1 UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/ MÔ ĐUN Vật liệu cơ điện NGÀNH/NGHỀ Vận hành nhà máy thủy điện ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017 2 LỜ[.]
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/ MƠ ĐUN: Vật liệu điện NGÀNH/NGHỀ: Vận hành nhà máy thủy điện ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017 LỜI GIỚI THIỆU Hiện nước ta hầu hết hoạt động xã hội gắn với việc sử dụng điện Điện sử dụng thành phố mà đưa nông thôn, miền núi nhờ trạm phát điện địa phương, máy phát điện hộ gia đình Cùng với phát triển điện thiết bị điện dân dụng sử dụng ngày tăng lên không ngừng Chất lượng vật liệu điện không ngừng cải tiến nâng cao với phát triển cơng nghệ Vì địi hỏi người cơng nhân làm việc ngành, nghề đặc biệt ngành nghề điện, điện tử phải hiểu rõ chất vật liệu ứng dụng vật liệu đó, đồng thời phải hiểu rõ cấu tạo vật liệu, nắm tượng, nguyên nhân hư hỏng cách khắc phục để không ngừng nâng cao hiệu kinh tế tiết kiệm điện sử dụng Nội dung môn học trang bị cho học viên kiến thức cấu tạo vật liệu điện nhằm ứng dụng có hiệu ngành nghề MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu Chương 1: Những khái niệm kim loại hợp kim Khái niệm kim loại, hợp kim Cấu tạo kim loại, hợp kim Tính chất chung kim loại hợp kim: 10 Chương Gang Giới thiệu chung gang: 14 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung gang: 15 Các loại gang thường dùng: 16 Chương Thép vật liệu dẫn từ Thép 21 Vật liệu dẫn từ 36 Chương Hợp kim cứng Khái niện chung: 48 Một số loại hợp kim cứng thường dùng 48 Chương Kim loại màu vật liệu dẫn điện 1.Khái niệm phân loại kim loại 50 Đặc điểm tính chất chung 50 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 58 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 59 Một số vật liệu dẫn điện khác 60 Hợp kim làm ổ trượt 61 Chương Ăn mòn kim loại Hiện tượng ăn mòn kim loại: 67 Phương pháp chống ăn mòn kim loại 67 Chương Vật liệu phi kim loại vật liệu cách điện 1.Khái niệm phân loại 68 Tính chất chung vật liệu cách điện 69 Vật liệu cách điện thể khí 75 Vật liệu cách điện thể lỏng 77 Vật liệu cách điện thể rắn 78 Chất dẻo 86 Dầu - Mỡ bôi trơn 88 Chương 8: Vật liệu bán dẫn Khái niệm chung vật liệu bán dẫn 88 Sự dẫn điện vật liệu bán dẫn 88 Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 90 Một số ngun tố có tính chất bán dẫn dùng kỹ thuật 91 Mục tiêu mơn học: * Kiến thức - Trình bày đặc điểm, tính chất, ký hiệu phạm vi ứng dụng loại vật liệu khí, vật liệu điện như: gang, thép, kim loại màu, loại dầu bôi trơn, dầu biến số loại vật liệu khác dùng nhà máy Thuỷ điện * Kỹ - Nhận biết loại vật liệu thường dùng Nhà máy Thuỷ điện phạm vi ứng dụng chúng * Năng lực tự chủ trách nhiệm - Cẩn thận, nghiêm túc học tập công việc Nội dung: Chương 1: Những khái niệm kim loại hợp kim Khái niệm kim loại, hợp kim 1.1 Khái niệm - Kim loại vật thể sáng, dẻo rèn được, có tính dẫn nhiệt dẫn điện cao Trong điều kiện thường áp suất khí hầu hết kim loại tồn trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân) - Hợp kim dung dịch rắn nhiều nguyên tố kim loại nguyên tố kim loại với nguyên tố phi kim Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn điện, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim ) Hợp kim màu, hợp kim kim loại khác sắt 1.2 Đặc tính 1.2.2 Đặc tính kim loại Đặc tính kim loại đánh gía tính chất vật lý, hóa học, học 1.2.2 Đặc tính hợp kim Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thơng thường khác với đặc tính kim loại hợp thành, đơi cịn khác hẳn Hợp kim ln cho ta đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành Ví dụ, thép(hợp kim sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành sắt Đặc tính vật lý hợp kim không khác nhiều kim loại hợp kim hố, mật độ, độ kháng cự, tính điện hệ số dẫn nhiệt, đặc tính khí hợp kim lại có khác cách rõ rệt, độ bền kéo, độ bền cắt, độ cứng, khả chống ăn mịn Khơng giống kim loại ngun chất, nhiều hợp kim khơng có điểm nóng chảy định Thay vì, chúng có miền nóng chảy bao gồm trạng thái khối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy gọi đường đông đặc hồn thành việc hóa lỏng hồn tồn gọi đường pha lỏng giản đồ trạng thái hợp kim 1.3 Vai trò kim loại, hợp kim sống Trong nhóm vật liệu kể vật liệu kim loại có vai trị định đến phát triển xã hội kỹ thuật Đó vật liệu để chế tạo máy móc cơng trình xây dựng Sự phát triển không ngừng máy động lực, máy công cụ gắn liền với phát triển vật liệu kim loại với tính ngày cao Mỗi người tìm loại vật liệu mới, với tính chất ưu việt lần thúc đẩy suất lao động phát triển mở ngành khoa học như: – Sự xuất công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) giúp cho ngành công nghiệp hàng không tên lửa có bước phát triển nhảy vọt – Hàng loạt vật liệu khác chế tạo ứng dụng rộng rãi ngành khí như: thép khơng rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)… Ngày nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo hợp kim có tính ngày ưu việt tính số tính chất vật lý hóa học đặc biệt Những thành cơng nghiên cứu chế tạo vật liệu đóng vai trị quan trọng phát triển giới Cấu tạo kim loại, hợp kim: 2.1 Kim loại: 2.1.1 Cấu tạo nguyên tử Các kim loại có tính chất khác tổ chức bên chúng khác - Vật chất nguyên tử tạo thành, nguyên tử hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo khác Hạt nhân bao gồm Proton nơtron Hình 1-1: Sơ đồ phân bố điện tử quỹ đạo Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc lớn theo quỹ đạo hình elíp Quỹ đạo ngồi có ảnh hưởng nhiều đến tính chất chất (hình 1-1) Đối với kim loại quỹ đạo thường có đến điện tử, điện tử dễ bật khỏi quỹ đạo nguyên tử trở thành ion dương chỗ khác chủ yếu Kim loại vật liệu phi kim loại - Như Vậy: Kim loại có cấu tạo ion dương, có điện tử tự chạy xung quanh hạt nhân điện tử dễ bật khỏi quỹ đạo Các điện tử tự nguyên nhân tạo tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt tính dẻo dai kim loại 2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể Hình 1-2: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất a) Sơ đồ xếp mạng tinh thể lập phương đơn giản; b) ô mạng Kim loại trạng thái rắn có cấu tạo bên theo mạng tinh thể, tức nguyên tử xếp khơng gian theo vị trí hình học định không hỗn độn vật liệu phi kim loại nguyên tử kim loại biểu diễn vòng tròn nhỏ nằm mép hình lập phương ta gọi nút mạng Phần nhỏ đặc trưng cho mạng tinh thể gọi Nếu xếp liên tiếp ô ta mạng tinh thể hình 1-2 2.1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp Các kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại c Mạng tinh thể mang tính đối xứng, đặc điểm quan trọng thể hình dáng bên ngồi, cấu trúc bên tính chất Kim loại Cấu trúc mạng tinh thể thường mang tính chất đa dạng phụ thuộc vào kiểu xếp nguyên tử Sau số kiểu mạng tinh thể thường gặp: + Lập phương thể tâm Trong ô kiểu mạng (hình 1-3), nguyên tử nằm đỉnh hình b nguyên tử Khoảng cách a lập phương hình lập phương có tâm nguyên tử kề ô mạng tinh thể gọi a thông số mạng, độ lớn đo A0 (đọc ăng-Trôn), đơn vị A0 = 0,00000001cm (1.10-8 cm) Các Hình 1-3 Kiểu lập phương thể tâm kim loại có kiểu mạng sắt, crom, Vanadi… + Lập phương diện tâm Trong ô kiểu mạng này, nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lập phương nằm trung tâm mặt hình lập phương hình - Các kim loại có kiểu mạng là: Sắt, đồng, nhơm, niken… + Lục phương dày đặc Trong ô kiểu mạng này, nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lục lăng, hai nguyên tử nằm trung tâm hai mặt đáy ba nguyên tử nằm trung tâm ba khối lăng trụ tam giác cách hình 1-5 Các kim loại có kiểu mạng gồm kẽm, cơban, magiê… + Ngồi ba loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta gặp kiểu mạng phương thể tâm hình 1-6 Nó khác mạng lập phương thể tâm chỗ ô có cạnh khơng hai cạnh Hình 1-5: Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-6: Ơ a) Ơ bản; b) Hình chiếu phương thể tâm 2.2 Hợp kim 2.2.1 Dạng dung dịch đặc Hợp kim có cấu tạo dung dịch đặc nguyên tử nguyên tố có thành phần kích thước gần giống Khi kết tinh hợp kim tạo thành mạng tinh thể có nguyên tử nguyên tố thành phần Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay dung dịch đặc xen kẽ - Trong dung dịch đặc thay thế: Nguyên tử nguyên tố đẩy nguyên tử nguyên tố thay vào (hình 1-6a) Tức có kiểu mạng số nguyên tử ô sở cấu tử dung mơi Về mặt hình học thấy thay nguyên tử ngun tử khác nhiều xảy xơ lệch mạng khơng có hai ngun tố có đường kính ngun tử hồn tồn giống Vì thay xảy nguyên tố có kích thước ngun tử gần (sai lệch khơng q 15%) Hình 1-6: Các mơ hình cấu trúc dung dịch đặc hợp kim a) Mơ hình dung dịch đặc thay thế; b) Mơ hình dung dịch đặc xen kẽ; c) Mơ hình dung dịch đặc tổng hợp - Trong dung dịch đặc xen kẽ: Nguyên tử ngun tố hịa tan (ví dụ cácbon, ơxi ) nằm xen kẽ vào lỗ hổng nút mạng tinh thể nguyên tố (hình 1-1b) Trong dung dịch rắn xen kẽ nguyên tử hồ tan phải có kích thước bé hẳn để lọt vào lỗ hổng mạng kim loại chủ, tức có kiểu mạng kim loại chủ số nguyên tử ô sở tăng lên 2.2.2 Hợp chất hóa học Hợp kim có cấu tạo hợp chất hóa học nguyên tử nguyên tố khác tác dụng hóa học với theo tỉ lệ xác nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xácđịnh biểu diễn cơng thức hóa học Ví dụ hợp chất hóa học sắt cácbon có cơng thức hóa học Fe3C Đặc điểm chung hợp chất hóa học có độ cứng, độ giịn cao Tính chất chung kim loại hợp kim 3.1 Tính chất vật lý (tính chất lý học): Là tính chất đặc trưng vẻ sáng mặt ngồi, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt, tính dẫn điện vv 3.1.1 Vẻ sáng mặt Theo vẻ sáng mặt kim loại người ta chia thành hai nhóm kim loại đen kim loại màu a Kim loại đen: Kim loại đen gồm toàn hợp kim sắt, tức loại gang loại thép b Kim loại màu - Kim loại màu tất hợp kim kim loại lại - Kim loại không suốt, kể kim loại cán, dát mỏng không ánh sáng xuyên qua Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng mặt Mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng theo màu sắc riêng mà ta quen gọi màu kim loại Thí dụ: Đồng có màu đỏ, Thiếc có màu trắng bạc… 3.1.2 Tính nóng chảy Kim loại có tính chảy lỏng đốt nóng đơng đặc làm nguội Nhiệt độ ứng với đúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi điểm nóng chảy (và ngược lại) Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng cơng nghệ đúc, đúc ta phải nấu chảy lofng kim loại để dát vào khn Điểm nóng chảy hợp kim lại khác với điểm nóng chảy kim loại tạo nên hợp kim Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau, ta tạo hợp kim có điểm nóng chảy thấp nhiều so với điểm nóng chảy kim loại riêng rẽ Trong thực tế người ta pha chế hợp kim có điểm nóng chảy thấp (khoảng 60-700C), điểm nóng chảy kim loại thành phần lớn 2000 C Ngược lại pha chế hợp kim có điểm nóng chảy cao điểm nóng chảy kim loại thành phần 3.1.3 Tính dẫn nhiệt Là tính truyền nhiệt kim loại đốt nóng làm lạnh - Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt dễ nóng chảy nhanh đơng đặc nhanh - Kim loại có tính dẫn nhiệt muốn nung nóng hồn tồn phải cần nhiều thời gian, làm nguội nhanh dễ gây nứt vỡ 10 - Tính dẫn nhiệt kim loại cần thiết cho việc nhiệt luyện kim loại, cho việc chế tạo chi tiết máy cần dẫn nhiệt nhanh píttơng, kết nước - Tính dẫn nhiệt kim loại giảm xuống nhiệt độ tăng tăng nhiệt độ giảm xuống Trong ô tơ, chi tiết máy cần có truyền nhiệt nhanh như: Piston, cánh tản nhiệt két làm mát… phải làm vật liệu có tính dẫn nhiệt tốt hợp kim nhôm, đồng Đơn vị đo tính dẫn nhiệt biểu thị Kilơ calo/m.giờ.độ Tính dẫn nhiệt kim loại giảm xuống nhiệt độ tăng Thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt kim loại khác với bạc bạc có tính dẫn nhiệt tốt Ví dụ: Nếu lấy bạc có tính dẫn nhiệt đơn vị kim loại khác như: Đồng = 0,9; Nhơm = 0,5; Sắt = 0,15… 3.1.4 Tính giãn nở nhiệt Khi đốt nóng kim loại giãn nở nguội lạnh co lại Sự giãn nở kim loại không giống Để đánh giá giãn nở nhiệt kim loại khác người ta đo xác độ dãn dài 1mm kim loại nhiệt độ thay đổi 10 Độ giãn dài đo gọi hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài Sự giãn nở theo thể tích tính lần giãn nở theo chiều dài Trong kỹ thuật để làm dụng cụ đo lường đảm bảo độ xác cao người ta phải sử dụng hợp kim có độ giãn nở nhiệt gần khoảng nhiệt độ từ - 800 đến 1000 C ( ví dụ hợp kim Niva) Cần ý hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, với vật có kích thước lớn, có thay đổi nhiệt độ đáng kể, phải ý tới đặc điểm Ví dụ động tô phải ý đến khe hở piston xilanh để trạng thái nguội đảm bảo độ kín cần thiết, trạng thái nóng piston khơng bị bó kẹt xilanh 3.1.5 Tính dẫn điện Là khả dẫn điện kim loại Các kim loại khác có tính dẫn điện khác Kim loại có tính dẫn điện cao tức kim loại cản trở dịng điện (điện trở kim loại nhỏ) So sánh tính dẫn điện tính dẫn nhiệt kim loại ta thấy kim loại dẫn nhiệt tốt dẫn điện tốt ngược lại Các kim loại có tính dẫn điện tốt dùng kỹ thuật đồng, nhôm… Khi nhiệt độ tăng lên tính dẫn điện giảm ngược lại Ở nhiệt độ 0K ( - 273 0C) điện trở kim loại gần tính dẫn điện kim loại tốt Đây tượng siêu dẫn nghiên cứu ứng dụng thực tế 11 3.1.6 Nhiệt dung Nhiệt dung nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ kim loại lên 10C Nhiệt dung kim loại lớn, cần tốn nhiều nhiệt lượng đốt nóng vật lên Đây đặc trưng cần biết gia cơng khí phương pháp gia cơng nóng đúc, hàn… 3.1.7 Tính nhiễm từ Là khả kim loại bị từ hoá đặt từ trường Trong thực tế khả nhiễm từ kim loại không giống chia làm hai nhóm - Sắt hầu hết hợp kim sắt có tính nhiễm từ gọi chất sắt từ - Hầu hết kim loại khác khơng có tính nhiễm từ Tính nhiễm từ chất sắt từ phụ thuộc vào thành phần tổ chức bên kim loại đó, tính nhiễm từ khơng phải cố định loại vật liệu Thí dụ: Sắt có tính nhiễm từ nhiệt độ 7680 C, nhiệt độ lớn sắt không cịn từ tính Tính nhiễm từ kim loại sử dụng rộng rãi kỹ thuật Trên ô tô dùng để chế tạo loại nam châm, lõi sắt từ cuộn cảm, rơle thiết bị điện 3.1.8 Trọng lượng riêng Là khối lượng kim loại đơn vị thể tích (kg/m3), tính chất dùng để so sánh chọn vật liệu chế tạo máy móc thiết bị cần quan tâm đến việc giảm nhẹ khối lượng 3.1.9 Nhiệt độ nóng chảy Kim loại có tính nóng chảy đốt nóng đơng đặc nguội Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi nhiệt độ nóng chảy Điểm nóng chảy hợp kim khác với điểm nóng chảy kim loại tạo nên hợp kim Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng cơng nghệ đúc Vì đúc người ta nấu chảy lỗng kim loại để rót vào khn 3.2 Tính chất hố học 3.2.1 Định nghĩa Tính chất hóa học biểu thị khả kim loại hợp kim chống lại tác dụng hóa học mơi trường có hoạt tính khác Hầu hết kim loại hợp kim bị tác dụng hóa học mơi trường xung quanh Ví dụ thép để khơng khí bị gỉ, đồng bị gỉ thành màu xanh vv 3.2 Tính chất hóa học kim loại hợp kim 12 a Tính chống ăn mịn: Là khả chống lại ăn mòn nước hay oxi khơng khí nhiệt độ thường nhiệt độ cao b Tính chịu axít: Là khả chống lại tác dụng mơi trường axít Khi lựa chọn vật liệu chế tạo máy, người ta phải vào tính chất hóa học vật liệu để lựa chọn cho phù hợp với điều kiện làm việc chi tiết máy Ví dụ: Trên ô tô người ta phải dùng vật liệu chì làm cực bình ắc quy chì khơng bị axít ăn mịn 3.3 Tính chất học 3.3.1 Định nghĩa Là khả chống lại tác dụng ngoại lực lên kim loại hợp kim Tính chất học bao gồm nhiều tính chất đặc trưng như: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng vv Để xác định tính chất học kim loại người ta phải tiến hành trình thử mẫu thử chế tạo theo quy chuẩn thiết bị thử đặc biệt Trong thử kéo quan trọng qua ta xác định tính chủ yếu kim loại như: Độ bền, độ đàn hồi, độ dẻo Để đánh giá tính chất học kim loại người ta dùng đơn vị kG/mm2 3.3.2 Các tính chất học chủ yếu a Độ bền Là khả chịu ngoại lực kim loại mẫu thử khơng bị phá hủy Người ta hay dùng độ bền kéo, nén kí hiệu: σk, σn b Độ cứng Là khả chống lại ngoại lực tác động chịư lực mẫu thử xác định độ biến dạng điều kiện ngoại lực Người ta dùng nhiều đơn vị đo độ cứng như: HB (Brinen), HRA, HRB, HRC (Rốc oen) c Độ đàn hồi Là khả biến dạng vật liệu có ngoại lực tác động d Tính biến hình Là khả biến dạng kim loại so với hình dạng ban đầu ngoại lực tác động, có phương, chiều trị số khác Tính chất học vật liệu đặc trưng quan trọng quan tâm lựa chọn vật liệu chế tạo máy 3.4 Tính chất cơng nghệ 3.4.1 Định nghĩa: Là khả mà kim loại thực phương pháp công nghệ khác để sản xuất sản phẩm 3.4.2 Tính cơng nghệ a Tính cắt gọt: Là khả kim loại gia cơng cắt gọt dễ hay khó Tính cắt gọt xác định bằng: tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt, độ bóng bề mặt sau cắt gọt b Tính hàn: Là khả tạo thành liên kết chi tiết nung nóng cục 13 vị trí nối đến trạng thái nóng chảy biến dạng dẻo c Tính đúc: Là khả chảy lỗng kim loại nấu chảy kim loại để đổ vào khn đúc Tính đúc xác định độ co, ngót tính thiên tích kim loại d Tính rèn dập: Là khả nẳng biến dạng vĩnh cửu kim loại có ngoại lực tác động để tạo thành hình dạng chi tiết mà khơng bị phá hủy e Tính nhiệt luyện: Là khả làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo kim loại cách nung nóng kim loại, giữ kim loại nhiệt độ thời gian cho nguội mơi trường với tốc độ nguội khác Tính chất công nghệ kim loại yếu tố quan trọng gia công chế tạo Nhờ có tính cơng nghệ chế tạo chi tiết có yêu cầu kỹ thuật khác cơng nghệ chế tạo máy CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG Câu 1: Hãy nêu tầm quan trọng kim loại hợp kim sản xuất công nghiệp? Câu 2: Trình bày cấu tạo kim loại? Câu 3: Thế hợp kim? Cho biết cấu tạo hợp kim? Câu 4: Trình bày tính chất chung kim loại hợp kim? Chương Gang Giới thiệu chung gang 1.1 Khái niệm: Gang hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), lượng C = 2,14%, khơng lớn 6,67% Ngồi cịn có ngun tố Mn, S P, Si số tạp chất khác 1.2 Thành phần hoá học kết cấu mạng tinh thể a Tổ chức tế vi: Đặc điểm tổ chức tế vi quan trọng chi phối đặc điểm khác phần lớn hay toàn bon gang chế tạo máy dạng tự hay Graphit (rất khơng có bon dạng liên kết hay cacbít) Tổ chức tế vi gang chia thành hai phần: phần phi kim loại Graphit hay cacbon tự phần lại kim loại với tổ chức khác nhau: - Pherit: toàn C trạng thái tự - Pherit – Peclit: Khi phần lớn C trạng thái tự C dạng liên kết Các gang khác dạng graphit + Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên đúc (gang xám) 14 + Graphit có dạng cầu trịn: phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu) + Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hố từ Xêmentit ( gang dẻo) Chính khác dạng Graphit mà gang có tính cơng dụng khác b Thành phần hố học: Để có graphit graphit với dạng khác Mỗi loại gang phải có đặc điểm riêng thành phần hoá học cách chế tạo Bảng 2-1 Thành phần hoá học gang Loại Gang C Si Mn S P Trắng 3,3 – 3,6 0,4 – 1,2 0,25 – 0,8 0,06 – 0,20 Xám 3,0 – 3,7 1,2 – 2,5 0,25 – 1,00 < 0,12 0,05 0,20 0,05 Cầu 3,0 – 4,0 1,8 – 3,0 0,10 – 0,80 < 0,03 1,00 < 0,01 Dẻo 2,0 – 2,6 1,0 – 1,6 0,20 – 1,00 0,04 – 0,20 – – < 0,20 - Thành phần hoá học: Bản thân cacbon yếu tố thúc đẩy tạo thành graphit Trong số nguyên tố gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh đến tạo thành graphit Lượng silic nhiều graphit hố mạnh, cacbon liên kết (Xêmentit) chí khơng có Vì người ta coi gang hợp kim ba cấu tử Fe – C – Si Trong gang cịn có nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hố Chúng đưa vào có chủ định chúng tạp chất 1.3 Tính chất gang: Gang có số tính chất quan trọng sau đây: -Tính điền đầy khn gang, gang xám, tính chất gang quan trọng Vì chi tiết máy khơng có u cầu đặc biệt thường dùng phương pháp đúc để tạo hình Người ta dùng phương pháp đúc khuôn kim loại, đúc áp lực Các phương pháp đúc tạo chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp mà khơng cần gia cơng lại Ví dụ đúc thân máy, nắp máy… động ôtô - Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, gang cầu, gang hợp kim có độ bền cơ, bền nhiệt cao Vì người ta thường dùng gang chế tạo chi tiết máy có yêu cầu cao độ chịu mài mịn, ma sát, độ gifn nở nhiệt thấp Ví dụ: Làm bánh đà động ôtô, xilanh lực hệ thống thủy lực… Tuy nhiên gang có nhược điểm tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém, độ bền mỏi nhỏ Như chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung gang: 2.1 ảnh hưởng cácbon 15 Nếu bon chứa gang dạng hợp chất hóa học Xementít gang gọi gang trắng, C trạng thái tự gang gọi gang xám(Grafít) Sự tạo thành loại gang khác phụ thuộc vào thành phần hóa học tốc độ nguội Nếu tốc độ nguội nhanh gang trắng, tốc độ nguội chậm gang xám 2.2 ảnh hưởng Mn, Si, P, S - Silic (Si): Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc tinh thể gang thúc đẩy tạo thành Grafít gang xám, thành phần Si thường cao (1 đến 4,25%) - Mangan (Mn): Nó thúc đẩy tạo thành gang trắng ngăn cản q trình Grafít hóa lượng Mn gang trắng thường cao (từ đến 2,5%) - Phốt (P): Là nguyên tố có hại gang, làm giảm độ bền, tăng độ giịn gang Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy lofng gang đúc - Lưu huỳnh (S): Là nguyên tố có hại gang, làm giảm tính đúc, giảm độ bền, làm cho gang giịn Do thành phần S gang thường nhỏ 0,15% Các loại gang thường dùng 3.1 Gang trắng a Thành phần tổ chức C - Thành phần : C = (3,3 ÷ 3,6) % Si = (0,4 ÷ 1,2 )% Mn= (0,25 ÷ 0,8)% S = (0,06 ÷ 0,2)% P = (0,05 ÷ 0,1) % - Tổ chức C : Tồn dạng sắt Fe3C pha chiếm tỷ lệ lớn (50% tổ chức gang) b Tính chất - Lý tính: Trên bề mặt gãy gang có màu sáng trắng Cacbon dạng hợp chất hóa học Fe3C gọi gang trắng - Cơ tính: Do Cacbon dạng Fe3C nên gang cứng (650÷700)HB giịn Do khơng thể gia công cắt gọt, dùng gang trắng để làm chi tiết máy có độ xác cao + Độ dẻo, dộ bền thấp + Có khả chịu mài mịn tốt - Tính kinh tế Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ c Công dụng 16 - Do gang trắng cứng có tính chống mài mịn tốt nên dùng làm chi tiết yêu cầu độ cứng cao bề mặt làm việc điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa… - Cần ý không làm tồn chi tiết gang trắng, dễ bị gãy, vỡ, nên tạo cho lớp bề mặt gang trắng lõi gang Graphit Muốn bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc - Phần lớn gang trắng dùng để sản xuất thép, phần dùng để ủ thành gang dẻo 3.2 Gang xám a.Thành phần tổ chức C - Thành phần C = (3 ÷ 3,7)% Si = (1,2 ÷ 2,5 )% Mn = (0,25÷1,0)% S < 0,12% P = (0,05÷ 1,0) % - Tổ chức tế vi: Gang xám loại gang mà phần lớn Cacbon dạng tự (gọi Graphit) Graphit gang xám có dạng (hay phiến) cong tự nhiên Do graphit có màu xám nên mặt gãy gang có màu xám b Phân loại: Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám chia tổ chức sau : - Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất Cacbon dạng tự do, xementit, có pha: Graphit kim loại Ferit - Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon liên kết (Fe3C) khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo kim loại Ferit - Peclit - Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng 0,6 ÷ 0,8 % tạo nên kim loại Peclit c Tính chất - Lý tính + Dẫn điện, dẫn nhiệt so với thép + Nhiệt độ nóng chảy thấp - Cơ tính + Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp Xementit nên gang xám có độ cứng, độ bền thấp gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm + Độ dẻo, độ bền thấp thép 17 + Không chịu nhiệt, biến dạng va đập - Tính cơng nghệ + Có tính cắt gọt cao, cho phoi vụn + Tính đúc tốt thép + Có khả khủ cộng hưởng tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ) - Tính kinh tế Chế tạo gang xám đơn giản so với thép d Phạm vi sử dụng: Dùng để chế tạo sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, chi tiết không chịu va đập làm việc mà chịu nén chủ yếu, chi tiết cần giảm rung động làm việc có khả tự bôi trơn VD: Thân, bệ máy, ổ trượt, bánh chịu tải trọng nhỏ d Ký hiệu - Theo tiêu chuẩn Nga gang xám ký hiệu hai chữ CЧ : Với số giới hạn bền kéo giới hạn bền uốn, đơn vị l KG/mm VD : CЧ 24-44 gang xám có giới hạn bền kéo σk = 24 KG/mm2 (240N/mm2); Gới hạn bền uốn бu = 44 KG/mm2 (440N/mm2) - Thường dùng loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám ký hiệu hai chữ GX số giống giống ký hiệu Nga Bảng 2-2 Cơ tính gang xám (Theo TCVN 1659 - 75) Số hiệu Giới hạn gang bền kéo GX 12 - 28 12 GX 18 - 36 18 GX 28 - 48 28 GX 35 - 56 35 GX 38 - 60 38 3.3 Gang dẻo Độ giãn dài (δ%) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Giới hạn Giới hạn Độ bền uốn bền nén cứng 28 36 48 56 60 50 70 100 110 110 HB 143 - 259 170 - 229 170 - 241 197 - 269 270 - 269 a Thành phần tổ chức C, phương pháp chế tạo - Thành phần: C = (2,0 ÷ 2,6)%; Si = (1,0 ÷ 1,6)%; Mn = (0,2 ÷ 1,0)%; S < 0,03%; P = 0,2 % Hình 2-2 Gang dẻo 18 - Tổ chức tế vi dạng cụm - Phương pháp chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo Gang lỏng Đúc Gangnhanh trắng Nguội Ủ Gang trắng Fe3C dẻo to=(860÷ 900)Gang C b Tính chất: Do Graphit tập trung đều, gọn nên gang dẻo có độ dẻo cao bền gang xám (σk = 300 ÷ 600N/mm2; δ= ÷ 10%) c Phạm vi sử dụng: - Gang dẻo có tính tổng hợp tốt gang xám đắt trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn nhiệt thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu dùng làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn yêu cầu sau: - Hình dạng phức tạp - Tiết diện (thành) mỏng - Chịu va đập d Ký hiệu - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo ký hiệu hai chữ KЧ hai số cách gạch nối, số gồm hai chữ số Số thứ biểu giá trị bền kéo giới hạn ( kG/mm2 ) , số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối ( % ) Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-06, KЧ 33-08, KЧ 37-12, KЧ 45-12, KЧ 5604 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo ký hiệu hai chữ GZ số giống tiêu chuẩn Nga.Ví dụ GZ 33 - 08 gang dẻo có độ bền kéo giới hạn бk = 33 kG/mm độ dãn dài tương đối δ = 0,8% Bảng 2-4 Cơ tính gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75) Số hiệu gang Giới hạn bền Độ kéo (kG/mm2) (δ%) giãn dài Độ cứng GZ 30 - 06 30 HB 163 GZ 33 - 08 33 163 GZ 35 - 10 35 10 163 GZ 37 - 12 37 12 163 GZ 45 - 06 45 241 GZ 50 - 04 50 264 3.4 Gang cầu 19 a Thành phần tổ chức C - Thành phần: C = (3,0 ÷ 4,0%); Si = (1,8 ÷ 3,0)% ; Mn = (0,10 ÷ 0,8)%; S < 0,03% ; P < 0,2% ; - Tổ chức tế vi: Graphit thu nhỏ, hình cầu có chất biến tính Mg Ce (Xeri) Hình 2-1 Gang cầu -Chế tạo gang cầu: Gang lỏng (0,05 -1)% Mg Ce (Xêri) Gang cầu b Tính chất - Có độ dẻo dai cấu trúc bền chặt kim loại bị chia cắt (Graphit hình cầu dạng thu gọn nhất) - Có tính tổng hợp cao gần thép - Gang cầu vừa có tính chất gang, vừa có tính chất thép - Các chi tiết máy làm gang cầu làm việc bền vững nhiệt độ 400 oC c Phạm vi sử dụng: Để chế tạo chi tiết máy quan trọng thay cho thép trục cán, thân tuốc-bin, trục khuỷu chi tiết quan trọng khác d Ký hiệu - Theo tiêu chuẩn Nga, BЧ 38-17 gang cầu có σk = 380N/mm2, δ = 17% - Theo TCVN: GC số tương ứng tiêu chuẩn Nga - Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12 Bảng 2-3 Cơ tính gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75) 20 ... Chương Vật liệu phi kim loại vật liệu cách điện 1.Khái niệm phân loại 68 Tính chất chung vật liệu cách điện 69 Vật liệu cách điện thể khí 75 Vật liệu cách điện thể lỏng 77 Vật liệu cách điện thể... phân loại kim loại 50 Đặc điểm tính chất chung 50 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 58 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 59 Một số vật liệu dẫn điện khác 60 Hợp kim làm ổ trượt 61 Chương Ăn mòn... thuật Đó vật liệu để chế tạo máy móc cơng trình xây dựng Sự phát triển khơng ngừng máy động lực, máy công cụ gắn liền với phát triển vật liệu kim loại với tính ngày cao Mỗi người tìm loại vật liệu