Chuong 3 VẬT LIỆU KIM LOẠI

Chương Vật liệu kim loại Chương VẬT LIỆU KIM LOẠI 3.1 Phân loại vật liệu kim loại Vật liệu kim loại chia làm loại : kim loại đen kim loại màu Kim loại đen: (thép gang) hỗn hợp sắt-cácbon với số nguyên tố khác silic, mangan, phốtpho, lưu huỳnh Thép gang phân chia dựa vào hàm lượng cácbon (C) hợp kim Gang có hàm lượng C  2% (trong gang thường C  6%) Thép hợp kim sắt-cácbon có hàm lượng C < 2% Thép chia làm loại theo hàm lượng cácbon : - Thép cácbon thấp:  0.25% - Thép cácbon trung bình: 0.25% – 0.6% - Thép cácbon cao: 0.6% – 2% Tính chất thép độ dẻo giòn phụ thuộc vào hàm lượng cácbon Hàm lượng C thấp thép dẻo cao thép giịn Trong xây dựng, kết cấu chịu tải trọng động nên dùng loại thép cácbon thấp Gang thép kết hợp với nguyên tố kim loại khác (như mangan, crôm, niken, môlipđen, nhôm, đồng ) gọi hợp kim, nhằm tăng cường tính chất kỹ thuật Hàm lượng nguyên tố  2.5% hợp kim thấp, từ 2.5 đến 10% gọi thép hợp kim vừa, > 10% gọi thép hợp kim cao Trong xây dựng dùng thép hợp kim thấp Các nguyên tố thêm vào thép gang để tăng tính chống ăn mịn, đàn hồi Kim loại màu: gồm loại: nhẹ nặng Nhôm magiê thuộc loại nhẹ, loại nặng bao gồm: đồng, thiếc hợp kim Kim loại màu sử dụng, chủ yếu dùng cơng trình đặc biệt chống ăn mịn khí 3.2 Cấu trúc tinh thể kim loại 3.2.1 Các dạng mạng tinh thể thường gặp 3.2.1.1 Mạng lập phương thể tâm Các nguyên tử (ion) nằm đỉnh (tâm) khối hình lập phương Các nguyên tử đỉnh hình lập phương khơng tiếp xúc lại tiếp xúc với nguyên tử nằm tâm khối Các kim loại Fe (sắt), Cr (crơm), Mo (molipden) có dạng cấu trúc tinh thể 28 Chương Vật liệu kim loại Hình 1.1 Mạng lập phương thể tâm a- mạng tinh thể b c ô mạng sở 3.2.1.2 Mạng lập phương diện tâm: Hình 2.1 Mạng lập phương diện tâm a b ô mạng sở Các nguyên tử (ion) nằm đỉnh mặt hình lập phương, nguyên tử đỉnh khối lập phương không tiếp xúc lại tiếp xúc với nguyên tử mặt Mạng đặc trưng cho cấu trúc Cu (đồng), Ni (niken), Al (nhơm), Pb (chì) 3.2.1.3 Mạng lục giác xếp chặt 29 Chương Vật liệu kim loại Hình 3.1 Mạng lục giác xếp chặt a b ô mạng sở 12 nguyên tử nằm đỉnh nguyên tử nằm mặt đáy lăng trụ lục giác, nguyên tử nằm trung tâm khối lăng trụ tam giác cạnh Các kim loại có dạng mạng tinh thể : Be (beri), Mg (mangan), Ti (titan), Co (coban) 3.2.2 Tính thù hình kim loại Tính thù hình kim loại đặc tính nhiệt độ áp suất khác nhau, nguyên tố tồn kiểu mạng khác Những kiểu mạng tinh thể khác kim loại gọi dạng thù hình Các dạng thù hình nguyên tố ký hiệu chữ Hylạp: ,,, thường :  dạng tồn taih nhiệt độ thấp, ,. dạng nhiệt độ cao Sự biến đổi thù hình gây biến đổi quan trọng thể tích tính chất kim loại 3.2.3 Sự kết tinh kim loại Quá trình kết tinh kim loại trình chuyển tiếp từ trạng thái lỏng sang trạng thái tinh thể (rắn) Quá trình kết tinh hình thành mạng tinh thể từ trạng thái lỏng kết tinh lần thứ (khác với chuyển mạng tinh thể trạng thái rắn – hay biến đổi thù hình, trạng thái kết tinh lần thứ hai) Mỗi kim loại tinh khiết kết tinh có biến đổi đột ngột từ trạng thái xếp nguyên tử khơng trật tự sang có trật tự nhiệt độ định Quá trình kết tinh kim loại trình phức tạp, nhiệt độ hạ xuống thấp nhiệt độ kết tinh theo lý thuyết (T s), kim loại lỏng xuất phần tử rắn nhỏ có cấu trúc tinh thể gọi mầm kết tinh, tiếp theo, mầm kết tinh xuất trở thành tinh thể Trên thực tế, trình kết tinh bắt đầu ứng với nhiệt độ kết tinh thực T k Sự khác nhiệt độ kết tinh thực lý thuyết T = T s – Tk gọi độ nguội Tốc độ nguội lớn dẫn tới độ nguội lớn làm giảm nhiệt độ kết tinh thực Cịn tốc độ nguội chậm kết tinh xảy nhiệt độ không đổi, tốc độ nguội ảnh hưởng đến cấu trúc kim loại độ đồng chúng Độ nguội ảnh hưởng đến tốc độ kết tinh cấu trúc kim loại ảnh hưởng đến tốc độ tạo mầm tốc độ phát triển mạng tinh thể Độ nguội nhỏ, kim loại có cấu trúc hạt lớn, chất lượng học thấp, độ nguội lớn tốc độ tạo mầm lớn, tốc độ phát triển mầm kim loại nhanh, kim loại có cấu trúc hạt nhỏ, chất lượng học tốt 3.3 Các tính chất học vật liệu kim loại 3.3.1 Tính biến dạng vật liệu kim loại 30 Chương Vật liệu kim loại Hình 1.1 Biểu đồ kéo kim loại Khi chịu tác dụng tải trọng, KL có giai đoạn biến dạng: - Biến dạng đàn hồi: quan hệ l P bậc (biến dạng tải trọng ngừng tác dụng) - Biến dạng dẻo: biến dạng xảy tải trọng vượt tải trọng đàn hồi, quan hệ l ~ P bậc nhất, nguyên nhân sinh biến dạng dẻo trượt mạng tinh thể - Giai đoạn phá hoại tải trọng đạt giá trị cực đại Pmax, xuất vết nứt, mẫu bị phá hoại Biến dạng dẻo đặc trưng quan trọng, làm cho kim loại có khả gia cơng nhiệt để tạo tính chất phù hợp với điều kiện sử dụng Một số đặc trưng biến dạng: Độ giãn tương đối  tỉ số % độ giãn dài sau kéo l độ dài ban đầu l0 mẫu  l 100% l0 (3-1) Độ thắt tương đối :   F0  FK 100% F0 (3-2) F0, FK - diện tích tiết diện ban đầu có biến dạng thắt 3.3.2 Cường độ: Cường độ kim loại đặc trưng tiêu sau: - Giới hạn đàn hồi: p – ứng suất lớn ứng với tải trọng Pp p  Pp F0 (kg.cm2) (3-3) - Giới hạn chảy: c – ứng suất kim loại chảy dẻo (tải trọng không đổi chiều dài tiếp tục tăng) c  Pc (kg/cm2) F0 (3-4) - Giới hạn bền: b – mẫu phị phá hoại 31 Chương Vật liệu kim loại P  b  max (kg/cm2) F0 (3-5) 3.3.3 Độ bền xung kích Là khả thép chống lại tác dụng tải trọng va chạm, thí nghiệm mẫu có kích thước 1x1cm kí hiệu aK, đơn vị kg/cm2 3.3.4 Độ cứng Độ cứng kim loại dùng xây dựng xác định theo phương pháp Brinen Giới hạn độ cứng thép xây dựng từ 300 đến 400 3.4 Các loại thép xây dựng Trong xây dựng chủ yếu sử dụng thép cácbon thép hợp kim thấp 3.4.1 Thép cácbon 3.4.1.1 Thành phần hóa học Thép cácbon có thánh phần chủ yếu Fe C, ngồi cịn chứa số ngun tố tùy theo điều kiện luyện thép Mn  0.8%, Si  0.5%, P,S  0.05%, Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti Mn Si tạp chất có tác dụng nâng cao tính thép cácbon, P,S làm giảm chất lượng thép, làm tăng tính giịn nguội thép lại tạo cho thép khả dễ cắt gọt 3.4.1.2 Phân loại thép cácbon Theo phương pháp luyện thép chia làm loại: - Thép lò Mactanh (cổ điển) cho chất lượng tốt, khử P, S tốt; - Thép lị thổi Ơxy : cho sản lượng cao song khử P, S kém; - Thép cácbon đặc biệt luyện lò điện Theo phương pháp khử ôxy chia thành loại : - Thép sôi (chưa khử hết FeO); - Thép lặng (khử hết FeO); - Thép nửa lặng Theo phạm vi sử dụng chia làm loại: - Thép cácbon xây dựng - Thép cácbon kết cấu (chi tiết máy) - Thép dụng cụ 3.4.1.3 Các loại thép cácbon Thép cácbon thường dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây, thép hình chữ U, I, thép góc ) chủ yếu dùng xây dựng, không gia công để tăng chất lượng Thành phần lưu huỳnh, phốtpho cao TCVN quy định ký hiệu thép cácbon thường, nhóm A chữ GT sau độ bền giới hạn (kg/cm2) TC Nga kỳ hiệu CT sau số 0, 1, 2, 3, 4, 5, (số nhóm tăng thành phần C tăng) Thép cácbon thường chia loại A, B, C - Thép loại A thép cácbon thường quy định tính (Tham khảo bảng 6-1/sgk) 32 Chương Vật liệu kim loại - Thép loại CT0 thường dùng làm chi tiết đinh tán, bulông thường Trong xây dựng cầu cốt thép cho BTCT dùng thép CT3, CT5 - Thép loại B thép cácbon thường quy định thành phần hóa học, thường dùng chi tiết cần gia công nhiệt - Thép loại C thép cácbon thường quy định tính lẫn thành phần hóa học, có tính thép A thành phần thép B, ký hiệu Việt nam thêm chữ C, Nga thêm chữ B Loại thường dùng kết cấu hàn cốt thép cho BTCT Thép cácbon chất lượng tốt (thép kết cấu) chứa tạp chất thép thường, quy định tính lần thành phần hóa học, thường dùng chi tiết máy 3.4.2 Thép hợp kim 3.4.2.1 Thành phần hóa học Ngồi thành phần Fe, C, thép hợp kim cịn có ngun tố đặc biệt đưa vào với lượng định để thay đổi cấu trúc tính chất thép Các nguyên tố thường dùng : Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Cu, B Giới hạn lượng chứa thành phần hợp kim nguyên tố : Mn : 0.8 – 1.0% Ni : 0.2 – 0.8% W : 0.1 – 0.5% Ti > 0.1% Cu : > 0.1% Si : 0.5 – 0.8% Cr : 0.2 – 0.5% Mo : 0.05 – 0.2% B : > 0.002% Thép hợp kim có tính cao thép cácbon, chịu nhiệt độ cao hơn, có tính chống ăn mịn mơi trường cao 3.4.2.2 Các cách ký hiệu thép hợp kim TCVN ký hiệu thép hợp kim hệ thống ký hiệu hóa học số tỉ lệ % nguyên tố hợp kim Ví dụ thép Mn2 : có 0.09% C 2%Mn TC Nga : thép hợp kim kí hiệu theo hệ thống chữ đầu tiếng Nga nguyên tố hóa học tỉ lệ phần trăm chúng hợp kim Ví dụ : thép 12Ã2 có 0.12% C, 2% Mn Loại thép chất lượng cao phía cuối có kí hiệu A Ngoài ra, tiêu chuẩn Nhật, Mỹ ký hiệu thép hợp kim theo hệ thống riêng (tham khảo SGK) 3.4.2.3 Thép hợp kim dùng xây dựng Thép hợp kim thấp thường dùng kết cấu thép (dàn cầu, tháp khaon dầu mỏ, đường ống dẫn khí ), cốt thép cho bê tơng cốt thép Trong kết cấu BTCT dùng cốt thép hợp kim loại 35Ãẹ , 18Ã2ẹ, 25Ã2ẹ Trong kết cấu BTCT ứng suất trước dùng cốt thép cường độ cao, thép hợp kim trung bình, hợp kim cao hợp kim thấp mác 45C, 80C, 35Ãẹ Bảng 1.1 Các loại mác thép để làm cốt thép BTCT Loại cốt thép AI AII AIII AIV D, mm Mác thép – 40 10 – 40 CT3 BMCT5C BKCT5C 182C 252C, 35C 40 – 90 – 40 10 – 32 Loại thép Thép cácbon thường nhóm A, B Thép cácbon thường nhóm B Thép cácbon thấp Thép hợ kim cácbon, silic, mangan Thép hợp kim cacbon, mangan, thiếc 33 Chương Vật liệu kim loại 10 – 18 AV 10 – 18 ATK 6–9 20X2ệ 20XÃCT 23X22 65Ã, 60C2 Thép hợp kim cacbon, crom, silic, Mn, Ti Thép crôm, Mn, Thiếc Thép HK thấp, silic, mangan 3.5 Sự ăn mòn kim loại Sự ăn mòn kim loại tác dụng hóa học mơi trường bề mặt kim loại có loại an mịn kim loại ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa 3.5.1 Ăn mịn hóa học Ăn mịn hóa học phá hủy tác dụng hóa học trực tiếp hiữa kim loại mơi trường xung quanh, khơng có phát sinh dòng điện Loại ăn mòn xảy mơi trường khơng điện ly gặp thực tế 3.5.2 Ăn mịn điện hóa Ăn mịn điện hóa loại ăn mịn rấ phổ biến, xảy dung dịch điện ly với đặc điểm có phát sinh dòng điện Kim loại bị gỉ, hỏng để mơi trường khơng khí, nước, axit, bazơ, dung dịch muối, tác dụng loại ăn mòn Khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện ly, ion môi trường tác dụng với ion kim loại Các ion kim loại bị chuyển vào dung dịch điện ly đê lại kim loại điện tử thừa Kim loại trở nên tích điện âm, cịn dung dịch tích điện dương Tại miền ranh giới chúng tạo lớp điện tích kép, có điện định gọi điện cực Khi kim loại điện cực khác nhúng dung dịch điện ly nối dây dẫn có dịng điện, kim loại điện cực thấp anod bị hòa tan Các vật liệu kim loại dùng công nghiệp không gồmn nhiều pha, pha điện cực khác môi trường điện ly nên dẽ phát sinh tượng ăn mịn điện hóa Ngun nhân thép cácbon bị gỉ : khơng khí ln chứa nước, bề mặt kim loại ln có màng nước mỏng, khí CO khí khác thải sản xuất công nghiệp SO 2, H2S hịa tan màng mước tạo dung dịch điện ly, gây ăn mịn điện hóa 3.5.3 Bảo vệ kim loại khỏi ăn mịn Có phương pháp chống ăn mòn kim loại: Sử dụng hợp kim đặc biệt Cách ly kim loại với môi trường : cách dùng loại sơn chống rỉ để sơn phủ bề mặt kim loại Trong số trường hợp dùng nhựa epoxy Trong trường hợp đặc biệt dùng lớp sơn phủ phi kim men, thủy tinh, chất dẻo lớp phủ kim loại Niken, crom, kẽm, đồng Gia cơng nhiệt hóa bề mặt kim loại : phương pháp người ta lớp phủ phân tán qua gia công nhiệt hóa (phủ crơm, hợp kim nhơm ) để tạo dung dịch rắn, hợp chất hóa học chống ăn mịn bề mặt kim loại Ngồi cịn dùng phương pháp sử dụng chất cản cho vào môi trường tạo màng chống ăn mòn kim loại dùng phương pháp bảo vệ catod protector gắn thêm vào vùng kim loại bảo vệ để bị ăn mòn thay cho kim loại Câu hỏi ôn tập chương 1) Trình bày tính chất học vật liệu kim loại 2) Sự ăn mòn kim loại biện pháp bảo vệ chống ăn mòn 34