Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề Cắt gọt kim loại)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG CĐ CƠ GIỚI NINH BÌNH GIÁO TRÌNH Tên mơn học: Vật liệu khí NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP NGHỀ/CAO ĐẲNG NGHỀ NINH BÌNH , NĂM 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Vật liệu khí” biên soạn dựa theo chương trình khung Bộ Giáo dục Đào tạo tác giả cụ thể hoá chương trình chi tiết Để đáp ứng nhu cầu tài liệu học tập cho sinh viên tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên giảng dạy môn học “Vật liệu khí” Tổ mơn vật liệu thuộc khoa kỹ thuật sở trường cao đẳng giới Ninh Bình biên soạn giáo trình “Vật liệu khí” Giáo trình biên soạn theo chương trình khung Quốc gia nghề Hàn, trình độ Cao đẳng nghề Nội dung giáo trình nhằm trang bị kiến thức vật liệu ngành Cơ khí cho học sinh hệ công nhân lành nghề kỹ thuật viên trung cấp Đồng thời, tài liệu phục vụ cho việc bổ túc nâng bậc cho công nhân nhà máy, xí nghiệp Nội dung gồm hai phần Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại nhiệt luyện gồm: tính chất chung kim loại, gang, thép, kim loại màu hợp kim màu, biến đổi tính chất kim loại nhiệt luyện phương pháp nhiệt luyện Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm tính chất cơng dụng vật liệu phi kim loại thường dùng ngành chế tạo khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit Trong q trình biên soạn, tổ mơn tham khảo nhiều tài liệu vật liệu khí trường dạy nghề, giáo trình trường đại học Bách khoa Hà Nội nhiều tài liệu khác Mặc dù đă có nhiều cố gắng, song khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong đồng nghiệp bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu ngày hoàn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Ninh Bình, ngày 10 tháng 12 năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Các Giáo viên Khoa khí MỤC LỤC Trang I Lời giới thiệu II Cấu trúc tính vật liệu Cấu tạo liên kết nguyên tử 2 Sắp xếp nguyên tử vật chất Khái niệm mạng tinh thể Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn Đơn tinh thể, đa tinh thể Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 19 27 III Hợp kim biến đổi tổ chức Cấu trúc tinh thể hợp kim 33 Giản đồ pha hệ hai cấu tử 43 giản đồ pha Fe – C 54 IV Nhiệt luyện Khái niệm nhiệt luyện 67 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 69 Ủ thường hóa thép 77 Tơi thép 84 Ram thép 92 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép 94 Hóa nhiệt luyện V Vật liệu kim loại Thép bon 101 Thép hợp kim 112 Gang 134 VI Hợp kim màu phi kim Nhôm hợp kim nhôm 150 Đồng hợp kim đồng 157 Ni ken hợp kim ni ken 163 kẽm hợp kim kẽm 164 Gỗ 165 Chất dẻo 167 Vật liệu compozit 172 Dung dịch trơn nguội MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ Mã mơn học: MH12 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 + Mơn học bố trí trước môn học, mô đun đào tạo chuyên nghề - Tính chất buộc Là mơn học kỹ thuật sở thuộc môn học, mô đun đào tạo nghề bắt 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 cácbon, 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; - Xác định tính chất, cơng dụng loại vật liệu thường dùng cho nghề; - Có khả lựa chọn loại vật liệu theo yêu cầu sản xuất; - 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: Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Số TT I II Thời gian Tên chương, mục Tổng số Lý thuyết BT/TH Kiểm tra* Cấu trúc tính vật liệu 9 0 Cấu tạo liên kết nguyên tử 1 0 Sắp xếp nguyên tử vật chất 2 0 Khái niệm mạng tinh thể 2 0 Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 2 0 Đơn tinh thể đa tinh thể 1 0 Sự kết tinh hình thành tổ chức kim loại 1 0 Hợp kim biến đổi tổ chức III Cấu trúc tinh thể hợp kim Giản đồ pha hệ hai cấu tử 1 0 Giản đồ pha Fe - C (Fe- Fe3C) 3 0 Nhiệt luyện hoá nhiệt luyện 1 0.5 0.5 0 1 0 1.5 1.5 0 1.5 1.5 0 1.5 0.5 1 0 1 12 11 5 0 4 0 7 0 3 0 1 0 0.5 0.5 0 1 0 1 0 0 Khái niệm nhiệt luyện thép Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép Ủ thường hố thép Tôi thép Ram thép Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép Hoá nhiệt luyện IV Vật liệu kim loại Thép Cácbon Thép hợp kim V Gang Hợp kim màu phi kim Hợp kim màu Hợp kim cứng Gỗ Chất dẻo Vật liệu Compozit Dung dịch trơn nguội 0.5 0.5 Cộng 45 41 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết tính lý thuyết, kiểm tra thực hành tính thực hành Chương CẤU TRÚC VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI Mã chương: MH12.1 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, khơng 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 vơ định hình vi tinh thể Khái niệm mạng tinh thể 3.1 Tính đối xứng 3.2 Ô sở- ký hiệu phương, mặt 3.3 Mật độ nguyên tử Cấu trúc tinh thể điển hình chất rắn 4.1 Chất rắn có liên kết kim loại 4.2 Chất rắn có liên kết đồng hố trị 4.3 Chất rắn có liên kết ion 4.4 Cấu trúc polyme 4.5 Dạng thù hình 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 Cấu tạo liên kết nguyên tử 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 Khái niệm cấu tạo nguyên tử 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, nguyên 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 Theo học lượng tử, xác suất tìm thấy điện tử quỹ đạo xung quang hạt nhân xác định bốn tham số, gọi số lượng tử Nói cách khác, trạng thái lượng điện tử nguyên tử xác định bốn số lượng tử sau đây: Số lượng tử n: có giá trị 1, 2, 3, 4, …, xác định lượng cho phép điện tử Những điện tử có số n hợp thành lớp điện tử Ký hiệu lớp điện tử K, L, M, N,…tương ứng với n = 1, 2, 3, 4… Số lượng tử phương vị l: xác định giá trị cho phép mômen xung lượng quỹ đạo, có trị số 0, 1, 2,…(n-1) Các điện tử với l khác lớp tạo thành phân lớp tương ứng, ký hiệu s, p, d, f, … ứng với l = 0, 1, ,3 , … Số lượng tử từ : xác định khả định hướng cho phép vectơ mômen xung lượng quỹ đạo chiều từ trường bên ngồi, có trị số 0, 1, 2, … l; Số lượng tử spin : xác định khả định hướng ngược chiều vectơ mômen xung lượng spin điện tử, Ngoài ra, phân bố điện tử theo mức trạng thái (khả có mặt phân lớp với trạng thái lượng xác định) tuân theo nguyên lý pauli: trạng thái với ba số lượng tử n, l, xác định chứa hai điện tử với spin ngược chiều Dựa vào nguyên lý này, dự đốn số điện tử cho phép bậc lượng (ứng với lớp phân lớp) khác (bảng 1.1) Bảng 1.1 Số lượng điện tử (số trạng thái lượng) số lớp phân lớp Số lượng tử Ký hiệu lớp điện tử Ký hiệu phân lớp điện tử Số lượng trạng thái K s L M N Số lượng điện tử Trên phân lớp Trên lớp 2 s p s p d 10 s p d 10 f 14 Ví dụ nguyên tử đồng (Cu) với số thứ tự nguyên tử Z điện tử sau: K L M N 8 18 32 , có phân phối Trong sơ đồ phân bố điện tử (còn gọi cấu hình điện tử) rõ: số lượng tử (các số nguyên 1, 2, 3…), ký hiệu phân lớp (các chữ s, p, d), số điện tử thuộc phân lớp (số mũ ký hiệu phân lớp) ký hiệu lớp điện tử (hàng chữ hoa K, L, M, N phía dưới) Cần lưu ý thêm rằng, điều kiện xác định, điện tử chuyển tử trạng thái sang trạng thái khác (thay đổi phân dạng lớp lớp), phát hấp thụ lượng lượng tử ánh sang có tần số : h h- số planck (h 6.627 (1.1) ec.s) 1.2 Các dạng liên kết nguyên tử chất rắn 1.2.1.Liên kết đồng hóa trị Liên kết tạo hai nhiều nguyên tử góp chung số điện tử để có đủ tám điện tử lớp ngồi (điện tử hố trị) Ví dụ, ngun tử ngun tố hố học nhóm VII B ( bảng tuần hồn Menđeleev) có cấu trúc điện tử lớp ngồi s2p5 (bảy điện tử) Để có đủ tám điện tử cần kết hợp hai nguyên tử lại cách góp chung hai điện tử lớp Do tạo liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị hai nguyên tử Clo (Cl) phân tử Cl2 mơ tả hình 1.1a Liên kết đồng hố trị vật rắn thực nhờ tập thể hố điện tử nhóm ngun tử lân cận Trên hình 1.1b nêu mơ hình liên kết đồng hoá trị (tập thể hoá điện tử bốn điện tử lớp s2p2) mạng tinh thể Ge Những đặc điểm liên kết đồng hoá trị là: - Liên kết có tính định hướng, nghĩa sắc xuất tồn điện tử tham gia liên kết lớn theo phương nối tâm nguyên tử ( hình 1.1); - Cường độ liên kết phụ thuộc mạnh vào đặc tính liên kết điện tử hố trị với hạt nhân Ví dụ, Cacbon dạng thù hình kim cương có liên kết đồng hố trị mạnh bốn điện tử hố trị (trong tổng số sáu điện tử) liên kết cấu trực tiếp với hạt nhân, đó, Sn thể tính liên kết đồng hố trị yếu bốn điện tử hoá trị ( tổng số 50 điện tử) nằm xa hạt nhân, có lực liên kết yếu hạt nhân Vì kim cương có nhiệt độ nóng chảy 3550oC Sn nóng chảy 270oC; Liên kết tạo hai (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung số điện tử hóa trị để có đủ tám điện tử lớp ngồi Có thể lấy ba ví dụ sau (hình 1.1) • Clo có điện tử lớp ngồi cùng, ngun tử góp chung điện tử nên phân tử gồm hai nguyên tử clo chung điện tử làm cho lớp điện tử nguyên tử đủ (hình 1.1a) - Bọc ngồi gỗ lớp vỏ kim loại; - Bọc kết cấu gỗ ống ximăng, ống sành - Dùng crêcczot, CuSO4 v.v… Ở nước ta dùng phương pháp cổ truyền thui cho gỗ cháy xém lớp mỏng bên ngoài, phương pháp sau năm phải thui lại 2.1.4 Một số loại gỗ thông dụng rừng Việt Nam Bảng 5.8 Một số gỗ thông dụng Việt Nam TT Tên Tính chất Bạch đàn Gỗ mịn, nặng, cứng, nứt, dễ vênh, dễ mục, khó bị mối ăn Chò Gỗ nặng, dễ nứt, bền Đinh Gỗ nặng vừa, co nứt, bền Gụ Gỗ nặng vừa, tương đối mềm Lát hoa Gỗ nặng vừa, co dãn, nứt nẻ Lim xanh Gỗ nặng, cứng, bền, chắc, giòn Tếch Gỗ nặng trung bình, bền, chắc, dẻo Mỡ Gỗ tương đối nhẹ, mềm, co dãn nứt nẻ Mun Gỗ cứng, bền 10 Thông Thớ thẳng khơ, biến dạng 11 Xoan đào Gỗ nặng vừa, tương đối dễ nứt, hay cong vênh 12 Mít mật Gỗ nặng vừa, co nứt, bền, giòn 2.2.Chất dẻo 2.1 Khái niệm chung Chất dẻo sản phẩm quan trọng có ứng dụng rộng rãi vật liệu polyme Nhiều tài liệu khoa học đưa khái niệm cách tổng quát: chất dẻo vật liệu biến dạng mà khơng bị phá hủy định hình với áp lực thấp đúc Tuy nhiên hiểu cách đơn giản: chất dẻo sản phẩm thu dược cách trộn polyme với chất phụ gia (chất độn), chất hóa dẻo, chất tạo màu… *Chất độn, cho vào chủ yếu nhằm giảm giá thành sản phẩm chúng thường rẻ Các chất độn hay dùng mùn cưa, đất sét, bột nhẹ… *Chất hóa dẻo chất cho thêm vào, nhằm làm tăng tính dẻo, làm giảm độ cứng polyme Các chất hóa dẻo thường trạng thái lỏng, ví dụ hóa 182 dẻo hay dùng cho polime nhiệt độ thường độ PVC, nhựa epocxy, loại este, phtalat… *Chất nhuộm màu, tạo cho chất dẻo có màu sắc định Đó thường loại thuốc nhuộm bột màu Chất nhuộm thường hòa tan trở thành thành phần cấu trúc polyme Chất bột màu thường dạng bột không tan, nằm xen kẽ cấu trúc polyme Ví dụ bột TiO2, ZnO – màu trắng, CdS – màu vàng… Để hiểu chất tính chất chất dẻo, cần hiểu Polyme Theo tiếng Hylap Polyme có nghĩa nhiều thành phần Polyme coi hợp chất gồm phân tử hình thànhdo lặp lại nhiều lần hay nhiều loại nguyên tử, hay nhóm nguyên tử liên kết với với số lượng lớn, để tạo nên số tính chất mà tính chất thay đổi không đáng kể lấy thêm vào vài đơn vị cấu tạo Mỗi đơn vị cấu tạo “me” đơn vị cấu tạo đơn giản gọi mơnơme 2.2.2Tính chất cơ-lý-nhiệt chất dẻo Chất dẻo sử dụng phổ biến ngày chiếm vị trí quan trọng, kinh tế quốc dân đồng thời có nhiều đặc tính quý báu mà vật liệu khác đạt tới giá thành lại hạ Các tính chất chủ yếu gồm: - Cơ tính (бb, E, δ ), chất dẻo nói chung có loại đạt gần tương đương kim loại -Tính cách điện: chất dẻo vật liệu cách điện tuyệt vời Có tới khoảng 75% tổng số vật liệu cách điện toàn giới chế tạo từ vật liệu dẻo tốt - Tính cách nhiệt: chất dẻo dạng bọt, mút…dùng làm chất cách nhiệt - Tính chất quang, số chất dẻo có tính quang học quý báu, sử dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp -Tính chất hóa học, có loại vật liệu dẻo không bị tác dụng môi trường axit, kiềm…được sử dụng nhiều công nghiệp mạ điện, hóa học… Tương tự polyme, chất dẻo gồm loại : chất dẻo nhiệt dẻo chất dẻo nhiệt rắn 2.2.3 Các phương pháp chế biến sản phẩm từ chất dẻo Có nhiều phương pháp dùng gia công chất dẻo Cơ sở quan trọng để chọn lựa phương pháp gia công loại nguyên liệu sử dụng (polyme nhiệt rắn hay nhiệt dẻo) Trong phương pháp gia công chất dẻo, đúc phương pháp phổ biến Đúc tiến hành với phương án khác nhau, bao gồm: đúc áp lực, đúc thỏi, đúc trao đổi, ép phun ép đùn Trong tất phương pháp này, 183 tác dụng nhiệt áp suất polyme dùng dạng bột hạt nóng chảy, nén đẩy vào khn nhận hình dạng khn a Phương pháp đúc phun-bơm a) b) c) d) Hình 5.2: Phương pháp phun bơm Đây phương pháp gia công dùng rộng rãi cho polyme nhiệt dẻo Sơ đồ đơn giản máy phun bơm mơ tả hình 5.2 Lượng ngun liệu cung cấp từ phễu nhập liệu vào máy (hình 5.2a), vít me đẩy vật liệu vào buồng nung đến trạng thái nhớt (hình 5.2b) Sau chất dẻo nóng chảy đẩy qua khe vào khn (hình 5.2c), áp lực trì sản phẩm rắn lại Cuối cùng, mở khuôn, lấy sản phẩm (hình 5.2d), đóng khn lại tồn chu kì lại bắt đầu a.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 b.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 mô tả hình 5.3 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 184 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 5.3: Phương pháp đúc đùn c Đúc thổi Là phương pháp chế tạo polyme nhiệt dẻo thành sản phẩm dạng bình chứa (tựa chai lọ) Sơ đồ ngun lí trình bày hình 5.4 Đầu tiên ống polyme đùn ra, dạng nửa nóng chảy (hình 5.4 a), đoạn ống đưa vào khuôn gốm hai phần Hơi nước khơng khí áp lực định thổi vào đoạn ống làm cho thành có hình dạng khn (hình 5.4b) Đương nhiên, nhiệt độ, độ nhớt đoạn ống phải điều chỉnh xác Sau ống tháo (hình 5.4 c) Hình 5.4: 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 185 Trong phương pháp ép đúc nhựa nhiệt rắn, phụ gia pha trộn theo tỷ lệ nạp vào lịng khn hình 5.5 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 công dài đắt * Ưu điểm phương pháp: - Khuôn đơn giản nên giá thành thấp; - Ít làm mịn khn, thời gian chảy vật liệu khn ngắn; - Có khả chế tạo sản phẩm lớn * Nhược điểm phương pháp: Không chế tạo chế sản phẩm có hình dạng phức tạp Hình 5.5: Phương pháp đúc ép e Đúc trao đổi Hình 5.6: Phương pháp đúc trao đổi 186 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 5.6 a) sau phun vào lịng khn áp suất phân bố tồn bề mặt khn ( hình 5.6 b) Sản phẩm giữ đủ thời gian đông cứng để tạo nên cấu trúc mạng không gian, lấy khỏi khn ( hình 5.6c) Phương pháp dùng cho nhựa nhiệt rắn cho sản phẩm có hình dạng phức tạp 2.4 Vật liệu compozit 2.4.1 Khái niệm tính chất chung a Khái niệm 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: Có thể 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 Sự hình thành compozit dựa nguyên tắc sinh học Những ví dụ vật liệu compozit thiên nhiên cây, xương người động vật, sợi muối phốt phát mảnh, bền gắn với phần dẻo collagen 187 2.4.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại Dưới hai cách phân loại thơng 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 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 5.7) 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 Hình 5.7: Compozit cấu trúc 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 188 2.4.3 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 cơng nghiệp hàng khơng vũ trụ mục đích quân khác Thành phần hóa học gồm: 65% Sio2, 25% 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, mô 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 Nguồn nguyên liệu để chế tạo sợi cacbon dùng cho vật liệu compozit polyacri – lonitrile (PAN) Công nghệ sản xuất sợi cacbon gồm giai đoạn chính: *.Giai đoạn ổn định hóa Sợi PAN kéo thẳng cho trục chúng song song với nhau, tiến hành oxy hóa khoảng (200 ÷220)0C, sợi giữ trạng thái bị kéo Trong giai đoạn 0,H,N cấu trúc sợi bị loại bỏ, sợi PAN chuyển thành sợi cacbon 189 *.Giai đoạn cacbon hóa Sau ổn định hóa sợi PAN tiếp tục nung nóng khí bảo vệ (khí trơ) đến (1000 ÷ 1500)0C, giai đoạn liên kết rối lớp Graphit hình thành, làm tăng độ bền vật liệu cách đáng kể * Giai đoạn graphit hóa Tiếp tục nung đến nhiệt độ 18000C tạo điều kiện định hướng liên kết tinh thể Graphit song song với trục sợi c Sợi hữu Aramit Sợi aramit có nguồn gốc từ sợi polyamit thơm Có cơng thức cấu tạo hình 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 O O C C x N H H H Hình 5.8 Cấu trúc hóa học lặp lại mắt sợi Kevlar 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 do: Độ bền nén uốn dọc thấp Rất nhạy với biến dạng cắt lớp Nhược điểm gây liên kết sợi – nhựa không 2.5 Dung dịch trơn nguội dầu mỡ bôi trơn 2.5.1.Dung dịch trơn nguội 190 a Tác dụng dung dịch trơn nguội Các dung dịch trơn nguội sử dụng cắt gọt kim loại để tưới lên dao cắt vật gia công với tác dụng sau: - Làm nguội dao cắt vật gia công, nhờ làm tăng tuổi thọ dao góp phần làm tăng độ xác chi tiết; - Làm cho biến dạng dẻo kim loại cắt gọt dễ dàng hơn, nhờ làm giảm cơng tiêu hao máy để cắt gọt; - Bôi trơn làm giảm ma sát dao phơi, nhờ làm giảm mài mịn dao q trình gia công; - Đẩy phôi kim loại khỏi vùng cắt gọt; b Các dung dịch trơn nguội thường dùng Các dung dịch trơn ngội thường dùng là: nước xà phịng, sunfuaphendon, natricacbonnat, êmuxi, dầu nhờn…trong êmuxi dùng nhiều rẻ tiền hiệu làm trơn nguội tốt Êmuxi hỗn hợp nước, dầu khống vật, xà phịng, natricacbonnat Việc lựa chọn dung dịch trơn nguội phụ thuộc vào phương pháp công nghệ cắt gọt kim loại, loại dụng cụ cắt gọt kim loại vật liệu gia cơng… Ví dụ tiện thép cacbon dùng êmuxi dầu lửa Khi tiện hợp kim đồng dùng êmuxi khơng tưới mà tiện khơ hồn tồn 2.5.2 Dầu mỡ bơi trơn a Tác dụng dầu mỡ - Làm giảm ma sát bề mặt tiếp xúc chi tiết máy, làm giảm mài mịn chi tiết hạn chế tiêu hao lượng ma sát; - Làm mát chi tiết trình máy làm việc, dầu dầu có tác dụng truyền dẫn nhiệt nhờ hệ thống dẫn dầu chuyển động liên tục; - Làm bề mặt chi tiết máy, nhờ làm hạn chế mài mịn chi tiết Ví dụ: Trong động đốt trong, màng dầu mỏng vách xi lanh ngồi tác dụng bơi trơn cịn có tác dụng làm kín khe hở xecmăng pitton đảm bảo cho hỗn hợp khí cháy khơng bị rị ngồi; - Tạo lớp bảo vệ chống ăn mòn kim loại b Dầu nhờn Dầu nhờn chế biến từ dầu mỏ, có màu đen, mầu lục, màu nâu Dầu nhờn phân làm nhóm chủ yếu sau: - Dầu nhờn động (bôi trơn cho động máy bay, cầu ô tô, máy kéo…) - Dầu truyền động (dùng để bôi trơn loại hộp số, cầu ôtô, hộp truyền lực, hộp giảm tốc …) 191 - Dầu công nghiệp - Dầu đặc biệt (dầu tuabin, dầu biến thế…) c Mỡ Mỡ chất bôi trơn thể đặc, có mầu vàng nhạt, nâu sẫm đen Mỡ dùng để bảo quản dụng cụ, chi tiết máy lúc vận chuyển chờ sử dụng Mỡ sử dụng để bơi trơn phận khó giữ dầu, lâu phải thay chất bôi trơn Có nhiều loại mỡ, sử dụng cần phải ý chọn Ví dụ: - Mỡ để bảo quản kim loại, chi tiết máy, dụng cụ thường dùng loại C- 11, C- 12, YCT – - Mỡ bôi trơn bánh cầu trục, bánh tốc độ chậm, thường dùng mỡ Grafit (YCA) - Mỡ bôi trơn trục động điện, máy phát điện, trục cán máy, thường dùng mỡ côngtalin (ITB -1- 13) Kiến thức cần thiết để thực công việc Nhôm hợp kim nhôm Đồng hợp kim đồng Hợp kim cứng -Tính chất cơng dụng - Phân loại ký hiệu Gỗ - Tính chất lý gỗ - Các biện pháp bảo quản gỗ Chất dẻo - Tính chất lý nhiệt chất dẻo - Các phương pháp chế biến sản phẩm từ chất dẻo 5.Vật liệu Compozit - Khái niệm tính chất chung - Một số vật liệu Compozit thông dụng Dung dịch trơn nguội dầu mỡ bôi trơn 6.1 Dung dịch trơn nguội 6.2 Dầu mỡ bôi trơn Các bước thực cơng việc 192 Trình bày tính chất, ký hiệu, công dụng loại hợp kim nhơm? Trình bày tính chất, ký hiệu, cơng dụng loại hợp kim đồng? Nêu thành phần gỗ? Trình bày tính chất gỗ cách bảo quản gỗ? 4.Nêu tính chất chất dẻo? trình bày phương pháp chế tạo sản phẩm từ chất dẻo? Trình bày thành phần, tính chất số vật liệu compozit thơng dụng Nêu tính chất chung gỗ? Trình bày biện pháp bảo quản gỗ Nêu công dụng kể tên loại dung dịch trơn nguội Nêu công dụng kể tên loại dầu mỡ bôi trơn thường dùng Yêu cầu đánh giá kết học tập Trình bày tính chất, ký hiệu, cơng dụng loại hợp kim nhôm? a Hợp kim nhôm biến dạng (đura) - Thành phần - Tính chất - Ký hiệu - Cơng dụng b Hợp kim nhôm đúc (sulumin) - Thành phần - Tính chất - Ký hiệu - Cơng dụng Trình bày tính chất, ký hiệu, cơng dụng loại hợp kim đồng? a La tông (đồng thau nhị nguyên) - Phân loại thành phần - Tính chất - Ký hiệu - Công dụng b Brông (đồng thanh) - Thành phần - Tính chất - Ký hiệu - Cơng dụng Nêu thành phần gỗ? Trình bày tính chất gỗ cách bảo quản gỗ? 193 - Thành phần gỗ - Tính chất chung gỗ - Cách bảo quản gỗ Nêu tính chất chất dẻo? trình bày phương pháp chế tạo sản phẩm từ chất dẻo? - Tính chất chung chất dẻo - Các phương pháp chế tạo chất dẻo + Phương pháp đúc phun - bơm + Phương pháp đúc đùn + Phương pháp đúc thổi + Phương pháp đúc ép + Phương pháp đúc trao đổi Trình bày thành phần, tính chất số vật liệu compozit thông dụng a Compozit sợi thủy tinh - Loại E (electrical) + Thành phần + Tính chất - Loại S (high – strength) + Thành phần + Tính chất b Compozit sợi cacbon - Thành phần - Tính chất Nêu tính chất chung gỗ? Trình bày biện pháp bảo quản gỗ - Tính chất chung gỗ - Các biện pháp bảo quản gỗ + Phòng chống nấm trùng + Phịng chống hà Nêu công dụng kể tên loại dung dịch trơn nguội - Công dụng dung dịch trơn nguội - Các loại dung dịch trơn nguội Nêu công dụng kể tên loại dầu mỡ bôi trơn thường dùng - Công dụng dầu mỡ bôi trơn 194 - Các loại dầu mỡ bôi trơn thường dùng 195 Tài liệu tham khảo Nguyễn Hoành Sơn Vật liệu khí NXB Gi dục - 2000 Phạm Thị Minh Phương Tạ Văn Thất Công Nghệ nhiệt luyện NXB Giaó dục - 2000 3.Nghiêm Hùng Kim loại học nhiệt luyện Nhà xuất đai học trung học chuyên nghiệp Hà Nội - 1979 4.Giáo trình vật liệu học đại cương 196 ... cho giáo viên giảng dạy mơn học ? ?Vật liệu khí? ?? Tổ mơn vật liệu thuộc khoa kỹ thuật sở trường cao đẳng giới Ninh Bình biên soạn giáo trình ? ?Vật liệu khí? ?? Giáo trình biên soạn theo chương trình. .. Vật liệu phi kim loại gồm tính chất công dụng vật liệu phi kim loại thường dùng ngành chế tạo khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit Trong trình biên soạn, tổ môn tham khảo nhiều tài liệu vật. .. Vật liệu kim loại Thép bon 101 Thép hợp kim 112 Gang 134 VI Hợp kim màu phi kim Nhôm hợp kim nhôm 150 Đồng hợp kim đồng 157 Ni ken hợp kim ni ken 163 kẽm hợp kim kẽm 164 Gỗ 165 Chất dẻo 167 Vật