Chương 1 - Cấu tạo tinh thể của vật liệu

TRƯờng đại học công nghiệp VIN K THUT O0o BàI GIảNG vật liệu KỸ THUẬT c¬ khÝ GV: ĐẶNG KHÁNH NGỌC VIỆN KỸ THUẬT 18/02/2020 12:00 CH TÀI LIỆU THAM KHẢO Vật liệu học – Lê Công Dưỡng – NXB KHKT Hà Nội 1997 Kim loại học nhiệt luyện – Nghiêm Hùng – Hà Nội 1979 Sách tra cứu thép, gang thông dụng – Nghiêm Hùng – ĐHBK HN 1999 Công nghệ nhiệt luyện – Phạm Minh Phương, Tạ Văn Thất – NXB GD 2000 18/02/2020 12:00 CH NéI DUNG CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liệu ChƯơng 2: cấu tạo pha giản đồ tT CHƯƠNG 3: gang Chơng 4: thép CHƯƠNG 5: kim loại hợp kim màu CHƯƠNG 6: vật liệu phi kim loại CHƯƠNG 7: Vật liệu bột composit 18/02/2020 12:00 CH MỞ ĐẦU MÔ TẢ MÔN HỌC - Vật liệu kỹ thuật khí mơn học khoa học sử dụng thành tựu khoa học hoá học, vật lý, hoá lý nhiều ngành khoa học khác để nghiên cứu mối quan hệ tổ chức tính chất vật liệu, từ đề phương pháp chế tạo sử dụng thích hợp - Ngày nay, vật liệu kim loại cịn chiếm vị trí chủ chốt ngành chế tạo máy song bên cạnh cịn có vật liệu khác: ceramic, polyme, composite nên mơn học này, ngồi gang, thép, kim loại màu cịn đề cập đến vật liệu phi kim vật liệu kết hợp nhằm cung cấp thêm cho em nguồn lựa chọn vật liệu thiết kế, chế tạo chi tiết máy 18/02/2020 12:00 CH MỞ ĐẦU YÊU CẦU MÔN HỌC -Người học phải dự học đầy đủ buổi lên lớp làm bài, học đầy đủ nhà * Về kiến thức: - Có kiến thức cấu tạo tinh thể chất kim loại, phi kim; - Phân biệt quy trình nhiệt luyện kim loại hợp kim; - Giải thích tượng thay đổi tính xảy nhiệt luyện * Về kỹ năng: -Chọn vật liệu thiết kế chế tạo máy; -Lựa chọn phương pháp nghiên cứu tổ chức vật liệu; - Chọn phương pháp thử tính vật liệu; - Sử dụng phần mềm tra mác vật liệu; -Lập quy trình nhiệt luyện chi tiết máy 18/02/2020 12:00 CH MỞ ĐẦU CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC - Để học tốt môn học này, sinh viên cần ôn tập học, trả lời câu hỏi, làm tập đầy đủ, đọc trước tìm thêm thơng tin liên quan đến học - Đối với học, sinh viên đọc trước mục tiêu, tóm tắt học sau đọc nội dung học Kết thúc học, sinh viên trả lời câu hỏi ôn tập, làm tiểu luận sưu tầm vật liệu PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC Mơn học đánh giá gồm: - Điểm trình: 30% - Điểm thi: 70% + Hình thức thi tự luận, thời gian thi: 90 phút + Nội dung thi: Kiến thức học 50% số điểm, 20% dành cho nội dung vận dụng sáng tạo kiến thức học để phân tích, cải tiến chi tiết máy thay đổi vật liệu cho tiêu chí: Rẻ hơn, tốt hơn, đẹp 18/02/2020 12:00 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 18/02/2020 12:00 CH KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  Vật liệu kim loại: tổ hợp chủ yếu ngun tố kim loại Các tính chất điển hình VLKL: ◦ - Đắt đắt ◦ - Dẫn điện, dẫn nhiệt cao ◦ - Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường qua, dẻo dễ biến dạng( cán, kéo, rèn, ép) ◦ - Có độ bền học hóa học VLKL thông dụng: thép, gang, đồng, nhôm, titan, niken…., hợp kim chúng 18/02/2020 12:00 CH KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  Ceramic( Vật liệu vô cơ-VLVC): có nguồn gốc vơ hợp chất kim loại, silic với kim (oxit, nitrit, cacbit) gồm khoáng vật đất sét, xi măng, thủy tinh Các tính chất điển hình VLVC ceramic là: ◦ - Rẻ rẻ ◦ - Khá nặng ◦ - Dẫn điện, nhiệt kém( cách điện, cách nhiệt) ◦ - Cứng, giòn, bền nhiệt độ cao 18/02/2020 12:00 CH KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  Polyme( Vật liệu hữu cơ) có nguồn gốc hữu mà thành phần chủ yếu cacbon, hydro kim có cấu trúc đại phân tử: ◦ - Rẻ rẻ ◦ - Dẫn nhiệt dẫn điện ◦ - Khối lượng riêng nhỏ ◦ - Dễ uốn dẻo đặc biệt nhiệt độ cao ◦ - Bền hóa học nhiệt độ thường khí quyển, nóng chảy phân hủy nhiệt độ thấp Compozit: tạo thành kết hợp loại vật liệu Ví dụ: KL- polyme; KL-Ceramic; polyme-ceramic 18/02/2020 12:00 CH Mạng lập phương tâm khối (thể tâm)A2 Số lượng ng tử ô riêng biệt N=9 Số lượng ng tử mạng tinh thể n=2 Thông số mạng a=b=c (1 tsố mạng) Các KL có kiểu mạng Fe, Cr, W, Mo Mạng lập phương tâm mặt(diện tâm) A1 Mạng sáu phương(lục giác) xếp chặt A3 N=14 N=17 n=4 n=6 a=b=c (1 tsố mạng) a=b; c (2 tsố mạng) Fe, Cu, Ni, Al,Pb Zn, Mg, Be, Ti, Co 18/02/2020 12:00 CH Lập phương tâm khối A2 Bán kính nguyên tử rnt  a Lập phương tâm mặt A1 rnt  a Mật độ mặt: n s M s  s nt 100%  83, 4% Smat Sáu phương xếp chặt A3 rnt  78,5% 91% 74% 73% a Mật độ khối Mv  n.v 100%  68% V Ý nghĩa: Ms lớn mặt bền vững Mv: mức độ điền đầy vật chất kiểu mạng, sơ đánh giá khối lượng riêng vật liệu có kiểu mạng 18/02/2020 12:00 CH Trong đó:  Ms: Mật độ nguyên tử mặt;  Mv: Mật độ nguyên tử mạng;  Ns n số nguyên tử thuộc diện tích S mặt tinh thể cho thuộc khối bản;  r: Bán kính nguyên tử;  S: Diện tích mặt tinh thể;  V: Thể tích khối Điểm trống mạng tinh thể: điểm trống mặt mặt 8.1 Mạng lập phương tâm khối A2 a Điểm trống mặt Vị trí: nằm ¼ đường thẳng nối điểm cạnh bên đối diện mặt bên Số lượng: n(4 mặt)=x.y.z - x= ½ phần điểm trống thuộc sở - y=4 số vị trí mặt bên - z= số mặt bên n= ½.4.6=12 điểm trống d tr4 m  0.221d b Điểm trống mặt Vị trí: tâm mặt bên điểm cạnh bên Số lượng: n(8 mặt)=1/2.6 + 1/4.12 =6 d 8m tr  0.154d Ý nghĩa: Các điểm trống định hòa tan nguyên tử khác vào mạng chúng 18/02/2020 12:00 CH 8.2 Mạng lập phương tâm mặt A1 a Điểm trống mặt: b Điểm trống mặt: Vị trí: Nằm ¼ đường chéo tính từ đỉnh Số lượng: n=8 Vị trí: nằm trung tâm khối cạnh bên Số lượng n=1/4.12 + 1= dtr4m  0, 225dngt dtr8m  0, 414dngt Mạng lập phương tâm khối có nhiều điểm trống tâm mặt kích thước nhỏ 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu III MẠNG TINH THỂ ĐIỂN HÌNH - Mạng phƣơng thể tâm - Là mạng lập phương thể tâm có cạnh kéo dài(c) - Các kim loại thường khơng có kiểu mạng này, song mạng mactenxit, tổ chức quan trọng nhiệt luyện thép - Mạng phương thể tâm có hai thơng số mạng a c, tỷ số c/a gọi độ phương 18/02/2020 12:00 CH IV SAI LỆCH MẠNG Mạng tinh thể xét hoàn tồn 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 khơng 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 18/02/2020 12:00 CH Điểm trống Nguyên tử xen kẽ Nguyên tử tạp chất Mạng tinh thể hoàn chỉnh Khuyết tật Sai lệch đường Lệch biên Lệch xoắn Ảnh hưởng SLM làm thay đổi tính chất tinh thể, dẫn đến thay đổi tính chất vật liệu Vi dụ: Fe có  blt  13000MN / mm ;  btt  250 MN / mm 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu V ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ 5.1 ĐƠN TINH THỂ -Vật rắn đơn tinh thể có mạng thống phương khơng thay đổi tồn thể tích( muối ăn thạch anh, kim cương) - 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 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu V ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ 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 - Đăc điểm: + Mạng tinh thể hạt có trật tự + Các hạt đa tinh thể có phương mạng xếp nên đa tinh thể có tính đẳng hướng.(các tính chất chúng theo hướng giống nhau) + Vùng biên giới hạt ngun tử xếp khơng có trật tự chịu ảnh hưởng hạt xung quanh 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liÖu V ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ 5.2 ĐA TINH THỂ Mơ hình đơn tinh thể đa tinh thể: a) Đơn tinh thể b) Đa tinh thể ; c) Anh tế vi mẫu đa tinh thể sau tẩm thực 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu VI CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ TÍNH Cơ tính : đặc trưng học biểu thị khả kim loại, hợp kim chịu tác dụng loại tải trọng Các đặc trưng bao gồm: 6.1 ĐỘ BỀN - Độ bền khả kim loại chịu tác dụng ngoại lực mà không bị phá hỏng Độ bền kim loại xác định thử nghiệm điều kiện tải trọng tĩnh ngắn hạn ( với trạng thái lực tác động : kéo, nén, uốn, xoắn…) 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu VI CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ TÍNH 6.1 ĐỘ BỀN - Giới hạn đàn hồi đh( đọc xích ma ) ứng suất lớn tác dụng lên mẫu tác động lực Fđh ,mà bỏ lực mẫu khơng bị thay đổi hình dáng, kích thước (khơng có biến dạng dư) đh= Fđh/So [MPa] - Giới hạn chảy c:là ứng suất tối thiểu mà xảy q trình chảy dẻo c = Fc/S0 [MPa] - Giới hạn bền kéo k :là ứng suất tối đa mà mẫu chịu trước bị phá huỷ đứt k = Fk/S0 [MPa] S0 : diện tích tiết diện mẫu ban đầu 1Pa= 1N/m2 1MN/m2=1MPa 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu VI CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ TÍNH 6.2 ĐỘ DẺO (%) khả vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà khơng bị phá hủy chịu lực tác dụng bên -6.3 ĐỘ DAI VA ĐẬP (ak) -Là khả vật liệu chịu tải trọng va đập mà không bị phá hủy -Là 18/02/2020 12:00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu VI CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ TÍNH 6.4 ĐỘ CỨNG HB ; HRC; HV Là khả vật liệu chống biến dạng dẻo cục có vật khác cứng tác dụng lên bề mặt Độ cứng Brinen: HB Độ cứng Rôcwel: HR (HRA, HRB, HRC) Độ cứng Vicke: HV - Loại độ cứng dễ cắt gọt dập nguội: Trị số nhỏ 220HB, 20HRC, 100HRB - Loại độ cứng trung bình: Trị số khoảng 250-450HB, 25-45HRC - Loại độ cứng cao: Trị số khoảng 50-64HRC - Loại độ cứng cao: Trị số lớn 64HRC, 84 HRA 18/02/2020 12:00 CH ... 18 /02/2020 12 :00 CH CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu V ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ 5.2 ĐA TINH THỂ Mô hình đơn tinh thể đa tinh thể: a) Đơn tinh thể b) Đa tinh thể ; c) Anh tế vi mẫu đa tinh thể. .. 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 18 /02/2020 12 :00 CH KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU  Vật liệu. .. NXB GD 2000 18 /02/2020 12 :00 CH NéI DUNG CHƢƠNG 1: cấu trúc tinh thể vật liệu ChƯơng 2: cấu tạo pha giản đồ tT CHƯƠNG 3: gang Chơng 4: thép CHƯƠNG 5: kim loại hợp kim màu CHƯƠNG 6: vật liệu phi