Giáo trình môn vật liệu học

Vật liệu theo cách hiểu phổ biến là những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v...

LỜI MỞ ĐẦU Trong lịch sử phát triển của x ã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng c àng ngày càng cao hơn. Đ ầu tiên là thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ng ày nay là một loạt các loại vật liệu mới như: composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các lo ại vật liệu này (đặc biệt là kim loại & hợp kim, cùng với các loại vật liệu mới) đ ã góp phần thúc đẩy sự phát triển của x ã hộ loài người một cách nhanh chóng. Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc ph òng, đời sống . đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ: khi th ì cần có tính dẫn điện rẩt cao để dùng trong ngành đi ện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để l àm các loại dụng cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để l àm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nh ưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không . Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới. Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh vi ên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu chính: tinh thể, các hợp kim, bán dẫn v à ion, cộng hóa trị . cũng nh ư kiến thức về xử lý nhiệt của chúng. Mục đích của m ôn học này giúp cho sinh viên hi ểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc (li ên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thí nghiệm c ơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau n ày. Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vào bốn cực cơ bản sau đây: Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phương pháp gia công và hi ệu quả sử dụng của nó. Một sản phẩm có thể gồm h àng chục loại vật liệu khác nhau tạo n ên. Ví dụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN của Pháp cần mười một loại vật liệu: 1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9% 2- Gang 11,3% 4-Hợp kim nhôm 4,2% 5- Các kim loại màu khác 3,9% 6- Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4% 8- Vật liệu hữu cơ khác 3,4% 9- Thủy tinh 4,2% 10-Sơn 1,7% 11- Chất lỏng 5,9% Yêu cầu của một cán bộ kỹ thuật, ngo ài khả năng hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tính chất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm . Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau: tinh thể học, cơ lượng tử, vật lý tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại . do đó khối lượng kiến thức khá lớn và có nhiều mặt. Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức c ơ bản về vật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghi ệm. Khi nghiên cứu môn học này phải nắm chắc mối quan hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc v à tính chất của vật liệu. Bất kỳ sự thay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật liệu. 2 MỤC LỤC TỔNG QUAN 7 CHƯƠNG 1 13 CẤU TRÚC TINH THỂ V À SỰ HÌNH THÀNH . 13 1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử . 13 1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn . 13 1.2.1. Chất khí 14 1.3. Khái niệm về mạng tinh thể 15 1.3.1. Tính đối xứng 15 1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể . 16 1.3.3. Mật độ nguyên tử . 17 1.4. Cấu trúc tinh thể điển h ình của chất rắn 18 1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguy ên chất) 18 1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị 20 1.4.3. Chất rắn có liên kết ion 21 1.4.4. Cấu trúc của polyme 21 1.4.5. Dạng thù hình 22 1.5. Sai lệch mạng tinh thể 22 1.5.1. Sai lệch điểm . 22 1.5.3. Sai lệch mặt . 24 1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể . 24 1.6.1. Đơn tinh thể . 24 1.6.2. Đa tinh thể . 24 1.6.3. Textua 26 1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại 26 1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh 26 1.7.2. Hai quá trình c ủa sự kết tinh 26 1.7.3. Sự hình thành hạt . 27 1.7.4. Các phương pháp t ạo hạt nhỏ khi đúc . 28 1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc . 28 CHƯƠNG 2 31 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH . 31 2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy 31 2.1.1. Khái niệm 31 2.1.2. Trượt đơn tinh thể 32 2.1.3. Trượt đa tinh thể: . 33 2.1.4. Phá hủy 34 2.2.3. Độ dai và đập: 38 2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), K IC . 38 2.2.5. Độ cứng . 40 2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng 41 2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo . 41 2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng 41 2.3.3. Biến dạng nóng 42 2.4. Ăn mòn và bảo vệ kim loại: . 42 2.4.1. Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn: 43 3 2.4.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại: 43 2.4.5. Chống ăn mòn kim loại . 45 PHẦN II . 47 HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC . 47 CHƯƠNG 3 47 HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA 47 3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM . 47 3.1.1. Khái niệm về hợp kim . 47 3.1.2 DUNG DỊCH RẮN 48 3.2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ 50 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy . 51 3.2.3. Giản đồ loại I . 51 3.2.4. Giản đồ loại II 52 3.2.5. Giản đồ loại III 52 3.2.6. Giản đồ loại IV 53 3.2.7. Các giản đồ pha với các phản ứng khác 53 3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha v à tính chất của hợp kim . 54 3.3. GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe 3 C) 55 3.3.1. Tương tác giữa Fe và C . 55 CHƯƠNG 4 60 NHIỆT LUYỆN THÉP 60 4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP . 60 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép . 60 4.2. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT Đ ƯỢC KHI NUNG NÓNG V À LÀM NGUỘI THÉP 61 4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit . 61 4.2.2. Mục đích của giữ nhiệt 62 4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội . 62 4.2.4. Chuyển biến của austenit khi l àm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) 64 4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đ ã tôi (khi ram) . 65 4.3. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP . 66 4.3.1. Ủ thép 66 4.3.2. Thường hóa thép 67 4.4. TÔI THÉP 68 4.4.1. Định nghĩa và mục đích . 68 4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép . 68 4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi . 69 4.4.4. Các phương pháp tôi th ể tích và công dụng. Các môi trường tôi 70 4.5.RAM THÉP 73 4.5.1. Mục đích và định nghĩa . 73 4.5.2. Các phương pháp ram thép cacbon . 73 4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 74 4.6.1. Biến dạng và nứt 74 4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon . 75 4.6.3. Độ cứng không đạt: . 75 4.6.4. Tính giòn cao . 75 4 4.6.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ v à tầm quan trọng của kiểm nhiệt 75 4.7. HOÁ BỀN BỀ MẶT 76 4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) . 76 4.7.2. Hóa - nhiệt luyện . 77 PHẦN III 82 VẬT LIỆU KIM LOẠI 82 CHƯƠNG 5 82 THÉP VÀ GANG . 82 5.1. KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON V À HỢP KIM . 82 5.1.1. Thép cacbon . 82 5.1.2. Thép hợp kim . 85 Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim v ào các mục đích quan trọng. . 85 5.2. THÉP XÂY DỰNG . 91 5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại . 91 5.2.2. Thép thông dụng 91 5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) 92 5.2.4. Thép làm cốt bêtông 92 5.2.5. Các thép khác . 93 5.3. THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thé p kết cấu) . 93 5.3.1. Các yêu cầu chung . 93 5.3.2. Thép thấm cacbon 93 5.3.3. Thép hóa tốt . 95 5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép 97 5.3.5. Thép đàn hồi 97 5.3.6. Các thép kết cấu có công dụng ri êng . 99 5.4. Thép dụng cụ 100 5.4.1. Các yêu cầu chung . 100 5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt . 101 5.4.3. Thép làm dụng cụ đo . 105 5.5. Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt) 108 5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại 108 5.5.2. Thép không gỉ 108 5.5.3. Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) . 110 5.5.4. Thép có tính ch ống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng và đập (thép Hadfield) .111 5.6. GANG 111 5.6.2. Gang xám . 112 5.6.3. Gang cầu 113 5.6.4. Gang dẻo 114 CHƯƠNG 6 116 HỢP KIM MÀU VÀ BỘT . 116 6.1. Hợp kim nhôm (Al) 116 6.1.1. Nhôm nguyên ch ất và phân loại hợp kim nhôm 116 6.1.2. Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện 117 6.1.3. Hợp kim Al biến dạng hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện . 118 6.1.4. Hợp kim Al đúc . 119 6.2. Hợp kim đồng 119 5 6.2.1. Đồng nguyên chất và phân loại hợp kim đồng 119 6.2.2. Latông (đồng thau, Pháp - laiton, Anh - brass, Nga - латунь) 120 6.2.3. Brông: 120 6.2.4. Hợp kim Cu - Ni và Cu - Zn – Ni 121 6.3. Hợp kim ổ trượt . 121 6.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim l àm ổ trượt 121 6.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 122 6.3.3. Hợp kim nhôm . 122 6.3.4. Các hợp kim khác 122 6.4. Hợp kim bột . 123 6.4.1. Khái niệm chung 123 6.4.2. Vật liệu cắt và mài . 124 6.4.3. Vật liệu kết cấu 127 6.4.4. Hợp kim xốp và thấm 127 PHẦN 4 .VẬT LIỆU KHÁC . 128 CHƯƠNG 7 . 128 VẬT LIỆU VÔ CƠ – CERAMIC 128 7.1. Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của ceramic 128 7.2. Các vật liệu vô cơ điển hình . 129 7.2.1. Gốm và vật liệu chịu lửa 129 7.2.2. Thuỷ tinh và gốm thuỷ tinh . 130 7.2.3. Ximăng 131 7.2.4. Bêtông 133 7.2.5. Bêtông cốt thép 133 CHƯƠNG 8 134 VẬT LIỆU HỮU CƠ . 134 8.1. Đặc điểm của vật liệu hữu c ơ . 135 8.1.1. Hình thành vật liệu polyme . 135 8.1.2. Phân tử Polyme 137 8.1.3. Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử . 137 8.1.4. Mức độ kết tinh của P olyme và tính chất cơ học 138 8.2. Các polyme thông d ụng và ứng dụng 138 8.2.1. Chất dẻo: Sản lượng cao nhất hiện nay 138 8.2.2. Cao su (Elastome) 139 8.2.3. Sợi polyme . 139 8.2.4. Màng 139 8.2.5. Chất dẻo xốp (foarms) . 140 CHƯƠNG 9 141 COMPOZIT . 141 9.1. Khái niệm về compozit 141 9.1.1. Quy luật kết hợp 141 9.1.2. Đặc điểm và phân loại . 141 9.1.3. Liên kết nền - cốt . 141 9.2. Compozit cốt hạt 142 9.2.1. Compozit hạt thô . 142 9.2.2. Compozit hạt mịn (hóa bền phân tán) . 142 6 9.3. Compozit cốt sợi 142 9.3.1. Ảnh hưởng của yếu tố hình học sợi . 143 9.3.2. Compozit cốt sợi liên tục song song 144 9.3.3. Compozit cốt sợi gián đoạn thẳng h àng 145 9.3.4. Compozit cốt sợi gián đoạn hỗn độn . 146 CHƯƠNG 10 147 LỰA CHỌN VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ VẬT LIỆU . 147 1.1.NHỮNG TÍNH CHẤT C Ơ BẢN CỦA VẬT LIỆU. 147 1.2.1.Ba yêu cầu cơ bản đối với vật liệu 147 1.2.2.Những tính chất cơ bản của vật liệu . 147 1.3 Lựa chon vật liệu . 156 1.3.1 Yêu cầu về tính năng sử dụng 156 PHỤ LỤC 1 158 TỔNG QUAN TI ÊU CHUẨN VẬT LIỆU KIM LOẠI . 158 1.1.Tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Standard Organisation) . 158 1.2.Các tiêu chuẩn Nga, Trung Quốc v à Việt Nam . 159 1.2.1.Tiêu chuẩn Nga OCT : 159 1.2.2.Tiêu chuẩn Trung Quôc GB : 159 1.2.3.Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN : . 160 1.3.Tiêu chuẩn Mỹ : 160 1.4.Tiêu chuẩn Nhật : . 161 1.5.Các điểm chú ý vê ký hiệu và đơn vị đo : . 161 1.5.1. Các bội số và ước số : . 161 1.5.2. Ký hiệu về độ bền : 162 1.5.3.Các ký hi ệu độ dẻo và độ dai : . 162 TIÊU CHUẨN KÝ HIỆU V ẬT LIỆU KIM LOẠI 163 2.1.Ký hiệu gang : 163 2.1.1.Gang xám : . 163 2.1.2.Gang dẻo : 164 2.1.3.Gang cầu . 165 2.2.Ký hiệu thép : . 166 2.2.1.Thép các bon thông d ụng (thép các bon chất l ượng thường) . 166 2.2.2.Thép kêt cầu : . 168 2.2.3.Thép dụng cụ : . 170 2.2.4.Thép, hợp kim chuyên dùng và đặc biệt : . 171 2.2.5.Kim loại màu và hợp kim mau thông dụng : 174 PHỤ LỤC 4 181 THÀNH PHẦN HÓA HÓA HỌC CỦA CÁC MÁC KIM LO ẠI . 181 7 TỔNG QUAN 1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU 1.1.1 Khái niệm chung Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất l à những vật rắn mà con người dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ng ành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong xây dựng các công tr ình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận c ơ thể con người hoặc để thể hiện các ý đồ nghệ thuật, v.v. Vật liệu học là một khoa học ứng dụng về quan hệ giữa th ành phần, cấu tạo và tính chất của vật liệu, nhằm giải quyết những vấn đề kỹ thuật quan trọng nhất, li ên quan đến việc tiết kiệm vật liệu, giảm khối l ượng thiết bị máy móc v à dụng cụ, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và khả năng làm việc của các chi tiết máy v à dụng cụ. Cơ sở lý thuyết của vật liệu học là các phần tương ứng của vật lý và hóa học nhưng về cơ bản thì khoa học về vật liệu được phát triển bằng con đ ường thực nghiệm. Việc đ ưa ra những phương pháp thực nghiệm mới để nghi ên cứu cấu tạo (cấu trúc) v à các tính chất cơ, lý của vật liệu sẽ tạo điều kiện để môn vật liệu học tiếp tục phát triển. Nghiên cứu các tính chất vật lý nh ư mật độ, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, v.v… hay c ơ tính như độ bền, độ dẻo, độ cứng, môđun đ àn hồi, . hoặc tính công nghệ nh ư độ chảy loãng, khả năng gia công cắt gọt, . và các tính năng làm vi ệc như tính chống ăn mòn, tính chống mài mòn và mỏi, tính dòn lạnh, tính bền nhiệt, . của vật liệu sẽ cho phép xác định lĩnh vực ứng dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhi ên có tính đến các đòi hỏi của tính kinh tế. Tóm lại, vật liệu học là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển v à sử dụng vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày một tốt hơn. Nó liên quan trực tiếp đến tất cả những ng ười làm việc trong lĩnh vực chế tạo, gia công và sử dụng vật liệu. 1.1.2 Phân loại vật liệu Dựa theo các tính chất đặc tr ưng, người ta phân biệt ba nhóm vật liệu chính l à vật liệu kim loại, vật liệu vô cơ - ceramíc và vật liệu hữu cơ - polyme. Tuy nhiên nh ững năm gần đây đã xuất hiện một nhóm vật liệu quan trọng thứ t ư đó là vật liệu kết hợp - vật liệu compozít. 1.1.3 Vật liệu kim loại Thành phần chủ yếu là hợp kim gồm: KL+ á kim hoặc KL khác Là những vật thể dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, phản xạ ánh sáng với m àu sắc đặc trưng, không cho ánh sáng đi qua, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, r èn, ép) Có độ bền cơ học, nhưng kém bền vững hóa học, trừ nhôm (Al), các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, . đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng đ ư ợc yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Ðặc điểm cấu trúc của vật liệu kim loại l à sự sắp xếp trật tự của các nguy ên tử để tạo thành mạng tinh thể với độ xếp chặt cao v à liên kết với nhau nhờ khí điện tử tự do. 8 Trong mạng tinh thể luôn luôn tồn tại các khuyết tật v à trong một số điều kiện chúng có thể chuyển hoàn toàn sang trạng thái không trật tự thuộc dạng vô định h ình. Vật liệu kim loại được chia làm hai nhóm lớn:  Kim loại và hợp kim sắt là những vật liệu mà trong thành phần chủ yếu có nguyên tố sắt. Thuộc nhóm này chủ yếu là thép và gang.  Kim loại và hợp kim không sắt l à loại vật liệu mà trong thành phần của chúng không chứa hoặc chứa rất ít sắt. Thí dụ nh ư đồng, nhôm, kẽm, niken v à các loại hợp kim của chúng. Nhóm này còn có tên g ọi là kim loại và hợp kim màu. 1.1.2.2 Vật liệu vô cơ – ceramíc Là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim: thành phần cấu tạo của vật liệu vô c ơ - ceramíc chủ yếu là các hợp chất giữa kim loại nh ư Mg, Al, Si, Ti, . và các phi kim dư ới dạng các ôxýt, cácbít, hay nitrít, . v ới liên kết bền vững kiểu ion ho ặc kiểu đồng hóa trị có sắp xếp trật tự để tạo thành mạng tinh thể hoặc có sắp xếp không trật tự nh ư trạng thái thủy tinh hay vô định hình. Tên gọi ceramíc được bắt nguồn từ tiếng Hylạp "keramikos" có nghĩa l à "vật nung" nên khi chế tạo vật liệu loại này thường phải qua nung nóng, thi êu kết. Các vật liệu vô cơ - ceramíc truyền thống có thể kể đến l à: gốm và vật liệu chịu lửa , thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông. Ngày nay, nhiều loại vật liệu vô c ơ - ceramíc mới tìm thấy có những tính năng rất quí nh ư nhẹ, chịu nhiệt tốt, rất bền vững hóa học v à có tính chống mài mòn tốt được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp điện, điện tử v à hàng không vũ trụ. 1.1.2.3 Vật liệu hữu cơ – polyme Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn. - Nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém. - Nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp. - Bền vững hóa học ở nhiệt độ th ư ờng và trong khí quyển. Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các chất hữu c ơ chứa các bon có cấu trúc đa phân tử với hai nguyên tố thành phần chủ yếu là các bon và hydrô có th ể chứa thêm ôxy, clo, nitơ, . liên kết với nhau trong các mạch phân tử kích th ước lớn sắp xếp trật tự đ ược gọi trạng thái tinh thể hoặc không trật tự – trạng thái vô định hình. Tuy nhiên chúng có th ể có cấu trúc hỗn hợp vừa tinh thể vừa vô định h ình. Ngoài các vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo v.v ra ph ần lớn vật liệu hữu c ơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống là các polyme tổng hợp, chúng là sản phẩm của quá tr ình trùng hợp (polyme hóa) các phân tử đ ơn (monome) và do đó tùy theo nguồn gốc chất trùng hợp, chúng có các tên gọi khác nhau như polyetylen (PE), polypropylen (PP) hay polystyren (PS), v.v. 1.1.2.4 Vật liệu kết hợp – compozit Là loại vật liệu được kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với tính chất đặc trưng khác hẳn nhau, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Ví dụ: bê 9 tông cốt thép là sự kết hợp giữa thép (vật liệu kim loại) có tính chịu tải trọng kéo tốt và bê tông (là vật liệu vô cơ) có tính chịu nén tốt, vì thế bê tông cốt thép là loại vật liệu kết cấu vừa chịu kéo và vừa chịu nén tốt. Sự kết hợp giữa kim loại với polyme, giữa polyme với ceramíc, giữa ceramíc với kim loại, v.v… là cơ sở để chế tạo các loại vật liệu kết hợp -compozít với những tính năng khác nhau phục vụ tốt trong các ng ành công nghiệp và sản xuất cơ khí nói chung. M ột số vật liệu kết hợp - compozít được ứng dụng trong ng ành hàng không rất có hiệu quả như sợi thủy tinh độ bền cao và sợi các bon. Ngoài bốn nhóm vật liệu chính vừa đ ược nêu trên còn có các nhóm v ật liệu khác có tính năng và thành phần rất riêng biệt như: - Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn). - Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn. 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU Lịch sử phát triển k hoa học vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển của lo ài người, có thể chia ra làm 3 giai đo ạn lớn sau: 1.2.1 Giai đoạn tiền sử của loài người Từ hàng ngàn, hàng vạn năm trước công nguyên con người nguyên thủy đã biết sử dụng công cụ lao động để duy tr ì và phát triển cộng đồng, ngày đó họ đã biết sử dụng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên như:  Vật liệu vô cơ là đất sét, đá, và các loại khoáng vật v.v.  Vật liệu hữu cơ như da, sợi thực vật, gỗ, tre v.v.  Vật liệu kim loại như vàng, bạc, đồng tự nhiên và sắt thiên thạch v.v. Kim loại Compozít Hữu cơ - polyme Vô cơ - ceramíc 3 3 4 3 3 1 2 Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các nhóm vật liệu v à quan hệ giữa chúng. 1. Bán dẫn; 2. Siêu dẫn; 3. Silicon; 4. Polyme dẫn điện. 10 Trong giai đoạn này, các vật liệu được sử dụng đa phần ở dạng nguy ên thủy, không qua chế biến. Các vật dụng đ ược chế tạo chủ yếu bằng các cắt, m ài, đập hay nghiền v.v. Tại thời kỳ này riêng người Ai Cập cổ, người Babylon, người La Mã và người Trung Quốc đã biết chế tạo ra gạch để xây cất bằng cách ph ơi khô đất sét ngoài nắng. 1.2.2 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm. Phải trải qua một thời gian rất lâu, nghĩa l à sau hàng nghìn năm để tích lũy các quan sát ngẫu nhiên và các kinh nghi ệm, thực hiện các thí nghiệm một cách rời rạc v à mò mẫm, con người thời trước Công nguyên cũng đã tạo ra được nhiều sự kiện quan trọng về lĩnh vực vật liệu. Có thể kể ra đây v ài ví dụ: Trước Công nguyên khoảng 6.000 năm, ng ười ta đã biết luyện đồng từ quặng để chế tạo ra những công cụ lao động v à vũ khí. Những cục xỉ đồng với tuổi 8.500 năm, m à người ta phát hiện được ở cao nguyên Anotolia Thổ Nhĩ Kỳ đã nói lên sự xuất hiện rất sớm nghề luyện đồng từ quặng trên trái đất của chúng ta. Sắt thép cũng xuất hiện khá sớm. Vào khoảng thế kỷ 15 trước Công nguyên người ta đã biết sử dụng công cụ bằng thép v à sau đó khoảng 4 thế kỷ, người Hy Lạp và La Mã đã biết sử dụng phương pháp nhiệt luyện tôi thép để l àm tăng độ cứng cho thép. Kỹ thuật n ày đạt được đỉnh cao vào thời trung cổ với các thanh kiếm nổi tiếng nh ư Damascus (Syrie) cho đến ngày nay vẫn còn là một bí mật về công nghệ. Các nh à khảo cổ học khi khai quật ở Ninevia - kinh đô của đồ sứ cổ Assiria trong cung điện vua Sargon đệ nhị thế kỷ thứ VIII tr ước Công nguyên đã phát hiện ra một kho chứa khoảng 200 tấn sản phẩm bằng sắt nh ư mũ sắt, lưỡi cưa và các công cụ rèn v.v. Một kỳ tích về công nghệ luyện kim của nhân loại cổ x ưa đã được tìm thấy như cây cột trụ bằng sắt nổi tiếng của Ấn độ gần nh ư nguyên chất (nó chứa tới 99,72% sắt) nặng tới 6,5 tấn, cao hơn 7m được xây dựng từ năm 415 để t ưởng niệm vị vua Chanđragupta đệ nhị. Những l ò luyện sắt đầu tiên có ở Trung Quốc và Ai cập từng xuất hiện từ hơn 3.000 năm trước Công nguyên. Vào cuối thế kỷ thứ XVIII kỹ thuật chế tạo thép với qui mô lớn đ ã xuất hiện, mà nhờ đó con người đã sử dụng phổ biến để chế tạo ra các máy h ơi nước, tầu thủy, xây dựng cầu cống, nh à cửa và đường sắt v.v… Một công trình bằng thép đồ sộ phải kể đến tháp Effen tại thủ đô Pari của Pháp. Tháp này nặng 7.341 tấn và cao tới 320 m được xây dựng xong năm 1889 không những l à niềm tự hào và là biều tượng văn minh của nước Pháp mà còn là một kỳ quan của thế giới. Ngoài sự phát triển mạnh của những vật liệu kim loại đ ã nêu trên, vật liệu vô cơ cũng đã có những bước tiến rất sớm. Từ thế kỷ XV tr ước Công nguyên, ở Ai Cập, Babylon và La Mã người ta đã biết sử dụng hỗn hợp đá nghiền với vôi tôi rồi tới đầu thế kỷ XIX xi măng portlan đã xuất hiện ở Anh, Mỹ, Nga v à sau đó kỹ thuật đúc bê tông cốt thép sử dụng trong xây dựng đã xuất hiện ở Mỹ vào năm 1875 và ngày nay lo ại vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây d ựng cầu đường, nhà cửa v.v. 1.2.3 Giai đoạn chế tạo và sử dụng vật liêu theo kiến thức khoa học Người ta đã đi sâu tìm hiểu bản chất của vật liệu, tìm hiểu nguyên nhân của sự hình thành các tính chất khác nhau của chúng. Chính nhờ những kiến thức khoa học đó m à con người đã đánh giá được định tính chiều h ướng phát triển của vật liệu v à định hướng các công nghệ chế tạo vật liệu với những tính chất mong muốn. [...]... Do tập trung ứng suất ≥ gh (công thức 2.3) vết nứt gây phá huỷ giòn vật liệu Giá trị hệ số cường độ ứng suất tương ứng tại đó được gọi là độ dai phá huỷ của vật liệu, ký hiệu là KIC, đặc trưng cho mỗi loại vật liệu: 35 K IC Y gh a [ N.m -3/2] hay [MPa.m1/2], xác định bằng thực nghiệm Đối với vật liệu dẻo (phần lớn kim loại v à vật liệu polyme), đều có biến dạng dẻo tr ước khi phá hủy, điều đó làm cho... luyện - Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng - Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ, lý, hoá tính, tính công nghệ đồng thời rẻ, nhẹ và bảo vệ môi trường CMS (Cambridge Materials Selector) Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu. .. ư thép xây dựng vi hợp kim hóa, thép kết cấu độ bền cao và đặc biệt là sự xuất hiện vật liệu kết hợp compozít Năm 1975 chế tạo vật liệu nhớ hình Năm 1980 chế tạo thành công kim loại thủy tinh v.v… Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu Các sự kiện nổi bật: Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ? Luyện... lại Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại giảm nhưng vẫn quan trọng nhất Tuy nhiên còn có rất nhiều loại vật liệu hiện c òn đang trong quá trình nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm có nhiều triển vọng ứng dụng rộng r ãi vào thực tế trong tương lai Hình 1.1 Phân bố vật liệu 11 1.3 Nội dung môn học Gồm bốn phần chính - Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơn cho kim loại... SiO2 (b) thủy tinh tinh thể SiO2 (c) 1.2.3.3 Chất rắn vi tinh thể Cũng với vật liệu tinh thể kể tr ên khi làm nguội từ trạng thái lỏng rất nhanh (tr ên dưới 10 độ/s) sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nhưng với kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nm), đó là vật liệu có tên gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet) Tóm lại các vật liệu có ba kiểu cấu trúc tinh thể (th ường gặp nhất), vô định hình và vi tinh... kể ra đây một vài bước tiến nổi bật về công nghệ vật liệu: Năm 1930 công nghệ chế tạo hợp kim nhôm cứng có t ên Ðuara (duaralumin) xuất hiện nhờ quá trình hóa già biến cứng Năm 1940 công nghệ chế tạo chất dẻo polyme ra đời nhờ quá trình trùng hợp Năm 1955 công nghệ chế tạo bán dẫn bằng kỹ thuật tinh luyện v à tạo lớp chuyển tiếp Năm 1965 một loạt vật liệu mới ra đời nh ư thép xây dựng vi hợp kim hóa,... phá hủy, điều đó làm cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi, bán kính cong tăng l ên, nhờ đó làm tăng s gh và KIC Bảng 2.1 Giới hạn chảy và độ dai phá hủy biến dạng phẳng của một số loại vật liệu Vật liệu KIC,MPa Vật liệu KIC, 0,2, 0,2, MPa m Kim loại Hợp kim nhôm 2024-T351 325 36 Hợp kim nhôm 7075-T651 505 MPa m 29 Thép 4340,tôi +ram 260 oC Thép 4340, tôi ram 425 oC MPa m Ceramic và polyme Oxit nhôm... với nền kinh tế tri thức ? Cơ khí (vật liệu kim loại) máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút) Đèn điện tử máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút) Bán dẫn (vi xử lý) (90 - 130)MHz 200MHz (P) (330 - 400)MHz (PII) (400 -700)MHz (PIII), PIV 1GHz, ? Máy hút bụi: gỗ (hộp) kim loại (trụ) polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3 Xu hướng phát triển của vật liệu : Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%,... gian biểu diễn quy luật hình học của sự sắp xếp nguyên tử Phần lớn vật liệu có cấu trúc tinh thể, tính chất rất đa dạng phụ thuộc v ào kiểu mạng 1.3.1 Tính đối xứng Mạng tinh thể mang tính đối xứng, l à một trong những đặc điểm quan trọng, thể hiện cả ở hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong cũ ng như các tính chất của vật rắn tinh thể Tính đối xứng là tính chất hình học khi quay một điểm hay một... (sự hòa tan của khí của kim loại lỏng) rỗ khí hay bọt khí trong vật đúc Tác hại: Làm mất tính liên tục của vật đúc và tạo các vùng tập trung ứng suất, khi cán không thể hàn kín được (lớp ô xyt ngăn cản khuếch tán l àm liền chỗ bẹp), làm cho cơ tính của vật đúc giảm rất mạnh, gây ra tróc vỏ hoặc nứt khi sử dụng - Khắc phục: Tăng cường quá trình thoát khí khi kết tinh bằng cách tạo ra sự l ưu động của