KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT Ths Lê Văn Cơng - Chủ biên Vật liệu kỹ thuật đại học hàng hải - năm 2006 Ch biờn: Lờ Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MÔN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU mơc lơc Mơc lơc Bµi më đầu Phần I Vật liệu học sở Chơng Cấu tạo tinh thể Chơng Kết tinh từ thể lỏng kim loại 37 Chơng Cấu tạo hợp kim giản đồ trạng thái 59 Chơng Biến dạng dẻo tính kim loại 76 Phần II Nhiệt luyện thép 96 Chơng Giản đồ trạng thái sắt - cacbon 96 Chơng Các chuyển biến xảy nung làm nguội thép 106 Chơng Các phơng pháp nhiệt luyện thép 128 Chơng Hóa bền bề mặt thép 156 Phần III Các vật liệu kim loại 173 Chơng Gang nhiệt luyện gang 173 Chơng 10 Thép cacbon 186 Chơng 11 Thép hợp kim 195 Chơng 12 Hợp kim màu 242 Câu hỏi ôn thi 255 Tài liệu tham kh¶o Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT Bµi më đầu Vật liệu học môn khoa học khảo sát chất vật liệu, mối quan hệ cấu trúc tính chất chúng, từ đề phơng pháp chế tạo sử dụng thích hợp Mục đích, yêu cầu, nội dung môn học môn học liên quan 1.1 Mục đích - Trang bị kiến thức cấu trúc, tổ chức tính chất kim loại - Các phơng pháp gia công nhiệt luyện áp dụng cho kim loại (thép gang) - Các loại vật liệu kim loại: công dụng, thành phần, tính chất kí hiệu 1.2 Yêu cầu - Hiểu quy luật chuyển biến kim loại - Biết chọn thay vật liệu theo tiêu chuẩn khác - Lập đợc quy trình gia công nhiệt luyện cho chi tiết điển hình - Hiểu đợc kí hiệu vật liệu kim loại 1.3 Nội dung môn học Phần 1: Lí thuyết kim loại Chơng 1: Cấu tạo tinh thể Chơng 2: Sự kết tinh Chơng 3: Cấu tạo hợp kim giản đồ trạng thái Chơng 4: Biến dạng kim loại Phần 2: Nhiệt luyện thép Chơng 5: Hợp kim sắt - cacbon Chơng 6: Các phản ứng xảy nung làm nguội thép Ch−¬ng 7: NhiƯt lun thÐp Ch−¬ng 8: Hãa bỊn bỊ mặt thép Phần 3: Các vật liệu kim loại Chơng 9: Gang nhiệt luyện gang Chơng 10: Thép cacbon Chơng 11: Thép hợp kim Chơng 12: Kim loại hợp kim mầu Ch biờn: Lờ Vn Cng Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT 1.4 Các môn học liên quan - Lý thuyết nhiệt động - Hóa lí vật lí chất rắn Sơ lợc lịch sử phát triển * Giai đoạn sử dụng vật liệu tự nhiên * Giai đoạn sử dơng vËt liƯu theo kinh nghiƯm: - Ch−a cã c¬ sở khoa học - Tác động đến vật liệu theo sở khoa học Các phơng pháp nghiên cứu môn học - Phơng pháp thử tính - Phơng pháp hóa phân tích - Phơng pháp phân tích quang phổ - Phơng pháp huỳnh quang Tài liệu tham khảo - Kim loại học nhiệt luyện - Nghiêm Hïng - VËt liƯu häc - Arrmaxor - Chu Thiªn Trờng - Vật liệu học - Lê Công Dỡng Ch biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT phÇn I vËt liƯu học sở Chơng Cấu tạo tinh thể Tuỳ theo điều kiện tạo thành (nhiệt độ, áp suất ) tơng tác phần tử cấu thành (dạng lực liên kết ), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào lực liên kết cách xắp xếp phần tử cấu tạo nên chúng Trong chơng khái niệm đợc đề cập là: cấu tạo nguyên tử, dạng liên kết cấu trúc tinh thể, không tinh thể vật rắn 1.1 Cấu tạo nguyên tử dạng liên kết vật rắn Trong phần khảo sát khái niệm cấu tạo nguyên tử dạng liên kết chúng, yếu tố đóng vai trò định với cấu trúc tính chất vật rắn, vật liệu 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Nguyên tử theo quan điểm cũ bao gồm hạt nhân điện tử quay chung quanh theo quỹ đạo xác định Tuy nhiên với mô hình không giải đợc khó khăn nảy sinh, đặc biệt việc xác định xác quỹ đạo điện tử áp dụng học sóng để nghiên cứu cấu tạo nguyên tử thấy theo hệ thức bất định Heisenberg: x ∆p ≥ h ∆x ∆v ≥ h m (1.1) Trong đó: x: độ bất định phép đo toạ độ vi hạt p: độ bất định phép đo xung lợng vi hạt v: độ bất định phép ®o vËn tèc vi h¹t Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU K THUT áp dụng nguyên lý cho điện tử nguyên tử thấy muốn xác định vị trí điện tử x 10-4 àm (là cỡ kích thớc nguyên tử) v 106 m/s tức lớn tốc độ chuyển động điện tử nguyên tử theo mô hình cổ điển Vì có khái niệm quỹ đạo điện tử mà nói đến xác suất tồn thể tích Theo quan điểm học lợng tử sau giải phơng trình sóng Schrodinger với mô hình nguyên tử cụ thể đà giải đợc vấn đề cấu tạo lớp vỏ điện tử nguyên tử Với nguyên tử cụ thể theo mô hình với số điện tử z xác định có cấu tạo lớp vỏ ®iƯn tư ®−ỵc thĨ hiƯn qua sè l−ỵng tư là: - Số lợng tử n = 1, 2, 3, xác định mức lợng lớp vỏ ®iƯn tư VÝ dơ: n = lµ líp K, n = lµ líp L, n = lµ líp M vµ n = lµ líp N - Số lợng tử phơng vị l = 0, 1, 2, , n-1 xác định số phân lớp mức lợng Ví dụ: l = 0, 1, 2, tơng ứng với phân lớp s, p, d , f - Sè l−ỵng tư tõ m = 0, 1, 2, l xác định khả định hớng mô men xung lợng quỹ đạo theo từ trờng bên - Số lợng tử Spin S = 1/2 xác định khả định hớng ngợc chiều véc tơ mô men xung lợng Ngoài việc phân bố điện tử với trạng thái (n, l, m) xác định phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli có hai điện tử với Spin ngợc Dựa vào nguyên lý dự đoán đợc số điện tử cho phép mức lợng (lớp phân lớp) qua viết đợc cấu hình lớp vỏ ®iƯn tư cđa nguyªn tư theo sè thø tù z chúng hệ thống tuần hoàn Meldeleev (cũng số điện tử nguyên tử mô hình lý t−ëng) VÝ dô: Cu cã z = 29 ta có cấu tạo lớp vỏ điện tử là: 1{ s 2s 2p 3s 3p 3d10 4{ s1 123 14243 K L M N điện tử chuyển từ mức lợng sang mức lợng khác (thuộc lớp phân lớp) Khi chúng phát thu vào lợng dới dạng lợng tử ánh sáng Ch biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT Theo sè l−ỵng tư n ta có bảng số lợng điện tử (số trạng thái lợng) số lớp phân lớp nh sau: 1s -K 2s 2p -L 3s 3p 3d -M 4s 4p 4d 4f -N B¶ng 1.1 Số lợng điện tử lớp phân lớp (số ngoặc số trạng thái cã thĨ) Sè l−ỵng tư chÝnh n Ký hiƯu líp ®iƯn tư K L M N Ký hiƯu ph©n líp s s p s p d s p d f Số điện tử Phân líp Líp (1) 2 (1) (3) (1) 18 (3) 10 (5) (1) 32 (3) 10 (5) 14 (7) 1.1.2 Các dạng liên kết vật rắn Theo điều kiện bên (P, T) vật chất tồn ba trạng thái: rắn, lỏng, - Trạng thái rắn: có trật tự (trật tự xa) - Trạng thái lỏng: có trật tự (trật tự gần) - Trạng thái hơi: hỗn độn, trật tự Độ bền vật liệu trạng thái rắn phụ thuộc vào dạng liên kết vật rắn 1.1.2.1 Liên kết cộng hoá trị Đây dạng liên kết mà nguyên tử tham gia liên kết góp chung điện tử lớp cùng, tạo lớp đạt trị số bÃo hoà số điện tử cã thÓ Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU (s2p6) Nh tạo liên kết cộng hoá trị tạo lớp nguyên tử có tám điện tử, với dạng liên kết nh có đặc điểm sau: - Là loại liên kết có định hớng, nghĩa xác suất tồn điện tử tham gia liên kết lớn theo phơng nối tâm nguyên tử (hình 1.1) A B A A B B Hình 1.1 Liên kết cộng hoá trị khí Cl2 - Cờng độ liên kết phụ thuộc mạnh vào mức độ liên kết điện tử hoá trị với hạt nhân Ta thấy rõ, bon dạng thù hình kim cơng có liên kết cộng hoá trị mạnh điện tử hoá trị liên kết trực tiếp với hạt nhân Ngợc lại với Sn điện tử hoá trị nằm xa hạt nhân nên có liên kết cộng hoá trị yếu - Liên kết cộng hoá trị xảy nguyên tử nguyên tố (đồng cực) thuộc nhóm từ IV A ®Õn VII A (vÝ dơ Cl2, F2, Br2, ) hc nguyên tử nguyên tố khác (dị cực) thuộc nhóm III A V A II A VI A (GaAs, GaP, ) 1.1.2.2 Liên kết Ion Là loại liên kết mạnh, hình thành lực hút điện tích trái dấu (lực hút tĩnh điện Coulomb) Liên kết xảy nguyên tử cho bớt điện tử lớp trở thành Ion dơng nhận thêm điện tử để trở thành Ion âm Vì liên kết Ion thờng xảy thể rõ rệt với nguyên tử có nhiều điện tử hoá trị (á kim điển hình) nguyên tử có điện tử hoá trị (kim loại điển hình) Ví dụ LiF, NaCl, Al2O3, Fe2O3, Cũng giống liên kết cộng hoá trị, liên kết Ion mạnh (bền vững) nguyên tử chứa điện tử Và dạng liên kết không ®Þnh h−íng Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VT LIU TP BI GING VT LIU K THUT Năng lợng liên kết tính công thức: U= A r (1.2) Và lực liên kết: F= du = − B dr r (1.3) Trong ®ã: A B: Các số phụ thuộc vào phần tử liên kết r: Khoảng cách phần tử liên kết Dấu (-) lợng lực liên kết có xu hớng làm giảm khoảng cách phần tử liên kết 1.1.2.3 Liên kết kim loại Đặc điểm chung nguyên tử nguyên tố kim loại có điện tử hoá trị lớp cïng, ®ã chóng dƠ mÊt (bøt ra) ®iƯn tư tạo thành Ion dơng bị bao quanh mây điện tử tự Các ion dơng tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự chung, mô hình liên kết kim loại Ion dơng Mây e- tự Hình 1.2 Liên kết kim loại Liên kết kim loại thờng rõ rệt với nguyên tử có điện tử hoá trị (do dễ điện tử) Các nguyên tử thuộc nhóm I có điện tử hoá trị kim loại điển hỉnh, thể rõ rệt liên kết kim loại Càng dịch sang phải bảng hệ thống tuần hoàn, tính đồng hoá trị liên kết tăng lên xuất liên kết hỗn hợp kim loại - đồng hoá trị Cấu trúc tinh thể chất với liên kết kim loại có tính đối xứng rÊt cao Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT Liªn kết kim loại dạng hỗn hợp: gồm lực hút điện tích trái dấu lực đẩy điện tích dấu Năng lợng liên kết liên kết kim loại tính công thức: U=− A B C + + r r r { { { I II (1.4) III Víi A, B, C hệ số I: Năng lợng hút điện tích trái dấu II, III: Năng lợng đẩy điện tích dấu 1.1.2.4 Liên kết hỗn hợp Thực tế, tồn dạng liên kết tuý có kiểu liên kết Liên kết đồng hoá trị tuý xảy trờng hợp đồng cực Khi liên kết dị cực, điện tử hoá trị góp chung, tham gia liên kết đồng thời chịu hai tác dụng trái ngợc: - Bị hút hạt nhân - Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo điện tử chung Khả hút điện tử hạt nhân đợc gọi tính âm điện nguyên tử Sự khác tính âm điện nguyên tử tham gia liên kết liên kết đồng hoá trị làm cho đám mây điện tử bị biến dạng tạo ngẫu cực điện tiên đề cho liên kết ion Tính chất liên kết ion lớn sai khác tính âm điện nguyên tử cao Do khẳng định tất liên kết dị cực hỗn hợp liên kết ion đồng hoá trị 1.1.2.5 Liên kết yếu (liên kết Vander Waals) Liên kết đồng hoá trị cho phép lý giải tạo thành phân tử nh nớc polyetilen (C2H4)n nhng không giải thích đợc hình thành phân tử rắn từ phân tử trung hoà (nớc đá, polyme ) Ta đà biết phân tử có liên kết đồng hoá trị, khác tính âm điện nguyên tử dẫn đến trọng tâm điện tích dơng điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện hình thành, phân tử trung hoà bị phân cực Liên kết Vander Waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực (hình 1.3) Liên kết loại liên kết yếu, dễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi Ch biờn: Lờ Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 10 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VT LIU K THUT 12.1.1.1 Các đặc tính nhôm Khác với sắt, nhôm kim loại chuyển biÕn thï h×nh, nã chØ cã mét kiĨu cÊu trúc mạng tinh thể lập phơng diện tâm với thông số mạng a = 4,04 A đờng kính nguyên tử 2,86 A Nhôm có đặc tính sau đây: Khối lợng riêng nhỏ ( = 2,7h/cm3) nên đợc dùng rộng rÃi chế tạo máy bay Tính chống ăn mòn cao: Nhôm nguyên chất với độ cao có tính chống ăn mòn hoá học điện hoá cao, có lực mạnh với ôxi nên bề mặt luôn có lớp màng oxyt Al2O3 mỏng xít chặt, có tính bảo vệ cao Độ nhôm thấp, tính chống ăn mòn Tính dẫn nhiệt dẫn điện cao: Độ dẫn điện nhôm cao ( = 2,62.10-6 .cm) 60% đồng, lại cộng thêm với đặc tính nhẹ, nên với trọng lợng nh nhau, nhôm dẫn điện tốt đồng Trong kỹ thuật điện đà dùng nhiều dây dẫn điện nhôm Độ dẫn nhiệt nhôm 0,3426 cal/cm.s.0C cao sắt thép Nhiệt độ chảy thấp (6600C) làm dễ dàng cho trình nấu luyện, song hợp kim nhôm không làm việc đợc nhiệt độ cao ẩn nhiệt kết tinh nóng chảy nhôm lớn, vật đúc nhôm nguội chậm trạng thái lỏng tạo điều kiện thuận lợi cho trình biến tính tinh luyện Tuy nhiên tính đúc không cao độ co ngót lớn (tới 6%) Độ bền tơng đối thấp: Nhôm với độ cao sau cán ủ có b = 60N/mm2; 0,2 = 20N/mm2, 25HB tức 1/4 đến 1/6 sắt, hầu nh không dùng nhôm nguyên chất làm chi tiết máy Trong máy móc thờng dùng hợp kim nhôm có độ bền cao rõ rệt Tính dẻo cao: Nhôm nguyên chất dẻo, = 85%, = 40% dễ biến dạng trạng thái nguội trạng thái nóng Tính gia công cắt nhôm thấp 12.1.1.2 Các số hiệu nhôm nguyên chất Rất khó luyện nhôm, nguyên tố hoạt động mạnh Các tạp chất thờng có nhôm sắt, silic, có đồng, kẽm, titan Sắt tạp chất có hại nhôm Từ giản đồ trạng thái Al - Fe (hình 1) thấy sắt hoà tan nhôm, nhiệt độ tinh 655C nhôm hoà tan đợc 0,03% Fe, nhiệt độ thờng coi nhôm không hoà tan Ch biờn: Lờ Vn Cng Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 243 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VT LIU sắt Sắt tạo với nhôm pha tơng ứng với công thức FeAl3 dòn, nên với lợng sắt dù nhỏ, biên giới hạt có tinh (Al + FeAl3) tổ chức làm giảm mạnh độ dẻo nhôm Lợng sắt nhóm kỹ thuật thay đổi giới hạn 0,0015 - 1,1% Riêng thân silic tạp chất có hại Từ giản đồ trạng thái Al - Si (hình 2) coi nhôm không hoà tan silic nhng ngợc lại silic hoà tan nhiều nhôm nhiệt độ cao (ở nhiệt độ tinh Al hoà tan đợc 1,65% Si), nhiệt độ thờng coi nh không hoà tan (0,09%) Giữa nhôm silic không tạo thành hợp chất hoá học, tinh (Al + Si) bảo đảm tính đúc tốt không làm xấu tinh FeAl3 1200 C 1400 1100 1200 1000 1000 900 800 L+FeAl3 L+α L+Si 600 800 700 655 600 Fel+ FeAl3 100%Al 10 15 20 400 Al+Si 200 25 30 35 40 %Fe Hình 1: Giản đồ trạng thái Al - Fe 10 100%Al 20 30 40 50 60 70 80 90 %Si Hình 2: Giản đồ trạng thái Al - Si Khi đồng thời có sắt silic nhôm xuất pha tơng ứng với hợp chất hoá học ba nguyên tố Al, Fe, Si Các pha với FeAl3 có tính dòn cao làm xấu tính nhôm Nhôm có độ đặc biệt gồm có số hiệu A999 (> 0,001% tạp chất) Nhôm có độ cao gồm có số hiệu A995 A99, A97 A95 với lợng tạp chất không 0,005%, 0,01%, 0,03% 0,05% Nhôm có độ kỹ thuật gåm cã c¸c sè hiƯu A85, A8, A7, A6, A5, A0 với lợng tạp chất không 0,15%, 0,20%, 0,30%, 0,40%, 0,50%, 1,00% Cơ tính nhôm phụ thuộc vào độ trạng thái Độ cao nhôm dẻo Biến dạng nguội làm tăng đáng kể độ bỊn cđa nh«m Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 244 A4 (210 x 297) mm 100 KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIU Cơ tính số số hiệu nhôm: Số hiệu Lợng tạp chất % Cơ tính Trạng thái b σ0,2 N/mm2 N/mm2 δ% HB A995 0,005 ®óc 50 - 45 15 A5 0,50 ®óc 75 - 29 20 A0 1,00 đúc 90 - 25 25 A0 1,00 biến dạng ủ 90 30 30 25 A0 1,00 biến dạng 140 100 12 32 Nhôm nguyên chất kỹ thuật đợc dùng làm chi tiết kết cấu không chịu tải, yêu cầu vật liệu đem chế tạo phải nhẹ, dẻo chống ăn mòn cao nh để làm khung, cưa, èng dÉn, xitec vËn chun dÇu má, thïng chứa 12.1.1.3 Phân loại hợp kim nhôm Nhờ độ bền cao hơn, chế tạo máy ngời ta dùng nhôm trạng thái hợp kim Theo công nghệ chế tạo ngời ta chia hợp kim nhôm loại: đúc, biến dạng thiêu kết Hợp kim nhôm đúc hợp kim nhôm biến dạng đợc chế tạo cách nấu chảy Căn để phân biệt ranh giới hai loại hệ hợp kim đà cho giản đồ trạng thái nhôm - nguyên tố hợp kim Hợp kim nhôm biến dạng hợp kim nhôm có thành phần nguyên tố hợp kim nằm giới hạn dung dịch rắn, tức bên trái điểm C' Ch biờn: Lờ Vn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn 6570C NhiƯt ®é 0C Có thể nhiệt độ thờng hợp kim cha đạt đợc tổ chức hoàn toàn dung dịch rắn (có thêm pha thứ hai) nhng nung đến nhiệt độ thích hợp (ví dụ cao CD) đợc tổ chức nh vậy, dễ biến dạng (cán, rèn, rập) theo ý muốn Hợp kim nhôm biến dạng không chứa tinh nên dễ biến dạng nhiệt độ vùng pha mà nhiệt độ thờng C Biến dạng Đúc +pha thứ hai D 100%Al C' Không hoá bền nhiệt luyện đợc Hoá bền nhiệt luyện đợc % nguyên tố hỵp kim Page: 245 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT Trong kho¶ng thành phần hợp kim nhôm biến dạng lại đợc chia hai phân nhóm: hoá bền đợc nhiệt luyện không hoá bền đợc nhiệt luyện Các hợp kim có thành phần bên trái điểm D nung nóng hay làm nguôi chuyển biến pha nên hoá bền nhiệt luyện đợc Các hợp kim có thành phần bên phải ®iĨm D (tõ D ®Õn C'), ë nhiƯt ®é th−êng dung dịch rắn có pha thứ hai, nung nãng, pha nµy hoµ tan hÕt vµo dung dịch rắn làm nguội nhanh tổ chức dung dịch rắn bÃo hoà đợc cố định lại trở nên không cân bằng, tiết pha phân tán làm độ bền tăng lên Hợp kim nhôm đúc hợp kim nhôm với thành phần nguyên tố hợp kim cho tỉ chøc cđa nã chøa chđ u tinh có tính đúc cao Nh nguyên tắc, hợp kim có thành phần bên phải điểm C' tổ chức đúc đà có tinh thuộc loại hợp kim nhôm đúc, nhiên thực tế thờng dùng với thành phần rộng trớc sau tinh Có nhận xét là, hợp kim nhôm đúc chứa lợng nguyên tố hợp kim cao so với hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm thiêu kết loại hợp kim nhôm đợc chế tạo từ nguyên tố ban đầu bột ép thiêu kết 12.1.2 Hợp kim nhôm biến dạng 12.1.2.1 Hợp kim không hoá bền đợc nhiệt luyện Các hợp kim có đặc tính độ bền không cao (tuy cao nhôm nguyên chất nhiều), tính dẻo cao chống ăn mòn tốt, thờng đợc làm chi tiết rập sâu Thuộc nhôm hợp kim thuộc hệ Al - Mn víi ký hiƯu AMu vµ Al - Mg víi ký hiệu AMr Theo giản đồ trạng thái Al - Mn (hình 4) hợp kim AMu có thành phần 1,5%Mn, có tổ chức gồm dung dịch rắn α vµ pha thø hai MnAl6 pha nµy cã thĨ hoà tan vào dung dịch rắn tăng nhiệt độ Song hợp kim nhôm có sắt, lại tạo nên pha phức tạp (FeMn)Al3 thay cho MnAl6 Giống nh pha có chứa sắt khác hợp kim nhôm, pha phức tạp (FeMn)Al3 thay cho MnAl6 Giống nh pha có chứa sắt khác hợp kim nhôm, pha phức tạp (FeMn)Al3 không hoà tan vào nhôm nung nóng, hợp kim AMu không hoá bền đợc nhiệt luyện Khác với nguyên tố khác, Mn không làm xấu tính chống ăn mòn hợp kim nhôm, trái lại làm tốt So với nhôm nguyên chất, hợp kim AMu bền chống ăn mòn tốt Ch biờn: Lờ Vn Cng Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 246 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU t, 0C AMu 700 1+α AMr t,% 1,021% α L 500 Mg2Al3+L α+L 500 α α+MnAl6 300 100 17,4% 300 α+Mg2Al3(β) 100 0,05 Al 0,5 1,5 2,5 Mn% 1,4 Al Hình 4: Giản đồ trạng thái Al-Mn 10 20 30 Mg,% Hình 5: Giản đồ trạng thái Al - Mg (góc Al) Theo giản đồ trạng thái Al - Mg (hình 5) hợp kim AMr có thành phần 1,4%Mg có tổ chức gồm dung dịch rắn hoá bền nhiệt luyện đợc Các hợp kim AMr thờng dùng có thành - 7%Mg nhiệt độ thờng có tổ chức gồm dung dịch rắn pha thứ hai Mg2Al3 (hoặc Mg5Al8), nung nóng Mg2Al3 hoà tan vào gây hoá bền nhiệt luyện, song hiệu nhỏ lợng Mg hợp kim thấp giới hạn hoà tan dung dịch rắn nhiều (3,7% so với 17,4%) Hợp kim AMr có khối lợng riêng nhỏ (do Mg nhẹ), độ bền cao hơn, tỉnh dẻo tốt nhng tính chống ăn mòn so với nhôm nguyên chất Các hợp kim AMu AMr đợc dùng trạng thái ủ biến cứng, biến cứng dùng trạng thái biến cứng độ dẻo thấp 12.1.2.2 Hợp kim hoá bền đợc nhiệt luyện Hợp kim nhôm biến dạng, hoá bền đợc nhiệt luyện hợp kim nhôm quan trọng nhất, vật liệu kết cấu đợc ứng dụng rộng rÃi kỹ thuật Cơ sở hợp kim loại hợp kim Al - Cu víi 4% Cu Chủ biên: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 247 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Hỵp kim Al víi 4% Cu C 657 A L+α 600 α C L+CuAl2I L 540 500 400 CuAl2 (α+CuAl2) 200 α+CuAl2II+(α+CuAl2) α+CuAl2A 300 100 D 0,5 5,65 10 20 30 33 40 50 %Co Hình 6: Giản đồ trạng thái Al-Cu Để khảo sát hợp kim ta hÃy xét giản đồ trạng thái Al - Cu trình bày hình Từ thấy đồng hoà tan nhiều nhôm nhiệt độ cao (tới 5,65% nhiệt độ tinh 5480C) nhng lại giảm nhanh hạ nhiệt độ (còn 0,5% ë 00C) vËy tiÕt pha CuAl2 víi ký hiệu CuAl2II để rõ đợc tiết từ trạng thái rắn Cùng tinh ( + CuAl2) tạo thành với lợng Cu cao (33%) nên dùng hệ hợp kim Al - Cu để đúc Trong hệ Al - Cu cỉ dùng hợp kim thuộc nhóm biến dạng mà điển hình hợp kim có 4% Cu Ta sÏ xÐt kü c¸c chun biÕn pha hợp kim nhiệt luyện đặc điểm thấy hợp kim nhôm biến dạng hoá bền đợc nhiệt luyện Từ giản đồ trạng thái hình thấy rõ hợp kim có tổ chức gồm dung dịch rắn (có 0,5% Cu) phần tử pha CuAl2II tiết từ dung dịch rắn (hình 7a) Nung nóng hợp kim lên đến nhiệt độ cao đờng hoà tan giới hạn CD (khoảng 5200C), phần tử CuAl2II hoà tan hết vào dung dịch rắn nên sau (bằng cách làm nguội nhanh nớc) có Hình 7: Sơ đồ tổ chức tế vi hợp kim nhôm với 4%Cu, a - trạng thái ủ, b - trạng thái sau đợc dung dịch rắn bÃo hoà chứa tới 4% Cu Tổ chức tế vi hợp kim sau dung dịch rắn Điều đáng ý sau độ bền hợp kim tăng lên không đáng kể (b trạng thái ủ 200N/mm2, trạng thái sau 250N/mm2), nhng sau hoá già độ bền tăng lên mạnh Có thể thấy rõ điều từ đờng cong hoá già tự nhiên hợp kim trình bày hình Ch biờn: Lê Văn Cương Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 248 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐÓNG TÀU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU 450 400 Giíi h¹n bỊn, MN/m2 Khác với thép, sau hợp kim nhôm với 4% Cu giữ đợc độ dẻo cao, u việt quan trọng mặt công nghệ cho phép hiệu chỉnh cong vênh, chí biến dạng dẻo với mức độ lớn chi tiết 350 300 Trạng thái 250 Trạng thái ủ 200 Nhiệt luyện hoá bền hợp kim nhôm bao gồm hoá già Thêi gian, ngµy Hình 8: Các đờng cong hoá già đuara (hợp kim Al - Cu - Mg) nhiệt độ Tuỳ thuộc vào nhiệt độ hoá già đạt đợc hiệu hóa bền khác nh trình bày hình Khi hoá già tự nhiên 200C thời gian trình dài nhng độ bền đạt đợc giá trị lớn Khi hoá già nhân tạo nhiệt độ cao nhiệt độ thờng (ví dụ 100, 150, 2000C) thời gian trình ngắn lại song độ bền đạt đợc giá trị không cao hoá già tự nhiên, vợt thời gian định độ bền lại giảm Khi hoá già nhiệt độ thấp, trình hoá bền xảy chậm hầu nh kh«ng 200C 420 σb, MN/m2 1000C 1500C 400 380 2000C -50C 360 340 320 -500C 300 Thời gian, ngày Hình 9: Sự thay đổi độ bền hợp kim nhôm với 4% Cu hoá già tự nhiên Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm: Ch biờn: Lờ Vn Cng Tel: (031)3829890 Mobile: 0904.174883 E-mail: levcuong_kdt@yahoo.com.vn Page: 249 A4 (210 x 297) mm KHOA CƠ KHÍ - ĐĨNG TÀU BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT Sự hoá bền hợp kim nhôm hoá già đợc giải thích theo chế Guniee Prestôn đa từ đầu kỷ này, sau đà đợc thực nghiệm chứng minh phơng pháp vật lý đại Nguyên nhân trình hoá bền dung dịch rắn giàu đồng tạo thành sau bÃo hoà không ổn định, có xu hớng trở trạng thái ổn định dung dịch rắn nghèo đồng (0,5%Cu) CuAl2II Quá trình tiết pha ổn định CuAl2II (còn gọi pha ) từ dung dịch rắn bÃo hoà trình phức tạp qua nhiều giai đoạn với cấu tróc trung gian kh¸c nhau: vïng G - P liỊn mạng, pha bàn liền mạng Những cấu trúc trung gian có kích thớc bé, phân bố thể tích tạo nên trờng ứng suất đàn hồi xung quanh có tác dụng hoá bền mạnh Trong giai đoạn hoá già nguyên tử Cu từ chỗ phân bố nút mạng có tính chất ngẫu nhiên, tập trung vùng định mạng tinh thể Do mạng tinh thể dung dịch rắn có vùng có nồng độ Cu cao (>4%Cu) đợc gọi vùng G - P (Gunie - Prestôn) Do nguyên tử Cu có kích thớc bé nguyên tư Al mµ cÊu tróc cđa vïng G - P lại liền mạng với cấu trúc nên vùng G P gây xô lệch lớn mạng tinh thể làm cho độ bền độ cứng hợp kim tăng lên Vùng G - P có dạng đĩa với kích thớc nhỏ, dày từ vài đến vài chục bán kính từ hàng chục đến hàng trăm ăngstrôm Cần ý kích thớc vùng G P phụ thuộc vào nhiệt độ hoá già, nhiệt độ cao kích thớc lớn Khi hoá già nhân tạo (với nung nóng cao nhiệt độ thờng), giai đoạn I trình kể xảy thời gian ngắn nhiệt độ cao 1000C trình hoá già không dừng lại tạo thành vùng G - P, nhiệt độ trình hoá già tiếp tục xảy theo giai đoạn II, giai đoạn tạo pha giả ổn định ' có thành phần gần giống với CuAl2 nhng có cấu trúc riêng Các phần tử ' có dạng tấm, liên kết bán liền mạng với có tác dụng hoá bền cao Độ bền cao đạt đợc hoá già ứng với giai đoạn I II, tức ứng với tạo thành vùng G - P hay pha ' cha tách khỏi dung dịch rắn Hoá già nhiệt độ thấp (