Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề Công nghệ kỹ thuật cơ khí)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI GIÁO TRÌNH Tên mơn học: Vật liệu khí NGHỀ: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày tháng năm 2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Công nghiệp Thương mại Vĩnh Phúc, năm 2018 TÊN MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ Mã mơn học: MHTC17011051 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học - Vị trí: + Mơn học bố trí trước, đồng thời sau sinh viên học xong môn học chung bắt buộc + Môn học bố trí trước mơn học, mơ đun đào tạo chun nghề - Tính chất buộc Là mơn học kỹ thuật sở thuộc môn học, mô đun đào tạo nghề bắt - Ý nghĩa vai trị: Mơn học Vật liệu khí mơn học sở nhằm trang bị cho học sinh kiến thức vật liệu khí để từ học sinh sử dụng gia cơng vật liệu cách hợp lý khoa học Mục tiêu mơn học: - Trình bày đặc điểm, tính chất lý, ký hiệu phạm vi ứng dụng số vật liệu thường dùng ngành khí như: gang, thép cacbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, vật liệu phi kim, dung dịch trơn nguội - Giải thích số khái niệm nhiệt luyện hoá nhiệt luyện; nghề; xuất; - Xác định tính chất, cơng dụng loại vật liệu thường dùng cho - Có khả lựa chọn loại vật liệu theo yêu cầu sản - Nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện thép gió, đục - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung môn học: Thời gian (giờ) ố TT Tên chương, mục Tổng số Thực hành, thí Lý Kiểm nghiệm, thuyết tra thảo luận, tập Chương 1.Các khái niệm sở kim loại hợp kim - Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất -Hợp kim 0 - Hợp kim sắt cácbon - Biến dạng tính Chương Vật liệu kim loại Thép Cácbon Thép hợp kim Gang 15 14 Chương Nhiệt luyện Khái niệm nhiệt luyện thép Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép Ủ thường hố thép Tơi thép Ram thép Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép Chương Hợp kim màu phi kim loại 45 1 Hợp kim màu Gỗ Chất dẻo 4.Vật liệu Compozit Chương Vật liệu Cộng * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính lý thuyết, kiểm tra thực hành tính thực hành CHƯƠNG 1:CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI Mã chương: MHTC17011051-01 Giới thiệu chương: Phụ thuộc vào điều kiện tạo thành ( nhiệt độ, áp suất,…) tương tác phần tử cấu thành (lực liên kết phân tử, nguyên tử), vật chất tồn trạng thái rắn, lỏng, khí (hơi) Tính chất vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào cách xếp phần tử cấu thành lực liên kết chúng Trong chương khái niệm đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, dạng liên kết cấu trúc tinh thể, không tinh thể (vơ định hình) vật rắn Mục tiêu: - Trình bày đặc điểm, cấu tạo liên kết nguyên tử kim loại hợp kim; - Mô tả dạng liên kết nguyên tử cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn; - Trình bày kết tinh hình thành tổ chức kim loại; - Trình bày cách xác định phương mặt mạng tinh thể; - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung Cấu tạo liên kết nguyên tử 1.1 Khái niệm cấu tạo nguyên tử 1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn Sắp xếp nguyên tử vật chất 2.1 Chất khí 2.2 Chất rắn tinh thể 2.3 Chất lỏng, chất rắn vô định hình vi tinh thể Mạng tinh thể kim loại 3.1 Khái niệm mạng tinh thể 3.2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 4.1.Chất rắn có liên kết ion 4.2 Chất rắn có liên kết đồng hố trị 4.3 Chất rắn có liên kết kim loại 4.4 Liên kết hỗn hợp 4.5 Liên kết yếu ( liên kết Van der Waals) Đơn tinh thể đa tinh thể 5.1 Đơn tinh thể 5.2 Đa tinh thể 5.3 Textua Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 6.1 Điều kiện xảy kết tinh 6.2 Hai trình kết tinh 6.3 Sự hình thành hạt 1.1 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất Mục tiêu: -Trình bày số khái niệm cấu tạo nguyên tử dạng liên kết chúng, yếu tố đóng vai trị quan trọng cấu trúc tính chất vật rắn vật liệu; - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập 1.1.1 Khái niệm kim loại nguyên chất Nguyên tử hệ thống bao gồm hạt nhân mang điện dương điện tử (electron) mang điện âm chuyển động xung quanh Hạt nhân nguyên tử cấu tạo từ proton nơtron Hạt nơtron không mang điện cịn hạt proton mang điện dương, có điện tích điện tích nguyên tử Ở trạng thái thường, ngun tử chung hịa điện số lượng proton số lượng điện tử Số đặc trưng số thứ tự nguyên tử (Z) bảng tuần hoàn Menđeleev Vì khối lượng proton nơtron lớn nhiều so với điện tử (khoảng 1830 lần) khối lượng nguyên tử xác định khối lượng hạt nhân Với khối lượng điện tử proton, hạt nhân chứa số lượng nơtron khác tạo thành đồng vị nguyên tố hóa học 1.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại a Liên kết đồng hóa trị Liên kết tạo hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử lớp ngồi Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 Hình 1.1 Liên kết cộng hố trị phân tử khí CH4 b Liên kết ion Đây loại liên kết mạnh dễ xẩy ngun tử có điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử để tạo thành ion dương nguyên tố nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion âm nguyên tố nhóm VIB (O, S ) Hình 1.2 biểu diễn liên kết ion phân tử LiF c Liên kết kim loại Đây loại liên kết đặc trưng cho vật liệu kim loại, định tính chất đặc trưng loại vật liệu Hình 1.3 biểu diễn sơ đồ liên kết kim loại Có thể hình dung liên kết sau: ion dương tạo thành mạng xác định, đặt không gian điện tử tự "chung" Năng lượng liên kết tổng hợp (cân bằng) lực hút (giữa ion dương điện tử tự bao quanh) lực đẩy (giữa ion dương) Chính nhờ cân nguyên tử, ion kim loại ln ln có vị trí cân xác định đám mây điện tử Liên kết kim loại thường tạo kim loại nguyên tố có í t điện tử hóa trị, chúng liên kết yếu với hạt nhân dễ dàng bứt khỏi nguyên tử trở nên tự (không bị ràng buộc nguyên tử nào) tạo nên "mây" hay "biển" điện tử d Liên kết hỗn hợp Thực ra, liên kết đồng hóa trị túy có trường hợp liên kết đồng cực (giữa nguyên tử nguyên tố hóa học) Trong trường hợp liên kết dị cực (giữa nguyên tử nguyên tố khác nhau) Điện hóa trị tham gia liên kết chịu hai ảnh hưởng trái ngược : - Bị hút hạt nhân “của mình” - Bị hút hạt nhân nguyên tử thứ hai để tạo nguyên tử “chung” Khả hạt nhân hút điện tử hóa trị gọi tính âm điện nguyên tử Sự khác tính âm điện nguyên tử liên kết đồng hóa trị làm cho đám mây điện tử “chung” bị biến dạng tạo thành ngẫu cực điện, tiền tố liên kết ion Tính ion liên kết lớn khác tính âm điện nguyên tử lớn Ví dụ Na có tính âm điện 0,9 cịn Cl 3,0 Do liên kết Na Cl hợp chất NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion 48% liên kết đồng hóa trị Tất liên kết dị cực mang tính chất hỗn hợp liên kết ion đồng hóa trị e Liên kết yếu ( liên kết Van der Waals) Liên kết đồng hóa trị cho phép lý giải tạo thành phân tử ) Nhưng không cho phép lý giải tạo nước ( O) polyetylen ( thành số vật rắn từ phân tử trung hòa nước đá polyme… Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, khác tính âm điện nguyên tử, trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, ngẫu cực điện tạo thành, phân tử bị phân cực Liên kết van der waals liên kết hiệu ứng hút nguyên tử phân tử bị phân cực trạng thái rắn Liên kết loại liên kết yếu, rễ bị phá vỡ ba động nhiệt (khi tăng nhiệt độ) Vì chất rắn sở liên kết van der waals có nhiệt độ nóng chảy thấp 1.1.2.1 Sắp xếp nguyên tử vật chất Mục tiêu: - Trình bày xếp nguyên tử chất khí, chất rắn tinh thể chất lỏng, chất rắn vô định hình vi tinh thể; - Rèn luyện khả tư độc lập, sáng tạo để tiếp thu tốt kiến thức a Không trật tự hồn tồn, chất khí Chất khí chiếm tồn thể tích chứa nén Các ngun tử (phân tử) chất khí ln ln chuyển động ba động nhiệt số nguyên tử (phân tử) đơn vị thể tích thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Vị trí tương ứng chúng ln thay đổi theo quy luật ngẫu nhiên Trung bình nguyên tử (phân tử) chiếm thể tích tương ứng hình cầu Đường kính trung bình nm b Chất rắn tinh thể Trong vật rắn tinh thể ngun tử có vị trí hồn tồn xác định không so với nguyên tử gần mà nguyên tử khác xa Khơng gian xung quanh ngun tử có cấu tạo hồn tồn đồng Nói cách khác tinh thể có trật tự xa Hình 1.4 cấu trúc tinh thể muối ăn, hình 1.5 cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.4: cấu trúc tinh thể Hình1.5:cấu trúc tinh thể muối ăn kim cương 1.1.2.3 Chất lỏng, chất rắn vơ định hình vi tinh thể Một cách gần đúng, thể tích khối lượng chất lỏng đại lượng không đổi Giống vật rắn nguyên tử có xu tiếp xúc với chiếm khơng gian hình cầu kích thước khoảng 0,25 mm Nên chất lỏng khơng có tính chịu nén - Chất rắn vơ định hình vi tinh thể: theo xếp có trật tự không gian nguyên tử, ion hay phân tử (gọi tắt chất điểm) người ta chia chất rắn làm hai nhóm vật tinh thể vật vơ định hình Trong vật rắn tinh thể chất điểm xếp theo quy luật (trật tự) hình học định, cịn vật vơ định hình chất điểm xếp hỗn loạn Tất kim loại hợp chất chúng trạng thái rắn vật tinh thể hay nói khác có cấu tạo tinh thể Điển hình vật vơ định hình thủy tinh, nhựa, hai trạng thái lỏng rắn chất điểm xếp không trật tự Sự khác chất lỏng vật rắn thể sau: Các nguyên tử luôn chuyển động ba động nhiệt Nhận thấy rằng, vùng không gian nhỏ (cỡ kích thước nguyên tử), số nguyên tử xếp có trật tự, khơng ổn định ln ln bị phá vỡ ba động nhiệt Như chất lỏng có trật tự gần Ngược với tính dị hướng chất rắn vật rắn, chất lỏng có tính đẳng hướng chất lỏng số lượng nguyên tử, phân tử trung bình đơn vị chiều dài lực liên kết chúng Theo hướng không gian; Độ xếp chặt (tỷ lệ thể tích nguyên tử chiếm chỗ tổng thể tích) chất lỏng so với vật rắn (q trình kết tinh đơng rắn thường kèm theo giảm thể tích Một cách gần minh họa chất khí, chất lỏng, chất rắn hình ảnh tương ứng: hội trường hịa nhạc trật khán giả cịi báo động (khí) kết thúc buổi hòa nhạc (lỏng) hàng ngũ đội chuẩn bị duyệt binh quảng trường (rắn ) Giống chất lỏng, vật rắn vơ định hình có tính đẳng hướng Cần lưu ý rằng, làm nguội kim loại hợp kim lỏng với tốc độ lớn lớn (104 - 109 )oC/s, vật rắn nhận có cấu trúc vơ định hình cấu trúc tinh thể với kích thước nhỏ (khoảng nanomet), gọi vật rắn vơ định hình vi tinh thể 1.2 Hợp kim Mục tiêu: - Trình bày khái niệm mạng tinh thể như: ô sở, thông số mạng, nút mạng, phương – mặt cách xác định; - Phân tích vị trí nguyên tử kiểu mạng tinh thể thường gặp kim loại; - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập 1.2.1 Khái niệm hợp kim a Ơ sở Để có khái niệm mạng tinh thể, xuất phát từ khái niệm đơn giản sở Ơ sở mơ hình khơng gian mơ tả quy luật hình học xếp chất điểm vật tinh thể, hình 1.6a biểu diễn sở mạng lập phương đơn giản vòng tròn nhỏ biểu thị chất điểm (nguyên tử, ion, phân tử) đường thẳng nối đường tưởng tượng Thấy rằng, tính đối xứng tinh thể từ ô sở, thao tác đối xứng, tịnh tiến theo chiều không gian nhận tồn mạng tinh thể (hình 1.6b) z y x a a) b) Hình 1.6: a) Mơ hình sở b) Mơ hình khơng gian biểu diễn mạng tinh thể Ơ sở xây dựng vectơ đơn vị , , tương ứng trục tọa độ Ox, Oy Oz Tâm nguyên tử (ion phân tử) đỉnh ô nút mạng Môdun vectơ a = ,b= ,c= kích thước sở, gọi số mạng hay chu kỳ tuần hoàn (chu kỳ tịnh tiến) mạng tinh thể theo ba chiều tương ứng Các góc tạo vectơ ( góc , , , , hợp đôi ký hiệu , ) Thấy mạng tinh thể chọn nhiều kiểu sở khác nhau.Tuy nhiên, sở đơn vị tuần hoàn nhỏ mạng tinh thể việc lựa chọn phải thỏa mãn nguyên tắc cho đại diện đầy đủ cho tính chất cấu trúc tồn tinh thể Các ngun tắc là: - Tính đối xứng sở phải tính đối xứng tinh thể (về hình dáng bên ngồi tính chất); - Số cạnh số góc (giữa cạnh) phải nhiều nhất; - Nếu có góc vng cạnh số góc phải nhiều nhất; - Có thể tích nhỏ cạnh bên ngắn Bằng cách tịnh tiến, đưa phần tử (nguyên tử,ion hay phân tử) lên tâm mặt bên, tâm đáy tâm ô sở đơn giản Dựa vào mối tương quan (a, b,c góc α, ß, γ ) mà người ta chia hệ tinh thể Khi tịnh tiến ion (Phân tử, nguyên tử) tâm mặt, tâm khối Hình 5.1: Phương pháp106 phun bơm Đây phương pháp gia công dùng rộng rãi cho polyme nhiệt dẻo Sơ đồ đơn giản máy phun bơm mô tả hình 5.1 Lượng nguyên liệu cung cấp từ phễu nhập liệu vào máy (hình 5.1a), vít me đẩy vật liệu vào buồng nung đến trạng thái nhớt (hình 5.1b) Sau chất dẻo nóng chảy đẩy qua khe vào khn (hình 5.1c), áp lực trì sản phẩm rắn lại Cuối cùng, mở khn, lấy sản phẩm (hình 5.1d), đóng khn lại tồn chu kì lại bắt đầu *Ưu điểm phương pháp: Năng suất chất lượng sản phẩm cao; Điều kiện lao động nhẹ nhàng; Có thể tự động hóa q trình dễ dàng; Có thể sản xuất dược dạng sản phẩm phức tạp * Nhược điểm phương pháp: Giá thiết bị cao Cần thường xuyên kiểm tra để đảm bảo chất lượng sản phẩm cao b Đúc đùn Sơ đồ đúc đùn mơ tả hình 5.2 TRục vít đẩy vật liệu bột làm cho nén lại, sau nóng chảy liên tục tạo nên chất lỏng nhớt Chất đùn qua lỗ khuôn Phương pháp dùng chủ yếu để sản xuất sản phẩm ống, thanh, nhiều loại hình dạng khác Máy đúc đùn dùng để chế tạo chất dẻo tổng hợp (compound) tái sinh nguyên liệu nhiệt dẻo dạng viên Q trình hóa rắn sản phẩm đùn thực cách làm lạnh với luồng khơng khí nước cho kích thước thu ổn định Hình 5.2: Phương pháp đúc đùn c Đúc thổi 107 Là phương pháp chế tạo polyme nhiệt dẻo thành sản phẩm dạng bình chứa (tựa chai lọ) Sơ đồ ngun lí trình bày hình 5.3 Đầu tiên ống polyme đùn ra, dạng nửa nóng chảy (hình 5.3 a), đoạn ống đưa vào khuôn gồm hai phần Hơi nước khơng khí áp lực định thổi vào đoạn ống làm cho thành có hình dạng khn (hình 5.3b) Đương nhiên, nhiệt độ, độ nhớt đoạn ống phải điều chỉnh xác Sau ống tháo (hình 5.3 c) Hình 5.3: Phương pháp đúc thổi d Ép đúc (compression molding) Nhiều loại polyme nhiệt rắn Phenol fomadehyt, ure – fomadehyt … hình thành sản phẩm rắn cách ép đúc Trong phương pháp ép đúc nhựa nhiệt rắn, phụ gia pha trộn theo tỷ lệ nạp vào lịng khn hình 5.4 Cả hai nửa khn nung nóng, nhiên nửa khn di động Đóng khn, nung nóng ép, vật liệu nóng chảy điền kín lịng khn Trước đúc, ngun liệu trộn ép nguội thành đĩa gọi ép sơ Nung nóng trước đĩa ép sơ giảm thời gian gia công, giảm áp suất đúc làm sản phẩm đồng Phương pháp dùng cho nhựa nhiệt dẻo nhiệt rắn Tuy nhiên nhiệt dẻo, thời gian gia cơng dài đắt Hình 5.4: Phương pháp đúc ép * Ưu điểm phương pháp: - Khuôn đơn giản nên giá thành thấp; 108 - Ít làm mịn khuôn, thời gian chảy vật liệu khuôn ngắn; - Có khả chế tạo sản phẩm lớn * Nhược điểm phương pháp: không chế tạo chế sản phẩm có hình dạng phức tạp e Đúc trao đổi Hình 5.5: Phương pháp đúc trao đổi Đúc trao đổi phương án đúc ép, dùng để gia công vật liệu nhiệt rắn phenolurea, melamine loại nhựa nhiệt rắn khác Sự khác phương án đúc trao đổi đúc ép cách đưa vật liệu vào lịng khn Trong đúc trao đổi, vật liệu khơng cấp trực tiếp vào lịng khn, trước tiên làm nóng chảy buồng trao đổi nhiệt (hình 5.5 a) sau phun vào lịng khn áp suất phân bố tồn bề mặt khn (hình 5.5 b) Sản phẩm giữ đủ thời gian đông cứng để tạo nên cấu trúc mạng khơng gian, lấy khỏi khn (hình 5.5c) Phương pháp dùng cho nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có hình dạng phức tạp 2.2.4 Phạm vi ứng dụng số loại chất dẻo Chất dẻo dạng sản phẩm vật liệu polymer sử dụng lớn số lượng lẫn sản lượng thực tế Bảng 5.5 giới thiệu tính chất, ứng dụng số chất dẻo thơng dụng thị trường Tính chất chất dẻo đa dạng, ví dụ: polystyren, polymetymetacrilat có độ suốt cao, phù hợp với dụng cụ quang học Các chất dẻo flocacbon chịu nhiệt tốt, có số ma sát thấp bền môi trường hóa học, nên dùng nhiều cơng nghiệp điện tử, thực phẩm Bảng 5.5 Loại vật liệu Tên thương mại Tính chất Ứng dụng điển hình Chất dẻo nhiệt dẻo Polystyrene (tinh thể trong) Styron, Replay, ladene Trong suốt, ổn định nhiệt, tính cách nhiệt tơt Chai chứa nắp đậy, dụng cụ, bình chứa y tế 109 Alathon Plyetylen (PE) Petrothene Hi -fax Pro - fax Polyprolen (PP) Tenite Moplen Nilon Polyamit Zyten PlafKon Flocacbon (PTFE hay TFE) Telon TFE Halon TFE Bền hóa chất cách điện mềm dẻo có hệ số ma sát thấp, độ bền học không cao chịu thời tiết yếu Chai lọ mềm dẻo, đồ chơi, vỏ bình ăcquy, khay đựng đá, màng bao gói Bền với thay đổi nhiệt độ Tính chất cách điện bền mỏi tuyệt vời Bền hóa chất Tương đối rẻ Chịu tia tử ngoại Chai lọ trùng được, màng bao gói, vỏ tivi, valy, túi du lịch Polyamit (PA) Độ bền học tốt, bền ma sát Hệ số Ổ trượt, bánh răng, bàn chải, tay cầm, vỏ ma sát nhỏ Hút bọc dây cáp, dây điện nước số chất lỏng khác Trơ hầu hết mơi trường Hệ số ma sát nhỏ Có thể dùng đến nhiệt độ 260C, có tính chảy Truyền ánh sáng tuyệt vời, bền với Lucite Plexiglass thời tiết, tính chất Acrilat, PMMA) trung bình Acrylic (polymetylmet PVC Vinyl (PVC) Pliovic Saran Tygon Vật liệu có ứng dụng rộng rãi Cứng nên thường dùng với hóa chất dẻo Chất bịt bọc chống ăn mòn, van, đường ống, đệm chịu hóa chất, màng chống dính, chi tiết điện từ làm việc nhiệt độ cao Kính cửa máy bay, dụng cụ đo đạc, thiết kế Thảm trải sàn, đường ống, bọc dây điện, băng ghi âm Chất dẻo nhiệt rắn Epon Epoxy Epi - rez Araldite Có phối hợp tuyệt vời độ bền học tính chống ăn mịn Kích thước ổn Vật liệu đúc, keo rán, Vật liệu compozit, sơn bảo vệ 110 điịnh Bám dính tốt, giá thành rẻ Tính chất điện tốt Bakelite Phenonlic Durez Resinox Silion Nhựa DC Ổn định kích thước tốt đến 1500C Có thể chọn với nhiều loại nhựa chất độn Giá thành rẻ Bọc môtơ, vỏ telephon, dụng cụ điện Tính chất điện tốt, bền hóa học, chịu nhiệt Chất dẻo lớp, cách điện nhiệt độ cao 2.3 Hợp kim cứng 2.3.1 Thành phần hoá học hợp kim cứng: gồm loại bít khó nóng chảy chất keo dính coban - Các bít Vonfram (WC) - Các bít ti tan (TiC) - Các bít tan tan (TaC) 2.3.2 Tính chất chung hợp kim cứng - Có độ cứng cao từ chế tạo mà không cần qua nhiệt luyện, độ cứng đạt ( 87 - 92 ) HRA; - Khả chịu nhiệt (1000- 1200)0C; - Dễ vỡ chịu tải trọng động; - Không chế tạo sản phẩm khí có hình dạng phức tạp cứng Bảng 5.6 trình bày thành phần hóa học tính số hiệu hợp kim 2.3.3 Các loại hợp kim cứng a Nhóm bít * Thành phần: WC + Co * Ký hiệu: - Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): WCo - Theo tiêu chuẩn Nga (TCN): BK Số đứng sau biếu thị % Co, cịn lại % WC Ví dụ: BK6 Hợp kim cứng nhóm bít TCN: Co = 6%, WC = 94% 111 Ví dụ: WCo6 Hợp kim cứng nhóm bít TCVN: Co = 6%, WC = 94% b Nhóm bít *Thành phần: (WC + TiC) + Co *Ký hiệu: - Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN): TCo - Theo tiêu chuẩn Nga (TCN): TK Số đứng sau Co K, biểu thị % Co ban Số đứng sauT, biểu thị % củaTiC, Còn lại % WC Ví dụ: T15Co8: Hợp kim cứng nhóm bít TCVN, Co = 8%, TiC = 15%, WC = 77% Ví dụ: T15K8 Hợp kim cứng nhóm bít TCN, Co = 8%, TiC = 15%, WC = 77% c Nhóm bít *Thành phần: (WC + TiC + TaC) + Co *Ký hiệu: - Theo tiêu chuẩn Nga (TCN): TTK Số đứng sau K, biểu thị % Co ban Số đứng sauTT, biểu thị % củaTiC+ TaC, Còn lại % WC Ví dụ: TT25Co5 - Hợp kim cứng nhóm bít TCVN:Co = 5%, (TiC + TaC)= 25%, WC = 70% Ví dụ: T25K5 - Hợp kim cứng nhóm bít TCN: Co = 5%, (TiC + TaC)= 25%, WC = 70% Bảng 5.6 Thành phần hóa học Nhóm hợp kim cứng Cacbit vonfam Số hiệu WC TiC TaC Cơ tính Co Giới hạn uốn σu N/mm2 Độ cứng HRA BK2 98 _ _ 1000 90,0 BK3 97 _ _ 1100 89,5 112 BK4 96 _ _ 1400 89,5 BK6 94 _ _ 1500 88,5 BK8 92 _ _ 1600 87,5 BK10 90 _ _ 10 1650 87,0 BK15 85 _ _ 15 1800 86,0 BK20 80 _ _ 20 1950 84,0 BK25 75 _ _ 25 2000 82,0 T30K4 66 30 _ 950 92,0 Cacbit T15K6 79 15 _ 1150 90,0 Titanvonfam T14K8 78 14 _ 1250 89,5 T5K10 85 _ 10 1400 88,5 T5K12 83 _ 12 1650 87,0 TT7K12 81 12 1650 87,0 TT10K8 82 1450 89,0 TT20K9 71 12 1300 89,0 Cacbit tantan- titanvonfam 2.3.4 Công dụng Hợp kim cứng chủ yếu sử dụng làm dao cắt gọt kim loại khả cắt gọt ưu việt nhiều so với thép cacbon dụng cụ thép gió (có thể làm việc (800 ÷ 1000)0C với tốc độ cắt 1000m/ phút) Hợp kim cứng dùng để chế tạo phần cắt dụng cụ cắt gọt bêtông, mũi khoan địa chất khuôn đột dập - Hợp kim cứng nhóm BK có tính cứng nóng tới 8000 C Các số hiệu BK3, BK8 thường dùng để gia cơng loại vật liệu có phoi vụn gang, sứ, gốm số hợp kim màu Các số hiệu BK10, BK15 có độ dai tốt dùng làm khuôn kéo sợi, mũi khoan địa chất (đất ,đá) có tuổi bền cao thép dụng cụ hàng chục lần Các số hiệu BK20, BK25 có lượng coban lớn người ta dùng chúng làm khuôn dập, chi tiết máy u cầu tính chống mài mịn cao - Hợp kim cứng nhóm TK có tính cứng nóng (900 ÷ 1000)0C Chúng dùng chủ yếu để gia công cắt thép đặc biệt - Hợp kim cứng nhóm TTK có tính cứng nóng nhóm TK có độ bền tính chống rung, chống mẻ cao Người ta dùng chúng trường hợp điều kiện cắt gọt nặng gia công thỏi đúc, thỏi cán, rèn Vật liệu compozit 4.1 Khái niệm tính chất chung a Khái niệm 113 Vật liệu compozit vật liệu nhiều pha, tạo thành từ phân tử khác tính chất, khơng hịa tan hịa tan vào nhau, có phân giới rõ rệt Trong thực tế, tồn phổ biến compozit hai pha Pha liên tục toàn khối vật liệu gọi pha Pha phân bố gián đoạn bao bọc gọi pha cốt Ví dụ: bê tơng loại compozit, thành phần gồm hạt đá, sỏi (cốt) liên kết chất dính kết xi măng (nền) b Cấu tạo Cấu tạo compozit gồm hai thành phần chính: nền, cốt - Nền kim loại hợp kim (vật liệu compozit kim loại), polyme, sợi cacbon gốm (vật liệu compozit polyme) - Cốt: kim loại (thép không gỉ, vofram, molipden…), chất vô (cacbon, thủy tinh, gốm…) chất hữu polyamit thơm c Đặc điểm tính chất Vật liệu compozit nói chung có độ bền nhiệt độ thường nhiệt độ cao, độ cứng vững, khả chống phá hủy mỏi tính chất khác cao hợp kim kết cấu phổ biến Ngày người ta dự kiến trước tính chất để chế tạo compozit theo ý muốn Một đặc điểm đáng ý compozit kết hợp thành phần tuân theo quy luật cho thể bật ưu điểm cấu tử thành phần, nhược điểm bị loại bỏ Ngồi vật liệu compozit có tính chất mà thành phần riêng lẻ khơng thể có 4.2 Phân loại vật liệu Compozit Có nhiều cách phân loại Dưới hai cách phân loại thông dụng a Phân theo hình dạng cốt * Vật liệu compozit cốt sợi Đó vật liệu compozit có cốt loại sợi Sợi sử dụng dạng liên tục, gián đoạn Ta điều khiển phân bố phương sợi để để tạo tính chất có hướng thích hợp compozit Vật liệu compozit cốt sợi có vai trị quan trọng cơng nghiệp Các loại sợi thường dùng như: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi aramit, sợi gốm, sợi tổng hợp tính cao *Vật liệu compozit cốt hạt Đó vật liệu compozit có cốt dạng hạt Cốt hạt khác cốt sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên Hạt thường dùng ôxit, nitrit, borit, cácbit … để cải thiện số tính chất nền, kết hợp làm giảm giá thành, ví dụ: Hợp kim ổ trượt đồng chì loại compozit cốt hạt, hạt chì phân 114 tán đồng, có tác dụng tăng tính cắt gọt cho hợp kim gia cơng, tăng tính chống mài mịn sử dụng *Vật liệu compozit cấu trúc (hình 5.6) Hình 5.6: Compozit cấu trúc lớp Thực chất khái niệm tên bán thành phẩm loại vật liệu cấu hình từ compozit khác Compozit cấu trúc thông dụng dạng lớp dạng ba lớp b Phân theo chất vật liệu thành phần Tùy thuộc chất vật liệu thành phần nền, compozit phân làm ba loại chính: compozit hữu cơ, compozit kim loại, compozit gốm 4.3 Một số vật liệu compozit thông dụng a Sợi thủy tinh Hiện sợi thủy tinh loại sợi quan trọng làm vật liệu cốt cho compozit Sợi thủy tinh có đặc điểm sau: độ bền riêng cao (б/p) cao, ổn định kích thước, chịu nhiệt, chịu lạnh, chịu ẩm tốt, tính chống ăn mịn cao, tính cách điện cao, dễ sản xuất, giá thành hạ Mỹ nước sản xuất sợi thủy tinh mạnh giới Hiện có hai loại sợi thủy tinh quan trọng dùng cho vật liệu compozit; Sợi thủy tinh E (electrical) loại S (highstrength) Sợi thủy tinh loại E sợi thủy tinh có nhiều cơng dụng Thành phần chủ yếu gồm: (52 ÷56)% Si02; (12 ÷ 16)% Al203; (16 ÷25)% Ca0; (8 ÷ 13)% B203; độ bền kéo sợi E khoảng 3.440Gpa mô đun đàn hồi đạt tới 4.480Mpa Sợi thủy tinh loại S sợi thủy tinh có độ bền giá thành cao sợi loại E, loại vật liệu sử dụng rộng rãi công nghiệp hàng khơng vũ trụ mục đích qn khác Thành phần hóa học gồm: 65% Sio2, 25% 115 Al203, 10% Mg0 Độ bền kéo đạt tới 4.480 Mpa, mô đun đàn hồi đạt tới 85.4Gpa Người ta sản xuất sợi thủy tinh cách kéo sợi thủy tinh riêng rẽ từ thủy tinh lỏng, sau ghép chúng lại thành sợi b Sợi cacbon Đây vật liệu kỷ 20 Sợi cacbon chế tạo từ Graphit tinh khiết Như biết, cấu trúc tinh thể dạng A3, Graphit thể tính dị hướng mạnh Trong sợi cacbon, mức độ dị hướng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Nếu cách làm cho graphit kết tinh hồn tồn (khơng cịn thành phần vơ định hình) tinh thể Graphit có định hướng chủ yếu song song với trục cốt sợi đạt tiêu tính cao Trong thực tế người ta sản xuất loại sợi cacbon có độ bền kéo tới 4000 MPa, mơ đun đàn hồi khoảng 650.000 MPa Ưu điểm bật sợi cacbon sợi thủy tinh có độ bền riêng cao Đáng tiếc giá thành sợi cacbon cao phạm vi sử dụng chúng hạn chế c Sợi hữu Aramit Sợi aramit có nguồn gốc từ sợi polyamit thơm Sợi aramit công ty thương mại Dupont giới thiệu thị trường vào năm 1972 với tên thương mại Kevlar, có loại Kevlar 29 Kevlar 49 - Kevlar 29 có mật độ thấp, độ bền cao, sử dụng làm vỏ bảo vệ , ống nối, cáp … - Kevlar 49 có mật độ, độ bền cao, sử dụng làm cốt sợi cho vật liệu compozit, dùng chế tạo hàng không, tàu thủy, ô tô nhiều ngành công nghiệp khác Sợi Kevlar chế tạo phương pháp tổng hợp -100C, sau kéo thành sợi dung dịch Tiếp theo sợi xử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi Giá thành sợi Kevlar thấp sợi cacbon từ đến lần, song việc sử dụng chúng để chế tạo vật liệu compozit bị hạn chế độ bền nén uốn dọc thấp, nhạy với biến dạng cắt lớp Nhược điểm gây liên kết sợi – nhựa không Chương Vật liệu Thời gian: Mục tiêu: +Trình bày xu hướng phát triển vật liệu + Trình bày đặc điểm, tính chất, ứng dụng số vật liệu + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Nội dung chương: 116 Khái niệm vật liệu a.Định nghĩa Vật liệu chất có thành phần cấu tạo hay cấu trúc vi mơ mới, tính chất tiên tiến hiệu cao tiềm ứng dụng đặc biệt Ví dụ chất pơlime, gốm tinh, kim loại mới, compodit, vật liệu siêu sạch, siêu cứng, siêu bền, siêu dẫn… Cơng nghệ cao cơng nghệ có hàm lượng cao nghiên cứu khoa học phát triển cơng nghệ; tích hợp từ thành tựu khoa học công nghệ đại; nhằm tạo sản phẩm có chất lượng, tính vượt trội, trị giá gia tăng cao thân thiện với mơi trường; đóng vai trị quan trọng việc hình thành ngành sản xuất, dịch vụ đại hóa, cơng nghiệp hóa ngành sản xuất, dịch vụ có Kỹ thuật đại có ba đặc tính là: tính kỹ thuật, tính tồn cầu tiềm lực phá hoại Nguồn lượng lượng từ ánh sáng mặt trời, hay từ gió, hay từ chất thải nơng nghiệp Nó khơng phải lượng từ việc đốt than, dầu, khí, thủy điện hay điện từ chất phóng xạ Năng lượng Mới lượng khai thác dao động điện từ tự nhiên chân không lượng tử để phát điện, chạy xe, lọc nước biển Nó cho phép tàu bay không bị ảnh hưởng trọng lực Trái đất thế, đạt vận tốc hàng chục nghìn km/giờ Nó nguồn lượng vô tận Và chi phí sử dụng lượng thường rẻ lượng khoảng 90% Ngồi tính mới, tính cao, tính đại cịn thể lĩnh vực công cụ sản xuất (máy tính điện tử, máy tự động…); Thơng tin liên lạc giao thông vận tải (cáp sợi thuỷ tinh quang dẫn, máy bay siêu âm khổng lồ, tàu hoả tốc độ cao); Chinh phục vũ trụ (vệ tinh nhân tạo, du hành vũ trụ); Công nghệ thông tin với hình thành mạng thơng tin tồn cầu (Internet), ứng dụng rộng rãi ngành kinh tế hoạt động xã hội, đưa văn minh nhân loại sang chương “văn minh thông tin”; Công nghệ sinh học (công nghệ di truyền, công nghệ tế bào, công nghệ vi sinh, công nghệ emzim, dẫn tới “cách mạng xanh” nông nghiệp)… b Tác động – Nâng cao suất lao động, gia tăng khối lượng sản phẩm, không ngừng nâng cao mức sống chất lượng sống người – Nền kinh tế giới ngày quốc tế hoá cao, từ năm 80 kỉ XX thị trường giới với xu tồn cầu hố hình thành – Những thay đổi lớn cấu dân cư, chất lượng nguồn nhân lực, đòi hỏi giáo dục đào tạo nghề nghiệp – Hậu tiêu cực, chủ yếu người tạo ra, tình trạng nhiễm mơi trường, loại tai nạn lao động, giao thông dịch bệnh mới, cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên…, việc chế tạo loại vũ khí đại có sức huỷ diệt khủng khiếp 117 Xu hướng phát triển vật liệu Những năm đầu kỷ XXI, nhân loại chứng kiến nhiều biến đổi sâu rộng lớn giới, phát triển vũ bão cách mạng KH&CN đại, mà đặc trưng ngành công nghệ cao công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu - công nghệ nano, công nghệ lượng mới, công nghệ hàng không vũ trụ tác động sâu rộng đến lĩnh vực đời sống, kinh tế, trị quốc tế, làm thay đổi diện mạo giới đương đại Về vật liệu chế tạo: Tiếp tục nghiên cứu để tạo tri thức vật liệu chế tạo chất lượng cao, vật liệu thơng minh phục vụ quy trình chế tạo Nghiên cứu vật liệu sử dụng nhiều tri thức với thuộc tính phù hợp, vật liệu gốm gốm áp điện, gốm sinh học, màng gốm vật liệu thuỷ tinh (gốm thuỷ tinh, composit gốm - thuỷ tinh thuỷ tinh dẫn điện) Nghiên cứu việc xếp trật tự khối đồng polyme Tiếp tục nghiên cứu công nghệ in litô với vật liệu mới, tính ổn định cấu trúc nano 3D Nghiên cứu tích hợp mức độ phân tử nano macro cơng nghệ hố học vật liệu gia công công nghiệp Nghiên cứu ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp chế tạo vật liệu nano mới, vật liệu sinh học vật liệu ghép Một số loại vật liệu 118 Vật liệu composite :Compsite gọi Vật liệu tổng hợp, Vật liệu compozit,hay composite vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên vật liệu mới, ưu việt bền so với vật liệu ban đầu Vật liệu composite bao gồm vật liệu cốt Vật liệu đảm bảo việc liên kết cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá khả chịu đựng vật liệu có khuyết tật Vật liệu composite polyme, kim loại hợp kim, gốm bon (carbon) Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có mođun đàn hồi độ bền học cao Các cốt composite hạt ngắn, bột, sợi cốt sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại sợi bon – carbon,… Ưu điểm vật liệu composite Ưu điểm lớn composite thay đổi cấu trúc hình học, phân bố vật liệu thành phần đẻ tạo vật liệu có độ bền theo mong muốn Rất nhiều đòi hỏi khắt khe kỹ thuật đại ( nhẹ, lại chịu nhiệt lên đến 3000oC,…) có composite đáp ứng nổi, vậy, vật liệu composite giữ vai trị then chốt cách mạng vật liệu Ưu điểm vật liệu composite tổng hợp đây:     Khối lượng riêng nhỏ, độ bền học cao, độ cứng vững uốn kéo tốt Khả chịu đựng thời tiết, chống lão hóa, chống tia UV cao, cách điện cách nhiệt tốt Khả kháng hóa chất kháng ăn mịn cao, khơng gây tốn bảo quản, không cần phải sơn phủ chống ăn mịn Gia cơng chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu, thay đổi sửa chữa, chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất chi phí bảo dưỡng thấp 119  Tuổi thọ sử dụng cao (thời gian sử dụng dài kim loại, gỗ khoảng 2-3 lần) Nhược điểm vật liệu composite Bên cạnh điểm ưu việt vật liệu composite, cần biết đến nhược điểm loại vật liệu để ứng dụng phù hợp:     Khó tái chế, tái sử dụng hư hỏng phế phẩm trình sản xuất Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian Phức tạp phân tích cơ, lý, hóa tính mẫu vật Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ công nhân Ứng dụng vật liệu composite Vật liệu composite ứng dụng vào nhiều lĩnh vực để tạo sản phẩm phục vụ đời sống, sản xuất khắc phục nhược điểm mà loại vật liệu khác có, góp phần nâng cao hiệu suất, hiệu quả, chất lượng cơng việc đời sống người, ví dụ như:            Vỏ động tên lửa Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ Bình chịu áp lực cao Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp lớp (Sử dụng công nghệ ướt Nga tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu) Ống dẫn nước sạch, nước thơ, nước nguồn composite (hay cịn gọi ống nhựa cốt sợi thủy tinh); Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite; Ống thủy nơng, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn; Vỏ bọc loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, panell composite; Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng; Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ thiết bị điện, chống sét, cầu chì; Lốp xe tô, xe máy, xe đạp; 120     Vỏ tàu thuyền composite (vỏ lãi)… Thùng rác công cộng Mơ hình đồ chơi trẻ em Vật liệu sửa chữa, nâng cấp cơng trình dân dụng cơng nghiệp, cụ thể sợi carbon, sợi thủy tinh để gia cố kết cấu cơng trình cầu cảng, bọc cọc pilejax TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hoành Sơn Vật liệu khí NXB Giáo dục - 2000 Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất Công Nghệ nhiệt luyện NXB Giáo dục - 2000 3.Nghiêm Hùng Kim loại học nhiệt luyện Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Hà Nội - 1979 4.Giáo trình vật liệu học đại cương ... học kỹ thuật sở thuộc môn học, mô đun đào tạo nghề bắt - Ý nghĩa vai trị: Mơn học Vật liệu khí môn học sở nhằm trang bị cho học sinh kiến thức vật liệu khí để từ học sinh sử dụng gia công vật liệu. .. Chất dẻo 4 .Vật liệu Compozit Chương Vật liệu Cộng * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính lý thuyết, kiểm tra thực hành tính thực hành 3 CHƯƠNG 1:CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI... hợp kim (vật liệu kim loại) nguyên lý cho hợp kim hoàn toàn thích hợp ứng dụng cho hệ vật liệu vơ - ceramic cho hệ vật liệu hữu - polyme 1.2.1 Khái niệm hợp kim a Định nghĩa Hợp kim vật thể nhiều