cơ sở về vật liệu

cơ sở về vật liệu

Bài I CƠ SỞ VỀ VẬT LIỆU I. Thuộc tính cơ bản của vật liệu (kim loại và hợp kim) I.1. Cơ tính: Đặc trưng cơ học biểu thị khả năng chịu tải trọng của vật liệu I.1.1. Độ bền  (N/m 2 , kG/mm 2 , ksi, MPa ) Khả năng chịu tác động của ngoại lực mà không bị phá hủy. Kéo, nén, uốn, xoắn I.1.2. Độ cứng (HB, HRC, HV ) Khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi ngoại lực tác dụng qua vật rắn Cách đo: xác định vết lõm. I.1.3. Độ dẻo (Giãn dài tương đối)  (%) Biến dạng dư khi bị phá hủy dưới tải trọng tĩnh (b Độ co thắt tương đối. I.1.4. Độ dai va đập a k (kJ/m 2 ) Khả năng chịu tải trọng động mà không bị phá hủy Công phá hủy ở nhiệt độ khác nhau. Định tính, không có trong công thức tính toán. I.2. Lý tính I.2.1. Mật độ: Quyết định đến trọng lượng riêng  (N/m 3 ), độ bền riêng (km). Cần chi tiết nặng, nhẹ. I.2.2. Nhiệt độ nóng chảy t o ,T o ( o C, o K): Phụ thuộc và năng lượng cần thiết để tách các nguyên tử. Kim loại nguyên chất nóng chảy ở nhiệt độ nhất định. I.2.3. Nhiệt dung riêng C (J/kg* o K): Năng lượng cần thiết để nâng một đơn vị khối lượng vật chất lên một độ. I.2.4. Độ dẫn nhiệt  (W/m* o K): Tốc độ năng lượng truyền qua vật liệu khi nhiệt độ chênh lệch. I.2.5. Hệ số giãn nở nhiệt  (  m/m o K): Thay đổi chiều dài gây ra ứng suất nhiệt, cong vênh. Mỏi nhiệt, sốc nhiệt. I.2.6. Độ dẫn điện  (  m): Được xác định qua điện trở suất. Cách địên, siêu dẫn I.2.7. Từ tính H I.3. Hóa tính: Khả năng chống lại sự tương tác của môi trường. Tính chịu ăn mòn. Tính chịu nhiệt. Tính chịu axit I.4. Tính công nghệ: Khả năng gia công, chế tạo dễ hay khó. I.4.1. Tính đúc: Độ co, chảy loãng, thiên tích, hòa tan khí. I.4.2. Tính gia công áp lực: Biến dạng dẻo của vật liệu khi ngoại lực tác dụng. I.4.3. Tính hàn: Khả năng tạo ra liên kết bền vững. I.4.4. Tính gia công cơ khí: Khả năng gia công cắt gọt dễ hay khó. II. Kim loại và hợp kim II.1. Cấu tạo kim loại : Các nguyên tử trong kim loại sắp xếp theo trật tự gần và trật tự xa. Do sắp xếp trật tự nên cấu trúc tinh thể được xác định bằng kiểu mạng theo quy luật nhất định. Nối tâm các nguyên tử (ion) bằng các đường thẳng tưởng tượng sẽ cho hình ảnh của mạng tinh thể, trong đó mỗi nguyên tử được gọi là nút mạng. Theo các phương khác nhau hình thái sắp xếp và mật độ nguyên tử khác nhau tạo nên tính dị hướng. Trong mạng tinh thể các nút (nguyên tử, ion) sắp xếp trật tự, theo đó bao giờ cũng tìm được một hình không gian nhỏ nhất đặc trưng cho quy luật sắp xếp, được gọi là ô cơ bản. Mỗi ô cơ bản có các kích thước hình học được gọi là thông số mạng. Trong các kim loại thông thường hay gặp 3 loại mạng tinh thể: lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục phương xếp chặt (hình II-1) Hình II-1: Các loại mạng tinh thể - (a) lập phương tâm khối; (b) lập phương tâm mặt; (c) lục phương xếp chặt. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể như vậy chỉ là cấu trúc lí tưởng vì khi xét đã bỏ qua dao động nhiệt và các sai lệch trong trật tự sắp xếp của các nút (nguyên tử, ion). Thực tế không phải mọi nút của mạng tinh thể kim loại đều nằm đúng vị trí quy định. Một số nút nằm lệch ra ngoài do có các nguyên tử tự bứt ra khỏi mạng hoặc các nguyên tử tạp chất lẫn vào. Tuy số nút nằm lệch chiếm tỉ lệ nhỏ (khoảng 1-2%), nhưng nó ảnh hưởng lớn đến thuộc tính của tinh thể khi ngoại lực tác dụng, tức là đến cơ tính của kim loại. II.2. Sự kết tinh của kim loại  Kim loại từ trạng thái lỏng qua kết tinh đến trạng thái rắn có cấu trúc tinh thể.  Các quá trình tự phát xảy ra theo hướng giảm năng lượng dự trữ. Khi T o >T o dd thì kim loại ở trạng thái lỏng.  Hai quá trình của sự kết tinh: tạo mầm và phát triển mầm.  Sự hình thành hạt: Mỗi mầm phát triển tạo thành hạt (đơn tinh) có hình dạng khác nhau. Các hạt chạm nhau thành tổ chức đa tinh thể. Hạt nhỏ có cơ tính cao.  Biến hóa thù hình: Biến đổi tổ chức của kim loại khi nhiệt độ và áp suất thay đổi. Kèm theo sự thay đổi về thể tích và các thuộc tính. II.3. Hợp kim II.3.1. Khái niệm  Hợp kim là hỗn hợp của nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.  Cấu tử (nguyên) là các nguyên tố (hay hợp chất hóa học có tính ổn định cao) tạo nên hợp kim.  Pha: phần đồng nhất của hệ hợp kim có cấu trúc và các thuộc tính xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách. II.3.2. Các tổ chức của hệ hợp kim  Dung dịch đặc: Hai hoặc nhiều cấu tử hòa tan ở trạng thái đặc. Dung dịch đặc là pha có cấu trúc mạng của dung môi (cấu tử chính) nhưng thành phần có thể thay đổi mà vẫn đảm bảo tính đồng nhất. VD dung dịch đặc A(B). Dung dịch đặc thay thế và xen kẽ. Dung dịch đặc vẫn giữ được các tính chất cơ bản như dẻo, bền  Hợp chất hóa học (Intermetallic compound): Pha được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỉ lệ xác định, nhưng không tuân theo quy luật hóa trị. VD A + B  A m B n + Q. Kiểu mạng tinh thể phức tạp. Giòn, cứng, chịu mài mòn.  Hỗn hợp cơ học: Các cấu tử chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy. VD A + B  [A+B]. Tính chất của hỗn hợp cơ học là kết hợp giữa các pha thành phần. II.3.3. Giản đồ trạng thái (Phase Diagrams):  Giản đồ biểu diễn sự hiện diện, biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng. Được xây dựng bằng thực nghiệm.  Cách dựng hệ một pha, hai pha  Qua giản đồ trạng thái có thể xác định được sự tồn tại của pha, tỉ lệ giữa các pha, các nhiệt độ chuyển biến pha. III. Giản đồ trạng thái Fe-C (chỉ tính đến 6,67%C) Sắt Fe: HB 80;  k 250 MPa;  50%; a k 2500 kJ/m 2  Cơ tính thấp Carbon C tương tác với Fe tạo thành dung dịch đặc, hợp chất hóa học, hỗn hợp cơ học. III.1. Dạng của giản đồ Tọa độ các điểm G,P,S,E và đường A 1 ,A 3 ,,A m III.2.Các tổ chức của hợp kim Fe-C  Ferrite: ferrite  chỉ ổn định ở nhiệt độ rất cao và hàm lượng C rất nhỏ nên không đóng vai trò gì trong ứng dụng kỹ thuật. Ferrite  là dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe  . Lượng hòa tan lớn nhất ở điểm P. Có cơ tính của thép nguyên chất. Tổ chức tế vi dạng hạt sáng, đa cạnh. Đóng vai trò quyết định đến cơ tính của hợp kim Fe-C.  Austenite  : dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe  Tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727 o C nên không quan hệ trực tiếp tới tính chất sử dụng của hợp kim. Tính dẻo rất cao ở trạng thái đồng nhất. Là pha quan trọng khi nhiệt luyện cũng như gia công áp lực. Khi Ni và Mn hòa tan vào nhiều làm mở rộng vùng và thay đổi tính chất.  Cementite Ce: hợp chất hóa học với kiểu mạng phức tạp Fe 3 C. Cứng, giòn chịu mài mòn  Graphite G: C tự do không có trong lý thuyết. Được tạo thành khi hàm lượng C cao, nhiều Si, nguội chậm. Giòn, nở khi kết tinh.  Pearlite P: Hỗn hợp cơ học [  +Ce] được tạo thành từ  qua phản ứng cùng tích. Cấu trúc tế vi của pearlite gồm các lớp  mềm, dẻo và Ce cứng, giòn xếp xen kẽ. Ce cũng có thể chuyển sang dạng hạt ổn định phân bố đều trên nền  .  Ledeburite Le: Hỗn hợp cơ học [  +Ce] được tạo thành từ pha lỏng. Le cứng, giòn vì nhiều Ce, thường có ở gang trắng. IV. Thép carbon IV.1. Khái niệm: Là hợp kim Fe-C với hàm lượng C không vượt quá 2,11%. Ngoài ra còn chứa tạp chất Mn, Si, P, S Dùng phổ biến chiếm hơn 80% tổng lượng thép. Tạp chất có lợi Mn, Si ít hơn 1%. Tạp chất có hại P, S ít hơn 0,06%. Các tạp chất khác H 2 , O 2 , N 2 Cr, Ni, Cu, W, Ti, Mo IV.2. Phân loại IV.2.1. Theo hàm lượng carbon: Do C có ảnh hưởng lớn đến cơ tính nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép  Thép C thấp (ít hơn 0,25% C)  Thép C trung bình (từ 0,25% đến 0,5% C)  Thép C tương đối cao (từ 0,5% đến 0,8% C)  Thép C cao (lớn hơn 0,8% C) IV.2.2. Theo phương pháp luyện: Chất lượng thường, tốt, cao, rất cao. IV.2.3. Theo phương pháp khử oxy: Thép sôi, lặng, nửa lặng IV.2.4. Theo công dụng  Thép thường: Chủ yếu được dùng trong xây dựng, giao thông, nông nghiệp. Cơ tính tổng hợp không cao, không qua nhiệt luyện, tính hàn tốt. VD thép CT34, CT38  Thép C kết cấu: Được dùng trong chế tạo máy. Cơ tính tổng hợp cao, ít P, S. VD C35, C45  Thép C dụng cụ: Thép tốt có hàm lượng C cao. Sau nhiệt luyện đạt độ bền, độ cứng cao, chống mài mòn. VD CD80, CD120A V. Gang IV.1. Khái niệm: Là hợp kim Fe-C với hàm lượng C quá 2,11%. Ngoài ra còn chứa tạp chất Mn, Si, P, S Các chất ảnh hưởng như đối với thép, nhưng P làm tăng tính chảy loãng. Do hàm lượng C cao nên tổ chức đều có Ce cứng giòn, chịu mài mòn. Tính đúc và gia công cắt gọt tốt, tính hàn kém, không thể gia công áp lực được. IV.2. Phân loại  Gang xám: có mặt gãy màu xám của tấm graphite dạng tự nhiên khi đúc. Tổ chức G tấm có độ bền thấp là nơi tập trung ứng suất.Cơ tính  k  400 MPa,  2%, a k  100 kJ/m 2 , nhưng độ bền nén không thấp. G có tính bôi trơn tốt, hấp thụ rung động. VD GX15-32, GX28-48 class 20, 40 GX được dùng làm thân máy, vỏ động cơ  Gang trắng: có mặt gãy màu trắng của cementite do làm nguội nhanh hoặc có ít Si. Giòn, rất cứng, khả năng chống mài mòn cao, rất khó gia công cắt gọt. Được dùng làm bi nghiền, guốc phanh  Gang cầu: có tổ chức như gang xám nhưng G dạng hình cầu. Độ bền cao nhất  k =(400-800) MPa,  = (5-18)%, a k = (300-600) kJ/m 2 . Được chế tạo bằng biến tính gang xám. VD GC40-10, GC60-05 grade 80-55-06. Được dùng làm ống, trục khuỷu  Gang dẻo: có lượng C thấp G tụ thành cụm trong nền ferrite. Độ bền cao  k =(300-600) MPa,  = (5-18)%. Được chế tạo bằng cách ủ gang trắng. VD GZ37-12, GZ45-10 class 35018. Sản phẩm thành mỏng, chịu va đập.  Gang giun (CGI): G bị nén ngắn lại nối với các tấm có bề mặt dạng sóng. Kết hợp các tính chất của GX với GC. Được dùng làm block động cơ, đầu cylinder VI. Thép hợp kim VI.1. Khái niệm: Loại thép mà ngoài Fe và C còn cố ý đưa thêm vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn (nguyên tố hợp kim) để làm thay đổi tổ chức, cải thiện các thuộc tính. Tạp chất có hại rất ít VI.2. Đặc điểm:  Độ bền cao hơn hẳn thép C tương đương  Độ cứng, độ bền nhiệt, độ dai va đập cao  Công nghệ chế tạo khắt khe. (a (b (c) VI.3. Phân loại: VI.3.1. Theo thành phần hợp kim: thấp, trung bình, cao. VI.3.2. Theo tổ chức cân bằng: trước cùng tích, cùng tích, sau cùng tích, thép ledeburite. VI.3.3. Theo công dụng:  Thép hợp kim kết cấu: độ bền, độ cứng ,độ dẻo, độ dai va đập cao được dùng làm các kết cấu chịu tải trọng tĩnh, động.  Thép hợp kim dụng cụ: độ cứng nóng cao, chịu mài mòn được dùng làm dụng cụ cắt, đo  Thép hợp kim đặc biệt: HSLA, Dual-phase, thép không gỉ, chống mòn hardfield, khuôn dập, ổ lăn VII. Hợp kim màu VIII. Nhiệt luyện VIII.1. Khái niệm  Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt, rồi làm nguội với các tốc độ nguội khác nhau. Nhiệt luyện thường gây ra sự chuyển biến pha làm thay đổi tổ chức tế vi, ảnh hưởng lớn đến cơ tính như độ bền, độ dai va đập, tính chống mài mòn của hợp kim.  Chi tiết gia công luôn ở trạng thái rắn. Chi phí năng lượng lớn. Kết quả phụ thuộc vào thành phần hợp kim, tình trạng ban đầu, tốc độ nung nóng và làm nguội Đánh giá qua độ cứng. VIII.2. Các tổ chức khi nhiệt luyện thép  Khi nung nóng qua đường A 1 , A 3 , A m chuyển biến pearlite thành austenite. Lúc đầu hạt  nhỏ mịn sau đó lớn dần.  Khi giữ nhiệt thành phần hóa học của  trở nên đều  Khi làm nguội chậm (giản đồ chữ C): austenite chuyển thành hỗn hợp cơ học pearlite   +Ce. Tốc độ nguội càng chậm thì lượng  P càng nhiều.Giữ  quá nguội cả ngày ở sát đường A 1 thì Ce tạo thành tấm thô. Xuống dưới 700 o C, Ce tấm chuyển thành Ce hạt. Giữ  quá nguội ở nhiệt độ càng thấp và thời gian chuyển biến càng kéo dài thì được tổ chức là bainite có hạt rất mịn.  Chuyển biến của  khi làm nguội nhanh: Với tốc độ nguội lớn hơn tốc độ tới hạn,  không kịp chuyển biến thành   +Ce mà chỉ chuyển biến thù hình tức thời từ kiểu mạng fcc sang kiểu mạng bct . Tổ chức này được gọi là martensite M. Martensite là dung dịch đặc xen kẽ quá bão hòa của C trong Fe  , có kiểu mạng chính phương tâm khối. M rất cứng và giòn, chịu mài mòn, độ dai va đập nhỏ. Chuyển biến M làm tăng thể tích do mật độ của các pha khác nhau, gây ra ứng suất dư trong vật thể. Khoảng nhiệt độ chuyển biến M từ M s đến M f . Phần  không chuyển biến hết được gọi là austenite dư. Austenite dư gây ra sự không ổn định kích thước, giảm độ bền, độ cứng và có thể bị nứt. VIII.3. Ủ và thường hóa thép VIII.3.1. Khái niệm: Ủ thép là quá trình nhiệt luyện làm nguội cùng lò để đạt được tổ chức pearlite ổn định với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Mục đích để làm mềm thép, tăng độ dẻo. Làm nhỏ hạt, đồng đều thành phần hóa học. Giảm ứng suất dư. VIII.3.2. Các hiện tượng trong quá trình nung: Khi biến cứng, hạt bị biến dạng, biên giới bị xô lệch, độ bền, độ cứng tăng lên, độ dẻo giảm. [...]... bị xô lệch hình thành các hạt mới theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm Các hạt mới có mạng tinh thể ít bị sai lệch và trở về các thuộc tính cũ Tính dẻo tăng lên một ít, độ cứng độ bền giảm nhiều  Sự lớn lên của hạt: Nếu tiếp tục nâng nhiệt độ thì các hạt nhỏ sẽ bị nhập lại thành hạt lớn Đó là quá trình tự nhiên vì nó làm giảm năng lượng dự trữ Qua đó làm giảm cơ tính VIII.3.3 Ủ hoàn toàn:  Tùy theo . Bài I CƠ SỞ VỀ VẬT LIỆU I. Thuộc tính cơ bản của vật liệu (kim loại và hợp kim) I.1. Cơ tính: Đặc trưng cơ học biểu thị khả năng chịu tải trọng của vật liệu I.1.1. Độ bền  . Năng lượng cần thiết để nâng một đơn vị khối lượng vật chất lên một độ. I.2.4. Độ dẫn nhiệt  (W/m* o K): Tốc độ năng lượng truyền qua vật liệu khi nhiệt độ chênh lệch. I.2.5. Hệ số giãn. I.4.2. Tính gia công áp lực: Biến dạng dẻo của vật liệu khi ngoại lực tác dụng. I.4.3. Tính hàn: Khả năng tạo ra liên kết bền vững. I.4.4. Tính gia công cơ khí: Khả năng gia công cắt gọt dễ hay khó.