Bài giảng vật liệu học - Vật liệu cơ khí ( combo full slide 7 chương )

Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại Chương 3: Thép và nhiệt luyện thép Chương 4: Gang graphite thông dụng Chương 5: Kim loại và hợp kim màu Chương 6: Chất dẻo Chương 7: Vật liệu composite

Trang 1

VẬT LIỆU HỌC

http://

www.sciencedirect.com/ http://link.springer.com/

Trang 2

Nội dung

• Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

• Chương 2: Lý thuyết chung về

vật liệu kim loại

• Chương 3: Thép và nhiệt luyện thép

• Chương 4: Gang graphite thông dụng

• Chương 5: Kim loại và hợp kim màu

• Chương 6: Chất dẻo

• Chương 7: Vật liệu composite

Trang 3

Nội dung

• Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

• Chương 2: Lý thuyết chung về

vật liệu kim loại

• Chương 3: Thép và nhiệt luyện thép

• Chương 4: Gang graphite thông dụng

• Chương 5: Kim loại và hợp kim màu

• Chương 6: Chất dẻo

• Chương 7: Vật liệu composite

Trang 4

theo tiêu chuẩn các loại

vật liệu kim loại, chất dẻo,

Trang 5

4 Chọn thép và xác định quy trình nhiệt luyện để chế tạo một trong các chi tiết sau:

5 Chọn gang graphite thích hợp để chế tạo các chi tiết sau:

6 Thành phần hỗn hợp chất dẻo và quy trình chế tạo sản phẩm: chai đựng nước, bồn chứa nước, vỏ nhựa bút bi, thùng chứa chai nước ngọt,…

7 Thành phần hỗn hợp chất dẻo và quy trình chế tạo sản phẩm: bánh răng nhỏ số vòng quay đến 3000 v/ph, ống nhựa chịu nhiệt,…

Trang 6

Tiểu luận

1 Quá trình kết tinh của các hợp kim Fe – C, 0.4% C, 0.8% C,

và 1.2% C khi làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó

2 Quá trình kết tinh của hợp kim Fe – C cân bằng giả ổn định,

3.0% C, 4.3%C, và 5.0% C khi làm nguội đủ nhanh Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính chất của các hợp kim đó

3 Quá trình khuếch tán trong vật liệu kim loại, các định luật

khuếch tán (Fick 1 và Fick 2)

4 Dựa trên các định luật khuếch tán, xác định quan hệ giữa

thời gian thấm C, nhiệt độ thấm, và chiều dày lớp thấm C cho chi tiết

5 Quá trình hóa già hợp kim Al – Cu

6 Khuôn tạo hình chất dẻo

7 Hệ thống thủy lực trong máy phun ép

Trang 10

I Phân loại vật liệu

II Khái quát về kim loại

IV Cấu trúc của kim loại

1 Các sai hỏng trong mạng tinh thể

2 Đơn tinh thể và đa tinh thể

Trang 11

I Phân loại vật liệu

Trang 13

3 Khó hoặc hầu như không tương tác hóa học

4 Dễ bị ăn mòn hóa học, điện hóa, oxy hóa

5 Trọng lượng riêng cao

6 Trọng lượng riêng rất thấp

7 Lượng dư gia công ít

8 Lượng dư gia công nhiều

9 Tự xác định thành phần theo yêu cầu

10 Thành phần hóa học cho trước hoặc có sẵn

11 Độ bền riêng tính theo kích thước của chi tiết chịu

lực

12 Độ bền riêng tính theo trọng lượng

B

Chất dẻo và composite

Trang 14

1 Kim loại

• Dựa trên tính chất

Có màu sắc đặc trưng Dẻo, dễ biến dạng: uốn, gập, dát mỏng Dẫn điện và nhiệt tốt

Có điện trở dương

• Dựa trên cấu tạo ngtử

Trang 15

2 Liên kết kim loại

• Các nguyên tử ràng buộc với nhau bởi liên kết kim loại (lực hút tĩnh điện cân bằng về mọi phía giữa Ion+ và các điện tử tự do bao quanh)

Trang 16

3 Tính chất ( Tính kim loại )

• Ánh kim hay vẻ sáng

• Dẫn nhiệt và dẫn điện cao

• Tính dẻo cao

Trang 17

III Mạng tinh thể của kim loại

1 Các khái niệm

Trang 18

Tất cả kim loại và

hợp kim

Thuỷ tinh, chất dẻo,

cao su…

Trang 19

1 Các khái niệm

Mạng tinh thể

Là một mô hình không gian mô tả sự sắp xếp của

các chất điểm cấu tạo nên vật tinh thể

Tinh thể muối ăn

Trang 20

1 Các khái niệm

- Là mặt phẳng đi qua một số các chất điểm trong mạng tinh thể

- Các mặt tinh thể song song nhau thì có tính chất giống nhau

Trang 21

1 Các khái niệm

- Là thành phần nhỏ nhất đặc trưng cho mạng tinh thể

- Nếu sắp xếp các khối cơ bản liên tục theo ba chiều không gian sẽ nhận được toàn bộ mạng tinh thể

Khối cơ bản (khối cơ sở)

• Thông số mạng

- a, b, c

-  [ ,  ,  o (Radian)]

Trang 22

Điểm trống

Trang 24

Lập phương diện tâm

Lập phương thể

tâm

% 68



V nv

M v

Trang 26

2 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

a Mạng lập phương thể tâm

• Cr, W, Mo, V…

• Số lượng nguyên tử trong một khối:

(nguyên tử)

• Mật độ khối: tổng V của các ngtử trên một đơn vị thể tích

n: số nguyên tử thuộc một khối v: thể tích nguyên tử

V: thể tích khối cơ sở

% 68

8 8

Trang 27

a Mạng lập phương thể tâm

- Nằm ở 1/4 đường thẳng nối điểm giữa hai

cạnh bên đối diện trên cùng một mặt bên

- dtr = 0.221d

d: đường kính nguyên tử kim loại

* Điểm trống khối 4 mặt

* Điểm trống khối 8 mặt

- Nằm ở tâm các mặt bên và ở giữa các cạnh bên

- dtr = 0.154d (d: đường kính ngtử kim loại)

Trang 28

b Mạng lập phương diện tâm

• Ni, Al, Cu…

1 8



V nv

M v

Trang 29

b Mạng lập phương diện tâm

Trang 30

c Mạng lục giác xếp chặt

• Zn, Cd, Mg, Ti…

• Ô cơ sở có các nguyên tử nằm ở các đỉnh,

tâm các mặt đáy và tâm của 3 hình lăng trụ

tam giác xen kẽ nhau

n = 6 (nguyên tử)

• Thông số đặc trưng: a cạnh đáy

c chiều cao lăng trụ

• Khi c/a = 1.633 thì mạng được coi là xếp

chặt

Trang 31

d Mạng chính phương thể tâm

• Các kim loại thường không có kiểu mạng này Nó là mạng tinh thể của tổ chức mactenxit

• Mạng chính phương thể tâm có hai thông số là: a và c

• Tỷ số c/a gọi là độ chính phương

Trang 33

• Lập phương đơn giản (khối cơ bản)

• Lập phương thể tâm (khối cơ bản)

• Lập phương diện tâm (khối cơ bản)

Trang 34

Trang 35

1 Các sai lệch trong mạng tinh thể

a Sai lệch điểm

• Là sai lệch có kích thước nhỏ (chỉ vài ba thông số mạng) theo cả ba phương đo, có dạng bao quanh một điểm

Trang 36

Trang 37

b1 Lệch biên

b Sai lệch đường

• Trong mạng tinh thể hoàn chỉnh có thêm bán mặt thừa ABCD,

sẽ làm cho các nguyên tử ở vùng biên bán mặt, tức là xung quanh trục AD bị xô lệch, gây nên lệch biên

• Lệch biên có tác dụng rất lớn đến quá trình trượt

Trang 38

b2 Lệch xoắn

b Sai lệch đường

• Trong tinh thể hoàn chỉnh được cắt bằng bán mặt ABCD rồi dịch chuyển phần tinh thể hai bên bán mặt này ngược chiều nhau một thông số mạng tạo nên lệch xoắn

• Lệch xoắn dùng để giải thích quá trình kết tinh lại của kim loại kết tinh

Trang 39

c Sai lệch mặt

• Là sai lệch có kích thước lớn theo hai

chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba

• Điển hình của sai lệch mặt là biên giới hạt

và siêu hạt , bề mặt tinh thể

Trang 40

a Đơn tinh thể

• Trong một khối tinh thể:

– theo một phương bất kỳ phương mạng không đổi hướng

Trang 41

b Đa tinh thể

• Là cấu trúc thực tế của kim loại

• Đơn tinh thể: hạt

Đa tinh thể: đa hạt

- Phương mạng trong từng đơn tinh thể thì song song nhau, nhưng giữa các đơn tinh thể thì lệch nhau một góc bất kỳ

- Tính đẳng hướng

- Vùng biên giới hạt các nguyên tử sắp xếp không trật

tự, nhiệt độ nóng chảy thấp và chứa nhiều tạp chất



Trang 42

Các phương pháp nghiên cứu tổ chức tế vi

Trang 45

Confocal microscopy image of the wear track on T60 and

T30 coatings

Trang 46

TEM

Trang 48

THIẾT BỊ NHIỄU XẠ TIA X – D5000 - GHI GIẢN ĐỒ NHIỄU XẠ, PHÂN TÍCH

PHA VÀ CẤU TRÚC TINH THỂ

Trang 50

Giản đồ trạng thái

Trang 51

IV Giản đồ trạng thái Fe-C





%85

( 8

.

0  120N/mm

σ

Trang 52

1 Fe và C

b Cacbon

• Vô định hình : mọi loại than gỗ, than khoáng sản, được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu và một phần làm nguyên liệu

• Graphit: có kiểu mạng lục giác xếp lớp; thông số mạng

a=2.5 , c/a=2.74

+ Lực liên kết hoá trị trong mỗi lớp khá lớn, còn giữa các lớp là lực hút phân tử Vanderwaal rất yếu

+ rất thấp, coi như không có độ bền

+ Hệ số ma sát bé cho nên khả năng chống mài mòn

tốt (còn gọi là chất bôi trơn khô)

2 /

Trang 53

Các kiểu thù hình của cacbon

Trang 54

1 Fe và C

c Tương tác giữa Fe-C Tạo dung dịch rắn

• Ferit: Dung dịch rắn xen kẽ của C trong

• Auxtenit: Dung dịch rắn xen kẽ của C trong

Tạo Xêmentit (Fe3C)

auxtenit  

Trang 55

2 Giản đồ trạng thái Fe-C

a Dạng giản đồ

Trang 56

Trang 57

b Giải thích giản đồ

• Các đường:

ACD đường lỏng

AECF đường rắn (đường đặc)

ECF =1147 0 C đường cùng tinh

điểm C (4.3%, 1147 0 C): điểm cùng tinh PSK =727 0 C đường cùng tích

điểm S (0.8%, 727 0 C): điểm cùng tích

GS đường bắt đầu từ khi nguội

đường kết thúc từ khi nung nóng

ES đường giới hạn của C trong

PQ đường giới hạn hòa tan của C trong

Trang 58



Trang 59

Fe ( )   



Fe

Trang 60

• Các tổ chức một pha:

Auxtenit :

- Là dung dịch rắn xen kẽ C trong

- Mạng lập phương diện tâm

Fe

Trang 61

• Các tổ chức một pha:

Xementit : (ký hiệu Xe, Fe3C)

- Là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp

- %C = 6.67%

- Có tính sắt từ chỉ đến 210 o C

- Rất cứng nên chống mài mòn tốt nhưng rất giòn

+ XeI được tạo thành do giảm nồng C trong hợp kim lỏng ứng với đường DC khi hạ nhiệt độ Nó chỉ tồn tại ở hợp kim 4.3%<

%C<6.67%

+ XeII được tạo thành do giảm %C trong auxtennit, ứng với

đường ES khi hạ nhiệt độ Tồn tại ở hợp kim 0.8%<%C<2.14% + XeIII tạo thành do giảm %C trong Ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, số lượng rất ít

Trang 62

• Các tổ chức hai pha:

Peclit : ký hiệu P= [F+Fe3C] = [F+Xe]

- Là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xementit được tạo thành từ auxtennit 0.8%C, ở 727 0 C

+ Peclit tấm thường gặp hơn, có cấu trúc là F và Xe nằm đan xen vào nhau

+ Peclit hạt ít gặp hơn, có cấu trúc xementit ở dạng thu gọn nhất

Peclit tấm có độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút

Trang 63

• Các tổ chức hai pha:

Lêđêburit: ký hiệu Le, hay (P+Xe) hay

- Là hỗn hợp cơ học cùng tinh, tạo thành từ pha lỏng có 4.3%C, ở 1147oC

- Có tính cứng và giòn Tổ chức chỉ có trong gang trắng

+ LeI là hỗn hợp cơ học cùng tinh của

Trang 65

c Các điểm tới hạn trong GĐTT Fe-C

• Khi nung nóng và làm nguội rất chậm

• Giản đồ trạng thái Fe-C được xây dựng bằng thực nghiệm, xây dựng trong điều kiện nung nóng và làm nguội chậm

Trang 66

Fe-IV Giản đồ trạng thái Fe-C

• Khi nung nóng thực tế (có thêm chữ “c”)

• Nhiệt độ luôn cao hơn nhiệt độ tới hạn

Trong đó Gọi là độ quá nung

• Độ quá nung phụ thuộc vào tốc độ nung

• Tốc độ nung càng lớn, độ quá nung càng lớn

1 1

A   

3 3

c A T

ccm cm

Trang 67

• Khi làm nguội thực tế (có thêm chữ “r”)

• Nhiệt độ luôn thấp hơn nhiệt độ tới hạn

Trong đó Gọi là độ quá nguội

Độ quá nguội phụ thuộc vào tốc độ nguội

• Tốc độ nguội càng lớn, độ quá nguội càng lớn

1 1

1 A r T r

A   

3 3

3 A r T r

A   

rcm rcm

rcm r

 1; 3;

Trang 68

A portion of Fe-Fe3C phase diagram showing schematic representations of microstructure for hypoeutectoid

composition asitis heated

Trang 69

http://www.calphad.com/ phase_diagrams.html

Trang 71

3 Hợp kim Fe-C

a Thép

Là hợp kim của Fe-C mà nồng độ 0.02% <C <2.14%

- Thép trước cùng tích: C <0.8%, bên trái điểm S, có

tổ chức là là ferit (sáng) +peclit (tối)

- Thép cùng tích : 0.8%C tại điểm S, có tổ chức peclit

- Thép sau cùng tích : ở bên phải điểm S

Có tổ chức (P+XeII), XeII có thể ở dạng lưới hoặc dạng hạt

C

%8.0



Trang 72

3 Hợp kim Fe-C

b Gang trắng

• Là hợp kim của Fe-C mà nồng độ 2.14% <C

<6.67%

• Gang trắng rất ít được sử dụng vì quá giòn

- Gang trắng trước cùng tinh : %C <4.3%C ở bên trái điểm C, có tổ chức P +XeII +LeII

- Gang trắng cùng tinh : %C = 4.3%, 100% là LeII

- Gang trắng sau cùng tinh : >4.3%C, ở bên phải điểm

C Có cấu trúc LeII +XeI

Trang 73

làm nguội

- Các tổ chức khi nhiệt luyện tôi, ram, ủ và thường hoá

Trang 74

lỏng, nêu rõ: đồ thị quá trình kết tinh, các pha của hợp kim ở nhiệt

độ thường, và tính chất của hợp kim ở trạng thái cân bằng

4 Chọn thép và xác định quy trình nhiệt luyện để chế tạo một trong các chi tiết sau:

5 Chọn gang graphite thích hợp để chế tạo các chi tiết sau:

6 Thành phần hỗn hợp chất dẻo và quy trình chế tạo sản phẩm: chai đựng nước, bồn chứa nước, vỏ nhựa bút bi, thùng chứa chai nước ngọt,…

7 Thành phần hỗn hợp chất dẻo và quy trình chế tạo sản phẩm: bánh răng nhỏ số vòng quay đến 3000 v/ph, ống nhựa chịu nhiệt,…

Chốt piston Trục cam Bánh răng dẫn trong hộp số

Trục giữa xe đạp Đĩa xích truyền động xe gắn

máy Đĩa líp xe đạp Trục sau xe đạp

Trang 75

II Nhiệt luyện thép

Trang 76

Trang 78

1 Nhiệt luyện

b Phân loại

• Theo trình tự trong QTCN chế tạo:

- Nhiệt luyện sơ bộ : chuẩn bị phôi với

cơ tính phù hợp cho các nguyên công tiếp theo trong quy trình.

- Nhiệt luyện kết thúc : hoàn thiện sản phẩm với cơ tính đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết.

• Theo công nghệ xử lý:

- Nhiệt luyện thể tích

- Nhiệt luyện bề mặt

- Hóa nhiệt luyện

- Cơ nhiệt luyện

Ủ Thường hóa

Tôi Ram

Trang 79

2 Các phương pháp nhiệt luyện thép

Ủ thép

Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng

thép hoặc chi tiết đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt một thời gian và làm nguội chậm (với tốc độ nguội

Trang 80

• Thép có <0.35%C: không ủ, chỉ thường hóa

• Thép có ≥0.35%C: chọn thường hóa thay cho ủ

giảm chi phí và thời gian (chất lượng không

Trang 81

2 Các pp nhiệt luyện thép

Tôi thép

• Thép TCT và cùng tích ( tôi hoàn toàn):

• Thép SCT ( tôi không hoàn toàn )

Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng thép đến nhiệt độ tôi thích hợp, giữ nhiệt và làm nguội

nhanh để có chuyển biến Auxtenit thành Mactenxit

ttôi =Ac3+ (30~50)oC

ttôi =Ac1+ (30~50)oC

 tăng độ bền, tăng khả năng chịu tải

làm tăng độ cứng

tăng khả năng chống mài mòn (>0.35~0.4%C)

Trang 82

2 Các phương pháp nhiệt luyện thép Ram thép (bắt buộc th/hiện sau khi

tôi)

• Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi tiết hoặc thép đã tôi tới nhiệt độ < A1, giữ nhiệt và làm nguội bằng không khí

 khử ứng suất phát sinh trong quá trình tôi thép

 ổn định kích thước cho chi tiết

 đạt được cấu trúc và tính chất theo yêu cầu

Trang 83

Khử ứng suất dư của vật đúc

hay chi tiết qua gia công áp lực

t

t 

Trang 84

a Ủ thép

• a2 Ủ có chuyển biến pha :

(t o

ủ >A1)

- Ủ hoàn toàn : Nung nóng thép

TCT đến trạng thái hoàn toàn

Auxtenit, giữ nhiệt và làm nguội

cùng lò

Áp dụng với thép có

0.35~0.55%C

Chất lượng nhiệt luyện cao,

nhưng thời gian dài, chi phí cao

tnung=Ac3 + (20~30)oC

Trang 85

a Ủ thép

- Ủ đẳng nhiệt:

Nung nóng, giữ nhiệt tương tự ủ hoàn toàn, sau

đó chi tiết được đưa vào môi trường có nhiệt độ không đổi để cân bằng nhiệt, sau đó làm nguội

bằng không khí

+Chất lượng không bằng ủ hoàn toàn

+Thời gian và chi phí thấp

- Ủ không hoàn toàn:

Áp dụng với thép ≥0.8%C (thép cùng tích và thép SCT)

Cấu trúc sau khi ủ là P tấm (220~230 HB)

tnung = Ac1 = 780oC

Tiêu đề	Vật Liệu Cơ Khí
Chuyên ngành	Vật Liệu Học

Định dạng
Số trang	223
Dung lượng	46,11 MB