Giáo trình vật liệu cơ khí

LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Vật liệu cơ khí” này được biên soạn dựa theo chương trình khung của Bộ Giáo dục và Đào tạo và được tác giả cụ thể hoá bằng chương trình chi tiết. Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học “Vật liệu cơ khí”. Tổ cơ sở khoa Cơ khí trường cao đẳng nghề Cơ Điện Phú Thọ đã biên soạn giáo trình “Vật liệu cơ khí”. Giáo trình được biên soạn theo chương trình khung Quốc gia trình độ Cao đẳng nghề. Nội dung của giáo trình nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về vật liệu của ngành hàn cho học sinh hệ công nhân lành nghề và kỹ thuật viên trung cấp. Đồng thời, đây còn là tài liệu phục vụ cho việc bổ túc nâng bậc cho công nhân ở nhà máy, xí nghiệp. Nội dung gồm hai phần. Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của kim loại khi nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện. Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của những vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành chế tạo cơ khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit. Trong quá trình biên soạn, tổ môn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí của các trường dạy nghề, giáo trình của trường đại học Bách khoa Hà Nội và nhiều tài liệu khác Chương 1: Lý thuyết về hợp kim Khái niệm về kim loại. Khái niệm về hợp kim. Chương 2: Gang Khái niệm về gang. Ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến tính chất của gang Các loại gang thường dùng Chương 3: Thép. Thép các bon. Thép hợp kim. Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu. Nhôm và hợp kim nhôm. Đồng và hợp kim đồng. Hợp kim làm ổ trư¬ợt. Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện Nhiệt luyện. Hóa nhiệt luyện Chương 6: Vật liệu phi kim loại. Dầu, mỡ bôi trơn Chất dẻo Vật liệu Compozit

LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Vật liệu khí” biên soạn dựa theo chương trình khung Bộ Giáo dục Đào tạo tác giả cụ thể hố chương trình chi tiết Để đáp ứng nhu cầu tài liệu học tập cho sinh viên tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên giảng dạy mơn học “Vật liệu khí” Tổ sở khoa Cơ khí trường cao đẳng nghề Cơ Điện Phú Thọ biên soạn giáo trình “Vật liệu khí” Giáo trình biên soạn theo chương trình khung Quốc gia trình độ Cao đẳng nghề Nội dung giáo trình nhằm trang bị kiến thức vật liệu ngành hàn cho học sinh hệ công nhân lành nghề kỹ thuật viên trung cấp Đồng thời, tài liệu phục vụ cho việc bổ túc nâng bậc cho công nhân nhà máy, xí nghiệp Nội dung gồm hai phần Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại nhiệt luyện gồm: tính chất chung kim loại, gang, thép, kim loại màu hợp kim màu, biến đổi tính chất kim loại nhiệt luyện phương pháp nhiệt luyện Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm tính chất cơng dụng vật liệu phi kim loại thường dùng ngành chế tạo khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit Trong q trình biên soạn, tổ mơn tham khảo nhiều tài liệu vật liệu khí trường dạy nghề, giáo trình trường đại học Bách khoa Hà Nội nhiều tài liệu khác MỤC LỤC Trang Lời giới thiệu Mục lục I II Chương 1: Lý thuyết hợp kim Khái niệm kim loại Khái niệm hợp kim Chương 2: Gang Khái niệm gang Ảnh hưởng ngun tố hóa học đến tính chất 5 13 13 III IV gang Các loại gang thường dùng Chương 3: Thép Thép bon Thép hợp kim Chương 4: Kim loại màu hợp kim màu 15 19 21 24 28 V VI Nhôm hợp kim nhôm Đồng hợp kim đồng Hợp kim làm ổ trượt Chương 5: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện Nhiệt luyện Hóa nhiệt luyện Chương 6: Vật liệu phi kim loại Dầu, mỡ bôi trơn Chất dẻo Vật liệu Compozit 29 30 31 34 34 43 46 47 47 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu khí Mã mơn học: MH13 Thời gian mơn học: 45 giờ; (Lý thuyết: 29 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 13 giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học bố trí trước mơn học chung mô đun đào tạo nghề - Tính chất: Là mơn học sở 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, vật liệu phi kim loại, + Trình bày đầy đủ ký hiệu thành phần hoá học loại vật liệu: Thép bon, thép hợp kim, gang, kim loại hợp kim màu + Giải thích ký hiệu vật liệu ghi vẽ chi tiết - Kỹ năng: + Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm gõ, đập búa, xem tia lửa mài + Lựa chọn phương pháp khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho loại vật liệu khác + Lựa chọn sử dụng thiết bị để đo tính vật liệu + Chọn vật liệu cho kết cấu biết yêu cầu sử dụng chúng thực tế - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc, sẵn sàng hợp tác, giúp đỡ lẫn + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo + Tham gia học tập đầy đủ III Nội dung môn học: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Số TT Tên chương, mục Chương 1: Lý thuyết hợp kim Khái niệm kim loại 1.1 Định nghĩa kim loại 1.2 Tính chất kim loại 1.3 Cấu tạo mạng tinh thể thường gặp kim loại nguyên chất Thời gian(giờ) Thực hành, thí Tổng Lý nghiệm, số thuyết thảo luận, tập Kiể m tra Số TT Tên chương, mục Khái niệm hợp kim 2.1 Định nghĩa hợp kim 2.2 Ưu điểm hợp kim 2.3 Cấu tạo hợp kim 2.4 Giản đồ trạng thái hợp kim Chương 2: Gang Khái niệm gang Ảnh hưởng nguyên tố hóa học đến tính chất gang Các loại gang thường dùng 3.1 Gang xám 3.2 Gang trắng 3.3 Gang cầu 3.4 Gang dẻo Chương 3: Thép Thép bon 1.1 Khái niệm 1.2 Ảnh hưởng ngun tố hóa học đến tính chất thép 1.3 Phân loại thép bon 1.4 Ký hiệu loại thép bon Thép hợp kim 2.1 Khái niệm 1.2 Ảnh hưởng nguyên tố hóa học đến tính chất thép 1.3 Ký hiệu phép hợp kim 2.4 Phân loại thép hợp kim Chương 4: Kim loại màu hợp kim màu Nhôm hợp kim nhôm 1.1 Nhôm nguyên chất 1.2 Hợp kim nhôm Đồng hợp kim đồng 2.1 Đồng nguyên chất 2.2.Hợp kim đồng Thời gian(giờ) Thực hành, thí Tổng Lý nghiệm, số thuyết thảo luận, tập 10 Kiể m tra 4 2 1 1 Số TT Tên chương, mục Hợp kim làm ổ trượt 3.1 Yêu cầu hợp kim làm ổ Trượt 3.2 Hợp kim làm ổ trượt có độ nóng chảy thấp 3.3 Hợp kim làm ổ trượt có độ nóng chảy cao Thời gian(giờ) Thực hành, thí Tổng Lý nghiệm, số thuyết thảo luận, tập Kiể m tra Chương 5: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện Nhiệt luyện 1.1 Khái niệm nhiệt luyện 1.2 Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyên 1.3 Tác dụng nhiệt luyên ngành khí 1.4 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 1.5 Các hình thức nhiệt luyện 1.5 Các dạng hỏng xảy nhiệt luyện thép Hóa nhiệt luyện 2.1 Định nghĩa 2.2 Mục đích 2.3 Phân loại 2.4 Các hình thức hóa nhiệt luyện a Thấm Các bon b Thấm Các bon-nitơ (thấm xianua) c Các phương pháp hóa nhiệt luyện khác Chương 6: Vật liệu phi kim loại Dầu, mỡ bôi trơn 1.1 Dầu 1.2 Mỡ Chất dẻo 2.1 Định nghĩa 2 1 1 Số TT Thời gian(giờ) Thực hành, thí Tổng Lý nghiệm, số thuyết thảo luận, tập Tên chương, mục 2.2 Công dụng 2.3 Tính chất 2.4 Phân loại Vật liệu Compozit 3.1 Khái niệm 3.2 Các loại compozit Cộng 45 29 13 Kiể m tra YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HỒN THÀNH MƠN HỌC Nội dung: + 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: Đo độ cứng HB, HRC Nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện thép gió, đục + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Phải dự lớp 80% số Tự giác, có trách nhiệm học tập, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn Phương pháp: + Dựa vào kiểm tra thường xuyên (A): + Dựa vào kiểm tra định kỳ (B): Trung bình kiểm tra TBKT  ( A  B * 2) n n: tổng hệ số kiểm tra thường xuyên kiểm tra định kỳ + Dựa vào thi kết thúc môn học cuối học kỳ (C): TBC MH 0,4TBKT  0,6C + Thang điểm: 10 Yêu cầu: + Trung bình kiểm tra đạt từ 5.0 trở lên dự 80% tổng số mơn học dự kiểm tra kết thúc môn học + Bài kiểm tra hết môn đạt từ điển trở lên hồn thành mơn học Chương Lý thuyết hợp kim Thời gian: Mục tiêu: - Giải thích khái niệm hợp kim - Trình bày cấu trúc mạng tinh thể loại hợp kim khác - Giải thích giản đồ trạng thái hợp kim - Rèn luyện tính tự giác, ý thức tham gia học Hợp kim 1.1 Khái niệm hợp kim a Định nghĩa Hơp kim vật thể mang tính kim loại (sáng, dẻo, dẫn điện nhiệt) chứa nhiều nguyên tố chủ yếu phải nguyên tố kim loại, nguyên tố lại nguyên tố hợp kim hoá b u việt hợp kim ngành khí Hợp kim đợc sử dụng nhiều ngành khí So với kim loại nguyên chất, có tác dụng phù hợp với chế tạo khí - Cơ tính hợp kim phù hợp vật liệu chế tạo khí: Đối với ngành khí vật liệu chế tạo phải có độ bền cao, tuổi thọ sử dụng tốt, mặt hợp kim hẳn kim loại ngyên chất, độ cứng, độ bền cao hẳn, độ dẻo dai đủ cao Còn kim loại nguyên chất độ dẻo dai cao nhng độ bền thấp hơn, độ cứng nên bị mài mòn nhanh - Tính công nghệ thích hợp: Kim loại nguyên chất có tính dẻo cao, dễ gia công áp lực nhng khó đúc, gia công cắt không hoá bền nhiệt luyện Hợp kim có tính công nghệ khác phù hợp với điều kiện gia công nh: Gia công áp lực trạng thái nóng nguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện đảm bảo cho chế tạo sản phẩm có suất cao - Giá thành hạ hơn: Dễ chế tạo phải khử bỏ triệt để tạp chất nh kim loại 1.2 Cấu trúc tinh thể hợp kim Cấu tạo bên hợp kim phụ thuộc chủ yếu vào tác dụng nguyên tố cấu tạo nên chúng Nói chung trạng thái lỏng nguyên tố hoà tan lẫn để tạo nên dung dịch lỏng Song làm nguội trạng thái rắn hình thành tổ chức pha* hợp kim khác tác dụng với nguyên tố, có tổ chức pha nh sau: * Hỵp kim cã tỉ chøc mét pha (mét kiểu mạng tinh thể) - Khi nguyên tố hợp kim tác dụng hoà tan trạng thái rắn gọi dung dịch rắn - Khi nguyên tố hợp kim tác dụng hoá học trạng thái rắn gọi hợp chất hoá học * Hợp kim cã tỉ chøc hai pha trë lªn ( 2 kiĨu mạng tinh thể) - Khi pha hợp kim có tác dụng học với gọi hỗn hợp học Pha(*): Là tổ phần đồng cã tÝnh chÊt gièng toµn bé thĨ tÝch trạng thái (lỏng, rắn phải có kiểu mạng tinh thể) ngăn cách phần lại bề mặt phân chia Vậy kim loại nguyên chất trạng thái rắn tính thù hình có kiểu mạng tinh thể nên có cấu tạo pha Ví dụ Fe pha, Fe  lµ mét pha, Fe  lµ mét pha a Dunh dịch đặc: Định nghĩa: Khi hai hay nhiều nguyên tố hợp kim có khả hoà tan vào với trạng thái rắn tạo nên thể đồng có tính chất giống toàn thể tích hợp kim Quy ớc: Trong dung dịch rắn, nguyên tố có chứa lợng nhiều gọi nguyên tố dung môi, nguyên tố lại nguyên tố hoà tan Trong hệ hợp kim A-B theo qui íc ta cã lý hiƯu dung dịch rắn: A(B) tức B hoà tan A với thành phần có hạn vô hạn Nếu nguyên tố dung môi A có tính thù hình: , ta có dung dịch rắn đợc ký hiệu A  (B), A  (B)… hc ký hiƯu b»ng chữ ký hiệu chữ , ký hiệu chữ Ngời ta chia dung dịch đặc thành hai loại là: Dung dịch đặc thay dung dịch đặc xen kẽ: + Dung dịch đặc thay thế: dung dịch đặc thay thế, ví dụ đồng niken, nguyên tử niken đẩy số nguyên tử đồng khỏi nút mạng tinh thể thay vào vị trí + Dung dịch đặc xen kẽ: Trong dung dịch đặc xen kẽ, nguyên tử nguyên tố hòa tan, ví dụ: Cácbon, bo, ôxy, vv ký hiệu chữ nằm xen kẽ vào lỗ hổng nút mạng tinh thể nguyên tố kim loại (dung môi) Hình 1.1 - Sơ đồ tạo thành dung dịch rắn thay xen kẽ Cơ tính: Cơ tính chung dung dịch rắn: Có độ cứng thấp, độ bền thấp có độ dẻo cao, độ dai cao cã kiĨu m¹ng tinh thĨ tõ kim lo¹i nguyªn chÊt NÕu kÝch thíc tinh thĨ cđa pha dung dịch nhỏ, độ cứng, độ bền đỡ thấp lợng nguyên tố hoà tan lớn làm tăng tính (độ bền tăng) b Hợp chất hóa học Định nghĩa: Khi hai hay nhiều nguyên tố hợp kim có tích chất điện hoá khác có khả tác dụng hoá học với để tạo công thức hoá học tạo nên thể đồng có tính chất giống toàn thể tích hợp kim Quy ớc: Nếu ta có hợp kim A-B, B có thành phần hoá học định có tính chất điện hoá kh¸c víi A sÏ t¸c dơng ho¸ häc víi A để tạo thành hợp chất hoá học đợc kí hiệu theo công thức hoá học AmBn Cấu tạo: Hợp kim có pha ứng với hợp chất hoá học có kiểu mạng tinh thể nhng khác với kiểu mạng tinh thể nguyên tố thành phần tạo nên Ví dụ: Hệ hợp kim sắt Fe-C nguyên tố C= 6,67% tác dụng với nguyên tố Fe để tạo thành hợp chất hoá học Fe3C có cấu tạo pha có kiểu mạng tinh thể trực phoi phức tạp (không giống kiểu mạng Fe C) Cơ tính: Cơ tính chung hợp chất hoá học có độ cứng cao, tính giòn lớn có kiểu mạng tinh thể phức tạp không giống kiểu mạng kim loại nguyên chất, đồng thời có nhiệt độ phân huỷ cao (tnc cao) c Hỗn hợp học Rất nhiều trờng hợp hợp kim pha nh mà gồm nhiều pha Cấu tạo nh gọi hỗn hợp học Định nghĩa: Khi hai hay nhiều pha hợp lim khả hoà tan tác dụng hoá học với trạng thái rắn tác dụng học với để tạo thành hỗn hợp học hợp kim Quy ớc: Nếu hợp kim A-B trạng thái rắn có hai hay nhiều pha nhng chúng không tác dụng hoá học với không tác dụng hoà tan với mà tác dụng học tuý để tạo nên vật thể mang tính kim loại có nhiều pha đợc ký hiệu pha tác dụng học dấu (+) Cơ tính hỗn hợp học nói chung phụ thuộc vào tính pha tạo thành Muốn đánh giá tính hỗn hợp học hợp kim có thành phần hoá học xác định nhiệt độ định phải vào tỷ lệ cấu tạo tính pha tạo thành Chng Gang Thi gian: Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, ký hiệu gang - Phân biệt loại gang dùng chế tạo máy - Rèn luyện tính tự giác, ý thức tham gia học 2.1 khái niệm giản đồ trạng thái 2.1.1 Định nghĩa Là biểu đồ biểu thị trạng thái tổ chức hệ hợp kim đà cho hệ trục nhiệt độ thành phần hoá học.m,ky 2.1.2 Công dụng giản đồ trạng thái hệ hợp kim đà cho - Cho biết cấu tạo bên hợp kim với thành phần xác định khác thông qua giản đồ trạng thái để biết đợc tính chúng, đóbiết cách sử dụng hợp ký vật liệu làm hợp kim - Qua giản đồ trạng thái xác định đợc chế độ nhiệt cho công nghệ: Luyện kim đúc (xác định tnc), rèn (xác định t bắt đầu kết thúc gia công), nhiệt luyện (xác định t phơng pháp nhiệt luyện), hàn (t hàn) hợp kim có thành phần xác định 2.1.3 Ví dụ a Giản đồ hệ nguyên tố Fe Khi ta có hệ hợp kim Fe- nguyên tố khác Nếu nguyên tố hợp kim hoá 0% giản đồ biểu diễn hệ trục tung nhiệt độ (vì trục hoành, thành phần hoá học điểm ứng với 100% Fe 0% nguyên tố khác) sơ đồ thù hình Fe biểu diễn hình Qua biết đợc trạng thái Fe loại cấu tạo khác Fe trạng thái rắn khoảng nhiệt độ khác lµ Fe  (1 pha), Fe  (1 pha), Fe  (1 pha), Fe láng ( pha) b Giản đồ trạng thái hệ hai nguyên tố Cu- Ni Khi ta có hệ hợp kim Cu-Ni biểu diễn hệ trục nhiệt độ thành phần hoá học Niken thay đổi từ 0%100% (biểu diễn hình 3) cho biết ký hiệu vùng tổ chøc  , L,  +L