Giáo trình vật liệu học (nghề công nghệ ô tô trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên 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 Trong lịch sử phát triển xã hội loài người sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính sử dụng chúng ngày cao Đầu tiên thời kì đồ đá, sau tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt, …Cho đến ngày loạt loại vật liệu ceramic, polyme, compozit, … Các loại vật liệu góp phần thúc đẩy phát triển xã hội loài người cách nhanh chóng Ngày với tiến vượt bậc khoa học kĩ thuật nói chung, khoa học công nghệ vật liệu đà chiếm lĩnh đỉnh cao trí tuệ lồi người Nắm vững điều khiển tính chất vật liệu theo yêu cầu nhiệm vụ vô quan trọng nhà nghiên cứu vật liệu lĩnh vực cơng nghiệp, quốc phịng, đời sống, … địi hỏi vật liệu sử dụng phải có nhiều tính chất khác Vật liệu học môn khoa học phục vụ cho phát triển sử dụng vật liệu, sở đề biện pháp cơng nghệ nhằm cải thiện tính chất sử dụng thích hợp ngày tốt Nó liên quan trực tiếp đến tất người làm việc lĩnh vực chế tạo, gia công sử dụng vật liệu Môn vật liệu học cung cấp cho sinh viên kiến thức loại vật liệu nhằm giúp cho sinh viên hiểu rõ loại vật liệu khác dựa mối quan hệ cấu trúc lý tính chúng để từ biết lựa chọn vật liệu phù hợp đáp ứng nhu cầu sử dụng sau Giáo trình VẬT LIỆU HỌC biên soạn với tham khảo tài liệu ngồi nước, đóng góp tận tình đồng nghiệp môn Khi biên soạn giáo trình chúng tơi cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến mơn học phù hợp với đối tượng sử dụng Mặc dù có nhiều cố gắng khơng tránh khỏi sai sót Rất mong đóng góp ý kiến đồng nghiệp, sinh viên bạn đọc quan tâm đến giáo trình Cần Thơ, ngày tháng năm Tham gia biên soạn Cao Thị Nguyễn Phương MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC .3 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Khái niệm vật liệu Cấu tạo kim loại hợp kim Tính chất chung kim loại hợp kim .14 CHƯƠNG 2: GANG VÀ THÉP 19 Gang loại gang thường dùng 19 Thép loại thép thường dùng 22 Tổ chức tế vi gang thép 24 Thép hợp kim 32 CHƯƠNG 3: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU .43 Đồng hợp kim đồng 38 Nhôm hợp kim nhôm 40 CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 43 Nhiệt luyện 43 Hóa nhiệt luyện .50 CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI 54 Vật liệu vô 54 Vật liệu hữu 56 CHƯƠNG 6: VẬT LIỆU MỚI 59 Vật liệu bột 59 Vật liệu kết hợp (composite) 61 CHƯƠNG 7: NHIÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN 65 Nhiên liệu ô tô 65 Vật liệu bôi trơn 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: VẬT LIỆU HỌC Mã môn học: MH10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Là mơn học kỹ thuật sở Mơn học bố trí học trước môn học, mô đun chuyên môn nghề Là môn cở sở tảng để thực hành môn học, mô đun nghề - Tính chất: Là mơn học bắt buộc chương trình đào tạo nghề Cơng nghệ tơ - Ý nghĩa vai trị: Mơn Vật liệu học cung cấp cho sinh viên kiến thức vật liệu để cần sử dụng biết lựa chọn vật liệu phù hợp Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: + Biết tính chất, phạm vi sử dụng, kí hiệu loại vật liệu thường dùng khí chế tạo, phương pháp thử độ cứng, chế độ nhiệt luyện cho chi tiết cụ thể - Về kỹ năng: + Phân tích kí hiệu loại vật liệu, đặc biệt vật liệu dùng cho khí chế tạo + Nhận biết sử dụng loại vật liệu khí đánh giá trắc nghiệm lựa chọn trắc nghiệm thực đạt yêu cầu + Về lực tự chủ trách nhiệm: + Có ý thức tự giác, tính kỉ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung môn học: CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mã chương: MH 10 - Giới thiệu Kim loại hợp kim vật liệu chủ yếu từ trước tới định thành bại sản xuất công nghiệp, chúng sử dụng rộng rãi công nghiệp để chế tạo chi tiết máy Tuy nhiên sản xuất cần phải dựa vào yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại hợp kim thích hợp, đảm bảo chất lượng kinh tế sản phẩm Muốn phải nắm tính chất chúng Mục tiêu Học xong chương người học có khả năng: - Trình bày khái niệm vai trò vật liệu - Phân biệt cấu tạo kim loại hợp kim - Trình bày tính chất chung kim loại hợp kim Nội dung Khái niệm vật liệu 1.1 Khái niệm chung Vật liệu theo cách hiểu phổ biến vật chất mà người dùng để chế tạo máy móc, thiết bị, dụng cụ … ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thơng vận tải, y tế, văn hóa, giáo dục, … Vật liệu học khoa học ứng dụng quan hệ thành phần, cấu tạo tính chất vật liệu, nhằm giải vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, liên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng thiết bị máy móc dụng cụ, nâng cao độ xác, độ tin cậy khả làm việc chi tiết máy dụng cụ Nghiên cứu tính chất vật lý (mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ từ thẫm …), tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng, mơđun đàn hồi, ), tính cơng nghệ (độ chảy lỗng, khả gia cơng cắt gọt, khả rèn, …) tính làm việc (tính chống ăn mịn, tính chống mài mịn mỏi, tính giịn lạnh, tính bền nhiệt, …) vật liệu cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý vật liệu khác nhau, nhiên có tính đến địi hỏi tính kinh tế Dựa theo tính chất đặc trưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu vật liệu kim loại, vật liệu vơ - ceramic vật liệu hữu - polyme Tuy nhiên năm gần xuất nhóm vật liệu quan trọng thứ tư vật liệu kết hợp - vật liệu composite 1.1.1 Vật liệu kim loại Thành phần chủ yếu hợp kim gồm: kim loại + kim kim loại khác Là vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với màu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép) Có độ bền học bền vững hóa học, trừ nhơm (Al), kim loại thơng dụng khác như: Fe, Cu, nặng, nhiệt độ chảy biến đổi phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng yêu cầu đa dạng kỹ thuật Tính chất kim loại thật lạ kỳ đa dạng Thủy ngân tồn thể lỏng nhiệt độ -300C, cịn Vonfram khơng bị hóa lỏng khơng nung q 34100C Liti nhẹ nửa nước, khó nhấn chìm nước, cịn Osimi nhà vơ địch kim loại lại chìm nước, … Trái đất giàu nhôm, hàm lượng chúng vỏ trái đất thua oxi silic, hàm lượng Francis đến mức gam Ðặc điểm cấu trúc vật liệu kim loại xếp trật tự nguyên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao liên kết với nhờ khí điện tử tự Trong mạng tinh thể luôn tồn khuyết tật số điều kiện chúng chuyển hồn tồn sang trạng thái khơng trật tự thuộc dạng vơ định hình Vật liệu kim loại chia làm hai nhóm lớn: - Kim loại hợp kim sắt vật liệu mà thành phần chủ yếu có nguyên tố sắt Thuộc nhóm chủ yếu thép gang - Kim loại hợp kim không sắt loại vật liệu mà thành phần chúng khơng chứa chứa sắt Ví dụ đồng, nhơm, kẽm, niken loại hợp kim chúng Nhóm cịn có tên gọi kim loại màu hợp kim màu 1.1.2 Vật liệu vô – ceramic Là hợp chất kim loại, silic với kim: thành phần cấu tạo vật liệu vô ceramic chủ yếu hợp chất kim loại Mg, Al, Si, Ti, phi kim dạng oxit, cacbit, hay nitrit, với liên kết bền vững kiểu ion kiểu đồng hóa trị có xếp trật tự để tạo thành mạng tinh thể có xếp không trật tự trạng thái thủy tinh hay vô định hình Tên gọi ceramic bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa "vật nung" nên chế tạo vật liệu loại thường phải qua nung nóng, thiêu kết Các vật liệu vô - ceramic truyền thống kể đến là: gốm vật liệu chịu lửa, thủy tinh gốm thuỷ tinh, ximăng bêtơng Vật liệu vơ có tính dẫn điện kém, cứng bền nhiệt độ cao, có xu hướng giòn Trong năm gần đây, nhiều loại vật liệu vơ - ceramic tìm thấy có tính quí nhẹ, chịu nhiệt tốt, bền vững hóa học có tính chống mài mịn tốt ứng dụng ngày nhiều cơng nghiệp điện, điện tử hàng không vũ trụ 1.1.3 Vật liệu hữu – polyme Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu C, H kim, có cấu trúc phân tử lớn - Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp - Bền vững hóa học nhiệt độ thường khí Vật liệu hữu – polyme bao gồm chất hữu chứa cacbon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu cacbon (C) hidrô (H) chứa thêm oxi, clo, nitơ, liên kết với mạch phân tử kích thước lớn xếp trật tự gọi trạng thái tinh thể không trật tự gọi trạng thái vô định hình Tuy nhiên chúng có cấu trúc hỗn hợp vừa tinh thể vừa vơ định hình Ngồi vật liệu hữu tự nhiên cao su, xenlulo, … phần lớn vật liệu hữu sử dụng rộng rãi công nghiệp sống polyme tổng hợp, chúng sản phẩm q trình trùng hợp (polyme hóa) phân tử đơn (monome) tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có tên gọi khác polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), … 1.1.4 Vật liệu kết hợp – composite Là loại vật liệu kết hợp hai hay nhiều loại vật liệu khác với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang đặc tính tốt vật liệu thành phần Ví dụ: bê tơng cốt thép kết hợp thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt bê tông (là vật liệu vơ cơ) có tính chịu nén tốt, bê tông cốt thép loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo vừa chịu nén tốt Sự kết hợp kim loại với polyme, polyme với ceramic, ceramic với kim loại,… sở để chế tạo loại vật liệu kết hợp-compozit với tính khác phục vụ tốt ngành công nghiệp sản xuất khí nói chung Một số vật liệu kết hợp - compozit ứng dụng ngành hàng khơng có hiệu sợi thủy tinh độ bền cao sợi cacbon Ngoài bốn nhóm vật liệu vừa nêu cịn có nhóm vật liệu khác có tính thành phần riêng biệt như: Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian kim loại ceramic (trong hai nhóm đầu gần với Kim loại Compozit Hữu polyme 23 Vơ ceramic 33 Hình 1.1 Sơ đồ minh họa nhóm vật liệu quan hệ chúng Bán dẫn; Siêu dẫn; Silicon; Polyme dẫn điện kim loại hơn, nhóm sau gần với ceramic hơn) Silicon nằm trung gian vật liệu vô với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu 1.2 Vai trò vật liệu sống Chúng ta kỉ 21, kỉ nguyên mà người bé nhỏ thể chất lại vươn tầm hiểu biết giới vũ trụ bao la vô tận nhờ thiết bị đại, dựa sở phát triển vũ bão công nghệ thông tin Nền văn minh nhân loại phát triển với việc người ngày biết dùng nhiều loại vật liệu hồn thiện phục vụ cho sống Con người với trí tuệ phẩm chất kì diệu “lao động” khơng mà cịn tiếp tục sáng tạo nhiều vật liệu phục vụ sống Khơng vật liệu truyền thống mà cịn tìm nhiều loại vật liệu kì diệu khác, đưa văn minh nhân loại phát triển đến mức mà cách vài chục năm nhà văn viễn tưởng táo bạo khơng thể hình dung Những mốc quan trọng lịch sử phát triển xã hội loài người xây dựng sở lấy vật liệu nịng cốt chế tạo cơng cụ lao động làm biểu tượng, “thời kì đồ đá”, “thời kì đồ đồng”, “thời kì đồ sắt” … Mỗi người tìm loại vật liệu mới, với tính ưu việt hơn, lần góp phần thúc đẩy suất lao động xã hội phát triển, mở ngành khoa học mới, nêu vài kiện để minh họa: - Sự xuất công nghệ chế tạo hợp kim nhơm cứng đura (1930) nhờ q trình hóa già biến cứng, giúp cho công nghiệp hàng không tên lửa có bước phát triển nhảy vọt đại chiến giới thứ hai - Sự đời công nghệ chế tạo polyme Vào đầu kỉ XX có lẽ người giàu tưởng tượng khó hình dung chuyện mà hơm trở thành bình thường: từ khúc gỗ, hạt đậu tương, từ chai dầu thô đen xỉn bẩn thỉu, từ tảng than đen nhánh …, lại làm lụa mịn màng, lễ phục trang nghiêm, quần áo lộng lẫy thảm rực rỡ Vậy mà nhờ tìm công nghệ chế tạo chất dẻo polyme (1980) nhân loại thực điều từ thêm vật liệu, người bạn đồng hành kì diệu mới, kèm theo đời ngành công nghiệp sợi, tơ nhân tạo … - Với tìm cơng nghệ chế tạo bán dẫn (1955) kĩ thuật tinh luyện tạo lớp chuyển tiếp … kĩ thuật thơng tin phát truyền hình nhanh chóng phát triển Trên sở ứng dụng kiến thức khoa học, hàng loạt vật liệu khác chế tạo ứng dụng rộng rãi sản xuất khí như: thép khơng gỉ austenit (1935), hợp kim titan (1960), vật liệu lò phản ứng hạt nhân (1960), thép xây dựng vi hợp kim hóa (1965), thép kết cấu độ bền cao (1965), vật liệu compozit sợi (1965), hợp kim nhớ hình (1975) kim loại thủy tinh (1980) Đó chưa kể nhiều loại vật liệu q trình nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm, có nhiều triển vọng sử dụng rộng rãi thập kỉ tới 1.3 Khái quát trình phát triển vật liệu Lịch sử phát triển khoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển loài người, chia làm giai đoạn lớn sau: 1.3.1 Giai đoạn tiền sử loài người Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên người nguyên thủy biết sử dụng công cụ lao động để trì phát triển cộng đồng, ngày họ biết sử dụng vật liệu có sẵn tự nhiên như:  Vật liệu vô cơ: đất sét, đá loại khoáng vật …  Vật liệu hữu da, sợi thực vật, gỗ, tre …  Vật liệu kim loại vàng, bạc, đồng tự nhiên sắt thiên thạch … Trong giai đoạn này, vật liệu sử dụng đa phần dạng nguyên thủy, không qua chế biến Các vật dụng chế tạo chủ yếu cách cắt, mài, đập hay nghiền … Tại thời kì riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã người Trung Quốc biết chế tạo gạch để xây cất cách phơi khơ đất sét ngồi nắng 1.3.2 Giai đoạn chế tạo sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm Phải trải qua thời gian lâu, nghĩa sau hàng nghìn năm để tích lũy quan sát ngẫu nhiên kinh nghiệm, thực thí nghiệm cách rời rạc mị mẫm, người thời trước Công nguyên tạo nhiều kiện quan trọng lĩnh vực vật liệu Một số kiện quan trọng thời kỳ là: - Trước Công nguyên khoảng 000 năm, người ta biết luyện đồng từ quặng để chế tạo cơng cụ lao động vũ khí Những cục xỉ đồng với tuổi 500 năm mà người ta phát cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ nói lên xuất sớm nghề luyện đồng từ quặng trái đất - Sắt thép xuất sớm Vào khoảng kỉ 15 trước Công nguyên người ta biết sử dụng cơng cụ thép sau khoảng kỉ, người Hy Lạp La Mã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện thép để làm tăng độ cứng cho thép Kĩ thuật đạt đỉnh cao vào thời trung cổ với kiếm tiếng Damascus (Syria) ngày cịn bí mật cơng nghệ Các nhà khảo cổ học khai quật Ninevia - kinh đô đồ sứ cổ Assiria cung điện vua Sargon đệ nhị kỉ thứ VIII trước Công nguyên phát kho chứa khoảng 200 sản phẩm sắt mũ sắt, lưỡi cưa cơng cụ rèn … - Một kì tích cơng nghệ luyện kim nhân loại cổ xưa tìm thấy cột trụ sắt tiếng Ấn độ gần nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao 7m xây dựng từ năm 415 để tưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị Những lò luyện sắt có Trung Quốc Ai cập xuất từ 000 năm trước Công nguyên - Vào cuối kỉ thứ XVIII, kĩ thuật chế tạo thép với qui mô lớn xuất hiện, mà nhờ người sử dụng phổ biến để chế tạo máy nước, tàu thủy, xây dựng cầu cống, nhà cửa đường sắt … Một cơng trình thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen thủ đô Pari Pháp Tháp nặng 341 cao tới 320 m xây dựng xong năm 1889 niềm tự hào biểu tượng văn minh nước Pháp mà cịn kỳ quan giới - Ngồi phát triển mạnh vật liệu kim loại nêu trên, vật liệu vơ có bước tiến sớm Từ kỷ XV trước Công nguyên, Ai Cập, Babylon La Mã người ta biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tới đầu kỷ XIX xi măng portlan xuất Anh, Mỹ, Nga sau kĩ thuật đúc bê tơng cốt thép sử dụng xây dựng xuất Mỹ vào năm 1875 ngày loại vật liệu ngày sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng cầu đường, nhà cửa … 1.3.3 Giai đoạn chế tạo sử dụng vật liệu theo kiến thức khoa học Cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối kỉ XIX thúc đẩy phát triển nhiều ngành khoa học khác nhau, đặc biệt vật liệu hóa học, ngành có ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển vật liệu Các nhà khoa học sâu tìm hiểu chất vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân hình thành tính chất khác chúng Nhờ kiến thức khoa học mà người đánh giá định tính chiều hướng phát triển vật liệu định hướng công nghệ chế tạo vật liệu với tính chất mong muốn Có thể kể vài bước tiến bật công nghệ vật liệu:  Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhơm cứng có tên Ðura (duaralumin) xuất nhờ q trình hóa già biến cứng  Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme đời nhờ trình trùng hợp  Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn kĩ thuật tinh luyện tạo lớp chuyển tiếp  Năm 1965 loạt vật liệu đời thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ bền cao đặc biệt xuất vật liệu kết hợp compozit  Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình  Năm 1980 chế tạo thành cơng kim loại thủy tinh … Bất kì sáng tạo người phải sử dụng vật liệu, phải khai thác đặc tính khác vật liệu.Tuy nhiên cịn có nhiều loại vật liệu cịn q trình nghiên cứu phịng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng rãi vào thực tế tương lai Hình 1.2 Phân bố vật liệu Cấu tạo kim loại hợp kim 2.1 Cấu tạo kim loại 2.1.1 Khái niệm kim loại Theo định nghĩa cổ điển kim loại vật thể sáng, dẻo rèn được, có tính dẫn nhiệt dẫn điện cao Tuy nhiên định nghĩa cũ chưa cho kim loại Ví dụ: Sb (ăngtimoan) giịn khơng thể rèn Hiện để nhận biết chất kim loại người ta dựa vào hệ số nhiệt độ điện trở: kim loại hệ số dương tức nhiệt độ tăng điện trở tăng 2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại - Trong điều kiện thường áp suất khí hầu hết kim loại tồn trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân) + Mạng tinh thể mơ hình hình học mơ tả xếp có quy luật ngun tử (phân tử) khơng gian (Hình 1.2 a) + Mạng tinh thể bao gồm mặt qua nguyên tử, mặt luôn song song cách gọi mặt tinh thể (Hình 1.2 b) + Ơ sở hình khối nhỏ có cách xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (Hình 1.2 c) Trong thực tế để đơn giản cần biểu diễn mạng tinh thể sở đủ Tuỳ theo loại ô người ta xác định thơng số mạng Ví dụ lập phương thể tâm (Hình 1.3) có thơng số mạng a chiều dài cạnh ô Đơn vị đo thơng số mạng Ăngstrong (Angstrom), kí hiệu: Å Hình 1.3: Cấu tạo mạng tinh thể - Các kiểu mạng tinh thể thường gặp: + Mạng lập phương thể tâm: nguyên tử (ion) nằm đỉnh tâm khối lập phương Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng như: Feα , Cr, W (Wolfram), Mo (Molypden), V (Vanadi)… Hình 1.4 : Ơ sở mạng lập phương thể tâm + Lập phương diện tâm: nguyên tử (ion) nằm đỉnh (tâm) mặt hình lập phương 10 1.3.2 Thủy tinh gốm thủy tinh a Thủy tinh Là vật liệu có cấu trúc vơ định hình chế tạo theo cơng nghệ nấu chảy sau tạo hình cách kéo, cán, ép, thổi Thủy tinh thơng dụng thuộc hệ silicat – kiềm – kiềm thổ (SiO2 – Na2O - CaO) dùng để chế tạo kính xây dựng, bao bì, chai lọ cơng nghiệp hóa chất, dược phẩm, đồ gia dụng, hình tivi Thủy tinh SiO2 (thạch anh) dùng để chế tạo dụng cụ thiết bị chịu nhiệt, bền hóa học Thủy tinh thạch anh suốt có chứa B2O3 dùng để chế tạo dây cáp quang b Gốm thủy tinh Gốm thủy tinh loại vật liệu có thành phần hóa học gần thủy tinh mặt cấu trúc khác với thủy tinh giống gốm Nếu thủy tinh có cấu trúc vơ định hình gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp tinh thể vơ định hình Cấu trúc vi mơ gốm thủy tinh gồm tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng tồn khối, khơng có lỗ xốp Gốm thủy tinh có độ bền cao lực va đập lực biến dạng, ống thủy tinh thường có độ bền gãy 210 – 700 kg/cm2 gốm thủy tinh với hình dạng kích thước tương đương có độ bền gãy 2.800 – 4.200 kg/cm2 Gốm thủy tinh có độ bền mài mịn, tính bền nhiệt cao nhiều so với thủy tinh thường Ví dụ nhiều ơxit thủy tinh nóng chảy 600 – 700oC, vật liệu gốm thủy tinh có thành phần 1.000 – 2.000oC giữ độ bền độ rắn Gốm thủy tinh cách nhiệt tốt Ứng dụng: y tế làm vật liệu thay cho xương: gọi gốm thủy tinh y sinh Gốm thủy tinh y sinh có khả liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho tế bào sau bị thương tổn tiếp tục tái sinh liên kết trực tiếp với bề mặt vật cấy Trong gia dụng: chi phí sản xuất thấp kỹ thuật đơn giản, gốm thủy tinh sử dụng để sản xuất đồ gia dụng chất lượng cao Nhờ có khả chịu sốc nhiệt cao nên gốm thủy tinh sử dụng làm mặt kính cho bếp từ Trong xây dựng: gốm thủy tinh sử dụng làm cửa chống cháy số cơng trình xây dựng Một sản phẩm khác phổ biến ngành xây dựng gốm thủy tinh neopariés, tương tự đá cẩm thạch bền Trong vũ trụ: gốm thủy tinh sử dụng để làm phận chịu lực để phủ lên kim loại hay làm khớp nối kín kim loại gốm, lớp vỏ bảo vệ đầu mũi tên lửa, bảo vệ thiết bị radar khỏi phá hủy máy bay tên lửa 1.3.3 Xi măng bê tông a Xi măng Là chất kết dính vơ dùng để chế tạo bê tơng Xi măng có nhiều loại quan trọng loại xi măng poclan Xi măng chế tạo đá vôi, đất sét quặng oxit nghiền mịn trộn phối liệu, nung nhiệt độ 14000C - 15000C để tạo thành clinke Nghiền clinke thành bột với thạch cao sống tạo thành xi măng b Bê tông Bê tông vật liệu vô đa pha giống gốm gốm thủy tinh pha kết dính nhiệt độ thường nhờ xi măng Bê tông chế tạo từ vật liệu silicat có kích thước khác đá dăm, cát vàng, xi măng khô nhào trộn với nước Vật liệu hữu (polyme) 2.1 Cấu tạo tính chất 2.1.1 Cấu tạo 55 Từ xa xưa người biết sử dụng vật liệu hữu tự nhiên gỗ, tre, da, sợi thực vật v.v để phục vụ sống sinh hoạt hàng ngày Với phát triển khoa học công nghệ, ngày vật liệu hữu - vật liệu polyme đưa vào sử dụng để sản xuất sản phẩm mở rộng hoạt động người Polyme gọi hợp chất hữu cao phân tử chất có khối lượng phân tử lớn (không nhỏ 104 phân tử), phân tử gồm nhóm nguyên tử gọi mắc xích Mỗi mắc xích đơn phân hay gọi monome Polyme tồn dạng đồng mạch hay dị mạch Có thể dạng mạch thẳng, mạch nhánh, mạch tích hay mạch khơng gian Polyme có cấu trúc gồm trạng thái tinh thể (các phân tử polyme xếp có qui luật) trạng thái vơ định hình (các phân tử polyme xếp có qui luật) 2.1.2 Tính chất Vật liệu polyme có độ bền thấp kim loại (khoảng 10 lần so với thép thường) có độ dẻo cao hơn, đạt 100% chí 1000%, thép thường có độ dẻo đạt vài chục phần trăm Cơ tính polyme phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ mơđun đàn hồi giới hạn bền giảm độ dẻo tăng Polyme có khối lượng riêng không cao nên ứng dụng rộng rãi chi tiết nhẹ chi tiết không cần độ bền học cao Độ dẫn nhiệt polyme tương đối thấp điện trở suất cao (1015 – 1018 Ωcm) nên dùng làm chất cách nhiệt, cách điện 2.2 Một số loại polyme điển hình ứng dụng Có nhiều cách phân loại polyme: theo nguồn gốc hình thành, theo cấu trúc mạch phân tử, theo tính chịu nhiệt, theo lĩnh vực ứng dụng Trong phân loại theo lĩnh vực ứng dụng phổ biến nhất, theo lĩnh vực vật liệu polyme chia nhóm chất dẻo, nylon, sợi, cao su, sơn keo, … 2.2.1 Chất dẻo a Định nghĩa Chất dẻo hay gọi nhựa polyme loại vật liệu nhân tạo sản xuất từ chất hữu có khả bị biến dạng chịu tác dụng nhiệt, áp suất giữ biến dạng thơi khơng tác dụng b Tính chất Chất dẻo có trọng lượng riêng nhỏ 0,9 ÷ 2G/cm³ Độ bền học cao, có độ bền nhiệt, chống ăn mịn tốt, hệ số ma sát nhỏ, tính cách điện cách âm tốt Chất dẻo có tính bền hóa học cao khơng bị tác dụng axit, kiềm Tính cơng nghệ cao (công nghệ chế tạo chi tiết chất dẻo đơn giản) Nhược điểm chất dẻo bị hóa già theo thời gian làm biến đổi tính chất ban đầu Để khắc phục nhược điểm người ta cho thêm số chất phụ vào chất dẻo c Các loại chất dẻo Theo tính chất liên kết, chất dẻo phân thành loại: – Chất dẻo nhiệt rắn: đốt nóng tính chảy mềm, khơng hịa tan Ví dụ: loại bakelit, polyamit, epoxi… Các loại chất dẻo nhiệt rắn có cấu trúc mạch lưới – Chất dẻo nhiệt dẻo: có cấu trúc mạch thẳng mạch nhánh Ví dụ: polyisobutylen, polyvinylaxetat… Các chất nhiệt dẻo thường dùng là: – Chất dẻo có độ dẻo cao như: PP (Polypropylen), PE (Polyetylen) dùng làm bao bì sản phẩm, chai, lọ… 56 – Chất dẻo có độ suốt PMMA (Polymethyl methacrylate cịn có tên gọi khác thủy tinh hữu cơ, nhựa acrylic thủy tinh acrylic), PS (Polystyren) dùng làm kính máy bay, dụng cụ gia đình, dụng cụ đo – Chất dẻo PVC (Polyvynilclorua) dùng để làm ống, vỏ dây điện, loại bền xăng hóa chất (khơng dùng đựng thực phẩm) – Baketlit, tetolit, polyamit, … có độ cứng chịu nhiệt cao thường dùng để chế tạo chi tiết máy 2.2.2 Cao su (Elastome) a Phân loại Có hai loại cao su cao su tự nhiên cao su nhân tạo - Cao su tự nhiên: Được lấy từ nhựa cao su Khi lấy có màu trắng đục, để lâu ánh sáng biến thành màu nâu - Cao su nhân tạo: Là vật liệu polyme tương tự cao su tự nhiên, có người điều chế từ chất hữu đơn giản hơn, thường phản ứng trùng hợp Ví dụ: Cao su butadien (cao su buna), cao su Isopren - Cao su thường dùng công nghiệp đời sống cao su lưu hóa tức pha thêm ÷ 2% lưu huỳnh b Tính chất Tính chất bật cao su tính đàn hồi Cao su lưu hóa giữ tính đàn hồi khoảng nhiệt độ từ 20ºC ÷ 100ºC Cao su cịn có số tính chất q khác như: Độ bền cao, chịu mài mịn tốt, khơng thấm nước khí, có khả dập tắt nhanh rung động, cách nhiệt, cách điện tốt, chịu tác dụng hóa học axit, kiềm, khối lượng riêng nhỏ Nhược điểm cao su bị giảm dần tính chịu tác dụng ánh sáng nhiệt độ, bị hịa tan số dung mơi hữu xăng, dầu c Công dụng Cao su sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống Trong ngành khí, cao su dùng rộng rãi để chế tạo loại sản phẩm sau: - Đai truyền chyển động, đai truyền vận chuyển (băng tải vận chuyển cát, đá, than ) - Vòng đệm làm kín bề mặt tiếp xúc chi tiết máy nhằm tránh chảy dầu, nước, tránh dị khí, tránh bụi - Ống dẫn chất lỏng, chất khí chịu áp suất thấp Cao su polyisopren tự nhiên cao su tổng hợp styren butadien dùng vỏ ruột xe ô tơ có tính cao, chịu mài mịn tốt, chịu ma sát Cao su silicon loại cao su đặt biệt chịu nhiệt độ, cách điện tốt dùng làm sơn chịu nhiệt, chất trám đường ống công nghiệp thực phẩm 2.3 Gia công polyme Trong polyme thường có chất phụ gia chất tăng cường 2.3.1 Các chất phụ gia - Chất độn làm tăng độ bền, độ cứng, giảm độ co ngót tạo hình, giảm giá thành - Chất làm dẻo: làm tăng tính dẻo bền vững nhiệt độ thấp, dễ dàng cho cơng nghệ tạo hình - Chất bơi trơn: làm cho polyme khơng bị dính vào khn tạo hình - Chất làm rắn: làm polyme thể loãng trở thành thể rắn nguội - Chất tạo màu: làm cho polyme có màu sắc theo ý muốn ZnO (màu trắng), chì cromat (màu vàng), Fe2O3 (màu đỏ), muội than (màu đen) - Chất ổn định: làm cho chất dẻo giữ tính chất ban đầu 57 - Chất chống cháy: alumin, thiếc oxit, muối photphat 2.3.2 Các chất tăng cường Là chất phối trộn với polyme có tác dụng cải thiện số tính chất lý polyme Các chất tăng cường thường sử dụng vải thủy tinh, bi thủy tinh, bột graphit, mica dạng vải, amian, hay thân polyme chất tăng cường (sợi kevla, sợi ABS) Phương pháp tạo hình polyme phổ biến đúc gồm có: đúc ép, đúc trao đổi, đúc phun, đúc đùn, đúc thổi, đổ khuôn CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày khái niệm phân loại vật liệu vô Nêu đặc điểm cấu trúc tính chất vật liệu vô Kể tên số loại vật liệu vô điển hình ứng dụng chúng Vật liệu hữu có cấu tạo tính chất nào? Trình bày tính chất ứng dụng chất dẻo Trình bày tính chất cơng dụng cao su Trình bày gia cơng polyme Phương pháp thực câu hỏi tập - Vấn đáp, thuyết trình, trực quan (xem video): câu → câu Yêu cầu đánh giá kết học tập chương - Kiến thức: + Trình bày khái niệm, đặc điểm, tính chất phạm vi ứng dụng số vật liệu phi kim loại - Kỹ năng: + Phân biệt vật liệu phi kim loại thường dùng - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Ý thức tích cực, tự giác, cẩn thận học tập nghiên cứu 58 CHƯƠNG 6: VẬT LIỆU MỚI Mã chương: MH 10 - Giới thiệu Sản xuất vật liệu giới nhìn chung đáp ứng nhu cầu số lượng, vấn đề chất lượng giá thành đặt lên hàng đầu làm tăng thêm cạnh tranh loại vật liệu lĩnh vực sử dụng chúng Bên cạnh với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật thúc đẩy nhiều loại vật liệu Mục tiêu Học xong chương người học có khả năng: - Trình bày khái niệm, đặc điểm cộng dụng loại vật liệu phổ biến Nội dung Vật liệu bột 1.1 Khái niệm Vật liệu bột chế tạo từ bột kim loại hợp kim, sau đúc ép thiêu kết thành chi tiết - Ưu điểm: hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao, thành phần tổ chức tính chất dễ dàng khống chế kiểm sốt, có độ cứng cao mà không cần nhiệt luyện - Nhược điểm: vốn đầu tư cao tính dẻo 1.2 Cơng nghệ chế tạo Công nghệ chế tạo vật liệu gồm giai đoạn: - Tạo bột kim loại hợp kim: có nhiều phương pháp chế tạo bột kim loại hợp kim như: nghiền, điện phân, hóa bột từ lỏng, … - Trộn phối liệu tạo hình: phối liệu bao gồm thành phần theo yêu cầu trộn máy trộn tốt vừa nghiền vừa trộn Thời gian trộn cho đảm bảo đồng thành phần phối liệu Sau đem ép định hình lấy đọng bột kim loại khuôn thạch cao kỹ thuật chế tạo gốm - Thiêu kết: thiêu kết chia làm hai giai đoạn: nung sơ đến 12000C - 13000C mơi trường khí hidro thời gian từ 90 – 120 phút, sau nung trực tiếp lửa 30000C Có thể kết hợp vừa ép, vừa thiêu kết theo cơng nghệ ép nóng Khn nung đến nhiệt độ 13000C - 16000C Lực ép từ 70 – 150 kg/mm2 - Gia công chi tiết sau thiêu kết: sau thiêu kết cần thực thêm số khâu sau: + Có thể gia cơng + Ép hiệu chuẩn khn ép để có hình dáng kích thước chi tiết Lực ép hiệu chuẩn thường cao lực ép thiêu kết + Ngậm dầu cho sản phẩm 1.3 Các loại vật liệu bột điển hình 1.3.1 Hợp kim cứng Trong công nghệ cắt gọt kim loại, tốc độ cắt gọt cao nhiệt độ dao cắt kim loại cao (khoảng 800 - 10000C) Ở nhiệt độ cao khơng có kim loại bình thường cịn giữ độ cứng với thép gió, độ cứng bị giảm nhiệt độ tăng 600 - 6500C Nhưng hợp kim cứng làm việc nhiệt độ cao 10000C a Thành phần Hợp kim cứng loại vật liệu khơng có sắt, thành phần chủ yếu tất hợp kim cứng cacbit kim loại khó nóng chảy vonfram, titan, tantan Coban dùng làm chất dính kết cacbit Các loại cacbit kim loại khó nóng chảy 59 có độ cứng cao, độ chịu mịn cao sử dụng làm thành phần chủ yếu hợp kim cứng b Tính chất - Độ bền nhiệt từ 900 - 10000C - Độ cứng cao (70 - 75 HRC 82 - 90 HRA), độ cứng có từ lúc chế tạo không cần qua nhiệt luyện, dùng làm dụng cụ cắt đạt tốc độ cắt đến hàng trăm mét/phút - Tính chống mài mịn tốt - Rất giịn c Phân loại cơng dụng Hợp kim cứng có nhiều loại chia làm loại sau: hợp kim cứng dùng để hàn đắp hợp kim cứng dùng để cắt gọt kim loại - Hợp kim cứng dùng để hàn đắp Người ta chia hợp kim cứng dùng để hàn đắp làm ba loại: loại đúc, loại hạt loại que hàn để hàn điện Hợp kim cứng dùng để hàn đắp thường dùng để hàn đắp lên mũi dao bề mặt vật chịu mòn nhiều Hợp kim cứng hàn đắp lên bề mặt vật cách hàn hàn điện hồ quang - Hợp kim cứng dùng để cắt gọt + Nhóm cacbit vonfram coban: kí hiệu BK, số sau chữ K % coban, lại % cacbit vonfram (WC) Ví dụ: BK6 có 6% Co, 94% WC + Nhóm cacbit vonfram – cacbit titan – coban: kí hiệu TK, số sau chữ K % coban, số sau chữ T phần trăm cacbit titan (TiC) cịn lại % cacbit vonfram + Nhóm cacbit vonfram – cacbit titan – cacbit tantan – coban: kí hiệu TTK, số sau chữ K % coban, số sau hai chữ T tổng % cacbit titan cacbit tantan (TiC + TaC), lại % cacbit vonfram Ví dụ: TT7K12 có 12% Co, 7% (TiC + TaC), lại 81% WC * Bảng thành phần công dụng số hợp kim làm dụng cụ cắt Nhóm hợp kim Kí hiệu WC Thành phần (%) TiC TaC Co BK2 98 - - BK8 92 - - T5K10 T14K8 85 78 14 - 10 T15K6 79 15 - 12 BK TK TTK TT7K12 81 60 Công dụng Dùng gia công tinh gang kim loại màu, khuôn kéo kim loại Dùng gia công thô gang kim loại màu, chi tiết có vỏ cứng đúc, nén, dập Dùng tiện, bào thô thép Dùng làm dao tiện, phay, mũi khoan gia công thép Dùng làm dụng cụ cắt thơ tinh Dùng gia cơng thơ thép có vỏ cứng, gia cơng có va đập (thỏi đúc, phơi rèn (vật nặng)) 1.3.2 Vật liệu làm đĩa cắt Vật liệu làm đĩa cắt kim cương nhân tạo Nitrit bo (BN) dùng rộng rãi cắt kim loại, cắt đá Chúng loại vật liệu siêu cứng có độ cứng từ 8000 đến 10000 HV 1.3.3 Vật liệu mài Bột mài gồm hạt cứng có kích thước khơng ln có góc cạnh sắc nhọn Vật liệu mài dùng dạng tự (dạng bột) bột mài nghiền, mài rà mài giấy vải (giấy nhám) dạng khối (đá mài, mài) Vật liệu kết hợp (composite) 2.1 Các khái niệm composite 2.1.1 Khái niệm Vật liệu composite loại vật liệu nhiều pha khác thành phần hóa học, khơng hịa tan hòa tan vào nhau, phân cách ranh giới pha, kết hợp lại nhờ can thiệp kỹ thuật người theo sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng phát triển tính chất tốt pha vật liệu kết hợp cần chế tạo 2.1.2 Đặc điểm - Một vật liệu composite gồm hay nhiều pha gián đoạn phân bố pha liên tục - Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn gọi composite hỗn tạp Pha gián đoạn thường có tính trội pha liên tục - Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu tăng cường, đóng vai trị tạo nên độ bền cao, môđun đàn hồi cao cho composite - Pha liên tục gọi nền, có vai trị chủ yếu là: + Liên kết toàn phần tử cốt + Che phủ bảo vệ cốt tránh hư hỏng học hóa học mơi trường + Tạo khả để tiến hành phương pháp gia công composite thành chi tiết theo thiết kế - Cơ tính vật liệu composite phụ thuộc vào: + Cơ tính vật liệu thành phần + Luật phân bố hình học vật liệu cốt + Tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần Hình 4.1: Vật liệu Compozit 61 2.2 Các loại composite thông dụng 2.2.1 Composite cốt sợi Là loại kết cấu quan trọng có độ bền mơ đun đàn hồi riêng cao Nó thường dùng vật liệu phải tương đối dẻo, cốt sợi phải có độ bền, độ cứng vững cao, ngồi cịn phụ thuộc vào hình dạng, kích thước phân bố sợi Các dạng Composite sợi thường dùng là: - Composite polyme cốt sợi thủy tinh: polyme thường polyeste nylon Đây loại composite cốt sợi phổ biến có nhiều ưu điểm vừa bền, vừa nhẹ, chống ăn mòn tốt, chống va đập tốt, cách điện tốt, công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành hạ nên dùng nhiều việc chế tạo vỏ xuồng cano tốc độ cao, áp tường máy bay, toa xe, phòng tắm, phòng vệ sinh, bể bơi, vỏ thân xe hơi, tàu biển, ống dẫn Nhược điểm vật liệu độ đàn hồi thấp sử dụng nhiệt độ < 2000C Đặc biệt có sức cạnh tranh công nghiệp ô tô nhờ giảm nhiều khối lượng tiêu hao nhiên liệu làm việc - Composite polyme cốt sợi cacbon sợi bo: có độ bền cao hươn - lần so với polyme sợi thủy tinh, có độ đàn hồi tốt hơn, chịu nhiệt độ cao hơn, tính chống ăn mòn chịu mỏi cao, chống rung tốt Loại phù hợp để chế tạo chi tiết máy có tính tổng hợp cao nhẹ ánh quạt máy bay lên thẳng, cánh thăng bằng, cánh quạt máy nén khí, kết cấu tàu vũ trụ, tàu biển, dụng cụ thể thao Composite có sức cạnh tranh sản xuất máy bay giảm nhẹ khối lượng nên nhiên liệu tiêu hao (giảm 20 – 30%) so với kim loại - Composite kim loại cốt sợi: nhôm, đồng, magiê sợi cacbon, bo, cacbit silic loại chịu nhiệt cao, dùng chế tạo chi tiết tua bin Composite nhơm sợi bo có phủ SiC có triển vọng có độ bền cao, mơ đun đàn hồi cao nhẹ, sử dụng nhiều lĩnh vực hàng khơng 2.2.2 Composite cốt hạt Loại có đặc điểm phần tử cốt hạt thường cứng nền, thường dùng oxit, nitorit, borit, cacbit… - Hợp kim cứng: coban cốt phần tử hạt cacbit vonfram, cacbit titan Hợp kim cứng có độ cứng độ chịu nhiệt cao vật liệu dùng để chế tạo dụng cụ cắt gọt, khuôn ép - Bê tông: ximăng cốt đá, sỏi, cát vàng, … vật liệu dùng xây dựng - Hợp kim bột: kim loại gồm bột đồng, sắt thép, cịn cốt dạng hạt cacbit, nitrit, … vật liệu dùng để chế tạo dụng cụ cắt với tốc độ cắt cao, ổ đỡ chịu nhiệt độ cao chi tiết máy có tính sử dụng cao 2.2.3 Composite cấu trúc (Composite ghép) Composite cấu trúc bán thành phẩm dạng lớp, dạng lớp kết hợp vật liệu đồng với vật liệu composite theo kết cấu hình học khác tạo nhiều loại vật liệu composite có tính sử dụng cao lĩnh vực vận tải, hàng không, công trình xây dựng kiến trúc, … Các loại composite cấu trúc: - Composite cấu trúc dạng lớp: tạo thành từ lớp sở có định hướng nhiều phương gồm loại: + Các lớp vật liệu đồng đóng vai trị liên kết, ví dụ: polyme + Các lớp composite cốt sợi đóng vai trị chịu lực, ví dụ: gỗ dán, cót ép, vải bơng, vải thủy tinh cacbon, … 62 Hai loại lớp xếp lên theo yêu cầu thiết kế xác định ép dính vào - Composite cấu trúc dạng lớp bao gồm: + Hai lớp mặt đóng vai trị chịu lực cao, chịu nhiệt, chịu ăn mòn Chức chủ yếu lớp chịu toàn tải trọng tác dụng theo chiều song song với mặt Nó chế tạo từ vật liệu có độ bền độ cứng cao hợp kim nhôm, hợp kim titan thép + Lớp lõi: nằm mặt vật liệu nhẹ, có tổ chức xốp bột tổ ong để tạo khoảng cách hai cách nhiệt, cách âm, chống ăn mòn… Composite cấu trúc dạng ứng dụng làm trần, tường, sàn nhà, vỏ thân, cánh, đuôi máy bay CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày thành phần tính chất hợp kim cứng Cho biết thành phần công dụng hợp kim cứng có kí hiệu sau: BK8; T15K6; TT7K12 Nêu khái niệm đặc điểm, tính chất composite Trình bày đặc điểm ứng dụng số vật liệu composite thông dụng Phương pháp thực câu hỏi tập - Vấn đáp, thuyết trình: câu 1, - Vấn đáp, thuyết trình, trực quan (xem video): câu 3, Yêu cầu đánh giá kết học tập chương - Kiến thức: + Trình bày khái niệm, đặc điểm cộng dụng loại vật liệu phổ biến - Kỹ năng: + Phân biệt vật liệu phổ biến - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Ý thức tích cực, tự giác, cẩn thận học tập nghiên cứu 63 CHƯƠNG 7: NHIÊN LIỆU VÀ VẬT LIỆU BÔI TRƠN Mã chương: MH 10 - Giới thiệu Nhiên liệu có vai trị quan trọng sống sử dụng nhiều dạng khác phù hợp với mục đích sử dụng phục vụ sống trình xã hội Các loại nhiên liệu phổ biến dùng dầu hỏa, xăng dầu, than đá, chất phóng xạ, … Trong q trình hoạt động động tơ ma sát hao mịn hai tượng khơng thể tránh Hơn điều kiện hoạt động động ô tô nặng nhọc nên ma sát mức độ hao mòn bề mặt chuyển động lớn Để giảm mức độ ma sát hao mòn cần phải tránh tiếp xúc trực tiếp bề mặt chịu ma sát cách dùng vật liệu bơi trơn thích hợp để hình thành màng thủy động lực ngăn cách Hầu hết vật liệu bôi trơn ô tô tạo thành từ dầu mỏ có nhiều phụ gia Một số loại làm từ chất lỏng tổng hợp Trong chương đề cập đến nhiên liệu sử dụng cho động đốt xăng dầu diesel, vật liệu bôi trơn dầu bôi trơn mỡ bôi trơn Mục tiêu Học xong chương người học có khả năng: - Trình bày khái niệm chung nhiên liệu vật liệu bơi trơn - Trình bày thành phần tính chất xăng, dầu diesel - Trình bày cơng dụng, tính chất đặc điểm dầu bôi trơn mỡ bôi trơn Nội dung Nhiên liệu ôtô 1.1 Giới thiệu chung nhiên liệu Nhiên liệu vật chất sử dụng để giải phóng lượng cấu trúc vật lý hóa học bị thay đổi Nhiên liệu giải phóng lượng thơng qua q trình hóa học cháy q trình vật lý, ví dụ phản ứng nhiệt hạch, phản ứng phân hạch Tính quan trọng nhiên liệu lượng giải phóng cần thiết giải phóng lượng kiểm sốt để phục vụ mục đích người Mọi dạng sống Trái Đất – từ cấu trúc vi sinh vật động vật người, phụ thuộc sử dụng nhiên liệu nguồn cung cấp lượng Các tế bào thể sống tham gia q trình biến đổi hóa học mà qua lượng thức ăn ánh sáng Mặt trời chuyển hóa thành dạng lượng trì sống Con người sử dụng nhiều cách thức nhằm biến đổi lượng nhiều hình thức thành dạng phù hợp với mục đích sử dụng phục vụ sống q trình xã hội Ứng dụng giải phóng lượng từ nhiên liệu đa dạng sống đốt cháy khí tự nhiên để đun nấu, kích nổ xăng dầu để chạy động cơ, biến lượng hạt nhân thành điện năng, … Các loại nhiên liệu phổ biến dùng dầu hỏa, xăng dầu, than đá, chất phóng xạ., … 1.2 Xăng 1.2.1 Thành phần - Trong xăng chứa khoảng 86% cacbon, gần 14% hiđrơ, ngồi cịn số tạp chất khác khơng đáng kể oxi, nitơ, lưu huỳnh 1.2.2 Tính chất 64 - Xăng nhiên liệu lỏng dễ bốc bốc cháy, có mùi dễ nhận, khơng hịa tan nước - Xăng có trọng lượng riêng từ 0,7 ÷ 0,775 G/cm³ - Xăng dùng cho động phải đảm bảo yêu cầu sau: + Tính bốc tốt để máy dễ khởi động + Tính chống kích nổ: ● Sự kích nổ tượng cháy khơng bình thường xăng gây nên tiếng gõ kim loại động làm cho động nóng, chi tiết máy bị mịn nhanh Để chống kích nổ người ta pha vào xăng lượng Tetraetyn chì nhỏ (gọi xăng pha chì) ● Sự ổn định cao hóa học, không tạo lớp nhựa thùng chứa tạo nên lớp muội than buồng cháy động ● Khơng có tạp chất ăn mịn cặn bẩn ● Không làm han gỉ chi tiết động cơ, chế hịa khí, ống dẫn xăng thùng xăng * Bảo quản xăng : - Xăng phải cất giữ thùng kín tránh rị rỉ, khơng để lẫn nước tạp chất - Trong khu vực để xăng tuyệt đối cấm lửa tránh tượng gây nên nguồn lửa - Các thùng chứa xăng phải để nơi râm mát - Khi mở nắp thùng xăng di chuyển phải nhẹ nhàng không gõ, đập - Khi lấy xăng khỏi thùng không dùng miệng để hút xăng có pha chì độc 1.2.3 Kí hiệu Theo kí hiệu Nga xăng kí hiệu chữ A Gồm loại A – 66, A -72, A – 76 Chữ A kí hiệu xăng cho động ô tô Các số 66, 72,76, 93 biểu thị số octan nhỏ Xăng sinh học: Xăng sinh học kí hiệu “EX” (trong đó, X % ethanol nhiên liệu biến tính công thức pha trộn xăng sinh học) Hiện thị trường có xăng sinh học E5 Xăng Mogas: Mogas chữ viết tắt cụm từ Motor Gasoline - xăng thương mại dùng cho động Còn số 90, 92, 95 trị số octan Ron xăng Những số biểu thị khả chống kích nổ xăng Xăng Mogas 95 có khả chống kích nổ tốt 1.3 Dầu Diesel 1.3.1 Thành phần Dầu diesel loại nhiên liệu lỏng, sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ có thành phần chưng cất nằm dầu hỏa dầu bôi trơn Chúng thường có nhiệt độ bốc từ 175 đến 3700C Các nhiên liệu diesel nặng hơn, với nhiệt độ bốc 315 đến 4250C gọi dầu mazut 1.3.2 Tính chất Nhiên liệu diesel chất lỏng suốt có màu nâu hung, trọng lượng riêng 0,78 - 0,86 G/cm3 Tính nâu nhiên liệu diesel đặc trưng tiêu sau: - Chỉ số xêtan: đặc trưng cho tính cháy chậm nhiên liệu diesel buồng cháy động Chỉ số xêtan lớn cháy chậm nhỏ, động diesel dễ nở, làm việc êm - Độ nhớt: nhiên liệu diesel phải có trị số độ nhớt động theo qui định để làm nhiệm vụ bôi trơn cho chi tiết bơm cao áp vòi phun nhiên liệu 65 - Hàm lượng chất dính kết: biểu thị khả chống tạo thành muội than trình cháy Nhiên liệu diesel cháy động không tạo 0,05%C Hàm lượng tro nhiên liệu hạn chế, không phép 0,01% Vật liệu bôi trơn 2.1 Giới thiệu chung vật liệu bôi trơn Vật liệu bơi trơn có nhiều cơng dụng động ô tô dùng nhiều dạng khác 2.1.1 Công dụng - Làm giảm ma sát: mục đích vật liệu bơi trơn bơi trơn bề mặt tiếp xúc chi tiết chuyển động nhằm làm giảm ma sát Khi cho dầu vào máy với lớp đủ dày, dầu xem kẽ hai bề mặt Khi chuyển động có phần tử dầu trượt lên Do máy móc làm việc nhẹ nhàng, bị mịn, giảm cơng tiêu hao vơ ích - Làm mát: ma sát, kim loại nóng lên, lượng nhiệt sinh q trình Nhờ trạng thái lỏng, dầu chảy qua bề mặt ma sát đem theo phần nhiệt truyền ngoài, làm cho máy móc làm việc tốt - Làm sạch: làm việc bề mặt ma sát sinh mạt kim loại, hạt rắn làm cho bề mặt cơng tác bị xước, hỏng Ngồi có cát bụi tạp chất rơi vào bề mặt ma sát Nhờ dầu nhờn lưu chuyển tuần hoàn qua bề mặt ma sát, theo tạp chất, đưa các-te dầu lọc - Làm kín: động có nhiều chi tiết chuyển động cần phải kín xác pittong xilanh, nhờ khả bám dính tạo màng, dầu nhờn có thể góp phần làm kín khe hở, khơng cho bị rò rỉ, bảo đảm cho máy làm việc bình thường - Bảo vệ kim loại: bề mặt máy móc động làm việc tiếp xúc trực tiếp với khơng khí, nước, khí thải, … làm cho kim loại bị mịn, hư hỏng Nhờ dầu làm thành màng mỏng phủ kín lên bề mặt kim loại ngăn cách với yếu tố trên, kim loại bảo vệ 2.1.2 Phân loại - Vật liệu bơi trơn dạng khí: dùng cho máy móc tải trọng nhỏ, quay với vận tốc lớn máy siêu ly tâm, máy móc hoạt động nhiệt độ cao động phản lực, tên lửa - Vật liệu bôi trơn dạng lỏng: dạng vật liệu bôi trơn dùng nhiều loại máy móc, thiết bị chịu tải trọng lớn loại động cơ, tuabin nước, bánh quay nhanh - Vật liệu bôi trơn nửa rắn: có dạng dẻo, dạng huyền phù hay nhủ tương Các loại xà phịng kim loại xà phịng nhơm, natri, canxi, liti, chì, … dùng nhiều sản xuất mỡ nhờn gốc dầu mỏ - Vật liệu bôi trơn dạng rắn: dùng điều kiện đặc biệt bên ngồi khí trái đất, sâu lịng nước, pin nguyên tử nhiệt độ cao Các chất bôi trơn rắn thông thường kim loại mềm chì, thiếc, đồng, … dạng mỏng 2.2 Dầu bôi trơn 2.2.1 Công dụng Dầu nhờn chất bơi trơn máy móc có cơng dụng: - Làm giảm ma sát bề mặt tiếp xúc chi tiết máy, nhờ làm giảm mài mịn chi tiết hạn chế tiêu hao lượng ma sát gây cho chi tiết Do bôi trơn hệ số ma sát giảm tới 50 lần so với không bôi trơn - Làm mát chi tiết máy chịu ma sát trình máy làm việc, dầu dầu có tác dụng truyền dẫn nhiệt nhờ hệ thống dẫn dầu chuyển động liên tục 66 - Làm kín bề mặt cần làm kín màng mỏng dầu vách xilanh ngồi tác dụng bơi trơn cịn có tác dụng làm kín khe hở xilanh pittông bảo đảm không cho khí từ buồng cháy khơng lọt xuống - Tạo lớp bảo vệ chống ăn mòn kim loại - Làm bề mặt chi tiết máy, nhờ làm hạn chế mài mòn chi tiết: máy làm việc có ma sát chi tiết với nên sinh mùn kim loại, dầu qua lớp mùn kim loại đảm bảo cho chi tiết bề mặt lâu mòn - Làm chất chống gỉ cho bề mặt kim loại chất bôi trơn phải thỏa mãn yêu cầu sau: + Chất bôi trơn phải có độ nhớt cho q trình chi tiết máy làm việc chất bơi trơn cịn bám bề mặt tiếp xúc không bị tuột không nhớt làm cản trở chuyển động chi tiết máy Độ nhớt cho ta biết dầu nhờn nhiều hay ít, độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ, nhiệt độ cao độ nhớt giảm + Chất bôi trơn không chứa tạp chất học không chứa nước, axit + Chất bôi trơn không bốc khơ lại 2.2.2 Tính chất Khi sử dụng dầu bơi trơn cần ý số tính chất sau: - Độ nhờn: đặc trưng cho độ loãng dầu, độ nhờn thay đổi theo nhiệt độ, độ nhờn cao dầu loãng - Nhiệt độ bắt lửa nhiệt độ mà dầu bốc cháy gặp lửa Đối với dầu máy dùng khí nhiệt độ bốc lửa 1600C - Nhiệt độ đơng đặc nhiệt độ mà dầu đặc lại (với thiết bị dùng nhiệt độ thấp phải ý nhiệt độ này) 2.2.3 Phân loại Dầu bơi trơn chất bơi trơn kín chế tạo từ dầu mỏ, có màu đen, màu lục màu nâu Dầu nặng xăng dầu diezen lại nhẹ nước Có nhiều loại dầu nhờn Dầu nhờn phân chia thành nhóm chủ yếu sau: + Dầu nhờn cho động (bôi trơn cho động máy bay, ô tô, máy kéo…) + Dầu truyền động (dùng để bôi trơn loại hộp số, cầu ô tô, hộp truyền lực, hộp giảm tốc…) + Dầu công nghiệp dùng cho công nghiệp thiết bị + Dầu đặc biệt (dầu tuabin, biến thế…) 2.3 Mỡ bôi trơn 2.3.1 Đặc điểm Mỡ chất bôi trơn thể quánh thay cho dầu làm nhiệm vụ bôi trơn cho bề mặt chi tiết máy dùng dầu khơng phù hợp Mỡ có trọng lượng riêng 1G/cm³, chế tạo cách trộn dầu với sáp xà phịng nhiệt độ cao có pha thêm lượng chất biến tính định Mỡ có màu vàng nhạt đến nâu sẫm hay đen Mỡ chủ yếu dùng vào công việc như: phận xe máy, bôi lên bề mặt chi tiết chống gỉ 2.3.2 Tính chất Dùng để bảo quản dụng cụ, chi tiết máy lúc vận chuyển chờ sử dụng Mỡ sử dụng để bôi trơn phận khó giữ dầu, khó tra dầu lâu phải thay chất bơi trơn Có trọng lượng riêng nhỏ 0,8 - G/cm3 67 Ở thể đặc có màu vàng nâu Có khả chống gỉ bôi trơn tốt 2.3.3 Phân loại Tùy theo khả bảo vệ chống ăn mòn, mỡ phân thành mỡ bảo quản dài hạn ngắn hạn + Mỡ bảo quản dài hạn có thành phần phức tạp, giá cao xong có tác dụng bảo vệ dài hạn bề mặt chi tiết cần chống ăn mòn thường xuyên niêm cất dài hạn (ví dụ mỡ AY Nga có giá trị bảo vệ tới 10 năm) thiết bị vũ khí, đạn, xe quân … + Mỡ bảo quản ngắn hạn thường có tác dụng bảo vệ theo mùa theo chu kì thời gian định CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Trình bày khái niệm chung nhiên liệu vật liệu bơi trơn Trình bày thành phần tính chất xăng, dầu diesel Trình bày cơng dụng, tính chất phân loại dầu bơi trơn Trình bày đặc điểm tính chất mỡ bơi trơn Phương pháp thực câu hỏi tập - Vấn đáp, thuyết trình, trực quan (xem video): câu 1, 2, 3, Yêu cầu đánh giá kết học tập chương - Kiến thức: + Trình bày khái niệm chung nhiên liệu vật liệu bôi trơn + Trình bày thành phần tính chất xăng, dầu diesel + Trình bày cơng dụng, tính chất đặc điểm dầu bơi trơn mỡ bôi trơn - Kỹ năng: + Phân biệt loại nhiên liệu ô tô vật liệu bôi trơn thường dùng - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Ý thức tích cực, tự giác, cẩn thận học tập nghiên cứu 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng cục dạy nghề, Giáo trình mơn học Vật liệu khí [2] Nguyễn Văn Hảo – Nguyễn Ngọc Thành – Nguyễn Đức Thắng – Nguyễn Tiến Dương, Giáo trình khí đại cương, NXB Giáo Dục Việt Nam, 2011 [3] Phạm Thị Minh Phương – Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, NXB Giáo Dục, 2000 [4] Nguyễn Hồnh Sơn-Vật liệu khí, NXB Giáo dục - 2000 69