CƠ KHÍ đại CƯƠNG CHƯƠNG II vật LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP

KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Ứng xử và các Tính chất của vật liệu Cấu trúc của vật liệu Dạng liên kết Cấu tạo mạng tinh thể Tổ chức Thành phần pha v.v... Cơ tính Cơ tính là đặc trưng cơ học biểu

Trang 1

DWEDepartment of Welding and Metal Technology / Phong Van Vo , MSc Add: 306C1 - Dai Co Viet Str No.1 - Hanoi – Vietnam / E-Mail: phong-dwe@mail.hut.edu.vn Tel.: +84 (04) 8692204

CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG

Next >>

Chương II VẬT LIỆU DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

KHÁI NIỆM CHUNG

Kính chắn

Mặt đèn hậu -Nhựa

Dây tóc bóng đèn - Vonfram

Ống xả - Thép không gỉ Lốp xe – Cao su

Dầm xe - Thép Vành xe – Thép

hoặc Hợp kim Nhôm

Chắn nước -Nhựa

Dây điện - Đồng

Chụp Bugi -Gốm

Vỏ động cơ – Gang hoặc Hợp kim Nhôm

Vỏ xe – Thép tấm hoặc Nhựa tổng hợp

Ghế ngồi -Nhựa

Hình 1: Một vài dạng vật liệu được sử dụng trong xe Ôtô – Kim loại, Hợp kim và Vật liệu phi kim

Vật liệu dïng trong c«ng nghiệp gia công cơ khí

Kim loại và Hợp kim

Kim loại

Thép kết cấu Thép không gỉ Thép dụng cụ Gang v.v

Nhôm Đồng Titan Vonfram v.v

Nằm trong sự quan tâm chính của môn học CKĐC !

Ứng xử và các Tính chất của vật liệu

Cấu trúc của vật liệu

Dạng liên kết Cấu tạo mạng tinh thể

Tổ chức Thành phần pha v.v

Độ bền

Độ dẻo

Độ đàn hồi

Độ cứng

Độ bền mỏi

Độ giãn dài tương đối

Độ dai va chạm v.v

Khối lượng riêng Nhiệt độ nóng chảy Tính giãn nở Tính dẫn nhiệt Tính dẫn điện

Từ tính Tính chịu ăn mòn Tính chịu nhiệt Tính chịu axit v.v

Tính đúc Tính rèn Tính hàn v.v

Trang 2

2.1.1 Cơ tính

Cơ tính là đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim

loại và hợp kim chịu tác dụng của các loại tải trọng:

A Độ bền

- Khả năng của vật liệu chịu tác dụng của tải

trọng mà không bị phá huỷ.

- Ký hiệu: σ

Độ bền kéo: σ k

Độ bền nén: σ n

Độ bền uốn: σ u

) / ( N mm 2

F

P

o

k =

σ

l0

Phá huỷ

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.1.1 Cơ tính

B Độ cứng

- Khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén.

P

- Các phương pháp đo

DWE

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.1.1 Cơ tính

C Độ giãn dài tương đối [ δ%]

- Là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lượng giãn

0

=

l

l l

δ

D Độ dai va chạm a k (J/mm2) (kJ/m2)

- Khả năng chịu tải trọng tác dụng đột ngột (tải trọng động) mà không bị phá huỷ.

Trang 3

2.1.2 Lý tính

a Kh ối lượng riêng (g/cm3)

- Là khối lượng của 1cm3vật chất.

) /

V

P

= γ

b Nhi ệt độ nóng chảy

- Là nhiệt độ nung nóng mà tại đó sẽ làm cho kim

loại chuyển từ thể rắn sang thể lỏng

c T ính giãn nở

- Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng.

d T ính dẫn nhiệt

- Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại.

e T ính dẫn điện

- Là khả năng truyền dòng điện của kim loại.

f T ừ tính

- Là khả năng dẫn từ của kim loại.

Sắt nguyên chất: 1535oC Gang: 1130 – 1350oC Sắt nguyên chất: 0,0000118/1mm

Thép: 0,0000120/1mm Bạc: 1 Æ Đồng: 0,9 ÆNhôm: 0,5 ÆSắt: 0,15

Bạc Æ Đồng ÆNhôm Æ…Hợp kim

Sắt, Niken, Coban và hợp kim của chúng Æ Kim loại từ tính

2.1 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 2.1.3 Hoá tính

- L à độ bền của kim loại đối với những tác dụng hoá học của các chất khác như Ôxy, Axit, v.v Mà không bị phá huỷ.

a T ính chịu ăn mòn.

- Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh.

b T ính chịu nhiệt

- Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của Ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao

c T ính chịu axít

- Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của Axít

Ví dụ như trong cắt khí Ôxy-Axêtylen

2.1.4 Tính công nghệ

-Là khả năng của kim loại và hợp him cho phép gia công nóng hay

gia công nguội.

Tm: Nhiệt độ nóng chảy của kim loại

a T ính đúc

- Đặc trưng bởi: Độ chảy loãng, Độ co, Tính thiên tích.

b T ính rèn

- Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi

chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ.

c T ính Hàn

- Là khả năng tạo thành liên kết giữa các chi tiết bằng

phương pháp hàn

Thép có tính rèn cao (To).

Gang không có tính rèn.

Đồng, Chì rèn tốt ở nhiệt độ bình thường.

Gia công nguội (Cold working) : T/Tm< 0,3 Gia công trung gian (Warm working) : T/Tm = 0,3 đến 0,5

Gia công nóng (Hot working) : T/Tm > 0,6

2.2 CẤU TẠO VÀ SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI 2.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyên chất

Trang 4

Một số chi tiết máy bằng

kim loại

Cấu trúc của kim loại

Cấu trúc KL nh ỡ n qua kính

hiển vi điện tử

Liên kết kim loại nhờ đám mây

điện tử

2.2 CẤU TẠO VÀ SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI

2.2.1 Cấu tạo của kim loại nguyờn chất

Sơ đồ mạng tinh thể của KL

Ghi nhớ:

- Các nguyên tử KL phân bố theo một quy luật nhất định

- Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian

- Mỗi nút mạng được coi là tâm của các nguyên tử

) Kim loại có cấu tạo tinh thể

DWE

Ô cơ bản: là phần không gian nhỏ nhất của mạng tinh thể

Ô cơ bản của mạng tinh thể KL

Mạng tinh thể của KL nhỡn dưới kính hiển vi điện tử

DWE

Các kiểu Ô cơ bản:

1 Lập phương thể tâm:

2 Lập phương diện tâm:

Ký hiệu:

Trang 5

2 Lục phương dày đặc :

Ký hiệu:

) Tuỳ theo loại ô cơ bản người ta xác định các thông số mạng

Thông số mạng là giá trị độ dài đo theo chiều cạnh của ô

) Đ ơn vị đo của thông số mạng là Angstrong (A o ): 1A o = 10 -8 cm

* Sự biển đổi mạng tinh thể của kim loại :

Khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ, v.v ) tổ chức kim loại sẽ thay đổi theo

Dạng ô cơ bản thay đổi Thông số mạng có giá trị thay đổi } Sự biển đổi mạng tinh thể

- Mạng lập phương: chỉ có một thông số mạng la a

- Mạng lục giác: có 2 thông số mạng là a và c

2.2 CẤU TẠO VÀ SỰ KẾT TINH CỦA KIM LOẠI

2.2.2 Sự kết tinh của kim loại

- Kim loại chuyển trạng thỏi từ Lỏng sang Rắn ặ Kết tinh

T

t

Thời gian (s)

Bắt đầu kết tinh Kết thỳc kết tinh

Rắn

Nhiệt độ kết tinh

Lỏng

Rắn

Lỏng +

Rắn

S ơ đồ tổ chức thụ dại của thỏi đỳc

1- Hạt mịn, đều trục 2- Dạng trụ, trục vuụng gúc với thành khuụn

3- Tinh thể lớn, đều trục

Tổ chức xuyờn tinh Tổ chức đều trục Làm nguội tự

nhiờn Quỏ nung Nhiệt độ rút thấp Đường nguội

Quỏ trỡnh kết tinh của Sắt nguyờn chất

Đ ường nguội

toC

τ (s)

α

tn

Tốc độ nguội

0

T1

T2

C R = tgα

) Đối với mỗi kim loại nguyên chất, bằng thí nghiệm người ta xác định được một đường nguội nhất định

Trang 6

Trung tâm kết tinh – tâm mầm

Quá tr ỡ nh kết tinh phát triển

Kết thúc quá tr ỡ nh kết tinh

) Kim loại kết tinh theo một quá tr ỡnh gồm nhiều giai đoạn

Tâm mầm:

- có thể là các phân tử tạp chất không nóng chảy như bụi tường lò

- chất sơn khuôn v.v…

- tâm mầm tự sinh hình thành ở những nhóm nguyên tử có trật tự đạt đến kích thước đủ lớn

) Tuỳ theo vận tốc nguội khác nhau mà lượng tâm hầm xuất hiện nhiều hay ít, sự kết tinh sẽ tạo ra số

lượng đơn tinh thể (hay hạt) nhất định

toC

τ (s)

Nhiệt độ kết tinh

toC

τ (s)

Pha lỏng

Pha rắn Các giai đoạn của Quá trỡnh kết tinh

DWE

Hướng kết tinh

Kết tinh kiểu nhánh cây

DWE

PHA là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thỡ phải có sự động nhất về cùng một kiểu mạng và thông số mạng)

) Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim

NGUYấN là một vật chất độc lập có thành phần không đổi, tạo nên các pha của hệ Trong một số trường hợp nguyên cũng là các nguyên tố hoá học hoặc là hợp chất hoá học có tính ổn định cao

2.3 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỢP KIM 2.3.1 PHA

2.3.2 NGUYấN

A

A A A

B

B B

Trang 7

1 Dung dịch đặc:

Hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng hoà tan vào nhau ở trạng thái đặc gọi là dung dịch đặc

Có hai loại dung dịch đặc:

- dung dịch đặc thay thế

- dung dịch đặc xen kẽ

2.3 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỢP KIM

2.3.3 CÁC TỔ CHỨC CỦA HỢP KIM

- Thay thế cỏc nguyờn tử ở nỳt mạng.

- Cú thể hoà tan vụ hạn

- Xen kẽ vào cỏc cỏc lỗ trống giữa cỏc nỳt mạng.

- Hoà tan cú hạn

B

2 Hợp chất hoá học:

Pha được tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ xác định gọi là hợp chất hoá học

Ví dụ: Hợp chất hoá học Fe 3 C rất ổn định

3 Hỗn hợp cơ học:

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, th ỡ 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

Cấu trỳc của hợp kim:

Nguyên tử

Hydro

Nguyên tử

Titan

Nguyên tử Sắt

Nguyên tử Sắt Nguyên tử Titan

Cách xây dựng Giản đồ trạng thái của hệ Hợp kim

4 Giản đồ trạng thái của hợp kim: là sự biểu diễn quá tr ỡ nh kết tinh của hệ hợp kim

) Xây dựng giản đồ trạng thái bằng phương pháp phân tích nhiệt, nghĩa là thiết lập các đường nguội

Trang 8

) Quá trỡ nh kết tinh phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của các chất tạo thành

Các đường nguội của các hợp kim chỡ - antimon:

1

1 1

1 1’

2’

2

2’

3

200

246

325

375

5%Sb

90%Pb 10%Sb

87%Pb 13%Sb

75%Pb 25%Sb

) Giản đồ trạng thái chỉ rõ cả tổ chức của hợp kim trong các điều kiện cân bằng

) Dựa vào các đường nguội, ta xác định được các điểm tới hạn của mỗi hợp kim ) Đưa tất cả các điểm tới hạn lên 1 giản đồ tổng hợp, ta có giản đồ trạng thái của hệ hợp kim

Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim ch ỡ - antimon

ACB: đường lỏng DCE: đường đặc DCE: đường cùng tinh

Pha lỏng A

C

B

246

375

Pb + Lỏng

Sb + Lỏng

200

Điểm cựng tinh

DWE

Pha lỏng

A + [A+B] B +

[A+B]

Cỏc loại giản đồ trạng thỏi của hợp kim 2 nguyờn:

Pha lỏng

α

α + L

DWE

Pha lỏng

AmBm

L + β

β α

L + α

Cỏc loại giản đồ trạng thỏi của hợp kim 2 nguyờn:

Trang 9

6,67%C 0

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

A

C

B

F

K

E

S P

G

911oC

727oC

1147oC

Lỏng + Xêmentit ( L+XeI ) Lỏng (L)

Ostenit ( γ)

L+ γ

Fe3C

γ + Xê + Le

XeI+ Le

γ + X

êII

F erit + XêIII

F +P

γ + F

Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C (Sắt-Cácbon)

A

3

Acm

ACB - Đường lỏng

AECF - Đường đặc

GS(A3), ES(Acm),

GP, PQ - Giới hạn

chuyển biến pha.

PSK(A1) - Chuyển

biến cùng tinh

A1

F erit

HỢP KIM

Fe - C

Q

XÊMENTIT – (XÊ)

+ Xê: hợp chất hoá học Fe-C (%C=6,67%), có mặt ở hầu hết các khu vực.

- Độ cứng cao,

- Độ giòn lớn,

- Chịu mài mòn tốt.

- Tính công nghệ kém, HỢP KIM Fe - C

OSTENIT – ( γ)

γ : Dung dịch đặc xen kẽ của C

trong Fe γ

Tại 727oC : 0,8%C

Tại 1147oC : 2,14%C

- Pha dẻo, dai, dễ biến dạng.

- Chỉ tồn tại trên 727oC Æ không

quyết định tc Cơ học Chỉ có ý nghĩa

khi gia công Áp lực và Nhiệt luyện.

HỢP KIM Fe - C

FERIT – ( α)

α : Dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe α

Tại 727oC hoà tan 0,02%C

Nhiệt độ hoà tan giảm Æ Fe nguyên chất

- Dẻo, Mềm và Độ bền thấp HỢP KIM Fe - C

Trang 10

PECLIT – (P)

P : (Tổ chức hai pha)

Hỗn hợp cơ học: F + XêII

F và Xê cùng kết tinh ở thể rắn

Æ Cùng tích Peclit

- Tính chất cơ học phụ thuộc vào

lượng F và Xê và hình dạng của Xê

(Hạt, Tấm).

LÊĐÊBUARIT – (Lê)

L ê : Hỗn hợp cơ học: γ + XêI (1147oC, 4,43%C): γ và Xê cùng kết tinh từ pha lỏng

Æ Cùng tinh Lêđêbuarit.

- Độ cứng cao, Dòn (do Xê cao)

DWE

GRAPHIT

Graphit: - Các bon ở trạng thái tự

do.

T/c:

Kém bền

Dòn

Nở thể tích khi kết tinh

DWE

PHÂN LOẠI HỢP KIM Fe - C

Fe – C (Fe-Fe3C)

Thép C (C<2,14%) Gang (C>2,14%)

Thép trước cùng tích

C <(=) 0,8%

Thép cùng tích

C = 0,8%

Thép sau cùng tích

C >(=) 0,8%

Gang trước cùng tinh

C <(=) 4,43%

Gang cùng tinh

C = 4,43%

Gang sau cùng tinh

C >(=) 4,43%

Trang 11

- Thép cacbon là hợp kim

của Fe-C với hàm lượng

cacbon nhỏ hơn 2,14%.

- Ngoài ra trong thép

cacbon còn chứa một lượng

tạp chất như Si, Mn, S, P,

…

- Khi hàm lượng của chúng thích hợp

(Mn ≤ 0,75% và Si ≤ 0,35%)

có khả năng: ặ khử ôxy khỏi các ôxyt sắt,

ặ làm tăng độ bền, độ cứng của thép.

- Tuy nhiên không nên cho nhiều tạp chất loại này vì nó

sẽ phương hại đến một số tính công nghệ như gia công cắt

gọt nhiệt luyện v.v…

* Các tạp chất có lợi trong thép cacbon: Si và Mn * Các tạp chất có hại cho thép cacbon: P và S

2.1 Khái niệm

II THẫP CÁC BON

ặ Nguyên tố ảnh hưởng lớn : Cacbon Chỉ cần thay đổi một lượng rất nhỏ

C, đ∙ làm thay đổi nhiều tính chất lý, hoá của thép

- C tăng ặ Độ cứng và độ bền của thép tăng lên còn độ dẻo và độ dai lại giảm xuống

- Thay đổi hàm lượng cacbon ặ làm thay đổi cả tính công nghệ, tính

đúc, tính hàn và tính rèn dập

- Nguyên tố S sẽ làm cho thép bị dòn nóng (bở nóng)

- Nguyên tố P lại làm thép bị phá huỷ ở trạng thái nguội (dòn nguội)

) Vì thế cần hạn chế S và P dưới mức 0,03%!

2.2 Phân loại

II THẫP CÁC BON

- Thép trước cùng tích với tổ chức Ferit + Peclit

(C < 0,8%).

- Thép cùng tích: thép có tổ chức Peclit

(C = 0,8%)

- Thép sau cùng tích trong đó có Peclit + Xêmentit

(C > 0,8%)

- Thép cacbon thấp: C < 0,25%

- Thép cacbon trung bình: C = 0,25% 0,5%

- Thép cacbon cao: C > 0,5%

- Thép lò chuyển:

chất lượng không cao, hàm lượng kém chính xác.

-Thép lò mác tanh (Martin): chất lượng cao hơn

trong lò chuyển một ít.

- Thép lò điện: chất lượng cao hơn nhiều, khử hết tạp chất tới mức thấp nhất.

- Thép sôi:

chứa nhiều rỗ khí nên kém dẻo và dai

- Thép nửa sôi:

chất lượng cao hơn thép sôi vì còn ít rỗ khí hơn

- Thép lắng:

độ bền cao hơn thép sôi và thép nửa sôi

1 Theo tổ chức tế vi và hàm lượng C ( trên giản đồ trạng thái)

2 Theo hàm lượng C thường dùng.

5 Theo công dụng

 Thép cacbon thông dụng (thép thường):

- Cơ tính không cao ặ chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy,

các kết cấu chịu tải nhỏ

- Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông,…

* Biểu thị độ bền

σ02= 245MPa

CT61 CT375

CT345 CT6

CT51 CT285

CT5

CT42 CT275

CT4

CT38 CT245*

CT3

CT34 CT2

CT33 CT1

CT31 CT0

Việt Nam (TCVN1765-75) Liên bang Nga

(GOST2772-88) Liên Xô

(GOST 380 - 71)

So sỏnh cỏc loại ký hiệu

Thép cacbon thông dụng được ký hiệu bằng hai chữ CT và

chia ba nhóm A, B và C.

Ký hiệu

Nhóm A:

Chỉ đánh giá bằng

các chỉ tiêu cơ tính

(độ bền, độ dẻo, độ

cứng, v.v…)

Nhóm B:

Đánh giá bằng thành phần hoá học.

Nhóm C:

Đánh giá bằng cả

hai chỉ tiêu cơ tính

và thành phần hoá

học.

5 Theo công dụng

 Thép cacbon thông dụng (thép thường):

- Cơ tính không cao ặ chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ

- Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông…

Thép cacbon thông dụng được ký hiệu bằng hai chữ CT và chia ba nhóm A, B và C.

Nhóm A:

Chỉ đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng, v.v…)

Nhóm B:

Đánh giá bằng thành phần hoá học.

Nhóm C:

Đánh giá bằng cả

hai chỉ tiêu cơ tính

và thành phần hoá

học.

Ký hiệu

) TCVN 1756 -75 quy định ký hiệu thép thông dụng: sau CT ghi chỉ số giới hạn bền σb [kG/mm2] thấp nhất ứng với mỗi ký hiệu

Ví dụ: CT38 có giới hạn bền

σb= 38 ữ 49kG/mm2(380 ữ 490N/mm2)

) Các nhóm B và C cũng có ký hiệu trên cơ sở nhóm A nhưng thêm vào phía trước chữ cái B hay C để phân biệt

Ví dụ: CT31 → BCT31 → CCT31

>> Thép sôi : thêm ký tự S vào phần cuối, ví dụ CT31 S

>> Thép nửa sôi: thêm ký tự n vào phần cuối, ví dụ: CT31 n

>> Thép không có ký hiệu thêm là Thép lắng

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	1,69 MB