Chương III VẬT LIỆU THÔNG DỤNG TRONG CÁC PHƯƠNG TIỆN GTVT – MÁY THI CÔNG

Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở Chương III VẬT LIỆU THÔNG DỤNG TRONG CÁC PHƯƠNG TIỆN GTVT – MÁY THI CÔNG 3.1 Thép gang 3.1.1 Gang a Định nghĩa - Theo thành phần hoá học: Gang hợp kim Fe với C mà thành phần C > 2,14% - Theo tổ chức tế vi: Gang hợp kim Fe với C mà tổ chức có Le Các cách định nghĩa tương ứng với trạng thái cân giả ổn định theo giản đồ trạng thái Fe - Fe3C b Phân loại Trong trình sử dụng để tiện phân loại người ta dựa vào tổ chức tế vi gang Trên sở đó, gang phân thành loại sau: - Gang trắng: Là gang có cacbon tồn dạng Xe(Fe 3C) Như vậy, tổ chức tế vi gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ giả ổn định Fe - Fe 3C ln có chứa hỗn hợp tinh Le - Gang xám, cầu, dẻo loại gang phần lớn hay toàn cacbon dạng tự - graphit với hình dạng khác nhau: tấm, cầu, bơng Trong tổ chức khơng có Le, tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C Tổ chức tế vi gang có Graphit Xe Người ta chia tổ chức hai phần: phần phi kim loại - Graphit kim loại gồm F Xe Khi tất cacbn dạng tự kim loại tổ chức gồm có F, cịn phần cacbon dạng liên kết kim loại tổ chức F - P; P P - Xe Chính đặc điểm tổ chức tế vi mà loại gang có tính cơng dụng khác c Cơ tính tính cơng nghệ * Cơ tính:Gang loại vật liệu có độ bền dẻo thấp, độ dịn cao Xe pha cứng dịn, tồn với lượng lớn tập trung gang trắng làm dễ dàng cho tạo vết nứt tác dụng tải trọng kéo Trong gang xám, dẻo, cầu tổ chức Graphit lỗ hổng có sẵn gang, nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang bền Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit, lớn gang xám với graphit dạng bé gang cầu với graphit dạng cầu trịn Vì vậy, gang cầu có độ bền cao nhất, tính dẻo tốt Song có mặt graphit gang có số ảnh hưởng tốt đến tính tăng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 83 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở khả chống mòn ma sát, làm tắt rung động dao động cộng hưởng * Tính cơng nghệ: Gang có tính đúc tính gia cơng cắt khơng tốt: loại gang thường dùng có thành phần gần tinh nên nhiệt độ chảy thấp, độ chảy lỏng cao yếu tố quan trọng tính đúc, graphit gang xám, dẻo cầu làm phôi dễ gãy vụn gia cơng cắt d Cơng dụng Nói chung gang có tính tổng hợp khơng cao thép có tính đúc tốt rẻ nên người ta dùng gang để làm nhiều chi tiết máy như: bệ máy, vỏ, nắp, phận phải di chuyển hay dùng gang cầu để làm trục khuỷu thay cho thép e Sự hình thành graphit gang Các loại gang có thành phần cacbon giống (>2%) có loại tạo nên Xe gang trắng, có loại lại tạo nên Graphit Trong gang, graphit có dạng chủ yếu: tấm, cầu, dạng graphit gang xám dạng tự nhiên * Graphit Graphit có mạng lục giác, nguyên tử cacbon xếp thành lớp một, khoảng cách nguyên tử lớp gần lớp lại xa nên tạo thành từ trạng thái lỏng, graphit phát triển nhanh (theo phương mặt có mật độ nguyên tử lớn), làm lớp dài, rộng nhanh để có dạng (phiến) cong Do đó, graphit dạng tự nhiên graphit gang * Sự tạo thành graphit gang Để xét khả tạo thành graphit gang xét yếu tố lượng tự công nghệ tạo mầm graphit Xe * Điều kiện lượng: Năng lượng tự Graphit luôn nhỏ Xe khoảng nhiệt độ Như vậy, phương diện tạo thành Graphit có lợi Nhưng lượng tự yếu tố định chiều hướng q trình, kết tính Graphit có thực hay khơng cịn phụ thuộc vào cơng tạo mầm * Công tác mầm: Công tạo mầm Xe nhỏ Graphit nhiều nên phương diện này, tạo thành Xe có lợi sở dĩ, công tạo mầm Graphit lớn Xe do: - Về thành phần hố học: Graphit có 100%C, cịn Xe có 6,67%C cịn gang lỏng khoảng 3÷4%C, γ B có q trình phân hố Xe q trình Gr hố nhiệt độ cao Giai đoạn gọi giai đoạn Gr hố lần thứ nhất, xảy q trình Gr hoá Xe tinh - Làm nguội chậm từ 1000C xuống 700 0C từ B > C có q trình xảy Graphit giữ ngun, γ2,14 → P0,8 + Xe6,67 Nếu trình ủ dừng lại C nhận gang dẻo P Để gang dẻo F phải tiếp tục ủ - Giữ lâu nhiệt độ 7000C từ C → E, Xe tích P bị phân hố theo phản ứng Fe3C6,67 → α0,02 + G100 Sau Xe tích phân hố hết, gang có tổ chức F + G tức gang dẻo F (Nếu từ E làm nguội nhanh thu gang dẻo F; dừng D sau nguội nhanh thu gang dẻo P - F) * Cơ tính gang dẻo TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 88 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở - Do Gr dạng tương đối tập trung nên gang dẻo có độ bền kéo cao gang xám gang cầu - Có độ cứng độ bền tương đối cao gần thép - Tính đúc cao thép nên dùng để sản xuất chi tiết lớn, phức tạp chịu tải trọng cao thay cho thép sản xuất hàng loạt * Ký hiệu - Theo TCVN: GZa-b - Theo tiêu chuẩn Nga: Kϕa-b a: ứng suất kéo (N/mm2) b: độ dãn dài tương đối (%) *) Gang cầu Gang cầu hay gọi gang có độ bền cao với Gr cầu, loại gang có độ bền cao nhất, đồng thời chịu tải trọng va đập * Tổ chức tế vi Tổ chức tế vi gang cầu giống gang xám, song khác Gr có dạng hình cầu Theo tổ chức tế vi kim loại có loại gang cầu: F, F+P P * Thành phần hoá học cách sản xuất vật đúc gang cầu Thành phần hoá học: - Về bản, thành phần hoá học gang cầu giống gang xám song khác Mg Ce với lượng nhỏ Q trình biến tính gang lỏng để nhân gang có Gr cầu trình tương đối phức tạp Mg nguyên tố có lực mạnh với oxi nên dễ bị cháy Trong q trình Mg chưa đủ tác dụng cầu hố Gr cịn nhiều Mg lại làm gang hoá trắng - Thành phần hoá học gang cầu sau biến tính gồm: ÷ 3,6% C; ÷ 3% Si; 0,5 ÷ 1% Mn, gần % Ni; 0,04 ÷ 0,08 % M cịn lượng P, S nhỏ * Cách sản xuất vật đúc gang cầu: Gang cầu thu trực tiếp từ q trình đúc Để đảm bảo q trình gang đem cầu hoá phải đáp ứng yêu cầu sau: - Phải có đủ hàm lượng Si để Gr hố - Phải có ngun tố cầu hố làm thúc đẩy tạo Gr dạng cầu phân tán (sử dụng Mg dạng hợp kim Mg - Ni để tránh bị cháy Mg) * Cơ tính gang cầu TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 89 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở Gang cầu dạng gọn nhất, chia cắt kim loại tập trung ứng suất cả, làm giảm tính kim loại Cơ tính gang cầu phụ thuộc chủ yếu vào tổ chức kim loại - Có độ bền định, độ cứng cao (tương đương với thép) - Có độ dẻo dai tương đối cao nên chịu trọng chu kỳ tốt - Tính đúc cao, có tính chất nên gang cầu sử dụng để sản xuất chi tiết phức tạp thay cho thép * Ký hiệu - Theo TCVN: GCa-b - Theo TC Nga: Bϕa-b a: ứng suất kéo σk [kg/mm2] b: độ giãn dài tương đối (%) 3.1.2 Thép bon thép hợp kim 3.1.2.1 Thép cacbon a Khái niệm Thép bon hợp kim sắt cácbon với hàm lượng bon nhỏ 2,14% Ngồi thép ln chứa lượng nhỏ nguyên tố Mn, Si, P, S Với loại thép bon sắt có chứa C ≤ 2,14%; Mn≤ 0,80%; Si ≤ 0,40%; P S ≤ 0,05% Thép bon sử dụng rộng rãi khí (tỷ lệ 60 ÷ 70%) ngành cơng nghiệp khác Ngồi nguyên tố thép bon chứa lượng khí nhỏ hình thành q trình nấu luyện : ôxy, hydrô, nitơ Nhưng số lượng chúng q ít, ảnh hưởng khơng đáng kể đến tính chất nên ta thường khơng quan tâm đến b.Thành phần hoá học ảnh hưởng nguyên tố đến tổ chức tính chất thép cacbon *) Các bon: nguyên tố quan trọng định đến tổ chức tính chất thép Với hàm lượng bon khác thép có tổ chức tế vi khác nhau: - Nếu hàm lượng bon < 0,80% : tổ chức pherit péclit - Nếu hàm lượng bon = 0,80% : tổ chức peclit - Nếu hàm lượng bon > 0,80% : tổ chức peclit xêmentit thứ hai Khi hàm lượng cacbon tăng lượng xêmentit tăng cản trở mạnh trình trượt pherit làm độ bền, độ cứng thép tăng, độ dẻo độ dai giảm Tuy nhiên độ bền lớn đạt với hàm lượng bon từ 0,80-1,0%, vượt giới hạn lượng xêmentit thứ hai nhiều làm cho thép dòn, độ bền giảm Thép bon với hàm lượng khác sử dụng lĩnh vực hoàn toàn khác *) Mangan: cho vào thép dạng pherô mangan để khử ôxy loại bỏ tác hại FeO thép lỏng: Mn + FeO → Fe + MnO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 90 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở Ơxít mangan lên vào xỉ lấy khỏi lị Ngồi mangan cịn có tác dụng loại bỏ tác hại lưu hu ỳnh thép Mangan hoà tan vào pherit nâng cao tính cho thép, nhiên tác dụng khơng lớn lượng chứa nhỏ Lượng mangan thép từ 0,50 ÷ 0,80% *) Silic: cho vào thép dạng pherơ silíc để khử ơxy loại bỏ tác hại FeO thép lỏng: Si + FeO → Fe + SiO2 Điơxít silic lên vào xỉ lấy khỏi lị Ngồi silic cịn hồ tan vào pherit nâng cao tính cho thép Silic khử ơxy nâng cao tính cho thép mạnh mangan Lượng silíc thép từ 0,20 ÷ 0,40% Do tác dụng nâng cao tính khơng đáng kể *) Phốt pho: Phốt có khả hoà tan vào pherit lớn (đến 1,20% Fe-C nguyên chất) giảm đột ngột nhiệt độ giảm Do gây xơ lệch mạng phe rit mạnh làm tăng tính dịn lớn (đường kính nguyên tử phốt khác nhiều so với sắt).Khi vượt q giới hạn hồ tan tạo Fe 3P cứng dòn Do phốt làm thép bị dòn nhiệt độ thường gọi dòn nguội (cịn gọi bở nguội) Do tính thiên tích mạnh nên cần 0,10%P làm cho thép bị dịn Vì lượng phốt thép nhỏ 0,05% Về phương diện gia cơng cắt gọt phốt ngun tố có lợi làm cho phoi dễ gãy, lúc lượng phốt đến 0,15% *) Lưu huỳnh: Lưu huỳnh hồn tồn khơng hồ tan sắt mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe+FeS) tạo thành nhiệt độ thấp (988 0C) phân bố biên giới hạt cán, rèn, kéo (nung đến 1000 0C) biên giới hạt bị chảy làm thép bị đứt, gãy, tượng gọi dịn nóng (cịn gọi bở nóng) Tuy nhiên dùng mangan để loại bỏ tác hại lưu huỳnh : Mn + FeS → Fe + MnS (nhiệt độ chảy 1620OC) Về mặt gia cơng cắt gọt lưu huỳnh ngun tố có lợi tạo sunphua sắt làm cho phoi dễ gãy, trường hợp lượng lưu huỳnh đến 0,35% c Phân loại thép cacbon Có nhiều cách phân loại thép bon, phương pháp có đặc trưng riêng biệt cần quan tâm đến để sử dụng hiệu *) Phân loại theo phương pháp luyện độ tạp chất: + Theo phương pháp luyện: - Thép mác (ngày không dùng phương pháp nữa) - Thép lò chuyển (lò L -D, gọi lò thổi) - Thép lò điện + Theo độ tạp chất: -Thép chất lượng thường: lượng P S cao đến 0,05% nấu luyện lị L -D có suất cao, giá thành rẻ Các nhóm thép chủ yếu dùng xây dựng - Thép chất lượng tốt: có lượng P S thấp đến 0,040% luyện lò điện hồ quang Chúng sử dụng chế tạo máy thông dụng - Thép chất lượng cao: có lượng P S đạt 0,030% luyện lị điện hồ quang có thêm chất khử mạnh, nguyên liệu tuyển chọn kỹ lưỡng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 91 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở - Thép chất lượng cao: lượng P S khử đến mức độ thấp 0,020% sau luyện lò hồ quang chúng tiếp tụ c khử tiếp tạp chất ngồi lị xỉ tổng hợp hay điện xỉ Để hạn chế lượng khí thép phải dùng phương pháp rót chân không Thép chhất lượng cao cao dùng chế tạo thiết bị máy móc quan trọng *) Phân loại theo phương pháp khử ô xy Theo mức độ khử ô xy triệt để hay không triệt để ta chia thép hai loại thép sôi thép lắng (lặng) + Thép sôi: loại thép khử ô xy chất khử yếu: phe rô mangan nên ô xy không khử triệt để, thép lỏng cị n FeO rót khn có phản ứng: FeO + C → Fe + CO Khí Co bay lên làm bề mặt thép lỏng chuyển động giống tượng sơi Vật đúc thép sơi có mật độ thấp chứa nhiều rỗ khí lõm co nhỏ Thép có độ dẻo cao mềm, dập nguội tốt +Thép lắng (lặng): loại thép khử xy triệt để, ngồi phe rơ mangan cịn dùng phe rơ silic nhơm nên khơng cịn FeO nữa, bề mặt thép lỏng phẳng lặng Thép lắng có độ cứng cao, khó dập nguội Vật đúc thép lắng có mật độ cao lõm co lớn Thép hợp kim loại thép lắng Ngồi cịn loại thép nửa lặng, có tính chất trung gian hai loại khử ôxy pherô mangan nhôm Ngày có xu hướng dùng thép nửa lặng thay cho thép sôi *) Phân loại theo cơng dụng: Dựa theo mục đích sử dụng thép cácbon chia làm hai nhóm: thép kết cấu thép dụng cụ +Thép kết cấu: loại thép dùng làm kết cấu chi tiết máy chịu tải cần có độ bền, độ dẻo độ dai bảo đảm Nhóm thép sử dụng nhiều chủng loại sản phẩm lớn Đây nhóm thép chất lượng tốt cao +Thép dụng cụ: loại thép làm dụng cụ gia công biến dạng kim loại(dụng cụ cắt, khuôn dập, khn kéo ), giữ vai trị quan trọng để gia công chi tiết kết cấu máy Số lượng thép dụng cụ khơng lớn chủng loại sản phẩm chúng d Ký hiệu thép cacbon *) Thép bon chất lượng t hường (thép bon thông dụng): Là loại thép chủ yếu dùng xây dựng, cung cấp qua cán nóng khơng nhiệt luyện, dạng bán thành phẩm : ống, thanh, tấm, thép hình, sợi Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765 - 75 nhóm thép bon chất lượng thường ký hiệu chữ CT (C - bon, T - thép chất lượng thường) Nếu cuối mác thép không ghi thép lắng (lặng), có s thép sôi, n thép nửa lặng Chúng chia làm ba phân nhóm: + Phân nhóm A: loại thép quy định tính mà khơng quy định thành phần hóa học Giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị kG/mm2 (với MPa phải nhân thêm 10), tra bảng để tìm tiêu σ0,2, , δ, ψ α aK TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 92 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở - Tính chống ăn mịn có nhiều pha điện cực khác Để khắc phục tượng người ta phủ lớp nhơm mỏng lên bề mặt đura cán nóng Chế độ nhiệt luyện đura: nhiệt độ 505 ÷5100C nước hóa già tự nhiên từ ÷ ngày Đura sử dụng rộng rãi công nghiệp hàng không đời sống c Hợp kim nhôm đúc: Tổ chức tế vi đura sau nhiệt luyện Hợp kim nhôm đúc thường dùng phổ biến sở Al -Si thành phần chủ yếu tinh (do thường gọi silumin) Cơ tính vật đúc phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ nguội biến tính đúc Thường đúc t rong khuôn kim loại để nhận tổ chức nhỏ mịn có tốc độ nguội lớn *) Silumin đơn giản: Là hợp kim nhôm đúc mà thành phần chủ yếu nhôm silic với hàm lượng silic từ 10 ÷ 13% Tổ chức chủ yếu tinh (Al+Si), thơ to (các tinh thể Si có dạng hình que) độ bền độ dẻo thấp ( =130MPa; d = 3%) nên phải biến tính để nâng cao tính Dùng hỗn hợp muối (2/3NaF + 1/3NaCl) với tỷ lệ 0,05 ÷ 0,08% để biến tính Lúc điểm tinh dịch bên phải nhiệt độ chảy giảm 10 ÷ 200C Như hợp kim có tổ chức trước tinh gồm Al + (Al +Si) tinh nhỏ mịn (tinh thể Si nhỏ) làm tính cao ( =180MPa; d = 8%) Silumin đơn giản có đặc điểm là: - Có tính đúc cao (do tổ chức chủ yếu tinh) - Cơ tính thấp khơng hóa bền nhiệt luyện Do silumin đơn giản thường dùng đúc định hình chi tiết hình dáng phức tạp, yêu cầu độ bền không cao Tổ chức tế vi silumin trước biến tính (a) *) Silumin phức tạp: sau biến tính (b) Silumin phức tạp có tính đúc tốt tính cao có thêm nguyên tố Cu, Mg có tác dụng tốt tơi hóa già ( σb =200÷250MPa; δ = 1÷6%) Các silumin phức tạp có thành phần nguyên tố thay đổi rộng : ÷ 30%Si; < 1%Mg; ÷ 7%Cu Cơng dụng chúng làm pit tơng loại động nhẹ, dễ tạo hình kẹt Ngồi cịn làm thân nắp động tơ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 117 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở 3.2.2 Đồng hợp kim đồng 3.2.2.1 Đồng nguyên chất Đồng kim loại có kiểu mạng lập phương tâm mặt, khơng có đa hình Đồng ngun chất có màu đỏ nên cịn gọi đồng đỏ Đồng có đặc điểm sau: -Tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Về tính dẫn điện đứng sau vàng bạc - Chống ăn mịn tốt khí quyển, nước, nước biển hay kiềm, axit hữu có lớp xít Cu2O bề mặt - Tính dẻo cao, dễ biến dạng nóng, nguội đễ chế tạo thành bán thành phẩm - Độ bền không cao ( σb = 220MPa ) sau biến dạng dẻo tăng lên đáng kể ( σb = 425MPa ) - Tính hàn tốt nhứng chứa nhiều tạp chất (đặc biệt ô xy) giảm mạnh Tuy nhiên đồng Ảnh hưởng tạp chất đến có số nhược điểm: dẫn điện đồng độ - Khối lượng riêng lớn (γ = 8,94g/cm3) - Tính gia cơng cắt gọt phoi dẻo không gãy, để cải thiện thường cho thêm chì vào - Nhiệt độ nóng chảy cao 1083OC, tính đúc kém, độ chảy lỗng nhỏ Theo TCVN 1659-75 đồng nguyên chất ký hiệu Cu số lượng chứa Ví dụ: Cu 99,99 có 99,99%Cu hay Cu 99,80 có 99,80%Cu 3.2.2.2 Hợp kim đồng Trong kỹ thuật sử dụng đồng nguyên chất mà chủ yế u sử dụng hợp kim đồng Hợp kim đồng chia làm hai nhóm sau: la tông brông La tông(đồng thau) hợp kim đồng với nguyên tố chủ yếu kẽm Brông (đồng thanh) hợp kim đồng với nguyên tố khác trừ kẽm a) La tông: La tông chia làm hai loại: la tông đơn giản (chỉ có đồng kẽm) la tơng phức tạp (có thêm số nguyên tố khác) Theo TCVN 1659 -75 quy định ký hiệu la tông sau: chữ L (chỉ la tông) tiếp sau ký hiệu Cu nguyên tố hợp kim Số đứng sau nguyên tố hợp kim hàm lượng chúng theo phần trăm Ví dụ: LCuZn30 la tơng có 30%Zn, 70%Cu LCuZn38Al1Fe1 la tơng có38%Zn; 1%Al; 1%Fe; cịn lại Cu * La tông đơn giản: Trong thực tế dùng loại chứa 45%Zn nên tổ chức có dung dịch rắn α pha điện tử β −,α dung dịch rắn kẽm đồng có mạng A1 chứa đến 39%Zn 454OC Đây pha chủ yếu định tính chất la tơng Khi hịa tan vào đồng kẽm làm tăng độ bền mạnh, không làm giảm nhiều độ dẻo hợp kim Độ dẻo cao ứng với 30%Zn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 118 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở −, β pha điện tử ứng với công thức CuZn ( N = 3/2), pha cứng dịn hóa bền cho la tơng Do khơng dùng la tơng chứa cao 45%Zn lúc tổ chức tồn β' nên dịn Trong thực tế dùng loại 40%Zn với hai loại la tông pha la tông hai pha + La tơng pha: Thường chứa 35%Zn (LCuZn10) có tính dẻo cao, cán nguội thành bán thành phẩm làm chi tiết máy qua dập sâu Latông với lượng kẽm nhỏ từ ÷ 12% có màu đỏ nhạt dùng để làm tiền xu, huy chương, khuy áo quần, dây kéo (fecmơtuya) La tơng chứa 20%Zn (LcuZn20)có màu vàng giống vàng nên thường làm trang sức La tơng chứa khoảng 30%Zn (LCuZn30) có độ dẻo cao dùng làm vỏ đạn loại Các la tông pha bền dẻo nên thường pha thêm 0,4 ÷ 3%Pb để dễ cắt gọt + La tông hai pha: Thường chứa 40%Zn có tổ chức hai Tổ chức tế vi latông pha (a) latông pha (b) pha ( α + β ) có pha thêm chì để tăng tính gia cơng cắt La tơng hai pha cứng, bền dẻo so với loại pha cung cấp dạng băng, ống, để làm chi tiết máy cần độ bền cao * La tơng phức tạp: Ngồi Cu Zn cho thêm nguyên tố Pb (để tăng tính cắt gọt), Sn (tăng chóng ăn mịn nước biển), Al Ni (để nâng cao giới hạn bền) như: LCuZn36Al3Ni2; LCuZn30Sn1; LCuZn40Pb1 La tông phức tạp dùng làm chi tiết máy yêu cầu độ bền cao hơn, làm việc nước biển b) Brông: Là hợp kim đồng với nguyên tô chủ yếu kẽm Sn, Al, Be Theo TCVN 1659-75 chúng ký hiệu giống la tông, khác thay chữ L đầu ký hiệu chữ B (chỉ brông) * Brông thiếc: hợp kim đồng với nguyên tố chủ yếu thiếc, hợp kim đồng sử dụng Giản đồ pha Cu-Sn phức tạp có nhiều pha Hợp kim đúc thiên tích mạnh thường dùng 15%Sn nên có hai pha: dung dịch rắn α pha điện tử δ Chúng gồm hai loại: brông thiếc biến dạng đúc Đặc điểm brông thiếc là: - Độ bền cao, độ dẻo tốt nên thường dùng với lượng chứa từ ÷ 8%Sn - Tính đúc tốt: co (độ co 30 mmm): lọ, bình, chậu * Thủy tinh bát đĩa, pha lê: Yêu cầu thủy tinh bát đĩa, pha lê: - Phải chế tạo từ thủy tinh suốt không màu - Khơng có khuyết tật: sợi, bọt bóng khí - Bề mặt phải bóng, mép cạnh không sắc nhọn Công dụng: cốc uốn nước, ly rượu,lọ hoa, chùm đèn, bát đĩ a b) Thủy tinh chịu nhiệt tác dụng hóa học: Nói chung loại thủy tinh có khả chịu tác dụng hóa học chịu nhiệt định, loại thủy tinh dùng làm dụng cụ chịu nhiệt độ cao nhiều làm việc môi trường chịu tác dụ ng hóa học mạnh Hiện phổ biến loại thủy tinh sở bốn cấu tử: SiO 2-Al2O3- CaO-MgO có pha thêm hợp chất flo để dễ nấu chảy xyt kim loại TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 124 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở Gồm có loại: * Thủy tinh làm dụng cụ thí nghiệm: Loại thủy tinh thuộc hệ hiều cấu tử phức tạp, thành phần gồm: B2O, Al2O3, ZnO, BaO pha thêm TiO2, ZrO2 Nó có khả chịu tác dụng hóa học tốt chịu nhiệt cao Công dụng: Ống nghiệm, cốc đốt, lọ đựng hóa chất, pipet, bu rét * Thủy tinh làm ống đựng thuốc (ăm pun): Đây loại thủy tinh trung tính để khơng tác dụng hóa học phá hủy thuốc Trong thành phần khơng chứa o xyt kim loại nặng PbO, ZnO,Sb2O3, As2O3 * Thủy tinh làm nhiệt kế: Là loại thủy tinh khó nấu chảy khơng có tính kiềm hay kiềm Trong thành phần có chứa ơyt nhơm ô xyt kim loại kiềm thổ cao * Thủy tinh thạch anh: Được nấu từ đá thạch anh tự nhiên hay cát thạch anh tinh khiết Được chia làm hai loại: thạch anh không suốt nấu từ thạch anh (có nhiều bọt khí nhỏ) thạch anh suốt nấu từ thạch anh thiên nhiên Cơng dụng: làm tháp đặc cơng nghiệp hóa học, làm vỏ lò nung, ống bảo vệ nhiệt kế, vật cách điện, đèn chiếu tia tử ngoại c) Thủy tinh quang học: * Yêu cầu thủy tinh quang học - Hằng số quang học phù hợp với u cầu - Khơng có tính lưỡng chiết hay giới hạn cho phép - Tính chất quang học phải đồng - Khơng có bọt, khơng bị tán xạ, khúc xạ - Trong suốt, không màu - Chịu hóa học chịu nhiệt tốt * Cơng dụng: làm dụng cụ quang học kính lúp, kính hiển vi, thiên văn d) Thủy tinh điện chân không: * Yêu cầu: - Cách điện tốt, không thẩm thấu khí - Có thể cho qua ánh sáng vùng nhìn thấy quang phổ hồng ngoại - Khi đốt nóng dễ tạo hình hàn kín - Tính chịu nhiệt hóa học cao - Tính giãn nở tương ứng kim loại thường dùng kỹ thuật điện chân không như: W, Mo, Pt, hợp kim Fe, Ni Co * Cơng dụng: Làm bóng đèn, cổ đèn, bugi, vỏ ống phát điện tử, buồng hình TV (kinescốp) * Các loại thủy tinh điện chân khơng: - Thủy tinh nhóm platin: có hệ số giãn nở tương tự platin, làm chân đèn, cổ kinescôp, bóng đèn, dụng cụ điện quang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 125 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở - Thủy tinh nhóm mơlipđen: hệ số giãn nở tương tự Mo, dùng làm ống rơnghen, ống cách dây dẫn, cách điện dụng cụ bán dẫn, cửa sổ nhân quang điện - Thủy tinh nhóm vonphram: có nhiệt độ nóng chảy cao góc tổn thất điện mơi nhỏ, dùng làm bóng đèn trịn, cổ tụ chân khơng, vỏ đèn thu khuếch đại, đèn phát e) Sợi thủy tinh: Từ thủy tinh thạch anh, thủy tinh có hàm lượng SiO cao tiến hành kéo sợi có đường kính từ ÷ 30mm với chiều dài theo yêu cầu Sợi thủy tinh dùng làm vật liệu cách điện, cách nhiệt, làm cốt vật liệu composit, cáp quang f) Thủy tinh xây dựng: Được sử dung rộng rãi cơng trình xâu dựng, gồm thủy tinh gạch thủy tinh khơng màu có màu sắc theo yêu cầu Chúng dùng làm cửa, lát, tường (phần lấy ánh sáng), nơi trang trí g) Thủy tinh đặc biệt: * Thủy tinh phòng vệ (phòng ngự): Là loại thủy tinh dùng làm chắn, cửa sổ máy có phát tia X, γ, β, α Ưu điểm thủy tinh phịng vệ ngăn tia xạ có hại, khối lượng nhỏ cho phép ta quan sát hoạt động thiết bị đo Yêu cầu thủy tinh phòng vệ: - Có độ suốt cao, khơng màu, khơng bọt, vân - Có hàm lượng chì cao - Chịu tác dụng tia γ Hầu hết loại thủy tinh thường bị tác dụng tia γ bị nhuộm màu, kết tinh khả tuyền ánh sáng Các hệ thủy tinh phòng vệ : - PbO - CdO - SiO2 hút trung tử tia γ - CdO - BaO - B2O3 hút trung tử - PbO - Nb2O3 - P2O5 hút trung tử tốt - PbO - Bi2O3 - SiO2 hút tia X, tia γ mạnh -PbO - B2O3 - Ta2O5 hút tia γ * Thủy tinh cảm quang: Là loại thủy tinh chiếu tia xạ vào màu sắc khơng thay đổi, tiếp sau đem đốt nóng để xử lý nhiệt với thời gian khác màu sắc lên đậm nhạt khác Chất cảm quang thường dùng: Cu, Au,Ag, Ba Công dụng: dùng in ấn, công nghiệp điện tử, vật li ệu ảnh, trang trí, mỹ phẩm 3.4 Vật liệu polymer 3.4.1 Cấu trúc tính chất, ứng dụng polyme a) Định nghĩa: Polyme (còn gọi cao phân tử) phân tử nhiều hợp phần (xuất phát từ tiếng Hylạp cổ, poly: nhiều, me: phần) - Theo định nghĩa liên hiệp quốc tế hóa ứng dụng: polyme hợp chất gồm phân tử hình thành lặp lại nhiều lần loại hay TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 126 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở nhiều loại nguyên tử hay nhóm nguyên tử, liên kết với với số lượng lớn để tạo nên loại tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể lấy thêm vào vài đơn vị cấu tạo b) Phân loại polyme: có nhiều cách phân loại khác nhau: * Theo nguồn gốc hình thành: - Polyme thiên nhiên: có nguồn gốc thực vật hay động vật: xenlulô, enzim, cao su, amiăng, graphit thiên nhiên - Polyme tổng hợp (nhân tạo): sản xuất từ loại monome cách trùng hợp, trùng ngưng loại polyolephin, polyvinylclorit, polyamit, cao su nhân tạo Đây loại quan trọng nhất, sử dụng rộng rãi thực tế * Theo thành phần: - Polyme hữu cơ: có mạch hay hydrocácbon (các chất dẻo cao su) - Polyme vô cơ: polyme mà mạch chúng khơng có hydrocácbon Thành phần polyme vô là: ô xýt silic, ôxyt nhôm, ôxyt can xy ô xýt ma giê (thủy tinh silicat, gốm, mica, amiăng ) - Polyme hữu phân tử (chỉ có phần hữu cơ): Trong mạch chúng chứa nguyên tử vô cơ: Si, Ti, Al nối với gốc hữu cơ: metyl (-CH3), phenol (-C6H5), etyl (-C2H5) * Theo cấu trúc (hình dáng đại phân tử): - Polyme mạch thẳng: Đại phân tử chuỗi mắt xích nối liền theo đường dích dắc hay hình xoắn ốc (loại có polyêtylen PE, polyamid PA) - Polyme mạch nhánh: loại mạch thẳng đại phân tử có thêm nhánh (polyizobutylen PIB) - Polyme khơng gian: Các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polymer khơng gian ba chiều, có tính cơ, lý, nhiệt đặc biệt (nhựa êpoxy, phenon - formalđehyt) - Polyme mạng lưới: Các mạch cạnh polyme nối với liên kết đồng hóa trị ((các loại cao su lưu hóa) * Phân loại theo tính chịu nhiệt: - Polyme nhiệt dẻo: Thường polyme mạch thẳng Ở nhiệt độ xác định chúng chảy, trở thành dẻo nhỏ nhiệt độ chúng rắn trở lại Đây loại polyme có giá trị thương mại quan trọng - Polyme nhiệt rắn: Là polyme có khối lượng phân tử không cao lắm, ởnhiệt độ cao chúng chảy mềm khơng hịa tan dung mơi * Phân loại theo lĩnh vực sử dụng: Chia loại chất dẻo, sợi, cao su, sơn keo c) Tính chất polyme: * Tính nóng chảy hịa tan: Do khối lượng phân tử lớn nên polyme biến TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 127 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ mơn sở sang trạng thái khí Khi nung nóng chúng khơng thể chuyển thành chất lỏng có độ nhớt thấp (sền sệt) Nếu trọng lượng phân tử lớn độ phân cực mạnh chúng khơng hịa tan dung mơi * Cơ tính polyme: Cơ tính polyme phụ thuộc vào cấu tạo, nhiệt độ trạng thái vật lý - Biến dạng tác dụng lực: mô đun đàn hồi, giới hạn bền kéo, tính dẻo độ dãn dài polyme xác định tương tự kim loại s b kéo khoảng 100MPa, độ giãn dài tương đối cực đại khoảng 1000% (kim loại tối đa 100%) Khi nhiệt độ tăng mô đun đàn hồi giảm, độ bền kéo giảm, độ dẻo tăng - Tăng tốc độ biến dạng làm tăng tính dẻo biến dạng dị hướng - Độ bền mỏi: bị phá hủy mỏi tác dụng tải trọng có chu ky, nhiên giới hạn mỏi nhỏ nhiều so với kim loại - Độ dai va đập: phụ thuộc vào điều kiện tác dụng lực va đập, nhiệt độ kích thước mẫu Nhìn chung độ dai va đập polyme nhỏ - Độ bền xé: lượng cần thiết để xé rách mẫu có kích thước theo tiêu chuẩn, định khả làm việc bao bì, vỏ bọc dây điện * Các tính chất khác: - Tính chất lão hóa: tượng độ cứng tăng dần, dần tính đàn hồi dẻo dẫn tới polyme bị dòn, cứng nứt vỡ theo thời gian Thông dụng ô xy hóa polyme xy khí - Khối lượng riêng: khơng cao 0,9 ÷ 2,2G/cm2 tùy loại - Độ bền riêng (Độ bền kéo/khối lượng riêng): số pôlyme lớn kim loại (Nylon 6,6 có độ bền riêng 71 km) - Tính chất nhiệt: Dẫn nhiệt thấp, thường làm chất cách nhiệt dạng bọt, mút - Tính chất điện: điện trở suất cao 1015-1018 W/cm, chất cách điện tuyệt vời - Tính chất quang: số polyme truyền ánh sang chúng dạng vô định hình (poly cácbonat PC truyền sáng 80%, polyeste PET truyền sáng 90%) 3.4.2 Cao su ứng dụng a.Chất dẻo: loại vật liệu có số lượng sản lượng cao * Khái niệm: Chất dẻo loại vật liệu biến dạng mà khơng bị phá hủy định hình với áp lực thấp * Các chất dẻo thông dụng: - Acrylonitrit - butadien - styren (ABS) tên thương mại: marbon, cycolac, lustran abson Cơng dụng: đệm lót tủ lạnh, đồ chơi, dụng cụ làm vườn - Acrylic (polymetymet-acrylat) PMA, tên thương mại lucite, plexigalass Cơng dụng: kính, cửa máy bay, dụng cụ đo đạc, thiết kế - Flocacbon PTFE hay TFE, tên thương mại teflon TFE, halon TFE Công dụng: van loại, đường ống, đệm chịu hóa chất, chất bọc chống ăn mòn, chi tiết điện tử làm việc nhiệt độ cao TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 128 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở - Polyamit PA, tên thương mại: nylon, zytel, plaskon Công dụng: ổ trượt, bánh răng, bàn chải, tay cầm, vỏ bọc dây điện, dây cáp - Polycacbonat PC, tên thương mại merlon, lexan Công dụng: mặt nạ an tồn, chao đèn, kính, cho phim ảnh - Polystyren PS, tên thương mại styren, luxtrex, rexolite Công dụng: hộp ắc quy, bảng điện nhà, đồ chơi, tường nhà, dụng cụ gia đình - Vinyl PVC, tên thương mại PVC, pliovic, saran, tygon Công dụng: bọc dây điện băng ghi âm, thảm trải sàn nhà, đường ống - Phenolíc: tên thương mại epon, epirez, araldite Công dụng: bọc mô tơ điện, vỏ điện thoại, dụng cụ điện - Polyeste: tên thương mại selectron, laminac, paraplex Công dụng: số chi tiết trongô tô, ghế loại, vỏ thân quạt điện, thuyền composit, mặt nạ - Silicon: tên thương mại nhựa DC Công dụng: vật liệu cách điện nhiệt độ cao b) Elastome: Thông dụng loại cao su tổng hợp: cao su styren – butadien (SBR), nitrit-butadien (NBR), cao su silicon - Polyisopren: tên thương mại cao su tự nhiên (NR) Copolymestyren - butadien: tên thương mại GRB, buna S (SBR) Công dụng: săm, lốp, ống, đệm - Copolyme acrilontrit - butadien: tên thương mại buna A, nitril (NBR) Công dụng: Ống mềm dùng dầu hỏa, hóa chất, dầu mỡ, đế gót giày - Clopren: tên thương mại neopren (CR) Công dụng: bọc dây cách điện, thiết bị hóa chất, băng chuyền, loại ống, đệm - Polysiloxan: tên thương mại silicon Công dụng: cách điện nhiệt độ cao, thấp Dùng y tế, chất tram đường ống công nghiệp thực phẩm 3.5 Vật liệu Compozit 3.5.1 Khái niệm Compozit a) Khái niệm: Vật liệu compo zit loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu khác kết hợp lại, ưu điểm loại kết hợp với tạo nên chất lượng hoàn toàn mà đứng riêng lẻ khơng loại vật liệu thành phần đáp ứng b) Đặc điểm phân loại: - Đặc điểm: + Là vật liệu nhiều pha, pha rắn khác chất, khơng hịa tan lẫn phân cách ranh giới pha Phổ biến loại compozit hai pha: pha liên tục toàn khối gọi nền, pha phân bố gián đoạn, bao bọc gọi cốt + Trong vật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, phân bố cốt tuân theo quy luật thiết kế + Tính chất pha thành phần kết hợp lại để tạo nên tính chất chung TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 129 Mơn học: Vật liệu khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở composit Ta lựa chọn tính chất tốt để phát huy thêm - Phân loại: * Phân loại theo chất nền: + Composit chất dẻo (composit polymerit) + Composit kim loại (composit metallit) + Composit gốm (Composit céramic) + Composit hỗn hợp hai hay nhiều pha * Phân loại theo hình học cốt đặc điểm cấu trúc: c) Tính chất vật liệu composit: * Cơ tính riêng: Ta khảo sát chịu kéo dọc, tâm (hình vẽ) Quan hệ giưa lực P biến dạng ∆l biểu diễn sau: Trong đó: - E mơđun đàn hồi vật liệu (môđun Young) - F tiết diện ngang - l chiều dài - ∆l độ dãn dài tuyệt đối Độ cứng kéo (nén) EF/l đặc trưng cho tính chất học miền đàn hồi * Cơ tính riêng vật liệu: Khơng sử dụng trực tiếp sợi cốt đường kính chúng quỏ nh (10 ữ 20àm) nờn phi trn si vi nhựa polyme (nền) để vật liệu composit cốt sợi Nền có tác dụng liên kết, bảo vệ truyền lực cho sợi Quan trọng tìm vật liệu vừa có mơ đun cao, khối lượng riêng nhỏ giá thành hợp lý 3.5.2 Compozit hạt cốt sợi a) Composit hạt: Cấu tạo gồm phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố Các phần tử cốt pha cứng bền nền: ô xyt, nitrit, bit - Composit hạt thô polyme: hạt cốt thạch anh, thủy tinh, stêalit, ôxyt nhôm Được sử dụng phổ biến đời sống: cửa, tường ngăn, trần nhà - Composit hạt thô kim loại: hạt cốt phần tử cứng: WC, TiC, TaC Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khn kéo, khn dập Ngồi cịn có hợp kim giả: WCu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag sử dụng kỹ thuật điện - Composit hạt thô gốm: điển hình bê tơng Cốt tập hợp hạt rắn:đá, sỏi liên P=(EF/l)l∆ kết xi măng.Bê tông atphan (nền xi măng atphan) dùng rải đường, làm cầu, Sơ đồ phân bố cốt sợi 130 a) Một chiều TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT Mơn song học: song Vật liệu khí b) Ngẫu nhiên, rối mặt c) Dệt hai chiều vng góc mặt Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn sở cống Bê tông với xi măng pooc lăng sử dụng rộng rãi xây dựng nhà cửa, cơng trình - Composit hạt mịn: phần tử cốt có kích tước nhỏ < 0,1 m m, cứng ổn định nhiệt cao, phân bố kim loại hay hợp kim, sử dụng lĩnh vực nhiệt độ cao b) Composit sợi: Là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, nghiên cứu sử dụng phổ biến Cấu tạo gồm cốt dạng sợi phân bố theo quy luật thiết kế Gồm loại sau đây: - Composit sợi thủy tinh: loại vật liệu thông dụng nhất, cốt sợi thủy tinh, polieste, dùng bakêlit Công dụng:mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ - Composit sợi bon: Cốt sợi bon, hay sợi bon thủy tinh Nền êpôxiphê non, polieste hay bon Công dụng: thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt động cơ, đĩa ma sát - Composit sợi hữu cơ: Cốt sợi polime, polime Công dụng: vật liệu cách nhiệt, cách điện, kết cấu ô tô, máy bay TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ GTVT 131 Mơn học: Vật liệu khí