Chương II: Vật liệu kim loại dùng trong cơ khí potx

2.1.2 Lý tính• Là tính chất vật lý của kim loại thể hiện qua hiện tượng vật lý khi thành phần hoá học của kim loại đó không bị thay đổi.. Mô hình sắp xếp các nguyên tử của kim loại • Nhi

Chương II

Vật liệu kim loại dùng trong

cơ khí

a Độ bền là khả năng của vật liệu chịu tác

dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ Độ bền còn gọi là giới hạn bền.

Ký hiệu: bằng chữ σ (xich ma).

Các loại độ bền:

+ Độ bền kéo (σk)

+ Độ bền nén (σn)

+ Độ bền uốn (σu)

Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo khi tác dụng ngoại lực P (N) lên thanh kim loại có diện tích tiết diện ngang F (mm2)

Giá trị độ bền được tính theo công thức:

b Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén

Cùng một giá trị lực nén biến dạng trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng càng kém

Sơ đồ đo độ cứng:

HB được tính theo công thức:

P: tải trọng (kG)F: diện tích mặt cầu vết lõm (mm2)Đơn vị của độ cứng Brinen HB là kG/mm2

Tuỳ theo chiều dày của mẫu thử mà chọn đường kính viên bi thử D=10 mm, D=5mm, D=2,5mm

F P

HB =

Tuỳ theo tính chất của vật liệu mà chọn tải trọng P cho thích hợp:

- Đối với thép và gang: P = 30D2

- Nhôm, babit và các hợp kim mềm khác;

P = 2,5D2

Độ cứng HB dùng đo vật liệu có độ cứng thấp (< 450 kG/mm2) như gang, thép chưa tôi, đồng, nhôm V.v…

Độ cứng Rôcoen

(đo theo phương pháp Rôcoen)

•Ký hiệu HRA, HRB, HRC tương ứng với 3 thang đo A, B, C:

Nội dung phương pháp:

•Tải trọng P

•Bi thép tôi cứng có đường kính 1/16”

(1,587 mm) cho thang đo B Đo vật ít cứng

•mũi hình côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang A hoặc C) dùng thử vật liệu có độ cứng cao như thép đã qua nhiệt luyện

Sơ đồ và máy đo đo độ cứng Rocoen

Độ cứng Rôcoen HRC dùng để đo độ cứng cao (> 450 kG/ mm2)

Độ cứng Víchke phương pháp đo Vicke

Dùng mũi kim cương hình chóp đáy vuông, góc giữa hai mặt đối diện 1360 ấn lên bề mặt mẫu thử với tải trọng P từ 5 ÷

120 kG (5; 10; 20; 30; 50; 100; 120)

Sơ đồ đo độ cứng Vicke:

Độ cứng Vicke ký hiệu HV (kG/mm2) trong đó:

P: tải trọng (kG); d: đường chéo của vết lõm

Phương pháp đo độ cứng Vicke có thể

đo cho cả vật liệu mềm và vật liệu có lớp

bề mặt cứng mỏng sau khi đã thấm than, thấm nitơ, nhiệt luyện v.v…

Độ dãn dài tương đối ( δ %)

• Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng dãn dài sau khi kéo l1 và chiều dài ban đầu l0 ; Ký hiệu: δ %

δ

A: công sinh ra khi va đập làm gẫy mẫu(J)

F: diện tích tiết diện mẫu (mm2)

F A

ak =

Sơ đồ đo ak

2.1.2 Lý tính

• Là tính chất vật lý của kim loại thể hiện qua hiện tượng vật lý khi thành phần hoá học của kim loại đó không bị thay đổi

• Lý tính của kim loại thể hiện qua: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn

nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện, từ tính

2.1.3 Hoá tính

Là tính chất hoá học của kim loại thể hiện qua khả năng chống lại tác dụng hoá học của môi trường như tính chịu ăn mòn, chịu

2.1.4 Tính công nghệ

Khả năngcủa kim loại và hợp kim cho phép gia công nóng hay nguội dễ hay khó.Tính công nghệ gồm các tính sau:

a.Tính đúc (tính công nghệ đúc của vật liệu) là khả năng của kim loại dễ hay khó đúc bao gồm tính chảy loãng, tính thiên tích, độ co, tính hoà tan khí

b.Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà kim loại không bị phá huỷ

b.Tính hàn là khả năng của vật liệu

có thể hàn được

c.Tính gia công cắt gọt là khả năng vật liệu gia công cắt gọt dễ hay khó như: cắt, cưa, dũa, tiện, phay, bào, mài, khoan, doa v.v…

d.Tính thấm tôi là chiều dày lớp kim loại được tôi cứng.

2.2 Cấu tạo và sự kết tinh

của kim loại 2.2.1 Cấu tạo của kim loại

nguyên chất

Kim loại có cấu tạo tinh thể

• Các nguyên tử kim loại sắp xếp theo một quy luật nhất định

• Mỗi đơn tinh thể đặc trưng cho kim loại

đó có các nguyên tử sắp xếp theo trật tự riêng dưới dạng hình học xác định

• Dùng mô hình mạng tinh thể còn được gọi là mạng không gian để biểu diễn quy luật sắp xếp các nguyên tử

Mô hình sắp xếp các nguyên tử của kim loại

• Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian

• Trong mạng tinh thể nút mạng là tâm của các nguyên tử

• Mạng tinh thể như trên được gọi là mạng đơn tinh thể

• Mỗi mạng tinh thể có đặc trưng riêng

• Đặc điểm của cấu trúc tinh thể là sự sắp xếp tuần hoàn các ô cơ sở đây là phần không gian nhỏ nhất của mạng

• Đặc trưng cho ô cơ sở là thông số mạng:

+ Khoảng cách các nguyên tử theo các

phương trục x,y, x là a, b, c được đo bằng A o

Ô tinh thể cơ bản

Các kiểu mạng thường gặp

Lập phương diện tâm

(hay lập phương tâm diện)

Lập phương thể tâm

(lập phương tâm khối)

Lục phương dày đặc

(lục giác xếp chặt)

Do có tương quan giữa các thông số cạnh và góc của ô cơ bản nên có thêm các dạng ô khác:

• Ô chính phương đơn giản:

2.2.2 Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại

Ở trạng thái rắn khi điều kiện bên ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ v.v…) trật tự sắp xếp các nguyên tử trong ô cơ bản thay đổi tức là ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trị thay đổi Hiện tượng này được gọi là tính thù hình

Nhiệt độ có sự chuyển biến thù hình được gọi là nhiệt độ chuyển biến thù hình

Ví dụ: nguyên tố Fe; nguyên tố các bon v.v…

• Tính thù hình là một thuộc tính tự nhiên của nhiều kim loại: Fe; Mn; Co; Ti; Sn v.v…

• Khi kim loại chuyển từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác thường có kèm theo sự thay đổi nhiều tính chất của

nó như độ hoà tan, thể tích riêng …

• Chuyển biến thù hình có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong thực tế sản xuất

Ví dụ: Fe, Sn

b.Quá trình kết tinh :

Kim loại nguyên chất kết tinh theo một quá trình gồm hai bước liên tiếp:

• Xuất hiện trung tâm kết tinh(tâm mầm)

Tâm mầm có loại tự sinh

Loại tâm mầm có sẵn

• Phát triển tâm mầm để tạo thành hạt

Các tâm mầm phát sinh làm cho pha lỏng giảm dần cho đến khi kim loại lỏng hoàn toàn hoá rắn (phát triển tâm mầm thành tinh thể

Quá trình kết tinh của kim loại

• Số lượng tâm mầm: phụ thuộc vào vận tốc nguội, nguội nhanh nhiều nguội chậm ít.

• Tinh giới: ranh giới giữa các đơn tinh thể

• Tại tinh giới của đơn tinh thể chứa tạp chất và có mạng bị xô lệch

Đường nguội

• Đường biểu diễn mối quan hệ quá trình kết tinh theo thời gian

• Đường nguội có dạng như sau:

• Đối với mỗi kim loại có một giá

trị nhiệt độ kết tinh xác định

2.3 Khái niệm cơ bản

về hợp kim 2.3.1 Cấu tạo và các tổ chức

của hợp kim

2.3.1.1 Khái niệm về hợp kim

• Hợp kim là vật liệu trong thành phần của nó gồm hai hoặc nhiều nguyên tố, nguyên tố chính là kim loại Hợp kim mang tính chất kim loại

• Hợp kim được sử dụng phổ biến hơn kim loại nguyên chất vì hợp kim dễ chế tạo, có nhiều tính chất cơ lý hoá và tính công nghệ

ưu việt hơn so với kim loại nguyên chất

2.3.1.2 Một số khái niệm và định nghĩa về hợp kim:

• Pha: là phần đồng nhất của hợp kim có thành phần đồng nhất, ở cùng một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng mặt phân cách (nếu ở trạng thái rắn thì phải

có sự đồng nhất về cùng một kiểu mạng)

loại ở trạng thái cân bằng được gọi là hệ hợp kim

•Nguyên (cấu tử):

Nguyên là các nguyên tố hoặc các hợp chất hoá học bền vững tạo nên hợp kim

Ví dụ: hợp kim đồng chì (ba bít) dùng làm ổ trượt hợp kim này gồm hai nguyên (Pb và Cu) vì ở trạng thái rắn đồng và chì không tan lẫn trong nhau nên đây là hệ hai pha, hai nguyên

Tổ chức tế vi hợp kim Cu - Pb

2.3.1.3 Các tổ chức của hợp kim

a Dung dịch đặc (dung dịch rắn): hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng hoà tan vào nhau ở trạng thái đặc được gọi là dung dịch đặc

• Nguyên tố hoà tan gọi là chất tan

• Nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi là

dung môi

• Mạng tinh thể và tính chất của dung dịch đặc khác với nguyên thành phần

• Nguyên tử của nguyên tố hoà tan xen vào kẽ hở (lỗ hổng) của các nguyên tử của nguyên tố dung môi

• Xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn

• Trong hệ hợp kim có những nguyên tố không hoà tan vào nhau cũng không liên kết để tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, thì gọi hệ hợp kim đó là hỗn hợp cơ học

• Hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của các nguyên tố thành phần

2.3.2 Giản đồ trạng thái của hợp kim 2.3.2.1 Khái niệm chung:

• Giản đồ trạng thái (giản đồ pha) của hệ hợp kim là biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượng các pha của hệ ở trạng thái cân bằng

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

Ví dụ: đường nguội của các hợp kim chì - antimon

đồ trạng thái

Từ giản đồ trạng thái ta có thể xác định được các thông số sau:

- Các pha tồn tại

- Thành phần pha

- Nhiệt độ nóng chảy (hoặc kết tinh)

2.3.2.3 Các dạng giản đồ trạng thái của hợp kim hai nguyên điển hình

Loại I:

Giản đồ pha của hợp kim ở trạng thái lỏng hoà tan hoàn toàn tạo dung dịch rắn hoà tan vô hạn.

Loại II:

Giản đồ pha của hợp kim hai nguyên hoà tan hoàn toàn ở trạng thái lỏng, không hoà tan vào nhau ở trạng thái rắn.

Ví dụ: Pb - Cu; Pb - Sb hầu như ở trạng thái rắn không hoà tan vào nhau

Loại III:

Giản đồ pha của hợp kim hai nguyên hoà tan hoàn toàn ở trạng thái lỏng ở trạng thái đặc hoà tan có hạn.

Ví dụ: Cu - Ag; Al - Cu; Sn - Pb …

A,B : nhiệt độ kết tinh

của hai nguyên A,B.

Loại IV

Giản đồ pha của hợp kim hai nguyên tạo pha trung gian ổn định.

- Pha trung gian ổn định là pha không bị

phân hoá trước khi nóng chảy

- Có nhiệt độ nóng chảy xác định

Ví dụ:Mg - Ca pha trung gian ổn định của hợp kim này là Mg4Ca3.

Loại V:

Giản đồ pha của hợp kim hai nguyên có chuyển biến thù hình

Trong thực tế rất nhiều nguyên tố có tính thù hình, điển hình là sắt.

độ tiếp tục nguội quá trình xảy ra sẽ là:

dịch rắn α1 và α2

Giản đồ trạng thái của hợp kim Fe - C

Các đường, điểmchuyển biến trên giản đồ

P – 727 o C – 0,02%C

Q – 0 o C – 0,006%C

b Các đường, điểm chuyển biến

ACB: đường lỏng, trên đường này hợp kim một pha ở trạng thái lỏng phân biệt với trạng thái hai pha lỏng và rắn.

AECF: đường đặc ứng với các điểm bắt đầu nóng chảy hoặc đông đặc hoàn toàn, dưới đường này hợp kim ở trạng thái rắn có các tổ chức một pha và hai pha nằm trong các đường biểu diễn và đường giới hạn thành phần.

GS (A3); ES (Am); GP; PD là các đường tương ứng chuyển biến pha ở trạng thái đặc.

PSK (A1 = 727 0 C) đường chuyển biến peclit còn gọi là đường cùng tích.

S: điểm cùng tích peclit có 0,8%C ở 723 C

là sắt nguyên chất Ferit dẻo mềm và có độ bền thấp Ferit dẻo mềm và có độ cứng thấp 70 - 80 HB.

Tổ chức tế vi của Ferit:

+ Austenit (γ, O S ):

Là dung dịch rắn xen kẽ của của cacbon trong sắt γ (sắt austenit) Chỉ tồn tại ở nhiệt độ trên 727 0 C Lượng hoà tan của C tối đa là 2,14% ở nhiệt độ 1147 0 C và 0,8%C ở nhiệt

Xe giảm dần từ XeI đến XeIII.

Tổ chức tế vi thép sau cùng tích XeII (dạng lưới)

Tính chất cơ học của P tuỳ thuộc vào lượng peclit và Xe và phụ thuoc vào hình dạng của Xe (dạng hạt hoặc dạng tấm).

Tổ chức tế vi của peclit:

cứng cao, dòn.

Tổ chức tế vi của Lê:

+ Graphit

Là C ở trạng thái tự do (nguyên tử).

Trên giản đồ không có mặt graphit vì giản đồ được xây dựng theo hệ Fe - Fe3C nhưng nó tồn tại trong một số hợp kim có

C và Si hàm lượng cao tốc độ nguội chậm.

Graphit kém bền, xốp, dòn, nở thể tích khi kết tinh.

Tổ chức tế vi của Graphit (dạng tấm, dạng cầu, dạng cụm)

2.4.2.1 Thép các bon

a Khái niệm:

nhỏ hơn 2,14% Ngoài ra còn một lượng tạp chất như Si, Mn, S, P…

• Đây là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi

và là vật liệu chủ yếu của công nghiệp

• Có cơ tính đảm bảo, tính công nghệ tốt (dễ rèn, dập, cắt gọt,

nhiệt luyện …), giá thành không cao

b Phân loại và ký hiệu

- Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cácbon trên giản đồ trạng thái Fe – C

-Theo phương pháp luyện kim

• Thép luyện trong lò chuyển: thường có chất lượng không cao, hàm lượng các nguyên tố kém chính xác

• Thép luyện trong lò Mactanh: có chất lượng cao hơn trong lò chuyển

• Thép luyện trong lò điện: có chất lượng cao nhất, khử được hết tạp chất tới mức thấp nhất

loại thép sôi, thép lắng.

Là phương pháp phân loại phổ biến và có tính thực tiễn nhất, tạo điều kiện thích hợp cho việc sử dụng.

TCVN 1765 - 75 quy định phân loại thép như sau:

+ Thép cacbon thường (thép cacbon thông dụng): loại này cơ tính không cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ dùng trong ngành xây dựng, giao thông.

• Nhóm B được đặc trưng bằng thành phần hoá học

• Nhóm C đặc trưng cho cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hoá

học.

Ký hiệu nhóm B và C trên cơ sở nhóm A nhưng thêm vào trước

chữ cái B hay C để phân biệt: CT31; BCT31 CCT31

Nếu là thép sôi thêm vào sau các số chữ S: CT38S

Thép có hàm lượng tạp chất S, P rất nhỏ Hàm lượng C chính xác, chất lượng tốt, cơ tính cao hơn thép CT Loại này dùng chế tạo những chi tiết chịu lực cao

Ký hiệu: bằng chữ C kèm theo %C tính theo phần vạn: C08; C10; C15; C20; C25

… C85

Ở đây %C = 0,08; 0,10; 0,15; …; 0,85

+ Thép cacbon dụng cụ:

Là loại thép có hàm lượng %C cao (%C = 0,7 ÷ 1,3) Hàm lượng tạp chất S và P thấp (< 0,025%) Loại này chịu nhiệt thấp (250 ÷

3500C) nên chỉ dùng làm các dụng cụ cắt

có tốc độ thấp: đục, dũa, các loại khuôn, chi tiết cần độ cứng

Ký hiệu bằng chữ CD và hàm lượng cacbon tính theo phần vạn

Ví dụ: CD80A CD chỉ thép C dụng cụ; 80 là

a Khái niệm:

Là hợp kim Fe - C với %C > 2,14% và cao nhất cũng < 6,67% ngoài ra còn có các tạp chất như Mn, Si, P, S và các nguyên tố khác.

Đặc điểm:

Gang có độ cứng cao, rất dòn, có nhiệt

độ nóng chảy thấp, dễ đúc.

b Phân loại và ký hiệu gang:

  - Theo giản đồ trạng thái Fe – C

• Gang trước cùng tinh: C < 4,3% có tổ chức là peclit, xêmntit và lêđêburit loại này có độ cứng thấp.

• Gang cùng tinh: C = 4,43% chỉ có một tổ chức lêđêburit loại này tính đúc tốt.

• Gang sau cùng tinh: C > 4,43% tồn tại hai tổ chức lêđêburit và xêmentit loại này có độ cứng cao nhưng dòn.

và cấu tạo:

Do công nghệ nấu và cách làm nguội

sau khi nấu:

• Gang trắng C còn lại ở dạng Fe3C

Loại này rất cứng, không cắt gọt được

Đúc các chi tiết chịu mài mòn không qua gia công cắt gọt.

• Gang graphit C ở dạng Graphit

dẻo; gang cầu.

Gang xám

có mặt gẫy màu xám

Gang xám có độ bền nén cao, chịu mài mòn, có tính đúc tốt, làm giảm rung động dùng để đúc các chi tiết cơ bản lớn phức tạp như thân máy, bệ máy, vỏ hộp tốc độ, vỏ động cơ.

Ký hiệu: chữ GX chỉ gang xám; nhóm số kèm theo chỉ độ bền kéo và

bền uốn Ví dụ: GX 21 - 40 ; σkéo = 210 MPa, σuốn = 400 MPa.

Tổ chức tế vi của graphit trong gang có dạng tấm