Bài giảng vật liệu học chương 1 giới thiệu về vật liệu cơ khí

+ Mạng tinh thể và vật liệu kim loại + Các dạng khuyết tật trong mạng tinh thể + Các tính chất kim loại đặc trưng... Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất... Cấu tạo mạng tin

Trang 1

BÀI GIẢNG VẬT LIÊU HỌC

GV: NGUYỄN THANH ĐIỂU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TPHCM -O0o -

03/03/2016 2:37 CH

Trang 2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[6] Nghiêm Hùng- Sách tra cứu thép và gang

thông dụng -NXB ĐHBK Hà Nội- Hà Nội 1997

03/03/2016 2:37 CH

Trang 4

NỘI DUNG

Tuần thứ 1: 3 tiết

 Giới thiệu về học phần, yêu cầu đối với người học

 Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

Trang 5

 Chương 4: Gang Graphite thông dụng

 Chương 5: Kim loại và hợp kim màu

Trang 6

TUẦN THỨ 1

Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

+ Phân loại vật liệu theo các liên kết hóa học cơ

bản: liên kết kim loại, liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, và liên kết Van der Waals

+ Mạng tinh thể và vật liệu kim loại

+ Các dạng khuyết tật trong mạng tinh thể

+ Các tính chất kim loại đặc trưng

Trang 7

Vai trò của vật liệu:

Hiện nay kim loại( sắt, đồng, nhôm…) và hợp kim( thép, gang, các hợp kim của nhôm, đồng,titan…) được dùng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, quốc phòng cũng như đời sống hàng ngày Các kim loại đặc biệt là sắt và các hợp kim của nó, đã và đang đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của xã hội loài người Thép, gang và một số kim loại mầu là vật liệu chủ yếu của công nghiệp cơ khí( chế tạo máy, động lực ) và các phương tiện giao thông vận tải Một khối lượng thép khá lớn được sử dụng trong xây dựng Công nghiệp hóa chất, năng lượng hạt nhân, du hành vũ trụ v.v….đòi hỏi các vật liệu kim loại đặc biệt

03/03/2016 2:37 CH

Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

Trang 8

VẬT LIỆU HỌC LÀ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU QUAN HỆ CẤU TRÚC – TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU, TRÊN CƠ SỞ ĐÓ ĐỀ RA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU, SỬ DỰNG VẬT LIỆU HỢP LÝ VÀ CÓ HIỆU QỦA KINH TẾ CAO.

Trang 9

 Dựa vào cấu trúc-tính chất đặc trưng, người ta phân biệt 4 nhóm vật liệu thường sử dụng trong công nghiệp hiện nay:

 Vật liệu kim loại

 Vật liệu vô cơ – Ceramic

 Vật liệu hữu cơ – Polyme

Trang 10

 1 Vật liệu kim loại:

 VLKL thông dụng: thép, gang, đồng, nhôm, titan,

niken…., và các hợp kim của chúng

 Thép đóng vai trò then chốt trong công nghệ chế tạo (thép hợp kim, thép nito,thép hơp kim siêu bền )

 Nhôm cũng đóng vai trò không nhỏ trong công nghệ chế tạo HK nhôm có độ bền cao, chống ăn òn tốt vật liệu thích hợp trong ngành công nghiệp chế tạo ôtô, máy bay, tàu thủy

KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU

Trang 11

 2 Ceramic( VL vô cơ): có nguồn gốc vô cơ là

hợp chất giữa kim loại, silic với á kim( oxit, nitrit, cacbit) gồm khoáng vật đất sét, xi măng, thủy tinh Các tính chất điển hình của VLVC ceramic là:

◦ - cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao

◦ Sử dụng vật liệu chịu lửa, vật liệu cắt gọt

03/03/2016 2:37 CH

Trang 12

 3 Polyme( VL hữu cơ) có nguồn gốc hữu cơ mà

thành phần chủ yếu là cacbon, hydro và các á kim

có cấu trúc đại phân tử:

◦ - khối lượng riêng nhỏ

◦ - dễ uốn dẻo đặc biệt ở nhiệt độ cao

◦ - bền hóa học ở nhiệt độ thường và khí quyển, nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ thấp

4 Compozit: được tạo thành do sự kết hợp của 2

hoặc 3 loại vật liệu trên, sao cho tính chất của chúng bổ sung cho nhau

Ví dụ: KL- polyme; KL-Ceramic; polyme-ceramic

Trang 13

Ngày nay khoa học vật liệu đã chế tạo ra những loại vật liệu mà chính tạo hóa cũng phải ghen tị đó là:

- Những chất phun phủ có chứa những hạt gốm vô cùng nhỏ giúp vật liệu có khả năng chống mài mòn

- Những Pin sắt-polyme có điện lượng lớn gấp nhiều lần pin hiện nay

- Những tấm kim loại-compozit làm vỏ ô tô có khả năng phục hồi lại hình dạng cũ sau khi bị biến dạng bởi

những cú va đập

- Những loại vật liệu compozit nhẹ và dai

- Sẽ xuất hiện những loại vật liệu thông minh có khả

năng thích ứng với điều kiện môi trường, bù đắp lượng hao mòn và cảnh báo sắp có sự cố…

- Vật liệu nano chế tạo ra robot mini, dụng cụ y sinh, máy chính xác, hàng không vũ trụ, quốc phòng, khám phá tài nguyên biển và đại dương… 03/03/2016 2:37 CH

Trang 14

I.1.1 Cấu tạo nguyên tử kim loại:

- Nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mang điện tích dương) và các điện tử bao quanh (mang điện tích âm)

mà ở trạng thái bình thường được trung hòa về điện + Hạt nhân gồm prôtôn (điện tích dương) và nơtrôn (không mang điện) Các điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao

-Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

I Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất

Trang 15

I.1.1 Cấu tạo nguyên tử kim loại:

+ Cấu hình điện tử chỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3 ), ký hiệu phân lớp (s, p, d ), số lượng điện tử thuộc phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp)

-03/03/2016 2:37 CH

Trang 16

I.1.2 Các dạng liên kết trong chất rắn:

-Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí

a) - Clo

b) - Ge c) - CH4

Trang 17

b - Liên kết ion

- Xảy ra giữa nguyên tử có ít điện tử hóa trị dễ cho bớt điện tử để tạo thành ion (+) với nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện tử để tạo thành ion (-)liên kết ion cho độ giòn cao nhất( tinh thể dễ vỡ vụn)

-03/03/2016 2:37 CH

Trang 18

c - Liên kết kim loại

- Là liên kết giữa mạng ion dương xác định với các điện tử tự do Năng lượng liên kết là tổng hợp lực đẩy

và lực hút tĩnh điện giữa các ion dương và mây điện

tử tự do Song liên kết kim loại không hề thay đổi khi các ion thay đổi vị trí cân bằngLiên kết Kl cho độ

dẻo cao nhất

Trang 19

I.2 Khái niệm về vật tinh thể, vật vô định hình

- Vật tinh thể: là vật thể mà các chất điểm của nó sắp

xếp có qui luật( có trật tự)

+ Có nhiệt độ nóng chảy( hoặc đông đặc) xác định

+ Tất cả các kim loại và hợp kim của nó đều là vật tinh thể

- Vật vô định hình: là vật thể mà các chất điểm của

nó sắp xếp không có trật tự

+ Không có nhiệt độ nóng chảy xác định

+ Các vật vô định hình như: thuỷ tinh, chất dẻo, cao su

03/03/2016 2:37 CH

Trang 20

I.3 Khái niệm về mạng tinh thể:

- Mạng tinh thể là một mô hình không gian mô tả sự

sắp xếp của các chất điểm cấu tạo nên vật tinh thể

- Phần lớn vật liệu có cấu trúc, tính chất rất đa dạng

phụ thuộc vào kiểu mạng

Trang 21

I.3 Khái niệm về mạng tinh thể:

a Mặt tinh thể: là mặt phẳng đi qua một số chất điểm

Trang 22

c Ô cơ sở

- Là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguyên tử đại diện cho toàn bộ mạng tinh thể

Do tính chất đối xứng từ một ô cơ sở tịnh tiến theo

3 chiều trong không gian sẽ được mạng tinh thể

Trang 23

d Thông số mạng( hằng số mạng)

-là kích thước của ô cơ sở từ đó có thể tính ra được khoảng cách giữa hai nguên tử bất kỳ trong mạng

( a,b,c ) đơn vị đo là :Angstrong 1Å = 10-8 cm

( ) đơn vị đo là độ hay Radian

03/03/2016 2:37 CH

0

A

, ,

  

Trang 24

d - Lỗ hổng mạng tinh thể

- Là không gian trống giữa các nguyên tử (coi nguyên

tử là hình cầu đặc) Kích thước lỗ hổng được đánh giá bằng đường kính hay bán kính quả cầu lớn nhất có thể đặt lọt vào không gian trống đó Hình dạng, kích thước lỗ hổng phụ thuộc cấu trúc mạng

Trang 25

d - Lỗ hổng mạng tinh thể

- Có 2 loại lỗ hổng: Lỗ hổng trong khối 4 mặt và lỗ hổng trong khối 8 mặt Các kiểu mạng khác nhau sẽ

có số lỗ hổng khác nhau và kích thước của chúng

cũng khác nhau Ý nghĩa: cho phép sự xâm nhập

khuếch tán của vật chất trong tinh thể để cho phép tạo

ra hợp kim

03/03/2016 2:37 CH

Trang 26

I.3.2 Một số kiểu mạng thường gặp:

+ Lập phương thể tâm (tâm khối A2)

+ Lập phương diện tâm (tâm mặt A1)

+ Lục giác( sáu phương) xếp chặt A3

+ Chính phương thể tâm

Trang 27

03/03/2016 2:37 CH

Trang 28

Trang 29

03/03/2016 2:37 CH

3 4

Trang 30

a - Lập phương tâm khối A2

Số lượng:

n(8 mặt)=1/2.6 + 1/4.12 =6

Ý nghĩa : Các điểm trống này quyết định sự hòa tan của các nguyên tử khác vào mạng của chúng

4

0.221

m tr

8

0.154

m tr

Trang 32

d - Mạng chính phương thể tâm

- Là mạng lập phương thể tâm có một cạnh kéo dài(c)

- Các kim loại thường không có

kiểu mạng này, song nó là mạng

của mactenxit, một tổ chức quan

trọng khi nhiệt luyện thép

- Mạng chính phương thể tâm có

hai thông số mạng là a và c,

- Tỷ số c/a gọi là độ chính phương

Trang 33

Kiểu cấu trúc mạng tinh thể phổ biến của một

số kim loại trong bảng tuần hoàn

Lập phương

tâm khối

Lập phương tâm diện Lục phương

Trang 34

- Mạng tinh thể như đã xét ở trên là hoàn toàn lý tưởng.Sở dĩ

có sự sai khác này là do trong mạng tinh thể của vật rắn luôn

tồn tại các khuyết tật

- Khuyết tật trong mạng tinh thể là các dạng sai lệch.Nó làm

thay đổi quy luật, vị trí, kích thước của mạng tinh thể, trong đó:

vùng tinh thể không theo quy luật ban đầu

Ảnh hưởng của SLM làm thay đổi tính chất của tinh thể, dẫn đến thay đổi tính chất của vật liệu

I.4 Sai lệch mạng

Trang 35

03/03/2016 2:37 CH

Trang 36

I.4.1 Sai lệch điểm

Là sai lệch mạng có kích thước nhỏ(chỉ vài thông số mạng)

theo cả 3 phương đo, có dạng bao quanh một điểm Gồm nút trống, nguyên tử xen kẽ và nguyên tử tạp chất

nằm ở chính các nút mạng hay xen kẽ giữa chúng

Chương 1: Cấu tạo của kim loại và hợp kim

Trang 37

I.4.1 Sai lệch điểm

 Khi xuất hiện nguyên nhân trên, các nguyên tử, ion ở

xung quanh chúng vài thông số sẽ nằm lệch vị trí gây

các vùng sai lệch mà chúng là trung tâm

 Số lượng sai lệch điểm phụ thuộc vào:

• Nhiệt độ: nhiệt độ càng cao số nút trống và nguyên tử xen giữa càng nhiều

• Độ “sạch” của kim loại: kim loại càng nhiều tạp chất thì sai lệch điểm càng nhiều

• Nút trống có ảnh hưởng đến cơ chế và tốc độ khuếch tán của kim loại và hợp kim ở trạng thái rắn

03/03/2016 2:37 CH

Trang 38

I.4.2 Sai lệch đường: là sai lệch mạng có kích thước nhỏ theo

hai chiều đo và lớn theo chiều đo còn lại, tức có dạng đường (thẳng hoặc cong)

a Lệch biên:Trong mạng tinh thể hoàn chỉnh có thêm bán mặt

thừa ABCD, sẽ làm cho các nguyên tử là xung quang trục AD bị

xô lệch, gây nên lệch biên

Tiết diện độ vài thông số mạng kéo dài theo đường AD được gọi là trục lệch Lệnh biên có có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quá trình trượt-> kl dễ biến dạng(giảm độ bền)

Vi dụ: Fe có

2 2

Trang 39

b Lệch xoắn:

 Cắt tinh thể lý tưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai

mép ngoài ngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên

đường BC

 Lúc này mạng tinh thể không phải gồm nhiều mặt song song với nhau nữa mà là một mặt xoắn quanh trục AD

 Lệch xoắn giúp cho mầm phát triển nhanh khi kết tinh trong

quá trình nhiệt luyện

03/03/2016 2:37 CH

Trang 40

I.4.3 Sai lệch mặt:

- Là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và nhỏ theo chiều thứ ba, tức có dạng của một mặt (mặt ở đây có thể

là phẳng, cong hay uốn lượn) Điển hình của sai lệch mặt là:

+ Biên giới hạt (có sự sắp xếp các ng tử không trật tự)

- Bgh có năng lượng tự do cao hơn bên trong nên dễ tạo mầm khi chuyển biến pha, là nơi dễ bị ăn mòn

- Bgh có cấu tạo không trật tự là nơi dễ chứa nguyên tử lạ và

dễ khuếch tán

- Bgh không có mặt tinh thể xác định nên cản trở mạnh quá trình biến dạng dẻo

Trang 41

I.5.1 Đơn tinh thể

- Vật rắn đơn tinh thể là có thông số mạng thống nhất và phương không thay đổi trong toàn bộ thể tích

- Nếu cắt đơn tinh thể bằng một mặt cắt bất kỳ,thì trên mặt cắt này các phương mạng song song cách đều nhau(Hvẽ)

- Tính chất điển hình của đơn tinh thể là tính dị hướng (tính chất thay đổi theo các hướng khác nhau) do theo các

phương khác nhau có mật độ nguyên tử khác nhau

I.5 Đơn tinh thể và đa tinh thể

Trang 42

I.5.2 Đa tinh thể: là cấu trúc thực tế của kim loại Gồm

nhiều đơn tinh thể được liên kết bền vững với nhau Một đơn tinh thể là một hạt, đa tinh thể là đa hạt

- Đặc điểm:

+ phương mạng trong từng đơn

tinh thể thì song song nhau, nhưng

giữa các đơn tinh thể thì lệch nhau

Một góc (α)

+ các hạt trong đa tinh thể có phương mạng sắp xếp bât

kỳ nên đa tinh thể có tính đẳng hướng( các tính chất của chúng theo mọi phương đều giống nhau)

+ vùng biên giới hạt các nguyên tử sắp xếp không có trật tự

I.5 Đơn tinh thể và đa tinh thể

Trang 43

+ Độ cứng : được xác định bằng các loại độ cứng Brinen (HB), Rockwell (HRA,HRB,HRC) và Vicker (HV)

03/03/2016 2:37 CH

IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH CỦA KIM LOẠI

Trang 44

Trang 45

4.2 LÝ TÍNH

- Các tính chất điện, từ là các tính chất không loại vật liệu gì thay thế kim loại, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện như: làm dây dẫn điện ,nam châm , vật liệu dẫn nhiệt Ngoài ra còn các lý tính khác của kim loại: tính chịu nhiệt độ cao, tính giãn nở vì nhiệt

03/03/2016 2:37 CH

Trang 46

4.3 HÓA TÍNH

- Các kim loại thường tác dụng mạnh với các nguyên

tố á kim (như oxy, clo ) và bị phá hủy trong không khí ẩm ( bị gỉ, ăn mòn kim loại ) do dó không ổn định về mặt hóa học

- Một số kim loại và hợp kim đặc biệt có tính ổn định

rất cao trong khí quyển, trong axit, bazo và dung dịch muối, là các vật liệu quý trong các máy móc hóa chất

Trang 47

4.4 TÍNH CÔNG NGHỆ

- Là khả năng chịu các dạng gia công khác nhau : đúc ,rèn, dập, cán, gia công cắt gọt, hàn, nhiệt luyện Một kim loại không thể đồng thời có tất cả các tính công nghệ đều tốt

Ví dụ : nếu đúc tốt thì dập sẽ kém Kim loại dù rất quý nhưng nếu tinh công nghệ xấu thì không thể sử dụng trong lĩnh vực cơ khí

03/03/2016 2:37 CH

IV CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ TÍNH

END

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	6,27 MB