Đang tải... (xem toàn văn)
(NB) Giáo trình Vật liệu cơ khí cung cấp các kiến thức cơ bản như: Giới thiệu về môn vật liệu cơ khí; Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim; Hợp kim sắt-cacbon; Vật liệu phi kim loại; Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của KL và HK;...
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ: CHẾ TẠO KHN MẪU TRÌNH ĐỘ:CDNTCN Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐCĐN… ngày…….tháng….năm . ………… của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR VT VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 1 Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 2 LỜI NĨI ĐẦU Trong thời kỳ cơng nghiệp hóa , hiện đại hóa của nước ta nói chung và của Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu nói riêng , cơng tác đào tạo nguồn nhân lực cho các khu cơng nghiệp có vai trị hết sức quan trọng , là yếu tố cơ bản để phát triển xã hội và tăng trưởng nhanh và bền vững Qn triệt chủ trương nghị quyết , Tỉnh Đảng bộ Bà Rịa – Vũng tàu lần thứ 5, về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực cho cơng cuộc cơng nghiệp hóa , hiện đại hóa Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu .và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình giáo trình đối với việc nâng cao chất lượng đào tạo Trên cơ sở Chương trình khung của Bộ LĐTBXH,ban hành và kinh nghiệm thực tế từ q trình đào tạo với sự hợp tác và giúp đỡ nhiệt tình của các chun gia đến từ Nhật bản và sự chỉ đạo trực tiếp của Ban Giám hiệu Trường cao đẳng nghề Bà Rịa – Vũng Tàu , khoa cơ khí tổ chức biên soan giáo trình bộ mơn Vật liệu Cơ khi , một cách khoa học và có hệ thống , cap nhat ki ̀ ̀ ến thức thực tế , phù hợp với đối tượng học sinh học nghề Mơn học vật liệu cơ khí là một mơn học có rất nhiều thơng tin về lý thuyết , và mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn Giáo trình này là tài liệu giảng dạy và học tập cho giáo viên và học sinh nghành cơ khí của Trường cao Đẳng nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu Dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót , bất cập chúng tơi mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cơ và các em học sinh trong nhà Trường để từng bước hồn thiện giáo trình này Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa cơ khí – Trường Cao Đẳng nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu Đ/C: Ấp Thanh Tân – TT Đất Đỏ Huyện Đất Đỏ Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu ĐT:0643.866421 Xin chân thành cảm ơn ./ Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày 21 tháng 08 năm 2015 Ban biên soạn Trần Bình Minh Nguyễn Hữu Tuấn VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 3 MỤC LỤC Lời nói đầu Mục lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MƠN VẬT LIỆU CƠ KHÍ 1. Khái niệm về vật liệu và vai trị của vật liệu trong ngành kỹ thuật .4 2. Đối tượng của mơn học cho ngành kỹ thuật 3. Mục đích của mơn học cho ngành kỹ thuật cơ khí 4. Vị trí mơn học 5. Giới thiệu chương trình học PHẦN 1: CƠ SỞ VẬT LIỆU HỌC Chương 2: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim 2.1. Khái niệm về vật liệu cơng nghiệp .8 2.2. Khái niệm về vật liệu kim loại .9 2.3. Cấu tạo về mạng tinh thể và hạt của kim loại 10 2.4. Cách đánh giá cơ tính của kim loại .12 Chương 3: Hợp kim sắt cacbon 15 3.1. Phân loại hợp kim sắt cacbon .15 3.2. Giản đồ trạng thái sắt cacbon 16 3.3. Khái niệm về q trình sản xuất và gia cơng hợp kim sắt cacbon 19 3.4. Sản xuất gang 20 3.5. Sản xuất thép 26 Chương 4: Thép 30 4.1. Thép cacbon 30 4.2. Thép hợp kim 34 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 4 Chương 5: Gang 47 5.1. Thành phần của gang .47 5.2. Tổ chức bên trong của gang 47 5.3. Phân loại gang 48 5.4. Gang Xám .49 5.5. Gang cầu 50 5.6. Gang dẻo 51 5.7. Hợp kim trung gian 52 Chương 6: Hợp kim màu 55 6.1. Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu 55 6.2. Đồng và hợp kim đồng 55 6.3. Nhôm và hợp kim nhôm 58 6.4. Hợp kim cứng 59 6.5. Hợp kim chống masat 59 Chương 7: Nhiệt luyện 61 7.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện .61 7.2. Các hình thức nhiệt luyện .63 Chương 8: Vật liệu phi kim loại .76 8.1. Khái niệm về một số vật liệu phi kim loại 76 8.2. Chất dẻo 76 8.3. Vật liệu composit 79 8.4. Cao su 80 8.5. Amian .81 8.6. Gỗ 81 8.7. Đá mài và bột mài 82 8.8. Vật liệu chịu lửa và chịu nhiệt 87 PHẦN 2: THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC 91 Bài 1: Chuẩn bị mẫu để nghiên cứu tổ chức tế vi của KL và HK 95 Bài 2: Thí nghiệm kéo .102 VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 5 Bài 3: Đo độ cứng và nghiên cứu q trình tơi thép 110 Bài 4: Nghiên cứu tổ chức tế vi của thép sau khi nhiệt luyện 120 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………….127 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MƠN VẬT LIỆU CƠ KHÍ KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ VAI TRỊ CỦA VẬT LIỆU TRONG KỸ THUẬT Vật liệu là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo cơng cụ , máy móc thiết bị, xây dựng cơng trình… Ba nhóm vật liệu dùng phổ biến trong cơng nghiệp là : Vật liệu kim loại, vật liệu vơ cơ và vật liệu hữu cơ – polymer Trong ba nhóm vật liệu kể trên, thì vật liệu kim loại có vai trị quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để tạo ra những cơ cấu máy móc và những cơng trình xây dựng ĐỐI TƯỢNG CỦA VẬT LIỆU HỌC CHO NGÀNH KỸ THUẬT Vật liệu học là mơn học khảo sát bản chất của vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra phương án chế tạo và sử dụng hợp lý Máy móc trong cơ khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết và dụng cụ của nó , do điều kiện làm việc của chúng khác nhau nên địi hỏi các u cầu cơ tính khác nhau. Đặc biệt, để đạt tính cạnh tranh trong nền kinh tế hiện nay thì các sản phẩm cơ khí này vừa phải đạt cơ tính đề ra vừa phải chọn cơng nghệ có chi phí thấp nhất để. Song u cầu cuối cùng của vật liệu vẫn là cấu trúc bên trong của vật liệu MỤC ĐÍCH MƠN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản nhất, cần thiết về vật liệu. Nhờ đó học sinh có thể lựa chọn và sử dụng các loại vật liệu thường dùng trong các loại vật liệu thường dùng trong các thiết bị cơ khí, để đáp ứng tính năng sử dụng , tính cơng nghệ , tính kinh tế đối với từng bộ phận chi tiết khi thay thế hay sửa chữa nó VỊ TRÍ MƠN HỌC Vật liệu cơ khí là mơn học kỹ thuật cơ sở nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản nhất, cần thiết nhất về những loại vật liệu phổ biến thường dùng trong ngành cơ khí VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 6 Nhờ đó học sinh có thể tiếp thu kiến thức các mơn học kỹ thuật cơ sở khác và kiến thức chun mơn sau này để chọn vật liệu thích hợp và sử dụng nó GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH HỌC Mơn học thực hiện gồm 2 phần, phần I gồm 7 chương, từ chương 2 đến chương 8, phần II là phần thực hành các thí nghiệm PHẦN I: VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương 2: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim Chương 3: Hợp kim sắt – các bon Chương 4: Thép Chương 5: Gang Chương 6: Kim loại màu Chương 7: Nhiệt luyện Chương 8: Vật liệu phi kim loại PHẦN II: THỤC HÀNH Bài 1: Giới thiệu về lý thuyết Bài 2: Thí nghiệm kéo Bài 3: Thí nghiệm đo độ cứng Bài 4: Thí nghiệm đo cấu trúc vật liệu sau nhiệt luyện và nhiệt luyện VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 7 PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 8 CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Mục đích Cung cấp những kiến thức cơ bản về tính chất và cấu tạo vật liệu ( đặt biệt cấu tạo của hợp kim) để từ đó xác định được mối quan hệ giữa chúng. Yêu cầu Phân biệt và hiểu được các tính chất Hiểu và nắm chắc định nghĩa, ký hiệu, đơn vị, ý nghĩa các loại cơ tính thường dung trong vật liệu kim loại Hiểu được cấu tạo bên trong của kim loại nguyên chất và hợp kim Hiểu được các dạng cấu tạo của hợp kim 2.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CƠNG NGHIỆP Tất cả các vật liệu dùng trong cơng nghiệp được sử dụng có thể ở cả 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Ở trạng thái rắn như sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao su v.v….Ở trạng thái lỏng như xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.v…Ở trạng thái khí và hơi như hơi nước q nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100oC), khí oxy (O2) và VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 9 axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (CO2) đã được hố lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v… Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng để chế tạo các máy móc, cơng trình, vật dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người có thể chịu được một lực tác dụng nhật định nào đó được gọi là vật liệu kết cấu. Tuỳ thuộc vào cấu tạo bên trong, vật liệu kết cấu lại được chia thành 3 loại: Vật liệu tinh thể, vật liệu vơ định hình và vật liệu gốm. Về tính chất vật lý vật liệu kết cấu lại có thể chia làm 2 loại là vật liệu kim loại và vật liệu phi kim loại (có thể gọi vật liệu khơng kim loại) Vật liệu tinh thể gồm các kim loại ngun chất, các hợp kim và các loại đá, các muối vơ cơ. Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà các ngun tử của chúng ở trạng thái rắn ln ln được sắp xếp theo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh thể. Trong đó các kim loại và hợp kim như sắt, nhơm, đồng , thép, gang, dura có tính kim loại, cịn các loại đá và muối như muối ăn (NaCl), đá vơi (CaCO3), thạch cao (CaSO4) có cấu tạo mạng tinh thể nhưng lại khơng có tính kim loại nên thuộc vật liệu phi kim loại Vật liệu vơ định hình là các vật liệu mà các ngun tử, phân tử của chúng khơng sắp xếp theo mạng tinh thể. Hầu hết các vật liệu phi kim loại (trừ đá và muối) đều ở dạng vơ định hình như gỗ, chất dẻo, thuỷ tinh, vải, amian v.v… Vật liệu gốm là vật liệu mà cấu tạo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa có một phần vật chất dạng vơ định hình. Vật liệu gốm trong thiên nhiên cũng có, nhưng tính chất khơng ổn định nên trong cơng nghiệp ít được dùng. Vật liệu gốm cơng nghiệp chủ yếu là nhân tạo. Để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc phi kim loại người ta chế tạo các hạt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, ép lại thành hình ,một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với nhau tạo thành sản phẩm. Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng có những lỗ hổng (lỗ bộng) chứa khơng khí nên vật liệu gốm bao giờ cũng "xốp" hơn các vật liệu khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu các kim loại và phi kim loại thơng dụng 2.2KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI 2.2.1 Kim loại là gì? Kim loại là các vật liệu có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt; có tính dẻo cao nghĩa là có thể dát mỏng, kéo dài một cách dễ dàng và có một vẻ sáng bên ngồi riêng biệt mà được gọi là "ánh kim" 2.2.2 Phân loại kim loại VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 10 Số đo độ cứng Rockwell được xác định: HR K h 0,002 Trong đó: K là hằng số ứng với từng mũi đâm h là chiều sâu vết lõm (mm) 0,002mm là giá trị 1 vạch của đồng hồ so Máy đo độ cứng Rockwell Đồng hồ hiển thị Mũi đâm Tải trọng Tay quay Bàn mẫu Hình 3. 6 Máy đo độ cứng Rockwell * Các thang đo trên máy Rockwell Thang Loại mũi đâm đo Tải trọng P(N) k HRA Kim cương – nón = 1200 600 100 HRC Kim cương – nón = 1200 1500 100 Bi thép HRB d= =1,58 16" 8mm 1000 130 Phạm vi sử dụng Giới hạn đo cho phép Vật liệu rất cứng (Thép hợp 70 ÷ 85 kim, hợp kim cứng, WC, TiC… Vật liệu cứng (Thép sau 20 ÷ 67 tơi, Martensite) Gần như HB, vật liệu dày, 25 ÷ 100 mỏng Bảng 3.2 Giới hạn đo của các thang Rockwell VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 123 * Phương pháp đo độ cứng Vicker Phương pháp Vicker về ngun lý đo giống như phương pháp Brinen nhưng thay bi thép bằng mũi kim cương hình tháp (Hình5.2 c), có góc giữa hai mặt bên là 1360. Tải trọng sử dụng P = (50 ÷ 1500)N, phụ thuộc chiều dày mẫu đo Độ cứng Vicker được xác định: HV P S Trong đó: P tải trọng (N hay KG) S là diện tích bề mặt vết lõm (mm2) Để thuận tiện, người ta có thể tính S thơng qua Hình 5.7 đường chéo d và = 1360 HV P S PSin d 2 1,854 P d2 Phương pháp đo Vicker thường đo độ cứng các vật mỏng, các lớp thấm. . ., có thể đo được các vật liệu rất mềm hoặc rất cứng Bảng 3.3 Bảng tính độ cứng Brinen và so sánh giữa các loại độ cứng Brinen Rockwell dmm HB 2.0 2.0 2.1 2.1 2.2 Vickker HR HR HR B C A HV dmm H B 3.7 946 26 3.7 898 26 3.8 857 25 3.8 817 782 Brinen 72 89 1220 3.9 VẬT LIỆU CƠ KHÍ 24 24 Rockwell Vickker HR HR HR B C A HV 28 65 272 27 64 261 26 64 255 25 63 250 100 24 63 240 Trang 124 2.2 2.3 2.3 2.4 2.4 2.5 2.5 2.6 2.6 2.7 2.7 2.8 2.8 2.9 2.9 3.0 3.0 3.1 3.1 3.2 3.2 744 69 87 1114 713 67 85 1021 683 65 84 940 652 63 83 867 627 61 82 803 600 59 81 746 578 58 80 694 555 56 79 649 532 54 78 606 512 52 77 587 495 51 76 551 477 49 76 534 460 48 75 502 444 47 74 474 429 45 73 460 415 44 73 435 401 43 72 423 388 41 71 401 375 40 71 390 363 39 70 380 352 38 69 361 VẬT LIỆU CƠ KHÍ 3.9 23 4.0 22 4.0 22 4.1 21 4.1 21 4.2 20 4.2 20 4.3 19 4.3 19 4.4 18 4.4 18 4.5 17 4.5 17 4.6 17 4.6 16 4.7 16 4.7 15 4.8 15 4.8 15 4.9 14 4.9 14 99 23 62 235 98 22 62 226 97 21 61 221 97 20 61 217 96 19 60 213 95 18 60 209 94 59 201 93 58 197 92 58 190 91 57 186 89 56 183 88 56 177 87 55 174 86 55 171 85 54 165 84 53 162 83 53 159 82 52 154 81 52 152 80 51 149 78 50 147 Trang 125 3.3 3.3 3.4 3.4 3.5 3.5 3.6 3.6 341 37 69 344 331 36 68 335 321 35 68 320 311 34 67 312 302 33 67 305 293 31 66 291 285 30 66 285 277 29 65 287 5.0 14 5.0 14 5.1 13 5.1 13 5.2 13 5.2 12 5.3 12 5.3 12 76 50 144 76 75 74 72 71 69 69 c/ Cơng dụng * Ưu điểm các phương pháp đo độ cứng: Độ cứng là sự chống lại biến dạng dẻo cục bộ cịn độ bền là sự chống lại biến dạng dẻo tồn bộ. Nên có thể thơng qua tính độ cứng để suy ra độ bền của kim loại Đo độ cứng tương đối đơn giản, tốn ít thời gian (trên dưới 1 phút/1 mũi đo) Có thể đo được các chi tiết dày hoặc mỏng Biết được khả năng làm việc của chi tiết * Độ cứng thơng dụng của các chi tiết như sau: Độ cứng phù hợp nhất cho cắt gọt: (160 ÷ 180) HB Các chi tiết lị xo, khn dập nóng: (40 ÷ 45) HRC Các bánh chịu tải trọng nhỏ, vận tốc chậm (các loại máy cơng cụ): (52÷58) HRC Mọi bánh răng chịu tải trọng lớn, vận tốc cao; mọi dụng c ụ c ắt gọt; các khn dập nguội; các ổ lăn; các đĩa ma sát, và những chi tiết khác bị mài mịn tương tự…độ cứng lớn hơn (60 ÷ 62) HRC 2/ Tơi thép a/ Định nghĩa: Là một phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi tiết hoặc thép đến trạng thái , giữ nhiệt thời gian và làm nguội nhanh vng ≥ vth t0 vng >vth VẬT LIỆU CƠ KHÍ Trang 126 Hình 3.8 + Tốc độ nguội tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất mà chi tiết chuyển biến hồn tồn thành Maxtensit (Mt) + Thép khác nhau có tốc độ nguội tới hạn khác nhau + Vng: Tốc độ nguội của mơi trường nguội Một số mơi trường nguội thường dùng: Mơi trường nước: + Nước nóng (40 ÷ 60)0C + Nước thường (25 ÷ 30)0C + Nước lạnh (5 ÷ 15)0C Dung dịch NaOH hoặc NaCl Dầu nhớt Khơng khí Muối nóng chảy Emusi: Dầu + nước Thơng thường đối với thép cacbon chọn mơi trường nguội là nước; đối với thép hợp kim mơi trường nguội là dầu nhớt * Chọn vận tốc nguội: Vng = Vth + (30 ÷ 50)0C b/ Nhiệt độ tơi: Nhiệt độ tơi ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của thép sau khi tơi. Để tơi thép cacbon, có thể dựa vào giản đồ trạng thái sắt cacbon và %C để chọn nhiệt độ tơi * Đối với thép trước cùng tích và thép cùng tích (%C ≤ 0,8%) Chọn nhiệt độ tơi cao hơn AC3, nghĩa là nung nóng thép đến trạng thái hồn tồn Austenite. Phương pháp này gọi là tơi hồn tồn t0tơi = AC3 + (30 ÷ 50)0C Trong khoảng 0,1 ÷ 0,8%C điểm AC3 của thép giảm xuống. Nung nóng chậm AC3 = A3 * Đối với thép sau cùng tích (0,8%