơ Hyđro- oxy dùng trong các tên lửa đẩy phóng vệ tinh lên tớib3000-35000C để tránh cho vật liệu làm vách trong của buồng đốt không bị nóng chảy người ta phải dùng Hyđro lỏng (- 1500C) làm lạnh. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn như vậy làm cho vật liệu chịu tác dụng của ứng suất nhiệt rất lớn. Do vậy người ta phải dùng vật liệu có chức năng thay đổi. Vật liệu cơ khí là một phần thuộc ngành vật liệu cũng có những phát triển vượt bậc trong những năm gần đây. Từ các vật liệu truyền thống như Sắt, thép, gang, kim lọai màu, ngày nay các chi tiết máy bằng các vật liệu mới như Composite, Polymer… với những tính năng ưu việt trong lĩnh vực cơ khí ngày càng nhiều. Cuốn giáo trình vật liệu cơ khí nhằm mục đích trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản về bản chất, các tính chất của vật liệu cơ khí truyền thống, những quy trình công nghệ nhằm biến đổi những tính chất của vật liệu theo chiều hướng mong muốn. Bên cạnh đó giáo trình cũng đề cập đến các vật liệu mới như Composite, Polymer…. Trong quá trình biên soạn do kinh nghiệm còn hạn chế chắc chắn không tránh khỏi khiếm khuyết các tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các nhà chuyên môn,các bạn đồng nghiệp và đông đảo bạn đọc. CÁC TÁC GIẢ 2
MỤC LỤC 1. Chương 1. Khái niệm cơ bản, tính chất chung của kim loại và hợp kim........Trang 5 2. Chương 2. Gang…………...………………………………………….....................8 3. Chương 3. Thép……………………..………………………………......................26 4. Chương 4. Kim loại màu và hợp kim màu…..………………….…........................48 5. Chương 5. Ăn mòn kim loại…..……………………………………......................58 6. Chương 6. Vật liệu phi kim loại………………...…………………........................63 7. Chương 7. Nhiên liệu ..............................................................................................69 8. Chương 8. Dầu và mỡ .............................................................................................99 3
GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC I . VỊ TRÍ , TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC - Vị trí môn học nằm trong chương trình hệ Cao đẳng nghề sửa chữa máy thi công xây dựng, được bố trí học ở học kỳ 1 cùng với các môn kỹ thuật cơ sở khác và các môn chung. - Tính chất. Là cơ sở để học sinh tiếp thu các kiến thức phục vụ các môn học/Môdun sửa chữa ,bảo dưỡng máy thi công. Nội dung môn học có tính tư duy trìu tượng thông qua các kiến thức được học trong môn học này, sẽ phát huy các kiến thức cơ sở để học tập các kiến thức chuyên môn mà người học có thể vận dụng vào thực tế sản xuất sau này. II . MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC Sau khi học xong môn học này người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm, đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng: gang, thép các bon, thép hợp kim, kim loại màu và các vật liệu phi kim loại. - Nhận biết được vật liệu bằng các giác quan, màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn… - Lựa chọn đúng vật liệu phù hợp cho từng công việc sửa chữa. III. NỘI DUNG CỦA MÔN HỌC + Nội dung tổng quát Thời gian STT Nội dung môn học Tống Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra 1 Chương 1: Khái niệm cơ bản, tính 8 8 chất chung của kim loại và hợp kim 2 Chương 2: Gang 8 7 1 3 Chương 3: Thép 10 9 1 4 Chương 4: Kim loại màu và hợp 10 10 kim màu 5 Chương 5: Nhiệt luyện 8 7 1 6 Chương 6: Ăn mòn kim loại 4 4 Phần 2: Vật liệu phi kim loại 7 Chương 7: Vật liệu phi kim loại 10 9 1 Cộng 60 56 4 4
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN, TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 1. KHÁI NIỆM VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Người ta có thể phân chia vật liệu làm năm nhóm sau đây: - Kim loại - Tinh thể ion hay dị cực - Tinh thể đồng hóa trị - Tinh thể phân tử - Bán dẫn Trong đời sống và trong các ngành kỹ thuật ,đặc biệt là kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật xây dựng các công trình thì kim loại được sử dụng rất nhiều và có vai trò quan trọng hàng đầu. Đó là kim loại có nhiều ưu việt về cơ,lý,hóa tính cũng như về khả năng khai thác và gia công chúng thành sản phảm đa dạng. Những nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn Men-đê-lê-ép phần lớn là kim loại. Tuy nhiên không có một mệnh đề định nghĩa duy nhất cho kim loại, dựa trên những phương diện khác nhau người ta nêu ra những đặc tính để nhận biết kim loại. Trong hóa học,kim loại là những nguyên tố khi tham gia phản ứng hóa học thì nhường đI các điện tử hóa trị. Trong kỹ thuật, kim loại là những vật thể có ánh kim, dẫn điện,dẫn nhiệt tốt có thể gia công được bằng áp lực, có hệ số nhiệt độ điện trở dương. Tuy nhiên vẫn có một số trường hợp ngoại lệ: - Nhôm. AL Là nguyên tố lưỡng tính - Ăng-ti-moan Sb Không rèn được - Xe-ri Ce Dẫn điện kém - Si-líc (Si) và giéc-ma-ni (Ge) đều có hệ số nhiệt độ điện trở âm Tính chất của một nguyên tố còn thay đổi phụ thuộc điều kiện tồn tại của chúng là nhiệt độ và áp suất. Chính vì vậy người ta có xu hướng nói đến “trạng thái kim loại ” hơn là định nghĩa kim loại. So sánh với nguyên tố á kim thì nguyên tố kim loại có cấu tạo đặc điểm sau: - Vòng điện tử ngoài cùng hoặc sát ngoài cùng có số điện tử rất ít, chúng được gọi là những điện tử hóa trị. 5
- Các điện tử hóa trị liên kết với hạt nhân rất yếu, chúng thường dễ bứt khỏi hạt nhân thành các điện tử tự do để lại phần nguyên tử mang điện tích dương gọi là ion dương. Điện tử tự do tồn tại trong kim loại là đặc trưng nổi bật quyết định nhiều tính chất của kim loại. Các điện tử tự do trong kim loại không thuộc về một ion dương nào mà nó có thể di chuyển tự do trong cả khối vật thể. Người ta quan niệm kim loại như một cấu trúc của những ion dương phân bố có quy luật trong không gian chứa đầy các điện tử hóa trị. Sự hút nhau giữa ion dương và điện tử tự do đã liên kết các nguyên tử kim loại thành vật thể. Người ta gọi kiểu liên kết dựa trên cơ sở đó là liên kết kim loại. Nhờ liên kết kim loại mà các vật thể kim loại và hợp kim có tính dẻo cao có thể gia công thành sản phẩm bằng áp lực. 2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.1. Một số khái niệm về cấu tạo tinh thể Mọi kim loại từ trạng thái lỏng đông đặc lại thành vật thể rắn đều có cấu tạo tinh thể. Đặc điểm cấu tạo tinh thể là các nguyên tử hay ion được sắp xếp có quy luật trong không gian. Điều này khác hẳn các chất vô định hình. Để mô tả cấu tạo tinh thể người ta đưa ra khái niệm về mạng không gian. Đó là một tập hợp các điểm trong không gian chúng phân bố thỏa mãn quy luật, xung quanh những điểm bất kỳ của tập hợp ấy đều có cùng một số lượng các điểm lân cận gần nhất và cách đều. Mỗi điểm của mạng không gian gọi là một nút mạng. Số lượng các điểm lân cận bao quanh một nút mạng gần nhất và cách đều được gọi là số sắp xếp. Để khảo sát mạng không gian người ta tách một phần nhỏ nhất của mạng mà vẫn đặc trưng cho quy luật của mạng, phần tách ra đó gọi là ô mạng cơ sở (còn gọi là ô cơ bản). Nếu tưởng tượng ô cơ bản là một hình khối thì kích thước hình học đặc trưng của ô cơ bản gọi là thông số mạng. Đơn vị của thông số mạng thường dùng là Ăng-trôn (A0) 1A0 = 0,00000001cm (1.10-8 cm) hoặc kilôich (KX) 1KX = 1,00202 A0. Các kim loại tồn tại nhiều kiểu mạng tinh thể. Những kim loại khác nhau có thể có cùng kiểu mạng nhưng thông số mạng có giá trị kích thước khác nhau. 6
Hình 1-1 a. Mạng tinh thể lập phương đơn giản b. Ô cơ bản 2.1.1. Lập phương thể tâm Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử. Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi là thông số mạng. Các kim loại có kiểu mạng này là Sắt, Crôm, Vonfram, Môlipđen, Vanađi. Hình 1-2. Kiểu lập phương thể tâm Hình 1-3. Kiểu lập phương diện tâm 2.1.2. Lập phương diện tâm Mạng lập phương diện tâm ô cơ sở là một hình lập phương. Các nguyên tử phân bố tại các nút đỉnh hình hộp và tại tâm của 6 mặt hình hộp. Các kim loại có mạng kiểu này là ; Sắt, Niken, Côban, Chì, Bạc, Vàng. 2.1.3. Lục phương dày đặc Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng , hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác cách đều nhau. Các kim loại có kiểu mạng này là: Kẽm, Côban, Magiê, Cađimi. Ngoài 3 loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta còn gặp kiểu mạng chính phương thể tâm, nó chỉ khác lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng 2 cạnh kia. 7
Hình 1-4. Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-5. Ô cơ bản chính phương thể tâm a, Ô cơ bản b, Hình chiếu bằng 2.1.4. Tính thù hình của kim loại Tổ chức mạng tinh thể của kim loại không phảI bao giờ cũng như nhau, mà nó thay đổi theo nhiệt độ của kim loại. Khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng của mạng tinh thể gọi là tính thù hình của kim loại. 2.2. Hợp kim 2.2.1. Định nghĩa 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 có tính chất của kim loại. Trong thành phần của hợp kim có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố á kim. 2.2.2. Dung dịch đặc Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần có kích thước gần giống nhau. Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Người ta phân biệt hai loại dung dịch đặc: Dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ. Trong dung dịch đặc thay thế như đồng và niken nguyên tử niken đẩy một số nguyên tử đồng ra khỏi nút mạng tinh thể và thay thế vào các vị trí ấy. Trong dung dịch đặc xen kẽ, nguyên tử của các nguywn tố hòa tan nằm giữa xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút mạng tinh thể của nguyên tố kim loại cơ bản. 8
Hình 1-6. Mạng tinh thể a, Của sắt nguyên chất b, Của dung dịch đặc thay thế c, Của dung dịch đặc xen kẽ 2.2.3. Hợp chất hóa học Hợp kim có cấu tạo là hợp chấ hóa học, khi nguyên tử các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định và có thành phần hóa học xác định biểu diễn bằng một công thức hóa học. Thí dụ; Hợp chất hóa học của Sắt và Các bon có công thức hóa học là Fe3C (là các bít Sắt hay Xêmentít) Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao. 2.2.4. Hỗn hợp cơ học Hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Các nguyên tử của mỗi nguyên tố sẽ tụ tập lại thành những hạt riêng rẽ, phân biệt rõ rệt được trên tổ chức tế vi, còn trong dung dịch đặc thì không phân biệt được. 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 3.1. Tính chất vật lý Tính chất vật lý của kim loại là; Vẻ sáng mặt ngoài, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính giãn nở nhiệt, tính dẫn điện, nhiệt dung, độ thấm từ. 3.1.1. Vẻ sáng mặt ngoài Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại có thể chia thành kim loại đen và kim loại màu. Kim loại đen gồm sắt và các hợp kim của sắt, kim loại màu là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại. Kim loại không trong suốt, kể cả những tấm kim loại được cán, dát rất mỏng cũng không để cho ánh sáng xuyên qua nó được. Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài, mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc riêng mà ta quen gọi là màu kim loại. 3.1.2. Tính nóng chảy 9
Kim loại có tính nóng chảy, kim loại bị chảy loãng khi đót nóng và đông đặc lại khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (hoặc ngược lại). Điểm nóng chảy có ý nghĩa rrất quan trọng trong công nghệ đúc. Điểm nóng chảy của hợp kim lại khác điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó. Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau ta có thể tạo được một hợp kim mới có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của từng kim loại riêng rẽ. Trong thực tế ta có thể pha chế hợp kim có điểm nóng chảy thấp khoảng 60÷700C trong khi đó điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần lại lớn hơn 2000C . Ngược lại cũng có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy cao hơn điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần. 3.1.3. Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hay làm lạnh. Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ bị đốt nóng nhanh và đồng đều cũng như càng dễ nguội nhanh. Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nóng phải cần nhiều thời gian,nếu bị làm nguội nhanh dễ gây ra nứt vỡ. Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng Kcalo/m giờ độ. Trong thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của kim loại này với một kim loại khác lấy làm tiêu chuẩn. Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng (hoặc ngược lại) 3.1.4. Tính giãn nở nhiệt Khi đốt nóng các kim loại giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co lại. Sự giãn nở này cần đặc biệt chú ý trong nhiều trường hợp cụ thể. Sự giãn nở của các kim loại không giống nhau. Để đánh giá sự giãn nở nhiệt của vật liệu nào đó, người ta đo chính xác độ giãn dài 1mm vật liệu đó khi nhiệt độ thay đổi 1 độ. Độ giãn dài đo được gọi là hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài. Hệ số giãn nở nhiệt thường rất nhỏ, nhưng với các vật có kích thước lớn, có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, thì sự giãn nở là rrất lớn. Sự giãn nở theo thể tích được tính bằng 3 lần sự giãn nở theo chiều dài. 10
Để đo lường chiều dài một cách chính xác người ta làm các dụng cụ đo bằng thép hợp kim có độ giãn nở nhiệt gần bằng không ở khoảng nhiệt độ từ (-80 đến 1000C) 3.1.5. Tính dẫn điện Tính đẫn điện là khả năng dẫn điện của kim loại , tính chất này cần được lưu ý khi ta dùng kim loại làm vật truyền dẫn điện năng. Các kim loại có tính có tính dẫn điện khác nhau. ở nhiệt độ 00K tức là (- 2730C) thì tính dẫn điện của kim loại là tốt nhất và điện trở của kim loại khi đó gần bằng 0. 3.1.6. Nhiệt dung Nhiệt dung là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. 3.1.7. Tính nhiễm từ Kim loại có tính nhiễm từ, tức là nó bị từ hóa sau khi được đặt trong từ trường. Tính nhiễm từ của kim loại được sử dụng rất rộng rãi trong nghành điện lực, trong việc chọn quặng sắt. 3.2. Tính chất hóa học Tính chất hóa học biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học của các môi trường có hoạt tính khác nhau. Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu thị ở hai dạng chủ yếu: 3.2.1. Tính chống ăn mòn Tính chống ăn mòn là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao. 3.2.2. Tính chịu axit Tính chịu axít là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axit. 3.3. Tính chất cơ học Tính chất cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dụng của các lực bên ngoài lên kim loại. Cơ tính của kim loại bao gồm độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ chịu va chạm, độ chịu mỏi. Để xác định cơ tính của các loại vật liệu, ta phải tiến hành các quá trình thử trên các thiết bị đặc biệt, trong đó thử kéo là quan trọng nhất vì qua đó ta có thể xác định được các cơ tính chủ yếu của kim loại như độ bền, độ đàn hồi, độ dẻo. 11
3.4. Tính chất công nghệ Tính công nghệ của kim loại là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm. Tính công nghệ bao gồm tính cắt got, tính hàn, tính rèn, tính đúc, tính nhiệt luyện. 3.4.1. Tính cắt gọt Tính cắt gọt là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt, độ bóng bề mặt của kim loại sau khi cắt gọt. 3.4.2. Tính hàn Tính hàn là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết, khi nung nóng cục bộ chỗ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo. 3.4.3. Tính rèn Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại, khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hỏng. 3.4.4. Tính đúc Tính đúc xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy để đổ vào khuôn đúc, xác định bởi độ co tính thiên tích. 3.4.5. Tính nhiệt luyện Tính nhiệt luyện là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim loại bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định ,giữ ở nhiệt độ đó một thời gian, rồi sau đó làm nguội kim loại theo một nhiệt độ nhất định. 4. KHÁI NIỆM VỀ THỬ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Trong công nghệ cơ khí, người ta thường quan tâm đến tính chất cơ học của vật liệu kim loại và hợp kim. Để xác định được cơ tính của các loại vật liệu, ta phải tiến hành các quá trình thử trên các thiết bị thử đặc biệt gồm: thử kéo, thử độ cứng, thử va đập… 4.1. Thử kéo Để xác định được giá trị độ bền kéo của vật liệu kim loại trược tiên ta phải xác định mẫu của vật liệu đó . Mộu thí nghiệm được chế tạo theo tiêu chuẩn, mẫu thử thường có tiết diện tròn hay chữ nhật, sau đó mẫu thử được kẹp chặt trên máy kéo truyền động bằng cơ khí hoặc thủy lực theo nguyên lý sau: Nhờ áp lực dầu thủy lực píttông của máy kéo mẫu và đồng thời máy cũng vẽ được biểu đồ. Khi kéo chiều dài mẫu tăng dần, tiết diện ngang giảm 12
dần, đến điểm D mẫu bị thắt và cũng ứng với lực kéo lớn nhất, từ đây lực trên máy không tăng, nhưng mẫu vẫn dài thêm đến điểm M thì mẫu bị đứt. Như vậy ,độ bền của vật liệu được xác định theo công thức d = P/F 0 (N/mm2 ) Trong đó P: lực kéo lớn nhất F0: diện tích tiết diện tại chỗ thắt (mm2) d n: giới hạn tỷ lệ dđh: giới hạn đàn hồi db: giới hạn bền dđ: giới hạn đứt 4.2. Thử độ cứng Kim loại và hợp kim khác nhau sẽ có độ cứng khác nhau, kim loại màu, hợp kim màu, thép các bon thấp… có độ cứng thấp, thép sau khi tôI hoặc thấm các bon sẽ có độ cứng cao. Để đánh giá độ cứng của chúng người ta thực hiện các phương pháp đo khác nhau: Phương pháp đo độ cứng Brinen, phương pháp đo độ cứng Rocoen. Người ta dùng tải trọng P của may ép thử độ cứng, ấn viên bi bằng thép đã tôi cứng với đường kính D (2,5; 5; 10 mm) vào mặt vật liệu thử. Giá trị P chọn theo vật liệu và giá trị đường kính D: Thép các bon thấp và gang: P=30D2 Đồng và hợp kim đồng P= 10D2 4.2.1. Độ cứng Brinen Được tính theo công thức HB = P/F Trong đó : F là diện tích mặt chỏm cầu vết lõm có đường kính d    2  D 2 D P    F= - D2  d 2 và HB = 2   2 2 D 2 1  1   d        D  Trong đó: D: Đường kính viên bi (mm) D: Đường kính vết lõm (mm) Độ cứng HB của vật liệu được kiểm tra không lớn hơn 450 (Kg/mm2). 13
Hình 1-7: Sơ đồ đo độ cứng Brinen Hình 1-8 Sơ đồ đo độ cứng Rocoen 4.2.2. Độ cứng Rocoen Khác với phương pháp thử độ cứng Brinen phương pháp này không đo diện tích của vết lõm để lại trên mặt vật thử mà bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng thép đã tôi có đường kính 1,587 mm tức là 1/16” (thang B) của máy đo hoặc mũi nhọn kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử (hình 1-12) .Trong khi thử số độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Số đo độ cứng Rocoen được biểu thị bằng đơn vị quy ước. Bảng chọn thang độ cứng Rocoen và Brinen Độ cứng Ký hiệu Mũi thử Tải trọng Ký hiệu độ Giới hạn cho Brinen HB thang chính cứng phép của Rocoen P,Kg Rocoen thang Rocoen 60-230 B (đỏ) Viên bi thép 100 HRB 25-100 250-700 C (đen) Mũi kim cương 150 HRC 20-670 Lớn hơn 700 A (đen) Mũi kim cương 60 HRA Lớn hơn 70 Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng, còn mũi nhọn vật liệu kim cương dùng để thử những vật liệu có độ cứng cao như thép đã nhiệt luyện. Tải trọng tác dụng 2 lần: Tải trọng sơ bộ P0 = 10 Kg, sau đó đến tải trọng chính P, đối với viên bi thép P = 100 Kg (xem bảng thang B ở trên đồng hồ,màu đỏ), đối với mũi nhọn kim cương P = 150 Kg (xem bảng thang C ở trên đồng hồ, màu đen) hoặc P = 60 Kg (xem bảng, thang A ở trên đồng hồ, màu đen) Do đó khi ghi độ cứng Rocoen ,ta phải ghi rõ đơn vị độ cứng, thí dụ HRC,HRA,HRB. Phương pháp thử độ cứng Rocoen rất đơn giản về thao tác, 14
nhanh và ít để lại dấu vết trên bề mặt vật thử nên thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. 4.3. Thử va đập Các chi tiết máy mặc dù đã có độ cứng cao, độ bền cao nhưng vẫn có thể bị phá hỏng do các lực va đập. Hình 1-9. Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập Bởi vậy để xem xét các tính chất cơ học của vật liệu một cách toàn diện, ngoài việc xét các tính năng của nó ở trạng thái tĩnh, ta còn phải xét đến tính năng của nó trong trạng thái tải trọng động. Để thử khả năng chịu va đập của vật liệu, ta dùng máy thử va đập. Mẫu thử va đập được làm theo một kích thước nhất định 10x10x55 (mm) tại khoảng giữa của mẫu có một rãnh chữ V rộng 2mm, sâu 2mm. Mẫu thử được đặt trên máy thử và nằm trên đường rơi xuống của đầu búa. Khi thử ta nâng đầu búa lên độ cao H, đầu búa có trọng lượng P được thả cho rơi xuống theo quỹ đạo vòng tròn, trên đường đi nó đập vào mẫu thử, làm gãy mẫu thử, sau đó nó còn đi tiếp sang bên kia đến vị trí ứng với độ cao h. Năng lượng của đầu búa tại vị trí ban đầu trước khi rơI là P.H, năng lượng của đầu búa tại vị trí sau khi rơI là P.h . Như vậy trên đường rơi, búa đã mất đi năng lượng A = (P.H – P.h) Kg.m (KJ) ,năng lượng này chính là công cần thiết để làm gãy mẫu thử trên đường rơi của đầu búa. Vậy công tiêu hao để đập gãy mẫu thử là: 15
A = P.(H-h) Kg.m (KJ) Nhưng muốn so sánh tính chịu va đập của các kim loại ngoài công gây va đập còn phải xét đến công tiêu hao trên một đơn vị diện tích của tiết diện mẫu thử. Nếu công đó càng lớn thì vật liệu có khả năng chịu va đập càng lớn. Vậy khả năng chịu va đập của kim loại được đo bằng tỷ số giữa công tiêu hao để đập gãy mẫu thử và diện tích của tiết diện tại chỗ bị đập gãy. Tỷ số đó gọi là độ dai va đập, ký hiệu là AH (hay Ak) A AH = Kg.m/ cm2 (KJ/ m2; Nm/ m2) F Trong đó: A: là công để đập gãy mẫu thử F: là diện tích mặt cắt ngang của mẫu tại chỗ xẻ rãnh Đối với vật liệu càng giòn thì AH càng nhỏ khoảng 0,1÷0,2 Kgm/cm2 Với thép AH=2÷12Kgm/cm2(200÷1200 KJ/m2) Với đồng AH=5÷5,5,Kgm/cm2 (500÷550 KJ/m2). Việc thử độ dai va đập có ý nghĩa rất lớn khi các vật liệu được dùng để sản xuất các chi tiết máy có chịu lực va đập. 16
CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Kim loại và hợp kim có tầm quan trọng như thế nào trong công nghiệp? 2. Cho biết cấu tạo của kim loại? 3. Thế nào là hợp kim? 4. Trình bày các tính chất chung của kim loại và hợp kim? 5. Trình bày các phương pháp thử cơ tính của kim loại và hợp kim? 17
Chương 2 GANG 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA GANG 1.1. Khái niệm về gang Gang là hợp kim của sắt - Cácbon ,trong đó hàm lượng C ≥ 2,14%. Trong giản đồ trạng thái Fe - C có ứng dụng trong thực tế thì gang có từ 2,14 ÷ 6,67% các bon. Nhưng thông thường thành phần các bon thường trên dưới 4%. Nguyên liệu để luyện gang trong lò cao là quặng sắt, than và các chất trợ dung như đá vôi, huỳnh thạch, đôlômít…Do đó không thể loại trừ hết các tạp chất lẫn vào gang, cho nên thành phần hóa học của gang ngoài sắt và các bon còn có những tạp chất như: Si, Mn, P, S, O2 , N2 , H2. Tùy từng loại gang cụ thể mà thành phần hóa học của nó có khác nhau về hàm lượng các nguyên tố cũng như về tổ chức tế vi. Nhưng có thể kháI quát thấy có hai loại khác hẳn nhau: gang trắng trong tổ chức khong có graphít, các loại gang khác luôn luôn có graphít. Về hình thức graphít có thể tồn tại những dạng khác nhau. 1.2. Nguyên lý quá trình luyện gang Để luyện gang, ta cần có quặng sắt, nhiên liệu và chất trợ dung. Tất cả các thành phần đó gọi là nguyên liệu lò cao. + Quặng sắt - Quặng sắt gồm nhiều loại: Quặng sắt đỏ, quặng sắt nâu, quặng sắt từ và quặng sắt Cacbônát. - Quặng sắt đỏ: Chủ yếu là sắt oxit Fe2O3 có màu đỏ. - Quặng sắt nâu: Chủ yếu là sắt oxit ngậm nước (Fe2O3H2O, 2Fe2O3 3H2O) có màu nâu vàng. - Quặng sắt từ: Là quặng manhêtít, tức là sắt từ ôxit Fe3O4, quặng này có màu đen. - Quặng sắt cacbônát: Là quặng xiđếit FeCO3. Trong các loại quặng trên, quặng sắt đỏ được sử dụng nhiều nhất, chiếm 57% tổng lượng quặng khai thác. + Nhiên liệu Để nấu chảy gang, người ta thường dùng than cốc, than cốc có nhiệt lượng cao, bền, độ xốp cao và chứa ít lưu huỳnh. + Chất trợ dung 18
Trong các quặng sắt có chứa các chất bẩn gồm nhôm ôxit Al2O3, Magiê ôxit MgO, bền và khó chảy. Muốn cho các chất đó dễ chảy người ta thường thêm chất trợ dung thường là CaCO3, để tạo thành xỉ loãng. 1.3. Khái niệm về lò cao Lò cao dùng để luyện gang. Vỏ ngoài lò cao bọc bằng thép có chiều dày 25ữ40mm hàn với nhau hoặc tán rivê. Phía trong lò cao xây bằng gạch Samốt. Các bộ phận chính của lò cao là: đỉnh lò, bụng lò, hông lò,nồi lò. Đỉnh lò là phần trên của lò cao, có phễu hình nón làm nhiệm vụ phân phối và cấp liệu vào thân lò. Hình 1-9. Lò cao + Những sản phẩm của lò cao Các sản phẩm của lò cao là: gang, xỉ, khí lò cao Gang: Là sản phẩm chính của lò cao, gang được dùng để đúc các sản phẩm bằng gang hoặc đưa vào lò luyện thép. 19