Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề Lắp đặtvận hànhbảo dưỡng bơm, quạt, máy nén khí Trình độ Cao đẳng)

Untitled TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ LẮP ĐẶT VẬN HÀNH BẢO DƯỠNG BƠM, QUẠT, MÁY NÉN KHÍ TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết địn[.]

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ



GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGHỀ: LẮP ĐẶT-VẬN HÀNH-BẢO DƯỠNG BƠM, QUẠT, MÁY NÉN

KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

( Ban hành kèm theo Quyết định số: 189/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020

của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2020

( Lưu hành nội bộ)

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở thực tiễn của sản xuất cơ khí ở nước ta hiện nay,

có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn này của một số trường đại ở trong nước mấy năm gần đây

Trong thực tế sử dụng vật liệu, đặc biệt là vật liệu kim loại, không thể lựa chọn một cách chung chung (ví dụ: thép) mà phải rất cụ thể (ví dụ: thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo các quy định nghiêm ngặt về các điều kiện kỹ thuật do các tiêu chuẩn tương ứng quy định

Khi giới thiệu cụ thể các thép, gang, giáo trình sẽ ưu tiên trình bày các mác theo tiêu chuẩn Việt Nam (nếu có) có đi kèm với các mác tương đương hay cùng loại của tiêu chuẩn Nga do tiêu chuẩn này đã được quen dùng thậm chí đã phổ biến rộng rãi ở nước ta trong mấy chục năm qua

Nhằm tạo điều kiện cho người học có một bộ tài liệu tham khảo mang tính tổng hợp, thống nhất và mang tính thực tiễn sâu hơn Nhóm người dạy chúng tôi đề xuất và biên soạn

Giáo trình vật liệu cơ khí dành cho người học trình độ Cao đẳng

Nội dung của giáo trình bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tinh chất cơ bản của kim loại và hợp kim

Chương 2: Hợp kim sắt các bon

Chương 3: Kim loại màu và hợp kim màu

Chương 4: Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

Chương 5: Vật liệu phi kim loại

Cũng như tên gọi của nó, chúng ta nên coi các điều trình bày trong sách như là phần kiến thức cơ sở về vật liệu thuờng dùng trong sản xuất cơ khí Điều đó cũng có nghĩa để làm tốt hơn các công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm các sách, tài liệu chuyên sâu hơn

về từng lĩnh vực đã đề cập

Tác giả chân thành cảm ơn các quý độc giả về những đóng góp quý báu cho cuốn sách

B à rịa Vũng Tàu, ngày 25.tháng 03 năm 2020

Tham gia biên soạn

1 Chủ biên ThS: Lê Anh Dũng

2 ThS Trần Kim Khánh

3 ThS Đỗ Văn Thọ

MỤC LỤC

Trang

LỜI GIỚI THIỆU 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC 6

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 12

1.1 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 13

1.2 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 18

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 24 CHƯƠNG 2: HỢP KIM SẮT - CÁC BON 31

2.1 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT- CACBON (Fe + C) 32

2.2 THÉP 35

2.3 GANG 38

2.4 THÉP HỢP KIM 44

2.5 HỢP KIM CỨNG 50

CHƯƠNG 3: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 53

3.1 NHIỆT LUYỆN 54

3.2 HOÁ NHIỆT LUYỆN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 61

CHƯƠNG 4: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU 65

4.1 ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI MÀU 66

4.2 NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 67

4.3 ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 69

4.4 CÁC LOẠI KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU KHÁC 72

CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI 75

5.1 CÁC CHẤT DẺO THƯỜNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo 14

Sơ đồ phương pháp đo độ cứng Brinen 15

Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử của kim loại 19

Các ô tinh thể cơ bản 19

Sơ đồ biểu thị sự biến đổi mạng tinh thể của Fe 21

Quá trình kết tinh của kim loại 21

Cấu trúc của dung dịch đặc 23

Mẫu thử kéo và sơ đồ nguyên lý máy kéo 25

Biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu 25

Sơ đồ đo độ cứng Brinen 26

Sơ đồ đo độ cứng Rocoen 27

Sơ đồ đo độ cứng Vicke 29

Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập 30

Giản đồ trạng thái Fe - C 33

Giản đồ quá trình nhiệt luyện kim loại và hợp kim 54

Nhiệt độ ủ 56

Các phương pháp tôi 58

Thùng thấm cacbon 62

Giản đồ trạng thái hệ hợp kim nhôm 69

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC

1 Tên môn học: Vật Liệu Cơ Khí

2 Mã mô đun: CK19MH04

3 Vị trí, tính chất, ý nghĩa của môn học:

3.1 Vị trí: Môn học “ Vật Liệu Cơ Khí” được bố trí học sau các môn học chung và học

trước khi học các mô đun đào tạo nghề

3.2 Tính chất: Giáo trình Vật liệu cơ khí là môn học kỹ thuật cơ sở của chương trình đào

tạo cao đẳng nghề liên quan đến cơ khí sửa chữa, Vận hành thiết bị khoan khai thác, cơ khí chế tạo và Hàn

3 3 Ý nghĩa và vai trò của môn học: Môn học này trang bị những kiến thức cơ bản về tổ

chức cấu tạo, thành phần và tính chất của một số vật liệu thường dùng trong chế tạo cơ khí như là gang, thép, hợp kim màu, chất dẻo và cao su, qua đó có cơ sở để chọn lựa và sử dụng vật liệu cho phù hợp với mục đích Môn học còn cung cấp những tiêu chuẩn về ký hiệu các loại vật theo TCVN và một số nước khác

4 Mục tiêu của môn học/mô đun:

4.1 Về kiến thức:

- A1 Trình bày được tính chất chung của kim loại và hợp kim

- A2 Trình bày được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim để xác định cơ tính vật liệu

- A3 Trình bày được thành phần, cấu tạo, tổ chức và tính chất của một số mác thép và gang

- A4 Trình bày được các phương pháp nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện kim loại và hợp kim từ đó áp dụng cho từng trường hợp cụ thể

- A5 Trình bày được các khái niệm cơ bản về vật liệu phi kim loại như chất dẻo, cao su, composite

4.2 Về kỹ năng:

- B1 Nhận biết được ký hiệu, mác thép, gang và hợp kim của kim loại màu

- B2 Vận dụng được các kiến thức để lựa chọn vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc

cụ thể của một chi tiết máy cũng như các phương pháp gia công để tạo hình chi tiết

4.3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

C1 Rèn luyện tính cần cù, chăm chỉ trong công việc

5 Nội dung của mô đun:

II Các môn học, mô đun

chuyên môn ngành, nghề 68 1725 421 1236 29 39 II.1 Môn học, mô đun cơ sở 20 360 213 127 16 4 ATMT19MH01 An toàn vệ sinh lao động 2 30 23 5 2 0

CG19MH02 Nguyên lý - Chi tiết máy 2 45 14 29 1 1 CK19MH09 Kỹ thuật sửa chữa cơ khí 4 60 56 0 4 0

CK19MĐ01 Gia công cắt gọt kim loại 1 4 120 6 110 0 4 CK19MĐ05 Sửa chữa - Bảo dưỡng bơm 1 3 90 5 82 0 3 BQMN19MĐ02 Sửa chữa - Bảo dưỡng Quạt 5 135 14 116 1 4 CK19MĐ06 Sửa chữa - Bảo dưỡng bơm 2 3 75 14 58 1 2 CK19MĐ02 Gia công cắt gọt kim loại 2 3 75 14 58 1 2 CK19MĐ07 Sửa chữa - Bảo dưỡng máy nén khí 3 90 5 82 0 3

Thời gian (giờ)

Tổng

số

Lý thuyết

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

Kiểm tra

1 Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim

3 Chương 3: Nhiệt luyện và hóa

6.2 Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn

6.3 Học liệu, dụng cụ, mô hình, phương tiện: Giáo trình, mô hình học tập,

6.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về công tác xây dựng phương án gia

công, sản xuất tại xí nghiệp

7 Nội dung và phương pháp đánh giá:

7 1 Nội dung:

- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

- Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng dầu khí như sau:

+ Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2)

Chuẩn đầu ra đánh giá

Số cột

Thời điểm kiểm tra

Thường xuyên Viết/ Tự luận/

Trắc nghiệm/

A1, A2, A3, B1, B2, B3,

1 Sau 15 giờ

Thuyết trình/Câu hỏi

Báo cáo/trả lời câu hỏi

C1, C2

Định kỳ

Viết/

Thuyết trình/Trắc nghiệm

Tự luận/

Trắc nghiệm/

Báo cáo/Thực hành

Tự luận và trắc

nghiệm/Thực hành

A1, A2, A3, A4, A5,

B1, B2, B3, B4, B5,

C1, C2, C3,

1 Sau 45 giờ

Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ

8 Hướng dẫn thực hiện môn học

8 1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Cao đẳng, trung cấp nghề sửa chữa thiết bị

chế biến dầu khí

8.2 P hương pháp giảng dạy, học tập môn học

8.2.1 Đối với người dạy

* L ý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: thuyết trình ngắn, nêu vấn

đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận

* Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra

* Th ảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra

* Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân công các thành viên trong nhóm tìm

hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày nội

8.2.2 Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

- Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu)

- Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết Nếu người học vắng >30% số tiết

lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau

- Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân Một nhóm gồm 4-6 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một

số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn

bộ chủ đề thảo luận của nhóm

- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ

- Tham dự thi kết thúc mô đun

- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học

[1] Trần Mão, Phạm Đình Sùng-Vật liệu cơ khí -NXBGD 1998

[2] Hoàng Trọng Bá-Vật liệu phi kim loại -NXBGD2007

[3].Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức-Vật liệu Composite - NXBKH&KT-2002 [4] Hoàng Tùng – Vật liệu & công nghệ kim loại – NXB GD 09-2005

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1

Chương 1 là chương giới thiệu tính chất cơ bản của kim loại, hợp kim từ đó giúp người học dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những chương tiếp theo

❖ MỤC TIÊU CHƯƠNG 1

Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:

➢ Về kiến thức:

- Trình bày được tính chất chung của kim loại và hợp kim

- Trình bày được cấu tạo của kim loại và hợp kim

- Trình bày được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim

➢ Về kỹ năng:

- Nhận diện được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại, hợp kim

- Vận dụng được kiến thức đã học vào thực tế

➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Ý thức được tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của công tác đánh giá tính chất

c ủa kim loại và hợp kim

- Tuân thủ nội quy, quy định nơi làm việc

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn

đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 1 (cá nhân hoặc nhóm)

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hoàn

thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân hoặc nhóm và n ộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1

- Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Không

- Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham

khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan

- Các điều kiện khác: Không có

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1

✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

- Phương pháp:

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)

✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: không có

❖ NỘI DUNG CHƯƠNG 1

1.1 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc

Tuy nhiên, khi sử dụng chế tạo chúng cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn kim loại và hợp kim thích hợp, bảo đảm chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm Muốn vậy phải nắm được các tính chất của chúng Thông thường kim loại và hợp kim được đánh giá bằng các tính chất cơ bản sau đây

Lực P tăng dần đến khi mẫu đứt, khi đó

Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo Giá trị độ bền được tính theo công thức

Tương tự ta có thể đo được độ bền nén và độ bền uốn

Đơn vị đo độ bền được tính bằng: N/mm2; KN/m2; MN/m2

Độ cứng:

Là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén Nếu cùng một giá trị lực nén, vết lõm biến dạng trên mẫu

đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém

Đo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của vật liệu mà không cần phá hỏng chi tiết

Độ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp, nhưng đều dùng tải trọng nén thông qua viên bi bằng thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón hay hình chóp ép lên

bề mặt của vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu

đó

VD: đo độ cứng bằng viên bi (gọi là phương pháp Brinen)

Để đo độ cứng Brinen người ta dùng tải trọng P để ấn biên bi bằng thép đã nhiệt luyện, có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.2)

Sơ đồ phương pháp đo độ cứng Brinen

Độ cứng Brinen được tính theo công thức:

F

P

HB =Trong đó: F - diện tích mặt cầu của vết lõm (mm2)

P - tải trọng nén vào viên bi (N)

HB - Độ cứng Brinen (N/mm2)

Độ cứng HB dùng kiểm tra các vật liệu có độ cứng không lớn hơn 450 (kN/m2)

Độ giãn dài tương đối (δ%):

Là tỷ lệ tính theo phần trăn giữa lượng giãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu

 = (l1 - l0)/ l0  100%

-  đọc là denta (%)

- lo là chiều dài ban đầu (mm)

- l1 chiều dài tính toán sau của mẫu thử (mm) Vật liệu có độ giãn dài càng lớn thì càng dẻo và ngược lại

Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất

Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất,  là khối lượng riêng của vật chất, thì ta có công thức:

V

m

=

 (g /cm3)

Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những dùng để

so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu, mà còn giải quyết được một số vấn đề thực tế

Ví dụ, những vật lớn như thép đường ray, thép hình rất khó cân được khối lượng, nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo được kích thước mà tính ra thể tích nên

có thể không cần cân chỉ dùng công thức tính ra khối lượng của chúng

Nhiệt độ nóng chảy:

Là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn trở thành thể lỏng Sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 15390C

Điểm chảy của gang là 1130-13500C (do hàn lượng C trong gang quyết định)

Điểm chảy của thép là 1400- 15000C (do hàn lượng C trong thép quyết định)

Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì phương pháp chế tạo các chi tiết máy rẻ nhất là phương pháp đúc, nhưng khi dùng phương pháp đúc thì kim

loại cần có tính chảy loãng tốt

Tính chảy loãng của kim loại ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của kim loại quyết định, nhiệt độ nóng chảy của kim loại càng thấp thì kim loại có tính chảy loãng

càng tốt

Tính giãn nở nhiệt:

Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng

Độ giãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị (1mm) gọi là hệ số giãn nở theo chiều dài Ví dụ, hệ số dãn nở theo chiều dài của sắt nguyên chất là 0,0000118, của thép là 0,0000120

Tính dẫn nhiệt:

Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại

Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau Kim loại có tính chất

dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội nhanh

Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nhanh hoàn toàn phải mất nhiều thời gian và nếu làm nguội quá nhanh thì có thể gây ra nứt vỡ

Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng kcalo/m/giờ độ Trong thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt giữa kim loại này với một kim loại khác lấy làm tiêu chuẩn

Ví dụ : Bạc là kim loại có tính dẫn nhiệt tốt nhất lấy là 1 đơn vị, thì các kim loại khác có

Ag Cu Al Fe Hg

Al, Cu có tính dẫn nhiệt gần băng nhau, gấp 2 lần nhôm, gấp 6 lần sắt

Tính dẫn điện:

Tính dẫn điện là khả năng truyền dòng điện của kim loại

Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc sau đó đến đồng và nhôm

Nhưng do bạc là nguyên tố đắt tiền nên trong kỹ thuật kim loại được dùng nhiều nhất

để làm dây dẫn điện là đồng và nhôm

Các kim loại có tính dẫn điện nhiệt tốt thì dẫn điện cũng tốt

Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại

Nhiệt dung:

Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên một độ C

Nhiệt dung của kim loại càng lớn tức là tốn nhiệt lượng cần nhiều mới đốt nóng vật

đó lên được

Tính nhiễm từ:

là khả năng dẫn từ của kim loại

Chỉ có một số kim loại có từ tính, tức là nó bị từ hóa sau khi đặt trong một từ trường

Fe, Ni và Co và hầu hết các hợp kim nó đều có từ tính thể hiện rất rõ rệt nên được gọi là kim loại từ tính Còn hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ

1.1.3 Tính chất hóa học:

Là độ bền của kim loại và hợp kim đối vói những tác dụng hóa học của các chất khác

như: oxi, nước, axit v.v mà không bị phá hủy

Tính chất hóa học cơ bản của kim loại và hợp kim được biểu thị ở 3 dạng chủ yếu sau

Tính chịu ăn mòn: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh như: hơi nước hay oxy của không khí ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ cao Tính chịu axít: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axít

Tính chịu nhiệt: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của ôxi trong không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ cao

Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi nung nóng cục

bộ tại chỗ mối hàn cho đến trạng thái chảy hoặc dẻo

Tính rèn: Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy

Tính đúc: Xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy vào khuôn đúc, độ co và tính thiên tích (thiên tích là độ không đồng nhất về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ của kim loại và hợp kim)

Tính nhiệt luyện: Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim loại, bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định giữ ở nhiệt độ đó một thời gian, rồi sau đó làm nguội kim loại theo một chế độ nhất định

1.2 CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

1.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyên chất

Khác với vật liệu phi kim loại có cấu tạo định hình, kim loại có cấu tạo tinh thể Trong một đơn vị tinh thể xét ở trạng thái rắn, các nguyên tử kim loại phân bố theo một quy luật nhất định Tùy thuộc vào kim loại và các điều kiện bên ngoài, mỗi đơn tinh thể đặc trưng cho kim loại đó có các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự riêng dưới dạng hình học xác định Người ta gọi đó là mạng tinh thể

Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian Mỗi nút mạng được coi là tâm của các nguyên tử (hình 1.3) Mạng tinh thể không gian đó gọi là đơn tinh thể

Mỗi mạng tinh thể có đặc trưng riêng Để phân biệt người ta lấy ra phần không giân nhỏ nhất của mạng và gọi là ô cơ bản

Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử của kim loại Các kiểu mạng tinh thể thường gặp tương ứng có các ô cơ bản như:

Lập phương thể tâm (hình 1.4a), lập phương diện tâm (hình 1.4b), và lục phương dày đặc (hình 1.4c) Tùy theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng ví dụ trên ô lập phương diện tâm có thông số mạng a = b = c là giá trị đo theo chiều các cạnh của ô cơ bản Đơn vị đo bằng A0 (đọc là Angstrong) 1A0 = 10-8cm

Các ô tinh thể cơ bản

a Lập phương thể tâm

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở nút mạng (đỉnh của hình lập phương), và trung tâm của khối lập phương, Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà tiếp xúc nhau qua các nguyên tử nằm ở trung tâm của hình lập phương Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là: Fe , Cr, Vônfram, Môlipđen, Vanadi

b Lập phương diện tâm

Trong ô cơ bản kiểu mạng này các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và các nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên của hình lập phương

Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà tiếp xúc với nhau qua các nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên

Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe, đồng, côban, niken, chì , bạc

c Lục phương dày đặc

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này các nguyên tử nằm ở nút mạng của hình lục giác Hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm của 3 khối lăng trụ tam giác cách đều nhau

Các kim loại này gồm: kẽm, coban, magiê

Ngoài 3 mạng tinh thể thường gặp trên ta còn gặp nhiều kiểu mạng như chính phương thể tâm, nó chỉ khác lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng hai cạnh kia

1.2.2 Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại

Ở trạng thái rắn, khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ v.v) tổ chức kim loại

sẽ thay đổi theo Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trị thay đổi Người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể

Ví dụ, xét sự biến đổi của nguyên tố Fe (hình 1.5) Sơ đồ biểu diễn cho ta thấy ở mỗi thang nhiệt độ, Fe sẽ có sự thay đổi không chỉ về cấu tạo (ô cơ bản) mà còn thay đổi cả tính chất vật lý

Trên nhiệt độ 1539oC Fe bắt đầu kết tinh và ta có đoạn thẳng nằm ngang đầu tiên sau khi nguội kim loại tạo thành tổ chức lập phương thể tâm gọi là sắt đenta có thông số mạng

Dưới nhiệt độ 768oC sắt bêta chuyển thành sắt anpha có từ tính Mạng tinh thể của sắt anpha(Fe) và Fe khác nhau ở thông số mạng

Sơ đồ biểu thị sự biến đổi mạng tinh thể của Fe

1.2.3 Sự kết tinh của kim loại

Khi kim loại lỏng chuyển sang kim loại rắn được gọi là sự kết tinh

Kim loại nguyên chất kết tinh theo một quá trình gồm nhiều giai đoạn

Khi hạ dần nhiệt độ của chúng xuống một nhiệt độ nhất định, bắt đầu xuất hiện các trung tâm kết tinh (gọi là tâm mầm), hình 1.6a Các tâm mầm đó (có thể có sẵn từ các phân

tử tạp chất không nóng chảy như bụi tường lò, chất sơn khuôn …) là loại tâm mầm rất có lợi

Cũng có loại tâm mầm tự sinh, hình thành do sự biến đổi nội năng khi thay đổi nhiệt

độ Số lượng mầm tự sinh sẽ càng nhiều khi độ nguội càng lớn (độ nguội là hiệu số của nhiệt độ kết tinh lý thuyết và nhiệt độ kết tinh thực tế)

Các tâm mầm phát sinh cùng với sự phát triển của chúng làm cho pha lỏng dần dần giảm cho đến khi hoàn toàn hóa rắn, hình 1.6 b, c Các đơn tinh thể (hạt) kết tinh theo hướng khác nhau

Ranh giới giữa chúng gọi là tinh giới Tại tinh giới, đơn tinh thể chứa tạp chất và có mạng bị xô lệch

a b c

Quá trình kết tinh của kim loại Đối với mỗi kim loại nguyên chất, bằng thí nghiệm người ta xác định được bằng một đường nguội nhất định

Chúng có dạng chung như hình 1.7 Mỗi kim loại có giá trị nhiệt độ kết tinh (t0

kt) xác định

Hình 1.7: Đường nguội của kim loại nguyên chất

1.2.4 Tổ chức của hợp kim

a Khái niệm về hợp kim

Trong thực tế hợp kim được sử dụng nhiều hơn kim loại nguyên chất vì chúng có những tính chất đặc biệt phù hợp với các nhu cầu thực tế như: cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ… mà kim loại nguyên chất không đáp ứng được

Hợp kim bao gồm hai hay nhiều nguyên tố kết hợp với nhau tạo nên tổ chức và cấu trúc mới phức tạp hơn Ta cần nêu một số khái niệm và định nghĩa:

Pha: là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng trạng thái (lỏng, rắn hay khí) và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia, nếu là pha rắn thì phải

có cùng kiểu và thông số mạng

Hệ (hệ thống): là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng Hệ được gọi là cân bằng nếu

các quá trình xảy ra trong nó có tính chất thuận nghịch (quá trình nghịch xảy ra thì hệ ngược lại các trạng thái mà quá trình thuận đã đi qua)

Nguyên (cấu tử): của hệ là những chất độc lập có thành phần không đổi tạo nên các

pha của hệ Nguyên có thể là nguyên tố hóa học và trong một số trường hợp cũng có thể là hợp chất hóa học có tính ổn định cao như Fe3C trong hệ hợp kim hai nguyên Fe-C

Nước ở 40C gồm pha lỏng (nước) và pha rắn (nước đá), nhưng là hệ một cấu tử Đồng và Niken có thể hòa tan vô hạn cả ở nhiệt độ cao tạo thành dung dịch lỏng cả ở nhiệt độ thấp tạo thành dung dịch rắn

Đây là hệ hợp kim hai cấu tử có tổ chức một pha là dung dịch lỏng hay dung dịch rắn

b Các tổ chức của hợp kim

Trong hệ hợp kim có nhiều nguyên tố ở trạng thái đặc có thể hình thành các tổ chức khác nhau như: dung dịch đặc, hỗn hợp cơ học, hợp chất hóa học

Dung dịch đặc là hệ hợp kim được hòa tan ở trạng thái đặc của nguyên này (chất hòa

tan) vào nguyên khác (chất dung môi) theo kiểu thay thế hay xen kẽ Mạng tinh thể và tính chất của dung dịch đặc khác với các nguyên thành phần Dung dịch đặc thường dẻo, dễ biến dạng

❖ hợp chất hóa học:

Những loại hợp kim do nhiều pha tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một qui luật và một tỷ lệ xác định gọi là hợp chất hóa học

Mạng tinh thể của hợp chất hóa học khác hẳn các mạng tinh thể thành phần Chúng

có tính ổn định cao và cũng có thể có nhiều dạng hợp chất khác nhau

VD: hợp chất hóa học của Fe và C tạo nên xêmentít có công thức là Fe3C) Hợp chất hóa học có độ dòn cao, cứng, khó cắt gọt do kiểu mạng tinh thể của nó phức tạp hơn của kim loại

❖ Hỗn hợp cơ học:

Là một hệ hợp kim có nhiều nguyên tố không hòa tan vào nhau cũng không kết hợp vơi nhau để tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy được gọi là hỗn hợp cơ học, chúng không làm thay đổi mạng tinh thể thành phần

Các nguyên của chúng vẫn giữ nguyên mạng tinh thể của mình và tính chất lại phụ thuộc vào tỷ lệ tham gia của các nguyên thành phần

1.2.5 Giản đồ trạng thái

Là biểu đồ biểu thị sự thay đổi tổ chức và tính chất của hợp kim khi thay đổi nhiệt độ

và thành phần các nguyên tham gia vào hệ hợp kim đó và phụ thuộc vào các pha tạo thành

từ dung dịch lỏng

Cơ sở để thiết lập giản đồ trạng thái là đường nguội

Dựa vào các điểm dừng và điểm uốn của đường nguội do hiệu ứng nhiệt khi chuyển biến ta xác định được các điểm tới hạn của hệ thống

Tập hợp tất cả các điểm chuyển biến của các đường nguội trong cùng một hệ hợp kim trên đồ thị nhiệt độ, thành phần hóa học rồi nối tất cả các điểm đồng tính chất lại với nhau

1.3.1 Đánh giá độ bền kéo của vật liệu kim loại và hợp kim

Thử kéo là quá trình thử quan trọng để xác định cơ tính cơ tính của kim loại khi thử kéo ta có thể xác định được độ bền độ, đàn hồi và độ dẻo của kim loại

Để xác định được giá trị độ bền kéo của vật liệu kim loại, trước tiên phải chế tạo mẫu của vật liệu đó Mẫu được chế tạo theo tiêu chuẩn từng nước Ở việt nam mẫu thử có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật, sau đó mẫu được kẹp trên máy kéo (hoặc máy kéo vạn năng) truyền động bằng cơ khí hoặc thuỷ lực (hình 1.9)

Mẫu thử kéo và sơ đồ nguyên lý máy kéo Nhờ áp lực dầu thuỷ lực (được chỉ trên đồng hồ C), pittôn A kéo mẫu B và đồng thời máy cũng vẽ được biểu đồ (hình 1.10) Khi kéo, chiều dài mẫu tăng dần, chiều ngang mẫu giảm dần, đến điểm D mẫu bị thắt và cũng ứng với lực kéo lớn nhất, từ đấy lực trên máy không tăng, nhưng mẫu vẫn dài thêm đến điểm M thì mẫu bị đứt

Biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu Như vậy độ bền của vật liệu được xác định theo công thức

Trong đó: - P: lực kéo lớn nhất ứng với lúc mẫu bị thắt (N)

- F0: diện tích tiết diện tại chỗ thắt (mm2)

1.3.2 Đánh giá độ cứng của vật liệu kim loại và hợp kim

Kim loại và hợp kim khác nhau sẽ có độ cứng khác nhau: như kim loại màu và hợp kim màu, thép cacbon thấp… Có độ cứng thấp

Thép sau khi nhiệt luyện hoặc thấm cacbon sẽ có độ cứng cao Để đánh giá độ cứng của chúng, người ta thực hiện các phương pháp đo khác nhau

Người ta dùng tải trọng P của máy ép thử độ cứng ấn vào viên bi bằng thép đã được tôi cứng với đường kính D (2,5; 5; 10 mm) vào mặt vật liệu thử

Giá trị của P chọn theo vật liệu và giá trị của đường kính D:

Thép cacbon thấp và gang : P = 30D2

Đồng và hợp kim đồng : P = 10D2

a Phương pháp đo độ cứng Brinen

người ta dùng tải trọng của máy ép thử để ấn viên bi bằng thép lên bề mặt mẫu như hình 1.11 trị số độ cứng được tính theo công thức:

HB = P/F (MN/m 2 )

Trong đó: - P là lực đặt vào viên bi

- F là diện tích của mặt lõm có hình cầu vết lõm có đường kính d

Sơ đồ đo độ cứng Brinen Nếu gọi đường kính viên bi là D, dường kính vết lõm là d, chiều sâu vết lõm là hthì

ta có công thức tính độ cứng như sau

Điều kiện đánh giá bằng phương pháp Brinen:

Khoảng cách 2 vết > 2D

Tải trọng phải êm

Nếu đường kính vết lõm là d thì phải thoả mãn: 0,2D < d < 0,6D

Độ cứng HB dùng để đo vật liệu có độ cứng thấp (< 4500N/mm2) như gang, thép, Cu, Al…

b Phương pháp đo độ cứng Rocoen

Phương pháp này cũng dùng lực để ép đầu thử lên mẫu, đầu thử có thể là viên bi bằng thép có đường kính 1,587 mm hoặc mũi côn kim cương có góc ở đỉnh là 1200

Đồng hồ trên máy thử có 3 thang đo A, B, C tương ứng với các lực P1 = 60kg, P2 = 100kg, P3 = 150kg Mỗi thang đo có ký hiệu hoặc đơn vị lần lượt như sau

Thang A lực thử P1, mũi kim cương Ký hiệu (đơn vị): HRA

Thang B lực thử P2, mũi thử là viên bi bằng thép Ký hiệu (đơn vị): HRB

Thang C lực thử P3, mũi kim cương Ký hiệu (đơn vị): HRC

Trong khi thử độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ Số đo độ cứng Rocoen được biểu thị bằng đơn vị quy ước

Sơ đồ đo độ cứng Rocoen Dưới tác dụng 2 lần của lực nhấn, lực nhấn thứ nhất là 10 kG, mũi nhọn lún xuống là

h, dưới tác dụng của nhấn thứ 2 là 60, 100 hoặc 150 kG, mũi nhọn lún xuống 1 đoạn là h2

hiệu số h2 - h = h1 là sự chên lệch về độ lún của 2 lần nhấn liên tiếp với các lực nhấn khác nhau

Đặc trưng cho độ cứng Rocoen kí hiệu là HR, 1HR tương ứng với 0,002mm

Máy thử độ cứng Rocoen có một mặt số với kim chỉ kết quả của độ cứng đo được trên mặt số đó có 2 thang chia

Thang chia C chữ đen khi thữ bằng mũi nhọn kim cương với lực nhấn 150kG và thang chia B khi dùng viên bi với lực nhấn 100kG

Đối với lực nhấn = 60kG đọc trên thân chia ký hiệu bằng chữ A Do đó khi đo độ cứng Rocoen ta phải ghi rõ đơn vị độ cứng Ví dụ HRA, HRB, HRC

Thang đo A dùng để đo các vật liệu cứng và mỏng (hợp kim cứng hoặc thép đã tôi) Thang đo C dùng để đo các vật liệu cứng và dày (thường là thép đã tôi như khuôn dập)

Thang B dùng để đo các vật liệu mềm, kích thước nhỏ và trung bình và thường là các thành phẩm (kim loại màu hoặc thép đã ủ hoặc thường hóa)

Bảng 1 Chọn thang đo độ cứng Rocoen và Brinen

Độ cứng

Brinen HB

Ký hiệu thang Rocoen

Mũi thử

Tải trọng chính P,

kG

Ký hiệu độ cứng Rocoen

Giới hạn cho phép của thang Rocoen

100

150

60

HRA HRB HRC

25-100 20-67

> 70

c Phương pháp đo độ cứng Vicke

Dùng mũi kim cương hình chóp đáy vuông, góc giữa 2 mặt đối xứng bằng 1360 ấn lên bề mặt của mẫu thử hoặc chi tiết với tải trọng P từ 5 – 120 kG, thường P = 5; 10; 20; 30; 50; 100 và 120 kG

Độ cứng Vicke được ký hiệu bằng HV (kG/mm2)

2

8544 ,

1

d P

Sơ đồ đo độ cứng Vicke

1.3.3 Đánh giá độ dai va đập của vật liệu

Để thử độ dai va đập người ta thực hiện trên máy thử va đập bằng lực đập của búa với tốc độ cao để phá hủy mẫu kim loại có hai loại mẫu để thử độ dai va đập

Mẫu charpi có kích thước 10 x 10 x 55 mm khi thử phải ngàm hai đầu trên máy Mẫu Izod có kích thươc 10 x 10 x 75 mm có sẻ rãnh chữ V sâu 2mm cách một đầu 28mm và ngàm tại đầu này trên máy Quả búa con lắc của máy đập vào mặt đối diện trên chỗ sẻ rãnh, đồng hồ của máy chỉ giá trị công phá hủy mẫu

Độ dai va đập aK được xác định theo công thức:

F

A

a k = (Nm/m2)

Trong đó: - A là công để phá hỏng mẫu (N.m)

- F là tiết diện mặt cắt ngang của mẫu tại chỗ xẻ rãnh (m2)

Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập

❖ TÓM TẮT CHƯƠNG 1

Trong chương này, một số nội dung chính được giới thiệu:

- Tính chất chung của kim loại và hơp kim

- Cấu tạo của kim loại và hợp kim

- Các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim

❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG 1

Câu hỏi 1 Tính chất chung của kim loại gồm những tính chất nào?

Câu hỏi 2 Tính công nghệ của kim loại là gì? Cho một ví dụ về tính công nghệ của kim

CHƯƠNG 2: HỢP KIM SẮT - CÁC BON

❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2

Chương 2 là chương giới thiệu tính chất cơ bản của hợp kim sắt các bon từ đó giúp người học dễ dàng tiếp cận phần kiến thức nội dung ở chương này

- Trình bày được khái niệm, thành phần cấu tạo, ảnh hưởng của các nguyên tố đến

tính chất của thép, ký hiệu và phân biệt được các loại thép, thép hợp kim và công dụng của chúng

- Trình bày được khái niệm, thành phần cấu tạo, ảnh hưởng của các nguyên tố đến

tính chất của gang, ký hiệu và phân biệt được các loại gang, thép và công dụng của chúng

➢ Về kỹ năng:

- Nhận diện được các loại thép, gang

- Vận dụng được kiến thức đã học vào thực tế

➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Ý thức được tầm quan trọng của các loại thép và ý nghĩa thực tiễn

- Tuân thủ nội quy, quy định nơi làm việc

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 2

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn

đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập chương 2 (cá nhân hoặc nhóm)

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 2) trước buổi học; hoàn

thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 2 theo cá nhân hoặc nhóm và n ộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 2

- Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Không

- Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác

- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham

khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan

- Các điều kiện khác: Không có

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 2

- Nội dung:

✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

- Phương pháp:

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)

✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: không có

❖ NỘI DUNG CHƯƠNG 2

2.1 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT- CACBON (Fe + C)

Thép và gang là hợp kim của Fe + C muốn nghiên cứu cấu tạo của thép và gang ta phải xây dựng giản đồ trạng thái Fe + C

Qua giản đồ này ta thấy qui luật về sự kết tinh và chuyển biến của kim loại xảy ra trong quá trình nung nóng và làm nguội

Trục hoành biểu diễn lượng C có trong thép tính theo phần trăm còn trục tung biểu diễn nhiệt độ của thép

Mỗi điểm trên giản đồ đặc trưng cho thành phần của thép ứng với một nhiệt độ nhất định

Các hợp kim Fe + C có thành phần Cacbon đến 2,14% được gọi là thép

Nếu thành phần Cacbon từ (>2,14 - 6,67)% được gọi là gang

Điểm A trên giản đồ ứng với nhiệt độ nóng chảy của Fe nguyên chất là 1539oC Điểm D ứng với nhiệt độ nóng chảy của xêmentit là 1600oC

Sự chuyển biến của các hợp kim trên không những chỉ xảy ra khi làm nguội kim loại

2.1.1 Các đường trên giản đồ:

Đường cong ABCD được gọi là đường lỏng nghĩa là phía trên đường lỏng thì kim loại ở trạng thái lỏng

Đường AHJEF là đường rắn nghĩa là tất cả các kim loại ở trên đường này ở pha rắn Đường ECF là đường có phản ứng cùng tinh nghĩa là mọi hợp kim xuống đường này thì pha lỏng có thành phần ứng với điểm C sẽ đồng thời kết tinh ra 2 pha ( + Xe)

Đường ES là đường giới hạn sự hòa tan của C vào Fe khi làm nguội

Đường DQ là đường giới hạn sự hòa tan của C vào Fe khi làm nguội

Đường GS là đường kết thúc sự hòa tan của Ferit vào Ostenit khi nung nóng và bắt đầu Ostenit tiết ra Ferit khi làm nguội

Đường PSK là đường có phản ứng cùng tích, là đường 7270C Khi làm nguội hợp kim xuống đường này thì Ostenit tiết ra 2 pha (P + Xe)

Giản đồ trạng thái Fe - C

2.1.2 Các tổ chức cơ bản:

Xêmentit: Là hợp chất hóa học của Fe và C gọi là cacbit Fe có công thức hóa học là:

Fe3C, xêmentit có chứa tới 6,67%C, có độ cứng cao (760 - 800) HB, tính công nghệ kém,

độ giòn lớn nhưng chịu mài mòn tốt

Ostenit: Là dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe Lượng hoà tan C tối đa là 2,14% ở

11470C Tại 7270C lượng hoà tan C là 0,8% Ostennit là pha dẻo và dai, rất dễ biến dạng

Vì nó tồn tại riêng biệt chỉ ở nhiệt độ trên 7270C nên không quyết định tính chất cơ học khi

kim loại chịu tải mà chỉ có nghĩa khi gia công áp lực trong trạng thái nóng và nhiệt luyện

Ferit: Là dung dịch đặc xen kẽ của C hoà tan trong Fe Lượng C hoà tan trong Ferit nhỏ Ở 727oC hoà tan 0,02%C Nhiệt độ giảm, lượng hoà tan càng giảm nên có thể coi Ferit là Fe nguyên chất Ferit dẻo, mềm và có độ cứng thấp từ (80 - 100) HB giới hạn bền

B = 25kG/mm2 và giữ được từ tính tới 768oC

Peclit : Là một tổ chức gồm hai pha Nó là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit Khi

hạ nhiệt độ xuống dưới 7270C, cả Ferit và xementit cùng kết tinh ở thể rắn tạo nên cùng tinh Peclit có số lượng lớn nhất Peclit nguyên chất chứa 0,8% C Tính chất cơ học của Peclit tuỳ thuộc vào lượng ferit và xementit và phụ thuộc vào hình dạng của xêmentit (dạng hạt hoặc tấm Độ cứng của peclit tấm từ (200 - 250) HB, còn độ cứng của peclit hạt từ (160

- 220) HB

Leđeburit : Là hỗn hợp cơ học cùng tinh của ostenit và xêmentit Tại 11470C và 4,43%

C cùng tinh leđeburit hình thành, leđeburit có độ cứng cao, độ cứng của nó là 700 HB

2.1.3 Các điểm tới hạn quan trọng :

Là điểm ứng với nhiệt độ bắt đầu hoặc kết thúc sự chuyển biến pha trong kim loại hay trong hợp kim Ở đây ta chỉ xét các điểm tới hạn có liên quan đến nhiệt luyện là các điểm A1, A3 và Acm

A1 = 727oC đường PSK, nhiệt độ chuyển biến cùng tích, biểu thị sự chuyển biến của ostenit sang peclit khi làm nguội và peclit chuyển sang ostenit khi nung nóng

A3= (911 - 727) oC đường GS là điểm bắt đầu của ostenit chuyển biến thành Ferit khi làm nguội và của ferit vào hòa tan ostenit khi nung nóng

Acm = (1147 - 727) oC đường ES nhiệt độ bắt đầu tiết ra xêmentit thứ hai từ ostenit khi làm nguội hoặc kết thúc hòa tan xêmentit thứ hai và ostenit khi nung nóng

Vậy các thép đều có điểm A1 và chúng đều giống nhau (A1 = 727oC) thép trước cùng tích có thêm điểm A3và thép sau cùng tích có thêm điểm Acm hai điểm A1 và A3 không cố định mà thay đổi theo thành phần cacbon

Khi nung nóng và làm nguội thông thường hay với tốc độ lớn các chuyển biến pha kể trên sẽ xảy ra ở nhiệt độ khác nhau, khi nung nóng cao chuyển biến pha sẽ xảy ra cao hơn khi làm nguội tốc độ thay đổi nhiệt càng cao sự sai khác càng lớn

Để phân biệt nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng được thêm chữ C (chauffage : nung

2.2.1 Khái niệm về thép cacbon

Thép cacbon là hợp kim của Fe – C vời hàm lượng C nhỏ hơn 2,14% Ngoài ra trong thép C còn chứa một lượng tạp chất như: Si, Mn, P, S

2.2.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép

Thép là hợp kim của 2 nguyên tố Fe + C nhưng thực tế do việc nấu luyện, người ta phải cho thêm frosilic và fromangan vào thép để khử xỉ

Nên trong thành phần của thép bao giờ cũng có một lượng nhất định Mn, Si, các tạp chất có hại là P, S, cũng không thể khử bỏ được hoàn toàn

Như vậy ngoài C là nguyên tố chủ yếu có trong thép, bất kỳ loại thép nào cũng chứa một lượng nhất định các nguyên tố sau Mn < 0,8%, Si < 0,5%, P < 0,05%, S < 0,05%

a Ảnh hưởng của cácbon

Là nguyên tố ảnh hưởng lớn nhất trong thép cacbon

Chỉ cần thay đổi một lượng rất nhỏ cacbon trong thép cơ, lý, hoá tính của thép thay đổi rất nhiều Bởi vì tổ chức thép cacbon là hỗn hợp của 2 pha ferit và xêmentit II

Trong đó ferit là pha mền dẻo còn xêmentit là pha cứng giòn, lượng cacbon càng tăng thì lượng xêmentit trong thép cũng tăng lên, nó cản trở sự di trượt của ferit và do đó độ bền

và độ cứng của thép tăng lên nhưng độ dẻo dai lại giảm xuống

Sự thay đổi hàm lượng C đồng thời làm thay đổi cả tính công nghệ, tính đúc, tính hàn

và tính rèn dập

Giới hạn bền của thép đạt cao nhất ứng với thành phần cacbon (0,8 -1) %

Bởi vậy người ta không dùng thép cacbon với thành phần cacabon không quá 1,4%

vì như thế thép quá giòn

b Ảnh hưởng của Si, Mn:

Si, Mn là những tạp chất có lợi

Khi hàm lượng của chúng thích hợp (Mn  0,75% và Si  0,35%) có khả năng khử ôxi khỏi các ôxit sắt làm tăng độ bền, độ cứng của thép

Nhưng không nên cho nhiều tạp chất loại này vì nó ảnh hưởng có hại đến một số tính chất công nghệ như gia công cắt gọt, nhiệt luyện…

c Ảnh hưởng của S, P

Lưu huỳnh và phốt pho là tạp chất đặc biệt có hại cho thép cacbon

Nguyên tố S sẽ làm cho thép bị giòn nóng Ơ nhiệt độ cao, những tạp chất chứa lưu huỳnh sẽ mềm ra gây ảnh hưởng lớn đến liên kết bền vững của thép, người ta gọi là giòn nóng

Ngược lại phôtpho lại làm thép bị phá huỷ ở trạng thái nguội và gọi là giòn nguội Vì thế cần hạn chế S, P dưới mức 0,03%

Lưu huỳnh, phôtpho đôi khi cũng có lợi trong trường hợp cần tăng độ giòn để dễ gia công cắt gọt trên các máy tự động Thép này là thép tự động có thành phần 0,15% P và 0,3% S

d Ảnh hưởng của các chất khí

Ngoài các nguyên tố C, Si, Mn, P, S, trong thép còn có N2, O2 là các tạp chất có hại

vì làm thép giòn cứng

Riêng N tác dụng tốt một phần làm nhỏ hạt Nhưng chỉ có trong thép rất ít

Thép các bon là vật liệu sử dụng rộng rãi nhờ giá thành không cao Tuỳ theo hàm lượng cacbon mà chúng được sử dụng với những mục đích khác nhau

Đánh giá chung thì thép cacbon có cơ tính tổng hợp không cao, chỉ dùng làm các chi tiết máy chịu tải trọng nhỏ và vừa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp

2.2.3 Phân loại thép cacbon

a Theo tổ chức tế vi thép cacbon được phân loại theo:

Thép trước cùng tích với tổ chức Ferit + peclit với thành phần C < 0,8%

Thép cùng tích có tổ chức là peclit với thành phần C = 0,8%

Thép sau cùng tích có tổ chức là peclit và xementit với thành phần C > 0,8%

b Theo hàm lượng cacbon thường dùng

Thép cacbon thấp C < 0,25%

Thép cacbon trung bình C = 0,25- 0,5%

Thép cacbon cao C > 0,5%

c Theo phương pháp luyện kim

Thép luyện trong lò chuyển thường có chất lượng không cao, hàm lượng các nguyên

Thép luyện trong lò Máctanh có chất lượng cao hơn trong lò chuyển

Thép luyện trong lò điện có chất lượng cao hơn nhiều, khử hết tạp chất tới mức thấp nhất

và nhóm C đặc trưng bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hoá học

Các nhóm B và C có cùng kí hiệu trên cơ sở nhóm A nhưng thêm vào phía trước chữ cái B, C để phân biệt Ví dụ: CT31, BCT31, CCT31

Sự phân nhóm giúp ta chọn lựa thép này để sử dụng hợp lý Ví dụ, khi cần biết cơ tính ta sử dụng nhóm A, khi cần tính toán về hàn, nhiệt luyện sử dụng nhóm B hay C Thép cacbon thông dụng có cơ tính không cao, chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải trọng nhỏ Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông

b Thép cacbon kết cấu

Theo TCVN 1765-75 quy định ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C ghi chỉ số chỉ hàm lượng cacbon của thép tính theo phần vạn như: C08, C10, C15, C20, … C85

Ví dụ: C45 – chữ C là kí hiệu của thép cacbon, 45 chỉ hàm lượng cacbon trung bình

là 0,45%C

Thép cacbon kết cấu là loại thép có hàm lượng tạp chất S, P rất nhỏ, tính năng lý hoá tốt, hàm lượng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng

Thép cacbon kết cấu dùng trong chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao hơn, vật liệu

loại này thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm

c Thép cacbon dụng cụ

Theo TCVN 1765-75 quy định ký hiệu thép cacbon dụng cụ ký hiệu: CD70, CD80, CD80A, CD90… CD130

Ví dụ: CD80A (ký hiệu của Liên xô cũ là Y8A) CD chỉ thép cacbon dụng cụ, 80 chỉ hàm lượng cacbon là 0,8%, chữ A biểu thị thép có chất lượng tốt

Thép cacbon dụng cụ là loại thép có hàm lượng cacbon cao (0,7-1,3%C), có hàm lượng P, S thấp (< 0,025%) Thép cacbon dụng cụ tuy có độ cứng cao khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như: đục, Giũa hay các loại khuôn, các chi tiết cần độ cứng

2.3 GANG

2.3.1 Khái niệm về gang

Gang là hợp kim Fe - C, hàm lượng C lớn hơn 2,14% nhưng cao nhất cũng nhỏ hơn 6,67%C Cũng như thép trong gang chứa tạp chất Si, Mn, S, P và các nguyên tố khác

Do có hàm lượng C cao hơn nên tổ chức của gang ở nhiệt độ thường cũng như ở nhiệt

độ cao hơn đều tồn tại lượng xementit cao Đặc tính chung của gang là cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc

2.3.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của gang

a Cácbon (C):

Nguyên tố này tạo ra cùng với sắt các tổ chức trong gang

Các bon càng nhiều graphit hoá càng mạnh, nhiệt độ chảy càng giảm (nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn của gang thấp nhất khi C = 4,43% ở 11470C làm tính đúc càng tốt) Nhưng tăng hàm lượng C sẽ làm giảm độ bền, tăng độ giòn Vì vậy trong gang xám, hàm lượng cacbon giới hạn từ 2,8 - 3,5%

b Siclic (Si):

Cùng với cacbon, nguyên tố Si thúc đẩy sự graphit hoá, nghĩa là phân huỷ Fe3C thành

Fe và cacbon tự do khi kết tinh Lượng Si thay đổi trong gang ở giới hạn từ 1,5 - 3%

c Mangan (Mn):

Ngược lại với Si, Mn là nguyên tố cản trở sự graphit hóa nhằm tạo ra Fe3C của gang trắng Bởi vậy gang trắng thường chứa từ (2 - 2,5) % Mn, trong gang xám lượng Mn không quá 1,3%

d Phốt pho (P):

Phốt pho là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang

được sử dụng để đúc các tượng, các chi tiết để trang trí mỹ thuật và trong trường hợp vật đúc mỏng, thành phần phốt pho trong các chi tiết quan trọng không được quá 0,1% còn trong các chi tiết không quan trọng có thể tới 1,2%

e Lưu huỳnh (S):

Là một nguyên tố có hại trong gang nó làm giảm tính đúc và cơ tính của gang, lưu huỳnh làm giảm độ bền làm cho gang giòn

Do đó thành phần lưu huỳnh trong gang không quá 0,15%

Yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến cấu trúc tinh thể của gang là điều kiện đông đặc và làm nguội của vật đúc

Tốc độ làm nguội nhanh thì ta được gang trắng làm nguội chậm thì ta được gang xám Trong thực tế tốc độ làm nguội phụ thuộc vào loại khuôn đúc (khuôn cát hoặc khuôn kim loại) và chiều dày của vật đúc

2.3.3 Phân loại gang Gang được phân loại theo:

a Giản đồ trạng thái: chia gang ra 3 loại

Gang trước cùng tinh (C < 4,43%) chứa tổ chức peclit, xementit và lêđêburit

Gang cùng tinh (C = 4,43%) chỉ có tổ chức lêđêburit

Gang sau cùng tinh (C > 4,3%) tồn tại hai tổ chức xementit và lêđêburit

b Tổ chức và cấu tạo: người ta chia ra:

Ký hiệu: gang trắng không có ký hiệu riêng

Tính chất: Do các bon ở dạng xêmentit, nên gang trắng rất cứng và giòn, tính cắt gọt

kém Do gang trắng rất cứng nên không thiể gia công cơ khí, mà chỉ sử dụng chi tiết gang trắng ở dạng vật đúc

Gang trắng chỉ hình thành khi hàm lượng C, Mn thích hợp và với điều kiện nguội nhanh ở các vật đúc thành mỏng, nhỏ

Công dụng: Do gang trắng rất cứng nên nó được làm các chi tiết yêu cầu có độ cứng cao, làm việc trong đều kiện chịu mài mòn như các bi nghiền ở trong các máy nghiền, quả

lô ở trong máy xát gạo, mép lưỡi cày, vành bánh xe, trục cán

b Gang xám

Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng tự do (graphit) và mặt gãy có màu xám

Tổ chức tế vi của gang xám gồm nền cơ cở (pherit, pherit - peclit, peclit) và graphit dạng tấm

Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào tổ chức nền, số lượng và hình dáng của graphit

Độ bền của nền tăng từ nền pherit đến nền peclit

Gang xám có độ bền nén cao, chịu mài mòn tốt, tính đúc tốt, có góp phần làm giảm rung động, nên được dùng nhiều để đúc các chi tiết cơ bản, lớn, phức tạp như: thân máy,

bệ máy, vỏ động cơ, hộp tốc độ trong thực tế người ta thường biến tính gang xám để cải thiện cơ tính

Thành phần hoá học trong gang xám thường gồm: C (2,8 - 3,5) %, Si (1,5 - 3)%,