Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề Cắt gọt kim loại Trình độ Trung cấp)

SỞ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI ĐỒNG THÁP TRƯỜNG TRUNG CẤP THÁP MƯỜI  GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ : CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-… ngày…….tháng….năm ………… của……………………………… 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 Giới thiệu xuất xứ giáo trình, trình biên soạn, mối quan hệ giáo trình với chương trình đào tạo cấu trúc chung giáo trình Lời cảm ơn quan liên quan, đơn vị cá nhân tham gia MỤC LỤC Chương Cấu trúc tính vật liệu kim loại 1.Khái niệm vật liệu kim loại 2.Cấu tạo mạng tinh thể 3.Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 4.Tính chất chung kim loại hợp kim Chương Hợp kim biến đổi tổ chức Cấu trúc tinh thể hợp kim Giản đồ trạng thái Fe - C (Fe- Fe3C) Chương Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện 1.Nhiệt luyện 2.Hóa nhiệt luyện Chưng Vật liệu kim loại Thép Cácbon Thép hợp kim Gang Chương Hợp kim màu phi kim Hợp kim màu Chất dẻo Vật liệu Compozit Trang 4 11 15 15 17 22 22 27 30 30 33 33 41 41 45 47 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Vật liệu khí Mã mơn học: MH08 Thời gian thực môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 22 giờ; Thảo luận, tập: giờ; kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Được bố trí vào học kỳ trước học sinh học mơ đun chun mơn nghề - Tính chất: + Là môn học chuyên môn sở + Cung cấp kiến thức số loại vật liệu thường sử dụng ngành khí làm tảng lý thuyết để học sinh tiếp tục học tập môn học, mô đun sau II Mục tiêu mơn học: - Về 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 - Về kỹ năng: + Nhận biết vật liệu qua màu sắc, xem tia lửa mài + Xác định tính chất, cơng dụng loại vật liệu thường dùng cho nghề + Nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện thép gió, đục - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính kỷ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao học tập + Chủ động, tích cực thực nhiệm vụ trình học Chương 1: CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU Mục tiêu:  Trình bày đượccác khái niệm mạng tinh thể, ô sở, cấu trúc mạng tinh thể kim loại  Mơ tả q trình kết tinh kim loại  Trình bày tính chất chung kim loại hợp kim  Rèn luyện tính kỷ luật, nghiêm túc, có tinh thần trách nhiệm cao học tập  Chủ động, tích cực thực nhiệm vụ trình học Nội dung chương: 2.1 Khái niệm vật liệu kim loại Kim loại loại vật liệu có tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn, độ dẻo độ chống mỏi cao Nhờ mà kim loại sử dụng rộng rãi xây dựng ngành kĩ thuật khác Ở dạng nguyên chất, cường độ độ cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng hạn chế Chúng sử dụng chủ yếu dạng hợp kim với kim loại kim khác, thí dụ cacbon Sắt hợp kim (thép gang) gọi kim loại đen; kim loại lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, v.v ) hợp kim chúng gọi kim loại màu Kim loại đen sử dụng xây dựng nhiều cả, giá kim loại đen thấp kim loại màu Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường độ, độ dẻo, khả chống ăn mòn, tính trang trí cao Những điều mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu xây dựng, phổ biến chi tiết kiến trúc kết cấu nhôm Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen quặng sắt, mangan, crơm, mà khống đại diện cho chúng nhóm oxit: macnetit (Fe3O4), quặng sắt đỏ (Fe2O3), piroluzit (MnO2), crômit (FeCr2O4) Để sản xuất kim loại màu người ta sử dụng boxit chứa hidroxit: hidracgilit (Al(OH)3, diasno (HAlO2); loại quặng sunfua cacbonat đồng, niken, chì v.v với khống chancopirit (CuFeS2), sfalêit (ZnS), xeruxit đại diện (PbCO3), magiezit ( MgCO3) v.v 2.2 Cấu tạo mạng tinh thể 2.2.1 Cấu tạo nguyên tử kim loại Nguyên tử hầu hết ngun tố kim loại có electron lớp ngồi (1, 3e) Thí dụ :Na :1s22s22p63s1 , Mg : 1s22s22p63s1 ,Al : 1s22s22p63s2 Trong chu kì, nguyên tử nguyên tố kim loại có bán kính ngun tử lớn điện tích hạt nhân nhỏ so với nguyên tử ngun tố phi kim Thí dụ xét chu kì (bán kính nguyên tử biểu diễn nanomet, nm) : Na 11 Mg 12 0,157 Al 13 0,136 2.2.2 Si P 14 0,125 S Cl 15 16 17 0,117 0,110 0,104 0,099 Cấu tạo tinh thể kim loại Hầu hết kim loại điều kiện thường tồn dạng tinh thể (trừ Hg) Trong tinh thể kim loại, nguyên tử ion kim loại nằm nút mạng tinh thể Các electron hoá trịliên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử chuyển động tự mạng tinh thể 2.2.3 Các dạng ô mạng tinh thể kim loại + 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 thông số mạng Ăngstrong (Angstrom), ký hiệu: A – 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: Fe , Cr, W, Mo, V… + Lập phương diện tâm: nguyên tử (ion) nằm đỉnh (tâm) mặt hình lập phương.Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng như: Feg, Cu, Ni, Al, Pb… + Lục giác xếp chặt: bao gồm 12 nguyên tử nằm đỉnh, nguyên tử nằm mặt đáy hình lăng trụ lục giác nguyên tử nằm khối tâm lăng trụ tam giác cách Các kim loại nguyên chất có kiểu mạng như: Mg, Zn… + Như xem khối kim loại nguyên chất tập hợp vô số mạng tinh thể (hạt tinh thể) xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô số ô sở dạng ô sở tùy thuộc vào kiểu mạng kim loại 2.2.4 Đơn tinh thể đa tinh thể + Chất rắn đơn tinh thể chất rắn cấu tạo từ tinh thể, tức hạt xếp mạng tinh thể chung Chất đơn tinh thể có tính dị hướng + Chất đa tinh thể cấu tạo từ vô số tinh thể nhỏ liên kết hỗn độn với Chất rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng 2.3 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại - Phần lớn kim loại chế tạo từ trạng thái lỏng làm nguội khuôn thành trạng thái rắn - Khi làm nguội kim loại kim loại lỏng xảy trình kết tinh: mạng tinh thể hạt tạo thành  Kim loại hợp kim chuyển trạng thái từ lỏng sang đặc (rắn) giảm nhiệt độ gọi trình kết tinh 2.3.1 Điều kiện xảy kết tinh - Các nguyên tử có xu hướng tạo thành nhóm nguyên tử xếp có trật tự (tức có trật tự gần mà khơng có trật tự xa trạng thái rắn); - Các nhóm nguyên tử sếp có trật tự hình thành thời gian ngắn,sau lại tản để lại xuất chỗ khác, có nghĩa hình thành lại tản chúng trình xảy liên tiếp; - Có điện tử tự liên kết kim loại giúp kết tinh dễ dàng + Sự biến đổi lượng kết tinh - Năng lượng dự trữ đặc trưng đại lượng khác gọi lượng tự F - Ở nhiệt độ T > Ts kim loại tồn trạng thái lỏng lượng tự trạng thái lỏng nhỏ nhỏ lượng tự trạng thái rắn Fl< Fr - Ở nhiệt độ T < Ts kim loại tồn trạng thái rắn F r< Fl - Ở nhiệt độ T0, Fr = Fl Kim loại lỏng trạng thái cân động T gọi nhiệt độ kết tinh lý thuyết  Như kết tinh thực tế xảy T