Giáo trình vật liệu cơ khí (nghề cắt gọt kim loại CĐTC)

TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP KHOA CƠ KHÍ – XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số:……, ngày……, tháng……, năm 2017 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun trích dùng 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 Để đáp ứng nhu cầu tài liệu học tập cho sinh viên tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên giảng dạy mơn học “Vật liệu khí” Nội dung giáo trình nhằm trang bị kiến thức vật liệu ngành Cơ khí cho sinh viên hệ cao đẳng nghề, trung cấp nghề Nội dung gồm hai phần: Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại nhiệt luyện gồm: tính chất chung kim loại, gang, thép, kim loại màu hợp kim màu, biến đổi tính chất kim loại nhiệt luyện phƣơng pháp nhiệt luyện Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm tính chất công dụng vật liệu phi kim loại thƣờng dùng ngành chế tạo khí nhƣ, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit Trong trình biên soạn tham khảo nhiều tài liệu vật liệu khí trƣờng dạy nghề nhiều tài liệu khác Mặc dù có nhiều cố gắng, song khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong đƣợc đồng nghiệp bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu ngày hoàn chỉnh Đồng Tháp, ngày ….tháng … năm 2017 Tham gia biên soạn Chủ biên: MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Tầm quan trọng kim loại hợp kim Cấu tạo kim loại hợp kim Tính chất chung kim loại hợp kim 10 Các phƣơng pháp thử kim loại hợp kim 12 Hiện tƣợng ăn mòn kim loại 17 Phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại 18 CHƢƠNG 2: GANG 21 Khái niệm chung gang 21 Phân loại gang 24 CHƢƠNG THÉP 35 Thành phần hoá học ảnh hƣởng nguyên tố 35 Ảnh hƣởng nguyên tố tới tính chất thép 36 Các phƣơng pháp phân loại thép 38 Các loại thép cacbon 39 Thép hợp kim 44 Xác định mác thép tia lửa mài 56 CHƢƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 61 Khái niệm nhiệt luyện 61 Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C 63 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình nhiệt luyện 67 Các hình thức nhiệt luyện 68 Các dạng sai hỏng thƣờng gặp nhiệt luyện 83 Hóa nhiệt luyện 87 CHƢƠNG 5: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU 95 Đặc điểm tính chất chung kim loại màu 95 Nhôm hợp kim nhôm 96 Đồng hợp kim đồng 99 Thiếc – chì- kẽm 105 Hợp kim làm ổ trƣợt 106 CHƢƠNG 6: CAO SU-GỖ-AMIĂNG 113 CAO SU 113 2.GỖ 113 3.AMIĂNG 114 TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO 116 CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mã chƣơng: CMH10-01 Mục tiêu: - Trình bày đƣợc đặc điểm, cấu tạo kim loại hợp kim Phân biệt đƣợc kim loại hợp kim thƣờng dùng ngành khí chế tạo - Trình bày đƣợc tính chất lý hố, tính cơng nghệ kim loại hợp kim Mô tả đƣợc phƣơng pháp đo độ cứng đơn giản, có khả đo trực tiếp sản phẩm mà không phá hỏng chúng Phƣơng pháp thử độ cứng HB, HRC phƣơng pháp thử độ bền, độ dẻo vật liệu - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Tầm quan trọng kim loại hợp kim Để xây dựng phát triển kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển công nghiệp nặng , ngành chế tạo khí quan trọng - Để chế tao loại máy móc thiết bị khí phải có vật liệu , kim loại vật liêu chủ yếu Sở dĩ kim loại vật liệu đƣợc sử dụng chủ yếu ngành chế tạo khí có nhiều tính chất ƣu điểm quan trọng , ƣu việt hẳn so với loại vật liệu khác - Ngày , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệu khác nhƣ : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , Với tính ngày tốt sản lƣợng ngày cao , nhƣng không thay hoàn toàn đƣợc cho kim loại hợp kim - Do , bên cạnh việc nghiên cứu thay kim loại hợp kim vật liệu phi kim loại có tính thích ứng , ngƣời ta tiếp tục nghiên cứu để tìm kim loại hợp kim có tính ƣu việt nhƣ : Nhẹ , bền , chịu ăn mòn , chịu nhiệt , chịu va đập , Việc nghiên cứu sản xuất loại gang , thép trọng tâm công nghiệp vật liệu nói riêng kinh tế quốc dân nói chung tất nƣớc có công nghiệp phát triển Cấu tạo kim loại hợp kim 2.1 Cấu tạo kim loại 2.1.1 Khái niệm kim loại Kim loại vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn đƣợc , có tính dẫn điện , nhiệt cao Phƣơng diện hóa học kim loại nguyên tố dễ nhƣờng điện tử phản ứng hóa học 2.1.2 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại Trạng thái (e) nguyên tử đƣợc xác định số lƣợng tử: n - Số lƣợng tử l - Số lƣợng tử quỹ đạo m - Số lƣợng tử tử ms - Số lƣợng tử Spin Các (e) chuyển động nguyên tử giới hạn , lớp xác định tƣơng ứng với số lƣợng tử chính.n = 1, 2, 3, K, L, M, Trong lớp đƣợc chia làm nhiều lớp , tƣơng ứng với số lƣợng tử quỹ đạo l = , 1, 2, 3, , (n-1) đƣợc ký hiệu lớp : s, p ,d ,f , Mỗi trạng thái (e) nguyên tử tƣơng ứng với lƣợng xác định Theo học lƣợng tử cấu hình (e) nguyên tử đƣợc cấu tạo nhƣ sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 Phân lớp con: s - Tối đa 2(e) p - Tối đa 6(e) d - Tối đa 10(e) f - Tối đa 14(e) VD: Al13 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Fe 26 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 C6 : 1s2 2s2 2p2 Từ cấu hình ta rút lớp ngồi có liên kết yếu nên dể gây phản ứng hóa họ 2.1.3 Liên kết kim loại Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết kim loại đƣợc gọi liên kết kim loại Liên kết kim loại đƣợc mô tả nhƣ sau: Ở nút lƣới ion (+), kim loại khoảng không nút lƣới (e) tự tao thành khí điện tử Liên kết kim loại tạo thành lực hút màng ion (+) với khí (e) Do mà kim loại có tính dẻo 2.1.4 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại a Mạng tinh thể ô Hình: 1.1: mạng tinh thể - Trong kim loại kim loại đƣợc xếp cách trật tự tuần hồn khơng gian - Các nguyên tử kim loại đƣợc xếp cách có trật tự nguyên tử nằm mặt phẳng song song cách gọi mặt tinh thể, tập hợp vô số mặt tinh thể nhƣ lập thành mạng tinh thể - Tồn mạng khơng gian xem nhƣ đƣợc tạo thành hình khối nhỏ đơn giản giống mà cách xếp phân tử đại diện chung cho tồn mạng nhƣ gọi b Các kiều mạng tinh thể thường gặp Lập phương thể tâm Hình: 1.2: Lập phương thể tâm Cấu tạo: Trong ô kiểu mạng có nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lập phƣơng hình lập phƣơng có nguyên tử - Khoảng cách a tâm nguyên tử kề ô mạng tinh thể, gọi thông số mạng Độ lớn đo Ao ( Ángtrong ) 1Ao = 10-8 cm - Các kim loại có kiểu mạng này: Fe ,Cr ,Mo ,W , Lục phương dày đặc Cấu tạo: Trong ô kiểu mạng có nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lục lăng hai nguyên tử nằm 1.3: trung hai mặt đáy ba Hình: Lậptâm phương dày đặc nguyên tử nằm trung tâm ba khối lăng trụ tam giác - Các kim loại có kiểu mạng này: Zn ,Cu ,Mg , * Sự biến đổi mạng tinh thể kim loại Ở trạng thái rắn điều kiện trời thay đổi ( áp suất , nhiệt độ v.v ) tổ chức kim loại thay đổi theo Nghĩa dạng ô thay đổi thơng số mạng có giá trị thay đổi ngƣời ta gọi biến đổi mạng tinh thể Ví dụ : Sự chuyển biến thù hình sắt ToC Lng LPTT 1400 Fe Khäng cọtỉìtênh 1539o o o o 1392  LPDT Fe o 910 - 1392o o 910 1000 o 768 800 LPTT Fe o o  500 Cọtỉìtênh 1600 t ( thåìi gian ) Så âäưbiãú n âäø i mả ng tinh thãøca sàõ t ( Fe ) 2.2 Cấu tạo hợp kim Trong thực tế kim loại nguyên chất dùng , độ bền thấp khả ứng dụng không cao Nên phải dùng tới thép hợp kim 2.2.1 Khái niệm chung a Định nghĩa Hợp kim dạng vật chất có tính kim loại nhận biết đƣợc cách nấu chảy hay liên kết kim loại với hay nhiều nguyên tố khác Thành phần hợp kim đƣợc biểu diễn o/o trọng lƣợng b Pha, hệ thống (hệ), nguyên * Pha: Là tổ phần đồng hợp kim hệ thống chúng có thành phần đồng trạng thái nhƣ: lỏng lỏng, rắn rắn, nhƣng phải kiểu mảng Chúng ngăn cách bề mặt phân chia * Hệ thống (hệ): Tập hợp pha trạng thái cân * Nguyên: Là thành phần độc lập tạo nên pha (Hệ) 2.2.2 Cấu tạo hợp kim a Dung dịch đặc Hợp kim có cấu tạo dung dịch đặc nguyên tử ngun tố thành phần có kích thƣớc gần giống Khi kết tinh, hợp kim tạo thành mạng tinh thể có nguyên tử nguyên tố thành phần a b a - Mạng tinh thể sắt thay c Hình: 1.5: Mạng tinh thể b - Mạng tinh thể dung dịch đặc thay c - Mạng tinh thể dung dịch đặc xen kẽ Có hai loại dung dịch đặc: * Dung dịch đặc thay thế: Ví dụ : Cu Ni: Nguyên tử Ni đẩy số nguyên tử Cu khỏi nút mạng tinh thể thay vào vị trí * Dung dịch đặc xen kẽ Nguyên tử nguyên tố hoà tan Ví dụ : C , O2 , Bo , Nằm xen kẽ vào lỗ hổng nút mạng tinh thể nguyên tố kim loại (dung mơi) b Hợp chất hóa học Hợp chất có cấu tạo hợp chất hóa học, nguyên tử nguyên tố khác nhau, tác dụng hóa học với theo tỉ lệ xác nguyên tử có kiểu mạng định có thành phần hóa học xác định biểu diễn cơng thức hóa học c Hỗn hợp học Hợp kim có cấu tạo hỗn hợp học nguyên tử nguyên tố thành phần khác kích thƣớc mạng tinh thể Tính chất chung kim loại hợp kim 3.1 Tính chất vật lý a Vẻ sáng mặt ngoài: Chia làm loại: Kim loại màu kim loại đen - Kim loại màu hợp kim đen: Là Fe hợp kim Fe với C (thép, gang) - Kim loại màu hợp kim màu: Là tất kim loại hợp kim lại b Khối lượng riêng: Là số đo khối lƣợng vật chất chứa đơn vị thể tích vật thể γ Trong đó: m (Kg/m ) V m - Khối lƣợng vật thể ( Kg ) V - Thể tích vật thể ( m3 ) c Trọng lượng riêng: Là trọng lƣợng đơn vị thể tích vật thể d P V ( KG/mm3 N/mm3 ) Trong đó: P - Trọng lƣợng vật ( KG, 1KG ~ 10N ) d Tính nóng chảy: Là tính chất kim loại chảy lỗng nung nóng làm nguội e Tính dẫn điện: Là khả dẫn điện kim loại hợp kim f Tính truyền nhiệt: Là khả truyền nhiệt kim loại hợp kim đốt nóng nguội 10 La tơng với số hiệu LCuZn20 có màu vàng giồng vàng nên đƣợc dùng làm đồ trang sức dùng để trang trí LCuZn30 LCuZn32 có tính tổng hợp tốt latơng, đặc biệt có tính dẻo cao nên đƣợc dùng để rập vỏ đạn, làm ống dẫn chi tiết rập sâu Chúng có tên gọi patrơn LCuZn37 latơng pha có độ bền cao La tơng hai pha có độ bền cao nhƣng lại dẻo la tông pha Thƣờng dùng latông hai pha LCuZn40 dạng tấm, băng, ống, dây để làm chi tiết rập yêu cầu độ bền cao b Latơng phức tạp Trong latơng phức tạp, ngồi Cu Zn ngƣời ta đƣa vào nguyên tố đặc biệt để cải thiện số tính chất hợp kim Các nguyên tố đặc biệt cho vào latông Pb, Sn, Al, Ni Cho Pb vào latông để làm tăng tính cắt gọt Latơng hai pha LCuZn40Pb1 (59%Cu, 1%Pb, cịn lại 40%Zn) có tính cắt gọt tốt Pb khơng hồ tan Cu, tạo thành hạt riêng rẽ tổ chức dễ làm gãy phoi Hợp kim đƣợc dùng làm chi tiết gia công cắt sau đúc mà không biến dạng Cho Sn vào latơng để làm tăng tính chống ăn mịn mơi trƣờng nƣớc biển LCuZn29Sn1 (có 70%Cu 1%Sn) dùng để làm ống chi tiết máy tàu biển Cho Al Ni vào latông để làm tăng tính Ví dụ LCuZn36Al3Ni2 (có 59%cu, 3%Al, 2%Ni) có ζb = 500N/mm2 δ = 42% Ngồi tính chất khí cơng nghệ nêu, latơng cịn có tính chơng ăn mịn cao khơng khơng khí nƣớc máy Latơng hai pha có tính chống ăn mịn latơng pha Nhƣợc điểm latơng có khuynh hƣớng tự nứt Sau biến dạng nguội, chi tiết latơng cịn tồn ứng suất dƣ bên trong, dễ bị ăn mịn nứt khơng khí ẩm, amoniăc nƣớc biển La tơng có chứa nhiều 20%Sn dễ có tật hỏng Để tránh sau biến dạng nguội phải ủ 250 – 3000C 1h hay cho vào 1,0 – 1,5%Si 3.2.2 Brông Brông hợp kim đồng với nguyên tố trừ Zn, ngƣời ta phân biệt brông khác theo nguyên tố hợp kim chủ yếu đƣa vào, ví dụ hợp kim Cu – Sn đƣợc gọi brông thiếc, Cu – Al gọi brông nhôm… 102 Theo TCVN brong đƣợc ký hiệu bắt đầu chữ B Cu, Zn ký hiệu nguyên tố hợp kim Hàm lƣợng phần trăm nguyên tố viết sau ký hiệu tƣơng ứng ngun tố ấy, Cu lƣợng cịn lại a Brơng thiếc Brông thiếc hợp kim đồng với nguyên tố hợp kim chủ yếu thiếc Giản đồ trạng thái Cu – Sn giản đồ trạng thái phức tạp Trong thực tế dùng brông với lƣợng < 15%Sn Về tính, lƣợng thiếc thấp (