Vật liêu học kỹ thuật - Chương mở đầu pdf

Mở đầu a Mục đích nghiên cứu của môn học • Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải

Mở đầu

a) Mục đích nghiên cứu của môn học

• Vật liệu học là khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp và ngày một tốt hơn

b) Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu

• Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật

• Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đốib tượng nghiên cứu của môn học

c) Bốn nhóm vật liệu chính (hình 0.1):

Vật liệu kim loại: chủ yếu là hợp kim= h2 KL+ ákim hoặc KL khác

- dẫn nhiệt, dẫn điện cao, có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo, dễ biến dạng (cán, kéo, rèn, ép) → tính công nghệ tốt

- có độ bền cơ học, nhưng kém bền hóa học, trừ Al, các kim loại thông dụng khác như: Fe, Cu, đều khá nặng, nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật

Ceramic (vật liệu vô cơ) : Là hợp chất giữa KL, silic với á kim (ôxit, nitrit, cacbit),

bao gồm các loại: gốm và VLCL, thủy tinh & gốm thuỷ tinh, ximăng & bêtông

- cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học

- dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện)

Polyme (vật liệu hữu cơ): Có nguồn gốc hữu cơ, thành phần hóa học chủ yếu là

C, H và các á kim, có cấu trúc phân tử lớn

- nhẹ, dẫn nhiệt, dẫn điện kém

- nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt khi nâng cao nhiệt độ nên bền nhiệt thấp

- bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển

Compozit: là sự kết hợp của hai hay cả ba loại vật liệu kể trên, mang hầu như các

đặc tính tốt của các vật liệu thành phần Ví dụ bêtông cốt thép (vô cơ - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông)

Hình 0.1 Sơ đồ minh hoạ các nhóm vật liệu chính

và quan hẹ giữa chúng

1 bán dẫn

2 siêu dẫn

3 silicon

4 polyme dẫn điện cerami

Compoz Kim loại

polym

1

2

3

4

Hiện dùng phổ biến các compozit hệ kép: kim loại - polyme, kim loại - ceramic, polyme - ceramic với những tính chất mới lạ, rất hấp dẫn

Ngoài bốn loại trên

- bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn)

- silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn

d) Vai trò của vật liệu

Lịch sử phát triển của vật liệu gắn liền với lịch sử phát triển loài người

ắ

ắ Sử dụng các vật liệu có sẵn trong tự nhiên → đồ đá

ắ

ắ Chế tạo, sử dụng vật liệu theo kinh nghiệm, KL phát triển → máy móc → tư bản người Việt luyện thép 3000 năm TCN, La mã cổ đại tôi thép từ TK 10-15 TCN

Cột thép New Dehli, 6,5 tấn khoảng TK 5 SCN, không gỉ?

ắ Luyện thép ở quy mô CN → TK 19 tạo ra tháp Eiffel cao 320m, nặng 7341 tấn

Bê tông cốt thép, năm 1875 (Hoa kỳ), gốm Việt nam Trung hoa rất lâu đời

ắ Sử dụng vi tính → máy tính → công nghệ cao với nền kinh tế tri thức →?

o Bất kỳ một sáng tạo nào của con người cũng đều phải sử dụng vật liệu, đều phải khai thác các đặc tính khác nhau của vật liệu

ắCơ khí (vật liệu kim loại) → máy tính cơ học (vài chục phép tính/phút)

ắ

ắ Đèn điện tử → máy tính điện tử MИHCK22 (vài trăm phép tính/phút)

ắ

ắ Bán dẫn (vi xử lý) (90-130)MHz → 200MHz (P) → (330-400)MHz (PII) →

(400-700)MHz (PIII), PIV→ 1GHz, ?

Máy hút bụi: gỗ (hộp) → kim loại (trụ) → polyme (cầu) công suất gấp 10, kích thước 1/3

o Xu hướng phát triển của vật liệu

Ôtô (Mỹ) 1978: thép (60)%, polyme (10-20)%, HK Al (3-5)%, VL khác còn lại 1993: thép (50-60)%, polyme (10-20)%, HK Al (5-10)%, VL khác còn lại Polyme, compozit xu hướng tăng, kim loại → giảm nhưng vẫn quan trọng nhất

Hình 1.1 Phân bố vật liệu

0 1800 1900 1960 1980 1990 2000 2010 2020

5000 TCN

10000 TCN

kim loại kim loại kim loại

kim loại

polyme polyme elastome elastome

compozit compozit ceramic ceramic

compoZit compoZit

ceramic ceramic thuỷ tinh thuỷ tinh

polyme polyme elastome elastome

Au Cu brông

Fe gang

thép thép hợp kim hợp kim nhẹ

siêu hợp kim

Ti, Zr,…

hợp kim vô định hình HK Al-Li thép đối ngẫu HK vi lượng siêu HK mới

chủ yếu

về chất lượng,

CN

polyme chịu nhiệt polyme mô đun cao polyeste

PP

PS

PC

PE nylon bakêlit caosu keo

comp

nền KL

comp

nền cer

ceramic độ dai cao (Al 2 O 3 -Si 3 N 4 , PSZ,…

đá

đồ gốm thuỷ tinh

xi măng

VL chịu lửa

xi măng poclan HK cứng

e) Nội dung môn học gồm bốn phần chính:

- Cấu trúc và cơ tính: quan hệ giữa cấu trúc và cơ tính có nhấn mạnh hơn cho kim loại gồm cấu trúc tinh thể, tạo pha, tổ chức, biến dạng, phá hủy

- Hợp kim và biến đổi tổ chức: cấu trúc của hợp kim, chuyển pha → nhiệt luyện

- Vật liệu kim loại: tổ chức, thành phần hóa học, cơ tính, nhiệt luyện và công dụng

- Vật liệu phi kim loại: cấu trúc, thành phần, cơ tính, tạo hình và công dụng

Lựa chọn & Sử dụng hợp lý vật liệu: đảm bảo các chỉ tiêu cơ, lý, hoá tính, tính công nghệ đồng thời rẻ, nhẹ và bảo vệ môi trường → CMS (Cambridge Materials Selector)

Quan hệ tổ chức - tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc là nội dung cơ bản của toàn bộ môn học

Tổ chức hay cấu trúc là sự sắp xếp của các thành phần bên trong bao gồm tổ chức vĩ mô và vi mô của vật liệu

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn, quan sát được bằng mắt thường (0,3mm) hoặc bằng kính lúp (0,01mm)

Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắt hay lúp Bao gồm 2 loại:

- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử (pha) với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể (mm) với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học (0,15àm) hay kính hiển vi điện tử (10nm)

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể →tia X và phương tiện khác Tính chất bao gồm: cơ tính, vật lý tính, hóa tính, tính công nghệ & sử dụng

f) Các tiêu chuẩn vật liệu

- Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN

- Tiêu chuẩn Nga ΓOCT

- Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ:

ASTM (American Society for Testing and Materials),

AISI (American Iron and Steel Institute),

SAE (Society of Automotive Engineers),

AA (Aluminum Association),

CDA (Copper Development Association),

UNS (Unified Numbering System)

- Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS

- Tiêu chuẩn Châu Âu EN

- Đức DIN, Pháp NF, Anh BS cũng là các tiêu chuẩn quan trọng cần biết

1

PGS TS NguyÔn V¨n T−

Bé m«n : VËt liÖu häc vµ NhiÖt luyÖn

§¹i häc B¸ch khoa Hµ néi

Ngµy sinh: 19 th¸ng 1 n¨m 1951

N¬i sinh: Phó c−êng, Ba v×, Hµ t©y

Kü s−: 1975, §HBK Hµ néi

TiÕn sü: 1988, INPG Céng Hoµ Ph¸p, PGS: 1996

§· xuÊt b¶n:

VËt liÖu häc, nxb KHKT, 1996

Xö lý bÒ mÆt, nxb §HBK Hµ néi, 1999

¡n mßn vµ b¶o vÖ vËt liÖu, nxb KHKT, 2002

T¸c gi¶

Trë l¹i Menu chÝnh

vật liệu học kỹ thuật

Chương 0 : Bài mở đầu

Chương 1 : Cấu trúc tinh thể

Chương 2 : Biến dạng dẻo và cơ tính

Chương 3 : Hợp kim và giản đồ pha

Chương 4 : Nhiệt luyện thép

Chương 5 : Thép và gang

Chương 6 : Hợp kim màu và bột

Chương 7 : Vật liệu ceramic

Chương 8 : Vật liệu polyme

Chương 9 : Vật liệu copozit

NhËn biÕt c¸c tiªu chuÈn

thÐp quèc tÕ

Quy −íc

x chØ con sè

chØ mét ch÷

Tiªu chuÈn iso

ThÐp chÕ t¹o m¸y

VÝ dô: C20 lµ thÐp cacbon 0,2%C

z ThÐp hîp kim xx xx

ký hiÖu HH cña nt HK

HÖ sè

VÝ dô: 36CrNiMo4 lµ thÐp HK 0,36%C, Cr=4/4=1%

4 cho Cr,Co,Mn,Ni,Si,W 10:Al,Be,Cu,Mo,Nb,Pb,Ta,Ti,V,Zr 100: Ce,N,P,S

1000: B

Tiªu chuÈn iso

z ThÐp dông cô

z ThÐp giã HS x- x- x

%nt cña W - Mo - V - C o

z ThÐp kh«ng gØ Type x

sè thø tù

Tiªu chuÈn DiN

z ThÐp chÕ t¹o m¸y

z ThÐp cacbon

z ThÐp dông cô

z ThÐp cacbon nh− ISO, thay T b»ng W

Gièng nh− ISO

Tiªu chuÈn DiN

x xx xx xx lo¹i vËt liÖu ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o

hµm l−îng cacbon hoÆc HK nhãm thÐp

0-gang 1-thÐp

00 ÷06=thÐp C th−êng 11,12= thÐp C tèt

Tiªu chuÈn NF

z ThÐp chÕ t¹o m¸y

Kh¸ gièng DIN 17006, NTHK b»ng:

ký hiÖu HH: Be,Nb,Pb,Ta,Zr

ngo¹i lÖ: Cr-C, Ni-N, Mn-M, Si-S, N-Az

z ThÐp dông cô C xxx ExU x

chØ cacbon cã Cr hay V PhÇn v¹n cacbon chÊt l−îng (P, S)

Tiªu chuÈn jis

ThÐp b¾t ®Çu b»ng ch÷ S

ThÐp chÕ t¹o m¸y

ƒ ThÐp cacbon S xx C

chØ thÐp chØ cacbon phÇn v¹n cacbon

ƒ ThÐp hîp kim S x xx

chØ thÐp chÊt l−îng nguyªn tè hîp kim phÇn v¹n cacbon 2,4,6,8=% NTHK chÝnh

nh©n hÖ sè

Tiêu chuẩn jis

Thép bắt đầu bằng chữ S

Thép dụng cụ

ƒ Thép cacbon SKx (thứ tự)

ƒ Thép hợp kim gồm:

SKSx (S - đặc biệt) SKDx (D - n guội)

SKTx (T - nóng) SKCx (C - va đập)

ƒ Thép gió Hx (x thứ tự)

ƒ Thép không gỉ SUS xxx (theo AISI)

Tiêu chuẩn BS

x xx xx

hàm l−ợng cacbon loại thép điều kiện cung ứng

đặc tính thép

0-thép C có Mn 1-thép C Mn cao 2- dễ cắt

3,4-không gỉ

5 ữ 9- thép khác

Tiêu chuẩn BS

Ví dụ

0 40 M 10 thép C có 0,4%Mn 0,15%C

bảo đảm cơ tính

1 25 H 41 thép có 1,25%Mn 0,41%C

bảo đảm tính thấm tôi

Tiªu chuÈn Bs

ThÐp dông cô

Cã nhãm sè vµ ch÷ nh− AISI

VÝ dô:BW1, BT1 víi W1, T1 nh− cña AISI

gièng AISI chØ ®iÓm kh¸c so víi

m¸c chÝnh Stainless