Tài liệu Kỹ thuật vật liệu CLC pdf

Ví dụ : khi thì cần có tính dẫn điện rẩtcao để dùng trong nghành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các c

MỞ ĐẦU

Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loạivật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng càng ngày càng cao hơn Đầu tiên làthời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v v Cho đến ngày nay là một loạtcác loại vật liệu mới như : composit, ceramit, pôlyme v.v Các loại vật liệu này (đặc biệt

là kim loại & hợp kim, cùng với các loại vật liệu mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triểncủa xã hộ loài người một cách nhanh chóng

Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống đòi hỏi vật liệu

sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau Ví dụ : khi thì cần có tính dẫn điện rẩtcao để dùng trong nghành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng

cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải cótính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng khối lượng riêng nhỏ đểdùng trong công nghiệp hàng không Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởivật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới

Môn vật liệu kỹ thuật sẽ trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản của cácloại vật liệu chính : tinh thể, các hợp kim, bán dẫn và ion cộng hóa trị Mục đích củamôn học này giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệgiữa cấu trúc (liên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thínghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đápứng nhu cầu sử dụng sau này Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vàobốn cực cơ bản sau đây : Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phươngpháp gia công và hiệu quả sử dụng của nó Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại vậtliệu khác nhau tạo nên Ví dụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN của Pháp gồm mười một loạivật liệu sau đây tạo nên :

1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9%

5-Các kim loại màu khác 3,9%

6-Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4%

8-Vật liệu hữu cơ khác 3,4%

11-Chất lỏng 5,9%

Yêu cầu của người kỹ sư ngành sản xuất tự động và xây dựng công trình biểnngoài khả hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tínhchất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nângcao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm

Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau : tinh thểhọc, cơ lượng tử, tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại do đó khối lượng kiến thứckhá lớn và có nhiều mặt Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức cơ bản vềvật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghiệm Khi nghiên cứu môn học này phải nắmchắc mối quan hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất của vật liệu Bất kỳ sựthay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vậtliệu

Tài liệu tham khảo :

1-Lê Công Dưỡng - Vật liệu học - Nhà xuất bản KHKT Hà Nội 1997

2-Nghiêm Hùng - Vật liệu học và nhiệt luyện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội

Chương 1 : CÁC LOẠI VẬT LIỆU KỸ THUẬT

1.1.VẬT LIỆU KIM LOẠI :

1.1.1.Định nghĩa và phân loại :

1-Định nghĩa : Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn điện và

dẫn nhiệt cao

Hầu hết các kim loại khi bề mặt chưa bị ô xy hóa đều có vẻ lấp lánh sáng (ánhkim) Đa số kim loại đều dẻo có thể rèn, cán, kéo, ép Phần lớn kim loại đều dẫn điệndẫn nhiệt tốt Các nguyên tố kim loại chiếm hơn 3/4 số nguyên tố trong bảng hệ thốngtuần hoàn Menđêlêep, trong đó Fe là kim loại đen, còn lại là kim loại màu

Tuy nhiên cũng có kim loại khá dòn, ví dụ stibi (Sb còn gọi là ăng ti moan) khôngthể rèn được, nếu đập sẽ bị vỡ ngay Hoặc prađêôđim (Pr) dẫn điện rất kém

Vì vậy để phân biệt kim loại với các nguyên tố phi kim loại ta dùng tiêu chuẩn hệ

số nhiệt độ điện trở Kim loại có hệ số nhiệt độ điện trở dương (khi nhiệt độ tăng thì điệntrở tăng), nguyên tố phi kim loại (á kim) có hệ số nhiệt độ điện trở âm (khi nhiệt độ tăngthì điện trở giảm) Tiêu chuẩn này đúng với tất cả các kim loại

Giữa nguyên tố kim loại và phi kim loại còn có một số nguyên tố có tính chấttrung gian, trong một số điều kiện nào đó thì chúng dẫn điện và ngược lại Đó là cácnguyên tố bán dẫn, ví dụ si lic (Si) và ghecmani (Ge)

2-Phân loại kim loại :

Có nhiều phương pháp phân loại kim loại khác nhau, ở đây ta sử dụng phươngpháp được nhiều người áp dụng nhất

a-Phân loại theo khối lượng riêng : theo phương pháp này có hai loại :

-Kim loại nặng : là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 gam/cm3

Ví dụ : Fe (7,8), Cu (8,94), Au (19,5)

-Kim loại nhẹ : là các kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 gam/cm3 Ví

dụ : Al (2,7), Mn (1,73), Ti (4,5)

b-Phân loại theo nhiệt độ nóng chảy : theo cách này được chia ra làm hai nhóm

-Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao : là các kim loại có nhiệt độ nóngchảy cao hơn 750oC Ví dụ : Fe (1539oC), W (3410oC), Cu (1085oC)

-Kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp : là các kim loại có nhiệt độ nóngchảy thấp hơn 750oC Ví dụ Al (657oC), Sn (270oC), Pb (327oC)

c-Phân loại theo tính chất hoạt động : theo phương pháp này có

-Nhóm kim loại kiềm : Li, Na, K, Ru

-Nhóm kim loại kiềm thổ : Be, Mg, Ca, Sr

-Nhóm kim loại chuyển tiếp : Fe, Cr, Mn, Mo

-Nhóm kim loại phóng xạ : U, Ra, Co, Pu

d-Phân loại theo màu sắc bên ngoai:

-Kim loại đen : Fe-Kim loại màu : Au, Ag, Cu, Pb, Pt, Ni, Co

1.1.2.Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn :

1-Các dạng liên kết nguyên tử : Trong chất rắn ta thường gặp các dạng liên kết

sau đây : (Hinh 1.1)

-Liên kết ion : các nguyên tử cho bớt điện tử lớp ngoài cùng và trở thànhion dương và các nguyên tử khác nhận thêm điện tử để điền đầy lớp ngoài cùng và trởthành ion âm Giữa các nguyên tử này hình thành mối liên kết trên cơ sở lực hút tĩnh điệncủa hai loại ion trên Đây là mối liên kết mạnh, thường tạo thành giữa các nguyên tố cónhiều điện tử hóa trị và các nguyên tố có ít điện tử hóa trị Mối liên kết này càng mạnhnếu các nguyên tố càng chứa ít điện tử, tức là các điện tử cho hoặc nhận càng nằm gần hạtnhân Liên kết này không có tính định hướng

-Liên kết cộng hóa trị : liên kết này tạo ra khí hai hoặc nhiều nguyên tử góp chungnhau một số điện tử để có đủ tám điện tử lớp ngoài cùng Liên kết đồng hóa trị trong vậtrắn được thực hiện nhờ sự tập thể hóa điện tử giữa một nhóm các nguyên tử lân cận Đặcđiểm của liên kết đồng hóa trị :

*Liên kết có tính định hướng : xác suất tồn tại các điện tử tham gia liên kết lớnnhất theo phương nối tâm giữa các nguyên tử

*Cường độ liên kết phụ thuộc rất mạnh vào đặc tính liên kết giữa các điện tử hóatrị với hạt nhân, điện tử liên kết càng gần hạt nhân thì liên kết càng mạnh Ví dụ : Các bon

ở dạng kim cương có liên kết đồng hóa trị rất mạnh vì bốn điện tử hóa trị (trong sáu điện

tử) liên kết gần như trực tiếp với hạt nhân, nên kim cương có nhiệt độ nóng chảy đến

3550oC Trong khi đó thiếc cũng có liên kết đồng hóa trị nhưng mối liên kết rất yếu vìbốn điện tử hóa trị (trong 50 điện tử) nằm xa hạt nhân, vì vậy có nhiệt độ nóng chảy

270oC

*Liên kết cộng hóa trị có thể xảy ra giữa các nguyên tử cùng loại gọi là liên kếtcộng hóa trị đồng cực Ví dụ : phân tử Cl2, tinh thể kim cương, silic, ghecmani Liên kếtcộng hóa trị giữa các nguyên tử khác loại gọi là liên kết cộng hóa trị dị cực Ví dụ GaAs,GaP

-Liên kết kim loại : Trong kim loại phần lớn các nguyên tử đều nhường bớt điện

tử hóa trị (số này thường rất ít 1-2 điện tử) để trở thành ion dương, các điện tử đó trởthành điện tử tự do Các ion dương tạo thành một mạng xác định, đặt trong không gianđiện tử tự do chung và chúng tạo thành mối liên kết kim loại Năng lượng liên kết là tổnghợp lực đẩy và hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện tử Liên kết kim loại thườngđược tạo nên giữa các nguyên tố có ít điện tử hóa trị Cấu trúc tinh thể của các chất vớiliên kết kim loại có tính đối xứng rất cao

- Liên kết yếu (Van der Waals) : Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hóa trị, do

sự khác nhau về tính âm điện (khả năng hạt nhân hút các điện tử hóa trị) của các nguyên

tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện sẽ tạothành và phân tử bị phân cực Liên kết Van der Waals là liên kêt do hiệu ứng hút nhaugiữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạng thái rắn Đây là loại liên kết yếu, rất

Hinh 1.1

dễ bị phá vỡ do ba động nhiệt (sự tăng nhiệt độ), vì vậy những chất rắn trên cơ sở liên kếtVan der Waals có nhiệt độ nóng chảy thấp Liên kết này có trong cá vật rắn tạo thành từnhững phân tử trung hòa như : nước đá, polyme

Ngoài bốn loại liên kết cơ bản trên, trong thực tế vật liệu còn có kiểu liên kết hỗnhợp giữa các loại đó : liên kết kim loại - đồng hóa trị, liên kết kim loại - ion, liên kết đồng

hóa trị - ion

2-Quan hệ giữa cấu trúc và tính chất :

Yếu tố quyết định tính chất của vật liệu là dạng liên kết và cấu trúc của nó

Tính dẻo và giòn của vật liệu có thể giải thích dễ dàng thông qua dạng liên kếttương ứng Với vật liệu có liên kết đồng hóa trị, có góc nghiêng cố định giữa các nguyên

tử (phân tử), khả năng biến dạng dẻo rất kém : dưới tác dụng của ngoại lực,vật liệu bị pháhủy (tách đứt) khi ứng suất đạt trị số phá vỡ liên kết Vật liệu có liên kết ion tính chấtcũng tương tự như vậy

Các vật liệu gốm trên cơ sở các ôxyt kim loại như : MgO.Al2O3.SiO2 có nhiệt độnóng chảy rất cao và độ trơ hóa học lớn được giải thích bằng năng lượng liên kết đồnghóa trị (hay ion) rất cao của chúng so với vật liệu kim loại.

Trong vật liệu kim loại (liên kết kim loại) cấu trúc mạng của các ion dương trongkhông gian điện tử tự do chung cho phép các ion xê dịch dưới tác dụng của ngoại lực dovậy vật liệu kim loại có tính dẻo cao Ngoài ra, các điện tử tự do trong mạng tinh thể kimloại với tính linh động cao, dễ dàng chuyển động theo hướng tác dụng của điện trườngbên ngoài và gradien nhiệt độ Do vậy kim loại kim loại có độ dẫn điện và dân nhiệt caohơn so với các vật liệu khác

Trong thực tế phần lớn các vật liệu có dạng liên kết hỗn hợp nên tính chất của vậtliệu sẽ là tổng hợp của các tính chất đặc trưng cho các dạng liên kết nêu trên

Cần lưu ý rằng tính chất của vật liệu còn phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúccủa chúng Các kiếu cấu trúc của vật liệu sẽ tạo ra các tính chất rất khác nhau

1.1.3.Cấu trúc tinh thể của kim loại :

1-Khái niệm về mạng tinh thể : Trong vật rắn tinh thể, mỗi nguyên tử có vị trí

hoàn toàn xác định không chỉ với nguyên tử gần nhất mà cả với những nguyên tử khácbất kỳ xa hơn Không gian xung quanh các nguyên tử có cấu tạo hoàn toàn đồng nhất.Noi khác đi là các nguyên tử luôn sắp xếp một cách trật tự trong không gian của vật rắn,tạo thành mạng không gian tinh thể gọi tắt là mạng tinh thể Mạng tinh thể có bảy hệ vớimười bốn kiểu mạng khác nhau Mạng tinh thể của vật rắn có kích thước rất lớn, do đó đểnghiên cứu nó ta đưa ra các khái niệm cơ sở sau đây

a-Ô cơ sở (ô cơ bản, khối cơ sở) : là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một kiểu mạngtinh thể Ta có thể tạo ra toàn bộ mạng tinh thể bằng cách tịnh tiến khối cơ sở theo bachiều trong không gian Ví dụ ô lập phương đơn giản Tâm các nguyên tử (ion hoặc phân

Nhiệtđộnóngchảy

To

Mô đunYoungE

Hệ sốgiãndài 

Điệntrởsuất 

Tínhdẻo

tử hóa trị-Lực hútđẩy tĩnhđiệnMạng cúacác iontrongkhônggian điện

CaoCao

Trungbình -cao

CaoCao

Trungbình -cao

ThấpThấp

Trungbình -cao

CaoCao

Trungbình -thấp

ThấpThấp

Cao

bình thấpb-Hằng số mạng (chu kỳ tuần hoàn) : là khoảng cách giữa hai nguyên tử trên mộtcạnh của ô cơ sở, thường ký hiệu là a, đơn vị đo là kx 1kx = 1,00202 ăngstrong Giá trịtuyệt đối của ba véc tơ a, b, c là kích thước ô cơ sở Từ hằng số mạng ta có thể tính đượckhoảng cách giữ các mặt tinh thể, đường kính nguyên tử

-c-Phương và mặt tinh thể : (Hinh 1.2)

-Phương tinh thể là đường thẳng đi qua các nút mạng tinh thể, cách nhaunhững khoảng cách theo quy định và ký hiệu bằng ba số nguyên u, v, w ứng với tọa độcủa nút mạng gần gốc tọa độ nhất Các phương song song có tính chất giống nhau tạothành hệ phương, ký hiệu uvw Những phương không song song nhau nhưng có tínhchất giống nhau tạo thành họ phương, ký hiệu uvw Các phương trong một họ có giá trịtuyệt đối u, v, w giống nhau nhưng thứ tự khác nhau Ví dụ họ phương 100 gồm sáuphương : 010, 001, 100, 01

0, 001, 100

-Mặt tinh thể : Mặt tinh thể là mặt phẳng trong không gian mạng tinh thểđược tạo nên bởi những nút mạng, sắp xếp theo một trật tự xác định Mặt tinh thể được kýhiệu bằng bao số nguyên h, k, l Các mặt tinh thể song song có tính chất giống nhau tạothành hệ mặt tinh thể (hkl) Những mặt tinh thể không song song nhau nhưng có tính chấtgiống nhau tạo thành họ mặt tinh thể, ký hiệu hkl Các mặt trong một họ có giá trị tuyệtđối h, k, l giống nhau nhưng thứ tự khác nhau Ví dụ họ 100 của mạng có ô cơ sở làhình lập phương gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001) Ký hiệu mặt tinh thể có hailoại : chỉ số Miler sử dụng trong mạng lập phương và chỉ số Miler - Bravais sử dụngtrong mạng sáu phương xếp chặt

d-Mật độ xếp : mật độ sắp xếp theo một phương, trên một mặt hoặc trong một mạng tinhthể đặc trưng cho khả năng chiếm chỗ trong không gian mạng Theo những phương vàmặt khác nhau mật độ xếp hoàn toàn khác nhau Có ba loại mật độ xếp :

a)

Hình 1.2- Hệ toạ độ và cách xác định mặt và phương tinh thể

a) Hệ toạ độ trong khối cơ sở

b) Ký hiệu phương trong khối cơ sở

c) Ký hiệu mặt trong khối cơ sở

-Mật độ xếp theo phương :

Ml =

L l

l - chiều dài nguyên tử theo phương đang xét

L - tổng chiều dài của phương-Mật độ xếp trên một mặt :

Ms =

S s

s - diện tích nguyên tử chiếm chỗ

S - Diện tích mặt đang xét

-Mật độ xếp thể tích :

Mv =

V v

v - thể tích nguyên tử chiếm chỗ

V - thể tích đang xet trong tinh thể

2-Các kiểu mạng thường gặp của kim loại : trong thực tế các kim loại thông

dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau : lập phương tâm diện, lập phương tâm khối

n = 8

1

x 8 + 2

a Các kim loại có kiểu mạng A1 là

: Fe , Cu, Ag, Au, Ni, Al

b-Lập phương tâm khối - A2 - lptk (cubique centrée - c.c-Hinh 1.3b) : trong ô cơ

sở mạng lập phương tâm khối có tám nguyên tử nằm ở tám đỉnh và một nguyên tử nằm ởtrung tâm Các nguyên tử nằm trên đường chéo của hình lập phương tiếp xúc với nhau,còn lại không tiếp xúc nhau Mạng A2 có một thông số mạng là a Số lượng nguyên tửtrong ô cơ sở là :

n = 8

1

x 8 + 1 = 2Mỗi nguyên tử trong mạng A2 được bao quanh bởi tám nguyên tử lân cận với khoảngcách

c-Sáu phương xếp chặt - A3 - spxc (hexagonal compacte - h.c- Hinh 1.3c) : ô cơ

sở của mạng sáu phương xếp chặt là khối lăng trụ lục giác đều Có 12 nguyên tử nằm ở

đỉnh của lục giác, hai nguyên tử nằm ở tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở tâm của

ba khối lăng trụ tam giác đều cách nhau Số lượng nguyên tử trong một ô cơ sở là :

n = 6

1.12 + 2

1.2 + 3 = 6Bán kinh nguyên tử r =

a

c

 1,633 và số sắp xếp là K = 12 (có 12 nguyên tử bao quanh lân cận) Nếu tỷ số

= 1,57  1,64 được coi là xếp chặt Các kim loại : Zn, Mg, Cd, Ru có kiểu mạng A3

1.1.4.Hợp kim trên cơ sở sắt :

Trong kỹ thuật hầu như không sử dụng kim lọai nguyên chất mà chủ yếu là hợpkim Trong phần này ta nghiên cứu hợp kim của sắt đó là các loại gang và thép

Hình 1.3- Mô hình và cách sắp xếp nguyên tử trong khối cơ sở.

a) Lập phương tâm mặt

1-Khái niệm về hợp kim : Hợp kim là vật thể gồm nhiều nguyên tố mang tính

chất kim loại Thành phần chủ yếu của hợp kim là nguyên tố kim loại

Tỷ lệ các nguyên tố trong hợp kim thường dùng là % khối lượng Hợp kim cónhiều ưu điểm hơn hẳn kim loại nguyên chất : có cơ tính cao hơn (chủ yếu là độ bền), chếtạo dễ dàng hơn, giá thành thấp, một số hợp kim có các tính chất đặc biệt mà kim loạinguyên chất không hề có : điện trở lớn, giãn nở nhiệt rất nhỏ, không rỉ, chịu mài mòncao

Hinh 1 4

Cơ sở để tạo ra thép và gang là giản đồ pha Fe -C Trên giản đồ này có các tổ chứcsau đây :

a-Các tổ chức một pha :

-Ferit (, Fe, F) : là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong sắt an pha với mạnglập phương tâm khối Do độ hòa tan C ở nhiệt độ thường rất nhỏ nên có thể coi là Fe

nguyên chất Tại nhiệt độ nhỏ hơn 768oC có tính sắt từ, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính

Fe rit rất dẻo và dai, khá mềm và có độ bền thấp Trong thực tế fe rit có thể hòatan thêm Si, Mn, Cr, Ni nên độ bền độ cứng tăng lên, độ dẻo độ dai giảm đi Fe rit tồn

tại ở nhiệt độ thường, chiếm tỷ lệ lớn nhất (thường  90%) trong các hợp kim sắt các bon.

Tổ chức tế vi là các hạt đa cạnh, sáng (Hinh 1.7a)

-Austenit  ,As,Fe(C) : là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong sắt gam ma(Fe), có kiểu mạng lập phương tâm mặt Austenit hòa tan khá nhiều các bon đến 2,14%C

ở 1147oC và 0,8%C ở 727oC Austenit là pha rất dẻo và dai, không có tính sắt từ Tronghợp kim sắt các bon nguyên chất nó không tồn tại dưới nhiệt độ 727oC, nó chỉ tồn tại dướinhiệt độ này trong các hợp kim có hòa tan Mn và Ni vơi số lượng lớn Austenit là tổ chứccủa thép khi biến dạng nóng và xử lý nhiệt (Hinh 1.7b)

Hinh 1 5

Tổ chức tế vi là các hạt đa cạnh, sáng và các đường song song (song tinh) cắt ngang hạt

-Xêmentit (Xê, Fe3C – Hinh1.8) : là pha xen kẽ có công thức hóa học là Fe3C chứa6,67%C, với kiểu mạng phức tạp Xêmentit rất cứng và giòn, là pha cơ bản của hợp kimsắt các bon Nó là pha làm tăng mạnh độ bền, độ cứng Xêmentit được coi là pha cânbằng, ổn

định nhưng không hoàn toàn Ở nhiệt độ từ 650oC trở lên sẽ phân hóa rất chậm (vài năm)thành Fe và graphit Hiện tượng này gặp trong hợp kim có lượng các bon cao đó là gang

b-Các tổ chức hai pha :

-Péclit P, (F+Xê) - (Hinh 1.9): là hỗn hợp cùng tích của fe rit và xêmentit tạothành từ dung dịch rắn austenit với 0.8%C tại nhiệt độ 727oC Trong péclit có 88%F và12%Xê, chúng phân bố đều trong nhau Péclit có sự kết hợp tốt các đặc tính của hai phanày nên khá bền, cứng, đủ dẻo dai, luôn có mặt trong hầu hết các hợp kim sắt các bon.Dựa vào hình dạng của xêmentit nó được phân làm hai loại : péclit tấm nếu Xê ở dạngtấm và péclit hạt nếu Xê ở dạng hạt Péclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn và là tổchứcthường gặp nhất

-Lêđêburit (Lê) : là hỗn hợp cơ học cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từpha lỏng có 4,3%C tại nhiệt độ 1147oC Khi làm nguội dưới nhiệt độ 727oC do có chuyểnbiến austenit thành péc lít nên lúc này tổ chức của Lê gồm péclit và xêmentit Lêđêburit

có dạng hình da báo, rất cứng và giòn

11

b-Các loại gang (fontes) :

1-Gang trắng (fontes blanches - Hinh 1.10):

Là loại gang mà toàn bộ các bon của nó ở dạng liên kết với sắtdó là xêmentít

Fe3C, mặt gãy của nó có màu trắng chính là màu của xêmentít Tổ chức tế vi của gangtrắng hoàn toàn tương ứng với giản đồ pha sắt các bon Trong tổ chức tế vi của gang trắng

có peclit - lêđêburit - xêmentit, lêđêburit hay xêmentit thứ nhất - lêđêburit tùy theo lượngcác bon trong đó Gang trắng thông thường chứa C và Si thấp

Gang trắng có độ cứng rất cao đến 450 - 650HB, tính chống mài mòn lớn Công dụng củagang trắng chủ yếu là dùng để luyện thép, ủ ra gang dẻo Trong một số trường hợp làmcác chi tiết chịu mài mòn lớn như : bi nghiền xi măng, mép lưỡi cày

Hình 1.9 - Tổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b).

Hình 1 8 -Tổ chức xêmentit 2 dạng lưới ở thép sau cùng

fdtêch

2-Gang xám (fontes grises - Hinh 1.11) :

Là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ các bon trong đó nằm dưới dạng tự do graphít, mặtgãy của nó có màu xám đó là màu của tổ chức graphít Graphít trong gang xám có dạngtấm, phiến, chuỗi Tổ chức của gang xám gồm có nền kim loại trên đó có graphít phân bố.Nền kim loại có thể là fe rit, fe rit - péclit và peclit

Đặc tính chung của gang xám là có tính đúc cao, khả năng gia công cắt gọt tốt,không chịu biến dạng dẻo, chịu nén cao, không chịu kéo rất thấp, có khả năng làm tắtrung động và dao động cộng hưởng Gang xám là loại gang được sử dụng rất phổ biến vàchiếm đến 80% tổng giá trị gang đúc

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1659 - 75 (TCVN) : được ký hiệu bằng hai chữ GX vớihai cặp số chỉ giá trị tối thiểu của độ bền kéo và độ bền uốn của gang tính theo đơn vị kG/

mm2 Ví dụ :

GX15-32 GX có nghĩa là gang xám

15 là giới hạn bền kéo tối thiểu 15kG/mm2 (150 MPa)

32 là giới hạn bền uốn tối thiểu 32kG/mm2 (320 MPa)GX21-40 là gang xám có độ bền kéo và uốn tối thiểu 21 và 40 kG/mm2

Công dụng của gang xám : làm vỏ nắp máy, vỏ hộp giảm tốc (hộp số), các te,bánh răng chữ V, vỏ bơm, vỏ động cơ điện, bánh răng tốc độ chậm, bánh đà, sơ mi xécmăng, thân máy

Ngoài gang xám bình thường trong thực tế còn gặp gang xám biến trắng.Loại gang này có tổ chức thay đổi từ ngoài vào trong : ngoài cùng là gang trắng, lớp trunggian là gang hoa râm (chứa cả lêđêburit và graphit tự do) và trong cùng là gang xám.Gang biến trắng thường có thành phần thích hợp và được tạo ra một lớp trắng bề mặtbằng cách làm nguội rất nhanh lớp bề mặt khi đúc Gang biến trắng thường được dùng đểđúc trục cán, bánh toa xe lửa, má nghiền, đầu phun cát, phun bi

3-Gang cầu (gang có độ bền cao, fontes à grphite sphéroidal - fontes GS - Hinh 1.12):

Hình 1.10 -Tổ chức tế vi của gang trắng

a)Gang trắng trước cùng tinh b)Gang trắng cùng tinh c)gang trắng sau cùng tinh

c)

Là loại gang mà tổ chức graphit ở dạng thu gọn nhất dưới dạng cầu tròn, bề mặtgãy của nó cũng có màu xám tối như gang xám Tổ chức tế vi của gang cầu gồm có nềnkim loại fe rit, fe rit - péc lit, péc lít trên đó có graphit cầu phân bố.

Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang có graphit, tương đốidẻo dai, độ cứng vừa phải dễ gia công cắt gọt Các chỉ tiêu cơ tính như sau : độ cứng 200HB, độ bền 700 - 1000 MN/m2, độ dãn dài tương đối % = 5 - 15%, độ dai va đập ak

= 300-600kj/m2

Chế tạo gang cầu bằng cách nấu chảy lỏng gang xám, sau đó quá nhiệt lên đến

1450oC và cho chất biến tính vào (Mg, Ce) Sau khi biến tính xong rót ra khuôn đúc

Theo TCVN 1659 - 75 gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ GC và hai cặp chữ sốchỉ giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 và độ giãn dài tương đối theo % Ví dụ :

GC40-10 : GC gang cầu

40 - giới hạn bền kéo tối thiểu 40kG/mm2 (400MPa)

10 - độ giãn dài tương đối 10% ( %)Công dụng : dùng làm các chi tiết chịu tải trọng lớn và va đập, chịu mài mòn như :trục khủyu ô tô, cam, bánh răng

Ngoài gang cầu ra trong thực tế còn có loại gang tổ chức graphit ở dạng giun, đó

là dạng trung gian giữa graphit tấm và graphit cầu, được gọi là gang giun Tổ chức tế vicủa gang giun bao gồm 80-100% graphit ở dạng giun và 0-20% graphit ở dạng cầu

Hình 1.11-Tổ chức tế vi của gang xám

a)Gang xám pherit b)Gang xám pherit-peclit c)Gang xám peclit

c)

Tính chất của gang giun là nằm trung gian giữa gang cầu và gang xám, nhưng cơtính gần với gang cầu, còn lý tính và tính đúc lại rất gần với gang xám Cơ tính của ganggiun phụ thuộc vào nền kim loại và lượng graphit Tăng lượng graphit cầu độ bền, độ dẻocủa gang đều tăng lên Công dụng : làm các chi tiết chịu lực, chịu va đạp nhiệt trong máydiezen (nắp và blốc xi lanh), chi tiết chịu mài mòn như xéc măng, má phanh tàu cao tốc,đặc biệt là các chi tiết chịu va đập nhiệt như : khuôn đúc thép thỏi, ống xả xe ô tô

4-Gang dẻo (fontes malléables - Hinh 1.13) :

Là loại gang có tổ chức graphit ở dạng cụm (còn gọi là quả bông) Đây là dạng thugọn hơn gang xám nhưng kém hơn gang cầu Mặt gãy của gang dẻo cũng có màu xámnhư gang xám Tổ chức tế vi của gang dẻo bao gồm graphit dạng cụm và nền kim loại ferit, fe rit - péc lit, péclit Gang dẻo có cơ tính trung gian giữa gang cầu và gang xám, độdẻo tương đối cao Chế tạo gang dẻo bằng cách ủ từ gang trắng Tùy thuộc vào môitrường ủ, gang dẻo được chia làm hai loại : gang dẻo lõi đen và gang dẻo lõi trắng

c)

Hình 1.12-Tổ chức tế vi của gang cầu

a)Gang cầu pherit b)Gang cầu pherit-peclit c)Gang cầu peclit

Gang dẻo lõi đen (gang dẻo fe rit) : được ủ trong môi trường trung tính (cát, phoithép, bột sa mốt) Do vậy sau khi ủ graphit cụm số lượng nhiều nên mặt gãy có màu tối(lõi đen) Gang dẻo lõi đen có độ dẻo tương đối cao % = 8-12%, độ bền thấp

b = 300 - 400 MN/m2

Gang dẻo lõi trắng (gang dẻo péc lit) : được ủ trong môi trường ô xy hóa (quặngsắt) Do vậy trong quá trình ủ graphit bị cháy hao đi, nên số lượng graphit cụm giảm đi,mặt gãy có màu hơi sáng (lõi trắng) Gang dẻo lõi trắng có độ dẻo thấp hơn %= 2- 6%,

độ bền cao hơn b = 450 - 600 MN/m2

Theo TCVN 1659 - 75 gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và hai cặp chữ sôchỉ giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 và độ dãn dài tương đối theo % Ví dụ :

GZ35-10 GZ - gang dẻo

35 là độ bền kéo tối thiểu 35 kG/mm2 (350 MPa)

10 là độ dãn dài tương đối 10%

Công dụng : Gang dẻo thường dùng làm các chi tiết đồng thời đòi hỏi ba yêu cầusau đây :

-Tiết diện thành mỏng-Hình dáng phức tạp-Chịu va đập

Thường dùng làm các chi tiết : trục khủyu bơm dầu khí trong ô tô, guốc hãm tàu hỏa,cuóc bàn, các chi tiết máy dệt, máy nông nghiệp

5-Gang đặc biệt :

*Gang chịu ăn mòn : Chủ yếu là gang hợp kim cao, có thể là gang xám hoặc gangcầu, được hợp kim hóa bởi các nguyên tố Si, Cr, Ni với giới hạn xác định Do vậy làmthay đổi điện thế điện cực của các pha và tạo ra một lớp màng ô xýt làm thụ động hóa quátrình ăn mòn cho chi tiết trong các môi trường hoạt tính Gồm có các loại sau đây :

-Gang si lic cao (còn gọi là hợp kim sắt - si líc), có nền kim loại là fe rit và fe ritgiàu si líc Gang si líc cao có độ bền kém, độ cứng cao, giòn và khó gia công cắt gọt.Gang này làm việc được trong môi trường HNO3, H2SO4, H3PO4 và HCl có nồng đọ nhỏ

hơn 30% Nếu tăng Si lên tới 17% và thêm 3,5 - 4,0% Mo có thể làm việc được trong HClmọi nồng độ.

-Gang crôm cao có tổ chức gòm fe rit -các bit, cơ tính cao, nhưng khá cứng và khógia công cắt gọt Sử dụng tốt trong HNO3, H3PO4, trong dung dịch muối và các chất hữu

cơ không hoàn nguyên

-Gang niken cao (loại niserit) có nền kim loại là austenit, cơ tính khá, dễ cắt gọt.Gang ni ken cao làm việc tốt trong H2SO4, HCl, trong a xit có tính ô xy hóa yếu, trongkiềm ở điều kiện chịu mài mòn, ăn mòn và chịu nóng

*Gang chịu nhiệt : Để gang có thể làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao cầnphải hợp kim hóa gang bắng các nguyên tố Si, Cr, Al với hàm lượng xác định đủ để tạo ratrên bề mặt các lớp ô xyt bền sít chặt làm cho gang không bị ô xy hóa và trương nở tiếptheo Tùy theo các nguyên tố hợp kim sử dụng ta có các loại gang chịu nhiệt khác nhau

-Gang hợp kim si líc : có tổ chức nền kim loại là fe rit : nếu là gang xám có thểlàm việc được ở 600oC, nếu là gang cầu có thể làm việc được ở 950 - 1000oC

-Gang crôm cao : có tổ chức các bit cùng tinh và péclit làm việc được trong điềukiện chịu mài mòn và chịu nhiệt Tùy theo tổ chức của nó, gang này có thẻ làm việc được

ở 900oC - 1100oC

-Gang ni ken cao laọi niserit có tổ chức austenit có thể làm việc được ở 800oC.-Gang nhôm cao chứa lượng nhôm lớn hơn 17% mà điển hình là loại chugan cóthể làm việc đến 900oC

b-Nhóm thép các bon thông dụng (thép các bon chất lượng thường) :

Là loại thép chế tạo bằng phương pháp cán nóng không nhiệt luyện từ các nhàmáy luyện kim dưới dạng bán thành phẩm : tấm, ống, thanh, băng, thép hình chữ U, L, I,

V Công dụng của chúng là dùng trong xây dựng nhà, xưởng, cầu, cống, cốt bê tông,đóng tàu Theo TCVN 1765 - 75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT ( C là cácbon, T là thép), sau đó là số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 (muốn đổi raMPa chỉ cần nhân thêm 9,81 Thông thường lấy tròn bằng 10) Chúng được phân ra làm

Chú ý : Với nhóm thép này nếu cuối ký hiệu không có chữ nào khác đó là thép

lặng, nếu có chữ s (CT34s) là thép sôi, chữ n (CT34n) là thép nửa sôi

Riêng thép chuyên dùng cho xây dựng được quy định theo TCVN 5709 - 93.Chúng được ký hiệu : XCT34, XCT38, XCT42, XCT52 với con số chỉ giới hạn bền kéotối thiểu kG/mm2 Loại thép này có thành phần xác định, có thể hàn và gia công bằngnhiều phương pháp khác nhau

c-Nhóm thép kết cấu :

Đây là nhóm thép có chất lượng tốt, hàm lượng S, P thấp (S  0,04%, P

0,035%) được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học Chúng được dùng chủ yếulàm các chi tiết máy : các loại trục, bánh răng, thanh truyền, lò xo, vòng bi Theo TCVN

1766 - 75 được ký hiệu như sau :

-Thép các bon : ký hiệu bằng chữ C và số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bìnhtheo phần vạn Nếu sau ký hiệu có chữ s là thép sôi, chữ n là thép nửa lặng, không có chữnào cả là thép lặng Ví dụ : C10 là thép kết cấu các bon có 0,10%C Có các mác sau : C8,C10, C15, C20 C65

-Thép hợp kim : ký hiệu bằng tập hợp chữ và số theo quy luật sau

*Số đứng đầu mác thép chỉ lượng các bon trung bình theo phần vạn.Nếuxấp xỉ 1% thì không ghi

*Các chữ là ký hiệu các nguyên tố hóa học trong thép

*Số đứng sau ký hiệu hóa học chỉ lượng chứa trung bình của nguyên tố đó theo %.Nếu lượng nguyên tố hợp kim xấp xỉ 1% thì không ghi

*Nếu cuối mác thép có chữ A là thép chất lượng cao (S, P  0,025%) Ví dụ : 20CrNiTi : có 0,20%C, 1,0%Cr, 1,0%Ni, 1,0%Ti

12Cr18Ni9 : Có 0,12%C, 18,0%Cr, 9,0%Ti

38CrMoAlA : Có 0,38%C, 1,0%Cr, 1,0%Mo, 1,0%Al, thép chất lượng cao Thép kết cấu hợp kim thấp được quy định theo TCVN 3104-79

Nhóm thép này được phân ra các loại sau đây :

1-Thép thấm các bon : đặc điểm chung là có lượng các bon thấp nhỏ hơn 0,25%đôi khi đến 0,30%C, chế độ nhiệt luyện là thấm các bon, tôi và ram thấp Gồm có cácnhóm nhỏ sau :

-Nhóm thép các bon : C10, C15, C20, C25 đôi khi dùng CT38 Chúng được dùnglàm các chi tiết nhỏ hoặc mỏng, hình dạng đơn giản, cần tính chông mài mòn ở bề mặtcao mà không yêu cầu có độ bền lớn

-Nhóm thép crôm : 15Cr, 20Cr, 15CrV dùng làm các chi tiết nhỏ ( 30 mm)yêu cầu chống mài mòn cao ở lớp bề mặt, chịu tải trọng trung bình : chốt pit tông, trụccam xe ô tô, trục giữa xe đạp, bánh răng có mô đun nhỏ, trục pê đan xe đạp

-Nhóm thép crôm - ni ken : gồm có các mác 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A,18Cr2Ni4WA, 18Cr2Ni4Mo có độ bền bảo đảm, chịu va đập cao Công dụng : làm cácchi tiết máy có độ bền cao Riêng hai mác 18Cr2Ni4WA và 18Cr2Ni4Mo làm các chi tiếtđặc biệt quan trọng : bánh răng, trục của động cơ máy bay, tàu biển

-Nhóm thép crôm - mangan - titan : gồm các mác 18CrMnTi, 25CrMnTi,30CrMnTi, 25CrMnMo có độ bền khá cao, dùng làm các bánh răng hộp số, bánh răng cầusau, các trục quan trọng trong ô tô máy kéo

2-Thép hóa tốt : là loại thép có hàm lượng các bon trung bình 0,30 - 0,50%C vàcác nguyên tố hợp kim : Cr, Mn, Si, Ni mỗi nguyên tố xấp xỉ 1% để nâng cao độ thấm tôi

và một lượng nhỏ Ti  0,10%, Mo  0,30%, B  0,005% làm cho hạt nhỏ và chống giònram, dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, yêu cầu độ bền và độ

dai cao Cơ tính tổng hợp của thép đạt được cao nhất bằng cách nhiệt luyện hóa tốt (tôi vàram cao) nên gọi là thép hóa tốt Gồm có các nhóm sau :

*Nhóm thép các bon : có các mác C35, C40, C45, C50 Thường dùng nhất là C45,được sử dụng làm các chi tiết nhỏ, chịu tải không lớn : trục truyền, thanh truyền trongđộng cơ ô tô nhỏ, bánh răng tốc độ chậm

*Nhóm thép crôm : có các mác sau đây : 35Cr, 40Cr, 40CrB, 45Cr và 50Cr, thôngdụng nhất là 40Cr, được dùng làm các chi tiết chịu tải và tốc độ trung bình như các loạitrục, bánh răng hộp số của các máy cắt gọt

*Nhóm thép crôm - man, crôm - man gan - silíc : gồm có các mác thép sau đây40CrMn, 40CrMnB, 30CrMnSi, 35CrMnSi mà thông dụng nhất là 30CrMnSi được sửdụng nhiều trong chế tạo ô tô làm các kết cấu chịu lực, chi tiết của bộ phận lái

*Nhóm thép crôm - niken : đây là nhóm thép hóa tốt chất lượng cao nhất : gồm cócác mác sau : 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi, 40CrNiMo làm các chi tiết chịu tải lớn yêu cầu

độ tin cậy cao như trục vít của hệ thống lái ô tô Trong nhóm này có các mác :38CrNi3Mo, 38CrNi3MoV là các thép chất lượng cao nhất trong thép hóa tốt, dùng làmcác chi tiết quan trọng, chịu tải trọng nặng như : trục rôto tua bin, chi tiết chịu tải của máynén khí, các chi tiết máy bay

3-Thép đàn hồi : là loại thép có lượng các bon tương đối cao 0,50 - 0,70%C, cácnguyên tố hợp kim chủ yếu là Mn, Si với hàm lượng 1-2% để nâng cao tính đàn hồi.Ngoài ra còn có Cr, Ni, V để nâng cao độ thấm tôi và ổn định tính đàn hồi Gồm cácnhóm sau :

*Nhóm thép các bon và man gan : C65, C70, 60Mn, 65Mn, 70Mn dùng làm các lò

xo thông thường

*Nhóm thép silic và silic - man gan : 55Si2, 60Si2, 60SiMn dùng làm các lò xo,nhíp có chiều dày đến 18mm trong ô tô, tàu lửa, tàu biển, dây cót đồng hồ

*Nhóm thép silic - crôm và silic - vanađi : 60Si2CrA, 60Si2Ni2A dùng chế tạo lò

xo, nhíp lớn chịu tải nặng và đặc biệt quan trọng Các mác 50CrV, 50CrMnV làm các lò

*Thép dễ cắt : là loại thép có lượng các bon từ 0,10 - 0,40%C với lượng chứa lưuhuỳnh và phốt pho tương đối cao Chúng dùng làm các chi tiết phải gia công cắt gọt trêncác máy tự động với năng suất cao và số lượng lớn, yêu cầu bề mặt nhẵn bóng cao, khôngchịu tải trọng lớn như : bu lông, đai ốc, vít, bạc, một số loại bánh răng Gồm các mácsau : 12S, 20S, 30S, 40MnS, 12SPb (S, Pb và P chỉ rằng đây là thép dễ cắt)

*Thép chống mài mòn (thép Gatfind) : Thép này chỉ có một mác duy nhất là130Mn13Đ, trong đó chữ Đ có nghiã là chỉ có thể chế tạo sản phẩm bằng phương phápđúc Tổ chức ở trạng thái làm việc là austenit rất dẻo và dai nhưng khi làm việc dưới tảitrọng va đập và mài sát bề mặt bị biến dạng dẻo gây xô lệch mạng và biến cứng Mặt khácdưới tải trọng tác dụng có chuyển biến austenit thành mác ten xít có độ cứng cao, do đónâng cao khả năng chống mài mòn lên rất nhiều Đặc biệt là lớp có tính chống mài mònnày luôn tồn tại trên bề mặt thép, bởi vì nếu bề mặt bị mài mòn đi thì lớp bên trong sẽ tiếp

xúc với lực tác dụng và lại bị biến cứng như quá trình trên Công dụng : làm xích xe tăng,máy kéo lưõi ben máy ủi đất, máy gạt, máy cày, ghi ray, cổ biên máy đập đà

*Thép ổ lăn : là loại thép chuyên dùng làm các ổ bi, ổ đũa trong các loại máy móc.Loại thép này có độ cứng và tính chống mài mòn cao, độ bền mỏi tiếp xúc lớn Hàmlượng các bon xấp xỉ 1%C và hợp kim hóa chủ yếu bằng Si và Mn Thép ổ lăn được kýhiệu riêng Ví dụ :

OL100Cr1,5 OL - chỉ thép ổ lăn

100 - lượng các bon trung bình 1,0%C1,5 - lượng crôm là 1,5%

Gồm các mác sau : OL100Cr1,5, OL100Cr1,5SiMn, OL100Cr0,9, OL100Cr0,6

*Thép đường ray : là loại thép các bon chất lượng cao với lượng các bon từ 0,80%C và 0,60-1,0%Mn, lượng S và P thấp, được chế tạo riêng để làm đường ray xelửa Thép này được chế tạo bằng phương pháp cán nóng tại các nhà máy luyện kim, tiếtdiện chữ I Sau một quá trình sử dụng bề mặt bị mòn đi không làm đường ray được nữa,nhưng nó còn được dùng làm nhiều loại chi tiết khác như đục, dao, dụng cụ gia cônggỗ TCVN chưa có quy định ký hiệu thép đường ray Tiêu chuẩn Nga quy định ký hiệubằng chữ P và sau đó là số trọng lượng một mét dài theo kG

0,50-Ví dụ : P60 là thép làm đường ray có trọng lượng 1m dài là 60kG

*Dây thép các loại : dây thép các loại được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đờisống, được sản xuất từ các nhà máy luyện kim bằng phương pháp kéo nguội Tùy theomục đích sử dụng mà lượng các bon thay đổi từ 0,10 - 0,90%C

Dây thép có hàm lượng các bon thấp : 0,30 - 0,40%C được mạ kẽm dùng trong kỹthuật và đời sống

Dây thép có hàm lượng các bon từ 0,50 - 0,70%C dùng làm các lò xo tròn Dâythép có hàm lượng các bon cao từ 0,70 - 0,90% dùng làm các dây cáp

d-Nhóm thép dụng cụ : gồm các thép có chất lượng tốt và chất lượng cao và chỉ là

loại thép lắng, có cơ tính và thành phần hóa học xác định Chúng được dùng để chế tạocác loại dụng cụ gia công vật liệu kim loại và các loại vật liệu khác : gỗ, đá, chấtdẻo Chúng được phân làm ba họ sau đây : dụng cụ cắt gọt, dụng cụ biến dạng và dụng

cụ đo Theo TCVN nhóm thép này được ký hiệu như sau :

-Thép dụng cụ các bon : TCVN 1822-76 quy định ký hiệu bằng hai chữ CD các bon, D- dụng cụ) và sau đó là số chỉ lượng các bon trung bình theo phần vạn Nếucuối mác thép có chữ A là loại chất lượng cao với lượng P, S < 0,025%

(C-Ví dụ : CD80 - thép dụng cụ các bon có 0,80%C

CD120A - thép dụng cụ các bon chất lượng cao có 1,20%C

-Thép dụng cụ hợp kim : TCVN 1823-76 quy định ký hiệu bằng tập hợp chữ vàsố:

*Số đầu tiên của mác thép chỉ lượng các bon trung bình có trong thép theo phầnvạn Nếu lượng các bon xấp xỉ 1% thì không ký hiệu

*Các chữ là ký hiệu của các nguyên tố hợp kim có trong thép

*Số đứng sau các ký hiệu chỉ lượng chứa của nguyên tố đó theo phần trăm Nếulượng nguyên tố xấp xỉ 1% thì không ký hiệu

Ví dụ : 90CrSi: có 0,90%C, 1%Cr, 1%Si

140CrW5: có 1,40%C, 1%Cr, 5%WCrWMnSi: có 1,0%C; 1,0%Cr; 1,0%W; 1,0%Mn; 1,0%Si 1-Thép làm dao cắt :

-Thép các bon : CD70, CD80 CD130 dùng làm các lọai dụng cụ gia công bằngtay, hình dáng đơn giản : dũa, mũi khoan, cưa, ta rô, bàn ren, dao tiện

-Thép hợp kim : Gồm các mác sau : 90CrSi, 90Mn2, 100Cr2, 130Cr0,5 và140CrW5, 75W18V, 90W9V2, 85W12Cr3V2Mo, 160W12Co5V4Cr4Mo Công dụng :làm các dụng cụ gia công kim loại : mũi khoan, ta rô, bàn ren, dao phay Riêng mác130Cr0,5 được dùng làm dao xén giấy, cắt da, dao cạo râu, cạo băng máy Mác 140CrW5còn gọi là thép kim cương vì rất cứng được dùng gia công các vật liệu cứng như đục đá

2-Hợp kim làm dụng cụ cắt (hợp kim cứng) : Hợp kim cứng có tốc độ cắt rất caotới hàng trăm mét/phút, nhiệt độ làm việc đến 800-1000oC Chúng được chế tạo bằngphương pháp luyện kim bột Hợp kim cứng chia làm ba nhóm :

-Nhóm một các bít : gồm có WC và Co làm chất dính kết Theo TCVN 1659-75quy định ký hiệu bằng tập hợp chữ và số, chữ chỉ thành phần , còn số chỉ lượng chứa theophần trăm Ví dụ :

WCCo8: có 8%Co và 92%WCWCCo10: có 10% và 90%WC-Nhóm hai các bít : gồm có WC, TiC và Co làm chất dính kết Ký hiệu tương tựtrên Ví dụ :

WCTiC15Co6: có 6%Co, 15%TiC và 79%WCWCTiC4Co10: có 10%Co, 4%TiC và 96%WC-Nhóm ba các bít : gồm có WC, TiC, TaC và Co làm chất dính kết Ký hiệu cũngtương tự trên Ví dụ :

WCTTC7Co12: có 12%Co, 81%WC và 7%(TiC+TaC) muốn biếttừng thành phần này phải tra bảng

WCTTC10Co8: có 8%Co, 82%WC và 10%(TiC+TaC)

Cơ tính của hợp kim cứng càng tăng lên theo số lượng các bít, số lượng các bítcàng nhiều được coi là hợp kim càng tốt

Công dụng : làm các dụng cụ cắt gọt có hình dáng đơn giản như dao tiện, dao bào,mũi khoan đất đá Ngoài ra còn dùng làm các khuôn dập nhỏ, khuôn kéo sợi Hiện tạiViệt Nam dùng phổ biến hai loại WCCo8 và WCTiC15Co6

3-Thép làm khuôn dập : Là loại thép dùng làm các dụng cụ biến dạng kim loạinhư khuôn rèn, dập, khuôn kéo Gồm có các mác sau đây : 50CrNiMo, 50CrMnMo40Cr2W2VSi, 100CrWMn, 160Cr12Mo

4-Thép làm dụng cụ đo lường : là loại thép làm các dụng cụ đo trong nghành cơkhí như : pan me, thước cặp, ca líp, dưỡng Thường dùng các mác sau : C15, C20,15Cr,20Cr, C50, C55, 38CrMoAlA, 100CrMn

1.1.5.Kim loại và hợp kim màu :

1-Nhôm và hợp kim nhôm :

a-Nhôm nguyên chất : Tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, độ sạch của nhôm rấtkhác nhau Các mác nhôm nguyên chất được ký hiệu theo TCVN 1659-75 như sau : chữ

là ký hiệu hóa học của nhôm, sau đó là các số chỉ lượng chứa của nhôm theo phần trăm

Ví dụ : Al 99, Al 99,99, Al 99,999

Công dụng : dùng trong sinh hoạt, kỹ thuật điện và kỹ thuật nhiệt

b-Hợp kim nhôm : được chia làm hai nhóm : hợp kim nhôm đúc và biến dạng.-Hợp kim nhôm biến dạng (Hinh 1.14): dùng để chế tạo các sản phẩm bằngphương pháp biến dạng, được ký hiệu như sau : đầu tiên là nguyên tố nhôm, sau đó là kýhiệu các nguyên tố có trong hợp kim, số đứng sau các nguyên tố (trừ Al) chỉ lượng chứacủa nó theo phần trăm Lượng chứa của nhôm bằng 100% trừ đi tổng lượng chứa của các

nguyên tố hợp kim Gồm các mác sau : AlCu4,5Mg0,5MnSi; AlCu4,5Mg1,5Mn0,5;AlCu6,5Mn05Ti; AlZn4,5Mg2,5CrMn Công dụng : dùng trong công nghiệp hàngkhông, quân khí, gậy trượt tuyết, tua bin, công nghiệp dệt

-Hợp kim nhôm đúc (Hinh 1.15): chế tạo các sản phẩm bằng phương pháp đúc.Nguyên tắc ký hiệu của nó giống như loại biến dạng Gồm có các mác sau :AlSi12CuMg0,6Ni1Đ, AlCu5Mg1Ni3Mn0,2Đ (chữ Đ có nghĩa là chế tạo bằng phươngpháp đúc) Công dụng : sử dụng rộng rãi làm pit tông động cơ đốt trong, nắp động cơnhỏ

2-Đồng và hợp kim đồng :

a-Đồng nguyên chất (đồng đỏ) : phụ thuộc vào phương pháp sản xuất đồngnguyên chất có độ sạch khác nhau Ký hiệu đồng nguyên chất bằng chữ Cu và các sốđứng sau chỉ lượng chứa của nó theo phần trăm Gồm các mác sau : Cu 99, 99; Cu 99,97;

Cu 99,95; Cu 99,90 Công dụng : chủ yếu dùng trong kỹ thuật điện và kỹ thuật nhiệt

b-Hợp kim đồng : chia ra hai loại la tông và brông

-La tông (Hinh 16): là hợp kim của đồng với nguyên tố chủ yếu là kẽm Được kýnhư sau : đầu tiên là chữ L (chỉ latông), tiếp sau là Cu và Zn Số đứng sau Zn chỉ lượng

Hình 14-Tổ chức tế vi của đura sau nhiệt luyện

Hình 1.15-Tổ chức tế vi silumin trước biến tính (a) và sau biến tính (b)

chứa của nó Lượng chứa của đồng bằng 100% trừ đi lượng kẽm Gồm các mác sau :LCuZn30; LCuZn40; LCuZn29Sn1; LCuZn27Ni14 Công dụng : làm các chi tiết trongđồng hồ, công nghiệp tàu thủy, đồ dùng quang học, vỏ đạn, đồ trang sức.

-Brông (Hinh 1.17): là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác là chủ yếu (trừkẽm) Ký hiệu như sau : đầu tiên là chữ B (chỉ brông), tiếp sau là Cu và sau đó là cácnguyên tố có trong hợp kim Số đứng sau các nguyên tố (trừ Cu) chỉ lượng chứa củachúng theo % Lượng chứa của đồng bằng 100% trừ đi tổng lượng chứa các nguyên tố.Gồm các mác sau : BCuSn5P0,15; BCuSn5Zn5Pb5; BCuAl5; BCuAl9Fe4; BCuBe2.Công dụng : công tắc điện, lò xo, đĩa ly hợp, hệ thống ống dẫn, đúc tượng, phù điêu nghệthuật, hệ thống trao đổi nhiệt, đồ dùng cho hải quân, bộ ngưng hơi, màng đàn hồi, búachèn hầm lò

1.2.VẬT LIỆU KẾT HỢP (COMPOSIT) :

1.2.1.Khái niệm và phân loại :

a-Khái niệm : Vật liệu com po zit là loại vật liệu gồm hai hay nhiều loại vật liệu

khác nhau kết hợp lại, trong đó các ưu điểm của mỗi loại được kết hợp với nhau hoặc tạonên một chất lượng mới hoàn toàn mà nếu đứng riêng lẻ không một loại vật liệu thànhphần nào có thể đáp ứng được

Hình 1.16-Tổ chức tế vi của latông 1 pha (a) và latông 2 pha (b)

b-Đặc điểm và phân loại :

*Đặc điểm :

+Là vật liệu nhiều pha : trong đó các pha rắn khác nhau về bản chất, khônghòa tan lẫn nhau và phân cách với nhau bằng ranh giới pha Phổ biến nhất là loại com pozit hai pha : pha liên tục trong toàn khối gọi là nền, pha phân bố gían đoạn, được nền baobọc gọi là cốt

Hình 1.17- Tổ chức tế vi của brông chì

+Trong vật liệu composit tỷ lệ, hình dáng, kích thước, sự phân bố của nền

và cốt tuân theo quy luật đã thiết kế

+Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chấtchung của composit Ta lựa chọn các tính chất tốt để phát huy thêm

*Phân loại : -Phân loại theo bản chất của nền :

+Composit nền chất dẻo (composit polymerit)+Composit nền kim loại (composit metallit)+Composit nền gốm (Composit céramic)+Composit nền là hỗn hợp của hai hay nhiều pha

-Phân loại theo hình học của cốt hoặc đặc điểm cấu trúc :

Composit

-

  

- -       Hạt Hạt Liên Gián Lớp Tấm Tổ ongthô mịn tục đoạn 3 lớp

Nền có vai trò sau đây :

*Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composit thống nhất

*Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia côngvật liệu compo sit thành cácchi tiết thiết kế

*Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường

Vật liệu nền : polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp

1.2.4.Các loại vật liệu composit thông dụng:

1-Composit hạt : Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền.

Các phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền : ô xyt, nitrit, các bit

-Composit hạt thô nền polyme : hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, stêalit, ô xytnhôm Được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt : cửa, tường ngăn, trần nhà

-Composit hạt thô nền kim loại : hạt cốt là các phần tử cứng : WC, TiC, TaC nền

là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập Ngoài ra còn có các hợp kimgiả : W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag sử dụng trong kỹ thuật điện

-Composit hạt thô nền gốm : điển hình là bê tông Cốt là tập hợp các hạt rắn : đá,sỏi liên kết bởi nền là xi măng

Bê tông at phan (nền là xi măng atphan) dùng rải đường, làm cầu, cống Bê tôngvới nền là xi măng pooc lăng sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, các công trình

-Composit hạt mịn : các phần tử cốt có kích tước rất nhỏ < 0,1  m, cứng và ổnđịnh nhiệt cao, phân bố trên nền kim loại hay hợp kim, được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt

độ cao

2-Composit sợi : Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang nghiên cứu và sử

dụng phổ biến Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo quy luật đẫ thiết

kế Gồm các loại sau đây :

-Composit sợi thủy tinh : hiện tại là loại vật liệu thông dụng nhất, cốt là sợi thủytinh, nền là polieste, đôi khi dùng bakêlit Công dụng :mui xe hơi, cửa, thùng xe lạnh,sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ

-Composit sợi các bon : Cốt là sợi các bon, hay sợi các bon thủy tinh Nền làêpôxi-phê non, polieste hay các bon Công dụng : thân máy bay quân sự, phần lái cánhtàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động cơ, đĩa ma sát

-Composit sợi hữu cơ : Cốt là các sợi polime, nền là polime Công dụng : vật liệucách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay

1.3.VẬT LIỆU CÉRAMIC (GỐM) :

1.3.1.Khái niệm : là vật liệu vô cơ được chế tạo bằng cách dùng nguyên liệu ở dạng hạt

(bột) ép thành hình và thiêu kết để tạo thành sản phẩm (luyện kim bột) Sau khi thiêu kếtvật liệu céramic đã có ngay các cơ lý hóa tính cân thiết

1.3.2.Đặc điểm: Trong vật liệu céramic bao giờ cũng tồn tại ba pha :

-Pha tinh thể (pha hạt) ở dạng hợ chất hóa học hay dung dịch rắn, là pha chủ yếuquyết định các tính chất của vật liệu Pha tinh thể thường dùng là : ô xýt, nitrit, borit, cácbit hay kim loại nguyên chất

-Pha thủy tinh (vô định hình) là chất liên kết các hạt lại với nhau, chiếm tỷ lệ từ 40% thể tích

1 Pha khí : do được chế tạo bằng luyện kim bột nên trong sản phẩm bao giờ cũng

có lỗ xốp nhất định, trong đó chứa các khí và tạo thành pha khí Pha này ảnh hưởng rấtlớn đến một số tính chất của vật liệu (độ bền kéo, uốn) Pha khí thường gặp là các lỗ xốp

Công dụng : -Các lọc trên cơ sở brông : lọc nhiên liệu lỏng, dầu, không khí, nước.-Các lọc bằng thép không rỉ : lọc khí lò cao, không khí, a xit, kiềm

-Các lọc bằng titan : lọc a xit acétit, nước cường toan, các khí cháy

-Các lọc bằng tantan : lọc a xit sunphuríc, nitrit, clohydrit

b-Céramic xốp công dụng đặc biệt :

Là céramic trên cơ sở bột thép không rỉ Cr12Ni9 và các hợp kim trên cơ sở Ni,

Co, W, Mo dùng để chống đóng băng trên đuôi và cánh của máy bay Do vậy làm tăngthêm công suất động cơ từ 0,5-1,5%

c-Céramic xốp chống ma sát :

Các ổ trượt chế tạo từ céramic xốp rẻ tiền hơn các loại babit Đặc điểm của céramic xốp chống ma sát là do có các lỗ xốp (20-35% thể tích) chứa dầu bôi trơn, ổn địnhtrong suốt quá trình làm việc Với áp lực không lớn và tốc độ vòng nhỏ, dầu chứa trong

các lỗ xốp đủ đảm bảo cho máy làm việc lâu dài mà không cần cho thêm dầu mỡ Côngdụng : sử dụng chủ yếu trong công nghiệp dệt và thực phẩm Gồm có các loại sau :

-Hợp kim trên cơ sở sắt (bạc sắt xốp) : chủ yếu dùng bột sắt, trộn thêm 0,3-3%graphit ngoài ra có thể cho thêm : bột can xi (2,5-10%) hay lưu huỳnh (0,8-1%), 4% ZnShay 3,5% CuS Sau khi thiêu kết xong đem ngâm trong dầu nóng với thời gian từ 40-90giờ tùy theo yêu cầu độ ngấm dầu

-Hợp kim trên cơ sở đồng : thường dùng hợp kim Cu-Sn, Cu-Sn-Pb-Zn Phổ biếnnhất là loại hợp kim Cu-Sn : dùng 90% bột đồng trộn với 10% bột thiếc, cho thêm 1-3%graphit để giảm ma sát

-Vật liệu xốp kim loại -chất dẻo :

Bằng cách tẩm các chất dẻo : flo, teflon, fluoran lên bề mặt các ổ trượt bằng latông, thép không rỉ Công dụng : làm ổ trượt không cần bôi trơn trong môi trường khôngkhí, nước, xăng dầu, một số loại a xit

d-Vật liệu céramic đặc :

Loại vật liệu này có mật độ cao và độ bền cao gần xấp xỉ vật liệu rèn, đúc Ưuđiểm nổi bật của nó là có thể sản xuất hàng loạt các chi tiết phức tạp, có dung sai nhỏ vàkhông cần gia công tiếp sau đó Công dụng : chế tạo bánh răng, cam, bánh cóc, vòng bi,mâm bơm cánh quạt, đai ốc đặc biệt Gồm các loại sau :

-Vật liệu trên cơ sở sắt : Dùng bột sắt thuần túy hay hợp kim sắt các bon, phathêm các nguyên tố Cu, Ni, Cr, P Thông dụng nhất hiện nay là hợp kim Fe-Cu, Fe-Nikhông có các bon

-Vật liệu trên cơ sở kim loại màu : Céramic trên cơ sở kim loạimàu thông dụngnhất là trên cơ sở Cu-Al Trong các lĩnh vực đặc biệt còn sử dụng trên cơ sở Ti, Zr, Be,U

*Vật liệu trên cơ sở bột đồng : dùng bột đồng hay la tông, brông có pha thêmstêarat Li, stêarat Zn Công dụng : làm các chổi điện, tiếp điểm, màng lọc, chi tiết chịu

ma sát và chống mài mòn

*Vật liệu trên cơ sở bột chì : loại này có khối lượng riêng lớn, chống ăn mòn cao,cách âm tương đối tốt Công dụng : làm các chi tiết cách âm trong máy bay, bánh đà máy

in nhỏ

1.4.VẬT LIỆU POLYME (VẬT LIỆU HỮU CƠ) :

1.4.1.Khái niệm về polyme :

1-Định nghĩa : Polyme (còn gọi là cao phân tử) là phân tử của nhiều hợp phần cơ bản

(xuất phát từ tiếng Hylạp cổ, poly : nhiều, me : phần)

-Theo định nghĩa của liên hiệp quốc tế về hóa cơ bản và ứng dụng : polyme là mộthợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiềuloại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử, liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạonên một loại tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vàiđơn vị cấu tạo

2-Phân loại polyme : có nhiều cách phân loại khác nhau :

a-Theo nguồn gốc hình thành :

-Polyme thiên nhiên : có nguồn gôc thực vật hay động vật : xenlulô, enzim, cao

su, amiăng, graphit thiên nhiên

-Polyme tổng hợp (nhân tạo) : được sản xuất từ những loại monome bằng cáchtrùng hợp, trùng ngưng như các loại polyolephin, polyvinylclorit, polyamit, và cao sunhân tạo Đây là loại quan trọng nhất, được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế

xy và ô xýt ma giê (thủy tinh silicat, gốm, mica, amiăng )

-Polyme hữu cơ phân tử (chỉ có một phần hữu cơ) : Trong mạch cơ bản của chúngchứa các nguyên tử vô cơ : Si, Ti, Al và nối với các gốc hữu cơ : metyl (-CH3), phenol (-C6H5), etyl (-C2H5)

c-Theo cấu trúc (hình dáng đại phân tử - Hinh 1.18)

-Polyme mạch thẳng : Đại phân tư của nó là các chuỗi các mắt xích nối liền nhautheo đường dích dắc hay hình xoắn ốc (loại này có polyetylen PE, polyamid PA)

-Polyme mạch nhánh : là loại mạch thẳng nhưng trong đại phân tử của nó có thêmcác nhánh (polyizobutylen PIB)

-Polyme không gian : Các monome có ba nhóm hoạt động tạo nên polyme khônggian ba chiều, có tính cơ, lý, nhiệt đặc biệt (nhựa êpoxy, phenon -formalđehyt)

-Polyme mạng lưới : Các mạch cạnh nhau trong polyme này được nối với nhaubằng liên kết đồng hóa trị (các loại cao su lưu hóa)

d-Phân loại theo tính chịu nhiệt :

-Polyme nhiệt dẻo : Thông thường là các polyme mạch thẳng Ở nhiệt độ xá địnhchung có thể chảy, trở thành dẻo và nhỏ hơn nhiệt độ này chúng rắn trở lại Đây là loạipolyme có giá trị thương mại quan trọng nhất hiện nay

Hinh 1.18- Polyme cau truc

-Polyme nhiệt rắn : Là các polyme có khối lượng phân tử không cao lắm, ở nhiệt độ caochúng không không thể chảy mềm và không hòa tan trong dung môi

e-Phân loại theo lĩnh vực sử dụng : Chia ra các loại chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo

3-Tính chất của polyme :

a-Tính nóng chảy và hòa tan : Do khối lượng phân tử lớn nên polyme không thể biến sangtrạng thái khí Khi nung nóng chúng không thể chuyển thành chất lỏng có độ nhớt thấp(sền sệt) Nếu trọng lượng phân tử lớn và độ phân cực mạnh thì chúng không hòa tantrong bất kỳ dung môi nào

b-Cơ tính của polyme : Cơ tính của polyme phụ thuộc vào cấu tạo, nhiệt độ và các trạngthái vật lý

-Biến dạng dưới tác dụng của lực : mô đun đàn hồi, giới hạn bền kéo, tính dẻo và

độ dãn dài của polyme được xác định tương tự như kim loại  b kéo khoảng 100MPa, độgiãn dài tương đối cực đại khoảng 1000% (kim loại tối đa 100%) Khi nhiệt độ tăng môđun đàn hồi giảm, độ bền kéo giảm, độ dẻo tăng

-Tăng tốc độ biến dạng làm tăng tính dẻo và có thể biến dạng dị hướng

-Độ bền mỏi : có thể bị phá hủy mỏi dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ, tuynhiên giới hạn mỏi nhỏ hơn rất nhiều so với kim loại

-Độ dai va đập : phụ thuộc vào điều kiện tác dụng của lực va đập, nhiệt độ và kíchthước mẫu Nhìn chung độ dai va đập của polyme nhỏ

-Độ bền xé : là năng lượng cần thiết để xé rách một mẫu có kích thước theo tiêuchuẩn, quyết định khả năng làm việc của bao bì, vỏ bọc dây điện

c-Các tính chất khác :

-Tính chất lão hóa : là hiện tượng độ cứng tăng dần, mất dần tính đàn hồi và dẻodẫn tới polyme bị dòn, cứng và nứt vỡ theo thời gian Thông dụng nhất là sự ô xy hóapolyme bởi ô xy của khí quyển

-Khối lượng riêng : không cao lắm 0,9-2,2g/cm2 tùy từng loại

-Độ bền riêng (Độ bền kéo/khối lượng riêng) : một số pôlyme lớn hơn kim loại(Nylon 6,6 có độ bền riêng là 71 km)

-Tính chất nhiệt : Dẫn nhiệt rất thấp, thường làm chất cách nhiệt dưới dạng bọt,mút

-Tính chất điện : điện trở suất rất cao 1015-1018 / cm, là chất cách điện tuyệt vời.-Tính chất quang : một số polyme có thể truyền ánh sáng Muốn vạy chúng phải ởdạng vô định hình (poly cácbonat PC truyền sáng 80%, polyeste PET truyền sáng 90%)

1.4.2.Các loại polyme thông dụng và công dụng :

1-Chất dẻo : là loại vật liệu có số lượng và sản lượng cao nhất hiện nay.

a-Khái niệm : Chất dẻo là loại vật liệu có thể biến dạng mà không bị phá hủy và có thểđịnh hình với áp lực thấp nhất

-Polyamit PA, tên thương mại : nylon, zytel, plaskon Công dụng : ổ trượt, bánhrăng, bàn chải, tay cầm, vỏ bọc dây điện, dây cáp

-Polycacbonat PC, tên thương mại merlon, lexan Công dụng : mặt nạ an toàn,chao đèn, kính, nền cho phim ảnh

-Polystyren PS, tên thương mại styren, luxtrex, rexolite Công dụng : hộp ắc quy,bảng điện trong nhà, đồ chơi, tường nhà, dụng cụ gia đình

-Vinyl PVC, tên thương mại PVC, pliovic, saran, tygon Công dụng : bọc dây điệnbăng ghi âm, thảm trải sàn nhà, đường ống

-Phenolíc : tên thương mại epon, epirez, araldite Công dụng : bọc các mô tơ điện,

vỏ điện thoại, dụng cụ điện

-Polyeste : tên thương mại selectron, laminac, paraplex Công dụng : một số chitiết trongô tô, ghế các loại, vỏ và thân quạt điện, thuyền composit, mặt nạ

-Silicon : tên thương mại nhựa DC Công dụng : vật liệu cách điện ở nhiệt độ cao

2-Elastome : Thông dụng nhất là các loại cao su tổng hợp : cao su styren - butadien

(SBR), nitrit-butadien (NBR), cao su silicon

-Polyisopren : tên thương mại cao su tự nhiên (NR) Công dụng : săm, lốp, ống,đệm

-Copolymestyren - butadien : tên thương mại GRB, buna S (SBR) Công dụng :như loại trên

-Copolyme acrilontrit - butadien : tên thương mại buna A, nitril (NBR) Côngdụng : Ống mềm dùng trong dầu hỏa, hóa chất, dầu mỡ, đế gót giày

-Clopren : tên thương mại neopren (CR) Công dụng : bọc dây cách điện, thiết bịhóa chất, băng chuyền, các loại ống, đệm

-Polysiloxan : tên thương mại silicon Công dụng : cách điện ở nhiệt độ cao, thấp.dùng trong y tế, chất trám đường ống trong công nghiệp thực phẩm.

Chương 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU

2.1.NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BẰNG KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC : 2.1.1.Lý thuyết về kính hiển vi :

Kính hiển vi là công cụ chính trong việc nghiên cứu vật liệu Kính hiển vi quanghọc là dụng cụ dùng để quan sát các vật liệu với độ phóng đại lớn Kính hiển vi quanghọc được phân ra làm hai nhóm lớn : kính hiển vi làm việc với ánh sáng xuyên thấu (kínhhiển vi sinh vật) dùng để quan sát mẫu trong suốt và kính hiển vi làm viêc với ánh sángphản chiếu dùng để quan sát những mẫu không trong suốt như : kim loại và các loại vậtliệu, loại kính hiển vi này có tên gọi là kính hiển vi kim loại học hay kính hiển vi khoángvật học Chúng ta sẽ xem xét một số đặc tính quan trọng của kính hiển vi làm việc với ánhsáng phản chiếu

và khẩu số (A), muốn tìm độ phóng đại của kính phải tra bảng kèm theo kính đó Kinhnghiệm để chọn vật kính và thị kính thích hợp theo quy luật sau : giới hạn dưới của độphóng đại của kính bằng 500A và giới hạn trên là 1000A Ví dụ : với vật kính có khẩu số

A là 0,65 thì độ phóng đại của nó trong khoảng từ 325 đến 650 lần Trên cơ sở đó ta chọnthị kính phù hơp để nhận được độ phóng đại trên Với kính hiển vi quang học thông dụng

độ phóng đại của chúng từ 50 đến 2000 lần

2-Khả năng phân ly và khẩu số :

a-Khả năng phân ly : Khả năng phân ly của kính hiển vi là khả năng phân biệt rõ ảnh củahai điểm gần nhau trong mẫu quan sát Khả năng phân ly là đặc tính quan trọng của kínhhiển vi Với kính hiển vi quang học khả năng phân ly cao nhất là 0,15  m.

b-Khẩu số : là khả năng của vật kính nhận được chùm ánh sáng hình nón rộng hay hẹpphản xạ từ mẫu quan sát Khẩu số càng lớn thì độ phân ly càng lớn, tức là ta có thể quansát khoảng cách càng nhỏ giữa các điểm của mẫu

Ta có thể xác định khả năng phân ly như sau :

d =



sin

a.Vật kính : là ống kính ở sát phía vật quan sát Vật kính quyết định độ phóng đại

hữu ích và chất lượng ảnh quan sát Theo khả năng phân ly vật kính được chia ra ba loại :

-Vật kính có khẩu số thấp : < 0,30 có tiêu cự 2-4 mm

-Vật kính có khẩu số trung bình : < 0,80 có tiêu cự 9-18 mm

-Vật kính có khẩu số lớn > 0,95 có tiêu cự 60-95 mm

Trên vật kính thường ghi tiêu cự và khẩu số, có loại ghi độ phóng đại và khẩu số

b.Thị kính : là ống kính ở sát ngay mắt người quan sát, nó cũng ảnh hưởng đến độ

phóng đại và chất lượng ảnh quan sát Thị kính chia làm ba loại :

a.Chiếu sáng nhờ tấm kính phẳng : Dùng một tấm kính phẳng nửa xuyên thấu,

đặt nghiêng góc 450 Chùm tia sáng S rọi vào tấm kính phẳng 1 một phần đi xuyên qua

nó, còn một phần phản xạ lại đi qua vật kính 2 đến mặt mẫu quan sát 3 Từ đó ánh sángphản xạ lại đi qua lăng kính 5 và tới thị kính 4 Dùng phương pháp chiếu sáng này thìtoàn bộ khoảng mở của vật kính đều tận dụng được, nhưng không phải toàn bộ chùm tiađều dùng để chiếu sáng nên ảnh hưởng đến cường độ chiếu sáng mặt mẫu Với kính hiển

vi sinh vật nếu lắp thêm bộ phận này vào ta có thể quan sát được các mẫu không trongsuốt như : kim loại, quặng

b.Chiếu sáng bằng thấu kính : Chùm tia sáng S đi qua lăng kính 1 sẽ bị bẻ một

góc 900 đi qua thấu kính 2 đến mặt mẫu 3 Sau đó phản xạ lại qua thấu kính 2 đến lăngkính 1 bị bẻ góc 900 sẽ đến thị kính 4 Trong trường hợp này chỉ dùng một nửa khoảng

mở của vật kính để chiếu sáng mẫu, còn một nửa để tạo thành ảnh Dùng phương phápchiếu sáng này ảnh có bóng nên được dùng để phát hiện các nhấp nhô trên bề mặt mẫu

Mỗi phương pháp chiếu sáng đều có những ưu nhược điểm nhất định, vì thế trongkính hiển vi kim loại học sử dùng cả hai phương pháp này trên cùng một thiết bị để tùytừng trường hợp cụ thể mà sử dụng cho phù hợp nhất

Nguồn sáng trong kính hiển vi kim loại học thường dùng bóng đèn công suất cao

có cấu trúc dây tóc đặc biệt Ngoài ra có thể dùng đèn thủy ngân hay ánh sáng hồ quang

3.Hệ thống cơ khí :

a-Đế kính hiển vi : Đế kính hiển vi thường có ba hay bốn điểm tựa để đảm bảo

đứng vững không bị rung động khi sử dụng

Hình 2.1.Sơ đồ hệ thống chiếu sâng

b-Bàn mẫu : Có thể nằm ở phía trên hay phía dưới, nhưng thông dụng nhất là để

phía trên vì sẽ không bị khống chế về hình dáng và kích thước mẫu Trên bàn mẫu có cơcấu dịch chuyển qua lại theo hai phương vuông góc nhau và có các thanh kẹp mẫu

c-Cơ cấu điều chỉnh : Có hai cơ cấu điều chỉnh thô và tinh.

-Núm điều chỉnh thô : dùng để đưa bàn mẫu lên xuống nhanh chóng Sau khi điềuchỉnh thô thường khóa kính lại

-Núm điều chỉnh tinh : dung trong trường hợp không cần điều chỉnh nhiều sự dichuyển của bàn mẫu Cần chú ý rằng không được vặn núm điều chỉnh tinh quá nhiềuvòng Nếu cần điều chỉnh nhiều phải dùng núm điều chỉnh thô

Có hai loại phim để chụp ảnh vật liệu :

*Phim tấm (kính) là loại chuyên dùng cho chụp ảnh vật liệu, được chế tạo riêng,bắt sáng chậm, thời gian chụp rất lâu có thể đên hàng phút, ngày nay không dùng nữa

*Loại phim cuộn : dùng phim chụp ảnh thông dụng Các kính hiển vi sau này đềudùng loại phim này

Mẫu dùng để quan sát trên kính hiển vi kim loại học phải chế tạo rất công phu Ví

dụ : với kim loại phải mài trên ba loại giấy nhám có cỡ hạt khác nhau từ thô đến mịn chophẳng và hết các vết xước Sau đó mài bóng trên máy mài dạ đến sáng như gương Cuốicùng tẩm thực và sấy khô Lúc này mẫu mới sử dụng được

2.1.3.Công dụng của kính hiển vi :

Dùng để quan sát và chụp ảnh cấu trúc của vật liệu Từ đó có thể phát hiện được:-Các vết nứt tế vi, các rỗ khí, bọt khí.

-Xác định được kích thước hạt kim loại

-Phát hiện các lớp bão hòa của các nguyên tố khác vào vật liệu kim loại

-Thấy được các cấu trúc tế vi của nhiều loại vật liệu khác nhau

Hình 2.2 Sơ đồ kính hiển vi điện tử

2.2.NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT LIỆU BẰNG KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ : 2.2.1.Lý thuyết về kỹ thuật hiển vi điện tử :

Để quan sát các phần tử nhỏ trong cấu trúc tế vi cuả vật liệu thường phải sử dụng

độ phóng đại 1000 lần (giới hạn của phương pháp hiển vi quang học) và sử dụng kỹ thuậthiển vi điện tử Khi nghiên cứu cấu trúc các hạt (lưới) của polyme ( tương tác của chúngtrong phạm vi micron) bắt buộc phải dùng kỹ thuật hiển vi điện tử Các cấu trúc của vậtliệu kim loại sau khi tôi và các loại vật liệu céramic được chế tạo từ các loại bột có kíchthước rất nhỏ mịn chỉ có thể dùng kỹ thuật hiển vi điện tử để nghiên cứu chúng

Trong tất cả các loại hạt được dùng để tạo ra một hình ảnh (proton, photon, tia X,điện tử ) thì các điện tử thường được sử dụng hơn cả vì chúng cho ra một hình ảnh tốthơn Các điện tử được tạo ra bằng cách đốt nóng một dây tóc mảnh trong ống điện tử vàđược tăng tốc bởi một trường tĩnh điện và dưới một điện áp nhất định Điện tử dễ dàng bịlệch hướng chuyển động dưới tác dụng của trường tĩnh điện hay trường điện từ

Các điện tử được sinh ra dưới điện áp 100KV, có chiều dài bưóc sóng 3,7pm sẽ cókhả năng phân ly đến 0,3nm tức là khoảng cách giữa các nguyên tử Tuy nhiên chùm điện

tử dễ dàng bị hấp thụ mạnh bới các vật chất khác, do vậy phải tạo ra các chùm điện tử rấtmảnh và hẹp (khoảng 0,1  m) Kính hiển vi điện tử được chia làm hai loại : kính hiển viđiện tử xuyên thấu (Microscope électronique à transmission - MET) và kính hiển vi điện

tử quét (Microscope électronique à balayage - MEB)

2.2.2.Cấu tạo kính hiển vi điện tử :

a-Kính hiển vi điện tử xuyên thấu (MET) :

Ta nghiên cứu sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử xuyên thấu (hình 10.2Mercier) Cấu tạo gồm các bộ phận chính sau : (Anh 10)