Giáo trình vật liệu công nghiệp (nghề cơ điện tử cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN ANH DŨNG (Chủ biên) BÙI VĂN CÔNG - TRƯƠNG VĂN HỢI GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU CƠNG NGHIỆP Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh-sinh viên tài liệu cho giảng viên giảng dạy Khoa khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam-Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình ‘’VẬT LIỆU CÔNG NGHIỆP’’ dành riêng cho học sinh-sinh viên nghề Hàn Đây môn học chuyên môn nghề chương trình đào tạo nghề Hàn trình độ Cao đẳng Nhóm biên soạn tham khảo nhiều tài liệu công tác ‘’tổ chức quản lý sản xuất’’ doanh nghiệp nước, kết hợp với kinh nghiệm thực tế quản lý sản xuất Mặc dù nhóm biên soạn có nhiều cố gắng, khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp, độc giả để giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Chủ biên: Nguyễn Anh Dũng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Kim loại 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 1.3 Khái niệm mạng tinh thể 10 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình vật rắn 17 1.5 Đơn tinh thể đa tinh thể 25 1.6 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 26 Chương 2: Hợp kim biến đổi tổ chức 31 2.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 31 2.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 37 2.3 Giản đồ pha Fe - C(Fe – Fe3C) 50 Chương 3: Nhiệt luyện 55 3.1 Khái niệm nhiệt luyện 55 3.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 57 3.3 Ủ thường hóa thép 63 3.4 Tôi thép 66 3.5 Ram thép 71 3.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện 73 Chương 4: Vật liệu kim loại 77 4.1 Thép cacbon 77 4.2 Thép hợp kim 83 4.3 Gang 105 Chương 5: Hợp kim màu phi kim 116 5.1 Hợp kim màu 116 5.2 Gỗ 127 5.3 Chất dẻo 130 5.4 Vật liệu compozit 136 Tài liệu tham khảo 140 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Vật liệu công nghiệp Mã số môn học: MH 08 Thời gian môn học: 45giờ (LT: 41giờ; TH: 2giờ; KT: 2giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MƠN HỌC - Vị trí: + Mơn học bố trí trước, đồng thời sau sinh viên học xong môn học chung bắt buộc + Mơn học bố trí trước mơn học, mơ-đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: buộc + Là môn học kỹ thuật sở thuộc môn học, mô đun đào tạo nghề bắt II MỤC TIÊU MƠN HỌC - Kiến thức: + Trình bày đặc điểm, tính chất lý, ký hiệu phạm vi ứng dụng số vật liệu thường dùng ngành khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội + Giải thích số khái niệm nhiệt luyện hoá nhiệt luyện + Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm gõ, đập búa, xem tia lửa mài + Xác định tính chất, cơng dụng loại vật liệu thường dùng cho nghề - Kỹ năng: + Có khả tự mua loại vật liệu theo yêu cầu sản xuất + Đo độ cứng HB, HRC + Nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện thép gió, đục - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập III NỘI DUNG MÔN HỌC: Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Thời gian Số TT I Thực hành, thảo Tổng Lý số thuyết luận, thí nghiệm, tập Tên chương, mục Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Kiểm tra* 0 10 Cấu tạo liên kết nguyên tử Sắp xếp nguyên tử vật chất Khái niệm mạng tinh thể Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn Đơn tinh thể đa tinh thể Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại II Chương 2: Hợp kim biến đổi tổ chức Cấu trúc tinh thể hợp kim Giản đồ pha hệ hai cấu tử Giản đồ pha Fe - C (Fe- Fe3C) Chương 3: Nhiệt luyện III Khái niệm nhiệt luyện thép Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép Ủ thường hố thép Tơi thép Ram thép Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép Chương 4: Vật liệu kim loại Thép Cácbon IV Thép hợp kim 6 0 Gang Chương 5: Hợp kim màu phi kim V Hợp kim màu Gỗ Chất dẻo Vật liệu Compozit Cộng 30 Nội dung chi tiết 26 2 Chương 1: Cấu trúc tính vật liệu Kim loại Giới thiệu chương Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) tương tác phần tử cấu thành (lực liên kết phân tử, nguyên tử), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng, khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào cách xếp phần tử cấu thành lực liên kết chúng Trong chương khái niệm đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, dạng liên kết cấu trúc tinh thể, khơng tinh thể (vơ định hình) vật rắn Mục tiêu - Trình bày đặc điểm, cấu tạo kim loại hợp kim - Phân biệt kim loại hợp kim thường dùng ngành khí chế tạo - Trình bày tính chất lý hố, tính cơng nghệ kim loại hợp kim - Mô tả phương pháp đo độ cứng đơn giản, có khả đo trực tiếp sản phẩm mà không phá hỏng chúng - Đo độ cứng HB, HRC vật liệu - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử Nguyên tử hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương điện tử (electron) mang điện âm chuyển động xung quanh Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ proton nơtron Hạt nơtron không mang điện cịn hạt proton mang điện dương, có điện tích điện tích nguyên tử Ở trạng thái thường, ngun tử chung hịa điện số lượng proton số lượng điện tử Số đặc trưng số thứ tự nguyên tử(Z) bảng tuần hoàn Menđeleev Vì khối lượng proton nơtron lớn nhiều so với điện tử (khoảng 1830 lần) khối lượng nguyên tử xác định khối lượng hạt nhân Với khối lượng điện tử proton, hạt nhân chứa số lượng nơtron khác tạo thành đồng vị nguyên tố hóa học 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết tạo hai(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử lớp ngồi Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 1.1.2.2 Liên kết ion Đây loại liên kết mạnh dễ xẩy ngun tử có điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử để tạo thành ion dương nguyên tố nhóm IB(Cu, Ag, Au), IIB(Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm nguyên tố nhóm VIB (O, S ) Hình 1.2 biểu diễn liên kết ion phân tử LiF Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên kết phân tử LiF Hình 1.3 Sơ đồ liên kết kim loại 1.1.2.3 Liên kết kim loại Đây loại liên kết đặc trưng cho vật liệu kim loại, định tính chất đặc trưng loại vật liệu Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại Có thể hình dung liên kết sau: ion dương tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự "chung" Năng lượng liên kết tổng hợp (cân bằng) lực hút (giữa ion dương điện tử tự bao quanh) lực đẩy (giữa ion dương) Chính nhờ cân nguyên tử, ion kim loại ln có vị trí cân xác định đám mây điện tử Liên kết kim loại thường tạo kim loại ngun tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt khỏi nguyên tử trở nên tự (không bị ràng buộc nguyên tử nào) tạo nên "mây" hay "biển" điện tử 1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp Thực ra, liên kết đồng hóa trị túy có trường hợp liên kết đồng cực (giữa nguyên tử nguyên tố hóa học) Trong trường hợp liên kết dị cực (giữa nguyên tử nguyên tố khác nhau) Điện hóa trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược : - Bị hút hạt nhân “của mình” - Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung” Khả hạt nhân hút điện tử hóa trị gọi tính âm điện nguyên tử Sự khác tính âm điện nguyên tử liên kết đồng hóa trị làm cho đám mây điện tử “chung” bị biến dạng tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố liên kết ion Tính ion liên kết lớn khác tính âm điện nguyên tử lớn Ví dụ Na có tính âm điện 0,9 cịn Cl 3,0 Do liên kết Na Cl hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion 48% liên kết đồng hóa trị Tất liên kết dị cực mang tính chất hỗn hợp liên kết ion đồng hóa trị 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Van der Waals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải tạo thành phân tử nước ( O) polyetylen ( )n Nhưng không cho phép lý giải tạo thành số vật rắn từ phân tử trung hòa nước đá polyme… Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, khác tính âm điện nguyên tử, trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, ngẫu cực điện tạo thành, phân tử bị phân cực Liên kết van der waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực trạng thái rắn Liên kết loại liên kết yếu, rễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ) Vì chất rắn sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 1.2.1 Khơng trật tự hồn tồn, chất khí Chất khí chiếm tồn thể tích chứa nén Các nguyên tử (phân tử) chất khí ln ln chuyển động ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) đơn vị thể tích thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Vị trí tương ứng chúng ln thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên Trung bình nguyên tử (phân tử) chiếm thể tích tương ứng hình cầu Đường kính trung bình nm 1.2.2 Chất rắn tinh thể Trong vật rắn tinh thể nguyên tử có vị trí hồn tồn xác định khơng so với nguyên tử gần mà nguyên tử khác xa Không gian xung quanh ngun tử có cấu tạo hồn tồn đồng Nói cách khác tinh thể có trật tự xa Hình 1.4 cấu trúc tinh thể muối ăn, hình 1.5 cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể muối ăn 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vơ định hình vi tinh thể Một cách gần đúng, thể tích khối lượng chất lỏng đại lượng không đổi Giống vật rắn nguyên tử có xu tiếp xúc với chiếm khơng gian hình cầu kích thước khoảng 0,25 mm Nên chất lỏng khơng có tính chịu nén - Chất rắn vơ định hình vi tinh thể: Theo xếp có trật tự khơng gian nguyên tử, ion hay phân tử(gọi tắt chất điểm) người ta chia chất rắn làm hai nhóm vật tinh thể vật vơ định hình Trong vật rắn tinh thể chất điểm xếp theo quy luật(trật tự) hình học định, cịn vật vơ định hình chất điểm xếp hỗn loạn Tất kim loại hợp chất chúng trạng thái rắn vật tinh thể hay nói khác có cấu tạo tinh thể Điển hình vật vơ định hình thủy tinh, nhựa, hai trạng thái lỏng rắn chất điểm xếp không trật tự Sự khác chất lỏng vật rắn thể sau: Các nguyên tử luôn chuyển động ba động nhiệt Nhận thấy rằng, vùng khơng gian nhỏ (cỡ kích thước ngun tử), số ngun tử xếp có trật tự, khơng ổn định luôn bị phá vỡ ba động nhiệt Như chất lỏng có trật tự gần Ngược với tính dị hướng chất rắn vật rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng chất lỏng số lượng nguyên tử, Ví dụ: C1xxxx - C10100 C2xxxx - C26000 (hợp kim đồng niken) 5.1.3 Ni ken hợp kim niken 5.1.3.1 Ni ken nguyên chất Niken kim loại mà người biết sử dụng lâu, có nhiều đặc tính q báu, niken sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp điện, điện tử, hóa học… Niken kim loại có tính cao (бb = 40 ÷ 50) KG/ mm2, δ =50%) Trong công nghiệp luyện kim, niken nguyên tố quý, đưa thêm niken với lượng thích hợp vào thép làm tăng đồng thời độ bền lẫn độ dẻo dai cho thép Những tính chất vật lý đáng lưu tâm ni ken: - Khối lượng riêng 8,9 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy 14550C - Điện trở suất 6,84MΩ/cm - Độ dẫn nhiệt 1,428.10-4cal/cm.s 0C (0 ÷ 100)0C Niken có tính ổn định hóa học, tính chống ăn mịn tốt nhiều môi trường Niken không độc, không gây phân hủy vitamin, nên dùng rộng rãi, làm dụng cụ, thiết bị công nghiệp thực phẩm 5.1.3.2 Hợp kim niken Hợp kim niken thường chứa nguyên tố hợp kim như: Cu, Mn, Mg, Cr, Si…dưới giới thiệu nhóm hợp kim niken quan trọng (bảng 5.3 ) Bảng 5.3 Thành phần hợp kim Niken Thành phần % Tên hợp kim Mn Cu Cr Ni + Co Còn lại - - Cromen 1HX9 – - Cịn lại ÷ 10 43 Cromen 2HX - 8,5 ÷ 9,5 Cịn lại Constantan 1,5 - Các hợp kim niken có nhiều cơng dụng khác nhau: - Hợp kim niken dùng kỹ thuật điện: chế tạo cặp nhiệt, dây bù, điện trở, dây nung 126 - Hợp kim niken dùng làm vật liệu từ: chế tạo nam châm điện, lõi biến - Hợp kim niken có hệ số giãn nở đặc biệt dùng làm dụng cụ đo, thuộc nhóm gồm vật liệu: Inva, Elnivar, kovar, đặc điểm chúng có hệ số giản nở nhiệt gần không - Hợp kim bền ổn định nóng, dùng cơng nghiệp hóa chất kỹ thuật quân 5.1.4 Kẽm hợp kim kẽm 5.1.4.1 Kẽm nguyên chất Kẽm kim loại có màu trắng xanh với tỷ trọng 7,133g/cm3 200C Nhiệt độ nóng chảy kẽm 419,450C Nhiệt độ sôi 760mmHg 9060C Tỷ trọng kẽm nhiệt độ nóng chảy 6,6g/cm3 Khi kết tinh tạo mạng tinh thể lục giác xếp chặt Kẽm nhiệt độ thường giòn dẻo nhiệt độ (100 ÷ 150)0C Trên 1500C kẽm trở lên giịn 2000C dễ tạo thành bột Giới hạn bền kẽm (бb = 20 ÷ 25) KG/ mm2, δ = ( 40 ÷ 50)%, độ cứng đạt (30 ÷60)HB Sắt cho vào làm tăng độ cứng kẽm, làm giảm độ dai va đập kẽm nguyên tố có tính ổn định chống ăn mịn tốt khí quyển, phủ bảo vệ Bằng thực nghiệm người ta thấy, tốc độ ăn mòn kẽm thay i (1 ữ 1,6) àm/nm Km c dựng khỏ nhiều dạng nguyên chất lẫn hợp kim Ở dạng nguyên chất kẽm dùng nguyên liệu công nghệ mạ kẽm, hàn kẽm nguyên tố hợp kim công nghệ sản xuất hợp kim nhôm, đồng, ma giê 5.1.4.2 Hợp kim kẽm Hợp kim kẽm chia thành hai loại: hợp kim kẽm đúc hợp kim kẽm biến dạng a Hợp kim kẽm đúc: thường dùng nguyên tố hợp kim chủ yếu: Cu, Ai, Mg, công dụng chủ yếu loại hợp kim để tạo chi tiết chịu ma sát ổ trục Các mác vật liệu thường dùng AM 10 – 5( gồm 10% Al, 5% Cu, lại kẽm) b Hợp kim kẽm biến dạng: sử dụng hợp kim kẽm đúc 5.2 Gỗ 5.2.1 Khái niệm gỗ 5.2.1.1 Thành phần 127 Gỗ loại sản phẩm hữu tự nhiên, có cấu trúc phức tạp Thành phần bao gồm: xenlulo lignin Những phân tử tinh thể xenlulo tạo nên 45 ÷ 50% vật chất rắn gỗ Xenlulo có gỗ loại pơlime mạch thẳng có chứa đơn vị gluco với độ trùng hợp 5.000 đến 10.000 5.2.1.2 Phân loại gỗ Trên sở thức vật học, người ta phân gỗ thành hai loại: - Cây kim loại có hạt trần loại hạt có vỏ bọc cho gỗ mềm Loại gỗ mềm thường xanh quanh năm - Cây rộng rụng theo mùa, cho gỗ cứng Loại đa dạng phong phú, ví dụ: loại sồi trứng, lim xanh, lim xẹt, đinh 5.2.2 Tính chất lý gỗ 5.2.2.1 Cơ tính Cơ tính gỗ khác theo hướng khác nhau, tính dị hướng Theo thớ ngang (R T) độ bền theo thớ dọc (L) Cơ tính phụ thuộc nhiều vào trọng lượng riêng gỗ, gỗ nặng bền Cũng kim loại người ta kiểm tra độ bền, kéo, nén, uốn, xoắn gỗ để sử dụng điều kiện chịu tải thích hợp Ngồi độ bền cịn quan tâm đến độ cứng, tính chống mài mịn gỗ Theo độ cứng gỗ chia làm ba loại: gỗ cứng, gỗ cứng gỗ mềm Giữa độ cứng tỷ trọng gỗ có mối quan hệ: tỷ trọng tăng, độ cứng tăng 5.2.2.2 Tính hút ẩm Gỗ có tính hút ẩm mạnh, trừ trường gỗ sấy khô, hàm lượng nước thấp, nói chung lượng nước chứa gỗ cao Để tính lượng nước gỗ người ta sử dụng mối quan hệ: Hàm lượng nước gỗ (H20)% = H20 mẫu / H20 gỗ khô x100% Hàm lượng nước trung bình lớp nhựa gỗ tươi khoảng 150%.Tùy theo lượng nước trung bình gỗ mà phân loại chúng theo độ khô sau: Gỗ tươi – gỗ có độ ẩm phụ thuộc khí hậu đạt tới 200% Gỗ ướt – gỗ ngâm nước thời gian dài, có độ ẩm cao gỗ tươi Gỗ phơi khô – gỗ hong phơi khơng khí đến lúc nước khơng bốc ngồi Độ ẩm đạt mức trung bình 15% 128 Gỗ sấy khô gỗ sấy buồng sấy để độ ẩm 12% 5.2.2.3 Độ co ngót Gỗ tươi nước biến dạng gây co ngót mạnh Mức độ co theo hướng R T lớn 10 ÷ 15% Theo hướng dọc L tỷ lệ co khoảng 0,1% Khi gỗ sấy khô, mật độ gỗ tăng lên Gỗ chưa qua chế biến tồn nhược điểm lớn: Cấu tạo tính chất lí khơng đồng nhất, thường thay đổi theo loại gỗ, phần thân cây; Dễ hút nhả nước làm sản phẩm bị biến đổi thể tích, cong vênh, nứt tách; Dễ bị sâu nấm, mục mối phá hoại, dễ cháy; Có nhiều khuyết tật làm giảm khả chịu lực gia cơng chế biến khó khăn H 5.2.3 Các biện pháp bảo quản gỗ Ngày với kĩ thuật gia cơng chế biến đại, người ta khắc phục nhược điểm gỗ, sử dụng gỗ cách có hiệu 5.2.3.1 Phịng chống nấm trùng Phịng chống nấm trùng nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ gỗ, đạt cách bảo vệ chúng khỏi bị ẩm nhờ biện pháp sau: sơn quét, ngâm chiết kiềm ngâm tẩm chất hóa học Người ta dùng loại mỡ, sơn dầu trùng hợp để sơn quét gỗ khô Ngâm chiết kiềm biện pháp tách nhựa cách ngâm gỗ nước lạnh, nước nóng thả trơi bè mảng sơng suối Các hóa chất dùng để ngâm tẩm chất gây độc cho nấm côn trùng, bền vững, không hút ẩm không bị nước rửa trôi Nhưng chúng phải không độc với người gia súc, khơng ăn mịn gỗ kim loại, dễ ngấm vào gỗ, có mùi dễ chịu Chất chống mục, mọt, có loại tan nước (thuốc mối), có loại khơng tan nước (thuốc dầu) loại bột nhão * Các loại chất tan nước hay dùng NaF, Na2SiF6, CuSO4 * Các loại chất không tan nước hay dùng : Creozot than đá than bùn, dầu antraxen, dầu phiến thạch * Bột nhão chủ yếu loại bitum 129 5.2.3.2 Phòng chống hà Để phòng chống hà, người ta thường dùng biện pháp sau: dùng gỗ cứng (thiết mộc), gỗ dẻo quánh (tếch), gỗ có nhựa (bạch đàn) v.v…Những gỗ cứng, dẻo quánh hà khó đục, nhựa ngăn cản hà không bám vào; - Để nguyên lớp vỏ làm lớp vỏ bảo quản; - Bọc gỗ lớp vỏ kim loại; - Bọc kết cấu gỗ ống ximăng, ống sành - Dùng crêcczot, CuSO4 v.v… Ở nước ta dùng phương pháp cổ truyền thui cho gỗ cháy xém lớp mỏng bên ngoài, phương pháp sau năm phải thui lại 5.2.4 Một số loại gỗ thông dụng rừng Việt Nam Bảng 5.4 Một số gỗ thông dụng Việt Nam TT Tên Tính chất Bạch đàn Gỗ mịn, nặng, cứng, nứt, dễ vênh, dễ mục, khó bị mối ăn Chò Gỗ nặng, dễ nứt, bền Đinh Gỗ nặng vừa, co nứt, bền Gụ Gỗ nặng vừa, tương đối mềm Lát hoa Gỗ nặng vừa, co dãn, nứt nẻ Lim xanh Gỗ nặng, cứng, bền, chắc, giòn Tếch Gỗ nặng trung bình, bền, chắc, dẻo Mỡ Gỗ tương đối nhẹ, mềm, co dãn nứt nẻ Mun Gỗ cứng, bền 10 Thông Thớ thẳng khơ, biến dạng 11 Xoan đào Gỗ nặng vừa, tương đối dễ nứt, hay cong vênh 12 Mít mật Gỗ nặng vừa, co nứt, bền, giòn 5.3 Chất dẻo 5.3.1 Khái niệm chung Chất dẻo sản phẩm quan trọng có ứng dụng rộng rãi vật liệu polyme Nhiều tài liệu khoa học đưa khái niệm cách tổng quát: chất dẻo vật liệu biến dạng mà khơng bị phá hủy định hình với áp lực thấp đúc Tuy nhiên hiểu 130 cách đơn giản: chất dẻo sản phẩm thu dược cách trộn polyme với chất phụ gia (chất độn), chất hóa dẻo, chất tạo màu… *Chất độn, cho vào chủ yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm chúng thường rẻ Các chất độn hay dùng mùn cưa, đất sét, bột nhẹ… *Chất hóa dẻo chất cho thêm vào, nhằm làm tăng tính dẻo, làm giảm độ cứng polyme Các chất hóa dẻo thường trạng thái lỏng, ví dụ hóa dẻo hay dùng cho polime nhiệt độ thường độ PVC, nhựa epocxy, loại este, phtalat… *Chất nhuộm màu, tạo cho chất dẻo có màu sắc định Đó thường loại thuốc nhuộm bột màu Chất nhuộm thường hòa tan trở thành thành phần cấu trúc polyme Chất bột màu thường dạng bột không tan, nằm xen kẽ cấu trúc polyme, ví dụ bột TiO2, ZnO – màu trắng, CdS – màu vàng… 5.3.2 Tính chất cơ-lý- nhiệt chất dẻo Các tính chất chủ yếu gồm: - Cơ tính(бb, E, δ ), chất dẻo nói chung có loại đạt gần tương đương kim loại - Tính cách điện: chất dẻo vật liệu cách điện tuyệt vời Có tới khoảng 75% tổng số vật liệu cách điện toàn giới chế tạo từ vật liệu dẻo - Tính cách nhiệt: chất dẻo dạng bọt, mút…dùng làm chất cách nhiệt tốt - Tính chất quang, số chất dẻo có tính quang học q báu, sử dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp -Tính chất hóa học, có loại vật liệu dẻo khơng bị tác dụng môi trường axit, kiềm…được sử dụng nhiều cơng nghiệp mạ điện, hóa học… Tương tự polyme, chất dẻo gồm loại : chất dẻo nhiệt dẻo chất dẻo nhiệt rắn 5.3.3 Các phương pháp chế biến sản phẩm từ chất dẻo 5.3.3.1 Phương pháp đúc phun - bơm Đây phương pháp gia công dùng rộng rãi cho polyme nhiệt dẻo Sơ đồ đơn giản máy phun bơm mô tả hình 5.1 Lượng nguyên liệu cung cấp từ phễu nhập liệu vào máy (hình 5.1a), vít me đẩy vật liệu vào buồng nung đến trạng thái nhớt (hình 5.1b) Sau chất dẻo nóng chảy đẩy qua khe vào khn (hình 5.1c), áp lực trì cho 131 đến sản phẩm rắn lại Cuối cùng, mở khn, lấy sản phẩm (hình 5.1d), đóng khn lại tồn chu kì lại bắt đầu a b c d Hình 5.1 Phương pháp phun bơm *Ưu điểm phương pháp: Năng suất chất lượng sản phẩm cao; Điều kiện lao động nhẹ nhàng; Có thể tự động hóa q trình dễ dàng; Có thể sản xuất dược dạng sản phẩm phức tạp * Nhược điểm phương pháp: Giá thiết bị cao Cần thường xuyên kiểm tra để đảm bảo chất lượng sản phẩm cao 5.3.3.2 Đúc đùn Hình 5.2 Phương pháp đúc đùn Sơ đồ đúc đùn mô tả hình 5.2 132 Trục vít đẩy vật liệu bột làm cho nén lại, sau nóng chảy liên tục tạo nên chất lỏng nhớt Chất đùn qua lỗ khuôn Phương pháp dùng chủ yếu để sản xuất sản phẩm ống, thanh, nhiều loại hình dạng khác Máy đúc đùn dùng để chế tạo chất dẻo tổng hợp (compound) tái sinh nguyên liệu nhiệt dẻo dạng viên Q trình hóa rắn sản phẩm đùn thực cách làm lạnh với luồng khơng khí nước cho kích thước thu ổn định 5.3.3.3 Đúc thổi Là phương pháp chế tạo polyme nhiệt dẻo thành sản phẩm dạng bình chứa (tựa chai lọ) Sơ đồ ngun lí trình bày hình 5.3 Đầu tiên ống polyme đùn ra, dạng nửa nóng chảy (hình 5.3 a), đoạn ống đưa vào khn gồm hai phần Hơi nước khơng khí áp lực định thổi vào đoạn ống làm cho thành có hình dạng khn (hình 5.3b) Đương nhiên, nhiệt độ, độ nhớt đoạn ống phải điều chỉnh xác Sau ống tháo (hình 5.3 c) Hình 5.3 Phương pháp đúc thổi 5.3.3.4 Ép đúc(compression molding) Nhiều loại polyme nhiệt rắn Phenol fomadehyt, ure – fomadehyt … hình thành sản phẩm rắn cách ép đúc Trong phương pháp ép đúc nhựa nhiệt rắn, phụ gia pha trộn theo tỷ lệ nạp vào lịng khn hình 5.4 Cả hai nửa khn nung nóng, nhiên nửa khn di động Đóng khn, nung nóng ép, vật liệu nóng chảy điền kín lịng khn Trước đúc, ngun liệu trộn ép nguội thành đĩa gọi ép sơ Nung nóng trước đĩa ép sơ giảm thời gian gia công, giảm áp suất đúc làm sản phẩm đồng Phương pháp dùng cho nhựa nhiệt dẻo nhiệt rắn Tuy nhiên nhiệt dẻo, thời gian gia cơng dài đắt 133 Hình 5.4 Phương pháp đúc ép * Ưu điểm phương pháp: - Khn đơn giản nên giá thành thấp; - Ít làm mịn khn, thời gian chảy vật liệu khn ngắn; - Có khả chế tạo sản phẩm lớn * Nhược điểm phương pháp: không chế tạo chế sản phẩm có hình dạng phức tạp 5.3.3.4 Đúc trao đổi Hình 5.5 Phương pháp đúc trao đổi Đúc trao đổi phương án đúc ép, dùng để gia công vật liệu nhiệt rắn phenolurea, melamine loại nhựa nhiệt rắn khác Sự khác phương án đúc trao đổi đúc ép cách đưa vật liệu vào lịng khn Trong đúc trao đổi, vật liệu khơng cấp trực tiếp vào lịng khn, trước tiên làm nóng chảy buồng trao đổi nhiệt (hình 5.5 a) sau phun vào lịng khn áp suất phân bố tồn bề mặt khn (hình 5.5 b) Sản phẩm giữ đủ thời gian đông cứng để tạo nên cấu trúc mạng không gian, lấy khỏi khuôn (hình 5.5c) Phương pháp dùng cho nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có hình dạng phức tạp 134 5.3.4 Phạm vi ứng dụng số loại chất dẻo Chất dẻo dạng sản phẩm vật liệu polymer sử dụng lớn số lượng lẫn sản lượng thực tế Bảng 5.5 giới thiệu tính chất, ứng dụng số chất dẻo thơng dụng thị trường Tính chất chất dẻo đa dạng, ví dụ: polystyren, polymetymetacrilat có độ suốt cao, phù hợp với dụng cụ quang học Các chất dẻo flocacbon chịu nhiệt tốt, có số ma sát thấp bền mơi trường hóa học, nên dùng nhiều cơng nghiệp điện tử, thực phẩm Bảng 5.5 Tính chất, ứng dụng số chất dẻo Loại vật liệu Tên thương mại Tính chất Ứng dụng điển hình Chất dẻo nhiệt dẻo Polystyrene Styron, thể Replay, ladene (tinh trong) Plyetylen (PE) Polyprolen (PP) Bền hóa chất cách điện mềm dẻo có hệ số ma sát Petrothene thấp, độ bền học không Hi -fax cao chịu thời tiết yếu Chai lọ mềm dẻo, đồ chơi, vỏ bình ăcquy, khay đựng đá, màng bao gói Bền với thay đổi nhiệt độ Tính chất cách điện bền mỏi tuyệt vời Bền hóa chất Tương đối rẻ Chịu tia tử ngoại Chai lọ trùng được, màng bao gói, vỏ tivi, valy, túi du lịch Polyamit (PA) Alathon Pro - fax Tenite Moplen Nilon Zyten Polyamit PlafKon Flocacbon (PTFE TFE) hay Chai chứa nắp Trong suốt, ổn định nhiệt, đậy, dụng cụ, bình tính cách nhiệt tơt chứa y tế Telon TFE Halon TFE Acrylic Lucite (polymetylm Plexiglass Độ bền học tốt, bền ma Ổ trượt, bánh răng, sát Hệ số ma sát nhỏ Hút bàn chải, tay cầm, vỏ nước số chất lỏng bọc dây cáp, dây điện khác Chất bịt bọc chống ăn Trơ hầu hết mơi mịn, van, đường ống, trường Hệ số ma sát nhỏ đệm chịu hóa chất, Có thể dùng đến nhiệt độ màng chống dính, chi 260C, có tính chảy tiết điện từ làm việc nhiệt độ cao Truyền ánh sáng tuyệt vời, Kính cửa máy bay, bền với thời tiết, tính chất dụng cụ đo đạc, thiết 135 et kế trung bình Acrilat, PMMA) PVC Vinyl (PVC) Vật liệu có ứng dụng rộng Thảm trải sàn, đường rãi Cứng nên thường dùng ống, bọc dây điện, với hóa chất dẻo băng ghi âm Pliovic Saran Tygon Chất dẻo nhiệt rắn Epon Epoxy Epi - rez Araldite Bakelite Phenonlic Durez Resinox Silion Nhựa DC Có phối hợp tuyệt vời độ bền học tính chống ăn Vật liệu đúc, keo rán, mịn Kích thước ổn điịnh Bám Vật liệu compozit, dính tốt, giá thành rẻ Tính chất sơn bảo vệ điện tốt Ổn định kích thước tốt đến Bọc mơtơ, vỏ 1500C Có thể chọn với nhiều telephon, dụng cụ loại nhựa chất độn Giá thành điện rẻ Tính chất điện tốt, bền hóa học, Chất dẻo lớp, cách chịu nhiệt điện nhiệt độ cao 5.4 Vật liệu compozit 5.4.1 Khái niệm tính chất chung 5.4.1.1 Khái niệm Vật liệu compozit vật liệu nhiều pha, tạo thành từ phân tử khác tính chất, khơng hịa tan hịa tan vào nhau, có phân giới rõ rệt Trong thực tế, tồn phổ biến compozit hai pha Pha liên tục toàn khối vật liệu gọi pha Pha phân bố gián đoạn bao bọc gọi pha cốt Ví dụ: bê tơng loại compozit, thành phần gồm hạt đá, sỏi (cốt) liên kết chất dính kết xi măng (nền) 5.4.1.2 Cấu tạo Cấu tạo compozit gồm hai thành phần chính: nền, cốt - Nền kim loại hợp kim (vật liệu compozit kim loại), polyme, sợi cacbon gốm (vật liệu compozit polyme) 136 - Cốt: kim loại (thép không gỉ, vofram, molipden…), chất vô (cacbon, thủy tinh, gốm…) chất hữu polyamit thơm 5.4.1.3 Đặc điểm tính chất Vật liệu compozit nói chung có độ bền nhiệt độ thường nhiệt độ cao, độ cứng vững, khả chống phá hủy mỏi tính chất khác cao hợp kim kết cấu phổ biến Ngày người ta dự kiến trước tính chất để chế tạo compozit theo ý muốn Một đặc điểm đáng ý compozit kết hợp thành phần tuân theo quy luật cho thể bật ưu điểm cấu tử thành phần, nhược điểm bị loại bỏ Ngồi vật liệu compozit có tính chất mà thành phần riêng lẻ khơng thể có 5.4.2 Phân loại vật liệu compozit Có nhiều cách phân loại Dưới hai cách phân loại thông dụng 5.4.2.1 Phân theo hình dạng cốt * Vật liệu compozit cốt sợi Đó vật liệu compozit có cốt loại sợi Sợi sử dụng dạng liên tục, gián đoạn Ta điều khiển phân bố phương sợi để để tạo tính chất có hướng thích hợp compozit Vật liệu compozit cốt sợi có vai trị quan trọng cơng nghiệp Các loại sợi thường dùng như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi aramit, sợi gốm, sợi tổng hợp tính cao *Vật liệu compozit cốt hạt Đó vật liệu compozit có cốt dạng hạt Cốt hạt khác cốt sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên Hạt thường dùng ôxit, nitrit, borit, cácbit … để cải thiện số tính chất nền, kết hợp làm giảm giá thành, ví dụ: Hợp kim ổ trượt đồng chì loại compozit cốt hạt, hạt chì phân tán đồng, có tác dụng tăng tính cắt gọt cho hợp kim gia cơng, tăng tính chống mài mịn sử dụng 137 Hình 5.6 Compozit cấu trúc lớp * Vật liệu compozit cấu trúc (hình 5.6) Thực chất khái niệm tên bán thành phẩm loại vật liệu cấu hình từ compozit khác Compozit cấu trúc thông dụng dạng lớp dạng ba lớp 5.4.2.2 Phân theo chất vật liệu thành phần Tùy thuộc chất vật liệu thành phần nền, compozit phân làm ba loại chính: compozit hữu cơ, compozit kim loại, compozit gốm 5.4.3 Một số vật liệu compozit thông dụng 5.4.3.1 Sợi thủy tinh Hiện sợi thủy tinh loại sợi quan trọng làm vật liệu cốt cho compozit Sợi thủy tinh có đặc điểm sau: độ bền riêng cao (б/p) cao, ổn định kích thước, chịu nhiệt, chịu lạnh, chịu ẩm tốt, tính chống ăn mịn cao, tính cách điện cao, dễ sản xuất, giá thành hạ Mỹ nước sản xuất sợi thủy tinh mạnh giới Hiện có hai loại sợi thủy tinh quan trọng dùng cho vật liệu compozit; Sợi thủy tinh E(electrical) loại S (high- strength) Sợi thủy tinh loại E sợi thủy tinh có nhiều cơng dụng Thành phần chủ yếu gồm: (52 ÷56)% SiO2; (12 ÷ 16)% Al2O3; (16 ÷25)% CaO; (8 ÷ 13)% B2O3; độ bền kéo sợi E khoảng 3.440Gpa mô đun đàn hồi đạt tới 4.480Mpa Sợi thủy tinh loại S sợi thủy tinh có độ bền giá thành cao sợi loại E, loại vật liệu sử dụng rộng rãi công nghiệp hàng không vũ trụ mục đích qn khác Thành phần hóa học gồm: 65% SiO2, 25% Al2O3, 10% MgO Độ bền kéo đạt tới 4.480 Mpa, mô đun đàn hồi đạt tới 85.4Gpa 138 Người ta sản xuất sợi thủy tinh cách kéo sợi thủy tinh riêng rẽ từ thủy tinh lỏng, sau ghép chúng lại thành sợi 5.4.3.2 Sợi cacbon Đây vật liệu kỷ 20 Sợi cacbon chế tạo từ Graphit tinh khiết Như biết, cấu trúc tinh thể dạng A 3, Graphit thể tính dị hướng mạnh Trong sợi cacbon, mức độ dị hướng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Nếu cách làm cho graphit kết tinh hồn tồn (khơng cịn thành phần vơ định hình) tinh thể Graphit có định hướng chủ yếu song song với trục cốt sợi đạt tiêu tính cao Trong thực tế người ta sản xuất loại sợi cacbon có độ bền kéo tới 4000 MPa, mô đun đàn hồi khoảng 650.000 MPa Ưu điểm bật sợi cacbon sợi thủy tinh có độ bền riêng cao Đáng tiếc giá thành sợi cacbon cao phạm vi sử dụng chúng hạn chế 5.4.3.3 Sợi hữu Aramit Sợi aramit có nguồn gốc từ sợi polyamit thơm Sợi aramit công ty thương mại Dupont giới thiệu thị trường vào năm 1972 với tên thương mại Kevlar, có loại Kevlar 29 Kevlar 49 - Kevlar 29 có mật độ thấp, độ bền cao, sử dụng làm vỏ bảo vệ , ống nối, cáp … - Kevlar 49 có mật độ, độ bền cao, sử dụng làm cốt sợi cho vật liệu compozit, dùng chế tạo hàng không, tàu thủy, ô tô nhiều ngành công nghiệp khác Sợi Kevlar chế tạo phương pháp tổng hợp -100C, sau kéo thành sợi dung dịch Tiếp theo sợi xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Giá thành sợi Kevlar thấp sợi cacbon từ đến lần, song việc sử dụng chúng để chế tạo vật liệu compozit bị hạn chế độ bền nén uốn dọc thấp, nhạy với biến dạng cắt lớp Nhược điểm gây liên kết sợi – nhựa không 139 Tài liệu tham khảo Trình bày tính chất, ký hiệu, công dụng loại hợp kim nhôm? Trình bày tính chất, ký hiệu, cơng dụng loại hợp kim đồng? Nêu thành phần gỗ? Trình bày tính chất gỗ cách bảo quản gỗ? Nêu tính chất chất dẻo? Trình bày phương pháp chế tạo sản phẩm từ chất dẻo? Trình bày thành phần, tính chất số vật liệu compozit thơng dụng Nêu tính chất chung gỗ? Trình bày biện pháp bảo quản gỗ 140 ... khơng mang điện cịn hạt proton mang điện dương, có điện tích điện tích ngun tử Ở trạng thái thường, nguyên tử chung hòa điện số lượng proton số lượng điện tử Số đặc trưng số thứ tự nguyên tử( Z) bảng... 127 5.3 Chất dẻo 130 5.4 Vật liệu compozit 136 Tài liệu tham khảo 140 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu cơng nghiệp Mã số môn học: MH 08 Thời gian môn... tài liệu học tập cho học sinh-sinh viên tài liệu cho giảng viên giảng dạy Khoa khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam-Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình ‘’VẬT LIỆU CƠNG NGHIỆP’’