MÔN HỌC VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - PHẦN I: KIM LOẠI HỌC

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

655
lượt xem 155
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu: - Biết được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim và tính chất chung của chúng. - Nắm vững các tính chất chung, cấu tạo và sự kết tinh của kim loại và hợp kim - Nêu cao ý thức học tập 2. Nội dung chính: Trình bày về các khái niệm cơ bản về kim loại học, các kiểu mạng tinh thể cơ bản, sai lệch trong mạng tinh thể, khái niệm về đơn và đa tinh thể. 3. Các hình thức học tập: - Học lý thuyết trên lớp. 4. Nội dung...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: MÔN HỌC VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - PHẦN I: KIM LOẠI HỌC

MÔN HỌC VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI PHẦN I: KIM LOẠI HỌC CHƯƠNG1: CẤU TẠO TINH THỂ 1. Mục tiêu: - Biết được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim và tính chất chung của chúng. - Nắm vững các tính chất chung, cấu tạo và sự kết tinh của kim loại và hợp kim - N êu cao ý thức học tập 2. Nội dung chính: Trình bày về các khái niệm cơ bản về kim loại học, các kiểu mạng tinh thể cơ bản, sai lệch trong mạng tinh thể, khái niệm về đơn và đa tinh thể. 3. Các hình thức học tập: - Học lý thuyết trên lớp. 4. N ội dung chi tiết : BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I. KHÁI NIỆM 1. Khỏi niệm Kim loại là vật thể sáng, dẻo, có thể rèn luyện được, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao. 2. C ấu tạo Mỗi nguyờn tử kim lo ại là một hệ thống phức tạp gồm : + Hạt nhõn cú notron và proton. + Các lớp điện tử bao quanh hạt nhân. - Đặc điểm cấu tạo: Trong nguyên tử kim loại số điện tử ở lớp ngoài cùng rất ít, thường chỉ 1 đến 2 electron. Những điện tử này liên kết yếu với các hạt nhân nên dễ dàng bị bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do cũn nguyờn tử trở thành ion dương. Điện tử tự do quyết định tính chất của kim loại. 1
II. H ỢP KIM 1. Khỏi niệm Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiờu kết của 2 hay nhiều nguyên tố m à nguyên tố chủ yếu là kim loại để vật liệu mới cú tớnh chất kim loại 2. C ỏc dạng cấu tạo của hợp kim a. D ạng dung dịch rắn * Khỏi niệm: Dung dịch rắn là pha tinh thể (có thành phần thay đổi ) trong đó các nguyên tử của nguyên tố thứ nhất A vẫn được giữ nguyên kiểu mạng của mỡnh ( A là nguyờn tố dung mụi ), nguyờn tố B phõn bố trong mạng tinh thể của A ( B là nguyờn tố hoà tan ). * Phõn loại dung dịch rắn - D ung dịch rắn thay thế: Là nguyờn tử của nguyờn tố hoà tan B thay thế cho cỏc nguyờn tố dung mụi A ở chớnh cỏc nỳt mạng của A (Hỡnh 1). A B Hỡnh 1.1 Theo độ hoà tan chia ra: + Dung dịch hoà tan vụ hạn: Khi chất hoà tan B cú thể hoà tan vào dung mụi A với tỉ lệ bất kỳ. + Dung dịch hũa tan cú hạn: Nếu lượng hoà tan của B trong A không thể vượt quá một giá trị nhất định, nghĩa là sự thay thế chỉ xảy ra ở một tỷ lệ nào đó. + Dung dịch xen kẽ: Cỏc nguyờn tử của nguyờn tố hoà tan B nằm ở cỏc lỗ hổng trong mạng tinh thể của nguyờn tố dung mụi A (Hỡnh 1.2). B A 2
H ỡnh 1.2 * Các đặc tính của dung dịch rắn - Có liên kết kim loại như kim loại nguyên chất. Vỡ vậy dung dịch rắn vẫn cú tớnh dẻo tốt, tuy khụng cao bằng cỏc kim loại nguyờn chất làm dung mụi. - Thành phần hoá học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng của chất dung môi. - Mạng tinh thể của dung dịch luụn bị xụ lệch, thụng số mạng khỏc với tỷ số mạng của dung mụi. b. D ạng hợp chất hoỏ học * Khỏi niệm: Hợp chất hoá học là các pha phức tạp có thành phần hoá học hầu như cố định Tỷ lệ nguyờn tử giữa cỏc nguyờn tố tuõn theo nguyờn tắc hoỏ trị. * Các đặc tính của hợp chất hoá học - Cấu tạo mạng tinh thể khỏc hẳn với kiểu mạng tinh thể của cỏc nguyờn tố tạo lờn nú. - Về tính chất: Thường giũn, một số cú tớnh chất và nhiệt độ nóng chảy cao - Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp. c. Hỗn hợp cơ học * Khỏi niệm: Khi hai nguyên tố không có khả năng hoà tan vào nhau và không liên kết được với nhau thỡ khi đông đặc, nguyên tử của cùng một nguyên tố sẽ liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể của nguyên tố đó và tạo thành hỗn hợp của 2 hay nhiều nguyên tố. * Đặc tính: - Trong hỗn hợp cơ học các thành phần tạo nên hợp kim có bề mặt phân chia với nhau. - Tính chất của hợp kim phụ thuộc vào tính chất của nguyên tố nào chiếm đa số. - Trên thực tế thường gặp hợp kim là hỗn hợp của dung dịch rắn và hợp chất hoá học. 3
III. TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM - Kim loại và hợp kim có các tính chất tương tự nhau cả về tớnh chất vật lý, tớnh chất hoỏ học, tớnh cụng nghệ và tớnh cơ học. - K im loại và hợp kim được sử dụng rất rộng rói trong cỏc ngành cụng nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc… Do đó kim loại và hợp kim mang tính thực tế rất cao. Tuy nhiên để đảm bảo về chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm chế tạo từ kim loại thỡ cần phải dựa vào cỏc yờu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp. BÀI 2 : CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ CƠ BẢN I. KHÁI NIỆM VỀ KIM LOẠI 1 .Định nghĩa: Kim loại là vật thể có vẻ sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và d ẫn điện cao. Á kim không có tính chất này. 2. Cấu tạo tinh thể của kim loại * Vật thể vật chất được chia làm hai loại: - V ật có cấu tạo tinh thể: Là các vật có các nguyên tử, ion ở trong nó sắp xếp có trật tự, theo một quy luật nhất định tạo nên mạng tinh thể - V ật không có cấu tạo tinh thể( hay vật vô định hình ): Là các vật có các nguyên tử, ion ở trong nó sắp xếp không có trật tự, không theo một quy luật nào. * Tất cả kim loại và hợp kim của chúng ở trạng thái rắn đều là vật có cấu tạo tinh thể. 3. Khái niệm về mạng tinh thể * Mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp xếp các nguyên tử, ion trong vật tinh thể. * K ích thước của mạng tinh thể được đặc trưng b ằng một đại lượng gọi là thông số mạng. Nó là khoảng cách giữa tâm hai nguyên tử gần nhau nhất theo 0 cạnh của ô cơ bản. Đơn vị đo chiều dài thông số mạng là ăngstrôm ( A ) ho ặc Kilôichxi (K x ) 4
0 0 8 1 A = 10 cm; 1K x = 1,00202 A 4. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp a. Mạng lập phương thể tâm - Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và một nguyên tử nằm ở tâm của hình lập phương - Các kim loại có kiểu mạnh này là : F e , C r , W, M o ... b. Mạng lập phương diện tâm - Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và nằm ở tâm các mặt của hình lập phương ( Hình 1.2b ). - Các kim loại có kiểu mạnh này là :F e , C u , N i , Al, P b , A u , A g ... c. Mạng lục phương dàyđặc - Ô cơ bản của kiểu mạng này là: Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lục lăng, nằm ở tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở tâm ba hình lăng trụ tam giác cách nhau( Hình 1.2c ). - Các kim lo ại có kiểu mạnh này là : Z n , B e , M g , T i , C o ... d. Mạng chính phương thể tâm - Ô cơ bản của kiểu mạng giống mạng lập phương thể tâm, nhưng có một cạnh của ô cơ bản bị kéo dài ra thành kích thước c. - Đây là kiểu mạng của tổ chức Máctenxit. 5. Tính thù hình của kim loại Có một số kim loại khi ở các nhiệt độ khác nhau thì có các kiểu mạng tinh thể khác nhau. Tính chất này gọi là tính thù hình của kim loại. Người ta dùng các chữ Hy Lạp ,  ,  ,  ... để chỉ các dạng thù hình của kim lo ại, trong đó  là d ạng thù hình tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất, còn  ,  ,  ... ở nhiệt độ cao hơn. 5
BÀI 3: CÁC SAI LỆCH TRONG MẠNG TINH THỂ 1. Sai lệch điểm a. Đ ịnh nghĩa Là những dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo cả 3 chiều đo b. Các dạng cơ bản Sai lệch điểm có các dạng sau: * Nút trống Trong tinh thể, nguyên tử luôn luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của mình. Theo lý thuyết thống kê của Mexwell - Boltzmann thì năng lượng dao động nguyên tử ở nhiệt độ đã cho phân bố không đều trên các nguyên tử. ở những thời điểm bất kỳ luôn luôn có những nguyên tử có năng lượng lớn hơn hoặc bé hơn trị số trung bình. Khi một số nguyên tử nào đó có năng lượng đủ lớn với biên độ dao động lớn thì chúng có khả năng bứt khỏi vị trí cân bằng quy định của mình và để lại đó những nút mạng trống không có nguyên tử. Sau khi rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng hoặc di chuyển ra ngoài bề mặt tinh thể (cơ cấu tạo nút trống của schottky). Bản thân sự có mặt của những nút trống và nguyên tử "thừa" xen kẽ giữa các nút mạng đ ã tạo ra sai lệch điểm trong mạng tinh thể. Ngoài ra chúng còn làm cho các nguyên tử lân cận bị x ê dịch ít nhiều khỏi vị trí của mình tạo ra vùng sai lệch hình cầu với kích thước vài khoảng cách nguyên tử. Khi tạo thành các nút trống năng lượng tự do của hệ thống tăng lên kèm theo sự thay đổi entrôpi S. * Nút xen kẽ: Một nguyên tử không dừng ở nút mạng mà đi vào lỗ hổng mạng tinh thể (là những nguyên tử lạ). ' 6
Sai lệch điểm do nút trống (a), nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng (b) và nguyên tử tạp chất ở nút mạng (c). * N guyên tử lạ thay thế Trong thực tế không thể có một kim loại nào có độ sạch tuyệt đối. Những phương pháp luyện mới và tiên tiến nhất cũng chỉ cho phép đạt được độ sạch kho ảng 99,9999% hoặc cao hơn một ít, còn theo những phương pháp luyện thông thường lượng tạp chất có thể đến vài phần trăm. Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế vị trí các nguyên tử cơ sở ở các nút mạng hoặc nằm xen kẽ giữa các nút m ạng. Nếu nguyên tử tạp chất nằm ở các nút mạng có bán kính lớn hơn hoặc bé hơn so với nguyên tử cơ sở thì vị trí của các nguyên tử lân cận sẽ bị xê d ịch, chúng bị nống ra hoặc bóp lại. Nếu nguyên tử tạp chất nằm xen kẽ giữa các nút mạng có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ hổng thì nó đẩy lùi các nguyên tử chung quanh khỏi vị trí cân bằng. Tóm lại sự có mặt của các nguyên tử tạp chất có thể gây ra sai lệch điểm. 2. Sai lệch đường a. Đ ịnh nghĩa Là những dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo 2 chiều đo, lớn theo chiều còn lại. b. Các dạng cơ bản * Lệch thẳng (lệch biên) Nguyên nhân: Do sự xuất hiện các mặt tinh thể không hoàn chỉnh dẫn đến tạo ra các trục có năng lượng cao hơn, do đó kém ổn định hơn nên tạo ra trục lệch. Để đánh giá cường độ lệch người ta dùng véc tơ Burgers Lệch thẳng có thể hình dung bằng cách sau: Giả sử có mạng tinh thể ho àn chỉnh gồm những mặt nguyên tử song song và cách đ ều nhau. Bây giờ nếu chúng ta chèn thêm nửa mặt phẳng ABCD vào nửa phần trên của tinh thể thì các mặt nguyên tử thẳng đứng nằm về hai phía mặt ABCD sẽ không còn hoàn toàn song song nhau nữa, chúng bị cong đi ở vùng gần đường AD. Các nguyên tử nằm trong vùng này bị x ê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình: Các nguyên tử ở vùng phía dưới đ ường AD bị đẩy xa ra một ít (vùng có ứng suất kéo) còn các nguyên tử ở phía trên đường AD bị ép lại một ít (vùng có ứng suất nén). Như vậy vùng có sai lệch nằm xung quanh đường thẳng AD và vì vậy người ta gọi là lệch thẳng. Đường AD đường gọi là trục có lệch thẳng. 7
Mô hình lệch thẳng * Lệch xoắn Nguyên nhân: Do sự dịch chuyển của các mặt tinh thể không hoàn chỉnh tạo ra các bề mặt nhấp nhô tế vi (*) mạng tinh thể. Lệch xoắn có thể hình dung bằng cách sau: Các tinh thể hoàn chỉnh bằng nửa mặt phẳng ABCD xong xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau làm thế nào để mặt nguyên tử nằm ngang thứ nhất bên phải trùng với mặt nguyên tử thứ hai bên trái. Kết quả làm cho các nguyên tử nằm gần đường AB bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình. Sở dĩ có danh từ lệch xoắn vì các lớp nguyên tử trong vùng sai lệch mạng đi theo hình xoắn ốc. Mặt phẳng ABCD gọi là mặt trượt của lệch. Các nguyên tử nằm trong vùng dọc theo trục 1. Trục L gọi là trục của lệch xoắn. - Tinh thể hoàn chỉnh - Tinh thể có lệch xoắn - Cách bố trí nguyên tử về hai phía mặt trượt Véc tơ Burgers của lệch xoán luôn luôn song song với trục lệch * Lệch hỗn hợp Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa thẳng và xoắn nó mang các đặc điểm của cả hai loại lệch đã nêu. 8
Nếu đối với lệch thẳng hoặc xoắn vectơ Burgers b nằm trực giao hoặc song song với trục của lệch trên mặt phẳng trượt thì vectơ Burgers của lệch hỗn hợp tạo thành với trục lệch một góc bất kỳ giữa 00 và 900 trên mặt trượt Quan hệ giữa vec tơ b và trục lệch L của lệch thẳng (a), lệch xoắn (b) và hỗn hợp (c) * K hái niệm về "lưới lệch" hoặc "rừng lệch" Lệch là dạng khuyết tật có sẵn trong kim loại. Chúng phân bố một cách bất kỳ có thể cắt nhau tại những điểm gọi là nút lệch. Sự phân bố không gian của các đường lệch trong kim loại chưa biến dạng gọi là lưới lệch hoặc rừng lệch. Trạng thái ổn định nhất là tại mỗi nút chỉ có ba lệch gặp nhau. Nhưng cũng có trường hợp khi 4 hoặc 6 lệch cắt nhau tại một điểm, nhưng những nút lệnh như vậy luôn luôn có xu hướng biến thành nút "b ộ ba". Trên hình vẽ nếu sơ đồ lưới lệch trong tinh thể hình trụ chưa biến dạng. 3. Sai lệch mặt a. Đ ịnh nghĩa Là những sai lệch có kích thước nhỏ theo chiều đo b. Các dạng cơ bản Sai lệch mặt trong mạng tinh thể gồm các dạng chủ yếu: biên giới hạt, biên giới siêu hạt và mặt ngoài tinh thể. * Biên giới hạt Vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tinh thể là một dạng sai lệch mặt, vì ở đây các nguyên tử sắp xếp không theo trật tự nhất định, đặc trưng cho các vùng phía bên trong. Vì vậy kim loại ở vùng biên giới có cấu tạo giống như vật thể vô định hình vẽ. Giả thiết này cho phép giải thích một số tính chất của vùng biên giới như năng lượng tự do, khả năng hòa tan tạp chất vv...Vị trí nguyên tử 9
của vùng biên giới không phải hoàn toàn ngẫu nhiên mà còn tuân theo một số nguyên tắc nào đó phụ thuộc vào góc lệch mạng của hai hạt. Biên giới hạt chứa rất nhiều sai lệch mạng, có chiều dài khoảng vài đến hàng trăm thông số mạng. Độ sạch của kim loại càng cao, chiều dày của lớp càng bé. Nói một cách khác, kim lo ại chứa nhiều tạp chất bao nhiêu thì vùng biên giới càng dày bấy nhiêu vì nó có khả năng hòa tan nhiêu nguyên tử tạp chất. Năng lượng tự do của biên giới cao hơn so với các vùng phía trong và thường được đánh giá bằng sức căng biên giới hạt (tương tự như sức căng bề mặt của mặt ngoài). Cách sắp xếp nguyên tử trong vùng biên giới hạt theo thuyết "vô định h ình" Do đặc điểm về cấu tạo, vùng biên giới hạt có một số tính chất sau: - Có nhiều độ nóng chảy thấp hưn một ít so với các vùng phía bên trong. Người ta đã phát hiện rằng trong kim loại cực sạch nhiệt độ nóng chảy của biên giới hạt thấp hơn khoảng 0,140C so với bản thân hạt. - Có hoạt tính hóa học cao hơn thể hiện ở tốc độ bị ăn mòn hóa học cao. Do vậy mà bằng phương pháp tầm thực (cho ăn mòn nhẹ bằng axít) có thể phát hiện được biên giới hạt. - Khi chuyển biến pha, biên giới là nơi để sinh ra tâm mầm nhất - Có khả năng khuếch tán cao với tốc độ nhanh hơn so với vùng bên trong - Góp phần khá lớn vào điện trở của kim loại. Kim loại có độ hạt nhỏ tức tổng số vùng biên giới lớn, có điện trở cao hơn. - Ở nhiệt độ cao trên vùng biên giới hạt xảy ra quá trình chảy dẻo - Biên giới có tác dụng cản trở quá trình trượt khi biến dạng. Vấn đề này chúng ta sẽ xét đến khi nghiên cứu quá trình biến dạng dẻo. * K hái niệm về siêu hạt (block) và biên giới siêu hạt Các nghiên cứu tỷ mỷ về cấu trúc siêu tế vi cho thấy rằng ngay trong mỗi hạt phương mạng cũng không phải hoàn toàn cố định. Hạt được phân chia thành vô số vùng nhỏ có kích thước khoảng 10 -5  10-3 và phương mạng lệch nhau một 10
góc rất nhỏ, thường nhỏ hơn 1 0. Những vùng nhỏ này của hạt gọi là siêu hạt (hoặc block). Mô hình siêu hạt * Mặt ngoài của tinh thể: Mặt ngo ài của tinh thể có trạng thái sắp xếp nguyên tử khác với những vùng phía trong. Trên b ề mặt mỗi nguyên tử chỉ được liên kết với một số nguyên tử nằm ở phía trong số sắp xếp bé hơn trị số quy định và do đó lực liên kết không cân bằng. Đó là nguyên nhân làm cho các nguyên tử ở mặt ngoài sắp xếp không có trật tự, tạo nên sai lệch mặt. Do m ạng tinh thể bị xô lệch nên mặt ngoài cơ năng lượng tự do cao hơn. Phần năng lượng tự do được tăng thêm trên một đơn vị diện tích bề mặt gọi là năng lượng bề mặt hoặc sức căng bề mặt. Mô hình sắp xếp nguyên tử của mặt ngoài hình thể BÀI 4: ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ 1. Tính thù hình của vật tinh thể * Tính thù hình là khả năng tồn tại ở nhiều kiểu mạng khác nhau của một nguyên tố, phụ thuộc vò sự thay đổi của điều kiện bên ngoài. Ví d ụ: Đối với sắt (Fe) Ở nhiệt độ < 9100C có dạng Fe () có kiểu mạng lập phương thể tâm có kiểu mạng A2, K8 Ở 9100C < t0 < 13920C có dạng Fe () có kiểu mạng A1, K12 Ở 13920C < t0 < 15390C có dạng Fe (ô) có kiểu mạng A2, K8 11
Sự chuyển biến của các mạng tinh thể này sang mạng tinh thể khác gọi là sự chuyển biến thù hình. Ví d ụ: Sn < 130C chuyển từ lập phương đơn giản sang lục giác phức tạp. 2. Tính dị hướng của vật thể Chỉ đúng với đơn tinh thể có cùng một vị phương m ạng Là sự khác biệt về tính chất (cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ...) của vật thể theo các phương khác nhau. Đơn tinh thể kéo Kéo B1 Kéo B2 (B2  B1) * K hái niệm đơn và đa tinh thể + Đơn tinh thể: Trong toàn bộ thể tích có cùng một định vị phương mạng, có tính dị hướng. + Đa tinh thể: Bao gồm vô số đơn tinh thể là các hạt hoặc siêu hạt có định vị phương m ạng khác nhau nên đa tinh thể có tính đẳng hướng trừ khi người sử dụng cố tình tạo ra phương định hướng khác nhau. 5. Đánh giá : - Phương pháp đánh giá: Kiểm tra tư cách - Cõu hỏi ụn tập: 1. Thế nào gọi là tinh thể kim loại ? Ô cơ bản của kim loại là gì ? 2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp ? 3. Trình bày sai lệch trong mạng tinh thể ? 4. Khái niệm về đơn tinh thể và đa tinh thể ? 6. Tài liệu tham khảo : - G iáo trình Vật liệu và Công nghệ cơ khí -PGS.TSHoàng Tùng- NXB Giáo D ục - V ật liệu học - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học- Kỹ thuật - Công nghệ kim loại - Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, ...- N XB Đại học và Trung học chuyên nghiệp 12
- Kim loại học và nhiệt luyện - Nghiêm Hùng - NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI 1. Mục tiêu : - Biết được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim và tính chất chung của chúng. - Nắm vững các tính chất chung, cấu tạo và sự kết tinh của kim loại và hợp kim - N êu cao ý thức học tập 2. Nội dung chính: Nghiên cứu các tính chất chung của kim loại như : lý tính, hóa tính, cơ tính, tính công nghệ đê sử dụng đảm bảo chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm 3. Các hình thức học tập: - Hoùc lyự thuyeỏt treõn lớp 4. N ội dung chi tiết : Bài 1: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI 1. Lý tính : Là tính chất xác định tác dụng lý học của kim loại với thiên nhiên. Gồm: a.Màu sắc: Dưới tác dụng của ánh sáng, mỗi kim loại đều có màu sắc nhất định. K im loại được chia làm hai loại: kim loại màu và kim loại đen. Kim loại đen và hợp kim đen: Là F e và hợp kim của F e với C ( thép, gang ). Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại b.Khối lượng riêng (  ) : Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật thể. m ( Kg/ m 3 ) .Trong đó: m - là khối lượng của vật thể ( Kg ) = V V- là thể tích của vật thể (m 3 ) c.Trọng lượng riêng ( d ) : Là trọng lượng của một đơn vị thể tích vật thể. P ( KG/mm 3 hoặc N/ mm 3 ).Trong đó: P - là trọng lực của vật thể ( d= V KG ). 13
d.Tính nóng chảy : Là tính chất biến đổi từ thể rắn sang thể lỏng ở một nhiệt độ nhất định, nhiệt độ ấy gọi là nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy thấp thì tính lưu động của kim loại cao, kim loại dễ đúc. e.Tính dãn nở : Là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại thay đổi. Được đặc trưng bằng hệ số dãn nở. f.Tính dẫn nhiệt : Là tính chất có thể truyền nhiệt từ chỗ có nhiệt độ cao đến chỗ có nhiệt độ thấp mà bản thân không cần chuyển động. Được đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt. Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau. Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là 0,9 ; của nhôm là 0,5 và của sắt chỉ là 0,15. g.Tính d ẫn điện : Là tính chất có thể truyền điện từ chỗ này đến chỗ kia. Được đặc trưng bằng hệ số dẫn điện. Bạc dẫn điện tốt nhất rồi đến đồng, nhôm. h.Tính nhiễm từ : Là khả năng dẫn từ của kim loại. Các kim loại có tính nhiễm từ là sắt, niken, côban và hợp kim của chúng. 2. Hoá tính : Là tính chất xác định tác dụng hoá học của kim loại đối với môi trường. Gồm: a.Tính chịu ăn mòn : là khả năng của kim loại chống lại sự ăn mòn của môi trường ở nhiệt độ bình thường. b.Tính chịu nhiệt : là khả năng của kim loại chống lại sự ăn mòn của môi trường ở nhiệt độ cao. c.Tính chịu axít : Là khả năng của kim loại chống lại sự ăn mòn của axít. 3. Cơ tính : Là những đặc trưng biểu thị khả năng của kim loại, hợp kim chịu được tác dụng của ngoại lực. Các đặc trưng đó là: a.Độ bền : Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Độ bền được ký hiệu bằng chữ  ( xích ma ). Tuỳ theo dạng ngoại lực tác dụng ta có các loại độ bền : độ bền kéo(  k ) , độ bền nén (  n ), độ bền uốn (  u ). P  F0 Công thức tính độ bền : Trong đó : P - là lực lớn nhất mà mấu thử chịu được trước khi bị phá huỷ. F 0 - là diện tích chịu lực tác dụng ban đầu của mẫu thử. 2 2 2 Đ ơn vị đo độ bền : N/mm ; KN/ m ; MN/ m . b.Độ cứng : Là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén. 14
Có hai cách đo độ cứng: Độ cứng Brinen ( HB ) và độ cứng Rốcoen ( HR ). c.Độ dẻo : Là khả năng thay đổi được hình dáng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực mà không b ị phá huỷ. Được đặc trưng bằng hai đại lượng sau l1  l o  .100 l0 0 - Độ dãn dài tương đối : . 0 Trong đó: l0 , l1 - chiều dài mẫu trước và sau khi thử kéo. F0  .100 0 0 F1 - Độ thắt tỉ đối : Trong đó: F0 , F1 - tiết diện ngang của mẫu trước và sau khi thử kéo. d. Độ dai va chạm : Là khả năng của vật liệu chịu được lực va đập tác dụng mà không bị phá huỷ. Được đặc trưng bằng độ dai va đập ak A 2 2 ak F , ( J mm ) ho ặc ( KJ m ). = Trong đó : A – công va đập để phá huỷ mẫu. F – d iện tích tiết diện mẫu. 4. Tính công nghệ : Là khả năng chịu các dạng gia công khác nhau. Được đặc trưng bằng các tính chất như tính đúc, tính hàn, tính gia công cắt gọt, gia công áp lực, tính nhiệt luyện. 5. Đánh giá : - Phương pháp đánh giá: Kiểm tra tư cách - Cõu hỏi ụn tập: 1. Tính chất chung của kim loại gồm những tính chất nào ? 2. Tính công nghệ của kim loại là gì ? Cho ví dụ về tính công nghệ của kim loại ? 6. Tài liệu tham khảo : - Giáo trình Vật liệu và Công nghệ cơ khí -PGS.TSHoàng Tùng- NXB Giáo Dục - V ật liệu học - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học- Kỹ thuật - Công nghệ kim loại - Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, ...- N XB Đại học và Trung học chuyên nghiệp - Kim loại học và nhiệt luyện - Nghiêm Hùng - NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp 15
CHƯƠNG 3. THÉP CÁC BON 1. Mục tiêu: - Biết được các khái niệm cơ b ản về thép cácbon và các loại thép cácbon. - Nắm vững các tổ chức của thép hợp kim và các nguyên tố ảnh hưởng đến thép cácbon để đúng mục đích. - Rèn luyện tính sáng tạo trong học tập 2. Nội dung chính: Trình bày về khái niệm cơ b ản về thép cácbon, ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất và tổ chức của thép, các phân loại thép. 3. Các hình thức học tập: - Hoùc lyự thuyeỏt treõn lớp 4. N ội dung chi tiết : BÀI 1: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẾN TÍNH CHẤT VÀ TỔ CHỨC CỦA THÉP 1. Khái niệm : Thép các bon là hợp kim sắt - các bon với lượng C < 2,14 %. Ngo àI ra còn có một số tạp chất như : Mn < 0,8 % ; Si < 0,4 % ; P < 0,05 % ; S < 0 ,05 %. 2. Ả nh hưởng của các nguyên tố đến tính chất và tổ chức của thép a.Các bon ( C ): - Khi lượng cácbon thay đổi thì tổ chức của thép cũng thay đổi : C < 0,8 thì tổ chức là (F + P); C = 0,8 thì tổ chức là (P) ; C > 0,8 thì tổ chức là (P + Xee II ). - Khi lượng cácbon thay đổi thì cơ tính của thép cũng thay đổi: Lượng cácbon tăng thì độ dẻo và độ dai giảm, độ cứng và độ bền tăng. Khi C > 1% thì độ bền lại giảm đi. b.Các nguyên tố khác : - Măng gan (Mn) và silích (Si ) : làm tăng độ bền, độ cứng và giảm độ dãn dài của thép. Khử ôxy trong thép. - Phốt pho (P) và lưu huỳnh (S) : là tạp chất có hại vì (P) làm cho thép giòn ở nhiệt độ bình thường (giòn nguội ), còn (S ) làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao (giòn nóng ). 16
BÀI 2: PHÂN LOẠI THÉP CÁC BON 1.Theo tổ chức: a. Thép trước cùng tích : tổ chức là ( F + P ) b. Thép cùng tích : tổ chức là ( P ) c. Thép sau cùng tích : tổ chức là( P + Xe II ). 2.Theo lượng các bon : a. Thép các bon thấp : C < 0,25 % b.Thép các bon trung bình : C= 0,25 % đến 0,5 % c. Thép các bon cao : C > 0,5 % 3.Theo phương pháp luyện : a. Thép luyện ra từ lò Bét sme, có chất lượng thường ( nhiều P, S ). b. Thép luyện ra từ lò Mác tanh, có chất lượng tốt hơn loại trên ( ít P,S hơn). c. Thép luyện ra từ lò đ iện, chủ yếu từ lò đ iện hồ quang, có chất lượng tốt. 4.Theo công dụng: a.Thép các bon chất lượng thường : Loại này cơ tính không cao, chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu lực nhỏ .Thường dùng trong xây dựng nhà cửa, trong giao thông nên còn gọi là thép xây d ựng. Thép các bon chất lượng thường chia ra làm ba nhóm A,B và C. Nhóm A cho biết cơ tính của thép, nhóm B cho biết thành phần hoá học, nhóm C cho biết cảc cơ tính và thành phần hoá học. - Việt Nam ký hiệu thép nhóm A bằng chữ CT và số kèm theo chỉ giới hạn bền thấp nhất  b ( KG/ mm ). 2 Nhóm B và C ký hiệu như nhóm A nhưng thêm vào đằng trước chữ B hay C để phân biệt. - Nga ký hiệu thép nhóm A bằng chữ CT và các số thứ tự 0,1,2,3,4,5,6 ( số càng lớn thì độ bền và hàm lượng các bon càng lớn. Nhóm B thì thêm vào đằng trước ký hiệu chữ M nếu luyện bằng lò Mác tanh, hoặc thêm vào chữ Á nếu luyện bằng lò Bét sme. Nhóm C thì thêm vào đằng trước ký hiệu chữ B b .Thép kết cấu các bon: Loại này có chất lượng tốt, dùng để chế tạo chi tiết máy chịu lực cao hơn. - Việt Nam ký hiệu bằng chữ C và số chỉ lượng các bon trung bình trong thép tính theo phần vạn như : C08, C10, C15, C20, …C85 - Nga ký hiệu như Việt Nam nhưng bỏ chữ C . 17
c.Thép dụng cụ các bon : Loại này có lượng các bon cao ( C= 0,7  1,3% ), ít P và S. Thép các bon dụng cụ tuy có độ cứng cao nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ làm các dụng cụ như : đục, dũa, tarô. - Việt Nam ký hiệu bằng chữ CD và số kèm theo chỉ lượng các bon trung bình của thép tính theo phần vạn. Gồm các số hiệu: CD70, CD80, CD90, CD130. - Nga ký hiệu bằng chữ Y và số kèm theo chỉ lượng các bon trung bình tính theo phần nghìn. Gồm các số hiệu: Y7, Y8, Y9, Y13. 5. Đánh giá : - Phương pháp đánh giá: Kiểm tra tư cách - Cõu hỏi ụn tập: 1. Nêu khái niệm về thép cácbon và các nguyên tố ảnh hưởng đến thép cácbon ? 2. Thép cácbon có m ấy loại ? Đặc điểm của từng loại thép? 3. Nhận biết, giải thích và nêu công dụng của các ký hiệu vật liệu sau : CT31, C85, CD70, Y9 ? 6. Tài liệu tham khảo: - Giáo trình Vật liệu và Công nghệ cơ khí -PGS.TSHoàng Tùng- NXB Giáo D ục - Vật liệu học - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học- K ỹ thuật - Công nghệ kim loại - Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, ...- NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp - K im loại học và nhiệt luyện - Nghiêm Hùng - NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp 18
CHƯƠNG 4: GANG 1. Mục tiêu: - Biết được các khái niệm cơ b ản về gang và cách phân loại gang - Nắm vững các tổ chức của hợp kim và các nguyên tố ảnh hưởng đến chúng và phân biệt được giữa gang và thép. - Rèn luyện tính sáng tạo trong học tập. 2. Nội dung chính: Trình bày về khái niệm cơ bản về gang, ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất và tổ chức của gang, các phân loại gang. 3. Các hình thức học tập: - Hoùc lyự thuyeỏt treõn lớp 4. N ội dung chi tiết : BÀI 1: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẾN TÍNH NĂNG CỦA GANG 1.Khái niệm : G ang là hợp kim của sắt và các bon trong đó lượng C = 2,14  6,67%, ngoài ra còn có các tạp chất như Mn, Si, P, S và các nguyên tố khác. Đặc tính chung là cứng, giòn, nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc. 2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính năng của gang - Cácbon và Silích : Thúc đẩy sự graphít hoá ( thúc đẩy sự tạo thành các bon tự do ). Lượng graphít tăng làm cho gang càng giòn, độ bền giảm, càng dễ cắt gọt, khả năng chịu mài mòn tăng. Thường Si = 1,5  3,0% - Mangan ( Mn) : Cản trở sự tạo thành graphít, thúc đ ẩy sự tạo thành Mn 3 C (hoá trắng gang). Tuy nhiên Mn có lợi cho việc khử lưu huỳnh trong gang( tạo thành MnS nổi lên xỉ ), thường Mn = 0,5  1,0%. - Phốt pho ( P ) : Làm tăng tính chảy loãng nhưng làm giảm cơ tính và làm cho gang giòn, thường P = 0,1  0,2%. - Lưu huỳng (S): Cản trở sự graphít hoá, làm giảm tính chảy loãng. Thường S < 0,1%. 19
BÀI 2: PHÂN LOẠI GANG 1.Gang trắng: a.Tổ chức : hầu hết cácbon ở dạng liên kết Fe 3 C. Màu trắng. b.Thành phần : C = 3,5  4,3% c.Tính chất : Rất cứng ( HB = 650  700 ) và giòn, tính cắt gọt kém. d.Công dụng: Dùng để chế tạo ( ủ ) thành gang dẻo hoặc dùng để chế tạo các chi tiết cần tính chống mài mòn cao như trục cán, bi nghiền. e.Ký hiệu : không có ký hiệu riêng. 2.Gang xám: a.Tổ chức : hầu hết C ở dạng graphít hình tấm, phiến. Màu xám ( màu của graphít ). b.Thành phần : C = 2,8  3,2% ; Mn = 0,5  0,8% ; Si = 0,5  3,0% ; P = 0,15  0,4%; S = 0,12  0,2% c.Tính chất : Độ cứng , độ bền thấp hơn gang trắng nhiều( HB =150  250 ). Độ dẻo, độ bền kéo thấp hơn thép, độ bền nén gần bằng thép. Không chịu biến dạng và dập, tính đúc tốt hơn thép, tính cắt gọt cao ( phoi dễ vụn ). Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt ( hệ số ma sát nhỏ ). d.Công dụng: D ùng đ ể chế tạo các chi tiết chịu lực kéo thấp và không chịu va đập như vỏ máy, ống nước. Làm các chi tiết chịu nén, cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn như bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ. e.Ký hiệu : - V iệt Nam ký hiệu gang xám bằng chữ GX và 2số chỉ giới hạn bền kéo và 2 giới hạn bền uốn, đơn vị: KG/mm . - N ga ký hiệu bằng chữ Cữ và 2 số giống của Việt Nam. 3.Gang dẻo: a.Tổ chức : Hầu hết cácbon ở dạng graphít hình cụm bông do ủ gang trắng. b.Thành phần : C = 2,8  2,8%; Mn  1,0%; Si = 0,8  1,4%; P = 0,2%; S < 0,1 % c.Tính chất : Có độ bền cao và dẻo hơn gang xám. d.Công dụng: Có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện tốn nhiệt và thời gian ủ lâu, nên gang d ẻo chủ yếu được dùng làm các chi tiết đồng thời cần các yêu cầu sau: hình dáng phức tạp, thành mỏng và chịu va đập 20