Tài liệu Bài giảng vật liệu kỹ thuật - Bộ môn cơ học-vật liệu pdf

Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu Bài giảng VẬT LIỆU KỸ THUẬT Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu MỤC LỤC MỤC LỤC .1 LỜI NÓI ĐẦU .5 PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ .6 Chương Cấu trúc tinh thể vật liệu .6 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử .6 1.1.1.Khái niệm cấu tạo nguyên tử 1.1.2 Mơ hình ngun tử 1.1.3.Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 12 1.2.Sự xếp nguyên tử vật chất 16 1.2.1.Chất khí 16 1.2.2 Chất rắn tinh thể .16 1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vơ định hình vi tinh thể 16 1.3.Khái niệm mạng tinh thể 17 1.3.1 Khái niệm tính chất mạng tinh thể 17 1.3.2 Các yếu tố đối xứng định hướng hay yếu tố đối xứng hình hữu hạn 18 1.3.3 Các yếu tố đối xứng vị trí hay yếu tố đối xứng hình vơ hạn 19 1.3.4 Các ô mạng sở 14 kiểu mạng tinh thể 20 1.3.5 Ảnh hưởng kiểu liên kết đến cấu trúc tính chất tinh thể 23 1.4 Một số kiểu mạng tinh thể điển hình kim loại 24 1.5 Sai lệch mạng tinh thể lệch 25 1.5.1 Các sai lệch điểm mạng tinh thể 25 1.5.2 Lệch đường, lệch mặt tác dụng lệch tinh thể 26 1.6 Đơn tinh thể đa tinh thể 27 1.6.1 Tính có hướng tinh thể 27 1.6.2 Đơn tinh thể đa tinh thể 28 1.6.2.1 Đơn tinh thể 28 1.6.2.2 Đa tinh thể 28 Chương .30 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 30 2.1 Cơ sở chung kết tinh 30 2.1.1 Điều kiện xảy kết tinh 30 Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu 2.1.2 Chuyển biến xảy kết tinh 31 2.1.2 Sự thải nhiệt 32 2.1.3 Tổ chức tế vi kết tinh .34 2.2 Hai trình kết tinh .35 2.2.1 Quá trình tạo mầm .35 2.2.1.1 Quá trình tạo mầm đồng thể (mầm nội sinh) 35 2.2.1.2 Quá trình tạo mầm dị thể ( mầm ngoại sinh) 36 2.2.2 Quá trình phát triển mầm .39 2.2.3 Sự tạo mầm chất rắn .39 2.3 Sự hình thành hạt 40 2.4 Cấu tạo tinh thể thỏi đúc 41 Phần II 42 HỢP KIM VÀ TỔ CHỨC 42 Chương 42 Hợp kim giản đồ pha 42 3.1 Cấu trúc tinh thể hợp kim 42 3.1.1.Khái niệm hợp kim 42 3.1.2 Các dạng cấu tạo hợp kim .42 3.1.2.1.Dung dịch rắn 43 3.1.2.2 Hợp chất hóa học 44 3.1.2.3 Hỗn hợp học 45 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 46 3.2.1.Quy tắc pha công dụng 46 3.2.2 Các giản đồ pha công dụng .46 3.2.2.1 Giản đồ loại 47 3.2.2.2 Giản đồ loại 48 3.2.2.3 Giản đồ loại 49 3.3 Giản đồ sắt-cacbon tổ chức 50 3.3.1.Giản đồ pha Fe-Fe3C .51 3.3.2 Các tổ chức hợp kim Fe-C 52 Chương 56 Nhiệt luyện thép .56 4.1 Khái niệm nhiệt luyện .56 4.1.1 Đặc điểm nhiệt luyện 56 4.1.2 Tác dụng nhiệt luyện nhà máy khí 56 4.2 Các chuyển biến xảy nung nóng .58 4.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến nung nóng 58 4.2.2 Đặc điểm chuyển biến pec lít thành austenit 59 4.2.3 Chuyển biến xảy giữ nhiệt 60 4.2.4 Chuyển biến austenit làm nguội chậm 60 4.2.6 Chuyển biến austenit làm nguội nhanh 64 4.2.7 Chuyển biến nung nóng thép tơi ( ram) 66 4.2.7.2 Các chuyển biến xảy ram 66 4.3 Các dạng nhiệt luyện thép hợp kim .68 4.3.2.Ủ thép 68 4.3.3.Thường hóa thép .69 Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu 4.3.4Tôi thép 70 4.3.5.Ram thép 73 4.4.Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép 75 4.4.1.Biến dạng nứt .75 4.4.2.Oxy hóa cacbon 75 4.4.3.Độ cứng không đạt 76 4.5 Hóa nhiệt luyện 76 4.5.1 Thấm cacbon 77 4.5.2 Thấm ni tơ cho thép .78 4.5.3 Thấm đồng thời bề mặt thép cacbon ni tơ 79 PHẦN .80 CÁC LOẠI VẬT LIỆU .80 Chương .80 Thép gang 80 5.1 Khái niệm chung thép cacbon thép hợp kim 80 5.1.1 Thép cacbon 80 5.1.2 Thép hợp kim 82 5.2 Thép xây dựng 84 5.2.1 Đặc điểm chung phân loại 84 5.2.2 Thép thông dụng 85 5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao .86 5.2.4 Thép làm cốt bê tông .86 5.4 Thép chế tạo máy 87 5.4.1 Các yêu cầu chung 87 5.4.2 Các nhóm thép chế tạo máy 87 5.5 Thép dụng cụ 87 5.5.1 Các yêu cầu chung 87 5.5.2 Các nhóm thép dụng cụ 88 5.6 Thép đặc biệt .91 5.6.1 Đặc điểm chung phân loại 91 5.6.2 Thép không rỉ 91 5.6.3 Thép bền nóng .93 5.7 Gang 94 5.7.1 Đặc điểm chung loại gang 94 5.7.2 Gang xám .95 5.7.3 Gang cầu 96 5.7.4 Gang dẻo 98 Chương .100 6.1 Nhôm hợp kim nhôm 100 6.1.1 Nhôm nguyên chất phân loại hợp kim nhôm 100 6.1.2.Hợp kim nhôm biến dạng .101 6.1.3 Hợp kim nhôm đúc 102 6.2 Đồng hợp kim đồng 104 6.2.1 Đồng nguyên chất đặc tính hợp kim đồng 104 6.2.2 Phân loại hợp kim đồng .104 6.3 Các hợp kim ổ trượt 106 Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu 6.3.1 Yêu cầu hợp kim làm ổ trượt 106 6.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 106 6.3.3 Hợp kim nhôm làm ổ trượt 107 Chương 108 Vật liệu polyme 108 7.1 Khái niệm 108 7.1.1 Định nghĩa 108 7.1.2 Phân loại polyme 109 7.2 Cấu trúc phân tử polyme tính chất .111 7.2.1 Cấu trúc phân tử polyme 111 7.2.2 Sự kết tinh polyme 115 7.2.3 Tính chất học polyme .116 7.3 Một số phương pháp gia công polyme 118 7.3.1 Công nghệ cán .118 7.3.2 Công nghệ đùn .119 7.3.3.Cơng nghệ đúc áp lực (hay cịn gọi đúc phun) 120 7.3.4 Công nghệ thổi vật rỗng 121 7.4 Các loại vật liệu polyme cơng dụng 122 7.4.1 Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng 122 7.4.2 Các loại nhựa nhiệt rắn thông dụng .125 7.4.3.Elastome tổng hợp 126 Chương .127 8.1 Khái niệm chung .127 8.1.1 Định nghĩa 127 8.2 Vật liệu Polyme Compozit 130 8.2.1 Thành phần vật liệu .130 8.2.3 Chất độn phụ gia .137 8.2.4 Đặc điểm tính chất sử dụng vật liệu polyme compozit 140 8.3 Một số phương pháp chế tạo kết cấu từ vật liệu polyme compozit 141 8.3.1 Đặc trưng chung công nghệ 141 8.3.2 Một số phương pháp gia công chế tạo kết cấu từ compozit 141 8.4 Ứng dụng vật liệu polyme compozit 145 8.4.1 Ứng dụng chế tạo ôtô phương tiện giao thông mặt đất 146 8.4.2 Ứng dụng lĩnh vực đóng tàu .146 8.4.3 Ứng dụng hàng không vũ trụ 146 8.4.4 Các ứng dụng quan trọng khác vật liệu polyme compzozit 147 Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ mơn học-vật liệu LỜI NĨI ĐẦU Từ loài người biết dùng lửa để sưởi ấm, biết hái lượm săn bắn để đảm bảo tồn nay, khoa học kỹ thuật có bước phát triển vượt bậc làm thay đổi sống người Ngày khoa học kỹ thuật chủ yếu tập trung vào năm lĩnh vực lớn là: cơng nghệ thơng tin, khí-tự động hóa, điện tử viễn thơng, cơng nghệ sinh học cơng nghệ vật liệu Trong cơng nghệ vật liệu có bước phát triển quan trọng tạo nhiều loại vật liệu có tính ưu việt ứng dụng lĩnh vực đời sống kỹ thuật Vì vật liệu có tầm quan trọng việc sử dụng vật liệu cho thích hợp với yêu cầu điều kiện làm việc vấn đề quan trọng Mỗi loại vật liệu lại có đặc điểm riêng tính chất giá thành để lựa chọn vật liệu cho phù hợp không đơn giản Trong lĩnh vực khí đóng tàu khơng thể khơng liên quan đến vật liệu, yêu cầu tối thiểu kỹ sư khí đóng tàu phải nắm tính chất số loại vật liệu để lựa chọn sử dụng chúng điều kiện làm việc cụ thể kết cấu chi tiết máy Muốn phải hiểu kiến thức số loại vật liệu sử dụng phổ biến nay, vật liệu kim loại, vật liệu polyme vật liệu compozit Đó nội dung chủ yếu giảng Hiện nhà khoa học vật liệu liên tục nghiên cứu tìm tịi phát minh nhiều loại vật liệu làm biến đổi sâu sắc loại vật liệu truyền thống, có loại vật liệu biến tính để áp dụng chi tiết, kết cấu làm việc điều kiện khắc Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu nghiệt Tuy nhiên thời gian tư liệu có hạn chắn giảng chưa cung cấp vấn đề nhất, tác giả có gắng hồn thiện liên tục bổ sung vấn đề khoa học vật liệu thời gian sớm Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo môn học-vật liệu, khoa kỹ thuật tàu thủy, đặc biệt PGS.TS Quách Đình Liên trường đại học Nha Trang có đóng góp quý báu cho giảng Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương Cấu trúc tinh thể vật liệu 1.1 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1.1.Khái niệm cấu tạo nguyên tử Như biết mơn học vật lý hóa học đại cương, cấu tạo nguyên tử hệ thống gồm hạt nhân mang điện tích dương, xung quanh hạt nhân điện tử mang điện tích âm bao quanh, trạng thái bính thường ngun tử trung hồ điện Nguyên tử phần tử vật chất không phân chia nhỏ phản ứng hóa học Mỗi loại ngun tử có tính chất vật lý hóa học đặc trưng tạo nên nguyên tố hóa học Mỗi nguyên tố có nguyên tử số xác định Các thông số nguyên tử thể bảng 1-1 Bảng 1-1.Các thông số nguyên tử ≈ 1.67 × 10-27 to 4.52 × 10-25 kg Bằng khơng (nếu có số điện tử quỹ đạo số proton nguyên tử Đường kính 50 pm(H) đến 520 pm(Cs) Số ngun tử quan ~1080 sát vũ trụ Khối lượng Điện tích Kích thước ngun tử phải nói nhỏ, đường kính phân tử hydro có độ lớn vào khoảng hai lần bán kính Van de Van (van der Waals radius) Bán kính van der Walls nguyên tử khoảng điện tử xa đến hạt nhân nguyên tử (trong trường hợp nguyên tử độc lập) đến trung tâm phân tử Sở dĩ có tên bán kính van der Walls để kỷ niệm Johannes Diderik van der Walls ông nhận giả thưởng Nobel vào năm 1910 Kích thước số nguyên tử thể bảng Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu Bảng 1-2 Kích thước số nguyên tử Bán kính (Å) Nguyên tố Hydro 1.20 Cac bon 1,70 Ni tơ 1,55 Ô xy 1,52 Flo 1,35 Phốt 1,90 Lưu huỳnh (sulphur) 1,85 Clo (chlorine) 1,8 Nếu so sánh kích thước nguyên tử với sợi tóc người sợi tóc có khoảng triệu nguyên tử bon, giọt nước chứa khoảng 2x10 21 nguyên tử ôxy hai lần lớn số lượng nguyên tử hydro Còn hạt bụi trung bình chứa 3x1012 (3 tỉ) nguyên tử Số nguyên tử 12 gam than củi vào khoảng 6x10 23 nhiều 1.400.000 thời gian tuổi vũ trụ tính giây Ngun tử -phần tử ln giữ ngun- phần tử nhỏ không phân chia phản ứng hóa học, từ có tên gọi nguyên tử Tuy nhiên, số tương tác vật lý, nguyên tử tách thành thành phần nhỏ bé hơn, gọi hạt hạ nguyên tử Do nguyên tử trung hòa điện, mà điện tử lại có điện tích âm nên cần phải có điện tích dương tồn nguyên tử Hơn nữa, khối lượng điện tử nhỏ so với khối lượng nguyên tử nên cần phải có thực thể tạo khối lượng lớn nguyên tử Các kết thực nghiệm cho thấy nguyên tử bị phân chia sở cho mơ hình ngun tử Cấu tạo hạt nhân nguyên tử gồm có hạt mang điện tích dương gọi proton hạt khơng mang điện gọi notron Các điện tử phân bố quanh hạt nhân theo mức lượng từ thấp đến cao + Electron hạt hạ nguyên tử tìm dựa vào tính chất điện vật chất Vào cuối thập kỷ kỷ thứ 19, người ta nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube) Ống chùm ca-tốt ống thuỷ tinh, bên có chứa khí có áp suất thấp, đầu ống cực dương, đầu cực âm Hai cực nối với nguồn có điện khác nhau, nguồn tạo dịng hạt qua khí bên ống Người ta giả thiết có chùm hạt phát từ cực dương phía cực âm làm cho ống phát sáng Chùm gọi chùm ca-tốt Khi đặt vật chướng ngại nhẹ ống vật bị di chuyển từ cực dương Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học-vật liệu cực âm, người ta kết luận hạt có khối lượng Khi đặt từ trường vào dịng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận hạt có điện tích Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) kiểm chứng tượng nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đo tỷ số khối lượng hạt điện tích độ lệch hướng chùm tia từ trường điện trường khác Thomson dùng nhiều kim loại khác làm cực dương cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí ống Ơng thấy độ lệch chùm tia tiên đốn cơng thức tốn học Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng số khơng phụ thuộc vào việc ơng dùng vật liệu Ơng kết luận tất chùm ca-tốt tạo thành từ loại hạt mà sau nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên "electron", vào năm 1891 Các nhà khoa học xác định khối lượng điện tích electron Theo đó, điện tích electron -1,602.10-9 C khối lượng 9,1.10 -31 kg Electron có đường kính khoảng 10-7Ao Mặc dù có kích thước khối lượng nhỏ electron chuyển động không gian chung quanh hạt nhân lớn gấp hàng tỷ lần thể tích hạt nhân + Proton Năm 1911 Rutherford sử dụng radi phóng chùm hạt α mang điện tích dương, có khối lượng gấp khoảng 7500 lần khối lượng electron, hướng vào vàng mỏng L Ông dùng huỳnh quang theo dõi đường hạt Kết thí nghiệm cho thấy hầu hết hạt α xuyên thẳng qua vàng có số lệch hướng ban đầu bị bật trở lại sau gặp vàng Điều giải thích ngồi electron tạo thành lớp vỏ nguyên tử, nguyên tử hạt nhân mang điện tích dương tập trung hầu hết khối lượng ngun tử có kích thước nhỏ so với thể tích nguyên tử Năm 1913, nhà vật lý người Anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) thấy ngun tố có điện tích dương hạt nhân nguyên tử Do hạt nhân phải chứa loại hạt mang điện tích dương gọi proton Số proton hạt nhân gọi nguyên tử số hay gọi số hiệu nguyên tử + Neutron Người ta thấy nguyên tử lượng hyđrô lớn tổng khối lượng proton điện tử phải tồn loại hạt khác hạt nhân đóng góp vào khối lượng nguyên tử Vì nguyên tử trung hịa điện nên hạt phải khơng mang điện tích Đó hạt neutron vật lý người Pháp Irene Joliot-Curie (1897-1956) nhà vật lý người Anh James Chadwick (1891-1974) phát Các phát giúp người hiểu biết sâu sắc cấu trúc nguyên tử, mở nhiều hướng nghiên cứu cho lượng nguyên tử sau Đồng thời hồn thiện mơ hình cấu trúc ngun tử Điển hình mơ hình ngun tử Rutherford lúc là: proton neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh chiếm phần lớn thể tích ngun tử Khối lượng điện tử nhỏ so với khối lượng hạt nhân nguyên tử 10 ... loại vật liệu truyền thống, có loại vật liệu biến tính để áp dụng chi tiết, kết cấu làm việc điều kiện khắc Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học -vật liệu nghiệt Tuy nhiên thời gian tư liệu. .. liệu, khoa kỹ thuật tàu thủy, đặc biệt PGS.TS Quách Đình Liên trường đại học Nha Trang có đóng góp quý báu cho giảng Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học -vật liệu PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương.. .Bài giảng vật liệu kỹ thuật Bộ môn học -vật liệu MỤC LỤC MỤC LỤC .1 LỜI NÓI ĐẦU .5 PHẦN I VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ .6