Bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH TẬP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU KỸ THUẬT TB2015-01-13 Ban biên soạn: Chủ biên: Thành viên: ThS Vũ Văn Khánh ThS Phạm Văn Trưởng NAM ĐỊNH, 2015 LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ phát triển đặc biệt khoa học vật liệu Vì vậy, phát triển nhiều loại vật liệu sử dụng ngành chế tạo khí vật liệu kim loại, vật liệu bột, vật liệu ceramic, polyme compozit Vật liệu kỹ thuật mơn học nghiên cứu tổ chức, tính chất vật liệu, phạm vi ứng dụng loại chúng Trong công việc cử nhân, kỹ sư khí, từ việc định phương án thiết kế, tính tốn kết cấu gia cơng, chế tạo, lắp ráp, vận hành máy, thiết bị, có liên quan mật thiết đến lựa chọn sử dụng vật liệu Điều quan trọng người học phải nắm tính tính cơng nghệ vật liệu kể để lựa chọn sử dụng chúng tốt hợp lý, đạt yêu cầu tính đề với chi phí gia cơng nhất, giá thành rẻ chấp nhận Nhằm đáp ứng mục tiêu đào tạo theo học chế tín chỉ, ngành khí trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định theo xu hướng phát triển khu vực, nhóm tác giả biên soạn tập giảng Vật liệu kỹ thuật Tập giảng dùng để giảng dạy làm tài liệu cho sinh viên hệ Đại học Cao đẳng kỹ thuật học tập, dùng làm tài liệu tham khảo cho chuyên ngành kỹ thuật khác Trong trình biên soạn, nhóm tác giả c ố gắng sử dụng hiểu biết kinh nghiệm th ực tế Việt Nam tích lũy đư ợc q trình cơng tác giảng dạy thực tiễn, đồng thời tham khảo chương trình giảng dạy sách giáo khoa vật liệu học trường đại học xuất năm gần NHÓM TÁC GIẢ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG vii CHƯƠNG NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP 1.1 Nhiệt luyện 1.1.1.Định nghĩa đặc điểm chung nhiệt luyện 1.1.2 Các chuyển biến nung nóng thép- Sự tạo thành austenit 1.1.3 Các chuyển biến xảy giữ nhiệt .3 1.1.4 Các chuyển biến austennit làm nguội 1.2 Ủ thường hóa thép 1.2.1 Ủ thép .9 1.2.2 Thường hoá thép 11 1.3 Tôi thép 12 1.3.1 Định nghĩa m ục đích 12 1.3.2 Chọn nhiệt độ 12 1.3.3 Tốc độ tới hạn độ thấm 13 1.3.4 Các phương pháp tơi thể tích cơng dụng Các mơi trường 15 1.3.5 Cơ – nhiệt luyện .18 1.4 Ram thép 20 1.4.1 Định nghĩa m ục đích 20 1.4.2 Các phương pháp ram 20 1.5 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện 21 1.5.1 Biến dạng nứt 21 1.5.2 Ơxy hố thoát Cacbon .22 1.5.3 Độ cứng không đạt 23 1.5.4 Tính giịn cao 23 1.6 Các phương pháp hóa bền bề mặt thép 23 1.6.1 Phương pháp học .23 1.6.2 Phương pháp nhiệt luyện bề mặt 24 1.6.3 Phương pháp hóa nhiệt luyện .27 Câu hỏi ôn tập .36 CHƯƠNG THÉP VÀ GANG 37 2.1.Thép Cacbon 37 2.1.1.Thành phần hóa học 37 2.1.2 Ảnh hưởng Cacbon đến tổ chức tính chất thép Cacbon .37 2.1.3 Ảnh hưởng nguyên tố khác .39 2.1.4 Phân loại thép Cacbon 40 i 2.1.5 Ký hiệu cơng dụng nhóm thép Cacbon 42 2.1.6 Ưu nhược điểm thép cacbon 44 2.2 Thép hợp kim .45 2.2.1 Tác dụng nguyên tố hợp kim 46 2.2.2 Phân loại thép hợp kim 59 2.2.3 Ký hiệu thép hợp kim 60 2.3 Thép cán nóng thơng dụng 60 2.3.1 Thành phần tính chất 60 2.3.2 Nhóm thép Cacbon .62 2.3.3 Nhóm thép hợp kim vi lượng 62 2.3.4 Nhóm thép hai pha đối nghịch (ferit-Mactenxit) 63 2.3.5 Nhóm thép hợp kim thấp 63 2.4 Thép kết cấu 64 2.4.1 Khái niệm, đặc điểm phân loại thép kết cấu 64 2.4.2 Thép thấm Cacbon 65 2.4.3 Thép hóa tốt 67 2.4.4 Thép đàn hồi 68 2.5 Thép dụng cụ 69 2.5.1 Khái niệm phân loại 69 2.5.2 Thép dao cắt 69 2.5.3 Thép khuôn dập nguội 74 2.5.4 Thép khn dập nóng 75 2.5.5 Thép làm dụng cụ đo lường 76 2.6 Thép hợp kim đặc biệt 77 2.6.1 Thép hợp kim có tính chống mài mòn cao 77 2.6.2 Thép không gỉ .80 2.6.3 Thép hợp kim chịu nhiệt (làm việc nhiệt độ cao) .85 2.7 Các loại gang 88 2.7.1 Đặc điểm chung gang 88 2.7.2 Tổ chức tế vi tính loại gang .91 Câu hỏi ôn tập .99 CHƯƠNG HỢP KIM MÀU VÀ BỘT 100 3.1 Nhôm hợp kim nhôm 100 3.1.1 Những đặc tính chủ yếu nhơm .100 3.1.2 Phân loại ký hiệu .100 3.1.3 Nhôm kỹ thuật 102 3.1.4 Hợp kim nhôm biến dạng 102 ii 3.1.5 Hợp kim nhôm biến dạng khơng hóa bền nhiệt luyện 102 3.1.6 Hợp kim nhơm biến dạng hóa bền nhiệt luyện 104 3.1.7 Hợp kim nhôm đúc .106 3.2 Đồng hợp kim đồng 108 3.2.1 Đồng đỏ 108 3.2.2 Latông 110 3.2.3 Brông 112 3.3 Hợp kim ổ trượt 114 3.3.1 Yêu cầu hợp kim làm ổ trượt 114 3.3.2 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp 115 3.3.3 Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao 115 3.4 Hợp kim bột .116 3.4.1 Khái niệm chung 116 3.4.2 Vật liệu cắt mài 117 3.4.3 Vật liệu kết cấu 120 3.4.4 Hợp kim xốp thấm 122 Câu hỏi ôn tập .125 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÔ CƠ (CERAMIC) 126 4.1 Cấu trúc vật liệu vô 127 4.1.1 Liên kết nguyên tử vật liệu vô .127 4.1.2 Trạng thái tinh thể trạng thái vơ định hình 127 4.1.3 Vật liệu đa pha đa tinh thể .130 4.2 Tính chất học .131 4.3 Các loại vật liệu vô ứng dụng 132 4.3.1 Gốm vật liệu chịu lửa 132 4.3.2 Thủy tinh gốm thủy tinh 133 4.3.3 Xi măng bê tông 134 4.4 Sản xuất xử lý loại vật liệu vô 136 Câu hỏi ôn tập .138 CHƯƠNG VẬT LIỆU POLYME 139 5.1 Sản xuất vật liệu polyme 140 5.1.1 Nguyên vật liệu 140 5.1.2 Các phương pháp tổng hợp polyme .140 5.2 Gia công vật liệu polyme 143 5.2.1 Tính chất gia cơng vật liệu polyme .143 5.2.2 Tạo hình không phoi vật liệu polyme 145 5.2.3 Cắt 146 iii 5.2.4 Ghép .147 5.2.5 Phủ bề mặt 149 Câu hỏi ôn tập .150 CHƯƠNG VẬT LIỆU COMPOZIT 151 6.1 Khái niệm compozit 151 6.1.1 Khái niệm .151 6.1.2 Phân loại .151 6.2 Compozit hạt 152 6.3 Compozit cốt sợi 153 6.4 Compozit cấu trúc 154 Câu hỏi ôn tập .156 CHƯƠNG ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU 157 7.1 Khái niệm chung ăn mòn kim loại 157 7.2 Cơ chế ăn mịn điện hố 157 7.2.1 Các phản ứng điện hóa 157 7.2.2 Xu ăn mòn 158 7.2.3 Các dạng ăn mòn ện hóa 159 7.3 Bảo vệ chống ăn mòn 165 7.3.1 Sơn phủ .165 7.3.2 Bảo vệ điện hóa 166 7.3.3 Ăn mịn hóa học 167 7.4 Ăn mịn khơ cách chống ăn mịn khô 168 Câu hỏi ôn tập 169 TÀI LIỆU THAM KHẢO .170 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thơng số đặc trưng q trình nhiệt luyện .1 Hình 1.2 Giản đồ pha Fe-C (phần thép) .2 Hình 1.3 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P→γ c thép tích Hình 1.4 Quá trình tạo mầm phát triển mầm austenit từ peclit Hình 1.5 Sơ đ phát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn Hình 1.6 Giản đồ T-T-T thép tích Hình 1.7 Tổ chức tế vi xoobit Hình 1.8 Tổ chức tế vi trôxit Hình 1.10 Giản đồ chuyển biến austenit làm nguội liên tục Hình 1.11 Tốc độ tới hạn để tạo thành tổ chức Mactenxit Hình 1.12 Kiểu mạng mactenxit tổ chức maxtenxit Hình 1.13 Đường cong động học chuyển biến mactenxit Hình 1.14 Độ cứng phụ thuộc %C Hình 1.15 Khoảng nhiệt độ ủ, thường hố tơi thép cacbon .13 Hình 1.16 Sơ đồ giải thích độ thấm 14 Hình 1.17 Chiều sâu lớp tơi cứng số loại thép 14 Hình 1.18 Thí nghiệm tơi đầu mút (xác định độ thấm tơi) 15 Hình 1.19 Phương pháp .15 Hình 1.20 Đường nguội lý tư ởng 16 Hình 1.21 Tổ chức tế vi maxtenxit austenit dư 20 Hình 1.22 Tổ chức tế vi trôxit ram 21 Hình 1.23 Tổ chức tế vi xoocbit ram 21 Hình 1.24 Nung nóng tơi cảm ứng .25 Hình 1.25 Ngun lý làm việc vịng cảm ứng 25 Hình 1.26 Một số loại vòng cảm ứng 25 Hình 1.27 Cấu tạo lửa .27 Hình 1.28 Hộp thấm C thể rắn 29 Hình 1.29 Sơ đồ lị thấm cacbon dầu hỏa 30 Hình 1.30 Giản đồ Fe-N 32 Hình 2.1 Ảnh hưởng cacbon đến tính thép cacbon trạng thái ủ 38 Hình 2.2 Sơ đ cấu tạo thỏi đúc thép sôi (a) thép lặng (b) 41 Hình 2.3 Giản đồ pha sắt – nguyên tố hợp kim 47 Hình 2.4 Giản đồ pha sắt – nguyên tố hợp kim 47 Hình 2.5 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến tính ferit 48 Hình 2.6 Sự chuyển dịch đường cong chữ ‘C’ nguyên tố hợp kim 52 Hình 2.7 Sơ đồ biểu diễn giảm tốc độ tới hạn (a) tăng độ thấm (b)của v thép hợp kim so với thép cacbon (Vth1 Vth2) tốc độ tơi tới hạn, cịn δ1 δ độ thấm thép cacbon thép hợp kim .53 Hình 2.8 Quan hệ độ dai va đập nhiệt độ ram 58 Hình 2.8 Đư ờng cong chữ ‘C’ loại thép .59 Hình 2.12 Quy trình nhiệt luyện kết thúc thép gió 80W18Cr4VMo 73 Hình 2.13 Tổ chức tế vi gang xám 91 Hình 2.14 Tổ chức tế vi gang cầu .94 Hình 2.15 Tổ chức tế vi gang dẻo 96 Hình 3.1 Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha 101 Hình 3.2 Tổ chức hợp kim ổ trượt 114 Hình 4.1 Khả liên kết tạo vật liệu vô 126 Hình 4.2 Các dạng cấu trúc silicat 128 Hình 4.3 Sơ đ cấu trúc 130 Hình 6.1 Sơ đồ minh họa cấu tạo compozit 151 Hình 6.2 Sơ đ phân bố cốt sợi 153 Hình 6.3 Sơ đồ xếp lớp sở tạo compozit cấu trúc dạng lớp 155 Hình 6.4 Sơ đồ cấu tạo compozit cấu trúc dạng ba lớp 156 Hình 7.1 Ăn mịn ti ếp xúc (galvanic) 160 Hình 7.2 Ăn mòn khe .160 Hình 7.3 Cơ chế ăn mòn khe 160 Hình 7.4 Một dạng ăn mịn mím nư ớc(1-Vùng ăn mịn, 2-Lớp gỉ sắt) 161 Hình 7.5 Ăn mịn vùng lắng đọng 161 Hình 7.6 Các dạng ăn mòn lỗ 162 Hình 7.7 Ăn mòn lỗ thép thụ động ion Cl- .162 Hình 7.8 Ăn mịn tinh gi ới thép không rỉ .163 Hình 7.9 Ăn mịn nứt biên giới hạt thép không rỉ .163 Hình 7.10 Ăn mịn ứng lực 164 Hình 7.11 Ăn mịn lựa chọn (sự phân rã hợp kim) 164 Hình 7.12 Ăn mòn mài mòn 165 Hình 7.13 Bảo vệ catốt protector 166 Hình 7.14 Sơ đồ bảo vệ ống dẫn đất dịng điện ngồi 167 Hình 7.15 Nguyên lý dùng anôt trơ 167 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tốc độ làm nguội môi trường khác 17 Bảng 1.2 Khí thấm Nga 31 Bảng 1.3 Khí thấm Hoa Kỳ 31 Bảng 2.1 Cơ tính quy định mác thép cacbon chất lượng thường .42 Bảng 2.2 Đặc tính tác dụng số nguyên tố hợp kim thép .56 Bảng 7.1 Thế điện cực kim loại .158 Bảng 7.2 Ái lực số kim loại oxy lưu huỳnh 168 vii CHƯƠNG NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP 1.1 Nhiệt luyện 1.1.1.Định nghĩa đ ặc điểm chung nhiệt luyện a Định nghĩa Nhiệt luyện q trình nung nóng kim loại hay hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ thời gian thích hợp (giữ nhiệt) làm nguội với tốc độ định để làm thay đổi tổ chức nhận tính tính chất theo yêu cầu Đặc điểm nhiệt luyện khơng làm nóng chảy biến dạng sản phẩm, kết đánh giá biến đổi tổ chức tế vi tính chất b Các thơng số đặc trưng cho nhiệt luyện Hình 1.1 Các thơng số đặc trưng q trình nhiệt luyện + Nhiệt độ nung nóng (tn) nhiệt độ cao mà trình nhiệt luyện phải đạt tới + Thời gian giữ nhiệt (τgn) thời gian trì chi tiết nhiệt độ nung nóng + Tốc độ nguội (Vnguội) tốc độ giảm nhiệt độ theo thời sau giữ nhiệt c Kết trình nhiệt luyện + Độ cứng yêu cầu quan trọng dễ dàng xác định được, liên quan đến tiêu độ bền, độ dẻo, độ dai + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hố bền + Độ biến dạng, cong vênh, thông thường độ biến dạng, cong vênh nhiệt luyện thường nhỏ nằm giới hạn cho phép Tuy nhiên số trường hợp yêu cầu khắt khe, cần phải kiểm tra chúng.[7] 1.1.2 Các chuyển biến nung nóng thép- Sự tạo thành austenit a) Cơ sở xác định chuyển biến nung Dựa vào giản đồ (hình 1.2) nhận thấy nhiệt độ thường thép cấu tạo hai pha ferit (F) xêmentit (Xê) (trong P= [F+Xê]) - Thép tích có tổ chức P, thép trước tính sau tích có tổ chức P+F P+XêII Hình 6.4 Sơ đồ cấu tạo compozit cấu trúc dạng ba lớp Trong kỹ thuật thường gặp hai loại lõi: Loại thứ có tổ chức xốp bọt cao su nhân tạo, polyme bọt, chất dính kết vơ gỗ nhẹ Loại thứ hai cấu tạo theo dạng tổ ong, vách ngăn liên kết định hướng vng góc với mặt Vách ngăn thường mỏng chế tạo từ vật liệu hai lớp mặt Compozit cấu trúc dạng ba lớp ứng dụng rộng rãi Ví dụ làm trần, sàn, tường xây dựng nhà cửa, làm vỏ, thân, cánh đuôi loại máy bay.[2] Câu hỏi ôn tập Câu Thế vật liệu compozit, đặc điểm loại vật liệu Câu Trình bày cách phân loại vật liệu compozit Câu Trình bày vật liệu compozit cốt sợi Câu Trình bày vật liệu compozit cốt hạt Câu Trình bày vật liệu compozit cấu trúc 156 CHƯƠNG ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU 7.1 Khái niệm chung ăn mòn kim lo ại Ăn mòn s ự phá hoại tính chất lý học, hóa học, học hình dáng chi tiết, chủ yếu thay đổi trạng thái oxy hóa kim loại, oxyt, bán dẫn Ăn mòn đư ợc chia làm hai loại: ăn mịn ện hóa ăn mịn hóa h ọc Ăn mịn hóa học phá hủy kim loại kim loại phản ứng hóa học với chất khí nước Bản chất ăn mịn hóa học q trình oxy hóa- khử electron kim loại chuyển trực tiếp sang mơi trường tác dụng Ăn mịn điện hóa phá hủy kim loại kim loại tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chất điện ly tạo nên dòng ện ăn mòn 7.2 Cơ chế ăn mịn ện hố Khi có kim loại M tiếp xúc với dung dịch điện ly, có hai q trình xảy ra: Phản ứng anơt (oxy hóa): M → Mn+ +ne Phản ứng catơt (hồn ngun khử): Xn- +ne → X 7.2.1 Các phản ứng điện hóa a Khơng có oxy Trong mơi trường axit (pH