Vật liệu công nghiệp trong chế tạo máy: Phần 1

Tài liệu Vật liệu công nghiệp trong chế tạo máy phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim; Cấu trúc tinh thể của hợp kim; Thép cacbon và thép hợp kim;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

PGS TS PHAM MINH PHUGNG

TS BUI VAN HANH

EBOOKBKMT.COM

VAT LIEU CO BAN & XULY NHIET

TRONG CHE TAO MAY

(Giáo trình cho các hệ đào tạo cứ nhán và trung cấp kỹ thuát)

NHI vata aN KHOA HOC VA KY THUÂT

EBOOKBKMT.COM

PGS TS PHAM MINH PHƯƠNG

TS BÙI VĂN HẠNH

Chịn trách nhiệm xuất bản: PGS TS TÔ ĐĂNG HẢI

In 500 cuốn khổ 16 x 24cm tai Cong ty TNHH Bao bi & In Hai Nam

CC CC ,') LÔ occ tis Btw 1M ATRL ^fVYX2E//XVW-S(EF“Ƒˆ IO/UL7Ƒ7YYTYZPE

Ở Việt Nam các ngành công nghiệp, đặc biệt các ngành cơ khí, thường ngày

đều gắn với vật liệu và cần đến các vật liệu có tính năng đa dạng với chất lượng ngày

càng cao

Hiện nay kim loại (sắt, nhôm, déng, ) và hợp kưm (thép, gang, các hợp kim

của nhôm, đồng, titan, ) được dùng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp Các

kim loại, đặc biệt là sắt và các hợp kim của nó đã và đang đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển các ngành công nghiệp về mặt kinh tế và cả kỹ thuật -

Các vật liệu kim loại được dùng rộng rãi để chế tạo máy móc và công cụ là do

chúng có cơ tính tốt ddm bdo duoc các yêu cầu đề ra Nói chung vật liệu kim loại có

độ bền và độ cứng cao, độ đẻo và độ dai tốt, vì vậy máy móc dùng được lâu, Ít mòn

Một số kim loại và hợp kim có những tính chất vật lý đặc biệt như: dân điện và dẫn nhiệt tốt, có từ tính đặc biệt, chịu nhiệt tốt Song song với sự phát triển kim loại và

hợp kim, các vật liệu khác (compozit, kim loại bột, chất déo, ) cũng phát triển và

được sứ dụng trong công nghiệp

Để sử dụng kim loại, hợp kim và các loại vật liệu khác trong sản xuất công nghiệp một cách hợp lý thì các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, kể cả công nhân cũng cần có

những kiến thức cơ bản nhất về một số vật liệu thông dụng nhất

Để đáp ứng phần nào thực tế trên chúng tôi biên soạn giáo trình này

Vật liệu cơ bản và xử lý nhiệt là môn học kỹ thuật cơ sở trình bày về cấu tạo bên trong và các tính chất của vật liệu kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, về sự phụ thuộc giữa các tính chất vào cấu tạo bên trong của chúng Dựa trên mỗi quan

hệ đó người ta tiến hành tìm tòi các hợp kim mới có tính chất mong muốn và các

phương pháp gia công nhiệt để cải thiện các tính chất của kim loại, hợp kim

Để nâng cao chất lượng vật liệu kim loại, cũng như các sản phẩm kim loại, hợp

kim và các vật liệu khác, người ta đã sử dụng công nghệ xử lý nhiệt Công nghệ xử lý

nhiệt là quá trình làm thay đổi tính chất của vật liệu kùn loại bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong hoặc thay đổi thành phần hoá học lớp bề mặt kim loại mà

TOE EEE TORE GEES FIRE REGS BH ĐE CŨ HÀ VI TÀHHHA t6 PHTE CAI C5 GH“C Fires A Cush, OO OCT,

độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, v.v mà còn làm tăng tính công

nghệ của vật liệu Do đó có thể nói xử lý nhiệt là một trong những yếu tố công nghệ

quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm công nghiệp nói chung

Các cán bộ kỹ thuật (kể cả công nhân) khi thiết kế và chế tạo các kết cẩu máy

phải có hiểu biết đẩy đủ về các loại vật liệu thường dùng (gang, thép, các hợp kim

nhôm, đồng, hợp kim ổ trục, vật liệu khác, ) và các phương pháp xử lý nhiệt thích

hợp Trong hoàn cảnh cung ứng vật tư không đáp ứng đúng số hiệu, nếu nắm vững

các tính chất của vật liệu, các cán bộ kỹ thuật, công nhân có thể chọn các số hiệu

khác (loại khác) tương đương để thay thế:

Môn học vật liệu cơ bản và xử lý nhiệt là môn học cơ sở kỹ thuật rất thực

tiễn Vì vậy trong quá trình học phải luôn luôn liên hệ với thực tế gia công và sử" dụng,đồng thời giải thích các hiện tượng vật lý bằng lý thuyết đã học Ngoài phần lý

thuyết, học sinh cần thực hiện các bài thí nghiệm và các bài tập nhằm củng cố kiến

thức được học cũng như giúp làm quen với thực tế Ộ

Giáo trình này gồm sáu chương Trong chương l và chương 2 trình bày các lý

thuyết cơ sở về kim loại và hợp kim Chương 3, 4 và 6 trình bày các loại vật liệu kim

loại thường dùng (thép, gang và kừm loại màu) Trong chương 5 trình bày bản chất và

cách tiến hành các phương pháp xử lý nhiệt kim loại.Chương 7 trình bày một số vật

liệu phi kim loại (chất đẻo, cao su, compozil ) thường dùng trong công nghiệp chế

tạo máy Sau mỗi chương đều có câu hỏi ôn tập

Cuốn sách này được biên soạn theo nội dung của các giáo trình Công nghệ

kim loại, Cơ khí đại cương, Kim loai học và Nhiệt luyện, Vật liệu học, Công nghệ

Nhiệt luyện đã dạy nhiều năm tại trường Đại hoc Bách khoa Hà nội cũng như các

giáo trình tương tự trong và ngoài nước Nó dùng cho các hệ đàa tạo trung cấp, cử

nhân kỹ thuật công nghiệp

Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất chân tình

của các bạn đồng nghiệp Nhân địp này chúng tôi xin chân thành cảm ơn

Chúng tôi xin trân trọng và cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của bạn đọc Các ý

kiến xin gửi về Ban biên tập, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng

Các tác giả

KHAI NIEM CO BAN VE KIM LOAI VA HOP KIM

EBOOKBKMT.COM

Vật liệu dùng trong công nghiệp rất đa đạng, tuy nhiên kim loại và hợp kim

của chúng vẫn được sử dụng nhiều nhất (70 + 80%) khối lượng, vì vậy cần phải hiểu biết những tính chất cơ bản và phạm vỉ sử dụng chúng

11 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CÔNG NGHIỆP

Vật liệu nói chung là những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ,

máy móc, thiết bị và ngay cả để thay thế một số bộ phận của cơ thể hoặc thể hiện ý

đồ nghệ thuật

Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân ra 4 nhóm vật liệu chính:

- Vật liệu kim loại

- Ceramic (vật liệu vô cơ)

- Polyme (vật liệu hữu cơ)

- Compozit (vật liêu kết hợp)

Ngoài ra có những nhóm phụ khó ghép vào bốn nhóm trên như: bán dân, siêu

din nhiệt độ thấp, siêu dân nhiệt độ cao; silicon, vật liệu nanô

L2 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI

Kim loại là vật thể sáng (có ánh kim), có thể rèn được (do có tính dẻo), có tính

dẫn điện, dân nhiệt tốt, có hệ số nhiệt điện trở dương

Hiện nay đã tìm được hơn 100 nguyên tố, trong đó hơn 3/4 là kim loại; trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hoá học, chúng nằm ở bên trái đường đậm nét (bảng 1.1) Ngoài ra một số nguyên tố có vị trí trung gian giữa kim loại và á kim, đó là các

nguyên tố bán dan: Ge, Sĩ Các nguyên tố còn lại là á kim: C, O, H, N.B ; khí trơ:

He, Ne, Ar, Kr và halôzen: F, CI, Hr, I (bên phải đường đậm nét)

Thực tế chưa có tiêu chuẩn thật rõ rệt phân biệt kim loại và á kim.

- Kim loại mầu bao gồm các kim loại còn lại trong bảng tuần hoàn và hợp

kim trên cơ sở của chúng

EBOOKBKMT.COM

13 CẤU TẠO MẠNG TINH THE

- Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại: nguyên tử là một hệ thống phức

tạp gồm hạt nhân (chứa prôtôn + nơtrôn) mang điện tích đương và các điện tử mang

điện tích âm quay quanh hạt nhân Đặc điểm của kim loại là số điện tử hoá trị rất ít

(thường là 1 + 2e : e là electron), các điện tử liên kết rất yếu với hạt nhân, dễ bứt ra

khỏi hạt nhân và trở thành điện tử tự do còn nguyên tử trở thành ion dương Đặc tính

của các điện tử này quyết định nhiều đến tính chất đặc trưng của kim loại

L3 Cấu tạo tỉnh thể kim loại

Một số khái niệm cơ bản

Tất cả các kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn đều là vật thể có cấu tạo mạng

tinh thé Các nguyên tử (ion) chiếm những vị trí nhất định trong không gian tạo thành

- gọi là mặt tỉnh thể

- Đường thẳng đi qua 2 nguyên tử (ion) và tiếp tục đi qua các nguyên tử (ion)

khác gọi là phương tỉnh thể

- Phần thể tích nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tỉnh thể nào đó được gọi

là 6 co bản Nếu xếp liên tiếp các 6 co bản theo 3 chiều không gian sẽ được toàn

mạng tỉnh thể (hình 1.1)

- Thông số mạng là kích thước cơ bản của mạng tỉnh thể, từ đó có thể tính ra

các khoảng cách bất kỳ trong mạng Đơn vị thường dùng là angstrom (À”) hay kiô

ichxi (kx)

Hệ lập phương chỉ có một thông số mạng là cạnh a của khối co bản Hệ lục giác có hai thông số mạng là a và c

13.3 Cac dang 6 cơ bản của mang tinh thé kim loại

Ô cơ bản được đặc trưng cho kiểu mạng tinh thể của kim loại Theo tính toán

của Bravais thì tất cả có 14 kiểu mạng tỉnh thể khác nhau thuộc 7 hệ Trong các kim

loại thường dùng trong công nghiệp cơ khí, thường gặp ba kiểu mạng tỉnh thể là: lập phương thể tâm (còn gọi là lập phương tâm khối và ký hiệu là A2 hoặc Iptk); lập

phương điện tâm (còn gọi lập phương tâm mặt và ký hiệu là A 1 hoặc lptm) (hình 1.3)

Ô cơ sở mạng sáu phương xếp chặt (ký hiệu là A3 hoặc spxc), (hình 1.4)

a Lap phương tâm khối (ký hiệu A2, lptk): có ở các kim loại: Fe„,Cr,V (hình

khối, loại ô này có thể được ký hiệu bằng [@]

b Lập phương tâm mặt (ký hiệu AI, lptm): có ở các kim loại: Fe, AI, Cu, Ni,

Pb ), hình 1.3

Ô cơ sở này là hình lập phương với cạnh là a, các nguyên tử nằm ở đỉnh và

trung tâm các mật bên của khối Ô này đôi khi được ký hiệu bằng 4 - hình 1.3

EBOOKBKMT.COM

Hình 1.3 Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt

c sáu phương xếp chặt (ký hiệu A3, spxc): c6 & cic kim loai: Zn, Cd, Mg

Ô cơ sở ở đây là hình lục giác với các cạnh là a và c (gồm sáu lăng trụ tam

giác đều), các nguyên tử ở 12 đỉnh, giữa các mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở tâm 3 khối lăng trụ tam giác cách đều nhau, hình 1.4

Hình 1 4 Ô cơ sở mạng sáu phương xếp chặt

đ Tính biến đổi thù hình của kim loại

Kim loại ở các nhiệt độ, áp suất khác nhau có kiểu nang khác nhau, được gọi |

là tính thù hình của kim loại Ví dụ Fe, Co, Mn, Sn, Te, Ce

(LÁCV MCLEE CEES (l(10110(ÔÚ NEN BSD Se

cùng một nguyên tố được ký hiệu bang

chit cdi Hy Lap: a, B, y, 6 trong dé a

chỉ dạng tồn tại ở nhiệt độ thấp nhất còn

B, y, 6 lần lượt ở các nhiệt độ cao hơn, ví du: Fe,, Fes, Fe, (hinh 1.5) Quá trình

thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình

Hinh 1.5 Tinh tha hinh cua sat

Pac diém khi chuyén bién thi hinh:

- Thay đồi thể tích

- Thay đổi tính chất

Nhìn vào sự biến đổi thù hình của sắt cho thấy : Fe„ mềm, có từ tính, còn Fe,

lại dẻo, nhưng không còn từ tính Nhờ vậy mà cải thiện được tính công nghệ của sat

Trong thực tế không phải 100% nguyén tir déu nam dung vi tri qui định, mà luôn có những nguyên tử nằm sai lệch khỏi vị trí qui định, gây nên sai lệch mạng tỉnh

thể (gọi là lệch mạng) Tuy số nguyên tử nằm sai lệch khỏi vị trí qui định rất ít (chỉ 1

+ 2%) nhưng cũng gây ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của kim loại

1234 Đơn tinh thé va da tinh thé

1 Don tinh thé

Đơn tỉnh thể là vật thể có mạng thống nhất và phương mạng không thay đổi

trong toàn bộ thể tích của nó Đơn tỉnh thể có hình dạng nhất dịnh đặc trưng cho kiểu

mạng của mình Đơn tỉnh thể có tính dị hướng Thực tế rất ít gập dơn tỉnh thể vì

chúng có kích thước rất bé (I + 100um), do phải “nuôi bằng công nghệ” bằng

phương pháp công nghệ đặc biệt (hình 1.6a)

Tính dị hướng của đơn tỉnh thể là sự khác nhau về tính chất (cơ, lý, hoá ) theo những phương mạng khác nhau của tỉnh thể.

a Hat tinh thé (gọi tắt là tinh thé):

Trong thực tế hầu như chỉ gặp da tinh thé Da tinh thể gồm rất nhiều đơn tỉnh

thể nhỏ (cỡ um), mỗi đơn tinh thé trong đa tỉnh thể được gọi là hạt tinh thể Các hạt

có phương mạng định hướng khác nhau (ngâu nhiên theo phương truyền nhiệt khi kết

tỉnh) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới (gọi là biên hạt hoặc tinh giới hạt)

Đặc điểm:

- Mạng tỉnh thể trong mỗi hạt đều có trật tự

- Các hạt trong đa tỉnh thể có phương mạng sắp xếp bất kỳ nên đa tỉnh thể có tính đẳng hướng

- Vùng biên giới hạt các nguyên tử sắp xếp không có trật tự và chịu ảnh hưởng

của các hạt xung quanh (hình 1.6b,c)

Hình 1.6 Mô hình đơn tinh thể và đa tinh thể

a) đa tinh thể, b) đa tinh thể, e) ảnh hiển vi quang học mẫu đa tinh thể sau tẩm thực

b Độ hạt: hạt to, nhỏ có ảnh hưởng lớn tới cơ tính của kim loại Độ hạt là biểu hiện kích thước trung bình của các hạt Có 16 cấp từ 00, 0, 1, 2 14 theo thứ tự nhỏ din DO hạt càng nhỏ tính chất cơ học của kim loại càng cao, 8 cấp của kim loại

Sự kết tỉnh của kim loại là sự tạo thành mạng tỉnh thể của kim loại khi chuyển

từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc Khi kết tinh có sự ' biến đổi từ trạng thái sắp xếp không hoàn toàn trật tự thành có trật tự (đó là cấu trúc tinh thể), nó xảy ra ở mỗi

nhiệt độ nhất định đối với mỗi kim loại

Phần lớn kim loại (hay hợp kim) được chế tạo ra ở trạng thái lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức là qua kết tỉnh, sau đó mới qua các dạng gia công

khác nhau (ví dụ rèn, dập, cán ) để làm thành bán thành phẩm hoặc sản phẩm

L4.1 Điều kiện xảy ra kết tỉnh

a Biến đổi năng lượng khi kết tỉnh: trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều

xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do (theo chiều có nang lượng dự trữ bé hơn)

Trong hệ thống gồm nhiều chất điểm chuyển động(nguyên tử, phân tử), năng lượng

dự trữ được dặc trưng bằng năng lượng tự do F Hình 1.7 biểu thị sự biến đổi năng

lượng tự do F của trạng thái rắn và trạng thái lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ

F=U-TS trong đó: U - nội năng của hệ thống

một lượng kim loại kết tỉnh thì lại có một lượng kim loại rắn như vậy nóng chảy Chỉ

ở nhiệt độT < Ty, khi đó E¡ > En mới có sự kết tỉnh

Khi nguội qua Tạ sẽ xảy ra quá trình kết tính nên Ts được gọi là nhiệt độ kết

tỉnh (khi nguội) hay gọi là nhiệt độ chảy (khi nung nóng), điểu này chỉ có tính lý

thuyết, vì tại đúng nhiệt độ đó khi làm nguội vẫn chưa xảy ra kết tỉnh; khi nung nóng

vẫn chưa xảy ra nóng chảy

Sự kết tỉnh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tỉnh lý thuyết Ts

một khoảng nhất định để tại đó Fạ < F, một cách rõ rệt

b Độ quá nguội:

Hiệu số giữa nhiệt độ kết tỉnh lý thuyêt Ts và nhiệt độ kết tỉnh thực tế Tụ, là độ

quá nguội AT:

AT =TTs - Tụ, phần lớn kim loại kết tỉnh với AT = 2 + %C

Cũng tương tự như vậy cho khi nung nóng, sự nóng chảy thực tế xảy ra ở nhiệt

độ T > T; Độ chênh lệch giữa chúng được gọi là độ quá nhiệt

1.4.2 Hai quá trình của sự kết tỉnh

Khi nhiệt độ T < Tạ; xảy ra sự kết tỉnh Sự kết tỉnh được thực hiện nhờ hai quá trình song song và nối tiếp nhau Trong kim loại lỏng xuất hiện những trung tâm kết

tỉnh có kích thước rất nhỏ gọi là mầm và tiếp theo mầm phát triển thành tỉnh thể- hạt

a Tao mam:

Có hai loại mầm là mầm tự sinh và mầm ký sinh (mầm không tự sinh) Mâm

tự sinh là mầm tạo thành từ chính bản thân kim loại lỏng (do có sự thay đổi nội năng

khi kim loại nguội) còn mầm ký sinh là mầm tạo thành trên cơ sở các phần tử rắn có

sẵn ở trong kim loại lỏng (đó là các tạp chất không tan, bụi than, bụi quặng, bụi tường

lò, ôxyt, nitrit gọi là tạp chất), chúng đóng vai trò như những mầm, giúp cho quá

trình tạo mầm dễ dàng hơn

b Phái triển mâm:

`Sau khi mầm được tạo thành, chúng tiếp tục phát triển thành hạt tỉnh thể Đây

là quá trình tự phát vì có sự giảm năng lượng của hệ thống Do phương phát triển giữa các mầm định hướng ngẫu nhiên nên khi phát triển lên chúng gap nhau tạo biên

Ø!1ới hat,

a Tién trinh két tinh

Khi kết tính, quá trình sinh mầm và phát triển mầm xảy ra song song và nối tiếp nhau: khi các mầm mới được sinh ra thì các mầm đã có tiếp tục phát triển , cứ

như vậy chúng lớn dần đến khi chúng gập nhau, kim loại lỏng hết, ta sẽ được đa tỉnh

thể gồm các hat tinh thể định hướng khác nhau

b Hình dáng hại tỉnh thể

Hạt tỉnh thể (hoặc hạt kim loại) kim loại đúc có nhiều dạng khác nhau: tấm,

tròn, kim, nhưng thường là dạng nhánh cây Sự phát triển tỉnh thể có tính dị hướng, theo mặt và phương có mật độ lớn mầm phát triển nhanh hơn, mặt khác cũng phát

triển theo phương tản nhiệt nên lúc đầu có dạng nhánh cây (hình 1.8),sau đó kim loại giữa các nhánh cây mới kết tỉnh tạo nên hạt (tỉnh thể) đặc kín

EBOOKBKMT.COM

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo nhánh cây

Ví dụ, các thỏi kim loại đúc thường có tiết diện tròn, vuông, hoặc chữ nhật

(hình 1.9), từ ngoài vào trong có ba vùng tỉnh thể lần lượt như sau (hình 1.9a):

Vùng ngoài cùng là lớp hạt nhỏ mịn đẳng trục Ì: do kim loại lỏng tiếp xúc với

thành khuôn nguội nên được kết tỉnh với độ quá nguội AT lớn, mat khác do tác dụng của bể mặt khuôn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn

Vùng tiếp theo là vùng hạt tương đôi lớn hình trụ 2 kéo dài vuông góc với

thành khuôn Sau khi vỏ ngoài đã kết tỉnh xong thành khuôn bắt dầu nóng lên nên kim loại lỏng kết tính với AT ngày càng nhỏ, hạt tạo thành có khuynh hướng ngày ang lớn hơn, dồng thời phát triển mạnh theo hướng ngược với chiều tản nhiệt (vuông

phát triển đều theo mọi phương (đẳng trục)

'Trong ba vùng trên, vùng ngoài cùng luôn là lớp vỏ mỏng, khi làm nguội mãnh

liệt thì vùng 2 lấn át vùng 3, có khi còn làm mất hẳn vùng 3 và thỏi đúc như là chỉ có

vùng tỉnh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn như bó đũa (hình 1.9b), tổ chức này được gọi là xuyên tỉnh Tổ chức này có mật độ cao nhưng khó biến dạng dẻo, không

phù hợp với công nghệ cán Ngược lại khi khuôn được làm nguội chậm thì vùng 3 lấn 4t vùng 2 (hình 1.9c), khi đó hạt phát triển đều theo mọi phương nên tạo tỉnh thể hình cầu Cấu trúc kim loại này trở nên dễ cán hơn

Hạt tỉnh thể khác nhau làm cho cơ tính của kim loại rất khác nhau Khi ở dạng

tấm, dạng kim thì kim loại sẽ rất giòn, ở dạng hình trụ thì khó cán, khi ở dạng cầu kim loại có cơ tính tốt hơn cả

L5 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Tinh chất của kim loại thể hiện qua các đặc trưng: cơ tính, lý tính, hoá tính, tính công nghệ

Cơ tính là những dặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại, hợp kim chịu

được tác dụng của các loại tải trọng Các dặc trưng đó bao gồm độ bền, độ dẻo, độ

1 Do ben

Độ bền là khả năng của kim loại chịu được tác dụng của ngoại lực mà không bị

phá hỏng Độ bền của kim loại được xác dinh bang thử nghiệm trong điều kiện tải

Ví dụ đối với trường hợp thí nghiệm với lực tác động là lực kéo (hình 1.10)

Hình 1.10 Sơ đồ biểu đồ tải trọng kéo và biên dạng của kim loại

Các chỉ tiêu phản ánh độ bền tĩnh là giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn

bền Theo giá trị tăng dần ta lần lượt được các giới hạn sau:

Giới hạn đàn hồi đ„ (ơ đọc là xích ma): là ứng suất lớn nhất tác dụng lên mẫu

do tác động của luc Fy, mà khi bỏ lực thì mẫu không bị thay đổi hình dáng, kích

thước (không có biến dạng dư) Thực tế rất khó xác định chính xác nên dùng khái

niệm biến dạng qui ước: là ứng suất mà khi bỏ tải trọng thì độ biến dạng dư là không

đáng kể và bé hơn trị số cho trước: 0,01 + 0,05%,

Ơ¿¿= Fa/S, [MPa} hay o99)= Foo/S, [MPa] hay 69 os= Foos/S, (MPa)

trong đó: - Fy, Foo:, Foos - tai trong kéo [N] tng véi do bién dang du rat nhỏ

nhưng có thể nhận được và bằng 0,01%; 0,05%

- 8 - tiết diện ngang ban đầu của mâu, tính theo mm

- Giới hạn chảy ơ, : là ứng suất tối thiểu mà ở đó xảy ra quá trình chảy dẻo,

thường dược xác định ứng với đoạn nằm ngang trên biểu đồ kéo Đối với đa số kim

loại và hợp kim thường không có doạn nằm ngang này nên thường dùng giới hạn

trong đó Fạ¿ - tải trọng (lực) kéo ứng với độ biến dạng dư là 0,2%, [N]

- Giới hạn bền kéo ơ, : là ứng suất tối đa mà mẫu chịu được trước khi bị phá

huỷ đứt

o,=F/S [MPa]

trong đó F, - tải trọng (lực) kéo tối đa trên biểu đồ kéo, [N]

Tuỳ theo loại tải trọng tác động mà vật liệu có được tất cả các loại độ bền như:

độ bền kéo, độ bên nén, độ bền uốn, v.v

Các kim loại đều có đặc trưng độ bền của mình và dược xác định gia tn cu

thể thông qua thí nghiệm với các mẫu có kích thước, hình dang theo tiêu chuẩn quốc

gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế

2 Độ dẻo (độ dãn dài tương đối) ô%: là khả năng dễ biến dạng dẻo của vật

liệu Để đánh giá khả năng này của vật liệu kim loại, thường dùng các chỉ tiêu sau:

trong đó: lạ, S, - chiều dài, tiết diện ngang ban đầu của mau thi [mm, mm’),

l;, 8, - chiều dài, tiết diện ngang sau khi đứt của mâu [mm,mm']

3 Độ dai va đập a,: là công cần thiết làm gãy (phá huỷ) một đơn vị diện tích

mẫu thử dưới tác dụng của tải trọng va đập

trong đó: A, - công phá huỷ tiết diện ngang S của mẫu tht [Nm],

Š - tiết diện ngang ở chỗ có rãnh khía của mẫu thử [cm”]

4 Độ cimg HB; HRC; HV: 1 kha nang chống biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu đưới tác dụng của tải trọng nén và thông qua mũi dụng cụ nén

Đặc trưng độ cứng của vật liệu là thông số thường cần biết trong công nghệ gia

cứng Vì vậy để xác dịnh độ cứng, trong kỹ thuật thường dùng các phương pháp do

khác nhau Các phương pháp do độ cứng thường dùng là: độ cứng Brinen (HH); độ

cứng Rôcwel (HRA, HRB, HRC), độ cứng Vicke (HV) Sơ dồ của các phương pháp

Hình 1.11 Sơ đồ tác dụng tải trọng của các phương pháp đo độ cứng:

a) Brinen, b) Rôcwel, c) Vicke

a Độ cứng Brinen HB

Xác định độ cứng Brinen bằng cách ấn một tải trọng F_ lên bể mật phẳng của vật liệu qua viên bi có đường kính D Sau khí thôi tác dụng (tải trọng) viên bi để lại

trên bể mặt mẫu vết lõm với đường kính d (hình 1.1 1.a) Số do dộ cứng được xác định

bằng tỷ số của tải trọng F với điện tích mặt lõm có dạng chỏm cầu S Độ cứng có thứ nguyên của ứng suất:

các vật liệu có độ cứng cao hơn HB 450 (vì bi được làm bằng thép tôi cứng)

Điều kiện thử HB là bề mặt đo phải sạch, phẳng; chiều dày mẫu phải ồ > 10h - chiều sâu vết lõm; tâm vết lõm phải cách mép màu hơn 2 lần đường kính viên bị D; đường kính vết lõm d phải thoả mãn 0,2D < d < 0,6)

b Độ cứng Récwel HR (HRA, HRB, HRC)

Đo độ cứng Rôcwel HR tiện lợi hơn, kết quả đo cho ngay trên máy và do được các vật liệu từ mềm đến cứng, vết lõm khá nhỏ, thường không ảnh hưởng tới bề mật làm việc

chiều sâu gây ra bởi tác dụng của tải trọng chính dật vào mũi kim cương hình nón có góc đỉnh 120Ÿ, rồi bỏ lực đi

Giá trị độ cứng Rôcwel được tính từ công thức: HR = k - e,

trong đó: k - chiều sâu qui ước, k= 100 đối với các thang A, C; k = 130 dối với thang

hạ - chiểu sâu mũi đâm dưới tác dụng của tải trọng P›,

h, - chiều sâu mũi đâm dưới tác dụng của tải trọng P\

Mũi đâm có hai loại: mũi kim cương có hình nón với góc ở đỉnh là 120? dùng

để đo các vật liệu tương đối cứng, cứng và rất cứng Mũi bị thép có dạng bi tròn có

đường kính 1/16 inc hay 1,588 mm, dùng cho các loại vật liệu mềm và cứng trung

bình

HRB (dùng bi thép với tải trọng P = 100 kG) áp dụng cho các loại vật liệu mềm

và cứng vừa, thường dùng cho gang, thép, hợp kim đồng, nhôm

HRC (mũi kim cương và P = 150 kG) áp dụng cho các vật liệu có độ cứng

trung bình và cao như thép, gang sau khi tôi và ram

HRA (mũi kim cương và P = 60 kG) thường chỉ sử dụng cho các vật liệu rất cứng như hợp kim cứng, lớp thấm xyanua

Yêu cầu khi thử HR: bể mặt thử phải sạch, phẳng; chiều dày mẫu thử phải

>10h; — h chiều sâu vết thử, khoảng cách giữa 2 tâm vết thử phải > 2,5mm với mũi do

là kim cương và > 4mm với viên bị thép; thời gian chịu tải trọng là 5 + 2s

c Độ cứng Vicke HV Phương pháp đo này tương tự như do độ cứng Brinen, song có những khác biệt sau:

- Mũi nén bằng kim cương hình chóp bốn mặt đều với góc ở đỉnh giữa hai mật

đối diện là 136”

~ Tải trọng tác dụng nhỏ, từ 1 đến 100 KG, trong đó mức 30 kG với thời gian

SP Hải trang 1ñ «+ 1% chưy coi là điển Viên tiên chuẩn Khi thay đổi tải trong tỷ lẽ

phép dung tài trọng thay dõi mà Không ảnh Hướng Gen Kel qua do

Vì vậy độ cứng Vicke được dùng để do độ cứng cho mọi vật liệu từ rất mềm

đến rất cứng, vật thử có thể mỏng đến 0,3mm, HV dược coi là độ cứng chuẩn trong

nghiên cứu khoa học Số do dộ cứng Vicke được xác định theo công thức:

ơ - góc ở đỉnh giữa 2 mật đối diện của mũi nén kim cương, a = 136°,

d - giá trị trung bình số học của hai đường chéo vết lõm, mm

Độ cứng Vicke ở điều kiện tiêu chuẩn chỉ cần viết bằng HV với số do, ví dụ

HV300 Nếu ở điều kiện phi tiêu chuẩn phải ghi thêm vẻ tải trọng, thời gian giữ, ví dụ HV,a;s300 là độ cứng HV khi đo dưới tải trọng 10 kG, thời gian giữ 30 s là 300 kG/mn?

Yêu cầu khi thử HV: bể mặt thử phải phẳng, nhắn; chiều dày mẫu thử>1,5d (d

là đường chéo vết lõm); tâm 2 vết phải > 2,5d; thời gian tác dộng không nhỏ hơn 10 s

15.2 Ly tinh

Lý tính của kim loại là những tinh chất thể hiện qua các hiện tượng vật lí khi

thành phần của kim loại không thay đổi

Lý tính của kim loại gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn

nở, tinh dẫn nhiệt, tinh dan dién và từ tính

- Khối lượng riêng là khối lượng của Icm' vật chất Nếu gọi P là khối lượng

của vật chất, V là thể tích của vật chất, y là khối lượng riêng của vật chất thì ta có

công thức tính khối lượng riêng của vật chất là:

† == (g/cm’)

Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật của kim loại rất rộng rãi, nó

không những dùng để so sánh những kim loại nặng, nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu

mà còn có thể giải quyết một số vấn để khó khăn thực tế Ví dụ: những vật liệu kim loại lớn như các thanh thép đường ray, thép hình khó cân được khối lượng; nhưng vì

biết được khối lượng riêng và có thể đo được kích thước để xác định thể tích, do vậy

EEE EEE MN EEE GC EE ————————— ee VÌ NV,

kim loai tuyến từ thể rắn sang thể lỏng

Sất nguyên chất chảy ở nhiệt độ 1539°C Điểm chảy của gang là 1147 +

1350°C (do hàm lượng cacbon trong gang quyết định) Điểm chảy của thép là 1400 +

1500°C (do ham lượng cacbon trong thép quyết định),

Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì phương

pháp chế tạo phôi cho các chỉ tiết máy rẻ tiền nhất là phương pháp đúc, nhưng khi sử

dụng phương pháp này thì kim loại phải có tính chảy loãng tốt Tính chảy loãng của kim loại hoặc hợp kim ở thể lỏng tốt hay xấu cơ bản do diểm nóng chảy của kim loại

quyết dinh Nhiệt độ nóng chảy càng thấp thì tính chảy loãng của kim loại, hợp kim càng tốt

- Tính đấn nở nhiệt là khả năng đãn nở của kim loại hoặc hợp kim khi nung

nóng Độ dãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số dẫn nở trên một đơn vị chiều

dai (1mm) goi là hệ số dãn nở theo chiều dài Ví dụ, hệ số dãn nở theo chiều đài của

sắt nguyên chất là 0,1 18.10“; của thép là 0,12.101 Tính dãn nở nhiệt rất quan trọng

đối với thiết kế, chế tạo các lắp ghép cơ khí khi chúng làm việc

- Tinh dẫn nhiệt là khả năng dẫn nhiệt của kim loại Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau Ví dụ, gang, thép đều có tính dẫn nhiệt tốt nhưng

kém xa so với đồng và nhôm Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc (Ag) là 1 thì của đồng

là 0,9 (Cu); của nhôm (AI) là 0,5 và của sắt (Fe) là 0,15

- Tính dẫn điện là khả năng truyền đòng điện của kim loại và hợp kim Nói

chung kim loại đều là vật dân điện tốt: tốt nhất là bạc, sau đó là đồng và nhôm; nhưng

do bạc dat tiển nên kim loại được ding nhiều nhất trong kỹ thuật để làm vật liệu dẫn

điện là đồng và nhôm Nói chung kim loại nào có tính dân nhiệt tốt thì tính dân điện cũng tốt Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn kim loại

- Tw tinh 1a kha nang dẫn từ của kim loại Sắt, niken, coban và hợp kim của

chúng đều có từ tính tốt nên chúng được gọi là kim loại từ tính

1 5 3 Hoá tính

Hoá tính của kim loại là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hoá học

của các chất khác như Ôxy, nước, axít, v.v mà không bị phá huỷ Tính năng hoá

học cơ bản của kim loại có thể chia thành mấy loại sau;

ee gen TEESE as c6 4Q A

môi trường không khí ở nhiệt độ cao hoặc dối với tác dụng an mòn của một vài chất

khác ở thể lỏng hoặc thể khí dặc biệt khi ở nhiệt độ cao

+ Tính chịu axír: là độ bên của kim loại đối với sự ăn mòn của axit

15.4 Tính công nghệ

Đây là khả năng của kim loại và hợp kim có thể biến đổi trạng thái hình dáng

hình học của chúng bằng công nghệ gia công nóng hoặc gia công nguội Tính công

nghệ bao gồm các tính chất sau:

+ Tính đúc là khả năng tạo thành các sản phẩm đúc bằng quá trình nấu chảy

kim loại hoặc hợp kim, sau đó được rót và kết tinh trong lòng khuôn đúc

Các kim loại và hợp kim có tính đúc khác nhau phụ thuộc vào tinh chảy loãng,

+ Tính chảy loãng biểu thị khả năng diễn đầy khuôn của kim loại và hợp kim

Nếu tính chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt

+ Độ co là mức độ giảm thể tích kim loại khi kim loại kết tỉnh ở trong khuôn Độ

co gây ra khuyết tật lõm co và rỗ co trong vật đúc Độ co càng lớn, tính đúc càng kém

+ Tính rèn, dập là khả năng biến dạng dẻo (biến dang vĩnh cửu) của kim loại,

hợp kim khi chúng chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dáng, kết cấu theo

yêu cầu mà chúng không bị phá huỷ

Thép có tính rèn, dập cao khi nung nóng ở nhiệt độ phù hợp Gang không có kha nang rèn vì gang giòn Đồng, chì có tính rèn cao ngay ở trạng thái nguội

+ Tính hàn là khả năng tạo thành liên kết bền vững giữa hai hoặc nhiều phần tử

kim loại khi được nung nóng cục bộ chỗ hàn đến trạng thái chảy hoặc dẻo Nhờ có

tính hàn của kim loại mà ngày nay người ta có thể chế tạo dược các kết cấu siêu trường, siêu trọng.Tính hàn của các kim loại và hợp kim rất khác nhau; thông thường

có ba loại: kìm loại và hợp kim có tính hàn dễ; tính hàn hạn chế và tính hàn khó

Thép cacbon và thép hợp kim được dánh giá tính hàn theo 3 thông số: lượng cacbon tương đương (cacbon đương lượng) Cẹ; hệ số khả năng nứt nóng khi hàn He;

và hệ số khả năng nứt nguội P,,

+ Tính gia công cắt gọt là khả năng của vật liệu kim loại có thể tạo ra các dạng

bể mặt có đô chính xác cao bằng cách cắt bỏ một lớp kim loại thông qua một dụng cụ

L61 Trạng thái của kim loại sau khi gia công biến dạng đẻo

Trong các công nghệ gia công biến dạng dẻo (như rèn, dập, cán .) sau khi

biến đạng dẻo, kim loại bị biến cứng, hoá bền, mạng tỉnh thể bị xô lệch, nội ứng suất

tăng, kim loại ở trạng thái không cân bằng và luôn có xu hướng trở về trạng thái cân bằng ban đầu bằng cách tạo ra các hạt mới đều trục làm tăng độ dẻo, giảm độ cứng

Đó là quá trình kết tinh lại (KTL), quá trình này xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường

Khi nung qúa trình này xảy ra nhanh hơn

Quá trình kết tỉnh lại xảy ra trong hai trường hợp:

Trong công nghệ gia công nguội (nhiệt độ khi gia công nhỏ hơn nhiệt độ kết

tinh lại của kim loại), ví dụ như cán nguội, đập nguội , để có sự kết tinh lại, người ta phải ủ kim loại đã qua gia công Ngược lại trong công nghệ gia công nóng (nhiệt do

khi gia công lớn hơn nhiệt độ kết tỉnh lại của kim loại), ví dụ như khi cắn nóng, rèn

nóng thì sự kết tỉnh lại đã xảy ra ngay khi biến dạng và sau khi biến dạng

16.9 Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng

Khi nung kim loại đã qua gia công nguội sẽ có các quá trình sau xảy ra:

a Hỏi phục

Hồi phục xảy ra ở nhiệt độ thấp (0,1 + 0,2T, mà T, là nhiệt độ chảy của kim loại) dân đến kết quả là giảm sai lệch mạng (chủ yếu là sai lệch điểm, đặc biệt là nút

trống), giảm mật độ lệch và ứng suất bên trong Tuy nhiên tổ chức tế vi chưa thay đổi

b Kết tình lại (KTL) lần thứ nhất: khi nung nóng kim loại tới nhiệt độ lớn hơn

nhiệt độ xác định (gọi là nhiệt độ kết tỉnh lại), trong mạng tỉnh thể xô lệch có quá

trình hình thành các hạt mới (không có các sai lệch do biến dạng dẻo gay ra) theo co chế tạo mầm và phát triển mầm như quá trình kết tỉnh từ trạng thái lỏng sang trạng

thái đặc, do đó mọi tính chất dược phục hồi: độ bền, độ cứng giảm mạnh; độ dẻo, độ

đai tăng mạnh

* Nhiệt độ mà tại đó xuất hiện những mầm kết tỉnh lại đầu tiên gọi là nhiệt độ

kết tinh lại (Ten) vay muốn phục hồi tính dẻo ung nung kim loại đã qua gia công

a2 eu = 6 eat - 4 82 Be B§B S6 ax? 8: NỘ_ ‘Te @25 S61 2 a 23 bg £28 se S4 ss/Ä +4 s f2 <®@

đó a là hệ số phụ thuộc vào độ sạch của kim loại và thường a = (0,4 + 0,6)

c Kết tỉnh lai lan thứ hai

Sau khi kết tỉnh lại lần thứ nhất, nếu tiếp tục nâng nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt thì sẽ có quá trình các hạt lớn “nuốt” các hạt nhỏ bên cạnh làm hạt to thêm, đó là quá trình kết tỉnh lại lần thứ hai Quá trình này xảy ra là tất nhiên vì hạt lớn có năng lượng thấp hơn hạt nhỏ Đây là quá trình có hại, cần tránh vì làm giảm

tính chất cơ học của vật liệu

16.3 Biến dạng nóng

a Khái niệm:

Biến dạng nóng là biến dạng dẻo kim loại ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tỉnh lại Như vậy đồng thời với quá trình biến dạng dẻo còn xảy ra quá trình kết tỉnh lại;

hiện tượng biến cứng có thể bị khử bỏ hoàn toàn

b Các quá trình xảy ra:

Quá trình biến dạng dẻo làm xô lệch mạng tỉnh thể nên kim loại bị biến cứng

và hoá bền Do biến dạng thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tỉnh lại nên ngay

lập tức xảy ra quá trình kết tinh lại Kết tinh lại làm mất xô lệch mạng, gây giảm bền, giảm độ cứng; các hiệu quả do biến dạng dẻo gây ra bị khử bỏ

Khác với biến dạng nguội, khi biến dạng nóng kim loại không bị biến cứng; các khuyết tật xảy ra khi đúc như rỗ xốp, rỗ khí sẽ mất di, làm cho cơ tính tăng đồng

thời tạo ra tổ chức thớ, sợi Hiện tượng này cần chú ý khi dùng thép để chế tạo các chỉ

tiết máy

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Tình thể kim loại là gì và đặc trưng cơ bản của cấu tạo tỉnh thể kim loại ?

2 Sự biến dổi thù hình của kim loại là gì? Cho ví dụ

3 Sự kếi tinh của kim loại là gì, quá trình kết tỉnh như thé nào?

4 Phân biệt sự khác nhau giữa độ bên, giới hạn chảy, giới hạn dàn hồi của kim loại?

$ Thế nào gọi là dộ cứng HB, HIRC, HV và phạm ví sử dụng chúng?

HOP KIM VA GIAN DO TRANG THAI HOP KIM

~ a >

21 CAU TRUC TINH THE CUA HOP KIM

211 Khai niém vé hdp kim

a Định nghĩa và đặc điểm: hợp kim là vật liệu mang tính kim loại, bao gồm hai hay nhiều nguyên tố, trong đó nguyên tố chính là kim loại, nguyên tố phụ có thể

là kim loại hay á kim Ví dụ: thép là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó nguyên tố chính là Fe, nguyên tố phụ là C và các tạp chất lẫn

Kim loại nguyên chất thể hiện rõ ưu việt trong tính chất dan điện, dân nhiệt Tuy nhiên trong chế tạo cơ khí, thiết bị, dé dùng các vật liệu dược dùng thường là hợp kim vì so với kim loại nguyên chất nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng,

gia công và kinh tế Hợp kim có các ưu điểm sau:

- Cơ tính: độ bền cao mà độ dai vấn bảo đảm

- Tính công nghệ da dạng và thích hợp: tính đúc, tính gia cong cat, tinh hàn, gia công áp lực

~ Tính kinh tế: rẻ hơn

Khi khảo sát hợp kim, việc khảo sát giản đồ trạng thái sẽ thấy được mối tương quan chặt chẽ giữa tổ chức và tính chất, biết được các thông tin về sự nấu chảy, kết tỉnh, đúc, chuyển biến pha có quan hệ đến nhiệt luyện, hàn, gia công áp lực ra sao

Khi khảo sát giản đồ trạng thái của hợp kim cần biết một số khái niệm sau:

- Cấu rử là các nguyên tố (ví dụ, kim loại nguyên chất) hay hợp chất hoá học

bền vững cấu tạo nên hợp kim Ví dụ, latông (dồng thau) có hai cấu tử là Cu va Zn

- He la tir dé chỉ một tập hợp vật thể riêng biệt của vật liệu trong diều kiện xác

định hoặc là một loạt hợp kim khác nhau với các cấu tử giống nhau

- Pha là tổ phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và tính chất cơ học,

sà¿ lộ ho ha nhát tink Dha ot thank ahén dang nhtt J1 nơ trang thái và cá bể mặt

pha (pha rắn: nước đá, pha lỏng: nước)

c Các hình thức tương tác của hợp kim

Ở trạng thái lỏng nói chung các cấu tử đều tương tác với nhau tạo dung dịch lỏng (pha đổng nhất) Ở trạng thái rắn các cấu tử tương tác theo những qui luật riêng,

do đó ảnh hưởng tới cấu trúc và tính chất của hợp kim

Có hai hình thức xảy ra:

Khi hai cấu tử A và B không tương tác với nhau; các nguyên tử, ion của chúng

không đan xen vào nhau và giữ nguyên kiểu mạng của hai cấu tử thành phân, dưới

dạng các hạt riêng rẽ của hai pha nằm cạnh nhau, là hỗn hợp của A và B (hình 2 La)

A(B)

b)

Hình 2.1 Tổ chức tế vi của hợp kim của hai loại:

a) không tương tác với nhau, b) hoà tan vào nhau tạo thành dung dịch rắn

Khi hai cấu tử A và B có tương tác với nhau tạo nên một pha duy nhất (hình

2.1b), nhưng có hai loại:

- Chúng tương tác với nhau bằng cách hoà trộn vào nhau tạo thành dung dịch

rắn, không tạo nên cấu trúc mới, giữ lại một cấu trúc, làm mất di cấu trúc kia

- Chúng tương tác với nhau bằng cách tạo nên cấu trúc mới với tên gọi là các pha trung gian với các tính chất khác với cấu tử thành phần

2.L9 Các tổ chức của hợp kim

1 Dung dịch rắn (thường gặp nhất trong hợp kim)

Trước hết cần phân biệt dung dich ran và dung dịch lỏng

- Dung dịch lỏng là trạng thái lỏng của hai hay nhiều chất (có chất tan và dung

môi) mà ta không thể phân chia các nouyên của chúng với nhau được Tï lẻ các

” SRE gee ee EES

dung môi có chứa các nguyên tử của nguyên tố chất tan với nồng do thay đổi trong phạm vi nào đó Mạng tỉnh thể là mạng của dung môi còn các nguyễn tử chất tan sắp

xếp ngầu nhiên trong mạng của dung môi

Tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của nguyên tử chất tan vào dung mói, dung dịch ran

chia làm hai loại:

+ Dung dịch rắn thay thế: trong dung dich rắn thay thế, các nguyên tử của nguyên tố hoà tan thay thế vào vị trí của nguyên tử dung môi; kiểu mạng và số nguyên tử trong một ô cơ bản là không đổi, nhưng với điểu kiện đường kính nguyên

tử khác nhau không quái 5%

- Theo mức độ hoà tan, có dung dịch rắn hoà tan vô hạn và dung dịch rắn hoà

tan có hạn Thường gap dung dich rin hoà tan có hạn, muốn gặp dung dich ran hoa

tan vô hạn phải thoả mãn các điểu kiện sau: chúng có cùng kiểu mạng; đường kính nguyên tử xấp xỈ nhau (d„ ~ dụ); các tính chất hoá lý gần giống nhau và nồng độ diện

tử không vượt quá một giá trị xác dinh cho mỗi kiểu mạng, hình 2.2

Te Dã DS oe Út

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn hoà tan vô hạn

giữa hai kim loại A và B khi lượng B tăng dần:

+ Dung dịch rắn xen kế là dung dịch rắn mà trong đó các nguyên tử của

nguyên tố hoà tan xen kế vào lỗ hổng của mạng dung môi, do đó số nguyên tử trong

ô cơ bản tăng và thông số mạng tăng, nhưng với điều kiện đường kính nguyên tử của nguyên tố hoà tan nhỏ hơn nguyên tử dung môi Ví dụ: các nguyên tố hoà tan như: €,

N,H, B: các nguyên tố dung môi như: Fe, Ni, Co , hinh 2.3

'Tổ chức là dung dịch rắn thường có tính đẻo cao , độ bền, độ cứng cao hơn kim loại nguyên chất Ví dụ: cacbon hoà tan xen kế vào mạng Fe„ - (AI- tk) với nồng độ

Hinh 2.3 Dung dich ran

a) hoa tan xen kẽ, b) hồ tan thay thế khi; r„ > rạ„, c) hồ tan thay thế khi r,¿< rạ„;

2 Hợp chất hố học

Các hợp chất hố học cĩ trong hợp kim đơi khi được gọi là pha trung gian,

chúng tạo thành theo quy luật hố trị với các đặc điểm sau:

~ Cĩ mạng tỉnh thể phức tạp khác hẳn với nguyên tố thành phần

- Luơn cĩ tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố với cơng thức ẢAmB, với m, n là

các số nguyên

- Tính chất khác hẳn với nguyên tố thành phần với đặc diểm là giịn

Một số loại hợp chất hố học cĩ độ cứng rất cao, như pha xen kẽ cĩ tác dụng

rất lớn để nâng cao độ bền, độ cứng, tính chống mài mịn của vật liệu Ví dụ: sắt tạo

với cacbon thành hợp chất Fe;C, cĩ tên gọi là xẽmêntit, cĩ độ cứng, tính chống mài

mịn rất cao

3 Hỗn hợp cơ học

Trong hệ hợp kim cĩ những nguyên tố (hoặc các cấu tử) khơng hồ tan vào

nhau cũng khơng liên kết hố học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý,

tổ chức này được gọi là hỗn hợp cơ học Hỗn hợp cơ học cĩ đặc diểm là mạng nguyên

tử của các nguyên tố khơng bị thay đổi Ví dụ: ferit liên kết cơ học với xêmentit để

tạo tổ chức peclit, cĩ độ bền và độ cứng cao

2.13 Các loại giản đồ trạng thái thơng thường 2 nguyên

1 Định nghĩa và cơng dụng của giản đỏ

Giản đồ trạng thái của một hệ là cơng cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt do,

thành phần và số lương (tỷ lẻ) các nha (hộc 16 chite) cha hé ở trana théi cân kine

Dưới dây sẽ khảo sát một số giản đồ trạng thái hợp kim 2 nguyên sau:

a, Giản đồ trạng thái loại Ï

Đây là giản đồ của hệ hai nguyên không hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn,

không tạo thành hợp chất hoá học (hình 2.4a), hệ điển hình loại này là hệ chì Pb —

Hình 2.4 Giảm độ trạng thái loại I:

a) dạng tổng quát của giản đồ loại l; b) và giản đổ Pb — Sb

Trên giản đồ (a), đư mg AEB là đường lỏng (cao hơn đường đó hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng - L), đường CED là đường đạc(thấp hơn dường đó hợp kim hoàn toàn ở trạng thái ran) A là nhiệt độ kết tỉnh (nóng chảy) của nguyên tử a; B là

nhiệt độ kết tỉnh (nóng chảy) của nguyên tử b Hợp kim sẽ kết tỉnh hay nóng chảy trong khoảng giữa hai đường này với sự tồn tại của hai pha (pha lỏng và 2 pha rắn a, b)

Xét sự kết tỉnh của hợp kim cụ thể (hình 2.4b) g6m 60%Pb + 40%Sb (1)

Đường thẳng đứng biểu thị hợp kim này cắt dường lỏng tại 1 và đường đặc tại 2

+ Ở cao hơn điểm 1 (400C) hợp kim hoàn toàn ở trạng thái lỏng (L)

+ Ở thấp hơn điểm 2 (245°C) hợp kim hoàn toàn ở trạng thái rắn , là hỗn hợp

cơ học a + b tức là Pb + Sb

+0 trong khoang | = 2 (400 + 245°C) hop kim 6 trang thai long + ran (L + b) tite 14 L+Sb

Sự kết tỉnh của hợp kim I từ trạng thái lỏng xảy ra như sau:

~ Tam nondi dén 1 (4(0PC\ hem tim lôno bất đầu kết tình ra tỉnh thể b - (Sb)

hop kim long con fat giam di nen diem DICuU diện KHÁNH phan Cua AQP KI TONE Wei

chuyển sang trái theo đường lỏng từ 1 dến E (245°C)

- Làm nguội đến điểm 2 (245°C) (cũng là nhiệt độ của đường đặc CED), pha lỏng có thành phần lỏng còn lại Lạ cùng kết tỉnh ra hai cấu tử (a + b) — (Pb+Sb) Hỗn

hợp của hai pha rắn được tạo thành cùng một lúc từ pha lỏng được gọi là cùng tinh

Sự kết tính kết thúc ở dây và khi làm nguội đến nhiệt dộ thường sẽ không có chuyển biến gì khác Tổ chức cuối cùng của hợp kim là b + (a + b)- (tức là Sb + [Pb +

Sb]) trong đó b-(Sb) dược tạo thành trước ở nhiệt độ cao hơn nên kích thước lớn hơn,

còn cùng tỉnh (a + b)- (Pb + Sb) được tạo thành ở nhiệt độ thấp hơn nên có kích thước nhỏ mịn hơn

Hợp kim có thành phần ứng với diểm E ứng với 13% Sb và 87% Pb được gọi là

hop kim cing tinh (a + b) - (Pb + Sb) Các hợp kim có thành phần bên trái điểm E

được gọi là hợp kim trước cùng tỉnh và các hợp kim có thành phần bên phải điểm E được gọi là hợp kim sau cùng tỉnh

b Giản đâ pha loại II

Đây là giản đồ của hệ hai nguyên, hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái lỏng

và trạng thái rắn, không tạo thành hợp chất hoá học (hình 2.5a) và hệ điển hình có

kiểu mạng này là hệ đồng Cu - niken Ni (hình 2 5b)

(Dung dịch rắn hòa tan

vô han cda Cu va Ni)

100%A _ 100%B Cu 20 — 40 say 60" 80 — Ni

Hình 2.5 Giản đồ trạng thái loại II

a) dạng tổng quát của giản đổ loại II, b) và giản đổ Cu — Ni

Giản đồ có đang hai đường cong khép kín, trong dó đường trên là đường lỏng,

B là dung dich ran hoa tan có hạn của a trong b, chúng chiếm hai vùng giáp trục tung

ở hai đầu mút của giản đồ, hình 2.6

Hình 2.6 Dạng tổng quát của giản đổ pha loại IIl (a) và giản đổ pha Pb - Sn (b)

Dạng của giản dồ này được biểu diễn tổng quát trên hình 2.6a và hệ điển hình

at SẺ» ai Sa, jaar cae

đặc; A la nhiệt độ kết tính (nóng chảy) của cau tu a, B là nhiệt độ Kết tình (nóng

chảy) của cấu tử b Các dung dịch rắn œ và B chiếm hai vùng hẹp ở hai dầu của giản

đồ, bị giới hạn bởi các đường CF và DG là đường giới hạn hoà tan của b trong a và a trong b, chúng chỉ ra rằng độ hoà tan của các nguyên tố giảm khi nhiệt độ giảm

4d Giản đồ loại IV

Đây là giản đồ của hai nguyên tử, tương tác với nhau tạo pha trung gian a„b„,

có dạng tổng quát ở hình 2.7a và hệ điển hình có kiểu mạng này là hệ manhê Mg -

catmi Ca ở hình 2.7b

Do hai nguyên tử không hoà tan lẫn nhau ở trạng thái rắn nên không thấy có ký hiệu của œ, B mà chỉ có các nguyên tử nguyên chất a và b Do hai nguyên tử tạo hợp

chất hoá học ổn định biểu thị bằng công thức a„b,, nó ứng với một dường thẳng đứng

vuông góc với trục hoành, có nhiệt độ nóng chảy là H (đường lỏng có cực đại ở vị trí

ứng với thành phản của hợp chất hoá học) Đường lỏng AE,HE;B gồm nhiều đoạn cong nối tiếp nhau; còn đường đặc gồm hai dường nằm ngang SE,F và FE;G trong đó

E, va E, là các điểm cùng tỉnh của (a + a„b,) và (amb„ + b)

Hình 2.7 Giản đồ loại IV:

a) dạng tổng quát của giản đổ loại IV; b) giản đổ manhê Mg - catmi Ca (b)

Hợp chất hoá học ổn định a„b, (ở đây được coi như một cấu tử độc lập - H) chia giản đồ thành hai giản đồ hai cấu tử không hoà tan lẫn nhau ở trạng thái rắn , do

đó có thể coi giản đồ loại này gồm hai giản đổ ở hình 2.4; bên trái là giản đồ hai cẩu

tử (a + anb,) và bên phải là giản đồ hai cấu tử (a„b, + b) Do vậy việc khảo sát sự kết

tinh cia cic hop kim hé nav qui về khảo sát các hợp kim có giản đồ pha hê hai

Trén hinh 2.8 dua ra cdc dang giản đồ đã xét ở trên và sự thay đổi tính chất

| theo thành phần của mỗi đạng giản đồ

vàÐ-theo thành phần với quan hệ dường cong có cực trị

Trường hợp hai nguyên tử tạo nên hỗn hợp thì tuỳ theo dạng hỗn hợp có ba

- Hình 2.8b là giản đồ với hỗn hợp của hai nguyên tử nguyên chất Ở dây tính

chất biến đổi theo thành phần với quan hệ đường thẳng chạy suốt trục hoành từ P„ đến Pạ

- Hình 2.8c là giản đồ với hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn Do vậy tính chất thay đổi theo thành phần với hai qui luật: phần đường cong ở hai dầu mút ứng với hai dung dịch rắn có hạn va dat đến P„ và Pp khi bão hoà và phần đường tháng

nối P„ và Pạ khi hợp kim là hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn ở nồng độ bão hoà

này

- Hình 2.8d là giản đồ với hỗn hợp của hai dung dịch rắn có hạn và pha trung

gian, do vậy tính chất thay đổi theo thành phần với hai qui luật: ở phần dung dịch rắn

hoà tan có hạn theo quan hệ đường cong và dat đến P„ khi nồng độ đạt đến giới hạn bão hoà, ở phần hỗn hợp theo quan hệ đường thằng PaPy

22 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI CỦA HỢP KIM SẮT - CACBON 8.2.1 Sự tương tác của sắt (Fe) và cacbon (C)

Sắt nguyên chất kỹ thuật có cơ tính sau:

& = 20%; w ¥ 85%; a„ = 2500 kJ/m?

Khi đưa cacbon vào sắt, giữa chúng tương tác với nhau tao nên dung dich rắn

và pha trung gian; chúng có tác dụng hoá bến hợp kim Sự tương tác ở các dang sau:

a Sự hoà tan của cacbon vào sắt

Do kích thước của cacbon nhỏ hơn sắt (r, = 0,077nm, rạ = 0,124inm) nên

cacbon chỉ có thể hoà tan có hạn vào sắt ở dạng dung dịch rắn xen kẽ: giới hạn hoà tan lớn nhất của cacbon trong Fe; là 2,14%- đó là tổ chức austenit và trong Fe„ là

0,02%- đó là tổ chức ferit.

Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hoà tan, các nguyên tử cacbon thừa sẽ kết hợp với sắt tạo thành hợp chất Fe,C (pha này được gọi là x¢mentit, la pha

Hinh 2.9 Gian dé trạng thái hợp kim Fe - C

Khi làm nguội hợp kim ,đường ABCD - đường lỏng, đường AHJECF - đường

đặc, ECF - đường cùng tinh, PSK - đường cùng tích (được gọi là đường AI), ES -

đường giới hạn hoà tan của cacbon trong Fe, (gọi là đường Am), GS - đường chuyển

biến phân hóa austenit- gọi là đường A3, PQ - dường giới hạn hoà tan của cacbon

trong ferit

2.2.3 Các tổ chức của hợp kim Fe - C

- Hợp kim lỏng (L): hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt, tồn

tại ở phía trên đường lỏng ABCD

- Ferit (ký hiệu là œ, F, œ - Fe (C) hay Feạ): ferit là dung dich rắn xen kẽ của

cacbon trong sắt anpha (Fe„), có mạng lập phương tâm khối (a = 2,86 A”) Trong

mạng A2 có hai loại lỗ hổng: lỗ hổng khối 8 mặt và lỗ hổng khối 4 mặt Khả năng

hoà tan của cacbon trong Fe„ không đáng kể: lớn nhất ở 727°C là 0,02%C (điểm P) và

nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%C (điểm Q) nên có thể coi ferit trong hợp kim

Fe - C tỉnh khiết là sắt nguyên chất

Trên giản đồ Fe - C ferit nằm trong khu vực GPQ Tổ chức tế vi của ferit giống

sắt nguyên chất, có dạng đa cạnh Ferit rất déo va dai nhưng khi các nguyên tố khác

(đặc biệt là Sĩ, Mn) hoà tan vào nó thì độ cứng tăng lên và độ dẻo, độ dai giảm đáng kể

- Austenit (ky hiệu là y, A, y - Fe (C) hay Fey): austenit là dung dịch rắn xen kẽ

của cacbon trong sắt gama (Fey) Austenit có mạng A1, thông số mạng phụ thuộc vào

` hầm lượng cacbon hoà tan trong nó

Trong hệ Fe - C, austenit chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 727°C và ứng với nồng

gaia AWM x ev2s2+ wh! hed tan deve Ô 000