(NB) Nội dung giáo trình Vật liệu học gồm 6 chương: Lý thuyết về hợp kim; Gang; Thép; Kim loại màu và hợp kim màu; Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện; Vật liệu phi kim loại. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU HỌC NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP + CAO ĐẲNG Lào Cai, năm 2017 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Vật liệu khí biên soạn theo chương trình đào tạo Trung cấp Cao đẳng nghề Cắt gọt kim loại Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai ban hành ngày… tháng ……năm 2017 Giáo trình Vật liệu khí nhằm cung cấp cho học sinh trường cao đẳng nghề học sinh ngành khí, kiến thức vật liệu khí Khi biên soạn giáo trình, tác giả cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến mơn học nghề đào tạo, cần thiết cho học sinh tiếp thu mơn khác Nội dung giáo trình gồm chương: Chương 1: Lý thuyết hợp kim Chương 2: Gang Chương 3: Thép Chương 4: Kim loại màu hợp kim màu Chương 5: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện Chương 6: Vật liệu phi kim loại Trong trình biên soạn cố gắng, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót thời gian biên soạn cịn ngắn trình độ cịn hạn chế Rất mong góp ý người sử dụng để giáo trình hồn thiện Lào Cai, tháng năm 2017 Tác giả Ths Hoàng Anh Thái HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH Một số điểm phương pháp giảng dạy môn học: Khi giảng dạy giáo viên cần ý liên hệ, so sánh, chuyển đổi ký hiệu tiêu chuẩn vật liệu quốc gia Khi giảng dạy sử dụng học cụ trực quan, máy tính, máy chiếu, tranh treo tường để mơ tả cấu trúc tinh thể tổ chức kim loại, giản đồ trạng thái Fe-C biểu đồ dẫn nhiệt luyện Những trọng tâm cần ý: Chỉ dẫn nhiệt luyện ý sử dụng ký hiệu đồ họa theo TCVN ban hành (các tiêu chuẩn chuyển đổi từ tiêu chuẩn quốc tế ISO 15787:2001) Sử dụng mơ hình, trực quan vật thật để làm rõ vấn đề nêu lý thuyết Cần hướng dẫn cho học sinh tìm hiểu thực tế sản xuất xưởng tổ chức trao đổi, thảo luận vấn đề liên quan lý thuyết thực tế MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Hướng dẫn thực giáo trình Mục lục Chương Lý thuyết hợp kim Khái niệm hợp kim Cấu trúc tinh thể hợp kim Chương 2: Gang Giản đồ trạng thái hợp kim fe - C Khái niệm Gang 12 Các loại Gang 14 Chương 3: Thép 20 Thép C 20 Thép hợp kim 25 Chương 4: Kim loại màu hợp kim màu 35 Đồng hợp kim đồng 35 Nhôm hợp kim nhôm 39 Hợp kim làm ổ trượt 42 Chương 5: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện 46 Nhiệt luyện 46 Hóa nhiệt luyện 56 Chương 6: Vật liệu phi kim loại 59 Polyme, Cao su, Chất dẻo 59 Dầu mỡ bôi trơn 62 Tài liệu tham khảo 66 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ HỢP KIM KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM 1.1 Khái niệm Là sản phẩm nấu chảy hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu kim loại Như hợp kim có tính chất chủ yếu kim loại - Hợp kim hình thành sở hai kim loại với Ví dụ đồng Latơng hình thành sở hai kim loại (Cu + Zn) - Hợp kim hình thành sở kim loại kim Ví dụ thép, gang hình thành sở Fe + C Dù hợp kim hình thành sở hai nhiều nguyên tố nguyên tố kim loại Nếu có hai ngun tố với ta có hợp kim đơn giản Nếu có nhiều nguyên tố ta có hợp kim phức tạp 1.2 Đặc tính hợp kim Các kim loại nguyên chất thể lên ưu việt rõ dẫn điện, dẫn nhiệt chúng có tiêu cao (vì dây dẫn điện làm đồng, nhôm nguyên chất) Tuy chế tạo khí, thiết bị đồ dùng… vật liệu đem dùng thường hợp kim có đặc tính phù hợp sử dụng, gia công kinh tế Các đặc tính là: - Có độ bền độ dẻo cao: Đây đặc tính quan trọng hợp kim để chịu tải trọng cao làm việc, đồng thời hợp kim khơng giịn dẫn đến bị phá huỷ - Các kim loại nguyên chất nói chung dẻo (dễ rát mỏng, kéo sợi…) song độ bền, tính chống mài mịn, độ cứng xa hợp kim từ vài ba đến hàng chục lần - Tính cơng nghệ đa dạng thích hợp: Để tạo thành bán thành phẩm sản phẩm, vật liệu phải có khả chế biến thích hợp gọi tính công nghệ Kim loại nguyên chất dễ biến dạng dẻo khó cắt gọt, đúc, khơng hố bền nhiệt luyện Hợp kim trái lại có tính cơng nghệ đa dạng như: Dễ cắt gọt, đúc, nhiệt luyện… Phù hợp với nhiều điều kiện công nghệ khác - Tính kinh tế cao: Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản rẻ so với luyện kim loại ngun chất khơng phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào Ví dụ như: Luyện hợp kim Fe – C (thép gang) đơn giản so với luyện sắt nguyên chất Pha Zn vào kim loại chủ Cu ta đồng Latông vừa bền lại vừa rẻ (do Zn rẻ Cu nhiều) CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM 2.1 Một số khái niệm Để nghiên cứu cấu tạo hợp kim ta cần làm quen số khái niệm sau: 2.1.1 Cấu tử Là nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên hợp kim Ví dụ: Đồng Latơng (hợp kim Cu-Zn) có hai cấu tử Cu Zn 2.1.2 Pha Là phần tử hợp kim có thành phần đồng trạng thái ngăn cách với pha khác bề mặt phân chia (nếu trạng thái rắn phải có đồng kiểu mạng thơng số mạng) Ví dụ Nước 00C cấu tử (hợp chất hoá học bền vững H2O) có hai pha (pha rắn nước đá, pha lỏng nước) 2.1.3 Hệ hợp kim: Một tập hợp pha trạng thái cân gọi hệ hợp kim 2.2 Các tổ chức hợp kim Trong hệ hợp kim có nhiều cấu tử trạng thái đặc hình thành nhiều dạng tổ chức khác như: Dung dịch đặc, hợp chất hoá học, hỗn hợp học 2.2.1 Dạng dung dịch đặc Hợp kim có cấu tạo dung dịch đặc nguyên tử nguyên tố có thành phần kích thước gần giống Khi kết tinh hợp kim tạo thành mạng tinh thể có nguyên tử nguyên tố thành phần Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay dung dịch đặc xen kẽ a Trong dung dịch đặc thay Nguyên tử nguyên tố đẩy nguyên tử nguyên tố thay vào (hình 11a) Tức có kiểu mạng số nguyên tử ô sở cấu tử dung mơi Về mặt hình học thấy thay nguyên tử ngun tử khác nhiều xảy xơ lệch mạng khơng có hai ngun tố có đường kính ngun tử hồn tồn giống Vì thay xảy nguyên tố có kích thước ngun tử gần (sai lệch khơng q 15%) Hình 1-1: Các mơ hình cấu trúc dung dịch đặc hợp kim a) Mơ hình dung dịch đặc thay thế; b) Mơ hình dung dịch đặc xen kẽ; c) Mơ hình dung dịch đặc tổng hợp b Trong dung dịch đặc xen kẽ Nguyên tử ngun tố hịa tan (ví dụ cácbon, ơxi ) nằm xen kẽ vào lỗ hổng nút mạng tinh thể nguyên tố (hình 1-1b) Trong dung dịch rắn xen kẽ nguyên tử hồ tan phải có kích thước bé hẳn để lọt vào lỗ hổng mạng kim loại chủ, tức có kiểu mạng kim loại chủ số nguyên tử ô sở tăng lên 2.2.2 Hợp chất hóa học Hợp kim có cấu tạo hợp chất hóa học nguyên tử nguyên tố khác tác dụng hóa học với theo tỉ lệ xác nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xác định biểu diễn cơng thức hóa học Ví dụ hợp chất hóa học sắt cácbon có cơng thức hóa học Fe3C Đặc điểm chung hợp chất hóa học có độ cứng, độ giịn cao 2.2.3 Hỗn hợp học Hợp kim có cấu tạo hỗn hợp học, nguyên tử nguyên tố thành phần khác nhiều kích thước mạng tinh thể Như ngun tố khơng hịa tan với nhau, không liên kết với thành hợp chất hóa học mà liên kết với lực học túy Câu hỏi ôn tập chương Câu 1: Thế hợp kim ? Cho biết đặc tính hợp kim Câu 2: Trình bày dạng cấu trúc tinh thể hợp kim CHƯƠNG 2: GANG GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM Fe – C 1.1 Khái niệm Là biểu đồ rõ phụ thuộc tổ chức hợp kim Fe - C (cụ thể gang thép) vào thành phần hóa học nhiệt độ 1.2 Các định nghĩa Trước nghiên cứu giản đồ, ta cần thống định nghĩa sau: 1.2.1 Pha Là phần đồng hệ thống có kiểu mạng trạng thái lỏng rắn phân cách với pha lại mặt phân cách, chuyển sang pha khác thành phần hóa học tổ chức vật chất thay đổi đột ngột Ví dụ: chất lỏng đồng hệ thống pha Hỗn hợp học hệ thống hai pha 1.2.2 Nguyên Là vật chất tham gia tạo thành hệ thống Ví dụ: kim loại nguyên chất hệ thống nguyên, hợp kim hệ thống hai hay nhiều nguyên Riêng hợp chất hóa học coi nguyên 1.2.3 Hệ thống Là tập hợp pha nằm trạng thái cân Hệ thống có tính thuận nghịch Ví dụ có hệ thống nước nước đá, hệ thống có hai pha pha rắn pha lỏng có nguyên hợp chất hóa học H2O Hệ thống tồn điều kiện (nhiệt độ), hệ thống chuyển sang trạng thái lỏng rắn 1.3 Ý nghĩa giản đồ Giản đồ trạng thái Fe-C có tầm quan trọng cơng dụng lớn Nó cho ta biết nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha kim loại hợp kim với thành phần xác định, từ xác định chế độ luyện đúc, cán, rèn kim loại Qua xác định tính tính cơng nghệ gia công kim loại hợp kim 1.4 Giản đồ trạng thái Fe – C Giản đồ trạng thái Fe – C (chỉ xét hệ Fe-Fe3C) biểu diễn hệ trục tung nhiệt độ (0C) trục hoành thành phần C (%C) thay đổi Fe đến tối đa phạm vị thành phần C = 6,67%, C tác dụng hóa học với Fe để tạo thành hợp chất hóa học Fe3C Cần hiểu: Tại điểm 0%C có 100%Fe ký hiệu Fe, 6,67%C có 100%Fe3C ký hiệu Fe3C 1.4.1 Giải thích giản đồ trạng thái Fe-C Giản đồ trạng thái Fe-C trình bày hình 2-1 với ký hiệu A,B…(t0C, %C) quốc tế hóa (là xếp điểm theo thứ tự %C tăng dần) sau: 10 A(1539-0), N(1392-0), G(911-0), Q(0-0,006), P(727-0,02), H(1499-0,1), J(1499-0,16), B(1499-0,5), S(727-0,8), E(1147-2,14), C(1147-4,3), D(1250-6,67), F(1147-6,67), K(727-6,67), L(0-6,67) Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C trạng thái hoàn toàn lỏng xác định đường nối A B C D Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C trạng thái rắn xác định đường nối điểm A H J E C F, có đủ ba dạng cấu tạo gồm dung dịch rắn, hợp chất hóa học tạo thành (bởi hai nguyên tố Fe C) hỗn hợp học Hình 2-1 Giảm đồ trạng thái Fe-C 1.4.2 Các tổ chức pha hệ hợp kim Fe-C giản đồ: a Tổ chức pha - Pha δ: Là dung dịch rắn C hòa tan Feδ: Feδ(C), ký hiệu giản đồ δ - Pha ơstennít: ký hiệu chữ γ (As), dung dịch rắn C hòa tan Feγ, Feγ(C) Lượng C hòa tan tối đa 2,14% nhiệt độ 11470C điểm E tối thiểu 0,8% nhiệt độ 7270C điểm S, nên đường SE đường giới hạn hịa tan của C Feγ - Pha Ferít: ký hiệu α (F) dung dịch rắn ren kẽ bon sắt Feα Feα(C) nhiệt độ cao hịa tan 0,02% C, có lượng C hòa tan tối đa 0,006% nhiệt độ thường điểm Q, nên đường PQ đường giới hạn hịa tan C Feα coi α Feα lượng C hịa tan q nhỏ nên Ferít coi nguyên chất, pha mềm dẻo 11 - Pha Xêmentít: Ký hiệu giản đồ Xe Fe3C, hợp chất hóa học Fe tác dụng hóa học với C C = 6,67%, có cơng thức hóa học Fe3C xác định đường thẳng nối điểm RKF, có độ cứng cao ≥ 700HB giịn Ngồi tính Xe cịn phụ thuộc vào kích thước hình dạng nó, kích thước nhỏ Xe đỡ giịn Xêmentít có ba dạng: + Xêmentít1: ký hiệu XeI tiết từ pha lỏng có độ hạt lớn + Xêmentít2: ký hiệu XeII tiết từ pha rắn ơstennít có độ hạt nhỏ XeI + Xêmentít3: ký hiệu XeIII tiết từ pha rắn Ferít có độ hạt nhỏ mịn - Pha Grafít (G): bon tự phân bố kim loại, pha mềm giòn tồn gang xám b Tổ chức hai pha - Pha Peclít (P): Khi C = 0,8% có hỗn hợp học tích gọi peclit gồm hai pha (α + Xe) Được hình thành từ dung dịch rắn ơstennít 7270C tùy theo dạng Xe mà có P P hạt - Pha lêđêburít (Lê): Khi C = 4,3% có hỗn hợp học tinh Lêđeeburit gồm hai pha hình thành từ dung dịch lỏng L nhiệt độ 11470C 1.4.3 Phân loại hợp kim Fe-C theo giản đồ trạng thái a Dựa vào % C ta có + Thép: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C < 2,14% + Gang: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C > 2,14% b Căn vào tổ chức giản đồ trạng thái ta có hai loại: Thép Gang trắng - Thép: + Thép trước tích có tổ chức P+α %C < 0,8% + Thép tích có tổ chức P(α+Xe) %C = 0,8% + Thép sau tích có tổ chức P+XeII %C > 0,8% - Gang trắng: + Gang trắng trước tinh có tổ chức: Lê + P + XeII %C < 4,3% + Gang trắng tinh có tổ chức: Lê (P + Xe) %C = 4,3% + Gang trắng sau tinh có tổ chức: Lê + XeI %C > 4,3% 1.4.4 Điểm đường tới hạn nhiệt độ: a Định nghĩa: Là nhiệt độ có thay đổi cấu tạo bên hợp kim trạng thái rắn b Các điểm tới hạn: - A1 = 7270C (đường PSK): Là nhiệt độ tới hạn mà hợp kim Fe-C có cấu tạo bên tổ chức tích thuận nghịch P↔ γ cụ thể: + Khi nung nhiệt độ tới hạn A1: Tại có chuyển biến P→ γ 12 ... ĐẦU Giáo trình Vật liệu khí biên soạn theo chương trình đào tạo Trung cấp Cao đẳng nghề Cắt gọt kim loại Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai ban hành ngày… tháng ……năm 2017 Giáo trình Vật liệu. .. chủ yếu kim loại Như hợp kim có tính chất chủ yếu kim loại - Hợp kim hình thành sở hai kim loại với Ví dụ đồng Latơng hình thành sở hai kim loại (Cu + Zn) - Hợp kim hình thành sở kim loại kim Ví... Q( 0-0 ,006), P(72 7-0 ,02), H(149 9-0 ,1), J(149 9-0 ,16), B(149 9-0 ,5), S(72 7-0 ,8), E(114 7-2 ,14), C(114 7-4 ,3), D(125 0-6 ,67), F(114 7-6 ,67), K(72 7-6 ,67), L( 0-6 ,67) Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C trạng thái hoàn toàn