Giáo trình vật liệu đại cương trần thế san pdf

Bộ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO ٥ ٧ TRƯỪNÍI ĐẠI HỌG Stf P«ẠM KỸ THUẬT THÀNH PH ' H CHl Mil VẬT LIỆU DẠI CUƠNG BỌ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH 5.Í5.C?Ịc^ịc 5|c^ịc ?Ịc‫؛‬ỊííỊc?Ịcí|c5|ííỊí5|cíỊc TRÀN THÉ SAN GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI GIỚI THIỆU Vật liệu khí khoảng vài chục năm gần có bước tiến mạnh mẽ coi cách mạng vật liệu đại cách mạng công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu Trong lĩnh vực vật liệu khí, từ vật liệu kim loại, chất dẻo, gốm, thủy tinh vật liệu composite, phát triển mạnh Nhiều loại liệu đời với xu hướng tính chất ngày đa dạng hem, dễ gia công hơn, giá thành rẻ hơn, đáp ứng ngày tốt yêu cầu cách mạng khoa học công nghệ Trong đào tạo dạy nghề, môn học Vật liệu khí có thay đổi đáng kể nội dung lẫn chương trình, trang bị cho người học kiến thức tổng quát, cho phép họ có khả phát triển kiến thức học để học thêm ứng dụng vào thực tiễn nhằm đáp ứng yêu câu ngày cao trình hội nhập quốc tế Cuốn sách dựa chương trình đào tạo bậc đại học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Quản lý Công nghiệp, Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Công nghiệp, Thiết kế máy, Cơ tin Kỹ thuật với nội dung bao (Ịuát vân đê vật liệu kim loại, chât dẻo, thủy tinh, vật liệu gôm Các chương bao gồm: □ Cấu trúc nguyên tử liên kết nguyên tử □ Cấu trúc kim loại gốm u Cấu trúc polymer kỳ thuật □ Các khuyết tật cấu trúc vật liệu rắn □ Các trình khuếch tán □ Tính chất học vật liệu khí □ Các trình phá hủy vật liệu khí □ Giản đồ phase chuyển biến phase vật liệu kỹ thuật □ Các loại vật liệu khí thông dụng Trong chương có tập giải sử dụng kiến thức chương Cuối mồi chương có câu hỏi tập nâng cao, nhằm giúp bạn đọc ôn tập vận dụng kiến thức để giải tập có tính thực tiễn Các câu hỏi tập có mức độ khó khác Đe thực chúng, cần vận dụng kiến thức nêu chương chương trước dó Nếu hoàn thành nửa số câu hỏ‫ ؛‬và bà‫ ؛‬tập, n.gười dọc dã có đủ kiến thức dể tự học thêm nâng cao tiình độ Cuốn sách dUng cho sinh vỉên dạ‫ ؛‬học, cao dẳng chiuyên ngành khi, dồng thờí ١à tài liệu tham khảo cho kỹ sư nhà quản lý công nghiệp, thầy cô giáo dang công tác tạỉ trường dạy nghề boặc trường chuyên nghiệp‫ ؛‬dồng thơ‫ ؛‬rất hữu ích cho người quan‫ ؛‬tâm dến lĩnh vực vật liệu Tác giả GIÁO TRÌNH VẠT LIỆU ĐẠI CƯƠNG MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI Đ Ầ U MỤC LỤC CHƯƠNG / CÁU TRÚ C NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN K ÉT LIÊN NGUYÊN TỬ I Cấu trúc nguyên tử 13 1.1 Khái niệm 13 2.1 Điện tử nguyên từ 14 3.1 Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học 21 II Liên kết nguyên t 22 2.1 Năng lượng lực liên kết .22 2.2 Các liên kết nguyên tử 25 2.3 Các liên kết thứ cấp 30 2.4 Phân tử 32 2.5 Ôn tập nâng cao 33 CHƯƠNG CÁU TRÚC CỦA KIM LOẠI VÀ GÓM I Cấu trúc tinh t h ể 37 1.1 Khái niệm .37 2.1 Khối b ản 38 II cấu trúc tinh thể kim loại 39 2.1 cấu trúc tinh thể lập phương tâmm ặt 39 2.2 cấu trúc tinh thể lập phương tâmkhối .41 2.3 cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt 41 III cấu trúc tinh thể vật liệu g ố m 44 3.1 Số phối trí tỷ số bán kính ion 44 3.2 cấu trúc tinh thể kiểu A X 48 3.3 cấu trúc tinh thể kiểu AmXp 50 Mực LỤC GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CiưCƠNG 3.4 Cấu trúc tinh thể kiểu AmBnXp 5]1 3.5 Mật độ - trọng lượng riêng vật liệu gốm 3.6 Gốm silicate 53 3.7 Carbon 55‫؛‬ IV Các hệ tinh th ể .5(6 4.1 Phưong mặt tinh th ể 59 4.2 Cấu trúc tinh thể xếp c h ặ t 6(6 V Vật liệu tinh thể vật liệu vô định h ìn h 7(0 5.1 Vật liệu tinh thể 7(0 5.2 Vật liệu vô định h ìn h 72 Ôn tập nâng c a o .75 CHƯƠNG CÁU TRÚC POLYM ER I Phân tử hydrocarbon 85 II Phân tử polym er 88 2.1 Khái niệm 88 2.2 Phân tử lượng phân từ gram 93 2.3 Hình dạng cấu trúc phân t 97 III Phân loại polym er 100 ٦ Polymer nhiệt dẻo polymer nhiệt rắ n 100 3.2 Copolymer 101 3.3 Polymer tinh th ể 102 Ôn tập nâng cao 1' 07 CHƯƠNG SAI LỆC H VÀ KHUYÉT TẬT TRONG CẤU TRỨ C VẬT RẮN I Sai lệch đ iểm .113 1.1 Sai lệch điểm kim lo i 113 1.2 Sai lệch điểm vật liệu g ố m 115 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI C Ư Ơ N G _ - I! Tạp chất chất r ắ n 117 2.1 Tạp chất kim !oại 117 2.2 Dung dlch rắn 118 2.3 Tạp chất gốm 120 2.4 Sai lệch điểm polymer 121 2.5 Xác định thành phần 121 III Các loạỉ khuyết tật khạc cấu trUc đa tinh thể 122 3.1 Lệch - sai lệch dường 122 3.2 Sai lệch mặt .125 3.3 Kích thước hạt tinh t h ể 129 Ôn tập nâng c a o 131 CHƯƠNG5 SỰ K H U EC H TÁ N I Cơ chế khuếch tá n 135 II Khuếch tán trạng tháỉ ٠ ổn định 139 III Khuếch tán trạng tháí - không ổn định 141 IV Các yếu tố ảnh hưởng dến khuếch tán 145 V Khuếch tán vật lỉệu gốm polymer 150 Ôn tập nâng c a o 152 CHƯÍ^G 6.T‫ ؛‬NH CHAT Cơ h ọ c I ứ n g suất bỉến dạng .157 1.1 Thừ kéo nén dUng tâm 158 2.1 Dạng hình học trạng thái ứng suất 161 II Bíến dạng dàn hồỉ 162 2.1 Quan hệ ứng suất - biến dạng .162 2.2 Tinh dàn hồ‫ ؛‬trễ 167 2.3 Tinh chất dàn hồi vật l‫؛‬ệu .168 MỤC LỤC _ GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI cư íN G III Tinh chất Cơ h‫ ؟‬c vật líệu 170 3.1 Các tinh chất kéo 171 3.2 Tinh dẻo 175 3.3 D ộdaỉpháhủy 178 3.4 ứ ng suất biến dạng thực 179 IV Cơ tinh vật lỉệu gốm 183 V Cơ tinh vật lỉệu polym er 185 5.1 Đặc tinh ứng su ất-b iến dạng 185 5.2 Biến dạng vĩ m ô 187 VI Độ cứng 188 6.1 Độ cứng vật liệu kim loại 188 6.2 Độ cứng vật liệu gốm 194 6.3 Độ cứng độ bền xé rách polymer 195 VII ٠ ộ cứng độ bền xé rách polym er 195 7.1 Biến thiên tinh c h ấ t 195 7.2 Các yếu tố thiết kế/an toàn 196 ô n tập nâng c a o 199 CHƯƠNG S ự P H Á H Ủ Y I Phá hủy 209 1.1 Các kháỉ niệm co 209 1.2 Phá hủy dẻo 210 1.3 Phá hủy dòn 212 II Nguyên lý học phá hUy 212 2.1 Tập trung ứng suất 212 2.2 Độ dai phá h ủ y 215 2.3 ứ ng dụng co hộc phá hủy thiết k ế 217 III Phá hUydOn vật liệu gốm 221 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CươNG MỤC LỤC IV Phá hủy vật liệu polymer 222 V Độ dai va đ ậ p 223 5.1 Các phương pháp đo độ dai va đập .224 5.2 Sự chuyển tiếp dẻo - dòn 225 VI Phá hủy m ỏ i 227 6.1 ứng suất chu k ỳ 228 6.2 Đường cong s - N 229 6.3 Hình thành lan truyền vết nứt m ỏ i 232 6.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền m ỏ i 232 VII Biến dạng d ã o 235 Ảnh hưởng ứng suất nhiệt đ ộ .236 ô n tập nâng cao 242 CHƯƠNG GIẢN ĐÔ PHASE I Các khái niệm b ả n 245 1.1 Giới hạn hòa ta n 245 1.2 Phase 246 1.3 Cấu trúc vi m ô 247 1.4 Cân phase 247 II Giản đồ phase hai cấu tử cân b ằng 248 2.1 Hệ hài cấu tử hòa tan vô hạn 248 2.2 Phân tích giản đồ phase 251 2.3 Hệ hai cấu tử hòa tan có hạn trạng thái rắn 255 2.4 Giản đồ cân có phase trung gian 26(k 2.5 Các phản ứng tích bao tinh 261 2.6 Chuyển biến phase đồng 262 III Giản đồ phase Fe - c 263 3.1 Giản đồ phase Fe - FeaC 263 MỤC LỤC _ GIÁO TRÌNH VẬT Liệu ĐẠI c ư N G 3.2 cấu trúc vi mô hợp kim Fe - c 266 3.3 Hợp kim trước tích 269 3.4 Hợp kim sau tíc h 271 ô n tập nâng c a o 275 CHƯƠNG CÁC CHUYẺN BIÉN PH A SE T R O N G VẬT LIỆU KỸ THUẬT I Chuyển biến phase vật liệu kim loại 279 1.1 Các khái niệm .280 1.2 Động học chuyển biến trạng thái rắn 280 1.3 Các chuyển biến nhiều phase 282 II Thay đổi cấu trúc tính chất họp kim sắt - carbon.283 2.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt 283 2.2 Tính chất học hợp kim Fe - c 296 2.3 Martensite ram 200 III Hóa bền tiết p h ase 304 3.1 Nhiệt luyện 304 3.2 Cơ chế hóa bền 307 IV Quá trình kết tinh, nóng chảy, chuyển tiếp hóa thủy tinh vật liệu p o ly m er 310 4.1 Quá trình kết tinh polym er 310 4.2 Quá trình nóng chảy polymer 311 4.3 Chuyển tiếp thủy tinh hóa 312 4.4 Các nhiệt độ nóng chảy chuyển tiếp thủy tinh hóa 312 ô n tập nâng c a o 315 CHƯƠNG 10 VẬT U Ệ U C KH Í THÔNG DỤNG I Vật liệu kim loại 319 1.1 Hợp kim s ắ t 319 10 CHƯƠNG G IÁ TRÌNH VẬT LIỆU BẠI CƯƠNG Kẽm, cũ n g kim loạỉ m ềm , có n h ỉệt độ n ó n g ch ả y thấp n h iệ t đ ộ kêt tinh lại n h iệt độ phòng ٧ ê h óa h ọ c, k ẽm c ó thê phản ứ n g vớ i n híêu m ô i trường, d o d ó n h ạy vớỉ rl sét T hép carbon d ợ c tráng lớ p Zn mOng; Zn c ó tác dụn g n h d iện cự c ăn mòn d o dó c ó th ể b ả o vệ b ề m ặt thép T u y v ỏ trái dất chứa nhiều zircon, n h im g Zr ch ỉ m ới d ợ c sử dụng rộn g râi xuất c ô n g n gh ệ tinh lu yện k im loại Zr cá c ,họp kim Zr tư ơng d ối d ẻo có cá c tinh ch ất c h ọc tư ơng d n g h ọ p kim TI thép k h ôn g ri, dặ'c tinh bật củ a loại vật liệ u n ày tinh ch ố n g ăn m òn tron g cá c m ôi trường ân m ò n m ạnh kể c ả n c n hiệt H ơn nữa, Zr cò n suốt dối vớ i neutron n h iệt, d o d ó hợp k im Zr d ợc tráng phủ bề m ặt n hiên liệ u urani 10 phản ứ n g hạt nhân làm n gu ội b ằn g nư ớc, hợp kim n ày c ò n d ợc dUng th iết bị trao dổi nhiệt, thUng phản ứng, hệ th ốn g d n g ố n g tron g c ô n g n g h iệp hóa chất hạt nhân II V ậ tlỉệ u g ố m N ó i ch u n g , g iữ a vật liệu kim loại vật liệ u g ố m c ó k hác b iệt rõ rệt v ề tinh ch ất vật lý D o dó, vật liệu g ố m c ó c ô n g dụn g khác vớí vật liệu k im lo i, c ó x u h n g bổ sung ch o H ầu h ết vật liệ u g^m d ọ ‫؟‬ phân loại dựa ứ n g dụng, gôm nhOm: thUy tinh, sản p hâm dât sét, đ ộ sứ trắng, vật liệu ch iu lửa, bột m ài, xi m ăng, g ố m ca o c ấ p M n h 10.6 g iớ i thiệu phân loại VũXậgổm Đ ấtsẻt T h iiy i Vặt liệu c^u lứa Vật ỉiệu mài Xi l ả g vệt liệu gốm É íSn n A Thùy i L t i Ỉ K V f i٠٠١٠[ ‫ ء‬١، ، ٤‫ع‬ ٠ Oom thủy Đầt sét sản tinb pbam kết Đồ sứ Đất sét 5‫ ءﺋﺈ‬٠ Cơ Độcbiột ‫ح‬au / Hlnh Phân loạì vột liệu gôm dựa ^ g dụng T hành phần hóa học (% trọng lượnị ‫)ﻟﻢ‬ ‫اوﻣﻞ‬ thUy tinh 3.4 SỈO2 N azO CaO AI2O3 B2O3 K hác D ặc tinh ứ n g dụng GIÁO t r ìn h V ậ t l iệ u đ i c n g Silica 96% Silica (V ycor) Bọrosi li cate CHƯƠNG 10 >99.5 N hiệt độ n ó n chảy cao, hệ số dãn n nhiệt thấp _ 96 C hịu sốc nhiệt hóa chất, dụng cụ th í nghiệm 81 C hịu sốc nhiệt hóa chất, p hụ kiện lò 2.5 3.5 13 (Pyrex) Thùng chứa (soda vôi) _ Sợi thủy tinh Q uang học G ốm Thủy tinh 74 16 55 16 15 10 54 43.5 14 30 5.5 M gO N hiệt độ nóng chảy thầp, de gia công, bền M gO D ễ kéo thành sợi, co m p osite nhự a - cốt sợi thủy tinh 37 P bO , 8K2 T ỉ trọng độ khúc x cao, dùng làm thấu kính qu an g học 6.5 T ÌO , 0.5 AS2O3 D ễ gia côn^, bên, chịu sôc nhiệt, p h ụ kiện lò 2.1 Thủy tinh T h ủ y tinh m ộ t nhóm lớn thuộc vật liệu gốm ; silicate vô đ ịn h hình (không có cấu trú c tinh thể) a oxides kim loại, C aO , N a2 , có ảnh h ng lớn đến tính ch ất thủy tinh T h ủ y tinh K O A I2 O th ô n g dụng ch ứ a kh o ản g 70% SÌO , cân b ằn g với N a Ơ C aO , thành p hần vật liệu thủy tinh liệt kê bàng 10.10 hai tính chât nôi bật c ủ a thủy tinh có lẽ tính suốt quang học tưong đối dễ gia công , , S45 CHƯƠNG 10 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG 2.2 Thủy tinh - gốm H ầu hết thủy tinh vô chuyển biến từ trạng thái vô định hình sang trạn g thái tinh thể b ằng cách nh iệt luyện n h iệt độ cao thích hợp Q u trình đ ợ c gọi khử thủy tinh hóa, sản phẩm vật liệu đa tinh thể hạt m ịn, th n g gọi thủy tình - gốm Tác nhân tạo m ầm , thư ờng T ÌO bổ su n g vào thủy tinh lỏng để kích thích trình kết tinh, gọi q u trình k h thủy tinh hóa C ác đặc tính m o n g m uốn thủy tinh - gốm bao gồ m hệ số dãn n nh iệt thấp, sản p h ẩm thủy tinh - gốm hầu n h k h ô n g bị tác độ n g nh iệt độ thay đổi đ ột ngột; độ bền học tư n g đối cao, tính dẫn nh iệt k h tốt M ộ t số thủy tinh - gốm chế tạo với tính tro n g suốt quan g học, số khác tư ơng đối đục C ó lẽ tính chất hấp dẫn củ a nhóm vật liệu tư ơng đối dễ gia công; có thê áp dụng công n g h ệ tạo hình thủy tinh truyên thông sản xuât hàng lo ạt lớn sản ph ẩm hầu n h bọt khí T h ủ y tinh - gốm đư ợc sản xuất với tên thư ơng m ại P yroceram , C o m in g w are, C ercor, v V ision C ông dụng nhóm vật liệu sản xuất vật dụng g ia đình, có độ bền cao, chịu nhiệt, dẫn nhiệt tốt C h ú n g d ù n g làm vật liệu cách điện, đế m ạch in, lớp bề m ặt kiến trúc, th iết bị trao đổi nhiệt M ột số thủy tinh - gốm liệt kê g 10.10 2.3 Vât liêu gốm chiu nhiêt Gốm chịu nhiệt n h ó m vật liệu quan trọng sử dụng nhiều công nghiệp, tính ch ấ t củ a nhóm vật liệu bao gồm khả ăng chịu đư ợc n h iệt độ cao m k h ô n g bị phân hủ y nóng chảy, khả không phản ứ ng trơ tiếp xúc với m ôi trường N goài ra, vật liệu có khả cách nh iệt tốt V ật liệu ch ịu nh iệt có nhiều dạng, có lẽ th ô n g dụ n g gạch chịu lửa, dùng đ ể lót lò tinh luyện kim loại, lò thủy tinh, lò n h iệt luyện, v loại lò nhà m áy điện K h ả n ăng chịu n h iệt củ a nhóm gốm n ày phụ thuộc vào thành phần hóa học T rên sở này, có kiểu phân loại khác nhau, ch ẳn g hạn sét chịu lửa, silica, gạch ch ịu lử a acide, gạch ch ịu lửa b a z T hành phần củ a m ột số gốm chịu nh iệt đư ợc nêu b ảng 10.11 Đ ối với n h iều vật liệu thư ơng m ại, nguyên liệu ban đầu gồm hạt thô m ịn, có thành p hần khác n h au Khi nu n g n óng, hạt m ịn tham g ia vào q u trình hình thành p h ase liên kết, làm tăn g độ bền cho gạch chịu lửa; phase dạng vô địn h hình bán tinh thể N h iệt độ làm việc thường thấp n h iệt độ nong n ó n g qu y trình ch ế tạo 346 CHƯƠNG 10 GIÁO t b 'i n h Vậ t l iệ u đ i c n g Báng 10.11 Thành phần số vật liệu gốm chịu nhiệt thông dụng V ật chịu Thành phần hóa học (% trọng lượng) liệu T ỉ lệ lỗ FC203 C aO TÌO2 xố p 0-1 0-1 0-1 1-2 10-25 10-45 0-1 0-1 0-1 1-4 18-25 0.2 96.3 0.6 Khoáng periclase 1.0 3.0 90.0 0.3 Khoáng pericla5e crom 9.0 5.0 73.0 8.2 AI2O3 SÌO2 MgO Đ ất sét chịu lửa 25-45 70-50 C ao nhôm 90-50 Silica Cr203 2.2 25 3.0 2.5 22 2.0 2.2 21 2.4 Bột m i Bột mài vật liệu gốm dùng để chế tạo đá m ài, bột m ài, để gia công vật vật liệu khác có độ ng thấp D o đó, yêu cầu nhóm vật liệu độ cứng tính chống mài m òn cao; ng phải có độ dai đủ cao để bảo đảm hạt mài khó bị vỡ H ơn nữa, nhiệt độ cao phát sinh lực m a sát, đó, bột mài phải có tính chịu nhiệt Kim cư ơng, tự nhiên tổng hợp, dùng làm b ộ t m ài; chúng tương đối đắt tiền V ật liệu gốm làm bột mài gồm S iC , w c , oxide nhôm, cát SÌO Bột mài sử dụng với nhiều dạng - liên kết thành khối để tạo thành đá mài cắt, lớp bề m ặt (chẳnậ hạn, giấy vải nhám ), d ạng hạt rời C hât liên kêt đá m ài, đ căt thường gốm vô định h ình nhự a hău c ấ u trúc bề m ặt phải có độ xốp thích hợ p;dòng k h ô n g k h í chất lỏng làm nguội lỗ xung quanh hạt m ài cho phép giảm tích tụ nhiệt Giấy vải nhám có lớp hạt mài bề m ặt chất liên k ết thích hợp; giấy nhám có lẽ ví dụ điển hình Gỗ, kim loại, gốm , c ả c h ấ t dẻo có íhể mài đánh bóng giất vải nhám III V ật liệu p o ly m e r Pulymer nhóm vật liệu phổ biến, dùng để chế tạo sản p h ẩm gia dụng, loại vật liệu thiếu n hiều n g àn h công 347 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 10 nghiệp C ác vật liệu bao gồm ch ất dẻo , vật liệu đàn hồ (elastom er, cao su), sợi, m àng m ỏng, k eo d ín h T ù y theo tính chất, m ộ t loại polym er sử dụng tro n g ứ n g dụng khác 3.1 Chất dẻo C hất dẻo n ay có lẽ nhóm vật liệu đa dạng p hong p h ú P olyethylene, polyvinyl ch lo rid e, poly sty ren e, fluorocarbon, epoxy, p o ly e ste r , coi chất dẻo C húng có nhiều tổ h ợ p tính chất M ột số chất dẻo n g dòn; số khác linh hoạt, chịu lực thực biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo, m ột số có độ biến dạng lớn trước bị phá hủy C hất dẻo phân th àn h hai n h ó m n h iệt dẻo n h iệt rắn T ên thương m ại, đặc tính, cô n g dụng củ a m ột số ch ất dẻo nêu bảng 10.12 V ật liệu T ên th n g m ại Đ ặc tính ứ n g dụng N h ự a n hiệt dẻo A crylonnitrilebutadiene-styrene (A BS) A bson C y colac K ralastic L ustran N ovodur Đ ộ bền độ dai cao, chịu cong n h iệt tốt, cách n h iệt tốt, có khả n ân g cháy, tan tro n g m ột số dung m ôi hữu Ố ng lạnh, dụng cụ làm vườn, đồ chơi T ru y ền ánh sán ^ tốt, chịu thời tiet tối, tính trung bình T hấu kính, biển báo trời C ách n hiệt tốt, hệ số m a sát thấp, ch ịu n hiệt đên 26Ò C M àng phủ chống ăn m òn, ống dẫn hóa Chat, bạc, lớp chống dính, chi tiết điện chịu T y b ren e A crylics (polym ethylm ethacryla te) A cry lite D iak o n L u cite P lex ig las Fluorocarbons (PT FE hay T F E ) T eflo n F lu o n H alar H alo n H o staflo n T F 348 CHƯƠNG 10 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CưOTNG nhiệt P olyam ides N ylon D urethan H erox N om ex C o tính, chịu m ài m òn độ dai tốt, hệ số m a sát thấp, thấm nư ớc m ột số dung dịch B ánh răng, bạc, ống lót, lớp phủ dây cáp K ích thư ớc ổn định, hút ẩm ít, chịu va đập tốt, chịu hóa chất trung bình N ón bảo hiểm , thấy kính C hịu h ó a chất, cách điện, dai, hệ số m a sát kh thấp, độ bền thấp, chịu thời tiết C hai lọ, đồ chơi, vỏ pin C hịu biến dạng nhiệt, độ bền m ỏi độ cách điện cao, không đắt, chịu tia u v L àm chai khử trùng, bao bì, vỏ tivi, thùng a C ách điện tốt, suốt, ổn định kích thước, không đắt V án lát tư ờng, vỏ pin, đồ chơi, lấy sáng, đồ dùng gia đình U ltram id Zytel P olycarbonates B aylon lu pilon L exan M akrolon M erlon P olyethylene A lathon A lkathene E thron F ortiflex H i-faxR igidex P oly p ro p y len e B exphane H erculon M eraklon M oplen P oly-pro P ro-fax P olystyrene C arinex C elatron H ostyren L ustrex Styron 849 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 10 V estyron V inyls D arv ic E xon G eon Pee V ee Cee P liovic Saran R ẻ, vật liệu thông dụng, ng ng m ềm hóa phụ gia hóa m ềm , th n g dạng copolim er, dễ bị cong vênh nhiệt T ấm thảm nền, ố n g dẫn , bọc dây điện, dụng cụ làm vườn, đ ĩa C D M ột nh ữ n g m àng dai nhất, chịu m ỏi xé rách tốt, chịu ẩm , acid, dầu m ỡ, dung m ôi tốt B ăn g từ, quần áo, ru ộ t xe, chai lọ nước giải khát C tính ch ịu ăn m òn tốt, kích thước ổn định, bám dính tốt, rẻ, cách điện tốt C ác sản phẩm điện tử, keo dán, lớp phủ bào vệ, dùng làm com posite sợi th ủ y tinh C hịu nhiệt tới ٥ c, có thề k ết với nhiều loại p h ụ gia rẻ 150 hợp keo T hân xe m áy, điện thoại, sản p hẩm điện tử R ẻ, cách điện tốt, tạo hình N ón bảo hiểm , thuyền sợi thủy T ygon P o ly ester (P E T hay P E T E C elan ar C rastin D acron H y lar M elim ex M y lar N h ự a nhiệt răn E p o x ies A raklite E pikote Epon E pi-rez L ekutherm N ep o x id e P henolics B akelite A m berol A rofene D u rite R esinox P olyesters A ropol B aygal 350 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG D erak an e L aguval L am inae CHƯƠNG 10 nhiệt độ p h ò n g nhiệt độ cao thường đư ợc gia cố sọri tinh, phận ô tô, bàn ghế qu ạt Solectron M ột số chất dẻo có tính chất bật Đối với ứ ng d ụ n g yêu câu tính suốt qu an g , thưÒTig sử dụng p o ly sty ren e polym ethyl m ethacrylate; nhiên, điều bắt buộc vật liệu p h ải có tính vô định hình cao, bán tinh thể, phải có tinh thể nhỏ C ác flu o ro carbon có hệ số m a sát thấp chịu nhiều loại hóa ch ất, c ả nhiệt độ tư ong đối cao C h ú n g dùng để tráng p h ủ lên bề m ặt để chống dính cho nồi, chảo, bề m ặt ổ trục ống lót, phận điện tử làm việc k hoảng n h iệt đ ộ tưoTig đối cao 3.2 V ậ t liệu đ n h i Các đặc tính c o chế biến dạng vật liệu đàn hồi (elastom er) trình bày C h n g Phần tập trung v loại vật liệu đàn hồi thông dụng B ảng 10.13 liệt kê tính chất công dụng củ a m ột số vật liệu đàn hồi; tính chất p h ụ thuộc vào m ức độ lưu hóa ch ất tăng bền (nếu có) C ao su tự nhiên đư ợ c sử dụng nhiều có tổ hợp tính ch ất đặc tn m g V ật liệu đàn hồi tổ n g hợp quan trọng có lẽ cao su S B R , dù n g để chế tạo lốp xe hơi, tăng bền bàng bột than C ao su N B R , có khả n ăng chống xuống cấp, cũ n g loại cao su tồng hợp th ô n g dụng ^ AV /٠.٠.٠^ T h àn h h ó a học phần P o ly iso p ren e th iên nhiên ' Tên thư ơng mại C ao thiên nhiên Đ ộ dãn dài (%) su 500700 N hiệt độ sử dung ( ٥C) -60^120 Đ ặc tính ứ n g dụng C tính tốt, ch ịu cắt, m ài m òn, đục k hoét, chịu n hiệt, ozon dầu , cách điện tố t Lốp xe, đ ệm , lót 351 CHƯƠNG 10 S tyreneB u tad ien e co p o lim er A cry lo n itrileb utadiene co p o lim er GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG GRS, B una (S B R ) B una A, N itrile (N B R ) 450500 -60 ^120 C tính tố t, chịu m ài m òn tố t, chịu th i tiết, o zo n dầu k ém , cách đ iện tố t Tưom g tự cao su tự n h iên 400600 -50 ^150 C h ịu dầu thực v ật, dầu động vật v x ă n g dầu tố t, chiu lan h , cá c h điện k h ô n g tố t Thùng c h ứ a xăng d ầu , hóa ch ất -50 -‫؛‬-105 C hịu o z o n , n h iệt yà thời tiết tố t, chịu dầu tốt, c h ịu n h iệt tốt, cách đ iện cao su th iên nh iên D â y cáp, ống dẩn h ó a chất, m iến g đ ệm -115^315 C h ịu lạn h c h ịu n h iệt độ cao tốt, độ bền k ém , cách đ iện tôt V ật liệu cách n h iệt (cao, th ấp ), k eo dán, ống dẫn thức ăn v đ y tế ٠ C h lo ro p ren e N eo p ren e (C R ) 100 800 P o ly silo x an e S ilicon 100 (VMQ) 800 - - ٠ Đ ối với n hiều ứ n g d ụ n g , ch ẳn g hạn lốp xe, tính ch ất c học củ a c a o su dù đư ợ c lưu hóa cũ n g có đ ộ b ền kéo, tính ch ố n g m ài m òn v ch ố n g xé rách 352 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 10 độ n g vữ ng ch a đáp ứng yêu cầu sử dụng, cần cài thiện tín h b ằn g chât phụ gia tăn g bên thích hợp, hạn bột than đen N goài loại cao su nêu trên, thực tế sử dụng cao su silicone Đối với nhóm vật liệu này, chuỗi m ạch carbon thay b ằn g chuồi m ạch với n guyên tử silic oxy xen kẽ: R -S i-O R' T ro n g đó, R R ’ nguyên tử n hóm chức liên kết nhánh chẳng hạn F, C l, H , СбНз, CH3 VÍ dụ, polydim ethylsiloxan có cấu trúc: CHj -S i-O - CHj V ật liệu đàn hồi silico n e có tính linh hoạt cao khoảng n h iệ t độ thấp, đến - ٠c , y ổn định 250 ٠c N goài ra, chúng cò n ch ịu thời tiết d ầu bôi trơn M ột tính chất hấp dẫn củ a cao su silico n e lưu hóa n h iệt độ phòng, cao su RTV 3.3 Một số vật liệu polymer khác > Sợi M ột số loại polym er kéo thành sợi dài với tỷ số chiều dài đ n g kính không 100:1 H ầu hết loại sợi polymer dùng o n g công nghiệp dệt m ay khác, chẳng hạn sợi aram id, dùng o n g vật liệu com posite N ếu dùng làm sợi dệt, polym er sợi phải có tính chất đặc thù, không độc hại với sức khỏe người, có độ bền kéo đủ cao khoảng nhiệt độ tương đối rộng, module đàn hồi c a o C c tính chất phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc chuỗi m ạch polyem er quy trình kéo sợi số Phân tử lượng củ a vật liệu sọi phải tương đối cao N goài ra, độ bền k é o tán g th eo m ức độ tinh thể hóa, cấu trúc cấu hình chuỗi m ạch phải c h o p hép tạo p o ly m er tinh th ể hóa cao.N hóm p o ly m er phải có n h iệ t độ n ó n g chảy n h iệt độ chuyên tiêp thủy tinh h ó a đủ cao, ôn đ ịn h h ó a học với m ôi trư n g , chất tẩy rửa, dung m ôi làm sạch, ánh n ắ n g k h ó bắt ch y v m au khô > Keo dán 353 CHƯƠNG GIAO TRINH VẬT LIỆU OẠI CƯƠNG Keo dán hợp ch ất áư ợ c d ù n g dể h ên kết bề m ặt củ a hai v ật hệu rắn, tạo thành lớp lỉên kết có độ bền đủ cao L ực hên kết keo dán bê m ặt dán dược coi lực tĩnh díện, tư n g tự lực hên kêt th ứ cầp chuỗỉ phân tử tro n g p o ly m er nhíệt dẻo D ù độ bền củ a keo d án có thê nhỏ nhiêu so với vật h ệu dược dán, ng tạo liên kêt bền lớp keo dán mOng h ên tục; ch i vật liệu dược dán 1‫ال‬ phá hủy trư ớc lớp keo dán C ác vật liệu polym er, bao gồm chất d ẻo nhiệt dẻo, nhiệt rán, hợp chất dàn hồi keo dán tự nhỉên (keo d ộng vật, nhự a c â y ) dều dược dùng làm keo dán C ác keo dán p o ly m er dược dùng d ể dán kim loại - kim loại, kim loại - ch ất dẻo, kim loại - g ố m N h ợ c dỉểm chinh củ a keo dán p o ly m er giới hạn n hiệt độ làm việc Các polym er hữu trì tinh toàn vẹn c học nhỉệt độ tương dối thấp, độ bền giảm nhanh tăng n h iệt độ > Màng mỏng H iện nay, vật liệu p o ly m er dược sử dụng ngày rộng rãi dạng ắ n g mỏng M àn g mOng có chiều d ày khoảng 0.025 - 0.125 m m , ch ủ yếu dể làm bao bì ch o thực phẩm nhiều loạỉ hàn ۶ hóa khác D ặc tinh quan trọ n g củ a loại vật liệu trọ n g lư ợ ng riêng thầp, tinh dẻo cao, độ bên kéo độ bên ch ô n g x é r c h cao, ch iu dược âm yà m ột sô hóa chât, có tinh thấm tư ng dối th ấp dối vớí m ột số loại khi, dặc biệt nước C ác loại p o ly m er chinh dư ợc dùng làm m àng m ỏng bao gồm polyethylene, polypropylen e, cellp h an e, cellu lo se acetate > Tóm tắt T h eo thành phần, vật líệu kim loại dược chia thành hai nhOm, hợp kim săt (hợ p kim den) hợp kim k hông ch ứ a săt (hợp kim m àu) H ợp kim sẫt, thép gang, có n g u y ên tố chinh Fe H ầu hêt cấc loạỉ thép dêu a không q u 1.3 % c, cd thể có thêm n guyên tố hợp kim dể cải thiện cấc tinh ch ất c hợc v ầ/h o ặc tinh ch ố n g ăn m ồn hda học Cấc nhdm thếp thông d ụ n g bao gồm thép carbon thấp, thép h ợ p kim thấp độ bền cao, thép carbon tru n g binh, thép d ụ n g cụ, th ép k h ô n g rỉ G an g có hàm lư ợng c cao hơ n, từ 2.3 dến 3.8%, v nguyên tố khác, ch ủ yếu SI M n D ốỉ với nhOm vật lỉệu này, hâu hêt carbon dêu dạng graph ite thay kết h ợ p với F e dể tạo thành cem entite G ang dUc, tùy theo hlnh dạng graphite phân bố cấu trUc nền, gồm b a nhóm gang xám , g ang cầu, gang dẻo 85 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG 10 T ất vật liệu kim loại khác thuộc nhóm hợp kim không chứa F e ١đôi gọi kim loại hợp kim m àu, phân loại theo nguyên tố kim loại đặc tính chuyên biệt Phần giới thiệu thành phần hóa học, tính chất đặc trưng, công dụng củ a kim loại họp kim C u, Al, T i, M g, M o, w , Ta, Pb, Sn, Zn, Zr C ác vật liệu thủy tinh silicate, chứa thêm oxide khác, thuộc nhóm vật liệu vô định hình; thủy tinh - gốm, ban đầu chế tạo dạng vô định hình, sau khử thủy tinh hóa để có cấu trúc tinh thể V ật liệu làm v iệc k h o ả n g n h iệt đ ộ c a o , tro n g m ôi trư n g ăn m òn h ó a h ọ c, th u ộ c n h ó m gốm c h ịu n h iệt; cò n đ ợ c d ù n g làm v ật liệu cá ch n h iệt G ốm chống mài m òn cao, dùng làm d ụ n g cụ cắt gọt, đá m ài bột m ài, đánh bóng vật liệu mềm N hóm n ày bao gồm kim cương, nhân tạo tự nhiên, carbode silic, carbide w olfram , oxide n h ô m c ó thể sử dụng dạng bột ròd, nén ép liên kết thành khối, tráng bề m ặt giấy, vải Phần cuối trình bày tóm tắt nhóm vật liệu polym er, bao gồm chất dẻo nhiệt dẻo, chất dẻo nhiệt rắn, vật liệu đàn hồi elasto m er cao su, polym er sợi, p o ly em er m àng m ỏ n g > Ô n tậ p v n â n g cao H ãy nêu tóm tắt thành phần công dụng củ a bốn nhóm thép H ãy nêu u điểm nhược điểm hợp kim sắt H ãy nêu lý thép không rỉ ferrite austenite cải thiện tính nhiệt luyện H ãy nêu tác dụ n g củ a nguyên tố hợp kim thép dụng cụ G iả sử toàn carbon dạng graphite, tính số phần trăm thể tích củ a graphite gang a 3.5%c tính theo trọng lượng, biết tỷ trọng ferrite graphite lần lư ợt 7.9 2.3 g/cm^ Trên sở cấu trúc vi m ô, giải thích gang xám dòn có độ bền kéo thấp H ãy so sánh gang xám v gang dẻo theo (a) thành phần hóa học khả n h iệt luyện, (b) ، ấ u trúc vi m ô, (c) tính ch ất học Có thể tạo gang đúc với m artensite ch ứ a tinh thể graphite dạng , cầu, cụm H ãy nêu tóm tắt q u y trình nh iệt luyện để tạo kiểu cấu trúc 855 G IÁ TRÍNH VẬT LIỆU DẠI C Ư ^ G CHƯƠNG 10 H ãy nêu khác b ‫؛‬ệt c g ‫؛‬ữ a hợp klm đúc ٧à hợp kim b íến d n g dẻo 10 Q u trình k h thUy tinh hóa gỉ? H ẫy nêu tinh chất có th ể d ợ c cải thiện tinh ch ất có th ể bỊ suy g iảm k h thUy tinh hóa 11 H ây giải thích ngắn gọn khác b iệt cấu trUc phân tử g iữ a polym er silicone y vật liệu p o ly m er khác 12 ٠c xứ lạ‫ ؟‬h (hàn dới), n hiệt độ m ùa d ô n g xuống dến - 55 T rong số vật lỉệu dàn hồi: cao su isoprene tự nhiên, s tj^ e n e butadiene, acry lo n itrile - butadiene, chloroprene, p olysiloxane, nên chọn loại dể ch ế tạo lốp xe, sao? 13 H ây nêu dặc tinh q u an trọ n g củ a p o ly m er dược dUng làm sợi d ệt 14 H ãy nêu dặc tin h q u an trọ n g củ a p o ly m er dược dUng làm m n g mOng 15 T hanh kết cấu dài 100 m m , yêu cầu không dược biến dạng d ẻ o chiu lực dến 50 kN T h e o d ữ liệu tro n ẹ b ản g dây, sắ p x ếp chUng theo trọ n g lư ợ n g từ th ấp dến cao chế tạo th an h Vật liệu Gỉớíhạnchảy(MPa) Trọng lượng ríêng 5‫)اااﺀﺛﻤﺊ‬ H ợp kim C u - Z n 415 8.5 T hép 860 7.9 H ợp kim AI 310 1.٦ H ợp kim T i 550 4.5 16 T rong số kim loại v h ợ p kim : thép carbon, hợp kim C u - Z n, M g , Z n, gang xám , th ép d ụ n g cụ , P t, A l, thép k hông rỉ, w , hợp kim T i, chọn vật liệu phù h ^ nêu rõ lý do, cho tòng ứng dụng dây: a) B ệ m ấy, thân m áy d ụng cụ b) V ách 10 c) C ác phận m áy bay tốc độ cao d) M ũi khoan e) ThUng ch ứ a cry o g en (nhiệt độ thấp) f) K ỹ th u ật n hiệt đ ộ cao g) C ác phận c ủ a 10 n h iệt độ cao tro n g k h i oxy hóa 358 GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO KIM LOẠI HỌC - X.X.Steinberg - NXB Khoa học Kỹ thuật Năm 1993 KIM LOẠI HỌC - VẬT LIỆU KIM LOẠI - Lê Ngọc Quý Đại học Bách khoa TPHCM - Năm 1992 KIM LOẠI HỌC VẬT LÝ HIỆN ĐẠI - R.E.Smallman - Khoa chức Đại học Bách khoa - Năm 1974 KIM LOẠI HỌC VẬT LÝ - Lê Công Dưỡng - NXB Khoa học Kỹ thuật-Năm 1973 THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC VÀ xử LÝ - Đặng Vũ Ngoạn NXB Đại học Quốc gia TP.HCM - Năm 2003 SÁCH TRA CỨU THÉP, GANG THÔNG DỤNG - Nghiêm Hùng - NXB ĐHBK Hà Nội - Năml997 SỐ TAY sủ' DỰNG THÉP THẾ GIỚI - Ngô Trí Phúc - Trần Văn Địch - NXB Khoa học Kỳ thuật - Năm 2003 CỘNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN - Phạm Thị Minh Phương - Tạ Văn Thất - NXB Giáo Dục - Năm 2000 10 SÁCH TRA CÚÌJ VỀ NHIỆT LUYỆN - Smưcôv Biên dịch Hoàng Trọng Bá - NXB Khoa học Kỹ thuật - Năm 1973 11 NHIỆT LUYỆN PHỤ TÙNG Ô TÔ - MÁY KÉO - Nghiêm Hùng - NXB Khoa học Kỹ thuật - Năm 1985 12 SÁCH TRA CÚXJ n h iệ t LUYỆN THÉP DỤNG c ụ - Lê Dương Linh - Đặng Lê Toàn - Tạ Anh Tuấn - NXB Khoa học Kỹ thuật -N ăm 1983 13 SỐ TAY NHIỆT LUYỆN - X.A.Pilinôp - NXB Khoa học Kỹ thuật - Năm 1979 14 VẬT LIỆU CO KHÍ HIỆN ĐẠI - Trần Thế San & Nguyễn Ngọc Phương -NXB Khoa học Kỹ thuật - Năm 2012 357 Giáo Trình VẬT LIỆUDẠI ClídNG Trần Thế San NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hổ CHÍ MINH Khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TPHCM Số Công trường Quốc tế, Quận 3, TP HCM ĐT: 38 239 172 - 38 239 170 Fax: 38 239 172 - E-mail: vnuhp@/nuhcm.edu.vn Chịu trách nhiệm xuất TS HUỲNH BÁ LÂN Tổ chức thảo chịu trách nhiệm tác quyền Trường Đại học sư phạm Kỹ thuật TP HCM Biên tập NGUYỄN ĐỨC MAI LÂM Sủa in THÙY DƯƠNG Thiết kế bìa HƯNG PHÚ GT.01.KT(V) ĐHQG.HCM 13 155-2012/CXB/550.08/ĐHQGTPHCM KT.GT.337-13 (T) In 300 k h ổ 16 X 24cm, Công ty TNHH In Bao bì Hưng Phú số đăng ký kế hoạch xuất bản: 155.2012/CXB/550-08/ĐHQGTPHCM Quyết định xuất số 85/QĐ-ĐH QGTPHCM ngày 17/5/2013 In xong nộp lưu chiểu quí II, 2013