1 UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/ MÔ ĐUN Vật liệu cơ điện NGÀNH/NGHỀ Vận hành nhà máy thủy điện ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017 2 LỜ[.]
Trang 1UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC/ MÔ ĐUN: Vật liệu cơ điện NGÀNH/NGHỀ: Vận hành nhà máy thủy điện ( Áp dụng cho Trình độ Trung cấp)
LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017
Trang 2LỜI GIỚI THIỆU
Hiện nay ở nước ta hầu hết các hoạt động của xã hội đều gắn với việc sử dụng điện năng Điện không những được sử dụng ở thành phố mà còn được đưa về nông thôn, miền núi hoặc nhờ các trạm phát điện địa phương, máy phát điện hộ gia đình
Cùng với sự phát triển của điện năng các thiết bị điện dân dụng được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng Chất lượng của các vật liệu điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các ngành nghề điện, điện tử phải hiểu rõ về bản chất của các vật liệu và ứng dụng của các vật liệu đó, đồng thời phải hiểu rõ về cấu tạo vật liệu, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng
Nội dung môn học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản về cấu tạo vật liệu điện nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình
Trang 3MỤC LỤC
1 Khái niệm về kim loại, hợp kim
2 Cấu tạo của kim loại, hợp kim
3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim: 5 6 10 Chương 2. Gang
1 Giới thiệu chung về gang: 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang:
3 Các loại gang thường dùng: 14 15 16 Chương 3. Thép và vật liệu dẫn từ
1 Thép 21
2 Vật liệu dẫn từ 36
Chương 4 Hợp kim cứng
1 Khái niện chung: 48
2 Một số loại hợp kim cứng thường dùng 48
Chương 5 Kim loại màu và vật liệu dẫn điện
1.Khái niệm và phân loại kim loại 50
2 Đặc điểm và tính chất chung 50
3 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 58
4 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 59
5 Một số vật liệu dẫn điện khác 60
6 Hợp kim làm ổ trượt 61
Chương 6. Ăn mòn kim loại 1 Hiện tượng ăn mòn kim loại: 67
2 Phương pháp chống ăn mòn kim loại 67
Chương 7 Vật liệu phi kim loại và vật liệu cách điện
1.Khái niệm và phân loại 68
2 Tính chất chung của vật liệu cách điện 69
3 Vật liệu cách điện thể khí 75
4 Vật liệu cách điện thể lỏng 77
5 Vật liệu cách điện thể rắn 78
Trang 46 Chất dẻo 86
7 Dầu - Mỡ bôi trơn 88
Chương 8: Vật liệu bán dẫn 1 Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn 88
2 Sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn 88
3 Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 90
4 Một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật 91
Trang 5Mục tiêu môn học:
* Kiến thức
- Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của các loại vật liệu cơ khí, vật liệu điện như: gang, thép, kim loại màu, các loại dầu bôi trơn, dầu biến thế và một số loại vật liệu khác được dùng trong các nhà máy Thuỷ điện
* Kỹ năng
- Nhận biết được các loại vật liệu thường dùng trong Nhà máy Thuỷ điện và phạm
vi ứng dụng của chúng
* Năng lực tự chủ và trách nhiệm
- Cẩn thận, nghiêm túc trong học tập và trong công việc
Nội dung:
Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và
hợp kim
1 Khái niệm về kim loại, hợp kim 1.1 Khái niệm
- Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao - Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân)
- Hợp kim là dung dịch rắn của nhiều nguyên tố kim loại hoặc giữa nguyên tố kim loại với nguyên tố phi kim Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn điện, dẻo,
dễ biến dạng, có ánh kim ) Hợp kim màu, là hợp kim của các kim loại khác ngoài sắt
1.2 Đặc tính 1.2.2 Đặc tính kim loại Đặc tính của kim loại được đánh gía bởi các tính chất vật lý, hóa học, cơ học 1.2.2 Đặc tính hợp kim
Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông thường khác với đặc tính của kim loại hợp thành, đôi khi còn khác hẳn
Hợp kim luôn cho ta những đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp thành Ví dụ, thép(hợp kim của sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành của
nó là sắt Đặc tính vật lý của hợp kim không khác nhiều kim loại được hợp kim hoá, như mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các đặc tính cơ khí của
Trang 6hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, như độ bền kéo, độ bền cắt, độ cứng, khả năng chống ăn mòn
Không giống như kim loại nguyên chất, nhiều hợp kim không có một điểm nóng chảy nhất định Thay vì, chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái các khối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy được gọi là đường đông đặc và hoàn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi là đường pha lỏng trong giản đồ trạng thái của hợp kim
1.3 Vai trò của kim loại, hợp kim trong cuộc sống
Trong các nhóm vật liệu kể trên thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc
và những công trình xây dựng Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy công cụ gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng cao
Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó
là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mới như:
– Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp cho ngành công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảy vọt
– Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong ngành
cơ khí như: thép không rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)…
Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra những hợp kim mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính cùng một số tính chất vật lý và hóa học đặc biệt Những thành công trong nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới
2 Cấu tạo của kim loại, hợp kim:
2.1 Kim loại:
2.1.1 Cấu tạo nguyên tử Các kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau
- Vật chất là do các nguyên tử tạo thành, mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương ở giữa các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo khác nhau Hạt nhân bao gồm Proton và nơtron
Trang 7Hình 1-1: Sơ đồ phân bố các điện tử trên quỹ đạo
Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình elíp Quỹ đạo ngoài cùng có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi chất (hình 1-1) Đối với kim loại ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1 đến 2 điện tử, các điện tử này dễ bật đi khỏi quỹ đạo để cho nguyên tử trở thành ion dương và đó là chỗ khác nhau chủ yếu giữa Kim loại và vật liệu phi kim loại
- Như Vậy: Kim loại có cấu tạo như là các ion dương, có các điện tử tự do chạy xung quanh hạt nhân và các điện tử này dễ bật ra khỏi quỹ đạo của nó Các điện tử tự
do là nguyên nhân tạo ra tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo dai của kim loại 2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể
Hình 1-2: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất
a) Sơ đồ sắp xếp mạng tinh thể lập phương đơn giản; b) ô cơ bản của mạng
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, tức là các nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học nhất định chứ không hỗn độn như các vật liệu phi kim loại trong đó các nguyên tử kim loại được biểu diễn bằng những vòng tròn nhỏ nằm ở các mép của hình lập phương ta gọi là nút mạng Phần nhỏ nhất đặc trưng cho một mạng tinh thể nào đó gọi là ô cơ bản Nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể như hình 1-2
2.1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp
Trang 8Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại
Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là một trong những đặc điểm quan trọng thể hiện cả hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong và các tính chất của Kim loại Cấu trúc mạng tinh thể thường mang các tính chất rất đa dạng phụ thuộc vào kiểu sắp xếp nguyên tử Sau đây là một số kiểu mạng tinh thể thường gặp:
+ Lập phương thể tâm
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này (hình 1-3), các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi là thông số mạng, độ lớn được đo bằng A0 (đọc là ăng-Trôn), một đơn vị A0 = 0,00000001cm (1.10-8 cm) Các kim loại có kiểu mạng này là sắt, crom, Vanadi…
+ Lập phương diện tâm
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương như hình 1 - 4 Các kim loại
có kiểu mạng này là: Sắt, đồng, nhôm, niken…
+ Lục phương dày đặc
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng, hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như hình 1-5 Các kim loại có kiểu mạng này gồm kẽm, côban, magiê…
+ Ngoài ba loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta còn gặp kiểu mạng chính phương thể tâm như hình 1-6 Nó khác mạng lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng hai cạnh kia
Hình 1-5: Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-6: Ô cơ bản chính
a) Ô cơ bản; b) Hình chiếu bằng phương thể tâm
Hình 1-3 Kiểu lập phương thể tâm
b
a
Trang 92.2 Hợp kim 2.2.1 Dạng dung dịch đặc
Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố có thành phần kích thước gần giống nhau Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ
- Trong dung dịch đặc thay thế: Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố
kia thay thế vào đó (hình 1-6a) Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như cấu tử của dung môi Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối
với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%)
Hình 1-6: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim
a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ;
c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp
- Trong dung dịch đặc xen kẽ: Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon,
ôxi ) nằm xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản (hình 1-1b) Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên
2.2.2 Hợp chất hóa học
Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xácđịnh được biểu diễn bằng một công thức hóa học
Trang 10Ví dụ hợp chất hóa học của sắt và cácbon có công thức hóa học là Fe3C Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao
3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim 3.1 Tính chất vật lý (tính chất lý học): Là các tính chất đặc trưng như là vẻ sáng
mặt ngoài, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt, tính dẫn điện vv
3.1.1 Vẻ sáng mặt ngoài
Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại người ta chia thành hai nhóm là kim loại đen
và kim loại màu
a Kim loại đen: Kim loại đen gồm toàn bộ các hợp kim của sắt, tức là các loại
gang và các loại thép
b Kim loại màu
- Kim loại màu là tất cả các hợp kim và kim loại còn lại
- Kim loại không trong suốt, kể cả những tấm kim loại được cán, dát rất mỏng cũng không để cho ánh sáng xuyên qua nó được Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài Mỗi kim loại sẽ phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc riêng mà
ta quen gọi là màu của kim loại
Thí dụ: Đồng có màu đỏ, Thiếc có màu trắng bạc…
3.1.2 Tính nóng chảy
Kim loại có tính chảy lỏng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội Nhiệt độ ứng với đúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (và ngược lại) Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc, vì khi đúc
ta phải nấu chảy lofng kim loại để dát vào khuôn
Điểm nóng chảy của hợp kim lại khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau, ta có thể tạo được hợp kim mới có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của từng kim loại riêng rẽ Trong thực tế người ta có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy thấp (khoảng 60-700C), trong khi điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần lớn hơn
2000 C Ngược lại cũng có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy cao hơn điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần
3.1.3 Tính dẫn nhiệt
Là tính truyền nhiệt của kim loại khi đốt nóng hoặc làm lạnh
- Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ nóng chảy nhanh và đông đặc nhanh
- Kim loại có tính dẫn nhiệt kém muốn nung nóng hoàn toàn phải cần nhiều thời gian, nếu làm nguội quá nhanh dễ gây ra nứt và vỡ
Trang 11- Tính dẫn nhiệt của kim loại rất cần thiết cho việc nhiệt luyện các kim loại, cho việc chế tạo các chi tiết máy cần dẫn nhiệt nhanh như píttông, kết nước
- Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và tăng khi nhiệt độ giảm xuống
Trong ô tô, các chi tiết máy cần có sự truyền nhiệt nhanh như: Piston, cánh tản nhiệt của két làm mát… thì phải làm bằng các vật liệu có tính dẫn nhiệt tốt như là hợp kim nhôm, đồng
Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng Kilô calo/m.giờ.độ Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng
Thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của các kim loại khác với bạc vì bạc
có tính dẫn nhiệt tốt nhất Ví dụ: Nếu lấy bạc có tính dẫn nhiệt bằng một đơn vị thì các kim loại khác như: Đồng = 0,9; Nhôm = 0,5; Sắt = 0,15…
3.1.4 Tính giãn nở nhiệt
Khi đốt nóng các kim loại giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co lại Sự giãn nở kim loại không giống nhau Để đánh giá sự giãn nở nhiệt của các kim loại khác nhau người
ta đo chính xác độ dãn dài 1mm kim loại đó khi nhiệt độ thay đổi 10 Độ giãn dài đo được gọi là hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài Sự giãn nở theo thể tích được tính bằng
3 lần sự giãn nở theo chiều dài
Trong kỹ thuật để làm các dụng cụ đo lường đảm bảo độ chính xác cao người ta phải sử dụng các hợp kim có độ giãn nở nhiệt gần bằng 0 ở khoảng nhiệt độ từ - 800
đến 1000 C ( ví dụ như hợp kim Niva)
Cần chú ý rằng hệ số giãn nở nhiệt tuy rất nhỏ, nhưng với các vật có kích thước lớn,
có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, chúng ta phải chú ý tới đặc điểm này Ví dụ trong động cơ ô tô phải chú ý đến khe hở giữa piston và xilanh để ở trạng thái nguội vẫn đảm bảo độ kín cần thiết, ở trạng thái nóng thì piston không bị bó kẹt trong xilanh
3.1.5 Tính dẫn điện
Là khả năng dẫn điện của kim loại Các kim loại khác nhau thì có tính dẫn điện khác nhau Kim loại có tính dẫn điện cao tức là kim loại ít cản trở dòng điện (điện trở của kim loại nhỏ) So sánh tính dẫn điện và tính dẫn nhiệt của kim loại ta thấy kim loại nào dẫn nhiệt tốt thì cũng dẫn điện tốt và ngược lại
Các kim loại có tính dẫn điện tốt được dùng trong kỹ thuật là đồng, nhôm… Khi nhiệt độ tăng lên thì tính dẫn điện giảm đi và ngược lại
Ở nhiệt độ 00K ( - 2730C) thì điện trở của kim loại gần bằng 0 và tính dẫn điện kim loại là tốt nhất Đây chính là hiện tượng siêu dẫn hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế