Giáo trình Vật liệu học Trường Cao đẳng Nghề An Giang

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng nguyên trích dụng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trong lịch sử phát triển xã hội loài ngƣời sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính sử dụng chúng ngày cao Đầu tiên thời kỳ đị đá, sau tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt…… Cho đến loạt loại cật liệu nhƣ: Composit, ceramit, polyme… Các loại vật liệu góp phần thúc đẩy phát triển xã hội loài ngƣời cách nhanh chóng Ngày lĩnh vực cơng nghiệp, quốc phịng, đời sống… đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có nhiều tính chất khác Ví dụ: cần tính dẫn điện cao để dùng nghành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm loại dụng cắt gọt kim loại, lại cần có độ bền lớn để làm cấu kiện xây dựng, phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhƣng khối lƣợng riêng nhỏ để dùng công nghiệp hàng khơng….Tất u cầu đƣợc đáp ứng vật liệu kim loại nhƣ vật liệu Nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy, học tập, nghiên cứu kiến thức loại vật liệu nhƣ kiến thức xử lý nhiệt chúng…… 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 Trƣờng Cao đẳng nghề An Giang Mục đích mơn học giúp cho học viên hiểu rõ loại vật liệu khác dựa mối quan hệ cấu trúc, lý tính biết lựa chọn vật liệu phù hợp đáp ứng nhu cầu sử dụng sau Giáo trình đƣợc trình bày theo chƣơng trình chi tiết đƣợc trƣờng xây dựng năm 2017, sau phần lý thuyết bài, ,cuối có câu hỏi lý thuyết để kiểm tra kiến thức Tuy có nhiều cố gắng nghiên cứu biên soạn, nhƣng giáo trình chắn không tránh khỏi khiếm khuyết, mong đƣợc đóng góp từ đọc giả để giáo trình ngày đƣợc hoàn thiện An Giang, ngày 20 tháng 05 năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Lê Ngọc Ngân MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Bài mở đầu: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU I.CẤU TẠO VẬT LIỆU 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 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: VẬT LIỆU HỌC Mã môn học: MH 13 Thời gian thực môn học: 30 (Lý thuyết: 24 giờ; Thực hành: giờ, KIểm tra giờ, Ôn tập giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC: Vị trí: Mơn học đƣợc bố trí giảng dạy song song với môn học/ mô đun sau: MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH 14 Tính chất: Là môn sở nghề bắt buộc II MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC: 1.Về kiến thức: - Vẽ giải thích đƣợc: giản đồ sắt – bon - Trình bày đƣợc đặc điểm, phân loại ký hiệu loại hợp kim nhơm, gang thép - Trình bày đƣợc cơng dụng, tính chất, phân loại dầu, m bôi trơn, nƣớc làm mát , xăng, dầu diesel dùng ô tô 2.Về kỹ năng: - Nhận dạng loại hợp kim nhôm, gang thép 3.Về lực tự chủ trách nhiệm: - Tuân thủ quy định, quy phạm vật liệu học - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, cẩn thận 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 tính chất vật liệu - Trình bày đƣợc phƣơng pháp đánh giá tính chất vật liệu - Tuân thủ quy định, quy phạm vật liệu học B Nội dung: I CẤU TẠO VẬT LIỆU Khái niệm vật liệu khí: Vật liệu vật rắn mà ngƣời sử dụng để chế tạo cơng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng cơng trình, nhà cửa , thay phận thể để thể ý đồ nghệ thuật nói chung Ba nhóm vật liệu dùng phổ biến công nghiệp là: Vật liệu kim loại, vật liệu vô – ceramic, vật liệu hữu – polyme  Vật liệu kim loại: Vật liệu khí vật dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trƣng, có khả biến dạng dẻo tốt nhiệt độ thấp nhƣng bền vững hóa học Vật liệu kim loại thơng dụng thép, gang, đồng, nhôm, titan, niken…, hợp kim chúng Khi khối kim loại gồm ngun tố hóa học gọi l kim loại nguyên chất Nếu có nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại chủ yếu gọi l hợp kim (hợp kim phải có tính kim loại) - Kim loại đen: kim loại hợp kim sở nguyên tố sắt (Fe), cụ thể sắt nguyên chất Hợp kim thép gang - Kim loại màu: kim loại hợp kim sở nguyên tố kim loại cịn lại nhƣ nhơm (al), đồng (Cu), chì (Pb), thiết (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn), silic (Si), mơlipđen (Mo),… * Kim loại màu lại phân làm loại sau : - Kim loại nhẹ: kim loại hợp kim có khối lƣợng riêng nhỏ hay 4g/cm3 nhƣ nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li),… - Kim loại nặng: kim loại hợp kim có khối lƣợng riêng lớn 4g/cm nhƣ sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm(Zn), niken (Ni), vôfram (w), môlipđen (Mo), Ziếc côn (Zr),… - Kim loại dễ chảy: l cc kim loại v hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp nhiệt độ nóng chảy sắt (1539°C) nhƣ nhơm (660°C),chì (327°C),vàng (1063°C)… - Kim loại khó chảy: kim loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao nhiệt độ nóng chảy sắt nhƣ titan (1665°C), crôm (1875°C), wonfam (3380°C)… - Kim loại quý: l cc kim loại hợp kim chúng có tính chất bền (trơ, khơng tác dụng hóa học) với mơi trƣờng thơng thƣờng kể loại axit nhƣ vàng, bạc, bạch kim,… - Kim loại : kim loại có trữ lƣợng vỏ đất nhƣ môlipđen, zieccon, lantan, xêri, xamari…  Vật liệu vô – ceramic: Vật liệu vô – ceramic chất dẫn điện kém, khơng biến dạng dẻo giịn, bền vững hóa học nóng chảy nhiệt độ cao Thành phần cấu tạo chúng hợp chất kim loại phi kim loại dƣới dạng oxit, cacbit, nitric Các ceramic truyền thống thủy tinh, gốm, sứ, gạch thƣờng gạch chịu lửa Ngồi cịn ceramic công nghiệp ceramic đặc biệt để sử dụng công nghiệp điện, điện tử, hàng không vũ trụ…  Vật liệu hữu – polyme: Vật liệu hữu – polyme chất dẫn điện kém, có khả biến dạng dẻo cao giòn nhiệt độ thấp, bền vững hóa học nhiệt độ thƣờng Nóng chảy phân hủy nhiệt độ thấp Hai nguyên tố thành phần chủ yếu chúng cacbon hydro Vật liệu hữu tự nhiên tự nhiên: cao su, xenlulo Vật liệu hữu sử dụng rộng rãi polyme tổng hợp polyetylen (PE), polyropilen (PP), polystyren (PS)… Ngồi ba nhóm cịn có loại vật liệu kết hợp gọi compozit, ví dụ: bê tông cốt thép (thép bể tông), vật liệu kết hợp kim loại polyme polyme với ceramic, ceramic với kim loại Các vật liệu có đặc điểm riêng: Vật liệu bán dẫn, siêu dẫn, vật liệu polyme dẫn điện, vật liệu silicon  Vai trò, ý nghĩa vật liệu sống: Vật liệu nói chung đóng vai trị định đến tiến phát triển xã hội lồi ngƣời Khơng phải ngẫu nhiên mà ngƣời ta gắn cho giai đoạn lịch sử loài ngƣời tên nhƣ: “Thời Đại Đồ Đá” “… Đồ Đồng, Đồ Sắt…” Việc sử dụng vật liệu mang ý nghĩa định cho thời đại Vật liệu gắn liền với suất lao động, chất lƣợng giá thành sản phẩm Vật liệu công nghệ bí hành đầu nhà sản xuất Riêng ngành khí, vật liệu chế độ xử lý có vai trị đặc biệt quan trọng hẳn ngành sản xuất khác Sản phẩm khí cơng cụ ngành sản xuất khác Công cụ lại yếu tố định đến suất, chất lƣợng sản phẩm Ngành khí sử dụng chủ yếu vật liệu kim loại Vật liệu có đặc tính quan trọng khả biến đổi tính phạm vi rộng, phụ thuộc phƣơng pháp xử lý khác ngƣời cố ý tạo Điều có ý nghĩa vơ quan trọng q trình hình thành sản phẩm khí (Gia cơng tạo hình dạng, kích thƣớc chíng xác cần vật liệu mềm dẻo Sau gia công làm việc cần độ cứng, độ bền) Lịch sử sản xuất xã hội loại ngƣời trải qua giai đoạn: Lao động thủ công (Chân tay công cụ thô sơ), Cơ khí hóa (sử dụng máy móc cơng cụ đại), điện khí hóa (Sử dụng nguồn lƣợng điện), Tự động hóa (Máy móc hồn tồn thay ngƣời), Tin học hóa (Dùng máy tính để điều khiển q trình sản xuất) Điều khơng có nghĩa vai trị ngành khí hết Ngƣợc lại phát triển ngày mạnh tinh xảo lòng phát triển ngành kĩ thuật sản xuất khác Nhƣ vậy, vật liệu kim loại có tầm quan trọng hàng đầu sản xuất khí, giao thơng vận tải, xây dựng,……Vì có vai trị định q trình tiến hóa lồi ngƣời  Khái quát trình phát triển ngành vật liệu:  Con ngƣời biết sử dụng vật liệu kim loại từ lâu 7000 năm trƣớc ngƣời biết sử dụng Đồng hợp kim Đồng (năm 5000 năm trƣớc Cơng ngun) Sau thời đại đồ sắt thay thời đại đồ đồng vào khoảng 5000 năm trƣớc co ngƣời biết gia công vật liệu kim loại phƣơng pháp: Luyện , Rèn, Đúc Đã tìm đƣợc vật chứng kim loại nhƣ dao kiếm có tuổi 5000 năm qua tôi, thấm Cacbon (Trung Hoa, Ấn Độ, Arập) Và sử sách ghi lại  Khoa học vật liệu kim loại đƣợc thực phát triển từ kỷ thứ 19 công nghiệp giao thơng đƣờng sắt phát triển mạnh địi hỏi phải tăng nhanh số lƣợng mà chất lƣợng thép Vì ngành luỵện kim phát triển mạnh thúc đẩy việc nghiên cứu kim loại Có thể đƣa mốc lịch sử sau:  Đầu kỉ 19 bắt đầu dùng kính hiển vi quang học để nghiên cứu cấu trúc tổ chức bên kim loại  1868 Yephob, kỹ sƣ luyện kim ngƣời Nga, nghiên cứu chế tạo nòng súng đại bác phát thảo sơ nét giản đồ trạng thái Fe-C  1900 giản đồ trạng thái Fe-C đƣợc hoàn thành hầu nhƣ thay đổi, có tọa độ đƣợc làm xác thêm mà thơi  Thế kỉ 20 kỉ sâu vào cấu trúc giải thích tƣợng, có mốc sau:  Những năm 1920 – 1930 áp dụng tia RơnGen vào nghiên cứu cấu trúc, phát quy luật xếp nguyên tử kim loại hợp kim  Những năm 1950 có kính hiển vi điện tử cho phép phân li kích thƣớc tới 0,2 – 0,4 m  Nhờ áp dụng tia RơnGen phƣơng pháp vật lý khác ngƣời ta biết chất tổ chức nhiệt luyện Từ năm 1930 – 1940 hoàn chỉnh công nghệ nhiệt luyện  Từ năm 1950 trở lại nghiên cứu mạnh khuyết tật cấu trúc kim loại áp dụng kết vào việc nâng cao độ bền  Từ năm 1970 nghiên cứu vật liệu siêu bền, siêu đàn hồi có tính chất lý đặc biệt (Kim loại vơ định hình)  Ở Việt Nam có lịch sử lâu đời sản xuất gia cơng vật liệu kim loại Chúng ta có sản phẩm có giá trị nhƣ trống Đồng Ngọc Lũ đƣợc đặt trụ sở HĐLHQ, tƣợng Đồng đen, kỹ thuật đúc chuông đồng….Rất tiếc khơng có tài liệu đƣợc lƣu truyền kỹ thuật đƣợc ông cha ta nghiên cứu sản xuất chúng  Ngày việc nghiên cứu Việt Nam chủ yếu áp dụng vật liệu kim loại phƣơng pháp xử lí chúng chế tạo máy có ý nghĩa vơ quan trọng Nó giúp cho sản phẩm khí ta ngày có sức cạnh tranh đứng vững thị trƣờng Cấu tạo vật liệu: Vật rắn cấu tạo nguyên tử (phân tử), nhƣng tùy loại vật rắn cấu tạo khác xếp nguyên tử (phân tử) chúng khác Vật rắn tự nhiên có hai hình thức xếp ngun tử (phân tử): Vật rắn vơ định hình vật rắn tinh thể Vật rắn vơ định hình vật rắn có cấu tạo mà nguyên tử (phân tử) khơng có xếp trật tự, khơng theo quy luật Ví dụ nhƣ than đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ….thông thƣờng phi kim loại Vật rắn tinh thể: vật rắn có cấu tạo từ nguyên tử (phân tử), có xếp trật tự theo quy luật Trong tự nhiên vật rắn tinh thể có hình dáng định, thƣờng vật kim loại Khi khảo sát vật rắn tinh thể thấy làm biến đổi cấu tạo (cấu trúc) làm biến đổi nhiều tính chất, đặc biệt tính, ảnh hƣởng đến tính sử dụng vật rắn Vật rắn tinh thể có cấu trúc bên mạng tinh thể Mạng tinh thể mơ hình hình học mơ tả xếp có quy luật nguyên tử (phân tử) không gian vật tinh thể  Mỗi mạng tinh thể có đặc trƣng riêng Để dễ nghiên cứu ngƣời ta lấy phần không gian nhỏ mạng gọi ô (ô sở)  Ơ sở (ơ bản) khối thể tích nhỏ đặc trƣng cách đầy đủ xếp trật tự có quy luật nguyên tử (phân tử) mạng tinh thể Phần lớn 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: mạng tinh thể có sở hình lập phƣơng nguyên tử nằm đỉnh tâm khối Ký hiệu  Ví dụ: Các kim loại nguyên chất có loại mạng tinh thể nhƣ Cr, W, V, Mo………  Mạng tinh thể lập phương tâm mặt (lập phương diện tâm)  Định nghĩa: loại mạng tinh thể có sở hình lập phƣơng ngun tử nằm đỉnh tâm 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: loại mạng tinh thể có sở hình lục lăng nguyên tử nằm đỉnh, tâm mặt đáy tâm ba lăng trụ tam giác cách  Ví dụ: Các kim loại nguyên chất có loại mạng tinh thể này: Mg, Zn,… Sự biến đổi mạng tinh thể kim loại: a Tính thù hình kim loại: Định nghĩa: Tính thù hình kim loại loại kim loại có nhiều mạng tinh thể khác tồn khoảng nhiệt độ khác b Đặc tính thù hình: Các dạng thù hình khác đƣợc ký hiệu chữ Hy Lạp theo nhiệt độ từ thấp đến cao:  ,   ,  …… Khi có chuyển biến thù hình kim loại có kèm theo thay đổi thể tích bên thay đổi tính chất Đây đặc tính quan trọng sử dụng chúng c Ví dụ: Sơ đồ tính thù hình sắt: Các thơng 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 trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu mạng tinh thể ba khoảng nhiệt độ khác (  9110C, 9110C – 13920C, 13920C – 15390C) Vậy 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 sắt) tính chất Fe thay đổi theo II TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU Cơ tính: đặc trƣng học biểu thị khả kim loại hay hợp kim chịu tác động loại trải trọng Các đặc trƣng bao gồm: a Độ bền: khả vật liệu chịu đƣợc tác động ngoại lực mà không bị phá hủy Độ bền đƣợc ký hiệu chữ σ (xích ma) Tùy theo dạng khác ngoại lực ta có loại độ bền: độ bền kéo σ k, độ bền uốn σu, độ bền nén σn ) Độ bền tính theo cơng thức: Độ cứng: khả vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén Nếu giá trị lực nén, vết lõm biến dạng mẫu đo lớn, sâu độ cứng mẫu kim loại Đơ cứng đƣợc tính theo cơng thức: HB = F- diện tích mặt cầu vết lõm (mm2) P- Tải trọng nén viên bi (N) HB- Độ cứng (N/mm2) Độ cứng HB dùng kiểm tra vật liệu có độ cứng khơng lớn 450 (kN/mm2) b Độ dãn dài tƣơng đối [δ %] tỷ lệ tính theo phần trăm lƣợng dãn dài kéo chiều dài ban đầu l0 - độ dài mẫu trƣớc kéo (mm) l - độ dài mẫu sau kéo (mm) Vật liệu có độ dãn dài [δ %] lớn dẻo ngƣợc lại c Độ dai va chạm (ak J/mm2, kJ/m2) khả chịu đựng vật liệu tải trọng mà không bị phá hủy Lý tính: 10 - Thép tct: t0th = ac3 + (20-300c) - Thép sct: t0th = acm + (20-300c) Mục đích - Làm tăng độ cứng thép bon thấp (c < 0.3%) phù hợp gia công cắt giọt - Làm nhỏ hạt thép (phơi có c < 0.3% làm nhỏ hạt thƣờng hóa, c> 0.3% ủ ) - Mất lƣới xeii thép sau tinh c Tôi (Trui) Định nghĩa Tôi phƣơng pháp nhiệt luyên gồm có nung nóng chi tiết tới trạng thái , giữ nhiệt làm nguội với tốc độ >= tốc độ tới hạn (tốc độ tới hạn tốc độ nhỏ để  Maxtenxit) Mục đích - Làm tăng độ bền chi tiết để tăng khả chịu tải (áp dụng cho loại thép) - Làm tăng độ cứng để tăng khả chống mài mòn chi tiết (áp dụng cho chi tiết c > 0.35-0.4% Nhiệt độ – độ thấm * Nhiệt độ tơi: chọn phù hợp với nồng độ c có thép - Thép trƣớc tinh thép tinh tơi hồn tồn (là nung nóng tới trạng thái hồn tồn ) t0tơi = Ac3 + (30-500c) - Thép sau tinh tơi khơng hồn tồn (là nung nóng tới trạng thái khơng hồn tồn mà + xe) t0tơi = Ac1 + (30-500c) * Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ thấm tôi: + Độ thấm chiều dày lớp đƣợc tơi đƣợc tính từ bề mặt chi tiết đến vùng ½ maxtenxit+ ½ troxtit - Vận tốc tới hạn bé độ thấm tơi lớn, thép có hàm lƣợng hợp kim nhiều độ thấm tăng ngƣợc lại - Anh hƣởng tốc độ nguội, làm nguội nhanh độ thấm tăng lên nhƣng không nên lạm dụng gây ứng suất dẫn đến cong vênh 46 Các phƣơng pháp * Tôi môi trƣờng v1 - Nung nóng thép đến nhiệt độ tơi giữ nhiệt làm nguội mơi trƣờng đó(nƣớc, dầu) với tốc độ đủ nhanh đến nhiệt độ định để maxtenxit - Phƣơng pháp làm chi biến dạng nứt, v * Tôi hai môi trƣờng v2 Ở nhiệt độ cao thép làm nguội môi trƣờng mạnh (nƣớc) đến nhiệt độ chuyển biến maxtanxit thép chuyển biến sang làm nguội yếu (dầu) nguội hẳn - Phƣơng pháp khắc phục nhƣợc điểm phƣơng pháp v1 - Khó xác định nhiệt độ tơi mơi trƣờng v1 sang v2 * Tôi phận - Tôi phần làm việc chi tiết, cần có độ cứng khả chống mài mòn - Nhiệt độ tb 727< t0