MÔN HỌC VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - PHẦN I: KIM LOẠI HỌC ppt

MÔN HỌC VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI PHẦN I: KIM LOẠI HỌC CHƯƠNG1: CẤU TẠO TINH THỂ Trình bày về các khái niệm cơ bản về kim loại học, các kiểu mạng tinh thể cơ bản, sai lệch trong m

MÔN HỌC VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

PHẦN I: KIM LOẠI HỌC CHƯƠNG1: CẤU TẠO TINH THỂ

Trình bày về các khái niệm cơ bản về kim loại học, các kiểu mạng tinh thể

cơ bản, sai lệch trong mạng tinh thể, khái niệm về đơn và đa tinh thể

3 Các hình thức học tập:

- Học lý thuyết trên lớp

4 Nội dung chi tiết :

BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

+ Các lớp điện tử bao quanh hạt nhân

- Đặc điểm cấu tạo: Trong nguyên tử kim loại số điện tử ở lớp ngoài cùng rất ít, thường chỉ 1 đến 2 electron Những điện tử này liên kết yếu với các hạt nhân nên dễ dàng bị bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do cũn nguyờn

tử trở thành ion dương Điện tử tự do quyết định tính chất của kim loại

2 Cỏc dạng cấu tạo của hợp kim

a Dạng dung dịch rắn

* Khỏi niệm: Dung dịch rắn là pha tinh thể (có thành phần thay đổi ) trong

đó các nguyên tử của nguyên tố thứ nhất A vẫn được giữ nguyên kiểu mạng của mỡnh ( A là nguyờn tố dung mụi ), nguyờn tố B phõn bố trong mạng tinh thể của A ( B là nguyờn tố hoà tan )

Theo độ hoà tan chia ra:

+ Dung dịch hoà tan vụ hạn: Khi chất hoà tan B cú thể hoà tan vào dung mụi A với tỉ lệ bất kỳ

+ Dung dịch hũa tan cú hạn: Nếu lượng hoà tan của B trong A không thể vượt quá một giá trị nhất định, nghĩa là sự thay thế chỉ xảy ra ở một tỷ lệ nào đó + Dung dịch xen kẽ: Cỏc nguyờn tử của nguyờn tố hoà tan B nằm ở cỏc lỗ hổng trong mạng tinh thể của nguyờn tố dung mụi A (Hỡnh 1.2)

Hỡnh 1.2

* Các đặc tính của dung dịch rắn

- Có liên kết kim loại như kim loại nguyên chất Vỡ vậy dung dịch rắn vẫn

cú tớnh dẻo tốt, tuy khụng cao bằng cỏc kim loại nguyờn chất làm dung mụi

- Thành phần hoá học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng của chất dung môi

- Mạng tinh thể của dung dịch luụn bị xụ lệch, thụng số mạng khỏc với tỷ

số mạng của dung mụi

- Về tính chất: Thường giũn, một số cú tớnh chất và nhiệt độ nóng chảy cao

- Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vi hẹp

III TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

- Kim loại và hợp kim có các tính chất tương tự nhau cả về tớnh chất vật lý, tớnh chất hoỏ học, tớnh cụng nghệ và tớnh cơ học

- Kim loại và hợp kim được sử dụng rất rộng rói trong cỏc ngành cụng nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc…

Do đó kim loại và hợp kim mang tính thực tế rất cao Tuy nhiên để đảm bảo về chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm chế tạo từ kim loại thỡ cần phải dựa vào cỏc yờu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp

BÀI 2 : CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ CƠ BẢN

I KHÁI NIỆM VỀ KIM LOẠI

1.Định nghĩa:

Kim loại là vật thể có vẻ sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao

Á kim không có tính chất này

2 Cấu tạo tinh thể của kim loại

* Vật thể vật chất được chia làm hai loại:

- Vật có cấu tạo tinh thể: Là các vật có các nguyên tử, ion ở trong nó sắp xếp

có trật tự, theo một quy luật nhất định tạo nên mạng tinh thể

- Vật không có cấu tạo tinh thể( hay vật vô định hình ): Là các vật có các nguyên tử, ion ở trong nó sắp xếp không có trật tự, không theo một quy luật nào

* Tất cả kim loại và hợp kim của chúng ở trạng thái rắn đều là vật có cấu tạo tinh thể

3 Khái niệm về mạng tinh thể

* Mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp xếp các nguyên tử, ion trong vật tinh thể

* Kích thước của mạng tinh thể được đặc trưng bằng một đại lượng gọi là thông số mạng Nó là khoảng cách giữa tâm hai nguyên tử gần nhau nhất theo cạnh của ô cơ bản Đơn vị đo chiều dài thông số mạng là ăngstrôm (

0

A) hoặc Kilôichxi (Kx)

b Mạng lập phương diện tâm

- Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các

nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và

nằm ở tâm các mặt của hình lập phương

- Các kim loại có kiểu mạnh này là : Zn, Be, Mg, Ti, Co

d Mạng chính phương thể tâm

- Ô cơ bản của kiểu mạng giống mạng lập phương thể tâm, nhưng có một cạnh của ô cơ bản bị kéo dài ra thành kích thước c

- Đây là kiểu mạng của tổ chức Máctenxit

5 Tính thù hình của kim loại

Có một số kim loại khi ở các nhiệt độ khác nhau thì có các kiểu mạng tinh thể khác nhau Tính chất này gọi là tính thù hình của kim loại

Người ta dùng các chữ Hy Lạp ,,, để chỉ các dạng thù hình của kim loại, trong đó  là dạng thù hình tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất, còn ,, ở nhiệt độ cao hơn

BÀI 3: CÁC SAI LỆCH TRONG MẠNG TINH THỂ

Bản thân sự có mặt của những nút trống và nguyên tử "thừa" xen kẽ giữa các nút mạng đã tạo ra sai lệch điểm trong mạng tinh thể Ngoài ra chúng còn làm cho các nguyên tử lân cận bị xê dịch ít nhiều khỏi vị trí của mình tạo ra vùng sai lệch hình cầu với kích thước vài khoảng cách nguyên tử

Khi tạo thành các nút trống năng lượng tự do của hệ thống tăng lên kèm theo sự thay đổi entrôpi S

* Nút xen kẽ: Một nguyên tử không dừng ở nút mạng mà đi vào lỗ hổng mạng tinh thể (là những nguyên tử lạ)

'

Sai lệch điểm do nút trống (a), nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng (b) và nguyên tử tạp chất ở nút mạng (c)

* Nguyên tử lạ thay thế

Trong thực tế không thể có một kim loại nào có độ sạch tuyệt đối Những phương pháp luyện mới và tiên tiến nhất cũng chỉ cho phép đạt được độ sạch khoảng 99,9999% hoặc cao hơn một ít, còn theo những phương pháp luyện thông thường lượng tạp chất có thể đến vài phần trăm Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế vị trí các nguyên tử cơ sở ở các nút mạng hoặc nằm xen kẽ giữa các nút mạng Nếu nguyên tử tạp chất nằm ở các nút mạng có bán kính lớn hơn hoặc

bé hơn so với nguyên tử cơ sở thì vị trí của các nguyên tử lân cận sẽ bị xê dịch, chúng bị nống ra hoặc bóp lại Nếu nguyên tử tạp chất nằm xen kẽ giữa các nút mạng có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ hổng thì nó đẩy lùi các nguyên tử chung quanh khỏi vị trí cân bằng Tóm lại sự có mặt của các nguyên tử tạp chất

có thể gây ra sai lệch điểm

Lệch thẳng có thể hình dung bằng cách sau: Giả sử có mạng tinh thể hoàn chỉnh gồm những mặt nguyên tử song song và cách đều nhau Bây giờ nếu chúng ta chèn thêm nửa mặt phẳng ABCD vào nửa phần trên của tinh thể thì các mặt nguyên tử thẳng đứng nằm về hai phía mặt ABCD sẽ không còn hoàn toàn song song nhau nữa, chúng bị cong đi ở vùng gần đường AD Các nguyên tử nằm trong vùng này bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình: Các nguyên tử

ở vùng phía dưới đường AD bị đẩy xa ra một ít (vùng có ứng suất kéo) còn các nguyên tử ở phía trên đường AD bị ép lại một ít (vùng có ứng suất nén) Như vậy vùng có sai lệch nằm xung quanh đường thẳng AD và vì vậy người ta gọi là lệch thẳng Đường AD đường gọi là trục có lệch thẳng

vị trí cân bằng cũ của mình Sở dĩ có danh từ lệch xoắn vì các lớp nguyên tử trong vùng sai lệch mạng đi theo hình xoắn ốc

Mặt phẳng ABCD gọi là mặt trượt của lệch Các nguyên tử nằm trong vùng dọc theo trục 1 Trục L gọi là trục của lệch xoắn

- Tinh thể hoàn chỉnh

- Tinh thể có lệch xoắn

- Cách bố trí nguyên tử về hai phía mặt trượt

Véc tơ Burgers của lệch xoán luôn luôn song song với trục lệch

* Lệch hỗn hợp

Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa thẳng và xoắn nó mang các đặc điểm của cả hai loại lệch đã nêu

Nếu đối với lệch thẳng hoặc xoắn vectơ Burgers b nằm trực giao hoặc song song với trục của lệch trên mặt phẳng trượt thì vectơ Burgers của lệch hỗn hợp tạo thành với trục lệch một góc bất kỳ giữa 00 và 900 trên mặt trượt

Quan hệ giữa vec tơ b và trục lệch L của lệch thẳng (a), lệch xoắn (b)

và hỗn hợp (c)

* Khái niệm về "lưới lệch" hoặc "rừng lệch"

Lệch là dạng khuyết tật có sẵn trong kim loại Chúng phân bố một cách bất kỳ có thể cắt nhau tại những điểm gọi là nút lệch Sự phân bố không gian của các đường lệch trong kim loại chưa biến dạng gọi là lưới lệch hoặc rừng lệch Trạng thái ổn định nhất là tại mỗi nút chỉ có ba lệch gặp nhau Nhưng cũng có trường hợp khi 4 hoặc 6 lệch cắt nhau tại một điểm, nhưng những nút lệnh như vậy luôn luôn có xu hướng biến thành nút "bộ ba" Trên hình vẽ nếu sơ đồ lưới lệch trong tinh thể hình trụ chưa biến dạng

Vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tinh thể là một dạng sai lệch mặt, vì

ở đây các nguyên tử sắp xếp không theo trật tự nhất định, đặc trưng cho các vùng phía bên trong Vì vậy kim loại ở vùng biên giới có cấu tạo giống như vật thể vô định hình vẽ Giả thiết này cho phép giải thích một số tính chất của vùng biên giới như năng lượng tự do, khả năng hòa tan tạp chất vv Vị trí nguyên tử

của vùng biên giới không phải hoàn toàn ngẫu nhiên mà còn tuân theo một số nguyên tắc nào đó phụ thuộc vào góc lệch mạng của hai hạt Biên giới hạt chứa rất nhiều sai lệch mạng, có chiều dài khoảng vài đến hàng trăm thông số mạng

Độ sạch của kim loại càng cao, chiều dày của lớp càng bé Nói một cách khác, kim loại chứa nhiều tạp chất bao nhiêu thì vùng biên giới càng dày bấy nhiêu vì

nó có khả năng hòa tan nhiêu nguyên tử tạp chất Năng lượng tự do của biên giới cao hơn so với các vùng phía trong và thường được đánh giá bằng sức căng biên giới hạt (tương tự như sức căng bề mặt của mặt ngoài)

Cách sắp xếp nguyên tử trong vùng biên giới hạt theo thuyết "vô định hình"

Do đặc điểm về cấu tạo, vùng biên giới hạt có một số tính chất sau:

- Có nhiều độ nóng chảy thấp hưn một ít so với các vùng phía bên trong Người ta đã phát hiện rằng trong kim loại cực sạch nhiệt độ nóng chảy của biên giới hạt thấp hơn khoảng 0,140C so với bản thân hạt

- Có hoạt tính hóa học cao hơn thể hiện ở tốc độ bị ăn mòn hóa học cao

Do vậy mà bằng phương pháp tầm thực (cho ăn mòn nhẹ bằng axít) có thể phát hiện được biên giới hạt

- Khi chuyển biến pha, biên giới là nơi để sinh ra tâm mầm nhất

- Có khả năng khuếch tán cao với tốc độ nhanh hơn so với vùng bên trong

- Góp phần khá lớn vào điện trở của kim loại Kim loại có độ hạt nhỏ tức tổng số vùng biên giới lớn, có điện trở cao hơn

- Ở nhiệt độ cao trên vùng biên giới hạt xảy ra quá trình chảy dẻo

- Biên giới có tác dụng cản trở quá trình trượt khi biến dạng Vấn đề này chúng ta sẽ xét đến khi nghiên cứu quá trình biến dạng dẻo

* Khái niệm về siêu hạt (block) và biên giới siêu hạt

Các nghiên cứu tỷ mỷ về cấu trúc siêu tế vi cho thấy rằng ngay trong mỗi hạt phương mạng cũng không phải hoàn toàn cố định Hạt được phân chia thành

vô số vùng nhỏ có kích thước khoảng 10-5  10-3 và phương mạng lệch nhau một

góc rất nhỏ, thường nhỏ hơn 10 Những vùng nhỏ này của hạt gọi là siêu hạt (hoặc block)

Mô hình siêu hạt

* Mặt ngoài của tinh thể:

Mặt ngoài của tinh thể có trạng thái sắp xếp nguyên tử khác với những vùng phía trong Trên bề mặt mỗi nguyên tử chỉ được liên kết với một số nguyên

tử nằm ở phía trong số sắp xếp bé hơn trị số quy định và do đó lực liên kết không cân bằng Đó là nguyên nhân làm cho các nguyên tử ở mặt ngoài sắp xếp không có trật tự, tạo nên sai lệch mặt

Do mạng tinh thể bị xô lệch nên mặt ngoài cơ năng lượng tự do cao hơn Phần năng lượng tự do được tăng thêm trên một đơn vị diện tích bề mặt gọi là năng lượng bề mặt hoặc sức căng bề mặt

Mô hình sắp xếp nguyên tử của mặt ngoài hình thể

BÀI 4: ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ

1 Tính thù hình của vật tinh thể

* Tính thù hình là khả năng tồn tại ở nhiều kiểu mạng khác nhau của một nguyên tố, phụ thuộc vò sự thay đổi của điều kiện bên ngoài

Ví dụ: Đối với sắt (Fe)

Ở nhiệt độ < 9100C có dạng Fe () có kiểu mạng lập phương thể tâm có kiểu mạng A2, K8

Ở 9100C < t0 < 13920C có dạng Fe () có kiểu mạng A1, K12

Ở 13920C < t0 < 15390C có dạng Fe (ô) có kiểu mạng A2, K8

Sự chuyển biến của các mạng tinh thể này sang mạng tinh thể khác gọi là

sự chuyển biến thù hình

Ví dụ: Sn < 130C chuyển từ lập phương đơn giản sang lục giác phức tạp

2 Tính dị hướng của vật thể

Chỉ đúng với đơn tinh thể có cùng một vị phương mạng

Là sự khác biệt về tính chất (cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ ) của vật thể theo các phương khác nhau

* Khái niệm đơn và đa tinh thể

+ Đơn tinh thể: Trong toàn bộ thể tích có cùng một định vị phương mạng,

có tính dị hướng

+ Đa tinh thể: Bao gồm vô số đơn tinh thể là các hạt hoặc siêu hạt có định

vị phương mạng khác nhau nên đa tinh thể có tính đẳng hướng trừ khi người sử dụng cố tình tạo ra phương định hướng khác nhau

5 Đánh giá :

- Phương pháp đánh giá: Kiểm tra tư cách

- Cõu hỏi ụn tập:

1 Thế nào gọi là tinh thể kim loại ? Ô cơ bản của kim loại là gì ?

2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp ?

3 Trình bày sai lệch trong mạng tinh thể ?

4 Khái niệm về đơn tinh thể và đa tinh thể ?

6 Tài liệu tham khảo:

- Giáo trình Vật liệu và Công nghệ cơ khí -PGS.TSHoàng Tùng- NXB Giáo Dục

- Vật liệu học - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học- Kỹ thuật

- Công nghệ kim loại - Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, - NXB Đại học

và Trung học chuyên nghiệp

Đơn tinh thể kéo

Kéo

 B1

( B2   B1 )

- Kim loại học và nhiệt luyện - Nghiêm Hùng - NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp

CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI

Nghiên cứu các tính chất chung của kim loại như : lý tính, hĩa tính, cơ tính,

tính cơng nghệ đê sử dụng đảm bảo chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm

3 Các hình thức học tập:

- Hóc lyự thuyeỏt trẽn lớp

4 Nội dung chi tiết :

Bài 1 : TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI

1 Lý tính : Là tính chất xác định tác dụng lý học của kim loại với thiên nhiên

Gồm:

a.Màu sắc: Dưới tác dụng của ánh sáng, mỗi kim loại đều cĩ màu sắc nhất định

Kim loại được chia làm hai loại: kim loại màu và kim loại đen

Kim loại đen và hợp kim đen: Là Fevà hợp kim của Fevới C ( thép, gang ) Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim cịn lại b.Khối lượng riêng (  ) : Là khối lượng của một đơn vị thể tích vật thể

d.Tính nóng chảy : Là tính chất biến đổi từ thể rắn sang thể lỏng ở một nhiệt

độ nhất định, nhiệt độ ấy gọi là nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy thấp thì tính lưu động của kim loại cao, kim loại dễ đúc

e.Tính dãn nở : Là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại thay đổi Được đặc trưng bằng hệ số dãn nở

f.Tính dẫn nhiệt : Là tính chất có thể truyền nhiệt từ chỗ có nhiệt độ cao đến chỗ có nhiệt độ thấp mà bản thân không cần chuyển động Được đặc trưng bằng

hệ số dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là 0,9 ; của nhôm là 0,5 và của sắt chỉ là 0,15

g.Tính dẫn điện : Là tính chất có thể truyền điện từ chỗ này đến chỗ kia Được đặc trưng bằng hệ số dẫn điện Bạc dẫn điện tốt nhất rồi đến đồng, nhôm h.Tính nhiễm từ : Là khả năng dẫn từ của kim loại Các kim loại có tính nhiễm từ là sắt, niken, côban và hợp kim của chúng

2 Hoá tính : Là tính chất xác định tác dụng hoá học của kim loại đối với môi

c.Tính chịu axít : Là khả năng của kim loại chống lại sự ăn mòn của axít

3 Cơ tính : Là những đặc trưng biểu thị khả năng của kim loại, hợp kim chịu được tác dụng của ngoại lực Các đặc trưng đó là:

a.Độ bền : Là khả năng của vật liệu chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá huỷ Độ bền được ký hiệu bằng chữ  ( xích ma )

Tuỳ theo dạng ngoại lực tác dụng ta có các loại độ bền : độ bền kéo( k) , độ bền nén ( n), độ bền uốn ( u)

F0- là diện tích chịu lực tác dụng ban đầu của mẫu thử

Đơn vị đo độ bền : N/mm2; KN/ m2; MN/ m2

b.Độ cứng : Là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi

có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén

Có hai cách đo độ cứng: Độ cứng Brinen ( HB ) và độ cứng Rốcoen ( HR ) c.Độ dẻo : Là khả năng thay đổi được hình dáng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ Được đặc trưng bằng hai đại lượng sau

- Độ dãn dài tương đối :

100

- Độ thắt tỉ đối :

0 1

Trong đó:F0, F1 - tiết diện ngang của mẫu trước và sau khi thử kéo

d Độ dai va chạm : Là khả năng của vật liệu chịu được lực va đập tác dụng mà không bị phá huỷ Được đặc trưng bằng độ dai va đập a k

Trong đó : A – công va đập để phá huỷ mẫu

F – diện tích tiết diện mẫu

4 Tính công nghệ : Là khả năng chịu các dạng gia công khác nhau Được đặc

trưng bằng các tính chất như tính đúc, tính hàn, tính gia công cắt gọt, gia công

áp lực, tính nhiệt luyện

5 Đánh giá :

- Phương pháp đánh giá: Kiểm tra tư cách

- Cõu hỏi ụn tập:

1 Tính chất chung của kim loại gồm những tính chất nào ?

2 Tính công nghệ của kim loại là gì ? Cho ví dụ về tính công nghệ của kim loại

?

6 Tài liệu tham khảo:

- Giáo trình Vật liệu và Công nghệ cơ khí -PGS.TSHoàng Tùng- NXB Giáo Dục

- Vật liệu học - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học- Kỹ thuật

- Công nghệ kim loại - Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, - NXB Đại học

và Trung học chuyên nghiệp

- Kim loại học và nhiệt luyện - Nghiêm Hùng - NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp

CHƯƠNG 3 THÉP CÁC BON

1 Mục tiêu:

- Biết được các khái niệm cơ bản về thép cácbon và các loại thép cácbon

- Nắm vững các tổ chức của thép hợp kim và các nguyên tố ảnh hưởng đến thép cácbon để đúng mục đích

- Rèn luyện tính sáng tạo trong học tập

2 Nội dung chính:

Trình bày về khái niệm cơ bản về thép cácbon, ảnh hưởng của các nguyên

tố đến tính chất và tổ chức của thép, các phân loại thép

3 Các hình thức học tập:

- Hóc lyự thuyeỏt trẽn lớp

4 Nội dung chi tiết :

BÀI 1: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẾN TÍNH CHẤT