Bài giảng vật liệu học chương 1 giới thiệu về vật liệu cơ khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM O0o BÀI GIẢNG VẬT LIÊU HỌC GV: NGUYỄN THANH ĐIỂU 03/03/2016 2:37 CH TÀI LIỆU THAM KHẢO - Sách, giáo trình [1] Lê Công Dưỡng-Vật liệu học đại cươngNXB KHKT Hà Nội 2002 - Sách tham khảo [2] Trần Thế San -Vật liệu khí đại- NXB KHKT- Hà Nội 2012 [3] Nghiêm Hùng - Kim loại học nhiệt luyệnNXB Giáo dục- Hà Nội 1993 03/03/2016 2:37 CH TÀI LIỆU THAM KHẢO - Sách tham khảo [4] Hoàng Trọng Bá- Vật liệu phi kim loại- NXB KHKT- Hà Nội 2007 [5] Trần Thế San-Vật liệu đại cương-NXB ĐHQG TPHCM-TpHCM2013 [6] Nghiêm Hùng- Sách tra cứu thép gang thông dụng-NXB ĐHBK Hà Nội- Hà Nội 1997 03/03/2016 2:37 CH NỘI DUNG Tuần thứ 1: tiết  Giới thiệu học phần, yêu cầu người học  Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí Tuần thứ 3: tiết  Chương 2: Lý thuyết chung vật liệu kim loại Tuần thứ 5: tiết  Chương 3: Thép nhiệt luyện thép 03/03/2016 2:37 CH NỘI DUNG Tuần thứ 6: tiết  Chương 4: Gang Graphite thông dụng  Chương 5: Kim loại hợp kim màu Tuần thứ 8: tiết  Chương 6: Chất dẻo Tuần thứ 10: tiết  Chương 7: Vật liệu composite 03/03/2016 2:37 CH TUẦN THỨ Giới thiệu học phần, yêu cầu người học Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí + Phân loại vật liệu theo liên kết hóa học bản: liên kết kim loại, liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết Van der Waals + Mạng tinh thể vật liệu kim loại + Các dạng khuyết tật mạng tinh thể + Các tính chất kim loại đặc trưng + Polymer chất dẻo + Giới thiệu vật liệu composite, vai trò vật liệu vật liệu cốt 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí Vai trò vật liệu: Hiện kim loại( sắt, đồng, nhôm…) hợp kim( thép, gang, hợp kim nhôm, đồng,titan…) dùng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân, quốc phòng đời sống hàng ngày Các kim loại đặc biệt sắt hợp kim nó, đóng vai trò quan trọng tiến hóa xã hội loài người Thép, gang số kim loại mầu vật liệu chủ yếu công nghiệp khí( chế tạo máy, động lực ) phương tiện giao thông vận tải Một khối lượng thép lớn sử dụng xây dựng Công nghiệp hóa chất, lượng hạt nhân, du hành vũ trụ v.v….đòi hỏi vật liệu kim loại đặc biệt 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí VẬT LIỆU HỌC LÀ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU QUAN HỆ CẤU TRÚC – TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU, TRÊN CƠ SỞ ĐÓ ĐỀ RA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU, SỬ DỰNG VẬT LIỆU HỢP LÝ VÀ CÓ HIỆU QỦA KINH TẾ CAO 03/03/2016 2:37 CH MỞ ĐẦU KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  Dựa vào cấu trúc-tính chất đặc trưng, người ta phân biệt nhóm vật liệu thường sử dụng công nghiệp nay:  Vật liệu kim loại  Vật liệu vô – Ceramic  Vật liệu hữu – Polyme  Vật liệu tổ hợp – Compozit 03/03/2016 2:37 CH KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU     Vật liệu kim loại: VLKL thông dụng: thép, gang, đồng, nhôm, titan, niken…., hợp kim chúng Thép đóng vai trò then chốt công nghệ chế tạo (thép hợp kim, thép nito,thép hơp kim siêu bền ) Nhôm đóng vai trò không nhỏ công nghệ chế tạo HK nhôm có độ bền cao, chống ăn òn tốt vật liệu thích hợp ngành công nghiệp chế tạo ôtô, máy bay, tàu thủy 03/03/2016 2:37 CH Kiểu cấu trúc mạng tinh thể phổ biến số kim loại bảng tuần hoàn IA IIA IIIA IVA VA VIA VII A Li Be B C N O F H VIB VII B K Ca Sc Ti V Cr Mn Na Mg Rb IIIB IVB VB Sr Y Zr Nb Mo VIIIB IB IIB Al Si P S Cl Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Cs Ba La Hf Ta w Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Fr Ra Ac Lập phương tâm khối Lập phương tâm diện Lục phương Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí I.4 Sai lệch mạng - Mạng tinh thể xét hoàn toàn lý tưởng.Sở dĩ có sai khác mạng tinh thể vật rắn tồn khuyết tật - Khuyết tật mạng tinh thể dạng sai lệch.Nó làm thay đổi quy luật, vị trí, kích thước mạng tinh thể, đó: * Quy luật: quy luật xếp chất điểm mặt tinh thể * Vị trí: xuất thiếu hụt chất điểm vùng tinh thể không theo quy luật ban đầu * Kích thước: tăng hay giảm thông số mạng Ảnh hưởng SLM làm thay đổi tính chất tinh thể, dẫn đến thay đổi tính chất vật liệu 03/03/2016 2:37 CH I.4 Sai lệch mạng 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Cấu tạo kim loại và hợp kim I.4 Sai lệch mạng I.4.1 Sai lệch điểm Là sai lệch mạng có kích thước nhỏ(chỉ vài thông số mạng) theo phương đo, có dạng bao quanh điểm Gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ nguyên tử tạp chất  Điểm trống:là nút mạng nguyên tử,ion, dao động nhiệt lớn, chúng bứt khỏi vị trí quy định chổ khác điểm trống  Nguyên tử xen kẽ  Nguyên tử lạ hay tạp chất nằm nút mạng hay xen kẽ chúng 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí I.4 Sai lệch mạng I.4.1 Sai lệch điểm  Khi xuất nguyên nhân trên, nguyên tử, ion xung quanh chúng vài thông số nằm lệch vị trí gây vùng sai lệch mà chúng trung tâm  Số lượng sai lệch điểm phụ thuộc vào: • Nhiệt độ: nhiệt độ cao số nút trống nguyên tử xen nhiều • Độ “sạch” kim loại: kim loại nhiều tạp chất sai lệch điểm nhiều • Nút trống có ảnh hưởng đến chế và tốc độ khuếch tán kim loại và hợp kim trạng thái rắn 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí I.4 Sai lệch mạng I.4.2 Sai lệch đường: sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo hai chiều đo lớn theo chiều đo lại, tức có dạng đường (thẳng cong) a Lệch biên:Trong mạng tinh thể hoàn chỉnh có thêm bán mặt thừa ABCD, làm cho nguyên tử xung quang trục AD bị xô lệch, gây nên lệch biên Tiết diện độ vài thông số mạng kéo dài theo đường AD gọi trục lệch Lệnh biên có có ảnh hưởng lớn đến trình trình trượt-> kl dễ biến dạng(giảm độ bền) Vi dụ: Fe có blt  13000N / mm2 btt  250N / mm2 03/03/2016 2:37 CH I.4 Sai lệch mạng b Lệch xoắn:  Cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD trượt dịch hai mép ngược chiều số mạng đường BC  Lúc mạng tinh thể gồm nhiều mặt song song với mà mặt xoắn quanh trục AD  Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh kết tinh trình nhiệt luyện 03/03/2016 2:37 CH I.4 Sai lệch mạng I.4.3 Sai lệch mặt: - Là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng mặt (mặt phẳng, cong hay uốn lượn) Điển hình sai lệch mặt là: + Biên giới hạt (có xếp ng tử không trật tự) - Bgh có lượng tự cao bên nên dễ tạo mầm chuyển biến pha, nơi dễ bị ăn mòn - Bgh có cấu tạo không trật tự nơi dễ chứa nguyên tử lạ dễ khuếch tán - Bgh mặt tinh thể xác định nên cản trở mạnh trình biến dạng dẻo 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí I.5 Đơn tinh thể và đa tinh thể I.5.1 Đơn tinh thể -Vật rắn đơn tinh thể có thông số mạng thống phương không thay đổi toàn thể tích -Nếu cắt đơn tinh thể mặt cắt bất kỳ,thì mặt cắt phương mạng song song cách nhau(Hvẽ) - Tính chất điển hình đơn tinh thể tính dị hướng (tính chất thay đổi theo hướng khác nhau) theo phương khác có mật độ nguyên tử khác - Ví dụ: Cu theo phương khác có đô bền kéo thay đổi từ 140-250MN/m2 - Công dụng đơn tinh thể sử dụng công nghiệp bán dẫn(điôt; transito), mạch vi điện tử, nhớ máy tính 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí I.5 Đơn tinh thể và đa tinh thể I.5.2 Đa tinh thể: cấu trúc thực tế kim loại Gồm nhiều đơn tinh thể liên kết bền vững với Một đơn tinh thể hạt, đa tinh thể đa hạt Đặc điểm: + phương mạng đơn tinh thể song song nhau, đơn tinh thể lệch Một góc (α) + hạt đa tinh thể có phương mạng xếp bât kỳ nên đa tinh thể có tính đẳng hướng( tính chất chúng theo phương giống nhau) + vùng biên giới hạt nguyên tử xếp trật tự 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 4.1 CƠ TÍNH - Kim loại hợp kim dùng rộng rãi có nhiều tính chất đáng quý - Cơ tính kim loại hợp kim đánh giá tiêu sau : + Độ bền tĩnh : xác định giới hạn bền b (kéo, nén, uốn); giới hạn chảy c , giới hạn đàn hồi đh giới hạn bền mỏi Đơn vị đo thường dùng N/m2, MN/m2 + Độ cứng : xác định loại độ cứng Brinen (HB), Rockwell (HRA,HRB,HRC) Vicker (HV) 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 4.1 CƠ TÍNH + Độ dẻo : xác định độ giãn dài tương đối (%) độ thắt tỷ đối (% ) + Độ dai : xác định độ dai va đập, thường ký hiệu ak, đơn vị đo kj/m2 Đặc điểm quan trọng kim loại hợp kim có tính tổng hợp cao, nghĩa có độ bền độ cứng cao đảm bảo tính dẻo, dai phạm vi yêu cầu 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 4.2 LÝ TÍNH - Các tính chất điện, từ tính chất không loại vật liệu thay kim loại, ứng dụng rộng rãi công nghiệp điện như: làm dây dẫn điện ,nam châm , vật liệu dẫn nhiệt Ngoài lý tính khác kim loại: tính chịu nhiệt độ cao, tính giãn nở nhiệt 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI 4.3 HÓA TÍNH Các kim loại thường tác dụng mạnh với nguyên tố kim (như oxy, clo ) bị phá hủy không khí ẩm ( bị gỉ, ăn mòn kim loại ) dó không ổn định mặt hóa học Một số kim loại hợp kim đặc biệt có tính ổn định cao khí quyển, axit, bazo dung dịch muối, vật liệu quý máy móc hóa chất 03/03/2016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu khí IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH 4.4 TÍNH CÔNG NGHỆ - Là khả chịu dạng gia công khác : đúc ,rèn, dập, cán, gia công cắt gọt, hàn, nhiệt luyện Một kim loại đồng thời có tất tính công nghệ tốt Ví dụ : đúc tốt dập Kim loại dù quý tinh công nghệ xấu sử dụng lĩnh vực khí END 03/03/2016 2:37 CH [...]... N=9 n=8 .1/ 8 +1= 2 N =14 n=8 .1/ 8+6 .1/ 2=4 N =17 n =12 .1/ 6+2 .1/ 2+3=6 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I.3.2 Một số kiểu mạng thường gặp: a 3 4 a 2 rnt  4 Ms  ns snt 10 0%  83,4% Smat 78,5% Mv  n.v 10 0%  68% V rnt  74% rn t  a 2 91% 73% Ý nghĩa: Ms càng lớn thì mặt càng bền vững Mv: mức độ điền đầy vật chất của kiểu mạng 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí a -... CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I.3.2 Một số kiểu mạng thường gặp: + Lập phương thể tâm (tâm khối A2) + Lập phương diện tâm (tâm mặt A1) + Lục giác( sáu phương) xếp chặt A3 + Chính phương thể tâm 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I.3.2 Một số kiểu mạng thường gặp: 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí. .. phân lớp) - 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I .1. 2 Các dạng liên kết trong chất rắn: a - Liên kết đồng hóa trị - Hình thành khi có 2 (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngoài cùng - a) - Clo b) - Ge c) - CH4 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng... thuộc ô cơ sở - y=4 số vị trí trên 1 mặt bên - z= 6 số mặt bên vậy n= ½.4.6 =12 điểm trống d tr4 m  0.221d b Điểm trống 8 mặt Vị trí: ở tâm các mặt bên và điểm giữa các cạnh bên Số lượng: n(8 mặt) =1/ 2.6 + 1/ 4 .12 =6 dtr8m  0 .15 4d Ý nghĩa: Các điểm trống này quyết định sự hòa tan của các nguyên tử khác vào mạng của chúng 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí b - Lập phương tâm mặt A1 d... Các vật vô định hình như: thuỷ tinh, chất dẻo, cao su 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I.3 Khái niệm về mạng tinh thể: Mạng tinh thể là một mô hình không gian mô tả sự sắp xếp của các chất điểm cấu tạo nên vật tinh thể Phần lớn vật liệu có cấu trúc, tính chất rất đa dạng phụ thuộc vào kiểu mạng 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới. .. dẻo cao nhất 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I.2 Khái niệm về vật tinh thể, vật vô định hình - Vật tinh thể: là vật thể mà các chất điểm của nó sắp xếp có qui luật( có trật tự) + Có nhiệt độ nóng chảy( hoặc đông đặc) xác định + Tất cả các kim loại và hợp kim của nó đều là vật tinh thể - Vật vô định hình: là vật thể mà các chất...KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  2 Ceramic( VL vô cơ) : có nguồn gốc vô cơ là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim( oxit, nitrit, cacbit) gồm khoáng vật đất sét, xi măng, thủy tinh Các tính chất điển hình của VLVC ceramic là: ◦ - cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao ◦ Sử dụng vật liệu chịu lửa, vật liệu cắt gọt 03/03/2 016 2:37 CH KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  3 Polyme( VL hữu cơ) có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần... khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I.3 Khái niệm về mạng tinh thể: c Ô cơ sở - Là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguyên tử đại diện cho toàn bộ mạng tinh thể Do tính chất đối xứng từ một ô cơ sở tịnh tiến theo 3 chiều trong không gian sẽ được mạng tinh thể 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I.3 Khái niệm về. .. Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I.3 Khái niệm về mạng tinh thể: a Mặt tinh thể: là mặt phẳng đi qua một số chất điểm trong mạng tinh thể - Các mặt tinh thể song song nhau có có tính chất giống nhau b Phương tinh thể: Là đường thẳng đi qua một số các chất điểm trong mạng tinh thể Vi du: phương tinh thể AB,CD 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ. .. thái bình thường được trung hòa về điện + Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dương) và nơtrôn (không mang điện) Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao - 03/03/2 016 2:37 CH Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất I .1. 1 Cấu tạo nguyên tử kim loại: + Cấu hình điện tử chỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3 ), ký hiệu phân lớp (s,