GIÁO TRÌNH: KHOA HỌC VẬT LIỆU

3 Bảng kê ký hiệu viết tắt dùng sách (trong ngoặc nước ngoài) Ký hiệu viết tắt Tên gọi Đơn vị đo a, b, c thông số mạng nm aK (KCU, KCV, KCT) độ dai va đập kJ/m2, kG.m/cm2 A1, A3, Acm nhiệt độ tới hạn thép tương ứng với giản đồ pha Fe-C o Ac1, Ac3, Accm A1, A3, Acm nung nãng Ar1, Ar3, Arcm A1, A3, Acm lµm nguội AK công phá hủy, impact value, CVN energie J, ft.lbf B mật độ từ thông (Br - mật ®é tõ th«ng d­) gaus, tesla d, D mm đường kí nh E môđun đàn hồi MPa, GPa F lực, tải trọng N, kG, T h chiều cao àm, mm, m H c­êng ®é tõ tr­êng (HC - lực khử từ) ơstet HB độ cứng Brinen kG/mm2 HRA, HRB, HRC độ cứng Rôcven theo thang A, B, C HV độ cứng Vicke kG/mm2 KIC độ dai phá hủy biến dạng phẳng MPa m l, L chiều dài nm, µm, mm Ox, Oy, Oz, Ou c¸c trơc täa độ S tiết diện, mặt cắt, diện tí ch mm2 to, To nhiệt độ o t thời gian s (giây), (phót), h (giê) C C C nm, C, oK µm, v vËn tèc mm/s, m/min V tèc ®é nguội o , , góc tọa độ , , , , , dung dịch rắn , , , (ở dạng số) biểu thị dạng thù hình, ví dụ Fe khối lượng riêng, mật độ t bán kí nh cong (A, EL) độ gin dài tương đối % (Z, AR) độ thắt (tiết diện) tương đối % ứng suất tiếp MPa, kG/mm2, psi, ksi σ øng suÊt, øng suÊt ph¸p b (Rm, TS) giới hạn bền (kéo) ch (RY, Y) giới hạn chảy vật lý hay lý thuyết 0,2 (R0,2, YS) giới hạn chảy quy ước đh (Re, ES) giới hạn đàn hồi độ nhớt, độ sệt P (poise) C/s, oC/h g/cm3 Lời nói đầu Tuy vật liệu kim loại chiếm địa vị chủ chốt quan trọng, song không giữ độc tôn chế tạo khí người ta sử dụ ng ngày nhiều ceramic, polyme đặc biệt compozit Trong trường đại học kỹ thuật chuyên nghiệp đ có chuyển đổi giảng dạy môn Kim loại học nhiƯt lun” hay “VËt liƯu kim lo¹i” sang “VËt liƯu học hay Vật liệu học sở Cuốn sách đời nhằm đáp ứng yêu cầu nước người ta thường dùng từ Khoa học công nghệ vật liệu (Materials Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách Khoa học vật liệu môn học nghiên cứu mối quan hệ tổ chức tí nh chất vật liệu, sở Công nghệ vật liệu có mục tiêu thiết kế hay biến đổi tổ chức vật liệu để đạt tới tí nh chất theo yêu cầu Trong công việc kỹ sư khí , từ việc định phương án thiết kế, tí nh toán kết cấu gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành máy, thiết bị, có liên quan mật thiết đến lựa chọn sử dụng vật liệu Điều quan trọng người học phải nắm tí nh tí nh công nghệ vật liệu kể để có thĨ lùa chän vµ sư dơ ng chóng tèt nhÊt hợp lý, đạt yêu cầu tí nh ®Ị víi chi phÝ gia c«ng Ý t nhÊt, giá thành rẻ chấp nhận Song điều định đến tí nh tí nh công nghệ lại nằm cấu trúc bên Do yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc bên thành phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu gia công vật liệu thành sản phẩm (luyện kim, đúc, biến dạng dẻo, hàn đặc biệt nhiệt luyện) có ảnh hưởng đến tí nh công dụng vật liệu lựa chọn, khảo sát cách kỹ Giáo trình biên soạn sở thực tiễn sản xuất khí nước ta nay, có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn số trường đại học Nga, Hoa Kỳ, Pháp, Canađa, Trung Quốc , đ áp dụ ng Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội năm gần Trong thực tế sử dụng vật liệu, đặc biệt vật liệu kim loại, lựa chọn loại vật liệu cách chung chung (ví dụ: thép) mà phải cụ thể (ví dụ : thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo quy định nghiêm ngặt điều kiện kỹ thuật tiêu chuẩn tương ứng quy định Trong điều kiện nước ta nay, sản xuất khí sử dụng sản phẩm kim loại nhiều nước giới, đề cập hết Khi giới thiệu cụ thể thép, gang, giáo trình ưu tiên trình bày mác theo tiêu chuẩn Việt Nam (nếu có) có kèm với mác tương đương hay loại tiêu chuẩn Nga tiêu chuẩn đ quen dùng chí đ phỉ biÕn réng r∙i ë n­íc ta mÊy chơc năm qua Trong trường hợp ngược lại tiêu chuẩn Việt Nam chưa quy định, giáo trình lại giới thiệu mác theo tiêu chuẩn Nga có kèm theo cách ký hiệu TCVN 1659-75 quy định Ngoài kết hợp giới thiệu mác thép gang Hoa Kỳ, Nhật Bản nhữ ng quốc gia có kinh tế, khoa học - công nghệ mạnh hàng đầu giới Trong phần hợp kim màu, chủ yếu giới thiệu mác tiêu chuẩn AA (cho nhôm) CDA (cho đồng) tiêu chuẩn thông dụ ng giao dịch thương mại giới, đồng thời có kèm với mác tương đương hay loại tiêu chuẩn Nga Rõ ràng với cách trình bày thỏa mn hết yêu cầu thực tế sử dụ ng lúc phải tham khảo sách tra cứu tương ứng Cũng cần nói thêm thuật ngữ khoa học dùng sách theo quy định tiêu chuẩn TCVN 1658 - 87 TCVN 1660 - 87 Cuối tên gọi nó, nên coi điều trình bày sách phần kiến thức sở vật liệu thường dùng sản xuất khí Điều có nghĩa để làm tốt công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm sách, tài liệu chuyên sâu từ ng lĩnh vực đ đề cập Rõ ràng đạt hoàn thiện tuyệt đối, phát triển không ngừng khoa học - công nghệ thÕ giíi vµ ë n­íc ta, cïng víi kinh nghiƯm cã h¹n cđa ng­êi viÕt cịng nh­ sù chËm trƠ cập nhật thông tin nước ta, sách tồn hạn chế, mong bạn ®äc trao ®ỉi Th­ tõ xin gưi vỊ Nhµ xt Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đóng góp quý báu cho sách Tác giả tháng năm 2000 mở đầu Vật liệu học khoa học nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc tí nh chất vật liệu, sở đề biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tí nh chất sử dụ ng thí ch hợp ngày tốt 0.1 Khái niệm vật liệu Vật liệu dùng để nhữ ng vật rắn mà người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình để thay phận thể thể ý đồ nghệ thuật Như tất chất lỏng, khí cho dù quan trọng song đối tượng nghiên cứu môn học Dựa theo cấu trúc - tí nh chất đặc trưng, người ta phân biệt nhãm vËt liƯu chÝ nh (h×nh 0.1) nh­ sau: Hình 0.1 Sơ đồ minh họa nhóm vật liệu quan hệ chúng: bán dẫn, siêu dÉn, silicon, polyme dÉn ®iƯn VËt liƯu kim loại Vật liệu kim loại thường tổ hợp chủ yếu nguyên tố kim loại, nhiều điện tử chung không thuộc nguyên tử Các tí nh chất điển hình vật liệu kim loại là: - đắt đắt, - dẫn nhiệt, dẫn điện cao, - có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường qua, dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), - có ®é bỊn c¬ häc, nh­ng kÐm bỊn hãa häc - trừ nhôm kim loại thông dụ ng sắt, đồng nặng, - nhiệt độ chảy biến đổi phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng yêu cầu đa dạng kỹ thuật Ceramic (vật liệu vô cơ) Vật liệu có nguồn gốc vô cơ, hợp chất giữ a kim loại, silic với kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh Các tí nh chất điển hình vật liệu vô - ceramic là: - rẻ rẻ, - nặng, - dẫn nhiệt dẫn điện (cách nhiệt cách điện), - cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữu Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrô kim, có cấu trúc đại phân tử Các tí nh chất điển hình vật liệu hữu - polyme là: - rẻ rẻ, - dẫn nhiệt, dẫn điện kém, - khối lượng riêng nhỏ, - nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt nhiệt độ cao, - bền vững hóa học nhiệt độ thường khí quyển; nóng chảy, phân hủy nhiệt độ tương đối thấp Compozit Vật liệu tạo thành kết hợp hai hay ba loại vật liệu kể trên, mang đặc tí nh tốt vật liệu thành phần Ví dụ bêtông cốt thép (vô - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Hiện dùng phổ biến compozit hệ kép: kim lo¹i - polyme, kim lo¹i - ceramic, polyme - ceramic với tí nh chất lạ, hấp dẫn Ngoài có nhóm phụ khó ghép vào bốn loại trên: - bán dẫn, siêu dẫn nhiệt ®é thÊp, siªu dÉn nhiƯt ®é cao, chóng n»m trung gian kim loại ceramic (trong hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau gần với ceramic hơn) - silicon nằm trung gian vật liệu vô với hữu cơ, song gần với vật liệu hữ u 0.2 Vai trò vật liệu Muốn thực giá trị vật chất phải thông qua sử dụ ng vật liệu cụ thể, muốn tạo nên máy móc, ôtô, lượng phải có kim loại hợp kim, 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 thường chất dẻo, máy bay xe đua cần compozit, tượng đài thường làm hợp kim đồng - thiếc (bronze) Sự phát triển x hội loài người gắn liền với phát triển công cụ sản xuất kỹ thuật mà hai điều định phần lớn nhờ vật liệu X hội loài người phát triển qua thời kỳ khác gắn liền với vật liệu để chế tạo công cụ thời tiền sử người biết dùng công cụ làm vật liệu có sẵn thiên nhiên: gỗ, đá nên suất lao động thấp, không tạo giá trị thặng dư Sau người ta biết dùng công cụ vật liệu qua chế biến: đồng (đúng hợp kim đồng) đặc biệt sắt (đúng thép) với đặc tí nh học tốt hẳn: cứng hơn, bền mà dẻo dai nên tạo suất lao động cao lại có tuổi thọ dài hơn, đ tạo nên đột biến phát triển khoảng 2000 năm đặc biệt 100 ữ 200 năm gần (cần nhớ phân định rạch ròi song x hội loài người thời kỳ đồ sắt) Năng lượng đóng vai trò định phát triển loài người, kỹ thuật siêu dẫn thành thực tạo nên bước ngoặt mới, song kỹ thuật có tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ đủ cao để áp dụng thùc tÕ Cã thĨ t×m thÊy rÊt nhiỊu vÝ dụ khác vai trò vật liệu đời sèng cịng nh­ kü tht Cho ®Õn vËt liệu kim loại thực đ có vai trò định tiến hóa loài người Kim loại hợp kim chiếm vị trí chủ đạo chế tạo công cụ máy móc thường dùng: công cụ cầm tay, dụng cụ, máy công cụ, máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, vận tải đường sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt sản xuất vũ khí , đạn dược Như vật liệu kim loại có tầm quan trọng hàng đầu sản xuất khí , giao thông vận tải, lượng, xây dựng quốc phòng Chất dẻo - polyme từ giữ a kỷ ®∙ trë thµnh nhãm vËt liƯu míi, hiƯn ®ang ®ãng vai trò ngày quan trọng chiếm tỷ lệ ngày cao đời sống hàng ngày thiết bị, máy móc Vật liệu vô - ceramic có lịch sử lâu đời (từ thời kỳ đồ đá) Trong trình phát triển, vật liệu phổ biến cách rộng ri xây dựng đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ (chum, vại, bát, đĩa ) đến ximăng bêtông, thủy tinh, vật liệu chịu lửa ceramic kết cấu đại thủy tinh siêu làm cáp quang Vật liệu kết hợp (compozit) phát triển mạnh nhữ ng năm gần đây, đáp ứng yêu cầu cao chế tạo máy mà ba loại vật liệu nhẹ lại bền Chắc chắn phát triển mạnh mẽ loại vật liệu tạo nhữ ng thay đổi quan trọng cho ngành khí 0.3 Đối tượng vật liệu học cho ngành khí Máy móc cấu tạo từ nhiều chi tiết đòi hỏi tí nh chất có khác điều quan trọng kỹ sư khí phải biết chọn vật liệu phương pháp gia công để thỏa mn cao điều kiện làm việc với giá thành thấp Môn học giúp í ch cho nhữ ng kỹ sư khí tương lai làm việc Vật liệu học trình bày sách có định hướng phục vụ riêng cho ngành khí nói chung, đặc biệt cho hai ngành đào tạo then chốt chế tạo máy ôtô, song bao quát nhữ ng nội dung quan trọng vật liệu học; lại kiến thức không nhữ ng có í ch công việc kỹ thuật mà xử lý vật liệu đời sống hàng ngày Quan hƯ tỉ chøc - tÝ nh chÊt hay sù phơ thc cđa tÝ nh chÊt cđa vËt liƯu vµo cấu trúc nội dung toàn môn học Tổ chức hay cấu trúc xếp thành phần bên Khái niệm tỉ chøc vËt liƯu bao gåm c¶ tỉ chøc vÜ mô vi mô Tổ chức vĩ mô gọi tổ chức thô đại (macrostructure) hình thái xếp phần tử lớn với kí ch thước quan sát mắt thường (tới giới hạn khoảng 0,3mm) hc b»ng kÝ nh lóp (0,01mm) Tỉ chøc vi mô hình thái xếp phần tử nhỏ, không quan sát mắt hay lúp Nó bao gồm: - Tổ chức tế vi (microstructure) hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tư víi kÝ ch th­íc cì micromet hay ë cì hạt tinh thể với giúp 10 đỡ kÝ nh hiÓn vi quang häc hay kÝ nh hiÓn vi điện tử Thường gặp tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly tới giới hạn cỡ 0,15àm Trong nghiên cứu thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chục nanômet (10nm) C¬ tÝ nh cđa vËt liƯu phơ thc rÊt nhiỊu vào tổ chức, tức vào thành phần hóa học mà vào nhóm nguyên tử, phân tử kể mà ta gọi pha theo số lượng, hình dạng, kí ch thước phân bố chóng Trong thùc tÕ ng­êi ta th­êng xuyªn sư dơ ng phương pháp phân tí ch tổ chức tế vi quang học mà tài liệu kỹ thuật gọi đơn giản tổ chức tế vi - Cấu tạo tinh thể hình thái xếp tương tác giữ a nguyên tử không gian, dạng khuyết tật mạng tinh thể Để làm việc phải sử dụ ng tới phương pháp nhiễu xạ tia rơngen số kỹ thuật khác, điều thực cần thiết nghiên cøu c¸c vËt liƯu míi TÝ nh chÊt bao gåm tí nh chất: học (cơ tí nh), vật lý (lý tÝ nh), hãa häc (hãa tÝ nh), c«ng nghệ sử dụ ng Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt vật liệu khí , tí nh có ý nghĩa quan trọng hàng đầu Vì giáo trình mối quan hệ tổ chức - tí nh khảo sát kỹ tiền đề cho việc xác định thành phần hóa học vật liệu chế độ gia công thí ch hợp Ngoài tí nh vật liệu khí quan tâm khí a cạnh ổn định hóa học khí hay số môi trường ăn mòn (axit, badơ, muèi ) Tháa m∙n c¬ - lý - hãa tÝ nh ®Ị nh­ng ch­a ®đ ®Ĩ cã thĨ chun hóa vật liệu thành sản phẩm phụ c vụ mục đí ch đề ra, mà phải tí nh đến khả gia công - chế biến thành hình dạng định gọi tổng quát tí nh công nghệ Nếu tí nh công nghệ dù vật liệu có ưu việt đến đâu khó ®­a vµo sư dơ ng VÝ dơ : ng­êi ta đ tìm số chất siêu dẫn bị hạn chế tí nh giòn cao kéo thành dây dẫn Cuối cùng, tí nh sử dụng tổng hợp tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả không gây cố) giá thành định khả áp dơng cđa vËt liƯu cho mơc ®Ý ch ®∙ chän Giáo trình Vật Liệu Học Cơ Sở (cơ khí ) gồm bốn phần chí nh: - Cấu trúc tí nh: trình bày nguyên lý chung mối quan hệ cấu trúc tí nh cho vật liệu nói chung có nhấn mạnh cho kim lo¹i gåm cÊu tróc tinh thĨ, t¹o pha, tỉ chức, biến dạng, phá hủy - Hợp kim biến đổi tổ chức: trình bày tổ chức hợp kim biến đổi pha tổ chức mà dạng điển hình quan trọng nhất, thiết thực nhiệt luyện thép - Vật liệu kim loại: trình bày tổ chức, thành phần hóa học, tí nh, chế độ nhiệt luyện công dụng mác thép, gang, hợp kim màu bột - Vật liệu phi kim loại: trình bày cấu trúc, thành phần hóa học, tí nh, phương pháp tạo hình công dụ ng ceramic, polyme compozit Sau cùng, cần nhấn mạnh sử dụ ng hợp lý vật liệu mụ c tiêu quan trọng hàng đầu môn học, tách rời tiêu chuẩn hóa phương pháp kiểm tra, đánh giá Một yêu cầu đề người học phải đạt khả xác định mác hay ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam nước công nghiệp phát triển 11 0.4 Các tiêu chuẩn vật liệu Các nước đề quy phạm việc sản xuất, gia công, chế biến, sử dụ ng, bảo quản vật lệu nói chung, đặc biệt cho vật liệu kim loại, sở pháp lý kỹ thuật khâu từ sản xuất, lưu thông cho ®Õn sư dơ ng Trong ®iỊu kiƯn cđa n­íc ta cần có hiểu biết tiêu chuẩn sau - Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN Về giáo trình biên soạn theo tiêu chuẩn Việt Nam: ký hiệu có tiêu chuẩn cụ thể gọi mác (mark) Tuy nhiên trình độ phát triển thấp đời chưa lâu nên nhiều lĩnh vực TCVN chưa đề cập đến, trường hợp giáo trình dùng từ ký hiệu để m hóa hợp kim theo cách ký hiệu đ quy định tổng quát TCVN 1759-75 (Kim loại Hợp kim nguyên tắc ký hiệu) Ngoài cần nói thêm TCVN đ dựa theo nguyên tắc OCT, nên giữ a hai tiêu chuẩn có nhiều nét tương đồng - Tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) hay tiêu chuẩn Nga (hiện nay) viết tắt OCT, đ thịnh hành nước ta thời gian trước quen dùng - Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ phổ biến giới, đặc biệt sách giáo khoa, tạp chí kỹ thuật, tài liệu giao dịch hng sản xuất Việc hiểu biết tiêu chuẩn Hoa Kỳ có tác dụng to lớn việc hòa nhập kinh tế víi thÕ giíi Kh¸c víi nhiỊu n­íc chØ cã mét quan tiêu chuẩn nhà nước ban hành tiªu chn thĨ, ë Hoa Kú cã rÊt nhiỊu tổ chức tiêu chuẩn hệ thống: ASTM (American Society for Testing and Materials), AISI (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers), AA (Aluminum Association), CDA (Copper Development Association), Trong nhiỊu tr­êng hỵp víi cïng mét vËt liƯu cã thĨ dïng c¸c hƯ thèng kh¸c ë Hoa Kú ng­êi ta hay sư dơng hƯ thèng sè (ba xxx hay xxxx ch÷ sè) - nên gọi đánh số - để ký hiệu vật liệu kim loại, đ có trường hợp lẫn lộn, gây hiểu nhầm Để tránh điều gần lại xuất hệ thống UNS (Unified Numbering System) với năm chữ số (xxxxx) - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS thông dụng nước Châu biết đến giới - Tiêu chuẩn Châu Âu EN nước Châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh BS tiêu chuẩn quan trọng cần biết Trong giáo trình trình bày mác, ký hiệu theo TCVN có kết hợp trình bày mác Nga, Mỹ Nhật (tỉ mỉ mác vật liệu kim loại nước kể nước Châu âu tham khảo Sách tra cứu thép, gang thông dụ ng tác giả Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội in năm 1997) Giáo trình trình bày từ giản đơn đến phức tạp, từ vật liệu cổ điển, truyền thống đến loại phát triển Tuy môn học coi kỹ thuật sở với nhữ ng lý thuyết song có tí nh thực tiễn sâu sắc, gắn liền với đời sống thực tế công việc kỹ thuật hàng ngày phải giải 12 kỹ sư khí Do phần nghe giảng lớp sinh viên phải: - Thực thực nghiệm cấu trúc, tí nh chất biến đổi cấu trúc - tí nh phòng thí nghiệm Những thí nghiệm giúp nắm vững, hiểu sâu đ học mà giúp nhiều cho công việc kỹ thuật có liên quan sau - Làm tập, trả lời câu hỏi, giải thí ch tượng, so sánh vật liệu phương pháp khác - Do có tÝ nh thùc tiƠn rÊt cao ng­êi häc cÇn chó ý liên hệ đến tượng thường gặp, tham khảo thêm sách có liên quan để giải tốt vấn đề vật liệu đặt học môn học khác nhiƯm vơ kü tht sau nµy ... từ Khoa học công nghệ vật liệu (Materials Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách Khoa học vật liệu môn học nghiên cứu mối quan hệ tổ chức tí nh chất vật liệu, sở Công nghệ vật liệu. .. cøng, gißn, bỊn ë nhiƯt ®é cao, bỊn hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữu Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrô kim, có cấu trúc... xuất Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đóng góp quý báu cho sách Tác giả tháng năm 2000 mở đầu Vật liệu học khoa học