bài giảng vật liệu cơ khí

1 B Ộ CÔNG TH ƯƠNG TRƯ ỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG BÀI GI ẢNG H ỌC PHẦN V ẬT LIỆU CƠ KHÍ (Lưu hành n ội bộ ) Ngư ời biên soạn: Hoàng Vi ệt Nam Hoàng Minh Thu ận Uông Bí, năm 2010 2 CHƯƠNG I. C ẤU T ẠO TINH TH Ể C ỦA V ẬT LI ỆU KIM LO ẠI 1.1. Khái ni ệm và đ ặc đi ểm c ủa kim lo ại 1.1.1. Đ ịnh ngh ĩa kim lo ại Kim lo ại l à do một nguyên tố hoá học tạo nên với tính chất đặc trưng là d ẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có ánh kim. Hiện nay có trên 85 nguyên tố kim lo ại (V D: S ắt Fe; Đồng Cu; Nhôm AL; Kẽm Zn; ) 1.1.2. Đ ặc đi ểm c ấu t ạo nguyên t ử c ủa kim lo ại * Ch ất kết tinh và chất vô định hình: + Ch ất kết tinh (chất tinh thể): l à những chất kết cấu rắn có dạng hình học xác đ ịnh và có những đặc điểm: - Các nguyên t ử sắp xếp có hệ thống; - Khi nung lên nhi ệt đ ộ cao th ì chuy ển từ thể rắn sang thể lỏng. + Ch ất vô định hình: là những chất có hình dạng không xá định như thuỷ tinh, keo, sáp, nh ựa thông, hắctín, thuỷ ngân, và có những đặc điểm sau: - Các nguyên t ử sắp xếp không có hệ thống; - Khi nung lên nhiệt độ cao thì chuyển từ thể rắn sang thể nhão rồi sang th ể lỏng; - B ề mặt gẫy nhẵn không có dạng hạt. * C ấu tạo tinh thể của kim loại: a) b) Hình 1.1. Ô c ơ sở và thông số mạng của mạng vật rắn tinh thể T ất cả các kim loại ở trạng thái rắn đ ều l à những chất có cấu tạo tinh thể. Trong các chất có cấu tạo tinh thể, các nguyên tử, ion chiếm những vị trí nhất đ ịnh trong không gian hay nói cách khác, chúng sắp xếp theo một trật tự, quy lu ật nhất định tạo n ên mạng tinh thể.Trong mạng tinh thể, các nguyên t ử dao đ ộng xung quanh các nút mạng tinh thể như dao động quanh vị trí cân bằng. Hình 1.1a bi ểu diễn một phần của mạng tinh thể (mạng tinh thể lập phương đơn gi ản) trong đó các iôn kim loại đ ược biểu diễn bằng những vòng tròn nh ỏ nằm ở các nút của h ình l ập phương gọi là nút mạng. Ph ần nhỏ nhất và đặc trưng cho một loại mạng tinh thể nào đó được gọi Z Y X b c a 3 là ô cơ b ản (hình 1.1b). nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể. Khi nghiên c ứu một mạng tinh thể n ào đó, ta chỉ cần nghiên cứu một ô cơ b ản là đ ủ. M ạng tinh thể thường gặp của kim loại có các kiểu sau: - M ạng lập ph ương thể tâm: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các ion nằm ở các nút (đỉnh) v àở tâm của hình lập phương; số nguyên tử có trong ô cơ bản là 2. Hình 1.2. M ạng lập ph ương t h ể tâm - Mạng lập phương diện tâm: Trong ô cơ bản, các ion nằm ở các nút (đ ỉnh) của h ình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương; số nguyên t ử trong ô cơ bản là 4. Hình 1.3. M ạng lập phương diện tâm - M ạng lục giác xếp chặt: Cấu trúc như m ột lăng trụ lục giác. Hai đáy l à hai ti ết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh và một nguyên tử n ằm ở tâm đáy; ngoài ra còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2 đáy; s ố nguy ên tử trong ô cơ bản là 6. Hình 1.4. M ạng lục giác xếp chặt 4 1.1.3. Liên k ết kim lo ại Trong kim lo ại phần lớn các nguyên t ử nhường bớt điện tử để trở thành ion dương c òn các điện tử trở thành đi ện tử tự do. Các điện tử n ày không b ị chi phối bởi một nguyên tử nào c ả. Giữa các ion dương vớ i nhau và các đi ện tử với nhau sẽ tồn tại lực đ ẩy, giữa ion và điện tử sinh ra lưc hút. S ự cân bằng giữa các lực n ày là cơ s ở của liên kết kim loại. Đây là d ạng liên kết quan trọng của kim lo ại, nhờ mối li ên kết này mà kim lo ại có tính dẻo rất cao 1.2. C ấu t ạo m ạng tinh th ể c ủa kim lo ại nguyên ch ất 1.2.1. Các khái ni ệm v ề m ạng tinh th ể Trong kim lo ại thực tế các nguy ên tử không hoàn toàn nằm ở các vị trí một cách tr ật tự như đã nói ở trên mà luôn luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí gây nên sai l ệch mạng. Trong th ực tế không có kim loại nguyên chất tuyệt đối. Do v ậy trong kim lo ại bao giờ cũng có các tạp chất. Kích thư ớc các nguy ên tử lạ này luôn khác nguyên t ử kim loại nên gây ra sai lệch trong mạng tinh thể. Sai l ệch mạng tinh thể chi ếm số lượng rất thấp (1-2% th ể tích mạng) nhưng ảnh hư ởng rất lớn đến c ơ tính của kim lo ại . 1.2.2. Các ki ểu m ạng tinh th ể thư ờng g ặp c ủa kim lo ại Trong các kim lo ại thông dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau đây : 1.5 1.6 Hình 1.5. Liên k ế t kim lo ại 5 a) L ập phương tâm khối (th ể tâm A2) : Các nguyên t ử nằm ở các đỉnh và ở trung tâm c ủa khối lập ph ương . Nếu coi các nguyên tử là hình cầu và biểu diễn gần như th ật thì các nguyên tử nằm ở các đỉnh chéo nhau của khối lập phương tiếp xúc v ới nhau qua nguyên tử ở trung tâm. Các nguyên tử còn l ại không ti ếp xúc với nhau. Ki ểu mạng n ày có trong các kim loại Fea, Cr, Mo,V. Kho ảng cách gần Ki ểu mạng này có một thông số mạng là a. b) L ập phương tâm mặt (diện tâm A1) : Các nguyên t ử nằm ở các đỉnh và tâm c ủa các m ặt bên khối lập phương. Nếu coi các n guyên t ử là hình cầu và biểu di ễn gần nh ư th ật th ì nguyên tử nằm ở đỉnh và tâm của các mặt bên thì tiếp xúc v ới nhau.Các nguyên t ử còn lại không tiếp xúc với nhau. Khoảng cách gần nhất gi ữa hai nguy ên tử là 2 2a d  và 4 2a r  ki ểu mạng n ày chỉ có một thông số mạng là a. Thường gặp trong các kim lo ại Feg, Cu, Ni, Al, Pb c) Sáu phương x ếp chặt (l ục giác xếp chặt A3): Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở tâm hai mặt đáy của hình lăng trụ lục giác đều .Ba nguyên tử nằm ở trung tâm ba lăng tr ụ tam giác cách nhau.Mạng sáu phương xếp chặt có hai thông s ố mạng l à a và c, tỷ số c/a g ọi l à hệ số xếp chặt. Hình 1.7. Mô hình và cách sắp xấp nguyên tử trong khối cơ sở a) Lập phương tâm mặt b) L ập phương tâm khối c) Sáu phương x ếp chặt 6 Trong trư ờng hợp lý tưởng 633,1 3 8  a c .Trong th ực tế tỉ số c/a không đúng là 1,633 mà dao đ ộng trong trong khoảng 1,57  1,64 và c ũng được coi là x ếp chặt. Các kim lo ại có kiểu mạng n ày là: Zn, Cd, Coa, Mg, Ti, Ru d) Chính phương tâm kh ối (th ể tâm): Trong tổ chức của thép sau khi tôi (mactenxit) còn có ki ểu mạng chính ph ương tâm khối . Có th ể coi kiểu mạng này là lập phương tâm khối được kéo dài theo một chiều. Nó có hai thông số m ạng l à a và c, tỉ số c/a g ọi l à độ chính phương.Trong thực tế sự sắp xếp của các nguyên t ử trong kim loại theo xu hướng dày đặc nh ất. Do đó không có kim loại nào có ki ểu mạng đơn giản chính phương tâm khối cả . 1.2.3. Tính thù hình c ủa kim lo ại a) Khái ni ệm và ví dụ: Khá nhi ều kim loại có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau ở các khoảng nhi ệt đ ộ và áp suất khác nhau, tính chất đó gọi là tính đa hìn h. Nhi ệt độ mà tại đó kim loại chuyển từ kiểu mạng này sang kiểu mạng khác gọi là nhiệt độ tới h ạn của chuyển biến đa hình. Nhiệt độ này còn phụ thuộc vào tốc độ nung nóng, t ốc độ l àm nguội và tr ạng thái ban đầu của kim loại . Các d ạng đa h ình khác nhau c ủa m ột nguyên tố đượ c ký hi ệu bằng các chữ Hy lạp cổ : , ,  Trong đó a là ký hi ệu cho dạng đa h ình ở nhiệt độ thấp nhất, các chữ còn lại ký hiệu lần lượt ở các nhi ệt độ cao hơn. 1.8 7 b) S ự thay đổi tính chất khi có chuyển biến đa hình: Khi có chuy ển biến đa hình các kim loại đều có sự thay đổi các tinh chất c ủa chúng. - Th ể tích riêng thay đổi: T ừ Fe  sang Fe  th ể tích của có giảm đi kho ảng 1%. T ừ Sn  sang Sn  th ể tích tăng lên 25% - Thay đ ổi về c ơ tính: từ Sn  sang Sn  đ ộ bền khô ng còn n ữa - Thay đổi về lý tính: do sự sắp xếp của nguyên tử có thay đổi nên nhiệt dung, đi ện trở đều biến đổi đi. S ự thay đổi tính chất của kim loại khi chuyển biến đa hình được nghiên cứu k ỹ lưỡng để tận dụng các tính chất có lợi và ngăn ngừa các mặ t b ất lợi. Tính đa hình c ủa sắt đ ược sử dụng rất nhiều trong nhiệt luyện 1.2.4. Đơn tinh th ể và đa tinh th ể a) Tính có hư ớng của tinh thể: M ạng tinh thể luôn luôn thể hiện tính có hư ớng (dị hướng) của nó nghĩa là theo các hướng khác nhau tính chất của mạn g (cơ ,l ý , hóa tính ) khác nhau .Tính có hướng là do cấu tạo mạng tinh thể, các phương và m ặt khác nhau có mật độ nguy ên tử không giống nhau. Theo phương có mật độ nguyên tử lớn liên kết bền hơn nên có độ bền lớn hơn các phương có m ật độ nguy ên tử bé . Ví d ụ : Tinh th ể đồng theo các phương khác nhau có độ bền kéo thay đổi từ 140 đ ến 250MN/m 2 . Tinh th ể ma giê (mạng sáu phương xếp chặt) có điện trở : theo tr ục a có  = 4,53.10 -6 cm, theo tr ục c có  = 3,78.10 -6 cm . b) Đơn tinh th ể và đa tinh thể : 8 Đơn tinh th ể: Nếu vật tinh thể có mạng thống nhất và phương không thay đ ổi trong toàn b ộ thể tích th ì gọi là đơn tinh thể. Đ ể hình dung về đơn tinh thể ta lấy một khối cơ sở và tịnh tiến nó theo ba tr ục tọa đ ộ với đoạn bằng chu kỳ tuần hoàn mạng (thông số mạng) sẽ đư ợc đơn tinh th ể. Trong th ực tế một số khoáng vật có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên. V ới kim lo ại để có được tinh thể phải áp dụng công nghệ đặc biệt "nuôi" đơn tinh th ể. Ngày nay ngư ời ta mới chế tạo được các đơn tinh thể kim loại có kích thư ớc n h ỏ, dài khoảng 3,5cm. M ột số đ ơn tinh thể, đặc biệt là khoáng vật, có bề mặt ngoài khá nhẵn, hình dáng xác đ ịnh, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các m ặt có mật độ nguyên t ử lớn nhất). Tính ch ất ti êu biểu của đơn tinh thể là tính có hướn g (d ị h ướng) do theo các hư ớng khác nhau có m ật độ nguyên tử khác nhau. Đơn tinh th ể chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu k ỹ thuật đi ện. Đa tinh thể: là kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể. Mỗi tinh thể trong đó g ọi l à h ạt. Đa tinh th ể có các đặc điếm sau : - Do s ự định hướng mạng tinh thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên nên phương m ạng gi ứa các hạt luôn lệch nhau một góc n ào đó. - T ại vùng biên giới h ạt mạng tinh thể bị xô lệch . - Đa tinh th ể có tính đẳng hướng Do đó trong th ực tế các ki m lo ại th ường gặp đều có cơ tính đồng nhất theo m ọi phương. N ếu đem kéo, cán kim loại với mức độ biến dạng lớn thì kim loại lại thể hiện tính có hướng của nó. Ví dụ: dây thép khi kéo nguội với độ biến dạng rất l ớn (làm các dây cáp c ần cẩu, cáp treo, dây ph anh xe đ ạp ) độ bền theo phương d ọc sợi lớn h ơn rất nhiều so v ới ph ương ngang sợi. 1.3. Các sai l ệch trong m ạng tinh th ể 1.3.1. Sai l ệch đi ểm a) Các sai l ệch điểm: Là các sai l ệch có kích thước bé theo ba chiều đo (vài thông số mạng), có d ạng điểm hay bao quanh m ột điểm. Gồm các loại sau đây: - Nút tr ống: là các nút mạng không có nguyên tử chiếm chỗ . - Các nguyên t ử nằm xen giữa các nút mạng - Các nguyên tử lạ nằm trên các nút mạng hay xen giữa các nút mạng. Do có các sai l ệch mạng nên nguyên tử nằm xung qu anh sai l ệch nằm không đúng v ị trí quy định. Ví d ụ: nút trống làm các nguyên tử xung quanh nó có xu hướng xích lại g ần nhau, nguyên tử xen giữa nút mạng làm các nguyên tử xung quanh có xu hư ớng bị d ồn ép lại. S ố lượng các nút trống và nguyên tử xen giữa n út m ạng có xu hướng phụ thu ộc vào nhi ệt độ. Nhiệt độ càng tăng số lượng của chúng càng nhiều, tuy nhiên 9 không vư ợt quá 1-2% Kim lo ại càng bẩn thì khả năng nguyên tử lạ chui vào m ạng tinh thể c àng nhiều và do đó số lượng sai lệch điểm tăng. 1.3.2. Sai l ệch đư ờng Là các sai l ệch có kích thước lớn theo một chiều đo và bé theo hai chiều đo còn lại. Nó có d ạng đ ường thẳng, đường cong, đường xoắn ốc. Bao gồm các loại sau : - M ột dãy các nút trống hay các sai lệch điểm khác - L ệch: là dạng sai lệch đường quan trọn g nh ất và có tính ổn định cao. 1.3.3. Sai l ệch mặt là các sai l ệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và bé theo chiều đo còn l ại. Nó có d ạng mặt cong, mặt phẳng. Gồm các loại sau: bi ên giới giữa các hạt, các m ặt trượt, các mặt song tinh, mặt ngoài tinh th ể. 1.4. Các phương pháp nghiên c ứu kim lo ại và h ợp kim 1.4.1. Phương pháp mặt gẫy Đây là phương pháp đơn gi ản nhất. Ta quan sát bề mặt kim loại tại nơi gãy v ỡ có thể phát hiện đ ược các vết nứt lớn, xác định được độ hạt các lẫn xỉ lớn Từ đó có thể sơ bộ kết luận được chất lượng của kim loại 1.4.2. Phương pháp t ổ ch ức thô đ ại B ẻ gãy mẫu kim loại rồi mài phẳng trên giấy mài. Trên bề mặt mặt của nó có th ể phát hiện được: bọt khí, rỗ nứt, lẫn xỉ. Nếu cho ăn mòn nhẹ bằng các hóa ch ất thích hợp có thể thấy đ ược t ổ chức thớ, nhánh cây, hạt lớn, sự phân bố của phôt pho, lưu hu ỳnh trong thép. Thường dùng để phát hiện tổ chức thớ trong vật cán rèn, s ự phân bố của các vùng tinh thể trong th ỏi đúc 10 CHƯƠNG II. H ỢP KIM VÀ GI ẢN Đ Ồ TR ẠNG THÁI 2.1. Khái ni ệm v ề h ợp kim 2.1.1. Đ ịnh ngh ĩa h ợp kim H ợp kim l à vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn điện, d ẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim ). Nguyên t ố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có thể được t ạo nên giữa các nguyên tố kim lo ại với nhau, hay giữa nguyên tố kim loại và phi kim lo ại. Ví d ụ : - Thép các bon là h ợp kim của nguy ên tố kim loại và phi kim loại (Fe + C) - La tông là h ợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn) Thành ph ần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu th ị theo phần trăm kh ối l ượng mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim luôn luôn bằng 100%. Đôi khi ngư ời ta còn dùng tỷ lệ phần trăm nguyên tư 2.1.2. Các đ ặc tính c ủa h ợp kim Đ ặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông th ường khác với đặc tính của kim loại hợp thành, đôi khi còn khác hẳn. H ợp kim luôn cho ta những đặc tính v ượt trội so với kim loại nguyên chất h ợp thành. Ví dụ, thép(hợp kim của sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành c ủa nó là sắt. Đặc tính vật lý của hợp kim không khác nhi ều kim loại được h ợp kim hoá, nh ư mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các đ ặc tính cơ khí của hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, như độ bền kéo, độ b ền cắt, độ cứng, khả năng chống ăn mòn Không gi ống nh ư kim loại nguyên chấ t, nhi ều hợp kim không có một điểm nóng ch ảy nhất định. Thay vì, chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái các kh ối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng. Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy được gọi là đường đông đặc và hoàn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi là đường pha l ỏng trong giản đồ trạng thái của hợp kim 2.1.3. Các khái ni ệm v ề h ợp kim a) C ấu tử (còn g ọi là nguyên): là các nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền v ững) cấu tạo nên hợp kim. Chúng là các thành phần độc lập. b) H ệ (đôi khi c òn g ọi là hệ thống): là m ột tập hợp vật thể ri êng biệt của h ợp kim trong điều kiện xác định. c) Pha: là t ổ phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và các tính chất cơ, l ý, hóa xác đ ịnh, giữa các pha có bề mặt phân cách. Ví d ụ: - Ta có m ột hệ gồm nước đá và nước. Hệ này chỉ có m ột cấu tử đó là h ợp chất H2O nhưng có hai pha : r ắn (nước đá), lỏng (nước) - Một chi tiết bằng la tông một pha: Hệ này có hai cấu tử là Cu và Zn nhưng ch ỉ có một pha  (dung d ịch rắn của hai cấu tử tr ên). d) Tr ạng thái cân bằng ( ổn định): Hệ ở trạng th ái cân b ằng khi các pha của nó đ ều có năng lượng tự do nhỏ nhất trong các điều kiện về nhiệt độ, áp suất và thành ph ần xác định. Tức l à các đặc tính của hệ không biến đổi theo thời gian. Thông thư ờng hệ với các pha ở trạng thái cân bằng bao giờ cũng có độ b ền, độ c ứng thấp nhất, không có ứng suất bên trong, xô lệch mạng tinh thể thấp nhất và đư ợc h ình thành với tốc độ nguội chậm. . 1 B Ộ CÔNG TH ƯƠNG TRƯ ỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG BÀI GI ẢNG H ỌC PHẦN V ẬT LIỆU CƠ KHÍ (Lưu hành n ội bộ ) Ngư ời biên soạn: Hoàng Vi ệt Nam Hoàng Minh Thu ận Uông. gọi Z Y X b c a 3 là ô cơ b ản (hình 1.1b). nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể. Khi nghiên c ứu một mạng tinh thể n ào đó, ta chỉ cần nghiên cứu một ô cơ b ản là đ ủ. M ạng. c ủa nó là sắt. Đặc tính vật lý của hợp kim không khác nhi ều kim loại được h ợp kim hoá, nh ư mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các đ ặc tính cơ khí của hợp kim lại có