Giáo trình Vật liệu học - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu học gồm cá nội dung chính như: Khái niệm cơ bản về vật liệu; vật liệu kim loại; kim loại màu, hợp kim màu; hợp kim cứng; nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện; vật liệu phi kim loại; vật liệu bôi trơn, làm mát. 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 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dụng 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. LỜI GIỚI THIỆU Trong lịch sử phát triển của xã hội loài ngƣời chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng càng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là thời kỳ đò đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt……. Cho đến nay là một loạt các loại cật liệu mới nhƣ: Composit, ceramit, polyme….. Các loại vật liệu này đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài ngƣời một cách nhanh chóng. Ngày nay trong lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống…. đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ: khi thì cần tính dẫn điện rất cao để dùng trong nghành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhƣng khối lƣợng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không….Tất cả các yêu cầu này đều có thể đƣợc đáp ứng bởi vật liệu kim loại cũng nhƣ vật liệu mới. Nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy, học tập, nghiên cứu kiến thức cơ bản về các loại vật liệu cũng nhƣ kiến thức về xử lý nhiệt của chúng…… tôi đã dành nhiều thời gian nghiên cứu, sƣu tầm tài liệu biên soạn giáo trình Vật liệu học với mong muốn phục vụ giảng dạy nghề công nghệ ô tô ở Trƣờng Cao đẳng nghề An Giang. Mục đích của môn học này giúp cho học viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc, cơ lý tính và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau này Giáo trình này đƣợc trình bày theo chƣơng trình chi tiết đã đƣợc trƣờng xây dựng năm 2017, sau mỗi phần lý thuyết của mỗi bài, ,cuối mỗi bài có câu hỏi lý thuyết để kiểm tra kiến thức. Tuy có nhiều cố gắng nghiên cứu khi biên soạn, nhƣng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong đƣợc sự đóng góp từ đọc giả để giáo trình ngày càng đƣợc hoàn thiện hơn. An Giang, ngày 20 tháng 05 năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Lê Ngọc Ngân 1
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 1 MỤC LỤC ................................................................................................................. 1 Bài mở đầu: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU ............................................... I.CẤU TẠO VẬT LIỆU ........................................................................................... 4 II. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU............................................................. 10 III. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ............... .12 Chƣơng 1: VẬT LIỆU KIM LOẠI ........................................................................... Bài 1: GANG ............................................................................................................. I.GANG ..................................................................................................................... 18 II. CÁC LOẠI GANG THƢỜNG DÙNG ................................................................ 19 Bài 2: THÉP .............................................................................................................. I.ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT ..................................................................................... 24 II. THÉP CACBON................................................................................................... 26 III. THÉP HỢP KIM ................................................................................................. 30 Bài 3: KIM LOẠI MÀU, HỢP KIM MÀU .............................................................. I.NHÔM VÀ HỢP KIM CỦA NHÔM ..................................................................... 34 II. ĐỒNG VÀ HỢP HIM CỦA ĐỒNG .................................................................... 34 Bài 4: HỢP KIM CỨNG ........................................................................................... I.CÁCH CHẾ TẠO ................................................................................................... 37 II. TÍNH CHẤT, PHÂN LOẠI ................................................................................. 37 Bài 5: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN ................................................. I.NHIỆT LUYỆN ...................................................................................................... 40 II. HÓA NHIỆT LUYỆN .......................................................................................... 50 Chƣơng 2: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI ................................................................... Bài 6: CHẤT DẺO .................................................................................................... I.KHÁI NIỆM ........................................................................................................... 54 II. TÍNH CHẤT ......................................................................................................... 54 Bài 7: AMINHANG ............................................................................................................... I.KHÁI NIỆM ......................................................................................................................... 57 II. TÍNH CHẤT ...................................................................................................................... 57 Bài 8: VẬT LIỆU BÔI TRƠN, LÀM MÁT ....................................................................... I.KHÁI NIỆM ......................................................................................................................... 59 II. TÍNH CHẤT ...................................................................................................................... 60 2
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: VẬT LIỆU HỌC Mã môn học: MH 13 Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ (Lý thuyết: 24 giờ; Thực hành: 0 giờ, KIểm tra 2 giờ, Ôn tập 4 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: 1. Vị trí: Môn học đƣợc bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau: MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH 14. 2. Tính chất: Là môn cơ sở nghề bắt buộc. II. MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC: 1.Về kiến thức: - Vẽ và giải thích đƣợc: giản đồ sắt – các bon - Trình bày đƣợc đặc điểm, phân loại và ký hiệu các loại hợp kim nhôm, gang và thép - Trình bày đƣợc công dụng, tính chất, phân loại dầu, m bôi trơn, nƣớc làm mát , của xăng, dầu diesel dùng trên ô tô 2.Về kỹ năng: - Nhận dạng các loại hợp kim nhôm, gang và thép 3.Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về vật liệu học - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, cẩn thận. 3
Bài mở đầu: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU A. Mục tiêu: - Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc điểm, phân loại vật liệu - Trình bày đƣợc các tính chất của vật liệu - Trình bày đƣợc các phƣơng pháp đánh giá tính chất của vật liệu - Tuân thủ các quy định, quy phạm về vật liệu học. B. Nội dung: I. CẤU TẠO VẬT LIỆU 1. Khái niệm về vật liệu cơ khí: Vật liệu là những vật rắn mà con ngƣời sử dụng để chế tạo công cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình, nhà cửa , thay thế các bộ phận cơ thể hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật nói chung. Ba nhóm vật liệu dùng phổ biến trong công nghiệp là: Vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ – ceramic, vật liệu hữu cơ – polyme.  Vật liệu kim loại: Vật liệu cơ khí là những vật có thể dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trƣng, có khả năng biến dạng dẻo tốt ngay ở nhiệt độ thấp nhƣng kém bền vững hóa học. Vật liệu kim loại thông dụng là thép, gang, đồng, nhôm, titan, niken…, và các hợp kim của chúng. Khi trong một khối kim loại chỉ gồm một nguyên tố hóa học thì gọi l kim loại nguyên chất. Nếu trong đó có nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại là chủ yếu thì gọi l hợp kim (hợp kim phải có tính kim loại). - Kim loại đen: là các kim loại và hợp kim trên cơ sở nguyên tố sắt (Fe), cụ thể là sắt nguyên chất. Hợp kim của nó là thép và gang. - Kim loại màu: là các kim loại và hợp kim trên cơ sở các nguyên tố kim loại cịn lại nhƣ nhôm (al), đồng (Cu), chì (Pb), thiết (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn), silic (Si), mơlipđen (Mo),… * Kim loại màu lại được phân làm các loại sau : - Kim loại nhẹ: là các kim loại và hợp kim có khối lƣợng riêng nhỏ hơn hay bằng 4g/cm3 nhƣ nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li),… - Kim loại nặng: là các kim loại và hợp kim có khối lƣợng riêng lớn hơn 3 4g/cm nhƣ sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm(Zn), niken (Ni), vôfram (w), môlipđen (Mo), Ziếc côn (Zr),… 4
- Kim loại dễ chảy: l cc kim loại v hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt (1539°C) nhƣ nhôm (660°C),chì (327°C),vàng (1063°C)… - Kim loại khó chảy: là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt nhƣ titan (1665°C), crôm (1875°C), wonfam (3380°C)… - Kim loại quý: l cc kim loại và hợp kim của chúng có tính chất rất bền (trơ, không tác dụng hóa học) với môi trƣờng thông thƣờng kể cả các loại axit nhƣ vàng, bạc, bạch kim,… - Kim loại hiếm : là các kim loại có trữ lƣợng rất ít trong vỏ quả đất nhƣ môlipđen, zieccon, lantan, xêri, xamari…  Vật liệu vô cơ – ceramic: Vật liệu vô cơ – ceramic là các chất dẫn điện kém, không biến dạng dẻo và rất giòn, rất bền vững hóa học và nóng chảy ở nhiệt độ cao. Thành phần cấu tạo của chúng là các hợp chất giữa kim loại và phi kim loại dƣới dạng oxit, cacbit, nitric. Các ceramic truyền thống là thủy tinh, gốm, sứ, gạch thƣờng và gạch chịu lửa. Ngoài ra còn ceramic công nghiệp và ceramic đặc biệt để sử dụng trong công nghiệp điện, điện tử, hàng không vũ trụ…..  Vật liệu hữu cơ – polyme: Vật liệu hữu cơ – polyme là những chất dẫn điện kém, có khả năng biến dạng dẻo cao và giòn ở nhiệt độ thấp, bền vững hóa học ở nhiệt độ thƣờng. Nóng chảy hoặc phân hủy ở nhiệt độ thấp. Hai nguyên tố thành phần chủ yếu của chúng là cacbon và hydro. Vật liệu hữu cơ tự nhiên tự nhiên: cao su, xenlulo. Vật liệu hữu cơ sử dụng rộng rãi hiện nay là các polyme tổng hợp polyetylen (PE), polyropilen (PP), polystyren (PS)…. Ngoài ba nhóm cơ bản trên còn có loại vật liệu kết hợp gọi là compozit, ví dụ: bê tông cốt thép (thép và bể tông), vật liệu kết hợp kim loại và polyme hoặc giữa polyme với ceramic, giữa ceramic với kim loại. Các vật liệu có các đặc điểm riêng: Vật liệu bán dẫn, siêu dẫn, vật liệu polyme dẫn điện, vật liệu silicon.  Vai trò, ý nghĩa của vật liệu trong cuộc sống: Vật liệu nói chung đã và đang đóng vai trò quyết định đến sự tiến bộ và phát triển của xã hội loài ngƣời. Không phải ngẫu nhiên mà ngƣời ta đã gắn cho những giai đoạn lịch sử loài ngƣời những cái tên nhƣ: “Thời Đại Đồ Đá” “…..Đồ Đồng, Đồ Sắt…”. Việc sử dụng vật liệu mang ý nghĩa quyết định cho cả một thời đại. Vật liệu gắn liền với năng suất lao động, chất lƣợng và giá thành sản phẩm. Vật liệu và công nghệ là một trong những bí quyết hành đầu của các nhà sản xuất. 5
Riêng đối với ngành cơ khí, vật liệu và chế độ xử lý có vai trò đặc biệt quan trọng hơn hẳn các ngành sản xuất khác. Sản phẩm cơ khí là công cụ của các ngành sản xuất khác. Công cụ lại là yếu tố quyết định chính đến năng suất, chất lƣợng sản phẩm. Ngành cơ khí sử dụng chủ yếu là vật liệu kim loại. Vật liệu này có một đặc tính rất quan trọng đó là khả năng biến đổi cơ tính trong một phạm vi rộng, phụ thuộc các phƣơng pháp xử lý khác nhau do con ngƣời cố ý tạo ra. Điều này có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong quá trình hình thành sản phẩm cơ khí. (Gia công tạo hình dạng, kích thƣớc chíng xác cần vật liệu mềm dẻo. Sau gia công khi làm việc cần độ cứng, độ bền). Lịch sử nền sản xuất của xã hội loại ngƣời đã trải qua các giai đoạn: Lao động thủ công (Chân tay và công cụ thô sơ), Cơ khí hóa (sử dụng máy móc và công cụ hiện đại), điện khí hóa (Sử dụng nguồn năng lƣợng điện), Tự động hóa (Máy móc hoàn toàn thay thế con ngƣời), Tin học hóa (Dùng máy tính để điều khiển các quá trình sản xuất). Điều đó không có nghĩa là vai trò của ngành cơ khí đã hết. Ngƣợc lại nó phát triển ngày càng mạnh và tinh xảo hơn ngay trong lòng sự phát triển của các ngành kĩ thuật sản xuất khác. Nhƣ vậy, hiện nay vật liệu kim loại vẫn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, xây dựng,……Vì thế nó có vai trò quyết định trong quá trình tiến hóa của loài ngƣời.  Khái quát quá trình phát triển ngành vật liệu:  Con ngƣời đã biết sử dụng vật liệu kim loại từ rất lâu. 7000 năm trƣớc đây con ngƣời đã biết sử dụng Đồng và hợp kim của Đồng (năm 5000 năm trƣớc Công nguyên). Sau đó thời đại đồ sắt đã thay thế thời đại đồ đồng và vào khoảng 5000 năm trƣớc đây co ngƣời đã biết gia công vật liệu kim loại bằng các phƣơng pháp: Luyện , Rèn, Đúc. Đã tìm đƣợc những vật chứng bằng kim loại nhƣ dao kiếm có tuổi trên 5000 năm đã qua tôi, thấm Cacbon (Trung Hoa, Ấn Độ, Arập). Và sử sách cũng đã ghi lại.  Khoa học về vật liệu kim loại chỉ đƣợc thực sự phát triển từ thế kỷ thứ 19 khi công nghiệp và giao thông đƣờng sắt phát triển mạnh đòi hỏi phải tăng nhanh không những về số lƣợng mà cả về chất lƣợng thép. Vì vậy ngành luỵện kim đã phát triển mạnh và thúc đẩy việc nghiên cứu kim loại. Có thể đƣa ra các mốc lịch sử sau:  Đầu thế kỉ 19 đã bắt đầu dùng kính hiển vi quang học để nghiên cứu cấu trúc và tổ chức bên trong của kim loại.  1868 Yephob, một kỹ sƣ luyện kim ngƣời Nga, khi nghiên cứu chế tạo nòng súng đại bác đã phát thảo sơ bộ những nét đầu tiên của giản đồ trạng thái Fe-C.  1900 giản đồ trạng thái Fe-C mới đƣợc hoàn thành về cơ bản và cho đến nay hầu nhƣ không có gì thay đổi, chỉ có các tọa độ đƣợc làm chính xác thêm mà thôi. 6
 Thế kỉ 20 là thế kỉ đi sâu vào cấu trúc và giải thích các hiện tƣợng, có các mốc sau:  Những năm 1920 – 1930 đã áp dụng tia RơnGen vào nghiên cứu cấu trúc, do đó đã phát hiện các quy luật sắp xếp nguyên tử của kim loại và hợp kim.  Những năm 1950 đã có kính hiển vi điện tử cho phép phân li các kích thƣớc tới 0,2 – 0,4 m  Nhờ áp dụng tia RơnGen và các phƣơng pháp vật lý khác ngƣời ta đã biết bản chất của các tổ chức nhiệt luyện. Từ những năm 1930 – 1940 đã hoàn chỉnh công nghệ nhiệt luyện.  Từ những năm 1950 trở lại đây đã nghiên cứu mạnh về khuyết tật trong cấu trúc kim loại và áp dụng các kết quả vào việc nâng cao độ bền.  Từ những năm 1970 đã nghiên cứu các vật liệu siêu bền, siêu đàn hồi hoặc có các tính chất cơ lý đặc biệt (Kim loại vô định hình).  Ở Việt Nam đã có lịch sử lâu đời về sản xuất và gia công vật liệu kim loại. Chúng ta đã có những sản phẩm có giá trị nhƣ trống Đồng Ngọc Lũ hiện đang đƣợc đặt tại trụ sở HĐLHQ, tƣợng Đồng đen, kỹ thuật đúc chuông đồng….Rất tiếc chúng ta không có tài liệu nào đƣợc lƣu truyền về các kỹ thuật đã đƣợc ông cha ta nghiên cứu sản xuất chúng.  Ngày nay việc nghiên cứu ở Việt Nam chủ yếu là áp dụng các vật liệu kim loại và các phƣơng pháp xử lí chúng trong chế tạo máy có một ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nó giúp cho các sản phẩm cơ khí của ta ngày càng có sức cạnh tranh và đứng vững trên thị trƣờng. 2. Cấu tạo của vật liệu: Vật rắn cấu tạo bởi các nguyên tử (phân tử), nhƣng tùy các loại vật rắn cấu tạo khác nhau sắp xếp nguyên tử (phân tử) của chúng khác nhau. Vật rắn trong tự nhiên có hai hình thức sắp xếp nguyên tử (phân tử): Vật rắn vô định hình và vật rắn tinh thể. 7
Vật rắn vô định hình là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử) trong nó không có sắp xếp trật tự, không theo một quy luật nào. Ví dụ nhƣ than đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ….thông thƣờng là phi kim loại. Vật rắn tinh thể: là những vật rắn có cấu tạo từ những nguyên tử (phân tử), có sắp xếp trật tự theo một quy luật nào đó. Trong tự nhiên những vật rắn tinh thể bao giờ cũng có hình dáng nhất định, thƣờng là những vật kim loại. Khi khảo sát vật rắn tinh thể thấy rằng nếu làm biến đổi cấu tạo của nó (cấu trúc) sẽ làm biến đổi rất nhiều tính chất, đặc biệt là cơ tính, do đó ảnh hƣởng đến tính sử dụng của vật rắn. Vật rắn tinh thể có cấu trúc bên trong là các mạng tinh thể Mạng tinh thể là mô hình hình học mô tả sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) ở trong không gian của các vật tinh thể.  Mỗi mạng tinh thể có đặc trƣng riêng. Để dễ nghiên cứu ngƣời ta lấy ra phần không gian nhỏ nhất của mạng gọi là ô cơ bản (ô cơ sở)  Ô cơ sở (ô cơ bản) là khối thể tích nhỏ nhất đặc trƣng một cách đầy đủ về sự sắp xếp trật tự có quy luật của nguyên tử (phân tử) trong mạng tinh thể. Phần lớn các kim loại nguyên chất thƣờng có ba loại mạng tinh thể: Lập phƣơng thể tâm (lập phƣơng tâm khối), lập phƣơng tâm mặt (lập phƣơng diện tâm), sáu phƣơng xếp chặt (lục giác xếp chặt).  Mạng tinh thể lập phương thể tâm (lập phương tâm khối):  Định nghĩa: là mạng tinh thể có ô cơ sở là hình lập phƣơng trong đó các nguyên tử nằm ở đỉnh và tâm khối. Ký hiệu  Ví dụ: Các kim loại nguyên chất có loại mạng tinh thể này nhƣ Cr, W, V, Mo………..  Mạng tinh thể lập phương tâm mặt (lập phương diện tâm) 8
 Định nghĩa: là loại mạng tinh thể có ô cơ sở là hình lập phƣơng trong đó các nguyên tử nằm đỉnh và tâm các mặt, ký hiệu  Ví dụ: Các loại mạng tinh thể nguyên chất có loại mạng tinh thể này: Au, Ni, Al, Pb, Cu, Ag,…  Mạng tinh thể sáu phương xếp chặt:  Định nghĩa: là loại mạng tinh thể có ô cơ sở hình lục lăng trong đó các nguyên tử nằm ở đỉnh, tâm mặt đáy và tâm của ba lăng trụ tam giác cách đều nhau.  Ví dụ: Các kim loại nguyên chất có loại mạng tinh thể này: Mg, Zn,….. Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại: a. Tính thù hình của kim loại: Định nghĩa: Tính thù hình của kim loại là một loại kim loại có thể có nhiều mạng tinh thể khác nhau tồn tại trong các khoảng nhiệt độ khác nhau. b. Đặc tính thù hình: Các dạng thù hình khác nhau đƣợc ký hiệu bằng các chữ Hy Lạp theo nhiệt độ từ thấp đến cao:  ,  . ,  …….. Khi có chuyển biến thù hình thì kim loại đó có kèm theo sự thay đổi thể tích bên trong và thay đổi tính chất. Đây là đặc tính quan trọng nhất khi sử dụng chúng. c. Ví dụ: 9
Sơ đồ tính thù hình của sắt: Các thông số mạng có kích thƣớc a1 = 2,88KX; a2 = 3,64KX; a3 = 2,48KX; 1KX = 1,002A0; 1A0 = 10-8. Khi nung sắt nguyên chất ngƣời ta thấy ở trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu mạng tinh thể ở ba khoảng nhiệt độ khác nhau (  9110C, 9110C – 13920C, 13920C – 15390C). Vậy nó có ba dạng thù hình đƣợc ký hiệu: Fe , Fe , Fe  Ta thấy có ba kiểu mạng tinh thể (kèm theo thay đổi thể tích trong sắt) do đó tính chất của Fe cũng thay đổi theo. II. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU 1. Cơ tính: là những đặc trƣng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác động của các loại trải trọng. Các đặc trƣng đó bao gồm: a. Độ bền: là khả năng của vật liệu chịu đƣợc tác động của ngoại lực mà không bị phá hủy. Độ bền đƣợc ký hiệu bằng chữ σ (xích ma) Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các loại độ bền: độ bền kéo σ k, độ bền uốn σu, độ bền nén σn Độ bền tính theo công thức: ) Độ cứng: là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, vết lõm biến dạng trên mẫu đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém. Đô cứng đƣợc tính theo công thức: HB = F- diện tích mặt cầu của vết lõm (mm2) P- Tải trọng nén của viên bi (N) HB- Độ cứng (N/mm2) Độ cứng HB dùng kiểm tra các vật liệu có độ cứng không lớn hơn 450 (kN/mm2) b. Độ dãn dài tƣơng đối [δ %] là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lƣợng dãn dài khi kéo và chiều dài ban đầu l0 - độ dài mẫu trƣớc khi kéo (mm) l - độ dài mẫu sau khi kéo (mm) Vật liệu có độ dãn dài [δ %] càng lớn thì càng dẻo và ngƣợc lại. c. Độ dai va chạm (ak J/mm2, kJ/m2) là khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng mà không bị phá hủy. 2. Lý tính: 10
Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tƣợng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi. Lý tính có bản của kim loại gồm có: khối lƣợng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn n , tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính. a. Khối lƣợng riêng: là khối lƣợng của 1 cm2 vật chất Công thức: Ƴ = Ứng dụng của khối lƣợng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu, mà còn có thể giải quyết một số vấn đề thực tế. Ví dụ, những vật lớn nhƣ thép đƣờng ray, thép hình rất khó cân đƣợc khối lƣợng, nhƣng vì biết đƣợc khối lƣợng riêng và có thể đo đƣợc kích thƣớc mà tính ra thể tích nên có thể không cần cân chỉ dùng công thức để tính ra khối lƣợng của chúng. b. Nhiệt độ nóng chảy: là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn trở thành thể lỏng Sắt nguyên chất 15300C Gang 1130 – 1350 0C Thép 1400 – 15000C Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì phƣơng pháp chế tạo các chi tiết máy rẻ tiền nhất là phƣơng pháp đúc, nhƣng khi dùng phƣơng pháp đúc thì kim loại cần phải có tính chảy loãng tốt. Tính chảy loãng của kim loại ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của kim loại quyết định, nhiệt độ nóng chảy càng thấp thì tính chảy loãng của kim loại đó càng tốt. c. Tính dãn nở: là khả năng dãn nở của kim loại khi nung nóng. Độ dãn n lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số dãn nở trên chiều dài của đơn vị (1mm) gọi là hệ số dãn nở theo chiều dài. Sắt 0,0000118 Thép 0,0000120 d. Tính dẫn nhiệt: là khả năng dẫn nhiệt của kim loại. Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau. Gang, thép đều có tính dẫn nhiệt tốt nhƣng kém xa so với đồng và nhôm. Bạc 1 Đồng 0,9 Nhôm 0,5 Sắt 0,15 e. Tính dẫn điện: là khả năng truyền dòng điện của kim loại. Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc,sau đó đến đồng và nhôm, nhƣng do bạc đắt tiền nên kim loại đƣợc dùng nhiều nhất trong kỹ thuật để làm vật dẫn điện là 11
đồng và nhôm. Nói chung, kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng điện. Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại. f. Từ tính: là khả năng dẫn từ của kim loại. Sắt, niken, coban và hợp kim của chúng đều có từ tính thể hiện rất rõ rệt nên chúng đƣợc gọi là kim loại từ tính. 3. Hóa tính: Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác nhƣ: oxi, nƣớc, axit… mà không bị phá hủy. Tính năng hóa học cơ bản của kim loại có thể chia thành mấy loại sau: a. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trƣờng xung quanh. b. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của oxi trong không khí nhiệt độ cao hoặcđối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ cao. c. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axit. 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: đƣợc đặc trƣng bởi độ chảy loãng, độ co và tính thiên tích. Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Nếu độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càng tốt. b. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại 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 ở nhiệt độ phù hợp sẽ có tính dẻo tƣơng đối lớn. Gang không có khả năng rèn vì giòn. Đồng, chì có tính rèn tốt ngay cả trong trạng thái nguội. c. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi đƣợc nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. III. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 1. Đánh giá độ bền kéo của vật liệu kim loại Để xác định đƣợc giá trị độ bền kéo của kim loại và hợp kim trƣớc tiên phải chế tạo mẫu của vật liệu đó. Mẫu đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn của từng nƣớc. Ở Việt Nam mẫu thử có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật. Sau đó đƣợc kẹp trên máy kéo nén vạn năng đƣợc truyền động bằng cơ khí hoặc thủy khí. 12
Khi tiến hành kéo mẫu trên máy, máy sẽ vẽ biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và biến dạng của mẫu theo tính chất của vật liệu và vật liệu dẻo (thép, đồng, nhôm,…….) hay vật liệu dòn (gang) mà ta có các biểu đồ tƣơng ứng. Trên biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu làm bằng vật liệu dẻo ta thấy có các giai đoạn nhƣ sau: OA: Giai đoạn đàn hồi, quan hệ giữa lực và biến dạng là quan hệ bậc nhất kéo lớn nhất gọi là lực tỉ lệ Ptl Giới hạn tỉ lệ: σtl = Ptl/ F0 Trong đó F0 là diện tích ban đầu của mặt cắt ngang. AC: giai đoạn chảy, lực không tăng nhƣng biến dạng tăng, giá trị lực là lực chảy. 13
Giới hạn chảy: σch = Pch / F0 CBD: giai đoạn củng cố (tái bền). Giới hạn bền đƣợc tính: σB = PB / F0 Riêng đối với vật liệu dòn ta thấy mẫu bị đứt khi biến dạng còn bé, vật liệu chỉ có giới hạn bền: = Ý nghĩa: Nhờ các chỉ tiêu phản ánh độ bền của kim loại và hợp kim mà ta đánh giá đƣợc khả năng sử dụng của kim loại và hợp kim đó: - Khả năng chịu tải trọng tĩnh: nếu các chi tiết máy có cùng hình dáng, kích thƣớc, nhƣng làm bằng các vật liệu khác nhau thì: + Vật liệu nào có lớn hơn sẽ có khả năng chịu đƣợc tải trọng lớn hơn mà vẫn đảm bảo đƣợc tính đàn hồi. + Vật liệu nào có lớn hơn sẽ chịu đƣợc tải trọng lớn hơn mà vẫn không bị biến dạng. + Vật liệu nào có lớn hơn sẽ có khả năng chịu đƣợc tải trọng lớn hơn mà vẫn chƣa bị phá hủy. - Tuổi thọ sử dụng: nếu các chi tiết máy làm việc cùng chịu tải trọng nhƣ nhau nhƣng đƣợc làm từ các loại vật liệu khác nhau thì vật liệu nào có độ bền cao hơn sẽ có tuổi thọ lâu hơn. - Làm nhỏ gọn kết cấu: nếu các chi tiết máy có cùng kết cấu và đƣợc chế tạo từ những vật liệu khác nhau thì chi tiết máy nào làm bằng vật liệu nào có độ bền cao hơn sẽ có kích thƣớc nhỏ gọn hơn. 2. Đánh giá độ cứng của vật liệu kim loại và hợp kim Mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có độ cứng khác nhau. Để đánh giá độ cứng ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp đo độ cứng khác nhau nhƣ: phƣơng pháp đo độ cứng Brinen, phƣơng pháp đo độ cứng Rocvel, phƣơng pháp đo độ cứng Vicke. a. Phƣơng pháp thử:  Phƣơng pháp đo độ cứng Brinen Ngƣời ta dùng tải trọng của máy ép thử để ấn viên bi thép lên bề mặt mẫu. Trị số độ cứng đƣợc tính theo công thức sau: HB = P/ F 14
Trong đó: P: Tải trọng của máy thử (kg). F: diện tích mặt chỏm cầu vết lõm (mm2). Nếu gọi đƣờng kính viên bi là D, đƣờng kính vết lõm là d, chiều sâu vết lõm là h thì ta có công thứctính độ cứng nhƣ sau: F=  Phƣơng pháp đo độ cứng Rocvel Phƣơng pháp này cũng dùng lực để ép đầu thử lên bề mặt mẫu, đầu thử có thể là viên bi thép hoặc mũi côn kim cƣơng có góc đỉnh là 1200. Đồng hồ trên máy thử có 3 thang đo A, B, C tƣơng ứng với các lực thử P1 = 60 kg, P2 = 100kg, P3 = 150kg. Mỗi thang đo có ký hiệu hoặc đơn vị lần lƣợt nhƣ sau: Thang A: lực thử P1, mũi thử kim cƣơng. Ký hiệu (đơn vị): HRA Thang B: lực thử P2, mũi thử kim cƣơng. Ký hiệu (đơn vị): HRB Thang C: lực thử P3, mũi thử kim cƣơng. Ký hiệu (đơn vị): HRC Thang đo B dùng để đo các vật liệu mềm, kích thƣớc nhỏ và trung bình và thƣờng là các thành phẩm (kim loại màu hoặc thép đã ủ hoặc thƣờng hóa) Thang đo A dùng để đo các vật liệu cứng và mỏng (hợp kim cứng, thép đã tôi). Thang đo C dùng để đo các vật liệu cứng và dày (thƣờng là các sản phẩm bằng thepf đã tôi nhƣ khuôn dập)  Phƣơng pháp đo độ cứng Vicke Dùng mũi đo kim cƣơng hình chóp đáy là hình vuông góc giữa hai mặt đối đối xứng 0 136 . Độ cứng Vicke đƣợc ký hiệu bằng HV (kg/mm2) HV = 1.8544 15
Trong đó: P là tải trọng (kg), d là độ dìa đƣờng chéo của vết lõm (mm2) Phƣơng pháp đo độ cứng Vicke đƣợc dùng để đo cho cả vật liệu cứng và vật liệu mềm. b. Ý nghĩa - Thông qua độ cứng của vật liệu có thể đặc trƣng cho tính chất làm việc của các chi tiết máy: + Khả năng chống mài mòn: bề mặt chi tiết máy có độ cứng càng cao thì khả năng chống mài mòn càng tốt. + Khả năng cắt gọt của dao hoặc khuôn dập nguội: độ cứng của dao càng cao thì khả năng cắt gọt càng tốt, năng suất làm việc sẽ lớn. - Thông qua độ cứng có thể đặc trƣng cho tính công nghê của vật liệu ở dạng phôi. + Mỗi loại vật liệu khác nhau sẽ có khoảng gia công cắt thích hợp theo một hệ số độ cứng nhấy định, ví dụ nhƣ thép có trị số độ cứng thích hợp nhất là từ 150 – 200HB. + Khả năng mài bóng: độ cứng càng cao thì khả năng mài bóng càng tốt. c. Quan hệ giữa các loại độ cứng Giữa các loại độ cứng trên không có mối quan hệ toán học, muốn biết đƣợc mối quan hệ giữa các loại độ cứng ta phải tra bảng. Nhƣng trong thực tế có thể quan niệm độ cứng cao hay thấp (đối với thép) theo các chỉ tiêu sau - Loại độ cứng dễ cắt gọn hoặc dập nguội: trị số nhỏ hơn 220HB, 20HRC, 100HRB. - Loại độ cứng trung bình: trị số khoảng 250 – 450 HB, 25 – 45 HRC. - Loại độ cúng cao: khoảng 50 – 64 HRC. - Loại độ cúng rất cao: trị số lớn hơn 64 HRB hoặc 84 HRA 3. Đánh giá độ dai va đập của vật liệu: Để thử độ dai va đập ngƣời ta thực hiện trên máy thử va đập bằng lực đập của búa với độ cao h để phá hủy mẫu kim loại. Có hai mẫu đƣợc sử dụng để xác định độ dai va đập: Mẫu charpy có kích thƣớc 10x10x55mm, khi thử phải ngàm hai đầu trên máy. Mẫu Izod có kích thƣớc 10x10x75 mm, xẻ rãnh chữ V sâu 2mm cách một đầu 28mm và ngàm tại đầu này trên máy. Quả búa con lắc của máy đập vào mặt đối diện chỗ xẻ rãnh, đồng hồ của máy chỉ giá trị công phá hủy mẫu. Độ dai va đập ak đƣợc xác định bởi công thức: ak = A / F 16
Trong đó: A là công để phá hỏng mẫu (Nm), F là diện tích mặt cắt ngang của mẫu tại chỗ xẻ rãnh (m2) Câu hỏi: 1. Vật liệu đƣợc chia làm mấy loại? Trình bày đặc tính của mỗi loại. 2. Trình bày các tính chất của vật liệu. 3. Tại sao gọi sắt là vật liệu có tính thù hình? Chƣơng 1: VẬT LIỆU KIM LOẠI Bài 1: GANG A. Mục tiêu: - Trình bày đƣợc định nghĩa, đặc điểm, phân loại và ký hiệu các loại gang - Nhận dạng các loại gang và lựa chọn vật liệu thích hợp với khả năng chịu tải trọng. B. Nội dung: I. GANG 17
1. Định nghĩa: Gang là hợp kim sắt cacbon với lƣợng cacbon giới hạn trong khoảng 2,14 – 6,67 %, các tạp chất thƣờng có trong gang Si, Mn, S, P. 2. Thành phần, tính chất của gang - Thành phần + Hai nguyên tố thƣờng gặp Mn và Si từ 0,5- 2% là 2 nguyên tố có tác dụng điều chỉnh sự hình thành graphit, cơ tính của gang. + Phốtpho, lƣu huỳnh chứa từ 0,05- 5% (trong đó lƣu huỳnh là nguyên tố có hại, càng ít càng tốt). + Cacbon là nguyên tố quan trọng trong gang, ngoài ra còn có các nguyên tố hợp kim nhƣ: Cr, Ni … Các nguyên tố biến tính nhƣ: Mg, Ce (Xêri). - Tính chất: + Về cơ tính: Gang là vật liệu có độ bền kéo thấp, độ giòn cao, chống ăn mòn do ma sát, làm tắc rung động. + Về tính công nghệ: Gang có tính đúc tốt gia công cắt dễ, chế tạo đơn giản do độ chảy thấp, độ chảy loãng cao. 3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất của gang - Cacbon: Chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xêmantit thì gang đó gọi là gang trắng. Nếu ở dạng tự do (Graphit) thì đó gọi là gang xám sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội. - Silic: Silic là nguyên tố ảnh hƣởng rất nhiều đến cấu trúc tinh thể của gang, nó thúc đẩy tạo thành graphit do đó trong gang xám thành phần Silic cao. - Mangan: Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cảng sự Graphit hóa. - Phôtpho: P là nguyên tố có hại làm giảm độ bền tăng độ giòn, tuy nhiên P làm tăng tính chảy loãng, tác dụng này dùng để đúc tƣợng.v.v… - Lƣu hùynh: S làm giảm tính đúc và cơ tính của gang, ảnh hƣởng đến cấu trúc tinh thể của gang là điều kiện đông đặt và làm nguội của vật đúc; tốc độ nguôi nhanh ta đƣợc gang trắng, tốc độ nguội chậm ta đƣợc gang xám. II. CÁC LOẠI GANG THƢỜNG DÙNG * Theo thnh phần hóa học - Gang thƣờng - Gang hợp kim 18
* Theo tổ chức bên trong - Gang trắng - Gang xám - Gang dẻo - Gang cầu * Theo giản đồ trạng thái - Gang trƣớc cùng tinh - Gang cùng tinh - Gang sau cùng tinh 1. Gang trắng Gang trắng là gang có màu trắng do trong gang trắng, hầu hết cacbon trong gang ở trạng thái liên kết Fe3C (Xmentít, C chiếm tỷ lệ 6%) và không có ký hiệu riêng. - Thành phần: 3- 3,5% cacbon chứa ít Silit và các nguyên tố làm tăng khả năng graphit hóa. - Tính chất Gang có độ cứng rất cao, dịn, dễ v , không cắt gọt đƣợc nhƣng chịu mài mịn và ăn mòn tốt. - Công dụng Gang trắng đƣợc sử dụng để sản xuất gang dẻo hoặc đúc chi tiết khi làm việc chịu tải trọng nhỏ, chịu mài mịn hoặc chịu ăn mịn nhƣ: mp lƣ i cài, vành bánh xe, ru lô my xt gạo. Ngƣời ta không dùng làm toàn bộ là gang trắng mà chỉ làm mặt ngoài bên trong lõi vẫn là gang xám. 2. Gang xám Ngƣời ta gọi là gang xám, vì mặt gãy của nó có màu xám. Trong gang xám hầu hết cacbon ở trạng thái tự do (grafit) dạng hình tấm - Thành phần: (3-3,8)%C; (0,5-3)%Si; (0,5-0,8)%Mn; (0,15-0,4)%P; (0,12-0,2)%S. - Ký hiệu: Gang xám đƣợc ký hiệu gồm 02 chữ cái (GX) chỉ loại gang và hai chỉ số chỉ độ bền kéo và độ bền uốn. Ví dụ: GX21-40 l gang xám có đđộ bền kéo là 21kg/mm2, độ bền uốn 40kg/mm2. 19
- Tính chất: Gang xám có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn thép nhiều, khoảng từ 1147– 11520C. Có tính cắt gọt cao, chịu mài mịn - Công dụng: Gang xám tuy có độ bền và độ cứng không cao bằng thép, nhƣng có tính chống mài mịn nhƣ các loại bạc, các chi tiết vỏ nhƣ cỏ động cơ, vỏ máy, các chi tiết chống rung nhƣ bệ máy, băng my... Một số khuôn đúc nhƣ khuôn đúc thép thỏi , khuôn đúc ly tâm, khuôn đúc nhôm có thể làm bằng gang xám. 3. Gang dẻo (gang dẻo) Trong gang dẻo, hầu hết cacbon ở dạng grafit hình cụm bông. Gang dẻo đƣợc chế tạo từ gang trắng bằng cách ủ ở nhiệt độ cao để phân hóa cacbon liên kết thành grafit cụm bông. - Ký hiệu: 20