Bài giảng vật liệu học chương 2 lý thuyết chung về vật liệu kim loại

◦ kim loại hay hợp kim được chế tạo ra ở trạng thái lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức là kết tinh, sau đó mới qua các dạng gia công khác nhau rèn, dập, cán… để làm thành bán

Trang 1

BÀI GIẢNG VẬT LIÊU HỌC

GV: NGUYỄN THANH ĐIỂU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TPHCM

-O0o -03/03/2016 2:36 CH

Trang 2

NỘI DUNG

03/03/2016 2:36 CH

Tuần thứ 1: 3 tiết

 Giới thiệu về học phần, yêu cầu đối với người học

 Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

Trang 3

 Chương 4: Gang Graphite thông dụng

 Chương 5: Kim loại và hợp kim màu

Trang 4

TUẦN THỨ 2 và 3

03/03/2016 2:36 CH

+ Quá trình kết tinh của kim loại

+ Khái quát về hợp kim

+ Các pha cơ bản trong hợp kim, dung dịch rắn,

pha xen kẽ, pha điện tử; cấu trúc pha và tổ chức tế

vi

+ Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại: độ bền,

độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập

+ Hợp kim Fe-C và giản đồ trạng thái

Nội dung giảng dạy trên lớp(6 tiết)

Trang 5

TUẦN THỨ 2 và 3

03/03/2016 2:36 CH

+ Các loại giản đồ pha hai cấu tử cơ bản: loại I, loại II,

loại III,…

+ Quá trình kết tinh của các hợp kim điển hình: trước

cùng tinh, cùng tinh, và sau cùng tinh

+ Phân loại hợp kim Fe – C ở dựa trên giản đồ pha cân

bằng giả ổn định

+ Từ các Web sites internet, chọn và tải về ít nhất ba bài báo liên quan, dịch sang tiếng Việt một trong ba bài đó

Các nội dung cần tự học:

Trang 6

+ Tiểu luận: (1) Quá trình kết tinh của các hợp kim Fe –

C, 0.4% C, 0.8% C, và 1.2% C khi làm nguội đủ chậm

từ trạng thái lỏng Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó

+Tiểu luận: (2) Quá trình kết tinh của hợp kim Fe – C

cân bằng giả ổn định, 3.0% C, 4.3%C, và 5.0% C khi làm nguội đủ nhanh Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính

chất của các hợp kim đó

Bài tập, tiểu luận:

Trang 7

 Kết tinh là quá trình chuyển biến của kim loại từ trạng

thái lỏng sang trạng thái rắn Khi kết tinh có sự biến đổi

từ trạng thái sắp xếp không trật tự thành có trật tự ( đó là cấu trúc tinh thể), nó xảy ra ở mỗi nhiệt độ nhất định đối với mỗi kim loại

◦ kim loại( hay hợp kim) được chế tạo ra ở trạng thái

lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức là kết tinh, sau đó mới qua các dạng gia công khác nhau( rèn,

dập, cán…) để làm thành bán thành phẩm, sản phẩm

◦ Kết tinh là bước khởi tạo của sự hình thành tổ chức:

các hạt với cấu trúc tinh thể Các quy luật chuyển biến pha ở trạng thái rắn(nhiệt luyện, kết tinh lại) như trạng thái lỏng

03/03/2016 2:36 CH

Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại

I Sự kết tinh của kim loại nguyên chất

Trang 8

I.1 Điều kiện xảy ra kết tinh Trong tự nhiên mọi quá trình

tự phát đều xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do( theo chiều có năng lượng dự trữ bé hơn)

- Sự chuyển động của các chất điểm( nguyên tử, ion), năng lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do F

Vậy sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn

nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts 03/03/2016 2:36 CH

Trang 9

03/03/2016 2:36 CH

I.2 Hai quá trình của sự kết tinh:

I.2.1 Tạo mầm: là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc

tinh thể với kích thước đủ lớn, được cố định lại trong kim loại lỏng gọi là mầm

Mầm tự sinh: là các phần tử rắn được sinh ra ngay trong kim loại lỏng

Mầm ký sinh: do sự xuất hiện của các phần tử có sẵn

trong kim loại lỏng( nguyên tố tạp chất khó chảy như oxyt , nitrit, bụi tường lò hoặc cố ý đưa các phẩn tử rắn vào để giúp kết tinh nhanh, )

Tạo mầm ký sinh dể hơn tạo mầm tự sinh, r th (ký sinh)< r th (tự sinh)

Trang 10

03/03/2016 2:36 CH

I.2.2 Quá trình phát triển mầm: sau khi tạo được mầm, quá

trình tiếp theo là các mầm này phát triển, lớn lên thành các hạt tinh thể

- Khi mầm đạt kích thước tới hạn(r th ) mầm sẽ phát triển

lớn lên để giảm năng lượng tự do

- Các mầm sinh ra không đạt rth sẽ bị tan đi vào kim loại lỏng

Trang 11

I.3 Sự hình thành hạt:

 Mỗi mầm lớn lên thành một hạt

 Mầm mới vẫn tiếp tục sinh ra trong khi các mầm

đạt rth đang phát triển đến khi hết kim loại lỏng(các

hạt gặp nhau quá trình kết tinh kết thúc)

03/03/2016 2:36 CH

Trang 12

Nhận xét:

 Mỗi mầm tạo nên một hạt mà phương mạng của

mầm định hướng ngẫu nhiên nên phương mạng của các hạt lệch nhau một góc bất kỳ

 Hạt sinh ra trước sẽ phát triển nhanh hơn hạt

saukích thước các hạt không đồng nhất

 Biên giới hạt bị xô lệch là nơi các nguyên tử sắp

xếp không trật tự, có nhiệt độ nóng chảy thấp và chứa nhiều tạp chất

03/03/2016 2:36 CH

Trang 13

a Hình dạng hạt: phụ thuộc vào phương thức nguội

 Nguội đều theo mọi phương hạt có dạng đa cạnh

hay cầu( cơ tính tốt nhất)

 Nguội nhanh theo 1 phương hạt có dạng đũa, cột

hay hình trụ

 Mầm phát triển theo mặt và phương có mật độ

nguyên tử lớn nhất  hạt có dạng nhánh cây(cơ tính xấu nhất)

b Kích thước hạt:

* Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cơ tính:

Hạt nhỏ cơ tính tăng(tăng độ bền và độ dai va đập)

03/03/2016 2:36 CH

Trang 14

I.4 Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc:

a Nguyên lý: kích thước hạt phụ thuộc vào hai quá

trình là: tạo mầm và phát triển mầm

- Số mầm càng nhiềuhạt càng nhỏ(QT tạo mầm)

- Tốc độ phát triển mầm càng chậmhạt càng nhỏ(QT

Trang 15

b Các phương pháp làm nhỏ hạt:

* Nguội nhanh:

- ∆T tăng(độ quá nguội) số mầm(n) và tốc độ phát

triển mầm(v) đều tăng, nhưng n tăng nhanh hơn v làm nhỏ hạt

- Giải pháp: thay khuôn cát bằng khuôn kim loại

- Nhược điểm: Gây ứng suất nhiệt lớn nứt chi tiết,

không có hiệu quả với chi tiết lớn

03/03/2016 2:36 CH

Trang 16

*Tác động vật lý:

- Rung siêu âm bẻ gãy tinh thể hạt nhỏ

- Đúc ly tâm hạt nhỏ

03/03/2016 2:36 CH

Trang 17

(SV tư đọc phần này)

II.5 Cấu tạo thỏi đúc:

a Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

Các thỏi đúc thường có tiết diện

tròn hoặc vuông, chúng được

đúc trong khuôn kim loại, đôi khi

khuôn được làm nguội bằng

II Sự kết tinh của kim loại nguyên chất

Trang 18

+ Vùng ngoài cùng là lớp hạt nhỏ

đẳng trục: do kim loại lỏng tiếp

xúc với thành khuôn nguội nên

được kết tinh với độ quá nguội

∆T lớn, mặt khác do tác dụng của

bề mặt khuôn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn

+ Vùng 2: vuông góc với thành khuôn, do thành khuôn

mới bắt đầu nóng lên

- ∆T ↓, hạt lớn hơn và phát triển mạnh theo phương tiếp tuyến với thành khuôn là phương truyền nhiệt hạt hình trụ

03/03/2016 2:36 CH

Trang 19

+ Vùng 3: Kim loại lỏng ở giữa kết thúc sau cùng,

thành khuôn đã nóng lên nhiều do đó:

- ∆T↓  hạt lớn

- Nhiệt tản đều theo mọi phương đẳng trục

03/03/2016 2:36 CH

Trang 20

 Nguội chậm thì vùng 3 lại lấn át vùng 2 tinh thể có

dạng hình cầu thỏi đúc trở nên dể cán.(Hc)

03/03/2016 2:36 CH

Trang 21

03/03/2016 2:36 CH

Trang 22

b Các khuyết tật của vật đúc:

 Rỗ khí:

Khí hoà tan trong kim loại lỏng thoát ra không kịp rỗ khí hay bọt khí trong vật đúc

tập trung ứng suất, khi cán không thể hàn kín được( lớp oxyt ngăn cản khuếch tán làm liền chổ bẹp), làm cho cơ tính của vật đúc giảm mạnh, gây ra tróc hoặc nút khi sử dụng

Khắc phục: Tăng cường quá trình thoát khí khi kết tinh bằng cách tạo ra sự lưu động của kim loại lỏng, khử khí tốt trước khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát và mẻ nấu phải được sấy khô trước khi nấu luyện hoặc đúc trong chân không

03/03/2016 2:36 CH

Trang 23

học trong nội bộ hạt kim loại

khối lượng riêng và hệ số khuếch tán của các nguyên tố

giảm độ tin cậy của sản phẩm đặc biệt là các vật đúc có khích thước lớn

Khắc phục : lựa chọn hợp lý các nguyên tố khi tạo hợp

Trang 24

III.1 Khái niệm về hợp kim:

- Hợp kim là vật liệu mang tính kim loại, bao gồm hai hay nhiều nguyên tố, trong đó nguyên tố chính là kim loại, nguyên tố phụ có thể là kim loại hay á kim

- Thành phần nguyên tố hoá học trong hợp kim thường được biểu thị bằng % trọng lượng, cũng có khi biểu thị bằng % nguyên tử

Trang 25

III.1 Khái niệm về hợp kim:

 Đặc điểm:

+ Cơ tính cao: Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn hồi của hợp kim cao hơn hẳn so với kim loại nguyên chất, còn độ dẻo, độ dai vẫn đủ cao

+ Tính công nghệ phù hợp với chế tạo cơ khí như: tính đúc, tính gia công cắt gọt, có thể hoá bền bằng nhiệt luyện v.v…

+ Tính kinh tế: rẻ hơn và kinh tế hơn nhiều so với kim loại nguyên chất

- Do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp chất, mà chỉ cần khống chế chúng ở mức độ nào đó

-03/03/2016 2:36 CH

III Hợp kim:

Trang 26

III.1 Khái niệm về hợp kim:

+ Cấu tử(nguyên): Là những chất độc lập có thành

phần hoá học không đổi (có thể là nguyên tố hoá học

hoặc hợp chất hoá học), chúng tạo nên tất cả các pha

của hệ

+ Hệ: là một dạng tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng

+ Pha: là những phần tử cấu tạo nên hợp kim, cùng

một loại pha phải cùng trạng thái có cùng kiểu mạng tinh thể và có bề mặt phân chia

03/03/2016 2:36 CH

III Hợp kim:

Trang 27

Cu và Pb rất ít hòa tan vào nhau ở trạng thái lỏng và không hòa tan vào nhau ở trạng thái rắn, như vậy hợp kim Cu-Pb tuy là hệ hai cấu tử nhưng có tổ chức hai pha

- Ở nhiệt độ cao gồm 2 dung dịch lỏng khác nhau về

thành phần hóa học

- Ở nhiệt độ thấp gồm hai loại tinh thể Cu va Pb

03/03/2016 2:36 CH

III Hợp kim:

Trang 28

a DUNG DỊCH RẮN

- Khái niệm:

- Khi 2 nguyên tố hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn, một nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi là dung môi, còn nguyên tố kia phân bố đều vào mạng của nguyên

tố dung môi gọi là nguyên tố hoà tan

- Ký hiệu của dung dịch rắn là A ( B)

trong đó: A – dung môi, B – nguyên tố hoà tan

-Tuỳ theo vị trí phân bố của nguyên tố hoà tan trong mạng tinh thể của dung môi, sẽ có hai loại dung

Trang 29

b.Các loại dung dịch rắn:

b.1 Dung dịch rắn thay thế

- Khi nguyên tử của nguyên tố hoà tan thế vào vị trí nútmạng của nguyên tố dung môi thì tạo nên dung dịch rắn thay thế

- Điều kiện: D ntht  D ntdm

- Tuy nhiên vẫn làm xô lệch mạng, tăng độ bền, độ cứng

và giảm một chút độ dẻo dai so với dung môi

03/03/2016 2:36 CH

III.2 Các kiểu cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim

-nguyên tử dung môi

-nguyên tử hoà tan

Trang 30

Theo độ hoà tan lại chia ra dung dich rắn (thay thế) hoà

tan vô hạn và hoà tan có hạn

+ Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B có thể lần lượt thay thế các vị trí của nguyên tử dung môi A một cách liên tục, ta được dung dịch rắn hoà tan vô hạn

03/03/2016 2:36 CH

Trang 31

+ Dung dịch rắn hoà tan vô hạn

Điều kiện cần để hai kim loại hòa tan vô hạn vào nhau là:

Trang 32

+ Dung dịch rắn hoà tan có hạn

- Khi nguyên tử hoà tan B chỉ có thể thay thế vị trí các nguyên tử dung môi A đến một giới hạn nào đó (nếu hoà tan thêm sẽ có kiểu mạng khác), ta được dung dịch rắn hoà tan có hạn

03/03/2016 2:36 CH

Trang 33

b.2 Dung dịch rắn xen kẽ

- Khi nguyên tử hoà tan xen kẽ vào vị trí các lỗ hổng

trong mạng tinh thể dung môi

03/03/2016 2:36 CH

-nguyên tử dung môi -nguyên tử hoà tan

Trang 34

- Điều kiện tạo thành dung dịch rắn xen kẽ:

- Là loại dung dịch hoà tan có hạn;

- Thường được tạo thành bởi dung môi là kim loại có đường kính nguyên tử lớn như: Fe, Cr, W, Ti và các nguyên tố hoà tan là các á kim có đường kính nguyên

tử nhỏ như : C, N, H, B…

03/03/2016 2:36 CH

0,59 dA

dB



Trang 35

c Hợp chất hoá học:

d Pha trung gian:( pha xen kẽ, pha điện tử)

Sv tự tìm đọc tài liệu về phần này

03/03/2016 2:36 CH

Trang 36

3.1 KHÁI NIỆM VỀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI

3.1.1 Khái niệm

Giản đồ trạng thái là giản đồ biểu thị sự biến đổi

tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần hoá học của

hệ ở trạng thái cân bằng

Giản đồ trạng thái được xây dựng trong điều kiện nung nóng và làm nguội vô cùng chậm tức là ở trạng thái cân bằng

03/03/2016 2:36 CH

III.3 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HAI CẤU TỬ

Trang 37

03/03/2016 2:36 CH

III GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HAI CẤU TỬ

Trang 38

3.2 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HAI CẤU TỬ

 Hệ một cấu tử

Không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó có một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến pha

03/03/2016 2:36 CH

Giản đồ pha của Fe

(Giản đồ một nguyên)

Trang 39

 Trục tung biểu diễn nhiệt độ của nguyên tố A,B

 Trục hoành chỉ nồng độ của nguyên tố A,B ( theo %

trọng lượng)

 Một đường thẳng đứng trong giản đồ chỉ trạng thái

của pha hợp kim(x%B)

Trang 40

+ Tỉ lệ (về số lượng) giữa các pha hoặc tổ chức được xác định theo quy tắc đòn bẩy:

03/03/2016 2:36 CH

HK

Lượng pha trái

Lượng pha phải

= Độ dài đoạn thẳng bên phải (đòn bên phải)

Độ dài đoạn thẳng bên trái (đòn bên trái)

Trang 43

3.3 GIẢN ĐỒ LOẠI I

Xác định tỉ lệ các pha của hợp kim 60%Sb + 40%Pb tại

400 0 C.Hợp kim lỏng tại a’’(37%Sb) và tinh thể B tại a’ là

a a B

60

60100

23, pha rắn chiếm

63 40

Trang 44

43 32

Trang 45

3.5 GIẢN ĐỒ LOẠI III

- Giản đồ trạng thái hai nguyên A và B hào tan vô hạn

vào nhau ở trạng thái lỏng, hoà tan có hạn vào nhau ở

Trang 46

tinh, trước cùng tinh (trái

Trang 47

- a: là dung dịch rắn hoà tan có hạn A(B) Sự hoà tan

có hạn thể hiện ở đường CF choãi về phía trái chứng

tỏ nhiệt độ càng thấp độ hoà tan càng giảm

Trang 48

 Nếu Co < 2 wt% Sn

03/03/2016 2:36 CH

• Kết quả:

- Sau khi kết tinh xong chỉ có

một dung dịch rắn a được

tạo thành (giống giản đồ loại

a: Co wt% Sn

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	12,33 MB