Đề cương bài giảng vật liệu học cơ khí

Vật liệu học Cơ khí MỤC LỤC MỤC LỤC Bài mở đầu: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HỌC Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử 1.2 Sắp xếp nguyên tử vật chất 11 1.2.1 Không trật tự hoàn toàn – chất khí 11 1.2.2 Trật tự lý tƣởng – chất rắn tinh thể 11 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình vi tinh thể 11 1.3 Khái niệm mạng tinh thể 12 1.3.1 Tính đối xứng tinh thể 12 1.3.2 Ô sở – ký hiệu phƣơng, mặt 12 1.3.3 Mật độ nguyên tử 13 1.4 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 14 1.4.1 Cấu trúc tinh thể chất rắn với liên kết KL (KL nguyên chất) 14 1.4.2 Mạng tinh thể vật rắn có liên kết đồng hoá trị 15 1.4.3 Mạng tinh thể vật rắn có liên kết ion 17 1.4.5 Dạng thù hình 17 1.5 Sai lệch mạng tinh thể 18 1.5.1 Sai lệch điểm 18 1.5.3 Sai lệch mặt 19 1.6 Đơn tinh thể đa tinh thể 20 1.6.1 Đơn tinh thể 20 1.6.2 Đa tinh thể 20 1.7 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 20 1.7.1 Điều kiện xảy kết tinh 20 1.7.2 Hai trình kết tinh 21 1.7.3 Sự hình thành hạt 23 1.7.4 Các phƣơng pháp tạo nhỏ hạt đúc 23 1.7.5 Cấu tạo tinh thể thỏi đúc 25 Chương 2: BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH 27 2.1 Biến dạng dẻo phá huỷ 27 2.1.1 Khái niệm 27 2.1.2 Trƣợt đơn tinh thể 28 2.1.3 Trƣợt đa tinh thể 29 2.1.4 Phá huỷ 30 2.2 Các đặc trƣng tính thông thƣờng ý nghĩa 31 2.2.1 Độ bền (tĩnh) 31 2.2.2 Độ dẻo 33 2.2.3 Độ dai va đập 33 Vật liệu học Cơ khí 2.2.4 Độ cứng 34 2.3 Nung KL qua biến dạng dẻo-thải bền-biến dạng nóng 36 2.3.1 Trạng thái KL qua biến dạng dẻo 36 2.3.2 Các giai đoạn chuyển biến nung 36 2.3.3 Biến dạng nóng 37 Chƣơng 3: HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA 38 3.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 38 3.1.1 Khái niệm hợp kim 38 3.1.2 Dung dịch rắn 39 3.2 Giản đồ pha hai cấu tử 41 3.2.1 Quy tắc pha ứng dụng 41 3.2.2 Giản đồ pha công dụng 42 3.2.3 Giản đồ loại I 43 3.2.4 Giản đồ loại II 44 3.2.5 Giản đồ loại III 45 3.2.6 Giản đồ loại IV 45 3.2.7 Quan hệ giản đồ pha tính chất hợp kim 46 3.3 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3 C) 47 3.3.1 Tƣơng tác Fe C 47 3.3.2 Giản đồ pha Fe - Fe3 C tổ chức 48 3.3.3 Phân biệt thép gang giản đồ 52 Chƣơng 4: NHIỆT LUYỆN THÉP 54 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 54 4.1.1 Sơ lƣợc nhiệt luyện 54 4.1.2 Tác dụng nhiệt luyện sản xuất khí 55 4.2 Các tổ chức đạt đƣợc nung nóng làm nguội thép 55 4.2.1 Các chuyển biến xảy nung nóng thép – Sự tạo thành austenit 55 4.2.4 Các chuyển biến austenit làm nguội nhanh – Chuyển biến mactenxit 60 4.2.5 Chuyển biến nung nóng thép 62 4.3 Ủ thƣờng hoá 64 4.3.1 Ủ thép 64 4.3.2 Thƣờng hoá thép 66 4.4 Tôi thép 66 4.4.1 Định nghĩa mục đích 66 4.4.2 Chọn nhiệt độ thép 67 4.4.3 Tốc độ tới hạn độ thấm 68 4.4.4 Các phƣơng pháp thể tích công dụng Các môi trƣờng 69 4.4.5 Cơ nhiệt luyện thép 72 4.5 Ram thép 72 4.5.1 Mục đích ý nghĩa 72 4.5.2 Các phƣơng pháp ram 72 4.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép 73 Vật liệu học Cơ khí 4.6.1 Biến dạng nứt 73 4.6.2 Ôxy hoá thoát bon 74 4.6.3 Độ cứng không đạt 74 4.6.4 Tính giòn cao 74 4.7 Hoá bền bề mặt 75 4.7.1 Khái niệm hoá bền bề mặt 75 4.7.2 Tôi bề mặt nhờ nung nóng cảm ứng điện 75 4.7.3 Hoá - nhiệt luyện 75 Chương 5: THÉP VÀ GANG 79 5.1 Khái niệm thép bon thép hợp kim 79 5.1.1 Thép bon 79 5.1.2 Thép hợp kim 83 5.2 Thép xây dựng 89 5.2.1 Đặc điểm chung – phân loại 89 5.2.2 Thép thông dụng 90 5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA 91 5.2.4 Thép làm cốt bêtông 91 5.3 Thép chế tạo máy 92 5.3.1 Các yêu cầu chung 92 5.3.2 Thép thấm cácbon 94 5.3.3 Thép hoá tốt 96 5.3.4 Thép đàn hồi 98 5.3.5 Các thép kết cấu có công dụng riêng 99 5.4 Thép dụng cụ 101 5.4.1 Các yêu cầu chung 101 5.4.2 Thép làm dụng cụ cắt 102 5.4.3 Thép làm dụng cụ đo 105 5.4.4 Thép làm dụng cụ biến dạng nguội 105 5.4.4 Thép làm dụng cụ biến dạng nóng 106 5.5 Thép hợp kim đặc biệt 108 5.5.1 Đặc điểm chung phân loại 108 5.5.2 Thép không gỉ 108 5.5.3 Thép bền nóng 109 5.5.4 Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dƣới tải trọng va đập (thép Hađfiel) 110 5.6 Gang 110 5.6.1 Đặc điểm chung loại gang chế tạo máy 110 5.6.2 Gang xám 112 5.6.3 Gang cầu 113 5.6.4 Gang dẻo 114 Chương : HỢP KIM MÀU VÀ BỘT 116 6.1 Hợp kim nhôm 116 6.1.1 Nhôm nguyên chất phân loại nhôm 116 Vật liệu học Cơ khí 6.1.2 HK nhôm biến dạng không hoá bền nhiệt luyện 117 6.1.3 Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền nhiệt luyện 118 6.1.4 Hợp kim nhôm đúc 119 6.2 Hợp kim đồng 120 6.2.1 Đồng nguyên chất phân loại hợp kim đồng 120 6.2.2 Latông 121 6.2.3 Brông 122 6.2.4 Hợp kim Cu - Ni Cu - Zn – Ni 122 6.3 Hợp kim ổ trƣợt 122 6.3.1 Yêu cầu hợp kim làm ổ trƣợt 122 6.3.2 Hợp kim ổ trƣợt có nhiệt độ chảy thấp 123 6.3.3 Hợp kim nhôm 123 6.3.4 Các hợp kim khác 123 6.4 Hợp kim bột 124 6.4.1 Khái niệm chung 124 6.4.2 Vật liệu cắt mài 124 Chƣơng 7: CERAMIC (Vật liệu vô cơ) 127 7.1 Khái niệm chung 127 7.1.1 Bản chất phân loại 127 7.1.2 Liên kết nguyên tử 127 7.1.3 Trạng thái tinh thể trạng thái vô định hình 128 7.1.4 Cơ tính 128 7.2 Gốm vật liệu chịu lửa 129 7.2.1 Bản chất phân loại 129 7.2.2 Gốm silicát 129 7.2.3 Gốm ôxyt 130 7.3 Thuỷ tinh gốm thuỷ tinh 131 7.3.1 Bản chất phân loại 131 7.3.2 Thuỷ tinh thông dụng 132 7.3.3 Các thuỷ tinh khác 132 7.3.4 Gốm thuỷ tinh 132 Chƣơng 8: VẬT LIỆU POLYME 133 8.1 Khái niệm chung 133 8.2 Cấu trúc phân tử 133 8.2.1 Phân tử hyđrôcacbon 133 8.2.2 Phân tử polyme 133 8.2.3 Cấu trúc mạch polyme 135 8.2.4 Cấu trúc tinh thể polyme 136 8.3 Tính chất polyme 137 8.4 Các loại VL polyme ứng dụng 138 8.4.1 Phân loại 138 8.4.2 Phối liệu polyme 139 8.4.3 Các loại VL polyme - ứng dụng 139 Vật liệu học Cơ khí Chƣơng 9: COMPOZIT 142 9.1 Khái niệm compozit 142 9.1.1 Đặc điểm phân loại 142 9.1.2 Liên kết – cốt 142 9.2 Compozit hạt 143 9.2.1 Compozit hạt thô 143 9.2.1 Compozit hạt mịn 143 9.3 Compozit cốt sợi 143 9.4 Compozit cấu trúc 145 9.4.1 Compozit dạng lớp 145 9.4.2 Compozit cấu trúc ba lớp (panel sandwich) 145 Vật liệu học Cơ khí Bài mở đầu: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HỌC Vật liệu học khoa học nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc tính chất VL, sở tìm biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất sử dụng thích hợp ngày tốt Khái niệm VL VL để vật rắn mà ngƣời sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng để thay phận thể thể ý đồ nghệ thuật Đối tƣợng nghiên cứu môn học vật rắn Theo cấu trúc - tính chất đặc trưng phân bốn nhóm VL sau: KIM LOẠI COMPZIT HỮU CƠ - POLYME VÔ CƠ CERAMIC H 0.1 Sơ đồ minh hoạ nhóm VL quan hệ chúng: bán dẫn, siêu dẫn, silicon, polyme dẫn điện VL kim loại Thƣờng tổ hợp chủ yếu nguyên tố KL, có nhiều điện tử chung không thuộc nguyên tử Có tính chất điển hình: - dẫn nhiệt, dẫn điện cao, - có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng qua, - dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn ,ép), - có độ bền học, bền hoá học VL vô (ceramic) Có nguồn gốc vô cơ, hợp chất KL, silic với kim (ôxyt, nitrit, cacbit), gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thuỷ tinh Có tính chất điển hình: - dẫn nhiệt, dẫn điện (cách nhiệt cách điện), - cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hoá học VL KL hữu VL hữu (polyme) Phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hoá học chủ yếu cacbon, hyđrô kim, có cấu trúc đại phân tử Có tính chất điển hình: - dẫn điện kém, khối lƣợng riêng nhỏ, - dễ uốn dẻo, đặc biệt nhiệt độ cao, - bền vững hoá học nhiệt độ thƣờng khí quyển; nóng chảy, phân huỷ nhiệt độ tƣơng đối thấp Compozit Đƣợc tạo thành kết hợp hai hay ba loại VL kể trên, mang hầu nhƣ đặc tính tốt VL thành phần VD bêtông cốt thép (vô - Vật liệu học Cơ khí KL) vừa chịu kéo tốt (nhƣ thép) lại chịu nén cao (nhƣ bêtông) Hiện dùng phổ biến loại compozit hệ kép: KL - polyme, KL - ceramic, polyme - ceramic với tính chất lạ, hấp dẫn Ngoài nhóm phụ khó ghép vào bốn loại trên: - bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian KL ceramic (nhóm đầu gần với KL, nhóm sau gần với ceramic), - silicon nằm trung gian VL vô với hữu (gần với VL hữu hơn) Vai trò VL - Muốn thực giá trị vật chất phải thông qua sử dụng VL cụ thể, nhƣ để chế tạo máy móc, ôtô, lƣợng phải có KL HK; thiết bị, đồ dùng điện tử phải có chất bán dẫn; xây dựng nhà cửa, công trình phải có ximăng thép; đồ dùng hàng ngày thƣờng chất dẻo; máy bay, xe đua cần compozit, tƣợng đài thƣờng HK đồng - thiếc - Sự phát triển xã hội loài người gắn liền với phát triển công cụ sản xuất kỹ thuật mà hai điều định phần lớn nhờ VL Xã hội loài ngƣời phát triển qua thời kỳ khác gắn liền với VL để chế tạo công cụ Hiện VLKL thực đóng vai trò định tiến hoá loài ngƣời KL HK chiếm vị trí chủ đạo chế tạo công cụ máy móc thƣờng: công cụ cầm tay, máy công cụ, máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, đƣờng sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt sản xuất vũ khí Tóm lại VLKL có tầm quan trọng hàng đầu sản xuất khí, giao thông vận tải, lƣợng, xây dựng quốc phòng Chất dẻo - polyme từ kỷ trƣớc trở thành nhóm VL mới, đóng vai trò ngày quan trọng chiếm tỷ lệ ngày cao đời sống hàng ngày nhƣ thiết bị máy móc VL vô - ceramic có lịch sử lâu đời (từ thời kỳ đồ đá) Trong trình phát triển, VL đƣợc sử dụng cách phổ biến, rộng rãi xây dựng đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ đến ximăng - bê tông, thuỷ tinh, VL chịu lửa ceramic đại thuỷ tinh siêu làm cáp quang VL compozit phát triển mạnh năm gần đây, đáp ứng đƣợc yêu cầu cao chế tạo máy mà ba loại VL đƣợc nhƣ nhẹ lại bền Tƣơng lai VL tạo thay đổi quan trọng ngành khí Đối tƣợng VL học cho ngành khí Quan hệ cấu trúc - tính chất hay phụ thuộc tính chất VL vào cấu trúc nội dung toàn môn học Cấu trúc (hay tổ chức) xếp thành phần bên trong, bao gồm cấu trúc vĩ mô vi mô • Cấu trúc vĩ mô (tổ chức thô đại): hình thái xếp phần tử lớn với kích thƣớc quan sát đƣợc mắt thƣờng (tới giới hạn khoảng 0,3 mm), kính lúp (0,01 mm) • Cấu trúc vi mô: hình thái xếp phần tử nhỏ, không quan sát đƣợc mắt hay kính lúp Nó bao gồm: - Tổ chức tế vi hay vi mô hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tử với kích thƣớc cỡ micromet hay cỡ hạt tinh thể với giúp đỡ kính hiểm vi quang học hay kính hiển vi điện tử Vật liệu học Cơ khí - Cấu tạo tinh thể hình thái xếp tƣơng tác nguyên tử không gian, dạng khuyết tật mạng tinh thể Để làm đƣợc việc phải sử dụng tới phƣơng pháp nhiễu xạ tia rơnghen nhƣ số kỹ thuật khác Các tiêu chuẩn - Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN: Dùng từ ký hiệu để mã hoá HK đƣợc qui định tổng quát TCVN 1759 - 75 ( dựa theo tiêu chuẩn ГOCT) - Tiêu chuẩn Liên xô hay tiêu chuẩn Nga ГOCT - Các tiêu chuẩn VLKL phổ biến giới Mỹ theo hệ thống: ASTM, AI SI, SAE, A A, CDA, ACI, UNS - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS thông dụng châu Á giới - Tiêu chuẩn châu Âu EN nƣớc châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh BS Vật liệu học Cơ khí Chương 1: CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử (tự đọc- tự nghiên cứu) 1.1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử Nguyên tử hệ thống bao gồm: Hạt nhân mang điện dƣơng điện tử (electron) bao quanh mang điện âm mà trạng thái bình thƣờng đƣợc trung hoà điện Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dƣơng) nơtrôn (không mang điện) Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo mức lƣợng từ thấp đến cao 1.1.2 Các dạng liên kết nguyên tử Dạng liên kết khác nguyên nhân tạo nên tính khác loại VL a Liên kết đồng hoá trị Đƣợc tạo hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung số điện tử hoá trị để có đủ tám điện tử lớp VD: Mêtan (CH4) (H1.1) điên tử góp H điên tử góp chung C H1.1 Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hoá trị - Liên kết đồng hoá trị loại liên kết mạnh, cường độ phụ thuộc vào đặc tính liên kết điện tử hoá trị với hạt nhân VD: cacbon có điện tử có điện tử hoá trị hầu nhƣ liên kết trực tiếp với hạt nhân, dạng kim cƣơng có cƣờng độ liên kết mạnh - T nóng chảy tới 35500C; thiếc có tới 50 điện tử nhƣng có điện tử hoá trị nằm xa hạt nhân nên có liên kết yếu với hạt nhân - T nóng chảy tới 2700C - Liên kết đồng hoá trị loại có liên kết định hướng điện tử tham gia liên kết lớn theo phƣơng nối tâm nguyên tử b Liên kết ion Xảy nguyên tử có điện tử hoá trị dễ cho bớt để tạo thành ion dƣơng với nguyên tử có nhiều điện tử hoá trị dễ nhận thêm điện tử để trở thành ion âm - Liên kết ion loại liên kết mạnh, mạnh nguyên tử chứa điện tử, tức điện tử cho nhận nằm gần hạt nhân - Liên kết ion loại không định hướng, thể tính giòn cao H1.2 biểu diễn liên kết ion phân tử LiF c Liên kết kim loại Liên kết KL liên kết đặc trƣng cho VLKL, định tính chất đặc trƣng VL Đƣợc hình dung nhƣ: Vật liệu học Cơ khí Các ion dương tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự “chung” Năng lượng liên kết tổng hợp (cân bằng) lực hút (giữa ion dương điện tử tự bao quanh) lực đẩy (giữa ion dương) Nhờ cân nguyên tử, ion KL luôn có vị trí cân xác định đám mây điện tử Liên kết thƣờng tạo KL có điện tử hoá trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt khỏi nguyên tử trở nên tự do, tạo nên ―mây‖ hay ―biển‖ điện tử ion dƣơng Li F mây điện tử Li+ + + + + + + + + + + + + + + + + F- H1.2 Sơkết đồ biểu liên kết phânchất tử LiF H 1.3 Sơ đồ biểu diễn liên kết KL Liên diễn tạo cho KLion có tính điển hình: - Ánh kim hay vẻ sáng Bề mặt KL (khi chƣa bị ôxi hoá) sáng bị ánh sáng chiếu vào, điện tử tự nhận lƣợng bị kích thích, có mức lƣợng cao song không ổn định, trở mức cũ phát sóng ánh sáng - Dẫn nhiệt dẫn điện cao Nhờ có điện tử tự dễ chuyển động định hƣớng dƣới hiệu điện làm KL có tính dẫn điện cao Tính dẫn nhiệt cao đƣợc giải thích truyền động điện tử tự ion dƣơng - Tính dẻo Là đặc tính quan trọng, nhờ có mà KL cán, dát mỏng thành tấm, lá, cán kéo thành sợi, dây, Sự có mặt điện tử tự nguyên nhân tính dẻo cao Dƣới tác dụng học, ion dƣơng KL dễ dịch chuyển lớp đệm mây điện tử, KL bị biến hình (tức ion chuyển chỗ) liên kết KL đƣợc bảo tồn vị trí tƣơng quan ion dƣơng điện tử tự không thay đổi Ngoài KL có cấu tạo mạng đơn giản xít chặt, mặt tinh thể có mật độ chênh lệch nhau, dƣới tác dụng học mặt dày đặc có liên kết bền hơn, dễ dàng trƣợt lên d Liên kết hỗn hợp Trong chất, VL thông dụng không mang tính chất tuý loại liên kết nào, mà mang tính hỗn hợp nhiều loại, nhƣ KL có liên kết đồng hoá trị e Liên kết yếu (Van der Walls) Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hoá trị, khác tính âm điện nguyên tử, trọng tâm điện tích dƣơng điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện đƣợc tạo thành phân tử bị phân cực Liên kết yếu hiệu ứng hút nguyên tử hay phân tử bị phân cực nhƣ Liên kết yếu, dễ bị phá vỡ tăng nhiệt độ nên VL có liên kết có nhiệt độ chảy thấp 10 Vật liệu học Cơ khí 7.3.2 Thuỷ tinh thông dụng Là loại thƣờng gặp dƣới tên kính với thành phần: SiO2 (65 - 75%), CaO (8 - 15%), Na2O (12 - 18%), (do có tên silicat - SiO2 - kiềm - Na, kiềm thổ - Ca) với nguyên liệu cát trắng (cung cấp SiO2), đá vôi (CaO), đôlômit (CaO MgO), sôđa (Na2O) Sô đa cho vào để làm giảm nhiệt độ nấu chảy hỗn hợp, để điều chỉnh tính chất có thêm K2O, Al2O3, BaO, B2O3 Để tạo độ suốt cao phải khử triệt để ôxyt sắt nguyên liệu (< 0,1% Fe2O3 với thuỷ tinh không màu,