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

Untitled UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM o0o GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHÀNH/ NGHỀ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết đị[.]

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ NAM

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM

-o0o -

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC/MÔ ĐUN: VẬT LIỆU CƠ KHÍ

TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP NGHỀ

……… của ………

Hà Nam, năm 2020

Cần giảng dạy bổ sung những môn học, mô đun bắt buộc và một số môn học,

mô đun tự chọn mà trong chương trình đào tạo trình độ cao đẳng chưa giảng dạy;

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình “Vật liệu cơ khí” này được biên soạn dựa theo chương trình

khung của Bộ Giáo dục và Đào tạo và được tác giả cụ thể hoá bằng chương trình chi tiết

Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học “Vật liệu cơ khí” Tổ môn vật liệu thuộc khoa

kỹ thuật cơ sở trường cao đẳng nghề giao thông vận tải trung ương 2 đã biên soạn giáo trình “Vật liệu cơ khí” Giáo trình được biên soạn theo chương trình khung

Quốc gia nghề Hàn, trình độ Cao đẳng nghề Nội dung của giáo trình nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về vật liệu của ngành Cơ khí cho học sinh hệ công nhân lành nghề và kỹ thuật viên trung cấp Đồng thời, đây còn là tài liệu phục vụ cho việc

bổ túc nâng bậc cho công nhân ở nhà máy, xí nghiệp Nội dung gồm hai phần

Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung

của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của kim loại khi nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện

Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của

những vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành chế tạo cơ khí như, chất dẻo,

gỗ, vật liệu compozit

Trong quá trình biên soạn, tổ môn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí của các trường dạy nghề, giáo trình của trường đại học Bách khoa Hà Nội và nhiều tài liệu khác Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được đồng nghiệp và bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu này ngày càng hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Trang

LỜI GIỚI THIỆU 2

MỤC LỤC 3

Tên môn học : Vật Liệu Cơ Khí 6

Mã số của môn học: MH 10 6

Vị trí, tính chất, vai trò và ý nghĩa môn học 6

Mục tiêu môn học 6

Nội dung môn học 6

Chương 1 Lý thuyết về hợp kim 7

Mã chương: MH 10.01 7

1 Khái niệm về hợp kim 7

1.1 Định nghĩa hợp kim 7

1.2 Đặc tính hợp kim 7

1.3 Ưu và nhược điểm của hợp kim 8

2 Cấu trúc tinh thể của hợp kim 8

2.1 Các d ạng cấu tạo của hợp kim 8

2.2 Giản đồ pha của hợp kim 8

2.3 Dung d ịch rắn 10

Chương 2: GANG 12

Mã chương: MH 10.02 12

1 Khái niệm về gang 12

1.1 Khái niệm chung 12

1.2 Tổ chức tế vi 12

1.3 Cơ tính và công nghệ 12

2 Công dụng 13

3 Các loại gang thường dùng: 13

3.1 Gang xám 13

3.2 Gang biến tính 14

3.3 Gang trắng 15

3.4 Gang dẻo 15

3.5 Gang c ầu 16

3.6 Gang hợp kim 17

Chương 3 Thép 18

Mã chương: MH 10.03 18

1 Thép các bon 18

1.1 Khái niệm chung 18

1.2 Thành ph ần của thép các bon 18

1.3 Ký hiệu 18

1.4 Công d ụng 19

1.5 Ảnh hướng của các nguyên tố đến tính chất của thép 19

2 Thép h ợp kim 21

2.1 Khái niệm 21

2.2 Đặc tính của thép hợp kim 21

2.3 Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép 22

2.4 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến quá trình luyện nhiệt 22

2.5 Các dạng hỏng của thép hợp kim 24

Chương 4 Kim loại và hợp kim màu 26

Mã chương MH 10.04 26

1 Nhôm và hợp kim nhôm 26

1.1 Khái niệm nhôm nguyên chất 26

1.2 Phân lo ại hợp kim nhôm 26

1.3 H ợp kim nhôm biến dạng 27

1.4 H ợp kim nhôm đúc 27

2 Đồng và hợp kim đồng 27

2.1 Đồng nguyên chất 27

2.2 Phân loại hợp kim đồng 28

3 Hợp kim làm ổ trượt 29

3.1 Yêu cầu đối với hợp kim làm ổ Trượt 29

3.2 Hợp kim làm ổ trượt có độ nóng chảy thấp 30

3.3 Hợp kim làm ổ trượt có độ nóng chảy cao 30

Chương 5: Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện 31

Mã chương: MH 10.05 31

1 Nhiệt Luyện 31

1.1 Khái niệm về nhiệt luyện 31

1.2 Phân loại nhiệt luyện 32

1.3 Tác dụng của nhiệt luyện đối với ngành cơ khí 39

1.4 Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép 39

1.5 Các d ạng hỏng xảy ra khi nhiệt luyện thép 42

2 Hóa nhiệt luyện 42

2.1 Định nghĩa 42

2.2 Mục đích 43

2.3 Phân loại 43

2.4 Th ấm Các bon 43

2.5 Thấm Các bon-nitơ (thấm xianua) 44

2.6 Các phương pháp hóa nhiệt luyện khác(Thấm nito) 45

Chương 6 Vật liệu phi kim loại 46

Mã chương: MH 10.06 46

1 Polyme, Cao su, Chất dẻo 46

1.1 Polyme 46

1.2 Chất dẻo 47

1.3 Cao su 48

2 Dầu mỡ bôi trơn 49

2.1 Dầu bôi trơn 49

2.2 Mỡ bôi trơn 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học : Vật Liệu Cơ Khí

Mã số của môn học: MH 10

Vật liệu cơ khí là môn học kỹ thuật cơ sở trong chương trình đào tạo trung

cấp nghề và cao đẳng nghề ngành cơ khí, Môn học được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, trước các môn học/ mô đun đào tạo chuyên môn nghề

Môn học này cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về các loại vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí Tạo điều kiện cho học sinh tiếp thu tốt các môn kỹ thuật chuyên ngành và thực tập nghề, đồng thời giúp cho người công nhân

kỹ thuật sử dụng vật liệu có hiệu quả trong thực tiễn sản xuất sau này

Mục tiêu môn học

- Về kiến thức:

+ Trình bày đầy đủ các ký hiệu và thành phần hoá học của các loại vật liệu: Thép các bon, thép hợp kim, gang, kim loại và hợp kim màu

+ Giải thích đúng các ký hiệu vật liệu ghi trên bản vẽ chi tiết

+ Lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại

vật liệu khác nhau

- Về kỹ năng:

+ Lựa chọn và sử dụng được các thiết bị để đo cơ tính vật liệu

+ Chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Làm việc độc lập hoặc làm việc theo nhóm, giải quyết công việc phức

tạpviệc liên quan đến vật liệu cơ khí trong điều kiện làm việc thay đổi

+ Hướng dẫn, giám sát những người khác giải thích ký hiệu, chọn phương pháp nhiệt luyên, do cơ tính vật liệu, chọn vật liêu cho kết cấu; chịu trách nhiệm cá nhân và trách nhiệm đối với nhóm

+ Đánh giá giải thích ký hiệu, chọn phương pháp nhiệt luyên, do cơ tính vật liệu, chọn vật liêu cho kết cấu của các thành viên trong nhóm

Nội dung môn học

Chương 1 Lý thuyết về hợp kim

Mã chương: MH 10.01 Giới thiệu

Trong thực tế, đặc biệt trong cơ khí và xây dựng, người ta không dùng thuần kim loại nguyên chất, nguyên tố hóa học và hợp chất hóa học mà thường là tổ hợp các chất cơ bản trên Tính chất của vật rắn (vật liệu) phụ thuộc chủ yếu vào các cách sắp xếp của các phần tử cấu thành và lực liên kết giữa chúng Trong chương này các khái niệm cơ bản sẽ được đề cập lại: cấu tạo nguyên tử, các dạng liên kết

và cấu trúc tinh thể, không tinh thể (vô định hình) của vật rắn

- Giải thích được các khái niệm về hợp kim

- Trình bày được cấu trúc mạng tinh thể của các loại hợp kim khác nhau

- Rèn luyện tính tự giác, ý thức trong khi tham gia học tập

Ví dụ: Thép các bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe +C)

La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu+Zn)

Thành phần nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo % khối lượng mỗi nguyên tố Tổng các thành phần trong hợp kim luon luôn bằng 100% Đôi khi

người ta còn dùng tỉ lệ % nguyên tử

Dù hợp kim hình thành trên cơ sở hai hoặc nhiều nguyên tố thì nguyên tố kim loại vẫn là chính Nếu có hai nguyên tố với nhau ta có hợp kim đơn giản Nếu có nhiều nguyên tố ta có hợp kim phức tạp

1.2 Đặc tính hợp kim

Các kim loại nguyên chất thể hiện lên ưu việt rõ nhất trong dẫn điện, dẫn nhiệt vì chúng có các chỉ tiêu này cao nhất (vì vậy các dây dẫn điện được làm bằng đồng, nhôm nguyên chất) Tuy vậy trong chế tạo cơ khí, thiết bị đồ dùng… các vật

liệu đem dùng thường là hợp kim vì nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế

Các đặc tính cơ bản là:

- Có độ bền và độ dẻo cao: Đây là đặc tính rất quan trọng của hợp kim để chịu

tải trọng cao khi làm việc, đồng thời hợp kim cũng không được giòn dẫn đến bị phá huỷ

- Các kim loại nguyên chất nói chung rất dẻo (dễ rát mỏng, kéo sợi…) song

độ bền, tính chống mài mòn, độ cứng kém xa hợp kim từ vài ba đến hàng chục lần

- Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: Để tạo thành bán thành phẩm và sản

phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp được gọi là tính công nghệ Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó cắt gọt, đúc, không hoá bền được bằng nhiệt luyện Hợp kim trái lại có tính công nghệ rất đa dạng như: Dễ cắt

gọt, đúc, nhiệt luyện… Phù hợp với nhiều điều kiện công nghệ khác nhau

- Tính kinh tế cao: Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn

so với luyện kim loại nguyên chất do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố

lẫn vào Ví dụ như: Luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn so với luyện sắt nguyên chất Pha Zn vào kim loại chủ Cu ta được đồng Latông vừa bền

lại vừa rẻ (do Zn rẻ hơn Cu nhiều)

1.3 Ưu và nhược điểm của hợp kim

Hợp kim được sử dụng rộng dãi trong chế tạo cơ khí vì nó có đặc tính ưu việt hơn hẳn kim loại nguyên chất và giá thành hạ

Hợp kim có cơ tính tổng hợp tốt hơn kim loại nguyên chất: có độ bền cao hơn nhiều so với kim loại nguyên chất, độ dẻo thấp hơn nhưng cơ tính chung của nó đảm bảo thoat mãn đầy đủ các yêu cầu của chế tạo cơ khí

Hợp kim có tính cong nghệ đa dạng và phù hợp: Đảm bảo gia công cắt gọt, biến dạng dẻo, có độ thấm tôi lớn… một số hợp kim đặc biệt có tính chất rát quý như không bị hoen rỉ, có điện trở lớn, giãn nở đặc biệt, chống mài mòn lớn, chịu nhiệt độ cao… mà kim loại nguyên chất không thể có được

Hợp kim dễ chế tạo, đơn giản, rẻ tiền: luyện thép có nhiệt độ chảy thấp hơn luyện sắt, la tông bền và rẻ hơn đồng…

Độ bền cao hơn, cho phép chế tạo các chi tiết chịu tải nặng

Tính công nghệ đa dạng: cắt gọt, gia công áp lực, đúc, nhiệt luyện…

Trong nhiều trường hợp, nấu hợp kim dễ hơn nấu kim loại nguyên chất

2 Cấu trúc tinh thể của hợp kim

2.1 Các dạng cấu tạo của hợp kim

Hợp kim có cấu tạo một pha là dung dịch rắn

Hợp kim có cấu tạo một pha là hợp chất hóa học(hay pha trung gian)

Hợp kim có cấu tạo bởi hai hay nhiều pha

2.2 Giản đồ pha của hợp kim

2.2.1 Định nghĩa: Giản đồ pha là giản đồ biểu thị sự biến đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng

2.2.2 Quy tắc pha và công dụng

Trạng thái cân bằng của hệ được xác định bởi các yếu tố bên trong(thành phần hóa học) và các yếu tố bên ngoài (nhiệt độ và áp suất) Tuy nhiên các yếu tố này phụ thuộc lẫn nhau Bậc tự do là số lượng các yếu tố độc lập có thể thay đổi được trong phạm vi nhất định mà không làn thay đổi số pha của nó (ký hiệu F – freedom)

Quy tắc pha xác định mối quan hệ giữa số pha P (phase), bậc tự do F và số cấu tủ C (component) ta có:

- Khi F = 1 tức là chỉ có một yếu tố có thể thay đổi được ( nhiệt độ hay thành phần), lúc này số pha bằng số cấu tủ

- Khi F =2 có hai yếu tố thay đổi được cùng một lúc, số pha bằng số cấu tủ trừ đi 1 2.2.3 Cấu tạo của giản đồ pha và công dụng

2.2.3.1 Cấu tạo của giản đồ pha

Giản đồ pha của một hệ hợp kim (còn gọi là giản đồ trạng thái, cân bằng) biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng pha ở trạng thái cân bằng Các hệ hợp kim khác nhau có giản đồ pha khác nhau Giản đồ pha được xây dựng bằng thực nghiệm

a Giản đồ pha 1 cấu tử

Hệ một cấu tử không có sự biến đổi về thành phần hóa học nên chỉ có một trục, trên đó người ta ghi các nhiệt độ nóng chảy, hiệt độ chuyển biến pha

b Giản đồ pha hai cấu tử

giản đồ pha của hệ hai cấu tử gồm hai trục, trục tung biểu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu diễn thành phần hóa học ( thường theo % khối lượng) trong hệ trục đó người ta vẽ các đường phân chia giản đồ thành các khu vực có tổ chức và pha giống nhau

Các điểm trên đường nằm ngang biểu thị cho các hợp kim có thành phần khác nhau nhưng ở cùng một nhiệt độ Đi từ trái qua phải tỷ lệ cấu tử B tăng dần lên, cấu tử A giảm đi và ngược lại

Các điểm nằm trên đường thẳng đứng biểu thị cho 1 hợp kim có thành phần xác định nhưng ở nhiệt độ khác nhau

Nếu hợp kim có hai pha thì điểm biểu diễn của chúng phải nằm về hai phái đối diện với điểm biểu diễn hợp kim

Hình 1.1 Giản đồ pha của sắt Hình 1.2 Hệ trục của giản đồ pha hai cấu tử 2.2.3.2 Công dụng của giản đồ pha

Giản đồ pha cảu hợp kim hai cấu tử có công dụng rất lớn trong thực tế Từ giản đồ pha có thể xác định được:

Cấu tạo pha của hệ hợp kim tại các nhiệt độ và thành phần khác nhau, từ cấu tạo pha có thể suy đoán tính chất của từng hợp kim cụ thể

Thành phần và tỷ lệ các pha của các hợp kim bằng quy tắc đòn bẩy: Từ ba điểm biểu diễn hợp kim (thành phần và hai pha) tạo ra hai đoạn thằng mà độ dài của mỗi đoạn biểu thị tỷ lệ của pha đối diện trong hợp kim Cụ thể như sau:

Nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của các hợp kim, từ đó xác định được nhiệt độ rèn, cán , đúc…

Các chuyển biến pha, dự đoán được các tổ chức tạo thành ở trạng thái không cân bằng…

2.3 Dung dịch rắn

a Khái niệm: Dung dịch rắn là pha tinh thể (có thành phần thay đổi) trong đó các nguyên tử của nguyên tố thứ nhất A vẫn được giữ nguyên kiểu mạng khi nguyên tố thứ hai B được phân bố vào mạng của A thay thế hoặc xen kẽ

Trong đó - A là nguyên tố dung môi

- B là nguyên tố hoà tan

- Ký hiệu: A(B)

b Phân loại dung dịch rắn

* Dung dịch rắn thay thế: là nguyên tử của nguyên tố hoà tan b thay thế cho các nguyên tố dung môi A ở chính các nút mạng của A( hình 1.6a) theo độ hoà tan lại chia ra:

- Dung dịch rắn hoà tan vô hạn: khi chất hoà tan B có thể hoà tan vào dung môi A với tỷ lệ bất kỳ

- Dung dịch rắn hoà tan có hạn: nếu lượng hoà tan của b trong a không thể vượt quá giá trị nhất định, nghĩa là sự thay thế chỉ xảy ra ở một tỷ lệ nào đó

* Dung dịch rắn xen kẽ: các nguyên tử của nguyên tố hoà tan B nằm ở các lỗ hổng trong mạng tinh thể của nguyên tố dung môi A ( hình 1.6b)

dĩ gang được sử dụng rộng rãi để chế tạo máy và công cụ là do chúng có nhiều cơ tính tốt đảm bảo được các yêu cầu đề ra Để sử dụng gang trong công nghiệp cơ khí một cách hợp lý nhất, những người làm công tác cơ khí cần phải có những kiến thức nhất định về gang Chương Gang sẽ giới thiệu đến độc giả về thành phần hóa học, tính chất , ký hiệu, công dụng của gang

Mục tiêu

Trình bày khái niệm về gang , cách phân loại gang và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang ;

Phân biệt được gang qua các ký hiệu;

Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì cẩn thận, nghiêm túc chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập

1 Khái niệm về gang

1.1 Khái niệm chung

Gang là hợp kim của sắt và các bon với lượng c= ( 2,14  6,67)% ngoài

+ Nhìn chung gang là loại vật liệu có độ bền kéo thấp,độ dòn cao

+ Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức graphit tồn tại như những lỗ

hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn làm gang kém bền

Tuy nhiên, graphit có ảnh hưởng tốt đến cơ tính như: tăng khả năng chống mài mòn do ma sát ( vì bản thân graphit có tính bôi trơn, thêm vào đó có ``lỗ

hổng”, graphit là nơi chứa dầu bôi trơn) làm tắt rung động và dao động cộng hưởng

b.Tính công nghệ:

+ Tính đúc tốt( có nhiệt độ nóng chảy thấp và tính chảy loãng cao)

+ Tính gia công cắt gọt tốt, vì độ cứng tốt, phoi dễ gẫy vụn

+ Không rèn được

2 Công dụng

Nói chung, gang có tính tổng hợp không cao như thép,nhưng có tính đúc tốt,

dễ cắt gọt, chế tạo đơn giản hơn và rẻ vì vậy, các loại gang có graphit dùng rất nhiều trong chế tạo cơ khí, dùng để chế tạo các loại chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập như: bệ máy, vỏ

3 Các loại gang thường dùng:

+ Gang xám ferit: có mức độ tạo thành graphít mạnh nhất tất cả cacbon đều ở dạng tự do, không có xêmentit gang chỉ có 2 pha: graphit và nền kim loại là ferit + Gang xám ferit-peclit: có mức độ tạo thành graphit mạnh, lượng cacbon

liên kết ( Fe3C ) chỉ khoảng 0,1 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit - peclit

+ Gang xám peclit: có mức độ tạo thành graphit bình thường, lượng Fe3C

khoảng 0,6  0,8 %, tạo nên nền kim loại peclit

Hình 2.1 3.1.2 Tính chất

a Lý tính:

- Do graphit có màu xám nên mặt gẫy của gang có màu xám

- Dẫn nhiệt, dẫn điện kém hơn so với thép

- Nhiệt độ nóng chảy thấp

b Cơ tính:

- Do graphít có độ cứng, độ bền thấp hơn xêmentit nên gang xám có độ cứng,

độ bền thấp hơn gang trắng nhiều ( 150  250hb,  k = 150  400 n/mm2 )

- Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt( hệ số ma sát nhỏ)

d Tính kinh tế: chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép

3.1.3.Phạm vi sử dụng

Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: kích thước sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn

Ví dụ: thân máy, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ…

3.1.4 Ký hiệu

Theo tiêu chuẩn nga: CЧ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn,

đơn vị: KG/mm2

ví dụ: CЧ 24-14 là gang xám có k =240n/mm2 , u = 440n/mm2

thường dùng các loại gang xám: CЧ 12-28, CЧ 15-32, CЧ 21-40, CЧ 24-44

Theo tiêu chuẩn việt nam: GXvà 2 số giống như của nga

3.2 Gang biến tính

3.2.1 Thành phần và tổ chức C

Thực chất gang biến tính là gang xám có tấm graphit thu nhỏ nhờ có thêm chất biến tính vào thành phần của gang trước khi kết tinh nên thành phần, tổ chức tương tự như gang xám

3.2.2 Tính chất và công dụng

Có độ bền cao hơn gang xám

Để chế tạo các chi tiết quan trọng như: mâm cặp máy tiện, băng trượt của máy…

3.2.3 Ký hiệu

Tương tự như gang xám và có thêm chữ M trước chữ CЧ ví dụ: MCЧ 28-48,

MCЧ 32-52

+ Do C ở dạng Fe3C nên gang rất cứng ( 650  700) hb và dòn do đó

không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để làm các chi tiết máy có độ chính xác cao

+ Độ dẻo, độ bền thấp

+ Có khả năng chịu mài mòn tốt

c Tính kinh tế: phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ 3.3.3 Công dụng

- Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lu ( cần chú

ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ và chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng, còn lõi vẫn là gang graphit muốn bề mặt bị biến trắng người ta làm nguội nhanh bề mặt đúc)

- Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần dùng để ủ thành gang dẻo

k

- Hình dạng phức tạp; Tiết diện(thành) mỏng; Chịu va đập

3.4.3 Ký hiệu

Theo tiêu chuẩn nga: KЧ với 2 số chỉ giới hạn bền kéo (đơn vị là KG/ m m2

ví dụ: KЧ 33-8 là gang dẻo có:  = 330N/ m m2 ;  = 8%

Theo TCVN: GZ và 2 số giống như tiêu chuẩn nga

- Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-6, KЧ 33-8, KЧ 37-12, KЧ 45-12,

Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt ( graphit hình cầu dạng thu gọn nhất)

Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép c

Hình 2-2: Gang dẻo

Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép

Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở

t=4000C (gang xám ở t0 < 2000 C)

3.5.3 Phạm vi sử dụng:

Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như: trục cán, thân

tuốcbin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác

3.5.4 Ký hiệu:

Theo tiêu chuẩn nga: BЧ 38-17 là gang cầu có:  k = 380n/mm ;  = 17%

TheoTCVN: GC và 2 số tương tự như tiêu chuẩn nga, các loại gang cầu

độ bền, Cu nâng cao tác dụng chống ăn mòn… Gang hợp kim có cơ sở là gang xám, dẻo, cầu

lớn được sử dụng trong xây dựng Sở dĩ thép và gang được sử dụng rộng rãi để chế tạo máy và công cụ là do chúng có nhiều cơ tính tốt đảm bảo được các yêu cầu đề

ra Để sử dụng thép và gang trong công nghiệp cơ khí một cách hợp lý nhất, những người làm công tác cơ khí cần phải có những kiến thức nhất định về thép và gang Chương Thép sẽ giới thiệu đến độc giả về thành phần hóa học, tính chất , ký hiệu, công dụng của thép cacbon, thép hợp kim và gang

Mục tiêu

- Trình bày khái niệm về thép, cách phân loại thép và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của thép;

- Phân biệt được thép qua các ký hiệu;

- Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì cẩn thận, nghiêm túc chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập

Nội dung

1 Thép các bon

1.1 Khái niệm chung

Thép là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng C ≤ 2,14%, ngoài ra còn có một số tạp chất khác như: Mn < 0,8%, Si < 0,5%, P < 0,05%, S  0,05%

1.2 Thành phần của thép các bon

Thép cacbon là hợp kim của Fe - C, Trong đó C < 2,14% ngoài ra còn có một số tạp chất khác như: Mn, Si, P, S

1.3 Ký hiệu

1.3.1 Thép các bon chất lượng thường

Là loại thép chủ yếu dùng trong xây dựng, được cung cấp qua cán nóng không nhiệt luyện, dưới dạng bán thành phẩm: ống, thanh, tấm, thép hình,

sợi…theo tiêu chuẩn việt nam TCVN 1765-75, được ký hiệu bằng chữ CT( C- các bon, T – Thép chất lượng thường) nếu cuối mác thép không ghi gì cả là thép lặng,

nếu có s là thép sôi, n là thép nửa lặng, chúng được chia làm 3 nhóm:

- Phân nhóm A: là thép quy định về cơ tính, không quy định về thành phần hóa học, gồm các mác CT31, 33,34,38,42,51,61…

- Phân nhóm B: là loại thép chỉ được quy định về thành phần hóa học mà không quy định về cơ tính Ký hiệu của phân nhóm này tương tự như phân nhóm

A, chỉ khác là thêm chữ B ở đầu mác Ví dụ BCT31, BTC33, BCT61

- Phân nhóm C: gồm các thép được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa

học, ký hiệu tương tự như phân nhóm A, chỉ khác có thêm chữ C ở đầu mác Ví dụ CCT31, CCT33… CCT61 Để tìm các chỉ tiêu của thép phân nhóm ta dựa vào hai phân nhóm trên Chẳng hạn với mác thép CCT38, khi tìm thành phần hóa học ta tra

bảng theo mác BCT38, cơ tính theo mác CT38

- Thép kết cấu: vì có độ bền, đọ dẻo và độ dai bảo đảm nên dùng làm các kết

cấu và chi tiết máy chịu tải, nhóm thép này sử dụng nhiều vì chủng loại sản phẩm của nó rất lớn

- Thép dụng cụ: là loại thép làm các dụng cụ gia công và biến dạng kim loại như dụng cụ cắt, khuôn dập, khuôn kéo

1.5 Ảnh hướng của các nguyên tố đến tính chất của thép

Có thể giải thích quy luật đó như sau: khi tăng lượng cacbon, số lượng pha xêmentit cứng, dòn cũng tăng tương ứng, do vậy thép có độ cứng tăng lên,

độ dẻo dai giảm đi Riêng ảnh hưởng của lượng pha xêmetit đến độ bền có nét hơi

khác Thoạt tiên sự tăng số lượng pha xêmentit với độ cứng cao có tác dụng cản trở

sự trượt của ferit do đó làm tăng giới hạn bền của thép, nhưng khi xêmentit quá nhiều (khi cacbon > 0,8%) tạo nên xêmetit II ở dạng lưới (liên tục) thì nó lại giảm

độ bền, do lưới xêmentit làm dễ dàng cho sự tạo thành cho sự phát triển vết nứt khi phá hủy

- Lí, hóa tính:

Khi tăng lượng cacbon thì điện trở và lực khử từ tăng, tính chống ăn mòn

và độ từ thẩm của thép giảm đi

- Thép có %c khác nhau sẽ có cơ tính khác nhau, và do đó được dùng vào các mục đích khác nhau

+ Thép có c  0,25%: tính dẻo dai cao , độ bền thấp, được dùng làm kết cấu xây dựng, các chi tiết dập

+ Thép có c = ( 0,3  0,5)%: độ bền, độ cứng, độ dẻo dai khá cao do đó thích hợp cho các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập

+ Thép có c = (0,5  0,65)%: độ cứng, độ bền cao và giới hạn đàn hồi cao nhất, dùng làm các chi tiết yêu cầu độ đàn hồi cao

+ Thép có c ≥0,7%: độ cứng và tính chống mài mòn cao, do đó thích hợp cho các loại dụng cụ cắt, dụng cụ đo, khuôn dập

- Silic có tác dụng khử ôxy mạnh hơn so với mangan:

Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe

- Silic có khả năng làm tăng tính thấm từ

yếu sự liên kết giữa các hạt kim loại nên thép dễ bị đứt

Ngoài ra trong thép còn có ôxy, nitơ, hiđrô và một số tạp chất khác làm

giảm độ dẻo, tăng độ giòn

1.5.6 Ảnh hưởng của các tạp chất khí ôxy, nitơ, hiđrô:

Các nguyên tố này ảnh hưởng xấu đến cơ tính của thép ở chỗ làm giảm độ dẻo, tăng khuynh hướng phá huỷ dòn

2 Thép hợp kim

2.1 Khái niệm

Thép hợp kim là loại thép ngoài Fe, c và các tạp chất người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để thay đổi tổ chức và tính chất của thép Các nguyên tố, hợp kim thường dùng là: cr, Ni, Mn, si, w, v, Mo,Ti

Nâng cao độ bền cho thép

Nâng cao độ thấm tôi cho thép

Nâng cao tính chịu nhiệt cho thép làm cho thép có khả năng làm việc lâu dài

Tính chất hóa học và tính chất vật lý: ít bị han rỉ và bị ăn mòn trong không khí, trong các môi trường axít, bazơ, muối đặc biệt thép hợp kim có một số tính chất mà thép C không có như: từ tính, giãn nở nhiệt, điện trở cao

2.3 Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép

a Ảnh hưởng của Crôm(Cr) Cr có tác dụng làm tăng độ cứng, độ bền phần nào làm giảm độ dẻo dai của thép, Cr có tác dụng chống ăn mòn cao, thép chứa Cr

có thể làm thép không gỉ và có từ tính ổn định Cr đưa vào với thành phần khoảng (1,5 - 2,5)% Ngoài ra tùy vào yêu cầu đặc biệt có thể Cr đưa vào lên tới30%

b Ảnh hưởng của Niken(Ni) Ni làm tăng độ chịu mài mòn, tăng độ bền, tăng

độ dẻo và độ chịu va đập của thép Ni có ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép, thép

hợp kim có (35 - 37)% Ni; có độ giản dài 0 ở nhiệt độ (80 100)0C

c Ảnh hưởng của Vonfram(W) W là nguyên tố quan trọng nhất, nó tồn tại dưới dạng cacbit Vonfram làm tăng độ cứng rất lớn và tăng tính cứng nóng Thép

W rất đắt

d Ảnh hưởng của Vanadi(V) V tồn tại dưới dạng cacbitvanađi làm tăng độ cứng và khả năng chịu mài mòn nhưng nó làm giảm tính công nghệ mài do đó phải

khống chế với lượng V trong một khoảng nhất định V làm nhỏ hạt thép

e Ảnh hưởng của Silic(Si) Thép chứa Si (1 1,5)% có độ bền tăng nhưng độ dẻo dai giảm Khi tăng thành phần Si trong thép sẽ làm tăng điện trở và độ thấm từ

của thép, Si làm tăng độ đàn hồi và tính chống ôxi hóa củathép

f Ảnh hưởng của Mangan(Mn)

Mn > 1% nó làm tăng độ cứng, độ chịu mài mòn, sức chịu va đập nhưng không làm giảm độ dẻo dai của thép

g Ảnh hưởng của Coban(Co) Co làm tăng tính chịu nhiệt, từ tính và sức chịu

va chạm của thép Tăng tính cứng nóng của thépgió

h Ảnh hưởng của Molipđen(Mo) Mo làm tăng tính chịu nhiệt, tính đàn hồi, giới hạn bền kéo tính chống ăn mòn và tính chống oxi hóa của thép ở nhiệt độ cao 2.4 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến quá trình luyện nhiệt

2.4.1 Chuyển biến khi nung nóng để tôi

Các thép hợp kim thông thường đều có tổ chức peclit (trừ một số thép đặc biệt), do đó khi nung nóng sẽ có chuyển biến peclit thành austenit, các bít hòa tan vào austenit và hạt austenit phát triển lên Tuy nhiên có một số đặc điểm sau:

- Sự hòa tan các bit hợp kim khó khăn hơn nên cần nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn

- Các bit hợp kim khó hòa tan vào austenit nằm tại biên giới hạn như hàng rào

giữ cho hạt nhỏ Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb mạnh với V và khá mạnh với W, Mo(riêng Mn làm cho hạt lớn) do đó thép hợp kim giữ được hạt nhỏ hơn thép các bon khi nung cùng nhiệt độ

2.4.2 Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội và độ thấm tôi

Đây là tác dụng quan trọng và điển hình nhất của nguyên tố hợp kim

- Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội: Khi hòa tan vào austenit tất

cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) với các mức độ khác nhau đều làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội( làm đường cong chữ C chạy sang

phải) do đó làm giảm tốc độ tôi tới hạn nếu không hòa tan vào austenit mà ở dạng bít sẽ có tác dụng ngược lại

- Độ thấm tôi: Do làm giảm tốc độ tôi tới hạn nên các nguyên tố hợp kim(trừ Co) khi hòa tan vào austenit đều làm tăng độ thấm tôi Nhờ tác dụng này mà thép hợp kim có thể tôi thấu hay tự tôi(làm nguội trong không khí vẫn tạo thành macstenxit-thép gió) mà thép các bon không thể có được

a) b) Hình 3.1 Sự dịch chuyển sang phải của đường cong chữ C của các nguyên tố hợp

kim a) Thép C và thép hợp kim hóa Ni, Si, Mn b) Thép C và thép hợp kim hóa bằng Cr, W, Mo và V

Hình 3.2 Sơ đồ biểu diễn sự giảm tốc độ tới hạn (a) và sự tăng độ thấm tôi

(b) của thép hợp kim so với thép C 2.4.3 Chuyển biến macstenxit

Khi hòa tan vào austenit, các nguyên tố hợp kim (trừ Co, Si, Al) đều hạ thấp nhiệt độ chuyển biến macstenxit do vậy làm tăng lượng austenit dư sau khi tôi, cứ 1% nguyên tố hợp kim sẽ làm giảm điểm Mđ như sau: Mn -450C, Cr – 350C, Ni –

260C, Mo-250C do đó làm giảm độ cứng sau khi tôi từ 1-10HRC Tuy nhiên hoàn toàn có thể khắc phục nhượng điểm này bằng cách gia công lạnh

2.4.4 Chuyển biến khi ram

Nói chung các nguyên tố hợp kim hòa tan vào macstenxit đều cản trở sự phân hóa của nó khi ram, có nghĩa là làm tăng nhiệt độ chuyển biến khi ram Có hiện tượng trên là do nguyên tố hợp kim cản trở khá mạnh sự khuếch tán của các bon

Do vậy dẫn tới kết quả sau:

- Các bít tạo ra rất nhỉ mịn và phân tán là tăng mạnh độ cứng và tính chống mài mòn, hiện tượng này gọi là biến cứng phân tán Trong một số thép hợp kim cao, khi ram ở nhiệt độ thích hợp austenit dư chuyển biến thành macstenxit ram và các bít tiết ra nhỏ mịn, phân tán làm độ cứng tăng lên so với sau khi tôi gọi là độ

cứng thứ hai

- Khi ram hay cùng làm việc ở nhiệt độ thép hợp kim bao giờ cũng có độ bền,

độ cứng cũng như độ dai cao hơn (do ram cao hơn khử bỏ ứng suất dư nhiều hơn) 2.5 Các dạng hỏng của thép hợp kim

2.5.1 Thiên tích

Các thép hợp kim đặc biệt là loại hợp kim cao khi kết tinh thành phần tổ chức không đồng nhất, khi cán sẽ taojthanhf tổ chức thớ làm cho cơ tính theo các phương dọc và ngang thớ khác nhau nhiều ( đến 50-70% hay cao hơn) Khắc phục bằng ủ khuếch tán sau đó cán nóng Tuy nhiên với tiết diện lớn không thể khắc phục triệt để được, vẫn còn thấy dạng hỏng này

2.5.2 Đốm trắng

Là hiện tượng trên mặt gãy một số thép hợp kim có các vết nứt nhỏ, có dạng lốm đốm trắng nguyên nhân do hydro có trong thép gây ra ở trạng thái lỏng hydro hòa tan khá nhiều trong thép nhưng ở trạng thái rắn độ hòa tan giảm mạnh, đặc biệt

là từ dưới 2000C trở đi giảm đột ngột, do vậy hydro thoát ra nhiều tập trung lại tạo lên áp suất lớn và gây nứt tế vi Hiện rượng này thường gặp trong các thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo….qua cán nóng (không thấy trong thép đúc

2.5.3 Dòn ram

Quy luật chung khi ram là nhiệt độ tăng lên, độ dai liên tục tăng cho đến

6500C, nghưng trong thép hợp kim khi ram có xuất hiện hai cực tiểu về độ dai khi tăng nhiệt độ

Hình 3.3 ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ dai va đập của thép hợp kim

- Dòn ram loại I (không thuận ngịch) xuất hiện khi ram thép hợp kim ở nhiệt

độ 2800C – 3500C, có độ dai khá thấp Thép các bon cũng có hiện tượng này nhưng

Nguyên nhân có thể do làm nguội chậm sau khi ram ở nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình tiết ra các pha dòn tại biên giới hạt

Khắc phục: với các chi tiết trung bình và nhỏ làm nguội nhanh trong dầu hay nước sau khi ram Với các chi tiết hợp kim hòa thêm 0,50%Mo hay 0,5 – 1,0% W

Chương 4 Kim loại và hợp kim màu

Mã chương MH 10.04 Giới thiệu

Ngoài sắt và hợp kim của sắt (thép, gang), trong chế tạo cơ khí cũng như các ngành chế tạo khác còn phải sử dụng đến một số kim loại màu, hợp kim màu và phi kim, bởi chúng có những tính chất đặc biệt phù hợp với một số ngành công nghiệp như công nghiệp điện, mà không có vật liệu thay thế được Để sử dụng một

số kim loại màu, hợp kim màu có hiệu quả thì người sử dụng chúng phải có những

kiến thức cơ bản về chúng Nội dung của chương 4 sẽ giới thiệu cho người học về

một số kim loại màu, hợp kim màu như: đồng , nhôm, ni ken, kẽm, hợp kim cứng

Mục tiêu

- Phân biệt tính chất của kim loại và hợp kim màu

- Giải thích được công dụng của kim loại và hợp kim màu

- Trình bày được phạm vi ứng dụng của kim loại và hợp kim màu

- Rèn luyện tính tự giác, ý thức trong khi tham gia học tập

1 Nhôm và hợp kim nhôm

1.1 Khái niệm nhôm nguyên chất

Nhôm là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 4,04 A0, có màu sáng bạc, có các tính chất như sau:

Khối lượng riêng nhỏ (g = 2,7g/cm3) Chỉ bằng 1/3 thép Do vậy làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết được sử dụng rộng dãi trong hàng không, vận tải… Tính dẫn diện và dẫn nhiệt cao, có độ giãn nở nhiệt nhỏ

Tính chống ăn mòn cao (vì có màng ôxit Al2O3 xít chặt bảo vệ)

Nhiệt độ chảy thấp (6600C) có thể làm dễ ràng cho quá trình nấu luyện song các hợp kim nhôm không làm việc được ở nhiệt độ cao Tính đúc không cao do độ

co ngót lớn (lên tới 6%)

Cơ tính thấp (σb = 6Kg/mm2, HB = 25, δ = 40%) do đó rất dễ biến dạng, tính gia công cắt thấp

TCVN 1659-75 quy định ký hiệu nhôm bằng chữ Al và số chỉ % của nhôm, ví

dụ Al99, Al99,5

Theo tiêu chuẩn AA (Aluminium Association) của Mỹ Nhôm được ký hiệu

AA 1xxx, ba số xxx khi biết sẽ dùng để tra bảng để biết tính chất cụ thể Ví dụ AA

1100 có 99,00% Al

Theo tiêu chuẩn ГOCT của Nga, nhôm nguyên chất được ký hiệu bằng chữ A và

số tiếp theo chỉ mức độ sạch Ví dụ A999 có 99,999% Al; Al995 có 99,995% Al 1.2 Phân loại hợp kim nhôm

Theo công nghệ chế tạo người ta chia các hợp kim nhôm thành ba loại: đúc,