Giáo trình kim loại thiết bị nhiệt pdf

Đại học đ nẵng - Trờng Đại học kỹ thuật TS. Đinh Minh Diệm Kim loại thiết bị nhiệt Đ nẵng, 2003 Giáo trình Đại học đ nẵng - Trờng Đại học kỹ thuật TS. Đinh Minh Diệm Tóm tắt bi giảng Phần 2 Đúc kim loại Đ nẵng, 2003 Đại học đ nẵng - Trờng Đại học kỹ thuật TS. Đinh Minh Diệm Tóm tắt bi giảng Chơng 4 Gia công cắt gọt kim loại Đ nẵng, 2003 Đại học đ nẵng - Trờng Đại học kỹ thuật TS. Đinh Minh Diệm Tóm tắt bi giảng Kỹ thuật cơ khí Đ nẵng, 2003 1 Chơng 1: vật liệu kim loại 1.1. Tính chất c ủa kim loại 1.1.1 Tính chất hoá học Kim loại là các nguyên tố hoá học ở phía trái bảng tuần hoàn Menđeleép. Kim loại tham gia các phản ứng với á kim; Cấu tạo nguyên tử: lớp điện tử ngoài cùng dễ tách khỏi hạt nhân trở thành điện tử tự do và nguyên tử trở thành ion dơng. Ngoài ra trong thực tế chế tạo các chi tiết máy ta cần kể đến tính chịu ăn mòn, tính chịu nhiệt , tính chịu a xít, . . . của kim loại và hợp kim của chúng. 1.1. 2 Tính chất vật lý Kim loại là vật liệu có ánh kim; Hệ số giãn nở nhiệt khác nhau; Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt; Khối lợng riêng () và nhiệt độ nóng chảy ( T o nc ) khác nhau; Kim loại có cấu trúc mạng tinh thể ; 1.1. 3 Tính công nghệ Kim loại có độ bền, độ dẻo cao, có khả năng gia công nóng hoặc gia công nguội, Đặc trng cho tính công nghệ của vật liệu là : tính đúc, tính rèn, tính hàn và tính gia công cắt gọt và nhiệt luyện (gia công xử lý nhiệt). a. Tính đúc Tính chảy loãng cao (nên khả năng điền đầy lòng khuôn tốt); Có tính co ngót khi kết tinh (đông đặc). Tính thiên tích: Sự không đồng nhất về thành phần hoá học của kim loại trong vật đúc. Tính hoà tan khí b. Tính rèn Khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo nên hình dáng nhất định mà không bị phá huỷ. c. Tính hàn Khả năng tạo nên mối liên kết không thể tháo rời đợc gọi là mối hàn. d. Tính cắt gọt Khả năng cho phép gia công trên các máy cắt gọt nh: tiện, phay, bào, khoan, mài Tính cắt gọt phụ thuộc vào nhiều yếu tố . Ví dụ : Thép ít các bon dễ cắt gọt hơn thép các bon cao; Gang xám dễ gia công cắt gọt hơn gang trắng). e. Tính Nhiệt luyện : Khả năng cho phép thay đổi cơ tính và một số tính chất của vật liệu nhờ quá trình xử lý nhiệt. 1. 2 Phân loại vật liệu kim loại (đơn chất) Theo màu sắc Kim loại đen : Fe; theo [12] còn có Co, Ni, Mn, ( màu đen xám) Kim loại màu : Al, Cu, Pt, Au, 2 Theo nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ Khối lợng riêng nóng chảy o C g/cm 3 Cu : 1083 8,93 Ni : 1450 8,90 Kim loại khó chảy T nc Fe : 1539 7,87 Ti : 1668 4,51 Pt : 1769 21,45 Zr : 1855 6,51 Cr : 1875 7,19 V : 1950 6,02 Nb : 2468 8,57 Mo : 2620 10,2 Ta : 2996 16,65 W : 3395 19,35 Kim loại dễ chảy Zn : 419 7,11 Sn : 232 7,29 Bi : 271,3 9,80 Pb : 327 11,34 Kim loại nhẹ Be : 1284 1,85 Mg : 650 1,74 Al : 660 2,72 Kim loại quý Au : 1063 19,32 Ag : 960 10,5 Pt : 1769 21,45 Kim loại phóng xạ U : 1133 19,0 Ra (radi), Th (thôry) Pu (plutoni), Co, Kim loại hiếm La, Cs (Xêzi), Nd (Nêôdim), Pr (Prascôđim) 1.3 kim loại mu : Kim loại màu và hợp kim màu là kim loại mà hầu nh không có chứa sắt. Kim loại màu thờng có các tính chất đặc biệt và u việt hơn kim loại đen : tính dẻo cao, cơ tính khá cao, có khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Các kim loại màu thông dụng là nhôm, đồng, titan, manhê, thiếc, vàng bạc và các hợp kim của chúng. Kim loại màu có thể phân loại theo một số đặc điểm sau : 1.3.1 Kim loại nặng (có khối lợng riêng >= 5 g/ cm 3 ) Ví dụ : W = 19,35 g/ cm 3 cu = 8,94 g/ cm 3 Ni = 8,92 g/ cm 3 Sn = 7,30 g/ cm 3 Zn = 7,14 g/ cm 3 1.3.2 Nhóm kim loại nhẹ <= 5 g/ cm 3 ) Ví dụ : Ti = 4,51 g/ cm 3 3 Al = 2,70 g/ cm 3 Be = 1,85 g/ cm 3 Mg = 1,74 g/ cm 3 1.3.3 Nhóm kim loại quý : Au, Ag, Pt và kim loại thuộc nhóm platin 1.3.4 Kim loại hiếm : Titan (Ti), Ga, W, Li, Mo, 1.3.5 Kim loại bán dẫn : Se len (Se), As, Si, Ge , 1.3.6 Nhôm v hợp kim nhôm Nhôm thuộc nhóm kim loại nhẹ (kim loại bay) có khối lợng riêng nhỏ (2,7 g/cm 3 ), có tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt, có khả năng chống ăn mòn cao và có tỷ bền cao và tính dẻo cao. Nhôm nguyên chất : TCVN 1859-75 ký hiệu : TCVN TC Liên xô Al 99,60 (99,60%Al) A999 (99,999%Al) . . . Al 99,00 (99%Al) A0 (99,00%Al) Hợp kim của nhôm : Al - Mg Al - Cu, Al - Cu - Mg (Đua - ra dùng làm vành xe đạp, ) Al - Cu - Li; Al - Mg - Li (Rất nhẹ dùng trong ngành hàng không) Hợp kim nhôm có 2 loại : nhôm biến dạng và nhôm đúc. 1.3.7 Đồng v hợp kim của đồng Đồng nguyên chất : TCVN 1659-75 ký hiệu : VN Liên xô Cu99,99 ( 99,99%Cu) M00 (99,99%Cu) Cu99,90 (99,90%Cu) M1 (99,90%Cu) Hợp kim của đồng có : Brông (đồng thanh là hợp kim của Cu với Sn hoặc các nguyên tố khác trừ kẽm (Zn) : TCVN TCLX BCuSn5P0,5 pA5 5%Al Latông (đồng thau là hợp kim của Cu + Zn) LCuZn30 (Zn=30%) 70 70%Cu còn lại là Zn Trên đây là bảng phân loại có tính tơng đối. Ví dụ Li có thể là kim loại nhẹ nhng cũng có thể là kim loại bán dẫn. Nói chung các kim loại bán dẫn là kim loại hiếm. Giá cả so sánh tơng đối : Fe = 1 W = 75 lần Au = 11.000 lần Ni = 17 lần Pt = 27.000 lần Ag = 290 lần Rh = 45.000 lần ( Rô đi) 1 . 4 Cơ tính của kim loại 1. 4.1 Độ bền 4 Là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Đó là tập hợp các đặc trng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải trọng cơ học tĩnh của vật liệu. Chúng đợc xác định bằng ứng suất của tải trọng gây ra. ứng suất đợc ký hiệu là ; Giới hạn bền là ứng suất cao nhất mà mẫu chịu đựng đợc trớc khi phá huỷ và đợc ký hiệu B . Tuỳ theo dạng lực tác dụng mà ta có Có các khái niệm : độ bền kéo ( k ) ; độ bền uốn ( u ) ; độ bền nén ( n ) Giới hạn bền kéo đợc tính theo công thức : B = P max / F o ; Tơng tự ta có thể tính giới hạn bền uốn, giới hạn bền nén. Đơn vị tính là : N/mm 2 ; KN/m 2 ; MN/m 2 . 1 KG/mm 2 = 9,8 . 10 6 Pa Biến dạng đàn hồi là biến dạng mà khi khử bỏ lực tác dụng nó vẫn trở về trạng thái ban đầu với hình dạng, kích thớc không bị thay đổi (tức là cha xảy ra biến dạng dẻo hay lợng biến dạng không đáng kể khoảng 0,001 - 0,005 % ). Giới hạn chảy quy ớc là 0,2 - là ứng suất tại thời điểm mà mẫu bị biến dạng d là 0,2 % so với chiều dài ban đầu. 1. 4. 2 Đặc trng cho tính dẻo của vật liệu : Độ giản dài tơng đối = [(l 1 - l o ) / l o ] . 100 % Độ co thắt mẩu k = [(F o - F 1 ) / F o ] . 100 % Trong đó : l o , l 1 - độ dài của mẫu thử trớc và sau khi kéo (mm) F o , F 1 - Diện tích tiết diện của mẫu trớc và sau khi kéo (mm 2 ) 1. 4. 3 Độ dai va đập Là công tiêu phí để phá huỷ một đơn vị diện tích tiết diện ngang khi có lực tác dụng đột ngột với gia tốc lớn. a k = A / F ; KG.m/cm 2 hay KJ/m 2 . F - Diện tích tiết diện ngang tại vị trí cắt rãnh; A - Công sinh ra để phá huỷ mẩu thử; ( KG.m) Sơ đồ thử mẩu va đập nh hình 1-1 Hình 1-1 Sơ đồ xác định độ dai va đập A 1 = m h o A 2 = m h 1 A k = A 1 - A 2 = m (h o - h 1 ) h o = l o - l 1 l 1 = l o .Cos m - Khối lợng con lắc kg 1. 4. 4 Độ cứng : L 1 h o L o h 1 5 Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dới tác dụng của tải trọng ngoài. Độ cứng đặc trng cho tính chịu mài mòn, khả năng gia công cắt, khả năng mài bóng của vật liệu. a. Độ cứng Brinen ( HB) Đầu đo là một viên bi thép đã nhiệt luyện. Diện tích vết lõm của bề mặt viên bi tác dụng lên bề mặt vật liệu đặc trng cho độ cứng của vật liệu. Diện tích này càng nhỏ thì vật liệu càng cứng và ngợc lại. HB P/S;(KG/mm 2 ) S - Diện tích bề mặt chỏm cầu (mm 2 ) có đờng kính d (mm); Hình 1-2 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Brinel P - Lực tác dụng lên viên bi KG; D - Đờng kính viên bi (mm) ; d đờng kính vết lõm (mm) Đờng kính viên bi có thể là: D = 10mm; 5mm; 2,5 mm; 2 mm và 1 mm Độ cứng Brinel đợc tính theo công thức : HB = P/F F - diện tích mặt chỏm cầu của vết lõm viên bi khi đo (mm 2 ) 22 2 22 dD DD F = Độ bền của vật liệu có thể tính gần đúng theo công thức [12] B = a . HB Đối với thép : a = 0,33 - 0,36;( HB 3 B ) đồng : a = 0,48 - 0,53; đua ra : a = 0,37; ).( 2 22 dDD D P S P HB == Đối với thép và gang thì thờng dùng : P = 3000 KG, D = 10mm Đơn vị tính : KG/mm 2 . b . Độ cứng Rokwell (Rốc ven) ( HRA, HRB, HRC) Hình 1-3 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Roocwell Mũi đâm đợc làm bằng kim cơng có dạng hình nón, góc ở đỉnh là 120 o , Khi đo HRA, HRC bán kính r = 0,2 mm, Khi đo HRB bán kính r 1,588 mm. Độ cứng tỷ lệ với chiều sâu lún của mũi đâm ( 1/h ); Tuỳ thuộc vào lực tác dụng P ta có 3 thang đo độ cứng ứng với các tải trọng P nh sau : P d D Hình nón 6 HRA: khi P = 60 KG HRB: khi P = 100 KG HRC: khi P = 150 KG c . Độ cứng Víc - Ker (HV) Mũi đo bằng kim cơng dạng hình tháp có góc ở giữa 2 mặt đối xứng là 136 o , đáy vuông, độ cứng đợc ký hiệu là HV = P/F = (2 P.Sin /2)/d 2 1,8544 (P/d 2 ) Trong đó P - Lực tác dụng lên mũi đo (KG) ; d - Chiều dài đờng chéo vết lõm (mm) Hình 1-4 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Viker Ghi chú: Độ cứng HRC - Thờng dùng để đo vật cứng HB và HRB - Thờng dùng để đo vật mềm HV - Thờng dùng để đo vật mỏng d. Độ cứng KNOOP (đo vật liệu dòn nh gốm sứ) [2] T606) HK P F P L ==14 2 2 ,. Hình 1-4 Hình dáng mũi đâm khi đo độ cứng Knoop 1 . 5 gang v các ứng dụng của nó Hình tháp L B [...]... Điều kiện nhiệt luyện Để thoả mãn các yêu cầu trên không phải tất cả các kim loại đều nhiệt luyện đợc mà chỉ có những vật liệu mãn các yêu cầu sau : 1 Khi nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội kim loại phải có quá trình chuyển biến thù hình 2 Khi làm nung nóng hay làm nguội, thì kim loại hoặc hợp kim tuy không thay đổi về tổ chức, nhng do ảnh hởng của nhiệt độ khi nhiệt luyện làm cho tổ chức kim loại từ... Chơng 3 : Độ bền nhiệt 221 - 70 221 - 70 170 - 40 220 - 120 210 - 40 Các phơng pháp nhiệt luyện 3.1 Khái niệm chung về nhiệt luyện Quá trình gia công kim loại thờng có ba giai đoạn chính: 1 Quá trình luyện kim là giai đoạn đầu nhằm chế tạo ra các kim loại và hợp kim khác nhau 2 Quá trình chế tạo phôi, gia công cơ và các dạng gia công khác để chế tạo chi tiết máy 3 Nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi... Một số kim loại có nhiệt độ làm việc T = (0,7 - 0,8 )Tnc của KL đó Một số kim loại có nhiệt độ làm việc T < 0.5 Tnc của KL đó Tính bền nhiệt thay đổi theo hình Tính bền nhiệt phụ thuộc các nguyên tố cơ bản trong hợp kim Nhiệt độ càng tăng thì khoảng tính bền hẹp lại (hình trên) có nghĩa là ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim và chế độ nhiệt luyện giảm xuống 21 Các cơ tính của vật liệu chịu nhiệt không... định; 3 Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ đã xác định; 4 Tốc độ làm nguội ứng với các giai đoạn làm nguội; Nhiệt độ o C 2 3 Hình 3-1 Sơ đồ quá trình nhiệt luyện 1 Thời gian (giờ) 31 1 - Giai đoạn nung nóng 2 - Gia đoạn giữ nhiệt; 3 - Giai đoạn làm nguội Nhiệt độ nung là nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đợc Thời gian giữ nhiệt là thời gian cần thiết để duy trì chi tiết tại nhiệt độ nung đã xác... quá trình biến đổi kim loại Tốc độ làm nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian ( oC/s ) 3.1.3 Mục đích của nhiệt luyện : làm thay đổi tổ chức cấu tạo của kim loại để nhận đợc các tính chất theo yêu cầu 3.1.4 ý nghĩa : Nhiệt luyện là khâu không thể thiếu đợc trong ngành cơ khí và luyện kim hiện đại Nhờ có nhiệt luyện ta có thể tạo ra các tính chất đặc biệt của hợp kim tạo điều kiện cho các quá trình. .. 0,8 3,8 - 4,4 Theo TCVN : 80W18Cr4VMo 1.8 hợp kim cứng Các hợp kim có thể đợc chế tạo từ bột kim loại bằng phơng pháp nấu chảy thông thờng hoặc kết hợp ép bột kim loại với thành phần các nguyên tố khác : C, Al2O3, Các bít kim loại, Ni trit, borit, Hợp kim cứng đợc chế tạo bằng phơng pháp ép và thiêu kết với áp lực và nhiệt độ thích hợp Hợp kim cứng có hai loại : đặc và xốp ( có lổ rỗng) Chúng thờng... lâu của sắt KG/mm2 Thép Cr-Ni 800 Hợp kim bền nhiệt ferrit 600 Hợp kim bền nhiệt -Ni 400 200 200 400 600 800 1000 To C Hình 2-9 Giới hạn bền của một số hợp kim ở nhiệt độ cao [12] (trang 464) 1- Thép Cr-Ni kết cấu có nhiệt độ làm việc T < 300 oC 2- HK Niken Ni T < 650 - 900 oC 3- Thép bền nhiệt Ôstenit T 900 oC Dựa vào thành phần... 4 5 6 Thành phần nguyên tố hợp kim Hình 1-7 ảnh hởng của nguyên tố hợp kim đến độ dai va đập của ferrit [12] trang 350 1.7.2 Phân loại thép hợp kim Phân loại theo thành phần hợp kim : Thép hợp kim thấp có tổng hàm lợng các nguyên tố 10%% Phân loại theo thành phần hoá học:... 3.1.1 Định nghĩa : Nhiệt luyện là một quá trình gia công nhiệt bao gồm 3 quá trình : nung nóng chi tiết đến nhiệt độ cao, giữ nhiệt độ đó một thời gian nhất định sau đó làm nguội ở trạng thái rắn với những tốc độ theo yêu cầu 3.1.2.Các yếu tố quan trọng khi nhiệt luyện : 1 Nhiệt độ nung cao nhất mà phơng pháp nhiệt luyện yêu cầu; 2 Tốc độ nung nóng ứng với các khoảng thời gian và nhiệt độ nhất định;... nay nhiệt độ làm việc của một số hợp kim trên 2000 oC Phạm vi ứng dụng : Chế tạo các tuốc bin và động cơ phản lực Nhiệt độ làm việc 700 - 900 oC Các loại vật liệu chủ yếu là HK Ni - Co còn các HK trên cơ sở sắt không làm việc ở nhiệt độ cao dợc HK Ni - Cr có cơ tính thấp, không hoá bền bằng nhiệt luyện đợc thờng dùng làm dây điện trở X20H80, X15H60 2.5.6 ứng dụng các loại vật liệu chịu nhiệt bền nhiệt . Kim loại phóng xạ U : 1133 19,0 Ra (radi), Th (thôry) Pu (plutoni), Co, Kim loại hiếm La, Cs (Xêzi), Nd (Nêôdim), Pr (Prascôđim) 1.3 kim loại mu : Kim loại màu và hợp kim màu là kim. chịu nhiệt , tính chịu a xít, . . . của kim loại và hợp kim của chúng. 1.1. 2 Tính chất vật lý Kim loại là vật liệu có ánh kim; Hệ số giãn nở nhiệt khác nhau; Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt. vật liệu kim loại 1.1. Tính chất c ủa kim loại 1.1.1 Tính chất hoá học Kim loại là các nguyên tố hoá học ở phía trái bảng tuần hoàn Menđeleép. Kim loại tham gia các phản ứng với á kim;