BAI GIANG+BÀI TẬP VẬT LIỆU CƠ KHÍÔ TÔ

KHÁI NIỆM VỀ MÔN HỌC Các 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 CHƢƠNG CẤU TRÖC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 1.1 Cấu trúc vật liệu 1.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG a) Định nghĩa - Kim loại vật thể sáng, có ánh kim, dẻo, rèn được, có tính dẫn điện dẫn nhiệt cao, có hệ số nhiệt điện trở VD: Fe, Cu, Al, Ag, Au, giòn, Ce(xêri) dẫn điện b) Đặc điểm Số điện tử hoá trị lớp điện tử ít, thường có 1-3 điện tử Chúng liên kết yếu với hạt nhân, nên d Sự tồn điện tử tự định nhiều tính chất quan trọng kim loại như: vẻ sáng (ánh kim); tính dẻo; 1.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG + Vẻ sáng: Bức xạ tạo ánh sáng gọi ánh kim (Các điện tử tự bị kích động đạt mức lượ + Tính dẻo: Mây điện tử có tác dụng lớp đệm để ion dương trượt với + Tính dẫn điện: Khi đặt kim loại vào hiệu điện thế, điện tử tự chuyển động theo + Tính dẫn nhiệt: Khi nhiệt độ tăng ion dương mây điện tử dao động mạnh truyền động 1.1.1 KHÁI NIỆM CHUNG c) Liên kết kim loại - Là liên kết mạng ion dương xác định với điện tử tự Năng lượng liên kết tổng hợp lực đẩy lực hút tĩ 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU a) Các khái niệm mạng tinh thể Ở điều kiện nhiệt độ thường áp suất khí quyển, hầu hết kim loại tồn trạng thái rắn tinh th Mạng tinh thể - Là mạng không gian tạo nên ion, nguyên tử xếp theo quy luật chặt chẽ, tạo th 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Ô sở (ô bản) Mạng tinh thể tạo thành từ hình khối đơn giản, giống nhau, xếp liên ba chiều khôn Ô sở phần nhỏ đặc trưng đầy đủ cho tính chất mạng tinh thể 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Mặt tinh thể Mạng tinh thể gồm mặt song song cách - mặt tinh thể 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Phương tinh thể - Biểu diễn vị trí hướng mặt tinh thể 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Thông số mạng tinh thể - Là khoảng cách hai nguyên tử gần theo phương + Từ thông số mạng tính khoảng cách mạng; + Thông số mạng xác định theo kích thước cạnh ô sở; + Đơn vị đo Ăng-strôn (Å).1Å = 10-8 cm 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Mật độ nguyên tử mạng tinh thể - Là đại lượng đánh giá mức độ xếp sít chặt chất điểm kiểu mạng Bao gồm: mật độ theo + Mật độ theo phương: - Là mức độ sít chặt nguyên tử theo phương định Phương có khoảng cách nguyê 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU + Mật độ mặt: - Là mức độ xít chặt nguyên tử theo mặt tính theo công thức sau: M s n sπr2 S 100% Trong đó: Ms – mật độ mặt; ns – số nguyên tử thuộc diện tích S mặt; r – bán kính nguyên tử; S – diện tích mặt tinh thể 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU + Mật độ khối: mức độ xít chặt nguyên tử ô sở tính theo công thức sau: M v  nv πr3 V 100% Trong đó: Mv – mật độ khối; nv – số nguyên tử thuộc thể tích V; r – bán kính nguyên tử; V – thể tích ô sở 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Các kiểu mạng tinh thể thƣờng gặp kim loại Có tất 14 kiểu mạng tinh thể khác thuộc hệ Kim loại nguyên chất thường tồn kiểu mạng chính: + Lập phương thể tâm; + Lập phương diện tâm; + Lục giác xếp chặt 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Lập phương thể tâm – A2 (K8) Các kim loại có kiểu mạng là: Fe, Cr, W, Mo,…; Số nguyên tử ô sở n = 8.(1/8) +1 = 2; Số xếp mạng K = 8; Mật độ khối Mv = 68%; - a  2,87.10-7mm 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Lập phương diện tâm – A1 (K12) Các kim loại có kiểu mạng là: Fe, Cu, Ni… ; Số nguyên tử ô sở n = 8.(1/8) + 6.(1/2) = 4; Số xếp mạng K = 12 (số nguyên tử cách gần nguyên tử bất kỳ); Mật độ mặt (111) Ms = 91%, mật độ khối Mv = 74%; - a  3,64.10-7mm 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Lục giác xếp chặt – A3 (T12) Các kim loại có kiểu mạng là: Zn, Mg, Cd, Cr, Mo,…; Số nguyên tử ô sở n = 12.1/6 +2.1/2 + = 6; Số xếp mạng K = 12; Mật độ khối Mv = 74%; - a  3,2.10-7mm; c  5,2.10-7mm 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 1.1.2.3 Tính chất mạng tinh thể a) Tính dị hướng tinh thể Có thể nhận thấy mật độ nguyên tử theo phương khác khác Vì vậy, tính chất Sự thay đổi tính chất phụ thuộc vào phương tinh thể gọi tính dị hướng VD: Những phương có mật độ nguyên tử cao độ bền cao 1.1.2 CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU b) Tính thù hình Đặc trưng khả tồn nhiều dạng cấu trúc mạng khác điều kiện nhiệt độ áp suất nh VD: Fe + Ở nhiệt độ 9100C gọi Fe - mạng A2; + Từ 910 – 13920C gọi Fe - mạng A1 + Từ 1392 – 15390C gọi Fe - dung dịch rắn không hoà tan; 3.3.1 GỐM 3.3.1.2 Gốm Silicat Gốm silicat gọi gốm truyền thống loại chế tạo từ vật liệu silicat thiên nhiên độ t 3.3.1 GỐM Đất sét silicat nhôm gồm có Al2O3, SiO2 nước ngậm Tính chất biến đổi rộng phụ thuộc vào lượng t Cao lanh (kaolinite) khoáng phổ biến đất sét có công thức Al2(Si2O5)(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O Ngoài đất sét, cao lanh dùng nguyên liệu phụ thạch anh SiO2 làm chất độn, tràng thạch KAlSi3O8 3.3.1 GỐM 3.3.1.3 Gốm Oxyt Gốm Khác với gốm silicat, gốm ôxyt có độ tinh khiết hóa học cao hẳn (tỷ lệ tạp chất thấp) tỷ Gạch chịu lửa 3.3.2 GỐM THỦY TINH Bản chất: Nguyên liệu để sản xuất gốm thủy tinh phổ biến rẻ tiền gốm, dùng cát trắng (SiO2), sô Cách chế tạo: đầu theo công nghệ thủy tinh (nấu chảy, tạo hình, cấu trúc vô định hình), sau xử lý 3.3.2 GỐM THỦY TINH Nhờ kiểm soát thành phần kết tinh (còn gọi phản thủy tinh hóa - devitrification) ng 3.4 VẬT LIỆU POLYME 3.4.1 BẢN CHẤT VÀ PHÂN LOẠI 3.4.1.1 Bản chất Polime hợp chất có phân tử khối lớn nhiều đơn vị nhỏ( gọi mắt xích) liên kết vớ nCH 2= CH t0 , p,xt nH 2N-[CH ]2 -COOH  t0 , p,xt (-CH2 -CH2 -)n  CH2 -CH2 NH -[CH2]5-CO ( NH -[CH ]2-CO) + nH O 5n Mắt xích: 3.4.1 BẢN CHẤT VÀ PHÂN LOẠI Phân loại Theo nguồn gốc hình thành: Polyme thiên nhiên loại có nguồn gốc thực vật hay động vật xenlulô, cao su, prôtêin, enzym Polyme tổng hợp loại sản xuất từ loại monome phản ứng trùng hợp, trùng ngưng polyvinylclorit, nhựa fenolformandehit, polyamit Lốp ô tô Vải sợi tự nhiên Ống nhựa PVC 3.4.1 BẢN CHẤT VÀ PHÂN LOẠI Theo lĩnh vực ứng dụng: Theo cách này, polyme chia thành chất dẻo, sợi, elastome, sơn keo Chất dẻo Thanh polyme cốt sợi Sơn 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME Cấu trúc tinh thể Khác với kim loại thường tồn trạng thái tinh thể, polyme thường tồn hai trạng th Tinh thể polyme tiểu cầu Khi tồn dạng tinh thể, trật tự xếp polyme ion, nguyên tử, phân tử Các tinh thể polyme có hình dạng đặn, mỏng với chiều dày cỡ 10nmvà chiều dài cỡ 10 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME Một số polyme kết tinh từ trạng thái nóng chảy tạo thành tiểu cầu (spherulit) Như tên gọi nó, tiể PE, PP, PVC, nylon hình thành cấu trúc tiểu cầu chúng kết tinh từ trạng thái nóng chảy Mạng tinh thể PE ô sở 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME b) Mức độ kết tinh Có thể xem tổ chức polyme thực tế trình bày hình vẽ Trong hình a coi polyme gồm vùngtốigiữacáctiểucầulàmiềnvôđịnhhình 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME Mức độ kết tinh polyme dao động mạnh từ không (0) đến gần hoàn toàn (95%) phụ thuộc vào tốc đ Ở mức độ đó, tính chất polyme bị ảnh hưởng mức độ kết tinh Polyme tinh thể bền nóng ch Tính chất lý polyme Cơ chế biến dạng Polyme nói chung có cấu trúc hỗn hợp: có cấu trúc tinh thể vùng vô định hình đan xen đoạn biểu diễn hình 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME Trong giai đoạn đầu biến dạng, biến đổi tác động đến vùng vô định hình, nơi mạch nối du Như sau biến dạng, polyme bán tinh thể có cấu trúc định hướng cao, biện pháp nâng c 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME Phá hủy Các dạng phá hủy polyme khác tùy thuộc vào loại giòn hay dẻo, song nói chung độ b Với loại polyme giòn (nhiệt rắn) theo chế phá hủy chung tạo nên vết nứt vùng tập tru Với loại polyme dẻo (nhiệt dẻo) phá hủy hai dạng: giòn dẻo Các yếu tố thúc đ 3.4.2 CẤU TRÖC VÀ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME Hóa già Nhược điểm quan trọng vật liệu polyme tính chất sử dụng chúng nhanh chóng bị xấu mà điể Hóa già vật lý không gây biến đổi hóa học mà thất thoát chất hóa dẻo bay hay tác dụng Hóa già hóa học tượng làm biến đổi mạch ôxy hóa, xạ tử ngoại nhiệt Sự ôxy hóa tạo ng 3.5 VẬT LIỆU COMPOZIT 3.5.1 KHÁI NIỆM VỀ COMPOZIT Đặc điểm phân loại Đặc điểm Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường khác chất, không hòa tan lẫn phân cách bằ Nền cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước phân bố theo thiết kế định trước Tính chất pha thành phần kết hợp lại để tạo nên tính chất chung composite 3.5.1 KHÁI NIỆM VỀ COMPOZIT Phân loại Theo chất có:- Composite chất dẻo (polyme); Composite kim loại; Composite ceramic; Composite hỗn hợp nhiều pha Theo đặc điểm cấu trúc: 3.5.1 KHÁI NIỆM VỀ COMPOZIT Nền cốt Cốt : Cốt pha không liên tục, đóng vai trò tạo nên độ bền cao, môđun đàn hồi (độ cứng vững) cao cho compo Nền : Nền pha liên tục, đóng vai trò chủ yếu mặt sau Liên kết toàn phần tử cốt thành khối compozit Tạo khả để tiến hành phương pháp gia công compozit thành chi tiết theo thiết kế 3.5.1 KHÁI NIỆM VỀ COMPOZIT - Che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng tác động hóa học, học môi trường Yêu cầu chủ yếu phải nhẹ có độ dẻo cao Có thể chọn loại phù hợp bố Liên kết - cốt Liên kết tốt cốt vùng ranh giới pha yếu tố quan trọng bảo đảm cho kết hợp đặc tính tốt hai pha 3.5.2 COMPOZIT HẠT 3.5.2.1 Compozit hạt mịn Nền composite thường kim loại hợp kim Các phần tử cốt có kích thước nhỏ đến mức 0,1µm Ví dụ: SAP, SAAP, với tỷ lệ - 20%Al2O3 nhôm, hợp kim nhôm (giữa - cốt có liên kết ôxyt bề T - D Nickel (Thoria Dispersed Nickel) loại composite niken (Ni), cốt phần tử ôxyt tôri ThO2 3.5.2 COMPOZIT HẠT 3.5.2.2 Compozit hạt thô Khái niệm "thô" dùng để tương tác cốt không xảy mức độ nguyên tử, p Ví dụ: Hợp kim cứng tạo phương pháp luyện kim bột coi composite hạt thô, tron Bêtông composite hạt thô ceramic dùng rộng rãi Trong bêtông, cốt 3.5.3 COMPOZIT CỐT SỢI 3.5.3.1 Compozit polyme - sợi thủy tinh Là loại sản xuất với khối lượng nhiều chúng rẻ, nhẹ, có độ bền riêng cao gắn kết tốt - sợi thủy tinh, tiếp đến nylon - sợi thủy tinh Ứng dụng chế tạo vỏ ô tô 3.5.3 COMPOZIT CỐT SỢI 3.5.3.2 Compozit polyme - sợi khác Compozit polyme - sợi cacbon có môđun đàn hồi riêng cao hơn, tính chịu nhiệt độ bền hóa họ 3.5.3 COMPOZIT CỐT SỢI 3.5.3.3 Compozit kim loại - sợi Trong loại kim loại là: nhôm, đồng (phổ biến nhất), magiê, titan với cốt sợi: cacbon, bo, cacbit sili Composite kim loại có nhiệt độ làm việc cao polyme Chịu nhiệt độ cao loại hợp kim 3.5.3 COMPOZIT CỐT SỢI 3.5.3.5 Compozit cốt sợi pha Đây loại composite người ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợi nền, có kết hợp Khi composite sợi pha bị ứng suất kéo, phá hủy xảy không tức thời: sợi cacbon bị đứt trước sau tải trọn [...]... nhiệt độ, cơ tính vật liệu đều biến đổi theo chiều hướng giảm độ dẻo Nhiệt độ Tb.gi - được gọi là nhiệt độ biến giòn Trong thực tế luôn luôn mong mỏi vật liệu có nhiệt độ biến giòn càng thấp càng tốt, vật liệu đượ 1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO b) Tốc độ biến dạng Khi tăng tốc độ biến dạng hay đặt tải trọng, vật liệu có khuynh hướng trở nên giòn tức làm nhiệt độ biến giòn tă Như vậy ngay cả vật liệu dẻo vẫn... CẤU TRÖC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU - Khi chuyển biến thù hình các tính chất cơ, lý, của vật liệu có thể thay đổi đột ngột + Thay đổi về thể tích: - Khi nung nóng đến 9100C thì có chuyển biến từ Fe - mạng A2 sang Fe - mạng A1 thể tích củ + Thay đổi về tính chất: Cacbon có 2 dạng thù hình là Graphit và Kim cương có tính chất khác nhau Graphit – A3 là vật liệu rất mềm Kim cương là vật liệu rất cứng Chế tạo... năng đâm xuyên - căn cứ vào ánh vạch nhiễu xạ của tia phản chiếu Ngoài ra còn sử dụng các phương pháp khác như: + Phân tích thành phần hoá học, xác định cơ, lý, hoá tính và các khuyết tật rỗ nứt mà không phá huỷ kim loại 1.2 BIẾN DẠNG VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU 1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO 1.2.1.1 Các giai đoạn của biến dạng P(σ) c Pph Pch Pdh a 0 a’ b b’ b’’ d ∆l(ε) Biểu đồ kéo kim loại Diến... niệm: Một vật tinh thể có mạng thống nhất và phương tinh thể không đổi trong toàn bộ thể tích của nó thì được gọi là 1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ - Đặc điểm: + Kim loại đơn tinh thể có độ nguyên chất rất cao, sai lệch mạng ít nhất; + Có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên, hầu như để có được đơn tinh thể kim loại người ta phải nuôi; + Chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu. .. nếu làm việc ở nhiệt độ thấp và chịu tải trọng thay đổi đ 1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO c) Tập trung ứng suất Nếu mẫu kim loại chứa nhiều yếu tố tập trung ứng suất ( rãnh khía, vết nứt bên trong, thay đổi ti Vì vậy kim loại hoàn toàn có thể bị phá hủy giòn ngay cả khi ứng suất ở giới hạn chảy 1.3.1 PHÁ HỦY GIÕN, DẺO d) Cơ chế phá hủy Vết nứt tới hạn phát triển nhanh Nứt chấm dứt Vết nứt tế vi phát triển... Pháp tuyến với mặt trƣợt S S0 S cos  S0 F/S0 σ = F/S τ  F cos θ.cos χ S0 Mặt trƣợt 0  F S0 S  S0 cos  Phƣơng trƣợt F  cos  S τ  σ0.cos θ.cos χ 1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO Cơ chế trượt + Cơ chế trượt đối với đơn tinh thể hoàn thiện hoặc tinh thể lý tưởng Quá trình trượt xảy ra do sự dịch chuyển tương đối giữa hai phần của mạng đi những số nguyên lần khoảng các Khi trượt tất cả... đoạn hồi phục, cơ tính của kim loại có thể thay đổi chút ít theo hướng giảm độ bền, độ Giai đoạn này tổ chức tế vi chưa biến đổi do đó các tính chất khác của kim loại chưa khôi phục b 1.2.2 HỒI PHỤC VÀ KẾT TINH LẠI Kết tinh lại Tiếp sau giai đoạn hồi phục là giai đoạn kết tinh lại Giai đoạn này tạo ra các mầm của hạt mới không chứa lệch, Sự tạo mầm Mầm chủ yếu được tạo ra ở các vùng tập trung sai lệch... kim loại người ta phải nuôi; + Chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu điện; + Có tính dị hướng (là sự khác nhau về tính chất cơ, lý, hoá theo các phương khác nhau), vì theo 1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC TẾ b) Đa tinh thể + Khái niệm: Tập hợp của vô số các hạt tinh thể liên kết với nhau gọi là đa tinh thể Mỗi hạt tinh thể gồm nhiều tinh thể nhỏ c 1.1.3 CẤU TRÖC MẠNG TINH THỂ THỰC... suất tiếp sinh 1.2.1 BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI VÀ BIẾN DẠNG DẺO Biến dạng dẻo Biến dạng dẻo là hình thức gia công kim loại không phoi rất phổ biến như: cán, rèn, dập, kéo, ép chảy, Tìm hiểu các ứng xử của vật liệu kim loại dưới tác dụng của ngoại lực: + Các tính chất của biến dạng dẻo? + Các tính chất của kim loại và hợp kim biến đổi? + Khảo sát sự biến đổi cấu trúc mạng tinh thể của kim loại và hợp kim 1.2.1... chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo Khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mạt trượt bị xô lệch, các hạt bị biến dạng không đều; Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư; Sau biến dạng dẻo cơ tính kim loại thay đổi: + Độ bền, độ cứng tăng lên; + Độ dẻo độ dai giảm đi;  gọi là hoá bền hoặc biến cứng - Biến dạng dẻo cũng làm thay đổi tính chất lý hoá của kim loại như: + Tăng điện trở; + Giảm